DE3735410A1 - Energy source which transforms thermal energy into electrical energy - Google Patents

Abstract

The invention relates to an energy source which transforms thermal energy into electrical energy. In this case, a thermocouple (13) and a Peltier element (7) are combined with feedback. The voltage (UTh) generated by the thermocouple (13) from a difference in heat is used for operating a Peltier element (7). The heat sources (8, 9) and heat sinks (12) produced as a result at the Peltier element (7) are for their part used for increasing the difference in temperature of the thermocouple (13). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiequelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an energy source according to the preamble of Claim 1.

Neben den klassischen Energiequellen wie Kohle, Erdöl, Erdgas und Wasserkraft werden seit einiger Zeit in verstärktem Maß auch Alternativ- Energiequellen eingesetzt. Zu diesen Energiequellen zählen u.a. die Wind- und die Sonnenenergie. Insbesondere der Sonnenenergie kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da sie im Gegensatz zur Windenergie mit größerer Regelmäßigkeit zur Verfügung steht.In addition to the classic energy sources such as coal, oil, natural gas and For some time now, hydropower has been increasingly used as an alternative Energy sources used. These energy sources include the wind and solar energy. In particular, solar energy comes here are of particular importance because, in contrast to wind energy greater regularity is available.

Die Ausnutzung der Sonnenenergie erfolgt zum einen über die von ihr er­ zeugte Wärme und zum anderen über die durch Sonnenlicht erzeugbare Elektrizität. Die bekannteste Ausnutzung der durch die Sonnenenergie er­ zeugten Wärme ist diejenige durch Wärmepumpen und Sonnenkollektoren. Nachteilig ist indessen bei Wärmepumpen, daß sie eine zusätzliche äußere Energiequelle benötigen, um beispielsweise die Wärmeenergie eines Kör­ pers, z.B. des Erdbodens oder eines Sees, in die Heizkörper einer Woh­ nung zu pumpen. Sonnenkollektoren benötigen ein besonderes Speicherme­ dium und sind außerdem bezüglich ihres Wirkungsgrads stark von der ak­ tuellen Sonneneinstrahlung abhängig.On the one hand, the use of solar energy takes place via that of it generated heat and, secondly, that generated by sunlight Electricity. The best known exploitation of the solar energy he generated heat is that from heat pumps and solar panels. A disadvantage of heat pumps, however, is that they have an additional external Need energy source, for example, the thermal energy of a body pers, e.g. of the earth or a lake, in the radiators of a flat pump. Solar panels require a special storage space dium and are also strong in terms of their efficiency from the ak dependent on the current solar radiation.

Als besonders vorteilhaft wird die direkte Erzeugung elektrischer Energie aus Sonnenstrahlen angesehen, weil elektrische Energie als sauber und uni­ versell verwendbar gilt. Für die Umwandlung der Sonnenstrahlung in elek­ trischen Strom werden hauptsächlich Solarzellen verwendet, die aus kri­ stallinem Silizium bestehen. Neuerdings wird aber auch bereits amorphes Silizium erfolgreich in Taschenrechnern und dergleichen eingesetzt, das er­ heblich billiger als kristallines Silizium herstellbar ist. Ein Nachteil der direkten opto-elektrischen Energiewandlung besteht jedoch darin, daß sie stark von der aktuellen Lichteinstrahlung abhängt. Insbesondere in den nor­ dischen Ländern mit ihren zahlreichen Regentagen ist die Ausbeute an elektrischer Energie über Solarzellen recht bescheiden. Hinzu kommt, daß die theoretisch größtmögliche Ausbeute an elektrischer Energie durch die Solarkonstante begrenzt ist. The direct generation of electrical energy is particularly advantageous viewed from the sun's rays because electrical energy is clean and uni applies universally. For converting solar radiation into elec tric electricity, mainly solar cells are used consist of stable silicon. Recently, however, has also become amorphous Silicon successfully used in calculators and the like that he is considerably cheaper to produce than crystalline silicon. A disadvantage of However, direct opto-electrical energy conversion is that it strongly depends on the current light exposure. Especially in the nor countries with their numerous rainy days, the yield is electrical energy via solar cells quite modest. In addition, that the theoretically greatest possible yield of electrical energy through the Solar constant is limited.  

Diesen Nachteil weisen Wärmepumpen nicht auf, da sie die als Wärme im Boden, im Wasser oder in der Luft gespeicherte und über einen längeren Zeitraum aufintegrierte Sonnenenergie abrufen können. Sonnen- oder Wärmeenergie in diesem Sinne enthalten alle Körper, die eine Temperatur aufweisen, die über dem absoluten Nullpunkt (0°K) liegt.Heat pumps do not have this disadvantage because they act as heat stored in the ground, in water or in the air and over one be able to access integrated solar energy for a longer period of time. To sunbathe- or thermal energy in this sense contains all bodies, one Have temperature that is above absolute zero (0 ° K).

Auch bei Thermozellen, bei denen die Sperrschicht neben einem Si-Substrat auch thermisch ionisierbare Atome enthalten soll (vgl. Erfinder-Journal Nr. 3, 1987, Seite 37), würde dieser Nachteil nicht auftreten.Also with thermal cells, where the barrier layer next to a Si substrate should also contain thermally ionizable atoms (cf. Inventor Journal No. 3, 1987, page 37), this disadvantage would not occur.

Eine Möglichkeit, die Vorteile der Solarzellen mit den Vorteilen der Wärmepumpen zu verbinden, bieten thermoelektrische Elemente, da sie unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung elektrische Energie er­ zeugen können. Anders als Solarzellen können sie deshalb auch in abge­ dunkelten Batteriekästen und dergleichen eingesetzt werden, wenn dort nur eine hinreichende Temperaturdifferenz besteht. Allerdings sind in der natürlichen Umgebung nur selten große Temperaturdifferenzen vorhanden. Da jedoch die mit Thermoelementen erzeugbare Thermospannung in erster Näherung proportional zur Temperaturdifferenz ist, sind die in natürlicher Umgebung erzeugbaren Thermospannungen und damit Thermoenergien ver­ schwindend klein. Die Anwendung von Thermoelementen beschränkt sich somit im wesentlichen auf Vorgänge, bei denen hohe Temperaturdifferenzen gemessen werden, beispielsweise bei der Messung der Temperatur von Hochöfen.One way to take advantage of solar cells with the benefits of Connecting heat pumps offer thermoelectric elements as they electrical energy regardless of the current solar radiation can produce. Unlike solar cells, they can therefore also be darkened battery boxes and the like are used when there there is only a sufficient temperature difference. However, in the natural environment there are rarely large temperature differences. However, since the thermal voltage that can be generated with thermocouples in the first place Approximation is proportional to the temperature difference, those are more natural Environment generated thermal voltages and thus thermal energies ver dwindling small. The use of thermocouples is limited thus essentially on processes in which high temperature differences be measured, for example when measuring the temperature of Blast furnaces.

Für die Erzeugung elektrischer Energien werden Thermoelemente, die den sogenannten Seebeck-Effekt ausnutzen (Seebeck, Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz, Vorträge von 1821 und 1822, Ostwald′s Klassiker der exakten Wissenschaften, Band 70, 1895), nur selten verwendet. Nach der Entdeckung Seebecks blieb die Bedeutung der Thermoelemente zunächst gering. Erst nach der Ausbreitung der Gas­ beleuchtung (Berlin 1825), der Erfindung des Injektions-Brenners (Bunsen, um 1850) und des Blei-Akkumulators (1854/59) drangen Thermoelemente in Laboratorien und Werkstätten ein. Etwa um 1870 gewannen sie er­ hebliche Bedeutung, und um 1890 waren sie recht verbreitet. J. Pintsch in Berlin stellte damals die Gülcher′sche Thermosäule in drei Größen mit Leistungen bis zu etwa 1,5 Watt her. Daneben gab es viele andere Kon­ struktionen mit Leistungen bis herauf zu 400 W. Der Wirkungsgrad erreichte knapp 1%. In den Büchern über Batterien ist um 1890 dieser Stromquelle breiten Raum gewidmet. Um 1920 sind sie jedoch wieder völlig verschwunden. Das Gebiet wurde um 1950 wiederbelebt, ausgelöst durch den Bedarf nach robusten Stromquellen für Notfälle, für die Helio­ technik und für die Radionuklidbatterien. Besondere Fortschritte wurden hierbei durch die Verwendung von Halbleitermaterialien anstelle von Me­ tallen in Thermoelementen erzielt. Der Wirkungsgrad konnte hierdurch auf etwa 10% gesteigert werden. Derartige Thermogeneratoren der zweiten Generation wurden und werden in Herzschrittmachern und im Weltraum eingesetzt. Die neuere Entwicklung führt von den ursprünglich verwende­ ten Halbleitermaterialen Si,Ge weg zu den Gadolin-Selen-Thermoelemen­ ten, wie sie beispielweise im Jupiter-Satelliten-Programm von 1981 einge­ setzt wurden (vergl. den Übersichtsaufsatz von Rowe, Thermoelectric Power Generation; Proc. IEE, Vol. 125, No. 11 R, November 1978, IEE Reviews, S. 1113-1136).Thermocouples are used to generate electrical energy take advantage of the so-called Seebeck effect (Seebeck, magnetic polarization of metals and ores due to temperature difference, lectures from 1821 and 1822, Ostwald's Classic of Exact Sciences, Volume 70, 1895), rarely used. After Seebeck's discovery, the meaning remained of the thermocouples initially low. Only after the gas has spread lighting (Berlin 1825), the invention of the injection burner (Bunsen, around 1850) and the lead accumulator (1854/59) penetrated thermocouples  in laboratories and workshops. He won them around 1870 of considerable importance, and they were quite common around 1890. J. Pintsch At that time, Gülcher's thermopile came in three sizes in Berlin Power up to about 1.5 watts ago. There were also many other cones structures with powers up to 400 W. The efficiency reached almost 1%. This is in the books on batteries around 1890 Power source dedicated to wide space. Around 1920, however, they are back completely gone. The area was revived around 1950, triggered due to the need for robust power sources for emergencies, for the Helio technology and for the radionuclide batteries. Particular progress has been made here by using semiconductor materials instead of Me achieved in thermocouples. This allowed the efficiency to increase be increased by about 10%. Such thermal generators of the second Generation have been and will be in pacemakers and in space used. The newer development leads from the originally used th semiconductor materials Si, Ge way to the gadolin-selenium thermocouples such as those used in the Jupiter satellite program from 1981 (see the review by Rowe, Thermoelectric Power generation; Proc. IEE, Vol. 125, No. 11 R, November 1978, IEE Reviews, pp. 1113-1136).

Von Peltier wurde im letzten Jahrhundert ein zum Seebeck-Effekt inver­ ser Effekt entdeckt, bei dem mittels eines elektrischen Stroms eine Tem­ peraturdifferenz erzeugt wird (Peltier, Nouvelles Experiences sur 1a caloricite des courans electriques, Annales de Chemie et de Physique, 2nd series, 1834, S. 3711 ff). Es muß also zuerst elektrische Energie vorhanden sein, um den sogenannten Peltier-Effekt hervorzurufen. Damit scheint der Peltier-Effekt für die Gewinnung von elektrischer Energie ungeeignet.Von Peltier became an inverse of the Seebeck effect in the last century discovered this effect, in which a tem temperature difference is generated (Peltier, Nouvelles Experiences sur 1a caloricite des courans electriques, Annales de Chemie et de Physique, 2nd series, 1834, p. 3711 ff). So there must be electrical energy first to produce the so-called Peltier effect. So that seems Peltier effect unsuitable for the generation of electrical energy.

In der Gegenwart von magnetischen Feldern können sowohl der Seebeck- als auch der Peltier-Effekt noch verbessert werden, was von Ettinghausen bzw. Nernst herausgefunden wurde (R. Wolfe, Magnetothermoelectricity, Scient. Amer., 1964, Nr. 210, S. 70 bis 82). In the presence of magnetic fields, both the Seebeck as well as the Peltier effect can still be improved by Ettinghausen or Nernst was found (R. Wolfe, Magnetothermoelectricity, Scient. Amer., 1964, No. 210, pp. 70 to 82).  

Es ist indessen auch schon vorgeschlagen worden, den Peltier-Effekt mit dem Seebeck-Effekt zu kombinieren, indem elektrothermische Kälte da­ durch erzeugt wird, daß die zum Betrieb erforderliche Energie auf thermo­ elektrischem Wege hergestellt wird (DE-PS 8 29 171). Im einzelnen ist hierfür ein Thermoelement vorgesehen, das an einer Lötstelle aufgeheizt wird. Hierdurch entsteht eine Thermospannung, die an ein Peltier-Element angelegt wird. Es ist also nach wie vor eine äußere Wärmequelle not­ wendig, um die für die Erzeugung der Thermospannung notwendige Temperaturdifferenz herzustellen. Die bekannte Einrichtung kann folglich als fremdgespeister Temperaturwandler angesehen werden, der eine an­ liegende hohe Temperatur in eine niedrigere Temperatur umformt. Eine Rückkopplung der erzeugten Kälte des Peltier-Elements auf den Eingangs­ kreis des Thermoelements erfolgt hierbei nicht. Außerdem kann elektrische Energie mit dieser Einrichtung nicht mit gutem Wirkungsgrad erzeugt werden.However, it has also been suggested to include the Peltier effect to combine the Seebeck effect by using electrothermal cold is generated by that the energy required for operation on thermo electrical way is produced (DE-PS 8 29 171). In detail a thermocouple is provided for this purpose, which heats up at a solder joint becomes. This creates a thermal voltage on a Peltier element is created. So an external heat source is still necessary agile to the necessary for the generation of the thermal voltage Establish temperature difference. The known device can consequently to be regarded as an externally powered temperature converter, the one at lying high temperature is converted into a lower temperature. A Feedback of the cold generated by the Peltier element to the input The thermocouple does not circle. It can also be electrical Energy generated with this facility is not efficient will.

Eine andere bekannte Thermoelement-Einrichtung kann dagegen als Gleich­ strom-Gleichstromwandler aufgefaßt werden, weil mit einer ersten Ein­ gabestation eine Temperaturdifferenz auf der "Primärseite" (= Peltier- Element bzw. Nernst-Element) erzeugt wird, die ihrerseits eine Spannung über die ′′Sekundärseite′′ (= Seebeck-Element bzw. Ettinghausen-Element) erzeugt (H. J. Goldsmid, Thermomagnetic and thermoelectric direct current transformers, J. Phys. D: Appl. Phys., 1971, Vol. 4, S. 217 bis 224). Auch hier muß zuerst eine Energie, nämlich eine elektrische Spannung, von außen auf ein Element gegeben werden, um sie anschließend umzuformen. Außerdem erfolgt keine thermische Rückkopplung in dem Sinn, daß eine an einer ersten Stelle erzeugte Temperatur einer zweiten Stelle zugeführt wird.Another known thermocouple device, however, can be the same current-to-DC converters can be understood because with a first one there is a temperature difference on the "primary side" (= Peltier Element or Nernst element) is generated, which in turn creates a voltage via the ′ ′ secondary side ′ ′ (= Seebeck element or Ettinghausen element) generated (H. J. Goldsmid, Thermomagnetic and thermoelectric direct current transformers, J. Phys. D: Appl. Phys., 1971, Vol. 4, pp. 217 to 224). Here, too, there must first be an energy, namely electrical Tension to be given from the outside to an element, then to it to reshape. In addition, there is no thermal feedback in the It makes sense that a temperature generated in a first place is a second Place is fed.

