DE189155C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

E PATENTAMT

Die vorliegende Erfindung bezweckt die ' Schaffung eines sich zu rationellem Massenaufbau eignenden Thermoelementes von höchstem thermischen und elektrischen Nutzeffekt. Erreicht soll dieses Ziel werden durch gleichzeitige Erfüllung nachstehender prinzipieller Forderungen: Erzielungeines möglichst großen Temperaturgefälles zwischen den elektrisch wirksamen Kontaktstellen bei gegcbener Temperaturdifferenz des Heiz- und Kühlmittels, bei geringstem Wärmeverlust, geringstem Materialaufwand, geringstem elektrischen Eigenwiderstand des Elements und Übergangswiderstand an den Kontaktstellen, Vermeidung von Sekundärströmen an den letzteren, ferner Möglichkeit einer billigen Massenherstellung. Bei bisherigen Ausführungsformen war immer dem einen oder anderen Punkte vorwiegend Beachtung geschenkt bei Vernachlässigung der anderen, insbesondere war immer der Aufwand wirksamen Materials zu groß, so daß eine praktische Lebensfähigkeit der Batterie von vornherein ausgeschlossen war.

Als Grundformen für' die Elektroden bei vorliegender Erfindung sind die bereits bekannten beiden Typen der Band- und Drahtreihcnfonncn gewählt, welch beide zwecks intensiver Heizung· und Kühlung eine mög-

30. liehst große Oberfläche durch Ausbreitung bezw. Auflösung des Querschnitts bieten. Für die elektrisch wirksame Brückenverbindung der Bänder an deren langen Seiten bezw. der einander benachbarten Drahtreihen ist nun, was wesentlich und neu, im ersten Falle eine Reihe ganz kurzer Draht- oder Rohrabschnitte, im zweiten Falle (bei der Drahtreihenform) ein schmales dünnes, mit kleinen Stulpen zur Aufnahme der Drahtenden versehenes Metallbändchen benutzt. Durch die Unterteilung der Brückenverbindung in möglichst' viele kleinere Einzelkontakte wird die elektrische Wirkung gegenüber bekannten Brückenverbindungen mit zusammenhängender großer Kontaktfläche ganz erheblich verbessert, weil verlustbringende Sekundärströme im Bereich der Kontaktflächen infolge im-· gleicher Temperatur derselben ausgeschaltet sind, so daß damit ein neuer .technischer Effekt gewonnen wird. Zugleich wird aber die Größe der Kontaktfläche selbst als Summe der Einzelkontakte in wirksamer Weise vermehrt und der elektrische Übergangswiderstand herabgesetzt. Durch die Auflösung bezw. Ausbreitung des Brückenquerschnitts in distanzierte kurze Draht- oder Rohrabschnitte bezw. schmale Stulpcnbänder für die beiden Elektrodenformen wird aber auch die wärmeaufnehmende und -abgebende Oberfläche ganz außerordentlich vermehrt und gleichzeitig eine allseitige innige Bespülung der Brücken und Elektrodenenden durch das Heiz- und Kühlmittel erreicht. Die Re-· duktion der Brückenverbindung auf sozusagen punktförmige Kontaktstellen erlaubt geringstmögliche Breite der Elektrodenbänder bezw. -drahtabschnitte, womit im Verein mit den sehr kurzen Brückenverbindungen ■ der elek-

irische Eigenwiderstand des ganzen Elements auf ein -Minimum herabgedrückt wird.

Eine weitere Neuerung besteht in der

Rauhung oder Riffelung der band- und drahtförmigen Elektroden und Brücken, wodurch die vom Heiz- und Kühlmittel bestrichene Oberfläche ganz erheblich vergrößert wird.

Die neue Brückenverbindung erlaubt, wie weiter unten beschrieben, zugleich eine billige

ίο und dauerhafte Massenherstellung. Als Material für die Brücken kann irgendeiner der für die Elektroden schon benutzten Stoffe verwendet werden, jedoch kann auch die Wahl eines dritten Stoffes vorteilhaft sein, falls dieser für die praktische Herstellung der Kontakte besser geeignet ist. In diesem Falle ist es zweckmäßig, einen solchen Stoff zu wählen, der bei kleinem elektrischen Eigenwiderstand in der elektrischen Spannungsrcihe zwischen den beiden anderen Materialien steht, so daß sich die elektromotorischen Kräfte an den Verbindungsstellen addieren.

Eine sehr zweckmäßige Zusammenstellung

as ist die Kombination Eisen-Kupfer-Nickel (oder Nickellegierung), wobei das Eisen und Nickel für die Elektroden, das Kupfer für die Brücken verwendet werden soll. Diese Zusammenstellung hat bei hoher thermoelekirischer Kraft einen verhältnismäßig geringen elektrischen Widerstand; die betreffenden Metalle lassen sich außerdem praktisch gut verarbeiten und ermöglichen infolge ihrer Festigkeit und. plastischen Eigenschaften die Schaf-

'35 furig dauernd guter Kontakte durch Pressen oder Prägen. Auch hinsichtlich der Materialkosten, die natürlich bei der großen Zahl von hintereinander geschalteten Elementen eine sehr wesentliche Rolle spielen, ist die Wahl Eisen-Kupfer-Nickel eine günstige, indem das in Betracht kommende Material Nickel bereits zu sehr mäßigen Preisen in Form von Blechen und Drähten im Großhandel zu haben ist.

45. Fig. ι der beiliegenden Zeichnung zeigt . schematisch die Hintereinanderschaltung der Metalle I und II mit den dazwischenliegenden Brücken aus einem Metall III zu einer fortlaufenden Thermokette, ebenso ist die sich addierende Wirkung der thermoelektrischen Kräfte an den Berührungsstellen 1, 2, 3, 4 für die Kombination Eisen (I)-Kupfer (HI)-Nickel (II) angedeutet. Die Temperaturdifferenz Δ t, gemessen zwischen den mittleren Punkten der Berührungsflächen, ist nicht dieselbe wie die zwischen den Temperaturen I₁, t₂ des Heiz- bezw. Kühlmittels, und zwar einmal infolge der ausgleichenden Wirkung des elektrischen Stromes selbst (Peltiersche Wärme) zweitens infolge der Wärmeableitung in gewöhnlichem Sinne nach dem gekühlten Orte.

Aufgabe einer sachgemäßen Ausführung des Thermoelements ist es aber, den letzteren Einfluß möglichst herabzusetzen.

In Fig. 2 und 3 ist im Querschnitt und Ansicht eine erste Ausführungsart der Brückenverbindung in etwa vierfacher Vergrößerung wiedergegeben, und zwar für die eine Grund- ■ form der Elektroden aus Blechen bezw. Bändern. Die Brücken bestehen dabei aus kurzen 70." Drahtstückchen 5, welche in Ausschnitte am Rand der beiden Streifen I und II eingepreßt sind' und durch nachträgliches Uberwalzen bezw. Stauchen der Stege 6 (Fig. 3 oben links) oder Spalten derselben (Fig.' 3 rechts) innig mit den beiden Blechen I und II verbunden werden. Die Drahtstückchen werden natürlich nicht einzeln eingesetzt, sondern es werden z. B. Kupferdrähte über die ganze Batterie entlang gleichzeitig in sämtliche Elemente eingewalzt und erst nach Befestigung zwisclien den einzelnen Elementen durchsägt.

Fig.' 5 und 6 zeigt eine zweite Ausführungsart der Brücken, ebenfalls für die Bandform von Metall I und II. Statt der Drähte sind dünne Kupferrohre 7 benutzt, die in passende, nach oben hin sich etwas verengende Ausschnitte der Bleche eingepreßt und dann auf der äußeren Seite eingedrückt werden, so daß sie sich seitlich fest anlegen. Wie bei der ersten Ausführungsart geschieht das Durchsägen erst nach Befestigung der Röhrchen längs der ganzen Batterie.

Bei diesen Ausführungsarten geschieht die Distanzierung und Isolation der einzelnen Bänder oder Bleche voneinander durch dazwischengelegte 2 bis 3 mm dicke Streifen 8 (Fig. 2, 3, 10, 12 und 13) aus einem die Wärme schlechtleitenden, elektrisch isolierenden und zugleich etwas elastischen Material, das gegen die Einflüsse des Heiz- und Kühlmittels beständig ist, z. B. Asbest, Hartgummi oder einer ähnlichen Masse.

In Fig. 10, 11, 12 und 13 ist in den verschiedenen Ansichten und Schnitten der Aufbau einer Einzelbatterie für die beiden erst beschriebenen Ausführungsformen von Thermoelementen in annähernd natürlicher Größe · dargestellt. Die Metallbleche werden hierbei mit den dazwischenliegenden Isolationsstreifen unter großem Druck zusammengepreßt und dann mittels stählerner Endstücke 9 und dünner Stahlanker IO zusammengehalten. Damit keine leitende Verbindung der einzelnen Elemente durch die Anker auftritt, 115 · sind die Löcher 11 in den Bändern etwas größer als der Ankerdurchmesser gehalten, so daß beim Zusammenpressen sich die Isolationsmasse etwas hineinquetschen kann. Die Breite der Isolationsstreifen ist etwa ¹J₂ bis '/₃ lao der Breite der Metallbleche, so daß einerseits eine verhältnismäßig dicke Isolationswand

gegen Wärmeverluste durch Leitung und Strahlung entsteht, andererseits aber die Metallbleche mit ihren Enden beiderseitig noch' so weit in den Heiz- bezw. Kühlraum hineinragen, um genügend große Oberfläche zu bieten. Fig. 2, 3 und 4 zeigen, in welcher Weise eine gute allseitige Bespülung dieser Enden mit den Kontaktbrücken durch das Heiz- und Kühlmittel angestrebt ist. Zu diesem Zweck sind auf beiden Seiten längliche Löcher 12 eingestanzt, außerdem die entstehenden Stege 13 etwas schief durchgedrückt, wodurch der Wärmeaustausch mit dem Heiz- und Kühlmittel und dessen Zirkulation begünstigt wird. Eine Vergrößerung der Oberfläche kann noch, wie bereits erwähnt, und in Fig. 2 und 3 rechts (durch Schraffur) angedeutet, in sehr wirksamer. Weise durch eine feine Riffelung der Elek-

ao trodenbleche durch Walzen oder Pressen als auch der Kontaktbrücke!! erzielt werdet}. Die Riffelung ergibt außerdem einen guter!_i Verband mit dem zwischenliegenden Isolationsstreifen und den Metallen unter sich.

Die Länge L (Fig. 10) der Einzelbatterie, d. h. die Zahl der zu einem Verband hintereinander geschalteten Elemente ist unbeschränkt; aus Herstellungs- und Betriebsgründen empfiehlt es sich jedoch, nicht über etwa ι m hinauszugehen. Die wirksame Breite B (Fig. 11) des Thermoelements richtet sich nach der Größe des verlangten Eigenwiderstandes, wird aber aus praktischen Gründen innerhalb 10 bis 20 cm zu halten sein. Die richtige Dicke der Metallbleche ist praktisch von wesentlicher Bedeutung; es empfiehlt sich, dieselbe zwischen 0,5 bis 1 mm zu wählen.

In Fig. 7, 8 und 9 ist in vergrößertem Maßstabe für die zweite Grundform der Elektroden (Drahtreihen) die eingangs angedeutete Ausführungsart der Brückenkontakte dargestellt, wobei die Enden der gegenüberstehenden Drahtabschnitte durch gepreßte dünne Blechstreifen 14 (zweckmäßig aus Kupfer) leitend verbunden sind. In diese Blechstreifen sind kleine Stulpen 15 beim Lochen eingepreßt, deren innerer Durchmesser etwas kleiner als der Drahtdurchmesser ist, so daß beim Aufdrücken auf die Drahtreihen eine innige feste Verbindung erzielt wird. In elektrischer Beziehung dienen diese Stulpen zur Unterteilung und Vergrößerung der Kontaktfläche, in thermischer Hinsicht wirken sie wie Saugeköpfe für die Wärmeaufnahme und als Ausstrahler für die Wärmeabgabe. Zur

weiteren Vergrößerung der wirksamen Oberfläche kann ebenso wie vorhin bei den ersten Formen den Drähten und Brückenstreifen eine feine Riffelung (wie in Fig. 8 und 15 60 angedeutet) erteilt werden. Dadurch wird auch die Befestigung der Brücken gesicherter. Den Aufbau solcher Drahtreihenelemente zu einer Einzelbatterie stellen die Fig. 14, 15 und 16 in Längsschnitt, Querschnitt und An- 65 sieht dar. Die den Heiz- und Kühlraum trennende Wand, zugleich Träger der Thermoelemente, ist hierbei als eine Platte 16 aus Zement gedacht, die durch Umgießen der Drahtabschnitte hergestellt wird. Zu diesem 70 Zweck können die letzteren etwa in zwei Gießplatten mit entsprechend tief gebohrten Löchern aufgestellt werden. Um der Platte noch eine größere Festigkeit gegen die Beanspruchungen beim Betrieb infolge der 75 beiderseits verschiedenen Wärmeausdehnungcn zu geben, können, ähnlich wie beim Moniersystem, zwei Drahtgeflechte 18 (Fig. 14) oder eine Metallplatte 19 (Fig. 15) eingegossen werden. Statt Zement kann man natürlich 80 auch irgendeinen anderen gießbaren Stoff verwenden, der sich für den Zweck eignet, z. B. Glas, Hartgummi usw. Für niedrige Temperaturen (z. B. Abdämpfe) sind auch Platten aus einer Holzmasse oder Leder 85 zweckmäßig und billig, wobei die Löcher für die Drahtstücke eingestanzt oder gebohrt werden.

Claims (2)

Patent-Ansprüche;

1. Aus Bändern oder Drähten bestehendes Thermoelement, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Ausschaltung von verlustbringenden Sekundärströmen. Erzielung größtmöglicher elektrisch wirksamer Kontaktfläche bezw. thermisch wirksamer Oberfläche sowie allseitiger intensiver Heizung und Kühlung der letzteren die Brückenverbindung der thermoelektrisch verschiedenen Komponenten bei Bandform der Elektroden aus zahlreichen ganz kurzen Draht- oder Rohrabschnitten oder bei Drahtreihenform der Elektroden aus einem schmalen mit kleinen Stulpen versehenen Bande besteht.

2. Ausführungsform eines Thermoelements gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Vermehrung der thermisch wirksamen. Fläche die Oberfläche der Elektroden und der n° Brückenverbindungen eine Riffelung oder Rauhung erhält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.