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Il PROCEDE ET "PP'REIL POUR LA G0t"%+ ,QSIi"1,1 DIiiSCTZ D tJ!;:"E:u:a8 THERMIQUE EN 1 P. G'jr E ELEC.:2I'l'JE ".-
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La présente invention constitue un perfectionne-
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ment du brevet belge n 5ïJ. l;9 déposé le 15 :c^.-.hr¯ 1952 au nom de la demanderesse et est relative a '-1., conver tisseur thermo-ionique produisant un écoulement de coi;r4nt d'électrons entre une cathode et une anode en réponse à
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dea chaleur appliquée vers la cathode.
Pl:is particulie- reu.ent, la présente demande est relative à ian farfecti0nnelef et à une simplification de l'appareil exposé dans le brevet principal en vue d'augmenter l'écoulement de courent entre la cathode et l'anode et par conséquent également le rendement du fonctionnement d'un tel convertisseur, ce en maintenant un espacement uniforme et étroit entrela cathode et l'anode.
Dans un convertisseur thermo-ionique dans lequel un courant d'électrons est produit par l' émission d'électrons
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à partir d'une cathode chauffée, il est i!JIp0rt:Bnt, en vue d'un bon rendement, de faciliter un fort écoulement de courant entre la cathode et l'anode du dispositif en relation avec l'énergie thermique appliquée à la cathode. fort
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;Un 'es obstacles inhérents il "n tel/écoulement de courant est L'effet de charge d'espace dans le convertisseur lequel consiste en une accumulation des élect.rons en transit, ce en un endroit entre la cathode et l'anode .
Une t elle charge d'espace ayant une charge négative rela-
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tiv8mBment élevée , produit une force de retard ou de répulsion agissant contre les électrons nouvellement .l1=1? p..r la cathode et qui sont également chargés négativement, interférant de ce fait avec l'écoulement libre des électrons
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émis . Dans le cas où les éléments du convertisseur sont
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enfermes dans un milieu gazeux, la collision des électrons émis par-la cathode avec les molécules du devient un facteur qui réduit le nombre des électrons atteignant l'anode , ou en d'autres ternes, l'intensité du courant.
Suivant une caractéristique de la présente in- vention, les effets de charge d'espace et de collision moléculaire sont réduits en réalisant et en maintenant l'espacement entre la cathode et l'anode très faible.
Dans un tel cas, l'anode est disposée à l'endroit on prés de l'endroit où les électrons formant une charge d'espace seraient disposés , l'effet de cette cathode étant de recueillir la plus grande proportion de ces électrons en vue d'éliminer ou de réduire fortement l'effet de charge d'espace. Dans le cas des convertisseurs ayant des trajets d'électrons dans le gaz, l'espacement très étroit réalisé présentemenent, offre un trajet relativement court aux électrons , d'où la probabilité de collision entre les électrons et les molécules de gaz est fortement réduite.
En réalisant un espacement étroit entre une cathode et une anode, conformément aux techniques habitu- elles, un effort considérable, précis et demandant du temps est impliqué dans la construction , l'assemblais et le fonctionnement des éléments composants. Dans le fonctionnement d'un dispositif conformément à une telle réalisation, ce dispositif est sujet à des effets nuisi- bles, tels que la dilatation thermique et le gauchissement des surfaces qui rendent le maintien d'un tel espace étroit difficile. Chacune des surfaces doit être réalisée avec une grande précision , de manière à ce que ''.'espacement entre celles-ci puisse être maintenu uniformément pendant tout le fonctionnement.
Suivant la présente invention, les surfaces
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d'électrodes adjacentes dans un convertisseur thermo- ionique sont maintenues étroitement et uniformément espa- cées l'une par rapport à l'autre en intercalant une poudre
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de matière isolante rêfractqire, telle que de l'alumine, de l'oxyde de béryl1iam, de l'oxyde de thorium, du nitrure de bore ou du sulfure de cérium entre une électrode de cathode et une mince électroae d'anode flexible qui
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est pressée doucement vers l'é1ectDode cathodique par la pression d'un fluide agissant sur toute la surface de l'anode sur le côté de celle-ci le plus éloigné par rapport à la cathode.
Les particules de la poudre sont d'une dimension très petite mais uniforme et sont distri- buées sur la surface con mune entre les électrodes, d'eu
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l'anode qui est SQ1%31' infhlence de la pression du fluide est forcée en contact avec les particules de poudre et
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se conforme au contour que la cathode. To,-,-tos les irré- gularités de la surface de la cathode qui résultent d'une réalisation imparfaite , d'un gauchissement ou d'une autre
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raison sort utol!l"1tirl'.18.1ent aci-3ptées par la t'LeX1b17.t' de l'électrode anodique.
Ces surfaces d'électrode peuvent être planes et adjacentes j cylindriques, concentriques et adjacentes ou avoir d'autres formes diverses , et la
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pression d,i fluide contre l'anode peut être a¯ pliq: e pr r' l'.rigér-nt approprié qui réalise 1. fonction supplé- dentaire de maintenir l'anode à une 'tEwrrpr,-'1t'!re désira- blement basse.
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1J r a'1t.res objets apparaîtront par la considéra- tion de la cescripti n détaillée suivante de la pr--'ssn;e invention cnr'si':i4rée conjointement avec les dessins ci- io.nt-,s dans las, wls : La figure 1 représente en coupe verticale U:.8 forne d'exécution à'>,i>. c:,nv8rtisse'lr thermo-ionique ayant une chambre,fermée pour la circulation d'un réfri-
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gérant contre l'anode de ce convertisseur ; et
La figure 2 représente en coupe verticale une autreforme d'exécution d'un convertisseur thermo- ionique ayant l'anode qui est exposée à l'espace ambiant .
En se référant maintenant plus particulièrement à la figure 1 des dessins en vue d'une description détaillée , de la présente invention, 10 représente d'une manière générale un convertisseur thermo-ionique suivant une forme d'exé- cution de la présente invention et qui comprend une cathode
12 relativement rigide ayant la forme d'une tasse renversée avec une surface d'extrémité14 qui ferme une d'un partie intermédiaire 16 / flasque 18 s'étendant radialement à partir de l'autre extrémité de la partie 16.
La cathode
12 est de préférence en un métal réfractaire tel que le tungstène ou le tantale et pour la facilité de la cons- truction, elle est de préférence réalisée de forme circu- laire, bien qu'une forme polygonale ou d'autres formes puissent être utilisées. Bien que les parties 16 et 18 soient représentées comme étant relativement épaisses, pour les besoins de la description, ces parties sont de préférence relativement minces en vue de @éduire le trans- fert de chaleur de la surface d'extrémité 14 de la catnode vers les autres parties de l'appareil.
Une chambre fermée 20 est déterminée par la c-.- . t.iode 12 et une anode 22 reliées l'une à l'autre par un isolant réfractaire rigide 24 lié aux extrémités respectives' du flasque 1$ et de l'anode 22 près de leur périphérie.
La chambre 20 est de préférence exempte de toun gaz, exceptéune :vapeurà faible pression d'un métal alcalin, tel que le caesium.
L'anode 22 est réalisée en ure fe:ille mince et flexible d'un métal tel que le nickel, laquelle est déformable sous l'effet de la différence de pression
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entre ses deux cotés de manière à être amende près de la surface 14 de la cathode. L'anode 22 peut avoir une épaisseur de l'ordre de quelques millièmes de pouce, mais son épaisseur et sa déformation ont été exagérées dans les dessins en vue de la description. Un espacement étroit et uniforme est maintenu entre la surface cathodique 14 et l'anode 22 au moyen de particules 25 d'une poudre réfracta ire inter- calée d'une manière dispersée entre ces surfaces.
A titre purement exemplatif, ces particules peuvent être compo- sées d'alumine . d'oxyde de béryllium, d'oxyde de thorium, de nitrure de bore et de sulfure de cérium , étant cepen- dant bien entendu qu'il est nécessaire que ces particules soient capables de résister sans dommage aux températures rencontrées. A titre d'exemple, les particules 25 de la poudre peuvent être de n'importe quelle dimension sensi- blement uniforme comprise dans la gamme allant d'un dix millième de pouce (0,0001 pouce) à un centième de pouce (0,01 ponce) d'épaisseur.
