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ANISOTROPES THERMOELEMENT Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf Einrichtungen zur Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie, insbesondere
auf anisotrope Thermozellen.
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Bei bekannten Thermozellen (Thermoelementpaare) ist das Vorhandensein
von zwei aus verschiedenartigen Stoffen bestehenden Zweigen und der Temperaturunterschied
eine Voraussetzung für die Erzeugung der Thermospannung.
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Derartige aus Metallen oder Halbleitern gefertigte Thermoelemente
weisen eine Reihe von wesentlichen Mängeln auf. Zu diesen Mängeln gehören geringe
Thermospannung, gegenseitige Diffusion aus einem Zweig in den anderen die
durch
gemischte Leitfähigkeit bedingte Gegenspannung, Übergangswiderstand an Kontakten
zwischen den Zweigen (Kommutationsersoheinunen bei Thermozellen) geringe Zuverlässigkeit
und kurze Lebensdauer, die durch die Schichtstruktur des Thermoelementes und durch
Diffusion zwischen den Schichten und den Kontaktstoffen bedingt sind.
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Es sind auch die in USA, in der BRD und in Japan von gleichen Erfindern
zum Patent angemeldeten Thermoelemente bekannt, die aus einer Einkristallverbindung
vonWCdSb bestehen und bei denen einige erwähnte Mängel überwunden wer den können.
Diese Thermoelemente weisen aber einen verhaltnismäßig großen Innenwiderstand auf,
aor die vom Thermoelement abgegebene Leistung herabsetzt. Außerdem beträgt die beim
erwähnten Stoff über der Raumtemperatur entstehende Anisotropie der Thermospannung
maximal #α =150µv/G1 Die vorliegende Erfindung bezweckt die erwähnten Mängel
zu beseitigen.
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Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrunde gelegt, durch Benutzung
einer besonderen Zusammonsetzung des Einkristalls ein anisotropes Thermoelement
mit kleinen Abmessungen zu entwickeln, das durch eine hohe Empfindlich keit, eine
größere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer gekennzeichnet ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem anisotropen aus
Einkristall gefertigten Thermoelement, dessen
Kristall eine Anisotropie
der Thermospannung wenigstens in zwei gegeneinander perpendikulären Richtungen aufweist
und bei dem der auf diesen Kristall unter einem Winkel zur Richtung der Thermospannungsanisotropie
einwirkende Temperaturgradient eine Thermospannung in der zum Temperaturgradienten
senkrechten Richtung hervorruft, als Einkristall erfindungsgemäß die feste Lösung
von Znx Cd1-xSb benutzt wird, wobei x zwischen 0 bis 0,99(9) liegt.
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Das hiermit vorgeschlagene anisotrope Therm@element liefert eine
wenigstens um mehrere Größenordnungen höhere Thermospannung als bekannte Thermoelementpaare.
Gegenüber dem bekannten Thermoelement aus CdSb gewährleistet das erfindungsgemäß
hergestellte Thermoelement eine um. 50% höhere Thermospannung, als Thermoelemente
mit gleichen Abmessungen und bei gleichen Temperaturdifferenzen, uild gibt eine
mehr als um eine Größenordnung höhere Leistung ab, als ein ähnliches Thermoelement
aus CdSb von gleichen Abmessungen.
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Das erfindungsgemäß gefertigte Thermoelement hat einen einfachen
Aufbau, ist zuverlässig im Betrieb, weist eine große iiebensdauer sowie keine Alterungserscheinungen
auf und zeichnet sich durch geringe Abmessungen aus.
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Derartige anisotrope Thermoelemente werden bereits weitgehend in
der Meßtechnik, in der Automatik und im Gerätebau angewandt. Auf der Grundlage dieser
Thermoelemente können hochempfindliche Geräte zur Registrierung von verschiedenen
Strahlungsarten,
zur Messung von Temperaturgra dienten und der Wärmestrahlung sowie Thermoumformer
für elektrische Meßgeräte u.s.w. entwickelt werden.
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Im folgenden wird die Erfindung ausführlich beschrieben, wobei auf
beiliegende Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen: Fig.1 eine Schnittdarstellung
des Einkristalle mit eingezeichneten Koordinatenaohsen X, Y, Z, den @ichtungen der
Kristallachsen, des einwirkenden Temperaturgradienten und der @bzunehmenden Thermospannung;
Fig. 2 die Temperaturabhängigkeit der Thermospannungsanisotropie #α1 und #alpha;2
in den Ebenen (100) und (001) eines p-leitenden Einkristalls aus fester Lösung von
Zn0,1 Cd0,9 Sb im Temperaturbereich von 250...
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400°K ( # α1=α33-α 22, #α2= α11-Fig.
3 eine Abhängigkeit der Thermospannung eines p-leitenden einkristallinen Thermoelements
aus fester Lösung von ZnO,1 Cd0,9 Sb von der angelegten Temperaturdifferenz; Fig.
4 bei verschiedenen Temperaturen aufgenommene Belastungskennlinien eines Thermoelementa,
das aus einer p-leitenden einkristallinen festen Lösung von Zn0,1 Cd0,9 Sb gefertiRt
wurde.
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Betrachten wir nun eincn durch Anisotropie der Thermospannung
gekennzeichneten
Einkristall, wobei der Ein fachheit halber ein Fall genommen wird, wenn der Thermospannungstensor
wenigstens zwei verschiedene Komponenten aufweist, d.h. wenn die Thermospannung
in zwei zueinander perpendikulären Richtungen unterschiedlich ist. Die Thermospannungsanisotropie
wird, gewöhnlich mit Kristallachsen in Zusammenhang gebracht. Essei die s α11-Komponente
des Tenors eine Thermospannung längs der Kristallachse (100), die α22-Komponente
des Tensors sei oine Thermospannung im Einkristall, die längs der Kristallachse
(010) (Fig. 1) bei einem Temperaturgradienten in derselben Richtung entsteht und
α33 entsprechend in der Richtung (001). Es wird ueiterhin der Fall sur Betrachtung
herangezogen, wenn der Temperaturgradient im Einkristall willkürlich in Bezug auf
Kristallachsen gerichtet ist und in der Ebene dieser Achsen liegt Der Winkel y ist
dem Winkel zwischen der kartesischen Ordinatenachse Y und der Kristallachse (001)
gleich.
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Der Temperaturgradient ist längs der Achse Z gerichtet. Es läßt sich
zeigen, daß wegen der Thermospannungsani sotropie längs der Achse Y eine Spannung
Ey entsteht, die aus der nachstehenden Beziehung ermittelt werden kann: Ey =½ sin2
# (α22- α33). a, (1) dz
wobei a die Abmessung (Länge)
des Kristalls entlang der Achse Y und T die Temperatur bezeichnen.
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Wie aus der Formel (1) hervorge@t, kann man die größte Spannung bei
# =45° erhalten. Bei linearer Temperaturverteilung im Kristall längs der Achse Z
und bei #=45° wird aus der Formel (I) der Ausdruck: Ey =½ - (α 22- α33)
T2 - T1 a, (2) b in dem T1 und T2 die Temperaturwerte an entgegengosetzten Kristallflächen
und b die Abmessung (Dicke) des Kristalls längs der Z-Achae bedeuten.
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Aus dem Ausdruck (2) ist ersichtlich, daß die Größe der entstehenden
Thermospannung nicht nur wie bei Ublichen Thormozellen von den Eigenschaften des
Werkstoffs und von der Temperaturdifferenz abhängt, sondern der Kristallänge proportionnl
und der Kristalldicke "b" umgekehrt proyortional ist. Somit kann die gewünschte
Spannung bei sonst gleichen Bedingungen nur noch durch eine Wahl von Thermoelementahmessungen
erhalten werden. Dieser Umstand hebt die Einschränkungen für die erzeugung von großen
Thermospannungen auf.
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Nach dem beschriebenen Aufbauprinzip wurden mehrere Thermoelemente
auf der Grundlage von Einkristallen aus festen Lösungen von Znx Cd1-x Sb (mit x
" 0...0,1) geiertigt, die man bei horizontaler Zonenumkristallisation mit
einem
Kristallkeim wachsen ließ. An gewachsenen Einkristallen aus festen Lösungen von
Znx Cd, Sb wurde die Anisotropie der elektrischen, thermoelektrischen und galvanomagnetischen
Eigenschaften gemessen, Diese Untersuchungen haben gezeigt, daß der Einkristall
aus einer festen Lösung von Zn0,1 Cd0,9 Sb die größte Anisotropie der Thermospannung
aufweist. Für diesen Einkristall sind in Fig. 2 Kurven der Temperaturabhängigkeit
der Thermospannungsanisotropie #α1 und #α2 in den Ebenen (100) und (001)
dargestellt, wobei#α1=α33 @@ @@@@@ @@@ @@ @ @@@ @@@@ @@@@@@@@@@@ @@@
22 sotropie der Themospannung tritt über 250°K in Erscheinung. Bei die erreicht
die Anisotropie der Thermospannung ihren Maximalwert ( α33- α22 = 245
µv/Grad).
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Von allen untersuchten durch eine Anisotropie der Thermospannung
gekennseichneten-Stofien weist der erfindungsgemäß fUr die Herstellung von anisotropen
Thermoelementen vorgeschlagene Werkstoff (Einkristall aus fester Lösung von Zn0,1Cd0,9
Sb) die größte Anisotropie der Thermospannung. auf.
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Aus Einkristallen, die aus festen Lösungen von Zn x Cd1-xSb mit bestimmtem
Kristallgefüge gezüchtet waren, wurden mehrere anisotrope Thermoelemente hergestellt,
die aus Einkristallen gemäß Fig. 1 ausgeschnitten wurde. Die Thermoelemente wurden
auf kupfernen Blöcken montiert, die zur Wärmeableitung dienten. Die anisotropen
Thermoelemente wurden
unter folgenden Betriebsbedingungen geprüft.
An einer Fläche des Thermoelemente wurde die Temperatur von 296°K konstant gehalten
und die Temperatur der zweiten Fläche wurde von einem Erhitzer bestimmt und änderte
sich von der Raumtemperatur bis 450°K. Die Temperaturwerte wurden mit Hilfe von
Kupfer-Konstantan-Thermozellen gemessen. In Fig. 3 ist zum Beispiel die Abhängigkeit
der Thermoepannung eines aus einkristalliner tester Lösung von Zn0,1 Cd0,9 Sb gefertigten
Thermoelements (a =0,82 cm, b = 0,12 cm, C X 0,1 om) von der Temperaturdiiierenc
dargestellt., Die erhaltene lineare Abhängigkeit der Thermospannung am Ausgang des
Thermoelemente von der angelegten Temperaturdiffernen ist besonderS in der Beziehung
sehr wichtig, daß sie eine lineare Skala von Meßgeräten ergibt, die auf der f Grundlage
dieser Thermoelemente augebaut werden. Die größte Thermospannung von 108 mV wird
bei der Temperaturdifferenz T2 - T1 = 154°K erreicht.
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Die wichtigste Eigenschaft derartiger Thermoelemente besteht darin,
daß durch die Anwendung von Einkristallen aus fester Lösung von Zn0,1C%,9 Sb, die
eine hohe Anisotropie der Thermospannung aufweisen, eine etwa um 50% höhere Thermospannung
erreicht wurde, als bei gleichgroßen aus CdSb-Einkriszallen gefertigten Thermoelementen
bei gleichen Temperaturdifferenzen.
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Außerdem sind die erwähnten Ergebnisse nicht die mazumal
möglichen
und können'bei den anisotropen,Thermoelementen durch Vergrößerung des Verhältnisses
a/b und des angelegten Temperaturgradienteni verbessert werden.
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Für die Bestimmung des Innenwiderstandes des Thermoelements wurden
Belastungskennlinien (Fig. 4) bei, verschiedenen Temperaturen aufgenommen. An den
Maxima der Belastungskennlinien kann man erkennen, daß der größte Innenwider stand
von 86 Ohm der Temperatur von 313°K und der kleinste (41 Ohm) dem Temperaturwsrt
3730K entspricht. Der Maximalwert der abgegebenen Leistung beträgt 71,2#W und ist
um eine Größenordnung höher als die Leistung eines ähnlichen aus CdSb-Einkristall
gefertigten Thermoelements von gleichen Abmessungen, bei dem die größte Thermospannungsanisotropie
150 µV/Grad beträgt.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß bei eintsprechender Dotierung des
Ausgangswerkstoffs und bei Änderungen der Abmessungen von Thermoelementen je nach
ihrer praktischen Bestimmung bedeutend höhere Kenndaten erreicht werden können.
Bei den beschriebenen Thermoelementen sind die Möglich keiten der Erzeugung von
höheren Thermospannungen nicht voll ausgenutzt. Z.B. kann man die vorgegebene Temperaturdifferenz
erhöhen, die Dicke des Thermoelements kleiner wählen und seine Gesamtlänge vergrößern,