DE1539304A1

DE1539304A1 - Thermoelektrische Generatorvorrichtung

Info

Publication number: DE1539304A1
Application number: DE19661539304
Authority: DE
Inventors: Kershaw Wilfred Leroy; Thomas Jack Lewis; Barker Ii Theodore Roosevelt; Stivers George Spencer
Original assignee: Martin Marietta Corp
Current assignee: Martin Marietta Corp
Priority date: 1965-07-26
Filing date: 1966-07-21
Publication date: 1970-02-19
Also published as: US3615869A; CH452624A; SE364404B; FR1488603A; GB1151084A; JPS4935592B1; DE1789067A1; DE1539304B2; GB1151083A; DE1539304C3; SE337617B; DK131254C; NL6610485A; DK131254B

Description

DR. E. WIEGAND - " 2000 HAMBURG V "" £\£' JVnι-*---¹

MONCHEN -BALU-NDAMM 2ί.

DIFL-ING. W. NIEMANN telefon= 3304/s

HAMBURG PATENTANWKLTI

1 539304 Wc": Anschrift: Hamburg ^Königs*. *

Telefon: 39 53 14

Ui 12 701/6.6. 12/mö

Martin-Marietta Corporation Friendship International Airport, Maryland (V, S.t. A, )^:

Thermoelektrische Generatorvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Generatorvorrichtung mit einer Radioisotopenwärmequelle und insbesondere auf eine solche Generatorv/orrichtung mit einem Unteraufbau einer Thermosäule in filodulfprm Dzm. in Form eines Bausatzes, die einen Austausch des Thermosäuleunteraufbaus oder der Radioisotopeniuärernquelle am Anmendungsort ohne Gefährdung der Sicherheit des Bedienungspersonals ermöglicht»

Der prinzipielle Nachteil der Verwendung von Atomenergie als Energiequelle großer Zuuerlässigkeit und langer Lebensdauer liegt in der Tatsache, daß Atomv/orrichtungen für das sich in ihrer unmittelbaren Nähe aufhaltende Personal potentiell gefährlich sind. Selbst uienn mit Atomenergie

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BAD ORIGINAL

betriebene elektrische Generatoren an entferntlifcijenden Orten veru/enaet werden, die vollständig oder wei tiehenri unzugänglich sind, ist einige Gefanr für menschliches Leben vorhanden, insbesondere dort, tu ο eine beqrenzte Wartung mährend der verhäl tnismässig langen Lebonsdauer der Generatorvorrichtung vornesehen sein mu3.

fiiit Radioisotopen betriebene thermoelektrische ueneratoren, bei jenen die von dem RadioisotopenbrennstofF freigegebene· thermisehe ^Lnergie Jie erforderliche UJ^rnie fjr die Thermoelemente schafft, liefern bequem -Elektrizität niedriger liJat'tleiätung mährend ausserordentlich langer Lebensdauer. Unabhängig von der Entfernung des Anuiendungsortes darf ein mit Radioisotopen betriebenar thermoelektrischer Generator unter gewöhnlichen Umstäncian nicht mehr als 10 i':illiröntgen je 'Stunde (10 mr/hr) Stranlung in einem Abstand von einem Meter von der Quelle untergewöhnlichen ^aedingungen erzeugen,, noch darf er diese Stranlung als tr— gebnis eines Standardprüfverfahrens, beispielsweise Abfall bzuj. Gefälle, Durchschlag, Feuer, Korosion usui« diese Strahlung um einen Faktor von Hundert erhöhen.

Offensichtlich erfordert eine auf der ^rde angeordnete durch Radioisotopen betriebene thermoelektrische Generatnrvorrichtung eine inteDsive Abschirmung gegen Strahlung. Die Hinzufügung einer solchen Abschirmung erhöht nicht nur die Kosten der.'Vorrichtung und erhöht das Gesamtgsuicht beträchtlich_:» sondern sie erschwert weiterhin nachfolgende

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bad ORJGJMi^RO am

.Jartunii tür dun unteraufbaü -des tharmoel ektri sc.'ien IJensralors bzw. den 'Unterauf bau der rtadioisotnpenbrennstoff quelle«, Bisherige ftusf 'mrungen "Sind "hinsichtlich geräuschlosen EIetriebs und des fenlens beweglicher Teile vorteilhaft, jedoch bestellt bei Ihnen das Bestreuen, die einzelnen thermo- · el ek tri sctien Elesasnie in einer zylindriscnen rteihe bzuu Anordnung um die zylindrische Radioisotopenkapsel vcrzusef-en, urobei die thermische ""nergie von der ,uelTe radial .:u. dan auf dem Umfang angeordneten thermoel ektrisc^en Elementen u/andert» Jiese Ausführungen sind insbesondere auf einen E.nergie3usgang begrenzt, und sie konnten am rt^uiendungsort ohne die Uertuendung wen Heiüzellenhilfseinrichtun-L,en nicht betrieben bzui„ bedient luerden.

Die Erfindung schafft eine mit Radioisotopen betriebene thermoelektriscne Ceneratoruorriciitung mit geringen Kosten, bei welcher am Aniuendungsort der Unteraufbau des thermoelektrische^ Generators oder die Radioisotopenbrennstaffkapsel ohne V/er'iuendung von Heißzellenhilfeinrichtungen ausgetauscht werden können, mährend eine mit Radioisotopen betriebene thermoelektrische Generatorvorrichtung geringer Kosten geschaffen ist, die durch vergrößerte Energieflexibilität gekennzeichnet is.t_e

Auf dem Gebiet der mit Radioisotopen betriebenen thermoelektrischen Generatoren bestand bei bisherigen Aus« führungen das Bestreben, die thermoelektrische Umiuändlungseinrichtung als eine zylindrische Reihe bzuj. Anordnung kon-

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zentrisch zu der Radioisotopenbrennstoffkapsel vorzusehen. Diese Ausführungen sind gekennzeichnet durch Starrheit •jnd durch die Unfähigkeit bz·,·« Komplexität der Wartung oder des Austausches entweder der Komponenten der Urnwandlungseinrichtung oder der Radioisotopenu/grTequelle.· Im Bereich der festen bzw, früheren (fossil) brennstoff-thertnoelektrischen Ummandlungseinrichtungen und in der Technik thermoelektrischer Kühleinrichtungen sind l/ersuche gemacht morden, die thermoelektrische Elemente in (ilodulanordnung bzu). als Bausätze vorzusehen,, Einiqe der therrnoelektrischen Bausätze haben ebene Form bztu« Sandmichform und sie weisen allgemein eine mit Qffnunqen versehene Platte oder Scheibe aus Isoliermaterial auf, die dahingehend iuirkt, die thermoelektrischen Bauelemente für die betreffenden thermoelektrischen Elemente in elektrischem Abstand voneinander und in UJärmeberührung mit den luärmeaufnehmenden Teilen und UJärmeaufzehrungseinrichtungen abzustützen. Unabhängig von der Änuiendung. dvh, ~ " unabhängig davon, ob die Vorrichtung einer Radioisotopenbrennstoff quelle verhältnismässig hoher Temperatur oder einem Brenner für flüssigen Brennstoff zugeordnet ist oder in der Kühltechnik verwendet wird, sind die die Thermoelemente bildenden thermoelaktrischen Bauteile von sehr

und

zerbrechlicher Ausführung, die durch thermische acdkesl körperliche Schocks leicht beschädigt werden können und einer Verschmutzung durch die Atmosphäre ausgesetzt sind, ujelche die thermoelektrischen Eigenschaften leicht andern kann.

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BAD ORIQfNAL

Weitere besonders kritische Größen sind das thermische Niveau und der Wärmegradient an den Thermoelementen, um maximale Wirksamkeit hinsichtlich der Energieumwandlung zu schaffen. In allen solchen Vorrichtungen müssen die Temperatur der Wärmequelle und das Ausmaß der Wärmeübertragung sorgfältig gesteuert werden. In vielen Fällen erfordert dies die Anbringung einer Wärmeschieusa bzw, einer Wärmesenke mit verhaltnismässig großen Fiäcnen zur Wärmeaufzehrung. Da solche Einrichtung die Änderung bzw. Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie erfordern, und da bei der Ausführung elektrisch leitende Metalle verwendet werden, müssen notwendigerweise zum Verhindern von Kurzschluß elektrische Isoliereinrichtungen verwendet werden. Die Hinzufügung von Isoliereinrichtungen führt weiterhin zu dem Bestreben zum Aufbauen von Wärmegradienten und dazu, den Wärmefluß zwischen der juelle und der Wärmesenke quer über die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung zu blockieren* Um dan gewünschten Gradienten zu erhalten und den Wärmafluß aufrechtzuerhalten, ist es vorteilhaft, die thermoelektrischen Bauelemente in gute Wärmeberührung mit der zugeordneten Einrichtung vorzuspannen» Bei einem solchen Vorspannen der thermoelektrischen Bauelemente ist der Widerstand gegen körperliche Schicks oder Stöße-'mit verbessertem Wärmewirkungsgrad beträchtlich erhöht. Da die elektrischen Charakteristikan des thermoelektrischen Bauelementes zufolge einer geringen Klenge atmosphärischer verschmutzung bsträcht«

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BADORIQ)NAU

lieh geändert werden können, ist es wicntig, die thermoelektrische UrmuandlungsBinriehtung in einer vollständig abgedichteten Kammer v/erschmutzungsf rei zu halten, wobei eins Einrichtung vorgesehen ist, um die Wärmeleitfähigkeit des Abstützteiles zu ändern, um eine gewisse Stouerung des ■femperaturgradienten und des Ausmasses des Uärmefluss.es an den Bauelementen zu schaffen.

Zufolge des möglicnen körperlichen und elektrischen Versagens der thermoelektrischen Bauelenente, welche die Thermoelemente bilden, ist es selbstverständlich vorteilhaft, eine Gesamtgeneratorvorriehting zu schaffen, die einen Ersatz, Austausch- und/oder eine Reperator der thermoelek tr i sehen Umiuandlungseinrichtung bequem ermöglicht,

Die Erfindung schafft daher weiterhin eine thermoelektrische UmiL'andiungseinrichtung in ffiodulform bziu, in Form eines Bausatzes einschliBsslich einer Wärmesenke, die bequem die Abdeckung für eine Radioisotopenu/ärmequelle bilden kann, um dadurch eine Wartung und / oder Ersatz oder Austausch des Bausatzes oder der Brennstoffkapsel ohne zerstören der Bausatzabdichtung zu ermöglichen.

Weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in uielcher die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielweise erläutert ist.

Fig. 1 ist eine auseinandergezogene schaubildliche Ansicht eines mit Radioisotopen betriebenen

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thurmooiektriüchen Generators gemäß der Erfindung, wobei Teile u/eggnschnitten sind, um die Innunausführung darzustellen,

Fig..2 int eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht der .-Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig., 3 ist eine in verqrödertem Plahstab -gehaltene seitliche Schnittansicht eines Teiles der Vorrichtung gemäß F ig. 2.

Fig.4 ist eine Seitenansicht einer- a'bgeurandelten Ausfühningsfnrm der Erfindung, in ieelcher eine einzige Radijlsnto lenkapsel dargestellt ist, welche die UJärmeenerqi e für zwei thermoelektrische UmuiandlungsbauE itze liefert, die an jedem Ende d-r Uuelle axial angeordnet sind. ■

Allgemein ist die Erfindung auf eine thermoelektrische üeneratorvorrichtung gerichtet, die eine zentral angeordnete Radioisotopeniuärmequelle in Form einer Kapsel aufweist, die won einem offenen zylindrischen oder becherförmigen Behälter getragen ist, wobei eine Radioaktiv/itätsabschirmung die Kapsel umgibt und der Behälter zuiischen der Kapsel und der Behälterwand eine Ulärmeisoliereinrichtung trägt. Die thermoelektrische Uinuiandlungseinrichtung in ebener Form liegt über dem offenen Ende bziu. den offenen Enden des Behälters, so daß der größte Teil der von der Radioisotopenuiärmequellenkapse! freigegebenen Wärmeenergie direkt axial zu der thermoelektrische^ Umtuandlungseinrichtung gerichtet u/ird, u/obei eine solche Ausführung vorteilhaft einen Austausch der thermoelektrischen 009808/06 19 Umiuandiungseinrich-

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tung oder der abgeschirmten Radioisotopenkapsel am Anlapndungs.ort ermöglicht„

Eine bevorzugte Ausführungsform einer thermoel ektrischen Umwandlungseinrichtung gemäü der Erfindung weist einen sandwichartigen ffiodul oder Bausatz, nachstehend der Einfachheit halber Uausatz genannt,mit einer Metallplatte auf, die als Wärmesenke und als Abdeckung für den Kapselbehälter dient. Eine thermoelektrische Umuiandlungseinrichtung, die hauptsächlich aus einer perforierten Platte aus Isoliermaterial, welche in den Perforationen thermoelektrische Bauelemente trägt, gebildet ist, ist von der Metallplatte zu/ischen ihr und der Kapsel der abgeschirmten Radioisotopenuiärfriequelle getragen« die grundsätzliche Ausführung ist durCn einen Haigen vervollständigt, der eine wärmeleitende Abdeckung, die über der thermoelektrischen Urniuandlungseinrichtung liegt, und eine balgenartige Seitenwand aufweist, welche die thermoelektrische Einrichtung umgibt und an einem Ende mit der Wärmesenke und am anderen Ende mit der Abdeckung dicht verbunden ist. Während des Zusammenbaues wird die balg-enartige Wand ausgedehnt, um zu bewirken, daß die thermoelektrischen Bauelemente zwischen der Abdeckung und der ffletallplatte zusammengedrückt werden, um die Leitung von Wärmeenergie von der Abdeckung zu der Wärmesenke über die thermoelektrische Einrichtung zu verstärken bzw. zu vergrössern. Wenn die metallische Wärmesenkeplatte mit dem Kapselbehälter verbunden ist, übt die Wand des Balgens etwas Druck aus, um die Wärmeenj^ergieleitung

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BAOORlQINAt'

über den Bausatz aufrechtzuerhalten, während gleichzeitig die Abdeckung gegen die Kapsel der abgeschirmten Radioisotop pen-uiärmequelle gedrückt wird.

Uemäss den Fig. 1 und 2, in denen die einzelnen Bauteile in auseinandergezogener Darstellung und nach dem endgültigen Zusammenbau wiedergegeben sind, weist eine mit Radioisotopen betriebene thermoelektrische Generatorvorrichtung gemäß der Erfindung bei einer Ausf ührjungsf orm zu/ei Haupt» unteraufbauten'auf, nämlich ein.e thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 12 in Bausatzform und eine Radioisotopenwärmeenergiequelle 14. Die Zwecke der Erfindung werden in großem Ausmaß durch die neuartige axiale Anordnung der thermoeiektrischen Umwandlungseinrichtung 12 und der Hadioisotopena/ärmequelle 14 mit einer Einrichtung erreicht, um zu gewährleisten, daß mehr als 70 % der v/an der Radioisotopenkapsel ausgesendetdn Wärmeenergie direct axial in Richtung gegen die pfannktfchenartine thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 12 gerichtet wird.

Es ist weiterhin offensichtlich, daß die axiale aneinander anliegende Lage der beiden Hauptunteraufbauten 12, 14 ein Abnehmen oder Austauschen der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 12 oder der Radioisotopenenergiequelle 14 in sehr kurzer Zeit und \/erhältnismässig bequem ermöglicht, wobei dam Bedienungspersonal maximale Sicherheit gewährleistet ist. ■''-.'

