ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С МАЛЫМ МЕЖЭЛЕКТРОДНЫМ ЗАЗОРОМ Российский патент 2000 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному преобразованию тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в любых энергетических установках космического, наземного, морского, подземного, подводного и др. мест базирования с термоэмиссионным преобразователем (ТЭП), вынесенным из зоны генерации тепловой энергии, получаемой путем сжигания любого вида органического топлива, концентрации солнечной энергии или использования ядерного или радиоизотопного топлива.

Минимально приемлемый уровень температуры эмиттера, обеспечивающий работоспособность ТЭП в указанных установках, не ниже 1500 К.

Известен ТЭП (Ж. Теплоэнергетика, 1984, N 5, стр.42-44), опытные образцы которого были разработаны и испытаны для проведения анализа проблемы создания термоэмиссионной надстройки к тепловым электростанциям.

Основными элементами этого ТЭП являются корпус, эмиттер, рассчитанный на работу при температуре около 1300^oC, коллектор - на температуру 450 - 550^oC и узел, разделяющий их электрические потенциалы. Площадь рабочей поверхности электродов равна 40 см², удельная электрическая мощность генерируемая в ТЭП, составляет 3,5 - 4,5 Вт/см², КПД преобразования 10 - 12%, величина межэлектродного зазора (МЭЗ) равна 0,2±0,05 мм. Основным недостатком конструкции такого ТЭП является неконтролируемое влияние на величину МЭЗ коэффициентов термического расширения материалов практически всех конструктивных элементов ТЭП, что в свою очередь заметно сказывается на колебаниях величины его выходной электрической мощности. Другим существенным недостатком такого ТЭП является очевидная возможность образования неплоскостности и непараллельности рабочих поверхностей электродов как из-за их большого размера, так и из-за возможных технологических погрешностей при изготовлении рабочих элементов и сборке ТЭП, что может привести к серьезным нарушениям режима его работы.

Известен ТЭП с малым межэлектродным зазором, взятый авторами за прототип (Патент РФ N 2073284, заявл. 4.06.93 г. МКИ H 01 J 45/00), содержащий вакуумированный корпус, образованный эмиттерной и коллекторной стенками и отделяющим их друг от друга изолятором, размещенные в корпусе и образующие электродные пары плоские эмиттеры и коллекторы, в углублениях последних размещены дистанционаторы из изолирующего теплостойкого материала, которые отделены от коллекторной стенки упруго деформируемыми элементами, при этом между коллекторной и эмиттерной стенками дополнительно установлен сепаратор с выполненными в нем по количеству электродных пар отверстиями, в каждом из которых размещен упомянутый упруго деформируемый элемент, выполненный в виде мембраны и герметично соединенный с ним по своему наружному контуру, разделяющие вместе с сепаратором вакуумированный корпус на две полости, а между мембранами и коллекторной стенкой с зазором по отношению к последней установлены теплоотводы, жестко связанные с соответствующими коллекторами через центральную часть мембран. Эмиттерная и коллекторная стенки могут быть выполнены в виде плоских пластин или коаксиальных цилиндров.

Внутри ТЭП между эмиттерной стенкой и сепаратором с вставленными в него мембранами сформирована полость, в которую подаются пары цезия для снижения работы выхода электродов. Каждый из коллекторов через центральную часть соответствующей гибкой тонкостенной мембраны жестко соединен с обеспечением теплового контакта со своим теплоотводом. Каждая из мембран помещена в соответствующее отверстие сепаратора и герметично соединена с ним по своему наружному контуру. Таким образом, коллекторы и теплоотводы, расположенные на гибких мембранах, имеют степени свободы, дающие возможность компенсировать осевые и угловые технологические погрешности, а также термомеханические деформации конструкционных элементов ТЭП, что необходимо при столь малом межэлектродном зазоре. Полость, образованная между теплоотводами и коллекторной стенкой, заполнена гелием, который выполняет две функции. Во-первых, через гелиевый зазор между теплоотводами и коллекторной стенкой отводится тепло от коллекторов ТЭП к теплоносителю, проходящему с внешней стороны коллекторной стенки. Во-вторых, для стабильного получения МЭЗ величиной несколько микрометров необходимо силовое поджатие коллекторов к эмиттерам, которое осуществляется давлением газа через гибкие мембраны. При этом компенсируются технологические погрешности и термомеханические деформации конструктивных элементов ТЭП, а рабочая поверхность каждого коллектора, имеющего степени свободы на гибкой мембране, располагается параллельно поверхности соответствующего эмиттера и, равномерно опираясь на все дистанционаторы, образует при рабочих температурах зазор 3-4 мкм.

