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Erfindung
Russische Föderation Patent RU2124781
Quasivacuum thermionische Konverter
Die thermische Energie in Strom
Name des Erfinders: Majewski VA
Der Name des Patentinhabers: Majewski, Vladimir Alexandrovich; Majewski Igor
Korrespondenzanschrift: 111402, Moskau, ul.Ketcherskaya 05.02.34, Majewski VA
Startdatum des Patents: 1995.12.21
Verwendung: Als Quelle für elektrische Energie in terrestrische und Weltraumumgebungen. Das technische Ergebnis ist die Effizienz und schafft die Voraussetzungen für die Wiederverwendung der Wärme an der Anode erzeugt zu erhöhen, mit der Kathode der nächsten Zelle für ihn zu versorgen. Quasivacuum thermionische Wandler umfasst verzahnten Elektroden und die gegenüberliegenden Vorsprünge einer Elektrode und Mulden Gegenelektrode installiert Abschirmplatte, die Elektroden und die Platten angebracht sind, so daß der Vektor des magnetischen Feldes senkrecht zu der Oberfläche der Elektroden und Platten und dem elektroden Anode eine höhere Temperatur als die Elektrode hat -katod.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft thermische Energie in elektrische Energie umwandelt, und insbesondere - zur direkten thermionische Umwandlungsprozesswärme und soll als Quellen elektrischer Energie in den terrestrischen und raumgestützten Einheiten verwendet werden.
Bekannt thermionische Wandler Wärmeenergie in elektrische Energie, eine geheizte Kathode umfaßt und die Anode wird abgekühlt, getrennt durch einen Zwischenelektrodenspalt [1]. Die Temperatur der Anode in solcher Wandler unteren Kathodentemperatur, die die Fähigkeit eliminiert die Wärme an der Anode erzeugten wiederzuverwenden, und begrenzt den Wirkungsgrad des Wandlers.
Die Aufgabe der Erfindung an der Anode eine elektrische Leistungserzeugung in dem Wandler zu schaffen, die Kathodentemperatur größer und die Anwendung von Wärme an der Anode freigesetzt, das nächste Element für die Kathodenheizung.
Dieses Problem wird gelöst, so dass in quasivacuum thermionische Wandler Wärmeenergie in elektrische Energie, mit einem verzahnten Elektroden und Magnetfeldgenerator, die Elektroden aus flachen Platten hergestellt sind, mit mit dreieckigen Nuten auf ihren Oberflächen abgeschieden, um eine periodische Verzahnung bilden, wobei die gegenüberliegenden Vorsprünge der gezahnten Elektrode und Vertiefungen Abschirmplatten gegenüberliegenden Breite (2-3) r l elektrisch mit einer entsprechenden Elektrode befestigt ist , wobei R n - Elektronen Larmor Radius des Wandlers in einem Magnetfeld und der Magnetfeldgenerator ist so eingestellt , daß eine gleichförmige Magnetfeld senkrecht zu der Elektrodenoberfläche.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines thermionischen Wandlers der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, Fig. 2 - Elektrodenzahnoberfläche, Fig. 3 - Elektrodenschaltung mit schrägen Magnetfeld, Fig. 4 - Steuerschaltungselektrode und die Elektronenbahn in einem Magnetfeld, Fig. 5 - Korrelation der Elektroden von der Position erfasst Emissionsabschnitt auf der Zahnoberfläche mit einem Neigungswinkel Der Wandler arbeitet wie folgt. Wie unten gezeigt wird, in einem magnetischen Feld senkrecht zu der Oberfläche des Elektrodengetriebe beträgt die durchschnittliche Dichte des Emissionsstroms des Hohlraums geringer ist als die durchschnittliche Stromdichte bei der Projektion durch den größeren Anteil der emittierten Elektronen durch die benachbarten emittierenden Ebenen in das Becken erfasst. Dann Screening bzw. die Vorsprünge der einen Elektrode und die gegenüberliegende Vertiefung kann den Strom zu der Elektrode zu erhöhen oder zu verringern. |
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wenn der Wandlerspalt beispielsweise reflektierende Abschirmungsplatte installiert ist, verringern sie stark den Strom von der Elektrode, an dem die Vorsprünge angeordnet sind, und somit der Gesamtstrom von Elektronen bei der gleichen Temperatur Elektroden mit den Elektrodenzungen gerichtet, die diese Platten durchmustert.
