DE872210C

DE872210C - Anordnung zur Waermefoerderung mittels Thermoelementen, insbesondere zur elektrothermischen Kaelteerzeugung

Info

Publication number: DE872210C
Application number: DEP37706A
Authority: DE
Inventors: Eduard Dr Phil Justi; Walter Dr Schottky
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1949-03-25
Filing date: 1949-03-25
Publication date: 1953-03-30

Description

Anordnung zur Wärmeförderung mittels Thermoelementen, insbesondere zur elektrothermischen Kälteerzeugung Eine Wärmeförderung 'mittels Thermoelementen vorzunehmen, ist bekannt. Es war jedoch bisher nicht möglich, den thermoelektrischen Effekt technisch zur Kälteerzeugung !auszunutzen. Die bisher verwendeten Thermoelemente bestanden aus Metall und hatten eine zu geringe wirksame Thermokraft.
Gemäß der Erfindung wird eine besondere Erhöhung des thermoelektrischen Effektes dadurch erzielt, daß .der eine oder beide Schenkel der Thermoelemente :aus Halbleitern bestehen. Es kommen vor allem Halbleiter im engeren Sinne des Wortes in Frage, welche die Eigenschaften der sogenannten Störstellenhalbleitung aufweisen. Es kann sich .dabei sowohl um Mangel- als auch um Überschußhalbleiter handeln. Der Erfindung liegt vor allem die Erkenntnis zugrunde, daß Halbleiter wegen ihrer geringeren Elektronenkonzentration erhöhte Thermokräfte besitzen. Ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit, insbesondere bei einer thermoelektri.schen Kälteerzeugung, ist allerdings auch .das Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit zur Wärmeleitfähigkeit, welche möglichst hoch gewählt werden muß. Da jedoch dieses durch die sogenannte Lorenzzahl bestimmte Verhältnis bereits bei Elektronenkonzentrationen, die ein bis -zwei Zehnerpotenzen unterhalb von denen der Metalle liegen, seinen asymptotischen Höchstwert erreicht, während hierbei .die Thermokräfte noch wesentlich größer sind als bei reinen Metallen, haben Halbleiter mit den genannten Elektronenkonzentrationen wesentliche Vorteile gegenüber den normalen reinen Metallen. (Nur bei den wegen ihrer besonderen Bauart anomalen reinen Metallen Wismut und Antimon liegen ähnlich günstige Verhältnisse vor.) Der konkurrierende Einfuß der Thermoknaft und,des Verhältnisses von elektrischer zu Wärmeleitfähigkeit wird durch einte von A l t e n k i r c h eingeführte effektive Thermokraft quantitativ erfaßt.
Gemäß der weiteren Erfindung wind nun eine derartige Bemessung des Störstellengehaltes und damit der Elektronenkonzentration vorgeschlagen, daß,die effektive Thermokraft möglichst groß wird. Die beiden Schenkel des Thermoelementes können aus dem gleichen Grundmaterial bestehen und nur einen verschiedenen Störstellengehalt aufweisen. Es kann auch der eine Schenkeldes Thermoelementes aus einem Überschußhalbleiter; der andere Schenkel aus einem :be-stehen, die annähernd gleiche elektronische Dichten aufweisen. Endlich kann dieKombination eines normalen oder anomalem Metalls mit einem Halbleiter verwendet werden, wobei im letzten Fall Überschußhalbleiter in Kombination mit einem Metall anomaler Thermokraft im Sinne (der des Antimons, Mangelhalbleiter mit einem solchen im Sinne des Wismuts zu komlbinieren sind. Als besonders vorteilhaft hat sich auch ergeben, derartige Halbleiter zu verwenden, die bei gegebener elektronischer Dichte eine möglichst große Leitfähigkeit, d. h. eine möglichst große Elektronenbeweglichkeit aufweisen.
Als Halbleiter kommen Störstellenhalbleiter höchster Leitfähigkeit und Beweglichkeit, wie z. B. Pb S mit hohem Pb- bzw. S-Übersdhuß in Frage.
Gemäß der iweiteren Erfindung können die Thermoelemente aus Halbleitern im einkristallinen Zustand bestehen und die kristallographische Orientierung so gewählt werden, daß die effektive Thermokraft über dehn bei Polykristallen erreichten Betrag liegt.
.Außerdem kann auch durch eine Strukturbeeinflussung ,derdie Schenkel des. Thermoelementes bildenden Stoffe eine Hergbsetzun@g der Wärmeleitfähigkeit und somit eine Steigerung,der Thermokraft erzielt werden. Die aus Halbleitern bestehenden Schenkel des Thermoelementes können durch Pressen, Sintern oder Grob- und Feinkornschmelzung aus einem insbesondere körnigen Pulver oder aus Spänen hergestellt werden. Man kann die Schenkel der Thermoelemente auch aus Folien bzw. aus Gespinsten ad. dgl. ,aus Halbleiterstoffen aufbauen. Es erfolgt ,also eine Beeinflussung der Packungsidichte.

Claims

PATENTANSPRÜCHE-i. Anordnung zur Wärmeförderung mittels Thermoelementen, insbesondere zur elektrothermischen Kälteerzeugung, dadurch gekennzeichnet, .daß der eine oder beide Schenkel der Thermoelemente aus Störstellenhal@bleitern bestehen, die einen derartigen Störstellengehalt und eine Störstellenkonzentration aufweisen, daß ihr elektronischer Wärmeleitfä!higkeitsanteil in der Größenordnung der Kristallwärmeleitfähigkeit liegt. z. Anordnung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung ges Störstellengehaltes, @daß unter Berücksichtigung der -Abhängigkeit der wahren Thermokraft von der Elektronendichte und unter Berücksichtigung des Ganges ,des elektrischen und der Wärmeleitfähigkeit . mit dem Elektronengehalt die effektive Thermokraft nach Altenkirsch so groß wie möglich wird. 3. Anordnung nach Anspruch i, daidurch gekennzeichnet, daß . die beiden Schenkel des T'hermoelementes aus dem gleichen Grundmaterial bestehen und nur einen verschiedenen Störstellengehalt aufweisen. ..4..- Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Schenkel des Thermoelementes aus einem Überschußhalfbleiter, der andere Schenkel aus einem Mangelhalbleiter bestehen, die annähernd die gleichen elektronischen Dichten aufweisen. 5. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, :daß der eine der beiden Schenkel aus einem Metall mit normaler (kleiner) Thermokraft besteht. 6. Anordnung nach Anspruch i, (dadurch gekennzeichnet, daß der eine der beiden Schenkel aus einem Metall mit -anomal hoher Thermokraft besteht, und zwar in .:der Art, daß ein Überschußstörstellenhalbleiter mit einem Metall anomal hoher Thermokraft vom Antimonv orzeichen, ein Mangelhalbleiter mit einem Metall anomal hoher Thermokraft vom Wismutvorzeichen kombiniert wird. --- - ' 7. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, _ daß die Schenkel des Thermoeiementes aus Halbleitern im einkristallinen Zustand bestehen und die kristal,lographische Orientierung so gewählt ist, daß die effektive Thermokraft über den beim Polykristall erreichten Betrag lieft. B. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Halbleitern bestehenden Schenkel des Thermoelementes durch Pressen, Sintern oder Grob- und Feinkornschmelzung aus einem insbesondere körnigen Pulver oder aus Spänen hergestellt sind. g. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel der- Thermoelemente aus Folien od. dgl. aus Halbleiterstoffen aufgebaut sind.