ТЕРМОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ СБОРКА Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих сборок (ЭГС) термоэмиссионного реактора-преобразователя.

Известна коаксиальность ЭГС с цилиндрической конфигурацией электродов, (1).

Однако в такой схеме вследствие технологических допусков, насоосности, возможных изгиба реально трудно реализовать межэлектродные зазоры (МЭЗ) менее 0,25 мм, что ограничивает повышение эффективности таких ЭГС.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ЭГС с плоскоцилиндрическими ЭГС (2). Такая ЭГС содержит последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГС, состоящие из топливо-эмиттерных узлов, выполненных в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцевых поверхностей которых служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя энергии (ТЭП), коллекторов, выполненных в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и наружный чехол.

В таком ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов генерирование электроэнергии происходит как в кольцевом МЭЗ, образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора, так и в плоском зазоре, образованном торцевой частью эмиттерной оболочки и основанием коллектора. Благодаря тому, что плоский МЭЗ по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального, при одинаковых температурах плотность электрической мощности увеличивается с уменьшением МЭЗ. Поэтому такой ЭГС может быть высокоэнергонапряженным. Однако в связи с тем, что непреобразованное тепло термодинамического цикла, выделившееся на плоской части коллектора, должно теплопроводностью переноситься к боковой части коллектора (для последующего съема тепла с чехла ЭГС), на плоской части коллектора возникает градиент температур, который тем выше, чем больше плотность электрической мощности.

В результате отклонения температуры плоской части коллектора от оптимальной плотность генерируемой мощности снижается, а температура эмиттера повышается.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность получения высоких плотностей электрической мощности на плоской части ЭГЭ без перегрева коллектора и соответствующего ухудшения эффективности преобразования.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионной ЭГС, содержащей последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГЭ, состоящие из топливо-эмиттерных узлов, выполненных в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцевых поверхностей которых является эмиттером ТЭП, коллекторов, выполненных в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и чехол, в которой плоская часть коллектора выполнена в виде тепловой трубы, а в качестве рабочего тела тепловой трубы использован натрий.

На чертеже изображена конструкционная схема ЭГС.

ЭГС состоит из отдельных ЭГЭ, каждый из которых содержит топливо-эмиттерный узел 1, в котором боковая 2 и одна из торцевых частей 3 служат эмиттером ТЭП, коллектор в виде цилиндрической оболочки 4 и плоского основания 5, коммутационную перемычку 6, с помощь которой производится последовательное соединение ЭГЭ и дистанционаторы 7 и 8, обеспечивающие поддержание соответствующей величины коаксиального 9 и плоского 10 МЭЗ, ЭГЭ через слой коллекторной изоляции 11 размещены внутри корпуса (чехла) 12. Плоская часть 5 коллектора выполнена в виде тепловой трубы, которая содержит фитиль 14 и паровой объем 15, причем часть 16 тепловой трубы является зоной испарения, а часть 17 зоной конденсации.

ЭГС работает следующим образом.

Тепло, выделяющееся при делении ядер урана внутри топливно-эмиттерного узла 1, подается на цилиндрическую 2 и плоскую 3 части эмиттера и далее в МЭЗ 9 и 10, заполненные паром цезия, часть его преобразуется в электроэнергию. Непреобразованная часть тепла попадает на цилиндрическую 4 и плоскую 5 части коллектора. С цилиндрической части 4 коллектора тепло через слой коллекторной изоляции 11 передается чехлу 12, с которого тепло снимается теплоносителем. Возможен съем с чехла 12 через специальную систему теплосброса, на чертеже не показанную. С плоской части 5 коллектора тепло попадает в фитиль 14, зоны испарения 16 тепловой трубы, где рабочее тело тепловой трубы, например натрий, испаряется и потоком пара в паровом объеме 15 переносится в зону конденсации 17 тепловой трубы, где пар при конденсации в фитиле 14 отдает тепло цилиндрической части 4 коллектора, с которой тепло через коллекторную изоляцию 17 и чехол 12 снимается теплоносителем.

Коммутация ЭГЭ с помощью коммутационных перемычек 6 в последовательную цепь позволяет повысить напряжение, генерируемое ЭГС. Генерируемая ЭГС мощность снимается с помощью токовыводов, соединяющих крайние ЭГЭ с внешней нагрузкой (на чертеже не показано).

Благодаря выполнению плоской части коллектора 5 в виде тепловой трубы радиальный перенос непреобразованной теплоты термодинамического цикла осуществляется практически без перепада температур, в результате чего плоская часть коллектора является почти изотермичной то снижает потери мощности за счет влияния "горячего коллектора" плоской части.

Это, в свою очередь, повышает энергетическую эффективность и цилиндрической части 4 коллектора за счет уменьшения аксиального градиента температур цилиндрической части 4. Использование натрия в качестве рабочего тела тепловой трубы, давление пара которого при рабочих температурах коллектора невелико, приводит к тому, что утолщение плоской части коллектора относительно цилиндрической части будет небольшим и тем самым обе части коллектора будут равнопрочными и одинаково высокоэффективными. Кроме того, в такой конструкции плоскоцилиндрического ЭГЭ снижается вероятность поджига "обратного" разряда (электронного тока с коллектора на эмиттер) и тем самым возникновения короткого замыкания электродов по цезиевой плазме с потерей мощности элемента.

Назначение: термоэмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическую. Сущность изобретения: в сборке термоэмиссионных электрогенерирующих элементов, каждый из которых содержит топливо-эмиттерный узел в виде короткого цилиндров, боковая поверхность и одна из торцевых поверхностей которого являются эмиттером, и коллектор, выполненный в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, последнее выполнено в виде тепловой трубы, а в качестве рабочего тела тепловой трубы использован натрий. 1 ил.

Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка, содержащая последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек электрогенерирующие элементы, состоящие из топливно-эмиттерных узлов, выполненных в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцевых поверхностей которых служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя, коллекторов, выполненных в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, и общие для всех электрогенерирующих элементов коллекторную изоляцию и чехол, отличающаяся тем, что плоское основание коллектора выполнено в виде тепловой трубы, а в качестве рабочего тела тепловой трубы использован натрий.