DE1614309C3 - Mit Kernenergie betriebener thermoelektrischer Generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit Kernenergie betriebenen thermoelektrischen Generator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Generator ist in der BE-PS 6 50 849 beschrieben. Derartige Generatoren dienen zum Einsatz an Stellen, an denen keine Netzenergie verfügbar ist, z. B. im Weltraum, in abgelegenen Gegenden der Erde oder im menschlichen Körper. Sie enthalten als Wärmequelle ein in eine Kapsel eingeschlossenes radioaktives Isotop sowie einen thermoelektrischen Umformer. Vom Umformer wird die elektrische Energie abgeleitet. Die Kapsel ist in einem biologischen Schirm eingeschlossen. Der Umformer besteht aus einer oder mehreren Thermosäulen, deren heiße Lötstellen mit dem Schirm in wärmeübertragender Verbindung stehen und deren kalte Lötstellen mit einer Wärmesenke in Verbindung stehen. Die radioaktive Kapsel, der biologische Schirm, die Thermosäulen und die Wärmesenke sind zu einer gemeinsamen Anordnung verbunden; hierzu dient ein geschlossenes Gehäuse, an dessen Außenseite z. B. Kühlrippen angebracht sind.

Die radioaktive Kapsel mit dem wärmeübertragenden biologischen Schirm muß sicher und unverrückbar im Gehäuse befestigt sein; die Befestigung soll aber möglichst geringe Wärmeverluste verursachen. Die Wärmeverluste spielen eine entscheidende Rolle für die Einsatzfähigkeit solcher Generatoren, wie z. B. aus S. 10, zweiter Absatz der BE-PS 6 50 849 hervorgeht. Es muß verhindert werden, daß die von der Wärmequelle nach allen Seiten abgestrahlte Wärme in anderer Richtung als zu den heißen Lötstellen der Thermosäulen gelangt.

In der erwähnten belgischen Patentschrift besteht die Wärmeisolierung aus mehreren Lagen auf Hochglanz polierter Folien mit zwischengelegten Glasfaserschnüren; diese Folien sind in eine Glaswollmatte eingebettet. Nun ist Glaswolle zwar ein guter Wärmeisolator, aber sie kann bekanntlich die Wärmeübertragung durch Leitung und Konvektion nicht ganz verhindern; dies macht sich insbesondere bei den zu bewältigenden hohen Temperaturunterschieden im Dauerbetrieb bemerkbar. Auch bei dem thermoelektrischen Generator nach Fig. 1 und 2 der US-PS 30 75 030 ist der zur Verfügung stehende Raum vollständig mit einem Wärmeisolator ausgefüllt.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Evakuierung des Gehäuses. Dieser Weg ist in dem Generator nach Fig.3 der US-PS 30 75 030 eingeschlagen. In diesem Falle reicht ein Wärmestrahlungsschirm aus dünnen Metallfolien zur befriedigenden Wärmeisolierung aus. Die zuverlässige Aufhängung der verhältnismäßig schweren radioaktiven Wärmequelle im Vakuum unter Vermeiden von Wärmebrücken stößt jedoch auf erhebliche Schwierigkeiten. In der erwähnten Ausführungsform ist die radioaktive Quelle, um jede Wärmebrücke zu vermeiden, ausschließlich mittels der Thermoelemente an den Gehäusewänden aufgehängt. Dies stellt angesichts der äußerst brüchigen Natur der meisten modernen Thermoelementwerkstoffe eine höchst problematische Lösung dar.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, den die radioaktive Kapsel enthaltenden biologischen Schirm zuverlässig in dem Gehäuse so zu befestigen, daß nur ein Minimum an Wärme zwischen dem Schirm und dem Gehäuse durch die Befestigung übertragen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an beiden Enden des zylindrischen Schirms mit dem Gehäuse verbundene Zugstäbe angreifen, die so stark vorgespannt sind, daß sie im Betrieb auch unter Berücksichtigung ihrer Wärmeausdehnung gespannt bleiben.

Durch die Aufhängung an Zugstäben. kann die radioaktive Wärmequelle mechanisch sicher in dem evakuierten Gehäuse befestigt werden, ohne daß nennenswerte Wärmebrücken auftreten. Diese Befestigungsart ist weit zuverlässiger als die Halterung der radioaktiven Quelle mittels der Thermoelemente. Eine radioaktive Quelle mit dem nötigen biologischen Schirm für einen Thermogenerator mit einer Leistung von etwa 50 W wäre viel zu schwer, um von Thermoelementen allein gehalten zu werden.

Um den Wärmeübergang so gering wie möglich zu halten, sind vorzugsweise die Zugstäbe so angebracht, daß an beiden Enden des zylindrischen Schirms je drei Zugstäbe an verschiedenen Stellen des Schirms angreifen und daß die drei von je zwei Zugstäben aufgespannten Ebenen einander etwa rechtwinkelig schneiden.

Zur gleichmäßigen Einstellung der Zugbelastung der Zugstäbe geht jeder Zugstab mit seinem dem Schirm abgekehrten Ende durch einen am Gehäuse befestigten Haltering und trägt eine Spannmutter; zwischen der Spannmutter und dem Haltering befindet sich ein biegsamer Streifen, dessen Durchbiegung ein Maß für die Vorspannung des Zugstabes darstellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Hierin ist

Fig. 1 ein Schrägbild des teilweise aufgeschnittenen Generators,

Fig.2 eine Draufsicht desselben mit weggebrochenen Teilen,

Fig.3 ein Längsschnitt längs der Linie HI-IlI in Fig. 2 und :■

Fig.4 eine schematische Darstellung der Aufhängung für den biologischen Schirm.

Die radioaktive Kapsel, der biologische Schirm und ein den biologischen Schirm umgebender Wärmeschirm des dargestellten thermoelektrischen Generators befinden sich in einem zylindrischen Gehäuse mit einspringenden Teilen für die Thermosäulen, das an seinen Enden mit Halteringen 11 und 13 (F i g. 1 und 3) für den biologischen Schirm versehen ist In die Kapsel ist ein radioaktives Isotop 21, z. B. Strontiumtitanat mit Sr 90. eingeschlossen. Eine Hülle 23 besteht aus einem Werkstoff, der bei hohen Temperaturen mit Strontiumtitanat verträglich und stoßfest ist. Ein solcher Werkstoff ist z. B. die Tantallegierung Ta — W 8 — Hf 2,5. Die Hülle 23 ist von einer Kapsel 25 aus einer korrosionsfesten Nickellegierung eingeschlossen.

Der biologische Schirm besteht aus einem allgemein zylindrischen Gußstück 31 einer Wolframlegierung (97,6 % W, 2,4 % Kupfer und Nickel). Die Kapsel kann durch eine Öffnung an einer Stirnseite des Gußstücks eingeschoben werden. Die Öffnung wird dann mit einem Stopfen 33 aus dem gleichen Material verschlossen, der genau in die Öffnung paßt und einen Flansch 35 hat, der mit dem Gußstück 31 verschraubt ist. Durch die Erhitzung im Betrieb verschweißt sich dann der Stopfen 33 mit dem Gußstück 31. An diametral gegenüberliegenden Mantelflächen des Gußstücks 31 sind Kupferbleche 37 (Fig.2) hart aufgelötet. Zwischen den Kupferblechen 37 sind Sättel 39 aus Kupfer zum Anschluß der Thermosäulen 41 und 43 an das Gußstück 31 angelötet. Die Thermosäulen 41 und 43 schließen mit ihren heißen Lötstellen an diametral gegenüberliegenden Stellen an die Sättel 39 an.

Von den kalten Lötstellen der Thermosäulen führen Ausgangskabel 89 druckdicht durch das Generatorgehäuse zu einem Regelkasten 100 (Fig.2 und 3), der einen Spannungsregler 102 (F i g. 2) bekannter Art enthält. Am Regelkasten 100 befinden sich ferner eine Steckdose 104 und ein Kabel 106, mit dem die erzeugte Energie abgeführt werden kann.

