DE1076210B - Thermoelektrische Kombination, insbesondere Thermosaeule - Google Patents
Thermoelektrische Kombination, insbesondere ThermosaeuleInfo
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- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
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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 ATkr,
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\ÄTkr
— 1/(1 + 2 RkIR) hängt das Verhältnis der tatsächlich
erreichbaren zur idealen kritischen Abkühlung vom Verhältnis des Kontaktwiderstandes Rk 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
insbesondere Thermosäule
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dr. Eduard Justi, Braunschweig,
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
kühlung ÄTkr\ATkr ist es evident, daß man gemäß der
vorliegenden Erfindung mit thermoelektrischen Werkstoffen geringerer Effektivität ζ auskommt als bisher,
weil bei Rk = 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
909 757/109
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 (3)
- 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
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US3392061A (en) * | 1961-09-19 | 1968-07-09 | Siemens Ag | Thermoelectric mosaic interconnected by semiconductor leg protrusions and metal coating |
DE1539281B1 (de) * | 1967-01-26 | 1970-11-12 | Cernovickij Gu | Thermoelement |
Families Citing this family (2)
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1959
- 1959-07-03 DE DES63741A patent/DE1076210B/de active Pending
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1960
- 1960-07-04 GB GB23339/60A patent/GB961301A/en not_active Expired
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GB961301A (en) | 1964-06-17 |
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