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Thermosäule mit vergrößertem Wärmewiderstand Kurzfassung Die Erfindung
beschreibt eine Thermosäule, bei der die heißen und kalten Kontaktstellen als Wärmezuleitungen
und Wärmeableitungen ausgebildet sind, die aus der Thermosäule herausgeführt sind.
Der Wärmewiderstand der Thermosäule ist um den Wärmewiderstand dieser Zuleitungen
und Ableitungen vergrößert. Dafür hat die e Thermosäule aber einen minimalen elektrischen
Wideratand.
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Da man gemäß der Erfindung relativ einfach viele Thermoelemente elektrisch
in Serie schaltern kann, eignet sich die Theriaosäule gemäß der Erfindung besonders
gut zur flerstellung von Thermogeneratoren und Peltier-Anordnungen mit großen Betriebsspannungen.
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Anhand von 10 Ansprüchen und 9 Figuren wird die Herstellung der Thermosäule
beschrieben.
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Thermosäule mit vergrößertem Wärmewiderstand Eine Thermosäule ist
bekanntlich eine Anordnung von Thermoelementen, bei der die Thermoelemente für den
elektrischen Strom in Serie1 für den Wärmestrom aber parallel geschaltet sind. Dies
gilt sowohl für den Gebrauch der,Thermosäule als Generator als auch für den Gebrauch
als Peltier-Element zur reversiblen Kühlung bzw. Heizung. Diese spezielle Schaltung
der Thermoelemente in der Thermosäule bedeutet, daß die elektischen Kontakte zwischen
den Thermoschenkeln der Thermosäule abwechselnd heiß und kalt sind.
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In Fig. 1 ist eine technische Ausführungsform einer Thermosäule schematisch
dargestellt, wie sie als Generator oder Peltier-Element verwendet wird. Dabei ist
1 ein thermoelektrischer P-Schenkel-, 2 ein thermoelektrischer N-Schenkel, 3 eine
heiße Kontaktstelle, 4 eine kalte Kontaktstelle, 5 der Wärmestrom durch die Anordnung
und 6 die resultierende Thermospannung als Folge der Temperaturdifferenz T - 1K
Ein Nachteil der Anordnung gemäß Fig. 1 besteht darin, daß die heißen und kalten
Kontaktstellen, die die Form von Kontaktbrücken haben, einen unerwünschten Beitrag
zum elektrischen Widerstand der Thermosäule leisten, ohne daß sie gleichzeitig eine
Erhöhung des Wärmewiderstandes der Thermosäule bewirken. Dieser Nachteil fällt um
so mehr ins Gewicht, je kleiner der elektrische Widerstand der Thermoschenkel t
und 2 in Fig. 1 wird. Verwendet man etwa die Thermoschenkel 1 und 2 in Form von
Schichten, bei denen also die Länge (gleich Schichtdicke) der Schenkel kleiner als
die beiden Flächendimensionen ist, dann kann der Wirkungsgrad der Thermosäule durch
den Einfluß dieser Kontaktbrücken erheblich vermindert werden. Die Thermosäule nach
Fig. 1 hat einen minimalen; Wärmewiderstand, aber sie hat nicht einen minimalen
elektrischen Widerstand.
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Die Thermosäule gemäß der Erfindung vermeidet 4iesen Nachteil. Zu
diesem Zweck - wie in Fig. 2 dargestellt - werden
die heißen Kontaktstellen
3 und die kalten Kontaktstellen 4, die die Schenkel 1 und 2 der Thermosäule elektrisch
miteinander verbinden, als Wärmezuleitungen 3 und Wärmeableitungen 4 ausgebildet
und aus der Thermosäule herausgeführt. Diese Wärmezuleitungen und Wärmeableitungen
3 und 4 sind nur über die Thermoschenkel 1 und 2 elektrisch miteinander verbunden
und haben außerhalb der Thermosäule keinen elektrischen Kontakt miteinander. Als
Folge der Temperaturdifferenz Th-Tk entsteht die Thermospannung 6, die an den beiden
äußersten Wärieableitungen 4 abgenommen werden kann. Zwischen allen übrigen Wärmeableitungen
4 können entsprechend kleinere Thermospannungen abgenommen werden, da die Thermosäule
bei vorhandenem Wärmestrom 5 wie ein Spannungsteiler wirkt, dessen Abgriffe die
Wärmezuleitullgen 3 und Wärmeableitungen 4 sind.
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Die Thermosäule gemäß der Erfindung besitzt im Gegensatz zur Thermosäule
nach Fig. 1 einen minimalen elektrischen Widerstand, aber keinen minimalen Wärmewiderstand.
