DE3202791A1

DE3202791A1 - Thermoelektrische einrichtungen mit steuer-vorrichtungen zur verbesserung der effektivitaet

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Publication number: DE3202791A1
Application number: DE19823202791
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 6380 Bad Homburg Bojak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-01-28
Filing date: 1982-01-28
Publication date: 1983-08-04

Description

Thermoelektrische ~Einrichtungen mit Steuer-Vorrichtungen
zur Verbesserung der Effektivität.
Thermoelektrische Einrichtungen bzw. Apparate dienen in der Anordnung nach dem Seebeck-Effekt zur Umwandlung von zugeführter Wärme in elektrischen Strom sowie in der Anordnung nach dem Peltier-Effekt zum Entzug von Wärme, bzw. zur Kühlung, durch einen eingeleiteten elektrischen Betriebsstrom. Man spricht auch von thermoelektrischer Strom-Erzeugung sowie thermoelektrischer Kühlung.
Physikalisch bestehen derartige Einrichtungen im Prinzip aus einer Paarung von speziell ausgewählten metallischen Leitern oder Halbleitern, die an sog. heißen und kalten Lötstellen miteinander leitend verbunden sind und in einem Stromkreis für den elektrischen Strom Elemente bilden. (Vergl. Abb. la und Ib) Derartige Elemente oder Thermopaare können einzeln oder hintereinander geschaltet in sog. Thermosäulen betrieben werden. (Vergl*Abb.2) Es sind zahlreiche Einrichtungen sowohl zur Nutzung des Seebeck- als auch des Peltier-Effektes entworfen oder vorgeschlagen worden.
Abgesehen von dem Einsatz zu Meß-Zwecken oder von kleinen thermoelektrischen Geräten für Einsatz in der Raumfahrt haben derartige Einrichtungen bisher in der Praxis nur geringe Bedeutung gehabt, insbesondere wegen des schlechten Wirkungsgrades, Als charakterisierende bzw. bewertende Größe wird häufig auch die sog. thermoelektrische Effektivität verwendet mit a = thermoelektrische Konstante, t = elektrische Leitfähigkeit, 1 - Scirmeleitfähigkeit.
Insbesondere hat es sich immer wieder als nachteilig erwiesen, daß eine erwünschte gute elektrische Leitfähigkeit der Element-Bauteile auch gekoppelt ist mit einer guten Wärmeleitfähigkeit. Nach dem Gesetz von Wiedemann-Franz ist das Verhältnis bei Metallen nahetu konstant und auch bei Halbleitern ist das Verhältnis noch relativ ungünstig.
Eine gute Llärmeleitfiihigkeit führt dazu, daß in den Element-Schenkein ein W;rme-Strnm von der heißen zur kalten Lötstelle fließt, der einen verlust darstellt bzw. Sie für den Effekt vorteilhaft2 Tcmperatur-Dlfferenz zwischen heißer und kalter Lötstelle reduziert.
So erreichten die Wirkungsgrade von metallischen Elementen bisher nur etwa 3 von während Elemente aus Halbleitern schon Werte über 5 % erreicht haben sollen.
(Überlagert werden die Effekte noch von der elektrischen sog. Joule-Wärme, die von Fall zu Fall unterschiedliche Auswirkungen auf den Wirkungsgrad hat.) Forschung und Versuche in den vergangenen Jahrzehnten konzentrierten sich daher vornehmlich auf die systematische Selektion bzw. Evolution von neuem Element-Matsrial, das einerseits hohe thermoelektrische Konstanten aufweist und andererseits ein günstigeres Verhältnis zeigt von elektrischer zu thermischer Leitfähigkeit.
Die bisher bekannten Ergebnisse führten jedoch noch nicht zu einer befriedigenden thermo elektrischen Effektivität0 Die Erfindung beschreibt eine prinzipiell neuartige Methode bzw, die Verwendung spezieller neuartiger Bauelemente für thermoelektrische Einrichtungen, die den schädlichen Wärme-Fluß im Vergleich zum elektrischenhtrom insbesondere in den Schenkeln der thermoelektrischen Elemente reduzieren und damit die Effektivität verbessern.
Es werden hierbei die unterschiedlichen Einzel-Effekte im Mikro-Aufbau des Materials genutzt, die einerseits zu einem elektrischen Strom und andererseits zu einem thermischen Strom, bzu. Wärme-Strom durch Wärmeleitung führen.
Im stationären Zustand ist der elektrische Strom von der angelegten Spannung und der Wärme-Strom von der Temperatur-Differenz abhängig und außerdem von der Leitfähigkeit des Materials, die mit spezifischen Werten bzw. Konstanten für den elektrischen Strom und den thermischen Strom angegeben werden kann.
Die Erfindung nutzt das unterschiedliche Verhalten der beiden Ströme bzw. der dafür maßgeblichen Mikro-Partikel im nicht-stationären Zustand, insbesondere im Anlauf-Zustand, woraus sich unterschiedliche Effektiv-Ströme in gewissen Zeit-Intervallen ergeben.
Wie theoretische Berechnungen und experimentelle Untersuchungen gezeigt haben, ist die elektrische Leitfahigkeit im wesentlichen von der E Elektronen-Beweglichkeit im Material-Cefjge abhangi g, sJihrend die thermische Leitfähigkeit außerdem in hohem Maße abhängig ist von der Molkül-Deweglichkoit. In ähnlicher Weise wird die Wärme Leitfähigkeit auch als abhängig von Citter-Schwingungen in der Mikro-Struktur der Materie beschrieben, Aus den unterschiedlichen Massen der an den Leitungs- bzw, Strom-Vorgängen beteiligten Teilchen resultiert auch eine unterschiedliche Trägheit der beiden Ströme, die insbesondere bei nicht-stationären Zuständen deutlich wird.
So zeigt sich besonders nach einem Einschalt-Vorgang nach einem-vorangegangenen Ruhezustand der Ströme, daß der elektrische Strom sehr schnell bzw. sprungartig seinen Maximal-Wert erreicht, der der elektrischen Spannung und dem Leitungswiderstand entspricht, während der thermische Strom durch Wärmeleitung erst verzögert bzw. allmählich seinen entsprechenden Höchstwert, abhängig von Temperatur-Differenz und Wärme-Leitfähigkeit des Materials, erreicht, Für ein gewisses Zeit-Intervall ist also der integrierte Effektiv-Wert des elektrischen Stromes relativ größer als der Effektiv-Wert des Wärme-Stromes. Nach Erreichen der jeweiligen Maximal-Werte würde sich in einem darauf folgenden stationären bzw. kontinuierlichen Zustand ein Verhältnis zwischen elektrischem und thermischem Strom einstellen, das den spezifischen Material-Konstanten entspricht.
(Vergl. Abb. 6 und 7) Nach dem Prinzip der Erfindung wird durch spezielle Vorrichtungen wiederholt bzw. periodisch ein nicht-stationärer Zustand für den elektrischen und thermischen Strom, im Folgenden auch als Dual-Strom bezeichnet, in thermoelektrischen Einrichtungen hergestellt, woraus sich unterschiedliche Effektiv-Werte ergeben, inbesondere in der Anlauf-Phase der Ströme.
Eine wiederholte periodische Aufeinanderfolge von Zuständen bzw.
Intervallen unterhalb des Beharrungszustandes der Ströme führt zu einem quasi-kontinuierlichen Betrieb der thermcelektrischen Einrichtungen nach Seebeck oder Peltier mit unterschiedlichen Effektivwerten des elektrischen und des thermischen Stromes, wobei der thermische Strom zwischen den Lötstellen relativ reduziert ist.
Zur Herstellung der nicht-stationären Zustände für den elektrischen und thermischen Strom, bzw. den Dual-Strom, sind erfindungsgemäß Steuer-Vorrichtungen in die tharmoelektrischen Elemente, vorzug Weise in die Element-Schenkel, oder auch außerhalb der Element-: uteile im äuCeren elektrischen Strom-Kreis eingebaut.
Di3 e vOrrn' chtungen können nls Schalt- bzw. Kontak t-Vorrichtungsn für ein An- und Abschalten der beiden Ströme mit vollständiger Strom-Unterbrechung ausgebildet sein tWergl. Abb.4) oder auch als Regal-Vorrichtungen, die den Fluß der Ströme simultan zwischen Maximal- und Minimal-Wertn verändern, beispielsweise durch periodische Veränderung von Durchfluß-Querschnitten in den Strom-Leitern bzw. Strom-Pfaden z.B. in den Element-Schenkeln.
Das Material der Steuer-Vorrichtungen ist dabei derart auszuwählen oder die Einbau-Stelle im Element ist derart auszuwählen, daß keine zusätzlichen oder nur vernachlässigbare thermoelektrische oder andere Effekte entstehen, die dem für die Haupt-Funktion der thermoelektrischen Einrichtung wesentlichen Effekt nach Seebeck oder Peltier entgegenwirken. Die Vorrichtungen könnten aus diesem Grunde auch aus verschiedenem Material kombiniert bzw. zusammengesetzt sein.
In diesem Zusammenhang ist auch auf möglichst geringe Temperatur-Differenzen im Bereich der eingebauten Vorrichtungen zu achten.
Eine besondere Bau- und Wirkungsweise wird erfindungsgemäß für eine Vorrichtung mit Gleit- bzw. Schiebe-Kontakt beschrieben. (Vergl.
Abb. 5 und 7) Während bei konventionellen Schalt- oder Regel-Vorrichtungen die Kontakt-Elemente bzw. -Bausteine für den Strom-Durchgang bzw.
-Übergang sich immer wieder an den gleichen Stellen bzw. Flächen berühren, wobei die Kontakt-Fläche im Fall der Unterbrecher-Kontakte zwischen 0 und 100 % intermittierend verändert wird oder im Fall der Regel-Vorrichtung die Kontakt- bzw. Durchlaß-Fläche zwischen einem Maximal- und einem Minimal-Wert veränderlich ist, kann die Kontakt-Fläche bei der nachstehend beschriebenen Steuer-Vorrichtung für den Dual-Strom in der Bauweise mit Gleit- oder Schiebe-Kontakt in der Größe unverändert bleiben. Es wird allerdings ständig, in gleichmäßiger oder ungleichmäßiger Bewegung, die Kontakt-Stelle bzw. die örtliche Lage der Kontakt-Fläche auf den beteiligten Kontakt-Elementen bzw. -Bauteilen verändert. Das kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, daß zwischen zwei feststehenden Kontakt-Stücken eine Kontakt-Zunge verschoben wird. (Vergl. Abb.Sa) Es bleibt hierbei der Durchgangsquerschnitt für den elektrischen und thermischen Strom, bzw. den Dual-Strom, unverändert; es sind jedoch im Zeit-Verlauf der Bewegung immer wieder neue Teil-Stücke des Zungen-Materials an dem Strom-Durchlaß beteiligt, während andere ausFallen.
(arg. abb. b) senn m.n die frewe9ung der Kontakt-Zunge hypothetisch in kleine Teil-Schritte zerlegt, findet an den Grenzen der Kontakt-Fläche, die quer zur Bewegungsrichtung liegen, ständig ein Zu- und Abschalten von Leit-Material bzw. Kontakt-Material in der Zunge statt, das heißt also, in diesen Zonen wird auch ständig ein Teil des elektrischen und thermischen Stromes bzw. Flusses zu- und abgeschaltet.
In diesen Rand-Zonen besteht daher auch bei sonst kontinuierlicher Bewegung der Kontakt-Zunge und bei gleichbleibender Kontakt-Fläche ein nicht-stationarer Zustand mit den vorbeschriebenen Erscheinungen bzgl. Trägheit und unterschiedlichen Effektiv-Werten.
Die Schwankungen in der Intensität der Ströme in den Rand-Zonen überlagern sich den vorwiegend stationären Strom-Werten im mittleren Bereich der Kontakt-Fläche. (Vergl. Abb.7) Bei den integrierten Effektiv-Werten ergibt sich dann auch hier eine relative Reduzierung des Wärme-Stromes.
Eine günstige Eigenschaft dieser Vorrichtung mit Gieit-Kontakt ist außerdem, daß trotz laufender Veränderung elektrischen Stromes bzw.
Strom-Pfades im Betrieb keine Kontakt-Unterbrechung und damit winde Funkenbildung austritt, was besonders für einen Betrieb mit großen elektrischen Strömen wichtig ist.
In einer Modifikation kann eine derartige Schiebe-Kontakt-Vorrichtung auch derart ausgebildet sein, daß außer dem ständigen Wechsel der Rand-Zonen auch die Querschnits-Fläche in Bewegungsrichtung veränderlich ist, ohne oder mit Unterbrechungen, so daß dem Verschiabungseffekt in den Rand-Zonen #uch noch ein Regel effekt durch veränderlichen Durchlaß-Querschnitt überlagert wird.
Die Steuer-Vorrichtungen nach konventioneller Wirkung für An- und Abschalten oder Regelung des Durchlaß- bzw. Leitungs-Querschnittes sowie nach dem Prinzip der Gleit- bzw. Schiebe-Kontakte können in vielfältiger Weise, z.B. als Zungen, Scheiben oder Walzen, ausge bildet sein und beispielsweise translatorisch, oszillierend oder rotierend bewegt werden. (Verg. Abb. 8 - 10) Es ist auch möglich, eine Vorrichtung zur Steuerung der Dual-Strome in mehreren Elementen bzw. Element-Schenkeln zu verwenden, wenn die Kontakt-Elemente derart angeordnet sind, daß die Schenkel baw. die thermoelektrischen Elemente gegeneinander isoliert bleiben.
(Vertgl. z B. Abb.11) Steuer-Vorrichtungen könnten auch in die Lötstellen-Verbinder der thermneJ.ektrischen F:1#m#nte eingebaut werden. (Vergl. Abb. 3a) Prinzipiell sind als Kontakt-Material auch leitende Flüssigkeiten oder quasi-flüssige Mischungen bzw. Suspensionen geeignet, wabei der Kontakt-Vorgang beispielsweise durch veranderliches Eintauchen der Element-Schenkel in die Flüssigkeit oder durch Heben und Senken des Flüssigkeitsspiegels auf andere Weise durchgeführt werden kann.
(Vergl. Abb. 12b) Speziell für thermoelektrische Einrichtungen nach dem Peltier-Effekt könnte eine Steuer-Vorrichtung für den elektrischen Strom auch im äußeren Stromkreis eingebaut sein, beispielsweise in der Bauweise als periodischer Zerhacker für Gleichstrom oder als Wechselstrom-Gleichrichter, der intermittierende oder unregelmäßige Strom-Impulse in die thermoelektrische Einrichtung einleitet, Der nicht-stationäre Strom bewirkt dann auch an den Lötstellen nicht-stationäre EFfekte, dabei auch mit einer gewissen Beeinflussung des Wärme-Stromes in den Schenkeln. (Vergl. Abb.3b) Zweckmäßigerweise könnte man derartige außerhalb zwischengeschaltete Vorrichtungen mit im Element eingebauten Steuer-Vorrichtungen kombinieren.
In den Abbildungen 1 - 11 sind thermoelektrische Einrichtungen bzw.
Steuer-Vorrichtungen mit dem Funktions-Prinzip und einigen Bauarten dargestellt.
Die Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau thermoelektrischer Elemente.
In Abb. la ist ein Thermoelement nach Seebeck dargestellt. Die beiden Element-Schenkel S1 und 52 aus verschiedenem thermoelektrischen Material sind an den heißen Lötstellen Lhl und Lh2 durch den Lötstellen-Verbinder LVh leitend verbunden. An den gegenüberliegenden kalten Lötstellen Lkl und Lk2 sind die Lötstellen-Verbinder LVk1 und LVk2 angesetzt. Der elektrische Stromkreis ist über die Anschlüsse Al und A2 geschlossen. Durch Zufuhr der Wärme Qs.1bzw. Erwärmung der heißen und Kühlung der kalten Lötstellen, entsteht eine Temperatur-Differenz zwischen den Lötstellen und es fließt ein elektrischer Strom I, der eine Nutzleistung N erbringt. Zwischen den heißen und den kalten Lötstellen fließen in den Schenkeln S1 und S2 die Wärme-Ströme QS1 und Q52 wegen Wärmeleitung.
Die Abb. Ib zeigt ein Element nach Peltier, das wiederum aus den Element-Schenkeln S1 und S2 besteht sowie den Lötstellen-Verbindern LVk und LVh. Das Element wird betrieben durch eine elektrische Strom-Quelle E, die einen Strom I erzeugt. An den kalten Lötstellen L;< wird die IJärme Lipe absorbiert. Außerdem fließen wegen Wärmeleitung die lI.irme-Strdme 1S1 und QS2 in den Schenkeln von der heißen zur kalten Lötstelle.
Bei beiden Elementen bringen also die Wärme-Ströme QS in unetwUnschter Weise Wärme von der heißen zur kalten Lötstellen.
Die Abb. 2 zeigt drei hintereinandergeschaltete Elements aus dem Schenkel-Material S1 und 52 und bildet damit eine sog. Thermosäule.
Die Abb. 3a zeigt ein Thermoelement nach Seebeck, worin Steuer-Vorrichtungen für den elektrischen und thermischen Strom, bzw. den Dual-Strom, eingezeichnet sind.
In der Mitte der Schenkel S1 und S2 sind Steuer-Vorrichtungen eingebaut, die aus Kontakt-Stücken KSo bestehen, die an die oberen Hälften der Schenkel, also Si' und 52', angesetzt sind sowie Kontakt-Stücken KSu, die an die unteren Hälften S1" und 5211 angesetzt sind.
Zwischen den Kontakt-Stücken sind Kontakt-Zungen KSz eingesetzt, die in den Richtungen +x und -x verschoben werden können. Wenn die Kontakt-Zungen ganz herausgezogen werden, ist der Fluß für den elektrischen Strom und für den Wärme-Strom in den Schenkeln ganz unterbrochen; wenn die Kontakt-Zungen voll hereingeschoben sind, steht der volle Querschnitt für den Durchfluß der Ströme zur Verfügung.
Das Material der Kontakt-Stücke und der Kontakt-Zungen ist leitfähig sowohl für den Strom 1 als auch für die Wärme-Ströme QS1 und 052.
(QS11 und Q52§t sowie QS21 und QS2tt sind identisch.) Das Material ist weiterhin so ausgewählt bzw. kombiniert, daß der Basis-Effekt nach Seebeck möglichst wenig beeinflußt bzw. reduziert wird. (Die gleiche Richtlinie würde gelten, wenn derartige Steuer-Vorrichtungen in ein Peltier-Element eingebaut werden.) Eine ähnliche Steuer-Vorrichtung ist in den Lötstellen-Verbinder LVh eingebaut. Sie besteht aus den Kontakt-Stücken KUl und KVr sowie aus der in den Richtungen +y und -y verschiebbaren Kontakt-Zunge Kurz.
Die Abb. 3b zeigt ein Peltier-Element, bestehend aus den Element-Schenkeln S1 und 52 mit den kalten Lötstellen Lk und den heißen Lötstellen Lh. In den Außen-Stromkreis ist zusätzlich zur Stromrßuelle E für den elektrischen Betriebsstrom I eine elektrische Steuer-Vorrichtung ES eingebaut, beispielsweise in der Bauart als periodischer Unterbrecher-Kontakt oder als Wechselstrom-Gleichrichter.
In den Abb. 4 ist im Prinzip eine Steuer-Vorrichtung für den elektrischen Strom und den llärms-:trom in einem Schenkel S dargestellt in der Ausf hrung als AuF- Zu-Schalter. Im Element-Schenkel S sind die Kontakt-Stücke KSo und KSu eingebaut '3azwischen wird eine Kontakt-Zunge KSz zwischen den Zungen-Führungen Zfo und ZFu in den Richtungen +x und -x verschoben.
In der Abb. 4a ist die Kontakt-Zunge ganz herausgezogen. Es fließt daher kein elektrischer oder thermischer Strom, In der Abb. 4b ist die Kontakt-Zunge ganz hereingeschoben, so daß der elektrische Strom I und der thermische Strom n (hier angenommen in gleicher Richtung) fließen können0 Die Abb. 4c zeigt im Zustand der Abb. 4b einen Schnitt in Richtung m - n durch den Schenkel. Die Kontakt-Zunge KSz ist in der Fläche etwas größer dargestellt als der Querschnitt des Schenkels S. Die Abb. zeigt weiterhin die obere Zungen-Führung ZFo.
Die Abb. S zeigen das Prinzip einer Steuer-Vorrichtung mit Schiebe-bzw. Gleit-Kontakt.
Gemäß Abb. 5a sind im Schenkel S die Kontakt-Stücke KSo und KSu eingebaut. Zwischen Zungen-Führungen ZFo und ZFu ist die Kontakt-Zunge KSz eingesetzt, die in der Richtung +x verschoben werden kann.
Die Abb. 5b zeigt das Prinzip der Verschiebung der Kontakt-Fläche KF bzw. der Fläche für den Strom-Durchfluß. Unter der Annahme, daß der Schenkel S einen quadratischen Querschnitt mit der Breite b hat, ist die Kontakt- bzw, Durchfluß-Fläche KF ebenfalls ein Quadrat. Bei einer Verschiebung der Kontakt-Zunge KSz in Richtung +x liegt zum Zeitpunkt t' die Fläche KF in der gestrichelt umrandeten Position KF'.
Mit der Verschiebung der Zunge um den Teil-Weg Ax kommt dann die Fläche KF zum Zeitpunkt tH in die voll-umrandete Position KF' '. Die vordere Begrenzungslinie Fv der Fläche ist damit aus dem Querschnitt-Bereich des Schenkels mit der Breite b, in dem die Fläche KF zum Zeitpunkt tt lag, herausgetreten. Es liegt dann also zum Zeitpunkt tit ein neues Flächen-Stück des beipielsweise homogenen Materials der Zunge KSz in der Position KF1 unter der Querschnitts-Fläche des Schenkels S bzw. zwischen den gleich-großen Flächen der Kontakt-Stücke KSo und KSu, In den Zonen der vorderen und hinteren Begrenzungslinien Fv und Fh der Kontakt-Fläche KF resultieren aus der Verschiebung der Zunge nicht-stationäre Zustände für'den Durchfluß des Dual-Stromes.
Die Abb. 6 zeigen die zeitlich veränderlichen Werte bzw. Intensitäten der ströme I und n bei der Anwendung von Steuer-Vorrichtungen in der Ji rkungsiJei r#'e als Schalt- bzw. Unterbrecher-Kontakte.
Die Abszisse stellt die Zeit t dar, die Ordinate die Werte bzw.
Intensitäten der Ströme I und Q zwischen 0 und 100 t.
Zum Zeitpunkt t werden nach einer vorangegangenen Unterbrechung der elektrische Strom I und der Wärme-Strom Q eingeschaltet, bzw. es wird der Strom-Pfad für den Fluß aufgemacht.
Wie aus Abb. 6a ersichtlich ist, erreicht der elektrische Strom I nach einer kurzen kaum meßbaren bzw. darstellbaren Anlauf-Verzögerung relativ schnell zum Zeitpunkt t1 seinen Maximal-Wert 100 %# Die Anlauf-Verzögerung bei dem thermischen Strom aus Wärmeleitung Q ist erheblich größer, so daß dieser erst bei t2 seinen 100 #Wert erreicht. Es ist weiterhin noch der Zeitpunkt ts eingezeichnet, bei dem der Wärmestrom Q 50 % erreicht.
Die Abb. 6b zeigt die über die Zeit t integrierten Strom-Werte bzw.
die Effektiv-Werte I(t)eff und Q(t)eff unter der Annahme, daß zum Zeitpunkt t5 beide Ströme ruckartig abgeschaltet wurden.
Es zeigt sich , daß die einfach schraffierte Fläche zuzüglich der doppelt schraffierten Fläche, die zusammen den Effektiv-Wert von I zwischen t und t5 im Zeit-Integral darstellen, erheblich größer ist als die doppelt schraffierte Fläche, die den integrierten Effektiv-Wert von Q im gleichen Zeit-Intervall darstellt.
Wenn Ein- und Ausschalten in dieser Weise periodisch wiederholt werden, bleibt auch über einen längeren Zeitraum der Effektiv-Wert von Q deutlich kleiner als der Wert von 1.
Natürlich können je nach Kurven-Verlauf der Ströme als Schalt-Zeitpunkt t5 auch andere Abszissen-Werte unter dem Maximal-Wert von 1 oder auch eine gewisse Zeit nach Erreichen des Maximal-Wertes gewählt werden; ebenso ist das Zeit-Intervall bis zum Wiedereinschalten möglichst günstig auszuwählen. Für den Betrieb der thermoelektrischen Einrichtungen werden also nicht-stationäre Zeit-Intervalle, wie zwischen t und t5 beschrieben, quasi-kontinuierlich aneinandergereiht.
0 Die Abb. 7 zeigen das Verhalten der Ströme I und Q bei Verwendung einer Steuer-Vorrichtung nach dem Prinzip des Gleit- oder Schiebe-Kontaktes, beispielsweise in einer Anordnung gem. Abb. 5.
Auch hier ist in der Abszisse ie Zeit t dargestellt und in der Ordinute sind die Werte für I und n eingetragen zwischen 0 und 100 %.
Es wird hypothetisch angenommen, daß die in Abb. Sb dargestellte bzw.
beschriebene Verschiebung einer Kontakt-Zunge bzw. Kontakt-Fläche in kleinen Teil-Schritten bzw. Zeit-Elementen t dargestellt werden kann.
Seaä3- Erl-auterung des Kontakt-Vorju-n#e' zu Abb. 5 findet an den verschobenen Grenzen bzw Rand-Zonen der Kontakt-Fläche laufend ein nicht-stationäres Ab- und Zuschalten von Material-Elementen statt, während Piir die Flächen-Teile, die sich während der Verschiebung noch unter dem Schenkel- bzw. Kontakt-Querschnitt befinden, ein vorwiegend stationärer Zustand angenommen werden kann0 Für die Gesamt-Ströme von I und Q kann also eine Überlagerung der beiden Zustände bzw, Strom-Werte gem. Darstellung in Abb. 7a angenommenwerden, wobei die Zeit-Intervalle und Amplituden der veränderlichen Anteile bzw.
der Kurven-Züge der zeichnerischen Darstellung wegen gespreizt eingetragen wurden. Für den Kurven-Verlauf ist auch anzunehmen, daß wegen der unterschiedlichen Trägheit zwischen I und Q eine Phasen-Verschiebung vorhanden ist.
In der Abb. 7b ist dargestellt, daß der zeitlich integrierte Effektiv-Wert I(t)eff etwas unter 100 m liegt, während der entsprechende Effektiv-Wert für den Wärme-Strom Q deutlich darunter liegt.
Der Unterschied der Effektiv-Werte von I und Q ist in der Abbildung bewußt groß dargestellt worden. Er wird kleiner sein bei langsamer Gleit- bzw. Schiebe-Bewegung der Kontakt-Zunge und grH;ßer, wenn die Zunge schnell unter den Kontakt-Stücken bewegt wird. Außerdem haben Material und Formgebung der gesamten Vorrichtung einen Einfluß.
Die nicht-stationären Zustände für einen mehr oder weniger großen Anteil der Ströme bewirken also auch hier eine relative Reduzierung des Wärme-Stromes im Vergleich zum elektrischen Strom.
Die Abbildungen 8 zeigen schematisch Ausführungsbeispiele für Steuer-Vorrichtungen nach dem Prinzip des Gleit- bzw. Schiebe-Kontaktes.
In Abb. 8a ist dargestellt, daß die Kontakt-Zunge KSz mit endlicher Länge 1 beispielsweise oszillierend in den Richtungen +x und -x bewegt werden kann. Ebenso wäre eine Bauweise der Zunge als endloses durchlaufendes Band möglich.
Dabei kann das in die Zunge KSz eingebaute Leit-Material KM regelmäßg bzw. homogen geformt sein, wie KM1 in Abb. Ob oder auch unregelmäßig, und damit für zusätzliche Regel-Funktionen geeignet, wie KM2 in Abb. 8c.
Die Abb. 9 zeigen Steuer-Vorrichtungen, wobei das bewegliche Schiebe-oder Kontakt-Element als Scheibe KSs ausgebildet ist, die sich um eine Wellen-Achce W dreht.
In die drehende Kontakt-Scheibe KSs kann gem. Abb. 9b das Kontakt-Material in heterngener Firrn#sbunq, beispielsweise wie KM 1, einJebuut rein oder auch homogen wie Ki12 in Abb. 9c.
Ebenso sind andere Formen fur das Kontakt-Material KM möglich, z.B.
auch in der form eines eingebetteten Ringes.
Die Abb. 10 zeigen Steuer-Vorrichtungen in der Form als Kontakt-Walze KSw, die sich um eine Wetlen-Achse W drehet.
Die Abb. 10a und 10b zeigen eine homogene Hohl-Walze KSw, wobei die im Schenkel S eingebauten Kontakt-Stücke KS dem Gleit-Pro#il der Walze angepaßt sind, wie das eingezeichnete Beispiel KSu zeigt.
Die Abb. 10c zeigt den Querschnitt einer Walze KSw', die am Umfang Schlitze, die je nach Lage, Abstand und Größe den Kontakt bzw. Durchfluß teilweise oder ganz unterbrechen können.
Abgesehen von anderen Formgebungen bzw. Strukturen könnte die Walze auch als massive Voll-Walze ausgebildet sein.
Die Abb. 11 zeigen, wie eine Steuer-Vorrichtung, beispielsweise in der Bauart mit Dreh-Scheibe KSs, auch für die Steuerung der Dual-Ströme in zwei oder mehreren Schenkeln thermoelektrischer Elemente oder Reihen-Anordnungen bzw. Element-Säulen verwendet werden könnte.
Gem. Abb. lia liegt die Wellen-Achse W der Scheibe zwischen den beiden Schenkeln S1 und 52. Das Kontakt-Material KM muß dabei unterteilt sein, beispielsweise wie in Abb. 11b dargestellt, damit die Schenkel S1 und 52p oder gegebenenfalls mehrere, gegeneinander isoliert bleiben.
Die Abb. 12 zeigen schematisch die Anordnung einer Steuer-Vorrichtung1 die als Kontakt-Material eine leitende Flüssigkeit verwendet.
In Abb. 12a ist zunächst dargestellt, wie ein vollständiges Element in der Ebene m - n unterteilt werden könnte.
In Abb. 12b ist dargestellt, daß an die Teil-Stücke S1", Slg, 52' und 52" der Schenkel Kontakt-?jtüc'ke KSt zum Eintauchen in die Kontakt-Flüssigkeit KFl angesetzt sind. Die Kontakt-Flüssigkeit befindet sich in den Behältern Bl und B2, wobei die Oberfläche der Flüssigkeit mit V gekennzeichnet ist. Die Steuerung der Ströme kann durch veränderliches Eintauchen oder Eintauchen und Herausziehen der Tauch-Kontakt-Stücke KSt erfolgen, also durch Heben und Senken der Teil-Elemente, oder auch durch Heben und Senken der Behälter der Flüssigkeit in den Richtungen +y und -y Eine Veränderung des Flüssigkeitspiegels V wäre auch möglich durch Eintauchen eines Verdrängungskörpers in die Flüssigkeit:.
m geschlosssnen Stromkreis Fließen der elektrische Strom I sowie die Wärrn#-Strb.me S1 und 052.
Auch mit derartigen Steuer-Vorrichtungnn können die e vorbeschrieben-r1 nicht-stationären Zustande für den Fluß der Ströme durch periodiche Kontakt-Unterbrechung oder Veränderung der Kontakt-Fläche bewirkt werden. Das Prinzip des Gleit-oder Schiebe-Kontaktes könnte realisiert werden durch relative seitliche Bewegungen der Schenkel oder Behalter, etwa in den Richtungen +x und -x, oder durch Vorbei strömen der Flüssigkeit an den Tauch-Kontkten, etwa mittels Zirkulation oder Durchfluß der Flüssigkeit.
Um zu vermeiden, daß aus einer Material-Paarung der Bauteile einer Steuer-Vorrichtung untereinander oder aus der leitenden Verbindung mit Bauteilen des thermoelektrischen Elementes Stör-Effekte entstehen, die den Basis-Effekten der Einrichtung nach Seebeck oder Peltier entgegenwirken, kann als Material der Steuer-Vorrichtung Für einen oder mehrere Bauteile auch das gleiche Material verwendet werden, aus dem die thermoelektrische Einrichtung bzw, der für den Einbau ausgewählte Schenkel hergestellt ist.
Es könnte weiterhin die Vorrichtung bzw. die Kontakt-Stelle in den Bereich einer Lötstelle gelegt werden, bzw, es könnte die Berührungsfläche des Kontaktes die feste Verbindung, beispielsweise Löt-Verbindung, ersetzen. Es kann auch dabei das Prinzip der Schalt- oder Regel-Kontakte oder das Prinzip der Gleit- oder Schiebe-Kontakte angewendet werden.
Die Abb. 13a zeigt als Beispiel die Verwendung des Lötstellen-Verbinders LVh als Steuer- bzw, Kontakt-Element, wobei der Lötstellen-Verbinder als Scheibe ausgebildet ist, die um die Wellen-Achse W rotiert und die Schenkel 51 und 52 an den Kontakt-Stellen Lh1 und Lh2 berührt.
In Abb, 13b ist im Schenkel S1 in Bereich der Lötstelle eine Kontakt-Zunge KSz1 eingesetzt, die in den Richtungen +x und -x zwischen dem Lötstsllen-Verbinder LVh und einem Kontakt-Stück KSu, das auch entfallen könnte, verschoben wird.
Auf der Seite des Schenkels S2 ist zwischen dem Lötstellen-8lerbinder LVh und dem Schenkel eine Kontakt-Zunge KSz2 eingezeichnet, wobei durch die ähnliche Schraffur dargestellt sein soll, daß das M##,t#ri -der Zunge identisch sein kann mit dem Material des Schenkels.
Die Abb. ijC zeigt, daß auch die Schenkel selbst an den Enden eine Steuer-Vorrichtung bilden könnten, wenn sie an einer Berührungs-Ebene bzw. Fläche, deren Lage mit a - b eingezeichnet ist und die der Lage einer Lötstelle entsprechen würde, in der Art eines Unterbrechr-Kontaktes periodisch voneinander getrennt oder in der Art eines Gleit-Kontaktes bezüglich der Kontakt-Stelle ~auf dem Material gegeneinander verschoben werden.
Die erfindungsgemäß beschriebenen thermotelektrischen Einrichtungen mit Steuer-Vorrichtungen für die elektrischen und thermischen Ströme stellen bezüglich Betrifebs- und Bauweise ein neuartiges Prinzip dar mit dem Resultat einer Verbesserung von Effektivität und Wirkungsgrad.
Leerseite

Claims

Patentanspriche: r 1) Thermoelektrische Einrichtungen zur Nutzung der EfFekte von Seebeck oder Peltier mit Steuer-Vorrichtungen zur Verbesserung der Effektivität dadurch gskennzeichnet, daß zur Beeinflussung der in den thermoelektrischen Elementen fließenden Energie-Strdme von Elektrizität und Wärme eine oder mehrere Steuer-, Regel- oder Schalt-Vorrichtungen, beispielsweise mit zeitlich oder örtlich veränderlichen Kontakt- oder Leit-Widerständen bzw, Leit-Material und/oder für zeitlich veränderliche Energie-Zufuhr, beispielsweise bei der elektrischen Strom-Einspeisung, in die Elemente eingebaut oder an den Außen-Anschlüssen des elektrischen Stromes vorgeschaltet sind und daß durch die Steuer-Vorrichtungen die Strom-Pfade bzw. die Durchfluß-P#uerschnitte in ausgewählten Bauteilen, vorzugsweise Element-Schenkeln, für den Fluß von Elektrizität und Wärme oder daß der elektrische Betriebsstrom für Peltier-Elemente derart in nicht-stationäre oder diskontinuierliche, vorzugsweise periodisch veränderliche, Zustände, beispielsweise im Kontakt-Durchlaß oder im Strom-Leit-lUiderst3nd, versetzt werden daß wagen der größeren Trägheit, insbesondere Anlauf-Trägheit, des Wärme-Stromes im Vergleich zum elektrischen Strom der Wärme Fluß zwischen heißen und kalten Lötstellen relativ verzögert reagiert und daher relativ geringere Effektiv-Lierte erreicht als der nach Seebeck erregte oder nach Peltier betreibende elektrische Strom in den Element-Schenkeln, bzw. daß der Wärme-Strom relativ geringere Effektiv-Uerte erreicht als nach dem Verhältnis der Material-Kennuerte fur thermische und elektrische Leitfähigkeit.
2) Thermoelektrische Einrichtungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in einen oder mehrere Element-Schenkel oder in Lötstellen-Verbinder eine oder mehrere Steuer-Vorrichtungen für den Fluß bzw, Durchlaß des elektrischen Stromes und des Wärme Stromes in der Bauart als Unterbrecher-Kontakte eingebaut sind, die periodisch ein- und ausgeschaltet werden, oder in der Bauart als Regel-Kontakte, die periodisch den Kontakt- oder DurchlaßwJiderstand zwischen 100 % Durchlaß und einem Tail-Jert über L ,5 verändern.
w) Thermoelektrische Einrichtungnach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnetb daß in dcr Steuer-Worrichtung das Schalt- oder Regel-Element als Zunge, Scheibe, Walze, Ring oder Band homogen bzw. massiv oder mit eingebautem Kontakt- oder Regel-Material ausgebildet ist und beispielsweise oszillierend oder rotierend bewegt wird,
4) Thermoelektrische Einrichtung@nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekannzeichnot, daß in der Steuer-Vorrichtung das Schalt- oder Regel-Element als Flu#ssigkeits-Kontakt ausgebildet ist, beispielsweise unter Verwendung der Kontakt- bzw. Leit-Flüssigkeiten Quecksilber, Elektrolyt-Losung oder einer quasi-flüssigen Mischung bzw, Suspension von Metall-7ulver oder GraphJ und einer FlUssigkeit.
5) Therrnoeloktrische Einrichtunnach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Einrichtung gemäß Peltier-Effekt dem Einzel-Element oder einer Element-Säule an den Außen-Anschlüssen für den elektrischen Betriebsstrom eine Steuer-Vorrichtung für den elektrischen Strom vor- oder zwischengeschaltet ist, beispielsweise in der Bauart als Wechselstrom-Gleichrichter, als Strom Zerhacker oder als pulsierender Strom-Regler, die den Betriebs-Strom periodisch ein- und ausschaltet oder zwischen einem Maximal-und einem Minimal-Uert regelt, 6) Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in einen oder mehrere Element-Schenkel eine oder mehrere Steuer-Vorrichtungen für den Fluß bzw. Durchlaß des elektrischen Stromes und des Uärme-Stromes in der Bauart als Gleit-bzw. Schiebe-Kontakt mit ständiger Berührung der Kontakt-Elemente aber mit zeitlich und/oder örtlich veränderlicher Kontakt- bzw.
Durchlaß-Fläche bzw. mit wechselnden Material-Elementen für den Strom-Durchlaß eingebaut sind, wobei das gleitende Kontakt-Element kontinuierlich oder periodich bewegt werden kann.
7) Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuer-Vorrichtung das Gleit- oder Schiebe-Element als Kontakt-Zunge oder als endloses Kontakt-Band ausgebildet ist, das zwischen Kontakt-Stücken kontinuierlich oder oszillierend bewegt wird, wobei die Zunge nder das Band aus homogenes Leit-rflaterial für den elektrischen und thermischen Strom S2ctsi#en kann eder vobei des in die Zunge jdrjr das send aing;*-baute Kontakt- oder Leit-f1#terial derart geformt ist, daß der elektrische und thermische Fluß durch veränderliche Querschnitte strömt, die auch voneinander getrennt sein können.
8) Thermoelektrische Einrichtungen nach Anspruch 1 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-Vorrichtung eine Kontakt-Scheibe oder Kontakt-Walze enthält, die zwischen Kontakt-Stücken rotierend oder oszillierend bewegt wird, wobei die Scheibe oder die Walze aus homogenem Leit-Material für den elektrischen und thermischen Strom bestehen kann oder wobei das in die Scheibe oder die Walze eingebaute Leit-Material derart geformt ist, daß der elektrische und thermische Fluß durch veränderliche Querschnitte strömt, die auch voneinander getrennt sein können.
9) Thermoelektrische Einrichtungen nach Anspruch 1 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-Vorrichtung eine Leit- bzw.

Kontakt-Flüssigkeit enthält, beispielsweise Quecksilber, Elektrolyt-Lösung oder eine quasi-flüssige Mischung bzw. Suspension von Metall-Pulver oder Graphit und einer Flüssigkeit, die zwischen Kontakt-Stücken, die beispielsweise an Element-Schenkel angebaut sind, fließt oder oszillierend bewegt wird, wobei der Querschnitt für den Strom-Durchfluß in der Flüssigkeit und/oder die Länge des Strom-Weges in der Flüssigkeit gleichbleibend oder veränderlich sein kann.
10) Thermoelektrische Einrichtungen nach Anspruch 1 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß die in die Kontakt-Flüssigkeit eingetauchten Element-Schenkel oder Kontakt-Stücke relativ zur Flüssigkeit bewegt werden, beispielsweise durch horizontale Bewegung auf einem Umiauf-Ueg oder oszillierend.
11) Thermoelektrische Einrichtungen nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der Ansprüche 2 - 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Element-Schenkel, vorzugsweise waagerecht, unterteilt werden und mit den Enden an der Trenn-Stelle direkt oder mit angesetzten Kontakt-Stücken in eine Kontakt-Flüssigkeit eingetaucht werden, wobei im eingetauchten Zustand eine leitende Verbindung zwischen zusammengehörigen Teil-Stücken der Schenkel hergestellt ist und wobei der Kontakt mit der Flüssigkeit periodisch unterbrochen werdenkann oder wobei im Falle stindigen Konzoktes die Cintaurh-TieFe oder die örtLiche Lage rel-Rviv zur Fl:ssigkeit verinderlich sein kann.
12) Thermselektrische Einrichtungen nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der Ansprüche 2 - 11 dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung des Kontaktes bzw. des Strom-Pfades oder zur Veränderung der Eintauch-Tiefe der Element-Schenkel bzw. der angesetzten Kontakt-Stücke in die Kontakt-Flüssigkeit die Position der Schenkel und der Flüssigkeit bzw. des Behälters der Flüssigkeit relativ verändert wird, beispielsweise durch periodisches Heben und Senken oder dadurch, daß die Oberfläche der Flüssigkeit durch periodisches Eintauchen und Herausziehen eines Verdrängungskörpers verändert wird.
13) Thermoelektrische Einrichtungen nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der Ansprüche 2 - 12 dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische und thermische Fluß in mehreren Element-Schenkeln oder Thermopaaren durch eine gemeinsame Steuer-Vorrichtung bzw.

durch eine Mehrfach-Steuer-Vorrichtung, beispielsweise in der Bauart mit Kontakt-Scheibe oder Kontakt-Walze, geschaltet oder veränderlch beeinflußt wird nach dem Prinzip der Schalt- oder Regel-Kontakte bzw. -Steuerungen oder nach dem Prinzip der Gleit-bzw. Schiebe-Kontakte, wobei die verschiedenen Element-Schenkel bzw. Thermopaare gegeneinander isoliert sind bzw, wobei ein Kurzschluß durch bau-Elemente der Steuer-Vorrichtung vermieden wird.
14) thermoelektrische Einrichtungen nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der Ansprüche 2 - 13 dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung oder Reduzierung von Stör-Effekten, die dem Basis-Effekt der Einrichtung nach Seebeck oder Peltier entgegen wirken oder ihn im Resultat reduzieren, die in das Element bzw. die Element-Schenkel eingebauten Steuer-Vorrichtungen aus einem thermoelektrisch indifferenten Material hergestellt werden oder aus einer Kombination von verschiedenem Bau-Material, die insgesamt indifferent oder nahezu indifferent ist.
15) Thermoelektrische Einrichtungen nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß als Bau-Material für die Steuer-Vorrichtungen. ganz oder fur Teile davon thermoelektrisches Material bzu. Element-Material verwendet wird, bnispielsweise das gleiche Material, aus dem die thermoelektri:,cha Einrichtung hergestellt ist, in die die Steuer-Vorrichtung eingebaut wird.
16) Thermoelektrische -inrichtungen nsch Anspruch 1 oder einem oder mehreren der Ansprüche 2 - 15 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-Vorrichtung in den Bereich einer Lötstelle eingebaut i-t, wobei die feste, beispielsweise gelötete, Verbindung ersetzt ist durch die Berührung eines Kontakt-, Regel- oder Cleit-Elementes der Steuer-Vorrichtung oder wobei der Steuer-Effekt durch eine direkte Kontakt- oder Gleit-Berührung der Element-Paare bzw. der Schenkel erfolgt, die periodisch den gegenseitigen Kontakt unterbrechen oder während einer Cleit-Berührung die Position der Kontakt-Fläche verandern.