用于热电子能量转换的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热电子能量转换器设备,所述热电子能量转换器设备具有:发射器电极,其能够响应于热能的施加来发射电子;以及收集器电极,其能够收集发射出的电子。具体而言,本发明涉及一种热电子能量转换器设备,所述热电子能量转换器设备被配置为将热转换为可消耗的电流的电源或者将电能转换为热的散热器(或热源)设备。另外,本发明涉及一种热能到电能或反之亦然的热电子能量转换的方法,其中,使用热电子能量转换器设备。本发明的应用在生成电力的领域,特别是在太阳能或来自核反应的热能的基础上生成电力的领域,或者冷却设备或加热设备的领域中是可用的。
【背景技术】
[0002]一般已知直接利用温度梯度来产生电力的热电子发生器作为由太阳能(见例如Y.G.Yeng 等人在“Journal of Renewable and Sustainable Energy” 中,第 I 卷,2009 年,第 052701 页的文章;G.P.Smestad 在 “Solar Energy Materials and Solar Cells”,第82 卷,2004 年,第 227 页的文章;J.W.Schwede 等人在 “Nature Materials”,第 9 卷,2010年,第762页的文章JPUS 6313391)或者核衰变(见例如N.S.Rasor等人在“AtomicsInternat1nal”,Canoga Park,1962年的文章)提供的电源。这些发生器(在文献中通常被称为热离子发生器)直接利用电子发射器与电子收集器之间的温度差来产生电力,所述电子发射器和电子收集器通过真空间隙隔开。通过施加热能(例如聚焦的太阳辐射),电子发射器的温度增高,使得具有高于电子发射器材料的功函数的能量的电子可以被释放到自由空间中。发射出的电子行进通过真空间隙到电子收集器,所述电子收集器以低于所述电子发射器温度的温度来操作。电子聚集在电子收集器上,并且电子收集器变为相对于电子发射器带负电。因此,热电子发生器可以用作电力源,例如可以通过将电子发射器和电子收集器通过负载电路连接来收获所述电力。由于热电子发生器原理上可以以具有电子发射器与电子收集器之间的非常大的温度差的非常高的温度(例如高于1500°C的发射器温度)来操作,并且因为热损失原理上可以非常小,所以已经预测了文献(见例如J.H.1ngold在“Journal of Applied Physics”,第32卷,1961年,第769页的文章)中的热电子发生器的高转换效率。
[0003]作为普遍问题,来自电子发射器的电子的发射通常由空间电荷限制,所述空间电荷是靠近电子发射器表面建立的。释放的电子形成电子云,因此提供了对另外的电子的发射的势皇。这些空间电荷大大地限制了发射出的电子的电流,并且因此大大地限制了由热电子发生器生成的电力。常规地,已经开发了用于抑制空间电荷效应的三种技术。
[0004]第一,已经实现了通过注入例如Cs离子的带正电的离子来减小或甚至中和空间电荷云。然而,该方法具有本质缺点。必须以耗电的过程来生成离子。另外,离子必须被以期望的密度注入到空间电荷区域中,同时必须避免在不期望的位置处的化学反应和聚集。作为另外的缺点,为了确保发生器的长寿命,离子必须被回收。最后,能量是通过不期望的电子离子碰撞和离子气体的热传输来损失的。
[0005]作为第一方法的范例,US 3267307公开了一种使用减少空间电荷云的Cs离子的热离子发生器。为了降低热传输,在发射器到收集器之间的Cs蒸汽填充的间隙中提供渗透性热屏蔽。所述热屏蔽具有复杂的管或箔结构,所述管或箔结构由导电和绝缘材料制成并且包括电子通过其从发射器向收集器行进的开口。提供磁场以使电子沿通过所述开口的路径集中。为了避免热屏蔽上的Cs离子的沉积,向所述热屏蔽施加小偏置电压。
[0006]根据第二方法,由电场来加速发射出的电子,所述电场是由额外的电极(阳极或加速电极)来创建的。向阳极施加正电压,使得电子被加速脱离空间电荷云。作为第二方法的范例,US 3477012公开了一种具有同轴结构的热电子发生器,所述同轴结构具有由中空圆柱阳极包围的中心发射器棒以及外圆柱收集器。通过磁场的作用,从发射器释放并且被向阳极加速的电子被向收集器的暴露的内表面偏转。虽然发射器与收集器之间的间隙是真空的并且利用该技术可以在理论上避免对Cs离子的使用,但是在常规热电子发生器的复杂的结构、受限制的可扩展性和有限的能量转换效率的方面存在缺点。由于电场和沿着磁场线的电子的轨迹是垂直的,因此电场不使电子向收集器加速。因此,其并不减少空间电荷,这导致低效率。
