DE1956959U - Thermoelektrische einrichtung. - Google Patents

Description

Akt.Z.i W 34 006/21b obm

Anm·: Westinghouse Electric Gorp,

M.Z·: PIiA 64/8272

Ieue Beschreibung

Thermoelektrische Einrichtung

diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden FS-Anmeldung Serial Ιο. 332 010 vom 2Θ. Dez· 1963 beansprucht.

Gegenstand der Neuerung ist eine thermoelektrische Einrichtung · mit mehreren !Thermoelementschenkeln aus thermoelektrisch wirksamem Material entgegengesetzter leitfähigkeit und mehreren Kontaktstücken aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material deren Eontaktstücke mit zwei getrennten Wärmeaustauschmedien in Wärmeaustauscherbeziehung stehen, wobei wenigstens eines der Medien unmittelbar mit einer fläche des zugehörigen Kontaktstüekes in Berührung gebracht ist.

Einrichtungen dieser Art können als direktübertragende thermoelektrische Einrichtungen bezeichnet werden, da sie im Wärmeübertragungsweg zwischen dem Wärmeaustausehmedium und dem thermoelektrisehen Material weder einen elektrischen noch einen thermischen Widerstand enthalten. Hierdurch wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Die benötigten Mengen an thermoelektrischem Material sind relativ klein und die Kosten relativ niedrig.

Durch die vorliegende !Teuerung wird eine besondere vorteilhafte

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thermoelektrische Einrichtung mit einem flüssigen und einem gasförmigen Wä:rmeaustausehmedium vorgestellt· Sie kann zum direkten Erwärmen ©der Kuhlen von luft benutzt werden· Außerdem kann sie durch. Ausnutzung des Seebeek-Effektes als Stromerzeuger dienen, wenn ein. flüssiges und ein gasförmiges Wärmeaustauschmedium unterschiedlicher temperatur vorhanden sind· Dieser fall ist beispielsweise in arktischen Regionen gegeben, in denen eine relativ kühle Iiufte und eine relativ warme Flüssigkeit zur Verfügung stehen«

Gemäß der Neuerung sind wenigstens zwei Ehermoelementschenkel und drei Kontaktstüeke so zu einem Stapel aufgeschichtet, daß auf ein Kontaktstück ein iEhermoelementsehenkel, hierauf ein Kontaktstück, dann der zweite (Ehermoelementsehenkel, der zum ersten entgegengesetzte leitfähigkeit hat und hierauf wieder ein Kontaktstück folgt, wobei bei Verwendung eines gasförmigen Wärmeaustauschmediums die Kontaktstück© an den Stapelenden mit Wärmeaustausehfahnen versehen sind.

Während die mit dem gasförmigen Medium unmittelbar in Berührung kommenden Kontaktstücke des Stapels mit Wärmeaustausohfahnen versehen sind, werden zweckmäßig die anderen Kontaktstücke, die im Stapel zwischen zwei Ehermoelementsehenkel angeordnet sind, quaderförmig ausgebildet und mit wenigstens einem Kanal im Inneren versehen, der als Strömungsweg für das zweite, vorzugsweise flüssige Wärmeaustausehmedium dient.

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Es ist für die Neuerung charakteristisch, daß im Wärmeübertragungsweg zwischen dem thermoelektrisch wirksamen Material und der Wärmequelle "bzw· der Wärmesenke keine Isoliation vorhanden ist.

Vorzugsweise werden mehrere solcher Stapel elektrisch isoliert aneinandergereiht und die Kontaktstücke am Ende "benachbarter Stapel abwechselnd auf der einen und der anderen Seite der Stapel als ITerbindungsbrüeke ausgebildet, so daß ein serpentinenartiger Strompfad durch die Anordnung entsteht, in dessen Terlauf p- und η-leitende Shermoelementschenkel abwechseln.

