DE1870449U - Thermoumformer-batterie. - Google Patents

Description

Die Neuerung betrifft eine Thermoumformer-Batterie mit mehreren in Kaskaden zu-einander angeordneten Thermoelementen, die insbesondere für die Kälteerzeugung geeignet ist. Derartige Batterien machen sich bekanntlich die physikalische Erscheinung des sogenannten Peltier-Effekts zu nutze, wonach an der Verbindungsstelle zweier aus verschiedenem Material . bestehenden elektrischen Leiter, sofern durch diese Verbin-' dungssteile ein elektrischer Strom geschickt wird, ausser der Joulesehen Wärme je nach Stromrichtung eine zusätzliche Erwärmung oder eine Abkühlung auftritt. Liegen beide derartigen Prop 2770 -2-

..leiter- in .einem'geschlossene» Stromkreis, so erwärmt sieh bei Stromdurehfluss die eine Verbindungsstelle, während sich die andere abkühlt» DerHeuerung, liegt nin die Aufgabe zu-■■*■ gründe, bei solchen fhermonmformer-Battetien deren Verluste zu mindern, den Wirkungsgrad zu verbessern und ihren Raumbedarf herabzusetzen·

Is sind; bereits zahlreiche Anwendungen des thermoelektrisehen und vor allem des Peltier-lffekts auf dem Sebiet der Kühlung bekannt» Um einen ausreichenden Peltier-Effekt zu erzielen, werden daher eine gewünschte Anzahl entsprechender Thermoelemente hintereinander elektrisch in Reihe geschaltet. Solehe Kaskadenanordnungen von fhermoelementen werden Ihermoumformer, ^thermoelektrische Zellen oder Batterien oder ganz einfach Peltier-Batterien genannt*

Bekanntlich verwendet man in der Kühltechnik die Thermoelemente P-I, die batteriefö'rmig aufgebaut sind und im Betrieb in Reihe von einem elektrischen Strom durchflossen werdejos Bei Sen bisher üblichen, aus P-Slementen und IT-Elementen zusammengesetzten Batterien besitzen diese Elemente eine Stab- oder sonstige geeignete Form. Diese einzelnen Leiter eines Thermopaares nennt man bekanntlich auch fhermoschenkel.

Bei einer solchen,aus P- und N-ShermoSchenkeln zusammengesetzten Batterie unterliegt unter der Wirkung des elektrischen Stroms die Yerbindungssteiie jefes Ihermoschenkelpaares je nach der Richtung dieses Stromes einer Erwärmung oder Ab-. kühlung. Die heissen und kaltenVerbindungsstücke werden in allgemeiner Weise an den beiden einander gegenüberliegenden

Seiten der Batterie angeordnet, DIe zu erzielende Semperaturdifferenz ist durch die Daten des die Elemente 1? und 1 bildenden Materials bestimmt. ν ^:

Ss ist ebenso "bekannt, zur Erhöhung dieser mittels P- und H-Thermoschenkel einer/Batterie erhaltenen lemperaturdifferenz zwei oder mehrere so aufgebaute Batterien zu verwenden, die zueinander in Kaskade angeordnet sind* In dem beispielsweise gewählten Fall von zwei Kaskadenförmig angeordneten Batterien stehen die auf einer Seite der ersten Batterie vorgesehenen heissen Yerbindungsstücke mit den ihnen zugewandten kalten Verbindungsstücken der anderen Batterie unmittelbar oder über ein Zwischenstück- aus festem oder flüssigem Stoff in elektrischer Isolierung jedoch "bei ausreichender Wärmeleitfähigkeit in Wärmekontakt* Die Temperatur differ enz zwischen den kalten Terbindungsstücken der ersten Batterie und den heissen Yerbindungsstüekeh der zweiten Batterie ist somit gesteigert* -Biese Semperaturdifferenz kann noch weiter angehoben werden, indem man weitere, in Kaskade mit mehreren Stufen"angeordnete Batterien hinzufügt und auf gleiche Weise thermisch zusammensetzt. Eine solche Anordnung von zwei oder mehreren Batterien wird nachfolgend als Kaskade bezeichnet*

fheoretisehe Überlegungen haben erwiesen, dass die heisseste Batterie einer solchen Kaskadenanordnung die leistungsfähigste sein muss, da von ihr eine Wärmemenge abzugeben ist, die gleich der Summe der Wärmemengen ist, die in den Yer-

■■feindungstiieken-"-und im Innern der Batterien der unteren_ Stufen entwickelt werden. In diesem"-"3PaIl und unter der Annahme, dass sämtliche Thermosehehkel den gleichen Querschnitt fee sitzen,· muss man in der heissestenBatterie eine umso grössere Anzahl Thermoelemente vorsehen, je grosser der Quotient der !leistung ι: dieser heissesten Batterie zu derjenigen der kältesten Batterie!, ist.

Bei, den mit: in Kaskade angeordneten Thermoelementen ausgerüsteten, fur die Kälteerzeugung verwendeten Batterien kann die zu erzielende Temperaturdifferenz in der G-rö'ssenordnung von 2.5⁰O liegen, lies führt also dazu, Batterien mit einer grossen Anzahl von Thermosohenkeln zu verwenden, wodurch der Preis und Raumbedarf solcher Batterien erhefelieh gesteigert w±£d* Da ausserdem die Zwischenräume zwischen den thermisch zusammenar"beitenden Yerfeindüngsstücken, d*h* zwischen den in der Kaskade einander benachbarten Terfeindungsstücken sehr zahlreich sind, erfolgt der Wärmeaustausch unter feeträcTitliehen

:■■"■-.' '". ■"- .-■ der .-■-"■■ .-.-_ '. "": / ■"."'.-."■ Verlusten und ist daher/erhaltene öesamtwirkungsgrad äusserst gering. - ■:■'."

Alle diese !achteile feisher feekannter derartiger Batterien werden nun feei der hier vorgeschlagenen Thermoumformer-Batterie mit mehreren in Kaskade zueinander angeordneten Thermoelementen, von denen einige längere Thermoschenkel als die anderen feesitzen,

dadurch feeseitigt, dass gemäss dem·hier gemachten Torsehlag an zwischen den äusseren kalteh^und heissen Terfeindungsstücken der Thermoelemente gelegenen Stellen in einer oder mehreren Zwischenstufen auf Zirisehentemperatur liegende, kurze Thermoä schenkel an ihren freien Enden üfeerferüekende Verfeindungstüeke ". ;-:--_ ; ..■-.' ./:: ^:;: ^; ■■■.--V^: ., - /«-5-. f. _

vorgesehen sind, die mit einem die Thermoelemente mit langen Thermoschenkeln vorzugsweise in deren Mitten verbindenden guten Wärmeleiter in gutem Wärmekontakt stehen* Hierbei ist die Zwischentemperatur der genannten betreffenden Verbindungsstücke gleich dem arithmetischen ILt t el der an den beiderseitigen äusseren Verbindungsstücken herrschenden Temperaturen. '

Eine solche Thermoumformer-Batterie besitzt gegenüber den bislang üblichen iCaskadenanordnungen einen wesentlichen besseren öesamtwirkungsgrad. Ausserdem können die Anzahl -von ThermoschenkeIn und demzufolge der Preis und der Haumbedarf einer solchen fhermoumformer-Batterie beträchtlich vermindert werden. Ferner ist der Wärme aus tauseh: zwischen den Batterien weitaus günstiger, und zwar aufgrund des teilweisen oder sogar vollständigen Tersehwindens von zwischen den thermisch zusammenwirkenden Terbindungsstellen sonst vorgesehenen Zwischenräumen* die für den Wärmeaustausch zwischen diesen Verbindungsstücken äusserst störend sind.

ITaeh einem weiteren „Merkmal der leuerung können die Thermoelemente mit kurzen Thermoschenkein in Zickzackform zwischen den lange Thermoschenkel besitzenden Thermoelementen oder um diese herum angebrdnej3__j3sin, um den Platzbedarf des G-esamtaufbaus noch weiter zu minderii>-lerner können die Thermoschenkel im gleichen Stromkreis elektrisch in Reihe geschaltet sein oder von verschiedenen Strömen durchlaufen \Terden« Ferner können die langen und kurzen Thermoschenkel den gleichen

■-■β.

■Querschnitt besitzen oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen, lach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung "besitzen bei den Thermoelementen mit langen (Ehermo schenke In letztere in ihrem der kalten Batterie zugehörigen ieil einen geringeren Querschnitt als in ihrem der heissen Batterie zugewiesenen Bereich, wobei der die Zwischenverbindung gebende Wärmeleiter gleichzeitig ein heisses Verbindungsstück der Unteren Stufe- und kaltes Verbindungsstück der oberen Stufe bildet. Hierbei werden sämtliche für den Wärmeaustausch von einer zur anderen St-u.'fe der Kaskade oder in einem Zwischenstück störende Abstände zwischen den Verbindungsstücken vermieden. Das bevorzugte Verhältnis zwischen den unterschiedliehen Querschnitten der Iheriaoschenkel soll so eingerichtet werden, dass die Stromdichten in den verschiedenen Bereichen der 5hermosehenkel in Sleiehgewicht stehen. -

In der Zeichnung sind Thermoumformer-Batterien der mit der Heuerung vorgeschlagenen Art in mehreren beispielsweise gewählten Ausführungsformen rein schematisch veranschaulicht.

g* 1 stellt schematiseh eine übliche Shermoumformer-

^: dar ..."

Batterie/v ,fig. 2 zeigt eine ebenfalls bekannte Kaskadenanordnung von-zwei Bakterien gemäss fig. 1»

!"ig. 3 demgegenüber bringt schematiseh eine Kaskaden- . anordnung von zwei Batterien gemäss der Erfindung* fig. 4 stellt sehematisch in Draufsicht eine raumspa,rende Anordnung

"■■■■; ■-."■' "■'".-■- ,. " dar. ■ " . einer Kaskade entsprechend der der fig. 3/ fig» 5 lässt eine

Kaskadenanordnung mit drei Stuf en-erkennen. Hg. 6 sehliess-Iieh veranschaulicht eine weitere Ausführungßformder hier vorgeschlagenen fherinoumformer-Batterie, "bei der die Abstände zwischen den thermiseh zusammenwirkenden Ter"bindungsstücken "beseitigt sind.

Bei einer in Fig. 1 dargestellten üblichen Batterie mit !Thermo schenke In der "beiden Iy-pe"n P und 1 sind letztere abwechselnd parallel zueinander in zinnenartiger Form angeordnet, wobei Jedes Paar verschiedener benachbarter 2hermoschenkel elektrisch in Reihensehaltung durch elektrisch gut leitende Verbindungsstücke 1 und. 2 miteinander verbunden sind* Iiässt man durch eine so aufgebaute Peltier-Batterie einen elektrischen Strom flies sen-, so kühlen beispielsweise die Verbindungsstücke T ab, während die'Verbindungsstücke 2 sieh erwärmen* Die femperaturdifferenz zwischen den Yerbindungstüeken 1 und 2 hängt selbstverständlich von der Art des die Thermoschenkel P und Έ bildenden Materials ab*

Biese Jemperaturdifferenz lässt sieh bekanntlich dadurch steigern, dass man zwei oder mehrere Batterien der^t derjenigen der !ig. 1 in Kaskade zueinander anordnet. Eine solche an sieh bekannte Kaskadenanordnung ist inFig.. 2 dargestellt.

