DE1944351U - Thermogenerator. - Google Patents

Description

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Erlangen, den Aktiengesellschaft Werner-von-Siemens-Str „ 50

PIA 56/1166

!herra-ogeneraior

'Die Erfindung betrifft einen Theraogenerator rait hohem Wirkungsgrad. Die Schenkelpaare mit je einem p- und n-leitendem Schenkel aus thermoelektrisch wirksamem Material sind an ihrer V/armseite durch Kontakfbrücken aus elektrisch und thermisch leitendem Material verbunden.An ihrer Kaltseite sind "benachbarte Schenkelpaare so elektrisch leitend verbunden, daß alle Schenkel elektrisch'in Reihe und' thermisch parallel liegen.

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Zum Aufbau von Thermogeneratoren werden ira allgemeinen -viele -Thermoelemente so vereinigt, daß jeweils ihre kalten und -warmen Lötstellen in einer Ebene, nämlich der Kalt- oder V/ärisseite des Generators, liegen. Jedes Thermoelement besteht aus einem Schenkelpaar mit je einem p- und n-leitendeia Schenkel aus thermoelektrisch x^irksamem Material. Am einen Ende ist das Schenkelpaar durch -eine Kontaktbrücke elektrisch leitend verbunden.. Die beiden anderen Schenkelenden sind mit benachbarten Schenkelpaaren elektrisch leitend verbunden. Sowohl auf die Warm- 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 Thermo element en getrennt is't. Als Material für diese Schicht wird im allgemeinen Aluminiumoxyd oder ein anderes Keramikmaterial verwendet.

Der Wirkungsgrad des Thermogenerators ist abhängig von der Größe der Temperaturdifferenz zwischen der Warm- und der Kaltseite. Weiterhin ist er abhängig vom thermoelektrisch wirksamen Material der Schenkel und von der Schenkelgeometrie, vom elektrischen '"Widerstand der Kontakte zwischen den Schenkeln und dem Brückenmaterial und vom elektrischen Widerstand des Brückenmaterials. Schließlich ist der Wirkungsgrad noch abhängig von den thermischen Widerständen des -verwendeten Materials, vor allem auch vom thermischen Widerstand.des Brückenmaterials und des Materials aus dem der Wärmeaustauscher hergestellt ist. Außerdem hängt er von der thermischen Isolierung zwischen der Warmund der Kaltseite des Generators und von den thermischen Widerständen der Kontakte, vor allem der" Kontakte zwischen den Brücken

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und dem Wärmeaustauscher ab. .-. -.'.- , "

Zur "Erhöhung <äes Wirkungsgrades ist es "bekannt, die Kontaktbrücken im direkten Wärmeleitungskontakt mit einem Wärmeaustauschmedium zu bringen, ohne, einen besonderen 'Wärmeaustauscher zwischenzuschalten. Vorschläge hierzu- existieren vor allem für Peltierbatterien, bei denen das Yfärmeaustausclrmedium direkt durch Kanäle in den Kontaktbrücken geleitet wird. Wegen.der hohen mechanischen Stabilität, die von einem Thermogenerator gefordert wird,.lassen sich jedoch diese Vorschläge nicht verwirklichen.

Entscheidend verbessern läßt sich der Wirkungsgrad eines Thermogenerators durch sorgfältige Kontaktierung der einzelnen Bauelemente. Hierbei werden Legierungskontakte zwischen den Kontaktbrlloken und den Thermo schenkein bevorzugt. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß benachbarte Schenkelpaare nicht starr verbunden sind, da die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einseinen Bauteile, die bei den'hohen Temperaturen auftreten, denen ein Thermogenerator'ausgesetzt ist, ausgeglichen werden müssen. \Legierungs- oder Lötkontakte zwischen den Kontaktbruoken und den Wärmeaustauschern sind wenig vorteilhaft. Sie Anordnung wäre bei Verwendung solcher Kontakte mechanisch zu starr. Man wendet daher im"allgemeinen Press- · kontakte oder Druckkontakte an und kann so die thermischen Spannungen, die vor allem durch die Ausdehnung der Schenkel in axialer Richtung auftreten," gut kompensieren. Hierbei muß jedoch das Problem gelöst werden, die Schenkelpaare zwischen- den. Wärmeaustausch/platten möglichst gut örtlich zu fixieren.

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Zusammenfassend läßt sich d&her folgende Aufgabe' formulieren, wenn ein Thermogenerator.mit gutem Wirkungsgrad gebaut werden soll. Die Kontaktbrücken jedes Schenkelpaares sind örtlich fixiert zu verankern. Ein möglichst großer Teil der Kontakt- -,rücken sollen in direktem Wärmeleitungskontakt.'.;. mit einem Wärmeübertragungsmedium stehen. Außerdem sind die Kontakt- . brücken isoliert einzubauen, wobei möglichst keine Unterbrechung des Wärmestroms auftreten d'arf. Schließlich ist für entsprechende Druckkontakte z-u sorgen, mit denen die Anordnung " zusammengehalten und vor allem die thermische: Ausdehnung der Schenkel in Achsenrichtung kompensiert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kontaktbrücken an der Warmseite massiv ausgebildet sind, daßwenigstens ein Teil jedeii dieser Kontaktbrücken .in einem Durchbruch einer Tragplatte örtlich fixiert gehalten wird, daß jeder dieser Durchbrüche in der Tragplatte mit einer Buchse aus elektrisch isolierendem und vorzugsweise thermisch leitendem "Material ausgekleidet ist, und daß vorzugsweise alle Kontaktbräcken in direktem Wärmeleitungskontakt mit dem Wärmeübertragungsmedium auf 'der von den Schenkeln abgekehrten Seite der Tragplatte stehen. Das Material der Buchsen kann eine Keramikmasse -wie AlumiiiinaoXyd oder Berylliumoxyä sein.

Da an der Kaltseite 'des Generators die Wärme auch, in Form von Strahlung abgeführt wird, ist dort auf einen direkten Wärmeübertragungskontakt zwischen Kontaktbrücke und einem Austauschlaedium wenigen Wert zu legen. Es ist vielmehr günstiger, an der Kaltseite Kittel vorzusehen, mit denen die thermische.

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Ausdehnung "der einzelnen Bauteile, vor allem die in axialer Richtung der Schenkel ausgeglichen werden.. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß.die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Schenkelpaaren an der Kaltseite flexibel ausgebildet sind, daß an der Kaltseite auf jedem Schenkelpaar ein Kühlfahnenpaket angeordnet ist, das über eine thermisch leitende und elektrisch Isolierende Schicht mit dem Schenkelpaär verbunden ist,, daß In einer Aussparung des Kühlfahnenpaketes eine Schiene angeordnet und zwischen dieser Schiene und der Bodenfläche des Kühlfahnen- paketes eine Druckfeder vorgesehen Ist und daß die Schiene durch die Aussparung in den Kühlfahnenpaketen mehrerer. Schenkel, hindurchläuft und an wenigstens einer Stelle an. der Tragplatte auf der Warmseite thermisch isoliert befestigt ist.. Die Schiene kann ein U-fö'rmiges Querschnittsprofil haben. *

Weiterhin kann die Tragplatte der.Warmseite als-Röhre ausgebildet und als Durchfluß für ein Wärmeübertragungemedium vorge-

sehen sein, ■ -

Mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Kontakte an der Warmseite des Thermogenerators. werden die Thermoelemente mechanisch stabil und örtlich fixiert-gehalten. Die thermischen Ausdehnungskräfte werden durch die flexiblen Leitungen zwischen benachbarten Schenkelpaaren auf der Kaltseite und durch den Federdrück zwischen der Schiene und den Kühlfahnenpak'eten auf der Kaltseite kompensiert. Gleichzeitig ist es möglich,, mit der vorgesehenen Schiene eine Vielzahl von Thermoelementen gemeinsam zu halten und einfach einzubauen. Weiterhin ist durch

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den erzielten dirketen Wärmeieitungskontakt zwischen den Kontaktbrücken und dem Wärmeübertragungsmedium. "auf der Warmseite eine große Steigerung des Wirkungsgrades "gewährleistet. Die Ausbildung, der Tragplatte als Durchfluß für ein Wärmeaustauschraedium führt zu einem raumsparenden, und ü"bersichtlichen Aufbau.

Vorteilhaft ist es, in einem Thermogenerator Thermoschenkel zu-verwenden, die halbkreisförmigen Querschnitt haben und die su zylinderförmigen Thermoelementen zusammengefaßt sind;. Die Kontakte an der V/armseite sind dann entsprechend auszubilden. Die Kontaktbrücke!! können kreisförmigen Querschnitt haben*. In der Tragplatte sind dann kreisförmige Bohrungen anzubringen und die Isolierbuchsen sind Kreisringe mit einem ringförmigen Vorsprung am von den Schenkeln abgewandten Endender in das Innere der Buchse hineinragt. Man kann jedoch die Bohrungen in der Tragplatte auch so ausbilden, daß sie sich von den Schenkeln her gesehen, konisch verjüngen. Die. ringförmigen Buchsen können dann so ausgebildet sei-n, daß sie Außenflächen besitzen, die sich vom Schenkel her gesehen, konsich verjüngen und daß ihre Innenfläche, kugelkalottenförmig ausgebildet ist und daß in diese Buchsen. Kontäktbrücken eingepaßt sind, die die j?orm einer Kugelkalotte; haben. Man kann jedoch auch die .Innenbohrung in der ringförmigen "Buchse so ausführen,, daß sie sich vom Schenkel her gesehen, konisch verjüngt und daß eine konisch geformte Kontaktbrücke in,die Buchse eingepaßt ist,

