DE1764635A1 - Thermogenerator - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den

Werner-von-Siemens-Str.

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Thermogenerator

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator mit p- bzw. η-leitenden aus Segmenten verschiedener, thermoelektrisch wirksamer Materialien aufgebauten Thermoelementschenkeln, die durch Kontaktbrücken elektrisch leitend kontaktiert und zwiβchtn heißen und kalten» Über eine thermische Isolation starr aneinander befestigten Wärmeaustauschern

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angeordnet Bind und ein Verfahren zur seiner Herstellung.

In Thermogeneratoren sind im allgemeinen viele Thermoelemente so vereinigt, daß jeweils ihre heißen oder kalten Lötstellen in einer Fläche, nämlich der'Heiß- oder Kaltseite des Thermogenerators liegen. Jedes Thermoelement besteht aus einem Thermoelementschenkelpaar mit je einem p- und nleitenden Thermoelementschenkel aus thermoelektrisch wirksamem Material. Durch Kontaktbrücken aus elektrisch und thermisch leitendem Material werden die Thermoelementschenkel an ihrer Heiß- und Kaltseite so elektrisch leitend verbunden, daß alle Thermoelementschenkel elektrisch in Reihe und thermisch parallel liegen. Sowohl auf die Heiß- als auch auf die Kaltseite der Thermoelemente ist im allgemeinen ein Wärmeaustauscher aufgesetzt, der durch eine Schicht aus thermisch leitendem und elektrisch isolierendem Material von den Kontaktbrücken getrennt ist.

Der Wärmeleitungskontakt zwischen den Thermoelementschenkeln und den Wärmeaustauschern muß äußerst gut sein, da der Wirkungsgrad des Thermogenerators u.a. hiervon abhängt. Zwischen Heiß- und Kaltseite des Thermogeneratore existiert ein Temperaturgradient» dessen Betrag in Schenkelachsenrichtung lehr groß und außerdem noch örtlich verschieden ist. Hiβraue resultieren thermische Ausdehnungen in Schen kel aohsenri oh tung, die ebenfalls örtlich verschieden sind

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und sehr groß sein können. Wegen dieser Ausdehnungskräfte muß die örtliche Fixierung der Thermoelementschenkel zwischen den Wärmeaustauschern mechanisch sehr stabil sein. Außerdem muß beim Einbau der Thermoelementschenkel noch beachtet werden, daß sich Fertigungstoleranzen in der Schenkellänge nicht vermeiden lassen.

Zur Kompensation der thermischen Ausdehnung und der Fertiungstoleranzen und zum stabilen, örtlich fixierten Einbau der Thermoelementschenkel ist es bekannt, mit Federn evt. über ein Druckstück eine elastische Kraft in Achsenrichtung auf die Thermoelementschenkel auszuüben. Dabei dienen die Wärmeaustauscher als Widerlager. Nachteilig ist hierbei, daß durch den Druckkontakt die Wärmeleitung zwischen den Thermoelementschenkeln und den Wärmeaustauschern verschlechtert wird, Außerdem besteht die Gefahr, daß der Druckkontakt versagt und Thermoelementschenkel durch die thermischen Ausdehnungskräfte zerstört werden. Nach diesem Prinzip aufgebaute Thermogeneratoren sind daher nicht betriebssicher.

Da längs der Thermoelementschenkel ein Temperaturgradient besteht, ist es vorteilhaft, die Thermoelementschenkel aus Segmenten verschiedenen, thermoelektrisch wirksamen Materials aufzubauen. Dabei ist das Material bo auszuwählen und die Abmessung der Segmente so zu bestimmen, daß jedes Segment im Temperaturbereich maximaler thermoelektrischer Effektivität

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liegt. Man erhält damit eine wesentliche Verbesserung des . Wirkungsgrades. Zu den bereits erwähnten thermischen Ausdehnungskräften in Richtung der Schenkellängsachse treten nun in den Kontaktstellen der Segmente der Thermoelementschenkel thermische Ausdehnungskräfte senkrecht zur Schenkellängsachse, da dort unterschiedliche Materialien verbunden sind. Beim Aufbau eines Therniogenerators mit segmentierten Thermoelementschenkeln muß auch eine Kompensation dieser Ausdehnungskräfte berücksichtigt werden. Außerdem muß die Kontaktierung der Segmente elektrisch und thermisch gut leiten. Bekannt ist es, die Segmente an gegenüberliegenden Flächen einer Wolframscheibe zu verlöten. Zur Kompensation der thermischen Ausdehnungskräfte sind dabei mehrere Lotschichten mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Wolframscheibe und den Segmenten vorgesehen, mit deren Hilfe die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Segmentmaterialien in den Ausdehnungskoeffizienten der Wolframscheibe überführt werden. Die Kontaktierung ist technisch sehr schwierig herzustellen und erfordert mehrere Arbeitsgänge«, Erschwert wird die Kontaktierung nodh durch die unterschiedlichen Schmelzpunkte der verwendeten Halbleitermaterialien, durch die unterschiedliche Lottemperaturen beiderseits der Wolframscheibe bedingt sind.

Es besteht die Aufgabe» bei einem Thermogenerator der ein-

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gangs genannten Art die thermischen Ausdehnungskräfte, die in Schenkellängsachse und in den Kontaktstellen der Segmente senkrecht zur Schenkellängsachse auftreten, mit einfachen kittein zu kompensieren und das Herstellungsverfahren für den Thermogenerator zu vereinfachen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kontakt brücken am heißen und kalten Wärmeaustauscher mechanisch befestigt sind, daß zwischen zwei Segmenten-.jedes Thermoelementschenkels ein elektrisch und thermisch leitendes Verbindungsstück vorgesehen ist, das aus wenigstens zwei Teilstücken besteht, von denen wenigstens eines flexibel ist, daß jedes Teilstück mit einem. Segment metallurgisch verbunden ist und daß beide Teilstücke miteinander verbunden sind.

Vorzugsweise leitet das Material des Verbindungsstückes elektrisch und thermisch besser als die thermoelektrisch wirksamen Materialien der Thermoelementschenkel.

Die Teilstücke des Verbindungsstückes können über Metallplatten mit den Segmenten des Thermoelementschenkels verbunden sein.

Vorzugsweise sind die Teilstücke jedes Verbindungsstückes

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mechanisch miteinander verbunden. Das flexible Teilstück kann ein Silberzopf sein und die Teilstücke können miteinander verkerbt oder verschraubt sein. Es kann auch als flexibles Teilstück ein Silberblech vorgesehen sein und die .Teilstücke können miteinander verbördelt sein.

Da bei dem erfindungsgemäßen Thennogenerato r die Kontaktbrücken der Thermoelementschenkel mit den Wärmeaustauschern verbunden sind, ist eine gute örtliche Fixierung der Thermoelementschenkel sichergestellt. Die thermischen Ausdehnungskräfte in Schenkellängsrichtung werden mittels dee flexiblen Verbindungstückes kompensiert, wobei eine gute Wärmeleitung sichergestellt ist und eine Beschädigung der Segmente nicht auftreten kann, da die Segmentenden frei im Raum hängen. Außerdem wirkt auf jedes Teilstück des Verbindungsstückes in der Kontaktstelle senkrecht zur Schenkellängsachse nur die Ausdehnungskraft eines der Segmente« Diese wird jedoch durch die Elastizität des Teilstückes ausgeglichen. Weitere besondere Vorkehrungen, vor allem mehrere Lotschichten, eind nicht mehr nötig.

Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit, die Teilstücke mechanisch miteinander zu verbinden. Hierdurch wird ein bevorzugtes, einfaches Herstellungsverfahren ermöglicht, bei dem die Segmente der Tnermoelementschenkel mit den Teiletücken des Verbindungsstückes metallurgisch verbunden

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werden, ans chi ie 13 end "beide Teilstücke mechanisch verbunden und dann die Kontaktbrücken an den Wärmeaustauschern "befestigt werden.

Im folgenden wird der erfin dungsgemäße Thermogenerator anhand der Fig. 1 bis 7, in denen verschiedene Ausführungsformen dargestellt sind, beispielshaft näher erläutert. Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen unterscheiden sichln erster Linie in der Art der Verbindungsstücke. Analoge Teile sind daher in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Thermogenerators wobei der heiße Wärmeaustauscher 1 und der kalte Wärmeaustauscher 2 im Schnitt dargestellt sind. Die p- bzw. η-leitenden Thermoelementschenkel JjJ sind jeweils aus zwei Segmenten 4 und 5, aufgebaut. Ist der Thermogenerator für eine Heißseitentemperalir von ungefähr 1000 ⁰C ausgelegt, so sind die Segmente 5» die der Heißseitentemperatur·.direkt ausgesetzt eind, aus einer GeSi-Legierung hergestellt. GeSi-Legierungenbesitzen eine: maximale thermoelektrische Effektivität bei ungefähr 750 - 1050 ⁰C. Als Materialien für die Segmente 4 der Kaltseite des Thennogenerators kann PbTe oder

Te, verwendet werden. Dieee Materialien besitzen eine maximale thermoelektrische Effektivität bei etwa 300 bis 600 ⁰C bzw« 50 - 350 ⁰C.

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Die Segmente 5 der Heißseite sind über eine Kontaktbrücke aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material verbunden. Als Materialien für die Kontaktbrücke 6 sind Metall-Silizium-Legierungen beispielsweise Molybdän-Silizium-Legierungen besonders geeignet. Die Kontaktbrücke 6 sitzt in einer Vertiefung des Wärmeaustauschers 1 und ist dort mittels einer aushärtbaren Keramikmasse 7 starr befestigt. Hierzu können aushärtbare Keramikmassen verwendet werden, die im Handel z.B. unter dem Namen "Thermostix 2000" oder "Thermostix 3000^M erhältlich sind. Diese Materialien sind elektrisch isolierend und thermisch leitend . Anstelle der Befestigung mit einer aushärtbaren Keramikmasse können auch Keramikformstücke vorgesehen sein, mit denen die Kontaktbrücke 6 gehalten wird oder es kann die Kontaktbrücke 6 mit dem heißen Wärmeaustauscher 1 verschraubt sein. Es ist auch möglich, die Knntaktbrücke 6 in einem Durchbruch der heißen Wärmeaustauscher 1 gleitend zu befestigen,, Der Durchbruch ist mit einer Keramikmanschette ausgekleidet, in die die Kontaktbrücke eingepaßt ist. In diesem Fall ist die heiße Kontaktbrücke 6 der Einwirkung der Wärmequelle direkt ausgesetzt. Diese geschilderten Möglichkeiten der Heißseitenbefestigung sind in den Figuren nicht dargestellt.

An der Kalteeite des Thermogenerators ist auf die Segmente 4 als Kontaktbrücke je eine Silberplatte 8 aufgesetzt» die

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mit Anschlnßfahnen 9 versehen ist. Der Rand der Silberplatte 8 kann, in Richtung des Thermoelementschenkels 3 abgebogen s^ein. Dadurch wird verhindert, daß das Material mit eventuell dotierenden Lotschichten in Berührung kommt. An den Anschlußfahren 9 sind Silberzöpfe 10 befestigt, über die eine Verbindung zu benachbarten Thermoelementschenkeln oder eine Abnahme des erzeugten elektrischen Stromes möglich ist. Zwischen den Silberplatten 8 und dem kalten Wärmeaustauscher 2, der mit Wärmeaustauschfahnen versehen ist, ist eine beidseits metallisierte Keramikplatte 11 angeordnet, die mit dem kalten Wärmeaustauscher 2 und den Silberplatten 8 verlötet ist. Das Material dieser Keramikplatte 11 kann Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd sein, beide Materialien sind elektrisch isolierend und thermisch leitend. Neben der hier dargestellten Kaitseitenbefestigung der Segmente 4 ist ebenfalls eine Klebeverbindung oder eine Schraubverbindung mit dem kalten Wärmeaustauscher 2 möglich. Auch diese Möglichkeiten sind in den Figuren nicht dargestellt.

Die Segmente 4 und 5 der Thermoelementschenkel 3 sind mittels eines Verbindungsstückes 1_2 elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden. Ea ist auf die Stirnfläche jedes Segmentes 4 und 5 eine Silberplatte 13 aufgelötet oder aufgeschweißt . An jeder Silberplatte 13 ißt als flexibles Telletück «in Silberzopf 14 befeetigt. Die Silberzöpfe H

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jedes Verbindungsstückes 1_2 sind mittels einer Quetschhülse 15 miteinander verkerbt.

Da die Segmente 4»und 5 jedes Thermoelementschenkels 2 ^an einem Wärmeaustauscher starr befestigt sind, können sie sich frei in den Zwischenraum zwischen den Segmenten hinein ausdehnen und Bruchgefahr wegen der thermischen Ausdehnung in Schenkellängsrichtunp besteht nicht. Die thermische Ausdehnung senkrecht zur Schenkellängsrichtung wird für jedes Segment durch die Elastizität der Silberplatte 13 aufgefangen, so daß· auch die Kontaktierung zwischen den Segmenten störungssicher ist. Der Querschnitt der Silberzöpfe kann so gewählt werden, daß der elektrische und thermische Wider stand des Verbindungsstückes im elektrischen und thermischen Stromweg praktisch nicht ins Gewicht fällt und der Wirkungsgradi dos Thermogenerators durch die Segmentkontakte nicht beeinflußt wird.

Besonders hinzuweisen ist auf die mechanisch hergestellte Verbindung der Silberzöpfe 14ln den Verbindungsstücken 1_2. Damit let die Möglichkeit gegeben, die Silberplatten 13 gesondert auf die Segmente 4 und 5 aufzulöten und die Segmentkontakttierung erst anschließend herzustellen. Falls erforderlich, kann die Quetschverbindung 15 auch erst her gestellt werden, nachdem die Segmente 4 und 5 an den Wärme austauschern 1 und 2 befestigt sind,

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Pig. 2 zeigt die Seitenansicht eineB Thermoelementschenkels J5. Das Verbindungsstück Λ2_ unterscheidet sich vom Verbindungsstück der Fig. 1 dadurch, daß an jeder Silberplatte 13 zwei Silberzöpfe angebracht sind. Zur Kontaktierung der Segmente 4 und 5 sind.die Silberzöpfe 14 wieder mittels Quetschhülsen 15 mechanisch verbunden. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft sein, wenn Silberzöpfe geringeren DurchmeBserB verwendet werden sollen.

In Fig. 3 sind die Silberplatten des Verbindungsstückes ]2_ mit Anschlußfahnen 16 versehen, in denen die Silberzöpfe verlötet oder verquetscht sind.

In Fig. 4 sind auf die Silberplatten 13 des Verbindungsstückes 1_2 Quetschfüße 17 aufgesetzt, in denen die Silberzöpfe 14 zur Verbindung der Segmente 4 und 5 mechanisch befestigt sind.

In Fig. 5 ist der Silberzopf 14 mit einer der Silberplat ten 13 des Verbindungsstückes V2 verlötet. In der zweiten Metallplatte 13 ist der Silberzopf mittels einer Schraube 18 verschraubt. Die Verschraubung ist in der Schnittdarstellung des Verbindungsstückes 1£ dargestellt, die bei dem p-leitenden Thermoelementschenkel gezeigt ist. Außerdem weisen bei dieser Ausführungeform des Verbindungsstückes 1_2 die Metallplatten 13 einen Ringflansch 19 auf, mit dem

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ein zu starkes Abknicken des segmentierten Thermoelementschenkel 2 verhindert wird.

Fig. 6 zeigt eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Thermogenerator, bei dem das Verbindungsstück V2_ aus Silberblech hergestellt ist. Auf die Stirnflächen der Segmente 4 und 5 sind Silberblechstreifen aufgelötet. Die Silberblechstreifen 20 ragen über die seitliche Begrenzung der Segmente 4 und 5 hinaus und sind von den Segmenten 4 und 5 weggebogen. Mit zwei Bördelnähten 21 sind die seitlich abstehenden Silberblechstreifen miteinander verbunden. Die Form der Silberblechstreifen und die Lage der Bördelnähte ist aus der Fig. 7 ersichtlich, in der eine Schnittdarstellung längs der Linien VII-VII der Fig. 6 gezeigt ist.

Das Silberblech 20 kann elastisch sein. Durch diese Elastizität des Silberbleches brauchen jedoch keine Druckkräfte zur Kompensation der thermischen Ausdehnungskräfte aufgebracht werden.

6 Figuren
12 Patentansprüche

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Claims (12)

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   Patentansprüche

   j 1.1 Thermogenerator mit ρ- bzw. η-leitenden aus Segmenten verschiedener, thermoelektrisch wirksamer Materialien aufge-

   bauten Thermoelementschenkeln, die durch Kontaktbrücken elektrisch leitend verbunden und zwischen heißen und kalten, über eine thermische Isolation starr aneinander befestigten Wärmeaustauschern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbrücken (6, 8) am heißen und kalten Wärmeaustauscher (1, 2) befestigt sind, daß zwischen zwei Segmenten (4, 5) jedes Thermoelementschenkel (j5) ein elektrisch und thermisch leitendes Verbindungsstück (j[_2) vorgesehen ist, das aus wenigstens zwei Teilstücken besteht, von denen wenigstens eines flexibel ist, daß jedes Teilstück mit einem Segment metallurgisch verbunden ist und daß beide Teilßtücke miteinander verbunden sind.
2. 2. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Verbindungsstückes (J^?) elektrisch und thermisch besser leitet als die thermoelektrisch wirksamen Materialien der Thermoelementschenkel
3. 3. Thermogenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke des Verbindungsstückes (JJ2) über Metallplatten (13) mit den Segmenten (4, 5) des Thermoelement-Schenkels (%) verbunden sind.

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4. 4. Thermogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daU die Metallplatten (13) aus Silber sind.
5. 5. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke mechanisch miteinander verbunden sind.
6. 6. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dali das flexible Teilstück ein iiilberzopf (14) ist.
7. 7. Thermogenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dun die Teilstücke miteinander verschraubt sind.
8. 8. Thermogenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke miteinander verkerbt sind.
9. 9· Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daii als flexibles Teilstück ein Silberblech (20) vorgesehen ist.
10. 10. Thermogenerator nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dau die Teilstücke miteinander verbördelt sind.
11. 11. Thermogenerator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, aaß das Silberblech (20) elastisch ist.
12. 12. Verfahren zur Herstellung eines Thermogenerators nach einem

    der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daü die Segmente

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    (A, S) der Thermoelementschenkel (j5) mit den Teil stücken dors Verbindungsstückes (JJ?) metallurgisch verbunden werden, dala anschließend beide Teil stücke mechanisch verbunden werden und dafo dann die Kontaktbrücken (6, 8) an den Wärmeaustauschern (1, 2) befestigt werden.

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