DE1539280B2 - Thermionischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermionischen Wandler, bestehend aus mehreren zylindrischen, längs einer Achse hintereinander angeordneten und in Reihe geschalteten Dioden, die jeweils aus einem von einer elektrisch leitenden, als Emitterelektrode dienenden Hülle umgebenden Kernbrennstab und einem diesen im Abstand-kbaxial umgebenden, als Kollektorelektrode dienenden' Bauteil bestehen, bei dem die Kernbrennstäbe im Abstand voneinander angeordnet sind, bei dem jeweils die Emitterelektrode einer Diode mit der Kollektorelektrode der benachbarten Diode elektrisch leitend verbunden ist und bei ,dem die als Kollektorelektrode dienenden Bauteile der einzelnen Dioden miteinander verbunden und ihre Außenflächen von einem Kühlmedium umspült sind.

Durch die deutsche Auslegeschrift 1130 873 ist ein thermionischer Wandler bekanntgeworden, der einen aus einem Stück bestehenden, durch den gesamten Wandler hindurchgehenden Kernbrennstab aufweist, auf dem die Emitterelektroden der einzelnen elektrisch in Reihe verbundenen Dioden angeordnet sind. Die Kollektorelektroden der einzelnen Dioden umgeben die Emitterelektroden koaxial und unter Zwischenschaltung einer elektrisch isolierenden Schicht mit einem den äußeren Mantel des Wandlers bildenden Metallrohr, das von einem Kühlmittel umfiossen ist, zu einem Bauteil verbunden. Dieser Wandler kann nicht ohne weiteres verlängert oder verkürzt werden.

Bei einem weiteren thermionischen Wandler (s.dieFig.5derSchnftzumbritischenPatent920198), bei dem einzelne Kernbrennstäbe längs einer Achse hintereinander angeordnet sind, die jeweils von einer die Emitterelektrode der einzelnen Dioden bildenden Hülle umgeben sind, sind die Kollektorbauteile in gleicher Weise wie bei dem vorstehend genannten Wandler ausgebildet. Auch hierbei ist der aus einzelnen Bauelementen bestehende Wandler von einem Rohr umgeben, das die Längenänderung des Wandlers erschwert.

Ferner ist ein thermionischer Wandler vorgeschlagen worden (deutsches Patent 1 281 002), der ebenfalls mehrere längs . einer Achse angeordnete Dioden aufweist. Hierbei sind alle Emitter- und Kollektorelektroden der einzelnen Dioden zu starren Bauteilen verbunden, die jeweils aus einem metallischem Tragrohr bestehen, auf dessen Innen- bzw. Außenfläche unter Zwischenschaltung einer isolierenden Zwischenschicht die einzelnen Kollektor- bzw. Emitterelektroden aufgebracht sind. Diese Bauteile werden durch einen Schmiedevorgang hergestellt. Dieser Wandler läßt ebenfalls seine Verlängerung oder Verkürzung in einfacher Weise nicht zu.

Durch die Fig. 3 der Schrift zum französischen Patent 1 382 968 ist ein thermionischer Wandler bekanntgeworden, bei dem ein sich über den gesamten Wandler erstreckendes, aus einem Stück bestehendes Rohr vorgesehen ist, das aus dickeren Wandteilen, welche die Kollektoren bilden, und aus dünneren Wandteilen besteht, welche den unerwünschten elektrischen Strom von Kollektor zu Kollektor reduzieren. Auch diesem Wandler haftet der Nachteil an, daß er nicht bequem verlängert oder verkürzt werden kann.

Der thermionische Wandler der eingangs erwähnten Art ist durch die F i g. 1 der Schrift zum französischen Patent 1 382 968 bekanntgeworden. Bei diesem ist jeder Kollektor über Keramringe mit den beiden Nachbarkollektoren verbunden. Zwar ist es bei diesem Wandler möglich, seine Länge ohne weiteres zu variieren, indessen sind die Keramringe von Hause aus zerbrechlich und werden unter der Einwirkung der nuklearen Strahlung noch zerbrechlicher.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den zuletzt erwähnten Wandler derart zu ändern, daß er mehr Festigkeit und Haltbarkeit erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Kollektorbauteil aus zwei koaxial ineinanderliegenden Hülsen mit zwischen diesen befindlicher Schicht aufgebaut ist, daß jede äußere Hülse aus Metall mit hohem elektrischem Widerstand, verglichen mit dem Widerstand der inneren Hülse, besteht und unmittelbar mit den äußeren Hülsen benachbarter Dioden verbunden ist, daß jede innere Hülse aus Metall mit niedrigem elektrischem Widerstand, verglichen mit dem Widerstand der äußeren Hülse, besteht, Abstände zu den inneren Hülsen der beiden benachbarten Dioden aufweist und mit der Hülle des Kernbrennstabs einer der beiden benachbarten Dioden verbunden ist, und daß die Schicht zwischen den Hülsen pulverförmig ausgebildet ist und aus einem Material hoher thermischer Leitfähig- * keit und hohen elektrischen Widerstandes besteht.

Neben der großen Stabilität hat der erfindungsgemäße Wandler gegenüber dem Wandler gemäß Fig. 1 der Schrift zum französischen Patent 1382 968 noch den weiteren Vorteil, daß die schwierig herzustellenden Metall-Keramik-Verbindungen entfallen. Die Metalle oder Metall-Legierungen für die beiden Hülsen, nämlich der inneren und der äußeren Hülse, müssen einerseits die Betriebstemperatur des Wandlers aushalten, die größenordnungsmäßig 600° C beträgt. Andererseits muß das Metall oder die Metall-Legierung, welche die äußere Hülse bildet, so ausgewählt werden, daß der spezifische Widerstand ausreicht, um eine gute Isolation zwischen den Kollektoren der einzelnen Dioden und damit zwisehen Eingang und Ausgang des Wandlers zu sichern. In der Praxis ist die Isolierung ausreichend, wenn die Stromverluste infolge des Stromdurchgangs in der äußeren Hülse in bezug auf den in dem Wandler erzeugten Gesamtstrom nicht größer als 10 bis 15% sind.

Erfindungsgemäß besteht die äußere Hülse aus einer Legierung auf der Basis von Titan. Dieser Legierung kann ein Hauptzuschlag zugefügt sein, der aus folgenden Metallen besteht: Aluminium, Yttrium oder Beryllium. Zweckmäßigerweise liegt der Hauptzuschlag in einer Menge von 2 bis 8% vor. Ferner wird vorgeschlagen, daß die Legierung noch einen zusätzlichen Zuschlag aufweist, der aus folgenden Metallen besteht: Molybdän, Vanadium, Zirkon, wobei die Konzentration dieses Zuschlags 0 bis 5% betragen kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Kollektorbauteils für einen thermionischen Wandler nach der Erfindung besteht die äußere Hülse aus

do einer Legierung von Titan und Aluminium mit 6% Aluminium, deren spezifischer Widerstand 162 Mikro-Ohm · Zentimeter bei 20° C und 210 Mikro-Ohm · Zentimeter bei der Betriebstemperatur von 60O⁰C beträgt. Eine andere Ausführungsform weist eine Legierung aus Titan, 6% Aluminium und 2% Vanadium auf, deren spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur 164 Mikro-Ohm · Zentimeter beträgt.

Claims (13)

1. 3 4

   Die innere Hülse besteht vorzugsweise aus Niob, Der Wandler besteht aus einer bestimmten Anzahl

   Molybdän oder Zirkonium. von Dioden D1 bis D n, die in Reihe geschaltet sind.

   Ein derartig zusammengesetztes Kollektorbauteil Jede dieser Dioden, beispielsweise die Diode D1, muß so hergestellt werden, daß die isolierende Zwi- besteht aus einem Emitter 1, der in an sich bekannter schenschicht sowohl bei Umgebungstemperatur als 5 Weise von einem Uranoxidstab 1 α gebildet wird, der auch bei der vorgesehenen Betriebstemperatur einem von einer Umhüllung Ib aus Wolfram oder Molyb-Restdruck von Seiten der äußeren Hülse ausgesetzt dän eingeschlossen ist. Für den Fall, daß diese Umbleibt, derart, daß das Bauteil gute elektrische Iso- hüllung aus Molybdän besteht, ist sie gegebenenfalls lationseigenschaften und einen guten thermischen mit einem Belag aus Wolfram oder Rhenium bedeckt. Kontakt garantiert. io Der Emitter 1 selbst ist von einer die Kollektorelek-

   Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Her- trode bildenden Hülse 2 eines zylindrischen Kollekstellung des oben beschriebenen Bauteils. Das neue torbauteils 2, 7, 6 umgeben, die die Elektrizität leitet Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es einen und entweder aus Molybdän, aus Niob oder aus Zir-Schmiedevorgang od. dgl. umfaßt, der bei einer Tem- kon besteht. Der Ringraum 3 zwischen dem Emitter peratur erfolgt, die gleich oder vorzugsweise höher 15 und der Hülse 2 ist von einem Zäsiumplasma angeist als diejenige, die beim Betrieb des Wandlers auf- füllt, welches man durch Erhitzen einer Zäsiumtritt, derart, daß bei der Abkühlung des Bauteils die menge 4 in einem Behälter 5 erhält, der mit dem äußere Hülse eine Vorspannung aufrechterhält. Ringraum in Verbindung steht.

   Eine derartige Verarbeitung läßt sich mit den ver- Um die Hülse 2 herum ist koaxial eine äußere schiedensten Mitteln und nach den verschiedensten 20 Hülse 6 angeordnet, und beide zylindrischen Hülsen 2 Verfahren durchführen, beispielsweise durch einen und 6 sind durch eine Isolierschicht 7 voneinander magnetischen Schmiedevorgang, ein isostatisches isoliert. Jede der Hülsen 2 ist über Teile 8, 9 mit der Preßverfahren oder ein Walzverfahren; vorzugsweise Emitterelektrode la der benachbarten Diode verbunbesteht das Verfahren aber in einem Zusammen- den. Diese Verbindungsstücke 8, 9 müssen eine mögschmieden, welches mit Hilfe einer Reduzier- oder 25 liehst große elektrische Leitfähigkeit und eine mög- **. Hämmermaschine durchgeführt werden kann. liehst kleine thermische Leitfähigkeit aufweisen. Sie

   Die Zwischenschaltung der pulverförmigen Isolier- sind an der Kollektor- und an der Emitterelektrode

   schicht, die aus Aluminium oder Aluminium mit durch Hartlöten befestigt.

   Yttriumoxyd bestehen kann, kann nach einem der Die Teile 8 an den einzelnen Dioden haben Löcher

   nachstehenden Verfahren ausgeführt werden: 30 8 a, durch die das Zäsiumplasma in die Ringräume

   a) Einsetzen von vorher (teilweise oder völlig) ge- innerhalb der verschiedenen Dioden eindringen kann, sinterten Ringen in einen Rohling, der die vor- Die verschiedenen zylindrischen Hülsen 6 der geformte äußere Hülse und die vorgeformte Dioden sind an den Stellen 10 miteinander verinnere Hülse umfaßt. In diesem Fall erhält man schweißt und bilden den äußeren Mantel 11 des die pulverförmige Beschaffenheit durch das 35 Wandlers. Es kann dies beispielsweise durch Elek-Brechen im Laufe der transversal gerichteten tronenbombardement erfolgen.

   Kontraktion; Der Wandler weist an seinen Enden Scheiben 12

   b) Einlegen und Zusammenpressen in longitudi- und 13 auf, durch welche äußere Klemmen 14 und 15 naler Richtung eines ausgewählten feuerfesten luftdicht hindurchgehen, von denen die eine an die isolierenden Pulvers in eine Halterung, die wäh- *° Emitterelektrode der an ernem Ende des Wandlers rend des Herstellungsverfahrens die innere und liegenden Diode und die andere an der KoUektorelekdie äußere Hülse fest miteinander verbindet; !™de ^der, ^{an der anderen Seite des} Wandlers liegendiese Zusammendrückung kann im kalten oder ^{den Dlode} angeschlossen ist. Die beiden Klemmen im warmen Zustand mit Hilfe zweier ringförmi- *⁴,^{und 15 stehen in} mechanischer Berührung mit den ger Kolben vorgenommen werden; ⁴⁵ Scheiben 12 und 13. Durch den äußeren Mantel 11

   \ . · τ, ·. j · 1· j TT-I fließt ein Strom, dessen Starke tragbar erscheint

   c) vorheriges Bespritzen der innen liegenden Hülse _{(größenordnimgsmäßig beträg}t er 10 bis 15 ·/. der mit einem Belag des ausgewählten Isoliermate- f _{ka deg G}J_amtstl ^B _de°_{n der Wandler liefert)}. rials. Dieses Verfahren laßt sich mit Hilfe einer _{Dßr Wandler wkd m die Flüssi keit des Reakt0}/_s Plasmafackel, emex Schoopschen Spritzpistole _{ei taucht die für die Abkühlu}n_{g sorgt}. _{Er ist ge}_ oder auf andere Weise durchfuhren. Der Belag _b ^ä _{enenfalls mit einer} T_solierschicht _bedeckt, die beiwird anschließend bearbeitet, beispielsweise *p_{ielsweise aus} aufgespritztem Aluminiumoxid bedurch Schleifen, um exakt definierte Abmessun- f.. . ^r

   gen zu bekommen. Das so gewonnene Element τ> · · a j j- a * λ· d* j· π;··

   ^ö. j ... 1· j · τ. -η uv ujw Bei einer Anordnung dieser Art fließt die Warme

   wird mit einem zylindrischen Rohling bedeckt _{des Wandlers in radiale}°_{r Richtu} ^_{1 die Kühlflüssi}

   und einem Schmiedevorgang unterworfen. _{keU ab Wegen des DruckS)} ^J^ _{Isolierstoff 7} J_n

   In der Mehrzahl der Fälle muß man eine unter- dem Ringraum zwischen den beiden rohrförmigen schiedliche Dehnung der äußeren und inneren Hülse Hülsen aus Metall ausgesetzt ist, ist der Durchlaßstrikt vermeiden. Zu diesem Zweck kann man bei- querschnitt für den Wärmestrom hoch, spielsweise die äußeren Enden der beiden Hülsen 60

   durch eine geeignete mechanische Vorrichtung fest- Patentansprüchehalten.

   In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dar- 1. Thermionischer Wandler, bestehend aus

   gestellt. Darin zeigt mehreren zylindrischen, längs einer Achse hinter-

   F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen thermioni- 65 einander angeordneten und in Reihe geschalteten

   sehen Wandler nach der Erfindung und Dioden, die jeweils aus einem von einer elektrisch

   F i g. 2 einen Längsschnitt durch ein einzelnes leitenden, als Emitterelektrode dienenden Hülle

   Kollektorbauteil. umgebenen Kernbrennstab und einem diesen im

   Abstand koaxial umgebenden, als Kollektorelektrode dienenden Bauteil bestehen, bei dem die Kernbrennstäbe im Abstand voneinander angeordnet sind, bei dem jeweils die Emitterelektrode einer Diode mit der Kollektorelektrode der benachbarten Diode elektrisch leitend verbunden ist und bei dem die als Kollektorelektrode dienenden Bauteile der einzelnen DioTlen miteinander verbunden und ihre Außenflächen von einem Kühlmedium umspült sind, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß jedes Kollektorbauteil aus zwei koaxial ineinanderliegenden Hülsen (2, 6) mit zwischen diesen befindlicher Schicht (7) aufgebaut ist, daß jede äußere Hülse (6) aus Metall mit hohem elektrische Widerstand, verglichen mit dem Widerstand der inneren Hülse (2), besteht und unmittelbar mit den äußeren Hülsen benachbarter Dioden (D₁, D₂... D_n) verbunden ist, daß jede innere Hülse (2) aus Metall mit niedrigem elektrischem Widerstand, verglichen mit dem Widerstand der äußeren Hülse (6), besteht, Abstände zu den inneren Hülsen der beiden benachbarten Dioden (D₁, D₂ ... D_n) aufweist und mit der Hülse (1 b) des Kernbrennstabs (la) einer der beiden benachbarten Dioden (D₁, D₂... D_n) verbunden ist und daß die Schicht (7) zwischen den Hülsen (2, 6) pulverförmig ausgebildet ist und aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit und hohen elektrischen Widerstandes besteht.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülse (6) aus einer Legierung auf der Basis von Titan besteht.
3. 3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung ein Hauptzuschlag zugefügt ist, der aus folgenden Metallen besteht: Aluminium, Yttrium oder Beryllium.
4. 4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung noch einen zusätzlichen Zuschlag aufweist, der aus folgenden Metallen besteht: Molybdän, Vanadium, Zirkon.
5. 5. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung 6°/o Aluminium zugefügt sind.
6. 6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung 2% Vanadium zugefügt sind.
7. 7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülse (2) aus Wolfram oder Molybdän besteht.
8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Kollektorbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schmiedevorgang od. dgl. umfaßt, der bei einer Temperatur erfolgt, die gleich oder vorzugsweise höher ist als diejenige, die beim Betrieb des Wandlers auftritt, derart, daß bei der Abkühlung des Bauteils die äußere Hülse eine Vorspannung aufrechterhält.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetischer Schmiedevorgang, ein isostatisches Preßverfahren oder ein Walzverfahren zur Anwendung gelangt.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Hilfe einer Reduziermaschine durchgeführt wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschaltung der pulverförmigen Isolierschicht dadurch erfolgt, daß „· gesinterte Ringe in einen Rohling eingesetzt wer- '· den, der die vorgeformte äußere Hülse und die vorgeformte innere Hülse umfaßt.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einführen des isolierenden Pulvers eine Muffe oder Montagevorrichtung dient, die die Lage der äußeren und inneren Hülse während des Einführens fixiert, und daß das Pulver im kalten oder warmen Zustand mit Hilfe zweier ringförmiger Kolben in Längsrichtung zusammengedrückt wird.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschaltung der pulverförmigen Isolierschicht dadurch erfolgt, daß zunächst auf die innere Hülse einer Schicht aus Isolierstoff aufgespritzt, diese anschließend mechanisch bearbeitet wird und das so gewonnene Element in einem zylindrischen Rohling eingeführt und einem Schmiedevorgang unterworfen wird.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen