CH367865A - Einrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie - Google Patents

Description

  Einrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie    Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrich  tung zur Umwandlung thermischer Energie in elek  trische Energie, gemäss dem Patentanspruch<B>11</B> des  Hauptpatentes,     mit        andem    Worten einen     thermioni-          sehen        Energieumwandler,    bei dem auf Grund von  auf die Kathode auftreffender thermischer Energie  ein Elektronenstrom zwischen Kathode und Anode  fliesst.

   Die Erfindung bezweckt eine Vereinfachung  und Verbesserung der im Hauptpatent beschriebenen  Einrichtung im Hinblick auf einen grösseren Strom  zwischen Kathode und Anode und damit einen höhe  ren Wirkungsgrad durch Aufrechterhaltung eines  gleichbleibenden, geringen Zwischenraumes zwischen  den Elektroden.  



  In einer solchen Einrichtung, bei der durch Elek  tronenemission von einer geheizten Kathode ein  Elektronenstrom entsteht, ist es im Hinblick auf  einen guten Wirkungsgrad wichtig, bezüglich der der  Kathode zugeführten Wärmeenergie einen möglichst  grossen Strom zwischen Kathode und Anode fliessen  zu lassen. Ein Haupthindernis hierbei ist die Wir  kung der Raumladung, welche durch eine Ansamm  lung von Elektronen auf dem Weg zwischen Kathode  und Anode gebildet wird. Diese relativ hohe nega  tive Ladung hat eine rückstossende oder verzögernde  Kraft auf die nachfolgend     emittierten,    gleichfalls  negativen Elektronen zur Folge, wodurch der freie       Elektronenfluss    im Raum behindert wird.

   Sind ferner  die     Elektrodenvon    einem gasförmigen Medium um  geben, so bewirken die Zusammenstösse zwischen  emittierten Elektronen und Gasmolekülen eine wei  tere Herabsetzung der Zahl der die Anode erreichen  den Elektronen, mit anderen Worten der Stromstärke.  



  Die Erfindung sucht den nachteiligen Wirkungen  der Raumladung und der Gasmoleküle zu begegnen,  indem sie einen sehr engen Zwischenraum zwischen  den Elektroden vorsieht. Dadurch kommt die Anode    mindestens angenähert an die Stelle zu liegen, an  der sich sonst die Raumladung hauptsächlich auf  bauen würde, wodurch der grösste Teil der betreffen  den Elektronen von der Anode eingefangen und die       Raumladungswirkung    stark herabgesetzt wird. Eben  so verkürzt sich durch den geringen     Elektrodenab-          stand    der Elektronenweg durch     e#ine    Gasfüllung, wo  durch auch die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen  zwischen Elektronen und Gasmolekülen stark ver  mindert wird.  



  Um aber mit bekannten Mitteln derart geringe       Elektrodenabstände    herbeizuführen, ist ein beträcht  licher Aufwand an Präzision und Zeit bei der Fer  tigung und Montage der Einzelteile erforderlich. Im  Betrieb sind solche Einrichtungen verschiedenen Ein  flüssen wie Wärmeausdehnung und Werfen der Ober  flächen unterworfen, welche die Aufrechterhaltung  der geringen Abstände erschweren. Sämtliche Ober  flächen müssen mit hoher Genauigkeit ausgeführt  sein, damit sich überall gleichmässige Abstände auf  rechterhalten lassen.  



  Die erfindungsgemässe Einrichtung ist gekenn  zeichnet durch eine     deformierbare,    im Abstand von  der Kathode angeordnete Anode und ein pulverför  miges,     hochhitzebeständigf,-s    Material, dessen Par  tikel sich zwischen den genannten Elektroden befin  den, so     dass    sie den     Elektrodenabstand    aufrechterhal  ten, welcher durch die Abmessungen der Partikeln  bestimmt ist, ferner gekennzeichnet durch ein     ioni-          sierbares    Medium im Zwischenraum zwischen den  Elektroden.  



  In Verbindung mit der Zeichnung werden nach  stehend zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung  beschrieben.  



       Fig.   <B>1</B> ist ein Querschnitt durch das erste Ausfüh  rungsbeispiel, bei dem eine geschlossene Kammer für  ein die Anode kühlendes Medium vorgesehen ist, und           Fig.    2 ist ein Querschnitt durch das zweite Aus  führungsbeispiel, bei welchem die Anode der Um  gebungsluft ausgesetzt ist.  



  Die gesamthaft mit<B>10</B> bezeichnete Einrichtung  nach     Fig.   <B>1</B> weist eine relativ starre Kathode 12 in  Form eines umgekehrten Topfes auf, mit einer  Bodenfläche 14 am einen Ende der Seitenwand<B>16</B>  und einem Rand<B>18</B> am andern Ende der Seiten  wand<B>16.</B> Die Kathode 12 besteht vorzugsweise aus       eineni    hochhitzebeständigen Metall wie z. B. Wolfram  oder     Tantal    und ist zwecks einfacher Herstellung  rund ausgeführt, obwohl auch ein     Poligon    oder eine  andere Form denkbar wären.

   Wenngleich die Teile  <B>16</B> und<B>18</B> in der Zeichnung der Deutlichkeit halber  relativ, dick dargestellt sind, so werden sie doch vor  zugsweise möglichst dünn ausgeführt, um die Wärme  ableitung von der Bodenfläche 14 der Kathode nach  andern Teilen der Einrichtung tunlichst zu vermeiden.  



  Durch die Kathode 12, die Anode 22 und einen  festen, hochhitzebeständigen Isolator 24, der die  Elektroden entlang ihren Rändern gegeneinander ab  stützt, wird ein abgeschlossener Raum 20 gebildet.  Dieser Raum ist vorzugsweise frei von allen Gasen,  mit Ausnahme des Dampfes eines     Alkalimetalls,    bei  spielsweise Cäsium, unter niedrigem Druck.  



  Die Anode 22 ist als dünne Metallmembrane,  beispielsweise aus Nickel, ausgeführt, welche sich  durch einen zwischen ihren beiden Seiten bestehen  den Druckunterschied deformieren und auf diese  Weise nahe an die Kathodenoberfläche 14 heran  bringen     lässt.    Obschon in der Zeichnung übertrieben  dargestellt, liegt die Dicke der Anode 22 vorzugs  weise in der Grössenordnung von einigen     Hundert-          stelmillimeter.    Ein enger, aber gleichmässiger<B>Ab-</B>  stand zwischen der Kathodenfläche 14 und der Anode  22 wird durch die Partikel<B>25</B> eines Pulvers aus  hochhitzebeständigem Material aufrechterhalten, die  zwischen die beiden Oberflächen eingestreut sind.

    Als Materialien für dieses Pulver kommen beispiels  weise die Oxyde von Aluminium, Beryllium und       Thorium,    ferner     Bomitrid    oder     Cersulfid    in Frage,  wobei die Partikel natürlich die auftretenden Tem  peraturen aushalten müssen, ohne Schaden zu neh  men. Die Abmessungen der Partikel<B>25</B> sollen ziem  lich gleichmässig sein und zwischen etwa<B>0,0025</B> mm  und<B>0,25</B> mm liegen.

   Zur Aufrechterhaltung des     Ab_          standes    zwischen den beiden Oberflächen sind die       Partik,el    etwa in einer solchen Anzahl erforderlich,       dass    ihre Fläche, projiziert auf eine der Oberflächen,       insgesamt        etwa        1%        dieser        Oberfläche        ausmacht.     Demnach stellt die Anwesenheit dieser Partikel nur  ein geringes Hindernis für den     Elektronenfluss    zwi  schen der Kathodenfläche 14 und der Anode 22 dar.

    Die Partikel<B>25</B> werden durch Reibung in ihrer Lage  zwischen den beiden Oberflächen festgehalten, was  noch durch an den Oberflächen kondensiertes     Alkali-          metall    unterstützt sein kann.  



  Die Druckdifferenz über die Anode 22 hinweg  wird durch ein zirkulierendes Kühlmedium.<B>26</B> er  zielt, das die Anode leicht gegen die Partikel<B>25</B>         presst.    Das Kühlmedium<B>26,</B> bestehend aus Queck  silber, Wasser oder einem andern geeigneten flüssi  gen oder gasförmigen Stoff, befindet sich in einem  Deckel<B>28,</B> der längs des Randes mit der Anode 22  verbunden ist und eine ringförmige Vertiefung<B>30</B>  aufweist. Im Deckel sind Eingangs- und Ausgangs  leitungen<B>32</B>     bzw.    34 für das Kühlmedium vorge  sehen.  



  Die elektrischen Leiter<B>36</B> und<B>38,</B> an denen die  Ausgangsspannung auftritt, sind leitend mit der  Kathode     bzw.    der Anode verbunden, wobei der nega  tive Pol an der Anode und der positive Pol an der  Kathode liegt.  



  Beim Betrieb der Einrichtung wird in irgend  einer geeigneten Weise der Kathodenfläche 14 Wärme  zugeführt, so     dass    die Kathodentemperatur ansteigt,  bis eine reichliche Emission von Elektronen entsteht,  deren Energie genügt, um die Anode zu erreichen.  Die Betriebstemperatur einer     Wolframkathode    mag  etwa zwischen<B>1500</B> und 20000 Kelvin liegen. Die  Anode 22 wird dabei mittels des Kühlmediums<B>26</B>  auf einer Temperatur gehalten, die etwa<B>5000</B> Kelvin  oder mehr unterhalb der Kathodentemperatur liegt,  wobei die Anode 22 unter dem Druck des Kühl  mediums leicht gegen die Partikel<B>25</B>     gepresst    wird.  Wie im Hauptpatent dargelegt, setzt dabei die An  wesenheit des     Cäsiumdampfes    die Austrittsarbeit  an der Anode herab.

   Sofern der Gasdruck in der  Kammer 20 niedrig ist, braucht auch der Druck des  Kühlmediums<B>26</B> nicht hoch zu sein. Unter den be  schriebenen Bedingungen wird die Einrichtung im  normalen Betrieb eine Ausgangsspannung von etwa  <B>1,8</B> Volt abgeben.  



  Bei der Einrichtung 40 in     Fig.    2 sind die der Ein  richtung<B>10</B> in     Fig.   <B>1</B> entsprechenden Teile mit glei  chen Bezugszahlen versehen. Der Deckel<B>28</B> ist  hier jedoch weggelassen, und die Umgebungsluft bil  det das Kühlmedium für die Anode 22. Deren     über-          druck    von etwa einer Atmosphäre genügt, um die  Anode 22 gleichmässig an die Partikel<B>25</B> anzu  drücken.  



  Bei beiden beschriebenen Ausführungen     passt    sich  die Anode dank ihrer     Deformierbarkeit    und dem       Anpressdruck    der Gestalt der Kathode an. Demnach  wird jede Ungenauigkeit oder Verzerrung oder nach  trägliches Werfen der Kathode augenblicklich und  selbsttätig durch die Anode ausgeglichen, und der  Abstand zwischen den beiden Elektroden bleibt unter  allen Umständen erhalten.

Claims (1)

1. <B>PATENTANSPRUCH</B> Einrichtung zur Umwandlung thermischer Ener gie in elektrische Energie gemäss Patentanspruch<B>11</B> des Hauptpatentes, gekennzeichnet durch eine defor- mierbare, im Abstand von der Kathode angeordnete Anode und ein pulverförmiges, hochhitzebeständiges Material, dessen Partikel sich zwischen den genann ten Elektroden befinden, so dass sie den Elektroden- abstand aufrechterhalten, welcher durch die Abmes- sungen der Partikeln bestimmt ist, ferner gekenn zeichnet durch ein ionisierbares Medium im Zwi schenraum zwischen den Elektroden.

   <B>UNTERANSPRÜCHE</B> <B>1.</B> Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeich net durch Mittel zur Erzeugung eines gleichmässigen Druckes gegen die Anode auf deren den Partikeln abgewandter Seite, mit dem Zwecke, die Anode mit den Partikeln und die Pargkel mit der Kathode in Berührung zu halten. 2. Einrichtung nach Patentanspruch und Unter anspruch<B>1,</B> gekennzeichnet durch vakuumdichte Mit tel zwischen den Elektroden, welche zusammen mit diesen einen abgeschlossenen Raum bilden, än wel chem sich Dampf eines Alkalimetalls unter niedri gem Druck sowie die genannten Partikel befinden.

   <B>3.</B> Einrichtung nach Patentanspruch und Unter anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zweiten ab geschlossenen Raum, dessen eine Wand durch die Anode gebildet wird und in dem ein Kühlmedium zirkuliert, dessen Druck die Anode gleichmässig ge gen die genannten Partikel presst. 4. Einrichtung nach Patentanspruch und Unter- ansprächen <B>1</B> bis<B>3,</B> dadurch gekennzeichnet, dass die auf eine der beiden Elektrodenflächen projizierte Gesamtfläche der genannten Partikel weniger als<B>1</B> II/o der genannten Elektrodenfläche beträgt.