DE1539273A1

DE1539273A1 - Thermoelectric device

Info

Publication number: DE1539273A1
Application number: DE19511539273
Authority: DE
Inventors: Veit Merges; Paul Dr Rer Nat Zahn
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1951-01-28
Filing date: 1951-01-28
Publication date: 1971-11-11
Also published as: DE1539273C3; DE1539273B2

Description

Thermoelektrische Einrichtung Die Erfindung betrifft :eine thermo.elektrische Einrichtung zur. Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie mit Hilfe von Thermoelemehten, die beispielsweise an einem wärmeabgebendei Kern angeordnet sind.Thermoelectric device The invention relates to a thermoelectric device Facility for. Conversion of thermal energy into electrical energy with the help of Thermal elements, which are arranged, for example, on a heat-emitting core.

Der Wirkungsgrad der Energisuniwandlung bei einer solchen Einrichtung hängt bekanntlich nicht nur vom Wirkungsgrad: jedes einzelnen Therinoeleinentes ab, sondern wird wesentlich durch die erzielbare Temperaturdifferenz zwischen den Heiß- und Kaltsehen der Thernioeleniente eines eine Vielzahl solcher Thermoelemente aufweisenden Therinogenerators: bestimmt. Um eine möglichst optimale.thermoelektrische Ausnutzung einer lohen Temperaturdifferenz zu erzielen, ist vorgeschlagen worden, sog. segmentierte Thermoelemente aus halbleitenden Materialien zu verwenden, bei denen jeweils die p- und n-leitenden Schenkel aus Segmenten thermoeiektrisch unterschiedlich wirksamen Materials bestehen, die thermisch und elektrisch leitend miteinander zu verbinden sind, vgl.. W.T. Hicks "Proceedings 19th Annual Power Sources Gonference 18-2O May 1965", Seite 145; und E.S. Pedersen "Nuclear Energy in Space", 1964, Seite 321, Prentice-Hall Space Technology:Series, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J. Jedes dieser Segmente kann daher in seinem spezifischen Temperaturbereich optimal arbeiten. Auf diese Weise können Temperaturgefälle von etwa 1000o C für Thermogeneratoren optimal nutzbar gemacht werden. Die Realisierung solcher segmentierter Thermoelemente ist insofern schwierig, als die einzelnen Halbleitersegmente thermisch und elektrisch leitend derart miteinander verbunden werden müssen, daß trotz des hohen Temperaturgefälles sowohl die Segmente selbst als auch deren Verbindungen den durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten und Temperaturpotentiale der verschiedenen Werkstoffe, aus denen die thermoelektrische-Einrichtung besteht,: bedingten Wärmedehnungen folgen können, ohe daß der die Leistung des Thermogenerators bestimmende Wärmefluß zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke gemindert oder gar das Thermoelement zerstört wird. An der einwandfreien Beherrschung der Wärmespannungen an den Verbindungsstellen der einzelnen - Segmente und -ihrer Eialterung -scheiterte bisher der industrielle Einsatz-solcher Thermoelemente.-Hier nun setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, eine: thermoelektrische Einrichtung mit segmentierten Thermoelementen für einen Thermo.generator, insbesondere eine elektrische und wärmeleitende Verbindung für die einzelnen Segmente jedes Schenkels eines Thermoelementes zu schaffen, die die Beherrschung hoher Temperaturdifferenzen auf einfache Weise ermöglichtq also den auftretenden Wärmedehnungen ohne Schaden zu verursachen zu folgen vermag und eine gedrängte Bauweise, eine sichere Lagerung und eine einfache Montage der segmentierten Thermoelemente ermöglicht.The efficiency of the energy conversion in such a device It is well known that not only depends on the degree of efficiency: each individual Therino element from, but is essentially determined by the achievable temperature difference between the Hot and cold vision are the main elements of a multitude of such thermocouples having therinogenerators: determined. In order to achieve the best possible thermoelectric To make use of a low temperature difference, it has been proposed to use so-called segmented thermocouples made of semiconducting materials each of which the p- and n-conductive legs from segments thermoiectrically different effective material that are thermally and electrically conductive to each other connect are, see .. W.T. Hicks "Proceedings 19th Annual Power Sources Gonference 18-2O May 1965 ", p. 145; and E.S. Pedersen" Nuclear Energy in Space ", 1964, p 321, Prentice-Hall Space Technology: Series, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J. Each of these segments can therefore be optimal in its specific temperature range work. This allows temperature gradients of around 1000o C for thermal generators can be made optimally usable. The realization of such segmented thermocouples is difficult in that the individual semiconductor segments are thermally and electrically must be conductively connected to each other in such a way that despite the high temperature gradient both the segments themselves and their connections through different ones Expansion coefficients and temperature potentials of the various materials, from which the thermoelectric device consists: follow conditional thermal expansions can, without the heat flow determining the performance of the thermogenerator between the heat source and the heat sink or even destroy the thermocouple will. The perfect control of the thermal stresses at the connection points the individual - Segments and their egg aging failed so far the industrial use - such thermocouples - this is where the invention comes in, whose task it is to create a: thermoelectric device with segmented thermocouples for a Thermo.generator, in particular an electrical and thermally conductive connection for the individual segments of each leg of a thermocouple to create the the control of high temperature differences is thus made possible in a simple manner able to follow the thermal expansions occurring without causing damage and a compact design, secure storage and easy assembly of the segmented Thermocouples made possible.

Ausgehend von einer thermoelektrischen Einrichtung mit einem Thermoelement, dessen p- und n-leiten de Schenkel aus mindestens zwei elektrisch -leitend verbundenen Milen thermoelektrisch unterschiedlich wirksamen Materials bestehen, ist diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Teilen der Schenkel aus gut wärmeleitenden biegeschlaffen Körpern, vorzugsweise aus zu viellitzigeri Seilstücken verdrillten Silberfäden besteht. Hierdurch ist erstmals die Möglichkeit gegeben; die Segmente eines-Thermoelementes elektrisch- und wärmeleitend sowie elastisch so miteinander zu verbinden,: daß die einzelnen Segmente sowohl ihren als. auch den Wärmedehnungen ihrer Hatterung zu folgen vermögen, ohne daß hierdurch der gute Wärmekontakt zwischen den Heißseiten der Thermoelemente und dein wärmeabgebenden Kern und der elektrische Kontakt zwischen den "einzelnen Segmenten beeinträchtigt wird: Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß diese elastische Verbindung ermäglicht, die Kaltseite der`Thermoelemexite. starr mit einem Radiator zu verbinden. 1 Die erfindungsgemäße elastische Verbindung erlaubt ferner eine besonders einfach konstruktive Ausbildung der Halterung für derartige segmentierte Thermoelemente"-wie die Ausbildung einer solchen Halterung, nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zeigt, nach der- -a.lle Teile eines: Thermoelementes von einer zweiteiligen Hülse aus wärmeisolierendem Material gehalten sind, deren äußere Mantelfläche einen Kegelstumpf umschließt, der in einer zugehörigen kegelstumpfförniigen Ausnehmung in der Struktur eines Thermogenerators gelagert ist. Hierdurch wird eine kompakte Bauform und leichte Auswechselbarkeit der thermoelektrischen Einrichtung erreicht, die sowohl eine sichere: Lagerung der mehrteiligen Thermoelemente als auch eine einfache Montage der Thermoelemente in der Struktur eines eine Vielzahl derartiger thermoelektrischer Einrichtungen aufweisenden Thermogenerators ermöglicht.Starting from a thermoelectric device with a thermocouple, its p- and n-conducting de legs of at least two electrically -conductively connected Milen thermoelectrically different effective materials consist, this task is solved according to the invention in that the electrically conductive connection between the parts of the legs made of limp bodies that conduct heat well, preferably consists of silver threads twisted into viellitzigeri pieces of rope. This is given the opportunity for the first time; the segments of a thermocouple electrically and to connect with each other in a thermally conductive and elastic manner: that the individual Segments both their and. are also able to follow the thermal expansion of their hold, without the good thermal contact between the hot sides of the thermocouples and your heat emitting Core and the electrical contact between the "individual segments is affected: Another benefit is in it too." see that this elastic connection allows the cold side of the`Thermoelemexite. to be rigidly connected to a radiator. 1 The elastic connection according to the invention also allows a particularly simple structural design of the holder for such segmented thermocouples "-like the formation of such a holder, shows according to a further feature of the invention, according to the -a all parts of a: thermocouple are held by a two-part sleeve made of heat insulating material, the outer circumferential surface encloses a truncated cone, which is in an associated truncated cone Recess is stored in the structure of a thermal generator. This creates a compact design and easy interchangeability of the thermoelectric device achieved that both a safe: storage of the multi-part thermocouples as also a simple assembly of the thermocouples in the structure of a variety such thermoelectric devices having thermogenerator allows.

