CN103531430B - 一种热离子器件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热离子器件，此器件包括一个用于发射热离子的发射极板,一个用于捕获热离子的接收极板,一个用于控制两个极板间隙的控制环,所述控制环与两个极板之间通过绝热绝缘层进行连接，两个极板之间的间隔隙缝通过利用控制环的热膨胀性控制在0.1～100纳米之间，两个极板、绝热绝缘层和控制环之间组成一密闭的真空腔。采用此器件可以大幅度提高热能发电的效率；另外,此器件通电后能够进行制冷，体积大大缩小，制冷效率可以达到或超过传统蒸汽压缩式制冷效率，节约能耗。

Description

一种热离子器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及热离子发电和热离子制冷应用领域的一种热离子器件及其制作方法。
背景技术
目前，世界上大部分的电能都是通过将化石能源，核能转化为热能，将热能通过蒸汽转化为机械能，或直接利用风轮或水轮传递的机械能，推动发电机切割磁力线后获得的。在这些转化的过程中，都有转化损失，发电效率较低且体积庞大。太阳能光伏系统或温差半导体发电由于其热端和冷端之间由绝热性不好且厚度很低的材料连接， 其导热损失限制了光伏和温差半导体的电转化效率。热离子发电技术可以将热量直接转化为电能，理论效率高，其没有运动部件，寿命长，但由于热离子发电技术要求发射极和接收极之间的间距需要控制在10纳米以内才能获得良好的效果，传统的加工工艺不能满足此间隙控制要求。美国专利US7169006B2 虽然提供一种间隙的控制方式，但其结构和制作工艺，产品造价高。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种热离子器件，包括含有一个用于发射热离子的发射极板,一个用于捕获热离子的接收极板,一个用于控制两个极板间隙的控制环, 控制环与两个极板之间通过绝热绝缘层进行连接，两个极板之间的间隔隙缝通过利用控制环材料的热膨胀性控制在0.1～100纳米之间，两个极板、绝热绝缘层和控制环之间组成一密闭的真空腔。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过采用不同材料的热膨胀率不同的原理，先将控制环套在热离子发射极板和热离子接收极板的中间，在一个操作温度下将热离子发射极板及热离子接收极板压紧，利用两极板材料在压力下的塑性变形，使控制环与极板紧密结合，用绝缘绝热层填充入热离子发射极板与控制环的接触面及热离子接收极板与控制环的另一个接触面，其两个极板与控制环的接触面保证密封后，将整体恢复到常温或工作温度，因控制环与发射极板、接收极板的热膨胀系数不同，在温度变化后会在两个极板之间形成均匀隙缝，通过工艺孔抽真空去除隙缝中的空气形成真空，完成此热离子器件的制作。
进一步，在选用热离子发射极板材料时，所用的热离子发射极板材质为易发射热离子的导体或半导体。
进一步，在选用热离子接收极板材料时，所用的热离子接收极板材质为易捕获热离子的导体或半导体。
进一步，在选择控制环的材料时，控制环的热膨胀率与热离子发射极板、热离子接收极板的热膨胀率中的其中一个极板不同，或两个极板都不同。
进一步，热离子发射极板与热离子接收极板之间的空间为真空，且其间隙优选为0.1纳米～10纳米之间。
进一步，通过加热发射极板，发射极板发射热离子被接收极板捕获，接收极板将热离子传递的热量迅速排除，此时接收极板将积聚电子带负电，发射极板因丢失电子而带正电，在发射极和接收极之间形成电压，实现温差发电。
进一步，通过在发射极板和接收极板之间加直流电，发射极板接负极，接收极板接正极，这样通过电场的作用，将发射极较高动能的电子转移至接收极板，降低发射极板的温度，实现高效的制冷功能，为了维持制冷效果，接收极板需要将多余的热量不断排除。
进一步，为了提高发射极板的活性，并降低活泼金属的使用量，可以在发射极板的表面覆盖一层碱性活泼金属，如 铷，或铯等。
本发明的有益效果是：此热离子器件结构简单，通过采用此制作结构，大大降低热离子器件的制作成本，并通过控制环材料的热膨胀物理性能控制热离子发射极板和接收极板之间的间隔隙缝，性能稳定可靠。采用此器件可以大幅度提高热能发电的效率，为太阳能发电效率的提高提供一个新方案。另外，采用热离子技术的制冷器件，体积大大缩小，制冷效率可以达到或超过传统蒸汽压缩式制冷效率，节约能耗。
附图说明
图1是本发明热离子器件的剖视图；
图2是本发明热离子器件的立体图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述：如图1和图2所示， 1为热离子发射极板，2为热离子接收极板，3 为控制环，4为绝热绝缘密封层，5 为工艺孔；6、隙缝；7、突出部分。
本实施例以热离子发射极板1和热离子接收极板2为紫铜材质，控制环为铝合金环状材料，及绝热绝缘密封层为环氧树脂密封材料为例，解释此热离子器件的制作和使用方法。首先将铝合金控制环3套在热离子发射极板1和热离子接收极板2的中间，铝合金控制环3的厚度略小于热离子发射极板1和热离子接收极板2的突出部分7高度之和，发射极板1和接收极板2的突出部分7高度各2.5毫米，即在控制环3与热离子发射极板1和热离子接收极板2中间留有空隙，用环氧树脂材料即绝热绝缘密封层4填充入热离子发射极板1与控制环3的接触面及热离子接收极板2与控制环3的另一个接触面，在5℃操作温度下将热离子发射极板1及热离子接收极板2压紧，利用两极板材料在压力下的塑性变形，使极板紧密结合，接触面保证密封后，将整体恢复到常温25℃， 因控制环与发射极板及接收极板的热膨胀系数不同， 在温度变化后会在两个极板之间形成均匀隙缝6大约4.5纳米，通过抽真空去除隙缝中的空气形成真空，并在真空完毕后将工艺口5密封，完成此热离子器件的制作。
当通过加热发射极板，发射极板发射热离子被接收极板捕获，接收极板将热离子的热量迅速排除，此时接收极板将积聚电子带负电，发射极板因丢失电子而带正电，在发射极板和接收极板之间形成电压，实现温差发电。
进一步说，当通过在发射极板和接收极板之间加直流电，发射极板接负极，接收极板接正极，这样通过电场的作用，将发射极板较高动能的电子转移至接收极板，降低发射极板的温度，通过接收极板将多余的热量不断排除，实现制冷。
需要强调的是：以上仅是为了便于业内工程师理解本发明而做的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种热离子器件，其特征在于：包含：一个用于发射热离子的发射极板,一个用于捕获热离子的接收极板,一个用于控制两个极板间隙的控制环,所述控制环与两个极板之间通过绝热绝缘层进行连接，两个极板之间的间隔隙缝通过利用控制环的热膨胀性控制在0.1～100纳米之间，两个极板、绝热绝缘层和控制环之间组成一密闭的真空腔。
2.根据权利要求1所述的热离子器件，其特征在于：所述的发射极板的材质为易发射热离子的导体或半导体。
3.根据权利要求1所述的热离子器件，其特征在于：所述的接收极板的材质为易捕获热离子的导体或半导体。
4.根据权利要求1所述的热离子器件，其特征在于：所述控制环的热膨胀率与发射极板、接收极板的热膨胀率中的其中一个极板不同，或与两个极板都不同。
5.根据权利要求1所述的热离子器件，其特征在于：所述发射极板与接收极板之间的空间为真空，且其间隙优选为0.1纳米～10纳米。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的热离子器件，其特征在于：在所述发射极板的表面覆盖一层碱性活泼金属层，所述金属层包括铷，或铯。
7.一种热离子器件的制作方法，其特征在于，将发射极板，接收极板面对面放置，控制环通过绝缘绝热材料分别与发射极板和接收极板连接，并留有用于抽真空的工艺口，在一操作温度下，通过挤压的方式，将发射极板和接收极板的接触面压平，利用控制环热膨胀系数大于发射极板和接收极板的热膨胀系数特性，在高于挤压操作温度的条件下，发射极板与接收极板之间形成可控的间隔隙缝；或利用控制环热膨胀系数小于发射极板和接收极板的热膨胀系数特性，在低于挤压操作温度的条件下，发射极板与接收极板之间形成可控的间隔隙缝；通过抽真空的工艺口，将发射极板和接收极板之间的空间抽真空，真空完成后，将工艺口封闭，制成热离子器件。
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