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Wärmeisoliertes Gefäß Die Erfindung betrifft ein Gefäß mit mindestens
zwei jeweils durch eine Wärmeisolation voneinander getrennten Wandungen, zwischen
denen als Wandabstützungen ein oder mehrere thermoelektrische stromdurchflossene
Halbleiterkörperpaare des p- und des n-leitenden Typs verwendet sind.
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Es sind bereits Gefäße dieser Art bekannt. Sie bestehen aus mehreren
konzentrischen Zylinderwandungen, zwischen denen zickzackförmig Peltierelemente
angeordnet sind, die aus einer äußeren Stromquelle gespeist werden. Die Peltierelemente
wirken als Wärmepumpen und bewirken eine Abkühlung des Gefäßinnenraumes.
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Ferner ist ein elektrothermischer Kühlschrank bekanntgeworden, der
zwischen zwei konzentrischen berippten Kühlplatten Peltierelemente enthält, durch
die je nach Stromrichtung eine Heizung oder Kühlung des Innenraumes erreicht werden
kann.
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Bei einer bekanntgewordenen Kühlvorrichtung für eine innerhalb eines
Gehäuses untergebrachte temperaturempfindliche Kristallanordnung erfolgt die Abführung
der in der Kristallanordnung entstehenden Verlustwärme durch Peltierelemente, die
in den Stromkreis der Kristallanordnung geschaltet sind. Der kalte Bereich der Peltierelemente
steht hierbei mit der, zu kühlenden Kristallanordnung und der warme Bereich
mit dem die Wärme abführenden Gehäuse in thermischem Kontakt.
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Schließlich ist bereits vorgeschlagen worden, die Stromzuleitungen
und -ableitungen der kalten Stufen einer elektrothermischen Kaskade unter Zwischenschalten
von elektrothermischem Material nach außen zu führen.
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Die Erfindung zielt darauf ab, bei einem Gefäß der einleitend genannten
Art die thermoelektrischen Halbleiterkörper nicht nur als Stützelemente, sondern
auch als den Wärmestrom nach außen unterbindende Stromdurchführung für einen innerhalb
des Gefäßes befindlichen Verbraucher zu verwenden. Dies geschieht erfindungsgemäß
dadurch, daß die dem Gehäuseinneren zugekehrten Enden von wenigstens zwei Halbleiterkörpern
verschiedenen Leitfähigkeitstyps durch einen von außen betätigbaren Schalter wahlweise
kurzgeschlossen werden können oder an einen in dem Gehäuse befindlichen elektrischen
Verbraucher, vorzugsweise an einen supraleitenden Verbraucher, schaltbar sind und
daß der Schalter weder ein die Wärmeisolation durchdringendes mechanisches Betätigungsglied
noch nicht über wenigstens ein Halbleiterkörperpaar durch die Wärmeisolation geführte
elektrische Betätigungsleitungen enthält.
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Hierdurch wird eine gesonderte Stromdurchführung durch die Gehäusewandungen
vermieden, die insbesondere bei supraleitenden Verbrauchern, wie supraleitenden
Erregerspulen, nach dem Abkühlen eine unerwünschte Wärmebrücke darstellt. Die Halbleiterkörper
verhindern auch in der Zeit, in der der Verbraucher angeschaltet ist, in der sie
also als Stromdurchführungen wirken, auf Grund des Peltiereffektes einen unerwünschten
Wärmestrom, wie er bei normalen Stromdurchführungen vorhanden wäre. Durch die erfindungsgemäße
Maßnahme wird zudem ermöglicht, den sogenannten -Seebeckeffekt auszunutzen; d. h.
die thermoelektrischen Halbleiterkörper zur Erzeugung einer elektrischen Spannung
zu verwenden, wenn innerhalb des Gehäuses zusätzlich eine Fremdkühlquelle und außerhalb
desselben ein weiterer Schalter vorgesehen wird, der wahlweise kurzgeschlossen werden
kann oder an eine Spannungsquelle schaltbar ist.
