DE2000088A1 - Anisotropes Thermoelement - Google Patents

Anisotropes Thermoelement

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DE2000088A1 DE19702000088 DE2000088A DE2000088A1 DE 2000088 A1 DE2000088 A1 DE 2000088A1 DE 19702000088 DE19702000088 DE 19702000088 DE 2000088 A DE2000088 A DE 2000088A DE 2000088 A1 DE2000088 A1 DE 2000088A1
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    • H10N10/85Thermoelectric active materials
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    • H10N10/853Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth

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Description

  • ANISOTROPES THERMOELEMENT Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie, insbesondere auf anisotrope Thermozellen.
  • Bei bekannten Thermozellen (Thermoelementpaare) ist das Vorhandensein von zwei aus verschiedenartigen Stoffen bestehenden Zweigen und der Temperaturunterschied eine Voraussetzung für die Erzeugung der Thermospannung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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...
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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,

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Anisotropes Thermoelement, das aus einem Einkristall gefertigt ist und eine anisotrop. Thermospannung wenlgstens in zwei zueinander perpendikulären Richtungen e3rzeugt, wobei der an den erwähnten Einkristall unter eian nem Winkel zur Thermospannungsisotropie-Richtung angelegte Temperaturgradient die Entstehung einer Thermospannung in einer zum angelegten Temperaturgradienten perpendikulären Richtung hervorruft, d a d u r c h g e k e n n -t e i o h n e t, daß als Einkristall@ne feste Lösung von Znx Cd1-x Sb benutzt wird, bei der x zwischen O bis 0,99 (9) egt.
    L e e r s e i t e
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