DE1076210B

DE1076210B - Thermoelektrische Kombination, insbesondere Thermosaeule

Info

Publication number: DE1076210B
Application number: DES63741A
Authority: DE
Inventors: Dr Eduard Justi
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-07-03
Filing date: 1959-07-03
Publication date: 1960-02-25
Also published as: GB961301A

Description

In neuerer Zeit ist es gelungen, die Effektivität thermoelektrischer Werkstoffe auf etwa ζ = 0,003 zu steigern. Mit solchen Werkstoffen können Peltierelemente hergestellt werden, die theoretisch eine kritische Abkühlung von etwa 100⁰C ermöglichen. Die tatsächlich erreichten Werte der kritischen Kühlung AT'_iT (und der Leistungszahl) sind bekanntlich deshalb niedriger als die berechneten Idealwerte AT_kr, weil im Übergangswiderstand der kalten Lötstelle Joulesche Wärme erzeugt wird, die die Peltierkälte mehr oder weniger kompensiert. Diese Verlustursache wird offenbar um so störender, je höher die Effektivität ζ = α₂σ/Κ (α = absolute Thermokraft, σ = elektrische Leitfähigkeit, K = Wärmeleitzahl) dadurch gezüchtet wird, daß man mittels passender Dotierung σ vergrößert. Denn nach der bekannten Formel von Gehlhoff, Justi und Kohler ÄT'_kr\ÄT_kr — 1/(1 + 2 R_kIR) hängt das Verhältnis der tatsächlich erreichbaren zur idealen kritischen Abkühlung vom Verhältnis des Kontaktwiderstandes R_k in der kalten Lötstelle zum Ausbreitungswiderstand R der zugehörigen Thermoelementschenkel ab. Beträgt beispielsweise der Widerstand der beiden Schenkel zusammen 0,001 Ohm, Kontaktwiderstand nur 0,0001 Ohm, so wird dies Verhältnis 1/(14-2 · 0,0001/0,001) =1/(1 +2 · 0,1) = 1/1,2=8,83. Man kann also hierbei nur 83% der aus ζ theoretisch berechneten Abkühlung: erreichen. Vergrößert man nun, der gegenwärtigen Methode folgend, die Effektivität, indem man durch passende Dotierung σ z.B. lOmal größer macht, so sinkt nach der bekannten Näherungsformel von Joffe*) die Thermokraft α etwa um den Faktor 2 ■ a², also um den Faktor 4, so daß ζ um den Faktor 10/4 = 2,5 ansteigt, falls K merklich unverändert bleibt. Gleichzeitig wächst aber das vorher R₁JR = 0,0001/0,001 =0,1 betragende Kontaktwiderstandsverhältnis auf 0,0001/0,0001 = 1 an, hiermit das Verhältnis der tatsächlichen zur idealen kritischen Abkühlung auf 1 : (1 + 2) = Ve an, so daß man nach dieser Steigerung von ζ nur noch 33% der idealen Abkühlung verifizieren kann.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese bisher für unvermeidlich gehaltene Schwierigkeit dadurch, daß sie zeigt, wie man Lötstellen und damit Kontaktwiderstände überhaupt vermeiden kann. Damit entfallen auch die anderen bekannten Schwierigkeiten der Lötungen, wie ihre ungenügende Lebensdauer infolge von Diffusionsvorgängen und ihre geringe mechanische Festigkeit. Nach der oben angegebenen Formel von Gehlhoff, Justi und Kohler für das Verhältnis der erreichbaren zur idealen kritischen Ab-

*) A.F.Joffe, Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling, London, 1957, Infosearch Ltd., S. 31, Formel (24). Thermoelektrische Kombination,
insbesondere Thermosäule

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. Eduard Justi, Braunschweig,
ist als Erfinder genannt worden

kühlung ÄT_kr\AT_kr ist es evident, daß man gemäß der vorliegenden Erfindung mit thermoelektrischen Werkstoffen geringerer Effektivität ζ auskommt als bisher, weil bei R_k = 0 die ideale kritische Abkühlung und Leistungszahl 100%ig erreicht werden kann. Die neue Lösung besteht darin, daß die thermoelektrische Kombination aus einem Kristall herausgeschnitten ist, dessen Eigenschaften, die für einen thermoelektrischen Werkstoff wesentlich sind, abhängig sind von der Richtung zwischen dem elektrischen Strom bzw. Temperaturgradienten einerseits und den Kristallachsen andererseits. Der Schnitt ist so durchgeführt, daß Schenkel maximaler und minimaler Effektivität abwechselnd aufeinanderfolgen.

Die Erfindung macht Gebrauch von dem seit langem bekannten Bridgman-Effekt, der besagt, daß in gewissen nichtkubischen Einstristallen nicht nur die elektrische und thermische Leitfähigkeit, sondern auch die Thermokraft abhängig ist von der Stromrichtung durch den Kristall bzw. vom Temperaturgradienten in bezug auf die Kristallachsen, daß also in bezug auf die thermoelektrischen Eigenschaften eine Anisotropie vorliegt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen; es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung des Bridgman-Effektes bei einem Cd-Kristall,

Fig. 2 schematisch den Schnitt der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Kombination aus einem Kristall,

Fig. 3 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Kombination.

