СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕРМОЭМИССИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С МИКРОЗАЗОРОМ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую и может быть использовано при создании энергоустановок с относительно низкими рабочими температурами эмиттера и расположенными вне активной зоны ядерного реактора, в солнечных энергоустановках и нагреваемых за счет сгорания органического топлива.

Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) с микрозазором содержит плоские электроды в виде нагреваемого эмиттера и охлаждаемого коллектора, систему дистанционирования из керамического электроизолятора, токовыводы от эмиттера и коллектора, причем один или оба электрода электроизолированы от корпуса, в котором размещена эмиттерно -коллекторная сборка. В таком ТЭП реализуются межэлектродные зазоры (МЭЗ) менее 0,05 мм и получены плотности мощности более 1 Вт/см² при температуре эмиттера T_э менее 1450 K.

Известен способ эксплуатации ТЭП в дуговом режиме работы, при котором в МЭЗ создают условия для возникновения низковольтного дугового разряда [1] Для этого в МЭЗ подают пар цезия при давлении 0,5 10 мм рт.ст. При нагреве эмиттера ТЭП электроны, ускоренные на скачке потенциала у эмиттера термализуются, разогреваясь при этом до температуры 2800 3200 K. При столкновении этих электронов с атомами цезия в процессе термической ступенчатой ионизации образуются ионы и в МЭЗ возникает плазма, обеспечивающая прохождение тока от нагреваемого эмиттера к охлаждаемому коллектору. Такой ТЭП может работать при T_e 1500 2100 K и в зависимости от T_e, величины МЭЗ и других факторов и обеспечивает генерирование плотности электрической мощности 2 15 Вт/см² и выше. Такие ТЭП применялись в космических ядерно -энергетических установках (ЯЭУ) типа "Топаз".

Однако при эксплуатации ТЭП в дуговом режиме реализуются относительно низкие КПД (7 15%). Это связано с тем, что процесс термической ионизации требует разогрева всех эмиттированных электронов, что приводит к значительным потерям, в сотни раз превышающим необходимые для ионообразования энергетические затраты.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ эксплуатации ТЭП в кнудсеновском режиме работы преобразователя, описанный в [2] Для работы в таком режиме создаются условия, при которых средняя длина свободного пробега электронов 1 заметно превышает величину МЭЗ L, а генерация ионов происходит на поверхности эмиттера и практически не требует затрат энергии на ионообразование и на прохождение тока через МЭЗ. В таком режиме плотность проходящего тока j может быть близка к плотности тока эмиссии с эмиттера j_R, барьерный индекс B к работе выхода коллектора, Ф_c, а генерируемое напряжение к контактной разности потенциалов электродов Ф_e Ф_c, где Ф_e работа выхода эмиттера.

В принципе в таком режиме эксплуатации возможно получение высокого КПД, близкого к КПД идеального ТЭП. Однако для эффективности поверхностной ионизации требуется Ф_e примерно 3 эВ, при которой для получения j_R 5 15 А/см² необходимо иметь T_e, равную примерно 2000 К. Другое ограничение связано с требованием, чтобы длина свободного пробега электрона l заметно превышала L. Вследствие этого для типичных МЭЗ в 0,5 мм столкновения с атомами цезия ограничивают давление пара цезия P_Cs величиной 5•10^-2 мм рт.ст. а кулоновское рассеяние электронов ионами цезия ограничивает возможную величину плотности тока. Поскольку вакуумная работа выхода металлов лежит в интервале 4 5,5 эВ, кнудсеновский режим эксплуатации ТЭП с цезиевым наполнением может быть осуществлен при условиях
2,3 <T_e/T_r <3,8 (1)
T_e/T_r > 6,5 (2)
Нетрудно оценить, что при P_Cs 10^-2 мм рт.ст. (T_r 425 K) при T_e/T_r > 3,8 плотность тока эмиссии не превышает 10^-1 А/см², а при T_e/T_r > 6,5 температура эмиттера более 2600 К. Поэтому ТЭП в кнудсеновском режиме работы при заполнении МЭЗ лишь паром цезия всегда работает в неоптимальном перекомпенсированном режиме, при котором Ф_e велика, а плотность тока и КПД низки. Для уменьшения работы выхода эмиттера МЭЗ может быть заполнен смесью паров цезия и бария. Однако барий, адсорбируясь на коллекторе, повышает его работу выхода до 2,2 эВ, что приводит к снижению на 0,5 0,6 В по сравнению с цезиевым режимом работы внешнюю контактную разность потенциалов Ф_e-Ф_c и соответственно рабочее напряжение ТЭП. В результате КПД в таком режиме ниже, чем в чисто цезиевом режиме работы. Реально преимущества работы ТЭП в кнудсеновском режиме начинают проявляться при T_e выше 2300 К, что не позволяет использовать его в практике из-за отсутствия высокотемпературных источников тепла и материалов, сохраняющих длительную работоспособность при таких температурах.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности эксплуатации ТЭП в кнудсеновском режиме с высокими значениями плотности электрической мощности и КПД и приемлемой для практики температурой эмиттера.

Указанный технический результат достигается в способе эксплуатации ТЭП с микрозазором (10 30 мкм), включающем нагрев эмиттера и охлаждение коллектора и подачу пара цезия в МЭЗ, в котором давление пара цезия в МЭЗ должно соответствовать давлению насыщенного пара при температуре T_r, определяемой соотношением.

T_r <3740 / [6,78 lg (6•10^-3/l)] (3)
а рабочая температура эмиттера T_e выбрана из соотношения
T_e (T_r±20) • (0,71Ф_c 1,15) (4)
где T_e и T_r в K, а Ф_o вакуумная работа выхода материала эмиттера.

На чертеже представлены так называемые кривые Рейвора, определяющие значения работы выхода поверхностей металлов в паре цезия в зависимости от их вакуумной работы выхода Ф_o и отношения температуры поверхности T (в нашем случае T_e) к температуре цезиевого резервуара T_r. Пунктирная линия на этом рисунке соответствует условию a 1, когда достигается максимальная мощность кнудсеновского режима работы ТЭП. Здесь a - параметр компенсации объемного заряда, который в кнудсеновском режиме определяется соотношением
a (J_i/J_e)(M/m) (5)
где J_i плотность ионного тока, идущего с эмиттера, J_e - плотность тока электронной эмиссии, M/m отношение масс ионов (цезия) и электронов.

Выше пунктирной линии повышается ионная составляющая полного тока, ниже линии электронная составляющая.

Система кривых Рейвора при различных возможных значениях Ф_o тугоплавких металлов имеет участок, где линия a=1 пересекает их при условиях, которые соответствуют всем требованиям, позволяющим осуществить цезиевый кнудсеновский режим работы ТЭП с плотностью тока эмиссии 5 15 А/см² при относительно невысоких температурах эмиттера в 1700 2100^oK с использованием реально существующих тугоплавких эмиттерных материалов, имеющих вакуумную работу выхода 4,0 5,5 эВ.

Формула (3) получена из анализа кривых Рейвора (фиг.1) и погрешностью ± 20 K определяет конкретную температуру цезиевого резервуара T_r, при которой при заданных Ф_o и T_e выполняется условие a=1. Оценочная погрешность определяется погрешностью самих кривых Рейвора, а также оценочным характером проведенных расчетов. Отметим также, что при больше 1 в кнудсеновском режиме возникают колебания тока и для устойчивости необходимо работать в слегка недокомпенсированном режиме с a=1.

Формула (4) выражает требование к температуре T_r, обеспечивающей выполнение условий работы ТЭП в кнудсеновском режиме, когда l должна быть больше L. Длина свободного пробега электронов при их столкновениях с атомами определяется выражением, см:
L (6•10^-3)P_Cs. (6)
Влияние кулоновских столкновений при плотностях тока меньших 20 А/см² и L порядка нескольких десятков микрон незначительно и может не приниматься во внимание. Давление пара цезия в зависимости от T_r описывается приближенной формулой [3]
lg P_Cs 6,78 3740/T_r (7)
Подставляя выражения (6) и (7) в условие выполнения кнудсеновского режима работы (l немного больше L) получим формулу (4).

Эксплуатация ТЭП с микрозазором осуществляется следующим образом.

Зная Ф_o выбранного эмиттерного материала по (3) определяют необходимую температуру цезиевого резервуара, а затем по (4) и требуемую рабочую температуру эмиттера T_e. Повышая T_e и T_r до требуемых значений осуществляют эксплуатацию ТЭП с микрозазором в оптимальном кнудсеновском режиме.

Эффективность предложенного технического решения была проверена расчетным путем.

Получены расчетные значения плотности кнудсеновского режима работы ТЭП с микрозазором в 10 30 мкм, удовлетворяющим указанным выше требованиям при различных температурах эмиттера. Работа выхода коллектора принималась равной 1,55 эВ, работа выхода эмиттера рассчитывалась по кривым Рейвора, а уменьшение плотности тока вследствие редких столкновений рассчитывалось по формуле
J J_r [1 + 3L/(8l)] (8)
При температуре эмиттера в 1800 2000 К получены плотности мощности в 5 15 Вт/см² при КПД более 20%
Такой ТЭП может быть использован в качестве основы ядерных энергоустановок с расположенным вне активной зоны преобразователем блоком, солнечных энергоустановок с концентратором солнечной энергии и в энергоустановках, нагреваемых сгоранием органического топлива.

Назначения: изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую. Сущность изобретения: давление пара цезия в межэлектродном зазоре устанавливают равным равновесной температуре T_r[K], определяемой соотношением T_r < (3740/(6,78 - lg(6•10^-3/L), где L - величина межэлектродного зазора, мм, а рабочая температура эмиттера T_e[K] выбрана по выражению T_e = (T_r ± 20 К)•(0,71 Ф_o - 1,15), где Ф_o - вакуумная работа выхода материала эмиттера, В. 1 ил.

Способ эксплуатации термоэмиссионного преобразователя с микрозазором, включающий нагрев эмиттера, охлаждение коллектора и подачу пара цезия в межэлектродный зазор, отличающийся тем, что давление пара цезия в межэлектродном зазоре устанавливают равным давлению насыщенного пара при температуре T_r [K]
T_r < 3740/[6,78 lg(6•10^-3/L)]
где L величина межэлектродного зазора, мм,
а рабочая температура эмиттера T_e [K] выбрана из соотношения
T_e = (T_r ± 20 K)•(0,71 Ф_o - 1,15),
где Ф_o вакуумная работа выхода материала эмиттера, эВ.