DE1262387B - Thermoelektrische Anordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIv

Deutsche KL: 21 b - 27/02

Nummer: 1262387

Aktenzeichen: W 37881 VIII c/21 b

Anmeldetag: 30. Oktober 1964

Auslegetag: 7. März 1968

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung mit quaderförmigen Thermoelementschenkeln aus thermoelektrisch wirksamem Halbleitermaterial mit entgegengesetzter Leitfähigkeit und quaderförmigen Kontaktstücken aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material, in denen wenigstens je ein Kanal als Strömungsweg für eine elektrisch nichtleitendes Wärmeaustauschmedium vorgesehen ist, wobei wenigstens zwei Thermoelementschenkel und drei Kontaktstücke so zu einem Stapel aufgeschichtet sind, daß auf ein Kontaktstück ein Thermoelementschenkel, hierauf ein Kontaktstück, dann der zweite Thermoelementschenkel, der zum ersten entgegengesetzte Leitfähigkeit hat und hierauf wieder ein Kontaktstück folgt und wobei der Strömungsweg senkrecht zur Stapelachse verläuft. Derartige Einrichtungen werden beispielsweise in Klimaanlagen, für Kühlzwecke oder für Heizzwecke verwendet. Außerdem können sie durch Ausnutzung des Seebeck-Effektes als thermoelektrischer Generator dienen.

Bei thermoelektrischen Anordnungen der genannten Art ist im Wärmestromweg zwischen den Thermoelementschenkeln und den Wärmeaustauschmedien, in den Strömungskanälen der Kontaktbrücken weder eine elektrische noch eine thermische Isolation enthalten. Wegen des direkten Wärmeübertragungskontaktes ist der Wirkungsgrad dieser Anordnung besonders hoch. Nachteilig ist jedoch, daß sich kein kompakter, raumsparender Aufbau der An-Ordnung erreichen läßt.

Bekannt sind weiterhin thermoelektrische Anordnungen mit direktem Wärmeübertragungskontakt, bei denen quaderförmige, thermoelektrisch wirksame Halbleiterkörper entgegengesetzter Leitfähigkeit ohne zwischengefügte Kontaktbrücken aufeinandergeschichtet sind. Im Halbleitermaterial sind bei diesen Anordnungen Strömungskanäle für Wärmeaustauschmedien vorgesehen. Beim Einfräsen der Strömungskanäle muß ein Verlust an wertvollem Halbleitermaterial in Kauf genommen werden. Weiterhin führt das Einfräsen jedoch noch zu Herstellungsschwierigkeiten, da das Halbleitermaterial im allgemeinen sehr spröde ist. Vor allem erhält man bei diesen Anordnungen jedoch keinen optimalen Wirkungsgrad, da eine optimale Anpassung der Thermoelementschenkel aneinander nur gegeben ist, wenn der Querschnitt der Schenkel in der Kontaktzone annähernd gleich ist. Außerdem ist zu erwähnen, daß ein direktes Aneinanderstoßen der Halbleiterkörper entgegengesetzter Leitfähigkeit meist keine einwandfreie Kontaktierung garantiert.

Thermoelektrische Anordnung

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,

8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Cecil J. Mole, Monroeville, Pa.;

William M. Wepfer, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Oktober 1963 (320160)

Bekannt ist es ebenfalls, das Prinzip des direkten Wärmeübertragungskontaktes bei den üblichen PeI-tierbatterien zu verwirklichen. Die üblichen Peltierbatterien sind aus p- und η-leitenden Thermoelementschenkeln aus thermoelektrisch wirksamem Material aufgebaut, die an ihrer kalten und warmen Lötstelle mittels Kontaktbrücken elektrisch so leitend verbunden sind, daß sie elektrisch in Reihe und thermisch parallel und jeweils ihre kalten und warmen Kontaktbrücken in eine Ebene, nämlich der Kalt- und Warmseite der Anordnung liegen. Leitet man bei diesen Anordnungen Wärmeaustauschmedien durch Strömungskanäle der Kontaktbrücken, so erhält man einen direkten Wärmeübertragungskontakt. Dabei können diese Strömungskanäle in den Kontaktbrücken durch elektrisch isolierende Rohrstücke zu fortlaufenden Strömungswegen verbunden sein. Mit einer solchen Anordnung läßt sich jedoch das eingangs beschriebene Aufeinanderstapeln von Kontaktstücken und Thermoelementschenkeln nicht verwirklichen.

