Термоэмиссионный вентиль системы выпрямления тока космической энергетической установки

 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования и инвертирования энергии, газоразрядной технике, космической энергетике, а более конкретно к термоэмиссионным преобразователям для выпрямления тока в космических энергетических установках, преимущественно ядерных и солнечных. Техническим результатом является повышение надежности термоэмиссионного вентиля. Термоэмиссионный вентиль системы выпрямления тока космической ЭУ содержит герметичный корпус с установленными в нем обогреваемым катодом и анодом, снабженным газонаполненной тепловой трубой (ТТ), причем испарительный участок ТТ размещен внутри корпуса и контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок (КУ) расположен вне корпуса, и отличается тем, что КУ выполнен теплоизлучающим, причем на часть наружной поверхности КУ со стороны корпуса нанесено чернотное покрытие, а другая часть покрыта сублимирующим материалом. Длина части наружной поверхности КУ с чернотным покрытием может составлять 0,7-0,9 полной длины КУ. Чернотное покрытие может быть выполнено в виде смеси карбидов металлов. В качестве сублимационного материала может быть использовано вещество с температурой сублимации в вакууме выше рабочей температуры и ниже предельно допустимой температуры анода вентиля. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования и инвертирования энергии, газоразрядной технике, космической энергетике, а более конкретно к термоэмиссионным преобразователям для выпрямления тока в космических энергетических установках (ЭУ), преимущественно в ядерных (ЯЭУ) или солнечных (СЭУ).

Известны устройства для выпрямления тока, содержащие разделенные межэлектодным зазором (МЭЗ) нагреваемый катод и охлаждаемый анод, причем МЭЗ заполнен паром рабочего тела, который подается из термостата, снабженного нагревателем и соединенным с МЭЗ [1]. Однако в них для поддержания разряда в момент смены полярности напряжения используется цепь игнайтера, которая питает вспомогательный дуговой разряд и требует дополнительных затрат электрической энергии, снижая общую эффективность систем выпрямления тока, в которых они используются. В результате применительно к космическим условиям у вентиля относительно низкая эффективность вследствие ограничения уровня мощности и вследствие вероятности возникновения обратных пробоев при изменении величины рабочего напряжения вентиля и повышении его электрической мощности. Это может привести к повышению температуры элементов вентиля, прежде всего анода, и потере его работоспособности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является термоэмиссионный вентиль системы выпрямления тока космической ЯЭУ, содержащий герметичный корпус с установленными в нем обогреваемым катодом и анодом, снабженным газонаполненной тепловой трубой (ТТ), причем испарительный участок ТТ размещен внутри корпуса и контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса [2].

Однако эффективность данного вентиля снижается при отклонении электрической мощности вентиля от оптимального значения, причем особенно опасен перегрев анода при повышении мощности.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности термоэмиссионного вентиля космических ЭУ за счет снижения чувствительности вентиля к расширению диапазона электрической мощности и кратковременным перегревам вентиля.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном вентиле системы выпрямления тока космической ЭУ, содержащем герметичный корпус с установленными в нем обогреваемым катодом и анодом, снабженным газонаполненной ТТ, причем испарительный участок ТТ размещен внутри корпуса и контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса, в котором конденсационный участок ТТ выполнен теплоизлучающим, причем на часть наружной поверхности конденсационного участка со стороны корпуса нанесено чернотное покрытие, а остальная часть наружной поверхности конденсационного участка покрыта сублимирующим материалом. Длина участка с нанесенным чернотным покрытием может составлять 0,7-0,9 полной длины конденсационного участка. Чернотное покрытие может быть выполнено в виде смеси карбидов металлов. В качестве сублимационного материала может быть использовано вещество с температурой сублимации (испарения) в вакууме выше рабочей температуры и ниже предельно допустимой температуры анода вентиля.

На чертеже приведена схема термоэмиссионного вентиля.

Вентиль содержит герметичный корпус 1, внутри которого размещены катод 2, снабженный нагревателем 3, и анод 4. Катод и анод снабжены изолированными от корпуса 1 токоподводами 5 и 6 соответственно. Катод 2 и анод 4 с помощью электроизоляции 7 разделены МЭЗ 8, который заполняется паром рабочего тела, например цезием, барием или их смесью (система подачи пара на чертеже не показана). Наружная поверхность анода 4 через слой электроизоляции 9 контактирует с частью герметичного корпуса 10 газонаполненной ТТ, которая содержит размещенную у внутренней поверхности корпуса 10 капиллярную структуру 11. Часть ТТ, наружная поверхность которой через слой электроизоляции 9 контактирует с анодом 4, является испарительным участком 12. Участок 12 размещен внутри корпуса 1 вентиля. ТТ содержит также адиабатический участок 13 и конденсационный участок 14. Конденсационный участок 14 ТТ размещен вне корпуса 1 и выполнен теплоизлучающим, для чего на наружной поверхности части 15 конденсационного участка 14 нанесено чернотное покрытие, например, в виде смеси карбидов металлов. Часть 16 наружной поверхности конденсационного участка 14, примыкающая к торцу 17, покрыта сублимационным материалом с температурой сублимации (испарения) в вакууме выше рабочей температуры и ниже предельно допустимой температуры анода вентиля. Капилярная структура 11 заполнена жидким рабочим телом ТТ, в качестве которого может быть использован натрий или калий, и гидравлически соединяет испарительный 12, адиабатический 13 и конденсационный 14 участки ТТ.

Термоэмиссионный вентиль работает следующим образом.

После сборки и вакуумирования термоэмиссионного вентиля производится заполнение МЭЗ 8 паром рабочего тела, в качестве которого используется цезий, барий или их смесь. Давление рабочего тела выбирают оптимальным для заданного уровня электрической мощности системы выпрямления тока. После этого с помощью электронагревателя 3 производят нагрев катода 2, который, в свою очередь, нагревает также и анод 4, отделенный от катода электроизоляцией 7. При нагретых до рабочих температур катоде 2 и аноде 4 через токоподводы 5 и 6 прикладывают переменное напряжение между анодом 4 и катодом 2. В результате в МЭЗ 8 происходит поджиг несамостоятельного дугового разряда при положительном потенциале анода 4 и тлеющего разряда - при отрицательном потенциале анода 4. Для отвода выделяющегося при горении разряда тепла анод 4 необходимо охлаждать, так как при перегреве анода относительно рабочего значения эффективность вентиля падает. Тепло с анода 4 через слой электроизоляции 9 и корпус 10 передается капиллярной структуре 11 в испарительном участке 12 газонаполненной ТТ. Это тепло испаряет рабочее тело (натрий, калий) ТТ. Пар рабочего тела внутри ТТ переносится через адиабатиеский участок 13 в конденсационный участок 14, размещенный вне корпуса 1 вентиля. Перенос тепла паром осуществляется до границы 18 раздела пар-газ, размещение которой в конденсационном участке 14 зависит от давления пара рабочего тела ТТ. В конденсационном участке 14 до границы 18 пар рабочего тела конденсируется на внутренней поверхности капиллярной структуры 11, а выделяющееся при конденсации пара тепло передается на наружную поверхность корпуса 10 ТТ и излучается с наружной поверхности части конденсационного участка, на который нанесено чернотное покрытие 15. Часть 16 наружной поверхности конденсационного участка 14 (покрытая сублимирующим материалом) при номинальных режимах работы практически не участвует в сбросе тепла в космос. Такой режим охлаждения вентиля позволяет поддерживать рабочую температуру анода оптимальной.

Так как мощность на нагрузке, а соответственно и электрическая мощность вентиля, в процессе эксплуатации вентиля может изменяться, то при каждом изменении электрической мощности происходит изменение тепловой мощности, которую необходимо отвести от анода 4. Использование газонаполненной ТТ позволяет в определенных пределах поддерживать оптимальное значение температуры анода при изменении отводимой тепловой мощности. При увеличении тепловой мощности давление рабочего тела ТТ несколько повышается, граница 18 раздела пар-газ в конденсационном участке 14 перемещается в сторону торца 17, тем самым увеличивается часть наружной поверхности корпуса 10, покрытой чернотным покрытием 15, с которой излучается тепло в космос. При уменьшении тепловой мощности граница 18 раздела пар-газ перемещается влево от торца 17, уменьшая часть поверхности, с которой тепло излучается в космос. Тем самым обеспечивается практически постоянная температура анода при изменении мощности вентиля.

