CN101707448B - 一种带有加速器的真空热电二极管直流发电装置 - Google Patents

Abstract

一种带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其包括加热器(1)、热电二极管(2)、输出正电极(6)和输出负电极(7)，所述热电二极管(2)至少配置一组热电堆(4)构成发电单元，热电二极管(2)和热电堆(4)以电串联的方式形成电源内部电路结构；所述热电二极管(2)至少包含一个真空二极管；所述真空二极管采用热浮动定位支撑体系确定电极位置和极间距，通过绝缘沟壑槽实现极间绝缘；所述热电二极管(2)的一侧为加热器(1)，另外一侧顺序安装弃热层(3)、热电堆(4)和散热器(5)；所述发电单元的两个电源输出端分别与输出正电极(6)和输出负电极(7)电连接。本发明结构简单，发电效率高，使用寿命长。

Description

一种带有加速器的真空热电二极管直流发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，特别是涉及一种将热能直接转化为直流电能的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置。

背景技术

现有的热电转换装置主要有两种类型：其一是温差发电器，可简称为E_A，基础元件是热电偶；其二是热电子或热离子发电器，简称为E_B，基础元件是热电二极管。两种发电器的电动势都是由热运动激发电子引起的，遵守一般电源的非静电力原则。

热电偶由两个不同材料的导体或者半导体的导电电臂组成，两个电臂两端中的一端被焊接或通过导流片连接在一起，置于高温热源中，另一端置于低温环境中，并作为电源的两个电极引出。热电偶的电动势ε_A由Seeback热电效应确定。热电偶的主要技术障碍是难以提高热电优值ZT。一般由若干个热电偶组合成热电堆，构成上述的温差发电器。

真空热电二极管具有一个在高温下发射电子的阴极，或称发射极，一个收集电子的阳极，或称集电极。两个电极彼此间隔一定的距离，共同安装在一个真空容器中。热源通常位于容器之外的阴极底部并对阴极加热，由于热辐射、热传导和电子动能引起的焦耳热，阳极的温度也随之升高。两个电极表面都有电子逸出并进入空间，其电荷斥力以及出射电子电极内部的镜像力合并形成空间减速电场力，使得大部分电子返回出射电极或滞留空间，只有少部分动能较大的电子可以突破空间和阳极位能，到达阳极。由于阴极发射的电子多，显示出正电性，而阳极显示出负电性。不同动能分量的电子电荷分布在空间，形成不均衡的空间电位，最负的电位层出现在靠近阴极一侧，称之为虚阴极。虚阴极附近密集的空间电荷一方面表现为对电流的阻碍效应，一方面其包含的各种动能分量又使得E_B隐伏着很高的电功率密度潜能。因此，如何产生和利用空间电荷成为提高效率的技术关键之一。为了克服电荷斥力，达到增大阳极电流的目的，现有技术的一类仅采用缩小极间距的方法，可称为热电子发电装置；另一类对前者进行了改进，主要利用金属铯的离子蒸汽去除部分空间电荷，使得更多动能较小的电子可以到达阳极，一般称为热离子发电器，其功率密度和效率远高于热电子发电装置，是目前热电二极管发电装置的主流。真空热电二极管的电动势ε_B基本由两个电极的逸出功和空间电位共同确定。

E_A和E_B这两类发电装置可以统称为热电直接转换装置，其特点在于没有机械运动部件，结构简单、可靠性高、运行安静，目前主要应用于航空航天、海洋通讯和军事装备等特殊场合。

上述装置两种装置都服从卡诺热机的效率原理，单个温度梯度的效率应该可以达到20％以上，而现有技术实际研制的这两类装置平均效率低于这个数值。效率低的原因主要为：①热离子发电器难以采用分梯度利用热能的技术，热能损失较大。例如美国的SNAP-3C热离子发电器，入口温度为1400k，出口温度仍有800k左右，大量高品位热能直接损失掉，只有5.7％左右的热能转变为电能。热电堆的元件本身就是热辐射体，热能损失更大。由于单个热电偶元件功率密度很低，即使在多个温度梯度中分布热电堆，总的效率也不可能大幅度提高。②电功率密度和转效率较低。提高温度的本质是加大热电子的平均动能，热离子发电器普遍采用这个方法提高功率密度。但这个方法受到寿命的制约。据一些文献推测，热离子发电器功率密度可达10w/cm²以上，效率可达20％。理论上这是有可能的，但必定具备极高温度和较大离子流两个条件。科学实验表明，阴极寿命随温度升高和电流增大近似呈指数下降。离子流在出现峰值点之后，Cs蒸汽压增大，电流反而下降。因此上述功率密度和效率在现实中难以达到，并且是以牺牲寿命作为代价的。极高温条件下快速生成的导电膜，电极发射材料的消耗(例如钡原子)，都严重地影响了热离子发电器的寿命。为了兼顾寿命，高温下的热离子发电器一般采用钨、钼等贵金属电极，这些金属的逸出功都很高，因此在提高功率密度的同时，却降低了热电转换效率。目前，多数热离子发电器的功率密度在几个瓦特时，寿命大多在几百小时至几千小时以内，效率多为12％以下。降低热离子发电器的功率密度，可延长寿命，但效率将迅速降低。由于热电偶元件的ZT值多数仍在1以下，难以提高，而热电堆的温度差又受到环境温度、产品几何尺寸等诸多条件限制，因此热电堆的功率密度和效率都很低。目前，每对热电偶元件功率密度约为几毫瓦到几十毫瓦之间，例如效率较高的Bi-Te热电偶发电模块，热端温度为193℃，温差为165℃时，最大平均功率密度小于30mw/每对元件；而上述SNAP-3C的功率密度也仅为0.553w/cm²。

公开号为CN 1716749A的中国发明专利公布了《集光温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块》的技术方案。这个方案热电部分提出沿高温到低温的热流方向按序设置热离子和热电偶两种发电器，采用分梯度复合利用热能的方案，可以有效地提高热能的利用率。但方案中每个梯度仍为现有技术，各个热电装置之间没有电学联系，因此，未能克服原有技术单位电功率密度较低而导致整体效率较低、离子沉积影响寿命等已知缺陷。

