DE1539341A1 - Thermogenerator - Google Patents

Description

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Electric Corporation '.7-erner-v.on-3iemens-5tr.50

Pittsburgh,PA.USA

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Dr. Expl.

The."rno renerato r

Die Erfindung betrifft e-inen Thermogenerator nur Erzeugung elektrischer J'pannungen, dor Über lange Zeiträume zuverlässig arte Lte".';.' . .

Bekannt ist es,' zum Aufbau eine:? Thermogenerators ringförmige p- bzw. η-leitende thermoelektrische Schenkel zu benützen. Diese thermoelektrirjehGn IJohenkel v/erden in abwechselnder Reihenfolge auf eine zentrüe .>·}; rtzröhre aufgeschoben und müssen mit dieser in gutem ./'"rrneleitiingnkontakt stehen. Außerdem ist ein

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guter elektrischer Kontakt zwischen den einzelnen Schenkeln vorzusehen, so daß sämtliche Schenkel elektrisch in Reihe \ liegen. Über die thermoelektrischen Schenkel kann eine zweite SchutzrQhre zusteckt werden, mit der die Schenkel ebenfalls in gutem Wärmeleitungskontakt stehen müssen. Wird.zwischen innerer und äußerer Schutsröhre eine Temperaturdifferenz erzeugt, so erhalt man in bekannter Weise einen elektrischen Strom durch die Thermoelementschenkel. Zur einwandfreien Punktion des Therraogenerators muß -sichergestellt sein, daß die thermischen und elektrischen Kontakte sich auch bei hohen oder wechselnden Temperaturdifferenzen nicht verändern. Diese Forderung kann mit dem beschriebenen Aufbau nicht in befriedigender Welse erfüllt werden. Da die verschiedenen Teile des Thermogenerators unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, kann sich z. B. bei einem hohen Temperaturunterschied die örtlich fixierte Lage der Thermoelementschenkel ändern. Damit können bereits nach einer relativ kurzen Arbeitsdauer die elektrischen Kontakte oder die Wärmeleitung in einem solchen Ausmaß gestört werden, daß thermoelektrische Schenkel sogar ungenutzt bleiben.

Es besteht daher die Aufgabe, bei einem Thermogenerator mit röhrenförmigem Aufbau die Ausdehnung und Verschiebung der Einzelteile so zu kompensieren, daß man eine Vorrichtung mit langer'Lebensdauer erhält. Dabei muß sichergestellt sein, daß sich die Güte der elektrischen Kontakte zwischen den einzelnen thermoelektrischen Schenkeln während der gesamten Lebensdauer nicht wesentlich ändert. Ebenso darf sich der thermische Kontakt -, - . ' .-': V . ' - ..

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zwischen den Seitenflächen der thermoelektrischen Schenkel und den Schutzröhren innerhalb eines weiten Temperaturbereiches nicht wesentlich ändern.

ErfindungBgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens die Wandung einer der' Schutzröhren einen Teil der Wand einer Druckkammer bildet, in der sich ein gut wärmeleitendes Medium, vorzugsweise ein flüssiges Metall unter hohem Brück befindet, und daß diese Röhre durch die auftretenden Radialkräfte plastisch verformt ist.

Zum Aufbau eines Thermogenerators nach der Erfindung wird vorzugsweise die innere, metallische Schutzröhre mit einer thermisch gut leitenden und elektrisch isolierenden Röhre geringer Wandstärke dicht umgeben. Auf diese isolierende Röhre werden abwechselnd p- bzw. η-leitende, ringförmige thermoelektrische Schenkel· in axialer Richtung aufgeschoben. Die thermoelektrischen Schenkel sind von einer zweiten, thermisch gut leitenden und elektrisch isolierenden Röhre geringer Wandstärke dicht umschlossen. Diese zweite isolierende Röhre ist ebenfalls dicht von der zweiten metallischen Schutzröhre umgeVen. Die ringförmigen, p- oder n-leitenden thermoelektrischen Schenkel weisen entlang ihres inneren bzw. äußeren Umfanges Vorspränge auf, die seitlich abstehen. Mit diesen Vorsprüngen wird der elektrische Kontakt zwischen benachbarten thermoelektrischen'Schenkeln hergestellt. Im freien Raum zwischen benachbarten thermoelektrischen Schenkeln werden Isolierscheiben .-vorgesehen. Der Thermogenerator wird durch elektrisch und thermisch isolierende, ringförmige,

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mechanisch stabile Endstücke abgeschlossen. Durch diese Endstücke ist wenigstens je ein stabförmiger Leiter nach außen geführt, der mit dem an das Endstück grenzenden thermoelektrischen Schenkel in elektrischem Kontakt steht.

Vorzugsweise wird nur eine der Schutzröhren plastisch verformt. Um die äußere Schutzröhre zu verformen, muß ihre Wanddicke wesentlich geringer sein als die Wanddicke der inneren Schutzröhre. Diese äußere Schutzröhre wird dann wenigstens teilweise von einer dritten Metallröhre konzentrisch umgeben und der Zwischenraum druckfest abgeschlossen. Wird .der Zwischenraum mit flüssigem Metall unter hohem Druck gefüllt, so treten nach innen gerichtete Radialkräfte auf, die die Anordnung zusammenpressen und sicherstellen, daß die Schenkel in guter Wärmeleitung mit

den isolierenden Schichten und in gutem elektrischen Kontakt miteinander stehen. Soll die innere Schutzröhre verformt werden, so muß ihre Wanddicke wesentlich geringer sein als die Wanddicke der äußeren Schutzröhre. Mit Hilfe einer dritten Metallröhre, die in die innere'Schutzröhre eingeschoben ist, kann man einen druckfeat abgeschlossenen Zwischenraum erzeugen. Füllt man flüssiges Metall unter hohem Druck in diesen Zwischenraum ein, so erzeugt man Radialkräfte, die nach außen gerichtet sind. Um den Druck im flüssigen· Metall bei verschiedenen Betriebsbedingungen konstant zu halten, kann an der inneren bzw. äußeren Schutzröhre ein weiterer Druckraum ausgebildet werden, der mit der Druckkammer, die-durch die Zwischenräume gebildet ist, verbunden wird. Ein Teil dieses Druckraumes ist mit flüssigem Metall, der Rest mit Gas unter hohem Druck gefüllt.

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Weiterhin kann ein Kolben in der Zwischenflache zwischen Gas und flüssigem Metall vorgesehen sein. Durch diesen Kolben wird sichergestellt, daß sich Gas und flüssiges · Metall .im Druckraum nicht vermischen, auch wenn im schwerelosen Zustand gearbeitet wird.

Der beschriebene Ihermogenerator besitzt eine lange Lebensdauer. Wegen der plastischen Verformung einer der Schutzröhren und wegen der elastischen Druckkräfte, die in radialer Richtung auf diese Schutzröhre ausgeübt werden, ist der Wärmekontakt zwischen den Schutzröhren und den thermoelektrischen Schenkeln und der elektrische Kontakt zwischen den Schenkeln sehr gut. Die Güte der thermischen und elektrischen Kontakte' ändert sich nicht, auch wenn verschiedene Betriebsbedingungen angewendet werden, denn die elastischen Druckkräfte kompensieren die thermische Ausdehnung der Einzelteile und lassen örtliche Verschiebungen nicht zu. Als weiterer Vorteil ist noch hervorzuheben, daß der Wärmestrom von der Energiequelle, die sich innerhalb der inneren Schutzröhre befindet, zum Kühlmittel, das die äußere Schutzröhre umgibt, nicht merklich beeinflußt wird, da sich in der Druckkammer nur flüssiges Metall mit einer giaten Wärmeleitfähigkeit befindet.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft durch zwei Ausführungsformen näher erläutert. Hierbei wird auf die Figuren 1 bis 3 Bezug genommen.

Figur 1 stellt einen Längsschnitt durch den röhrenförmigen

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thermoelektrisehen Generator 22. dar. Figur 2 ist ein Querschnitt längs der Linie ΙΓ-ΙΙ der Figur 1 durch den thermoelektrischen Generator. Figur 3 zeigt im Längsschnitt eine zweite Ausfuhrungsform des röhrenförmigen·thermoelektrisehen Generators 10 .

In Figur 1 dient die innere Schutzröhre 12 als, zentraler Träger für den thermoelektrisehen Generator. Diese Schutzröhre ist aus einem gut wärmeleitenden Metall, wie es z. B. im Handel unter dem Namen Inoonel erhältlich ist, aufgebaut. Die Schutzröhre 12 muß eine Wärmequelle hoher Temperatur, wie z. B. einen Gasstrom oder einen Strom flüssigen Metalls oder einen Isotopengenerator, aufnehmen können. Die Röhre erhält so eine Temperatur, die im wesentlichen mit der Temperatur der verwendeten Wärmequelle übereinstimmt. Die Röhre wird von einer relativ dünnen Schicht 14 eines elektrisch isolierenden Materials umgeben. Dieses Material muß auch gute Wärmeleitfähigkeit haben wie z. B. Bornitrid. Auf die isolierende Schicht 14 ist eine Vielzahl von p- bzw. n-leitenden ringförmigen thermoelektrisch.en Schenkeln 16 bzw. 18 in abwechselnder "Reihenfolge aufgeschoben. An jedem inneren Umfang eines η-leitenden Schenkels ist ein ringförmiger Vorsprung 20 angebracht. Die thermoelektrisch positiven Schenkel 18 besitzen einen ähnlichen', ringförmigen Vorsprung 22 an ihrem äußeren Umfang. Mit diesen Vorsprüngen sind die axial aneinander gereihten thermoelektrisehen Schenkel elektrisch in Reihe verbunden. Die erzeugten elektrischen Kontakte besitzen einen geringen Widerstand. Im freien Zwischenraum

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zwischen den thermoelektrischen Schenkeln sind Isolierscheiben 24 und 26 eingeschoben. Diese Scheiben haben dieselbe Dicke wie die Vorsprünge 20 und 22. Auf der Außenseite der thermoelektrischen Schenkel 16 und 18 ist eine zweite isolierende Schicht 28 mit relativ geringer Dicke angebracht. Diese Schicht ist ebenfalls aus gut wärmeleitendem Material,wie Bornitrid, gefertigt und sie umschließt die thermoelektrischen Schenkel 16 und 18 möglichst dicht. Eine äußere Schutzröhre 30 umfaßt die Schicht 28 dicht. Sie ist aus dem gleichen metallischen Material wie die Röhre 12 hergestellt, ihre Wandstärke ist jedoch wesentlich geringer als die Wandstärke der Röhre 12. Der Thermo gene rat or wird durch je. ein Endstück ^2_ abgeschlossen. Durch Jpsdes dieser Endstücke ist ein Paar stangenförmiger elektrischer Leiter 34 hindurchgeführt, die mit dem ans Endstück grenzenden thermoelektrischen Schenkel 16 bzw. 18 in elektrischem Kontakt stehen. Um diesen Kontakt sicherzustellen, ist jedes Leiterpaar 54 in geeigneter Weise in einem ringförmigen Metallstück 36 befestigt. Diese Metallringe sind weiterhin mit Vorsprüngen 38 versehen, die denen an den thermoelektrischen Schenkeln gleichen. Zwischen dem Ring 36 und der isolierenden Schicht 14 ist ein isolierender keramischer Ring 40 angeordnet, der aus einer Mischung von Oxyden des Aluminiums, Siliziums und Magnesiums hergestellt ist. Auf den metallischen Ring 36 folgt jeweils ein Ring 42/ der aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist. Weiterhin ist ein isolierender Hing 44, ein metallischer Ring 46 und ein zweite? metallischer Ring 52 vorgesehen. Die metallischen Ringe sind mit Schweißnähten 48 und 54 an den Schutzröhren befestigt. Ein mechanisch stabiler Abschluß des Thermogenerators ist auf diese Weise

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sichergestellt. Die Schutzröhre 30 ist konzentrisch von einer weiteren, relativ dicken Röhre 56 umgeben. Ein ringförmiger Raum 58 bleibt zwischen dieser Röhre 56 und der Schutzrohre "50 frei. Das untere Ende dieses ringförmigen Raumes wird durch einen Ring 60 abgeschlossen, der durch Schweißnähte 62 und 64 mit den Röhren 30 und 56 verbunden ist. Am anderen Ende der Röhre ist ein ringförmiger Gasbehälter 66 angebracht, der mit.der Druckröhre 56 mittels Schweißnähten 68 und 70 verbunden ist. Der Gasbehälter hat im allgemeinen e\nen U-fÖrmigen Querschnitt. Sein Innenraum 72 ist mit dem Zwischenraum 58 verbunden. Am Gasbehälter 66 ist ein Einlaßstutzen 74 vorgesehen. Auf die äußere Schutzröhre 30 können in geeigneter Weise Kühlvorrichtung, z. B. Kühlfahnen oder Kühlschlangen, aufgebracht sein. Sie sind in den Figuren nicht berücksichtigt.

Die Druckkammer 5.8 und ein Teil des Druckraumes 72 ist mit thermisch leitendem, flüssigem Metall, z. B. Natrium, gefüllt. Der Rest der Kammer 72 ist mit Gae unter hohem Druck, z. B. Helium, mit einem Druck von 70,3 kg/cm gefüllt. Der Gasdruck kann so hoch «ei«, daß das Gas verflüssigt wird. Die von dem flüssigen Metall auf die Schutzröhre 30 ausgeübten Radialkräfte müssen oberhalb der elastischen Grenze des Materials liegen. Man erreicht damit eine plastische Verformung der Schutgröhre 30, die auf das Zentrum hin gerichtet ist. Damit werden die Isolierschichten 14 und 28 und die dazwischen angeordneten Thermoelementschenkel 16 und 18 gegen die innere Schutzröhre 12 gedruckt. Diese Druck-

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kräfte bewirken den gewünschten thermischen Kontakt zwischen' der Schicht 14, de'r Schutzröhre 30 und den Schenkeln 16 und und ebenfalls auch den verlangten elektrischen Kontakt zwischen den benachbarten Schenkeln 16 und 18. Da der Druckraum 58 mit flüssigem Metall ausgefüllt ist, erhält man keinen merklichen Einfluß auf die 7/ärmeleitungseigenschaften -des Thermogenerators 10 zwischen der äußeren Seitenfläche der thermoelektrische!! Schenkel 16 und 18 und dem Kühlaggregat.

Es ist vorgesehen, den Thermogenerator auch in einer schwerelosen Umgebung zu benützen. Um dabei die räumliche Trennung ti zwischen Gas und flüssigem Metall aufrechtzuerhalten, kann ein ringförmiger metallischer Kolben 71 dicht zwischen den Gasbehälter 66 un 1 der Schutzröhre 30 an der Zwischenfläche zwischen Gas und flüssigem Metall eingepaßt werden.

In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt. Sie stimmt in vielen Teilen mit der Ausführungsform nach Figur 1 überein. Äquivalente Teile sind daher durch gestrichene Zahlen gekennzeichnet. ·

Der Generator J_OJ der Figur 3 besteht wieder aus einer inneren oehutzröhre 12' und einer äußeren Schutzröhre 30*. Er enthält ebenfalls wieder zwei isolierende Schichten 14' und 28·. Zwischen diesen beiden Schichten sind die ringförmigen thermoelektrische^ Schenkel 16' und 18' hintereinander aufgereiht. Die Schenkel 16' und 18' sind wieder jeweils mit Vorsprüngen 20' und 22' versehen, durch die der elektrische Kontakt zwischen benachbarten Schenkeln

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gewährleistet ist. Getrennt werden die Schenkel durch Isolier- , scheiben 24' und 26·. Jedes Ende der Schenkelreihe ist ebenfalls mit einem Abschlußsystem 32' versehen.

Die Druckkammer 90 für das flüssige Metall ist zwischen der inneren Schutzröhre 12' und einer dünnwandigen, röhrenförmigen Membran 88 angebracht, die in unmittelbarem und engem Kontakt mit der isolierenden Schicht 14' steht. Ein in dieser Kammer vorhandener Druck erzeugt nach außen gerichtete Radialkräfte. Die Druckkammer 90 wird durch einen ringförmigen Flansch 86 mittels Schweißnähten 92 und 94 abgeschlossen.. Das andere Ende der Schutzröhre 12' und der röhrenförmigen Membran 88 bilden den Druckraum 72', in den das Gas eingefüllt wird. Der Druckraum 72' wird durch einen Ring 96 abgeschlossen, in dem wenigstens ein Einlaßstutzen 98 vorgesehen ist. Die Druckkammer 90 und ein 'Teil des Gasraumes 72' sind mit flüssigem Metall angefüllt. Ein Gas unter hohem Druck füllt den Rest der Kammer 72'. Auf diese Weise wird das flüssige Metall immer unter sehr hohem Druck gehalten. Es ist ebenfalls wieder ein Kolben 71' an der Zwischenfläche zwischen flüssigem Metall und Gas vorgesehen.

Durch die nach außen gerichteten Radialkräfte auf die Membran werden wieder die einzelnen Teile der Anordnung gegen die äußere Schutzröhre 30' gedrückt, die einen entsprechenden Gegendruck liefert. Dadurch bleibt die Güte der thermischen Kontakte erhalten. Außerdem werden unkontrollierbare Lageveränderungen der thermoelektrischen Schenkel verhindert. Die Gute" der

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elektrischen Kontakte bleibt daher ebenfalls unverändert. Da der Strömungsweg zwischen der Energiequelle und der äußeren Kühlung nur über thermoelektrischea Material und durch metallische • Teile führt, wird der Wirkungsgrad des Thermogenerators durch das Gae im Gasbehälter nicht'beeinflußt.

7 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   / 1. jThermogenerator, bei dem thermoelektrische Schenkel zwischen zwei konzentrischen Schutzröhren angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Wandung einer der Schutzröhren einen Teil der V/and einer Druckkammer bildet, in der sich ein gut wärmeleitendes Medium, vorzugsweise ein flüssiges Metall, unter hohem Druck befindet, und daß diese Röhre durch die auftretenden Radialkräfte '.plastisch verformt ist.

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   2. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere metallische Schutzröhre (12) mit einer thermisch ■gut leitenden uiid elektrisch isolierenden Röhre geringer ' Wandstärke (H) diclrt umgeben ist, daß auf diese isolierende .Röhre abwechseln p- bzw. η-leitende, ringförmige thermoelektrische Schenkel (16, 18) in axialer Richtung aufgeschoben sind, daß die thermoelektrischen Schenkel (16, 1.8) von einer zweiten, thermisch gut leitenden und elektrisch isolierenden Röhre geringer Wandstärke- (28) dicht umschlossen sind und daß die zweite isolierende Röhre ebenfalls dicht von der zweiten metallischen Schutzröhre (30) umgeben ist.

   3. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen p- oier n-leitenden thermoelektrischen Schenkel (16, 18) entlang ihres inneren bzw. äußeren Umfangs Vorsprünge (20, 22) aufweisen, die

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   seitlich abstehen und daß Isolierscheiben (24, 26) im freien Raum zwischen den thermoelektrischen Schenkeln vorgesehen sind. · . . ,

   4. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da- -durch gekennzeichnet, daß elektrisch und thermisch isolierende, ringförmige, mechanisch stabile Endstücke -'(2^2) vorgesehen sind, durch die wenigstens je ein stabförmiger Leiter (34) nach außen geführt ist und daß dieser Leiter mit dem an das Endstück grenzenden thermoelektrischen Schenkel in elektrischem Kontakt steht.

   5. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Y/anddicke der äußeren Schutzröhre (30) wesentlich geringer ,ist als die V/anddicke der inneren \

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   Schutzrohre (1 ^/, daß die äußere ochutzröhre wenigstens teilweise von einer dritten Metallröhre (5&) konzentrisch umgeben und der Zwischenraum (58) druckfest abgeschlossen und mit" flUs-oi.^era Metall unter hohem Druck gefüllt ist»

   Thermogeherator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ',ifanddicke der inneren Schützröhre (12) wer/entlieh geringer ist als die '//ahddicke der äußeren Sckutaführe (30)j daß die innere ochutzröhre wenigstens teilweise eine dritte" Metallröhre konzentrisch umgibt Und der Zwischenraum 90 druckfest abgeschlossen und mit flüöfn.gera Metall unter hohem Druck gefüllt ist»

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   7. Thermogenerator nach einem'der Ansprüche 1 bis 6, dadurch.* gekennzeichnet, daß an der inneren "bzw. äußeren Schutzrb'hre (12-bzw. 30) ein weiterer Druckraum (72 bzw. 72') ausgebildet ist, der mit der Druckkammer (58 bzw. 90) verbunden ist und daß ein Teil dieses Druckraumes mit flüssigem Metall und der Rest mit Sas unter hohem Druck gefüllt ist und daß ein Kolben (?1) in der Zwischenfläche zwischen Sas und flüssigem Metall vorgesehen ist. -

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