DE2347457A1

DE2347457A1 - Stabfoermige anordnung von thermoelementpaaren

Info

Publication number: DE2347457A1
Application number: DE19732347457
Authority: DE
Inventors: Eduard W Prof Dr Phil Justi
Original assignee: Justi eduard W profdrphil
Current assignee: Justi eduard W profdrphil
Priority date: 1973-09-20
Filing date: 1973-09-20
Publication date: 1975-04-10
Also published as: FR2245090B3; FR2245090A1

Description

STABFÖRMIGE ANORDNUNG VON TfIERMOELEMENTPAAREN

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Konstruktion von thermoelekfcrischen Fnergiewandlern aus elektrisch in Serie geschalteten Seebeckoder Peltier-Thermoelementpaaren; die in an sich bekannter Weise aus positiv halbleitenden Schenkeln, negativ halbleitenderi Schenkeln, in deren kalte und warme Lötstellen eingefügten metallischen Zwischenstücken und mit diesen thermisch verbundenen Wärmeübertragungsflächen bestehen.

Ziel der Erfindung ist eine verbesserte geometrische Anordnung dieser Bestandteile, die infolge grösserer Einfachheit die Herstellung verbilligt, die Bruchgefahr durch äussere Kräfte vermindert und durch Minimierung der bei den bestehenden Temperaturdifferenzen auftretenden inneren mechanischen Spannungen die Betriebs-Lebensdauer verlängert. Mit dieser durch die nachstehend ausführlich beschriebene Erfindung erzielten Unempfindlichkeit gegen mechanische Spannungen verbunden ist die Möglichkeit, erfindungsgemässe Peltieraggregate mit erhöhten elektrischen und thermischen Leistungen zu betreiben und somit auch für Kühlschränke und Klimaanlagen benutzbar zu machen, während sie bisher auf sogenannte Mikrokälte-Anwendungen beschränkt waren.

Kälteleistungen in der Grössenordnung von einigen Watt kann man erst nutzbar machen, seit man nach den theoretischen Erkenntnissen von Gehlhoff, Justi et al. 1950 Brücken (3) aus elektrisch und thermisch gut leitenden Metallen wie Cu oder Al in die kalten Lötstellen der Peltier-Elemente einfügt, die genügend Platz für die Verbindung mit grossilächigen Wärmeübergangs fahnen (4) in Kühlräumen bieten; analoge Brücken (5) muss man auch in die warmen Lötstellen einfügen und gelangt so zu der Anordnung nach Fig. 1, bei der die Flächen der warmen (6) und der kalten (4) Blechfahnen etwa im Verhältnis der Wärmeleistung Q zur Kälteleistung Q^ bemessen wtrden, also gemäsc der bekannten Aussage des zweiten Hauptsatzes Q /Qi^aM· Diese Zeichnung lässt auch erkermen, dass die bekannte Mäanderform der Peltierelemente, bei der die Stromrichtung sichbei jedem Übergang von einem Halbleiterthermoelement-Schenkel (1, 2) "zu einer Metallbrücke (3, 5) um 90 ändert, geometrisch besonders viel Volumen für die Unterbringung

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der Wärmeaustauscher (4, 6) anbietet. Fig. 2 zeigt eine praktische Ausführung, worin 1 und 2 das positive und negative Stäbchen sind, deren kalte Lötstelle durch die kupferne Brücke 3 gebildet wird, die, als Verlängerungsstück geformt, die Wärmeübergarigsbleche 4 trägt, welche sich in dem zu kühlenden Raum befinden; an den beiden warmen Lötstellen sind zwei solche Kupferbrücken 5 angesetzt, welche auch als Verlängerungen dienend die beiden warmen Wärmeaustauscher 6 kontaktieren. Die Anordnung macht augenscheinlich, dass bei dieser Art von laminarer Luftkühlung das Gewicht der Wärmeaustauscher mehr als das hundertfache der Thermoelementstäbchen (1, 2) betragen kann; diese Stäbchen müssen bekanntlich aus Halbleitern geringer kristallographischer Raumerfüllung (Schichtgitter) bestehen, um die erforderliche geringe Wärmeleitfähigkeit zu erzielen und sind daher zerbrechlich. Die Peltierstäbchen müssen bekanntlich auch einen modrigen Schmelzpunkt aufweisen, um hohe Thermokraft zu erreichen und können deshalb nur mit niedrigschmelzenden Loten wie Indium-Legierungen gelötet sein, wie vom Erfinder in DP 906 813 vom 3. November 1951 offenbart. Deshalb sind auch die Lötungen mechanisch nicht fest genug, um den Biegungskräften durch die schweren Gewichte der Wärmeaustauscher (4, G) zu widerstehen.

Wegen der bekannten niedrigen optimalen bzw. maximalen Betriebsspannung solcher Thermoelementpaare von nur wenigen mV einerseits und des Versagens von Kristallgleichrichtern bei Betriebsspannungen unterhalb von 0, 5 V andererseits (Schleusenspannung) muss man mindestens 30 bis 100 solcher Paare elektrisch hintereinander schalten und ausserdem hohe Gleichstromstärken von beispielsweise 20 bis 100 Anip anwenden, um auf elektrische und damit auch thermische Leistungen von wenigstens einigen Watt zu kommen. Man konstatiert, dass die bisherige Konstruktion von Peltieraggregaten zu Längen und Gewichten führte, welche die mechanische Festigkeit der. Thermoelektrika und der Lötungen überbeanspruchen, insbesondere, wenn es sich um längere Mäanderanordnungen wie in Fig. 3 handelt, die bei Biegung infolge Hebelwirkung besonders leicht zerbrechen.

Für solchen Bruch bedarf es keiner äusseren mechanischen Kräfte, vielmehr genügen dazu die durch die Temper^turdifferenzcn entstehenden inne-

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ren mechanischen Spannungen, wie dies -Fig. 4 erklärt: an den kupfernen Verbindungsbrücken (5) der warmen Lötstellen tritt eine thermische Ausdehnung auf, und in den kalten Verbindungsbrücken (3) umgekehrt eine thermische Kontraktion. Die Hoffnung, dass sich die beiden entgegengesetzten Längenänderungen exakt kompensieren, trifft nicht zu, weil die grossen Wärmeaustauscher (6) an den warmen Lötstellen die Temperatur nur um b bis 10 über die Umgebungstemperatur ansteigen lassen dürfen, während man bemüht ist, die kalten Lötstellen möglichst tief abzukühlen. Zudem sind wenigstens ede warmen Brücken (5) irgendwie befestigt, so dass an den kalten Lötstellen eine mechanische Restspannung auftritt, die zur Biegebeanspruchung der spröden Halbleiter Stäbchen (1, 2) und weichen Lötstellen führt. Grundsätzlich könnte man zwar kalte Brücken (4) flexibel ausbilden, aber bei den grossen Stromstärken und demzufolge Querschnitten ist dies schwer verwirklichbar. Wenn man die Mäanderanordnung nach der in Fig. 4 gezeichneten Anordnung zwischen oberflächlich metallisierte Keramikplatten presst, an welche oben bzw. unten die Wärmeaustauscherflächen angelötet sind, so darf man die Brücken (3, 5) nicht fest mit den Deckplatten verlöten, damit beim Ein- oder Ausschalten oder gar Kommutieren keine gefährlichen mechanischen Druck- oder Zugspannungen entstehen, insbesondere, wenn Brükken und Peltierstäbchen veischiedene Ausdehnungskoeffizienten haben. Ohne Lötverbindungen treten aber zwischen den Brücken, Deckplatten und Wärmeaustauschern Temperatursprünge auf, welche die ohnehin begrenzte höchstmögliche Abkühlung beispielsweise zur Hälfte beanspruchen und entsprechend dem allgemein mass geblichen Carnot-Faktor η die an sich schon bescheidene Kälteziffer (Kälteleistung/elektrische Leistungsaufnahme) weiter verschlechtern. Lötet man alternativ die Brücken an den innen elektrisch isolierenden Keramikdeckplatten fest, so verschwinden zwar die Temperatursprünge und der Wärmeübergang verbessert sich, ebenso wie maximale Abkühlung und KältPziffer, aber man vermehrt die Bruchgefahr und vermindert damit die Temperaturwechselfestigkeit und Betriebslebensdaucr. Die Anordnung nach Fig. 4 hat auch den Nachteil, dass man bei einer solchen Peltierplatte mit z. B. 36 Paaren die 72 Stäbchen und 144 Lötstellen weder in Augenschein nehmen noch elektrisch abtasten kann, so dass eine solche teure Platte verworfen werden muss, falls nur eine einzige der Lötungen

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oder Stäbchen versagte. Dies dürfte ein wesentlicher Grund sein, weshalb die Peltierkühlung bisher so wenig praktischen Erfolg hatte.

Bei der Untersuchung solcher Defekte findet man oft, dass die Lötschichten eingerissen sind und nur noch auf einem Pruchteil der Kontaktfläche Strom durchlassen. Die Ursache ist nach einer bekannten Theorie von Joffe eine konvexe Wölbung der warmen Stirnfläche und konkave Wölbung der kalten Stirnfläche der Peltierstäbchen (1, 2), die ohne Temperaturunterschied (t_T -t =0) beide ursprünglich eben waren; beide Stäbchen sind ursprünglich zylindrisch mit der gleichmässigen Dicke P und Länge 1 und erfahren ?jeim Ausdehnungskoeffizienten cc einen Dickenunterschied von ΔΡ= α (t -t ) P.

w κ

Wie Fig. 5 zeigt, erfährt unter dem Einfluss des Temperaturgradienten

(t -t )/l jeder Schenkel eine Verbiegung mit dem Krümmungsradius R = w k

P . 1/ΔΡ = 1/α (t -t ). Bei cc= 0,000 02, einem Temperaturunterschied t -t, = 30 und 1 = 0, 6 cm findet man einen Krümmungsradius von R=IO cm, und infolge dieser Verbiegung bewegt sich die ursprünglich ebene Stirnfläche der heissen Lötstelle, die an einer Kante fest anliegt, an der gegen-

2 2

über liegenden um die Strecke Δ1 = P /2R = P . a(t -t, )/2.1. Zahlenbei-

^w JT 2

spiel nach Fig. 5 : bei einem Schenkelquerschnitt von P =10 cm weicht die zweite Kante um 0, 05 cm von der Ebene ab, oder wenn die Mittellinie der Querschnittsfläche festliegt, verschieben sich die Kanten links und rechts um 0, 025 cm. Ist die freie Verbiegung der Batterie behindert, so können die auftretenden mechanischen Spannungen hohe Werte erreichen und die Ohmschen Widerstände durch Rissbildung in den Lötstellen erheblich erhöhen, wobei infolge der hohen Betriebsstromstärken die Kälteleistung stark herabgesetzt wird, wie von Gehlhoff, Jutäti et al. 1950 aufgefunden.

Auch das U. S. Patent 3, 196, 620 von Th. M. und Sv. Th. Elfving versucht mechanische Spannungen zu vermindern, wobei der Aufbau aus teils konzentrischen, teils durch Peltierstäbchen untereinander verbundenen mehrschichtigen Röhrchen sehr aufwendig ist, Hebelwirkungen und der besonders gefährliche Effekt der Lötstellenrisse nicht vermieden wird. Aus dieser Analyse des Standes der Technik folgert der Erfinder folgende Konstruktionslehren:

1) die geometrische Anordnung muss so getroffen werden, dass der elek-

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trische Gleichstrom beim Übertritt von einem zum nächsten Bauelement seine Richtung nicht erheblich ändert, insbesondere nicht um 90 ,

2) die absolute Länge des Aggregates muss in allen Richtungen so kurz wie irgend möglich sein, damit auch die unvermeidlichen thermisehen Ausdehnungen und Kontraktionen im Absolutbetrag minimal bleiben und nur minimale mechanische Restspannungen erzeugen,

3) aus dem gleichen Grunde sollen sich die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe um nicht mehr als 10% unterscheiden,

4) zur Minimierung der durch die Gewichte der metallischen und halbleitenden Werkstoffe ausgeübten deformierenden Kräfte werden insbesondere die Gewichte der Brücken konse'quent eingeschränkt,

5) soweit mechanische Kräfte infolge der Einwirkung von Zusatz-Bauelementen wie Wärmeaustauschern nicht ganz vermieden werden können, dürfen diese nur durch flexible Verbindungen an die kalten oder warmen Lötstellen angeschlossen werden.

Fig. 6 veranschaulicht ein erfindungsgemässes geometrisches Schema einer thermoelektrischen Reihenanordnung, das diesen Forderungen entspricht. Hierbei sind die elektrisch leitenden Teile möglichst dünne annähernd kreisförmige Scheibchen aus Cu (3, 5) oder positivem (I^ p) oder negativem (2,n) Thermoelektrikum, die in der Reihenfolge Cu/p/Cu/n/Cu/p/Cu/ η .... usw. /Cu aufeinander gelötet werden, so dass eine stabförmige Batterie zustandekommt. Falls dieser Stab (10) z.B. vertikal stehend am Boden oder sonst an irgendeinem einzigen Punkt gehaltert ist, kann er sich bei thermischer Ausdehnung wegen seiner Rotationssymmetrie nicht in eine bestimmte Richtung verbiegen. Er wird aus mindestens so. vielen Paaren zusammengesetzt, dass seine Betriebsspannung im Peltier-Betrieb über der Schleusenspannung des speisenden Kristallgleichrichters, zweckmässig aber oberhalb von 1 V liegt. Sogar in seiner Längsrichtung erfüllt der Stab die Forderung minimaler Länge, denn diese addiert sich hier aus den kürzesten Teilabmessungen, nämlich den Dicken der p-, n- und Cu-Plättchen, ohne irgendwelche Zwischenräume. Hier zeigt sich schon ein wesentlicher Erfolg der erfindungsgemässen Anordnung: während man bei der herkömmlichen Konfigura tion, insbesondere dem Mäander-Muster, die Kupferbrücken möglichst dick machen muss, um die starken Gleichströme ohne allzu starke Dissipation

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der die Pel tierkälte kompensierenden Joule' sehen Wärme leiten zu können, werden hier die Cu-Scheiben senkrecht zu ihrer Achse vom Strom durchflossen und können so dünn gemacht werden, wie es die Aufgabe der Wärmeleitung aus der betreffenden Lötstelle an die Lötösen gerade gestattet. Innerhalb des Thermoelementstabes (1, 2) können diese Metallbleche relativ dünn gewählt werden, beispielsweise nur einige 0, 1 mm, weil die angrenzenden Stirnflächen der p- und η-Stäbchen zur Wärmeleitung beitragen; die aus der Seitenwand des Stabes herausragenden Blechteile können mehrfach gerollt oder geknickt werden, damit an der Lötstelle auf dem Weg zum Wärmeaustauscher dickere Querschnitte entstehen. Wie Fig. 6 weiter erkennen lässt, ist es auch hier möglich, alle kalten Lötstellen einer solchen Thermobatterie auf der einen, alle warmen Lötstellen auf der entgegengesetzten Seite zu placieren, so dass man leicht kalte und warme Räume voneinander durch thermisch isolierende Schichten wie z. B. Polystyren trennen kann. ·