提高功率密度另外一条途径就是利用空间电子的原有动能(初速度引起的空间电荷能量)，但由于热电子能量的麦克斯韦分布，这部分能量在靠近阴极附近密度最大。Cs元素与电极蒸发的金属原子共同沉积，容易腐蚀电极间的绝缘体并形成导电膜，加之电极的热膨胀，因此热离子发电器难以在微小间距中工作，其极间距一般大于100μm，使得阳极远离阴极。此外，分布在空间的Cs热离子吸附掉一部分电子并且导致其余电子运动轨迹分散，不能实质性提高空间电子的平均动能。可见热离子发电器很难充分利用上述空间电荷能量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单，发电效率高，使用寿命长的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：其包括加热器、热电二极管、热电堆、输出正电极和输出负电极，其特征在于：所述热电二极管至少配置一组热电堆构成发电单元，热电二极管和热电堆以热串联的结构传递热量；所述热电二极管的阴极一侧为加热器，阳极一侧为主热电堆；所述热电二极管和主热电堆之间，为了满足热耦合条件，可以增设弃热层，消除多余的热量；所述主热电堆与环境之间可以增设散热器以降低热电堆的冷端温度。所述热电二极管和热电堆以加载阳极正电压v+的电串联方式形成电源内部电路结构，这包括正电压v+直接加载到热电二极管阳极或者通过外部电路负载加载到热电二极管阳极的两种串联方式；所述加热器和热电二极管高温端之间，必要时可以增设辅助热电堆，主、辅热电堆可以通过电气连接合并为一个热电堆再与热电二极管电连接，或者各自分别与热电二极管电连接；所述发电单元的两个电源输出端分别与输出正电极和输出负电极电连接，并通过与负载电串连的方式形成电源外部电路结构；所述发电单元至少为一组；当发电单元≥2组时，各发电单元之间可以并联、串联、或者串并混联的方式电连接。所述热电二极管至少由一个真空二极管构成，多个真空二极管可以并、串或者并串混合的电连接方式构成复合式热电二极管；所述真空二极管包含阴极与阳极，阴极和阳极的金属基底，即导热板、第一型阳极背板或第二型阳极背板，为平板或者曲率合适的曲面瓦片板形；所述金属基底可以单独形成单板电极结构，或者由金属基底和相应形状并填装发射材料的金属盒体形成复合型电极结构；所述真空二极管的阴极和阳极，热稳态时的工作极间距为0.5-100微米(优选为1.0-10微米)；所述阳极与阴极之间应设置绝缘子，用以限定热稳态时两个电极的极间距并保持绝缘；所述真空二极管的阴极和阳极由热浮动定位支撑体系定位并支撑；所述真空二极管的极间绝缘采用绝缘沟壑槽技术实现。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：结构简单，电功率密度和热能利用率高，因而发电效率高，同时也提高了小间距条件下的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图；

图2为本发明第1，2，3实施例在图1的A-A处的剖视放大图；

图3为本发明实施例4在图1的A-A处的剖视放大图；

图4为本发明实施例的浮动复合式阳极的结构示意图；

图5为本发明实施例的浮动复合式阴极的结构示意图；

图6为本发明实施例的固定复合式阳极的结构示意图；

图7为实施例1-4的极间绝缘结构示意图；

图8为实施例1-4的电极间绝缘子结构示意图。

图中：1.加热器；2.热电二极管；3弃热层；4.热电堆；5.散热器；6.输出正电极；7.输出负电极；8.阴极；9.阳极；10.上绝缘子；11.下绝缘子；12.下真空封装口；13.上下壳体封接口；14.绝缘沟壑槽I；15.上真空封装口；16.热电堆壳体；17.上导流件；18.下导流件；19.热电偶电臂；20.电气耦合件；21.热电堆壳体排气口；22.上陶瓷框架；23.热电二极管壳体排气口；24.下陶瓷框架；25.中间件陶瓷绝缘层；26.中间件阴极；27.中间件阳极；28.阳极并联耦合件；29.中间件支撑簧片；30.绝缘沟壑槽II；31.阴极并联耦合件；32.阳极盒；33.阳极发射体；34.第一型阳极背板；35.加强筋；36.导热板；37.阴极盒；38.阴极发射体；39.陶瓷顶壁；40.第二型阳极背板；41.绝缘沟壑槽III。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参照附图1，本发明包括加热器1、热电二极管2、热电堆4、输出正电极6和输出负电极7，所述热电二极管2至少配置一组热电堆4构成发电单元，热电二极管2和热电堆4以热串联的结构传递热量；所述热电二极管2的阴极一侧为加热器1，阳极一侧为主热电堆4；所述热电二极管2和主热电堆4之间，为了满足热耦合条件，可以增设弃热层3；所述弃热层3采用空气间隙对流或金属板体导热的与环境换热的结构，弃热层采用金属板时，适合于散热量较大的情况，可与散热器热连接，或者单独设置外部散热板；所述主热电堆4与环境之间可以增设散热器5。所述热电二极管2和热电堆4以加载阳极正电压v+的电串联方式形成电源内部电路结构，这包括正电压v+直接加载到热电二极管2阳极或者通过外部电路负载加载到热电二极管2阳极的两种串联方式；所述加热器1和热电二极管2高温端之间，必要时可以增设辅助热电堆，主、辅热电堆可以通过电气连接合并为一个热电堆4再与热电二极管2电连接，或者各自分别与热电二极管2电连接；所述发电单元的两个电源输出端分别与输出正电极6和输出负电极7电连接。所述发电单元至少为一组；当发电单元≥2组时，各发电单元之间可以并联、串联、或者串并混联的方式电连接。所述热电二极管2至少由一个真空二极管构成，多个真空二极管可以并、串或者并串混合的电连接方式构成复合式热电二极管2。所述真空二极管包含阴极8与阳极9，阴极8和阳极9的金属基底，即导热板36、第一型阳极背板34或第二型阳极背板40，为平板或者曲率合适的曲面瓦片板形。所述金属基底可以单独形成单板电极结构，即单板电极的阳极9与阴极8，或者由金属基底和相应形状并填装发射材料的金属盒体，即阳极盒32或阴极盒37，形成复合型电极结构，即复合电极的阳极9与阴极8。所述真空二极管的阴极8和阳极9的工作间距为0.5～100微米，特别是1～10微米区间。所述真空二极管的阴极8为单板结构时，可按照纯金属，钍钨、铈钨、钡钨、铈氧钨、钡氧钨等阴极的材料和制备方法制作；所述阴极8为复合结构时，其阴极盒37和阴极发射体38可按照普通氧化物阴极、CPC阴极、镍海绵氧化物阴极、稀土氧化物阴极、储备式阴极、L阴极、M阴极、钪酸盐系列、硼化物等阴极的材料和制备方法制作。所述阳极9的逸出功应低于或等于阴极8的逸出功，单板结构时，采用较低逸出功的钡钨、铈氧钨、钡氧钨等原子薄膜阴极的材料和制备方法制作，复合结构时，阳极发射体33采用普通氧化物发射材料或者与阴极8相同的发射材料以降低逸出功，阳极盒32可采用镍、镍钨、镀镍铁、敷镍铝、铜、石墨等材料制作。

本发明综合采用真空二极管的组合、电极选择与制备、热电堆的制备、内阻r_AB、绝缘沟壑槽、热浮动定位支撑、分梯度利用热能等匹配技术，进一步完善本案。

所述热电二极管2，可以是单个真空二极管，也可以是在同一温度梯度或者不同温度梯度上，设于同一真空壳室或者不同真空壳室中的多个真空二极管通过电气串、并或者串并混联构成复合型的热电二极管2。电气串联时，一个二极管的阳极9与另一个真空二极管的阴极8电连接，前者的阴极8与后者阳极9分别为该串联组，即复合型热电二极管2的阴极8和阳极9；电气并联时，两个二极管的阴极8与阴极8连接，阳极9与阳极9连接，两者并联的阴极8和阳极9分别为该并联组，即复合型热电二极管2的阴极8和阳极9；两个以上二极管串、并连接以此类推；串并混联时，串联组和并联组分别等效为单个热电二极管2，然后按照上述方法连接成复合型热电二极管2。多个参数相近的二极管的并联组，其电动势ε_B与单个二极管基本相同；多个参数相近的二极管的串联组，其电动势ε_B不大于多个二极管电动势之和。并联组可以提供较大的输出电流，串联组可以提供较高的输出电压。