Es ist weiterhin bekannt, eine Vorrichtung zur thermoelektrischen Strom­ erzeugung mittels Thermoelementen zu schaffen, die einen möglichst hohen Nutzeffekt zu erreichen ermöglicht (DE-OS 30 32 498). Bei dieser Vor­ richtung wird der bekannte Peltier-Effekt, der die Umkehrung des Seebeck- Effekts darstellt, ausgenutzt, um die Lötstellen der stromerzeugenden Thermoelemente auf eine niedrigstmögliche Temperatur zu bringen, um eine maximalmögliche Temperaturdifferenz zu erreichen. Im einzelnen werden hierzu die in einem Gehäuse angeordneten, vorzugsweise stab­ förmigen, elektrisch in Reihe und/oder Serie geschalteten Thermoelemente mit ihrem oberen Ende mit einem Wärmekollektor und -verteiler und mit Ihrem anderen unteren Ende mit einer Kühleinrichtung thermisch ge­ kuppelt, wobei vorzugsweise ein Teil der Thermoelemente zeitweilig oder ständig mittels einer der Kühleinrichtung zugeordneten Leiterbrücke kurzgeschlossen ist und diese Thermoelemente zur Herbeiführung eines Peltier-Kühleffekts gepolt sind, während der andere Teil der Thermo­ elemente mit nach außen geführten Leitern verbunden ist. Eine Gruppe von Thermoelementen wird derart geschaltet bzw. gepolt bzw. aus einem Material zusammengesetzt und über eine Leiterbrücke kurzgeschlossen, daß bei Erwärmung der Lötstellen an den oberen Enden ein Peltier-Kühl­ effekt an den unteren Enden der Thermoelemente eintritt, durch den die Temperatur des Bodens bzw. des unteren Gehäuseteils herabgesetzt wird, und zwar derart, daß eine möglichst hohe Temperaturdifferenz zwischen den oberen und den unteren Enden der Thermoelemente entsteht. Der bekannten Vorrichtung liegt somit durchaus der Gedanke zugrunde, die von einem Peltier-Element erzeugte Temperatur für die Erhöhung der Temperaturdifferenz an einem Thermoelement auszunutzen. Es ist indessen nicht ersichtlich, wie durch einen Leiterbrückenkurzschluß ein Peltier- Kühleffekt entstehen kann. Der Kurzschluß eines Thermoelements ergibt noch kein Peltier-Element. Der Peltier-Effekt erfordert eine elektrische Eingangsenergie, die anschließend in Kälte bzw. Wärme umgewandelt wird. Eine Speisung des Peltier-Elements aus der Thermospannung des vorhandenen Thermoelements oder aus einer anderen Stromquelle ist aber nicht vorgesehen. Somit ist es mit der bekannten Einrichtung nicht möglich, mittels einer ersten Gruppe von Thermoelementen über den Peltier-Effekt die Temperaturdifferenz für eine zweite Gruppe von Thermoelementen zu vergrößern, um dadurch die zweite Gruppe zu einer erhöhten Energieabgabe zu bringen.It is also known a device for thermoelectric current generation using thermocouples to create the highest possible Achieving useful effect enables (DE-OS 30 32 498). With this before direction is the well-known Peltier effect, which reverses the Seebeck  Effect represents, exploited to the solder joints of the electricity generating To bring thermocouples to the lowest possible temperature to achieve a maximum possible temperature difference. In detail are arranged in a housing, preferably rod shaped, electrically connected in series and / or series thermocouples with its upper end with a heat collector and distributor and with Your other lower end with a cooling device thermally ge couples, preferably part of the thermocouples temporarily or constantly by means of a conductor bridge assigned to the cooling device is short-circuited and these thermocouples to bring about a Peltier cooling effects are polarized while the other part of the thermo elements is connected to external leads. A group Thermocouples are switched or poled in this way or from one Material assembled and short-circuited via a conductor bridge, that when the solder joints are heated at the upper ends, a Peltier cooling effect occurs at the lower ends of the thermocouples through which the Temperature of the bottom or the lower housing part is reduced, in such a way that the highest possible temperature difference between the upper and lower ends of the thermocouples. The known device is therefore based entirely on the idea that temperature generated by a Peltier element for increasing the Use the temperature difference on a thermocouple. However, it is cannot be seen how a Peltier Cooling effect can arise. The short circuit of a thermocouple results not yet a Peltier element. The Peltier effect requires an electrical one Input energy, which is then converted into cold or heat becomes. A feed of the Peltier element from the thermal voltage of the existing thermocouple or from another power source but not provided. So it is not with the known device possible by means of a first group of thermocouples over the Peltier effect the temperature difference for a second group of Thermocouples to make the second group one bring increased energy output.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Energiequelle von relativ hohem Wirkungsgrad zu schaffen, die ausschließlich aus der Energie gespeist werden kann, die in einer natürlichen Umgebung zur Verfügung steht.The invention has for its object an electrical energy source of relatively high efficiency to be created exclusively from the Energy can be fed in a natural environment Available.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved in accordance with the features of patent claim 1.

Wesentlich für die Erfindung ist, daß ein Thermoelement und ein Peltier­ element nicht nur elektrisch oder nur thermisch miteinander gekoppelt sind, sondern daß sowohl eine thermische als auch eine elektrische Kopp­ lung erfolgt.It is essential for the invention that a thermocouple and a Peltier element not only coupled electrically or only thermally are, but that both a thermal and an electrical coupling tion takes place.

Die Erfindung geht von einer Anordnung gemäß DE-PS 8 29 171 aus, wobei jedoch anders als dort keine besonderen Heizvorrichtungen und keine be­ sonderen Wärmeabführungen vorgesehen sein müssen. Statt einer Heiz­ vorrichtung für die Erzeugung von Temperaturdifferenzen werden die in der Umgebung stets vorhandenen geringen Temperaturdifferenzen ausgenutzt, um eine - wenn auch zunächst kleine - Spannung zu erzeugen. Diese Spannung dient dazu, ein Peltier-Element zu betreiben, das seinerseits die Temperaturdifferenz am Seebeck-Element erhöht. Die anfänglich kleinen Temperaturdifferenzen, welche gewissermaßen die "Initialzündung" der Einrichtung bewirken, können durch rein mechanische Maßnahmen sichergestellt werden, etwa indem die eine Temperaturstelle thermisch gegen die Umwelt isoliert ist, während die andere gegen diese Umwelt thermisch offen bleibt.The invention is based on an arrangement according to DE-PS 8 29 171, wherein however, unlike there, no special heating devices and no be special heat dissipation must be provided. Instead of a heater device for the generation of temperature differences are those in the The temperature differences that are always present in the environment, to create a tension - albeit small at first. These Voltage is used to operate a Peltier element, which in turn the temperature difference on the Seebeck element increases. The initially small temperature differences, which are the "initial spark" the device can cause purely mechanical measures be ensured, for example by thermally setting one temperature point is isolated from the environment, while the other is isolated from this environment remains thermally open.

Zwischen dem Gegenstand der Erfindung und einem elektrischen Induktions­ generator besteht eine gewisse formelle Analogie. So wie bei dem In­ duktionsgenerator der anfänglich vorhandene Restmagnetismus ausgenutzt wird, um einen Strom zu erzeugen, der dann ein stärkeres Magnetfeld er­ zeugt, wird bei der Erfindung eine anfänglich vorhandene geringe Tempe­ raturdifferenz verwendet, um eine Spannung zu erzeugen, die eine Ver­ größerung der Temperaturdifferenz zur Folge hat. Die vergrößerte Temperaturdifferenz ermöglicht eine höhere Thermospannung, von der anschließend ein Teil nach wie vor für die Aufrechterhaltung der Tempe­ raturdifferenz und ein Teil für einen elektrischen Verbraucher vorgesehen sein kann. Außerdem ist es mit der Erfindung möglich, Wärme in eine andere Energieform zu überführen, ohne eine neue Wärmequelle zu schaffen, deren Wärme abgeführt werden muß. Der Nachteil der herkömm­ lichen Kühlaggregate wird hierdurch überwunden.Between the subject of the invention and an electrical induction generator there is a certain formal analogy. Just like the In generation generator the initially existing residual magnetism is used to generate a current, which then creates a stronger magnetic field testifies to an initially existing low temperature in the invention raturdifferenz used to generate a voltage that a Ver increases the temperature difference. The enlarged  Temperature difference enables a higher thermal voltage from which then a part still for maintaining the tempe raturdifferenz and a part provided for an electrical consumer can be. It is also possible with the invention to heat in a to transfer another form of energy without adding a new heat source create whose heat must be dissipated. The disadvantage of conventional Lichen cooling units is overcome.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur am Ausgang eines Peltier-Elements so weit gesenkt, daß Supraleitung möglich ist. Mit supraleitenden Spulen kann ein Magnetfeld aufgebaut werden, das den Seebeck- und den Peltier-Effekt vorteilhaft beeinflußt. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der z. T. unerwünschte Umstand, daß eine gute Wärmeleitfähigkeit stets mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit verbunden ist, dadurch umgangen, daß die elektrische Energie als Feldenergie übertragen wird, so daß für die Wärmeleitung eine Sperre entsteht.In an advantageous embodiment of the invention, the temperature at the output of a Peltier element so low that superconductivity is possible. A magnetic field can be built up with superconducting coils be, which affects the Seebeck and the Peltier effect advantageous. In a further advantageous embodiment of the invention, the e.g. T. undesirable fact that a good thermal conductivity always with good electrical conductivity is avoided, that the electrical energy is transmitted as field energy, so that for the heat conduction creates a lock.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. Show it:

Fig. 1 ein bekanntes Thermoelement, wie es für die Temperatur­ messung verwendet wird; Figure 1 shows a known thermocouple, as used for temperature measurement.

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines bekannten Halbleiter-Peltier- Elements; Fig. 2 is a schematic diagram of a known semiconductor Peltier element;

Fig. 3 ein bekanntes Halbleiter-Thermoelement für die Erzeugung elektrischer Energie; FIG. 3 shows a known semiconductor thermocouple for generating electrical energy;

Fig. 4 eine bekannte Kaskadenschaltung von Peltier-Elementen; Fig. 4 is a well known cascade connection of the Peltier elements;

Fig. 5 eine bekannte Etagen-Kaskadierung von Peltier-Elementen; Fig. 5 shows a known tier cascading of Peltier elements;

Fig. 6 eine erfindungsgemäße elektrische Zusammenschaltung eines Thermoelements mit einem Peltier-Element; Fig. 6 is an electrical interconnection according to the invention a thermoelement having a Peltier element;

Fig. 7 eine Anordnung gemäß Fig. 6, bei der zusätzlich eine teilweise thermische Rückkopplung zwischen dem Peltier-Element und dem Thermoelement vorgesehen ist; FIG. 7 shows an arrangement according to Figure 6, a partial thermal feedback between the Peltier element and the thermocouple is additionally provided in the.

Fig. 8 eine Anordnung gemäß Fig. 7, bei der eine weitere thermische Rückkopplung vorgesehen ist; FIG. 8 shows an arrangement according to FIG. 7, in which a further thermal feedback is provided;

Fig. 9 eine Anordnung gemäß Fig. 7 mit einer Isolation des Abkühlungs­ bereichs; . Fig. 9 shows an arrangement according to Figure 7 with an insulation of Abkühlungs range;

Fig. 10 eine Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Knopfzelle; FIG. 10 is an application of the arrangement according to the invention in a button cell;

Fig. 11 eine Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Tief­ temperatur-Erzeuger für supraleitfähige Gebilde. Fig. 11 shows an application of the arrangement according to the invention as a low-temperature generator for superconducting structures.

In der Fig. 1 ist ein Thermoelement 1 dargestellt, wie es für die Tempe­ raturmessung verwendet wird. Hierbei sind zwei verschiedene Metalldrähte 2, 3 vorgesehen, die an einer Stelle 4 miteinander verbunden und an den Stellen 5, 6 offen sind. Der Metalldraht 2 besteht beispielsweise aus Kupfer, während der Metalldraht 3 aus Konstantan besteht. Wird nun die Stelle 4 auf die Temperatur T ₂ erwärmt, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Bunsenbrenners, so entsteht zwischen den Punkten 5, 6 eine Thermospannung U _Th, die einen mittleren Wert von ca. 52 µV/K hat. Diese Thermospannung U _Th berechnet sich in erster Näherung zuIn Fig. 1, a thermocouple 1 is shown as it is used for temperature measurement. Here, two different metal wires 2 , 3 are provided, which are connected to one another at a point 4 and are open at points 5 , 6 . The metal wire 2 consists for example of copper, while the metal wire 3 consists of constantan. If point 4 is now heated to temperature T ₂ , for example by means of a Bunsen burner (not shown), a thermal voltage U _Th arises between points 5 , 6 , which has an average value of approximately 52 μV / K. This thermal voltage U _{Th is} calculated as a first approximation

U _Th = (A₂-A₃) T₂-T₁), U _Th = (A ₂- A ₃) T ₂- T ₁),

wobei T ₁ die Temperatur an den Punkten 5, 6 ist und A ₂-A ₃ eine Kon­ stante ist.where T _{1 is} the temperature at points 5 , 6 and A ₂ - A _{3 is} a constant.

Die Fig. 2 zeigt ein Peltier-Element 7, das gewissermaßen die Umkehrung des Thermoelements 1 ist. Es wird also nicht aus einer Temperatur­ differenz eine Spannung erzeugt, sondern aus einer Spannung eine Tempe­ raturdifferenz. Die Spannung U ₁ wird hierbei an Metallplatten 8, 9 gelegt, die über Leiterblöcke 10, 11 mit einer weiteren Metallplatte 12 gekoppelt sind. Die Leiterblöcke 10, 11 weisen einen möglichst unterschiedlichen Peltier-Koeffizienten auf. In der Praxis verwendet man zu diesem Zweck spezielle, unterschiedlich dotierte Halbleiter, da der Peltier-Koeffizient in p- und n-dotierten Halbleitern ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. Man kann auf diese Weise kleine und gut kontrollierbare Kühlaggregate bauen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß die gewöhnliche Wärme­ leitung dem Peltier-Effekt entgegen wirkt und daß auch die ohmsche Wärme zusätzlich anfällt. Der Halbleiterwerkstoff soll also eine möglichst schlechte Wärmeleitfähigkeit und eine möglichst gute elektrische Leit­ fähigkeit besitzen. Silizium-Germanium-Mischkristalle und andere Misch­ kristalle, z. B. die des Bi-Sb-Te-Systems, erfüllen diese Forderung relativ gut. Insgesamt ist der Wirkungsgrad bekannter thermoelektrischer Kühl­ aggregate oder auch Generatoren nicht sehr hoch, so daß sie nur für Spezialzwecke eingesetzt werden. Bei angelegter Spannung U ₁ wird die Metallplatte 12 bei der Temperatur T ₃ kalt, während die Metallplatten 8, 9 bei der Temperatur T ₄ warm werden. Fig. 2 shows a Peltier element 7, which in a sense is the inverse of the thermal element 1. So it is not a voltage that is generated from a temperature difference, but a temperature difference from a voltage. The voltage U ₁ is in this case applied to metal plates 8 , 9 which are coupled to a further metal plate 12 via conductor blocks 10 , 11 . The conductor blocks 10 , 11 have a Peltier coefficient that is as different as possible. In practice, special, differently doped semiconductors are used for this purpose, since the Peltier coefficient in p- and n-doped semiconductors has an opposite sign. In this way you can build small and easily controllable cooling units. However, it must be taken into account that the usual heat conduction counteracts the Peltier effect and that the ohmic heat also arises. The semiconductor material should therefore have the poorest possible thermal conductivity and the best possible electrical conductivity. Silicon germanium mixed crystals and other mixed crystals, e.g. B. the Bi-Sb-Te system, meet this requirement relatively well. Overall, the efficiency of known thermoelectric cooling units or generators is not very high, so that they are only used for special purposes. When voltage U ₁ is applied, the metal plate 12 becomes cold at the temperature T ₃ , while the metal plates 8 , 9 become warm at the temperature T ₄ .

Ein Thermoelement 13, das nicht nur für eine Temperaturmessung - wie die Anordnung gemäß Fig. 1 - verwendbar ist, sondern auch für die Energieerzeugung, ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Temperatur T ₆ ent­ spricht hierbei der höheren Temperatur T ₂ in Fig. 1, während die Tempe­ ratur T ₅ der niedrigeren Temperatur T ₁ in Fig. 1 entspricht. Derartige thermoelektrische Generatoren werden bei hohen Temperaturen betrieben und zeichnen sich durch ein niedriges Leistungsgewicht aus. Besonders geeignet zum Aufbau dieser Generatoren sind Germanium-Silizium-Legie­ rungen. Die Spannungs-Abschlußplatten 14, 15 bestehen z. B. aus Silber und sind über Lote 16, 17, über Wolframscheiben 18, 19 sowie über eine Si-Ge-Legierung 20, 21 mit n-dotierten bzw. p-dotierten Schenkeln 22, 23 aus einer anderen Si-Ge-Legierung mit einer weiteren Si-Ge-Legierung 24, 25 verbunden, die an eine gemeinsame Si+B-Platte 26 stößt (vgl. H. Birkholz: Hochtemperaturthermoelemente aus Ge-Si-Mischkristallen f ür Thermogeneratoren, Z. angew. Phys. 22. Bd., Heft 5, 1967, S. 395 bis 398; Fraser und Shields: Thermoelectric Power Supplies, AEI-Engineering, Vol. 1, 1961, S. 452 bis 458). Ein ideales Thermoelement, das mit hohem Wirkungsgrad elektrische Energie erzeugt, müßte alle thermische Energie behalten, also eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit haben. Außerdem müßte der erzeugte elektrische Strom einem geringen elektrischen Wider­ stand ausgesetzt sein. Ferner müßte die Thermospannung so hoch wie möglich sein. Da diese Eigenschaften von den bekannten Materialien nicht gleichzeitig erfüllt werden, reicht für die praktische Anwendung die Leistung eines einzelnen Thermoelements im allgemeinen nicht aus. Für den Aufbau eines thermoelektrischen Generators werden daher zahlreiche Elemente elektrisch in Reihe, aber thermisch parallel geschaltet. Ent­ sprechendes gilt für Kühleinrichtungen gemäß dem Peltier-Effekt. Man spricht in diesem Fall auch von einer Kaskadenschaltung. Eine Kaskaden­ schaltung für Peltier-Elemente ist in der Fig. 4 dargestellt. Die p- bzw. n-dotierten Halbleiterstäbe 27 bis 32 sind hierbei über Kupferscheiben 33 bis 39 mit Keramikplatten 40, 41 oder dergleichen verbunden. Die Keramikplatte 40 wird bei anliegender Spannung U ₁ gekühlt, während die Keramikplatte 41 erwärmt wird (vgl. Zeskind: Thermoelectric heat pumps cool packages electronically, Electronics, 31. Juli 1980, S. 109 bis 113).A thermocouple 13 , which can be used not only for temperature measurement - like the arrangement according to FIG. 1 - but also for energy generation, is shown in FIG. 3. The temperature T ₆ corresponds to the higher temperature T ₂ in FIG. 1, while the temperature T ₅ corresponds to the lower temperature T ₁ in FIG. 1. Such thermoelectric generators are operated at high temperatures and are characterized by a low power-to-weight ratio. Germanium-silicon alloys are particularly suitable for the construction of these generators. The voltage end plates 14 , 15 are made, for. B. from silver and are solders 16 , 17 , tungsten disks 18 , 19 and an Si-Ge alloy 20 , 21 with n-doped or p-doped legs 22 , 23 made of another Si-Ge alloy a further Si-Ge alloy 24 , 25 connected, which abuts a common Si + B plate 26 (cf. H. Birkholz: high-temperature thermocouples made of Ge-Si mixed crystals for thermogenerators, currently used by Phys. 22. Vol ., Issue 5, 1967, pp. 395 to 398; Fraser and Shields: Thermoelectric Power Supplies, AEI-Engineering, Vol. 1, 1961, pp. 452 to 458). An ideal thermocouple that generates electrical energy with high efficiency would have to retain all thermal energy, that is to say have a very low thermal conductivity. In addition, the electrical current generated should be exposed to a small electrical resistance. Furthermore, the thermal voltage should be as high as possible. Since these properties are not simultaneously fulfilled by the known materials, the performance of a single thermocouple is generally not sufficient for practical use. For the construction of a thermoelectric generator, numerous elements are therefore electrically connected in series, but thermally in parallel. The same applies to cooling devices according to the Peltier effect. In this case one speaks of a cascade connection. A cascade circuit for Peltier elements is shown in FIG. 4. The p- or n-doped semiconductor rods 27 to 32 are connected to ceramic plates 40 , 41 or the like via copper disks 33 to 39 . The ceramic plate 40 is cooled when voltage U ₁ is applied, while the ceramic plate 41 is heated (cf. Zeskind: Thermoelectric heat pumps cool packages electronically, Electronics, July 31, 1980, pp. 109 to 113).

Außer der Kaskadierung von Thermoelementen ist auch eine Etagen­ anordnung dieser Thermoelemente möglich, wie sie in der Fig. 5 anhand eines Peltier-Elements mit zwei Etagen dargestellt ist. Statt zweier Etagen können auch 3, 4... n Etagen vorgesehen werden. Mehrere p,n- Halbleiterelemente 42 bis 48 sind hierbei in einer Etage elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet, wobei die oberen Platten 49, 50 abgekühlt und die unteren Platten 51 bis 55 erwärmt werden. Die Tempe­ ratur der abgekühlten Platten 49, 50 wird durch zusätzliche Elemente 56, 57 in der zweiten Etage weiter heruntergekühlt, so daß die Platte 58 noch kälter ist (vgl. Wolfe, a.a.O.).In addition to the cascading of thermocouples, a tier arrangement of these thermocouples is also possible, as is shown in FIG. 5 using a Peltier element with two tiers. Instead of two floors, 3, 4 ... n floors can also be provided. Several p, n semiconductor elements 42 to 48 are in this case electrically connected in series and thermally in parallel on one floor, the upper plates 49 , 50 being cooled and the lower plates 51 to 55 being heated. The temperature of the cooled plates 49 , 50 is further cooled down by additional elements 56 , 57 on the second floor, so that the plate 58 is even colder (cf. Wolfe, op. Cit.).

In der Fig. 6 ist eine Anordnung gezeigt, welche eine Vereinigung der Anordnungen der Fig. 2 und 3 darstellt. Das Thermoelement 13 speist mit seiner Ausgangsspannung U _Th das Peltier-Element 7 und bewirkt dadurch, daß sich die Differenz zwischen T ₃ und T ₄ beim Peltier-Element 7 vergrößert. Da jedoch die Temperaturdifferenz zwischen T ₃ und T ₄ beim Thermoelement 13 ohne äußere Kühlung oder Erwärmung sehr klein ist, wird keine nennenswerte Spannung U _Th erzeugt und damit auch keine großen Temperaturdifferenzen am Peltier-Element. FIG. 6 shows an arrangement which represents a combination of the arrangements of FIGS. 2 and 3. The thermocouple 13 feeds the Peltier element 7 with its output voltage U _Th and thereby causes the difference between T ₃ and T ₄ in the Peltier element 7 to increase. However, since the temperature difference between T ₃ and T _{4 is} very small in the case of the thermocouple 13 without external cooling or heating, no significant voltage U _{Th is} generated and therefore no large temperature differences at the Peltier element.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 7 ist das Peltier-Element 7 nach oben ge­ klappt, d. h. die kalte Platte 12 befindet sich jetzt oberhalb der warmen Platten 8, 9. Außerdem sind die Seiten vertauscht, so daß der Schenkel 10 des Peltier-Elements 7 nun unterhalb des Schenkels 22 des Thermoelements 13 zu liegen kommt. Hierdurch entfällt die Überkreuzung der elektrischen Leitungen 60, 61. Die kalten Platten 14, 15 des Thermoelements 13 sind direkt in thermischem Kontakt mit der Platte 12, so daß die von dem Peltier-Element 7 aufgrund der anliegenden Thermospannung U _Th erzeugte Kälte an der Platte 12 sich auf die Platten 14, 15 des Thermoelements 13 überträgt.In the arrangement according to FIG. 7, the Peltier element 7 is folded upwards, ie the cold plate 12 is now above the warm plates 8 , 9 . In addition, the sides are interchanged so that the leg 10 of the Peltier element 7 now comes to lie below the leg 22 of the thermocouple 13 . This eliminates the crossing of the electrical lines 60 , 61 . The cold plates 14 , 15 of the thermocouple 13 are in direct thermal contact with the plate 12 , so that the cold generated by the Peltier element 7 due to the applied thermal voltage U _Th on the plate 12 affects the plates 14 , 15 of the thermocouple 13 transmits.

Die Anordnung der Fig. 8 leitet sich aus der Anordnung gemäß Fig. 7 ab, wobei jedoch die warmen Platten 8, 9 des Peltier-Elements 7 nach oben geklappt sind, so daß sie auf der warmen Platte des Thermoelements 13 aufliegen. Die kalte Platte 12 des Peltier-Elements 7 ist vergrößert, damit die Schenkel 10, 11 das Thermoelement 13 umgreifen können.The arrangement in FIG. 8 is derived from the arrangement in FIG. 7, but the warm plates 8 , 9 of the Peltier element 7 are folded upward so that they rest on the warm plate of the thermocouple 13 . The cold plate 12 of the Peltier element 7 is enlarged so that the legs 10 , 11 can grip around the thermocouple 13 .

Bei der Anordnung der Fig. 8 sind nun die kalten Platten 14, 15 des Thermoelements 13 mit der kalten Platte 12 des Peltier-Elements 7 und die warme Platte 26 des Thermoelements 13 mit den warmen Platten 8, 9 des Peltier-Elements 7 thermisch gekoppelt. Die von dem Thermoelement 13 erzeugte Spannung U _Th liegt sowohl an den Platten 8, 9 des Peltier- Elements 13 als auch an einem Verbraucher 62 an.In the arrangement of FIG. 8, the cold plates 14 , 15 of the thermocouple 13 are now thermally coupled to the cold plate 12 of the Peltier element 7 and the warm plate 26 of the thermocouple 13 to the warm plates 8 , 9 of the Peltier element 7 . The voltage U _Th generated by the thermocouple 13 is present both on the plates 8 , 9 of the Peltier element 13 and on a consumer 62 .

In der Darstellung der Fig. 8 scheint die Platte 26 des Thermoelements 13 an demselben elektrischen Potential wie die Platte 8 des Peltier-Ele­ ments 7 zu liegen. Da diese Platte 8 des Peltier-Elements 7 wiederum mit der Platte 14 des Thermoelements 13 verbunden ist, scheint die Platte 26 mit der Platte 14 elektrisch verbunden zu sein. Wegen der relativ hohen elektrischen Widerstände der Platten liegt ein elektrischer Kurzschluß zwar nicht vor, doch kann eine vollkommene Potentialtrennung dadurch erreicht werden, daß zwischen den Platten 8, 9 und der Platte 26 einerseits und den Platten 14, 15 und der Platte 12 andererseits elektrische Isolatoren mit relativ guter Wärmeleitfähigkeit vorgesehen werden, beispielsweise dünne Ceran-Glasschichten. Es ist auch möglich, die Platten 8, 9, 26 bzw. 14, 15, 12 großflächig auszuführen, zu schwärzen und in sehr geringem Abstand voneinander anzuordnen, so daß kein direkter mechanischer Kon­ takt besteht.In the illustration of Fig. 8, the plate member 7 seems to be 26 of the thermocouple 13 at the same electric potential as the plate 8 of the Peltier Ele. Since this plate 8 of the Peltier element 7 is in turn connected to the plate 14 of the thermocouple 13 , the plate 26 appears to be electrically connected to the plate 14 . Because of the relatively high electrical resistances of the plates, there is no electrical short circuit, but complete electrical isolation can be achieved by electrical insulators between plates 8 , 9 and plate 26 on the one hand and plates 14 , 15 and plate 12 on the other hand with relatively good thermal conductivity can be provided, for example thin ceramic glass layers. It is also possible to run the plates 8 , 9 , 26 or 14 , 15 , 12 over a large area, blacken them and arrange them at a very short distance from one another, so that there is no direct mechanical contact.

In der Fig. 9 ist eine Variante der in der Fig. 8 gezeigten Anordnung dargestellt. Bei dieser Variation sind thermisch gut leitende elektrische Isolatoren 63 bis 66 zwischen den einzelnen Platten 8, 9, 26; 14, 15, 12 gezeigt. Außerdem ist der untere Bereich der Anordnung thermisch gegen den oberen Bereich isoliert, beispielsweise durch eine Ummantelung 67 mit Styropor. Hierdurch ist es möglich, die Temperaturdifferenzen zu erhöhen. In entsprechender Weise könnte auch der obere Teil der Anordnung iso­ liert werden und der untere Teil frei bleiben. Die nach außen geführte Spannung U _Th ist in der Anordnung gemäß Fig. 9 nicht auf einen Ver­ braucher gegeben, sondern auf einen Energiespeicher, beispielsweise einen Akkumulator 85. FIG. 9 shows a variant of the arrangement shown in FIG. 8. In this variation, thermally highly conductive electrical insulators 63 to 66 are located between the individual plates 8 , 9 , 26 ; 14 , 15 , 12 shown. In addition, the lower region of the arrangement is thermally insulated from the upper region, for example by a casing 67 with polystyrene. This makes it possible to increase the temperature differences. In a corresponding manner, the upper part of the arrangement could be isolated and the lower part could remain free. The voltage U _Th conducted to the outside is not given to a consumer in the arrangement according to FIG. 9, but to an energy store, for example an accumulator 85 .

Die thermische Energie, die in elektrische Energie umgewandelt wird, wird bei den Anordnungen der Fig. 8 und 9 aus der Umgebungsluft gesogen. Diese Umgebungsluft wird durch die erfindungsgemäße Anordnung ab­ gekühlt. Selbstverständlich können auch noch an sich bekannte zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um diese Wärmeenergie zu konzentrieren, beispielsweise durch Kollektoren, Linsen oder Spiegel. Auch Ventilatoren, welche z. B. die Luft an den Platten 8, 9, 26 vorbeibewegen, können eingesetzt werden.The thermal energy which is converted into electrical energy is drawn from the ambient air in the arrangements of FIGS. 8 and 9. This ambient air is cooled by the arrangement according to the invention. Of course, additional measures known per se can also be taken to concentrate this thermal energy, for example by means of collectors, lenses or mirrors. Fans, which z. B. the air past the plates 8 , 9 , 26 can be used.

In der Fig. 10 ist eine Vorrichtung gezeigt, in der die erfindungsgemäße Anordnung zur Anwendung kommt. Es handelt sich hierbei um eine Knopf­ zelle 70, die einen metallischen Topf 71 und einen metallischen Deckel 72 aufweist, die über eine Dichtung 73 miteinander verbunden sind. Zwischen dem Boden 74 des Topfs 71 und dem Deckel 72 befindet sich eine metallische Trennwand 75, die über Spreizfedern 76, 77 mit dem Deckel 72 thermisch in Verbindung steht, jedoch zum Topf 71 thermisch isoliert ist. In the Fig. 10 apparatus is shown in which the inventive arrangement is used. This is a button cell 70 , which has a metallic pot 71 and a metallic lid 72 , which are connected to one another via a seal 73 . Between the bottom 74 of the pot 71 and the lid 72 there is a metallic partition 75 , which is thermally connected to the lid 72 via spreading springs 76 , 77 , but is thermally insulated from the pot 71 .

Zwischen dem Boden 74 und der Trennwand 75 ist eine kaskadierte Anordnung 78 gemäß der Erfindung vorgesehen, die ihre Thermospannung über Leitungen 79, 80 auf einen Akkumulator 81 gibt, der die elektrische Energie speichert und im Bedarfsfall über den Topf 71 und den Deckel 72 an einen Verbraucher abgibt.Between the bottom 74 and the partition 75 , a cascaded arrangement 78 according to the invention is provided, which gives its thermal voltage via lines 79 , 80 to an accumulator 81 , which stores the electrical energy and, if necessary, via the pot 71 and the lid 72 to one Consumer.

Die Fig. 11 zeigt einen weiteren Anwendungsfall der Erfindung. Hierbei wird die vom Thermoelement 13 erzeugte elektrische Energie nur für die Kälteerzeugung ausgenützt, d. h. es wird keine elektrische Energie an einen Verbraucher abgegeben. Der Kältebereich der erfindungsgemäßen Anordnung befindet sich in einem geschlossenen und gut wärmeisolierten Gehäuse 82, in dem sich auch eine elektrische Schaltungsanordnung, bei­ spielsweise eine integrierte Schaltung 83 befindet. Es ist bekannt, daß zahlreiche elektrische Funktionen bei tiefen Temperaturen, insbesondere im supraleitenden Zustand, in vorteilhafter Weise ablaufen. Mit den tiefen Temperaturen, die durch Peltier-Effekte erreicht werden können, ist es durchaus möglich, bis in den Bereich der Supraleitfähigkeit vorzustoßen. Seitdem im Jahre 1986 erstmals aus Schweizer IBM-Laboratorien Oxid- Keramik-Materialien bekannt wurden, deren Sprungtemperaturen weitaus höher liegen als der absolute Nullpunkt, sind in immer rascherer Folge weitere Materialien bekannt geworden, die schon bei leicht erreichbaren Minustemperaturen Supraleitfähigkeit zeigen. Schon wurden Meldungen ge­ macht über Materialien, die erste Anzeichen von Supraleitung bereits bei -20°C zeigten. Fig. 11 shows another application of the invention. Here, the electrical energy generated by the thermocouple 13 is used only for cooling, ie no electrical energy is given to a consumer. The cold region of the arrangement according to the invention is located in a closed and well heat-insulated housing 82 , in which there is also an electrical circuit arrangement, for example an integrated circuit 83 . It is known that numerous electrical functions take place advantageously at low temperatures, particularly in the superconducting state. With the low temperatures that can be achieved by Peltier effects, it is quite possible to advance into the area of superconductivity. Since oxide ceramic materials became known for the first time from Swiss IBM laboratories in 1986, the transition temperatures of which are far higher than the absolute zero point, further materials have become known in rapid succession, which show superconductivity even at easily accessible minus temperatures. Already reports have been made about materials that showed the first signs of superconductivity at -20 ° C.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, Supraleitung ohne externe Stromzuführung zu erhalten. Die Energie für die Erzeugung der tiefen Temperaturen und damit der Supraleitfähigkeit wird ausschließlich der Umgebungswärme entnommen.With the arrangement according to the invention, it is possible without superconductivity to receive external power supply. The energy for generating the low temperatures and thus the superconductivity is exclusive taken from the ambient heat.

Die Supraleitfähigkeit kann für die Erzeugung von Magnetfeldern dienen, die ihrerseits den Nernst- und Ettinghausen-Effekt hervorrufen. Superconductivity can be used to generate magnetic fields which in turn cause the Nernst and Ettinghausen effects.  

Bei den in den Fig. 8 bis 11 dargestellten Thermokupplungen wurden stets die durch den Peltier- und Seebeck-Effekt betroffenen Bereiche mitein­ ander gekuppelt. Es versteht sich jedoch, daß beispielsweise auch die Joul′sche Wärme, die bei einem Peltier-Element anfällt, ebenfalls mit der warmen Seite des Thermoelements thermisch gekuppelt werden kann. Die Joul′sche Wärme des Peltier-Elements kann beispielsweise dadurch erfaßt werden, daß das Peltier-Element unter Vermeidung elektrischer Kurz­ schlüsse metallisch umkapselt wird und von dieser Umkapselung eine Wärmebrücke zum warmen Teil des Thermoelements geführt ist.In the thermal couplings shown in FIGS . 8 to 11, the areas affected by the Peltier and Seebeck effect were always coupled together. However, it goes without saying that, for example, the Joule heat which arises in a Peltier element can also be thermally coupled to the warm side of the thermocouple. The Joule heat of the Peltier element can be detected, for example, in that the Peltier element is metal-encapsulated, avoiding electrical short circuits, and a heat bridge is guided from this encapsulation to the warm part of the thermocouple.

Zahlreiche weitere Anwendungen der Erfindung sind möglich. Beispielsweise könnte die von einer Glühlampe erzeugte Wärme in elektrische Energie umgewandelt und diese elektrische Energie wieder der Glühlampe zu­ geführt werden. Hierdurch würde sich der schlechte optische Wirkungsgrad einer Glühlampe wesentlich erhöhen.Numerous other applications of the invention are possible. For example the heat generated by an incandescent lamp could be converted into electrical energy converted and this electrical energy back to the light bulb be performed. This would result in poor optical efficiency a light bulb significantly.

Ferner ist es möglich, den Gegenstand der Erfindung in der Wasserstoff- Technologie einzusetzen, d. h. die durch Wärme erzeugte e Energie für die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mittels Elektrolyse zu verwenden.It is also possible to use the subject of the invention in the hydrogen Use technology, d. H. the heat generated e Energy for the splitting of water into oxygen and hydrogen to be used by means of electrolysis.

Der Gegenstand der Erfindung kann auch mit den bekannten Solarzellen kombiniert werden. Beispielsweise ist es möglich, Schichten von Silizium oder dergleichen vorzusehen, welche das sichtbare und ultraviolette Licht in elektrische Energie umwandeln und die Infrarotstrahlung an die er­ findungsgemäße Einrichtung weitergeben, welche hierauf die infrarot­ strahlung in elektrische Energie umwandelt. Die Solarzellen würden auf diese Weise mit dem erfindungsgemäßen Thermowandler als sandwich­ artige Energiequelle sowohl die Lichtstrahlung als auch die Wärme in elektrische Energie umwandeln.The object of the invention can also be used with the known solar cells be combined. For example, it is possible to use layers of silicon or the like to provide the visible and ultraviolet light convert into electrical energy and the infrared radiation to which he pass on device according to the invention, which then the infrared converts radiation into electrical energy. The solar cells would open this way with the thermal converter according to the invention as a sandwich like energy source both the light radiation and the heat in convert electrical energy.

Die überraschenden Eigenschaften, die Müller und Bednorz bei Oxid- Keramiken im Hinblick auf die Supraleitfähigkeit gefunden haben, legen es nahe, bei diesen Materialien auch besondere thermoelektrische Eigen­ schaften zu finden.The surprising properties that Müller and Bednorz have for oxide Ceramics have found in terms of superconductivity, put it close, with these materials also special thermoelectric properties to find.

Claims (20)

1. Energiequelle, die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt, wobei die von wenigstens einem Thermo-Element erzeugte elektrische Energie wenigstens einem Peltier-Element zugeführt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine von dem Peltier-Element (7) erzeugte Temperatur wenigstens teilweise für die Erhöhung der Temperaturdifferenz am Thermo-Element (13) herangezogen wird.1. Energy source that converts thermal energy into electrical energy, wherein the electrical energy generated by at least one thermal element is supplied to at least one Peltier element, characterized in that a temperature generated by the Peltier element ( 7 ) is at least partially suitable for the Increasing the temperature difference on the thermocouple ( 13 ) is used. 2. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für den anfänglichen Betrieb des Seebeck-Elements erforderliche Temperatur­ differenz aus den in der Umgebung des Thermo-Elements (13) vor­ handenen Temperaturdifferenzen abgeleitet wird.2. Energy source according to claim 1, characterized in that the temperature difference required for the initial operation of the Seebeck element is derived from the temperature differences existing in the vicinity of the thermocouple ( 13 ). 3. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trischen Abgriffe (14, 15) des Thermo-Elements (13) thermisch gegen die Umwelt isoliert sind, während die Verbindungsstelle (26) der thermo­ elektrisch wirksamen Materialien (22, 23) thermisch mit der Umwelt in Verbindung steht. 3. Energy source according to claim 1, characterized in that the elec trical taps ( 14 , 15 ) of the thermocouple ( 13 ) are thermally insulated from the environment, while the connection point ( 26 ) of the thermally electrically active materials ( 22 , 23 ) is thermally related to the environment. 4. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermo-Element (13) einen Schenkel (22) aus einem ersten Material und einen Schenkel (23) aus einem zweiten Material enthält, wobei der erste und der zweite Schenkel (22, 23) über ein Verbindungselement (26) mit­ einander verbunden sind und jeweils einen Abschluß (14, 15) besitzen; daß das Peltier-Element (7) einen Schenkel (10) aus einem ersten Material und einen Schenkel (11) aus einem zweiten Material enthält, wobei der erste Schenkel (10) und der zweite Schenkel (11) über ein Verbindungselement (12) miteinander verbunden sind und jeweils einen Abschluß (8, 9) besitzen; und daß das Verbindungselement (12) des Peltier-Elements (7) mit den Abschlüssen (14, 15) des Thermo-Elements (13) thermisch gekoppelt ist.4. Energy source according to claim 1, characterized in that the thermal element ( 13 ) contains a leg ( 22 ) made of a first material and a leg ( 23 ) made of a second material, the first and second legs ( 22 , 23rd ) are connected to each other via a connecting element ( 26 ) and each have a termination ( 14 , 15 ); that the Peltier element ( 7 ) contains a leg ( 10 ) made of a first material and a leg ( 11 ) made of a second material, the first leg ( 10 ) and the second leg ( 11 ) being connected to one another via a connecting element ( 12 ) are connected and each have a termination ( 8 , 9 ); and that the connecting element ( 12 ) of the Peltier element ( 7 ) is thermally coupled to the terminations ( 14 , 15 ) of the thermocouple ( 13 ). 5. Energiequelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ bindungselement (26) des Thermo-Elements (13) mit den Abschlüssen (8, 9) des Peltier-Elements (7) thermisch gekoppelt ist.5. Energy source according to claim 4, characterized in that the connecting element ( 26 ) of the thermocouple ( 13 ) is thermally coupled to the terminations ( 8 , 9 ) of the Peltier element ( 7 ). 6. Energiequelle nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Kopplung über elektrische Isolatoren (63 bis 66) er­ folgt.6. Energy source according to claims 4 or 5, characterized in that the thermal coupling via electrical insulators ( 63 to 66 ) it follows. 7. Energiequelle nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Kopplung über schmale Luftbrücken erfolgt.7. Energy source according to claims 4 or 5, characterized in that that the thermal coupling takes place via narrow air bridges. 8. Energiequelle nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Kopplung mittels eines thermischen Isolators (67) erfolgt, der die thermisch miteinander gekoppelten Elemente (8, 9, 26; 14, 15, 12) wenigstens teilweise umgibt.8. Energy source according to claims 6 or 7, characterized in that the thermal coupling takes place by means of a thermal insulator ( 67 ) which at least partially surrounds the thermally coupled elements ( 8 , 9 , 26 ; 14, 15, 12 ). 9. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermospannung (U _Th) des Thermo-Elements (13) sowohl an das Peltier- Element (7) als auch an einen Verbraucher (62) gelegt ist. 9. Energy source according to claim 1, characterized in that the thermal voltage ( U _Th ) of the thermal element ( 13 ) is applied both to the Peltier element ( 7 ) and to a consumer ( 62 ). 10. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Thermo-Elemente mit mehreren Peltier-Elementen, die thermisch rück­ gekoppelt sind, in Kaskade geschaltet sind.10. Energy source according to claim 1, characterized in that several Thermo elements with several Peltier elements that thermally return are connected, connected in cascade. 11. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die er­ zeugte elektrische Energie in einem Energiespeicher (85, 81) gespeichert wird.11. Energy source according to claim 1, characterized in that the electrical energy it produces is stored in an energy store ( 85 , 81 ). 12. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Knopfzelle (70) untergebracht ist und einen Energiespeicher (81) auflädt.12. Energy source according to claim 1, characterized in that it is housed in a button cell ( 70 ) and charges an energy store ( 81 ). 13. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgekühlte Teil der Energiequelle für die Erzeugung von Supraleitfähig­ keit vorgesehen ist.13. Energy source according to claim 1, characterized in that the cooled part of the energy source for the production of superconducting speed is provided. 14. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Joul′sche Wärmequelle des Peltier-Elements (7) thermisch mit dem Ver­ bindungspunkt der beiden Schenkel des Thermo-Elements (13) verbunden ist.14. Energy source according to claim 1, characterized in that the Joule heat source of the Peltier element ( 7 ) is thermally connected to the Ver connection point of the two legs of the thermocouple ( 13 ). 15. Energiequelle nach den Ansprüchen 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Supraleitfähigkeit für den Aufbau von Magnetfeldern verwendet wird, die für die Erzeugung des Nernst- und Ettinghausen- Effekts erforderlich sind.15. Energy source according to claims 1 and 13, characterized in that that the generated superconductivity for the build-up of magnetic fields used for the generation of the Nernst and Ettinghausen Effect are required. 16. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine thermische Entkopplung bei gleichzeitiger elektrischer Kopplung ein vor­ handener Gleichstrom in einen Wechselstrom umgeformt wird und dieser Wechselstrom transformatorisch über eine Wärmesperre übertragen wird.16. Energy source according to claim 1, characterized in that for a thermal decoupling with simultaneous electrical coupling on existing direct current is converted into an alternating current and this Alternating current is transmitted via a heat barrier. 17. Energiequelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Um­ formung des Gleichstroms in einen Wechselstrom durch einen elek­ tronischen Zerhacker erfolgt und daß die Wärmesperre aus der Luft zwischen wenigstens zwei Transformatorwicklungen besteht.17. Energy source according to claim 16, characterized in that the order Formation of the direct current into an alternating current by an elec  tronic chopper takes place and that the heat barrier from the air exists between at least two transformer windings. 18. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Solarzellen derart kombiniert ist, daß die Solarzelle das sichtbare und ultra­ violette Licht in elektrische Energie umwandelt, während die Energie­ quelle die Wärme bzw. die Infrarotstrahlung in elektrische Energie um­ wandelt.18. Energy source according to claim 1, characterized in that it with Solar cells are combined in such a way that the solar cell is visible and ultra converts purple light into electrical energy while the energy swell the heat or infrared radiation into electrical energy changes. 19. Energiequelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle das sichtbare und das ultraviolette Licht absorbiert und die Infrarotstrahlung durchläßt.19. Energy source according to claim 18, characterized in that the The solar cell absorbs the visible and the ultraviolet light and the Transmits infrared radiation. 20. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel des Thermoelements (13) und die Schenkel des Peltier-Elements (7) aus Oxid-Keramiken bestehen.20. Energy source according to claim 1, characterized in that the legs of the thermocouple ( 13 ) and the legs of the Peltier element ( 7 ) consist of oxide ceramics.