Brevet FR2177526A1 — publié le 19731109

La présente invention concerne des perfectionnements aux convertisseurs d'énergie calorifique en énergie électrique et a trait plus particulièrement à un nouveau mode de réalisation de convertisseurs à tension de sortie relativement élevée, gracie à une combinaison de plusieurs convertisseurs élémentaires. Les convertisseurs d'énergie thermique en énergie électrique, bien connus maintenant, comportent, dans leur forme la plus simple, une paire d'électrodes, à savoir un émetteur et un collecteur, électriquement isolées l'une de l'autre et disposées dans une enceinte étanche. Aucune tension de source extérieure n' est appliquée entre ces deux électrodes ; lorsque l'émetteur est chauffé, au moyen d'une source de chaleur qui, dans le type de convertisseurs concernés par l'invention, est une source à combustible nucléaire, il émet des électrons qui sont captés par le collecteur. Il apparatt alors, entre l'émetteur et le collecteur, une tension électrique pouvant entre appliquée à une charge convenablement adaptée, fournissant ainsi une énergie électrique. Il est également bien connu de faire fonctionner ces convertisseurs en présence d'une atmosphère intérieure faite d'un ga ou d'une vapeur ionisable, telle que la vapeur de césium par exemple, Cette vapeur de césium augmente considérablement l'énergie disponible à la sortie des convertisseurs en abaissant et su collacteur le travail de sortie des électrons de I'émetteur/d'une part, et d'autre part, en neutralisant la charge d'espace située entre les électrodes, grace à son état ionisé. De tels convertisseurs sont maintenant relativement bien au point. Toutefois, des problèmes délicats apparaissent lorsque l'on désire multiplier l'énergie électrique disponible à la sortie de ces convertisseurs, en utilisant par exemple plusieurs convertisseurs élémentaires montés en série, l'énergie électrique étant alors recueillie aux bornes de l'ensemble. En effet, la mise en série pure et simple de plusieurs convertisseurs, par ailleurs totalement indépendants, pose des problèmes d'encombrement et de multiplication des difficultés, telles que par exemple b circulation du césium, refroidissement des collecteurs, réalisation de l1étanchéité de chaque convertisseur, connexion de leurs électrodes pour réaliser la mise en série, etc... Des convertisseurs à plusieurs éléments en série dans une méme chemise permettant un refroidissement commun des collecteurs ont déjà été réalises, présentant un certain progrès par rapport à la mise en série pure et simple d'éléments indépendants. D'autres dispositions, telles que par exemple celle décrite par la Compagnie Générale de Télégraphie sans Fil, dans son brevet français 1 394 782 déposé le 7 janvier 1964, permettent des réalisations plus compactes au niveau des convertisseurs eux-mGmes. Ces dispositions, et notamment celle qui vient d'etre citée, présentent générale-ment des structures compliquées et encombrantes qui ne suppriment pas complètement les inconvénients précités. Il faut encore noter que l'on peut diviser les convertisseurs fournissant des puissances électriques importantes en deux catégories selon qu'ils fournissent cette puissance sous une forte tension ou avec un fort courant. Leur utilisation n'est bien entendu pas la même, non plus que leurs avantages et leurs inconvénients. Dans les convertisseurs délivrant de forts courants, les électrodes de chaque élément convertisseur doivent avoir d'assez grandes surates, le courant délivré par un convertisseur étant directement fonction des électrons captés par le collecteur, et donc des surfaces en regard. De tels convertisseurs sont généralement constitués d'électrodes cylindriques coaxiales. Dans les convertisseurs délivrant la puissance électrique sous une forte tension, les électrodes en vis-à-vis dans chaque élément n'ont plus besoin d'avoir de grandes surfaces. Elles peuvent alors être constituées de simples plaques en regard. La valeur élevée de la tension de sortie est obtenue par la mise en série d'un nombre convenable d'éléments convertisseurs. L'objet de l'invention est de réaliser des convertisseurs délivrant de fortes puissances électriques sous des tensions relativement levées grace à la mise en série de plusieurs convertisseurs élémentaires, et ne présentant pas les inconvénients précités. Les convertisseurs de l'invention ne comportent aucune liaison isolante étanche entre les divers éléments convertisseurs, ce qui en simplifie considérablement la réalisation ; les problèmes de circulation du césium sont réduits au minimum ; quant aux problèmes de connexion entre éléments, ils ne se posent plus, les