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Es ist ferner vorteilhaft, die einzelnen Halbleiterkörper nicht aus
einem einzigen Halbleitermaterial zu fertigen, sondern sie in mehrere verschiedene
Halbleiterschichten des gleichen Leitfähigkeitstyps zu unterteilen. Da die Temperatur
bei gekühltem innerem Gefäß von der Außenwand bis zur Innenwand abfällt, ist es
möglich, die einzelnen Halbleiterschichten so anzuordnen, daß jede Schicht jeweils
in ihrem günstigsten Teniperaturbeieich arbeitet. So wird man an der warmen Wandurig,
die sich normalerweise auf Zimmertemperatur befindet, eine Wismut-Tellur-Selen-Verbindung,
vorzugsweise der Form Bi2Te2,4Seo,g vorsehen und an der kalten Wandung eine aus
einer Wismut-Antimon-Verbindung. Die einzelnen Halbleiterkörper können paarweise
hintereinandergeschaltet werden, wobei dann jeweils eine Kupferbrücke die Verbindung
zwischen zwei Schenkeln entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bilden können.
Die
Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von vier Figuren näher erläutert.
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In F i g. 1 sind mit 1 und 2 Teile von Wandungen eines Gefäßes
20 bezeichnet, wobei sich die äußere Wandung l auf einem höheren Temperaturniveau
befinden soll als die innere Wandung 2 und beide Wandungen durch eine wärmeisolierende
Schicht 3 voneinander getrennt sind. Das Temperaturgefälle zwischen beiden Wandungen
kann durch eine an sich bekannte Kühleinrichtung, z. B. durch eine Heliumverflüssigungsanlage
aufrechterhalten werden. Hierzu sind am Gefäß 20 Öffnungen 32 für die Zufuhr bzw.
Abfuhr des flüssigen Heliums vorgesehen. Zwischen den beiden Wandungen ist als Abstützung
ein Halbleiterkörperpaar angebracht, das aus dem n-leitenden Schenkel 4 und dem
p-leitenden Schenkel s besteht. Die Halbleiterkörper besitzen Kontaktplatten 7,
die von den Wandungen 1 und 2 elektrisch durch eine Isolierschicht 8 getrennt sind.
Diese Iolierschicht soll jedoch möglichst gut wärmeleitend sein. Vorteilhaft sind
dünne, mit Äthylenglykol bestrichene Glimmerschichten. Durch einen von außen betätigbaren
Umschalter 17 lassen sich die dem Gehäuseinneren zugekehrten Enden der Halbleiterkörper
wahlweise an einen vorzugsweise supraleitenden Verbraucher 16
schalten oder
kurzschließen. Ein außerhalb des Gefäßes befindlicher Umschalter 18 erlaubt es,
die dem Gehäuseäußeren zugekehrten Enden -der Halbleiterkörper wahlweise kurzzuschließen
oder an eine Spannungsquelle U mit den Klemmen 9 und 10 zu schalten.: Die =notwendigen
Stromdurchführungen 11 sind mit Isoliermaterial ausgekleidet. und abgedichtet. Für
den Schalter 17 ist wesentlich, daß zu seiner Betätigung mechanische und- elektrische
.Mittel vermieden werden, die von außen . durch- die Wandung mit ihm körperlich
verbunden werden müßten, son= denn. daß .er z. B. auf magnetischen Wege fernbetätigt
wird. Hierdurch verhindert man, daß über .das Be= tätigungsörgan Wärme eindringen-
kann.
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Wie. schon erwähnt, können die Schenkel 4 und 5 in zwei oder mehr
Schichten verschiedenen Halbleitermaterials. unterteilt werden. Soll sich bei der
Anordnung- nach F i g. 1 die innere Wandung 2 auf einer- extrem niedrigen Temperatur
befinden, beispielsweise auf der fler-flüssigen Luft (76° K) oder auf der des flüssigen
Heliums (4,2° K), so kann an der der Wandung 2 zugekehrten Seite des Schenkels 4
eine Halbleiterschicht 12 aus einer Wismut-Antimon-Verbindung . vorgesehen werden.
Herrscht an der äußeren Gefäßwandung 1 Zimmertemperatur, - so kann dort an den entsprechenden
Schenkelseiten eine Halbleiterschicht 13 aus einer Wismut-Tellur-Selen-Verbindung
angebracht sein. Zwischen diesen beiden bekannten Halbleiterschichten können sich
noch weitere nicht dargestellte Schichten befinden, die jeweils an den dort auftretenden
Temperaturbereich angepaßt sind. Auf diese Weise kann die Kühlleistung der thermoelektrischen
Stützelemente erheblich verbessert werden.
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Auf Grund der Schalter 17 und 18 besteht die Möglichkeit, den Halbleiterkörpern
wahlweise mehrere Funktionen zuzuordnen. Neben der Stütz- und Kühlfunktion können
sie noch die Aufgabe einer Stromdurchführung bzw. einer thermoelektrischen Spannungsquelle
zur Speisung eines elektrischen Verbrauchers übernehmen. In der gezeichneten unbetätigten
Stellung der Schalter 17 und 18 wird von der an den Klemmen 9 und 10 angeschlossenen
Spannung U ein Strom in den Verbraucher 16 eingespeist. Durch Betätigen des
Schalters 17 wird der Verbraucher einseitig von seiner Speisequelle abgetrennt,
und es werden die kalten Enden der Halbleiterkörper kurzgeschlossen. Eine Betätigung
des Umschalters 18 bei unbetätigtem Schalter 17 bewirkt einen Stromfluß in umgekehrter
Richtung, da die Halbleiterkörper jetzt als Thermogenerator wirken.
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In F i g: 2 ist als Verbraucher ein supraleitender Verbraucher
21 angenommen, in den zunächst ein Strom eingespeist werden soll, der nach
erfolgter Einspeisung als Kreisstrom weiterfließen soll. Im Inneren des Gefäßes
20 befindet sich z. B. ein supraleitfähiger Stromkreis, bestehend aus den
supraleitfähigen Verbindungen 19, welche zu den Enden einer supraleitenden Spule
21 führen, die ihrerseits miteinander über die supraleitfähigen Zuleitungen 22 sowie
den Schalter 23 verbunden sind. Für den Schalter 23 gilt ebenso wie für den Schalter
17 der F i g. 1, daß zu seiner Betätigung mechanische oder elektrische Mittel vermieden
sind. Eine Möglichkeit zur Rearsierung eines derartigen Schalters besteht darin,
Supraleiter zu verwenden, die durch Temperatur-oder Magnetfeldänderungen zeitweise
normalleitend gemacht werden können und so im Vergleich zu den übrigen supraleitenden
Stromkreisabschnitten einen unendlich großen Widerstand darstellen. Betrachtet man
die Schalter 23 bis 27 in der gezeichneten unbetätigten Stellung so ergibt sich
zunächst eine mit der Anordnung nach F i g. 1 verglbiohbare Wirkungsweise der Halbleiterkörper.
Es ist dabei der n-Schenkel-29 und der p-Schenkel 28 zur Kühlung wirksam;- der Verbraucher
16 ist durch den erwähnten supraleitfähigen Stromkreis ersetzt. Der Spule 21 wird
bei anliegender äußerer Spannung U,ein Strom ü bzw. i2 zugeführt. Erreicht dieser
den für die Erregung eines Magnetfeldes innerhalb der- Spule 21 gewünschten Wert,
so wird der Schalter 23 geschlossen, und der vor diesem Öffnen in der Spule 21 fließende
Strom bleibt als Kreis- oder Kurzschlußstrom i3 in den Eleinenten 21,
22 und 23 in gleicher Höhe aufrecht= erhalteg:=Näeli--dein -Schließen -des
Schalters 23 fließt der von der Spannung U eingespeiste Strom il bzw. 1,
vornehmlich in dem aus den Elementen 22 und 23 gebildeten Stromkreisabschnitt, da
sich bei Parallelschaltung zweier Supraleiter die Ströme in ihnen umgekehrt verhalten
wie ihre Induktivitäten und die Spule 21 eine weitaus größere Induktivität aufweist
als die Leiterstücke 22 samt dem Schalter 23.
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An Stelle einer Stromeinspeisung durch die.Spannung U kann diese auch
in der Weise bewerkstelligt werden, daß die Halbleiterkörper zeitweilig als Thermogeneratoren
betrieben werden. Zu diesem Zweck können bei der Anordnung nach F i g. 2 die Schalter
23 und 27 betätigt werden. Durch das von einer unabhängigen Kühleinrichtung aufrechterhaltene
Wärmegefälle zwischen äußerer Wandung 1 und innerer Wandung 2 wird in den zwischen
den Schenkeln 29 und 28 befindlichen vier Halbleiterkörperpaaren eine Thermospannung
erzeugt, welche einen entsprechenden Strom 12 bewirkt. Durch wahlweises Betätigen
der Schalter 25 bzw. 26, durch welches die Anzahl der auf der warmen Seite hintereinandergeschalteten
Halbleiterkörper geändert wird, kann die Größe der Thermospannung und damit die
Geschwindigkeit des Feldaufbaues in der Spule 21 beeinflußt werden. Nach erfolgtem
Feldaufbau wird der Schalter 23 geschlossen, und es werden die übrigen
Schalter
in die gezeichnete Stellung gebracht, wonach ein Strom i3, in dem durch die Elemente
21, 22 und 23 gebildeten Kreis durch die Supraleitfähigkeit derselben aufrechterhalten
bleibt. Diesem wird in dem durch die Elemente 22 und 23 gebildeten Stromkreisabschnitt
der nun von der Spannung U eingespeiste Strom i2 überlagert, welcher in den Schenkeln
28 und 29 eine Wärmeabfuhr nach außen bewirkt. An Stelle des supraleitenden Verbrauchers
kann natürlich genausogut ein normalleitender elektrischer Verbraucher angeschlossen
werden, wobei nach Schließen des Schalters 23 der Kurzschlußstrom i3 entsprechend
der durch den ohmschen Widerstand des Verbrauchers bedingten Zeitkonstanten abklingt.
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F i g. 3 zeigt den Einsatz von zwei aufeinander abgestimmten Kryotronen,
welche durch Änderungen des eingespeisten Stromes i2 betätigt werden. Ein Vergleich
mit der Anordnung nach F i g. 2 zeigt, daß der Schalter 23 durch das Kryotron 30
ersetzt ist, während im Zuge einer Zuleitung 19 das zweite Kryotron 31 angeordnet
ist. Ein Kryotron ist bekanntlich ein supraleitfähiges Leiterstück, welches durch
eine ihn umschlingende, vorzugsweise ebenfalls supraleitende Schaltspule, bei deren
Erregung in den normalleitenden Zustand gebracht wird. Ein Kryotron wirkt demnach
- wie schon angedeutet -in Verbindung mit übrigen supraleitenden Stromkreisabschnitten
wie ein Schalter. Bei der Anordnung nach F i g. 3, die im wesentlichen der Anordnung
nach F i g. 2 entspricht, wird bei den eingezeichneten Schalterstellungen nach Anlegen
der Spannung U an den Klemmen 9 und 10 ein Strom i2 in der Leitung 19 fließen. Es
ist analog wie bei F i g. 2 möglich, den Strom i2 durch Betätigen der Schalter 25
und 26 zu variieren. Die Erregung einer Kryotronspule 30 ist so bemessen, daß dabei
der durch sie hindurchgeführte Supraleiter normalleitend wird, worauf ein Stromfluß
in der Spule 21 erzwungen wird, da diese stets supraleitend bleibt. Hat der Erregung
der Spule 21 ihren gewünschten Wert erreicht, so werden die Schalter 24 und 27 geöffnet,
so daß die supraleitfähige Anordnung von ihrer Energiequelle getrennt ist und der
Strom 1, zu fließen aufhört. Die Erregung der Schaltspule 30 verschwindet, das Kryotron
wird wieder supraleitend, und der vor dem Öffnen der Schalter 24 und 27 vorhandene
Spulenstrom beginnt als Kreisstrom 1" in einem vollständig supraleitenden Stromkreis
zu fließen. Dies hat zur Folge, daß das Kryotron 31 normalleitend gemacht und so
die Zuleitung 19 praktisch vorn Schenkel 28 abgetrennt wird. Der Schalter 24 kann
jetzt geschlossen und durch Schließen des Schalters 27 sowie wahlweises Betätigen
der Schalter 25 und 26 einige oder sämtliche der zwischen den Schenkeln 28 und 29
befindlichen Halbleiterkörperpaare hintereinandergeschaltet werden, um einen möglichst
großen Kühleffekt zu erhalten. Die vom Kreisstrom 1 3 durchflossene Spule
des Kryotrons 31 bewirkt einen derartig großen Widerstand desselben, daß praktisch
keine Stromeinspeisung von außen auftreten kann.
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Es ist bei der Anordnung der F i g. 3 oder einer ihr ähnlichen auch
möglich, die Kryotronspulen nicht mit dem Kreisstrom i3 bzw. dem Speisestrom i2,
sondern mit gesonderten Stromquellen zu erregen, die im Rahmen der Erfindung ebenfalls
aus mindestens zwei als Durchführungs-, Stütz- und Kühlelemente dienenden Halbleiterkörpern
bestehen können. Gefäße für die Tiefsttemperaturtechnik werden vorzugsweise mit
mehr als zwei Wandungen ausgebildet. Die Zwischenwandungen werden dann zweckmäßigerweise
auf eine Zwischentemperatur, beispielsweise durch Kühlung mit flüssigem Äthylen
(170° K) oder flüssigem Stickstoff (77° K) gebracht. Zwischen den Wandungen werden
dann an den jeweiligen Temperaturbereich angepaßte Halbleiterkörper vorgesehen,
die in der in F i g. 4 dargestellten Art geschaltet werden können.