Elektrode zum Übertragen eines elektrischen Stromes zwischen einem Leiter und einem heissen, elektrisch leitenden Gas Die Erfindung betrifft eine Elektrode zum übertra gen eines elektrischen Stromes zwischen einem Leiter und einem heissen, elektrisch leitenden Gas, mit einem lang gestreckten metallischen Glied, das auf einer Seite mindestens eine Nut aufweist.
Solche Elektroden werden beispielsweise in MHD- Vorrichtungen, wie Generatoren, Pumpen und Beschleu nigern, verwendet.
Es wurde bereits vorgeschlagen, eine solche Elek trode, besonders für MHD-Generatoren, als langgestreck- tes, relativ schmales elektrisch leitendes Metallglied mit mindestens einer Nut auf einer Seite herzustellen. In einer bekannten Elektrode sind mehrere Nuten vorgesehen, wobei der Zweck der Nuten in der Vergrösserung des wirksamen Oberflächenbereichs besteht, der dem heissen elektrisch leitenden Gas ausgesetzt wird, wodurch der elektrische Kontakt mit dem Gas und die Elektronen emission bei einer bestimmten Temperatur vergrössert werden. Die bekannte Elektrode weist jedoch einige Nach teile auf, die deren Verwendung stark begrenzen.
Einer dieser Nachteile besteht darin, dass solche Elektroden besonders stark rückzünden, weil sie unter anderem eine grosse Anzahl scharfe Kanten aufweisen. Ein anderer Nachteil ist der, dass wesentliche Temperaturunterschiede zwischen den Elektronen emittierenden Teilen und den nicht emittierenden Teilen der Elektroden nicht möglich sind. Ein weiterer Nachteil betrifft den Umstand, dass es die erforderliche Form nicht erlaubt, Material in der Nut anzuordnen, weil die Nuten parallel zur Gasströmungs- richtung sein müssen. Ein anderer Nachteil ist der, dass Materialien, wie Zirkonoxyd für diese Elektroden, die sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, nicht ver wendet werden kann.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist die erfindungs- gemässe Elektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Nut Füllmaterial enthält, das dem Gas ausgesetzt ist, wobei dieses Füllmaterial bei einer Betriebstemperatur des Gases von mehr als 1l00 C elektrisch leitend und bei einer wesentlich tieferen Temperatur als der Betriebs temperatur des Gases ein Isolator ist.
Vorzugsweise ist das Füllmaterial von solcher Be schaffenheit, dass die Elektrode hitzebeständig und der elektrische Widerstand zur Elektrodenoberfläche sehr klein ist, obwohl der kleine Widerstand im Füllmaterial lediglich an derjenigen Fläche vorhanden ist, wo das Füllmaterial hohe Temperaturen erreicht, und elektrische Leitfähigkeit desselben die Folge der Erhitzung durch das Gas ist. Das Füllmaterial kann in einer Nut vorge sehen sein, welche sich z.B. senkrecht zur Gasströmungs- richtung erstreckt.
Hierdurch wird das Füllmaterial ge schützt und man erreicht einen wesentlichen Temperatur unterschied zwischen Elektronen emittierenden und me tallischen Teilen der Elektrode, und ferner eine Ver minderung oder sogar eine Eliminierung der Rückzün- dungserscheinungen, die sich aus dem Hall-Effekt zwi schen benachbarten Elektroden ergeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun mehr anhand der Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Elektrode und die Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in der Fig. 1.
Die beiden Fig. 1 und 2 zeigen eine Elektrode für MHD-Einrichtungen. Die Elektrode weist einen me tallischen z.B. aus Kupfer bestehenden Basisteil 10 mit einem Durchlass 11 zur Aufnahme eines über die Rohr leitungen 9 zugeführten Kühlmittels und einen z.B. aus nichtrostendem Stahl hergestellten Endteil 12 auf, der mit einer Anzahl von Nuten oder Ausnehmungen 13 ver sehen ist, die sich über die Länge der Elektrode hinweg erstrecken. Jede Nute oder Ausnehmung 13 ist mit einem Elektronen emittierenden Material 14 angefüllt, das später noch ausführlich beschrieben wird.
Beim Einbau in eine MHD-Einrichtung müssen die Elektroden natürlich elektrisch isoliert werden, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Da die Isolation im allge meinen von der Elektrode getrennt vorgesehen wird, so ist sie nicht dargestellt. Wenn gewünscht, können die Seitenflächen und die Bodenfläche des metallischen Teiles der Elektrode mit einem Überzug aus einem geeigneten Isoliermaterial versehen werden.
Im allgemeinen wird Polytetrafluoräthylen oder dergleichen an der Bodenflä che 15 und an sich. an diese anschliessenden Seitenflächen 16, 17 vorgesehen, während an den oberen Teilen 18, 19 der Seiten der Elektrode ein elektrisch isolierendes feuer festes Material vorgesehen wird.
Die in MHD-Einrichtungen gegenwärtig benutzten elektrisch leitenden Gas oder Plasmen bestehen entweder aus Edelgasen, die auf eine Temperatur von mindestens l100 C oder mehr erhitzt werden, oder aus Verbren nungsprodukten mit einer Temperatur von ungefähr 2760 C. Dementsprechend muss eine Elektrode, die in MHD-Einrichtungen verwendet werden soll, in jedem Falle einer Temperatur von mehr als 1100 C ausgesetzt werden, die sich innerhalb eines wesentlichen Bereichs verändern kann, welche Elektrode höchst wahrscheinlich auch der Einwirkung eines korrodierenden und/oder oxydierenden Plasmas ausgesetzt ist.
Wie sich gezeigt hat, eignet sich für diesen Zweck sehr gut ein keramisches Material, das mit einem Elektronen emittierenden Ma terial imprägniert ist.
Das sich in den Nuten oder Ausnehmungen 13 be findliche Material darf, ganz gleich ob dieses aus einem keramischen oder einem anderen Material besteht, nicht oxydierbar sein, wenn es der Einwirkung eines elektrisch leitenden Gases ausgesetzt wird, das Material soll einen kleinen Expansionskoeffizienten aufweisen, damit die Bildung von Rissen, Krümeln und dergleichen vermieden oder wenigstens klein gehalten wird, und soll Elektronen emittieren.
Die thermische Stromemission durch, eine Elektrode der hier betrachten Art ist eine Exponentialfunktion der Temperatur. Für ein gegebenes elektrisch leitendes Gas oder Plasma u. einem gegebenen Elektrodenaufbau hängt die Temperatur der freiliegenden Elektrodenfläche von der Gastemperatur in der Grenzschicht ab, und da die Leitfähigkeit des Gases stark von der Temperatur ab hängt, so hängt der Leistungsverbrauch (nach Joule) in der Grenzschicht von deren Temperatur ab.
Weiterhin oxydiert das in einigen Anwendungsgebieten bei MHD- Einrichtungen verwendete elektrisch leitende Gas und verbraucht deshalb feuerfeste Elektrodenmaterialien wie Kohlenstoff, Wolfram, Molybdän, Columbium und der gleichen.
Ein keramisches Material, das sich für die Zwecke der Erfindung als geeignet erwiesen hat, ist in einem Auf satz mit dem Titel: Properties and High Temperature Application of Zirconium Oxide in der Zeitschrift Ce- rarnic Age , Juni 1962 beschrieben.
Dieses Material be steht aus Zirkoniumoxyd mit einem Gehalt von 6,4% Kalziumoxyd. Obwohl ein solches Material seinen Zweck gleich gut in einer inerten Atmosphäre wie in einer oxydierenden Atmosphäre erfüllt, so können ebensogut auch andere Material verwendet werden z.B. Zirkonium- doborid oder Zirkoniumnitrid, die entweder mit Barium oxyd oder mit Kalziumoxyd und dergleichen imprägniert sind.
Die meisten keramischen Materialien, die, geeignete mechanische Eigenschaften aufweisen, besitzen im all gemeinen keine geeigneten elektrischen Eigenschaften, d.h. für alle in der Praxis vorkommenden Zwecke wei sen sie keine thermische Emission auf.
Aus diesem Grun de ist es allgemein erforderlich, ein im übrigen geeignetes keramisches Material mit einem thermisch emittierenden Material zu imprägnieren, um die geeigneten elektrischen Eigenschaften zu erzielen. Als Beispiel sei angeführt, dass bei MHD-Generatoren eine thermische Emission in der Grössenordnung von mindestens 10 Amp/qcm und bei MHD-Beschleunigern eine thermische Emission von min destens 100 Amp/qcm erforderlich ist.
Wie bereits be merkt, ergibt ein mit 6,4% Kalziumoxyd imprägniertes Zirkoniumoxyd befriedigende elektrische Eigenschaften.
Der metallische Teil der Elektrode kann z.B. entweder aus Kupfer mit einer aus nichtrostendem Stahl bestehen den Kappe hergestellt werden, um einen Betrieb mit hoher Temperatur und/oder einen fortlaufenden Betrieb zu erreichen bei geringster Erosion, oder aber der me- tallische Teil der Elektrode kann für einen Betrieb mit niedriger Temperatur und/oder für einen Betrieb mit Unterbrechungen gänzlich aus Kupfer hergestellt wer den.
Im Vergleich zu einer Elektrode mit einem aus Vollkupfer oder dergleichen bestehenden metallischen Teil gestattet die Verwendung einer Kappe aus nichtro stendem Stahl das Bestehen einer höheren Temperatur an den Elektrodenwandungen des Durchlasses und da mit eine höhere Temperatur an der Grenzschicht, wo durch der Wirkungsgrad der MHD-Einrichtungen erhöht wird. Weiterhin ist eine Kappe aus nichtrostendem Stahl widerstandsfähiger gegen die Erosion als eine Kappe aus Kupfer oder dergleichen. Der zwischen der Grenzschicht und der freiliegenden Fläche von zwei einander gegen überstehenden Elektroden nach der Erfindung gemes sene Spannungsabfall betrug weniger als 5 Volt.
Die Kühlung des metallischen Teiles der Elektrode ist erfor derlich für einen fortgesetzten langdauernden Betrieb und besonders dann, wenn das elektrisch leitende Gas eine Temperatur von ungefähr 2.760 C aufweist und aus Ver brennungsprodukten besteht. Wie bereits bemerkt, wird durch die Kühlung des metallischen Teiles der Elektrode die Möglichkeit einer Lichtbogenbildung infolge des Hall- Effektes vermindert. Bei Kühlung kann die freiliegende Fläche des die Elektronen emittierenden Materials eine Temperatur von 2.200 C und der metallische Teil eine Temperatur von nur 260 C aufweisen.
Damit die Reibung von geringster Wirkung ist, sollte die Elektrode so ausgerichtet werden, dass die langge- streckten Nuten oder Ausnehmungen senkrecht zur Rich tung der Gasströmung verlaufen um zu verhindern,
dass das die Elektronen emittierende Material aus den Aus- nehmungen herausgetrieben wird. Das Eintragen des die Elektronen emittierenden Materials in die Nuten oder Ausnehmungen erfolgt geeigneterweise nach dem Plas- ma-Aufspritzverfahren. Es wurden bisher rechteckige Ausnehmungen benutzt und beschrieben wegen deren Einfachheit und der mühelosen Herstellung.
Es versteht sich jedoch, dass die Eifindung auf diese Ausführung der Ausnehmungen nicht beschränkt ist, da viele Arten von Hohlräumen verwendet werden können, die das Elek tronen emittierende Material enthalten. Die geeignete Tiefe und Weite der Ausnehmungen wird im wesent lichen von den thermischen Merkmalen des die Elektro nen emittierenden Materials bestimmt. Bei keramischen Materialien, die im wesentlichen schlechte Wärmeleiter sind,
führen zu tiefe oder zu weitere Ausnehmungen zu einer ungleichmässigen Erhitzung der Oberfläche des Materials und damit zu ungleichmässigen Leit- und Elek- tronenabstrahlungsmerkmalen. Für das verwendete be sondere Material wird die Tiefe und Weite der Ausneh- mungen mit Vorteil so bemessen,
dass eine gleichmässige Oberflächentemperatur des Elektronenemissionsmaterials und damit die grösste Leitfähigkeit und eine gleichmäs sige Elektronenemission erzielt wird. Die günstigste Tem- peratur wird natürlich bestimmt von der Zusammenset zung des gewählten Materials. Wie bereits bemerkt, hat sich z.B. eine Oberflächentemperatur von 2.200 C für das Elektronenemissionsmaterial als befriedigend er wiesen.
Aus dem Vorstehenden geht hervor, dass das Elek- tronenemissionsmaterial zwei Funktionen ausübt und zwar wird erstens eine Elektronen emittierende Fläche mit einer stabilen hohen Temperatur geschaffen, und zweitens werden die Wärmeverluste durch die Elektro- denwandung hindurch vermindert. Der metallische Teil der Elektrode trägt und enthält das Elektronenemissions- material, leitet den Strom mit geringsten Verlusten weiter und setzt die Lichtbogenbildung herab.
Wie bereits erwähnt, fliesst der Strom im Elektronen emissionsmaterial in der Hauptsache in dem die hohe Temperatur aufweisenden Oberflächenbezirk. Von den Kanten des Elektronenemissionsmaterials aus fliesst der Strom dann durch den metallischen Teil der Elektrode, die in herkömmlicher Weise in einer geeigneten elektrisch nichtleitenden Halterung befestigt werden kann.