RU2004034C1 - Термоэмиссионный преобразователь - Google Patents

Description

Поскольку сборка, как правило, включает неразъемные сварные и па ные соединени , неразмыкание электродов приводит к браку ТЭП с одной парой или снижает его эффективность со множеством электродных пар.

Цель изобретени  - создание конструкции , обеспечивающей одновременно высокую эффективность и высокую надежность ТЭП.

Цель достигаетс  тем, что в конструкции , содержащей плоские эмиттер и коллек- тор электронов и дистанционаторы электродов, закрепленные в углублени х коллектора, дистанционаторы выполнены выступающими над рабочей поверхностью коллектора на 1-10 мкм, а произведение разности КЛР материалов дистанционато- роо и коллектора и длины дистанционато- ров не превосходит 1,3 -10 мкм .

Если дистанционаторы выполнены выступающими над рабочей поверхностью коллектора на 1-10 мкм при комнатной температуре , то при наложении на такой коллектор эмиттера последний опираетс  на выступающие торцы дистанционаторов. При отсутствии дефектов выступающих более чем выбранное превышение дистанционаторов из диапазона 1-10 мкм над поверхност ми электродов и удовлетвори- тельном качестве сборки между электродами образуетс  не провод щий электричество зазор, наличие которого можно вы вить любым известным способом . Наличие зазора при комнатной темпе- ратуре позвол ет надежно обеспечить работоспособность ТЭП при рабочихтемпе- ратурах, поскольку при нагреве происходит чтолько увеличение имеющегос  зазора в электродной паре,

Выбор пределов диапазона величин превышени  поверхности дистанционаторов над поверхностью коллектора сделан из следующих соображений. Если дистанционаторы выступают на величину менее 1 мкм, то крайне трудно получить размыкание пары . Во-первых, на металлической поверхности , подготовленной абразивной или электрохимической обработкой, имеютс , как правило, дефекты в виде конусов с ха- рактерной высотой 1 мкм (см. Little R.P., Whlthey W.T. Electron emission proceeding electrical break-down in vacuum. Journ. of Appl. Physics, 1963, v.34, № 8. p.2430-33). Характерна  величина дефектов зависит от материала, технологии обработки и быть определена на основании некоторой экспериментальной статистики, По экспериментальным данным дл  большинства коллекторных материалов после абразивного полировани , используемого дл  формировани  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 составл ет 1 мкм. Поэтому, если дистзнцио.чаторы выступают на величину менее 1 мкм, проблематично получение размыкани  при комнатной температуре и в силу этого становитс  неопределенным прогноз размыкани  пары при нагреве.

Выполнение дистанцмонаторов с превышением более 10 мкм над поверхностью коллектора нецелесообразно из-за значительного снижени  эффективности преобразовани  при межэлектродных зазорах более 10 мкм. В этом случае тер етс  сам смысл высокоточной обработки поверхности электродов и получени  ТЭП с микрозазором .

Дл  обеспечени  высокой эффективности ТЭП в его конструкции необходимо сохранение величины межэлектродного .зазора при рабочих температурах не более 10 мкм. Это делает взаимосв занным выбор материалов дистанционаторов и коллектора , длины дистанционаторов д и величины превышени  do дистанционаторов над поверхностью коллектора при комнатной температуре .

Величина зазора между эпектродами при рабочих температурах dr может быть определена по формуле

dT мкм do + (а.- огк) (Тк - 273)х

х ,д + .-Okzlkl ,д.

где Од и Ок. - КЛР материалов дистанционаторов и коллектора, К ;

Тк и Тэ - температура коллектора и эмиттера , К.

Третье слагаемое в этой сумме в технически оправданных вариантах (Од 5 К 1,Тэ-Тк 250К, д 1000 мкм) не может быть менее 0,6 мкм. Если (ад -ск) 1д 1,3х мкм , то при любом значении d0 из за вленного диапазона величина зазора dT 10 мкм, что не обеспечивает высокую эффективность ТЭП. Если (Од - OK) (д 1,3 мкм , то ТЭП высокоэффективен и надежен. В этом случае может быть использована следующа  последовательность выбора параметров ТЭП.

На основе заданных физико-знергети- ческих требований, прежде всего W и КПД по известному расчетному и экспериментальному материалу определ ют необходимые значени  dr, работ выхода электронов и температур эмиттера и коллектора, Выбирают материалы электродов, обеспечивающие необходимые работы выхода, и материал дистанционаторов. Из диапазона 1 - ciT мкм выбирают значение do с учетом того, что длину дистанционаторов д, определ емую по формуле д (dT - do) L (сед - % (Тк -273 ) + «д

(ТЭ-ТК)Т1

- , желательно иметь

более чем 1000 мкм.

Подбор материалов коллектора и дистанционаторов по указанному алгоритму не представл ет каких-либо трудностей из известных коллекторных (тугоплавкие металлы IV-VI групп таблицы Менделеева) и изолирующих (тугоплавкие окислы металлов H-IV групп) материалов.

На чертеже изображен ТЭП в разрезе.

В корпусе ТЭП, образованном эмиттер- ной стенкой 1 и коллекторной стенкой 2, контактно по поверхност м размещены плоские электроды: эмиттер 3 и коллектор 4. Между эмиттером и коллектором размещены дистанционаторы 5, которые одьим концом закреплены в углублени х, выполненных в коллекторе, а торцы других концов дистанционаторов наход тс  о контакте с поверхностью эмиттера. Дистанцио- наторы выполнены выступающими над поверхностью коллектора на величину 1-10 мкм. Стержни 6 из электроизол ционного материала одним концом жестко закреплены- в углублени х 7, выполненных на внутренней поверхности коллекторной стенки корпуса, а торцом другого конца наход тс  в контакте с внутренней поверхностью эмиттерной стенки. Между внутренними поверхност ми стенок коруса и наружными поверхност ми электродов размещены упруго деформируемые слои 8 и 9, причем слой 9 пропитан щелочным металлом. Стенки корпуса отделены друг от друга прокладкой 10 из электроизол ционного материала и герметично соединены с ней пайкой 11, Эмиттерный токовывод 12 соединен с поверхностыо змиттерной стенки, а коллекторный токовывод 13 - с. коллекторной стенкой.

Предлагаемый ТЭП работает следующим образом,

При нагреве змиттерной стенки 1 за счет теплопроводности упругого сло  8 происходит нагрев эмиттера 3 и коллектора 4, упругого сло  9 и коллекторной стенки 2, При нагреве конструкции зазор между электрэдами увеличиваетс  за счет термического удлинени  дистанционаторов 5.

ТЭП может быть реализован, например,

при следующих параметрах. Материал

эмиттера - монокристалл вольфрама, материал коллектора - монокристалл молибдена (OK 5,7 К ), дистанционаторы выполнены из керамики на основе окиси алюмини  (3д 7,8 ). Температура эмиттера 1000°С, коллектора 700°С. Длина дистанционаторов 1540 мкм. Дистанционаторы выступают над поверхностью коллектора при 20°С на 2,4 и 5 мкм. При нагреве устройств надежно сохран лось размыкание электродов, а величина зазоров составл ла 6, 8 и 9 мкм соответственно.

(56) Патент США № 4667126, кл. H01J 7/00. 1982.

Николаев 10.В. и др. Расчетно-экспери- ментальные исследовани  низкотемпературноговакуумногоТЭП . Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую. Обнинск,

1984.

45

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ , содержащий плоские змипер и коллектор электронов и дисгаиционаторы электродов, закрепленные в углублени х коллектора и выполненные из материала, CQ коэффициент линейного расширени  кото- ь рого превышает коэффициент линейного

   расширени  материала коллектора, отличающийс  тем, что дистанционаторы выполнены выступающими над рабочей поверхностью коллектора на величину 1 - 10 мкм, а произведение разности коэффициентов линейного расширени  материалов Дистанционаторов и коллектора на длину дистанционаторов выбрано не превышающим 1,3 « 10 мкм К .

   ,-2

   /-1

   /

   7 ff

   / /

   и

   tr 53F----{- /- - -- /. -

   /

   в

   /