ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую посредством термоэлектронной эмиссии, в частности к получению электроэнергии испарением электронов в сильно разреженный газ или вакуум за счет тепла газов, образующихся при сжигании топлива, и может быть использовано на электростанциях, в металлургии, транспорте и других отраслях промышленности.

Известен термоэмиссионный элемент, состоящий из вакуумной камеры, внутри которой расположен катод ненакаливаемого типа и токосъемный электрод сетчатой конструкции, на наружной стороне вакуумной камеры расположен анод, корпус вакуумной камеры выполнен из материала, не проводящего электрический ток, наружную поверхность катода термически соединяют с источником преобразуемого тепла, токосъемный электрод расположен под анодом с возможностью периодического подключения к конденсатору, накапливающему электрическую энергию, начало эмиссии вызывают при помощи вспомогательного стартового катода [патент RU N 2087990, МПК 6 H 01 J 45/00, 1997 г.]. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляют путем эмиссии электронов с катода за счет его нагревания от внешнего источника, движение полученного потока электронов в вакууме направляют в сторону охлаждаемого анода через межэлектродное пространство за счет создания электрического поля, при этом катод выполняет функцию эмиттера, а токосъемный электрод функцию коллектора. Создаваемое электрическое поле позволяет компенсировать объемный заряд электронов у эмиттера и получить ток насыщения между эмиттером и коллектором. Полезная работа во внешней цепи совершается за счет кинетической энергии электронов, покидающих поверхность эмиттера.

В известном термоэмиссионном элементе лишь незначительная доля тепла, подводимого к нему, преобразуется в электрическую энергию. Основная его доля бесполезно рассеивается в окружающей среде. Это приводит к тому, что известный термоэмиссионный элемент малоэффективен.

Энергия теплового потока при следовании через термоэмиссионный элемент частично расходуется на совершение работы выхода электронами, покидающими эмиттер. При этом только некоторая часть энергии, затраченной на совершение работы выхода, преобразуется в электрическую и выделяется на нагрузке. Оставшаяся часть энергии теплового потока через излучение с поверхности эмиттера передается на коллектор, нагревая его. "Испарившиеся" с эмиттера электроны, преодолевая по инерции и под воздействием электрического поля межэлектродное пространство, "конденсируются" на коллекторе. Тепло "конденсации" также вызывает нагрев коллектора. Отводимое от коллектора тепло рассеивается в окружающую среду. Однако в известном термоэмиссионном элементе затруднен отвод тепла с коллектора, т.к. он осуществляется посредством теплового излучения с поверхности коллектора через вакуум, что возможно лишь при значительной температуре поверхности коллектора. При этом коллектор имеет сравнительно высокую температуру и с нагретого коллектора происходит "испарение" электронов, движение которых направлено навстречу основному потоку электронов, движущихся от эмиттера к коллектору. Наличие встречного потока электронов приводит к тому, что в известном термоэмиссионном элементе существенно снижается эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую и значение коэффициента полезного действия (КПД) не превышает 10%.

Известен термоэмиссионный элемент, где эмиттер и коллектор размещены внутри вакуумной камеры и выполнены в виде металлических пластин, расположенных параллельно друг другу, при этом эмиттер покрыт слоем оксидов щелочно-земельных металлов [Ворончев Т.А., Соболев В.Д. Физические основы электровакуумной техники. - М.: Высшая школа, 1967, с. 181].

Использование известного термоэмиссионного элемента позволяет повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую за счет снижения работы выхода электронов из эмиттера, покрытого слоем оксидов металлов, однако его КПД также недостаточно высок и не превышает 20%. Отводимое от коллектора тепло, передаваемое эмиттером через межэлектродное пространство, и тепло "конденсации" электронов также бесполезно рассеиваются в окружающей среде.

Для повышения КПД термоэмиссионного элемента, известен прием возврата тепла, излучаемого от эмиттера на коллектор, обратно на эмиттер. Так например, известен термоэмиссионный элемент, где внутри герметичного кожуха параллельно друг другу размещены катод, выполняющий функцию эмиттера, и анод, выполняющий функцию коллектора, последний выполнен прозрачным для теплового излучения и снабжен тепловым экраном, отражающим тепловой поток обратно на эмиттер. Коллектор выполнен, например, из сапфира и покрыт тонким прозрачным слоем металла, а тепловой экран выполнен из теплоизоляционного материала [Fitzpatrick Garyo, Allen Paniel T "Termoionie converter: normal and transparent collectors", Ptoc. 25-th Intersoc. Energy Convers. Eng. Conf., Reno, Nev. , Aug. 12 - 17, 1990: IECEC-90 vol. 2, New York (N.Y.), 1990, p. 283-289].

Использование теплового экрана позволяет возвращать лучистую тепловую энергию обратно на эмиттер. Это увеличивает эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую за счет уменьшения количества тепла, бесполезно рассеиваемого в окружающей среде, и позволяет повысить КПД термоэмиссионного элемента до 40%.

Наиболее близким к предлагаемому является термоэмиссионный элемент, содержащий эмиттер, нагреваемый до температуры эмиссии и имеющий эмиссионную поверхность и противоположную поверхность, и держатель коллектора, последний выполнен прозрачным в видимой и инфракрасных областях спектра, несущая поверхность держателя расположена рядом с эмиссионной поверхностью и параллельна ей, держатель имеет обратную поверхность, обращенную в сторону, противоположную эмиттеру, на несущую поверхность нанесен коллектор, выполненный в виде электропроводной пленки, между эмиттером и коллектором образован зазор эмиттер - коллектор, при этом коллектор и эмиттер расположены в одном кожухе, обеспечивающем сохранение в зазоре эмиттер - коллектор управляемой атмосферы, на некотором расстоянии от обратной поверхности держателя и параллельно ей расположена коллекторная шина, соединенная электрически с коллекторной пленкой с помощью электрического проводника, а между обратной поверхностью держателя и коллекторной шиной и параллельно им размещен по меньшей мере один непрозрачный термоизолятор, размеры которого совпадают с размерами обратной поверхности держателя [патент US N 5028835, МКИ 5 H 01 J 45/00, 1991].

Известный термоэмиссионный элемент обеспечивает при его использовании в термоэмиссионном генераторе высокий КПД (около 40%). Однако в известном преобразователе затруднен отвод тепла от коллектора, т.к. отвод тепла осуществляется через тепловой экран, который обладает достаточно высоким термическим сопротивлением. Поэтому температура коллектора, улавливающего электроны, значительна, что приводит к тому, что с нагретого коллектора "испаряются" электроны, которые препятствуют осаждению электронов от эмиттера. Это снижает эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую в известном термоэмиссионном элементе.

Задача изобретения - повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую за счет повышения коэффициента полезного действия термоэмиссионного элемента.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый термоэмиссионный элемент состоит из герметичного кожуха, внутри которого размещены анод и катод, разделенные межэлектродным промежутком, тепловой экран и механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток, анод выполняет функцию коллектора, а катод функцию эмиттера, эмиттер и тепловой экран расположены у противоположных стенок кожуха и параллельны друг другу, эмиттер снабжен эмиссионной поверхностью и обратной поверхностью, имеющей тепловой контакт со стенкой кожуха, при этом коллектор выполнен в виде нескольких отдельных пластин, жестко закрепленных в теле теплового экрана на расстоянии друг от друга, образуя зазоры, заполненные телом теплового экрана, а концы пластин коллектора, обращенные в сторону эмиссионной поверхности эмиттера, установлены эквидистантно последней, образуя межэлектродный промежуток, противоположные им концы пластин коллектора образуют со стенкой кожуха тепловой контакт. Кожух термоэмиссионного элемента выполнен плоским, из теплопроводящего материала, с возможностью сохранения и регулирования внутренней газовой среды. Эмиттер выполнен в виде металлической пластины, при этом эмиссионная поверхность эмиттера выполнена из оксидов щелочно-земельных металлов. Коллектор представляет собой набор пластин из тепло- и электропроводного материала. Тепловой экран выполнен из теплоизоляционного материала. Выводы эмиттера и коллектора электрически соединены с внешней нагрузкой.

В качестве механизма переноса может быть использована любая известная для этих целей газовая среда.

Для создания дополнительного эффекта, выражающегося в организации направленного движения электронов в сторону коллектора, участки теплового экрана, заключенные между пластинами коллектора и обращенные в сторону эмиссионной поверхности эмиттера, имеют криволинейную форму.

Поставленная задача решается также тем, что в отличие от вышеописанного в термоэмиссионном элементе механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток выполнен в виде проводников, размещенных в теле теплового экрана в непосредственной близости к каждой из пластин коллектора с обеих ее сторон, проводники электрически соединены с внешним источником напряжения, обеспечивая создание электрического поля для направленного дрейфа электронов в сторону коллектора, а в герметичном кожухе устанавливают вакуум.

Сравнение предлагаемых вариантов термоэмиссионного преобразователя с известным позволяет сделать вывод о новизне предлагаемых устройств, т.к. они характеризуются новой совокупностью существенных признаков, в частности выполнением коллектора в виде набора пластин, расположением коллектора в теле теплового экрана, наличием теплового контакта эмиттера и пластин коллектора с соответствующими стенками кожуха, а также наличием оригинального механизма переноса электронов в сторону коллектора.

Наличие вышеназванных отличий позволяет добиться нового технического результата, а именно - повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую не только за счет возврата излучаемой эмиттером тепловой энергии обратно на эмиттер, но за счет снижения до малого уровня вредного "испарения" электронов с коллектора, достигаемого охлаждением коллектора при тепловом контакте с кожухом термоэмиссионного элемента. Применение заявляемого механизма переноса электронов, представляющего собой проводники, размещенные в теле теплового экрана рядом с коллектором и соединенные с внешним источником напряжения, позволяет в дополнение к вышеназванному результату получить направленное движение электронов в сторону коллектора и уменьшить затраты тепловой энергии на совершение работы выхода электронов, практически исключив при этом потребление тока от внешнего источника. Использование заявляемых вариантов термоэмиссионного преобразователя обеспечивает существенное повышение его КПД.

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленного термоэмиссионного элемента (вариантов) критерию "изобретательский уровень".

Заявляемые варианты связаны между собой единым изобретательским замыслом и позволяют решить поставленную задачу - повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую за счет повышения КПД.

Заявляемое устройство (варианты) могут быть изготовлены из известных материалов с использованием известных технологических линий в промышленном масштабе.

Заявляемый термоэмиссионный элемент иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг. 1 изображен заявляемый термоэмиссионный элемент (вариант 1) в сечении. На фиг. 2 изображен заявляемый термоэмиссионный элемент (вариант 2) в сечении.

Заявляемый термоэмиссионный элемент по варианту 1 содержит герметичный кожух, внутри которого у стенок 1а и 1б расположены соответственно эмиттер 2 и тепловой экран 3. Эмиттер 2 представляет собой металлическую пластину, эмиссионная поверхность которого покрыта оксидным слоем щелочно-земельных металлов. Противоположная поверхность эмиттера имеет тепловой контакт 4 со стенкой кожуха 1а. Коллектор 5 размещен в теле теплового экрана 3 и представляет собой набор пластин, расположенных друг от друга на расстоянии. Пластины коллектора выполнены из тепло- и электропроводного материала, например меди, и могут быть расположены параллельно друг другу и перпендикулярно стенке кожуха 1б. Концы пластин коллектора, обращенные в сторону эмиссионной поверхности эмиттера образуют с последней межэлектродное пространство 6. Каждая из пластин коллектора имеет тепловой контакт 7 со стенкой кожуха 1б. Для обеспечения теплового контакта 7 используют теплопроводящий электроизолятор, например органосиликатный материал. В качестве теплового экрана используют теплоизоляционный материал, например керамику. Кожух выполнен из теплопроводного материала, например из нержавеющей стали, и заполнен разреженной газовой средой, например парами цезия. Выводы эмиттера и коллектора электрически подключены к внешней нагрузке.

Заявляемый термоэмиссионный элемент по варианту 2 содержит вакуумированный герметичный кожух, внутри которого у стенок 1а и 1б расположены соответственно эмиттер 2 и тепловой экран 3. Эмиттер 2 представляет собой металлическую пластину, эмиссионная поверхность которого покрыта оксидным слоем. Противоположная поверхность эмиттера имеет тепловой контакт 4 со стенкой 1а кожуха. Коллектор 5 размещен в теле теплового экрана и представляет собой набор пластин, расположенных друг от друга на расстоянии. Концы пластин коллектора, обращенные в сторону эмиссионной поверхности эмиттера, образуют с последней межэлектродное пространство 6. Каждая из пластин коллектора имеет тепловой контакт 7 со стенкой кожуха 1б. В непосредственной близости от пластин коллектора 5 с обеих ее сторон размещены проводники 8, имеющие электрическое соединение с внешним источником напряжения (на фиг. 2 не показано).

Заявляемый термоэмиссионный элемент работает следующим образом.

На эмиттер 2 через стенку кожуха 1а поступает тепло от внешнего потока теплоносителя. В результате процесса передачи тепла эмиттер 2 нагревается до температуры эмиссии. Под действием нагревания с эмиссионной поверхности эмиттера 2 электроны "испаряются" в разреженную газовую среду и под действием накопленной кинетической энергии и расталкивающего электроны теплового движения молекул разреженной газовой среды двигаются в сторону охлаждаемого коллектора 5. Охлаждение коллектора 5 осуществляют потоком охлаждающего агента, подавая последний на стенку кожуха 1б. Электроны, попадая на охлаждаемые пластины коллектора 5, "конденсируются", а получаемый ток поступает во внешнюю электрическую цепь.

При использовании термоэмиссионного элемента по варианту 2 под воздействием нагревания с эмиссионной поверхности эмиттера 3 электроны испаряются в вакуум и под действием накопленной кинетической энергии и направленного электрического поля, создаваемого электрическими проводниками, соединенными с внешним источником напряжения, двигаются в сторону охлаждаемого коллектора 5. Получаемый ток поступает во внешнюю электрическую цепь.

В заявляемых вариантах термоэмиссионных элементов за счет теплового контакта коллектора с кожухом осуществлена возможность достаточного охлаждения коллектора. Охлаждение коллектора устанавливается до уровня, при котором уход электронов с коллектора в вакуум невелик. Этим обеспечивается высокая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую заявляемого термоэмиссионного элемента.

Использование: на электростанциях, в металлургии, транспорте и других отраслях промышленности. Технический результат: повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую за счет повышения КПД. Термоэмиссионный элемент состоит из герметичного кожуха, внутри которого размещены анод и катод, разделенные межэлектродным промежутком, тепловой экран и механизм переноса электронов через межэлектродное пространство. Анод выполняет функцию коллектора, а катод - функцию эмиттера. Эмиттер и тепловой экран расположены у противоположных стенок кожуха и параллельны друг другу, эмиттер снабжен эмиссионной поверхностью и обратной поверхностью, имеющей тепловой контакт со стенкой кожуха. Коллектор выполнен в виде нескольких отдельных пластин, жестко закрепленных в теле теплового экрана на расстоянии друг от друга, образуя зазоры, заполненные телом теплового экрана. Концы пластин коллектора, обращенные в сторону эмиссионной поверхности эмиттера, установлены эквидистантно последней, образуя межэлектродный промежуток. Противоположные им концы пластин коллектора образуют со стенкой кожуха тепловой контакт. Механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток в термоэмиссионном элементе с вакуумным промежутком выполнен в виде проводников, размещенных в теле теплового экрана в непосредственной близости к каждой из пластин коллектора с обеих ее сторон. Проводники электрически соединены с внешним источником напряжения, обеспечивая создание электрического поля для направленного движения электронов в сторону коллектора. 2 с. и 5 з. п.ф-лы, 2 ил.

1. Термоэмиссионный элемент, состоящий из герметичного кожуха, внутри которого размещены анод и катод, разделенные межэлектродным промежутком, тепловой экран и механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток, при этом катод выполняет функцию эмиттера, а анод - функцию коллектора, эмиттер и тепловой экран расположены у противоположных стенок кожуха, эмиттер снабжен эмиссионной поверхностью и обратной поверхностью, имеющей тепловой контакт со стенкой кожуха, эмиттер и коллектор электрически соединены с внешней нагрузкой, отличающийся тем, что коллектор выполнен в виде нескольких отдельных пластин, жестко установленных в теле теплового экрана на расстоянии друг от друга, при этом концы пластин коллектора, обращенные в сторону эмиссионной поверхности эмиттера, расположены эквидистантно последней, образуя межэлектродный промежуток, а противоположные концы пластин коллектора имеют тепловой контакт с соответствующей стенкой кожуха, стенки кожуха выполнены из теплопроводного материала для осуществления теплового контакта с пластинами коллектора, кожух выполнен с возможностью регулирования и сохранения внутренней газовой среды, а пластины коллектора выполнены из теплопроводного и электропроводного материала для обеспечения их электрического соединения с внешней нагрузкой. 2. Термоэмиссионный элемент по п.1, отличающийся тем, что механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток выполнен в виде разреженной газовой среды. 3. Термоэмиссионный элемент по п.1, отличающийся тем, что эмиссионная поверхность эмиттера выполнена из оксидов щелочноземельных металлов. 4. Термоэмиссионный элемент по п.1, отличающийся тем, что участки теплового экрана, размещенные между пластинами коллектора и обращенные в сторону эмиссионной поверхности эмиттера, имеют криволинейную форму. 5. Термоэмиссионный элемент, состоящий из герметичного кожуха, внутри которого размещены анод и катод, разделенные межэлектродным промежутком, тепловой экран и механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток, при этом катод выполняет функцию эмиттера, а анод - функцию коллектора, эмиттер и тепловой экран расположены у противоположных стенок кожуха, эмиттер снабжен эмиссионной поверхностью и обратной поверхностью, имеющей тепловой контакт со стенкой кожуха, эмиттер и коллектор электрически соединены с внешней нагрузкой, отличающийся тем, что коллектор выполнен в виде нескольких отдельных пластин, жестко установленных в теле теплового экрана на расстоянии друг от друга, концы пластин коллектора, обращенные в сторону эмиссионной поверхности эмиттера, расположены эквидистантно последней, образуя межэлектродное пространство, противоположные концы пластин коллектора имеют тепловой контакт с соответствующей стенкой кожуха, а механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток выполнен в виде проводников, размещенных в теле теплового экрана рядом с каждой из обеих сторон пластин коллектора, проводники электрически соединены с внешним источником направления, обеспечивая создание электрического поля для направленного движения электронов через межэлектродный промежуток, стенки кожуха выполнены из теплопроводного материала для осуществления теплового контакта с пластинами коллектора, кожух выполнен с возможностью создания и сохранения вакуума, пластины коллектора выполнены из теплопроводного и электропроводного материала для обеспечения их электрического соединения с внешней нагрузкой. 6. Термоэмиссионный элемент по п.5, отличающийся тем, что эмиссионная поверхность эмиттера выполнена из оксидов щелочноземельных металлов. 7. Термоэмиссионный элемент по п.5, отличающийся тем, что участки теплового экрана, размещенные между пластинами коллектора и обращенные в сторону эмиссионной поверхности эмиттера, имеют криволинейную форму.