connexions étant automatiquement réalisées de par la structure même des éléments empilés pour constituer le convertisseur.Un autre résultat intéressant des convertisseurs de l'invention est que la structure plate de leurs éléments permet d'empiler un assez grand nombre de ces éléments, sans pour autant parvenir à un encombrement global trop important, et par conséquent d'obtenir des tensions de sortie assez élevées. D'autres objets, avantages et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par la figure unique annexée qui représente une vue schématique, partiellement en soupe, d'un convertisseur selon l'invention à plusieurs éléments en série. La figure représente schématiquement un convertisseur selon l'invention comprenant un nombre n d'éléments convertisseurs montés en série entre les deux extrémités de l'ensemble. Une de ces extrémités 1 constitue la borne de cathode émettrice d'électrons (ou borne positive), dont le potentiel, servant de potentiel de référence, est par exemple celui de la masse ; l'autre extrémité 2 constitue la borne d'anode collectrice---... -...-........ d'électrons (ou borne négative) L'ensemble des n éléments ainsi disposés entre les deux extrémités 1 et 2 est introduit dans un tube cylindrique étanche 3. Ce tube est en métal, molybdène ou Llobiua par exczplew de manière à permettre le refroidissement de l'ensemble par des moyens classiques tels que le refroidissement à travers une lame de gaz à conductibilité thermique variable (hélium par exemple) par une chemise d'eau. L'intérieur du tube 3 est revêtu d'un déport isolant. Chacun des éléments convertisseurs empilés dans le tube 3 comporte une pièce métallique 4 d'allure générale cylindrique, en molybdène ou niobium par exemple. Cette pièce 4, réalisée par exemple par emboutissage ou repoussage est fermée d'un cté par un fond 5 recouvert à l'extérieur d'un revêtement 6 de tungstène rectifié, constituant l'électrode émettrice de chaque élément. A l'intérieur de la partie cylindrique de cette pièce 4 est disposée une pastille 7 de combustible nucléaire, U02 par exemple, dont la combustion provoque l'échauffement de I'émetteur 6 de l'élément. Cette partie cylindrique de la pièce 4 est fermée, après chargement en combustible nucléaire 7 et dégazage, par un disque b en même métal que la pièce 4 et soudée à elle par bombardement électronique par exemple. L'épaisseur de ce disque est choisie supérieure à celle de la pièce 4 de manière que l'ensemble reste assez rigide aux fortes températures de fonctionnement. Des crans thermiques, constitués de disques 9, sont fixés dans liehceinte contenant le combustible 7, entre celui-ci et le disque 8. Les éléments convertisseurs sont empilés dans le tube 3 de telle manière que l'électrode émettrice 6 d'une pièce 4 se trouve en face et à faible distance du disque E de la pièce 4 suivante. Ce disque 8 reçoit et capte les électrons émis par l'électrode 6 et constitue le collecteur de l'élément convertisseur ainsi formé. Pour obtenir un tel empilement, le mode de réalisation suivant peut étre utilisé. Chaque pièce 4 se prolonge par une collerette 10 reposant sur la pièce 4 précédente de l'empilement par l'intermédiaire d'une couronne ll d'un matériau rigide isolant, céramique par exemple. Pour éviter que la chaleur nécessaire aux émetteurs ne vienne échauffer les collecteurs par rayonnement, les couronnes de céramique Il supportent des écrans thermiques 12 en couronnes. Lorsque les n éléments convertisseurs ainsi formés sont empilés dans le tube 3, le tube est hermétiquement fermé par la pièce 2 qui constitue le collecteur du dernier élément convertisseur et la borne d'anode de l'ensemble. Cette pièce 2 est par exemple supportée par une cale isolante 13 en couronne s'appuyant sur les collerettes de la dernière pièce 4. L'étanchéité du tube 3 est assurée par l'ensemble des pièces 14, 15 et 16. La pièce 16 est une couronne de céramique brasée sur les pièces métalliques 14 et 15. Elle assure à la fois l'étanchéité de 1'ensemble et l'isolement électrique de la pièce 2 qui constitue la borne d'anode et du tube 3 connecté à la borne de cathode 1. L'ensemble des éléments qui viennent d'être décrits (pièces 4 notamment) est prévu pour pouvoir se dilater lors du fonctionnement. Des joints de dilatation sont notamment prévus dans les pièces 4 pour éviter en particulier des variations des distances inter-électrodes. La circulation de la vapeur de césium est assurée de manière très simple dans un tel convertisseur. Un conduit 17 d'amenée de césium, connecté à un réservoir de césium non representé, pénètre par exemple dans la pièce 2 fermant l'extrémité supérieure du convertisseur. La