CH441489A - Elektrode zum Übertragen eines elektrischen Stromes zwischen einem Leiter und einem heissen, elektrisch leitenden Gas - Google Patents

Description

  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.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Elektrode zum Übertragen eines elektrischen Stromes zwischen einem Leiter und einem heissen, elektrisch lei tenden Gas, mit einem langgestreckten metallischen Glied, das auf einer Seite mindestens eine Nut aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (13) Füllmaterial (14) ent hält, das dem Gas ausgesetzt ist, wobei dieses Füllmaterial bei einer Betriebstemperatur des Gases von mehr als 1100 C elektrisch leitend und bei einer wesentlich tiefe ren Temperatur als der Betriebstemperatur des Gases ein Isolator ist. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Elektrode nach Patentanspruch:, dadurch gekenn zeichnet, dass die genannte Seite und das Füllmaterial ,eine einzige, im wesentlichen glatte Fläche bilden. 2. Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass das metallische Glied (12) aus nichtrosten dem Stahl besteht, und dass das genannte Füllmaterial (14) aus einem keramischen Stoff besteht, der ein Elek tronen emittierendes Material enthält. 3.

   Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass das genannte metallische Glied (12) me chanisch und elektrisch verbunden ist mit einem ther misch leitenden metallischen Basisglied (10), das einen Durchlass (11) zur Aufnahme eines Kühlmittels aufweist, dass das genannte Basisglied aus weicherem Metall be steht als das andere Glied (12), und dass die genannte Nut (13) an der zum Basisglied entgegengesetzten Seite angeordnet ist. 4. Elektrode nach Unteranspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass das genannte metallische Basisglied (10) aus Kupfer besteht. 5. Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass das genannte Füllmaterial (14) im wesent lichen nicht oxydierbar ist. 6.

   Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass das genannte Füllmaterial (14) aus Zir- koniumoxyd besteht, das mit Kalziumoxyd elektro nenemittierend gemacht worden ist. 7. Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die genannte Seite Rechteckform aufweist, und dass die genannte Nut (13) langgestreckt ist und sich in der Längsrichtung der genannten Seite erstreckt. B. Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass das Füllmaterial (14) bei Temperaturen von 1100 C und mehr eine thermische Emission in der Höhe von mindestens 10 A/cm2 aufweist.