用于熱電子能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備，所述熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備具有:發(fā)射器電極，其能夠響應(yīng)于熱能的施加來發(fā)射電子；以及收集器電極，其能夠收集發(fā)射出的電子。具體而言，本發(fā)明涉及一種熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備，所述熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備被配置為將熱轉(zhuǎn)換為可消耗的電流的電源或者將電能轉(zhuǎn)換為熱的散熱器(或熱源)設(shè)備。另外，本發(fā)明涉及一種熱能到電能或反之亦然的熱電子能量轉(zhuǎn)換的方法，其中，使用熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備。本發(fā)明的應(yīng)用在生成電力的領(lǐng)域，特別是在太陽能或來自核反應(yīng)的熱能的基礎(chǔ)上生成電力的領(lǐng)域，或者冷卻設(shè)備或加熱設(shè)備的領(lǐng)域中是可用的。
【背景技術(shù)】
[0002]一般已知直接利用溫度梯度來產(chǎn)生電力的熱電子發(fā)生器作為由太陽能(見例如Y.G.Yeng 等人在“Journal of Renewable and Sustainable Energy” 中，第 I 卷，2009 年，第 052701 頁的文章；G.P.Smestad 在 “Solar Energy Materials and Solar Cells”，第82 卷，2004 年，第 227 頁的文章；J.W.Schwede 等人在 “Nature Materials”，第 9 卷，2010年，第762頁的文章JPUS 6313391)或者核衰變(見例如N.S.Rasor等人在“AtomicsInternat1nal”，Canoga Park，1962年的文章)提供的電源。這些發(fā)生器(在文獻(xiàn)中通常被稱為熱離子發(fā)生器)直接利用電子發(fā)射器與電子收集器之間的溫度差來產(chǎn)生電力，所述電子發(fā)射器和電子收集器通過真空間隙隔開。通過施加熱能(例如聚焦的太陽輻射)，電子發(fā)射器的溫度增高，使得具有高于電子發(fā)射器材料的功函數(shù)的能量的電子可以被釋放到自由空間中。發(fā)射出的電子行進(jìn)通過真空間隙到電子收集器，所述電子收集器以低于所述電子發(fā)射器溫度的溫度來操作。電子聚集在電子收集器上，并且電子收集器變?yōu)橄鄬τ陔娮影l(fā)射器帶負(fù)電。因此，熱電子發(fā)生器可以用作電力源，例如可以通過將電子發(fā)射器和電子收集器通過負(fù)載電路連接來收獲所述電力。由于熱電子發(fā)生器原理上可以以具有電子發(fā)射器與電子收集器之間的非常大的溫度差的非常高的溫度(例如高于1500°C的發(fā)射器溫度)來操作，并且因為熱損失原理上可以非常小，所以已經(jīng)預(yù)測了文獻(xiàn)(見例如J.H.1ngold在“Journal of Applied Physics”，第32卷，1961年，第769頁的文章)中的熱電子發(fā)生器的高轉(zhuǎn)換效率。
[0003]作為普遍問題，來自電子發(fā)射器的電子的發(fā)射通常由空間電荷限制，所述空間電荷是靠近電子發(fā)射器表面建立的。釋放的電子形成電子云，因此提供了對另外的電子的發(fā)射的勢皇。這些空間電荷大大地限制了發(fā)射出的電子的電流，并且因此大大地限制了由熱電子發(fā)生器生成的電力。常規(guī)地，已經(jīng)開發(fā)了用于抑制空間電荷效應(yīng)的三種技術(shù)。
[0004]第一，已經(jīng)實現(xiàn)了通過注入例如Cs離子的帶正電的離子來減小或甚至中和空間電荷云。然而，該方法具有本質(zhì)缺點(diǎn)。必須以耗電的過程來生成離子。另外，離子必須被以期望的密度注入到空間電荷區(qū)域中，同時必須避免在不期望的位置處的化學(xué)反應(yīng)和聚集。作為另外的缺點(diǎn)，為了確保發(fā)生器的長壽命，離子必須被回收。最后，能量是通過不期望的電子離子碰撞和離子氣體的熱傳輸來損失的。
[0005]作為第一方法的范例，US 3267307公開了一種使用減少空間電荷云的Cs離子的熱離子發(fā)生器。為了降低熱傳輸，在發(fā)射器到收集器之間的Cs蒸汽填充的間隙中提供滲透性熱屏蔽。所述熱屏蔽具有復(fù)雜的管或箔結(jié)構(gòu)，所述管或箔結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電和絕緣材料制成并且包括電子通過其從發(fā)射器向收集器行進(jìn)的開口。提供磁場以使電子沿通過所述開口的路徑集中。為了避免熱屏蔽上的Cs離子的沉積，向所述熱屏蔽施加小偏置電壓。
[0006]根據(jù)第二方法，由電場來加速發(fā)射出的電子，所述電場是由額外的電極(陽極或加速電極)來創(chuàng)建的。向陽極施加正電壓，使得電子被加速脫離空間電荷云。作為第二方法的范例，US 3477012公開了一種具有同軸結(jié)構(gòu)的熱電子發(fā)生器，所述同軸結(jié)構(gòu)具有由中空圓柱陽極包圍的中心發(fā)射器棒以及外圓柱收集器。通過磁場的作用，從發(fā)射器釋放并且被向陽極加速的電子被向收集器的暴露的內(nèi)表面偏轉(zhuǎn)。雖然發(fā)射器與收集器之間的間隙是真空的并且利用該技術(shù)可以在理論上避免對Cs離子的使用，但是在常規(guī)熱電子發(fā)生器的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、受限制的可擴(kuò)展性和有限的能量轉(zhuǎn)換效率的方面存在缺點(diǎn)。由于電場和沿著磁場線的電子的軌跡是垂直的，因此電場不使電子向收集器加速。因此，其并不減少空間電荷，這導(dǎo)致低效率。
[0007]還已知在科學(xué)和技術(shù)中經(jīng)常使用加速電極。一種這樣的用法，即對具有局部分辨率的在發(fā)射器處的電子釋放的實驗研宄已經(jīng)由George N.Hatsopoulos在“Therm1nicenergy convers1n”(第2卷，美國能源部，1979年，第491頁到第493頁)中進(jìn)行了描述。該加速電極是被布置在發(fā)射器與收集器之間并且具有電子可以經(jīng)過的一個孔徑的平板。該實驗裝置排除了高效的能量轉(zhuǎn)換。
[0008]第三方法基于具有太小以不能形成空間電荷的發(fā)射器-收集器距離的發(fā)生器的制作(見例如J.-H.Lee等人在“Appl.Phys.Lett.”，第100卷，2012年，第173904頁中的文章)。這通常被成為“近空間技術(shù)(close-space-technique) ”。然而，該概念在具有微米或其分?jǐn)?shù)的精確度且具有大溫度差的、尤其大面積的電子發(fā)射器和電子收集器表面的必要穩(wěn)定性方面具有嚴(yán)重的缺點(diǎn)。具體而言，穩(wěn)定的發(fā)射器-收集器距離必須在組件可能的熱膨脹期間保持恒定。
[0009]現(xiàn)今，期望的是，用于避免這種缺點(diǎn)的唯一概念是如由J.-H.Lee等人在2012年提出的、以上的基于Cs離子的第一方法。
[0010]盡管常規(guī)技術(shù)存在缺點(diǎn)，但是熱電子發(fā)生器已經(jīng)被用在若干俄羅斯太空飛行器中，其中，已經(jīng)被利用放射性同位素對電子發(fā)射器進(jìn)行加熱并且已經(jīng)由以上的Cs方法抑制了空間電荷。另一方面，近空間技術(shù)從未在工業(yè)上得以應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是分別提供一種經(jīng)改進(jìn)的熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備和一種經(jīng)改進(jìn)的熱電子能量轉(zhuǎn)換的方法，其中，避免了常規(guī)技術(shù)的缺點(diǎn)和限制。具體而言，將獲得具有增高的效率、經(jīng)改進(jìn)的可靠性和/或設(shè)備結(jié)構(gòu)的降低的復(fù)雜性的熱電子能量轉(zhuǎn)換。
