DE2416194A1

DE2416194A1 - Thermionic low temp. energy converter - has thermionic modul of jacketed, vacuum-tight cylinder type with caesium vapour fill

Info

Publication number: DE2416194A1
Application number: DE2416194A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Phys Henne; Eugen M Prof Dr In Knoerschild
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1974-04-03
Publication date: 1975-10-23
Also published as: DE2416194C2

Abstract

The thermionic low temperature energy converting module is flame heated and is intended for direct conversion of the combustion heat into electric energy. The module consists of a burner and cooling system, and incorporates a jacketed, vacuum tight cylinder which is preferably filled with caesium apour at low pressure, e.g. 0.1 torr. The inner wall of the cylinder is formed by a ceramic tube heated from inside by the burner flame. The tube has on the outer circumference a number of emitter rings whose spacing provides their insulation. Opposite these rings are situated a relatively large distance collector rings, mutually insulated and secured on the inner side of the outer cylinder. The collector rings are so electrically connected with the emitters as to form a series connections of the individual thermionic annular cells. Thus a multiplied voltage, corresponding to the cell number is generated and tapped at electric terminals.

Description

Deutsche Forschungs- und Vrsuchs.nstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.German research and research institute for aerospace

Flamrabeheizter thermionischer iedertemperaturonvcrter-flodul Die Erfindung betrifft einen thermionischen Energi ewandl er zur Wandlung von Verbrennungswärme in elektrische Energie unter Ver-Wendung eines Keramik-Metallmaterials (Cermet) als Emitter, mit innerhalb eines vakuumdichten, vorzugsweise mit Cäsiumdampf gefullten,doppelwandigen'zylinderfdrmigen Gefäßes elektrisch in Serie geschalteten, ringförmigen thermionischen Zellen, mit dem Zweck, bei verhältnismäßig niedrigenTemperaturen größere Spannun gn bei hoher Stromdichte zu erzielen.Flame heated thermionic low temperature converter module The The invention relates to a thermionic energy converter for converting heat from combustion into electrical energy using a ceramic-metal material (cermet) as an emitter, with a double-walled cylinder shaped inside a vacuum-tight, preferably filled with cesium vapor Vessel electrically connected in series, ring-shaped thermionic cells, with the purpose of generating higher voltages at relatively low temperatures Achieve current density.

Das Prinzip der Umwandlung von Wärme in elektrische Energie auf thermionischem Wege ist an sich lange bekannt (Glühemission, Edison) Die Vorteile dieser Direktumwandlung ohne mechanische Zwischen stufen (Maschinensätze) sind so offenkundig, daß immer wieder Anstrengungen unternommen werden, geeignete Elektroden und Anordnungen zu entwickeln, die einen wirtschaftlichen Einsatz ermöglichen sollen, Es handelt sich im wesentlichen um Anordnungen, bei denen die Austrittsarbeiten der Elektroden durch Bedampfen der Oberflächen mit Alkalimetallen (vor allem Cäsium) herabgesetzt werden.The principle of converting heat into electrical energy on thermionic Ways has been known per se for a long time (glow emission, Edison) The advantages of this direct conversion without mechanical intermediate stages (machine sets) are so obvious that always Again efforts are made to find suitable electrodes and arrangements develop that should enable economic use, It is essentially to arrangements in which the work functions of the electrodes through Vaporization of the surfaces with alkali metals (especially cesium) can be reduced.

