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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Einrichtung zum Umwandeln
von Wärme in elektrische Energie, bei der die Wärmeenergie einem Verbindungsstück
zugeführt wird, mit dem jeweils ein Ende eines aus p-leitendem und eines aus ii-leitendem
Halbleitermaterial bestehenden 'Schenkels elektrisch und thermisch leitend verbunden
ist, und das aus einem Material besteht, welches wenigstens annähernd denselben
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Materialien der Schenkel hat und mit diesen
bei Temperaturen in der Größenordnung von 800'C
in Luft nicht nennenswert
chemisch reagiert.
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Beim Zusammenbau von Thermoelementen mit jeweils einem p-leitenden
und einem ii-leitenden Schenkel ist es bekannt, die Schenkel durch Metallbrücken
zu verbinden (britische Patentschrift 824 347). Bei hohen Temperaturen können bei
diesen bekannten Einrichtungen wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten
der Halbleiterschenkel einerseits und des Metalls andererseits und der daraus resultierenden
mechanischen Spannungen und wegen ungünstiger chemischer Reaktionen zwischen den
Halbleiterwerkstoffen und dem Metall erhebliche Störungen auftreten.
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Es sind ferner thermoelektrische Anordnungen bekannt, bei denen Schenkel
unterschiedlichen Leitungstyps derart geformt sind, daß eine Kontaktbrücke durch
Zusammenfügen der Schenkel gebildet wird, wobei die Verbindungsstellen durch Aufbringen
von Metallfolien verstärkt werden können (deutsches Gebrauchsmuster 1885
546). Diese Anordnungen weisen im Bereich der gleichrichtenden pn-übergänge verinutlich
auf Grund einer wechselweisen Neutralisierung der Dotierungsstoffe einen verhältnismäßig
hohen elektrischen Widerstand auf, so daß der Wirkungsgrad der Anordnung gering
ist.
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Ferner ist die Verwendung von Germanium-Silicium-Legierungen mit mindestens
50 Atomprozent Silicium als Material für thermoelektrische Einrichtungen
bekannt.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine thermoelektrische Einrichtung
anzugeben, die auch bei hohen Temperaturen, z. B. oberhalb 800c> C, mit hohem
Wirkungsgrad störungsfrei arbeitet. Insbesondere sollen bei einer derartigen Einrichtung
die Verbindungen zwischen den Halbleitermaterialien nieder-,ohmig sein.
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Bei einer thermoelektrischen Einrichtung der eingangs genannten Art
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß nach der Erfindung das Verbindungsstück aus
einem Stück eines Halbleitermaterials oder aus zwei miteinander verbundenen Teilen
aus Halbleitermaterialien besteht und daß die Schenkel mit dem Verbindungsstück
und gegebenenfalls die Teile des Verbindungsstückes untereinander durch ein Edelmetallot
derart verbunden sind, daß die Verbindungen nicht gleichrichtende, niederohmige
Kontakte bilden.
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Das Verbindungsstück kann dann aus einem Halbleitermaterial bestehen,
das im wesentlichen dieselbe chemische Stabilität, denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten
und denselben spezifischen Widerstand besitzt wie der Werkstoff der Schenkel.
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Die erwähnten Nachteile der bekannten Halbleiter-Thermoelemente werden
durch die Erfindung vermieden.
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An Hand der Zeichnung sollen im folgenden Ausführungsbeispiele der
Erfindung erläutert werden. F i g. 1 ist eine Vorderansicht einer thermoelektrischen
Einrichtung gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt einen Querschnitt der thermoelektrischen
Einrichtung in der Ebene 2-2 der F i g. 1 bei einer durch die Pfeile gegebenen
Betrachtungsrichtung; F i g. 3 zeigt einen Querschnitt der thermoelektrischen
Einrichtung in der Ebene 3-3 der F i g. 1 in der durch die Pfeile
angegebenen Betrachtungsrichtung; F i g. 4 ist eine perspektivische Ansicht
der in F i g. 1 gezeigten thermoelektrischen Einrichtung; F i g. 5
ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung.
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In den F i g. 1 bis 4 wird ein thennoelektrischer Generator
10 mit Halbleiterschenkeln vom N-Typ, die mit N, und solchen vom P-Typ,
die mit P bezeichnet sind, gezeigt. Die Schenkel N und P können beispielsweise
aus Silicium-Germanium-Legierungen mit mindestens 50 Atomprozent Silicium
bestehen. Diese Schenkel können polykristaffin oder aus einem Einkristall hergestellt
sein. Der Schenkel P ist stark dotiert mit einem Elektronenakzeptor aus der Gruppe
IIIb des Periodensystems. Der Schenkel N ist stark mit einem Elektronendonator aus
der Gruppe Vb des Periodensystems dotiert.