В то же время нельзя исключать случаи повышенного (относительно расчетного) значения отводимой тепловой мощности. Кпд вентиля в штатных режимах достаточно высок (более 90%). Однако в пусковых режимах при резком изменении мощности, неоптимальности значения давления рабочего тела вентиля и в других случаях возможно снижение кпд и существенное повышение отводимой тепловой мощности относительно расчетного, даже при неизменной подводимой электрической мощности. Это может привести к повышению температуры анода 4 выше допустимой и к отказу вентиля. Поэтому необходима защита от таких случаев. Для этого предназначен участок 16 корпуса 10 ТТ, который покрыт сублимационным веществом (покрытием) с температурой сублимации выше рабочей температуры анода и ниже предельно допустимой температуры анода. В результате при значении отводимой тепловой мощности, выше предельного расчетного значения, температура пара рабочего тела ТТ повышается, граница 18 раздела пар-газ сдвигается влево к торцу 17, происходит конденсация пара рабочего тела ТТ в капиллярной структуре 11 напротив части корпуса 10, на который нанесен сублимационный материал (участок 16). Сублимационный материал участка 16 испаряется (сублимируется) с поверхности, забирая избыточное тепло, при температуре сублимации, не превышающей предельно допустимую рабочую температуру анода. При возвращении работы вентиля в нормальный тепловой режим граница 18 пар-газ сдвигается влево от торца 17, подвод тепла к зоне с сублимационным материалом прекращается, испарение материала участка 16 прекращается, и вентиль работает в штатном режиме.

Соотношение между частями наружной поверхности конденсационного участка с чернотным покрытием и сублимирующим материалом выбрано из следующих соображений. Чем больше участок с сублимирующим материалом, тем большие перегрузки способен выдерживать вентиль. Однако это приводит к увеличению длины и соответственно массы конденсационного участка ТТ. Анализ возможных перегрузок показал, что для компенсации стандартных перегрузок (при включении и выключении вентиля, изменении мощности нагрузки и т.п.) достаточно 10% запаса поверхности или соответственно длины конденсационного участка ТТ. Для компенсации возможных аварийных ситуаций эта доля должна быть увеличена до 30%. Отсюда было выбрано, что длина части наружной поверхности конденсационного участка с чернотным покрытием должна составлять 0,7-0,9 полной длины конденсационного участка.

Таким образом, предложенное техническое решение повышает надежности термоэмиссионного вентиля космических ЭУ за счет снижения чувствительности вентиля к расширению диапазона электрической мощности и кратковременным перегревам вентиля.

Источники информации 1. Онуфриев В.В. К вопросу о возможности использования термоэмиссионного паронаполненного диода в качестве высоковольтного высокотемпературного вентиля//Тез. докл. юбил. конф., посв. 100-летию А.В. Квасникова и 30-летию кафедры Двигательных, энергетических и энергофизических установок космических ЛА. - М.: МАИ, 1992, с.65.

2. Патент RU 2111605, МКИ H 02 M 7/06, H 01 J 45/00. Способ выпрямления переменного тока и устройство для его осуществления. Опубл. 20.05.98. Бюл. 14.

Формула изобретения

1. Термоэмиссионный вентиль системы выпрямления тока космической энергетической установки, содержащий герметичный корпус с установленными в нем обогреваемым катодом и анодом, снабженным газонаполненной тепловой трубкой, причем испарительный участок тепловой трубы размещен внутри корпуса и контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса, отличающийся тем, что конденсационный участок тепловой трубы выполнен теплоизлучающим, причем на часть наружной поверхности конденсационного участка со стороны корпуса нанесено чернотное покрытие, а остальная часть наружной поверхности конденсационного участка покрыта сублимирующим материалом.

2. Термоэмиссионный вентиль системы выпрямления тока космической энергетической установки по п. 1, отличающийся тем, что длина части наружной поверхности конденсационного участка с нанесенным чернотным покрытием составляет 0,7-0,9 полной длины конденсационного участка.

3. Термоэмиссионный вентиль системы выпрямления тока космической энергетической установки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что чернотное покрытие выполнено в виде смеси карбидов металлов.

4. Термоэмиссионный вентиль системы выпрямления тока космической энергетической установки по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве сублимационного материала использовано вещество с температурой сублимации в вакууме выше рабочей температуры анода и ниже предельно допустимой температуры анода вентиля.

РИСУНКИ

Рисунок 1