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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Mikromaschinen, d. h. Maschinen,
deren Größe einige Millimeter
oder weniger beträgt
und insbesondere Mikromaschinen, die so ausgebildet sind, dass sie
ohne Verwendung jeglicher Verkabelung Energiezufuhr von außen erhalten
können.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem für eine solche
Mikromaschine.
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In
den letzten Jahren wurden sog. Mikromaschinen vorgeschlagen, deren
Größe wenige
Millimeter oder weniger beträgt,
und viele Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen wurden darauf
gerichtet, Mikromaschinen für
den praktischen Gebrauch einzusetzen.
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Bekannte
Verfahren zum Betrieb von Mikromaschinen sind der Kabelbetrieb,
bei dem ein Kabel zur Zufuhr von Energie (elektrische Leistung)
und Steuersignalen von außerhalb
des Maschinenkörpers,
der verschiedene Betätigungsvorrichtungen aufweist,
dient, und ferner ein drahtloser Betrieb, bei dem lediglich Steuersignale
drahtlos von außen
zu dem Maschinenkörper
geführt
werden, welcher intern mit einer Batterie oder dergleichen Energiequelle
versehen ist.
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Bei
Verwendung des Kabels befindet sich die Energiequelle außerhalb
des Maschinenkörpers. Dies
hat den Vorteil, dass der Maschinenkörper kompakt ausgestaltet werden
kann und dass ferner die Auslegung der Mikromaschine freier erfolgen
kann, da der Betrag der zugeführten
Antriebsenergie nicht beschränkt
ist, wobei aber das Kabel, das für
die Energiezufuhr unverzichtbar ist, Beschränkungen hinsichtlich des Bewegungsbereiches
der Maschine sowie ihrer Bewegung selbst auferlegt. Bei der drahtlosen
Variante ist andererseits die Mikromaschine ohne Beschränkungen
beweglich, jedoch vergrößert das
Erfordernis, die Energiequelle darin zu befestigen, den Maschinenkörper und
führt zu
höherem
Gewicht, so dass die beabsichtigte Funktion der Mikromaschine beeinträchtigt wird.
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Dementsprechend
haben die Erfinder Forschungen an drahtlosen Mikromaschinen durchgeführt, die
keine Energiequelle im Maschinenkörper tragen und denen Energie
von außerhalb
drahtlos durch Anwendung von Strahlen od. dgl. elektromagnetischen
Wellen zugeführt
wird. In diesem Fall ist die Oberfläche des Maschinenkörpers mit
fotoelektrischen Vorrichtungen wie Solarzellen zur Wandlung der
zugeführten
elektromagnetischen Wellen in elektrische Leistung bedeckt. Da aber
die Mikromaschinen im größtmöglichen
Maß miniaturisiert
sind, ist die zum Empfang elektromagnetischer Wellen (Lichtempfangsbereiche)
verfügbare
Fläche
beschränkt. Ferner
haben Solarzellen od. dgl. elektromotorische Vorrichtungen einen
niedrigen Wirkungsgrad von bis zu 20 bis 30% für die Umwandlung in elektrische
Energie. Falls die Mikromaschine für die durchführende Funktion
schwer belastet wird, ist es dementsprechend wahrscheinlich, dass
die elektromotorische Kraft der fotoelektrischen Vorrichtungen für die Leistungsanforderungen
nicht ausreichend sind. Wenn ferner die Mikromaschine eine Position
durchläuft,
in der keine Strahlung verfügbar
ist, fehlt zeitweilig Leistung.
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Wenn
beispielsweise eine drahtlose Mikromaschine in eine Rohrleitung
eingebracht wird zur Inspektion der Rohrwandung, wobei elektromagnetische
Wellen der Mikromaschine innerhalb der Rohrleitung zugeführt werden,
ist die Quelle zur Emission elektromagnetischer Wellen am Einlass
der Rohrleitung angeordnet, so dass die Intensität der elektromagnetischen Wellen,
die die Mikromaschine erreichen, aufgrund der Bewegung der Mikromaschine nach
innen abnimmt. Selbst wenn die Mikromaschine in eine gewünschte Position
bewegt werden kann, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die elektrische Leistung
zur Durchführung
des beabsichtigten Betriebs der Maschine, beispielsweise Inspektion
der Leitungswandung in dieser Position, unzureichend ist. Da der
Hauptteil der Lichtenergie, der durch die fotoelektromotorischen
Vorrichtungen nicht in Leistung gewandelt wird, sich die Wärme wandelt,
ergibt sich dadurch das Problem, dass die erzeugte Wärme innerhalb
der Mikromaschine verbleibt, da die Mikromaschine eine sehr geringe
Außenfläche zur
Abgabe von Wärme
aufweist, andererseits aber hochintegrierte Vorrichtungen und elektronische
Schaltungen enthält.
Dies führt
zu einem Anstieg der Innentemperatur und zur Verringerung des Wirkungsgrades
der Leistungswandlung der fotoelektromotorischen Vorrichtungen und
kann zu einer Fehlfunktion der elektronischen Schaltung zur Durchführung der
beabsichtigten Funktion oder des Betriebs der Mikromaschine führen.
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Nächstkommender
Stand der Technik für
die Erfindung ist JP-63-302739 A, welche eine Mikromaschine offenbart
mit einer Energieempfangsvorrichtung zum Empfangen von drahtlos
zugeführter
Energie und zum Wandeln der empfangenen Energie in elektrische Energie,
sowie mit einer Einrichtung zur Zuführung der elektrischen Energie
an ein in der Mikromaschine enthaltenes Arbeits- oder Antriebssystem,
wobei die Energieempfangsvor richtung einen Wandler zum drahtlosen
Empfangen einer drahtlos übertragenen
Energieform, nämlich
von einem Laser ausgesendetes Laserlicht, enthält. Die Laserlichtstrahlung
dient sowohl zur Energieversorgung der Mikromaschine als auch für die Übertragung
von Steuersignalen zur Mikromaschine. Auf dem Dokument ist auch
ein Energieversorgungssystem für
eine Mikromaschine, die sich selbsttätig innerhalb einer Rohrleitung
bewegen kann, mit einer Energie-Übertragungsquelle
die am Einlass der Rohrleitung angeordnet ist und Laserlichtstrahlen
sendet, bekannt.
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DE 32 27 083 C2 beschreibt
eine optisches Übertragungssystem
für Bohrlochsonden,
bei dem über
ein optisches Faserkabel übertragenes
Laserlicht zur Signalübertragung
zwischen der Bohrlochsonde und der Außenstation dient. Zur Energieversorgung
der Bohrlochsonde enthält
das Kabel zusätzliche
elektrische Leitungen.
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DE 33 24 957 A1 offenbart
ein Verfahren zur Stromversorgung einer tragbaren Nebenstation eines
Datenübermittlungssystems.
Um die Nebenstation von einer eigenen eingebauten Energiequelle
unabhängig
zu machen, wird die von der Nebenstation zur Nachrichtenübertragung
benötigte
Energie einem von der Hauptstation erzeugten elektromagnetischen Feld
entzogen.
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Aus
R. Minder "Technische
und wirtschaftliche Aspekte der Elektrizitätserzeugung mit Solarzellensystemen" in Bull. SDV/VSE
73, (1982), 11, S. 505–509,
ist es bekannt, zur Energieversorgung größerer Komplexe verschiedene
Energiequellen, wie Solarenergie, Windenergie, Biogas, zu kombinieren. Die Übertragung
von den Energiequellen zu den Verbrauchern erfolgt dabei jedoch
konventionell über Kabel
und in einer einheitlichen Energieform, nämlich elektrischer Strom.
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In "Strom aus dem Weltraum", ELO 5/1989, Seite
10–24,
wird der Vorschlag erörtert,
von im Weltraum angeordneten Solargeneratoren erzeugte Energie drahtlos
mittels Mikrowellenstrahlung zu einer Bodenstation zu übertragen.
Ein solches System setzt für Übertragung
größerer Leistungen
großflächige Mikrowellen-Empfangsvorrichtungen
an der Bodenstation voraus.
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Ausgehend
von dem genannten, nächstkommenden
Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Mikromaschine mit drahtloser Energieversorgung vorzuschlagen, die
auch bei kleinen Abmessungen bzw. schwierigen räumlichen Gegebenheiten, wie
z. B. den Einsatz in einer Rohrleitung, die Übertragung einer ausreichenden
Leistung zu der Mikromaschine gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im
Anspruch 1 angegebenen Mikromaschine gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen
sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Mikromaschine. Anspruch
9 gibt ein zur Lösung
der Aufgabe beitragendes Energieversorgungssystem für die erfindungsgemäße Mikromaschine
an.
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Die
Erfindung schafft eine Mikromaschine, auf deren Körper eine
Anzahl von Energiewandelvorrichtungen vorgesehen ist zum Empfang
verschiedener Formen von Energie einschließlich Strahlung, Mikrowellen
und Schallwellen und zur Wandlung der verschiedenen Energieformen
in elektrische Leistung.
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Falls
erforderlich, ist die Mikromaschine mit Einrichtungen zum Sammeln
elektrischer Leistung versehen, die von den Energiewandlungseinrichtungen
erhalten wird.
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Bei
dem obengenannten Energieversorgungssystem umfaßt eine der Energiewandlereinrichtungen
beispielsweise fotoelektromotorische Vorrichtungen, die über die
gesamte Fläche
des Körpers der
Mikromaschine verteilt sind. Selbst in diesem Fall kann der Maschinenkörper zusätzlich mit
einer weiteren Energiewandler-Einrichtung wie einem Mikrowellenkonverter
versehen sein, wobei die Mikromaschine mit einem großen Energiebetrag
zusätzlich
zu dem durch die Strahlung maximal zugeführten Energiebetrag versorgt
werden kann.
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Wenn
ferner beispielsweise ein Schallwellengenerator in der Nähe einer
vorgegebenen Position angeordnet ist, in der die Mikromaschine den
vorgesehenen Betrieb durchzuführen
hat, so daß er
in Richtung auf die Mikromaschine Strahlen in einer Energieform
aussendet, erreichen die Schallwellen die Mikromaschine im wesentlichen
ohne Dämpfung
und führen einen
ausreichenden Energiebeitrag für
den vorgesehenen Betrieb zu.
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Wenn
ferner die Mikromaschine mit der Einrichtung zur Sammlung von Energie
versehen ist, die durch die Energiewandlereinrichtungen umgewandelt
wurde, kann diese Einrichtung geladen werden, während der Energieverbrauch
gering ist, und kann bei Bedarf entladen werden, um zeitweilig einen
hohen Anteil elektrischer Energie zu liefern.
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Bei
der oben beschriebenen Mikromaschine ist eine größere elektromotorische Kraft
erhältlich
als wenn sämtliche
elektrische Leistung nur durch fotoelektromotorische Kräfte geliefert
wird, und somit besteht keine Wahrscheinlichkeit der Leistungsknappheit.
