<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Umwandlung von thermischer in elektrische
Energie und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
und ohne Anwendung äusserer elektrischer oder magnetischer Felder thermische Energie direkt in elektrische Energie in einer Weise umzuwandeln, dass bei grosser Stromergiebigkeit und geringem Innenwiderstand der Stromquelle Spannungen von einigen V bei nur geringen Temperaturdifferenzen zwischen den Elektroden in der Grössenordnung von einigen 1000C erhalten werden können.
Dieser Effekt besteht darin, dass zwischen auf verschiedener Temperatur gehaltenen und in einer Dampfatmosphäre befindlichenElek- troden einepotentialdifferenz auftritt, die um einige Grössenanordnungen grösser ist als sie unter Zugrundelegung der für dieBerechnung der Potentialdifferenz zwischen auf verschiedener Temperatur gehaltener und in einer ionisierten Gasatmosphäre befindlicher Elektroden geltenden Theorie zu erwarten ist.
Das
EMI2.1
beispielsweise eine Hochfrequenzquelle, Korpuskularstrahlung oder energiereiche elektromagnetische Strahlung, etwa 2 - 30 V tragen kann, kann auf experimentelle Tatsachen gestützt, dadurch erklärt werden, dass sich die warmeElektrode, so wie dies auch bei einer in einem ionisierten Gas befindlichen Elektrode der Fall ist, auf ein relativ zum ionisiertenDampf durch die Energie bei der Ionisation entstehenden Elektronen, ausgedrückt in Elektronenvolt, entsprechendes Potential auflädt, während im Bereiche der gegen- über der erstgenanntenElektrode kälteren Elektrode, die Elektronen an entstehenden Flüssigkeitströpfchen niedergeschlagen werden und ihre kinetische Energie hiemit praktisch vollständig verlieren, so dass die kalteElektrode nur auf ein solches gegenüber dem ionisierten Dampf negatives Potential aufgeladen werden kann,
das der kinetischen Energie der im Bereich dieser Elektrode auftretenden Geschwindigkeit der Elektronen entspricht und praktisch Null beträgt. Als Differenz der Potentiale der Elektroden gegenüber dem ionisierten Dampf kann somit praktisch allein die zwischen der warmen Elektrode und dem ionisierten Dampf auftretende Potentialdifferenz nach aussen auftreten. Im Endeffekt stellt sich somit zwischen der warmen und kalten Elektrode einPotentialunterschied ein, der im Leerlauf der von den beiden Elektroden und dem ionisiertenDampf gebildetenstromquelle der höchsten auftretenden Elektronengeschwindigkeit, diese ausgedrückt in Elektronenvolt, entspricht und im Belastungsfalle sich etwa in Höhe des
EMI2.2
sorgt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie mittels ionisierten Dampfes, bei welchem dieser neue Effekt ausgenutzt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass ohne Anwendung eines elektrischen oder magnetischen Feldes die Energieumwandlung dadurch erzielt wird, dass die Elektroden eines Paares auf verschiedener Temperatur gehalten werden und die Ionisation im Bereich beider Elektroden des Paares erfolgt.
Wesentlich für die Erfindung ist somit das Arbeiten mit einem Dampf und dass die Ionisation des Dampfes im Bereich beider Elektroden jedes Elektrodenpaares erfolgt. Bei der vorstehend beschriebe- nen bekannten Anordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, welche ebenfalls ohne Anwendung eines äusseren elektrischen oder magnetischen Feldes arbeitet, wird hingegen mit Gasen gearbeitet und die Ionisation nur im Bereich einer der Elektroden eines Elektrodenpaares vorgenommen. Soferne bei dieser bekannten Anordnung eine Temperaturdifferenz zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares aufrecht erhalten wird, geschieht dies lediglich zum Zwecke der Erzeugung einer Konvektionsströmung des Gases.
Die im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens zwischen den Elektroden auftretende Spannung hängt, wie bereits erwähnt, zum wesentlichen Teil von der Energie der ionisierenden Strahlung oder des ionisierenden Hochfrequenzfeldes ab. Zum geringeren Teil ist diese Spannung abhängig von der Kondensationsgeschwindigkeit des Dampfes an den Elektroden. Es ergibt sich jedoch eine nicht unerhebliche Erhöhung der Spannung zwischen den Elektroden bei Belastung, wenn gemäss der Erfindung die Temperatur einer Elektrode jedes Elektrodenpaares unterhalb des Taupunktes des Dampfes gehalten wird.
Ein solches Arbeiten ergibt sich automatisch, wenn eine Elektrode eines Elektrodenpaares gekühlt wird und die andere Elektrode des Elektrodenpaares nicht gekühlt wird und das Ganze in den Kern eines Atomreaktors eingeführt wird, weil dann die Temperatur der nicht gekühlten Elektrode durch Spaltungsvofgänge in der Elektrode oberhalb des Taupunktes des Dampfes gehalten wird.
Die Stromergiebigkeit der von zwei Elektroden verschiedener Temperatur gebildeten Stromquelle ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit welcher der ionisierte Dampf beidenElektroden des Elektrodenpaares zugeführt wird. Als Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche eine rasche Zuführung des ionisierten Dampfes zu den Elektroden ermöglicht, kann nun eine an sich bekannte Vorrichtung mit einem mit einerHeizvorrichtung versehenenFlüssigkeitsbehälter, einer dem Flüssigkeitsbehälter in Stromrichtung der verdampften Flüssigkeit nachgeschalteten Ionisiereinrichtung und einem
<Desc/Clms Page number 3>
mit dem Flüssigkeitsbehälter durch Verbindungsglieder kleinen Querschnittes, wie z. B.
Düsen, in Ver- bindung stehenden Raum, welcher zumindest zwei entlang des Dampfstrahls aufeinanderfolgend angeord- nete Elektroden und eine Kühleinrichtung aufweist, verwendet werden, welche erfindungsgemäss derart ausgebildet ist, dass zumindest eine der Elektroden mit einer Kühlvorrichtung versehen ist, welche eine
Temperaturdifferenz zwischen den beiden Elektroden aufrecht erhält. Die Anordnung ist hiebei zweck- mässig so getroffen, dass einzelne der Elektroden mit Kühlrippen versehen sind.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert, in welcher Ausführungsbei- spiele von zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtungen dargestellt sind.
In der Zeichnung zeigt Fig. l eine für die experimentelle Durchführung des erfindungsgemässen Ver- fahrens geeignete Vorrichtung, wobei die erforderliche Wärme durch chemische Verbrennung erzeugt wird,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung für technische Zwecke, wo- bei sowohl die Wärmeenergie als auch die für die Ionisierung erforderliche Energie von einem Atomreak- tor aufgebracht wird und wobei zwecks Erzielung grösserer Übersichtlichkeit die äussere Umhüllung der
Vorrichtung weggelassen worden ist und Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäss Fig. 2 in
Höhe der Elektroden.
In der Fig. 1 ist mit 1 eine Flüssigkeit bezeichnet, die im vorliegenden Falle Quecksilber ist und sich in einem Behälter 2 befindet. Dieser besteht in seinem oberen Teil aus Glas und in seinem unteren Teil aus einem Metall, welches, wie z. B."Kovar", mit Glas verschweissbar ist.
Die Flüssigkeit 1 wird durch einen Brenner B üblicher Art erwärmt. Der in dem Behälter 2 durch Dampfbildung entstehende Druck beträgt etwa 3 cm Quecksilbersäule. Der obere Teil des Behälters 2 ist von einer Spule 3 umgeben, die drei Windungen aufweist. Diese Spule wird von hochfrequentem Strom durchflossen, und das dadurch erzeugte elektromagnetische Feld ionisiert das Gas. Der Behälter 2 geht in seinem oberen Ende in eine Röhre 4 über, welche den durch die Spule 3 ionisierten Dampf zu einer Düse 5 leitet. DieseDüse üblicher Bauart, die ebenfalls aus Glas besteht, wandelt den in dem Behälter 2 erzeugten Druck in kinetische Energie um, mit andern Worten, sie erzeugt einen Strahl aus ionisiertem Quecksilberdampf mit Überschallgeschwindigkeit.
Dieser Strahl dringt in den oberen Teil des Apparates, wo ein Druck von einigen Hundertstel mm Quecksilbersäule herrscht, und durchströmt nacheinander die Elektroden 6 und 7, welche aus einem mit Glas verschweissten Metall, beispielsweise"Kovar", bestehen können.
Die obere Elektrode 7 ist mit Kühlrippen 8 versehen. Zwischen den Elektroden 6 und 7 befindet sich ein Glasrohr. 9, und über der Elektrode 7 ist ein ebenfalls aus Glas bestehender Behälter 10 angeordnet. Der Quecksilberdampf kondensiert zum geringen Teil in den Teilen 6,9 und hauptsächlich in den Teilen 7 und 10 und fliesst in Form von Tröpfchen in einen Glaskolben 11 und von dort durch eine Röhre 12 in den Behälter 2 zurück.
Die Einrichtung ist vor der Inbetriebnahme luftleer gepumpt worden.
Das Experiment zeigt, dass die Elektrode 6 relativ zu der Elektrode 7 negativ aufgeladen wird.
Die Verbraucher werden zwischen die Leitungen 13 und 14 geschaltet, die an den Elektroden 6 und 7 angeschweisst sind. Die Leitung 14 entspricht dabei dem Pluspol.
Die erzeugte elektrische Leistung hängt vor allem ab vom lonisationsgrad des den Strahl bildenden Dampfes, von der Geschwindigkeit des Dampfstrahles, wobei diese von dem Druckunterschied zwischen den beiden Zonen und der Form der Düse 5 abhängt, von der Temperatur der Elektroden 6 und 7, wobei die Stromstärke steigt, wenn die Temperatur der Elektrode 7 erniedrigt wird, so dass die Stromstärke unmittelbar durch den Kondensationsgrad an dieser Elektrode 7 bestimmt wird, und von der Beschaffenheit der inneren Oberfläche der Elektroden 6 und 7.
Die Leistung ist trotz des relativ geringen lonisationsgrades des Strahles gross, denn durch die sehr hohe Geschwindigkeit des Strahles wird eine grosse Zahl von Ladungen auf das Niveau der 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.
EMI3.1
ter 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 Uran-Karbid, welches durch Kernspaltung eine Temperatur von 15000C erzeugt. Bei dieser Temperatur wird das Cäsium nicht nur verdampft, sondern auch ionisiert. Ausserdem wird der lonisationsgrad des Cäsiumdampfes durch die Strahlung der Spaltprodukte vergrössert. Oberhalb
<Desc/Clms Page number 4>
des Behälters 2 befindet sich die ebenfalls aus Gussaluminium bestehende Düse 5. Der durch diese Düse gebildete ionisierte Cäsiumstrahl 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), wo- durch die Oberfläche und damit der Kondensationsgrad des Cäsiumdampfes vergrössert wird.
Die Elektroden 6, 16 und 7 bestehen aus einem Metall, welches Wärme und Elektrizität gut leitet.
Die Elektrode 7 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 Behälter2unddie 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 und an den erforderlichen Stellen elektrisch isolierend ausgebildet sind.
Das kondensierte Cäsium gelangt 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 und damit im Bereiche sämtlicher Elektroden die Ionisation vorzunehmen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie mittels ionisierten Dampfes, wobei der Dampfstrom mehreren Elektroden zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ohne Anwendung eines elektrischen oder magnetischen Feldes die Energieumwandlung dadurch erzielt wird, dass die Elektroden einesPaares auf verschiedenerTemperatur gehalten werdenunddielonisation imBereich beider Elektroden des Paares erfolgt.