Betrachten quasivacuum thermionischen Diode Elektroden, die mit ihren Oberflächen von flachen Platten hergestellt sind, auf den dreieckigen Nuten beschichtet, so dass sie einen Periodensystems Zahnteilung 2a bilden (Fig. 1 und 2). Wir finden die Emissionsstromdichteverteilung mit dieser Elektrode in einem homogenen Magnetfeld senkrecht zu ihrer Oberfläche.
In [2] wird gezeigt, daß, wenn der Magnetfeldvektor H in einem Winkel gerichtet 
zu der Emissionsfläche (Fig. 3), wobei die Stromdichte eines solchen Oberfläche durch die emittierten Elektronen Einfangen um die Magnetfeldlinien mit einem Radius r l rotierenden Emissionsfläche abnimmt
j = j 0 sin .
wo
j 0 - Dichte des Emissionsstroms.
Wenn der Neigungswinkel des Vektors H gleich der Zahnoberfläche l und r << a, wobei R n - Elektronen Larmor Radius des Kreises, die Stromdichte an der Oberfläche des Elements entfernt von der Kante des Zahns in einem Abstand z >> r l (. Figur 4) ist 
j z = 0,7 j 0.
Jedoch in Bereichen der Größe - r l in der Nähe der Zahngrenzen Wechsel. An der Spitze des Zahnes Anteil der eingefangenen Elektronen verringert aufgrund einer Abnahme in der Elektrodenoberfläche, der Elektronen erfassen kann. Tatsächlich in der Grenze, wie z -> 0 die Stromdichte kann durch Integrieren des Emissionsspektrums für Elektronen, deren Geschwindigkeit weggerichtet ist von der emittierten ihre Elektrode erhalten werden. Dann wird für einen Punkt B in dem Fall 
Durch das Emissionsspektrum im Bereich der Integration - 
(Fig . 10), j B = 0,85j 0; j B> j Z.
An der Mulde der Zahn electron capture erhöht sich durch Elektronen-Einfang-Oberfläche benachbarten Zahn. Der Wert des Anteils der gefangenen Elektronen, scheint auf der magnetischen Feldstärke abhängen, kann aber nicht kleiner als 0 0,5j. Aus diesem Grund wird an dem Punkt A
j A <j 0 und 0,5 · j B> j Z> j A .
Die Höhe der Stromdichte an den verbleibenden Abschnitte in diesem Bereich sollte monoton verändern.
Lösung des Problems und die Stromdichte-Berechnungen auf der Oberfläche Zahn auf der Größe des Magnetfeldes auf Elektroneneinfang beide Oberflächen des Zahns basierend abhängig sind unten gezeigt.
Bei der Entscheidung darüber, dass in der Diodenmodus angenommen wurde implementiert und dass quasivacuum 
, R d 
d,
wo - Das elektrochemische Potential der Plasmaelektrodenraum; - Die Arbeitsfunktion des Elektrodenmaterials;
r d - Debye Radius;
d - Wert von Elektrodenabstand. In diesem Fall können wir annehmen, dass die Emissionsstromdichte auf der Oberfläche durch die Gleichung von Richardson bestimmt wird, 
wo
A - Richardson konstant;
T - die Temperatur der Elektrode;
k - die Boltzmann-Konstante,
und die Existenz der Elektronen in der Nähe von Elektrodenpotentialabfall verzögernde 
V = - berücksichtigt in dieser Gleichung genommen durch Ersetzen auf . Es ist möglich und zu argumentieren, dass die Anwesenheit eines solchen Sprung alle Elektronen, die die Elektrodenoberfläche erreichen, werden sie eingefangen werden. Weiterhin wurde angenommen, dass das elektrische Feld relativ dünn in dem Volumen anders als die Debye-Schicht nicht vorhanden ist, d.h. dy / d Z, dy / d Y = 0.
Die Berechnungsergebnisse bestätigen die zuvor von der qualitativen Analyse der Ergebnisse gemacht. Fig. 5 zeigt den Anteil der eingefangenen Elektronen PICKUP S = 1 - j Z / j 0 für verschiedene Teile des Zahnes. Jede Kurve entspricht einem Wert von H und L jeweils r.
Numerische Berechnungen zeigten , dass gilt für z >> r lj Z = 0,7j 0, j B = 0,85j 0 und j A = 0,45j 0.
Es ist notwendig , die Aufmerksamkeit auf die Abhängigkeit von j von r l zu zahlen. R kleiner als n ist , desto geringer ist die Länge , über die die Änderung von j A und j B j Z. Je mehr r l, insbesondere über lange Entfernungen von dem Vorsprung und der Vertiefung erstreckt , um den Einfluss von peripheren Werte j, die zu einer qualitative Vorstellung über den Mechanismus der Erfassung der Elektronen in dem System entspricht.
Feature Emissionsspektrum mit einem gezahnten Elektrode in einem magnetischen Feld senkrecht zu der Oberfläche ist es stark genug, um ungleichmäßige Länge. Die Stromdichte variiert periodisch (mit der Periode 2a); Vorsprung ist in maximum, das Minimum in den Vertiefungen. Wenn die Abschirmungsplatten der emittierende oder reflektierende unterschiedliche Abschnitte der Elektrode ist es möglich, verschiedene Werte des Gesamtstroms mit einem gezahnten Elektrode zu erhalten.
Wenn beispielsweise die reflektierenden Schirme gegenüber den Vorsprüngen angebracht, der Strom mit einer solchen Elektrode reduziert wird mehr als die bei der Installation von solchen Bildschirmen gegenüber den Vertiefungen. Wenn als Siebplatte aus dem gleichen Material wie die Emitter verwendet wird, sollte die Installation eines Zinkens eine Abnahme des Stroms auftritt, und wenn eine Vertiefung gegenüber dem Anstieg des Stroms beobachtet wird, wie Stromdichte an der Vertiefung geringer ist als die Stromdichte mit einer ebenen Elektrode.
Unter Verwendung einer solchen Zahn Emittern Teil Siebflächen als Elektroden thermionischen Diode quasivacuum können die resultierenden elektrischen Strom zu erhalten, selbst wenn die Temperatur gleich ist.
Wir stellen fest, dass die Situation nicht geändert hat, wenn die gezahnte Elektrode eine zweidimensionale Geometrie aufweist, also Vorsprünge sind als Pyramiden oder Kegel gebildet ist.
Lassen Sie uns einige mögliche Systeme dieser Dioden in Betracht ziehen. Nehmen wir beispielsweise eine Diode, die durch zwei Zahn Elektroden voneinander durch einen Abstand "a" versetzt ausgebildet ist, so dass die Elektrodenzungen einander gegenüberliegen Vertiefungen (Fig. 1). Nehmen wir nun an, daß die gegenüberliegenden oberen Elektrodenvorsprünge Bildschirme installiert sind, reflektieren die Elektronen und die Diode wird in einem homogenen Magnetfeld-Intensitätsvektor platziert ist senkrecht zur Oberfläche der Elektroden und die reflektierenden Platten. Als Bildschirme verwendet werden können, wie beispielsweise Platten mit einer höheren Arbeitsfunktion; die Breite der Platte (2-3) r l.
Dann werden die von den Elektrodenabschnitten emittierten Elektronen gegenüber dem Bildschirm befindet sich die Gegenelektroden nicht fallen, und nach der Reflexion von Bildschirmen zurückgekehrt, um ihre Station zu emittieren. Dies verringert den Strom von den Elektroden, die Strom von der Elektrode Reflexionsschirme, die an den Vorsprüngen angeordnet sind, stark abnimmt (Fig. 6). Somit aufgrund unterschiedlicher Reflexionsschirme in den Elektrodenspalt verringern die Stromdichte an den Vorsprüngen und Vertiefungen und, als Folge der unterschiedlichen Mengen von Strömen von den Elektroden J 1 und J 2 dort von Elektronen von der Elektrode an die Elektrode 1, 2 eine resultierende Strömung ist.
Die Situation ändert sich grundsätzlich, wenn nicht der reflektierende Schirm und den Bildschirm aus dem gleichen Material, aus dem die Hauptelektroden verwendet. In diesem Fall werden die Strom von der Elektrode, die Vorsprünge gegenüber Bildschirm befindet sich mehr reduziert, als Stromdichte mit dem Vorsprung größer ist als die Stromdichte mit einer entsprechenden flachen Oberflächenteil des Bildschirms. In der Untersuchung werden die Ergebnisse davon in Fig. 6, für die Werte 1 und j j 2-1 davon ausgegangen , dass der Schirm elektrisch an eine Elektrode angeschlossen ist, der Vorsprung, der es entweicht. Allerdings wird nicht die Richtung ändern der resultierende Strom, wenn der Bildschirm 2. In dieser Anordnung mit der Elektrode verbunden ist, der Bildschirm Stromdichte höher ist als die Stromdichte der Hohlräume, gegen die der Bildschirm ist. Somit kann der Ersatz von Abschnitten in der Nähe der Emissions Vorsprünge oder Vertiefungen Zahn ihnen gegenüber flachen Schirm emittiert Leitungen jeweils die Stromdichte in diesen Bereichen befindet Emittieren zu verringern oder zu erhöhen, und damit die entsprechende Änderung der Gesamtstrom von der Elektrode.
Maximale Stromdifferenz, wenn emittierende Schirme verwendet, kann in einem System mit zwei Reihen von Sieben erhalten werden. Die Elektrode 2 und seinem Hohlraum entweicht - eine davon ist elektrisch mit der Elektrode 1 und schirmt die Vorsprünge der zweiten verbunden ist. Eine der Möglichkeiten der praktischen Implementierung dieses Schemas ist in Fig. 7.
Lassen Sie uns die volumetrische Leistungsdichte abzuschätzen, die in dieser Diode erhalten werden können. Wir gehen davon aus, dass die Umsetzung quasivacuum Modus und daher wird die Strom-Spannungs-Kennlinie des Elements in dem Erzeugungsbereich exponentiell (Fig. 8)
j = j kz exp (-V / kT),
wo
V - die Spannung an der Last;
j kz - Kurzschlussstrom.
Dann wird, wie gut bekannt ist, kann die maximale Leistung bei einer Spannung V erhalten werden, = kT und damit die Leistungsdichte pro Flächeneinheit
N = (j ks · kT) / e.
Die angenommenen Modell j = ks j 2-1. Unter der Annahme , daß die Änderung j Z in Abhängigkeit von z kann durch ein lineares Gesetz angenähert werden (siehe. Fig. 3 die Kurve für r l = 0,05 cm), ist es leicht zu erhalten , dass der charakteristische Wert des durchschnittlichen Stromdichte j 2-1 ~ 0,1j 0.
Das Element mit der thermischen Ionisationsgleichgewicht Cäsium Stromdichte ist abhängig von der mittleren freien Weglänge der Elektronen und der Elektrodentemperatur. N und W-Werte entsprechend der Temperatur in Fig. 9. Bei Verwendung der Volumenkapazität der Ebene der Wolframelektroden können Werte von 0,1 erreichen - 3 1,0 MW / m. 3 cm 2 / cm 3 - Es wurde auf dem Gebiet der Energieerzeugung möglich ist , zu erhalten , den spezifischen Inhalt der Emissionsoberfläche ~ 2 angenommen , daß.
Der Hauptfaktor, der die Steigerung der Leistungsdichte begrenzt, ist relativ hoch wegen des niedrigen Wertes der Ionisationsgrad des Plasmas thermischen Gleichgewicht mit praktisch akzeptabler Wert für den Elektrodenabstand, die mittlere freie Weglänge der Elektronen und Konvertertemperatur. Diese Begrenzung kann in einem System mit einem Nichtgleichgewichtsplasma Ionisation überwunden werden. In diesem Fall wird die Reduzierung Sie kann durch zusätzliche Zufuhr von externer Energie zur Ionisierung erreicht werden und die Austrittsarbeit der Elektroden abnehmen kann durch die Einführung in den Zwischenelektrodenspalt erreicht werden, beispielsweise Barium-Dämpfen.
GEBRAUCHT LITERATKRA
1. ND Margulis. Thermionic (Plasma) Leistungswandler. Gosatomizdat 1961
2. Schock A. Wirkung von Magnetfeldern auf themionic Strom genefatiors. J. Applied Phys, 31, 11 N, p. 1978 - 1981 1960.
FORDERUNGEN
Quasivacuum thermionische Wandler von Wärmeenergie in elektrische Energie, eine Zahnelektroden und Magnetfeldgenerator, wobei die Elektroden aus flachen Platten hergestellt sind mit mit dreieckigen Nuten auf ihren Oberflächen abgeschieden, um eine periodische Verzahnung gebildet wird, wobei die gegenüberliegenden Vorsprünge der Zahnelektroden und Mulden des gegenüberliegenden Satzes Abschirmung Plattenbreite (2 - 3) r l elektrisch mit einer entsprechenden Elektrode verbunden ist , wobei R n - Elektronen Larmor Radius des Wandlers in einem Magnetfeld und der Magnetfeldgenerator so dass ein gleichmäßiges Magnetfeld gesetzt ist senkrecht zu der Elektrodenoberfläche.
Druckversion
Erscheinungsdatum 08.01.2007gg
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