DE1501367C

DE1501367C - Device for controlling the heat exchange between a solid body and a flow medium or a second solid body

Info

Publication number: DE1501367C
Application number: DE19651501367
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Clark, James, Dayton, Ohio (V St A)
Priority date: 1964-02-18
Filing date: 1965-02-18
Publication date: 1973-02-15

Description

a) Die Strahlunga) The radiation

Photonen oder Lichtenergie können von einer Halbleitennaterie absorbiert werden, welche photoelektrische Eigenschaften aufweist, und diese Energie kann in eine elektromotorische Kraft umgewandelt werden. Diese Materie kann zusammen mit anderen Halbleiterstoffen zur Steuerung des Wärmetransports zu einem Körper hin verwendet werden, wie weiter unten beschrieben werden wird.Photons or light energy can be absorbed by a semiconductor material, which is photoelectric Has properties, and this energy can be converted into an electromotive force will. This material can be used together with other semiconductor materials to control the heat transport can be used towards a body, as will be described below.

b) Die Konvektionb) The convection

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Wärmeaustauschs zwischen einem festen Ein elektrisches Feld und der Gradient eines elekfrischen Feldes können zur Steuerung der Bewegung elektrisch geladener Teilchen verwendet werden, beispielsweise von Atomen, Ionen oder Elektronen, welche in einem Strömungsmittel vorhanden sind,The invention relates to a device for controlling the exchange of heat between a solid An electric field and the gradient of an electric field can be used to control movement electrically charged particles are used, for example atoms, ions or electrons, which are present in a fluid,

welches relativ zu einem anderen Strömungsmittel oder im Verhältnis zu einem festen Körper fließt.which flows relative to another fluid or in relation to a solid body.

c) Die Wärmeleitungc) The heat conduction

Die auf einem festen Körper voxliegenden elektrischen Ladungen können zur Steuerung der Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen verwendet werden, beispielsweise von Atomen, Ionen und Elektronen, welche in einem Strömungsmittel vorliegen, das relativ zu einem Körper strömt, wodurch die Steuerung des Wärmeaustausches zwischen dem fließenden Strömungsmittel und dem festen Körper ermöglicht wird. Ebenso können die Eigenschaften der Halbleiter zur Steuerung des Wärmeaustausches durch einen zusammengesetzten festen Körper hindurch verwendet werden.The electrical charges lying on a solid body can be used to control movement used by electrically charged particles such as atoms, ions and electrons, which are present in a fluid flowing relative to a body, thereby controlling the heat exchange between the flowing fluid and the solid body is enabled. Likewise, the properties of semiconductors can be used to control the heat exchange through a compound solid bodies can be used therethrough.

Nachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung an Hand der schematischen Zeichnungen beispielsweise beschrieben Es zeigtEmbodiments of the invention with reference to the schematic drawings are for example Described it shows

F i g. 1 eine erste Ausführungsart der Vorrichtung, F i g. 2 eine zweite Ausführungsmöglichkeit,F i g. 1 shows a first embodiment of the device, FIG. 2 a second option,

F i g. 3 die Bildung von Blasen auf einer Wärmeaustauschfläche in einer siedenden Flüssigkeit,F i g. 3 the formation of bubbles on a heat exchange surface in a boiling liquid,

Fig. 4 eine von einer Helmholtzschen Doppelschicht umgebene Blase,4 shows one of a Helmholtz double layer surrounding bladder,

F i g. 5 das Absinken einer Blase, bewirkt durch die Störung des Gleichgewichts der elektrischen Kräfte,F i g. 5 the sinking of a bladder caused by the disturbance of the electrical balance Forces,

Fig. 6a bis 6c schematisch und lediglich beispielsweise die Wirkung eines elektrischen Feldes, das in einem Gleichrichter aus Halbleitermaterial aufgebaut ist,6a to 6c schematically and only by way of example the effect of an electric field built up in a rectifier made of semiconductor material is,

F i g. 7, wie die in einem fließenden Strömungsmittel vorliegenden Elektronen die Polarisation einer Halbleiterschicht des P-Typs umkehren können, welche Teil einer P-N-Verbindung ist, um den Wärmetransport von einem Strömungsmittel zu einer Wärmeaustauschfläche hin zu vermindern,F i g. 7, how the electrons present in a flowing fluid change the polarization of a P-type semiconductor layer, which is part of a P-N junction, around the To reduce heat transport from a fluid to a heat exchange surface,

Fig. 8, wie man den Wärmetransport von einem fließenden Strömungsmittel zu einer Wärmeaustauschfläche hin vermindern kann, indem man eine P-N-Verbindung in umgekehrter Richtung polarisiert,Fig. 8 shows how the heat transfer from a flowing fluid to a heat exchange surface can be reduced by polarizing a P-N connection in the opposite direction,

Fig. 9 und 10, wie die thermische Leitfähigkeit erhöht werden kann, analog F i g. 8,FIGS. 9 and 10 show how the thermal conductivity can be increased, analogous to FIG. 8th,

Fig. 11 schematisch und lediglich beispielsweise einen PNP-Transistorverstärker,11 schematically and merely by way of example a PNP transistor amplifier,

Fig. 12 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die Eigenschaften eines Transistors zur Anwendung gelangen,Fig. 12 shows an embodiment of the invention Device in which the properties of a transistor are used,

Fig. 13 ein Analogon zu Fig. 4,FIG. 13 is an analogue to FIG. 4,

Fig. 14 einen Halbleiter, der mit einer Tammschen Außenfläche versehen ist,Fig. 14 shows a semiconductor with a Tammschen External surface is provided,

Fig. 15 ein Analogon zur Fig. 12, wobei das fließende Strömungsmittel siedet,FIG. 15 shows an analogue to FIG. 12, the flowing Fluid is boiling,

Fig. 16, wie ein Körper mittels einer photoelektrischen Zelle des Sperrschichttyps thermisch isoliert werden kann,Fig. 16, how a body by means of a photoelectric Barrier-type cell can be thermally isolated,

Fig. 17 und 18, wie der Wärmeübergang zwischen zwei Körpern gesteuert werden kann, indem zwischen diesen beiden Körpern ein Verbindungstransistor angebracht wird.17 and 18, how the heat transfer between two bodies can be controlled by between a connecting transistor is attached to these two bodies.

