DE1539288B2

DE1539288B2 - THERMIONIC CONVERTER

Info

Publication number: DE1539288B2
Application number: DE19671539288
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. Taino Varese; Andel Eleonoor van Ispra; Bohdansky (Italien)
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1967-10-05
Filing date: 1967-10-05
Publication date: 1976-01-22
Also published as: LU56993A1; FR1588622A; BE721480A; DE1539288A1; NL6814243A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermionischen Konverter zur direkten Umwandlung von thermischer in elektrischer Energie.The invention relates to a thermionic converter for the direct conversion of thermal in electrical energy.

Solche Konverter enthalten im wesentlichen ein Diodensystem mit einer geheizten Emitterelektrode und einer gekühlten Kollektorelektrode sowie mit Cäsiumdampf im Zwischenelektrodenraum. Die Wärmezu- und -abfuhr erfolgt neuerdings vielfach über sogenannte Wärmeröhren (französische Patentschrift 14 51 700), das sind hermetisch geschlossene Röhren, in denen sich zwischen den heißen und kühlen Enden eine natürliche Zirkulation teils in der flüssigen und teils in der dampfförmigen Phase ausbildet.Such converters essentially contain a diode system with a heated emitter electrode and a cooled collector electrode and with cesium vapor in the interelectrode space. The heat supply and discharge has recently often taken place via so-called heat pipes (French patent specification 14 51 700), these are hermetically sealed tubes in which there is a natural between the hot and cool ends Circulation forms partly in the liquid and partly in the vapor phase.

Großen Einfluß auf den Umwandlungswirkungsgrad und die Gesamtfunktion des Konverters übt der Dampfdruck des Cäsiums aus, so daß man früher oft das Cäsiumreservoir entfernt vom Konverter in einer temperaturgeregelten Zelle angeordnet hat. Man hat aber auch bereits versucht, diese aufwendige Konstruktion zu vermeiden und ein Adsorbtionsreservoir (z. B. Holzkohle) thermisch an Emitter oder Kollektor des Konverters direkt anzukoppeln (Conference Papers Thermionic Conversion Specialist Conference, Houston, November 3, 4, 1966, p. 249-258 [Yates]). Dabei folgt die Reservoirtemperatur im wesentlichen den Schwankungen der Elektrodentemperatur, was prinzipiell auch im Sinne optimaler Konverterfunktion erwünscht ist. Da jedoch die Ankopplung starr und außerdem stark von konstruktiven Gesichtspunkten bestimmt ist, kann man im allgemeinen nicht erwarten, daß absolut optimale Konverterfunktionen bei allen Betriebstemperaturen erzielbar ist.The has a great influence on the conversion efficiency and the overall function of the converter Vapor pressure of the cesium, so that the cesium reservoir was often removed from the converter in one earlier time temperature-controlled cell has arranged. But one has already tried this complex construction to avoid and thermally attach an adsorption reservoir (e.g. charcoal) to the emitter or collector of the Directly to the converter (Conference Papers Thermionic Conversion Specialist Conference, Houston, November 3, 4, 1966, p. 249-258 [Yates]). The reservoir temperature essentially follows the Fluctuations in the electrode temperature, which in principle is also desirable in terms of optimal converter function is. However, since the coupling is rigid and also strong from a structural point of view is determined, one can generally not expect that absolutely optimal converter functions for all Operating temperatures is achievable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beheben bei einem thermionischen Konverter, bestehend aus einer geheizten Emitterelektrode und einer von einer hermetisch geschlossenen Wärmeröhre gekühlten Kollektorelektrode, bei dem der Raum zwischen Emitter- und Kollektorelektrode von Cäsiumdampf erfüllt ist, der aus einem in gutem Wärmekontakt mit der Wärmeröhre angeordneten Adsorbtionsreservoir geliefert wird.The invention is based on the object of eliminating this disadvantage in a thermionic converter, consisting of a heated emitter electrode and one of a hermetically sealed heat pipe cooled collector electrode, in which the space between the emitter and collector electrode is covered by cesium vapor is fulfilled, which consists of an adsorption reservoir arranged in good thermal contact with the heat pipe is delivered.

Die Erfindung besteht darin, daß die Wärmeröhre Mittel zur Beeinflussung ihrer Kühleigenschaften aufweist und daß diese Mittel derart temperaturabhängig steuerbar sind, daß die Temperatur der Wärmeröhre und damit der Cäsiumdampfdruck mit einer vorgewählten Funktion von der Emittertemperatur abhängen.The invention consists in that the heat pipe has means for influencing its cooling properties and that these means can be controlled as a function of temperature in such a way that the temperature of the heat pipe and thus the cesium vapor pressure depends on the emitter temperature with a preselected function.

Die Mittel sind in einer Ausführungsform der Erfindung als Wärmeschilde ausgebildet, die um die abstrahlenden Flächen der Wärmeröhre angeordnet sind und mittels Bimetallstreifen mehr oder weniger abgespreiztIn one embodiment of the invention, the means are designed as heat shields that surround the radiating Areas of the heat pipe are arranged and spread more or less by means of bimetal strips

werden. V.will. V.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Mittel aus einem Edelgaspfropfen, der im Innern der Wärmeröhre an eine abstrahlende Fläche anschließend liegt und dessen Volumen sich temperaturabhängig ändert. Der Einfluß der Volumenänderung auf die Kühleigenschaften der Wärmeröhre kann vorzugsweise durch einen im Bereich des Edelgaspfropfens angeordneten Verdrängungskörper geeigneter Form variiert werden.In another preferred embodiment of the invention, the means consist of a noble gas plug, which lies inside the heat pipe adjoining a radiating surface and its volume changes changes depending on temperature. The influence of the volume change on the cooling properties of the heat pipe can preferably be more suitable by means of a displacement body arranged in the area of the noble gas plug Shape can be varied.

Im wesentlichen liegt der Erfindung also der Gedanke zugrunde, die Temperatur der Kollektorwärmeröhre durch Beeinflussung ihrer Kühleigenschaften so automatisch zu regeln, daß sich der Cäsiumdampfdruck immer optimal zur jeweiligen Emittertemperatur einstellt. The invention is essentially based on the idea of the temperature of the collector heat pipe by influencing their cooling properties so automatically to regulate that the cesium vapor pressure always optimally adjusted to the respective emitter temperature.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand zweier Figuren näher erläutert, die je ein Ausführungsbeispiel in schematischer Schnittdarstellung zeigen.The invention is explained in more detail below with reference to two figures, each showing an exemplary embodiment in show a schematic sectional view.

In F i g. 1 ist ein Konverter zu sehen, dessen Emitterelektrode 1 und Kollektorelektrode 2 die Stirnseiten je einer Wärmeröhre 3 bzw. 4 bilden. Die Emitterwärmeröhre wird am elektrodenfernen Ende, beispielsweise mittels einer Hochfrequenzspule 5, erhitzt. Die Kollektorelektrode weist ein zentrales Loch 6 auf, an das ein die ganze Kollektorwärmeröhre 4 zentral durchquerendes Rohr 7 dicht angeschlossen ist. In diesem Rohr befindet sich das Cäsiumreservoir 8, welches beispielsweise aus porösem Wolfram, Graphit oder Holzkohle besteht.In Fig. 1 shows a converter, its emitter electrode 1 and collector electrode 2 each form the end faces of a heat pipe 3 and 4, respectively. The emitter heater tube is heated at the end remote from the electrode, for example by means of a high-frequency coil 5. The collector electrode has a central hole 6 to which a whole collector heat pipe 4 centrally traverses Tube 7 is tightly connected. In this tube is the cesium reservoir 8, which for example made of porous tungsten, graphite or charcoal.

Die beiden Elektroden sind von je einem der Halterung und dem elektrischen Kontakt dienenden Ring 9 und 10 umgeben, zwischen denen ein keramischer Isolierring 11 angeordnet ist.The two electrodes are each of a ring 9 serving for the holder and the electrical contact and 10, between which a ceramic insulating ring 11 is arranged.

Heizt man die insoweit bekannte Konverteranordnung auf, dann verdampft Cäsium im Reservoir 8 und gelangt durch das Loch 6 in der Kollektorelektrode in den Zwischenelektrodenraum. Durch den bekannten thermoionischen Effekt entsteht ein Strom, der sich an mit den Ringen 9 find 10 verbundenen Anschlußklemmen abnehmen läßt.If the converter arrangement known in this respect is heated, then cesium evaporates in the reservoir 8 and passes through the hole 6 in the collector electrode into the inter-electrode space. By the well-known thermionic effect creates a current that is connected to the rings 9 find 10 terminals can decrease.

Das obenerwähnte Problem des optimalen Cäsiumdrucks bei schwankenden Konverterleistungen wird dadurch gelöst, daß die Kühleigenschaft der Kollektor-The above-mentioned problem of the optimal cesium pressure with fluctuating converter powers becomes solved by the fact that the cooling properties of the collector

wärmeröhre 4 diesen Leistungsschwankungen angepaßt wird. Beruht die Kühlwirkung allein auf der Abstrahlung an die Umgebung, dann genügt es, diese Abstrahlung zu beeinflussen.heat tube 4 is adapted to these fluctuations in performance. The cooling effect is based solely on the radiation to the environment, then it is sufficient to influence this radiation.

In F i g. 1 ist als eine Möglichkeit dieser Beeinflussung ein Wärmeschild 12 dargestellt, der die Form zweier Halbzylinderrohre besitzt. Diese sind an einer Mantellinie miteinander verbunden unda$£der Wärmeröhre befestigt. An der jeweils zweiten Mantellinie greift je ein Bimetallstreifen 13 an, der in gutem thermischen Kontakt mit der Oberfläche der Kollektorwärmeröhre 4 steht. Erhöht sich die Temperatur der Wärmeröhre, dann spreizen die Bimetallstreifen die beiden Zylinderhälften von der Wärmeröhrenoberfläche ab und wirken dadurch fördernd auf die Kühleigenschaft. Der Wärmeschild besteht beispielsweise aus Niob und die Bimetallstreifen aus einem solchen Material, daß ein unerwünschtes Öffnen des Wärmeschildes schon bei niedrigen Temperaturen vermieden wird.In Fig. 1 is as a possibility of this influencing a heat shield 12 is shown, which has the shape of two half-cylinder tubes. These are on one Surface line connected to each other unda $ £ of the heat pipe attached. A bimetallic strip 13 acts on each of the second surface lines, which in good thermal Contact with the surface of the collector heat pipe 4 is. If the temperature of the heat pipe increases, then the bimetallic strips spread the two cylinder halves from the surface of the heat pipe and thus have a beneficial effect on the cooling properties. The heat shield consists for example of niobium and the bimetallic strips made of such a material that an undesired opening of the heat shield already occurs low temperatures are avoided.

Eine andere Möglichkeit der Beeinflussung der Kühleigenschaften der Kollektorwärmeröhre ist in F i g. 2 gezeigt, in der die an Hand von F i g. 1 beschriebenen Elemente 1 bis 11 wieder vorkommen und daher nicht weiter erläutert zu werden brauchen. Anstatt des Wärmeschilds ist hier ein Edelgaspfropfen 14 im elektrodenfernen Bereich der Kollektorwärmeröhre angebracht. Dieser Pfropfen wird vom Metalldampf in der Röhre je nach Dampfdruck und Temperatur mehr oder weniger zusammengedrückt. Hierbei wird die Abstrahlfläche vergrößert oder verkleinert, da der mit dem Edelgas in Kontakt stehende Teil der Röhre nicht strahlt. Mit dieser Anordnung lassen sich ohne große Schwierigkeiten sehr unterschiedliche Funktionen zwischen Kollektortemperatur und Abstrahlungsfläche erzielen, indem man entweder der Wand der Wärmeröhre im Bereich des Pfropfens eine entsprechend nichtlineare Form gibt oder aber indem man zentral in diesen Bereich einen Verdrängungskörper 15 einfügt, dessen Querschnittsfläche in Achsrichtung entsprechend variiert ist.
Natürlich läßt sich die Kühleigenschaft einer Wärmeröhre auch durch andere Mittel ändern, beispielsweise durch die Drosselung eines sekundären Kühlmittelflusses. Another possibility of influencing the cooling properties of the collector heat pipe is shown in FIG. 2 shown, in which the hand of F i g. 1, elements 1 to 11 described occur again and therefore do not need to be explained further. Instead of the heat shield, a noble gas plug 14 is attached in the area of the collector heat pipe remote from the electrodes. This plug is more or less compressed by the metal vapor in the tube, depending on the vapor pressure and temperature. Here, the radiating surface is enlarged or reduced, since the part of the tube that is in contact with the noble gas does not radiate. With this arrangement, very different functions between collector temperature and radiation surface can be achieved without great difficulty, either by giving the wall of the heat pipe in the area of the plug a corresponding non-linear shape or by inserting a displacement body 15 centrally in this area, the cross-sectional area of which is in the axial direction is varied accordingly.
Of course, the cooling properties of a heat pipe can also be changed by other means, for example by restricting a secondary coolant flow.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Thermionic converter, consisting of a heated emitter electrode and one of a hermetically sealed heat pipe cooled collector electrode, in which the space between Emitter and collector elictröde is met by cesium vapor, which comes from a in good thermal contact adsorption reservoir arranged with the heat pipe is supplied, characterized in that that the heat pipe (4) means (12, 13, 14, 15) for influencing its cooling properties and that these means (12, 13, 14, 15) can be controlled as a function of temperature in such a way that the temperature of the heat pipe (4) and thus the cesium vapor pressure with a preselected function depend on the emitter temperature.

2. Converter according to claim 1, characterized in that the means than to the radiating Areas of the heat pipe (4) arranged heat shields (12) are formed, which are made of bimetallic strips (13) are spread more or less (Fig.l).

3. Converter according to claim 1, characterized in that that the means consist of a noble gas plug (14) attached to the inside of the heat pipe a radiating surface is adjacent and its volume changes depending on the temperature (Fig. 2).

4. Converter according to claim 3, characterized in that in the region of the noble gas plug (14) at least one displacement body (15) is firmly inserted centrally in the heat pipe (4), the Shape is determined by the desired function between temperature and cooling effectiveness (Fig. 2).