Thennoelektrisches Wandlerelement hohen Wirkungsgrades und Anwendungen desselbenHigh efficiency transducer element and applications thereof
Element zur Stromerzeugung , Heizung und KühlungElement for power generation, heating and cooling
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen oder Entziehen von Wärme in ein oder aus einem Medium, wie einem Festkörper oder einem Fluidum. Sie umfasst ein thermo- elektrisches Strom-Wandlerorgan mit hochwärmeleitendem Dielektrikum und im oder am Festkörper bzw. im Fluidum, d.h. einem Gas oder einer Flüssigkeit, angeordnete Wärmeleiter; ein Wärmetauscherelement, ein Kühlaggregat, eine regelbare Heizung/Kühlung mit einem Thermostaten, einen Wärmespeicher mit einem Ab- sorptions- und Speicherkörper niedriger thermischer Leitfähigkeit, alle mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung, sowie weitere Verwendungen der erfindungsgemässen Vorrichtungen.The present invention relates to a device for supplying or removing heat in or from a medium, such as a solid or a fluid. It comprises a thermo-electric current converter element with a highly heat-conducting dielectric and in or on the solid or in the fluid, i.e. a gas or a liquid, arranged heat conductor; a heat exchanger element, a cooling unit, a controllable heating / cooling with a thermostat, a heat store with an absorption and storage body of low thermal conductivity, all with a device according to the invention, and further uses of the devices according to the invention.
AusgangslageStarting position
Bereits 1834 hat der französische Uhrenmacher Peltier als „Gegenstück" zum damals schon seit 13 Jahren bekannten Seebeck Effekt entdeckt, dass beim DurchfHessen von Gleichstrom durch ein Thermoelement an der einen Anschlusslötstelle der Umgebung Wärme entzogen und zur anderen transportiert wird. 1838 demonstrierte dann der deutsche Physiker Lenz, dass mittels dieses neu entdeckten Effekts Wasser an einer Wismut-Antimon Verbindungsstelle gefroren bzw., beim Umkehren des Stromflusses, Eis geschmolzen werden kann. Anhand dieses Effektes wurde vielfach versucht, mittels sogenannter thermoelektrischer Kühlung einer Umgebung Wärme zu entziehen und einer anderen Umgebung zuzuführen.As early as 1834, the French watchmaker Peltier discovered as a "counterpart" to the Seebeck effect, which had been known for 13 years at the time, that when direct current was passed through a thermocouple, heat was removed from the surroundings at one connection soldering point and transported to the other. In 1838, the German physicist demonstrated Lenz says that this newly discovered effect allows water to be frozen at a bismuth-antimony junction or that ice can be melted when the current flow is reversed, and attempts have been made to extract heat from one environment and supply it to another by means of so-called thermoelectric cooling .
Analog ergibt sich aus der Umkehr die sogenannte thermoelektri- sche Heizung (nicht zu verwechseln mit der Joule 'sehen Widerstandsheizung) . Bei der Verwendung derartiger thermoelektri-
scher Elemente ist es wichtig, dass sie einerseits elektrisch gegenüber der zu kühlenden oder zu beheizenden Umgebung isoliert sind, anderseits aber nicht durch die elektrische Isolation von der Umgebung zu sehr wärmeisoliert sind.Analogously, the reversal results in the so-called thermoelectric heating (not to be confused with the joule 'see resistance heating). When using such thermoelectric It is important for shear elements that on the one hand they are electrically insulated from the environment to be cooled or heated, but on the other hand that they are not too thermally insulated from the surroundings due to the electrical insulation.
Obwohl als Phänomen bekannt, konnte der Peltier-Effekt mangels guter thermoelektrischer Materialien jedoch lange Zeit nicht nutzbringend eingesetzt werden. Lediglich der Seebeck-Effekt zur Erzeugung einer elektrischen Potentialdifferenz als Folge einer Temperaturdifferenz an den Lötstellen eines Thermoelements fand in Messgeräten (Thermoelemente zur elektronischen Temperaturmessung) Verwendung, da der Wirkungsgrad irrelevant bzw. durch eine höhere Empfindlichkeit der Messelektronik kompensierbar war.Although known as a phenomenon, the Peltier effect could not be used for a long time due to the lack of good thermoelectric materials. Only the Seebeck effect for generating an electrical potential difference as a result of a temperature difference at the soldering points of a thermocouple was used in measuring devices (thermocouples for electronic temperature measurement), since the efficiency was irrelevant or could be compensated for by a higher sensitivity of the measuring electronics.
Dem zunehmenden Bedürfnis immer breiterer Bevölkerungsschichten entsprechend setzte Mitte der Fünfzigerjähre und insbesondere in den Sechzigerjähren eine emsige Forschungs- und Entwicklungstätigkeit auf dem Gebiet der thermoelektrischen Kühlung ein.In line with the increasing need of ever broader sections of the population, in the mid-1950s and especially in the 1960s, a busy research and development activity in the field of thermoelectric cooling began.
Nach Bekanntwerden entsprechender Halbleitermaterialien und Halbleiterelement-Kombinationen ist es mittels der oben erwähnten Effekte möglich geworden, beispielsweise Kühlboxen zu betreiben.After the corresponding semiconductor materials and semiconductor element combinations became known, it has become possible, for example, to operate cool boxes using the effects mentioned above.
So haben z.B. die russischen Forscher Gebrüder Ioffe [57Iof] vorgeschlagen, ein Peltier-Element zum besseren Wärmeübergang über dünne Glimmerplättchen, beschichtet mit einem Siliconbelag und gefüllt mit Aluminiumpulver, mit den Kühlrippen in einem Kühlschrank zu verbinden. Beschrieben wird dies beispielsweise in [6OG0I] auf Seite 94 und folgende.
Die von Ioffe und anderen Forschern beschriebenen und vorgeschlagenen Halbleiterkombinationen mit wesentlich verbesserten Eigenschaften weckten hohe Erwartungen in der praktischen Anwendung beim Haushalt-Kühlschrank, der Vakuum-Oeldiffusions- pumpe, der Luft- und Gaskühlung bis zu Grossanlagen der Luft- konditionierung, die sich indessen aus mangelnder Wirtschaftlichkeit der Elemente nicht erfüllten.For example, the Russian researchers Gebrüder Ioffe [57Iof] proposed to connect a Peltier element to the cooling fins in a refrigerator for better heat transfer via thin mica sheets, coated with a silicone coating and filled with aluminum powder. This is described, for example, in [6OG0I] on page 94 and following. The semiconductor combinations described and proposed by Ioffe and other researchers with significantly improved properties raised high expectations in practical use for household refrigerators, vacuum oil diffusion pumps, air and gas cooling, and large-scale systems for air conditioning, which, however, are different lack of economy of the elements.
Bisheriger Stand der TechnikCurrent state of the art
Untersuchungen mit Peltier-Elementen zeigten, dass pro Element nur eine sehr kleine Spannung in der Grössenordnung von etwa 0,05-0,1 V bei gleichzeitig hohem Strom von ca. 1-15 A zu einem optimalen Wirkungsgrad führt. Dies bedingt jedoch meist die elektrische Serieschaltung mehrerer Elemente und deren mechanische Kombination zu einem Block in thermischer Parallelschaltung (bei grösseren Leistungen üblicherweise 50 bis 500 Elemente) , um auf vernünftig haltbare Betriebsspannungen und höhere Leistungen zu kommen (Blöcke mit weniger Elementen, d.h. unter 10, werden im Bereich niedriger Leistungen und in Messgeräten ebenfalls eingesetzt) .Investigations with Peltier elements showed that only a very small voltage of the order of 0.05-0.1 V with a high current of approx. 1-15 A leads to an optimal efficiency. However, this usually requires the electrical series connection of several elements and their mechanical combination to form a block in thermal parallel connection (usually 50 to 500 elements for larger outputs) in order to arrive at reasonably durable operating voltages and higher outputs (blocks with fewer elements, ie under 10, are also used in the area of low power and in measuring devices).
