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Anordnung zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische
Energie Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur direkten Umwandlung von
Wärmeenergie in elektrische Energie, bei der ein Gas an zwei durch einen äußeren,
eine Last enthaltenden Stromkreis miteinander verbundenen Elektroden vorbeiströmt,
von denen die eine erhitzt wird und Ladungsträger vorwiegend eines Vorzeichens aussendet.
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Bei den bekannten Anordnungen dieser Art müssen die in einem Vakuum
oder in einem die Raumladung neutralisierenden gasförmigen Dampf befindlichen Elektroden
dicht beieinander angeordnet sein.
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In Gegensatz hierzu können bei der vorliegenden Anordnung die Elektroden
relativ weit voneinander entfernt sein, wodurch sich höhere Spannungen, ein einfacher
Aufbau, Erschütterungsfestigkeit und Anpassungsfähigkeit für den Betrieb in Verbindung
mit anderen Kraftquellen ergeben.
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Bei anderen bekannten Anordnungen wird ein bewegliches, erhitztes
Gas benutzt, welches ein ionisierendes Gas befördert, um die Bewegungsenergie des
Gases in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Anordnungen benötigen Einrichtungen,
welche positiv und negativ geladene Gasionen voneinander trennen und verschiedenen
Elektroden zuführen. Dann fließt ein Strom durch eine Last, die zwischen die Elektroden
geschaltet ist. Die Anordnung gemäß vorliegender Erfindung unterscheidet sich von
der bekannten Anordnung in der Weise, daß die geladenen Teilchen, welche durch das
Gas befördert werden, von einer der Elektroden des Systems thermisch emittiert werden.
Die thermische Emission macht die eingangs erwähnten Trenneinrichtungen überflüssig
und ermöglicht eine einfachere kräftigere Konstruktion der Anordnung und einen höheren
Wirkungsgrad.
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Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur
Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie zu schaffen, die einfach und
erschütterungsfest ist, keine Ionentrenneinrichtung benötigt, in der die Verdampfung
der thermisch emittierenden Elektrode die Arbeitsweise nicht beeinträchtigt und
in der diese Elektrode nicht verbraucht wird.
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Die Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden Elektroden in dem Gasstrom derart hintereinander angeordnet sind, daß das
Gas die thermisch ausgesandten Ladungsträger von der erhitzten zu der zweiten Elektrode
transportiert.
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In einer Anordnung gemäß der Erfindung bewegt sich ein Gas, welches
Hitze und Bewegungsenergie von einer Wärmequelle aufgenommen hat, an einer thermisch
emittierenden Oberfläche vorbei, wobei diese erhitzt wird und Teilchen mit vorwiegend
gleicher Ladung aussendet. Dasselbe Gas befördert die geladenen Teilchen zu einer
Auffangeinrichtung, z. B. eine Auffangelektrode. Diese zweite Elektrode, welche
im Strom des bewegten Gases angeordnet ist, wird benötigt, um die bewegten Teilchen
aufzunehmen. Der Stromkreis wird durch eine mit den beiden Elektroden verbundene
äußere Last geschlossen. Dadurch wird ein dauernd fließender elektrischer Strom
aufrechterhalten.
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Bei der Anordnung gemäß der Erfindung können das Gas und die thermisch
emittierende Elektrode gemeinsam durch eine Wärmequelle erhitzt werden. Die daraus
folgende Bewegung des Gases und die thermische Emission geladener Teilchen bewirken
einen Ladungsfluß in Richtung zur Auffangelektrode.
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Außerdem können zwei thermisch emittierende Materialien vorgesehen
werden, die entgegengesetzt geladene Teilchen aussenden. Der entstehende Potentialunterschied
zwischen den beiden Elektroden wird dazu benutzt, den Stromfluß durch eine Last
hervorzurufen.
Eine solche Ausführungsform der Anordnung ist besonders
als zusätzliche elektrische Energiequelle geeignet, die sich im Kopf eines mit hoher
Geschwindigkeit durch die Erdatmosphäre fliegenden Projektils anbringen läßt.
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Die thermisch emittierende Elektrode kann auf eine Temperatur erhitzt
werden, bei der sie verdampft und gleichzeitig elektrische Teilchen überwiegend
eines Vorzeichens aussendet. Der Dampf trägt die Raumladung zu einer Auffangelektrode
und erzeugt dabei eine Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden. Der
Dampf durchläuft dann einen Wärmeaustauscher, kondensiert, und das Kondensat fließt
in einen Kanal, der mit einem Behälter verbunden ist. Dieser wird durch eine Wärmequelle
erhitzt, wodurch das Material der flüssigen emittierenden Elektrode wieder verdampft.
Auf diese Weise entsteht ein geschlossenes System, in dem die erhitzte Elektrode
durch die Rückführung in dendampfförmigen Zustand fortlaufend erneuert wird.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise der Anordnung gemäß der Erfindung
sind an Hand einiger Ausführungsbeispiele nachfolgend in Verbindung mit den Figuren
beschrieben. Es zeigt F i g. 1 die Ansicht der Anordnung in einer Darstellung, die
geeignet ist, die Arbeitsweise der Erfindung zu erklären, F i g. 2 die schematische
Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Anordnung gemäß der Erfindung, F i g. 3 das
Schnittbild entlang der Linie 3-3 der Anordnung nach F i g. 2, F i g. 4 die Ansicht
eines anderen Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung, welches in den Kopf eines
Geschosses oder eines Raumfahrzeuges eingesetzt werden kann, F i g. 5 die Seitenansicht
als Schnitt durch das Innere einer Düse, welche eine Anordnung enthält, die entsprechend
der Erfindung arbeitet, F i g. 6 eine Seitenansicht einer anderen Konstruktion ähnlich
der nach F i g. 5, F i g. 7 den Schnitt durch eine weitere mögliche Ausbildung der
Anordnung gemäß der Erfindung, F i g. 8 das Schnittbild einer bevorzugten Ausführung
der Anordnung nach der Erfindung.
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In der F i g. 1 ist 1 eine Quelle von erhitztem Gas mit vorzugsweise
hoher Energie. Das kann z. B. eine Verbrennungskammer, die Sonnenenergie, ein Atomofen
usw. sein. Jedoch kann in manchen Anwendungsfällen auch eine Wärmequelle geringerer
Energie verwendet werden. Die Gasteilchen 2 werden durch die Quelle 1 in einen Raum
11 beschleunigt. Eine erste Elektrode 3, welche thermisch Ladungsträger emittiert,
sendet in Abhängigkeit von der Wärmeenergie der Gasteilchen 2 geladene Teilchen
in den Raum 11. Die geladenen Teilchen, die von der Elektrode 3 ausgehen, werden
durch das Gasteilchen zu einer zweiten Elektrode 4 getragen, die deren Ladungen
auffängt. Dabei wird elektrische Energie einem äußeren Stromkreis zugeführt, der
die Leiter 5, 7 und eine Last 6 enthält. Die emittierende Elektrode soll vorzugsweise
aus einem Material mit extrem hohem Schmelzpunkt, wie Thoriumoxyd, Thoriumkarbid,
Lanthan, Borid, Graphit, Rhenium oder Tantal, bestehen. Es sei jedoch darauf hingewiesen,
daß jedes emittierende Material für positiv oder negativ geladene Teilchen geeignet
ist. Die Auffangelektrode besteht aus einem hitzebeständigen Material, wie z. B.
Tantal oder einer geeigneten Legierung.
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Die emittierende Elektrode muß mit Rücksicht auf das Verbrennungs-
oder Trägergas ausgewählt werden. Oxydkathoden sind in oxydierenden Gasen geeigneter,
während andere Emittertypen für reduzierende Gase geeigneter sind. Das Gas 2 ist
ein Verbrennungsgas, vorzugsweise aus der Hydrokarbolserie, welches z. B. mit Sauerstoff
verbrennt. Demnach kann in manchen Anwendungsfällen gewöhnliche Luft als Transportmittel
verwendet werden. Normalerweise wird die Gasquelle in der Weise betrieben, daß die
Verbrennungsgase chemisch reduziert oder neutralisiert werden, so daß keine Oxydation
der emittierenden Elektrode erfolgt.
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In einem praktischen Ausführungsbeispiel, wie es F i g. 2 in Verbindung
mit F i g. 3 zeigt, ist der in der F i g. 1 mit 11 bezeichnete Bereich als honigwabenförmiger
Körper mit thermisch emittierender flächenartigen Elektroden 21 ausgebildet, die
untereinander elektrisch verbunden sind. Das erhitzte Gas gelangt durch die Waben,
erhitzt die Innenräume und bewirkt so die thermische Emission geladener Teilchen.
Diese erreichen die Auffangelektrode 4, die Poren oder eine gitterförmige
Struktur besitzt, durch die das Gas frei hindurchgehen kann, während die geladenen
Teilchen aufgefangen werden. Die Verbindung der Elektrode 4 über einen äußeren Stromkreis,
der die Leiter 5, 7 und die Last 6 enthält, führt die Ladung auf die ursprüngliche
emittierende Elektrode 21 zurück. Diese hat in ihrem Inneren Bereiche, die im wesentlichen
frei von emisgionshemmenden elektrischen Feldern sind, obwohl Potentialdifferenzen
zwischen den emittierenden Oberflächen und der Auffangelektrode 4 bestehen.
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Die F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch die emittierende Elektrode
von F i g. 2 und läßt die honigwabenförmige Beschaffenheit des Hohlkörpers 10 mit
der thermisch emittierenden Innenfläche 30 besser erkennen. Die Auffangelektrode
kann anstatt der gitterförmigen Ausbildung nach F i g. 2 z. B. eine Vielzahl drahtförmiger
Elemente oder Fahnen aufweisen, welche in den Gasstrom hineinragen.
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Die F i g. 4 zeigt eine Anordnung, die für die Unterbringung in dem
Kopf eines Fahrzeuges, welches durch die Atmosphäre fliegt, geeignet ist. Sie hat
zwei Körper 41 und 42 aus emittierendem Material, die durch eine Isolierschicht
45 getrennt sind. Der Körper 41 ist ein elektronenemittierendes Material,
wie z. B. Thoriumoxyd, und der Körper 42 ist ein Material, welches positive Ionen
aussendet. Dieses Material besteht vorzugsweise aus poriger Keramik, welche mit
Eisenoxyd, das 1% Aluminiumoxyd und 1'% Natrium- oder Kaliumoxyd oder Nitrate enthält,
imprägniert ist. Die ganze Anordnung bildet den Kopf eines Raumfahrzeuges oder eines
anderen Projektils, das mit hoher Geschwindigkeit durch die Atmosphäre fliegt. Im
Betrieb bildet der Ionenerzeuger 42 positiv geladene Teilchen, während Ionenerzeuger
41 negativ geladene Teilchen 44 aussendet. Beides erfolgt in Abhängigkeit von der
Erhitzung des Kopfes durch den Reibungswiderstand in der Atmosphäre.
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Dei entgegengesetzt geladenen ausgesandten Teilchen werden durch den
Luftstrom durch das Fahrzeug bewegt, bis sie aus diesem heraustreten. Deshalb stellt
der Luftstrom hinter dem Fahrzeug ein neutrales Plasma dar. Die Neutralität des
Plasmas
wird automatisch aufrechterhalten, da ein Ladungsunterschied
ein elektrisches Feld aufbaut, welches eine überschüssige Emission elektrischer
Ladung verhindert. Somit entsteht keine Raumladung, und die Körper 41 und
42 senden kontinuierlich ihre entsprechend geladenen Teilchen aus. Es entsteht
jedoch eine Ladungsdifferenz zwischen den beiden Körpern, und es fließt elektrischer
Strom durch die an die beiden Körper angeschlossene Last.
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In der F i g. 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, welches
eine Düse 51 enthält, die durch einen Atomreaktor 52 geheizt wird. Die Hitze des
Atomreaktors wird auf die Innenwand der Düse, welche ein elektronenemittierendes
Material 55, in diesem Fall Thoriumoxyd, enthält, und zum Innenraum
59 übertragen. Die Hitze erzeugt einen Luftstrom, der durch das Eingangsteil
53 der Düse zum Ausgangsraum 60, der eine Auffangelektrode 54 enthält,
fließt. Die Elektrode 55 emittiert Elektronen, die entlang dem Gasstrom zur Auffangelektrode
54 betragen werden, wo sich eine negative Ladung in bezug auf die positiv geladene
Innenfläche 55 ansammelt. Demnach entsteht eine Potentialdifferenz an den
Anschlüssen 56 und 57, und es fließt ein Strom durch die daran angeschlossene Last.
Die Potentialdifferenz an den Ausgangsanschlüssen wird durch eine Regelschaltung
58 stabilisiert.
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Die F i g. 6 stellt eine Abwandlung der Anordnung nach der F i g.
5 dar, in. der der Reaktor 2 in ähnlicher Weise die thermisch emittierende Fläche
55 erhitzt und einen Luft- und Elektronenfluß in Richtung zur öffnung
60' verursacht. Die der Elektrode 54 in der F i g. 5 entsprechende
abgewandelte Elektrode 54', welche nicht unmittelbar im Luftstrom, dafür aber innerhalb
des Gehäuses an der öffnung der Düse angeordnet ist, ist von der Elektrode
55
durch ein Isoliermaterial 61, vorzugsweise Aluminiumoxyd, getrennt.