Die leichte Wartung und Auswechselbarkeit der Thermoelemente ist von besonderem Vorteil für Thermogeneratoren für den terreatrischen Einsatz..: Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.- Fg. 1 zeigt einen -Schnitt durch die thermo.elektrische Einrichtung innerhalb einer Struktur eines Thermogenerators mit radioaktiv aufgeheiztem Kern, -Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch :eine andere Ausführungsform, einer thermoelektrischen Einrichtung innerhalb einer Struktur :eines Thexmogenerators mit konventionell aufgehelztem K:eru:.The easy maintenance and exchangeability of the thermocouples is of particular advantage for thermogenerators for terreatric use ..: The invention is explained in more detail below with reference to the drawing of two exemplary embodiments of a thermogenerator with a radioactively heated core, -Fig. 2 shows a section through: another embodiment, a thermoelectric device within a structure: a thexmogenerator with conventionally melted K: eru :.

meiner zweiteilig ausgebildeten Hülse 2 aus wärm.eisolier-endem Material ist ein Thermoeement-3 .-angeordnet, dessen p-leltender Schenkel aus zwei Segmenten 4 und thermoelektrisch unterschiedlich wirksamen Materials besteht, während der n-leitende Schenkel aus zwei Segmenten 5 und 7 aus: .ebenfalls thermoelektriscb unterschiedlich wirksamen Material besteht. Die Segmente 4,6 bzw5, 7 jedes Schenkels sind miteinander über biegeschlaffe.Körper 9 elektrisch und gut wärmeleitend verbunden, die zwischen- mit den Enden der Segmente verlöteten Plättchen 11 gehalten :sind.: Vorzugsweise bestehen diese biegeschlaffen Körper aus zu viellitzigen Seilstücken verdrillten Silberfäden.my two-part sleeve 2 made of heat-insulating material A thermal element 3 is arranged, the p-lelting leg of which consists of two segments 4 and thermoelectrically different effective material exists, while the n-conductive legs from two segments 5 and 7 from:. Also thermoelectriscb different effective material consists. The segments 4, 6 and 5, 7 of each leg are connected to each other via limp body 9 electrically and with good thermal conductivity, the plates 11 soldered between the ends of the segments are held: These limp bodies preferably consist of multi-strand pieces of rope twisted silver threads.

Das Thermoelement 3 stützt sich in bekannter Gleise mit seiner Heißseite 13 über eine kegelstumpfförmige Brücke 14 unter Zwischenschaltung einer elektrischen Isolierschicht 16 auf einem wärmeabgebenden Kern 18 ab, der im Falle der Fig. 1 in hier nicht dargestellter Weise mittels einer radioaktiven Wärmequelle aufgeheizt wird. An der Kaltseite 19 des Thermoelementes 3 sind in bekannter Weise die Schenkel des Thermoelementes überragende Kontaktstücke 20 aufkontaktiert, die elektrische Anschlüsse 22 und 24 tragen. Die Kontaktstücke 24 sind im Bereich der Schenkel des Thermoelementes gegenüber einem kegelstumpfförmigen Wärmeleitstück 26 durch eine thermisch leitende und elektrisch isolierende. Schicht 27 isoliert. Lias segmentierte Thermoelement 3 ist dann von der es umgeben-den Hülse 2 gehalten, wenn die Hülse in eine entsprechende kegelatumpfförmge Ausnehmung 32 einer sie.umgebenden: wärmeisolierenden Schicht 33 der hier nicht näher dargestellien Struktur des Thermogenerätors eingesetzt ist. Das kegelatumpfförmige Wärmeleitstück 26 geht in einen zylindrischen Körper 35 über, der eine der Abschirmung radio- aktiver Strahlen dienende Platte 39 durchsetzt und .der die Wärme von, der_Kaltsete der Thermoelemente unter Zwischenschaltung des Wärmeleitstückes 26 an einen Radiator 37 abgibt. Die elektrischen Anschlüsse 22 und 24 durchsetzen sowohl. das Wärmeleitstück 26 als auch den zylindrischen Körper 35 und enden auf der Außenseite des Radiators .oder anderen Kühlers. Die eine Hälfte der das Thermoelement haltenden Hülse und die Wärmeleitstücke 26 und 35 bilden zweckmäßigerweise eln gemeinsames Hauteil, so daß eine leichte Montage und einfache Auswechselbarkeit der insgesamt als thsrmoelektrische Einrichtung bezeichneten Baugruppe erreicht wird. Bei einem Thermagerirator gemäß Fig. 2, dessen wärmeabgebender Kern 40 durch eine herkömmliche, nicht näher dargestellte, Wärmequelle, beispielsweise einem Gasbrenner, aufgeheizt wird, ist eine besondere Abschirmung gegen radioaktive Strahlen nicht erforderlich. Demgemäß sind bei der in Fig2 gezeigten Ausführungsform der- thermoelel@trischen Einrichtung der zylin- drische Körper 35 zwischen dem kegelstumpfförmigen Wärmeleitstück 26 und dem Radiator sowie auch die den zylindrischen Körper umgebende Platte 39 entbehrlich. The thermocouple 3 is supported in known tracks with its hot side 13 via a frustoconical bridge 14 with the interposition of an electrical insulating layer 16 on a heat-emitting core 18 which, in the case of FIG. 1, is heated by means of a radioactive heat source in a manner not shown here. On the cold side 19 of the thermocouple 3, the legs of the thermocouple protruding contact pieces 20 are contacted in a known manner, which carry electrical connections 22 and 24. The contact pieces 24 are in the area of the legs of the thermocouple opposite a frustoconical heat conduction piece 26 by a thermally conductive and electrically insulating. Layer 27 isolated. Lia's segmented thermocouple 3 is then held by the sleeve 2 surrounding it when the sleeve is inserted into a corresponding tapered recess 32 of a heat-insulating layer 33 surrounding it of the structure of the thermogenic device , not shown in detail here. The tapered heat conduction piece 26 merges into a cylindrical body 35 which penetrates a plate 39 serving to shield radioactive rays and which emits the heat from the cold of the thermocouples with the interposition of the heat conduction piece 26 to a radiator 37 . The electrical connections 22 and 24 both enforce. the heat conducting piece 26 as well as the cylindrical body 35 and end on the outside of the radiator .or other cooler. One half of the thermocouple retaining sleeve and the Wärmeleitstücke 26 and 35 form suitably ELN common Hauteil, so that easy assembly and easy interchangeability of the assembly generally designated as thsrmoelektrische device is achieved. In a Thermagerirator shown in FIG. 2, the heat-emitting core 40 is heated by a conventional, not shown in detail, heat source, for example a gas burner, a special shield against radioactive rays is not required. Accordingly, in the embodiment of the thermoelectric device shown in FIG. 2 , the cylindrical body 35 between the frustoconical heat conducting piece 26 and the radiator and also the plate 39 surrounding the cylindrical body can be dispensed with.