vapeur de césium ainsi amenée en 18 alimente chaque élément convertisseur grace à des trous 1Ç pratiquée dans la partie des pièces 4 qui relie leur partie cylindrique contenant le combustible et leur collerette 10. Quant aux produits de fission apparaissant lors de la combustion du combustible nucléaire 7, ils sont conservés à l'intérieur des enceintes étanches constituées, pour chaque élément, par la partie cylindrique fermée de la pièce 4, l'espace libre dans cette enceinte étant suffisant pour cela. Dans le convertisseur qui vient d'entre décrit à l'aide de la figure, les différents éléments convertisseurs sont en série, entre les bornes de cathode 1 et d'anode 2. Le courant délivré est relativement faible, les surfaces d'électrodes en regard pour chaque élément (6metteurs 6 et collecteurs 8) n'étant pas très importantes. Par contre la tension délivrée par l'ensemble peut etre relativement élevée. Cette tension est en effet le produit de la tension délivrée par un élément, par le nombre n de ces éléments en série. Or, chaque élément ayant une structure relativement plate, il est possible de mettre en série un assez grand nombre n de tels éléments. Des variantes de réalisation des convertisseurs selon l'invention sont possibles. Certaines d'entre elles sont mentionnées ici à titre d'exemple. I1 est possible de remplacer la vapeur de césium circulant dans les espaces inter-électrodes grace à un réservoir alimentant l'ensemble en 17 par la solution décrite par la Demanderesse dans la demande de brevet français nO 69.38447 déposée le 7 novembre 1969 et intitulée "Convertisseur thermoionique perfectionné". Un ou plusieurs des éléments comportent alors un anneau d'un matériau réfractaire (graphite pyrolytique par exemple) dans lequel est emmagasiné le césium qui est libéré sous forme de vapeur lorsqu'il est chauffé. Ce ou ces anneaux sont par exemple disposés (comme représenté en 20 pour l'élément du bas de la figure) sur l'écran 12 et maintenus par une cale 21. Une autre variante consiste a remplacer les pastilles de combustible nucléaire à irradier produisant la chaleur, par des radio-éléments fonctionnant avec des températures plus basses. Le rendement dans ce cas est un peu moins bon ; ceci n'est pas nécessairement genant étant donné la grande facilité de multiplication du nombre n d'éléments convertisseurs constituant un ensemble. REVENDICATIONS 1. Convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique com- prenant plusieurs éléments convertisseurs comportant chacun deux électrodes planes en vis-à-vis, à savoir un émetteur chauffé par une source de chaleur nucléaire et un collecteur, un gaz ionisable emplissant les espaces inter-électrodes ainsi définis pour chaque élément, lesdits éléments étant empilés dans une rnêzne enveloppe cylindrique étanche dont les deux extrémités constituent les deux bornes du convertisseur, anode et cathode, entre lesquelles sont connectés lesdits éléments, caractérisé en ce que le collecteur () d'un élément t l'émetteur (6) de l'élément suivant de l'empilement constituent respectivement les deux faces opposées d'une enceinte cylindrique étanche qui renferme le matériau (7) constituant la source de chaleur pour ledit émetteur 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites enceintes sont constituées d'une première pièce métallique (4) comportant une partie cylindrique creuse, fermée sur une de ses faces (5) et prolongée par une collerette (10), et d'une deuxième pièce métallique ( & en forme de disque, soudée à la première de manière à constituer sa deuxième face, lesdites enceintes étant empilées dans ladite enveloppe au moyen de leurs collerettes. 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la collerette d'un enceinte repose sur la collerette, de l'enceinte précédente par l'intermédiaire dtune couronne de cerami- que (11), assurant l'isolement électrique des deux dites enceintes et le montage en série des éléments convertisseurs dont elles font partie. 4. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit gaz ionisable emplissant les espaces inter-électrodes est de la vapeur de césium. 5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les espaces inter-électrodes desdits éléments convertisseurs sont tous mis en communication et sont réunis à un conduit (17) d'amenée de vapeur de césium. 6. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les espaces inter-électrodes desdits éléments convertisseurs sont alimentés en vapeur de césium au moyen d'un ou plusieurs blocs de matériau réfractaire dans lequel/lesquels est préalablement emmagasiné du césium, le/lesdits blocs étant disposés autour desdites enceintes cylindriques.