Устройство для получения электрической энергии

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

Устройство для получения электрической энергии включает герметизируемый корпус, электронно-лучевую пушку и лучепровод. с коническим выходным соплом, с лучепроводом скреплена камера с выполненными в ней радиальными отверстиями, на нижнем срезе которой установлен первый электрод, выполненный в виде двух сопряженных меньшими основаниями усеченных конусов, на донной части корпуса установлена подложка для плазмообразующего материала, имеющая возможность вращения и линейного перемещения в горизонтальной плоскости, а второй электрод установлен в полости конуса первого электрода, обращенного к подложке. На наружной поверхности первого электрода имеются теплоотводящие ребра, а второй электрод смонтирован в полости первого электрода таким образом, что его нижний срез расположен выше нижнего среза первого электрода.

1 п ф-лы. 1 илл. 2 табл.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для получения электрической энергии путем преобразования 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 размешена 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).

(см. патент РФ 2105407. кл. H02N 3/00. 1996 г.) наиболее близкий аналог.

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.

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.

Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности работы устройства за счет уменьшения нагрева его элементов и повышение его мощности.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в устройстве для получения электрической энергии, включающем герметизируемый корпус, электронно-лучевую пушку и лучепровод, с коническим выходным соплом, с лучепроводом скреплена камера с выполненными в ней радиальными отверстиями, на нижнем срезе которой установлен первый электрод, выполненный в виде двух сопряженных меньшими основаниями усеченных конусов, на донной части корпуса установлена подложка для плазмообразующего материала, имеющая возможность вращения и линейного перемещения в горизонтальной плоскости, а второй электрод установлен в полости конуса первого электрода, обращенного к подложке, новым является то. что на наружной поверхности первого электрода имеются теплоотводящие ребра, а второй электрод смонтирован в полости первого электрода таким образом, что его нижний срез расположен выше нижнего среза первого электрода.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленной полезной модели, а следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «новизна».

Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления полезной модели специалистами в данной области техники.

Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых показано устройство для получения электрической энергии, осевой разрез.

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, прикатодпый 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.

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 кольцевой электрод 8 имеющий форму двух состыкованных меньшими основаниями усеченных конусов (форма сопла Лаваля). На наружной поверхности первого электрода выполнены теплоотводящие ребра 9. В нижней части электрода 8 установлен второй кольцевой 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 снабжена 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.

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 () менее 16 или более 32 градусов резко изменяется плотность парогазового потока, что недопустимо, так как наблюдаются пульсации рабочего напряжения на протяжении рабочего цикла.

Далее в полости первого электрода 8 известным образом монтируют второй электрод 10. При монтаже второй электрод располагают в полости первого электрода, обращенной к тиглю, причем располагают его 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.

Собранную конструкцию посредством элементов 5 крепят к лучепроводу 4, а 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 10 ¹⁰ см/сек), направляется на мишень 12 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 4 с коническим соплом, то поток, «чувствуя» вершину сопла начинает тормозиться, образуя «стоячую» волну (скачок уплотнения) (данное явление известно из газодинамики и весьма подробно описано в технической литературе см. например, С.И.Исаев и др. «Основы термодинамики, газовой динамики и теплопередачи». Москва. «Машиностроение». 1968 год. стр.157. 203 или журнал «Сварочное производство», 6, 1995 г. Стр. 2, 3). Стоячая волна является препятствием для перемещения элементов плазменного сгустка, так как приближаясь к ней, поток электронов и ионов начинает тормозиться. Частицы трутся друг о друга и под действием электрического поля происходит разложение электронов и его свойства переходят на более мелкую частицу - гамма - квант или фотон, то есть, закон сохранения заряда переходит на более глубокий уровень. При этом электроны электронного пучка сами являются генераторами закрутки двигающихся навстречу от мишени 12 электронов и ионов, так как воздействуют на них своим электрическим полем. Данный процесс описан в технической литературе, см., например. Л.А.Арцимович «Элементарная физика плазмы», Москва. «Атомиздат». 1966 г., глава 5. стр.98, 99.

При движении электронов и ионов с плазмообразующего материала за счет температурного градиента между мишенью и корпусом устройства создаются центробежные силы, которые раскручивают электроны и ионы в противоположных направлениях и «сепарируют» их по массам. Центробежные силы создаются за счет вращения и перемещения мишени, а также за счет отверстий 7, которые выполнены разного размера и расположены в одном поперечном сечении. Благодаря этому обеспечивается надежная закрутка, так как дополнительно па поток воздействует и Кориолисово ускорение земли, а также электрическое поле, создаваемое электронами работающей электронно-лучевой пушки. Происходит сепарация электронов и ионов плазмы.

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.

Находясь под воздействием электрического поля электронного потока электроннолучевой пушки, частицы различного знака начинают двигаться в разные стороны, вырабатывая электрический ток, так как во время своего вращения они не сталкиваются, то скорость их вращения увеличивается, что приводит к возрастанию вырабатываемой энергии по сравнению с потребляемой устройством.

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.

При работе устройства между первым и вторым электродом возникает довольно высокая разность потенциалов, которая зависит в том числе и от скорости вращения рабочего стола. Поэтому два встречных потока быстрых частиц могут развивать от десятков до тысяч оборотов в секунду. 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).

Известно (см., например. Н.Н.Рыкалин «Основы электронно-лучевой обработки материалов». Москва, «Машиностроение». 1978 г.. стр.10), что при обработке материалов электронным пучком в зоне повышенной концентрации энергии (до 10⁵-10⁶ Вт/см²) 60% энергии уходит на отвод тепла, примерно 35% на плавление и только 5% на испарение. Поэтому увеличивая количество энергии на испарение, увеличивают количество получаемой электрической энергии, что происходит в полном соответствии с Законом сохранения энергии.

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.

За счет того, что устройство работает в условиях низкого вакуума, между корпусом 1 и теплоотводящими ребрами 9 устанавливается надежный теплообмен, который обеспечивает высокую работоспособность устройства, так как масса корпуса 1 значительно превосходит массу теплоотводящих ребер, которые имеют большую теплоотводящую поверхность, позволяющую выдерживать высокую температуру испаряемого плазмообразующего металла.

Таблица 1
Температура плавления плазмообразующего материала	ТПЛ	До 700°С	До 1400°С	Свыше 1400°С
Значение угла конического сопла		16°	24°	32°

Таблица 2
	Рабочие параметры устройства	Значения параметров
1	Ускоряющее напряжение (кВ)	20
2	Рабочий ток на входе в устройство (мА)	10
3	Материал мишени	сплав АМГ - 6
4	Рабочая мощность устройства (кВт)	0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 2,0
5	Скорость движения рабочего стола (м/ч)	5-50
8	Сопротивление рабочей цепи (Ом)	2-5

Устройство для получения электрической энергии, включающее герметизируемый корпус, электронно-лучевую пушку и лучепровод с коническим выходным соплом, с лучепроводом скреплена камера с выполненными в ней радиальными отверстиями, на нижнем срезе которой установлен первый электрод, выполненный в виде двух сопряженных меньшими основаниями усеченных конусов, на донной части корпуса установлена подложка для плазмообразующего материала, имеющая возможность вращения и линейного перемещения в горизонтальной плоскости, а второй электрод установлен в полости конуса первого электрода, обращенного к подложке, отличающееся тем, что на наружной поверхности первого электрода имеются теплоотводящие ребра, а второй электрод смонтирован в полости первого электрода таким образом, что его нижний срез расположен выше нижнего среза первого электрода.