DE2547262B2 - Thermoelektrische Anordnung mit großen Temperaturgradienten und Verwendung - Google Patents
Thermoelektrische Anordnung mit großen Temperaturgradienten und VerwendungInfo
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Description
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.
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
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.
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 ANi = 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 Tc<
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 Tn = 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
2r, 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 Tc<50°K
abkühlt.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- 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 ist2. 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, daßmindestens 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 besteht10, 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 bestehtI !.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 ist12. 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 besteht13. 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.
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