Jede Thermosäule sitzt in einer topfförmigen Vertiefung 171 (Fig. 1) eines Kühlrippenträgers 173 für die Kühlrippen 195 und 197. jeder Kühlrippenträger ist abschwenkbar am Generatorgehäuse befestigt An einem Ende ist der Kühlrippenträger an vom Gehäuse ausgehende Zapfen 205 mit Schrauben 207 angeschraubt Am anderen Ende dient zur Halterung der Kühlrippenträger ein Scharnier. Die Kühlrippen 195 sind in einem Schutzmantel 221 (F i g. 2) eingeschlossen, der teilweise von den Kühlrippen und teilweise von am Gehäuse angeschweißten Rippen 223 getragen wird. Die Rippen 223 dienen nur zur Halterung des Schutzmantels 221 und haben nicht die Aufgabe der Wärmeabführung,

Das Generatorgehäuse besitzt einen zylindrischen Mantel 231 aus korrosionsfester Nickellegierung mit schrägen Flanschen 233 an seinen Enden, die in kurze gerade Endstücke 235 von größerem Durchmesser als der Mittelteil auslaufen. Die Halteringe 11 und 13 für den biologischen Schirm sind an die Innenseiten der Endstücke 235 angeschweißt. Die Halteringe 11 und 13 bestehen aus einer Legierung mit hoher Festigkeit, so daß sie dem von den Zugstäben 237 und 239 ausgeübten Zug widerstehen können. Beispielsweise bestehen die Halteringe 11 und 13 aus einer Titanlegierung mit 6 °/o Aluminium und 4 % Vanadium. Der Mantel 231 hat Aussparungen, in welche die Thermosäulen 41 und 43 hineinragen. In die Aussparungen sind Verstärkungsringe 241 aus korrosionsfester Nickellegierung eingeschweißt. Zur Unterstützung der Kühlrippen sind nahe den Aussparungen des Mantels 231 Leisten 243 aus korrosionsfester Nickellegierung an die Außenfläche des Mantels 231 angeschweißt. Diese Leisten 243 können als halbkreisförmige Abschnitte ausgebildet sein. An die Leisten 243 sind U-förmige Montageeisen 245 angeschweißt, an die ihrerseits Zapfen 244 für Befestigungsschrauben 246 angeschweißt sind.

Das Gehäuse besitzt ferner Endverschlüsse 251 und 253, die bei 254 druckdicht mit den geraden Endteilen des Mantels 231 verschweißt sind. Jeder Endverschluß weist einen eingedrückten Boden 255 (F i g. 3) auf, an den Versteifungsrippen 250 angeschweißt sind. Die Rippen 250 dienen nicht so sehr zur Kühlung, wie vielmehr zur Befestigung der Füße 256 und 258. In der Mitte der Böden 255 ist je ein mit Innengewinde versehener Zapfen 257 angeschweißt, von dem die Rippen 250 radial ausgehen und der zum Anschrauben einer Zugöse 259 dienen kann.

Die Füße 256 und 258 (F i g. 1 und 3) sind an Ringen 261 befestigt, die ihrerseits an die Rippen 250 angeschweißt sind. Jeder Fuß hat allgemein kegelstumpfförmige Gestalt und besteht aus einem mit den Halteringen 261 verschraubten Ring 263 und einer ringförmigen Fußplatte 265 von größerem Außendurchmesser und geringerem Innendurchmesser als der Ring 263, die an ihren Rändern zwecks Versteifung aufgebogen ist. Die Ringe 263 und 265 werden durch radiale Bleche 271 zusammengehalten. Alle diese Teile bestehen aus korrosionsfester Nickellegierung.

Der biologische Schirm ist an beiden Enden mittels Zugstangen 237 und 239 am Gehäuse aufgehängt. Die Zugstangen bestehen aus einem Material hoher Zugfestigkeit, z. B. einer geeigneten Legierung aus Eisen, Nickel und Chrom (Handelsname INCONAL). Wie Fig. 1 zeigt, greifen die Zugstangen an jedem Ende des Schirms an einem Ring 281 aus der Legierung Ti-GaI-V4 an, der mit dem Schirm verschraubt ist Die Halteringe 11 und 13 am anderen Ende der Zugstange bestehen aus der gleichen Legierung. Die Zugstangen 237 und 239 sind jeweils an einem Ende 283 verbreitert. Das verbreiterte Ende 283 sitzt im Ring 281. Am anderen Ende trägt jede Zugstange ein Gewinde 285. Das Gewinde geht durch ein Loch im Haltering 11 oder 13 und trägt eine Spannmutter 287. Zwischen den Muttern 287 und einer Aussparung im Haltering 11 bzw.. 13 befindet sich ein Ring 289 aus Edelstahl. Die Verformung dieses Ringes 289 durch das Anziehen der Muttern 287 dient zur Messung der Zugspannung in den Zugstäben. Die Verformung kann durch ein Druckmeßgerät, das sich zwischen dem Haltering 11 oder 13 und dem Edelstahlring 289 befindet, gemessen werden. Die Zugstäbe 237 und 239 sind an jedem Ende so angeordnet, daß die drei Ebenen, die durch je zwei Zugstäbe aufgespannt werden, sich rechtwinkelig schneiden (s. F i g. 4).

Der Wärmeschirm besteht aus einer Mehrzahl von Folien 301 aus einer Legierung von 88 % Zirkon und 12% Titan, die derart gewickelt sind, daß sich eine zylindrische Wand 303 mit abgeschrägten Kanten 305 ergibt. Damit keine Stoßstellen entstehen, sind die einzelnen Lagen übergreifend gewickelt. Wegen des Übergreifens müssen die einzelnen Folien 301 Löcher

an verschiedenen Stellen haben, um die Thermosäulen 41 und 43 einsetzen zu können. An den Stirnseiten wird der Wärmeschirm durch kreisförmige Folien 311 aus der gleichen Legierung ergänzt, die so gestaffelt sind, daß der Stapel einen kegelstumpfförmigen Rand 313 aufweist, der auf die abgeschrägte Kante 305 der zylindrischen Wand 303 paßt. Die Folien sind mit vorzugsweise rechtwinkelig verlaufenden Kreuznuten versehen, so daß sie nur Punktberührung aufweisen, wodurch die Wärmeleitung vermindert wird.

Die Ecken zwischen dem Wärmeschirm und dem biologischen Schirm 31 sind mit Getterwolle 321 der Legierung Zr 88 Ti 12 ausgefüllt. Der von den Bälgen 111, den Abschlußplatten 93 der Thermosäulen, den Ringen 115 und dem Gehäuse umschlossene Raum ist druckdicht abgeschlossen und wird evakuiert. Die Folien 301 und 311 des Wärmeschirms und die Wolle 321 binden die etwa entstehenden Gase und sorgen so dafür, daß das Vakuum sich nicht verschlechtert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mit Kernenergie betriebener thermoelektrischer Generator, bei dem eine als Wärmequelle dienende radioaktive Kapsel in einem wärmeübertragenden biologischen Schirm von allgemein zylindrischer Form eingeschlossen ist, der seinerseits mit einem thermoelektrischen Umformer in wärmeübertragender Beziehung steht und in einem Gehäuse befestigt ist, an dem sich Mittel zur Wärmeabführung von dem thermoelektrischen Umformer befinden, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden des zylindrischen Schirms (31) mit dem Gehäuse (231) verbundene Zugstäbe (237, 239) angreifen, die so stark vorgespannt sind, daß sie im Betrieb auch unter Berücksichtigung ihrer Wärmeausdehnung gespannt bleiben.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden des zylindrischen Schirms je drei Zugstäbe an verschiedenen Stellen des Schirms angreifen und daß die drei von je zwei Zugstäben aufgespannten Ebenen einander etwa rechtwinkelig schneiden.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zugstab (237, 239) mit seinem dem Schirm abgekehrten Ende (285) durch einen am Gehäuse (231) befestigten Haltering (11, 13) geht und eine Spannmutter (287) trägt und daß sich zwischen der Spannmutter und dem Haltering ein elastischer Ring (289) befindet, dessen Durchbiegung ein Maß für die Vorspannung des Zugstabes darstellt.