Термоэмиссионный преобразователь с малым межэлектродным зазором

 

Сущность изобретения: термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) содержит вакуумированный корпус, образованный эмиттерной и коллекторной стенками, внутри которого размещены эмиттеры и коллекторы. В углублениях коллекторов размещены дистанционаторы. Внутри ТЭП с помощью сепаратора с выполненными в нем по количеству электродных пар отверстиями, в каждое из которых вставлена мембрана, сформированы две полости для подачи цезия и гелия. Каждый коллектор через соответствующую мембрану соединен со своим теплоотводом. Это позволяет компенсировать технологические погрешности и термомеханические деформации элементов ТЭП и получить стабильный малый межэлектродный зазор. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к термоэмиссионному преобразованию тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в ядерных энергетических установках с вынесенным из активной зоны термоэмиссионным преобразователем (ТЭП), в радиоизотопных генераторах и в качестве термоэмиссионных надстроек для тепловых электростанций.

Приемлемый уровень температуры эмиттера, обеспечивающий работоспособность ТЭП в указанных установках, не превышает 1500К. Известны ТЭП, использующие газоразрядную плазму для компенсации пространственного заряда эмиттированных электронов, способные достаточно эффективно работать при сравнительно высоких температурах эмиттера (Т_Е>1600К) (см. Арефьев К.М. Палеев И.И. Основы термоэлектронного и магнитогидродинамического преобразования энергии. М. Атомиздат, 1970, с.99). Уровень потерь электрической энергии на плазменном промежутке ТЭП, связанных с поддержанием дугового разряда, составляет значительную долю его выходной электрической энергии. Потери напряжения в низковольтной дуге цезиевого ТЭП в оптимальном режиме составляют ≈0,5 В (см. Кайбышев В. З. Каретников Д.В. Трутнев А.Л. "Ж. Техн. физ.", 1978, 48, N 1, 30-38). С уменьшением температуры эмиттера указанные потери еще более возрастают.

Одним из путей повышения энергетических характеристик ТЭП, приводящим к значительному уменьшению влияния пространственного заряда электронов, является уменьшение величины межэлектродного зазора (МЭЗ) до 10 мкм или менее. Такой ТЭП способен эффективно работать при пониженных температурах эмиттера (Т_Е 1300-1500К). Малый, величиной в несколько микрометров, МЭЗ, с одной стороны, может обеспечить бесстолкновительный режим работы ТЭП, с другой стороны, дает возможность получать достаточно высокие выходные параметры при нескомпенсированном пространственном заряде электронов. Пары цезия в этом случае обеспечивают снижение работы выхода электродов. Создание ТЭП со столь малыми зазорами связано с преодолением технических трудностей.

Известен ТЭП с малым межэлектродным зазором (2,5-25 мкм), который обеспечивается размещением слоя тонкого порошка из изолирующего теплостойкого материала между плоскими поверхностями эмиттера и гибкого коллектора, который поджимается к эмиттеру давлением теплоносителя с внешней стороны коллектора (пат. США N 3138725; НКИ 310-4; МКИ Н 01 J 45/00; опубл. 23.06.64). Такой ТЭП обладает очень низким КПД ввиду того, что выполнение коллектора в виде деформируемой металлической мембраны требует размещения в МЭЗ большого количества частичек порошка, которые уменьшают свободную площадь электродов, а тепловые перетечки через них оказываются слишком велики.

