ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2105407

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Имя изобретателя: Токарев Владимир Омарович; Тимохин Александр Иванович; Цатурян Тигран Григорьевич
Имя патентообладателя: Токарев Владимир Омарович; Тимохин Александр Иванович; Цатурян Тигран Григорьевич
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1996.09.06

Способ получения электрической энергии включает формирование пучка электронов 35 путем нагрева катода 2 и направление его на подложку 15 из плазмообразующего материала. Пучок электронов проходит через экран, выполненный в виде двух сопряженных меньшими основаниями усеченных конусов 12, 13. Образующийся плазменный поток 37 концентрируют в конусе 13 и закручивают его. При этом за счет разделения по массам электронов и ионов создается разность потенциалов между поверхностью конуса 13 и поверхностью коллектора 14. В полости конуса 12 образуют стоячую волну, препятствующую разлету плазменного сгустка 34. Устройство содержит катод 2, анод 4, систему нагрева катода. Катод 2 и анод 4 размещены в корпусе 1. Корпус 1 установлен в стакане 18. На корпусе 1 закреплен лучепровод в виде конического сопла 8. Лучепровод соединен с экраном через камеру 10 с отверстиями 11. Подложка 15 из плазмообразующего материала размещена в нижней части стакана 18. В полости конуса 13 установлен коллектор 15.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения электрической энергии путем преобразования тепловой энергии плазмы в электрическую.

Известен реализуемый устройством способ получения электрической энергии,согласно которому полученной в термоядерном реакторе плазме сообщают по каналам прямолинейное перемещение и осуществляют преобразование в электрическую энергию посредством установки на пути перемещения плазмы нескольких коллекторных решеток, выполненных в виде "венецианских жалюзи" (см. патент США N 3816771, кл. 310-5, 1974).

Недостатками данного технического решения являются сложность и дороговизна изготовления оборудования и осуществления способа, значительные габариты конструкции, реализующей способ, и недостаточный уровень экологической безопасности, характерный для эксплуатации ядерных реакторов.

Наиболее близким к предложенному техническому решению (способу и устройству) является способ получения электрической энергии, реализуемый термоионным преобразователем энергии (патент США N 3300661, кл. 310-4, 1967) - наиболее близкий аналог.

Устройство содержит корпус, установленные в нем анод и катод, предназначенный для излучения электронов, ионизирующую часть, находящуюся в контакте с излучающей поверхностью, и систему нагрева катода и ионизирующей части. Работа выхода анода меньше работы выхода катода.

Посредством системы нагрева разогревают катод, который излучает электроны. В полости устройства получают низкотемпературную плазму. В процессе истечения с поверхности катода электронов происходит контактная ионизация паров металла с частичной конденсацией на поверхностях анода и катода и преобразование тепловой энергии в электрическую.

Недостатком данного изобретения являетсянизкий коэффициент полезного действия при преобразовании тепловой энергии в электрическую. Это не позволяет использовать изобретение в промышленных целях. Отсутствие возможности управления ионизируемым потоком снижает функциональные возможности устройства, повышает вероятность аварий, что отрицательно сказывается на экологическом состоянии окружающей среды. Существенным недостатком изобретения является и наличие обратного потока испаряемого материала, который конденсируется на рабочих поверхностях катода и анода, затрудняя физический процесс съема электрической энергии, излучаемой во внутреннем объеме устройства.

Задачами настоящего изобретения являются: повышение коэффициента полезного действия при получении электрической энергии, удешевление ее получения, а и обеспечение безопасности и экологической чистоты при осуществлении данного изобретения.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе получения электрической энергии, включающем создание потока электронов путем нагрева катода и создание разности потенциалов, новым является то, что поток электронов формируют в пучок электронов и направляют его на подложку из плазмообразующего материала через экран, выполненный в виде двух сопряженных меньшими основаниями усеченных конусов, при этом в полости конуса, обращенного к подложке, размещают коллектор, причем образованный плазменный поток концентрируют в полости этого конуса, а в полости второго конуса образуют стоячую волну, при этом образованный сгусток плазмы закручивают, обеспечивая создание разности потенциалов между коллектором и конусом, обращенным к подложке, за счет осаждения электронов на поверхности коллектора, а ионов - на поверхности конуса.

Для реализации предложенного способа разработано устройство, включающее катод и анод, установленные в корпусе, и систему разогрева катода, в котором, согласно изобретению, корпус установлен в стакане, а на корпусе закреплен лучепровод в виде конического сопла, причем лучепровод через камеру с отверстиями соединен с экраном, выполненным в виде двух усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями, при этом вершина конуса сопла расположена в плоскости сопряжения малых оснований конусов, причем в нижней части стакана размещена подложка из плазмообразующего материала, а в полости конуса, обращенного к подложке, установлен коллектор.

Устройство характеризуется и тем, что подложка размещена в тигле, выполненном из огнеупорного материала с возможностью вращательного и вращательно-поступательного перемещения посредством привода. Угол конусности конусов экрана выбирают в интервале 16 - 48 градусов, а на коллекторе и на наружных поверхностях конусов экрана размещены электрические катушки. Стакан корпуса выполнен сборным, полость корпуса соединена с турбомолекулярным насосом, а полость стакана - с форвакуумным насосом.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено устройство для получения электрического тока, осевой разрез.

Устройство для получения электрической энергии состоит из корпуса 1, в котором размещены катод 2, прикатодный электрод 3, а и анод 4 с кольцами 5 и магнитная линза 6. На торцовой поверхности корпуса 1 посредством крепежных элементов 7 установлен лучепровод, выполненный в виде конического сопла 8. На лучепроводе посредством гаек 9 закреплена камера 10 с отверстиями 11 и первый электрод (экран), выполненный в виде соединенных меньшими основаниями усеченных конусов 12 и 13. В полости конуса 13 размещен второй электрод (коллектор) 14, а под ним, в нижней части стакана, - металлическая подложка 15. Подложка может быть расположена в тигле 16, выполненном из огнеупорного материала и установленном на основании 17. Основание 17 размещено на дне стакана 18 и имеет возможность вращения и возвратно-поступательного перемещения посредством привода (не показан). Рядом со стаканом расположены источник 19 ионизированных паров и трансформатор 20 с элементами 21 подключения к электрическому источнику и элементами 22 для вторичного подключения к электрическому источнику энергии посредством проводов 23 и выключателя 24, соединенного с потребителем 25 вырабатываемой электрической энергии через выключатель 26, соединенный в единую электрическую цепь с вторым электродом 14, на котором размещена электрическая катушка 27, а на наружной поверхности усеченных конусов 12 и 13 (первый электрод) размещена электрическая катушка 28.

Стакан 18 может быть выполнен сборным, так как в процессе работы наблюдаются высокие температурные режимы и возникает необходимость замены полностью стакана или разных его частей. Поэтому стакан состоит из элементов 29 и 30, прикрепленных к основанию 18. К элементу 30 стакана прикреплен патрубок 31, к которому подсоединен турбомолекулярный насос 32, предназначенный для откачки корпуса, а к патрубку 33 подсоединен форвакуумный насос 34, предназначенный для откачки полости стакана. (Насосы на схеме показаны фрагментарно).

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОСУЩЕСТВЛЯЮТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

Первоначально, в зависимости от температуры плавления плазмообразующего материала подложки 15, монтируют на корпус 1 коническое сопло 8 с требуемым углом () при вершине усеченного конуса. Эта зависимость приведена в табл. 1 (получена на основании экспериментальных данных).

Перед монтажом конического сопла 8 определяют число Маха в зависимости от величины электрического тока, вырабатываемого катодом 2 (см. табл. 2).

В практической деятельности значение числа Маха a > 4 не используют и поэтому в табл. 2значения числа Маха начинаются с M = 1,2.

Практически угол не может быть больше 48 град., так как при этом значение числа Маха должно быть больше 3-х, что при воздействии концентрированного потока энергии (электронного пучка) обеспечить невозможно. Как показали экспериментальные работы, при <16 град. устройство имеет очень большие габариты, что приводит к нарушению формирования сгустка плазмы. Поэтому угол определен в пределах 16 град. .

Далее присоединяют лучепровод, который устанавливают таким образом, чтобы вершина усеченного конуса сопла 8 находилась в плоскости сопряжения оснований усеченных конусов 12 и 13 первого электрода. Далее к устройству подсоединяют потребитель электрической энергии и трансформатор 20. Все разъемы проверяют течеискателем. Включают форвакуумный насос 34 и после создания в стакане давления 6,65 Па включают турбомолекулярный насос 32, который осуществляет откачку полости корпуса 1 до давления 6,65·10^-3Па.

Затем включают трансформатор 20 и разогревают катод 2 до температуры 1500 -1600 град.C, при которой с его поверхности начинается интенсивное истечение электронов. Одновременно соответствующее напряжение подают на прикатодный электрод 3, анод 4 и магнитную линзу 6. Элемент электронного пучка 35, двигаясь с высокими скоростями, попадает на подложку 15, в результате чего материал подложки ионизируется и в итоге вторичные и отраженные электроны 36 устремляются в направлении конуса 13, образуя сгусток низкотемпературной плазмы 37 с каналом 38, необходимым для прохождения электронного пучка. За счет того, что на пути потока, исходящего с подложки 15, установлен усеченный конус, то поток (как это известно из газодинамики) "чувствует" вершину конуса и начинает тормозиться, образуя стоячую волну. При этом электроны электронного пучка сами являются генераторами закрутки двигающихся навстречу электронов и ионов, так как "обрабатываемый" ими материал (находится в тигле) перемещается, создавая температурный градиент между тиглем и первым электроном. За счет движения электронов и тигля и температурного градиента создаются центробежные силы, которые раскручивают электроны и ионы. Электроны, масса которых значительно меньше массы ионов, раскручиваются ближе к оси электронного пучка, а ионы на более дальнем расстоянии образуют свое отдельное вращение.

Стоячая волна 39, состоящая из частиц испаряемого материала, тормозит частицы парогазового потока, движущиеся со скоростью 10³ - 10⁵ см/с. За счет того, что сам электронный пучок является генератором закрутки, а скорость вращения потока зависит и и от величины тока электронного концентрированного пучка, то с увеличением тока, как показали исследования, скорость вращения частиц потока достигает до 100 об/с и более. Так как электроны имеют массу порядка 10³¹ кг, а ионы - 10^-27 кг, то радиусы их вращения резко различаются. Электроны осаждаются на поверхности второго электрода. Одновременно, в случае необходимости, в эту среду вводят ионизированный поток из источника 19.

Между электродами создается достаточно большая разность потенциалов, которая, по сравнению с питающим катод 2 напряжением, может отличаться от двух и более раз. При соответствующих режимах и числе оборотов парообразного потока частиц разность потенциалов может достигать весьма больших значений, соответствующих разности масс электрона и иона.

Далее включают выключатели 24 и 26, подсоединяя к устройству потребитель электрической энергии 25, а трансформатор 20 отключают от источника питания и устройство начинает работать за счет собственной вырабатываемой энергии. При необходимости трансформатор может оставаться включенным.

В процессе работы устройства плазменный сгусток 37 постоянно пополняется плазмой, генерируемой электронным пучком из ионообразующей подложки 15. Плазменный сгусток удерживают на протяжении рабочего времени, которое определяется необходимостью замены подложки. Разделение электронов и ионов происходит практически мгновенно за счет воздействия центробежных сил. При этом происходит подзарядка частиц испаряемого материала за счет взаимодействия с ионами, вращающимися вокруг сгустка плазмы, что способствует получению разности потенциалов между первым и вторым электродами (до 300 - 400 В и более).

Для создания дополнительных сил, способствующих удержанию плазменного сгустка, можно использовать электрические катушки 27 и 28. Это необходимо в случаях, когда скорость вращения плазмы не превышает 100 об/с.

Проверку промышленной применимости изобретения осуществляли на устройстве со следующими параметрами:

• Ускоряющее напряжение (кВ) - 15
• Рабочий ток (мА) - 200
• Плазмообразующий материал АМг - 6
• Скорость перемещения плазмообразующего материала (м/ч) - 35
• Время удержания плазменного сгустка (ч) - 0,5
• Давление в стакане (Па) - 6,65
• Давление в корпусе с катодом и анодом (Па) - 6,65·10^-3

Температура паровой фазы материала АМг 6примерно равна 2440 град. C. Для регистрации формирования плазменного сгустка и его удержания в плоскости устройства была использована скоростная киносъемка. Для этого в первом и втором электродах были выполнены специальные пазы, через которые съемка и осуществлялась. Одновременно измеряли разность потенциалов между стенками коллектора и стенками стакана. Разность потенциалов составила 380 В, а ток зафиксирован на уровне 10 А, мощность - 4 кВт.

Работы, проведенные на устройстве, подтвердили, что происходит отделение электронов от ионов, а и их вращение вокруг электронного концентрированного пучка, что как раз и обуславливает условия получения источника энергии.

Для подтверждения вращения парогазового потока был снят второй электрод 14 и на внутренней стенке первого коллектора была установлена перегородка, после чего производилось включение устройства.

После окончания работы внутренняя полость первого электрода была сфотографирована. На фотографии отчетливо видно, что перегородка с одной стороны чистая, а с другой - напылена. Этот эффект можно получить только в том случае, если поток вращается.

Изобретение позволяет получить дешевую электрическую энергию при условии соблюдения экологической чистоты процесса, посредством осуществления устойчивого управления плазменным процессом. Устройство просто в изготовлении, надежно в эксплуатации. Способ обладает широкими технологическими возможностями, безопасен в реализации и может быть использован в смежных областях науки и техники, в которых применяют электронный поток.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения электрической энергии, включающий создание потока электронов путем нагрева катода и создание разности потенциалов, отличающийся тем, что поток электронов формируют в пучок электронов и направляют его на подложку из плазмообразующего материала через экран, выполненный в виде двух сопряженных меньшими основаниями усеченных конусов, при этом в полости конуса, обращенного к подложке, размещают коллектор, причем образованный плазменный поток концентрируют в полости этого конуса, а в полости второго конуса образуют стоячую волну, при этом образованный сгусток плазмы закручивают, обеспечивая создание разности потенциалов между коллектором и конусом, обращенным к подложке, за счет осаждения электронов на поверхности коллектора, а ионов на поверхности конуса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в образованный плазменный поток подают ионизированный компонент.

3. Устройство для получения электрической энергии, включающее катод и анод, установленные в корпусе, и систему нагрева катода, отличающееся тем, что корпус установлен в стакане, при этом на корпусе закреплен лучепровод в виде конического сопла, причем лучепровод через камеру с отверстиями соединен с экраном, выполненным в виде двух усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями, при этом вершина конуса сопла расположена в плоскости сопряжения малых оснований конусов, причем в нижней части стакана размещена подложка из плазмообразующего материала, а в полости конуса, обращенного к подложке, установлен коллектор.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что подложка размещена в тигле, выполненном из огнеупорного материала.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что подложка имеет возможность вращательного и возвратно-поступательного перемещения посредством привода.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что угол конусности усеченных конусов экрана составляет 16- 48^o.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что на коллекторе и на наружных поверхностях конусов экрана размещены электрические катушки.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что стакан выполнен сборным.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что полость корпуса соединена с турбомолекулярным насосом.

10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что полость стакана соединена с форвакуумным насосом.

Версия для печати
Дата публикации 31.10.2006гг

---

---