RU2111605C1 - Method and device for rectifying ac current - Google Patents

Method and device for rectifying ac current Download PDF

Info

Publication number
RU2111605C1
RU2111605C1 RU95105627A RU95105627A RU2111605C1 RU 2111605 C1 RU2111605 C1 RU 2111605C1 RU 95105627 A RU95105627 A RU 95105627A RU 95105627 A RU95105627 A RU 95105627A RU 2111605 C1 RU2111605 C1 RU 2111605C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
gap
alkali metal
temperature
vapor
Prior art date
Application number
RU95105627A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU95105627A (en
Inventor
В.В. Онуфриев
Original Assignee
Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения МГТУ им.Н.Э.Баумана
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения МГТУ им.Н.Э.Баумана filed Critical Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения МГТУ им.Н.Э.Баумана
Priority to RU95105627A priority Critical patent/RU2111605C1/en
Publication of RU95105627A publication Critical patent/RU95105627A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2111605C1 publication Critical patent/RU2111605C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: gaseous-discharge engineering; plasma valves. SUBSTANCE: method involves use of thermionic valve for rectifying ac current; interelectrode gap is filled with alkali metal vapors at pressure not over 300 Pa, AC voltage is applied, non-self-sustained arc discharge is fired at positive potential across anode and glow discharge is fired at negative potential across anode. Anode temperature is maintained 10 to 20 K higher than alkali metal vapor temperature; this temperature and interelectrode gap are found from definite analytical expressions. Thermionic valve has heat-insulating vessel holding alkali metal, casing provided with heater that has anode and cathode, variable-conductance heat pipe with heat-insulated gas-accumulating space and self-contained heater, anode temperature sensor, and controller whose input communicates with sensor and outputs, with heater. EFFECT: enlarged range of rectified voltages and reduced power loss during ac voltage rectification. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к газоразрядной технике, а более конкретно к газоразрядным приборам силовой электроники. The invention relates to gas-discharge equipment, and more particularly to gas-discharge devices of power electronics.

На практике довольно широко известен и применяется способ выпрямления переменного тока с помощью газоразрядного прибора, содержащего анод и катод, разделенные межэлектродным зазором, заполненным рабочим телом (газом или парами ртути), заключающийся в приложении переменного напряжения между анодом и катодом и поджиге дугового разряда в зазоре при положительном потенциале анода и тлеющего при отрицательном потенциале анода, например ртутные вентили для выпрямления тока [1]. In practice, a method of rectifying alternating current using a gas discharge device containing an anode and a cathode separated by an interelectrode gap filled with a working fluid (gas or mercury vapor), which consists in applying an alternating voltage between the anode and cathode and igniting an arc discharge in the gap, is quite widely known and applied. with a positive potential of the anode and smoldering with a negative potential of the anode, for example, mercury valves for rectifying the current [1].

Недостатками указанного способа являются повышенные затраты энергии (мощности) и снижение надежности ввиду существенном разницы между напряжениями зажигания разряда (сотни вольт) и его горения (несколько вольт - десятки вольт), что требует применения специальных мер и схем для снижения пиковых нагрузок в момент поджига разряда. Все это ограничивает возможности плазменных вентилей, особенно в диапазоне повышенных мощностей и напряжений при работе на нагрузке. Использование паров ртути для выпрямления переменного тока требует принудительного охлаждения вентилей с целью стабилизации давления и снижения вероятности обратных зажиганий, что также ведет к дополнительным энергозатратам. The disadvantages of this method are the increased cost of energy (power) and a decrease in reliability due to the significant difference between the ignition voltages of the discharge (hundreds of volts) and its burning (several volts - tens of volts), which requires the use of special measures and schemes to reduce peak loads at the time of ignition of the discharge . All this limits the possibilities of plasma valves, especially in the range of increased power and voltage when working at load. The use of mercury vapor for rectification of alternating current requires forced cooling of the valves in order to stabilize the pressure and reduce the likelihood of reverse ignitions, which also leads to additional energy costs.

Недостатком устройств, в которых реализуется данный способ, заключается в том, что для поддержания разряда в момент смены полярности напряжения используется цепь игнайтера, которая питает вспомогательный дуговой разряд в зазоре и требует дополнительных затрат электрической мощности, снижая общую эффективность способа и устройств, в которых он реализуется. The disadvantage of devices in which this method is implemented is that to maintain a discharge at the moment of voltage polarity reversal, an igniter circuit is used, which feeds the auxiliary arc discharge in the gap and requires additional costs of electric power, reducing the overall efficiency of the method and devices in which it is being implemented.

Наиболее близким к заявляемому является способ выпрямления тока с помощью термоэмиссионного вентиля, содержащего анод и подогреваемый термокатод, расположенные в корпусе и разделенные межэлектродным зазором, включающий заполнение межэлектродного зазора парами щелочного металла, нагревание термокатода и охлаждение анода, приложение переменного напряжения между анодом и термокатодом с поджигом несамостоятельного дугового разряда в зазоре при положительном потенциале анода и тлеющего при отрицательном потенциале анода [2]. Closest to the claimed one is a method of rectifying current using a thermionic valve containing an anode and a heated thermal cathode located in the housing and separated by an interelectrode gap, including filling the interelectrode gap with alkali metal vapors, heating the thermal cathode and cooling the anode, applying alternating voltage between the anode and the thermal cathode with ignition non-self-sustaining arc discharge in the gap with a positive anode potential and smoldering with a negative anode potential [2].

Данный способ реализуется в термоэмиссионном вентиле, содержащем теплоизолированный резервуар со щелочным металлом, снабженный нагревателем, корпус, установленные в нем анод и термокатод, разделенные зазором, заполненным парами щелочного металла и связанным с полостью резервуара [3]. This method is implemented in a thermionic valve containing a thermally insulated alkali metal tank equipped with a heater, a housing, an anode and a thermal cathode installed in it, separated by a gap filled with alkali metal vapors and connected with the tank cavity [3].

Недостаток известного способа и устройства заключается в невысокой величине выпрямляемого напряжения (единицы вольт - десятки вольт), что обусловлено низкой электрической прочностью к обратному дуговому пробою паров рабочего тела в межэлектродном зазоре и высокой вероятностью зажигания поверхностных разрядов на электрике. The disadvantage of this method and device is the low value of the rectified voltage (units of volts - tens of volts), which is due to the low electric strength to reverse arc breakdown of the vapor of the working fluid in the interelectrode gap and the high probability of ignition of surface discharges on an electrician.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности, увеличение эффективности способа выпрямления тока и расширение диапазона рабочих напряжений. The technical result of the invention is to increase reliability, increase the efficiency of the method of rectifying current and expanding the range of operating voltages.

Указанный технический результат достигается тем, что по способу выпрямления тока с помощью термоэмиссионного вентиля, содержащего анод и подогреваемый термокатод, расположенные в корпусе и разделенные межэлектродным зазором, включающему заполнение межэлектродного зазора парами щелочного металла, нагревание термокатода и охлаждение анода, приложение переменного напряжения между анодом и термокатодом с поджигом несамостоятельного дугового разряда в зазоре при положительном потенциале анода и тлеющего при отрицательном потенциале анода, температуру Tрт паров щелочного металла в зазоре поддерживают, исходя из соотношения

Figure 00000002

где
ε0 - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; mа - масса атома; Pрт - давление паров щелочного металла в зазоре; κa - теплопроводность паров; Up - величина приложенного переменного напряжения, давление паров щелочного металла поддерживают не выше 300 Па, температуру анода поддерживают выше температуры паров щелочного металла в зазоре на 10 ... 20, при этом величину межэлектродного зазора ΔМЭЗ вентиля устанавливают исходя из выражения
(5...10)lia≤ ΔМЭЗ≤(1...3)lea,
где
lea = 1/(naQea) - длина ионизации электронным ударом; lia = 1/(naQia) - длина перезарядки иона; nа - концентрация атомов пара в зазоре; Qea - сечение ионизации электронным ударом; Qia - сечение перезарядки.The specified technical result is achieved by the fact that according to the method of rectifying the current using a thermionic valve containing an anode and a heated thermal cathode, located in the housing and separated by an interelectrode gap, including filling the interelectrode gap with alkali metal vapors, heating the thermocathode and cooling the anode, applying alternating voltage between the anode and a thermal cathode with ignition of a non-self-sustaining arc discharge in the gap with a positive potential of the anode and smoldering with a negative potential node, T pm alkali metal vapor temperature is maintained in the nip, based on the ratio
Figure 00000002

Where
ε 0 is the dielectric constant; e is the electron charge; m a is the mass of the atom; P RT - vapor pressure of an alkali metal in the gap; κ a is the thermal conductivity of the vapor; U p is the value of the applied alternating voltage, the vapor pressure of the alkali metal is maintained not higher than 300 Pa, the temperature of the anode is maintained above the temperature of the vapor of the alkali metal in the gap by 10 ... 20, while the value of the interelectrode gap Δ of the valve’s MEZ is set based on the expression
(5 ... 10) l ia ≤ Δ MEZ ≤ (1 ... 3) l ea ,
Where
l ea = 1 / (n a Q ea ) is the length of ionization by electron impact; l ia = 1 / (n a Q ia ) is the ion recharge length; n a is the concentration of vapor atoms in the gap; Q ea is the cross section for ionization by electron impact; Q ia is the recharge cross section.

Кроме того, достижение технического результата обеспечивается тем, что термоэмиссионный вентиль, содержащий теплоизолированный резервуар со щелочным металлом снабженный нагревателем, корпус, установленные в нем анод и термокатод, разделенные зазором, заполненным парами щелочного металла и связанным с полостью резервуара, снабжен тепловой трубкой переменной проводимости, имеющей испарительный, конденсационный участки и теплоизолированный газоаккумулирующий объем, снабженный автономным нагревателем, датчиком температуры, установленным на рабочей поверхности анода, обращенной к зазору, и регулятором, имеющим вход и два выхода, причем вход его связан с датчиком температуры, а выходы соответственно - с нагревателями резервуара и газоаккумулирующего объема трубы, испарительный участок которой контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса вентиля. In addition, the achievement of the technical result is ensured by the fact that the thermionic valve comprising a thermally insulated alkali metal tank equipped with a heater, a housing, an anode and a thermal cathode installed in it, separated by a gap filled with alkali metal vapors and connected with the tank cavity, is equipped with a variable conductivity heat pipe, having an evaporation, condensation sections and a thermally insulated gas storage volume, equipped with an autonomous heater, a temperature sensor, installed on the working surface of the anode facing the gap, and a regulator having an input and two outputs, its input connected to a temperature sensor, and the outputs, respectively, to heaters of the tank and gas storage volume of the pipe, the evaporation section of which contacts the outer surface of the anode, and the condensation the site is located outside the valve body.

Поскольку предложенный способ может быть реализован лишь в предлагаемом устройстве, характеризуемом определенными конструктивными признаками, заявленными в ФИ, поэтому оба объекта объединены в группу изобретений, что дает возможность при реализации достичь указанного технического результата. Since the proposed method can only be implemented in the proposed device, characterized by certain design features claimed in the FI, therefore, both objects are combined into a group of inventions, which makes it possible to achieve the specified technical result during implementation.

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Оно содержит новую совокупность существенных признаков в отличительной части патентной формулы:
температуру Tрт паров щелочного металла в зазоре поддерживают, исходя из соотношения

Figure 00000003

где
ε0 - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; mа - масса атома; Pрт - давление паров щелочного металла в зазоре; κa - теплопроводность паров; Up - величина приложенного переменного напряжения,
давление паров щелочного металла поддерживают не выше 300 Па,
температуру анода поддерживают выше температуры паров щелочного металла в зазоре на 10 ... 20 К,
при этом величину межэлектродного зазора ΔМЭЗ вентиля устанавливают, исходя из выражения
(5...10)lia≤ ΔМЭЗ≤(1...3)lea,
где
lea = 1/(naQia) - длина ионизации электронным ударом; lia = 1/(naQia) - длина перезарядки иона; nа - концентрация атомов пара в зазоре; Qea - сечение ионизации электронным ударом; Qia - сечение перезарядки.The claimed technical solution meets the criterion of "novelty." It contains a new set of essential features in the distinguishing part of the patent formula:
the temperature T RT of alkali metal vapors in the gap is maintained based on the ratio
Figure 00000003

Where
ε 0 is the dielectric constant; e is the electron charge; m a is the mass of the atom; P RT - vapor pressure of an alkali metal in the gap; κ a is the thermal conductivity of the vapor; U p - the value of the applied alternating voltage,
the alkali metal vapor pressure is maintained not higher than 300 Pa,
the anode temperature is maintained above the alkali metal vapor temperature in the gap by 10 ... 20 K,
the magnitude of the interelectrode gap Δ of the MEZ valve is set based on the expression
(5 ... 10) l ia ≤ Δ MEZ ≤ (1 ... 3) l ea ,
Where
l ea = 1 / (n a Q ia ) is the length of ionization by electron impact; l ia = 1 / (n a Q ia ) is the ion recharge length; n a is the concentration of vapor atoms in the gap; Q ea is the cross section for ionization by electron impact; Q ia is the recharge cross section.

При этом новая совокупность признаков в заявляемом устройстве выражается в том, что он снабжен тепловой трубкой переменной проводимости, имеющей испарительный, конденсационный участки и теплоизолированный газоаккумулирующий объем, снабженный автономным нагревателем, датчиком температуры, установленным на рабочей поверхности анода, обращенной к зазору, и регулятором, имеющим вход и два выхода, причем вход его связан с датчиком температуры, а выходы соответственно - с нагревателями резервуара и газоаккумулирующего объема трубы, испарительный участок которой контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса вентиля. Moreover, a new set of features in the claimed device is expressed in the fact that it is equipped with a heat pipe of variable conductivity, having an evaporation, condensation sections and a thermally insulated gas storage volume, equipped with an autonomous heater, a temperature sensor mounted on the working surface of the anode facing the gap, and a regulator, having an input and two outputs, its input connected to a temperature sensor, and the outputs, respectively, to the heaters of the tank and the gas storage volume of the pipe, evaporate Yelnia portion which contacts the outer surface of the anode and the condensing section is located outside the valve body.

