DE1132940B

DE1132940B - Thermoelektrische Kaskade zur Ausnutzung des Peltier-Effektes

Info

Publication number: DE1132940B
Application number: DEL38575A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Ulrich Birkholz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1955-08-01
Filing date: 1961-03-28
Publication date: 1962-07-12

Description

Bei der Ausnutzung des Peltier-Effektes mit Thermoelementen ist es bekannt, zwecks Erreichung größerer Temperaturdifferenzen mehrere Thermoelemente thermisch in zwei oder mehreren Stufen hintereinander zu schalten, so daß die warmen Kontaktstellen der kälteren Stufe durch die kalten Kontaktstellen der wärmeren Stufe rückgekühlt werden.

Es war zu diesem Zweck bekannt, wie in der Fig. 1 dargestellt, die einzelnen Elemente der Stufen mittels der Isolierschichten 1 und 2 elektrisch zu iso-Heren und über einen Wärmeleitkörper 3 thermisch hintereinander zu schalten. Unabhängig davon, ob man, wie in der Fig. 1 dargestellt, die Stufen aus verschiedenen Gleichstromquellen speiste oder sie elektrisch in Reihe schaltete, immer wurde der kaiteren Stufe über mindestens eine der Zuleitungen parasitäre Wärme zugeführt, deren Wiederabfuhr die nutzbare Kälteleistung der Kaskade verminderte.

Bei der ebenfalls bekannten Ausführungsform nach der Fig. 2 wurde die erste Stufe als Spannungsteiler verwendet, über dem die zum Betrieb der zweiten Stufe erforderliche Betriebsspannung abgegriffen wurde. Diese Ausführung hat den Nachteil, daß die Schenkel in jeder Stufe anders dimensioniert werden mußten, was sowohl die Lagerhaltung als auch die Fabrikation komplizierte. Zudem bestand die zusätzliche Schwierigkeit, daß infolge des im Betrieb notwendig auftretenden Temperaturgefälles zwischen den einzelnen Bauteilen nicht unbeträchtliche mechanische Spannungen auftraten, die einen zusätzlichen Aufwand erforderlich machten.

Ferner sind Ausführungsformen bekannt, bei denen die parasitäre Erwärmung besonders hoch ist, da die Zuleitungen von einer warmen Kontaktstelle der wärmeren Stufe zu einer kalten Kontaktstelle der kälteren Stufe führt. Die Zuleitungen sind hierbei besonders ungünstig geführt und überbrücken das größtmögliche Wärmegefälle zwischen zwei benachbarten Stufen und stellen somit einen thermischen Kurzschluß dar.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine thermoelektrische Kaskade zur Ausnutzung des Peltier-Effektes, deren Stufen elektrisch gegeneinander isoliert, aber in gutem thermischem Kontakt miteinander stehen, bei der außer der kältesten Stufe jede Stufe elektrisch in zwei Teile unterteilt ist, und zwar derart, daß alle Teilstufen und die kälteste Stufe von ein und demselben Betriebsstrom in dem Sinne durchflossen werden, daß der Strom zunächst den einen Teil der wärmsten Stufe, sodann den einen Teil der nächstkälteren Stufe und so fort bis zur kältesten Stufe, sodann von der kältesten Stufe her den an-Thermoelektrische Kaskade zur Ausnutzung des Peltier-Effektes

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs -G. m. b. H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dr. rer. nat. Ulrich Birkholz, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt worden

deren Teil der nächstwärmeren Stufe und so fort bis zum anderen Teil der wärmsten Stufe durchfließt, und diese thermoelektrische Kaskade unterscheidet sich von den bisher bekannten gemäß der Erfindung dadurch, daß die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Stufen der Kaskade jeweils zwischen einer kalten Endkontaktstelle der wärmeren Teilstufe und einer warmen Endkontaktstelle der kälteren Teilstufe oder der kältesten Stufe angeordnet ist.

Aus elektrischen und thermischen Symmetriegründen empfiehlt es sich, jede Stufe außer der kältesten Stufe in elektrisch gleiche Teile zu unterteilen.

Bei der Kaskade nach der Erfindung ist die parasitäre Erwärmung der kälteren Stufen durch die wärmeren Stufen über die elektrischen Zuleitungen auf ein Mindestmaß herabgedrückt. Alle Stufen der Kaskade werden von einem gleich starken Strom durchflossen und können gleichmäßig dimensioniert werden, und zudem sind thermisch bedingte mechanische Vorspannungen leichter zu vermeiden, als bei anderen Ausführungsformen. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Teilen durch flexible Leitungen, vorzugsweise Kabellitzen, hergestellt ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigten in z. T. schematischer Darstellung eine zweistufige thermoelektrische Kaskade gemäß der Erfindung. Mit 4 ist ein Wärmeaustauscher an der warmen Seite der Kaskade bezeichnet, der durch eine sehr dünne elektrisch isolierende aber thermisch möglichst hochleitende Isolierschicht 5 von den Thermoelementen der ersten Stufe isoliert ist. Die Zuführung des erforderlichen Betriebsstroms erfolgt über die Leitungen 6 und 7, die an warmen Endkontaktstellen der ersten, wärmeren Stufe liegen.

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Die erste Stufe ist gemäß der Erfindung in zwei Teile unterteilt, die im Beispiel je 3 Schenkel umfassen. Über die jeweils kalten Endkontaktstellen 8 und 9 der ersten Stufe erfolgt die Stromzufuhr zur zweiten kälteren Stufe an deren warmen Endkontaktstellen. Thermisch steht die zweite Stufe über einen Wärmeleitkörper 10, aber elektrisch durch die Isonerschichten 11 und 12 isoliert, mit der ersten Stufe in Kontakt. Für die Stromzuführung sowohl bei den Leitungen 6 und 7 als auch zwischen den Stufen wird mit Vorteil Kabellitze 13 verwendet, die mechanische Vorspannung aufnehmen kann und die hohen Betriebsströme zu führen vermag.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Thermoelektrische Kaskade zur Ausnutzung des Peltier-Effektes, deren Stufen elektrisch gegeneinander isoliert, aber in gutem thermischem Kontakt miteinander stehen, bei der außer der kältesten Stufe jede Stufe elektrisch in zwei Teile unterteilt ist, und zwar derart, daß alle Teilstufen und die kälteste Stufe von ein und demselben Betriebsstrom in dem Sinne durchflossen werden, daß der Strom zunächst den einen Teil der wärmsten Stufe, sodann den einen Teil der nächstkälteren Stufe und so fort bis zur kältesten Stufe, sodann von der kältesten Stufe her den anderen Teil der nächstwärmeren Stufe und so fort bis zum anderen Teil der wärmsten Stufe durchfließt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Stufen der Kaskade jeweils zwischen einer kalten Endkontaktstelle der wärmeren Teilstufe und einer warmen Endkontaktstelle der kälteren Teilstufe oder der kältesten Stufe angeordnet ist.

2. Thermoelektrische Kaskade nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile jeder geteilten Stufe der Kaskade elektrisch gleich sind.

3. Thermoelektrische Kaskade nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Stufen der Kaskade durch flexible Leitungen, vorzugsweise durch Kabellitzen, hergestellt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 734 344.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen