DE2108712B2 - Sich selbst regulierendes reservoir eines ionisierbaren metalls fuer einen thermionischen wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein sich selbst regulierendes Reservoir eines ionisierbaren Metalls für einen thermionischen Wandler, das durch mindestens einen Teil der dem Wandler zugeführten Wärmeenergie auf seine Betriebstemperatur gebracht worden ist und das aus zwei in dem Innenraum des Wandlers angeordneten Blöcken besteht, die aus Materialien mit einer großen freien Oberfläche bestehen, an der das ionisierbare Metall durch Oberflächeneffekt fixiert wird.

Thermionische Wandler haben im allgemeinen die Form von abgeschlossenen Dioden, die zwei Elektroden enthalten, von denen die eine erwärmt wird und Elektronen emittiert, während die andere kalt bleibt und Elektronen aufnimmt, wodurch ein Stromfluß in einem äußeren Anschluß entsteht, der eine Ladungsquelle mit diesen beiden Elektroden Verbindet.

Um der gegenseitigen Abstoßung im Milieu der emittierten Elektronenwolke, weiche die Emission begrenzt, entgegenzuwirken, wird in die Diode der Dampf eines leicht ionisierbaren Metalls, z. B. Cäsiumdampf, eingeführt, dessen positive Ionen die negativen Ladungen der Elektronen neutralisieren und so die Erzielung eines höheren Stromes ermöglichen.

Im Falle der früher verwendeten thermionischen Wandlerdioden befand sich das Cäsiumreservoir außerhalb der Diode, mit der es durch ein dünnes Rohr verbunden war, das eine thermische Verbindung mit hohem thermischem Widerstand darstellte, wodurch die jeweiligen Temperaturen der Emissionselektrode der Diode und des Reservoirs leicht getrennt reguliert werden konnten, um die Funktionsparameter derselben optimal einzustellen.

Auf Grund der Nachteile, die sich bei einem solchen zweiteiligen Aufbau in der Praxis zeigten, wurde als Verbesserung eine Monoblock-Struktur vorgeschlagen, in der das Cäsiumreservoir, das in Form eines Blockes aus porösem, adsorbierendem Material mit einer großen freien Oberfläche vorliegt, mit der Diode selbst eine Einheit bildet (deutsche Offenlegungsschrift 2054742). Bekannt sind auch bereits solche thermionischen Wandler, deren Reservoir aus zwei in seinem Innenraum angeordneten Blöcken aus Materialien mit einer großen freien Oberfläche, an der das ionisierbare Metall durch Oberflächeneffekt fixiert wird, besteht (USA.-Patentschrift 3 426 221). Aus der deutschen Auslegeschrift 1171 483 ist ferner ein thermionischer Wandler bekannt, bei dem ein zu verdampfendes Cäsium enthaltendes Reservoir im Innern des Wandlers angeordnet ist, wobei über dem Cäsium ein Block aus einem porösen Material angeordnet ist, an dessen Oberfläche das Cäsium durch Oberflächenspannung gebunden wird. Dir Verwendung von Graphit, insbesondere pyrolytischem Graphit, als Cäsium-bindendes Material für thermionische Wandler ist bereits aus »Nuclear Science and Engeneering«, Bd. 28, S. 51 bis 54 (1967) bekannt. Aus der französischen Patentschrift 1 563 826 ist die Verwendung von Wolfram und Molybdän für diesen Zweck bekannt.

Mit solchen Monoblock-Struktüren ist es zwar möglich, die Nachteile der früher verwendeten thermionischen Wandler zu vermeiden; dabei treten jedoch andere Nachteile auf, insbesondere der, daß es damit nicht mehr möglich ist, die Temperatur des Reservoirs und der Diode unabhängig voneinander zu regulieren. Dies führt zu einer gegenseitigen Abhängigkeit zwischen Temperatur und Druck im Innern der Wandlerdiode. Für die Aufrechterhaltung einer optimalen Funktionsweise der Diode ist es jedoch erforderlich, daß sich Druck und Temperatur nach einem Variationsgesetz derart selbst regulieren, daß der Druck innerhalb geeigneter Grenzen bleibt. Dies hängt offensichtlich von dem dabei verwendeten Adsorptionsmittel ab, das die Art der Freisetzung oder Adsorption des ionisierbaren Metalldampfes als Funktion der Temperatur bestimmt. Außerdem muß dabei die Menge des in dem porösen Block in adsorbierter Form gelagerten Metalls ausreichen, um eine Versorgung des thermionischen Wandlers während des Betriebs zu gewährleisten.

Die bekannten Körper, welche diesen porösen Block oder »Schwamm« bilden können, können in zwei Kategorien eingeteilt werden, die jeweils nur eine der beiden oben genannten Bedingungen erfüllen. So ist es beispielsweise mit gesinterten, feuerfe-

{ sten Materialien, z.B. Wolfram oder Molybdän · η ⁴

S zwar möglich, erne gute Selbstreguüerung zu erzielen" ™" ^Casiumdampf versorgen, wie das bei den be-

§ da die Neigung ihrer Druckkurve als Funktion der "^^η thesmionischen Wandlern der Fall ist, son-

|; Temperatur variabel ist als Funktion ihrer sDezifi Z Cäsiumionen nur von dem ersten Block

f. sehen Oberfläche, wodurch es möglich ist, durch ein_P~ < ^aus8^ehe?' ^der seinerseits von dem zweiten Block ge-

H geeignete Wahl dieser Oberfläche diese Neigung S *? *SSL

Jl sprechend dem gewünschten Druck einzuregulieren- α ^^Erfmdung wird nachfolgend an Hand eines

sie erlauben jedoch nicht die Erzeugung einls genü ^A™™ngsbeispiels unter Bezugnahme auf die

ψ. gaa&a Cäsiumvorrats. Andererseits ermöglich™ .^g· * ^{bls 3 der} Zeichnung näher erläutert. Dabei

Ig Graphit und kohlenstoffhaltige Adsorotionlmittl ^

|~ zwar die Herstellung eines großen CäsiumvorratQ ^l° r> ^Fig"* ^{einen Aufbau de}s sich selbst regulierenden

% der beispielsweise eine Betriebsdauer vonTSTak %™TJ·

If 10 000 SMnden ermögUcht; bei ihnen erfolet iednHn ♦ ^{l g}" ^Kurven> welche die Funktionsweise erläu-

p die Änderung des Druckes als Funktion de? T₆Ze ^ ^

* ratur so ungünstig, daß es nur zu einer mäßiee rv'^{g- aadeTe} Funktionskurven.

Selbstregulierung kommt. ^{g n 15} . °ie Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Reservoirs aus Aufgabe der Erfindung ist es, ein sich selbst reeu rT™ ^^onisierbaren Metall, beispielsweise Cäsium, Jierendes Reservoir eines ionisierbaren Metalls für ι!" geschlossenen Innenraum eines thermioeinen thermionischen Wandler anzuoeben das HiI ^niscnen Wandlers eines bekannten Typs angeordnet vorstehend geschilderten Nachteile nicht'aufwpist !?· ,^{VOn dem zwecks} Vereinfachung nur der für und mit dessen Hilfe es insbesondere möglich !sf *° !% ^Vorll^^ende Beschreibung wichtige Teil dargceinen thermionischen Wandler herzustellen in dem ι ^1St' ^{der WandIerd}'ode, die durch den Behälder Druck bei Temperaturschwankungen nur wenip ·Ϊλ^: πϊ f'^{6 SammeIeIe}ktrode darstellt, begrenzt ist, variiert, so daß eine gute Regulierbarkeit aeseben ist ι t.^|ektrode 2 angeordnet, weiche die Emissions-Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe mi r ^darStdlt· ^{Im Unteren Teil der Fi}S-^{] ist d}^ einem sich selbst regulierenden Reservoir der in t-.^{asuimreservoir} angeordnet. Es besteht aus zwei gangs geschilderten Art dadurch gelöst werden kann ^ubereinander angeordneten Blöcken oder »Schwämdaß die beiden Blöcke aus verschiedenen MaterXn' "¹^* ^W? ' ^{der Untere}' Sroßvolumige Schwamm 3 bestehen, daß der erste dieser Blöcke aus einem _n] Vt Py^ro!y^tlschem Graphit besteht und das eigentchen Material besteht, daß der Druck des ionisiert , ^Casiumreservoir darstellt, während der kleinvoren Metalls m dem Wandler sich mit der TemnerMur ³° ¹^¹S^{6 dünne} Schwamm 4 aus porösem Wolfram, des ersten Blockes nur wenig ändert daß der zweite ^be!!P^lcIsweise gesintertem Wolfram, besteht. Block aus einem Material mit einer großen Adsorn t π ,-Tu-⁰⁵'^^{1 dieses Blockes ist} genau definiert tionskapazität für das ionisierbare Metall besteht „Γη a j °^/o' ^{und steIlt in} typischen Fällen eine daß der erste Block den zweiten Block in der Weise , ^Ads°^rP^tlonso°erflächc von 0,1 bis 1 m* dar. Die vollständig bedeckt, daß der erste Block ein gegen ^Fu"^ktl0nsweise eines solchen Systems ist folgende: über dem Dampf des ionisierbaren Metalls dichten ■ ^{eme bestimmte} Temperatur gebrachte ReAbschnitt begrenzt, innerhalb dessen sich der zwhVp ciT*"" ^Ψ ^{m dem} Zwischenraum zwischen den Block befindet. ^wene Elektroden einen bestimmten Cäsiumdruck; wenn im Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird als . ^Vel^^{e deS B}.^{etriebs de}r Verbrauch des Wandlers ionisierbares Metall Cäsium verwendet an Cäsium variiert, beispielsweise im Sinne einer Er-Gemäß einer weiteren bevorzugten Auseestaltnno ^nohun8- wird jede Änderung durch eine Destillation besteht der zweite Block aus einem Kohlenstoff en? ^⁰" neuen Casiummolekülen, die aus dem oberen haltenden porösen Material, insbesondere aus ovro Wolframschwamm stammen, kompensiert, der auf lytischem Graphit. ^{S Pyro}" ^{diese We}'se die Selbstregulierung bewirkt; seine ge-Gemäß einer weiteren Ausgestaltung besteht rW "⁵ i"^ng5 ^Ads°^rP^tlonskaP^az"ät ist jedoch nicht nachteierste Block aus einem Wolfram oder Molvbdän ent ^S' ?"" ^{d&T Untere Schwamm m}* einer großen Kahaltenden porösen Material '»'yoaan ent- pazitat versorgt ihn derart, daß der obere Wolfram-Mit Hilfe des beanspruchten sich selbst _rPB„i;_P ^sc _f ^{nwamm sta}n^d'g gesättigt bleibt. Auf diese Weise

kann der Druckabfall durch geeignet Auswahl de Γ ^Behaltef_u ^olumen' vorzugsweise in der Größen-Oberflächen je nach der gewünschten^Funktons' , ?J^d _f ^nu?8^von ³ bis 5 cm* in den jeweiligen Fällen der weise optimal reguliert werden Se₅ führt da,,, Tr " ^{Matenaien der beiden} genannten Schwämme, Rechsich bei einem derartigen Termionisehen Wandler t"""⁸ ^ ^ ^{WeIche den} Mechaiusinu. der Funkder innere Druck von Cäsium nur um 1 bb2 Torr ^^lonswf^{lse bess}f verständlich machen. Die Kurvet ändert, wenn die Temperatur um etwa 1θϊ°? ^{bezidlt sich a}«f ^den unteren Graphitschwamm. Darschwankt. ^{P a 10}° ^{C a}»^s'si z" ersehen, daß die Änderung des Druckes als Im Vergleich dazu führt bei Verwendung von flüs *° l^™ ^der„ ^TemP,^eratl'^{r sch}"ell erfolgt, was zu sigem Cäsium gemäß dem Stand der ifchnik de' Ξ,, · _h ^maß^^{n R}^^uIierung ^führt. Die KurveB gleiche Temperaturänderung zu einer DrackänrfP / ^S" ^u ^dei\^oberen Wolframschwamm. Darrung von etwa 30 Torr, die für einen ungestörten Be Te "t ^™' ^ ^ ^{AbMl als Funktion der} trieb des thermionischeWandlersvUKchtt e₅ Ä' ^ ^{1St U}"^{d ZU einer} ^en Regulie-

nisSe" fÄÄIÄ uSZi^SS¹¹- ^ %»«**>«™* -^d -e Betriebstempe-

führen, daß nicht beide B^SÄSiÄSt %JÜ&SiS£<SS ^!

es sich um einen feinen Regulierungsmechanismus um eine mittlere Funktionslage handelt.

Die F i g. 3 zeigt in den gleichen Achsen wie die F i g. 2 und für das gleiche Behältervolumen eine Schar von Kurven, die sich auf den oberen Wolframschwamm beziehen und die als Beispiele angegeben sind, um das Verständnis für die Bestimmung der op-

timalen Adsorptionsoberfläche zu erleichtern. Daraus ist zu ersehen, daß die Oberfläche für die Neigung der Kurven bestimmend ist und daß durch eine geeignete Auswahl dieser Oberfläche leicht die für die gewünschte Funktionsweise des oberen Schwammes optimal erforderliche Neigung erzielt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Sich selbst regulierendes Reservoir eines ionisierbaren Metalls für einen thermionischen Wandler, das durch mindestens einen Teil der dem Wandler zugeführten Wärmeenergie auf seine Betriebstemperatur gebracht worden ist und das aus zwei in dem Innenraum des Wandlers angeordneten Blöcken besteht, die aus Materialien mit einer großen freien Oberfläche bestehen, an der das ionisierbare Metall durch Oberflächeneffekt fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Blöcke (3, 4) aus verschiedenen Materialien bestehen, daß der erste (4) dieser Blöcke aus einem solchen Material besteht, daß der Druck des ionisierbaren Metalls in dem Wandler sich mit der Temperatur des Blokkes (4) nur wenig ändert, daß der zweite Block (3) aus einem Material mit einer großen Adsorptionskapazität für das ionisierbare Metall besteht und daß der erste Block (4) den zweiten (3) in der Weise vollständig bedeckt, daß der erste Block (4) ein gegenüber dem Dampf des ionisierbaren Metalls dichten Abschnitt begrenzt, innerhalb dessen sich der zweite Block (3) befindet.

2. Reservoir nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Block (3) aus einem porösen Material besteljt, das Kohlenstoff enthält.

3. Reservoir nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Block (3) aus pyrolytischem Graphit besteht.

4. Reservoir nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Block (4) aus einem porösen Material besteht, das Wolfram enthält.

5. Reservoir nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Block (4) aus einem porösen Material besteht, das Molybdän enthält.

6. Reservoir nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es als ionisierbares Metall Cäsium enthält.

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