DE1287665B

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Info

Publication number: DE1287665B
Application number: DENDAT1287665D
Authority: DE
Priority date: 1963-12-16
Publication date: 1969-01-23
Also published as: AT251063B; US3444006A; CH426961A

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermoelement- Der Überzug kann aus einem Metall mit niedriger

schenkel aus Halbleitermaterial für eine thermo- Schmelztemperatur bestehen, elektrische Anordnung zum Umwandeln von Wärme Vorzugsweise wird für Germanium-Wismut-Tellu-

in elektrische Energie, der an zwei gegenüberliegen- rid als Halbleitermaterial für den Thermoelementden Flächen Kontakte für Stromanschlüsse aufweist 5 schenkel als Metall für den Überzug Zinn und für und der zur Verhinderung der Abdampfung von Blei-Tellurid als Halbleitermaterial für den Thermo-Halbleitermaterial an seiner nicht mit den Kontakten elementschenkel als Metall für den Überzug Blei versehenen Oberfläche mit einem dichten, dünnen verwendet.

Überzug versehen ist, der sich von der heißen Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele

Kontaktstelle an über mindestens einen Teil der io an Hand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt Länge des Thermoelementschenkels erstreckt. F i g. 1 eine Ansicht, und zwar zum Teil im Quer-

Es besteht das Problem, den Wirkungsgrad von schnitt, von einem Thermoelementschenkel mit einem thermoelektrischen Anordnungen der genannten Art dünnen Wandbelag aus Metall, der sich in axialer zu verbessern. Der Gesamtwirkungsgrad einer Richtung von der heißen Verbindungsstelle an bis solchen Anordnung ist bekanntlich um so größer, 15 zu einer bestimmten Stelle des Schenkels erstreckt, je höher die Temperatur der heißen Verbindungs- F i g. 2 ein Diagramm, das die Ergebnisse von

stelle ist. Lebensdauertests mit einem erfindungsgemäß aus-

Eine der Grenzen bei der Erhöhung der Betriebs- gebildeten Germanium - Wismut - Tellurid - Schenkel temperatur der heißen Verbindungsstelle einer aufzeigt,

thermoelektrischen Anordnung ist die Verdampfungs- 20 Fig. 3 ein Diagramm, das die entsprechenden temperatur des verwendeten thermoelektrischen Ergebnisse von Lebensdauertests mit einem erfin-Materials. Sie ist maßgebend für die maximal zu- dungsgemäß ausgebildeten Blei-Tellurid-Schenkel lässige Betriebstemperatur an der heißen Verbin- aufzeigt,

dungsstelle. F i g. 4 eine Ansicht, zum Teil im Querschnitt,

Beispiele für thermoelektrische Materialien, die 35 von einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung, einer Verdampfung ausgesetzt sind, sind Germa- F i g. 1 zeigt einen thermoelektrischen Schenkel 10,

nium-Wismut-Tellurid, das bei etwa 450° C, Blei- der aus einem Körper 50 aus thermoelektrischem Tellurid, das bei etwa 700° C, Germanium-Tellurid, Halbleitermaterial, wie z. B. Germanium-Wismutdas bei etwa 500° C, und Zink-Antimonid, das bei Tellurid, Blei-Tellurid, Zink-Antimonid, Germaniumetwa 400⁰C zu verdampfen beginnt. 30 Tellurid oder einem Sulfid bzw. einem Selenid der

Bekannt ist es beispielsweise aus der französischen Seltenen Erden (Lanthaniden) besteht. Ganz allge-Patentschrift 1 321 846 (unter anderem für Schenkel mein ist die erfindungsgemäße Lehre anwendbar, aus Blei-Tellurid) und aus der USA.-Patentschrift wenn als Halbleitermaterial Sulfide, Selenide, Anti-3 057 940, Thermoelementschenkel für Energiewand- monide und Telluride von Metallen benutzt werden, ler ganz oder teilweise in Röhren aus isolierendem 35 Ein der heißen Verbindungsstelle zugeordnetes Material hineinzustecken. Unter anderem soll mit Kontaktstück 40, das aus einem thermisch und diesen Röhren verhindert werden, daß thermoelek- elektrisch gut leitenden Metall, z. B. Eisen, Nickel, irisches Material verdampft, wenn die Temperatur Kupfer oder korrosionsbeständigem Stahl, besteht, der heißen Lötstelle zu hoch ist. Es können sich ist an einem Ende des thermoelektrischen Körpers 50 dabei jedoch zwischen der Schutzhülle und dem 40 befestigt. Ein der kalten Verbindungsstelle zugeord-Halbleiterkörper Hohlräume ausbilden, in die netes Kontaktstück 20 aus ebenfalls elektrisch und thermoelektrisches Material verdampfen kann. Außer- thermisch gut leitendem Metall ist am anderen Ende dem besteht die Gefahr, daß die Schutzröhren über des thermoelektrischen Körpers befestigt. Ein dünner den Hohlräumen aufplatzen, wenn die Dampf- Wandbelag 30 aus einem Metall mit niedriger Spannung im Hohlraum zu groß wird. Damit kann 45 Schmelztemperatur und mit niedrigem Verdampdas Thermoelement geschädigt und unbrauchbar fungspunkt, wie z. B. Zinn, Indium, Blei, Zink, werden. Gallium und Legierungen daraus, umgibt den thermo-

Es besteht die Aufgabe, die zulässige Betriebs- elektrischen Körper 50 in Umfangsrichtung volltemperatur an der heißen Verbindungsstelle einer ständig und erstreckt sich von dem Kontaktstück 40 thermoelektrischen Anordnung zu erhöhen, um eine 50 der heißen Verbindungsstelle axial bis zu einem Vergrößerung des Wirkungsgrades zu erreichen, bestimmten Punkt in Richtung der kalten Verbinwobei ein Abdampfen des Halbleitermaterials zu dungsstelle des thermoelektrischen Körpers 50. Im verhindern und eine hohe Betriebssicherheit der vorliegenden Fall erstreckt sich der dünne Wandthermoelektrischen Anordnung sicherzustellen ist. belag 30 von dem Kontaktstück 40 der heißen Ver-

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem 55 bindungsstelle an bis zu einer Stelle, die angenähert Thermoelementschenkel der eingangs genannten Art 75% der Länge des Körpers 50 von dem Kontaktdadurch gelöst, daß der Überzug aus Metall besteht stück entfernt liegt.

und durch eine Diffusionsverbindung mit dem Die Länge des Wandbelages kann bei bestimmten

Thermoelementschenkel fest verbunden ist. thermoelektrischen Körpern bis zu 95 % der Länge

Durch die innige Verbindung des Metallbelags 60 des Körpers betragen. Im allgemeinen wird sie jedoch mit dem Thermoelementschenkel wird die Ausbildung im Bereich von 25 bis 75% der Länge des thermovon Hohlräumen zwischen dem Thermoelement- elektrischen Körpers liegen. Die exakte Länge hängt Schenkel und dem Überzug verhindert. Es lassen von der Temperatur der heißen Verbindungsstelle sich daher Thermobatterien aufbauen, die langlebig des thermoelektrischen Körpers ab. sind und eine hohe Betriebssicherheit besitzen. 65 Bei einer praktischen Ausführungsform wurde ein

Vorzugsweise beträgt die von dem Metallüberzug thermoelektrischer Körper aus Germanium-Wismutbedeckte Teillänge 25 bis 75% der Gesamtlänge Tellurid mit etwa 10 mm Länge und einem Durchdes Thermoelementschenkels. messer von etwa 13 mm zugrunde gelegt. An den

gegenüberliegenden Enden dieses thermoelektrischen Körpers wurden mittels einer bekannten Diffusionstechnik Kontaktstücke für die heiße und kalte Verbindungsstelle angebracht. Als Material hierfür diente ein korrosionsbeständiges Stahlband.

Dann wurde mittels einer Ultraschall-Löteinrichtung ein dünner Wandbelag aus Zinn auf den Germanium-Wismut-Tellurid-Körper aufgebracht, und zwar so, daß er sich in axialer Richtung des Körpers von dem Kontaktstück der heißen Verbindungsstelle aus bis zu einer Entfernung von etwa 3,2 mm erstreckte. Der mit Zinn benetzte Germanium-Wismut-Tellurid-Körper wurde dann in einer Argon-Atmosphäre 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 550° C wärmebehandelt. Dies ergab eine Diffusionsverbindung zwischen dem Zinnbelag und dem Germanium - Wismut - Tellurid - Körper. Daraufhin wurde das Bauteil gekühlt und als p-leitender Schenkel in einer thermoelektrischen Anordnung verwendet, die einen Blei-Tellurid-Körper als ao η-leitenden Schenkel und korrosionsbeständige Stahlkontakte hatte. Diese waren ebenfalls mittels der vorgenannten Diffusionstechnik auf die gegenüberliegenden Enden des Körpers aufgebracht worden.

Der Blei-Tellurid-Körper war nicht mit einem as dünnen Wandbelag versehen, da bei ihm die Betriebstemperatur keine merkliche Verdampfung hervorrufen konnte.

Der mit der dünnen Zinnschicht überzogene Germanium-Wismut-Tellurid-Körper wurde mit einer durchschnittlichen Temperatur von 500⁰C an der heißen Verbindungsstelle betrieben. Die durchschnittliche Temperatur an der kalten Verbindungsstelle betrug 130° C. Hierbei wurde eine anfängliche Ausgangsleistung von 1,49 Watt gemessen. Der Körper wurde dann etwa 2000 Stunden lang bei den genannten Temperaturen betrieben, und zwar mit 70 Temperaturzyklen zwischen 25 und 500° C. F i g. 2 zeigt das Ergebnis dieses Lebensdauertests. Die Kurve A stellt den Widerstand in mß dar, die Kurve B den Seebeck-Koeffizienten in μΥΙ° C und die Kurve C die auf die anfängliche Ausgangsleistung bezogene Ausgangsleistung in Prozenten. Es ergab sich keine Verdampfung des Germanium-Wismut-Tellurid-Materials während des Betriebs der Anordnung. Da Germanium-Wismut-Tellurid bekanntlich bei 450° C zu verdampfen beginnt und eine Betriebstemperatur von 500° C genommen wurde, ergibt sich eine bedeutende Verbesserung in dem Wert für die Temperaturdifferenz zwischen kalter und heißer Verbindungsstelle der Anordnung. Dies hat eine Zunahme des Wirkungsgrades zur Folge.

Das ausgezeichnete Ergebnis war auf den dünnen Wandbelag aus Zinn zurückzuführen, der auf den Germanium-Wismut-Tellurid-Körper aufgebracht worden war. Da es sich um einen dünnen Wandbelag handelt, tritt in ihm eine Temperaturdifferenz in Längsrichtung auf. Die Grenze des dünnen Wandbelags auf dem thermoelektrischen Körper darf während des Betriebs keine Temperatur erreichen, die den zulässigen Temperaturwert für das frei liegende Germanium-Wismut-Tellurid, nämlich 450° C, überschreitet. Der Teil des Germanium-Wismut-Tellurids, der sich innerhalb des dünnen Wandbelages befindet, wird geschützt und kann infolgedessen mit einer Temperatur über 450° C betrieben werden, ohne daß eine schädliche Verdampfung auftritt. Ähnlich gute Ergebnisse können erhalten werden, wenn das bei dem Beispiel gewählte Zinn durch ein andres Metall mit niedriger Schmelztemperatur und niedrigem Verdampfungspunkt, beispielsweise Blei, Indium, Gallium oder Legierungen hieraus, ersetzt wird.

In F i g. 4 ist eine andere Ausführungsform der Erfindu|ig dargestellt. Der thermoelektrische Schenkel 110 kann als Abwandlung des thermoelektrischen Schenkels 10 der F i g. 1 aufgefaßt werden. Ein zweiter Belag 80 aus Metall umgibt, ausgehend von dem Kontaktstück 40 der heißen Verbindungsstelle, den dünnen Metallbelag 30 zur mechanischen Verstärkung. Im allgemeinen wird für den zweiten Metallbelag 80 das gleiche Metall benutzt wie für das Kontaktstück 40 der heißen Verbindungsstelle, z. B. Eisen, Nickel, Kupfer oder korrosionsbeständiger Stahl.

Claims

Patentansprüche:

1. Thermoelementschenkel aus Halbleitermaterial für eine thermoelektrische Anordnung zum Umwandeln von Wärme in elektrische Energie, der an zwei gegenüberliegenden Flächen Kontakte für Stromanschlüsse aufweist und der zur Verhinderung der Abdampfung von Halbleitermaterial an seiner nicht mit den Kontakten versehenen Oberfläche mit einem dichten, dünnen Überzug versehen ist, der sich von der heißen Kontaktstelle an über mindestens einen Teil der Länge des Thermoelementschenkels erstreckt, dadurchgekennzeichnet, daß der Überzug (30) aus Metall besteht und durch eine Diffusionsverbindung mit dem Thermoelementschenkel (50) fest verbunden ist.

2. Thermoelementschenkel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Metallüberzug (30) bedeckte Teillänge 25 bis 75% der Gesamtlänge des Thermoelementschenkels (50) beträgt.

3. Thermoelementschenkel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (30) aus einem Metall mit niedriger Schmelztemperatur besteht.

4. Thermoelementschenkel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial des Thermoelementschenkels (50) Germanium-Wismut-Tellurid und das Metall für den Überzug (30) Zinn ist.

5. Thermoelementschenkel nach Anspruch 3 aus Blei-Tellurid, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall für den Überzug (30) Blei ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen