DE2343840A1 - Thermogenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thermogenerator mit mehreren Dünnschicht-Thermoelementen, die von einem als spiralförmiger Wickel gestalteten elektrisch isolierenden Träger aufgedampft und im Wärmestrom einer radioaktiven Wärmequelle angeordnet sind. Es ist bekannt, in den menschlichen Körper Herzschrittmacher zu implantieren, die zur elektrischen Steuerung des Herzschlages dienen. Diese Einrichtungen sind mit einer Energiequelle versehen, die ebenfalls in den menschlichen Körper eingesetzt wird. Elektrochemische Batterien haben nur eine begrenzte Lebensdauer von etwa einem oder zwei Jahren. Nach dieser Zeit muß der Herzschrittmacher durch einen chirugischen Eingriff ausgetauscht werden. Man verwendet deshalb inzwischen Thermogeneratoren mit einer radioaktiven Wärmequelle. Diese Mikrowatt-Thermogeneratoren sollen über lange Jahre mit gutem Wirkungsgrad arbeiten und außerdem nur einen sehr kleinen Raum beanspruchen, damit er ohne Schwierigkeit mit der zugehörigen Elektronik im menschlichen Körper untergebracht werden kann.

Aus der deutschen Auslegeschrift 2002 197 ist es bekannt, die Thermoelemente einer solchen Isotopenbatterie mit einem radioaktiven Strahler als Wärmequelle eines Dünnschicht-Thermoelementes auszubilden, die auf einem bandförmigen Träger aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material aufgebracht, insbesondere aufgedampft sind. Eine große Anzahl der elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschalteten Elemente kann dadurch auf einem kleinen Raum untergebracht werden, daß der Träger zu einem spiralförmigen Wickel gestaltet ist, dessen eine Stirnfläche an der Wärmequelle und dessen andere Stirnfläche direkt oder indirekt mit dem Generatorgehäuse verbunden ist, das als kalter Wärmeaustauscher für den

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VPA 73/759* - 2 Generator dient.

Aus der deutschen Offenlegungsaohrift 2124 465 ist ein Thermogenerator mit Dünnschicht-Therraoelementen bekannt, die auf einem Träger angeordnet sind, der zu einem Wickel aufgerollt ist. Zwei solcher Wickel bilden jeweils einen Hohlzylinder, die auf gegenüberliegenden Seiten des Behälters einer radioaktiven Wärmequelle angeordnet sind. Der Wickel besteht im allgemeinen aus einer bandförmigen Folie, die nur wenige/um dick ist. Auch die Dicke der auf den Träger aufgebrachten, insbesondere aufgedampften Thermoelementschenkel, liegt in der gleichen Größenordnung. Bei der Herstellung des Wickels muß dafür gesorgt werden, daß eine Beschädigung der auf dem Träger angeordneten Schenkel vermieden wird, weil die gesamte Reihenschaltung der Thermoelemente unwirksam ist, sobald einer der Schenkel oder die jeweils zwei Schenkel verbindenden Brücken unterbrochen werden. Da die mechanische Festigkeit des fertigen Wickels gering ist, kann eine Zerstörung der auf dem Träger angeordneten Reihenschaltung der Thermoelemente auch noch während der Montage, d.h. beim Einsetzen des Behälters der Wärmequelle mit den Thermoelementen, die im allgemeinen noch im geeigneten Wärmedämmstoff eingebettet sind, in das Gehäuse des Thermogenerators eintreten. Unter Umständen kann eine Beschädigung eines Schenkels auch noch während des Betriebes des Thermogenerators, beispielsweise durch unzulässige mechanische Spannungen, insbesondere durch zu hohe Wärmespannungen, eintreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Betriebssicherheit der bekannten Thermogeneratoren mit Dünnschieht- -Thermoelementen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wickel wenigstens zwei Reihen von Thermoelementen enthält, von denen jeweils zwei derart spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, daß jeweils zwei einander gegenüberliegende Thermoelemente der verschiedenen Reihen mit einer gemeinsamen Brücke versehen sind. In dieser Anordnung sind somit die

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beiden Reihenschaltungen von Thermoelementen einander parallel geschaltet und vor allem sind jeweils zwei Thermoelemente der beiden Reihenschaltungen einander parallel geschaltet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der gesamte Generatorstrom über das parallel geschaltete Thermoelement fließen kann, wenn das andere Thermoelement zerstört wird. Der Betrieb des Thermogenerators wird somit durch den Ausfall eines oder sogar mehrerer Thermoelemente solange nicht gestört, wenn zwei einander parallel geschaltete Thermoelemente nicht gestört sind.

