DE1059939B

DE1059939B - Elektrothermisches System

Info

Publication number: DE1059939B
Application number: DEL29611A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Siegfried Poganski
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1958-02-03
Filing date: 1958-02-03
Publication date: 1959-06-25
Also published as: BE574368A; US2993080A

Description

Elektrothermische Systeme können zur Kühlung oder/und Erwärmung benutzt werden, indem durch die Thermoelementanordnung ein elektrischer Gleichstrom geleitet wird. Während des Stromflusses erwärmt sich der eine Kontakt der beiden Thermoelementschenkel, dagegen kühlt der andere Kontakt ab. Durch die Abkühlung dieses Kontaktes kann seiner Umgebung Wärme entzogen, also Kälte erzeugt werden. Entsprechend kann der Umgebung des sich erwärmenden Kontaktes Wärme zugeführt werden.

Eine bekannte Anordnung zur elektrothermischen Kühlung, welche in Fig. 1 im Schnitt dargestellt ist, besteht in einem elektrothermischen Kühlelement aus zwei nebeneinanderliegenden parallel angeordneten stabförmigen Thermoelementschenkeln A und B, welche an einem Ende mit einem metallischen Querstück C verbunden sind, das auf der den Thermoelementschenkeln abgewandten Seite Rippen D für die Wärmeübertragung trägt. Auch die beiden anderen Enden der Thermoelementschenkel A und B sind mit quer zu den Thermoelementschenkeln angebrachten metallischen StromanschlußstückenE versehen, welche Rippen D für die Wärmeübertragung auf ihren den Thermoelementschenkeln abgewandten Seiten tragen.

Diese Thermoelemente werden bekanntlich derart in einer Wand eines Kühlraumes angeordnet, daß die kalten Kontaktstellen sich auf einer Seite der Wand befinden und die warmen Kontaktstellen auf der anderen Seite.

Die bekannte Ausführung eines Thermoelementes erweist sich nun für den Aufbau eines elektrothermischen Systems insbesondere dann als nachteilig, wenn Thermoelementschenkel mit verhältnismäßig kleiner, z. B. ein Zehntel bis die Hälfte der Dicke betragender Schenkellänge verwendet werden sollen. Beispielsweise würde die Absicht, Thermoelementschenkel kleiner Schenkellänge zu verwenden, dazu führen, daß für den Kühlraum Wände kleiner Wandstärke, und daher geringer thermischer Isolation, vorgesehen werden müßten.

Die Erfindung betrifft ein elektrothermisches System, bei welchem dieser Nachteil vermieden ist, und das auch in anderer Hinsicht vorteilhaft ausgebildet ist; und zwar besteht die Erfindung darin, daß ein erster Wärmeleitkörper, ein erster Thermoelementschenkel, ein zweiter Wärmeleitkörper, ein zweiter Thermoelementschenkel und ein dritter Wärmeleitkörper zu einem blockförmigem Körper aufeinandergeschichtet sind, daß die Berührungsflächen zwischen diesen Wärmeleitkörpern und den beiden Thermoelementschenkeln Querschnittsflächen des blockförmigem Körpers bilden, und daß aus dem blockförmigen Körper ein Teil des ersten und des dritten Wärmeleitkörpers in einer Richtung und ein Teil des zweiten Elektrothermisches System

Anmelder:

LICENTIA Patent -Verwaltungs - G. m. b. H., Hamburg 36, Hohe Bleichen 22

Dr. rer. nat. Siegfried Poganski, Rüthen/Möhne,
ist als Erfinder genannt worden

Wärmeleitkörpers in der zu dieser entgegengesetzten Richtung herausragen.

Das erfindungsgemäße elektrothermische System weist gegenüber dem bekannten elektrothermischen Kühlelement den weiteren Vorzug auf, daß die Thermoelementschenkel durch die Wärmeleitkörper mittels Druckkontakt in einfacher und günstiger Weise kontaktiert werden können. Die bekannte Kontaktierung bereitet nämlich wegen der auftretenden Kontaktwiderstände Schwierigkeiten.

