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Einrichtung zur Ausnützung der thermoelektrischen Effekte mit hohem
Wirkungsgrad Die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mit Hilfe von Thermoelementen
hat für Meßzwecke weitgehende Anwendung in der Technik gefunden. Wegen des zu kleinen
Wirkungsgrades konnte sich eine technische Erzeugung von elektrischer Energie aus
Wärme mit Hilfe thermoelektrischer Generatoren jedoch bisher noch nicht durchsetzen.
Selbst die in den letzten Jahren erzielten Fortschritte in der Auffindung von thermoelektrisch
sehr günstigen Halb-Leitermaterialien lassen den thermoelektrischen Generator neben
der Dampfturbine noch sehr weit unterlegen erscheinen. Während man in der Lage ist,
bei Temperaturdifferenzen von 500° C mit Turbinen einen Wirkungsgrad von über 30%
zu erzielen, liefert der beste heute bekannte Thermogenerator nicht einmal 10 %
entnehmbare elektrische Energie. Der Grund für diesen kleinen Nutzeffekt liegt vor
allem darin, daß zuviel Wärme vom Thermogenerator irreversibel aufgenommen wird,
d. h. im wesentlichen durch Wärmeleitung verlorengeht. Das Verhältnis der bei einer
Temperaturdifferenz dT vom Thermogenerator reversibel aufgenommenen Wärmemenge zu
der irreversibel aufgenommenen Wärmemenge ist bei den besten heute zur Verfügung
stehenden thermoelektrischen Generatoren nicht größer als 0,6 bis 0,7, d. h., ein
wesentlicher Teil der der heißeren Kontaktstelle des Thermoelements zugeführten
Wärmemenge wird durch Wärmeleitung verbraucht und geht für die Umwandlung in elektrische
Energie verloren. Hinzu kommt, daß die bekannten günstigen Thermopaare nur in einem
relativ kleinen Temperaturbereich ihre guten thermoelektrischen Eigenschaften besitzen.
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Eine entscheidende Verbesserung des Wirkungsgrades einer thermoelektrischen
Einrichtung, insbesondere eines Thermogenerators oder auch eines zur Kühlung bzw.
Heizung dienenden Peltierelements ist nur dann zu erwarten, wenn es gelingt, das
Verhältnis der reversibel zur irreversibel aufgenommenen Wärmemenge wesentlich größer
als Eins zu machen. Voraussetzung hierfür ist die Verringerung der nutzlosen Ableitung
von Wärme in den Thermoschenkeln.
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Es ist bekannt, die Wärmeleitung in einer thermoelektrischen Einrichtung
dadurch zu verringern, daß man die Kristallgitter der die Thermoschenkel der Einrichtung
bildenden Substanzen etwa durch Einbau von Neutralatomen oder durch Mischkristallbildung
beeinflußt und dadurch die Wärmeleitfähigkeit des Kristallgitters herabsetzt. Weiterhin
wurde durch den Erfinder bereits vorgeschlagen, die thermoelektrischen Materialien
zu pulverisieren und die zwischen den einzelnen Körnern durch den wellenmechanischen
Tunneleffekt bedingte elektrische Leitfähigkeit auszunutzen.
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Die Erfindung schlägt einen neuen Weg zur Ausschalteng der Gitterwärmeleitfähigkeit
und damit zur Erhöhung des Nutzeffektes der Energieumwandlung von Wärme in elektrische
Energie bei einer zur Ausnützung der thermoelektrischen Effekte dienenden Einrichtung,
bei der also im Betrieb zwischen der heißen und der kalten Kontaktstelle eine Thermospannung
erzeugt wird oder bei Anlegen einer Spannung sich die Kontaktstellen erwärmen bzw.
abkühlen, vor. Dies wird erfindungsgemäß durch eine konstruktive Veränderung des
Aufbaus einer thermoelektrischen Einrichtung gegenüber dem bisher bekannten und
durch die Ausnützung bekannter Effekte wie die thermische Elektronenemission bzw.
die elektrische Leitfähigkeit ionisierter Gasstrecken erreicht. Es ist ein wesentliches
Kennzeichen der Erfindung, daß in wenigstens einem Schenkel die heiße Kontaktstelle
mit der kalten Kontaktstelle über eine leitfähig gemachte Gas- oder Vakuumstrecke
verbunden ist. Dabei tritt bei Ausnützung des Peltiereffektes, wenn die Stromrichtung
dieselbe wie die des bei einer Temperaturdifferenz fließenden Thermostromes ist,
die Abkühlung an der vorher »heißen« Kontaktstelle auf, während die vorher »kalte«
Kontaktstelle aufgeheizt wird. Dabei kann die elektrische Verbindung der beiden
durch die Gas- bzw. Vakuumstrecke voneinander getrennten thermoelektrischen Materialien,
z. B. durch thermische Emission von Elektronen, erfolgen. Dabei wird die Gasstrecke
etwa von einem evakuierten Gefäß gebildet, wobei eine Elektronen emittierende Fläche
mit der heißen Kontaktstelle dieses Schenkels möglichst gut wärmeleitend verbunden
ist. Im Betrieb hat dann diese Emissionsfläche, die im wesentlichen von demselben
thermoelektrischen Material wie das in diesem Schenkel an der heißen Kontaktstelle
anliegende thermoelektrsche
Material gebildet ist, praktisch die
gleiche Temperatur wie die heiße Kontaktstelle.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin vorgeschlagen, die elektrische Leitfähigkeit
der Gas- bzw. Vakuumstrecke durch Ionisation zu erzeugen. Außerdem können auch,
wie dies bei höheren Betriebstemperaturen allgemein der Fall sein wird, beide Effekte
gleichzeitig wirksam sein. Die Ionisation der Gas- bzw. Vakuumstrecke hat den Vorteil,
daß die Stromrichtung nicht durch die Richtung der Elektronenbewegung festgelegt
ist, so daß diese Anordnung durch Ausnützung des Peltiereffekts auch zur thermoelektrischen
Kühlung bzw. Heizung verwendbar wird.
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Der angestrebte Zweck, nämlich den Betrag der der heißen Kontaktstelle
irreversibel zugeführten Wärmemenge durch Herabsetzung der Gitterwärmeleitfähigkeit
zu verringern, ist somit erreicht. Die Gas- bzw. Vakuumstrecke wirkt als elektrisch
leitendes Material, dessen Gitterwärmeleitfähigkeit praktisch Null ist und dessen
Thermokraft durch das Material der beiden einander gegenüberstehenden, durch die
Gas- oder Vakuumstrecke elektrisch miteinander verbundenen Platten gegeben ist.
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Eine nähere Erläuterung des Erfindungsgedankens und weitere Einzelheiten
der Erfindung werden durch die nun folgende Beschreibung der Figuren gegeben.
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Die Fig. 1 zeigt eine Ausführung einer thermoelektrischen Einrichtung
gemäß der Erfindung. Ein wesentliches Merkmal dieses neuartigen Thermoelements ist,
daß in einem Gas- oder Vakuumgefäß 11 zwei Elektroden mit einander etwa parallel
liegenden Flächen in geringem Abstand voneinander angeordnet sind und daß wenigstens
die eine mit der heißen Kontaktstelle bzw. bei der Verwendung als Peltieranordnung
mit der kalten Kontaktstelle in Berührung stehende, insbesondere aus thermoelektrischem
Material bestehende Elektrode 4 und gegebenenfalls auch die dieser gegenüberliegende
Elektrode 3 mit einem etwa der Größe der Emissionsfläche entsprechenden Querschnitt
durch die Wandung des Gefäßes hindurchgeführt ist. Ein Schenkel wird z. B. durch
die Platten 3 und 4 gebildet, der andere Schenkel ist mit 6 bezeichnet. Ein Metallrohr
5, durch das z. B. ein Dampfstrom geleitet werden kann, hält die Kontaktstelle 1,
8 auf einer konstanten Temperatur T1, die höher als die Temperatur To der Kontaktstelle
9, 10 ist. Es kann außerdem auch die ganze Einrichtung in einem Gas- oder Vakuumgefäß
oder auch in Luft angeordnet sein.
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Befinden sich z. B. die Platte 4 des einen Schenkels und das eine
Ende 8 des anderen Schenkels auf hinreichend hoher Temperatur T1, dann werden infolge
thermischer Emission Elektronen aus der heißeren Platte 4 austreten und zur kälteren
Platte 3 belangen können. Ist die kältere Platte 3 mit dem kälteren Ende 10 des
anderen Schenkels leitend verbunden, dann fließt ein Strom durch diese thermoelektrische
Einrichtung Die Größe dieses Stroms ist nach dem Richardsonschen Gesetz abhängig
von der Temperatur T1, der Austrittsarbeit # aus der heißeren Platte der emittierenden
Fläche und der elektrischen Feldstärke zwischen den beiden Platten.
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I = A' T2 ₧ e-eo z/kT.
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Dabei ist die Konstante A' abhängig von den geometrischen Abmessungen
der emittierenden Elektrode. e0 ist die Elementarladung und k die Boltzmannkonstante.
Die Thermospannung U, die zwischen den beiden Kontaktstellen, die sich auf verschiedenen
Temperaturen befinden, wirksam ist, wirkt als Saugspannung. Sie ist bekanntlich
gegeben durch U=E(Ti-To), wobei s die differentielle Thermokraft der beiden Materialien,
aus denen die Schenkel bestehen, ist.
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Die gesamte elektrische Energie dieser Anordnung ist durch das Produkt
U ₧ I gegeben. Da die Thermospannung durch die Temperaturdifferenz und außerdem
auch noch durch die differentielle Thermokraft bestimmt ist, ist es günstig und
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Platten 3 und 4 des Schenkels und den anderen
Schenkel 6 aus Materialien herzustellen, die eine große Thermokraft gegeneinander
besitzen. Dies sind z. B. vor allem dotierte Halbleiter, die erst bei hoher Temperatur
eigenleitend werden, wie dotierter Graphit, dotiertes Siliziumkarbid mit n-Leitungscharakter
und Silizium. Außerdem können auch AIIIBV- Verbindungen mit Vorteil verwendet werden.
Man kann den Schenkel 6 erfindungsgemäß auch aus einem beliebigen Metall herstellen,
wenn der aus den Platten 3 und 4 gebildete Schenkel eine hinreichend große Thermokraft
gegen das Metall hat.
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Weiterhin kann man erfindungsgemäß die kältere Platte 3 aus beliebigem
Material, insbesondere aus dem gleichen thermoelektrischen Material wie das an der
heißen Kontaktstelle 8 anliegende thermoelektrische Material machen. Die Kontaktstelle
zwischen den beiden Schenkeln der thermoelektrischen Einrichtung, die die Temperatur
To hat, ist dann die Grenzfläche der kälteren Platte 3 mit dem gasgefüllten Zwischenraum
2.
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Der Strom I ist von der Elektronenaustrittsarbeit gemäß dem Richardsonschen
Gesetz abhängig. Durch einen sehr dünnen, d. h. die Thermokraft des Schenkels praktisch
nicht beeinflussenden Überzug auf der Oberfläche der Elektronen emittierenden Platte
und gegebenenfalls auch der dieser gegenüberliegenden Platte mit geeigneten, von
den Oxydkathoden her bekannten Substanzen läßt sich die Austrittsarbeit und damit
der Thermostrom in weiten Grenzen variieren.
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Zur Vermeidung von Strahlungsverlusten der heißeren Platte kann man
erfindungsgemäß diesen Schenkel auch aus drei oder mehr Platten aufbauen, zwischen
denen dann entsprechend kleinere Temperaturdifferenzen bestehen.
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Erfindungsgemäß kann die elektrische Leitfähigkeit der Strecke 2 auch
durch Ionisation eines Gases, das sich in einem z. B. die beiden Platten 3 und 4
einschließenden Vakuumgefäß befindet, erzielt werden. Der Gasdruck kann dabei zwischen
Hochvakuum und atmosphärischem Druck variieren. Insbesondere kann auch bei einem
Überdruck von mehreren Atmosphären gearbeitet werden, um eine Verkürzung der Reichweite
der ionisierenden Strahlung zu erzielen.
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Ersetzt man nun das Instrument 7 in Fig. 1 durch eine Spannungsquelle,
die so gepolt ist, daß die Stromrichtung dieselbe wie die des vorher fließenden
Thermostromes ist, so kühlt sich die Kontaktstelle 1 bzw. 8 (also die bei der Verwendung
als Thermogenerator heiße Kontaktstelle) ab, während sich die Kontaktstelle 9 bzw.
10 (also die bei der Verwendung als Thermogenerator kalte Kontaktstelle) erwärmt.
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Die Ionisation des Gases kann mit den verschiedensten bekannten Mitteln
erzielt werden. Dies sind z. B. alle Arten ionisierender Strahlung, z. B.
a-, ,B-, y- und n-Strahlen oder durch Gasentladung (z. B. Hochfrequenzentladung),
-wie sie in den Ausführungsbeispielen angewendet wird. Von einem HF-Generator 13
wird über eine Spule 14, die außen das Vakuumgefäß 11
umgibt, eine
Gasentladung erzeugt. Außerdem kann die Ionisation z: B. auch durch Bestrahlung
mit- ultraviolettem Licht (Volumen- oder Oberflächenionisation), durch Sekundärelektronenemission
oder Feldemission erfolgen. Bei einem Druck von 1 bis 10 Torr lassen sich elektrische
Leitfähigkeiten des Gases von etwa 0,1 bis 1 Ohm-1 cm-1 erzielen, während die Wärmeleitfähigkeiten
dieses Gases nur etwa 10-7cal/°cm Sek. betragen.
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In der Fig.2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen
Einrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der beide Schenkel durch Gasstrecken
unterteilt sind und damit auch die Wärmeleitfähigkeit beider Schenkel wesentlich
herabgesetzt wird, d. h. der Nutzeffekt der Anordnung gegenüber dem einer Anordnung
nach Fig. 1 noch erhöht wird.
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Die Unterteilung in mehrere Platten 18, 19, 20, 21 bzw. 22, 23, 24,
25 ist, wie bereits weiter oben erwähnt wurde, zur Vermeidung von Strahlungsverlusten
günstig. Wird die elektrische Verbindung der Platten allein durch die thermische
Elektronenemission bewirkt, so hat die Unterteilung des Schenkels 6 keinen Sinn,
da die Elektronen nur aus der heißeren Platte austreten können (Gleichrichtereffekt).
Durch die Keramikscheiben 15 und 55, die mit Isolierstützen versehen sind, werden
die einzelnen Platten gehalten. Außerdem wird durch diese Scheiben und die Isolierstütze
16 ein abgeschlossenes Gefäß gebildet, in dem sich Vakuum oder Gas befindet, das
z. B. durch die HF-Spule 14 ionisiert wird. Die in der Fig. 2 dargestellte Anordnung
mit der ionisierten Gasstrecke hat den Vorteil, daß sie auch zur thermoelektrischen
Kühlung bzw. Heizung (Peltiereffekt) verwendbar ist. Fließt durch die Anordnung
ein durch die Spannungsquelle 17 bedingter Strom, so tritt je nach Stromrichtung
eine Abkühlung bzw. Erwärmung des Metallrohres 5 auf. Ist die Spannungsquelle 17
wie in der Fig. 2 gepolt, so wird die Metallplatte gekühlt. Polt man um, so wird
sie aufgeheizt.
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Bei einer Anordnung, wie sie z.B. in Fig. 2 dargestellt ist, kann
insbesondere auch die Kontaktstelle 21a, 25a durch den Peltiereffekt so hoch aufgeheizt
werden, daß aus den Platten 25; 24, 23 Elektronen durch Glühemission austreten und
die elektrische Leitfähigkeit der Gas- bzw. Vakuumstrecken dadurch erhöht wird.
Zur Erhöhung des Nutzeffektes dieser Einrichtung ist es also außerdem auch günstig,
die den Gas- bzw. Vakuumstrecken zugewandten Oberflächen der Platten 22, 23, 24
und 25 zur Verringerung der Austrittsarbeit auf bekannte Weise zu aktivieren.
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Man kann diese Anordnung aber auch als thermoelektrischen Generator
verwenden, dessen Wirkungsgrad durch die Unterteilung beider Schenkel gegenüber
dem der Anordnung nach Fig. 1 wesentlich erhöht wird.
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Die Fig. 3 zeigt eine rotationssymmetrisch aufgebaute thermoelektrische
Einrichtung; wobei der eine Schenkel aus drei konzentrischen Zylindern 27, 28, 29
gebildet ist. 40, 41, 42 und 43 sind Isolierstützen, z. B. aus Keramik. Das Metallrohr
5 hat die Temperatur T1, die höher liegt als die Temperatur To der mit 44 bezeichneten
Flächen der anderen Schenkel 30 und 31, so daß das Meßinstrument 26 einen Thermostrom
anzeigt, die Anordnung also als Thermogenerator wirkt. Durch eine geeignete Ionisierungseinrichtung,
wie z. B. wieder durch eine Hochfrequenzspule 14, kann man auch diese Anordnung,
wenn man das Meßinstrument durch eine Batterie ersetzt, zur thermoelektrischen Kühlung
bzw. Heizung verwenden. Zur Herabsetzung der Austrittsarbeit können auch bei dieser
Anordnung die Zylinderoberflächen durch sehr dünne Fremdschichten aktiviert werden.
Durch diesen überzug sowie durch Wahl der Temperatur T1 und der Größe der Platten
bzw. der Zylinder und ihren Abstand voneinander läßt sich der elektrische Widerstand
der Schenkel dieser thermoelektrischen Einrichtung variieren. Der maximale Nutzeffekt
wird dann erreicht, wenn sich die beiden Schenkelwiderstände der thermoelektrischen
Einrichtung verhalten wie die Wurzel aus den entsprechenden Lorenzzahlen. Die Lorenzzahl
des ungeteilten Schenkels ist durch das Material, aus dem er besteht, bestimmt,
während die des geteilten Schenkels nur durch die Vakuum- bzw. Gasstrecke bestimmt
ist und gleich der Lorenzzahl Lo des Elektronengases ist (L0 = 2,5 ₧ 10-8V²/02).
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Der -maximale Nutzeffekt wird, wie sich aus theoretischen Betrachtungen
ergibt, erreicht für
wenn R1 der Widerstand des geteilten Schenkels ist. Mit Thermoschenkeln aus geeignetem
Halbleitermaterial, deren Thermokraft etwa 600 u V/° beträgt, V/° beträgt, kann
man mit einer Anordnung, wie sie z. B. in Fg. 3 dargestellt ist, bei einer Temperaturdifferenz
von 500° C zwischen den beiden Kontaktstellen einen Nutzeffekt bei der Umwandlung
von Wärme in elektriche Energie von etwa 25% erzielen.
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Die Fig. 4 zeigt eine rotationssymmetrisch aufgebaute Anordnung einer
thermoeleletrischen Einrichtung gemäß der Erfindung, bei der beide Schenkel aus
je drei konzentrischen Zylindern 49, 50, 51 bzw. 46, 47, 48 gebildet sind. 52, 53,
54 sind mit Halterungen versehene Isolierscheiben; z. B. aus Keramik. Hat das Metallrohr
5 z. B. die Temperatur T1 und die mit 33 bzw. 34 bezeichneten Flächen die Temperatur
T0, so fließt ein Strom, dessen Richtung davon abhängt, ob T0 kleiner als oder T0
größer als T1 ist. Im Ausführungsbeispiel fließt durch die Anordnung ein durch eine
Spannungsquelle 45 bedingter Strom, und man erhält bei der angegebenen Polung dieser
Quelle eine Abkühlung des Metallrohres 5. Polt man die Spannungsquelle um, so wird
das Metallrohr aufgeheizt. Durch die durch die Erfindung vorgeschlagene konstruktive
Maßnahme gelingt es, die Gitterwärmeleitfähiglkeit beider Schenkel praktisch auszuschalten
und damit die Vorteile der hohen Thermospannungen von Halbleitern mit dem Vorteil
der kleinstmöglichen Lorenzzahlen des Elektronengases zu verbinden. Bei einer differentiellen
Thermokraft, wie sie bei den bekannten halbleitenden Verbindungen auftritt, von
etwa 600 V/° ist es mit einer Anordnung der Fig. 4, wenn sie als Thermogenerator
arbeitet, möglich, bei einer Temperaturdifferenz von 500° C zwischen der heißen
und der kalten Kontaktstelle Wärme mit einem Nutzeffekt von etwa 30 bis 40°/a in
entnehmbare elektrische Energie umzuwandeln. Bei einer Anordnung, wie sie in den
Fig. 2 und 4 dargestellt ist, ist der sogenannte Arbeitsfaktor A gegeben durch Arbeitsfaktoren
da beide Lorenzzahlen durch die Vakuum- bzw. Gasstrecke bestimmt sind, also gleich
der des Elektronengases sind. Es lassen sich mit dieser Anordnung Werte für A von
10 bis 20' erreichen, während bisher nur bis zu 0',7 zur Verfügung standen. Eine
solche Anordnung, wenn sie als Kühlelement unter Ausnutzung des Peltiereffekts arbeitet,
macht
es möglich, einstufig von Zimmertemperatur auf 100° K abzukühlen.
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Der maximale Nutzeffekt, der mit einer solchen thermoelektrischen
Einrichtung zu erzielen ist, ergibt sich wieder für
wobei für die geteilten Schenkel L1 = L0 und L2 = L0 ist.
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Dieses Verhältnis wird für eine Einrichtung, bei der beide Schenkel
unterteilt sind, gleich Eins.
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Da die elektrische Leitfähigkeit der Gas- bzw. Vakuumstrecke auch
durch jede radioaktive Strahlung erzeugt werden kann, ergibt sich ein besonderes
Anwendungsgebiet für eine thermoelektrische Einrichtung gemäß der Erfindung für
die Energiegewinnung bei Atommeilern, weil hier diese Strahlung bei allen energieerzeugenden
Prozessen als Begleiterscheinung auftritt.