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DE2547262C3 - Thermoelektrische Anordnung mit großen Temperaturgradienten und Verwendung - Google Patents

Thermoelektrische Anordnung mit großen Temperaturgradienten und Verwendung

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Publication number
DE2547262C3
DE2547262C3 DE2547262A DE2547262A DE2547262C3 DE 2547262 C3 DE2547262 C3 DE 2547262C3 DE 2547262 A DE2547262 A DE 2547262A DE 2547262 A DE2547262 A DE 2547262A DE 2547262 C3 DE2547262 C3 DE 2547262C3
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DE
Germany
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thermoelectric
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thermoelectric arrangement
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DE2547262A
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Reinhard Dr. 7101 Flein Dahlberg
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Priority to FR7627564A priority patent/FR2329075A1/fr
Priority to GB44071/76A priority patent/GB1562101A/en
Publication of DE2547262A1 publication Critical patent/DE2547262A1/de
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Publication of DE2547262B2 publication Critical patent/DE2547262B2/de
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Publication of DE2547262C3 publication Critical patent/DE2547262C3/de
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Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung, 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 wii heute kennen (etwa dotierte Si,-ι,(ιοί·.-Kristalle fur Generatoren oder Bi/Tci für Wärmepumpen) erreicht die sogenannte »Effektivität« (der Ouoiit-nt .ms dem Quadrat der Thermokraft durch Jas Verhältnis von thermischer und elektrischer Leitfähigkeit) multipliziert mit tier mittleren Arbciistemneratiir nur etwa ilen /.ahlenwert 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 thermoelektrischen Effekte großtechnisch ί angewendet werden könnten.
Über eine Verbesserung bekannter thermoelektrischer Materialien dürfte beim derzeitigen Stand der Technik kaum noch eine wesentliche Steigerung der thermoelektriscnen Wirkungsgrade zu erzielen sein. Mehr Erfolg verspricht das Ausnützen und Züchten neuer physikalischer Effekte in thermoelektrischen Anordnungen.
Zu einer Vergrößerung der Effektivität könnten neue physikalische Effekte entweder über eine Vergrößerung der elektrischen Leitfähigkeit oder über eine Vergrößerung derThermokraft 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 möglich, 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 κ 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 -to 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 thermoelektrischen 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 d?r Temperaturgradient größer als 104 Grad/cm ist.
Da in einem Festkörper maximal Temperaturdifferenzen von größenordnungsmäßig t0J 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 Temperaturabhängigkeil Einfluß auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit. Solange der größte Energiebetrag, den ein *>o nicktron im Mittel zwischen zwei ZusamrnenMnRrn in hinein 'lenipcraturgradienten aufnehmen und ,i'ipcbcn kann, höchstens gleich kH ist. biotin diu Klekironen-'•ireuiini.' elastisch. Dabei ist λ-die Holi/mann-KonsNiriie und H ist die sogenannte Charakteristische- oder ■■'· I )ehye-1 emperatiir. Solange gilt ;iui h da'. Gesetz w>n Wicdeni.mn F-ran/-Loren/.
Hei der thermoelektrischen Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ist die Größe der Temperaturgradienten mit θ/λ vergleichbar. Daher kann die Streuung eines Elektrons an einem (oder an mehreren Phononen gleichzeitig) nichtelastisch werden, weil das Elektron einen größeren Energiebetrag als IdB 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 nichtelastischen 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 Größenord<,vsng von 107 —10» 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 mehrere Größenordnungen kleiner sein, wenn man noch das Übergangsgebiet in Betracht zieht.
Das Material bei einem Temperaturgradienten von größer als 104 Grad/cm stellt gewissermaßen ein neuartiges thermoelektrisches Material 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 103 annehmen.
Optimale Bedingungen werden erreicht, wewt der gesamte elektrische Widerstand und der gesamte Wärmewiderstand im wesentlichen durch die elektrischen 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 IO5 Voll pro Zentimeter auftreten, die eine Herabsetzung des elektrischen Widerstandes dieser Materialien bewirken können. Unter besonderen UmsCinilen 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 IO4 Grad/cm hinreichend klein ist, kann eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit dieser Stellen auch schon allein als Fofpe des wellenmechanischen f unneleffekles eintreten.
Da bei den aus der CH-PS 4 26 962 und der US-PS ii 24 /71 bekannten thermoelektrischen Anordnungen leder rhermoschenl··?! aus einer Vielzahl von — für den Wannestrom — in Serie geschalteten Verbindungsstellen /wischen den l'ulverkörnern besteht, wird die am I hermoschenkel liegende Temperaturdifferenz in eine
Vielzahl von kleinen Teil-Tempeiaturdiffeien/en an din Verbindungsstellen der Pulverkörner unterteilt. Die als Folge davon an einer einzelnen Verbindungsstelle zwischen zwei Pulverkörnern vorhandene Temperaturdifferenz ist so klein, daß der Temperaturgradient in der Verbindungsslelle zwischen zwei Pulverkörnern (auch bei extrem großer Temperaturdifferenz am Thermoschenkel) kleiner als IO4 Grad/cm ist. Auch in der US-PS 4 34 587 sind keine Mittel zur Erzielung von Temperaturgradienten von größer als ΙΟ4 Grad/cm angegeben. Die oben geschilderten vorteilhaften Wirkungen können daher bei diesem Stand der Technik nicht eintreten.
Die Stellen mit den großen Temperalurgradicnlen im Thermoelement können bei einer Weiterbildung der hrfmdung so ausgebildet sein, daß sie dauerhaft (stationär) vorhanden sind.
Bei einer weiteren Fortbildung der Erfindung sind die Stellen mit Temperaturgradienten von größer als IO4 Gr;ul/rm iindiirrh pphilfipt (IaR pin Thrrmosrhpnlcrl :tiis zwei getrennten und ungleich temperierten Teilen besieht, welche sich an mindestens einer Stelle berühren. Die volle Temperaturdifferenz des Thermoschenkels 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 ThcrmoschenkeK über eine oder auch mehrere (parallel geschaltete) Berührungsstellen. Hierdurch werden War mestromdichten in den Berührungsstellen erreicht, die um Größenordnungen höher sind als in den Anordnungen gemäß der CH-PS 4 26 962 und der IS·PS 35 24 771.
Eine Weiterbildung der vorstehend genannten Fortbildung der !hermoeiektrischen Anordnung gemäß der Erfindung sieht vor. daß jeder Teil des Thcrmoschenkcls auf einer Seite cmc Struktur aus zueinander parallelen, auf einer Platte angeordneten und mit dieser verlöteten Drahien hat und daß diese strukturierten Seiten der beiden Teile des Thermoschenkels — in der Eben·.-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 flächcnhafi verteiltes System von Stellen mit Temperaturgradienten von großer .ils 10" Grad cm miteinander bilden.
Die Stellen mit Temperaturgradienten von größer als 104 Grad cm im Thermoelement können erfindungsgemäß abc auch so ausgebildet sein, daß sie nichtst.Kionär vorhanden sind
An einer zeitlich — oder zeitlich und räumlich — veränderlichen Berührungsstelle können — etwa bei periodischem Berühren zweier getrennter und ungleich temperierter Teile eines Thermoschenkels — sroße nichtstationäre Temperaturgradienten entstehen.
Mindestens einer der beiden getrennten und ungleich temperierten Teile des Thermoschenkeis kann eine zyiinderförmige Gestalt haben und um eine Achse drehbar gelagert sein. Die zeitlich — oder zeitlich und räumlich — veränderliche Berührungssteile kann durch Abrollen der beiden getrennten und ungleich temperierten zyiinderförmigen Teile des Thermoschenkeis aufeinander zustande kommen. Dabei läßt sich trotz niCii'itäiiGricrCrri rV 3~ΓΠ£ΚΟΡ"3Κ* 6;T Stationärer ciCkinscher Kontakt realisieren.
Gemäß einer We:*erbilduneder Frfinc jr,e kann einer der beiden getrennten und ungleich lemperierten 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 Flüssig keil 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 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 temperierten Teile eines Thermoschenkels aus einer Schicht aus einkrislallinem oder polykristallinen! Halb leitermaterial, d. h. aus einer p-leitenden oder n-leiten den Halbleiter-Schicht in einkristalliner oder polykristallinen Form hrurhpn
Gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung 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 vi'> Elektronen durchtunnelt werden können (<1 ■ 10' cm), sind sogar hochohmige Halbleiter und Isolatoren als Thermopaare in der thermoelektrische!! Anordnung der Erfindung mit Erfolg verwendbar.
Die thermoelektrische Anordnung kann als Direkt· Energiewandler in einem Wechselstrom-Energie-Konverter verwendet werden. Durch die eingeprägten Ströme in einem Wechselstrom-Energie-Konverter wird der Einfluß der spannungsabhängigen funnelwiderstände von absorbierten Gas-Schichten an den Kontakten /wischen den ungleich temperierten Kör pern verkleinert. Dadurch wird der negative Einfluß dieser Hautwiderstände auf den Wirkungsgrad der '.her'iioelektrischen Anordnung reduziert.
Wegen der Anpassungsfähigkeit an die verschiedenen Lilordernisse der Praxis und wegen des hohen Wirkungsgrades der Energieumwandlung hissen sich die thermoelektrischen Anordnungen der Erfindung als Thermogereratoren für Kraftwerke aller Großen mit thermischer, nuklearer oder Sonnen- Beheizung verwenden.
In Kombination mit Elektromotoren sind s:e für ■\ntriebe aller Art geeignet.
Auch als Wärmepumpen für reversibles .'.'ihlen. reversibles Heizen und für Klimatisierung sind sie mn Vorteil verwendbar.
Wegen des hohen Wirkungsgrades eignen sich thermoelektrische Anordnungen der Erfindung auch als Wärmepumpen zum thermoelektrischen Tiefkühlen von supraleitenden Anordnungen.
Thermoelektrische Anordnungen gemäß der Erfindung lassen sich in an sich bekannter Weise elektrisch paraiiei und in Serie schalten. Auch eine thermische Parallel- und Serien-Schaltung in Form von Kaskaden ist möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung -ollen nachstehend näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
F i g. i eme Prinzipdarstellung mit großen stationären
Tc VTi pe rätüTgTdUi eil ICM.
F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Anordnung mit großen stationären Temperatur-
gradienlcn als Generator,
F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel der thcrmoelektrisehen Anordnung mit großen stationären Temperatur gradienten als Wärmepumpe.
F i g. 4 eine Prinzipdarstellung mit großen nirhtsiatinnären Temperaturgradienten,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der thcrmoclcktrischen \nordnung mit großen nichtstationären Temperaturgnxlienten zwischen ungleich temperierten Teilen eines Thermoschenkels in rotationssymmetrischer Form als Generator.
[■'ig. 6 ein Ausführungsbeispiel der thermoelektrisehen Anordnung als Generator mit großen nichtstatio nären Temperaturgradienten unter Verwendung einer Plasma-Kontakt-Brücke.
F i g. 7 ein Ausführungsbeispiel der thermoclektrisehen Anordnung mit großen nichtstationären Temperiitiirgradicntcii als Wärmepumpe.
F i H-8 ein AusführunKsbeispiel der thermoelektrischen Anordnung mit großen TcmpcraturgradienlcM in einem Wechselstrom Energie-Konverter als Geneniior.
Ausführungsbeispiel I
In Fig. I ist 1 eine F.isenfolie von 5 ■ IO -'cm Dicke, die einen Mittelstreifen hat. der nur 5 10 ' cm dick und I · 10 'cm breit ist. Dieser Mittelstreifen ist von rechts und von links mit Hilfe eines F.lektronenstrahles schlitzförmig durchbohrt worden. Die Schiit/breiten betragen 5 ■ 10 * cm. Der Zwischenraum in den Schlitzen ist evakuiert. Die Schlitz-Enden stehen sich in der Mitte in einem Abstand von 7 · 10 * cm gegenüber Die Nickclfolie 2 besitzt die gleichen geometrischen Abmessungen w ic die Eisenfolie 1. Sie ist in der gleichen Weise geschlitzt wie die F.isenfolie 1. Oberhalb der Schlitze werden die Eisenfolie I und die Nickelfolic 2. die durch die Kontakt-Brücke 4 elektrisch miteinander verbunden sind, auf einer Temperatur 7%= 1500" K gehalten. Unterhalb der Schlitze werden die Eisenfolie I und die Nickelfolie 2 auf eine Temperatur 77.= 300K gekühlt. Die Temperaturdifferenz von 7"··— Tn- 1200 Grad fällt stationär in den Verbindungsstücken zwischen den Schlitzen in 1 und in 2 ab. Die dabei auiuciciiueri Millionären TemperaiurgnuiivniiMi 3 betragen etwa 4.2 · 10-' Grad pro Zentimeter. Da die Debye-Temperaturen von Eisen Θι,^^Ιΐ'Κ und von Nickel Bv = 472 K sind und die mittleren freien Weglängen Aff = 2.2 · 10-" cm und As =1.33 ■ 10" cm betragen, ist das Verhältnis Β'λ für Eisen etwa 2.4 ■ 10" Grad pro Zentimeter und für Nickel etwa 3.5 ■ 10" 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 JWi. 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-Nickei-Thermoeiement trotz der kleinen Thermokraft von etwa 30 Mikrovolt pro Grad etwa 10'. Der maximale Wirkungsgrad dieser Anordnung liegt bei etwa 94% des Carnot-Wirkungsgrades (von 80%) und beträgt somit 75%. wenn man alle anderen Verluste durch Strahlung und Leitung vernachlässigen kann. Als Folst der integralen ThermosDarinuns von etwa 36 Millivolt fließt der Elektronenstrom 8 durch die thermoelektrische Anordnuna. über die Kontakte 5 und 6 und über den Verbr.tuchcrwiderstand 7. der mit 0.01 Ohm die maximale elektrische Leistung von etwa 30 Milliwatt entnimmt.
Ausführungsbeispiel 2
In Fig 1 sind Drähte I mit einem Durchmesser von 1,5· 10 'cm einer Legierung 87,5% Nickel+ 12.5% Chrom auf zwei Nickelplatten 9 nebeneinandergereihi und mit Hilfe eines Harl-Lotes Il auf ihrer Unterseite mit der jeweiligen Nickelplatte 9 verlötet. )ede Nickelplatte 9 hat bei einer Dicke von 2 cm eine Länge und Breite von je 10 cm. so daß insgesamt etwa 6600 Drähte I auf jeder Nickelplalte 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 Drahtoberflächen von allen absorbierten Gasen gereinigt und mit einem solchen Druck zusammengepreßt, daß sich ca. 44 · IOh Kontaktstellen zwischen den Drähten 1 mit einem mittleren Kreisdurchmesser von I 10 1Cm gebildet haben. Damit diese reinen Engewiderstände erhalten bleiben, werden die beiden Nickelplatten 9 mit den Drähten I unter hinreichendem mechanischen Druck im Hochvakuum gehalten. Die Nickelplatten 10 in F i g. 2 sind in ganz analoger Weise mit Drähten 2 belegt, die einen Durchmesser von 1.5 10 Um haben und aus einer Legierung 6O0O Kupfer+ 40% Nickel bestehen. Sie sind .inch analog zusammengesetzt, und sie bilden ebenfalls ca. 44-10" Fngewiderstände mit einem mittleren Durchmesser von
1 ■ 10 ;cm miteinander. Die oberen Platten 9 und 10 sind üh-T die Kontakt-Brücke 4 elektrisch kurzgeschlossen. Sie befinden sich auf der Temperatur 7V= 1100 K. Die unteren Platten 9 und 10 sind auf der Temperatur 7"n = 3OO'K festgehalten. Durch die 44 ■ 10" Engewiderstände in jedem Thermoschenkel I und 2 fließt der Wärmestrom über Temperaturgradienten 3 von ca.
