DE19924715A1 - Peltier-Element - Google Patents

Peltier-Element

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peltier element
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Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben zur Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor und zu dessen effizienter Ausnutzung von Primärenergie zu Heiz- und zu Kühlzwecken durch Betrieb einer Brennstoffzelle mit Primärenergie und dem Betrieb eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Peltier-Elementes.

Description

Es wird ein Verfahren beschrieben zur Herstellung eines Peltier-Elementes mit sehr hoher Effizienz hinsichtlich des Verhältnisses von zum Wärmetransport eingesetzter elektrischer Energie zur Wärmemenge, die innerhalb des Peltier-Elementes von der sich abkühlenden Seite auf die sich erwärmende Seite transportiert wird.
Peltier-Elemente haben nach dem Stand der Technik einen schlechteren Wirkungsgrad als herkömmliche Kompressor-Kühlschränke. Trotz dieses Nachteils besitzen Peltier- Elemente für spezifische Anwendungen gegenüber Kompressor-Maschinen Vorteile. Im Gegensatz zum Kompressor besitzt die Peltier-Kühlung keine bewegten Teile und arbeitet deshalb geräuschlos und frei von Vibrationen. Weiterhin besitzen Peltier- Elemente kein leckagegefährdetes Gasführungssystem. Weiterhin vorteilhaft ist die niedrige Betriebsspannung, die einen Batteriebetrieb vor allem in mobilen Systemen vereinfacht. Weiterhin vorteilhaft ist die präzise Regulierbarkeit, während bei Kompressorkühlungen lediglich ein einziger definierter Betriebszustand möglich ist. Ein weiterer Vorteil von Peltier-Elementen ist die Möglichkeit, sehr kleine Aggregate zu bauen.
Zum Erreichen hoher Kälteleistungen müssen nach dem Stand der Technik die einzelnen Elemente thermisch parallel und elektrisch seriell geschaltet werden, wobei an den kalten und warmen Seiten der einzelnen Elemente jeweils eine elektrisch isolierende, aber thermisch gut leitende Keramikplatte angefügt wird und mehrerer solcher Schichten aufeinander gestapelt werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines Peltier-Elementes mit den aufgezählten Vorteilen von Peltier-Elementen, welches aber gleichzeitig einen derart hohen Wirkungsgrad besitzt, daß die bisherigen Nachteile von Peltier-Elementen, die auf dem schlechten Wirkungsgrad beruhen, wegfallen. Damit sollte es möglich sein, den Einsatzbereich von Peltier-Elementen wesentlich zu erweitern.
Die besondere Schwierigkeit zum Auffinden optimaler Werkstoffe zur Herstellung von Peltier-Elementen liegt darin, daß es trotz der Erkenntnisse aus der Quantenmechanik und moderner Rechenmethoden problematisch ist, die Größe des Peltier-Effektes einigermaßen exakt vorauszuberechnen. Hier spielen vor allem Interaktionen zwischen Phononen, also Energiequanten der Gitterschwingungen, und Elektronen, sowie auch unkontrollierbare Gitterstrukturbildungen und ähnliches eine Rolle.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung wurde im wesentlichen durch die Verwendung einer Werkstoffkombination erreicht, die einen, im Vergleich zu den bisher bekannten Peltier - Elementen, wesentlich höheren Wirkungsgrad ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Peltier-Element besteht zunächst prinzipiell entsprechend dem Stand der Technik aus zumindest zwei Polplatten, zwischen denen sich alternierend zwei Typen von quaderförmigen Halbleiterelementen befinden.
Es handelt sich erfindungsgemäß dabei im günstigsten Fall auf der einen Seite als p-Typ Element um eine Legierung der Zusammensetzung Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3 und auf der anderen Seite um Bi2Te2,87Se0,13 als n-Typ Element. Für ein aus diesen Elementen aufgebautes Peltier-Element wird ein Effizienzfaktor von mindestens 4,0 gefunden, wobei als Effizienzfaktor der Quotient aus der auf der warmen Seite des Elementes abgegebenen Wärmeenergie und der dem Element zugeführten elektrischen Energie bezeichnet wird. Dieser Effizienzfaktor wird bei einer konstanten Temperaturdifferenz von 10°C zwischen der warmen und der kalten Seite des Elementes gefunden.
