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Elektronische Wärmepumpe Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische
Wärmepumpe, insbesondere auf eine Vorrichtung zur Kühlung mit Hilfe eines elektrischen
Stromkreises.
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Es ist bekannt, Kühlung durch Verwendung eines Strömungskreises von
molekularem Gas zu erreichen, wobei in einem Teil des Strömungskreises das Gas komprimiert
wird, während sich in einem anderen Teil das Gas ausdehnen kann. Solch ein Verfahren
erfordert einen erheblichen mechanischen Aufwand zur Komprimierung des Gases, wodurch
die Vorrichtung sowohl schwerfällig als auch kostspielig wird. Außerdem ist dieses
Verfahren zum Arbeiten bei sehr niedrigen Temperaturen wenig geeignet.
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Es sind Versuche gemacht worden, Kühlung mit Hilfe eines elektrischen
Stromkreises zu erreichen. Diese Versuche haben jedoch wegen der Verluste infolge
Ohmschen Widerstandes nur zu geringem Erfolg geführt.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden Stoffe verwendet, die
Supraleiter sind und die auf eine Temperatur abgekühlt sind, bei der sie teilweise
oder ganz supraleitend sind.
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Dem Fachmann wird ein solches Verfahren als nicht durchführbar erscheinen,
weil Versuche einiger Wissenschaftler zu dem Ergebnis geführt haben, daß der Pel,tier-Effekt
verschwindet, wenn ein Leiter supraleitend wird. Berechnungen zeigen jedoch, daß
der Grund hierfür darin liegt, daß bei verschwindendem Widerstand der gesamte Strom
in einer dünnen Schicht entlang der Außenseite des Leiters fließt und daß daher
bei den Stromkreisen der genannten Versuche keine Austrittsarbeit zu überwinden
war.
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Eine elektronische Wärmepumpe gemäß der Erfindung ist nun dadurch
gekennzeichnet, daß ein Leiterkreis aus zwei an den Enden miteinander verbundenen,
aus supraleitfähigem Material bestehenden Leitern vorgesehen ist, wobei der eine
Leiter eine größere Querschnittsfläche als der andere Leiter hat, daß die beiden
Verbindungsstellen zwischen den Leitern thermisch voneinander isoliert sind und
daß Mittel vorgesehen sind, um die Leiter bei Temperaturen, bei denen sie supraleitend
sind, mit Strom zu beschicken.
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Bei Benutzung supraleitenden Materials wird dabei ein Elektronengas
in gleicher Weise verwendet wie ein molekulares Gas in den üblichen Kühlvorrichtungen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Elektronengas durch Änderungen
der Austrittsarbeiten zwischen den Metallen, vorzugsweise durch Änderung dar Abmessung
des, Leiters, komprimiert und expandiert.
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Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kühlung von Stoffen beträchtlich
unterhalb der Verdampfungstemperatur des flüssigen Heliums. Ein weiteres Ziel der
Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kühlung mit Hilfe rein elektrischer Mittel.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Anwendung des Peltier-Effektes
zur Kühlung auf Temperaturen unterhalb der Supraleitungssprungtemperatur der in
Frage kommenden Stoffe sowie eine elektrische Vorrichtung zur Kühlung durch Expansion
und Kontraktion eines Elektronengases.
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Gleichzeitig betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Gleichstrom innerhalb eines thermisch isolierten Systems unter Erzeugung minimaler
Wärme innerhalb dieses Bereiches.
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Die Erfindung wird durch die Zeichnung, die beispielsweise Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, erläutert.
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Fig. 1 zeigt teilweise im Querschnitt, teilweise perspektivisch eine
Vorrichtung gemäß der Erfindung, in der sich ein Teil eines Leiters innerhalb eines
anderen Leiters in der Nähe der Verbindungsstelle zwischen beiden befindet: Fig.
2 zeigt teilweise im Querschnitt, teilweise perspektivisch eine Vorrichtung gemäß
der Erfindung, bei der sich der Leiter kleineren Außendurchmessers außerhalb des
Leiters größeren Außendurchmessers befindet; Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine Verbindung
zwischen den beiden Leitern, wie sie in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung benutzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein erster Leiter 3 vorgesehen, der in den Zeichnungen als ein
Draht kleinen Querschnittes gezeigt ist und der aus einem Material besteht, das
supraleitend ist bzw. verschwindenden Widerstand bei sehr kleinen Temperaturen hat.
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Ein zweiter Leiter 5, ebenfalls aus supraleitendem Material, jedoch
von großem Umfang im Querschnitt, ist an einem Ende mit einem Ende des ersten Leiters
3 verbunden, so daß eine »kalte« Verbindungsstelle 7 gebildet wird. Das andere Ende
des zweiten Leiters 5 ist mit dem anderen Ende des ersten bzw. des drahtförmigen
Leiters verbunden, so daß eine »warme« Verbindung 9 gebildet wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der dicke
Leiter 5 im Querschnitt einen Umfang, der wenigstens zehnmal so groß ist wie der
Umfang des dünnen Leiters 3 im Querschnitt. Ein Gleichstromgenerator 11 ist zwischen
die Enden des kleinen Leiters 3 geschaltet, so daß Elektronen zur »kalten« Verbindung
7, durch diese Verbindung und über den dicken Leiter 5 zur »warmen« Verbindung 9
fließen.
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Der Gleichstromgenerator 11 kann entweder ein rotierender elektrischer
Generator sein, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Es können aber auch, wie in anderen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, andere Mittel zur Gleichstromerzeugung verwendet
werden. Beispielsweise kann ein Transformator 13, 15, wie in Fig. 2 gezeigt, Verwendung
finden. In der Vorrichtung gemäß der Fig. 2 wird ein Drahtstück 3 benutzt, das in
Serie mit einer Gleichrichteranordnung 17 verbunden ist. In der Sekundärwicklung
des Transformators 13 wird ein elektrisches Feld erzeugt, das in Serie mit der Gleichrichteranordnung
liegt, so daß in dem Draht mit Hilfe einer außerhalb liegenden, ein Wechselfeld
erzeugenden Vorrichtung, wie beispielsweise einer Spule 15, eine Wechselspannung
erzeugt wird.
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Die Anordnung der Leiter in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
die Form eines üblichen Stromkreises, wie in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform,
haben. Der dünnere Leiter 3 kann sich .a.ber auch teilweise innerhalb des dickeren
Leiters 5 befinden, wie in Fig. 1 gezeigt wird.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der dünnere Leiter an dem
großen rohrförmigen Leiter 5 so: befestigt, daß er sich in ihm koaxial erstreckt
und sich teilweise, und zwar in der Nähe der Verbindung zwischen den beiden Leitern.,
etwa in dessen Querschnittsmitte befindet.
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Bei der in Fig.1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verläuft der innere Leiter 3 an jedem Ende über eine beträchtliche Entfernung von
der Stelle ab, an der die erste Berührung mit dem rohrförmigen Leiter 5 stattfindet,
entlang der Innenseite dieses rohrförmigen Leiters 5. Dieses Ende des inneren drahtförmigen
Leiters ist zylinderförmig ausgebildet. Der Zylinderteil berührt den Draht nur am
Ende kontinu,.ierlich, verläuft im übrigen aber von ihm getrennt. Auf diese Weise
wird ein den inneren Draht 3 in der Nähe der Verbindungsstelle umgebender Kanal
19 gebildet. Durch die nach außen stehenden Verlängerungen 21 des inneren Leiters
3 wird die Verbindungsstelle so gestaltet, da.ß die den inneren Leiter 3 verlassenden
Elektronen vorzugsweise durch beide Leiter fließen und dann an die Außenseite des
äußeren Leiters 5 gelangen. Durch diese Maßnahme, die bewirkt, daß die Elektronen
durch das Innere beider Leiter fließen, kann trotz der supraleitenden Effekte ein
Peltier-Effekt zusätzlich zu der einfachen Expansion des Elektronengases hervorgerufen
werden.
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Ein wärmeisolierender äußerer Behälter 23 umgibt den gesamten die
Leiter 3 und 5 enthaltenden Kühlkreis. Innerhalb des äußeren Behälters 23 befinden
sich. zwei kleinere wärmeisolierte Kammern 4 und 6, die je eine der beiden Verbindungsstellen
zwischen den Leitern umgeben. Eine dieser kleineren Kammern, die die »warme« Verbindungsstelle
umgibt, enthält ein Kühlmittel, wie beispielsweise flüssiges Helium, die andere
der kleineren Kammern, die die »kalte« Verbindungsstelle umgibt, enthält den zu
kühlenden Stoff.
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Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in einigen Punkten analog zu der eines normalen Gaskühlkreises. Im Fall eines
Gaskühlkreises wird Komprimierung hervorgerufen und die Zirkulation durch eine mechanische
Kompressorpumpe aufrechterhalten. Das komprimierte Gas kaum sich in dem System an
dem Punkt, an dem Kühlung gewünscht wird, ausdehnen. Die Expansion ist ein wärmeverbrauchender
Vorgang. Aus diesem Grunde absorbiert das expandierende Gas Wärme aus der unmittelbaren
Umgebung, und die Umgebung -#viTd dadurch abgekühlt. Das Gas führt dann die absorbierte
Wärme weiter, bis es das Gebiet erreicht, in dem es wieder durch eine Pumpe komprimiert
wird. Im Bereich der Pumpe wird die Wärme abgegeben und durch Strahlung oder Leitung
abgeführt.
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Bei der Arbeitsweise einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wird an
Stelle des molekularen Gases ein Elektronengas verwendet. In den Metallen, die die
beiden Halbschleifen des Leiters bilden, herrscht eine Verteilung frelerElektronen,
die zu einemElektro.nengas führen kann, welches sich entweder frei zwischen den
Metallatomen hindurch oder aber entlang der Oberfläche des Leiters. bewegt.
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Bei Raumtemperatur bewegen sich die Elektronen durch das Innere des
Metalls und sind infolge des Widerstandes des Metalls gleichförmig in dem Leiter
verteilt. Unterhalb einer gewissen, von dem Material des. Leiters abhängenden Temperatur
wird der Leiter supraleitend, sein Widerstand verschwindet. Die Elektronen fließen
dann vor allem in einer dünnen Schicht entlang der Oberfläche des Metalls und nicht
mehr durch das Metall selber.
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Wenn die Elektronen von der Oberfläche des dünnen bzw. drahtförmigen
Leiters zu der Oberfläche des dicken: Leiters fließen, breiten sie sich aus und
verlangsamen infolge einer größeren Zahl von freiem Elektronen an der den Strom
tragenden Oberfläche. Auf diese Weise befinden sich also wenige Elektronen höherer
Geschwindigkeit auf der Oberfläche des dünnen Drahtes und eine größere Anzahl von
Elektronen geringerer Geschwindigkeit auf der Oberfläche des dickeren Leiters.
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Durch mathematisch-physikalische Methoden kann nachgewiesen werden,
daß im Gegensatz zur alten elektromagnetischen Theorie ein Elektron bei Verringerung
der Geschwindigkeit Energie aufnimmt und bei Vergrößerung der Geschwindigkeit Energie
ab-
gibt. Infolgedessen absorbieren dieElektronen Energie, wenn sie den drahtförmigen
Leiter verlassen und auf den Leiter mit großem Umfang übergehen, und rufen dadurch
eine Abkühlung in dem Bereich dieser Verbindungsstelle hervor. Wenn die Elektronen
von dem dicken Leiter in den dünnen Leiter übergehen, nimmt ihre Geschwindigkeit
zu; sie geben Energie an das umgebende Medium ab und erzeugen dadurch eine Aufwärmung
an dieser Verbindungsstelle.
Wenn ein Gleichstromgenerator eine
gewisse Menge von Elektronen in einer Leiterschleife bewegt, entstehen also Bedingungen,
die in gewisser Hinsicht analog zur Expansion eines molekularen Gases sind, jedoch
an der Verbindungsstelle, an der sie aus einem Bereich größerer Dichte in einen
Bereich geringerer Dichte des Elektronengases strömen, die entgegengesetzte Wirkung
haben. Diese Verbindung wird durch den Vorgang abgekühlt, während die andere Verbindung
erwärmt wird. Da an der zweiten Verbindungsstelle die Elektronen in einen Bereich
größerer Elektronendichte bewegt werden, kann an der warmen Verbindungsstelle die
Wärme aus dem System mit Hilfe verschiedener Methoden, wie beispielsweise durch
die Verdampfung flüssigen Heliums, entfernt werden.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß Fig. 2 ist ein dicker zylindrischer Leiter mit einem dünnen drahtförmigen
Leiter innen so verbunden, wie in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird
die erwünschte Wirkung allein durch Änderung der Geschwindigkeit der Elektronen
ohne Anwendung des Peltier-Effektes erreicht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine (nicht gezeigte)
Vakuumpumpe zur Verdampfung des flüssigen Heliums unter vermindertem Druck vorgesehen,
so daß verstärkte Wärmeabfuhr im Bereich der »warmen« Verbindungsstelle erreicht
wird.
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In der Tieftemperaturtechnik (unter 10° K) ist es bekannt, daß viele
Metalle supraleitende Eigenschaften haben bzw. verschwindenden Widerstand zeigen,
so daß eine Erwärmung infolge des Widerstandes zum mindesten vernachlässigbar klein
ist, wenn nicht sogar überhaupt nicht auftritt. Die Metalle der Leiter der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sollen bei möglichst nicht zu niedrigen Temperaturen supraleitend sein.
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In der folgenden Tabelle sind verschiedene supraleitende Elemente
angegeben. Die Angaben sind dem Buch »Phenomena at the Temperature of Liquid Helium«
(Burton, Grayson, Smith, Wilhelm), verlegt bei Reinhold, 1940, entnommen.
| Element Sprungtemperatur |
| in °K |
| Quecksilber .................. .. 4,12 |
| Zinn .......................... 3,69 |
| Blei ........................... 7,26 |
| Thallium ...................... 2,38 |
| Indium ............... ......... 3,37 |
| Tantal .............. ........... 4,38 |
| Vanadium ..................... 4,3 |
| Cadmium ...................... 0,54 |
| Zirkon ...................... ... 0,70 |
| Gallium ............. .......... 1,07 |
| Thorium ....................... 1,32 |
| Titan .......................... 1,81 |
| Niob .......................... 9,22 |
| Aluminium .................... 1,14 |
| Zink ........................... 0,79 |
| Hafnium ...................... 0,35 |
| Lanthan ....................... 4,71 |
Gemäß der Erfindung können an Stelle supraleitender Elemente auch supraleitende
Legierungen benutzt werden. Es gibt eine Anzahl solcher Legierungen, die aus Blei
und einem weiteren Element wie beispielsweise Silber, Gold, Wismuth, Kupfer, Quecksilber,
Indium oder Thal.lium bestehen. Andere Legierungen bestehen aus Zinn und einem der
Elemente Thalljum, Silber, Gold oder Kupfer. Außerdem gibt es IndIum-Thal.lium-,
Quecksilber-Cadmium-, Gold-Wismuth- und Molybdän-Koblenstoff-Legierungen. Im allgemeinen
enthalten supraleitende Legierungen wenigstens ein supraleitendes Element. Es gibt
auch andere supraleitende Legierungen, die Verbindungen von Wismuth, Zinn und Blei
oder Verbindungen von diesen mit Cadmium sind. Die Kombination mit Arsen an Stelle
von Cadmium gibt gleichfalls eine brauchbare Legierung.
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Bei der Verwendung der Bezeichnung »Draht« für einen der Leiter ist
nicht gemeint, daß dieser Leiter kreisförmigen Querschnitt haben muß. Es soll hierdurch
lediglich ausgedrückt werden, daß es sich um einen gestreckten Leiter handelt, d.
h. um einen. Leiter, dessen Länge ein Mehrfaches seines Umfanges beträgt.
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Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient
vorzugsweise zur Verwendung bei sehr tiefen Temperaturen. Sollten jedoch Supraleiter
mit höheren Sprungtemperaturen gefunden werden, so eignet sich die erfindungsgemäße
Anordnung selbstverständlich auch für das Arbeiten bei diesen höheren Temperaturen.
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Unter einer Isod,ierung der Verbindungsstellen voneinander ist zu
verstehen, daß Mittel zur Isolierung vorgesehen sind, die einen Wärmefluß von einer
Verbindungsstelle-zur anderen so weitgehend wie möglich verhindern.