ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2008 года по МПК H01J45/00 

Заявляемое изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую посредством термоэлектронной эмиссии и может быть использовано для снабжения промышленных и бытовых объектов электрической энергией переменного тока.

Известны устройства для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую на основе явления термоэлектронной эмиссии - термоэмиссионные преобразователи энергии (ТЭП), также именуемые термоэлектронными преобразователями или термоионными преобразователями. Простейший ТЭП состоит из двух металлических электродов (катода или эмиттера, и анода или коллектора), разделенных вакуумным промежутком. К эмиттеру от источника тепла подводится тепловая энергия, достаточная для возникновения заметной термоэлектронной эмиссии с поверхности металла. Электроны, преодолевая межэлектродное пространство, попадают на поверхность коллектора. Если непрерывно обеспечивать подвод тепла к эмиттеру и соответствующее охлаждение коллектора, то во внешней цепи, включенной между эмиттером и коллектором, будет поддерживаться электрический ток (Электроника: энциклопедический словарь - М., Сов. энциклопедия, 1991, с.545).

В двухэлектродных ТЭП, в том числе в простейшем ТЭП непрерывный отток эмитированных электронов к аноду (анодный ток) возможен только при условии более низкой температуры анода по сравнению с температурой катода. Разность указанных температур в современных ТЭП составляет 400-1400 К. В этих условиях тепловая энергия, полученная катодом от внешнего источника, расходуется в основном на тепловое излучение, а в электрическую энергию анодного тока преобразуется не более 20% тепловой энергии катода.

Известен термоэлектронный преобразователь энергии, в состав которого входят катод, анод и сетка, помещенные в вакуумированный сосуд из непроводящего материала, при этом катод и анод встроены в противоположные стенки сосуда, а сетка расположена между катодом и анодом. В состав данного преобразователя также входит трансформатор, первичная обмотка которого включена между анодом и катодом, а вторичная обмотка подключена к нагрузке. Помимо этого известный термоэлектронный преобразователь содержит электрическую цепь, используемую для подачи управляющего переменного напряжения на сетку (патент GB 930340, H01J, опубл. 03.07.1963, фиг.1).

Генерация переменного электрического тока осуществляется в известном термоэлектронном преобразователе следующим образом. Нагревают катод до возникновения термоэлектронной эмиссии с обращенной внутрь сосуда поверхности катода в вакуум. При этом поддерживают анод более холодным по сравнению с катодом, что приводит к возникновению анодного тока. Подачей управляющего переменного напряжения на сетку осуществляют модуляцию анодного тока. Переменная составляющая анодного тока, проходя первичную обмотку трансформатора, наводит во вторичной обмотке эдс, которая, в свою очередь, порождает переменный электрический ток в нагрузке.

Известный термоэлектронный преобразователь обладает относительно низкой эффективностью преобразования тепловой энергии в электрическую энергию переменного тока (т.е. низким кпд), что обусловлено следующими причинами.

Сетка в данном преобразователе используется только для модуляции анодного тока, поэтому генерация этого тока в преобразователе осуществляется практически при тех же условиях, что и в двухэлектродных ТЭП. Подтверждением этому является вышеупомянутая необходимость поддерживать анод более холодным по сравнению с катодом. Следовательно, в известном термоэлектронном преобразователе, как и в двухэлектродных ТЭП, в энергию анодного тока может быть преобразовано не более 20% тепловой энергии, полученной катодом от внешнего источника.

В данном преобразователе в нагрузку передается только энергия переменной составляющей анодного тока, доля которой в полной энергии этого тока относительно мала. Так, при синусоидальной модуляции анодного тока с глубиной модуляции, равной 100%, в нагрузку поступит всего 33% его полной энергии. При меньшей глубине модуляции доля энергии переменной составляющей анодного тока будет еще меньше.

Таким образом, КПД известного термоэлектронного преобразователя, рассчитанный на основе вышеприведенных оценок эффективности отдельных этапов преобразования, не может превышать 7%.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую энергию переменного тока.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном преобразователе, содержащем два катода и сетку, при этом катоды разделены вакуумным промежутком и выполнены с возможностью термоэлектронной эмиссии, а сетка расположена с промежутком над участком поверхности одного из катодов, не заслоненным другим катодом (т.е. сетка расположена за пределами вакуумного промежутка).

Указанный технический результат достигается в процессе использования заявляемого устройства, во время которого нагревают катоды до начала заметной термоэлектронной эмиссии с их поверхностей в вакуумный промежуток. При этом подают переменное управляющее напряжение между сеткой и последним из вышеуказанных катодов, вследствие чего между катодами создается переменное электрическое поле. Под воздействием указанного электрического поля электроны, эмитированные катодом, имеющим в течение данного полупериода меньший потенциал в этом поле, движутся в сторону катода с большим потенциалом. Периодическая смена направления движения электронов в вакуумном промежутке на противоположное приводит к формированию переменного электронного тока между катодами, перезаряжающего с той же периодичностью образованный ими электрический конденсатор. Вследствие указанной перезарядки катодов между ними возникает переменная разность потенциалов, являющаяся выходным напряжением заявляемого ТЭП. Соответственно при подключении нагрузки между катодами в ней возникает переменный электрический ток.

В силу симметрии физических процессов, протекающих на катодах в процессе использования заявляемого устройства, требуемая форма выходного напряжения, в том числе отсутствие в нем постоянной составляющей, обеспечивается применением подходящей формы управляющего напряжения.

Корпус как отдельный конструктивный элемент не входит в состав существенных признаков заявляемого термоэмиссионного преобразователя, поскольку, как будет показано далее, возможно как бескорпусное исполнение заявляемого устройства, так и исполнение, в котором функцию корпуса выполняет один из катодов заявляемого устройства.

Возможно такое исполнение заявляемого термоэмиссионного преобразователя, в котором промежуток между сеткой и ближайшим к ней катодом вакуумирован. Поскольку в процессе работы заявляемого устройства сетка периодически имеет более высокий потенциал, чем ближайший к ней катод, то в данном исполнении это может привести к периодическому оттоку части эмитированных электронов на сетку, т.е. к возникновению пульсирующего сеточного тока, который уменьшает переменный электронный ток, протекающий между катодами ТЭП, и тем самым снижает кпд и выходную мощность заявляемого устройства. Для устранения указанного сеточного тока сетка может быть дополнительно отгорожена от катодов слоем электроизоляционного материала.

В вышеописанной конструкции заявляемого термоэмиссионного преобразователя содержится только одна сетка, расположенная с промежутком над участком поверхности одного из катодов, не заслоненным другим катодом. При этом последний из указанных катодов используется и для подачи в ТЭП управляющего напряжения и для получения выходного напряжения, чем создается гальваническая связь между соответствующими электрическими цепями. При необходимости устранить указанную связь заявляемое устройство может содержать еще одну сетку, расположенную с промежутком над участком поверхности последнего из вышеуказанных катодов, не заслоненным первым из вышеуказанных катодов. Соответственно при использовании данной модификации заявляемого устройства управляющее напряжение подается между сетками, чем обеспечивается гальваническая развязка между цепями управляющего напряжения и выходного напряжения.

Для устранения возможного сеточного тока в данной модификации заявляемого термоэмиссионного преобразователя каждая сетка может быть отгорожена от остальных электродов слоем электроизоляционного материала.

Заявляемый ТЭП способен генерировать переменный электрический ток в достаточно широком диапазоне температур каждого из катодов, в том числе при равных температурах катодов. Использование заявляемого устройства при равных температурах катодов является даже предпочтительным, поскольку в этом случае катоды находятся в состоянии теплового равновесия друг с другом и их потери на тепловое излучение сводятся к минимуму.

Таким образом, заявляемый термоэмиссионный преобразователь свободен от отмеченных выше недостатков известного термоэлектронного преобразователя, вследствие чего даже при наличии вышеупомянутого сеточного тока кпд заявляемого устройства достигает 50% в варианте ТЭП с одной сеткой (25% в варианте с двумя сетками), а при отсутствии этого тока кпд заявляемого ТЭП становится близким к 100%.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1-4 изображены поперечные разрезы заявляемого ТЭП с одной сеткой, при этом на фиг.1, 2 показаны два варианта расположения электродов заявляемого ТЭП, содержащего корпус как отдельный конструктивный элемент; на фиг.3 показан вариант заявляемого ТЭП, в котором функцию корпуса выполняет один из катодов; на фиг.4 показан бескорпусный вариант заявляемого ТЭП. На фиг.5, 6 показаны два варианта расположения электродов заявляемого ТЭП с двумя сетками, содержащего корпус как отдельный конструктивный элемент.

Заявляемый термоэмиссионный преобразователь (фиг.1) содержит катоды 1 и 2, разделенные вакуумным промежутком 3, и сетку 4, расположенную с промежутком 5 над участком поверхности катода 2, не заслоненным катодом 1. Поскольку в заявляемом устройстве с точки зрения условий генерации переменного электрического тока катоды 1 и 2 равноценны, выбор катода для размещения сетки 4 не является принципиальным.

В предпочтительном исполнении заявляемый ТЭП также содержит показанный на фиг.1 герметичный вакуумированный корпус 6, внутри которого размещены все вышеперечисленные элементы ТЭП. При этом фиксация положения катодов 1, 2 и сетки 4 относительно друг друга и корпуса 6 осуществляется проходящими через стенки корпуса 6 электрическими выводами этих электродов (электрические выводы на фиг.1 не показаны). Для снижения влияния тепловых деформаций катодов 1, 2 и корпуса 6 на ширину вакуумного промежутка 3 между катодами 1 и 2 могут дополнительно располагаться дистанционаторы 7, выполненные из электроизоляционного материала (например, из стекла или керамики).

Для устранения вышеупомянутого сеточного тока сетка 4 может быть дополнительно отгорожена от катодов 1, 2 слоем электроизоляционного материала (стекло, керамика). В частности, как показано на фиг.1, на сетку 4 может быть нанесено сплошное электроизоляционное покрытие 8. Вместо этого сетка 4 может быть размещена снаружи (поверх) корпуса 6, выполненного в этом случае из электроизоляционного материала, и тогда корпус 6 будет отгораживать сетку 4 от катодов 1,2.

В отличие от показанного на фиг.1 расположения электродов заявляемого преобразователя, при котором сетка 4 и катод 1 находятся с противоположных сторон от катода 2, на фиг.2 сетка 4 и катод 1 расположены с одной стороны от катода 2, при этом сетка 4 показана покрытой электроизоляционным покрытием 8. Расположение электродов, изображенное на фиг.2, может найти применение в том случае, если требуется выполнить ТЭП максимально тонким.

Как было указано выше, наличие корпуса 6 как отдельного конструктивного элемента в составе заявляемого термоэмиссионного преобразователя не является обязательным. Например, возможно такое исполнение заявляемого устройства, в котором функцию корпуса выполняет катод 1 (фиг.3). При этом для повышения максимального тока нагрузки заявляемого устройства в данном исполнении целесообразно сетку 4 со всех сторон окружить катодом 2, как показано на фиг.3. В данном исполнении также возможны установка дистанционаторов между катодами 1, 2 и создание электроизоляционного слоя между катодом 2 и сеткой 4 (дистанционаторы и электроизоляционный слой на фиг.3 не показаны).

Также возможно бескорпусное исполнение заявляемого преобразователя (фиг.4), в котором механическая стабильность конструкции преобразователя обеспечивается за счет сцепления или жесткого соединения элементов между собой. В данном исполнении между катодами 1 и 2 находится дистанционатор 7 из электроизоляционного материала, выполненный в виде узкой полосы, проходящей вдоль краев катодов. При этом для поддержания вакуума в вакуумном промежутке 3 соединение катодов 1,2 с дистанционатором 7 выполнено герметичным. Прокладка 8 из электроизоляционного материала, помещенная между катодом 2 и сеткой 4, обеспечивает электрическую изоляцию этих электродов друг от друга. В данном исполнении заявляемого ТЭП промежуток 5 фактически отсутствует, поскольку он целиком заполнен прокладкой 8.

Механическая стабильность бескорпусного исполнения заявляемого ТЭП достигается за счет адгезии (сцепления) соприкасающихся поверхностей элементов данного исполнения. В частности, при относительно низких температурах работы преобразователя дистанционатор 7 и прокладка 8 могут быть выполнены в виде клеевых соединений. Независимо от этого, требуемая механическая стабильность заявляемого устройства может быть достигнута с помощью внешнего средства прижима (например, струбцины), создающего сжимающее усилие вдоль оси, перпендикулярной плоскостям электродов ТЭП. При этом целесообразно дополнительно покрыть все обращенные наружу участки электродов преобразователя слоем электроизоляционного материала, что позволит избежать возможного электрического замыкания между электродами через внешнюю среду (теплоноситель) и замыкания между катодом 1 и сеткой 4 через указанное средство прижима, а также защитить заявляемый ТЭП от возможного агрессивного воздействия внешней среды.

Как было указано выше, возможна такая модификация заявляемого преобразователя, которая обеспечивает гальваническую развязку между электрическими цепями управляющего напряжения и выходного напряжения, подключаемыми к заявляемому устройству при его эксплуатации. Данная модификация (фиг.5, 6) в дополнение к сетке 4 содержит сетку 9, расположенную с промежутком 10 над участком поверхности катода 1, не заслоненным катодом 2. Фиг.5 и 6 различаются расположением катода 1 и сетки 4 относительно катода 2, а также катода 2 и сетки 9 относительно катода 1. Расположение электродов, изображенное на фиг.6, может найти применение в том случае, если требуется выполнить заявляемый ТЭП с двумя сетками максимально тонким.

Для устранения вышеупомянутого сеточного тока каждая из сеток 4, 9 может быть дополнительно отгорожена от катодов 1, 2 слоем электроизоляционного материала (стекло, керамика). В частности, как показано на фиг.5 и 6, на каждую из сеток 4, 9 может быть нанесено сплошное электроизоляционное покрытие 8. Вместо этого сетки 4, 9 могут быть размещены снаружи (поверх) корпуса 6, выполненного в этом случае из электроизоляционного материала, и тогда корпус 6 будет отгораживать сетки 4, 9 от катодов 1, 2.

Генерация переменного электрического тока с помощью заявляемого термоэмиссионного преобразователя осуществляется следующим образом. Преобразователь нагревают от внешнего источника энергии любым известным способом, например, за счет охлаждения жидкого или газообразного теплоносителя, в поток которого помещен заявляемый ТЭП. При этом нагревают преобразователь, по крайней мере, до температуры, при которой ток термоэлектронной эмиссии с поверхности каждого из катодов 1 и 2 в вакуумный промежуток 3 достигает величины, достаточной для предполагаемого практического применения заявляемого ТЭП. Поскольку токи термоэлектронной эмиссии катодов 1 и 2 направлены навстречу друг другу, то в случае равенства абсолютных значений этих токов (что достигается, например, в случае если катоды 1 и 2 конструктивно идентичны) результирующий электронный ток между катодами 1 и 2 в отсутствие внешних электрических полей будет равен нулю.

В дополнение к нагреву заявляемого ТЭП подают переменное управляющее напряжение между сеткой 4 и катодом 1 (в исполнении ТЭП с одной сеткой) либо между сетками 4 и 9 (в исполнении ТЭП с двумя сетками), вследствие чего между катодами 1 и 2 создается переменное электрическое поле. Под воздействием указанного электрического поля электроны, эмитированные катодом, имеющим в течение данного полупериода меньший потенциал в этом поле, движутся с ускорением в сторону катода с большим потенциалом. Соответственно электроны, эмитированные последним из указанных катодов, в течение того же полупериода тормозятся. Результирующий электронный ток между катодами 1 и 2 при этом не равен нулю и направлен от катода с меньшим потенциалом к катоду с большим потенциалом. Периодическая смена направления электронного тока между катодами 1 и 2 приводит к перезарядке с той же периодичностью образованного ими электрического конденсатора. Вследствие указанной перезарядки катодов 1 и 2 между ними возникает переменное напряжение, являющееся выходным напряжением заявляемого термоэмиссионного преобразователя. Соответственно при подключении нагрузки между катодами 1 и 2 в ней возникает переменный электрический ток.

Как было указано выше, в предпочтительном исполнении заявляемый термоэмиссионный преобразователь содержит герметичный вакуумированный корпус 6. В этом случае промежутки 5 и 10 также вакуумированы и тогда, в принципе, возможна термоэлектронная эмиссия в эти промежутки с соответствующих участков поверхностей катодов 1 и 2. Поскольку в процессе работы заявляемого устройства каждая из сеток 4 и 9 периодически имеет более высокий потенциал, чем ближайший к ней катод, то при наличии указанной эмиссии будет происходить периодический отток части эмитированных этим катодом электронов на соответствующую сетку, т.е. возникнет пульсирующий сеточный ток, который уменьшает переменный электронный ток, протекающий между катодами 1 и 2, и тем самым снижает кпд и выходную мощность заявляемого ТЭП. Для устранения указанного сеточного тока в данном исполнении каждая из сеток 4, 9 может быть отгорожена от катодов 1, 2 слоем электроизоляционного материала (стекло, керамика). Кроме того, сеточный ток отсутствует в том случае, если промежутки 5 и 10 не вакуумированы, то есть заполнены каким-либо веществом (например, воздухом). В частности, сеточный ток отсутствует в вышеописанном бескорпусном исполнении заявляемого ТЭП.

Как указано выше, сеточный ток наиболее заметен в том случае, когда заявляемый ТЭП содержит вакуумированный корпус 6 и при этом промежутки 5 и 10 тоже вакуумированы. Если при этом ширина промежутков 5 и 10 не превышают ширины вакуумного промежутка 3, то тогда максимальная мощность, отбираемая у преобразователя сеточным током, в варианте ТЭП с одной сеткой 4 не превысит максимальной выходной мощности ТЭП (т.е. кпд преобразователя составит не менее 50%), а в варианте с двумя сетками 4 и 9 составит не более трех максимальных выходных мощностей ТЭП (кпд - не менее 25%).

Если катоды 1 и 2 конструктивно идентичны и эксплуатируются при равных температурах, а нагрузка заявляемого ТЭП линейна, то отсутствие постоянной составляющей в выходном напряжении преобразователя достигается при использовании переменного управляющего напряжения любой симметричной формы. В частности, при подаче синусоидального управляющего напряжения выходное напряжение ТЭП также имеет синусоидальную форму. В общем же случае для получения требуемой формы выходного напряжения можно использовать известный способ следящей обратной связи, который применительно к заявляемому ТЭП реализуется следующим образом: выходное напряжение преобразователя вычитается из опорного (эталонного) переменного напряжения и разность этих двух напряжений (напряжение ошибки), усиленная с коэффициентом, намного большим единицы, подается в ТЭП в качестве управляющего напряжения. При этом разность между выходным и опорным напряжениями тем меньше, чем больше петлевой коэффициент усиления данной системы обратной связи. (Следует отметить, что вопросы, связанные с формированием управляющего напряжения, выходят за рамки настоящего изобретения, поэтому здесь лишь показана возможность получения требуемой формы управляющего напряжения известным способом.) Таким образом, заявляемый ТЭП в отличие от вышеописанного термоэлектронного преобразователя позволяет получить требуемую форму выходного напряжения за счет подбора (подстройки) соответствующей формы управляющего напряжения, то есть практически без потерь энергии.

Как было указано выше, в предпочтительном режиме использования заявляемого термоэмиссионного преобразователя катоды 1, 2 имеют одинаковую температуру. Если при этом выходной электрический ток отсутствует (ТЭП находится в режиме холостого хода), то катоды 1 и 2, как и все остальные элементы заявляемого ТЭП, находятся в тепловом равновесии друг с другом и с внешним источником энергии. При наличии нагрузки переменный выходной электрический ток отнимает энергию поочередно у каждого из катодов 1, 2, охлаждая их. Кроме того, при наличии вышеуказанного сеточного тока катоды 1, 2 дополнительно теряют энергию с электронами, периодически оттягиваемыми в сторону сеток 4, 9. При этом энергия из внешнего источника в преобразователь будет поступать до тех пор, пока температура катодов 1 и 2 не восстановится до равновесной величины. Таким образом, заявляемый ТЭП всегда отбирает у внешнего источника практически ровно столько энергии, сколько электрической энергии он отдал в нагрузку и, возможно, в цепь подачи управляющего напряжения (посредством сеточного тока).

С учетом всех вышеприведенных оценок эффективности отдельных этапов преобразования тепловой энергии в электрическую энергию переменного тока, осуществляемого в заявляемом термоэмиссионном преобразователе, его КПД в варианте с одной сеткой составляет не менее 50%, в варианте с двумя сетками - не менее 25%. При отсутствии сеточного тока кпд заявляемого ТЭП становится близким к 100%. Таким образом, при использовании настоящего изобретения достигается заявленный выше технический результат, заключающийся в повышении кпд преобразователя тепловой энергии в электрическую энергию переменного тока.

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью термоэмиссионных преобразователей (ТЭП). ТЭП содержит два катода, разделенные вакуумным промежутком и выполненные с возможностью термоэлектронной эмиссии, и сетку, расположенную с промежутком над участком поверхности одного из катодов, не заслоненным другим катодом. Для устранения сеточного тока сетка может быть отгорожена от катодов электроизоляционным слоем. Для получения переменного электрического тока нагревают катоды до начала термоэлектронной эмиссии в вакуумный промежуток, при этом подают переменное управляющее напряжение между сеткой и последним из указанных катодов, вследствие чего между катодами создается переменное электрическое поле, приводящее к перезарядке катодов электронным током эмиссии и к появлению между ними переменного напряжения, являющегося выходным напряжением преобразователя. Технический результат: повышение КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую энергию переменного тока. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Термоэмиссионный преобразователь для генерации переменного электрического тока, характеризующийся тем, что он содержит два катода и сетку, при этом катоды разделены вакуумным промежутком и выполнены с возможностью термоэлектронной эмиссии, а сетка расположена с промежутком над участком поверхности одного из катодов, не заслоненным другим катодом.2. Термоэмиссионный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что сетка отгорожена от катодов слоем электроизоляционного материала.3. Термоэмиссионный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он содержит еще одну сетку, расположенную с промежутком над участком поверхности последнего из вышеуказанных катодов, не заслоненным первым из вышеуказанных катодов.4. Термоэмиссионный преобразователь по п.3, отличающийся тем, что каждая сетка отгорожена от остальных электродов слоем электроизоляционного материала.