2 ■ 108 Grad pro Zentimeter. Über die Kontakte 5 und fr fließt der Elektronenstrom 8 über die thermoelektrische
AMHJt UMUttg UtIU UUCI UCM V Cl Ul dULIICI » IUCl >I<1IIU I . ti ti einer elektrischen Serienschaltung von 1000 Anordnungen gemäß F ι 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 60nn.
Au^führungsbeispiel 3
In F i g. 3 ist 1 eine ρ - -Silizium-Einkristallscheibe und 2 eine η'-Silizium-Einkristallscheibe. Die Scheiben I und 2 haben einen Durchmesser von drei Zoll und eine Dicke von 5 ■ 10~;cm. Sie sind an einer Seite auf Molybdänplatten 9 bzw. 10 sperrfrei auflegten, 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-!cm voneinander haben. In der gleichen Weise wie die beiden Silizium-Einkristallscheiben 1 und 2 sind zwei Molybdänscheiben 4a und 4b 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 ■ !0~3cm voneinander haben. Die Siliziumscheibe 1 und die Molybdänscheibe 4a sowie die Silizii mscheibe 2 und die
Molybdänschcibe 4b sind mil ihren geätzten Flächen (um W verdreht) unier Druck so aufeinander gelegt. daß die Ätzkämme aus Silizium mit den Ätzkammern aus Molybdän etwa 44 · IO*1 Berührungsflächen bilden. Durch einen kurzen .Sinterprozeß im Hochvakuum bei ca. 1200" C sind aus diesen Berührungsflächen reine Engewiderstände mit einem mittleren Durchmesser von 2 ■ 10 '· cm en ,landen. Die Molybdänplatten 4a und Ab sind durch die ivtolybdänbrüeke 4 miteinander verbunden. Ober die elektrischen Anschlüsse 5 und 6 an den beiden (auf der Temperatur Γ» = 3000K festgehaltenen) äußeren Molybdänplatten 9 und 10 fließt der Elektronenstrom 8 aus der Gleichstromquelle 12 durch die Ano-dnung. An den F.lektronenübergängen von I nach 4,( und von 4b nach 2 wird als Folge des Pcltier-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 Innenwidcrstand von I ■ 10 'Ohm. Beim maximalen Kühlstrom 8 von 104 Ampere beträgt die beim Durchgang des Stromes 8 in den Temperaturgradienten 3 absorbierte Wärmeleistung I Kilowatt. Ohne Wärmezufuhr von außen wird in 4 eine Kühltcmperatur 7^ < 20 K erreicht.
Von besonderem Interesse sind große nichtstationäre Temperaturgradienten. Sie existieren zwar nur relativ kurze Zeit (< 10 -' Sekunden) an einer Stelle, aber sie sind dafür nicht an kleine Flächen oder Berührungsstellen gebunden. K i g. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung mit großen nichtstationären Temperaturgradienten.
