DE6803666U - Thermogenerator - Google Patents

Description

Die "euerun₆ betrifft einen Thermogenerator mit radioaktiven Eukliden als Wärmequelle und einer Aoschirmung, die die //änae-Tueiie völlig lir.^Lot. Derartige Thermogeneratoron werden ?.adionuklidgeneratoror. genannt.

In Therao^eneratorer. sind im allgemeinen Thermoelemente so vereinigt, daß jeweils ihre heißen öder kalten Lots teller ir einer ?läche, nur,!ich der Heiß- oaer Xaltseite ies The rmogenerators liegen. -Jedes Thermoeleme-nt besteht aus einem Thermoeiernen tschen-Kelpaar rr.it ;e eir.em p- und r.-^eitenden Thermoelementschenkel aus ther.Tioelektrisch wirkcamern Material. Durch Konte.ktbriicken aus elektrisch und thermisch leltenderr Material werden die Thermoel jmenüschenke] an ihrer Heiii- und Kaltseite so elektrisch -ei tend verstunden, daß alle ^hermoelementi-chenkel elektrisch in Reihe und thermisch parallel liefen. Sowohl auf die Heiß- als auch auf die Zs.! tsei te der The r:noe lernen ie ist im allgemeinen ein V/är:;;pau3 tauscher 'ufreaetzt, der lurch eine Schicht aus the im i sch leitendem und elektrisch isolierender:, i'aterial von de/. Kontak tcrücken getrennt ist uni uer Wärmequelle oder Wärmesenke ist.

Der Wärmeleitungskontakt zwischen den Thermoelementschenkeln ur/d den ,Värmeaustauschern rri'3 äußerst gut sein und es darf im Wärmestromweg zwischen n'ärmequelle und heißen Kontakthrücken nur ein möglichst geringer Wärmewiderstand vorhanden sein, da der Wirkungsgrad aes The^mogenerators unter anderem hiervon abhängt.

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Bei Thermogeneratoren mit radioaktiven Nukliden ist eine Abschirmung gefordert, die den Strahlenschutzvorechriften genügt. Bekannt ist es, mit einer Abschirmung die Nuklide direkt zu umgeben. Damit sind die Strahlenschutzvorschriften erfüllt. Aber es liegt wegen d«r Dicke der Abschirmung zwischen der Wärmequelle und den heißen Kontaktbrücken der Thermoelementschenkel ein hoher Wärmewiderstand und der Wirkungsgrad eines solchen Radionuklidgenerators ist nicht optimal.

Es besteht die Aufgabe, bei einem Radionuklidgenerator eine Abschirmung den Strahlenschutzvorschriften entsprechend auszugestalten, durch die der Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit des Radionuklidgenerators nicht beeinträchtigt wird.

Neuerungsgemä3 wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abschirmung der Wärmeaustauscher der Kaltreite des Thermogenerators ist, an dem die kalten Kontaktbrücken der Thermoelement-schenkel mechanisch star-, thermisch leitend und elektrisch isoliert befestigt sind und daß die Befestigung so ausgeführt ist,daß kein geradlinig verlaufender Durchbruch in der Abschirmung vorhanden ist.

Da die Abschirmung der Wärmeaustauscher der Kaltseite des Thermogenerators ist, können die heißen Kontaktbrücken der Thermoelementschenkel in direktem Wärmeleitungs- odt r Wärmestrahlungskontakt mit den Nukliden gebracht werden und der Wirkungsgrad des Thermogenerators wird durch die Abschirmung nicht beeinträchtigt. An keiner Stelle der Abschirmung kann die radioaktive Strahlung die Abschirmung ungehindert durchsetzen. Bei entsprechender Auslegung der Aböchirmung ist daher jede Forderung des Strailenschutzes einzuhalten. Die Thermoelementschenkel sind über die Befestigung ihrer kalten Kontaktbrücken örtlich fixiert gehalten. Eine Verschiebung von ThermoelernennSchenkeln aufgrund thermischer Ausdehnungskräfte ist daher ausgeschlossen und der Radionuklidgenerator weiet eine hohe Betriebssicherheit auf.

Auf jede kalte Kontaktbrücke kann wenigstens ein Gewindestutzen aufgesetzt sein, der mit der Abschirmung verschraubt und durch

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eine Mutter verdrehungseieher in der Abschirmung gekontert ist.

