DE1539291B1

DE1539291B1 - Kompakter,leichter thermoelektrischer Generator

Info

Publication number: DE1539291B1
Application number: DE19661539291
Authority: DE
Inventors: Robert Joseph Campana; Joseph Charles Melcher; Peter Stephen Merril; Walter Eugene Sargent
Original assignee: Gulf General Atomic Inc
Current assignee: Gulf General Atomic Inc
Priority date: 1965-04-27
Filing date: 1966-04-27
Publication date: 1970-08-27
Also published as: NL6605652A; AT274085B; BE680163A; IL25627A; US3388008A; GB1091729A; CH469323A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen kompakten, elektrischer Generator der eingangs genannten Art beleichten thermoelektrischen Generator, der langzeitig kannt (USA.-Patentschrift 2 526112), bei dem in an unzugänglichen Stellen betreibbar ist, mit einem Ge- einem Gehäuse eine langgestreckte Thermosäule angehäuse, einer in dem Gehäuse untergebrachten langge- ordnet ist. Diese Thermosäule umfaßt eine Anzahl von streckten Thermosäule mit in einander entgegenge- 5 in Längsrichtung des Gehäuses sich erstreckenden setzten Richtungen weisenden Enden, die von einem in Thermoelementen, die elektrisch miteinander in Reihe dem Gehäuse angeordneten Stützkörper umschlossen geschaltet sind. Damit haftet auch diesem bekannten ist und die eine Vielzahl von Thermoelementen enthält, thermoelektrischen Generator der Nachteil an, daß bei von denen jedes zwei Thermoelementschenkel aus Ausfall eines Thermoelements, z.B. auf Grund eines Materialien mit positiver bzw. negativer Thermokraft io Leitungsbruchs, der gesamte thermoelektrische Geneaufweist, die sich, in Längsrichtung der Thermosäule rator ausfallen kann.

erstrecken und die jeweils an einem Ende der Thermo- . Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, säule über elektrische Verbindungsstellen, die vonein- einen langlebigen, zuverlässigen thermoelektrischen ander elektrisch isoliert sind, miteinander verbunden Generator zu schaffen, der an unzugänglichen Stellen sind, wobei die Thermoelemente elektrisch in Reihe 15 betreibbar ist und der auch bei Ausfall einzelner am anderen Ende der Thermosäule miteinander ver- Thermoelemente noch Elektrizität abzugeben imstande bunden sind und wobei diese Verbindungen elektrisch ist.

voneinander isoliert sind, bei dem Mittel vorgesehen Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe

sind, die die Enden der Thermosäule auf unterschied- durch einen kompakten, leichten thermoelektrischen liehen Temperaturen halten. 20 Generator der eingangs genannten Art erfindungsge-

Zur Erzeugung elektrischer Energie ist bereits ein maß dadurch, daß jeweils eine Mehrzahl von elekthermoelektrischer Generator bekannt (»Nucleonics«, trisch in Reihe miteinander verbundenene Thermoele-Mai, 1959, S. 166 bis 174), bei dem sich eine Generator- menten zu einer Mehrzahl langgestreckter Thermoanordnung in einem Gehäuse befindet. Die Generator- bündel zusammengefaßt sind und daß mehrere Thermoanordnung besteht dabei aus einer Thermosäule und 25 bündel an dem Ende der Thermosäule, an dem die einer radioaktiven Quelle, durch welche ein Ende der Thermoelemente verbunden sind, über einen Last-Thermosäule erwärmt wird. Die Thermosäule besteht widerstand elektrisch parallel zur Bildung wenigstens ihrerseits aus mehreren Thermoelementen, von denen eines Thermobündelsatzes miteinander verbunden sind, jedes zwei Schenkel besitzt, dessen einer aus einem Hierdurch ergibt sieh der Vorteil, daß die Auswirpositiven thermoelektrischen Material und dessen 30 kung des Ausfalls eines Thermoelements infolge eines anderer aus einem negativen thermoelektrischen Leitungsbruchs oder eines Kurzschlusses zwischen Material besteht. Diese Schenkel sind an einem Ende Thermoelementen weitgehend herabgesetzt ist, woder Thermosäule elektrisch leitend miteinander ver- durch auf einfache Weise ein langlebiger, zuverlässig bunden. Am anderen Ende der Thermosäule sind die arbeitender thermoelektrischer Generator geschaffen anderen Enden der Thermoelemente elektrisch mit- 35 ist, der an unzugänglichen Stellen verwendet werden einander in Reihe geschaltet. Die Thermoelement- kann. Ein Kurzschluß zwischen Thermoelementen schenkel sind dabei radial um die Wärmequelle herum schaltet nämlich nur den Beitrag dieser Thermoeleangeordnet. Von Nachteil bei diesem bekannten mente bei der Elektrizitätserzeugung aus. Ein Leithermoelektrischen Generator ist, daß für seine Reali- tungsbruch schaltet dabei lediglich den Beitrag eines sierung relativ viel Platz benötigt wird, und zwar wegen 40 Thermobündels aus.

der radialen Anordnung der Thermoelementschenkel, Bei Ausgestaltung des thermoelektrischen Genera-

und daß bei Ausfall eines Thermoelements der ge- tors gemäß der Erfindung in der Weise, daß an dem samte Generator ausfallen kann. Ende der Thermosäule, an dem die Thermoelemente

Es ist ferner eine Thermosäule bekannt (USA.-Pa- verbunden sind, ein die sich auf Grund von Temperatentschrift 2 530 256), die aus mehreren Thermoele- 45 turänderungen in der Umgebung ergebenden Differenmenten besteht, von denen jedes zwei aus einem Metall zen der zeitlichen Änderungen der Temperatur der mit positiver bzw. negativer Thermokraft bestehende Enden der Thermosäule mindernder und somit die von Schenkel aufweist, die am heißen Ende der Thermo- dem Generator bei solchen Temperaturänderungen säule elektrisch leitend verbunden sind. Diese Verbin- abgegebene Leistung stabilisierender Körper großer dungssteilen sind dabei voneinander elektrisch isoliert, 50 thermischer Kapazität und geringer thermischer Leitaber thermisch miteinander verbunden. Auch hierbei fähigkeit angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil, daß sind alle Thermoelementschenkel in Reihe geschaltet. auch bei wechselnden Umgebungstemperaturen die Damit haftet auch dieser bekannten Thermosäule der Klemmenspannung und die Ausgangsleistung des Nachteil an, daß sie bei Ausfall eines Thermoelements Generators weitgehend konstant gehalten werden gegebenenfalls ebenfalls ausfällt und damit keine 55 können.

Spannung mehr abzugeben imstande ist. Enthalten gemäß einer weiteren zweckmäßigen Aus-

Es ist auch schon ein thermoelektrischer Generator gestaltung des Generators gemäß der Erfindung die bekannt (britische Patentschrift 574 816), bei dem Mittel, die die Enden der Thermosäule auf unterzwar eine Thermosäule aus mehreren, in Reihe ge- schiedlichen Temperaturen halten, ein Wärme erzeuschalteten Thermoelementen besteht, bei dem aber je- 60 gendes radioaktives Isotop, so ergibt sich der Vorteil, weils mehrere Thermoelemente in Gruppen zusammen- über einen thermoelektrischen Generator verfügen zu gefaßt und diese Gruppen elektrisch parallel geschaltet können, der über relativ lange Zeit hinweg für räumsind. Die Thermoelemente verlaufen dabei jedoch von lieh entfernt angeordnete oder unzugängliche Einricheiner Wärmequelle radial nach außen. Damit haftet tungen verwendet werden kann, wie z. B. für unbeauch diesem bekannten thermoelektrischen Generator 65 mannte arktische Stationen oder Seewetterstationen, der Nachteil an, daß er für seine Realisierung relativ für Erd- oder Unterwassernavigationseinrichtungen, viel Platz benötigt. für Raumfahrzeuge und/oder Mondeinrichtungen.

Es ist schließlich auch schon ein kompakter thermo- Die Erfindung wird an Hand eines in den Zeich-

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nungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher er- sen, während sein oberes Ende mit einem Deckel 32

läutert. Es zeigt ' verschlossen ist, welcher nach dem Einbringen der

F i g. 1 eine teilweise aufgebrochene Perspektivan- inneren Teile dicht verschlossen wird. Auf dem Dek-

sicht eines durch einen radioaktiven Stoff gespeisten kel 32 ist die elektrische Ausgangsklemme 12 ange-

thermoelektrischen Generators, 5 bracht. Weiterhin weist der Deckel eine in Achsrich-

F ig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie 2-2 in tung verlaufende Einfüllöffnung 34 für den Brennstoff

F i g. 1, auf, welche durch einen einstückig mit dem Deckel

F i g. 3 das Schema der bei einem Generator nach verbundenen, mit Gewinde versehenen Flansch 35

F i g. 1 und 2 verwendeten elektrischen Schaltung, umgeben ist. Die Öffnung wird durch eine Kappe 36

F i g. 4 einen Schnitt durch eine Verbindung von io verschlossen, welche in den Flansch eingeschraubt

Thermoelementschenkeln des in den F i g. 1 und 2 wird. Das Gehäuse 10, der Deckel 32 und die Kappe 36

gezeigten Generators. bestehen aus einem Leichtmetall mit hoher Wärme-

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer Vorrich- leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium,

tung zur Herstellung eines in F i g. 1 und 3 gezeigten Änderungen der Umgebungstemperatur bewirken