Ausführungsbeispiel 4
In F i g. 4 ist 1 ein F.isenstiit von 0.5 cm Durchmesser und 2 ein Kobalt-Stift von gleichem Durchmesser. Beide Stifte 1 und 2 lind auf der Temperatur Tn = 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 I als auch der kobait-Stitt i mit der KontaKt-BrucKe 4 je eine Berührungsstelle. Da sich die Anordnung im Hochvakuum befindet und sorgfältig ausgeheizt ist. entspricht jede Berührungsstelle einem F.ngewiderstand mit einem Durchmesser von im Mittel 1 -10 1Cm. Diese Berührungsstellen existieren lOOmal 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 Tb-T,,= 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 I. 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 ihermoelektrischen Anordnung und den Verbraucherwiderstand 7. Bei einem Carnot-Wirkungsgrad von ca. 72^ beirägi der maximale Wirkungsgrad der Anordnung r*ur etwa 37%, weil die Summe der Engewiderstände der Berührungsstellen um etwa den Faktor 10! größer ist als die Summe du. elektrischen Widerstände in den Schichten mit den großen Temperaturgradienten 3. Der Verbraucherwidirstand 7 kann maximal einige MiIIi-, watt Leistung über den pulsierenden F.lektronenstrom 8 entnehmen.
Ausführungsbeispiel 5
f i g. 5 beschreibt ein Ausführungsbeispiel der Erfin-
;n dung mit großen nichistationären Temperaturgradienten zwischen ungleich temperierten Körpern, die eine rotationssymmetrische Form haben. Es sind I zwei Zylinder aus Eisen, von denen der eine über eine Wasserkühlung Π auf der Temperatur Tc. = 300" K
• ι festgehalten ist. während der andere F.isenzylinder I auf eine Temperatur 7λ = 1500'K aufgeheizt ist. 2 sind zwei Eisenzylinder, die mit einer 5 ■ 10 -cm dicken Nickelschicht überzogen sind. Sie haben die gleichen Temperaturen Th und T, wie die F.isenzvlinder I. Die
jo heißen Zylinder 1 und 2 sind durch einen Eisenzvlinder 4 überbrückt, der als heiße Kontakt-Brücke 4 zwischen I und 2 fungiert. Alle Zylinder 1, 2 und 4 haben einen Außendurchmesser von 50 cm und eine Breite von 50 cm. Sie rollen im Hochvakuum mit einer Umdre-
.<-, hungsgeschwindigkeil von einer Umdrehung pro Sekunde aufeinander ab.
Die Lauf-Flächen der Zylinder I und 2 sind so strukturiert, daß sich an den Berührungsflächen zwischen den ungleich temperierten Zylindern I und
in den ungleich temperierten Zylindern 2 jeweils im Mittel etwa 5 10* Engewiderstände mit einem mittleren Durchmesser von I · 10 4 cm befinden. Der Gesamtwiderstand aller elektrischen F.ngewiderstände ist um den Faktor 10 größer als die Summe der elektrischen
. Widerstände aller Schichten mit großen Temperaturgradienten 3. Der maximale Wirkungsgrad des Generators nach F i g. 5 ist trotzdem noch 65%. Über den F.lektronenstrom 8, der über die Schleifkontakte 5 und 6 zum Verbraucher 7 fließt, könnten maximal etwa 20
■.ι Kilowatt elektrische Leistung bei einer Spannung von nur 40 Millivolt entnommen werden.
Λ l ic fiiVi ri ι rt iTcK*it c γλι*» Ι ti
Die Fig. 6 beschreibt schematisch ein Ausführungs-
■ "·. beispiel 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-Hohlzvlinder. die durch eine axiale Wasserkühlung 13 auf der Temperatur Tn = 300"K gehalten
":" werden. Der Platin-Überzug des Zylinders 9 enthält einige Prozente Thorium, das teilweise an die Oberfläche gewandert ist und dort eine I · 10* cm dicke Schicht 1 aus ThO: gebildet hat. Der Platin-Überzug des Zylinders 10 enthält einige Prozent Magnesium.