Известен ТЭП, содержащий эмиттерную и коллекторную стенки, образующие вакуумированный корпус, с расположенными внутри него эмиттером и коллектором. Между коллектором и коллекторной стенкой расположена толстостенная керамическая пластина. Цилиндрические дистанционаторы установлены в сквозных отверстиях, выполненных в пластине и коллекторе, и одним концом жестко скреплены с эмиттером, а другим с коллекторной стенкой (пат. США N 3176164; НКИ 310-4; МКИ Н 01 J 45/00; опубл. 30.03.65). Известен также ТЭП аналогичной конструкции, но в котором каждый дистанционатор закреплен в углублении, выполненном соответственно на поверхности эмиттера и коллектора, и размещен параллельно плоскости электродов. Дистанционаторы расположены парами, взаимоперпендикулярно друг другу (пат. США N 3176164; НКИ 310-4; МКИ Н 01 J 45/00; опубл. 30.03.65 и пат. США N 3264512; НКИ 310/4; МКИ Н 01 J 45/00; опубл. 02.08.66). Величина МЭЗ в известных ТЭП может составлять 5 мкм, но их эксплуатационная надежность крайне низка. Содержание электродов по своим наружным поверхностям пайкой с толстостенными керамическими пластинами вызывает возникновение термодеформаций в соединенных деталях из-за разницы коэффициентов термического расширения материалов, из которых они изготовлены. Термодеформации, возникающие в таких конструкциях, могут быть соизмеримы с величиной МЭЗ или превышать ее, что в свою очередь приводит к замыканию электродов, нарушению контактов между дистанционаторами.

Известен ТЭП, содержащий вакуумированный корпус, образованный эмиттерной и коллекторной стенками, и размещенные внутри него электродные пары. Множество коллекторов, имеющих небольшой диаметр, закреплено в коллекторной стенке, выполненной из электроизоляционного материала. Смежно с коллекторами между ней и эмиттерной стенкой на некотором расстоянии от последней размещены эмиттеры так, чтобы принимать лишь тепловое излучение. Малый МЭЗ (10-100 мкм) образуется при нагреве эмиттеров и линейном расширении проводящих элементов, являющихся частью эмиттеров и расположенных также в коллекторной стенке. При этом проводящие элементы эмиттеров могут быть выполнены в виде пружин, а зазор частично заполнен электроизоляционным материалом [1] Конструкция такого ТЭПа обладает недостаточной устойчивостью, неравномерные температурные поля при малых МЭЗ отрицательно сказываются на его работоспособности. Кроме того, тепловые перетечки через проводящие элементы снижают эффективность работы преобразователя.

Известен ТЭП с малым МЭЗ, содержащий вакуумированный корпус, образованный эмиттерной и коллекторной стенками и отделяющим их друг от друга изолятором, размещенные в корпусе плоские эмиттеры и коллекторы, в углублениях которых размещены дистанционаторы из изолирующего теплостойкого материала с коэффициентом термического расширения (КТР) большим, чем КТР материала коллектора, и отделенные от коллекторной и эмиттерной стенок упругодеформируемыми элементами. В качестве упругодеформируемых элементов используются слои, образованные набором металлической фольги, сеток или войлока [2] Силовая развязка электродов в известном ТЭП от остальных элементов его конструкции осуществляется при помощи термоупругих элементов, усилия поджатия которых регулируются на стадии технологической сборки ТЭП, что не всегда обеспечивает надежное дистанционирование и компенсацию влияния технологических допусков и термомеханических изменений размеров конструкционных элементов. Кроме того, в местах контакта упомянутых выше термоупругих элементов с эмиттерной и коллекторной стенками вследствие сопротивления возникают большие электрические потери, а градиент температур между электродами и соответствующими стенками может составлять более 150-200^oС, что отрицательно сказывается на эффективности работы ТЭП.

Перед авторами стояла задача создания низкотемпературного ТЭП с малым межэлектродным зазором с обеспечением силовой развязки электродов от тепловых деформаций конструкции преобразователя, обладающего хорошей эксплуатационной надежностью и эффективностью.

Для решения задачи предложен ТЭП, содержащий вакуумированный корпус, образованный эмиттерной и коллекторной стенками и отделяющим их друг от друга изолятором, размещенные в корпусе и образующие электродные пары плоские эмиттеры и коллекторы, в углублениях последних размещены дистанционаторы из изолирующего теплостойкого материала и они отделены от коллекторной стенки упругодеформируемыми элементами, при этом между коллекторной и эмиттерной стенками дополнительно установлен сепаратор с выполненными в нем по количеству электродных пар отверстиями, в каждом из которых размещен упомянутый упругодеформируемый элемент, выполненный в виде мембраны и герметично соединен с ним по своему наружному контуру, разделяющие вместе с сепаратором вакуумированный корпус на две полости, а между мембранами и коллекторной стенкой с зазором по отношению к последней установлены теплоотводы, жестко связанные с соответствующими коллекторами через центральную часть мембран. Эмиттерная и коллекторная стенки могут быть выполнены в виде плоских пластин или же коаксиальных цилиндров.

Внутри ТЭП между эмиттерной стенкой и сепаратором в вставленными в него мембранами сформирована полость, в которую подаются пары цезия для снижения работы выхода электродов. Каждый из коллекторов через центральную часть соответствующей гибкой тонкостенной мембраны жестко соединен с обеспечением теплового контакта со своим теплоотводом. Каждая из мембран помещена в соответствующее отверстие сепаратора и герметично соединена с ним по своему наружному контуру. Таким образом, коллекторы и теплоотводы, расположенные на гибких мембранах, имеют степени свободы, дающие возможность компенсировать осевые и угловые технологические погрешности, а также термомеханические деформации конструкционных элементов ТЭП, что необходимо при столь малом межэлектродном зазоре. Полость, образованная между теплоотводами и коллекторной стенкой, заполнена гелием, который выполняет две функции. Во-первых, через гелиевый зазор между теплоотводами и коллекторной стенкой отводится тепло от коллекторов ТЭП к теплоносителю, проходящему с внешней стороны коллекторной стенки. Во-вторых, для стабильного получения МЭЗ величиной несколько микрометров, необходимо силовое поджатие коллекторов к эмиттерам, которое осуществляется давлением газа через гибкие мембраны. При этом компенсируются технологические погрешности и термомеханические деформации конструкционных элементов ТЭП, а рабочая поверхность каждого коллектора, имеющего степени свободы на гибкой мембране, располагается параллельно поверхности соответствующего эмиттера и, равномерно опираясь на все дистанционаторы, образует при рабочих температурах зазор 3-4 мкм.

Выполнение эмиттерной и коллекторной стенок в виде коаксиальных цилиндров или в виде плоских пластин позволяет расширить область применения ТЭП. На фиг. 1 изображен ТЭП в разрезе, эмиттерная и коллекторная стенки которого выполнены в виде коаксиальных цилиндров; на фиг. 2 сечение А А фиг. 1; на фиг. 3 ТЭП в разрезе, эмиттерная и коллекторная стенки которого выполнены в виде плоских пластин; на фиг. 4 сечение А-А фиг. 3.

ТЭП, изображенный на фиг. 1, состоит из корпуса, образованного эмиттерной 1 и коллекторной 2 стенками, выполненными в виде коаксиальных цилиндров и содержит плоские эмиттеры 3 и коллекторы 4, образующие электродные пары. Между каждой электродной парой размещены дистанционаторы 5, которые одним концом закреплены в углублениях, выполненных на поверхности коллектора, а торцы других концов размещены на одном уровне с поверхностью коллектора и так же как и эта поверхность, находятся в контакте с поверхностью эмиттера. Эмиттеры припаяны к эмиттерной стенке с обеспечением надежного теплового контакта. 12 электродных пар, размещенных на эмиттерной стенке в 3 ряда по 4 электродных пары в ряду, электрически скоммутированы параллельно. В составе ТЭП каждый коллектор через центральную часть соответствующей мембраны 6 припаян с обеспечением теплового контакта к соответствующему теплоотводу 7, а мембрана помещена в отверстие сепаратора 8, представляющего собой цилиндрическую трубку с 12 радиальными отверстиями, и соединена с ним пайкой по своему наружному круговому контуру. Сепаратор закреплен в коллекторной стенке и установлен в корпусе таким образом, что в нем образуются две полости. Рабочая полость 9, сформированная между эмиттерной стенкой и сепаратором с вставленными в него мембранами, замкнута на конце ТЭП сильфонно-гермовводным узлом 10, через который в нее подаются пары цезия и который электроизолирует эмиттерную и коллекторную стенки. Полость 11, образованная между сепаратором и коллекторной стенкой, заполнена гелием. Эмиттерный токовывод 12 соединен с эмиттерной стенкой, коллекторный токовывод 13 соединен с коллекторной стенкой. ТЭП с цилиндрическими коаксиально расположенными эмиттерной и коллекторной стенками конструктивно, в зависимости от требуемой выходной электрической мощности, может быть выполнен из необходимого количества скоммутированных по последовательно-параллельной схеме электродных пар, размещенных в общем корпусе и имеющих общую цезиевую и гелиевую полости.

