DE1171483B - Verfahren zur Wahrung optimaler Abstands-bedingungen zwischen Emitter und Kollektor eines thermoelektronischen Wandlers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Ii ι ι DEUTSCHES ^W^ PATENTAMT Internat. Kl.: HOIm

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 b - 27/01

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

J 20187 VIII c/21b

6. Juli 1961

4. Juni 1964

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Wahrung optimaler Abstandsbedingungen zwischen Emitter und Kollektor eines thermelektronischen Wandlers, der zur unmittelbaren Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie dient.

Es ist allgemein bekannt, daß die Wirksamkeit von luftleeren thermischen Wandlern beachtlich durch die Raumladung in dem Zwischenraum zwischen heißem Emitter und Kollektor vermindert wird. Der Raumladungseffekt, der von den von dem Emitter emittierten Elektronen herrührt, muß überwunden werden, um zu einem wirksamen thermischen Wandler zu gelangen.

Eine bekannte Lösung zur Verminderung der Raumladung, die darin besteht, einen extrem kleinen Emitter-Kollektor-Abstand zu verwenden, hat sich auf Grund der Ausdehnung und des Sichverwerfens des Elektrodenmaterials als unpraktisch erwiesen. Ein anderer Versuch zur Lösung des Raumladungsproblems brachte Gas in den Wandler, so daß die Raumladung teilweise durch positive Ionen kompensiert wurde. Diese gasgefüllten Wandler lösen teilweise das Raumladungsproblem, aber sie führen zu eigenen Problemen, die notwendigerweise die Wirksamkeit der gasgefüllten Wandler weit unter die von bekannten luftleeren Wandlern mit extrem kleinem Abstand reduzieren.

Ferner sind dem Buch von Kaye und Welsch, »Direct conversion of heat to electricity« (Mai 1960), insbesondere S. 1-1, Absatz 1 und 2, Wärmewandler zu entnehmen, die einen Elektronen emittierenden Emitter, der von der Wärmequelle geheizt wird, und einen Elektronen absorbierenden Kollektor, der auf einer im Vergleich zum Emitter niedrigeren Temperatur gehalten wird, aufweisen. Aus dem gleichen Buch ist es auch bekannt, daß die entnehmbare Stromdichte bei einem thermelektronischen Wandler eine Funktion sowohl der Temperatur als auch des Abstandes Emitter—Kollektor ist.

Schließlich ist dem gleichen Buch ferner zu entnehmen, daß bei einem solchen Wandler, sofern er optimal arbeiten soll, der Abstand einen bestimmten Betrag haben muß.

Endlich sind durch die deutschen Auslegeschriften 1 074 687 und 1 080 643 thermelektronische Energiewandler bekanntgeworden, bei denen die Oberflächen des Kollektors mit in geeigneter Weise aufgetragenen Überzügen aus Materialien versehen sind, die bestimmte Eigenschaften, z. B. geeignete Elektronenaustrittsarbeit, aufweisen.

Zwar ist dem bereits genannten Buch zu entnehmen, daß bei einem thermelektronischen Energie-Verfahren zur Wahrung optimaler Abstandsbedingungen zwischen Emitter und Kollektor
eines thermoelektronischen Wandlers

Anmelder:

International Standard Electric Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:

Donald Kennedy Coles, Fort Wayne, Ind.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 7. Juli 1960 (41 314)

wandler, sofern er optimal arbeiten soll, der Abstand zwischen Emitter und Kollektor einen bestimmten Betrag haben muß; aber weder dem genannten Buch noch den anderen Literaturstellen ist irgendein Hinweis zu entnehmen, auf welche Art und Weise der zum optimalen Arbeiten des thermelektronischen Energiewandlers erforderliche Abstand zwischen Emitter und Kollektor während dessen Betrieb erreicht werden kann.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, den Nachteil der bekannten thermelektronischen Energiewandler — nämlich daß der erforderliche Abstand zwischen Emitter und Kollektor zur optimalen Arbeitsweise nicht einstellbar ist — zu vermeiden und ein Verfahren zur Wahrung optimaler Abstandsbedingungen zwischen Emitter und Kollektor eines thermelektronischen Energiewandlers vorzuschlagen, der zur unmittelbaren Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie dient.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß innerhalb des den Emitter und Kollektor enthaltenden Gehäuses des Wandlers Mittel vorgesehen wer-

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den, durch welche während des Betriebes des Wandlers die Oberfläche des Kollektors in den betriebsmäßig erwünschten bzw. optimalen Abstand zur Oberfläche des Emitters einstellbar ist.

Gemäß einer speziellen Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, zur Änderung des Emitter-Kollektor-Abstandes Metall auf die Kollektorfläche aufzudampfen. Es wird ferner als vorteilhaft angesehen, daß das aufzudampfende Metall in oder auf einem Teil des Kollektors angeordnet ist und in Abhängigkeit von der Temperatur verdampft.

Die Erfindung sei nun im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen Zeichnungen stellt

F i g. 1 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines thermischen Wandlers gemäß der Erfindung dar;

F i g. 2 zeigt einen Schnitt des Ausführungsbeispieles der Fig. 1.

Der thermische Wandler der F i g. 2 besteht aus einem thermischen Emitter 1, der mit irgendeiner Wärmequelle in Verbindung steht, einem Kollektor 2, dessen Oberfläche 2 a einen bestimmten Abstand von dem Emitter 1 aufweist, und einem Behälter 3, der das verdampfende Metall 3 α enthält, welches auf die Kollektoroberfläche 2 a aufgedampft werden soll. Obgleich der erfindungsgemäße thermische Wandler alle möglichen Energiequellen verwenden kann, ist das besondere Ausführungsbeispiel unter Verwendung der Sonnenwärme beschrieben. Die Oberfläche la des Emitters 1 ist der Wärmeenergie ausgesetzt. Von der entgegengesetzten Oberfläche Ic werden dann Elektronen auf Grund der thermischen Emission emittiert. Der Kollektor 2 ist in den Weg der emittierten Elektronen gelegt und die Elektronen, die den Kollektor erreichen, laden diesen auf. Der Zwischenraum zwischen der Emitteroberfläche 1 c und der Kollektoroberfläche 2 a ist vorzugsweise evakuiert und die Elektronen, die das Vakuum durchfliegen, bilden einen elektrischen Strom, welcher in einem geeigneten Stromkreis zwischen Emitter 1 und Kollektor 2 verwendet werden kann.

Eine beachtliche Begrenzung der Wirksamkeit des thermischen Wandlers tritt dann ein, wenn die von dem Emitter zum Kollektor fliegenden Elektronen eine negative Raumladungswolke bilden (im allgemeinen Raumladung genannt), wodurch die Emission von neuen Elektronen von dem Emitter verhindert wird und dadurch die Größe des fließenden Stromes und somit auch die Gesamtwirksamkeit des Wandlers reduziert wird.

Es ist bekannt, daß die Begrenzung der Wirksamkeit der thermischen Wandler durch die Raumladung dadurch begrenzt werden kann, daß der Emitter-Kollektor-Abstand möglichst klein, ungefähr in der Größenordnung von 0,01 mm gemacht wird. Hilary Moss hat in einem Artikel »Thermische Dioden von Konvertern« im Journal of Electronic, Januar 1957, S. 305, ausgeführt, daß der kleine Emitter-Kollektor-Abstand die Wirksamkeit verbessert, aber eine solche Lösung unpraktisch ist, weil es zu schwierig ist, die erforderliche Ebenheit und Glätte der Elektroden zu erreichen, die allein einen definierten Abstand gewährleisten. Die Hauptschwierigkeit besteht in der thermischen Ausdehnung und dem Verwerfen des Emitters und Kollektors während des Betriebes. Da die Art und Weise, in der sich die Emitter und Kollektoren ausdehnen oder verwerfen, in den meisten Fällen nicht bestimmt werden kann, besteht das Problem darin, einen konstanten gleichförmigen, extrem kleinen Emitter-Kollektor-Abstand zu erzielen, trotz der Abstandsänderungen auf Grund der Ausdehnung und Verwerfung, wo und wann auch immer diese Veränderungen auf der Emitter- oder Kollektoroberfläche stattfinden.

Die Oberfläche 1 c des Emitters 1, welcher vorzugsweise aus Wolfram besteht, ist anfänglich in einem größeren Abstand, als für die optimale Wirksamkeit erforderlich, zu der Oberfläche 2 a des Kollektors 2, der aus Tantal bestehen kann, angeordnet. Ein keramischer Ring 4 wird zur Isolation und zur Abstandshalterung des Kollektors 2 von dem Emitter 1 verwendet. Eine Quelle von verdampfendem Metall 3 a ist vorgesehen. Diese Quelle ist vorzugsweise in einem zentral angeordneten Behälter 3 angeordnet. Wenn der Wandler in aufrechter Stellung in Betrieb ist, wird das Metall auf Grund der Gravitation in dem Behälter zurückgehalten werden, aber in vielen Fällen kann der Wandler nicht in aufrechter Lage gehalten werden. Es wird dann ein poröser Pfropfen 3 c vorgesehen, um das Metall an seinem Platz zu halten. Der Pfropfen 3 c kann aus gesintertem Material, z. B. Wolfram, Nickel, Tantal, Molybdän bestehen, so daß er das Metall vorzugsweise in seinen Zwischenräumen hält auf Grund der Oberflächenspannung, aber wenn das Metall verdampft, wird es durch den Pfropfen gehen und sich auf der Oberfläche 2 a niederschlagen. Wenn der Emitter 1 durch eine Wärmequelle ersetzt wird, wird sie Wärme auf den Kollektor 2 abstrahlen. Eine reflektierende Wärmeschranke 2 b umgibt vollständig die äußere Kante des Kollektors und verhindert, daß Wärme auf den Kollektor trifft. Konische Schlitze 2 c in dem Kollektor 2 sorgen dafür, daß die Wärme des Kollektors nach innen geleitet wird, so daß die Wärmeverteilung an den äußeren Kanten der Kollektoroberfläche größer ist, so daß hier kein Metall niedergeschlagen wird, wodurch der Isolatorring 4 kurzgeschlossen würde. Eine weitere Wärmeschranke 3 b umschließt den Behälter 3, wodurch dieser auf der höchsten Temperatur der Kollektoren gehalten wird. Die auf die Quelle 3 α konzentrierte Wärme läßt das Metall verdampfen und sich auf der ebenen Oberfläche 2 a niederschlagen, welche der kälteste zugängliche Teil des Kollektors ist. Mit der weiteren Aufdampfung von Metall auf die Oberfläche 2 a wird der Emitter-Kollektor-Abstand verkleinert. Dadurch wird der Emissionsstrom vergrößert, da die Bedingungen für eine maximale Wirksamkeit erreicht werden. Je kleiner der Abstand, um so größer die Wirksamkeit, da die Raumladungseffekte reduziert werden. Dies erfolgt so lange, bis ein endgültiger Abstand erreicht ist und keine weitere Aufdampfung mehr möglich ist. Dieser Abstand gewährleistet eine wirksame Arbeitsweise.

Bei einem Wandler der beschriebenen Art mit einer Emittertemperatur in dem Bereich zwischen 1000 und 2500⁰C und mit einer Kollektortemperatur zwischen 400 und 1000° C oder sogar kalter und einem Abstand von 0,25 mm ist die Anfangsstromdichte in den meisten Fällen Null. Wenn der Abstand kleiner als 0,012 mm auf Grund der Metallverdampfung wird, steigt die Stromdichte auf ungefähr 0,4 Ampere/qcm Emitteroberfläche, und die Wärme auf Grund des Elektronenflusses ist in der Größenordnung von 0,005 Watt/qcm. Diese Wärme

reicht aus, um die Temperatur der Oberfläche 2 a des Kollektors 2 zu erhöhen, die nun mit verdampfendem Material bedeckt ist, und die Aufdampfrate wird verkleinert. Wenn der Emitter-Kollektor-Abstand die Größenordnung von 0,025 mm erreicht, erhöht die Wärme auf Grund des Elektronenflusses die Temperatur der aufgedampften Metalloberfläche derart, daß das Metall wieder verdampft und nicht mit der Emitteroberfläche in Berührung kommt und ein Abstand in der Größenordnung von 0,025 mm zwischen Emitter und Kollektor aufrechterhalten wird. Dieser Abstand ergibt, wie bereits oben ausgeführt, eine große Wirksamkeit auf Grund der reduzierten Raumladungseffekte.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß, wenn der Abstand dazu neigt, ungleichmäßig zu werden, diese Bezirke des bedeckten Kollektors, die dem Emitter am nächsten sind, auch am heißesten sind, so daß mehr des aufgedampften Materials von diesen Bezirken abdampft und dadurch die Verringerung des Abstandes dieser Bezirke aufgehoben wird. Dies beruht darauf, daß die Wärmeleitfähigkeit des Tantalkollektors und ihrer Schicht von aufgedampften Metall nicht genügt, um Temperaturdifferenzen durch Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Bereich von 1 qmm und dem Rest des Kollektors auszugleichen, so daß, wenn ein kleiner Bereich der Kollektoroberfläche einen Abstand von 0,025 mm zum Emitter erreicht, die Aufdampfung aufhört, bis der Rest der Kollektoroberfläche nahe an diesen Abstand herangekommen ist. Der Emitter-Kollektor-Abstand über der Anordnung, in der das verdampfende Material untergebracht ist, wird nicht reduziert, und folglich ist die Stromdichte an diesem Punkt vernachlässigbar auf Grund des großen Abstandes und der Begrenzung durch die Raumladung. Daraus folgt, daß die Wärme an dem Behälter 3 nicht größer ist als die Wärme des Restes des Kollektors, und die Verdampfung des Metalls hört auf.

Wenn auf Grund der Arbeitsbedingungen sich die Oberfläche des Emitters oder die Tantaloberfläche des Kollektors ihren Abstand und ihre Form auf Grund von Ausdehnen oder Sichverwerfen ändern sollte, werden die entsprechenden Teile der Kollektoroberfläche, deren Abstand sich auf Grund dieser Änderungen vergrößert oder verkleinert hat, entsprechend kalter oder wärmer. Wenn der Abstand sich verkleinert hat, verdampft die vergrößerte Hitze von dem jetzt näher gelegenen Emitter Metall von der Kollektoroberfläche an diesem Punkt, wodurch der Abstand gleichmäßig wird. In ähnlicher Weise, wenn der Abstand sich vergrößert hat, dampft mehr Metall auf die nun kältere Stelle und macht auf diese Art und Weise den Abstand gleichmäßig. Es ist also gezeigt, daß die Erfindung nicht nur geeignet ist, um einen minimalen gleichmäßigen Emitter-Kollektor-Abstand zu schaffen, sondern daß die Erfindung auch gewährleistet, daß der Abstand gleichmäßig bleibt, auch während der Abstandsänderungen, die durch den Betrieb verursacht sind.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß Kurzschlüsse zwischen Emitter und Kollektor vermieden sind, da das auf den Kollektor aufgedampfte Metall niemals einen Kontakt mit dem Emitter auf Grund der Emitterwärme gestattet. Sollte jedoch aus irgendeinem Grunde das aufgedampfte Metall in Kontakt mit dem Emitter kommen, wird der wesentlich heißere Emitter augenblicklich diesen Kontakt durch Verdampfung des Metalls beseitigen, bevor ein schädlicher Kurzschluß eintreten kann.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die Arbeitsoberfläche des Kollektors das aufgedampfte Metall bildet, so daß das Kollektormaterial in bezug auf seine Leitfähigkeitseigenschaften ausgewählt werden kann, so daß der Kollektor, wie bereits gezeigt, aus Tantal oder Kupfer bestehen kann.

Wenn der Betrieb des Wandlers unterbrochen wird und er gleichmäßig abkühlt, bleibt der Emitter-Kollektor-Abstand ungefähr der gleiche. Wenn es aber aus besonderen Gründen erwünscht ist, daß das aufgedampfte Metall in seinen zentralen Behälter 3 zurückkehrt, kann der Strahlungsschirm 3£> entfernt werden, der Behälter wird dann der kälteste Teil des Kollektors und das Metall dampft zurück an seine ursprüngliche Stelle.

Einige Metalle, die bei den erfindungsgemäßen Anordnungen verwendet werden können, sind in der folgenden Tabelle 1 zusammen mit ihren Temperaturen und vier entsprechenden Verdampfungsdrucken und den entsprechenden Verdampfungsbeträgen in Mikron je Minute angegeben. Diese Daten sind meistens dem Buch »Vacuum Technique« (Wiley, 1949) von S. Dushman entnommen. Die meisten dieser Metalle werden bei den erfindungsgemäßen Anordnungen zu einem befriedigenden Erfolg führen.

Metalldampfdruck

10~⁵ mm

10°⁴mm IO-³ mm

10-² mm

Tm

Cadmium

Zink

Magnesium

Strontium

Barium

Calcium j

S T S T S T S T S T S

148

0,021
211

0,018
287

0,042

361

0,050
478

0,045
408

0,055

180

0,20 248

0,17 331

0,40 413

0,48 476

0,43 463

0,53 220

1,9
292

1,7
383

3,9
475

4,6
546

4,1
528

5,1

264

18,5
343

16
443

37
549

44
629

39
605

321
419
651
800
800
810

	Metall dampfdruck	10-'mm	10"4 mm	10-'mm	10-2mm	Tm
Silber j Kupfer Mangan I	T S T S T S	767 0,011 946 0,009 717 0,011	848 0,10 1035 0,086 791 0,11	963 1,0 1141 0,83 878 1,0	1047 9,5 1273 7,9 980 10	{ 961 j 1083 { 1260

T ist die Temperatur in Celsiusgraden, die den Dampfdrücken entspricht; S ist die Verdampfungsgeschwindigkeit in Mikron je Minute.

Obgleich die Erfindung als Vakuumwandler beschrieben wurde, kann jedoch auch ein geeigneter Dampf, z. B. Caesiumdampf, verwendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wahrung optimaler Abstands- ao bedingungen zwischen Emitter und Kollektor eines thermelektronischen Wandlers, der zur unmittelbaren Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie dient, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des den Emitter und Kollektor enthaltenden Gehäuses des Wandlers Mittel vorgesehen werden, durch welche während des Betriebes des Wandlers die Oberfläche des Kollektors in den betriebsmäßig erwünschten bzw. optimalen Abstand zur Oberfläche des Emitters einstellbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des Kollektor-Emitter-Abstandes auf die der Emissionsfläche des Emitters zugewandten Oberfläche des Kollektors Metall aufgedampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Kollektoroberfläche aufzudampfende Metall in einem innerhalb des Kollektors angebrachten Behälter untergebracht ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter in einer zentralen Bohrung des Kollektors untergebracht und von einer Wärmeschranke (3 b) umgeben ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter, der das zu verdampfende Metall enthält, durch einen porösen Pfropfen, durch den das Metall verdampft, verschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 074 687,
643;

Kaye und Welsch, »Direct conversion of heat to elektricity«, 1960, S. 1-1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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