DE2734022A1

DE2734022A1 - Thermoelektrische anordnung mit grossen nichtstationaeren temperaturgradienten

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Publication number: DE2734022A1
Application number: DE19772734022
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Dahlberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-28
Filing date: 1977-07-28
Publication date: 1979-02-08
Also published as: EP0000475A1; DE2734022B2; IT7826020A0; DE2861630D1; DE2734022C3; JPS5425698A; EP0000475B1; IT1097317B; US4249121A

Description

Dr. Reinhard Dahlberg Thermoelektrische Anordnung

Thermoelektrische Anordnung mit großen
ηichtstationären Temperaturgradienten

Zusammenfassung

Als Unteranmeldung zu P 25 47 262,2 wird in 7 Ausführungsbeispielen und 14 Patentansprüchen eine Thermoelektrische Anordnung mit großen nichtstationären Temperaturgradienten beschrieben, bei welcher mechanisch bewegte Bleche, Folien oder Schichten an einer Stelle zu einem nichtstationären Paket zusammengeführt werden und welche in diesem die Elementschenkel eines Thermoelementes bilden. Der elektrische
Strom fließt senkrecht zu den Oberflächen der Bleche, Folien oder Schichten durch das nichtstationäre Paket, in welchem zwischen benachbarten n/p- oder p/n-Übergängen eine Temperaturdifferen^r besteht. Da in das nichtstationäre Paket hinein relativ große Wärmemengen in der Zeiteinheit transportiert werden können, und da der elektrische Kontaktwiderstand zwischen den Blechen, Folien oder Schichten relativ klein gemacht werden kann, lassen sich mit der Thermoelektnschen Anordnung große Leistungsdichten bei gleichzeitig größeren Betriebsspannungen erreichen.

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Dr. Reinhard Dahlberg Thermoelektrische Anordnung

Die Patentanmeldung beschreibt eine Thermoelektrische Anordnung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und zum reversiblen Pumpen von Wärme.

Sie ist eine Unteranmeldung zu P 25 47 262,2, in welcher Thermoelektrische Anordnungen beschrieben werden, bei denen der Wärmestrom durch jeden Schenkel eines Thermoelementes über mindestens eine Stelle oder Zone fließt, in welcher der Temperaturgradient so groß ist, daß die spezifische Wärmeleitfähigkeit in den Zonen mit den großen T.emperaturgradienten verkleinert ist.

Eine Verkleinerung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit an Festkör per-Oberflächen bei Bestrahlung mit Licht großer Intensität ist vort R.E. Harrington (1) und von T. Kushida (2) gemessen worden. Auch bei Bestrahlung von Metallen und MetalI-Legierungen mit LASER-Impulsen werden sehr hohe Temperaturgradienten erreicht und eine vernachlässigbar kleine Wärmeleitung beobachtet (3).

Bei Reibungsversuchen mit einem bewegten Stahlring und einem Konstantan-Stift haben bereits 1936 Bowden und Ridler Temperatur spitzen bis 1 000 gemessen, obwohl der Stahl ring und der Konstantan-Stlft "kalt" blieben (4).

Die Verkleinerung der spezifischen Wärmeleitung in sehr großen Temperaturgradienten ermöglicht nach P 25 47 262,2 die Herstellung von Thermoelektrischen Anordnungen mit vergrößerten Wirkungsgraden der Energieumwandlung.

Der vorliegenden Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zugrunde, Thermoelektrische Anordnungen mit größeren spezifischen elektrischen Leistungen und größeren elektrischen Arbeitsspannungen zu finden.

Wegen der relativ kleinen Thermokräfte sind die Arbeitsspannung und die spezifische elektrische Leistung von Thermoelementen im allgemeinen sehr

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Dr. Reinhard Dahlberg Thermoelektrische Anordnung

klein. Eine Serienschaltung von Thermoelementen vergrößert zwar die Arbeitsspannung, aber sie vergrößert in dem selben Maße auch den Raumbedarf und den Serienwiderstand der Thermoelektrisehen Anordnungen. Man erreicht mit Thermoelementen (auch in Serienschaltung) nur entnehm-

3 baieelektrische Leistungen von etwa 1 Watt/cm -

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Grenze für die spezifische elektrische Leistung von Thermoelementen bei gleichzeitig höherer Arbeitsspannung auszuweiten.

Erfindungsgemäß sind dazu die Elementschenkel eines Thermoelementes durch Bleche, Folien oder Schichten gebildet, welche in Form von Bändern, Scheiben oder Ringen mechanisch so bewegt werden, daß sie mindestens an einer Stelle zu einem nichtstationären Paket zusammenkommen, welches abwechselnd thermoelektrische p/n- und n/p-Übergänge enthält, zwischen denen eine Temperaturdifferenz besteht. Der elektrische Strom fließt durch das nichtstationäre Paket senkrecht zur Oberfläche der Bleche, Folien oder Schichten.

Im nichtstationären Paket kommen laufend neue heiße und kalte Zonen miteinander in elektrischen Kontakt, so daß Zonen mit großen Temperaturgradienten im Sinne von P 25 47 262,2 erzeugt werden. Über die mechanische Bewegung der heißen und kalten Zonen im nichtstationären Paket erfolgt ein größerer Wärmetransport, als dies z.B. durch reine Wärmeleitung möglich wäre. Hinzu kommt, daß man die Dicke der Bleche, Folien oder Schichten relativ klein machen kann, so daß die Zahl der Thermoelemente, die pro Zentimeter im nichtstationären Paket elektrisch in Serie geschaltet sind, relativ groß sein kann. Schließlich kann man auch den elektrischen Kontaktwiderstahd zwischen den Blechen, Folien oder Schichten im nichtstationären Paket über einen hinreichend großen mechanischen Kontaktdruck und durch elektrische Parallelschaltung mehrerer nichtstationärer Pakete relativ klein machen. Als Folge aller dieser Faktoren lassen sich dem nicht-

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stationären Paket in Thermoelektrischen Anordnungen gemäß der Erfindung spezifische elektrische Leistungen entnehmen, die um Größenordnungen größer sind als bei konventionellen thermoelektrischen Generatoren.

Die Temperaturdifferenzen zwischen benachbarten n/p- und p/n-Übergängen im nichtstationären Paket lassen sich gemäß der Erfindung dadurch erzeugen, daß thermoelektrisch ρ- und η-leitende Bleche, Folien oder Schichten auf einer Seite nichtstationär mit Hilfe von Plasma oder Strahlung aufgeheizt werden, und daß anschließend sofort durch Zusammenpressen der jeweils heißen bzw. kalten Seiten der Bleche, Folien oder Schichten das nichtstationäre Paket gebildet wird.

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel werden Paare von thermoelektrisch ρ- und η-leitenden Blechen, Folien oder Schichten, welche sich auf unterschiedlichen Temperaturen befinden, an einer Stelle zum nichtstationären Paket zusammengeführt.

Da der elektrische Strom senkrecht zur Oberfläche der Bleche, Folien oder Schichten durch das nichtstationäre Paket fließt, läßt sich durch ein Magnetfeld, welches senkrecht zur Richtung des elektrischen Stromes und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schichten angelegt ist, eine mechanische Kraft erzeugen, welche die Bleche, Folien oder Schichten durch das nichtstationäre Paket hindurch bewegt, oder deren Bewegung unterstützt. Das Magnetfeld kann durch einen Permanentmagneten erzeugt sein. Es kann aber auch durch einen Elektromagneten erzeugt sein, der mit Hilfe des elektrischen Stromes, der auch durch das nichtstationäre Paket fließt, erregt ist. Anstelle dieser "Hauptschiuß-Motorⁿ-Schaltung kann der Elektromagnet auch in "Nebenschluß-Motor"-Scha!tung betrieben werden, indem nur ein Teil des Stromes zur Erregung des Elektromagneten abgezweigt wird. Die Motorwirkung dieser Anordnung im Verhältnis zur Reibung wird optimal, wenn man die Dicke der Bleche, Folien oder Schichten so gro6 macht, daß die Summe der elektrischen Bahnwiderstände senkrecht durch die Bleche, Folien oder Schichten im nichtstationären Paket etwa ebenso

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groß ist, wie die Summe aller Kontaktwiderstände.

Die Thermoelektri sehen Anordnungen gemäß der Erfindung lassen sich mit Vorteil zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie benutzen. Wegen ihrer großen Leistungsdichte sind sie als Generatoren für Fahrzeuge ebenso geeignet wie für Kraftwerke unterschiedlicher Größe.

Sie lassen sich jedoch auch durch Zufuhr von elektrischer Leistung über den Peltier-Effekt als Wärmepumpen für Kühlung und reversible Heizung verwenden. Der elektrische Strom durch das nichtstationäre Paket erzeugt beim Übergang η > ρ (d.h. beim Elektronenfluß ρ »η) eine Wärmeabsorption, d.h. eine Abkühlung.

Beim Betrieb der Thermoelektri sehen Anordnung gemäß der Erfindung als Generator und Wärmepumpe wird man im allgemeinen bestrebt sein, die mechanische Reibung zwischen den Blechen, Folien oder Schichten innerhalb des nichtstationären Paketes auf ein unvermeidbares Mindestmaß zu beschränken. Man kann jedoch die Thermoelektrische Anordnung der Erfindung auch dazu benutzen, um mechanische Energie (z.B. Wasserkraft) in Reibungswärme im nichtstationären Paket umzusetzen, die ihrerseits wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird. Über die Reibung lassen sich Temperaturen > 1 000 C im nichtstationären Paket erzeugen. Als Folge davon läßt sich mechanische Energie auf dem Umweg über die Reibungswärme mit Wirkungsgraden > 50 % in entnehmbare elektrische Energie umwandeln.