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень". The claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Признак: температуру Tрт паров щелочного металла в зазоре поддерживают, исходя из соотношения

где
ε0 - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; mа - масса атома; Pрт - давление паров щелочного металла в зазоре; κa - теплопроводность паров; Up - величина приложенного переменного напряжения, позволяет существенно увеличить электропрочностные характеристики паров по отношению к обратному дуговому пробою (величина пробойного напряжения составляет сотни - тысячи вольт 500 ... 3000 В), то есть обеспечивает достижение цели изобретения.
Sign: the temperature T RT of alkali metal vapor in the gap is maintained based on the ratio

Where
ε 0 is the dielectric constant; e is the electron charge; m a is the mass of the atom; P RT - vapor pressure of an alkali metal in the gap; κ a is the thermal conductivity of the vapor; U p - the value of the applied alternating voltage, can significantly increase the electrical strength characteristics of the vapors with respect to the reverse arc breakdown (the value of the breakdown voltage is hundreds to thousands of volts 500 ... 3000 V), that is, it ensures the achievement of the purpose of the invention.

Признак: давление паров щелочного металла поддерживают не выше 300 Па позволяет уменьшить потери напряжения на вентиле в проводящем состоянии, то есть способствует достижению цели в части повышения эффективности способа. Sign: the vapor pressure of the alkali metal is maintained not higher than 300 Pa, which allows to reduce the voltage loss on the valve in the conducting state, that is, it helps to achieve the goal in terms of increasing the efficiency of the method.

Признак: температуру анода поддерживают выше температуры паров щелочного металла в зазоре на 10 ... 20 К ведет к достижению цели: повышению надежности способа - уменьшается вероятность обратных зажиганий вследствие снижения эмиссионной способности анода (для режима обратной полярности электродов). Symptom: the anode temperature is maintained above the alkali metal vapor temperature in the gap by 10 ... 20 K to achieve the goal: increasing the reliability of the method — the probability of reverse ignitions is reduced due to a decrease in the emissivity of the anode (for the mode of reverse polarity of the electrodes).

Признак: при этом величину межэлектродного зазора ΔМЭЗ вентиля устанавливают, исходя из выражения
(5...10)lia≤ ΔМЭЗ≤(1...3)lea,
где
lea = 1/(naQia) - длина ионизации электронным ударом; lia = 1/(naQia) - длина перезарядки иона; nа - концентрация атомов пара в зазоре; Qea - сечение ионизации электронным ударом; Qia - сечение перезарядки, ведет к достижению цели изобретения - повышению его эффективности. Выбор величины межэлектродного зазора в указанных пределах позволяет предотвратить пробой в режиме обратного ток за счет снижения вероятности ионизации прямым электронным ударом и вместе с тем минимизировать потери напряжения в проводящем состоянии вентиля: ΔUpМЭЗ) = ΔUP min, , где ΔUp - падение напряжения на несамостоятельном дуговом разряде.
Sign: while the magnitude of the interelectrode gap Δ of the MEZ valve is set based on the expression
(5 ... 10) l ia ≤ Δ MEZ ≤ (1 ... 3) l ea ,
Where
l ea = 1 / (n a Q ia ) is the length of ionization by electron impact; l ia = 1 / (n a Q ia ) is the ion recharge length; n a is the concentration of vapor atoms in the gap; Q ea is the cross section for ionization by electron impact; Q ia is the cross-section of recharge, leading to the achievement of the purpose of the invention is to increase its efficiency. The choice of the interelectrode gap in the specified limits allows to prevent breakdown in the reverse current mode by reducing the probability of ionization by direct electron impact and at the same time to minimize voltage losses in the conductive state of the valve: ΔU pMEZ ) = ΔU P min , where ΔU p - voltage drop on a non-self-sustaining arc discharge.

