DE1489276B2 - Thermoelektrischer generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der insbesondere zur Bereitstellung elektrischer Energie an Orten dient, wo kein Netzanschluß vorhanden ist, beispielsweise in abgelegenen Gegenden oder in Raumfahrzeugen.

Ein thermoelektrischer Generator enthält bekanntlich eine Reihe von Thermoelementen, die sich zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke befinden. Die Thermoelemente bestehen beispielsweise je aus entgegengesetzt dotierten Stoffen wie Silizium, Germanium oder Bleitellurid. Die Wärmequelle kann ein radioaktiver Stoff oder ein Kernreaktor sein. Die Wärmesenke kann Wasser, der Ozean oder ein See oder Fluß ^ein, oder sie kann aus einem Wärmeleiter bestehen, der. in Wärmeaustauschbeziehung mit der Umgebung eines Raumfahrzeuges steht. Die sogenannte heiße Lötstelle des Thermogenerators steht in Wärmeaustauschbeziehung mit der Wärmequelle und die kalte Lötstelle in Wärmeaustauschbeziehung mit der Wärmesenke. Die einzelnen Thermoelemente eines Thermogenerators sind hintereinandergeschaltet, so daß die Ausgangsspannung des Thermogenerators gleich der Summe der Potentiale der einzelnen Thermoelemente ist.

Als Maß für den Wirkungsgrad eines Thermoelementes dient der Faktor

Q = — ·

Hierbei ist:

V die differentielle Thermokraft, d. h. die Spannung für 1°K Temperaturunterschied zwischen der heißen ten (11, 13), der Wärmequelle und der Wärmesenke unterstützt.

3. Thermoelektrischer Generator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente der ersten Gruppe (11) aus einem hochtemperaturfesten Material und die Thermoelemente der zweiten Gruppe (13) aus einem wenig temperaturfesten Material bestehen und daß der Faktor Q für die Thermoelemente der zweiten Gruppe (13) erheblich höher als für diejenige der ersten Gruppe (11) ist.

4. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente der ersten Gruppe (11) aus Silizium-Germanium und die Thermoelemente der zweiten Gruppe (13) aus Bleitellurid bestehen.

5. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 3, bei der die Schenkel der Thermoelemente der zweiten Gruppe jeweils aus zwei Abschnitten bestehen, die aus Materialien mit erheblich voneinander abweichende thermoelektrische Eigenschaften bestehen und zwecks elektrischer und thermischer Hintereinanderschaltung einander breitflächig berühren, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Abschnitt (THN2) einen inneren Hohlraum (15) aufweist, der so bemessen ist, daß die Differenz der elektrischen Materialeigenschaften der zwei Abschnitte ausgeglichen wird.

6. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen der beiden Schenkelabschnitte (THN 1, 7WPl, THN 2, THP 2) zueinander kongruent sind.

und der kalten Lötstelle,

K die Wärmeleitfähigkeit des Thermoelements und
ρ der spezifische elektrische Widerstand des Thermoelements.

Die Bedingung, daß der Faktor Q größtmöglich sein soll, führt zu widersprechenden Forderungen. Im allgemeinen bedingt nämlich ein niedriger elektrischer Widerstand eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Die abgegebene Gesamtenergie eines Thermoelements ist aber durch die Differenz zwischen den Temperaturen der heißen und der kalten Lötstelle bestimmt, die auch den Carnotschen Wirkungsgrad des Thermoelements beherrscht und hier mit AT bezeichnet wird. Die Temperatur der heißen Lötstelle ist durch die Temperatur begrenzt, welche das Thermoelement aushalten kann; die Temperatur der kalten Lötstelle ist durch den Temperaturgradienten innerhalb des Thermoelements bestimmt. Die Steilheit dieses Gradienten ist durch thermische und physikalische Bedingungen begrenzt, die durch den oben angegebenen Faktor Q wiedergegeben werden.

Es gibt hochtemperaturfeste Thermoelemente, z. B.

Silizium-Germanium, die bis zu 1000⁰C aushalten können. Diese Thermoelemente haben aber ein niedriges Q. Es gibt ferner wenig temperaturfeste Elemente, z. B. Bleitellurid, die ein hohes Q aufweisen, aber keine höhere Temperatur als etwa 600⁰C

65 vertragen.

Ein thermoelektrischer Generator der eingangs genannten Art ist bekannt (vgl. R. R. H e i k e s und R. W. Ure jun. »Thermoelectricity: Science and Engineering«

1961, Seiten 536 bis 539 und 542 bis 544). Bei einem solchen auch als thermoelektrische Kaskade bezeichneten thermoelektrischen Generator kann durch die verschiedenen Materialien der beiden Thermoelementgruppen eine bessere Anpassung des Wirkungsgrades an den jeweiligen Temperaturbereich erzielt werden. Eine Schwierigkeit bei diesen bekannten thermoelektrischen Generatoren besteht jedoch in der Anbringung guter thermischer, elektrischer und mechanischer Verbindungen zwischen den Thermoschenkeln der beiden Gruppen und zwischen diesen und der Wärmequelle und Wärmesenke. An die Enden der hochtemperaturfesten Schenkel können Verbindungsleitungen unter Verwendung von Hartloten angelötet werden, die bei etwa 600 —700⁰C schmelzen. Versucht man aber solche Verbindungen an die wenig temperaturfesten Thermoschenkel hart anzulöten, so ergeben sich schwache Stellen, die sehr leicht beschädigt werden. Die Zwischenschaltung von Druckfedern zwischen den kalten Lötstellen und dem den Wärmeübergang zur Wärmesenke vermittelnden Wärmeaustauscher zur besseren Verbindung dieser Teile ist beispielsweise aus der US-PS 30 82 276 bekannt.

Aus der erstgenannten Literaturstelle ist es auch bekannt, bei einer thermoelektrischen Kaskade die Schenkel der Thermoelemente einer Gruppe aus jeweils zwei Abschnitten aus unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien zusammenzusetzen, was auch als segmentierte Schenkel bezeichnet wird. Ferner ist es bei thermoelektrischen Generatoren bekannt, die Schenkel mit Löchern zu versehen (FR-PS 13 04 980).

Der im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das wärmeleitende Verbindungsglied zwischen den Thermoelementgruppen bei einem thermoelektrischen Generator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es sowohl den Wärmeübergang, als auch eine federnde Spreizung zwischen den Thermoschenkeln der beiden Gruppen übernehmen kann.

Das wärmeleitende Verbindungsglied wirkt bei dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generator wie eine sog. Wärmeröhre. Solche Wärmeröhren sind in »Journal of Applied Physics«, Bd. 35, 1964, Seite 1990-1991 beschrieben. Sie haben eine Wärmeleitfähigkeit, die diejenige der bekannten Metalle weit übersteigt, wurden aber bisher noch nicht in Thermoelementen eingesetzt, vermutlich weil das Problem der thermischen Ausdehnung schwer zu beherrschen ist.

Vorzugsweise sind die Drahtnetzwickel in einem dampfdichten Behälter mit flexiblen Wänden eingeschlossen, und der Dampf übt bei Betriebstemperatur einen erheblichen Druck auf die Wände aus, wodurch der Wärmeübergang zwischen den Thermoelementen, der Wärmequelle und der Wärmesenke unterstützt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung des thermoelektrischen Generators nach dem Ausführungsbeispiel, Fig.2 ein Schnitt durch den thermoelektrischen Generator nach dem Ausführungsbeispiel, F i g. 3 ein Schnitt längs der Linie HI-III in F i g. 2 und F i g. 4 ein Schnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 2. Der dargestellte thermoelektrische Generator enthält eine Gruppe 11 hochtemperaturfester Thermoelemente und eine Gruppe 13 niedrigtemperaturfester Thermoelemente. Im Ausführungsbeispiel besteht die Gruppe 11 aus abwechselnd entgegengesetzt dotierten Silizium-Germanium-Elementen THP vom p-Typ und THN vom η-Typ. Die Gruppe 13 enthält Bleitelluridelemente, ist aber komplizierter aufgebaut als die Gruppe 11. Es sind je zwei Abschnitte vom p-Typ und vom η-Typ vorhanden, die mit THP1 und THP 2 bzw. THN1 und THN 2 bezeichnet sind. Die verschiedenen Abschnitte vom p-Typ und vom η-Typ in Gruppe 13 sind ίο paarweise verbunden, wobei sie an einer Oberfläche jeweils zusammenstoßen, so daß sie gemäß Fig.2 zusammengesetzte Schenkel bilden.

Die Abschnitte THNl und THN 2 haben verschiedene thermische und elektrische Eigenschaften. Um diese Eigenschaften an den Verbindungsflächen / jedes Paares anzupassen, sind die Elemente THN2 je mit einem Loch 15 versehen, das zur gewünschten Querschnittsverringerung dient.

Elektrisch sind die Schenkel THP und THN mit Hilfe von Verbindungsleitungen 51 bis S8 (Fig.4) in Reihe geschaltet, wobei jede Leitung einen positiven und einen negativen Schenkel verbindet. Beispielsweise verbindet die Leitung S 2 den ersten Schenkel THP rechts in F i g. 2 mit dem Schenkel THN links davon, Leitung S 5 verbindet den ersten Schenkel THN links in F i g. 2 mit dem Schenkel THPunmittelbar dahinter (siehe Fig.4). Die Leitung Sl verbindet den Schenkel THP rechts mit Abschnitt THP1 des ersten Schenkels rechts in Gruppe 13. Die Leitung 59 verbindet den Schenkel ΤΗΝ (F i g. 1) mit dem Abschnitt THN1 des ersten Schenkels in Gruppe 13.

Die Schenkel THP1-THP2 und THNX-THN2 der Gruppe 13 sind elektrisch in Reihe geschaltet mittels der Leitungen S 9a bis 522 (F i g. 2 und 3). Beispielsweise ist der Schenkel THNi-THN2 links in Fig.2 mit dem Schenkel THPX-THP2 rechts daneben über Leitung 518 (Fig.2) verbunden, Leitung S19 verbindet den Schenkel THN\-THN2 links mit dem Schenkel THP1- THP 2 gerade davor (siehe F i g. 3).

Thermisch sind die Schenkel THP und THN der Gruppe 11 parallel geschaltet, und die Schenkel THP1 - THP 2 und THN1 - THN 2 sind ebenfalls parallel geschaltet. Die beiden parallelen Gruppen 11 und 13 sind über ein sehr gut wärmeleitendes Glied 16 verbunden, das nicht nur zur thermischen Verbindung, sonderen auch zur Aufrechterhaltung des Kontaktdrukkes an den Schenkeln der niedrigtemperaturfesten Gruppe 13 dient.

Das wärmeleitende Glied 16 besteht aus einem vakuumdichten langgestreckten Behälter 17 von allgemein rechteckigem Querschnitt. Der Behälter 17 besitzt eine flexible Wand 19, die aus Edelstahl bestehen kann. Die Wand 19 ist an den Enden vakuumdicht mit einem Tragrahmen 21 verbunden. An einer Seite besitzt der Rahmen 21 einen Pumpstutzen 25, über den der Behälter 17 ausgepumpt werden kann. Nach dem Auspumpen wird der Pumpstutzen 25 abgeschmolzen.

Im Behälter 17 befinden sich mehrere Druckfedern 27, welche die flexible Wand 19 nach außen drücken.