Однако ТЭП приведенной конструкции недостаточно надежен в связи с тем, что его конструктивный узел, состоящий из теплоотвода и коллектора, жестко соединенных между собой через гибкую тонкую мембрану, будучи только через нее соединенным с сепаратором и одновременно опирающимся на эмиттер тремя тонкими дистанционаторами, находится по-существу во взвешенном состоянии только на мембране.

Кроме того, вызывает сомнение сохранность гелия на протяжении всего рабочего ресурса ТЭП как средства создающего прижим и теплопередачу после интенсивного динамического воздействия на все конструктивные швы и элементы, формирующие гелиевую полость, учитывая и последующее на них термомеханическое воздействие в условиях эксплуатации в ресурсе.

Перед авторами стояла задача создания ТЭП повышенной эксплуатационной надежности и эффективности, стабильность рабочих характеристик которого в ресурсе обеспечивалась бы формированием МЭЗ только температурным уровнем электродов.

Для решения поставленной задачи предложен ТЭП, содержащий вакуумированный корпус, плоские эмиттер и коллектор, дистанционатор, упруго деформируемый элемент и теплоотводящую систему, в котором вакуумированный корпус образован металлокерамическим узлом (МКУ), состоящим из изолятора и манжет, герметично соединенных соответственно с эмиттером и через теплоотводящую систему - с коллектором, при этом манжета, соединенная с эмиттером, выполнена сборной из коаксиально расположенных цилиндрических тонкостенных оболочек, дистанционатор выполнен в виде керамического кольца, свободно расположенного во внешней кольцевой проточке коллектора, а между коллектором и основанием теплоотводящей системы размещены упруго деформируемый элемент в виде пружины сжатия и неразъемно соединенный с ними гибкий теплопровод.

Кроме того, на поверхности дистанционирующего кольца, обращенной к коллектору, выполнены три выступа, равномерно расположенные по окружности. Упруго деформируемый элемент может быть выполнен в виде набора тонких упругих пластин, равномерно расположенных по окружности между двумя кольцевыми фланцами, соединенных с ними неразъемно. Также упруго деформируемый элемент может быть выполнен в виде витой пружины сжатия, либо в виде сильфона.

Предложено также теплопроводящую систему выполнять в виде тепловой трубы, соединенной своим торцем с гибким теплопроводом.

Использование МКУ в качестве корпуса позволяет упростить конструкцию ТЭПа в целом.

Вакуумированный корпус образован МКУ, состоящим из изолятора, к внешней и внутренней цилиндрическим поверхностям которого припаяны тонкостенные оболочки - манжеты, приваренные своими противоположными концами соответственно к эмиттеру и к основанию теплоотводящей системы. При этом манжета, привариваемая к эмиттеру, состоит из трех коаксиально расположенных оболочек, соединенных между собой по концам сваркой и образующих тем самым увеличенное термическое сопротивление между эмиттером и изолятором МКУ, разделяющим электрические потенциалы электродов ТЭП.

В образованной таким образом замкнутой внутри корпуса, герметичной полости находятся: рабочая поверхность эмиттера, коллектор, рабочая поверхность которого прилегает к рабочей поверхности эмиттера, керамический кольцевой дистанционатор, свободно расположенный во внешней кольцевой проточке в коллекторе, четыре цилиндрической формы керамических дистанционатора, равномерно расположенных по окружности в радиальной плоскости коллектора и выступающих из него наружу на величину радиального зазора между коллектором и внутренней оболочкой эмиттерной манжеты МКУ, гибкий теплопровод, одним своим торцем припаянный к задней поверхности коллектора, а противоположным торцем - к основанию теплоотводящей системы, упруго деформируемый элемент, центрируемый своими опорными торцевыми фланцами в основании теплоотводящей системы и на задней поверхности коллектора.

Керамический кольцевой дистанционатор на своей торцепой поверхности, соприкасающейся с коллектором, имеет три выступа, равномерно расположенных но окружности, суммарная контактная поверхность которых оптимизируется из условий минимизации перетечки тепла с эмиттера на коллектор через дистанционатор и, с другой стороны, исключения возможности образования вмятин на поверхности коллектора от усилия прижима, создаваемого упруго деформируемым элементом. Дистанционатор во внешней кольцевой проточке коллектора расположен свободно с зазором по ее цилиндрической поверхности по скользящей посадке.

Вне зависимости от конструктивного вида упруго деформируемый элемент всегда находится в сжатом состоянии, начиная с завершения сборки ТЭП, чем и осуществляется постоянный прижим электродов друг к другу через кольцевой керамический дистанционатор в любом режиме ТЭП.

ТЭП может быть выполнен с использованием стандартного оборудования, известных и применяемых материалов и технологических приемов.

На чертеже представлен один из вариантов ТЭП заявляемой конструкции. Корпус ТЭП образован МКУ, состоящим из изолятора 11 и двух манжет 12 и 9. Манжета 12 припаяна с одной стороны к внутренней цилиндрической поверхности изолятора 11, а с другой приварена к основанию 14 теплоотводящей системы ТЭП. Теплоотводящая система ТЭП состоит из основания 14 и теплоотдающих ребер 15. Манжета 9 сборная, состоит из трех тонкостенных цилиндрических коаксиально расположенных оболочек, соединенных друг с другом по своим концам сварными швами. При этом внутренняя оболочка манжеты 9 припаяна к наружной поверхности изолятора 11, а внешняя ее оболочка приварена к эмиттеру 2. Во внутренней герметичной полости 16 ТЭП находятся: рабочая поверхность 17 эмиттера 2, коллектор 5 с четырьмя цилиндрической формы керамическими дистанционаторами 4, расположенными равномерно по окружности в радиальной плоскости коллектора и выступающими наружу до соприкосновения с внутренней оболочкой манжеты 9, кольцевой керамический дистанционатор 3, расположенный во внешней кольцевой проточке коллектора 5, гибкий теплопровод 6, неразъемно соединенный с коллектором 5 и основанием 14 теплоотводящей системы, упруго деформированный элемент, состоящий из тонких прямоугольных пластин 7, равномерно расположенных по окружности и соединенных неразъемно по обоим своим противоположным торцам с плоскими, кольцевой формы, фланцами 8, один из которых центрируется по торцу основания 14 теплоотводящей системы, а другой - по заднему торцу коллектора. Снаружи ТЭП находятся: теплоприемник 1, выполненный за одно целое с эмиттером 2 со стороны его задней стенки, четыре плоских теплоотдающих ребра 15, неразъемно соединенных с основанием 14 теплоотводящей системы, два токовывода - эмиттерный 10, соединенный точечной сваркой с внешней оболочкой эмиттерной манжеты 9, и коллекторный 13, соединенный точечной сваркой с манжетой 12.

В сквозное отверстие, в торце основания теплоотводящей системы впаяна трубка 18, проникающая внутрь герметичной внутренней полости 16 корпуса ТЭП и предназначенная для вывода из нее газов при обезгаживании и для ввода цезия. После чего свободный конец трубки герметизируется.

ТЭП работает следующим образом. Тепло, генерируемое внешним источником и концентрируемое теплоприемником 1, поступает на эмиттер 2 и далее на коллектор 5 и кольцевой дистанционатор 3, плотно примыкающие своими поверхностями к поверхности 17 эмиттера под воздействием усилия прижима, создаваемого упруго деформируемым элементом 7. В результате разогрева коллектора и кольцевого дистанционатора, из-за разницы коэффициентов термического расширения их материалов образуется в итоге разность удлинений дистанционатора и коллектора, в результате чего дистанционатор, материал которого обладает большим по величине коэффициентом термического расширения, по сравнению с материалом коллектора раздвигает электроды на величину этой разности удлинений, образуя тем самым МЭЗ, заполняемый парами цезия, находящимися в полости 16 и служащими при работе ТЭП для снижения работы выхода электродов. Существенно меньшая часть тепла, поступающего в ТЭП, преобразуется в электроэнергию, а большая часть - в виде непреобразованного тепла, пройдя коллектор 5, гибкий теплопровод 6, основание 14 теплоотводящей системы, с поверхности ребер 15 отдается в окружающее пространство.

Стабильность МЭЗ обусловлена постоянством усилия прижима электродов 2 и 5 друг к другу через дистанционатор 3, что в свою очередь обеспечивается постоянным пребыванием упруго деформируемого элемента 7 в сжатом состоянии. При этом некоторое колебание величины усилия прижима из-за перемещений конструктивных элементов ТЭП, связанных с различием коэффициентов термических расширений их материалов, равно как и из-за технологических отклонений при изготовлении элементов и сборки ТЭП, практически не влияет на изначальную величину сжатия упруго деформируемого элемента, а наличие в составе ТЭП именно гибкого теплопровода 6 обеспечивает при этом беспрепятственную передачу непреобразованного тепла на теплоотдающие ребра теплоотводящей системы ТЭП.

Изобретение относится к термоэмиссионному преобразованию тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в любых энергетических установках космического, наземного и т.п. назначения. Задача изобретения - создание ТЭП повышенной эксплуатационной надежности и эффективности со стабильными рабочими характеристиками. Согласно изобретению, задача решается тем, что предложен ТЭП, который содержит вакуумированный корпус, плоские эмиттер и коллектор, дистанционатор, упруго деформируемый элемент, гибкий теплопровод и теплоотводящую систему, при этом вакуумированный корпус образован металлокерамическим узлом, состоящим из изолятора и манжет, герметично соединенных соответственно с эмиттером и через теплоотводящую систему с коллектором, при этом манжета, соединенная с эмиттером, выполнена сборной из коаксиально расположенных цилиндрических тонкостенных оболочек, дистанционатор выполнен в виде керамического кольца, свободно расположенного во внешней кольцевой проточке коллектора, а между коллектором и основанием теплоотводящей системы размещены упруго деформируемый элемент в виде пружины сжатия и неразъемно соединенный с ними гибкий теплопровод. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Термоэмиссионный преобразователь, включающий вакуумированный корпус, размещенные в нем дистанционатор, плоские эмиттер и коллектор, упругодеформируемый элемент, теплоотводящая система и металлокерамический узел, отличающийся тем, что вакуумированный корпус преобразователя образован металлокерамическим узлом, состоящим из изолятора и манжет, герметично соединенных соответственно с эмиттером и через теплоотводящую систему с коллектором, при этом манжета, соединенная с эмиттером, выполнена сборной из коаксиально расположенных цилиндрических тонкостенных оболочек, дистанционатор выполнен в виде керамического кольца, свободно расположенного во внешней кольцевой проточке коллектора, между коллектором и основанием теплоотводящей системы размещены упругодеформируемый элемент в виде пружины сжатия и неразъемно соединенный с ними гибкий теплопровод. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на поверхности керамического дистанционирующего кольца, обращенной к коллектору, выполнены три выступа, равномерно расположенных по окружности. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что упруго-деформируемый элемент выполнен в виде набора тонких упругих пластин, равномерно расположенных по окружности между двумя опорными кольцевыми фланцами и соединенных с ними неразъемно. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что упруго-деформируемый элемент выполнен в виде витой пружины сжатия. 5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что упруго-деформируемый элемент выполнен в виде сильфона. 6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что теплоотводящая система выполнена в виде тепловой трубы, неразъемно своим торцом соединенной с гибким теплопроводом.