DE1203845B

DE1203845B - Thermionischer Wandler

Info

Publication number: DE1203845B
Application number: DEW32359A
Authority: DE
Inventors: Max Garbuny; Milton Gottlieb; Robert J Zollweg
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1961-06-27
Filing date: 1962-06-02
Publication date: 1965-10-28
Also published as: US3194989A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

H02n

HOIm

Deutsche Kl.: 21b-27/01

W 32359 VIII c/21b

2. Juni 1962

28. Oktober 1965

Anmelder: Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.) Vertreter: Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt: Max Garbuny,

Milton Gottlieb, Pittsburgh, Pa.; Robert J. Zollweg, Monroeville, Pitcairn, Pa.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. Juni 1961 (120 063) - -

τ-,. _t. j „ _- , , . , . , „ , Thermionischer Wandler

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermionische Wandler und betrifft insbesondere eine

Bauform, mit der beträchtliche Leistungen umgesetzt werden können.

Die thermionischen Wandler bestehen aus einer 5 Kathode, die bei der Arbeitstemperatur Elektronen emittiert, und einer Anode, die als Kollektor für die Elektronen wirkt, so daß zwischen den beiden Elektroden eine Potentialdifferenz entsteht. Das Hauptproblem bei solchen Wandlern ist die Raumladung io im Raum zwischen den beiden Elektroden, die die Leistungsfähigkeit begrenzt. Es sind verschiedene Methoden bekanntgeworden, um die Raumladung zu kompensieren, so daß höhere Ströme erzeugt werden können. Hierzu gehört beispielsweise das 15 Einführen eines leicht ionisierbaren Stoffes in den Innenraum. Wegen seines niedrigen Ionisationspotentials ist Caesium für diesen Zweck besonders geeignet. An der heißen Kathode tritt eine Kontaktionisation ein. 30

Statt dessen kann man auch die beiden Elektroden
mit sehr geringem Abstand aneinander setzen oder
gekreuzte elektrische und magnetische Felder zur
Beeinflussung des Elektronenweges heranziehen. Ob- 2

wohl die genannten Verfahren zur Raumladungs- 25

kompensation sich in der Praxis bewährten, sind pen und damit eine lokale Änderung der Elektrodenimmer noch Wandler großen Gewichtes und großen abstände nicht zu vermeiden sind.
Raumbedarfs erforderlich, um elektrische Leistung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher,

in einer technisch nutzbaren Größenordnung zu er- einen thermionischen Wandler zu schaffen, dessen zeugen. Man benötigt hierfür Kathodenoberflächen, 30 Kathode und Anode große Oberflächen aufweisen, die größer als 100 cm² sein müssen. Bei Wandlern der relativ wenig Raum beansprucht und leicht ist, mit derart großen Arbeitsflächen ist es schwierig, außerdem aber auch leicht zusammengebaut werden einen einheitlichen Elektrodenabstand konstruktiv kann und dennoch über eine lange Zeit dicht ist.
zu erreichen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

Bei einem bekannten thermionischen Wandler 35 gelöst, daß die Rippen sowohl mit dem Kathodenwird die angestrebte große Oberfläche dadurch er- als auch mit dem Anodenteil in solcher Anordnung halten, daß Kathode und Anode bzw. Emitter- und starr verbunden sind, daß beide Teile, für sich fertig-Kollektorelektrode mit Rippen versehen sind, deren gestellt, zusammenbaubar sind und nach dem ZuOberflächen jeweils einander in ihrer geometrischen sammenbau die Rippenoberflächen in geringem AbForm entsprechen und einander zugeordnet sind. Der 40 stand parallel zueinander liegen. Kathoden- und Zusammenbau eines solchen Wandlers bereitet große Anodenteil sind also mit starr angebauten Rippen Schwierigkeiten. So müssen die Rippen eine nach der versehen, so daß beide Teile für sich fertiggestellt anderen auf ein Heizrohr aufgesteckt werden. Emitter- und erst dann zusammengebaut werden können,
und Kollektorrippen müssen durch keramische Di- Zur näheren Erläuterung des Erfmdungsgegen-

stanzstücke auf Abstand gehalten werden, und je 45 Standes, seiner speziellen Eigenschaften und der zwei Kollektorrippen sind durch Keramikringe ver- Möglichkeiten seiner Realisierung dienen folgende bunden. Die so entstehenden Zellen sind dann durch Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dar-Schraubenfedem elektrisch zu verschalten. Der Zu- gestellt sind.

sammenbau erfordert daher einen hohen Aufwand Zunächst sei an Hand der Fig. 1 das Arbeitsund liefert trotzdem keine zufriedenstellenden Ergeb- 50 prinzip des Wandlers nach der Erfindung behandelt, nisse, da infolge der thermischen Ausdehnung bei Die Fig. 1 zeigt den Sättigungsstrom in Funktion

hohen Arbeitstemperaturen ein Verwerfen der Rip- der Kathodentemperatur eines thermionischen

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Wandlers. Die Kurve ist mit 10 bezeichnet. Der und Anodenteil massiv ausgebildet. Im Kathodenteil Sättigungsstrom kann als der Maximalstrom definiert 114 ist eine Bohrung 115 vorgesehen. Sie dient als werden, der unter gegebenen Bedingungen einem Heizrohr, durch das die umzusetzende Wärme ein-

thermionischen Emitter entnommen werden kann. geführt wird. In den Kathodenteil ist ein Schrauben-

Der Sättigungsstrom eines thermionischen Emitters, 5 gewinde eingeschnitten, so daß die Rippen 116 die

beispielsweise Wolfram, hat ein ausgeprägtes rela- Gänge einer Schraube darstellen. Entsprechend ist der tives Maximum 12 bei einer verhältnismäßig nied- Anodenteil 120 massiv mit eingeschnittenem Schrau-

rigen Temperatur, wenn die Kathode wenigstens bengewinde ausgebildet, so daß auch hier die Rippen teilweise mit Caesium bedeckt ist. Bekanntlich ist die 122 die Gänge eines Mutterngewindes darstellen.

Kathode bei dieser Temperatur genügend kalt, daß io Kathoden- und Anodenteile werden in der Weise an ihrer Oberfläche Caesium adsorbiert wird. Damit zusammengebaut, daß man den Anodenteil auf den wird die Austrittsarbeit der Kathode so weit Kathodenteil aufschraubt. Ein Isolierstück 124 am

erniedrigt, daß hohe Ströme entnommen werdep Ende des Kathodenteils 114 sorgt für den richtigen

können. Abstand der Rippenoberflächen. Zum vakuumdichten

Der Wirkungsgrad eines thermionischen Wandlers 15 Abschluß kann ein Keramikteil 125 mit Kathoden-

kann unter Vernachlässigung verschiedener Ver- und Anodenteil verbunden werden. Im Keramikteil

luste, beispielsweise in den Zuleitungsdrähten, durch kann ein Raum 126 zur Aufnahme von Caesium

folgende Formel beschrieben werden: vorgesehen sein. An der Oberfläche 123 des Anoden-

0c — Φα teils können gegebenenfalls Rippen zur Abfuhr der

Wirkungsgrad = ^ . _ao Restwärme an die Umgebung vorhanden sein.

0c + 2 k Tc Λ—— Es ist zweckmäßig, Kathodenteil und Anodenteil

3 aus verschiedenen Materialien herzustellen, so daß

Darin bedeuten Φ_ο das Austrittspotential der Ka- die betriebsmäßigen Temperaturdifferenzen durch die

thode, Φ_α das Austrittspotential der Anode, k die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten

Boltzmann-Konstante, T_c die absolute Kathoden- 25 berücksichtigt werden. Auf diese Weise gelingt es,

temperatur, Q die Strahlungsverluste, 7 die Kathoden- den Abstand von Kathoden- und Anodenoberfläche

stromdichte. konstant zu halten. Beispielsweise kann man den

Es ist daher wünschenswert, die Kathode bei Kathodenteil 114 aus Wolfram und den Anodenteil möglichst niedriger Temperatur und hoher Strom- 120 aus Nickel herstellen, wenn der Kathodenteil dichte zu betreiben, wenn die anderen Größen gleich- 30 auf der zweifachen Temperatur des Anodenteils gebleiben. Die Kathodenaustrittsarbeit wird jedoch von halten wird. Der Ausdehnungskoeffizient von Nickel der Arbeitstemperatur in inversem Sinne beeinflußt. ist etwa doppelt so groß wie der von Wolfram. In Das relative Maximum 12 der Kurve 10 nach F i g. 1 entsprechender Weise lassen sich auch andere wäre ein günstiger Arbeitspunkt, um bei relativ Materialkombinationen für die jeweils vorliegenden niedrigen Temperaturen hohe Stromdichten zu erhal- 35 Temperaturdifferenzen ermitteln. Es ist nicht erforten. Indessen kann die Abnahme der Kathodenaus- derlich, daß Kathoden- und Anodenteil gänzlich aus trittsarbeit den Gewinn an Wirkungsgrad dadurch den angegebenen Materialien bestehen. Es kann wieder aufheben, daß die Differenz der beiden Aus- zweckmäßig sein, Kathoden- und Anodenoberflächen trittsarbeiten kleiner wird. Die Auswahl des Arbeits- mit geeigneten Schichten zu überziehen, die auf punktes wird daher durch einen Kompromiß zwi- 40 Grund ihrer Eignung für den Betrieb des thermioschen den verschiedenen Größen, die den Wirkungs- nischen Wandlers ausgewählt sind, beispielsweise grad bestimmen, gekennzeichnet sein. Es wurde Molybdän-, Niobium-, Barium- und Strontiumoxyde gefunden, daß der maximale Wirkungsgrad in einem und bestimmte Karbide.

Temperaturbereich liegt, der sich etwa vom rela- Statt der Ausbildung von Kathoden- und Anodentiven Maximum 12 bis zu einer Temperatur erstreckt, 45 teil als massive Körper mit eingeschnittenen Gewindie 200 bis 600° C über der zugehörigen Tempera- den kann man den Wandler auch gemäß Fig. 3 auftur liegt. Dort erzielt man immer noch einen relativ bauen. Hier ist das Heizrohr 215 mit einem Flachhohen Sättigungsstrom. Dieser Sättigungsstrom ist gewinde versehen, daß die Rippen 216 bildet. Auch jedoch wegen der Raumladung nicht ohne weiteres hier ist jedoch der Kathodenteil 214 ein einheitliches realisierbar. Dies gilt, obwohl der Caesiumdruck 50 Ganzes. Das gleiche gilt für den Anodenteil 220, der relativ hoch sein kann, da die Kathodenaustritts- aus einer Röhre 223 mit angesetzten Rippen 222 in arbeit wesentlich unter der liegt, die für ausreichend Form eines Muttemflachgewindes besteht,
hohe Kontaktionisation erforderlich ist. Die Ionen- Wie die Fig. 4 zeigt, kann man bei grundsätzlich dichte ist daher niedrig. Man erkennt daraus, daß ein gleicher Ausbildung des Kathodenteils 314 mit dem geringer Abstand zwischen Kathode und Anode von 55 Heizrohr 315 und dem Flachgewinde 316 den wesentlicher Bedeutung für eine zusätzliche Raum- Anodenteil 320 auch so ausbilden, daß die Gewindeladungskompensation durch eine konstruktive Maß- rippen 323 doppelwandig ausgeführt sind. Auf diese nähme ist. Weise entsteht ein Anodenteil, der grundsätzlich

Während die Erfindung sich insbesondere auf bereits mit Kühlrippen für die Abfuhr der Restthermionische Wandler mit der eben geschilderten 60 wärme versehen ist. Ein Aufsetzen von zusätzlichen Arbeitsweise bezieht, d. h. auf Wandler, die einen Rippen auf die Oberfläche 323 kann dann unter Umionisierbaren Dampf mit einem Druck von etwa ständen entbehrlich sein.

lmm Quecksilbersäule enthalten, leuchtet es ohne Der Zusammenbau fertiger Kathoden-und Anodenweiteres ein, daß sie auch bei thermionischen Wand- teile kann nicht nur wie bei den Ausführungsbeilern anwendbar ist, die allein mit Hochvakuum 65 spielen nach F i g. 2 bis 4 durch Einschrauben, sonarbeiten. dem auch durch Einstecken erfolgen, wie aus der

Ein Ausführungsbeispiel für einen Wandler nach Fig. 5 hervorgeht. Der Kathodenteil 414 besteht

der Erfindung zeigt die Fig. 2. Hierbei sind Kathoden- dann aus einem Heizrohr 415 mit sternförmig ange-

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setzten Rippen 416. Der Anodenteil 420 ist zur Umfassung des Kathodenteils an der Stelle 422 gegenüber der äußeren Oberfläche 423 eingezogen. Auch hier sind zusätzliche Kühlrippen für die Anode unter Umständen entbehrlich. Hier wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen kann der Querschnitt des Heizrohres von der Kreisform abweichen.

Als Wärmequelle eignen sich sowohl Gasbrenner als auch Kernbrennstoffe, die innerhalb der Heizrohre angeordnet sein können.

Anoden- und Kathodenteile können entweder aus dem Vollen herausgearbeitet oder in geeigneter Weise, beispielsweise durch Schweißen, zusammengebaut werden. Die Abmessungen der beiden Teile werden zweckmäßig so gewählt, daß die Abstände *5 von Kathoden- und Anodenflächen höchstens 0,25 mm betragen. Dieser Abstand ist für die Verwendung in gasgefüllten Wandlern geeignet. In Wandlern, die mit Hochvakuum arbeiten, wird es erforderlich sein, zur Raumladungskompensation die Abstände noch a° weiter zu verringern.

Es wurde gefunden, daß das Maximum 12 in der Kurve der Fig. 1 nach höheren Temperaturen verschoben werden kann, wenn neben Caesium ein anderer Dampf in den Innenraum des Wandlers ein- ^a5 geführt wird, der sich auf der Kathodenoberfläche niederschlägt und eine Adsorption von Caesium bei höheren Temperaturen ermöglicht. Dadurch wird die Austrittsarbeit der Kathode um einen größeren Betrag herabgesetzt. Der Betrieb im Bereich nahe dem Maximum 12 verlängert die Lebensdauer der Kathode, da die Verdampfung wesentlich vermindert wird. Auch sind Strahlungsverluste bei diesen niedrigen Temperaturen relativ klein.

Die Erfindung schafft damit die Möglichkeit, in einem Wandler relativ geringen Gewichts und kleiner äußerer Abmessungen große wirksame Oberflächen unterzubringen und dabei für mechanische Stabilität des Aufbaus innerhalb großer Temperaturbereiche zu sorgen. Der Grundgedanke der Erfindung, einen Wandler aus zunächst für sich fertiggestellten Anoden- und Kathodenteilen mit Rippen zusammenzubauen, läßt sich auf verschiedene Arten verwirklichen, so daß die Fig. 2 bis 5 nur als Beispiele aufzufassen sind.

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Claims

Patentansprüche:

1. Thermionischer Wandler zur unmittelbaren Umwandlung von thermischer in elektrische Energie, dessen Emitter- und Kollektorelektrode mit Rippen versehen sind, deren Oberflächen jeweils einander in ihrer geometrischen Form entsprechen und die einander zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen sowohl mit dem Kathoden- als auch mit dem Anodenteil in solcher Anordnung starr verbunden sind, daß beide Teile, für sich fertiggestellt, zusammenbaubar sind und nach dem Zusammenbau die Rippenoberflächen in geringem Abstand parallel zueinander liegen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenteil aus einem Heizrohr mit fest verbundenen Rippen besteht.

3. Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen schraubenförmig angeordnet sind (Fig. 3, 4).

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kathodenteil und Anodenteil massiv mit eingeschnittenem Schraubengewinde ausgebildet sind (Fig. 2).

5. Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen sternförmig angeordnet sind (Fig. 5).

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Rippenoberflächen von Kathodenteil zu Anodenteil höchstens 0,25 mm beträgt.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für Kathoden- und Anodenteil Materialien gewählt sind, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten eine Konstanthaltung des Abstandes der Rippenoberflächen bei den betriebsmäßigen Temperaturdifferenzen bewirken.

8. Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenteil mit Rippen zur Abfuhr der Restwärme an die Außenluft versehen ist.

9. Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Wandlers einen bei der Arbeitstemperatur dampfförmigen Stoff, insbesondere ein Alkalimetall zur Raumladungskompensation enthält.

10. Verfahren zum Betrieb eines Wandlers nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodentemperatur entsprechend der Temperatur gewählt wird, bei der ein Strommaximum infolge der Metalladsorption auftritt (F i g. 1).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung des Strommaximums weiteres, die Adsorption von Caesium auf der Kathodenoberfläche förderndes Material in den Innenraum eingeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 890 617;
»Electronics«, 1959,13. November, S. 70 bis 72.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 719/164 10.65 ® Bundesdruckerei Berlin