ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1996 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэлектронным преобразователям энергии, к устройствам, в которых происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую, основанное на явлении термоэлектронной эмиссии.

Известен термоэмиссионный преобразователь (ТЭП), используемый как электрогенерирующий элемент для прямого преобразования тепла в электроэнергию, применяемый, например, в термоэмиссионных тепловыделяющих элементах (Твэлах) ядерных реакторов и содержащий цилиндрический эмиттер с размещенным вокруг него коллектором, покрытым снаружи коллекторной изоляцией [1]
В качестве недостатка известного ТЭП можно отметить его низкий КПД.

Известен термоэмиссионный преобразователь, содержащий цилиндрический коллектор из никеля, размещенный внутри цилиндрического эмиттера из вольфрама, узел подогрева эмиттера и устpойство для отвода тепла от коллектора в виде тепловой трубки с калиевым рабочим телом. Электрическая мощность устройства при температуре эмиттера 1450^оС составляет 100 Вт.

В качестве недостатка отметим, что КПД известного устройства не превышает 20% На величину КПД отрицательно влияют объемный заряд в межэлектродном зазоре, унос тепла с поверхности эмиттера излучением, теплопроводность через рабочее тело (цезиевый пар), теплопроводность через дистанционирующие детали, теплопроводность по проводникам, подсоединенным к эмиттеру, при введении газов (или паров) для снижения вследствие адсорбции работы выхода электронов требуются такие давления, которые в свою очередь создают препятствия для прохождения электронов через межэлектродный промежуток. Чем выше температура эмиттера, тем меньше влияние объемного заряда на плотность тока, но при этом возрастают потери тепла за счет излучения и теплопроводности. Существенно повысить плотность тока ТЭПа за счет уменьшения влияния объемного заряда, но без повышения температуры эмиттера, а за счет изменения геометрии электродов, и тем самым существенно уменьшить долю непроизводительных затрат тепла такова задача, решаемая изобретением.

Технический результат, который обеспечивает изобретение уменьшение непроизводительных затрат тепловой энергии на отрыв электрона от эмиттера, за счет чего можно значительно повысить КПД. Для достижения технического результата в устройстве электроды выполняются таким образом, что образуют сферу, внутри которой создается вакуум. Корпус генератора имеет при этом форму шара.

На фиг. 1 изображен рабочий элемент генератора; на фиг. 2 один из возможных вариантов технического решения подвода и отвода тепла к электродам.

Термоэлектронный генератор содержит подогреваемый эмиттер 1, охлаждаемый коллектор 2, изолирующую вставку 3 между ними из диэлектрика, которые образуют корпус, положительно заряженные ионы 4 кристаллической решетки металла электродов, электроны 5 и их траектории движения 6 в межэлектродном пространстве, охладитель коллектора 7 (воздушный проточный), нагреватель эмиттера 8 (газовая горелка), патрубок подвода холодного воздуха 9, трубопровод подачи газа 10, смеситель 11, распределительную камеру 12, туннели газовой горелки 13, теплообменник 14, патрубок отвода отработавших газов 15, рабочий элемент 16 генератора.

Генератор работает следующим образом.

Чем выше температура эмиттера 1, тем выше кинетическая энергия электронов 5, вылетающих из него, тем дальше от него они смогут удалиться и тем плотнее будет электронное облако над эмиттером (меньшим будет среднее расстояние между электронами в облаке).

Так как температура коллектора 2 меньше температуры эмиттера 1, то электронное облако над коллектором 2 будет значительно менее плотным и электроны из более плотного облака за счет сил взаимного отталкивания будут перемещаться в сторону коллектора. При короткозамкнутых электродах электроны, находясь внутри положительно заряженной сферы, образованной электродами, будут в равной степени притягиваться как к эмиттеру 1, так и коллектору 2 и все перемещения электронов 6 внутри сферы будут обусловлены силами взаимного отталкивания между электронами. Электроны, удаляясь от эмиттера, теряют свою кинетическую энергию, так как, отталкиваясь от других электронов, стремятся вернуться в эмиттер, но теряя кинетическую энергию, за счет уплотнения электронного облака приобретают потенциальную энергию, которая позволяет им достигать коллектора, эта же энергия при включенной во внешнюю цепь между коллектором и эмиттером нагрузке позволяет получать между электродами разность потенциалов.

Из изложенного следует, что значительная часть электронов в устройстве достигает коллектора без непроизвольных затрат кинетической энергии, связанных с отрывом электронов от положительно заряженного коллектора. Другая же часть, отталкиваясь от остальных электронов, возвращается в эмиттер.

КПД устройства зависит от соотношения площадей электродов, от того, насколько геометрические размеры соответствуют требуемым характеристикам генератора, и может быть значительно большим, чем 30%
Рабочий элемент предлагаемого генератора может содержать не один, а несколько эмиттеров, возможен вариант с несколькими коллекторами.

Простота устройства, возможность достижения высокого КПД могут позволить данному устройству найти широкое применение в народном хозяйстве. Энергетические установки, включающие в себя это устройство, за счет более высокого КПД могут стать наиболее экологически чистыми по сравнению с другими аналогичными преобразующими тепло в электроэнергию.

Назначение: термоэлектронное преобразование энергии. Сущность изобретения: в термоэлектронном генераторе электроды имеют вогнутую сферическую поверхность и образуют между собой межэлектродное пространство в форме шара для повышения КПД. 2 ил.

Термоэлектронный генератор, содержащий вакуумированный корпус, по меньшей мере по одному эмиттеру и коллектору, узел подогрева эмиттера и узел отвода тепла от коллектора, отличающийся тем, что эмиттер и коллектор выполнены с вогнутой сферической поверхностью, соединены через изолирующие слой и образуют внутреннюю поверхность корпуса, выполненного в виде шара.