Dia Wärmequelle 14 uieist eine mittig angeordnete gas-

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dichte und flüssigKeitsdichte Radiöisotopenorennstoffkapsel 16 üblicher Form und Ausführung auf, die im wesentlichen ein zweckentsprechender filetallzylinder ist, der an beiden Enden verschlossen ist und einen Brennstoff enthält,'-beispielsweise. Strontium 90,PlutOnium 23B, uerium 144,Caesium .137 oder andere bekannte ^rtadioisotouenbrennstoffe. bei der bevorzugten Ausführungsform ist, zufclge der langen Lebensdauer, mährend u/elcher dar Generator verwendet werden soll, Strontium 90 als Brennstoff - sehr zufriedenstellende Jas behause der Kapsel 16 ändert sich in Abhängigkeit von riem Desonderen verwendeten Brennstoff, da das Gehäuse bzw. die Auskleidung, mit dem Brennstoff verträglich sein muß. Uenn ueispielsweise zier Brennstoff Strontium 90 ist, kann die Auskleidung bzui. das Ge hause, welches, die Kapsel bildet, aus "Hastelloy C" gebildet sein, einer Superlegierung auf Nickelbasis, die unter dem genannten Handelsnamen durch die Haynes Steliite Corporation of Kokomo, Indiana, hergestellt wird. Die Radioisotopeniuärmequelle ist für die Erfindung nicht kritisch und die Verwendung -von Strontium 90 als Brennstoff in einer abgedichteten Kapsel aus Hastelloy G ist lediglich als Beispiel für eine zweckentsprechende Kombinationgegeben, die einem solchen Zweck dient« Bei der Verwendungvon Strontium 90, das eine lange Zerfallzeit hat, wird der gewünschte lUärmeausgang uiährand einer langen Zeitperiode erhalten, Die Brennstoffkapsel 16ist in einet inneren Abschirmung 18 fest aufgenommen,die bei einer bevorzugten Ausführungsform aus .UIoIfram gebildet ist, obwohl erschöpftes

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uran, oder andere Urnnleqierunqen, beispielsweise eine iilolybdinuranlegieruny, bequem verwendet werden können» Der innere Abschirmunysteil 18 wirkt dahingehend, die nukleare Strahlung auf ein angemessenes Niveau herabzusetzen, da, wenn keine Abschirmung vorhanden ist, die Strahlung von der Kapsel 16 aine Person in unmittelbarer Nähe in wenigen Minuten töten würde, insbesondere wenn der Brennstoff Strontium 90 ist, das Bremsstrahlung hat, Bei der dargestellten Ausführungsform meist die innere Abschirmung 18 einen becherförmigen Teil 20 und eine T-förmige Kappe 22 auf, die dicker als die Seitenwand des Bachers 20 ist« Eine Mehrzahl von Bolzen 24 gehen durch Öffnungen 26 in der Kappe 20 hindurch und sind in Gearindebohrungen 23 aufgenommen, die von einer Lippe 30 des Bachers 20 getragen sind, Uemgemäss befinden sich die Lippe 30 und äine Ringfläche der Kappe 32 durch die Bolzen 24 in Druckberührung miteinander. Die Brennstoffkapsel 16 und ihre innere Abschirmung 18 können als Einheit für bequemen Austausch oder Ersatz innerhalb des Wärmequellenunteraufbaus 14 bequem abgenommen werden.

Da die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 12 an einem Ende der Wärmequelle 14 axial angeordnet ist ist es erforderlich, maximalen Wärmeübergang in Richtung gegen die Einrichtung 12 bei verkleinertem Wärmeübergang in den anderen Richtungen hervorzurufen. Um dies zu erreichen, ist die innere Abschirmung 18 von einer Wärmeisolierung 34

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umgeben. Die Isolierung 34 hat ebenfalls insgesamt becherförmige Gestalt mit eine.ii Innendurchmesser in der Größenordnung des Durchmessers des Abschirmungsbechers 20» Wie dargestellt, weil die Wärmeisolierung 34 eine Reihe von nut Öffnungen versehenen massiven Scheiben 36 auf, die aus formbarem gehärteten faserförmigen Isoliermaterial gebildet sein können, das unter dem Uarennamen "lilin-K" von der Johns-Manville Corporation hergestellt wird. Offensichtlich kann die Reihe der gestapelten Scheiben 36 durch ein einziges gegossenes Element ersetzt werden, das aus dem gleichen (material oder aus äquivalenten Ulärmeisnliermaterial gebildüt ist. Die soweit genannten Teile sind in einem äusseren Gusseisenbehälter 38 angeordnet, der ebenfalls becherförmig ist und eine Reihe von Anbringungslöchern 40 aufweist, um den Transport und das Anordnen der Generatorvorrichtung zu erleichtern. Die Abmessungen der inneren Abschirmung 18, der Wärmeisolierung 34 und dee äusseren Behälters 38 können sich in Abhängigkeit von den besonderen Anwendungen ändern. Für einen 25 UJatt Generator mit einer Brennstoff kapsel 16 eines Durchmessers von etwa 76,2 mm (3 Zoll) liegt die Dicke der inneren Abschirmung 18 für maximalen Schutz im Befreien von 5Ό, 8 - 101,6 mm (2 bis 4 Zoll) für UJoIfram, die Dicke der Isolierung 34 in der Grössenordnung von 76,2 152,4 mm (3 bis 6 Zoll), während der gusseiserne Aussenbe« hälter 38 eine Dicke von 127-177,8 mm (5 bis 7ZoIl) haben kann* Mit solchen Abmessungen für-eine Brennstoffkap-

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BAÖ OBfGINAl

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sei 16, die Strontium 90 als Brennstoff komponente enthält und Hastelloy C als Auskleidung 'aufweist-, ist die Wärmequelle genügend start , korrosionsbeständig, feuerbeständig, schlagbeständig usw, und in genügender Uieise gegen Radioaktivität abgeschirmt , um Standardanfordcrungen zu genügen. Der gusseiserne Aussenbehälter 38 wirkt als Behälter und als Strahlungsabschirmung und dämpft bei dem dargestellten Beispiel die Strahlung um einen Faktor von lOü» Ein gusseiserner Aussenbehälter 3fa dieser Grosse hat ein Gewicht von etwa 1100 kg oder mehr, jedoch wird für einen 25 Uatt Generator durch die Verwendung von Gußeisen einer solchen Dicke die. erforderliche Menge an UJoIfram für die Innenabschirmung etwas verringert, und da Gußeisen beträchtlich billiger als Wolfram ist, werden dadurch die Gesamtkosten der Vorrichtung herabgesetzt.

Der gußeiserne Aussenbehälter 38, dessen Oberflächengestalt etwas unregelmässig ist, hat eine ebene ringförmige Fläche 42 an dem offenen Ende, die sich gegen die Berührungsfläche 44 eines lilärmesenketeiles 46 legt, der einen Teil der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 12 bildet. Selbstverständlich kann für Versandzwecke und andere Zwecke der UJärmesenketeil 46 durch eine einfache ebene IKletallscheibe (nicht dargestellt) ersetzt werden«, Beim Zusammenbau wird der lliärmesenketeil 46 mit dem gußeisernen Aussenbehälter 38 durch eine mehrzahl von Bolzen 48 verbunden, die durch einen ringförmigen Rand 50 des UJärmesenketeils 46

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hindurchgehen und in den Behälter 38 eingeschraubt sind* Die Fläche 44 des Gußeisenbehälters 38 ist bei 52 lind mit Ausnehmungen versehen, um zwei konzentrische Ü-Ringe 56 und 58 oder ähnliche Abdichtungeteile aufzunehmen, die aus Metall oder aus elastomerem Material gebildet sind und eine hochwirksame Dichtung bilden.

Um ein axiales.Verschieben der Brennstoff kapsel 16 und ihrer Innenabschirmung 18 in dem Uhirnequellenunteraufbau 14 zu verhindern, ist ein ringförmiger metallener Halte· ring 60 vorgesehen. Der Ring 6ü ist etwas gebogen und hat einen Innendurchmesser, der kleiner ist als der Aussendurchmesser der Kappe 22, und einen Aussendurchmesser , der sehr viel größer ist. Die Innenkante des Halteringes 60 ist in einer ringförmigen Ausnehmung 62 aufgenommen, die am Aussenumfang der Kappe 22 gebildet ist, während der restliche Teil des Ringes 60 zwischen einem ringförmigen Isolierring 36 a und einem etwas grösseren ringförmigen Isolierring 36 b eingeklemmt ist. Iflit entweder dem lilärmesenketeil 46 oder einem Uersanddeckel (nicht dargestellt), der durch Schrauben 48 an Ort und Stelle befestigt ist, verhindert der ringförmige Haltering 60 , welcher über der Kappe 22 liegt und „zwischen den ringförmigen Isolierteilen 36 a und 36 b eingeklemmt ist, eine axiale Bewegung der Abschirmung 18 und der Brennstoffkapsel 16 selbst unter hohen Trägheitskräften.

Der Gußeisenbehäiter 38, der für die dargestellte Aüs-

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führunqsFurm eines 25 Liatt uenerators ein verhältnismäßig cickes Gußstück in der Größenordnung von etwa 140. -mm Durchmesser aufweist, luirkt als Behälter mit großer 5trukturuinheitiichkeit. uemgemäss schafft der Behälter 38 einen sehr guten Druckbehälter für unterwasserverwendung* In diesem fall wird die Abdeckung (nicht dargestellt) möglicherweise aus einem viel stärkerem füaterial, beispielslueise aus Gußeisen oder Stahl, gebildet. Beim Ersetzen oder Austauschen des UJürmesenketeiles 45 ergibt sich keine Beeinträchtigung der richtigen UJärmeauf zehrung bzw, Wärmeabführung, u/eil das umgebende Wasser die Thermoelemente angemessen kühlt.

Es ist zu bemerken, daß bei der Ausführung gemäß der Erfindung die ausnutzbare liJärmequellenflache der Kapsel 16 viel größer ist als die Fläche des tnermoelektrischen Bauelementes, die erforderlich■ist, um elektrische Energie mit einer Leistung von 25 Uiatt zu schaffen, so daß die Notwendigkeit, die bei bekannten mit Radioisotopen betriebenen thermoelektrischen Generatoren darin besteht, die Thermoelemente auf dem Umfang der Brennstoffkapsel radial anzuordnen, vermieden ist. Dies ergibt sich teilweise aus dem vergrößerten Durchmesser der einzelnen thermoelektrischen Bauelemente, Demgemäß kann die thermoelektrische Umwändlungseinrichtung 12 vorteilhaft axial zentriert werden, und zwar an dem offenen Ende des GuQeisenbehälters* 38 und der zugeordneten becherförmigen Isoliereinrichtung 34, wodurch annähernd 3/4

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der Wärmeenergie innerhalb eines begrenzten UJ8ges direkt zu den thermoelektrischen Umwandlungselementen gerichtet wird.

Bei Verwendung einer Wärmeisolierung 34 aus ^Ml¥lin-K" in form eines einheitlichen Bechers oder in Form einer Reihe v/on gestapelten Scheiben 36, ergibt sich, wenn das Material nicht behandelt ist, das Bestreben der Erzeugung^ eines Gases als Ergebnis der die aktivierte Brennstoffkapsel umgebenden hohen Temperatur. Temperaturen in der Größenordnung v/on 480 ° C und mehr über eine gewisse Zeitperiode führen zum Bestreben der Wärmeisolierung, Gas freizusetzen, iDodurch die Wärmeleitfähigkeit der gasimprägnierten Wärmeisolierung geändert wird· Wenn die freigesetzten Gase eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Füllgas haben, erhöht sich die Gesamtuiärmeleitf ähigkeit der Isolierung 34, mährend andererseits, u/enn die Gase, die sich als Ergebnis der dauernden Erhitzung der Wärmeisolierung 34 ergeben, eine niedrigere Leitfähigkeit als das Füllgas haben, die Gesamtuiärmeleitfähigkeit herabgesetzt wird. Offensichtlich kann das Füllgas selbst während der langen Lebensdauer des Generators geändert werden, um absichtlich das Ausmaß des Wärmsübergangs radial zu der Vorrichtung zu ändern, Um eine Änderung der Gesamtwärmeleitfähigkeit der Isolierung 34 zu verhindern, wird die aus "IMn-K" oder aus äquivalentem material bestehende Wärmeisolierung vorbehandelt, indem sie derart erhitzt wird, das die Restgase aus ihr vor der An-

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Ordnung in dem Gußeisenbehältar 38 entfernt werden. Nach vollständigem Zusammenbau entweder mit dem mechanisch befestigten Ulärmesenketeil 46 oder einem zeitu/eilig zu verwendeten Deckel, können Restgase weiterhin durch ein zweites Gasaustreibungsverfahren herausgetrieben werden, und zwar mittels eines Rohres 64, das mit der Innenfläche des Gußeisenbehälters 38 verbunden wird,, Das Rohr 64 kann ein zweckentsprechendes Ventil 68 enthalten, welches die Ausführung wahlweise mit der nicht dargestellten "Vorrichtung zur Gasaustreibung verbindet» Der Behälter 38 kann dann mit irgendeinem zweckentsprechenden Gas gefüllt werden, beispielsweise mit einem inerten Gas wie Argon usw.

Der zweite hauptsächliche Unteraufbau der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht aus der thermoelektrischen Umwandlungseinriehtung 12 bzw. der Thermosäule . Irgendeine zweckentsprechende Ausführung einer Thermosäule in-IYIodulform bzw, Bausatzform oder von anderer Ausführung kann mit einem Gußeisenbehälter 38 mechanisch derart verbunden werden, daß die Thermoelemente über der ringförmigen Öffnung nahe der becherförmigen Kapselabschirmung 18 liegen und somit den größten Teil der von der Brennstoffkapsel 16 austretenden Wärmeenergie aufnehmen.

Stattdessen kann die Thermosäule die Form der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 12 in Dlod-ulfprm haben einschließlich des Ulärmesenketeiles 46, der der Kappe 22 gegenüberliegt· Die thermoelektrische Umuiandlungseinrichtung

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12 ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Federbelasten eines thermoelektrischen Ummandlungsunteraufbaue in wärmeleitende Lage zu dem lüärmesenketeil 46 und der Radioisotopenuiärmequelle 14_e uer Wärmesenketeil 46 kann aus gegossenem oder geschweißtem Aluminium oder Magnesium oder Legierungen davon gebildet sein und er weist einen Hauptkörper 70 scheibenförmiger Gestalt auf mit einer Mehrzahl von im Abstand voneinander liegenden Rippen 72, die sich im rechten Winkel zu der Ebene der Basis erstrecken. Die Anzahl der Rippen 72, ihre Dicke, Höhe und Abstand können sich selbstverständlich ändern, um die gewünschte Größe der Ulärmeübertragungsflache in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen zu schaffen. Die ÜJärmeeintrittsfläche 74 meist eine Reihe von im gleichförmigen Abstand liegenden Löchern bzw. Öffnungen 76 auf, die mährend des Gießverfahrens gebildet oder gebohrt sein können, nenn es gewünscht wird. Die Löcher 76 nehmen Ausrichtungskolben 78 auf. Die Ausrichtungskolben 78 sind an ihrem Uiärmesenkeende mit Ausnehmungen versehen, um einzelne Schraubenfedern 80 aufzunehmen derart, daß diese das Bestreben haben, die Ausrichtungskolben 78 aus ihren Löcharn 76 nach außen zu drücken« Der Durchmesser der Ausrichtungskolben 78 liegt in der Größenordnung das Ourchmessers der löcher 76 und sie sind dadurch in diesen eng aufgenommen· Weiterhin haben die Ausrichtungskolben 78 eine derartige Länge mit Bezug auf die Löcher 76, daß selbst, wenn die Federn

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80 ihre entspannte Länge haben, der Innenteil der Ausrichtungskolben 78 noch in dem Loch 76 bleibt, Wärmeübergang uiird in radialer Richtung zwischen der Umfangsflache der Ausrichtungskolben 78 und den Löchern 76 erhalten. Um diesen Wärmeübergang zu verbessern, können die Kolben von Aluminiumschmiere bzw. Aluminiumfett umgeben sein. Die von der Wärmesenke entfernt liegenden Aussenflachen der Ausrichtungskolben 78 sind mit konkauen Ausnehmungen versehen, die halbkugelförrnige massive ffletallknöpfe 84 aufnehmen, um eine Wliüausrichtung zufolge von Herstellungstoleranzen zu ermögliche, Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausrichtungskolben 78 aus Aluminium gebildet, so daß sie sich mit der Ausführung der Wärmesenke 46 vertragen, und die Knöpfe 84, die ebenfalls aus Aluminium gebildet sind, können einen verhältnismässig dünnen äusseren Überzug aus Aluminiumoxyd oder dergl. haben, um sie von Kupf ersainmelstreif en 90 elektrisch zu isolieren. Die Sammelstreifen 90 vervollständigen wahlweise die elektrische Verbindung zwischen den Enden der Thermoelemente. Da die Sammelstreifen 90 elektrischen Strom führen, der durch die metallischen Ausrichtungskolben 78 hindurch zu der Wärmesenke 46 fließen würde, iuenn keine elektrische Isolierung vorhanden märe, müssen die Knöpfe 84 eine Isolierschicht 86 aufweisen, die so ausgewählt ist, daß eine gute Uiärmeleitfähigkeit zusätzlich zum Beibehalten annehmbarer elektrischer Isoliereigenschaften geschaffen ist. Die Isolierschicht 86 ist gewöhnlich verhältnismässig dünn, sie muß jedoch eine genügende Festigkeit und Oberflächen—