Diese wachsen bei der vorteilhaften Anwendung von Thermoelementschenkeln mit verhältnismäßig kleiner Schenkellänge noch erheblich. In einem elektrothermischen System gemäß der Erfindung hat vorteilhaft ein oder jeder der beiden Thermoelementschenkel die Form eines Quaders, wobei das Verhältnis der Schenkellänge, gemessen in cm, zu dem Schenkelquerschnitt, gemessen in cm², kleiner als 1 ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird an Hand der Fig. 2 bis 4 erläutert, welche eine vorteilhafte Ausführumgsform des elektrothermischen Systems nach der Erfindung in zum Teil schematischer Darstellung zeigen. In

Fig. 2 ist ein Schnitt, in

Fig. 3 eine.Ansicht aus der in Fig. 2 durch den Pfeil A angegebenen Richtung und in

Fig. 4 eine Ansicht aus der in Fig. 2 durch den Pfeil B angegebenen Richtung gezeichnet.

Ein erster Wärmeleitkörper 1, ein erster Thermoelementschenkel 2, ein zweiter Wärmeleitkörper 3, ein zweiter Thermoelementschenkel 4 und ein dritter AVärmeleitkörper 5 sind zu einem blockförmigen Körper 1 bis 5 aufeinandergeschichtet. Die Berührungs-

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flächen 6, 7, 8 und 9 zwischen den drei Wärmeleitkörpern 1, 3 und 5 und den beiden Thermoelementschenkeln 2 und 4 bilden Querschnittsflächen des blockförmigen Körpers 1 bis 5. Aus dem blockförmigen Körper 1 bis 5 ragen ein Teil 10 des ersten Wärmeleitkörpers 1 und ein Teil 11 des zweiten Wärmeleitkörpers 3 in einer Richtung, nämlich in der des Pfeiles A₁ und ein Teil 12 des dritten Wärmeleitkörpers 5 in der zu dieser entgegengesetzten Richtung heraus.

Die aus dem blockförmigen Körper 1 bis 5 herausragenden Teile 10, 11 und 12 der Wärmeleitkörper 1,3 und 5 sind als Wärmeübertrager, vorzugsweise als Rippenkörper, ausgebildet.

Zweckmäßig sind die Berührungsflächen 6, 7', 8 und 9 zwischen den Wärmeleitkörpern 1, 3 und 5 und den Thermoelementschenkeln 2 und 4 mindestens angenähert parallel angeordnet und weisen mindestens angenähert gleiche Größe und Gestalt auf. Der blockförmige Körper 1 bis 5 selbst, also abgesehen von den Rippenkörpern 10, 11 und 12, ist günstig axialsymmetrisch zu einer Achse senkrecht zu den parallelen Berührungsflächen 6, 7, 8 und 9. Die Ausdehnung der beiden Thermoelementschenkel 2 und 4 in Richtung der genannten Symmetrieachse des blockförmigen Körpers 1 bis 5 ist vorteilhaft kleiner, insbesondere kleiner als die Hälfte der kleinsten Ausdehnung der Thermoelementschenkel 2 und 4, in einer Richtung senkrecht zu der genannten Symmetrieachse des blockförmigen Körpers 1 bis 5. Verwendet man beispielsweise scheibenförmige Thermoelementschenkel 2 und 4 mit quadratischer Form der Scheibenfläche und Wärmeleitkörper I₁ 3 und 5, welche mit einem scheibenförmigen Teil von quadratischer Scheibenfläche mit den Thermoelementschenkeln 2 und 4 verbunden sind, dann erhält man einen blockförmigen Körper 1 bis 5 mit quadratischem Querschnitt, Ein solcher Block 1 bis 5 besitzt eine vierzählige Symmetrieachse, welche senkrecht zu den Querschnittsflächen 6, 7, 8 und 9 steht und durch den Schnittpunkt der Diagonalen des Querschnittsquadrates hindurchgeht.

Mit Vorteil ist der blockförmige Körper 1 bis 5 in eine Isolierstoffmasse 13 eingebettet, aus welcher nun die als Wärmeübertrager ausgebildeten Teile 10, 11 und 12 der Wärmeleitkörper 1, 3 und 5 herausragen. Die Isolierstoffmasse 13 soll aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, das eine ausreichend kleine Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Vorzugsweise hat die Isolierstoffmasse 13 scheibenförmige, insbesondere kreisscheibenförmige Gestalt, wobei die Scheibenflächen senkrecht zu der Richtung stehen, in welcher die als Wärmeübertrager ausgebildeten Teile 10, 11 und 12 der Wärmeleitkörper 1, 3 und 5 aus dem blockförmigen Körper 1 bis 5 herausragen. Zum Einsetzen des elektrothermischen Systems in eine öffnung einer Gehäusewand weist zweckmäßig die Isolierstoffscheibe 13 an dem Rand der einen Scheibenfläche 14 eine Nut 15 mit einer Dichtfläche 16 und an dem Rand der anderen Scheibenfläche 17 einen Flansch 18 als Anschlag gegen die Gehäusewand auf. Die Dichtfläche 16 kann günstig einen Gummidichtring 19 aufnehmen.

Bei einer vorteilhaften Rippenkörperausbildung der Wärmeübertragerteile 10, 11 und 12 sind die Rippenebenen, welche in Fig. 2 und 3 durch gestrichelte Linien aus kurzen und langen Strichen gezeichnet sind, senkrecht zu den (ebenen) Scheibenflächen der Isolierstoffscheibe 13, untereinander parallel und senkrecht zu der genannten Symmetrieachse des blockförmigen Körpers 1 bis 5 angeordnet. Dem Vorteil, ein fertiggestelltes elektrothermisches System in eine Wand einer Einrichtung einsetzen zu können, ermöglicht eine Bemessung des Rippenkörpers 12 des zweiten Wärmeleitkörpers 3, nach welcher der Rippenkörper 12 des zweiten Wärmeleitkörpers 3 in seiner Ausdehnung parallel zur Scheibenfläche der Isolierstoffscheibe 13 nicht über den Rand der dem zweiten Rippenkörper 12 zugewandten Scheibenfläche 14 der Isolierstoffscheibe 13 hinausragt. Die Rippenkörper 10 und 11 der Wärmeleitkörper 1 und 5 können sich in Richtung der genannten Symmetrieachse des blockförmigen Körpers 1 bis 5 ebenfalls etwa bis zu dem Rand der Isolierstoffscheibe 13, gegebenenfalls aber auch darüber hinaus erstrecken.

Die einander nächsten Rippen der Rippenkörper 10 und 11 sind mindestens angenähert ebenso weit voneinander entfernt wie die Rippen der beiden gleichen Rippenabstand aufweisenden Rippenkörper 10 und 11. Vorzugsweise ist die Ausdehnung der Rippen senk-

a<^ recht zur Scheibenfläche der Isolierstoffscheibe 13, • d. h. die Rippenhöhe, für die Rippen des zweiten Wärmeleitkörpers 3 und für die Rippen der Wärmeleitkörper 1 und 5 unterschiedlich und die Ausdehnung der Rippen senkrecht zur Rippenhöhe und parallel zur

Rippenebene, d. h. die Rippenbreite, für alle Rippen des zweiten Wärmeleitkörpers 3 und für alle Rippen der Wärmeleitkörper 1 und 5 gleich. An den Wärmeübertragerteilen 10 und 11 ist zum Stromanschluß je eine Ausbildung, vorzugsweise je eine Bohrung 20 mit Gewinde vorgesehen.

Die beiden Thermoelementschenkel 2 und 4 und die Wärmeleitkörper 1, 3 und 5 können vorteilhaft durch Druckkontakte miteinander verbunden sein. Besonders geeignet erweist sich eine Anordnung, bei welcher der aus den beiden Thermoelemeritschenkeln 2 und 4 und den Wärmeleitkörpern 1, 3 und 5 gebildete blockförmige Körper 1 bis 5 durch eine nur in Fig. 2 und 4 gezeichnete federnde Klammer 21 umfaßt wird, deren gegeneinander elektrisch isolierte Backen 22 und 23 auf den den Berührungsflächen 6 und 9 gegenüberliegenden Seiten des ersten und dritten Wärmeleitkörpers 1 und 5 aufliegen. Die federnde Klammer 21 ist zweckmäßig in die Isolierstoffmasse 13 eingebettet. Die beiden Thermoelementschenkel 2 und 4 können günstig aus gepreßten oder/und gesinterten Halbleiterkörpern bestehen.

Insbesondere bei Verwendung von so hergestellten Thermoelementschenkeln können durch Druckkontakte Kontakte mit befriedigenden Eigenschaften erhalten werden. Die Wärmeleitkörper werden aus Metallen oder Legierungen verhältnismäßig hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt, während für die Auswahl der Stoffe für die beiden Thermoelementschenkel verhältnismäßig hohe Thermospannung, verhältnismäßig hohe elektrische Leitfähigkeit sowie verhältnismäßig kleine Wärmeleitfähigkeit maßgebend ist.

Das elektrothermische System nach der Erfindung kann durch Wahl der Richtung des Gleichstromes so betrieben werden, daß einmal die Kontaktflächen 6 und 9 sich auf erhöhter Temperatur und die Kontaktflächen 7 und 8 auf erniedrigter Temperatur befinden. Über die Wärmeleitkörper 1 und 5 erfolgt dann durch die Wärmeübertrager 10 und 11 die Wärmeabgabe an die Umgebung über den Wärmeleitkörper 3 und durch den Wärmeübertrager 12 die Wärmeaufnahme oder, mit anderen Worten, die Kälteabgabe. Bei Wechsel der Stromrichtung findet die Wärmeabgabe durch den Wärmeübertrager 12 und die Wärmeaufnahme durch die Wärmeübertrager 10 und 11 statt.

In Fig. 5 ist in zum Teil schematischer Darstellung ein elektrothermisches System nach der Erfindung im Schnitt gezeichnet, das in eine Wand eines Gehäuses eingefügt ist. 24 ist eine wärmeisolierende Wand, welche ein oder mehrere elektrothermische Systeme nach der Erfindung aufnimmt. Beim Betrieb des elektrothermischen Systems als Kühlanordnung kann nun beispielsweise der elektrische Strom in derjenigen Richtung durch das elektrothermische System geleitet werden, daß der Raum 25, in welchen der Wärmeübertrager 12 hineinragt, auf eine erniedrigte Temperatur und der Raum 26, in welchen die Wärmeübertrager 10 und 11 hineinragen, auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird. Wird der Raum 25 durch Umkehr der Stromrichtung auf eine erhöhte Temperatur gebracht, dann wird dem Raum 26 Wärme entzogen. Durch eine Regelung der Stromrichtung im Hinblick auf die Temperatur des Raumes 25 kann daher das elektrothermische System als Bauelement eines Thermostaten Verwendung finden

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrothermisches System, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wärmeleitkörper, ein erster Thermoelementschenkel, ein zweiter Wärmeleitkörper, ein zweiter Thermoelementschenkel und ein dritter Wärmeleitkörper zu einem blockförmigen Körper aufeinandergeschichtet sind, daß die Berührungsflächen zwischen diesen Wärmeleitkörpern und den beiden Thermoelementschenkeln Querschnittflächen des blockförmigen Körpers bilden und daß aus dem blockförmigen Körper ein Teil des ersten und des dritten Wärmeleitkörpers in einer Richtung und ein Teil des zweiten Wärmeleitkörpers in der zu dieser entgegengesetzten Richtung herausragen.

2. Elektrothermisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem blockförmigen Körper heraus ragenden Teile der Wärmeleitkörper als Wärmeübertrager ausgebildet sind.

3. Elektrothermisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen zwischen den Wärmeleitkörpern und den beiden Thermoelementschenkeln mindestens angenähert parallel angeordnet sind und mindestens angenähert gleiche Größe und Gestalt aufweisen.

4. Elektrothermisches System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der blockförmige Körper selbst axialsymmetrisch zu einer Achse senkrecht zu den parallelen Berührungsflächen zwischen Wärmeleitkörper und Thermoelementschenkeln ist.

