DE1539340A1 - Thermoelektrische Kaskade - Google Patents
Thermoelektrische KaskadeInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
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- H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
- H10N19/101—Multiple thermocouples connected in a cascade arrangement
Landscapes
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- Control Of Temperature (AREA)
Description
Patentanwalt
Dipl. Phys. Dr.Walther Junfus 27. Mai 1970
Hannover, Abbe*. 20 *
• Dr.J/Hä.
Aktenzeichen: P 15 39 340.5-14 Anmelder : Tesla
Mein Zeichen: 1342
Mein Zeichen: 1342
Abs ehr i f t
Thermoelektrische Kaskade
Me Erfindung "betrifft ein thermoelektrisches System
oder Kaskade mit mindestens zwei Stufen, die thermisch
in Reihe geschaltet-sind, den Peltier Effekt anwenden
und aus einer Quelle gespeist werden.
Der Kühleffekt eines Thermoelementes oder einer Batterie
hängt in erster Linie von dem Material ab, welches für die Herstellung des Elementschenkels angewendet wird,
von denen je zwei- ein Thermoelement bilden. Größere
Temperaturunterschiede oder niedrigere Temperaturen
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des gekühlten Gegenstandes können mittels thermoelektrischer
Kaskaden erzielt werden, deren einzelnen Stufen, die mehrere Thermoelemente oder Batterien
enthalten, thermisch in Reihe geschaltet sind, so daß der sogenannte kalte Teil der Kaskade Wärme aus dem
gekühlten Gegenstand oder Raum und der sogenannte heiße Teil der Kaskade diese Wärme gemeinsam mit der entwickelten Joule'sehen Wärme des kalten Teils der
Kaskade wegleitet. Zum Beispiel in einer zweistufigen
Kaskade werden diese beiden Arten der Wärme gemeinsam
mit der Joule'sehen Wärme des heißen Teils der Kaskade
durch einen Wärmeaustauscher in die umgebende Atmosphäre oder in ein anderes Kühlmedium abgeleitet.
Mit den zur Verfügung stehenden Materialien und Technologien ist es möglich, einen Temperaturunterschied
von 50° bis 70° zwischen dem heißen und kalten Teil eines Thermoelementes oder Batterie zu erzielen. Bei
bekannten thermoelektrischen Kaskaden liegt der Wert
des Verhältnisses zwischen der Kühlleistung des heißen und kalten Teils der Kaskade zwischen 2 und 5. Ist der
Wert dieses Verhältnisses kleiner als Z1 ist der Gewinn
sehr klein im Vergleich mit dem Fall, in dem ein einziges Thermoelement oder eine einzige Batterie angewendet wird.
Ist das Verhältnis größer als 5, ist die erzielte Verbesserung
nicht zum Materialverbrauch proportional. Bekannte thermoelektrische Kaskaden sind derart konstruiert,
daß sie den höchsten leistungsanforderungen
entsprechen. Diese Bedingung kann dann erfüllt werden, falls der Wirkungsgrad der einzelnen Stufen der gleiche
■ - 3 -
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ist. Eine Kaskade, die derart konstruiert ist, daß sie
die oben erwähnten Anforderungen erfüllt, ermöglicht
aber nicht die Erzielung des höchsten Temperaturunterschiedes zwischen dem heißen und dem kalten Teil der
Kaskade, was aber der wichtigste Grund der Anwendung einer solchen Kaskade ist.
Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der erwähnten
Nachteile und Schwierigkeiten und eine Verbesserung der Eigenschaften einer thermoelektrischen Kaskade.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin,
daß der kalte und heiße Teil der Kaskade, deren Stufen
thermisch in Reihe geschaltet sind, derart konstruiert ist, daß die relative Intensität des zugeführten
Stromes im kalten Teil der Kaskade niedriger ist als im heißen.
Dieses Grundmerkmal der Erfindung kann durch eine
elektrische Reihenschaltung oder Parallelschaltung der Kaskadenstufen erzielt werden.
Sind die einzelnen Kaskadenstufen elektrisch in Reihe
geschaltet, ist das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche eines Elementschenkels und der Länge dieses
Schenkels im kalten Teil der Kaskade 1,25 bis 4mal
größer als das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche und der Länge des Schenkels im heißen Teil.
98.39/02.11 " 4 ."
BADORIGiISiAL
Sind die einzelnen Kaskadenstufen elektrisch parallel
geschaltet, ist die Anzahl der !Thermoelement« im kalten
Teil der Kaskade das Ein- bis fünffache der Anzahl
der Thermoelemente im heißen Teil.
Hit der thermoelektrisch«! Kaskade gemäß der Erfindung
kann zwischen der kalten und heißen Seite ein Temperaturunterschied erzielt werden, der mindesten»
höher ist als in bisher bekannten Kaskaden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das verwendete thermoelektrische Material besser
ausgenutzt wird, wodurch die Herstellungskosten vermindert werden.
Die durch die Erfindung erzielte Verbesserung der thermoelektrisehen Eigenschaften, insbesondere die
Erzielung eines höheren Temperaturunterschiedes zwischen der heißen Seite und der kalten Seite der Kaskade
wird dadurch verursacht, daß die relative Intensität des Speisestrome im kalten Teil der Kaskade herabgesetzt
wird. Dadurch wird der Einfluß der Joule'sehe Wärme
im kalten Seil der Kaskade, die zum Quadrat der Intensität
dee Speisestroms proportional ist und vom heißen Teil der Kaskade abgesaugt wird, unterdrückt. Der Wert
der Peltier'sehen Wärme, welche die eigentliche Ursache
der Wärmeabfuhr gegen die natürliche Strömungsrichtung
der Wärme ist9 wirä auf ein ifesentlich kleineres
Maß herabgesetzt} sie ist aur ersten Potenz der
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15393AO
Intensität des Speisestroms im kalten Kaskadenteil proportional. Die relative Intensität des Speisestroms
im kalten Kaskadenteil wird durch eine geeignete Kaskadenkonstruktion herabgesetzt, welche den
oben erwähnten Bedingungen für eine elektrische Reihen- oder Parallelschaltung der einzelnen Zweige
entspricht.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der beiliegenden Zeichnung, die Ausführungsbeispiele darstellt, näher
erklärt werden.
. 1 zeigt einen Element schenkel, welcher paarweise
ein Thermoelement bildet.
Pig. 2 zeigt eine Kaskade mit elektrischer Reihenschaltung
der Stufen.
Fig. 3 zeigt eine Kaskade mit Parallelschaltung der Stufen.
In Pig..1 bezeichnet s die Querschnittfläche eines Schenkels und 1 seine Länge.
In Pig. 2 und 3 bezeichnet I eine elektrisch isolierende
aber thermisch leitende Schicht, 0 die kalte" Seite
der thermoelektrischen Kaskade und Ϊ deren heiße Seite.
- 6 -009839/0211
In Pig. 2 sind zwei Kaskadenarme thermisch und auch,
elektrisch in Reihe geschaltet und durch die Isolierschicht I elektrisch voneinander isoliert. Diese Isolierschicht
kann aus einem an sich "bekannten elektrisch isolierenden und "thermisch leitenden Material hergestellt werden. Hierfür geeignet sind z.B. Glimmer» Aluminiumoxyd,
Berylliumoxyd, Polyäethylen, Epoxid usw.
In diesem Falle ist das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche
s und der Länge 1 jedes Elementschenkeis im kalten Kaskadenteil C wie oben erwähnt 1,25 his 4mal
höher als im heißen Seil·
In Pig. 3 sind die "beiden Stufen parallel geschaltet und
wie im Palle gemäß Pig. 2 durch die Schicht I elektrisch
voneinander isoliert. In diesem Palle ist die Anzahl im
kalten Kaskadenteil mindestens der Anzahl im heißen Seil gleich und kann bis 5mal höher sein.
Erfindungsgemäße thermoelektrische Kaskaden eignen sich überall dort, wo eine größere Temperaturabsenkung erforderlich
ist, als mit einer einsigen thermoelektrischen
Kühlstufe erzielt werden kanne Dies trifft insbesondere
in der Kommunikationstechnik zu«, Der Rauschpegel von Verstärkern mit Halbleiterelementsn im Eingang
oder in parametrischen Verstärkern kann herabgesetzt
werden. Die erfindungsgemäße Kaskade eignet sich auch
zum Kühlen von Detektoren infraroter Strahlung, wo das
Eigenrauschen herabgesetzt und die Empfindlichkeit gesteigert werden kann.
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Claims (1)
1. ÜJhermoelektrisehes System oder Kaskade mit mindestens
zwei Stufen, die thermisch in Reihe geschaltet sind, den Peltier Effekt anwenden und aus einer
Quell® gespeist werden,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der kalte und heiße feil der Kaskade derart
konstruiert sind, daß die relative Intensität des Speisestroms im kalten !Teil der Kaskade kleiner als
im heißen Seil ist.
2· Thermoelektrische Kaskade nach Anspruch 1, in welcher die Stufen auch elektrisch in Reihe geschaltet
sind,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis zwischen der Querschnittfläche (s) und der Länge des Schenkels (1) eines Thermoelementes
im kalten Seil der Kaskade 1,25 bis 4mal höher ist als im heißen Seil.
!Thermoelektrische Kaskade nach Anspruch 1, in welcher die Stufen elektrisch parallel geschaltet
sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anzahl der Thermoelemente im kalten Teil der
Kaskade das Sin- bis Pünffaehe der Anzahl im heißen Teil ist.
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