DE1539304B2 - Thermoelektrische Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung mit einer einstückigen einseitig offenen Kammer mit ebener Bodenplatte und elastischen Seitenwänden, die von einer den Wärmeaustauscher bildenden Metallplatte hermetisch dicht verschlossen ist und die zwischen der Bodenplatte und der Metallplatte angeordnete, durch Federkraft zusammengedrückte Thermoelementschenkel enthält.

Bei einer aus der US-PS 3 057 940 bekannten Vorrichtung dieser Art sind die Bodenplatte, die Seitenwände sowie die die Kammer verschließende Platte aus dünnem Stahlblech gebildet, wobei die Vorrichtung durch auf die Bodenplatte und die die Kammer verschließende Metallplatte ausgeübten Druck zusammengedrückt wird. Zwischen den Thermoelementschenkeln und der Bodenplatte ist dabei eine dünne Glimmerplatte angeordnet. Die einen glatten Mantel bildenden Seitenwände sind verhältnismäßig steif, so daß sich die Vorrichtung in ihren Randbereich nur schlecht zusammendrücken läßt, was einen guten Wärmedurchgang behindert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermoelektrische Vorrichtung zu schaffen, die bei Vermeidung unzuläßiger hoher Wärmespannungen einen guten Wärmedurchgang durch die Vorrichtung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Seitenwände der Kammer durch ein Wellrohr gebildet sind und zwischen den Thermoelementschenkeln und der die Kammer abschließenden Metallplatte in Bohrungen dieser Metallplatte federbelastete Kolben angeordnet sind. **'

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf* eine elastische Verformung der Bodenplatte und der die Kammer verschließenden Metallplatte verzichtet und statt dessen den Kammerwänden eine hohe Elastizität verliehen. Im eingebauten wird die Vorrichtung durch elastische Verformung der Seitenwände zusammengedrückt, so daß die Federbelasteten Kolben einen gleichmäßigen, einen guten Wärmedurchgang gewährleistenden Andruck bewirken. Eine kompakte Bauweise und ein guter Wärmeübergang werden zusätzlich dadurch erreicht, daß die die Thermoelementschenkel mit Druckkraft beaufschlagenden Kolben unmittelbar in Bohrungen der den Wärmeaustauscher bildenden Metallplatte untergebracht sind. Die kompakte und einen guten Wirkungsgrad gewährleistenden Bauweise macht die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur Verwendung in mit Radioisotopen-Brennstoff betriebenen Generatoren geeignet.

Aus der US-PS 3 075 030 ist eine thermoelektrische Vorrichtung bekannt, bei der federbelastete Kolben, die in Bohrungen einer den Wärmeaustauscher bildenden Metallwand angeordnet sind die Thermoelementschenkel mit Druckkraft beaufschlagen. Dabei weist jeder Kolben an seinem den Thermoelementschenkeln zugewandten Ende eine konkave Vertiefung auf, in der ein metallischer halbkugelförmiger Knopf liegt. Diese bekannte Vorrichtung weist keine Seitenwände von hoher Elastizität auf, so daß nach Einbau der Thermoelemente die Federvorspannung jedes einzelnen Kolbens durch Schraubverstellungen eingestellt werden muß.

Zweckmäßigerweise ist die Federkonstante des Wellrohrs kleiner als die Gesamtfederkonstante der die Kolben belastenden Federn, so daß diese vor ihrem Einbau und dem Zusammenpressen der Vorrichtung ihre Spannkraft nicht verlieren.

Jeder Kolben kann an seinem äußeren den Thermoelementschenkeln zugewandten Ende eine konkave Vertiefung aufweisen, in der ein metallischer halbkugelförmiger Knopf liegt, der etwa denselben Durchmesser aufweist wie der Kolben und auf seiner ebenen Seite einen dünnen Überzug aus isolierendem Material, vorzugsweise Metalloxid, besitzt. Die halbkugelförmigen Knöpfe gestatten den Ausgleich von Herstellungstoleranzen. In der dicht verschlossenen Kammer kann ein

Getter zur Absorbtion von in der Kammer befindlichen aktiven Gasen angeordnet sein. Das Getter kann aus einer dünnen Zirkoniumfolie bestehen, die zwischen den Thermoelementschenkeln und der Bodenplatte angeordnet ist. Zwischen der Bodenplatte und den Thermoelementschenkeln kann auch eine dünne Glimmerplatte angeordnet werden, die die Thermoelemente elektrisch von der Bodenplatte isoliert. *"~ .

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine auseinandergezogene schaubildliche Darstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, die in einen mit Radioisotopen betriebenen thermoelektrischen Generator eingebaut ist,

F i g. 2 einen teilweisen Schnitt durch die Vorrichtung nach F i g. 1 und

F i g. 3 einen teilweisen Schnitt durch die thermoelektrische Vorrichtung im vergrößerten Maßstab.

Die thermoelektrische Vorrichtung 12 weist federbelastete Kolben 78 auf, die in wärmeleitender Verbindung zu dem Wärmeaustauscher 46 der Radioisotopenwärmequelle 14 stehen. Der Wärmeaustauscher 46 kann aus gegossenem oder geschweißtem Aluminium oder Magnesium oder Legierungen davon gebildet sein und er weist einen Hauptkörper 70 scheibenförmiger Gestalt auf, der aus einer Metallplatte 74 mit einer Mehrzahl von im Abstand voneinander liegenden Rippen 72 besteht, 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 Wärmeübertragungsfläche in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen zu schaffen. Die Metallplatte 74 weist eine Reihe von im gleichförmigen Abstand liegenden Löchern 76 auf, die während des Gießverfahrens gebildet oder gebohrt sein können, wenn es gewünscht wird. Die Löcher 76 nehmen Kolben 78 auf. Die Kolben 78 sind an ihrem in der Metallplatte 74 liegenden Enden mit Ausnehmungen versehen, um einzelne Schraubenfedern 80 aufzunehmen derart, daß diese das Bestreben haben, die Kolben 78 aus ihren Löchern 76 nach außen zu drücken. Der Durchmesser der Kolben 78 liegt in der Größenordnung des Durchmessers der Löcher 76 und sie sind dadurch in diesen eng aufgenommen. Weiterhin haben die Kolben 78 eine derartige Länge mit Bezug auf die Löcher 76, daß selbst, wenn die Federn 80 ihre entspannte Länge haben, der Kolben 78 noch ganz in dem Loch 76 bleibt. Wärmeübergang wird in radialer Richtung zwischen der Umfangsfläche der Kolben 78 und den Löchern 76 erhalten. Um diesem Wärmeübergang zu verbessern, können die Kolben von Aluminiumschmiere bzw. Aluminiumfett umgeben sein. Die von der Metallplatte 74 entfernt liegenden Enden der Kolben 78 sind mit konkaven Ausnehmungen 82 versehen, die halbkugelförmige massive Metallknöpfe 84 aufnehmen, um eine Mißausrichtung zufolge von Herstellungstoleranzen zu ermöglichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Kolben 78 aus Aluminium , so daß sie sich mit der Ausführung des Wärmeaustauschers 46 vertragen, und die Knöpfe 84, die ebenfalls aus Aluminium gebildet sind, können einen verhältnismäßig dünnen äußeren Überzug aus Aluminiumoxyd od. dgl. haben, um sie von Kupferkontaktbrücken 90 elektrisch zu isolieren. Die Kontaktbrücken 90 vervollständigen wahlweise die elektrische Verbindung zwischen den Enden der Thermoelementschenkel 98. Da die Kontaktbrücken 90 elektrischen Strom führen, der durch die metallischen Kolben 78 hindurch zu dem Wärmeaustauscher 46 fließen würde, wenn keine elektrische Isolierung vorhanden wäre, müssen die. Knöpfe 84 eine Isolierschicht 86 aufweisen, die so ausgewählt ist, daß eine gute Wärmeleitfähigkeit zusätzlich zum Beibehalten annehmbarer elektrischer Isoliereigenschaften geschaffen ist. Die Isolierschicht 86 ist gewöhnlich verhältnismäßig dünn, sie muß jedoch eine genügende Festigkeit und Oberflächenhärte aufweisen, um es den Kolben 78 zu ermöglichen, den Gesamtaufbau 92 der Thermoelementschenkel 98 in Richtung gegen die Wärmequelle 14 zu drücken. Ein bevorzugtes Material besteht aus einer dünnen Lage aus Aluminiumoxyd, obwohl Zirkonoxyd, Aluminiumsilikate, Berylliumoxyd, Zirkon, Steatit, Kalciumtitanate, Strontiumtitanate und Magnesiumtitanate statt des Aluminiumoxyds verwendet werden können, und zwar in Abhängigkeit von dem Knopfmaterial. Das Aluminiumoxyd kann auf der ebenen Fläche des Knopfes 84 durch anodischen Niederschlag oder stattdessen durch übliche Flammensprühtechniken aufgebracht werden. Wenn das Verfahren 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 0,0508 bis 0,0762 mm ist für die Doppelfunktion der elektrischen Isolierung und der Wärmeleitfähigkeit ausreichend.

Ein hauptsächliches Bauteil der thermoelektrischen Vorrichtung 12 ist der Gesamtaufbau 92 der Thermoelementschenkel 98, der einen ringförmigen scheibenartigen Teil 94 aus faserartigem Isoliermaterial od. dgl. aufweist. Die Isolierscheibe 94 ist bei 96 mit zweckentsprechenden Öffnungen versehen, um zylindrische Thermoelementschenkel 98 aufzunehmen, die einen Teil der Thermoelemente 100 bilden, die eine heiße Kontaktbrücke 102 aufweisen. Jedes Thermoelement 100 ist von üblicher Ausführung und die Schenkel 98 können aus Tellurit gebildet sein mit zweckentsprechenden Dotierungsstoffen, um die gewünschten n- und p-leitfähigkeiten zu schaffen. Die Thermoelemente 100 sind demgemäß durch die Isolierscheibe 94 abgestützt. Die zylindrischen Thermoelementschenkel 98 können Kaltschuhe in Form von Gußeisenscheiben 99 aufweisen, die an die Enden der Thermoelementschenkel 98 gebunden sind, welche von der Wärmequelle 14 entfernt liegen. Die Anzahl, Größe und Gestalt der Thermoelementschenkel 98 kann sich in Abhängigkeit von den elektrischen Erfordernissen usw. ändern. Die Kontaktbrücken 90 sind wahlweise mit den heißen Kontaktbrücken 102 betreffender benachbarter Thermoelemente 100 gekoppelt, so daß ein gewünschter Reihenstromkreis oder Reihen-Parallel-Stromkreis zwischen den Thermoelementschenkeln 98 vervollständigt ist und zwar in Abhängigkeit von dem Spannungs- und Strombedarf der Vorrichtung. Die Kontrollbrücken 90 sind durch übliche Techniken mit den thermoelektrischen Kaltschuhen 99 verschweißt oder verlötet. Zuleitungen 104 und 106 sind elektrisch mit im Abstand voneinander liegenden Kontaktbrücken 90 verlötet und sie erstrecken sich durch den Wärmeaustauscher 46 nach außen durch Öffnungen 106 hindurch, wobei sie elektrisch isoliert sind. Nahe den heißen Kontaktbrücken 102 befindet sich eine dünne Isolierscheibe 108, die vorzugsweise aus Glimmer gebildet ist und den verhältnismäßig hohen Temperaturen in der Größenordnung von 480⁰C oder mehr widersteht, denen die heißen Kontaktbrücken 102 der Thermoelemente 100 ausgesetzt

sind. Auf der gegenüberliegenden Seite der Glimmerscheibe 108 befindet sich eine dünne zweite Scheibe 110, die aus Zirkonfolie od. dgl. gebildet ist. Die Scheibe 110 wirkt dahingehend, irgendwelche zurückgehaltenen unerwünschten Reaktionsgase zu absorbieren bzw. sich mit ihnen umzusetzen, beispielsweise Sauerstoff, der durch die hohen Temperaturen erzeugt werden kann, die auf das Isoliermaterial der Scheib'e 94 wirken. Es ist außerordentlich wichtig, daß die Thermoelementschenkel 98 keiner Oxydation ausgesetzt sind, da eine geringe Oxydation für diese Thermoelemenschenkei 98 sehr schädlich ist.

Ein wichtiges Bauteil der thermoelektrischen Vorrichtung 12 besteht in der Kammer 112, der einen verhältnismäßig dicken starren Metallflansch 114 aufweist, der mit Öffnungen 116 versehen ist. Die Kammer 112 besteht aus einer dünnen ebenen Metallbodenplatte 118 und einer einstückig damit verbundenen Seitenwand 120 in Form eines Wellenrohres. Die Seitenwand 120 ist aus verhältnismäßig dünnem Metall gebildet und bildet in Verbindung mit der Metallplatte 74, dem Flansch 114 und der Bodenplatte 118 eine vollständig geschlossene Umhüllung für die die thermoelektrische Vorrichtung bildenden Bauteile. Es ist zu bemerken, daß die wärmeaufnehmende Metallplatte 74 des Wärmeaustauschers 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 Gewindeöffnungen 126 der Metallplatte 74 aufgenommen, um den Flansch 114 damit mechanisch zu verbinden. Ein üblicher O-Ring 130 oder ein ähnlicher Abdichtteil ist in einer Ausnehmung 132 der Metallplatte 74 aufgenommen. Der Durchmesser Kammer 112 ist größer als der Durchmesser der Isolierscheibe 108, der Getterscheibe 110 und des Gesamtaufbaus 92 der Thermoelementschenkel 98. Ausrichtungsstifte 136 und Ausrichtungsöffnungen 137 in dem Gesamtaufbau 92 ermöglichen eine bequeme und schnelle Anordnung der Bauteile an dem Wärmeaustauscher 46, insbesondere dann, wenn der Wärmeaustauscher 46 derart angeordnet ist, daß sich die Metallplatte 74 in einer waagerechten Ebene befindet nach oben gewandt ist. Um eine elektrische Isolierung der Zuleitungen 104 und 106 zu gewährleisten, ist ein dünner Isolierstreifen 138 nahe der Metallplatte 74 über dem Bereich des Gesamtaufbaus 92 angeordnet, der von den Thermoelementen 100 eingenommen wird. Die Leitungen 104 und 106 gehen durch zweckentsprechende darin gebildete Öffnungen 140 hindurch, bevor sie durch die Öffnungen 106 der Metallplatte 74 hindurchgehen. Während des Zusammenbaus der Bauteile dehnt sich das Wellrohr 120 leicht aus, um ein Verbolzen des Kammerflansches 114 mit dem Wärmeaustauscher 46 zu ermöglichen. Die Federn 80 drücken ihre zugeordneten Kolben 78 und Knöpfe 84 in Berührung mit den Kontaktbrücken 90, die von dem Gesamtaufbau 92 getragen sind. Die Federn 80 befinden sich in im wesentlichen entspannter Stellung. Beim Anordnen der Kammer 112 auf der Oberseite des Gesamtaufbaus 92 und anderer Bauteile befindet sich der Flansch 114 in einem geringen Abstand von der ihn aufnehmenden Ausnehmung 124. Wenn jedoch der Flansch 114 mit dem Wärmeaustauscher 46 verbolzt ist, bewegen sich die Kolben 78 einwärts und drücken die Federn 80 etwas zusammen, während gleichzeitig die Falten des Wellrohres 120 sich leicht ausdehnen, da die Federkonstante des Wellrohres 120 sehr viel kleiner als die Gesamtfederkonstante der Federn 80 ist, die ihren einzelnen Kolben 78 zugeordnet sind.

Wenn die thermoelektrische Vorrichtung 12 vollständig zusammengesetzt ist, bringen die federbelasteten Kolben 78 den Gesamtaufbau der Thermoelementschenkel 98, 92 in guter Wärmeberührung mit der Bodenplatte 118 der Kammer 112. Die Verwendung des O-ringes 130 ermöglicht eine vollständige Abdichtung der Vorrichtung 12 von der Umgebung, während das

ίο Wellrohr 120 eine bequeme Wärmeausdehnung und Wärmezusammenziehung aller Bauteile ermöglicht.

Vor dem Verbinden der thermoelektrischen Vorrichtung 12 mit der Wärmequelle 14 ist es erwünscht, Gase aus der die Thermoelemente 100 abstützenden Isolierscheibe 94 auszutreiben. Dies wird mittels einer Leitung 142 erreicht, die bei 144 mit der Metallplatte 74 in einer Öffnung 146 und mit einer Entgasungseinrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist. Ein zweckentsprechendes Ventil 143 kann zwischen der Entgasungseinrichtung und der Leitung 142 vorgesehen sein. Die Kammer 112 kann weiterhin nach dem Entgasen geprüft werden, um ihre gasdichte Ausführung zu gewährleisten, wobei übliche Verfahren angewendet werden, beispielsweise die Helium-Leckabfühltechnik, und weiterhin kann ein inertes Gas, beispielsweise Argo'ft, in den Hohlraum eingeführt werden, um die Wahrscheinlichkeit einer Oxydation herabzusetzen, insbesondere mit Bezug auf die Thermoelementschenkel 98. Wenn die thermoelektrische Vorrichtung 12 vor der Berührung zwischen der Metallplatte 74 und der Berührungsfläche 44 des Gußeisenbehälters 38, mit der Wärmequelle 14 mechanisch dicht verbunden ist, tritt die Bodenplatte 118 der Kammer 112 mit der Außenfläche des Abschirmungsbechers 22 der radioaktiven Wärmequelle in Berührung, um zwischen ihnen thermischen Kontakt hervorzurufen. Das Wellrohr 120 fällt etwas zusammen, wenn der Wärmeaustauscher 46 mit dem Gußeisenbehälter 38 mechanisch verbunden wird und sie hat das Bestreben, die Kolben 78 gegen die Vorspannung ihrer Federn 80 einwärtszudrücken und damit die Federn 80 zusammenzudrücken. Da die Federkonstante des Wellrohrs 120 kleiner als die kombinierte Federkonstante aller Federn 80 ist, wird das Wellrohr 120 in viel größerem Ausmaß zusammengedrückt als die Federn 80, und zwar bis zu einer Stelle, an welcher die Metallplatte 74 der Wärmeaustauscher 46 die Fläche 44 des Gußeisenbehälters 38 berührt. Die Bolzen 48 befestigen dann die beiden Hauptbauteile 12, 14 miteinander, wobei die O-Ringe 52,54 als zufriedenstellende Abdichtungen zwischen den nunmehr miteinander verbundenen Bauteilen wirken.

Wenn die thermoelektrische Vorrichtung 12 von der Wärmequelle 14 abgenommen ist, haben die Federn 80 beinahe ihre entspannte Länge und stehen damit nicht mehr unter sie voll zusammendrückender Belastung wie im zusammengebauten Zustand. Dies gewährleistet, daß die Druckfedern 80 vor der endgültigen Verbindung mit der Wärmequelle 14 sich nicht »setzen«. Weiterhin wird bei ausgedehntem Wellrohr 120 eine minimale Druckkraft auf die thermoelektrischen Schenkel 98 ausgeübt, jedoch ist diese Kraft ausreichend, um körperliche Beschädigung oder Zerstörung der thermoelektrischen Schenkel 98 zu verhindern, wenn die Vorrichtung 12 einem körperlichen Schock, Stoß oder Schlag ausgesetzt wird. Das verhältnismäßig dünne metallische Wellrohr 120 dient als außerordentlich langer Wärmeübertragungsweg, um zu verhindern, daß der größte Teil der Wärme den Gesamtaufbau 92

der Thermoelementschenkel 98 umgeht. Weiterhin können mit der kombinierten Federvorspannanordnung mit den einzelnen Schraubenfedern 80 und dem Wellrohr 120 die diesen Gesamtaufbau bildenden Bauteile sich bequem ausdehnen und zusammenziehen zufolge von Wärmeänderungen mit minimaler Möglichkeit eines physikalischen Versagens.....»*

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrische Vorrichtung mit einer einstückigen einseitig offenen Kammer mit ebener Bodenplatte und elastischen Seitenwänden, die von einer den Wärmeaustauscher bildenden Metallplatte hermetisch dicht verschlossen" ist und die zwischen der Bodenplatte und der Metallplatte angeordnete, durch Federkraft zusammengedrückte Thermoelementschenkel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (120) der Kammer (112) durch ein Wellrohr gebildet sind und zwischen den Thermoelementschenkeln (98) und der die Kammer (112) abschließenden Metallplatte (74) in Bohrungen (76) dieser Metallplatte (74) federbelastete Kolben (78) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstante des Wellrohrs kleiner ist als die Gesamtfederkonstante der die Kolben (78) belastenden Federn (80).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (78) an seinem äußeren den Thermoelementschenkeln (98) zugewandten Ende eine konkave Vertiefung (82) aufweist, in der ein metallischer halbkugelförmiger Knopf (84) liegt, der etwa denselben Durchmesser aufweist wie der Kolben (78) und auf seiner ebenen Seite einen dünnen Überzug aus isolierendem Material, vorzugsweise Metalloxid, besitzt (F i g. 3).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmeaustauscher bildende Metallplatte (74) aus Aluminium hoher Festigkeit besteht, die Kolben (78) und die Knöpfe (84) aus Aluminium bestehen und der dünne Metalloxidüberzug auf der ebenen Fläche des Knopfes (84) aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumsilikat, Berylliumoxid, Zirkon, Steatit oder einem Titanat des Kalziums, Strontiums oder Magnesiums gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der dicht verschlossenen Kammer (118, 120) ein Getter zur Absorbtion von in der Kammer befindlichen aktiven Gasen angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Getter aus einer dünnen Zirkoniumfolie (110) besteht, die zwischen den Thermoelementschenkeln (98) und der Bodenplatte (118) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bodenplatte (118) und den Thermoelementschenkeln (98) eine dünne Glimmerplatte (108) angeordnet ist, die die Thermoelementschenkel (98) elektrisch von der Bodenplatte (118) isoliert.