ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ КАНАЛ

Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, и может быть использована при создании термоэмиссионных электрогенерирующих каналов.
Известен электрогенерирующий канал (ЭГК), состоящий из последовательно соединенных цилиндрических электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), в которых расположенные вдоль оси эмиттеры соединены с коллекторами соседних элементов через коммутационные переходники. Коллекторный узел представляет собой цельную металлокерамическую трубу, в которой отдельные ЭГЭ изолируются друг от друга межколлекторными изоляционными поясками. В известной конструкции коммутационный переходник выполнен в виде диска с осевыми отверстиями, соединяющими межэлектродный зазор (МЭЗ) соседних элементов. Осевое дистанционирование осуществляется за счет разжимного кольца, помещаемого в специальный паз, выполненный на поверхности коммутационного переходника. Коммутационные переходники жестко соединены с коллекторами посредством высокотемпературной пайки. [Синявский В.В. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных сборок. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 375 с, стр. 38-39, рис. 1.13].
Недостаток известного ЭГК заключается в том, что жесткая конструкция переходника не позволяет гарантировать постоянство МЭЗ, что снижает надежность ЭГК. Кроме того, данная конструкция обладает пониженной технологичностью, так как для осуществления жесткого соединения коммутационного переходника с коллектором необходимо выдержать зазоры в паяном соединении, примерно 20÷30 мкм, что представляет значительную технологическую проблему. Это связано с точностью изготовления отверстия в коллекторе (допуск на внутренний диаметр коллектора составляет ~50 мкм). К тому же для гарантированной качественной установки эмиттерных узлов в полости коллекторного пакета необходимо, чтобы наружный диаметр коммутационного переходника заведомо был менее диаметра отверстия коллекторного пакета, что еще больше увеличивает зазор под паяное соединение.
rd
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому ЭГК, прототипом, является электрогенерирующий канал, описанный в работе A. Schock, High-voltage thermionic reactor using double-sheath fuel elements, 3 International Conference on Thermionic Electrical Generation, June 5-9, 1972, Fig. 1. В представленной конструкции термоэмиссионный электрогенерирующий канал содержит последовательно соединенные ЭГЭ с внутренним расположением топлива, заключенные в герметичную оболочку. Коллекторный узел представляет собой цельную металлокерамическую трубу, в которой отдельные ЭГЭ изолируются друг от друга межколлекторными изоляционными поясками. Каждый эмиттер со стороны торцевой поверхности снабжен коммутационным переходником, выполненным в виде четырех равномерно расположенных по окружности шин. Шины эмиттера вставлены в пазы, выполненные на коллекторах. Надежный контакт в соединении осуществляется пайкой в вакууме.
Недостаток известного ЭГК заключается в низкой технологичности сборки. Жесткая конструкция эмиттерных шин не позволяет выдержать требуемую величину зазоров в паяном соединении (порядка 20÷10 мкм), что представляет значительную технологическую проблему. Это связано с точностью изготовления отверстия в коллекторе (допуск на внутренний диаметр коллектора составляет не менее 50 мкм). К тому же для гарантированной качественной установки эмиттерных узлов в полости коллекторного пакета необходимо, чтобы наружный диаметр коммутационного переходника заведомо был менее диаметра отверстия коллекторного пакета, что еще больше увеличивает зазор под паяное соединение.
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции ЭГК повышенной технологичности и надежности без увеличения габаритных размеров ЭГК.
Технический результат достигается тем, что в термоэмиссионном электрогенерирующем канале, содержащем последовательно соединенные ЭГЭ с внутренним расположением топлива, заключенные в герметичную оболочку, согласно полезной модели коммутационные переходники, соединяющие эмиттеры с коллекторами соседних ЭГЭ, выполнены в виде внутреннего и наружного колец, жестко соединенных между собой перемычками, равномерно расположенными по окружности, внутреннее кольцо переходника жестко соединено с эмиттером, а в наружном кольце между соседними перемычками симметрично выполнены прорези, образующие криволинейные стержни, снабженные по краям выступами, жестко соединенными с коллектором, при этом на внешней поверхности наружного кольца в месте его соединения с внутренним кольцом выполнены страховочные буртики.
С внутренней стороны буртиков могут быть выполнены цилиндрические пазы для установки радиальных дистанционаторов, а выступы снабжены осевыми отверстиями для предварительного сжатия переходника во время его установки в канал.
Количество перемычек в переходнике может быть две, три, четыре и более, и может быть подобрано с учетом оптимальных параметров, необходимых для пропускания тока и необходимого теплового сопротивления.
Таким образом, за счет прорезей в наружном кольце коммутационные переходники приобретают упругие свойства, позволяющие получить минимально возможный зазор под паяное соединение «коммутационный переходник - коллектор», обеспечивая тем самым высокое качество и технологичность получаемого соединения, а также позволяющие получить высокую точность выставления МЭЗ, что увеличивает надежность работы ЭГК в целом.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 изображена коммутация соседних ЭГЭ, а так же разрез коммутационного переходника, выполненного в виде наружного и внутреннего колец, соединенных четырьмя перемычками.
На фиг. 2 показан вариант исполнения коммутационного переходника с четырьмя пазами и восемью осевыми отверстиями.
На фиг. 3 показаны варианты коммутационных переходников с различным количеством перемычек.
Коммутационный переходник 1 (см. фиг. 1), соединяющий эмиттеры 2 с коллекторами 3 соседних ЭГЭ, выполнен в виде внутреннего 4 и наружного 5 колец, жестко соединенных между собой, по меньшей мере, двумя перемычками 6, равномерно расположенными по окружности. Внутреннее кольцо 4 переходника 1 жестко соединено с эмиттером 2, а в наружном кольце 5 между соседними перемычками симметрично выполнены прорези 7, образующие криволинейные стержни 8. Стержни 8 снабжены по краям выступами 9, которые жестко соединены с коллектором 3. На внешней поверхности наружного кольца в месте его соединения с внутренним кольцом выполнены страховочные буртики 10, предназначенные для выдерживания МЭЗ в случае неравномерной радиальной деформации криволинейных стержней 8 коммутационного переходника при сборке или при длительной эксплуатации ЭГК. Коммутационный переходник может быть выполнен с четырьмя и более пазами 11 (см. фиг. 2) для размещения в них радиальных дистанционаторов 12. Осевые отверстия 13 служат для осуществления предварительного сжатия переходника во время его установки в канал.
Пример конкретного осуществления полезной модели.
В соответствии с данным техническим решением был успешно изготовлен рабочий опытный образец. В качестве материала переходника использовался сплав ниобия с цирконием НБЦ-1. Из заготовки, представляющей собой пруток, посредством токарной и электрофизической обработки на электроэрозионном станке изготавливался коммутационный переходник. Наружный диаметр переходника составлял 20,4 мм, внутренний диаметр переходника - 11 мм. Длина переходника - 3 мм. Количество перемычек - 4, количество прорезей - 4. В выступах переходника были выполнены восемь осевых отверстий.
После изготовления проводилась пробная сборка технологического макета канала с заявленным коммутационным переходником. Перед установкой в коллекторный пакет осуществляли электронно-лучевую сварку переходника с эмиттером, обеспечивая тем самым их жесткое соединение.
Переходник в сжатом состоянии устанавливался в канал. Благодаря новой упругой конструкции коммутации удалось обеспечить требуемый технологический минимальный зазор под паяное соединение коммутационного переходника с коллектором за счет возможности предварительного сжатия переходника, установки его в канал и последующего разжатия., что в дальнейшем позволило обеспечить качество и надежность паяного соединения переходника к коллектору. Кроме того, данная конструкция переходника обеспечивает требуемую соосность эмиттера с коллектором и позволяет добиться в процессе сборки высокой точности выставления МЭЗ, обуславливающих надежность ЭГК.