Dieser Alkalimetalldampf dient gleichzeitig der lonenbildung zur Raumladungsneutralisation und damit zur Erzielung der Sättigungsstromdichte. Zur Anpassung an den Verbraucher werden im allgemeinen höhere Spannungen benötigt als sie ein thermionisches Element liefert (ca. 1 V). Man baut deshalb Anordnungen, in denen eine Vielzahl thermionischer Einzelelemente in Reihe geschaltet sind. an unterscheidet hierbei Anordnungen mit getrenntem und gemeinsamen Vakuumsystem. Die Konstruktion und die Art der verwendeten ,låterialien ist weitestgehend von der Temperatur abhängig, die der Emitter benötigt, um genügend Elektronen freizusetzen, d. h., eine möglichst große Stromdichte zu liefern. Dies ist aber wiederum -eine Funktion der Emitteraustrittsarbeit. Die Spannung, die ein thermionisches Element lieferte ist - von Verlusten abgesehen - die Differenz zwischen dem Austrittspotential des Emitters 0 E und dem des Kollektors QJK , obei dann Generatorbetrieb vorliegt, wenn A E - 00 positiv ist. Nach der Richardson-Gleichung geht das Austrittspotential als negativer Exponent in die Stromdichte ein, so daß eine möglichst kleine Emitteraustrittsarbeit erwünscht wird. Zur Erhaltung der Potentialdifferenz muß daher ¢K noch kleiner sein. Unter dem Gesichtspunkt einer praktischen Anwendung des thermionischen Energiewandlungsprinzips muß eine technisch realisierbare und kostengünstige Lösung gefunden werden, was eine Herabsetzung der Konvertertemperaturen voraussetzt, Die Entwicklung thermionischer Konverter wurde bislang hauptsächlich auf den Betrieb mit Kernbrennstoff ausgerichtet, wobei Emittertemperaturen von 1600 bis 1800 0C angesetzt wurden. Geht man jedoch davon aus, den thermionischen Energiewandler auf breiter Basis für allgemeine Anwendungen einzusetzen, ist es zweckmäßiger, die Oxidationswärme von Erdöl- oder Erdgasprodukten sowie Wasserstoff als Energiequelle einzusetzen.This alkali metal vapor also serves to form ions for space charge neutralization and thus to achieve the saturation current density. To adapt to the consumer higher voltages are generally required than a thermionic element supplies (approx. 1 V). One therefore builds arrangements in which a large number of thermionic Individual elements are connected in series. an distinguishes between arrangements with separate and common vacuum system. The construction and type of used , låterialien is largely dependent on the temperature of the emitter needed, to release enough electrons, d. that is, as large a current density as possible deliver. But this is in turn a function of the emitter work function. The voltage, which a thermionic element delivered is - apart from losses - the difference between the exit potential of the emitter 0 E and that of the collector QJK, obei generator operation is present when A E - 00 is positive. According to the Richardson equation the exit potential is included as a negative exponent in the current density, so that the smallest possible emitter work function is desired. To maintain the potential difference therefore ¢ K must be even smaller. From the point of view of practical application of the thermionic energy conversion principle must be technically feasible and Inexpensive solution can be found, resulting in a lowering of the converter temperatures presupposes, The development of thermionic converters has so far mainly been geared towards operation with nuclear fuel, with emitter temperatures of 1600 up to 1800 0C were set. However, if one assumes the thermionic energy converter on a broad basis for general applications, it is more appropriate to use the Oxidation heat from petroleum or natural gas products and hydrogen as an energy source to use.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht nun darin, einen thermionischen Konverter zu entwickeln, der in Form einer geschlossenen, mehrzelligen Anordnung durch Flammbeheizung für die Anwendung als stationäre, transportable oder mobile Stromquelle eingesetzt werden kann.The object of the invention is now to provide a thermionic Develop converters in the form of a closed, multi-cell arrangement by flame heating for use as stationary, transportable or mobile Power source can be used.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb einer geschlossenen rohrförmigen Anordnung thermionische Ringelemente zur Erhöhung der Ausgangsspannung elektrisch in Reihe geschaltet werden, wobei die innenliegenden Emitter durch einen besonders gestalteten Brenner geheizt und die außenliegenden Kollektoren über Kühlrippen durch einen Luftstrom gekühlt werden. Dieses thermionische System zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß durch die Verwendung spezieller Emitter, sog. Cermets, deren Temperatur von 1250 0C ausreicht, um Leistungsdichten Uber 2,5 W/cm2~zu liefern. Dabei beträgt die Spannung pro Element unter Last o,6 V. Der Elektrodenabstand - eine der wesentlichsten Voraussetzungen für eine praktische Anwendung - beträgt nahezu 1 mm.This object is achieved in that within a closed tubular arrangement of thermionic ring elements to increase the Output voltage can be connected electrically in series, with the internal Emitter heated by a specially designed burner and the external ones Collectors are cooled by an air flow via cooling fins. This thermionic System is characterized in particular by the fact that by using special Emitters, so-called cermets, whose temperature of 1250 0C is sufficient to achieve power densities Delivering over 2.5 W / cm2 ~. The voltage per element under load is o.6 V. The electrode spacing - one of the most essential requirements for a practical Application - is almost 1 mm.

Im folgenden werden anhand eines Ausführungsbeispiels die prinzipielle Funktion sowie die wesentlichen konstruktiven und technologischen Einzelheiten eines flammenbeheizten thermionischen Niedertemperatur-Konvertersystems beschrieben. Es handelt sich dabei um eine thermionische Baueinheit (Modul), die bei einer Leistungsabgabe von 250 Watt 7 V Ausgangsspannung liefert, und eignet sich in dieser Ausführungsform beispielsweise zum Verbundbetrieb mit einem Bleiakkumulator.In the following, the basic Function as well as the essential constructive and technological details of a flame-heated thermionic low-temperature converter system described. It is a thermionic structural unit (module), which in the event of a power output of 250 watts provides 7 V output voltage, and is suitable in this embodiment for example for interconnected operation with a lead-acid battery.

Die Abb.1 zeigt zunächst eine schematische Darstellung der Luftführung. Dem Thermionikmodul wird kalte Luft zugeführt, die zunächst die Kollektoren kühlt und dann zu etwa 20% zur Verbrennung des Treibstoffes (z.B. Benzin) benötigt wird. Diese bereits vorgewärmte Verbrennungsluft wird zur besseren Ausnützung der thermischen Energie einem Wärmetauscher zugeführt, indem sie von den Abgasen weiter aufgeheizt wird und diese dabei abkühlt.Fig. 1 initially shows a schematic representation of the air flow. Cold air is fed to the thermionics module, which initially cools the collectors and then about 20% for incineration of the fuel (e.g. gasoline) is needed. This already preheated combustion air is used for better use the thermal energy is fed to a heat exchanger by removing it from the exhaust gases is further heated and this cools down in the process.

Die Abb.2 zeigt in einem Anwendungsbeispiel die wesentlichen konstruktiven Merkmale des flammenbeheizten Thermioniksystems.Fig. 2 shows an application example of the essential constructive Features of the flame heated thermionic system.

Brenner, thermionischer Modul und Wärmetauscher sind hier konzentrisch angeordnet. Die für die Kühlung und Verbrennung erforderliche Luft wird über den Kanal 1 durch einen Verdichter 2 über die Kühlrippen 3 des thermionischen Moduls geleitet und in einen ringförmigen Sammelkanal 4 gebracht. Von dort wird ein Teil der bereits vorgewärmten Luft über das Rohr 5 abgeführt, der Rest durchströmt nach Durchlaufen des Kanals 6 den inneren Teil des Wärmetauschers 7,'um von den im äußeren Teil des Wärmetauschers geführten heißen Abgasen aufgeheizt zu werden. In einem inneren ringförmigen Kanal 8 gesammelt, wird die Heißluft über den Kanal 9 der Brennerbasis lo zugeführt und gelangt über eine regulierbare Ringdüse 11 in den Brennraum 12. Nach der Durchmischung mit dem aus dem zentral angeordneten Düsenrohr 13 austretenden Brennstoff erfolgt die Verbrennung. Die heißen Gase dringen durch ein poröses Keramikrohr 14 in einen mit Keramikschotter aufgefüllten Ringkanal 15, dessen äußere Wand 16 vom aufzuheizenden Emitterroh-r des Thermionikmoduls 17 gebildet wird. Die Abgase gelangen dann über den Sammelkanal 18 durch einen Kanal 19 in den äußeren Ringkanal 20 und werden von dort durch den äußeren Teil des Wärmetauschers 7 geführt. Die abgekühlten Abgase sammeln sich im Ringkanal 21 des Wärmetauschers und werden über den Auspuffstutzen 22 abgeführt.Burner, thermionic module and heat exchanger are concentric here arranged. The air required for cooling and combustion is via the Channel 1 through a compressor 2 via the cooling fins 3 of the thermionic module guided and brought into an annular collecting channel 4. From there becomes a part the already preheated air is discharged via the pipe 5, the rest flows through Passing through the channel 6 the inner part of the heat exchanger 7, 'around from the in the outer Part of the heat exchanger guided hot exhaust gases to be heated. In one inner annular channel 8 is collected, the hot air is collected via channel 9 of the burner base lo and reaches the combustion chamber 12 via an adjustable ring nozzle 11. After mixing with the one emerging from the centrally arranged nozzle tube 13 The fuel is burned. The hot gases pass through a porous ceramic tube 14 into an annular channel 15 filled with ceramic gravel, the outer wall 16 is formed by the emitter tube to be heated of the thermionic module 17. The exhaust gases then reach the outer annular channel via the collecting channel 18 through a channel 19 20th and are from there through the outer part of the heat exchanger 7 led. The cooled exhaust gases collect in the annular channel 21 of the heat exchanger and are discharged via the exhaust port 22.

Die Abbildungen 3, 3a und 4 zeigen den Aufbau des eigentlichen thermionischen Konverters. Wie aus dem Schnittbild ersichtlich ist, besteht der Energiewandlermodul aus einem zylindrischen Brennraum 12 und einem ringförmigen Wandlerteil 23. Sie werden durch ein hochvakuumdichtes Keramikrohr 16 voneinander getrennt. Es ist ein stranggepreßtes Aluminiumoxidrohr, das eine sehr hohe Dichte und Festigkeit sowie gute Wärmeleiteigenschaften und hohe Wärmeschockbeständigkeit aufweist. Das eramikrohr 16 hat neben der Funktion, die Elektroden 24 und 25 gegen Korrosion zu schützen, und eine schädliche Gasdiffusion - vor allem von Wasserstoff - vom Brennraum 12 in den Konverterinnenraum 26 zu verhindern, die Aufgabe, einen elektrisch isolierenden Grundkörper für die aufgebrachten Emitterringe 24 und 24a zu bilden. Die Emitterringe bestehen aus einer inneren Schicht 24a - vorzugsweise aus Molybdän - und der thermionisch aktiven Schicht 24 aus Cermetmaterial. Zwischen diesen Emitterringen liegt jeweils ein Spalt 27, der die Elektroden elektrisch voneinander trennt. Bei dem Cermetmaterial der aktiven Schicht 24 handelt es sich - bekanntermaßen - um ein gesintertes Gemisch aus Keramik- und Metallanteilen, wobei die Metallanteile für eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit bei guter mechanischer Festigkeit zu sorgen haben, während die Keramikteile - meist Oxidkeramik - im wesentlichen die guten Elektronenemissionseigenschaften und damit die hohe Stromdichte bedingen. Die Molybdänschicht 24a hat die Aufgabe, elektrischen Strom mö-glichst verlustfrei zu den Stellen zu leiten, an denen sich die Kontaktlaschen (Abb.4) befinden, die eine Verbindung in Reihenschaltung zwischen den einzelnen Emittern 24 und den Kollektoren 25 mit den jeweils nächsten Thermionikelementen herstellen. Ohne diese-Molybdänschicht 24a, d.h. bei alleiniger Leitung des Stroms im Cermet 24, wären die inneren Ohmschen Verluste zu hoch. Den Emittern 24 stehen die zugehörigen Kollektoren 25 gegenüber, die ebenfalls durch entsprechende Spalte 27 voneinander getrennt sind. Die Kollektorringe 25 können ebenfalls aus Molybdän bestehen. Sie sitzen auf einer dUnnen, elektrisch isolierenden Aluminiumoxidschicht 29, die ihrerseits vollständig die Innenseite eines Metallrohres 30 bedeckt, dessen Material einen im Temperatureinsatzbereich ähnlichen Wärmedehnungskoeffizienten, wie Molybdän und Aluminiumoxid, aufweist. Auf dieses Metallrohr 30 sind außen Kühlrippen 31 angebracht, welche die nicht gewandelte Wärmeenergie, die sog. Abwärme, an die sie umströmende Kühlluft abgeben sollen. Diese Kühl rippen 31 können aus demselben Material bestehen wie das Metallrohr 30. Hierfür ist eine Legierung aus Eisen-Nickel-Kobalt vorgesehen, z.B. Kovar, die einen vergleichbaren Ausdehnungskoeffizienten wie das Keramikmaterial 29 hat. Für die Wärmeabfuhr vom Kollektor 25 ist jedoch eine gute Wärmeleitfähigkeit des Materials erwünscht.Figures 3, 3a and 4 show the structure of the actual thermionic Converter. As can be seen from the sectional view, there is the energy converter module from a cylindrical combustion chamber 12 and an annular converter part 23. You are separated from one another by a highly vacuum-tight ceramic tube 16. It is a Extruded alumina tube that has very high density and strength as well has good thermal conductivity properties and high thermal shock resistance. The ceramic tube 16 has the function of protecting the electrodes 24 and 25 against corrosion, and harmful gas diffusion - especially of hydrogen - from the combustion chamber 12 in the converter interior 26 to prevent the task of an electrically insulating To form the base body for the applied emitter rings 24 and 24a. The emitter rings consist of an inner layer 24a - preferably made of molybdenum - and the thermionic active layer 24 made of cermet material. Between these emitter rings is in each case a gap 27 which electrically separates the electrodes from one another. With the cermet material the active layer 24 is - as is known - a sintered mixture from ceramic and metal components, the metal components for a high electrical and thermal conductivity with good mechanical strength have to worry, while the ceramic parts - mostly oxide ceramics - essentially the good electron emission properties and thus the high current density. The molybdenum layer 24a has the task of generating electrical current with as little loss as possible to the places where the contact tabs (Fig.4) are located, the a connection in series between the individual emitters 24 and the collectors 25 with the next thermionic elements. Without this molybdenum layer 24a, i.e. if the current were solely conducted in the cermet 24, would be the inner ohms Losses too high. The emitters 24 are facing the associated collectors 25, which are also separated from one another by corresponding column 27. The collector rings 25 can also consist of molybdenum. You're sitting on a thin, electric one insulating aluminum oxide layer 29, which in turn completely covers the inside a metal tube 30, the material of which is a temperature range has similar coefficients of thermal expansion, such as molybdenum and aluminum oxide. On this metal tube 30 cooling fins 31 are attached outside, which are not converted Thermal energy, the so-called waste heat, to which it should give off the cooling air flowing around it. These cooling fins 31 can consist of the same material as the metal tube 30. For this purpose, an alloy of iron-nickel-cobalt is provided, e.g. Kovar, the one expansion coefficients comparable to those of the ceramic material 29. For the Heat dissipation from the collector 25 however, is good thermal conductivity of the material desired.

Daher können die Kühlrippen 31 beispielsweise aus Kupfer bestehen, die auf das Metallrohr aufgelötet werden. Die Oberfläche solcher Kupfer-Kühlrippen wird z.B. durch Vernickeln gegen Oxidulbildung bei höheren Temperaturen geschützt. Die den aktiven Teil überragenden Enden des Keramikrohres 16 werden zum vakuumtechnischen Abschluß des Moduls durch Löten mit Kappen 32 verbunden. Bei der Hintereinanderschaltung der einzelnen Thermionikelemente zur Erzielung der gewünschten Ausgangsspannung muß jeweils der Kollektor 25 mit dem Emitter 24 des nächsten Ringes elektrisch verbunden werden. Wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungen kann diese Verbindung nicht starr erfolgen. Federartige Teile 28 mit genügendem Bewegungsspielraum übernehmen diese Aufgabe. Bei der Dimensionierung dieser Verbindungs,teile 28 muß ein Kompromiß zwischen Ohmschem Verlust bei der Stromleitung und Wärmeverlust der Emitter geschlossen werden. Abb.4 zeigt eine Skizze der Hintereinanderschaltung der Elemente. Während die Emitterseite 33 einen geschlossenen Aufbau aufweist, ist die Kollektorseite 34 vor dem Zusammenbau halbiert, so daß an zwei einander gegenüber liegenden Seiten die Hintereinanderschaltung erfolgen kann.Therefore, the cooling fins 31 can consist of copper, for example, which are soldered onto the metal tube. The surface of such copper cooling fins is protected against the formation of oxides at higher temperatures, e.g. by nickel-plating. The ends of the ceramic tube 16 protruding beyond the active part become the vacuum technology Termination of the module connected to caps 32 by soldering. When connected in series of the individual thermionic elements to achieve the desired output voltage the collector 25 must be electrically connected to the emitter 24 of the next ring will. Because of the different thermal expansions, this connection cannot be rigid take place. Spring-like parts 28 with sufficient freedom of movement take over this Task. When dimensioning this connection, parts 28 must be a compromise between Ohmic loss in power conduction and heat loss from the emitter are closed. Fig. 4 shows a sketch of the series connection of the elements. While the emitter side 33 has a closed structure, the collector side 34 is prior to assembly halved, so that the series connection on two opposite sides can be done.

Wie aus Abb.5 ersichtlich ist, sind die Kollektoren an diesen beiden Stellen so mit abstehenden Laschen 35 versehen, daß -legt man beide Hälften zusammen - sich ein genügend großer längs verlaufender Spalt 36 ergibt, in dem die Verbindungsteile 28 und 35 für die Hintereinanderschaltung Platz finden.As can be seen from Fig.5, the collectors are on these two Set so provided with protruding tabs 35 that -lays both halves together - There is a sufficiently large longitudinal gap 36 in which the connecting parts 28 and 35 find space for the series connection.

Zur elektrischen Verbindung sind an die Kollektorhalbringe 25 sowie an die Emitterringe 24a jeweils durch Einsintern, Löten oder Punktschweißen flache Metallbänder 28 bzw. 35 angebracht, die in diesem Spalt zusammenkommen und dort miteinander verbunden werden. Zu diesem Zweck eignet sich besonders Tantal. Sind die beiden Kollektorhälften 25 um den Emitter 24 zusammengefügt, und die Kontakte für die Hintereinanderschaltung hergestellt, so werden diese beiden Längsspalte 36 mit einem Deckel 37 verschlossen und die Fugen vakuumdicht verschweißt.For electrical connection are to the collector half rings 25 and to the emitter rings 24a by sintering, soldering or spot welding Metal bands 28 and 35 attached, which come together in this gap and there be connected to each other. Tantalum is particularly suitable for this purpose. Are the two collector halves 25 joined together around the emitter 24, and the contacts for series connection, these two longitudinal gaps are created 36 closed with a cover 37 and the joints welded vacuum-tight.

Eine Alternativmöglichkeit zum Aufbau des Kollektors ist in Abb. 6 aufgezeigt. Hier bilden die Kollektoren 25 geschlossene Ringe. Die Kollektorringe sind hier nicht auf eine durchgehende Oxidkeramikschicht aufgebracht, sondern die Kollektoroberfläche 25a ist elektrisch direkt mit Kühl rippen 38 verbunden. Zur elektrischen Isolierung der Kollektoren voneinander befinden sich zwischen den einzelnen Kollektorringen Keramikringe 39, die an ihrer Stirnseite 40 metallisiert und mit den Kollektoren 25 verlötet werden.An alternative to the construction of the collector is shown in Fig. 6 shown. Here the collectors 25 form closed rings. The collector rings are not applied to a continuous oxide ceramic layer here, but rather the Collector surface 25a is electrically connected directly to cooling ribs 38. To the electrical insulation of the collectors from each other is located between the individual Collector rings ceramic rings 39, which are metallized on their end face 40 and with the collectors 25 are soldered.

Zur Fixierung dieser Ringe 39 tragen die Kollektorringe 25 entsprechende Vertiefungen. Bei dieser Konstruktion erden Laschen 41 aus Tantal oder ähnlichem Material bei der Herstellung der Emitter cermets 24 mit angesintert. Diese Laschen 41 werden beim elementweisen Aufbau der Kollektorseite zusammen mit den Keramikringen 39 an die Kollektorringe 25 angelötet. Diese Konstruktion der Kollektorseite weist daneben den Vorteil auf, daß eine durchgehende metallische Verbindung zwischen der metallischen Kollektoroberfläche 25 und den Kühl rippen 38 besteht, und dadurch die Wärme vom Kollektor besser abgeführt erden kann. Die Kollektoroberflächen 25a können aus molybdän bestehen, das mit Hilfe des bekannten Plasmasprayverfahrens auf die Kollektorringe 25 aufgebracht wird, die aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, wie z. B. Kovar, bestehen können und für den Lötübergang zu den Keramikringen 39 geeignet sind. Auch hier können die Kühl rippen 38 der besseren Wärmeabfuhr wegen aus aufgelötetem vernickeltem Kupfer bestehen.To fix these rings 39, the collector rings 25 wear appropriate Indentations. In this construction, tabs 41 made of tantalum or the like are grounded Material sintered on during the manufacture of the emitter cermets 24. These tabs 41 in the element-wise construction of the collector side together with the ceramic rings 39 soldered to the collector rings 25. This construction has the collector side also has the advantage that a continuous metallic connection between the metallic collector surface 25 and the cooling ribs 38, and thereby the heat from the collector can be better removed. The collector surfaces 25a can consist of molybdenum, which is produced with the help of the well-known plasma spray process is applied to the collector rings 25, which are made of an iron-nickel-cobalt alloy, such as B. Kovar, and for the solder transition to the ceramic rings 39 are suitable. Here, too, the cooling ribs 38 for better heat dissipation because of consist of soldered-on nickel-plated copper.

Zu einem solchen abgeschlossenen Thermionikmodul gehören zwei elektrische Anschlüsse, die mit dem ersten Emitter, bzw. dem letzten Kollektor verbunden sind, und an denen die Ausgangsspannung anliegt. Bei der ersten Kollektorversion nach Abb. 5 erfolgt der elektrische Anschluß zweckmäßigerweise mit Hilfe von Keramik-Metall-Durchführungen, die an einen der beiden Längsspalte 37, in denen die Hintereinanderschaltung stattfindet, in eine der Laschen eingeschweißt werden. Wie bei der Hintereinanderschaltung verwendet man federartige Elemente zur Verbindung zwischen der Durchführung und den Elektroden und wie in jedem Fall werden die Enden angeschweißt, angelötet oder eingesintert. Die ultrahochvakuumdichten Thermionikmoduln müssen nach Fertigstellung gereinigt und entgast werden, bevor die Füllung mit Cäsiumdampf von etwa O,l Torr erfolgt.Such a closed thermionic module includes two electrical ones Connections that are connected to the first emitter or the last collector, and to which the output voltage is applied. With the first collector version after Fig. 5 the electrical connection is expediently made with the help of ceramic-metal bushings, to one of the two longitudinal gaps 37 in which the series connection takes place, be welded into one of the tabs. As used in cascading spring-like elements for connecting the bushing and the electrodes and as in every case the ends are welded, soldered or sintered in. The ultra-high vacuum tight thermionic modules must be cleaned after completion and degassed before filling with cesium vapor of about 0.1 Torr.

Zum Abpumpen, zur Prüfung auf Dichtigkeit und zum Einbringen des Cäsiums kann ein und dasselbe Rohrstück 42 dienen, das in Abb. 7 skizziert ist und in die Kollektorwandung 37 oder in eine Endkappe 32 eingeschweißt wird. Verwendet man ein Rohrstück aus Kupfer, so kann- durch "Pinch off" 43, d. h. durch Abquetschen, diese Uffnung nach Beendigung der Aodulvorbereitung leicht ultrahochvakuumdicht verschlossen erden. Zur Sicherheit kann die beim Abquetschen entstandene Schneide 43 noch verschweißt werden. Zur Erzeugung der Cäsiumatmosphare im iviodul verwendet man zweckmäßigerweise Stücke aus Cäsiumgraphit 44, die durch das Pumprohr 42 in eine vorgefertigte Höhlung 45 eingebracht werden. Wegen der bekannten günstigen Eigenschaften des Cäsiumgraphits entfällt die Anbringung eines separaten temperaturgeregelten Cäsiumreservoirs.For pumping out, for checking for leaks and for introducing the cesium one and the same piece of pipe 42, which is sketched in Fig. 7 and in the Collector wall 37 or is welded into an end cap 32. If you use a Pipe section made of copper, so can- by "pinch off" 43, i. H. by squeezing this After completion of the module preparation, the opening is slightly closed in an ultra-high vacuum-tight manner earth. To be on the safe side, the cutting edge 43 produced during squeezing can still be welded will. To generate the cesium atmosphere in the iviodul it is advisable to use Pieces of cesium graphite 44 passed through the pump tube 42 into a pre-fabricated cavity 45 are introduced. Because of the well-known favorable properties of cesium graphite there is no need to attach a separate temperature-controlled cesium reservoir.

Im folgenden werden erprobte Herstellungsverfahren und konstruktive Maßnahmen beschrieben, mit deren Hilfe sich ein derartiger Termionikmodul realisieren läßt.The following are tried and tested manufacturing processes and constructive Measures described with the help of which such a termionic module can be realized leaves.

Der Emitter wird aus Gründen der mechanischen Festigkeit und der Haftung auf dem Emitterrohr als Ring ausgebildet. Das Emitterrohr hat fugenlos, d. h. durchgehend, zu sein, um so bei den hohen Betriebstemperaturen und der korrosiven Atmosphäre im Bereich der Flannioenbeheizung Lötverbindungen grundsätzlich zu vermeiden. dieses Rohr läßt sich nach dem Stand der Technik ohne große Schtlierigkeiten und sehr kostengünstig r0i t einer Wandstärke von ca. 0,7s mm strangpressen. Die Forderungen hinsichtlich Fest-igkeit, Temperatur- und Teluperaturwechselbelastbarkeit, Gasdichtigkeit (geyen ,S2) vlärmeleitfähiykeit, elektrische Isolation sowie Herstellbarkeit und Preis werden am besten durch Aluminiumoxid erfüllt. Um die Wärmeaufnahme des Emitterrohres auf der Brennraumseite durch Strahlung optimal zu machen, sollte hier der Absorptionskoeffizient möglichst hoch sein. Dies läßt sich wirkungsvoll durch den Zusatz von Metallanteilen oder von unterstöchiometrischen Oxiden erreichen. Die Emitterringe bestehen aus einer thermionisch aktiven Schicht von etwa 1,5 mm Stärke aus Urandioxid-Molybdän-Cermetmaterial, welche in eine etwa 1 mm dicke Schicht aus Molybdän oder mit Titan-Zirkon bzw:. Titan-Zirkon-Karbid stabilisiertes Molybdän übergeht, welche für eine gute elektrische Leitfähigkeit, d. h. für geringe elektrische Verluste bei der Stromführung zu den Hintereinanderschaltungsbrücken zu sorgen hat. Durch isostatisches Heißpressen, durch Explosionsverdichten o-der auch durch elektromagnetisches Impulsverdichten lassen sich dann die Pulver zu einem Cermetrohr verdichten, das oberflächlich bearbeitet und in Ringe entsprechender Breite zugeschnitten werden muß. Die Emitterringe könnten z. B. durch Löten auf dem Keramikrohr befestigt werden, das vorher mit Molybdän oder Wolfram metallisiert wurde. Diese Art von Metallisierungen sind Stand der Technik. Ebenso l-iegen hinreichende Erfahrungen güter Lote vor, die für den Einsatz bei den vorliegenden Temperaturen und in der Cäsiumdampfatmosphäre des tiodulinnern infrage kommen können.The emitter is used for reasons of mechanical strength and adhesion formed as a ring on the emitter tube. The emitter tube has seamless, d. H. continuous, to be so at the high operating temperatures and the corrosive atmosphere in the field of Flannel heating Solder connections in principle to avoid. this tube can be carried out according to the state of the art without major inconvenience and very inexpensive to extrude with a wall thickness of approx. 0.7s mm. the Requirements regarding strength, temperature and temperature fluctuations, Gas tightness (geyen, S2), electrical insulation and manufacturability and price are best met by alumina. To improve the heat absorption of the To make the emitter tube on the combustion chamber side optimal by radiation, should be here the absorption coefficient should be as high as possible. This can be effectively done achieve the addition of metal components or substoichiometric oxides. The emitter rings consist of a thermionically active layer of about 1.5 mm Thickness made from uranium dioxide-molybdenum-cermet material, which is divided into an approx. 1 mm thick layer made of molybdenum or with titanium-zirconium or :. Titanium-zirconium-carbide stabilized molybdenum passes, which for good electrical conductivity, d. H. for low electrical Losses in the power supply to the cascading bridges has to be taken care of. By isostatic hot pressing, by explosion compaction or also by electromagnetic Impulse compaction can then be used to compact the powder into a cermet tube, which processed on the surface and cut into rings of appropriate width got to. The emitter rings could e.g. B. be fixed by soldering on the ceramic tube, that was previously metallized with molybdenum or tungsten. That kind of metallization are state of the art. There is also sufficient experience with good solders, those for use at the present temperatures and in the cesium vapor atmosphere of the tiodulinnern can come into question.

Es handelt sich unter anderem um Paladium-Niob- und Zirkon-Titan-Lote. Für den eigentlichen Lötvorgang eignet sich das Induktionsverfahren. Ein anderes Verfahren stellt das Anpressen bzw. Ansintern dar. Dabei geht man am besten von nicht vollständig verfestigten Emitterringen aus. Diese Ringe werden über das Keramikrohr geschoben und durch isostatisches Pressen angepreßt, so daß sie fest am Keramikrohr anliegen und mit diesem versintert werden können. An zwei diametral liegenden Stellen der Emitterringe liegen jeweils die Ansatzpunkte für die Brücken, die die elektrische Verbindung zum Kollektor des nächsten Elements zum Zwecke der elektrischen [lintereinanderschaltung bilden. Für den Kollektor bietet sich ein Dreischicht-System an, auf das außen die galvanisch mit Nickel überzogenen Kupferkühirippen aufgelötet werden. Tragendes Element dabei ist das äußere gezogene Metallrohr, das aus Kovar oder sonst einer Legierung bestehen soll, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient vergleichbar-mit dem der zu Isolationszwecken auf der Innenseite des Rohres aufzubringenden dünnen Aluminiumoxidschicht (ca. O,l mm) ist. Diese Aluminiumoxidschicht trägt wiederum die aus molybdän bestehenden etwa 1 mm starken Kollektorringe. Eines der zur Herstellung dieses Molybdän-Aluminiumoxid-Kovar-Systems infrage kommenden Verfahren ist das Aufbringen des Aluminiumoxids und des Molybdäns mit Hilfe von Plasmaspray. Das Anbringen von Brücken auf der Kollektorseite für die elektrische Hintereinanderschaltung kann gleichzeitig mit dem Aufbringen der Kollektorringe durch Plasnaspray erfolgen, indem für diesen Zweck Metallbänder eingebettet werden.These include palladium-niobium and zirconium-titanium solders. The induction process is suitable for the actual soldering process. Another The process represents the pressing or sintering. It is best to start with not completely solidified emitter rings. These rings are over the ceramic tube pushed and pressed by isostatic pressing so that they are firmly attached to the ceramic tube and can be sintered with it. In two diametrically opposed places of the emitter rings are each the starting points for the bridges, making the electrical connection to the collector of the next element for the purpose of electrical [form a liner. There is one for the collector Three-layer system on which the copper cooling ribs, which are galvanically coated with nickel, are applied on the outside be soldered on. The main element is the outer drawn metal tube, the should consist of Kovar or some other alloy whose thermal expansion coefficient comparable to that to be applied to the inside of the pipe for insulation purposes thin aluminum oxide layer (approx. 0.1 mm). This aluminum oxide layer in turn carries the 1 mm thick collector rings made of molybdenum. One of the most to manufacture this molybdenum-alumina Kovar system is the process in question Application of the aluminum oxide and molybdenum with the help of plasma spray. Attaching of bridges on the collector side for the electrical series connection done simultaneously with the application of the collector rings by plasma spray by metal strips are embedded for this purpose.

Den vakuumtechnischen Endabschluß des Moduls bilden zwei tiefgezogene Formteile aus einem hochtemperaturbeständigen Material wie "Inconel 601 bzw. 625", die aufgrund ihrer Formgebungen die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Emitter- und Kollektorseite aufnehmen können. Die Verschweißbarkeit dieser Materilien mit dem Kovar des Kollektorrohrs ist nachgeprüft; mit dem Argon-Arc-Verfahren ergeben sich einwandfreie Schweißnähte. Der Obergang zum Aluminiumoxid~des Emitterrohrs erfolgt nach einer vorhergehenden Metallisierung über ein Hochtemperaturlot.The vacuum-technical end of the module is formed by two deep-drawn ones Molded parts made of a high-temperature-resistant material such as "Inconel 601 or 625", which due to their shape, the different thermal expansions of emitter and collector side. The weldability of these materials with the kovar of the collector pipe is checked; with the argon arc process perfect welds. The transition to the aluminum oxide ~ of the emitter tube takes place after a previous metallization using a high-temperature solder.

Claims

Flame-heated thermionic low-temperature converter module for Direct conversion of combustion heat into electrical energy, consisting of a Burner and cooling system and a thermionic module, characterized that the module consists of a double-walled, vacuum-tight and preferably with cesium vapor low pressure (0.1 Torr) filled cylinder, the inner wall of a from the inside flame-heated ceramic tube is made on its outer periphery carries a number of emitter rings, which isolate them from one another by maintaining a spacing are and which face collector rings at a relatively large distance, which in turn insulated against each other attached to the inside of the outer cylinder and such are electrically connected to the emitters that a series circuit of the individual thermionic ring cells arise, so that according to their number one multiplied Voltage is generated, which can be taken from the electrical connections.

2. Thermionic module according to claim 1, characterized in that that the emitters consist of a so-called cermet material, which is a mixture consists of ceramic and metallic components that are designed in such a way that that the desired work function is achieved.

3. Thermionic module according to claim l and 2, characterized in that that the outer cylinder consists of a special alloy with cooling fins, which has a thin ceramic layer on its inside, on which the collectors are electrically insulated for the purpose of assembly and series connection by means of connecting straps between emitters and corresponding collectors in the form two half-shells is formed, which are then vacuum-tight via connecting strips be welded.

4. Thermionic module according to claim 1 and 2, characterized in that that the outer cylinder is built up from individual closed collector rings, which are provided with a thermionically effective surface on the inside and on the outside are designed as cooling ribs and insulated from one another by ceramic disks which are metalized on the top and bottom to connect with the collector rings to be soldered and to accommodate the emitter tabs.