DE2002197A1 - Miniaturisierte Spannungsquelle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine miniaturisierte Spannungsquelle mit einem radioaktiven Strahler als Wärmequelle, mit von elektrischen Isolatorschichten umschlossenen Thermoelementen.

Es sind solche Vorrichtungen bekannt, bei welchen durch die notwendige Abschirmung nur eine Seitenfläche der Brennstoffzelle bzw. des Wärmeblockes für die thermoelektrische Konversion ausgenutzt werden konnte. Dies hat eine sehr wesentliche Wirkungsgradverminderung bei gleicher Leistung der Brennstoffzelle zur Folge. Anderseits wurde vorgeschlagen, durch Veränderung der Längendimensionen der Thermoelemente eine grössere Temperaturdifferenz zwischen den beiden Lötstellen zu erhalten. Durch die Erhöhung des

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Fall 81 + 81a

inneren Widerstandes des Elementes mit seiner Längenvergrösserung ergibt sich jedoch als Nutzspannung zumindest kein höherer Wert als vorher. Insbesondere würde man bei einer Anzahl von Bi₃Te₃ Thermoelementen mit einem Wärmeleitkoeffizienten « 9 eine im Total grössere Wärmemenge benötigen» um ein grösseres Temperaturgefälle zu erreichen.

Weiters weisen die bisher vorliegenden Tttermoelementanordnungen eine zu geringe Dichte auf, so dass Jaucht die notwendigen Spannungswerte erhalten werden können. ^

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Spannungsquelle zu P schaffen, welche die entstehende Wärmemenge weitgehend auszunützen imstande ist und dennoch sehr geringe Abmessungen aufweist.

Dieses Ziel lässt sich erreichen, wenn erfindungsgemäss die Thermoelemente als Dünnschichtthermoelemente ausgebildet, auf einem elektrisch und thermisch isolierenden Trägermaterial aufge-

und
bracht sind^ entlang einer Kurve an der Wärmequelle anliegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier beispielsweisen Ausführungsfbcmen an Hand der Zeichnung. In dieser zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer miniaturisierten Spannungsquelle

Fig. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform Fig. 3 eine Ansicht eines Thermoelementwickels Fig. 4 eine Ansicht eines anderen Thermoelementwickels Eine radioaktive Strahlungsquelle 1 ist von einer Metallschicht 2 umschlossen, an welcher eine elektrisch isolierende, jedoch gut wärmeleitende Schicht 3 anliegt. Auf dieser Schicht sitzen auf jeder Seitenfläche eine möglichst grosse Anzahl von Thermoelementen 4 mit ihren heissen Lötstellen, wogegen deren kalte Löt-

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stellen auf einer zweiten elektrisch isolierenden Schient 5 liegen und diese an eine Wärmeableitschicht 6 angrenzt.

Vorzugsweise werden die Thermoelemente beispielsweise in Mikröfilmtechnik miniaturisiert ausgebildet ,"da damit eine wesent·^ iich höhere Spannung bei gleichem Strom zufolge einer wesentlich grösseren Elementdichte an der,Oberfläche der Wärmequelle erreicht werden kann. Es ist aber auch möglich, die Thermoelemente in Bandform etwa durchAufdampfen der leitenden Schichten auf einen isolierenden Körper, z.B. Glas, Kunststoff usw. herzustellen und diese Bänder durch Verlegung entlang einer Kurve, z.B. einer Mäanderlinie. Spirale etc. zu einem Wickel, zu formen und diesen mit der Isolierschicht oder, je.nach Ausbildung des Thermoelementbandes, mit der Wärmequelle direkt, zu verbinden, wobei ein Teil des Thentoelenentträgerβ als Isolierschicht herangezogen ist. Dadurch ist ein extrem kleiner Querschnitt der Thermoelemente erzielbar, der wieder,bei einem Blementguerschnitt von beispielsweise 10 ΛΟΟρ und einer Oberfläche von ca. 6 cm ,die Unterbringung von ca. 10 Elementen ermöglicht· Somit ist eine wesentlich höhere Ausgangsspannung erzielbar, womit sich eine Umwandlung von 100 mV Mittel· DC-DCHKcmvertft in 9 V erübrigt und eine weitere Verbesserung des totalen Wirkungsgrades die Folge ist.

Um insbesondere eine lange Lebensdauer der Spannungsquelle, S.B. 20 Jahre/zu erreichen, kann als Strahlungsquelle plutonium «238 verwendet werden und von einem Mantel aus Tantal und Platin «»geben sein« der von einer elektrisch isolierenden Schicht mit - :£ τ 10 eingeschlossen ist. Als Thermoelemente können Bi₂Se₃-EIe-. diente, ^bTe- oder SbBi Elemente vorgesehen sein. Insbesondere Ketallthermoelementeweisen gegenüber den Halbleiterthermoelementen

VorteiIe bezüglich der genauen Aufdampfbarkeit, der Alterungsbe--.

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• ständigkeit und der Bestrahlungsfestigkeit auch gegenüber Gammastrahlen auf, so dass die Metallthermoelemente den Halbleiterthermoelementen vorzuziehen sind.

Das Thermoelementband kann zur besseren Verbindung mit der
Wärmequelle auf diese aufgeklebt oder mit einer gut wärmeleitenden Paste verbunden werden.

Es ist aber auch möglich, nur eine Oberfläche oder zwei Oberflächen der Wärmequelle mit Thermoelementen zu belegen und die anderen Oberflächen mit einer Wärmeisolation zu versehen.

Eine andere Ausführungsform (Fig. 2) weist angrenzend an zwei W Flächen der Wärmequelle eine elektrisch isolierende Schicht 3 und auf dieser einen Thermoelementwickel 4 auf, wobei die Wärmequelle
und die Thermoelemente seitlich mit einer Schicht 7 gegen Wärmeableitung isoliert sind. An den Stirnflächen dieses Gebildes sind je unter Zwischenlage einer elektrischen Isolierschicht 5 eine Wärmeableitplatte 6 angeordnet. Beide Wärmeableitplatten sind mit einer druckfesten Kapsel 6' verbunden, in welche die Spannungsquelle eingesetzt ist.

Ausserdera kann die Innenwand des die Thermoelemente umgebenden * Kapselmantels mit einem Reflexionsmaterial versehen, z.B. weiss belegt, sein, um die Abstrahlung zu vermindern. Weiters kann der
Innenraum der Kapsel evakuiert werden, um die Wärmeverluste herabzusetzen. Die Kapsel selbst ist druckfest ausgebildet und kann zur Gänze oder wenigstens im Bereich der Wärmeableitschicht aus Tantal bestehen.

Durch die Ausbildung des Thermoelementwickels ist es möglich, eine genügend grosse Zahl von Thermoelementen auf kleinstem Raum
unterzubringen und dadurch eine Kleinstspannungsquelle mit genügender Leistungsfähigkeit und Lebensdauer herzustellen.

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Claims (7)

1. Patentansprüche:

   1JMiniaturisierte Spannungsquelle mit einemradioaktiven Strahler als Wärmequelle, mit von elektrischen Isolatorschichten umschlossenen Thermoelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente als Dünnschichtthermoelemente ausgebildet, auf einem elektrisch und thermisch isolierenden Trägermaterial aufgebracht

   und .
   sind^ entlang einer Kurve an der Wärmequelle anliegen.
2. 2. Miniaturisierte Spannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente zu einem kompakten Wickel geformt sind'und dieser mit der Wärmequelle verbunden ist.
3. 3. Miniaturisierte Spannungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Band der Thermoelemente mäanderartig im Wickel verlegt ist.
4. 4. Miniaturisierte Spannungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Band der Thermoelemente spiralenförmig im Wickel verlegt ist.
5. 5. Miniaturisierte Spannungsquelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an allen Flächen der Wärmequelle Thermoelemente angeordnet sind.
6. 6. Miniaturisierte Spannungsquelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Fläche der Wärmequelle Thermoelemente angeordnet und die anderen Flächen jener wärmeisoliert sind. . .
7. 7. Miniaturisierte Spannungsquelle nach Anspruch 1 oder An-

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   spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei gegenüberliegenden Flächen der Wärmequelle Thermoelemente angeordnet und die anderen Flächen jener wärmeisoliert sind.

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