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Thermoelektrische Kühlanordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine
thermoelektrische Kühlanordnung, bei der zwischen dem wärmeleitenden Körper der
warmen Verbindungsstellen der Thermoelemente und dem wärmeleitenden Körper des zugehörigen
Wärmeaustauschers oder/und zwischen dem wärmeleitenden Körper der kalten Verbindungsstellen
der Thermoelemente und dem zugehörigen Wärmeaustauscher oder/und bei Kaskadenschaltung
der Thermoelemente zwischen dem wärmeleitenden Körper der warmen Verbindungsstellen
der einen Stufe und dem der kalten Verbindungsstellen der anderen Stufe je ein die
Wärmeleitung unterbrechender Zwischenraum vorgesehen ist, der zur Schließung des
Wärmeübertragungskreises mit einem hierfür vorgesehenen gut wärmeleitenden Mittel
ausfüllbar ist.
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Die Thermoelemente, wie sie zum Wärmetransport unter Ausnutzung des
Peltier-Effekts oder zur Elektrizitätserzeugung unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts
benutzt werden, bestehen aus einem oder mehreren Schenkeln, die mit Wärmeleitkörpern
Kontaktstellen bilden, an denen die Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe erfolgt. über
die Wärmeleitkörper ist der thermische Kontakt zwischen den Kontaktstellen und den
Wärmeaustauschern hergestellt. Da die Aufrechterhaltung einer möglichst hohen Temperaturdifferenz
das Ziel bei der Ausnutzung des Peltier-Effekts und die Voraussetzung bei der Ausnutzung
des Seebeck-Effekts ist, wird man bestrebt sein, die auf unterschiedlicher Temperatur
befindlichen Kontaktstellen bzw. Wärmeaustauscher möglichst gut gegeneinander thermisch
zu isolieren. Mit Ausnahme der zur Temperaturmessung verwendeten Thermoelemente
ist man aber andererseits auch bestrebt, den elektrischen Innenwiderstand und auch
den thermischen Widerstand zwischen den Wärmeaustauschern und der zugehörigen Kontaktstelle
möglichst klein zu halten.
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Gleiche überlegungen gelten auch für die bekannten thermoelektrischen
Kaskaden, die z. B. bei der Peltier-Kühlung zur Erzielung größerer Temperaturdifferenzen
Anwendung finden. Da die Wärmeleitkörper zwischen den einzelnen Stufen der Kaskade
schon an sich mit einem möglichst geringen Wärmewiderstand ausgelegt werden, da
man weiterhin aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Betriebssicherheit die
Anzahl der Stufen möglichst klein hält, und da man endlich zwecks Erzielung großer
Wärmetransportleistungen die einzelnen Stufen der Kaskade aus einer Mehrzahl thermisch
parallelgeschalteter Thermoelemente, mithin also aus einer Mehrzahl parallelliegender
thermischer Widerstände aufbaut, stellt eine solche Kaskade, wenn der Betriebsstrom
einmal abgeschaltet ist, eine große Wärmebrücke dar, über die sich das vorher aufgebaute
Temperaturgefälle leicht und schnell ausgleichen kann. Dem könnte man nur dadurch
begegnen, daß man nach Erreichen der gewünschten Temperaturdifferenz mindestens
einen solchen Betriebsstrom aufrechterhält, der den Wärmerückfluß und die entstehende
Joulesche Wärmegerade kompensiert. Das stellt aber eine Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit
der Peltier-Kühlung dar.
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Es ist bereits bekannt, die thermoelektrische Kaskade aufzuteilen,
z. B. den Wärmeaustauscher zwischen den Stufen, der meist aus einem Stück besteht,
zu trennen und dessen Teile zwecks leichterer Auswechselbarkeit mit Schraub- oder
Preßverbindungen miteinander zu vereinigen. Dabei wird die entstehende Fuge mit
einer thermisch gut leitenden Substanz gefüllt, um den Wärmeübergang zu erleichtern.
Bei diesen Ausführungsformen bleibt aber die bei der Montage einmal hergestellte
Verbindung zwischen dem Wärmeleitkörper und dem Wärmeaustauscher bestehen, bis Reparatur
oder Umbau eine Lösung dieser Verbindung erforderlich machen. Damit bleibt auch
in Betriebspausen die schädliche Wärmebrücke bestehen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei einer Kühlanordnung mit Thermoelementen
oder thermoelektrischen Kaskaden, bei denen der Wärmetransport von den Kontaktstellen
zu den Wärmeaustauschern bzw. von den warmen Kontaktstellen der einen Stufe einer
Kaskade zu den kalten Kontaktstellen der anderen Stufe über einen Wärmeleitkörper
erfolgt, diesen in zwei räumlich voneinander getrennt montierte Teile zu unterteilen
und in den zwischen diesen Teilen befindlichen Raum bei Einschalten des Betriebsstromes
zwecks Herstellung des thermischen Kontakts zwischen diesen Teilen eine gut wärmeleitende
Flüssigkeit
einzuleiten und die Wärmeabfuhr aus der Umgebung der kalten Lötstelle bei Unterbrechung
des Betriebsstromes durch Entfernen dieser Flüssigkeit zu unterbrechen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, .eine thermoelektrische
Kühlanordnung anzugeben, bei der der Wärmestrom einfach -und leicht handhabbar unterbrochen
werden kann. , Diese Aufgäbe wird.. bei einer Anordnung der eingangs genannten Art
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das in den Zwischenraum einbringbare Mittel
ein fester Körper ist, der so ausgebildet ist, daß er mit den zugeordneten Wärmeleitkörpern
über größere Flächen in festen direkten- Wärmekontakt gebracht werden kann und dadurch
diese Wärmeleitkörper lösbar=wärmeschlüssig verbindet. -Der feste Körper dient also
beim Gegenstand der Erfindung dazu, den thermischen- Kontakt- zwischen den Teilen
des Wärmeleitkörpers zu öffnen oder zu schließen. Er wirkt als thermischer Schalter.
Damit ist ein wesentlicher Nachteil, der der Verwendung von Thermoelementen oder
Kaskaden im nichtkontinuierlichen Betrieb entgegenstand, behoben. Zum Beispiel steht
in einem Peltier-Kühlschrank der eindringenden Wärme nicht mehr die stromlose thermoelektrische
Anordnung als gut leitende Wärmebrücke zur Verfügung.
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Zur Erzielung eines möglichst guten Wärmeüberganges zwischen den Teilen
des Wärmeleitkörpers und des festen Körpers empfiehlt es sich, den aufeinanderliegenden
Flächen dieser drei Körper eine besondere Form zu geben. So kann man z. B. die Flächen
an den Teilen des Wärmeleitkörpers so ausbilden, daß sie Teile der Mantelfläche
eines Hohlkonus bilden und dann den festen Körper als in diesen Hohlkonus. passenden
Konus auszubilden, Man kann aber auch die Flächen der breiten Teile des Wärmeleitkörpers
so ausbilden, daß sie die Flanken einer Keilnut darstellen, in die der feste Körper
als Keil hineinpaßt.
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Das Einsetzen oder Herausnehmen des festen Körpers kann erfindungsgemäß
auf zwei Arten geschehen, entweder mechanisch, wobei die Bewegung an die Betätigung
des Betriebsstromschalters gekoppelt ist; oder mit Hilfe eines durch den Betriebsstrom
oder dessen Stromquelle gesondert gespeisten Elektromagneten..
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Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
für die Kühlanordnung nach der Erfindung.
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In F i g. 1 ist eine zweistufige thermoelektrische Kaskade dargestellt,
deren beide Stufen jeweils aus mehreren Thermoelementen bestehen, die senkrecht
zur Papierebene angeordnet sind. Mit 1 sind die Thermoelemente der ersten und mit
2 die der zweiten Stufe bezeichnet. Sie stehen mit den Wärmeaustau schem 3 und 4
und miteinander über den in die Teile 5 und 6 geteilten Wärmeleitkörper in gut wärmeleitendem
Kontakt. Der zwischen den Teilen 5 und 6 vorhandene Raum ist begrenzt durch die
Flächen 7 und 8, die z. B. die Flanken einer Keilnut mit dem Winkel a bilden. Gemäß
der Erfindung wird der thermische Kontakt zwischen den Teilen 5 und 6 durch Einfügen
eines festen Körpers 9, z. B. aus Metall, hergestellt. Dieser besteht aus einem
gut wärmeleitenden Material und hat die Form eines Keiles mit dem gleichen Winkel,
den die Keilnut zwischen den Flächen 7 und 8 aufweist. Durch Einfügen des Keiles
9 in diese Keilnut kariil der therinsche Kontakt zwischen den beiden Stufen der
Kaskade hergestellt werden.
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In F i g. 2 ist eine einfache mechanische Anordnung zum Öffnen und
Schließen des thermischen Kontakts dargestellt: Der feste Körper 9- ist über die
mit ihm fest verbundene Platte 12 durch die Feder 13 gegen die feste Unterlage 14
abgestützt. Auf der Welle 10, die mit dem Betriebsstromschalter gekoppelt ist, sitzt
ein mit dieser Welle drehbarer Nocken 11, der beim Einschalten des Betriebsstromes
die Platte 12 und den festen Körper 9 in dessen Lage zwischen den Teilen 5 und 6
des Wärmeleitkörpers drückt und -so den thermischen Kontakt zwischen den Teilen
5 und 6 des Wärmeleitkörpers herstellt.
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In F i g. 3 ist eine ähnliche Vorrichtung dargestellt, die den Vorteil
hat; daß sie nicht nur beim Abschalten, sondern auch bei anderweitiger unbeabsichtigter
Unterbrechung des Betriebsstromes den thermischen Kontakt zwischen den Teilen 5
und 6 des Wärmeleitkörpers öffnet. Die Platte 12 und der feste Körper 9 werden hier
mit Hilfe eines Elektromagneten 15 bewegt, der die Platte 12 gegen die Feder 13
anzieht und somit die Schließung des thermischen Kontakts bewirkt. Der Elektromagnet
15 kann von dem Betriebsstrom der Thermoelemente direkt durchflossen werden oder
auf andere Art über den Betriebsstromschalter mit einer Gleichstromquelle verbunden
sein. Wird der Betriebsstrom abgeschaltet oder fällt er aus anderen Gründen aus,
so entspannt sich die Feder 13, und der thermische Kontakt zwischen den Teilen 5
und 6 des Wärmeleitkörpers wird unterbrochen.