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Die
erfindungsgemäße Mikromaschine
umfaßt
ferner einen Selbstbewegungsmechanismus, um sich selbst durch beschränkte Abschnitte
bewegen zu können,
sowie eine Wärmesenke
mit einem Basisende in Kontakt mit einem Wärmeerzeugenden Abschnitt innerhalb
des Maschinenkörpers
und einem Außenende,
das vom Maschinenkörper
nach außen
vorsteht, um in Kontakt mit der Wandungsfläche des beengten Abschnittes
zu kommen. Die Wärmesenke
kann mit einer Anzahl von Antriebsbeinen zum Bewegen des Maschinenkörpers durch
Anstoßen
an die Wandungsfläche
des beengten Bereiches versehen sein.
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Die
von dem wärmeerzeugenden
Abschnitt erzeugte Wärme
wird vom Basisende der Wärmesenke
in Richtung auf sein äußeres Ende übertragen und
zur Wandfläche
des beengten Bereiches abgegeben, mit dem das Außenende der Wärmesenke
in Kontakt steht. Da zu diesem Zeitpunkt der wärmeerzeugende Abschnitt und
der beengende Bereich der Wandlfäche
direkt über
die Wärmesenke
in Kontakt stehen, wird die Wärme
sehr wirksam durch Fest-Fest-Wärmeleitung übertragen.
Auf diese Weise kann die Wärme
effektiver abgegeben werden, als wenn sie spontan von der Maschinenaußenwandung abgegeben
wird.
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Die
Erfindung schafft ferner eine Mikromaschine mit einer elektronischen
Schaltung zur Durchführung
eines vorgegebenen Betriebes, elektromotorischen Vorrichtungen,
die die Außenumfangsfläche des
Körpers
der Mikromaschine bedecken und chemischen Zellen, die innerhalb
des Maschinenkörpers vorgesehen
sind und an der Rückseite
der jeweiligen fotoelektromotorischen Vorrichtungen Rücken an
Rücken
vorgesehen sind, zur Zuführung
einer elektromotorischen Kraft von den Vorrichtungen und der chemischen
Zellen an die elektronische Schaltung. Wenn Sekundärzellen
als chemische Zellen verwendet werden, können die chemischen Zellen
mit der elektromotorischen Kraft der fotoelektromotorischen Vorrichtungen
geladen werden.
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Bei
der beschriebenen Mikromaschine liefert die Entladung der chemischen
Zellen Leistung an die elektronische Schaltung. Wenn Sekundärzellen
als chemische Zellen verwendet werden, wird elektrische Leistung
während
Unterlast in den chemischen Zellen gesammelt, so dass beispielsweise
bei der Unterbrechung von Strahlung die erforderliche Leistung durch
Entladen der chemischen Zellen zugeführt wird. Bei der Bestrahlung
mit Strahlung erzeugen die fotoelektrischen Vorrichtungen Wärme, die ebenfalls
zu den chemischen Zellen übertragen
und durch die Wärmekapazität der Zellen
aufgenommen wird, da die chemischen Zellen in direktem Kontakt mit
dem Rückende
der fotoelektrischen Vorrichtungen stehen. Dementsprechend ist der
Temperaturanstieg der fotoelektrischen Vorrichtungen geringer als bei
bekannten Anordnungen derartiger Vorrichtungen, die keine chemischen
Zellen aufweisen.
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Es
ist bekannt, dass im allgemeinen chemische Zellen einen höheren Wirkungsgrad
der positiven Elektrode bei Temperaturanstieg aufweisen. Der Temperaturanstieg
der chemischen Zellen aufgrund der Wärme, die durch die fotoelektrischen
Vorrichtungen erzeugt wird, verhindert die Entladung der chemischen
Zellen während
einer längeren
Zeitspanne für
eine vorgesetzte Energieversorgung, selbst wenn die Strahlung unterbrochen
wird. Bei der beschriebenen Mikromaschine reduziert die Anordnung
der chemischen Zellen den Temperaturanstieg der fotoelektrischen
Vorrichtungen und der in ternen Schaltung und stellt eine stabilisierte
Energieversorgung sicher, so daß dem
bekannten Problem einer Schaltungsfehlfunktion oder der Leistungsknappheit
entgegengetreten wird.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
teilweise weggebrochene Perspektivdarstellung des Aufbaus einer
erfindungsgemäßen Mikromaschine;
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2 ein
Diagramm zur Erläuterung
des Betriebs einer Beugungsgitterplatte;
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3 eine
vergrößerte Schnittdarstellung des
Aufbaus einer fotoelektrischen Vorrichtung;
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4 eine
Vorderansicht zur schematischen Erläuterung des Aufbaus eines piezoelektrischen
Betätigungselementes;
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5a, b und c eine Reihe von Seitenansichten
zur Erläuterung
einer Selbstbewegung der Mikromaschine;
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6 ein
Blockdiagramm des Aufbaus einer Schaltung der erfindungsgemäßen Mikromaschine;
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7 eine
Perpektivansicht zur Erläuterung einer
Mikromaschine mit Wärmesenke;
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8 eine
Schnittdarstellung, die im einzelnen den Aufbau eines Antriebsbeins,
das ferner als Wärmesenke
dient;
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9a und b Diagramme zur Erläuterung des
Wärme-Abgabemodells
gemäß dem Stand
der Technik und gemäß der Erfindung;
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10 eine
teilweise weggebrochene Perspektivansicht einer Mikromaschine mit
chemischen Zellen;
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11 eine
vergrößerte Schnittansicht
einer fotoelektrischen Vorrichtung und einer chemischen Zelle;
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12 ein Äquivalent-Schaltungsdiagramm eines
Elektroenergie-Versorgungssystems;
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13 ein
Graph zur Erläuterung
der Eigenschaften der fotoelektrischen Vorrichtung; und
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14 ein
Graph zur Erläuterung
der Eigenschaften der chemischen Zelle.
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1 zeigt
eine Mikromaschine 1, die in eine Rohrleitung 9 mit
einem Durchmesser von etwa 5 bis 10 mm eingeführt ist, zur Durchführung eines
vorgegebenen Betriebs wie einer Überprüfung der
Leitungswandung. Die Mikromaschine 1 ist innerhalb der
Leitung 9 vorwärts
und rückwärts beweglich durch
Ausdehnen oder Kontrahieren einer Anzahl von Antriebsbeinen 2 und
dem Maschinenkörper.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
werden vier verschiedene Energieformen als Energie verwendet, die
der Mikromaschine von außen
zugeführt
werden, d.h. Laserstrahlen, Mikrowellen, Schallwellen und Magnetkraftlinien.
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Der
Körper
der Mikromaschine 1 umfaßt einen streckbaren Rumpfabschnitt
und einen abgeschrägten
Teil, der sich vom Vorderende des Rumpfabschnittes erstreckt. Eine
Anzahl fo toelektrischer Vorrichtungen 3 ist darüber angeordnet
und bedeckt die Oberfläche
des Rumpfabschnittes und des abgeschrägten Teils zur Wandlung von
Laserstrahlung, die von außerhalb
der Maschine zugeführt
wird, in elektrische Leistung.
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Der
Maschinenkörper
umfaßt
eine Anzahl von Beugungsgitterplatten 30, die sich von
der Grenze zwischen dem rohrförmigen
Abschnitt und dem abgeschrägten
Abschnitt in Richtung auf die Innenwandung der Leitung 9 erstrecken,
wobei der sich in Richtung des Raumes innerhalb der Leitung um den rohrförmigen Körperbereich
axial der Leitung erstreckende Strahl auf die fotoelektrischen Vorrichtungen 3 auf
der Oberfläche
des Rumpfabschnittes gebeugt wird, wie in 2 dargestellt
ist, so daß ein
erhöhter Lichtanteil
auf die Vorrichtungen 3 trifft. Bezugnehmend auf 3 ist
die fotoelektrische Vorrichtung 3 eine a-Si-Solarzelle
mit einer transparenten Elektrode 35, einem a-Si-Substrat 31 und
einer Rückelektrode 36,
die aufeinandergeschichtet auf einem transparenten, isolierten Substrat 37 beispielsweise
durch einen Plasma-CVD-Prozeß ausgebildet
werden. Das a-Si-Substrat 31 hat eine bekannte Verbindungsstruktur
aus einer p-Schicht 32 von
etwa 150 × 10–8 cm
Dicke, einer i-Schicht 33 von etwa 5000 bis 10000 × 10–8 cm
Dicke und einer n-Schicht 34 von etwa 500 × 10–8 cm
Dicke.
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Beispielsweise
in dem Fall, in dem die Intensität
des einfallenden Lichtes 1 mW/mm2, die Lichtempfangsfläche 50 mm2 und der Wandlungswirkungsgrad 30 % betragen,
erzeugt die Vorrichtung 3 eine elektrische Leistung von
etwa 15 mW über
die Transparentelektrode 35 und die Rückelektrode 36.
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Weiter
bezugnehmend auf 1 ist die Mikromaschine 1 an
dem Vorderende ihres Körpers
mit einer Antenne 5 versehen, zum Empfang von Mikrowellen,
die eine zweite Energieform darstellen. Die empfangenen Mikrowellen
werden einem Mikrowellenwandler 51 über die Antenne zugeführt.
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Der
Mikrowellenwandler 51 umfaßt, beispielsweise, einen monolithischen
Mikrowellen-IC (integrierte Schaltung) und liefert ein Ausgangssignal von
24 mW in dem Fall, in dem die von außen zugeführte Mikrowellenleistung 2
mW/mm2 beträgt, wobei die Empfangsfläche 20 mm2 und der Antennewirkungsgrad 60 % betragen.
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Auf
der Außenwandung
der Leitung 9 ist ein Schallwellengenerator 61 zur
Erzeugung von Ultraschallwellen als dritte Energieform vorgesehen.
Die Ultraschallwellen des Generators 61 werden in die Leitung 9 über die
Leitungswandung eingestrahlt und erreichen eine Akusto-Elektro-Vorrichtung 6,
die vom Rückende
des Körpers
der Mikromaschine 1 vorsteht. Die akusto-elektronische
Vorrichtung 6 umfaßt eine
Vibrationsplatte aus piezoelektrischem Material. Die Vor richtung 6 erzeugt
elektrische Leistung von 1 mW, beispielsweise, für den Fall, in dem die Intensität der einfallenden
Schallwellen 20 mW/mm2 beträgt und die
schallempfangende Fläche
25 mm2 und der Wirkungsgrad 0,2 % betragen.
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Ferner
ist um die Leitung 9 herum eine Primärwicklung 71 vorgesehen
für die
Magnetfeldstärkelinien,
die als vierte Energieform dienen. Andererseits ist eine elektromagnetisch
mit der Primärwicklung 71 gekoppelte
Sekundärwicklung 7 innerhalb der
Mikromaschine 1 vorgesehen.
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Eine
Wechselstromversorgung, die mit der Primärwicklung 71 verbunden
ist, induziert eine elektromotorische Kraft in der Sekundärwicklung 7.
Wenn angenommen wird, dass eine Ni-Cd-Zelle mit 13,5 mm Durchmesser und
3,5 mm Länge
aufzuladen ist, gibt die Anordnung eine elektrische Leistung von etwa
3,75 mW.
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5 zeigt einen Selbstbewegungsmechanismus
für die
Mikromaschine 1. Der Maschinenkörper umfasst einen Vorderkörperabschnitt 1a und
einen Rückkörperabschnitt 1b,
die relativ zueinander bewegbar sind, so dass der Maschinenkörper streckbar
ist. Der Vorderkörperabschnitt 1a und
der Rückkörperabschnitt 1b umfassen,
von ihren Außenumfängen vor stehend,
eine Anzahl streckbarer Vorderantriebsbeine 2a und eine
Anzahl streckbarer Hinterantriebsbeine 2b.
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4 zeigt
eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung
aus aufeinandergeschichteten Schichten, die als Streck-Antriebsvorrichtungen
für den
Maschinenkörper
und die Antriebsbeine verwendet werden können.
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Die
piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 4 umfaßt eine
positive Elektrode 41 und eine negative Elektrode 42 die
einander gegenüberliegen,
und einen piezoelektrischen Keramikteil 43, der zwischen diesen
Elektroden aufgenommen ist. Wenn eine vorgegebene Spannung Vd über die
Elektroden 41, 42 angelegt ist, dehnt sich der
Keramikteil 43 bzw. kontrahiert er, wie durch die unterbrochene
Linie angegeben ist. Die Energie zur Zuführung der Spannung an die Betätigungsvorrichtung 4 wird
durch die elektromotorische Kraft der oben beschriebenen fotoelektrischen
Vorrichtungen 3 geliefert.
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Die
Mikromaschine 1 bewegt sich in der folgenden Weise vor:
5a zeigt den Maschinenkörper im
zusammengezogenen Zustand, wobei der Vorderkörperteil 1a und der
Rückkörperteil 1b zusammengezogen
sind. Die Vorderantriebsbeine 2a und die Rückantriebsbeine 2b sind
im ausgestreckten Zustand, wobei das Außenende jedes Beines in Druckkontakt
mit der Innen wandung der Leitung 9 ist. In diesem Zustand
werden die Vorderantriebsbeine 2a eingezogen, und der Vorderkörperteil 1a bewegt
sich nach vorn, wie aus 5b ersichtlich
ist.
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Als
nächstes,
wie in 5c dargestellt ist, werden
die Vorderantriebsbeine 2a gestreckt, um ihre Außenenden
in Druckkontakt mit der Leitungsinnenwandung zu bringen, und der
Rückkörperteil 1b wird
auf den Vorderkörperteil 1a hin
gezogen, wobei die Rückantriebsbeine 2b in
zusammengezogenem Zustand sind. Anschließend werden die Rückantriebsbeine 2b gestreckt,
so daß der
Maschinenkörper
wieder den Zustand der 5a annimmt.
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Der
oben beschriebene Vorgang bringt die Mikromaschine 1 um
den Betrag des Streckens oder der Kontraktion L des Maschinenkörpers nach
vorn, d.h. um den Bewegungsbetrag L des Vorderkörperteils 1a und des
Rückkörperteils 1b relativ
zueinander. Die Mikromaschine bewegt sich durch Wiederholung dieses
Vorganges kontinuierlich. Die Maschine kann in gleicher Weise rückwärts bewegt
werden.
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6 zeigt
den Aufbau der Schaltung der Mikromaschine 1. Der Ausgang
der fotoelektromotorischen Vorrichtungen 3 wird einer Steuerschaltung 81 zugeführt. Die
Ausgabe sowohl des Mikrowellenwandlers 51, der akustoelektrischen
Vorrichtung 6 und der Sekundärwicklung 7 wird durch
einen Wechselstrom /Gleichstromwandler 8 in einen Gleichstrom gewandelt,
der dann der Steuerschaltung 81 zugeführt wird.
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Die
Steuerschaltung 81 dient der Zuführung der erforderlichen elektrischen
Leistung in geeigneter Aufteilung an ein Antriebssystem 11 einschließlich der
piezoelektrischen Betätigungselemente,
die den vorstehend beschriebenen Selbstbewegungsmechanismus darstellen,
und an ein Betriebssystem 12 zur Durchführung des vorgesehenen Betriebs
oder der Funktion der Mikromaschine 1, beispielsweise Überprüfung der
Leitungswandung. Der Ausgang der Steuerschaltung 81 wird
einem Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandler 83 zur Spannungseinstellung
od. dgl. zugeführt
und an das Antriebssystem 11 und das Betriebssystem 12 abgegeben.
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Mit
der Steuerschaltung 81 ist eine Batterie 82 wie
eine Ni-Cd-Zelle oder eine Lithium-Sekundärzelle zur Ansammlung überschüssiger elektrischer Energie
verbunden.
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Wenn
die Mikromaschine 1 alle Energiezufuhren erhält, ist
ein Maximalausgang von mehr als 40 mW erhältlich, der es der Maschine
gestattet, einen Betrieb unter hoher Last durchzuführen, der
beispielsweise durch ausschließliche
Energiezufuhr von der fotoelektromotorischen Vorrichtung 3 kaum durchzuführen ist.
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Die
aus der Unterlast resultierende überschüssige elektrische
Energie wird unter Steuerung durch die Steuerschaltung 81 in
der Batterie 82 gesammelt, so daß die Batterie 82 bei
Hochlast entladen werden kann, um die erforderliche Leistung zuzuführen.
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Wenn
der Schallwellengenerator 61 oder die Primärwindung 71 gemäß 1 bewegbar
ist, um der Bewegung der Mikromaschine 1 zu folgen, kann ein
höherer
Leistungswandlungswirkungsgrad erreicht werden, wobei aber das Vorhandensein
der Batterie 82 in der Mikromaschine 1 es möglich macht, den
Schallwellengenerator 61 oder die Primärwindung 71 in einer
günstigen
Position anzuordnen und eine Energieversorgungsstation in dieser
Position zu errichten.
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Bei
dem vorstehenden Ausführungsbeispiel werden
die verschiedenen Energieformen zusammen als gemeinsame Energiequelle
verwendet, wobei aber eine Energieform von der anderen hinsichtlich
ihrer Eigenschaften unterschieden werden kann, z.b. hinsichtlich
des Spannungswertes, für
die effizientere Verwendung von Energie. Desweiteren sind elektrische
Versorgungsleitungen als andere Energieform verwendbar.
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7 zeigt
eine weitere Mikromaschine, bei der ein Laserstrahl als von außen zuzuführende Energieform
verwendet wird, und die Oberfläche
der Mikromaschine, die mit 1a be zeichnet ist, ist mit einer Vielzahl
von fotoelektromotorischen Vorrichtungen 3 zur Wandlung
der Lichtenergie des Laserstrahls bedeckt. Die Vorrichtung 3 ist
eine a-Si-Solarzelle des in 3 dargestellten
Aufbaus. Die Mikromaschine 1A umfaßt einen Selbstbewegungsmechanismus,
der den Streckantriebsmechanismus gemäß der 4 und 5 aufweist.
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8 zeigt
ein Antriebsbein 2, das ferner als Wärmesenke dient. Der Maschinenkörper enthält eine
elektronische Schaltung 13 zur Realisierung verschiedener
möglicher
Betriebe oder Funktionen der Mikromaschine 1A. Die Schaltung
umfaßt
einen Isolierfilm 14 mit einer Dicke von etwa 12 μm.
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Das
Antriebsbein 2, das durch ein piezoelektrisches Betätigungselement
mit übereinanderliegenden
Schichten gebildet ist, umfaßt
ein piezoelektrisches Keramikrohr 21 mit einem Basisende,
das an der Außenwandung 10 des
Maschinenkörpers
befestigt ist. Ein elektrisch nichtleitendes Kontaktstück 24, das
am Außenende
des Keramikrohres 21 befestigt ist, und ein Elektrodenpaar 22 und 23,
die an gegenüberliegenden
Seiten des Keramikrohres 21 befestigt sind. Das Kontaktstück 24 hat
ein Außenende
mit zylindrischer Oberfläche,
die in engem Kontakt mit der Innenfläche der Leitung 9 gebracht
werden kann.
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Das
das Antriebsbein 2 bildende piezoelektrische Rohr 21 trägt innen
einen streckbaren Verbinder 25 mit einem Basisende, das
am Isolierfilm 14 der elektronischen Schaltung 13 angelenkt
ist, und einem Außenende,
das am Kontaktstück 24 angelenkt ist.
Der Verbinder 25 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
wie Cu, Ag, Au, Al od. dgl.
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Dementsprechend
wird durch die elektronische Schaltung 13 erzeugte Wärme effektiv
an die Innenwandung der Rohrleitung 9 über den streckbaren Verbinder 25 und
das Kontaktstück 24 abgeleitet. Desweiteren
wird die von den fotoelektromotorischen Vorrichtungen, die einen
Teil der Außenwandung 10 der
Maschineneinheit bilden, erzeugte Wärme an die Innenwandung der
Rohrleitung 9 über
das Keramikrohr 21 und das Kontaktstück 24 abgegeben.
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Der
Verbinder 25 kann sich frei strecken bzw. zusammenziehen
und behindert deshalb das Strecken oder Kontrahieren des Antriebsbeins 2 nicht.
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Der
Betrag abgegebener Wärme
von beispielsweise einer Mikromaschine mit spontaner Wärmeabgabe
wird mit Bezug auf 9a berücksichtigt, die
ein Modell zeigt, bei dem Q1 der Betrag der Wärmeübertragung für den Fall
ist, wenn Wärme
von einer Wärmeabgabefläche 102 eines
wärmeerzeugenden
Bereichs 101 mit einer Temperatur von T1 an ein an grenzendes
Medium 103 mit einer Temperatur T0 abgegeben wird. Der
Wärmeabgabebetrag
der erfindungsgemäßen Mikromaschine
wird mit Bezug auf 9b berücksichtigt,
die ein Modell zeigt, bei dem Q2 der Betrag der Wärmeübertragung
für den
Fall ist, in dem Wärme
von einem Wärmebereich 101 mit
einer Temperatur T1 an eine Außenwandung 104 mit einer
Temperatur T0 über
eine Wärmesenke 100 abgegeben
wird. Das Verhältnis
zwischen den Beträgen
der Wärmeübertragung
Q2/Q1 berechnet sich wie folgt:
Zunächst wird der Betrag der Wärmeübertragung
Q1 für
den Fall der 9a durch die nachstehende
Gleichung 1 gegeben, wobei A1 die Fläche der Wärmeabgabefläche 102 ist und h
der Wärmeübertragungskoeffizient
von der Wärmeabgabefläche 102 an
das Medium 103 ist. Q1 = hA1(T1 – T0) Gleichung 1
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Andererseits
wird der Betrag der Wärmeübertragung
Q2 über
die Wärmesenke 100 für den Fall der 9(b) durch die nachstehende Gleichung 2 ausgedrückt, wobei
L die Länge,
A2 die Querschnittfläche
und λ die
Wärmeleitfähigkeit
der Wärmesenke 100 angeben. Q2 = λA2(T1 – T0)/L Gleichung 2
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Dementsprechend
wird das Verhältnis
zwischen den Anteilen der Wärmeübertragungen
Q2/Q1 durch die folgende Gleichung 3 ausgedrückt. Q2/Q1 = λA2/hA1L Gleichung 3
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Nun
sei angenommen, das Medium 103 sei Luft, die Wärmesenke 100 ist
aus Kupfer, der Wärmeübergangskoeffizient
h beträgt
10 W/m2K, die Wärmeleitfähigkeit λ ist 400 W/mK, die Länge L beträgt 1 × 10–4m,
und das Flächenverhältnis A2/A1
ist 1 × 10–2 Das
Verhältnis
Q2/Q1 beträgt
dann 4 × 103. Kurz gesagt, erreicht der erfindungsgemäße Aufbau gemäß 9b das 4000-fache der Wärmeableitung, die
im bekannten Fall gemäß 9a erreicht wird.
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Bei
der Mikromaschine der 7 wird die innerhalb des Maschinenkörpers erzeugte
Wärme effektiv
zur Innenwandung 9 über
das Antriebsbein 2, das ebenfalls als Wärmesenke dient, übertragen,
so daß ein
sehr hoher Wärmeableitungseffekt
erzielt wird.
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Während der
Bewegung der Mikromaschine 1a kommt das Antriebsbein 2 wiederholt
in Kontakt und außer
Kontakt mit der Innenwandung der Rohrleitung 9. Da der
Kontaktzustand während
einer vorgegebenen Zeitspanne aufrecht erhalten wird, kann eine
höhere
Wärmeableitung
als bei bekannter Technik erreicht werden, selbst wenn die Wärmeableitung nur
während
des Kontakts berücksichtigt
wird.
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Selbst
wenn das Antriebsbein 2 außer Kontakt mit der Leitungswandung
ist, dient ferner die Umfangsfläche
des Beines 2 als Wärmeabgabefläche zur
Wärmeübertragung
an das umgebende Medium. Dies bewirkt ebenfalls eine Wärmeableitung.
Demgegenüber
ist bei bekannten Vorrichtungen das Antriebsbein nicht in direktem
Kontakt mit dem Wärmeerzeugungsteil,
so daß Wärme effektiv
nicht von diesem Teil an das Antriebsbein übertragen wird, so daß eine geringere
Wärmeabgabe
auftritt.
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Das
in 8 dargestellte Bein umfaßt den streckbaren Verbinder 25 als
Wärmesenken-Element,
wobei die Wärmesenke
eine verbesserte Wärmeableitung
liefert, falls sie ein Wärmezwangsübertragungssystem
aufweist, bei dem eine Flüssigkeit od.
dgl. fließendes
Wärmemedium
verwendet wird. Obwohl die Wärmesenke
im vorstehenden Ausführungsbeispiel
durch das Antriebsbein 2 gebildet wird, kann eine speziell
ausgestaltete Wärmesenke
als solche getrennt vom Antriebsbein 2 verwendet werden.
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10 zeigt
eine weitere Mikromaschine 1B, deren Oberfläche mit
fotoelektromotorischen Vorrichtungen 3 bedeckt ist. Die
Vorrichtung 3 ist eine a-Si-Solarzelle gemäß 11.
Wie die bereits beschriebenen umfaßt die Vorrichtung 3 eine transparente
Elektrode 35, eine a-Si-Schicht 31 und eine Rückelektrode 36 aus
Aluminium, die in Schichten über ein
transparentes, isolierendes Substrat 37 aufgelegt ist.
Ein Anschlußstück 38 aus
Aluminium ist auf der transparenten Elektrode 35 ausgebildet.
Der positive Ausgang wird am Anschlußstück und der negative Ausgang
an der Rückelektrode 36 erhalten.
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Eine
chemische Zelle 140 ist an der Rückseite der fotoelektromotorischen
Vorrichtung 3 in engem Kontakt damit ausgebildet. Die Zelle 140 ist
eine Lithium-Sekundärzelle
in Form einer flachen Platte von etwa 1 mm Dicke. Wie aus 11 ersichtlich
ist, ist eine Elektrolytschicht 143 zwischen einer negativen Elektrodenschicht 142 und
einer positiven Elektrodenschicht 144 aufgenommen, und
diese Anordnung wird zwischen einem negativen Elektrodengehäuse 141 und
einem positiven Elektrodengehäuse 145 gehalten,
die mit Isolatoren 146 verbunden sind und eine geschlossene
Struktur bilden.
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Die
negative Elektrodenschicht 142 ist aus Lithium oder einer
Lithiumlegierung gefertigt. Die positive Elektrodenschicht 144 weist
ein Manganoxid auf, das als aktive Substand dient, ein elektrisch
leitfähiges
Mittel aus Acetylen schwarz (acetylene black) und einen Fluorkohlenstoff-Harzbinder, die miteinander
in einem Verhältnis
(Gewicht) von 80:10:10 gemischt und dann geformt werden. Die Elektro lytschicht 143 weist
einen festen, hochpolymeren Lithiumion-Elektroleiter auf, der hergestellt wird
durch Mischung eines Lithiumsalzes z.B. LiClO4, mit
Polyäthylenoxid.