热离子发电器和普通真空二极管(检波、整流等)的电极一般采用热效率较高的圆筒状结构。由于极间距较小，又有绝缘子的限制，本案所述真空二极管的阴极8和阳极9不太适合采用这种几何结构，而是采用平板或者曲率合适的曲面瓦片形结构。按照这样几何形制成的E_A、E_B模块结构在圆筒外分布，同样可以组配为热效率较高的核能或太阳光热等辐射热源的E_AB电源。

所述阴极8的类型可根据发射电流j_s(A/cm²)选择。j_s应留有富裕量，这可以通过比例参数h＝j_a/j_s来确定。h越小，阴极寿命越长；h越大，功率密度越高，需折中选择。由j_a和h确定的j_s对应的待定阴极类型可能有多种，应选择T_k和φ_k最小以及发射常数B_k最大值的类型。如果按照φ_k所选阴极单位发射电流大于h确定的j_s时，可适度降低T_k满足j_s，这时阴极可获得更长的寿命。如上所述，多种阴极类型都可供本发明选择，但一般应尽可能选择长寿高电流密度的类型。所述阳极9的类型可根据功函数匹配的方法选择。匹配条件为：φ_k/T_k＝φ_a/T_a(褚桂柏，《航天技术概论》，宇航出版社：2002年)，T_k和T_a分别为阴极8和阳极9的工作温度。本案中，阳极9叠加v_a ⁺，这等效于提高了φ_a。上式计算得出的φ_a值较小，多数情况难以达到。操作时，可以权衡性能和成本，按照实际需求选择φ_k与φ_a。要求功率密度较大时，应选择φ_a≤φ_k，并且以上式所计算的φ_a与可供选择的最小的阳极φ_a对应，然后根据φ_a确定阳极9的类型。

所述真空二极管的导热板36可直接构成单板的阴极8，发射面朝向阳极9；对于压制的固体片状阴极，应将其焊接在导热板36上，视为单板阴极；单板阴极可以只保留上绝缘子10作为极间绝缘。有氧化物等发射物质的阴极，可以采用单板结构，即在导热板36上表面涂覆发射物质构成。但是，为了减少直流电阻，应采用复合式阴极结构。复合阴极结构的阴极盒37与导热板36通过金属焊接连为一体，盒内可设置加强筋35组成的金属栅格，金属栅格底部与阴极盒37内部底面通过金属焊接连为一体。金属栅格内分别填装发射物质。金属栅格材料与高度可与阴极盒37相同，栅格密度不宜过高。阳极9结构与阴极8类似，可有单板结构和复合式结构。所述复合式阳极结构，其阳极盒32内部应设置上述金属栅格，金属栅格底部与金属盒内部底面通过金属焊接连为一体，顶部与第一型阳极背板34或者第二型阳极背板40通过金属焊接连为一体。金属栅格提高了机械强度，同时降低了热阻和电阻。除了排气间隙之外，阳极盒32的盒体应与第一型阳极背板34或者第二型阳极背板40通过金属焊接连为一体，形成等电位盒体，以利于空间电子到达阳极，也有利于热传导。按照原理，阳极9应尽可能选择与阴极8逸出功函数相同或者更低的电极类型，多数情况阳极9都应采用复合式结构。这时，阳极盒32应填装与阴极8逸出功函数相同或更低的发射物质。

所述阴极8的有效发射面积为A_k(cm²)，所述阳极9的有效收集面积为A_a(cm²)，为了使得阳极9收集全部有效电子，同时也使得阴极8蒸发物质尽可能少地污染壳体内壁，一般应选择A_a大于A_k，可通过A_k的边长适当增加来确定A_a。d较小时，边长增量相应减小，否则可适当增大。考虑热膨胀压力时的机械强度以及真空封装的可靠性，A_a不宜过大，可通过多个真空二极管并联来提供较大的阳极电流。

所述热电堆4制备技术很成熟，本案只作简略说明。依据T_H，尽可能选择Seeback热电系数s较高而热电阻较小的热电偶元件。例如，热电堆4多数情况置于热电二极管2的冷端，这时温度较低，热电偶电臂19一般应选择效率较高的材料制作，例如BiTe等低温材料。如上所述，在单组热电堆4不足以驱动复合型热电二极管2时而增设的热电堆，根据不同温度和ε_A的要求，这时，热电偶电臂19应采用SiGe合金或金属等高温或中温材料。导流件用于元件的热平衡，同时充当热电偶元件之间电气连接的导体，应选用热阻和电阻都较小的金属材料，还要考虑与热电偶电臂19的焊接性能。因此，上导流件17与下导流件18克可根据不同温度条件，采用铜、钛、钨、钼等金属条、板进行制作。由公知的Seeback数学式计算或者测量单对热电偶的电动势Δv，ε_A为n个Δv之和，由Δv和下文确定的ε_A可计算热电堆4所需串联热电偶元件对的对数n。热电偶电臂19的长度l与Δv无直接关系，但与r_A0和T_L有直接关系，应通过试验确定。大多数情况l在几个厘米至几个毫米之间。再根据下文确定的r_A0和ε_A，由选定的热电偶电臂19的材料电阻率以及公知的导体电阻与温度的数学式，可计算出热电偶电臂19的截面积。由上导流件17、下导流件18和热电偶电臂19构成的热电偶元件，表面应涂敷一层高温陶瓷粉体。n个热电偶元件成对均匀分布于热电堆壳体16下部的与A_a对应的面积之中，靠近热电堆壳体16底部的陶瓷部分填充陶瓷粉体，以埋没下导流件18为限，在元件材料规定的气氛(一般为氢炉)和温度中烧结构成热电堆。

对E_AB的功率需求和负载R_L0给定了流过R_L0的电流I_a的大小。满足电流I_a的ε_AB和r_AB值可按以下方法确定：

确定d值：d越小，工艺难度越大，成本越高，但功率密度也越高。d为0.5～1μm左右，E_AB功率密度可达到10w/cm²以上，d为100μm时，可达到约几十毫瓦的功率密度。大于100μm，E_AB的功率密度从毫瓦级过渡到微瓦级。因此，在0.5～100μm的d值范围，特别是0.5～10μm区间，E_AB显示出较大优势。因此，应选择满足I_a的需求、符合成本条件且工艺可以实现的最小d值。

原理所述ε_B方程中，阴极电位U_k＝φ_k+v_k，阳极电位U_a＝φ_a+v_a。v_k、v_a分别是阴极和阳极势垒的电位，其中v_a多数情况下可以忽略。此外，d值直接影响所述电极的势垒电位。ε_B方程计算值可能与实际制作的真空二极管的ε_B值不太吻合。原因在于，两个电极表面彼此的蒸镀效应改变了逸出功的数值。显然，确定了T_k值、d值、与上述电极热稳态的φ_a与φ_k，也就确定了真空二极管的ε_B值。因此，实际的ε_B值应该通过热稳态的经验数据或测试值，确定样品真空二极管φ_a与φ_k值，按照公有数学式近似计算v_k，然后求算，或者直接采用无损方式测试样品真空二极管的端电压值确定。制作样品真空二极管并测试ε_B之后，可按照测试真空二极管伏安曲线的方法，以外部电源替代E_A，在I_a条件下可测量所需的ε_A值。

内阻r_AB：对于阳极9，以及纯金属或原子薄膜等单板型阴极8，由于其金属结构，直流内阻r_B0分量可以忽略不计。对于复合型阴极8，由于其阴极发射体38，直流内阻r_B0不可忽略，可通过经验数据或实际测试确定。ε_A、ε_B、I_a和R_L0已知，由原理所述基尔霍夫回路电压方程可求出r_AB值。由已知的I_a和公知的二分之三次方公式，可以近似计算出v+和r_e，从而确定了所需热电堆4的直流电阻r_A0的大小。E_AB为低电压电源，降低内阻对于提高功率密度很重要。如果上述已知的r_AB较大，应该采用以下技术措施。

因为热电偶元件的电参数往往不一致，并联有可能引起漏电流，所以降低热电堆r_A0主要应通过增大热电偶电臂的有效截面积和减少l值实现。实际操作时，可以直接选用截面积较大的热电偶元件并选择合理的l值。热电偶元件的电参数相近时，也可以通过电气并联的方式降低r_A0。对于复合型真空二极管的阴极8，可以通过增加发射层的面积、采用金属栅格分别填装发射物质、或适度减小发射层厚度等方法以降低r_B0。按照原理，r_e由v+和I_a确定，主要通过减小d值以降低v+值和增大阴极发射电流来降低。上述v+不能直接测量，可根据j_a或I_a条件由公知的阳极电压与电流的二分之三次方数学式近似求算，计算时应考虑阴极势垒电位和距离，以及空间电子的初动能；由于v+，大电流状态下的阳极发射电流和由阳极产生的空间电荷势垒v_a趋近零，可以忽略。

多个电参数相近的真空二极管串、并或串、并混联组合时，r_B0可以通过实际测试确定，也可以按照公知的直流电阻的方法计算；计算r_e所需的v+，可以按照直流电路粗略估算，即并联组的v+不变，串联组v+为单个二极管v+的倍数，将串联组和并联组视为单个等效二极管，可进行混联计算。但由于r_e的非线性，计算误差可能较大，最终应通过实际测试或者绘制伏安曲线确定。此外，r_A与r_B需要匹配，匹配式为：r_A/r_B≤1。

上述E_AB的热、电、结构等多个参数互相关联，而且有些参数不能测量，因此，应按照通常的待定参数、列表比较等方法，通过相应的的理论和公式计算。计算可能有较大误差，因此凡可以通过测量获知的参数，应该根据初步计算结果并制作样品进行实际测量，然后用测量参数校正计算参数。这样的过程可能需要重复多次，才能逐步逼近最优结果。

热电二极管2的E_B应该满足原理中的第一优化式，E_AB应该满足第二优化式。E_AB样品可利用原理给出的优化条件进行判断，如果不符合优化条件，可重新选择各个热、电和结构参数。两个优化式的比值可以将实际测试与计算结合起来确定。当然，无论在哪个象限，E_AB中，E_A、E_B可以单独提供电功率输出，所以最多可以同时提供三路电源，但第二象限E_AB单路输出是最佳方案。

所述分梯度利用热能技术，主要应解决不同温度梯度之间的热耦合以及器件与环境温度的散热问题，涉及弃热层、散热器、器件热量传递方式和量值等。本案对于这些现有技术只在相关部分简略涉及。

本案不宜采用热离子发电器支撑和定位电极的技术，而是采用微小极间距d的热浮动定位支撑技术。所述极间距d值是指阳极9与阴极8之间相对两个表面的真空距离。所述真空二极管的阳极9与阴极8的热浮动定位支撑体系由下真空封装口12、上真空封装口15、上绝缘子10、下绝缘子11、阳极9的第一型阳极背板34或第二型阳极背板40及陶瓷顶壁39、以及阴极8的导热板36构成；有中间件电极时，还包括中间件支撑簧片29。陶瓷侧壁下真空封装口12和上真空封装口15分别定位阴极8和阳极9两者的冷态位置，定位后的阴极与阳极通过垂直轴线平行相对，平行度误差应很小。如图所示，冷态时，间距由两个电极在封装口中的垂直距离、电极的厚度以及电极边缘的弯折高度共同确定。这时上绝缘子10与下绝缘子11没有接触，两个电极之间的间距应略大于d值。但是，应该注意，热稳态时的极间距d值才是符合E_B电气性能规定的工作极间距。因此，要适当计算与电极垂直方向热态时的线膨胀总量。热膨胀使得两个电极内表面彼此靠近，上绝缘子10顶端向下延伸并顶住向上延伸的下绝缘子11，最终在热稳态时，极间距被上绝缘子10和下绝缘子11露出各自电极平面的总高度限定在某一个设定的极间距d值。即，从冷态到热稳态的过程中，阳极9与阴极8的两个平行内表面产生浮动，直至被上绝缘子10与下绝缘子11限制动作为止。极间绝缘子之间产生的热膨胀压力被分别传递给阳极9的第一型阳极背板34或第二型阳极背板40及陶瓷顶壁39，以及阴极8的导热板36，由于金属板的弯折边弹性而产生约几个微米左右的形变，从而最大限度地化解了热膨胀压力，也降低了陶瓷件内部的热应力。

本案极间绝缘采用绝缘沟壑槽技术，其局部细节可参见图7。电极之间的绝缘体会因为蒸镀沉积效应生成导电膜，理论认为膜的厚度超过100埃就开始导电。现有电子管技术利用蒸发的导电原子或离子沉积在颗粒缝隙间的几率较小的原理，在绝缘体表面喷涂氧化镁等粉体颗粒，使得生成导电膜的时间t较长，以达到绝缘效果。这个t就是二极管因极间短路或漏电导致失效的寿命值。由于极间距较小而且寿命要求高，本案利用该原理，在真空二极管内部的阴极8和阳极9之间采用极间绝缘沟壑槽的方法替代喷涂绝缘粉体的方法。所述极间绝缘沟壑槽，包括上陶瓷框架22环绕四个陶瓷壁面上靠近阳极处预留或蚀刻的绝缘沟壑槽II 30；有中间件电极时，包括中间件靠近阳极处的绝缘沟壑槽III 41，有多个中间件电极时，以此类推；上绝缘子和下绝缘子成对制备时，包括上绝缘子10靠近阳极处环绕上绝缘子柱体预留或蚀刻的绝缘沟壑槽I 14，绝缘子单个制备时，包括上绝缘子或下绝缘子靠近阳极处环绕绝缘子柱体预留或蚀刻绝缘沟壑槽I 14。所述极间绝缘沟壑槽I 14、绝缘沟壑槽II 30、绝缘沟壑槽III 41，槽口宽度约为0.1～10微米，槽底深度为槽口宽度的3～10倍。之所以靠近蒸发量较小的阳极附近，槽口与槽的深度成一定比例，是为了达到单位时间内沉积沟底的导电粒子数量较少，延长t值的技术效果。绝缘沟壑槽通过预制或激光或电子束等技术刻蚀的方法形成。条件许可时，也可以采取上述电子管行业通常的喷涂陶瓷粉体的绝缘方式。