Zuf weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades kann-der Innendurchmesser der ringförmigen Buchse und der Durchmesser der

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Kontakt "brücke so groß ausgebildet werden, daß die Größe der Kontaktfläche zwischen Wärmeübertragungsmedium und der Kontaktbrücke wenigstens der Größe'der Kontaktfläche zwischen der Kontaktbrücke und dem Schenkelpaar entspricht. Weiterhin können die Kontaktbrücken so weit durch'die Bohrungen in der Tragplatte hindurchgesteckt werden, daß ihre Stirnfläche mit · der Plache der Tragplatte, die von den Schenkeln abgewandt ist, abschließt oder über-diese hinausragt.. Zur weiteren -Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche kann der Teil der Kontaktbrücken, der über die Tragplatte hinausragt, mit Rippen oder mit Wärmeaustauschfahnen versehen sein.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Thermogenerator beispielhaft mit mehreren Ausführungsformen näher erläutert. Hierbei wird auf die J?igureii 1 bis 9 Bezug genommen. Als thermoelektrisch wirksames.Material wird eine Germanium-Silisium-Legierung verwendet-. Der Thermogenerator ist so ausgelegt, daß die Warmseitentemperatur bis su 1000 C und. die Kaltseitentemperatur ca. 400° G beträgt« ' ■

In ?irur 1 ist eine Teilansicht eines Querschnitts durch den-Thermogenerator dar'ges-tellt. Die Tragplatte 3 der Warmseite int röhrenförmig ausgebildet und kann, als Durchfluß für ein Wärme Tbertragurigsmedium» z. B. erhitzter Luft, dienen. In der Tragplatte sind Durchbrüche 2 vorgesehen, die mit einer Buchse 4 ausgekleidet sind. Die Buchse 4 ist aus BerylIiumoxyd hergestellt. In die Innenbohrung d-e-r Buchse 4 ist die massive Kontaktbrücke 1 eingepaßt. Diese Kontaktbrücke

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steht in direktem Wärmeleitungskontakt mit d,em Wärmeübertragungsmeclium, das die Fläche 12 der Tragplatte 3 umspült.. Auf die Kontaktbrücke 1 ist ein Schenkelpaar 5.aus.p- und η-leitendem Material aufkontaktiert ■ und, an der Kaltseite ist auf jedem dieser Schenkel ein Kontaktstück 6 aufkontaktiert. Dieses Kontaktstück ist über eine thermisch leitende und " ■ elektrisch isolierende Schicht 7, z. B. aus Glimmer, mit einem Kühlfahnenpaket 8 verbunden» Durch die Kühlfahnen wird' eine möglichst große- Wärmeabgäbefläche und damit eine möglichst tiefe Kaltseitentemperatur erreicht. In einer Aussparung 13 ■ in dem Kühlfahnenpaket 8 ist eine Schiene 9 Diit U-förmigem Querschnittsprofil angeordnet. Zwischen die Bod'enflache des Kühlfahnenpakets 8 und der Schiene 9 ist eine Druckf-eder 10 . angeordnet und zur Zentrierung' der Feder ist durch die Feder und durch eine Bohrung der Schiene ein Führungsstift .11 geführt. - ' ■ .

Figur 2 zeigt eine Teilänsicht des Thermogenerators im Längsschnitt, längs der Schnittlinie A-B der Figur 1." Neben den bereits beschriebenen Bauelementen ist in dieser Ansicht die flexible, elektrisch leitende Verbindung 14 dargestellt, mit den'en die Kontaktstücke 6". benachbarter Schenkelpaare flexibel verbunden sind. Als Material, kann ein Silberzopf ,verwendet werden. Da die Kühlfahnenpakete 8 jedes Schenkelpaares 5 nicht miteinander verbunden sind', werden einerseits thermische Ausdehnungen in Achsenrichtung der Schenkel möglich, Wobei durch die Druckfeder 10 für eine gleichbleibend stabile Halterung in der Tragplatte 3 gesorgt-ist. Andererseits stellen die * flexiblen Verbindungen zwischen benachbarten Schenkelpaaren sicher, daß auch thermische Ausdehnungen senkrecht zur Achsen-

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richtung der Schenkel kompensiert werden. Die Schiene 11 ist durch mehrere Aussparungen 13 verschiedener Kühlf-ahnenpakete 8 geführt. Durch Schrauben 15 ist sie an wenigstens zwei •Stellen an der Tragplatte 3 "befestigt. Durch E.eramikmanschetten 16- ist die Schiene thermisoh von der Tragplatte isoliert. Mit der Schiene werden mehrere Sehenkelpaare gegen die Tragplatte gedrückt, gleichzeitig hält die Schiene mit ihren'Sätenflanken die ganse Reihe.der Thermoelemente verdrehungssicher. Weiterhin ist der Einbau der Elemente "und ein eventuelles Auswechseln bei einer Beschädigung leicht durchzuführen«

In den Figuren 3 bis 9 sind, spezielle Ausflhrungsformen des Kontaktes an der Y/armseite dargestellt. Die Figuren aeigen jeweils das Schenkelpaar 5 die Kontaktbrücke 1 und einen Schnitt durch die Tragplatte 3 und durch die Isolierbuchse 4. Die dargestellten Thermoelemente sind zylindrisch, mit Schenkeln 5. mit halbkreisförmigen Querschnitt. In den Figuren sind nur die abgewandelten Teile mit .neuen Bezugs'zeiehen versehen.

.In !Figur 3 is.t eine kreisförmige Bohrung 17 in der Tragplatte 3 vorgesehen.. Der Isolierring 4- bsitzt' an seinem, unteren Ende einen ringförmigen Vorsprung 18, der in das Innere der Isolierbuchse hineinragt. Hierdurch wird verhindert, daß-.die Kontakt-br'ücke 1 durch die Tragplatte hindurchrutscht.

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In Jigur 4 ist die Bohrung 19 in der Tragplatte 3 so ausgeführt, daß sie sich .von den Schenkeln her gesehen, konisch verjüngt. In dieser Bohrung ist eine Isolierbüchse 4" einge-

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paßt, deren Innenfläche 20"kugelkalottenförmig ausgebildet ist. In dieser Buchse sitzt eine Kontaktbrücke 1, die ebenfalls .die Porm einer Kugelkalotte hat. Die Innenbohrung 21 in der Isolierbuchse 4 der Figur 5 -verjüngt- sich ebenfalls konisch von den Schenkeln her gesehen.' Die in diese Buchse eingepaßte konische Kontaktbrücke.1 stellt eine besonders gute, mechanisch stabile Befestigung der Kontaktbrücke in der Tragplatte sicher. ■

Um die Wärmeübertragungsfläche 22 zwischen der' Kontaktbrücke und dem Wärmeaustauschmedium zu vergrößern, ist in Figur 6 und in Figur 7 der Innendurchmesser der Isolierbuchse 4 und der Durchmesser der Kontaktbrücke 1 so groß gewählt, daß die. Grüße der Kontaktf'läche 22 wenigstens der Größe der Kontaktfläche 23 zwischen den Schenkeln 5 und der Kontaktbrücke 1 entspricht. Dabei kann die "Kontakt"brücke 1, wie in Figur 6 zylinderförmig oder wie in Figur 7 mit konisch verlaufenden Außenflächen, ausgebildet.sein.

In Figur 7 und in der Figur 8 sind AusfUhrungsformen gezeigt, bei denen ein Teil 24 bzw..25 über die Tragplatte hinausragt. Hierdurch wir-d die V/arme ü-bertragungsflache weiter vergrößert τι η J der V/irkungsgrad erhöht. Zusätzlich kann der über, die Tragplatte herausragende Teil mit Rippen 25 ο3er mit vförmeaustauschfahnen sur weiteren Flächenvergrößerung versehen sein. In Figur 9 ist die Draufsicht auf eine kreisförmige -Kontaktbrücke 1 mit den-Hippen 25 gezeigt. Die Sippen sind als. konzentrische Kreisringe atif die Kontaktbrücke aufgesetzt. ■ ·

13 Sch'utzansprüche . . .

3 Figuren ■ · ' . .

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Claims (14)

P.Ä.189135*-S.U6 PLA 66/1166 S c Ii u t ζ a ή S ρ r ü c Ii e f.-

1. Tliermogenerator, bei demj die Schenkelpaare mit je einem p- und η-leitendem Schenkel aus thermoelektrisch, wirksamem Material an ihrer Warmseite durch Eontaktbrücken aus elektrisch und thermisch leitendem Material und "bei dem benachbarte Schenkelpaare an ihrer Kaltseite so elektrisch leitend verbunden sind, daß alle Schenkel elektrisch in Reihe und thermisch parallel liegen, dadurch gekennzeichnet., daß die Kontaktbrücken an der Y/armseite massiv ausgebildet -sind, daß wenigstens ein Teil jeder dieser Kontaktbrücken (1) in einem Durchbruch (2) einer Tragplatte (3-) örtlich fixiert gehalten wird, daß jeder dieser Durchbrüche in der Tragplatte mit einer Buchse (4) aus elektrisch isolierendem und vorzugsweise thermisch leitendem Material ausgekleidet ist und daß vorzugsweise alle Kontaktbrücken in direktem" Wärmeleitungskontakt mit dem Wärmeübertragungsmedium auf der von den Schenkeln abgekehrten Seite (12) der Tragplatte stehen.

2. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, . daß das Material der Buchse (4) eine Keramikmasse, wie Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd ist.

3. Thermogenerator nach Anspruch V oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Verbindung (14) zwischen den Schenkelpaaren (5) an der Kaltseite flexibel·

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ausgebildet ist, daß an. der Kaltseite.auf jedem Schenkelpaar ein Kühlfahnenpaket (δ) angeordnet ist,¹ das über eine thermisch leitende und elektrisch, isolierende Schicht (7) mit den Schenkelpaar verbunden ist, daß in einer Aussparung (13) des Kühlfahnenpakets eine Schiene. (9) angeordnet und zwischen dieser Schiene und der Boden'flä'che des •Kühlfahnenpakets eine Druckfeder (.10) vorgesehen ist und daß die Schiene durch die Aussparung in den Kühlfahnen— paketen mehrerer Schenkel hindxirchläuft und an wenigstens einer Stelle (15) an der Tragplatte (3·) der ?/armseite thermisch isoliert (16) befestigt ist.

4-. Therraogenerator nach 'Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sie Schiene (9) ein TJ-föraiges Querschnittsprofil hat.

5. ihermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragplatte (3) der Y/armseite als Röhre ausgebildet und als Durchfluß für ein Wäraeübertra-

vorgesehen ist.

6. Iherrnogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,'daß die Kontaktbrücken ■(1) kreisförmigen Querschnitt haben, daß die.Tragplatte (3) kreisförmige Bohrimgen (17) aufweist und daß die Isolierbuchsen (4) Kreisringe sind mit einem ringförmigen Vorsprung (18, Figur 3) am von den Schenkeln abgewandten Ende, der'in das Innere der Buchse 'hineinragt. · . ■·

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7. Thei-mogenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (19_S- -"Figur 4) in der Tragplatte sich von den Schenkeln her gesehen, konisch verjüngen.,

8. Therraogenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Buchsen (4) Außenflächen besitzen,.

' die sich vom Schenkel her gesehen, konisch verjüngen und daß ihre Innenflächen (20) kugelkalottenförmig ausgebildet sind und daß in diese Buchsen Kontakt "brücken (1) .eingepaßt sind, die die Form einer Kugelkalotte haben.

9. Thermogenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich auch die Bohrung"(21, Figur 5) der ringförmigen Buchse (4) vom Schenkel her gesehen,konisch verjüngt und .daß eine konisch geformte Kontaktbrücke (i).in die Buchse •eingepaßt ist.

10. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der ringförmigen Buchse (4, Figur... 6,7) und der Durchmesser der Kontakt- . brücke (1) so groß ist, daß die G-röße der Kontaktfläche (22) zwischen Wärmeübertragungsmedium und Kontaktbrücke wenigstens der Größe der Kontaktfläche (23) zwischen der Kontaktbrücke und dem.Schenkelpaar (5) entspricht.

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11. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (22) der Kontakt"brücken (1) mit der Fläche (1.2) der Tragplatte (3)

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.■'■'. PIA' 66/1166 ■< abschließt, die von den Schenkeln (5) angewandt ist.

12. Tliermogenerator nach eineci der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbrücken (1,- !Figur 7,3) durch die Tragplatte (3) hindurchragen..

13. Thermogenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Seil (24) der Kontaktbrücke!! (1), der über die Tragplatte (3) hinausragt, zur Flächenvergrößerung mit Rippen (25* iigur 8) oder mit ¥ärmeaustausenfahnen versehen ist. ' .

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