DE1126465B - Verfahren zum Herstellen von halbleitenden Schenkeln fuer Thermoelemente - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von halbleitenden Schenkeln fuer ThermoelementeInfo
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Description
Thermoelemente, wie sie sowohl zum Erzeugen elektrischer Energie durch Wärme als auch in Umkehrung
dieses Vorganges zum Wärmetransport mit Hilfe elektrischer Energie — sogenannte elektrothermische
Kühlung — Verwendung finden, bestehen gewöhnlich aus zwei Schenkeln, die unter Zwischenfügung
eines elektrisch und thermisch gut leitenden Metalls zusammengelötet sind und an deren freien
Enden je ein weiteres Metallstück mit den beschriebenen Eigenschaften befestigt ist. Es hat sich bewährt,
die Schenkel aus halbleitenden Verbindungen oder festen Lösungen solcher halbleitenden Verbindungen
ineinander herzustellen. Bisher war es üblich, diese Materialien zunächst durch Mahlen zu zerkleinern
und das so gewonnene Granulat sodann in einem weiteren Arbeitsgang zu pressen und gegebenenfalls
zusätzlich zu sintern. Da es bei der Herstellung solcher Schenkel darauf ankommt, im Laufe
des Verfahrens deren chemische Zusammensetzung möglichst wenig zu beeinträchtigen, ist es mit Schwierigkeiten
verbunden, den Mahlprozeß so zu leiten und das dazu erforderliche Werkzeug so zu behandeln,
daß keine Verunreinigungen eingeschleppt werden. Zudem ist es nur unter großen Umständen zu
vermeiden, daß das Granulat beim Umfüllen aus der Mühle in die Presse mit Luft in Berührung kommt,
wobei sich bei manchen Substanzen, begünstigt durch die beim Mahlen stark vergrößerte Oberfläche, leicht
Oxydationsvorgänge und Adsorptionsvorgänge abspielen, die die Qualität des Materials beeinträchtigen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von Schenkeln für Thermoelemente
aus kristallinen halbleitenden Substanzen, insbesondere aus halbleitenden chemischen Verbindungen,
das sich von den bisher bekannten dadurch unterscheidet, daß ein fester kristalliner Körper in
einer Preßkammer unter Vergrößerung seines Querschnittes umgepreßt wird. Das Umpressen von der
einen Form in die andere erlaubt es, in einem Arbeitsgang, ausgehend von dem anfallenden, als fester
Körper vorliegenden Rohmaterial, den fertigen Schenkel herzustellen, ohne das Material schädigenden
äußeren Einflüssen auszusetzen.
Die Qualität des Schenkelmaterials wird definiert durch die Beziehung
„ e2 · σ
von halbleitenden Schenkeln
für Thermoelemente
wobei e die effektive Thermokraft, σ die spezifische
elektrische Leitfähigkeit und λ die spezifische Wärmeleitfähigkeit bedeutet. Der Z-Wert des Materials wird
Anmelder:
Licentia Patent-Verwaltungs -G. m. b. H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1
Dr. rer. nat. Gottfried Haacke
und Dr. rer. nat. Siegfried Poganski, Rüthen/Möhne,
sind als Erfinder genannt worden
durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich verbessert.
Ganz besondere Bedeutung erlangt dieses Umpreßverfahren, wenn man es gemäß weiterer Ausbildung
der Erfindung auf einen solchen kristallinen Körper anwendet, der aus einer Schmelze in einer vorgegebenen
Richtung gewachsen und den Preßdruck mindestens annähernd in der Richtung auf den kristallinen
Körper ausübt, in der dieser gewachsen ist. Dies kann z. B. derart geschehen, daß man die Schmelze
in einem rohrförmigen Gefäß geeigneten Querschnittes langsam von einem Ende her erstarren läßt,
indem man es mit diesem Ende zuerst aus der Schmelzzone eines Ofens entfernt. Der Kristall wächst
dann in der durch das Gefäß und dessen Relativbewegung zum Ofen bestimmten Richtung. Nach dem
Entfernen des Kristalls aus diesem Gefäß kann man den so gewachsenen Kristall oder ein Stück davon
in dem gleichen Sinne in die Preßkammer einführen, in dem er in dem Gefäß enthalten war, und ihn sodann
dem Umpreßverfahren unterwerfen.
Zusätzlich findet eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Preßlings statt, wenn die
Temperatur in der Preßkammer während des Pressens auf mehr als 100° C, jedoch unterhalb der
Schmelztemperatur des verwendeten Materials gehalten wird. Um Reaktionen und Wechselwirkungen
zwischen dem Material und den Komponenten der
209 557/119
umgebenden Atmosphäre völlig auszuschließen, wird
mit besonderem Vorteil das Aufheizen der Preßkammer mit Inhalt im Vakuum oder unter ruhendem
Schutzgas ausgeführt. Aus dem gleichen Grunde empfiehlt es sich, auch das Pressen unter Vakuum
oder im Schutzgas durchzuführen. Es ist weiterhin von Vorteil, die Abkühlung der Preßkammer mit Inhalt
nach dem Pressen zur zeitlichen Abkürzung der Abkühlung unter strömendem Schutzgas vorzunehmen.
Allgemein ist dabei unter Schutzgas Stickstoff oder ein Gemisch von Stickstoff und Wasserstoff zu
verstehen.
Insbesondere bei zwei Gruppen von Substanzen hat es sich bewährt, diese mit dem Verfahren nach der
Erfindung zu bearbeiten. Es sind dies einmal Bi2 Te3,
Bi2Se3, Bi2S3, Sb2Te3, Sb2Se3 sowie feste Lösungen
mit oder zwischen diesen Substanzen und zum anderen PbTe, PbSe und PbS sowie feste Lösungen
mit oder zwischen diesen Substanzen.
Die Qualität der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Schenkel kann noch verbessert werden,
wenn man die Schenkel nach dem Umpressen einer Wärmebehandlung unterzieht. Dies geschieht
mit Vorteil einige Stunden bei 300° C im Vakuum.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nunmehr wie folgt an zwei Beispielen und mit Hilfe von in den
Figuren zum Teil schematisch dargestellten Arbeitsmitteln erläutert.
Zunächst sei ein Verfahren zum Herstellen von geführt wird. Bei sonst gleichen Behandlungsschritten
ergeben sich folgende Änderungen:
e von +212 μν/Grad
auf +204 μν/Grad σ von 580 Ω"1 cm-1
auf
λ von
λ von
auf
Z von
Z von
auf
1,4 · ΙΟ"2 Watt cm^1 Grad"1
1,2 · 10-2 watt C1n-I Grad"1
1,86 · ΙΟ"3 Grad"1 3.33 · 10-3 Grad-1
Sintert man den Körper anschließend an das Pressen z. B. 24 Stunden im Vakuum bei 300° C, so verändern
sich die letztgenannten Werte noch für
e auf +222 μν/Grad σ auf 865 Ω"1 cm-"1
λ auf 1,24 · ΙΟ"2 Watt cm"1 Grad"1 Z auf 3,44 · 10-3 Grad"1
λ auf 1,24 · ΙΟ"2 Watt cm"1 Grad"1 Z auf 3,44 · 10-3 Grad"1
Es ist zwar vorgeschlagen worden, das Verhältnis der elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit
bei einem Material für den Schenkel von Thermoelementen dadurch günstig zu gestalten, daß eine
Orientierung der Achse der Kristalle zu der Richtung der Achse des Thermoelementschenkels erzwungen
wird und daß hierzu ein sogenanntes »Umkehrdurch-Iauf-Zonenschmelz«-Verfahren
verwendet wird. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung vermeidet
den Gebrauch der flüssigen Phase und damit die Ge
n-leitenden Schenkeln erläutert: 75 Molprozent 30 fahr, daß über die flüssige Phase Verunreinigungen
eingeschleppt werden.
In Fig. 2 ist eine andere Form des Preßwerkzeuges dargestellt, mit der es möglich ist, größere Ausgangskörper
umzupressen und diese sodann nach der Be-35 handlung zu unterteilen. In eine Matrizen ist eine
Ausnehmung 7 eingearbeitet, die das umzupressende Material z. B. in Form eines Stabes mit quadratischem
Querschnitt aufnimmt. In die Ausnehmung 7 paßt weiterhin als Oberstempel ein Körper 8. Die Werkkann
auch eine andere als zylindrische Form haben. 40 zeuge nach Fig. 2 erlauben auch ein kontinuierliches
Es kann sich um einen Kubus oder einen rechteckigen Arbeiten, z. B. am laufenden Band, wie es etwa in
Bi2Te3 und 25 Molprozent Bi2Se3 werden mit einem
Zusatz von 0,02 Gewichtsprozent CuBr als feste Lösung hergestellt; aus dem in einer Ampulle erstarrten
Regulus wird ein Zylinder von z. B. 9,8 mm Durchmesser und einer Länge von 11 mm durch Sägen gewonnen.
Dieser in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Ausgangskörper wird sodann in eine Preßkammer 2 eingesetzt,
die aus der Wandung 3, dem Unterstempel 4 und dem Oberstempel 5 besteht. Der zu pressende Körper
Körper handeln, sofern er nur in Richtung senkrecht zum Preßdruck kleiner ist als die Preßkammer. Nach
dem Evakuieren der Preßkammer, wobei Vorvakuum genügt, wird diese samt Inhalt auf 350° C hochgeheizt
und sodann 1 Minute lang unter Vakuum zwischen Ober- und Unterstempel ein Druck von 8 t/cm2 eingestellt,
wodurch das Umpressen bewirkt wird. Der Schenkel enthält dadurch einen Durchmesser von
etwa 10 mm und eine Länge von etwa 8 mm. Er wird im Stickstoffstrom abgekühlt. Die Werte der obenangeführten
folgt:
folgt:
Gleichung verändern sich dabei wie
von
auf
von
auf
von
auf
von
auf
auf
von
auf
von
auf
von
auf
—204 μν/Grad
-205 μν/Grad
670 Ω"1 cm"1
-205 μν/Grad
670 Ω"1 cm"1
1,45
1,18
1,92
2,71
1,18
1,92
2,71
10-2 Watt cm~i Grad"1
IO-2 Watt cm"1 Grad"1
10-3 Grad"1 ΙΟ"3 Grad"1
55
60
Ähnlich verhält es sich bei der Herstellung von p-leitenden Schenkeln, wobei bei sonst gleichen
Werten 60 Molprozent Bi2Te3, 40 Molprozent Sb2 Te3
und 0,2 Gewichtsprozent CuSe das Ausgangsmaterial bilden. Das Aufheizen erfolgt auf 300° C, während
das Pressen nur bei einem Druck von 6 t/cm2 durch-Fig. 3 dargestellt ist. Auf einem laufenden Band 9
treten Werkzeuge, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, durch eine Schleuse 10 in einen Vakuumbehälter 11
ein, der durch einen Stutzen 12 entlüftet wird. Dort werden sie zunächst in einem Ofen 13 vorgeheizt, und
sodann erfolgt in der nächsten Station das Pressen zwischen den Preßbacken 14 und 15. Nach der Preßbehandlung
durchlaufen die Werkzeuge eine Schleuse 16, die in einen Raum 17 führt, in dem die umgepreßten
Körper einem Stickstoff strom aus der Zuleitung 18 zwecks Abkühlung ausgesetzt werden. Nach
Austritt durch die Schleuse 19 können die umgepreßten Körper den Werkzeugen entnommen werden.
Claims (6)
1. Verfahren zum Herstellen von Schenkeln für Thermoelemente aus kristallinen, halbleitenden
Substanzen, insbesondere aus halbleitenden chemischen Verbindungen, dadurch gekennzeich
net, daß ein fester kristalliner Körper in einer Preßkammer unter Vergrößerung seines Querschnittes
umgepreßt wird.
2. Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der feste kristalline, aus einer Schmelze in einer vorgegebenen Richtung ge-
wachsene Körper, dessen Abmaße in Richtung senkrecht zum Preßdruck kleiner sind als die der
Preßkammer in der gleichen Richtung, in die Preßkammer eingesetzt und durch Pressen in eine
von seiner geometrischen Ausgangsform abweichende Form übergeführt wird, wobei der
Preßdruck mindestens annähernd in der Richtung auf den kristallinen Körper ausgeübt wird, in der
dieser gewachsen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Preßkammer
während des Pressens über 100° C, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des Materials
gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch seine Anwendung
zum Verarbeiten von Bi2Te3, Bi2Se3,
Bi2S3, Sb2Te3, Sb2Se3 sowie fester Lösungen mit
oder zwischen diesen Substanzen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch seine Anwendung
zum Verarbeiten von PbTe, PbSe, PbS sowie fester Lösungen mit oder zwischen diesen
Substanzen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der
Preßling nach dem Pressen einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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---|---|---|---|---|
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DE1194937B (de) * | 1962-08-22 | 1965-06-16 | Bosch Gmbh Robert | Halbleitermischkristall zur Verwendung als Schenkel thermoelektrisch wirkender Elemente |
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1958
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-
1959
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- 1959-11-12 BE BE584543A patent/BE584543A/fr unknown
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Also Published As
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CH377418A (de) | 1964-05-15 |
GB894307A (en) | 1962-04-18 |
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