[0007]还已知在科学和技术中经常使用加速电极。一种这样的用法,即对具有局部分辨率的在发射器处的电子释放的实验研宄已经由George N.Hatsopoulos在“Therm1nicenergy convers1n”(第2卷,美国能源部,1979年,第491页到第493页)中进行了描述。该加速电极是被布置在发射器与收集器之间并且具有电子可以经过的一个孔径的平板。该实验装置排除了高效的能量转换。
[0008]第三方法基于具有太小以不能形成空间电荷的发射器-收集器距离的发生器的制作(见例如J.-H.Lee等人在“Appl.Phys.Lett.”,第100卷,2012年,第173904页中的文章)。这通常被成为“近空间技术(close-space-technique) ”。然而,该概念在具有微米或其分数的精确度且具有大温度差的、尤其大面积的电子发射器和电子收集器表面的必要稳定性方面具有严重的缺点。具体而言,稳定的发射器-收集器距离必须在组件可能的热膨胀期间保持恒定。
[0009]现今,期望的是,用于避免这种缺点的唯一概念是如由J.-H.Lee等人在2012年提出的、以上的基于Cs离子的第一方法。
[0010]尽管常规技术存在缺点,但是热电子发生器已经被用在若干俄罗斯太空飞行器中,其中,已经被利用放射性同位素对电子发射器进行加热并且已经由以上的Cs方法抑制了空间电荷。另一方面,近空间技术从未在工业上得以应用。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是分别提供一种经改进的热电子能量转换器设备和一种经改进的热电子能量转换的方法,其中,避免了常规技术的缺点和限制。具体而言,将获得具有增高的效率、经改进的可靠性和/或设备结构的降低的复杂性的热电子能量转换。
[0012]分别利用一种热电子能量转换器设备和一种针对包括独立权利要求的特征的热电子能量转换的方法来解决这些目的。在从属权利要求中限定了本发明的有利的实施例和应用。
[0013]根据本发明的第一方面,提供了一种热电子能量转换器设备,所述热电子能量转换器设备包括适于响应于热能的施加来释放(发射)电子的电子发射器,以及适于收集由所述电子发射器释放的所述电子的电子收集器。所述电子收集器被布置使得发射出的电子可以聚集在所述电子收集器处。所述电子发射器和所述电子收集器被布置有提供在其之间的真空间隙的共同间隔。真空在所述间隙中,所述间隙没有离子或其他气体或蒸汽。所述热电子能量转换器设备还包括加速电极(栅电极),所述加速电极能够使在所述电子发射器与所述电子收集器之间行进的所述电子经受加速电势。所述加速电极被布置有沿着所述电子发射器和所述电子收集器表面的范围的横向延伸。可以例如响应于施加相对于所述电子发射器的正电压或作为所述电子发射器与所述加速电极之间的功函数差的结果来创建所述加速电势。另外,所述热电子能量转换器设备包括磁场设备,所述磁场设备被配置用于在所述电子发射器与所述电子收集器之间提供磁场。具体而言,所述磁场设备适于创建具有在所述电子发射器与所述电子收集器之间延伸的磁场线的所述磁场。
[0014]根据本发明,所述加速电极具有多个电极开口,所述电极开口被布置用于发送从所述电子发射器释放并且运行到所述电子收集器的所述电子。通过所述加速电极对所述电子进行门控。因此,其也被称为栅电极。作为本发明的另一特征,所述磁场设备被布置使得所述磁场至少部分地延伸通过所述电极开口。具体而言,所述磁场设备适于提供经过所述电极开口的所述磁场线的至少一部分。所述磁场线延伸通过真空空间,使得所述电子被沿通过所述栅电极的所述电极开口的电子路径引导。
[0015]与US 3267307相反,本发明的热电子能量转换器设备在所述间隙中没有Cs离子的情况下工作,并且使用施加的电压来对电子进行加速。因此,具有了所述真空间隙和所述至少一个栅电极,本发明属于以上常规方法中的第二种。而且,与US 3477012的常规技术相反,所述电子不靠近所述栅电极经过,而是通过所述栅电极。所述栅电极优选地沿横向提供对所述电子发射器与所述电子收集器之间的所述间隙的完整或主要地覆盖。因此,可以避免结构限制并且促进高效磁场的形成。而且,与Hatsopoulos的常规技术相反,所述栅电极具有所述多个电极开口,因此允许全部或几乎全部释放的电子到所述电子收集器的通路。与常规技术相比,到达所述收集器的释放的电子的部分实质上增加,并且避免了对于常规技术的效率的限制。发明人已经发现,利用具有多个电极开口的所述栅电极的所述布置,可以在低施加电压(典型地至少IV和/或低于10V)的情况下获得强且均匀的加速电场。
[0016]本发明装置被称为“热电子能量转换器设备”,其以纯基于电子的电荷偏置来进行操作,同时排除了对能够补偿空间电荷的离子的规定。另外,所述术语“热电子”强调本发明装置与热电子能量转换的常规原理的差异,其中,由于电子的热扩散,电子在具有不同温度的不同金属之间进行移动。
[0017]一般地,所述热电子能量转换器设备包括所述电子发射器设备和所述电子收集器设备,所述电