DE2734022C3

DE2734022C3 - Thermoelektrische Anordnung mit großen nichtstationären Temperaturgradienten

Info

Publication number: DE2734022C3
Application number: DE2734022A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. 7101 Flein Dahlberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-28
Filing date: 1977-07-28
Publication date: 1981-11-05
Also published as: DE2734022A1; DE2734022B2; DE2861630D1; IT7826020A0; EP0000475B1; EP0000475A1; IT1097317B; JPS5425698A; US4249121A

Description

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

Sie ist eine Zusatzanmeldung zum Patent 25 47 262, das eine thermoelektrische Anordnung zum Gegenstand hat, bei der in jedem Thermoelement der Wärmestrom über mindestens eine Stelle mit großem Temperaturgradienten fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen mit großen Temperaturgradienten so ausgebildet sind, daß der Temperaturgradient größer als 10⁴ Grad/cm ist. In diesem großen Temperaturgradienten treten Abweichungen vom thermodynamischen Gleichgewicht auf, durch welche die spezifische Wärmeleitfähigkeit verkleinert wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Energieumwandlung vergrößert.

Gegenstand von Weiterbildungen des Hauptpatents sind sowohl thermoelektrische Anordnungen mit Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm, welche stationär vorhanden sind als auch thermoelektrische Anordnungen mit Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm, welche nichtstationär vorhanden sind. Im letzteren Falle besteht ein Thermoschenkel aus zwei getrennten und unterschiedlich temperierten Teilen, die zylinderförmige Gestalt haben und an eine Achse drehbar gelagert sind. Die Stellen mit Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm sind dadurch gebildet, daß die beiden Teile der Thermoschenkel aufeinander abrollen.

Ein Thermoelement, welches aus einer kalten Eisenscheibe und einer erhitzten Kupferscheibe besteht,

die aufeinander abrollen und dadurch an einer Stelle einen bewegten thermo-elektrischen Kontakt miteinander bilden, ist bereits in der US-PS 4 34 587 beschrieben.

In dieser Patentschrift: sind jedoch weder das Ziel noch die Mittel dafür offenbart, Temperaturgradienten > 10⁴ Grad/cm zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die thermoelektrischen Anordnungen nach dem Hauptpatent so zu verbessern, daß eine noch höhere spezifische elektrische Leistung und eine höhere elektrisch Arbeitsspannung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer thermoelektrischen Anordnung, bei der in jedem Thermoelement der Wärmestrom über mindestens eine Stelle mit Temperaturgradienten größer 10⁴ Grad/cm fließt, die dadurch gebildet ist, daß ungleich temperierte Thermoschenkel oder ungleich temperierte Teile mindestens eines Thermoschenkels mechanisch so bewegt sind, daß sie sich an mindestens einer Stelle nichtstationär berühren nach Patent 2547 262, dadurch gelöst, daß die Thermoschenkel oder deren Teile aus ungleich temperierte Blechen, Folien oder Schichten in Form von Bändern, Scheiben oder Ringen bestehen und daß ihre nichtstationären Berührungsstellen so ausgebildet sind, daß ein elektrischer Strom durch die nichtstationären Berührungsstellen senkrecht zur Oberfläche der Bleche, Folien oder Schichten fließen kann.

An den nichtstationären Berührungsstellen kommen laufend neue heiße und kalte Zonen miteinander in mechanischen Kontakt, so daß an diesen Berührungs- jo stellen Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm vorhanden sind. Über die mechanische Bewegung der heißen und kalten Zonen an den nichtstationären Berührungsstellen 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 an den nichtstationären Berührungsstellen elektrisch in Serie geschaltet sind, relativ groß sein kann. Schließlich kann man auch den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Blechen, Folien oder Schichten an den nichtstationären Berührungsstellen über einen hinreichend großen mechanischen Kontaktdruck und durch elektrische Parallelschaltung mehrerer Serienschaltungen von nichtstationärer Berührungsstellen relativ klein machen. Als Folge aller dieser Faktoren lassen sich thermoelektrischen Anordnungen gemäß der Erfindung spezifische elektrische Leistungen entnehmen, die um Größenordnungen größer sind als bei konventionellen thermoelektrischen Generatoren..

Die Temperaturdifferenzen an den Berührungsstellen lassen sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erzeugen, daß diese dadurch gebildet sind, daß thermoelektrisch positiv und negativ leitende Bleche, Folien oder Schichten auf einer Seite mit Hilfe von Plasma oder Strahlung einseitig aufgeheizt und anschließend die heißen Seiten der Bleche, Folien oder Schichten zusammengeführt werden.

Nach einer anderen Weiterbildung sind die Beruhrungsstellen dadurch gebildet, daß abwechselnd warme und kalte Paare von thermoelektrisch positiv und negativ leitenden Blechen, Folien oder Schichten zusammengeführt werden.

Da der elektrische Strom senkrecht zur Oberfläche der Bleche, Folien oder Schichten durch die nichtstationären Berührungsstellen 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 die nichtstationären Berührungsstellen 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 die nichtstationären Berührungsstellen fließt, erregt ist Anstelle dieser »Hauptschluß-Motor«-Schaltung kann der Elektromagnet auch in »Nebenschluß-Motor«-Schaltung 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 groß macht, daß die Summe der elektrischen Bahnwiderstände senkrecht durch die Bleche, Folien oder Schichten an den nichtstationären Berührungsstellen etwa ebenso groß ist, wie die Summe aller Kontaktwiderstände.

Die thermoelektrischen 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. Die Abkühlung wird am größten, wenn sich die nichtstationären Berührungsstellen im Vakuum befinden, so daß der Wärmenebenschluß durch Konvektion und Leitung vernachlässigbar ist.

Beim Betrieb der thermoelektrischen Anordnung gemäß der Erfindung als Generator und Wärmepumpe wird man im allgemeinen bestrebt sein, die mechanische Reibung zwischen den Blechen, Folien oder Schichten an den nichlstationären Berührungsstellen auf ein unvermeidbares Mindestmaß zu beschränken. Man kann jedoch die thermoelektrische Anordnung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch dazu benutzen, um mechanische Energie (z. B. Wasserkraft) in Reibungswärme an den nichtstationären Berührungsstellen umzusetzen, die ihrerseits wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird. Über die Reibung lassen sich Temperaturen >1000°C an nichtstationären Berührungsstellen 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 thermoelektrischen 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.

Es lassen sich jedoch als Thermoschenkel mit Erfolg auch Metall-Bänder, -Scheiben oder -Ringe verwenden, welche einseitig oder beidseitig mit Schichten aus thermoelektrisch positiv oder negativ leitendem Material belegt sind, welches für sich aBein nicht duktil genug ware.

Zur Verringerung der mechanischen Reibung und vor allem auch zur Verringerung der unvermeidbaren mechanischen Abnutzung der sich an den nichtstationä-

ren Berührungsstellen berührenden Bleche, Folien oder Schichten, können die aufeinander gleitenden Flächen mit einem dünnen Film eines Grenzflächen-Schmiermittels überzogen sein. Hierfür eignen sich besonders Stoffe mit einer sogenannten »Schichtgitter-Struktur«, wie z. B. Graphit, M0S2, TiTe u. a. oder auch Schichten aus sogenannten »Lagermetallen«, wie z. B. Blei, Zinn, Indium, Wismut u. a.

Da die Zonen mit Temperaturgradienten von größer als tO⁴ Grad/cm 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 Doppelflächen zwei unterschiedliche Grenzflächen-Schmiermittel benutzen, welche eine hohe Thermokraft gegeneinander haben, wie z. B. Pr₂O₃ mit WSe₂, La₂O₃ mit WS₂ 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 an den nichtstationären Berührungsstellen aufeinander gleitenden Blechen, Folien oder Schichten grundsätzlich ein statistischer Vorgang ist, kann es nützlich sein, parallel zu den nichtstationären Berührungsstellen einen elektrischen Kondensator zu schalten. Dadurch lassen sich statistische Schwankungen der Spannung und des Stromes glätten.

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

F i g. 1 eine thermoelektrische Anordnung mit einem Thermoelement mit nichtstationären Kontaktstellen als Generator.

Fig.2 eine thermoelektrische Anordnung mit einer Serienschaltung von vielen Thermoelementen mit nichtstationären Kontaktstellen als Generator mit Impuls-förmiger Abgabe der elektrischen Leistung.

F i g. 3 eine thermoelektrische Anordnung mit einem Thermoelement mit nichtstationären Kontaktstellen als Generator mit einseitiger nichtstationärer Aufheizung von Bändern.

F i g. 4a und 4b eine thermoelektrische Anordnung als Generator in rotationssymmetrischer Ausführung.

F i g. 5a und 5b eine thermoelektrische Anordnung als Wärmepumpe.

F i g. 6a und 6b eine thermoelektrische Anordnung als Generator mit elektromotorischer Wirkung.

F i g. 7a und 7b eine thermoelektrische Anordnung als Generator zur Umwandlung von Reibungswärme.

Ausführungsbeispiel 1

In Fig. 1 sind 1 thermoelektrisch positivieitende Bleche aus Chromnickel (87,5% Ni+12,5% Cr) und 2 thermoelektrische negativleitende Bleche aus Thermokonstanten (60% Cu+40% Ni). Alle Bleche haben die Form von Bändern mit eine 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 7"_c=300°K, die beiden inneren Bänder befinden sich auf der Temperatur 7*= 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 unter Bildung nichtstationärer Berührungsstellen zusammengepreßt Zwischen dem kalten und heißen Band 1 und dem kalten und heißen Band 2 entstehen dadurch die Zonen 3 mit den nichtstationären Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm. Die beiden Bänder 1 bilden den positiven Schenkel und die beiden Bänder 2 bilden den negativen Schenkel eines Thermoelementes. Der elektrische Strom 6 fließt zwischen den elektrischen Kontakten 5 und 4 durch die nichtstationäre Berührungsstellen zum Verbraucher 8.

Ausführungsbeispiel 2 In Fig.2 sind 1 Eisen-Bänder und 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 Th= 1300⁰K befinden, bewegen sich in Simultan-Schrit ten 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 7"_C=300°K befinden, bewegen sich phasengleich ebenfalls in Simultan-Schritten 7 von jeweils 4 cm senkrecht zur Zeichenebene. Sie sind zwischen den Paaren auf der Temperatur 7*= 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

2) 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 nichtstationären Temperaturgradienten von

j<> größer als 10⁴ Grad/cm. Der elektrische Strom 6 fließt jeweils nur 0,1 Sekunden lang in Abständen von 0,4 Sekunden durch die nichtstationären Berührungsstellen aus den übereinander gepreßten Bändern 1 und 2 zwischen den elektrischen Kontakten 4 und S zum

j) 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 Stickstoff-Atmosphäre. Die Dicke der zwischen den Kontakten 4 und 5 zusammen gepreßten Bänder beträgt 1 Meter. Es befinden sich darin insgesamt 2500 Thermoelemente mit einer Temperaturdifferenz von Th- T_c= 1000°, die elektrisch in Serie geschaltet sind. Wegen des hohen Kontaktdrukkes beträgt die Summe der elektrischen Kontaktwider- stände in den zusammengepreßten Bändern nur 2.10-³ Ohm. Bei angepaßtem Verbraucher 8 fließt ein maximaler Impulsstrom von etwa 2OkA, und die thermoelektrische Anordnung gibt im zeitlichen Mittel eine elektrische Leistung von etwa 100 Kilowatt ab.

Ausführungsbeispiel 3

In Fig.3 ist i ein Band aus Chromnicke! (87,5% Ni +12^5% Cr) mit einer Dicke von 0,5 mm. 2 ist ein Nickelband mit einer Dicke von 1 mm.

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

bo Oberflächentemperatur 7"/,= 1400" K annehmen. Sofort anschließend werden sie (mit den heißen 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 die einseitig erhitzten Bänder 1 und 2 gebildet ist Zwischen den einseitig auf die Temperatur Th erhitzten Oberflächen und der Masse der Bänder 1 und 2, welche sich auf der Temperatur

7;.=400° K. befindet, bilden sich die Zonen 3 mit den Temperaturgradienten aus von größer als 10⁴ Grad/cm. Der elektrische Strom 6 fließt durch die zusammengepreßten Bänder zwischen den elektrischen Kontakten 4 und 5 zum Verbraucher 8.

Ausführungsbeispiel 4

In Fig.4 ist 1 eine p-^-Siliziumschicht von 1.10-³cm Dicke, die auf die Unterseite einer kreisförmigen Scheibe aus Molybdänblech 12 aufgebracht ist. Die Dicke des Molybdänblechs 12 beträgt 0,3 mm, der Außendurchmesser der kreisförmigen Scheibe beträgt 60 cm. 2 ist eine η ⁺ -Siliziumschicht von 1.10 -³ 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 p⁺-Siliziumschicht 1 und einer n+-Siliziumschicht 2 sind mit den unbeschichteten Seiten paarweise zusammengelegt. Diese Paare sind abwechselnd um eine Wasserkühlung 13 in F i g. 4a, die als Drehachse ausgebildet ist, und in einem Ofen 9 in Fig.4a, der ebenfalls eine Drehachse enthält, so gelagert und gestapelt, daß sie sich an einer Steile zu einem Paket überlagern. 11 sind Isolier-Ringe zwischen den Paaren. Alle kreisförmigen 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 7"_r=3OO°K festgehalten. Die heißen und die kalten Paare von Molybdänscheiben 12 mit den Schichten 1 und 2 überlappen sich so, daß immer eine heiße und eine kalte Schicht 1 und eine heiße und eine kalte Schicht 2 an den nichtstationären Berührungsstellen 3 aufeinander gleiten, wo die Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm entstehen. Die elektrischen Kontakte 4 und 5 sind als rollende Druck-Kontakte ausgebildet, durch welche die Scheiben 12 unter einem Druck von 100 kg gehalten werden. Der elektrische Strom 6 fließt über den Verbraucher 8 und zwischen den elektrischen Druck-Kontakten 4 und 5 durch die Scheiben 12 und Schichten 1 und 2, welche zusammen eine Länge von 125 cm haben.

In einer anderen Variante des Ausführungsbeispiels 4 sind in Fig.4 die p⁴- und η+ -Siliziumschichten 1 und 2 durch eine WSe₂-Schicht 1 und eine Pr₂O₃-Schicht 2 ersetzt. Beide Schichten haben eine Dicke von -10-⁵Cm und bleiben als Folge einer laufenden Zuführung sehr kleiner Mengen VZSe₂ bzw. Pr₂Oj auf den Molybdänblechen 12 als dichter und zusammenhängender Film erhalten. Die Temperaturdifferenz T_h-Tc= 1000° zwischen den heißen und den kalten Molybdänblechen 12 fällt praktisch vollständig an den Berührungsstellen 3 der WSe₂-Schichten 1 und den Pr2O3-Schichten 2 ab, wodurch ein Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm entsteht Da die Thermokraft zwischen WSe₂ und Pr₂Oa > 1 mV/grd ist, gibt diese Anordnung Arbeitsspannungen >1000 Volt ab. Da es sich bei den Materialien WSe₂ und Pr₂Os um Substanzen mit einem sogenannten »Schichtgitter« (wie z. B. MoS₂, Graphit, Bornitrid. WS₂, TiTe, La₂O₃ u. a.) handelt, wirken die Schichten 1 und 2 gleichzeitig als Grenzflächen-Schmiermittel. Dadurch wird die Reibung zwischen den sich ohnehin fast in gleicher Richtung bewegendenMolybdänblechen^nochweiterverkleinert.