Bei ihr ist eine sogenannte kalte Baiterie/mit ihren kalten Yerbindungs stücken 5 und hei ssen Verbindung s stücken 4 und eine sogenannte heisse Batterie G mit ihren kalten Terbindungsstüeken 5 und heissen Terbindungsstücken 6 vorgesehen. Die heissen Verbindungsstücke 4 der kalten Batterie F sind gegenüber den kalten Verbindungsstücken 5 der heissen Batterie G

'■■■■■'■ - ^: .'= ■■■■-■■ "■-.■ . , -8-

in deren Häiie angeordnet* Hieraus ergibt sich ein Wärmeaustausch zwischen den heissen Yerbihdungsstücken 4 und den kalten Verbindungsstücken 5 über jden sie trennenden Zwischenraum, wobei dieserWärmeaustausch noch.dureh ein zwischen die beiden Batterien eingeführtes, gut wärmeleitendes Fluidum begünstigt werden kann. Es lässt sieh somit die Temperaturdifferenz zwischen den ausseren Verbindungsstücken 3 und $ steigern» : .^: ■ , .".-."

Selbst-verständlich muss die heisseste Batterie, also bei dem gewählten Ausführungsbeispiel/der Mg₄ 2 die mit den Terbindungsstüeken 5 und 6 leistungslähiger als die andere sein, weil sie eine Wärmemenge abzugeben hat, die gleieh der Summe derjenigen Wärmemengen,ist,,die von; denTerbindungsstücken 3 aufgenommen und in den beiden Batterien durch elektrische Energie erzeugt werden, lür einen solchen Wärmeaustausch bildet offensichtlich der zwischen den _;¥erbindungsstüeken4 und 5 jeweils vorhandene Zwischenraum: ein gewissesι Hindernis»

Die mit der Neuerung vorgeschlagene!Kaskadenartig aufge- ■-baute Peltier-Batterie lasst diesen Wärmeaustausch verbessern, so dass bei gleicher Leistung eine geringe^r^.nzahl von ihermoschenkeln notwendig ist und ein geringerer Ereis und Platzbedarf err eicht-.wird· Derartige, jedoch vereihf acht dargestellte, hier vorgeschlagene Kaskadenanordnungen lassen fig· 3 und 4 erkennen, : :

Bei der Kaskadenanordnung· de^-lig, 3 sind die beiden Batterien E und 0 nicht mehr voneinander getrennt. Sie bilden vielmehr eine zusammengesetzte Gesamtheit, welche lange

Thermoschenkel 7 und kurze Thermoschenkel 8 besitzt« Die ferbindungsstücke 9 sind die kalten Verbindungsstücke j die Yerbindungsstücke 10 die heissen Verbindungsstücke. DieTer-. bindungsstücke 1Ί liegen auf einer Zwisehentemperatur, sind also lauwarm, !in Stück 12, das aus einem gut wärmeleitenden Material "besteht, gilt eine gute Wärmeyerbindung:zwischen den lauwarmen Yerbindungsstügken11 und den. Mitten 13 der langen fhermosehenkel 7. Bs lasst sich somit dieser Bereich der Ehermoschenkel auf einer {Cemperatur halten-, die in etwa dem arithmetischen Mittel der femperaturen dei lerbindungstüGke und TO entspricht. Der Wärmeleiter 12 kann aus einem festen Werkstoff odermeinem geeigneten Fluidum "bestehen·

¥ie iDereit s erwähnt, können die langen !Ehe rmo schenkel und die kurzen fhermöschenkeleinund denselben Querschnitt oder verschiedene Querschnitte- TDesitzen« Sie können miteinander elektrisch in Eeihe geschaltet sein, um τοη dem gleichen Strom durel£Losse.n zu werden; sie können aber auch von verschiedenen Strömen gespeist werden.

Die Kaskadenanordnung gemäss der !feuerung kann so getroffen werden, dass mehrere kurze Shermoschenkel {jeweils einem langen Shermoschenkel entipreeheEt. flg. 3 zeigt ein AusführungslDeispiel, "bei dem jeweils ^-zwei kurze Thermosehenkel P-3f für einen langen Ehermoschenkel P-¥ vorgesehen sind. Bei der in" Mg» 3 dargestellten Kaskadenanordnung arbeitet die zwischen 9 "tthd 13 gelegene, untere Hälfte der langen fherrnoschenkelΊ als kalte Batterie der öesamtbatterie und ■■-'.- ■■■"■■ - -■-"■: ■■': -'■ - ■- :■'; ^l , - - - -10-

