початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2124781

КВАЗІВАКУУМНИЙ термоелектронів ПЕРЕТВОРЮВАЧ
ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ В ЕЛЕКТРИЧНУ

Ім'я винахідника: Маєвський В.А.
Ім'я патентовласника: Маєвський Володимир Олександрович; Маєвський Ігор Сергійович
Адреса для листування: 111402 Москва, ул.Кетчерская 2-5-34, Маєвському В.А.
Дата початку дії патенту: 1995.12.21

Використання: в якості джерел електричної енергії в наземних і космічних умовах. Технічний результат полягає в збільшенні ККД і створює умови для повторного використання тепла, що виділяється на аноді, для підведення його до катода наступного за ним елемента. Квазівакуумний термоелектронний перетворювач містить зубчасті електроди, причому навпроти виступів одного електрода і западин протилежної електрода встановлені екранують пластини, при цьому електроди і пластини встановлені таким чином, що вектор напруженості магнітного поля перпендикулярний поверхні електродів і пластин, а електрод-анод має температуру більшу, ніж електрод -катод.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до техніки перетворення теплової енергії в електричну, а більш конкретно - до прямого перетворення тепла термоемісійним способом, і призначене для використання в якості джерел електричної енергії в наземних і космічних установках.

Відомий термоемісійний перетворювач теплової енергії в електричну, що містить підігрівається катод і охолоджується анод, розділені межелектродним зазором [1]. Температура анода в такому перетворювачі нижче температури катода, що виключає можливість повторного використання тепла, що виділяється на аноді, і обмежує ККД перетворювача.

Завданням винаходу є забезпечення генерації електричної енергії в перетворювачі при температурі анода, більшої температури катода, і використання тепла, що виділяється на аноді, для підігріву катода наступного елементу.

Дане завдання вирішується таким чином, що в квазівакуумном термоелектронів перетворювачі теплової енергії в електричну, що містить зубчасті електроди і формувач магнітного поля, електроди виконані з плоских пластин з нанесеними на їх поверхню трикутними канавками, що утворюють періодичну систему зубів, при цьому навпроти виступів одного зубчастого електрода і западин протилежної встановлені екранують пластини шириною (2-3) r _л, електрично з'єднані з відповідним електродом, де r _л - ларморовской радіус електрона в магнітному полі перетворювача, а формувач магнітного поля встановлено таким чином, що однорідне магнітне поле перпендикулярно поверхні електродів.

	На фіг. 1 представлена ​​схема термоелектронного перетворювача, виконаного за даним винаходом, на фіг. 2 - поверхня зубчастого електрода, на фіг. 3 - схема електрода з похилим магнітним полем, на фіг. 4 - схема зубчастого електрода і траєкторії електрона в магнітному полі, на фіг. 5 - залежність частки захоплених електродів від положення ділянки емісії на поверхню зуба з кутом нахилу для різних значень r л, на фіг. 6 - характер зміни щільності струму по довжині електрода (фіг. 1) з екранують пластинами, на фіг. 7 - конфігурація електродів перетворювача і характер розподілу щільності струму уздовж них, на фіг. 8 - вольт-амперна характеристика перетворювача, на фіг. 9 - оцінки залежності щільності потужності і питомої потужності від температури електродів і міжелектродного відстані d і на фіг. 10 - система координат для розрахунку величини струму. Перетворювач працює наступним чином. Як буде показано нижче, в магнітному полі, перпендикулярному поверхні зубчастого електрода, середня щільність струму емісії з западини менше середньої щільності струму з виступу за рахунок більшої частки еміттірованних електронів, що захоплюються суміжними еміттірующей площинами у западини. Тоді, екрануючи відповідно виступи одного електрода і западини протилежної, можна збільшувати або зменшувати струм з електрода.

Так, наприклад, якщо в зазорі перетворювача встановлені екранують відображають пластини, то вони сильніше зменшують струм з електрода, навпаки виступів якого вони розташовані, і тому сумарний струм електронів при однаковій температурі електродів направлений до електрода, виступи якого заекраніровани цими пластинами.

Розглянемо термоемісійний квазівакуумний діод, електроди якого виконані з плоских пластин з нанесеними на їх поверхню трикутними канавками, так що вони утворюють періодичну систему зубів з кроком 2а (фіг. 1, 2). Знайдемо розподіл щільності струму емісії з такого електрода в однорідному магнітному полі, перпендикулярному його поверхні.

В роботі [2] показано, що якщо вектор напруженості магнітного поля H спрямований під кутом до еміттірующей поверхні (фіг. 3), то щільність струму з такою поверхні за рахунок захоплення еміттіруемих електронів, що обертаються навколо ліній напруженості магнітного поля з радіусом r _л, еміттірующей поверхнею зменшується до величини

j = j ₀ sin ,

де

j ₀ - щільність струму емісії.

Якщо кут нахилу вектора H до поверхні зуба дорівнює і r _л << a, де r _л - радіус ларморовской окружності електрона, то щільність струму з елемента поверхні, віддаленого від краю зуба на відстань z >> r _л (фіг. 4), дорівнює _j z = 0,7 j _0.

Однак в областях розміром - r _л в околиці кордонів зуба ситуація змінюється. У вершини зуба частка захоплених електронів зменшується в зв'язку зі зменшенням поверхні електрода, яка може захоплювати електрони. Дійсно, в межі при z -> 0 щільність струму можна отримати, інтегруючи спектр емісії для електронів, швидкість яких спрямована від еміттірованних їх електрода. Тоді для точки B в разі , Інтегруючи спектр емісії в межах - (фіг. 10), _j B = 0,85j _0, тобто _j B> _j Z.

У западини зуба захоплення електронів збільшується за рахунок захоплення електронів поверхнею розташованого поруч зуба. Величина частки захоплених електронів, мабуть, залежить від величини напруженості магнітного поля, але не може бути менше, ніж 0,5j _0. З цієї причини в точці A

_j A <j ₀ · 0,5 і _j B> _j Z> _j A.

Величина щільності струму на інших ділянках повинна монотонно змінюватися в цьому діапазоні.

Рішення завдання і розрахунки щільності струму з поверхні зуба в залежності від величини магнітного поля з урахуванням захоплення електронів обома поверхнями зуба наведені нижче.

При вирішенні передбачалося, що в діоді реалізований квазівакуумний режим і що

, _R d d,

де

- Електрохімічний потенціал плазми міжелектродного простору;

- Робота виходу матеріалу електрода;

_r d - радіус Дебая;

d - величина міжелектродного відстані. В цьому випадку можна вважати, що щільність струму емісії з поверхні визначається рівнянням Річардсона,



де

A - постійна Річардсона;

T - температура електрода;

k - постійна Больцмана,

причому існування затримує електрони приелектродному стрибка потенціалу V = - враховується заміною в цьому рівнянні на . Можна і стверджувати, що при наявності такого стрибка всі електрони, які досягають поверхні електрода, будуть їм захоплені. Крім того, передбачалося, що електричне поле в обсязі відсутня, крім щодо тонкого шару Дебая, тобто dY / _d Z, dY / _d Y = 0.

Результати розрахунків підтверджують зроблені раніше з якісного аналізу висновки. На фіг. 5 наведена частка захоплених електронів S _Захва = 1 - _j Z / j ₀ для різних ділянок зуба. Кожна крива відповідає певному значенню H і відповідно r _л.

Чисельні розрахунки показали, що дійсно для z >> r _лj Z = 0,7j _0,j B = 0,85j ₀ і _j A = 0,45j _0.

Слід звернути увагу і на залежність зміни j від r _л. Чим менше r _л, тим менше довжина, на якій відбувається зміна від _j A і _j B до _j Z. Чим більше r _л, тим на більші відстані від виступу і западини поширюється вплив периферійних значень j, що відповідає якісним уявленням про механізм захоплення електронів в цій системі.

Особливістю спектра емісій з зубчастого електрода в магнітному полі, перпендикулярному поверхні, є його досить сильна нерівномірність по довжині. Щільність струму змінюється періодично (з періодом 2а); в області виступу вона максимальна, в області западин мінімальна. Якщо екранувати відбивають або еміттірующей пластинами різні ділянки електрода, то можна отримувати різні величини сумарного струму з зубчастого електрода.

Наприклад, якщо відображають екрани встановлюються навпроти виступів, то струм з такого електрода зменшується сильніше, ніж в разі установки таких екранів навпаки западин. Якщо в якості екранів використовувати пластини з того ж матеріалу, що і емітери, то при установці їх у виступах має спостерігатися зменшення струму, а при установці навпаки западини буде спостерігатися збільшення струму, тому що щільність струму у западини менше, ніж щільність струму з плоского електрода.

Використовуючи такі зубчасті емітери з частковою екрануванням поверхні в якості електродів квазівакуумного термоемісійного діода, можна отримувати результуючий електричний струм, навіть якщо їх температура однакова.

Зауважимо, що ситуація принципово не змінюється, якщо зубчастий електрод має двовимірну геометрію, тобто виступи виконані у вигляді пірамід або конусів.

Розглянемо кілька можливих схем таких діодів. Нехай, наприклад, діод утворений двома зубчастими електродами, зміщеними відносно один одного на відстань "a", так що виступи одного електрода знаходяться навпроти западин іншого (фіг. 1). Припустимо тепер, що навпроти виступів верхнього електрода встановлені екрани, що відображають електрони, і що діод поміщений в однорідне магнітне поле, вектор напруженості якого перпендикулярний поверхні електродів і відображають пластин. Як екранів можуть бути використані, наприклад, пластини з більш високою роботою виходу; ширина пластини (2-3) r _л.

Тоді електрони, еміттіруемие ділянками електродів, розташованими навпроти екранів, на протилежні електроди не потрапляють, а після відбиття від екранів повертаються на еміттірованних їх ділянку. Це призводить до зменшення струму з електродів, причому струм з електрода, у якого відображають екрани розташовані у виступів, зменшується сильніше (фіг. 6). Таким чином, в міжелектродному зазорі за рахунок різного зменшення щільності струму відбивають екранами у виступів і западин і, як наслідок, різних величин струмів з електродів J ₁ і J ₂ виникає результуючий потік електронів від електрода 2 до електрода 1.

Ситуація принципово не змінюється, якщо використовується не відображає екран, а екран з того ж матеріалу, з якого виготовлені основні електроди. І в цьому випадку струм з електрода, виступи якого розташовані навпроти екрану, зменшується сильніше, тому що щільність струму з виступу більше, ніж щільність струму з відповідної ділянки плоскої поверхні екрану. У розгляді, результати якого наведені на фіг. 6, для величин j ₁ і j _2-1 передбачалося, що екран електрично з'єднаний з електродом 1, виступ якого він екранує. Однак результуючий струм не змінює напрямку, якщо екран з'єднаний з електродом 2. У такій схемі щільність струму з екрану вище, ніж щільність струму з западини, навпроти якої цей екран розташований. Таким чином, заміна еміттірующей ділянок в околиці виступу або западини зуба емісією з розташованого навпроти них плоского еміттірующей екрану призводить відповідно до зниження або збільшення щільності струму в цих областях, а значить, і відповідної зміни загального струму з електрода.

Максимальна різниця струмів при використанні еміттірующей екранів може бути отримана в системі з двома рядами екранів. Один з них електрично з'єднаний з електродом 1 і екранує його виступи, другий - з електродом 2 і екранує його западини. Одна з можливостей практичної реалізації цієї схеми представлена ​​на фіг. 7.

Оцінимо величину питомої об'ємної потужності, яка може бути отримана в даному діоді. Будемо вважати, що реалізований квазівакуумний режим з і, отже, вольт-амперна характеристика елемента в області генерації являє собою експоненту (фіг. 8)

j = j _кз exp (-V / kT),

де

V - напруга на навантаженні;

j _кз - струм короткого замикання.

Тоді, як відомо, максимальна потужність може бути отримана при напрузі V = kT і, отже, щільність потужності з одиниці поверхні

N = (j _кз · kT) / e.

У прийнятій моделі j _кз = j _2-1. Вважаючи, що зміна _j Z залежно від z можна апроксимувати лінійним законом (див. Фіг. 3, крива для r _л = 0,05 см), неважко отримати, що характерне значення середньої щільності струму

j _2-1 ~ 0,1j _0.

В елементі з рівноважної термічної іонізацією цезію щільність струму залежить від довжини вільного пробігу електронів і температури електродів. Величини N і W в залежності від температури представлені на фіг. 9. При використанні вольфрамових електродів об'ємна площину потужності може досягати величини 0,1 - 1,0 МВт / м ^3. При цьому передбачалося, що в електрогенеруючій зоні вдається отримати питомий вміст емісійної поверхні ~ 2 - 3 см ² / см ^3.

Основним чинником, що обмежує збільшення питомої потужності, є відносно високі значення через низьку величини ступеня іонізації термічно рівноважної плазми при практично прийнятних значеннях величини міжелектродного зазору, довжини вільного пробігу електронів і температури перетворювача. Це обмеження може бути подолане в схемі з нерівноважної іонізацією плазми. У цьому випадку зменшення може бути досягнуто за рахунок додаткового підведення зовнішньої енергії на іонізацію, а зниження роботи виходу електродів може бути досягнуто за рахунок введення в міжелектродний зазор, наприклад, парів барію.

ВИКОРИСТОВУВАНА ЛІТЕРАТКРА

1. Н.Д. Маргуліс. Термоелектронний (плазмовий) перетворювач енергії. Госатоміздат, 1961 рік

2. Schock A. Effect of magnetic fields on themionic power genefatiors. J. Applied Phys, 31, N 11, p. 1978 - 1981, 1960.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Квазівакуумний термоелектронний перетворювач теплової енергії в електричну, що містить зубчасті електроди і формувач магнітного поля, що відрізняється тим, що електроди виконані з плоских пластин з нанесеними на їх поверхню трикутними канавками, що утворюють періодичну систему зубів, при цьому навпроти виступів одного зубчастого електрода і западин протилежної встановлені екранують пластини шириною (2 - 3) r _л, електрично з'єднані з відповідним електродом, де r _л - ларморовской радіус електрона в магнітному полі перетворювача, а формувач магнітного поля встановлено таким чином, що однорідне магнітне поле перпендикулярно поверхні електродів.

Версія для друку
Дата публікації 08.01.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів