DE1464090B2

DE1464090B2 - Thermionischer konverter

Info

Publication number: DE1464090B2
Application number: DE19641464090
Authority: DE
Inventors: Claus Adolf Laveno Caron Rene Ispra Varese Busse, (Italien), Grover, George Maurice, Los Alamos, N Mex (V St A)
Original assignee: Europaische Atomgemeinschaft (Eura tom), Brüssel
Priority date: 1964-12-14
Filing date: 1964-12-14
Publication date: 1973-06-20
Also published as: NL6512215A; LU48891A1; DE1464090A1; GB1115799A; BE672724A; DE1464090C3; US3441752A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf thermionische Konverter für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mit in geringem Abstand voneinander angeordneter beheizter Emitter- und gekühlter Kollektorelektrode, die zwischen sich einen vakuumdichten Raum mit Caesiumdampffüllung einschließen, bei dem gegebenenfalls mit der Kollektorelektrode eine Wärmeröhre unmittelbar verbunden ist.

Um einen guten Wirkungsgrad der Energieumwandlung zu erhalten, muß die Emittertemperatur auf mindestens 1600° bis 1800° C gebracht werden. Weiter muß der Abstand zwischen den Elektroden so klein wie möglich gehalten werden.

Es ist eines der schwierigsten technischen Probleme im Konverterbau, den Elektrodenabstand extrem klein und zugleich im Betrieb konstant zu halten. Ein weiteres schwieriges Problem ist die Abführung der Wärme aus der Kollektorelektrode und die Heizung der Emitterelektrode auf einen vorgegebenen Temperaturwert.

Mit den bisher üblichen Methoden der Wärmeübertragung kann Wärme von einer äußeren Wärmequelle zum Ort der Wärmeverwendung nur unter Inkaufnahme eines beträchtlichen Temperaturabfalles übertragen werden. Das gleiche gilt für die Wärmeabführung, da sich auch bei ihr ein beträchtlicher Temperaturabfall zwischen der heißesten Zone und derjenigen Stelle ausbildet, an der die Wärme abgezogen wird.

; Es sind bereits thermionische Konverter für die direkte Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie bekannt, bei denen in einem evakuierten, mit Caesiumdampf gefüllten Raum die Oberfläche zweier voneinander isolierter, den beheizten Emitter und den gekühlten Kollektor bildenden Elektroden mit wesentlich verschiedener Austrittsarbeit in geringem Abstand einander gegenüberliegen und bei denen die Elektroden rohrförmig ausgebildet sind und unmittelbar der Wärmeübertragung dienen (schweizerische Patentschrift 365 768), jedoch können auch hier nicht die für einen guten Wirkungsgrad der Energieumwandlung erforderlichen Betriebsdaten erzielt werden. Bei einer Vorrichtung zur Verdampfungskühlung von intermittierend betriebenen Elektronenröhren mit äußerer Anode ist weiterhin bekannt, zur Wärmeübertragung zu bzw. von Elektroden, Einbauten in rohrförmig geschlossenen Räumen vorzusehen und diese mit einer im Betrieb verdampfenden Flüssigkeit zu füllen. Hierbei ist es jedoch auch nur möglich, mit Temperaturen um den Siedepunkt von Wasser zu arbeiten (deutsche Patentschrift 1034282).

Man hat auch schon vorgeschlagen, für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie in einem Reaktor einen thermionischen Konverter der eingangs genannten Art zu verwenden, bei dem die Kollektorelektrode mit einer Wärmeröhre unmittelbar verbunden ist (deutsche Offenlegungsschrift 1464123).

Bei einem thermionischen Konverter befinden sich die beheizten Partien der Emitterelektrode auf wesentlich höherer Temperatur als die Emissionsschicht an der Elektrodenoberfläche, auf die es ankommt. Weiter ist auch die Temperaturverteilung entlang der Elektrodenoberfläche nicht uniform, sondern unregelmäßig, d. h., die Temperatur nimmt zur Peripherie hin ab. Tatsächlich bilden dann auch die Temperaturgradienten ein Haupthindernis für eine effektive Energieumwandlung, an der die gesamte Emitterschicht gleich intensiv beteiligt sein sollte. Aber auch

jede Änderung auf Seiten der Heizquelle (Intensität, geometr. Form usw.) beeinflußt in starkem Maße die Wärmeeinkoppelung. Das ist besonders bei Konvertern der Fall, deren Emitterelektrode mit Kernbrennstoff, d. h. durch Kernspaltungswärme, beheizt wird.

Aus allen diesen Gründen sind die gegenwärtigen Prototypen thermionischer Konverter noch weithin mangelhaft.

Durch die Erfindung der sog. Wärmeröhre können die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten bei thermionischen Konvertern überwunden werden. Wie in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Juni 1964, S. 1990 u. 1991 im einzelnen beschrieben ist, besteht eine Wärmeröhre aus einem endseitig verschlossenen Rohr, das an der Innenwandung eine Kapillarstruktur aufweist und eine Quantität eines Wärmeträgermediums enthält. Durch Verdampfen des Mediums wird in der Röhre eine in Achsrichtung gegenläufig zirkulierende Umlaufströmung erzeugt, wobei das unbeheizte Röhrenende als Kondensationsraum wirkt. Es entsteht ein Wärmefluß vom beheizten zum unbeheizten Röhrenende. Die Besonderheit der Wärmeröhre besteht nun darin, daß der Temperaturabfall entlang der Röhre um Zehnerpotenzeri kleiner ist als bei konventionellem Wärmetransport und daß weiter eine uniforme Temperaturverteilung auf der gesamten Röhrenoberfläche, also auch auf den Stirnflächen, vorliegt.

Wärmeröhren können weiter als Wärmedichtetransformatoren benutzt werden, indem sie Wärme aus einer räumlich verteilten, d. h. ausgedehnten und unregelmäßig intensiven Wärmequelle übertragen auf eine lokalisierte Wärmesenke.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem thermionischen Konverter die oben beschriebenen Schwierigkeiten bei der Wärmeübertragung zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird bei einem thermionischen Konverter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit der Emitterelektrode eine Wärmeröhre unmittelbar verbunden ist.

Ein solcher Konverter hat gegenüber allen anderen Konvertertypen folgende Vorteile:

— die Temperatur an der Emitteroberfläche ist

praktisch identisch mit derjenigen der die Emitterelektrode beheizenden Wärmequelle;

— die gesamte Emitteroberfläche befindet sich auf ein und derselben, d. h. uniform verteilten Temperatur;

— die Heizwärmeübertragung und die Verlustwärmeentnahme können leicht an die Besonderheiten der Wärmequelle (Intensität, Geometrie usw.) bzw. der Wärmesenke angepaßt werden;

— es entfällt ein besonderes Kühlmittel sowie das Kreislaufsystem mit Pumpe zur Umwälzung des Kühlmittels.

Nunmehr kann ein Konverter mit ebenen, auf kleinsten Abstand eingestellen Elektroden gebaut werden, da ein Verwerfen der Elektroden mangels ¹S Temperaturgradienten nicht mehr auftritt.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines thermionischen Konverters mit planen Elektroden und daran angeschlossenen Wärmeröhren im Längsschnitt näher erläutert.

Wie gesagt, besteht das Charakteristische des vorliegenden Konverters darin, daß eine Wärmeröhre direkt an die Emitterelektroden angeschlossen ist. In der Zeichnung bezeichnet 10 die Emitterelektrode, 11 die Kollektorelektrode, 12 die mit der Emitterelektrode verbundene Wärmeröhre und 13 die mit der Kollektorelektrode verbundene Wärmeröhre. Die Elektroden 10, 11 sind plane Kreisscheiben, die zugleich stirnseitige Abschlüsse der Wärmeröhren bilden. Die Emitterelektrode besteht aus der Tantal-Wolfram-Legierung Ta—W—10 und trägt als Emissionsschicht aufgedampftes Rhenium 14. Die Kollektorelektrode besteht aus der Niob-Zirkorn-Legierung Nb-IZr.

Das Gehäuse 15 schließt das Elektrodensystem unter Bildung einer vakuumdichten Kammer nach außen ab. Es besteht aus zwei zylindrischen Elementen 16, 17 und der dazwischen befindlichen elektrischen Isolierkeramik 18 aus AL₂O₃. Die Gehäusekammer ist im Betrieb mit Caesium-Dampf gefüllt. Dieser gelangt durch das Rohr 20, welches in der Achse der Kollektorwärmeröhre angeordnet und einerseits in der Emitterelektrode, andererseits im Stirnverschluß 21 der Wärmeröhre verschweißt ist, vom Caesiumreservoir in die Kammer.

Beide Wärmeröhren bestehen aus zwei zusammengeschweißten Abschnitten. So ist die Kollektorwärmeröhre aus dem Bauteil 22 und dem fingerhutrohrartigen Abschnitt 23, beide aus Nb- IZr, aufgebaut, während die Emitterwärmeröhre aus dem birnenförmigen Abschnitt 24 und dem fingerhutartigen abschnitt 25, beide aus Ta—10 —W, aufgebaut ist. Die Abschnitte wie auch die übrigen bisher erwähnten Bauteile sind durch Schweißung miteinander verbunden. Bei Verwendung des Konverters im gravitationsfreien Raum muß die Innenwandung der Wärmeröhren - wie bekannt - mit einer Kapillarstruktur ausgestattet sein.

Als Wärmeträger in der Kollektorwärmeröhre dient Lithium, während im Falle der Emitterwärmeröhre Silber verwendet wird. Die Emitterelektrode arbeitet bei Temperaturen zwischen 1600° und 1800° C, die zugelassene Temperatur der Kollektorelektrode beträgt zwischen 800° und 1000° C. Als Durchmesser der Emitterwärmeröhre werden 10 mm Außendurchmesser und 8 mm Innendurchmesser gewählt; im Falle der Kollektorwärmeröhre entsprechend 40 mm und 38 mm. Als Röhrenmaterial kommt Ta bzw. Nb-IZr in Frage. Der Durchmesser der Emitterelektrode beträgt 30mm.

Im Gehäuse 15 und an bestimmten Stellen um die Wärmeröhren sind thermische Schirme zum Schutz der Isolierkeramik und der den Wärmeröhren etwa benachbarten Bauteile anzubringen.

Die Pfeile f_v f₂ neben der unteren Partie der Emitterwärmeröhre respektive der oberen Partie der Kollektorwärmeröhre versinnbildlichen Wärmeflüsse.

Die Pfeile f₁ stellen den zum Aufheizen der Emitterelektrode dienenden Wärmefluß einer Heizquelle· dar, Pfeile /₂ den von der Kollektorelektrode abgezogenen Verlustwärmefluß (Wärmesenke). Als Heizquellen kommen in Frage eine Flamme, eine elektrische Induktionsspule, spaltbarer Kernbrennstoff, ein radioaktiver Strahler, die Sonnenwärme, ein zirkulierender Wärmeträger usf. Die Wärmesenke kann technologisch in jeder konventionellen Form, z.B. nach Art eines Wärmetauschers, gestaltet werden. Bei Wärmeabstrahlung in den Weltraum dient das freie Ende der Kollektorwärmeröhre direkt als Radiator.

Wie bereits erwähnt, kann die Größe der die Heizwärme aufnehmenden Fläche der Röhren als auch der die Verlustwärme abgebenden Fläche leicht an die Temperaturbedingungen der Elektroden angepaßt werden. Das geschieht einfach in der Weise, daß längere oder kürzere Partien der Wärmeröhren thermisch mit der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke gekoppelt werden. In der Zeichnung ist dies durch die unterschiedlich breit gehaltenen Scharen der Pfeile Z₁, /₂ angedeutet. Diese Maßnahme resultiert aus der Eigenschaft der Wärmerohre als Wärmedichtetransformator. Von dieser Eigenschaft ist beim vorliegenden Konverter auch noch insofern Gebrauch gemacht, als die Emitterwärmeröhre im Bereich der Emitterelektrode birnenförmig im Querschnitt erweitert ist.

Die erzeugte elektrische Leistung wird an den Kontakten 26 und 27 abgenommen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thermionischer Konverter für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mit in geringem Abstand voneinander angeordneter beheizter Emitter- und gekühlter Kollektorelektrode, die zwischen sich einen vakuumdichten Raum mit Caesiumdampffüllung einschließen, bei dem gegebenenfalls mit der Kollektorelektrode eine Wärmeröhre unmittelbar verbunden ist, d adurch gekennzeichnet, daß mit der Emitterelektrode (10) eine Wärmeröhre (24, 25) unmittelbar verbunden ist.

2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander zugekehrte Stirnflächen der Wärmeröhren (22, 23; 24, 25) unmittelbar als Elektroden dienen.