Vorzugsweise ist auf jede kalte Kontaktbrücke wenigstens eir. Führungebolzen aufgesetzt, der in eine Ein Senkung der Abschirmung eingepaßt ist. Der Führung3bolzen kann ein Konus sein, der auf die Kontaktbrücken hin erweitert und der mit einer Mutter, die in der Abschirmung gekontert ist, verdrehungseicher in die Einsenkung der Abschirmung eingepreßt ist. Der Konu3 kann mit einem Keil, der in eine Bohrung des Konus eingeführt ist, in die Einsenkung der Abschirmung eingepreßt sein. Der Keil kann in einer Bohrung in der Abschirmung ai^eordnet sein, die wenigstens angenähert parallel zur Innenwandung der Abschirmung verläuft. Der Führungebolzen kann schwalbenschwanzförmig sein und mit Schrauben in eine Schwalbenschwanznut der Abschirmung festpreßbar sein.

Vorteilhaft ist es, auf jede kalte Kontaktbrücke wenigstens einen Stopfe- mit stufenförmigem Profil aufzusetzen, der in einen Durchbruch der Abschirmung eingepaßt ist und der über einen Deckel mit dar Außenwandung der Abschirmung verschraubt ist. Der Stopfen kann sich auf die Kontaktbrücke hin verjüngen.

Auf jede kalte Kontaktbrücke kann wenigstens eine Platte aufgesetzt sein, die mit einer Sacklochverschraubung an der Abschirmung befestigt ist.

Im folgenden wird der neuerungsgemäße Thermogenerator beispielhaft anhand der Figuren ¹ bis 7 näher beschrieben. In den Figuren sind verschiedene Arten der Kaltseitenbefestigung der Thermoelementschenkel dargestellt und.es werden verschiedene Möglichkeiten zur Kompensation der thermischen Ausdehnungekräfte in Richtung der Schenkellängsachsen aufgezeigt. In allen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Eezugezeichen versehen.

Figur 1 zeigt im Schnitt die Teilansicht eines neuerungsgemäßen Thermogenerators. Die p- bzw. η-leitenden Thermoelementschenkel J. sind an ihrer Hejßseite mit einer Kontaktbrücke 2 elektrisch und thermisch leitend verbunden. Ale Material für die Kontaktbrücken 2 kann eine Metall-Silizium-Legierung beispielsweise eine Molybdä^-SilJÄiu^-IitgJprung verwendet werden. Auf die

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Kaltseite der Thermoelementschenkel J_ ist je eine Silberplatte 3 mit abgebogenem Rand und auf diese eine Silberplatte 4 aufkontaktiert. Die SiIjerplatte 4 ist mit Anschlußfahnen versehen, über die mit Silberzöpfen 5 die Thermoelementschenkel Y benachbarter Thermoelemente elektrisch leitend so verbunden werden, daß alle Thermoelementschenkel J^ in Reihe liegen.

Die Thei-oelementschenkel _1_ sind aus je zwei Segmenten 6 und 7 aufgebaut. La längs der Thermoelementschenkel J/ein Temperaturgradient besteht, kann ein solcher Aufbau aus Segmenten verschiedenen thermoelektrisch wirksamen Materials vorteilhaft sein, um die thermoelektrische^ Eigenschaften der verwendeten Materialien voll auszunützen. Dabei sind die thermoelektrisch wirksamen Materialien so auszuwählen und die Abmessung der Segmente 6 und 7 so zu bestimmen, daß jedes Segment im Temperaturbereich maximaler thermoe ektrischer Effektivität lieft. Man erhält damit eine wesentliche Verbesserung de3 Wirkungsgrades. Ist beispielsweise der Radionuklidgenerator für eine Heißseiten temperatur von ungefähr 1000 ⁰C ausgelegt, so sind die Segmente 6 die der* Heißseitentemperatur direkt ausgesetzt sind, aus einer GeSi-Legierung hergestellt. GeSi-Legierungen besitzen eine maximale Effektivität bei ungefähr 750 bis 1050 ⁰C. Als Materialien für die Segmente 7 der Kaltseite des Radioniklidgenerators kann PbTe oder Bi₂Ti^-Sb₂Te, verwendet werden. Diese Materialien besitzen eine maximale thermoelektrische Effektivität bei etwa 200 bis 600 ⁰C bzw. bei 50 bis 300 ⁰C. Die Segmente 6 und 7 der Thermoelementschenkel J_-aind mittels eines flexib]en Verbindungsstückes 8 elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden. Das flexible . Verbindungsstück ist im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Silberzöpfen 9 hergestellt, die in Quetschfüßen 10 verkerbt oder verlötet sind. Die Quetciifüße 10 sind über Silberplatten 11 mit den Stirnflächen jeweils eines Segmentes 6 bzw. 7 verbunden. Es wird noch ausführlich beschrieben, daß di* Segmente 6 und 7 jedes Thermoelementschenkels Y an einem Wärmeaustauscher über die Kontaktbrücken 2 und 4 starr befestigt aind. Die Segmente können sich daher frei in den Zwischenraum zwischen den Segmenten 6 und 7 hinein ausdehnen und Bruchgefahr wegen der theIXisehen

