DE3541710A1 - Leit-element fuer elektrischen strom mit relativ reduzierter waermeleitung vorzugsweise zur verwendung in thermoelektrischen einrichtungen - Google Patents

Description

Nach dem Gesetz von Wiedemann-Franz ist das Verhältnis von elektrischer zu thermischer Leitfähigkeit bei Metallen konstant. Ähnliches gilt für Halbleiter.

Bei manchen technischen Einrichtungen ist es jedoch unerwünscht, daß in gewissen Bauteilen neben dem elektrischen Strom auch ein Wärmestrom fließt. Es können hierdurch u. a. energetische Verluste entstehen. Dies gilt besonders auch für thermoelektrische Einrichtungen nach dem Seebeck- oder Peltier-Effekt, wo in den Element- Schenkeln Wärme von den heißen zu den kalten sog. Lötstellen fließt und die Effektivität bzw. den Wirkungsgrad verringert.

Wegen der bisher unbefriedigenden Wirkungsgrade gab es noch keine Nutzung der thermoelektrischen Effekte zur Stromerzeugung oder zur Kühlung bzw. als Wärmepumpe in größerem Umfang.

So hat es in der Vergangenheit mehrfach und auf verschiedene Weise Vorschläge gegeben zur Reduzierung des Wärmeflusses in den Schenkeln oder anderen Konstruktionselementen thermoelektrischer Einrichtungen beispielsweise durch Verwendung von gepreßtem pulverigem oder amorphen Material-Gefüge wie z. B. gem. Patentschriften DE-P 8 23 299 und US-P 35 24 771 oder durch Nutzung anderer Effekte wie z. B. gem. DE-AS 13 03 098 und DE-OS 32 02 791 A1.

Die nachfolgend beschriebene Erfindung basiert auf der physikalischen Beobachtung, daß die elektrische Leitung und die Wärmeleitung von Metallen, Legierungen sowie bei Halbleitern - abgesehen von der spezifischen Material-Leitfähigkeit, von Länge und Querschnitts- Fläche des Leiters auch von gewissen Grenzwerten des Leiter-Querschnitts und der Formgebung abhängig ist.

Dies ist nicht oder kaum feststellbar bei den gebräuchlichen relativ großen Querschnittsflächen etwa in der Größenordnung von Quadrat- Millimetern und darüber wird aber deutlich bei sehr kleinen Querschnitten, beispielsweise von dünnen Drähten bzw. Fasern oder von Folien und dünnen Schichten.

Bekanntlich wird der elektrische Strom durch die Bewegung von Elektronen im Leiter verursacht, während am Wärmestrom gem. neuerer Erkennnisse außer Elektronen auch noch Atom- oder Molekül-Bewegungen bzw. Schwingungen im inneren Gefüge, z. B. Kristall-Gitter, beteiligt sind.

In Leitern mit größeren Material-Querschnitten ist die Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme proportional entsprechend den Material-Konstanten.

Es ist aber für den elektrischen Strom bereits nachgewiesen worden, daß bei sehr kleinen Leiter-Querschnitten, beispielsweise mit Draht- Durchmessern in der Größenordnung von 1 - 100 µ, die Elektronen- Beweglichkeit durch Wand- bzw. Beengungs-Effekte eingeschränkt und deshalb die elektrische Leifähigkeit vermindert wird.

Da für die Wärmeleitung offenbar auch noch eine freie Beweglichkeit größerer Materie-Teilchen und/oder von schwingenden Gefüge- oder Gitter-Strukturen erforderlich ist, wird - wie erfindungsgemäß beobachtet wurde - eine Behinderung der Wärme-Beweglichkeit und damit der Wärme-Leitung bereits bei Querschnitten wirksam, die größer sind als die Querschnitte, bzw. Durchmesser oder andere Abmessungen, bei denen die Elektronen-Beweglichkeit auch mit Auswirkung auf die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigt ist.

Allerdings sind auch dabei die Querschnitts-Abmessungen für einen maximalen Effekt der Beeinträchtigung der Wärmeleitfähigkeit sehr klein. Außerdem ist noch die Form des Querschnitts zu beachten. Runde oder quadratische Querschnitte verursachen eine Behinderung der Teilchen- oder Gefüge-Beweglichkeit auf dem ganzen Umfang und dabei natürlich auch mit Rückwirkungen auf die inneren Bereiche des Querschnitts. Leiter-Querschnitte von Folien oder dünnen Schichten beeinträchtigen die Beweglichkeit nur in einer Dimensions-Richtung, der Dicke, aber nicht oder kaum in der Breiten-Ausdehnung.

Das Längen-Maß der Leiter in Strom-Richtung hat in dem vorbeschriebenen Sinne keinen Einfluß.

Das Material-Gefüge der Leiter ist in Strom-Richtung vorzugsweise einheitlich und kontinuierlich wie auch sonst bei gezogenen Drähten oder gewalzten Folien mit gleichbleibendem Gefüge und Querschnitt Leiter mit derart ausgewählten Querschnittem, daß die elektrische Leitfähigkeit nocht nicht oder kaum, die Wärme- Leitfähigkeit aber deutlich reduziert wird, sind also geeignet, elektrische Ströme gut fließen zu lassen, einen störenden Wärme-Fluß im Leiter aber stark zu vermindern oder unter Umständen auch fast zu sperren - abweichend vom sonst geltenden Leitfähigkeits-Verhältnis nach dem Wiedemann-Franz′schen Gesetz.

Nachfolgend werden solche Leiter mit einer Bevorzugung des elektrischen Stromes in einer Kurz-Bezeichnung auch Selektiv-Leiter genannt und der den Strom behindernde Effekt Form-Widerstand.

Mit besonderem Vorteil können diese Leiter in den Element-Schenkeln von thermoelektrischen Einrichtungen zur Nutzung des Seebeck- Effektes als Strom-Generator oder des Peltier-Effektes zur Kühlung bzw. als Wärmepumpe eingesetzt werden. Aber auch an anderen Bauteilen derartiger Einrichtungen kann eine Verwendung vorteilhaft sein.

Für die Element-Schenkel wird einerseits ein möglichst geringer Widerstand für den elektrischen Strom angestrebt; andererseits soll ein Wärme-Strom zwischen den heißen und den kalten Lötstellen nach Möglichkeit unterbunden werden.

Dies kann erreicht werden, wenn die Element-Schenkel ganz oder teilweise nach Art der vorbeschriebenen Selektiv-Leiter ausgebildet sind.

Technisch nutzbare Ausführungen für diesen oder andere Zwecke erfordern allerdings große elektrische Stromstärken und dafür große Leiter-Querschnitte. Dafür können auch die vorgeschriebenen sog. Selektiv-Leiter ausgelegt werden prinzipiell dadurch, daß eine große Anzahl einzelner Leiter als getrennte Strom-Pfade mit kleinen Querschnitten gebündelt, geschichtet oder gerollt werden für einen gemeinsam-gleichgerichteten, beispielsweise parallelen, Strom-Fluß. Dabei können die einzelnen Leiter, z. B. Drähte oder Folien, gegeneinander isoliert oder auch blank aneinandergelegt sein, da der Wand-Effekt mit der Beweglichkeits-Behinderung auch ohne Isolierung auftritt. Eine Ausführung mit Isolation wäre auch die Anordnung der Einzel-Leiter mit Abstand, so daß die Luft dazwischen als Isolator wirkt.

Im Falle gebündelter feiner Drähte könnte man von einem Leitfaser- Bündel, im Falle aufeinandergelegter Folien von einem Leitfolien- Paket bzw. einer -Rolle sprechen. (Vergl. a. Fig. 2a und 2c) Die Ähnlichkeit der bekannten elektrischen Kabel-Litzen ist nur äußerlich und entspricht nicht den hier beschriebenen Effekten und Anwendungen, da mit den Litzen eine bessere Biegsamkeit der Kabel erreicht und eine sog. Strom-Verdrängung, die in massiven Metall- bzw. Draht-Leitern bei Wechselstrom auftritt, vermieden werden soll.-

Bei Verwendung von Leit-Elementen der vorbeschriebenen Art mit Wärmefluß-Hemmung in Schenkeln von thermoelektrischen Elementen sollten sie vorzugsweise aus dem Material der gewählten Element- Paare, also beispielsweise Eisen und Konstantan oder Halbleiter- Elementen, bestehen, damit in den Schenkeln keine störenden thermoelektrischen Effekte auftreten. Es wäre aber unter Umständen auch möglich, Selektiv-Leiter aus einem anderen Material in die Schenkel - oder an anderen Stellen - einzusetzen, wenn die thermoelektrischen Effekte an den Haupt-Lötstellen dominieren. Gewisse Möglichkeiten bieten dabei auch Leiter aus Kohle-Fasern.

In der Ausführung können die Schenkel insgesamt als Selektiv- Leiter, beispielsweise als Leitfaser-Bündel hergestellt sein, wie in Fig. 3a dargestellt. Ebenso wäre es möglich, die Selektiv- Leiter als Einbau-Element herzustellen, wie aus Fig. 3b ersichtlich Dabei bestehen die Einzel-Leiter und Anschluß-Köpfe zweckmäßigerweise ebenfalls aus dem Element-Material der Schenkel.

Die einzelnen Leiter bzw. Strompfade der Leit-Elemente könnten auch mit größeren Querschnitten, bzw. Durchmessern, ausgeführt sein, als für den maximalen Effekt der Wärmefluß-Hemmung erforderlich ist. So ist beispielsweise an Metall-Drähten mit etwa 0,5 - 1 mm Durchmesser ein wärmefluß-hemmender Effekt noch deutlich feststellbar, wenn auch bei wachsenden Durchmessern mit fallender Tendenz.

Es wären dann also technische und wirtschaftliche Faktoren bei der Herstellung abzuwägen gegen thermoelektrische Effektivitäten.

Die Wärmeleitung in sog. Leitern erster und zweiter Klasse ist - abgesehen von den Thermopaaren - auch bei anderen physikalischen und technischen Einrichtungen nachteilig.

Als Beispiel werden die Tauch-Elektroden in Anlagen zum Metall- Schmelzen genannt. Dort fließt Wärme in unerwünschter Weise aus dem Metall-Bad zu den Strom-Anschlüssen, die durch hohe Temperatur geschädigt werden können. Zum Schutz wird daher gelegentlich eine Wasser-Kühlung für die Elektroden-Klemmen eingebaut.

Hier würden also Selektiv-Leiter der vorbeschriebenen Art Schutz und betriebliche Vorteile bringen.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines thermoelektrischen Generators mit den Element-Schenkeln S ₁ und S ₂ mit der heißen Lötstelle L _h und kalten Lötstelle L _k , beide gezeichnet mit sog. Löt- Brücken, und einem angetriebenen Elektro-Motor M. In den Schenkeln fließen die Verlust-Wärmeströme Q ₁ und Q ₂ sowie der Strom I.

Fig. 1b zeigt schematisch den Aufbau einer thermoelektrischen Wärmepumpe mit den Element-Schenkeln S ₁ und S ₂ , den Lötstellen L _k und L _h und mit dem Gleichstrom-Generator G als Betriebsstromquelle. In den Schenkeln fließen die Verlust-Wärmeströme Q ₁ und Q ₂ sowie der Strom I.

Fig. 2 zeigt Ausführungsbeispiele von Leit-Elementen, in der Beschreibung auch Selektiv-Leiter genannt. Die oberen Abbildungen zeigen jeweils einen Querschnitt, die unteren eine Ansicht in X-Richtung. Neben den Ansichten ist mit einem Pfeil die Richtung des elektrischen Stromes I im Leit-Element angegeben. Ein als Rest evtl. noch fließender Wärme-Strom würde ebenfalls in Längsrichtung durch das Leit- Element bzw. die Einzel-Leiter fließen.

Fig. 2a zeigt eine Ausführung eines Leit-Elementes LEd bestehend aus parallel gebündelten Drähten oder Fasern d.

Fig. 2b zeigt eine Ausführung eines Leit-Elementes LEs bestehend aus einer Leit-Schicht s, die auf einer Isolier-Schicht i aufgetragen ist.

Fig. 2c zeigt eine Ausführung eines Leit-Elementes LEf bestehend aus einer spiralig aufgerollten Folie f.

Fig. 3a zeigt, wie der Schenkel S ₁ aus Fig. 1a ausgebildet ist als Leit-Element LE-S ₁ in der Ausführung aus gebündelten Drähten wie bei Fig. 2a.

Fig. 3b zeigt, wie zwischen die Schenkel-Teile S ₁ ′ und S ₁ ″ ein Leit-Element LE-S ₁ , bestehend aus den Einzel-Leitern LEd mit den Einbau- bzw. Anschluß-Köpfen LEk′ und LEk″, eingesetzt und eingeschweißt ist. Hierbei sind die Einzel-Leiter aus Drähten in der Mitte etwas gespreizt gezeichnet. Die Einzel-Leiter sind an den beiden Enden leitend miteinander verbunden, beispielsweise mit den Anschluß-Köpfen verschweißt.

Die erfindungsgemäß beschriebenen Leit-Elemente für elektrischen Strom mit relativ reduzierter Wärmeleitung können - über den bisherigen Stand der Technik hinaus - die Effektivität thermoelektrischer Einrichtungen erheblich verbessern, so daß es möglich wird, Aggregate zur Stromerzeugung und Kühlung bzw. als Wärmepumpe mit guten technischen und wirtschaftlichen Wirkungsgraden zu betreiben.

Darüberhinaus ergeben sich vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten auch in anderen technischen Einrichtungen, die zum Betrieb elektrischen Strom benötigen aber gegen Wärme-Strömungen abgeschirmt werden sollen.

Claims (8)

1) Leit-Element für elektrischen Strom mit relativ reduzierter Wärmeleitung vorzugsweise zur Verwendung in thermoelektrischen Einrichtungen dadurch gekennzeichnet,
daß das Leit-Element aus einem oder einer Kombination von mehreren Einzel-Leitern besteht für getrennte, vornehmlich gleichgerichtete, Strompfade mit zumindest in einer Dimension engem Querschnitt, wobei die vom Strom durchflossenen Dimensionen bzw. der Querschnitt eines Einzel-Leiters, beispielsweise in Form von Drähten oder Folien, von einer Größe und/oder Form sind, daß die für den elektrischen Strom im Leiter-Gefüge maßgebliche Elektronen-Beweglichkeit nicht oder nur wenig aber die für den Wärmestrom zusätzlich wirksame Beweglichkeit bzw. Schwingung von Atomen oder Molekülen im Material-Gefüge deutlich behindert ist, und somit weiterhin gekennzeichnet durch die Wirkung und den Zweck, daß als Folge des engen Querschnitts der elektrische Strom, insbesondere als Gleichstrom, im Einzel-Leiter keinen oder nur wenig zusätzlichen Widerstand, bzw. Form-Widerstand findet, während der Wärmestrom durch den Form-Widerstand gehemmt wird.

2) Leit-Element für elektrischen Strom mit relativ reduzierter Wärmeleitung vorzugsweise zur Verwendung in thermoelektrischen Einrichtungen dadurch gekennzeichnet,
daß das Leit-Element aus einem oder einer Kombination von mehreren Einzel-Leitern besteht für getrennte, vornehmlich gleichgerichtete, Strompfade, wobei der Einzel-Leiter einen derart verengten, in Strom-Richtung vorzugsweise gleichbleibenden, Querschnitt besitzt, daß die Wärmeleitung im Gefüge gehemmt ist, und beispielsweise besteht aus dünnen Drähten oder Fasern mit Durchmessern kleiner als 1 mm oder aus dünnen Folien oder Schichten mit einer Dicke kleiner als 0,3 mm oder aus Drähten beliebiger Querschnittsform mit Querschnitts-Flächen kleiner als 1 mm², und weiterhin gekennzeichnet ist durch die Wirkung und den Zweck, daß als Folge des engen Querschnitts der elektrische Strom keinen oder nur wenig zusätzlichen Widerstand findet, während der Wärmestrom durch den Form-Widerstand gehemmt wird.

3) Leit-Element nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Leiter in der Form als Strang-Leiter gebündelt oder in der Form als Flächen-Leiter geschichtet oder zusammengerollt sind,
so daß sich für den Strom als vergrößerter Leit-Querschnitt die Summe der Einzel-Querschnitte ergibt.

4) Leit-Element nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefaßten Einzel-Leiter an den beiden Enden in massive Anschluß-Köpfe eingeleitet, beispielsweise eingelötet, sind, so daß die Kombination von Einzel-Leitern mit Anschluß- Köpfen ein Einbau-Element, beispielsweise für Verschweißung oder Verschraubung, darstellt.

5) Leit-Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Leiter ohne Oberflächen- Isolierung mit oder ohne gegenseitigen Abstand gebündelt oder geschichtet sind oder daß sie mit einer Oberflächen-Isolierung versehen sind.

6) Leit-Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Leiter aus einem Metall, einem Halbleiter oder aus Kohle, in der Struktur beispielsweise als Kohle-Faser, bestehen.

7) Leit-Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Leiter aus dem Schenkel- Material oder aus einem anderen Material von thermoelektrischen Paaren bestehen
und daß das Leit-Element als Schenkel oder als Teil eines Schenkels oder als ein anderes Bau-Element eingebaut ist in thermoelektrische Einrichtungen oder Aggregate zur Nutzung des Seebeck- oder des Peltier-Effektes.

8) Leit-Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6 dadurch gekennzeichnet, daß es als Verbindungselement für elektrischen Strom eingebaut ist in technische Einrichtungen, beispielsweise in Metall-Schmelzanlagen,
und gekennzeichnet durch den Zweck, einen Wärme-Fluß durch diese Verbindung zu hemmen.