本案采用上述的绝缘子技术以限定热稳态时所述真空二极管的阳极9与阴极8之间的极间距并保持绝缘。所述阴极8若为复合电极，应设置上绝缘子10和下绝缘子11，若为单板电极，可以只设置上绝缘子10或下绝缘子11。下绝缘子11和上绝缘子10的局部细图见如图8所示，上下两个绝缘子垂直轴线相对，均为柱体，用以限制极间距并防止两个电极因热膨胀引起的碰极短路。如图2所示，下绝缘子11固定在阴极盒37内的底部金属上，上绝缘子10固定在阳极盒32面向阴极的表面上。具体说，上绝缘子10和下绝缘子11的制备方法至少有两种。其一，图8(a)部的绝缘子采用高温高速热喷涂的工艺制备。对于复合型电极，下绝缘子11采用图8(a)的方法制作，对于单板型电极，下绝缘子11可在发射表面上一次性喷涂形成。对于上绝缘子10，第一次喷涂，在预热(温度不低于金属熔点的1/3)的金属表面形成一个瓷斑，片刻后在第一瓷斑的顶部进行第二次喷涂，形成第二瓷斑。第二次喷涂时，喷口速度略低，喷枪内粉体温度略高，使得两个瓷斑之间形成绝缘沟壑槽I 14。喷涂时，喷口与工件表面垂直。至少两个瓷斑垂直叠加构成上绝缘子10。其二，参见图8的(b)部，上绝缘子10和下绝缘子11柱体采用模压烧结而成。固定方法：在相应位置表面钻孔，深度约为几个到十几个微米，孔径略大于绝缘子柱体外径，将柱体嵌入，通过激光或电子束流等局部加热技术将其周边金属融解以固定柱体。在预制的上绝缘子10上蚀刻至少一道环形绝缘沟壑槽I 14。所述下绝缘子11柱体上表面与阴极发射体38上表面在同一个平面，或略高于阴极发射体38上表面约1μm以内。上绝缘子10与下绝缘子11的横截面可以是任何形状，但圆柱体有利于加工。绝缘子材料应采用高温、高电阻率、低膨胀率的陶瓷粉体，例如Al₂O₃粉体，如采用膨胀系数较小的α-Al₂O₃(蓝宝石)，效果更好。绝缘子对电子运动有阻碍作用，因此，其横截面积和分布密度不宜过大。分布密度与电极材料的线膨胀系数和绝缘子横截面积有关，同时与d值成反比，与电极有效面积长和宽任一个单维度成正比。绝缘子在电极的中心区域分布密度应高于边缘区域。一般两个绝缘子垂直轴线之间的距离以达到极间绝缘效果而本身又不至于因受力而碎裂为度。全部绝缘子总截面积与电极有效面积比最好控制在5％以内。安装完成的上绝缘子10与下绝缘子11应通过研磨使其达到规定高度。

实施例1

参照图1。本例采用阳极模式，即热电堆4的正电极通过下文表述的电气耦合件20与热电二极管2的阳极直接串联连接，形成内部电源电路；输出正电极6与热电二极管2的阴极连接，输出负电极7与热电堆4的负电极连接，输出正电极6与输出负电极7之间连接电源外部的负载，形成外部负载电路。内部电源电路和外部负载电路构成闭合电流电路。上述加热器1用于为热电二极管2中的阴极8加热并使其达到工作温度T_k，其热源可以为同位素核能、太阳光热能、氢能以及其他天然气等矿物热能等。弃热层3位于热电二极管2的顶部与热电堆4的底部之间，采用现有技术的空气间隙对流或金属板体导热等方式与环境换热，滤掉多余热量，以调节两者的温度差，使其达到热电堆4的工作温度。散热器5采用金属散热器、水冷、液态金属热管等现有技术与环境换热，将热电堆顶部多余的热量排入环境中，维持热电堆的冷端温度T_L。

图1中，热流方向为加热器1指向散热器5，热电二极管2工作于热流的高温端，热电堆4利用热电二极管2排出的热能工作。热电二极管2与热电堆4为两个独立陶瓷封装模块，可通过陶瓷-陶瓷或陶瓷-金属焊接工艺连为一个整体。必要时，热电二极管2与热电堆4可以封装为一个模块。

图2为本实施例于图1A-A处的剖视图。参照图2，上陶瓷框架22与下陶瓷框架24均为矩形框架结构，共同形成热电二极管2真空壳体的侧壁，阳极9的第一型阳极背板34与阴极8的导热板36分别构成真空壳体的上壁和下壁。上陶瓷框架22与阳极9的第一型阳极背板34构成上壳体，下陶瓷框架24与阴极8的导热板36构成下壳体。在内部结构制备完成之后，上下两个壳体在上下壳体封接口13处通过陶瓷-陶瓷焊接闭合，构成热电二极管2的矩形密闭壳体。封装后的热电二极管2壳体四个侧面为陶瓷壁，上下两个面为金属壁。上陶瓷框架22与下陶瓷框架24采用导热系数较低的高温Al₂O₃陶瓷等粉体材料模压烧结而成，然后在上真空封装口15和下真空封装口12中分别嵌入上述对应的导热板36和第一型阳极背板34，并采用金属-陶瓷焊接技术固定。上述封装口和板体边缘之间应以可靠封装为准，同时留有一定热膨胀余量，起到绝热作用，即阴极8的导热板36边长可大于阴极盒37边长约几个毫米以内，与陶瓷侧壁形成真空间隙。同理，阳极9的阳极盒32与陶瓷侧壁也需留出相应间隙。真空壳体也可以是其它几何形状。为保持真空密封性并减小陶瓷壁的热应力，上述真空封装口中金属体与陶瓷体之间可以填入可伐合金等线膨胀系数分别与陶瓷和金属接近的中间层材料，形成温度层次。上述陶瓷框架模压时，应预留热电二极管壳体排气口23，并将铜质的输出正电极6的引出导体嵌入在陶瓷壁的对应位置中。如上所述，上陶瓷框架22环绕四个陶瓷壁面上，应预留或蚀刻绝缘沟壑槽II 30。热电二极管2独立密封壳体内的真空度要求不应低于普通电子管的要求，一般为10^-4～10^-6乇。后续的真空排气、检漏、加热、激活、老练、测试等工艺与普通电子管相同。

