DE1464090A1 - Thermionischer Konverter - Google Patents

Description

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T<ÄiGE

EUROPÄISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM) PATENTAMHEU)ONGi

"Thermionischer Konverter"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermionische Konverter für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie· Derartige Konverter besitzen eine geheizte Emitterelektrode und eine gekühlte Kollektorelektrode, wobei fceide Elektroden in einem vakuumdicht en Gefäss mit Cäsiuadampffiilluxig untergebracht sind· Um einen guten Wirkungsgrad der Euergiovrandlang zu erhalten, muss die Emittertemperatur auf Mindestens 16OO°-18OO°C gebracht werden. Weiter muss der Abstand zwischen den Elektroden so klein wie möglich gehaltem

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Es ist eines der schwierigsten technischen Probleme im Konverterbau, dan Elektrodenabstand extrem kloin und zugleich im 3etri««b konstant zu halten. Ein weiteres schwieriges Pro»- bldäi ist die Abführung der Wärme aus der Kollektorelektrode und die Heizung dor Emitterelektrode auf einen vorgegebenen T«»iaperaturwei*t.

Kxt den bisher üblichen Methoden der Wärmeübertragung kann Wärme von einer äusseren Wärmequelle zum Ort der Wärmevervendung nur unter Inkaufnahme eines beträchtlichen Temperaturabfallen übertragen werden. Dan gleich gilt für die Wärmeabführung, da sich auch bei ihr ein beträchtlicher Temperaturabfall zwischen der heissesten Zone und derjenigen Stelle ausbildet, an der die Wärme abgezogen wird.

Im Falle eines thermionischen Konverters befinden sich die beheizten Partien der Emitterelektrode auf wesentlich höherer Temperatur als die Emissionsschicht an der Elektrodenoberfläche, auf die es ankommt. Weiter ist auch die Temperaturverteilung entlang der Elektrodenoberfläche nicht uniform, sondern unregelmässig, d.h. die Temperatur nimmt zur Peripherie hin ab. Tatsächlich bilden denn auch die Temperaturgradienten ein Haupthindernis für eine effektive Energiekonversion, an der die gesamte Emitterschicht gleich intensiv beteiligt sein sollte. Aber auch jede Änderung auf Seiten der Heizquelle (Intensität, geometr. Form etc.) beeinflusst in starkem Hasse die Wärmeeinkopplung· Das ist besonders bei Konvertern der Fall, deren Emitterelektrode mit Kernbrennstoff, d.h. durch Kernspaltungswärme, beheizt wird« Aus Allen diesen Gründen sind die gegenwärtigen Prototypen thermion!βeher Konverter noch weithin mängelhaft.

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Durch die Erfindung der sog. Wärmerohr© können die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten bei thennionisehen Konrertern überwunder* werden. Wie. in der Zeitschrift "Journal of Applied Physics¹¹, Juni 196** ini eins einen, beschrieben ist, besteht eine Wärmeröhre aus einem endseitlg verschlossenen Rohr, das en der Innenwandung eine Kapillaretruktur aufweist und eine , Quantität eines V/ärtaeträgertcediums enthält· Durch Verdampfen des Mediums wird in der Röhre eine in Achsrichtung gegenläufig zirkulierende Umlaufströmung erzeugt, wobei das unheneizte Röhrenende als Kondensationsraum wirkt. Es entsteht ein Wärmeflusa von beheizten zum unbeheizten Röhrenende· Die Besonderheit der Wärmeröhre besteht nun darin, dass der Temperaturabfall entlang der Röhre um Zehnerpotenzen kleiner ist als bei konventionellen Wärmetransport, und dass weiter eine uniforme Taraparaturverteilung auf der gesamten Röhrenoberfläche, also auch auf den Stirnflächen, vorliegt.

Wärzieröhren können weiter als Wärmedichtetransformatoren benutzt werden, indem sie Wärme aus einer räumlich verteilten, d.h. ausgedehnten und unregeltaässig intensiven, Wärmequelle übertragen auf eine lokalisierte Wärmesenke. All· diese Eigenschaften der Wärmeröhre können bei theraionischen Konvertern besonders wirkungsvoll nutzbar gemacht werden, nämlich dadurch, dass erfindungsgemäss Wärmeröhren direkt mit der Emitter - und/oder Kollektorelektrode verbunden werden· Vorzugsweise werden die Stirnflächen der Röhren unmittelbar als Emitter- bzw. Kollektorelektroden benutzt.

Ein solcher Konverter hat gegenüber allen anderen Konvertertypen folgende Vorteile:

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- die Temperatur an der Eniitt eroberfläche 1st praktisch identisch mit derjenigen der die Emitterelektrode beheizenden Wärmequelle;

- die gesamte EmitteroberflHcho befindet eich auf ein und derselben, d.h. uniform Verteilten Temperatur;

- die Heizwärmeübertrugung und die Verlustwärnieentnahme können lexcht an die Besonderheiten der Wärmequelle (Intensität, Geometrie, etc.) bzw. der Wärmesenke angepasst werden;

- es entfällt ein besonderes Kühlmittel sowie das Kreislaufsystem mit Pumpe zur Umwälzung des Kühlmittels·

kann ein Konvertor mit ebenen-, auf kleinsten Abstand eingestellten Elektroden gebaut werden, da ein Verwerfen der Elektroden mangels Temperaturgradienten nicht mehr auftritt.

Ueχ Gegenstand der Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben, die ein vereinfachtes Ausführungebeiepiel eines thermionischen Konverters mit planen Elektroden und daran angeschlossenen Wärmeröhren im Längsschnitt zeigt· ,

Wie gesagt, besteht das Charakteristische des vorliegenden Konverters darin, dass Wärmeröhren direkt an die Emitteruiid/oder Kollektorelektroden angeschlossen sind. In der Zeichnung bezeichnet 10 die Emitterelektrode, 11 die Kollektorelektrode, 12 die mit der Emitterelektrode verbundene Wärnieröhre und 13 die mit der Kollektorelektrode verbundene Wärmeröhre. Die Elektroden 10, 11 sind plane Kreisacheiben, die zugleich stirnseitige Abschlüsse der Wärmeröhren bilden· Die Emitterelektrode besteht aus der Tantal-Wolfram-Legierung Ta-W-10 und trägt als Emissionsschicht aufgedampftes Rhenium Ik, Die Kollektorelektrode besteht aus der Niob-Zirkon-Legierung Nb-IZr. 909914/0253 ⁸^⁰ORIGINAL EUR/e/59O6/64 d - 567

Das Gehäuse 15 schliesst das Elektrodensystem unter Bildung einer vakuumdichten Kanuner nach aus sen ab» Es besteht aus zwei zylindrischen Elementen 16, 17 und der dazwischen befindlichen elektrischen Isolierkeramik 13 aus Al₀O.· Die

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Gehäusekarcner ist im Betrieb mit Calsium-Danpf gefüllt«Dieser gelangt durch das Rohr 20, welches in der Achse der Kollektorwärmeröhre angeordnet und einerseits in der Emitterelektrode, andererseits im Stirnverschluss 21 der Wärmeröhre verschwoisst 1st, vom Calsiurareservoir in die Kammer·

Beide Värmoröhrenbestehen aus zwei zusammengeschweissten Abschnitten. So ist die Kollektorwärmeröhre aus den Bauteil 22 und dem fingerhut rohr or ti gen Abschnitt 23 t beide ^aue Nb-I Zr, aufgebaut, während die EmitterwSrmeröhre aus dem birnenförmigen Abschnitt 2k und dem fingerhutartigen Abschnitt 25ι beide aus Ta-IO W, aufgebaut ist· Die Abschnitte wie auch die übrigen bisher erwähnten Bauteil· sind durch Schweissung miteinander verbunden· Bei Verwendung des Konverters im gravitationsfreien Raum muss die Innenwandung der Wärmeröhren - wie bekannt - nit einer Kapillarstruktur ausgestattet sein«

Als Wärmeträger in der Kolloktorwäraeröhre dient Lithium, während im Falle der Emitterwärneröhre Silber verwendet wird· Die Emitterelektrode arbeitet bei Temperaturen zwischen l600° und l800°C, die zugelassene Temperatur der Kollektorelektrode beträgt zwischen 800° und 1000⁰C· Als Durchmesser der Eraitterwärmeröhre werden 10 ma Aussendurchmesser und 8 an Innendurchmesser gewählt; im Falle der KoIlektcnrärmeröhre entsprechend k0 am und 3d mm· Als Röhrenmater id kocaat Ta bxw· Nb-IZr infrage. Der Durchmesser der Emitterelektrode betragt Omr BADORiQlNAL

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sind thermische Schirme zum Schütze der Isolierkeramik und

T? der den Wärmeröhren etwa benachbarten Bauteile anzubringen· O

tO Die Pfeile f ₁, f₂ neben der unteren Partie der Emi tt erwärme-^T~ röhre respektive der oberen Partie der Kollektorwärmeröhre versinnbildlichen Wärmeflüsse«

Die Pfeile f_A stellen den zum Aufheizen der Emitterelektrode dienenden Wärmefluss einer Heizquelle dar, Pfeile f„ den von der Kollektorelektrode abgezogenen Verlustwärmefluss (Wärmesenke)· Als Heizquellen kommen infrage eine Flamme, eine elektrische Induktionsspule, spaltbarer Kernbrennstoff, ein radioaktiver Strahler, die Sonnenwärme, ein zirkulierender WärmetrHger u.a.f· Die Wärmesenke kann technologisch in Jeder konventionellen Form, z.B. nach Art eines Wärmetauschers, gestaltet werden. Bei Wärmeabs tr ahlung in den Weltraum dient das frei· End· der Kollektorwärmeröhre direkt als Radiator·

Wie bereits erwähnt, kann di· Gross« der die Heizwärm· aufnehmend· Fläche der Röhren als auch der di· Verlustwärme abgebenden Fläch· leicht an di· Temperaturbedingungen d«r Elektroden angepasst warden. Das geschieht einfach in der W«lse, das länger· oder kürzere Partien der Wärmeröhren thermisch mit der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke gekoppelt werden· In der Zeichnung 1st dies durch die unterschiedlich breit gehaltenen Scharen der Pfeil· t*_t f« angedeutet. Di··· Maas- «O nahm· resultiert aus der Eigenschaft dar Wärmerohre al« Wärme- ^ dicht »transformator· Von dieser Eigenschaft ist bein vorli·- ■ *» genden Konverter auch noch insofern Gebrauch gemaoht _t al· di· O Emltterwärmer0hre im Bereich der Emitterelektrode birnenfdradg κ»

im Querschnitt erweitert 1st«

Di· erzeugt· elektrische Leistung wird an den Keat«kt«a |6

und 27 abgtnoi—n. BADORiGlNAL y

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Zur Erfindung gehurt alle« dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bsw· oder in der Zeiohnung dargestellt ist, einsohliesslloh dessen, was abwelohend τοη den konkreten Ausftihrungsbelspielen fttr den faohaann naheliegt.

JktentansprUoheι

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   IA Theroionischer Konverter, dadurch gekennzeichnet! das* Wärmeröhren direkt mit der Emitter - und/oder Kollektor· elektrode verbunden sind·

   · Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _t daaa die einander zugekehrten Stirnportien der Wänaeröhren direkt als Elektroden dienen«

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