DE6900274U

DE6900274U - Thermogenerator

Info

Publication number: DE6900274U
Application number: DE19696900274
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-01-04
Filing date: 1969-01-04
Publication date: 1970-08-27

Description

SIEMEHSAKTIEiIGESELLSCHAPT Erlangen, ~3. JAN. 196f |

Berlin und München Y/erner-von-Siemeß-s^äbr^Ö

Unser Zeichen:

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irino

Thermogenerator

kloine Leistungen, mit Thermoelementschenkeln unterschiedlicher ?herraokraft» die in abwechselnder Reihenfolge nebeneinander a CT geordnet und durch Kontaktbrücken elektrisch leitend in Serie

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator, insbesondere für |

chi ?herraokraft» die in abwechselnder Reihenfolge nebeneinander an-

Änucn Siiid.

In Thercogenerateren sind im allgemeinen Thermoelemente so vereinigt, daS jeweils die heißen oder kälten Lötstellen in einer | Fläche, nämlich der ,Heiß- oder Kaltselte des^ Thermogenerators, | liegen. Jedes Thermoelement "besteht aus einem Thermoelement- I schenkelpaar ndt Thermoelementschenkeln aus thermoelektrisch | wirksamen Material unterschiedlicher Thermokraft. Bevorzugt wird | p- bzw. n-leitences thermoelektrisch wirksames Halbleitermaterial für die Thermoelementschenkel benutzt. Durch Kontakt brücken aus elekt3?isch und thermisch leitendem Material werden die Thermoelementschenkel an ihrer Heiß- und Kaltseite so elektrisch leitend verbunden, daS aille Thermoelementschenkel elektTiseh in Reihe und thermisch parallel liegen. Sowohl auf die Heiß- als auch auf die Ejeltselte der Thermoelemente Ist im allgemeinen ein Ifärneausti tischer aufgesetzt, der durch eine Schicht aus thermisch leitende a undi.e-lektrisch isolierendem Material von den K ont akt Ότ1ΐβΐ:εη
ist. \

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getrennt Ist, und der Wärmequelle oder Wärmesenke

Unter anderem kann durch eine entsprechende Auslegung der ThermoeleEsntscneBkel-Geometrle, d.h. des Verhältnisses von ThermoelesentscheaSö-länge zn ThermaeleEentsckenkelquerschnltt, der WIr-

des Thersogenerators optimiert werden. Pur Thermogene—

üeiner Xelstuisg ergeben sich dabei bei noch, realisierbarer 5herfioele*entsclieiikellänge Shermoeleaentsehenkelquerschnit-

den Aufbau eines solchen TJaersogenerators senr schwierig

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mächen. Solche Thermogeneratoren Kleiner Leistung, d.h. ungefähr im Leistungsbereich von 200 pW_y können als Energieversorgungssystem in der Medizin, beispielsweise für Herzschrittmacher¹* und beispielsweise in der Regelungs- und Meßtechnik eingesetzt werden.

Bekannt ist ein Thermogenerator kleiner Leistuni? als Snereieverfür einen Herzschrittmacher beispielsweise aus einer

Literaturstelle von Th.F.Hursen in "IBCKC ^S Record", S.76=-772, bei dem als Energiequelle für difc Heißseite des Themoßener?»*ors ein radioaktives Isotop mit entsprechender Abschirmung verwendet ist. Die Thermoelementschenkel dieses Thenaogenerators sind aus ungefähr 23 cnn langen, ungefähr O.OSnna starken Metalldrähten gebildet. Die heißen Lötstellen dieser Drähte sind auf die Abschir mung des Isotops aufgedrückt und die Brähte sind na das Isotop herumge v/i ekelt. Als Isolation werden Glasfasern verwendet, die mit den drahtförmigen Thernoelementschenkeln zu einen Gespinst verwoben sind. Die Herstellung dieses Thenaogenerators ist äußerst schwierig und unwirtschaftlich, und da als Material für die Drähte der Thermoelementschenkel thermoelektrisch Tdrksaxae Metalle, nämlich Kicke1-Chrom- und Xonstantanlegierungen, verwendet werden müssen, deren thermoelektrische Effektivität nur gering ist, ist der Wirkungsgrad dieses Therncgenerators sehr niedrig.

Ss besteht die Aufgabe, einen Thensogenerator für kleine Leistun gen mit dünnem Thermoelementschenkelquerschnitt herzustellen. Dabei soll als Material für die Thermoelementschenkel auch Halbleitermaterial verwendbar sein können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,äaS die Thermoelement schenkel auf einen elektrischen Isolator aufgedampft; sind.