所述内部结构的阳极9见图4，采用氧化物发射材料和盒式结构。参照图4，阳极盒32的盒体可以采用镍或双面镀镍铁板材精密冲压而成，边框高度适当高于阳极发射体33的表面，并留有排气间隙。阳极盒32面向阴极的底部表面应该按照辐射传热的要求作适度的黑化处理，达到合适的辐射换热值，实现阳极达到合适温度的目的。加强筋35采用与第一型阳极背板34相同的板材制作并焊接在第一型阳极背板34底部的表面，或者与阳极盒32材料相同，焊接在阳极盒32内表面上，用以提高盒体抗压强度和导热导电能力。加强筋35的高度与阳极盒32内部高度相同，与上绝缘子10成轴线对称。加强筋35留有排气间隙，形成阳极盒32内的真空，并通过阳极盒32盒体排气间隙与二极管两个电极间真空区域相通。在阳极盒32的盒内底部，按照加强筋35隔开的区域，喷涂一层碳酸盐发射物质构成阳极发射体33，厚度约为10～30μm，以降低阳极逸出功。上绝缘子10高出阳极盒32下表面，高出部分小于d值，视极间热膨胀总量确定。通过金属-金属钎焊或镕焊的方式，将阳极盒32的顶部固定在第一型阳极背板34的底部，两者连为一体并保持焊接面较低的热阻。第一型阳极背板34采用镍、镀镍铁、钛合金或者铬钢板材，弯折弧度较导热板36为小，其折边上表面略微高出中部表面。阴极8见图5，采用钪酸盐钡钨阴极。参照图5，导热板36为一矩形盘状结构，向下开口，边缘呈一定弧度并直线延长，采用钨板材，内表面镀一层几个微米左右与阴极盒37相同的金属。阴极盒37可以采用钼、镍等金属板材制作，为一个向上开口的矩形金属盒。通过金属-金属焊接，将阴极盒37的底部固定在导热板36的顶部，两者通过金属焊接连为一体并保持较低的热阻和电阻。阴极盒37内部填装发射盐，表层为含有钪酸盐的钨海绵体，构成阴极发射体38，其厚度约为80～100μm，发射表面通过抛光技术保持表面平整。阴极盒37的内边框高度与阴极发射体38的钨海绵体表面高度相同。因为阴极8为复合电极，如上所述，应同时设置上绝缘子10和下绝缘子11，并在上绝缘子10靠近阳极处蚀刻绝缘沟壑槽I 14。下绝缘子11顶部表面与阴极发射体38处于同一平面或略微高出，视极间距d和阴极发射体热膨胀量而定。阴极8和阳极9采用上述热浮动定位支撑技术定位并支撑，为此，上述导热板36与第一型阳极背板34均通过精密热压弯折成型，边缘具有一定弧度和宽度，可达到有利于热浮动定位支撑技术，消解热膨胀压力的目的，同时也有利于真空封装和聚热。热浮动定位支撑技术包含的上绝缘子10和下绝缘子11，确定了工作极间距d。

热电堆壳体16为上下两个矩形半壳体封装，六个面均为陶瓷壁。热电堆壳体底部和顶部应采用导热系数较高的陶瓷粉体材料，如BeO，以利于底部导热和顶部散热。上述壳体模压时，应预留热电堆壳体排气口21，并将铜质的输出负电极7的引出导体嵌入在对应的陶瓷壁中。热电堆4独立的密封壳体内的真空度约为10^-2～10^-3乇或根据实际情况决定，以达到绝热和避免高温氧化的目的。也可以在真空条件下依据热电偶元件的要求充入微量惰性气体。热电堆4采用效率较高的低温BiTe合金电偶元件串联组成，即热电偶电臂19为BiTe导体。阳极9的第一型阳极背板34通过电气耦合件20穿过预留穿孔与热电堆4正电极进行连接。电气耦合件20导体的材料应与相互连接的两个电极中的任一个相同，可以是两个电极中任一个的延伸部分，连接处通过钎焊方式镕接。必须选择中间导体作为耦合件和焊接材料时，应尽可能选择不形成反电动势(温差电势)的导体材料。

最后，按照上述，将热电二极管2、弃热层3、热电堆4散热器5连为一体，构成E_AB电源，其工作过称为：阴极8的导热板36其底面通过加热器1加热，顶面向阴极8的阴极盒37导热，阴极8与阳极9通过辐射换热使得阳极盒32提高温度。热稳态时，阴极8的发射层达到温度约1250k，阳极9达到温度约600～700k。通过弃热层3调整热电堆4的工作温度，使得热电偶元件下导流件18达到温度约470k，通过散热器5的调节，使得热电偶元件上导流件17达到温度约300k或更低。

本例d值为10μm时，功率密度约2w/cm²以上，效率高于20％。本例d值为1μm时，功率密度可达10w/cm²以上，但寿命较短。简明起见，图2仅给出单个真空二极管与单组热电堆构成的单元，按照上述，也可以是同一温度梯度的复合二极管与热电堆构成的单元。本例进一步改进，可以在阴极8的阴极盒37中增设加强筋35。多条加强筋35可设置为金属栅格状，以降低二极管内阻。

实施例2：

本实施例内部结构和热电机制与实施例1基本相同，区别在于，阴极采用敷镍粉氧化物阴极(CPC)，工作温度约1000k，阳极采用普通电子管的三元盐氧化物阴极结构，d值为50μm。功率密度可达0.15w/cm²，效率约2％。

实施例3：

本实施例内部结构与实施例2基本相同，区别在于，d值为90μm。功率密度约为0.05w/cm²，效率约1％。

实施例2、3工作温度较低，线膨胀总量较小，顶部封装也可以采用陶瓷体，如图6所示。其中，第二型阳极背板40与图4中的第一型阳极背板34的区别在于，第二型阳极背板40为一金属平板，通过金属-陶瓷焊接工艺直接在陶瓷顶壁39的内壁面定位。阴极8与阳极9的金属盒体可采用镍或镀镍铁等材料。

实施例4：

图3为本发明于图1A-A处的剖视图。本实施例结构和热电机制与实施例1基本相同，区别在于，原有阴极8和阳极9之间增加了中间件，温度梯度达到3。中间件包含中间件阳极27，其上表面喷涂一层Al₂O₃或BeO粉体，视导热系数的需求而定，厚度不小于20μm，烧结后形成中间件陶瓷绝缘层25；在中间件陶瓷绝缘层25顶部进行金属化处理，然后与中间件阴极26焊接。中间件阴极26中分布若干下绝缘子11，中间件阳极27中分布若干上绝缘子10。中间件阳极27、中间件陶瓷绝缘层25和中间件阴极26三者形成一个固定整体的中间件。中间件通过中间件支撑簧片29焊接在下陶瓷框架24的侧壁上，其电极的热浮动定位支撑的机理同上。中间件阳极27与图6的阳极9结构相同，中间件阴极26与阴极8的结构基本相同，区别在于没有导热板36。中间件阳极27与阴极8构成真空二极管I，中间件阴极26与阳极9构成真空二极管II。两个二极管的电并联通过阴极并联耦合件31以及阳极并联耦合件28两件金属导体完成。因此，本例实际上是I、II两个二极管并联然后通过同一组热电堆输出的模式。必要时，如上所述，两个阴极盒37内部也可以增设上述的加强筋35，并形成金属栅格，以降低二极管的直流内阻。阴极8需采用T_k＝1800k以上的高温阴极，如氧化钍阴极；中间件阴极26则采用效率更高的钪酸盐钡钨阴极，温度约1250k。由于温度较低，为提高电流，应适当增加中间件阴极26的发射面积。两个阳极涂敷材料和结构同实施例1。本例也可以改为两个真空二极管串联的模式，这时输出电流近似取两者的最小值，输出电压增大，总的电功率和效率基本不变。串联模式时，二极管II的d值小于二极管I，阳极面积大于二极管I，目的是降低二极管II的内阻使之不大于二极管I，以保证电流可以顺利输出。两个二极管组成的热电二极管2总功率增大，这时应提高热电堆4的电功率与之匹配。