In Fig. 1 ist ein hexagonaler Cd-Kristall dargestellt, der zwischen 0 und 100⁰C parallel zur hexagonalen Hauptachse eine differentielle Thermokraft

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von +0,3 Mikrovolt/Grad und senkrecht dazu von — 5,0 Mikrovolt/Grad aufweist. Schneidet man also in der in der Zeichnung dargestellten Weise aus dem Kristall einen Winkel heraus, so stellt dieser eine thermoelektrische Kombination dar, dessen einer (senkrechter) Schenkel vom p-Typ und dessen anderer (waagerechter) Schenkel vom η-Typ ist. Ein solches Thermoelement zeichnet sich dadurch aus, daß es lötstellenfrei ist und eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer aufweist. Ähnliches Verhalten zeigen andere nichtkubische Einkristalle, z. B. Zink-Kristalle oder Wismut-Kristalle.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß der erfindungsgemäß ausgenutzte Effekt über den Bridgman-Effekt hinausgeht, und zwar dadurch, daß er neben der Anisotropie der Thermokraft gleichzeitig oder allein auch von Anisotropien der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit Gebrauch macht. So ist es z. B. möglich, die erfindungsgemäße thermoelektrische Kombination aus einem Kristall herzustellen, der in bezug auf seine Thermokraft isotrop ist und dessen Anisotropie z. B. in der Wiedemann-Franz-Lorenzschen Zahl (WFL-Zahl) besteht; dies trifft z. B. zu für Bi₂Te₃-Kristalle.

Die Fig. 2 und 3 zeigen schematisch, wie eine Thermosäule aus einem erfindungsgemäß in Frage kommenden Kristall herausgeschnitten wird und deren endgültige Form. In Fig. 3 ist der Fall angedeutet, daß durch eine erfindungsgemäße Kombination ein Strom hindurchgeschickt wird, so daß auf der einen Seite einer Wand, die durch gestrichelte Linien dargestellt ist, eine Abkühlung und auf der anderen Seite eine Erwärmung erfolgt. An den Übergangsstellen sind jeweils Wärmeleitfahnen angedeutet.

Aus tetragonalen und hexagonalen Kristallgittern erhält man Kombinationen, deren p- und n-Schenkel senkrecht aufeinander stehen. Bei Kristallen niedrigerer Symmetrie treten spitze oder stumpfe Winkel auf.

Die erfindungsgemäße Lehre ermöglicht es, thermoelektrische Kombinationen herzustellen, die neben dem oben schon erwähnten Vorteil einer praktisch unbeschränkten Lebensdauer und der Vermeidung von Kontaktierungen — und damit eines nicht verschwindenden »Kontaktwiderstandes« — den weiteren Vorteil aufweisen, daß es durch die Wahl der Schnittwinkel möglich ist, bei den in Frage kommenden Temperaturbereichen sowohl an den kalten als auch an den warmen Stellen der Kombination die obenerwähnte Joffesche Bedingung weitgehend zu erfüllen. Dies läßt sich insbesondere bei Peltiersäulen erzielen, bei denen im allgemeinen die Temperaturdifferenzen wesentlich kleiner sind als bei thernioelektrischen Stromerzeugern. Die Erfindung ist auch in diesen

ίο Fällen von großer technischer Bedeutung, da die Thermokraft bereits unterhalb 0° C sehr stark abnimmt und daher eine ortsabhängige Erfüllung der genannten Optimierungsbedingungen von besonderer Wichtigkeit ist.

Gemäß weiterer Erfindung wird die Abhängigkeit der Anisotropie der Effektivität von der Reinheit des Kristalls ausgenutzt, die bei den in Frage kommenden Kristallen im allgemeinen besteht, und zwar derart, daß der Kristall, aus dem die thermoelektrische Kombination herausgeschnitten wird, im Sinne der Erzielung" einer maximalen Anisotropie der Effektivität vordotiert wird.

Claims

Patentansprüche:

!.Thermoelektrische Kombination, insbesondere Thermosäule, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Kristall herausgeschnitten ist, dessen Eigenschaften, die für einen thermoelektrischen Werkstoff wesentlich sind, abhängig sind von der Richtung zwischen dem elektrischen Strom bzw. Temperaturgradienten einerseits und den Kristallachsen andererseits, derart, daß Schenkel maximaler und minimaler Effektivität abwechselnd aufeinanderfolgen.
2. Thermoelektrische Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem im Sinne der Erzielung einer maximalen Anisotropie der Effektivität vordotierten Kristall herausgeschnitten ist.
3. Thermoelektrische Kombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittwinkel so gewählt sind, daß sowohl an den kalten wie an den warmen Übergangsstellen der Kombination die Optimierungsbedingungen für die Effektivität weitgehend erfüllt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen