RU2100869C1

RU2100869C1 - Electrogenerating thermal-emission ac channel

Info

Publication number: RU2100869C1
Application number: RU96118572A
Authority: RU
Inventors: П.М. Бологов; Н.А. Савлов; А.В. Визгалов
Original assignee: Государственный научный центр "Физико-энергетический институт"
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: channel has switching and electrogenerating members. Switching members are positioned at ends of electrogenerating channel in common body. Switching members are series-connected to DC electrogenerating members. Induction load is connected to cathodes and/or anodes of switching members, respectively. Resistive load is connected to cathode and anode of switching members constantly commutated to DC electrogenerating members. EFFECT: higher efficiency and specific power. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики, к ядерной космической энергетике. The invention relates to the field of electric power, to nuclear space power.

Применение переменного тока в области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую становится эффективным при необходимости повысить напряжение. Наличие в электрогенерирующем канале (ЭГК) паров щелочных металлов ограничивает уровень напряжения 20-30 В. Возможно повышение напряжения за счет введения дополнительного слоя сухой изоляции на всех ЭГК, что существенно усложняет конструкцию. Другим путем является получение переменного тока непосредственно в электрогенерирующем элементе или инвертирование постоянного тока ЭГК с последующей трансформацией. Известны типы термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) с переменным током: на основе автоколебаний, с управлением полем в межэлектродном зазоре, с поджигом плазмы в межэлектродном зазоре от внешнего источника. Известны типы инверторов вне ТЭП и ЭГК: полупроводниковые, на полевом управлении свободными электронами, на поджиге плазмы между электродами. The use of alternating current in the field of thermionic conversion of thermal energy into electrical energy becomes effective if it is necessary to increase the voltage. The presence of alkali metal vapors in the electricity generating channel (EGC) limits the voltage level to 20-30 V. It is possible to increase the voltage by introducing an additional layer of dry insulation on all EGCs, which significantly complicates the design. Another way is to obtain alternating current directly in the power generating element or invert the DC current of the EHC with subsequent transformation. Known types of thermionic converters (TEC) with alternating current: based on self-oscillations, with field control in the interelectrode gap, with ignition of the plasma in the interelectrode gap from an external source. The types of inverters outside TEC and EGC are known: semiconductor, on the field control of free electrons, on ignition of the plasma between the electrodes.

В качестве аналога выбираем широко известное решение [1] основанное на поджиге плазмы внешним напряжением в межэлектродном зазоре одноэлементного ТЭП. Достоинством прототипа является минимальное напряжение на изоляции при возможности повышения на трансформаторе напряжения до нужного уровня. Недостатком прототипа является снижение КПД за счет утечек тепла в половине периода, когда нет плазмы, компенсирующей приэмиттерный запирающий заряд эмиттерных электронов; невозможность поджига плазмы в многоэлементных ЭГК из-за потребного, но недопустимого электропрочностью высокого напряжения; работа 1/2 периода. As an analogue, we choose the widely known solution [1] based on ignition of plasma by external voltage in the interelectrode gap of a single-element TEC. The advantage of the prototype is the minimum insulation voltage with the possibility of increasing the voltage on the transformer to the desired level. The disadvantage of the prototype is to reduce the efficiency due to heat leaks in half the period when there is no plasma, which compensates for the emitter blocking charge emitter electrons; the impossibility of igniting a plasma in multi-element EGCs due to the required but unacceptable high-voltage electric strength; work 1/2 period.

В качестве прототипа выбираем двухполупериодные инверторы, не входящие в состав ТЭП или ЭГК, внешние для батареи преобразователей. Такой инвертор для батареи ТЭП может быть на любых переключающих элементах, в частности на высокотемпературных термоэмиссионных элементах [2] Недостатком этого направления является необходимость вводить дополнительные теплообменники для обеспечения работоспособности, что существенно усложняет конструкцию. As a prototype, we choose two-half-wave inverters that are not part of the TEC or EHC, external to the battery of converters. Such an inverter for a TEC battery can be on any switching elements, in particular, on high-temperature thermionic elements [2]. The disadvantage of this direction is the need to introduce additional heat exchangers to ensure operability, which significantly complicates the design.

Предлагаемое изобретение суммирует достоинства прототипа и устраняет недостатки за счет размещения переключателей, например, на основе поджига плазмы в корпусе каждого ЭГК. В таком ЭГК элементы постоянно генерируют мощность, которую переключатели попеременно направляют в обмотки трансформатора. Нагрев, охлаждение переключателей схемно выполнены идентично основным электрогенерирующим элементам (ЭГЭ). The present invention summarizes the advantages of the prototype and eliminates the disadvantages by placing switches, for example, based on ignition of the plasma in the body of each EGC. In such an EHC, the elements constantly generate power, which the switches alternately direct to the transformer windings. The heating and cooling of the switches are made identically to the main power generating elements (EGE).

На чертеже представлена схема ЭГК переменного тока с ядерным нагревом. На чертеже обозначено: 1 кольцевые гермовводы переключающего элемента (ПЭ), отсекающие полость с ионизируемым газом в межэлектродном пространстве ПЭ, 2
оболочка ЭГК, 3 электроизоляция, 4 коллектор ЭГЭ постоянного тока, 5 - эмиттер ЭГЭ постоянного тока, 6 коммутация коллектора ЭГЭ постоянного тока с эмиттером переключающего элемента, 7 эмиттер-катод с ядерным топливом переключающего элемента, 8 цепь индуктивной нагрузки (первичная обмотка трансформатора), 9 цепь резистивной нагрузки (насос прокачки теплоносителя), 10 цепь индуктивной нагрузки (первичная обмотка трансформатора). ЭГК и ПЭ заключены в общую оболочку 2, от которой изолированы общим слоем электроизоляции 3. Катод-эмиттер 7, анод ПЭ выполнены аналогично катодам, анодам ТЭП (постоянного тока). Коммутация 6 выполнена идентично для всех элементов. Введение ПЭ создает возможность одновременно запитать от ЭГК три цепи нагрузки. Без снижения КПД возможна нагрузка двумя индуктивными цепями 8, 10.The drawing shows a diagram of an alternating current EGC with nuclear heating. The drawing indicates: 1 ring hermetic inputs of the switching element (PE), cutting off the cavity with ionized gas in the interelectrode space of PE, 2
EGC shell, 3 electrical insulation, 4 DC EGE collector, 5 - DC EGE emitter, 6 DC collector EGE collector with emitter of a switching element, 7 emitter-cathode with nuclear fuel of a switching element, 8 inductive load circuit (primary transformer winding), 9 resistive load circuit (coolant pump), 10 inductive load circuit (transformer primary). EGCs and PEs are enclosed in a common casing 2, from which they are isolated by a common layer of electrical insulation 3. The cathode-emitter 7, the anode of PE are made similar to cathodes, anodes of TEC (direct current). Switching 6 is identical for all elements. The introduction of PE makes it possible to simultaneously feed three load circuits from the EGC. Without reducing the efficiency, a load with two inductive circuits 8, 10 is possible.

Два переключающих элемента 7 расположены по краям ЭГК. В ПЭ попеременно, по 1/2 периода, поджигают плазму внешним источником. Время поджига напряжения около 15 В составляет около 3 мкс, после чего через переключающий элемент течет ток около 100 мкс [2] в течение которых происходит распад плазмы. Через индуктивную нагрузку 8, 10, соответственно, протекают импульсы тока, питающие трансформатор. При включении правого переключающего элемента ток от его коллектора поступает на нагрузку 10, проходит по коллектору левого переключающего элемента (элемент пассивен), по коммутации поступает в цепь ЭГЭ постоянного тока, проходит через правый переключающий элемент. После распада проводящей плазмы правого переключающего элемента ток через него прекращается, и поджигают плазму в левом переключающем элементе. Ток от эмиттера правого переключающего элемента (элемент пассивен) поступает через нагрузку 10 на эмиттер левого переключающего элемента, откуда через подожженную плазму проходит на коллектор, далее по цепи ЭГЭ постоянного тока на эмиттер 7 правого переключающего элемента, чем завершается цикл (период) двух импульсов тока. Two switching elements 7 are located at the edges of the EGC. In PE alternately, for 1/2 period, the plasma is ignited by an external source. A time of ignition of a voltage of about 15 V is about 3 μs, after which a current of about 100 μs flows through the switching element [2] during which the plasma decays. Through the inductive load 8, 10, respectively, current pulses flow supplying the transformer. When the right switching element is turned on, the current from its collector enters the load 10, passes through the collector of the left switching element (the element is passive), through switching it enters the DC EGE circuit, passes through the right switching element. After the decay of the conducting plasma of the right switching element, the current through it stops and the plasma is ignited in the left switching element. The current from the emitter of the right switching element (the element is passive) enters through the load 10 to the emitter of the left switching element, from where it passes through the ignited plasma to the collector, then along the DC EHE circuit to the emitter 7 of the right switching element, which completes the cycle (period) of two current pulses .

Цепь резистивной нагрузки 9 можно включить (можно не включать) совместно с цепями индуктивных нагрузок при согласованном сопротивлении нагрузок всех цепей. Цепь резистивной нагрузки полезна для сглаживания пульсаций при переключении и используется для прокачки жидкометаллического теплоносителя. Применение переменного тока позволяет параллельное включение многих ЭГК, разгружает изоляцию 3. The resistive load circuit 9 can be included (can be omitted) in conjunction with inductive load circuits with a coordinated load resistance of all circuits. The resistive load circuit is useful for smoothing ripple during switching and is used for pumping a liquid metal coolant. The use of alternating current allows the parallel inclusion of many EGCs, unloads the insulation 3.

