Герметичный ввод (варианты)

 

Изобретение относится к электротехнике и электронной технике и может быть использовано при разработке электрогенерирующих каналов (ЭГК) термоэмиссионных реакторов-преобразователей в качестве вакуумно-плотных металлокерамических узлов или гермовводов. Задача повышения надежности ЭГК за счет повышения электрической прочности гермоввода решена при помощи двух технических решений. Согласно первому варианту в гермовводе, содержащем металлические манжеты и керамическую втулку, в осевом отверстии последней размещен цилиндрический изолятор с выполненной по его боковой поверхности винтовой канавкой с углом наклона 30 - 80^o относительно продольной оси гермоввода. В соответствии с вторым вариантом в гермовводе по крайней мере один из торцов втулки снабжен керамическим стаканом, установленным с зазором по отношению к торцовой поверхности втулки и внутренней поверхности манжеты и закрепленым на дистанционаторах. Повышение электрической прочности гермоввода как в первом, так и во втором вариантах достигается за счет удлинения разрядного промежутка и наличия факторов, препятствующих развитию разряда. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и электронной технике и может быть использовано при разработке электроге- нерирующих каналов (ЭГК) термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТРП) в качестве вакуумно-плотных металлокерамических узлов или гермовводов.

Как правило, конструктивно гермовводы, используемые в качестве электроизоляционных элементов ЭГК, состоит из керамической детали и двух манжет из металлов, совместимых с керамикой [1] Недостатком таких гермовводов является их низкая электрическая прочность, так как данные узлы в составе ЭГК работают при высоких температурах (Т 500 600^оС) и заполнены парами рабочего тела (РТ) цезия с низким потенциалом ионизации (например, при длине ≈ 10 мм пробивное напряжение гермоввода составляет несколько вольт при давлении цезия P_Cs ≈ 10^-2 мм рт. ст. и 20 30 В при P_Cs ≈ 1 2 мм рт. ст.). Ввиду этого снижается надежность ЭГК из-за возможности электрического пробоя.

Известен гермоввод для подачи РТ в ЭГК, содержащий керамическую втулку с осевым отверстием, на внешней боковой поверхности которой закреплены металлические манжеты [2] Недостатком данной конструкции является существенное снижение электрической прочности изоляции гермоввода при переносе через него паров РТ, преимущественно цезия, которое отрицательно сказывается на эксплуатационной надежности ЭГК ТРП. Это обусловлено прежде всего низким потенциалом ионизации паров РТ, высокой рабочей температурой гермоввода (до 750^оС и выше), малой длиной разрядного промежутка гермоввода (20 50 мм) и переносом паров РТ по направлению вектора напряженности электрического поля в осевом канале изоляции гермоввода. Это поле возникает под действием приложенных к манжетам гермоввода электрических потенциалов от рабочей секции ТРП и направлено вдоль продольной оси гермоввода, что создает благоприятные условия для поверхностных разрядов. В результате этих причин электрическая прочность гермоввода, применяемого для подачи в ЭГК ТРП паров цезия, составляют 7 10 В в начальный момент подачи, когда реализуется пусковой режим ТРП (P_Cs ≈ 10^-2 мм рт. ст. ) и 50 70 В при установившемся режиме с номинальным давлением паров (P_Cs ≈ 1 2 мм рт. ст.). Такие низкие значения электрической прочности изоляции гермоввода существенно снижают надежность работы как ЭГК, так и ТРП (особенно в режиме их запуска).

Задача изобретения повысить надежность ЭГК за счет повышения электрической прочности изоляции гермоввода при подаче в ЭГК паров РТ, преимущественно цезия.

Поставленная задача решена принципиально одним и тем же путем при помощи двух технических решений.

Согласно первому варианту изобретения в гермовводе, содержащем керамическую втулку с осевым отверстием, на внешней боковой поверхности которой закреплены металлические манжеты, в осевом отверстии втулки плотно размещен цилиндрический изолятор с выполненной по его боковой поверхности винтовой канавкой с углом наклона 30 80^о относительно продольной оси гермоввода.

В соответствии с вторым вариантом в гермовводе торцовые части втулки размещены внутри манжет с радиальным зазором, причем по крайней мере один из торцов втулки снабжен керамическим стаканом, установленным с зазором по отношению к торцовой поверхности втулки и внутренней поверхности манжеты и закрепленным на дистанционаторах.

Повышение электрической прочности гермоввода как в первом, так и во втором вариантах достигается за счет удлинения разрядного промежутка и наличия факторов, препятствующих развитию разряда.

В первом случае при прохождении паров РТ по винтовому каналу значительно уменьшается напряженность электрического поля E_α, создаваемая приложенным к манжетам гермоввода напряжением (E_α=E ˙ cos α, где E напряженность поля в направлении оси гермоввода; α угол наклона винтовой линии), что ухудшает условия ионизации и препятствует развитию разряда. Кроме того, в винтовом разрядном промежутке на заряженные частицы (электроны и ионы) действует осенаправленная сила F q˙E (q заряд частицы; Е осевая напряженность электрического поля), способствующая выносу этих частиц на стенки винтового канала. Потери заряженных частиц также затрудняет условия ионизации и повышает пробивное напряжение. Благодаря винтовому каналу значительно увеличивается эффективная длина разрядного промежутка в гермовводе (длина винтовой линии), что также ведет к повышению пробивного напряжения.

В результате действия всех перечисленных факторов электрическая прочность гермоввода значительно возрастает во всем диапазоне изменения давления паров РТ. Причем, как показывают результаты эксперимента, угол наклона винтовой канавки должен составлять 30 80^о. При значениях угла, меньших 30^о, эффект повышения электрической прочности значительно снижается, а углы более 80^о неприемлемы ввиду малой проводимости реализуемых при этом винтовых каналов в изоляторе гермоввода.

Во втором случае введение керамических стаканов изменяет как длину, так и форму тракта РТ в гермовводе: тракт удлиняется и появляются участки с поворотом тракта на 180^о относительно вектора напряженности электрического поля Е.

Таким образом, повышение электрической прочности гермоввода достигается за счет удлинения разрядного промежутка и наличия в нем участков, где электрическое поле препятствует развитию разряда.

На фиг. 1 изображен гермоввод, выполненный в соответствии с первым вариантом; на фиг. 2 гермоввод, выполненный в соответствии с вторым вариантом.

Гермоввод, изображенный на фиг. 1, содержит керамическую втулку 1 с осевым отверстием, расположенные по краям втулки металлические манжеты 2, 3 и установленный внутри втулки и плотно сопряженный с ее внутренней поверхностью сплошной цилиндрический изолятор 4. На цилиндрической поверхности изолятора выполнена винтовая канавка, образующая в изоляции угла винтовой канал для прохода паров цезия. На фиг. 1 также показаны векторы и , соответствующие векторам напряженности электрического поля в направлении оси гермоввода и в направлении винтового канала, векторы и , соответствующие векторам сил, действующих на заряженные частицы в направлении оси гермоввода и в направлении винтового канала.

Гермоввод, изображенный на фиг. 2, содержит керамическую втулку 1 со сквозным осевым отверстием и металлические манжеты 2, 3, жестко соединенные с втулкой по ее внешней боковой поверхности. Торцовые части втулки размещены внутри манжет с радиальным зазором. Оба торца втулки снабжены керамическими стаканами 5, 6, установленными с зазором по отношению к торцовой поверхности втулки и внутренней поверхности манжеты. Фиксирование стаканов осуществляется креплением их с помощью пайки к дистанционатором 7, 8, которые в свою очередь плотно посажены внутрь манжет. Дистанционаторы имеют продольные пазы для прохода паров цезия. На фиг. 2 также показаны вектор напряженности электрического поля в направлении оси гермоввода , векторы и , соответствующие векторам сил, действующих на заряженные частицы и тракт РТ.

При работе РТ (цезий) за счет разности давлений поступает из источника РТ в общий коллектор и затем через гермоввод в рабочий объем ЭГК. Разность потенциалов между манжетами гермоввода может достигать несколько десятков вольт (штатное напряжение ТРП).

В соответствии с первым вариантом (фиг. 1) в осевое отверстие керамической втулки 1 установлен сплошной цилиндрический изолятор 4. Керамическая втулка и изолятор выполнены из окиси алюминия. На цилиндрической поверхности изолятора выполнена винтовая канавка, образующая в изоляции гермоввода винтовой тракт для прохода паров цезия. Сопряжение изолятора с внутренней поверхностью втулки обеспечено соответствующей посадкой изолятора в керамической втулке.

С целью проверки работоспособности и эффективности испытывался гермоввод с длиной керамической втулки 35 мм, в осевом отверстии которой размещен цилиндрический изолятор длиной 35 мм с выполненной по всей его цилиндрической поверхности полукруглой винтовой канавкой радиусом 2 мм, имеющей приблизительно пять оборотов вокруг продольной оси гермоввода, с углом наклона 45^о. Электрическая прочность гермоввода при температуре 550^оС составила ≈ 70 В (при Р_Cs ≈ 10^-2 мм рт. ст.) и 180 В (при P_Cs ≈ 1 мм рт. ст.).

В соответствии с вторым вариантом (фиг. 2) на концах гермоввода установлены два керамических стакана 5, 6 так, что зазор между торцовыми частями керамической втулки 1 и манжетами 2, 3 составлял ≈ 5 мм.

Керамическая втулка и стаканы выполнены из ниобиевого сплава СБ-1. Соединение манжет с керамической втулкой осуществлялась пайкой палладиевым припоем. Фиксирование стаканов осуществлялось креплением их с помощью пайки палладиевым припоем к дистанционаторам 7, 8, которые плотно посажены внутрь манжет. В дистанционаторах выполнены пазы для прохода паров цезия. В результате испытаний было получено, что электрическая прочность гермоввода с длиной керамической втулки 22 мм при температуре 600^оС составила 26 В (при P_Cs ≈ 10^-2 мм рт. ст.) и 90 В (при P_Cs ≈ 1 мм рт. ст.).

Таким образом, преимущество изобретения заключается в существенном повышении электрической прочности гермовводов при переносе через них паров РТ, преимущественно цезия, что, в свою очередь, значительно повышает эксплуатационную надежность ЭГК и ТРП в целом.

Формула изобретения

1. Герметичный ввод преимущественно для подачи паров цезия, содержащий керамическую втулку с осевым отверстием, на внешней боковой поверхности которой закреплены металлические манжеты, отличающийся тем, что в осевом отверстии втулки плотно размещен цилиндрический изолятор с выполненной по его боковой поверхности винтовой канавкой с углом наклона 30 80^o к продольной оси гермоввода.

2. Герметичный ввод преимущественно для подачи паров цезия, содержащий керамическую втулку с осевым отверстием, на внешней боковой поверхности которой закреплены металлические манжеты, отличающийся тем, что торцевые части втулки размещены внутри манжет с радиальным зазором, причем по крайней мере один из торцов втулки снабжен керамическим стаканом, установленным с зазором по отношению к торцевой поверхности втулки и внутренней поверхности манжеты и закрепленным на дистанционаторах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2