DE829170C

DE829170C - Einrichtung zur elektrothermischen Kaelteerzeugung

Info

Publication number: DE829170C
Application number: DES18631A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Eduard Justi
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1950-08-17
Filing date: 1950-08-17
Publication date: 1952-01-24

Description

Einrichtung zur elektrothermischen Kälteerzeugung Die Bedingungen, unter denen man durch Ausnutzung des Peltiereffektes an stromdurchflossenen Thermoelementen maximale Kälteleistung oder tiefste Temperatursenkung erzielt, hat bereits Altenkirch igii unter folgenden vereinfachenden Voraussetzungen berechnet: t. Die Kontaktwiderstände Rk in den Lötstellen sind Null, so daß insbesondere die Peltierkälte Q, in der kalten Lötstelle nicht durch zusätzliche joulesche Wärme QP = JE Rk vermindert wird; 2. man verwendet Thermoelementschenkel von konstantem O_uerschnitt, so daLl das Temperaturgefälle linear ist.
Unter diesen Bedingungen kann man den für die gewünschte Kälteleistung richtigen Ohmschen Widerstand R der Thermoelementschenkel berechnen; so w-erdeti hierbei keine absoluten Abmessungen der Länge l und des Querschnitts q vorgeschrieben, vielmehr mull nur ein bestimmtes, u. a. von der elektrischen Leitfähigkeit l,# und der thermischen Leitfähigkeit J, abhängiges Verhältnis 1:q eingehalten werden. ' Insofern wäre es möglich, mit beliebig kleinen Thermoelementen zu arbeiten und dadurch an den oft teuren thermoelektrischen Werkstoffen zu sparen. Indessen haben die Versuche des Erfinders erwiesen, daß im Gegensatz zu dieser Theorie eine absolute Mindestgröße der Thermoelemente notwendig ist.
Als Erklärung wurde folgendes festgestellt: Die Kontaktwiderstände Rk in den Lötstellen der Thermoelemente sind keineswegs Null, denn gerade Werkstoffe hoher Thermokraft, wie Bi- oder Sb-Legierungen, lassen sich wegen Bildung fest haftender Ox_ydschichten schwer löten. Speist man nun z. B. ein Thermoelement mit U = o,oi V und 7 = ioo Amp., so sinkt die effektive Kälteleistung vofi z. B. Q, = i Watt bei geringer Ab- kühlung allmählich auf Q" = o bei der tiefstmögliehen (kritischen) Abkühlung dTmax. Beträgt nun der Kontaktwiderstand in der kalten Lötstelle nur R,t = 0,00005 D, so entsteht an ihm die Joulesche Wärme Qk = JE Rk = o,5 Watt, die die effektive Kälteleistung zwischen d T = o und .,I T""", also z. B. bei d T' = kompensiert, so daß man z. B. nur So% der bei Rk = o möglichen Abkühlung erreicht.
Genaue Berechnungen des Erfinders (Abhandlungen der Braunschweigischen Wissenschaftlichen Gesellschaft, Bd. II, S. 148 bis 164) haben für dieses Verhältnis der bei Rk erreichbaren Abkühlung d T'. d T.." 'bei Rk = o ergeben dT'IAT""ax = ioo (i + 2 ß) %, wobei ß = Rk R das Verhältnis des Kontaktwiderstandes in der kalten Lötstelle zum Ausbreitungswiderstand der beiden Thermoelementglieder ist. Bei ß = 1, d. h. Rk = R erreicht man also nur 330/0 bei ß = 0,5 5o% vom dT"Qx, während man durch Verminderung von Rk auf 5% von R etwa 9o % von d T,"", erreichen kann.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Herabsetzung von Rk auf folgendem Weg: Weitere Berechnungen des Erfinders haben den Fall nichtlinearen Temperaturgefälles untersucht, also Thermoelementschenkel von inkonstantem Ouerschnitt, wie z. B. konischer Form.
Dieser Fall ließ sich unter der Bedingung streng durchrechnen (a.a.0.), daß die Berührungsfläche in der kalten Lötstelle eine Äquipotentialfläche ist, was man praktisch dadurch erreicht, daß man hier eine Platte von großer elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, wie z. B. Cu, zwischenschaltet. Unter diesen Umständen ergibt die Theorie keine andere Temperaturerniedrigung ioder Kälteleistung als für Thermoelemente konstanten Querschnitts von demselben Widerstand. Deshalb ist es ohne Herabsetzung der kältetechnischen Effekte zulässig z. B. konische Thermoelemente zu verwenden, bei denen sich die beiden Stirnflächen größeren Durchmessers in der kalten Lötstelle treffen, während die beiden kleineren Stirnflächen d-ie warmen Lötstellen bilden. Weil man erfahrungsgemäß bei dem Löten einen der gelöteten Oberfläche proportionalen Widerstand erhält, kann man auf diese Weise das Verhältnis ß = Kontaktwiderstand in der kalten Lötstelle zum Ausbreitungswiderstand der beiden Schenkel vermindern. Zweifellos könnte man dasselbe mit z. B. zylindrischen Thermoelementen von größerem Querschnitt erreichen, aber in diesem Falle würde ein erheblich größerer Verbrauch an dem oft teueren thermoelektrischen Werkstoff auftreten. Deshalb kann man auch umgekehrt die gelötete Fläche in der kalten Lötstelle gegenüber dem zylindrischen Fall unvermindert erhalten und durch Anwendung der konischen Form an Werkstoff sparen. Die kleineren Kontaktflächen an den warmen Lötstellen sind unschädlich, weil an dieser Stelle schon an sich eine Kühlung zur Abführung der Jouleschen Wärme, der entzogenen Kalorien usw., stattfinden muß.
Verwendet man also beispielsweise statt eines bestimmten zylindrischen Thermoelernentes ein solches von gleichem Volumen bzw. Widerstand, aber doppelt so großer kalter Lötstelle, so steigt die Abkühlung von So auf 66% der maximalen Abkühlung, falls im zvlindrischen Falle = o.3 war.
Ein schematisches Ausführungsbeispiel der kalten Lötstelle ist in der Figur dargestellt. t und 2 sind die beiden Zuführungen zur «armen Lötstelle, deren einer Schenkel z. B. aus Bi und deren zweiter Schenkel z. B. aus Sb bestehen möge. Gemäß der Erfindung sind nun diese beiden Schenkel an der kalten Lötstelle konisch Verstärkt, wie es bei 3 und .I angedeutet ist. An sich wäre es möglich, die Teilei und 4 unmittelbar miteinander zu Verlöten. Es erscheint jedoch zweckmäßig, eine metallische Scheibe 5 zwischenzusetze», die größeres elektrisc'hes und thermisches Leitvermögen als wenigstens einer der beiden thermoelektrischen Werkstoffe aufweist. Der Vorteil dieser -Maßnahme besteht darin, daß man dann für jeden der beiden thermoelektrischen Werkstoffe ein hierfür besonders geeignetes Lot verwenden kann. Beispielsweise ist ein hochschmelzendes Lot, das bei Antimonlegierungen gute Lötungen ergibt, für eine Wismuthlegierung wegen deren niedrigeren Schmelztemperatur kaum brauchbar, jedoch werden sich beide Speziallote mit der "Zwischenscheibe, die z. B. aus Kupfer bestehen kanci, gut verbinden. Das Ausführungsbeispiel zeigt noch eine Besonderheit insofern, als die zwischengefügte Scheibe 5 mit Kühlflächen 6 in Form von angesetzten Blechen versehen ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zur elektrothermischen ICälteerzeugung durch Ausnutzung des Peltiereffektes mit mindestens einer kalten und einer warmen Lötstelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der kalten Lötstelle gegenüber dem der warmen Lötstelle vergrößert ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Lötstelle durch zwei konische Verstärkungen der beiden Schenkel gebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch t oder 2, da-,durch gekennzeichnet, daß die beiden Stirnflächen der kalten Lötstelle unter Zwischenfügung einer metallischen Scheibe von größerem elektrischen und thermischen Leitvermögen als wenigstens einer der beiden thermoelektrischen Werkstoffe verlötet sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischengefügte Scheibe mit zusätzlichen Kühlflächen in Form von Rippen, Ansätzen o. dgl. versehen ist.