Verfahren zum Herstellen eines mit einem metallischen Kontaktteil verbundenen Halbleiterkörpers für thermoelektrische Anordnungen Bei der Herstellung thermoelektrischer Anordnungen liegt eines der schwierigsten Probleme darin, gute elek trische Kontakte an dem aus dem eigentlichen thermo- elektrischen Werkstoff bestehenden Körper zu erhalten.
Die wirksamsten thermoelektrischen Werkstoffe sowohl für Zwecke der Kühlung als auch für Stromerzeugung sind durchweg Halbleiter, zum Teil keramikähnlicher Natur. Unbedingte Voraussetzung ist hierbei stets eine vorzügliche Bindung der metallischen elektrischen Kon takte mit dem thermoelektrischen Werkstoff, damit zwi schen diesen beiden Bauteilen nur ein geringer Span nungsabfall eintritt. Des weiteren muss die Bindung mechanisch derart ausgebildet sein, dass sie sich im Be trieb auch dann nicht lockert, wenn die Anordnung be trächtlichen Temperaturänderungen ausgesetzt ist.
Da die in Frage kommenden thermoelektrisch wirksamen Halbleiter häufig spröde sind, lassen sich diese For derungen durch übliche Verbindungen, z.B. Weich- oder Hartlötung, nur schwer verwirklichen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines mit einem metallischen Kontaktteil ver bunden Halbleiterkörpers für thermoelektrische Anord nungen. Sie besteht darin, dass ein metallisches Rohr mit dem Halbleiter-Werkstoff oder mit dem Halbleiter-Werk- stoff und weiteren metallischen Teilen gefüllt wird, die Enden des Rohres verschlossen werden und der Halb leiter-Werkstoff durch Querschnittsverminderung der so gebildeten Einheit verdichtet wird, so dass der Halb leiter-Werkstoff in mechanisch und elektrisch engen Kon takt mit der Wandung des Rohres und/oder den weite ren Metallteilen gebracht wird.
Die Querschnittsvermin- derung kann<B>1O</B> oder mehr betragen und durch Mass- nahmen erreicht werden, die unter den Bezeichnungen Strecken, Kalibrieren, Massziehen, Aufstauchen, Ruf pressen, Aufziehen, Rufhämmern, Radialpressen oder Herunterziehen bekannt sind.
Durch die Erfindung wird eine mechanisch Festver bindung des metallischen Kontaktteiles mit dem Halb leiterkörper erreicht, die einen geringen elektrischen Widerstand hat. Die Vorteile der Erfindung treten insbe sondere dann in Erscheinung, wenn die beteiligten Sub stanzen, wie es meist der Fall ist, sich hinsichtlich ihrer Duktilität, ihrer elastischen Eigenschaften und ihres Aus dehnungskoeffizienten wesentlich voneinander unter scheiden.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung kann in einem Hohlraum innerhalb des metallischen Rohres gesondert ein kernspaltbarer Stoff eingefüllt werden, bei spielsweise Uran, Thorium oder Platin oder deren Ver bindungen wie Uranoxyd oder Urankarbid; dadurch wird ein thermoelektrisches Kernbrennelement erhalten. Dabei ist auf der Aussenseite des Kernbrennelementes eine Kühlung vorzusehen, so dass die durch den spaltbaren Strom erzeugte Wärme durch die Thermoelemente ab geführt wird und somit einen elektrischen Strom erzeugt.
Die spaltbare Substanz kann dabei in einem Rohr unter gebracht sein, wobei es sich beispielsweise um Uranoxyd pulver in einem Rohr aus rostfreiem Stahl oder einer Zirkonlegierung handelt. Um dieses gefüllte Rohr wird ein grösseres Metallrohr herumgelegt und anschliessend der thermoelektrisch wirksame Halbleiter-Werkstoff in den ringförmigen Raum zwischen den beiden Rohren eingefüllt. Daraufhin werden die Rohrenden verschlos sen und die gesamte Anordnung zur Querschnittsver- minderung komprimiert.
Die thermoelektrischen bzw. spaltbaren Werkstoffe können entweder im Metallrohr selbst geschmolzen oder in dieses gegossen oder lose in Pulver- oder Flockenform in das Rohr eingebracht werden. Es ist zweckmässig, da für zu sorgen, dass die Dichte der Werkstoffe bereits bei ihrem Einbringen in das Metallrohr so hoch wie möglich ist. Ferner kann es von Vorteil sein, das mit dem Halb leiter-Werkstoff gefüllte Rohr zu evakuieren, um sämt liche Gasreste aus dem zu komprimierenden Werkstoff zu entfernen.
Die Eigenschaften des Kontaktes zwischen den Me tallteilen und dem Halbleiter-Werkstoff und die Eigen schaften des Halbleiter-Werkstoffes selbst können durch eine Wärmebehandlung noch verbessert werden. Die Wärmebehandlung kann insbesondere als Sinterbehand- lung in der Weise durchgeführt werden, dass unter Be rücksichtigung der Sintertemperatur und Sinterzeit des Halbleiter-Werkstoffes jeweils die bestmöglichen thermo- elektrischen Eigenschaften erhalten werden.
Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach der Er findung werden anschliessend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teiles einer Streckvorrichtung, teilweise im Schnitt, Fig. 2 eine Perspektivansicht eines gestreckten ther- moelektrischen Bauelementes mit Hohlkern,
Fig. 3 eine Perspektivansicht des thermoelektrischen Bauelementes der Fig. 2 nach der Bearbeitung, eben falls teilweise im Schnitt, Fig. 4 eine Perspektivansicht eines gestreckten ther- moelektrischen Elementes mit Vollkern, Fig. 5 einen Schnitt durch einen aus unterschied lichen Metallen hergestellten zylindrischen Metallkörper, Fig. 6 eine Seitenansicht eines in verschiedene Kam mern unterteilten zylindrischen Metallteiles,
in die vor dem Strecken eine thermoelektrische Substanz eingefüllt wurde, im Schnitt, Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6, Fig. 8 eine Perspektivansicht des Teiles der Fig. 7 nach dem Streckvorgang, ebenfalls teilweise im Schnitt, Fig. 9 einen Schnitt durch ein gestrecktes Thermo- element mit quadratischer Querschnittsfläche,
Fig. 10 einen Schnitt durch ein in Kammern unter teiltes gestrecktes Thermoelement mit quadratischer Querschnittsfläche, Fig. 11 eine Seitenansicht einer Vielzahl zueinander konzentrischer zylindrischer Teile mit dazwischen be findlichen thermoelektrischen Substanzen vor der Durch führung des Streckvorganges, teilweise im Schnitt, Fig. 12 einen Schnitt nach der Linie XII-XII der Fig. 11,
Fig. 13 einen Schnitt durch eine Metallumhüllung mit darin befindlichen thermoelektrischen Pillen, vor Durchführung des Streckvorganges, Fig. 14 einen Schnitt durch ein aus dem gestreckten Element der Fig. 13 hergestelltes Thermoelement, Fig. 15 einen Schnitt durch ein thermoelektrisches Kernbrennelement.
Die Fig. 1 zeigt einen Teil einer Drehstreckvorrich- tung, wie sie zur Durchführung des Verfahrens verwen det werden kann. Eine aus den jeweils paarweise zusam menwirkenden Segmenten 4 und 6 bestehende eigentliche Matrize wird durch eine gleiche Anzahl von Schlagwer ken 7 gehalten und gestossen; sie sind für gewöhnlich in einer Art Drehspindel gehalten. Die entsprechende Antriebsvorrichtung ist in der Zeichnung nicht gezeigt.
Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, werden die Schlag werke 7 durch die Walzen 8 betätigt, wenn diese Walzen 8 an einem an jedem Schlagwerk vorgesehenen Vor sprung 9 vorbeilaufen. Die Drehbewegung der Spindel ruft dabei eine Schlagwirkung hervor, so oft Schlagwerk und Formteile jeweils zwischen den Walzen 8 und dem zu streckenden Teil 10 hindurchlaufen. Hierdurch wird die äussere Form des Teiles 10 derart verändert, dass es dann genau der Innenfläche 11 der Matrize entspricht.
Zwischen den einzelnen Schlägen werden die Form- und Schlagwerkteile, nachdem sich eine Walze jeweils wieder von dem Vorsprung 9 wegbewegt hat, unter der Wir kung der Zentrifugalkraft nach aussen geschleudert. Für den Fall, dass ein Metallhohlzylinder einem Streckvorgang unterzogen werden soll, muss hierzu ein Kern oder Dorn 12 verwendet werden, damit der ge streckte Teil auch nach dem Strecken noch den ge wünschten Innendurchmesser aufweist.
Die Fig. 1 zeigt zwar nur zwei Matrizenteile, jedoch können ohne weite res auch vier zueinander im Winkel von 90 versetzte Matrizenteile Verwendung finden.
Die Fig. 2 zeigt ein gestrecktes Thermoelement 30 nach Entfernung der Stirnteile. Dieses Thermoelement 30 besteht dabei aus einem hohlzylindrischen Innenmetall kontaktteil 32 und einem dazu konzentrischen zylindri schen äusseren Metallkontaktteil 34;
in dem zwischen den beiden Metallzylindern 32 und 34 bestehenden Zwi schenraum ist ein aus stark komprimiertem thermoelek- trischen Material bestehender Körper 36 eingebracht, der sich in festem und innigem Kontakt mit den Metall wandungen der Teile 32 und 34 befindet. Zwischen dem Körper 36 und dem Metall wird dabei eine überraschend gute Haftwirkung erzielt.
Der aus einem thermoelektri- schen Werkstoff gebildete Körper 36 kann dabei aus jeder beliebigen p- oder n-leitenden Substanz oder aus zwei oder mehreren aufeinander folgenden entsprechen den Lagen bestehen.
Die Auswahl der zur Herstellung der Teile 32 und 34 verwendeten Metalle erfolgt jeweils unter Berücksichti gung ihrer Verträglichkeit mit dem für einen bestimmten Verwendungszweck zur Anwendung gelangenden thermo- elektrischen Werkstoff, sowie der hierfür jeweils erfor derlichen elektrischen und thermischen Eigenschaften und der Widerstandsfähigkeit gegenüber der umgebenden korrodierenden Atmosphäre.
Wenn das gestreckte Thermoelement 30 in einem Gerät verwendet werden soll, ist es in vielen Fällen zweckmässig, zwei oder mehr p- oder n-leitende Schen kel oder abwechselnd p- und n-leitende Schenkel in spe zieller Anordnung und Schaltung zu verbinden.
Die Fig. 3 zeigt ein Bauteil 30, bei dem stirnseitig ein Teil der thermoelektrischen Substanz 36 zwischen den Metallkontaktteilen 32 und 34 herausgenommen ist, um auf diese Weise eine Einführungsmöglichkeit zur Herstel lung einer Verbindung mit einem anderen Bauteil zu schaffen. Auch das andere Ende des Bauteils 30 wird in ähnlicher Weise bearbeitet.
Der zylindrische Aussenkon- taktteil 34 kann dann an beiden Enden derart um ein Stück verkürzt werden, dass der zylindrische Innenkon- taktteil 32 auf beiden Seiten über ihn hinausragt. An- schliessend können dann Verbindungen unter Zwischen schaltung einer elektrischen Isolierung entweder am Teil 32 oder am Teil 34 weich oder hart angelötet werden.
Der hohle Innenkontaktteil 32 dient nicht nur zur Leitung eines elektrischen Stromes, sondern durch ihn kann zur Erzielung einer Wärmeableitung gleichzeitig auch ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder Luft, hindurchgeführt werden, wenn er beispielsweise an der heissen Verbindungsstelle einer Kühleinrichtung einge setzt ist. Wenn das Bauteil 30 als Teil eines elektrischen Generators zum Einsatz gelangt, können heisse Gase, Flüssigkeiten oder andere Wärmequellen, wie z.B. spalt bare Substanzen, in den hohlen Kontaktteil 32 einge führt oder durch diesen hindurchgeleitet werden. Der äussere Kontaktteil 34 kann zur Kühlung eines Raumes dienen, oder er kann in beiden Fällen die Wärme auf eine Kältesenke verteilen.
Die Wirkungsweise des äus- seren und des inneren Kontaktteiles 34 bzw. 32 kann je doch auch umgekehrt gewählt werden. Die Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines gestreckten Thermoelementes 40, bei dem der zylin drische Metallinnenteil 42 durch einen kompakten Stab gebildet wird. Konzentrisch zu diesem Stab ist ein zy lindrischer Metallkontaktteil 44 vorgesehen, und zwi schen diese beiden Metallteile ist ein komprimierter thermoelektrischer Werkstoff 46 eingebracht, der sich in festem und innigem Kontakt mit den Wandungen dieser Metallteile befindet.
Gegebenenfalls kann der Stab 42 durch einen Bohr- oder Ätzvorgang entsprechend be arbeitet werden, um in dem Element 40 einen hohlen Mittelraum zu erhalten.
Fig. 5 zeigt ein zylindrisches Metallteil 50 aus zuein ander konzentrischen und miteinander verbundenen Schichten unterschiedlicher Metalle, wie sie für besondere Verwendungszwecke benötigt werden. Die nach innen bzw. aussen freiliegenden Schichten 52 und 56 können aus rostfreiem Stahl, Zirkon oder Legierungen auf der Basis von Zirkon bestehen, so dass sie auch bei stark korrodierenden Atmosphären verwendet werden können, und die Innenschicht 54 kann aus einem elektrisch gut leitenden Metall, vorzugsweise Kupfer oder dessen Legie rungen, gebildet werden.
Der zylindrische Teil 50 kann als Innenzylinder 32 des Thermoelementes 30 Verwendung finden, so dass er also den inneren Kontaktteil desselben bildet; es besteht aber auch die Möglichkeit, ihn als äusseren konzentri schen Zylinderteil 34 des Thermoelementes 30 einzuset zen, um auf diese Weise einen korrosionsfesten Aussen kontaktteil zu erhalten. Die Metallschichten 52 und 56 sind zu dem Zweck vorgesehen, um einmal eine Reak tion zwischen bestimmten thermoelektrischen Substanzen mit dem gutleitenden Metall während des Streckvorgan ges zu verhindern und um zum anderen einer Korro sion der daraus hergestellten thermoelektrischen Einrich tung während des Betriebes vorzubeugen.
Gute Ergeb nisse wurden in den Fällen erzielt, in denen die Dicke der Schichten 52 und 56 jeweils bei etwa 0,13 mm lag und diese Schichten aus rostfreiem Stahl oder einer Zir- konlegierung bestanden; die Schicht 54 dagegen bestand aus Kupfer und ihre Dicke lag bei annähernd 0,8 mm, wobei die vorstehend für die Dicke genannten Zahlen in beiden Fällen nach dem Streckvorgang ermittelt wurden.
In manchen Fällen erscheint es zweckmässig, in einem Streckvorgang flache oder doch wenigstens verhältnismäs- sig flache plattenförmige Thermoelemente zu erzeugen, insbesondere wenn es sich um solche handelt, bei denen zwei oder mehrere aufeinanderfolgende thermoelektrische Werkstoffe vorgesehen sind.
In anderen Fällen wiederum müssen die unterschied lichen thermoelektrischen Werkstoffe durch eine Zwi schenwand voneinander getrennt werden, um eine Um setzung zwischen diesen Werkstoffen während des Streck vorganges oder im Betrieb zu verhindern.
Die Fig. 6 und 7 zeigen einen mit verschiedenen Kam mern versehenen Teil 60, der sich für die Herstellung derartiger plattenförmiger Thermoelemente eignet. Bei der Ausführung nach diesen Figuren ist ein zylindrisches Metallaussengehäuse 62 mit rechteckigem Innenhohl raum 63 in verschiedene Kammern unterteilt. Die ge wünschte Unterteilung wird dabei dadurch erreicht, dass Metallzwischenwandungen 64 noch vor dem Strecken in entsprechender Anordnung in den Hohlraum 63 einge bracht werden. Die Breite der einzelnen Kammern ist dabei jeweils entsprechend den Temperaturgradienten des fertigen Bauelementes gewählt.