Jede Feder 27 besteht aus einem feinen Drahtnetz. Zur Bildung einer Feder ist das Drahtnetz zu einer Rolle aufgespult, die beispielsweise etwa vier Windungen besitzt. Die Rollen sind so in den Behälter 17 eingesetzt, daß sie von der Wand 19 zusammengepreßt werden und eine Reaktionskraft erzeugen, welche die Wand 19 nach außen zu drücken sucht.

Im Behälter 17 befindet sich ein niedrigschmelzendes Metall wie Caesium oder Gallium. Das Caesium ist bei

der Temperatur der heißen Lötstelle 29 der Gruppe 13 flüssig und bei der Temperatur der kalten Lötstelle 31 der Gruppe 11 dampfförmig. Das flüssige Caesium, das in thermischem Kontakt mit der Lötstelle 29 steht, gelangt durch die Kapillaritätswirkung durch das Drahtnetz 27 hindurch in thermischen Kontakt mit der Lötstelle 31, wo es verdampft wird. Der Dampf wird an der Lötstelle 29 wieder kondensiert. Auf diese Weise findet ein lebhafter Wärmeübergang von der Lötstelle 31 zur Lötstelle 29 statt, indem die Verdampfungswärme in Kondensationswärme umgewandelt wird.

Die Gruppen 11 und 13 sind in einen evakuierten Behälter eingeschlossen. Dieser Behälter besitzt dünnwandige Wandteile 41 und 43, die beispielsweise aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Kobalt-Legierung bestehen. Der Wandtetl 41, der die Gruppe 11 einschließt, ist dichtend mit einer Trägerplatte 45 und einer heißen Platte HSO verbunden. Diese beiden Platten bestehen vorzugsweise ebenfalls aus dieser Legierung. Die Wärmequelle, welche die heiße Platte HSO aufheizt, ist in F i g. 1 durch Pfeile angedeutet. Der als Mantel der Gruppe 11 dienende Wandteil 41 ist z.B. mit einem Platin-Gold-Lot hart mit der mittleren Trägerplatte 45 verlötet. Ferner ist der Mantel 41 zwischen der heißen Endplatte HSO und einer am Umfang angebrachten Kühlplatte 47 eingeschweißt.

Der Mantel 43, welcher den die Gruppe 13 umschließenden Wandteil darstellt, ist in gleicher Weise hart an eine mittlere Trägerplatte 51 angelötet und zwischen eine Kühlplatte HSI und eine am Umfang angebrachte Wärmesenke 53 eingeschweißt. Die Platten HSI und 53 bestehen ebenso wie die Platte 51 vorzugsweise ebenfalls aus der oben genannten Legierung. Die Platte HSI wird von einer äußeren Wärmesenke gekühlt, die in F i g. 1 ebenfalls durch Pfeile angedeutet ist.

Die Endplatten 45 und 51 sind an ihrer Verbindungsstelle /1 zusammengeschweißt. Der von der Teilen HSO, 47,41,51,43,53, HSIgebildete Behälter kann mit einem Gemisch von etwa 95 Volumprozent Argon und 5 Volumprozent Wasserstoff gefüllt werden. Der Wasserstoff wirkt als Reduziermittel, um Oxydationen im Inneren des Gerätes zu verhindern.

Die Anschlußklemmen des Generators Ti und T2 sind durch die Platte HSI dicht durchgeführt. Jede Klemme besitzt ein äußeres Rohr 61, das vakuumdicht in ein Loch in der Platte HSI eingelötet ist. Am äußeren Ende des Rohres 61 ist ein keramischer Hohlzylinder 63 dichtend eingesetzt. Ein Rohr 65, durch das ein Anschlußstift 67 hindurchgeht, ist vakuumdicht an den Zylinder 63 angelötet. Der Kopf 69 des Stiftes 67 legt sich gegen ein abgeplattetes Rohr 71, das federnd ist und einen Kontaktdruck auf den Kopf 69 ausübt.

