DE19924715A1 - Peltier-Element - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren beschrieben zur Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor und zu dessen effizienter Ausnutzung von Primärenergie zu Heiz- und zu Kühlzwecken durch Betrieb einer Brennstoffzelle mit Primärenergie und dem Betrieb eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Peltier-Elementes.
Description
Es wird ein Verfahren beschrieben zur Herstellung eines Peltier-Elementes mit sehr
hoher Effizienz hinsichtlich des Verhältnisses von zum Wärmetransport eingesetzter
elektrischer Energie zur Wärmemenge, die innerhalb des Peltier-Elementes von der sich
abkühlenden Seite auf die sich erwärmende Seite transportiert wird.
Peltier-Elemente haben nach dem Stand der Technik einen schlechteren Wirkungsgrad
als herkömmliche Kompressor-Kühlschränke. Trotz dieses Nachteils besitzen Peltier-
Elemente für spezifische Anwendungen gegenüber Kompressor-Maschinen Vorteile. Im
Gegensatz zum Kompressor besitzt die Peltier-Kühlung keine bewegten Teile und
arbeitet deshalb geräuschlos und frei von Vibrationen. Weiterhin besitzen Peltier-
Elemente kein leckagegefährdetes Gasführungssystem. Weiterhin vorteilhaft ist die
niedrige Betriebsspannung, die einen Batteriebetrieb vor allem in mobilen Systemen
vereinfacht. Weiterhin vorteilhaft ist die präzise Regulierbarkeit, während bei
Kompressorkühlungen lediglich ein einziger definierter Betriebszustand möglich ist. Ein
weiterer Vorteil von Peltier-Elementen ist die Möglichkeit, sehr kleine Aggregate zu
bauen.
Zum Erreichen hoher Kälteleistungen müssen nach dem Stand der Technik die einzelnen
Elemente thermisch parallel und elektrisch seriell geschaltet werden, wobei an den kalten
und warmen Seiten der einzelnen Elemente jeweils eine elektrisch isolierende, aber
thermisch gut leitende Keramikplatte angefügt wird und mehrerer solcher Schichten
aufeinander gestapelt werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines Peltier-Elementes mit den
aufgezählten Vorteilen von Peltier-Elementen, welches aber gleichzeitig einen derart
hohen Wirkungsgrad besitzt, daß die bisherigen Nachteile von Peltier-Elementen, die auf
dem schlechten Wirkungsgrad beruhen, wegfallen. Damit sollte es möglich sein, den
Einsatzbereich von Peltier-Elementen wesentlich zu erweitern.
Die besondere Schwierigkeit zum Auffinden optimaler Werkstoffe zur Herstellung von
Peltier-Elementen liegt darin, daß es trotz der Erkenntnisse aus der Quantenmechanik
und moderner Rechenmethoden problematisch ist, die Größe des Peltier-Effektes
einigermaßen exakt vorauszuberechnen. Hier spielen vor allem Interaktionen zwischen
Phononen, also Energiequanten der Gitterschwingungen, und Elektronen, sowie auch
unkontrollierbare Gitterstrukturbildungen und ähnliches eine Rolle.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung wurde im wesentlichen durch die Verwendung einer
Werkstoffkombination erreicht, die einen, im Vergleich zu den bisher bekannten Peltier -
Elementen, wesentlich höheren Wirkungsgrad ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Peltier-Element besteht zunächst prinzipiell entsprechend dem
Stand der Technik aus zumindest zwei Polplatten, zwischen denen sich alternierend zwei
Typen von quaderförmigen Halbleiterelementen befinden.
Es handelt sich erfindungsgemäß dabei im günstigsten Fall auf der einen Seite als p-Typ
Element um eine Legierung der Zusammensetzung Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3 und auf der
anderen Seite um Bi2Te2,87Se0,13 als n-Typ Element. Für ein aus diesen Elementen
aufgebautes Peltier-Element wird ein Effizienzfaktor von mindestens 4,0 gefunden,
wobei als Effizienzfaktor der Quotient aus der auf der warmen Seite des Elementes
abgegebenen Wärmeenergie und der dem Element zugeführten elektrischen Energie
bezeichnet wird. Dieser Effizienzfaktor wird bei einer konstanten Temperaturdifferenz von
10°C zwischen der warmen und der kalten Seite des Elementes gefunden.
Ein Element mit optimalem Effizienzfaktor wird erfindungsgemäß idealerweise hergestellt
aus 95 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 5 mol% Bi2Se3 zur Verwendung als p-Typ, wobei
die beiden Komponenten durch Zonenschmelzen homogenisiert werden und weiterhin
erfindungsgemäß aus ebenfalls zonengeschmolzenem Bi2Te2,87Se0,13 als n-Typ Element.
Durch Variation der jeweiligen Anteile an Sb1,5Bi0,5Te3 im Verhältnis zu den Anteilen
Bi2Se3 zur Herstellung des p-Types und auch durch Variation der Zusammensetzung
des n-Types können erfindungsgemäß ebenfalls Peltier-Elemente mit günstigem
Effizienzfaktor gefunden werden.
Insgesamt als effizient erweisen sich p-Typen der Zusammensetzung
Sb2,97-2,73Bi1,03-1,27Te5,8-5,46Se0,06-0,54
hergestellt aus 99-91 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 1-9 mol% Bi2Se3;
insgesamt als besonders effizient erweisen sich p-Typen der Zusammensetzung
insgesamt als besonders effizient erweisen sich p-Typen der Zusammensetzung
Sb2,91-2.79Bi1,09-1,21Te5,82-5,58Se0,18-0,42
hergestellt aus 97-93 mol% Sb1,5Bi0.5Te3 und 3-7 mol% Bi2Se3;
als optimal erweist sich der p-Typ mit der Zusammensetzung
als optimal erweist sich der p-Typ mit der Zusammensetzung
Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3
hergestellt aus 95 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 5 mol% Bi2Se3.
Insgesamt als effizient erweisen sich n-Typen der Zusammensetzung
Bi2Te2,5-3,4Se0,18-0,08
Insgesamt als besonders effizient erweisen sich n-Typen der Zusammensetzung
Bi2Te2.86-2.88Se0,14-0,12;
als optimal erweist sich der n-Typ mit der Zusammensetzung
Bi2Te2.87Se0,13
Die unter gleichen Bedingungen im Labor (für ΔT = 10 K) gefundenen Effizienzfaktoren
von Peltier-Elementen, die unter Verwendung unterschiedlicher
Materialzusammensetzungen hergestellt wurden, zeigt die nachstehende Tabelle.
Ein mit den optimalen Typen nach Beispiel 1 (Effizienz 4,0) hergestelltes Element
erreichte bei Praxistests bei einer Testdauer von jeweils 30 Sekunden in Abhängigkeit von
der an den Polen zu messenden Temperaturdifferenz (dazu wurden an den Polen
definierte Kupfermassen angebracht) folgende Werte für den Effizienzfaktor η:
Ein weiteres Element der Größe 40 mm × 40 mm × 4 mm, welches ebenfalls unter
Verwendung der optimalen Typen hergestellt wurde, erreicht mit einer Spannung von 2
[V] und einem Strom von 0,8 [A] und einer daraus resultierenden Leistung von 1,6 [W]
eingetragener Energie eine Energieabgabe von 6,4 [W] bei einer konstantgehaltenen
Temperaturdifferenz von 10 [K], woraus sich ein Effizienzfaktor von 4,0 errechnet.
Die erreichten Effizienzfaktoren liegen mit Peltier-Elementen der erfindungsgemäßen
Zusammensetzung nicht nur weit höher sowohl als die bisher mit Peltier-Elementen
erreichten Faktoren, sondern auch als die bislang mit anderen Wärmepumpen erreichten
Faktoren.
Peltier-Elemente der erfindungsgemäßen Zusammensetzung können demnach zur
kostengünstigen und wirtschaftlichen Verwendung als Wärmepumpen, sowohl zum
Kühlen, als auch zum Heizen eingesetzt werden. Wegen der günstigen Effizienzfaktoren
stehen diesen Elementen auch Anwendungen offen, die aus wirtschaftlichen Gründen
bislang Kältemaschinen anderer Arbeitsweise, wie Kühlschränken als geschlossenen
Kältemaschinen oder auch offenen Kältemaschinen, wie Adsorptionskältemaschinen
vorbehalten waren.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der
erfindungsgemäßen Peltier-Elementen zu einer bislang nicht erreichten Ausnutzung von
Primärenergie sowohl zum Heizen, als auch zum Kühlen, als auch zur Kombination aus
Heizen und Kühlen. In einem wirtschaftlich optimierten Destillationsprozeß dient das
Element demnach auf der warmen Seite dem Verdampfungsprozeß und auf der kühlen
Seite dem Kondensationsprozeß.
Claims (7)
1. Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor,
gekennzeichnet dadurch, daß zur Herstellung des Elementes zwischen zwei Metallplatten
alternierend zwei Typen von quaderförmigen Halbleiterelementen angeordnet werden,
wobei es sich bei den Halbleiterelementen auf der einen Seite als p-Typ Element um eine
Legierung der Zusammensetzung
Sb2.97-2,73Bi1.03-1.27Te5.8-5.46Se0,06-0,54, oder besonders günstig um eine Legierung der Zusammensetzung
Sb2,91-2,79Bi1,09-1,21Te5.82-5.58Se0,18-0,42, oder optimal um eine Legierung der Zusammensetzung
Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3 und auf der anderen Seite als n-Typ Element um eine Legierung der Zusammensetzung
Bi2Te2,5-3.4Se0,18-0.08, oder besonders günstig um eine Legierung der Zusammensetzung
Bi2Te2,86-2,88Se0,14-0,12, oder optimal um eine Legierung der Zusammensetzung
Bi2Te2,87Se0,13 handelt.
Sb2.97-2,73Bi1.03-1.27Te5.8-5.46Se0,06-0,54, oder besonders günstig um eine Legierung der Zusammensetzung
Sb2,91-2,79Bi1,09-1,21Te5.82-5.58Se0,18-0,42, oder optimal um eine Legierung der Zusammensetzung
Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3 und auf der anderen Seite als n-Typ Element um eine Legierung der Zusammensetzung
Bi2Te2,5-3.4Se0,18-0.08, oder besonders günstig um eine Legierung der Zusammensetzung
Bi2Te2,86-2,88Se0,14-0,12, oder optimal um eine Legierung der Zusammensetzung
Bi2Te2,87Se0,13 handelt.
2. Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach
Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Legierung der Zusammensetzung
Sb2,97-2,73Bi1,03-1.27Te5,8-5.46Se0,06-0,54 hergestellt wird durch gemeinsames Zonenschmelzen von
99-91 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 1-9 mol% Bi2Se3, daß die Legierung der Zusammensetzung
Sb2,91-2,79Bi1,09-1,21Te5,82-5,58Se0,18-0,42 hergestellt wird durch gemeinsames Zonenschmelzen von 97-93 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 3-7 mol% Bi2Se3 und daß die Legierung der Zusammensetzung
Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3 hergestellt wird durch gemeinsames Zonenschmelzen von 95 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 5 mol% Bi2Se3.
Sb2,97-2,73Bi1,03-1.27Te5,8-5.46Se0,06-0,54 hergestellt wird durch gemeinsames Zonenschmelzen von
99-91 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 1-9 mol% Bi2Se3, daß die Legierung der Zusammensetzung
Sb2,91-2,79Bi1,09-1,21Te5,82-5,58Se0,18-0,42 hergestellt wird durch gemeinsames Zonenschmelzen von 97-93 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 3-7 mol% Bi2Se3 und daß die Legierung der Zusammensetzung
Sb2,85Bi1,15Te5,7Se0,3 hergestellt wird durch gemeinsames Zonenschmelzen von 95 mol% Sb1,5Bi0,5Te3 und 5 mol% Bi2Se3.
3. Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach
Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Materialien für das n-Typ Element mittels
gemeinsamem Zonenschmelzen hergestellt werden.
4. Herstellung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach den
voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß die quaderförmigen
Halbleiterelemente eine Dicke von 1-8 mm, bevorzugt von 3-5 mm besitzen.
5. Verwendung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach
den voranstehenden Ansprüchen zur Verwendung für Heiz- und Kühlzwecke,
gekennzeichnet dadurch, daß warme Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gase oder andere
Wärmeträger mit hohem thermischem Energieinhalt, wobei die Wärmeträger häuslichen,
industriellen oder natürlichen Ursprungs sein können, zur Erwärmung der kalten Seite des
Peltier-Elementes dienen.
6. Verwendung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach
den voranstehenden Ansprüchen zur Verwendung für Heiz- und Kühlzwecke,
gekennzeichnet dadurch, daß warme Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gase oder andere
Wärmeträger mit niedrigem thermischem Energieinhalt, wobei die Wärmeträger
häuslichen, industriellen oder natürlichen Ursprungs sein können, zur Abkühlung der
warmen Seite des Peltier-Elementes dienen.
7. Verwendung eines Peltier-Elementes mit hohem Wärmetransporteffizienzfaktor nach
den voranstehenden Ansprüchen zur Verwendung für Heizzwecke, gekennzeichnet
dadurch, daß in einem energetisch optimierten Destillationsprozeß Flüssigkeiten auf der
warmen Seite des Elementes verdampft und auf der kalten Seite des Elementes
kondensiert werden.
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WO2005047780A1 (de) * | 2003-11-11 | 2005-05-26 | Olivier Stotz | Transportbehälter für verderbliches gut mit einer integrierten aktiven kühl-oder wärmequelle |
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