Die Kanäle durch die Kontaktstücke der einzelnen Stapel lassen sich unter Zuhilfenahme von Terbindungsstücken und Yerbindungsleitungen aus elektrisch isolierendem Material so anordnen, daß ein fortlaufender Strömungsweg für das durch die Stapel hindurchzuleitende Medium entsteht.

Die Neuerung wird durch ein Ausführungsbeispiel anhand zweier Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt im Schnitt I-I der Figur 2 einen thermoelektrischen Wärmeaustauseher mit einem gasförmigen und einem flüssigen Medium,

Figur 2 die untere Ansieht (ll-ll) der Einrichtung nach figur 1, die zur besseren Erläuterung teilweise im Schnitt dargestellt ist,

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Wie die Figuren 1 und 2 erkennen lassen, enthält die Anordnung 10 eine Anzahl Kontaktstücke 12 aus elektrisch und thermisch leitendem Material, wie z.B. Kupfer oder Aluminium. Jeder der Kontaktstücke 12 ist mit einem Kanal 14 versehen, der das Kontaktstück parallel zu gegenüberliegenden Seiten 16 und 18 durchdringt. An geder der gegenüberliegenden Seiten 16 und 18 ist thermoelektrisches Material 20 aufgebracht, das aus einer Anzahl thermoelektrische Körper 22 "besteht· las thermoelektrische Material kann z.B. Wismut-Cellurid sein, und ist an der betreffenden Oberfläche 16 bzw. 18 mittels einer geeigneten Befestigungsart, wie z.B. dureh Löten, befestigt.

Me Shermoelementsehenkel 2Θ bestehen entweder aus p- oder nleitendem thermoelektrischem Material, längs des elektrischen Strompfades wechselt hierbei p- und η-leitendes thermoelektrisches Material ab. Infolgedessen wird bei einem Strompfad von einem p-leitenden Material zu einem η-leitenden Material die Verbindung zwischen diesen Materialien, also das betreffende Kontaktstück, erwärmt. In analoger Weise wird bei einem Stromfluß vom η-leitenden zum p-leitenden Material das Kontaktstück zwischen den Ehermoelementschenkein gekühlt.

Soll die Anordnung 10 als Heiz- oder Kühleinrichtung verwendet werden, dann muß dureh sie elektrischer Strom geleitet werden. Beim vorliegenden Beispiel wird der Strom nacheinander dureh alle Thermoelementschenkel 20 geleitet, so daß in abwechselnder

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Reihenfolge Kälte und Wanne erzeugt wird. Damit innerhalb der thermoelektrischen Einrichtung 1© ein Strompfad entsteht, sind an den gegenüber den Oberflächen 16 und 18 der Kontaktstüeke 12 liegenden Seiten der Körper 22 als Brücken ausgebildete Kontaktstüeke 24 befestigt. Diese dienen dazu, benachbarte Stapel von Therm©elementschenkein 20 und Kontaktstücken 12 zu überbrücken, so daß eine Reihensehaltung entsteht· Der Strompfad beginnt an der Klemme 26 (figur 2) und verläuft dann serpentinenartig (siehe Figur 1) quer (von links nach rechts in figur 2) durch die Anordnung 1Θ, wobei der Strom alle Brücken 24, alle Thermoelementschenkel 20 und alle Kontaktstücke 12 passiert. Dieser Querpfad durch die Anordnung 10 wird durch ein, im allgemeinen TJ-fönaiges Überbrückungsteil 28 (Figur 2) zur nächsten Stapelreihe weitergeführt·

Wie der in Figur 1 dargestellte Querschnitt dureh die zweite Stapelreihe zeigt, fließt der Strom von dem TJ-fo*rmigen Überbrückungsteil 28 durch den unteren Thermoelementschenkel 20 A, dann durch das reehtsliegende Kontaktstück 12 (Figur 2), dureh den oberen Thermoelementschenkel 20 B und von hier zu der oberen Brücke 24 der Figur 1· Ton hier aus verläuft der Strompfad weiter durch den Rest der Thermoelementschenkel 20 der Kontaktstüeke und der Brücken 24, bis er einen weiteren U-förmigen Fberbrüekungsteil 30 erreicht, der den Strompfad von der zweiten Stapelreihe zur dritten führt und so fort, bis die gesamte thermoelektrische Einrichtung durchlaufen ist,

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Jede der Kontaktbrücken 24 enthält eine -Yielzahl von quer angeordneten Wärmeaustauscherfahnen 32, die thermisch mit den näehstliegenden Eheimoelementsehenkeln 2© verbunden sind, so daß die fahnen aufgrund der thermoelektrischen Wirkung je naeh Stromrichtung und Polarität des thermoelektrisehen Materials entweder gekühlt oder erwärmt werden.

Bei diesem Beispiel sollen durch das thermoelektrische Material die Pannen 32 der Anordnung gekühlt und die Kontaktstüeke 12 erwärmt werden, so daß auch die Flüssigkeit, die durch die Kanäle 14 in den Kontaktstüeken 12 fließt, erwärmt wird.

Neuerungsgemäß sind die Kontaktstüeke 12 von "benachbarten Stapelreihen so ausgestaltet, daß ihre Kanäle 14 mit den entsprechenden Kanälen "benachbarter Kontaktstüeke fluchten.

Die Kanäle 14 verlaufen quer zum elektrischen Strompfad der Anordnung. Die Aneinanderreihung der Kanäle ergibt mit Hilfe der Rohrstücke 34 einen fortlaufenden Strömumgsweg für das erwärmte Medium. Me Rohrstücke 34 bestehen aus Isoliermaterial, wie z.B. Kunstharz und haben zentrale Bohrungen 36, die mit den Kanälen 14 der Blöcke 12 übereinstimmen. Die Rohrstüeke 34 werden in konzentrischen Aussparungen 38 gehalten, die an den nebeneinanderliegenden Enden benachbarter Kontaktstüeke 12 vorgesehen sind» Die Strömungswege 14 sind durch die Rohrstüeke 34 dicht miteinander verbunden. Bs können noch Dichtungsmittel zwischen

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den Rohrstüeken 34 und den Aussparungen 38 der Kontaktstücke 12 vorgesehen werden. Ein Dichtungsmittel für den Strömungsweg 14 ist in Form von kreisförmigen Ringen 40, die in Hüten 42 der Rohrstücke 34 eingelegt sind, veranschaulicht.

Jedes Kontaktstück 12 in einem Stapel am Reihenende, wie z.B. das unterste Kontaktstück 12 der Figur 2, ist mit einem rohrförmigen Ansatz 44 versehen, dessen liehte Weite mit der lichten Weite der Kanäle 14 übereinstimmt. Der linke Rohransatz 44 der Figur 2 ist mit einer Leitung 46 verbunden, die zu einer nicht dargestellten Flüssigkeitsquelle führt. Die einzelnen Gruppen der Flüssigkextso'ffnung 14 sind hintereinander angeordnet, so daß ein einziger fortlaufender Strömungsweg für die erwärmte Flüssigkeit entsteht. Dieser Strömungsweg enthält das Eingangsstüek 46, das mit der linken Gruppe van Kanälen 14 (die von der Vorderseite zur Rückseite verlaufen, siehe Figur 2) verbunden ist. Eine nieht dargestellte Leitung verbindet die linke Gruppe der Kanäle 14 mit der nächstfolgenden Gruppe. Zwischen dieser Gruppe und der dritten Gruppe ist eine Leitung 48 auf der Vorderseite vorgesehen, die im allgemeinen U-förmig ausgebildet ist und aus Isoliermaterial besteht und die auf den vorderen Rohransätzen 44 der Kontaktstüeke 12 .aufsitzt. Zwischen der dritten Gruppe von links und der rechten Gruppe von Kanälen (Figur 2) ist wieder eine rückseitige Verbindung vorgesehen· Der Strömungsweg für die erwärmte Flüssigkeit wird durch eine Ausgangsleitung 5Θ vervollständigt.

