DE1122969B

DE1122969B - Thermoelektrisches Element

Info

Publication number: DE1122969B
Application number: DEL33049A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Siegfried Poganski
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1959-04-22
Filing date: 1959-04-22
Publication date: 1962-02-01

Description

Thermoelektrisches Element Die Erzeugung von Wärme oder Kälte mit Hilfe des Peltier-Effektes ist mit der Entwicklung neuer Werkstoffe für die Schenkel der thermoelektrischen Elemente in ein Stadium wirtschaftlicher Verwertbarkeit eingetreten. Für die Auswahl der Schenkelwerkstoffe sind in erster Linie hohe Thermokraft, hohes elektrisches Leitvermögen und geringe Wärmeleitfähigkeit von Belang. Diese Eigenschaften sind nicht immer leicht mit den technologisch wünschenswerten mechanischen oder anderen Eigenschaften vereinbar, die den Zusammenbau und die Betriebssicherheit der Elemente betreffen. So sind z. B. die Schenkelwerkstoffe häufig sehr spröde und neigen dazu, bei erhöhter mechanischer Belastung, z. B. beim Einbau in Geräte oder beim Betrieb der Geräte unter erschwerten Bedingungen, zu brechen. Dies tritt besonders dann in Erscheinung, wenn zur Erzeugung größerer Kälteleistungen mehrere Elemente verwendet werden, die zweckmäßig elektrisch in Reihe geschaltet sind, oder wenn zur Erzeugung größerer Temperaturunterschiede die Elemente in Kaskaden angeordnet sind; jedoch sind auch einzelne Elemente bisweilen solchen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu ihrer Zerstörung führen können.
In der Fig. 1 ist in zum Teil schematischer Darstellung ein Element gezeigt, wie es bisher Verwendung gefunden hat. Mit 1 sei der n-leitende und mit 2 der p-leitende Schenkel des Elementes bezeichnet. Die Enden der Schenkel sind elektrisch und thermisch gut leitend in der dargestellten Anordnung mit den Wärmeleitkörpern 3 bis 5 verbunden, die nach zwei einander entgegengesetzten Seiten einer thermischen und elektrischen Isolierung 9 führen, in die das Element eingebettet ist. An den Enden der Wärmeleitkörper befinden sich die Wärmeaustauscher 6 bis B. Je nach der Polung der an die Wärmeleitkörper 4 und 5 angelegten Gleichspannung transportiert der durch die Schenkel 1 und 2 fließende Strom die Wärme von dem Wärmeleitkörper 3 zu den Wärmeleitkörpern 4 und 5 oder umgekehrt. Über die Isolierung 9 hinweg besteht also ein Wärmegefälle.
In der Fig. 2 ist skizziert, wie drei Elemente zu einer zweistufigen Kaskade zusammengebaut sind, um zwischen den Wärmeleitkörpern 10 einerseits und 11 bis 14 andererseits eine größere Temperaturdifferenz zu erzeugen.
Die Fig. 3 zeigt dagegen eine Kette mehrerer elektrisch in Reihe geschalteter Elemente, die zur Erzeugung einer größeren Kälteleistung dienen. Es ist ersichtlich, daß sich die Kaskaden und Ketten, die in den Fig. 2 und 3 skizziert sind, an sich beliebig kombinieren und vergrößern lassen. Je mehr Elemente jedoch miteinander vereinigt sind, desto anfälliger ist eine solche Kombination gegen mechanische Beanspruchung, zumal die zu führenden Strom- und Wärmemengen für die Wärmeleitkörper recht beträchtliche Querschnitte verlangen und wie die Elemente und Kombinationen dadurch sehr starr werden. Schon die geringste mechanische Einwirkung kann dabei zum Bruch an irgendeiner Stelle führen.
Es ist bereits bekanntgeworden, die elektrischen Verbindungen zwischen den Schenkeln der einzelnen Thermoelemente unmittelbar als Wärmeaustauscher zu verwenden und sie zum Zweck verbesserter Wärmeabfuhr mit einer vergrößerten Oberfläche zu versehen. Dies geschieht z. B. dadurch, daß man als Verbindung bzw. Wärmeaustauscher mehrere parallel verlaufende Metallstreifen verwendet.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein derartiges thermoelektrisches Element zur Erzeugung von Wärme oder Kälte sowie zur Erzeugung von elektrischem Strom, bestehend aus paarweise angeordneten Schenkeln, die untereinander und mit den die Wärmeabfuhr oder -zufuhr dienenden Wärmeaustauschern thermisch und/oder elektrisch leitend verbunden sind, insbesondere ein Element zum Aufbau von Ketten oder von zwei- oder mehrstufigen Kaskaden, wobei alle oder ein Teil der thermisch und/oder elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Schenkeln oder zwischen diesen und den Wärmeaustauschern jeweils durch eine Mehrzahl paralleler Leiter hergestellt sind.
Dieses thermischelektrische Element zeichnet sich gegenüber den bisher bekannten dadurch aus, daß jeder der parallelen Leiter durch Materialauswahl und/oder Bemessung bei Betriebstemperatur elastisch formbar ist. Besonders geeignet zur Herstellung der parallelen thermischen und/oder elektrischen Verbindungen sind Kabellitzen, z. B. aus Kupfer, doch haben sich für bestimmte Ausführungsformen auch eine Mehrzahl dünner Bleche bewährt. Derart hergestellte Verbindungen haben den Vorteil, daß sie Stauchungen, Druck- und bis zu einem gewissen Grad auch Zugbelastungen sowie Scher- und Verwindungsbelastungen so weit aufnehmen, daß die Kontakte an den Schenkeln, die besonders gefährdet sind, praktisch kältefrei bleiben. Sie können dabei so bemessen werden, daß ihr elektrisches und thermisches Leitvermögen denen massiver Verbindungskörper gleichkommt.
Zur Erleichterung der Kontaktierung und Verminderung des Kontaktwiderstandes empfiehlt es sich, die parallelen Leiter an den Stellen, an denen sie mit den Schenkeln des Thermoelementes oder mit den Wärmeaustauschern in elektrischem und/oder thermischem Kontakt stehen, durch Zusammenpressen, und zwar vorzugsweise bis über die Fließgrenze, miteinander zu verbinden. An Stelle dessen können die parallelen Leiter an diesen Stellen auch mit massiven Metallteilen leitend verbunden werden oder örtlich durch solche ersetzt werden. Diese Metallteile können z. B. für die Stellen, an denen Klemm- oder Schraubkontakte in Betracht kommen, auch die Form von Kabelschuhen haben. Besonders vorteilhaft sind diese Maßnahmen aber für Lötkontakte an Kabellitzen, weil diese dazu neigen, das flüssige Lot wie ein Docht aufzusaugen.
Es sind in letzter Zeit auch Verfahren bekanntgeworden, nach denen mit Preßvorgängen sehr gute Kontakte zwischen Kabellitzen und Metallteilen hergestellt werden können.
Die Elemente nach der vorliegenden Erfindung sind sowohl einzeln, aber insbesondere auch kombiniert als Ketten und/oder Kaskaden leicht in thermisch und elektrisch isolierende Massen, wie z. B. Gießharze oder Schaumstoffe, einzubetten. Dabei braucht auf Schrumpfungsvorgänge beim Polymerisieren nicht mehr soviel Rücksicht genommen zu werden wie bisher.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele von thermoelektrischen Elementen bzw. Verbindungsstücken gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung.
In der Fig. 4 sind mit 15 und 16 die beiden Schenkel des Thermoelementes bezeichnet. Die Schenkel 15 und 16 sind untereinander mit der Kabellitze 17 thermisch und elektrisch verbunden. Die beiden freien Enden der Schenkel 15 und 16 sind mit den Kabellitzen 18 und 19 verbunden. Die zwischen den Stücken 15 bis 19 auftretenden Verbindungen können z. B. durch Löten hergestellt sein. Zu diesem Zweck sind dann die zur Verlötung vorgesehenen Teile der Kabellitze vorher durch Pressen so weit miteinander verbunden worden, daß das Lot nicht mehr durch die Litze aufgesogen wird. An den anderen Enden der Litzen 17 bis 19 befinden sich Wärmeaustauscher 20, 21 und 22 der herkömmlichen Form. Die Wärmeaustauscher bestehen aus je zwei Teilkörpern, die mittels Schrauben 23 miteinander verbunden sind und die freien Enden der Kabellitzen zwischen sich einklemmen. Es können auf diese Art auch ohne Schwierigkeiten Ketten und/oder Kaskaden aus Elementen nach den Fig. 2 oder 3 hergestellt werden.
In der Fig. 5 ist eine Kabellitze 24 dargestellt, an deren Enden massive Kupferstücke 25 und 26 angebracht sind, an denen nun die Befestigung der Schenkel oder Wärmeaustauscher in gewohnter Weise vorgenommen werden kann. Diese Kupferstücke können auch die Form von Kabelschuhen haben, um z. B. Schraubverbindungen, wie sie in der Fig. 4 an den Wärmeaustauschern angebracht sind, zu ermöglichen.
In der Fig. 6 ist ein Verbindungsstück dargestellt, das aus einer Vielzahl paralleler dünner Bleche 27 besteht. Die Bleche können aus Kupfer bestehen und an ihren Enden unter Zwischenlage von Metalltafeln 28 miteinander verlötet sein. An den Enden 29 und 30 des so entstandenen Körpers können nun ebenfalls wie an den Stücken 25 und 26 in der Fig. 5 Lötungen oder sonstige Befestigungen vorgenommen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Thermoelektrisches Element zur Erzeugung von Wärme und Kälte sowie zur Erzeugung von elektrischem Strom, bestehend aus paarweise angeordneten Schenkeln, die untereinander und mit den der Wärmeabfuhr oder -zufuhr dienenden Wärmeaustauschern thermisch und/oder elektrisch leitend verbunden sind, insbesondere ein Element zum Aufbau von Ketten oder von zwei- oder mehrstufigen Kaskaden, wobei alle oder ein Teil der thermisch und/oder elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Schenkeln oder zwischen diesen und den Wärmeaustauschern jeweils durch eine Mehrzahl paralleler Leiter hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der parallelen Leiter durch Materialauswahl und/oder Bemessung bei Betriebstemperatur elastisch formbar ist.
2. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Leiter durch Kabellitzen, die z. B. aus Kupfer bestehen können, hergestellt sind.
3. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Leiter durch eine Mehrzahl dünner Bleche hergestellt sind.
4. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder nach einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Leiter an den Stellen, an denen sie mit den Schenkeln des Thermoelements oder mit den Wärmeaustauschern in elektrischem und/oder thermischem Kontakt stehen, durch Zusammenpressen, und zwar vorzugsweise bis über die Fließgrenze, miteinander verbunden sind.
5. Thermoelektrisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 3 oder nach einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Leiter an den Stellen, an denen sie mit den Schenkeln des Thermoelementes oder mit den Wärmeaustauschern in elektrischem und/oder thermischem Kontakt stehen, mit massiven Metallteilen leitend verbunden oder örtlich durch solche ersetzt sind.
6. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die massiven Metallteile die Form von Kabelschuhen haben.
7. Thermoelektrisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte zwischen den parallelen Leitern bzw. den daran befindlichen Metallteilen einerseits und den Schenkeln des Thermoelementes und den Wärmeaustauschern andererseits durch Löten hergestellt sind. B. Thermoelektrisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte zwischen den parallelen Leitern bzw. den daran befindlichen massiven Metallteilen einerseits und den Schenkeln des Thennoelementes und den Wärmeaustauschern andererseits durch Schrauben oder Klemmen hergestellt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift G 15839 I a / 17a (bekanntgemacht am 9. B. 1956); deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1778 635.