DE2547262B2

DE2547262B2 - Thermoelektrische Anordnung mit großen Temperaturgradienten und Verwendung

Info

Publication number: DE2547262B2
Application number: DE2547262A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. 7101 Flein Dahlberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-10-22
Filing date: 1975-10-22
Publication date: 1980-09-11
Also published as: DE2547262A1; DE2547262C3; FR2329075A1; JPS5251883A; FR2329075B1; US4492809A; JPS5915195B2; GB1562101A; DD127146A5

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anord-

nung, bei der in jedem Thermoelement der Wärmestrom über mindestens eine Stelle mit großem Temperaturgradienten fließt. Solche thermoelektrischen Anordnungen dienen zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und zum reversiblen elektrischen Pumpen von Wärme.

Bekanntlich erreichen Thermoelemente als elektrische Generatoren zur Umwandlung von Wärme nur Wirkungsgrade von einigen Prozent. Auch als elektrische Wärmepumpen sind Thermoelemente bis heute nur in sehr speziellen Anwendungen konkurrenzfähig. Dies liegt in erster Linie daran, daß die Kombination von thermischen und elektrischen Materialeigenschaften, die den maximal möglichen Wirkungsgrad von Thermoelementen begrenzt, bei allen heute zur Verfügung stehenden Thermoelementen noch zu schlecht ist. Auch bei den besten thermoelektrischen Materialien, die wir heute kennen (etwa dotierte Si7oGe3o-Kristalle für Generatoren oder Bi₂Tej für Wärmepumpen) erreicht die sogenannte »Effektivität« (der Quotient aus dem Quadrat der Thermokraft durch das Verhältnis von thermischer und elektrischer Leitfähigkeit) multipliziert mit der mittleren Arbeitstemperatur nur etwa den Zahlenwert I. Dies ist der

Hauptgrund für die Tatsache, daß mit Thermoelementen heute bestenfalls 10 bis 20 Prozent des Carnot-Wirkungsgrades erreicht werden können. Eine ganz wesentliche Vergrößerung der Effektivität wäre nötig, damit die thermoelektrisehen Effekte großtechnisch s angewendet werden könnten.

Ober eine Verbesserung bekannter thermoelektrischer Materialien dürfte beim derzeitigen Stand der Technik kaum noch eine wesentliche Steigerung der thermoelektrisehen Wirkungsgrade zu erzielen sein. Mehr Erfolg verspricht das Ausnützen und Züchten neuer physikalischer Effekte in thermoelektrische!! Anordnungen.

Zu einer Vergrößerung der Effektivität könnten neue physikalische Effekte entweder über eine Vergrößerung der elektrischen Leitfähigkeit oder über eine Vergrößerung der Thermokraft oder über eine Verkleinerung der Wärmeleitfähigkeit thermoelektrischer Materialien beitragen. Eine Vergrößerung der elektrischen Leitfähigkeit ist z. B. in sehr dünnen Halbleiter- und Isolator- schichten durch den wellenmechanischen Tunneleffekt mögiich, wie es in der DE-PS 10 60 881 beschrieben ist. Eine Erhöhung der Thermokraft kann als folge des »Mitreißens« von Elektronen durch Phononen in Temperaturgradienten unter speziellen Bedingungen erfolgen (phonon-drag-effect), und eine Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit erfolgt bei nichtelastischer Streuung von Elektronen am Gitter.

Thermoelektrische Anordnungen der eingangs genannten Art sind aus der CH-PS 4 26 962, der US-PS 35 24 771 und der US-PS 4 34 587 bekannt Bei den beiden erstgenannten Patentschriften sind die Thermoelementschenkel aus feingepulvertem thermoelektrischem Material durch Pressen oder leichtes Sintern des Pulvers hergestellt Dabei entstehen zwischen den einzelnen Pulverkörnern elektrisch und thermisch leitende Berührungs- und Verbindungsstellen, über die der Wärmestrom mit großem Temperaturgradienten fließt. Bei der letztgenannten Patentschrift sind die Stellen mit großem Temperaturgradienten dadurch gebildet, daß die Thermoelementschenkel in bewegtem Kontakt miteinander stehen, z. B. durch zwei aufeinander abrollende Scheiben aus Eisen und Kupfer.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer thermoelektrisehen Anordnung der eingangs genannten Art durch die Anwendung neuer physikalischer Effekte zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Stellen mit den großen Temperaturgradienten so ausgebildet sind, daß der Temperaturgradient größer als 10⁴ Grad/cm ist

Da in einem Festkörper maximal Temperaturdifferenzen von größenordnungsmäßig 10³ Grad anwendbar sind, bedeuten derartig große Temperaturgradienten große Temperaturunterschiede auf kleinste Distanzen.

Wenn die Streuung von Elektronen an den Gitter-Ionen elastisch erfolgt, haben auch große Temperaturunterschiede praktisch nur über die normale Temperaturabhängigkeit Einfluß auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit. Solange der größte Energiebetrag, den ein «> Elektron im Mittel zwischen zwei Zusammenstößen in einem Temperaturgradienten aufnehmen und abgeben kann, höchstens gleich kB ist, bleibt die Elektronenstreuung elastisch. Dabei ist Ar die Boltzmann-Konstante und θ ist die sogenannte Charakteristische- oder <v"· Debye-Temperatur. Solange gilt auch das Gesetz von Wiedemann-Franz- Lorenz.

Bei der thermoelektruchen Anordnung nach der

vorliegenden Erfindung ist die Größe der Temperaturgradienten mit Θ/Α vergleichbar. Daher kann die Streuung eines Elektrons an einem (oder an mehreren Phononen gleichzeitig) nichtelastisch werden, weil das Elektron einen größeren Energiebetrag als kd aufnehmen oder abgeben kann. Dabei ist Λ die sogenannte mittlere freie Weglänge der Elektronen, Die nichtelastische Streuung der Elektronen hat praktisch keinen Einfluß auf die spezifische elektrische Leitfähigkeit Sie hat aber einen gravierenden Einfluß auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit, die um bis zu 5 Größenordnungen im Temperaturgradienten durch die nichtetastischen Zusammenstöße der Elektronen mit dem Gitter verkleinert werden kann. Das Wiedemann-Franz-Lorenzsche Gesetz für Metalle gilt in diesen kritischen Temperaturgradienten nicht mehr, weil »heiße« bzw. »kalte« Elektronen, d.h. nicht mit dem Gitter im Gleichgewicht befindliche Elektronen das Geschehen beherrschen.

Bei Temperaturen um 1000⁰K liegen die Werte von θ/λ für Metalle in der Größenordr._;.ig von 10'—10⁸ Grad pro Zentimeter. Bei tieferen Temperaturen wird die mittlere freie Weglänge λ größer und der kritische Temperaturgradient, in dem die spezifische Wärmeleitfähigkeit kleiner wird, kann um eine oder menrere Größenordnungen kleiner sein, wenn man noch das Obergangsgebiet in Betracht zieht

Das Material bei einem Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm stellt gewissermaßen ein neuartiges thermoelektrisches Materal dar, dessen Effektivität durch die Thermokraft (unter dem Einfluß extrem großer Temperaturgradienten), durch die praktisch ungeänderte spezifische elektrische Leitfähigkeit und durch die verkleinerte spezifische Wärmeleitfähigkeit bestimmt wird. Das Produkt aus Effektivität mal der mittleren Temperatur kann dabei auch für Metalle wie z. B. Nickel und Eisen, Werte von mehr als \(fl annehmen.

Optimale Bedingungen werden erreicht, wenn der gesamte elektrische Widerstand und der gesamte Wärmewiderstand im wesentlichen durch die elektrische'. Widerstände und die Wärmewiderstände in den Stellen bestimmt wird, in denen die großen Temperaturgradienten vorhanden sind. Nur in diesen Stellen findet eine positive oder negative »Dämpfung« der Nicht-Gleichgewichts-Elektronen und damit eine Verkleinerung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit statt.

Bei Halbleitern und Isolatoren können bei Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm als Folge der relativ großen Thermokräfte elektrische Feldstärken von mehr als 10⁵ Volt pro Zentimeter auftreten, die eine Herabsetzung des elektrischen Widerstandes dieser Materialien bewirken können. Unter besonderen Umständen kommt es auch bei hohen Temperaturen zu einem »Mitreißen« der Elektronen durch die Gitterschwingungen und damit zu einer Vergrößerung der Thermokraft dieser Materialien. Wenn die Dicke der Stellen mit Temperaturgradienten von größer als W Grad/cm hinreichend klein ist, kann eine Erhöhung der elektrischen Leitfälligkeit dieser Stellen auch schon allein als Folge des wellenmechanischen Tunneleffektes eintreten.

Da bei den aus der CH-PS 4 26 96? un J der US-PS 35 24 771 bekannten thermoelektrisehen Anordnungen jeder Thermoschenkel aus einer Vielzahl von — für den Wärmestrom — in Serie geschalteten Verbindungsstellen zwischen den Pulverkörnern besteht, wird die am Thermoschenkel liegende Temperaturdifferenz in eine

Vielzahl von kleinen Teil-Temperaturdifferenzen an den Verbindungsstellen der Pulverkörner unterteilt. Die als Folge davon an einer einzelnen Verbindungsstelle zwischen zwei Pulverkörnern vorhandene Temperaturdiffereinz ist so klein, daß der Temperaturgradient in der Verbindungsstelle zwischen zwei Pulverkörnern (auch bei exirem großer Temperaturdifferenz am Thermoschenkel) kleiner als 10* Grad/cm ist. Auch in der US-PS 4 34 587 sind keine Mittel zur Erzielung von Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm angegeben. Die oben geschilderten vorteilhaften Wirkungen können dalher bei diesem Stand der Technik nicht eintreten.

Die Stellen mit den großen Temperaturgradienten im Thermoelement können bei einer Weiterbildung der Erfindung so ausgebildet sein, daß sie dauerhaft (stationär) vorhanden sind.

Bei einer weiteren Fortbildung der Erfindung sind die Stellen mit Temperaturgradienten von größer als 10» Grad/cm dadurch gebildet, daß ein Thermoschenkel aus zwei getrennten und ungleich temperierten Teilen besteht, welche sich an mindestens einer Stelle berühren. Die volle Temperaturdifferenz des Thermoschenkds liegt bei dieser Fortbildung an der Berührungsstelle der beiden Teile des Thermoschenkels. Wenn der Zwischenraum zwischen den beiden Teilen des Thermoschenkels evakuiert ist, fließt der gesamte Wärmestrom (sofern man noch den Wärmeübergang durch Strahlung vernachlässigen kann) vom heißen Teil des Thermoschenkels zum kalten Teil des Thermoschenkcls über eine oder auch mehrere (parallel geschaltete) Berührungsstellen. Hierdurch werden Wärmestromdichten in den Berührungsstellen erreicht, die um Größenordnungen höher sind als in den Anordnungen gemäß der CH-PS 4 26 962 und der US-PS 35 24 771.

Eine Weiterbildung der vorstehend genannten Fortbildung der thermoelektrischen Anordnung gemäß der Erfindung sieht vor, daß jeder Teil des Thermoschenkels auf eines- Seite eine Struktur aus zueinander parallelen, auf einer Platte angeordneten und mit dieser verlöteten Drähten hat und daß diese strukturierten Seiten der beiden Teile des Thermoschenkels — in der Ebene gegeneinander verdreht — unter mechanischem Druck so zusammengesetzt sind, daß die sich kreuzenden und berührenden Drähte in den Strukturen der beiden getrennten Teile des Thermoschenkels ein flächenhaft verteiltes System von Stellen mit Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm miteinander bilden.

Die Stellen mit Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm im Thermoelement können erfindungsgemäß aber auch so ausgebildet sein, daß sie nichtstationär vorhanden sind.

An einer zeitlich — oder zeitlich und räumlich — veränderlichen Berührungsstelle können — etwa bei periodischem Berühren zweier getrennter und ungleich temperierter Teile eines Thermoschenkels — große nichtstationäre Temperaturgradienten entstehen.

Mindestens einer der beiden getrennten und ungleich temperierten Teile des Thermoschenkels kann eine zylinderförmige Gestalt haben und um eine Achse drehbar gelagert sein. Die zeitlich — oder zeitlich und räumlich — veränderliche Berührungsstelle kann durch Abrollen der beiden getrennten und ungleich temperierten zylinderförmigen Teile des Thermoschenkels aufeinander zustande kommen. Dabei läßt sich trotz nichtstationärem Wärmekontakt ein stationärer elektrischer Kontakt realisieren.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann einer der beiden getrennten und ungleich temperierten Teile eines Thermoschenkels auch aus Plasma bestehen.

Eine weitere erfindungsgemäße Fortbildung sieht vor, daß einer der beiden ungleich temperierten Teile eines -, Thermoschenkels eine elektrisch gut leitende Flüssigkeit wie z. B. flüssiges oder geschmolzenes Metall, eine flüssige Metall-Legierung, eine geschmolzene chemische Verbindung oder eine Elektrolyt-Lösung ist.
Mindestens einer der beiden ungleich temperierten

in Teile eines Thermoschenkels kann erfindungsgemäß aus Metall, einer Metall-Legierung oder aus einem metallisch leitenden Material bestehen.

Nach einer anderen wichtigen erfindungsgemäßen Fortbildung kann auch mindestens einer der ungleich

i) temperierten Teile eines Thermoschenkels aus einer Schicht aus einkristallinem oder polykristallinem Halbleitermaterial, d. h. aus einer p-leitenden oder n-leitenden Halbleiter-Schicht in einkristalliner oder polykristalliner Form bestehen.

>o Gemäß einer weiteren Fortbildung der hriindung kann aber auch mindestens einer der ungleich temperierten Teile eines Thermoschenkels aus einer dünnen Schicht einer temperaturbeständigen chemischen Verbindung mit positiver oder negativer Thermospannung bestehen, wie z. B. aus einem Oxyd. Nitrid, Karbid. Borid, Chalkogenid, Hydrid, Silizid. Halogenid usw. Da diese Schichten auch so dünn sein dürfen, daß sie von Elektronen durchtunnelt werden können (<1 · "iutcm), sind sogar hochohmige Halbleiter und

jo Isolatoren als Thermopaare in der thermoelektrischen Anordnung der Erfindung mit Erfolg verwendbar.

Die thermoelektrische Anordnung kann als Direkt-Energiewandler in einem Wechselstrom-Energie-Konverter verwendet werden. Durch die eingeprägten

j5 Ströme in einem Wechselstrom-Energie-Konverter wird der Einfluß der spannungsabhängigen Tunnelwiderstände von absorbierten Gas-Schichten an den Kontakten zwischen den ungleich temperierten Körpern verkleinert. Dadurch wird der negative Einfluß dieser Hautwiderstände auf den Wirkungsgrad der thermoelektrischen Anordnung reduziert.

Wegen der Anpassungsfähigkeit an die verschiedenen Erfordernisse der Praxis und wegen des hohen Wirkungsgrades der Energieumwandlung lassen sich die thermoelektrischen Anordnungen der Erfindung als Thermogeneratoren für Kraftwerke aller Größen mit thermischer, nuklearer oder Sonnen-Beheizung verwenden.

In Kombination mit Elektromotoren sind sie für Antriebe aller Art geeignet

Auch als Wärmepumpen für reversibles Kühlen, reversibles Heizen und für Klimatisierung sind si«j mit Vorteil verwendbar.
Wegen des hohen Wirkungsgrades eignen sich thermoelektrische Anordnungen der Erfindung auch als Wärmepumpen zum thermoelektrischen Tiefkühlen von supraleitenden Anordnungen.

Thermoelektrische Anordnungen gemäß der Erfindung lassen sich in an sich bekannter Weise elektrisch parallel und in Serie schalten. Auch eine thermische Parallel- und Serien-Schaltung in Form von Kaskaden äst möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nachstehend näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Prinzipdarstellung mit großen stationären Temperaturgradienten,

Fig.2 ein Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Anordnung mit großen stationären Temperatur-

gradienten als Generator.

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Anordnung mit großen stationären Temperaturgradienten als Wärmepumpe,

F i g. 4 eine Prinzipdarstellung mit großen nichtstationären Temperaturgradienten,

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel der thermoelektri· sehen Anordnung mit großen nichtstationären Tempt:- raturgiodienten zwischen ungleich temperierten Teilen eines Thermoschenkels in rotationssymmetrischer Form als Generator.

F i g. 6 ein Allsführungsbeispiel der thermoelektrischen Anordnung als Generator mit großen nichtstationären Temperaturgradienten unter Verwendung einer Plasma-Kontakt-Brücke,

F i g. 7 ein Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Anordnung mit großen nichtsialionären Temperaturgradienten als Wärmepumpe.

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel der thermoelektri· sehen Anordnung mit großen Temperaturgradienten in einem Wechselstrom-Energie-Konverter als Generator.

Ausführungsbeispiel I

In Fig. 1 ist 1 eine Eisenfolie von 5 · IO 'cm Dicke, die einen Mittelstreifen hat, der nur 5 · ΙΟ"⁴ cm dick und I · IO-^Jcm breit ist. Dieser Mittelstreifen ist von rechts und von links mit Hilfe eines Elektronenstrahles schlitzförmig durchbohrt worden. Die Schlitzbreiten betragen 5 · 10-⁶cm. Der Zwischenraum in den Schlitzen ist evakuiert. Die Schlitz-Enden stehen sich in der Mitte in einem Abstand von 7 ■ 10 ⁶ cm gegenüber. Die N.ckelfolie 2 besitzt die gleichen geometrischen Abmessungen wie die Eisenfolie 1. Sie ist in der gleichen Weise geschlitzt wie die Eisenfolie 1. Oberhalb der Schlitze werden die Eisenfolie 1 und die Nickelfolie 2, die durch die Kontakt-Brücke 4 elektrisch miteinander verbunden sind, auf einer Temperatur 7),= 1500⁰K gehalten. Unterhalb der Schlitze werden die Eisenfolie 1 und die Nickelfolie 2 auf eine Temperatur T₀ = 300° K gekühlt. Die Temperaturdifferenz von Th- To = 1200 Grad fällt stationär in den Verbindungsstücken zwischen den Schlitzen in 1 und in 2 ab. Die dabei auftretenden stationären Temperaturgradienten 3 betragen etwa 4.2 · I0~⁸ Grad pro Zentimeter. Da die Debye-Temperaturen von Eisen Θγ^ = 519°Κ und von Nickel Θνι = 472°Κ sind und die mittleren freien Weglängen Afc = 2.2 · 10"⁶cm und A_Ni = 133 ■ lO-'cm betragen, ist das Verhältnis θ/λ für Eisen etwa 2,4 ■ 10« Grad pro Zentimeter und für Nickel etwa 3,5 · 10⁸ Grad pro Zentimeter. In den Temperaturgradienten 3 von 4.2-10* Grad pro Zentimeter müssen deshalb sowohl im Eisen als auch im Nickel Elektronen im Mittel zwischen zwei Zusammenstößen höhere maximale Energiebeträge aufnehmen und abgeben als kB. Als Folge davon wird die Streuung der Elektronen nichtelastisch, und die spezifische Wärmeleitung in dem Gebiet der großen Temperaturgradienten 3 in 1 und in 2 sinkt etwa um den Faktor 10-⁵. Dadurch wird das Produkt aus Effektivität mal Temperatur bei diesem Eisen-Nickel-Thermoelement trotz der kleinen Thermokraft von etwa 30 Mikrovolt pro Grad etwa 10³. Der maximale Wirkungsgrad dieser Anordnung liegt bei etwa 94% ties Carnot-Wirkungsgrades (von 80%) und beträgt somit 75%, wenn man alle anderen Verluste durch Strahlung und Leitung vernachlässigen kann. Als Folge der integralen Thermospannung von etwa 36 Millivolt fließt der Elektronenstrom 8 durch die thermoelektrische Anordnung, über die Kontakte 5 und

6 und über den Verbraucherwiderstand 7. der mit 0.01 Ohm die maximale elektrische Leistung von etwa 30 Milliwatt entnimmt.

Ausfuhrungsbeispiel 2

In Fig. I sind Drähte 1 mit einem Durchmesser von 1,5 · 10-^Jcm einer Legierung 87,5% Nickel +12,5% Chrom auf zwei Nickelplatten 9 nebeneinandergereiht und mit Hilfe eines Hart-Lotes 11 auf ihrer Unterseite mit der jeweiligen Nickelplatte 9 verlötet. Jede Nickelplatte 9 hat bei einer Dicke von 2 cm eine Länge und Breite von je 10 cm, so daß insgesamt etwa 6600 Drähte 1 auf jeder Nickelplatte 9 nebeneinander liegen und festgelötet sind. Die beiden Nickelplatten 9 sind (um 90° gegen ihre Flächennormalen verdreht) mit den Draht-Seiten so aufeinandergelegt, daß die festgelöteten Drähte 1 in Form von einer Vielzahl von Drosselkreuzen aufeinander zu liegen kommen. Durch Reduzieren und Ausheizen im Hochvakuum sind die Drahtoberfiachen von aiien absorbierten Gasen gereinigt und mit einem solchen Druck zusammengepreßt, daß sich ca. 44-10* Kontaktstellen zwischen den Drähten 1 mit einem mittleren Kreisdurchmesser von 1 ■ 10-⁵cm gebildet haben. Damit diese reinen Engewiderstände erhalten bleiben, werden die beiden Nickelplatten 9 mit den Drähten 1 unter hinreichendem mechanischen Druck im Hochvakuum gehalten. Die Nickelplatten 10 in Fig.2 sind in ganz analoger Weise mit Drähten 2 belegt, die einen Durchmesser von 1,5- ΙΟ-³ cm haben und aus einer Legierung 60% Kupfer+ 40% Nickel bestehen. Sie sind auch analog zusammengesetzt, und sie bilden ebenfalls ca. 44-10* Engewiderstände mit einem mittleren Durchmesser von