Bei einem solchen erfindungsgemäSen Thenmogenerator lassen sich "bei Thermoelementschenkellängen von ungefähr 5 no,. Theraoelement schenkel-Querschnitte von ungefähr Ί0 bis 20G0 {pis)~ realisieren. Damit ist; eine Optimierung des sTirkungsgrades ermöglicht. AuSer— dem können praktisch beliebig viele Thernoeleneiaiischeiikel zu einem Thermogenerator vereinigt; werden, wobei das Herstellangs—

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verfahren eines solchen Thermogenerators äußerst einfach und wirtschaftlich vertretbar ist. Aufdampfverfahren, mit denen Meta} Ie, halbleitende Elemente oder halbleitende Verbindungen zur Herstellung der Thermoelementschenkel aufgedampft werden können, sind beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1033 335 oder der deutschen Patentschrift 122S 889 bekannt.

Die Kontaktbrücken können ebenfalls aufgedampft sein.

Vorzug5Y?eiss überlappt sich jeweils das obere Ende eines Thermoelementschenkels mit dem oberen Snde eines benachbarten Thermoelementschenkels und sein unteres Ende mit dem unteren Ende ei-, nes zweiten benachbarten Thermoelementschenkels zu einer Kontaktbrücke. Jeder Thermoelementschenkel kann am oberen und unteren Ende mit Yorsprüngen versehen sein, die in entgegengesetzter Richtung seitlich vom Thermoelementschenkel abstehen, wobei sich die Vorsprünge benachbarter Thermoelementschenkel gegenseitig zur Kentaktbrücke überlappen.

Durch die aufgedampften Thermoelementschenkel und Kontaktbrücken kann ein mäanderfönniges Band gebildet sein.

Vorteilhaft ist es, als eleketrischen Isolator eine bandförmige Hochtemperairur-Kunststoffolie zu verwenden.

Die Kontaktbrücken der als mäanderförmiges Band aufgedampften Thermoelementschenkel können parallel und in Abstand zu der seitlichen Begrenzung der Kunststoffolie liegen. Die Kunststofffolie kann spiralförmig zu einer Rolle aufgewickelt oder es kön— nen mehrere Kunststoffolien aufeinandergeschichtet sein, wobei Theraoelenentschenkel aufeinanderfolgender Kunststoffolien durch die Kunststoffolien elektrisch gegeneinander isoliert sind. Die Stirnflächen der Rollen oder die Seitenflächen der aufeinandergeschichteten Kunststoffolien können mit Gießharz vergossen lind auf die Stirnflächen der Solle oder die Seitenflächen der aufeinandergesehiehteten Kunststoffolien können Wärmeaustauscher aufgesetzt; sein. Zur Verbesserung des Wärmekontaktes kann auf das &±&3hsLTz eine Me tails chi ent aufgebracht sein. Dabei kann unter Serüeksiehtlgung der Strahlensehutzvorschriften als Wärmequelle

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für die Heißseite des Thermogenerators ein Radioisotop, beispielsweise Plutonium - 238 verwendet v/erden. Der so ausgestaltete erfindungsgeinäße Thennogenerator kann äußerst kompakt aufgebaut werden und ist u.a. vorzüglich, als Energieversorgungssystem für einen Herzschrittmacher geeignet.

folgenden wird die Erfindung an Hand der Pig.1 bis 4 näher erläutert. In den Figuren sind zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Thermogenerators dargestellt.

rig.1 zeigt die Draufsicht auf aufgedampfte Thermoelementschenkel 1 bzw. 2 unterschiedlicher Thermokraft. Als Materiel für die Thermoelementschenkel kann beispielsweise Bi oder Sb verwendet v/erden. Als halbleitende Verbindungen für den p-leitenden, aufgedampften Thermoelementschenkel kann beispielsweise entsprechend dotiertes ZnSb, PbTe oder Bi₂Te, und für den n-leitenden Thermoelementschenkel beispielsweise entsprechend dotiertes InAs, InSb, PbTe oder BipTe, benutzt werden. Die Thermoelementschenkel sind auf einen elektrischen Isolator 3 aufgedampft- Es kann als Isolator eine biegsame Hochtemperatur-Kunststoffolie, beispielsweise eina Polyimid-Folie, verwendet werden, wie sie ; "beispielsweise im Handel unter dem Namen "Kapton™ erhältlich ist· i