Die Gehäuse 141 und 145 sind aus
rostfreiem Stahl.
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Verschiedene
Lithiumsalze wie LiBF4 oder LiCF3SO3 sind anstatt
von LiCLO4 für die Elektrolytschicht 143 verwendbar.
Ein Polyester, Polyimin od. dgl. kann anstatt des Polyäthylenoxids
verwendet werden.
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Die
Elektrolytschicht 143 ist nicht auf einen Festkörper beschränkt, sondern
kann auch alternativ ein flüssiger
Elektrolyt wie Propylenkarbonat oder Äthylenkarbonat verwendbar sein.
Desweiteren ist ein Elektrolytgel verwendbar, das durch Zuführung eines
Plastifizierers wie Polymethylmetacrylat oder Polyacrylonitril zu
einem derartigen flüssigen
Elektrolyten hergestellt werden kann.
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Die
fotoelektromotorischen Vorrichtungen 3 und die chemischen
Zellen 140 sind elektrisch miteinander verbunden, wie aus 12 ersichtlich
ist, und bilden ein Energieversorgungssystem. Der Strom von den
Vorrichtungen 3 wird einer Last 15 wie der obengenannten
internen Schaltung zugeführt über eine
den Rückfluß verhindernde
Diode 16 und einen strombegrenzenden Widerstand 17 und
ferner ebenfalls zu den chemischen Zellen 140 zum Laden
der Zellen 140 mit einem Überschuß an elektrischer Energie.
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Die
Mikromaschine 1B umfaßt
einen selbstbewegenden Mechanismus, der in gleicher Weise die gleichen
Streckantriebsmechanismen gemäß 4 und 5 aufweist. Piezoelektrische Betätigungselemente 4,
die gleichen, die bereits beschrieben wurden, sind als Last 15 der 12 im
Energieversorgungssystem vorhanden.
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Bei
der beschriebenen Mikromaschine 1B wird die durch die fotoelektrischen
Vorrichtungen 3 erzeugte Wärme direkt an die chemischen
Zellen 140 abgegeben, deren Wärmekapazität einen Temperaturanstieg der
Vorrichtungen 3 unterdrücken.
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13 zeigt
die Strom-Spannungs-Charakteristika der a-Si-Solarzelle, die die fotoelektrische Vorrichtung 3 bildet.
Der Graph zeigt, daß mit
steigender Temperatur der Kurzschlußstrom Isc ansteigt, wenn die
Last 0 ist, aber daß die
Offenspannung Voc sich deutlicher reduziert
und zu einem geringeren Wandlerwirkungsgrad führt. Wenn beispielsweise die Temperatur
um 1°C steigt,
nimmt der Wandlerwirkungsgrad um 0,2 bis 0,3 % ab. Dementsprechend
ist es wünschenswert,
die Vorrichtung 3 bei der geringstmöglichen Temperatur zu betreiben.
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Andererseits
zeigt 14 die Entladecharakteristika
der chemischen Zelle 140. Der Graph zeigt, daß die Anwendungsrate
der positiven Elektrode bei einem konstanten Stromwert mit einem
Anstieg der Entladungstemperatur zunimmt. Es ist anzunehmen, daß dies der
Tatsache zuzuschreiben ist, daß die
Bewegungsgeschwindigkeit für
Ionen im Elektrolyten oder in der aktiven Substanz der positiven
Elektrode mit dem Temperaturanstieg zunimmt.
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Der
Anstieg der Nutzrate der positiven Elektrode bedeutet ein Ansteigen
der Entladungszeit der chemischen Zelle 140, so daß die erforderliche
Energie durch Entladung der chemischen Zellen 140 selbst
dann zugeführt
wird, wenn die Erzeugung von Leistung durch die Vorrichtungen 3 für eine lange Zeitspanne
unterbrochen ist. Der Temperaturanstieg führt ferner zu einer Verminderung
der Ladungszeit der chemischen Zellen 140, so daß diese
Zellen vollständig
als Sekundärzellen
dienen können.
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Bei
der Mikromaschine 1B wird die durch die fotoelektrischen
Vorrichtungen 3 erzeugte Wärme in die chemischen Zellen 140 geleitet
und erhöht
die Temperatur der Zellen 140, so daß die Wärmekapazität der chemischen Zellen 140 den
Temperaturanstieg der Vorrichtungen 3 reduziert. Zusätzlich werden
die Entladungseigenschaften der chemischen Zellen 140 ebenfalls
verbessert. Das vorliegende System realisiert folglich eine Energieversorgung
mit höherer
Wandlereffizienz und höherer
Stabilität
als bei Energieversorgungssystemen, in denen die fotoelektrischen
Vorrichtungen 3 ausschließlich vorgesehen sind, oder
derartige Vorrichtungen 3 und chemische Zellen 140 getrennt
voneinander vorgesehen sind. Desweiteren wird die durch die Vorrichtungen 3 erzeugte
Wärme durch
die chemischen Zellen 140 blockiert und ein Transport an
die interne elektronische Schaltung 18 wird im wesentlichen
vollständig verhindert.
Dies reduziert den Temperaturanstieg der Schaltung 18 und
verhindert eine Fehlfunktion der Schaltung 18.
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Einkristalline
Si-Solarzellen können
als fotoelektrische Vorrichtungen 3 verwendet werden. Die chemischen
Zellen 140 sind nicht auf Sekundärzellen beschränkt, sondern
können
auch Primärzellen
sein. Dies erzeugt in gleicher Weise einen Effekt zur Verbesserung
der Entladungscharakeristika.