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Ausdehnung in Schenkellängsrichtung besteht nicht. Ea ist darauf hinzuweisen, daß das flexible Verbindungsstück 8 auch mit elastischem Silberblech» mit Federdraht und dergleichen realisiert werden lcann.

Die Kontaktbrücke. 2 der Heißseite sitzt in einer Vertiefung eines Wärmeaustauschers 12, der beispielsweise eine Kapsel für die Nuklide sein kann und ist dort mittels einer aushärtbaren Keramikmasse 13 starr befestigt. Hierzu können aushärtbare | Keramikmassen verwendet werden, die im Handel z.B. unter dem | Namen "Tfcarmostix 2000" oder "Tliermostix 3000" erhältlich sind. Diese Materialien sind elektrisch isolierend und thermisch gut I

I leitend. Anstelle der B_efestigung ndt einer aushärtbaren Keramik- ξ masse können auch Keramikformstücke vorgesehen sein, mit denen die Kontaktbrücke 2 gehalten wird, oder es kann die Kontaktbrücke 2 mit dem heißen Wärmeaustauscher 12 verschraubt sein. Diese abweichenden Möglichkeiten der Warmseitenbefestigung für | die Kontaktbrücke 2 sind in den Figuren nicht dargestellt.

Auf die Silberplatten 4, die dux'ch die Silberzöpfe 5 zu Kontaktbrücken erweitert sind, ist ein Gewindestutzen H aufgesetzt. Der Gewindestutzen kann beispielsweise.aus Kupfer oder einem ähnlichen gut thermisch leitendem Material hergestellt sein. Die Verbindung zwischen dem Gewindestutzen 14 und den Silberplatten 4 ist über eine beidseits metallisierte Keramikplatte 15 hergestellt, die mit dem Gewindestutzen 14 und den Silberplatten 4 verlötet ist. Las Material der Keramikplatte muß elektrisch isolierend und thermisch leitend sein. Materialien, die diesen Forderungen genügen, sind Aluminiumoxyd oder Bery"¹ iiumoxyd. Neben dieser Befestigungsmöglichkeit ist auch eine Klebeverbindung beispielsweise mit ^llThermostix 2000" oder "Thermostix 3000" möglich.

Der Gewindestutzen 14 ist mit dem kalten Wärmeaustauscher 16, der die Abschirmung des Radionuklidgenerators ist, verechraubt und durch eine Mutter 17 verdrehungssicher in der Abschirmung gekontert. Das Material der Abschirmung 16 kann Stahl od^r Uran oder eine anderes Material sein, das den Strahlenschutzvorschriften genügt. Bei dieser Kaltseitenbefestigung der Thermoelementschenkel ist für eine große Wärmeübergangsfläche gesorgt,

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durch die der thermische Widerstand möglichst klein gehalten wird. Außerdem sind die Thermoelementschenkel J_- örtlich gut fixiert im Radionuklidgenerator angeordnet. Es ist jedoch bei

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der Befestigung eine gerade nach außeniBohrung in der Abschirmung vermieden, durch die radioaktive Strahlung ungehindert die Abschirmung durchsetzen könnte. Bei einer entsprechender.. Abmessung der Abschirmung kann daher jeden Forderungen ras Str&ienschutzes nachgekommen werden.

In Figur 2 ist auf die Silberplatten 4 der Kaltseite ein Konus 18 als Führungsbolzen aufgesetzt, der sich auf die Silberplatten 4 hin erweitert und in eine Einsenkung 19 der Abschirmung eingepaßt ist. Mit einer Mutter 17, dxe in der Abschirmung 16 gekontert ist, ist der Konus 18 verdrehungssicher in die Einsenkung 19 der Abschirmung 16 eingepreßt. Man kann damit die Wärmeübergangsfläche vergrößern und den thermischen Widerstand herabsetzen.

Auf die Kaltseite der Thermoelementschenkel J_- ⁱⁿ Figur 3 ist ebenfalls ein Konus 18 aufgesetzt, der eine Bohrung 20 senkrecht zur Längsachse der Thermoelementschenkel J_- aufweist. Mit einem Keil 21 wird der Konrs 16 in der Abschirmung 16 verkeilt. Der Keil 21 ist in einer Bohrung 22 der Abschirmung'16 geführt, die um 90 ° zum Konus 18 in der Abschirmung 16 liegt. Mit einer Schraube 23 kann der Sicherungskeil 21 entfernt und mit Hilfe eines Domes das gesamte Thermoelement ausgewechselt werden.

Figur 3 zeigt außerdem noch Thermoelementschenkel J_, die nicht segmentiert sind. .Diese Thermoelementschenkel sind mit Hilfe des elastischen Zwischenstückes 8_, das analog dem von Figur 1 ausgeführt ist, direkt mit den Silberplatten 4 elastisch und thermisch leitend verbunden. Der Ausgleich thermischer Ausdehnungen ist bei diesem Aufbau auch in der bereite geschilderten Art möglich.

In Figur 4 ist auf die Silberplalten 4 der Kaltseite eine Platte 24 aufgesetzt, die auf der Abechinnungplan aufliegt. Über Schrauben 25, die in Sacklöchern 26 der Abschirmung 16 verschraubt sind, ist die Platte 24 an der Abschirmung 16 starr befestigt.

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In Figur 5 ist auf die Silberplatten 4 der Katbaeite der Thermoelementschenkel 2 ein Stopfen 27 aufgesetzt, der ein stufenförmiges Profil aufweist. Beim gezeigten Ausführungsbeiepiel verkleinert sich der Querschnitt des stufenförmigen Stopfens 27 zu den Thermoelomentschenkeln 2 ^ain· ^Der Stopfen ist in einen Durchbruch 28 der Abschirmung eingepaßt. Der Durchbruch 28 weist ebenfalls ein stufenförmiges Profil auf. M₁t dem Deckel 29, der in der Außenwandung der Abschirmung verschraubt ist, wird der Stopfen 27 in den Durchbruch 28 der Ybschirmung 16 eingepreßt. Der Stopfen 27 muß aus einem Material gefertigt sein, das den Strahlenschutzvorschriften entspricht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ebenfalls kein geradlinig verlaufender Durebbruch in der Abschirmung 16 vorhanden. Radioaktive Strahlung kann daher die Abschirmung ebenfalls nicht ungehindert durchsetzen und die Strahlenschutzvorschriften bleiben beachtet. Es ist jedoch auf einen besonderan Vorteil hinzuweisen. Die(einzelnen Thermoelemente können von außen in den Radionuklidgenerator eingesetzt werden. Dies bringt für die Herstellung des Thermogenerators große Vorteile und erlaubt auch während des Betriebes ein Auswechseln schadhafter Thermoelemente. Hierzu sind allerdings, abweichend vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, die Verbindungszöpfe 5 durch den Stopfen 27 nach außen zu führen. Ein soldies Auswechseln während des Betriebes kann beispielsweise in einem heißen Labor durchgeführt werden.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist auf die Kaltseite des Thermoelementschenkel 2 ^e^ⁿ schwalbenschwanzförmiger Führungsbolzen 31 aufgesetzt, der mit Schrauben 32 in eine Schwalbenschwanznut 33 der Abschirmung 16 festpreßbar ist. Auch bei diesem Außführungsbeispiel erhält man große Wärmeübergangsflächen und außerdem noch den Vorteil, daß der Aufbau des Radionuklidgeneratore nur geringe Schwierigkeiten bereitet. Eine weitere Abwandlung zeigt die Heißseitenbefestigung der Thermoelementschenkel 2f die nicht segmentiert sind. Die heiße Kontaktbrücke 2a ist nicht in eine Einsenkung des warmen Wärmeaustauschers 12 eingepaßt,.sondern sie befindet sich in Abstand vom warmen Wärmeaustauscher 12. Der Wärmeübergang vom Wärmeaustauscher 12 zur Kontaktbrücke 2a erfolgt durch S.trahlung. Um eine möglichst große Absorptionsfläche zu erhalten,

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ist der Querschnitt der Brücke 2a vergrößert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein flexibles Zwischenstück zum Ausgleich thermischer Ausdehnungen nicht nötig, da sich die Thermoelementschenkel V in den freien Raum zwischen dem Wärmeauetauscher und der Kontaktbrücke 2a hinein ausdehnen können.

Figur 7 zeigt einen Schnitt durch die Ausführungeform nach Figur 6 der Linie VII-VII. Aus dieser Figur kann man Einzelheiten über die Führung und Anoressung des schwalbenschwanz^¹ rmigen Führungsstückes 31 in der Schwalbenschwanznut 33 entnehmen.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß durch die neuerungsgemäße Kaltseitenbefestigung der Thermoelementschenkel eine Abschirmung für einen Radionuklidgenerator ermöglicht ist, die den StrahlenschutzYorschriften entspricht. Der Wirkungsgrad des Thermogenerators wird nicht beeinträchtigt, da die Wärmeübertragungsflächen zwischen den Thermoelementschenkel und den Wärmeaustauschern von der Abschirmung nicht beeinträchtigt sind. Die Thermoelementschenkel sind örtlich fixiert und starr befestigt, so daß die Betriebssicherheit des Thermogenerators gewahrt bleibt und thermische Ausdehnungen sind mit einfacher. Mitteln zu kompensieren. Hierbei ist darauf hinzuweisen, daß neben den in den Aueführungsbeispielen gezeigten Mögltfakeiten auch andere Konstruktionen zum Ausgleich der thermischen Ausdehnung eingesetzt werden können, beispielsweise können elastische Energiespeicher zwischen dem kalten Wärmeaustauscher und den Thermoelementscnenkel angeordnet sein. Besonders hervorzuheben ist, daß mit den neuerungsgemäßen Kalteeitenbefestigungen der Aufbau des Radionuklidgenerators wesentlich vereinfacht wird und mit einfachen technischen Hilfsmittel durchs,afuhren ist.

Claims (11)

• I · I I · • t · I IN·· · - 9«.. : .!.\/ '"""PjjA 68/1592 ' Schutzansprüche .

1. Thermogenerator mit radioaktiven Nukliden als Wärmequelle und einer Abschirmung, die die Wärmequelle völlig umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (16) der Wärmeaustauscher der Kaltseite des Thermogenerators ist, an dem die kalten Kontaktbrücken (4) der Thermoelementschenkel (J.) mechanisch starr, thermisch leitend une elektrisch isoliert befestigt sind und daß' die Befestigung so ausgeführt ist, daß kein geradlinig verlaufender Durchbruch in der Abschirmung vorhanden ist.

2. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jede kalte Kontaktbrücke (4) wenigstens ein Gewindestutzen (14) aufgesetzt iet, der mit der Abschirmung (16) verschraubt und durch eine Mutter (17) in der Abschirmung gekontert iet

3. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jede kalte Kontaktbrücke (4) wenigstens ein Führungsbolzen (18) aufgesetzt ist, der in eine Eineenkung (19 bzw. 33) der Abschirmung (16) eingepaßt ist. y

4. Thermogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungebolzen ein Konus (18) ist, der sich auf die Kontaktbrücken (4)hin erweitert und der mit einer Mutter (17) die in der Abschirmung (16) gekontert ist, verdrehungssicher in der Einsenkung (19) der Abschirmung eingepreßt ist.

5. Thermogenerator nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbolzen ein Konus (18) ist,der sich auf die Kontaktbrücken (4). hin erweitert und der mit einem Keil (21), der in eine· Bohrung (20) des Konus eingeführt ist, in die Einsenkung (19) der Abschirmung (16) eingepreßt ist^,

6. Thermogenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

der Keil (21) in einer Bohrung (22) in der Abschirmung (16) angeordnet is χ ^

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7. Thermogcnerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (22) wenigstens angenähert parallel zur Innenwan dung der Abschirmung (16) verläuft-/

8. Thermogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Führunsbolzen (33) schwalbenschwanzförmig ist und mit Schrauben (32) in einer Schwalbenschwanznut (33) der Abschir mung (16) festpreßbar ist.

9. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß auf jede kalte Kontaktbrücke (4) wenigstens ein Stopfen (27) mit stufenförmigem Profil aufgesetzt ist, der in einen Durchbruch (28) der Abschirmung (16) eingepaßt ist und daß der Stopfen über einen Deckel (29) mit der Außenwandung der Abschirmung "verschraubt ist.^

10. Thermogenerator nach Anspruch 9» dadurch gelen nzeichnet, daß der Stopfen. (27) sich auf die Kontaktbrücken (4) hin verjüngt^

11. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jede kalte Kontaktbrücke (4) wenigstens eine Platte (24) aufgesetzt ist, die mit einer Sacklochverschraubung (25) (26) an der Abschirmung (16) befestigt ist.χ