RU2611596C1 - Thermionic converter - Google Patents
Thermionic converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2611596C1 RU2611596C1 RU2015142080A RU2015142080A RU2611596C1 RU 2611596 C1 RU2611596 C1 RU 2611596C1 RU 2015142080 A RU2015142080 A RU 2015142080A RU 2015142080 A RU2015142080 A RU 2015142080A RU 2611596 C1 RU2611596 C1 RU 2611596C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- plate
- grooves
- thermionic converter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J45/00—Discharge tubes functioning as thermionic generators
Abstract
Description
Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую энергию и может быть использовано в электрогенерирующих элементах энергетической установки.The invention relates to the field of conversion of thermal energy into electrical energy and can be used in power generating elements of a power plant.
Известен термоэмиссионный электрогенерирующий канал (ЭГК) активной зоны ядерного реактора [Грязнов Г.М., Пупко В.Я. ТОПАЗ-1 - советская космическая ядерно-энергетическая установка. Природа, 1991, №10, с. 29-36]. ЭГК активной зоны ядерного реактора содержит последовательно соединенные электрогенерирующие элементы, содержащие источники тепла в виде ТВЭЛ, оболочки которых являются катодами, и отделенные от них кольцевым зазором аноды, через изолирующие прокладки соединенные с корпусом ЭГК, охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем, в которых кольцевой зазор между анодом и катодом промывается парами цезия, подаваемыми из цезиевого термостата с одного торца ЭГК и сбрасываемыми в окружающую среду на другом торце ЭГК.Known thermionic electricity generating channel (EGC) of the active zone of a nuclear reactor [Gryaznov G.M., Pupko V.Ya. TOPAZ-1 - Soviet space nuclear power plant. Nature, 1991, No. 10, p. 29-36]. An EGC of a nuclear reactor core contains series-connected power generating elements containing heat sources in the form of a fuel rod, the shells of which are cathodes, and separated from them by an annular gap of the anodes, through insulating gaskets connected to an EHC housing cooled by a liquid metal coolant, in which an annular gap between the anode and the cathode is washed with cesium vapor supplied from a cesium thermostat from one end of the EGC and discharged into the environment at the other end of the EGC.
Недостатками такого устройства являются расходная схема циркуляции рабочего тела ЭГК - цезия и относительно низкая эффективность преобразования энергии.The disadvantages of this device are the flow diagram of the circulation of the working fluid of the EGC - cesium and the relatively low efficiency of energy conversion.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является термоэмиссионный преобразователь, описанный в патенте США на изобретение №5578886, дата публикации - 18.02.1993 г. The closest in technical essence to the claimed device is a thermionic converter described in US patent for invention No. 5578886, publication date - 02/18/1993
Известное техническое решение содержит обогреваемый катод, отделенный от него зазором, заполненным парами цезия, охлаждаемый анод, причем анод выполнен из закрепленной по периметру фольги, в которой имеется по крайней мере несколько отверстий, через которые в зазор подается пар цезия из цезиевого термостата.The known technical solution contains a heated cathode, separated from it by a gap filled with cesium vapor, a cooled anode, the anode being made of a foil fixed along the perimeter, in which there are at least several holes through which cesium vapor is supplied from the cesium thermostat to the gap.
Недостатками этого решения являются относительно большое термическое сопротивление анода и обусловленные им относительно большие перепады температуры на рабочей поверхности анода.The disadvantages of this solution are the relatively large thermal resistance of the anode and the resulting relatively large temperature differences on the working surface of the anode.
Перед авторами стояла задача устранения указанных недостатков, а именно создание термоэмиссионного преобразователя, обладающего большей эффективностью преобразования за счет стабилизации температуры анода.The authors were faced with the task of eliminating these drawbacks, namely, the creation of a thermionic converter with greater conversion efficiency by stabilizing the temperature of the anode.
Для решения поставленной задачи в термоэмиссионном преобразователе, содержащем узел катода, включающий катод и корпус со средствами обогрева, и узел анода, включающий перфорированный анод, корпус со средствами охлаждения и каналом для пропуска пара цезия к перфорированному аноду, причем узел катода и узел анода размещены на корпусе герметичной камеры, заполненной паром цезия, рабочие поверхности катода и анода размещены внутренней полости герметичной камеры и разделены межэлектродным зазором, предлагается:To solve the problem in a thermionic converter containing a cathode assembly, including a cathode and a housing with heating means, and an anode assembly, including a perforated anode, a housing with cooling means and a channel for passing cesium vapor to the perforated anode, the cathode assembly and the anode assembly are placed on the casing of the sealed chamber filled with cesium vapor, the working surfaces of the cathode and anode are placed inside the cavity of the sealed chamber and separated by an interelectrode gap, it is proposed:
- анод выполнить в виде пластины;- make the anode in the form of a plate;
- на каждой поверхности пластины анода выполнить параллельные продольные пазы, общие направления пазов на сторонах пластины не параллельны, а сумма их глубин превышает толщину пластины.- parallel longitudinal grooves are made on each surface of the anode plate, the general directions of the grooves on the sides of the plate are not parallel, and the sum of their depths exceeds the thickness of the plate.
В частных случаях предлагается:In special cases it is proposed:
- пазы выполнить треугольного профиля, пересекающиеся под прямым углом;- grooves perform a triangular profile intersecting at right angles;
- глубину пазов на рабочей поверхности пластины анода выбрать от 0,1 до 0,5 глубины пазов на внутренней поверхности пластины анода;- the depth of the grooves on the working surface of the anode plate, select from 0.1 to 0.5 the depth of the grooves on the inner surface of the anode plate;
- пластину анода выполнить из сплавов на основе меди.- the anode plate is made of copper based alloys.
Технический результат изобретения - повышение эффективности преобразования энергии следствие приближения параметров проведения термоэмиссионного процесса к оптимальным.The technical result of the invention is to increase the efficiency of energy conversion due to the approach of the parameters of the thermionic emission process to the optimal.
Сущность изобретения поясняется фигурами, где на фиг. 1 представлено схематическое изображение устройства, на фиг. 2 - фронтальный вид анода, фиг. 3 - вид на анод слева, на фиг. 4 - вид на анод сверху.The invention is illustrated by figures, where in FIG. 1 is a schematic illustration of a device; FIG. 2 is a front view of the anode, FIG. 3 is a view of the anode on the left, in FIG. 4 is a top view of the anode.
На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения: 1 - анод, 2 - верхние продольные пазы, 3 - гермоввод, 4 - канал подвода пара цезия, 5 - каналы воздушного охлаждения, 6 - катод, 7 - корпус герметичной камеры, 8 - корпус узла анода, 9 - корпус узла катода, 10 - нагреватель катода, 11 - нижние продольные пазы, 12 - отверстия, 13 - патрубок отвода пара цезия, 14 - сильфон, 15 - форкамера.In FIG. 1-4, the following designations are adopted: 1 - anode, 2 - upper longitudinal grooves, 3 - pressure seal, 4 - cesium vapor supply channel, 5 - air cooling channels, 6 - cathode, 7 - sealed chamber body, 8 - anode assembly body, 9 - cathode assembly body, 10 - cathode heater, 11 - lower longitudinal grooves, 12 - holes, 13 - cesium vapor outlet pipe, 14 - bellows, 15 - prechamber.
Термоэмиссионный преобразователь содержит узел катода, включающий катод 6, корпус узла катода 9 и нагреватель катода 10, и узел анода, включающий анод 1, канал подвода пара цезия 4, каналы воздушного охлаждения 5, корпус узла анода 9 и форкамеру 15, размещенные на герметичной камере, заполненном паром цезия, включающей гермоввод 3, корпус герметичной камеры 7, патрубок отвода пара цезия 13 и сильфон 14. Канал подвода пара цезия 4 открывается в форкамеру 15 - полость под пластиной анода 1. Герметичная камера снабжена гермовводом 3 для разрыва электрической цепи между узлами анода и катода и сильфоном 14 для взаимной ориентации рабочих поверхностей собственно анода 1 и катода 6. Рабочие поверхности анода 1 и катода 6 фиксируются параллельно друг другу с межэлектродным зазором в пределах 0.1-1 мм. В верхней части корпус герметичной камеры 7 снабжен патрубком для отвода пара цезия 13. На верхней поверхности пластины анода 1 выполнены верхние продольные пазы 2, на нижней - нижние продольные пазы 11. Направления пазов 2 и 11 не параллельны, а суммарная глубина превышает толщину пластины, вследствие чего в пластине анода 1 формируется массив отверстий 12 для пропуска пара цезия из форкамеры 15 в межэлектродный зазор.The thermionic converter contains a cathode assembly including a
В частных случаях исполнения термоэмиссионного преобразователя предлагается:In particular cases of thermionic converter performance, it is proposed:
- во-первых, верхние продольные пазы 2 и нижние продольные пазы 11 выполнять треугольного профиля и пересекающимися под прямым углом, что соответствует максимальному раскрытию проходного сечения для пропуска пара цезия;- firstly, the upper
- во-вторых, глубину пазов на рабочей поверхности пластины анода выбирать от 0,1 до 0,5 глубины пазов на внутренней поверхности пластины анода, что увеличивает долю абсорбирующей электроны поверхности анода;- secondly, to choose the depth of the grooves on the working surface of the anode plate from 0.1 to 0.5 the depth of the grooves on the inner surface of the anode plate, which increases the proportion of the electron-absorbing surface of the anode;
- в-третьих, пластину анода выполнить из сплавов на основе меди, что снижает ее термическое сопротивление и выравнивает температуру рабочей поверхности анода.- thirdly, the anode plate is made of copper-based alloys, which reduces its thermal resistance and evens the temperature of the working surface of the anode.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Рабочий процесс осуществляют разогревом катода 6 нагревателем катода 10 до температуры в диапазоне 1100-1300°С в условиях отвода тепла от анода 1 средствами его охлаждения (например, обдувом воздуха, подводимого по каналам воздушного охлаждения 5) при температуре 250-500°С. Внутреннее пространство герметичной камеры термоэмиссионного преобразователя заполняется паром цезия через канал подвода пара цезия 4, форкамеру 15 и систему отверстий 12 в пластине анода 1, образованную пересечением нижних продольных пазов 11 и верхних продольных пазов 2. Устойчивый поток пара цезия в межэлектродном зазоре формируется вследствие отвода пара цезия из герметичной камеры термоэмиссионного преобразователя через патрубок отвода пара цезия 13. В результате термоэмиссионный процесс протекает в условиях вдува пара цезия в межэлектродный зазор через отверстия 12 в пластине анода 1, что, согласно экспериментальным данным, ведет к существенному увеличению эффективности термоэмиссионного преобразования.The working process is carried out by heating the
Пример конкретного исполнения устройства.An example of a specific implementation of the device.
Корпус герметичной камеры 7 термоэмиссионного преобразователя и сильфон 14 выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Наличие гибкого элемента - сильфона 14 позволяет выставить рабочие поверхности анода 1 и катода 6 параллельно друг другу с зазором 0,3-0,8 мм, а гермоввода 3 - разорвать электрическую цепь между узлами катода и анода. Анод 1 изготовлен из бескислородной меди марки МОб с покрытием слоем хрома толщиной 15 мкм со стороны катода 6, катод 6 изготовлен из молибдена с нанесенным покрытием из платины толщиной 5 мкм. Толщина пластины анода 1 составляет 1,8 мм. Верхние продольные пазы 2 выполнены треугольного профиля с углом при вершине 56 глубиной 0,4 мм, нижние продольные пазы 11 выполнены также треугольной формы с углом при вершине 37°, их глубина 1,5 мм. Как верхние, так и нижние пазы выполнены с шагом 1 мм. Направления верхних и нижних пазов взаимно перпендикулярны. Пересечение пазов 2 и 11 формирует решетку отверстий 12 с размером около 0,1 мм, отстоящих друг от друга на 1 мм. Глубина верхних продольных пазов 2 выбрана меньше глубины нижних продольных пазов 11 с целью сохранения рабочей (плоскопараллельной относительно катода 6) поверхности анода 1. Материал изолирующей вставки гермоввода 3 - оксид алюминия.The housing of the sealed
При выполнении анода из перфорированной никелевой фольги, как это имело место в прототипе, оценки величины перегревы центральной части анода вследствие затрудненного теплоотвода по фольге к периферийной части анода составляют величину до 200 К, в то время как при выполнении анода в соответствии с заявляемым решением неизотермичность рабочей поверхности анода не превышает 10 К, что позволяет провести термоэмиссионный процесс в режиме, близком к оптимальному. В соответствии с экспериментальными данными [Ярыгин В.И. и др. «Термоэмиссионный преобразователь с высокими выходными электрическими характеристиками на основе металл-кислородной системы на коллекторе». - Атомная энергия, 2000, т. 89, вып. 1, с. 39-47], эффективность термоэмиссионного преобразования энергии в значительной степени определяется эффективной работой выхода анода, которая существенно зависит от его температуры. При отклонении температуры анода от оптимального значения на 100 К эффективная работа выхода увеличивается примерно на 0,1 эВ, что приводит к уменьшению эффективности преобразования энергии на 25%.When performing an anode of perforated nickel foil, as was the case in the prototype, estimates of the overheating of the central part of the anode due to difficult heat removal along the foil to the peripheral part of the anode are up to 200 K, while when performing the anode in accordance with the claimed solution, the non-isothermal working the surface of the anode does not exceed 10 K, which allows the thermionic process to be carried out in a mode close to optimal. In accordance with experimental data [V. Yarygin. and others. "Thermionic converter with high output electrical characteristics based on a metal-oxygen system on the collector." - Atomic Energy, 2000, vol. 89, no. 1, p. 39-47], the efficiency of thermionic energy conversion is largely determined by the effective work function of the anode output, which substantially depends on its temperature. When the anode temperature deviates from the optimal value by 100 K, the effective work function increases by about 0.1 eV, which leads to a decrease in the energy conversion efficiency by 25%.
Использование изобретения позволяет увеличить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую вплоть до 20%.Using the invention allows to increase the efficiency of conversion of thermal energy into electrical energy up to 20%.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015142080A RU2611596C1 (en) | 2015-10-02 | 2015-10-02 | Thermionic converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015142080A RU2611596C1 (en) | 2015-10-02 | 2015-10-02 | Thermionic converter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2611596C1 true RU2611596C1 (en) | 2017-02-28 |
Family
ID=58459068
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015142080A RU2611596C1 (en) | 2015-10-02 | 2015-10-02 | Thermionic converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2611596C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2703272C1 (en) * | 2019-04-02 | 2019-10-16 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Thermionic transducer with passive cooling for on-board power source of high-speed aircraft with straight-flow air-jet engine |
RU2707192C1 (en) * | 2019-04-02 | 2019-11-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Thermionic converter for on-board electric power source |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5578886A (en) * | 1991-07-31 | 1996-11-26 | Holmlid; Leif | Collector for thermionic energy converter covered with carbon like material and having a low electronic work function |
US5994638A (en) * | 1996-12-19 | 1999-11-30 | Borealis Technical Limited | Method and apparatus for thermionic generator |
KR20030047875A (en) * | 2000-03-06 | 2003-06-18 | 에네코, 인코포레이티드 | Thermal diode for energy conversion |
RU2390872C1 (en) * | 2009-04-16 | 2010-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Thermionic generator |
-
2015
- 2015-10-02 RU RU2015142080A patent/RU2611596C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5578886A (en) * | 1991-07-31 | 1996-11-26 | Holmlid; Leif | Collector for thermionic energy converter covered with carbon like material and having a low electronic work function |
US5994638A (en) * | 1996-12-19 | 1999-11-30 | Borealis Technical Limited | Method and apparatus for thermionic generator |
KR20030047875A (en) * | 2000-03-06 | 2003-06-18 | 에네코, 인코포레이티드 | Thermal diode for energy conversion |
RU2390872C1 (en) * | 2009-04-16 | 2010-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Thermionic generator |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2703272C1 (en) * | 2019-04-02 | 2019-10-16 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Thermionic transducer with passive cooling for on-board power source of high-speed aircraft with straight-flow air-jet engine |
RU2707192C1 (en) * | 2019-04-02 | 2019-11-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Thermionic converter for on-board electric power source |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2611596C1 (en) | Thermionic converter | |
WO2017016136A1 (en) | Heating rod for critical heat flux test | |
RU2390872C1 (en) | Thermionic generator | |
CN103484890A (en) | Hydrogen-oxygen generator | |
JP6710646B2 (en) | High temperature heat storage system and high temperature heat storage method | |
RU2573551C2 (en) | Gas turbine plant blades cooling | |
CN107681925A (en) | A kind of residual heat using device of two-stage thermo-electric generation | |
CN102357455B (en) | High-power ultrasonic transducer with heat pipe cooling device | |
CN208862064U (en) | Battery pack structure | |
CN113660759B (en) | Large-size high-emission current density plasma source | |
KR101217161B1 (en) | thermoelectric conversion device | |
CN106816804B (en) | Micro-channel metal foam disc-shaped laser crystal cooling device | |
RU2187156C2 (en) | Thermionic power-generating module for nuclear reactor core and external thermionic heat-to-power conversion system (alternatives) | |
RU2637548C1 (en) | Plasma torch | |
RU151082U1 (en) | GAS-TURBINE UNIT TURBINE COOLING COOLING DEVICE | |
RU2707557C1 (en) | Thermionic transducer built into the structure of high-speed aircrafts | |
RU173179U1 (en) | DEVICE FOR PROTECTING THE WALLS OF THE VACUUM CAMERA OF THE TOKAMAK REACTOR DIVOR | |
Verma et al. | A critical review on thermo-hydraulic performance of wire screen matrix packed solar air heaters | |
JP6037883B2 (en) | Alkali metal thermoelectric converter | |
RU2703272C1 (en) | Thermionic transducer with passive cooling for on-board power source of high-speed aircraft with straight-flow air-jet engine | |
CN216057601U (en) | Hollow cathode structure and plasma generator suitable for multiple gases | |
CN217719490U (en) | Kovar core column grid-control X-ray tube | |
CN210535622U (en) | X-ray tube anode cooling structure | |
CN220172206U (en) | Battery core heat radiation structure | |
RU2724919C1 (en) | Reactor-converter |