Термоэмиссионный преобразователь

(29) ГЦ (Н) Б Я01Л4ЯОО

ОЛКСАНБЕ БЗОБ .. ЕТЕЯ

K ЙАТЕНЧ У (рдтттет Доссн@сущД федерациц тто натектам и товарным знакам (23) 5028673/21 (22) 25.0292 (46) 30.1 ЫЗ Еюл. No 43-44 (76) Алехин Владимир Иванович; Еречин Станислав

Алекссеви т; Николаев 10рий Вячеславович (54) ТЕРЫОЗУИССИОНИЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Назначение: терчоэмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическу.о. С1ц!ность изобретеи л: о териоэмиссионном преобразователе дис1анционаторы зыпапнены выступа ощип.и над рабочей поверхностью коллектора на > -- 10 мкм, а произведе»ne разнссти коэффициентов линейного расширенил .яатериалов дистанционаторов.ц коллектора и длины дистанционаторов не превосходит

1.3» Ю мкч. Н . ил.

2004034

Изобретение относится к области термозмиссианного преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использована в энергетических установках с вынесенным термоэмиссионным преобразователем (ТЭП) и надстройках длл тепловых электростанций, Известен ТЗП с плоскими электродами и малым (2 — 25 мкм) межэлектродным зазором, состоящий из жесткого катода, тонкого гибкого ачода и дистанционаторов электродов в виде частиц порошка микронных размеров из изоляционного материала (патент

ФРГ ЬЬ 1292226, кл. 21 Ь 29/00, опубл, 1969), Анод давлением тепланосителл равномерно прихкимаетсл к частицам парашка и принимает конфигурацию катода.

Длл известной конструкции характерна низкая эффективность ТЭП, связанная с большими тепловыми перетечками по дистанционирующим электроды частицам микронных размеров, Известен ТЭП, состоящий из множества миниТЭП с плоской геометрией электродов, размещенных в едином геометрическом корпусе (патент США

hL 4667126, кл. Н 01 J .7/00, НКИ 310/306, опубл. 1987). Коллекторы в виде плоских шайб диаметрам не более 20 мм расположены на общем изоляторе. На коллекторах расположейы эмиттеры тех же размеров. К каждому эмиттеру припалн шток, проходящий через центральное отверстие коллектора и закрепленный в углублении изолятора.

При нагреве конструкции за счет удлинения штока эмиттер отодвиггетсл от коллектора и между ними образуется зазор величиной

10 — 100 мкм. Относительна малый зазор между электродами позволяет получить тот же КПД, на при меньшей температуре эмиттера, что и в ТЗП с большим зазором, Даннал конструкцил имеет невысокие

КПД вЂ” 3 — 8% и удельную электрическую мощность W менее 0,5 Br/ñì, связанные с

2 относительно большой величиной межэлектроднаго зазора, и невысоку1о надежность изготовления ТЗП. Так, при нагреве до рабочих температур работоспособными, т.е, разомкнутыми, оказались менее 60 (11 из

19) от общего числа электродных пар.

Известен ТЭП (Николаев (О.B. и др, Расчетно-экспериментальные исслецованил низкотемпературного вакуумного ТЭП ), содержащий жесткие плоские эмиттер и коллектор электронов и дистанцианаторы в виде столбиков определенной, в несколько миллиметров, длины из непроводящего материала с коэффициентом линейного расширения (КЛР) большим, чем КЛР материала коллектора, закрепленные в углублениях коллектора. Торцы дистанционаторов, свободно контактирующие с эмиттером, выполнены совпадающими с плоскостью коллектора при температуре

20 С. При нагреве конструкции в силу большего КЛР дистанционаторы удлиняются больше, чем коллектор на той же длине, начинают выступать над рабочей поверхностью коллектора, отодвигают змиттер от коллектора и по достижении рабочих температур электроды образуют зазор выбранной величины. Использование дистанционаторов миллиметровой длины, значительно большей величины зазора при рабочих температурах, позволяет уменьшить перетечки тепла по дистанционатбрам с эмиттера на коллектор. Величина зазора определяется разностью КЛ P материалов дистанционаторов и коллектора, длиной дистанционаторов

20 и рабочими температурами электродов, Последние обычно составляют 900 — 950 К для коллектора и 1200-1500 К для змиттера, а величина зазора при рабочих температурах не превосходит 10 мкм.

Эффективность преобразования в таком ТЗП обратно пропорциональна величине зазора и в указанном диапазоне зазора„ до 10 мкм, КПД превосходит B o, а удельная электрическая мощность 0,5 Вт/см, 0 Однако длл известной конструкции характерна недостаточно высокая надежность, связанная с неразмыканием электродов при рабочих температурах. В известной конструкции после сборки ТЭП

35 между электродами отсутствует зазор при комнатной температуре, поскольку торцы дистанционаторав находятся в одной плоскости с поверхностью коллектора, и определить работоспособность электродной пары на предмет размыкания можно только при вакуумировании и нагреве. Рабочие llo верхности электроцов могут иметь дефекты в виде выступов, заусенцев, включений или частиц проводлщей пыли. Кроме того, кон"5 такт рабочих поверхностей электродов при сборке сам провоцирует образование новых дефектов, например задиров рабочих поверхностей. Возможны и чисто механические погрешности при сборке ТЭП, 50 например перекосы электродов, препятствующие их размыканию, Выступающие над поверхностью электродов дефекты могут иметь размеры, превосходящие величину выбранного зазора, и способны блокировать размыкание электродов при нагреве до рабочих температур, что делает ТЭП неработоспособным. Однако неразмыкание электродов в известной конструкции обнаруживается только в собранном ТЗП, на заключительном этапе изготовления, 2004034

Поскольку сборка, как правило, включает неразъемные сварные и паяные соединения, неразмыкание электродов приводит к браку ТЭП с одной парой или снижает его эффективность со множеством электродных пар.

Цель изобретения — создание конструкции, обеспечивающей одновременно высокую эффективность и высокую надежность

ТЭП.

Цель достигается тем, что в конструкции, содержащей плоские эмиттер и коллектор электронов и дистанцианаторы электродов, закрепленные в углублениях коллектора, дистанционаторы выполнены выступающими над рабочей поверхностью коллектора на 1-10 мкм, а произведение разности КЛР материалов дистанционаторав и коллектора и длины уистанционаторов не превосходит t,3 10 мкм К1.

Если дистанционаторы выполнены выступающими над рабочей поверхностью коллектора на 1 — 10 мкм при комнатной температуре, то при наложении на такой коллектор эмиттера последний опирается на выступающие торцы дистанционаторав.

При отсутствии дефектов выступающих более чем выбранное превышение дистанционаторов из диапазона 1-10 мкм над поверхностями электродов и удовлетворительном качестве сборки между электродами образуется не проводящий электричество зазор, наличие которого можно выявить любым известным способом. Наличие зазора при комнатной температуре позволяет надежно обеспечить работоспособность ТЭ П при рабочих тел пературах, поскольку при нагреве происходит только увеличение имеющегося зазора в электродной паре.

Выбор пределов диапазона величин превышения поверхности дистанционаторов над поверхностью коллектора сделан из следующих соображений. Если дистанционаторы выступают на величину менее 1 мкм, то крайне трудно получить размыкание пары. Ва-первых, на металлической поверхности, подготовленной абразивной или электрохимической обработкой, имеются, как правило, дефекты в виде конусов с характерной высотой 1 мкм (см, Е!й!е Р.Р., Whithey W.Т. Electron emission preceeding

electr!cal break-down in vacuum. Journ. of

Appl. Physics, 1963, v,34, М 8. р,2430 — 33).

Характерная величина дефектов зависит от материала, технологии обработки и может быть определена на основании некоторой экспериментальной статистики, Па экспериментальным данным для большинства коллекторных материалов после абразивно10

ro полирования. испальзуема-о дпя формирования поверхностей электродов, эта величина не меньше 1 мкм. Кроме того, реальные электроды всегда имеют некоторое отклонение от плоскости и местные ошибки формы, величина которых в сумме также составляет 1 мкл1. Поэтому, если дистанционатары выступают на величину менее 1 мкм, проблематично получение размыкания при комнатной температуре и в силу этого становится неопределенным прогноз размыкания пары при нагреве, Выполнение дистанционаторов с превышением более 10 мкм над поверхностью коллектора нецелесообразно из-за значительного снижения эффективности преобразования при межэлектрадных зазорах более 10 мкм. В этом случае теряется сам смысл высокоточной обработки поверхности электродов и получения ТЭП с л1икразаза ром.

Для обеспечения высокой эффективности ТЭП в его конструкции необхсгдимо сохранение величины межэлектродного зазора при рабочих температурах не более

10 мкм. Это делает взаимосвязанным выбор материалов дистанционатаров и коллектора, длины дистанционаторов 1д и величины превышения do дистанционаторов над поверхностью коллектора при комнатной температуре.

Величина зазора между электродами при рабочих температурах d> может быть определена по формуле

35 бт (мкм) do+ (Qg — а») (Т, — 273)х х!д+ @ 1д, Тэ Т» где ад и ໠— КЛР материалов дистанцианаторов и коллектора, К;

Т» и Тэ температура коллектора и эмиттера, К.

Третье слагаемое в этой сумме в технически оправданных вариантах (ад 5 10

-6

К, Тэ Т» — 250 К,!д l 000 мкм) не может быть менее О,б мкм. Если (ад — а,) !д > 1,3х х10 мкм К, то при л обом значении do из заявленного диапазона величина зазора бт>

> 10 мкм, что не обеспечивает высокую эффективность ТЭП. Если (ад — а») (д 1,3 10 мкм К, то ТЭП высакоэффективен и надежен. В этом случае может быть использована следующая последовательность выбора параметров ТЭП.

На основе заданных физико-энергетических требований, прежде всего W и КПД па известному расчетному и экспериментальному материалу определя)ат необходимые значения dT, работ выхода электронов и температур эмиттера и коллектора, Выби2004034 го удлинения дистанционаторов 5, ТЭП может быть реализован, например, . при следующих параметрах. Материал змиттера — монокристалл вольфрама, мате20 риал коллектора — монокристалл молибдена (ак = 5,7 10 К "), дистанционаторы выполнены из керамики на основе окиси алюминия (ад = 7,8 10 6 К1), Температура эмиттера 1000 С, коллектора 700 С. Дли25 на дистанционаторов 1540 мкм. Дисхранялось размыкание электродов, а вели30 чина зазоров составляла 6, 8 и 9 мкм соответственно.

Формула изобретения

ТГРМОЭМИССИОННЫИ ПРЕОБРАЗО- 45

ВАТЕЛЬ, содержащий плоские эмиттер и коллектор электронов и дистанционаторы электродов, закрепленные в углублениях коллектора и выполненные из материала,, 50 коэффициент линейного расширения кото- рого превышает коэффициент линейногo рают материалы электродов, обеспечивающие необходимые работы выхода, и материал дистанционаторов, Из диапазона 1 — d мкм выбирают значение d< с учетом того, что длину дистанционаторов 1д, определяемую по формуле !д=(d — dp) ((ад- <)(Т<—

-273)+ йд 2 -), желательно иметь

4 1к 1 более чем 1000 мкм.

Подбор материалов коллектора и дистанционаторов по указанному алгоритму не представляет каких-либо трудностей из известных каллекторных (тугоплавкие металлы IV — Л групп таблицы Менделеева) и изолирующих (тугоплавкие окислы металлов II — IV групп) материалов.

На черте>хе изабра>кен ТЭП в разрезе.

В корпусе ТЗП, образованном эмиттерной стенкой 1 и коллекторнай стенкой 2, контактно по поверхностям размещены плоские электроды: эмиттер 3 и коллектор 4.

Между эмиттером и коллектором ра,",мещены дистанционаторы 5, которые одним концом закреплены в углублениях, выполненных в коллекторе, а орцы других концов дистанцианаторав находятся в кон" такте с поверхностью эмиттера. Дистанционаторы выполнены выступающими над поверхностью коллектора на величину 1-.10 мкм. Стержни 6 из злектроизоляцианнога материала одним концом жестко закреплены в углублениях 7, выполненных на внутренней поверхности каллекторной стенки корпуса, а торцом другого конца находятся в контакте с внутренней поверхностью эмиттерной стенки. Между внутренними поверхностями стенок коруса и наружными поверхностями электродов размещены упpyro деформируемые слои 8 и 9, причем слой 9 пропитан щелочным металлом. Стенки корпуса отделены друг от друга прокладкой 10 из электроизоляционного материала и герметично соединены с ней пайкой 11, Эмиттерный токовывод 12 соединен с поверхностью эмиттерной стенки, а коллекторный токовывод 13 — с коллекторной стенкой, Предлагаемый ТЭП работает следуюЩим образом, При нагреве эмиттерной стенки 1 за счет теплопроводности упругого слоя 8 происходит нагрев эмиттера 3 и коллектора 4, упругога слоя 9 и коллекторной стенки 2, При нагреве конструкции зазор между электродамии увеличивается за счет термическотанционаторы выступают над поверхностью коллектора при 20 C на 2, 4 и

5 мкм. При нагреве устройств надежно со(56) Патент США 1Ф 4667126, кл, Н 01 J 7/00, 1982.

Николаев IO.В, и др. Расчетно-экспериментальные исследования низкотемпературн ого вакуумного ТЭП.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую. Обнинск, 1984. расширения материала коллектора, отличающийся тем, что дистанционаторы выполнены выступающими над рабочей поверхностью коллектора на величину 1—

10 мкм, а произведение разности коэффициентов линейного расширения материалов дистанционаторов и коллектора на длину дистанционаторов выбрано не пре- вышающим 1 3 - 10 2 мкм ° К .

2004034

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3326

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель В. Алехин

Редактор Т, Юрчикова Техред М. Моргентал Корректор Л. Пилипенко