При выполнении ТЭП с эмиттерной 1 и коллекторной 2 стенками в виде плоских пластин, как изображено на фиг. 3 и 4, сепаратор 8 также представляет собой пластину с выполненными в нем 7 сквозными отверстиями (по количеству электродных пар, размещенных на эмиттерной стенке, электрически скоммутированных параллельно). При этом исходя из соображений удобства компоновки электроды выполнены шестигранной формы. Пары цезия в рабочую полость 9 могут поступать, например, от автономного источника 14, размещенного в рабочей полости, в качестве которого может быть использован цезированный графит.

ТЭП работает следующим образом. При нагреве эмиттерной стенки 1, например, с помощью тепловой трубы, происходит нагрев эмиттеров 3 и далее коллекторов 4, мембран 6, теплоотводов 7. Через гелиевый зазор 11 между теплоотводами и коллекторной стенкой 2 тепло отводится от коллекторов к теплоносителю, проходящему с внешней стороны коллекторной стенки, которая в свою очередь охлаждается. За счет разницы коэффициентов термического расширения материалов дистанционаторов 5 и электродов происходит удлинение дистанционаторов, которые давят на поверхность эмиттера. При этом рабочая поверхность коллектора, имеющего степени свободы на гибкой мембране, располагается параллельно поверхности эмиттера и, равномерно опираясь на все дистанционаторы, образует при рабочих температурах малый межэлектродный зазор, величина которого стабильна благодаря силовому поджатию коллектора к эмиттеру, которое осуществляется и регулируется давлением гелия через гибкую мембрану. В межэлектродный зазор для получения необходимой работы выхода через полость 9, образованную внутри ТЭП между эмиттерной стенкой 1 и сепаратором 8 с вставленными в него мембранами 6 через узел 10, подаются пары цезия. ТЭП может быть выполнен с использованием стандартного оборудования и известных технологических приемов.

Формула изобретения

1. Термоэмиссионный преобразователь с малым межэлектродным зазором, содержащий вакуумированный корпус, образованный эмиттерной и коллекторной стенками и отделяющим их друг от друга изолятором, размещенные в корпусе и образующие электродные пары-плоские эмиттеры и коллекторы, в углублениях последних размещены дистанционаторы из изолирующего теплостойкого материала и отделены от коллекторной стенки упругодеформируемыми элементами, отличающийся тем, что между эмиттерной и коллекторной стенками дополнительно установлен сепаратор, разделяющий вакуумированный корпус на две полости, с выполненными в нем по количеству электродных пар отверстиями, в каждом из которых размещен упругодеформируемый элемент, выполненный в виде мембраны герметично соединенной по своему наружному контуру с плоским контуром стенок отверстия, а между мембранами и коллекторной стенкой с зазором по отношению к последней установлены теплоотводы, жестко связанные с соответствующими коллекторами через центральную часть мембран.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся те, что эмиттерная и коллекторная стенки выполнены в виде коаксиальных цилиндров.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттерная и коллекторная стенки выполнены в виде плоских пластин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4