In die einzelnen Kam mern 63 werden thermoelektrische Substanzen 66 einge- bracht, die in den einzelnen Kammern jeweils eine unter schiedliche Zusammensetzung besitzen; diese Anordnung wird deshalb getroffen, um bei den während des Betriebes auftretenden unterschiedlichen Temperaturzonen einen grösstmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen. Es können gleiche oder ähnliche thermoelektrische Substanzen mit verschiedener Dotierung verwendet werden. wobei in jeder Kammer eine bestimmte Dotierung vorliegt. Die Trennwände 64 können als ein Stück mit dem Gehäuse 62 ausgebildet sein.
Es können aber auch Trennwände ver wendet werden, die eine andere metallische Zusammen setzung aufweisen als das Gehäuse 62; diese Trennwände können dann plattenförmig ausgebildet sein, und ent sprechend der Darstellung der Fig. 6 in am unteren Ende des Gehäuses 62 ausgebildete Nuten 67 eingesetzt sein. Dabei ist zu beachten, dass die thermoelektrischen Sub stanzen 66 jeder Kammer jeweils gut voneinander ge trennt sind.
Nach dem Einbringen und Komprimieren der thermo- elektrischen Substanzen in die Kammern werden die vor handenen Gase abgepumpt und das offene Ende des Ge häuses 62 wird mit Hilfe einer Kappe 68 verschlossen. Der so fertiggestellte Teil 60 wird in der vorbeschriebenen Weise einem Streckvorgang unterzogen, der sich nur inso fern von dem vorbeschriebenen Streckvorgang unter scheidet, als hierbei eine Matrize mit flacher rechteckiger Öffnung Verwendung findet. In ähnlicher Weise können auch andere, beispielsweise elliptisch oder hexagonal ge formte Teile erhalten werden.
Die Fig. 8 zeigt ein thermoelektrisches Element 70 das durch Strecken des in Fig. 7 gezeigten Teiles nach Abtrennung des einen Endes desselben erhalten wurde. Das Element 70 besteht aus einer äusseren Metallum mantelung 72, den Trennwänden 74 und den zwischen den einzelnen Trennwänden bzw. der Metallummantelung befindlichen Schichten 76 aus thermoelektrischem Werk stoff, der sich in festem und innigem Kontakt mit den benachbarten Metalloberflächen befindet.
Die beiden ein ander gegenüberliegenden Seitenwände 73 des Metallum mantelung 72 können anschliessend durch Sägen oder entsprechende andere Bearbeitung entfernt werden, so dass die aus den thermoelektrischen Substanzen und den Trennwänden gebildeten Schichten auf allen Seiten frei liegen. Die thermoelektrischen Substanzen 76 sind dabei derart angeordnet, dass die eine äussere Flachseite des so erhaltenen Elementes 70 als heisse Verbindungsstelle, und die andere Flachseite als kalte Verbindungsstelle verwendet und damit ein maximaler Wirkungsgrad er reicht werden kann.
Anschliessend kann das Element 70 in Streifen oder in eine Vielzahl kleiner Thermoelemente zerschnitten oder aber auch als einheitlicher ganzer Bau teil verwendet werden.
In ähnlicher Weise kann auch ein bereits von An fang an quadratisches oder rechteckiges Thermoelement oder Thermoelementschenkel einem Streckvorgang un terworfen werden. Die Fig. 9 zeigt einen Thermoelement- schenkel 80 mit dem im Querschnitt quadratischen Me tallteil 82 und einer in diesem befindlichen thermoelek- trischen Substanz 84. Das Strecken des Bauteiles erfolgt mit Hilfe einer eine quadratische Öffnung aufweisenden Matrize.
Das Element 80 kann in einzelne kleine Stück chen zerteilt und auf diese Weise eine beträchtliche An zahl thermoelektrischer Pellets erhalten werden.
Die Fig. 10 zeigt ein gestrecktes in Kammern unter teiltes Thermoelement 85, bestehend aus dem im Quer schnitt quadratischen Metallteil 86 und einer entweder aus einem Metall oder einem Isolierstoff bestehenden Trennwandung 88.
Die in den so erhaltenen Kammern befindlichen thermoelektrischen Substanzen 90 und 92 können eine unterschiedliche Zusammensetzung aufwei sen; so kann beispielsweise in der einen Kammer eine p-leitende Substanz und in der anderen Kammer eine n-leitende Substanz eingebracht sein.
Das Bauteil 85 wird in einem Streckverfahren unter Benutzung einer eine rechteckige öffnung aufweisenden Matrize hergestellt; an- schliessend an den Streckvorgang können dann die Sei ten 94 und 96 der Metallummantelung entfernt werden, so dass nur die obere und die untere Metallfläche 95 bzw. 97 verbleibt, und der langgestreckte Teil von 85 kann in entsprechende Abschnitte unterteilt werden;
an die Metallflächen 95 und 97 der aus thermoelektrischen Substanzen vom Typ p und n bestehenden Körper können dann elektrisch leitende Streifen angelötet werden, um ein Thermoelement zu erhalten.
Andere Ausführungsformen der in den Fig. 2 und 4 gezeigten Bauteile sind in. den Fig. 11 und 12 dargestellt;
die Fig. 11 und 12 zeigen nämlich einen in ringförmige Kammern unterteilten zylindrischen Bauteil 100, in des sen Aussenummantelung 101 eine Vielzahl von zueinan der konzentrischen zylindrischen Trennwänden 102, 104 und 106 eingebracht sind; in den zwischen den einzelnen Trennwänden befindlichen Räumen sind die aus thermo- elektrischem Werkstoff bestehenden Schichten 107, 108 u. 109 angeordnet.
Die thermoelektrischen Substanzen fin den bei dieser Ausführungsform der Erfindung in im Prinzip ähnlicher Weise Verwendung, wie dies bei der im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebenen Ausfüh rungsform der Fall war. Es kann also auch hier die Dicke und Zusammensetzung der einzelnen thermoelektrischen Substanzen 107, 108 und 109 derart unterschiedlich ge wählt werden, dass im Betrieb bei einem bestimmten Temperaturgradienten ein höchstmöglicher Wirkungs grad erreicht wird.
Die Trennwände können mit dem Aus sengehäuse 101 als ein Stück ausgebildet sein, es kann sich bei diesen Trennwänden aber ohne weiteres auch um gesonderte Rohre handeln, die erst später in die Aus senummantelung eingesetzt werden. Wie aus der Zeich nung hervorgeht, weist die zylindrische Innenwand 102 einen Hohlraum 112 auf. In diesem Hohlraum 112 kön nen durch Kernspaltung spaltbare Substanzen einge bracht werden.
Des weiteren kann anstelle des Hohl zylinders 112 auch ein aus Uran oder einer Uranlegierung bestehender kompakter Innenstab eingesetzt werden. In einen derartigen kompakten Stab kann dann gegebenen falls nach dem Streckvorgang auch noch eine Innen bohrung eingearbeitet werden. Anschliessend werden dann die Gase abgepumpt, und der Bauteil wird mit Hilfe einer Kappe 110 verschlossen und gestreckt.
Die Fig. 12 zeigt einen Schnitt durch das Thermo- element 100 mit dem aus einer spaltbaren Substanz be stehenden Kern 113. Aus dieser Fig. 12 wird die allge meine Anordnung innerhalb des fertigen gestreckten Elementes ersichtlich. Nach Durchführung des Streck vorganges weisen die aus thermoelektrischen Substanzen bestehenden Schichten einen kleineren Querschnitt auf und bilden einen fest komprimierten Körper, der sich in festem und innigem Kontakt mit den Oberflächen der nach dem Strecken ebenfalls einen geringeren Querschnitt aufweisenden Metallwänden des Teiles befindet.
Das Material des aus spaltbarer Substanz<B>113</B> bestehenden Kernes ist ebenfalls stark komprimiert. Nach dem Strek- ken kann das thermoelektrische Element ohne spaltbare Stoffe derart aufgeschnitten werden, dass die thermo- elektrischen Substanzen und die Trennwände frei zu lie- gen kommen. Die derart erhaltenen Abschnitte können an andere Abschnitte angefügt und damit thermoelek- trische Einrichtungen hergestellt werden.
Fig. 13 zeigt den betriebsfähigen Teil einer im Streck verfahren erhaltenen verhältnismässig dünnen thermo- elektrischen Einrichtung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein verhältnismässig dünnes Metallrohr 132, auf dessen Innenfläche ein elektrisch isolierender Überzug 134 angebracht ist, abwechselnd mit Pillen 136 aus p- leitendem thermoelektrischen Material, Pillen 138 aus einem elektrisch und thermisch leitenden, komprimier baren Metall (beispielsweise Aluminium)
und Pillen 140 aus einem komprimierbaren n-leitenden thermoelektri- schen Werkstoff gefüllt, wobei jeweils zwischen die ein zelnen Pillen<B>136,</B> 138 und 140 weitere aus einem elek trisch und thermisch isolierenden Werkstoff bestehende Pillen 142 eingebracht sind. Anschliessend wird die Bau einheit dann so weit gestreckt, dass sie einen dünnen Stab bildet.
Fig. 14 zeigt das langgestreckte stabförmige Bau element der Fig. 13, das derart umgebogen ist, dass es an oder bei den Metallpellets 138 einen rechten Winkel bil det; an den Seiten der thermoelektrischen Pellets ist dabei die Metallummantelung weggenommen, so dass eine Viel zahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen erhal ten wird, und an den Enden der Einrichtung 130 jeweils elektrische Anschlüsse vorgesehen werden können, so dass es als thermoelektrischer Generator oder als Kühl einrichtung dienen kann.
Die Fig. 15 zeigt ein gestrecktes thermoelektrisches Kernbrennelement 150, das aus der äusseren zylindri schen Metallummantelung 152 und aus dem hohlen Me- tallinnenzylinder 154 besteht. In dem zwischen den Me tallteilen 152 und 154 befindlichen ringförmigen Raum ist ein thermoelektrischer Werkstoff 156, und in dem Hohlraum des Teiles 154 ist ein aus einem spaltbaren Werkstoff bestehender Kern 158 eingebracht. Beide Sub stanzen befinden sich hierbei in festem und innigem Kon takt mit den entsprechenden Metallwandungen.
An dem einen Ende des Bauelementes ist ein elektrisch isolieren der Ring<B>160,</B> und am anderen Ende des Elementes ein elektrisch isolierender Abstandshalter 162 angebracht, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Metallinnen- teil und der ebenfalls aus Metall bestehenden Aussen ummantelung zu verhindern.
Am einen Ende des Bau elementes ist eine Metallanschlussfahne 164 angeschweisst, welche die heisse Verbindungsstelle bildet, während am anderen Ende des Bauelementes eine Metallanschluss- fahne 166 angeschweisst ist, die die kalte Verbindungs stelle darstellt.
Die Auswahl der bei der Herstellung der Innen- und Aussenzylinder bestimmter Bauelemente verwendeten Metalle richtet sich jeweils nach ihrer Verträglichkeit mit dem zur Anwendung gelangenden komprimierbaren Werkstoff und nach dem beabsichtigten Verwendungs zweck der fertig gestreckten Einheit.
Soll beispielsweise ein zusammendrückbarer thermoelektrischer Werkstoff komprimiert werden, so ist es zweckmässig, für die aus Metall bestehenden Innen- und Aussenteile oder Gehäuse Kupfer, Aluminium, Zirkon, Eisen oder Legierungen die ser Metalle zu verwenden, da bei diesen Metallen eine gute Kontaktierung für den thermoelektrischen Werk stoff gegeben ist und diese Metalle auch verhältnismässig gute elektrische und thermische Leiter sind. Für den Fall,
dass die gestreckte Baueinheit als sich verbrau chende Elektrode eingesetzt und ein komprimierbarer Werkstoff mit pulver- oder spanförmigem Zirkon ver- wendet werden soll, wird für die innere und äussere Um mantelung ein anderes Metall, beispielsweise Molybdän verwendet, wenn Molybdän gegebenenfalls dem Zirkon als Legierungsbestandteil zugegeben werden soll.
Es kann jedoch auch ein aus Molybdän- und Zirkonpulver ode aus anderen Pulvern bestehendes Gemisch zwischen aus Kupfer oder anderen Metallen bestehenden Zylindern komprimiert, die Zylinder anschliessend entfernt und die komprimierten Festkörper für sich verwendet werden.
Zur näheren Erläuterung werden folgende Beispiele angegeben: <I>Beispiel 1</I> Ein etwa 198,1 cm langer Zylinder aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von etwa 6,35 cm und einer Wandstärke von etwa 0,89 mm wird an einem Ende verschlossen. Dann wird koaxial ein rostfreies Stahlrohr mit einem Aussendurchmesser von etwa 4,39 cm und einer Wandstärke von etwa 0,89 mm eingebracht. In den auf diese Weise erhaltenen ringförmigen Innenraum wird pulverförmiges Natriumchlorid eingefüllt. Anschliessend wird auf das andere Ende des aus rostfreiem Stahl be stehenden Zylinders ein Verschluss aufgeschweisst.
Die so erhaltene Baueinheit wird unter Zuhilfenahme der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung so weit gestreckt, bis eine etwa 30%ige Verringerung der Querschnittsfläche des zwischen den beiden Zylinderrohren befindlichen Raumes erreicht wird. Nach Abschluss des Streckvorganges sind die Abmessungen der Anordnung derart, dass der Aus sendurchmesser etwa 4,06 cm, der Innendurchmesser etwa 2,69 cm und die Länge etwa 363 cm beträgt. Die Wandstärke der Rohre liegt jeweils bei etwa 0,74 mm.
<I>Beispiel 2</I> In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wird ein Bau element hergestellt, bei dem das rostfreie Stahlrohr einen Aussendurchmesser von etwa 2,84 cm, und das Innenrohr einen Innendurchmesser von etwa 2,06 cm hat. In den zwischen den beiden Zylindern entstehenden ringförmi gen Raum wird pulverförmiges Magnesiumoxyd einge füllt. Dann wird das Bauelement gestreckt, bis der Aus sendurchmesser des rostfreien Stahlrohres etwa 1,9 cm beträgt.
<I>Beispiel 3</I> Bei einem weiteren entsprechend dem Beispiel 1 her gestellten Bauelement hat das äussere rostfreie Stahl rohr einen Aussendurchmesser von etwa 3,02 cm und einen Innendurchmesser von etwa 2,85 cm. In das rost freie Stahlrohr wird ein ebenfalls aus rostfreiem Stahl bestehender Stab eingebracht, und in den zwischen die sen beiden Teilen entstehenden Raum wird Eisenpulver eingefüllt. Dann wird das so erhaltene Bauelement der art gestreckt, dass der Aussendurchmesser schliesslich etwa 1,9 cm beträgt.
<I>Beispiel 4</I> Eine eine spaltbare Substanz enthaltende Baueinheit wird entsprechend dem Beispiel 1 unter Verwendung eines aus rostfreiem Stahl bestehenden Rohres mit einem Aussendurchmesser von etwa 30 mm, und eines Innen rohres mit einem Innendurchmesser von etwa 20,6 mm hergestellt. Die Enden dieser Rohre werden entspre chend der Beschreibung der Fig. 16 mit isolierten elek trischen Anschlüssen versehen. Das Innenrohr wird mit pulverförmigem Urandioxyd gefüllt, während ein ent sprechender thermoelektrischer Werkstoff in den ring- förmigen Raum eingebracht wird.
Anschliessend wird das Bauelement einem Streckvorgang unterzogen, so dass der Aussendurchmesser des aus rostfreiem Stahl bestehenden Rohres nach der Verringerung durch das Strecken nun mehr etwa 19 mm beträgt. Ein rohrförmiges Bauelement enthält in dem ringförmigen Raum dabei eine n-leitende thermoelektrische Substanz, während ein anderes Bau element eine p-leitende Substanz enthält.
Bei einer weiteren Ausführungsform dieses Beispiels 4 wird ein mit Urandioxyd gefülltes und mit einer Eisen ummantelung versehenes Kupferrohr konzentrisch in ein grösseres aus Aluminium bestehendes Rohr eingebracht, und der dadurch entstehende ringförmige Zwischenraum wird mit n-leitendem Bleitellurid gefüllt, das mit 0,1% Wismut dotiert ist. Um das Aussenrohr wird unter Ein haltung eines bestimmten Abstandes ein dünnwandigeres Aluminiumrohr gegeben, und der auf diese Weise erhal tene ringförmige Zwischenraum wird mit Aluminium pulver mit einem Körnchendurchmesser von höchstens 76 u gefüllt.
Anschliessend werden die Stirnseiten dicht verschlos sen und das Element wird in einem Streckvorgang sehr stark verdichtet. Nach dem Strecken besitzt die fertige Baueinheit einen Urandioxydkern mit einem Durchmes ser von etwa<B>10,16</B> mm, der Aussendurchmesser des Kupferrohres beträgt etwa 11,176 mm, der Durchmesser der Eisenummantelung beträgt etwa 11,43 mm, der Bleitelluridkern weist einen Durchmesser von etwa 15,5 mm auf, das innerste der äusseren Aluminiumrohre besitzt einen Aussendurchmesser von etwa 17 mm und der Innendurchmesser des äussersten Rohres beträgt etwa 18,3 mm, während sein Aussendurchmesser bei etwa 19,05 mm liegt.
Nach dem Strecken werden die Enden des Bauele mentes weiter bearbeitet, und unter Zwischenschaltung entsprechender Isolierungen werden elektrische An schlüsse derart angebracht, dass der eine nur mit dem mit einer Eisenummantelung versehen Kupferzylinder und der andere Anschluss nur mit dem innersten Alu miniumzylinder Kontakt hat, so dass bei Einsatz in einen Reaktor bei Erzeugung von Wärme durch den Urandioxydkern zwischen den konzentrischen Zylindern radial ein elektrischer Strom fliesst.
<I>Beispiel 5</I> Es wird ein weiteres Bauelement entsprechend dem Beispiel 2 unter Verwendung von Aluminiumrohren her gestellt und der zwischen den beiden Rohren bestehende Raum mit n-leitendem Bleitellurid gefüllt. Nach dem Strecken werden von dem auf diese Weise erhaltenen sehr stark komprimierten langgestreckten Körper die beiden Endverschlüsse abgeschnitten und das übrige Rohr bei der Weiterbearbeitung in kurze zylindrische Ab schnitte zerteilt, bei denen das komprimierte Bleitellurid jeweils mit den aus Aluminium bestehenden inneren und äusseren Rohrabschnitten verbunden ist.
Ein ähnliches gestrecktes Bauelement wird in der Weise hergestellt, dass anstelle von Bleitellurid p-leiten- des Germaniumtellurid verwendet wird. Auch dieses Bauelement wird in ähnliche kurze zylindrische Ab schnitte zerteilt.
Dann wird abwechselnd je ein Germa- niumtellurid- und ein Bleitelluridabschnitt zu einer länge ren Reihe zusammengefügt, so dass entsprechend des Schweizer Patentes Nr.<B>391025</B> ein langes rohrförmiges Gebilde erhalten wird, bei dem die Innenrohre jedes Ab schnittpaares elektrisch miteinander verbunden sind, wäh rend die Aussenrohre der derart verbundenen Abschnitt- paare jeweils elektrisch an das benachbarte Paar ange schlossen sind, so dass man eine Reihe von Thermoele- menten erhält.
Wird eine heisse Flüssigkeit, beispiels weise Wasser, durch die Innenrohre geleitet und werden gleichzeitig die Aussenrohre der Einrichtung abgekühlt, so bewirkt dies die Entstehung einer elektrischen Span nung zwischen den beiden äussersten Enden der Ein richtung. <I>Beispiel 6</I> Es wird eine Baueinheit entsprechend dem Beispiel 2 unter Verwendung eines einen quadratischen Quer schnitt aufweisenden Aluminiumrohres hergestellt, wobei dieses Rohr der Länge nach durch eine Aluminiumoxyd- platte in zwei Teile unterteilt wird.
Der zwischen der einen Plattenseite und den Wandungen des Aluminium rohres bestehende freie Raum wird mit n-leitendem Bleitellurid, und der zwischen der anderen Plattenseite und der Wandung des Metallteiles bestehende Raum mit p-leitendem Germaniumtellurid gefüllt. Anschliessend wird die Baueinheit einem Streckvorgang unterzogen und der so erhaltene, sehr stark komprimierte längs ver laufende Körper wird in einzelne Teile unterteilt, wo durch eine Vielzahl von Bauelementen erhalten wird.
Die zur Aluminiumtrennwand senkrecht stehenden ein ander gegenüber befindlichen Seitenteile jeder Baueinheit werden weggenommen, und am einen Ende der Bauein heit wird ein Kupferstreifen angebracht, um auf diese Weise eine Verbindung zwischen der p-leitenden Sub stanz und der n-leitenden Substanz herzustellen, damit so ein Thermoelement entsteht.
<I>Beispiel 7</I> Ein verhältnismässig dünnes Aluminiumrohr, dessen Innenflächen durch Eloxierung mit einem aus einer Iso- liersubstanz bestehenden Belag versehen ist, wird in der folgenden Weise mit Pellets aus n-leitendem Germanium- tellurid und Pellets aus p-leitendem Bleitellurid gefüllt.
In das Rohr wird ein Bleitellurid-Pellet eingebracht, an das sich ein verhältnismässig dünnes Berylliumplättchen anschliesst; anschliessend wird ein aus Aluminium be- tehendes komprimierbares Pillen in das Rohr einge bracht, auf das wiederum ein weiteres verhältnismässig dünnes Berylliumplättchen folgt; schliesslich wird dann noch ein Germaniumtellurid-Pillen in das Rohr einge bracht.
Auf diese Weise kann das Rohr je nach der Rohr länge und der Grösse des gewünschten Fertigproduktes mit jeder beliebigen Anzahl von Pillen gefüllt werden. Das so erhaltene Bauelement wird anschliessend ge streckt und gesintert und dann in die gewünschte Form gebracht, wie sie beispielsweise in Fig. 14 gezeigt ist. <I>Beispiel 8</I> Entsprechend den Angaben des Beispiels 1 wird ein thermoeleketrisches Kernbrennelement unter Verwen dung eines Aluminium-Aussenrohres hergestellt, dessen Innenflächen mit einem aus Aluminiumoxyd bestehen den Überzug versehen sind und in dem sich ein aus Eisen bestehendes Innenrohr befindet.
Das Innenrohr wird mit pulverförmigem Fe-U0, gefüllt, während in dem ver bleibenden ringförmigen Zwischenraum pulverförmiges Bleitellurid eingegeben wird. Die so erhaltene Bauein heit wird derart gestreckt, dass die thermoelektrische Substanz beinahe auf 100% ihrer theoretischen Dichte komprimiert wird, wobei der endgültige Durchmesser des äusseren Aluminiumrohres etwa<B>21,3</B> mm und der des inneren Eisenrohres etwa 10,2 mm beträgt.
<I>Beispiel 9</I> Ein thermoelektrisches Kernbrennelement wird ent sprechend den Angaben des Beispiels 1 hergestellt; es gelangt hierbei ein aus Aluminium bestehendes, innen- seitig mit einem Aluminiumoxyd-Überzug versehenes Aussenrohr, und ein aus Eisen bestehendes Innenrohr zur Verwendung. In das Innenrohr wird pulverförmiges Nb-UOZ eingefüllt, während in den zwischen den beiden Teilen bestehenden ringförmigen Zwischenraum pulver förmiges Bleitellurid eingefüllt wird.
Das Bauelement wird anschliessend einem Streckvorgang unterzogen, so dass die thermoelektrische Substanz auf beinahe 100% ihrer theoretischen Dichte komprimiert wird; dabei beträgt der endgültige Durchmesser des Aluminiumaussenrohres etwa 21,3 mm und der des aus Eisen bestehenden Innen rohres etwa 10,2 mm. <I>- Beispiel 10</I> Entsprechend den Angaben des Beispiels 1 wird ein weiteres thermoelektrisches Kernbrennelement hergestellt.
Auch hier findet wiederum ein auf seiner Innenfläche mit Aluminiumoxyd überzogenes Aluminiumaussenrohr und ein Innenrohr Verwendung, das aus konzentrischen und miteinander verbundenen Rohren aus Kupfer bzw. Eisen besteht. In das Innenrohr wird pulverförmiges Be0-UO2 eingefüllt, während in den zwischen den beiden Teilen befindlichen ringförmigen Raum pulverförmiges Bleitel- lurid eingegeben wird.
Anschliessend wird die Bauein heit gestreckt, so dass die thermoelektrische Substanz auf beinahe 100% ihrer theoretischen Dichte komprimiert wird, dabei beträgt der endgültige Durchmesser des Alu miniumaussenrohres etwa 21,3 mm und derjenige des Eiseninnenrohres etwa 10,2 mm.
In ähnlicher Weise können auch andere entsprechende Bauelemente erhalten und gestreckt werden, bei denen anstelle der in den vorstehenden Beispielen erwähnten Stoffe Zirkon, Kupfer, Eisen, rostfreier Stahl oder Alu minium andere, und anstelle der verschiedenen aufge führten komprimierbaren Substanzen auch andere kom- primierbare Substanzen verwendet werden. Um für die sich bei den verschiedenen Metallen und Ausführungen ergebenden unterschiedlichen Bedingungen einen Aus gleich zu schaffen, können an der Ausgangseinheit auch noch geringfügige Änderungen vorgenommen werden.
Die gestreckten Baueinheiten können jeweils auch so beschaffen sein, dass sie mehrere freie Räume besitzen, und dass in jeden dieser Räume eine andere komprimier- bare Substanz eingefüllt ist. So können z.B. drei Alu miniumrohre unterschiedlichen Durchmessers konzen trisch ineinandergesteckt und damit zwei ringförmige Räume erhalten werden. Der eine dieser ringförmigen Zwischenräume kann dann mit Zinkantimonid und der andere mit Germanium-Wismuttellurid gefüllt werden.
Das so erhaltene Bauelement wird dann gestreckt, und auf diese Weise werden zusammengesetzte thermoelek- trische Abschnitte erhalten, bei denen das Zinkantimonid mit dem Germanium-Wismuttellurid in Reihe liegt. In ähnlicher Weise können auch mehr als drei Rohre zu sammen verwendet werden.
Die Rohre können weiter mit einer Metallschicht überzogen werden, um die Haftung mit der komprimier ten Substanz noch zu verbessern. So ist es z.B. zweck- mässig, Kupferrohre mit einer Eisenauflage zu versehen, damit beim Betrieb der so erhaltenen thermoelektrischen Einrichtungen eine geringere Reaktion auftritt, als dies der Fall wäre, wenn sich das Kupfer unmittelbar in Kon- takt mit dem Bleitellurid und anderen thermoelektrischen Substanzen befände.