1 · IO~⁵cm miteinander. Die oberen Platten 9 und 10 sind über die Kontakt-Brücke 4 elektrisch kurzgeschlossen. Sie befinden sich auf der Temperatur Th= 1100⁰K. Die unteren Platten 9 und 10 sind auf der Temperatur T₀ = 300° K festgehalten. Durch die 44-10* Engewiderstände in jedem Thermoschenkel 1 und 2 fließt der Wärmestrom über Temperaturgradienten 3 von ca.

2 · 10⁸ Grad pro Zentimeter. Über die Kontakte 5 und 6 fließt der Elektronenstrom 8 über die thermoelektrische Anordnung und über den Verbraucherwiderstand 7. Bei einer elektrischen Serienschaltung von 1000 Anordnungen gemäß F i g. 2 beträgt die elektrische Gesamtspannung 40 Volt, und die maximal entnehmbare elektrische Leistung ist 2 Megawatt. Bei einer Leistungsentnahme von 200 Kilowatt beträgt der Wirkungsgrad etwa 60%.

Ausführungsbeispiel 3

In F i g. 3 ist 1 eine p⁺-Silizium-Einkristallscheibe und 2 eine η+-Silizium-Einkristallscheibe. Die Scheiben 1 und 2 haben einen Durchmesser von drei Zoll und eine Dicke von 5 · 10~² cm. Sie sind an einer Seite auf Molybdänplatten 9 bzw. 10 sperrfrei auflegiert, die ebenfalls einen Durchmesser von drei Zoll haben. Die nicht auflegierten Seiten der Siliziumscheiben 1 und 2 sind mit V-förmigen parallelen Ätzgräben so überzogen, daß zwei banachbarte Ätzgräben und zwei benachbarte Ätzkämme jeweils einen Abstand von 1 · 10-³cm voneinander haben. In der gleichen Weise wie die beiden Silizium-Einkristallscheiben 1 und 2 sind zwei Molybdänscheiben 4a und Ab von drei Zoll Durchmesser auf einer Seite mit V-förmigen Ätzgräben so überzogen, daß zwei benachbarte Ätzgräben und zwei benachbarte Ätzkämme jeweils einen Abstand von 1 · 10-³cm voneinander haben. Die Siliziumscheibe 1 und die Molybdänscheibe 4a sowie die Siliziumscheibe 2 und die

Molybdänscheibe Ab sind mit ihren geätzten Rächen (um 90° verdreht) unter Druck so aufeinander gelegt, daß die Ätzkämme aus Silizium mit den Ätzkammern aus Molybdän etwa 44 · 10⁶ Berührungsflächen bilden. Durch einen kurzen Sinterprozeß im Hochvakuum bei ca. 1200°C sind aus diesen Berührungsflächen reine EngewiderstäncJe mit einem mittleren Durchmesser von 2 ■ IO~⁵ cm entstanden. Die Molybdänplatten 4a und 46 sind durch dip Molybdänbrücke 4 miteinander verbunden. Über die elektrischen Anschlüsse 5 und 6 an den beiden (auf der Temperatur T₀ = 300° K festgehaltenen) äußeren Molybdänplatten 9 und 10 fließt der E'ektronenstrom 8 aus der Gleichstromquelle 12 durch die Anordnung. An den Elektronenübergängen von 1 nach 4e und von 4b nach 2 wird als Folge des Peltier-Effektes Wärme in einer sehr dünnen Schicht in I und 4b absorbiert, und es bilden sich an diesen Übergängen die großen Temperaturgradienten 3 aus. Die thermoelektrische Anordnung hat einen Innenwidersiand von i ■ iu-'ühm. Beim maximalen Kühistrom 8 von I0⁴ Ampere beträgt die beim Durchgang des Stromes 8 in den Temperaturgradienten 3 absorbierte Wärmeleistung 1 Kilowatt. Ohne Wärmezufuhr von außen wird in 4 eine Kühltemperatur T_c< 20° K erreicht.

Von besonderem Interesse sind große nichtstationäre Temperaturgradienten. Sie existieren zwar nur relativ kurze Zeit (< 10~² Sekunden) an einer Stelle, aber sie sind dafür nicht an kleine Flächen oder Berührung ;tellen gebunden. Fig.4 zeigt eine Prinzipdarstellung mit großen nichtstationären Temperaturgradienten.

Ausführungsbeispiel 4

In F i g. 4 ist 1 ein Eisenstift von 0,5 cm Durchmesser und 2 ein Kobalt-Stift von gleichem Durchmesser. Beide Stifte 1 und 2 sind auf der Temperatur T₀ = 300° K festgehalten. 4 ist eine bewegliche Kontakt-Brücke, die aus Wolfram besteht und auf eine Temperatur von 1900° K aufgeheizt ist. Die bewegliche Kontakt-Brücke 4 führt vertikale Schwingungen mit einer Frequenz von 100 Hertz zwischen den Extremlagen 4 und 4' durch. In der Lage 4 haben sowohl der Eisenstift 1 als auch der Kobalt-Stift 2 mit der Kontakt-Brücke 4 je eine Berührungsstelle. Da sich die Anordnung im Hochvakuum befindet und sorgfältig ausgeheizt ist, entspricht jede Berührungsstelle einem Engewiderstand mit einem Durchmesser von im Mittel 1 ■ 10-³cm. Diese Berührungsstellen existieren lOOmai pro Sekunde und dauern jeweils weniger als eine Millisekunde. Am Beginn jeder Berührung zwischen dem Eisenstift 1 und dem Kobalt-Stift 2 mit der Brücke 4 liegt momentan die volle Temperaturdifferenz 7^—7^=1600 Grad an der Berührungsstelle. Dies bewirkt, daß sich kurzzeitig an Schichten, die eine Dicke von nur wenigen mitleren freien Weglängen haben, die volle Temperaturdifferenz abfällt Dadurch bilden sich die großen Temperaturgradienten 3 kurzzeitig sowohl im Eisenstift 1 als auch im Kobalt-Stift 2 als auch in der Kontakt-Brücke 4 aus. Der Eisen-Stift 1, der Kobalt-Stift 2 und die Kontakt-Brücke 4 erreichen dabei in den Berührungsstellen eine Temperatur von ca. 1100° K. Als Folge der Thermospannung zwischen Eisen und Kobalt fließt ein pulsierender Elektronenstrom 8 von 100 Hertz über die Kontakte 5 und 6 durch die Engewiderstände der thermoelektrischen Anordnung und den Verbraucherwiderstand 7. Bei einem Carnot-Wirkungsgrad von ca. 72% beträgt der maximale Wirkungsgrad der Anordnung nur etwa 37%, weil die Summe der Engewiderstände der Berührungsstellen um etwa den Faktor \0² größer ist als die Summe d.*r elektrischen Widerstände in den Schichten mit den großen Temperaturgradienten 3. Der Verbraucherwiderstand 7 kann maximal einige MiIIiwatt Leistung über den pulsierenden Elektronenstrom 8 entnehmen.

Ausführungsbeispiel 5

Fig. 5 beschreibt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit großen nichtstationären Temperaturgradienten zwischen ungleich temperierten Körpern, die eine rotationssymmetrische Form haben. Es sind 1 zwei Zylinder aus Eisen, von denen der eine über eine Wasserkühlung 13 auf der Temperatur T_n = 300° K festgehalten ist, während der andere Eisenzylinder I auf eine Temperatur 7/,= 1500° K aufgeheizt ist. 2 sind zwei Eisenzylinder, die mit einer 5 · IO"²cm dicken Nickelschicht überzogen sind. Sie haben die gleichen Temperaturen 7* und T₀ wie die Eisenzylinder 1. Die heißen Zylinder 1 und 2 sind durch einen Eisenzylinder 4 überbrückt, der als heiße Kontakt-Brücke 4 zwischen 1 und 2 fungiert. Alle Zylinder I, 2 und 4 haben einen Außendurchmesser von 50 cm und eine Breite von 50 cm. Sie rollen im Hochvakuum mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von einer Umdrehung pro Sekunde aufeinander ab.

Die Lauf-Flächen der Zylinder 1 und 2 sind so strukturiert, daß sich an den Berührungsflächen zwischen den ungleich temperierten Zylindern 1 und

in den ungleich temperierten Zylindern 2 jeweils im Mittel etwa 5 · 10* Engewiderstände mit einem mittleren Durchmesser von 1 · 10-⁴cm befinden. Der Gesamtwiderstand aller elektrischen Engewiderstände ist um den Faktor 10 größer als die Summe der elektrischen

Ji Widerstände aller Schichten mit großen Temperaturgradienten 3. Der maximale Wirkungsgrad des Generators nach F i g. 5 ist trotzdem noch 65%. Über den Elektronenstrom 8, der über die Schleifkontakte 5 und 6 zum Verbraucher 7 fließt, könnten maximal etwa 20 Kilowatt elektrische Leistung bei einer Spannung von nur 40 Millivolt entnommen werden.

Ausführungsbeispiel 6

Die Fig. 6 beschreibt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem einer der ungleich temperierten Körper aus Plasma besteht. 9 und 10 in Fig.6 sind mit einem Platin-Überzug versehene Kupfer-Hohlzylinder, die durch eine axiale Wasserkühlung 13 auf der Temperatur T₀ = 300° K gehalten

werden. Der Platin-Überzug des Zylinders 9 enthält einige Prozente Thorium, das teilweise an die Oberfläche gewandert ist und dort eine 1 · 10~⁶cm dicke Schicht 1 aus ThO₂ gebildet hat Der Platin-Überzug des Zylinders 10 enthält einige Prozent Magnesium, das ebenfalls teilweise an die Oberfläche gewandert ist und dort eine 2 ■ 10-⁶cm dicke Schicht 2 aus MgO gebildet hat Beide Zylinder 9 und 10 haben einen Außendurchmesser von einem Meter und eine Breite von einem Meter. Sie rotieren mit zwei Umdrehungen pro Sekunde und sind so nahe nebeneinander, daß sich ihre Oberflächen gerade noch nicht berühren. Aus einer breiten Düse 14 strömt eine Azetylen-Sauerstoff-Flamme 4 direkt auf die Berührungslinie der beiden Schichten 1 und Z Da die Flamme 4 eine Temperatur von ca. 4000° K hat erhitzen sich die Oberflächen von 1 und 2 im Bereich ihrer Berührungslinie bis auf 1800° K. Der elektrische Widerstand der Anordnung von 2 · 10~⁵ Ohm wird praktisch nur durch den Übergangs-

widerstand zwischen 1 und 2 über das Plasma 4 gebildet. Die Leerlaufspannung an den Schleifkontakten 5 und 6 beträgt 2 Volt, und durch den Verbraucher können maximal 50 Kilowatt elektrische Leistung entnommen werden. Der maximale Wirkungsgrad beträgt über 50%. In einem anderen Ausführungsbeispiel nach Fig.6 rotieren die beiden Zylinder 9 und 10 so nahe beieinander, daß sie aufeinander abrollen, und daß die Schichten 1 und 2 direkten elektrischen Kontakt miteinander haben. Anstelle der Azetylen-Sauerstoff-Flamme 4 wird die Berührungslinie der beiden Schichten durch fokussierte Sonnenstrahlung mit einer Leistungsdichte von 10³ Watt pro Quadrat/entimeter auf 2100⁰K aufgeheizt, wobei sich die großen nichtstationären Temperaturgradienten 3 in 1 und 2 bilden.

Ausführungsbeispiel 7

Fig. 7 beschreibt schematisch ein Ausführungsbeispiei der Erfindung, bei dem einer der ungleich temperierten Körper aus flüssigem Metall besteht. 9 ist ein Molybdän-Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von 50 cm und einer Wandstärke und Breite von 1 cm. Er hat an seinen Außenflächen eine p-dotierte SiC-Schicht 1 von I · 10-⁴cm Dicke mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0.1 Qcm. 10 ist ein Molybdän-Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von 50 cm und einer Wandstärke und Breite von I cm. Er hat an seinen Außenflächen eine n-dotierte SiC-Schicht 2 von I · 10--¹Cn Dicke mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 Qcm. Die Zylinder 9 und 10 werden durch die Wasserkühlungen 13 auf einer Temperatur T₀ = 300° K gehalten. Sie rotieren mit einer Geschwindigkeit von 20 Umdrehungen pro Sekunde. Beide Zylinder 9 und 10 tauchen (unter Schutzgas) in ein gemeinsames Bad 4 aus flüssigem Silber, das sich in einem Keramik-Behälter 15 befindet. Der Keramik-Behälter 15 wird durch konzentrierte Sonnenstrahlung so aufgeheizt, daß das flüssige Silber 4 eine Temperatur von 1600° K annimmt.

Die Zylinder 9 unf 10 tauchen in das Silberbad 4 so tief ein, daß während der Rotation jeweils etwa 2 cm' der Schichten 1 und 2 durch das Silberbad 2 benetzt sind. Die Schichten 1 und 2 erhitzen sich an den Stellen mit großen Temperaturgradienten 3 bis auf ca. 1300° K. Insgesamt 400 solcher Anordnungen wie in Fig. 7 sind hintereinander in einer 10 Meter langen »Brennlinie« eines halbzylindrischen Sonnenspiegels aufgestellt und in Serie geschaltet. Sie geben eine Leerlaufspannung von 200 Volt zwischen dem Kontakt 5 am ersten Zylinder und dem Kontakt 6 am letzten Zylinder 10 der Anordnung ab, und sie haben einen gesamten Innenwiderstand von 1 · 10~² Ohm. Die maximale Leistungsablage dieses thermoelektrischen Solargenerators ist 1 Megawatt Bei Entnahme einer elektrischen Leistung von 100 Kilowatt beträgt der Wirkungsgrad der Umwandlung der absorbierten Sonnenstrahlung 45%. Die benötigte Auffangfläche für die Sonnenstrahlung ist dabei ca. 10 χ 40 m².

Ausführungsbeispiel 8

F i g. 8 beschreibt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als thermoelektrische V.'äimepum- pz. 9 und 10 in Fig.8 sind Wolfram-Ringe mit einem Außendurchmesser von 15 cm und einer Breite von 0,25 cm, die auf ein Keramik-Rohr 17 mit einem

in Außendurchmesser von 13 cm aufgezogen sind, zu dem sie einen guten Wärmeübergang haben. Die Außenfläche des Wolframringes 9 ist mit einer 1 · 10"⁴cm dicken p + -leitenden Siliziumschicht 1 überzogen, die einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 10- ³

ι·-, Hern hat. Dir Außenfläche des Wolframringes 10 ist mit einer gleich dicken η+ -leitenden Siliziumschicht 2 mit gleichem spezifischen Widerstand überzogen. Insgesamt 100 Ringpaare 9 und 10, die miteinander verlölet sind, befinden sich auf dem Keramik-Rohr 17 und sind jeweils elektrisch durch die Keramik-Ringe 18 mit einem Außendurchmesser von 14 cm und einer Breite von 0,25 cm getrennt. Das Keramik-Rohr 17 rotiert mit 5 Umdrehungen pro Sekunde um seine Längsachse. Dabei taucht jeder Ring 9 und 10 so tief in ein elektrisch

2^r, isoliertes Quecksilber-Bad 16 ein, daß die Schichten 1 und 2 mit einer Fläche von je 1 ■ IO~²cm² das Quecksilber berühren. An diesen Flächen entstehen die nichtstationären großen Temperaturgradienten 3 als Folge des Peltier-Effektes. Die Quecksilber-Bäder 16

ίο befinden isch in einem Keramik-Behälter 15, der durch die Wasserkühlung 13 auf einer Temperatur von T₀ = 300° K gehalten wird. Im Quecksilber-Bad 16 des ersten Wolframrir«ges 9 und im Quecksilber-Bad 16 des letzten Wolframringes 10 sind die elektrischen Kontak-

!5 te 5 und 6 angebracht, über die die Anordnung in einen Wechselstrom-Energie-Konverter geschaltet ist. Er besteht aus den Anschlüssen 23 für einen dreiphasigen 50-Hertz-Wechselstrom, an die der tegelbare Drehstromtransformator 22 angeschlossen ist. Er gibt seine Spannung über die Drossei..pulen 21 und den Dreiphasen-Gleichrichter 20 als pulsierende Gleichspannung über die Kontakte 5 und 6 an die thermoelektrische Anordnung. Der Innenwiderstand der thermoelektrischen Anordnung ist 0,2 Ohm. Der Wechselstrom widerstand der Drossel· ilen 21 ist 4 Ohm. Damit bestimmt dieser um den Faku M) größere Scheinwiderstand im Wechselstromkreis auch (den mit Hilfe des Kondensators 19 geglätteten) Gleichstrom 8 durch die thermoelektrische Anordnung. Der Gleichstrom 8 fließt praktisch als »eingeprägter Strom« durch die Anordnung, wodurch der Einfluß von störenden Kontaktwiderständen weitgehend ausgeschaltet ist Bei einer Wechselspannung von 400 Volt fließt der maximale Strom von 100 Ampere durch die thermoelektrische Anordnung, wobei sich ohne Wärmezufuhr von außen das Keramik-Rohr 17 auf eine Temperatur T_c<50°K abkühlt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

U Thermoelektrische Anordnung, bei der in jedem Thermoelement der Wlrjnestrctm ober mindestens eine Stelle mit großem Temperaturgradienten fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen (3) mit großen Temperaturgradienten so ausgebildet sind, daß der Temperaturgradient größer als IfH Grad/cm ist

2. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen (3) mit Temperaturgradienten von größer als IC⁴ Grad/cm dadurch gebildet sind, daß ein Thermoschenkel aus zwei getrennten und ungleich temperierten Teilen (1,2) besteht, welche sich an mindestens einer Stelle (3) berühren.

3. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifen (3) mit Temperaturgradienten von größer als IO⁴ Grad/cm ^o ausgebildet sind, daß sie stationär vorhanden sind.

4. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen (3) mit Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm so ausgebildet sind, daß sie nichtstationär vorhanden sind.

5. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Thei moschenkel (1, 2) auf einer Seite eine Struktur aus zueinander parallelen Gräben und Kämmen hat, daß eine Kontaktbrücke (4) zwischen den beiden Thermoschenkeln (1,2) auf einer Seite ebenfalls eine Struktur aus zueinander parallelen Gräben und Kämmen hat, und daß die strukturierten Seiten der Thermoschenkel (1,2) und der Kontaktbrücke (4) — in der Ebene gegeneinander verdreht — unter mechanischem Druck zusammengesetzt sind, so daß die sich kreuzenden und berührenden Kämme in den Strukturen der Kontaktbrücke (4) und der beiden Thermoschenkel (1, 2) ein flächenhaft verteiltes System von Stellen (3) mit Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm miteinander bilden (F ig. 3).

6. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil des Thermoschenkels (1,2) auf einer Seite eine Struktur aus zueinander parallelen, auf einer Platte angeordneten und mit dieser verlöteten Drähten hat und daß diese strukturierten Seiten der beiden Teile des Thermoschenkels (1,2) — in der Ebene gegeneinander verdreht — unter mechanischem Druck zusammengesetzt sind, so daß die sich kreuzenden und berührenden Drähte in den Strukturen der beiden getrennten Teile des Thermoschenkels (1, 2) ein flächenhaft verteiltes System von Stellen (3) mit Temperaturdradienten von größer als 10⁴ Grad/cm miteinander bilden (Fig. 2).

/.Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (I, 2) des Thermoschenkels eine zylinderförmige Gestalt haben und um eine Achse drehbar gelagert sind, und daß Stellen (3) mit Temperaturgradienten von größer als IO⁴ Grad/cm dadurch gebildet sind, daß die beiden Teile des Thermoschenkels aufeinander mechanisch abrollen (F i g. 5).

8. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

mindestens einer der beiden getrennten Teile (1,2) des Thermoschenkels aus Metall, Metall-Legierungen oder metallisch, leitendem Material besteht,

9, Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden getrennten Teile (1,2) des Thermoschenkels aus einer Schicht aus einkristallinem oder po]ykristallinem Halbleiter-Material besteht

10, Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden getrennten Teile (I₁2) des Thermoschenkels aus einer dünnen Schicht einer temperaturbeständigen chemischen Verbindung mit positiver oder negativer Thermospannung besteht

I !.Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß der Raum um die Stellen mit Temperaturgradienten von größer als ΙΟ⁴ Grad/cm evakuiert ist

12. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden getrennten Teile des Thermoschenkels aus einer elektrisch gut leitenden Flüssigkeit besteht

13. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden getrennten Teile des Thermoschenkels aus Plasmat'esteht.

14. Zusammengesetzte thermoelektrische Anordnung mit thermoelektrischen Anordnungen nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrischen Anordnungen elektrisch und thermisch in Serie oder parallel geschaltet sind.

15. Verwendung einer thermoelektrischen Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur reversiblen elektrischen Kühlung oder Heizung oder als Generator zur Verwandlung von Wärme in elektrische Energie.