In einer besonderen AusfUhrungsform des Wickels können die für zwei Thermoelemente der verschiedenen Reihen gemeinsamen Brücken mit einem wesentlich vergrößerten Querschnitt ausgeführt sein. Insbesondere können diese Brücken so gestaltet sein, daß ihre Höhe in Längsrichtung der Schenkel wesentlich größer ist als ihre Länge quer zur Achsrichtung der Schenkel. Dann kann nämlich ein wenigstens etwa zylinderförmiger Behälter der radioaktiven Wärmequelle in der Mitte des zylinderförmigen Wickels angeordnet und von dem Wickel eingeschlossen sein. In dieser Ausführungsform eines Thermogenerators kann die Wärmeströmung von der radioaktiven Wärmequelle auf zwei entgegengesetzten Seiten zum Gehäuse mit Thermoelementen nutzbar gemacht werden, die in einem einzigen Wickel angeordnet sind.

In einer Anordnung von zwei Thermoelementreihen, die auf einen Träger aufgedampft sind, kann der Anfang und gegebenenfalls auch das Ende der beiden Thermoelementreihen mit einer ebenfalls aufgedampften Leitungsverbindung versehen werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Die Pig.1 zeigt die Gestaltung der Thermoelementschenkel nach der Erfindung, in Fig.2 ist die Anordnung der Wärmequelle in einem nach der Erfindung gestalteten Wickel veranschaulicht.

Nach Pig.1 sind zwe~ Reihenschaltungen 2 und 6 von Thermoelementen au" einem gemeinsamen Träger 10 aus elektrisch

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isolierendem und schlecht wärmeleitenden Material, vorzugsweise einer Folie aus Polyimid, angeordnet. Jeweils zwei Schenkel 3 bzw. 4 mit entgegengesetzter elektrischer Leitfähigkeit, die beispielsweise aus Zinkantimonid bestehen können, das nach dem Aufdampfen getempert ist, sind an einem Ende mit einer Brücke 5 versehen, die zugleich als Brücke für die beiden Schenkel 7 und 8 eines Thermoelementes der zweiten Reihenschaltung dient. Die beiden Thermoelemente mit den Schenkeln 3 und 4 bzw. 7 und 8 sind über die gemeinsame Brücke 5 einander parallel geschaltet. Zur Parallelschaltung der gesamten Reihenschaltungen können die Brücken 12 und 13 am Anfang der Reihenschaltungen mit einer gemeinsamen Leitungsverbindung 14 versehen sein, die zweckmäßig auf den Träger 10 aufgedampft sein kann. An diese Leitungsverbindung 14 kann der elektrische Anschlußleiter des Thermogenerators angeschlossen werden. Dann wird das gemeinsame in der Figur nicht dargestellte Ende der beiden Reihenschaltungen an das Gehäuse dea Thermogenerators angeschlossen, das dann den zweiten Pol der Spannungsquelle bildet.

Der bandförmige Träger 10 mit den aufgebrachten Reihenschaltungen 2 und 6 der Thermoelemente wird in bekannter Weise zu einer Spirale aufgewickelt, die einen Innenraum mit einem vorbestimmten Durchmesser frei läßt und dadurch einen Hohlzylinder bildet. In der Mitte zwischen den beiden Reihenschaltungen 2 und 6 der Thermoelemente nach Fig.1 mit den gemeinsamen Brücken 5 kann zweckmäßig ein im wesentlichen als Zylinder gestalteter Behälter 20 einer radioaktiven Wärmequelle angeordnet sein. Dieser Behälter 20 wird dann von dem Wickel 22 eingeschlossen, dessen Innendurchmesser so gewählt ist, daß er wenigstens annähernd gleich dem Außendurchmesser des Behälters 20 ist. Die in Fig.1 mit h bezeichnete Höhe der Brücken 5 wird dann zweckmäßig so gewählt, daß sie etwa gleich dem Teil der Mantellänge des Behälters 20 ist, der an der Innenwand, d.h. an der ersten Windung des bandförmigen Trägers 10, anliegt. Diese erste Windung kann zweckmäßig noch keine Thermoelementschenkel enthalten.

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Zur thermischen Isolation kann zweckmäßig der Zwischenraum 26 zwischen dem Wickel 22 und dem Gehäuse 24 oder gegebenenfalls auch einem besonderen, in der Figur nicht dargestellten Hüllkörper von einem Wärmedämmstoff umgeben sein, der einen Wärmestrom zwischen dem Wickel und dem Mantel eines Gehäuses 24 praktisch ausschließt. In gleicher Weise kann der von dem Wickel 22 oberhalb und unterhalb des Behälters 20 jeweils eingeschlossene Raum 27 bzw. 28 ebenfalls mit Wärmedämmstoff gefüllt sein, so daß ein Wärmestrom von dem Behälter 20 zum Boden 30 und dem Deckel 32 des Gehäuses 24 praktisch nur nach oben und nach unten jeweils durch den V/icke 1 22 und somit praktisch nur durch die Thermoelemente möglich ist. Als Wärmedämmstoff ist auch eine Folie geeignet, welche in die Räume 27 und 28 eingestampft werden kann. Im Raum 26 kann diese Folie zweckmäßig als Wickel gestaltet sein, dessen einzelne Lagen den Thermoelementwickel 22 umgeben. Die Folie kann vorzugsweise aus einem schlecht wärmeleitenden, jedoch gut wärmebeständigen Kunststoff bestehen, der auf einer Seite mit einer dünnen Metallschicht versehen ist, die beispielsweise aus Gold bestehen und auf die Folie aufgedampft sein kann.

Das in der Figur lediglich schematisch angedeutete Gehäuse 24 mit dem Boden 30 und dem Deckel 32 wird nach dem Einsetzen der Thermoelementeinheit 22 und der Wärmequelle evakuiert. Es ist zu diesem Zweck mit einem Pumpstutzen 34 versehen, der beispielsweise am Boden 30 des Gehäuses 24 in an sich bekannter Weise abgequetscht und dadurch vakuumdicht verschlossen wird. Zu diesem Zweck wird der Pumpstutzen aus duktilem Material, beispielsweise Kupfer, hergestellt. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, in dem Pumpstutzen '34 oder einem 3ich an dem Pumpstutzen anschließenden freien Raum im Gehäuse 24 noch ein Getter anzuordnen, das vorzugsweise aus einem gesintertem Gemenge von Zirkon und Kohlenstoff, oder aus anderen Gettermaterialien bestehen kann und während des Betriebes frei werdende Gase innerhalb des Batteriegehäuses absorbiert. Ferner ist das Generatorgehäuse

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mit einer vakuumdichten Durchführung 36 für den elektrischen Anschlußleiter 38 des Thermogenerators versehen. Die Durchführung 36 kann sowohl am Deckel als auch am Boden des Gehäuses 24 angeordnet sein. Der elektrische Anschlußleiter 38 ist innerhalb des Gehäuses mit den beiden Reihenschaltungen 2 und 6 der Thermoelemente verbunden und außerhalb des Gehäuses 24 an eine in der Figur nicht dargestellte Elektronik eines Herzschrittmachers angeschlossen.

Im Ausführungsbeispiel nach Pig.2 ist ein zylinderförmiger Behälter 20 für die Radioisotopenquelle des Thermogenerators vorgesehen. Das Gehäuse 20 kann aber auch eine abweichende Gestaltungsform haben. Sie kann beispielsweise aus zwei im wesentlichen halbkugelförmigen oder auch als Kegelstumpf ausgebildeten Behälterhälften bestehen, zwischen denen ein zylinderförraiger Behälterteil vorgesehen ist, dessen Mantel dann eine enge Verbindung mit dem Wickel 22 und damit eine gute Wärmeübertragung auf die Thermoelemente ermöglicht. Wesentlich ist, daß der Behälter zwischen dem Wickel fixiert und ein guter Wärmeübergang vom Behälter zum Gehäuse gewährleistet ist.

Unter Umstanden kann sogar ein kugelförmiges Gehäuse als Behälter für die Wärmequelle vorgesehen sein, das dann mit einem geeigneten Kleber in den Wickel 22 eingesetzt werden muß. Zweckmäßig wird der Behälter 20 jedoch wenigstens mit einem zylinderförmigen Flansch versehen, dessen Außenrand mit der Innenoberfläche des Wickels 22 verbunden, vorzugsweise verklebt wird.

Ferner kann der Behälter 20 auch mit einem etwa ring- oder zylinderförmigen Wärmeverteiler aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Kupfer, umgeben sein, der die in der Wärmequelle entstehende Wärme zu den Brücken 5 der Thermoelementreihen 2 und 6 überträgt. In diesem Fall kann der Behälter 20 der Wärmequelle des Thermogenerators eine nahezu beliebige Gestalt haben. Wesentlich ist nur, daß sich der Behälter 20 leicht in den Wickel 22 einsetzen läßt und dafür

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gesorgt wird, daß wenigstens annähernd die gesamte Wärme der Wärmequelle vom Behälter 20 über den Wickel 22 zum Gehäuse 24 abgeführt und dadurch für die Energieerzeugung durch den Thermogenerator ausgenutzt wird.

4 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (4)

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   - 8 Patentansprüche

   (Ay Thermogenerator mit mehreren Dünnschicht-Thermoelementen, die auf einem als Wickel gestalteten elektrisch isolierenden Träger aufgebracht und im Wärmestrom einer radioaktiven Wärmequelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickel (22) wenigstens zwei Reihen (2,6) von Thermoelementen (3»4,5 bzw. 5»7>8) enthält,.von denen jeweils zwei (3»4,5 und 5»7»8) derart spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, daß jeweils zwei einander gegenüberliegende Elemente (3,4,5 und 5,7,8) der verschiedenen Reihen (2 und 6) mit einer gemeinsamen Brücke (5) versehen sind.
2. 2. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der gemeinsamen Brücken (5) wesentlich größer ist als der Querschnitt der Schenkel (3,4 bzw. 7,8).
3. 3. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 und 2 mit auf den Träger aufgedampften Thermoelementen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die beiden Leiteranfänge (12,13) und/oder die beiden Enden der Reihen (2,6) mit einem aufgedampften Verbindungsleiter (14) versehen sind.
4. 4. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickel (22) einen im wesentlichen zylinderförmigen Behälter (20) der Wärmequelle einschließt,

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