■ί das ebenfalls teilweise an die Oberfläche gewandert ist und dort eine 2 · lO-^cm dicke Schicht 2 aus MgO gebildet hat. Beide Zylinder 9 und 10 haben einen Aiißendurchmesser von einem Meter und eine Breite von einem Meter. Sie rotieren mit zwei Umdrehungen
hi 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 2. Da die Flamme 4 eine Temperatur
^ von ca. 4000" K hat. erhitzen sich die Oberflächen von 1 und 2 im Bereich ihrer Berührungsiinie bis auf 1800cK. Der elektrische Widerstand der Anordnung von 2 · 10-' Ohm wird praktisch nur durch den Übergangs-
widei?,tand /wischen t und 2 über das Plasma 4 gebildet. Die Leerlaufspannung an den .Schleifkontakten 5 und 6 betragt 2 Volt, und durch den Verbraucher können maximal 50 Kilowatt elektrische Leistung entnommen werden. Der maximale Wirkungsgrad beträgt über ü0%. ,
In einem anderen Ausfiihrungsbeispiel nach F i g. 6 rotieren die beiden Zylinder 9 und IO 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 fokussiertc Sonnenstrahlung mit einer Leistungsdichte von 10' Watt pro Quadratzentimeter auf 2100 K aufgeheizt, wobei sich die großen nichtstatioiiär?!?. Temperaturgradienten 3 in I und 2 bilden.
Ausführungsbeispiel 7
F ι g. 7 beschreibt schematisch ein Ausführungsbei spiel eier Krhndung, bei dem einer der ungleich ,, temperierten Körper aus flüssigem Metall besteht. 9 ist ein Molybdän-Hohlzylindcr mit einem Außendurchmesser von 50 cm und einer Wandstärke und Breite von I cm. Er hat an seinen Außenflächen eine p-dotierte SiC-Schicht I von I · 10 ' cm Dicke mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0.1 iiem. 10 ist ein Molybdän-Hohlzylinder mit einem Außendurch messer von 50 cm und einer Wandstärke und Breite von 1 cm. Er hat an seinen Außenflächen eine n-dotierte SiC-Schicht 2 von 1 · 10 'ein Dicke mit einem ,.ι spezifischen elektrischen Widerstand von 0.1 Ωαιι. Die Zylinder 9 und 10 werden durch die Wasserkühlungen 13 auf einer Temperatur Tn = 300Γ Κ gehalten. Sie rotieren mit einer Geschwindigkeit von 20 Umdrehungen pro Sekunde. Beide Zylinder 9 und 10 tauchen r. (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. u
Die Zylinder 9 unf 10 tauchen in das Silberbad 4 so tief ein. daß während der Rotation jeweils etwa 2 env der
c-l:-i.. ~.- i ι λ j u J-- £-:iL..L.j -»ι. ·. ι
.fi.iiihtiit.li t mtVJ Λ· Ultll.ll MOJ OllUtl l/OU Λ· L/V.ll\.(£.l 3IIIVJ.
Die Schichten I und 2 erhitzen sich an den Stellen mit großen Temperaturgradienten 3 bis auf ca. 1300K. i Insgesamt 400 solcher Anordnungen wie in Fig. 7 sind hintereinander in einer 10 Meter langen »Brennlinie« eines halbz\lindrischen 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 thermoeiektrischen Solargenerators ist I Megawatt. Bei Entnahme einer elektrischen Leistung von 100 Kilowatt beträgt der Wirkungsgrad der Umwandlung der absorbierten Sonnenstrahlung 45%. Die benötigte Aiiffangfläche für die Sonnenstrahlung ist dabei ca. IO χ 40 m'.
