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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

' - Ja 268285 KLASSE 17/. GRUPPE'- Yes 268285 CLASS 17 /. GROUP

mittels Thermoelemente.by means of thermocouples.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 27. November 1912 ab.Patented in the German Empire on November 27, 1912.

Sendet man durch ein Thermoelement, dessen beide Lötstellen anfangs gleiche Temperatur haben, elektrischen Strom, so wird an der einen Lötstelle Wärme gebunden, was eine Abkühlung zur Folge hat, an der anderen Lötstelle Wärme abgegeben, wodurch Erwärmung dieser Stelle eintritt. In Fig. ι sind a, \ und a, b₂ Stäbe aus verschiedenen thermoelektrisch wirksamen Materialien, z. B. Wismut und Antimon, die bei α vereinigt und durch eine Leitung c mit einer Stromquelle d verbunden sind. Bei der durch den Pfeil angegebenen Stromrichtung tritt die Abkühlung bei a, die Erwärmung bei O₁ und b₂ ein. In der Fig. 2 ist der Temperaturverlauf unter der Voraussetzung dargestellt, daß sich das Element in freier Luft befindet. Es ist ferner vorausgesetzt, daß bereits der stationäre Zustand eingetreten ist, der sich einstellt, wenn gewisse Zeit hindurch ohne Änderung der übrigen Verhältnisse konstanter Strom durchgesandt wurde. Man sieht aus dem Diagramm, daß sich die Abkühlung nach beiden Seiten von der Lötstelle in das Material fortgepflanzt hat, wobei die Lötstelle selbst die niedrigste Temperatur besitzt. Der Temperaturverlauf hängt wesentlich von den Wärmeübergangsverhältnissen ab, die zwischen dem Körper des Thermoelements und der Umgebung bestehen. Unter allen Umständen wird jedoch das Abkühlungsgebiet von der Lötstelle aus nach beiden Seiten allmählich verlaufen, wenn auch der Temperaturabfall je nach den Wärmeübergangsverhältnissen größeren oder geringeren Wert, steileren oder flacheren, regelmäßigeren oder unregelmäßigeren Verlauf hat.If an electrical current is sent through a thermocouple, the two soldering points of which are initially at the same temperature, heat is bound at one soldering point, which results in cooling, and heat is given off at the other soldering point, causing this point to heat up. In Fig. Ι a, \ and a, b ₂ rods made of different thermoelectrically effective materials, for. B. bismuth and antimony, which are combined at α and connected by a line c to a power source d . In the direction of the current indicated by the arrow, cooling occurs at a, and heating occurs at O ₁ and b ₂ . In Fig. 2, the temperature profile is shown under the prerequisite that the element is in free air. It is further presupposed that the steady state has already occurred, which occurs when a constant current has been sent through for a certain period of time without changing the other conditions. It can be seen from the diagram that the cooling has propagated on both sides from the soldering point into the material, the soldering point itself having the lowest temperature. The temperature profile depends essentially on the heat transfer conditions that exist between the body of the thermocouple and the environment. Under all circumstances, however, the cooling area will gradually run from the solder joint to both sides, even if the temperature drop has a greater or lesser value, steeper or flatter, more regular or more irregular, depending on the heat transfer conditions.

Will man nun die Temperaturerniedrigung des Thermoelements dazu verwenden, um einen darüber geleiteten Flüssigkeitstrom abzukühlen, so ist es nicht gleichgültig, in welcher Breite man ihn über die Lötstelle fließen läßt. Je breiter der Flüssigkeitstrom ist, desto verschiedener ist die Temperatur der Körperelemente, mit denen er gleichzeitig in Berührung kommt.If you want to use the temperature decrease of the thermocouple to a to cool the liquid flow passed over it, it is not indifferent in which Spread it over the solder joint and let it flow. The wider the flow of liquid, the more different it is is the temperature of the body parts with which it comes into contact at the same time.

In Fig. ι werde beispielsweise der abzukühlende Flüssigkeitstrom über das Element geleitet, nachdem dessen Abkühlung durch den elektrischen Strom in freier Luft herbeigeführt wurde. Der Flüssigkeitstrom trifft zu Anfang auf einen Temperaturverlauf, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn der Flüssigkeitstrom Körperstellen von verschiedener Temperatur gleichzeitig berührt, so wird sich das Abkühlungsresultat nach einer mittleren Temperatur einstellen. Diese mittlere Temperatur ist in Fig· 2 für zwei verschiedene Breiten des Flüssigkeitstromes e und f mit der Bezeichnung i_e und tj angegeben. Man sieht, daß die auf Abkühlung wirkende TemperaturIn Fig. Ι, for example, the flow of liquid to be cooled is passed over the element after it has been cooled by the electric current in free air. At the beginning, the liquid flow encounters a temperature profile as shown in FIG. 2. If the flow of liquid touches parts of the body at different temperatures at the same time, the cooling result will be achieved after a medium temperature. This mean temperature is indicated in FIG. 2 for two different widths of the liquid flow e and f with the designations i _e and tj. It can be seen that the temperature acting on the cooling

um so tiefer und damit die Abkühlung um so stärker wird, je geringere Breite der Flüssigkeitstrom besitzt. Würde man ihn als ganz schmales Band über die Lötstelle fließen lassen, so wäre demnach die Möglichkeit größter Abkühlung gegeben. Wenn aber auch die Temperaturwirkung in diesem Falle eine intensivere ist als bei breiterem Flüssigkeitbande, so tritt hier ein anderer Umstand auf,the deeper and thus the greater the cooling, the smaller the width of the liquid flow owns. If you were to let it flow over the soldering point as a very narrow band, then there would be a possibility given the greatest cooling. But even if the temperature effect in this case is more intense than with a broader fluid band, another circumstance occurs here,

ίο der schädlich ist; es werden nämlich die Verluste an Kältewirkung größer als im Falle breiteren Bandes. Dies ergibt sich aus der Betrachtung der Fig. 3, 4 und 5.ίο which is harmful; namely, it will be the losses the cold effect is greater than in the case of a wider band. This results from the consideration of FIGS. 3, 4 and 5.

In Fig. 3 und 4 ist in zwei Ansichten und teilweisem Schnitt eine Anordnung dargestellt, bei der die Metalle des Thermoelements in Form von dünnen Blechen vorhanden sind und die Flüssigkeit in Kanälen aus wärmeisolierender Masse A₁ und A₂ auf beiden Seiten der Elementbleche über die Lötstelle geführt wird. Der Flüssigkeitstrom g sei schmal, so daß sich von den abgekühlten Körperstellen des Elements nach dem Temperaturdiagramm (Fig. 5) nur ein Bruchteil in unmittelbarer Berührung mit der Flüssigkeit befindet. Die Temperatur, mit der der Flüssigkeitstrom auf der Seite χ (in Fig. 4) eintritt, sinkt wegen der Wärmeentziehung durch das Thermoelement, so daß die Austrittemperatur an der Seite y geringer ist.In Fig. 3 and 4, an arrangement is shown in two views and partial section in which the metals of the thermocouple are in the form of thin sheets and the liquid in channels of heat insulating material A ₁ and A ₂ on both sides of the element sheets over the Solder joint is performed. The liquid flow g is said to be narrow, so that only a fraction of the cooled parts of the body of the element according to the temperature diagram (FIG. 5) is in direct contact with the liquid. The temperature at which the flow of liquid enters on the χ side (in FIG. 4) drops because of the removal of heat by the thermocouple, so that the outlet temperature on the y side is lower.

