DE1113222B

DE1113222B - Elektro-thermische Kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE1113222B
Application number: DEG27560A
Authority: DE
Inventors: Harry Bury; Roy Claydon; Reggie Smith
Original assignee: General Electric Company PLC
Current assignee: General Electric Company PLC
Priority date: 1958-07-28
Filing date: 1959-07-23
Publication date: 1961-08-31
Also published as: FR1231408A; GB868025A; US3018631A; ES251060A1

Description

Die Erfindung betrifft elektro-thermische Kühlvorrichtungen, die aus einer Kühlkammer mit einer thermisch isolierenden Wand und einer in der Kühlkammerwand untergebrachten Thermoelementgruppe bestehen, die abwechselnd angebrachte p- und n-Halbleiterelemente aufweist, die in kompakter Reihengruppierung angeordnet und so geschaltet sind, daß sich warme und kalte Lötstellen an ihren entgegengesetzten Seiten befinden, und die ferner aus Wärmeaustauschmittehi bestehen, die in Wärmeleitbeziehung zu den warmen bzw. kalten Lötstellen stehen und an entgegengesetzten Seiten der Kühlkammerwandung angeordnet sind.

In solchen elektro-thermischen Kühlvorrichtungen können die Thermoelemente über den gesamten Bereich der Kammerwandung verteilt sein oder aber können sie in einer gedrängten, massiven Anordnung gruppiert sein, die sich nur über einen verhältnismäßig kleinen Flächenbereich der Wandung erstreckt. Die letztgenannte Konstruktion, die bei Verwendung von Halbleiterstoffen für die Thermoelemente besonders geeignet ist, erfordert Wärmeaustauschmittel, gewöhnlich in Form von Rippenanordnungen, um die Wärmeübertragung an den verhältnismäßig kleinen Flächenbereichen der kalten und warmen Lötstellen zu unterstützen. Wärmeaustauschmittel, die für die Wirkungsweise der Vorrichtung wesentlich sind, sind aber vom mechanischen Standpunkt aus gewöhnlich sehr unzweckmäßig, da die an den kalten Lötstellen befindlichen Wärmeaustauschmittel wertvollen Speicherraum einnehmen und die an den warmen Lötstellen vorhandenen Wärmeaustauschmittel sich zu dem Gesamtvolumen der Vorrichtung addieren.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer gedrängten Konstruktion, bei der der Speicherraum in vollem Umfang erhalten bleibt und der Kühlwirkungsgrad nicht beeinträchtigt wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß wenigstens eines der Wärmeaustauschmittel von einem ebenen Teil eines Metallgehäuses gebildet ist, das einen Teil der Kühlkammerwände, und zwar mit einer thermisch leitenden Oberfläche bildet.

Der ebene Teil des Metallgehäuses ist mit der Thermoelementgruppe mittels eines Übergangsstücks verbunden, das einen Wärmeweg herstellt, dessen Querschnitt von den Lötstellen zu dem ebenen Teil des Metallgehäuses zunimmt.

Die in der Kühlkammer liegenden Wärmeaustauschmittel können von einem ebenen Teil des Metallgehäuses gebildet sein, das eine thermisch leitende Auskleidung oder einen thermisch leitenden Teil der Auskleidung der Kühlkammer darstellt.

Anmelder:

The General Electric Company Limited,
London

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg,
München 27, Pienzenauer Str. 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 28. Juli 1958

Harry Bury, Roy Claydon und Reggie Smith,

Wembley, Middlesex (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

Die außerhalb der Kühlkammer liegenden Wärmeaustauschmittel können von einem ebenen Teil des Metallgehäuses gebildet sein, das als thermisch leitender Mantel für die Kühlvorrichtung wirkt.

Angrenzend an die Innenfläche des äußeren Metallgehäuses kann ein Durchlaß für ein Kühlmittel vorhanden sein, so daß der Gehäusemantel an der Innen- und an der Außenseite gekühlt werden kann.

Dieser Durchlaß dient zugleich dem Zweck, den Temperaturunterschied zwischen den Gehäusegliedern und damit thermisches Sickern herabzusetzen.

Die Metallgehäuse können von einem Paar koaxialer Zylinder gebildet sein, die an einem Ende offen und an dem anderen geschlossen sind, wobei die Thermoelementgruppe zwischen den geschlossenen Enden der beiden Zylinder angeordnet ist.

Die Metallgehäuse können aber auch von einem Paar rechteckiger Kästen gebildet sein, die beide eine offene Oberseite haben, und die Thermoelementgruppe kann zwischen einem Paar sich entsprechender Seiten dieser Kästen angeordnet sein.

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Das äußere Wärmeaustauschmittel kann durch natürliche Luftzirkulation gekühlt werden, oder es kann auch eine Wasserkühlung vorhanden sein.

Zur Veranschaulichung der Erfindung sind sechs Ausführungsbeispiele für elektro-thermische Kühlvorrichtungen an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 bis 5 Schnitte durch die ersten fünf Vorrichtungen,

Fig. 6 einen Schnitt durch die sechste Vorrichtung und

Fig. 7 einen Teil einer schematischen Darstellung einer typischen Anordnung von Thermoelementen, die bei diesen Vorrichtungen benutzt wird.

Die in der Fig. 1 dargestellte erste elektro-thermische Kühlvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer thermisch isolierten Kühlkammer 8 und der elektro-thermischen Einrichtung 3 zum Kühlen der Kammer. Die elektro-thermische Einrichtung 3, die nachstehend noch ausführlicher beschrieben ist, besteht aus einer Anordnung von Thermoelementen, die elektrisch so zusammengeschaltet sind, daß heiße und kalte Verbindungsstellen gebildet werden, die an den entsprechenden entgegengesetzten Seiten liegen. Die Wandung der Kühlkammer 8 wird von zwei zylindrischen Aluminiumgehäusen 1 und 2 gebildet, von denen das eine innerhalb des anderen angeordnet ist, und die beide am oberen Ende offen sind, während die elektro-thermische Einrichtung 3 sich zwischen den geschlossenen unteren Enden der Gehäuse befindet. Die Gehäuse 1 und 2 stehen in guter wärmeleitender Verbindung mit den kalten und heißen Verbindungsstellen der elektro-thermischen Einrichtung 3, wobei zwischen den Enden der Gehäuse und den entsprechenden Flächen an den Verbindungsstellen zwecks wirksamer Wärmeüberleitung sich aufweitende Ubergangsglieder 10 und 11 aus einem guten Wärmeleiter, wie Aluminium, vorgesehen sind. Der Raum zwischen den Gehäusen 1 und 2 ist fast gänzlich mit einem Wänneisolationsmaterial 4 angefüllt, das die Kammer 8 gegen die Umgebung isoliert. Zwischen dem Isoliermaterial 4 und der Innenseite des äußeren Gehäuses 2 ist ein ringförmiger Durchlaß 5 vorhanden, durch den Kühlluft aus Öffnungen 6 am unteren Teil des Durchlasses zu Auslaßöffnungen? in der Nähe des oberen Teiles strömen kann. Der zylindrische Seitenteil des Gehäuses 2 ist unten unter Bildung eines mit Öffnungen 23 versehenen Kragens verlängert, die eine Luftströmung zulassen, während an einem Gestell 25 innerhalb des Kragens oder Sockels eine Energiequelle 24 angebracht ist, die die Thermoelemente mit Gleichstrom versorgt.

Der einen Teil der Wandung der Kammer 8 sowie das Wärmeaustauschglied zwischen der Kammer und den kalten Verbindungsstellen darstellende Teil ist zugleich eine thermisch leitende innere Auskleidung der Kammer, die sichert, daß die Temperatur in der Kammer 8 an allen Stellen im wesentlichen gleichbleibt. Das äußere Gehäuse 2 ist zugleich ein Schutzmantel für die Vorrichtung. Die Gehäuse werden geeigneterweise so ausgebildet, daß ihre flachen Teile aus stärkerem und ihre zylindrischen Teile aus dünnerem Aluminiumblech bestehen.

Das obere Ende der Kammerwandung wird von einem Kunststoffstreifen 19 gebildet, der auf die oberen Enden der Gehäuse 1 und 2 aufgeformt ist, so daß das Wänneisolationsmaterial 4 vollständig eingeschlossen ist. Als Zugang für die Kammer 8 ist ein Deckel 9 vorhanden, der in der Hauptsache aus Wänneisolationsmaterial besteht, das von einem aus Metallblech bestehenden oberen Teil 19 und einem Formteil 20 aus Kunststoff umschlossen wird, der die Unterseite des Deckels bildet. Zwischen dem Deckel und der gegenüberliegenden Fläche am oberen Ende der Kammerwand kann eine — in der Fig. 1 nicht dargestellte — Gummidichtung vorhanden sein.

Die in der Fig. 2 dargestellte zweite Kühlvorrichtung ist der ersten sehr ähnlich und weist ein inneres und ein äußeres Metallgehäuse 1 und 2 auf, zwischen denen sich das Isoliermaterial 4 sowie eine elektrothermische Kühleinrichtung 3 befindet. Das innere Gehäuse 1 besteht aus einem rechteckigen Aluminiumkasten, dessen eine Seite mit einem gleichfalls aus Aluminium bestehenden schweren unterteilten Übergangsglied 10 verbunden ist, das eine gute wärmeleitende Verbindung zu den kalten Verbindungsstellen der Einrichtung 3 aufweist. Die eine Seite des äußeren Gehäuses 2 besteht aus Aluminium und ist mit einem schweren unterteilten Übergangsglied 11 verbunden, das eine gute wärmeleitende Verbindung zu den heißen Verbindungsstellen der Kühleinrichtung 3 aufweist. Die übrigen Seiten und der Boden des Gehäuses 2 bestehen dagegen aus weichem Stahl, da diese Teile keine großen Wärmemengen abzuleiten brauchen. Das Gehäuse 2 ist auf einem mit Öffnungen 23 versehenen Sockel angebracht, in dem auf einem vom Sockel getragenen Gestell eine Energiequelle 24 angebracht ist. Der Durchlaß 5 für die Kühlluft befindet sich nur an der Innenseite der einen Seitenwand des Außengehäuses, und es sind an der Außenseite dieser Seitenwand Kühhippen 12 angeordnet. Wie bei der ersten Vorrichtung sind die Gehäuse oben offen, und auf das obere Ende (Stirnkante) der Kühlkammerwand ist ein Streifen 18 aus Kunststoff aufgeformt. Der Zugang zur Kammer 8 wird durch einen abnehmbaren Deckel 9 ermöglicht.

Wie zu ersehen ist, wirken bei jeder der obigen Konstruktionen die beiden Gehäuse selbst als Wärmeaustauschglieder und weisen je eine Wärmeübertragungsfläche auf, die wesentlich größer ist als die heißen und kalten Flächen an den Verbindungsstellen der Thermoelemente. Außerdem stellen die beiden Gehäuse eine thermisch leitende innere Auskleidung der Speicherkammer 8 und einen Schutzmantel für die Vorrichtung dar und sind, wie dargestellt, so angeordnet, daß jedes der beiden Gehäuse einen Teil der Wand der Kühlkammer bildet.

Die in der Fig. 3 dargestellte dritte Kühlvorrichtung gleicht im Aufbau im wesentlichen der zweiten Vorrichtung; jedoch wird das den heißen Verbindungsstellen der Thermoelementgruppe zugeordnete Wärmeaustauschglied an Stelle aus einem Metallgehäuse aus einer Rippenanordnung 13 gebildet. Das Außengehäuse 21 ist aus Kunststoff so geformt, daß es die Außenseite der Kühlvorrichtung bildet. Wie beim vorhergehenden Beispiel wird das den kalten Verbindungsstellen der Anordnung von Thermoelementen zugeordnete Wärmeaustauschglied von einem Metallgehäuse 1 gebildet, das die Innenwandung der Kühlkammer 8 bildet.

Die in der Fig. 4 dargestellte vierte Kühlvorrichtung unterscheidet sich von der dritten nur dadurch, daß die elektro-thermische Kühleinrichtung aus zwei kompakten Thermoelementgruppen besteht, die an entgegengesetzten Seiten der Kühlkammer angeordnet

sind, wobei zwei Rippenanordnungen 13 zum Kühlen der heißen Kontaktstellen der beiden Gruppen vorhanden sind. In einigen Fällen kann es von Vorteil sein, in die Vorrichtung ein Gebläse oder einen Ventilator einzubauen, der die Kühlung der Rippen erzwingt und/oder die Luftströmung durch den Durchlaß 5 beschleunigt.

Die Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung. Bei dieser Abwandlung ist eine Wasserkühlung für das Außengehäuse 2 vorhanden mit einem Wassermantel 14, der einen guten thermischen Kontakt mit dem Boden des Außengehäuses 2 sowie einen Wassereinlaß 15 und einen Wasserauslaß 16 aufweist.

Die in der Fig. 6 dargestellte sechste Vorrichtung ist als Schrank mit einer Schublade ausgebildet, die den Zugang zur Kühlkammer 8 ermöglicht. Die eine Seite 2 a des Außengehäuses 2 bildet den vorderen Teil der Schublade und kann aus weichem Stahl anstatt aus Aluminium bestehen, während die übrigen ortsfesten Seiten des Außengehäuses 2 aus Aluminium bestehen, wobei an der Rückseite Rippen 12 vorhanden sind. Das innere Gehäuse 1 besteht aus zwei voneinander trennbaren Teilen, nämlich aus einem ortsfesten Teil 1 α aus Aluminium, der eine innere Auskleidung für die Rückwand und den oberen Teil der Kühlkammer 8 bildet, sowie aus einem schiebbaren Teil 1 b aus weichem Stahl, der eine innere Auskleidung für den Boden, die Seiten und den vorderen Teil der Kammer bildet. Der Teil 1 b ruht schiebbar auf einer ortsfesten Weichstahlfläche 26. Es ist eine Kunststoffblende 27 vorhanden, und der Vorderteil der Schublade weist einen Handgriff 20 auf.

Die Fig. 7 zeigt eine elektro-thermische Kühleinrichtung 3, die sich für die obigen Konstruktionen eignet und aus einer Anzahl von p- und n-Halbleiterelementen besteht, die aus Wismut-Tellurid hergestellt sind. Die Elemente sind derart zu einem Schachbrettmuster zusammengesetzt, daß benachbarte Elemente entgegengesetzte Leitfähigkeit haben. Jedes Element liegt zwischen zwei Aluminiumstempeln 17, die an entgegengesetzten Seiten des Elementes angelötet sind, wobei die Aluminiumstempel 17 und die Elemente in der in der Fig. 7 dargestellten Weise zusammengepackt sind und einen im wesentlichen festen Block bilden. Um eine elektrische Verbindung zwischen den Halbleiterelementen herzustellen, sind je zwei geeignete Stempel zusammengelötet, wobei benachbarte Stempel abwechselnd miteinander verbunden und voneinander isoliert sind, so daß die Elemente der Anordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die auseinanderlaufenden Wärmeübergangsglieder 10 und 11 aus einem guten Wärmeleiter sind mit den entgegengesetzten Seiten des Blockes verbunden, jedoch von diesem durch ein Harz 22 elektrisch isoliert. Die Wärmeübergangsglieder 10 und 11 bewirken die Übertragung der Wärme zwischen den heißen und kalten Flächen des Thermoelementblockes und den größeren Flächen der zugeordneten Wärmeaustauschglieder.

Bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen ist die Anordnung von Thermoelementen für einen Strom von ungefähr 10 Amp. bemessen. Die Temperaturen der verschiedenen Bauelemente während des normalen Betriebes können aus der nachstehenden Tabelle ersehen werden, die sich auf die Vorrichtung nach der Fig. 2 beziehen. Diese Temperaturen sind für die beschriebenen Vorrichtungen typisch:

Umgebung 30° C

Äußeres Wärmeaustauschmittel .. 35° C

Heiße Kontaktstellen 38° C

Kalte Kontaktstellen —3° C

Inneres Wärmeaustauschmittel ... — 1° C

Lufttemperatur in der Kühlkammer 5° C

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektro-thermische Kühlvorrichtung, bestehend aus einer Kühlkammer mit einer thermisch isolierenden Wand und einer in der Kühlkammerwand untergebrachten Thermoelementgruppe, die abwechselnd angebrachte p- und n-Halbleiterelemente aufweist, die in kompakter Reihengruppierung angeordnet und so geschaltet sind, daß sich warme und kalte Lötstellen an ihren entgegengesetzten Seiten befinden, und ferner bestehend aus Wärmeaustauschmitteln, die in Wärmeleitbeziehung zu den wärmen und kalten Lötstellen stehen und an entgegengesetzten Seiten der Kühlkammerwandung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Wärmeaustauschmittel von einem ebenen Teil eines Metallgehäuses (1, 2) gebildet ist, das einen Teil der Kühlkammerwände, und zwar mit einer thermisch leitenden Oberfläche bildet.

2. Elektro-thermische Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ebene Teil des Metallgehäuses (1, 2) mit der Thermoelementgruppe (3) mittels eines Übergangsstückes (10, 11) verbunden ist, das einen Wärmeweg bildet, dessen Querschnitt von den Lötstellen (3) zu dem ebenen Teil des Metallgehäuses (1, 2) zunimmt.

3. Elektro-thermische Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Kühlkammer hegenden Wärmeaustauschmittel von einem ebenen Teil des Metallgehäuses (1) gebildet sind, das eine thermisch leitende Auskleidung oder einen thermisch leitenden Teil der Auskleidung der Kühlkammer bildet.

4. Elektro-thermische Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb der Kühlkammer liegenden Wärmeaustauschmittel von einem ebenen Teil des Metallgehäuses (2) gebildet sind, das einen thermisch leitenden Mantel für die Kühlvorrichtung bildet.

5. Elektro-thermische Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an die Innenfläche des äußeren Metallgehäuses ein Durchlaß 5 für ein Kühlmittel vorhanden ist.

6. Elektro-thermische Kühlvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallgehäuse von einem Paar koaxialer Zylinder gebildet sind, die an einem Ende offen und an dem anderen geschlossen sind, wobei die Thermoelementgruppe zwischen den geschlossenen Enden der beiden Zylinder angeordnet ist.

7. Elektro-thermische Kühlvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallgehäuse von einem Paar rechteckiger Kästen gebildet sind, die beide eine offene Oberseite haben, und daß die Thermoelementgruppe zwischen einem Paar sich entsprechender Seiten der beiden Kästen angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1034 669 und G158391a/17 (bekanntgemacht am 9.8.1956); schweizerische Patentschrift Nr. 125 561; USA.-Patentschrift Nr. 413 136; Zeitschrift »Kältetechnik«, Heft 1, 1958, S.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen