Термоэмиссионный преобразователь

 

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в преобразователях (ТЭП) с малым (менее 30 мкм) межэлектродным зазором (МЭЗ). Техническим результатом является увеличение удельной мощности и КПД. Термоэмиссионный преобразователь содержит электроды - эмиттер и коллектор с плоскими рабочими поверхностями, между которыми расположены дистанционаторы из электроизолирующего материала, причем эмиттер соединен с системой подвода тепла, а коллектор - с системой отвода непреобразованного тепла, в одном или в обоих электродах со стороны боковой поверхности выполняют наклонную проточку по направлению к рабочей поверхности, причем глубина проточки составляет 0,1 - 0,8 от полуширины рабочей поверхности, расстояние от начала проточки до рабочей поверхности не менее 0,2 от высоты электрода, а угол наклона находится в диапазоне 2-50^o. 1 ил.

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в преобразователях (ТЭП) с малым (менее 30 мкм) межэлектродным зазором (МЭЗ).

Известен ТЭП, содержащий два плоских проводящих электрода - эмиттер и коллектор, взаимно изолированных и установленных в вакуумно-плотном корпусе с малым зазором относительно друг друга (0.025 = 0.25 мм). Пространство между эмиттером и коллектором заполнено парами легкоионизирующегося щелочного металла, например цезия, рубидия или натрия. Коллектор выполнен в виде деформируемой металлической мембраны. В качестве дистанционаторов МЭЗ используются тонкоизмельченные частички из изолирующего теплостойкого материала. Охлаждение коллектора осуществляется за счет пропускания снаружи его потока жидкости или газа (см. патент ФРГ N 2932226, НКИ 21 29/00, МКИ H 01 опубл. 10.10.1969 г.).

Недостаток известного ТЭП заключается в том, что выполнение коллектора в виде деформируемой металлической мембраны требует размещения в МЭЗ большого числа дистанционаторов, что уменьшает рабочую площадь электродов и увеличивает перетечку тепла через дистанционаторы и в результате снижает эффективность ТЭП.

Наиболее близким техническим решением к изобретению, по технической сущности - прототипом, является ТЭП, включающий плоские эмиттер и коллектор, размещенные при холодном состоянии ТЭП контактно друг с другом по своим поверхностям и образующие пакет со свободными торцами, причем дистанционаторы закреплены своими торцами в углублениях на поверхности коллектора, заподлицо с ней и выполнены с возможностью термического удлинения при нагреве на величину межэлектродного зазора (см. Николаев Ю.В., Васильченко А.В., Еремин С.А. и др. Основные проблемы создания низкотемпературного ТЭП с малым межэлектродным зазором - Вторая отраслевая конференция "Ядерная энергетика в космосе". Физика термоэмиссионных преобразователей энергии, сб. докладов, Сухуми, 1991 г.).

Однако неизотермичность электродов, связанная с неизбежным падением температуры в направлении потока тепла, приводит к изгибу электродов. Это вынуждает ограничивать диаметр электродов и увеличивать межэлектродный зазор, что приводит к уменьшению выходных параметров преобразователя.

Задачей авторов является повышение удельной мощности, коэффициента полезного действия и эксплуатационной надежности ТЭП путем уменьшения термодеформации электродов.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают в термоэмиссионном преобразователе, содержащем электроды - эмиттер и коллектор с плоскими рабочими поверхностями, между которыми расположены дистанционаторы из электроизолирующего материала, причем эмиттер соединен с системой подвода тепла, а коллектор - с системой отвода непреобразованного тепла, в одном или в обоих электродах со стороны боковой поверхности выполнить наклонную проточку по направлению к рабочей поверхности, причем глубина проточки составляет 0,1 - 0,8 от полуширины рабочей поверхности, расстояние от начала проточки до рабочей поверхности не менее 0,2 от высоты электрода, а угол наклона находится в диапазоне 2 - 50^o.

При выполнении проточки, как показали расчетно-экспериментальные исследования, распределение температуры в объеме заявляемых электродов при их эксплуатации в ТЭП отличается от соответствующего распределения в сплошных электродах. В сплошных электродах прогиб определяется теплофизическими свойствами материала электродов и плотностью проходящего через электрод потока тепла. При этом менее нагретый торец электрода вогнут. Выполнение проточки со стороны боковой поверхности электрода приводит к некоторому перегреву его центра по сравнению с краями, что уменьшает вогнутость менее нагретой торцевой поверхности и соответственно уменьшает прогиб электрода. Кроме того, при выполнении наклонной проточки жесткость части электрода, расположенной между проточкой и рабочей поверхностью возрастает от центра к краям, что существенно уменьшает прогиб электрода.

Выполнение глубины проточки менее 0,1 от полуширины рабочей поверхности, как показали исследования, практически не приводит к уменьшению прогиба электродов. Выполнение глубины проточки более 0,8 от полуширины рабочей поверхности существенно понижает жесткость электрода, что может привести к его разрушению. Если расстояние от начала проточки до рабочей поверхности будет меньше 0,2 от высоты электрода, то жесткость части электрода между проточкой и рабочей поверхностью также будет недостаточной для обеспечения необходимой прочности электрода.

При выполнении угла наклона проточки к рабочей поверхности менее 2^o жесткость части электрода между проточкой и рабочей поверхностью незначительно повышается от центра к краям, поэтому прогиб рабочей поверхности электрода при этом уменьшается мало. При выполнении угла наклона проточки более 50^o, как показали исследования, прогиб электрода уменьшается не существенно. Кроме того, при больших углах наклона не удается добиться необходимой глубины проточки в габаритных размерах электрода.

На чертеже представлен цилиндрический катод ТЭП, h - глубина проточки, l - расстояние от начала проточки до рабочей поверхности, α - угол наклона проточки.

Пример конкретного исполнения.

Электроды ТЭП имеют цилиндрическую форму, диаметр рабочей поверхности составляет 17 мм, высота электродов - 9,5 мм. Электроды выполняют из молибдена, дистанционаторы - из керамики на основе Al₂O₃. Дистанционаторы пайкой закрепляют в углублениях коллектора. Наклонную кольцевую проточку выполняют на расстоянии 4 мм от рабочей поверхности на глубину 5,5 мм, угол наклона проточки к рабочей поверхности составляет 22^o.

Расчетные оценки показывают, что при этих геометрических размерах и потоке тепла 33,4 Вт/см², прогиб поверхности электродов не превышает 0,5 мкм, что более чем в два раза меньше прогиба поверхности электродов прототипа.

В сравнении с прототипом, в котором минимально допустимое значение межэлектродного расстояния составляет 5 мкм, уменьшение МЭЗ до 4 мкм даст выигрыш в удельной мощности 30% и увеличение КПД на 1,5%. Дополнительное увеличение КПД на 1,5% дает уменьшение доли потока тепла через дистанционаторы в общем потоке тепла и уменьшение скважности. Уменьшается также вероятность короткого замыкания электродов.

Достаточно простая технология изготовления заявляемых ТЭП позволяет получать изделия на базе промышленно освоенных производств.

Формула изобретения

Термоэмиссионный преобразователь, содержащий электроды-эмиттер и коллектор с плоскими рабочими поверхностями, между которыми расположены дистанционаторы из электроизолирующего материала, причем эмиттер соединен с системой подвода тепла, а коллектор - с системой отвода непреобразованного тепла, отличающийся тем, что в одном или в обоих электродах со стороны боковой поверхности выполнена наклонная проточка по направлению к рабочей поверхности, причем глубина проточки составляет 0,1 - 0,8 от полуширины рабочей поверхности, расстояние от начала проточки до рабочей поверхности не менее 0,2 от высоты электрода, а угол наклона находится в диапазоне 2 - 50^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1