Thermoelektrischer Generator
Im schweizerischen Patent Nr. 473 448 ist ein ohne äussere Beeinflussung arbeitender thermoelektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie an Stel len, wo sonst keine andere Stromquelle geeignet ist, beschrieben. Dieser Generator besteht aus einem evakuierten Behälter, in welchem ein thermoelektrischer Konverter untergebracht ist.
Dieser Konverter besitzt ein mit einer Wärmequelle im Wärmeaustausch stehendes heisses Ende und ein mit einer Wärmesenke verbundenes kaltes Ende. Um zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke eine grösstmögliche Temperaturdifferenz zu erzielen, enthält der Konverter eine Wärme- strahiung reflektierende Einrichtung, welche bewirkt, dass die von der Wärmequelle gelieferte Energie sich auf das heisse Ende konzentriert.
Es wurde festgestellt, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem heissen und dem kalten Ende, welche so gross als irgend möglich sein sollte, infolge Wärmelei- tung durch im evakuierten Behälter vorhandene Restgaspartikel, reduziert wird. Man trachtet daher, diesen durch Konvektion eintretenden Wärmeverlust dadurch klein zu halten, indem ein grösstmögliches Vakuum im Behälter aufrechterhalten wird.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht. indem die Wärmestrahlung reflektierende Einrichtung aus get terfähigem Material besteht. welches mit den im Behäl- ter befindlichen Restgaspartikeln reagiert, um das Vakuum im Behälter aufrechtzuerhalten.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen Generators nach der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt :
Fig. 1 das Ausführungsbeispiel des Generators im Grundrissschnitt, wobei der thermoelektrische Konverter in der Form eines Thermoelementenbandes dargestellt ist,
Fig. 2 eine Aufrissdarstellung des Thermoelementenbandes,
Fig. 3 ein Längsschnitt in grösserem Nlassstab nach der Linie III-III in Fig. 2, und Fig. 4 eine Teildarstetlung des Bandes nach Fig. 2 in grösserem Massstab, in der die Art der Verbindung der thermoelektrischen Drähte gezeigt ist.
Der in der Zeichnung dargestellte thermoelektrische Generator weist eine als Wärmequelle dienende, radioaktiven Brennstoff enthaltende Kapsel auf. Ein ther moelektrischer Konverter ist in der Form eines Ther mociementenbandes spiralförmig um die Brennstoffkap- sel gewickelt. Mit dem Konverter ist ein Impulsoeber verbunden, der die vom Konverter gelieferte Leistung in der Form von Ausgangsimpulsen abgibt. Die Brennstoffkapsel und das Thermoelementenband befinden sich in einem evakuierten Behälter. der aus zwei zusammengeschweissten Hälften 18 und 20 besteht, die nach dem Zusammenschweissen evakuiert werden.
Die Brennstoffkapsel besteht aus einer Anzahl von radioaktiven Einheiten 2^r. 95 Jede Einheit weist ein inneres Rohr oder eine innere Hülle 27 auf, in der sich ein Draht oder ein Stab 29 aus radioaktivem Nfaterial befindet. Das innere Rohr ist von einem Zwischenrohr oder Hülle 31 umschlossen. Die Rohre 31 sind in Bohrungen in einer äusseren Hü) ! e 35 angeordnet. Jedes der Rohre 27 und 31 und die genannten Bohrungen sind durch einen nicht gezeigte Stöpsel verschlossen. Das Rohr 27 wird bei einem Drv c von etwa einer Atmo sphäre mit Helium oder Argon oder einem anderen Inertgas gefüllt und dann wird der Stöpsel angeschweisst.
Beim Schliessen wird das Rohr 31 und die Bohrung luftleer gemacht und der darauf aufgesetzte Stöpsel mit dem Rohr verschweisst.
Die von der Brennstoffkapsel entwickelte Wärme wird durch eine im Thermoelementenband eingebettete thermoelektrische Säule in Elektrizität umgewandelt.
Die thermoelektrische Saule umfasst eine Vielzahl von Thermoelementen 89, von denen jedes aus einem Paar verschiedener Drähte 91 und 93 besteht, wobei ein Paar n-leitend ist und in Fig. 4 mit N bezeichnet ist, während das andere Paar p-leitend ist und in Fig. 4 mit P bezeichnet ist. Die Drähte sind an ihren Enden in Doppelpaaren parallel geschaltet (Fig. 3 und 4), um heisse Enden 92 an der Brennstoftkapsel und kalte Enden 94 an der Aussenseite des Bandes zu bilden.
Das Band besteht aus sechs Schichten (Fig. 3). Es ist eme Wärmerückstrahlungsschicht 95 vorgesehen. die in einem typischen Beispiel aus einer Titan-Zirkon-Folie steht. Es sind-'';'':j':uen'".inJ'',on. < ther- moelektrischen Geweben vorgesehen. in denen die Drähte 9t und 93 die Kettfäden und elektrisch und thermisch isolierende FÏden 1 () 1 und i 03. gewöhnlich QuarzfÏden. die Schussfäden bilden. Die Quarzfäden 101 und 103 kreuzen sich auf beiden Seiten der Drähte 91 und 93 an Kreuzungspunkten 105, so dass die Drähte 91 und 93 thermisch und elektrisch gegeneinan- der isoliert sind.
\Vie dargestellt ist. enthält jede Gewebeschicht 97 und 99 abwechselnde Paare von N-Dr. ihten 91 und P Drähten 93. Jede Schicht kann auch Drähte vom gleichen Leitungstyp enthalten, wobei z. B. die Schicht 97 N-Drähte 91 und die Schicht 99 P-Drähte 93 enthält.
Ferner sind Schichten 107,109 und 111 aus thermisch und elektrisch isolierendem Material, gewöhnlich ein Quarzgewebe vorgesehen, und zwar jeweils zwischen der Wärmerückstrahlungsschicht 95 und der thermoelektri- schen Schicht 97. der Schicht 97 und der Schicht 99 und der WÏrmer ckstrahlungsschicht 95 der oenachoarten Windung des Bandes. Die WÏrmer ckstrahlungsschicht 95 jeder Bandlage erstreckt sich über die thermoelek- : rischen Gewebe 97 und 99 und die Schichten 107,109 und 111 aus isolierendem Vlaterial.
Jedes Band weist zwei keramische Anschlussglieder 121 und 123 auf. und zwar eines für das heisse Ende 92 und das andere für das kalte Ende 94. Die Glieder 121 und 123 können aus einem Material, wie z. B. Tonerde hergestellt sein, das zwar thermisch leitende Eigenschaften aber auch elektrisch isolierencle Eigenschaften aufweist. Die Verbindungsstellen an den Gliedern 121 und 123 sind durch Hartlöten von \-und P-Drähten hergestellt.
Eine Vielzahl von Bändern 151, 153, 155, 157,159, 161,163 und 165 ist spiralförmig vom heissen Ende an der Brennstoffkapsel zum kalten Ende an der äusseren Behälterwandung 83 des Generators gewickelt. Jedes Band besitzt keramische Glieder 121 und 123 auf jeder Seite. Die Glieder 121 der Bänder 51 bis 165 an den heissen Enden sind um den Umtang der Brennstoffkap- sel herum verteilt. wÏhrend die Glieder 123 an den kalten Enden über einen Teil der Wandungen der becherförmigen Halte 18 verteilt sind (Fig. 1).
Die Bänder 151 bis 165 gehen von Stellen aus, die im Abstand um den Umfang der Brennstoffkapsel herum liegen und enden in Stellen, die im Abstand auf der Innenseite der Wandung 83 liegen. und sind ineinander gewickelt. Die sich überlappenden Enden der Strah lungsschilder 95 der Bänder bilden eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Innenfläche. Diese Innenfläche ist mit nicht gezeigten Blechen eines Titan-Zirkon-Wärme rückstrahlungsbelages gefüllt. Das Titan-Zirkon des Straruunssschildes 95 und des genannten Belages ist ein Getter-Material, welches sehr intensiv auf die im Behäl- ter 18-20 enthaltene Gase reagiert und dadurch das Vakuum im Behälter aufrecht erhält.
Die heissen Enden 92 des Bandes sind mit der Kapsel in einem Wärmeaustauschverh, iltnis stehend verbunden, und zwar über das Kupferband 145, das auf die Brennstoffkapsel aufgelötet ist. Die kalten Enden 94 sind thermisch mit der Wandung 83 verbunden, die auf eine Verbindungsleiste 173 aufgetötet ist. die ihrerseits auf das Kupferband 195 aufbötet ist. das wiederum auf die biegsamen Anschlussstreifen ! 43 aufgelötet ist.
Das kalte Ende des Endpaares auf der einen Seite des Keramikg edes 123, das mit dem Band 163 verbunden ist. ist an der Wandung 83 3 elektrisch geerdet. Das kalte Ende des Endpaares auf der gegenüberliegenden Seite ist durch einen Streifen mit dem kalten Ende des benachbarten Endpaares des nächsten Bandes) 6L elektrisch verbunden und das kalte Ende auf der gegenüberliegen- den Seite ist ebenfalls mit dem benachbarten Endpaar des nächsten Bandes 159 verbunden usw., wobei jeder Streifen die Paare eines Bandes mit den Paaren der anderen Bänder in Reihe schaltet. Das kalte Ende des Endpaares des Bandes 15 L ist nm dem Ausgangsjeiter
183 des Generators verbunden.
Bcim Zusammenbau des Generators werden die Bänder 151 bis 165 und die KupferbÏnder 145 in eine Haltevorrichtung eingelegt, in der die Bander in der richtigen Ausrichtung gegenüber den Kupferbändern an beiden Enden der Bänder gehalten werden. Die Kupfer '. streifen 141 und 143 die zuvor an den Keramikgliedern ) 2L und 123 befestigt worden sind. an die die Thermo- eiementcndengetötetsind.werdendurchPunkdötenmit einer Cu-Ag-Legierung mit den an beiden Enden der Thermoelementbander 151 bis 165 befindlichen Wärme- iibertragungsbändern 145 aus Kupfer verbunden.
Die acht Bänder werden dadurch zu einem einzigen einheitlichen Thermoelementensatz von der nchtigen Lange und mit den richtigen Abmessungen zusammengefasst. der zuvor vollständig geprüft werden kann. bevor zu dem nächsten Schritt übergegangen wird. Der nächste Schritt besteht in der Befestigung der (nicht gezeigten) Hatte- drähte an der Brennstoffkapsel, der Anordnung der Wärmeisolierung zwischen den Haltedrähten an jedem Ende, dem Befestigen der Hattedrähte an jedem Ende und dem Befestigen der Haltedrähte an den (nicht gezeigten) T-Platten, die zuvor an einem Halter f r den Zusammenbau fixiert worden sind.
Dieser Halter ist so konstruiert, dass die T-Platten in dem richtigen Abstand für den Einbau und die Befestigung in der äusseren Wandung 83 gehalten werden. Es ist darauf zu achten, dass eine geeignete Spannung auf die Drähte ausgeübt wird, wenn diese an der Konsole befestigt werden. Die Isolierung ist innerhalb der (nicht gezeigten Spanndräh- te angeordnet und der Halter lässt sich um eine durch die Mitte der Brennstoffkapsel laufende Achse drehen.
Dann wird das heisse Ende des Thermoelementen Klemmenbandes 145 aus Kupfer um die Brennstoffkapsel herum angebracht, indem zunächst das Ende des Klemmenbandes 145 in die in der Brennstoffkapsel vor- gesehenen Nut eingelegt und das Band auf der Kapset durch Punktlöten aufgebracht wird. Danach werden die kalten Enden an der in der Hälfte 1S des Behälters vorgesehenen Kupferleiste 173 befestigt. Diese Verbindung erfolgt dadurch, dass die Enden des Kupferbandes 145 und der Kupferleiste 173 durch Punktlöten mit einer eutektischen Kupfer-Silber-Legierung aneinander befestigt werden.
Die Brennstoffkapsel, die noch an ihrer Wickelhaltevorrichtung befestigt ist. wird nunmehr um ihre Achse gedreht, bis der Thermoelementenbandsatz 151 bis 165 um die Nlittelachse herumgewickelt ist, und das Tragstück wird an den im Inneren des Behälters vorgesehenen Konsolen befestigt. Der hermetisch abgedicht te Leiter 183. der aus einem dünnen flachen Streifen besteht, ist an der elektrischen Klemme an dem Thermoelementensatz befestigt und vervollständigt somit die elektrische Verbindung.
Die Einheit ausschliesslich des Impulsgebers wird nunmehr in einer Hochvakuum-Entgasungsvorrichtung mngebracht und es wird ein Vakuum erzeu t. in dem die Einheit hei einer Temperatur von 500 C entgast wird, bis der Druck in dem System auf 10-6mm Hg reduziert ist. Dadurch wird jeder restliche Wasserdampf, adsorbiertes Gas oder jede andere Verunreinigung ausgetrieben, die während der erwarteten Lebensdauer von 10 . lahren das System in seiner NN'irksamkeit herabsetzen und ein Versagen des Generators verursachen könnte.
Das Vakuum wird durch Einfüllen von reinem trockenem Argon aufgehoben, worauf die HÏlfte 20 des BehÏlters ber die HÏlfte 18 gelegt wird. Die zusammengebaute Einheit wird dann in eine Schalenblockhaltevor- richtung eingebracht, bis zu 10--'; mm Hg evakuiert und einer Elektronenstrahlschweissung unterzogen. Dieses Verfahren gewährleistet Reinheit und Freiheit von die Wirksamkeit herabsetzenden Verunreinigungen, die, wie bereits oben erwähnt wurde, die Betriebsfähigkeit des Systems während seiner Lebensdauer nachteilig beein flussen können.
Der Impulsgeber ist in eine im wesentlichen quaderförmige Masse 225 aus transparentem Epoxyharz gegossen. Der Leiter 221 ist in dieser NIasse eingebettet. Die Masse 225 weist eine rohrförmige Öffnung 227 auf, in die der Ring 223 an einer Stelle zwischen den Enden der Öffnung eingegossen ist. Die Offnung 227 verjüngt sich etwas von beiden Enden her in Richtung auf den Ring 223.