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Thermoelektrischer Wandler Die Erfindung bezieht sich auf einen thermoelektrischen
Wandler mit mehreren Thermoelementen, deren thermoelektrische Schenkelkörper an
den Heiß- und Kaltkontaktstellen mit wärmeleitenden plattenförmigen Kontaktstücken
versehen sind, welche durch dehnungsfähige Leiterbrücken miteinander elektrisch
verbunden sind, wobei die Heißkontaktleiterplatten über ein wärmeleitendes Isoliermaterial
mit der Außenwand einer Wärmequelle verbunden sind.
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Bei den bisher bekannten Wandlern dieser Art sind auf den plattenförmigen
Kontaktstücken stets durchgehende Deckbleche aufgelegt, die zu einer luftdichten
Umschließung verbunden sind. Die Wärmeaufnahme und Wärmeabstrahlung erfolgt damit
stets nur mittelbar über diese Deckbleche. Außerdem erfolgt hier die Befestigung
zwischen den Kontaktstücke unmittelbar als frei liegende Wärmedurch Erzeugung eines
Vakuums innerhalb der Umschließung, d. h., die Deckbleche werden durch den äußeren
Atmosphärendruck auf die Kontaktstücke gepreßt. Dadurch stehen die Thermoelemente
stets unter einer gewissen Vorspannung, und der Wärmeübergangswiderstand ist relativ
undefiniert.
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Es ist bei anders aufgebauten thermoelektrischen Wandlern an sich
bereits bekannt, die zwischen den thermoelektrischen Schenkelkörpern angeordneten
Kontaktstücke unmittelbar als frei liegende Wärmeabstrahlflächen auszubilden. Dieser
bekannte Aufbau ist jedoch nicht ohne weiteres auf Wandler der eingangs erwähnten
Art übertragbar.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen thermoelektrischen Wandler der
eingangs erwähnten Art zu schaffen, der im Aufbau sehr einfach ist und vor allem
sehr geringes Gewicht besitzt und trotzdem für sehr hohe Temperaturen geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die an den
Kaltkontaktstellen der einzelnen Schenkelkörper befestigten Kontaktstücke unmittelbar
als frei liegende Wärmeabstrahlflächen ausgebildet sind. Vorzugsweise ist dabei
jeder Ihermoelementschenkelkörper mit einer Schutzumhüllung versehen.
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Bei einem erfindungsgemäß aufgebauten Wandler können die wärmeabstrahlenden
Kaltkontaktstücke unmittelbar auf dem Thermoelementschenkelkörper aufgeschweißt
sein und die Kontaktstücke unmittelbar durch diese Thermoelementschenkelkörper getragen
werden. Durch diesen Aufbau kann jedes einzelne Thermoelement völlig unabhängig
von den in Reihe dazu liegenden anderen Thermoelementen ausgewechselt werden, da
sämtliche in Reihe liegenden Thermoelemente nicht wie bei den bekannten Anordnungen
durch eine gemeinsame Abdeckplatte gehalten sind, sondern vielmehr jeder Schenkelkörper
zusammen mit dem als Abstrahlfläche dienenden Kontaktstück eine gesonderte Baueinheit
bildet. Bei dem erfindungsgemäßen Wandleraufbau sind die einzelnen Thermoelemente
lediglich über die Leiterbrücken elektrisch miteinander verbunden. Die thermischen
Widerstände sind außerdem auf ein Mindestmaß beschränkt, so daß ein sehr guter Wirkungsgrad
erzielt wird, zumal die Wärmeabstrahlung durch den erfindungsgemäßen Aufbau maximal
ist. Trotzdem sind die Thermoelemente von mechanischen Beanspruchungen entlastet.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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F i g. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Wandlers; F i g. 2 ist eine Seitenansicht eines Teils des Wandlers
nach F i g. 1; F i g. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 2, in
den typische Temperaturwerte eingetragen sind.
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Der gezeigte thermoelektrische Wandler umfaßt einen Kanal
10, der aus nichtrostendem Stahl bestehen kann und von einem erhitzten Strömungsmittel,
z.
B. NaK, durchströmt wird, sowie mehrere elektrisch leitende Kontaktstücke 12. Die
Kontaktstücke 12 sind in einem Abstand von dem Kanal 10
angeordnet,
und dazwischen sind mehrere Thermoelemente 14 vorgesehen. Jedes Thermoelement
14
umfaßt einen wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Körper 16, der z.
B. aus Be0 besteht und auf beiden Seiten mit Molybdän und Nickel plattiert ist,
ferner ein Kontaktstück 18, z. B. aus Kupfer, sowie einen thermoelektrischen Schenkelkörper
20, z. B. aus Bleitellurid. Der Isolator 16 ist mit dem Kanal
10 und dem Kontaktstück 18 durch Hartlöten verbunden. Bei der dargestellten
Ausbildungsform trägt der thermoelektrische Schenkelkörper 20 aus Bleitellurid
eine obere und eine untere Kappe 22 aus Eisen, und diese Kappen verhindern, daß
die benachbarten Materialien in den Schenkelkörper 20 hinein diffundieren.
Eine Umhüllung 24, z. B. aus einer Glasfritte oder einem Kitt mit hohem Wärmeausdehnungsbeiwert,
überzieht die Außenfläche des Schenkelkörpers 20, um die Sublimation des
ihn bildenden Materials bei niedrigem Atmosphärendruck und hohen Temperaturen möglichst
weitgehend zu verhindern. Somit wird der Schenkelkörper gegenüber seiner Umgebung
durch die Kappen 22 und die Umhüllung 24 vollständig geschützt.
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Die Kappen 22 werden unter Druck mit dem Schenkelkörper verschweißt,
während die Verbindungen zwischen den Kappen 22 und den Kontaktstücken
12 bzw. 18 durch Hartlöten hergestellt ; werden.
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Jedes Thermoelement 14 arbeitet mit einem gesonderten Kontaktstück
12 bzw. 18 zusammen. Die Kontaktstücke 18 sind jeweils paarweise
durch eine Leiterbrücke 26 miteinander verbunden, die so geformt ist, daß Ausdehnungsbewegungen
des Kanals 10 in der Längsrichtung möglich sind. Bei der dargestellten Ausbildungsform
besteht die Leiterbrücke 26 aus Kupfer und ist U-förmig gekrümmt, oder sie kann
aus einer leitfähigen geklöppelten Litze bestehen und durch Hartlöten mit den Enden
der benachbarten Kontaktstücke 18 verbunden sein. Die Kontaktstücke 12 sind
ebenfalls paarweise durch Kontaktbrücken 28 miteinander verbunden, die Wärmeausdehnungsbewegungen
in der Längsrichtung zulassen. Wenn man abwechselnd angeordnete Thermoelemente 14
des P-Typs und des N-Typs verwendet, ergibt sich somit eine elektrische Reihenschaltung,
d. h., zwei benachbarte Thermoelemente 14 sind durch eine Leiterbrücke 26 miteinander
verbunden, während an diesen Teil der Schaltung das nächste benachbarte Thermoelement
14 über eine Leiterbrücke 28 angeschlossen ist. Das Kontaktstück 12
wirkt dabei nicht nur als elektrische Verbindung, sondern auch als Kühlung, wodurch
das Gewicht des Wandlers auf ein Mindestmaß verringert wird. Man kann eine beliebige
Zahl von Thermoelementen 14 verwenden. Bei der bevorzugten Ausbildungsform sind
zwölf derartige Elemente vereinigt, so daß sich eine Ausgangsspannung von 0,24 V
ergibt, wobei die Stromstärke bei einer angepaßten Last 19 A beträgt und wobei sich
im Vakuum bei Wärmeabstrahlung in den Raum ein Wirkungsgrad von 2 ergibt.
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Man kann die Thermoelemente 14 auch in einer Parallelschaltung
anordnen, d. h., man kann alle Kontaktstücke 12 miteinander verbinden und eine gemeinsame
Verbindung zwischen allen Kontaktstücken 18 vorsehen, wobei die Schenkelkörper in,
entsprechender Weise gewählt und orientiert sind.
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Die Einzelheiten der elektrischen Reihenschaltung gehen aus F i g.
2 hervor. Der erfindungsgemäß ausgebildete Wandler arbeitet wie folgt: Das erhitzte
Strömungsmittel wird durch den Kanal 10 geleitet, und es wird Wärme durch
den elektrischen Isolator 16, das Kontaktstück 18 und die Kappe 22 zu dem Kontaktstück
12 geleitet, durch das die Wärme in den Raum abgestrahlt wird. Der Schenkelkörper
20
erzeugt in bekannter Weise elektrische Energie wegen des über seine Länge
aufrechterhaltenen Temperaturunterschiedes. Der Ausgangsstrom eines Thermoelements
wird durch die beschriebene Reihenschaltung zur Eingangsseite des nächsten Elements
geleitet. Die Ausgangsanschlüsse des Wandlers können direkt mit einer Last verbunden
sein, oder es kann eine Parallel- oder Reihenschaltung mit weiteren Wandlem vorgesehen
sein.
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F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch die dargestellte Ausbildungsform.
Für den Fall, daß die Temperatur des Strömungsmittels etwa 490° C beträgt, ergibt
sich dabei folgender typischer Temperaturverlauf: Längs des Isolators 16, des Kontaktstücks
18 und der unteren Kappe 22 wird ein Temperaturabfall von etwa 8,3° C aufrechterhalten.
Längs des thermoelektrischen Schenkelkörpers 20 besteht ein Temperaturunterschied
von etwa 151° C, und ein weiterer Temperaturabfall von etwa 5,5° C findet zu der
Kühlfläche hin statt.
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Der Kanal 10 kann mit einem Material von geringem Abstrahlungsvermögen,
z. B. Silber, überzogen sein, um die Strahlungswärmeverluste auf ein Mindestmaß
herabzusetzen; die Kontaktstücke 12
können mit einem Material von hoher Abstrahlungsfähigkeit
überzogen sein, z. B. mit elektrisch aufplattiertem Chromoxyd oder Aluminium-Titanoxyd;
um das Abstrahlen der Abwärme in die Atmosphäre zu erleichtern.
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Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Wandler ist eine starre Konstruktion
für jedes Thermoelement 14 vorgesehen, während flexible Verbindungen zwischen
benachbarten, miteinander verbundenen Elementen vorhanden sind, so daß sich die
Abmessungen des Kanals 10 bei Temperaturerhöhungen vergrößern können, ohne
daß Scherkräfte auf die Schenkelkörper 20 oder die elektrischen Isolatoren
16 wirken. Auf diese Weise werden die mechanischen Spannungen, die sich aus der
unterschiedlichen Wärmedehnung der Wärmequelle und der Kühlmittel ergeben, auf die
zwischen den Thermoelementen 14 vorgesehenen Leiterbrücken beschränkt. Außerdem
wird die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Stöße und Schwingungen dadurch erheblich
verbessert, daß jedes Thermoelement 14 durch den Kanal 10 starr unterstützt
wird, während die Thermoelemente flexibel miteinander verbunden sind, so daß zwischen
den Elementen keine Schwingungen übertragen werden und eine Beschädigung der einzelnen
Elemente verhindert wird.