Da die Elementschenkel der Thermoelektri sehen Anordnung durch Bleche, Folien oder Schichten gebildet sind, welche die Form von bewegten Bändern, Scheiben oder Ringen haben, muß deren Material - neben guter elektrischer Leitfähigkeit - auch mechanische Festigkeit und Duktilität aufweisen. Die besten Eigenschaften haben in dieser Hinsicht Metalle und Legierungen.

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Dr. Reinhard D ah I berg Thermoelektrische Anordnung

Es lassen sich jedoch als Elementschenkel mit Erfolg auch Metall-Bänder, -Scheiben öder -Ringe verwenden, welche einseitig oder beidseitig mit Schichten aus thermoelektrisch p- oder η-leitendem Material belegt sind, welches für sich allein nicht duktil genug wäre.

Zur Verringerung der mechanischen Reibung und vor allem auch zur Verringerung der unvermeidbaren mechanischen Abnutzung der sich durch das nichtstationäre Paket bewegenden Bleche, Folien oder Schichten, können die aufeinander gleitenden Flächen mit einem cKinnen Film eines Grenzflächen-Schmiermittels überzogen sein. Hierfür eignen sich besonders Stoffe mit einer sogenannten"Schichtgitter-Struktur[ wie z.B. Graphit, MoS , TiTe u.a. oder auch Schichten aus sogenannten "Lagermetallen", wie z.B. Blei, Zinn, Indium, Wismut u.a.

Da die Zonen mit den großen Temperaturgradienten sich nur auf sehr kleine Distanzen erstrecken, ist es möglich, die Temperaturdifferenzen innerhalb der Dicke eines Grenzflächen-Schmierfilmes abfallen zu lassen. Man kann für jeweils zwei benachbarte aufeinander gleitende Doppel flächen zwei unterschiedliche Grenzflächen-Schmiermittel benutzen, welche eine hohe Thermokraft gegeneinander haben, wie z.B. Pr_O mit WSe , La_O

£. o · 2 2 3

mit WS u.a. Damit diese Schmierfilme nicht durch die Reibung zerstört werden, führt man sie laufend in sehr kleiner Menge den Gleitflächen zu.

Da die elektrische Kontakt-Bildung zwischen den im nichtstationären Paket aufeinander gleitenden Blechen, Folien oder Schichten grundsätzlich ein statistischer Vorgang ist, kann es ''nützlich sein, parallel zum nichtstationären Paket einen elektrischen Kondensator zu schalten. Dadurch lassen sich statistische Schwankungen der'Spannung und des Stromes glätten.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

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Dr. Reinhard Dahlberg Thermoelektrische Anordnung

Figur 1 eine Thermoelektrische Anordnung gemäß der Er

findung mit einem Thermoelement im nichtstationären Paket als Generator.

Figur 2 eine Thermoelektrische Anordnung gemäß der Er

findung mit einer Serienschaltung von vielen Thermoelementen im nichtstationären Paket als Generator mit Impuls-förmiger Abgabe der elektrischen Leistung.

Figur 3 eine Thermoelektrische Anordnung gemäß der Er

findung mit einem Thermoelement im nichtstationären Paket als Generator mit einseitiger nichtstationärer Aufheizung von Bändern.

Figur 4a und 4b eine Thermoelektrische Anordnung gemäß der Er

findung als Generator in rotationssymmetrischer Ausführung.

Figur 5a und 5b eine Thermoelektrische Anordnung gemäß der Er-

f i ndung al s Wärmepumpe.

Figur 6a und 6b eine Thermoelektrische Anordnung gemäß der Er

findung als Generator mit elektromotorischer Wirkung.

Figur 7a und 7b eine Thermoelektrische Anordnung gemäß der Er

findung als Generator zur Umwandlung von Reibungswärme.

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Dr. Reinhard Dahlberg Thermoelektrische Anordnung

In Figur 1 sind 1 thermoelektrisch p-leitende Bleche aus Chromnickel (87,5 % Ni ♦ 12,5 % Cr) und 2 thermoelektrisch η-leitende Bleche aus Thermokonstantan (60 %Cu + 40%Ni).AIIe Bleche haben die Form von Bändern mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Breite von 5 cm, die sich mit einer Geschwindigkeit 7 von 10 cm/sec bewegen. Die beiden äußeren

Bänder 1 und 2 haben die Temperatur T = 300 K, die beiden Inneren Bän-

der befinden sich auf der Temperatur T. = 1100 K. Zwischen den beiden

elektrischen Kontakten 4 und 5 in Form von (mit der Umfangsgeschwindigkeit 7) rotierenden Vollzylindern werden die kalten und heißen Bänder 1 und 2 zu einem nichtstationären Paket zusammengepreßt. Zwischen dem kalten und heißen Band 1 und dem kalten und heißen Band 2 entstehen dadurch die Zonen 3 mit den großen nichtstationären Temperaturgradienten. Die beiden Bänder 1 bilden den p-Schenkel und die beiden Bänder 2 bilden den n-Schenkel eines Thermoelementes, welches die Gestalt des nichtstationären Paketes 1.J1.J2.|2 hat. Der elektrische Strom 6 fließt zwischen den elektrischen Kontakten 5 und 4 durch das nichtstationäre Paket zum Verbraucher 8.

Ausführungsbeispiel 2_

In Figur 2 sind 1 Eisen-Bänderund 2 Nickel-Bänder mit einer Breite von 3 cm und einer Dicke von 0,1 mm. Diese Bänder .1 und 2 sind zu Paaren zusammengelegt, welche sich auf unterschiedlichen Temperaturen befinden. Die Paare 1 und 2 , die sich auf der Temperatur T. = 1300 K

befinden, bewegen sich in Simultan-Schritten 7 von jeweils 4 cm aus dem linken Ofen 9 in den rechten Ofen 9 . Die Paare 1 und 2 , die sich auf der Temperatur T = 300 K befinden, bewegen sich phasengfeich

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-8-

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ebenfalls in Simultan-Schritten 7 von jeweils 4 cm senkrecht zur Zeichenebene. Sie sind zwischen den Paaren auf der Temperatur T = 1300 K

angeordnet. In jeder Ruhephase zwischen den Simultan-Schritten 7 werden die kalten und warmen Paare 1 und 2 mit Hilfe der elektrischen Kontakte 4 und 5 , die als Press-Stempel ausgebildet sind, mit einem Gewicht von 10 Tonnen für 0,1 Sekunde zusammengepreßt. Dies geschieht zweimal pro Sekunde. Bei jedem Zusammenpressen entstehen zwischen den kalten und warmen Eisenbändern 1 und den kalten und warmen Nickel Bändern 2 die Zonen 3 mit den großen nichtstationären Ternperaturgradienten. Der elektrische Strom 6 fließt jeweils nur 0,1 Sekunden lang in Abständen von 0,4 Sekunden durch das nichtstationäre Paket aus den übereinander gepreßten Bändern 1 und 2 zwischen den elektrischen Kontakten 4 und 5 zum Verbraucher 8. 5 ist der geöffnete elektrische Kontakt 5 während der Bewegungsphase 7. Die ganze Thermoelektrische Anordnung befindet sich zur Vermeidung von Korrosion in einer St ickstoff-Atmosphäre. Die Dicke des zwischen den Kontakten 4 und 5 zusammengepreßten nichtstationären Paketes beträgt 1 Meter. Es befinden sich darin insgesamt 2500 Thermoelemente mit einer Temperaturdifferenz von T-T = 1000 , die elektrisch in Serie geschaltet sind. Wegen des hoNen

Kontaktdruckes beträgt die Summe der elektrischen Kontaktwiderstände

-3
im nichtstationären Paket nur 2.10 Ohm. Bei angepaßtem Verbraucher fließt ein maximaler Impulsstrom 6 von etwa 20 kA, und die Thermoelektrische Anordnung gibt im zeitlichen Mittel eine elektrische Leistung von etwa 100 Kilowatt ab.

Ausführungsbeisp_i^e' 3

In Figur 3 ist 1 ein Band aus Chromnickel (87, 5 % Ni + 12,5 % Cr) mit einer Dicke von 0,5 mm. 2 ist ein Nickelband mit einer Dicke von 1 mm,

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Beide Bänder 1 und 2 haben eine Breite von 1 Meter. Sie werden mit einer Geschwindigkeit 7 von 5 Metern pro Sekunde bewegt. Im aufgefalteten Zustand sind sie fokussierter Sonnenstrahlung 10 so hoher Intensität ausgesetzt, daß sie einseitig und nichtstationär die Oberflächentemperatur T = 1400 K annehmen. Sofort anschließend werden sie(mit den heih ■ ·

Ben Oberflächen gegeneinander zusammengefaltet) zwischen den beiden Rollen 4 und 5 hindurchgezogen. Die Rollen 4 und 5 sind gleichzeitig die elektrischen Kontakte an dem Thermo-Element, welches durch das nichtstationäre Paket aus den einseitig erhitzten Bändern 1 und 2

gebildet ist. Zwischen den einseitig auf die Temperatur T erhitzten Oberfl

flächen und der Masse der Bänder 1 und 2 , welche sich auf der Temperatur T = 400 K befindet, bilden sich die Zonen 3 mit den großen Temperaturgradienten aus. Der elektrische Strom 6 fließt durch das nichtstationäre Paket zwischen den elektrischen Kontakten 4 und 5 zum Verbraucher

Ausführungsbeispiel 4

+ -3

In Figur 4b ist 1 eine ρ -Siliziumschicht von 1.10 cm Dicke, die auf die Unterseite einer kreisförmigen Scheibe aus Molybdänbiech 12 aufgebraucht ist. Die Dicke des Molybdänbleches 12 beträgt 0,3 mm, der Außendurchmesser der kreisförmigen Scheibe beträgt 60 cm. 2 Ist eine η -Silizium

-3
schicht von 1.10 cm Dicke, die auf die Oberseite einer kreisförmigen Scheibe aus Molybdänblech 12 aufgebracht ist. Die Dicken der Molybdänbleche 12 betragen 0,3 mm, die Außendurchmesser der kreisförmigen Scheiben betragen 60 cm. Je zwei Molybdän-Scheiben 12 mit einer ρ Siliziumschicht 1 und einer η -Siliziumschicht 2 sind mit den unbeschichteten Seiten paarweise zusammengelegt. Diese Paare sind abwechselnd um eine Wasserkühlung 13 in Figur 4a, die als Drehachse ausgebildet ist, und in einem Ofen 9 in Figur 4a, der ebenfalls eine Drehachse enthält,

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so gelagert und gestapelt, daß sie sich an einer Stelle zu einem Paket überlagern. 11 sind Isolier-Ringe zwischen den Paaren. Alle krejsförmigen Scheiben aus Molybdänblech 12 mit den Schichten 1 und 2 rotieren mit der Umfangsgeschwindigkeit 7 von 30 cm/sec. Die kreisförmigen Scheiben 12 , welche sich in dem Ofen 9 befinden, haben eine Temperatur T = 1300 K. Die kreisförmigen Scheiben 12 um die Wasserkühlung 13 werden auf der Temperatur T = 300 K festgehalten. Die heißen

und die kalten Paare von Molybdänscheiben 12 mit den Schichten 1 und überlappen sich so, daß immer eine heiße und eine kalte Schicht 1 und eine heiße und eine kalte Schicht 2 im nichtstationären Paket aufeinander gleiten. Diese Gleitflächen sind die Zonen 3 mit den großen Temperaturgradienten. Die elektrischen Kontakte 4 und 5 sind als rollende Druck-Kontakte ausgebildet, durch welche das nichtstationäre Paket unter einem Druck von 100 kg gehalten wird. Der elektrische Strom 6 fließt über den Verbraucher 8 und zwischen den elektrischen Druck-Kontakten 4 und 5 durch das nichtstationäre Paket, welches eine Länge von 125 cm hat.

In einer anderen Variante des Ausführungsbeispiels 4 sind in Figur 4 die p:-undn -Siliziumschichten 1 und 2 durch eine WSe -Schicht 1 und eine Pr O -Schicht 2 ersetzt. Beide Schichten haben eine Dicke von

cm und bleiben als Folge einer laufenden Zuführung sehr kleiner Menge»

WSe bzw. Pr O auf den Molybdänblechen 12 als dichter und zusammenhängender Film erhalten. Die Temperaturdifferenz T-T = 1000 zwischen

ft C

den heißen und den kalten Molybdänblechen 12 fällt praktisch vollständig in den WSe -Schichten 1 und den Pr O -Schichten 2 ab, welche dadurch gleichzeitig die Zonen 3 mit den großen Temperaturgradienten sind. Da die Therniokraft zwischen WSe und Pr O >1 mV/grd ist, gibt diese Anordnung Arbeitsspannungen > 1000 Volt ab. Da es sich bei den Materialien WSe und Pr O um Substanzen mit einem sogenannten "Schichtgitter" (wie z.B. MoS , Graphit, Bornitrid, WS , TiTe, La O u.a.) handelt, wirken die Schichten 1 und 2 gleichzeitig als Grenzflächen-

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Schmiermittel. Dadurch wird die Reibung zwischen den sich ohnehin fast in gleicher Richtung im nichtstationären Paket bewegenden Molybdänblechen 12 noch weiter verkleinert.

Ausführungsbei_spje l_ J>

In Figur 5b ist 1 ein Eisenblech mit einer Dicke von 0,4 mm, das die Form eines Kreisringes mit einem Außen-Durchmesser von 50 cm hat. 2 ist ein Blech aus Thermokonstantan (60 % Cu + 40 % Ni) mit einer Dicke von 0,3 mm, das ebenfalls die Form eines Kreisringes mit einem Außen-Durchmesser von 50 cm hat. 12 ist ein Kupferblech mit einer

-4
Dicke von 0,3 mm, das mit einer 2.10 cm dicken Bleischicht 14 zur Verminderung der Grenzflächenreibung überzogen ist,und welches ebenfalls einen Außen-Durchmesser von 50 cm hat. 11 sind Isolier-Ringe. Die Kupfer-Ringe 12 und die Paare von Ringen aus Eisenblech 1 und Thermokonstantan-Blech 2 überlappen sich so, daß ein Kupferblech 12 jeweils zwischen einem Eisenblech 1 und einem Blech aus Thermokonstantan 2 liegt, und daß zwischen zwei Kupferblechen 12 immer ein Paar von Blechen aus Eisen 1 und Thermokonstantan 2 zu liegen kommt. Die Kupferblechs ΪΣ in Form von Ringen rotieren um eine gemeinsame Achse mit der Umfangsgeschwindigkeit 7, und die Eisenbleche 1 zusammen mit den Blechen aus Thermokonstantan 2 rotieren ebenfalls um eine andere gemeinsame Achse mit der Umfangsgeschwindigkeit 7. Die Überlappungszone der rotierenden Ringe 12 und der rotierenden Ringe 1 und 2 wird mit Hilfe der rollenden elektrischen Kontakte 4 und 5 mechanisch mit einem Gewicht von 25 kg zusammengedrückt. Sie bildet das nichtstationäre Paket, über das mit Hilfe der Stromquelle 15 der elektrische Strom 6 geleitet wird. Beim Übergang des Stromes 6 vorn Thermokonstantan 2 zur Bleischicht auf dem Kupfer 12 und beim Übergang des Stromes 6 von der Bleischicht 14 auf dem Kupfer 12 zum Eisen 1 wird Wärme absorbiert.

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-12-

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Die pro Zeiteinheit absorbierte Wärme ist der Stromstärke von 6 sowie der Peltier-Spannung von Thermokonstantan 2 gegen Blei 14 bzw. von Blei 14 gegen Eisen 1 proportional. Als Folge dieser Wärmeabsorption entstehen an den aufeinander gleitenden Grenzflächen die Zonen mit den großen Temperaturgradienten. Beim Übergang des Stromes 6 vom Eisen 1 zum Thermokonstantan 2 wird reversibel Wärme frei, die über die Wasserkühlung 13 abgeführt wird.

Die Eisenbleche 1 und die Thermokonstantan-Bleehe 2 bleiben auf der Temperatur T = 300 K, und die Kupferbleche 12 mit der Bleischicht kühlen sich auf die Temperatur T ab.

Die rotierenden Kupferbleche 12 bilden - wie in Figur 5a gezeigt - an vier Stellen nichtstationäre Pakete wie in Figur 5b bescihrieben. Diese werden elektrisch parallel von Strom 6 durchflossen. Die? im nichtstationären Paket erzeugte Reibungswärme wächst proportional mit dem mechanischen Druck P zwischen den Kontakten 4 und 5. Die Summe der elektrischen Kontaktwiderstände in einem nichtstationären Paket wächst dagegen nur mit P ^Λ

-1.

(bei metallisch reinen Kontaktflächen) bzw. nur mit P ³ (bei Kontaktflächen mit sehr dünnen Fremdschichten). Mit Hilfe mehrerer parallelgeschalteter nichtstationärer Pakete unter jeweils kleinerem Druck P läßt sich deshalb ein bestimmter elektrischer Widerstaridswert mit kleinerer Reibungswärme erzeugen als mit einem einzigen nüchtstationären Paket unter dann notwendigerweise viel größerem Druck P. Die Dicke der nichtstationären Pakete beträgt 1 Meter. Sie enthalten 1000 Thermoelemente in Serie. Der elektrische Gesamtwiderstand der vier parallel geschalteten

-2

nichtstationären Pakete beträgt etwa 2.10 Ohm. Oie elektrische Spannung der Batterie 15 ist 15,6 Volt. Die maximale? Kühlleistung der Anordnung (für T=T) beträgt 6 Kilowatt. Mit Hilfe* der Wärmeisolation lassen sich (bei gegen Null gehender Kühlleistung) sehr tiefe Temperaturen T

erreichen.

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-3 In Figur 6b ist 1 eine 1.10 cm dicke Schicht aus der Legierung ¹¹PaIIa-

plat Plus" (95 % Pt + 5 % Rh) und 2 eine 1.IO~³cm dicke Schicht aus der Legierung "Pallaplat Minus" (52 % Au + 46 % Pd + 2 % Pt). Beide Schichten 1 und 2 sind auf unterschiedliche Seiten eines Eisenbleches 12 aufplattiert, welches eine Dicke von 0,08 mm hat. Die Eisenbleche 12 mit den Plattierungsschichten 1 und 2 haben die Form von größeren und kleineren Kreisringen. Sie sind - wie in Figur 6a gezeigt -konzentrisch um die Keramik-Rohre 18 gelagert und unter Zwischenschaltung der. Isolier-Ringe 11 gestapelt. Die um die kleineren Keramik-Rohre 18 gelagerten Eisenbleche 12 (mit den Schichten 1 und 2) überlappen sich mit den um das größere Keramik-Rohr 18 gelagerten Eisenblechen 12 (mit den Schichten 1 und 2) so, daß immer eine Schicht mit einer Schicht 2 in Kontakt steht. Diese Überlappungen zwischen großen und kleinen Eisenblechen 12 bestehen an vier Stellen, wo sie nichtstationäre Pakete entsprechend Figur 6b bilden. Der Außen-Ourchmesser der großen Kreisringe aus Eisenblech 12 um das große Keramikrohr 18 ist 2 Meter, der Außen-Durchmesser der kleineren Kreisringe aus Eisenblech um die kleineren Keramik-Rohre 18 ist 50 cm. Alle Eisenbleche 12 rotieren mit der Umfangsgeschwindigkeit 7 von 50 cm/sec. Durch die elektrischen Kontakte 4 und 5 werden die nichtstationären Pakete mit einem Gewicht von je 50 kg belastet. Mit Hilfe von vier Wasserstoff-Sauerstoff-Flammen 17 , welche die Form einer Zeile haben, deren Länge gleich der Länge eines nichtstationären Paketes ist, werden die Plattierungsschichten 1 und 2 auf den großen und auf den kleineren Eisenblechen 12 jeweils kurz vor ihrem Eintritt in ein nichtstattonäres Paket aejf die Oberflächentemperatur T. = 1500 K aufgeheizt. Dadurch entstehen die Zonen mit den großen Temperaturgradienten, die im nichtstationären Paket die

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heißen Kontakte der elektrisch in Serie geschalteten Thermoelemente sind. Durch Luftkühlung werden die kalten Kontakte auf der Temperatur T = 500 K gehalten. Die elektrischen Ströme 6 durch die vier c

nichtstationären Pakete sind parallel gerichtet. Sie fließen, bevor sie dem Verbraucher 8 zugeführt werden, durch die Erreger-Spul en 21 von vier Elektromagneten 20 zwischen deren Polschuhen 19 - mit dem Nordpol N und dem Südpol S - sich jeweils ein vom Strom 6 durchflossenes nichtstationäres Paket befindet. Dadurch wird eine motorische Kraft auf die rotierenden Eisenbleche 12 in Richtung ihrer Bewegung 7 ausgeübt. Die nichtstationären Pakete haben eine Länge von 2 Metern.

Jedes nichtstationäre Paket enthält 2.I0 Thermoelemente in Serienschaltung und hat einen elektrischen Widerstand von 0,2 Ohm. Die Leerlauf-Spannung beträgt 1200 Volt. Zwischen die elektrischen Kontakte 4 und 5 ist parallel zu jedem nichtstationären Paket ein Kondensator 22 zur Glättung des Stromes 6 geschaltet.

Ausführungsbeijspiel 7

In Figur 7b ist 1 ein Wolframblech mit einer Dicke von 0,8 mm. 2 ist eine Wolfram-Carbidschicht in einer Dicke von 0,2 mm, die auf das Wolframblech 1 aufgebracht ist. Jedes Wolframblech 1 mit der Wolfram-Carbidschicht 2 hat die Form eines Kreisringes mit einem Außen-Durchmesser von 40 cm. Um zwei Keramik-Rohre 18 , die eine Wasserkühlung 13 haben, sind die Kreisringe aus Wolframblech 1 mit der Wolfram-Carbidschicht 2 so gelagert und unter Verwendung von Isoüer-Ringen so gestapelt, daß sie sich an einer Stelle überlappen (Figur 7a). Bei dieser Überlappung kommen immer ein Wolframblech 1 und eine Wolfram-Carbidschicht 2 miteinander in Kontakt. Die Wolframbleche 1 mit den Wolfram-Carbidschichten 2 um das linke Keramik-Rohr 18 und um das rechte Keramik-Rohr 18 in Figur 7a rotieren mit dem gleichen Betrag der

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Umfangsgeschwindigkeit 7 von 120cm/sec·. Sie bewegen sich im nichtstationären Paket zwischen den elektrischen Kontakten 4 und 5 , aber in entgegengesetzter Richtung. Der Druck zwischen den Kontakten 4 und 5 auf das nichtstationäre Paket mit einer Länge von 80 cm beträgt 50 kg. Obwohl die Wolfram-Carbidschichten 2 mit ihrer hexagonalen Struktur einen relativ kleinen Reibungskoeffizienten haben, werden im nichtstationären Paket etwa 100 Kilowatt mechanisches Leistungs-Äquivalent in Reibungswärme umgesetzt. An den Reibungsflächen zwischen den Wolfram-Blechen 1 und den Wolfram-CarbidscHchten 2 entstehen durch die Reibung die Zonen 3 mit den großen Temperaturgradienten bei Temperaturspitzen bis zu 2000 C. Zur Vermeidung von Oxydationsprozessen befindet sich die Anordnung in einer Helium-Atmosphäre. Im nichtstationären Paket zwischen den Kontakten 4 und 5 sind 800 Thermoelemente in Serie geschaltet. Die heißen Kontaktstellen der Thermoelemente sind die aufeinander reibenden Oberflächen von Wolfram 1 und Wolf ram-Carbid 2 . Die kalten Kontaktstellen der Thermoelemente sind die innerhalb eines Wolframbleches 1 liegenden Übergänge von Wolfram nach Wolfram-Carbid 2. Dem Verbraucher 8 können über den elektrischen Strom 6 bis zu 85 % der zur Überwindung der Reibung benötigten mechanischen Energie in Form von elektrischer Energie zugeführt werden. Zur Glättung des Stromes 6 ist zwischen die Kontakte 4 und 5 der Kondensator 22 geschaltet.

Literatur

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Journal of Applied Physics 37, 2028-2034 (1966)

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Dr. Reinhard Dahlberg Thermoelektrische Anordnung

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the Absorption of Blackbody Radiation"

Journal of Applied Physics 38, 3266-3269 (1967)

"Thermal Conduction near a Metal Surface Exposed

to Blackbody Radiation"

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Seiten 35 bis 41

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Claims

Dr. Reinhard Dahlberg Thermoelektrische Anordnung

Patentansprüche

Thermoelektrische Anordnung mit großen nichtstationären Temperaturgradienten nach P 25 47 262,2 dadurch gekennzeichnet, daß die Elementschenkel eines Thermoelementes durch Bleche, Folien oder Schichten gebildet sind, welche in Form von Bändern, Scheiben oder Ringen mechanisch so bewegt werden, daß sie an mindestens einer Stelle zu einem nichtstationären Paket zusammenkommen, welches abwechselnd thermoelektrische p/n- und n/p-Übergänge enthält, zwischen denen eine Temperaturdifferenz besteht, und daß ein elektrischer Strom durch das nichtstationäre Paket senkrecht zur Oberfläche der Bleche, Folien oder Schichten fließt.

Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das nichtstationäre Paket unter mechanischem Druck steht.

3. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das nichtstationäre Paket durch einseitiges Aufheizen von thermoelektrisch ρ- und n-leitenden Blechen, Folien oder Schichten mit Hilfe von Plasma oder Strahlung und anschließendem Zusammenführen der heißen Seiten und der kalten Seiten der Bleche, Folien oder Schichten zustande kommt.

4. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das nichtstationäre Paket durch Zusammenführen von abwechselnd warmen und kalten Paaren aus. thermoelektrisch η- und p-leitenden Blechen, Folien oder Schichten zustande kommt.

809886/0217

Dr. Reinhard Dahlberg Thermoelektrische Anordnung

5. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Bewegung der thermoelektrisch η- und p-leitenden Bleche, Folien oder Schichten in Form von Bändern, Scheiben oder Ringen durch magnetische Ablenkung im(Strom-durchflossenen)nichtstationären Paket zustande kommt oder unterstützt wird.

6. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß sie unter Zuführung von Wärme als elektrischer Generator arbeitet.

7. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenzen im nichtstationären Paket durch den elektrischen Strom verursacht sind, und daß die Anordnung unter Zuführung von elektrischer Leistung als Wärmepumpe arbeitet.

8. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenzen im nichtstationären Paket durch mechanische Reibung zwischen den thermoelektrisch η-leitenden und den thermoelektrisch p-leitenden Blechen, Folien oder Schichten erzeugt sind, und daß die Reibungswärme' in elektrische Energie umgewandelt wird.

9. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch parallel zum nicht stationären Paket ein Kondensator geschaltet ist.

809886/02$7

Dr. Reinhard Dahlberg Thermoelektrische Anordnung

10. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß mehrere nichtstationäre Pakete elektrisch parallel geschaltet sind.

11. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Elementschenkel Metalle, MetalI-Legierungen oder metallisch leitende Verbindungen verwendet sind.

12. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Elementschenkel metallisch leitende Bänder, Scheiben oder Ringe verwendet sind, die einseitig oder beidseitig mit Schichten aus thermoelektrisch nleitendem oder p-leitendem Material belegt sind.

13. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Reibung und des mechanischen Abriebs die im nichtstationären Paket aufeinander gleitenden Bänder, Scheiben oder Ringe mit einem dünnen Film eines Grenzflächen-Schmiermittels überzogen sind.

14. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß im nichtstationären Paket für benachbarte aufeinander gleitende Flächen zwei unterschiedliche Grenzflächen-Schmiermittel in Form von dünnen Filmen verwendet sind, die eine hohe Thermokraft gegeneinander haben.

8Q98S6/0267