DE1278578B - Thermoelektrische Anordnung mit p- und n-leitenden Thermoelementschenkeln - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

HOIv

Deutsche Kl.: 21b-27/02

Nummer: 1278 578

Aktenzeichen: P 12 78 578.3-33 (W 29572)

Anmeldetag: 1. März 1961

Auslegetag: 26. September 1968

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung mit p- und η-leitenden Thermoelementschenkeln, wobei jeder Thermoelementschenkel an seinen Enden über eine elektrisch und thermisch leitende Kontaktbrücke mit einem Thermoelementschenkel entgegengesetzter Leitfähigkeit oder einer Anschlußklemme verbunden ist und diese Thermoelemente zwischen zwei Wärmeaustauschern elastisch gehalten angeordnet sind.

Für die Erzielung einer großen Leistung mit hohem Wirkungsgrad ist es nötig, daß die Thermoelementschenkel einer thermoelektrischen Anordnung in gutem thermischem Kontakt mit den festen Wärmeaustauschern der heißen und kalten Seite stehen, damit der Wärmewiderstand im Wärmestromweg möglichst niedrig ist. Dies setzt voraus, daß die Kontaktbrücken der Thermoelementschenkel an den Wärmeaustauschern möglichst gut anliegen. Außerdem müssen die Thermoelementschenkel örtlich fixiert zwischen den Wärmeaustauschern angeordnet sein, um Kurzschlüsse, beispielsweise durch ein Verschieben, zu verhindern und Betriebsstörungen auszuschließen. Die Erfüllung dieser Bedingungen ist schwierig und setzt äußerst geringe Herstellungstoleranzen, beispielsweise bezüglich der Glätte der Oberfläche der Wärmeaustauscher, der Länge der Thermoelementschenkel und der Stärke der Kontaktbrücken voraus. Außerdem ist eine thermoelektrische Anordnung wechselnden physikalischen Bedingungen ausgesetzt. So beträgt beispielsweise die Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite eines Thermogenerators 600° C und mehr. Bei solchen Betriebsbedingungen wird es zu thermischen Kontraktionen und Dehnungen kommen, und insbesondere die Thermoelementschenkel werden thermischen Spannung ausgesetzt sein. Da die zur Zeit verfügbaren thermoelektrisch wirksamen Materialien, wie sie beispielsweise in thermoelektrischen Generatoren verwendet werden, nur eine geringe Scher- und Zugfestigkeit besitzen, besteht wegen dieser thermischen Spannungen Bruchgefahr für die Thermoelementschenkel, und die thermoelektrische Anordnung ist nicht wartungsfrei. Die angeführten Probleme spielen bei thermoelektrischen Anordnungen eine besonders große Rolle, bei denen eine Vielzahl von Thermoelementschenkeln zwischen die Wärmeaustauscher eingefügt und elektrisch in Reihe oder serienparallel geschaltet sind. Bekannt ist es, für thermoelektrische Anordnungen mit einer Vielzahl von Thermoelementschenkeln, die einzelnen Thermoelemente elastisch mit den Wärmeaustauschern zu verbinden. Hierbei ist jedoch nicht angegeben, wie ein guter thermischer Thermoelektrische Anordnung mit p- und
η-leitenden Thermoelementschenkeln

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,

8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Thomas M. Corry, Monroeville, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 2. März 1960 (12 426)

Kontakt mit den Wärmeaustauschern und eine ausreichend stabile örtliche Fixierung sichergestellt wird. Bekannt ist es auch, bei Thermoelementen, die für Meßzwecke einzusetzen sind, die unterschiedliche Ausdehnung zweier Thermoelementschenkel mit flexiblen Leiterstücken zu kompensieren, die in einen der Thermoelementschenkel eingefügt sind und beide Thermoelementschenkel mittels Federn gegeneinanderzupressen, um einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen. Solche Thermoelemente können nicht zwischen Wärmeaustauscher eingebaut werden, da kein guter Wärmeübergang erhalten würde und die Bruchgefahr für die Thermoelementschenkel nicht beseitigt ist.