5. Elektrothermisches System nach einem der Ansprüche! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der beiden Thermoelementschenkel in Richtung der Symmetrieachse des blockförmigen Körpers kleiner, insbesondere kleiner als die Hälfte der kleinsten Ausdehnung der Thermoelementschenkel in einer Richtung senkrecht zu der Symmetrieachse des blockförmigen Körpers ist.

6. Elektrothermisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der blockförmige Körper in eine Isoliermasse eingebettet ist, aus welcher nur die als Wärmeübertrager ausgebildeten Teile der Wärmeleitkörper herausragen.

7. Elektrothermisches System nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffmasse scheibenförmige, insbesondere kreisscheibenförmig.e Gestalt aufweist und daß die Scheibenflächen senkrecht zu der Richtung stehen, in welcher die als Wärmeübertrager ausgebildeten Teile der Wärmeleitkörper aus dem blockförmigen Körper herausrägen. '

8. Elektrothermisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierscheibe zum Einsetzen in eine öffnung einer Gehäusewand an dem Rand der einen Scheibenfläche eine Nut mit einer Dichtfläche und an dem Rand der anderen Scheibenfläche einen Flansch als Anschlag gegen die Gehäusewand aufweist.

9. Elektrothermisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche der Isolierstoffscheibe einen Gummidichtring aufnimmt.

10. Elektrothermisches System nach Anspruch 1,2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager des ersten und des dritten Wärmeleitkörpers je.- eine Ausbildung zum Stromanschluß, vorzugsweise je eine Bohrung mit Gewinde aufweist.

11. Elektrothermisches System nach Anspruch 1,2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertrager teile der Wärmeleitkörper als Rippenkörper ausgebildet sind.

12. Elektrothermisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenebenen der Rippenkörper senkrecht zu den Scheibenflächen der Isolierstoffscheibe, untereinander parallel und senkrecht zu der Symmetrieachse des blockförmigen Körpers angeordnet sind.

13. Elektrothermisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenkörper des zweiten Wärmeleitkörpers in seiner Ausdehnung parallel zur Scheibenfläche der Isolierstoffscheibe nicht über den Rand der dem zweiten Rippenkörper zugewandten Scheibenfläche der Isolierstoffscheibe hinausragt.

14. Elektrothermisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einander nächsten Rippen des Rippenkörpers des ersten und des dritten Wärmeleitkörpers ebenso weit voneinander entfernt sind wie die Rippen der beiden gleichen Rippenabstand aufweisenden Rippenkörper des ersten und dritten Wärmeleitkörpers.

15. Elektrothermisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Rippen senkrecht zur Scheibenfläche der Isolierstoffscheibe, d. h. die Rippenhöhe für die Rippen des zweiten Wärmeleitkörpers und für die Rippen des ersten und dritten Wärmeleitkörpers unterschiedlich und die Ausdehnung der Rippen senkrecht zur Rippenhöhe und parallel zur Rippenebene, d. h. die Rippenbreite für alle Rippen des zweiten Wärmeleitkörpers und für alle Rippen des ersten und dritten Wärmeleitkörpers gleich ist.

16. Elektrothermisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Thermoelementschenkel aus gepreßten oder/und gesinterten Halbleiterkörpern bestehen.

17. Elektrothermisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,' daß die beiden Thermoelementschenkel und die Wärmeleitkörper durch Druckkontakte miteinander verbunden sind.

18. Elektrothermisches System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,*daß der aus den beiden Thermoelementschenkeln und den Wärmeleitkörpern gebildete blockförmige Körper durch eine federnde Klammer umfaßt wird, deren elektrisch

gegeneinander isolierte Backen auf den den Berührungsflächen gegenüberliegenden Seiten des ersten und dritten Wärmeleitkörpers aufliegen.

19. Elektrothermisches System, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge-

kennzeichnet, daß ein oder jeder der beiden Thermoelementschenkel die Form eines Quaders hat und daß das Verhältnis der Schenkellänge, gemessen in cm, zu dem Schenkelquerschnitt, gemessen in cm², kleiner als 1 ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen