DE1513729C - Elektrodeneinrichtung fur eine magnet hydrodynamische Vorrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektroden- neigen, unter anderem wegen der großen Anzahl einrichtung für eine magnethydrodynamische Vor- scharfer Ecken an den Elektroden. Es ist ferner richtung (im folgenden kurz als MHD-Vorrichtung nachteilig, daß zwischen den Elektroden emittierenbezeichnet), bestehend aus metallischen Grundbau- den Teilen und den keine Elektronen emittierenden teilen, welche einen Abschnitt zumindest einer Wand 5 Teilen der Elektrode wesentliche Temperaturunterdes MHD-Kanals bilden und senkrecht zur Strö- schiede nicht möglich sind. Weiterhin ist noch nachmungsrichtung verlaufen sowie je eine Kühleinrich- teilig, daß Materialien wie Zirkonoxyd für solche Elektung aufweisen, ferner aus Abstandshaltern, welche troden, die außergewöhnlich hohen Temperaturen ausbenachbarte Grundbauteile elektrisch voneinander gesetzt werden, nicht verwendet werden können,
isolieren, und schließlich aus einer Abdecksubstanz, io Es ist bei der eingangs vorausgesetzten Elektrode die bei der Arbeitstemperatur des Gases elektrisch bekannt (französische Patentschrift 1 392 895), daß leitend und bei einer die Temperatur des Gases die Nuten ein hitzefestes Füllmaterial enthalten, das wesentlich unterschreitenden Temperatur elektrisch bei der Arbeitstemperatur des Gases elektrisch leinicht leitend ist, wobei diese Substanz mit der Ober- tend ist, jedoch bei einer wesentlich unterhalb der fläche jedes Grundbauteils in der Nähe des Gases 15 Arbeitstemperatur des Gases liegenden Temperatur in Berührung steht und sie bedeckt und sich in einen Isolator darstellt.
Strömungsrichtung erstreckt. Mit Hilfe des Füllmaterials kann bei einer hitze-

Derartige Elektroden sind bekannt. festen Elektrode ein Pfad mit einem sehr geringen

MHD-Vorrichtungen umfassen MHD-Generato- elektrischen Widerstand zur Oberfläche der Elekren, die elektrische Leistung durch die Bewegung 20 trode geschaffen werden, obwohl der den geringen eines elektrisch leitenden Mediums oder Plasmas Widerstand aufweisende Pfad im Füllmaterial nur relativ zu einem magnetischen Feld erzeugen. Das an der Stelle besteht, an der das Füllmaterial infolge verwendete Plasma ist im allgemeinen ein elektrisch der Erhitzung durch das Gas eine hohe Temperatur leitendes Gas mit hoher Temperatur und hohem erreicht und elektrisch leitend wird. Weiterhin kann Druck. Fließt das Plasma durch den Generator, so 25 das hitzefeste Füllmateria! in einer Nut vorgesehen induziert es infolge seiner Bewegung im magneti- werden, die senkrecht zur Richtung der Gasströschen Feld eine elektromotorische Kraft zwischen mung verläuft, wobei ein Schutz für das Füllmateentgegengesetzten Elektroden im Inneren des Ge- rial, ein wesentlicher Unterschied zwischen der Temnerators. peratur der Elektronen emittierenden Teile und der

Ein MHD-Generator der beschriebenen Art arbei- 30 Temperatur der metallischen Teile der Elektrode

tet normalerweise mit einem stationären magneti- sowie eine Verminderung, wenn nicht Beseitigung

sehen Feld und einem Gasfluß in einer Richtung. der Lichtbogenbildung als Folge der Hall-Spannung

Dadurch ist solch ein Generator eine Gleichstrom- zwischen benachbarten Elektroden erzielt wird,

quelle. Bei diesen bekannten Anordnungen ist die dem

MHD-Vorrichtungen können auch als Pumpen 35 Gas zugewandte und damit der Hauptbelastung undienen, wobei ein leitendes Medium als Leiter dient, terworfene Oberfläche nicht homogen, sondern setzt der in einem magnetischen Feld beweglich ist. Dabei sich aus Werkstücken unterschiedlichen Materials wirkt eine Kraft auf den Leiter, die das Bestreben und damit unterschiedlicher Korrosionseigenschaften, hat, ihn in einer Richtung zu bewegen. Wenn diese thermischer Belastbarkeit usw. zusammen.
Kraft auf einen flüssigen Leiter zur Einwirkung ge- 40 Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufbracht wird, treibt sie diesen wie eine übliche gäbe, eine derartige Elektrodeneinrichtung der ein-Pumpe. Derartige Pumpen sind in der Laborato- gangs erwähnten Art so auszubilden, daß eine völlig riumsarbeit und im Zusammenhang mit der Bewe- homogene, gleichförmige Oberfläche aus einem eingung von flüssigem Natrium und flüssigem Natrium- heitlichen Material erreicht wird und trotzdem die Kalium in Kernreaktoren üblich. 45 unterschiedlichen Leiteigenschaften der bekannten

MHD-Vorrichtungen können außerdem MHD- Elektroden aufrechterhalten werden.

Beschleuniger sein, die im wesentlichen in der glei- Gemäß der Erfindung wird dies bei einer Elektro-

chen Art und Weise gebaut sind und arbeiten wie deneinrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch

MHD-Pumpen, wobei der Unterschied der ist, daß erreicht, daß die in der Nähe des Gases liegende

MHD-Pumpen im allgemeinen zum Pumpen von 50 Oberfläche der Grundbauteile in Wärmekontakt mit

Flüssigkeiten verwendet werden, während MHD- einem wärmeleitenden Teil steht, der sich so weit in

Beschleuniger verwendet werden, um ein elektrisch die Abdecksubstanz hinein erstreckt, daß die Tem-

leitendes Gas zu beschleunigen. peratur der Abdecksubstanz an den Stellen, an

Es ist bereits aus der französischen Patentschrift welchen diese den wärmeleitenden Teil bedeckt, mit

1 325 700 im besonderen für MHD-Generatoren be- 55 einem Wert aufrechterhalten wird, der ausreicht, um

kannt, jede solche Elektrode als rechteckförmigen diese Stellen im wesentlichen elektrisch nicht leitend

metallischen Leiter auszubilden und an der Ober- zu machen.

fläche mit parallelen Nuten zu versehen. Bei dieser Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird

Konstruktion sind mehrere Nuten vorgesehen, um also durch unterschiedliche Kühlung der Arbeits-

die dem heißen elektrischen Gas ausgesetzte wirk- 60 fläche der die Elektrodeneinrichtung abdeckenden

same Elektrodenoberfläche zu vergrößern, wobei Substanz mit temperaturabhängiger elektrischer Leit-

der elektrische Kontakt mit dem Gas und die Emis- fähigkeit die unterschiedliche Leitfähigkeit in den

sion von Elektronen bei einer gegebenen Temperatur entsprechenden Bereichen hergestellt, ohne daß

verstärkt wird. Die bekannte Konstruktion weist dadurch die einheitliche Oberfläche des Materials

jedoch verschiedene Nachteile auf, die deren Ver- 65 unterbrochen wird.

Wendungsmöglichkeiten erheblich einschränken. Der wärmeleitende Teil kann gemäß einer Ausge-

Einer dieser Nachteile ist darin zu sehen, daß diese staltung der Erfindung aus einem Vorsprung an

Elektroden im besonderen zur Lichtbosenbilduns einer oder beiden Seiten der in der Nähe des Gases

liegenden Oberfläche jedes metallischen Grundbauteils bestehen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Metallelektrode,

F i g. 2 einen Teilschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

F i g. 3 eine Schnittansicht durch die dem Gas zugewandte Oberfläche einer Elektrodeneinrichtung und der angrenzenden Teile,

Fig. 4 eine Ansicht, ähnlich Fig. 3, einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 5 eine Ansicht, ähnlich F i g. 3 und 4, einer weiteren Abwandlungsform der Erfindung,

Fig. 6 teilweise im Schnitt eine Schrägansicht einer Ringelektrode gemäß der Erfindung,

F i g. 7 in Schrägansicht einen Teilausschnitt aus einer Ringelektrode gemäß einer weiteren Abwandlungsform der Erfindung und

Fig. 8 eine Ansicht, ähnlich Fig. 7, einer anderen Abwandlungsf ο rm.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen eine Elektrodeneinrichtung, die einen metallischen Grundbauteil 10, etwa ein Kupferteil, mit einem Kanal 11 zur Aufnahme eines Kühlmittels aufweist, wobei ein Endteil 12 mit einer Nut oder einem Einschnitt 13 versehen ist, der sich über die gesamte Länge des Bauteils erstreckt. Die Nut oder der Einschnitt 13 ist mit einem Halbleitermaterial 14 (F i g. 3) gefüllt, wie nachstehend beschrieben.

Ein druckfestes Isoliermaterial 15, wie etwa PoIytetrafluoräthylen, Kork, Gummi od. dgl, ist in den Niedertemperaturbereichen und an der nicht gezeigten Bodenfläche, die vom Gas abgewandt ist, angeordnet, und eine hitzebeständige Abdecksubstanz (das Halbleitermaterial 14, wie in Fig. 3 gezeigt), wie beispielsweise Tonerde, Magnesia, Kieselerde oder Zirkon, ist zwischen den oberen Teilen der Seitenflächen 18 und 19 benachbarter Teile angeordnet. Die feuerfeste Abdecksubstanz soll bei der Betriebstemperatur elektrisch nicht leitend sein, sie sollte keine bei niederer Temperatur schmelzenden Mischungen bilden oder chemisch mit den für die Leitungswandungen verwendeten Materialien reagieren, und sie sollte Hitzebeanspruchungen und Temperaturwechsel bei Temperaturen aushalten, die für MHD-Vorrichtungen charakteristisch sind. Sie soll weiterhin gegenüber Verbrennungsprodukten chemisch neutral sein.

Die elektrisch leitenden Gase oder Plasmen, die heute in MHD-Vorrichtungen verwendet werden, sind entweder Edelgase, die auf eine Temperatur von mindestens 1093° C erhitzt werden, oder Verbrennungsprodukte bei einer Temperatur von ungefähr 2600° C. Demgemäß muß eine Elektrode zur Verwendung in MHD-Vorrichtungen in jedem Falle Temperaturen ausgesetzt werden, die höher liegen als 1092° C und die über einen beträchtlichen Bereich schwanken können. Sie muß außerdem einem korrodierenden und/oder oxydierenden Plasma widerstehen. Unter diesen Bedingungen hat es sich gezeigt, daß ein Halbleitermaterial am geeignetsten ist. Das Halbleitermaterial kann mit einem elektrisch emittierenden Material für Emittierelektroden gedopt werden.

Die elektrische Leitfähigkeit des die Abdecksubstanz bildenden Halbleitermaterials hängt von der Temperatur ab. So hängt für ein Plasma und eine Elektrodenkonstruktion die Temperatur der freiliegenden Oberfläche des Halbleitermaterials von dem Gastemperaturgradienten in der Grenzschicht ab, und da die Leitfähigkeit von Gasen sehr stark von der Temperatur abhängt, hängt die Stromverteilung in der Grenzschicht von der Temperatur der Grenzschicht ab. Weiterhin reagiert bei vielen Anwendungsgebieten das in MHD-Vorrichtungen verwendete elektrisch leitende Gas mit den feuerfesten Elektrodenmaterialien, wie etwa Kohlenstoff, Wolfram, Molybdän, Kolumbian od. dgl., und verbraucht sie daher.

Ein bekanntes Halbleitermaterial, das sich als zufriedenstellend herausgestellt hat, ist Zirkoniumoxyd mit ungefähr 6,4 Molprozent Kalziumoxyd. Während solch ein Material ebensogut in einer neutralen Atmosphäre wie in einer oxydierenden Atmosphäre arbeitet, können andere Materialien, wie beispielsweise Zirkondiborid oder Zirkonnitrid ohne Zuschläge oder feuerfeste Keramikmaterialien, die entweder mit Bariumoxyd oder Kalziumoxyd od. dgl. gedopt sind, in einer neutralen Atmosphäre verwendet werden.

Als Beispiel ist für thermisch emittierende Elektroden ein geeignetes Niveau von thermischer Emission von mindestens der Größenordnung von 10 A/cm² in MHD-Generatoren und von 100 A/cm'-' in MHD-Beschleunigern erforderlich. Wie bereits vorher festgestellt, schafft Zirkonoxyd, das mit 6,4 Molprozent Kalziumoxyd gedopt ist, zufriedenstellende elektrische Eigenschaften.

Der metallische Grundbauteil 10 der Elektrode kann aus jedem beliebigen Metall bestehen, beispielsweise Kupfer, Nickel oder Stahl.

Das Halbleitermaterial kann in beliebiger Weise in die Nuten eingebracht sein, etwa durch Einspachteln, Brennen oder durch eine Sprühtechnik. Wenn keine Hall-Spannung vorhanden oder diese gering ist, können die Elektrodennuten parallel zur Gasströmungsrichtung angeordnet werden.

Eine geeignete Tiefe und Breite der Einschnitte wird im wesentlichen durch die Wärmeeigenschaften der Halbleitermaterialien bestimmt. Die Tiefe und Breite der Einschnitte wird vorteilhafterweise in einer solchen Art und Weise gewählt, daß im Betrieb die Oberflächentemperatur des Halbleitermaterials in dem Einschnitt erreicht wird, der zu seiner maximalen elektrischen Leitfähigkeit führt.

Der schmale, flanschartig herausragende Teil 20, der durch die Nut 13 gebildet wird, beeinflußt durch seine Kühlwirkung die Leitfähigkeit. F i g. 3 zeigt, daß der Randbereich 12 einer jeden Elektrode 10. die mit dem Gas in Berührung kommt, aus einer äußeren Fläche 21 und einer zweiten größeren Fläche 22 besteht, die weiter von dem Gas bzw. der dem Gas ausgesetzten Oberfläche 23 des Halbleitermaterials entfernt liegt. Die Abmessungen der Randbereiche 12 einer jeden Elektrode ist in Richtung des Gasstromes (von links nach rechts für das Beispiel in Fig. 3) vorzugsweise gering, verglichen mit den Abmessungen der Bauteile senkrecht zur Richtung des Gasstromes. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit des metallischen Grundbauteils einschließlich

G5 des herausragenden Teils 20 im Vergleich zu der der Abdecksubstanz entspricht die Temperatur an der Oberfläche 23 der Abdecksubstanz über den entfernter liegenden Oberflächen 22 etwa der Tempera-

tür des Gases, während die Temperatur der Abdecksubstanz an den herausragenden Teilen oder der Oberfläche 21 wesentlich geringer ist. Die Stärke der Abdecksubstanz über den herausragenden Teilen 20 wird in einfacher Weise so gewählt, daß die Temperatur in diesem ganzen Bereich geringer ist als die, bei der das Halbleitermaterial elektrisch leitend ist, wodurch eine hohe Impedanzzone zwischen der Abdecksubstanz vorhanden ist, die die benachbarten Teile abdeckt. Die Temperatur der Oberfläche 23 über der Oberfläche 22 nähert sich der des Gases, und das Material ist daher an dieser Stelle elektrisch leitend.

Bei Versuchen zeigten sich Nuten von etwa 2,5 mm Tiefe (senkrecht zur Richtung des Gasstroms) und 5 mm Breite (in Richtung des Gasstroms) zufriedenstellend. Die Nutenbreite sollte zwischen dem Einbis Zweifachen der Nutentiefe liegen. In der Praxis ist es wünschenswert, die Breite der Grundteile 10 so gering wie praktisch möglich zu machen, so daß die Höchstzahl von Elektroden verwendet werden kann. In den vorstehend erwähnten Versuchen wurde ein Spannungsabfall an den Elektroden von ungefähr 18 Volt gemessen, wenn das Halbleitermaterial, das aus Zirkon bestand, in einer Nut von 2,54 mm χ 5,08 mm untergebracht war und sich auf einer Temperatur zwischen 1667 und 1720° C befand, während bei 1840 bis 1890° C der Spannungsabfall ungefähr 12 Volt betrug.

F i g. 4 zeigt eine Anordnung identisch der in F i g. 3 mit der Ausnahme, daß feuerfeste Substanz 16, die bei der Arbeitstemperatur des Gases elektrisch nicht leitend ist, etwa Tonerde, zwischen den oberen Teilen der benachbarten Grundteile 10 angeordnet ist und sich bis zur freiliegenden Oberfläche 23 des Halbleitermaterials 14 erstreckt. Während die Ausdehnung der elektrisch nicht leitenden, feuerfesten Substanz 16 nicht wesentlich für das Verhüten von Stromfluß in einer Richtung parallel zur Richtung des Gasstroms ist (beispielsweise der Fluß der Hall-Ströme), erhöht es die Impedanz zwischen den elektrisch leitenden Zonen. Wegen der strukturellen Starrheit dieses Materials bei im wesentlichen allen Temperaturen verträgt es die Scherbeanspruchung infolge der Gasreibungen und verringert dadurch die Erosion oder ein mögliches Fließen des Halbleitermaterials. Das Isoliermaterial 15 schafft eine Gasdichtung.

F i g. 5 zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführungsform nach F i g. 3, worin die Nut 13 nach F i g. 2 die Form einer dreiseitigen Nut 24 hat. Obwohl hier rechteckige Nuten als Beispiel gezeigt und beschrieben sind, ist die Erfindung nicht darauf begrenzt, und es kann eine andere Nutgestaltung verwendet werden.

F i g. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung gemäß F i g. 4 und einen Teil einer ringförmigen Metallplatte 10α als Grundbauteil. Eine Vielzahl solcher Platten kann beispielsweise den Teil einer Leitung eines Hall-Strom-MHD-Generators oder Beschleunigers bilden. Wahlweise können die Platten von einer abweichenden Gestalt sein, wie etwa im allgemeinen rechteckig, und können den Teil einer Leitung eines Diagonal-MHD-Generators bilden, worin die Elektroden nicht kurzgeschlossen sind.

Bei einem Diagonal-MHD-Generator oder Beschleuniger werden die Platten im allgemeinen in einem vorher bestimmten anderen Winkel als 90° zur Richtung des Gasstroms angeordnet, so daß sie einer gleichpotentiellen Oberfläche wenigstens etwa folgen. In Hall-Strom-Generatoren liegt die Ebene der gleichpotentiellen Oberflächen senkrecht zur Richtung des Gasstroms.

F i g. 7 zeigt kontinuierliche ringförmige Leiter 30 und 31, die in das Halbleitermaterial 14 eingebettet sind und in elektrischem Kontakt mit dem Bauteil 10 an ihrer äußeren Peripherie 32 und 33 stehen, während ihre innere Peripherie 34 und 35 in der Nähe der Oberfläche 23 liegt. Die Leiter 30 und 31 bestehen vorzugsweise aus einem hochfeuerfesten Material, wie etwa Zirkondiborid (ZrB₂), das einen spezifischen Widerstand von ungefähr 50 · 61 ~^G Ohm/cm hat und einen Schmelzpunkt von ungefähr 2820° C. F i g. 7 zeigt zwei Leiter, jedoch kann auch nur einer oder eine größere Anzahl verwendet werden. Die Leiter 30 und 31 können abhängig beispielsweise von der Maximaltemperatur, die sie aushalten müssen, und den Bedingungen, unter denen der Generator arbeiten soll, an ihrer inneren Peripherie dem Gas ausgesetzt oder vollständig in dem Halbleitermaterial eingebettet sein. Wenn Material wie etwa Zirkondiborid nicht verwendet wird, sollten die Leiter aus einem Hochtemperaturmetall bestehen, wie etwa Platin oder rostfreiem Hochtemperaturstahl.

Die innere Peripherie der Leiter 30 und 31 sowie auch des Leiters 41 nach Fig. 8 muß in oder mindestens in der Nähe des elektrisch leitenden Teils des Halbleitermaterials 14 enden und dadurch einen Pfad niederen Widerstands für den elektrischen Strom, verglichen mit dem der halbleitenden Abdecksubstanz, in der Nähe des Bauteils 10 bilden. Es ist jedoch wichtig, darauf hinzuweisen, daß das HaIbleitermaterial 14, wenn es über einen wesentlichen Bereich mit einer Oberfläche niedriger Temperatur in Berührung steht, wie etwa der des Bauteils 10, an dieser Stelle ein schlechter Leiter ist. Wenn so Strom durch solch eine Barriere hohen Widerstands in einer Elektrode fließen muß, tritt ein großer Spannungsabfall an den Elektroden auf.

Bei der Herstellung einer Elektrode kann als Abdecksubstanz ein Halbleitermaterial, wie etwa Zirkonerde (ZrO₂), das auf 1490° C gebrannt ist, den Hauptbestandteil der Abdecksubstanz 14 ausmachen. Nach dem Anbringen eines Leiters am Grundbauteil, wie beispielsweise des Leiters 31 in F i g. 7, können der Leiter und die Oberflächen 21, 36 und 22 mit Halbleitermaterial in Pastenform abgedeckt und das gebrannte Halbleitermaterial maschinell bearbeitet werden, um einen passenden Sitz zu erreichen. Danach kann der gesamte Aufbau bei einer Temperatur von etwa 316° C vulkanisiert werden, um das gebrannte Halbleitermaterial an dem Grundbauteil festzulegen.

Die in F i g. 8 gezeigte Anordnung umfaßt einen drahtartigen Leiter 41, der in dem Halbleitermaterial 14 eingebettet ist. In diesem Falle ist darauf hinzuweisen, daß der Leiter 41 nicht in elektrischer Berührung mit dem Bauteil 10 steht. Diese Anordnung eignet sich sehr zur Verwendung in Hall-Strom-Generatoren, worin ein Querstromfluß durch die Leitung im allgemeinen kurzgeschlossen wird.

Es können Drähte 42 od. dgl. verwendet werden, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem eingebetteten Leiter und einem kühlen Grundteil herzustellen, die andernfalls wirksam elektrisch und durch Wärme voneinander isoliert sind.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrodeneinrichtung für eine MHD-Vo rrichtung, bestehend aus metallischen Grundbauteilen, welche einen Abschnitt zumindest einer Wand des MHD-Kanals bilden und senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen sowie je eine Kühleinrichtung aufweisen, ferner aus Abstandshaltern, welche benachbarte Grundbauteile elektrisch voneinander isolieren, und schließlich aus einer Abdecksubstanz, die bei der Arbeitstemperatur des Gases elektrisch leitend und bei einer die Temperatur des Gases wesentlich unterschreitenden Temperatur elektrisch nicht leitend ist, wobei diese Substanz mit der Oberfläche jedes Grundbauteils in der Nähe des Gases in Berührung steht und sie bedeckt und sich in Strö-

mungsrichtung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Nähe des Gases liegende Oberfläche (22) der Grundbauteile (10,10 a) in Wärmekontakt mit einem wärmeleitenden Teil (20) steht, der sich so weit in die Abdecksubstanz (14) hinein erstreckt, daß die Temperatur der Abdecksubstanz (14) an den Stellen, an welchen diese den wärmeleitenden Teil (20) bedeckt, mit einem Wert aufrechterhalten wird, der ausreicht, um diese Stellen im wesentlichen elektrisch nicht leitend zu machen.

2. Elektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende Teil (20) aus einem Vorsprung an einer oder beiden Seiten der in der Nähe des Gases liegenden Oberfläche (22) jedes metallischen Grundbauteils (10, 10 a) besteht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 109 548/245