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härte aufweisen, um es den Ausrichtungskolben 78 zu ermöglichen, den thermoeltiktrischen Umwandlungsunteraufbau 92 in '*ichtung gegen die Wärmequelle 14 zu drücken. Ein bevorzugtes material besteht aus einer dünnen Lage aus Aluminiumoxyd, obuiohl Zirkonoxyd, Aluminiumsilikate, Beryllerde, Zirkon, Steatit, Kalciumtitanate, Strontiumtitanate und lYlagnesiumtitanate statt des Aluminiumoxyds verwendet werden können, und ziuar in Abhängigkeit von dem Knopfmaterial. Das Aluminiumoxyd kann auf der ebenen Fläche des Koopfes 84 durch anodischen Niederschlag oder stattdessen durch übliche Flamrnensprühtechniken aufgebracht werden. Wenn das Verfahrene, anodischen Niederschlags verwendet wird, kann eine minimale Flächentiefe erhalten werden, da das Verfahren einen ihm eigenen gleichmässigen Überzug auf· der ganzen Fläche des Teiles aufbaut. Eine Dicke von etwa O,o5o8 - o,o762 mm (2 oder 3 mils) ist für die Doppelfunktion der elektrischen Isolierung und der Wärmeleitfähigkeit ausreichend.

Ein hauptsächliches Element der Einrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung ist der thermoelektrische Umwandlungsunterauf bau 92, der einen ringförmigen scheiben« artigen Teil 94 aus faserartigem Isoliermaterial oder dergl. aufweist, beispielsweise aus dem gleichen ¹¹WIn-K" material , das bei der Isolierung 34 der Wärmequelle 14 verwendet wird, flie Isolierscheibe 94 ist bei 96 mit zweckentsprechenden Öffnungen versehen, um zylindrische thermoelektrische

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Bauelemente 9B aufzunehmen, die einen Teil' der Elemente IQO bilden, die einen Heißschuh 102 aufweist. 3e-d.es Thermoelement 100 ist von üblicher Ausführung und die Bauelemente 98 können aus Tellurit gebildet sein mit zweckentsprechenden Üopingmitteln, um die gewünschten n- und p-Charakteristiken zu schaffen« Dig Thermoelemente 100 sind demgemäß durch die Isolierscheibe 94 abgestützt . Die zylindrischen Bauteile 98 können Kaltschuhe in Form von Gußeisenscheiben 99 aufweisen, dia an die Enden der thermoelektrischen Bauelemente 98 gebunden sind, welche von der Wärmequelle 14 entfernt liegen» ^ie Anzahl, Größe und Gestalt der thermoelektrischen Bauteile 98 kann sich in Abhängigkeit von den elektri·» sehen Erfordernissen usw. ändern_e Die Sammelstreifen 90 sind wahlweise mit den Heiüschuhen 102 betreffender benach-. barter Thermoelemente 100 gekoppelt, so daß ein gewünschter Reihenstromkreis oder Reihen-Parallel-Stromkreis zwischen den thermoelektrischen Bauelementen 98 vervollständigt ist, und zwar in Abhängigkeit von dem Spannungs- und Strombedarf der Anlage. Die Sammelstreifen 90 sind durch übliche Techniken mit den thermo-elektrischen Kaltschuhen 99 verschweißt oder verlötet. Energieleitungen 104 und 106 sind elektrisch mit im Abstand voneinander liegenden SammBlstreifen 90 verlötet und sie erstrecken sich von der Wärmesenke 46 nach außun durch Öffnungen 106 hindurch, wobei sie elektrisch und gegen Arbeitsmittei isoliert sind. Nahe den Heißschuhen 102 befindet sich eine dünne Isolierscheibe 108, die vorzugsweise aus Glimmer gebildet ist und den verhäitnismässig hohen

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i-iX'rO OrB

Temperaturen in der Größenordnung von 480 C oder mehr widersteht, denen die Heiöschuhe 102 der Thermoelemente IUO ausgesetzt sind. Auf der gegenüberliegenden Seite der Glimmerscheibe 1OB befindet sich eine dünne zweite Scheibe 110 , die aus Zirkonfolie oder dergl. gebildet ist« Die Scheibe 110 uiirkt dahingehend , irgeniuelche zurückgehaltenen unerwünschten Raktionsgase zu absorbieren bzuj. sich mit ihnen umzusetzen, beispielsweise Sauerstoff, der durch dia hohen Temperaturen erzeugt merden kann, die auf das "fflin-K" oder das äquivalente Material uiirken. Es ist ausserordentlich wichtig, daß die thermoelektrischen :3auelemente 9B keiner Oxydation ausgesetzt sind, da eine geringe Oxydation für diese thermoelektrischen Bauelemente 98 sehr schädlich ista

Ein wichtiges Bauteil der thermoelektrischen Umuiand« lungse inrichtung 12 besteht in dem Balgen 112, der einen verhältnismässig dicken starren ffletallfiansch 114 auf-· meist, der mit Öffnungen 116 versehen ist. Der Balgen 112 ist mit einem dünnen flHetallblechdeckel 118 verbunden oder einstückig mit ihm ausgebildet, und zwar über eine mehrfach gefaltete balgenartige Seitenwand 120. Die Balgenmand 120 ist aus verhältnisaässig dünnam metall gebildet und bildet in Verbindung mit der UJärmesenkescheibe 70, dem Flansch 114 und dem metalldecke! 118 eine vollständig geschlossene Umhüllung Für die die Umiuandlungseinrichtung 12 bildenden Bauelemente· Es ist zu bemerken, daß die utär^me

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aufnehmende Fläche 74 der Wärmesenke 46 eine verhältnismäßig breite ringförmige Ausnehmung 124 aufweist, welche den Flansch 114 aufnimmt, mehrere Bolzen 128 gehen durch die Öffnungen 116 des Flansches 114 hindurch und sind in Gemindeöffnungen 126 der Wärmesenke 46 aufgenommen, um den Flansch 114 mit der Wärmesenke 46 mechanisch zu verbinden. Ein üblicher Q-Ring 130 oder ein ähnlicher Abriichtteil ist in einer Ausnehmung 132 des Wärmesenketeiles 46 aufgenommen« Der Durchmesser des Balgens 112 ist größer als der Durchmesser der Isolierscheibe 108, der Getterscheibe 110 und des thermoelektrischen Umuiandlungeunter« aufbaus 92. Ausrichtungsstifte 136 und Ausrichtungeöffnun*· gen 137 in dem thermoelektrischen Unteraufbau 92 ermöglichen eine bequeme und schnelle Anordnung der Bauteile an der Wärmesenke 46, insbesondere dann, uienn die Wärmesenke 46 derart angeordnet ist, daß ihre scheibenartige Basis 70 sich in einer waagerechten Ebene befindet und die Fläche nach oben gewandt ist. Um eine elektrische Isolierung der Energieleitungen 104 und 106 zu gewährleisten, ist ein dünner Isolierstreifen 138 nehe der öärmesenkeflache 74 über dem bereich des thermoelektrischen Unteraufbaus 92 angeordnet, der von den Thermoelementen 100 eingenommen u/ird. Die Leitungen 104 und 106 gehen durch zweckentsprechende darin gebildete Öffnungen 140 hindurch, bevor sie durch die Öffnungen 106 der Wärmesenke 46 hindurchgehen. Während des Zusammenbaus der Bauteile dehnt sich die Balgenwand 120 leicht

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aus, um ein Verbolzen des Balgonflansches 114 mit der Wärmesenke 46 zu ermöglichen. Die Federn 80 drücken ihre zugeordneten Ausrichtungskolben 78 und Knöpfe 84 in Berührung mit den Sanimeistreifen 90, die von dam thermoelektrischen Unteraufbau 92 getragen sind. Die Federn 80 befinden sich in im wesentlichen entspannter Stellung. Beim Anordnen des Balgens 112 auf der Oberseite des thermoelektrischen Unteraufbaus 92 und anderer Elemente befindet sich der Flansch 114 in einem geringen Abstand von der ihn aufnehmenden Ausnehmung 124. Wenn jedoch der Flansch 114 mit der Wärmesenke 46 verbolzt ist, bewegen sich die Ausrichtungekolben 78 einwärts und drücken die Federn 80 etwas zusammen, während gleichzeitig die Falten der Balgenwand 120 sich leich ausdehnen, da die Federkonstante des Balgens bzw. der Balgenwand 120 sehr viel kleiner als die Gesamtfederkonstante der Federn 80 ist, die ihren einzelnen Ausrichtungskolben 78 zugeordnet sind. .

Ulenn die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 12 vollständig zusammengesetzt sind, ordnen die federbelasteten Ausrichtungskolben 78 den thermoelektrischen Unteraufbau 92 in guter UJärmeberührung mit dem IKletalldeckel 118 des Balgens 112 an. Die Verwendung des 0-Ringes 130 ermöglicht eine vollständige Abdichtung der Einrichtung 12 von der Um-· gebung, während die Balgenwand 120 eine bequeme UJärmeausdehnung und Ulärmezusammenziehung aller Bauteile ermöglicht· Vor dem Verbinden der Umwandlungseinrichtung 12 mit

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der UJ arme quell β~ 14 ist es erw'nscht, Gase aus der die Thermoelemente IUO abstützenden Isolierscheibe 94 auszutreiben. Dies wird mittels einer Leitung 142 erreicht, die bei 144 mit der Wärmesenke 46 nahe einer lüarmesenkeüffnurt 146 und mit einer ^ntgasungseinrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist. Ein zweckentsprechendes Ventil 143 kann zwischen der Entgasungseinrichtung und der Leitung 142 vorgesehen sein. Die durch den Balgen 112 gebildete Kammer kann weiterhin nach dem Entgasen geprüft werden, um ihre ,gasdichte Ausführung zu gewährleisten, wobei übliche Verfahren angewendet werden, beispielsweise die Helium-Leck·· abfühltechnik, und weiterhin kann ein inertes Gas, beispielsweise Argon, in den Hohlraum eingeführt werden, um die Wahrscheinlichkeit einer Oxydation herabzusetzen,insbesondere mit Bezug auf die thermoelektrischen Bauelemente 98. Im Hinblick auf die Verwendung des inerten Gases innerhalb .des Bereiches, der von der Wärmeisolierung 34 eingenommen wird, welche die Abschirmung IB umgibt, kann es erwünscht sein, zuerst ein Gas mit hoher Wärmeleitfähigkeit einzuführen, um das Zurückweisen der Wärme durch die Isolierung 34 und den GuÖeisenbehälter 38 während der anfänglichen Betriebsperiode zu vergrößern, da die Radioisotopenenergiefreigabe merkbar abfällt und innerhalb einer vernünftig kurzen Zeit die halbe Höhe erreicht. Danach kann ein inertes Gas, beispielsweise Argon, das aktive Gas ersetzen, um eine Gesamtabnahme der Wärmeleitfähigkeit dar gasimpräg-

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nierten Isolierung 34 zu schaffen in einem l/ersuch, den yetuünschten Wärinegradienten von der Wärmequelle 14 zu der Wärmesenke 46 genau aufrechtzüerhalten. "'.--.

Wenn die thermoelektrische Ummandlungseinrichtung 12 vor der Berührung zwischen der Wärmesenkefläche 74 und der Berührungsfläche 44 des Gußeisenbehälters 38, mit der Wärme« ajuelle 14 mechanisch dicht verbunden ist, tritt die Deckelscheibe 118 des Balgens 112 mit der Außenfläche des Abschirmungsbechera 22 in öerührung, um zwischen ihnen thermischen Kontakt hervorzurufen. Die Balgenwand 120 fällt etwas zusammen, ti/erin die Wärmesenke 46 mit dem GuQeisenbehäl~ ter 38 mechanisch verbunden iuird und sie hat das Bestreben, die Ausrichtungskolben 78 gegen die Vorspannung ihrer Federn 80 eintuärtszudrücken und damit die Federn 80 zusarnmena zudrücken. Oa die Federkonstante der Bal.genuiand 120 kleiner als die kombinierte Federkonstante aller Federn 80 ist, uiird die Balgenuiand 120 in viel grösserem «usmaü zusammengedrückt als die Federn 80, und zwar bis zu einer Stelle^ an u/slcher die radiale Flanschfläche 74 der WärmesBnke 46 die Fläche 44 des Euöelsenbehälters 38 berührt. Die Bolzen 48 befestigen dann die beiden Hauptbauteile 12, 14 mitein-· ander,,wobei die Q~Ringe 52, 54 als zufriedenstellende Abdichtungen zumischen den nunmehr miteinander verbundenen Bauelementen luirken.

Wenn dia thermoelektrische Umuiandlungseinrichtung 12 von der Wärmequelle 14 abgenommen ist, haben die Federn 80

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beinahe ihre -freie-.bzw. entspannte Länge und stehen damit nicht mehr unter sie voll zusammendrückender Belastung wie im zusammengebauten Zustand» Dies gewährleistet, dab die Druckfedern 80 vor der endgültigen Verbindung mit^vUlärme~ quelle 14 sich nicht "setzen". uJeiterhin wird bei ausgedehntem Balgen 112 eine minimale Druckkraft auf die thermoelektrischen Hauelemente 98 ausgeübt, jedoch ist diese Kraft ausreichend, um körperliche Beschäftigung oder Zerstörung der thermoelektrisehen Bauelemente 98 zu verhindern, wenn die Umwandlungseinrichtung 12 einem körperlichen Schock, Stoß oder Schlag ausgesetzt uiird« öie verhältnismäßig dünne metallische Balgenumnd 120 dient als außerordentlich langer Wärmeübertragungsuieg_f um zu verhindern, daß der größte Teil der Wärme den thermoelektrischen Umuiandlungs« unteraufbau 92 umgeht. Weiterhin können mit der kombinierten Federvorspannanordnung mit den einzelnen Schraubenfedern und der Balgenmand 120 die den Unteraufbau bildenden Bauelemente sich bequem ausdehnen und zusammenziehen zufolge von UiärmeMnderungen mit minimaler !Möglichkeit eines physikalischen Versagens.

Alle Vorteile, die sich durch die Schaffung einer durch Radioisotopen betriebenen thermoelektrischen Vorrichtung in Form eines mit einem offenen Ende versehenen Behälters 38 und einer thermoelektrischen Umuiandlungseinrichtung 12 in ebener form, u/elche das offene Behälterende überliegt, ergeben, sind ebenfalls bei einer zweiten Ausführungsform

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vorhanden, weiche bequem einen doppelten elektrischen Energieausgang hat. In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die an Stelle eines mit einem offenen Ende versehenen becherartigen Behälters die Form eines mit offenen Ende v/ersehenen Zylinders 38'hat, wobei zwei thermoelektrische Umuiandlungseinrichtun·» gen 12} 12*'in IKlodulform bzw. Bausatzform an den gegenüberliegenden offenen Enden angeordnet sind.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 weist eine mittlere Radioisotopenbrennstof fiuärmequelle 14 und thermoelektrische Urowandlungseinrichtung 12 · und 12" auf, die axial an den sonst offenen Enden der allgemein zylindrischen Wärmequelle 14' angeordnet sind. Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist im wesentlichen eine Verdoppelung des linken Teiles der Ausführung gemäß Fig. 2 mit der Ausnahme , daß die Radioisotopenbrennstof f kapsel 16· genügend Wärmeenergie schafft, um den richtigen lüärmegradienten an beiden Umwandlungseinrichtungen 12' und 12'· zu erzeugen. Insgesamt sind ähnliche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines oder zweier Striche bezeichnet. Das äussere Gußeisengehäuse 38' hat die Form eines verhältnismässig dicken offenen Zylinders, welcher die zylindrische Brennstoffkapsel 16· und deren Rädioaktivitäteabschirmung 18' in der Form eines zylindrischen Teiles 20' mit E-ndkappen 22 ' und 22,·' umgibt. üielUärmeieoliereinrichtung 34· weist eine Reihe von mit Öffnungen versehenen Ulärmescheiben 36· auf,

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um den radialen Wärmeübergang der Vorrichtung herabzusetzen und den axialen Wärmeübergang durch die Kappen 22' und 22'· hindurch zu den thermoelektrischen Umwandlungseinrichtungen 12' und 12·' zu vergrössern. Ringförmige Halteringe 60'
und 60'' können zwischen Isolierscheiben 36b' und 36a' an dem linken Ende der Vorrichtung, und zwischen Scheiben 36a¹¹ und ■36b¹¹. an dem rechten Ende der Vorrichtung eingeklemmt sein, um die abgeschirmte Brennstoffkapsel 16' gegen Verschiebungen zufolge Trägheitskräften axial zu halten. Beide thermoelektrische^ Umwandlungseinrichtungen 12' und 12!! sind der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 identisch und sie
weisen WärmesBnkplatten 46·, 46·' auf, in denen in entsprechenden Öffnungen Kolben 78' und 78'· aufgenommen sind, und es sind Vprspanneinrichtungen vorgesehen, um die thermoelektrischen Umwandlungsunteraufbauten 92·,.. 92^rI in Wärmeberührung mit entsprechenden Deckeln 118' und 118'· zu
drücken, die an den Endklappen 22' und 22*· anliegen,
^ie Balgen sind mit den Wärmesenkeplatten 46· und 46' '■
durch Bolzen 128' und 128'· verbunden, um ein schnelles
Auseinandernehmen der thermoalektrischen Umwandlungseinrichtungen 12* und 12'' sowie einen Austausch oder Ersatz
ihrer Bauteile zu ermöglichen. Weiterhin ermöglichen Bolzen 48' und 48·' eine abnehmbare Verbindung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 12',.12'' mit dem GuöeisBnbehälter 38· auf ähnliche Weise wie bei der vorbeschriebenen
Ausführungsform. Zweckentsprechende O-Ringdichtungen 52^J

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und 54' an dem linken Ende der Vorrichtung, und 52' ' und 54 · ' an dem rechten Ende der Vorrichtung bewirken einen gasdichten Abschluß zwischen diesen Hauptunteraufbauten 12¹, 12·' und 14·.

Beim Betrieb beider Ausführungsformen der Erfindung wird durch kontinuierliche Freigabe vcn Wärmeenergie aus der Radioisotopenbrennstoff kapsel 16 bzw» 16* und durch die ■durch die ringförmige Isoliereinrichtung 34 bzw. 34' errichtete Wärmesperre die Wärme axial in Richtung gegen die thermoelektrischen Unnuandlungseinrichtungen 12 bzw. 12', 12' · gerichtet. Der richtige UJärmegradient ujird quer über die Einrichtungen 12 gesenaffen, worauf ein Teil der Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, die von den Leitungen zu einer elektrischen Last auf der Aussenseite der Generatorvorrichtung geführt wird. Zweckentsprechende Steuereinrichtungen für die elektrische Energie (nicht dargestellt) können ausserhalb der Generatorvorrichtung vorgesehen sein, mährend eine gewisse Energieausgangssteuerung dadurch geschaffen sein kann» daß die Gasfüllung in dem faserartigen Isolierabschnitt 34 das Behälters geändert luird»

Durch Verwendung einer thermoelektrischen Umiuandlungs-. einrichtung 12 einschliesslich einer mit Öffnungen versehenen Isolierplatte 94 kann hinsichtlich der körperlichen Ausbildung der einzelnen Thermoelemente eine gewisse Änderung vorgesehen werden, und zwar hinsichtlich des Durchmessers der einzelnen Elemente, der zweckentsprechend herabgesetzt

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werden kann, ohne eine iflihausrichtung zwischen den Aus·· Tiehtungskolben 78 und den Thermoeliiinenten 100 hervorzurufen. Weiterhin ist die Vorrichtung ausserordentlich flexibel hinsichtlich des elektrischen Energieausgangs, da eine Anzahl von thermoelektrischen Bauelementen 98 aus der thermoelektrischen Umiuandlungseinrichtung 12 und die betreffenden Ausrichtungskolben 78 , Federn 80 und knöpfe 84 fortgelassen werden können, mährend trotzdem die Vorrichtung noch erfolgreich arbeiten kann. Selbst ein vollständiger thormoelektrischer Unteraufbau kann bequem abgenommen und in-, wenigen frtinuten ersetzt werden, Weiterhin können verschiedene Brennstoffkapseln mit sich änderndem Ausmaß an abgegebener Energie an Stelle der beschriebenen Brennstoffkapsel vorgesehen werden, ohne daß die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung auf irgendeine Weise abgeändert luird mit der Ausnahme, daß sich ein anderer Energieausgang, ergibt. .

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß durch die Generatorvorrichtung gemäß der Erfindung ein mit Radioisotopen betriebener thermoelektrischer Generator geschaffen ist, der wenig kostet, in hohem Ausmaß flexibel isl bequem zusammengesetzt werden kann und ausserordBBtlich sicher ist. Die gesamte Ausführung kann ohne Beschädigung bequem auseinandergenommen uierden. Beide Unteraufbauten 12, 14 können ohne Beschädigung bequem' auseinandergenommen werden, wobei ein wallständiger Ersatz der Isotopenbrenn«

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stoffkapsel und der thermoelektrische^ Umtuandlungseinrichtung mit niedrigen Kosten und ohne die Notwendigkeit für eine HeiOzelle möglich ist. Die Ausführung der Umiuand· lungseinrichtung und der Wärmequelle als Deckel ermöglicht eine Wartung am Aniuendungsort ohne Zerstören der Abdichtung der Umtuandlungseinrichtung 12.

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Claims

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Patentansprüche

1.) Thermoelektrische üeneratorvorrichtung, gekennzuiuhnet durch eine Wärmequelle (14) mit einer Radioisotapankapsel (16), einen allgemein becherförmigen Behälter (38) zur Aufnahme der Kapsel, eins die Kapaal umgebende Radioaktivitätsabschirmung (18), dine zwischen der Kapsel und der Behälterwand getragene UJärmeisoliareinricbtung (34) und eine thermoelektrische Umtuandlungseinrichtung (12) ebener Form, welche über dem offenen Ende des becharförmi-(jen Behälters liegt, so daß der größte Teil dar von der Warmequellenkapsel freigegebenen lllärmanargia axial zu der thermc elektrischen Umiuandlungseinrichtung gerichtet ist, während ein Ersatz oder Austausch der thermoelektriachen Unuiandlungsainrichtung und/oder der abgeschirmten Radioisotopenkapsel am Anuiendungsort möglich ist.

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radioisotopenkapsel (16) Strontium 90 enthält, das in einem abgedichteten metallbehälter aus einer Buperlegierung auf Nickelbasis angeordnet ist, der becherförmige Behälter (38) aus verhältnismässig dickem Gußeisen gebildet ist und daß die Radioaktivitäteabachirraung (18) eine die Kapsel (16) unischliessende Auskleidung aufweist, die aus UJoIfram, erschöpftem Uran oder einer Rlolybdänuranlegierung gebildet ist.

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'3. Vorrichtung nach Anspruch 1 odar 2, dadurch gekennzeichnat, daß die thermoelektrische Umtuandlungaeinrichtung (12) einen thermoeilaktrisc'ien Bausatz odar modul aufweist mit einer plattanartijen U/ärmesanke (46, 70) und einer Einrichtung (48) zum abnehmbaren Verbinden des Bausatzes, mit dem offenen Endes dBS becherförmigen Behälters (38).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung ' (34) aus faserartiyem Isoliermaterial allgemein bachsrförmiger oder zylindrischer Gestalt gebildet ist, dar Behältar (38) eina von ihm getragene Einrichtung (64, 68) zum Entgasen des faserartigen Isoiiermaterials nach dem Zusammenbau des Behälters mit der tharmoelektrischen Umuiandlungseinrichtung ■(12) aufuieis.t, ein ringförmiger Haltaring (60) mit einem Innendurchmesser, der kleiner als der Durchmesser der Radioaktivitätsabsuhlrmung (18) ist und mit einem Auasendurchmasser, der größer als der Durchmesser dieser Abschirmung ist, und daß eine Einrichtung (36a, 36b) vorgesehen ist zum Verbinden des Halteringes mit dem E-nde der Auskleidung der Radioaktivitäteabschirmung, wodurch der Ring über der Kapsel liegt und sein Aussenumfang in dem Isoliermaterial (34) eingebettet ist, um ein axiales Verschieben der Abschirmungsauskleidung mit Bezug auf den becherförmigen Behälter (38) zu verhindern.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrische Uamand-

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lungseinrichtung (12) in Form eine· Bausatzes bzu/. in lfiodulform gebildet ist, oine als Wärmesenke wirkende metallplatte (?0) vorgesehen ist, die thermoelektrische Umwendlungssinrichtung eine mehrzahl- von im Abstand voneinander befindlichen thürnoelektrischen üauelementen (98, iOO) einen Bälgen (112), mit einem wärmeleitenden Deckel (118), der zwischen der thermoelektrischen Umu/andlungseinrichtung und dem offenen Ende des becherförmigen Behälter» (38) angeordnet ist, und dessen Seitenwand (l2ü) einen thermoelektriechen Untoraufbau (92) umgibt, und daö eine Einrichtung vorgesehen ist zum dichten Verbinden betreffender Enden der Seitenwand (I2ü) mit der Wärmesenke (46) und dem Deckel^ (118), u/obei das Federungsvermögen des Balgens dahingehend wirkt, die thermoelektrischen Bauelemente (98) zwischen dem Deckel und der Metallplatte zusammenzudrücken« mährend gleich zeitig die Aussenfläche de· Deckels in tuärmeaufnehmende Berührung mit der abgeschirmten Radioisotopenkapsel (16) gedrückt ist» .

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (126, 128) zum abnehmbaren Verbinden des Balgens (112) mit der Metallplatte (70) der Wärmesenke (46) und durch eine Einrichtung (48) zum abnehmbaren Verbolzen der yJärmessnkeplatte mit dem offenen Ende des becherförmigen Behälters (38)

7e Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet _t daß der allgemein becherförmige bzw. zylindrische Behälter (38) einen Gußeisenzylinder beträchtlicher Dicke aufweist und daß die thermoelektrische Um-

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wandlungseinrichtung (12) einen ebenen Bausatz auf meist mit einer mit Löchern versehenen Isolierplatte (94), «leiche im Abstand voneinander thermoelektrische Bauelemente (98) tragt, und daß eine Einrichtung zum abnehmbaren Verbinden des thermoelektrischen Umumndlungabausatzes mit dem offenen E-nde des Gußeiaenzylinders vorgesehen ist.

8«- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrische Umtuandlungseinrxchtung (12) eine als Wärmesenke u/irkende metallplatte (70) aufweist» ein thermoelektrische* Uraiuandlungsunteraufbau (92) eine aus Isoliermaterial gebildete, mit Löchern versehene Platte (94) aufweist, in deren Löchern eine Mehrzahl von im Abstand voneinander befindlichen thermoelek.triechen Bauelementen (9B) getragen ist, eine mehrzahl von Löchern (76) in der tUarmesenkeplatte (70) allgemein in Ausrichtung mit den Löchern in der Isolierplatte gebildet ist, Auerichtungskolben (78) aus wärmeleitendem Material in den Wärmesenkelöchern angeordnet sind, eine Einrichtung (Bi)) vorgesehen ist zum Vorspannen der Kolben nach außen gegen die thermo» elektrischen Bauelemente, und ein Balgen (112) vorgesehen ist mit einem wärmeleitenden Deckel (llö) , welcher über dem thermoelektrischen Unteraufbau und dem zugeordneten Aus» richtungskolben liegt und eine balgenartige Seitenwand (l20) aufweist, welche den thermoelektrischen Unteraufbau umgibt, eine einrichtung zum Verbinden betreffender Enden der Bei* genseitenwände reit der lärmaeenke und den; Deckel vorgesehen

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sind, wodurch die Balgenwand, die während das Zusammenbaus ausgedehnt wird, ein Zusammendrücken der thermoelektrischen Bauelemente zwischen dem Deckel und betreffenden Ausrichtungskolben hervorruft, um die Leitung von Wärmeenergie won dem Deckel zu der Wärmesenke durch den thermoelektrischen Unteraufbau hindurch zu verstärken., mährend sie dahingehend wirkt, die ■ Aussenflache des Deckels in llJärmeaufnahmeberührung mit der abgeschirmten Hadioisotopenkapsel (l6) zu drücken, wenn der Bausatz mit dem Behälter (38) verbunden ist.

9, Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aussenende jedes Ausrichtungskolbens (78) eine konkave Ausnehmung, und die Isoliereinrichtung rasttalische halbkugelförmige Knöpfe (84) aufweist mit einem Durchmesser, welcher gleich dem Durchmesser der Ausrichtungskolben ist und die jeweils einer konkaven Ausnehmung aufgenommen sind und einen dünnen Metalloxydüberzug an ihrer ebenen Fläche aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Loch hinter einem Ausrichtungskolben eine Feder (80) angeordnet ist derart, daß die Federkonstante der balgenartigen Seitenwand (12O) kleiner als die kombinierte Federkonstante der einzelnen Ausrichtungsfedern ist. .

11· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verbinden des Ende» der Seitenwand (12a) mit der Wärmequelle einen 009808/0619

Radialflansch (114) und eine Einrichtung (126, 120) zum Verbolzen do-s Baljanflansches mit dar FlÜcho (74) dar Wärmesenke aufmalst.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, cjukonnzeiichnut durch einen Q-Ring (130), dar zwischen dem Flansch (114) und der Flachs der Uiärmasenkaplatte (70) eingeklemmt ist, um einen bei hoher Temperatur gasdichten Abschluß für dio thurmoelektrische Umuandlun jsainrichtung (12). .zu schaffen.

13. Vorrichtung nach einem dar Ansprüche B bis 12, dadurch gskannzeichn t, daß die lüärrnesunküplat te (70) aus Aluminium bohar Festigkeit, din Ausrichtungskolben (78) aus Aluminium, die Knöpfe (B4) aus Aluminium, und der dünne RIbtalloxydüberzug auf der abenen Flache des Knopfes aus Tonerde, Zirkonerde, Kieselerde, Bar/llerde, Zirkon, Steatit, oder Kalziumtitanat, Strontiuwtitanat oder fflagnüsiuintitanat gebildet ist.

14'. Vorriuhtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13_f gekennzeichnet durch eine lietterBinrichtung (110) in der durch don Balgen (112) und der SUärmesenkBmetallplattß (70) gebildeten Kammer zum.Absorbieren aktiver Gase in der Kammer.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gettersinrichtung ein dünnes Blatt (HO) aus Zirkonfolte aufweist, das zwischen dem thermoelektrischen Umuiandlungsuntaraufbau (92) aus dem Deckel (118) angeordnet ist. _;.

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IG. Vorrichtung nach einem dor Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet,.. d-aj eine dünne Glimmerscheibe (108) zwischen dam Deckel (118) und dem thtirmotilektrischen Umtuandlunysunteraufbau (92) angeordnet ist, ura die thermoelektri3chen BauBlemente von dem Deckel elektrisch zu isolieren·

17, Vorrichtung nacn feinem der Ansprüche B bis 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (142, 143, 144) zum ^nttjasen der Kammer, dia van dam Ualgen (112) und der ll/ärmesenkepiattß (7Q) nach dem Zusammenbau des Bausatzes (12) gebildet ist.

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