термоэлектронный преобразователь тепловой энергии в электрическую

Формула изобретения

Термоэлектронный преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий катод, анод и формирователь магнитного поля, отличающийся тем, что катод выполнен в виде пластины, образованной последовательно расположенными участками выпуклой цилиндрической поверхности, анод выполнен в виде пластины, образованной последовательно расположенными участками вогнутой цилиндрической поверхности, на границах участков установлены экраны в виде плоских пластин, экранирующих дугу цилиндрической поверхности в диапазоне 45 - 90^o, причем формирователь магнитного поля расположен так, что напряженность магнитного поля перпендикулярна поверхности электродов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике преобразования тепловой энергии в электрическую, а более конкретно к прямому преобразованию тепла термоэмиссионным способом, и предназначено для использования в качестве источников электрической энергии в наземных и космических установках.

Известен термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий подогреваемый катод и охлаждаемый анод, разделенные межэлектродным зазором [1].

Недостатком известного преобразователя является низкий КПД из-за отсутствия возможности повторного использования тепла, выделяющегося на аноде.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектронный преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий катод, анод и формирователь магнитного поля [2].

Известное устройство также не обеспечивает генерации электрической энергии в преобразователе при температуре анода, большей температуры катода.

Задачей изобретения является обеспечение генерации электрической энергии в преобразователе при температуре анода, большей температуры катода, и использование тепла, выделяющегося на аноде, для подогрева катода предыдущего или последующего элемента.

Данная задача решается таким образом, что в термоэлектронном преобразователе тепловой энергии в электрическую, содержащем катод, анод и формирователь магнитного поля, катод выполнен в виде пластины, образованной последовательно расположенными участками выпуклой цилиндрической поверхности, анод выполнен в виде пластины, образованной последовательно расположенными участками вогнутой цилиндрической поверхности, на границах участков установлены экраны в виде плоских пластин, экранирующих дугу цилиндрической поверхности в диапазоне 15 - 90^o, причем формирователь магнитного поля расположен таким образом, что напряженность магнитного поля перпендикулярна поверхности электродов.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя, выполненного по данному изобретению; на фиг. 2 - траектории эмиттированных электронов и условия захвата электронов электродом; на фиг. 3 - схема для вычислений плотности тока; на фиг. 4 - характер изменения плотности тока по длине электрода.

Преобразователь работает следующим образом.

Рассмотрим электроны, эмиттированные в точке A, расположенной на вогнутой цилиндрической поверхности с радиусом R. Если бы точка A была расположена на наклонной поверхности, касательной к цилиндру в точке A, то, как известно, плотность тока с элемента поверхности в точке A равнялась бы j = j₀sin, где - угол наклона напряженности магнитного поля к эмиттирующей поверхности [2]. Однако в рассматриваемом случае дополнительно захватываются электроны, чья траектория проходит через область 1 (между граничными траекториями 1 и 2), и можно утверждать, что эффективный _эфф1< и соответственно j₁<j (j_o - плотность тока эмиссии).

Если точка A расположена на выпуклой поверхности, то захват электронов эмиттером снижается, так как граница участка электрода, который захватывает эмиттированные электроны, лежит ниже границы соответствующего плоского наклонного электрода с углом к напряженности магнитного поля.

Если при плоском электроде электроны, проходящие через область II, захватываются эмиттером, то при выпуклом не захватываются и покидают электрод, т.е. _эфф1< , j₂>j>j₁

На участке соприкосновения двух смежных цилиндров размером r_Л, где r_Л - радиус Лармора, картина усложняется; однако, если их заэкранировать плоскими эмиттирующими пластинами из того же материала, то они не внесут дополнительной разницы в ток, так как компенсируют друг друга.

После уточнения действительного распределения тока одна из пластин в зависимости от соотношения с плотностью тока в центральной части может быть удалена.

Таким образом, если в термоэлектронном диоде в качестве электродов используются пластины, образованные участками с выпуклыми или вогнутыми поверхностями, то при наложении магнитного поля, перпендикулярного поверхности электродов, при равных температурах электродов в цепи появляется ток. Величина тока зависит от величины напряженности магнитного поля, т.е. определяется соотношением r_Л/R.

При малых r_Л/R величина зон I и II уменьшается и эффект также уменьшается; с ростом r_Л эффект увеличивается, однако, с приближением r_Л/R к 1 рассмотренная схема перестает быть правомерной.

При проведении оценки величины тока между изотермическими электродами для величины r_Л/R 0,2 средняя плотность тока составляет 0,2 j_o при экранировании дуги = 60 - 90^o; при экранировании дуги от 45 - 90^o результирующий ток уменьшается до 0,1 j_o.

Наличие тока в цепи термоэлектронного диода с одинаковыми потенциалами диода независимо от соотношения температур эмиттера коллектора является необходимым и достаточным условием для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Ситуация принципиально не меняется, если температура анода выше температуры катода, но не превышает некоторой критической температуры T_AKP > T_K.

При уровне температуры T_K = 1273K величина T_AKP может составлять 150K.

В этом случае тепло, выделяющееся на аноде, известными механизмами (теплопроводностью, лучеиспусканием) передается на катод своего или следующего элемента и повторно используется в цикле.

Литература

1. Маргулис Н.Д. Термоэлектронный (плазменный) преобразователь энергии. - Госатомиздат, 1961.

2. Shock A. Effect of magnetic fields of Thermionic power generator. J. Appl. Phys, 31, N 11, 1960, 1978 - 1981.