ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ КАНАЛ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к области электроэнергетики, к ядерной космической энергетике.

Применение переменного тока в области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую становится эффективным при необходимости повысить напряжение. Наличие в электрогенерирующем канале (ЭГК) паров щелочных металлов ограничивает уровень напряжения 20-30 В. Возможно повышение напряжения за счет введения дополнительного слоя сухой изоляции на всех ЭГК, что существенно усложняет конструкцию. Другим путем является получение переменного тока непосредственно в электрогенерирующем элементе или инвертирование постоянного тока ЭГК с последующей трансформацией. Известны типы термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) с переменным током: на основе автоколебаний, с управлением полем в межэлектродном зазоре, с поджигом плазмы в межэлектродном зазоре от внешнего источника. Известны типы инверторов вне ТЭП и ЭГК: полупроводниковые, на полевом управлении свободными электронами, на поджиге плазмы между электродами.

В качестве аналога выбираем широко известное решение [1] основанное на поджиге плазмы внешним напряжением в межэлектродном зазоре одноэлементного ТЭП. Достоинством прототипа является минимальное напряжение на изоляции при возможности повышения на трансформаторе напряжения до нужного уровня. Недостатком прототипа является снижение КПД за счет утечек тепла в половине периода, когда нет плазмы, компенсирующей приэмиттерный запирающий заряд эмиттерных электронов; невозможность поджига плазмы в многоэлементных ЭГК из-за потребного, но недопустимого электропрочностью высокого напряжения; работа 1/2 периода.

В качестве прототипа выбираем двухполупериодные инверторы, не входящие в состав ТЭП или ЭГК, внешние для батареи преобразователей. Такой инвертор для батареи ТЭП может быть на любых переключающих элементах, в частности на высокотемпературных термоэмиссионных элементах [2] Недостатком этого направления является необходимость вводить дополнительные теплообменники для обеспечения работоспособности, что существенно усложняет конструкцию.

Предлагаемое изобретение суммирует достоинства прототипа и устраняет недостатки за счет размещения переключателей, например, на основе поджига плазмы в корпусе каждого ЭГК. В таком ЭГК элементы постоянно генерируют мощность, которую переключатели попеременно направляют в обмотки трансформатора. Нагрев, охлаждение переключателей схемно выполнены идентично основным электрогенерирующим элементам (ЭГЭ).

На чертеже представлена схема ЭГК переменного тока с ядерным нагревом. На чертеже обозначено: 1 кольцевые гермовводы переключающего элемента (ПЭ), отсекающие полость с ионизируемым газом в межэлектродном пространстве ПЭ, 2
оболочка ЭГК, 3 электроизоляция, 4 коллектор ЭГЭ постоянного тока, 5 - эмиттер ЭГЭ постоянного тока, 6 коммутация коллектора ЭГЭ постоянного тока с эмиттером переключающего элемента, 7 эмиттер-катод с ядерным топливом переключающего элемента, 8 цепь индуктивной нагрузки (первичная обмотка трансформатора), 9 цепь резистивной нагрузки (насос прокачки теплоносителя), 10 цепь индуктивной нагрузки (первичная обмотка трансформатора). ЭГК и ПЭ заключены в общую оболочку 2, от которой изолированы общим слоем электроизоляции 3. Катод-эмиттер 7, анод ПЭ выполнены аналогично катодам, анодам ТЭП (постоянного тока). Коммутация 6 выполнена идентично для всех элементов. Введение ПЭ создает возможность одновременно запитать от ЭГК три цепи нагрузки. Без снижения КПД возможна нагрузка двумя индуктивными цепями 8, 10.

Два переключающих элемента 7 расположены по краям ЭГК. В ПЭ попеременно, по 1/2 периода, поджигают плазму внешним источником. Время поджига напряжения около 15 В составляет около 3 мкс, после чего через переключающий элемент течет ток около 100 мкс [2] в течение которых происходит распад плазмы. Через индуктивную нагрузку 8, 10, соответственно, протекают импульсы тока, питающие трансформатор. При включении правого переключающего элемента ток от его коллектора поступает на нагрузку 10, проходит по коллектору левого переключающего элемента (элемент пассивен), по коммутации поступает в цепь ЭГЭ постоянного тока, проходит через правый переключающий элемент. После распада проводящей плазмы правого переключающего элемента ток через него прекращается, и поджигают плазму в левом переключающем элементе. Ток от эмиттера правого переключающего элемента (элемент пассивен) поступает через нагрузку 10 на эмиттер левого переключающего элемента, откуда через подожженную плазму проходит на коллектор, далее по цепи ЭГЭ постоянного тока на эмиттер 7 правого переключающего элемента, чем завершается цикл (период) двух импульсов тока.

Цепь резистивной нагрузки 9 можно включить (можно не включать) совместно с цепями индуктивных нагрузок при согласованном сопротивлении нагрузок всех цепей. Цепь резистивной нагрузки полезна для сглаживания пульсаций при переключении и используется для прокачки жидкометаллического теплоносителя. Применение переменного тока позволяет параллельное включение многих ЭГК, разгружает изоляцию 3.

Схема подвода электродов поджига разряда переключающих элементов не приведена, так как эти элементы не являются предметом заявки и могут иметь многие исполнения (диоды, триоды, вакуумные пентоды и т.д.). Минимум для некоторых схем (диод) возможна подача поджигающего импульса по цепи индуктивной нагрузки. В батарею ЭГК собирают параллельным включением, что повышает надежность схемы по электропробою. Предлагаемая схема представляет ПЭ подвод тепла для обеспечения эмиссии электронов и съем тепла, отданного электронами на коллекторе переключателя. Потребный ядерный нагрев эмиттеров переключающих элементов определяет пропускаемый ток и работа выхода, отвод тепла от коллектора определяет ток и работа выхода коллектора. Возможны конкретные решения переключающих элементов с поглощением или генерацией электроэнергии в этих элементах.

Предлагаемая конструкция ЭГК переменного тока имеет преимущества перед известными конструкциями по КПД, удельной мощности, по подводу и отводу тепла к переключающим элементам.

Пример осуществления работы ЭГК на высокой частоте. Количество ЭГЭ в ЭГК может достигать 15-20 шт, что создает опасность пробоя в одиночном ЭГК. Чисто электронные, вакуумные, переключатели могут работать с мегагерцевой частотой, при управляющих напряжениях ниже напряжения холостого хода многоэлементного ЭГК. Пробой изоляции происходит за время миллисекунд. Переключение осуществляют с периодом меньшим, чем время развития пробоя, причем допустима одновременность работы всех цепей нагрузки, что периодически снижает напряжение в ЭГК и препятствует развитию пробоя.

Пример контроля работоспособности ЭГК электрическим разогревом эмиттеров. Предлагаемую конструкцию нагревают до температуры выше 900 К, заполняют цезием, подают от внешнего источника ток с коллектора на эмиттер, достигают проектную температуру эмиттера, прекращают нагрев, снимают контрольную вольт-амперную характеристику. Нагрев эмиттеров ЭГК предлагаемой конструкции ведут со скважностью по току с частотой, исключающей загорание дуг между катодом и анодом ЭГЭ.

Использованные источники:
1. Rasor N. 5P.211ECEL N.Y. 1986 Rep. n 869305.

2. А.А. Богданов, В.А.Жеребцов и др. ЖТФ, 1981, т. 51, N 4, с. 731-735.

Использование: термоэмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическую. Сущность изобретения: в электрогенерирующем термоэмиссионном канале переменного тока, содержащем переключающие элементы и электрогенерирующие элементы, переключающие элементы расположены на концах электрогенерирующего канала в общем корпусе, соединены последовательно с электрогенерирующими элементами постоянного тока, причем индуктивная нагрузка подключается соответственно к катодам и/или анодам переключающих элементов, резистивная нагрузка подключается к катоду и аноду переключающих элементов постоянно скоммутированным с электрогенерирующими элементами постоянного тока. Полученный результат заключается в повышении КПД и удельной мощности. 1 ил.

Электрогенерирующий термоэмиссионный канал переменного тока, содержащий переключающие элементы и электрогенерирующие элементы постоянного тока, отличающийся тем, что переключающие элементы расположены на концах электрогенерирующего канала в общем корпусе, соединены постоянно последовательно с электрогенерирующими элементами постоянного тока, причем индуктивная нагрузка подключена к катодам и/или анодам переключающих элементов, резистивная нагрузка подключена к катоду и аноду переключающих элементов.