"entspricht somit der- Batterie der ^ferbindungsstüeke 3 und 4 der Üg. 2; die zwischen 13 und 10 gelegene obere Hälfte der langen Thermosehenkel 7 und die kurzen Thermo schenkel 8 wirken als heisse Batterie der Kaskadenanordnung und entsprechen der Batterie der Verbindungsstücke 5 und 6 der Fig. 2, Die optimale Anzahl kurzer Thermos ehenkel muss, entsprechend der aus dem Bereich 13 der langen Thermo schenkel heraus/treibenden Wärmemenge bestimmt werden, Eine vorteilhafte Lösung besteht darin* lange und kurze Thermoschenkel des gleichen Querschnitts zu verwenden·

fig» 4 zeigt in sohematiseher Draufsicht eine Kaskadenanordnung, bei der zur Verminderung,; des Raumbedarfs die kurzen Thermosehenkel um die langen Thermoschenkel herum angeordnet sind. Die oberen ¥erbindungstücke sind in dieser Pig* in voll ausgezogenen Linienzügen dargestellt, während die unteren Verbindungsstücke striehpunk&iert gezeichnet sind* Fm bei dies er s ehemati s chen Dars tellung die langen von den kurz en ThermoschenkeIn zu unterscheiden, sind die erstehen mit"L" und die zweiten durch "0" als Indizes bezeichnet. Is sind demnach Thermoschenkel £_T, 'P*, Ή_Ύ und H«"vorhanden·

χι Ο Jj U

Die hier vorgeschlagene Kaskadenanordnung kann auch mehrere Stufen/bes#itzen. Ein Ausführungsbeispiel mit drei Stufen ist in fig. 5 veranschaulicht. Die langen Thermoschenkel sind hier dreimal bzw. zweimal länger als die kurzen Thermoschenkel. Die Thermoschenkel dreifacher Länge besitzen zwei Platten oder Zwisehenriüge odär Mihlscheiben 12¹ und 12", während die Thermoschenkel doppelter Länge, eine einzige Platte

oder Hing 12" aufweisen» Bei dieser Kaskadenanordnung bestent eine kleine Anzahl von ThermosehenkeIn dreifacher Länge, eine grossere Anzahl von !ThermoSchenkeln doppelter Länge und eine grosse Anzahl von kurzen Theriiiäschenkeln, die alle den gleichen Querschnitt besitzen.

Himmt man "beispielsweise und für den Fall einer Kaskade mit zwei Stufen (zwei Batterien) einmal an, daas die heisse Batterie dreimal leistungsfähiger als die kalte Batterie sein muss, und sämtliche Thermosehenkel den gleichen Quersehnitt be.aitzen, so müssten in der he is sen Batterie dreimal soviel ThermoschenkeΓ als in der kalten Batterie vorgesehen sein* Im Falle einer bekannten Anordnung entsprechend fig* 2 hätte man zwischen den in dem betrachteten Fall zahlreicheren Yerbindungsstücken 4 und 5 einen dem \firkungsgrad nachteiligen Temperaturabstand.

Im Falle einer hier vorgeschlagenen Kaskadenanordnung,

heissen wie sie die Fig. 3 und 4 darstellen, wurden bei einer/Batterie,

die dreimal leistungsfähiger als die kalte Batterie ist, nur zweimal mehr kurze !Thermoschenkel als lange Thermoschenkel vorhanden sein. Ein Drittel der aus der heissen Batterie abzugebendeh'-Wärme geht^j nämlich unmittelbar von der kalten Batterie zur heissen Batterie in dem Bereich 13 über, in dem also kein Intervall eines Temperaturabstands vorhanden ist. -„_ Die jDeid>.ejQ.yübrigen_ drittel der Wärme' ziehen von dem Bereich A3, ' 'zu. den Yerbindungsstü'cken TI" mit einem. Temperaturiintersehied von dergleichen (irössenordnung hin, den man bei einer Wo— liehen bekannten Kaskadenanordnung beobachten kann»

• Die hier vorgeschlagene EhermOumformer-Batterie verschafft also einen reinen Vorteil, da beity&em Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 4 ein Drittel der Wärmeenergie übertragen wird, ohne das Hindernis eines Zwischenraums zwischen den beiden Yerbindungsstücken in der auf Zwischentemperatur liegenden Höhe 12 überschreiten zu müssen·

Das gleiche trifft auch zu für Kaskadenanordnungen mit mehrfachen Stufen von Peltier-Batterien, die denjenigen der fig. 5 entsprechen· ·

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Ehermoumformer-Batterie ist sehematiseh in fig. 6 veranschaulicht» Bei dieser Aus führungs form besteht überhaupt; kein Zwischenraum mehr, der den; Wärmeübergang zu der Zwischenstufe hin störend beeinflusst* Es wurde gezeigt, dass diener Zwischenraum auf zwei Dritteln der Wärme in dem beispielsweise gewählten Fall dir lig. 3 auftritt. Im lalle der lig.. β besitzen die langen Ihermoschenkel 18 und 18' keinen gleichmassigen Querschnitt mehr. Sie besitzen vielmehr in ihrem der kalten Batterie zugehörigen Teil Sj, einen geringeren QuerschnLti als in ihrem der heissen Batterie zugewiesenen Bereich S«. Ausgehend von der Kitte eines langen iChermoschenkels 18 besteht hier ein abgeleiteter Kreis, der sieh aus einem kurzen Shermoschenkel 19 gewählten Querschnitts zusammensetzt, der vorzugsweise gleich Sq-S^ ist und von der Mitte eines weiteren langen ShermoschenkeIs 18^f ausgeht, .der mit dem Thermo-,schenkel 19 durch das kalte Yerbindungsstück 20 verbunden istj das vorzugsweise gewählte Yerhältnis zwischen den Quersehnit-

:,■ - . -■■■ -.ν-' ■..' ;■■ ■-'";■"■■■ ..■■' ".'■, -15-

ten wird so bestimmt, ναφ. die ötromdiehten in den verschiedenen Bereichen der Thermoschenkel im Gleichgewicht zu halten. Die in den Mitterbereichen 13 herauszuziehende Wärme wird über die kalten Terbindungsstücke 21 des kurzen Thermosehenkels 19 gepumpt. Diese Anordnung ist selbstverständlich leicht anwendbar auf mehr als zwei Stufen.

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Claims (3)

:;; RA. 099910*12.2.65 S ehutzans prüche

1. ihermoumf ormer-rBatterie mit mehreren in Kaskade zueinander angeordneten Thermoelementen,. Ton denen einige längere Ehermoschenkel als die anderen besitzen, dadurch gekennzeichnet» dass an zwischen den äusseren kalten und heissen Yerbindungsstücken (9»: 10) der Ehermoelemente (P-IT) gelegenen Stellen in einer oder mehreren Zwischenstufen auf Zwisehentemperatur liegend^ kurze Shermoschenkel (8) an ihren freien Inden überbrückende Terbindungsstücke (11) vorgesehen sind, die mit einem die !Thermoelemente mit langen thermoSchenkeln (7) vorzugsweise in deren litten (13) verbindenden guten Wärmeleiter (12) in gutem Wärmekontakt stehen.

,2» · Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die !Thermoelemente (Β-ΕΓ) mit kurzen Thermo schenke In (8) in Ziekzaekform zwischen den lange Shermoschenkel .(7) besitzenden fhermoelementen (P-I¹) oder um diese herum angeOrdnet sind·

3. Batterie nach Anspruch 1,oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Thermoelementen (P-H) mit langen Ehermosehenkeln (18, 18') letztere in ihrem der kalten .Batterie zugehörigen Seil (S™) einen geringeren Querschnitt als - in ihrem der heissen Batterie zugewiesenen Bereich (Sq) besitzen und der die Zwisehenverbindung gebende Wärmeleiter gleichzeitig einheisses Verbindungsstück der unteren Stufe und kaltes Yerbindungsstuck der oberen S^tufe bildet.