Ein Element mit optimalem Effizienzfaktor wird erfindungsgemäß idealerweise hergestellt aus 95 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 5 mol% Bi2Se3 zur Verwendung als p-Typ, wobei die beiden Komponenten durch Zonenschmelzen homogenisiert werden und weiterhin erfindungsgemäß aus ebenfalls zonengeschmolzenem Bi2Te2,87Se0,13 als n-Typ Element.
Durch Variation der jeweiligen Anteile an Sb1,5Bi0,5Te3 im Verhältnis zu den Anteilen Bi2Se3 zur Herstellung des p-Types und auch durch Variation der Zusammensetzung des n-Types können erfindungsgemäß ebenfalls Peltier-Elemente mit günstigem Effizienzfaktor gefunden werden.
Insgesamt als effizient erweisen sich p-Typen der Zusammensetzung
Sb2,97-2,73Bi1,03-1,27Te5,8-5,46Se0,06-0,54
hergestellt aus 99-91 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 1-9 mol% Bi2Se3;
insgesamt als besonders effizient erweisen sich p-Typen der Zusammensetzung
Sb2,91-2.79Bi1,09-1,21Te5,82-5,58Se0,18-0,42
hergestellt aus 97-93 mol% Sb1,5Bi0.5Te3 und 3-7 mol% Bi2Se3;
als optimal erweist sich der p-Typ mit der Zusammensetzung
Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3
hergestellt aus 95 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 5 mol% Bi2Se3.
Insgesamt als effizient erweisen sich n-Typen der Zusammensetzung
Bi2Te2,5-3,4Se0,18-0,08
Insgesamt als besonders effizient erweisen sich n-Typen der Zusammensetzung
Bi2Te2.86-2.88Se0,14-0,12;
als optimal erweist sich der n-Typ mit der Zusammensetzung
Bi2Te2.87Se0,13
Die unter gleichen Bedingungen im Labor (für ΔT = 10 K) gefundenen Effizienzfaktoren von Peltier-Elementen, die unter Verwendung unterschiedlicher Materialzusammensetzungen hergestellt wurden, zeigt die nachstehende Tabelle.
Ein mit den optimalen Typen nach Beispiel 1 (Effizienz 4,0) hergestelltes Element erreichte bei Praxistests bei einer Testdauer von jeweils 30 Sekunden in Abhängigkeit von der an den Polen zu messenden Temperaturdifferenz (dazu wurden an den Polen definierte Kupfermassen angebracht) folgende Werte für den Effizienzfaktor η:
Ein weiteres Element der Größe 40 mm × 40 mm × 4 mm, welches ebenfalls unter Verwendung der optimalen Typen hergestellt wurde, erreicht mit einer Spannung von 2 [V] und einem Strom von 0,8 [A] und einer daraus resultierenden Leistung von 1,6 [W] eingetragener Energie eine Energieabgabe von 6,4 [W] bei einer konstantgehaltenen Temperaturdifferenz von 10 [K], woraus sich ein Effizienzfaktor von 4,0 errechnet.
Die erreichten Effizienzfaktoren liegen mit Peltier-Elementen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung nicht nur weit höher sowohl als die bisher mit Peltier-Elementen erreichten Faktoren, sondern auch als die bislang mit anderen Wärmepumpen erreichten Faktoren.
Peltier-Elemente der erfindungsgemäßen Zusammensetzung können demnach zur kostengünstigen und wirtschaftlichen Verwendung als Wärmepumpen, sowohl zum Kühlen, als auch zum Heizen eingesetzt werden. Wegen der günstigen Effizienzfaktoren stehen diesen Elementen auch Anwendungen offen, die aus wirtschaftlichen Gründen bislang Kältemaschinen anderer Arbeitsweise, wie Kühlschränken als geschlossenen Kältemaschinen oder auch offenen Kältemaschinen, wie Adsorptionskältemaschinen vorbehalten waren.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Peltier-Elementen zu einer bislang nicht erreichten Ausnutzung von Primärenergie sowohl zum Heizen, als auch zum Kühlen, als auch zur Kombination aus Heizen und Kühlen. In einem wirtschaftlich optimierten Destillationsprozeß dient das Element demnach auf der warmen Seite dem Verdampfungsprozeß und auf der kühlen Seite dem Kondensationsprozeß.

Claims (7)

1. Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor, gekennzeichnet dadurch, daß zur Herstellung des Elementes zwischen zwei Metallplatten alternierend zwei Typen von quaderförmigen Halbleiterelementen angeordnet werden, wobei es sich bei den Halbleiterelementen auf der einen Seite als p-Typ Element um eine Legierung der Zusammensetzung
Sb2.97-2,73Bi1.03-1.27Te5.8-5.46Se0,06-0,54, oder besonders günstig um eine Legierung der Zusammensetzung
Sb2,91-2,79Bi1,09-1,21Te5.82-5.58Se0,18-0,42, oder optimal um eine Legierung der Zusammensetzung
Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3 und auf der anderen Seite als n-Typ Element um eine Legierung der Zusammensetzung
Bi2Te2,5-3.4Se0,18-0.08, oder besonders günstig um eine Legierung der Zusammensetzung
Bi2Te2,86-2,88Se0,14-0,12, oder optimal um eine Legierung der Zusammensetzung
Bi2Te2,87Se0,13 handelt.
2. Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Legierung der Zusammensetzung
Sb2,97-2,73Bi1,03-1.27Te5,8-5.46Se0,06-0,54 hergestellt wird durch gemeinsames Zonenschmelzen von
99-91 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 1-9 mol% Bi2Se3, daß die Legierung der Zusammensetzung
Sb2,91-2,79Bi1,09-1,21Te5,82-5,58Se0,18-0,42 hergestellt wird durch gemeinsames Zonenschmelzen von 97-93 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 3-7 mol% Bi2Se3 und daß die Legierung der Zusammensetzung
Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3 hergestellt wird durch gemeinsames Zonenschmelzen von 95 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 5 mol% Bi2Se3.
3. Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Materialien für das n-Typ Element mittels gemeinsamem Zonenschmelzen hergestellt werden.
4. Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß die quaderförmigen Halbleiterelemente eine Dicke von 1-8 mm, bevorzugt von 3-5 mm besitzen.
5. Verwendung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach den voranstehenden Ansprüchen zur Verwendung für Heiz- und Kühlzwecke, gekennzeichnet dadurch, daß warme Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gase oder andere Wärmeträger mit hohem thermischem Energieinhalt, wobei die Wärmeträger häuslichen, industriellen oder natürlichen Ursprungs sein können, zur Erwärmung der kalten Seite des Peltier-Elementes dienen.
6. Verwendung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach den voranstehenden Ansprüchen zur Verwendung für Heiz- und Kühlzwecke, gekennzeichnet dadurch, daß warme Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gase oder andere Wärmeträger mit niedrigem thermischem Energieinhalt, wobei die Wärmeträger häuslichen, industriellen oder natürlichen Ursprungs sein können, zur Abkühlung der warmen Seite des Peltier-Elementes dienen.
7. Verwendung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach den voranstehenden Ansprüchen zur Verwendung für Heizzwecke, gekennzeichnet dadurch, daß in einem energetisch optimierten Destillationsprozeß Flüssigkeiten auf der warmen Seite des Elementes verdampft und auf der kalten Seite des Elementes kondensiert werden.
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