ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ Российский патент 1999 года по МПК H01J45/00 G21D7/04 

Изобретение относится к технике преобразования тепловой энергии в электрическую, а более конкретно к прямому преобразованию тепла термоэмиссионным способом, и предназначено для использования в качестве источников электрической энергии в наземных и космических установках.

Известен термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий подогреваемый катод и охлаждаемый анод, разделенные межэлектродным зазором [1].

Недостатком известного преобразователя является низкий КПД из-за отсутствия возможности повторного использования тепла, выделяющегося на аноде.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектронный преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий катод, анод и формирователь магнитного поля [2].

Известное устройство также не обеспечивает генерации электрической энергии в преобразователе при температуре анода, большей температуры катода.

Задачей изобретения является обеспечение генерации электрической энергии в преобразователе при температуре анода, большей температуры катода, и использование тепла, выделяющегося на аноде, для подогрева катода предыдущего или последующего элемента.

Данная задача решается таким образом, что в термоэлектронном преобразователе тепловой энергии в электрическую, содержащем катод, анод и формирователь магнитного поля, катод выполнен в виде пластины, образованной последовательно расположенными участками выпуклой цилиндрической поверхности, анод выполнен в виде пластины, образованной последовательно расположенными участками вогнутой цилиндрической поверхности, на границах участков установлены экраны в виде плоских пластин, экранирующих дугу цилиндрической поверхности в диапазоне 15 - 90^o, причем формирователь магнитного поля расположен таким образом, что напряженность магнитного поля перпендикулярна поверхности электродов.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя, выполненного по данному изобретению; на фиг. 2 - траектории эмиттированных электронов и условия захвата электронов электродом; на фиг. 3 - схема для вычислений плотности тока; на фиг. 4 - характер изменения плотности тока по длине электрода.

Преобразователь работает следующим образом.

Рассмотрим электроны, эмиттированные в точке A, расположенной на вогнутой цилиндрической поверхности с радиусом R. Если бы точка A была расположена на наклонной поверхности, касательной к цилиндру в точке A, то, как известно, плотность тока с элемента поверхности в точке A равнялась бы j = j₀sinα, где α - угол наклона напряженности магнитного поля к эмиттирующей поверхности [2]. Однако в рассматриваемом случае дополнительно захватываются электроны, чья траектория проходит через область 1 (между граничными траекториями 1 и 2), и можно утверждать, что эффективный α_эфф1< α и соответственно j₁<j (j_o - плотность тока эмиссии).

Если точка A расположена на выпуклой поверхности, то захват электронов эмиттером снижается, так как граница участка электрода, который захватывает эмиттированные электроны, лежит ниже границы соответствующего плоского наклонного электрода с углом α к напряженности магнитного поля.

Если при плоском электроде электроны, проходящие через область II, захватываются эмиттером, то при выпуклом не захватываются и покидают электрод, т.е. α_эфф1< α, j₂>j>j₁
На участке соприкосновения двух смежных цилиндров размером r_Л, где r_Л - радиус Лармора, картина усложняется; однако, если их заэкранировать плоскими эмиттирующими пластинами из того же материала, то они не внесут дополнительной разницы в ток, так как компенсируют друг друга.

После уточнения действительного распределения тока одна из пластин в зависимости от соотношения с плотностью тока в центральной части может быть удалена.

Таким образом, если в термоэлектронном диоде в качестве электродов используются пластины, образованные участками с выпуклыми или вогнутыми поверхностями, то при наложении магнитного поля, перпендикулярного поверхности электродов, при равных температурах электродов в цепи появляется ток. Величина тока зависит от величины напряженности магнитного поля, т.е. определяется соотношением r_Л/R.

При малых r_Л/R величина зон I и II уменьшается и эффект также уменьшается; с ростом r_Л эффект увеличивается, однако, с приближением r_Л/R к 1 рассмотренная схема перестает быть правомерной.

При проведении оценки величины тока между изотермическими электродами для величины r_Л/R 0,2 средняя плотность тока составляет ≈ 0,2 j_o при экранировании дуги ϕ = 60 - 90^o; при экранировании дуги ϕ от 45 - 90^o результирующий ток уменьшается до ≈ 0,1 j_o.

Наличие тока в цепи термоэлектронного диода с одинаковыми потенциалами диода независимо от соотношения температур эмиттера коллектора является необходимым и достаточным условием для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Ситуация принципиально не меняется, если температура анода выше температуры катода, но не превышает некоторой критической температуры T_AKP > T_K.

При уровне температуры T_K = 1273K величина T_AKP может составлять 150K.

В этом случае тепло, выделяющееся на аноде, известными механизмами (теплопроводностью, лучеиспусканием) передается на катод своего или следующего элемента и повторно используется в цикле.

Литература
1. Маргулис Н.Д. Термоэлектронный (плазменный) преобразователь энергии. - Госатомиздат, 1961.

2. Shock A. Effect of magnetic fields of Thermionic power generator. J. Appl. Phys, 31, N 11, 1960, 1978 - 1981.

Использование: в качестве источников электрической энергии в наземных и космических условиях. Технический результат заключается в создании условия для повторного использования тепла, выделяющегося на аноде для подвода к катоду следующего за ним элемента. Термоэлектронный преобразователь содержит катод, выполненный из последовательно расположенных участков выпуклой цилиндрической поверхности, анод, выполненный из последовательно расположенных участков вогнутой цилиндрической поверхности, экранирующие пластины на границах участков цилиндрических поверхностей, формирователи магнитного поля, напряженность которого перпендикулярна поверхности электродов, причем температура анода выше температуры катода. 4 ил.

Термоэлектронный преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий катод, анод и формирователь магнитного поля, отличающийся тем, что катод выполнен в виде пластины, образованной последовательно расположенными участками выпуклой цилиндрической поверхности, анод выполнен в виде пластины, образованной последовательно расположенными участками вогнутой цилиндрической поверхности, на границах участков установлены экраны в виде плоских пластин, экранирующих дугу цилиндрической поверхности в диапазоне 45 - 90^o, причем формирователь магнитного поля расположен так, что напряженность магнитного поля перпендикулярна поверхности электродов.