Схема подвода электродов поджига разряда переключающих элементов не приведена, так как эти элементы не являются предметом заявки и могут иметь многие исполнения (диоды, триоды, вакуумные пентоды и т.д.). Минимум для некоторых схем (диод) возможна подача поджигающего импульса по цепи индуктивной нагрузки. В батарею ЭГК собирают параллельным включением, что повышает надежность схемы по электропробою. Предлагаемая схема представляет ПЭ подвод тепла для обеспечения эмиссии электронов и съем тепла, отданного электронами на коллекторе переключателя. Потребный ядерный нагрев эмиттеров переключающих элементов определяет пропускаемый ток и работа выхода, отвод тепла от коллектора определяет ток и работа выхода коллектора. Возможны конкретные решения переключающих элементов с поглощением или генерацией электроэнергии в этих элементах. A circuit for supplying the discharge ignition electrodes of the switching elements is not shown, since these elements are not the subject of the application and can have many designs (diodes, triodes, vacuum pentodes, etc.). At least for some circuits (diode), an ignition pulse can be supplied along the inductive load circuit. EGCs are collected in the battery by parallel connection, which increases the reliability of the circuit for electrical breakdown. The proposed scheme is a PE heat supply to ensure the emission of electrons and the removal of heat transferred by electrons to the collector of the switch. The required nuclear heating of the emitters of the switching elements determines the transmitted current and the work function, the heat removal from the collector determines the current and the work function of the collector. Concrete solutions of switching elements with absorption or generation of electricity in these elements are possible.

Предлагаемая конструкция ЭГК переменного тока имеет преимущества перед известными конструкциями по КПД, удельной мощности, по подводу и отводу тепла к переключающим элементам. The proposed design of an alternating current EGC has advantages over the known constructions in terms of efficiency, specific power, and for supplying and removing heat to the switching elements.

Пример осуществления работы ЭГК на высокой частоте. Количество ЭГЭ в ЭГК может достигать 15-20 шт, что создает опасность пробоя в одиночном ЭГК. Чисто электронные, вакуумные, переключатели могут работать с мегагерцевой частотой, при управляющих напряжениях ниже напряжения холостого хода многоэлементного ЭГК. Пробой изоляции происходит за время миллисекунд. Переключение осуществляют с периодом меньшим, чем время развития пробоя, причем допустима одновременность работы всех цепей нагрузки, что периодически снижает напряжение в ЭГК и препятствует развитию пробоя. An example of the implementation of the EGC at a high frequency. The amount of EGE in an EGC can reach 15-20 pcs, which creates a risk of breakdown in a single EGC. Purely electronic, vacuum, switches can operate at megahertz frequency, with control voltages lower than the open circuit voltage of a multi-element EHC. Breakdown of isolation occurs in milliseconds. Switching is carried out with a period shorter than the breakdown development time, and simultaneous operation of all load circuits is permissible, which periodically reduces the voltage in the EGC and prevents the development of breakdown.

Пример контроля работоспособности ЭГК электрическим разогревом эмиттеров. Предлагаемую конструкцию нагревают до температуры выше 900 К, заполняют цезием, подают от внешнего источника ток с коллектора на эмиттер, достигают проектную температуру эмиттера, прекращают нагрев, снимают контрольную вольт-амперную характеристику. Нагрев эмиттеров ЭГК предлагаемой конструкции ведут со скважностью по току с частотой, исключающей загорание дуг между катодом и анодом ЭГЭ. An example of monitoring the performance of EGCs by electric heating of emitters. The proposed design is heated to a temperature above 900 K, filled with cesium, a current is supplied from the collector to the emitter from an external source, the design temperature of the emitter is reached, the heating is stopped, and the control current-voltage characteristic is removed. The EHC emitters of the proposed design are heated with a current duty cycle with a frequency that excludes ignition of arcs between the cathode and the EGE anode.

Использованные источники:
1. Rasor N. 5P.211ECEL N.Y. 1986 Rep. n 869305.Used sources:
1. Rasor N. 5P.211ECEL NY 1986 Rep. n 869305.

2. А.А. Богданов, В.А.Жеребцов и др. ЖТФ, 1981, т. 51, N 4, с. 731-735. 2. A.A. Bogdanov, V.A. Zherebtsov et al. ZhTF, 1981, v. 51, No. 4, p. 731-735.

Claims

An alternating current generating electric thermionic emission channel comprising switching elements and direct current generating elements, characterized in that the switching elements are located at the ends of the generating channel in a common housing, and are connected continuously in series with direct current generating elements, the inductive load being connected to the switching cathodes and / or anodes elements, the resistive load is connected to the cathode and anode of the switching elements.