Generators. 15 eine Änderung der Temperaturen der heißen und kal-

Das Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen ten Verindungen 20 und 22, wobei die Größe der Generators gemäß der Erfindung umfaßt generell ein Änderung durch die thermischen Zeitkonstanten der Gehäuse 10 mit einer elektrischen Ausgangsklemme 12 sie umgebenden Teile bestimmt wird. Um die Tempe- und einer darin enthaltenen länglichen Thermosäule 16, raturen zwischen den Verbindungen und damit den die aus einer Vielzahl von positiven thermoelektrischen ao Spannungsabfall an den Klemmen der Thermosäule Schenkeln 17 und negativen thermoelektrischen Sehen- bei Änderungen der Umgebungstemperatur konstant kein 18 (F i g. 3) besteht, welche an einem Ende (21^4 zu halten, müssen die thermischen Zeitkonstanten der der Thermosäule zu heißen Verbindungen 20 und am die heißen und kalten Verbindungen umgebenden Teile anderen Ende 21B der Thermosäule zu kalten Verbin- und der heißen und kalten Verbindungen gleich sein, düngen 22 zusammengeschaltet sind. Damit entsteht 25 Die thermische Zeitkonstante eines Teils ist durch das eine Vielzahl von Thermoelementen 23, welche in noch Produkt seines Wärmewiderstands und seiner Wärmezu beschreibender Weise elektrisch zusammengeschal- kapazität gegeben. ■ tet sind. Die heißen Verbindungen 20 sind thermisch Bei der dargestellten Ausführungsform wird die mit radioaktivem Brennstoff 24 verbunden, welcher Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten ihnen Wärme zuführt; die kalten Verbindungen 22 30 Verbindungsstellen durch den hohen Wärmewidersind über Bolzen 40 und einen Wärmespeicher 26 mit stand der die heißen Verbindungen und den Brennstoff dem Gehäuse 10 verbunden. Der Wärmespeicher 26 umgebenden Teile und durch den geringen Wärmebesteht aus einer relativ großen Masse von Material widerstand der Teile in der Umgebung der kalten Vermit einer großen Wärmekapazität und geringem ther- bindungsstellen konstant gehalten. Um die thermischen mischem Widerstand. Die Thermosäule 16 ist mit der 35 Zeitkonstanten gleichzumachen, muß daher die elektrischen Ausgangsklemme 12 durch Abgriffslei- Wärmekapazität an den kalten Verbindungsstellen tungen 28 elektrisch verbunden. Ein thermisches Iso- proportional höher als die Wärmekapazität an den liermaterial 30 füllt den verbleibenden Raum im Ge- heißen Verbindungsstellen sein. Dies wird dadurch erhäuse 10 und vermindert den Wärmetransport zwi- reicht, daß eine relativ große Masse von Material mit sehen dem Brennstoff und dem Gehäuse sowie zwi- 40 hoher Wärmekapazität, welche als Wärmespeicher 26 sehen dem Brennstoff und den kalten Verbindungen. bezeichnet wurde, in der Umgebung der kalten Ver-Das thermische Isolationsmaterial 30 festigt weiterhin bindungsstellen angeordnet wird,
das Gehäuse 10 und stützt die Generatoranordnung Der mit der Thermosäule 16 verbundene Wärme- und den Wärmekondensator 26 mechanisch. speicher 26 im unteren Teil des Gehäuses umfaßt eine

Der radioaktive Zerfall des Brennstoffs 24 erzeugt 45 Scheibe 44 und einen darüberliegenden Ring 46. Der Wärme, welche zu den heißen Verbindungen 20 der Wärmespeicher 26 ist thermisch mit einer Vielzahl von Thermoelemente geleitet wird. Die kalten Verbindun- Bolzen 40 verbunden und wird teilweise von diesen gen 22 werden durch den geringen thermischen Wider- gestützt. Diese Bolzen sind ihrerseits mit dem Boden31 stand des Wärmespeichers 26 und der Bolzen 40 auf des Gehäuses 10 thermisch verbunden. Die kalten Vergeringerer Temperatur als die heißen Verbindungen 20 50 bindungsstellen 22 der Thermoelemente sind mit dem gehalten, weil die Bolzen 40 die kalten Verbindungen Ring 46 thermisch in einer noch zu beschreibenden mit dem Gehäuse 10 verbinden, und der hohe ther- Weise verbunden. Die Bolzen, die Scheibe und der Ring mische Widerstand des thermischen Isolationsma- sind vorzugsweise aus einem Material, wie beispielsterials 30 in Umgebung des Brennstoffes 24 und der weise rostfreier Stahl, mit geringem Wärmewiderstand, heißen Verbindungen einen Wärmetransport vom 55 hoher Wärmekapazität mechanischer Festigkeit und Brennstoff 24 zu den kalten Verbindungen und zum hoher Stoßfestigkeit hergestellt. Infolge des Weges mit Gehäuse vermindert. Wegen dieser Temperaturdiffe- geringem thermischem Widerstand, welche der therrenz wird in den Thermoelementen auf Grund des mische Speicher 26 und die Bolzen 40 zwischen dem thermoelektrischen Seebeck-Effektes eine elektromo- Gehäuse 10 und den kalten Verbindungsstellen der torische Kraft erzeugt, wodurch ein Spannungsabfall 60 Thermoelemente bilden, werden die kalten Verbinan den Klemmen der Thermosäule entsteht. Die Größe dungsstellen auf einer geringeren Temperatur als die dieser abfallenden Spannung hängt natürlich von der heißen Verbindungsstellen gehalten. Infolge der hohen Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Wärmekapazität des den Wärmespeicher 26 bildenden Verbindungen ab. Materials ist darüber hinaus die Wärmekapazität an Das Gehäuse 10 besitzt, wie dargestellt, zylindrische 65 den kalten Verbindungsstellen 22 groß im Vergleich Form, wobei seine Längsachse vertikal verläuft. Das zur Wärmekapazität an den heißen Verbindungsuntere Ende des Gehäuses ist durch einen einstückig stellen 20, wodurch Änderungen der Temperaturmit dem Gehäuse verbundenen Böden 31 abgeschlos- differenz zwischen den heißen und kalten Verbindungs-

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stellen infolge Änderungen der Umgebungstemperatur irisch in Reihe geschaltet sind und Thermobündel 56 vermindert oder eliminiert werden. bilden. Die Thermobündel sind elektrisch parallel ge-

Die den Ring und die Scheibe thermisch mit dem schaltet und bilden Thermobündelsätze 58, welche Gehäuse 10 verbindenden und die Thermosäule 16 ihrerseits wiederum elektrisch in Reihe geschaltet und stützenden Bolzen 40 mit hoher Stoßfestigkeit sind an 5 mit den Abgriffsleitungen 28 verbunden sind. Diese ihren Enden mit Schultern und Gewinden versehen vielfachen Verbindungen innerhalb eines sehr kleinen und durch Muttern 48 mit dem Boden 31 des Gehäu- Volumens werden durch Herstellung der Schenkel in ses 10 fest verbunden. Die unteren Schultern 49 und Form von dünnen Drähten erleichtert, die oberen Schultern 54 gewährleisten einen festen Ab- Die oben beschriebene Form der elektrischen Verstand zwischen dem Boden 31 und der Scheibe 44. Die io bindung erhöht die Zuverlässigkeit der Thermounteren Enden der Bolzen erstrecken sich durch das säule 16, indem Kurzschluß- oder Leerlauf effekte von Gehäuse 10 nach außen und dienen dem Generator einzelnen Thermoelementen 23 weitgehend ausgeals Flüsse oder als Vorrichtungen, mit denen er an schaltet werden.

einer geeigneter Basis befestigt werden kann. Bei der Die langgestreckten Drähte, aus denen die thermodargestellten Ausführungsform sind die Bolzen im Ab- 15 elektrischen Schenkel 17 und 18 bestehen, sind mit stand von 90° am Umfang eines Kreises angebracht, einem Überzug 59 aus elektrisch isolierendem Madessen Mittelpunkt in der Achse des Gehäuses 10 terial, wie beispielsweise ein hochtemperaturbeständiliegt. ' ger, elektrisch isolierender Lack, versehen, welcher bei

Die an den oberen Enden der Bolzen gestützte Berührung der Schenkel in der Thermosäule einen Scheibe 44 besitzt eine kreisförmige Platte 50, deren ao Kontakt zwischen den mittleren Bereichen verhindert. Mittelpunkt auf der Achse des Gehäuses 10 liegt und Je ein Schenkel 17 und 18 bildet ein Thermoelem3nt23, die horizontal ausgerichtet ist. Auf der Oberseite der wobei die Verbindung von je einem Ende der Schenkel Scheibe sind sich nach oben erstreckende Abstands- eine der heißen Verbindungsstellen 20 bildet. Die halter 52 vorgesehen, welche mit der Platte 50 ein- thermoelektrischen Schenkel 17 und 18 eines Thermo-Stückig verbunden sind und im Abstand von 90° auf; 35 elementes 23 verlaufen daher von einer gemeinsamen ihrem Umfang sitzen. In der Platte 50 und in den Ab- heißen Verbindungsstelle 20.

standshaltem 52 sind vertikale, mit Gewinde ver- Die Thermobündel 56 werden durch Serienschal-

sehene Löcher vorgesehen, welche die Bolzen 40 auf- tung der offenen Enden einer Vielzahl von Thermonehmen. Die oberen Schultern 54 unterhalb der elementen 23 gebildet. Die Serienschaltung wird durch Scheibe begrenzen die Länge der sich nach oben durch 30 Verbindung des freien Endes eines Schenkels 17 eines die Abstandshalter erstreckenden Bolzenteile. Der Thermoelements 23 mit dem freien Ende eines Sehenkoaxial im Gehäuse 10 angeordnete Ring 46 liegt auf kelsl8 eines anderen Thermoelements 23 vorgenomden Abstandshaltern 52 auf und ist durch die Bolzen men. Diese Verbindung der Schenkel bildet die kalten fe,st mit der Scheibe, verbunden, wobei die Bolzen in Verbindungsstellen 20. Obwohl die heißen Verbinmit Gewinde versehenen, vertikal von der Unterseite 35 dungsstellen 22 sich physikalisch von den kalten Verdes Rings nach oben verlaufenden Löchern sitzen. bindungsstellen 20 nicht unterscheiden, werden sie aus Durch die Abstandshalter 52 wird zwischen dem Ring Gründen der Übersichtlichkeit entsprechend ihrem 46 und der Scheibe 44 ein Zwischenraum gebildet, Zusammenhang mit dem Brennstoff 24 und dem welcher einen Teil des unteren Endes der Thermo- Wärmespeicher 26 als heiß und kalt bezeichnet, säule 16 aufnimmt. 40 Die Thermoelemente 23 sind zur Bildung von

Da die Temperaturdifferenz zwischen den heißen Thermobündeln 56 kompakt nebeneinander angeord- und kalten Verbindungsstellen 20 und 22 der Thermo- net, wobei ihre heißen Verbindungen 20 und ihre kalelemente der Thermosäule 16 durch das thermische ten Verbindungen 22 jeweils nebeneinanderliegen. Bei Isolationsmaterial 30 in der Umgebung der heißen Ver- dieser Anordnung isoliert der Überzug 59 die Schenbindungsstellen aufrechterhalten wird, kann das Tem- 45 kel 17 und 18 in ihren mittleren Bereichen elektrisch peraturgefälle durch Vergrößerung der Menge des voneinander. Die an den entgegengesetzten Enden des thermischen Isolationsmaterials zwischen den heißen Thermobündels befindlichen heißen und kalten Ver- und den kalten Verbindungsstellen maximal gemacht bindungen 20 und 22 sind mit einem dünnen Überzug werden. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die Thermo- aus elektrisch isolierendem Material 60 versehen, säule 16 in Form einer länglichen federnden Stange 50 welcher bei elektrischer Isolation der Verbindungen ausgebildet wird, welche von der Scheibe 44 durch nur einen geringen "Wärmewiderstand besitzt. Für diese den Ring 46 koaxial· zum Gehäuse 10 nach oben ver- Überzüge haben sich Silikonelastomere als geeignet läuft, wobei sich die heißen Verbindungsstellen 20 an erwiesen.

ihrem oberen Ende und die kalten Verbindungsstellen Jedes Thermobündel 56 wird durch eine offene

an ihrem unteren Ende befinden. Die Thermosäule 55 Reihenschaltung von Thermoelementen 23 gebildet, 16 besteht aus einer Vielzahl von positiven thermo^ wobei ein positiver Thermoelementschenkel 17 mit elektrischen Schenkeln 17 und einer gleichen Anzahl einem Ende an einer der heißen Verbindungsstellen 20 von negativen thermoelektrischen Schenkeln 18. sitzt und am anderen Ende frei ist und ein negativer welche aus dünnen, in Längsrichtung der Thermo- Thermoelementschenkel 18 mit einem Ende an einer säule verlaufenden Drähten bestehen, so daß ihre Ver- 60 anderen der heißen Verbindungsstellen 20 sitzt und am bindung an entgegengesetzten Enden der Thermo- anderen Ende frei ist. Die Schenkel mit freien Enden säule möglich wird. Die Schenkel 17 und 18 bestehen sind jeweils mit einer positiven Leitung 64 und einer aus ungleichen Materialpaaren, wie beispielsweise negativen Leitung 66 verbunden; das Thermobündel Chromel-P und Konstantan oder Tophel Spezial und wird in ein elektrisch isolierendes Material mit ge-Cupron Spezial; es können jedoch auch andere un-' 65 ringem thermischem Widerstand, wie beispielsweise gleiche Materialpaare verwendet werden. ein Siliconelastomer eingebettet. Die Leitungen 64

Die Schenkel 17 und 18 sind elektrisch verbunden und 66 erstrecken sich von einem Ende des Bündels und bilden Thermoelemente 23, welche ihrerseits elek- weg und besitzen vorzugsweise einen größeren Durch-

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messer als die Drähte der Thermoelemente, um eine kapsel 78 in die Kammer eingesetzt werden kann. Verbindung der Thermobündel untereinander zu er- Diese Teilung des thermischen Isolationsmaterials erleichtern. .-■■■■■. laubt einen Aufbau des Generators, in dem der untere

Mehrere Thermobündel 56 werden zur Bildung Teil 80 um den unteren Teil der Thermosäule 16 angeeines Thermobündelsatzes 58 durch Verbindung aller 5 bracht, der untere Teil und die Thermosäule Von oben positiven Leitungen 64 und aller negativen Leitungen in das Gehäuse 10 eingebracht und schließlich der 66 der Thermobündel elektrisch parallel geschaltet; obere Teil·82 und der Einsatz 84 eingesetzt und der der Thermobündelsatz besitzt dabei ein Paar von Lei- Dsckel 36 auf das Gehäuse 10 aufgebracht wird. Das tungen 64 A und 66 A. Mehrere Thermobündelsätze 58 thermische Isolationsmaterial 30 wird mit einem Inertwerden elektrisch durch Verbindung der Leitungen 64A io gas, vorzugsweise mit Argon, imprägniert, um Sauerund 66 A der Sätze 58 in Reihe geschaltet, wobei stoff und Wasserdampf auszuschließen,
wenigstens eine Leitung 64 A und eine Leitung 66 A Gemäß Fig. 4 und 5 werden die mit einem elek-

an die an der Ausgangsklemme 12 liegenden Abgriffs- irisch isolierenden Überzug 59 umhüllten negativen leitung 28 angeschaltet ist. Falls gewünscht, kann von thermoelektrischen Schenkel 18 auf eine AufspannjederderVerbiridußgenderLeitungen64/4und66/4"eine 15 vorrichtung90 aufgespannt, wobei ein bei 89 einge-Abgriffsleitung abgehen, um mehrere Ausgangsspan- spannter Dorn 88 über diesen Schenkeln angeordnet nungen zu erzeugen. - " ■, '■' und die mit einer Isolation 59 umhüllten positiven

Die Thermosäule 16 wird durch eine Anordnung thermoelektrischen Schenkel 17 über dem Darn aufder Thermobündelsätze 5& gebildet, bei der die Lei- gebracht werden. Die Enden der Schenkel 17 und 18 tungen 64/4 und 66/4 in derselben Richtung verlaufen; ao werden sodann durch geeignete, auf der Befestigung die Thermobündelsätze 58 bilden eine feste zylindri- angebrachte Mittel-miteinander verflochten, so daß sehe Einheit. ' ■ - " ' verflochtene Endteile 92 entstehen. Darauf werden

• Der. Teil der Thermosäule, in der sich die Leitungen der Dorn 88 und die miteinander verbundenen Theymo-64/4 und 66A befinden, ist vorzugsweise durch den elemente von der Befestigung 90 entfernt. Die Enden Siliconelastomerüberzug aöi. inneren Umfang des 25 der verbundenen Schenkel werden beispielsweise durch Rings 46 angebracht, wobei die Enden der Leitungen einen Sandsfrahl mit niederem Druck abisoliert, wäh-64/4 und 66/4-radial auf der Platte 50 verlaufen. Die Ab- rend der übrige Bereich der Schenkel überzogen bleibt, griffsleitungeti 28 verlaufen·' durch die durch die Ab- Die verflochtenen Enden 92 werden mit einem geeigstandshalter gebildeten-Spalte zur Äusgangsklemme. neten Lot 96, vorzugsweise einem Silberlot, unter Ver-' Der Raüüi-zwischen der Platte 50, den Abstands- 30 Wendung eines Tauch-Lot-Verfahrens versehen und haltern 52,4er-Unterseite des'Rings 46;und dem unte- darauf mit-einer elektrischen Isolation 69, vorzugsren Ende der Thermobündelsätze 58 ist ,mit einem weise mit einem geeigneten Siliconelastomer, unter federnden, festhaftenderi" Materialgeringen Wärme- Anwendung eines Sprühverfahrens bedeckt.. Darauf Widerstandes, vorzugsweise - mit · einem' geeigneten wird eine Vielzahl von in Serie geschalteten Thermo-Siliconelästomer gefüllt '-■ >■ '■,'■'■}■"'■' ■ 3S elementen23, welche einzeln mit elektrischen Iso-

:. Ein zylindrischer Brennstöffkapselhälter 74 ist mit lationen 59 und 60 über ihrer Länge und an. ihren Verdem oberen Ende'der Thermqsäüle'lö· vorzugsweise bindungsstellen 20 und 22 versehen sind, gebildet. ^! mit einem. festhaftenden Siliconelastoniermaterial fest Die Thermoelemente 23 werden darauf auf den D orn

verbunden, wobei eine" "Ausnehmung 76 -in seiner in Längsrichtung kompakt zusammengebrächt - und Unterseite'das obere Ende der Thermosäule aufnimmt. 40· danach vom Dorn entfernt. Die dabei entstehende Der Brennstoffkapselhalter,· welcher -aus^;einem Ma- Gruppe von Thermoelementen wird., wie oben erterial geringen Wärmewiderstandes besteht, besitzt wähnt, mit einem geeigneten elastischen Siliconelästoeine Kammer-77, in die der in einfer Brennstoff kapsel 78 mer bedeckt, um ein kompaktes längliches Bündel zu befindliche Brennstoff 24 durch die Brennstoffeinfüll- bilden. Die Leitungen 64 und 65 werden nach Eritferöffnung34 eingebracht werden kann. Im oberen Teil 45 nen der elektrischen Isolation und des Lotes elektrisch der Kammer 77 sitzt ein -mit Gewinde Versehener mit den beiden Endleitungen des Bündels durch. Ver-Kammerverschlüß 79. Die Brennstoffkapsel 78 be- flechten verbunden. " ■'■ ■· "

steht aus einem korrosionsfesten' Material geringen Die kalten Verbindungsstellen 22 der Thermoele-

WärmewiderstandeSj wie beispielsweise Aluminium. mente sind durch die Lage der Verbindung der Lei-Beim Brennstoff handelt es sich um ein radioaktives 50 tungen 64 und 66 bestimmt. Das gesamte Bündel, Isotop mit geeigneter. Halbwertszeit -und geeigneter welches die Thermoelemente und die Leitungen um-Oberfiächentemperatur, wie beispielsweise Pu-238, faßt und mit einer elastischen elektrischen Isolation was sich als sehr geeignet erwiesen, hati' ■ ■' versehen ist, bildet ein ThermoÜündel 55. Die Jlei-

DaS thermische IsolationsmateriaOO Im Gehäuse 10 tung 64, wjlchemit eiaempasitiveü thermoelektrischen besitzt mechanische Festigkeit^ geringe Dichte und 55 ■ Schenkel 17 verbunden ist, wird identifiziert, indem einen hohen Wärmewiderständ,; welcher bei den Be- dem heißen Ende des Bündels Wärme zugeführt wird triebstemperatufen des Generators nicht druckab- und die Ablenkung eines Elektrometers' beobachtet hängig ist. ' - ' ' · ' ■ wird.

; Das thermische Isolatiönsmaterial 30 umfaßt einen In der folgenden Tabelle wird eine Zusammenstel-

unteren-TeilSO, welcher sieh vom-'unteren Ende 31 60 lung von Parametern der Ausführungsfprm des des Gehäuses 10 bis über den B'odon des Brennstoff- thermoeiektrischen Generators gemäß der Erfindung kapselhalfers 74 erstreckt; einen oberen Teil 82, wel- gegeben. Bei den in dieser Tabelle gegebenen Zahlencher sich von diesem Punkt bis zum Deckel 32 des Ge- werte handelt es sich lediglich um beispielhafte Anhäuses 10 erstreckt, und einen Einsatz 84, welcher gaben."
sich zwischen dem Verschluß 79 und der Brennstoff- 65 ■

einfüllcffäung 34 befindet. Dieser Einsatz=kann durch Ausgangsleistung ...... . 1,75 Milliwatt

die Brennstoffeinfüllcffäung aus dem Gehäuse 10 ' Leerlaufspannung ...;....... 8,70VoIf

herausgenommen- werden, so -»daß' die Brennstoff ·■· Lastspannung ..-..- 6,28 Volt -'·

--:--■—-, 009535/71

Claims

9 ία Lastspannungsänderung bei ι . · dem Mittel vorgesehen sind, die ;die Enden-der ... Änderung der Umgebungs- · \ Thermosäule auf unterschiedlichen Ternperatüren temperatur von—53,8° C bis . ■ halten, dadurch, gekennzeichnet, daß * 73,8°C bis—53,8°C in weniger r' jeweils eine Mehrzahl von elektrisch in Reihe mit- , als 5Minuten ....... r: 0,68VoIt 5 einander verbundenen Thermoelementen (23) zu .'. Lastwiderstand 22500 Ohm einer Mehrzahl langgestreckter Thermobündel (56) Generatorwiderstand ..·. . 8660 0hm-. zusammengefaßt ,ist und daß mehrere Thermo- . , Eingangswärmeleistung \ 1,65 Watt . " . bündel (56) an dem Ende (212?) der Thermosäule ' "Temperaturdifferenz zwischen (16), an dem die Thermoelemente (23) verbunden heißen und karten - io sind, über einen Lastwiderstand elektrisch parallel Verbindungsstellen 148°C ' zur Bildung wenigstens eines Thermobündelsatzes . .· Gesamtwirkungsgrad ........ 0,116 °/0 ■ (58) miteinander verbunden sind.: . Wärmeverlust 58Ö/O . ' 2. Thermoelektrischer Generator nach An- \ Geometrie '. Zylinder ■ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Durchmesser .. 6,35 cm ■ 15 Tnermobündelsätze (58) an dem Ende (215) der Länge... ...12,7 cm; . Thermosäule (16), an dem die Thermoelemente (23) , Gewicht 0,385kg verbunden sind, elektrischJn Reihe geschaltet sind. - 3 Thermoelektrischer Generator nach An- , Thermosäule · spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ,. positives thermoelektrisches ao Thermoelementschenkel (17, 18) dünn und langge- ■ Schenkelmaterial ...... Chromel-P streckt sind und aus Metall bestehen. j negatives thermoelektrisches · 4. Thermoelektrischer Generator nach An- Schenkelmaterial Constantani ; spruch 3, dadurch' gekennzeichnet, daß die Thermp- ■,,'■ Durchmesser der positiven und . elementschenkel (17,18) jedes Thermobündels (56) , negativen thermoelektrischen 25 dicht Seite an Seite angeordnet und über ihre Länge ; Schenkel .......-.; .. 5,08 · 10~3 cm elektrisch voneinander isoliert sind. Schenkellänge 3,81 cm . ■ 5. Thermoelektrischer Generator nach einem der Temperatur der heißen ; ' . Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ,. Verbindungsstellen 205° C Thermoelementschenkel (17, 18) durch einen ela- j Temperatur der kalten 3° . stischen, festhaftenden Überzug (70) miteinander Verbindungsstellen 37,8°C . verbunden und zu einem elastischen, im wesent- .. Zahl der Thermoelemente 1300 liehen zylindrischen Stab vereinigt sind. Zahl der Thermobündel 52 . 6. Thermoelektrischer Generator nach einem der Zahl der Thermobündelsätze . 26 Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Zahl der parallelen Kreiswege 2 35 das Gehäuse (10) hermetisch abgedichtet ist. -.·.■■ 7. Thermoelektrischer Generator nach einem der Materialien . Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß i Brennstoff .. PU-238 · ; der Stützkörper (30) ein den Wärmefluß zwischen ι Thermische Isolation (herge- · dem Gehäuse (10) und zwischen den Enden (21 a, . stellt durch Johns-Manville . ■ .· ■ 40 21 δ) der Thermosäule (16) dämmendes Material Corp.) .......... . Min-K-503 . geringer thermischer Leitfähigkeit enthält. Elektrische Isolation Lack und 8. Thermoelektrischer Generator nach einem der ;. Silicongummi Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse Aluminium . der Stützkörper (30) die Thermosäule (16) ab- mit Epoxydharz 45 stützend und das Gehäuse (10) verfestigend starr gedichtet ■ und fest ausgebildet ist. Wärmespeicher 316 rostfreier 9. Thermoelektrischer Generator nach einem der Stahl Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an -ι, dem Ende (21 B) der Thermosäule (16), an dem die .Fatentansprucüe: 50 Thermoelemente (23) verbunden sind, ein die sich

1. Kompakter, leichter thermoelektrischer Gene- auf Grund von Temperaturänderungen in der Um-

rator, der langzeitig an unzugänglichen Stellen be- gebung ergebenden Differenzen der zeitlichen Ände-

treihbar ist, mit einem Gehäuse, einer in dem Ge- rungen der Temperatur der Enden (21 σ, 21b) der

, häuse untergebrachten langgestreckten Thermo- Thermosäule (16) mindernder und somit die von

j säule mit in einander entgegengesetzten Richtungen 55 . dem Generator bei solchen Temperaturänderungen

weisenden Enden, die von einem in dem Gehäuse . abgegebene Leistung stabilisierender Körper (26)

angeordneten Stützkörper umschlossen ist und die . großer thermischer Kapazität und geringer thermi-

eine Vielzahl von Thermoelementen enthält, von scher Leitfähigkeit angeordnet ist.

denen jedes zwei Thermoelementschenkel aus Ma-

10. Thermoelektrischer Generator nach einem

. terialien mit positiver bzw. negativer Thermokraft 60 der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

aufweist, die sich in Längsrichtung der Thermo- ■ daß die Mittel, die die Enden (21a, 21 b) der

'. säule erstrecken und die jeweils an einem Ende der Thermosäule (16) auf unterschiedlichen Tempera-

. Thermosäule über elektrische Verbindungsstellen, . türen halten, ein wärmeerzeugendes, radioaktives

die voneinander elektrisch isoliert sind, miteinander Isotop (24) enthalten.

verbunden sind, wobei die Thermoelemente elek- 65 .

11. Verfahren zur Herstellung eines Thermo-

trisch in Reihe am anderen Ende der Thermosäule bündeis für einen thermoelektrischen Generator

miteinander verbünden sind und wobei diese Ver- nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem

bindungen elektrisch voneinander isoliert sind, bei ■ mehrere aus Materialien mit positiver und nega-

• tiver Thermokraft bestehende, langgestreckte, mit elektrisch isolierenden Überzügen versehene Thermoelementschenkel (17, 18) an ihren Enden abwechselnd in Reihe miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere langgestreckte, mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehene Thermoelementschenkel (17) aus Material mit positiver Thermpkraft in Abstand voneinander auf einer von zwei einander gegenüberliegenden Längsseiten eines langgestreckten Körpers (88) quer zu dieser angeordnet werden, wobei diese Längsseiten Querabmessungen aufweisen, die geringer sind als die Längen der Thermoelementschenkel, daß eine gleiche Anzahl langgestreckter, mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehene Thermoelementsehenkel (18) aus Material mit negativer Thermpkraft in Abstand von-

einander auf der anderen Längsseite des langgestreckten Körpers (88) quer zu dieser angeordnet wird, wobei diese negativen Schenkel im wesentlichen die gleiche Länge haben wie die positiven und der langgestreckte Körper eine Berührung der mittleren Bereiche der positiven und negativen Schenkel verhindert, daß nach elektrischer Verbindung der positiven Schenkel und der negativen Schenkel die thermischen Verbindungsstellen voneinander mit einem Material (69) elektrisch isoliert werden, das einen hohen elektrischen Widerstand hat, daß die freien Enden der in Reihe verbundenen Thermoelementschenkel mit Anschlußdrähten (64, 66) elektrisch verbunden werden, daß die Schenkel dicht Seite an Seite angeordnet werden und daß die Schenkel mit einer dünnen Schicht eines elektrisch isolierenden Materials umhüllt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen