DE1212608B - Einrichtung zur direkten Umwandlung von thermischer in elektrische Energie - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HO2n

Deutsehe Kl.: 21b-29/00

Nummer: 1212 608

Aktenzeichen: C 24324 VTII c/21 b

Anmeldetag: 9. Juni 1961

Auslegetag: 17. März 1966

Die Erfindung betrifft die direkte Umwandlung von thermischer in elektrische Energie ohne Verwendung von sich bewegenden Teilen, so daß der dazu benutzte Apparat sich durch große Einfachheit und einen hohen Nutzeffekt auszeichnet.

Es ist bereits eine Einrichtung zur direkten Umwandlung von thermischer in elektrische Energie bekannt, der aus einem ersten, ein Strömungsmittel enthaltenden Behälter, einer Heizeinrichtung zum Erhitzen dieses Strömungsmittels, einer Ionisationseinrichtung und einem zweiten Behälter besteht, dessen Volumen mit dem des ersten durch eine Düse oder ähnliche Mittel mit verringertem Querschnitt in Verbindung steht, und dessen zweiter Behälter ein Kühlmittel sowie mindestens zwei Elektroden enthält, die längs des durch die Düse gebildeten Strahles angeordnet sind.

Die Erfindung verbessert derartige Einrichtungen dadurch, daß erfindungsgemäß mindestens eine dieser Elektroden so mit Kühlmitteln versehen ist, daß sich im Betrieb eine Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden einstellt.

Der an die nicht gekühlten Elektroden angrenzende Behälter kann ein oder mehrere Brennelemente eines Kernreaktors enthalten, die als Wärmequelle und als Ionisationsmittel für den Strahl dienen.

Zweckmäßig steht der von dem Strahl durchquerte in diesem Abschnitt rohrförmige Behälter mit einem Hilfsraum in Verbindung, von dem ein Wandteil mindestens durch einen Teil der wärmsten Elektrode gebildet ist, so daß dieser Wandteil durch den Strahl erwärmt wird, wobei dieser Hilfsraum eine Vorrichtung enthält, die von außen das Einführen eines leicht ionisierbaren Materials in diesen Hilfsraum gestattet.

Der Hilfsraum kann aus einer ringförmigen Muffe bestehen, die den von dem Strahl durchquerten Raum umgibt, wobei diese Muffe einen inneren Zylinder und einen äußeren Zylinder enthält, die an ihren Enden durch zwei ebene Ringscheiben vereinigt sind. Dabei wird der Innenzylinder durch einen Teil der Wand der wärmsten von dem Strahl durchquerten Elektrode gebildet. Er ist mit einer oder mehreren Öffnungen von sehr geringem Querschnitt versehen, und an den äußeren Zylinder ist eine Rohrleitung mit einem Absperrorgan angeschlossen, die das Einführen des leicht ionisierbaren Materials in den Hilfsraum von außen gestattet. Das leicht ionisierbare Material kann ein Kaliumsalz oder ein Zäsiumsalz sein.

Mit dem Apparat wird vorzugsweise ein aus einer Flüssigkeit erzeugter Dampfstrahl hoher Geschwin-

Einrichtung zur direkten Umwandlung von
thermischer in elektrische Energie

Anmelder:

Commissariat ä l'ENERGIE Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. D. Jander, Patentanwalt,

Berlin 33, Hüttenweg 15

Als Erfinder benannt:

Bernard Devin,

Rueil-Malmaison, Seine-et-Oise (Frankreich);

Juan Eibenschutz, Mexico (Mexiko);

Siegfried Klein, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 13. Juni 1960 (829 817),

vom 25. November 1960 (844 978),
vom 19. Mai 1961 (862316)

digkeit, insbesondere ein solcher mit Überschallgeschwindigkeit, mittels einer Düse erzeugt, die eine erste, heiße Zone mit einer gewissen Menge der Flüssigkeit in kondensiertem Zustand von einer zweiten, abgekühlten Zone trennt, wobei zwischen den Zonen durch eine geeignete Temperaturdifferenz ihrer Wände ein erhöhter Druckunterschied aufrechterhalten wird. Der ionisierte Dampfstrahl durchströmt dabei mehrere Elektroden, die mit elektrische Energie ausnutzenden Apparaten elektrisch leitend verbunden sind.

Die Elektroden sammeln die durch den ionisierten Strahl transportierten Ladungen auf. Die der Düse ferner liegenden Elektroden werden gekühlt, damit in ihrem Bereich der ionisierte Dampf kondensiert, welcher die positiven Ladungen führt. Die Elektronen werden vor allem von den vorderen Elektroden aufgenommen. Das unterschiedliche Verhalten dürfte auf die sehr große Diffusionsgeschwindigkeit der Elektronen zurückzuführen sein.

Zwischen den vorderen und hinteren Elektroden bildet sich also eine elektrische Potentialdifferenz aus.

Es ist selbstverständlich möglich, zwei verschiedene Organe zum Auffangen der positiven Ionen einerseits und zum Kondensieren der Dampfmenge, die nicht

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ionisiert ist, andererseits vorzusehen. Die elektrische bar ist und bei dem die Energie aus einem Kern-Leistung wächst mit der Zahl der elektrischen La- reaktor stammt; der größeren Klarheit wegen ist in düngen, welche pro Sekunde durch die Düse strömen. dieser Figur die äußere Umhüllung weggelassen Diese Zahl ist das Produkt aus der durchströmenden worden,

Menge mit dem lonisationsgrad. Da es nicht mög- 5 F i g. 3 einen sekrechten Schnitt durch die Einrich-

lich ist, letzteren wesentlich zu erhöhen, weil durch tung nach der F i g. 2 in der Höhe einer seiner

Rekombination der Ionen eine etwaige Erhöhung Elektroden,

kompensiert würde, ist es vorteilhaft, die Durch- Fig.4 im Schnitt eine Einzelheit eines weiteren

strömmenge zu vergrößern. ■ . Ausführungsbeispieles, von der

Der Strahl kann in verschiedener Weise ionisiert io F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 zeigt,

werden. Dabei sind aber Verfahren, bei denen ent- In der F i g. 1 ist mit 1 eine Flüssigkeit bezeichnet,

weder der Dampf eines Stoffes, wie Zäsium, mit die im vorliegenden Falle Quecksilber ist und sich

niedrigem Ionisationspotential mit einer Fläche ex- in einem Behälter 2 befindet. Dieser besteht in seinem

trem hoher Temperatur (z.B. 2000⁰C) in Kontakt oberen Teil aus Glas und in seinem unteren Teil

tritt oder der Stoff ionisierbarer Strahlung ausgesetzt 15 aus einem Metall, welches mit Glas verschweißbar ist.

ist, besonders bevorzugt. Die Flüssigkeit 1 wird durch einen Brenner B üb-

Diese beiden Verfahren kommen gleichzeitig zur licher Art erwärmt. Der in dem Behälter 2 durch

Anwendung, wenn ein beispielsweise mit Uran- Dampfbildung entstehende Druck beträgt etwa drei

karbid betriebener Kernreaktor sehr hoher Tempe- Zentimeter Quecksilber. Der obere Teil des Behäl-

ratur benutzt wird. Aber auch andere Methoden 20 ters 2 ist von einer Spule 3 umgeben, die drei Win-

können angewandt werden. düngen aufweist. Diese Spule wird von einem elek-

Die Verdampfung der Flüssigkeit wird in bekann- irischen Strom hoher Frequenz durchflossen, und das

ter Weise durch Wärme bewirkt. - dadurch erzeugte elektromagnetische Feld ionisiert

Die Konstruktion der Einrichtung ist sehr einfach, das Gas. Der Behälter 2 geht in seinem oberen Ende und ihre Herstellungskosten sind gering, da sie prak- 25 in eine Röhre 4 über, welche den durch die Spule 3 tisch kein in komplizierter Weise ausgestaltetes Teil ionisierten Dampf zu einer Düse 5 leitet. Diese Düse besitzt und nicht mit großer Präzision gearbeitet zu . üblicher Bauart, die ebenfalls aus Glas besteht, wanwerden braucht. Außerdem verlangt die Einrichtung delt den in dem Behälter 2 erzeugten Druck in kinewährend des Betriebes nur eine geringe Überwachung, tische Energie um und erzeugt einen Strahl aus die ohne weiteres von einem Durchschnittsfachmann 30 ionisiertem Quecksilberdampf mit Überschallbewältigt werden kann. Ferner ist unabhängig von geschwindigkeit. Dieser Strahl dringt in den oberen der verwendeten Wärmequelle der thermodynamische Teil des Apparates, wo ein Druck von einigen Wirkungsgrad sehr hoch. Besonders vorteilhaft ist hundertstel Millimetern Quecksilber herrscht, und es, das Verfahren mit einem Kernreaktor durch- durchströmt nacheinander die Elektroden 6 und 7, zuführen, der Energie sowohl in Form von Wärme 35 welche aus einem mit Glas verschweißbaren Metall als auch in Form von ionisierenden Strahlen liefert. bestehen können. Die obere Elektrode 7 ist mit Kühl-Gemäß einer Ausführungsform der .Einrichtung rippen 8 versehen. Zwischen den Elektroden 6 und 7 nach der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn der befindet sich ein Glasrohr 9, und über der Elektrode 7 ionisierte Strahl in einen äußeren, ringförmigen Teil ist ein ebenfalls aus Glas bestehender Behälter 10 und emen.- inneren Teil aufgespalten wird, wobei 40 angeordnet. Der Quecksilberdampf kondensiert in jeder Teilstrahl in mindestens einen von voneinander den Teilen 6, 9, 7 und 10 und fließt in Form von getrennten Räumen geleitet wird, in welchen sich ' Tröpfchen in einen Glaskolben 11 und von dort jeweils mindestens eine Elektrode befindet, mit denen durch eine Röhre 12 in den Behälter 2 zurück,
der äußere Verbraucherkreis verbunden ist. . Die Einrichtung ist vor der Inbetriebnahme luft-

Wenn das leicht ionisierbare Material in den Hilfs- 45 leer gepumpt worden.

raum eingeführt wird und der Strahl durch den Das Experiment zeigt, daß die Elektrode 6 relativ

inneren Zylinder strömt, wird dieser Stoff verdampft zu der Elektrode 7 negativ aufgeladen wird,

und tritt als Dampf durch die kleinen Öffnungen in Die mit elektrischer Energie zu versorgenden Teile

den inneren Zylinder und vermischt sich dort mit werden zwischen die Leitungen 13 und 14 geschaltet,

dem Strahl. Die Strahltemperatur ist genügend groß, 50 die an den Elektroden 6 und 7 angeschweißt sind,

um einen beträchtlichen Teil der Zusatzdampfmenge Die Leitung 14 entspricht dabei dem Pluspol,

zu ionisieren, so daß der Strahl mit Ionen an- · Die erzeugte elektrische Leistung hängt vor allem

gereichert wird. von folgenden Faktoren ab:

Wenn diese Anreicherung im' Bereich einer vor- dem lonisationsgrad des den Strahl bildenden

deren Sammelelektrode oder einer der anderen Elek- 55 Dampfes;

troden erfolgen soll, ist es zweckmäßig, das Zusatz- der Geschwindigkeit des Strahles, wobei diese

gefäß aus elektrisch leitendem Material herzustellen von dem Druckunterschied zwischen den beiden

und dessen inneren Zylinder als Elektrode zu ver- Zonen und der Form der Düse 5 abhängt;

wenden. den Temperaturen der Elektroden 6 und 7, wo-

Weitere Einzelheiten der Einrichtung nach der Er- 60 bei die Intensität des erzeugten elektrischen

findung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung . Stromes wächst, wenn die Temperatur der

in Verbindung mit den Zeichnungen hervor. In den Elektrode 7 erniedrigt wird, so daß diese Inten-

Zeichnungen zeigt . ■ sität unmittelbar durch den Kondensationsgrad

Fig. 1 einen Apparat, der für das labormäßige an dieser Elektrode bestimmt wird;

Experiment geeignet ist und bei dem die Warme 65 · der Beschaffenheit der inneren Oberfläche der

durch chemische Verbrennung erzeugt wird, ■ Elektroden 6 und 7.

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ein- Die Leistung ist trotz des relativ geringen

richtung nach der Erfindung, das industriell benutz- lonisationsgrades des Strahles groß; denn durch die

sehr hohe Geschwindigkeit des Strahles wird eine große Zahl von Ladungen zu den Elektroden 6 und 7 gebracht.

Es sei bemerkt, daß die Verwendung eines Stromes hoher Frequenz zur Erzeugung der Ionisation diesen Apparat besonders für den labormäßigen Versuchsaufbau geeignet macht.

In der F i g. 2 besteht die Flüssigkeit 1 aus Zäsium, das in dem aus Gußaluminium bestehenden Behälter 2 enthalten ist. In die Flüssigkeit 1 taucht das untere Ende eines Brennelementes 15 eines Kernreaktors. Dieser besteht aus weiteren in gleicher Weise ausgebildeten Brennelementen, die durch je einen Moderator voneinander getrennt sind; in der Figur ist aber aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein Brennelement 15 dargestellt.

Dieses Element 15 besteht aus Urankarbid, welches durch Kernspaltung eine Temperatur von 1500⁰C erzeugt. Bei dieser Temperatur wird das Zäsium nicht nur verdampft, sondern auch ionisiert. Außerdem wird der Ionisationsgrad durch die Strahlung der Spaltprodukte vergrößert. Oberhalb des Behälters 2 befindet sich die ebenfalls aus Gußaluminium bestehende Düse 5. Der durch diese Düse gebildete ionisierte Zäsiumstrahl durchströmt die Elektroden 6,16 und 7, von denen die Elektroden 16 und 7 ringförmige Kühlrippen 17 und 8 tragen, die den Wärmeaustausch mit der Umgebung vergrößern.

Die Innenwände dieser Elektroden sind mit längsgerichteten Rippen 18 ausgestattet (s. Fig. 3), wodurch die Oberfläche und damit der Kondensationsgrad des Zäsiumdampfes vergrößert wird.

Die Elektroden 6,16 und 7 bestehen aus einem Metall, welches Wärme und Elektrizität gut leiten. Die Elektrode? ist an ihrem oberen Ende geschlossen. Zwischen der Düse 5 und den verschiedenen Elektroden befinden sich die Rohre 19, 20 und 21, welche den gleichen Durchmesser wie der Behälter 2 und die Elektroden 6,16 und 7 aufweisen. Auch diese Rohre bestehen aus Gußaluminium. Die Elektroden 6,16 und 7 sind an den Rohren befestigt, wobei die Dichtungen in üblicher Weise ausgebildet sind.

Das kondensierte Zäsium fließt durch die Röhre 12, die ebenfalls aus Gußaluminium besteht, zur Flüssigkeit 1 zurück.

Es sei erwähnt, daß ein Teil der Ionisation durch Rekombination des Gases verlorengeht. Es ist also wichtig, die Organe, welche die Ionisation erzeugen, so nahe wie möglich an die Düse zu bringen.

Die Einrichtungen in den F i g. 1 bis 3 erlauben die Trennung der positiven und negativen Ladungen eines ionisierten Gasstrahles, wobei diese gesondert auf in geeigneter Weise angeordnete Elektroden fließen. Diese bilden dann eine elektrische Stromquelle für einen Außenkreis.

Das Gas kann durch geeignete Mittel ionisiert werden, z. B. durch ein elektrisches Feld, durch eine Entladung, durch den Kontakt eines bestimmten Gases (Zäsium, Rubidium) mit einem warmen Körper usw. Der Gasstrahl kann in bekannter Weise, z. B. durch Düsen, Mundstücke od. dgl. erzeugt werden, die zwischen zwei Räumen unterschiedlichen Druckes angeordnet sind. Dieser Druckunterschied kann durch Wärme od. dgl. hervorgerufen werden.

Wenn der Strahl hinlänglich heiß ist und das Medium, welches diesen Strahl bildet, nicht genügend ionisiert ist, kann der Grad der Ionisation durch einen Hilfsraum^l, wie er beispielsweise in den F i g. 4 und 5 dargestellt ist, vergrößert werden.

In diesem Beispiel hat die Elektrode 6 eine Öffnung201 von kleinem Querschnitt (einigen zehntel Millimetern). Diese Elektrode bildet den inneren Zylinder eines Stutzens, der mit zwei Metallplatten 202, 203 ausgerüstet ist, welche kreisringförmige Gestalt haben und mit der Elektrode 6 und einem

ίο Außenzylinder 204 verschweißt sind. Letzterer hat eine Öffnung 205, an der ein Rohr 206 mit Innengewinde angeschweißt ist. In diese Öffnung kann ein Verschlußstöpsel 207 eingeschraubt werden. Durch das Rohr 206 kann Kaliumchlorid in das Innere des Hilfsraumes A eingeführt werden.

Während des Betriebes der Einrichtung wird die Elektrode 6 durch den Gasstrahl erhitzt. Die Temperatur im Inneren des Raumes A steigt schnell an, und das in diesem Raum befindliche Kaliumchlorid verdampft allmählich. Infolge des Überdruckes dringt der Dampf durch die Öffnung 201 in das Innere der Elektrode 6 und vermischt sich dort mit dem Strahl, in dessen Innerem er völlig ionisiert wird.

Natürlich muß der Durchmesser der Öffnung 201 entsprechend der erforderlichen Durchströmmenge des ionisierbaren Hilfsstoffes regelbar sein. Eine geeignete Regelvorrichtung, z.B. eine Ventilschraube (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, um während des Betriebes die Durchströmmenge zu regu-Heren. Es ist ferner möglich, eine Vorrichtung zum Steuern des Druckes im Inneren des Stutzens vorzusehen, z.B. ein Ventil, über das der RaumA mit der Außenluft verbunden ist. Der ionisierbare Hilfsstoff braucht nicht notwendigerweise ein Kaliumsalz zu sein. Ein Zäsiumsalz kann z. B. in gleicher Weise verwendet werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur direkten Umwandlung von thermischer in elektrische Energie, bestehend aus einem ersten, ein Strömungsmittel enthaltenden Behälter, einer Heizeinrichtung zum Erhitzen dieses Strömungsmittels, einer Ionisationseinrichtung und einem zweiten Behälter, dessen Volumen mit dem des ersten durch eine Düse oder ähnliche Mittel mit verringertem Querschnitt in Verbindung steht, und dessen zweiter Behälter ein Kühlmittel sowie mindestens zwei Elektroden enthält, die längs des durch die Düse gebildeten Strahles angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine (7) dieser Elektroden (6, 7) so mit Kühlmitteln (8) versehen ist, daß sich im Betrieb eine Temperaturdifferenz zwisehen diesen beiden Elektroden einstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an die nicht, gekühlten Elektroden (6) angrenzende Behälter ein oder mehrere Brennelemente (15) eines Kernreaktors enthält, die als Wärmequelle und als Ionisationsmittel für den Strahl dienen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Strahl durchquerte, in diesem Abschnitt rohrförmige Behälter mit einem Hilfsraum (A) in Verbindung steht, von dem ein Wandteil mindestens durch einen Teil der wärmsten Elektrode (6) gebildet ist, so daß dieser Wandteil durch den Strahl erwärmt

wird, und daß dieser Hilfsraum eine Vorrichtung (206) enthält, die von außen das Einführen eines leicht ionisierbaren Materials in diesen Hüfsraum gestattet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsraum aus einer ringförmigen Muffe ,besteht, die den von dem Strahl durchquerten Raum umgibt, und daß diese Muffe einen inneren. Zylinder (6) und einen äußeren Zylinder (204) enthält, die an ihren Enden durch zwei ebene Ringscheiben (202,203) vereinigt sind, wobei der Innenzylinder durch einen Teil der Wand der wärmsten von dem Strahl durchquerten Elektrode gebildet und mit einer oder mehreren Öffnungen (201) von. sehr geringem Querschnitt versehen ist, und daß an den äußeren Zylinder eine Rohrleitung (206) mit einem Ab-

sperrorgan (207) angeschlossen ist, die das Einführen des leicht ionisierbaren Materials in den Hilfsraum von außen gestattet.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leicht ionisierbare Material ein Kaliumsalz ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leicht'ionisierbare Material ein Zäsiumsalz ist. ■

In Betracht gezogene Druckschriften:
. Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 074 687;
. britische Patentschrift Nr. 308 382;
·. USA-Patentschrift Nr. 1 717 413;

Westphal, »Physikalisches Wörterbuch«,
1952, S. 614;

Zeitschrift »Nature«, 1961, Vol. 189, S. 868 bis 872.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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