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Elektrode für magnetohydrodynamische Einrichtungen Die Erfindung bezieht
sich auf Elektroden zur Abnahme des elektrischen Stromes aus einem heißen, strömenden
und elektrisch leitenden Gas.
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Diesem Zweck dienende Elektroden werden z. B. in MHD-Einrichtungen
wie MHD-Generatoren, MHD-Pumpen und MHD-Beschleuniger verwendet.
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Es ist bereits aus der französischen Patentschrift 1325 700 bekannt,
im besonderen für MHD-Generatoren, jede solche Elektrode als rechteckförmigen metallischen
Leiter auszubilden und an der Oberfläche mit parallelen Nuten zu versehen. Bei dieser
Konstruktion sind mehrere Nuten vorgesehen, um die dem heißen elektrischen Gas ausgesetzte
wirksame Elektrodenoberfläche zu vergrößern, wobei der elektrische Kontakt mit dem
Gas und die Emission von Elektronen bei einer gegebenen Temperatur verstärkt wird.
Die bekannte Konstruktion weist jedoch verschiedene Nachteile auf, die deren Verwendungsmöglichkeiten
erheblich einschränken. Einer dieser Nachteile ist darin zu sehen, daß diese Elektroden
im besonderen zur Lichtbogenbildung neigen, unter anderem wegen der großen Anzahl
scharfer Ecken an den Elektroden. Es ist ferner nachteilig, daß zwischen den Elektronen
emittierenden Teilen und den keine Elektronen emittierenden Teilen der Elektrode
wesentliche Temperaturunterschiede nicht möglich sind. Weiterhin ist noch nachteilig,
daß Materialien wie Zirkonoxyd für solche Elektroden, die außergewöhnlich hohen
Temperaturen ausgesetzt werden, nicht verwendet werden können.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß die Nuten ein hitzefestes Füllmaterial enthalten, das bei der Arbeitstemperatur
des Gases elektrisch leitend ist, jedoch bei einer wesentlich unterhalb der Arbeitstemperatur
des Gases liegenden Temperatur einen Isolator darstellt.
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Mit Hilfe des hitzefesten Füllmaterials kann bei einer hitzefesten
Elektrode ein Pfad mit einem sehr geringen elektrischen Widerstand zur Oberfläche
der Elektrode geschaffen werden, obwohl der den geringen Widerstand aufweisende
Pfad im Füllmaterial nur an der Stelle besteht, an der das Füllmaterial infolge
der Erhitzung durch das Gas eine hohe Temperatur erreicht und elektrisch leitend
wird. Weiterhin kann das hitzefeste Füllmaterial in einer Nut vorgesehen werden,
die senkrecht zur Richtung der Gasströmung verläuft, wobei ein Schutz für das Füllmaterial,
ein wesentlicher Unterschied zwischen der Temperatur der Elektronen emittierenden
Teile und der Temperatur der metallischen Teile der Elektrode sowie eine Verminderung,
wenn nicht Beseitigung der Lichtbogenbildung als Folge der Hall-Spannung zwischen
benachbarten Elektroden erzielt wird.
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Die Erfindung wird nunmehr beschrieben. In der Zeichnung ist die F
i g. 1 eine Draufsicht auf eine Elektrode nach der Erfindung und die F i g. 2 ein
Schnitt nach der Linie 2-2 in der F i g. 1. Die beiden F i g. 1 und 2 zeigen eine
nach der Erfindung hergestellte Elektrode. Hiernach weist die Elektrode einen metallischen,
z. B. aus Kupfer bestehenden Basisteil 10 mit einem Durchlaß 11 zur Aufnahme
eines über die Rohrleitungen 9 zugeführten Kühlmittels und einen z. B.- aus nichtrostendem
Stahl hergestellten Endtei112 auf, der mit einer Anzahl von Nuten 13 versehen ist,
die sich über die Länge der Elektrode hinweg erstrecken. Jede Nut 13 ist mit einem
Elektronen emittierenden Material 14 angefüllt, das später noch ausführlich beschrieben
wird.
