DE69211751T2

DE69211751T2 - Strahlungstechnologie

Info

Publication number: DE69211751T2
Application number: DE69211751T
Authority: DE
Inventors: Brendan P Mcfadden; Jens F S Olow; C Robert Parent
Original assignee: White Consolidated Industries Inc
Current assignee: White Consolidated Industries Inc
Priority date: 1991-04-17
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2012-04-17
Also published as: DE69211751D1; ES2090402T3; EP0509538B1; EP0509538A2; CA2065560A1; US5137583A; EP0509538A3

Description

Die Erfindung betrifft die Strahlungstechnologie und spezieller Strahlungssysterne des Kraftstoffbrennertyps zur Bereitstellung von Strahlungsenergie.
Es sind eine Vielzahl von Strahlungsemissionssystemen bekannt, die beispielsweise ein Mantelsystem und ein Brennersystem mit einer porösen Matrix umfassen. Brennersysteme mit einer porösen Matrix stellen große, mechanisch dauerhafte Strahlungsstrukturen bereit, wobei die dichte Fibermatte jedoch dazu neigt, die Erzeugung von hohen Fasertemperaturen zu verhindern, die regelmäßig erforderlich sind um eine selektive Strahlung zu erhalten, so wie sie beispielsweise für thermovoltaische Anwendungen gewünscht wird. Ferner können Bestandteile des Systems, wie keramische Klebstoffe, dazu neigen, die Brennerleistung zu verschlechtern und auch die Betriebstemperaturen des Strahlungssysterns und die Lebensdauer des Strahlungssystems zu begienzen.
Die US-A-3472601 offenbart ein Strahlungsystem mit einer Trägerstruktur mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Trägerstruktur eine Vielzahl von Durchgäugen, die sich durch sie von der Rückseite zu einer Vielzahl von Ausgängen in der Vorderseite erstrecken, eine Vielzahl von länglichen Strahlungselementen, die in Reihe angeordnet sind und sich nach außen von der Vorderseite mit Endbereichen der Strahlungselemente, die voneinander und von der Trägerstruktur beabstandet sind, erstrecken und eine thermischen Anregungsstrukur zur Einrichtung eines Verbrennungszustands benachbart zu der Vorderseite, um die Strahlungselemente auf eine thermische Strahlungstemperatur zu erhitzen, aufweist.
Im Einklang mit einem Aspekt der Erfindung sind die Strahlungselemente längliche Elemente aus keramischen Material und können Selektivstrahler aus seltenen Erdmetalloxiden, wie Yttriumoxid, Erbiumoxid, Terbiumoxid oder Holmia; sichtbare Strahlungssender aus seltenen Erdmetalloxiden wie Thoriumoxid- Cerdioxid, oder Yttriumoxid-Cerdioxid; Breitbandstrahlungsender aus perovskitischem Material, wie Lanthan-Chromid, Magnesium-Chroinid, Praseodym, oder Lanthan-Nickel-Oxid; oder graues Strahlungskörpermaterial, wie Aluminiumoxid, Zirkondioxid oder Calcia sein. Die Trägerstruktur kann unterschiedliche Formen (eben, gekrümmt, etc.) annehmen und aus einem Metall (beispielsweise aus einem Drahtgeflecht aus rostfreiem Stahl), einer Keramik oder einem anderen geeigueten Hochtemperaturmaterial. Die Fließdurchgänge in der Trägerstruktur können auf unterschiedliche Weise gebildet werden, beispielsweise durch Druckguß oder gezielte Zersetzung des organischen Materials. Die Strahlungselemente können eine unterschiedliche Konfiguration besitzen - schlaufenartig, im wesentlichen auslegerartig, etc.; und ihre Dichte, Größe des Querschnitts, Länge, etc. können Funktionen der thermischen Anregungsaspekte wie der Verbrennungszonenkonfiguration, des Kraftstoffs, des Oxidationsmittels, und des Flammentyps, beispielsweise einer Vormisch- oder einer Diffusionsflamme sein.
In speziellen Ausführungsbeispielen sind die Strahlungselemente keramische Mehrfaserdrahtlitzen, die eine Querschnittgröße im Bereich von 0,005 bis 0,03 mm besitzen; das Trägerelement hat eine ebene Oberfläche, von der sich die Strahlungelemente erstrecken; die freien Enden der Strahlungselemente sind ungefähr 1 cm von der Oberfläche angeordnet; die Strahlungselemente sind auf dem Trägerelement in einer Dichte von mindestens 10/cm² auf der Trägerelementoberfläche angeordnet; es sind mindestens zweimal soviele Strahlungselemente wie Ausgänge in der Trägerelementoberfläche; und die Ausgänge sind auf der Trägerelementoberfläche in einer Dichte von mindestens 2/cm² angeordnet. In einem speziellen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die länglichen Strahlungselemente allgemein senkrecht von der ebenen Oberfläche, während in einem anderen Ausführungsbeispiel die länglichen Strahlungselemente schräg in spitzen Winkeln zu der ebenen Oberfläche angeordnet sind und benachbarte Strahlungselemente schräg in die Gegenrichtung angeordnet sind.
In speziellen Ausführungsbeispielen weist die thermische Anregungsstruktur eine erste Gruppe von Kanälen zur Versorgung einer ersten Gruppe von Ausgängen in dem Trägerelement mit Kraftstoff und eine zweite Gruppe von Kanälen, die getrennt von der ersten Gruppe von Kanälen ist, zur Versorgung einer zweiten Gruppe von Ausgängen in dem Trägerelement mit Oxidationsmittel zur Einrichtung eines Diffusionsflannnenzustands an der Trägeroberfläche. In solchen Ausführungsbeispielen können die Strahler unterschiedlichen Typs sein, auch vom Auslegerelementtyp und vom Schlaufentyp, und können senkrecht oder in einem Winkel zu der Trägeroberfläche, die eben oder beispielsweise gekrümmt sein kann, angeordnet sein.
Entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungssystems bereitgestellt, daß die Verfahrensschritte zur Bereitstellung einer Trägerstruktur, die eine Oberfläche und eine Durchlaßstruktur in der Trägerstruktur hat; Anordnen einer Vielzahl von länglichen Elementen aus organischem Material, die mit einer Nitratmischung getränkt sind, in den Durchlässen der Trägerstruktur, Erhitzen der Trägerstruktur und der länglichen Elemente, um die Nitratmischung zu einer keramischen Strahlungsmasse umzusetzen und gleichzeitig das organische Material zu zerlegen und zu entfernen, so daß die keramischen Strahlungselemente, die Replikate der länglichen Elemente aus organischem Material sind, verbleiben, die Strahlungselemente in Reihe voneinander beabstandet sind und sich nach außen von der Oberfläche mit Endbereichen der Strahlungelemente erstrecken, die voneinander beabstandet und von der Trägerstruktur beabstandet sind; und thermisches Anregen der Strahlungselemente durch die Einrichtung eines Verbrennungszustands benachbart zu der Oberfläche, um die Strahlungselemente auf eine thermische Strahlungstemperatur zu erhitzen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Nitratmischung ein Material auf, das aus einer Gruppe von Aluminium, Kalzium, Zer, Erbium, Holmium, Lanthan, Magnesium, Neodym, Nickel, Praseodym, Terbium, Thorium, Ytterbium und Zirkonium ausgewählt ist; die Strahlungselemente werden thermisch durch die Einrichtung einer Verbrennungsenergiedichte von mindestens 20 W/cm² im Bereich der Oberfläche der Trägerstruktur angeregt; und das Verfahren weist einen Strahlungswirkungsgrad von mindestens 30% auf. In einem speziehen Ausführungsbeispiel werden die Strahlungselemente thermisch durch den Durchfluß von Kraftstoff durch die Durchgangsstruktur angeregt; und in einem anderen Ausführungsbeispiel werden die Strahlungselemente thermisch durch Einrichtung eines Diffusionsflammenzustandes benachbart zu der Oberfläche der Trägerstruktur angeregt.
Die Erfindung stellt ein effizientes, mechanisch dauerhaftes Strahlungssystem bereit, das einen großen Bereich und/oder beträchtliche Energiedichten bereitstellen kann, und mehrere Anwendungen hat, wobei thermovoltaische Anwendungen und ähnliches umfaßt werden. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich, wenn die folgende Beschreibung von speziellen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen voranschreitet. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Strahlungssysterns;
Figur 2 eine Schnittansicht des Strahlungssystems entlang der Linie 2-2 in der Figur 1;
Figur 3 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Bereichs des in Figur 1 gezeigten Strahlungssystems entlang der Linie 3-3 in der Figur 5;
Figuren 4 und 5 eine Schnittansicht entlang der Linien 4-4 bzw. 5-5 in der Figur 3;
Figur 6 einen Graph, der einen speziellen Verfahrensabschnitt zur Herstellung der Strahlungsstruktur gemäß Figur 1 zeigt;
Figur 7 einen Graph über den Strahlungswirkungsgrad als Funktion der Ausgangsbelastung und der Brennleistung des in Figur 1 gezeigten Strahlungssystems;
Figur 8 eine schematische Vorderansicht eines anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Strahlungssystems;
Figuren 9 und 10 eine Schnittansicht des Strahlungssystems der Figur 8 entlang der Linien 9-9 bzw. 10-10 in der Figur 8;
Figur 11 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Bereichs des in Figur 8 gezeigten Strahlungssystems; und
Figuren 12 und 13 eine Schnittansicht entlang der Linien 12-12 bzw. 13-13 in der Figur 11.
In den Figuren 1 und 2 ist ein Strahlungssystem 10 gezeigt, das eine rostfreie Stahlkammer 12 (etwa 15 cm breit, 15 cm lang und 5 cm tief) mit einem Brennstoffkanal 14 aufweist. Eine Diffuserplatte 16 ist in der Kammer 12 vor dem Auslaß des Kanals 14 angeordnet. Die Kammer 12 besitzt einen Flansch 18, auf dem eine gelochte Platte 20 aus rostfreiem Stahl, eine Siliziumoxid/Aluminiumoxiddichtung 22 und ein Cordieritträger 24 (Geleor) montiert sind. An dem Flansch 18 sind ferner Klenimplatten 26 mit Stützen 28 mit einem Innengewinde und Befestigungsmitteln 30, 32 und keramische Auflageelemente für den Träger 24, die in abgedichtete Beziehung auf der Oberseite der Kammer 12 sind, befestigt.
Der keramische Träger 24 hat eine Dicke von ungefähr 1 cm und ist ungefähr 20 cm breit und 20 cm lang. In dem Träger 24 ist eine Reihe von parallelen Brennstoffdurchgängen 34 geformt (jeder besitzt einen Fließbereich von ungefähr 1 mmn²), die voneinander ungefähr um 0,4 cm regelmäßig in einer diamantenartigen Anordnung in einer Dichte von ungefähr 7 Durchgänge/cm² in einem aktiven Bereich (mit der punktierten Linie 36) angedeutet, der ungefähr 14 cm breit und ungefähr 14 ein lang ist, beabstandet. Aufgerichtete, längliche, auslegerarhge Strahlungselemente 40 sind in einer regelmäßigen Anordnung in einer Dichte von ungefähr 50/cm² in dem aktiven Bereich 36 angeordnet. Vier Elemente 40 sind in umgebender Gruppierung und benachbart (innerhalb ungefähr 1 mm) zu dem Brennstoffdurchgang 34 angeordnet. Jedes Strahlungselement 40 ist in der Form einer länglichen, auslegerartigen Schlaufe aus einer perovskitischen Faser, deren Spitzen 42 sich etwa 8 mm von der Vorderseite 38 des Trägers 24 befinden.
Die Strahlungselemente 40 sind aus einer durchgehenden Lanthan-Nickeloxid- Faser in der Form einer Mehrfaserdrahtlitze 46 und, wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, beinhalten einen auslegerartigen Schlaufenbereich, die von der Vorderseite 38 abstehen. Zwischenbereiche 47 der Drahtlitzen 46 erstrecken sich durch die Durchgänge 48 parallel zu den Bremsstoffdurchgängen 34 in dem Träger 24 zu Verbindungsbereichen 50, die an der Rückseite 52 des Trägers 24 durch Zement mit Aluminiumoxid 54 befesügt sind. Die Querschnittsgröße einer individuellen Faser der Drahtlitze 46 liegt in einem Bereich von 5 - 10 µm und jede Drahtlitze 46 besitzt eine Querschnittgröße von ungefähr 0,2 mm.
Die Lanthan-Nickeloxid-Strahlungsaufbau wird wie folgt vorgenommen. Ein 300 denier (15 gr)/50 Viskosefasergarn wird für 10 Minuten bei Raumtemperatur in einer wässrigen Tränklösung getränkt, die 100 cm³ von 1,27 molarem Lanthan- Nickeloxid und 100 cm³ von 1,263 molarem Nickelnitrat enthält. Das getränkte Garn wird gepresst und dann ungefähr 10 Minuten geschleudert, um die Restflüssigkeit zu entfernen.
Der Träger 24 besitzt eine Reihe von parallelen Durchgängen 48 (jeder mit einer Fläche von ungefähr 1 mm²), die voneinander um ungefähr 1,4 mm in regelmäßiger Gruppierung in einer Dichte von ungefähr fünzig Durchgängen 48/cm² beabstandet sind. Nachdem das getränkte Garn getrocknet ist, wird das Garn als Schlaufe in ausgewählte Durchgänge 48 (jeder Kanal in wechselnden diagonalen Linien) in den Träger 24, wie in den Figuren 3 bis 5 gezeigt ist, eingefügt. Drei Drahtlitzen des getränkten 300 denier/50 Fibrillegarns sind durch jeden ausgewählten Durchgang 48 entlang wechselnder Diagonalen gewickelt, wie in den Figureii 3 bis 5 gezeigt ist, so daß effektiv sechs parallele Garn-Drahtlitzen in jedem ausgewählten Durchgang 48 plaziert sind, wie dies schematisch in der Figur 3 gezeigt ist. Der Träger 24 mit den gewickelten Garnschläufen wird in einern Kammerofen plaziert, so daß der Träger horizontal angeordnet ist und sich die Schlaufen nach unten erstrecken. Der Kannmerofen (mit dem Träger 24 und den eingefügten Garnschlaufen) wird in einem Elektra-Produkt-Schmelzofen Modell 121 925, Serie 2100R plaziert und entsprechend dem in Figur 6 gezeigten Graph gefahren. Bei Umgebungstemperatur (um die 20ºC, in Figur 6 mit dem Punkt 60 angezeigt), wird der Kammerofen mit einer mechanischen Vakuumpumpe evakuiert und mit Stickstoff wieder befüllt, wonach weiter Stickstoff durch den Kammerofen mit einem Strömungsvolumenstrom von ungefähr 2,34 lim strömt. Mit dieser Inert-Atmosphäre in dem Kammerofen wird die Schmelztemperatur mit einer Rate 14ºC/min erhöht, wie dies die Linie 62 andeutet. Das Garn wird einem "Nitratbrand" bei ungefähr 130ºC (Punkt 64) unterzogen. In dieser Zeit ändert sich die Farbe des Garns schnell von weiß zu einem goldenen Dunkelgelb. Die Erhitzung wird bei einer Rate 14ºC/min weitergeführt, wie mit der Linie 62 angedeutet wird, bis zu einer Temperatur von ungefähr 440ºC (Punkt 66), der eine Kammerofentemperatur von ungefähr 320ºC (Punkt 68) erzeugt. Während dieses Abschnitts ändert sich die Farbe des Garns kontinuierlich von einem goldenen Dunkelgelb zu einem dunklen Braun oder Schwarz mit einer geringen Schrumpfung (ungefähr 10%) der Garnschlaufen, was eine weitere Umsetzung des organischen Viskosegarnmaterials kennzeichnet. Zu der Stickstoffströmung durch den Kammerofen wird Luft mit ungefähr 2,34 l/min zugeführt, um eine Kammerofenatmosphäre mit ungefähr 5% Sauerstoff zu erhalten, während die Kammerofentemperatur bei ungefähr 320ºC für ungefähr 1 Stunde 50 Minuten gehalten wird. Während dieses Abschnitts 70, bei dem der Kammerofen im wesentlichen auf einer Temperatur gehalten wird, oxidiert der restliche Kohlenstoff und wird ausgeschieden und jede Größe des Garns schrumpft auf ungefähr ein Drittel seiner ursprünglichen Größe, so daß die Spitzen 42 der Garnschlaufen sich ungefähr 8 mm über der Oberfläche 38 erstrecken. Am Ende des Durchwärmabschnitts (Punkt 72) wird die Schmelzofentemperatur von ungefähr 280ºC auf 950ºC in ungefähr 100 Minuten erhöht (eine Steigungsrate von ungefähr 5ºC/min), und zu einer Kammerofenendtemperatur von ungefähr 900ºC (Punkt 74) mit einem Sauerstoffgehalt in dem Kammerofen von ungefähr 18% (Punkt 76) gebracht. Der Kammerofenerhitzer wird dann abgeschaltet und dem Kammerofen, erlaubt bis auf Umgebungstemperatur abzukühlen.
Die Strahlungsbaugruppe wird aus dem Kammerofen entfernt und bei 1400ºC für eine Stunde in einem modifizierten Lindberg-Schmelzofen gesintert; und nach der Abkühlung wird Zement mit Aluminiumoxid 54 (Ceramabond 569) (Figur 5) aufgebracht, um die Vebindungsbereiche 50 der keramischen Faserschlaufen 42 an der Rückseite des Trägers 24 zu befestigen und die überzähligen Durchgänge 48 des Trägers 24, die keine Brennstoffdurchgänge 34 sind (wechselnde Durchgänge in jeder diagonalen Reihe der Brennstoffdurchgänge 34 und alle Durchgänge in jeder vierten diagonalen Reihe) zu blockieren. Die Strahlungsbaugruppe wird dann an der Brennstoffkammer 12 (wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist) befestigt.
Der Strahlungswirkungsgrad des perovskitischen Strahlungssystem der Figur 1 ist in Figur 7 wiedergegeben. Wie durch die Linie 78 angezeigt wird, besitzt das Strahlungssystem 10 einen Strahlungswirkungsgrad von ungefähr 40% über einen Bereich der Belastung der Ausgänge von 35 bis 60 W/cm² - ein Wirkungsgrad, der angemessen nahe an dem idealen (theoretischen) Strahlungswirkungsgrad, der durch die Linie 80 angezeigt ist, liegt; und bei Brennleistungen von 600 bis 1200 W und darüber vorhanden ist.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wurde ein 300 denier/50 Viskosefasergarn (8 Verwindungen/inch) in einer 1,75 molaren Ytterbium-Nitrat-Lösung für ungefähr 10 Minuten bei Raumtemperatur mit sanftem Umrühren getränkt, um das Eindringen der Tränkungslösung in die Viskosefasern zu fördern. Nach 10 Minuten der Tränkung wurde das Garn von der Lösung entfernt, pressgetrocknet und 10 Minuten lang geschleudert, um die Oberflächenlösung zu entfernen. Nach dem Schleudern wurde das getränkte Garn in drei Drahtlitzen eingruppiert und die Drahtlitzen durch die Durchgänge 48 in dem keramischen (Celcor) Träger 24 (von dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Typ) mit den Spitzen der Schlaufen so eingefügt, daß diese über der Oberfläche 38 hervorstehen. Der Träger 24 mit dem getränkten Garnschlaufen wurde dann einem Brennverfahren ausgesetzt, um dann den getränkten Ytterbium-Nitrat-Zellulosederivatgarn in verdichtete Yttriumoxid-Strahlungselemente umzuwandeln.
In dem Brennabschnitt wurde der Kammerofen bei Umgebungstemperatur mit Tanksückstoff mit einer Strömungrate von 250 cm/min gespült, und mit dieser Atmosphäre in dem Kammerofen wurde die Schmelztemperatur mit einer Rate von ungefähr 7ºC/min erhöht. Das Garn wird einer Denitrierung bei ungefähr 160ºC unterzogen, wobei an diesem Punkt die Farbe des Garns sich schnell von Weiß zu einem goldenen Dunkelgelb ändert. Sofort nach dieser Farbänderung wird Sauerstoff zu der Stickstoffströmung mit einer Rate von 5 cm³/min zugeführt. Die Erhitzung wird mit derselben Rate bis zu einer Kammerofentemperatur von ungefähr 320ºC weitergeführt. Während dieser Zeit ändert sich die Farbe des Gains kontinuirlich von einem goldenen Dunkelgelb zu Braunschwarz oder Schwarz mit einer geringen Schrumpfung (ungefähr 10%), die die teilweise Umsetzung von organischem Material kennzeichnet. Die Kammerofentemperatur wird für ungefähr 1,5 Stunden auf 320ºC gehalten und die Farbe des Garns ändert sich von Schwarz zu einem leichten Grau oder Weiß. Während diesem Durchwärmabschnitt wird der verbleibende Kohlenstoff oxidiert und ausgeschieden und das Garn schrumpft auf ungefähr ein Drittel von seiner ursprünglichen Größe. Am Ende des Durchwärmabschnitts wird die Sauerstoffströmung bis auf ungefähr 50 cm³/min erhöht und die Schmelzofentemperatur wird über einen 24minütigen Abschnitt bis zu einer Temperatur von 900ºC erhöht. Der Schmelzofen wird dann ausgeschaltet und rasch auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Nach dem Abkühlen kann die Strahlungsbaugruppe für fünf Minuten einer Brennmischung von Propan und Luft ausgesetzt werden (bei einer geschätzten Strahlungsphasentemperatur von ungefähr 1700ºC), um das Ytterbiumgarn weiter zu schrumpfen und zu verdichten.
Die resultierenden auslegerförmigen, schlaufenartigen Ytterbium-Strahlungselemente 40 erhalten in ihrem ätißeren Erscheinungsbild im wesentlichen die charakteristischen physikalischen Textileigenschaften ihres Vorgänger-Viskosegarns, obwohl sie im wesentlichen in ihrer Größe reduziert werden. Die Ytterbium-Strahlungselemente besitzen eine relativ hohe Dichte, haben eine Flexibilität und minimale Defekte (Risse) in ihrer Mikrostruktur. Die Spitzen können erhalten werden oder in einem anderen Ausführungsbeispiel können die Spitzen auch entfernt werden (entweder vor oder nach der thermischen Denitrierung), um eine Strahlungsanordnung des abgeschnittenen Flortyps zu erhalten, bei dem mehrere abstehende Ytterbiumfasern freie Enden besitzen, die von dem Träger 24 beabstandet sind.
Die behandelte Ytterbium-Strahlungsbaugruppe wird dann zu einer geeigneten Brennstoffkammerstruktur zusammengesetzt, beispielsweise gemäß der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Struktur 12 und dann thermisch durch die Etablierung einer Luft-Propan-Flamme an der Oberfläche 38 bei einer adiabatischen Flammtemperatur von ungefähr 2200 K mit Energie beaufschlagt und gehalten, so daß die maximale Flammentemperatur in der Nähe der Spitzen 42 der abstehenden Garnschlaufen 40 ist (etwas weniger als 1 cm von der Trägeroberfläche 38). Das spektrale Bestrahlungsdichtenprofil des Strahlungssystems hat eine Bestrahltingsspitze bei ungefähr 985 nm mit halben Intensitätspunkten bei ungefähr 890 um bzw. 1050 nm und die Bestrahlungsspitze des Strahlungssystems hat eine volle Breite bei dem halben Maximum von ungefähr 150 nm. In einem thermovoltaischen System ist eine Silizium-Photozellen-Anordnung 71 mit Ausgangsführungen 75 auf die Unterseite des Träger 73 in beabstandete Nebeneinanderstellung mit der Strahlungsanordnung, wie in Figur 2 gezeigt, montiert. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine Erbiumoxid-Strahlungsanordnung in Nebeneinanderstellung mit einer Germanium-Photozellen-Anordnung verwendet.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 8 bis 13 gezeigt. Wie in den Figuren 8 bis 10 gezeigt ist, weist das Strahlungssystem einen keramischen Körper 108 des Kreuzstrom-Wärmeaustauscher-Typs und ein keramisches Trägerelement 110 auf, das eine Verlängerung des Körpers 108 ist und von dem Körper 108 entlang einer Diagonalen abgeschnitten wurde. Abstehende, längliche, auslegerartige Strahlungselemente 138, 140 sind in einer regelmäßigen Anordnung in einem aktiven Bereich an der Fläche des Trägerelements 110 angeordnet (Strahlungselemente 138, 140 sind aus Gründen der Klarheit nicht in Figur 8 gezeigt). Die Strahlungselemente 138 (in wechselnden Reihen) sind senkrecht zu den Strahlungselementen 140 in der direkt benachbarten Reihe darüber und darunter geneigt. (In einem anderen Ausführungsbeispiel können die Strahlungselemente sich auch senkrecht zu der Fläche des Trägerelements 110 erstrecken, mit Versorgungsdurchgängen in dem Trägerelement 110 für die Diffusionsflamme, die sich ebenfalls senkrecht zu der Fläche des Trägerelements 110 erstrecken und mit korrespondierenden Strömungsdurchgängen 112 und 122 in einem Kreuzstrom-Rekuperator-Element 108 ausgerichtet sind). Der Körper 108 und das Trägerelement 110 haben eine erste Gruppe von parallelen voneinander beabstandeten Anordnungen von Strömungsdurchgängen 112, die in Reihen angeordnet sind und sich von einem Verteilerkanal 114, der mit der Rückseite 116 des Körpers 108 zu Ausgängen 118 in dem keramischen Trägerelement 110 gekoppelt ist, erstrecken; und eine zweite Gruppe von ebenen Anordnungen von Strömtingsdurcligängen 122, die orthogonal zu den Reihen der ebenen Anordnung der Durchgänge 112 und in Reihen, die mit den ebenen angeordneten Reihen alternieren, angeordnet sind, und die sich von dem Verteilerkanal 124, der mit der Rückseite 126 durch den Körper 108 gekoppelt ist, und durch das Trägerelement 110 zu Ausgängen 128 in der Oberfläche des Trägerelements 110 erstrekken.
Wie in den Figuren 11 bis 13 gezeigt ist, hat das Trägerelement 110 eine Dicke von ungefähr einem halben Zentimeter und beinhaltet eine Anordnung von Durchgängen 130, 132, die Verlängerungen der Durchgänge 112 und 122 in dem Körper 108 sind und an diesen ausgerichtet sind, und in Ausgängen 118 bzw. 128 abschließen. In orthogonalen Durchgängen 130, 132 in dem Trägerelement 110 sind abstehende Strahlungselemente 138 bzw. 140 angordnet. Jedes Strahlungselement besteht aus einer Gruppe von keramischen Faserschlaufen, die sich in einem Winkel von ungefähr 45º zu der Fläche 144 des Elements 110 erstrecken und die sich nach außen zu Spitzen 145 mit einem Abstand von ungefähr 6 mm von der Fläche 144 erstrecken, wobei die Strahlungselemente 138 in jeder alternierenden Reihe in dieselbe Richtung geneigt sind und die Strahlungselemente 140 (in den anderen alternierenden Reihen) orthogonal zu den Strahlungselementen 138 in den direkt benachbarten Reihen darüber und darunter geneigt sind. Die keramischen Schlaufen sind aus einem Material wie Perovskit oder einem seltenen Erdmetalloxid und werden wie oben beschrieben hergestellt. Die Verbindungsbereiche 146 werden gegen die Rückseite 148 des Trägers 110 mit geeiguetem keramischen Zement 150 befestigt. Eine Gruppierung von kleinen, thermisch isolierten Brennstoffleitungen (schematisch mit 152 in Figur 12 bezeichnet) können sich in vielfältigen Konfigurationen von der Verteilerkammer 124 in die Brennstoffdurchgänge 154 erstrecken, um die Spaltung des Brennstoffs in der Hochtemperatur-Brennerumgebung zu verringern.
Während des Betriebs wird vorgeheizte Verbrennungsluft durch einen schematisch mit 162 bezeichneten Kanal zu der Verteilerkammer 114 zur Strömung durch die Oxidationsmitteldurchgänge 156 zu einer Leitung 158 zugeführt, und Brennstoff wird der Verteilerkammer 124 über eine schematisch mit 164 bezeichnete Leitung zur Strömung durch optionale Leitungen 152 in den Brennstoffdurchgängen 154 zu den Ausgängen 160 zugeführt. Auf der Oberfläche 144 wird eine Diffusionsflamme eingerichtet und stabilisiert, die die Strahlungselemente 138, 140 auf eine thermische Strahlungstemperatur erhitzt, wobei die maximale Flammentemperatur in der Nähe der Spitzen 145 der abstehenden auslegerarügen, keramischen Garnschlaufen positioniert ist. In einem thermophotovoltaisch en System kann eine Silizium-Photozellen-Anordnung in beabstandeter Nebeneinanderstellung mit einer Ytterbium-Strahlungsanordnung beabstandet sein; und in einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine Erbinmoxid-Strahlungsanordnung in Nebeneinanderstellung mit einer Germanium- Photozellen-Anordnung verwendet.

Claims

1. Strahlungssystem (10) mit

einer Trägerstruktur (24) mit einer Vorderseite (38) und einer Rückseite (52), die eine Vielzahl von Durchgängen (34) aufweist, die sich durch die Trägerstruktur (24) von der Rückseite (52) zu einer Vielzahl von Ausgängen in der Vorderseite (38) erstrecken,

eine Vielzahl von länglichen Strahlungselementen (40), die in Reihe angeordnet sind und sich nach außen von der Vorderseite (38) mit Endbereichen (42) der Strahlungselemente (40), die voneinander und von der Trägerstruktur (24) beabstandet sind, erstrecken,

mit einer thermischen Anregungsstruktur zur Einrichtung eines Verbrennungszustands benachbart zu der Vorderseite (38), um die Strahlungselemente (40) auf eine thermische Strahlungstemperatur zu erhitzen,

dadurch gekennzeichnet, daß

sich die länglichen Strahlungselemente (40) durch die Durchgänge (48) der Trägerstruktur (24) erstrecken und

die Strahlungselemente (40) an der Rückseite (52) der Trägerstruktur (24) mit Bindemitteln befestigt sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungs elemente (40) aus keramischem Material bestehen.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) aus einer Gruppe von ausgewählten Strahlungssendem aus seltenen Erdmetalloxyden, sichtbaren Strahlungssendern aus seltenen Erdmetalloxyden, Breitbandstrahlungssendern aus perovskitischem Material und grauem Strahlungskörpermaterial ausgewählt sind.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (38) der Trägerstruktur (24) eben ist.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (42) der Strahlungselemente (40) weniger als etwa 1 cm von der Vorderseite (38) entfernt angeordnet sind.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Strahlungselemente (40) im wesentlichen von der Vorderseite (38) senkrecht nach außen erstrecken.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) auf der Trägerstruktur (24) in einer Dichte von mindestens 10 pro cm² auf der Trägervorderseite (38) angeordnet sind.

8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (24) eine Vielzahl an Strömungsdurchgängen (34) aufweist, die sich durch die Trägerstruktur (24) zu einer Vielzahl an Ausgängen in der Vorderseite (38) erstrecken und jeder der Ausgänge in der Vorderseite (38) einen Strömungsbereich von ungefähr 1 mm² besitzt.

9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Strahlungselementen (40) hauptsächlich orthogonal zu benachbarten Strahlungselementen (40) angeordnet sind und in äußere Richtung in spitzen Winkeln von der Vorderseite (38) verlaufen.

10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) schlaufenförmig angeordnet sind.

11. System anch Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) auf der Trägerstruktur (24) in einer Dichte von mindesteus 10 pro cm² auf der Trägervorderseite (38) angeordnet sind, die Trägerstruktur (24) eine Vielzahl von Fließdurchgängen (34) aufweist, die durch die Trägerstruktur (24) zu einer Vielzahl von Ausgängen in der Vorderseite (38) verlaufen und die Ausgänge auf der Trägerstruktur (24) in einer Dichte von mindestens 2 pro cm² auf der Trägervorderseite (38) angeordnet sind.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ausgang in der Vorderseite (38) einen Strömungsbereich von ungefähr 1 mm² aufweist.

13. System nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselernente (40) aus keramischem Material bestehen, das aus einer Gruppe bestehend aus Aluminiumoxyd, Calcia, Zerdioxyd, Erbiuinoxyd, Holmia, Lanthan, Chromid, Lanthannickeloxyd, Magnesiumchromid, Neodymia, Praseodym, Terbiumoxyd, Thoriumoxyd, Yttriumoxyd und Zirkondioxyd ausgewählt ist.

14. System nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) aus Mehrfasertraglitzen (46) zusammengesetzt sind, die eine Querschnittsabmessung in einem Bereich von 0,005 bis 0,03 mm haben.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (38) der Trägerstruktur (24) eben ist, daß die Strahlungselemente (40) hauptsächlich senkrecht nach außen von der Vorderseite (38) verlaufen und die Spitzen (42) der Strahlungselemente (40) weniger als ungefähr 1 cm von der Vorderseite (38) entfernt sind.

16. System nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Photozellenreihe (71) vorgesehen ist, die neben der Trägerstruktur (24) angeordnet ist, um ein thermophotovoltaisches System bereitzustellen.

17. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) vom Yttriumoxyd-Typ sind und die Photozellenanordnung (71) vom Silizium-Typ ist.

18. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) vom Erbiumoxyd-Typ sind und die Photozellenanordnung (71) vom Germanium-Typ ist.

19. System nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zweimal soviel Strahlungselemente (40) in der Vorderseite (38) vorgesehen sind als Ausgänge (34).

20. System nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Anregungsstruktur eine erste Gruppe von Kanälen (112) zur Versorgung zu einer ersten Gruppe der Entladeausgänge in der Trägervorderseite (38) mit Brennstoff aufweist und eine zweite Gruppe von Kanälen (122), getrennt von der ersten Gruppe von Kanälen, zur Versorgung einer zweiten Gruppe von Entladeausgängen in der Trägervorderseite (38) mit einem Oxydationsmittel, um einen Diffusionsflammenzustand an der Trägervorderseite (38) zu bewirken.

21. Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb eines Strahlungsystems mit den Verfahrensschritten:

Bereitstellung einer Trägerstruktur (24) mit einer Vorderseite (38) und einer Rückseite (52), die eine Vielzahl von Durchgängen (34) aufweist, die von der Rückseite (52) durch die Trägerstruktur (24) zu einer Vielzahl von Ausgängen in der Vorderseite (38) verlaufen, eine Vielzahl von Strahlungselementen (40), die beabstandet in Reihe angeordnet sind und nach außen von der Vorderseite (38) mit Endbereichen (42) der Strahlungselemente (40), die voneinander und von der Trägerstruktur (24) beabstandet sind, verlaufen, und

thermische Anregung der Strahlungselemente (40) durch die Einrichtung eines Verbrennungszustandes benachbart zu der Vorderseite (38), um die Strahlungselemente auf eine thermische Strahlungstemperatur zu erhitzen, gekennzeichnet durch ein Anordnen einer Vielzahl von länglichen Elementen (46) aus organischem Material, die mit einer Nitratmischung getränkt sind und durch die Durchgänge (34) der Trägerstruktur (24) verlaufen, wobei sich Bereiche der länglichen Elemente von der Vorderseite (38) der Trägerstruktur (24) nach außen erstrecken, und durch Erhitzen der Trägerstruktur (24) und der länglichen Elemente (46), um die Nitratmischung zu einer keramischen Strahlungsmasse umzusetzen und gleichzeitig das organische Material zu zerlegen und zu entfernen, wobei die keramischen Strahlungselemente (40) Replikate der länglichen Elemente aus organischem Material sind.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitratmischung ein Material aufweist, das aus einer Gruppe von Aluminium, Calcium, Ger, Erbium, Holmium, Lanthan, Magnesium, Neodym, Nickel, Praseodym, Terbium, Thorium, Ytterbium und Zirkonium ausgewählt ist.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (24) eine Durchgangsstruktur aufweist und die Strahlungselemente (40) thermisch durch den Durchfluß von Brennstoff durch die Durchgangsstruktur und Verbrennung des Brennstoffes angeregt werden, um einen Verbrennungszustand benachbart zu der Trägervorderseite (38) zu bewirken.

24. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) thermisch durch die Einrichtung einer Diffusionsflamme benachbart zu der Vorderseite (38) der Trägerstruktur (24) angeregt werden.

25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) thermisch durch die Einrichtung einer Verbrennungsenergiedichte von mindestens 20 Watt pro cm² im Bereich der Vorderseite (38) der Trägerstruktur (24) angeregt werden.

26. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine Strahlungswirkungsgrad von mindestens 30% aufweist.

27. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die getränkten verlängerten Strahlungselemente (40) aus organischem Material aus verlängerten Fasern sind und schlaufenförmig durch die Durchgänge der Trägerstruktur (24) verlaufen.

28. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) aus einer Gruppe von ausgewählten Strahlungselementen aus seltenen Erdmetalloxyden, sichtbaren Strahlungselementen aus seltenen Erdmetalloxyden, Breitbandstrahlungselementen aus Perovskitematerial und grauem Strahlkörpermaterial ausgewählt sind.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) thermisch dtirch die Einrichtung einer Verbrennungsenergiedichte von mindestens 20 Watt pro cm² im Bereich der Vorderseite (38) der Trägerstruktur (24) angeregt sind und das Verfahren einen Strahlungswirkungsgrad von mindestens 30% besitzt.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (24) eine Durchgangsstruktur aufweist, die Strahlunsgeleinente (40) thermisch durch den Durchfluß von Brennstoff durch die Durchgangsstruktur und durch das Verbrennen des Brennstoffs angeregt wird, um einen Verbrennungszustand benachbart zu der Trägervorderseite (38) zu bewirken.

31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (40) thermisch dnrch die Einrichtung eines Diffusionsflammenzustands benachbart zu der Vorderseite (38) der Trägerstruktur (24) angeregt werden.