DE1539340A1

DE1539340A1 - Thermoelektrische Kaskade

Info

Publication number: DE1539340A1
Application number: DE19671539340
Authority: DE
Inventors: Pejchar Dipl-Ing Jan; Zdenek Poslt
Original assignee: Tesla AS
Current assignee: Tesla AS
Priority date: 1966-08-02
Filing date: 1967-07-14
Publication date: 1970-09-24
Also published as: NL6709712A; GB1151947A

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

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

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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.

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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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BAD ORIGINAL

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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.

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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 kann_e 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

Patentansprüche :

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,

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,

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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