Die Schenkel THP und THN sind an den Enden trapezförmig und je mit einer Kappe 80 am heißen Ende und einer Kappe 81 am kalten Ende versehen. Die Kappen 80 und 81 bestehen vorzugsweise aus hochtemperaturfestem Material wie Wolfram. Sie können auf die Schenkel THP und THN aufgesprüht oder im Vakuum aufgedampft sein.

Die Enden der Schenkel THPi-THPl und THNl- THN2 sind ebenfalls trapezförmig geformt und mit Kappen 83 versehen, die vorzugsweise aus Eisen bestehen. Die Kappen 83 sind ziemlich dünn und auf die Schenkel aufgespritzt. Der Wasserstoff in der Schutzgasatmosphäre, welche die Schenkel umgibt, reduziert alle Oxyde auf den Eisenkappen 83.

Die Verbindungsleitungen S2, 54, 56 und bestehen vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten Stoff wie Platin und sind unmittelbar an die jeweiligen Endkappen 80 angelötet. Als Lot kann eine Nickel-Titan-Legierung dienen. Andererseits sind diese Leitungen mit der heißen Endplatte HSO über eine thermisch gut leitende, elektrisch aber isolierende Verbindung verbunden. Jede Verbindung besteht aus einer Leiste 101 zur Kompensation der Wärmeausdehnung (typischerweise aus Wolfram), einer elektrisch ίο isolierenden, aber wärmeleitenden Leiste 103 (vorzugsweise aus Zirkonoxyd) und einer weiteren Leiste 105 aus Wolfram. Die Leiste 101 ist mit der anschließenden Verbindungsleitung 5 2 usw. hart verlötet. Ebenso ist die Leiste 103 mit der Leiste 101, die Leiste 105 mit der ι? Leiste 103 und die Leiste 105 mit der Platte HSO verlötet. Als Lot kann eine Nickel-Titan-Legierung dienen.

Zwischen den Leitungen 51, 53, 55, 57 und 59 und

den betreffenden Endkappen 81 befinden sich Schuhe 111, die vorzugsweise aus Kupfer bestehen und an die Kappen 81 angelötet sind. Als Lot kann eine Kupfer-Titan-Legierung dienen.

Die Leitungen 51, 53, 55, 57 und 59 sind mit der flexiblen Wand 19 des federnden Teils 16 jeweils über einen elektrisch isolierenden Teil hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden. Er besteht vorzugsweise aus einem Isolierüberzug 113 aus Keramik auf Siliziumbasis. Zum Verlöten des Überzugs 113 und der flexiblen Wand 19 dient eine Kupferleiste 115. Als Lot kann eine Kupfer-Silber-Legierung dienen. Der Überzug 113 ist als gemeinsame dünne Schicht auf die Leitungen 51,53, 5 5,5 7 und 5 9 und die Leiste 115 aufgebracht.

Die Verbindungsleitungen 51 und 59 sind U-förmig ausgebildet und verbinden die Schuhe 111 des ganz rechts befindlichen Schenkels THPuna des dahinterliegenden Schenkels THN (in F i g. 2 nicht sichtbar) mit den Kupferschuhen 121 des ganz rechts befindlichen Abschnitts THP1 und des dahinterliegenden Abschnitts THN1 (siehe F i g. 3). Die Leitungen 51 und 59 sind mit den Schuhen 121 mittels einer Kupferlegierung verlötet. Die Oberflächen des Mittelteiles der Leitungen 51 und 59 sind mit einem keramischen Produkt auf Siliziumbasis glasiert, um sie zu isolieren.

Die Leitungen 510, 512, 514, 516, 518, 520 und 522 bestehen typisch aus Kupfer und sind an die jeweiligen Schuhe 121 angelötet, die gegen die betreffenden Kappen 83 der Abschnitte THPi und THN1 angepreßt werden. Zum Verlöten kann ein Kupfer-Silber-Lot dienen.

