DE2213925C3 - Thermoelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermoelement, das beispielsweise als thermoelektrische Spannungsquelle, Temperaturdifferenz- oder Wärmestronifühler und Wärmeempfänger für Strahlungsenergie eingesetzt wird.

Bekannt sind Thermoelemente mit einem anisotropen Einkristall einschließlich Anschlußdrähten zur Abnahme einer Thermokraft, deren Richtung mit der eines durch den Einkristall fließenden Wärmestromes nicht zusammenfällt (vgl. zum Beispiel sowjetischen Urheberschein Nr. 230915. Kl. 2 Ib, 27 03. und deutsche Auslegeschrift 1 539 281).

Bei diesen Thermoelementen wird von der Erscheinung der Anisotropie der thermoelekirischen Kraft Gebrauch gemacht. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in elektrische Energie weist bei diesen Thermoelementen geringe Werte auf und wird durch einen Kennwert der thermoelekirischen Effektivität von höchstens 0,1 ■ 10 ³ bis 0,2 · 10"^Λ grad"¹ charakterisiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung des genannten Nachteils ein Thermoelement zu schaffen, das ermöglicht, den Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in elektrische Energie sowie die Größe der durch das Thermoelement erzeugten Spannung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bei einem Thermoelement mit einem anisotropen Einkristall einschließlich Anschlußdrähten zur Abnahme einer Thermokraft, deren Richtung mit der eines durch den Einkristall fließenden Wärmestromes nicht zusammenfällt, erfindumpsgemäß gelöst durch eine anisotrope, bezüglich des anisotropen Einkristalls derart angeordnete einkristallirie Platte, daß sie die Thermokraft, deren Richtung mit der des Wärmestromes zusammenfällt, kurzschließt.

Falls der anisotrope Einkristall in Form eines rechteckigen Stabes ausgeführt ist, kann die anisotrope einkristallinc Platte an einer der Seitenflächen des Stabes angebracht sein.

Die erfindungsgemäßen Merkmale gestatten es. den Wirkungsgrad der Umformung von Wärme in elektrische Energie durch Thermoelemente um das 5- bis lOfache zu erhöhen.

Die Erfindung wird nachstehend an !land der Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur «•hemaiisch die Gesamtansicht eines Ausrührungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thermoelements und die Orientierung der Hauplkristallachsen d.eses Thermoelements wiedergegeben sind.

Dieses Thermoelement enthalt einen anisotropen Einkristall 1 in Form eines rechteckigen Stabes mit •in dessen Stirnseiten montierten Anschlußdrahten 2 zJr Abnahme einer Thermokraft deren Richtung m.t der eines durch den Einkristall 1 fließenden Warmestromes nicht zusammenfällt (die Richtung des Warme-

omes ist durch einen Pfeil A angegeben die Abmessungen des Einkristalls s.nd m.t a, b und c, ^^Thermoelement enthält gleichfalls eine bezüglich des anisotropen Einkristalls 1 derart angeordnete anisotrope einkristalline Platte 3, daß sie die üiermoelektrische Kraft, deren Richtung mit der des Warmeomes zusarnmenfällt, kurzschließt. Die Platte 3 weist eine rechteckige Form auf wobei ihre Kanten Abmessungen α und b gleich den entsprechenden Kanten des Einkristalls 1 aufweisen. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die anisotrope einkristalline Platte 3, deren Dicke mit c₂ bezeichnet ist, mit ihrer Fläche von α χ b an einer ihr gleichen Seitenfläche des Einkristalls 1 montiert

Die Materialien des Einkristalls 1 und der Platte 3 besitzen eine anisotrope elektrische Leitfähigkeit. Der Einkristall 1 ist derart orientiert, daß seine Hauptkristallachsen X₁ und Y₁ einen Winkel, mit den Kanten bilden und die Hauptkristallachse Z₁ senkrecht zu der den Einkristall 1 und die Platte 3 trennenden Ebene verläuft. Die Hauptkristallachsen X₂, V₂, Z der Platte 3 fallen mit deren Kanten zusammen, wobei das Material der Platte 3 längs der Achse V₂ die maximale Leitfähigkeit aufweist.

Die Erzeugung der Thermokraft im Thermoelement kommt wie folgt zustande:

Durch das Thermoelement läßt man einen Warmcslrom in Richtung des Pfeiles A fließen, der ein Temperaturgefälle.IT längs der l^Achsc erzeugt. Die hierbei im Einkristall 1 entstehende Thermokraft, deren Richtung mit der des Wärmestromes zusammenfällt wird durch die Platte 3 kurzgeschlossen, was zur Ausbildung von in zu den Stirnflächen des Einkristalls 1 parallelen Ebenen umlaufenden Wirbel-Thermoströmen führt. .

Infolge der Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit bewirkt der Durchfluß des Wirbelstromes die Entstehung einer Querspannung in bezug auf das Temperaturgefälle, die an den Anschlußdrähten abgenommen wird. Die Größe U dieser Spannung wird ermittelt aus der Beziehung:

I' =

\,i 17' ο {k-k ')

^{2 h} fcsin² _y + fc ¹COS^_{7 +} ^C _f) -"

\u = Differenz zwischen den Koeffizienten der Thermokraft der Materialien des Einkristalls 1 und der Platte 3;

und K₂₂

= I '.ί ι ■ L'22·

i'l ' '.'22·

spezifischer Widerstand des Malerials des Einkristalls 1 längs der Kristallachsc X₁ b/w. V₁.

ί'22 ~ spezifischer Widerstand des Materials der Platte 3 in Richtung der IVKristallachse,

ί/. h, C₁ und C₂ = in der Zeichnung aufgeführte Abmessungen des Einkristalls und der Platte.

Das erfindungsgemäße Thermoelement weist einen größeren Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in elektrische Energie auf und erzeugt eine größere Spannung gegenüber den bekannten anisotropen Thermoelementen. Falls z. B. als Material des Einkristalls 1 Wismuttritellurid gewählt und die Platte 3 aus einem Graphiteinkristall hergestellt ist, beträgt die thermoelektrische Effektivität des erfindungsgemäßen Thermoelements 1,1 · 10~³ grad"¹ und die thermoelektrische Kraft 20· 10"³V bei einer Temperaturdifferenz von 10'C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Thermoelement mit einem anisotropen Einkristall einschließlich Anschlußdrähten zur Abnähme einer Thermokraft, deren Richtung mit der eines durch den Einkristall fließenden Wärmestromes nicht zusammenfallt, gekennzeichnet durch eine anisotrope, bezüglich des anisotropen Einkristalls (1) derart angeordnete einkristalline Platte (3), daß sie die Thermokraft, deren Richtung mit der des Wärmestromes zusammenfallt, kurzschließt.

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anisotrope Einkristall (1) in Form eines rechteckigen Stabes ausgeführt ist, an dessen einer Seitenfläche die anisotrope einkristalline Platte (3) angebracht ist.