DE3822118A1 - COOLING ELEMENT - Google Patents

COOLING ELEMENT

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DE3822118A1
DE3822118A1 DE19883822118 DE3822118A DE3822118A1 DE 3822118 A1 DE3822118 A1 DE 3822118A1 DE 19883822118 DE19883822118 DE 19883822118 DE 3822118 A DE3822118 A DE 3822118A DE 3822118 A1 DE3822118 A1 DE 3822118A1
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cooling
peltier
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supralei
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DE19883822118
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Antti Ilmari Ahonen
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Outokumpu Oyj
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Outokumpu Oyj
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    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H01L35/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. exhibiting Seebeck or Peltier effect with or without other thermoelectric effects or thermomagnetic effects; Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L35/12Selection of the material for the legs of the junction
    • H01L35/14Selection of the material for the legs of the junction using inorganic compositions
    • H01L35/22Selection of the material for the legs of the junction using inorganic compositions comprising compounds containing boron, carbon, oxygen or nitrogen or germanium or silicon, e.g. superconductors
    • H01L35/225Superconducting materials

Abstract

The invention relates to a thermoelectric cooling element which makes use of the so-called Peltier effect created in the passing of electric current through the coupling of two different conductors. In the cooling element of the invention, at least one of the conductors is made of a superconductor material, e.g. an oxide formed by a rare earth material RE, barium and copper, RE Ba2Cu3O7.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlelement, insbesondere ein thermoelektrisches Kühlelement, welches den sogenannten Peltier-Effekt ausnutzt, der beim Hindurchleiten elektri­ schen Stroms durch die Kopplung von zwei unterschiedlichen Leitern entsteht.The invention relates to a cooling element, in particular a thermoelectric cooling element, the so-called Exploits the Peltier effect that electri current by coupling two different ones Ladders arise.

Auf dem Peltier-Effekt beruhende Kühlelemente werden übli­ cherweise zur Kühlung und thermischen Einstellung verschie­ dener Instrumente benutzt. Geeignete Anwendungsfälle fin­ den sich auch in für Verbraucher bestimmten Gütern. Die wichtigsten Vorteile des Peltier-Kühlverfahrens bestehen in der geringen Größe, praktisch fehlendem Wartungsbedarf und außerordentlich großer Einfachheit im Gebrauch - Wärme wird mittels des durch das Kühlelement fließenden Gleich­ stroms von dem zu kühlenden Gegenstand in den Wärmeaus­ tauscher übertragen.Cooling elements based on the Peltier effect are usually used for cooling and thermal adjustment of various instruments. Suitable applications are also found in goods intended for consumers. The main advantages of the Peltier cooling process are the small size, practically no need for maintenance and extremely simple operation - heat is transferred from the object to be cooled into the heat exchanger by means of the direct current flowing through the cooling element.

Der Peltier-Effekt bedeutet, daß die Verbindung zwischen zwei verschiedenen Leitern, während elektrischer Strom durch sie hindurchfließt, je nach der Richtung des Stroms abgekühlt oder erwärmt wird. Die Erklärung für diese Er­ scheinung liegt darin, daß in thermisch unausgeglichenen Leitern die Wärmeströmung, die von den leitenden Elektronen zu der Kopplung und von dieser weg getragen wird, vonein­ ander unterschiedlich ist.The Peltier effect means that the connection between two different conductors while electrical current flows through it depending on the direction of the stream is cooled or heated. The explanation for this he Apparition is that in thermally unbalanced Conduct the heat flow from the conductive electrons to and from the coupling other is different.

Je nach der Temperatur kann der sogenannte Peltier-Faktor Tr(T)für die Materialien A und B so bestimmt werden, daß die in der Verbindungsstelle von A und B gebundene Wärme­ kapazität folgende istDepending on the temperature, the so-called Peltier factor Tr (T) for the materials A and B can be determined so that the heat capacity bound in the connection point of A and B is as follows

Q = i [π A (T) - π B (T)] Q = i [ π A (T) - π B (T) ]

wenn Strom i durch die Kopplung fließt. Damit ist die Kühlung (oder Erwärmung) um so wirksamer, je stärker sich die Peltier-Faktoren der Stoffe voneinander unterscheiden.when current i flows through the coupling. Cooling (or heating) is therefore more effective the more the Peltier factors of the substances differ from one another.

Eine Grenze für die bei Benutzung der herkömmlichen Peltier- Elemente erreichten Temperaturen wird durch die Tatsache gesetzt, daß selbst bei den besten bekannten Materialien die Differenz zwischen den Peltier-Faktoren mit ausreichen­ dem Absinken der Temperatur rasch abnimmt.A limit for when using conventional Peltier Elements reached temperature is due to the fact set that even with the best known materials the difference between the Peltier factors is sufficient rapidly decreases as the temperature drops.

Die besten herkömmlichen Peltier-Elemente bestehen meistens aus stark getempertem Wismuttellurid-Halbleiter. Bei einem Element kann ein Temperaturunterschied von ca. 70 K erzeugt werden, und beim Einbau mehrerer Elemente nacheinander werden sogar Temperaturen etwas unterhalb von 173 K (-100°C) erreicht.The best conventional Peltier elements usually exist made of strongly tempered bismuth telluride semiconductor. At a Element can generate a temperature difference of approx. 70 K. and when installing several elements one after the other temperatures even slightly below 173 K (-100 ° C) reached.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung einiger der Nachteile des Standes der Technik ein verbessertes, auf dem Peltier-Effekt beruhendes Kühlelement zu schaffen, mit dem sich noch niedrigere Temperaturen erzielen lassen als bisher.The object of the invention is to avoid some of the Disadvantages of the prior art improved to create the cooling element based on the Peltier effect with which can achieve even lower temperatures than so far.

Die wesentlichen neuen Merkmale der Erfindung gehen aus Anspruch 1 hervor.The essential new features of the invention go out Claim 1 out.

Gemäß der Erfindung ist das Kühlelement mit Vorteil so ge­ bildet, daß mindestens ein Zweig des Peltier-Elements aus einem supraleitenden Werkstoff mit einer im wesentlichen hohen kritischen Temperatur gebildet ist. Der zweite Zweig des Peltier-Elements kann in dem Fall aus einem an sich für Peltier-Elemente bekannten Material bestehen, zum Beispiel aus Wismuttellurid, auf welches in der Beschrei­ bung des Standes der Technik Bezug genommen wurde und des­ sen Peltier-Faktor im wesentlich hoch bei der gewünschten Temperatur liegt.According to the invention, the cooling element is advantageously ge forms that at least one branch of the Peltier element a superconducting material with an essentially high critical temperature is formed. The second branch of the Peltier element can in this case consist of one in itself known material for Peltier elements exist for Example from bismuth telluride, to which in the description Reference was made to the state of the art and the sen Peltier factor essentially high at the desired Temperature.

Der im Kühlelement gemäß der Erfindung benutzte supralei­ tende Werkstoff kann vorteilhafterweise ein keramischer Supraleiter sein, der mindestens ein Metall der seltenen Erden enthält. Ein solches Material ist beispielsweise ein Oxid aus einem Metall der seltenen Erden, Barium und Kupfer, vorteilhafterweise in Form von RE Ba2Cu3O7, worin RE ein Metall der seltenen Erden, z.B. Yttrium ist.The superconducting material used in the cooling element according to the invention can advantageously be a ceramic superconductor which contains at least one rare earth metal. Such a material is, for example, an oxide made from a rare earth metal, barium and copper, advantageously in the form of RE Ba 2 Cu 3 O 7 , in which RE is a rare earth metal, eg yttrium.

Da unterhalb der kritischen Temperatur der Peltier-Effekt eines Supraleiters rasch auf Null absinkt, wird eine deut­ lich bessere Kühlleistung bei den tiefsten Temperaturen mit dem beschriebenen Kühlelement als mit herkömmlichen Peltier-Elementen erreicht. Die mit dem neuen Element er­ zielbare Kühlleistung wird noch dadurch gefördert, daß im supraleitenden Zweig wegen des Fehlens ohmscher Verluste keine Wärme erzeugt wird.Because below the critical temperature the Peltier effect of a superconductor quickly drops to zero, one becomes clear much better cooling performance at the lowest temperatures with the described cooling element than with conventional Peltier elements reached. The one with the new element Targetable cooling capacity is further promoted in that superconducting branch due to the lack of ohmic losses no heat is generated.

Claims (5)

1. Kühlelement, insbesondere thermoelektrisches Kühl­ element, welches den sogenannten Peltier-Effekt ausnutzt, der beim Hindurchleiten elektrischen Stroms durch die Kopp­ lung von zwei unterschiedlichen Leitern entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Leiter aus einem supraleitenden Werkstoff besteht.1. Cooling element, in particular thermoelectric cooling element, which takes advantage of the so-called Peltier effect that occurs when electrical current is passed through the coupling of two different conductors, characterized in that at least one of the conductors consists of a superconducting material. 2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supralei­ tende Werkstoff mindestens ein Metall der seltenen Erden enthält.2. Cooling element according to claim 1, characterized in that the supralei material is at least one rare earth metal contains. 3. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supralei­ tende Werkstoff Yttrium enthält.3. Cooling element according to claim 1, characterized in that the supralei material contains yttrium. 4. Kühlelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der supralei­ tende Werkstoff ein aus einem Material der seltenen Erden, Barium und Kupfer gebildetes Oxid ist.4. Cooling element according to one of the preceding claims, characterized in that the supralei material from a rare earth material, Is barium and copper oxide formed. 5. Kühlelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der supralei­ tende Werkstoff in Form von RE Ba2Cu3O7 benutzt ist, wobei RE ein Metall der seltenen Erden ist.5. Cooling element according to claim 4, characterized in that the supralei material is used in the form of RE Ba 2 Cu 3 O 7 , wherein RE is a rare earth metal.
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FI872894A (en) 1989-01-02
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