Le nombre de particules nécessaire pour maintenir l'espacement entre les surfaces s'élève,en surfaca projetée sur l'une ou l'autre de ces surfaces , à approximativement un pour cent de la surface totale de l'une on l'autre de ces surfaces . Par conséquent, la présence de ces particules n'a qu'une interférence insignifiante avec l'écoulement de courant entre la surface cathodique 14 et l'anode 22. Les particules 25 de poudre réfractaire sont maintenues en place par un contact à frottement avec les surfaces d'électrodes , lequel peut être accru par la métal alcalin condensé sur les électrodes.
La différence de pression de part et d'autre de l'anode 22 est obtenue en faisant circuler un réfri- gérant 26 sous une pression suffisante que pour appuyer dou- cement et infléchir l'anode contre les particules de poudre 25. Le réfrigérant 26, laquel peut être du mercure, de l'eau
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ou n'importe quel autre liquide ou gaz convenable, est limité par un élément de couvercle 28 relié près de sa périphérie à l'anode 22 et présentant un renfoncement annulaire en 30. Les conduites d'entrée et de sortie res- pectives 32 et 34 sont prévues pour admettre et décharger le réfrigérant.
:Des conducteurs d e sortie 36 et 38 sont connec- tés de manière conductrice , respectivement à la cathode et à l'anode du convertisseur 10, de manière à procurer un potentiel de sortie continu de polarité négative à l'anode et de polarité positive à la cathode, tel qu'indiqué par le dessin.
Lors du fonctionnement du convertisseur, de la chaleur est appliquée de n'importe quelle manière appropriée à la partie émettrice Il. de manière à en lever la tempé- rature jusqu'à un point pour lequel celle-ci émet une quantité copieuse d'électrons ayant une énergie suffisante que pour se déplacer jusqu'à l'anode. Avec ,ne cathode de tungsténe, la température de fonctionnement de celle-ci peut être dans la gamme de 1500 Kelvin à 2000 Kelvin.
En vue d'un fonctionnement satisfaisant, l'anode 22 est maintenue à une température désirable d'approximatiement 500 Kelvin ou davantage de moins que la cathode , ce au moyen du réfrigérant 26 qui circule dans la chambre 30 et la pression du réfrigérant est suffisante que pour forcer doucement et uniformément l'anode 22 contre les particules de poudre 25.
La présence de vapeurs de caesium abaisse l'énergie d'extraction à l'anode de la manière exposée dans le brevet pri cipal. ±tant donne que la cham- bre 20 est remplie de gaz à faible press Eh, la rression du réfrigérant devra également être faibles Dans ces conditions et pendant un fontionnement normal, le convertisseur peut produire un potentiel de sortie d'approximativement 1,8 volts.
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Suivant la forme d'exécution de la présente
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j,..¯wiVi1 Vlr C..SdYmr 1 1.1 ::Y'C Cls'nS Laquelle les parties de structure et de fonctionnement similaires aux parties de la figure] sont désignées par les mêmes in-
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dices de référence, iiriconvertisseur 40 de s ructure simi- laire à celle du convertisseur 10 pçt prévu , l'élément d5 couvercle .'.$ A-tAnt "liwin4 et l'air ambiant fi>;1 circule 1 gis5ant COua"t:: réfrigérant pour l'anode 22. La pression de l'air ambiant d'approximativement une atmosphère est suffi-
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sanve que pour forcer l'anode 22 en c r;tct uniforme avec les particules de poudre réfractaire 24.
Dans chacune des formes d'exécution de la présente invention, l'anode se conforme au contour de la
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cathode en maison de sa flexibilité et de la iires?ion q<1 1" ' force contre la poudre rëfrac'aire et la cathode, par conséquent, toute imperfection , distorsion ou tout &uchis- sment de la cathode est facilement et '.lto;r:ati'1'1en,ent repris par l'anode et dans toutes les circonstances , l'espacement entre ces éléments demeurera le même.
Revendications
1. Appareil suivant le brevet
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principal, comprenant un élément de cat:.ode e-n vea d'être chauffé à. une température d'omission élect.r(,r.i :'.18, caractérise par ur (,]6ment d'arode d4forma'ble espace px- rapport au dit plument de cat ode et par une fine ,)olidre de matière r4fractaire ayant des particules intercalées entre lesdits éléments de manire à majntenir l'espacen.ent entre ceux-ci égal à l' épais.-;e1!r des particules de ladite pondre et par un milieu ionisable dans l'espace entre 1 -j;.,.e et la cath de .