实施例4的功率密度不高于实施例1，但总的热电效率高于实施例1，约为30％以上。而且由于本例输出电流较大(并联方式)或输出电压(串联方式)较高，因而输出电功率高于实施例1。

实施例4仅给出一个复合二极管组与单组热电堆构成的单元，温度梯度为3。实际上，可以有更多的复合二极管组分布在2个、甚至3个温度梯度上。在单组热电堆不足以驱动多组复合二极管，而且加热器1的温度足够高时，如上所述，可以在加热器1与最底层热电二极管组之间增设一组热电堆以满足ε_A的要求。总的温度梯度可以达到5。

上述各实施例中，凡金属与陶瓷焊接，焊接前，陶瓷面均应作金属化处理，以保证连接可靠。

以上各实施例的寿命主要取决于阴极，采用长寿阴极，在中等以下阳极电流密度时，寿命可达10⁴小时以上。

工作原理：E_A是由若干对热电偶元件组成的热电堆，所有热电偶元件产生的Seeback电动势之和构成热电堆E_A的电动势ε_A。E_A独立工作时，等效于一个内阻为r_A0的直流电源。E_A也可以是其他物理电源(例如光伏电源)或多种物理电源的混合体。E_B是单个或多个真空二极管组成的复合热电二极管，E_B独立工作时，等效于一个内阻为r_B0+r_eB的直流电源。单个真空二极管电动势ε_B的大小可由公知ε_B方程ε_B＝U_k-U_a计算或实际测试确定。为了提高功率密度(w/cm²)和效率，本案将E_A与E_B通过串联组合成E_AB电源。

热学串联：E_A热端位于E_B的低温端(阳极)。对E_B的阴极加热并达到工作温度T_k时，向阳极辐射热量，调节阳极表面黑度、支撑绝缘架构的尺寸以及材料的热导系数，可以使阳极达到温度T_a。阳极的热量向E_A热端传导，选择工作温度低于T_a的热电偶元件组成热电堆，调整材料厚度和导热系数等，可使得E_A的热端达到工作温度T_H。调节热电偶元件的热阻、元件分布方式、环境热损失等，可使得元件冷端达到规定温度T_L。有时也可以选择将E_B的热端置于热电堆的冷端。辐射热、传导热与温度可以通过公知的计算或测试方法确定。上述的热串联方式，利用热电二极管废弃的热能为热电堆提供能量，在同一热源下形成级数为2的温度梯度。此外，两者各自内部不同材质和结构的元件也可以形成温度梯度，这有利于在T_k较高的条件下增加梯度级数，使其达到3及以上。

电学串联：将E_A的正电极与E_B的阳极连接，E_A的负电极与E_B的阴极之间连接外电路负载R_L0的方式可称为阳极模式。E_B的阴极与E_A的负电极串联，E_B的阳极与E_A的正电极之间连接R_L0的模式可称为阴极模式。两种模式性能相同，但阳极模式具有电路清晰的优点。回路电流即E_B的阳极电流I_a(A)，单位面积电流j_a＝I_a/A_a(A/cm²)。热电堆和真空二极管的内阻r_A和r_B都有两个等效分量。其一，直流内阻分别为热电堆导体电阻r_A0和真空二极管电极导体及发射层的电阻r_B0，两项之和为r₀。其二，如上所述，E_A和E_B需共同克服空间电荷对电子运动的阻力，这个阻力可记为I_a条件下的空间等效内阻r_e，是E_A的r_eA与E_B的r_eB之和。r_e即伏安曲线的斜率，为非线性变量，与v+和d有密切关系。对应确定的负载电阻R_L0和d值，r_e＝v+/I_a为确定值，R_L0和d不同时，r_e差别很大。上述所有电阻分量均为串联关系，总内阻r_AB＝r_A+r_B＝r₀+r_e。E_AB的电动势ε_AB≈ε_A+ε_B。提高ε_A值，其内阻增加很快，因此一般ε_A值只达到I_a条件的必要值即可；E_B潜在功率密度远大于E_A，而且释放功率越多，内阻越小，因此提高ε_AB主要应提高ε_B，而且ε_B应大于ε_A。

普通真空二极管主要工作在伏安曲线的第一象限，阳极电位为正；真空热电二极管主要工作于伏安曲线的第二象限，阳极电位为负。E_A可以使得E_B的阳极电位从第二象限通过零值点右移到第一象限。在第一象限，二极管对E_AB出现负贡献，但可以单独输出电功率。显然，E_AB可以在二个象限工作，但主要应该工作在第二象限。为增大ε_B值，应使得阳极电位在第二象限原有位置左移(阳极更负)。阴极和阳极的逸出功值为φ_k和φ_a，φ_a＜φ_k对应的曲线，其ε_B值较高；φ_a＝φ_k对应的曲线ε_B值低于前者；其ε_B值最低的是φ_a＞φ_k对应的曲线。正电压v+是加载在二极管阳极上的实际电压值，为E_A施加的v_a ⁺与E_B自身加载的v_b ⁺两者之和。v_a ⁺和v_b ⁺为串联关系，均取正号，分别是E_A和E_B的电动势ε_A和ε_B各自扣除负载和直流内阻电压降以后的净值。v_b ⁺单独驱动的阳极电流通常称为初电流。v_a ⁺与v_b ⁺叠加，阳极电位将在v_b ⁺电位点右移，移动量值为v_a ⁺。v+驱动的电流远远大于初电流。d确定时，增大v+，电流也增大，直至满足R_L0条件下，A_a规定的回路电流I_a值。为使E_B工作在第二象限，需满足条件v+＜|ε_B|，这也就限定了v_a ⁺。d是真空二极管两个电极相对应的内表面之间热稳态时的距离(cm)，是结构参数，与电学参数也密不可分。E_B可以工作于微小极间距d值条件下，这时v+向空间补充的能量与原有的电子动能叠加，充分利用了空间电荷能量，显著提高了阳极方向电子的平均动能。j_a条件下，d越小，所需v+值越小；v+条件下，d越小，j_a则越大。可见，v+和d确定了j_a。这源于正电场强度与d的平方反比关系和上述利用空间电荷能量二个因素的贡献。达到上述v+和微小d值提高功率密度的技术效果，E_A和E_B都要支付能量，但是E_AB内阻足够小时，可以输出足够大的电流，因此，获得的收益大于支出。

热电堆E_A的原理很成熟，因此上述原理只涉及E_A与E_AB的关系。运行电路由基尔霍夫电压回路方程ε_AB-I_a(r_AB+R_L0)＝0描述。其满足I_a的优化式为：0＜v+/|ε_B|＜1且0＜P_A/P_B＜1。其中，P_A和P_B为E_A与E_B各自贡献的电功率分量。第一优化式将E_B限定在第二象限，第二优化式体现E_B的主体地位，两个优化式其比值越小，分配给负载R_L0的电功率越高，E_AB功率密度越高。

有益效果：由于本案E_AB利用E_A在E_B的阳极叠加加载的正电压形成空间正电场，使电子运动方向相同；而且有热浮动定位支撑技术和极间绝缘技术的支持，其极间距甚至可以达到1μm以下，使阳极直接靠近电荷高密度区，充分利用了电子原有动能，两者总的效果可以使得大部分空间电子加速并流入阳极。热离子发电器的极间距较大，输出电流恒为两个电极发射电流的差(R I chardson发射电流)，E_B在微小间距下，E_A加速器的效能高于空间离子的效能，最大输出电流可趋近阴极发射电流，高于前者。热离子发电器输出电压为两个电极逸出功以及空间势垒电位的代数和，E_AB除了这个代数和，还有E_A部分的电压叠加，因此E_AB的输出电压可以高于热离子发电器。E_AB的内阻可以通过适当的技术方案将内阻降低至合适值。可见，E_AB的功率密度可以大于热离子发电器。此外，小间距条件下，所需v_a ⁺很小，E_B在E_AB中的贡献比率上升，此时，E_AB的功率密度还可以大于E_A和E_B各自独立输出的功率密度之和。

不仅有较高的功率密度，加之E_B还可以采用效率较高、温度较低的阴极，自然地利用多个温度梯度复合利用的技术，免去了铯容器等额外的热能消耗，等等，这使得本案E_AB的热电转换效率可以高于热离子发电器。

一般E_A的寿命长于E_B，因此E_B的寿命可以确定E_AB的寿命。而E_B的寿命主要取决于阴极寿命和极间蒸镀导电膜的生长时间。E_B工作在较低温度上且没有Cs离子，物质蒸发率较小，采用本案的极间绝缘技术，所述蒸镀膜时间大大延长，这时E_B的寿命将主要取决于阴极。这使得E_AB的寿命可以长于热离子发电器。

所述的E_AB技术可以使得E_AB在较长寿命期内实现中等功率密度，也可以使E_AB在较短寿命期内实现更大的功率密度。采用长寿命、高密度阴极，在10⁴小时以上的寿命期中，E_AB功率密度可以达到2w/cm²以上，在10³～10⁴小时的寿命期内，E_AB功率密度可以达到10w/cm²以上。国内近年的一些热离子发电器在6w/cm²以下的功率密度时，寿命仅为几百到数干小时。目前实际运行的大多数热离子发电器热能损失较大，效率一般在15％以下，E_AB的热电效率则可以达到25％以上。

与热离子发电器比较，E_AB还有一些独到优势。分梯度利用热能可以提高热电效率，E_AB从原理层面上利用了这项技术。大部分热离子发电器的输出电压低于1伏特，而E_AB可以达到1伏特以上，这不仅有利于提高功率密度，而且有利于电力传输。由于铯容器以及附属的绝热装置，热离子发电器体积较大，而E_AB无论是采用板式结构还是E_AB模块合成圆筒结构，体积均小于热离子发电器。热离子发电器其它负面作用还有：必须采用高熔点贵重金属和稀缺元素Cs；中和电子的能量损失；产生离子热对流传导损失；离子流对电子流的补偿密度难以精确控制；等等。E_AB可以从原理层面规避上述负面作用。E_AB可以在多种热源温度范围选择材料，可以在较高的性能条件下降低成本，也可以在较高成本下提高性能，因此，E_AB在中、小功率的发电领域适应范围较宽。

Claims (10)

1.一种带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，包括加热器、热电二极管、热电堆、输出正电极和输出负电极，其特征在于：所述热电二极管至少配置一组主热电堆以构成发电单元，热电二极管和主热电堆以热串联的结构传递热量，即加热器位于热电二极管的阴极一侧，主热电堆位于热电二极管的阳极一侧；所述热电二极管和主热电堆以加载阳极正电压v+的电串联方式形成电源内部电路结构，这包括正电压v+直接加载到热电二极管阳极或者通过外部负载电路加载到热电二极管阳极的两种串联方式；所述发电单元的两个电源输出端分别与输出正电极和输出负电极电连接，并通过与负载电串连的方式形成电源外部电路结构；所述热电二极管至少由一个真空二极管构成；所述真空二极管包含一个阴极和一个阳极，阴极和阳极的工作极间距为0.5-100微米。

2.根据权利要求1所述的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其特征在于：所述热电二极管和热电堆之间设有弃热层。

3.根据权利要求1所述的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其特征在于：所述热电堆与工作环境之间设有散热器。

4.根据权利要求1所述的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其特征在于：真空二极管的阴极和阳极热稳态时的工作极间距为1.0-10微米。

5.根据权利要求1-4之一所述的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其特征在于：所述热电二极管为复合式热电二极管时，至少由两个真空二极管构成，真空二极管之间通过并联、串联或者并、串混联方式实现电气连接。

6.根据权利要求1-4之一所述的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其特征在于：真空二极管的电极为单板型或者复合型结构；阳极为复合型结构时，阳极盒与第一型阳极背板或者第二型阳极背板通过金属焊接合为一体；阴极为复合型结构时，阴极盒与导热板通过金属焊接合为一体；阳极盒或阴极盒内设置加强筋组成的金属栅格时，阳极盒，第一型阳极背板或者第二型阳极背板，及金属栅格通过金属焊接合为一体，阴极盒、导热板以及金属栅格通过金属焊接合为一体。

7.根据权利要求1-4之一所述的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其特征在于：所述发电单元中，加热器与热电二极管高温端之间增设辅助热电堆；两个热电堆通过电气连接组合为一个热电堆，再与热电二极管串联，或者各自分别与热电二极管进行电气连接。

8.根据权利要求1-4之一所述的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其特征在于：真空二极管的阳极与阴极的热浮动定位支撑体系由下真空封装口、上真空封装口、阳极的第一型阳极背板或第二型阳极背板、陶瓷顶壁及阴极的导热板构成；有中间件电极时，包括中间件支撑簧片；阴极为复合型结构时，包括上绝缘子和下绝缘子；阴极为单板结构时，包括上绝缘子或者下绝缘子。

9.根据权利要求1-4之一所述的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其特征在于：真空二极管的阴极和阳极之间设置的上绝缘子和下绝缘子采用三氧化二铝陶瓷粉体模压烧结为柱体，固定在电极相应表面，上绝缘子和下绝缘子成对制备时，在上绝缘子靠近阳极处预留或蚀刻有绝缘沟壑槽I，上绝缘子或下绝缘子单个制备时，在单个绝缘子靠近阳极处预留或蚀刻绝缘沟壑槽I；或者直接采用陶瓷粉体在电极相应表面通过多次热喷涂工艺形成上绝缘子或下绝缘子。

10.根据权利要求1-4之一所述的带有加速器的真空热电二极管直流发电装置，其特征在于：真空二极管内部的上陶瓷框架的环绕四个陶瓷壁面上，靠近阳极处预留或蚀刻有绝缘沟壑槽II；有中间件电极时，还包括中间件的阳极附近的绝缘沟壑槽III。

Images