Признак: он снабжен тепловой трубкой переменной проводимости, имеющей испарительный, конденсационный участки и теплоизолированный газоаккумулирующий объем, снабженный автономным нагревателем, датчиком температуры, установленным на рабочей поверхности анода, обращенной к зазору, и регулятором, имеющим вход и два выхода, причем вход его связан с датчиком температуры, а выходы соответственно - с нагревателями резервуара и газоаккумулирующего объема трубы, испарительный участок которой контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса вентиля, позволяет достичь цели изобретения - существенно расширить диапазон рабочих напряжений вентиля и одновременно способствует увеличению эффективности за счет создания автономной системы охлаждения вентиля и поддержания его рабочей температуры. Symptom: it is equipped with a heat pipe of variable conductivity, which has an evaporation, condensation sections and a heat-insulated gas storage volume, equipped with an autonomous heater, a temperature sensor mounted on the working surface of the anode facing the gap, and a regulator having an input and two outputs, and its input is connected to temperature sensor, and the outputs, respectively, with heaters of the tank and the gas storage volume of the pipe, the evaporation section of which is in contact with the outer surface of the anode, and The separation section is located outside the valve body, which allows to achieve the goal of the invention - significantly expand the range of valve operating voltages and at the same time increases efficiency by creating an autonomous valve cooling system and maintaining its operating temperature.

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость". Данный способ может применяться в газоразрядной технике при разработке мощных (силовых) вентилей, в элементах автоматики (трансформирование сигнала датчика в электрический для дополнительных органов) и т.д., особенно эффективно в автономных устройствах. The proposed technical solution meets the criterion of "industrial applicability". This method can be used in gas discharge technology in the development of powerful (power) valves, in automation elements (transforming a sensor signal into an electric one for additional organs), etc., is especially effective in stand-alone devices.

Материалы заявки содержат достаточное и необходимое количество сведений, которые с полной ясностью раскрывают возможность реализации изобретения. The application materials contain a sufficient and necessary amount of information that fully disclose the possibility of implementing the invention.

В настоящее время разработана и испытана конструкция образца плазменного высокотемпературного диода (ВПТД), экспериментально подтвердившая эффективность выпрямления переменного тока. Currently, a design of a sample of a plasma high-temperature diode (VPTD) has been developed and tested, which experimentally confirmed the efficiency of AC rectification.

На фиг.1 приведены распределения потенциала, температуры атомов рабочего тела в межэлектродном зазоре для состояния тлеющего разряда, поясняющие физическую сущность вентильного эффекта ионного слоя у анода (период обратного напряжения). На фиг.2 приведена схема межэлектродного зазора ВПТД. На фиг. 3 приведены результаты испытаний. Figure 1 shows the distribution of potential, the temperature of the atoms of the working fluid in the interelectrode gap for the glow discharge state, explaining the physical essence of the valve effect of the ion layer at the anode (reverse voltage period). Figure 2 shows a diagram of the interelectrode gap VPTD. In FIG. 3 shows the test results.

Физическая сущность предлагаемого технического решения, а именно повышение величины выпрямляемого напряжения переменного тока, заключается в следующем. Ионный слой у отрицательного электрода в тлеющем разряде (период обратного напряжения - отрицательный потенциал на аноде) обладает достаточно высоким сопротивлением - до 105 ... 106 Ом, то есть слой может быть рассмотрен как диэлектрик в сильном электрическом поле в дрейфовом приближении и описан следующими уравнениями:

Figure 00000005

или
Figure 00000006

которые преобразуются с учетом уравнения Пуассона к виду
Figure 00000007

или
Figure 00000008

С учетом (5*) оно принимает вид
Figure 00000009

Решение уравнения имеет следующий вид:
Figure 00000010

где
Ek - напряженность поля на отрицательном электроде; dk - протяженность ионного слоя; Tа - температура атомов, Tрт = Tа. Вид распределения дан на фиг.1.The physical nature of the proposed technical solution, namely increasing the value of the rectified AC voltage, is as follows. The ionic layer at the negative electrode in a glow discharge (the period of the reverse voltage is the negative potential at the anode) has a fairly high resistance - up to 10 5 ... 10 6 Ohms, that is, the layer can be considered as a dielectric in a strong electric field in the drift approximation and described the following equations:
Figure 00000005

or
Figure 00000006

which are transformed taking into account the Poisson equation to the form
Figure 00000007

or
Figure 00000008

Given (5 * ), it takes the form
Figure 00000009

The solution to the equation is as follows:
Figure 00000010

Where
E k is the field strength at the negative electrode; d k is the length of the ion layer; T a is the temperature of atoms, T rt = T a . The type of distribution is given in figure 1.

Характерно, что все изменение поля и потенциала приходится на узкую область ионного слоя протяженностью (5 . . . 7) lia, где сосредоточено "астоново свечение". В ней имеет место увеличение температуры рабочего тела в силу

Figure 00000011

где
Tаk - температура пара у поверхности анода в режиме тлеющего разряда (граница "астонова" свечения и темного пространства).It is characteristic that the entire change in the field and potential falls on a narrow region of the ionic layer with a length of (5... 7) l ia , where the "aston glow" is concentrated. In it there is an increase in the temperature of the working fluid due to
Figure 00000011

Where
T ak is the temperature of the vapor near the surface of the anode in the glow discharge mode (the boundary of the "Aston" glow and dark space).

Таким образом, баланс теплового состояния рабочего тела в "астановом свечении" определяет устойчивость тлеющего разряда и его вентильные свойства: регулируя температуру пара в межэлектродном зазоре и его теплофизические характеристики, можно регулировать величину напряжения обратного дугового пробоя:

Figure 00000012

где
κaреак - реактивная теплопроводность возбужденных атомов; T T * a - критическая величина температуры атомов в "астоновом свечении", с которой начинается переход в самостоятельный дуговой разряд.Thus, the balance of the thermal state of the working fluid in the "glow" determines the stability of the glow discharge and its valve properties: by adjusting the temperature of the vapor in the interelectrode gap and its thermophysical characteristics, the value of the voltage of the reverse arc breakdown can be adjusted:
Figure 00000012

Where
κ areak - reactive thermal conductivity of excited atoms; TT * a is the critical value of the temperature of atoms in the "aston glow", with which the transition to an independent arc discharge begins.

Подбирая величину температуры пара из зависимости

Figure 00000013

с учетом Up < Uпроб можно осуществлять выпрямление переменного тока предлагаемым способом.Choosing the value of steam temperature from the dependence
Figure 00000013

taking into account U p <U samples, it is possible to rectify the alternating current by the proposed method.

Реализация предлагаемого способа и работа устройства осуществляются следующим образом. The implementation of the proposed method and the operation of the device are as follows.

Вентиль подогревается до рабочей температуры за счет нагревателей, фиг. 2. Катод 1 нагревается от спирали 4, анод 2 - излучением от катода, корпус 3 прогревается за счет излучения и теплопроводности, затем прогревается резервуар со щелочным металлом (цезием или барием) 5 от нагревателя 6, помещенный в теплоизолятор экранного типа 7. Межэлектродный зазор вентиля заполняется парами щелочного металла с помощью трубки. Температуру паров в зазоре при его давлении выбирают из соотношения (*) с учетом рабочего напряжения Up. При подаче на вентиль переменного напряжения происходит его выпрямление, сущность вентильного эффекта описана выше. В режиме прямого тока ("минус" на катоде, "плюс" на аноде) в зазоре горит несамостоятельный дуговой разряд в парах щелочного металла, который гаснет при смене полярности электродов. В режиме обратного тока в зазоре горит плотный тлеющий разряд, который определяет запертое состояние вентиля. Регулирование теплового состояния анода 2 осуществляется с помощью регулируемой тепловой трубы 8 (переменной проводимости), которая позволяет поддерживать его температуру а номинальном режиме работы и изменять ее при отклонении рабочего напряжения от номинального значения. Это обеспечивается наличием обратной связи, включающей датчик температуры 11, регулятор нагревателей 10 и теплоизолированный газоаккумулирующий объем 9 тепловой трубы 8, снабженный теплоизолирующим экраном 12 и автономным нагревателем 13. При увеличении рабочего напряжения увеличивается тепловой поток в анод 2, растет его температура, сигнал датчика 11 поступает на регулятор 10, в результате уменьшается ток нагревателей 6 и 13, что приводит к снижению температуры резервуара 5 и газоаккумулирующего объема 9. Снижается давление паров в зазоре, что предотвращает обратный пробой, а также увеличивается длина конденсационного участка тепловой трубы 8, с которого происходит сброс тепла, отводимого от вентиля (анода).The valve is heated to operating temperature by heaters, FIG. 2. The cathode 1 is heated from the helix 4, the anode 2 is heated by radiation from the cathode, the housing 3 is heated by radiation and thermal conductivity, then the alkaline metal tank (cesium or barium) 5 is heated from the heater 6, placed in a screen-type heat insulator 7. Interelectrode gap the valve is filled with alkali metal vapor using a tube. The vapor temperature in the gap at its pressure is selected from the relation (*) taking into account the operating voltage U p . When an alternating voltage is applied to the valve, it rectifies; the essence of the valve effect is described above. In the forward current mode (minus at the cathode, plus at the anode), a non-self-sustaining arc discharge in alkali metal vapors burns in the gap, which goes out when the polarity of the electrodes changes. In reverse current mode, a dense glow discharge is lit in the gap, which determines the locked state of the valve. Regulation of the thermal state of the anode 2 is carried out using an adjustable heat pipe 8 (variable conductivity), which allows you to maintain its temperature in the nominal operating mode and change it when the operating voltage deviates from the nominal value. This is ensured by the presence of feedback, including a temperature sensor 11, a regulator of heaters 10, and a heat-insulated gas storage volume 9 of the heat pipe 8, equipped with a heat-insulating screen 12 and an autonomous heater 13. With an increase in the operating voltage, the heat flux to the anode 2 increases, its temperature increases, the sensor signal 11 enters the regulator 10, as a result, the current of the heaters 6 and 13 decreases, which leads to a decrease in the temperature of the tank 5 and the gas storage volume 9. The vapor pressure in the gap decreases, which prevents reverse breakdown, and also increases the length of the condensation section of the heat pipe 8, from which there is a discharge of heat removed from the valve (anode).

При уменьшении Up процесс регулирования происходит обратным образом.With a decrease in U p, the regulation process occurs in the opposite way.

Данный способ выпрямления тока проверен экспериментально на паронаполненном приборе (с цезиевым и бариевым наполнением). Результаты испытаний приведены на фиг.3. This method of rectifying the current was tested experimentally on a steam-filled device (with cesium and barium filling). The test results are shown in figure 3.

Осциллограмма выпрямленного напряжения свидетельствует о работоспособности предлагаемого устройства и возможности реализации способа выпрямления тока. The waveform of the rectified voltage indicates the operability of the proposed device and the possibility of implementing a method of rectifying current.

Данные способ и устройство существенно расширяют возможности плазменных приборов. These method and device significantly expand the capabilities of plasma devices.

Claims (2)

1. Способ выпрямления тока с помощью термоэмиссионного вентиля, содержащего анод и подогреваемый термокатод, расположенные в корпусе и разделенные межэлектродным зазором, включающий заполнение межэлектродного зазора парами щелочного металла, нагревание термокатода и охлаждение анода, приложение переменного напряжения между анодом и термокатодом с поджигом несамостоятельного дугового разряда в зазоре при положительном потенциале анода и тлеющего - при отрицательном потенциале анода, отличающийся тем, что температуру Tрт паров щелочного металла в зазоре поддерживают исходя из соотношения
Figure 00000014

где ε0 - диэлектрическая постоянная;
e - заряд электрона;
mа - масса атома;
Pрт - давление щелочного металла в зазоре,
κa - -теплопроводность паров;
Uр - величина приложенного переменного напряжения,
давление паров щелочного металла поддерживают не выше 300 Па, температуру анода поддерживают выше температуры паров щелочного металла в зазоре на 10 - 20 К, при этом величину межэлектродного зазора Δмэ.з вентиля устанавливают из выражения
(5 - 10)lia≤ Δмэ.з≤(1...3)lea,
где lea = 1/(na • Qea) - длина ионизации электронным ударом:
lia = 1/(na • Qia) - длина перезарядки иона;
nа - концентрация атомов пара в зазоре;
Qea - сечение ионизации электронным ударом;
Qia - сечение перезарядки.
1. A method of rectifying current using a thermionic valve containing an anode and a heated thermal cathode located in the housing and separated by an interelectrode gap, including filling the interelectrode gap with alkali metal vapors, heating the thermal cathode and cooling the anode, applying an alternating voltage between the anode and the thermal cathode with igniting a non-self-sustaining arc discharge in the gap with a positive potential of the anode and smoldering - with a negative potential of the anode, characterized in that the temperature T p t alkali vapor metal in the gap support based on the ratio
Figure 00000014

where ε 0 is the dielectric constant;
e is the electron charge;
m a is the mass of the atom;
P r t the pressure of the alkali metal in the gap,
κ a - - thermal conductivity of the vapor;
U p - the value of the applied alternating voltage,
the alkali metal vapor pressure is maintained not higher than 300 Pa, the anode temperature is maintained above the alkali metal vapor temperature in the gap by 10 - 20 K, and the interelectrode gap Δ me.s of the valve is determined from the expression
(5 - 10) l ia ≤ Δ mes s ≤ (1 ... 3) l ea ,
where l e a = 1 / (n a • Q e a ) is the length of electron impact ionization:
l i a = 1 / (n a • Q i a ) - ion recharge length;
n a is the concentration of vapor atoms in the gap;
Q e a is the cross section for ionization by electron impact;
Q i a is the charge exchange cross section.
2. Термоэмиссионный вентиль, содержащий теплоизолированный резервуар с щелочным металлом, снабженный нагревателем корпус, установленные в нем анод и термокатод, разделенные зазором, заполненным парами щелочного металла и связанным с полостью резервуара, отличающийся тем, что он снабжен тепловой трубой переменной проводимости, имеющей испарительный, конденсационный участки и теплоизолированный газоаккумулирующий объем, снабженный автономным нагревателем, датчиком температуры, установленным на рабочей поверхности анода, обращенной к зазору, и регулятором, имеющим вход и два выхода, причем его вход связан с датчиком температуры, а выходы - соответственно с нагревателями резервуара и газоаккумулирующего объема трубы, испарительный участок которой контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса вентиля. 2. Thermal emission valve comprising a thermally insulated alkali metal tank, a heater equipped with a housing, an anode and a thermal cathode installed therein, separated by a gap filled with alkali metal vapors and connected to the tank cavity, characterized in that it is equipped with a variable conductivity heat pipe having an evaporative, condensation sections and a heat-insulated gas storage volume, equipped with an autonomous heater, a temperature sensor mounted on the working surface of the anode facing a gap, and a controller having an input and two outputs, its input connected to a temperature sensor, and the outputs to heaters of the tank and the gas storage volume of the pipe, respectively, the evaporation section of which contacts the outer surface of the anode, and the condensation section is located outside the valve body.
RU95105627A 1995-04-12 1995-04-12 Method and device for rectifying ac current RU2111605C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95105627A RU2111605C1 (en) 1995-04-12 1995-04-12 Method and device for rectifying ac current

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95105627A RU2111605C1 (en) 1995-04-12 1995-04-12 Method and device for rectifying ac current

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU95105627A RU95105627A (en) 1997-03-10
RU2111605C1 true RU2111605C1 (en) 1998-05-20

Family

ID=20166666

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU95105627A RU2111605C1 (en) 1995-04-12 1995-04-12 Method and device for rectifying ac current

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2111605C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2657006C2 (en) * 2012-11-06 2018-06-08 Сименс Акциенгезелльшафт Arc short circuit path for mitigation of the arc short circuit in the casing of the power source

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Каганов И.Л. Ионные приборы. - М.:Энергия, 1972, с. 528. 2. Онуфриев В.В. К вопросу о возможности использования термоэмиссионного паронаполненного диода в качестве высоковольтного высокотемпературного вентиля. Тезисы докладов юбилейной конференции, посвещенной 100-летию со дня рождения А.В.Квасникова и 30-летию основания кафедры Двигательных энергетических и энергофизических установок космических летательных аппаратов. - М.: МАИ, 1992, с. 65. 3. Гришин С.Д., Онуфриев В.В., Пешков П.Ю. Плазменные вентили на основе несамостоятельного дугового разряда низкого давления для преобразования электрического тока. VII конференция по физике газового разряда. - Самара: ССАУ, 1994, ч. I, с. 55 - 57. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2657006C2 (en) * 2012-11-06 2018-06-08 Сименс Акциенгезелльшафт Arc short circuit path for mitigation of the arc short circuit in the casing of the power source

Also Published As

Publication number Publication date
RU95105627A (en) 1997-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8350572B2 (en) Ionization vacuum device
US20060132017A1 (en) Industrial hollow cathode with radiation shield structure
US5492570A (en) Hybrid thermal electric generator
US6541915B2 (en) High pressure arc lamp assisted start up device and method
RU2111605C1 (en) Method and device for rectifying ac current
Gow et al. A High‐Intensity Pulsed Ion Source
Byszewski et al. Advances in starting high-intensity discharge lamps
EP0095311B1 (en) Ion source apparatus
Pitchford et al. The breakdown and glow phases during the initiation of discharges for lamps
JPH02220345A (en) Gas discharge tube and indirectly heated cathode and drive circuit therefor
Hilscher Determination of the cathode fall voltage in fluorescent lamps by measurement of the operating voltage
Murray et al. Ignition and extinguishing characteristics of Cs‐Ba tacitron
US5909082A (en) Starting aid for high intensity discharge lamps
Kovarik et al. Initiation of hot cathode arc discharges by electron confinement in Penning and magnetron configurations
Harry et al. Production of a large volume discharge using a multiple arc system
US6323586B1 (en) Closed drift hollow cathode
US5739640A (en) Low line voltage detection control module and method for a fluorescent lamp
US2105463A (en) Vacuum tube
RU2144716C1 (en) Method and device for turning-on plasma- coupled thyristor
CN113543444B (en) Microwave-induced metal discharge combustion-supporting method and control system thereof
US2835840A (en) Resonance lamps for very low voltages
Libby Surface-controlled mercury-pool rectifier
Wernsman et al. Ignition of Cs‐Ba Tacitron during breakdown and extinguishing modes
RU2047239C1 (en) Gaseous-discharge device
Prozorov et al. Experimental study of dynamics of plasma formation in a vacuum-arc discharge