Hier kann wiederum angenommen werden, daß sich eine negative Ladung im Bereich 60'
ansammelt, wodurch am Anschluß 56 ein positives Potential in bezug auf den Anschluß
57 entsteht. Somit erfolgt ein Stromfluß über die beiden Anschlüsse durch die mit
diesen verbundene Last.
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Bei einer weiteren Abwandlung der Anordnung nach der Erfindung gemäß
F i g. 7 ist ein Sonnenofen 71 vorgesehen, der eine Flüssigkeit 72 und gleichzeitig
ein thermisch emittierendes Material 75
erhitzt und so eine Dampfströmung
und die Emission geladener Teilchen verursacht. Der Dampf trägt die geladenen Teilchen
zu einer Elektrode 78, welche im Dampfstrom angeordnet ist. Dabei entsteht eine
Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen 76 und 77, die mit den Elektroden 75
und 78 verbunden sind. Ein Kanal 79 führt den Dampf zu einem Kondensator
73, aus dem der Dampf durch den Kanal 74 als Flüssigkeit in den Generator zurückläuft.
An Hand der vorstehenden Erläuterungen soll die Arbeitsweise einer Anordnung, wie
sie in F i g. 8 dargestellt ist, erklärt werden.
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In der F i g. 8 wird mit der von der Hitzequelle 81 erregten Energie
eine thermisch emittierende Flüssigkeit 85 verdampft. Geeignete Materialien hierfür
sind in nachstehender Aufstellung angeführt, aus der zu ersehen ist, daß das Material,
welches für den jeweils gegebenen Fall zu benutzen ist, von der Arbeitstemperatur
des Systems abhängt. Das benutzte Material und die Temperatur bestimmen die Arbeitsdampfdrücke.
| Austrittsarbeit Schmelz- Siedetemperatur |
| Element punkt bei Normaldruck |
| Volt ° C ° C |
| Cs 1,89 28,5 670 |
| Rb 2,13 |
| K 2,15 62,3 760 |
| Na 2,27 97,7 877 |
| Li 2,39 179 1336 |
| Ba 2,29 850 1140 |
| Sr 2,35 771 1360 |
| Ca 2,76 845 1240 |
| La 3,3 826 1800 |
| Zr 3,84 1857 2900 |
| Sn 4,11 231 2360 |
| Pb 4,02 327 1690 |
| Ta 4,12 3027 4100 |
Caesium besitzt eine Anzahl günstiger Eigenschaften, wie z. B. eine niedrige Austrittsarbeit
und einen niedrigen Schmelzpunkt. Dieses Material ist allerdings chemisch höchst
aktiv und greift die Behälterteile 82, 84, 101 und 103 an. Kalium ist jedoch ein
bevorzugtes Material, weil es in Flußstahl oder rostfreiem Stahl über eine lange
Zeit bleiben kann. Rostfreier Stahl wird vorzugsweise für den Behälter 82 benutzt.
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Durch das Erhitzen sendet das Material 85 Elektroden und Metalldampf
aus. Der Dampf strömt in Richtung zum Bereich 92, in dem der den Dampfstrom verursachende
Druck in einem Wärmeaustauscher 91 herabgesetzt wird. Der Dampf wird verflüssigt
und fließt durch den Kanal 84 in den Behälter mit kochender Flüssigkeit 82
zurück.
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Die an der Oberfläche des flüssigen Metalls 85 emittierten Elektronen
werden mit dem Dampf fortbewegt und von einer Elektrode 88 aufgefangen, die
aus einem porigen Metallschwamm oder einer Matte besteht, die den Metalldampf durchläßt.
Die Elektrode 88 ist von der metallischen Umhüllung durch einen keramischen Isolierring
89, der vorzugsweise aus Berylliumoxyd besteht, getrennt. Eine isolierte Durchführung
verbindet die Elektrode 88 mit dem negativen Anschluß 87. Der positive Anschluß
86 ist mit dem Kanal 84 verbunden, der den Kontakt mit der metallischen Flüssigkeit
85 herstellt. Wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird
die Ausgangsspannung vorwiegend aus der Bewegungsenergie des Gasstromes gewonnen.
Diese Anordnung kann Ausgangsspannungen in der Größe von 1000 Volt erzeugen, vorausgesetzt,
daß eine genügende Dichte des Gasstromes vorhanden ist, der die ausgesandten Elektronen
hinreichend transportiert. Ebenfalls kann, wie eingangs erwähnt, ein Honigwabenkörper
103, der mit der positiven Oberfläche des flüssigen Metalls elektrisch verbunden
ist, verwendet werden, um ein annähernd gleichmäßiges Nullpotential an der emittierenden
Oberfläche aufrechtzuerhalten.