DE102008060968A1

DE102008060968A1 - Heißisostatisch gepresster Thermogenerator

Info

Publication number: DE102008060968A1
Application number: DE102008060968A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. Platzek; Roland Borath; Klaus Dipl.-Ing. Weber; Dietmar Dr. Neuhaus
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-12-06
Publication date: 2009-08-27
Also published as: WO2009103664A3; WO2009103664A2

Abstract

Der Thermogenerator weist zwischen zwei Wärmeleitschichten (11, 21) und einer aktiven Wand (12) aus thermoelektrischen Elementen (13p, 13n) Barriereschichten (16, 22) auf. Die Barriereschichten müssen eine elektrische Isolierung bewirken, jedoch eine gute thermische Leitfähigkeit haben. Erfindungsgemäß bestehen die Barriereschichten (16, 22) aus Emaille. Die Emaille verbindet sich gut mit dem Werkstoff des Innenrohres (10) bzw. des Außenrohres (20). Sie kann in dünner Schicht erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator zur Erzeugung von Strom aus Wärme, mit mehreren elektrisch miteinander verbundenen thermoelektrischen Elementen, die eine aktive Wand bilden, einer ersten Wärmeleitschicht auf der einen Seite der aktiven Wand und einer zweiten Wärmeleitschicht auf der gegenüberliegenden Seite, und mit einer elektrisch isolierenden thermisch leitfähigen Barriereschicht zwischen der aktiven Wand und der jeweiligen Wärmeleitschicht.
Ein derartiger Thermogenerator besteht aus p- und n-Halbleitern auf der Basis thermoelektrischer Werkstoffe wie z. B. FeSi₂, Zn₄Sb₃, CoSb₃, Bi₂Te₃ usw. Mehrere thermoelektrische Elemente sind in Reihe geschaltet, um eine Spannung gewünschter Höhe zu erzeugen. Ein thermoelektrisches Element erzeugt aufgrund einer Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung.
Ein Thermogenerator, von dem der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, ist beschrieben in U.S. 3,400,452 . Er weist zahlreiche thermoelektrische Elemente auf, die mit zwei wärmeleitenden Rohren thermisch gekoppelt sind. Die thermoelektrischen Elemente bilden eine rohrförmige aktive Wand. Zwischen der aktiven Wand und dem jeweiligen Rohr befindet sich eine Barriereschicht, die elektrisch isolierend, jedoch thermisch leitfähig ist. Die Barriereschicht besteht aus Porzellan, Glimmer oder Bornitrid. Derartige Schichten sind schwierig aufzubringen. Generell gilt die Regel, dass Substanzen, die elektrisch isolierend sind, auch thermisch isolieren. Von der Barriereschicht wird gefordert, dass sie elektrisch isoliert und eine gute thermische Leitfähigkeit hat. Diese widersprüchlich erscheinenden Anforderungen können mit einer isolierenden Schicht erfüllt werden, die eine geringe Schichtdicke hat. Die erwähnten Stoffe für die Barriereschicht lassen sich nicht oder nur schwer in dünner Beschichtung aufbringen. Hierfür wurde das Plasmastrahlsprühverfahren vorgeschlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thermogenerator zu schaffen, der einfach und mit geringen Kosten herstellbar ist.
Der erfindungsgemäße Thermogenerator zeichnet sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 aus. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht eine Emaille ist.
Emaillen sind anorganische in der Hauptsache oxidisch, glasig-silikatische oder glaskristallinen Werkstoff die in einer dünnen, zusammenhängenden Schicht auf metallische Unterlagen aufgeschmolzen werden. Sie sind elektrisch nicht leitend und zeichnen sich durch hohe Temperaturfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit aus. Das Auftragen kann im Naßverfahren durch Tauchen, Gießen oder Spritzen erfolgen. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die Emaille-Schicht sehr dünn aufgetragen werden kann, so dass der Wärmetransport nur wenig behindert wird. Vorteilhaft ist ferner, dass eine Emailleschicht an der Trägerschicht festhaftet. Daher kann sie an der Wärmeleitschicht, die in der Regel aus Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitenden Metall besteht, flachendeckend und rissfrei angebracht werden. Beim Einbrennen von Emaille treten zwischen dem Metall und der Schmelze chemische Wechselwirkungen auf die eine mechanisch nicht lösbare Verbindung zwischen Emaille und Metall entstehen lassen. Emaille dient normalerweise als mechanische Schutzschicht für Töpfe und Gerätschaften. Die thermische Leitfähigkeit der Emaille entspricht der Leitfähigkeit von Glas. Die Erfindung nutzt den Umstand aus, dass Emaille in einer dünnen Schichtstärke aufgetragen werden kann und so ein geringer Wärmetransportwiderstand erreicht wird.
Die spezifische Leitfähigkeit der Barriereschicht kann erhöht werden, wenn die Emaille einen Zuschlagstoff aus Teilchen hoher Wärmeleitfähigkeit enthält. Beispiele für solche Zuschlagstoffe sind keramische Materialien wie Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Siliziumcarbid. Solche Zuschlagstoffe sollten in Pulverform der Emailleschmelze zugesetzt werden, wodurch eine Kompositemaille entsteht.
Die mechanische Struktur des Thermogenerators kann unterschiedlichste Formen annehmen. Eine bevorzugte Ausführung hat Rohrform, wobei ein inneres Tragrohr von einem ersten Medium durchflossen ist. Ein äußeres Umfangsrohr steht in Wärmeaustausch mit einem zweiten Medium. Durch die Temperaturdifferenz der beiden Medien wird eine elektrische Spannung erzeugt. Eine andere strukturelle Gestalt ist die Plattenform. Hierbei ist der Thermogenerator insgesamt ebenflächig geformt. Jede der beiden Wandflächen steht mit einem der Medien, die unterschiedliche Temperaturen haben, in Wärmekontakt.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung naher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform des Thermogenerators und
2 die Herstellung des Thermogenerators durch heißisostatisches Pressen.
Der Thermogenerator in 1 weist ein Innenrohr 10 auf, das die erste Wärmeleitschicht 11 bildet. Das Innenrohr 10 besteht aus gut wärmeleitfähigem Material, insbesondere aus Kupfer. Das Innenrohr 10 ist von der thermoelektrisch aktiven Wand 12 umgeben. Diese Wand ist eine Verbundwand aus zahlreichen thermoelektrischen Elementen 13p, 13n. Hierbei handelt es sich um Ringelemente aus einem p- oder n-dotierten thermoelektrischen Halbleitermaterial. Als Halbleitermaterialien dienen Materialien auf der Basis von beispielsweise Bi₂Te₃ oder FeSi₂. Die thermoelektrischen Elemente der beiden Typen p und n sind abwechselnd in axialer Richtung des Innenrohres 10 angeordnet. Die Elemente vom p-Typ sind in der Zeichnung mit Dreiecken versehen und die Elemente vom n-Typ mit Kreuzen versehen dargestellt. Bei einem Temperaturgradienten radial zur Ringachse entsteht an jedem Element zwischen der Innenflache und der Außenfläche eine Elementspannung. Die Elemente sind in Reihe geschaltet, so dass sich ihre Einzelspannungen addieren. Es besteht auch die Möglichkeit einer Parallelschaltung, wobei sich die Ströme addieren wurden.
Die Reihenschaltung wird durch innere Elektrodenrohre 14 und äußere Elektrodenrohre 15 erreicht. Die Elektrodenrohre 14 und 15 sind Rohrstücke aus elektrisch gut leitendem Material, z. B. Kupfer, die zwei benachbarte Elemente 13p, 13n miteinander verbinden. Die inneren und äußeren Elektrodenrohre 14, 15 sind einander überlappend angeordnet, so dass sich zwei dieser Elektrodenrohre auf jeweils der Hälfte ihrer Lange überlappen. Die beiden Elektrodenrohre 14, 15 liegen an einem der Elemente 13p, 13n an und erstrecken sich jeweils nach entgegengesetzten Seiten über das diesem Element benachbarte Element.
Die Räume 35 zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Elektroden sind mit einem elektrisch und thermisch isolierenden Werkstoff ausgefüllt, beispielsweise Zirkonoxid.
Das Innenrohr 10 ist auf derjenigen Länge, über die sich die aktive Wand 12 erstreckt, mit einer Barriereschicht 16 bedeckt. Die Barriereschicht 16 besteht aus einer etwa 0,1 bis 0,3 mm starken Emailleschicht, die die Elektrodenrohre 14 elektrisch gegen das Innenrohr 10 isoliert. Die aktive Wand 12 ist von einem Außenrohr 20 umgeben, das ebenfalls aus gut wärmeleitendem Material, wie Kupfer, besteht. Das Außenrohr 20 bildet die zweite Wärmeleitschicht 21, die mit den Elektrodenrohren 15 in wärmeleitender Beziehung steht. Die Innenfläche des Außenrohres 20 ist mit einer Barriereschicht 22 bedeckt, welche in vollflächigem Kontakt mit den Elektrodenrohren 15 steht. Die Barriereschicht 22 besteht aus dem gleichen Material wie die Barriereschicht 16.
Beim Betrieb des Thermogenerators wird das Innenrohr 10 von einem ersten Medium durchströmt. Um das Außenrohr 20 herum ist eine Wärmetauscherkammer 23 angeordnet, die einen Einlass 24 und einen Auslass 25 aufweist und von einem zweiten Medium durchströmt wird. Die Temperaturen des ersten und des zweiten Mediums sind unterschiedlich. Aus der Temperaturdifferenz erzeugt der Thermogenerator eine elektrische Spannung. Der Thermogenerator ist in axialer Richtung durch Stirnwände 26 abgeschlossen, welche mit dem Innenrohr 10 und dem Außenrohr 20 beispielsweise über eine Emailleschicht abdichtend verbunden sind, so dass die thermoelektrischen Elemente hermetisch gekapselt sind. Das Innenrohr 10 steht gemäß 1 an beiden Enden über die jeweilige Stirnwand 26 hinaus vor, so dass an den überstehenden Enden Anschlusse für Rohrleitungen vorgesehen sein können.
2 zeigt die Herstellung einer vakuumdichten Thermogeneratorkapsel, wie sie in 1 dargestellt ist. Das Innenrohr 10 und das Außenrohr 20 haben zunächst die gleiche axiale Länge. An den Enden sind sie durch ringförmige Dichtscheiben 30 verschlossen, die mit den Rohren durch Schweißnähte 31 verbunden sind, so dass der zwischen den Rohren gebildete Ringraum hermetisch abgeschlossen wird. In diesem Ringraum befindet sich die aktive Wand 12. Die Enden des Ringraums sind mit einem Füllmaterial 32 in feiner Pulverform ausgefüllt, so dass der gesamte Ringraum zwischen den Rohren keine Hohlräume enthalt. Das Verschließen des Innenraums erfolgt im Vakuum, so dass innerhalb des umschlossenen Raumes keine Lufteinschlusse vorhanden sind. Nach dem Verschließen durch Anbringen der Dichtscheiben 30 erfolgt ein heißisostatisches Pressen der Kapsel, was durch die Pfeile 34 angedeutet ist. Das Pressen erfolgt mit einem Druck von 1500 bis 2000 bar bei einer Temperatur von 250 bis 900°C, wobei die genau einzustellenden Drücke und Temperaturen von den ausgewählten Werkstoffen abhängen. Danach werden die Enden des Außenrohres 20 an der Stirnwand 26 abgeschnitten, während die überstehende Länge des Innenrohres 10 an der Kapsel verbleibt. Anschließend wird das Gehäuse 28 (1), das die Kammer 23 umschließt, montiert. Auf diese Weise entsteht die in 1 dargestellte Struktur der vakuumdichten Kapsel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 3400452 [0003]

Claims

Thermogenerator zur Erzeugung von Strom aus Wärme, mit mehreren elektrisch miteinander verbundenen thermoelektrischen Elementen (13p, 13n), die eine aktive Wand (42) bilden, einer ersten Wärmeleitschicht (11) auf der einen Seite der aktiven Wand (12) und einer zweiten Wärmeleitschicht (21) auf der gegenüberliegenden Seite, und mit einer elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Barriereschicht (16, 22) zwischen der aktiven Wand (12) und der jeweiligen Wärmeleitschicht (11, 21), dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (16, 22) eine Emaille ist.
Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht chemisch mit der Wärmeleitschicht verbunden ist.
Thermogenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Emaille der Barriereschicht (16, 22) einen Zuschlagstoff aus Teilchen hoher Wärmeleitfähigkeit enthält.
Thermogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlagstoff aus einer Keramik besteht, wie Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Siliziumcarbid.
Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Wand (12) rohrförmig ist, wobei die erste Wärmeleitschicht (11) aus einem Innenrohr (10) und die zweite Wärmeleitschicht (21) aus einem Außenrohr (20) besteht.
Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Wand (12) plattenförmig ist.