Es besteht die Aufgabe, eine Anordnung der einleitend genannten Art raumsparend und kompakt aufzubauen und gleichzeitig den Bedarf an thermoelektrischem Material wesentlich zu verringern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens zwei Stapel elektrisch isoliert nebeneinander angeordnet sind und daß die Kanäle für die Strömungswege benachbarter Stapel mitein-

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ander fluchten und die Zwischenräume zwischen den halb der thermoelektrischen Anordnung 11 gelegenen Stapeln durch Rohrstücke aus elektrischem Isolier- Teil des Strömungskreises für das erwärmte Medium material überbrückt sind, wobei abwechselnd jeweils angeschlossen sind. Der Strömungskreis 19 enthält benachbarte äußere Kontaktstücke durch eine Kon- außerdem Wärmeaustauschmittel, ζ. B. den Wärmetaktbrücke so elektrisch leitend verbunden sind, daß 5 austauscher 27, der im vorliegenden Fall die Wärme ein serpentinenartiger elektrischer Stromweg gebildet zwischen zwei Flüssigkeiten austauscht. Die Leitunwird, in dessen Verlauf p- und η-leitende Thermo- gen 23 und 25 sind mit einer Rohrspirale 28 im elementschenkel abwechseln. Wärmeaustauscher so verbunden, daß ein geschlosse-

Das Aneinanderreihen der Stapel in der Anord- ner Strömungskreis entsteht. Der Primärkreis im nung gemäß der Erfindung garantiert einen sehr korn- io Wärmeaustauscher 27 wird durch die Rohrspirale 28 pakten Aufbau der Anordnung, wobei der hohe Wir- gebildet und der Sekundärkreis durch das Gehäuse, kungsgrad erhalten bleibt. Außerdem wird ein par- Der Austauscher enthält eine Eingangsleitung 31 und alleler Durchfluß der Austauschmedien durch die eine Ausgangsleitung 33, welche mit dem Inneren des Strömungskanäle in den Kontaktbrücken erreicht. Austauschers in Verbindung stehen. Wenn das er-Hieraus folgt, daß eine große Menge des Wärmeaus- 15 wärmte Medium durch die Rohrspirale 28 fließt, tritt tauschmediums einer kleinen Temperatursenkung es in Wärmekontakt mit dem Medium des Sekundärunterworfen wird. kreises, das durch die Leitung 31 in den Wärmeaus-

Es können alle Strömungskanäle durch die »war- tauscher 27 fließt. Das Medium des Sekundärkreises men« oder »kalten« Kontaktstücke der Stapel durch wird durch das Medium des Primärkreises erwärmt isolierende Rohrstücke zu einem fortlaufenden Strö- 20 und kühlt dieses hierbei ab.

mungsweg für ein »warmes« und ein »kaltes« Wärme- In analoger Weise enthält der Strömungskreis 21

austauschmedium verbunden sein. Hierbei sind alle für das gekühlte Medium der Thermosäule einen Kontaktstücke im betreffenden Strömungsweg in Serie Wärmeaustauscher 35, und zwar bei dem in F i g. 1 geschaltet, und es wird bei kleinen Mengen der gewählten Beispiel einen, der die Wärme zwischen Wärmeaustauschmedien eine große Temperatursen- 25 einer Flüssigkeit und Luft austauscht. Der Wärmekung erreicht. austauscher 35 enthält ein Paar auseinandergerückter

Vorzugsweise besteht die elektrische Isolation zwi- Kopfstücke 37 und 39, die durch eine Anzahl von sehen den einzelnen Stapeln aus Isolierplatten, die an Wärmeaustauscherröhren 40, durch die die Flüssigden Durchtrittsstellen der Kanäle entsprechende keit fließt, miteinander verbunden sind. Die Röhren Durchbrüche besitzen. Oder die Isolation kann aus 30 40 sind in einem vorgegebenen Abstand voneinander einem aushärtbaren Kunststoff bestehen, der pulveri- angeordnet, damit der Luftstrom dazwischen gekühlt siert bzw. in suspensionsartiger Lösung in die Zwi- werden kann. Durch geeignete Luftzirkulationsmittel, schenräume der zusammengefügten Anordnung ge- ζ. B. ein Gebläse 43, wird zwischen den Röhren 40 bracht und dann ausgehärtet worden ist. ein Luftstrom erzielt. Der Strömungskreis 21 der ge-

Die Erfindung wird an Hand von F i g. 1 bis 6 35 kühlten Flüssigkeit enthält ein Paar Leitungen 45 und näher erläutert. Es zeigt 47, die an einen in der thermoelektrischen Anord-

Fig. 1 die schematische Ansicht einer thermo- nung 11 befindlichen Teil des Strömungskreises für elektrischen Anordnung gemäß der Erfindung, das gekühlte Medium angeschlossen sind. Die Lei-

F i g. 2 die Gesamtansicht einer Ausführungsform tungen 45 und 47 sind außerdem mit den Kopfgemäß der Erfindung, 40 stücken 37 und 39 verbunden, so daß ein geschlosse-

F i g. 3 die Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines ner Strömungskreis 21 entsteht.

Rohrstückes, das in der Anordnung nach F i g. 2 ver- In thermodynamischer Hinsicht enthält jeder der

wendet ist, geschlossenen Strömungskreise 19 und 21 eine

F i g. 4 eine schematische Darstellung der thermo- Wärmequelle und eine Wärmesenke. In dem Ströelektrischen Anordnung nach F i g. 2, die den Strö- 45 mungskreis für das erwärmte Medium befindet sich mungsweg für das erwärmte Medium veranschaulicht, die Wärmequelle in der thermoelektrischen Anord-

F i g. 5 eine der F i g. 4 entsprechende Darstellung, nung 11 und die Wärmesenke im Wärmeaustauscher die den Strömungsweg des gekühlten Mediums ver- 27. In dem Strömungskreis 21 für das gekühlte Meanschaulicht, dium befindet sich die Wärmesenke in der thermo-

F i g. 6 einen Teil der Gesamtansicht der Anord- 50 elektrischen Anordnung 11 und die Wärmequelle im nung gemäß der F i g. 2 in einer Abwandlung. Wärmeaustauscher 35. Die thermoelektrische Anord-

In F i g. 1 ist schematisch die Arbeitsweise einer nung 11 enthält also sowohl eine Wärmequelle als thermoelektrischen Anordnung nach der Erfindung auch eine Wärmesenke und deshalb auch zwei vondargestellt, bei der das gekühlte und das kühlende einander unabhängige Strömungskreise, einen für das Medium flüssig sind. Die thermoelektrische Anord- 55 erwärmte, einen für das gekühlte Medium, nung selbst ist mit 11 bezeichnet und wird in den Eine Ausführungsform einer thermoelektrischen

folgenden Figuren im einzelnen beschrieben. Sie be- Anordnung nach der Erfindung ist in F i g. 2 darsitzt ein Paar Klemmen, in die Gleichstrom aus einer gestellt. Sie enthält eine Anzahl Reihen von elektrisch Stromquelle 13 über die Leitungen 15 eingespeist und thermisch leitenden Kontaktstücken 51, die aus wird. Da im vorliegenden Fall als Speisequelle eine 60 einem Material mit möglichst niedrigem elektrischem Wechselstromquelle dient, ist zwischen dieser und Widerstand und großer Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus den elektrischen Leitungen 15 ein Gleichrichter 17 Kupfer oder Aluminium, bestehen. Um die Lage der vorgesehen, der den Wechselstrom in einen Gleich- einzelnen Kontaktstücke 51 zu definieren, sind die strom umwandelt. Der Strömungskreis für das er- vorderen senkrechten Reihen mit den Ziffern 1 bis 6, wärmte Medium ist mit 19 bezeichnet und der Strö- 65 die senkrechten Reihen auf der Seite mit den Buchmungskreis für das gekühlte Medium mit 21. Der stäben A bis F und die einzelnen Ebenen mit α bis e Strömungskreis 19 für das erwärmte Medium enthält bezeichnet. Auf diese Weise ist die Lage eines be-Flüssigkeitsleitungen 23 und 25, die an einen inner- stimmten Kontaktstückes, z. B. des Kontaktstückes

5Γ, durch eine Ziffer und zwei Buchstaben, im vorliegenden Fall durch »6Ec« definiert.

