DE280696C

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Publication number: DE280696C
Application number: DENDAT280696D
Authority: DE
Priority date: 1912-04-03
Also published as: US1120781A; GB191208050A; DE281459C

Description

DEUTSCHES REICH

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 17/. GRUPPE

Elektrothermischer Kühl- und Heizkörper. Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. April ,1911 ab.

Sendet man einen elektrischen Strom durch . ein Thermoelement, so entsteht bekanntlich an der einen Lötstelle Erwärmung, an der anderen Abkühlung. Man hat bereits vorgeschlagen, diesen nach seinem Entdecker Peltier benannten Effekt z. B. zur Kühlung von Eisenbahnwagen zu verwenden. Derartige Versuche müssen aber, namentlich bei niedriger Thermokraft der angewandten Stoffe, notwendigerweise daran

ίο scheitern, daß sich infolge der großen Wärmeleitfähigkeit der thermoelektrisch wirksamen Stoffe mit den bisher bekannten Anordnungen ■ der Thermoelemente nur geringe Temperaturerniedrigungen erzielen lassen, für Kupfer und Eisen z. B. noch nicht einmal 2°. Ein elektrothermischer Kühlapparat würde aber, auch wenn er nicht. den Wirkungsgrad der maschinellen Kühlanlagen der modernen Kälteindustrie erreichen könnte, infolge seiner hygienischen

so Vorzüge, seiner Geräusch- und Geruchlosigkeit, seiner einfachen Handhabung und beständigen Betriebsbereitschaft für die Bedürfnisse des Haushalts usw. sehr wohl am Platze sein. Es soll daher im Folgenden eine Anordnung beschrieben werden, die von einer gegebenen Temperatur des Kühlmediums aus jede beliebige Temperaturerniedrigung zu erzeugen gestattet.
Die Grundlage für¹ den Gegenstand der Erfindung bildet die Überlegung, daß die Wärmeleistung eines Thermoelements, durch das man einen elektrischen Strom schickt, stets größer ist als die Kälteleistung. Um deshalb eine günstige Ausnutzung der Wärme- und Kältewirkung bei möglichst geringem Materialbedarf zu erhalten, hat man die warme Lötstelle größer zu machen als die kalte und zwar vorteilhaft in einem solchen Verhältnis, daß sich die Oberflächen ungefähr verhalten, wie die Wärmeleistung zur Kälteleistung, und den Querschnitt von der kalten zur warmen Lötstelle zu sich entsprechend verjüngen zu lassen.

Würde man nämlich den Querschnitt der einzelnen Elemente konstant Tassen und die Oberfläche an der warmen Lötstelle so groß machen, als die Wärmeleistung es erfordert, so würde der Materialbedarf mit dem Quadrat der Oberfläche wachsen. Ein derartiges Element wäre sehr unwirtschaftlich. Dazu kommt, daß gerade die Stoffe mit hoher Thermokraft, die für die vorliegende Erfindung besonders wertvoll sind, zum Teil auch teuer sind. Man wird deshalb zweckmäßigerweise eine nach der kalten Lötstelle zu sich verjüngende Form der Elemente wählen, also z. B. die Keil- oder Kegelform, um den Materialaufwand gering zu halten. Die Lötstelle kann man dabei in bekannter Weise zur Verbesserung der Wärmeabgabe nach außen aufschneiden und durch gutleitende Kupferstreifen verbinden. Solche keilförmigen Elemente können sodann zur Erhöhung der Betriebsspannung in beliebiger Anzahl nebeneinander oder hintereinander angeordnet werden, so daß beispielsweise die

Werexem

Form eines HoHzylinders entsteht, dessen warme Lötstellen außen und dessen kalte Lötstellen innen liegen.

Ordnet man ferner die wirksamen Stoffe abwechselnd zwischen Metallringe oder Röhren beliebigen Querschnitts an (ringförmig, polygonal, wellenförmig oder elliptisch usw.), so daß die Elemente die Form von geschlossenen Hohlringen erhalten, so kann man wieder mit Leichte tigkeit jedes beliebige Verhältnis zwischen warmer und kalter Oberfläche erhalten. Außer-

■ dem aber ist ein derartiger Körper leicht herstellbar auch bei Verwendung von spröden und brüchigen Stoffen und bietet Gewähr für gute Haltbarkeit.

Da die Wärmeleitung für verschiedene Stoffe verschieden ist, so muß man den Stoffen verschiedene Querschnitte geben, um einen guten Kühleffekt zu ermöglichen. Man kann bei zylindrischen Körpern den' Querschnitt auch dadurch ändern, daß man die Wandstärke der - wirksamen Stoffe ändert. Für ein Element aus Wismut und Antimon erhäh man die günstigsten Verhältnisse, wenn man das Verhältnis des Querschnitts von Wismut zu dem des Antimon gleich 2,46 macht.

In Fig. ι ist ein Heiz- und Kühlkörper zylindrischer Form dargestellt. Die ringförmigen positiven wirksamen Körper (wie Antimon) sind mit a, die negativen (etwa Wismut) sind mit b bezeichnet, c sind Metallringe (Kupfer) und d Isolierscheiben (Papier, Glimmer u. dgl.). Bei -\-e und -—e sind die Stromzuführungen angeordnet.

Ein derartiges Rohr ist sehr, leicht herstellbar. Die Stoffe können z. B. zwischen die gegeneinander versetzten Metallringe eingegossen oder selbst in pulverförmiger Gestalt hineingepreßt . werden. Oder es können· die äußeren Kupferringe im erwärmten Zustande über die vorbereiteten Glieder übergeschoben werden, so daß sie diese beim Erkalten fest einschließen, oder es können auch die üblichen ■ Lötmethoden, Galvanisieren und Amalgamieren angewandt werden usw. Die inneren Kupferringe können in ähnlicher Weise in stark abgekühltem Zustand eingeschoben werden.

Durch diese zy lender förmige, polygonale, elliptische und ähnliche Gestalt der Elemente, sind außer den unvermeidlichen Verlusten durch die innere Wärmeleitung alle sonstigen Verluste fast vollständig vermieden. Hierfür ist sehr wichtig, daß die Wärmeaufnahme ausschließlich

■ am kältesten, die Wärmeabgabe am wärmsten Teile der Elemente erfolgt, dazwischen aber kein Wärmeaustausch stattfinden kann, daß also der mehr oder weniger große Zwischenraum zwischen den Gliedern vollständig mit Isoliermaterial ausgefüllt ist. ^!
Außerdem ergibt sich schließlich noch als Nebenvorteil ein vollständiger Abschluß zwischen den äußeren warmen und inneren kalten Lötstellen, so daß diese z.B. ohne weiteres unter verschiedenem Druck stehen oder von verschiedenen Flüssigkeiten bespült werden können.

Leitet man durch das Innere des Körpers eine kalte Flüssigkeit, wie z. B. Salzwasser so wird es bei seinem Durchströmen abgekühlt und kann zu einer Stelle geleitet werden, an der es. wieder Wärme aufnehmen, also kühlend wirken kann. Eine derartige Anordnung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Diese Anr Ordnung würde beispielsweise auch ■ genügen, wenn es sich nur um die Herstellung kleiner Mengen Eis in größeren Zeitabständen handelt. Die große Wärmeaufnahmefähigkeit der äußeren Teile des Körpers reicht in diesem Falle hin, um die erzeugte Wärme eine Zeitlang aufzunehmen. Man wird zweckmäßig dabei die inneren Lötstellen möglichst nahe an die Achse . des Zylinders legen, damit die Wärmeaufnahmefähigkeit der inneren Teile des Körpers möglichst klein wird. Die Abkühlung geht dann, sehr schnell vor sich. In den Betriebspausen kann der Körper die aufgenommene Wärme wieder hinreichend an die Luft abgeben.

Zur Vergrößerung der Wärmeableitung an den warmen Lötstellen ist es jedoch zweckmäßig, die warmen Lötstellen zu kühlen, bei- go spielsweise durch umlaufende Flüssigkeiten. Verwendet man als positive Legierung 75 Prozent Sb, 25 Prozent Cd und als negative Legierung 90 Prozent Bi, 10 Prozent Sb, und ist der innere Radius 0,5 cm, der äußere 3 cm, das Verhältnis der positiven Legierung zur negativen wie 3,4, so ist dann zur Kühlhaltung eines Kühlschrankes eine Gesamthöhe des Kühlkörpers von etwa 30 cm und ein Stromverbrauch von 56 Watt erforderlich. .

Mit einem Kühlkörper der beschriebenen-Anordnung kann man namentlich bei niedriger Thermokraft der dazu verwendeten Stoffe nur geringe Temperaturunterschiede erzeugen, und. der Stromverbrauch in der Nähe des kritischen Temperaturunterschiedes ist ziemlich bedeutend. Mit folgender Anordnung läßt sich aber von einer gegebenen Temperatur des Kühlmittels aus jede beliebige Temperaturerniedrigung erzeugen, oder aber der Aufwand an elektrischer iib Arbeit für eine Kälteleistung bei demselben Temperaturunterschied erheblich verringern.

Denkt man sich z. B. den. in Fig. 1 dargestellten Zylinder von einem zweiten ebensolchen umgeben, so liegen die kälten Lötstellen des zweiten Zylinders unmittelbar neben den warmen des ersten. Wenn man nun für eine die Wärme durchlassende Isolierung (dünnes Ölpapier usw.) zwischen den beiden benachbarten Lötstellen sorgen würde, so könnte man die beiden Zy-

linder unabhängig voneinander mit verschiedener Spannung und Elementenzahl betreiben, könnte sie zur Vergrößerung der Betriebsspannung auch hintereinander schalten usw.

Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Isolierstoffe ■bedingt aber hierbei stets größere Temperaturdifferenzen und damit Verluste, die sich in folgender Weise nahezu vollständig vermeiden lassen.

ίο Schaltet man die beiden Zylinder parallel, so daß sie dieselbe Spannung und Elementenzahl haben müssen, so hat bei einer Ver-Schiebung der äußeren Säule um ein Glied und entsprechend geänderter Stromzuführung jede einzelne Lötstelle genau dasselbe Potential und dieselbe Höhe wie die zugehörige benachbarte. Lötstelle. Es ist also überflüssig für eine Isolierung zu sorgen. Es kann vielmehr derselbe ■ kupferring c gleichzeitig die äußere Begrenzung

ao eines Elements des inneren Zylinders wie die innere Begrenzung des entsprechenden Elements des benachbarten äußeren Zylinders abgeben. Die Verluste werden dadurch außerordentlich klein, und gleichzeitig werden durch die innere Stromverteilung etwaige Fehler und Ungleichheiten im Material selbsttätig ausgeglichen.

Eine derartige thermische Kaskadenschaltung bei elektrischer Parallelschaltung ist nun nicht etwa nur bei zylinderförmigen Elementen möglich. . AVenn die Form des geschlossenen Zylinders auch für Haltbarkeit und Materialbedarf und zur Vermeidung von Verlusten sehr vorteilhaft ist, so ist es doch für den Effekt dieser Kaskadenschaltung unwesentlich, ob die Ringe geschlossen sind oder ob sie zu Erhöhung der Zahl der Elemente und der Betriebsspannung noch unterteilt sind, so daß der Körper etwa aus Zylindersektoren besteht. Oder die parallel geschalteten sich an den Lotstellen unmittelbar berührenden Elemente können auch konstanten Querschnitt besitzen, so daß der ganze Körper die Form eines Quaders (einer Platte) hat, oder es können beliebige andere Dimensionen gewählt werden.

Die Fig. 3 zeigt einen Achsialschnitt durch einen solchen hier also beispielsweise zylinderförraig angenommenen Körper. Die ringförmigen positiven wirksamen Körper sind mit a, die negativen mit b bezeichnet. Die c sind Metallringe (Kupfer),' die zur leitenden Verbindung der Elemente dienen, und d neutrale Scheiben zur Isolation. In dieser Weise können beliebig viele solcher Säulen ineinander angeordnet werden.

Die Wirkungsweise dieses Körpers ist folgende:

Wird bei + e ein Strom in diese doppelte Reihe von hinter- und nebeneinander geschalteten Elementen geschickt, so tritt. eine Stromverteilung ein. Der stärkste Strom geht durch die äußerste Reihe der Thermoelemente, da er hier den größten Querschnitt findet, der schwächste durch die innerste. ' Durch jedes 0 im Innern dieses Körpers geht also ein stärkerer. Strom von l· zn α der äußeren Säule, ein schwächerer von α zu δ der inneren Säule, Der stationäre Zustand, der sich in diesem Körper einstellt, ist der, daß an jeder Doppellötstelle c durch den Peltier-Effekt des stärker stromdurchflossenen Elements genau soviel Kälte im Überschuß erzeugt wird, wie zur Neutralisation der an der Nachbarlötstelle frei werdenden Wärme erforderlich ist.. . .

Die im ganzen erzeugte Temperaturdifferenz ist aber η-mal so groß als die in jedem Einzelelement erzeugte, da infolge; des durch die geschilderte Anordnung erzielten außerordentlich großen Wärmeüberganges zwischen den Lötstellen der benachbarten -Elemente die Temperaturen dieser Lötstellen nicht wesentlich voneinander verschieden sein können. Besteht nämlich für bestimmte Stoffe ein Temperaturunterschied zwischen warmer unter kalter Lötstelle von 4° und hält man die Temperatur der äußersten wannen Lötstelle durch Kühlwasser konstant auf 6°, so hat die kalte Lötstelle des äußeren Körpers eine Temperatur von 2°. Dieselbe Temperatur hat die sie berührende warme Lötstelle des zweiten Körpers, dessen kalte Lötstelle dann schon —2° hat usw. Theoretisch existiert für dies Verfahren überhaupt keine Grenze, so daß es durch Vergrößerung der Zahl der Säulen selbst für geringere Thermokräfte, wenn auch in diesem Fall mit sehr großem Energieaufwand und Verbrauch an Kühlwasser möglich ist, von einer gegebenen Temperatur des Kühlmediums aus jede beliebige Temperaturerniedrigung zu erzwingen.

Je mehr solcher Säulen ineinander geschaltet werden, um so geringer ist stets der Arbeitsaufwand, und zwar läßt sich das Optimum bei den höheren erreichbaren Thermokräften für nicht zu hohe Temperaturdifferenzen bereits mit einer ganz geringen Zahl, etwa 2 bis 3 ineinander geschalteter Säulen nahezu erreichen.

Es ist namentlich für geringere Thermokräfte am vorteilhaftesten, wenn die Temperaturdifferenzen in den nebeneinander geschalteten Säulen gleich groß sind. Dann müssen sich die Längen der Elemente bei gleichem Gesamtquerschnitt zu einander verhalten, wie die Wärmeproduktion der warmen Lötstelle eines Elements zu der Kälteleistung. Die Elemente mit der niedrigsten Temperatur sind am längsten.

Mit demselben Material, wie in dem oben angeführten Beispiel, ist für einen zweifachen Körper der innere Radius 1,1 cm, der mittlere Radius 3 cm und der äußere 5 cm. Für die Kühlhaltung eines Kühlschranks ist sonach eine Gesamthöhe von etwa 15 ein erforderlich und eine Stromleistung von 38 Watt.

Der Körper beansprucht hohe Stromstärken, aber sehr geringe Spannungen. Er kann daher auch durch eine Stromabzweigimg irgendeiner Hauptleitung betrieben werden, wodurch die Ökonomie des Betriebes noch gesteigert wird.

Da die Wärmeerzeugung an der äußeren

wärmen Lötstelle stets um die Kälteleistung der inneren kalten Lötstelle größer ist als der Energieaufwand, so ergibt die Anwendung

ίο dieses Thermokörpers zur Heizung oder Warmwasserbereitung usw. stets eine Ersparnis an elektrischer Arbeit gegenüber der Heizung durch die Joulesche Wärme. Sie ist also um so größer, je geringer die Temperaturdifferenz ist und macht-beispielsweise bei einer Thermokraft von 150 bis 160 eff. Mikrovolt und 10 ° Temperatur-. different etwa 50 Prozent aus. Es ist selbstverständlich bei dieser reversiblen elektrischen Heizung notwendig, die ersparte Kalorienmenge

äo der Außenwärme, oder etwa dem Kühlwasser zu entziehen, d. h. die kalten Lötstellen vermittels dieser natürlichen Wärmequellen direkt oder indirekt zu erwärmen, wenn man nicht etwa gleichzeitig auch von der Kälteleistung nützlichen Gebrauch machen kann.

Claims

Patent-An Sprüche:

1. Auf dem Peltier-Effekt beruhender elektrischer Kühl- und Heizkörper, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Thermosäulen, die parallel an eine Stromquelle angeschlossen sind, sich an den Lötstellen berühren und derart neben- oder ineinander angeordnet sind, Haß die warme Lötstelle,

z. B. eines inneren Elementes, unmittelbar der kalten Lötstelle eines äußeren Elementes benachbart ist.

2. Kühl- und Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Stoffe abwechselnd zwischen Metallringen oder Röhren angeordnet sind, so daß ein im wesentlichen ringförmiger Körper besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.