Sin ebenfalls geeigneter elektrischer Isolator 3 ist ein Giasge—" webe. ' V-

Der ?ig. 1 ist zu entnehmen, daS jeder Thermoelementschenkel 1 ■..* ί <^ bzw-. 2 an seinem Ende mit eines seitlichen Vorsprung versehen ^₃, i^ ist, vobei in. den Bereichen 4 die seitlichen Vorsprünge "benachbarter -Thermoelementschenkel sich, zu Kontaktbrücken überlappen» über die die Thermoelementschenkel so verbunden sind, daS sie elektrisch in Seihe imd thermisch parallel liegen. Sie durch die Überlappungsbereiche 4 gebildeten iontalrtbrüclcen 2«isehen dta Themoeleaentschenkeln 1 bzw. 2 besitzen einen geringen Abstand vos Rande der ?olie, der beispielsweise ungefähr 0,1 aft Danit ist ein Schutz der -Thermoelementschenkel g/e^cn leechanischt Einflüsse und die elektrische Isolation der £heraoeleaen*sehtÄk·! sichergestellt.

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Die Länge der aufgedampften Thermoelementschenkel kann bei einem Thermoeiementsehenkelquersehnitt von ungefähr· 10 bis 2000 {pm} "ungefähr· 5 sns betrafen. Mit diesen geometrischen Abmessungen der Thermoelementschenkel ist im Lelstungsbereieh von angefähr 200 uW ein bezüglich der Schenkelgecmetrie optimaler Wirkungsgrad zu erhalten. Sa als Kater!al für die Thermo— eleiEentsehenkel Halbleiterverbindungen verwende ι werden können, deren thermoelektrische Effektivität sehr groS ist, ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäSen Thermcgenerators auch bezüglich der anderen GröBen, von denen er abhängt, optimiert.

Fig.? zeigt einen perspektivischen Ausschnitt eines mit eleiaentschenkeln 1 bzw. 2 bedampften elektrischen Isolators 3, wie er in Fig.1 bereits beschrieben wurde. Der Fi~.2 ist die Lage des Überlappungisbereichs 4 zwischen benachbarten Thermoelement schenke In 1 und 2 deutlich entnehsbar.

In Pig.3 ist in perspektivischer Ansicht ein erfindungsgemäSer Thermogenerator dargestellt. Die mit mäanderförmigen Thermoelement schenke In 1 bzw. 2 bedampfte Hochtemperaturfolie 3 gemäß Pig.1 ist spiralförmig zu einer Holle aufgewickelt. Sine gesonderte Isolation zwischen den Thermoelementschenkeln 1 bzw. 2 verschiedener Lagen dieser Rolle ist nicht nötig} diese wird durch den Isolator 3 selbst gebildet. Die Stirnfläche! 5 der Holle können mit einem Gießharz vergossen werden, wodurch die gesamte Anordnung mechanisch äußerst stabil wird. Gleichzeitig dient diese dünne Schicht Gießharz als elektrischer Isolator gegenüber den Wärmeaustauschern, die auf die als Heiß- und Kaltseite wirkenden Stirnflächen 5 der Rolle aufgesetzt werden können. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zu den Wärmeaustauschern kann auf die Gießharzschicht eine Metallschicht oder Metallfolie aufgebracht werden. Der Einfachheit halber sind in der Pig.3 diese isolierende Schicht, die Wärmeaustauscher und die elektrischen Anschlüsse für die Thermoelementschenkel weggelassen. Es ist nochmals darauf hinzuweisen, daß als V/ärmequelle für die Heißseite der Holle ein Radioisotop verv/endet werden kann und: daß man mit dem vorgeschlagenen Aufbau sehr viele Thermoelementschenkel auf kleinstem Raum unterbringen

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kann, wobei der elektrische Isolator 3 gleichzeitig als Träger für die Thermoelementschenkel dient.

Pig.4 zeigt eine weitere Ausbildungsform, bei der nehrere slt siäanderfcrjnigen, aufgedampften Thei-soeleiaentsehenkeln I Os^- 2 -versehene elektrische Jsclationsfolien 3 aufeinaMergesehleiitet sind. Die Thermoelementschenkel verschiedener Schichten sind wieder durch die isolierenden Folien 3 elektrisch gegeneinander, ispiiert und können durch elektrisch leitende Verbindungen in Serie oder parallel geschaltet werden. Diese elektrisch leitenden Verbindungen sind in der Pig-& ni^ht dargestellt. Die Seitenflächen 6 der aufeinandergsschiehteten Isclationsfolien 3 können wiederum mit Gießharz vergossen und sit Wärseaustausehern für die Hei 3- bzw. Kalt sei te des fhersogenerators versehen werden.

Abschließend ist nochmals darauf hinzuweisen, da3 der ssirtschaftliche Aufwand für die Herstellung des erfindungsgeinäSen TherEO-generators äußerst gering ist, der Srirktmgsgrad des Tfeeraogensrators jedoch optimal ist und ein äuSerst konpakter und mechanisch robuster Aufbau ermöglicht wird. Der erfindungsgeiaaHe Thermogenerator ist daher insbesondere als Energiequelle für Herzschrittmacher hervorragend geeignet und ist vor allen wsgen seiner erheblich größeren Lebensdauer den bisher bei Herzschrittmachern verwendeten konventionellen Batterien y/eit überladen. Dabei kann durch eine entsprechende Auslegung der Abschirmung bei mit Hadioisotopen betriebenen Thermogeneratoren eine Strah lenschädigung des Körpers ausgeschlossen v/erden.

Zu erwähnen ist auch noch, daß der erfindungsßr^mäBe Theraogenerator in einfachster Weise gekapselt v/erden kann, wobei der Innenraum der Kapsel evakuiert werden kann.

12 Patentansprüche
4 Figuren

Claims

ffnsrirüche

1. Thermcgenerator, insbesondere für kleine Leistungen, mi't Therinoeleiaentsehenkeln unterschiedlicher Thermokraft, die in abwechselnder Reihe.af olge nebeneinander angeordnet und durch Kontaktbrücken elektrisch leitend in Serie verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementschenkel

, (1 bZ7/. 2) auf einen elektrischen Isolator (3) aufgedampft \J sind.

2. T'hermogenerator nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet» daß die Kontaktbrücke^ (4) aufgedampft sind.

3· Thermogenerator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeweils das obere Ende eines Thermoele-• ment&cherJcels (1) bzw. (2) mit dem oberen Ende eines benachbarten The- rrao element schenke Is und sein unteres Ende mit dem unteren Ende eines zweiten benachbarten Thermoelementsehenkels zu einer Kontaktbrücke (4) überlappen.

4. Thermogenerator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Thermoeleinentcchenkel (1 bzw. 2) am oberen und unteren Ende mit Vorsprüngen versehen ist, die in entgegengesetzter dichtung seitlich von jedem Thermoelementschenkel abstehen, und daß sich die Torspränge benachbarter Thermoelementschenkel gegenseitig zu einer Kontaktbrücke (4) überlappen.

5· Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die aufgedampften Thermoelementschenkel (1 bzw. 2) und die Kontaktbrücken (4) ein mäanderförmiges Band gebildet ist.

6. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementschenkel (1 bzw. 2) aus t>- bzw. η-leitendem Halbleitermaterial hergestellt sind.

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7- 1!hermogenerator nach eines der Ansprüche 1 Ms 6, dadurch gekennzeichnet, daS als elektrischer Isolator (3) eine bandföraige, biegsame Eochtesperatur-Xunststoffolie verweüdi»t ist.

8. TherEogenerator nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt brücken (4^ der als Eäanderfönsiges Band aufgedampften Thermoelementschenkel (1 bzw. 2) parallel und in Abstand zu der seitlichen Begrenzung der Kunststoffolie (3) Hegen.

^- 9. Theraogenerato** nach Anspruch 7 oder 8» dadurch geXennzeich· net, daS die Kunststoffolie (3) spiralföraig 2u ^iner Halle aufgewickelt ist.

10. Thermogenerator nach eines der Ansprüche 1 bis 9* dadurch J gekennzeichnet, daS nehrere Kunststoffolien (3) aufeinander-

geschichtet sind, wobei die Thermoelementschenkel (1 tzir» 2) aufeinanderfolgender Kunststoffolien durch die Kunststofffolien elektrisch gegeneinander isoliert sind.

11. Thermogenerator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (5) der Holle oder die Seitenflächen (6) der aufeinandergeschinhteten Kunststoffolien (3)

^! ) mit Gießharz vergossen sind.

12. Thermogenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daS auf die Stirnflächen (5) der Holle oder die Seitenflächen (6) der aufeinandergeschichteten Kunststoffolien (3) Wärmeaustauscher aufgesetzt sind.