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Beim Einbau in eine MHD-Einrichtung müssen die Elektroden natürlich
elektrisch isoliert werden, um einen Kurzschluß zu vermeiden. Da die Isolation im
allgemeinen von der Elektrode getrennt vorgesehen wird, so ist sie nicht dargestellt.
Wenn gewünscht, können die Seitenflächen und die Bodenflächen des metallischen Teiles
der Elektrode mit einem Überzug aus einem geeigneten Isoliermaterial versehen werden.
Im allgemeinen wird Polytetrafluoräthylen od. dgl. an der Bodenfläche 15 und an
diese anschließenden Seitenflächen 16,17 vorgesehen, während an den oberen Teilen
18, 19 der Seiten der Elektrode
ein elektrisch isolierendes feuerfestes
Material vorgesehen wird.
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Die in MHD-Einrichtungen gegenwärtig benutzten elektrisch leitenden
Gase oder Plasmen bestehen entweder aus Edelgasen, die auf eine Temperatur von mindestens
1100° C erhitzt werden, oder aus Verbrennungsprodukten mit einer Temperatur von
ungefähr 2760° C. Dementsprechend muß eine Elektrode nach der Erfindung, die in
MHD-Einrichtungen verwendet werden soll, in jedem Fall einer Temperatur von mehr
als 1100° C ausgesetzt werden können. Wie sich nun gezeigt hat, eignet sich unter
solchen Bedingungen als Füllmaterial für die Nuten der erfindungsgemäßen Elektrode
sehr gut ein keramisches Material, das mit einem Elektronen emittierenden Material
imprägniert ist.
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Obwohl die Erfindung nicht auf die Verwendung eines keramischen Materials
beschränkt ist, so wird doch ein sich hierauf beziehendes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Daher darf das sich in den Nuten 13 befindliche Material, 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 u. dgl. vermieden oder wenigstens klein gehalten wird, und soll Elektronen
emittieren.
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Die thermische Stromemission durch eine Elektrode der hier betrachteten
Art ist eine Exponentialfunktion der Temperatur. Für ein gegebenes elektrisch leitendes
Gas oder Plasma und einen gegebenen Elektrodenaufbau hängt die Temperatur der frei
liegenden Elektrodenfläche von der Gastemperatur in der Grenzschicht ab, und da
die Leitfähigkeit des Gases stark von der Temperatur abhängt, so hängt der Leistungsverbrauch
(nach J o u 1 e) 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 u. dgl.
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Ein keramisches Material, das sich für die Zwecke der Erfindung als
geeignet erwiesen hat, ist in einem Aufsatz mit dem Titel: »Properties and High
Temperature Application of Zirconium Oxide« in der Zeitschrift »Ceramic Age«, Juni
1962, beschrieben. Dieses Material besteht 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 Materialien verwendet werden, z. B. Zirkoniumdiborid oder Zirkoniumnitrid,
die entweder mit Bariumoxyd oder mit Kalziumoxyd u. dgl. imprägniert sind.
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Die meisten keramischen Materialien, die geeignete mechanische Eigenschaften
aufweisen, besitzen im allgemeine keine geeigneten elektrischen Eigenschaften, d.
h., für alle in der Praxis vorkommenden Zwecke weisen sie keine thermische Emission
auf. Aus diesem Grund ist es allgemein erforderlich, ein 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 A/cm2 und bei MHD-Beschleunigern
eine thermische Emission von mindestens 100 A/cm-' erforderlich ist. Wie bereits
bemerkt, ergibt ein mit 6,4% Kalziumoxyd imprägniertes Zirkoniumoxyd befriedigende
elektrische Eigenschaften.
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Der metallische Teil der Elektrode kann z. B. entweder aus Kupfer
mit einer aus nichtrostendem Stahl bestghenden Kappe hergestellt werden, um einen
Betrieb mit hoher Temperatur und/oder einen fortlaufenden Betrieb bei geringster
Erosion zu erreichen, oder aber der metallische Teil der Elektrode kann für einen
Betrieb mit niedriger Temperatur und/oder für einen Betrieb mit Unterbrechungen
gänzlich aus Kupfer hergestellt werden. Im Vergleich zu einer Elektrode mit einem
aus Vollkupfer bestehenden metallischen Teil erlaubt die Verwendung einer Kappe
aus nichtrostendem Stahl einen Betrieb mit höheren Temperaturen, wodurch der Wirkungsgrad
der MHD-Einrichtungen erhöht wird. Weiterhin ist eine Kappe aus nichtrostendem Stahl
widerstandsfähiger gegen die Erosion als Kupfer. Der zwischen der Grenzschicht und
der frei liegenden Fläche von zwei einander gegenüberstehenden Elektroden nach der
Erfindung gemessene Spannungsabfall betrug weniger als 5 Volt. Die Kühlung des metallischen
Teiles der Elektrode ist für einen fortgesetzten lang dauernden Betrieb erforderlich
und besonders dann, wenn das elektrisch leitende Gas eine Temperatur von ungefähr
2760° C aufweist und aus Verbrennungsprodukten besteht. Wie bereits bemerkt, wird
durch die Kühlung des metallischen Teiles der Elektrode die Möglichkeit einer Lichtbogenbildung
infolge der Hall-Spannung vermindert. Bei Kühlung kann die frei liegende Fläche
des die Elektronen emittierenden Materials eine Temperatur von 2200° C und der metallische
Teil eine Temperatur von nur 260° C aufweisen.
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Damit die Reibung von geringster Wirkung ist, sollte die Elektrode
so ausgerichtet werden, daß die langgestreckten Nuten senkrecht zur Richtung der
Gasströmung verlaufen, um zu verhindern, daß das die Elektronen emittierende Material
aus den Nuten herausgetrieben wird. Das Eintragen des die Elektronen emittierenden
Materials in die Nuten erfolgt geeigneterweise nach dem Plasma-Aufspritzverfahren.
Es wurden bisher wegen deren Einfachheit und der mühelosen Herstellung Nuten mit
rechteckigem Querschnitt beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung
auf diese Ausführung der Nuten nicht beschränkt ist, da viele Querschnittsformen
der Nuten möglich sind. Die geeignete Tiefe und Weite der Nuten wird im wesentlichen
von den thermischen Merkmalen des die Elektronen emittierenden Materials bestimmt.
Bei keramischen Materialien, die im wesentlichen schlechte Wärmeleiter sind, führen
zu tiefe oder zu weite Ausnehmungen zu einer ungleichmäßigen Erhitzung der Oberfläche
des Materials und damit zu ungleichmäßigen Leit- und Elektronenabstrahlungsmerkmalen.
Für das verwendete besondere Material wird die Tiefe und Weite der Nuten mit Vorteil
so bemessen, daß eine gleichmäßige Oberflächentemperatur des Elektronenemissionsmaterials
und damit die größte Leitfähigkeit und eine gleichmäßige Elektronenemission erzielt
wird. Die günstigste Temperatur wird natürlich bestimmt von der Zusammensetzung
des gewählten Materials. Wie bereits bemerkt, hat sich z. B. eine Oberflächentemperatur
von 2200° C für das Elektronenemissionsmaterial als befriedigend erwiesen.
Aus
dem Vorstehenden geht hervor, daß das Elektronenemissionsmaterial zwei Funktionen
ausübt, und zwar wird erstens eine Elektronen emittierende Fläche mit einer stabilen
hohen Temperatur geschaffen, und zweitens werden die Wärmeverluste durch die Elektrodenwandung
hindurch vermindert. Der metallische Teil der Elektrode trägt und enthält das Elektronenemissionsmaterial,
leitet den Strom mit geringsten Verlusten weiter und setzt die Lichtbogenbildung
herab.
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Wie bereits erwähnt, fließt der Strom im Elektronenemissionsmaterial
in der Hauptsache in dem die hohe Temperatur aufweisenden Oberflächenbezirk. Von
den Kanten des Elektronenemissionsmaterials aus fließt der Strom dann durch den
metal- 1 lischen Teil der Elektrode, die in herkömmlicher Weise in einer geeigneten
elektrisch nichtleitenden Halterung befestigt werden kann.