Ausführungsbeispiel 8
1 i)j. 8 beschreibt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als thermoelektrische '.»'äfmepumpe. 9 und 10 in F t g. 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 Außendurchmesser von I 3 cm aufgezogen sind, zu dem sie einen guten Wärmeübergang haben. Die Außenfläche des Wollramringes 9 ist mit einer 1 · IO ' cm dicken ρ'-leitenden Siliziumschicht I überzogen, die einen spezifischen elektrischen Widerstand von I · 10 ' iicni hat. Die Außenfläche des Wolframringes 10 ist mit einer gleich dicken η'-leitenden Siliziumschicht 2 mit gleichem spezifischen Widerstand überzogen. Insgesamt 100 Ringpaarc 9 und 10, die miteinander verlötet 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 elektriscn isoliertes Quecksilber-Bad 16 ein. daß die Schichten 1 und 2 mit einer Fläche von je 1-10 -'cm- das Quecksilber berühren. An diesen Flächen entstehen die nichtstationären großen Temperaturgradienten 3 als Folge des Peltier-Effektes. Die Quecksilber-Bäder 16 befinden isch in einem Keramik-Behälter 15. der durch die Wasserkühlung Π auf einer Temperatur von Tn = 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 Kontakte 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 Drosscspulen 21 und den Dreiphasen-Gleichrichter 20 als pulsierende Gleichspannung über die Kontakte 5 und 6 an die thermoelektrische
sehen Anordnung ist 0,2 Ohm. Der Wechselstrom -widerstand der Drosselspulen 21 ist 4 Ohm. Damit bestimmt dieser um den Faktor 20 größere Scheinwiderstand im Wechselstromkreis auch (den mit Hilfe des Kondensators 19 geglätteten) Gleichstrom 8 durch die thermoelektrische Anordnung. Der Gleichstrom 8 fließt
ι 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
i Anordnung, wobei sich ohne Wärmezufuhr von außen das Keramik-Rohr 17 auf eine Temperatur T < 50" K abkühlt.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:
1. Thermoelektrische Anordnung, bei der in jedem Thermoelement der Wärmestrom über mindestens eine Stelle mit großem Temperaturgradienten fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen (3) mit großen Temperaturgradienten so ausgebildet sind, daß der Temperaturgradient größer als 104 Grad/cm ist.
2. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen (3) mit Temperaturgradienten von größer als 104 Grad/cm dadurch gebildet sind, daß ein Thermoschenke! aus zwei getrennten und ungleich temperierten Teilen (1,2) besteht, weiche sich an mindestens einer Stelle (3) berühren.
3. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen (3) mit Temperaturgradienten von größer als IO4 Grad/cm se 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 ΙΟ4 Grad/cm so ausgebildet sind, daß sie nichtstationär vorhanden sind.
5. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Tnermoschenkel (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 eint·, Seite ebenfalls eine Struktur aus zueinander parallelen Gräben und Kämmen hat, und daß die struk; wierten 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 IO4 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 10* Grad/cm miteinander bilden (F i g. 2).
7.Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (1, 2) des Thermoschenkels eine /ylindcrföfmige Gestall haben und um eine Achse drehbar gelagert sind, ιιγ'Ί daß Stellen (5) nut i emperciturgradienten von großer ais IO4 Grad/cm <l<idiirch gebildet sind. dall die beiden Teile des I heriuosehcnkels aufeinander mechanisch abrolk-n (I- Ig. ")).
8. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansnriiche 2 bis 7. dadurch «kennzeichnet, daß
mindestens einer der beiden getrennten Teile (1, 2) des Thermoschenkels aus Metall, Metall-Legierungen oder metallisch leitendem Material besteht,
9. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden getrennten Teile (1, 2) des Thermoschenkels aus einer Schicht aus einkristallinem oder polykristallinen! Halbleiter-Material besteht.
10. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden getrennten Teile (1,2) des Thermoschenkels aus einer dünnen Schicht einer temperaturbeständigen chemischen Verbindung mit positiver oder negativer Thermospannung besteht
1 !.Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum um die Stellen mit Temperaturgradienten von größer als 104 Grad/cm evakuiert ist.
^.Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis U, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden getrennten Teile des Thermoschenkels aus einer elektrisch gut leitenden Flüssigkeit besteht
13. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden^etrennten Teile des Thermoschenkels aus Plasma besteht.
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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