Bei F i g. 1 ist im Inneren eines Rohres 1 ein aerodynamischer Körper 2 angeordnet, welcher einem strömenden Gas oder einer strömenden Flüssigkeit ausgesetzt ist. Der Pfeil F gibt die Strömungsrichtung des Gases oder der Flüssigkeit an. Ein Träger 3 hält den Körper 2. Mit 4 ist eine veränderliche Hochspannungsquelle bezeichnet, welche mit dem Körper 2 und dem Rohr 1 verbunden ist. 6 gibt den Gradient des elektrischen Feldes an, dessen Kraftlinien zwischen dem Rohr 1 und dem Körper 2 gestrichelt eingezeichnet sind.At F i g. 1, an aerodynamic body 2 is arranged in the interior of a tube 1, which body is exposed to a flowing gas or a flowing liquid. The arrow F indicates the direction of flow of the gas or liquid. A carrier 3 holds the body 2. With 4 a variable high voltage source is indicated, which is connected to the body 2 and the tube 1. 6 indicates the gradient of the electric field, the lines of force between the tube 1 and the body 2 are shown in dashed lines.

Bestimmte Moleküle 5, welche entweder ein natürliches oder ein induziertes Dipolmoment aufweisen, werden durch das elektrische Feld ausgerichtet. Bewegt sich ein normales Molekül in einem elektrischen Feld, dann kann diesem Molekül ein Dipolmoment induziert werden. Da das elektrische Feld an der Oberfläche des Körpers 2 am stärksten ist, findet auch die stärkste Ausrichtung der Moleküle 5 in der begrenzten Strömungsmittelschicht statt, welche an den Körper 2 angrenzt. Diese Ausrichtung der Moleküle 5 bewirkt eine Änderung der örtlichen Viskosität in der begrenzten Schicht, deren thermische Leitfähigkeit sich ändert. Diese Änderung ist besonders stark ausgeprägt beim Wasser, weil ungefähr 25% der Moleküle des Wassers ein natürliches polares Moment aufweisen.Certain molecules 5, which have either a natural or an induced dipole moment, are aligned by the electric field. Moves a normal molecule in an electric one Field, a dipole moment can then be induced in this molecule. Since the electric field at the Surface of the body 2 is the strongest, also the strongest alignment of the molecules 5 takes place in the limited Fluid layer instead, which adjoins the body 2. This alignment of the molecules 5 causes a change in the local viscosity in the limited layer, its thermal conductivity changes. This change is particularly pronounced in water, because about 25% of the molecules of the water have a natural polar moment.

In F i g. 2 werden die im fließenden Strömungsmittel vorhandenen geladenen Teilchen 7 durch die Wärmeaustauschfläche entweder angezogen oder abgestoßen, je nach den elektrischen Ladungen, welche auf die Oberfläche des Körpers 2 aufgebracht sind. Die auf der Wärmeaustauschfläche vorliegenden elektrischen Ladungen können auch dazu verwendet werden, die in dem fließenden Strömungsmittel vorhandenen elektrisch geladenen Teilchen zu neutralisieren, und zwar vor ihrer elektrochemischen Wirkung auf die Wärmeaustauschfläche oder auf andere an der Oberfläche des Körpers 2 vorhandene Teilchen, auf welche Weise Wärme frei gemacht wird.In Fig. 2, the charged particles 7 present in the flowing fluid are caused by the Heat exchange surface either attracted or repelled, depending on the electrical charges which are applied to the surface of the body 2. The electrical Charges can also be used to remove those present in the flowing fluid to neutralize electrically charged particles, before their electrochemical effect on the heat exchange surface or other particles present on the surface of the body 2 which way heat is released.

Wenn ein elektrisch geladenes Teilchen bezüglich eines Gradienten eines elektrischen Feldes, wie in F i g. 1 dargestellt, beschleunigt wird, dann ist dieses Teilchen der Wirkung einer dynamischen Kraft unterworfen, welche der Größe der Ladung und der Beschleunigung sowie dem Quadrat der Größe des Gefälles des Feldgradienten proportional ist. Diese dynamische Kraft bewirkt eine Veränderung der Bewegung des Teilchens, welches Teil eines Strömungsmittels ist, das relativ zur Wärmeaustauschfläche fließt. Durch Einstellung und Steuerung der Stellung und der Form der Elektroden sowie der Höhe des angelegten Potentials kann man das Gefälle des Feldgradienten in der Nähe der Wärmeaustauschfläche verändern, was die Steuerung des Wärmeaustausches oder Wärmetransports erleichtert.When an electrically charged particle with respect to a gradient of an electric field, as in F i g. 1 is accelerated, then this particle is subjected to the action of a dynamic force, which of the size of the load and the acceleration as well as the square of the size of the gradient is proportional to the field gradient. This dynamic force causes a change in movement of the particle that is part of a fluid relative to the heat exchange surface flows. By setting and controlling the position and shape of the electrodes as well as the height of the applied Potential one can see the gradient of the field gradient in the vicinity of the heat exchange surface change, which facilitates the control of the heat exchange or heat transport.

