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.
Device for converting thermal energy into electrical energy The present invention relates to a device for converting thermal energy into electrical energy, according to claim 11 of the main patent, in other words a thermionic energy converter see on Due to the thermal energy hitting the cathode, an electron current flows between the cathode and anode.
The invention aims to simplify and improve the device described in the main patent with regard to a larger current between the cathode and anode and thus a higher efficiency by maintaining a constant, small gap between the electrodes.
In such a device, in which electron emission from a heated cathode generates an electron current, it is important, with regard to good efficiency, to allow the greatest possible current to flow between cathode and anode with regard to the thermal energy supplied to the cathode. A main obstacle here is the effect of the space charge, which is formed by an accumulation of electrons on the way between cathode and anode. This relatively high negative charge results in a repulsive or retarding force on the subsequently emitted, also negative electrons, which hinders the free flow of electrons in space.
If the electrodes are also surrounded by a gaseous medium, the collisions between emitted electrons and gas molecules cause a further reduction in the number of electrons reaching the anode, in other words the current intensity.
The invention seeks to counter the adverse effects of space charge and gas molecules by providing a very narrow space between the electrodes. As a result, the anode comes to lie at least approximately at the point at which the space charge would otherwise mainly build up, whereby most of the electrons in question are captured by the anode and the space charge effect is greatly reduced. Likewise, the electron path is shortened by a gas filling due to the small distance between the electrodes, which also greatly reduces the probability of collisions between electrons and gas molecules.
But in order to bring about such small electrode gaps with known means, a considerable effort in precision and time is required in the manufacture and assembly of the items. In operation, such facilities are subject to various influences such as thermal expansion and throwing the upper surfaces, which make it difficult to maintain the small distances. All surfaces must be executed with a high degree of precision so that uniform distances can be maintained everywhere.
The device according to the invention is characterized by a deformable anode arranged at a distance from the cathode and a powdery, highly heat-resistant material, the particles of which are located between the electrodes mentioned, so that they maintain the electrode spacing, which is caused by the Dimensions of the particles is determined, further characterized by an ionizable medium in the space between the electrodes.
In conjunction with the drawing, two exemplary embodiments of the invention are described below.
Fig. 1 is a cross section through the first exemplary embodiment, in which a closed chamber is provided for a medium cooling the anode, and Fig. 2 is a cross section through the second exemplary embodiment, in which the anode is exposed to the ambient air.
The device according to FIG. 1, designated as a whole by <B> 10 </B>, has a relatively rigid cathode 12 in the form of an inverted pot, with a bottom surface 14 at one end of the side wall <B> 16 </B> and a rim <B> 18 </B> at the other end of the side wall <B> 16. </B> The cathode 12 is preferably made of a highly heat-resistant metal such as. B. tungsten or tantalum and is round for the purpose of simple production, although a polygon or another shape would be conceivable.
Although the parts <B> 16 </B> and <B> 18 </B> are shown relatively thick in the drawing for the sake of clarity, they are preferably made as thin as possible in order to dissipate heat from the bottom surface 14 the cathode to other parts of the device as much as possible.
A closed space 20 is formed by the cathode 12, the anode 22 and a solid, highly heat-resistant insulator 24, which supports the electrodes against one another along their edges. This space is preferably free of all gases, with the exception of the vapor of an alkali metal, for example cesium, under low pressure.
The anode 22 is designed as a thin metal membrane, for example made of nickel, which can be deformed by a pressure difference between its two sides and in this way brought close to the cathode surface 14. Although shown exaggerated in the drawing, the thickness of the anode 22 is preferably on the order of a few hundredths of a millimeter. A narrow but even distance between the cathode surface 14 and the anode 22 is maintained by the particles 25 of a powder made of highly heat-resistant material, which are interspersed between the two surfaces.
As materials for this powder, for example, the oxides of aluminum, beryllium and thorium, also boron nitride or cerium sulfide come into question, the particles of course having to withstand the temperatures that occur without taking damage. The dimensions of the particles <B> 25 </B> should be fairly uniform and should be between approximately <B> 0.0025 </B> mm and <B> 0.25 </B> mm.
In order to maintain the distance between the two surfaces, the particles are required in such a number that their area, projected onto one of the surfaces, makes up a total of about 1% of this surface. Accordingly, the presence of these particles is only a minor obstacle to the flow of electrons between the cathode surface 14 and the anode 22.
The particles <B> 25 </B> are held in their position between the two surfaces by friction, which can also be supported by alkali metal condensed on the surfaces.
The pressure difference across the anode 22 is generated by a circulating cooling medium. <B> 26 </B> It aims to press the anode lightly against the particles <B> 25 </B>. The cooling medium <B> 26, </B> consisting of mercury, water or another suitable liquid or gaseous substance, is located in a cover <B> 28, </B> which is connected to the anode 22 along the edge and has an annular recess <B> 30 </B>. In the cover there are input and output lines <B> 32 </B> or 34 for the cooling medium.
The electrical conductors <B> 36 </B> and <B> 38 </B> on which the output voltage occurs are conductively connected to the cathode or the anode, the negative pole being on the anode and the positive pole is at the cathode.
In operation of the device, heat is applied in some suitable manner to the cathode surface 14 so that the cathode temperature rises until there is an abundant emission of electrons whose energy is sufficient to reach the anode. The operating temperature of a tungsten cathode may be between 1500 and 20000 Kelvin. The anode 22 is kept at a temperature which is approximately <B> 5000 </B> Kelvin or more below the cathode temperature by means of the cooling medium 26, the anode 22 being slightly under the pressure of the cooling medium is pressed against the particles <B> 25 </B>. As stated in the main patent, the presence of the cesium vapor reduces the work function at the anode.
If the gas pressure in the chamber 20 is low, the pressure of the cooling medium 26 does not have to be high either. Under the conditions described, the device will deliver an output voltage of about 1.8 volts during normal operation.
In the device 40 in FIG. 2, the parts corresponding to the device <B> 10 </B> in FIG. 1 are provided with the same reference numbers. The cover <B> 28 </B> is omitted here, however, and the ambient air forms the cooling medium for the anode 22. The excess pressure of approximately one atmosphere is sufficient for the anode 22 to evenly adhere to the particles <B> 25 < / B> to press.
In both of the designs described, the anode adapts to the shape of the cathode thanks to its deformability and the contact pressure. Accordingly, any inaccuracy or distortion or subsequent throwing of the cathode is immediately and automatically compensated for by the anode, and the distance between the two electrodes is maintained under all circumstances.