Die Leitungen 59a, 511,513,515,517,519 und 521 bestehen aus Kupfer und sind mit den Kupferschuhen 123 verlötet, welche an den Kappen 83 am kalten Ende der Abschnitte THP2 und THN2 anliegen. Als Lot kann hier eine Kupfer-Titan-Legierung dienen. Die Leitungen 59a, 511,513,515,517,519 und 521 sind mit Kupferleisten 131 über eine keramische Glasur 133 auf Siliziumbasis verbunden, welche die Verbindungsleitungen gegen die Leisten 131 isoliert. Die Leisten 131 sind an der kalten Platte HSI angelötet. Die i)o Glasur 133 hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Die Schuhe 121 und 123 sind nicht festhaftend mit den Kappen 83 verbunden und die Kappen 83 sind ihrerseits nicht festhaftend mit den jeweiligen Abschnitten THPi, THNi, THP2, THN2 verbunden, sondern der thermi-( >5 sehe und elektrische Kontakt wird allein durch den federnden Teil 16 erzeugt.

Der beschriebene thermoelektrische Generator hat eine hohe Temperaturdifferenz AT, weil die heiße

Lötstelle der Gruppe 11 auf einer hohen Temperatur liegen kann. Ferner wird der hohe Faktor ζ)der Gruppe 13 aus geringtemperaturfesten Thermoelementen ausgenutzt, ohne daß diese Thermoelemente zu hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Die Temperatur der Wärmesenke kann 100° C oder weniger betragen. Beim Wärmeübergang in den Gruppen 11 und 13 tritt kein wesentlicher Wärmeverlust auf, weil die elastische Andruckvorrichtung ausgezeichnete Wärmeübergangseigenschaften aufweist.

Statt der in F i g. 1 bis 4 gezeigten quadratischen Anordnung der Thermoelemente kann z. B. auch eine kreisförmige Anordnung gewählt werden. Bei äußerem Atmosphärendruck wird die Umhüllung von den Elementen selbst gestützt. Jedes Thermoelement ist von seinen Nachbarn elektrisch durch Glasuren isoliert, die eine Dicke von etwa 0,05 mm haben. An hohen Temperaturen ausgesetzten Stellen besteht die Glasur aus Zirkonoxyd, an Stellen mit niedrigeren Temperaturen dagegen aus einer keramischen Glasur.

Die heiße Platte HSO aus einem oxydationsfesten Material ist entweder an eine Wärmequelle angeschweißt oder erhält die Wärmeenergie durch Strahlung. Die heiße Platte ist von einem Kühlring 47 umgeben, der beim Anschweißen alle durch Falten entstehenden Ungleichmäßigkeiten zwischen dem dünnen Mantel 41 und der heißen Platte HSO aufnimmt. Dadurch wird das Verschweißen erleichtert, so daß der Mantel 41 starr mit der heißen Platte HSO und dem Kühlring verbunden ist und sicher abgedichtet ist.

Die Verbindungsleiteranordnung aus den Teilen 52, 54, 56 und 58 und den Isolierungen 101, 103 und 105 wird vorzugsweise vor dem Einbau getrennt mittels eines einzigen Lötvorganges hergestellt. Die Anordnung wird dann mit einem Nickel-Titan-Lot an die Platte HSO angelötet. Die Wolframleiste 105 ist in die Platte HSO eingelassen, so daß das Wolfram unter Druck steht, wenn die Anordnung von der Löttemperatur abgekühlt ist. Die Lötverbindung zwischen Leiste 105 und Platte HSO steht infolgedessen nicht unter der vollen Scherkraft. Die Isolatoren 103 aus Zirkoniumoxyd befinden sich zwischen der Lötleiste 105 und einer Expansionsausgleichsleiste 101. Die Wärmeausdehnung des Wolframs 101 paßt sich in jedem Falle der Ausdehnung des Zirkoniumoxyds 103 an und ist auch an die Ausdehnung der anschließenden Kappe 80 aus Wolfram, die auf das Thermoelement aufgedampft ist, angepaßt. Die Kappen 80 verhindern, daß eine Biegebeanspruchung infolge von Verwerfungen der Verbindungsteitungen den thermischen Kontakt verschlechtern könnte. Die Leitungen 52 bis 58 sind aus Platin, weil dieses Metall duktil ist und geringe Festigkeit hat, wodurch die Druck- und Wärmebeanspruchungen vermindert werden. Auch mit Niob überzogenes Kupfer wäre in dieser Hinsicht brauchbar. Der Dampfdruck des Platins bei der ins Auge gefaßten Betriebstemperatur von 1000° C ist aber sehr gering, während der Dampfdruck des Kupfers für diese Betriebstemperatur zu hoch ist. Die Platein- und Kupferleiter sind mit Sicken versehen, um die Biegsamkeit zu erhöhen. Ein Nickel-Titan-Lot wird verwendet, weil es sich gezeigt hat, daß dieses Lot zum Verlöten von Keramik und Metallen geeignet ist.

Der Mantel 41 der heißen Thermoelementgruppe besteht aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Kobalt-Legierung wegen des Oxydationswiderstandes und der geringen elektrischen Leitfähigkeit dieses Materials. Diese Legierung kann auf kleine Dicken ausgewalzt werden. Die Wolframkappen 8t an den kalten Lötstellen sind mit einer Kupfer-Titan-Legierung an die aus Kupfer bestehenden Verbindungsleitungen 51 bis 59 angelötet. Da sauerstoff reiches weiches Reinstkupfer hoher Leitfähigkeit für die Verbindungsleitungen verwendet wird und an dieser Stelle mittels der flexiblen Wand 19 ein Druckkontakt ausgeübt wird, ist die Nachgiebigkeit der Verbindung durch die Verwendung des Kupfers gesichert. Zum Anlöten des Silizium-Germanium-Schenkel an die zentrale Verbindungsleitung 51 aus Kupfer, welche die Gruppe 11 mit der Gruppe 13 verbindet, dient eine Kupfer-Silber-Legierung. Die Verbindung des Mantels 41 mit der zentralen Tragplatte 45 der ganzen Anordnung geschieht mittels eines oxydationsfesten Platin-Gold-Lotes, weil wegen des beschränkten Raumes und des leichteren Zusammenbaus eine Schweißung an dieser Stelle auf gewisse Schwierigkeiten stößt.

Der Teil 16 bildet nicht nur einen ausgezeichneten Wärmeleiter, der zur nachgiebigen Halterung der Thermoelemente auf engstem Raum dient, sonderen gewährleistet auch dank seiner mit Sicken versehenen Oberfläche und der Nachgiebigkeit der Drahtnetzwikkel 27 einen sehr gleichmäßigen Andruck der Verbindungssteilen für die Thermoelementgruppen 11 und 13.

Die flexible Wand 19 ist aus einem Edelstahl, der sehr widerstandsfähig gegen Caesium ist. Auch die Nickel-Titan-Legierung mit der die Wand 19 am Rahmen 21 angelötet ist, ist caesiumfest. Der quadratische Rahmen

30. 21 dient nur zum leichteren Zusammenbau bei der Herstellung.

Durch die Abflachung der ursprünglich runden Drahtnetzrollen 27, die aus vier Windungen eines Drahtnetzes mit der Maschenweite 0,15 mm bestehen, wird ein Druck von etwa 14 kg/cm² auf die Thermoelemente ausgeübt. Das Caesium, das einen Druck von etwa 0,56 kg/cm² bei der Lötstellentemperatur von 830° K hat, liefert die notwendige Wärmeleitung, um den Temperaturabfall im Teil 16 möglichst klein zu halten. Der Temperaturabfall ist weniger als 1°K. Der erzielbare Anpreßdruck ist kleiner als die Druckfestigkeit des Bleitellurids, die wesentlich geringer als diejenige von Silizium-Germanium ist. Die trapezförmige Ausbildung der Enden der Thermoelementschenkel verringert die Absplitterung von Kanten, die bei der Verbindung ebener Flächen ungleichartiger Stoffe sonst unvermeidlich ist. Die spröden Halbleiter THPX-THP2 und THNi-THN2 sind an den Enden von den festeren Kupferschuhen 121 umgeben, wodurch die Halterung ohne Bruchgefahr ermöglicht wird.

Die Schenkel THP\-THP2 und THNL-THN2 können aus Zinntellurid oder einem anderen thermoelektrischen Material statt aus Bleitellurid bestehen. Die vier im Ausführungsbeispiel gewählten Stoffe dienen zur Erzielung einer maximalen Leistung über den vorgesehenen Temperaturbereich. Der Strom und die Wärmeenergie fließen jeweils nacheinander durch die beiden p-Typen und durch die beiden η-Typen. Es ist möglich, dies zuzulassen und trotzdem den optimalen Arbeitspunkt beider Stoffe jeweils einzuhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß in den Abschnitten THN 2 je ein Loch 15 vorhanden ist, so daß die für die Abschnitte THN 2 optimale höhere Stromdichte erreicht wird.

Dadurch, daß die gesamte Umhüllung des Thermogenerators aus der gleichen Legierung besteht, ist die Korrosionsgefahr an den Anschlußstellen der Umhüllung ausgeschaltet. Da andererseits die Thermoelement-

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schenkel nicht fest mit der Hülle verbunden sind, sind Unterschiede in der Wärmeausdehnung ohne Bedeutung.

Die Wärmesenke 53 kann an die Kühlplatte HSI angelötet, angeschweißt oder auf mechanischem Wege befestigt sein.

Die vollkommen geschlossene Generatoreinheit ist äußert vielseitig in der Anwendungsmöglichkeit hinsichtlich der Wärmequellen, der Wärmeabführung und

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der Atmosphäre. Als Wärmequellen kommen insbesondere Kernreaktoren und Radioisotope in Frage. Die Anordnung arbeitet ebenso gut auf der Erde wie im luftleeren Raum.

Das Leistungsgewicht des beschriebenen thermoelektrischen Generators beträgt etwa 50 Kilogramm pro Kilowatt und der Wirkungsgrad 12,2% bei einer heißen Lötstellentemperatur von 1000⁰C und einer kalten Lötstellentemperatur von 176° C.

Hierzu 3 Blatt Zeichnuimcn

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrischer Generator mit einer ersten Thermoelementgruppe, die in Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle steht, einer zweiten Thermoelementgruppe, die in Wärmeaustausch mit einer Wärmesenke steht, einem wärmeleitenden Verbindungsglied zwischen den beiden Thermoelementgruppen und elektrischen Schaltmitteln, mittels deren die einzelnen Thermoelemente in Reihe geschaltet sind, bei dem die thermoelektrischen Materialien der beiden Thermoelementgruppen voneinander abweichende Werte des Faktors Q haben, der als Quotient des Quadrats der differentiellen Thermokraft und des Produktes von Wärmeleitfähigkeit und spezifischem elektrischem Widerstand definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied (16) aufgewickelte dünne Drahtnetze (27) enthält, die Federkräfte auf die einander zugekehrten Lötstellen der beiden Thermoelementgruppen ausüben, und ferner ein Material enthält, das bei der Temperatur der heißen Lötstellen der kälteren Thermoelemente (13) flüssig und bei der Temperatur der kalten Löststellen der wärmeren Thermoelemente (11) dampfförmig ist und in Berührung mit den eine Kapillarwirkung ausübenden dünnen Drahtnetzen (27) steht.

2. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtnetzwickel (27) in einem dampfdichten Behälter (17) mit flexiblen Wänden (19) eingeschlossen sind und daß der Dampf bei der Betriebstemperatur einen erheblichen Druck auf die Wände (19) ausübt und so den Wärmeübergang zwischen den Thermoelemen-