DE1274212B - Mit einem Edelgas gefuellter, mittels einer zur Ionisierung des Edelgases dienenden Hilfselektrode steuerbarer thermionischer Wandler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIv

Deutsche Kl.: 21b-29/00

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 74 212.0-33 (J 17912)

1. April 1960

1. August 1968

Es ist bereits ein mit Caesium gefüllter, mittels einer Hilfselektrode steuerbarer thermionischer Wandler zur unmittelbaren Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mit einem geheizten Elektronenemitter und einem Kollektor, deren Oberflächen so ausgebildet sind, daß die Elektronenaustrittsarbeit des Emitters mindestens so groß ist wie die Elektronenaustrittsarbeit des Kollektors, wobei die Temperatur des Emitters über derjenigen des Kollektors liegt und der Emitter mit einer ein Erdalkalioxyd enthaltenden Oberfläche ausgestattet ist, bekanntgeworden.

Dieser bekannte Wandler hat erhebliche Nachteile. Zunächst ist bei ihm das Problem der Raumladungskompensation für Temperaturen unterhalb von 2000⁰C nicht gelöst. Die bei diesem Wandler angegebene Lehre, eine positiv vorgespannte Hilfselektrode zu verwenden, bezieht sich vorwiegend auf Caesium, keinesfalls aber auf Edelgase, da die Ionisierungsspannung des betreffenden Gases bzw. Dampfes kleiner als die Austrittsarbeit der entsprechenden Hilfselektrode sein muß. Die Hilfselektrode stellt im übrigen eine positive Ionen emittierende Elektrode dar. Es ist ferner bekannt, zur Modulation des Ausgangsstromes zwischen Emitter- und Kollektorelektrode ein Gitter anzuordnen, das jedoch nur bei Hochvakuumwandlern wirksam ist. In gas- oder dampfgefüllten Elektronenröhren kann bekanntlich der Ausgangsstrom durch ein Gitter im Entladungsraum nicht stetig gesteuert werden. Es ist, wie z. B. beim Thyratron bekannt, lediglich eine Zündung der Entladung durch das Gitter möglich. Infolge der Verwendung von vorzugsweise Caesium bei dem bekannten Wandler darf der Elektrodenabstand zwischen Kollektor und Emitter höchstens etwa 0,1 bis 1,0 mm betragen. Infolge der verhältnismäßig hohen Temperaturen, mit welchen der bekannte Wandler arbeiten muß, ist die Herstellung eines solchen Wandlers sehr aufwendig. Ferner hat ein solcher Wandler einen geringen Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wandler zu bauen, bei welchem der Betrieb bei wesentlich geringeren Temperaturen möglich ist, so daß die obenerwähnten Nachteile wegfallen.

Die Erfindung betrifft nun einen mit einem Edelgas gefüllten, mittels einer zur Ionisierung des Edelgases dienenden Hilfselektrode steuerbaren thermionischen Wandler zur unmittelbaren Umwandlung von Wärme in elektrische Energie, mit einem geheizten Elektronenemitter und einem Elektronenkollektor, deren Oberflächen so ausgebildet sind, daß die Elektronenaustrittsarbeit des Emitters mindestens so groß ist wie Mit einem Edelgas gefüllter, mittels einer zur
Ionisierung des Edelgases dienenden
Hilfselektrode steuerbarer
thermionischer Wandler

Anmelder:

Dr.-Ing. Werner Kluge,

7000 Stuttgart, Köllestr. 36

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Werner Bloss, Gainesville (V. St. A.)

die Elektronenaustrittsarbeit des Kollektors, wobei die Temperatur des Emitters über derjenigen des Kollektors liegt und der Emitter mit einer ein Erdalkalioxyd enthaltenden Oberfläche ausgestattet ist.

Ein derartiger Wandler ist bereits vorgeschlagen worden. Gegenüber dem oben beschriebenen bekannten Wandler unterscheidet er sich vor allem dadurch, daß er mit Edelgas gefüllt ist und daß die Hilfselektrode eine andere Funktion hat. Die Hilfselektrode wird hier nämlich als positiv vorgespannte Hilfsanode zur Ionisierung des Edelgases verwendet. Bei diesem bereits vorgeschlagenen Wandler ist es bereits möglich, den Abstand der Elektroden wesentlich größer zu gestalten als bei dem bekannten Wandler. Dieser Wandler hat aber immer noch erhebliche Nachteile. So ist der Wandler in eine Hauptentladungskammer und eine Ionisierungskammer getrennt. Der Kollektor stellt dabei eine perforierte Elektrode zwischen diesen beiden Kammern dar. Der Kollektor kann daher nicht als Außenelektrode des Wandlers ausgeführt werden, so daß die Wärme vom Kollektor nicht auf einfachem Wege abgeführt werden kann. Außerdem muß für eine Kühlung der außenliegenden positiv vorgespannten Hilfselektrode gesorgt werden. Der bereits vorgeschlagene Wandler ist also auch in seinem Aufbau sehr aufwendig.

Die Erfindung besteht nun darin, daß die Hilfselektrode als eine Hilfskathode ausgebildet und im Raum zwischen Emitter und Kollektor angeordnet ist.

Bei dem Wandler nach der Erfindung ist also eine Hilfskathode zur Ionisierung des Edelgases vorgesehen, die Elektronen emittiert und die so weit negativ vorgespannt sein muß, daß die emittierten Elektronen genügend Energie zur Ionisierung des Edelgases erhalten. Durch die Verwendung der das Edelgas ionisierenden Hilfskathode ist es möglich, die

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Temperaturen auf der Emitter- und Kollektorseite herabzusetzen. Derartige Anordnungen arbeiten auch noch, wenn die Elektronenaustrittsarbeit des Emitters nur wenig größer oder gleich der Elektronenaustrittsarbeit des Kollektors ist. Ferner hat der erfindungsgemäße Wandler auch den Vorteil wie der bereits vorgeschlagene Wandler, daß der Elektrodenabstand wesentlich größer als etwa 1 mm gewählt werden kann. Bekanntlich sind Abstände der Elektroden von nur etwa 1 mm meistens der Anlaß für Kurzschlüsse zwischen den Elektroden und dementsprechend für Betriebsstörungen des Wandlers. Gegenüber dem bereits vorgeschlagenen Wandler hat der erfindungsgemäß ausgebildete Wandler den Vorteil, daß dem Emitter auf leichte Weise Wärme zugeführt werden und am Kollektor entsprechend Wärme abgeführt werden kann. Bei dem bereits vorgeschlagenen Wandler ist der Kollektor zumindest teilweise perforiert und zwischen dem Emitter und der positiv vorgespannten Hilfselektrode so angeordnet, daß eine ao Hauptentladungskammer und eine Ionisierungskammer entstehen. Die Kollektorelektrode stellt somit dort keine Außenelektrode des Wandlers dar, so daß die Wärme vom Kollektor nicht auf einfachem Wege abgeführt werden kann. Durch die Anordnung der Hilfskathode zwischen Emitter und Kollektor beim erfindungsgemäßen Wandler sowie durch die negative Vorspannung dieser Hilfskathode gegenüber Emitter und Kollektor ergibt sich eine günstigere Ionisierung des Edelgases, so daß weniger elektrische Leistung für die Elektronenraumladungskompensation aufzuwenden ist. Während bei dem vorgeschlagenen Wandler eine gekühlte Hilfsanode vorgesehen ist, wird bei dem Wandler nach der Erfindung die Hilfskathode geheizt.. :Diese Aufheizung erfolgt zum Teil durch die Strahlung vom heißen Emitter. Dagegen sind zur Kühlung der Hilfselektrode bei dem bereits vorgeschlagenen Wandler zusätzliche Vorkehrungen notwendig, die* außerdem einen gewissen elektrischen Leistungsverbrauch bedingen. Der Nachteil desbereits vorgeschlagenen Wandlers in eine Hauptentladungskammer und eine Ionisierungskammer fällt bej dem Wandler nach der Erfindung weg. Durchden Wegfall einer getrennten Ionisierungskammer und einer Hauptentladungskammer ergibt sich der Vorteil eines einfacheren Aufbaues solcher Wandler. Bei dem Wandler nach der Erfindung nimmt die Hilfselektrode nur ,einen kleinen Teil des eigentlichen Entladungsraumes ein. Der elektrische ,Aufwand für die Hilfsentladung ist bei dem. Wandler nach der Erfindung ■wesentlich geringer als bei dem bereits vorgeschlagenen Wandler. \ ;.?.; "■"_ " ■ :_.-.'

Um die Wirkung des Wandlers besonders gijnstig zu gestalten, muß die _?Elektronenaustrittsarbeit klein gehalten werden. Insbesondere kann die Oberfläche -des Kollektors so weit-aktiviert werden, daß die Aus- -trittsarbeit etwa 1 eV beträgt. Dies laßt sich aber nur erreichen, wenn sich, die-Oberfläche im Hochvakuum oder in einer Edelgasatmosphäre befindet.
• Vorteilhaft kann es,auch sein, daß als das in der Emitter-Oberfläche enthaltene Erdalkalioxyd Bariumoxyd verwendet ist.,'Durch' diese Maßnahme ist es möglich, die Betriebstemperatur des Wandlers weitgehend herabzusetzen._;Es können dann Temperaturen unterhalb von 1000° P auf der Emitterseite gewählt werden. .;:;

Ist der Emitter eine-mit Alkalien oder Erdalkalien beschickte Vorratskathode, so ergibt sieh der weitere Vorteil einer sehr niedrigen Betriebstemperatur und einer hohen Lebensdauer des Wandlers.

Weiterhin kann, wie bereits vorgeschlagen wurde, der Kollektor oberflächlich aus einem Metalloxyd bestehen, das mit Alkalimetall, z. B. Caesium, aktiviert ist. Es entsteht so eine Oberfläche mit niedrigem Austrittspotential zwischen 1 und 1,4 V. Die Herabsetzung des Austrittspotentials auf der Kollektorseite bewirkt einen wesentlichen Gewinn hinsichtlich des Wirkungsgrads des Wandlers.

In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Kollektoroberfläche aus Silberoxyd besteht. Damit lassen sich Austrittspotentiale von etwa 1V erreichen. Derartige Oberflächen sind aber nur im Hochvakuum oder in Edelgasatmpsphären beständig, so daß diese Schichten nicht auf Anordnungen, die mit Caesiumdampf gefüllt sind, übertragen werden können.

Durch ein die Hilfskathode umschließendes Gitter einer daran angelegten Steuerspannung ist es weiterhin möglich, die von der Hilfskathode ausgehende Hilfsentladung zu steuern und damit einen pulsierenden Gleichstrom herzustellen. Mit diesem pulsierenden Gleichstrom im Ausgang kann in Verbindung mit einem Transformator von dem Wandler Wechselspannung abgegeben werden. Eine derartige Steuerung ist jedoch nur im Bereich kleiner Entladungsstromstärken bei geeigneter Dimensionierung des Gitters möglich. Dieses Prinzip der Gittersteuerung in Entladungsräumen ist nicht auf höhere Stromstärken übertragbar. Die in bekannten Entladungsgefäßen, z. B. Thyratronen verwendeten Steuergitter sind lediglich zur Einleitung einer Zündung, zur sogenannten Initialzündung, geeignet. Eine stetige Steuerung mit diesen Gittern während der Entladung kann nicht erfolgen.

Die Frequenz der Steuerspannung kann in vorteilhafter Weise auf die verwendete Gasart und den in dem Wandler herrschenden Gasdruck für eine maximale Ausgangsleistung abgestimmt sein. Damit ist die Gewähr für eine maximale Ausgangsleistung gegeben.

Für manche Anwendungsgebiete ist es vorteilhaft, den Emitter als Hohlzylinder auszubilden, der von innen beheizbar ist. Die Wärmequelle ist dann im Innern des Emitterzylinders angeordnet. Außerdem kann der Emitterzylinder dazu dienen, daß durch das Innere flüssige Metalle oder heiße Gase zur Wärmeübertragung an den Emitter durchgeleitet werden,

.-.. Der Emitter kann in weiterer vorteilhafter Weise eine Außenwnad des Wandlers bilden. Eine solche Anordnung ist auch dann möglich, wenn die Kollektorelektrode ebenfalls eine Außenelektrode des Wandlers ist.

Schließlich kann vorteilhaft der Emitter und der Kollektor flach plattenförmig ausgebildet sein.

Ein Ausführungsbeispiel des Wandlers nach der Erfindung soll nun an Hand der Abbildung näher beschrieben werden. ·

In der Abbildung ist ein Schnitt durch einen Wandler nach der Erfindung dargestellt, der eine Länge von etwa 20 mm und einen Röhrendurchmesser von etwa 30 mm aufweist. An der Innenwand eines gasgefüllten Glasgefäßes 1 ist der Kollektor 2 in Form einer Silberschicht aufgebracht, die durch oberflächliches Oxydieren und Formieren mit Caesium bei höheren Temperaturen in eine halbleitende Schicht der Struktur (Ag)—Cs₂O, Cs, Ag—Cs über-

geführt wird. Solchen Schichten sind auch als sogenannte Photokathoden bekannt. Etwa konzentrisch zur Gefäßwand ist ein Emitter 3 angeordnet. Ferner ist eine Hilfskathode 4 vorgesehen, die von einem Gitter 5 umgeben ist.

Als Füllgas kann Argon mit einem Druck von 0,5 Torr verwendet werden. Die Heizleistung N_H der Hilfskathode 4 beträgt etwa 70 mW, die Leistung für die Hilfsentladung etwa 50 mW. Die Ausgangsspannung beträgt unter diesen Gegebenheiten etwa 1,5 V, der Strom 1A. Die Leistung für die Heizung der Hilfskathode und für die Hilfsentladung kann aus der Ausgangsleistung aufgebracht werden.

Die effektive Ausgangsleistung N_A beträgt dann

1,5-0,12=1,4 W,

der Wirkungsgrad N_AIN_H=2Q"k. Der Wirkungsgrad kann jedoch durch Verlängern des Systems weiter verbessert werden. Dadurch werden die prozentualen Wärmeverluste durch Leitung über die Halterung verringert.

Der Emitter 3 (BaO-Glühkathode) wird elektrisch geheizt und benötigt eine Heizleistung N_H von etwa 7 W.

Als Emitterstoffe finden überwiegend BaO—Glühkathoden oder Vorratskathoden (poröse Metallkathoden mit emittierender Substanz aus Erdalkalien oder Alkalien Verwendung. Dadurch ist der Betrieb des Energiekonverters im Temperaturbereich zwischen 750 und 900° C möglich. Der Kollektor besteht entweder aus demselben Werkstoff wie der Emitter oder aus halbleitenden Materialien mit kleiner Austrittsarbeit und Wärmebeständigkeit bis etwa 250° C, z. B. mit Caesium formierte Schichten aus Kupferoxyd, Goldoxyd oder Silberoxyd. Die Kontaktpotentialdifferenz ist dabei kleiner oder höchstens gleich Null.

Die Wirksamkeit dieser Anordnung setzt voraus, daß der Emitter nahezu zentral angeordnet und von einem großflächigen Kollektor umgeben ist. Durch eine Hilfsentladung von einer exzentrisch angeordneten, direkt geheizten Hilfskathode zu den Elektroden wird neben der Raumladungskompensation des Elektronenstroms durch positive Ionen ein negativer Anodenfall am Kollektor erzielt. Der Anodenfall beträgt

U_A = -1,98 IO-⁴ T_e log J₀Zj₁₁.

Dabei bedeutet T_e die Elektronentemperatur, j₀ die Diffusionsstromdichte der Plasmaelektronen und /_a die Dichte des Kollektorstroms.

Für die Gasfüllung können Argon, Krypton oder Xenon, zum Teil mit geringen Anteilen von Alkalidämpfen, verwendet werden (Füllgasdruck 0,2 bis 0,8 Torr). Die Wärmeverluste des Emitters durch Konvektion und Wärmeleitung sind bei den Gasen höherer Ordnungszahlen kleiner.

Der Ausgangsstrom des Konverters wird durch die Eigenemission des Emitters sowie durch Strom und Spannung der Hilfsentladung bestimmt. Die Ausgangsspannung setzt sich aus der negativen Kontaktpotentialdifferenz, der Anlaufspannung der emittierten Elektronen und aus dem negativen Anodenfall zusammen.

Durch Änderung von Strom und Brennspannung der Hilfsentladung ist es möglich, die Ausgangsspannung, den Ausgangsstrom und damit die Ausgangsleistung zu regeln und den Generator dem Verbraucher anzupassen. Durch kleine Spannungsänderungen an einem Gitter in dem Hilfsentladungskreis kann die Hilfsentladung und damit der Ausgangsstrom periodisch eingeschaltet und unterbrochen werden. In Verbindung mit einem im Außenkreis angebrachten Übertrager können dadurch relativ hohe Ausgangswechselspannungen erzeugt werden. Damit können also Wechselspannungen durch ruhende Anordnungen erzeugt werden.

Die größte Ausgangsleistung bei pulsierendem Hilfsgleichstrom und damit Ausgangswechselstrom erhält man bei einer Schaltfrequenz, die umgekehrt proportional der Ausbreitungs- und Entionisierungszeit des Plasmas zwischen den Elektroden ist (Resonanzfrequenz). Diese Frequenz, die von Gasdruck und Gasart abhängt, liegt bei der hier beschriebenen Anordnung im Bereich zwischen etwa 200 und 900H.

Der Wandler nach der Erfindung besitzt den wesentlichen Vorteil, daß er bei relativ kleinen Betriebstemperaturen arbeitet. Der Elektrodenabstand spielt eine untergeordnete Rolle, so daß sich bei größeren Durchmessern des Kollektorzylinders leicht Temperaturen des Kollektors von höchstens 200° C erreichen lassen. Durch den negativen Anodenfall kann über die Elektronentemperatur des durch die Hilfsentladung erzeugten Plasmas die Ausgangsleistung gegenüber den bisher bekannten Konvertertypen erhöht werden. Durch die Hilfsentladung oder durch die gittergesteuerte Hilfsentladung läßt sich die Ausgangsleistung regeln. Das Gitter im Hilfsentladungskreis ermöglicht fast leistungsloses — periodisches — Schalten des Ausgangsstromes. Durch geeignete Wahl der Schaltfrequenz (Resonanzfreqenz) kann der Ausgangswechselstrom erhöht werden.

Bei praktischen Ausführungsformen soll die Wärmeenergie, die zur Heizung des Emitters notwendig ist, durch chemische Reaktionen oder durch Kernreaktionen z. B. im Reaktor erzeugt werden. Dabei kann die Hauptkathode als Hohlzylinder ausgebildet sein, durch den eine Flüssigkeit als Träger der in elektrische Energie umzuwandelnde Wärme hindurchgeleitet wird. Bei flach ausgestalteter Kathode und Anode kann die Kathode die Außenwand des Konverters bilden und in wärmeleitender Berührung mit dem Wärmespender stehen.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Mit einem Edelgas gefüllter, mittels einer zur Ionisierung des Edelgases dienenden Hilfselektrode steuerbarer thermionischer Wandler zur unmittelbaren Umwandlung von Wärme in elektrische Energie, mit einem geheizten Elektronenemitter und einem Elektronenkollektor, deren Oberflächen so ausgebildet sind, daß die Elektronenaustrittsarbeit des Emitters mindestens so groß ist wie die Elektronenaustrittsarbeit des Kollektors, wobei die Temperatur des Emitters über derjenigen des Kollektors liegt und der Emitter mit einer ein Erdalkalioxyd enthaltenden Oberfläche ausgestattet ist, dadurchgekennzeichnet, daß die Hilfselektrode als Hilfskathode (4) ausgebildet und im Raum zwischen Emitter (3) und Kollektor (2) angeordnet ist.

2. Thermionischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Emitter-

Oberfläche enthaltene ErdalkaHoxyd Bariumoxyd ist. .

3. Thennionischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter

3. Thermionischer Wandler nach Anspruch 1 Vorratskathode ist.

4. Thermionischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der einen Kollektor mit einer aus einem Metalloxyd bestehenden, mit Caesium oder einem anderen Alkalimetall aktivierten Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche aus Silberoxyd besteht.

5. Thermionischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein die Hilfskathode (4) umschließendes Gitter (5) zum Anlegen einer Steuerspannung für die Erzeugung eines pulsierenden Gleichstroms.

6. Thermionischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Steuerspannung auf die verwendete Gasart und ao den in dem Wandler herrschenden Gasdruck für eine maximale Ausgangsleistung abgestimmt ist.

7. Thermionischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

der Emitter als von innen beheizbarer Hohlzylinder ausgebildet ist.

8. Thermionischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter eine Außenwand des Wandlers bildet.

9. Thermionischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter und der Kollektor flach plattenförmig ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 797 872;

USA.-Patentschrift Nr. 2 510 397;

Buch von A. F. Joffe, »Halbleiter-Thermoelemente«, 1957, S. 56 und 57;

»Journal of Applied Physics«, Bd. 22, 1951, S. 1389; Bd. 29, 1958, S. 1611 und 1612, und Bd. 30, 1959, S. 475 bis 481;

»RCA-Review«, Bd. 19, 1958, S. 258;

»Nucleonics«, Bd. 17,1959, Nr. 7, S. 49 bis 53.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1135 977.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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