DE1539276A1

DE1539276A1 - Thermoelektrische Kaskade

Info

Publication number: DE1539276A1
Application number: DE19631539276
Authority: DE
Inventors: Reich Allen D
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1962-07-12
Filing date: 1963-07-11
Publication date: 1970-03-12
Also published as: SE306947B; GB1046427A; US3125860A; DE1275552B

Description

DB.INO. H. NEGENDANK · dipi^-ino. H. HAUCK · dipwphys. W. SCHMITZ

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TILKOK, If KOIDATATIMT MÜNCBKM

ΜϋΝΟΗΒϊΓ,β. November 1967 (Anwaltsakte M-218)

Thermoelektrische Kaskade

(Ausscheidung aus der Patentanmeldung B 72 636 Ia/17a vom 11. Juli 1963 mit Priorität der USA Anmeldung Nr. 209.328 vom 12.JuIi 1962)

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Kaskade mit mehreren thermisch hintentnandergeschalteten Stufen, von denen jede aus einer Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Thermoelementen besteht und mit Ausnahme der mit einer Stromquelle verbundenen wärmsten Stufe elektrisch an kalte Verbindungsstellen der Jeweils benachbarten wärmeren Stufe angeschlossen ist.

Derartige Kaskaden haben den Vorteil, daß elektrische Zuleitungen nur für die wärmste Stufe erforderlich sind, 3o daß die durch Zuleitungen unvermeidlich auftretenden Wärmeleitungsverluste weltgehend herabgesetzt sind. Dies ist besonders für Anwendungsfälle von Bedeutung, bei denen es auf die Erzielung einer großen Temperaturdifferenz ankommt.

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. Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Verluste einer thermoelektriBChen Kaskade der eingangs angegebenen Art noch weIter zu vermindern.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst,daß die einzelnen Stufen zylinderförmig ausgebildet und mit ihren Stirnseiten aneinandergebaut sind, wobei die Thermoelementschenkel jeder Stufe und die sie verbindenden Stege als Sektoren der voll- oder hohlzylindrlBChen Stufe auegebildet sind und In jeder Stufe das Verhältnis Länge zu Querschnitt der außerhalb der AnschluApunkte für die benachbarte kältere Stufe liegenden Thermoelementschenkel sich zum Verhältnis Länge zu Querschnitt der innerhalb der Anschlußpunkte liegenden Sehenkel im we8entlichin bo verhält, daß die Spannungen an allen Schenkeln der Stufe gleich sind. - ;■·■'■.- ■ . - ■'/. -/■■■ .■-;■', . ;

Bei der erflröungigemäßen Kaskade i»t infolge d«r zylindrischen Form der einzelnen Stufen dlt für den Verlust hauptsächlich maßgebende Oberfläche entscheidend verringert, und überdies ergibt sich ein besonders kleiner Platzbedarf. Die erfindungsgemäße Kaskade 1st somit besonders für Anwendungsfälle geeignet, bei denen es auf kleine räumliche Abmessungen und hohe Temperaturdifferenzen ankommt, beispielsweise als Kühlvorrichtung für Infrarot-Detektoren,

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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungs beisplels näher erläutert/das in der Zeichnung dargestellt ist. ■

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen dreistufigen thermoelektrischen Kaskade,

Fig. 2 Ist ein Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig» I, Fig. 3 1st ein Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1, Fig. Ii ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 der FIg. 1, Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie 5-5 der FIg. 1, und

Fig. 6 erläutert das Schema, nach dem die in den Fign, 1 bis 5 dargestellte Kaskade aufgebaut ist.

Die in den Figuren dargestellte thermoelektrische Kaskade umfaßt drei Stufen A, B und G-. Stufe A ist die kälteste, Stufe B die Zwischenstufe und Stufe C die wärmste Stufe.

Stufe A enthält ein Thermoelement mit den Schenkeln 11 und 1.2, die beide im wesentlichen halb zylindrisch ausgeführt sind. Die oberen Stirnflächen der Schenkel 11 und 12 sind *

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durch einen elektrisch leittnden Verbindungßsteg 13, der aus Kupfer bestehen kann, überbrückt.

Die Stufe B enthält zwei Thermoelemente mit den Schenkeln 14, 15, 16 und 17, die, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist,im wesentlichen zylindersektorförmig sind. Die oberen Stirnflächen der Schenkel I²I und 15 sind durch einen Steg 18 und die oberen Stirnflächen der Schenkel 16 und 17 durch einen Steg 19 überbrückt. Nan erkennt aus Fig. 3 und der shematischen Darstellung Fig. 6, daß die zylindersektorförmigen Elementeschenkel der Stufe B zwar sämtlich gleich hoch sind, jedoch verschiedene Querschnitte haben, und zwar haben die beiden äußeren Schenkel 15 und 16 (Flg. 6) einen größeren Querschnitt als die innerenßchenkel 1Ί und 17, da über die äußeren Schenkel 15 und 16 auch der Betriebsstrom für die kälteste Stufe A fließt. Das Verhältnis der Querschnitte der äußeren Schenkel 15 und 16 zu den Querschnitten der inneren Schenkel l4 und 17 ist so gewählt, daß die Spannungsabfälle an allen Sehenkeln im wesentlichen gleich groß sind. Der Gesamtquerschnitt aller Schenkel einer Stufe richtet sich nach der in dieser Stufe erforderlichen Wärmepump -leistung . Da diese Wärmepumpltistung in den wärmeren Stufen naturgemäß größer sein muß als in den kälteren Stufen, haben die wärmeren Stufen einen größeren Durchmesser als die kälteren Stufen.

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Die wärmste Stufe C enthält drei Thermoelemente mit den Schenkeln 20, 21, 22, 23, 2k und 25. Die oberen Stirnflächen der Schenkel 21 und 22 sind durch einen leitenden Steg 26, die der Schenkel 23 und 2k durch einen Steg 27 und die der Schenkel 20 und 25 durch einen Steg 28 überbrückt. Die untere Stirnfläche des Schenkels 20 1st mit einem. Leiter 29 und das untere Ende des Schenkels 21 mit einem Leiter 30 verbunden. Die Leiter 29 und 30 sind elektrisch mit den Anschlüssen einer Gleichstromquelle 31 verbunden. Die unteren Stirnflächen der Schenkel 22 und 23 sind durch einen Steg 32 und die unteren Stirnflächen der Schenkel 2^i und 25 durch einen Steg 33 überbrückt. Die Leiter 29, 30, 32 und 33 sind auf einer wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Grundplatte 34 angeordnet.

Man erkennt, daß die kalten Stirnselten der Thermoelementschenkel einer kälteren Stufe, z.B. die kalten Stirnseiten der Schenkel Ik bis 17 der Stufe B, auf denjenigen Verbindungsstegen, bei demgewählten Beftiel also den Verbindungsstegen 26 bis 28, der benachbarten wärmeren Stufe, hler der Stufe C, aufsitzen, die die Anschlußpunkte dieser There©- elementsehenlcel bilden.

Die erfindungegeaäBe thermoelektrische Kaskade bietet wegen der Zylinderform der einzelnen Stufen den Vorteil, daß das

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Verhältnis non Oberfläche zu Querschnitt oder das Verhältnis Oberfläche/Volumen besonders klein ist und dementsprechend die Verluste durch Wärmeaustausch mit der Oberfläche der Kaskade herabgesetzt sind. Außerdem ist aber auch die
Konstruktion sehr einfach und besonders kompakt.

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Claims

Patentansprüche

!^Thermoelektrische Kaskade mit mehreren,thermisch hintereinandergeschalteten Stufen, von denen Jede aus einer Anzahl von elektrisch In Reihe geschalteten Thermoelement« besteht und alt Ausnahme der mit einer Stromquelle verbundenen wärmsten Stufe elektrisch an kalte VerbiAdungsstellen der jeweils benachbarten wäraeren Stufe angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daft die einselntn Stufen (A₁ B₅G) zylinderföralg ausgebildet und alt Ihren Stirnseiten an-einandergebaut sind, wobei die Thermoelementschenkel (11, 12, bzw. 14 - 17 dew. 20 —25) Jeder Stufe und die sie verbindenden Stege (13 bnr. 18, 19 bew. 26 - 28) als Sektoren der voll- oder hohlsyllndrischen Stufe ausgebildet sind und in Jeder Stufe (s.B." C) das Verhältnis Läng· «u Querschnitt der außerhalb der Anschlußpunkte für die benachbarte kilter» Stufe (B) liegenden Thermoelementschenkel

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(20j 21) sich zum Verhältnis Länge zu Querschnitt der innerhalb der Anschlu£punkte liegenden Schenkel (22, 2}₃ 24, 25-) im wesentlichen so verhält, daE die Spannungen an allen Schenkeln der Stufe gleich sind.
2. Thermoelektrische Kaskade nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kalten Stirnseiten der Thermoelementschenkel (z.B. I^ - 17) einer kälteren Stufe (3) auf denjenigen Verbindungsstellen (2b - 2c) der benachbarten v/ärmeren Stufe (C) aufsitzen, die die Anschlußpunkte dieser Thermoelementschenkel (I^ - 17) bilden.
3. Thermoelektrische Kaskade nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet j da£ die wärmeren Stufen größere Durchmesser haben als die kälteren Stufen.

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