Eine Veränderung des Zustandes eines Strömungsmittels oder eines festen Körpers ist von einer Veränderung der örtlichen elektrischen Ladungen begleitet. Wenn die Blasen 8 in einer siedenden Flüssigkeit auf der Wärmeaustauschfläche des Körpers 2 erscheinen, wie in F i g. 3 dargestellt, dann bildet sich eine örtliche Doppelschicht elektrischer Ladungen, welche unter dem Namen Helmholtzsche Schicht bekannt ist, um diese Blasen herum. F i g. 4 zeigt eine derartige, von einer Helmholtzschen Schicht umgebene Blase, wobei ein Teil dieser Schicht sich auf der Wärmeaustauschfläche des Körpers 2 in Form einer Raumladung befindet.A change in the state of a fluid or solid is a change accompanied by local electrical charges. When the bubbles 8 in a boiling liquid appear on the heat exchange surface of the body 2 as shown in FIG. 3 then forms a local double layer of electrical charges, known as the Helmholtz layer is to get these bubbles around. F i g. 4 shows such a layer surrounded by a Helmholtz layer Bladder, part of this layer being on the heat exchange surface of the body 2 in the form of a Space charge is located.

Dies Phänomen konnte auch während der Kondensation beobachtet werden, wenn ein Flüssigkeitströpfchen auf der Wärmeaustauschfläche gebildet wird. Eine rund um eine Flüssigkeitsblase herum ge-This phenomenon could also be observed during condensation when a liquid droplet formed on the heat exchange surface will. An around a liquid bubble

bildete klassische Helmholtzsche Doppelschicht ist im einzelnen in dem Buch »Static Electrification« von Leonhard B. Leob, Springer-Verlag, Berlin, 1958, auf den Seiten 20 bis 32 und 66 bis 80 beschrieben.formed classic Helmholtz double layer is im individual in the book "Static Electrification" by Leonhard B. Leob, Springer-Verlag, Berlin, 1958, on pages 20 to 32 and 66 to 80.

In Fig. 4 bezeichnet 9 ein Wassermolekül mit einem polaren Moment; 10 ist ein negatives OH-Ion; 11 ist ein Proton und 12 ein positives Ion.In Fig. 4, 9 denotes a water molecule a polar moment; 10 is a negative OH ion; 11 is a proton and 12 is a positive ion.

Es konnte festgestellt werden, daß durch Aufbringen eines Spannungsgradienten zwischen der Elektrode 1 und der Wärmeaustauschfläche des Körpers 2, welcher durch eine auf dieser Austauschfläche gebildete Blase oder ein Kondensationströpfchen 8 hindurchläuft, eine stark ausgeprägte Störung des Gleichgewichtes zwischen dem Teil der Helmholtzschen Doppelschicht, welche sich auf dem äußeren Teil der Blase befindet, und dem Teil der Schicht bewirkt wird, welcher zwischen der Blase und der Wärmeaustauschfläche liegt, wie in F i g. 5 dargestellt. Diese Störung des Gleichgewichtes der elektrischen Kräfte bewirkt das Absinken großer Blasen auf die Wärmeaustauschfläche, was einer größeren benetzten Fläche der Wärmeaustauschfläche in der Zeiteinheit entspricht. Der Wärmetransport oder -austausch zwischen einem Strömungsmittel und einem festen Körper hängt von der Elektronen- und Phononenleitung ab. So bewirkt die Vergrößerung der Berührungsfläche und die Verminderung des elektrischen Widerstandes der Trennfläche zwischen Strömungsmittel und festem Körper eine Vergrößerung der örtlichen thermischen Leitfähigkeit. Das angelegte elektrische Feld neutralisiert die Raumladung, welche an die Wärmeaustauschfläche angrenzt, wie in F i g. 4 dargestellt, was ein Absinken der großen Blasen bewirkt, und was dann einen stärkeren Phononen- und Elektronentransport durch die Trennfläche von Strömungsmittel und festem Körper zur Folge hat. Eine Steigerung der direkten Elektronenwanderung durch die Trennfläche hindurch als Folge des angelegten elektrischen Feldes bewirkt eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit, weil dieser elektrische Strom ebenfalls einen Transport der thermischen Energie bewirkt. Anders gesagt, weist der Anteil der Trennfläche, dessen Widerstand sich verändert hat, die Kennzeichen eines Halbleiters auf.It was found that by applying a voltage gradient between the electrode 1 and the heat exchange surface of the body 2, which is formed by a formed on this exchange surface Bubble or a condensation droplet 8 runs through, a very pronounced disturbance of the equilibrium between the part of the Helmholtz double layer, which is on the outer part of the Bubble is located, and that part of the layer is effected which is between the bubble and the heat exchange surface lies, as in FIG. 5 shown. This disturbance of the equilibrium of electrical forces causes large bubbles to sink onto the heat exchange surface, resulting in a larger wetted area corresponds to the heat exchange area in the unit of time. The heat transfer or exchange between a fluid and a solid depends on the conduction of electrons and phonons away. This causes an increase in the contact area and a decrease in electrical resistance the interface between fluid and solid body increases the local thermal conductivity. The applied electric field neutralizes the space charge which is transmitted to the Adjacent heat exchange surface, as shown in FIG. 4 shows what causes the large bubbles to sink, and what then is a stronger phonon and electron transport through the interface of fluid and solid body. An increase in the direct migration of electrons through the Separation surface through it as a result of the applied electric field causes an increase in the thermal Conductivity, because this electrical current also transports thermal energy causes. In other words, the portion of the interface whose resistance has changed has the Characteristics of a semiconductor.

Die thermische Leitfähigkeit durch einen Halbleiter hindurch beruht auf der Leitung von Phononen (Kristallgitter) k_ph und auf der Leitung von Elektronen k_e. Demzufolge ergibt sich für die thermische Gesamtleitfähigkeit The thermal conductivity through a semiconductor is based on the conduction of phonons (crystal lattice) k _ph and on the conduction of electrons k _e . This results in the overall thermal conductivity

^k = Kh + K ■ ^k = Kh + K ■

Durch geeignete Wahl der Halbleitermaterien kann das gewünschte Verhältnis zwischen k_pll und k_c erhalten werden. Beispielsweise kann bei einer Halbleitermaterie mit einer starken Konzentration an Ladungsträgern der Wert von k_e beinahe gleich dem Wert von k_nh sein. Man kann auch den Wert von k_p/l vermindern, indem man ein Kristallgitter verwendet, das aus zwei verschiedenen Atomen zusammengesetzt ist, oder ein Kristallgitter benutzt, welches eine verminderte Symmetrie aufweist. Bei diesen halbleitenden Stoffen ist es ebenfalls möglich, eine reziproke Wirkung zwischen den Phononen und den Elektronen zu erzielen, derart, daß sich eine Variation der Phononenströmung ergibt, welche die thermische Energie transportieren. Dieses Phänomen ist in der Veröffentlichung »Semi-conductors« von Jan Tanc, Pergamon Press, 1962, auf den Seiten 50 bis 53, und in der Veröffentlichung »Thermoelectricity« von Rober R. Heikes und Roland W. Ure, Tr., Intersicience Publishers, 1961, auf den Seiten 91 bis 118 beschrieben. Aus vorstehendem ergibt sich, daß eine bedeutende Änderung der thermischen Leitfähigkeit bei den halbleitenden Stoffen bewirkt werden kann, welche geeignete Kennzeichen aufweisen. Da diese Stoffe dazu verwendet werden, die Verbindungen in einer Diode The desired ratio between k _pll and k _c can be obtained through a suitable choice of semiconductor materials. For example, in the case of a semiconductor material with a high concentration of charge carriers, the value of k _{e can be} almost equal to the value of k _nh . One can also reduce the value of k _{p / l} by using a crystal lattice which is composed of two different atoms or a crystal lattice which has a reduced symmetry. With these semiconducting substances it is also possible to achieve a reciprocal effect between the phonons and the electrons in such a way that there is a variation in the phonon flow which transport the thermal energy. This phenomenon is in the publication "Semi-conductors" by Jan Tanc, Pergamon Press, 1962, on pages 50 to 53, and in the publication "Thermoelectricity" by Rober R. Heikes and Roland W. Ure, Tr., Intersicience Publishers , 1961, on pages 91-118. It follows from the above that a significant change in the thermal conductivity can be brought about in the semiconducting materials which have suitable characteristics. Because these substances are used to make the connections in a diode

ίο oder einem Transistor zu bilden, kann man eine bemerkenswerte Änderung der thermischen Leitfähigkeit durch diese zusammengesetzten Halbleiter hindurch mittels elektrischer Hilfskreise erzielen, welche eine direkte oder inverse Polarisation vermitteln. Ein Halbleiter mit einer schwachen Kristallgitter-Leitfähigkeit (Phononen) und einer guten Stabilität bei Temperaturen zwischen 800 und 1600° K besteht aus einer Materie des N-Typs CbS₁ J_{5-1 so} und aus einer Materie des P-Typs ThS₁₎₇₁.₁₇₆. 'ίο or a transistor, one can achieve a remarkable change in thermal conductivity through these composite semiconductors by means of electrical auxiliary circuits, which convey a direct or inverse polarization. A semiconductor with a weak crystal lattice conductivity (phonons) and good stability at temperatures between 800 and 1600 ° K consists of a material of the N-type CbS ₁ J _{5-1 so} and of a material of the P-type ThS _{1) 71} . ₁₇₆ '

Einige Anwendungen der halbleitenden Stoffe bei der Steuerung des Wärmetransports werden im folgenden beschrieben.Some applications of the semiconducting materials in the control of the heat transport are in the following described.

In F i g. 6 a ist eine P-N-Verbindung dargestellt, welche zwischen zwei Schichten aus halbleitender Materie gebildet ist, von denen die eine vom P-Typ Löcher bzw. Fehlstellen im Überschuß enthält, während die andere vom N-Typ Elektronen im Überschuß aufweist. Wenn diese Verbindung in direkter Richtung polarisiert ist, wie in F i g. 6 b dargestellt, dann fließt ein elektrischer Strom durch diese Verbindung. Wenn dagegen diese Verbindung in inverser Richtung polarisiert ist, wie in F i g. 6 c dargestellt, dann fließt lediglich ein schwacher Strom durch diese Verbindung. Diese Eigenschaften können dazu benutzt werden, die thermische Leitfähigkeit durch einen Körper hindurch zu steuern, der aus halbleitenden Stoffen zusammengesetzt ist.In Fig. 6 a shows a P-N connection between two layers of semiconducting Matter is formed, of which one of the P-type holes or voids in excess contains, while the other of the N-type has excess electrons. If this connection in direct Direction is polarized, as in FIG. 6 b, then an electric current flows through this connection. If, on the other hand, this connection is polarized in the inverse direction, as shown in FIG. 6 c shown, then only a weak current flows through this connection. These properties can be used for this be able to control the thermal conductivity through a body made of semiconducting Composed of substances.

In F i g. 7 ist eine P-N-Verbindung gezeigt. Die in dem fließenden Strömungsmittel vorliegenden Elektronen 13 werden dazu verwendet, die Polarität der Schicht vom P-Typ umzukehren und so die thermische Leitfähigkeit zwischen dem fließenden Strömungsmittel und der Wärmeaustauschfläche 14 auf ein Minimum zu verringern.In Fig. 7 shows a P-N connection. The electrons present in the flowing fluid 13 are used to reverse the polarity of the P-type layer and so the thermal Conductivity between the flowing fluid and the heat exchange surface 14 decrease to a minimum.

Der Wärmetransport vom fließenden Strömungsmittel zur Wärmeaustauschfläche 14 hin kann zum anderen auch dadurch vermindert werden, daß eine P-N-Verbindung mittels einer Batterie 15 in inverser Richtung polarisiert wird, wie in F i g. 8 dargestellt.The heat transfer from the flowing fluid to the heat exchange surface 14 can be to the others are also reduced by a P-N connection by means of a battery 15 in inverse Direction is polarized as shown in FIG. 8 shown.

Dasselbe Prinzip kann dazu verwendet werden, die thermische Leitfähigkeit zwischen dem fließenden Strömungsmittel und der Wärmeaustauschfläche 14 zu erhöhen, indem eine N-P-Verbindung in direkter Richtung polarisiert wird, wie in F i g. 9 dargestellt.The same principle can be used to determine the thermal conductivity between the flowing Increase fluid and heat exchange surface 14 by making an N-P connection in direct Direction is polarized as shown in FIG. 9 shown.

Die thermische Leitfähigkeit zwischen der Wärmeaustauschfläche 14 und dem fließenden Strömungsmittel kann erhöht werden, indem die P-N-Vcrbindung in direkter Richtung polarisiert wird, wie in Fig. 10 dargestellt. Ein Vergleich der Fig. 9 und 10 zeigt, daß die Richtung der höchsten thermischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Reihenfolge gesteuert werden kann, in welcher eine Schicht des P-Typs und eine Schicht des N-Typs auf der Wärmeaustauschfläche 14 angeordnet sind, und von der Art, in welcher sie polarisiert sind. Aus den F i g. 6, 9 und 10 ergibt sich, daß die Komponente k_e der thermischen Leitfähigkeit von einem Höchstwert aus in einer gegebenen Richtung bis zu einem MindestwertThe thermal conductivity between the heat exchange surface 14 and the flowing fluid can be increased by polarizing the PN junction in the direct direction, as shown in FIG. A comparison of Figs. 9 and 10 shows that the direction of the highest thermal conductivity can be controlled depending on the order in which a P-type layer and an N-type layer are arranged on the heat exchange surface 14 and from the way in which they are polarized. From the F i g. 6, 9 and 10 it results that the component k _{e of} the thermal conductivity from a maximum value in a given direction to a minimum value

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in derselben Richtung dadurch verändert werden oder eines Tropfens kann man sie so verformen, daß kann, daß die direkte Polarisation in eine inverse ihre Beförderung bewirkt wird, so daß sich eine ErPolarisation umgewandelt wird. Die Größe der ther- höhung ihrer Berührung mit der Wärmeaustauschmischen Leitfähigkeit kann auch dadurch gesteuert fläche und eine Erhöhung des Wärmeaustauschwerden, daß die Polarisation verändert wird. 5 koeffizienten ergibt. Ein Verfahren, welches die Zer-can be changed in the same direction or a drop can be deformed so that can that the direct polarization is caused in an inverse its transport, so that an ErPolarization is converted. The magnitude of the increase in their contact with the heat exchange mixing Conductivity can also be controlled by area and an increase in heat exchange, that the polarization is changed. 5 coefficients results. A process that

Die Eigenschaften der Halbleiter können dazu ver- störung des Gleichgewichtes zwischen den elektri-The properties of semiconductors can disturb the equilibrium between the electrical

wendet werden, den Wärmetransport oder -austausch sehen Ladungen einer eine Blase oder ein TröpfchenThe heat transport or exchange see charges of a bubble or a droplet

zwischen einem Strömungsmittel und einem festen umgebenden Doppelschicht ermöglicht, besteht darin,between a fluid and a solid surrounding double layer, consists in

Körper dadurch zu steuern, daß die festen Körper diese Doppelschicht der Wirkung einer anderen Dop-To control bodies by the fact that the solid bodies this double layer of the action of another dop-

mit Schichten aus halbleitenden P-N-P- oder N-P-N- io pelschicht zu unterwerfen, beispielsweise der Wirkungwith layers of semiconducting P-N-P or N-P-N- io pelschicht to subject, for example, the effect

Materien bedeckt werden und dadurch der ther- einer mit der Oberfläche eines Halbleiters verbunde-Materials are covered and thereby the thermal bond is connected to the surface of a semiconductor.

mische Fluß von Elektronen durch die Verbindun- nen Doppelschicht, wie in Fig. 14 dargestellt. DerMix flow of electrons through the compound bilayer, as shown in FIG. the

gen gesteuert wird. Zu diesem Zwecke werden diese Zustand dieser sogenannten Tammschen Oberflächegen is controlled. For this purpose these states become what is known as Tamm's surface

Verbindungen entweder in direkter oder in inverser ist in der Veröffentlichung »The Electrochemistry ofConnections either in direct or in inverse is in the publication "The Electrochemistry of

Richtung polarisiert, und die Größe des Polarisations- 15 Semiconductors« von P. J. Holmes, AcademicDirection polarized, and the size of the polarization "15 Semiconductors" by P. J. Holmes, Academic

stromes wird gesteuert. Press, 1962, auf den Seiten 74 bis 96 beschrieben. Inelectricity is controlled. Press, 1962, pages 74-96. In

Zur Erläuterung sei zuerst der elektrische Kreis Fig. 14 ist die Tammsche Oberfläche 22 mit einer eines Transistors betrachtet, wie er in Fig. 11 wie- Doppelschicht elektrischer Ladungen versehen. Die dergegeben ist. Es handelt sich um einen Transistor- Außenschicht 21 enthält Elektronen, und die Innenverstärker, dessen Basis durch eine Batterie 16 in di- 20 schicht 18 trägt positive Raumladungen,
rekter Richtung polarisiert ist. Wird die Polarität der Die Elektronen 19 sind Teil des Valenzbandes. Die Basis in bezug auf den Emitter geändert, so daß diese Oberfläche 20 ist Teil eines Halbleiters des N-Typs. Basis in inverser Richtung polarisiert ist, dann hört Verwendet man einen Halbleiter des P-Typs, dann ist der vom Kollektor zum Emitter gerichtete Elektro- die Außenfläche 21 positiv. Die Wahl des Halbleinenstrom auf zu fließen. 25 tertyps hängt von der Polarität der AußenladungenFor explanation, let us first consider the electrical circuit in FIG. 14, the Tamm surface 22 is considered with one of a transistor, as it is provided in FIG. 11 as double layer of electrical charges. Which is given. It is a transistor - outer layer 21 contains electrons, and the internal amplifier, whose base is through a battery 16 in layer 18 carries positive space charges,
polarized in the right direction. The electrons 19 are part of the valence band. The base with respect to the emitter changed so that this surface 20 is part of an N-type semiconductor. The base is polarized in the inverse direction. If a P-type semiconductor is used, then the electrical surface 21 directed from the collector to the emitter is positive. The choice of half-linen electricity to flow on. 25 tertyps depends on the polarity of the external charges

Die in einem fließenden Strömungsmittel vorhan- der Helmholtzschen Doppelschicht ab, welche einerThe Helmholtz double layer present in a flowing fluid, which one

denen elektrischen Ladungen, welche an einen festen Blase oder einem Tröpfchen zugeordnet ist. Durchthose electrical charges which are assigned to a solid bubble or droplet. Through

Körper angrenzen, können einen »Verbrauchsbereich« geeignete Wahl der Polarität der Außenschicht 21Bodies can adjoin a »consumption area«, a suitable choice of the polarity of the outer layer 21

bilden, wie in Fig. 12 gezeigt. Die Batterie 16 dient kann eine Reaktion oder eine Neutralisation mit denas shown in FIG. The battery 16 can be used to react or neutralize with the

dazu, eine direkte Polarisation zwischen der Schicht 30 Außenladungen erzielt werden, welche auf der einento achieve a direct polarization between the layer 30 external charges, which on the one hand

des N-Typs der Basis und der Schicht des, P-Typs Seite einer Dampfblase vorliegen, die auf der Außen-the N-type of the base and the layer of the, P-type side of a vapor bubble are present on the outer

des Emitters aufrechtzuerhalten. Die Batterie 15 bil- fläche eines Halbleiterüberzuges auf der Wärmeaus-of the emitter. The battery 15 forms a semiconductor coating on the heat

det die Hauptquelle der Elektronen, welche von der tauschfläche 14 gebildet ist, wie in Fig. 15 dargestellt.The main source of electrons formed by the exchange surface 14, as shown in FIG. 15, is the main source of electrons.

Schicht des P-Typs des Kollektors zu der Schicht des Der Einfachheit halber ist die Dampfblase 18 inLayer of the P-type collector to the layer of For simplicity, the vapor bubble 18 is in

P-Typs des Emitters laufen. Bestimmte Elektronen, 35 einem gewissen Abstand von der Außenfläche 20 derP type of emitter run. Certain electrons, 35 a certain distance from the outer surface 20 of the

welche den thermischen Fluß von der Wärmeaus- Halbleiterschicht dargestellt. Tatsächlich findet diewhich shows the thermal flux from the heat from the semiconductor layer. In fact, the

tauschfläche 14 zum fließenden Strömungsmittel hin vorstehend beschriebene Reaktion während der BiI-exchange surface 14 to the flowing fluid towards the above-described reaction during the BiI-

übertragen, können denselben Weg nehmen wie die dung der Dampfblase 8 auf der Oberfläche 20 statt.transferred, can take the same path as the formation of the vapor bubble 8 on the surface 20 instead.

Elektronen, welche durch die Batterie 15 geliefert Man kann die Außenschicht der elektrischen Ladun-Electrons supplied by the battery 15. The outer layer of the electrical charge

werden. Unter bestimmten Bedingungen kann die 40 gen 21 aufbrechen und deren Größe und Gradientwill. Under certain conditions, the 40 gen 21 can break up and their size and gradient

Schicht vom P-Typ des Kollektors die Wärmeaus- steuern, indem man eine Außenelektrode P (E) be-P-type layer of the collector that controls the heat by placing an outer electrode P (E)

tauschfläche bilden, um die in Fig. 12 gezeigte halb- nutzt, welche an den Kreis des Transistors angeschlos-Form exchange surface to half-use the one shown in Fig. 12, which is connected to the circuit of the transistor.

leitende Struktur zu vereinfachen. sen ist und Teil dieses Transistors ist, wie die Elek-to simplify governing structure. sen and is part of this transistor, like the elec-

Wenn das fließende Strömungsmittel siedet oder trodeP(E) in Fig. 12. Das in Fig. 12 dargestellteWhen the flowing fluid is boiling or trodeP (E) in FIG. 12. That shown in FIG

im Falle der Kondensation dieses Strömungsmittels, 45 System ist zum Wärmetransport bestimmt, wenn dasin the case of condensation of this fluid, 45 system is designed for heat transport, if that

kann die Reaktion zwischen der Helmholtzschen Strömungsmittel sich nicht im Siedezustand befindetthe reaction between the Helmholtz fluids is not in the boiling state

Doppelschicht, welche eine Blase oder ein Tröpfchen oder wenn keine Kondensation zwischen einem flie-Double layer, which is a bubble or a droplet or if there is no condensation between a flowing

umgibt, und einer Doppelschicht elektrischer Ladun- ßenden Strömungsmittel und einem festen Körpersurrounds, and a double layer of electrical charge-end fluid and a solid body

gen, welche an eine halbleitende Oberfläche angren- stattfindet, während das in Fig. 15 wiedergegebenegenes which adjoin a semiconducting surface, while that shown in FIG

zen, dazu benutzt werden, um große Blasen oder 50 System für den Wärmetransport im Fall eines sieden-zen, used to create large bubbles or 50 systems for heat transfer in the event of a boiling point.

große Tropfen auf der Wärmeaustauschfläche 14 zu den oder eines kondensierenden Strömungsmittelslarge droplets on the heat exchange surface 14 to the or a condensing fluid

zerstören, wie in den Fig. 13, 14 und 15 dargestellt. vorgesehen ist.as shown in FIGS. 13, 14 and 15. is provided.

In Fig. 13 ist ein System von Molekülen 9 mit einem Man kann eine photoelektrische Zelle 23 des polaren Moment dargestellt, von negativen OH-Ionen Sperrschichttyps mit einem in direkter Richtung po-10, negativen Ionen 17 einer Verunreinigung, von 55 larisierten PNP-Transistor kombinieren, wie in positiven Ionen 25 einer Verunreinigung und von Fig. 16 dargestellt. Wird die photoelektrische Zelle Protonen 11, die um die Oberfläche einer Dampf- durch eine Lichtquelle E beleuchtet, dann werden blase herum angeordnet sind, wie in der vorstehend Elektronen in der Halbleiterschicht des N-Typs geschon erwähnten Veröffentlichung »Static Electrifi- sammelt. Diese Schicht des N-Typs und die Außencation« erklärt. 60 schicht des P-Typs sind über einem veränderlichen13 shows a system of molecules 9 with a polar moment photoelectric cell 23, of negative OH-ion barrier type with a PNP transistor polarized in direct direction po-10, negative ions 17 of an impurity, of 55 combine as shown in positive ions 25 of an impurity and of FIG. If the photoelectric cell collects protons 11, which are illuminated around the surface of a vapor by a light source E , then bubbles are arranged around, as in the above-mentioned publication "Static Electrifi-" already mentioned electrons in the N-type semiconductor layer. This N-type layer and the outer cation ”explained. 60 P-type layers are above a variable

Es ist bekannt, daß dann, wenn eine Dampfblase Widerstand 24 miteinander verbunden. Der PNP-It is known that when a vapor bubble resistor 24 is connected together. The PNP

auf einer Wärmeaustauschfläche gebildet wird oder Transistor ist derart polarisiert, daß keine Wärmeis formed on a heat exchange surface or transistor is polarized so that no heat

wenn ein Tropfen durch Kondensation entsteht, eine durch die Leitung der Elektronen zur Fläche 14 hinif a drop is created by condensation, one by the conduction of electrons to surface 14

starke Störung des Gleichgewichts in der Doppel- transportiert wird. Weil das Niveau des thermischenstrong disturbance of the equilibrium in the double is transported. Because the level of thermal

schicht der elektrischen Ladungen, welche diese 65 Flusses an der Oberfläche 14 größer ist als daslayer of electrical charges, which this 65 flow on the surface 14 is greater than that

Blase oder diesen Tropfen umgeben, besteht. Durch Niveau des thermischen Flusses in dem an die FlächeBubble or surrounding this drop. By level of thermal flow in which to the area

Vergrößerung der Gleichgewichtsstörung zwischen 14 angrenzenden, fließenden Strömungsmittel, wirdEnlargement of the imbalance between 14 adjacent flowing fluids

den elektrischen Ladungen an einer Seite einer Blase die Wärme durch Elektronenleitung von der Flächethe electrical charges on one side of a bubble remove heat from the surface through electron conduction

14 zum fließenden Strömungsmittel hin transportiert. Dieses System stellt ein thermisches Ein-Weg-Ventil dar. 14 transported to the flowing fluid. This system is a thermal one-way valve.

Der durch die photoelektrische Zelle 23 des Sperrschichttyps hervorgebrachte Elektronenfluß kann beispielsweise mittels eines veränderlichen Widerstandes geändert werden, um den Elektronenstrom von der Schicht des P-Typs des Kollektors zu der Schicht des P-Typs des Emitters hin zu steuern, was eine sekundäre Elektronenströmung vom Emitter zum Kollektor hin anregt. Auf diese Weise werden die Photonen in der photoelektrischen Zelle in Elektronen umgewandelt, und diese Elektronen verhindern den Wärmetransport durch Elektronenleitung zur Ober-The flow of electrons generated by the barrier type photoelectric cell 23 can be, for example can be changed by means of a variable resistor in order to reduce the flow of electrons from the P-type layer of the collector to the P-type layer of the emitter to control what is a secondary Stimulates the flow of electrons from the emitter to the collector. This is how the photons converted into electrons in the photoelectric cell, and these electrons prevent the Heat transport through electron conduction to the upper

fläche 14 hin, so daß man eine maximale thermische Isolation der Oberfläche 14 erhält.surface 14, so that a maximum thermal insulation of the surface 14 is obtained.

Ein Transistor mit PNP- oder NPN-Verbindungen kann zwischen zwei festen Körpern angebracht sein, um die thermische Leitfähigkeit zwischen diesen Körpern zu steuern, wie in den Fig. 17 und 18 dargestellt. Durch eine Polarisation des PNP-Transistors in direkter Richtung nach Fig. 17 kann man unter der Bedingung eine Wärmeströmung von rechts nach links erzeugen, daß ein genügend großer, negativer thermischer Gradient von rechts nach links existiert. Der thermische Fluß kann stark vermindert werden, indem der PNP-Transistor in inverser Richtung polarisiert wird, wie in Fig. 18 dargestellt.A transistor with PNP or NPN connections can be placed between two solid bodies, to control the thermal conductivity between these bodies, as shown in Figs. By polarizing the PNP transistor in the direct direction according to FIG. 17, one can use the condition produce a heat flow from right to left, that a sufficiently large, negative thermal gradient from right to left exists. The thermal flow can be greatly reduced, by polarizing the PNP transistor in the inverse direction, as shown in FIG.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen For this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for controlling the heat exchange between a solid body and a Fluid or a second solid body by means of one formed on the exchange surface electric field, characterized in that the solid body (2) on the Exchange surface is provided with semiconductor layers.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the solid body (2) ah the Exchange surface (14) with a semiconducting layer of one conductivity type (N or P) and this layer is covered with a second semiconducting layer of the other conductivity type (P or N) is (Figs. 7-10, 12).

3. Device according to claim 2, characterized in that that the two layers (N, P) to reduce the heat exchange in inverse Direction (Fig. 8) or to increase the heat exchange in the direct direction (Fig. 9, 10) are polarizable.

4. Apparatus according to claim'2, characterized in that the two layers (C, B) with the interposition of a DC voltage source (15, 16) are connected to an electrode (E) whose conductivity type (P) corresponds to that of the direct in transistor-like circuit on the solid body (2) applied layer (C) corresponds (Fig. 12).

5. Device for controlling the heat exchange between a boiling or a condensing fluid and a solid body according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the solid body is formed by or coated with a semiconductor on the surface of which there is a double layer of electrical charges (Fig. 13 to 15).

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the conductivity type of the semiconductor determined as a function of the polarity of the external charges of the Helmholtz double layers is the bubbles or drops of the boiling or condensing fluid are assigned (Fig. 13 to 15).

7. The device according to claim 1, characterized by one on the solid body (2) the semiconductor layer (C) covering the heat exchange surface to achieve a transistor-like effect adjustable structure applied photoelectric cell (23) of the barrier type (Fig. 17).

8. Device for controlling the heat exchange between two solid bodies according to claim 1, characterized in that between the two solid bodies of one conduction type (P or N) a layer of the other conductivity type (N or P) is arranged on the heat exchange surface and the arrangement is polarized like a transistor (Fig. 18).

Body and a fluid or a second solid body and a fluid or a second solid body by means of an electric field formed on the exchange surface.

It is already known to improve the heat transfer in terms of quantity and speed between a fluid and a solid body or another fluid is an electrostatic one Field to use. The electrical movement induced by this direct current field, which occurs within the Fluids takes place, increases the transport quantities in the boundary layers and thus the heat transfer coefficients. By regulating the applied voltage, the heat transfer up to a certain Degrees can be controlled.

A disadvantage of this previously known method and the devices for carrying it out is the limited applicability and control options. This is how the procedure just described only for the combination solid-liquid or liquid- use liquid. The ability to influence the heat transfer is also limited and only in the direction the increase of heat transfer coefficients possible.

The invention has for its object to avoid these disadvantages, i. H. the possibilities for Control of heat transfer to increase, both in terms of increasing the heat transfer coefficient as well as a reduction in heat transport in the inverse direction. Also should the regulation of the heat exchange between two solid bodies may also be possible.

According to the invention, this object is achieved in that the solid body is provided with semiconductor layers on the exchange surface. Preferably even two layers can be provided, one of which is a semiconducting layer of one conductivity type (N or P) and the other layer of the other conductivity type (P or N) . By polarizing these two layers, an increase in the heat exchange in the direct direction and a reduction in the heat exchange in the inverse direction is achieved.

Further possible embodiments are the subject matter of subclaims.

The advantages achieved by the invention are in particular that all three types of heat transfer or the heat transport can be influenced.