[0012]分別利用一種熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備和一種針對包括獨(dú)立權(quán)利要求的特征的熱電子能量轉(zhuǎn)換的方法來解決這些目的。在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的有利的實施例和應(yīng)用。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備，所述熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備包括適于響應(yīng)于熱能的施加來釋放(發(fā)射)電子的電子發(fā)射器，以及適于收集由所述電子發(fā)射器釋放的所述電子的電子收集器。所述電子收集器被布置使得發(fā)射出的電子可以聚集在所述電子收集器處。所述電子發(fā)射器和所述電子收集器被布置有提供在其之間的真空間隙的共同間隔。真空在所述間隙中，所述間隙沒有離子或其他氣體或蒸汽。所述熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備還包括加速電極(柵電極)，所述加速電極能夠使在所述電子發(fā)射器與所述電子收集器之間行進(jìn)的所述電子經(jīng)受加速電勢。所述加速電極被布置有沿著所述電子發(fā)射器和所述電子收集器表面的范圍的橫向延伸?？梢岳珥憫?yīng)于施加相對于所述電子發(fā)射器的正電壓或作為所述電子發(fā)射器與所述加速電極之間的功函數(shù)差的結(jié)果來創(chuàng)建所述加速電勢。另外，所述熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備包括磁場設(shè)備，所述磁場設(shè)備被配置用于在所述電子發(fā)射器與所述電子收集器之間提供磁場。具體而言，所述磁場設(shè)備適于創(chuàng)建具有在所述電子發(fā)射器與所述電子收集器之間延伸的磁場線的所述磁場。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，所述加速電極具有多個電極開口，所述電極開口被布置用于發(fā)送從所述電子發(fā)射器釋放并且運(yùn)行到所述電子收集器的所述電子。通過所述加速電極對所述電子進(jìn)行門控。因此，其也被稱為柵電極。作為本發(fā)明的另一特征，所述磁場設(shè)備被布置使得所述磁場至少部分地延伸通過所述電極開口。具體而言，所述磁場設(shè)備適于提供經(jīng)過所述電極開口的所述磁場線的至少一部分。所述磁場線延伸通過真空空間，使得所述電子被沿通過所述柵電極的所述電極開口的電子路徑引導(dǎo)。
[0015]與US 3267307相反，本發(fā)明的熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備在所述間隙中沒有Cs離子的情況下工作，并且使用施加的電壓來對電子進(jìn)行加速。因此，具有了所述真空間隙和所述至少一個柵電極，本發(fā)明屬于以上常規(guī)方法中的第二種。而且，與US 3477012的常規(guī)技術(shù)相反，所述電子不靠近所述柵電極經(jīng)過，而是通過所述柵電極。所述柵電極優(yōu)選地沿橫向提供對所述電子發(fā)射器與所述電子收集器之間的所述間隙的完整或主要地覆蓋。因此，可以避免結(jié)構(gòu)限制并且促進(jìn)高效磁場的形成。而且，與Hatsopoulos的常規(guī)技術(shù)相反，所述柵電極具有所述多個電極開口，因此允許全部或幾乎全部釋放的電子到所述電子收集器的通路。與常規(guī)技術(shù)相比，到達(dá)所述收集器的釋放的電子的部分實質(zhì)上增加，并且避免了對于常規(guī)技術(shù)的效率的限制。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用具有多個電極開口的所述柵電極的所述布置，可以在低施加電壓(典型地至少IV和/或低于10V)的情況下獲得強(qiáng)且均勻的加速電場。
[0016]本發(fā)明裝置被稱為“熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備”，其以純基于電子的電荷偏置來進(jìn)行操作，同時排除了對能夠補(bǔ)償空間電荷的離子的規(guī)定。另外，所述術(shù)語“熱電子”強(qiáng)調(diào)本發(fā)明裝置與熱電子能量轉(zhuǎn)換的常規(guī)原理的差異，其中，由于電子的熱擴(kuò)散，電子在具有不同溫度的不同金屬之間進(jìn)行移動。
[0017]一般地，所述熱電子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)備包括所述電子發(fā)射器設(shè)備和所述電子收集器設(shè)備，所述電