Die auf der einen Seite eines solchen Blocks aufgenommene Wärme wird zur andern Seite der Elemente übertragen, wo sie dann beispielsweise mittels Kühlrippen oder geeigneten Kühlvorrichtungen abgeführt, gespeichert oder in Wärmefallen aufgenommen werden muss. Die Joule' sehe Wärme aus den - möglichst klein zu haltenden - elektrischen Widerständen des Elements, die Wärme- leitung durch das Material des Elements in der Gegenrichtung, der durch die entstehende Temperaturdifferenz hervorgerufene, gegengerichtete Seebeck-Effekt und Wärmeleitungsverluste
(proportional zur Leitungslänge) wirken dem - wirkungsgradbegrenzend - entgegen.The heat absorbed on one side of such a block is transferred to the other side of the elements, where it then has to be dissipated, stored, for example by means of cooling fins or suitable cooling devices, or absorbed in the event of heat. The Joule 'see heat from the - as small as possible - electrical resistances of the element, the heat conduction through the material of the element in the opposite direction, the opposing Seebeck effect caused by the resulting temperature difference and heat conduction losses (proportional to the cable length) counteract this - limiting efficiency.
In jeder Anwendung ist es daher wichtig, dass ein optimaler Wärmeübergang zwischen den stromführenden Lötstellen des Elements und den von ihnen elektrisch isolierten Wärmetauscherelementen (Heat source, Heat sink) gewährleistet ist, was bei den bis heute verwendeten Thermoelementen nicht der Fall ist. Eine angemessene elektrische Isolation unter gleichzeitiger möglichst guter Wärmeleitung wird heute üblicherweise über Alumi- na-Schichten [GB 2 247 348, EP 0 592 044], partikelverstärkte Harze [GB 1 025 687] , Silikon-Gele [EP 0 592 044] oder polymere Dünnfilme (THERMAL CLAD*) [US 5 040 381] erzielt.In every application, it is therefore important that an optimal heat transfer between the current-carrying solder joints of the element and the heat exchanger elements electrically insulated by them (heat source, heat sink) is guaranteed, which is not the case with the thermocouples used to date. Adequate electrical insulation with at the same time the best possible heat conduction is usually achieved using aluminum layers [GB 2 247 348, EP 0 592 044], particle-reinforced resins [GB 1 025 687], silicone gels [EP 0 592 044] or polymers Thin films (THERMAL CLAD * ) [US 5,040,381] achieved.
Die Steigerung der Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien ist jedoch mit einer Schwächung des elektrischen Widerstands verbunden (Widemann/Franz/Lorenz-Regel) oder sie können nur unter Zugabe metallischer Bindemittel zu Festkörpern gesintert werden. Die Anstrengungen galten daher primär der Reduktion der Dicke solcher Dielektrikumsschichten.However, the increase in the thermal conductivity of these materials is associated with a weakening of the electrical resistance (Widemann / Franz / Lorenz rule) or they can only be sintered into solids with the addition of metallic binders. The effort was therefore primarily to reduce the thickness of such dielectric layers.
In [95Row] wird der Stand der Technik gut dargelegt. Es finden sich darin jedoch nur Grundsatzaussagen, „man sollte ein wärmeleitendes Dielektrikum haben"; jedoch keine konkreten Materialien oder Bauformen. Es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, diese Lücke zu füllen.The state of the art is well presented in [95Row]. However, it only contains basic statements, "one should have a heat-conducting dielectric"; however, no specific materials or designs. It is the object of the present invention to fill this gap.
Die Entwicklung auf breiter Basis wurde Ende der Sechzigerjähre eingestellt, weil mit den, der Widemann/Franz/Lorenz-Regel der Proportionalität der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit gehorchenden, klassischen Werkstoffen (einschliesslich der Halbleiter) der Wärmeleitverlust die Netto-Kälteleistung ent-
scheidend verringerte, was den erwarteten Durchbruch in der Kältetechnik verunmöglichte .Development on a broad basis was discontinued at the end of the 1960s because with the classical materials (including the semiconductors) that obey the Widemann / Franz / Lorenz rule of proportionality of the electrical and thermal conductivity, the heat loss leads to the net cooling capacity. decreased significantly, which made the expected breakthrough in refrigeration impossible.
Der Wirkungsgrad eines Peltier-Elements konnte in der Praxis nicht über 14% angehoben werden, obwohl theoretisch (d.h. unter Vernachlässigung aller Verluste durch Isolationen und Wärmeleitverluste beim Übergang zum Element und vom Element weg) bis zu 50-70% möglich gewesen wären. Seither werden Peltier- Elemente nur noch für Instrumente, wie Taupunkt -Messgeräte , für spezielle mobile Kühlgeräte, für Zwecke der Raumfahrt usw. eingesetzt, wo kleinste Leistungen gefordert werden oder der Wirkungsgrad irrelevant ist.In practice, the efficiency of a Peltier element could not be increased by more than 14%, although theoretically (i.e. neglecting all losses due to insulation and thermal loss when transitioning to and from the element) up to 50-70% would have been possible. Since then, Peltier elements have only been used for instruments such as dew point measuring devices, for special mobile cooling devices, for space travel purposes, etc., where the lowest performance is required or the efficiency is irrelevant.
Dies ist um so bedauerlicher, als die heute in Kühlaggregaten verwendeten Medien, wie Ammoniak, niedermolekulare Fluor- (Chlor-) Kohlenwasserstoffe (insbesondere Frigene und Freone) , aus umwelttechnischen Gründen nicht mehr erwünscht sind. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Materialien vorzuschlagen, mittels welcher Peltier-Elementkombinationen elektrisch isolierend eingebettet werden können, die jedoch einen optimalen Wärmeaustausch mit den Wärmetauscherelementen auf beiden Seiten und somit der Umgebung ermöglichen.This is all the more unfortunate since the media used today in cooling units, such as ammonia, low molecular weight fluorocarbons (chlorine) hydrocarbons (especially frigens and freons), are no longer desirable for environmental reasons. It is therefore an object of the present invention to propose materials by means of which Peltier element combinations can be embedded in an electrically insulating manner, but which enable an optimal heat exchange with the heat exchanger elements on both sides and thus the environment.
Die erfinderische LösungThe inventive solution
Erfindungsgemäss wird das Problem mittels einer Vorrichtung gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 gelöst.According to the invention, the problem is solved by means of a device according to the wording according to claim 1.
Vorgeschlagen wird, dass ein thermoelektrisches Strom- Wandlerorgan, wie beispielsweise ein Peltier-Element , über mindestens ein wärmeleitendes Dielektrikum mit (einem) Wärmeleiter/n verbunden ist. Voraussetzung für den erfindungsgemässen Betrieb, beispielsweise eines thermoelektrischen Peltier- Leiterkreises, ist die Einbettung der Lötstellen, wie z.B. von
Thermoelementen der optimalen Kombination Bi2Te3/Sb2Te3 50/50 mit Bi2Te3/Bi2Se3 75/25 (dotiert mit Kupferbromid) samt ihren elektrischen Anschlüssen (z.B. Kupfer- oder Silberanschlüsse) in ein Dielektrikum, welches gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit (>10 Wm^K"1) aufweist.It is proposed that a thermoelectric current converter element, such as a Peltier element, is connected to (a) heat conductor (s) via at least one heat-conducting dielectric. A prerequisite for the operation according to the invention, for example a thermoelectric Peltier circuit, is the embedding of the solder joints, such as from Thermocouples of the optimal combination Bi2Te3 / Sb2Te3 50/50 with Bi2Te3 / Bi2Se3 75/25 (doped with copper bromide) together with their electrical connections (eg copper or silver connections) in a dielectric, which at the same time has good thermal conductivity (> 10 Wm ^ K "1 ) having.
Als geeignete wärmeleitende Dielektrika haben sich elektrisch isolierende, erfindungsgemässe keramikartige Werkstoffe sowie Verbundwerkstoffe bzw. Legierungen davon und Polymere und/oder Polymersysteme; insbesondere die, auf Grund neuer verfahrenstechnischer Möglichkeiten erhältlich gewordenen, sog. FGMs (Functional Gradient Materials / funktioneile Gradienten- Materialien) erwiesen.Electrically insulating, ceramic-like materials according to the invention as well as composite materials or alloys thereof and polymers and / or polymer systems have been found to be suitable heat-conducting dielectrics; In particular, the so-called FGMs (Functional Gradient Materials) that have become available due to new procedural possibilities have been proven.
Die herkömmlichen Dielektrika behindern den Wärmefluss, währenddem die neuen, erfindungsgemäss vorgeschlagenen Materialien die Wärme optimal, nicht aber den elektrischen Strom leiten, womit eine gute Wärme-Strom-Fluss-Gestaltung auch bei relativ geringen Temperaturunterschieden möglich wird.The conventional dielectrics hinder the flow of heat, while the new materials proposed according to the invention conduct the heat optimally, but not the electrical current, so that a good heat-current flow design is possible even with relatively small temperature differences.
Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass das wärmeleitende Dielektrikum mindestens eine der nachfolgenden Substanzen enthält: Aluminiumnitrid, Bornitrid, Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Berylliumoxid, Siliziumoxinitrid, Aluminiumoxinitrid, Silizium- Aluminium-Nitride und/oder Verbundwerkstoffe oder Legierungen davon und/oder Diamantstruktur-Keramik und/oder Diamant und/oder Kohlenstoffaser-Verbundwerkstoffe und/oder Polymere und/oder Polymersysteme (idealerweise mit geringer Wasseraufnahmefähigkeit) , insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE, Teflon) , Polyphenylenoxid (PPO) , Polyphenylensulfid (PPS) , Polya- midimid (PAI) und/oder faserversezte/-verstärkte Polymere und/oder gefüllte Kunststoffe mit gerichteter Wärmeleitfähigkeit und/oder funktioneile Gradientenmaterialien (Material,
welches über eine bestimmte Strecke graduell ändernde Eigenschaften besitzt) nach Anpruch 8. So weist beispielsweise reines Berylliumoxid einen Wärmeleitkoeffizienten von > 250 Wm^K"1 auf, Siliziumcarbide einen solchen zwischen 190 und 240 Wm^K'1, und auch Aluminiumnitrid weist einen Wärmeleitkoeffizienten von ca. 180 bis 220 m^K"1 auf. Diese Materialien sind insbesondere als Schneidstoffe, Schmiermittel, Tiegelwerkstoffe, Wärmefallen und Zusatzstoffe entwickelt worden und sind hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit noch in steter Weiterentwicklung und derzeit nicht vollständig optimiert. Aus diesem Grunde sind die oben erwähnten Wärmeleitfähigkeits-Werte nur approximative Angaben.It is proposed according to the invention that the heat-conducting dielectric contains at least one of the following substances: aluminum nitride, boron nitride, carbon, silicon carbide, beryllium oxide, silicon oxynitride, aluminum oxynitride, silicon-aluminum nitride and / or composite materials or alloys thereof and / or diamond-structure ceramic and / or Diamond and / or carbon fiber composite materials and / or polymers and / or polymer systems (ideally with low water absorption capacity), in particular polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon), polyphenylene oxide (PPO), polyphenylene sulfide (PPS), polyamideimide (PAI) and / or fiber-offset / Reinforced polymers and / or filled plastics with directional thermal conductivity and / or functional gradient materials (material, which has gradually changing properties over a certain distance) according to Claim 8. For example, pure beryllium oxide has a thermal conductivity coefficient of> 250 Wm ^ K "1 , silicon carbide has such a coefficient between 190 and 240 Wm ^ K '1 , and aluminum nitride also has a thermal conductivity coefficient from about 180 to 220 m ^ K "1 on. These materials have been developed especially as cutting materials, lubricants, crucible materials, heat traps and additives and are still in constant development with regard to thermal conductivity and are currently not fully optimized. For this reason, the thermal conductivity values mentioned above are only approximate.
Erfindungsgemäss wird weiter vorgeschlagen, dass das Wandlerorgan, wie bereits erwähnt, ein Peltier-Element , ein thermoelektrischer Generator nach dem Seebeck-Prinzip oder ein Joule ' sches Widerstandselement ist, welches über das wärmeleitende Dielektrikum mit mindestens einem Wärmeleiter bzw. einer Wärmetransportschicht, bestehend aus einem hochwärmeleitenden Material, verbunden ist. Dabei kann der Wärmeleiter bzw. die Wärme- transportschicht aus einem hochwärmeleitenden Metall, wie Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold, gefertigt sein oder aber auch aus demselben Material, wie das wärmeleitende Dielektrikum, idealerweise aus einem funktioneilen Gradientenmaterial FGM mit nach aussen hin zu Gunsten immer besserer Wärmeleitf higkeit stetig zunehmender elektrischer Leitfähigkeit.According to the invention, it is further proposed that the converter element, as already mentioned, is a Peltier element, a thermoelectric generator based on the Seebeck principle or a Joule 's resistance element, which consists of at least one heat conductor or a heat transport layer via the heat-conducting dielectric a highly thermally conductive material. The heat conductor or the heat transport layer can be made from a highly thermally conductive metal, such as copper, aluminum, silver or gold, or from the same material as the thermally conductive dielectric, ideally from a functional gradient material FGM with the outside in favor ever better thermal conductivity, steadily increasing electrical conductivity.
Als Wärmeleitschicht geeignet erwiesen sich aber auch hochwärmeleitende Kunststoffe und/oder der Verbund von Kohlenstoffasern und/oder gewisse Keramik sowie Diamant in den entsprechenden kristallographischen Richtungen (λ > 1250 Wm^K"1) .Highly heat-conducting plastics and / or the composite of carbon fibers and / or certain ceramics and diamond in the corresponding crystallographic directions (λ> 1250 Wm ^ K "1 ) have also proven to be suitable as a heat-conducting layer.
Die einzelnen Elemente werden wie weiter oben beschrieben zu Blöcken (siehe Fig. 1) vereinigt. Zwischen den Lötstellen und
dem jeweiligen Wärmetauscherelement liegt eine dünne Schicht des wärmeleitenden Dielektrikums. Unter der Annahme, die Elemente seien aus Bi2Te3 -Halbleitern aufgebaut (ein klassisches Material hoher Wirksamkeit), ergibt sich nach Berechnungen von H.J. Goldsmid bei einer mittleren Umgebungstemperatur von 300 K und einer Temperaturdifferenz von 30 K über dem Element eine optimale Betriebsspannung von 0,045 V pro Lötstelle. Bei einem ohm' sehen Widerstand von 0,05 Ω entspricht dem ein Strom von 0,9 A. Um auf vernünftige Spannungs- und Leistungswerte zu kommen (ca. 12 V Betriebsspannung) , müssten also etwa 270 Elemente in Serie geschalten werden (ein Block) . Die einzelnen Elemente können dabei so klein wie möglich (und hinsichtlich des elektrischen Widerstandes sinnvoll) gehalten werden. Unter diesen Voraussetzungen wäre ein maximaler Wirkungsgrad von ca. 66% nach Modellen von Goldsmid erreichbar.The individual elements are combined into blocks (see FIG. 1) as described above. Between the solder joints and the respective heat exchanger element is a thin layer of the thermally conductive dielectric. Assuming that the elements are made of Bi2Te3 semiconductors (a classic material with a high level of effectiveness), HJ Goldsmid calculates that at an average ambient temperature of 300 K and a temperature difference of 30 K above the element, an optimal operating voltage of 0.045 V per Solder joint. With an ohmic resistance of 0.05 Ω, this corresponds to a current of 0.9 A. In order to arrive at reasonable voltage and power values (approx. 12 V operating voltage), around 270 elements would have to be connected in series (one block ). The individual elements can be kept as small as possible (and sensible in terms of electrical resistance). Under these conditions, a maximum efficiency of approx. 66% would be achievable according to Goldsmid models.
Bisherige Dielektrika reduzieren ihn jedoch durch ihre geringe thermische Leitfähigkeit von nur etwa 1-5 m^K"1 auf unter 25%. Bei einem erfindungsgemässen Dielektrikum mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 200 Wm^K"1 reduziert sich die zusätzlich - zur Aufrechterhaltung des Wärmeflusses durch den Block - vom Element zu erhaltende interne (d.h. zwischen den Lötstellen innerhalb der Isolation) Temperaturdifferenz auf weit unter 1 K. Der Gesamtwirkungsgrad nähert sich also dem theoretischen Maximalwert und dürfte etwa bei 64% liegen, was zu beträchtlich höheren Kühlleistungen führt als bei herkömmlichen Bauarten.Previous dielectrics, however, reduce it due to their low thermal conductivity from only about 1-5 m ^ K "1 to less than 25%. In the case of a dielectric according to the invention with a thermal conductivity of about 200 Wm ^ K " 1 , this additionally reduces - to maintain the Heat flow through the block - the internal temperature difference to be obtained from the element (i.e. between the solder joints within the insulation) is well below 1 K. The total efficiency therefore approaches the theoretical maximum value and should be around 64%, which leads to considerably higher cooling capacities than with conventional designs.
Erfindungsgemäss wird weiter vorgeschlagen, mehrere Blöcke von Thermoelementen zwischen den zwei abschliessenden Wärmetransportschichten flächig übereinander zu schichten. Die so erreichten Kaskaden-Elemente (siehe Fig. 3) weisen bei grösseren Temperaturdifferenzen einen höheren Wirkungsgrad auf als ein-
stufige Blöcke. Die Verbesserung im Wirkungsgrad ist dabei umso grösser, je näher die vom Element erzeugte Temperaturdifferenz an der maximal erreichbaren Temperaturdifferenz liegt. Liegt zum Beispiel die Temperaturdifferenz im Betrieb bei 75% der maximalen, so ist der Wirkungsgrad einer zweistufigen Kaskade etwa 1,5 mal so gross wie jener eines einstufigen Blocks in der selben Umgebung. Liegt die Temperaturdifferenz bei 95% des Maximalwertes, so ist der Kaskaden-Wirkungsgrad etwa 5 mal so hoch wie derjenige des entsprechenden einstufigen Blocks. Die maximal erreichbare Temperaturdifferenz kann mit einer Kaskade aus zwei Stufen theoretisch verdoppelt werden.According to the invention, it is further proposed to layer a plurality of blocks of thermocouples between the two final heat transport layers on top of one another. The cascade elements achieved in this way (see FIG. 3) are more efficient at higher temperature differences than tiered blocks. The improvement in efficiency is greater the closer the temperature difference generated by the element is to the maximum achievable temperature difference. For example, if the temperature difference during operation is 75% of the maximum, the efficiency of a two-stage cascade is about 1.5 times that of a one-stage block in the same environment. If the temperature difference is 95% of the maximum value, the cascade efficiency is about 5 times as high as that of the corresponding single-stage block. The maximum achievable temperature difference can theoretically be doubled with a cascade of two levels.
In der Praxis war jedoch höchstens eine Erhöhung um den Faktor 1,5 erreichbar. Dies nicht zuletzt, weil zwischen zwei Stufen ebenfalls eine elektrische Isolation erforderlich ist, welche auf Grund der schlechten Wärmeleitfähigkeit herkömmlicher Dielektrika den Wärmefluss zusätzlich begrenzte. Die Ausrüstung derartiger Kaskaden-Elemente mit erfindungsgemässen wärmeleitenden Dielektrika erhöht die maximale Temperaturdifferenz und somit auch den Wirkungsgrad. Es ist daher sinnvoll, zur Erhöhung der erreichbaren Temperaturdifferenz Kaskaden-Elemente einzusetzen, wobei diese nicht auf drei Stufen begrenzt sind. Auf Grund des verbesserten Wärmeflusses durch die Isolations- schichten werden durchaus auch Kaskaden von vier und mehr Stufen sinnvoll.In practice, however, a maximum increase of a factor of 1.5 was attainable. Not least because electrical insulation is also required between two stages, which additionally limited the heat flow due to the poor thermal conductivity of conventional dielectrics. Equipping such cascade elements with heat-conducting dielectrics according to the invention increases the maximum temperature difference and thus also the efficiency. It is therefore advisable to use cascade elements to increase the temperature difference that can be achieved, although these are not limited to three levels. Due to the improved heat flow through the insulation layers, cascades of four or more levels are also sensible.
Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung, beispielsweise eines Peltier-Elementes, wird dieses nun in Konkurrenz zur altbekannten Linde ' sehen Kältemaschine wirtschaftlich, da die Wärmeverluste klein werden und der theoretische Wirkungsgrad des Elements bis auf einige Prozente erreicht werden kann. Damit ist
das Peltier-Element eine sinnvolle Weiterentwicklung gegenüber den klassischen Kältemaschinen.The configuration according to the invention, for example a Peltier element, makes it economical in competition with the well-known Linde refrigeration machine, since the heat losses become small and the theoretical efficiency of the element can be achieved up to a few percent. So that is the Peltier element is a sensible further development compared to classic chillers.
Die erfindungsgemäss definierten Vorrichtungen eignen sich insbesondere für die Ausgestaltung von Wärmetauscherelementen zum Beheizen oder Kühlen eines Festkörpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases. Der Wärmeleiter oder direkt das Dielektrikum ist dabei wärmeleitend mit dem zu beheizenden oder zu kühlenden Material verbunden, und das Wandlerorgan ist derart betreibbar ausgebildet und mit dem Wärmeleiter verbunden, dass beim Anlegen eines elektrischen Gleichstromes an das Wandlerorgan dem Material Wärme zugeführt bzw. entzogen wird.The devices defined according to the invention are particularly suitable for the configuration of heat exchanger elements for heating or cooling a solid, a liquid or a gas. The heat conductor or directly the dielectric is connected in a heat-conducting manner to the material to be heated or cooled, and the converter element is designed to be operable and connected to the heat conductor in such a way that heat is supplied to or withdrawn from the material when an electrical direct current is applied to the converter element.
Eine weitere Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung liegt in der regelbaren Kühlung bzw. Heizung mit einem Thermostaten, wobei das Wandlerorgan in beide Richtungen betreibbar ist, indem die Umschaltung auf Kühlung bzw. auf Beheizung jeweils durch Umkehr des Stromflusses durch das Element (Umpolung) erfolgt. Auch die thermische Leistung kann, durch Regulierung der Stromstärke, an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.Another use of the device according to the invention is in the controllable cooling or heating with a thermostat, the converter element being operable in both directions by switching over to cooling or heating by reversing the current flow through the element (polarity reversal). The thermal output can also be adapted to the respective requirements by regulating the current.
Eine weitere Verwendung liegt im Betreiben eines Wärmespeichers mit einem Absorptions- und Speicherkörper niedriger thermischer Leitfähigkeit und mit sich im Körper flächig erstreckenden Wärmeleitschichten, wie beispielsweise bekannt aus dem europäischen Patent Nr. 306 508. In diesem Patent wird in Fig. lb ein Absorptions- bzw. Speicherkörper mit einer sich darin erstrek- kenden Wärmeleitschicht dargestellt, wobei dem Speicherkörper über ein Peltier-Element Wärme zugeführt bzw. aus diesem entzogen wird. Da die vorliegende Erfindung geeignet ist, um in einem Wärmespeicher gemäss der erwähnten EP 306 508 verwendet zu werden, seien hiermit sämtliche in der erwähnten europäischen
Patentschrift angeführten Varianten eines derartigen Absorptions- und Speicherkörpers unter Verwendung einer erfindungsgemässen Vorrichtung ebenfalls als in dieser Patentschrift miteingeschlossen zu betrachten.Another use lies in the operation of a heat store with an absorption and storage body of low thermal conductivity and with heat-conducting layers that extend flat in the body, as is known, for example, from European Patent No. 306 508. In this patent, an absorption or Storage body with a heat-conducting layer extending therein, wherein heat is supplied to or removed from the storage body via a Peltier element. Since the present invention is suitable for use in a heat store according to the mentioned EP 306 508, all of them are hereby in the European one mentioned Variants of such an absorption and storage body using a device according to the invention are also to be considered as included in this patent specification.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann aber auchHowever, the device according to the invention can also
- zur kondensierenden Kühlung von Vakuumöldiffusions- umpen,- for condensing cooling of vacuum oil diffusion pumps,
- zum Kühlen oder Beheizen umschaltbarer Thermostaten,- for cooling or heating switchable thermostats,
- zum Kühlen von Taupunktmessgeräten,- for cooling dew point measuring devices,
- zur Abwärmenutzung von Dauerbrenner-Glühstrumpflampen,- for the use of waste heat from long-running incandescent lamps,
- zur Batterieladung oder Funkgerätspeisung,- for battery charging or radio supply,
- zur Energieversorgung entlegener Objekte (als thermoelektrischer Generator nach Fig. 3) ,for energy supply to remote objects (as a thermoelectric generator according to FIG. 3),
- zur Abwärmenutzung von Heizungen,- for waste heat from heating systems,
- zur Kühlung wärmeleitender Kohlefaserverstärkungen von Kunststoffen,- for cooling thermally conductive carbon fiber reinforcements of plastics,
- in Kombinationen von Kühlaggregaten in Küche mit Erwärmung in Wohnräumen,- in combinations of cooling units in the kitchen with heating in living rooms,
- zu medizinaltechnischen Kühl-/Heiz- oder Stromerzeugungszwek- ken,- for medical-technical cooling / heating or power generation purposes,
- zur Kühlung von elektrischen Bauteilen wie Mikroprozessoren etc. (idealerweise in Verbindung mit einer direkt im Chip integrierten flächigen WärmetransportSchicht , wie beispielsweise bekannt aus EP 306 508) ,
- in mehrstufigen Kaskaden zur Kühlung von Supraleitern und/oder dünnschichtigen Hochtemperatur-Supraleitern zur Unterschreitung der zur Supraleitung nötigen Grenztemperatur und somit Verhinderung weiterer Wärmeentwicklung,for cooling electrical components such as microprocessors etc. (ideally in conjunction with a flat heat transport layer integrated directly in the chip, as is known for example from EP 306 508), in multi-stage cascades for cooling superconductors and / or thin-layer high-temperature superconductors to fall below the limit temperature required for superconductivity and thus prevent further heat development,
- zur Kühlung, Beheizung und/oder Temperierung von Getränken und/oder anderen Flüssigkeiten als Absteilfläche, Hohlzylin- der, geschlossener Schrank oder handlicher Quirlstab,- for cooling, heating and / or tempering beverages and / or other liquids as a storage area, hollow cylinder, closed cabinet or handy whisk,
- zur Kühlung/Beheizung von Betonelementen über wärmeleitende Bandagen zu Sanierungs-, Gefrier-, Trocknungs- und/oder sonstigen Bearbeitungszwecken,- for cooling / heating of concrete elements via heat-conducting bandages for renovation, freezing, drying and / or other processing purposes,
- zur Erdreichgefrierung (über Kühlrohre oder unterkühlte Sole) im Tiefbau,- for freezing the ground (via cooling pipes or supercooled brine) in civil engineering,
- zur Luftkonditionierung,- for air conditioning,
- zur Verflüssigung von Gasen,- for the liquefaction of gases,
- usw.- etc.
verwendet werden.be used.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Kühlen von mit wärmeleitenden Polymerfasern, wie insbesondere Kohlenstoffasern, verstärkten Verbundwerkstoffen, wobei die Wärme im Verbundwerkstoff mittels der zur Verstärkung dienenden Fasern über ein wärmeleitendes Dielektrikum und mindestens ein damit verbundenes Peltier-Element (durch das Führen eines Stromes durch das Peltier-Element) entzogen wird. Bei Verwendung von Kohlenstoffaser-verstärkten Kunststoff-Verbundwerkstoffen, insbesondere in Hightech-Anwendungen, wie beispielsweise in der Flugzeugtechnik, hat es sich gezeigt, dass besonders bei stark beanspruchten Teilen die Wärmeabfuhr ein kritischer Faktor ist,
da bekanntlich klassische Kunststoffe schlechte Wärmeleiter sind. Das Anbringen von herkömmlichen (klassischen) Kühlaggregaten in derartigen Verbundwerkstoffen ist praktisch unmöglich, womit nun die erfindungsgemäss vorgeschlagene Vorrichtung eine geeignete Lösung anbietet. Die in diesen Verbundwerkstoffen zur Verstärkung dienenden Kohlenstoffasern bzw. Kohlenstoffgewebe können, wie oben vorgeschlagen, über ein wärmeleitendes Dielektrikum (oder ggf. auch direkt) an ein Peltier-Element angeschlossen werden.Also proposed is a method for cooling composite materials reinforced with heat-conducting polymer fibers, such as carbon fibers in particular, wherein the heat in the composite material by means of the fibers used for the reinforcement via a heat-conducting dielectric and at least one Peltier element connected thereto (by passing a current through the Peltier element) is withdrawn. When using carbon fiber-reinforced plastic composites, especially in high-tech applications, such as in aircraft technology, it has been shown that heat dissipation is a critical factor, particularly in the case of parts subject to high stress, since, as is well known, classic plastics are poor heat conductors. The attachment of conventional (classic) cooling units in such composite materials is practically impossible, so that the device proposed according to the invention now offers a suitable solution. The carbon fibers or carbon fabrics used for reinforcement in these composite materials can, as suggested above, be connected to a Peltier element via a heat-conducting dielectric (or possibly also directly).
Bei mechanischer Beanspruchung derartiger Verbundwerkstoff - Teile entsteht in der Regel Wärme, die sich auf die Grenzflächenverbindung zwischen den Kohlenstoffasern und der Kunst- Stoffmatrix negativ auswirkt. Falls die Wärme nur ungenügend abgeführt werden kann, verringert sich die dynamische Festigkeit, bis schliesslich an der Grenzfläche zwischen den Kohlenstoffasern und der Kunststoffmatrix eine Ablösung stattfindet. Es entstehen dadurch am Verbundwerkstoff-Teil nach einer gewissen Zeit Ermüdungserscheinungen wie Risse oder gar Brüche.When such composite material parts are subjected to mechanical stress, heat is generally generated, which has a negative effect on the interface connection between the carbon fibers and the plastic matrix. If the heat can only be dissipated insufficiently, the dynamic strength decreases until finally there is a detachment at the interface between the carbon fibers and the plastic matrix. As a result, fatigue phenomena such as cracks or even breaks occur on the composite part after a certain time.
Gerade durch die Verwendung eines Peltier-Elementes ist es nun aber möglich, diese unerwünschten Wärmestaus zu verhindern, indem mittels des durch das Peltier-Element geführten Stromes die entstehende Wärme aus den Kohlenstoffasern abgeführt werden kann.It is precisely through the use of a Peltier element that it is now possible to prevent this undesirable heat build-up by using the current conducted through the Peltier element to dissipate the heat generated from the carbon fibers.
Entsprechende Untersuchungen wurden von der NASA und der Firma Boeing bereits in den Siebzigerjähren durchgeführt. Sie zeigten, dass die Verwendung von Peltier-Elementen zu diesen Kühlzwecken zwar ideal wäre, aber auf Grund der zu hohen zusätzlichen Gewichtsbelastung im Flugzeugbau nicht realisierbar ist. Mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Peltier-Element kann nun ein viel höherer Wirkungsgrad und damit ein wesentlich
reduziertes Gewicht bei gleicher erforderlicher Leistung erreicht werden, was diese Technik wieder interessant werden lässt .Corresponding investigations were already carried out by NASA and Boeing in the 1970s. They showed that the use of Peltier elements for these cooling purposes would be ideal, but is not feasible in aircraft construction due to the excessive weight load. With a Peltier element designed in accordance with the invention, a much higher degree of efficiency and thus an essential one can be achieved reduced weight can be achieved with the same required performance, which makes this technology interesting again.
Erläuterung der erfindungsgemässen VorrichtungenExplanation of the devices according to the invention
Die Erfindung wird unter Bezug auf die angeführten Figuren und den darin beispielsweise dargestellten Ausführungsvarianten resp. graphischen Darstellungen näher erläutert.The invention is with reference to the figures and the embodiment variants shown therein, respectively. graphic representations explained.
Dabei zeigen:Show:
Fig. 1 ein erfindungsgemäss ausgebildetes Peltier-Element (schematisch) ,1 shows a Peltier element designed according to the invention (schematically),
Fig. 2 ein Peltier-Element unter Verwendung von funktionellen Gradientenmaterialien,2 shows a Peltier element using functional gradient materials,
Fig. 3a ein Beispiel eines dreistufigen erfindungsgemässen Kaskaden-Thermoelements ,3a shows an example of a three-stage cascade thermocouple according to the invention,
Fig. 3b ein Beispiel eines zweistufigen erfindungsgemässen Kaskaden-Thermoelements ,3b shows an example of a two-stage cascade thermocouple according to the invention,
Fig. 4 einen erfindungsgemäss ausgebildeten Thermogenerator (schematisch) ,4 shows a thermal generator designed according to the invention (schematically),
Fig. 5 ein Wandlerelement, wie ein Peltier-Element, mit einer einseitig angeordneten und gerichtet leitenden Wärmeleitschicht ,5 shows a transducer element, such as a Peltier element, with a heat-conducting layer arranged on one side and directed in a directional manner,
Fig. 6 einen Wärmespeicher mit einem Peltier-Element, analog einem Wärmespeicher gemäss der EP 306 508,6 shows a heat store with a Peltier element, analogous to a heat store according to EP 306 508,
Fig. 7 die Abhängigkeit des Wirkungsgrades eines Peltier- Elements von der Wärmeleitfähigkeit der
Dielektrikumsschichten und der vom Element erbrachten Kühlleistung undFig. 7 shows the dependence of the efficiency of a Peltier element on the thermal conductivity of the Dielectric layers and the cooling power provided by the element and
Fig. 8 die Abhängigkeit des Wirkungsgrades eines Peltier- Elements von der Wärmeleitfähigkeit der Dielektrikumsschichten und der über dem Element herrschenden Temperaturdifferenz .8 shows the dependence of the efficiency of a Peltier element on the thermal conductivity of the dielectric layers and the temperature difference prevailing over the element.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäss ausgebildetes thennoelektrisches Wandlerelement, wobei die einzelnen Halbleiter- Thermoelemente 1, elektrisch in Serie und thermisch parallel geschaltet, dreidimensional zu einem Block zusammengefasst sind. Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Halbleiterstücken wird über flache metallische Leiterverbindungen 3 hergestellt, wobei die jeweils äussersten Leiterstücke am Anfang und am Ende der Serieschaltungskette mit elektrischen Anschlüssen 7 zur Stromzufuhr versehen sind. Nach aussen ist der Block wärmeleitend aber elektrisch isolierend über möglichst dünne Schichten des wärmeleitenden Dielektrikums 5 und auf beiden Seiten angebrachte Wärmeleiter 9 grosser Oberfläche (beispielsweise Kühlbleche, Kühlrippen oder Wärmetauscher) abgeschlossen. Zwischen den abschliessenden Wärmeleitern 9 gespannte Bolzen mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit (nicht eingezeichnet) können bei sehr grossen Baugruppen zur mechanischen Stabilisierung des Blocks verwendet werden. Der Wärme- fluss in Pfeilrichtung wird in seiner Richtung bestimmt durch die Polarität der am Block anliegenden Spannung, in seinem Betrag von der durch den Block geführten Stromstärke.1 shows a thennoelectric converter element designed according to the invention, the individual semiconductor thermocouples 1, electrically connected in series and thermally in parallel, being combined in three dimensions to form a block. The electrical connection between the individual semiconductor pieces is established via flat metallic conductor connections 3, the outermost conductor pieces at the beginning and at the end of the series circuit chain being provided with electrical connections 7 for supplying current. The block is closed to the outside in a heat-conducting but electrically insulating manner by layers of the heat-conducting dielectric 5 which are as thin as possible and heat conductors 9 of large surface area (for example cooling plates, cooling fins or heat exchangers) attached to both sides. Bolts with the lowest possible thermal conductivity (not shown) stretched between the final heat conductors 9 (not shown) can be used to mechanically stabilize the block in very large assemblies. The direction of the heat flow in the direction of the arrow is determined by the polarity of the voltage applied to the block, and its magnitude by the current intensity passed through the block.
Fig. 2 zeigt ein thermoelektrisches Wandlerelement gemäss Fig. 1, jedoch ohne separates wärmeleitendes Dielektrikum. Vielmehr bilden Dielektrikum und abschliessende Wärmeleiterplatten einen einheitlichen Block 11 aus demselben Funktionel-
len Gradienten-Material FGM (Material, welches über eine bestimmte Strecke graduell ändernde Eigenschaften besitzt) . In den Diagrammen ist die Veränderung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten innerhalb des Materials über die gesamte Strecke qualitativ aufgezeichnet.FIG. 2 shows a thermoelectric converter element according to FIG. 1, but without a separate thermally conductive dielectric. Rather, the dielectric and the final heat-conducting plates form a unitary block 11 from the same functional len gradient material FGM (material which has gradually changing properties over a certain distance). The diagrams qualitatively record the change in the thermal and electrical conductivities within the material over the entire distance.
Es ist dabei zu sehen, dass in Elementnähe die elektrische Leitfähigkeit nahe bei Null liegt, das Material also als Dielektrikum wirkt, wobei die Wärmeleitfähigkeit noch relativ gut ist. Mit zunehmendem Abstand vom Element nimmt die elektrische Leitfähigkeit stark zu, zu Gunsten einer ebenfalls ansteigenden Wärmeleitfähigkeit. Der Wärmetransport wird also nach aussen hin mit zunehmendem Metallcharakter des Materials stetig besser, was zu einem erhöhten Wärmefluss durch das Element (Minimierung von Grenzschichten) beiträgt.It can be seen that the electrical conductivity is close to zero in the vicinity of the element, that is to say the material acts as a dielectric, the thermal conductivity still being relatively good. With increasing distance from the element, the electrical conductivity increases sharply, in favor of an also increasing thermal conductivity. The heat transfer to the outside thus becomes better and better with increasing metal character of the material, which contributes to an increased heat flow through the element (minimization of boundary layers).
Fig. 3a zeigt eine pyramidenförmige dreistufige Kaskade von Thermoelementen. Die einzelnen, analog zu Fig. 1 aufgebauten Blöcke 13 sind dabei, durch Platten aus wärmeleitendem Dielektrikum 5a abgetrennt, übereinandergeschichte . Die aus Fig. 1 bekannten flachen metallischen Leiterverbindungen 3 sind dabei über den Dielektrikumsschichten durchgezogen und versorgen alle Stufen mit Strom. Oben und unten an der Kaskade befinden sich widerum abschliessende Schichten des wärmeleitenden Dielektrikums 5. Die den Block umfassenden Wärmetransportschichten oder Kühlplatten sind hier nicht eingezeichnet. Die Wirkungsweise der Kaskade beruht auf den sich mit jeder Stufe ändernden Endtemperaturen. Dabei kühlt die unterste Stufe das warme Ende der mittleren, diese senkt die Temperatur zu ihrem kalten Ende wiederum weiter ab und die oberste Stufe senkt sie nochmals ab. Die gesamte Temperaturdifferenz an der Kaskade kann also viel höher sein als bei einem einstufigen Block. Die Pyramidenform
ist sinnvoll, da die erforderlichen Leistungen nach unten immer grösser werden (im Element entstehende elektrische Verlustwärme und von aussen eingestrahlte Wärme müssen von jeder Stufe zusätzlich abtransportiert werden) und eine Konzentration auf kleinere Flächen mit abnehmender Temperatur erwünscht sein kann.3a shows a pyramid-shaped three-stage cascade of thermocouples. The individual blocks 13, constructed analogously to FIG. 1, are one above the other, separated by plates made of heat-conducting dielectric 5a. The flat metallic conductor connections 3 known from FIG. 1 are pulled through the dielectric layers and supply all stages with current. On the top and bottom of the cascade there are in turn closing layers of the heat-conducting dielectric 5. The heat transport layers or cooling plates comprising the block are not shown here. The way the cascade works is based on the end temperatures that change with each stage. The bottom stage cools the warm end of the middle one, which lowers the temperature further towards its cold end and the top stage lowers it again. The total temperature difference on the cascade can therefore be much higher than for a single-stage block. The pyramid shape It makes sense, since the required power increases downwards (electrical loss heat generated in the element and heat radiated in from the outside must be removed from each stage) and a concentration on smaller areas with decreasing temperature may be desirable.
Fig. 3b zeigt eine zweistufige Thermoelement-Kaskade analog zu Fig. 3a, wobei hier das gesamte Element grösser ist und beide Stufen gleich gross sind. Die Trennschicht 5a besteht wiederum aus dem wärmeleitenden Dielektrikum.3b shows a two-stage thermocouple cascade analogous to FIG. 3a, the entire element being larger here and both stages being the same size. The separating layer 5a in turn consists of the thermally conductive dielectric.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines thermoelektrischen Generators unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts . Im Kamin 15 eines Brenners (oder einer sonstigen Wärmequelle) 17 sind metallische Lamellen oder Platten 19 angebracht. Diese sind über das wärmeleitende Dielektrikum 5 mit einem rund um den Kamin 15 angebrachten thermoelektrischen Wandlerelement 21 (analog zu Fig. 1) verbunden. Aussen am Wandlerelement 21 sind über das wärmeleitende Dielektrikum 5 grossflächige Kühlbleche oder Kühllamellen 23 angebracht. Elektrische Anschlüsse 7 sind an beiden Enden der Thermoelementserie vorhanden.4 shows an example of a thermoelectric generator using the Seebeck effect. In the chimney 15 of a burner (or other heat source) 17 metallic fins or plates 19 are attached. These are connected via the thermally conductive dielectric 5 to a thermoelectric converter element 21 (analogous to FIG. 1) which is arranged around the chimney 15. On the outside of the transducer element 21, large-area cooling plates or cooling fins 23 are attached via the heat-conducting dielectric 5. Electrical connections 7 are provided at both ends of the thermocouple series.
Die inneren Lamellen 19 werden von den in Pfeilrichtung entweichenden heissen Abgasen des Brenners 17 aufgeheizt und bilden die warme Seite der Thermoelemente 21. Aussen werden die Kühllamellen 23 von der Umgebungsluft (oder von Kühlwasser) gekühlt und bilden die kalte Seite. Auf Grund der Temperaturdifferenz am Wandlerelement 21 entsteht eine elektrische Spannung an den Endanschlüssen 7; der Generator produziert Strom.The inner fins 19 are heated by the hot exhaust gases of the burner 17 escaping in the direction of the arrow and form the warm side of the thermocouples 21. Outside, the cooling fins 23 are cooled by the ambient air (or by cooling water) and form the cold side. Due to the temperature difference at the converter element 21, an electrical voltage arises at the end connections 7; the generator produces electricity.
Fig. 5 zeigt ein analog zu Fig. 1 aufgebautes thermoelektri- sches Wandlerelement, welches einseitig mit einer Wärmeleiter-
platte (Kühlblech) 9, die über das wärmeleitende Dielektrikum 5 mit den Halbleiter-Thermoelementen 1 verbunden ist, versehen ist. Auf der andern Seite ist das wärmeleitende Dielektrikum 5 direkt mit einer flächigen Schicht eines Wärmeleiters 25 mit in Pfeilrichtung gerichteter Leitfähigkeit verbunden.FIG. 5 shows a thermoelectric converter element constructed analogously to FIG. 1, which on one side is provided with a heat conductor plate (cooling plate) 9, which is connected to the semiconductor thermocouples 1 via the heat-conducting dielectric 5. On the other hand, the heat-conducting dielectric 5 is connected directly to a flat layer of a heat conductor 25 with conductivity directed in the direction of the arrow.
Fig. 6 zeigt einen Festkörper-Wärmespeicher 33 (gemäss EP 306 508) niedriger Wärmeleitfähigkeit mit einer flächig darin angeordneten Wärmetransportschicht 31 hoher Wärmeleitfähigkeit. Über ein wärmeleitendes Dielektrikum ist ein thermoelektrisches Wandlerelement 29 damit verbunden, welches über die elektrischen Anschlüsse 7 von einer Gleichstromquelle 27 angespiesen wird.6 shows a solid-state heat accumulator 33 (according to EP 306 508) of low thermal conductivity with a heat transport layer 31 of high thermal conductivity arranged flatly therein. A thermoelectric converter element 29 is connected to it via a heat-conducting dielectric and is fed by a direct current source 27 via the electrical connections 7.
Je nach Polarität der Gleichspannung wird dem Speicher 33 über das Wandlerelement 29 und die Wärmetransportschicht 31 Wärme zugeführt (Speicher aufladen) oder entzogen (Speicher entladen) oder die Differenz zwischen Speichertemperatur und Aussentempe- ratur kann am Element 29 zur Stromerzeugung genutzt werden.Depending on the polarity of the direct voltage, heat is supplied to the storage 33 via the converter element 29 and the heat transport layer 31 (charging the storage) or withdrawn (discharging the storage) or the difference between the storage temperature and the outside temperature can be used on the element 29 to generate electricity.
Fig. 7 veranschaulicht die Abhängigkeit des Wirkungsgrades (COP) eines Peltier-Elements von der Wärmeleitfähigkeit der ab- schliessenden Dielektrikumsschichten und der erbrachten Kühlleistung. Dabei wurde ein Beispielelement mit folgenden numerischen Werten zu Grunde gelegt: Die Seitenlänge der Dielektrikumsplatten ist 40 mal so gross wie ihre Dicke, die thermoelektrischen Elemente bestehen aus Bi2Te3 -Halbleitern, die mittlere Umgebungstemperatur beträgt 300K und die vom Element aussen erzeugte Temperaturdifferenz beträgt 30K. Generell ergeben sich aber auch mit anderen Zahlenwerten dieselben qualitativen Zusammenhänge. Man erkennt deutlich, dass der Wirkungsgrad mit steigender Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums stark zunimmt, mit steigender Kühlleistung jedoch leicht abnimmt. Darüber hin-
aus ist zu sehen, dass auch die maximal bei einem bestimmten Wirkungsgrad erreichbare Leistung mit der Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums signifikant zunimmt. Die zugrundeliegenden mathematischen Resultate werden im folgenden Abschnitt näher erläutert .FIG. 7 illustrates the dependency of the efficiency (COP) of a Peltier element on the thermal conductivity of the final dielectric layers and the cooling output provided. An example element with the following numerical values was used: The side length of the dielectric plates is 40 times as large as their thickness, the thermoelectric elements consist of Bi2Te3 semiconductors, the mean ambient temperature is 300K and the temperature difference generated by the element outside is 30K. In general, however, the same qualitative relationships also result from other numerical values. One can clearly see that the efficiency increases strongly with increasing thermal conductivity of the dielectric, but decreases slightly with increasing cooling capacity. In addition From it can be seen that the maximum achievable at a certain efficiency also increases significantly with the thermal conductivity of the dielectric. The underlying mathematical results are explained in more detail in the following section.
Fig. 8 veranschaulicht die Abhängigkeit des Wirkungsgrades (COP) eines Peltier-Elements von der Wärmeleitfähigkeit der ab- schliessenden Dielektrikumsschichten und der vom Element erzeugten Temperaturdifferenz. Dabei wurde ein Beispielelement mit folgenden numerischen Werten zu Grunde gelegt: Die Seitenlänge der Dielektrikumsplatten ist 40 mal so gross wie ihre Dicke, die thermoelektrischen Elemente bestehen aus Bi2Te3- Halbleitern, die mittlere Umgebungstemperatur beträgt 300K und die vom Element erbrachte Kühlleistung beträgt 100 Watt. Generell ergeben sich aber auch mit anderen Zahlenwerten dieselben qualitativen Zusammenhänge. Man erkennt, dass der Wirkungsgrad mit steigender Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums zunimmt und zwar um so stärker, je kleiner die Temperaturdifferenz über dem Element ist. Gleichzeitig steigt jedoch auch die bei einem bestimmten Wirkungsgrad noch erreichbare Temperaturdifferenz mit steigender Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums an. Die zugrundeliegenden mathematischen Resultate werden im folgenden Abschnitt näher erläutert.8 illustrates the dependency of the efficiency (COP) of a Peltier element on the thermal conductivity of the final dielectric layers and the temperature difference generated by the element. An example element with the following numerical values was used as a basis: The side length of the dielectric plates is 40 times as large as their thickness, the thermoelectric elements consist of Bi2Te3 semiconductors, the average ambient temperature is 300K and the cooling power provided by the element is 100 watts. In general, however, the same qualitative relationships also result from other numerical values. It can be seen that the efficiency increases with increasing thermal conductivity of the dielectric, and the greater the smaller the temperature difference across the element. At the same time, however, the temperature difference that can still be achieved with a certain degree of efficiency also increases with increasing thermal conductivity of the dielectric. The underlying mathematical results are explained in more detail in the following section.
Theoretische BerechnungenTheoretical calculations
Die grundlegenden Berechnungen basieren auf folgenden Formeln und Vorgehensweisen:The basic calculations are based on the following formulas and procedures:
Maximaler thermoelektrischer Wirkungsgrad (nach [60Gol] ) :
Maximum thermoelectric efficiency (after [60Gol]):
Gesamter Wirkungsgrad einer Thermoelement-KaskadeOverall efficiency of a thermocouple cascade
π,v + - 2))-- 2 [2]
π , v + - 2)) - 2 [2]
Optimale Betriebsspannung pro Element (Lötstelle)Optimal operating voltage per element (solder joint)
Maximal erreichbare TemperaturdifferenzMaximum achievable temperature difference
Δ^a = 27\, " [4]Δ ^ a = 27 \, "[4]
JI + Z-ΓW +ιJI + Z-Γ W + ι
Intern vom Element zu haltende TemperaturdifferenzTemperature difference to be held internally by the element
Δx ΔxΔx Δx
ATm = ATeff + P» →Pk- [5]AT m = AT eff + P » → P k - [5]
ΛΛ>«/. ' Λ l)ιd. " Λ Λ Λ> «/. 'Λ l) ιd. "Λ
Maximaler Wirkungsgrad mit Dielektrikum:
Maximum efficiency with dielectric:
Wirkungsgrad bei idealem thermoelektrischem MaterialEfficiency with ideal thermoelectric material
7~, -Δ7727 ~ , -Δ772
[7] AT[7] AT
thermische Leistungen:thermal power:
[8][8th]
Bedeutung der Symbole :Meaning of the symbols:
Mittlere UmgebungstemperaturAverage ambient temperature
ΔT Temperaturdifferenz über dem ElementΔT temperature difference across the element
„Leistungszahl" des thermoelektrischen Materials (Materialkonstante)"Coefficient of performance" of the thermoelectric material (material constant)
αpn Differenzieller Seebeck-Koeffizient zweier Materialenαpn Differential Seebeck coefficient of two materials
ΔT„ Effektiv aussen am Element nutzbare TemperaturdifferenzΔT "Effective temperature difference on the outside of the element
ΔT, Intern vom Element zu haltende TemperaturdifferenzΔT, temperature difference to be held internally by the element
ΔTm Maximal erreichbare Temperaturdifferenz
P„ An der warmen Seite abgegebene thermische LeistungΔT m Maximum achievable temperature difference P "Thermal output given off on the warm side
Pk An der kalten Seite aufgenommene thermische LeistungP k Thermal power absorbed on the cold side
Pel Elektrische Leistungsaufnahme des ElementsP el Electrical power consumption of the element
Δx Dicke der DielektrikumsschichtΔx thickness of the dielectric layer
λDiel Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikumsλ Diel thermal conductivity of the dielectric
A Grundfläche einer DielektrikumsschichtA base area of a dielectric layer
N Anzahl Stufen einer Thermoelement-KaskadeN Number of stages in a thermocouple cascade
η Wirkungsgrad eines einstufigen Elements über die volle Temperaturdifferenzη Efficiency of a single-stage element over the full temperature difference
ηmaχth Maximaler theoretischer Wirkungsgradη maχth Maximum theoretical efficiency
ηmax Maximaler Wirkungsgrad mit Dielektrikumη max Maximum efficiency with dielectric
ηN Max. Gesmatwirkungsgrad einer N-stufigen Kaskadeη N Max. total efficiency of an N-stage cascade
(IR)opc Optimale Betriebsspannung U=RI pro Lötstelle(IR) opc Optimal operating voltage U = RI per solder joint
Zur Berechnung des maximalen Wirkungsgrades [6] ist, nebst der Umgebungstemperatur und den Materialdaten, v.a. die intern vom Element zu haltende Temperaturdifferenz [5] massgebend. Diese wiederum ist abhängig von den Daten des Dielektrikums und der vom Element erbrachten thermischen Leistung, wobei mit zunehmender Leistung ein optimales Dielektrikum immer wichtiger wird. Der so berechnete Wirkungsgrad gilt bei Betrieb mit optimaler Spannung [3] und liegt immer unter dem theoretisch maximalen [1] , der wiederum nach oben begrenzt ist durch den maximalen Wirkungsgrad einer idealen thermodynamischen Maschine [7] . Die maximal mit einem Element erreichbare Temperaturdifferenz [4] ist nur abhängig von der Umgebungstemperatur und den
Materialdaten. Sie bildet die obere Grenze für ΔT, und der Wirkungsgrad sinkt bei ihrem Erreichen auf Null. Bei einer Kaskade aus N Stufen erhöht sich der gesamte theoretische Wirkungsgrad (ohne Dielektrikumsverluste) gemäss [2] und somit auch die maximal erreichbare Temperaturdifferenz .
In order to calculate the maximum efficiency [6], in addition to the ambient temperature and the material data, the temperature difference [5] to be held internally by the element is decisive. This, in turn, depends on the data of the dielectric and the thermal performance provided by the element, whereby an optimal dielectric becomes more and more important with increasing performance. The efficiency calculated in this way applies to operation with optimal voltage [3] and is always below the theoretical maximum [1], which in turn is limited by the maximum efficiency of an ideal thermodynamic machine [7]. The maximum temperature difference [4] that can be achieved with an element is only dependent on the ambient temperature and the Material data. It forms the upper limit for ΔT and the efficiency drops to zero when it is reached. With a cascade of N stages, the total theoretical efficiency (without dielectric losses) increases according to [2] and thus also the maximum achievable temperature difference.
ANHANGATTACHMENT
Literaturverzeichnis :Bibliography :
[57Iof] A.F. IOFFE, Semiconductor Thermoelements and[57Iof] A.F. IOFFE, Semiconductor Thermocouples and
Thermoelectric Cooling, Infosearch, London, 1957Thermoelectric Cooling, Infosearch, London, 1957
[60Gol] H.J. GOLDSMID, Applications of Thermoelectrici ty, Methuen & Co. Ltd., London, 1960[60Gol] H.J. GOLDSMID, Applications of Thermoelectrici ty, Methuen & Co. Ltd., London, 1960
[95Row] D.M. ROWE (Editor) , CRC Handbook of THERMOELECTRICS , CRC Press, Boca Raton / New York / London / Tokyo, 1995
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