In Fig. 5 ist mit t_a die Temperatur des Flüssigkeitstromes an einer beliebigen Stelle des Weges zwischen χ und y bezeichnet. An derselben Stelle herrscht in dem betrachteten Augenblicke der in Fig. 5 dargestellte Temperaturverlauf. Untersucht man die Wechselwirkung zwischen den nach dieser Temperaturkurve abgekühlten Metallen und der Flüssigkeit, so ist zunächst festzustellen, daß alle Teile des festen Körpers, die höhere Temperatur als die Flüssigkeit besitzen, auf diese selbstverständlich nicht abkühlend wirken können. Es scheiden daher alle Partien, die rechts und links außerhalb der Punkte b_a und b_e liegen, aus. Aber auch die Partien zwischen b₃ und δ₄ einerseits und zwischen b₅ und b_e anderseits, denen im Diagramm die schraffierten Flächen entsprechen, können, trotzdem sie geringere Temperatur als die Flüssigkeit besitzen, ihre abkühlende Wirkung nicht äußern. Sie wären dazu nur imstande, wenn sie aus der Flüssigkeit Wärme aufnehmen könnten. Unmittelbar ist dies nicht möglich, weil sie nicht von der Flüssigkeit berührt werden. Aber auch mittelbar durch Wärmeleitung kann bei dem Temperaturverlauf der Fig. 5 die Übertragung nicht stattfinden, weil die Teile des Thermoelementkörpers, die diese Leitung zu besorgen hätten (zwischen b₄ und J₅), kälter sind als die Teile, denen die Wärme zuzuführen ist. Wärme kann aber nicht von kälteren nach wärmeren Körpern strömen. Dagegen wird der umgekehrte Fall wohl eintreten, daß nämlich aus den außerhalb von b₄ und δ₅ liegenden Teilen Wärme nach den Teilen zwischen diesen Punkten zuströmt und dadurch die Abkühlwirkung auf die Flüssigkeit geschädigt wird. Mit der Zeit verschieben sich allerdings diese Verhältnisse. Der Flüssigkeitstrom gibt an die Metalle zwisehen δ₄ und b_b Wärme ab. Hierdurch steigt die Temperatur dieses Stückes, so daß von dort aus an die benachbarten, außerhalb liegenden Teile Wärme abgegeben werden kann. Diese mittelbare Übertragung ist jedoch unter allen Umständen weniger günstig als die' unmittelbare zwischen Flüssigkeit und Metall. Die unvermeidlichen Kälteverluste durch Zuströmung von Wärme aus der Umgebung und aus den wärmeren Teilen des Elements werden bei den nicht von der Flüssigkeit unmittelbar bespülten Teilen erheblich größer sein als bei den bespülten.In FIG. 5, t _a denotes the temperature of the liquid flow at any point along the path between χ and y. At the same point, the temperature profile shown in FIG. 5 prevails at the moment under consideration. If one examines the interaction between the metals cooled down according to this temperature curve and the liquid, it can first be established that all parts of the solid body which have a higher temperature than the liquid can of course not have a cooling effect on it. Therefore, all games that lie outside the points b _a and b _e to the right and left are eliminated. But the areas between b ₃ and δ ₄ on the one hand and between b ₅ and b _e on the other hand, to which the hatched areas correspond in the diagram, cannot express their cooling effect even though they have a lower temperature than the liquid. They would only be able to do this if they could absorb heat from the liquid. This is not possible immediately because they are not touched by the liquid. However, even indirectly through heat conduction, the transfer cannot take place with the temperature profile of FIG. 5, because the parts of the thermocouple body that would have to get this line (between b ₄ and J ₅ ) are colder than the parts to which the heat is to be supplied . But heat cannot flow from colder to warmer bodies. On the other hand, the opposite case will probably occur, namely that heat flows from the parts lying outside of b ₄ and δ ₅ to the parts between these points and the cooling effect on the liquid is thereby damaged. Over time, however, these relationships shift. The liquid flow gives off heat _{to the metals between δ 4} and b _b. This increases the temperature of this piece, so that from there heat can be given off to the neighboring, external parts. This indirect transfer is, however, under all circumstances less favorable than the direct transfer between liquid and metal. The inevitable cold losses due to the inflow of heat from the environment and from the warmer parts of the element will be considerably greater in the parts not directly rinsed by the liquid than in the rinsed parts.

Ein Mittel zur Besserung dieser Verhältnisse bietet sich dadurch, daß man die Teile δ₄ und b_b ebenfalls von dem Flüssigkeitstrom bespülen läßt. Macht man diesen Strom einfach breiter gegenüber der Anordnung von Fig. 3 und 4 und läßt ihn ebenso wie dort quer über die Elemente strömen, so würden die Temperaturen in den verschiedenen parallel strömenden Stromfäden sehr verschieden sein, daher die mittlere, auf Abkühlung wirkende Temperatur unnötig hoch werden. Um dies zu vermeiden, kann man den Strom nach Fig. 6 (zugehöriges Temperaturdiagramm Fig. 7) der Länge nach über das Thermoelement strömen lassen, so daß er zuerst mit wärmeren und dann mit kälteren Partien in Berührung kommt. Bei der Anordnung der Fig. 6 hat dies zur Folge, daß man zwei getrennte Ströme an den wärmeren Seiten eintreten lassen muß, die über der kalten Lötstelle vereinigt oder auch dort getrennt austreten. Bei einer Anordnung nach Fig. 8 und 9, bei der die beiden Elementschenkel in der Nähe der Lötstelle so umgebogen sind, daß sie parallel liegen, kann man mit einem einzigen Strom auskommen, der bei X₁ eintritt und bei y_x austritt. Aus der Betrachtung der Fig. 6, 8 und 9 ergibt sich, daß man nun nicht nur die Nachteile der Anordnung nach Fig. 3 und 4 vermieden hat, sondern noch als Vorteil größere Berührungsfläche zwischen Flüssigkeit und Metall gewonnen hat, wodurch eine Beschleunigung der Wärmeübergangsvorgänge und eine weitere Ersparung an Kälteverlusten erreicht wird.One means of improving these conditions is to allow parts δ ₄ and b _{b to} also be flushed with the liquid flow. If this stream is simply made wider than the arrangement of FIGS. 3 and 4 and allowed to flow across the elements as there is, the temperatures in the various parallel flowing streams would be very different, hence the mean temperature acting on cooling unnecessary get high. To avoid this, the current according to FIG. 6 (associated temperature diagram, FIG. 7) can be allowed to flow lengthwise over the thermocouple so that it first comes into contact with warmer and then with colder parts. In the arrangement of FIG. 6, this has the consequence that two separate currents must be allowed to enter on the warmer sides, which are combined above the cold solder joint or also exit separately there. In an arrangement according to FIGS. 8 and 9, in which the two element legs are bent in the vicinity of the soldering point so that they are parallel, one can get by with a single current which enters at X ₁ and exits at y _x. 6, 8 and 9 shows that one has not only avoided the disadvantages of the arrangement according to FIGS. 3 and 4, but has also gained as an advantage a larger contact surface between liquid and metal, whereby an acceleration of the heat transfer processes and a further saving in cold losses is achieved.

Bisher wurden die Verhältnisse bloß bei Vorhandensein eines einzigen Thermoelements be-So far, the situation has only been determined in the presence of a single thermocouple.

trachtet. Von größerer praktischer Bedeutung j ist der Fall, daß nicht ein einziges Thermoelement, sondern eine größere Anzahl solcher in Säulenform verwendet wird. Auch hier wird man, um eine ähnliche Wirkung zu gewinnen, die zu kühlende Flüssigkeit entsprechend dem Sinken ihrer eigenen Temperatur •zuerst über die Teile führen, die am wenigsten abgekühlt sind und sie dann über immerseeks. Of greater practical importance j is the case that not a single thermocouple, but a larger number of them are used in columnar form. Here too, in order to gain a similar effect, The liquid to be cooled should first pass the liquid to be cooled over the parts that have • the least, according to the decrease in its own temperature cooled down and then over getting

ίο kältere gelangen lassen. In diesem Falle würde der" Zweck aber nicht erreicht werden, wenn man die Längsströmung nach Fig. 6 bis 9 anwendete. Es würde dann zwar für das einzelne Element die Strömung der fallenden Temperatur entsprechend richtig vor sich gehen; beim Übergang zum nächsten Element, bei dem die Flüssigkeit natürlich wieder an dessen wärmerer Seite eintreten müßte, würde ein Temperatursprung nach aufwärts eintreten.ίο let colder ones arrive. In this case However, the "purpose would not be achieved if one were to use the longitudinal flow according to FIGS. 6 to 9 applied. It would then be the flow of the falling for the individual element Temperature proceed accordingly correctly; when moving to the next element, at which the liquid would of course have to enter again on its warmer side, would a Enter temperature jump upwards.

Um dies zu verhindern, wird die Flüssigkeit nach Fig. 10 quer über die Elementschenkel geführt. Sie durchstreicht dann zunächst die am wenigsten abgekühlten Teile sämtlicher zu einer Gruppe zusammengefaßter Elemente ^1. ^ζι· geht hierauf zu den benachbarten etwas wärmeren Streifen Z₂, Z₂ über, und so fort bis zur Erreichung der Lötstellen selbst (z_e, z_e), nach deren Passierung sie ausfließt. In Fig. 11 ist ein Querschnitt gegeben, aus dem ersieht-Hch ist, daß die einzelnen Strömungsstreifen durch Isolationsteile getrennt sind.In order to prevent this, the liquid according to FIG. 10 is passed across the element legs. It then passes through the least cooled parts of all elements grouped together ^ 1. ^ζ ι · then goes over to the neighboring somewhat warmer strips Z ₂ , Z ₂ , and so on until the soldering points themselves are reached (z _e , z _e ), after which it flows out. A cross section is given in FIG. 11, from which it can be seen that the individual flow strips are separated by insulating parts.

Eine Abänderung der Anordnung nach Fig. 10 stellen Fig. 12 und 13 dar. Hier*"sind zwei Gruppen von Thermoelementen vorhanden, die mit ihren kalten Lötstellen zusammenstoßen. Während in Fig. 10 jeder folgende Stromstreifen zwar parallel mit dem vorigen, aber in entgegengesetzter Richtung strömt, werden nach Fig. 12 und 13 die Stromstreifen nach Durchströrnung sämtlicher zur Gruppe gehörigen Thermoelemente durch eine zweite Gruppe von Thermoelementen geführt, worauf sie wieder zu neuer Durchströmung der ersten Elementschenkel gebracht werden. Hierdurch ist es möglich, die Stromstreifen in gleicher Richtung strömen zu lassen. Dies hat die Folge, die Temperaturunterschiede in der Flüssigkeit zwischen Z₁ und Z₂, z₂ und z_% usw., die bei der Anordnung der Fig. 10 einmal gering, dann wieder größer, dann wieder gering sind usw., gleichmäßig zu machen, was auch wieder auf einen gleichmäßigeren Verlauf der Temperaturkurve in jedem einzelnen Elemente zurückwirkt. Statt die Stromstreifen nach Fig. 12 und 13 durch eine zweite Gruppe zu führen, kann man sie auch außen herumführen und ohne Durchmessung einer zweiten Gruppe zurückführen; man kann auch die Elemente zu einem Zylinder oder sonst in beliebiger geschlossener Form aneinanderreihen, so daß ein Übergang von dem einen Stromstreifen zum anderen unmittelbar möglich ist und die Strömung dann schraubenlinienartig verläuft. Auch ist es möglich, die abzukühlende Flüssigkeit durch eine größere Anzahl Gruppen von Thermoelementen der Reihe nach oder mit Uberspringungen strömen zu lassen. Im allgemeinen wird man auch hier die zu kühlende Flüssigkeit in solcher Richtung strömen lassen, daß sie von wärmeren zu kälteren Körperpartien gelangt. Kleine Abweichungen davon, die aus konstruktiven Gründen nötig werden, jedoch zu unwesentlich sind, um die Gesamtwirkung zu stören, sind natürlich zulässig.A modification of the arrangement according to FIG. 10 is shown in FIGS. 12 and 13. Here * "there are two groups of thermocouples which collide with their cold solder joints 12 and 13, the current strips are passed through a second group of thermocouples after flow through all the thermocouples belonging to the group, whereupon they are brought to a new flow through the first element legs. This makes it possible for the current strips to flow in the same direction This has the consequence that the temperature differences in the liquid between Z ₁ and Z ₂ , z ₂ and z _% , etc., which in the arrangement of FIG. 10 are once small, then larger again, then small again, etc., to make it even, which in turn has an effect on a more even course of the temperature curve in each individual element, instead of the current strips To lead FIGS. 12 and 13 through a second group, they can also be led around the outside and led back without measuring a second group; the elements can also be lined up to form a cylinder or in any other closed form, so that a transition from one flow strip to the other is immediately possible and the flow then runs helically. It is also possible to let the liquid to be cooled flow through a larger number of groups of thermocouples in sequence or with skips. In general, here too, the liquid to be cooled will be allowed to flow in such a direction that it passes from warmer to colder parts of the body. Small deviations from this, which are necessary for structural reasons, but are too insignificant to disrupt the overall effect, are of course permissible.

Ein- und Austritt der Flüssigkeit in den Apparat müssen nicht feststehen. Beide können vielmehr ihre Lage ruckweise oder allmählich verändern, was durch eine entsprechende Steuerung bewirkt werden kann.Entry and exit of the liquid in the apparatus do not have to be fixed. Both can rather, change their position jerkily or gradually, which is achieved by a corresponding Control can be effected.

Im vorstehenden wurde die Anwendung der Erfindung bloß mit Rücksicht auf die Kühlung der Flüssigkeit beschrieben. Es kann jedoch bei Wärmeentziehungselementen sich auch darum handeln, nicht die Flüssigkeit abzukühlen, sondern mit Hilfe darüberströmender Flüssigkeit Stellen des Metallkörpers abzukühlen. Es ergibt sich hier ein Unterschied nur insofern, als die Flüssigkeit nicht wie oben wärmer als der Metallkörper, sondern kälter als dieser sein muß und daß sie nicht von wärmeren zu kälteren, sondern umgekehrt von den kälteren zu den wärmeren Partien des Metallkörpers fließen muß, da sie sich ja hier im Laufe ihrer Strömung nicht abkühlt, sondern erwärmt.In the foregoing, the application of the invention has been made with regard to cooling only of the liquid. However, with heat extraction elements it can also be a question of not cooling the liquid, rather, with the help of liquid flowing over it, parts of the metal body can be cooled. There is a difference here only insofar as the liquid is not warmer than the metal body, as above, but must be colder than this and that it does not change from warmer to colder, but vice versa must flow from the colder to the warmer parts of the metal body, since they are here in the course of their flow it does not cool down, but warms up.

Claims

Patent Claims:

1. Device for the extraction of heat from drip or gaseous Liquids by means of thermocouples, through which electrical current is sent from the outside is, characterized in that the working fluid not only over the cold Solder joint and its immediate surroundings, but also about other less cooled Parts of the thermocouple legs flow.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the to be cooled As it flows, liquid first warmer, then colder parts of the thermocouple legs touched.

3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the working fluid in the working periods that are not used for liquid cooling, but for cooling the thermocouple body, in flows in the opposite direction than that to

cooling liquid in the working periods serving its cooling.

4. Apparatus according to claim 1, characterized in that at a larger Number of thermocouples working together, the liquid several times over a number of elements one after the other is performed, each time analog points are touched for each individual thermocouple and each subsequent time Positions that are shifted from those that were touched first.

1 sheet of drawings.