Brevet FR2069842A1 — publié le 19710910

La présente invention, due à Philippe DEFRANOULT, Jean LALAURIE et Arvind SHRCFF, se rapporte à un type de tube à décharge permettant d'effectuer une conversion directe d'énergie calorifique en énergie électrique. Dans son principe, un tel convertisseur so présente comme une diode comprenant deux électrodes en présence d'une atmosphère intérieure faite d'un gaz ou d'une vapeur ionisable, telle que la vapeur de césium par exemple. Lorsqu'on crée une différence de température entre und des deux électrodes, la plus chaude, l'émetteur émet des électrons qui sont captés par la plus froide, le collecteur, grâce la double action de 1 vapeur de césium ul d'une part abaisse ie travail de sortie des électrons de l'élec- trode émettrice, et d'autre part, dans son état ionisé, neutralise la charge d'espace située devant cette électrode, et Qui sans sa présence s'opposerait à ltimission, Le pression intérieure est de l'ordre do 1 à 10 Torrs, et est déterminée par chauffage à température convenable du réservoir séparé contenant le césium. Il résulte de cette structure en deux parties et à eux tempé- ratures que les diodes de conversion réalisées suivant l'art connu présentent de sérieux inconvénients, aussi bien en ce qui concerne leur fabrication que leur fonctionnement, qui seront décrits plus loin en s'appuyant sur la figure 1. Le but de la présente invention est d'éviter ces inconvénients. Grâce à un choix particulier de la structure du réservoir de césium en un bloc de matériau Or eux ou feuilleté de grande surface ddveloppée,il est possible de disposer celui-ci à l'intérieur du corps de la diode où son énergie calorifique est prélevée sur celle du collecteur; la structure monobloc ainsi obtenue es ccurte et robuste et se présente scus la forme d'un tube cyzin- drique lisse, se prêtant bien à la constitution, par empilage des diodes avec mise en série électrique, de barres produisent des tensions plus élevées. Plus précisément, elle a pour objet un tube h décharge convertisseur d'énergie calorifique en énergie électrique, comportant deux électrodes isolées électriquenent l'une de ltfutre, disposées en vis-à-vis et portées à des températures différentes, et une réserve d'un corps porté à l'état de vapeur ionisable dans les conditions de fonctionnement, caractérisé en ce que ladit corps est contenu dans un bloc d'un matériau réfractaire de grande surface spécifique disposé dans l'électrode la plus froide. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures annexées dont - La figure J représente un tube convertisseur construit suivant l'art connu, - La figure 2 représente un tube convertisseur construit sui- vant l'invention. La figure I représente un tube convertisseur de structure connue. il comporte un émetteur 6, (représenté en pointillé sur la figure) un collecteur 2, constitué par le corps de diode luimême, réuni par un manchon isolant 3 à 1 l'émetteur, un réservoir de césium liquide 4, relié au corps de la diode par un conduit 5. Les températures en jeu sont respectivement 2 000 K pour metteur 1, créée par la source de chaleur utile 1000 K pour le collecteur 2, et 600 K pour le réservoir, oréée par un chauffage électrique annexe, tel que l'enroulement 6 connecté à une source de tension 7. Le conduit 5 est choisi de longueur et de section telles que, compte tenu du matériau dont il est fait, il constitue entre les deux parties un découplage thermique destiné à stop- poser à l'égalisation de leurs températures. Il résulte de cette nécessite de découplage thermique une structure générale longue, liée à la succession d'éléments séparés; cette structure est par ailleurs fragile au niveau du tube de communication entre le réservoir et la diode elle-mme. En ce qui concerne le fonctionnement, la structure connue souffre de deux inconvénients : L'obligation de fournir de l'énergie calorifique pour chauffer le réservoir de césium entraîne la nécessité d'un dispositif de chauffage indépendant régulé avec précision en température, et détormine une diminution du rendement global le la conversion; D'autre part, le mode de prélèvement de la tension électrique créée, effectué entre les points 8 et 9 des extrémités de la diode, détermine, par suite de la grande longueur de celle-ci et de la résistivité notable des métaux réfractaires dont elle est constituée, une chute,ohmique de tension parasiteprovoquant une diminution du rendement global notable lorsquton connecte en série par empilage plusieurs diodes. Enfin, en ce qui concerne la réalisation, les nombreuses bra- sures nécessaires entre matériaux réfractaires, ainsi que le pompage, dégazage et remplissage en césium constituent des opérations longues et compliquées. La figure 2 représente une diode de conversion selon l1inven- tion. Elle est constituée de deux cylindres coaxiaux 11 et -12 représentant respectivement l'émetteur et le collecteur, isolés l'un de l'autre par le manchon de céramique 13 qui est brasé sur eux par l'intermédiaire des manchons 14 et 15 en niobium; un cylindre métallique 16 protège le manchon en céramique contre les contaminations et la température élevée provenant de l'émetteur. Â l'extrémité opposée, l'émetteur est équipé d'un téton de centrage 17, pénétrant dans 11 orifice central d'un disque de central ge troué 18 en molybdène, maintenu par des anneaux isolants en céramique 19, et isolé électriquement du collecteur par un manchon cylindrique 20. Un capuchon 22, percé d'un trou fileté 23, pour fixation, ferme lecollecteur à la partie supérieure. La quantité de césium nécessaire au fonctionnement est emmagasinée dans un bloc de matériau réfractaire 2i. L'emmagasinage s'effectue en surface du matériau, d'où la nécessité d'une structure à grande surface développée. Selon l'invention, on peut utiliser un bloc de graphite pyrolytique, que son mode de fabrication permet d'obtenir en couches min- ces superposées, réalisant une sorte de feuilletage à grande sur face spécifique; le césium constitue avec le graphite un composé chimique défini libérant par chauffage du césium à l'état de vapeur. Selon une variante, on peut utiliser un bloc métallique de pou dre de tungstène ou de molybdène, obtenu par frittage , et doté lui aussi d'une grande surface développée; le césium y est stocké physiquement en surface sous la forme adsorbée, et est libéré par chauffage l'état de vapeur. Dans les deux cas, les temperatures qu'il est permis dlappli- quer au réservoir pour obtenir la tension de vapeur nécessaire au fonctionnement du dispositif de conversion sont beaucoup plus élevées que dans le cas du réservoir de césium liquide selon l'art connu, et permettent de placer celui-ci directement à l'in- trieur de la diode de conversion. En fonctionnement, une partie de l'énergie calorifique de l'émetteur, apportée par rayonnement, ainsi qu'une partie complémentaire d'énergie calorifique provenant par conduction du collecteur, portent le rSservoir annulaire à la température convenable pour libérer la vapeur de césium utile à la pression optimale comprise entre 4 et 10 Torrs. L'emploi d'une source calorifique spart:'e est donc inutile, et la structure courte de la diode réduit la chute ohmique entre les points de prélèvement de la tension électrique créée. La fabrication dlune diode selon l'invention présente ltavan- tage de bien se prêter à des muthodes industrielles, en particulier des méthodes automatiques. On réalise d'abord un assemblage brasé céramique-métal, constitué par exemple par un couple alumine de très haute pureté niobium brasé avec un alliage titane - niobium, par exemple; on peut également adopter par exemple un couple alumine de très haute pureté métallisée - niobium brase avec un alliage cuivre - nickel, par exemple. Ces exemples sont non limitatifs des types de scellements. La liaison avec le collecteur est effectuée par bombardement électronique, ainsi que celle de l'émetteur à l'extrémité de la liaison métal-céramique. Le dispositif de centrage est alors mis en place sur le toton central de l'émetteur. On place le réservoir sous forme par exemple d'une ou plusieurs rondelles de graphite, ou d'un autre matériau adsorbant analogue. Un getter métallique, du type zirconiumtitane, ou niobium, par exemple, peut entre également placé à ce moment afin de maintenir la pressicn intérieure à sa valeur optimale. Chacun des éléments ayant été préalablement dégazé sous vide å des températures supérieures à la température de fonctionnement, on procède à l'introduction sous vide du césium par un tube capil laire muni dune vanne dé dosage relié à un réservoir de grande capacité. Le césium se fixe aussitôt ehimiquement ou physiquement, sur les surfaces du réservoir. Enfin, on place le capuchon sur la diode et on le souci sous vide par bombardement électronique. La description des opérations de fabrication donne ci-dessus montre la possibilité de les réaliser industriellement sur des bancs tournants automatiques, et met en évidence les avantages de la structure conforme à l'invention. REVENDICATIONS 1. Tube à décharge convertisseur d'énergie calorifique en Anergie électrique, comportant deux électrodes isolées électri- quement ltune de l'autre, disposées on vis-à-vis, portées à des températures différentes, et une réserve dun corps à l'état de vapeur ionisable dans les conditions de fonctionnement, caracté- risé en ce que ledit corps est contenu dans un bloc d'un matériau réfractaire de grande surface spécifique disposé dans l'électrode la plus froide. 2. Tube suivant X, ou les deux électrodes ont la forme de cylindres disposés coaxialement. 3. Tube suivant 2, où ladite r-serve est disposée dans un logement créé à l'extrémité d'un desdits cylindres constituant ladite électrode la plus froide. 4. Tube suivant 1, où ledit bloc est constitué par un bloc poreux fritté de tungstène ou de molybdène contenant du césium. 5. Tube suivant 1, où ledit bloc est constitué par un bloc de graphite pyrolytique contenant du césium.