DE1539281C

DE1539281C - Thermoelement

Info

Publication number: DE1539281C
Authority: DE
Inventors: Anatohj Gngorijewitsch Pilat Israil Moisejewitsch Anatytschuk Lukjan Iwanowitsch Tschernowizy Samoilowitsch (So wjetunion)
Original assignee: Tschernowizkij Gosudarstwenmj Um wersitet, Tschernowzy (Sowjetunion)
Publication date: 1971-07-01

Description

	_v	1	T -¹I
		2
An	dT
QH-	dY
Hierin	bedeuten

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermoelement stehende Formel bestimmen läßt:

aus einem Einkristall, der eine anisotrope differentielle ι ' ' ' λ τ

Thermokraft in mindestens zwei zueinander senkrech- V = — sin2φ(«_M — Ct₁) -—· a, (I)

ten kristallographischen Achsen aufweist. 2 d γ

In der deutschen Auslegeschrift 1 076 210 ist eine 5

thermoelektrische Kombination, insbesondere Thermo- Hierin bedeutet

säule, beschrieben, die von dem bekamen Bridgimnn- _a _{die Abmessung des} Kristalls entlang der X-Achse

Effekt Gebrauch macht, indem aus einem thermoelek- /_dj_e i^g_n„_t\

trisch anisotropen Kristall derart eine Thermosäule \.

herausgeschnitten wird, daß Schenkel maximaler und io ^L ^die temperatur,

minimaler Effektivität abwechselnd aufeinanderfolgen. _{wfe aus def Formd (1) ersichtlich ist>
ergibt sich der}

Eine solche Thermosäule liefert entsprechend der An- _{Hochstwert der EMK} bei einem Orientierungswinkel

zahl der Schenkel eine von der Temperatur abhangige _des κ^^ _mit _φ = 45°. Bei linearer Temperaturver-

Thermospannung. ^ _ , _teil i_m Kristall entlang der 7-Achse und bei

Der Erfindung hegt die Aufgabe ^gründe, ein _I5 _φ ₌ 450 _{läßt sich die Formel (1)} ^_{3 folgt verein}. Thermoelement anzugeben, das eine hohe Thermo- fadenspannung besitzt und dessen Thermospannung sieh in .

einfacher Weise entsprechend den Bedürfnissen wäh- _T, . 1 . . _ _ a .„

lenläßt. Λ V^-(X_n-K₁)T₁-T₁--, (2)

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß 20
der Querschnitt des Einkristalls in der Ebene von zwei
zueinander senkrechten kristallographischen Achsen
mit anisotroper Thermokraft ein Rechteck ist, von dem

zwei zueinander parallele Seiten, die auf unterschied- Hierin bedeuten %" liehen Temperaturen gehalten sind, einen Winkel mit 35 '·

den kristallographischen Achsen bilden, dessen Größe T₁ und T₂ die Temperaturen an den ßegenüber-

so gewählt ist, daß die zwischen den beiden anderen liegenden Kristallflächen,

Seiten des Rechtecks auftretende elektromotorische b die Abmessung des Kristalls entlang

Kraft maximal ist. der F-Achse (die Dicke).

Die Erfindung macht dabei Gebrauch von dem Auf- 30

treten der transversalen Thermokraft, die aus der Aus der Formel (2) ist ersichtlich, daß die Größe

Fachliteratur bekannt ist. der auftretenden Thermokraft nicht nur von den

Vorteilhaft besteht der Einkristall aus der chemischen Eigenschaften des Werkstoffs und der Temperatur-Verbindung CdSb. differenz abhängt, wie dies bei den üblichen Thermo-

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Aus- 35 elementen der Fall ist, sondern auch ader Kristallführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich- länge α direkt und der Dicke b umgekehrt proportionungen näher erläutert. - nal ist. Somit läßt sich die erforderliche Thermokraft

Es zeigt (bei sonst gleichen Verhältnissen) durch entsprechende

F i g. 1 einen Einkristall im Schnitt mit Darstellung Wahl der Elementabmessungen erreichen. Dieser Um-

des Achsenkreuzes XY und der Richtungen der kristal- 40 stand gibt die Möglichkeit, größere EMK-Werte zu

lographischen Achsen und gewinnen.

Fig. 2 die theoretische und gemessene Abhängigkeit Entsprechend dem oben erwähnten Prinzip ist ein

der Thermokraft einer aus Einkristallen zusammen- Thermoelement aus einem Einkristall der Verbindung

gesetzten Batterie von der angelegten Temperatur- CdSb hergestellt worden. Die Thermokraft der Anti-

differenz. 45 mon-Kadmium-Einkristalle erwies sich als anisotrop. Es

Allgemein kann der Thermokrafttensor eines Ein- wurden Untersuchungen der Thermo-EMK in den

kristalle, der eine anisotrope Thermokraft besitzt, viele Richtungen [100] und [010] und im Temperaturbereich

verschiedene Komponenten aufweisen. In dem ein- von 100 bis 400⁰K an Prüflingen aus zwei verschiedenen

fächeren Fall, bei dem der Thermokrafttensor zwei Blocks vorgenommen, die durch Zonenumkristalli-

verschiedene Komponenten aufweist, ist die Differen- 50 sierung gewonnen wurden. Die größte Anisotropie

tialthermokraft in zwei lotrecht zueinander liegenden konnte bei Temperaturen über 300⁰K festgestellt

Richtungen verschieden. Die Anisotropie der Thermo- werden, was dem Einsetzen der Eigenleitfähigkeit ent-

kraft ist dabei gewöhnlich mit den kristallographischen spricht. Der Höchstwert für a„ — Ot₁ betrug 150 μ V]

Richtungen verbunden. Wenn man die entlang der Grad.

kristallographischen Richtung [100] (F i g. 1) auf 55 Aus den CdSb-Einkristallen, die mit einer bestimm-

Grund eines Temperaturgefälles in derselben Richtung ten kristallographischen Orientierung gezüchtet wur-

auftretende Komponente des Tensors mit x_n, und die den, wurde eine Reihe anisotroper Thermoelemente

Komponente in der Richtung [010] sinngemäß mit gefertigt. Die höchste Thermokraft erreichte 0,1 V bei

(K₁ bezeichnet und den Fall betrachtet, daß das Tempera- einer Temperaturdifferenz T₂-T₁ = IAO⁰K. Damit

turgefalle im Kristall eine willkürliche Richtung gegen- 60 ergab sich die Möglichkeit, aus solchen Elementen

über den kristallographischen Achsen aufweist und eine Batterie mit kleinen Abmessungen herzustellen,

sich in gleichen Ebenen mit diesen Achsen befindet, die genügend große Spannungen bei geringen Tempe-

ist der Winkel φ gleich dem Winkel zwischen der raturgefällen liefert.

Ä'-Achse und der Richtung [100]. Es wurde beispielsweise eine Thermobatterie aus

Das Temperaturgefälle sei entlang der Y-Achse 65 8 Elementen hergestellt; jedes von ihnen wies die

gerichtet. Es kann dann nachgewiesen werden, daß nachstehend aufgeführten Abmessungen auf: Länge

infolge der Anisotropie der Thermokraft entlang der = 9 mm, Dicke = 0,7 mm, Breite = 1,2 mm. Das

Ä"-Achse eine EMK V auftritt, die sich durch nach- Gesamtgewicht der Batterieelemente lag unter 0,5 g.

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Die Elemente wurden auf einem Kupferblock montiert, der auch zur Wärmeableitung diente. Die Thermobatterie wurde unter den nachstehenden Bedingungen geprüft: die eine Fläche der Thermobatterie wurde auf einer Temperatur von 296⁰K gehalten, die Temperatur der zweiten Fläche würde durch einen Vorwärmer erhöht und im BereicheiVon Zimmertemperatur bis 410°K verändert. Die Temperaturen wurden mittels Kupfer-Konstantan-Elementen gemessen. Die Versuchsergebnisse sind in der F i g. 2 (Kurve A) angeführt. Die Höchst-EMK der Batterie erreichte 1,1 V bei T₂ - T₁ = 116°K.

Erwähnt werden sollte, daß bei entsprechender Legierung des Ausgangswerkstoffes und entsprechender Auswahl der Batterieabmessungen je nach dem gewünschten Verwendungszweck größere Kennwerte erreicht werden können. Bei der oben beschriebenen Batterie sind die Möglichkeiten einer Gewinnung maximaler Thermokräfte nicht völlig ausgenutzt worden. Insbesondere kann das vorgegebene Temperaturgefälle vergrößert werden. Eine Steigerung der EMK kann gleichfalls durch Verringerung der Dicke und Vergrößerung der Gesamtlänge der Elemente erreicht werden.

Die bereits erzielten Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den nach der Formel (2) errechneten Werten (F i g. 2, Kurve B). Geringe Abweichungen sind dadurch bedingt, daß die Temperaturabhängigkeit der Thermo-EMK nicht berücksichtigt wurde, und daß für den ganzen Temperaturbereich «u -OC₁ = 150 μ V/Grad angenommen wurde.

Als Werkstoffe für die Herstellung von Thermoelementen eignen sich auch Einkristalle folgender eine Anisotropie der Thermokraft aufweisender Stoffe: Wismut, Wismut-Antimon, Mischkristalle, Graphit, Zink-Antimon, Chromsilicide.

Die anisotropen Batterien können schon bei geringen Temperaturgefällen in Funkanlagen Verwendung finden, bei denen verhältnismäßig hohe Spannungen bei geringen Stromstärken erforderlich sind. Sie können auch für die Speisung der Ionisationsröhren ίο von Teilchenzählern und in verschiedenen automatischen Einrichtungen als empfindliche Temperaturdifferenzgeber eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Thermoelement aus einem Einkristall, der eine anisotrope differentielle Thermokraft in mindestens zwei zueinander senkrechten kristallographischen Achsen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Einkristalls in der Ebene von zwei zueinander senkrechten kristallographischen Achsen mit anisotroper Thermokraft ein Rechteck ist, von dem .· zwei zueinander parallele Seiten, die auf unter-'*

as schiedlichen Temperaturen gehalten sind, einen Winkel mit den kristallographischen Achsen bilden, dessen Größe so gewählt ist, daß die zwischen den beiden anderen Seiten des Rechtecks auftretende elektromotorische Kraft maximal ist.

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall aus der chemischen Verbindung CdSb besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen