DE2427060B2

DE2427060B2 - Wechselstrom-energie-konverter

Info

Publication number: DE2427060B2
Application number: DE19742427060
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Dahlberg, Reinhard, Dr, 7101 Flein
Priority date: 1974-06-05
Filing date: 1974-06-05
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DE2427060A1; IT1038251B; FR2274163B1; JPS517445A; SE7505191L; US4024410A; DD118207A5; NL7506524A; FR2274163A1; AU8063775A

Description

Ein Wandler, der direkt elektrische Energie in eine andere Energieform, oder umgekehrt, umwandelt, ist so in einen Wechselstromkreis geschaltet, daß der Wechselstrom immer in einer Richtung durch den

nwiderstand _des Wandlers fließt. Der Wechseltromkreis enthält einen kapazitiven oder induktiven Widerstand als Energiespeicher, welcher während einer Halbwelle des Wechselstromes einen größeren Energiebetrag aufnimmt oder abgibt als der Wandler. Der Innenwiderstand des Wandlers kann dadurch verklei_ert werden. Bei Gleichheit von kapazitivem und ⁿ juktivem Widerstand wird der Wechselstromkreis mit dem Wandler zum Schwingkreis.

Die Erfindung betrifft einen Wechselstrom-Energie-Knnverter, bei dem ein Wandler, welcher elektrische Energie direkt in eine andere Energieform, oder umgekehrt, umwandelt, so in einen Wechselstromkreis geschaltet ist, daß der elektrische Strom immer nur in einer Richtung durch den Innenwiderstand des Wandlers fließt. .

Die sogeannte »Energie-Direktumwandlung« mit Thermoelementen, Thermionik-Dioden. Foto-Elementen Brennstoffzellen, Radionuklid-Batterien und Magneto-Hvdro-Dynamischen Wandlern hat heute noch eine Reihe von Nachteilen. Alle Wandler, die Energie direkt umwandeln, geben Gleichstrom ab. Einige Wandler geben außerdem auch nur eine unbequem kleine Gleichspannung ab, wie z. B. Thermoelemente. Man braucht in der Praxis aber in der Mehrzahl aller Anwendungsfälle Wechselstrom mit hinreichend hohen Spannungswerten, der über aufwendige Wechselrichter erst aus dem Gleichstrom erzeugt werden muß. Es gibt aber auch Wandler, die eine unbequem große Gleichspannung, wie z. B. Direkt-Nuklidbatterien, abgeben Auch der bei Brennstoff-Zellen als Folge der Polarisation der Elektroden stark ansteigende Innenwiderstand bei stärkerer äußerer Belastung ist nachteilig und unbequem. Der hohe Wirkungsgrad der Energieumwandlung von Brennstoff-Zellen wird als Folge davon nur für relativ kleine äußere Belastungen realisierbar.

Durch die US-PS 36 48 152 ist ein Wechselstrom-Energie-Konverter der eingangs genannten Art bekannt, bei der sich die elektronischen Schalter zum Zerhacken des Gleichstromes noch im Temperaturgradienten eines Thermogenerators befinden. Als elektronische Schalter sind Silizium-Feldeffekt-Transistoren benutzt die im Temperaturgradienten eine relativ hohe Thermospannung abgeben. Mit Hilfe dieser Tnermosoannung kann der als Folge des Thermogenerator-Stromflusses in den Silizium-Feldeffekt-Transistoren auftretende Ohmsche Spannungsabfall weitgehend kompensiert werden. Dadurch bleibt der Wirkungsgrad des Thermogenerators zwar unverändert, aber der Wirkungsgrad der Wechselrichtung wird verbessert. Der Thermogenerator ist so in den Wechselstromkreis geschaltet daß der Strom immer nur in einer Richtung durch den Innenwiderstand des Thermogenerators

'aus der DT-AS 10 74 687 sind bereits Unterbrechungsstellen in Thermoschenkeln bekannt, die durch eine elektrische Entladung überbrückt sind.

Dieser Auslegeschrift ist jedoch nicht zu entnehmen, wie damit eine positive Energiebilanz zu realisieren ist.

Die bekannten Wandler, die Energie direkt umwandeln, haben alle den Nachteil, daß die Energieumwand- !unc'mit einem zu kleinen Wirkungsgrad erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselstrom-Energie-Konverter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der Innenwiderstand des Wandlers verkleinert ist und der dadurch einen besseren Wirkungsgrad aufweist als die bekannten Energie-Konverter.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Wechselstrom-Energie-Konverter der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß der Wechsel-

Stromkreis eine Wechselstromquelle enthält und einen kapazitiven oder induktiven Widerstand aufweist, der größer als der Ohmsche Widerstand im Wechselstromkreis ist, oder daß der Wechselstromkreis als Schwingkreis ausgebildet ist.

ίο Das Prinzip der Erfindung soll mit Hilfe des Ausführungsbeispiels 1 erläutert werden.

Ausführungsbeispiel 1

In Fig. 1 sind 1 und 2 die Thermoschenkel eines thermoelektrischen Generators. Die heißen Kontaktstellen des Generators sind auf der Temperatur Ti, die kalten Kontaktstellen des Generators sind auf der Temperatur To festgehalten, und der Generator hat eine Leerlauf-Gleichspannung von 100 Volt. Sein elektrischer Innenwiderstand, der durch die Summe aller Widerstände der Thermoschenkel 1 und 2 gebildet wird, beträgt 5 Ohm. Der Kondensator 4 hat eine Kapazität von 144 Mikrofarad und einen kapazitiven Widerstand von 22 Ohm bei 50 Hertz. Die Wechselstromquelle 3 hat eine effektive regelbare Spannung von 0 bis 440 Volt und eine Frequenz von 50 Hertz. Über die im Gegentakt jeweils im Nulldurchgang des Wechselstromes geschlossenen und geöffneten Schalter 7 und 8 wird der Elektronenstrom 5 während der ersten Halbwelle ebenso wie der Elektronenstrom 6 während der zweiten Halbwelle in der gleichen Richtung durch den Innenwiderstand des thermoelektrischen Generators gelenkt. Die Richtung der Ströme 5 und 6 durch den Innenwiderstand des thermoelektrischen Generators ist so gewählt, daß die Gleichspannung des thermoelektrischen Generators sich zur Wechselspannung in jeder Halbwelle addiert. Wenn bei geöffnetem Schalter 10 die Wechselstromquelle 3 auf eine effektive Spannung von 440 Volt eingestellt ist, dann fließt durch den Wechselstromkreis ein effektiver Wechselstrom von 20 Ampere. Der Spannungsabfall am Innenwiderstand des thermoelektrischen Generators ist als Folge dieses Wechselstromes im zeitlichen Mittelwert umgekehrt gleich groß wie die Leerlauf-Gleichspannung des thermoelektrischen Generators. Beide Spannungen heben sich im Mittel auf und der Strom durch den Wechselstromkreis ist ein reiner Blindstrom, der nur durch den Wechselstromwiderstand des Kondensators 4 begrenzt ist, wenn man alle anderen Wirkwiderstände und Verluste des Kreises gegenüber dem Gleichstromwiderstand des thermoelektrischen Generators vernachlässigen kann. Reduziert man die effektive Spannung der Wechselstromquelle 3 auf 220 Volt, dann geht der effektive Strom im Wechselstromkreis auf Ampere zurück. Legt man dann durch Schließen des Schalters 10 den Verbraucherwiderstand 9 mit einem Widerstand von 97 Ohm parallel zum Kondensator 4, dann nimmt der Verbraucherwiderstand 9 bei 220 Volt effektiver Spannung am Kondensator 4 eine elektrische 60 Leistung von 500 Watt auf. Diese Wechselstromleistung von 500 Watt stammt vollständig aus dem thermoelektrischen Generator. Die Wechselstromquelle 3 gibt keine Leistung ab, weil der Spannungsabfall am innenwidersiand des therrnoe'.ektrischen Generators 65 jetzt schon durch die Hälfte der Leerlauf-Gleichspannung des thermoelektrischen Generators kompensiert

ist.
Die Erhöhung des Wirkungsgrades über die Verklei-

nerung des Innenwiderstandes eines Wandlers durch den Wechselstrom-Energie-Konverter wird im Ausführungsbeispiel 2 verdeutlicht.

Ausführungsbeispiel 2

Im Ausführungsbeispiel 2 wird eine Peltier-Säule zur Tiefkühlung einer supraleitenden Anordnung beschrieben. Es sind 1 und 2 die p-Schenkel und η-Schenkel einer Peltier-Säule. Als Material für die p-Schenkel ist Galliumarsenid mit einer Zink-Dotierung von etwa 5.1O¹⁶ Zink-Atomen pro cm³ und für die η-Schenkel ist Galliumarsenid mit einer Zinn-Dotierung von etwa 2.10¹⁵ Zinn-Atomen pro cm³ verwendet. Beide Materialien sind fein pulverisiert. Die Pulverkörner haben eine Teilchengröße kleiner als 25 Mikron. Jeder Elementschenkel hat eine Länge von einem Millimeter, einen Querschnitt von 10 cm², und er besteht aus p-leitendem bzw. η-leitendem Galliumarsenidpulver, das nur leicht zusammengedrückt ist. Der Zwischenraum zwischen den Galliumarsenid-Pulverkörnern ist evakuiert bis auf einen Vakuumdruck kleiner als 1 Torr. Die Kontaktbrücken 11 zwischen den Elementschenkeln 1 und 2 sind auf der Temperatur Ti des flüssigen Stickstoffs gehalten. Die Kontaktbrücken 12 sind die »Kühlstellen« der Peltier-Säule aus insgesamt 80 Peltier-Elementen, die konzentrisch und der Länge nach um ein Keramik-Rohr 13 angeordnet sind. Die Kühlstellen 12 kühlen das Keramik-Rohr 13 auf die Temperatur T₀ herunter. 3 ist eine Wechselstromquelle mit 60 Hertz und einer effektiven Spannung von 160 Kilo-Volt. 16 ist eine Hochspannungs-Drosselspule mit einer Induktivität von 500 Henry, die einen induktiven Widerstand von etwa 188 Kilo-Ohm darstellt. Über die im Gegentakt geschalteten Hochvakuum-Gleichrichter 7 und 8 fließen die Elektronenströme 5 und 6 in der positiven und negativen Halbwelle in einer Richtung durch die Elementschenkel 1 und 2 der Peltier-Säule. Der Innenwiderstand der Peltier-Säule ist bei kleinen Spannungen extrem hoch, weil die Kontaktwiderstände zwischen den Pulverkörnern des Galliumarsenids sich zu einem sehr hohen Widerstandsbetrag aufsummieren. Diese Kontaktwiderstände sind jedoch auch sehr stark abhängig von der Spannung oder genauer von der elektrischen Feldstärke zwischen den Pulverkörnern. Da die Ströme 5 und 6 ihre Entstehung einer sehr hohen Spannung verdanken, liegen zwischen den Galliumarsenid-Pulverkörnern am Beginn jeder Halbwelle des Wechselstromes 5 und 6 kurzzeitig sehr hohe Feldstärken, die die Kontaktwiderstände reversibel zusammenbrechen lassen. Dadurch sinkt der elektrische Innenwiderstand der Peltier-Säule bei jedem Stromdurchgang der Ströme 5 und 6 um viele Größenordnungen und wird wesentlich kleiner als der induktive Widerstand der Spule 16. Der effektive Strom von 850 Milli-Ampere wird also nur durch die Spule 16 auf diesen Wert begrenzt. Da die Wärmeleitfähigkeit der pulverförmigen Elementschenkel ohne Stromdurchgang extrem schlecht ist, fällt als Wärmeleitung der Elementschenkel 1 und 2 im wesentlichen nur die Elektronen-Wärmeleitung beim Durchgang der Ströme 5 und 6 ins Gewicht. Bei gleichzeitig hoher Thermokraft hat aus diesem Grunde der Wechselstrom-Energie-Konverter mit der Peltier-Säule einen so hohen Wirkungsgrad, daß Kühltemperaturen TO erreicht werden, bei denen eine supraleitende Anordnung 14 über die elektrischen Anschlüsse 15 betrieben werden kann.
Noch tiefere Temperaturen bei gleichzeitig größerer Wärme-Pumpleistung lassen sich erreichen, wenn man die Peltier-Säule nach F i g. 2 in an sich bekannter Weise in Form einer mehrstufigen Kaskade aufbaut.
Wegen des hohen Wirkungsgrades der Energieum-Wandlung lassen sich die Wechselstrom-Energie-Konverter mit Peltier-Elementen vorteilhaft zum reversiblen Kühlen, Heizen und Klimatisieren von Räumen, Gebäuden, Geräten, Anlagen usw. verwenden.

Das Ausführungsbeispiel 2 zeigt, daß man bei

ίο nichtmetallischen Thermoelementen oder Peltier-Elementen den Wirkungsgrad der Energieumwandlung verbessern kann, wenn man den nutzlosen Nebenschluß für die Wärme auftrennt, der durch die Gitter-Wärmeleitung der Elementschenkel entsteht. Bei Verwendung von Thermoelementen oder Peltier-Elementen mit mindestens einer Unterbrechungsstelle kann man dann in einem Wechselstrom-Energie-Konverter den Strom über lawinendurchbruchartige oder funkenartige elektrische Entladungen hinreichend niederohmig über diese Unterbrechungsstellen fließen lassen.

Unter lawinendurchbruchartigen oder funkenartigen elektrischen Entladungen sind alle nicht stationären elektrischen Entladungen in Gasen von beliebigem Druck und beliebigem Ionisierungsgrad verstanden, bei denen die zeitliche Strom-Spannungs-Kennlinie negativ ist. Diese funkenartigen elektrischen Entladungen sind auch bei extrem niedrigem Druck als Vakuum-Durchschläge bekannt. Gemessen an der gesamten durch eine funkenartige elektrische Entladung hindurchtransportierten Energie ist im allgemeinen der Energieverbrauch der funkenartigen elektrischen Entladungen selbst relativ klein. Dies liegt an der stark negativen Strom-Spannungs-Kennlinie. Funkenstrecken eignen sich deshalb auch bekanntlich als verlustarme Schalter in niederohmigen Stoßstrom-Schaltungen, wie z. B. bei thermischen Drahtexplosionen durch Kondensator-Kurzschluß-Entladungen. Auch der heute schon historische Funkensender funktioniert vor allem deshalb, weil die Funkenstrecke im Sender-Schwingkreis so niederohmig ist, daß sich über die Funkenstrecke hinweg gedämpfte Eigenschwingungen im Senderschwingkreis ausbilden können.

Von der Eigenschaft einer funkenartigen elektrischen Entladung, große Energie zu transportieren, ohne selbst zu viel Energie zu verbrauchen, kann im Wechselstrom-Energie-Konverter Gebrauch gemacht werden. Die funkenartige elektrische Entladung erzeugt kurzzeitig ein extrem heißes und entsprechend niederohmiges Plasma. Das heiße Plasma verbraucht jedoch seine Energie nur zu einem geringen Teil durch Abstrahlung und Wärmeleitung. Der größere Teil der Plasma-Energie wird wie von einem Generator an den Entladungskreis weitergegeben. Das Verhältnis von verbrauchter zu weitergegebener Energie hängt stark von den Daten des Entladungskreises ab. Es ist u. a. aber um so kleiner je größer die Feldstärke beim Einsetzen der funkenartigen elektrischen Entladung war und je größer der maximale Entladungsstrom ist.

In den Fig.3a bis 3f sind einige Ausführungsformer

bü von Thermoelementen mit mindestens einer Unterbre chungsstelle schematisch dargestellt.

Ausführungsbeispiel 3

In F i g. 3a ist 1 der p-Schenkel, 2 der η-Schenkel de:

ι·"· Thermoelementes, und 11 ist eine metallische Brücki auf der Temperatur Ti. 12 sind metallische Zuleitungei (auf der Temperatur TO) zu den Elementschenkeln 1 um

2. Die beiden Plasma-, Gas- oder Vakuum-Strecken 1]

werden durch die funkenartigen elektrischen Entladungen 18 durchschlagen.

F i g. 3b zeigt ein Thermoelement, dessen Schenkel 1 und 2 je eine Unterbrechungsstelle 17 haben, die durch die funkenartigen elektrischen Entladungen 18 durchschlagen und überbrückt werden. Il ist eine metallische Brücke (mit der Temperatur Ti) zwischen den Schenkeln 1 und 2, und 12 sind metallische Zuleitungen mit der Temperatur To.

F i g. 3c zeigt schematisch ein Thermoelement, dessen Element-Schenkel 1 und 2 wie im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 aus pulverförmigem thermoelektrischem Material bestehen. Die Plasma-, Gas- oder Vakuum-Strecken 17 sind hier die Zwischenräume und Grenzflächen zwischen den Pulver-Körnern. Sie wer- π den durch die funkenartigen elektrischen Entladungen 18 durchschlagen. Die leitende Brücke 11 hat die Temperatur Ti und die Zuleitungen 12 haben die Temperatur T₀.

F i g. 3d zeigt schematisch ein Thermoelement, bei dem die metallische Brücke 11 (mit der Temperatur Ti) parallel zu den Elementschenkeln 1 und 2 steht. Die Plasma-, Gas- oder Vakuum-Strecken 17 werden durch die funkenartigen elektrischen Entladungen 18 durchschlagen. 12 sind metallische Anschlüsse auf der Temperatur T₀.

Fig.3e zeigt schematisch ein Thermoelement, bei dem die metallische Brücke 11 (auf der Temperatur Ti) und die Zuleitungen 12 (auf der Temperatur T₀) parallel verlaufen. Die Thermoschenkel 1 und 2 haben je zwei Plasma-, Gas- oder Vakuum-Strecken 17, die durch die funkenartigen elektrischen Entladungen 18 durchschlagen werden.

F i g. 3f zeigt schematisch ein Thermoelement, bei dem zwei Thermoschenkel 1 und 2 die Temperatur T_t haben und zwei Thermoschcnkel 1 und 2 auf der Temperatur T₀ festgehalten sind. Alle Thermoschenkel 1 und 2 sind durch die Plasma-, Gas- oder Vakuum-Strekken 17 getrennt, die durch die funkenartigen elektrischen Entladungen 18 durchschlagen werden. «ο

Ausführungsbeispiel 4

In Fig.4 ist ein Wechselstrom-Energie-Konverter beschrieben, der zwei thermoelektrische Generatoren mit Unterbrechungsstellen enthält. Die Elementschenkel 1 und 2 bestehen aus 0,5 Milli-Ohm crn p ⁺ - und n⁴ -leitendem Silizium in Form von Einkristall-Scheiben von 1.10-²cm² Fläche und 4.10-³cm Dicke. Die P ⁺-Scheiben haben einseitig eine epitaktische p-Schichl von 0,01 Ohm cm in einer Dicke von UO-⁴Cm. Eine entsprechende η-leitende Schicht tragen die n ⁺-Scheiben. Auf der nichtepitaktischen Seite sind die Silizium-Scheiben auf die metallischen Brücken 11 und Zuleitungen 12 so auflegiert, daß sich immer zwei p-Epitax-Schichten und zwei n-Epitax-Schichten gegen- « überstehen und sich leicht berühren. Der sehr schmale Zwischenraum 17 ist evakuiert. Durch Sonneneinstrahlung sind die heißen Kontaktbrücken 11 auf einer Temperatur T₍ von 800 Grad Kelvin und die kalten Kontaktbrücken und Zuleitungen 12 auf der Tempera- t>o tür T₀ von 300 Grad Kelvin festgehalten. Jeder der beiden thermoelektrischen Generatoren hat eine Leerlaufspannung von 300 Volt. Über eine relativ niederohmige Sekundärspule des Transformators 21 ist an den Wechselstromkreis mit dem Vakuum-Kondensa- f>5 tor 4 von 0,53 Mikrofarad eine effektive Wechselspannung von 3000 Volt bei einer Frequenz von 1000 Hertz angelegt. Der kapazitive Widerstand des Kondensators 4 beträgt 300 Ohm, und durch den Wechselstromkreis fließt ein effektiver Strom von 10 Ampere. Über die mit Hilfe der über die Widerstände 20 im Gegentakt angesteuerten Komplementär-Transistoren 7 und 8 fließt der Elektronenstrom 5 in der ersten Halbwelle über den Transistor 7 durch den linken thermoelektrischen Generator, wobei er Unterbrechungsstellen 17 in den Elementschenkeln 1 und 2 durch die funkenartigen Entladungen 18 überbrückt. In der zweiten Halbwelle fließt der Elektronenstrom 6 über den Transistor 7 durch den rechten thermoelektrischen Generator, wobei er die Unterbrechungsstellen 17 in den Elementschenkeln durch die funkenartigen Entladungen 18 überbrückt. Der über den Transformator 21 eingespeiste Wechselstrom ist praktisch leistungslos, während durch den Verbraucherwiderstand 9 von 6 Kilo-Ohm etwa 1,5 Kilowatt elektrische Leistung als Wechselstrom von 1 Kilo-Hertz der beiden thermoelektrischen Generatoren entnommen wird.

Die bisher beschriebenen Wechselstrom-Energie-Konverter können mit Wechselspannungen beliebiger Amplitude arbeiten. Es können sinusförmige Amplituden, aber auch Rechteck-Amplituden, wie sie z. B. Multivibratoren liefern, Sägezahn-Amplituden, wie sie bei Kippschwingungen auftreten, usw. verwendet werden.

Ein wichtiger Spezialfall des Wechselstrom-Energie-Konverters der Erfindung liegt vor, wenn der Wechselstromkreis ein Schwingkreis oder Resonator ist, der erzwungene Schwingungen oder Eigenschwingungen ausführt. Ein Wechselstrom-Energie-Konverter als Schwingkreis mit Thermionik-Dioden als Wandler ist im Ausführungsbeispiel 5 beschrieben.

Ausführungsbeispiel 5

In Fig. 5 sind 23 die Wolfram-Emitter von zwei Thermionik-Dioden-Battericn. Die Temperatur Ti der Emitter 23 beträgt 2800 Grad Kelvin. Sie wird durch die Verbrennung von Wasserstoffgas mit Sauerstoff erzeugt. Die Kollektoren 24 bestehen ebenfalls aus Wolfram und sind auf einer Temperatur von 500 Grad Kelvin festgehalten. Die Größe der Flächen der Emitter 23 und der Kollektoren 24 beträgt je 10 cm². Die Abstände zwischen den Emittern 23 und den Kollektoren 24 betragen 3 mm. Sie sind mit Caesium-Dampf unter einem Druck von 7.1O^-2 Torr gefüllt. In jeder Thermionik-Dioden-Batterie sind 100 Thermionik-Dioden über die Emitter-Zuleitungen 25 in Serie geschaltet. Die Leerlaufspannung jeder Batterie beträgt 250 Volt. Der Vakuum-Kondensator 4 hat eine Kapazität von 100 Picofarad, und die Spule 22 hat eine Induktivität von 2,53 Mikro-Henry, so daß die Eigenfrequenz dieses Schwingkreises etwa 10 Mega Hertz beträgt. Wenn der Kondensator 4 nacl Umschalten der Schalter 10 durch die Gleichspannungs quelle 27 über den Widerstand 28 auf 32 Kilo-Vol aufgeladen und danach die Schalter 10 wiede zurückgeschaltet sind, dann wird im Schwingkreis ein entdämpfte Schwingung von 10 Mega-Hertz angefach Durch den Widerstand 9 mit 20,5 Kilo-Ohm wird jedoc der Schwingkreis bedämpft. Als Folge davon fließt ei effektiver Wechselstrom von nur 100 Ampere durch dn Schwingkreis und die effektive Spannung am Kondei sator sinkt auf 16 Kilo-Volt. Die Vakuum-Trioden 7 un 8 werden über die Widerstände 20 im Gegental gesteuert. Sie bewirken, daß in der ersten Halbwolle di Elektronenstrom 5 durch die linke Thermionik-Diode Batterie und in der zweiten Halbwelle der Elektrone

strom 6 durch die rechte Thermionik-Dioden-Batterie fließt. Da der Schwingkreis trotz der Bedämpfung durch den Verbraucherwiderstand 9 eine Güte von 64 hat, liegt an jeder einzelnen Thennionik-Diode nach jedem Einsetzen der Ströme 5 und 6 kurzzeitig eine Überspannung von etwa 160 Volt. Sie bewirkt, daß die Raumladung vor dem Emitter durchbrochen wird (26) und daß ein effektiver Strom von 100 Ampere fließen kann. Durch diesen Abbau der Raumladungen wird eine Verringerung des Innenwiderstandes der Thermionik-Dioden bewirkt. Dadurch wird der relative Anteil der Wärmeverluste in der Energiebilanz verkleinert, das heißt aber, der Wirkungsgrad der Thermionik-Dioden wird größer. Der Verbraucherwiderstand 9 nimmt eine Hochfrequenzleitung von über 20 Kilo-Watt auf, welche von den Thermionik-Dioden abgegeben wird. Der maximale Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in elektrische Energie beträgt im Ausführungsbeispiel 5 etwa 40%.

Wechselsirom-Energie-Konverter können auch Wandler enthalten, welche Licht in elektrische Energie oder elektrische Energie in Licht umwandeln, wie z. B. Solarzellen, Foto-Elemente, Foto-Zellen, Foto-Dioden, Elektrolumineszenz-Dioden und LASER-Dioden.

Ausführungsbeispiel 6

In Fig.6 ist ein Wechselstrom-Energie-Konverter mit einer Parallel- und Reihenschaltung von Silizium-Solarzellen 29 beschrieben, die die Lichtstrahlung 30 der Sonne auffangen. Jede Solarzelle ist 2 χ 2 cm² groß, hat eine Leerlaufspannung von 0,6 Volt und einen Kurzschluß-Strom von 150 Milli-Ampere. Je 50 Solarzellen sind elektrisch parallel geschaltet und 500 dieser Parallelschaltungen sind in Serie geschaltet. Über die Sekundärspule eines Transformators 21 ist eine effektive Wechselspannung von 300 Volt und 50 Hertz an den Wechselstromkreis mit dem Kondensator 4 gelegt, der eine Kapazität von 80 Mikrofarad hat. Es fließt ein effektiver Wechselstrom von 7,5 Ampere durch den Kreis. Er wird durch die im Gegentakt über die Widerstände 20 gesteuerten Thyristoren 7 und 8 während beider Wechselstrom-Halbwollen 5 und 6 in gleicher Richtung durch die Solarzellen 29 gelenkt. Der Verbraucherwiderstand 9, parallel zum Kondensator 4, nimmt mit einem Widerstandswert von 40 Ohm eine Wechselspannungsleistung von etwa 2,2 Kilo-Watt bei einer effektiven Spannung von 300 Volt auf. Im Wechselstrom-Energie-Konverter ist der Wirkungsgrad der Solarzellen 23 etwas größer als im Normalbetrieb.

Einen Wechselstrom-Energie-Konverter mit einem Wandler, der elektrische Energie in Licht umwandelt, beschreibt das Ausführungsbeispiel 7.

Ausführungsbeispiel 7

In F i g. 7 sind 31 Galliumarsenid-LASER-Dioden, die sich in einem Schwingkreis mit der Spule 22 und den Kondensatoren 4 und 33 befinden. Die Spule 22 hat eine Induktivität von 3,17.10~⁸ Henry und der Kondensator 4 eine Kapazität von 60 Picofarad. Der variable Kondensator 33 hat eine von 20 bis 80 Picofarad variierbare Kapazität. Über diese variierbaire Kapazität kann die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zwischen 70 und 100 Mega-Hcrtz geändert werden. 34 ist ein variierbarer Widerstand, über welchen die Amplituden der Schwingungen geändert werden können. In der ersten Halbwelle fließt der Elektronenstrom 5 durch die LASER-Diode 31, welche den Infrarot-Lichtimpuls 32 dabei aussendet. In der zweiten Halbwelle fließt der Elektronenstrom 6 durch die LASER-Diode 31, welche den Infrarot-Lichtimpuls 32 dabei aussendet. Über den Kondensator 35 ist ein Hochfrequenz-Generator 3 an den Schwingkreis gekoppelt. Auch bei konstanter Frequenz des Hochfrequenz-Generators 3 können die

Lichtimpulse 32 durch Ändern des Kondensators 33 und des Widerstandes 34 geändert werden.

Wechselstrom-Energie-Konverter können auch mit

ίο Wandlern verwendet werden, welche chemische Energie in elektrische Energie oder elektrische Energie in chemische Energie umwandeln, wie z. B. Brennstoff-Elemente mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen, die mit niedrigen oder hohen Temperaturen arbeiten, galvanische Primär-Elemente, galvanische Sekundär-Elemente usw.

Im Ausführungsbeispiel 8 wird ein Wechselstrom-Energie-Konverter beschrieben, der als Wandle!¹ Brennstoff-Zellen enthält.

Ausführungsbeispiel 8

In F i g. 8 sind 37 Batterien aus je 100 Brennstoff-Zellen mit sogenannten »Doppelskelett-Wasserstoffelekiroden«, die gefälltes Silberpulver in einem Stützgerüst aus Carbonylnickel enthalten. Das Reaktionswasser fällt als Dampf an und jede Brennstoff-Zelle hat eine Leerlaufspannung von 1,18 Volt. Die Elektrodenfläche jeder Zelle beträgt 10⁴ cm². Die Batterien 37 sind über die über die Widerstände 20 gesteuerten Thyristoren 7

jo und 8 im Gegentakt in den Wechselstromkreis mit dem Kondensator 4 geschaltet. Über die Sekundärseite des Transformators 21 ist eine Wechselspannung von 60 Hertz und 2000 Volt Effektivspannung an den Wechselstromkreis angelegt. Der Kondensator 4 hat mit einer Kapazität von 1350 Mikrofarad einen kapazitiven Widerstand von 2 Ohm, so daß ein effektiver Wechselstrom von 1000 Ampere mit den Halbwellen des Elektronenstromes 5 und 6 durch die Batterien 37 fließt. Parallel zum Kondensator 4 liegt der

Öltransformator 36, der eine elektrische Leistung von etwa 115 Kilo-Watt bei einer effektiven Sekundärspannung von 40 Kilo-Volt auf den Verbraucherwiderstand 9 mit etwa 14 Kilo-Ohm überträgt. Der Transformator 21 gibt praktisch nur Blindleistung ab. Als Folge der relativ hohen Spannung am Kondensator 4 kann sich an den Elektroden der Brennstoff-Zellen keine Polarisation oder Überspannung ausbilden. Dies wirkt wie eine Verkleinerung des Innenwiderstandes der Brennstoff-Zellen und führt zu einer Verbesserung des Wirkungs· grades der Energieumwandlung bei großer Belastung.

Der Wechselstrom-Energie-Konverter der Erfindung kann bis zu allerhöchsten Frequenzen verwende werden. Im Ausführungsbeispiel 9 ist seine Verwendung als Mikrowellen-Generator beschrieben.

Ausführungsbeispiel 9

In Fig.9 sind 38 Blei-Akkumulatoren mit eine Leerlaufspannung von 2,1 Volt und einem elektrischei Innenwiderstand von 10 Milli-Ohm. 39 sind sogenannti

bo Lecher-Leitungen mit einer Gesamtlänge von 3 Meterr Sie sind am oberen Ende durch die leitende Brücke 41 kurzgeschlossen und am unteren Ende durch di Induktions-Schleife 41 miteinander verbunden. In jed Lecher-Leitung 39 ist jeweils im Abstand von 1 Zentimetern ein Parallel-Krcis abwechselnd mit einer Akkumulator 38 sowie zwei Funkenstrecken 7 und eingeschaltet. Jede Lecher-Leitung 39 enthält 1 Blei-Akkumulatoren 38, die von den Gleichstromquelle

45 über die Drosselspulen 46 aufgeladen werden. Die Funkenstrecken 7 und 8 bestehen jeweils aus einer Metall-Platte, der eine Metall-Spitze gegenübersteht. Wenn die Spitze positiv ist, dann ist die Funken-Durchbruchsspannung nur etwa die Hälfte so hoch wie bei 5 umgekehrter elektrischer Polung. Wenn über den Widerstand 28 durch die Gleichspannungsquelle 27 der Kondensator 43 auf eine so hohe Spannung aufgeladen wird, daß die Kugelfunkenstrecke 44 durchbricht, dann entlädt sich der Kondensator 43 über die lnduktionsschleife 42 und über die Funkenstrecke 44 in Form einer gedämpften Schwingung von 1 Giga-Hertz. Da diese Frequenz eine Resonanz-Frequenz der über die Resonanzschleife 41 und die Brücke 40 abgeschlossenen Lecher-Leitungen 39 ist, fließen die Elektronenströme 5 is und 6 jeweils in der ersten und zweiten Halbwelle durch den Lecher-Resonator. Da die Ströme 5 und 6 immer so über die Funkenstrecken 7 und 8 und die Blei-Akkumulatoren 38 fließen, daß sich die Akkumulatorspannungen zu den hochfrequenten Wechselspannungen addieren, entsteht im Lecher-Resonator eine stehende entdämpfte Welle. Der Wellenwiderstand der Lecher-Leitung beträgt 300 0hm, und der gesamte Ohmsche Widerstand einschließlich des Innenwiderstandes der Blei-Akkumulatoren 38 ist in jeder Halbwelle 0,3 Ohm. Ohne äußere Bedämpfung fließt deshalb durch den Lecher-Resonator ein effektiver Wechselstrom von 147 Ampere. Wenn der Lecher-Resonator über die Induktionsschleife 41 mit einem Nutzwiderstand von etwa 300 Kilo-Ohm bedämpft wird, dann sinkt der effektive Wechselstrom auf etwa 73 Ampere und dem Lecher-Resonator wird durch die Bedämpfung eine Mikrowellenleistung von 1,6 Kilo-Watt bei 1 Giga-Hertz mit einer effektiven Wechselspannung von 22 Kilo-Volt entnommen. Der Wirkungsgrad der Erzeugung von entnehm- )5 barer Mikrowcllenleistung hängt vom Grad der Bedämpfung ab. Durch die Bedämpfung mit 300 Kilo-Ohm beträgt er etwa 50%. Durch stärkere Bedämpfung des Lecher-Resonators mit einem kleineren Verbraucher-Widerstand läßt sich der Wirkungs- 4u grad — bei gleichzeitig kleiner werdender Gesamtleistung — weiter steigern.

Die beiden Lecher-Leitungen 39 in F i g. 9 lassen sich in an sich bekannter Weise auch durch eine koaxiale Leitung oder durch einen Topf-Kreis ersetzen, was zur Vermeidung von Strahlungsverlusten sinnvoll ist. Zur Vergrößerung der Mikrowellen-Leistung lassen sich mehrere Generatoren parallel und in Serie schalten. Auf diese Weise können — auch unter Verwendung anderer Wandler, wie z. B. Brennstoff-Zellen, Thermoelementen 5» oder MHD-Wandlern — Mikrowellen-Erzeuger gebautwerden.

Der Wechselstrom-Energie-Konverter läßt sich mit Vorteil auch mit Direkt-Energiewandlern verwenden, die radioaktive Strahlung in elektrische Energie umwandeln, wie z. B. Direkt-Radionuklid-Batterien, Halbleiter-Sperrschicht-Batterien und Kontaktpotential-Batterien. Das Ausführungsbeispiel 10 beschreibt einen Wechselstrom-Energie-Konverter, der eine Radio-Nuklid-Batterie, d. h. einen Wandler mit einer unbequem hohen Gleichspannung enthält.

Ausführungsbeispiel 10

In F i g. 10 ist 47 eine Hohlkugel aus Metall mit einem Außendurchmesser von 50 Zentimetern. Sie ist mit einer b5 I Millimeter dicken Schicht aus ⁹⁰Sr-OxId überzogen, die insgesamt eine Aktivität von etwa 1,25.1O⁶ Curie hat. Wegen der großflächigen Verteilung dieser Aktivität erwärmt sich die Hohlkugel 47 nur auf etwa 500 Grad Kelvin. Im Abstand von 20 Zentimetern von der Oberfläche der Hohlkugel 47 befindet sich die Innenwand einer zweiten metallischen Hohlkugel 49. Durch den Isolator 50 ist ein elektrischer Anschluß der Hohlkugel 47 durch die Hohlkugel 49 isoliert hindurchgeführt. Der Zwischenraum 48 zwischen der Hohlkugel 47 und der Hohlkugel 49 ist Hochvakuum. Als Folge der p-Strahlung des *>Sr-Oxids lädt sich die Hohlkugel 47 positiv und die Hohlkugel 49 negativ auf. Die Leerlaufspannung dieser Radionuklidbatterie beträgt 365 Kilo-Volt, ihr Kurzschluß-Strom ist 7 Milli-Ampere. Die Radionuklidbatterie ist in den Wechselstromkreis mit dem Kondensator 4 mit Hilfe der Funkenstrecken 7 und 8 so eingeschaltet, daß sich bei jeder Halbwelle des Elektronen-Stromes 5 und 6 die Wechselspannung des Kreises und die Spannung der Radionuklidbatterie addieren. Über die innerste Sekundärspule der Transformator-Kaskade 21 liegt eine 50-Hertz-Wechselspannung von effektiv 380 Kilo-Volt am Kondensator 4 mit der Kapazität von 59 Picofarad. Sie begrenzt den effektiven Wechselstrom auf 7 Milli-Ampere. Die Transformator-Kaskade 36 entnimmt dem Wechselstromkreis eine Leistung von etwa 2,4 Kilo-Watt, die an der äußersten Sekundärspule der Kaskade 36 bei einer effektiven Wechselspannung von 220 Volt an den Verbraucherwiderstand 9 mit etwa 20 Ohm abgegeben wird. Der ganze Wechselstrom-Energie-Konverter einschließlich der Funkenstrecken 7 und 8, der Transformator-Kaskaden 21 und 36 sowie des Kondensators 4 befinden sich indem Hochvakuum-Behälter 51. Von besonderer Bedeutung für die Praxis sind Wechselstrom-Energie-Konverter, bei denen als Wandler-Magneto-Hydro-Dynamische Wandler (MHD-Wandler) eingesetzt sind. Sie bieten Vorteile bei der Umwandlung besonders großer Energiemengen.

Ausführungsbeispiel H

In Fig. 11 strömt an den Elektroden 52 zweier MHD-Wandler der Strahl 53 eines geschmolzenen Gemisches von Natrium/Kalium senkrecht zur Bildebene in einem geschlossenen Kreislauf vorbei. Senkrecht zum Metall-Strahl 53 und senkrecht zu den Elektroden 51 steht das magnetische Feld 55 der Spule 54, die an die Stromquelle 55 angeschlossen ist. Die Elektronen des Metall-Strahles 53 werden in ihrer mechanischen Bewegung durch das Magnetfeld 55 abgebremst und der Energiebetrag dieser Abbremsung von mechanischer Energie des Metall-Strahles 53 kann als elektrische Energie über die Elektroden 52 entnommen werden. Die MHD-Generatoren befinden sich mit ihren Innenwiderständen, die durch die elektrischen Widerstände dei Metall-Strahlen 53 zwischen den Elektroden 52 gebilde werden, in dem Wechselstromkreis mit dem Kondensa tor 4, der über die Sekundärspule des Transformators 2 von einem 50-Hertz-Weohselstrom durchflossen wire In der ersten Halbwelle fließt der Elektronenstrom über die Thyristoren 7 durch den linken MHD-Wandlc und in der zweiten Halbwelle fließt der Elekironer strom 6 über die Thyristoren 8 durch den rechte MHD-Wandler. Über die Widerstünde 20 werden d Thyristoren so gesteuert, daß beim Stromfluß 5 und die Wechselspannungen sich mit den Spannungen ι den Elektroden 52 der MHD-Wandler addieren. D von den MHD-Gcneratorcn abgegebene elektriscl Leistung wird durch den Verbraucherwiderstand parallel zum Kondensator 4 als Wechselstromleistu mit einer Frequenz von 50 Hertz entnommen.

Das Ausfiihrungsbekpiel 12 beschreibt einen Wechselstrom-Energie-Konverter mit einem MHD-Wandler, der mit einem offenen Plasma-Strahl arbeitet.

Ausführungsbeispiel 12

In Fig. 12 strömt senkrecht zur Bildebene zwischen den Elektroden 57 eines MHD-Wandlers der heiße Flammenstrahl 58 einer Wasserstoff-Flamme hindurch. 55 ist das Magnetfeld der Spule 54, die an die Stromquelle 56 angeschlossen ist. Über die Sekundärspule eines Transformators 21 ist eine 50-Hertz-Wechselspannung an den Kreis mit dem Kondensator 4 gelegt. Die Elektronenströme 5 und 6 der positiven und negativen Halbwellen werden mit Hilfe der Widerstände 20 über die Quecksilberdampf-Stromtore 7 und 8 so gesteuert, daß nur die positive Strom-Halbwelle 5 über den MHD-Wandler fließt, bei der es zur Addition der Spannungen kommt. Der Verbraucher-Widerstand 9 im Wechselstromkreis nimmt die Summe der elektrischen Leistung auf, die durch den Transformator 21 an den Kreis abgegeben wird, und die der MHD-Wandler bei Durchgang der Strom-Halbwelle 5 an den Wechselstromkreis abgibt.

Anstelle eines zusätzlichen Magnetfeldes zur magnetischen Beeinflussung eines Wandlers kann man beim Wechselstrom-Energie-Konverter auch das nichtstationäre Magnetfeld einer Spule im Wechselstromkreis benutzen. Das Ausführungsbeispiel 13 beschreibt einen Wechselstrom-Energie-Konverter mit einem Schwingkreis, bei dem die magnetische Ablenkung der MHD-Wandler durch die magnetischen Eigenfelder des Schwingkreises erfolgt und bei dem der MHD-Wandler durch einen Kernreaktor beheizt wird.

Ausführungsbeispiel 13

In Fig. 13 strömt zwischen den Elektroden 52 von zwei MHD-Wandlern ein Helium-Gasstrahl 58 im geschlossenem Kreislauf. Der Helium-Gasstrahl 58 wird mit Hilfe eines Kernreaktors auf eine Temperatur von 800 Grad Celsius aufgeheizt. Beide MHD-Wandler befinden sich mit ihrem Innenwiderstand im Schwingkreis mit dem Kondensator 4 und der Spule 22. Die Spule 22 ist supraleitend und hat eine Induktivität von 1 Henry. Der Kondensator 4 hat einen Verlustwinkel ή = 1.10-⁴ und eine Kapazität von 10 Mikrofarad so daß die Eigenfrequenz des Schwingkreises bei 50 Hertz liegt. Zur Inbetriebnahme wird über den Schalter 10 und den Widerstand 9 der Kondensator 4 durch die Spannungsquelle 27 auf eine Spannung von 440 Kilo-Volt aufgeladen. Durch Umlegen des Schalters 10 wird die Spannungsquelle 27 abgeschaltet und im Schwingkreis eine 50-Hertz-Schwingung in Gang gesetzt In der ersten Halbwelle fließt der Elektronenstrom 5 über die Öl-Funkenstrecken 7 und 8, die sich in Öltanks 59 befinden, durch den linken MHD-Wandler, und in der zweiten Halbwelle fließt der Elektronenstrom 6 über die Öl-Funkenstrecken 7 und 8, die sich in den Öltanks 59 befinden, durch den rechten MHD-Wandler. Da der Helium-Gasstrahl 58 nur die relativ niedrige Temperatur von 800 Grad Celsius hat, ist sein lonisationsgrad auch nur relativ gering. Entsprechend hoch sind die Innenwiderstände der MHD-Wandler, die durch die elektrischen Widerstände der Gasstrahlen 58 zwischen den Elektroden 52 gebildet werden.

Dies ändert sich drastisch kurz nach Beginn jeder Halbwelle der Ströme 5 und 6. Dann liegt kurzzeitig eine schnell anwachsende Spannung am Innenwiderstand des MHD-Wandlers und bei Erreichen eines kritischen Wertes der Spannung fließt der Strom 5 oder 6 über eine funkenartige Entladung durch den Helium-Gasstrahl 58 zwischen den Elektroden. Wenn der Strom 5 oder 6 sein Maximum in der funkenartigen Entladung zwischen den Elektroden 52 erreicht, dann haben auch die Ströme 5 und 6 durch die supraleitende Spule und damit auch die Magnetfelder 53 der Spule 22 ihr Maximum. Die Abbremsung der geladenen Teilchen des Helium-Gasstrahls 58 durch die nichtstationären Magnetfelder 55 geschieht infolgedessen zeitlich optimal. Durch die funkenartigen Entladungen zwischen den Elektroden 52 der MHD-Wandler wird nichtstationär aber zusätzlich auch noch eine sehr heiße Plasma-Zone zwischen den Elektroden 52 gebildet, die den Innenwiderstand der MHD-Wandler kurzzeitig sehr stark verkleinert. Dadurch können die Magnetfelder 55 ihre Bremswirkung auf die Bewegung des Helium-Gasstrahls 58 kurzzeitig auch sehr viel wirksamer ausüben, und es resultiert daraus eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Energieumwandlung. Der Schwingkre'.. in Fig. 13 hat mit der Bedämpfung durch den Verbraucher 9 eine Güte und damit eine Spannungsüberhöhung am Kondensator 4 von 100, und es fließt ein effektiver Wechselstrom von 5 Kilo-Ampere durch die Spule 22. Der Verbraucher 9 entnimmt mit einem Widerstand von 4,4 Kilo-Ohm bei einer Spannung von 220 Kilo-Volt dem Wechselstrom-Energie-Konverter nach Fig. 13 eine Wechselstrom-Leistung von 11 Mega-Watt.

Es liegt nahe, den Wechselstrom-Energie-Konverter mit MHD-Wandlern auch zusammen mit einer Anordnung zum Herbeiführen von Kernfusionen zu benutzen, bei dem die elektrische Energie aus der Kernverschmelzung von Wasserstoff-Isotopen gewonnen werden soll. Das Ausführungsbeispiel 14 beschreibt einen solchen Wechselstrom-Energie-Konverter.

Ausführungsbeispiel 14

In Fig. 14 ist 4 der Kondensator eines Schwingkreises mit einer Eigenfrequenz von 60 Hertz, bei dem der Elektronenstrom 5 in der ersten Halbwelle durch die Spule 22 der oben dargestellten MHD-Wandler und der Elektronenstrom 6 in der zweiten Halbwelle durch die Spule 22 der unten dargestellten MHD-Wandler fließt. Je zwei MHD-Wandler mit den Elektroden 52 arbeiten mit dem geschlossenen Deuterium-Tritium-Kreislauf 58. Der Elektronenstrom 5 in der ersten Halbwelle fließt durch die funkenartigen elektrischen Entladungen 18 durch beide Deuterium-Tritium-Kreisläufe 58, wobei in beiden Kreisläufen 58 mit Hilfe des Magnetfeldes 55 der Spule 22 die geladenen Teilchen abgebremst werden Die Bremsenergie wird dem Kondensator 4 zugeführt Der Elektronenstrom 6 in der zweiten Halbwelle fließi über die funkenartigen elektrischen Entladungen If ebenfalls über beide Kreisläufe 58, wobei er mit Hilfs des Magnetfeldes 55 der Spule 22 die Bremsenergie dei geladenen Teilchen in elektrische Energie umwandelt die dem Kondensator 4 zugeführt wird. Die in Gegentakt geschalteten Gleichrichter 19 regeln dii Phasenbeziehung der Ströme 5 und 6, und dii Funken-Strecken 7 und 8 dienen der Regulierung de Entladungsvorgänge. Während der funkenartigen elek frischen Entladungen 18 im Deuterium-Tritium-Kreis lauf 58 werden Hoch-Energie-LASER-Impulse & simultan so eingestellt, daß sie sich in der Entladungszc ne der funkenartigen elektrischen Entladungen 18 i Form eines Brennpunktes überlagern. Sie werden doi wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit de

1 r

■)euterium-Tritium-Plasmas sofort vollständig absorbiert. Durch die dadurch erzielte extreme Leistungsdichte soll kurzzeitig eine so hohe Temperatur in diesem Brennpunkt erreicht werden, daß eine mengenmäßig begrenzte Kernfusion von Deuterium- und Tritium-Kernen möglich gemacht werden soll. Die Energie des Massendefektes erscheint als Strahlung, Wärme und mechanische Energie des Deuterium-Tritium-Kreislaufs 58. Der gleiche Vorgang spielt sich in der zweiten Halbwelle des Elektronenstromes 6 in der Entladungszone der funkenartigen elektrischen Entladungen 18 des Deuterium-Tritium-Kreislaufes 58 mit den LASER-Impulsen 60 ab. Über die Anschlüsse 61 soll dem Resonanz-Fusions-Kraftwerk ein Teil der erwünschten Kernfusions-Energie als elektrische Energie entnommen werden.

Da die im Wechselstrom-Energie-Konverter erzeugten und verwendeten funkenartigen elektrischen Entladungen auch nichtionisierte, kalte Gasstrecken und sogar Vakuumstrecken durchschlagen können, kann ein Wechselstrom-Energie-Konverter mit einem MHD-Wandler auch als Turbine oder Triebwerk arbeiten. Das Ausführungsbeispiel 15 beschreibt eine derartige Turbine.

Ausführungsbeispiel 15

Es sind 57 die Elektroden des MHD-Wandlers, 55 ist das ablenkende Magnetfeld der Spule 22 des Schwingkreises mit dem Kondensator 4. An den Anschlußklemmen 27 ist ein Hochspannungsgenerator angeschlossen, der über den Widerstand 28 mit dem Elektronenstrom 62 den Kondensator 4 immer wieder auf eine so hohe Spannung auflädt, daß die Luftstrecke zwischen den Elektroden 57 des MHD-Wandlers durch funkenartige elektrische Entladungen 18 durchschlagen wird. Der )5 synchron mit den funkenartigen elektrischen Entladungen 18 durch die Spule 22 fließende Elektronenstrom 5 erzeugt das Magnetfeld 55, welches die geladenen Teilchen des Funkenplasmas zwischen den Elektroden 57 in die Richtung 58 beschleunigt. Durch die -to Wiederholung dieses Vorgangs wird 58 ein Ionen- und Gas-Strahl, der eine Turbine treibt. Der Kondensator ist durch einen Gleichrichter 63 überbrückt, so daß die im MHD-Wandler nicht für die Beschleunigung der geladenen Teilchen verbrauchte elektrische Energie mit dem Strom 5 zur Wiederaufladung des Kondensators beiträgt.

Mit der Überbrückung des Schwingkreis-Kondensators 4 durch den Gleichrichter 63 in Fig. 15 wird der Strom in diesem Wechselstrom-Energie-Konverter w gezwungen, immer nur als gleichgerichteter Strom durch den Innenwiderstand des Wandlers zu fließen.

Einen Wechselstrom-Energie-Konverter als Funktionseinheit von Generator und Triebwerk beschreibt das Ausführungsbeispiel 16. 5=

Ausfiihrungsbeispiel 16

In Fig. Ib ist 4 der Vakuum-Kondensator eines Schwingkreises, in dem der Flektronenstrom 5 in der ersten Halbwelle über die oben dargestellte Spule 22 w und der Elektronensitrom 6 in der zweiten Halbwelle über die unten dargestellte Spule 22 fließt. 58 ist ein geschlossener Edelgas-Kreislauf, der von einem Kern-Reaktor auf eine Temperatur von 1000 Grad Kelvin aufgeheizt wird. 52 sind die Elektroden der beiden MHD-Wandler mit dem geschlossenen Edelgas-Kreislauf 58. Sie arbeiten als Generatoren. Die beiden MHD-Wandler mit den offenen Kreisläufen 58 haben die Elektroden 57 und arbeiten als Strahl-Triebwerke. Sowohl in der ersten als auch in der zweiten Halbwelle jeder Schwingung werden der geschlossene Edelgas-Kreislauf 58 und der offene Kreislauf 58 gleichzeitig von den funkenartigen elektrischen Entladungen 18 durchschlagen. Die elektrische Energie, die in der ersten Halbwelle des Elektronenstromes 5 durch die Abbremsung der geladenen Teilchen im geschlossenen Edelgas-Kreislauf 58 (mit Hilfe des Magnetfeldes 55 der oben dargestellten Spule 22) gewonnen ist, wird durch die Beschleunigung der geladenen Teilchen durch dasselbe Magnetfeld 55 im offenen Kreislauf 58 in mechanische Antriebsenergie umgesetzt. Das gleiche geschieht in der zweiten Halbwelle des Elektronenstromes 6 mit Hilfe des Magnetfeldes 55 der unten dargestellten Spule 22. Der Kern-Rekator liefert über den aufgeheizten geschlossenen Edelgas-Kreislauf 58 die Energie für zwei Ionen- oder Elektrcnen-Strahl-Triebwerke, die auch im Vakuum arbeiten. Die Spulen 22 sind supraleitend, die Thyristoren 7 und 8 werden über die Widerstände 20 im Takt der Eigenfrequenz der Schwingkreise eingeschaltet und ausgeschaltet. Über den variierbaren Verbraucher-Widerstand 28 läßt sich dem Schwingkreis zusätzlich elektrische Energie für andere Zwecke entnehmen. Der Schwingkreis wird angefacht durch das Aufladen des Kondensators 4 mit Hilfe der Spannungsquelle 27 über den Schalter 10 und den variierbaren Widerstand 28 sowie das nachfolgende Entladen des Kondensators 4 in den Schwingkreis. Das Bremsen und Abschalten der Schwingungen geschieht durch das Verkleinern des Widerstandes 28. Wenn die Bedämpfung des Schwingkreises so groß wird, daß die Spannung am Kondensator 4 nicht mehr ausreicht, um die funkenartigen elektrischen Entladungen 18 zu ) erzwingen, dann reichen die Schwingungen ab.

Durch die Kombination von Wechselstrom-Energie-Konvertern als Generatoren, welche rotierende Elektromotoren oder Linearmotoren mit elektrischer Energie versorgen, lassen sich mechanische Antriebs-5 und Bewegungs-Aggregate jeder Art und Größe herstellen.

Bei Verwendung von Wechselstrom-Energie-Konvertern mit MHD-Wandlern sind darüber hinaus auch Triebwerke und Turbinen herstellbar, welche die direkte mechanische Beschleunigung der elektrisch geladenen Teilchen ausnützen.

Wechselstrom-Energie-Konverter sind wegen ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer Anpassungsfähigkeit an jede benötigte Leistungsgröße als elektrische Antriebe, elektrische Turbinen und Strahl-Triebwerke für Land-, See-, Luft- oder Raumfahrzeuge besonders geeignet.

Zur besseren Anpassung von Leistung, Strom und Spannung an die vielfältigen Aufgaben der Anwendung können mehrere und unterschiedliche Wandler und mehrere Wechselstrom-Energie-Konverter auch elektrisch parallel und in Serie geschaltet sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wechselstrom-Energie-Konverter, ' dem ein Wandler, welcher elektrische Energie ι: κι in eine andere Energieform, oder umgekehrt, umwandelt, so in einen Wechselstromkreis geschaltet ist, daß der elektrische Strom immer nur in einer Richtung durch den Innenwiderstand des Wandlers fließt, d a durch gekennzeichnet, dab der Wechselstromkreis eine Wechselstromquelle (3, 21) enthält und einen kapazitiven (4) oder induktiven Widerstand (22) aufweist, der größer als der ohmsche Widerstand im Wechselstromkreis ist, oder daß der Wechselstromkreis als Schwingkreis ausgebildet ist.

2 Wechselstrom-Energie-Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (7,8) im Wechselstromkreis vorgesehen sind, durch die der Wechselstrom so gelenkt wird, daß der Innenwiderstand des Wandlers nur in einer Richtung durchflossen wird, und daß als Schalter gasgefüllte Röhren, Vakuum-Röhren, Halbleiter-Dioden, Halbleiter-Gleichrichter, Thyristoren, Transistoren, Funkenstrecken, elektromagnetische oder mechanische Relais benutzt sind.

3. Wechselstrom-Energie-Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand des Wandlers in Serie zu einer Spule geschaltet ist, und daß parallel zu dieser Serienschaltung ein Kondensator liegt, welcher durch einen Gleichrichter oder eine Diode überbrückt ist, derart, daß der Strom im Wechselstromkreis immer nur in einer Richtung durch den Innenwiderstand des Wandlers fließen kann.

4. Wechselstrom-Energie-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom im Wechselstromkreis eine beliebige Amplitudenform, wie z. B. Sinus-Form, Rechteckform oder Sägezahn-Form hat.

5. Wechselstrom-Energie-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Widerstand (4) und der induktive Widerstand (22) im Wechselstromkreis gleich groß sind, und daß der Wechselstromkreis Resonanzschwingungen oder Eigenschwingungen ausführt (F i g. 5,7,8,13,14,15,16).

6. Wechselstrom-Energie-Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wandler verwendet sind, welche Wärme direkt in elektrische Energie oder elektrische Energie reversibel in Wärme umwandeln, wie z. B. Thermoelemente, Thermionik-Dioden oder Peltier-Elemente (F i g. 2 bis 5).

7. Wechselstrom-Energie-Konverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandler Thermoelemente oder Peltier-Elemente verwendet sind, deren Schenkel (1, 2) eine oder mehrere Unterbrechungsstellen (17) haben, welche der Strom über lawinendurchbruchartige oder funkenartige elektrische Entladungen (18) überbrückt.

8. Wechselstrom-Energie-Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wandler verwendet sind, welche Licht direkt in elektrische Energie oder elektrische Energie direkt in Licht umwandeln, wie z. B. Solar-Zellen, Foto-Elemente, Foto-Zellen, Foto-Dioden, Elektrolumineszenz-Dioden oder LASER-Dioden (F i g. 6 und 7).

9 Wechselstrom-Energie-Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

Wandler verwendet sind, welche radioaktive Strahlung direkt in elektrische Energie umwandeln, wie z. B. direkte Radionukiid-Batterien, Halbeiter-Sperrschicht-Batterien oder Kontaktpotential Batterien (Fig. 10).

10. Wechselstrom-Energie-Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wandler verwendet sind, welche chemische Energie direkt in elektrische Energie oder elektrische Energie direkt in chemische Energie umwandeln, wie z. B. Brennstoff-Elemente mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen, die mit niedrigen oder hohen Temperaturen arbeiten, galvanische Primär-Elemente oder galvanische Sekundär-Elemente (F i g. 8 und 9).

11. Wechselstrom-Energie-Konverter nach einem der Ansprüche t bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wandler verwendet sind, welche mechanische Energie direkt in elektrische Energie oder elektrische Energie direkt in mechanische Energie umwandeln, wie z. B. Magneto-Hydro-Dynamische Wandler (MHD-Wandler) mit geschlossenen oder offenen Kreisläufen (MHD-Tuibinen oder MHD-Triebwerke (F i g. 11 bis 16).

12. Wechselstrom-Energie-Konverter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtstationäre Magnetfeld (55) einer Spule (22) im Wechselstromkreis zur magnetischen Beeinflussung des MHD-Wandlers benutzt ist (F i g. 13 bis 16).

13. Wechselstrom-Energie-Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Ändern der Amplitude, Frequenz oder Phase des Wechselstromes vorgesehen sind.

14. Wechselstrom-Energie-Konverter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß MHD-Wandler mit Deuterium-Tritium-Kreisläufen verwendet sind, bei denen durch die Kombination von Funkenentladungen (18) mit Hochenergie-Laser-Impulsen (60) Kernfusionen ermöglicht werden sollen (F ig. 14).

15. Wechselstrom-Energie-Konverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Wärmepumpe zum reversiblen Kühlen, Heizen und Klimatisieren ist.

16. Anwendung des Wechselstrom-Energie-Konverters nach Anspruch 15 zur Tiefkühlung supraleitender Anordnungen.

17. Wechselstrom-Energie-Konverter nach Anspruch 12 mit zwei MHD-Wandlern mit geschlossenen Kreisläufen und zwei MDH-Wandlern mit offenen Kreisläufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler so verbunden sind, daß die von ersteren erzeugte elektrische Energie von zweiteren in mechanische Antriebsenergie umgewandelt wird (Fig. 16).

18. Wechselstrom-Energie-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wandler und mehrere Wechselstrom-Energie-Konverter parallel und in Serie geschaltet sind.