Ausführungsbeispiel 5

In Fig.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 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 Dicke von 0,3 mm, das mit einer 2.10-⁴

ίο 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 dem Blech 2 aus 60% Cu +40% Ni überlappen sich so,daß ein Kupferblech 12 jeweils zwischen einem Eisenblech 1 und einem Blech 2 liegt, und daß zwischen zwei Kupferblechen 12 immer ein Paar von Blechen aus Eisen 1 und 60% Cu +40% Ni 2 zu liegen kommt. Die Kupferbleche 12 in Form von

2(i Ringen rotieren um eine gemeinsame Achse mit der Umfangsgeschwindigkeit 7, und die Eisenbleche 1 zusammen mit den Blechen aus 60% Cu+40% Ni 2 rotieren ebenfalls um eine andere gemeinsame Achse mit der Umfangsgeschwindigkeit 7. Die Überlappungs-

2) zone 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. Über sie wird mit Hilfe der Stromquelle 15 der elektrische Strom 6 geleitet. Beim Übergang des Stromes 6 von dem Blech aus 60% Cu +40% Ni 2 zur Bleischicht 14 auf dem Kupfer 12 und

beim Übergang des Stromes 6 von der Bleischicht 14 auf dem Kupfer 12 zum Eisen 1 wird Wärme absorbiert.

Die pro Zeiteinheit absorbierte Wärme ist der

)■> Stromstärke von 6 sowie der Peltier-Spannung von 60% Cu+40% Ni 2 gegen Blei 14 bzw. von Blei 14 gegen Eisen 1 proportional. Als Folge dieser Wärmeabsorption entstehen an den aufeinander gleitenden Grenzflächen die Berührungsstellen 3 mit den Temperaturgra-

4» dienten von größer als 10⁴ Grad/cm. Beim Übergang des Stromes 6 vom Eisen 1 zum Blech aus 60% Cu +40% Ni 2 wird reversibel Wärme frei, die über die Wasserkühlung 13 abgeführt wird.

Die Eisenbleche 1 und die Bleche aus 60% Cu + 40%

4-, Ni 2 bleiben auf der Temperatur 7"»,=300° K, und die Kupferbleche 12 mit der Bleischicht 14 kühlen sich auf die Temperatur 7"_rab.

Die rotierenden Kupferbleche 12 bilden — wie in F i g. 5a gezeigt — an vier Stellen Berührungsstellen wie

»ο in F i g. 5b beschrieben. Diese werden elektrisch parallel von Strom 6 durchflossen. Die an allen Berührungsstelien erzeugte Reibungswärme -mächst proportional mit dem mechanischen Druck P zwischen den Kontakten 4 und 5. Die Summe der elektrischen Kontaktwiderstände der Berührungsstellen, die von einem der parallelen Stromzweige durchflossen werden, wächst dagegen nur mit P' 3 (bei metallisch reinen Kontaktflächen) bzw.

nur mit P 3 (bei Kontaktflächen mit sehr dünnen

Fremdschichten). Mit Hilfe mehrerer parallelgeschalteter Anordnungen von Berührungsstellen gemäß F i g. 5b unter jeweils kleinerem Druck P läßt sich deshalb ein bestimmter elektrischer Widerstandswert mit kleinerer Reibungswärme erzeugen als mit einer einzigen derartigen Anordnung unter dann notwendigerweise viel größerem Druck P. Die Dicke der aufeinanderfolgenden Bleche 1,2 und 12 beträgt 1 Meter. Sie enthalten

10

1000 Thermoelemente in Serie. Der elektrische Gesamtwiderstand der vier parallelgeschalteten Anordnungen gemäß Fig.5b beträgt etwa 2.10-²Ohm. Die elektrische Spannung der Batterie 15 ist 15,6 Volt. Die maximale Kühlleistung der gesamten Anordnung (für T_c= T_w) beträgt 6 Kilowatt. Mit Hilfe der Wärmeisolation 16 lassen sich (bei gegen Null gehender Kühlleistung) sehr tiefe Temperaturen T_c erreichen.

Ausführungsbeispiel 6

In Fig.6b ist 1 eine 1.!O^-3cm dicke Schicht aus der Legierung 95% Pt + 5% Rh und 2 eine 1.10"³ cm dicke Schicht aus der Legierung 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 F i g. 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 1 mit einer Schicht 2 in Kontakt steht. Diese Überlappungen zwischen großen und kleinen Eisenblechen 12 bestehen an vier Stellen, wo sie Anordnungen entsprechend Fig.6b bilden. Der Außen-Durchmesser der großen jo Kreisringe aus Eisenblech 12 um das große Keramikrohr 18 ist 2 Meter, der Außen-Durchmesser der kleineren Kreisringe aus Eisenblech 12 um die kleineren Keramik-Rohre 18 ist 50 cm. Alle Eisenbleche 12 rotieren mit der Umfangsgeschwindigkeit 7 von π 50 cm/sec. Durch die elektrischen Kontakte 4 und 5 werden die Eisenbleche 12 mit den Schichten 1 und 2 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 einer Anordnung gemäß F i g. 6b ist, werden die Plattierungsschichten 1 und 2 auf den großen und auf den kleineren Eisenblechen 12 jeweils kurz vor ihrer Berührung auf die Oberflächentemperatur 77, = 1500° K aufgeheizt Dadurch entstehen an den Berührungsstellen 3 die Temperaturgradienten von größer als 10* Grad/cm, die die heißen Kontakte der elektrisch in Serie geschalteten Thermoelemente sind. Durch Luftkühlung werden die kalten Kontakte auf der Temperatur 7"_c=500^oK gehalten. Die elektrischen Ströme 6 durch die vier so Anordnungen gemäß F i g. 6b sind parallel gerichtet Sie fließen, bevor sie dem Verbraucher 8 zugeführt werden, durch die Erreger-Spulen 21 von vier Elektromagneten 20 zwischen deren Polschuhen 19 — mit dem Nordpol N und dem Südpol S — sich jeweils eine vom Strom 6 durchflossenes Anordnung gemäß F i g. 6b befindet Dadurch wird eine motorische Kraft auf die rotierenden Eisenbleche 12 in Richtung ihrer Bewegung 7 ausgeübt. Die Anordnung gemäß F i g. 6b haben eine Länge von 2 Metern. Jede solche Anordnung enthält 2.10⁴ 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 jeder Anordnung gemäß F i g. 6b ein Kondensator 22 zur Glättung des Stromes 6 geschaltet.

Ausführungsbeispiel 7

In F i g. 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 Isolier-Ringen 11 so gestapelt daß sie sich an einer Stelle überlappen (F i g. 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 Fig.7a rotieren mit dem gleichen Betrag der Umfangsgeschwindigkeit 7 von 120 cm/sec. Sie bewegen sich an ihren Berührungsstellen zwischen den elektrischen Kontakten 4 und 5, aber in entgegengesetzter Richtung. Der Druck zwischen den Kontakten 4 und 5 auf die Bleche 2 mit den Schichten 1 mit einer Länge von 80 cm beträgt 50 kg. Obwohl die Wolfram-Carbidschichten 2 mit ihrer hexagonalen Struktur einen relativ kleinen Reibungskoeffizienten haben, werden an den Berührungsstellen etwa 100 Kilowatt mechanisches Leistungs-Äquivalent in Reibungswärme umgesetzt An den Reibungsflächen zwischen den Wolfram-Blechen 1 und den Wolfram-Carbidschichten 2 entstehen durch die Reibung an den Berührungsstellen 3 die Temperaturgradienten von größer als 10⁴ Grad/cm bei Temperaturspitzen bis zu 2000° C. Zur Vermeidung von Oxydationsprozessen befindet sich die gesamte Anordnung in einer Helium-Atmosphäre. 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 Wolfram-Carbid 2. Die kalten Kontaktstellen der Thermoelemente sind die innerhalb eines Wolframbleches 1 liegenden Übergänge von Wolfram 1 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

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thermoelektrische Anordnung, bei der in jedem Thermoelement der Wärmestrom über mindestens eine Stelle mit Temperaturgradienten größer 10⁴ Grad/cm fließt, die dadurch gebildet ist, daß ungleich temperierte Thermoschenkel oder ungleich temperierte Teile mindestens eines Thermoschenkels mechanisch so bewegt sind, daß sie sich an mindestens einer Stelle nichtstationär berühren nach Patent 2647262, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoschenktl oder deren Teile (1, 2) aus ungleich temperierten Blechen, Folien oder Schichten in Form von Bändern, Scheiben oder Ringen bestehen und daß ihre nichtstationären Berührungsstellen (3) so ausgebildet sind, daß ein elektrischer Strom durch die nichtstationären Berührungsstellen (3) senkrecht zur Oberfläche der Bleche, Folien oder Schichten fließen kann.

2. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtstationären Berührungsstellen (3) unter mechanischem Druck stehen.

3. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtstationären Berührungsstellen (3) dadurch gebildet sind, daß thermoelektrisch positiv- und negativ-leitende Bleche, Folien oder Schichten (1, 2) mit Hilfe von Plasma oder Strahlung einseitig aufgeheizt und anschließend die heißen Seiten der Bleche, Folien oder Schichten (1, 2) zusammengeführt werden (F i g. 3).

4. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtstationären Berührungsstellen (3) dadurch gebildet sind, daß abwechselnd warme und kalte Paare aus thermoelektrisch negativ und positiv leitenden Blechen, Folien oder Schichten zusammengeführt werden.

5. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dynamo-elektrische Einrichtung (19,20, 21) vorgesehen ist, durch die die mechanische Bewegung der thermoelektrisch negativ und positiv leitenden Bleche, Folien oder Schichten zustande kommt oder unterstützt wird (F i g. 6).

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 Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz an den nichtstationären Beruhrungsstellen (3) durch elektrischen Strom verursacht sind, so daß die Anordnung unter Zuführung von elektrischer Leistung als Wärmepumpe arbeitet.

8. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz an den nichtstationären Berührungsstellen (3) durch mechanische Reibung zwischen den thermoelektrisch negativ leitenden und den thermoelektrisch positiv leitenden Blechen, Folien oder Schichten erzeugt ist, so daß die Reibungswärme in elektrische Energie umgewandelt wird.

9. Thermoelektrische Anordnung nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch parallel zu den nichtstationären Berührungsstellen (3) ein Kondensator (22) geschaltet ist

10. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Anordnungen von elektrisch parallel verbundenen nichtstationären Berührungsstellen (3) elektrisch in Serie geschaltet sind.

11. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien der Bleche, Folien oder Schichten Metalle, Metall-Legierungen oder metallisch leitende Verbindungen sind.

12. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoschenkel oder Teile von Thermoschenkeln (1, 2) aus metallisch leitenden Bändern, Scheiben oder Ringen bestehen, die einseitig oder beidseitig mit Schichten aus thermoelektrisch negativ leitendem oder positiv leitendem Material belegt sind.

13. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den nichtstationären Berührungsstellen (3) aufeinander gleitenden Bänder, Scheiben oder Ringe mit einem dünnen Film eines Grenzflächen-Schnoiermittels überzogen sind.

14. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte an den Berührungsstellen (3) aufeinander gleitende Flächen mit zwei unterschiedlichen Grenzflächen-Schmiermitteln in Form von dünnen Filmen versehen sind, die eine Thermokraft gegeneinander haben.