In der in der deutschen Patentschrift : . . . . . (Patentanmeldung B $9 207 YIIIc/21h) beschriebenen Weise stützt sich jedes Thermoelement 3 mit seiner Reibseite 13 unter Zwischenschaltung der elektrischen Isolierschicht 16 auf dem wärmeabgebenden Kern 40 ab, während die Kaltseite 19 jedes Thermoelementes direkt Träger jedes Kühlrippen 44 auf- weisenden Radiatorteiles 42 ist, welches jeweils dass elektrische Potential des zugehörigen Thermoelementes 46 besitzt. Zusätzlich ist jeweils eine Feder zwischen den biegeschlaffen Körpern 9 angeordnet. In the German patent :. . . . . (Patent Application B $ 9207 YIIIc / 21h) manner described relies each thermal element 3 with its friction side 13 with the interposition of the electric insulating layer 16 on the heat-dissipating core 40, while the cold side 19 of each thermocouple directly support each cooling fin 44 up facing radiator portion 42 , which each has the electrical potential of the associated thermocouple 46 . In addition , a spring is arranged between each of the limp bodies 9.

Als biegeschlaffer Körper kann auch ein Metallbalg Verwendung finden, der mit einer wärmeleitenden Flüssigkeit,-beispielsweise-Quecksilber', gefüllt ist. A metal bellows filled with a heat-conducting liquid, for example mercury, can also be used as the limp body.

Claims

Claims 1. Thermoelectric device with a semiconductor thermocouple, its p- and n-conductive legs each consist of at least two electrically and thermally exist in series connected parts of different material, thereby g e k e ri i z e i c 1i n e -t "that the electrically and thermally conductive connection circulates the parts (4.6 bzu-. 5.7) of the legs made of limp bodies that conduct heat well (9), preferably consists of silver threads twisted into multi-strand pieces of rope. Thermoelectric device according to Claim 1, characterized in that there are g e k e il n z e i -c h n e t, claß the limp body is a metal bellows with a thermally conductive Liquid, preferably with liquid rivet, is filled: 3. Thermo-lectric Device according to Claim 1 or 2, characterized in that all File the thermocouple (3) from a two-part sleeve (2) made of heat-insulating Material are surrounded in a corresponding. Recess (32) in the thermal. Insulation of a thermal generator is stored. 4. Thermoelectric device according to claim 1 and 2, thereby g e k e zi n z e i -c h ii e: t, äaß the front sides limp Body (9) with the cross-section of the to be connected Parts (4,6 and 5,7) corresponding platelets (11) are metallically connected, the in turn, also connected by rivets to the facing end faces of the parts are. Thermoclectric device according to claims 1 and 2, thereby g e k e n n z e i c h ia e t that in addition to the the parts (4,6 bzis. 5,7) with each other connecting limp bodies (9) an Äraftspeicher (spring) (46) `arranged is. .