Der elektrische Widerstand ist minimal, weil die Kontaktstellen zwischen den Schenkeln
großflächig und relativ dünn sind. Der Wärmewiderstand ist dagegen nicht minimal,
weil die Wärmezuleitungen und Wärmeableitungen selbst einen relativ großen Wärmewiderstand
haben können. Hierdurch geht jedoch keine Wärme verloren, so daß der Wirkungsgrad
dadurch nicht verkleinert wird.
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Ausführungsbeispiel 1 Als Thermoschenkel 1 und 2 in Fig. 2 sind dünne
Germanium-Einkristallscheiben(1cm2 Fläche und 2#10-2cm Dicke) verwendet, die beidseitig
sperrfrei mit einer 5#10-3cm dicken Molybdänschicht kontaktiert sind. Der P-Schenkel
ist Gallium-dotiert und hat einen spezifischen Widerstand von 5#10-2#cm und der
N-Schenkel hat ebenfalls 5#10-2#cm und ist Arsen-dotiert. Das Material der Wårmezuleitungen
und Wärme ableitungen besteht aus vernickeltem Kupferblech. Der elektrische Kontakt
zwischen den Wärmezuleitungen 3, den sperrfrei kontaktierten Germaniumscheiben 1,
2 und den Wärmeableitungen 4 ist ein Druck-Kontakt.
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Ausführungsbeispiel 2 Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt
die Fig. 3.
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Hier sind nur die Wärmeableitungen 4 mit 1#10-3cm dicken polykristallinen
Schichten aus p-dotiertem Ge0,3 Si0,7+B , 1,und @@-dotiertem Ge0,3 Si0,7 + As ,
2,beschichtet. Diese Schichten sind mit Hilfe von Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung
aufgebracht und an der Oberfläche durch aufgestäubte Platinschichten sperrfrei kontaktiert.
Die Wärmezuleitungen 3 bestehen aus platinierten Wolframblechen. Der Wärmestrom
5 erzeugt auch hier die Thermospannung 6.
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Ausführungsbeispiel 3 Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig.
4. Sowohl die Wärmezuleitungen 3 als auch die Wärmeableitungen 4 aus Kupferblech
sind hier auf der einen Seite mit Joddotiertem (p-leitendem) Bi2Te3 und auf der
anderen Seite mit Natrium-dotiertem (n-leitendem) Bi2Te3 5#10-4cm dick überzogen.
6 ist eine von außen angelegte Spannung und 5 ist der Warmestrom, der durch diese
Thermosäule als Peltier-Element fließt.
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Ausführungsbeispiel 4 Fig. 5 zeigt eine Thermosäule gemäß der Erfindung,
bei der die Wärmezuleitungen 3 und die Wärmeableitungen 4 einseitig mit einer Schicht
aus thermoelektrischem N- oder Material überzogen sind. Das Material von 3 und 4
sind z.B. polierte Wolfram-Bleche, die einseitig durch anodische Behandlung mit
einer 4 « dicken WO3-Schicht überzogen sind. Durch Aufstäuben einer 5#10-6cm dicken
Platin-Schicht hat die WQ3-Schicht eine elektrisch gut leitende Oberfläche. Die
WO3 -Schicht ist der N-Schenkel 2 der Thermosäule. Die Värmezuleitungen 3 und Wärmeableitungen
4 sind innerhalb der Thermosäule, d.h. im Überlappungsbereich von 3 und auch gleichzeitig
die P-Schenkel 1 der Anordnung. 5 ist der Wärmestrom und 6 die Thermospannung.
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Ausführungsbeispiel S Ein ganz analoges Beispiel wie in Fig. 5 zeigt
die Fig. 6.
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Hier sind die P-Schenkel 1 und N-Schenkel 2 jeweils paarweise so gegeneinander
versetzt, daß sie außerhalb der aber lappungszone der Paare als Wärmezuleitungen
3 und Wårmeableitungen 4 wirken. 1 ist eine 1#10-3cm dicke Folie aus Chromnickel
und 2 eine 5#10-4cm dicke Folie aus Konstantan, 5 ist der Wärmestrom, und 6 ist
die Thermospannung.
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Ausführungsbeispiel 6 Für viele Fälle der Praxis wird eine rotationsymmetrische
Anordnung der Thermosäule gemäß Fig. 7 Vorteile haben. Um einen Innenzylinder 7
aus Keramik sind ringförmige Scheiben 3 aus feuerfestem Stahlblech gelegt, auf die
mit Hilfe des Plasmastrahls 1#10-2cm dicke kreisringförmige Schichten aus p-leitendem
FeSi2, 1, und n-leitendem FeSi2, 2,aufgebracht sind.
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Zentriert durch den Keramik-Außenzylinder 8 sind gemäß Fig. 7 kreisringförmige
Wärmeableitungen 4 angeordnet. 9 ist eine Wärmeisolation oder ein evakuierter Zwischenraum.
Der Wärmestrom 5 fließt vom Innenzylinder 7 nach dem Außenzylinder 8 und erzeugt
die Thermospannung 6.
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Ausführungsbeispiel 7 Fig. 8 zeigt eine besonders einfache Form der
Herstellung der Thermosäule mit vielen Thermoelementen. Auf einen Innenzylinder
7 aus Eisen sind gleichzeitig zwei sich teilweise überlappende Konstantan-Bänder
2, so aufgewickelt, daß das Konstantan-Band, das später die Wärmezuleitung 3übernimmt,
etwas über den Innenzylinder 7 übersteht. Jedes Konstantan-Band 2 ist 5#10-4cm dick.
Auf einer Seite ist jedes Konstantan-Band 2 galvanisch mit einer 1#10-4cm dicken
Schicht Eisen 1 überzogen. Nach dem Aufwickeln der Eisen-plattierten Konstantan-Bänder
3 und 4 gemäß Fig. 8 wird die entstandene Scheibe mit Hilfe des Eisenzylinders 8
fixiert und zusammengehalten. Die so entstandene Scheibe ist danach von außen an
einer Stelle durch den Zyz
linder 8 hindurch und durch sämtliche
Wicklungen der Bänder 3 und 4 hindurch bis zum Zylinder 7 in Form eines Schlitzes
durchgeschliffen durchgesägt # oder durchgefräst. Dabei werden alle Lagen der gewickelten
Scheibe durch diesen Schlitz durchgetrennt. Aus der gewickelten Scheibe ist damit
eine Thermosäule gemäß der Erfindung geworden 5 ist der WXrmestrom und 6 die Thermospannung
dieser Thermosäule. Natürlich kann man daß Herstellungsverfahren nach Fig0 8 auch
auf die Zusammensetzungsprinzipien gemäß Fig. 2, 3, 4, 5 u. 6 anwenden. Auch eine
Kombination der Thermosäule nach Fig. 8 mit der Thermosäule nach Fig. 7 ist möglich.
Wenn man anstelle der Thermoschenkel 1 und 2 in Fig. 7 jeweils Thermosäulen gemäß
Fig. 8 verwendet, dann erhält man eine Thermosäulen-Anordnung mit besonders hoher
Thermospannung.
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Ausführungsbeispiel 8 Eine besonders kompakte Ausführungsform der
Thermosäule gemäß der Erfindung läßt sich druch thermisches, elektrothermisches,
chemisches oder elektrochemisches Abscheiden der Wärmezuleitungen und Wärmeableitungen
und der Thermoschenkel in Form von dünnen Schichten erreichen. Auch das Flammspritzen
von Schichten ist hierfür gut geeignet. In, Fig. 9 ist auf eine Unterlage, die aus
einem metallischen Teil 9 und aus einem isolierenden Teil 8 besteht eine Doppelschicht
aus C@2@, 1, und 1#10-6cm WO3, 2, so aufgestäubt, daß nur der metallische Teil 9
bedeckt ist. Auf den isolierenden Teil 8 der Unterlage ist in einer Dicke von 6
10-6cm Th#2, 7, aufgestäubt Darauf ist entsprechend Fig. 9 wieder eine Doppelschicht
aus WO3, 2, 1#10-6cm dick und C@2O, 1, 5#10-6 cm dick so aufgestäubt, daß sich die
beiden Doppelschichten 3 und 4 überlappen. Auf den freigebliebenen Teil der Oberfläche
der ersten Doppelschicht 4 ist wieder eine 6#10-6cm dicke ThO2-Schicht 7 aufgestäubt
und ao fort. Die Doppelschichten 3 sind die Wärmezuleitungen und die Doppelschichten
4 die Wärmeableitungen der Thermosäule. Auf die letzte Doppelschicht 4 ist eine
1#10-@cm dicke Kupferschicht 10 aufgebracht. Die Thermospannung 6 wird zwischen
dem metallischen Teil 9 der Unterlage und der
Kupferschicht 10 abgegriffen.
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Die Thermosäule gemäß der Erfindung läßt sich bei geeigneter Wahl
von Materialien sowohl bei hohen als auch bei tiefen Temperaturen mit Vorteil als
Thermogenerator und als Wärmepumpe betreiben. Da man mit relativ geringem Aufwand
eine große Zahl von Thermoelementen gemäß der Erfindung elektrisch in Serie schalten
kann, eignet sich diese Thermosäule in besonderer Weise zur tonstruktion von Thermogeneratoren
und Peltier-Anordnungen mit hohen Betriebsspannungen.