Термоэмиссионный преобразователь

.ЗОБРЕТЕЯ ЛКСА 1 г д д рц(у ЪЙЛйййМФйЛ ЫЖ 4 фЪ изобрете в 1 л: о терцоэмиссио дис 1 анционаторы выполнены рабочей поверх Остью коппс произведение разнести коэт расширенил яатериалов дис пекторэ и длины дистанцион 1.3 Ю вя Н .ил. Ямтттет РосснДсущД федераттиц о натектам и товарным знакавл(76) Алехин Владимир Иванович; Еречин Станислав Алекссеви т; Николаев 10 рий Вячеславович (Я) ТЕРЫОЗУИССИОНИЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ(57) Назначение: терчоэмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическу,о. С 1 щность нном преобразователевыступюща.и над ктора на 1 - 1 О мку, а фициентов линейного танционаторов.и колаторов не превосходитИзобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в энергетических установках с вынесенным термоэмиссионным преобразователем (ТЭП) и надстройках для тепловых электростанций,Известен ТЭП 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, апубл, 1969), Анод давлением теплоносителя равномерно прихкимается к частицам парашка и принимает канфигурациа катода.Для известной конструкции характерна низкая эффективность ТЭП, связанная с большими тепловыми перетечками па дистанцианирующим электроды частицам микранных размеров,Известен ТЭП, состоящий из множества миниТЭП с плоской геометрией электродов, размещенных в едином геометрическом корпусе (патент США В 4667126, кл. Н 01 Л 7/00, НКИ 310/306, опубл. 1987). Коллекторы в виде плоских шайб диаметрам не более 20 мм расположены на общем изоляторе. На коллекторах располажейы эмиттеры тех же размеров. К каждому эмиттеру припаян шток, проходящий через центральное отверстие коллектора и закрепленный в углублении изолятора. При нагреве конструкции за счет удлиненля штока эмиттер отодвигается 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 ТЭП с большим зазорам,Даннал конструкция имеет невысокие КПД - 3 - 8% и удельную электрическую мощность И менее 0,5 Вт/см, связанные с2относительно большой величиной межэлектрадного зазора, и невысоку 1 о надежность изготовления ТЗП. Так, при нагреве да рабочих температур работоспособными, т.е, разомкнутыми, оказались менее 607 ь (11 из 19) от общего числа электродных пар.Известен ТЭП (Николаев 1 О.В. и др, Расчетно-экспериментальные исслецавания низкотемпературного вакуумного ТЭП), содержащий жесткие плоские эмиттер и коллектор электронов и дистанцианатары в виде столбиков определенной, в несколько миллиметров, длины из непроводящега 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 5 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 "0 коллектора и по достижении рабочих температур электроды образуют зазор выбранной величины, Использование дистанционаторов миллиметровой длины, значительно большей величины зазора при рабочих тем пературах, позволяет уменьшить перетечкитепла по дистанционатбрам с эмиттера на коллектор. Величина зазора определяется разностью КЛ Р материалов дистанционаторов и коллектора, длиной дистанционаторов 20 и рабочими температурами электродов, Последние обычно составляют 900 - 950 К для коллектора и 1200-1500 К для эмиттера, а величина зазора при рабочих температурах не превосходит 10 мкм.25 Эффективность преобразования в таком ТЗП обратно пропорциональна величине зазора и в указанном диапазоне зазора до 10 мкм, КПД превосходит 8%, а у 2 цельная электрическая мощность 0,5 Вт/см, 30 Однако для известной конструкции характерна недостаточно высокая надежность, связанная с неразмыканием электродов при рабочих температурах. В известной конструкции после сборки ТЭП 35 между электродами отсутствует зазор прикомнатной температуре, поскольку торцы дистанционаторав находятся в одной плоскости с поверхностью коллектора, и определить работоспособность электродной 40 пары на предмет размыкания можно толькопри вакуумиравании и нагреве. Рабочие поверхности электроцов могут иметь дефекты в виде выступов, заусенцев, включений или частиц проводящей пыли. Кроме того, кон такт рабочих поверхностей электродов присборке сам провоцирует образование новых дефектов, например задиров рабочих поверхностей. Возможны и чисто механиче- .ские 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 блокиро вать размыкание электродов при нагреве дорабочих температур, что делает ТЭП неработоспособным, Однако неразмыкание электродов в известной конструкции обнаруживается только в собранном ТЗП, на закиачительном этапе изготовления, 2004034Поскольку 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 дистанционаторы электродов, закрепленные в углублениях коллектора, дистанционаторы выполнены выступающими над рабочей поверхностью коллектора на 1 - 10 мкм, а произведение разности КЛР материалов дистанционаторов и коллектора и длины уистанционаторов не превосходит 1,3 10 мкм К 1.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 способам. Наличие зазора при комнатной температуре позволяет надежно обеспечить работоспособность ТЭП при рабочих температурах, поскольку при нагреве происходит только увеличение имеющегося зазора в электродной паре.Выбор пределов диапазона величин превышения поверхности дистанционатаров над поверхностью коллектора сделан из следующих соображений. Если дистанцианаторы выступают на величину менее 1 мкм, то крайне трудно получить размыкание пары. Во-первых, на металлической поверхности, подготовленной абразивной или электрохимической обработкой, имеются, как правило, дефекты в виде конусов с характерной высотой 1 мкм см,пе Р.Р ИЫЙеу М/,Т. Еесооп евззоп ргесеейпо еессгса Ьгеай-ссап и васоевоигп, оГ Арр, РЬузсз, 1963, ч,34, М 8, р,2430 - 33). Характерная величина дефектов зависит от материала, технологии обработки и может быть определена на основании некоторой экспериментальной статистики, По экспериментальным данным для большинства коллекторных материалов после абразивно пературе,Величина зазора между электродамипри рабочих температуоах ст может бытьопределена по формуле35 бтмкм) - с, + (а, - ак) (Тк - 273)хх д+ ад,Тэ - Ткгде ад и ак - КЛР материалов дистанцианаторов и коллектора, К ;Тк и Тэ температура коллектора и эмиттера, К.Третье слагаемое в этой сумме в технически оправданных вариантах ад5 10-6К, Тэ Тк 250 К д000 мкм) не можетбыть менее О,б мкм. Если ад - а,)д1,3 хх 10 мкм К, то при лобам значении со иззаявленного диапазона величина зазора ст10 мкм, что не обеспечивает высокую эффективность ТЭП, Если ад - а)д1,3 10 мкм К, то ТЭП высакоэффективен и надежен, В этом случае может бытьиспользована следующая последовательность выбора параметров ТЭП.На основе заданных физико-энергетических требований, прежде всего ЧЧ и КПДпо известному расчетному и экспериментальному материалу определяат необходимые значения бт, работ выхода электронови температур эмиттера и коллектора, Выби 10202530 го полирования. испальзуемага для 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 мкм. Поэтому, если дистанционатары выступают на величину менее 1 мкм, проблематично получение размыкания при комнатной температуре и всилу этого становится неопоеделенным прогноз оазмыкания 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 еряется сам смысл высокоточной обработки поверхности электродов и получения ТЭП с микразаза ром.Для обеспечения высокой эффективности ТЭП в его конструкции неабхсгдимо сохранение величины межэлектродного зазора при рабочих температурах не более10 мкм. Это делает взаимосвязанным выбор материалов дистанционатаров и коллектора, длины дистанционаторов д и величины превышения бо дистанционатаров над поверхностью коллектора при комнатной тем2004034 го удлинеция дистанционаторов 5,ТЭП может быть реализован, например,(ак = 5,710 К "), дистанционаторы выполнены из керамики на основе окиси алюминия (ад = 7,8 10 6К ), Температураэмиттера 1000 С, коллектора 700 С. Дли 2 Ь на дистанционаторов1540 мкм. Дисхранялось размыкание электродов, а вели 30 чина зазоров составляла 6, 8 и 9 мкм соответственно. 35 40 Формула изобретения,ТГРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗО-45ВАТЕЛЬ, содержащий плоские эмиттер иколлектор электронов и дистанционаторыэлектроДов, закрепленные в углубленияхколлектора и выполненные из материала 50коэффициент линейного расширения кото-рого превышает коэффициент линейного 1 рают материалы электродов, обеспечивающие необходимые работы выхода, и материал дистанционаторов, Из диапазона 1 - О мкм выбирают значение бо с учетом того, что длину дистанционаторов 1 д, определяемую по формуле 1 д =. (бт - с 10) 1 (дд- ак) Ок -273)+ йд2 ), желательно иметьТэ-Тк 1более чем 1000 мкм.Подбор материалов коллектора и дистацционаторов по указанному алгоритму не представляет каких-либо трудностей из известных коллекторных (тугоплавкие металлы 1 Ч - Л групп таблицы Менделеева) и изолирующих (тугоплавкие окислы металлов 11 - 1 Ч групп) материалов.На чертеже изобракен ТЭП в разрезе.В корпусе ТЗП, образованном эмиттерной стенкой 1 и коллекторной стенкой 2, контактно по поверхностям размещены плоские электроды: эмиттер 3 и коллектор 4. Между эмиттером и коллектором размещены дистанционаторы 5, которые одним концом закреплены в углублениях, выполненных в коллекторе, а орцы других кОнцОВ дистанционаторов находятся в кон" такте с поверхностью эмиттера, Дистанционаторы выполнены выступающими над поверхностью коллектора на величину 1-.10 мкм. Стержни 6 из злектроизоляционного материала одним концом жестко закреплены в углублениях 7, выполненных на внутренней поверхности коллекторной стенки корпуса, а торцом другого конца находятся в контакте с внутренней поверхностью эмиттерной стенки. Между внутренними поверхностями стенок коруса и наружными поверхностями электродов размещены упоуго деформируемые слои 8 и 9, причем слой 9 пропитан щелочным металлом. Стенки корпуса отделены друг от друга прокладкой 10 из электроизоляционного материала и герметично соединень. 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 цагреве эмиттерной стенки 1 за счет теплопроводности упругого слоя 8 происходит нагрев эмиттера 3 и коллектора 4, упругого слоя 9 и коллекторной стенки 2, При нагреве конструкции зазор между электродамии увеличивается за счет термическотанционаторы выступают над поверхностью коллектора при 20 С на 2,4 и 5 мкм. При нагреве устройств надежно со(56) Патент США 1 Ф 4667126,кл, Н 01 1 7/00, 1982.Николаев 1 О.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 выбано не пре-вышающим 1,310 2 мкмК,2004034 оставитель В. Алехинехред М. Моргентал Корректор Л. Пилипенко Редактор Т, Юрчикова Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035. Москва, Ж, Раушская наб,. 4/5 акаэ 332 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10