Jeweils zwischen zwei aufeinanderliegenden Kontaktstücken 51 ist ein Thermoelementschenkel 53 aus thermoelektrischem Material von geeigneter Zusammensetzung, wie z.B. Wismuttellurid, eingefügt. Jeder Thermoelementschenkel 53 besteht im vorliegenden Fall aus neun Körpern 54, die auf den gegenüberliegenden horizontalen Oberflächen benachbarter Kontaktstücke 51 befestigt sind. Jeder der Körper 54 hat eine vorgegebene Länge (die Länge des Materials wird in senkrechter Richtung gemessen, nämlich der Richtung des Stromes, der das thermoelektrische Material durchfließt), ζ. B. 1,3 mm. Er kann nach einem der bekannten Herstellungsverfahren hergestellt und auf geeignete Weise, wie z. B. durch Löten, metallurgisch mit den angrenzenden Kontaktstücken verbunden werden. Diese Verbindung soll einen möglichst kleinen Übergangswiderstand haben. Jedes Kontaktstück 51 enthält einen querlaufenden Kanal 57, der als Strömungsweg für ein Wärmeübertragungsmedium dient. Die Kanäle 57 in den Kontaktstücken 51 werden auf geeignete Weise, z. B. durch Bohren, hergestellt und sind so in horizontaler Richtung angeordnet, daß sich ein fortlaufender Strömungsweg durch die einzelnen Kontaktstücke ergibt. So bilden die Kanäle 57 in den Kontaktstücken 6Ac bis 6Fc einen kontinuierlichen Strömungsweg durch die Anordnung. Alle Endkontaktstücke — im vorliegenden Fall sind es die Kontaktstücke 51 der Reihen \A bis 6 A bzw. IF bis 6 F, die zugleich die Vorder- und Rückseite der thermoelektrischen Anordnung 11 bilden — enthalten rohrförmige Ansätze 59 (diese sind in F i g. 2 nur auf der Vorderseite der thermoelektrischen Anordnung 11 dargestellt), die zusammen mit den betreffenden Kontaktstücken möglichst aus einem Stück bestehen und mit dem Kanal des jeweiligen Kontaktstückes fluchten. Die Ansätze 59 sind so ausgebildet, daß sie rohrförmige Leitungen 61 aufnehmen können, die die einzelnen Strömungswege so miteinander verbinden, daß zwei getrennte Strömungskreise durch die thermoelektrische Anordnung entstehen. Jedes Kontaktstück 51 bildet hierbei einen Abschnitt eines dieser Strömungskreise. Wie in den F i g. 5 und 6 dargestellt ist, fließt das thermoelektrisch erwärmte Medium durch einen der beiden Strömungswege, während das gekühlte Medium durch den anderen Strömungsweg fließt. Jede Kontaktstückreihe in einer bestimmten Ebene bildet einen Teil des gleichen Strömungsweges, z. B. bilden die Kontaktstücke in der oberen horizontalen Reihe der Ebene e den Strömungsweg für das erwärmte Medium. Die darunterliegenden Kontaktstücke der Ebene d bilden einen Teil des Strömungsweges für das gekühlte Medium. In ähnlicher Weise bilden die horizontalen Kontaktstückreihen der Ebenen α und c einen Teil des Strömungsweges für das erwärmte Medium, und die Kontaktstückreihen der Ebenen b vervollständigen den Strömungsweg für das gekühlte Medium.

Im folgenden wird der Strömungsweg für das erwärmte Medium betrachtet. Die Flüssigkeitszuleitung 23 ist auf dem rohrförmigen Ansatz 59 des Kontaktstückes 3 Ae, die Flüssigkeitsableitung 25 ist in ähnlicher Weise auf dem rohrförmigen Ansatz 59 des Kontaktstückes 4Ae befestigt.

Der Strömungskreis für das erwärmte Medium ist schematisch in F i g. 4 dargestellt. Die ausgezogenen Linien stellen hierbei die rohrförmigen Verbindungen 61 zwischen den einzelnen aus Kanälen 57 gebildeten Strömungswegen auf der Vorderseite der Thermosäule dar, die Verbindungen der Rückseite sind durch gestrichelte Linien veranschaulicht. Die Flüssigkeitszuleitung 23 für das erwärmte Medium befindet sich an der horizontalen Reihe 3 e. Zwischen den Reihen 3 e und 1 c ist eine rückseitige' Verbindung vorgesehen, so daß das Medium von Reihe 3 e zu den Kontaktstücken der Reihe Ic fließt. Das Medium wird dann durch eine Verbindung auf der Vorderseite zur Reihe la der thermoelektrischen Anordnung 11 geführt. Der Strömungskreis für das erwärmte Medium endet schließlich, nachdem er in der aus F i g. 4 ersichtlichen Weise durch die Thermosäule geführt worden ist, am Kontaktstück 4 A e, an dem die Flüssigkeitsableitung 25 befestigt ist.

In analoger Weise ist der in F i g. 5 schematisch dargestellte innere Strömungskreis für die gekühlte Flüssigkeit ausgestaltet. Er enthält eine Flüssigkeitszuleitung 45, die an den rohrförmigen Ansatz 59 des Kontaktstückes 3Ad angeschlossen ist und eine Flüssigkeitsableitung 47, die mit dem Ansatz 59 des Kontaktstückes 4Ad verbunden ist. Das Medium tritt durch Zuleitung 45 ein und durchläuft den Strömungsweg der Reihe 3d. Durch eine Verbindung zwischen der Reihe 3 d und 2 d auf der Rückseite wird das Medium zur Reihe 2 d geführt. Schließlich gelangt es in die Reihe 4d, von wo aus es durch die Ableitung 47, die auf dem Ansatz 59 sitzt, abgenommen wird.

Die in den F i g. 4 und 5 dargestellten Verbindungen zwischen den einzelnen Reihen der thermoelektrischen Anordnung sind in Wirklichkeit Leitungen der in F i g. 2 dargestellten Art, die mit den betreffenden rohrförmigen Ansätzen 59 auf der Vorder- und der Rückseite der äußeren Kontaktstücke 51 wasserdicht verbunden sind.

Um einen Kurzschluß des elektrischen Strompfades, der nunmehr beschrieben wird, zu vermeiden, bestehen die Leitungen 61 aus einem Isoliermaterial, ζ. B. sind es Nylonröhren. Selbstverständlich sind die in den F i g. 4 und 5 angegebenen Strömungswege nur als Beispiel zu betrachten; sie können auch in geeigneter Weise anders ausgestaltet werden.

Zur Erwärmung bzw. Kühlung der durch die zwei Strömungswege in der thermoelektrischen Anordnung 11 fließenden Medien muß durch die Anordnung ein elektrischer Strom geschickt werden. Zu diesem Zweck ist ein Paar elektrischer Anschlußklemmen 80 und 82 vorgesehen, von denen die positive Klemme 80 auf die Oberfläche des Kontaktstückes 6Ae aufgebracht und durch geeignete Mittel befestigt ist, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktstück und der Klemme herzustellen. Analogerweise ist die negative Klemme 82 an der Oberfläche des Kontaktstückes IAe befestigt. An die Klemmen 80 und 82 wird eine Stromquelle angeschlossen, die einen elektrischen Strom durch die thermoelektrische Anordnung treibt. Der in der Anordnung befindliche Teil des elektrischen Stromkreises besteht aus der Klemme 80, aus den Kontaktstücken 51, den Thermoelementschenkeln 53, aus Kontaktbrücken, z. B. 84, und aus der Klemme 82. Um den gewünschten Stromweg zu erhalten, sind zwischen benachbarten vertikalen Kontaktstückreihen Isoliermittel vorgesehen. Die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Kontaktstückreihen

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wird durch Kontaktbrücken, wie z. B. die Kontakt- einem p-leitenden Material zu einem η-leitenden Mabrücke 84, hergestellt. Die Isoliermittel bestehen aus terial fließt. Hierbei wird die technische Stromricheinem geeigneten Folienmaterial, wie z. B. den Folien tung und nicht die Elektronenstromrichtung voraus-86 und 88, und sind zwischen benachbarte senkrechte gesetzt.

Kontaktstückreihen gelegt. Gegebenenfalls sind die 5 Im vorliegenden Fall fließt der Strom von der Folien 88 aus einer Vielzahl einzelner Teilstücke aus Klemme 80 in das Kontaktstück 6 A e und dann in Isoliermaterial zusammengesetzt. Ein solches Teil- die Kontaktstücke 6Ad und 6 Ac. Zwischen benachstück ist in der Schnittansicht von Fig. 2 dargestellt barten Oberflächen der Kontaktstücke 6Ac und 6Ad und dort mit 90 bezeichnet. Das Isoliermaterial 86 sowie der Kontaktstücke 6 Ad und 6 A c sindThermokann z. B. aus warmhärtbaren, harzigen Folien be- ίο elementschenkel S3 angeordnet. Es sei vorausgesetzt, stehen; geeignet sind Silikon-, Phenol- oder Melamin- daß die Ebenen e, c und α erwärmt und die Ebenen d aldehydharze, die auf ein Glastuch gebracht sind. . und b gekühlt werden sollen. Um nun eine Kühlung Die Kontaktbrücken 84 sind sowohl auf der Deck- des Kontaktstückes 6 Ad zu erzielen, ist es bei der fläche als auch auf der Bodenfläche der Thermosäule gewählten Stromrichtung notwendig, daß das Mateso angeordnet und befestigt, daß die senkrechten 15 rial der Thermoelementschenkel zwischen den Kon-Kontaktstückreihen abwechselnd oben und unten ver- taktstücken 6Ae und 6Ad η-leitend ist, während das bunden werden, so daß ein serpentinenartig verlau- Material der Thermoelementschenkel zwischen den fender Strompfad entsteht, der alle senkrechten-Kon- Kontaktstücken 6 Ad und 6 Ac p-leitend sein muß. taktstückreihen erfaßt. So sind die senkrechten Reihen Unter diesen Voraussetzungen wird in den Kontakt- 6 A und 6B unten durch eine Kontaktbrücke 84 und 20 stücken 6 Ae und 6Ac Wärme erzeugt, während das die benachbarten senkrechten Reihen 6B und 6C Kontaktstück 6Ad gekühlt wird. Längs des elektrioben durch eine Kontaktbrücke 91 miteinander ver- sehen Strompfades der thermoelektrischen Anordbunden. Analog sind die senkrechten Reihen 6 C und nungll sind abwechselnd Thermoelementschenkel 6 D unten durch eine Kontaktbrücke 92 und die des n-und p-leitenden Typs angeordnet. Ist also z. B. Reihen 6 D und 6 E oben durch eine Kontaktbrücke 25 der Schenkel zwischen den Kontaktstücken 6 Db und 94 miteinander verbunden. Die Reihen 6 E und 6 F 6Dc p-leitend — hier geht die Stromrichtung nach sind unten durch eine Kontaktbrücke 96 verbunden, oben —, so ist der zwischen den Kontaktstücken 6Dc und die Reihe 6 F an der Rückseite der thermoelek- und 6Dd sowie der zwischen 6Da und 6 Db n-leitend. trischen Anordnung 11 ist mit der benachbarten In analoger Weise ist jeder zweite, in der gleichen senkrechten Reihe der nächsten Serie durch die obere 30 Ebene hegende Thermoelementschenkel S3 wie der Kontaktbrücke 98 verbunden. Die elektrischen Ver- zwischen den Kontaktstücken 6Dd und 6Dc n-leibindungen der Kontaktstücke 5,4 bis SF sind in ahn- tend. Auch ist, wenn z. B. der Schenkel zwischen licher Weise durch geeignet angeordnete Kontakt- den Kontaktstücken 6 Ec und 6Eb aus n-leitendem brücken vorgenommen, und die letzte Reihe dieser Materialist, der zwischen SDc und 5 Db liegende aus Serie ist elektrisch mit den Reihen 4 A bis AF durch 35 η-leitendem Material. Diese Beziehung der Polarität eine Kontaktbrücke 100 verbunden, die die gleiche des thermoelektrischen Materials erstreckt sich über Funktion hat wie die Kontaktbrücke 98. Auf diese die ganze Thermosäule.

Weise entsteht ein Stromweg, der an der Klemme 82 Bei der Konstruktion der Strömungswege aus den

endet. Die Isolierstücke 86 und 88 sind zwischen be- Kanälen 57 muß berücksichtigt werden, daß es notnachbarte Kontaktbrücken, wie z. B. die Brücken 40 wendig ist, die nebeneinanderliegenden Kontakt-91, 94 und 98, so eingefügt, daß sie diese Brücken stücke benachbarter Reihen gegenseitig zu isolieren, gegenseitig isolieren. Auf diese Weise wird ein Kurz- um einen Kurzschluß innerhalb des durch die Schluß innerhalb des elektrischen Strompfades ver- Thermosäule führenden Strompfades zu verhindern, hindert. Aus diesem Grund sind Isolierplatten 86 zwischen

Beim Herstellen einer derartigen thermoelektri- 45 den Längsreihen und Isolierplatten 90 zwischen den sehen Anordnung ist darauf zu achten, daß die Ther- Querreihen der Kontaktstücke angeordnet. Die Platmoelementschenkel S3 zwischen den benachbarten ten 90 können unterteilt sein, so daß sie zwischen die Kontaktstücken Sl die richtige Polarität haben. Die Platten 86 eingefügt werden können. Kontaktstücke derselben Ebene sollen entweder alle Zur Herstellung der Strömungswege sind in den

erwärmt oder alle gekühlt werden. So soll z. B. das 50 Isolierplatten Öffnungen 102 vorgesehen, die mit den Material der an die Kontaktstücke der Ebene e an- Kanälen 57 fluchten. Um an der Stelle, an der die grenzenden Thermoelementschenkel so gewählt sein, Isolierplatten eingefügt sind, eine Undichtigkeit zwidaß sich die Kontaktstücke dieser Ebene bei Strom- sehen benachbarten Kontaktstücken 51 zu verhindurchgang erwärmen. Analog soll durch entspre- dem, sind hier geeignete Leitungsstücke, z. B. die chende Wahl des Materials der angrenzenden Ther- 55 Rohrstücke 104, dazwischengesetzt. Die Rohrstücke moelementschenkel in allen Kontaktstücken der 104 haben eine lichte Weite, die mit der lichten Weite Ebene d Kälte erzeugt werden. Die an die Kontakt- der Kanäle 57 übereinstimmt, und werden in stufenstücke 51 der Ebenen c und α angrenzenden Thermo- förmigen Aussparungen gehalten, die an den Enden elementschenkel sollen so gewählt sein, daß diese der angrenzenden Kontaktstücke Sl vorgesehen sind. Kontakstücke erwärmt werden, während die Kon- 60 Als Dichtungsmittel zwischen den Kanälen 57 und taktstücke 51 der Ebene b gekühlt werden. Um die den Rohrstücken 104 sind jeweils an jedem Rohrabwechselnde Erwärmung und Kühlung benachbarter stück ein Paar kreisförmige Ringe 106 vorgesehen, Kontaktstückebenen zu erzielen, muß man berück- die in Aussparungen 108 des Rohrstückes 104 angesichtigen, daß beim Übergang des elektrischen ordnet sind (F i g. 3). Damit die Isolation zwischen Stromes von einem n-Ieitenden zu einem p-leitenden 65 den benachbarten Kontaktstücken und den seitlichen thermoelektrischen Körper eine Kühlwirkung zwi- Reihen gewährleistet ist, bestehen die Rohrstücke 104 sehen beiden Körpern auftritt. Analog tritt eine aus einem Material mit großem elektrischem Wider-Wärmewirkung auf, wenn der elektrische Strom von stand, z. B. aus dem gleichen Isoliermaterial wie die

Isolierplätten 86 und 88. Die Rohrstücke 104 sind in F i g. 3 vergrößert dargestellt. Aus F i g. 2 ist erkennbar, daß sich die Strömungswege jeweils über die ganze Länge der jeweiligen Kontaktstückreihen erstrecken und hierbei jeweils zwischen benachbarten Kontaktstücken eine Isolation vorgesehen ist und daß die Verbindung zwischen den Kontaktstücken dicht ist. Um eine elektrische Überbrückung an den äußeren Oberflächen der thermoelektrischen Anordnung 11 zu verhindern, sind auf den seitlichen Oberflächen und auf der Deck- und der Bodenfläche Isolierplatten angeordnet. Die Platten auf den seitlichen Flächen sind mit 110, die auf der Vorder- und Rückseite der thermoelektrischen Anordnung mit 112 bezeichnet. Letztere enthalten eine Vielzahl von Öffnungen, um die rohrförmigen Ansätze 59 aufnehmen zu können, die aus der Vorder- und der Rückseite herausragen. In ähnlicher Weise sind Platten aus Isoliermaterial auf der Deck- und der Bodenfläche der Thermosäule befestigt.

Betrachtet man den Strompfad durch die Thermosäule, so erkennt man, daß er jeweils direkt von einem elektrisch leitenden Kontaktstück 51 durch einen Thermoelementschenkel 53 zum nächsten Kontaktstück 51 führt. Da der elektrische Widerstand eines Kontaktstückes 51 über den ganzen Querschnitt im wesentlichen konstant ist, verteilt sich der Strom im wesentlichen gleichmäßig über das gesamte Kontaktstück 51 und durchdringt das gesamte thermoelektrische Material der Schenkel, die zwischen benachbarten Kontaktstücken angeordnet sind. Hierdurch wird auf der einen Seite des Schenkels Kälte und auf der anderen Seite Wärme erzeugt. Der Wärmeübertragungsweg für die erzeugte Wärme und die erzeugte Kälte geht unmittelbar von dem Thermoelementschenkel 53 zu den benachbarten Strömungswegen der beiden Medien. Da die Kontaktstücke 51 aus gut wärmeleitendem Material bestehen, werden sie durch die thermischen Veränderungen der Schenkel entsprechend erwärmt und gekühlt. Das durch die erwärmten bzw. gekühlten Strömungswege der thermoelektrischen Anordnung geleitete Medium tritt in Wärmeaustauschbeziehung mit den Kontaktstücken 51 und wird durch diese erwärmt oder gekühlt. Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß im Wärmeübertragungsweg von dem thermoelektrischen Material 53 zu den Kanälen 57 keine elektrische Isolation vorhanden ist. Der Wärmeübertragungsweg der thermoelektrischen Anordnung verläuft in gleicher Richtung wie der elektrische Strom. Der Verzicht auf die elektrische Isolation bewirkt ein wesentliches Anwachsen des Wirkungsgrades der thermoelektrischen Anordnung. Für eine vorgegebene thermoelektrische Heiz- bzw. Kühlleistung resultiert hieraus eine Ersparnis an thermoelektrischem Material 53. Ferner ist die dargestellte Einrichtung, die eine Direktübertragung der thermoelektrischen Wärme bzw. Kälte erzielt, von kompakter Bauweise und erfordert wenig Raum, so daß sie auch dort anwendbar ist, wo wenig Raum zur Verfügung steht.

Es ist bei einer solchen thermoelektrischen Einrichtung wünschenswert, daß zur Erzeugung großer Ströme nur eine Speisequelle niedriger Spannung benötigt wird. Im vorliegenden Fall ist der elektrische Widerstand längs des Wärmeübertragungsweges so gering, daß eine Spannungsquelle von 9¹A; Volt einen Strom von 750 Ampere in der thermoelektrischen Anordnung zur Folge hat.

Die Anordnung nach F i g. 6 entspricht der. Anordnung nach F i g. 2. Es sind deshalb für die gleichen Stücke die gleichen Bezugszeichen gewählt worden.

F i g. 6 ist dadurch aus F i g. 2 entstanden, daß die Isolierscheiben 86, 90 und 112 entfernt wurden und statt dessen ein aus einem gegossenen, pulverisierten Harz bestehendes Isoliermaterial 150 eingefügt wurde. Es können verschiedene warmhärtbare, geformte, harzige Materialien, wie z. B. Phenolharze, Harnstoffharze, Melaminharze und geeignete Filterwerkstoffe, wie z. B. Kieselgel oder Asbest, als Isoliermaterial 150 verwendet werden. Damit sind alle Lücken zwischen den Kontaktstücken 51 ausgefüllt worden, nachdem die Teile der thermoelektrischen Anordnung zusammengefügt worden waren. Das Isoliermaterial 150 liegt anfänglich pulverförmig oder in einer Flüssigkeit aufgeschlämmt vor, so daß es in alle Zwischenräume eindringt. Die Suspension wird dann thermisch behandelt, und zwar mit oder ohne Druckeinwirkung, bis das Gesamte zu einer einheitlichen Masse erstarrt. Bei dieser Ausführungsform müssen, im Gegensatz zur Ausführungsform nach F i g. 2 keine einzelnen Scheiben oder Folien aus Isoliermaterial (86 bzw. 90) in geeigneter Weise angeordnet und miteinander verbunden werden. _

Es soll nochmals betont werden, daß es nur "auf Grund der direkten Wärmeübertragung bei der Thermosäule nach der Erfindung möglich ist, daß eine wesentlich größere Wärmemenge bei wesentlich kleineren Abmessungen der thermoelektrischen Körper gefördert werden kann. Die benötigte, auf die Wärme- oder Kühlmenge bezogene Menge an thermoelektrischem Material ist vermindert.

Die Thermosäule kann auch als leistungsfähige Thermobatterie benutzt werden. Zu diesem Zweck wird eine Quelle eines Mediums mit relativ hoher Temperatur und eine Quelle eines Mediums mit relativ niedriger Temperatur vorgesehen. Diese Medien werden über die Leitungen 23 und 25 bzw. 45 und 47 durch die thermoelektrische Anordnung geleitet. Hierdurch wird eine Temperaturdifferenz an die Thermoelementschenkel 53 gelegt. Dadurch wird dann zwischen den Klemmen 80 und 82 eine elektrische Spannung erhalten (Seebeck-Effekt). Die Ausbildung der Thermosäule als elektrischer Generator hat die gleichen Vorteile und den gleichen Wirkungsgrad zur Folge wie die Ausbildung als Einrichtung zur Temperaturveränderung.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrische Anordnung mit quaderförmigen Thermoelementschenkeln aus thermoelektrisch wirksamem Halbleitermaterial entgegengesetzter Leitfähigkeit und quaderförmigen Kontaktstücken aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material, in denen wenigstens je ein Kanal als Strömungsweg für ein elektrisch nichtleitendes Wärmeaustauschmedium vorgesehen ist, wobei wenigstens zwei Thermoelementschenkel und drei Kontaktstücke so zu einem Stapel aufgeschichtet sind, daß auf ein Kontaktstück ein Thermoelementschenkel, hierauf ein Kontaktstück, dann der zweite Thermoelementschenkel, der zum ersten entgegengesetzte Leitfähigkeit hat, und hierauf wieder ein Kontaktstück folgt und

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wobei der Strömungsweg senkrecht zur Stapelachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Stapel elektrisch isoliert nebeneinander angeordnet sind und daß die Kanäle für die Strömungswege benachbarter Stapel miteinander fluchten und die Zwischenräume zwischen den Stapeln durch Rohrstücke aus elektrischem Isoliermaterial überbrückt sind, wobei abwechselnd jeweils benachbarte äußere Kontaktstücke durch eine Kontaktbrücke so elektrisch leitend verbunden sind, daß ein serpentinenartiger elektrischer Stromweg gebildet wird, in dessen Verlauf p- und η-leitende Thermoelementschenkel abwechseln.

2. Thermoelementschenkel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Strömungskanäle durch die »warmen« oder »kalten« Kontaktstücke der Stapel durch isolierende Rohrstücke zu je einem fortlaufenden Strömungsweg für ein »warmes« und ein »kaltes« Wärmeaustauschmedium verbunden sind.

3. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Stapeln aus Isolierplatten besteht, die an den Durchtrittsstellen der Kanäle entsprechende Durchbrüche besitzen.

4. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation aus einem aushärtbaren Kunststoff besteht, der pulverisiert bzw. in suspensionsartiger Lösung in die Zwischenräume der zusammengefügten Anordnung gebracht und dann aus-* gehärtet worden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1825138;

französische Patentschriften Nr. 1275 157,
740, 1312141;

österreichische Patentschrift Nr. 73 936;

USA.-Patentschriften Nr. 2 881594, 2 844 638,
218, 2729 949.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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