Устройство для получения электрической энергии

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для получения электрической энергии путем преобразования тепловой энергии плазмы в электрическую.

Устройство для получения электрической энергии включает герметизируемый корпус, установленную в корпусе электронно-лучевую пушку, оснащенную лучепроводом с коническим выходным соплом, с лучепроводом скреплена камера с выполненными в ней радиальными отверстиями, на нижнем срезе которой установлен первый электрод, выполненный в виде кольца, на наружной поверхности которого имеются теплоотводящие ребра, а внутренняя выполнена в форме двух усеченных конусов, сопряженных меньшими основаниями, на донной части корпуса установлена подложка для плазмообразующего материала, имеющая возможность вращения и линейного перемещения в горизонтальной плоскости, а второй электрод расположен в нижней полости первого электрода. Второй электрод устройства установлен на лучепроводе посредством упругих элементов, выполненных из немагнитного материала.

2 з.п. ф-лы, 1 илл, 2 табл.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для получения электрической энергии путем преобразования тепловой энергии плазмы в электрическую.

Известно устройство для получения электрической энергии, содержащее установленную на герметизируемом корпусе электронно-лучевую пушку, систему нагрева ее катода, лучепровод, имеющий коническое сопло, который через камеру с радиальными отверстиями соединен с первым электродом, выполненным в виде двух усеченных конусов, соединенным меньшими основаниями, при этом вершина конуса сопла расположена в плоскости сопряжения малых оснований конусов, в нижней части стакана, в тигле из огнеупорного материала размещена подложка для плазмообразующего материала, имеющая возможность вращения и возвратно-поступательного перемещения посредством привода, а в полости первого электрода обращенного к подложке, установлен второй электрод, при этом электроды имеют возможность соединения с нагрузкой (потребителями электрической энергии).

Для обеспечения работы устройства вакуумируют полость корпуса. Подключают к устройству потребитель электрической энергии. Включают источник питания и разогревают катод электронно-лучевой пушки до температуры, при которой начинается интенсивное истечение электронов с катода, которым задают направление движения, разгоняют и направляют на подложку плазмообразующего материала, в результате чего с подложки начинается интенсивное истечение электронов, которые, вращаясь, устремляются в направлении электродов, образуя сгусток низкотемпературной плазмы с каналом в его центральной части, который раскручивается, в результате чего разделяются по массам электроны и ионы. Осаждаясь на электродах, электроны и ионы плазмы создают между электродами достаточно большую разность потенциалов, которую и снимают для питания потребителей.

(см. патент РФ 2105407. кл. H02N 3/00, 1996 г.).

В результате анализа известного устройства для получения электрической энергии необходимо отметить, что при работе устройства наблюдается значительный разогрев первого электрода, при сравнительно невысокой мощности устройства. Кроме того, температурные деформации электродов могут привести к их контакту, что вызовет короткое замыкание.

Известно устройство для получения электрической энергии, состоящее из корпуса, на верхней части которого смонтирована электронно-лучевая пушка, содержащая катод, прикатодный электрод, анод с кольцами и магнитной линзой.

В корпусе на проставке установлен лучепровод с коническим выходным соплом. На лучепроводе закреплена камера цилиндрической формы, в верхней части которой в одной горизонтальной плоскости выполнены отверстия разного размера. К камере пристыкован первый кольцевой электрод имеющий форму двух состыкованных меньшими основаниями усеченных конусов (форма сопла Лаваля). На наружной поверхности первого электрода по горизонтали выполнены теплоотводящие ребра, а в нижней его части установлен второй кольцевой электрод, имеющий форму усеченного конуса.

В нижней (донной) части корпуса имеется тигель с металлической мишенью, размещенной в тигле. Тигель установлен на поворотном столе, который посредством приводов (не показаны) имеет возможность вращения и перемещения в горизонтальной плоскости для обеспечения равномерного расхода плазмообразующего материала мишени по ее поверхности.

Электроды устройства имеют возможность подключения к аккумулятору энергии, подсоединяемому к активной нагрузке через выключатель.

Электронно-лучевая пушка оснащена вакуумным насосом, а полость корпуса устройства соединена с другим вакуумным насосом.

Для настройки электронно-лучевой пушки (для обеспечения фокусировки электронного луча на поверхности мишени), она имеет возможность перемещения в вертикальной плоскости, а ее требуемое положение может обеспечиваться посредством прокладок, устанавливаемых между торцами электронно-лучевой пушки и корпуса.

Для обеспечения работы устройства вакуумируют полости корпуса и электронно-лучевой пушки. Включают в работу электронно-лучевую пушку и поворотный стол с тиглем, в котором размещена мишень плазмообразующего материала.

Образованный электронно-лучевой пушкой электронный пучок направляется на мишень и, попадая на нее, расплавляет плазмообразующий материал, доводя его до парообразного состояния, в результате чего образуется сгусток плазмы с осевым каналом в его центральной части, через который проходит электронный пучок.

За счет того, что на пути потока, исходящего с подложки, в корпусе устройства установлен лучепровод с коническим соплом, то поток, «чувствуя» вершину сопла начинает тормозиться, образуя «стоячую» волну.

В плазменном сгустке практически мгновенно образуются два встречных потока быстрых частиц. Все перечисленные выше условия при их совместном действии обеспечивают надежную закрутку (вращение) и сепарацию электронов и ионов, которые осаждаются на разные электроды, создавая между ними разность потенциалов.

(см. патент РФ 89788, кл. H02N 3/00, 2009 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что его существенным недостатком является низкая эффективность работы в условиях высоких температур и, как следствие, постоянных термических деформаций электродов, что может привести к контакту электродов, а, следовательно, к короткому замыканию. Кроме того, горизонтальное расположение охлаждающих ребер, выполненных на первом электроде, не обеспечивает эффективного его охлаждения. Все это не позволяет обеспечить работу устройства с высокой мощностью.

Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение эффективности работы устройства, в том числе, его мощности, за счет уменьшения нагрева его электродов и уменьшения влияния их термодеформаций на стабильность работы устройства.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для получения электрической энергии, включающем герметизируемый корпус, установленную в корпусе электронно-лучевую пушку, оснащенную лучепроводом с коническим выходным соплом, с лучепроводом скреплена камера с выполненными в ней радиальными отверстиями, на нижнем срезе которой установлен первый электрод, выполненный в виде кольца, на наружной поверхности которого имеются теплоотводящие ребра, а внутренняя выполнена в форме двух усеченных конусов, сопряженных меньшими основаниями, на донной части корпуса установлена подложка для плазмообразующего материала, имеющая возможность вращения и линейного перемещения в горизонтальной плоскости, а второй электрод расположен в нижней полости первого электрода, новым является то, что второй электрод установлен на лучепроводе посредством упругих элементов, выполненных из немагнитного материала, при этом, теплоотводящие ребра расположены на электроде вдоль его оси и имеют прямоугольное сечение, а упругие элементы выполнены из материала 12Х18Н10Т.

Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:

- фиг.1 - устройство для получения электрической энергии, осевой разрез;

- таблица 1 - зависимость угла при вершине конуса лучепровода от температуры плавления плазмообразующего материала мишени;

- таблица 2 - основные параметры устройства при его опытной отработке.

Устройство для получения электрической энергии состоит из разъемного вакуумируемого корпуса 1, выполненного из стыкуемых друг с другом верхней и нижней частей (позициями не обозначены).

На верхней части корпуса 1 смонтирована электронно-лучевая пушка 2, которая содержит размещенные в ее корпусе катод, прикатодный электрод, анод с кольцами и магнитной линзой. Выполнение электронно-лучевой пушки аналогично ее выполнению в наиболее близком аналоге. Конструкции таких пушек давно известны и они широко используются в промышленности, например, для электронно-лучевой сварки изделий широкого профиля.

В корпусе 1 на проставке 3 установлен лучепровод 4 с коническим выходным соплом. На лучепроводе 4 посредством крепежных элементов (гаек) 5 закреплена камера 6 цилиндрической формы. В верхней части камеры в одной горизонтальной плоскости выполнены отверстия 7 разного размера. К камере пристыкован первый электрод 8, имеющий форму кольца, внутренняя поверхность которого имеет форму двух состыкованных меньшими основаниями усеченных конусов (форма сопла Лаваля). На наружной поверхности первого электрода выполнены теплоотводящие ребра 9. Теплоотводящие ребра выполнены вертикально (вдоль оси устройства) и имеют предпочтительно прямоугольное сечение. В нижней полости электрода 8 установлен второй электрод 10, имеющий форму усеченного конуса.

В нижней (донной) части корпуса 1 имеется тигель 11 с металлической мишенью 12, размещенной в тигле 11. Тигель 11 установлен на поворотном столе 13, который посредством приводов (не показаны) имеет возможность вращения и перемещения в горизонтальной плоскости для обеспечения равномерного расхода плазмообразующего материала мишени по ее поверхности.

Электроды устройства имеют возможность подключения к аккумулятору энергии 14, подсоединяемому к активной нагрузке 15 через выключатель 16.

Электронно-лучевая пушка 2 оснащена вакуумным насосом 17, а полость корпуса 1 соединена с вакуумным насосом 18 посредством патрубка 19.

Для настройки электронно-лучевой пушки 2 (чтобы обеспечить фокусировку электронного луча на поверхности мишени), она имеет возможность перемещения в вертикальной плоскости, а ее требуемое положение может обеспечиваться посредством прокладок, устанавливаемых между торцами электронно-лучевой пушки 2 и корпуса 1.

Электрод 10 размещен (подвешен) на корпусе лучепровода посредством упругих элементов (пружин) 20. Количество упругих элементов может быть различным, но не менее трех. Упругие элементы выполнены из немагнитного материала, например, 12Х18Н10Т.

Устройство для получения электрической энергии работает следующим образом.

Первоначально, в зависимости от температуры плавления плазмообразующего материала мишени 12, устанавливают лучепровод 4 с требуемым углом () при вершине конуса сопла лучепровода 4.

Зависимость значений угла () от температуры плавления плазмообразующего материала приведена в таблице 1.

Как показало практическое использование устройства, при значениях угла (), отличных от указанных, наблюдаются пульсации рабочего напряжения на протяжении рабочего цикла.

Далее к лучепроводу 4 крепят первый электрод. В полости первого электрода 8 известным образом размещают второй электрод 10 и крепят его посредством упругих элементов 20 к лучепроводу 4. При установке второй электрод располагают таким образом, что его нижний срез находится выше нижнего среза первого электрода. Такое расположение оптимизирует процесс осаждения на электроды заряженных частиц плазменного потока, что позволяет повысить мощность устройства.

Лучепровод крепят к проставке 3 электронно-лучевой пушки 2, смонтированной на корпусе 1. Подключают электроды к аккумулятору 14 и активной нагрузке 15.

Включают в работу вакуумные насосы, которые откачивают воздух из полости корпуса 1 и рабочего объема электронно-лучевой пушки. При достижении в полости корпуса давления 6,65 Па, а в объеме электронно-лучевой пушки - 6,65×10^-3 Па, включают в работу электронно-лучевую пушку 2 и поворотный стол 13 с тиглем 11, в котором размещена мишень 12 плазмообразующего материала.

Образованный электронно-лучевой пушкой электронный пучок, перемещаясь с высокой скоростью (порядка 10¹⁰ см/сек), направляется на мишень 12 и, попадая на нее, расплавляет плазмообразующий материал, доводя его до парообразного состояния, образуя плазменный поток.

За счет температурного градиента между мишенью и корпусом устройства, а также за счет вращения поворотного стола и Кориолисова ускорения земли создаются центробежные силы, которые раскручивают поток образованной плазмы, электроны и ионы в противоположных направлениях и практически мгновенно «сепарируют» их по массам.

В результате образуется постоянно пополняемый сгусток плазмы с осевым каналом в его центральной части, через который проходит электронный пучок.

Таким образом, в плазменном сгустке практически мгновенно образуются два встречных потока быстрых частиц. Все перечисленные выше условия при их совместном действии обеспечивают надежную закрутку (вращение) и сепарацию электронов и ионов, создающих электрический ток.

Учитывая, что масса электрона составляет порядка 10^-31 кг, а масса иона 10^-27 кг, то радиусы орбиты их вращения значительно отличаются.

Теоретическое обоснование данного процесса закрутки плазменного потока приведено в источниках, указанных в наиболее близком аналоге.

Электроны и ионы потоков осаждаются на разные электроды, что создает между ними довольно большую разность потенциалов и большой ток, который по своей абсолютной величине в десятки и сотни раз больше тока, который питает устройство и направляется потребителям (В процессе работы устройства его электропитание может осуществляться вырабатываемой им электроэнергией).

В процессе работы устройства плазменный сгусток непрерывно пополняется плазмой, генерируемой электронным лучом с подложки 12. Плазменный сгусток удерживают на протяжении рабочего времени, которое определяется необходимостью замены мишени плазмообразующего материала.

Опытная проверка осуществлялась на устройстве с параметрами, приведенными в таблице 2.

Проводились сравнительные оценки получения тока и напряжения при скорости движения рабочего стола 5; 10; 15, 55 м/ч, а также при изменении скорости автоматического режима перемещения стола. Фиксация взаимодействия электронного пучка с низкотемпературной плазмой производилась с помощью скоростной киносъемки с частотой кадров 2500 в секунду, с последующим фотографированием с экрана.

При проведении испытаний при входном токе в 10 мА был получен выходной ток в пределах 10 А. Выходная мощность возрастала в 3 раза.

Как показала экспериментальная отработка, выполнение теплоотводящих ребер на первом электроде прямоугольного сечения направленными вдоль его оси, то есть, вертикально, улучшает условия теплоотвода от электрода, обеспечивая ему более эффективное охлаждение, по сравнению с используемым в наиболее близком аналоге. Установка второго электрода на упругих элементах позволяет исключить его термокоробление в процессе работы устройства, а, следовательно, практически исключить короткие замыкания электродов вследствие их контакта.

Таблица 1
Температура плавления плазмообразующего материала	Tпл	До 700°C	До 1400°C	Свыше 1400°C
Значение угла конического сопла		14°	28°	32°
Таблица 2
	Рабочие параметры устройства	Значения параметров
1	Ускоряющее напряжение (кВ)	20, 22, 25, 28, 30
2	Рабочий ток на входе в устройство (мА)	10, 20, 30, 40, 50
3	Материал мишени	АМГ6
4	Рабочая мощность устройства (кВт)	0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 2,0
5	Скорость движения рабочего стола (м/ч)	5, 10, 15, 20, 55
8	Сопротивление рабочей цепи (Ом)	2-5
9	Температура нагрева во время работы (°C)	190-210

1. Устройство для получения электрической энергии, включающее герметизируемый корпус, установленную в корпусе электронно-лучевую пушку, оснащенную лучепроводом с коническим выходным соплом, с лучепроводом скреплена камера с выполненными в ней радиальными отверстиями, на нижнем срезе которой установлен первый электрод, выполненный в виде кольца, на наружной поверхности которого имеются теплоотводящие ребра, а внутренняя выполнена в форме двух усеченных конусов, сопряженных меньшими основаниями, на донной части корпуса установлена подложка для плазмообразующего материала, имеющая возможность вращения и линейного перемещения в горизонтальной плоскости, а второй электрод расположен в нижней полости первого электрода, отличающееся тем, что второй электрод, расположенный в нижней полости первого электрода, установлен на лучепроводе посредством упругих элементов, выполненных из немагнитного материала.

2. Устройство для получения электрической энергии по п.1, отличающееся тем, что теплоотводящие ребра расположены на электроде вдоль его оси и имеют прямоугольное сечение.

3. Устройство для получения электрической энергии по п.1, отличающееся тем, что упругие элементы выполнены из материала 12Х18Н10Т.