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Um den bereits erwähnten serpentinenartigen, elektrischen Strompfad durch die Anordnung 1Θ zu erhalten, müssen an geeigneter Stelle Isolierstüek vorgesehen werden* Bin derartiges Isolierstück ist bereits beschrieben worden. Es ist d'ies das Rohrstüek 34, das dazu dient, benachbarte Kontaktstück, die den Strömungsweg für das erwärmte Medium bilden, elektrisch isoliert miteinander zu verbinden. Weitere Isolierstücke sind mit der Zahl 52 bezeichnet. Sie verlaufen von der Vorderseite der Anordnung 10 zur Rückseite und dienen dazu, benachbarte Kontaktstüeke 12 und benachbarte Kontaktbrüeken 24 gegenseitig zu isolieren. Außerdem sind quer zu den Isolierstüeken 52 Isolierplatten 54 zwischen benachbarten Stapelbrüeken vorgesehen, die löcher zur Aufnahme der isolierenden Eohrstüeke 34 enthalten. Me Isolierplatten können Ansätze enthalten, die komplementär zur Gestalt der Jahnen 32 ausgebildet sind, um eine elektrische Überbrückung zwischen benachbarten Fahnen zu verhindern. Eine elektrische Überbrückung des Strompfades auf den Außenseiten wird durch isolierende Seitenteile 56 verhindert. Me Isolierstüeke 52, 54 und 56 bestehen beispielsweise aus scheibenförmigem Material, und zwar aus irgendeiner geeigneten Kunstharzseheibe, die dazu dient, einen Kurzschluß irgendeines Teiles des serpentinenartigen Strompfades zu verhindern.

Der Wärmeübertragungsweg der Anordnung 10 verläuft von den {Thermoelementschenkel 2Θ direkt sowohl zu den Fahnen 32, als auch zu den Strö'mungswegen 14. Es befindet sich also im Wärme-

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übertragungsweg kein elektrisch isolierendes Material, so daß die Ihermosäule dem lyp des "Direktübertragers¹¹ zuzuordnen ist.

Wird die Anordnung 10 als Kühl- oder Klimaeinrichtung "benutzt, so werden Stromrichtung und Polarität des thermoelektrischen Materials so ausgewählt, daß die Flüssigkeit in den Blb'cken 12 erwärmt und die in eine Wärmeaustausehbeziehung mit den Fahnen 32 tretende luft gekühlt wird. Besteht das- erwärmte Medium aus einer Flüssigkeit, so soll ein möglichst guter Wärmeübergang zwischen den Kontaktstüeken 12 und der durch die Kanäle 14 fließenden Flüssigkeit stattfinden. Aus diesem &rund ist in den Kanälen 14 eine Anzahl längs des Umfangs verteilter, nach innen ragender Rippen 38 vorgesehen. Die Rippen dienen dazu, die Wärmeübertra— gungsflache zu vergrößern und aueh eine größere Durehmisehung der Flüssigkeit "beim Durchlaufen des Strömungsweges zu erzielen.

Wird die Anordnung 10 als Klimaanlage benutzt, so können wie es beschrieben wurde, die Fahnen 32 zur Kühlung von Luft benutzt werden, tjberlicherweise wird die Luft durch die Zwischenräume 33 zwischen den Fahnen mittels eines geeigneten Lüfters, der nicht dargestellt ist, geblasen. Um den Wärmeaustausch zwischen den Fahnen und der Luft zu erhöhen, können die Fahnen mit vergrößerten Wärmeaustausehflachen ausgebildet werden. So können beispielsweise in den Zwischenräumen noch Querrippen vorgesehen werden.

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Natürlich kann die Anordnung 1Θ als elektrischer Generator "benutzt werden. Manchmal steht eine relativ kühle Iiuft : und eine Quelle mit warmer Flüssigkeit zur Verfügung.

Dementsprechend können Mittel vorgesehen werden, die kühle luft in Wärmeaustausehbeziehung zu den Fahnen 32 zu "bringen und die wärmere Flüssigkeit durch die Strömungswege 14 der Anordnung 10ZU treiben. Unter dieser Voraussetzung werden durch die !Thermoelementschenkel Strom und zwischen den Klemmen der Anordnung 10 eine Potentialdifferenz erzeugt. Auf diese Weise entsteht ein elektrischer Generator nach dem Prinzip der Direktübertragung mit großem Wirkungsgrad.

Die Anordnung 10 kann auch als Heizkörper zum Erwärmen von Iiuft benutzt werden. In diesem Fall müssen die Stromriehtung und die Polarität der Ihermoelementsehenkel 20 so ausgewählt werden, daß die Kontaktstücke 12 gekühlt und die Fahnen 32 erwärmt werden.

2 Figuren

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Claims (6)

RA.009 968W.1.67 64/8272 Neue Sehutzansprüche

1. Thermoelektrisehe Einrichtung mit mehreren Thermoelementschenkeln aus thermoelektrisch wirksamem Material entgegengesetzter !leitfähigkeit und mehreren Kontaktstücken aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material, dessen Kontaktstücke mit zwei getrennten Wärmeaustauschmedien in Wärmeaustauschbeziehung stehen* wobei wenigstens eines der Medien unmittelbar mit einer Fläche des zugehörigen KontaktStückes in Berührung gebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Thermoelementsehenkel (20) und drei Kontaktstüeke (12, 24) so zu einem Stapel aufgeschichtet sind, daß auf ein Kontaktstück ein Thermoelementschenkel, hierauf ein Kontaktstück, dann der zweite Thermoelementschenkel, der zum.ersten entgegengesetzte Leitfähigkeit hat und hierauf wieder ein Kontaktstück folgt, wobei bei Verwendung eines gasförmigen Wärmeaustausehmediums die Kontaktstüeke (24) an den Stapelenden mit Wärmeaustauschfahnen (32) versehen sind.

2. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn» zeichnet, daß die Kontaktstüeke (12), die im Stapel zwischen zwei Thermoelementsehenkeln (20) angeordnet sind, quaderförmig ausgebildet sind und in ihnen wenigstens je ein Kanal (14) als Strömungsweg für ein -vorzugsweise flüssiges Wärmeaustausehmedium vorgesehen ist«

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3. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Stapel elektrisch isoliert aneinandergereiht sind und die Kontaktstücke am Ende benachbarter Stapel abwechselnd auf der einen und auf der anderen Seite der Stapel als Yerbindungsbrüeke (24) ausgebildet sind, so daß dureh die Reihe ein serpentinenartiger Strompfad yerläuft, in dessen Verlauf p- und η-leitende Thermoelementschenkel (20) abwechseln.

4· Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei leihen elektrisch isoliert nebeneinander angeordnet sind und zwei äußere Kontaktstüeke von Stapeln am einen Ende jeder Reihe als Yerbindungsbrüeke (28, 30) ausgebildet sind.

5. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle durch die entsprechenden Kontaktbrücken (12) benachbarter Stapel miteinander fluchten und mittels Rohrstüeke (34» 48) aus elektrischem Isoliermaterial zu einem fortlaufenden Strömungsweg für ein Wärmeaustausehmedium verbunden sind.

6. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (14, 34) so geführt ist, daß die Stromrichtung des Wärmeaustausehmediums im Inneren der Einrichtung senkrecht auf der Richtung des elektrischen Stromes in den Yerbindungsbrüeken (24) benachbarter Stapel einer Reihe steht.

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7· Thermoelektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 Ms 6, dadureli gekennzeichnet, daß in den Kanälen (14) längs des Umfangs verteilte naen innen ragende lippen (38) vorgesehen sind.

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