Bekannt ist es weiterhin, Stapel von Thermoelementschenkeln an einen röhrenförmigen Austauscher mittels Druckfedern anzupressen, die die Stapel ringförmig zusammenpressen. Ein zweiter Wärmeaustauscher ist bei dieser Anordnung nicht vorgesehen, und Bruchgefahr für die Thermoelementschenkel besteht daher nicht. Andererseits hat diese Anordnung nur einen geringen Wirkungsgrad, da die Wärme auf der einen Seite, an der kein Wärmeaustauscher vorhanden ist, nur schlecht abgeführt wird.

Es besteht die Aufgabe, bei einer thermoelektrischen Anordnung der eingangs genannten Art, die Kontaktbrücken in gutem thermischem Kontakt mit

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den Wärmeaustauschern zu halten und auftretende Brennergehäuse 22 ist ein Brenner 24 angeordnet, der thermische Spannungen in einfacher Weise zu korn- einen Öleinlaßstutzen 26 und Lufteinlaßöffnungen 28 pensieren. besitzt. In den Öleinlaßstutzen 26 mündet eine Ölzu-

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge- leitung 30; sie erstreckt sich bis außerhalb des löst, daß ein Ende jedes Thermoelementschenkels 5 Brennergehäuses 22. Das Ölrohr 30 trägt einen Geüber einen biegsamen Leiter mit der Kontaktbrücke windefitting 32 zum Anschluß an einen Ölvorratsbeverbunden ist, daß ein elastischer Energiespeicher für halter.

die Halterung zwischen den Wärmeaustauschern vor- In dem Raum 15 zwischen dem Wärmeaustauscher

gesehen ist, der den biegsamen Leiter streckt, und daß 12 und dem Wärmeaustauscher 14, der sich in der die Kontaktbrücken auf den Wärmeaustauschern auf- io Länge über die ganze thermoelektrische Anordnung liegen. 10 erstreckt, ist eine Anzahl von thermoelektrischen

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung sind die Bauelementen 34 angeordnet, die aus Thermo-Kontaktbrücken gegen die Wandung der Wärmeaus- elementschenkeln und den verbindenden Kontakttauscher gepreßt, und es wird ein guter thermischer brücken aufgebaut ist. Die heißen Kontaktbrücken 40 Kontakt erzeugt, der unabhängig von Schrumpfungen 15 der thermoelektrischen Bauelemente sind nebenein-Ausdehnung oder großen Toleranzen bei der Her- ander angeordnet und stehen in gutem thermischem stellung und Anbringung der Thermoelementschenkel Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Wärmeausist. Dadurch verringert sich der Bruch an Thermo- tauschers 12. Die kalten Kontaktbrücken 46 der therelementschenkeln, und die Kosten für die thermo- moelektrischen Anordnung sind ebenfalls nebeneinelektrische Anordnung werden verkleinert. Die Ther- 20 ander und in engem thermischem Kontakt mit den moelementschenkel stehen immer unter Druck, sind Wandungen 16 des Wärmeaustauschers 14 angeordso sehr stoßfest gelagert und örtlich fixiert. Man er- net. Wenn der Brenner in Tätigkeit ist, heizt er den hält beim Entwurf von thermoelektrischen Anord- Wärmeaustauscher 12 auf; denn es schießt durch ihn nungen eine größere Beweglichkeit. Die Einhaltung eine wirbelnde Flamme hindurch, welche an den enger Toleranzen bei der Herstellung der Thermo- 25 Wandungen der Höhlung anstößt. Hiermit wird ein elemente ist nicht nötig. Die Wärmeaustauscher sehr wirksamer Wärmetransport von der Flamme zu können so gestaltet werden, daß auch bei Ausdeh- den Generatorwandungen und von dort zu den heißen nungen der Bauteile und der Thermoelementschenkel Kontaktbrücken 40 erreicht. An Stelle der Flamme Leistung und Zuverlässigkeit nicht beeinträchtigt kann natürlich jede beliebige Wärmequelle zur Erwerden. Weiterhin kann die Leistung der Thermo- 30 wärmung der heißen Kontaktbrücken 40 benutzt elemente besser optimiert werden, da die Längen der werden.

zwei thermoelektrischen Körper in einem Generator- Thermoelektrische Bauelemente 34 ohne Wärmeteil nicht annähernd gleich bleiben müssen. austauscher sind in F i g. 3 in -perspektivischer An-

Das Material der biegsamen Leiter kann Kupfer sieht dargestellt. Die aufzusetzenden Wärmeaussein. Bei Benutzung eines Kupferkabels wird der 35 tauscher können sich während der Heizperioden ausWirkungsgrad der thermoelektrischen Anordnung dehnen oder zusammenziehen, ohne daß mechanische nur wenig verkleinert, da Kupfer die 200fache ther- Beschädigungen der Bauelemente auftreten. Die mische Leitfähigkeit und ungefähr die lOOOfache Bauelemente 34 bestehen abwechselnd aus p- und elektrische Leitfähigkeit thermoelektrischer Ma- η-leitenden thermoelektrischen Halbleiterschenkeln 37 terialien hat. 40 und 38, die durch Kontaktbrücken 40 und 46 ver-

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der bunden sind. Die Thermoelementschenkel können im Fig. Ibis 5 beispielsweise näher erläutert. In den Querschnitt kreisförmig sein. Es eignen sich auch verschiedenen Ausführungsformen sind Thermo- andere Formen, beispielsweise mit rechteckigem generatoren dargestellt. Es ist jedoch zu betonen, daß oder vieleckigem Querschnitt. An ihren Stirnflächen sich die Erfindung ebenfalls in einer thermoelektri- 45 sind benachbarte Thermoelementschenkel mit Konschen Anordnung für Kühl- oder Heizzwecke reali- taktbrücken 40 und 46 verbunden. Die Thermoelesieren läßt. mentschenkel 37 und 38 können in Reihe geschaltet

In F i g. 1 ist ein Thermogenerator 10 im Längs- werden, wie es in F i g. 3 gezeigt ist. Sie können auch und in Fig. 2 im Querschnitt gezeigt, der einen parallel geschaltet sein, oder es kann eine Serien-Wärmeaustauscher 12 umschließt, in dem in einer 50 Parallelanordnung gewählt werden. Die Kontakt-Höhlung eine Heizquelle angeordnet ist. Die Höhlung brücken 40 und 46 können aus beliebigem elektrisch kann einen kreisförmigen oder einen anderen ge- und thermisch gut leitendem Material hergestellt eigneten Querschnitt haben. Den Wärmeaustauscher sein, z. B. aus Kupfer, das eine sehr hohe thermische 12 umgibt ein Wärmeaustauscher 14, der eine Leitfähigkeit und einen niederen elektrischen Wider-Wärmesenke ist. Er besteht aus ebenen Platten 16, 55 stand hat. Die Kontaktbrücken 40 und 46 können die zu den ebenen Flächen des Wärmeaustauschers biegsam sein, damit sie sich der Oberfläche der 12 parallel liegen. Die Wände 16 sind untereinander Wärmeaustauscher 12 oder 14 anpassen können, mit verbunden und stehen senkrecht aufeinander, so daß denen sie in thermisch leitendem Kontakt stehen, sie ein äußeres Parallelepipedon bilden. Senkrecht Am einen Ende^sind die Thermoelementschenkel

auf den Wänden 16 ist eine Vielzahl von Kühlfahnen 60 37 und 38 überfeine flexible Leitung 42 mit der be-18 angebracht, die sich über die ganze Länge der treffenden Kontaktbrücke 46 verbunden. Die Lei-Wände erstreckt. Die Wärmeaustauscher können aus tung 42 besteht aus geflochtenem Kupferkabel, das jedem thermisch gut leitenden Material hergestellt wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit gegenüber sein. Bevorzugt wird Metall verwendet. Daneben anderen Leitern zu bevorzugen ist. Bei Benutzung können elektrisch isolierende keramische Materialien 65 eines Kupferkabels wird daher der Wirkungsgrad des benutzt werden. . Generators nur unbedeutend verringert, da Kupfer

Am unteren Ende der thermoelektrischen Anord- etwa die 200fache thermische Leitfähigkeit und etwa nung 10 befindet sich ein Brennergehäuse 22. In dem die lOOOfache elektrische Leitfähigkeit des thermo-

elektrischen Stoffes hat. Eine Druckfeder 44 ist über jeden biegsamen Leiter 42 geschoben. An Stelle der Schraubenfeder 44 können natürlich auch andere elastische Energiespeicher angeordnet sein, wie Tellerfedern, oder es kann eine Feder im Inneren des geflochtenen Kabels eingefügt sein. Es kann auch die Leitung 42 als Feder ausgebildet oder mit einem elastischen Zwischenstück versehen sein.

Eine Anordnung gemäß F i g. 3 kann in den Zwischenraum 15 zwischen den Wärmeaustauschern 12 und 16 der F i g. 1 eingebracht sein, die jetzt abschließend beschrieben werden soll. Dabei sind die Druckfedern 44 zusammengedrückt, und die biegsamen Kontaktbrücken 40 und 46 liegen nebeneinander an der Wandung des Wärmeaustauschers 12 und an der Wand 16 des Wärmeaustauschers 14 und sind in guter thermischer Verbindung mit ihnen. Die gleich großen und entgegengesetzten Druckkräfte der Federn 44 halten den Wärmeaustauscher 12 in seiner zentralen Lage im Wärmeaustauscher 14. Daraus ergibt sich eine Konstruktion, bei der thermische oder elektrische Nebenschlüsse über mechanische Verbindungen zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke entfallen.

Bei metallischen Wärmeaustauschern ist es wesentlieh, daß die Kontaktbrücken von den Oberflächen der Wärmeaustauscher elektrisch isoliert sind. Zu diesem Zweck sind die Oberflächen des Wärmeaustauschers 12 und die Wandungen 16 des Wärmeaustauschers 14, die mit den Kontaktbrücken 40 und 46 in thermischem Kontakt sind, elektrochemisch mit einer Schicht 47 von Aluminiumoxyd bedeckt. Die Isolation kann auch aus aufgespritztem Aluminiumoxyd, aus Glas oder aus anderem keramischem Material bestehen, wenn dieses neben hohem elektrischem Isolationsvermögen gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Beispielsweise können sehr dünne Streifen aus Glimmer, eine dünne Schicht von Silikongummi, Hochtemperatureinbrennlack oder dünne Schichten von glimmerbeflocktem Papier benutzt werden.

In F i g. 1 sind weiterhin noch isolierende Leisten oder Blöcke 55, z. B. aus Glasfasern, enthalten, mit denen die heißen Kontaktbrücken 40 geschützt und ein Wärmefluß von der Wärmequelle 12 zu der Wärmesenke 14, der nicht über die Thermoelementschenkel 37 und 38 erfolgt, verhindert wird. Außerdem sind an der thermoelektrischen Anordnung Zuführungsleitungen 56 und 58 angebracht, die mit den Kontaktbrücken 46 an der kalten Seite verbunden sind. Die Zuführungsleitungen sind mittels Tüllen 60 und 62 durch die Wandung 16 des Wärmeaustauschers 14 geführt. Bei einem Thermogenerator kann an die Zuführungsleitungen die Last angeschlossen werden. Wird die thermoelektrische Anordnung als Kühl- oder Heizeinrichtung verwendet, dann wird ihr über die Leitungen 56 und 58 die elektrische Energie zugeführt. Schließlich wird bei der thermoelektrischen Anordnung kalte Luft in der öffnung 52 über die kalten Kontaktbrücken geleitet, dort vorgewärmt und so dem Brenner 24 zugeführt.

F i g. 4 zeigt im Schnitt eine andere Ausführung der thermoelektrischen Anordnung. Es sind die Thermoelementschenkel in ein geeignetes Material 50 eingekapselt, das z. B. Glas oder eine dünne Metall- oder Keramikschicht sein kann. Diese Maßnahme verhindert eine Veränderung der Eigenschaften der Thermoelementschenkel 37 und 38 infolge der hohen Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind, z. B. das Verdampfen einer Komponente, wenn das Halbleitermaterial eine Legierung ist.

In F i g. 5 ist eine weitere abgewandelte Ausführungsform dargestellt. Thermoelektrische Bauelemente 34 sind zwischen einem Wärmeaustauscher 12' und einem Wärmeaustauscher 14' angeordnet. Der Wärmeaustauscher 12' ist die Wärmequelle. Er ist als ebene Platte und die Wärmesenke 14' als eine Platte mit Kühlrippen dargestellt. Irgendeine beliebige Heizanordnung kann zur Erhitzung der Wärmequelle 12' dienen. In umgekehrter Weise kann eine geeignete Spannungsquelle an die nicht gezeigten Zuführungsleitungen (je eine an jedem Ende der Anordnung) angelegt werden und so eine Kühlzone auf der Platte 12' oder eine Heizzone auf der Platte 14' ergeben.

Somit ist eine thermoelektrische Anordnung geschaffen, die ökonomisch herzustellen ist und mit gutem Wirkungsgrad und zuverlässig arbeitet. Diese neue thermoelektrische Anordnung ergibt eine größere Beweglichkeit beim Entwurf von Generatoren. Der Zwang zur Einhaltung enger Toleranzen bei der Herstellung der Thermoelementschenkel liegt nicht mehr vor. Die Wärmeaustauscher erlauben Ausdehnungen der Baukörper oder der Thermoelementschenkel, ohne den Wirkungsgrad oder die Zuverlässigkeit des Generators zu beeinflussen. Dazu kann der thermoelektrische Wirkungsgrad leicht optimiert werden, da die Länge der beiden thermoelektrischen Schenkel in einer Generatoranordnung nun nicht mehr annähernd gleich sein muß. Bolzen oder andere thermische Nebenschlüsse sind nicht notwendig, um den heißen Kern mit den kalten Fahnen zu verbinden, da die Federn 44 den Wärmeaustauscher zu sammenhalten. Diese Art der Konstruktion erlaubt es, daß sich Teile des Generators ausdehnen oder zusammenziehen können, ohne eine Verschlechterung in dem Wirkungsgrad des Generators hervorzurufen oder auf die Thermoelementschenkel starke Scheroder Zugspannungen zu geben. Der Generator ist robust und gegen Stöße widerstandsfähig. Diese thermoelektrische Anordnung gibt einen guten thermischen Kontakt zwischen den heißen und kalten Fahnen für jedes Thermoelement, verringert die Bruchgefahr für die Thermoelementschenkel und reduziert die Kosten für den Generator.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrische Anordnung mit p- und η-leitenden Thermoelementschenkeln, wobei jeder Thermoelementschenkel an seinen Enden über eine elektrisch und thermisch leitende Kontaktbrücke mit einem Thermoelementschenkel entgegengesetzter Leitfähigkeit oder einer Anschlußklemme verbunden ist und diese Thermoelemente zwischen zwei Wärmeaustauschern elastisch gehalten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende jedes Thermoelementschenkels (37 bzw. 38) über einen biegsamen Leiter (42) mit der Kontaktbrücke (46) verbunden ist, daß ein elastischer Energiespeicher für die Halterung zwischen den Wärmeaustauschern (12 und 16) vorgesehen ist, der den biegsamen Leiter streckt, und daß die

Kontaktbrücken auf den Wärmeaustauschern aufliegen.

2. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elastischer Energiespeicher eine Druckfeder (44) vorgesehen ist.

3. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der biegsamen Leiter (42) Kupfer ist.

4. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbrücken (40 bzw. 46) biegsam ausgebildet sind.

5. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame Leiter (42) an der kalten Seite der Thermoelementschenkel (37 bzw. 38) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 264 667, 265 967,
407, 633 828;

britische Patentschrift Nr. 154 454;
Buch von A. F. Joffe, »Halbleiter-Thermoelemente«, 1957, S. 28 und 56.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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