Die Verbindung zwischen Lötnasen und luftgekühlten Wärmeaustauschern kann grundsätzlich analog zu Fig. 1 durch unmittelbare Verlötung geschehen, wie in Fig. 6a veranschaulicht, wobei man zur Maximierung der natürlichen Konvektion der Luft die Blechflächen (4, 6) senkrecht, den Thermostab (10) waagerecht anordnen wird. Wie oben dargelegt, würde dadurch der erfindungsgemässe Fortschritt beeinträchtigt werden, weshalb vorgezogen wird, die Verbindung zwischen Lötnasen und Wärmeaustauschern durch geflochtene Litzen aus Cu oder Al zu bewerkstelligen. Eine vom Erfinder neu aufgefundene Alternative besteht darin, bei der Verbindung zwischen den Kälte- und Wärmequellen einerseits und Wärmeaustauschern andererseits die Entstehung von mechanischen Restspannungen nicht durch die Litzenform konventioneller Werkstoffe wio Cu oder Al zu vermeiden, sondern durch Verwendung von ungewöhnlichen, schon bei Zimmertemperatur plastischen Metallen wie Cd oder In, auch ohne geflochtene Struktur. In chemisch reinem Zustand haben diese Metalle Wärmeleitfähigkeiten, die 35% bzw. 30% der sehr guten Wärmeleitzahl des 99, 999%igen Al erreichen. Diese Möglichkeit ist in Fig. 6b veranschaulicht, die erkennen lässt, dass man dabei die massiven Cd- odex In-Drähte besser nicht gestreckt, sondern als Federn formt.

Völlig im Sinne der Erfindung liegt es, den Wärmetransport zwischen den

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Kälte- und Wärmequellen einerseits und den Wärmeaustauschern andererseits nicht durch elektronische und phononische Wärmeleitung- der Festkörper gemäss Fig. 6a, b zu bewerkstelligen, sondern durch turbulente Konvektion von Flüssigkeiten, weil dadurch die Wärmemengen infolge starker Verminderung der Temperatursprünge verlustärmer auf grösscre Entfernungen übertragen werden können. Es wäre naheliegend, hierzu die Lötnasen einerseits und die Wärmeaustauscher andererseits gemäss Fig. 6b nicht durch massive Metalldrähte, sondern Metallkapillaren zu verbinden, die durch je eine kleine Umlaufpumpe für die kalte und warme Flüssigkeit unter Benutzung eines gemeinsamen Antriebsmotors umgewälzt werden, im Falle des Wassers also mit einer überkritischen Geschwindigkeit oberhalb von 2, 5 cm/sec. Eine teure Komplikation würde dabei die Notwendigkeit bilden, diese Metallrohre durch kurze isolierende Zwischenstücke etwa aus Plastikschlauch elektrisch zu unterbrechen, damit die halbleitenden Thermoelemente mit ihrem, relativ hohen

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spezifischen Widerstand (typisch p~5. 10 Ohm. cm) nicht durch metallische Rohre kurzgeschlossen werden, die selbst bei Verwendung von Widerstandslegierungen wie z.B. Neusilber etwa 5-fach besser spezifisch leiten. Erfindungsgemäss reicht es aber aus, den elektrischen Parallelwiderstand solcher Kühl- bzw. Heizrohre dadurch unter 10% desjenigen der Thermoelementstäbchen herabzusetzen, dass man die Rohre genügend lang und dünnwandig wählt. Für ein typisches Peltierstäbchen mit 9 mm Durchmesser und 3 mm Länge beträgt das Verhältnis von Länge L zu Querschnitt q 3/64 mm = 0, 047 mm , für eine Neusilberkapillare von 4 mm Aussendurchmesser, 0, 1 mm Wandstärke und 200 mm Länge L/q=200/l, 22 ~ 163 mm" , also das 3500-fache. Hierdurch wird das oben erwähnte Verhältnis der spezifischen Widerstände von 5:1 überkompensiert, und der parasitäre Nebenwiderstand der Wasserleitung auf das 5/3500 = 0, 14% vermindert. Insofern brauchen die Kapillaren nicht einmal aus einem kostspieligen Widerstandswerkstoff zu bestehen, sondern beispielsweise aus einem geeigneten Messing.