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Ein Schuh NS aus einem Halbleitermaterial vom N-Typ,
das dem des Schenkels N ähnlich ist, ist verlötet mit dem Ende des Schenkels
N, welches das heiße Ende werden soll, und zwar vorzugsweise mit Hilfe eines
Edelmetalls, wie Gold, Silber, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium oder Platin,
oder einer Legierung mit einem oder mehreren dieser Elemente, wobei der Anteil an
Edelmetallen mindestens 50 % des Gesamtgewichts der Legierung beträgt. Ein
Schuh PS aus einem Halbleitermaterial vom P-Typ, das dem des Schenkels P
ähnlich ist, wird mit dem heißen Ende des Schenkels P verlötet mittels eines Edelmetalls
oder einer Edelmetallegierung, in der der Anteil an Edelmetallen mindestens
50 % des Gesamtgewichts ausmacht. Die Schuhe NS und
PS können rechteckige Blöcke von im wesentlichen derselben Größe sein und
aneinandergrenzende Anliegeflächen besitzen, die jeweils mindestens so groß sind
wie der senkrecht zu der Längsachse jedes Schenkels genommene Schenkelquerschnitt.
Die Schuhe sind miteinander mittels eines Edelmetalls oder einer der obenerwähnten
Edelmetallegierungen verlötet. Die der Wärmeaufnahme dienende Fläche der SchuheNS
und PS soll eine ausreichende Größe zur Aufnahme einer angemessenen Wärmemenge
besitzen, um den thermoelektrischen Generator 10 wirksam zu betätigen.
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Die Verbindung der Schuhe NS und PS miteinander
und mit den Schenkeln N bzw. P mittels eines Edelmetalls oder einer Edelmetallegierung
kann im Vakuum bei einer Temperatur von etwa 10751 C und bei einem Druck
von etwa 50 g/CM2 innerhalb von etwa 2 Minuten hergestellt werden. Unter
diesen Bedingungen erhält man zwischen den Schuhen NS und
PS eine feste, nicht gleichrichtende Verbindung 15
mit einem
verhältnismäßig geringen elektrischen Widerstand statt eines typischen gleichrichtenden
PN-Übergangs mit hohem Widerstand.
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Ein Paar weiterer, z. B. aus Wolfram bestehender Schuhe 12 bzw. 14
wird an die kalten Enden der Schenkel N bzw-. P durch irgendeine geeignete
Befestigungstechnik befestigt, wie z. B. dadurch, daß man die Wolframschuhe an die
kalten Enden der
Schenkel mit Kupfer anlötet. Da die Temperatur
an den kalten Enden der thermoelektrischen Einrichtung gewöhnlich während des Betriebs
der Einrichtung verhältnismäßig niedrig ist, und zwar normalerweise niedriger als
200' C, manchmal Zimmertemperatur, sind keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen
erforderlich, um chemisch stabile Verbindungen mit gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
an den kalten Enden herzustellen. Gegebenenfalls jedoch können die Metallschuhe
12 bzw. 14 mit den Schenkeln N
bzw. P mittels eines Edelmetalls oder einer
Edelmetallegierung verbunden werden, und zwar gleichzeitig mit der Herstellung der
Verbindung der Schuhe NS und PS miteinander und mit
den zugehörigen Schenkeln N bzw. P.
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Die Schuhe NS bzw. PS können aus einem
Stück mit den Schenkeln N bzw. P gebildet werden, statt, wie oben dargelegt,
die Schuhe an diese Schenkel anzulöten. In diesem Fall werden nur die aneinander
angrenzenden Flächen der Schuhe NS und PS miteinander
verlötet. Wenn die Schuhe NS und PS miteinander verlötet
sind, bilden sie ein Verbindungsstück 16, dem die Wärmeenergie zugeführt
wird. Die Querschnittsfläche des Verbindungsstücks 16 parallel zu den an
der Lötstelle 15 aneinander angrenzenden Flächen der Schuhe NS
und PS soll im wesentlichen dieselbe Größe besitzen wie der Querschnitt
jedes N-bzw. P-Schenkels senkrecht zu deren Längsachsen, d. h. zu der Richtung
des durchfließenden Stroms, so daß der Strom von einem Schenkel zu dem anderen durch
das heiße Verbindungsstück 16 fließen kann, ohne daß der elektrische Widerstand
sich längs des Strompfads wesentlich ändert.
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Zum Betrieb des thermoelektrischen Generators 10
wird an das
Verbindungsstück 16 durch irgendwelche geeigneten Maßnahmen Wärme gebracht.
Die Temperatur T,7, bei der die Wärme zugeführt wird, kann beinahe so hoch sein
wie der Schmelzpunkt des Edelmetalls, das zum Verlöten der das Verbindungsstück
16 bildenden Schuhe NS und PS verwendet wurde.
Die Wolframschuhe 12 und 14 werden in Berührung mit einer nicht gezeigten Wärmesenke
gebracht, um sie auf einer - verglichen mit der höheren Temperatur TI,
- verhältnismäßig niedrigeren Temperatur Tc zu halten. Unter diesen Bedingungen
wird eine mit einem Voltmeter V meßbare Spannung zwischen den Schuhen 12 und 14
erzeugt, und es fließt ein Strom durch einen Verbraucher L, der hier als Widerstand
dargestellt und zwischen die Schuhe 12 und 14 eingeschaltet ist.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung bestand
das die heißen Enden der Schenkel N und P verbindende Verbindungsstück
16
aus demselben Halbleitermaterial wie die Schenkel selbst, doch ist dies
nicht notwendig. Das Verbindungsstück darf aber von den Schenkeln hinsichtlich seiner
Zusammensetzung nicht zu sehr abweichen, weil es im wesentlichen denselben linearen
Ausdehnungskoeffizienten wie die Schenkel besitzen soll. Es muß aus einem Material
bestehen, das mit dem Material der Schenkel bei Arbeitstemperaturen nicht reagiert.
Es soll einen geringen elektrischen Widerstand aufweisen und schließlich aus einem
bei hohen Temperaturen in Anwesenheit von Luft an sich chemisch stabilen Material
bestehen, d. h., es soll keinen flüchtigen Bestandteil enthalten, der bei
höheren Temperaturen abdampft, und es soll nicht zu stark oxydieren. Wenn die Schenkel
aus Germanium-Silicium-Legierungen hergestellt werden mit einem Siliciumgehalt in
dem Bereich von 50 bis 95 Atomprozent - Materialien, die für
den Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet sind -, dann kann das die beiden Schenkel
an den heißen Enden der Einrichtung verbindende Verbindungsstück aus einem stark
dotierten Silicium vom N-Typ oder P-Typ bestehen. Gemäß F i g. 5 weist eine
thermoelektrische Einrichtung 10 a
einen Schenkel N vom N-Typ,
einen Schenkel P vom P-Typ und ein Verbindungsstück 18 aus einem Material
vom N-Typ, z. B. Silicium, auf. Wenn das Verbindungsstück 18 aus überschußleitendem
Silicium besteht, so liegt die Thermo-Kontaktstelle zwischen dem Schenkel P vom
P-Typ und dem Verbindungsstück 18. Wenn das heiße Verbindungsstück
18 aber aus defekt leitendem Sificium besteht, so liegt die Thermo-Kontaktstelle
zwischen dem Schenkel N vom N-Typ und dem Verbindungsstück 18. Die
Schenkel N bzw. P können Wolframschuhe 12 bzw. 14 tragen, die an den gegenüberliegenden
kalten Enden der Schenkel befestigt sind.
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Silicium ist ein geeignetes Material für das Verbindungsstück
18 dieser Einrichtung, da sein Wärmeausdehnungskoeffizient sehr wenig von
dem der siliciumreichen Silicium-Germanium-Legierungen abweicht, was für diesen
Einrichtungstyp erforderlich ist, wenn bei höchstmöglichen Temperaturen gearbeitet
werden soll. Ferner ist Silicium bei hohen Temperaturen äußerst stabil, reagiert
nicht mit den in den Schenkeln verwendeten Silicium-Germanium-Legierungen und hat
bei starker Dotierung einen ausreichend geringen spezifischen elektrischen Widerstand.
Das Verbindungsstück 18 kann mit den Schenkeln N und P wie in den
vorherigen Beispielen mittels Edelmetallegierungen und in der beschriebenen Art
und Weise verbunden werden.
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Die Querschnittsfläche des Verbindungsstücks 18
in einer zur
Längs- oder Querachse des Verbindungsstücks senkrechten Ebene soll mindestens gleich
der Fläche der Enden der Schenkel N oder P sein.
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Die der Wärmeaufnahme dienende Fläche des Verbindungsstücks
18 ist größer oder mindestens ebenso groß wie die Summe der Flächen der Schenkelenden,
mit welchen das Verbindungsstück verbunden wird. Hierdurch wird eine zur Wärmeaufnahme
ausreichende Fläche für einen wirksamen Betrieb der Einrichtung gewährleistet. Würde
diese Fläche dagegen verkleinert, so würde viel Wärme vergeudet werden, und der
Wirkungsgrad würde dadurch verringert.