DE1246069B - Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie - Google Patents

Description

DEUTSCHES VMWQS& PATENTAMT

DeutscheKl.: 21b-29/00

AUSLEGE S CH RI FT —

Aktenzeichen: G 25790 VIII c/21 b

1 246 069 Anmeldetag: 24.November 1958

Auslegetag: 3. August 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mit einem Gerät, in dem zwei leitende Elektroden mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten in einem gewissen Abstand isoliert voneinander in einer vakuumdichten Hülle gehaltert sind.

Zahlreiche bekannte Verfahren, bei denen thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, arbeiten mit einem sehr geringen Wirkungsgrad, der z. B. bei den Thermoelementen und Thermosäulen maximal in der Größenordnung von wenigen Prozenten liegt. Andererseits werden neue Quellen thermischer Energie erschlossen, z.B. die Kernreaktoren und Systeme, die die Sonnenenergie' ausnutzen, bei denen möglichst wirkungsvoll die thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden soll.

Es ist bereits ein Gerät zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie bekannt, bei dem sich zwei Elektrodenplatten, von denen die eine z. B. aus Tantal, Molybdän, Kupfer, Quecksilber, Wolfram, Silber, Eisen, Gold oder Nickel und die andere aus Zink oder Magnesium aufgebaut ist, in einem geringen Abstand gegenüberstehen, der mit Cäsiumdampf gefüllt ist. Die Materialien für die Elektrodenplatten sind derart gewählt, daß das Metall der einen Platte eine Elektronenaustrittsarbeit aufweist, die das Ionisierungspotential des Cäsiumdampfes übersteigt, während das Metall der anderen Platte eine geringere Austrittsarbeit als das Ionisierungspotential des Cäsiumdampfes besitzt. Cäsiumdampf ist im Hinblick auf seine leichte Ionisierbarkeit und seinen niedrigen Verffüssigungspunkt ausgewählt, damit ein möglichst starker elektrischer Strom bei mäßigen Temperaturen unterhalb der Temperaturen erhalten wird, bei denen eine wesentliche glühelektrische Elektronenemission stattfindet, wobei jedoch die Austrittsarbeiten der beiden Elektroden nicht zu sehr oberhalb bzw. unterhalb des Ionisierungspotentials des Cäsiumdampfes liegen sollen. Der Druck dieses Dampfes ist vorzugsweise derart klein zu wählen, daß die mittlere freie Weglänge der Moleküle und Ionen etwa gleich dem Abstand zwischen den beiden Elektrodenflächen ist. Die Elektrodenfläehen sind außerdem so dicht einander gegenübergestellt, daß praktisch kein gegenseitiger Kontakt und somit kein elektrischer Kurzschluß zustande kommen dürfen.

Damit das bekannte Gerät richtig arbeitet, soll der Temperaturbereich für das kondensierbare Gas bzw. den Cäsiumdarnpf so liegen, daß eine sehr geringe Dampfmenge_i die kleiner ist als zur Bildtaig einer Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, Ν. Υ. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:
Volney Colvin Wilson,
Scotia, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. November 1957
(698552)

Schicht von einer Moleküldicke notwendig ist, auf beiden Elektrodenflächen absorbiert wird. Die Verdampfung darf also nicht von der Fläche des kondensierten Dampfes ausgehen, sondern muß am Metall der Elektrodenplatten stattfinden, da sonst keine Ionisierung stattfindet.

Im einzelnen erfolgt die Umwandlung der thermischen Energie in elektrische Energie bei diesem bekannten Gerät dadurch, daß der Elektrode mit der höheren Elektronenaustrittsarbeit die Wärme zugeführt wird und infolge der thermischen Molekülbewegung ein lon von dieser Elektrodenfläche losgerissen wird, das ein Valenzelektron an dieser Elektrode zurückläßt. Infolge seiner positiven Ladung wandert das lon zur anderen Etektrodenfläche, an der es wieder ein Elektron aufnimmt und sich dabei von dieser · Fläche ablöst. Infolge dieses Leitungsmechanismus lädt sich die Elektrode mit der größeren Austrittsarbeit negativ auf, während die andere Elektrode positiv wird

Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens Hegt darin, daß einerseits zur Aufrechterhaltung des geringen Druckes bzw. der großen freien Weglänge der Ionen und Moleküle des Dampfes die Zahl der überhaupt im Zwischenraum zwischen den Elektroden vorhandenen Teilchen klein gehalten werden muß, andererseits aber möglichst viele Teilchen zum

709 619/264

Transport der Ladungen von der einen Elektrode zur anderen verfügbar sein sollen. Infolge dieser Gegensätzlichkeit ist die Gesamtausbeute an elektrischer Energie selbst unter optimalen Bedingungen stark begrenzt.

Es ist auch bekannt, an Stelle des sehr geringen Dampfdruckes innerhalb der Hülle einen größeren zu benutzen, bei dem jedoch die freie Weglänge der Ionen und Moleküle sehr klein ist und zahlreiche Zusammenstöße zwischen den Ionen und Molekülen stattfinden. Hierbei kann ein Elektronenaustausch zwischen den neutralen Molekülen und den Ionen stattfinden. Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Austausch, der für den Leitungsträgertransport von der heißen zur kalten Elektrode wesentlich ist, hängt von der Differenz der Neutralisierungs- und Ionisierungsenergie und von dem Abstand der Partikel während des Austausches ab. Je kleiner diese Differenz ist, desto wahrscheinlicher ist der Elektronenaustausch; ein lon in seinem eigenen Dampf besitzt also die größte Umladungswahrscheinlichkeit. Andererseits beschränkt aber die Geschwindigkeit der Gas- oder Dampfpartikel die Möglichkeit der Umladung bzw. des Elektronenaustausches, weil sie zur Vermeidung eines adiabatischen Vorganges nicht, zu klein, aber auch nicht zu groß sein darf, da die Umladung eine, gewisse Zeitdauer in Anspruch nimmt. Andererseits hat der Wirkungsquerschnitt der teilnehmenden Partikel in einem gewissen Geschwindigkeitsbereich anomal große Werte; dieser Bereich deckt sich aber nicht zwangläufig mit den Geschwindigkeiten, die für die Dauer der Umladung am günstigsten sind. Außerhalb des mittleren Geschwindigkeitsbereiches entspricht der Wirkungsquerschnitt der Partikel nur noch dem gaskinetischen Wirkungsquerschnitt, so daß man zwar die Umwandlung bzw. den ElektronenaÜstausch zwischen den Ionen und Molekülen bei höheren Dampfdrücken im Vergleich zum zuvor erläuterten Verfahren ausnutzen kann, aber der Leitungsträgertransport zwischen den Elektroden und somit die ausnutzbare elektrische Energie doch stark beschränkt bleiben.

Die Aufgabe der Erfindung ist ein ähnliches Verfahren, bei dem jedoch der Leitungsträgertransport von der einen zur anderen Elektrode weit günstiger und wirkungsvoller gestaltet ist.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mit einem Gerät, bei dem zwei leitende flächenhafte Elektroden in einem gegen ihre Ausdehnung kleinen Abstand isoliert voneinander in einer vakuumdichten Hülle angeordnet sind, bei dem eine erste Elektrode eine größere Austrittsarbeit als die zweite Elektrode hat und bei dem ein Alkalimetall wie Cäsium, Rubidium oder Natrium als ionisierter Dampf im Raum zwischen den Elektroden vorhanden ist. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrode mit der größeren Austrittsarbeit in einem Temperaturbereich gehalten wird, in dem eine reichliche Glühemission von Elektronen erfolgt, und daß die Elektrode mit der geringeren Austrittsarbeit durch Kühlung auf einer mehrere hundert Grad Kelvin niedrigeren Temperatur gehalten wird, bei der eine vernachlässigbare Elektronenemission stattfindet.

Vorzugsweise kann die Elektrode mit der größeren Elektronenaustrittsarbeit oberhalb 1400° K und die andere Elektrode mindestens 700° K unter der

Temperatur der ersten Elektrode gehalten werden. Ferner kann dem Zwischenelektrodenraum zur Bildung von positiven Ionen Cäsiumdampf mit einem Druck zugeführt werden, der einer Temperatur entspricht, die etwas unterhalb der Temperatur der kälteren Elektrode liegt; dabei können ein vollständiger Überzug der kälteren Elektrode mit Cäsium und ein teilweiser Überzug der wärmeren Elektrode mit Cäsium erzeugt werden. Der Anteil der bedeckten Fläche hängt von der Temperatur der emittierenden Elektrode und von der Temperatur des kältesten Teils des flüssigen Cäsiums ab, das mit dem Inneren des Geräts in Verbindung steht. Zur Bildung von positiven Ionen im Zwischenelektrodenraum kann innerhalb des im Zwischenelektrodenraum vorhandenen Cäsiumdampfes ein Wolframglühfaden auf einer höheren Temperatur als die auf der heißen Elektrode gehalten werden. Das verwendete Cäsium hat nämlich eine weitere Funktion und einen Vorteil

zo bei dem Verfahren gemäß der Erfindung, die darin bestehen, daß es eine Ionenquelle zur Neutralisierung der negativen Raumladung darstellt.

Wenn die negative Raumladung im wesentlichen von den Cäsiumionen neutralisiert ist und die relativ kalte Kollektorelektrode eine im wesentlichen geringere Austrittsarbeit als die Emitterelektrode besitzt, steht ein beträchtlicher Teil der Differenz zwischen den Austrittsarbeiten der "beiden Elektroden, die als Kontaktpotential bezeichnet wird, als Spannungsquelle zur Stromerzeugung in einem äußeren Kreis zur Verfügung.

Die Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung der Figuren deutlich hervor.

F i g. 1 ist ein Aufriß im Schnitt durch ein Umwandlungsgerät gemäß der Erfindung;

F i g. 2 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung:

F i g. 3 ist ein Schnitt der F i g. 2;

Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Quelle thermischer Energie innerhalb des Geräts eingeschlossen ist;

F i g. 5 ist eine logarithmische Auftragung einer feldfreien Emission eines Wolframglühfadens für verschiedene Temperaturen des flüssigen Cäsiums.

In F i g. 1 ist eine zylindrisch geformte Zelle mit teilweise ebenen Elektrodenflächen, nämlich Metallscheiben 1 und 2, zu sehen, die mit den entgegengesetzten Endflächen eines ringförmigen, keramischen Isolationskörpers 3 verschmolzen sind. Die Elektrode 1 kann aus Molybdän bestehen und ist ein im wesentlichen becherförmiger Körper mit einem am Umfang liegenden Flansch 4, der mit dem keramischen Isolator 3 verbunden ist. Die Elektrode 2, die bei einer tieferen Temperatur arbeitet und die Kollektorelektrode ist, kann aus Silber hergestellt sein. Die Verbindung zwischen der Keramik und den Elektroden kann nach einem bekannten Verfahren unter Beachtung der Temperaturen, die beim Betrieb des Geräts auftreten, und der erforderlichen Wider-Standsfähigkeit der gesamten Anordnung gegen Angriffe des zu verwendenden Metalldampfes erfolgt sein. Zum Beispiel kann der keramische Körper zuerst nach dem Magnesium-Molybdän-Verfahren metallisiert, dann plattiert und mit den Elektrodenteilen verbunden sein. Nach einem anderen Verfahren kann eine dünne Zwischenschicht eines Lötmetalls und eines aktiven Metalls zwischen benachbarten Flächen des keramischen Körpers 3 und den

Elektroden 1 und 2 eingelegt sein. Das Lötmetall kann Nickel und das aktive Metall Titan sein. Die Teile werden in einer Hülle untergebracht, die evakuiert und auf eine Temperatur gebracht wird, bei der sich die Zwischenschichten legieren und eine Verbindung zwischen der sich ergebenden Legierung und der Keramik und der Lötstelle mit den Metallelektroden entsteht.

Die an der Fläche der Verbindung auftretende Temperatur kann im wesentlichen niedriger als die der aktiven Elektrodenflächen bei Anwendung von Kunstgriffen beim Aufbau gehalten werden, wenn ein beträchtlicher Temperaturgradient zwischen den Verbindungsstellen und den aktiven Elektroden herbeigeführt wird. Dünne Querschnitte und vergrößerte Abstände zwischen den Verbindungsstellen und den aktiven Elektrodenflächen sind» Beispiele für diese Kunstgriffe.

Die Silberelektrode wird vorzugsweise vor dem Einbringen eines Metalldampfes, z. B. von Cäsium, in das Gerät oxydiert. Dies kann z. B. mit einem Bogen zwischen den Elektroden geschehen, während das Gerät mit Sauerstoff von geringem Druck gefüllt ist. Positive Ionen, die an der auf einer negativen Spannung gehaltenen Fläche auftreffen, suchen eine Cäsium-Sauerstoff-Silber-Oberfläche hervorzurufen.

Ein Behälter, der eine Menge eines leicht verdampfbaren Metalls enthält, wird von einem Tubus 5 mit einem herabhängenden Abschnitt 6 gebildet, in dem eine geringe Menge eines Metalls 7 festgehalten wird. Das Metall kann Cäsium, Kalium oder Rubidium sein, aber Cäsium wird vorgezogen. An seinem einen Ende steht der Tubus mit dem Raum zwischen den Elektroden in Verbindimg, so daß der Cäsiumdampf unter einem Druck geliefert wird, der von der Temperatur der kältesten Fläche abhängt, die dargeboten wird. Die Temperatur der kälteren Kollektorelektrode 2 wird dadurch aufrechterhalten, daß an ihrem äußeren Umfang ein hohler, zylindrischer Mantel 9 anliegt, der einen Einlaß- und Auslaßkanal 10 und 11 aufweist, damit ein Medium mit der Außenfläche der Elektrode Wärme austauschen kann. Wie in· der F i g. 1 zu sehen ist, liegt der Einlaßkanal 10 dem Tubus 5 gegenüber, so daß das Cäsium auf einer niedrigeren Temperatur als die, anderen Innenflächen des Geräts gehalten wird.

Eine elektrische Belastung, z. B. ein Widerstand 12, ist zwischen den Elektroden 1 und 2 eingeschaltet; die positive Klemme des Geräts steht mit der heißen Emitterelektrode 1 in Verbindung. Dieser Anschluß kann an Erde 13 liegen.

Wenn die besonderen genannten Stoffe und ein geringer Abstand in der Größenordnung von wenigen tausendstel Zentimeter, vorzugsweise geringer als ⁱIm cm zwischen den Elektrodenoberflächen benutzt werden, arbeitet das Gerät folgendermaßen: Die Molybdänelektrode 1 wird von einer Wärmequelle, wie durch Pfeile 14 angedeutet ist, erwärmt; sie kann ein Wärmesammler eines solare Energie ausnutzenden Systems oder die heiße Wand eines Kernreaktors seih. Was das Gerät selbst betrifft, kann ein einfacher Brenner die erforderliche Wärmeenergie liefern. In einem solchen Fall sollte das Metall der Elektrode 1 gegen Oxydation oder Korrosion widerstandsfähig oder durch einen geeigneten Überzug geschützt sein. Die Betriebstemperatur der Molybdänelektrode und die Temperatur des Cäsiums hän-

gen gegenseitig voneinander ab und sind so gewählt, daß ein Gleichgewicht zwischen der Emission der heißen Elektrode 1 einerseits und des mit dem Cäsium überzogenen Abschnittes dieser Elektrode andererseits entsteht. Diese letztere Größe ist ebenfalls ein Maß für die Elektrode 1, positive Cäsiumionen im Cäsiumdampf zu bilden, und ein Maß für ihre mittlere Austrittsarbeit. Bei einem speziellen Gerät wird die Temperatur der heißen Elektrode auf ίο etwa 1800° K gehalten. Bei einer solchen Temperatur der Elektrode und bei einer Temperatur des Cäsiumbehälters von etwa 618° K ist die Oberfläche der Elektrode 1 ungefähr zu 17% mit Cäsium bedeckt. Die Kollektorelektrode 2 ist der Kühlung eines Kühlmittels, z. B·. einer Flüssigkeit oder eines Gases, unterworfen, das ihre Temperatur oberhalb 618° K und vorzugsweise auf mindestens -700° K hält. Bei dieser Temperatur wird die Elektrode 2 vollständig mit Cäsium bedeckt und erhält eine sehr geringe ao Austrittsarbeit. Die Cäsium-Sauerstoff-Silber-Oberfläche hat eine Austrittsarbeit von etwa 0,7 V. Unter den besonderen Bedingungen ist die mittlere Austrittsarbeit der heißen Elektrode 1 etwa 3,3 V und die auf die Elektronen zurückzuführende Raumas ladung im Raum zwischen den Elektroden 1 und 2 im wesentlichen von positiven Cäsiumionen neutralisiert.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung zu entnehmen ist, steht ein beträchtlicher Anteil des Kontaktpotentials zwischen den beiden Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Stroms* in einem äußeren Kreis, z. B. in einem Widerstand 12, zur Verfügung, der zwischen den Elektroden 1 und 2 angeschlossen ist. Der Elektronenflüß geht von der heißen Elektrode 1 mit der höheren Austrittsarbeit zu der kälteren Elektrode 2 mit der geringeren Austrittsarbeit, so daß die Spannung eine Polung zeigt, die der Elektronenstrom in einem äußeren Kreis von der kalten Elektrode zur- heißen Elektrode bewirkt; oder mit anderen Worten ausgedrückt, wird ein positiver Strom von der heißen Elektrode zur kalten Elektrode über den äußeren Kreis erzeugt, wie durch die Vorzeichen der F i g. 1 angegeben ist.

Wie sich, aus der vorangehenden Beschreibung erkennen läßt, gehen einige wichtige Temperaturbeziehungen und sich daraus ergebende physikalische Bedingungen in die Ausführung der Erfindung ein. Die Emitter- und Kollektorelektrode werden auf wesentlich unterschiedlichen Temperaturen gehalten, wobei die Emitterelektrode die heißere Elektrode ist. Die Austrittsarbeit der heißeren Elektrode ist größer als die der Kollektorelektrode. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Flächen ist so groß, daß die Elektronenemession der Kollektorelektrode mit der geringen Austrittsarbeit im Vergleich zu der Emission der heißen Elektrode vernachlässigbar ist und z.B. in der Größenordnung von 1% oder geringer Hegt. Die Austrittsarbeiten der besonderen Ausführungsform sind in großem Maße durch die Cäsiumschichten auf den Elektrodenflächen und die Größe der Elektrodenfläche bestimmt, die mit dem Cäsium überzogen ist, was seinerseits von der Elektrodentemperatur und der Temperatur des flüssigen Cäsiums abhängt. Auf diese Weise bietet das Cäsium eine bequeme Möglichkeit zur Einstellung der gewünschten relativen Austrittsarbeiten für die heiße und kalte Elektrode. Außerdem ist das Cäsium eine Quelle positiver Ionen. Bei der soeben beschriebenen

i 246 069

Ausfuhrungsform wird die Ionisierung durch die nichtüherzogenen Teile der heißen Elektrode verursacht. Wie späterhin in Verbindung mit der Ausfübxungsform nach den Fig. 2 und 3 geschildert wird, kann, falls erwünscht, um die Ionisierung hervorzurufen, ein Hilfsmittel vorgesehen sein, das gegenüber der emittierenden Elektrode 1 abgesondert ist.

Eine Anzahl unterschiedlicher Stoffe sind für die heiße und kalte Elektrode geeignet. Hinsichtlich der heißen oder Emitterelektrode wünscht man, daß der Dampfdruck bei der Betriebstemperatur niedrig ist. Aus diesem Grunde zieht man ein relativ schwer schmelzbares Metall, z. B. Molybdän, Wolfram oder Tantal, vor, wenn auch für niedrigere Betriebstemperaturen Nickel einwandfrei ist.

Das Elektrodenmaterial für die kältere Elektrode kann auch aus mehreren unterschiedhchen Metallen ausgewählt sein. Während die hier in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Silber-Sauerstoff-Cäsium-Fläche die überhaupt bekannte, niedrigste Austrittsarbeit Meiert, können auch annehmbare niedrige Austrittsarbeiten mit einem Basismetall, z. B. Molybdän, Nickel, Tantal, Eisen und -legierungen, beispielsweise rotsfreiem Stahl, erzielt werden. Falls diese Stoffe vorliegen, ist eine Oxydoberfläche wünschenswert, die durch Beschuß mit positiven Sauerstoffionen entstanden ist, wie in Verbindung mit der Silberelektrode der Fig. 1 beschrieben ist.

Da das zuvor beschriebene Gerät eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie ist, arbeitet es auf thermodynamischen Grundlagen: daher ist der theoretische Wirkungsgrad nach Carnot durch den Faktor

Tn-To

gegeben, worin T_k und T_c die Temperaturen der heißen und kalten Elektrode in ⁰K sind. Aus diesem Grunde wünscht man die Temperaturdifferenz zwischen den Elektroden so groß wie möglich gegenüber der Temperatur der heißeren. Elektrode zu machen, um einen angemessenen hohen theoretischen Wirkungsgrad zu erzielen. Temperaturdifferenzen von 700° K und darüber sind als zufriedenstellend anzusehen.

Bei dem zuvor erläuterten, besonderen Beispiel ist die Temperatur der heißen Elektrode 1800° K. Wenn auch die genauen Temperaturen nicht bedeutsam sind, will man doch die heiße Elektrode bei einer ausreichend hohen Temperatur betreiben, damit eine ausgiebige Emission zustande kommt. Die hier eingehenden Gesichtspunkte können besser bei einer Betrachtung der F i g. 5 verstanden werden, die eine logarithmische Auftragung der feldfreien Elektronenemission in Elektronen je Quadratzentimeter eines Wolframglühfadens im Gleichgewicht mit Cäsiumdampf bei der Glühfadentemperatur T⁰ K gegen den Logarithmus von 1000/Γ ist. Am oberen Ende der Auftragung ist die Temperatur in ⁰K angegeben. An den gelaiimmten Linien stehen die Temperaturen des flüssigen Cäsiums und an den geraden abfallenden Linien der Anteil der Gesamtfläche des Glühfadens, der mit Cäsium bei der betreffenden Temperatur überzogen ist. Für 1800° K und eine Temperatur des Cäsiums von 618° K sei bemerkt, daß der Logarithmus der Emission ungefähr 19,6 beträgt. Dieser ist in Elektronen je Quadratzentimeter angegeben. Bei dieser Temperatur sind etwa 17% des Glühfadens mit Cäsium bedeckt. Wenn die Temperatur auf 1400° K abfällt, das Cäsium auf derselben Temperatur gehalten wird, nimmt die Emission infolge des Anstieges der Emissionskurve auf etwa 20,3 zu. Der Elektrodenabschnitt, der mit Cäsium bedeckt ist, wird aber auf 39% vergrößert, womit eine entsprechende Abnähme der Austrittsarbeit verbunden ist. Hierdurch nimmt aber das zur Verfügung stehende Kontaktpotential wesentlich ab. Bei einer heißen Elektrode von 1400° K und einer Bedeckung von ²/m der Elektrodenfläche mit Cäsium, wobei die Austrittsarbeit in der Nähe der durch 1800° K gegebenen liegen würde, fällt der Logarithmus der Emission auf 17,8 ab. Dies bedeutet eine Verschlechterung der Emission um den Faktor von etwa 100. Wie man erkennen kann, geht die Betriebstemperatur der

ag Elektroden und der Cäsiumküvette apßer den Stoffen der Vorrichtung in ein Gleichgewicht zwischen der Emission der Austrittsarbeit ein. Ein guter, brauchbarer Bereich für die heiße Elektrode erstreckt sich von 1400 bis 2000° K, während die kältere Elektrode sich auf einer Temperatur von 700° K und darüber befindet. Die Temperatur der Cäsiumküvette ist stets um einen gewissen Betrag geringer als die käl-

- tere Elektrode, so daß gewährleistet ist, daß die kältere Elektrode nicht zu stark mit Cäsiumdampf bedeckt ist. Die Austrittsarbeit ändert sich wenig, wenn der überzogene Bereich oberhalb 67% zunimmt, sofern nur eine einzige oder einatomige Schicht vorhanden ist. Dickere Cäsiumschichten ergeben eine Zunahme der Austrittsarbeit.

■ In den F i g. 2 und 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung zu sehen, deren bauliche Anordnung im allgemeinen dieselbe wie in Fig. 1 ist. Außerdem verläuft ein Wolframglühfaden 15 dicht an den beiden Elektrodenflächen im Durchmesser des Gerätes und hat einen geringen Abstand von etwa 0,00025 oder Q,005 cm von den Elektrodenflächen. Der Glühfaden wird von stärkeren Einführungsdrähten 16 gehalten, die durch die Keramik 3 luftdicht hindurchlaufen. Der Glühfaden wird von einer Gleichstromheizung, die über Leiter 18 gespeist wird, auf der gewünschten Temperatur gehalten, die ' höher als die Temperatur der Elektrode 1 ist. Beim Gerät der Fig. 2 und 3 ist die Arbeitsweise im wesentlichen dieselbe wie bei dem nach Fig. 1, wenn

so man davon absieht, daß die Ionisierung des Cäsiumdampfes von dem Wolframglühfaden 15 und nicht von einem Abschnitt der Elektrode 1 herbeigeführt wird, der nicht mit Cäsium überzogen ist. Wie leicht für den Fachmann abzuschätzen ist, ist ein wesent-Hches Merkmal der Erfindung die Neutralisierung der negativen Raumladung durch positive Ionen zwischen den Elektrodenflächen, unabhängig davon, ob sie an dieser Stelle erzeugt werden oder nicht. Je nach Wunsch können die positiven Ionen in den Raum von einer geeigneten Ionenquelle außerhalb des Gerätes eingeführt werden. Bei den dargestellten bevorzugten Anordnungen geschieht dies jedoch in sehr einfacher Weise.
In F i g. 4 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung zu sehen, mit der besonders gut thermische Energie umgewandelt wird, die innerhalb einer hohlen' Elektrode erzeugt wird, die der emittierenden Elektrode 1 der F i g. 1 und 2 entspricht. Wie

Claims (4)

in F i g. 4 zu sehen ist, enthält das Gerät zwei konzentrische Zylinderelektroden 19 und 20, die z. B. aus Molybdän hergestellt sind und einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, so daß die gegenüberhegenden Flächen einen geringen Abstand haben. Stabartige Verlängerungen 21 an den Enden des inneren Zylinders, der an seinen entgegengesetzten Enden geschlossen ist, dienen der Abstützung des inneren Zylinders an ringförmigen keramischen Isolatorscheiben 22, die die Zylinder voneinander getrennt halten und luftdicht abschließen; daher ist ein Raum zwischen den Elektroden vorhanden, in dem ein Metalldampf aus einem Gefäß 23 eingebracht werden kann. Die innere Röhre und heißere Elektrode, die die Elektronenemission "liefert, kann von einem beliebigen warmen Medium erwärmt werden, das sich innerhalb des Zylinders aufzehrt oder durch den Zylinder hindurchgeht (der in diesem Fall offene Enden haben müßte). Eine derartige Anordnung kann jedoch mit Vorteil benutzt werden, um durch eine Kernreaktion unter Verwendung von Uranoxydbrennstoff erzeugte Energie umzuwandeln. Der Brennstoff ist in dem geschlossenen Zylinder enthalten; die äußere oder kältere Elektrode wird von einem Zylindermantel 24 mit Einlaß- und Auslaßöffnung 25 und 26 umgeben. Es wird ein gebräuchliches Kühlmittel für einen Kernreaktor, z. B. unter hohem Druck stehendes Wasser, flüssiges Natrium od. dgl., auf einer Temperatur von etwa 700° K gehalten. Diese Temperatur reicht aus, um die thermische Energie auszunutzen, die vom Reaktorkühlmittel fortgeführt' wird. Die elektrische Umwandlung findet in einem Temperaturbereich statt, der zur Umwandlung von Elektrizität in einem Kernreaktor geeignet ist. Wie bei den bisherigen Ausführungsformen ist eine elektrische Belastung 27 zwischen der heißen und der kalten Elektrode 19 und 20 angeschlossen, wobei die positive Klemme mit der heißen Elektrode verbunden ist. Bei der Anwendung der Erfindung auf ein Gerät mit einer sehr großen Fläche von konzentrischer zylindrischer Gestalt, wie z.B. in Verbindung mit Fig.4 beschrieben ist, ist das Problem wesentlich, wie der gewünschte geringe Abstand zwischen den Elektrodenflächen beibehalten werden kann. Diese Schwierigkeit kann durch Aufbringung eines verteil- . ten Uberzuges aus Aluminiumoxydteilchen auf der einen Elektrode, vorzugsweise auf der inneren Elektrode herabgesetzt werden; dieser Überzug haftet am Metall und wird poliert, so daß ein minimaler mecham'scher Abstand zwischen den aktiven Elektrodenflächen entsteht. Es sei darauf hingewiesen, daß die Aluminiumoxydteilchen kernen größeren Abschnitt des Gesamtraumes einnehmen oder keine sehr große Fläche der heißen Elektrode bedecken, so daß die Arbeitsweise des Gerätes vom Standpunkt der Elektronenemission, der Austrittsarbeit und der Verteilung der Cäsiumionen in dem Raum zwischen den Elektroden aus nicht behindert ist. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mit einem Gerät, bei dem zwei leitende flächenhafte Elektroden in einem gegen ihre Ausdehnung kleinen Abstand isoliert voneinander in einer vakuumdichten Hülle angeordnet sind, bei dem eine erste Elektrode eine größere Austritts arbeit als die zweite Elektrode hat und bei dem ein Alkalimetall wie Cäsium, Rubidium oder Natrium als ionisierter Dampf im Raum zwischen den Elektroden vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit der größeren Austrittsarbeit in einem Temperaturbereich gehalten wird, in. dem eine reichliche Glühemission von Elektronen erfolgt, und daß die Elektrode mit der geringeren Austrittsarbeit durch Kühlung auf einer mehrere hundert Grad Kelvin niedrigeren Temperatur gehalten wird, bei der eine vernachlässigbare Elektronenemission stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck des Alkalimetalls in dem Raum zwischen den Elektroden einer Temperatur entspricht, die wesentlich unter der Temperatur der zweiten, kälteren Elektrode liegt, wodurch eine praktisch vollständige Alkalimetallbedeckung dieser Elektrode erzielt wird, aber nur eine teüweise Alkalimetallbedeckung der ersten Elektrode erhalten wird, so daß die Austrittsarbeit der zweiten Elektrode den gewünschten niedrigeren Wert als die der ersten Elektrode armimmt und dadurch die Elektronenemission der ersten Elektrode größer ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit der größeren Austrittsarbeit bei Verwendung von Cäsiumdampf auf einer Temperatur über 1400° K gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ionisieren des AlkaHdampfes in dem Raum zwischen den Elektroden ein Wolframglühfaden auf einer höheren Temperatur als die der wärmeren Elektrode mit der größeren Austrittsarbeit gehalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 831572;
USA.-Patentschrift Nr. 2 510 397.

Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist ein Prioritätsbeleg ausgelegt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 619/264 7.67 © Bundesdruckerei Berlin