Als technisches Anwendungsbeispiel dieser Lehre zeigt Fig. 7 in schematischer Darstellung einen thermoelektrischen Flaschenkühler, der von den bisher bekannten, wegen ihrer unzureichenden Kühlwirkung unbefriedigenden Modellen erheblich abweicht. Links sieht man vertikal stehend einen er-

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findungsgemässen Peltier-Kühlstab (10),. der Übersichtlichkeitshaibor als nur aus 7 anstatt über 50 Paaren zusammengesetzt gezeichnet ist und über 100 W Nennleistung aufnehmen kann. Er ist auf einer Cu-Schiene (11) ausreichenden Querschnittes montiert, die zugleich den negativen Pol der Gleichstromversorgung bildet; darauf folgen abwechselnd ρ-, Cu-, η-, Cu-, ρ-, .... usw. Plättchen übereinander geschichtet bis zum letzten n-Scheibchen, dessen kupferne Bedeckung (12) mit einer Litze flexibel an den Pluspol angeschlossen wird. Bei dieser Polung und Reihenfolge liegen alle kalten Lötstellen (3) jeweils zwischen ρ und n, alle warmen Lötstellen (5) zwischen η und ρ, und in Fig. 7 zeigen alle kalten Cu-Zwischenbleche (3) mit ihren Lötnasen nach rechts, alle warmen (5) nach links. Die kalte Wärmeübergangsfläche (4) besteht in dieser Variante aus einer Neusilberkapillare von einigen m Länge, die zu einer Spirale von etwa 10 cm Durchmesser gerollt ist, ,und von der sämtliche 7 Windungen mit den kalten Lötnasen (3) durch Lötung oder Punkt schweissung thermisch verbunden sind; sie können vor gegenseitiger kurzschliessender Berührung mit Isolierstückchen geschützt werden. Die Spirale (4) bietet Raum tür das Kühlgut, in diesem Falle die angedeutete Flasche (7), die auf einem mit der Spirale thermisch verbundenen kalten Blech aufsteht; ferner erkennt man, nur als Block angedeutet, eine Umlaufpumpe (8) vom Typ einer billigen Aquariumpumpe, die falls erforderlich mit gefrierpunktserniedrigenden Zusätzen wie Alkoholen gemischtes Kühlwasser mit mehr als 2, 5 cm/sec umwälzt. Während die kalten Lötnasen (3) in Verbindung mit den einzelnen Windungen der Kühlspirale (4) voll gezeichnet sind, ist die analoge Verbindung zwischen den warmen Lötnasen (5) und deren Wärmeaustauschern der Übersichtlichkeit halber fortgelassen; diese Kühlflächen können sowohl durch metallischen Kontakt nach Fig. 6, wie ebenfalls durch überkritische Wasserkühlung thermisch verbunden sein, letzteres ohne erheblichen Mehraufwand durch eine vom selben Motor angetriebene zweite Umlaufpumpe. Solche DoppeJpumpen sind handelsüblich erhältlich, aber man kann diesen Motor auch alternativ oder zusätzlich mit Luftgebläsen bestücken. Kälteleistung und Wärmeübergang des Flaschenkühlers nach Fig. 7 sind durch diese Konstruktion derart verbessert, dass man hierin auch einige Eiswürfel (9) ausfrieren kann. Die äussere Ausgestaltung ist für die Erfindung nicht wesentlich und daher weggelassen, ebenso wie die Kältedämmungen aus Sehaum-

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plasten, Superisolation ο. ä.

Dieselbe Anordnung kann auch vorteilhaft für Klimageräte benutzt werden; man muss lediglich einen Gleichstromkommutator für die Umschaltung von Peltier-Kühlung auf -Heizung hinzufügen und die Anzahl der Peltier-Stäbe (10) vermehren, um die Leistung zu vervielfachen. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, bei Wasserumlaufkühlung als Betriebsspannung nie das Potential der reversiblen Elektrolyse (1, 23 V) zu überschreiten, um Knall gas entwicklung zu vermeiden; deshalb soll man bei höherem Leistungsbedarf mehrere Peltierstäbe (10) entweder parallel schalten oder die Kühlkreise entsprechend unterteilen. Die Herabsetzung der Temperatursprünge an den Wärmeübergangsflächen durch turbulente Kühlung gemäss der vorliegenden Erfindung wirkt sich besonders vorteilhaft bei der teilreversiblen elektrothermischen Heizung in den Übergangszeiten des Frühjahrs und Herbstes aus, denn bekanntlich ist deren Wirkungsgrad η nach dem Carnot-Prinzip umgekehrt proportional der Temperaturdifferenz At gemäss η =4 (t + 273)/At, worin t die Temperatur der warmen Lötstelle, und $ der sog. thermoelektrische Verlustfaktor ist. Bei den bisherigen Peltier-Heizanordnungen wurde eine tatsächliche Raumheizung um ζ. Β. Δι = 20 durch die ähnlich grossen Temperatursprünge an den kalten und warmen Wärmeaustauschflächen etwa verdoppelt, so dass der Wirkungsgrad etwa halbiert wurde und die teilreversible Heizung ihren grundsätzlichen Vorteil geringeren Verbrauchs an elektrischer Leistung gegenüber der herkömmlichen Joule' sehen Widerstandsheizung noch nicht erreichen konnte.

Wie einleitend erwähnt, bezieht sich die vorliegende Erfindung nicht nur auf Thermoelementpaar-Anordnungen für Peltier-Kühlung und -Heizung, sondern auch auf Seebeck-Stromerzeugung aus Wärme gefallen, und die letzte Fig. 8 zeigt eine entsprechende Vorrichtung zur Ausnutzung von relativ geringen At, wobei t 3*120 angenommen ist; diese konkrete Aufgabe ist technisch aktuell zur thermoelektrischen Verstromung von Sonnenwärme in heissen Entwicklungsländern. Links sieht man einen der üblichen Sonnenwärme-Sammler, bestehend aus einem Kasten 13, auf den möglichst senkrecht die Sonnenstrahlen durch eine oder mehrere Glas- oder Plastikscheiben 14 einfallen, die für sichtbares Licht durchlässig sind, aber undurchlässig für die

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Reemission der langwelligen Wärmestrahlung, welche durch Absorption des Sonnenlichtes im geschwärzten Blech 15 entsteht und bei t = 120 einige um Wellenlänge erreicht. Die absorbierte Sonnenwärme dient zur Erwärmung und Verdampfung von Wasser oder einem geeigneten tiefer siedenden Wärmeträger in den Rohren 16, welche durch das schon in Fig. 7 erläuterte Spiralrohr 17 die heissen Lötstellen des Thermostabes (10) erhitzt, dessen kalte Lötstellen (3) durch ein entsprechendos Spiralrohr (6) gekühlt werden. Das teilweise abgekühlte Heisswasser wird durch eine Pumpe (8) zwecks Wiedererhitzung bzw. Verdampfung in den Sonncnwärmekollektor zurückgeführt und die Seebeck-Spannung an 11 und 12 abgenommen, mit etwa 35 mV Leerlauf spannung oder 18 mV Klemmenspannung je Paar unter maximaler Last. Bei den gegenwärtig verfügbaren Therrnoelektrika des Bi Te -Typus mit einer thermoelektrischen Effektivität von 0, 0033 Grad" \ die mit Schwermetall-Diffusionsbremse dauernd t =120 vertragen und an

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den kalten Lötstellen auf 20 gekühlt werden, erreicht man 5,3% Wirkungs-

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grad der Verstromung, also 53 W je m Wärmekollektorfläche, falls diese von der bei etwa 40 geographischer Breite erreichbaren Sonneneinstrah-

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lung von 1 kW/m besonnt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei diesem Seebeck-Betrieb der erfindungsgemässen stabförmigen Thermo-Aggregate (10) die Temperaturdifferenzen At mehr als doppelt so gross sind wie beim Peltierbetrieb zur Kühlung oder Heizung; deshalb sind auch die möglichen Deformationen durch thermische Ausdehnung und die Ausbildung mechanischer Restspannungen über doppelt so gross, und ihre Vermeidung durch Anwendung der Lehren dieser Erfindung noch wichtiger.

Aus den obigen Darlegungen ergibt sich mindestens implicite, dass die eingangs behauptete Billigkeit der Herstellung stabförmiger gegenüber mäanderförmigen Aggregaten zutrifft. Tatsächlich braucht man nur die verschiedenen scheibenförmigen Cu-, p- und η-Komponenten mit einem geeigneten niedrigschmelzenden Lot wie der erwähnten Legierung 52 In/ Sn 48 vorzuverzinnen, dann alle Scheiben übereinander zu schichten und

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mit Ultraschall von einigen 10 bis 10 Hz in Vibration zu versetzen, damit ein solcher Thermostab entsteht.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1) j Thermoelektrischer Energiewandler für Seebeck- und/ oder Peltier-Betrieb, bestehend aus einer Vielzahl von elektrisch hintereinander geschalteten abwechselnd positiv (1) oder negativ (2) chermoelektrischen Halbleiter-Plältchen mit zueinander parallelen Stirnflächen, die unter Zwischenfügung jeweils eines gut leitenden grösseren Metallscheibchens (4, 6) in der Reihenfolge Metali/p/MetaH/n/Metall/p/Metall/n usw. /Metall übereinander geschichtet und verlötet sind, gekennzeichnet durch eine geometrische Anordnung derart, dass der Strom beim Übergang von einem der genannten drei Bauelemente auf seine Nachbarelemente keine erhebliche Richtungsänderung erleidet und die entstehende stabförmige Batterie (10) sich wegen ihrer Axial symmetrie ohne Biegungen thermisch frei ausdehnen kann.

2 ) Thermoelektrische!' Energiewandler nach 1), dadurch gekennzeichnet, dass die in die kalten und heissen Lötstellen eingefügten gut elektrisch und thermisch leitenden Metallscheibchen (4, 6) mit Lötfahnen aus der Mantelfläche der Stubform (10) herausragen, die jeweils mit den kalten (4) bzw. heissen (6) Wärmeübertragungsflächen verbunden sind derart, dass sämtliche warmen Lötfahnen in eine Richtung, alle kalten Lötfahnen in die entgegengesetzte Richtung weisen.

3 ) Thermoelektrischer Energiewandler nach 1) und 2), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransport von den kalten Lötstellen (3) zu den Kälteübergangsflächen (6) durch metallische Drähte oder Litzen insbesondere aus weichen Metallen wie reinem Indium oder Cadmium geschieht, die zur weiteren Verminderung mechanischer Kräfte gebogen sind.

4 ) Thermoelektrische Energie wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 3), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransport von den kalten Lötstellen (3) zu den Kälteübertragungsflächen (4) und/oder von den warmen Lötstellen (5) zu den Wärmeübertragungsflächen (6) durch Konvektion einer Flüssigkeit wie insbesondere Wasser mit oder ohne gefrierpunktsändernden Zusätzen geschieht, welche turbulent eine die kalten bzw. warmen Lötstellen einerseits und die Kälte- bzw. Wärmeübertragungsflächen (4, 6) andererseits verbindende Metallrohrspirale durchströmt, welche da-

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durch gekennzeichnet ist, dass sie aus einer Legierung besteht, deren elektrischer Widerstand R = ρ . L/q durch passende Wahl von spezifischem Widerstand O₁ Rohrlänge L und Rohrwandungsquerschnitt q mindestens lOmal grosser bemessen ist als der parallel dazu liegende Halbleiter-Widerstand der Thermoelemente.

5 ) Thermoelektrische Energiewandler nach einem, oder mehrereii der Ansprüche 1) bis 4), dadurch gekennzeichnet, dass die n- und p-Thermoclektrika (1, 2) aus Verbindungen des Bi Te -Typus derart legiert und dotiert werden, dass sich ihre mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Betriebstemperaturbereich um weniger als 10% von demjenigen der in die kalten bzw. warmen Lötstellen eingefügten gut leitenden Metalle (3,5) unterscheiden.

6 ) Thermoelektrischer Peltier-Kühler für Flaschen, mit oder ohne eingebautem Eisbereiter, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 5), gemäss Fig. 7.

7 ) Thermoelektrischer Energiewandler für Peltier-Kühlung und/oder -Heizung mit Wärmeübertragung durch turbulent strömendes Wasser nach Anspruch 4), dadurch gekennzeichnet, dass an den Wasserkreislauf höchstens 1, 2 V Gleichspannung angelegt werden.