CN104871287A - 用于热电子能量转换的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种热电子能量转换器设备(100)，包括：电子发射器(11)，其适于对电子(1)的温度相关释放；电子收集器(21)，其适于收集所述电子(1)，其中，所述电子收集器(21)通过真空间隙(2)与所述电子发射器(11)隔开；栅电极(31)，其被布置在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间，以用于使所述间隙(2)中的所述电子(1)经受加速电势，其中，所述栅电极(31)具有多个电极开口(34)，所述多个电极开口(34)被布置用于将从所述电子发射器(11)运行的电子(1)发送到所述电子收集器(21)；以及磁场设备(50)，其被布置用于创建具有在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间延伸的磁场线的磁场，其中，对所述磁场设备(50)被布置使得所述磁场线的至少部分经过所述电极开口(34)。另外，描述了一种使用所述热电子能量转换器设备(100)来转换能量的方法。

Description

用于热电子能量转换的设备和方法
技术领域
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
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1卷，2009年，第052701页的文章；G.P.Smestad在“Solar Energy Materialsand 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；和US 6313391)或者核衰变(见例如N.S.Rasor等人在“Atomics International”，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℃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.Ingold在“Journal of AppliedPhysics”，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。
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垒。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。
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。
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。
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。
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究已经由George N.Hatsopoulos在“Thermionic energy conversion”(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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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1V和/或低于10V)的情况下获得强且均匀的加速电场。
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。
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，所述电子发射器设备和所述电子收集器设备分别包括所述电子发射器和所述电子收集器。术语“电子发射器”总体上指包括具有面向所述电子收集器的表面的导电材料(典型地是金属、半导体、导电氧化物、陶瓷、类金刚石(diamondoid)、LaB6和/或电子化合物)的所述电子发射器设备的单个部件或多个部件。另一方面，所述电子收集器包括所述电子收集器设备的单个部件或多个部件，所述单个部件或多个部件中的每个被分配到所述电子发射器的所述(一个或多个)部件中的一个或多个。所述电子收集器包括具有面向所述真空间隙的低功函数表面的导电材料(典型地是金属、半导体、导电氧化物、陶瓷、类金刚石、例如LaB6的硼化物和/或电子化合物)。可以利用例如氧化镧的功函数降低掺杂物来对所述电子发射器和所述电子收集器中的至少之一进行掺杂，和/或可以利用由例如氧化钡或铯制成的功函数降低涂层来对所述电子发射器和所述电子收集器中的至少之一进行涂敷。所述电子发射器和所述电子收集器也可以分别被称为发射器电极和收集器电极。所述电子发射器和电子收集器二者都优选地由具有低功函数的惰性材料制成。优选地，所述收集器材料的所述功函数低于1eV，而所述发射器材料优选地具有低于3eV的功函数。取决于使用本发明的具体条件和要求，其他功函数值是可能的。
取决于对本发明的应用，所述热电子能量转换器设备是在采用或创建所述电子发射器与所述电子收集器之间的温度差的基础上来操作的。所述电子发射器和所述电子收集器被布置使得可以在其间创建温度梯度。所述电子发射器被布置用于施加热能或作为散热器。利用优选的变型，所述电子发射器设备被配置使得所述热能可以被直接施加到所述电子发射器或从所述电子发射器直接传导，例如通过具有光或电离辐射或粒子辐射的直接辐照来施加或传导。利用第二变型，所述电子发射器设备可以包括与所述电子发射器连接的热能吸收器或热能导体。所述热能吸收器或导体可以是被布置用于对吸收区域的直接辐照、对其的加热和到所述电子发射器的热能的传导(或反之亦然)的组件。所述电子收集器被布置为以与所述电子发射器相比更低的温度来操作。所述更低的温度可以简单地由这样来获得，即所述电子发射器与所述电子收集器之间的热隔离，具体由所述真空间隙和周围的支撑结构(如垫片)隔离。此外，可以如以下概述地提供冷却设备。
一般地，可以利用所述电子发射器与所述电子收集器之间的任何正温度差来实现本发明。由于所述能量转换效率随所述电子发射器温度而增高(针对固定的收集器温度)，因此具有至少300℃，特别是至少100℃，或者甚至高于1200℃的电子发射器温度的应用是优选的。另外，所述电子发射器与所述电子收集器之间的所述温度差优选地是摄氏温标至少200度，特别是100度或者甚至超过1000度。然而，具体而言，如果使用具有非常低的功函数(低于2eV)的材料和/或如果使用光电效应(见以上应用的J.W.Schwede等人的文章)来采用进入的光的光子能量，从而促进来自所述发射器的电子的发射，那么具有更低温度的应用也是可能的。
根据本发明的第二方面，提供了一种能量转换、具体是将热能转换为电能或反之亦然的方法，其中，使用根据本发明的以上第一方面的所述热电子能量转换器设备。取决于能量转换方向，所述电子发射器和所述电子收集器被布置有不同温度，或者它们被布置用于创建不同温度。热电子能量转换的所述方法包括以下步骤：将电子从所述电子发射器释放到所述真空间隙中；使来自所述电子发射器的发射出的电子沿通过所述电极开口的磁场线行进到所述电子收集器；并且在所述电子收集器处收集(聚集)所述电子。
根据本发明的优选实施例，所述栅电极包括导电材料的单个薄板。优选地，所述栅电极是所述真空间隙中沿所述电子发射器和所述电子收集器的所述表面延伸的单层成形部件。所述栅电极可以包括所述真空间隙中的自支撑部件，或者可以由所述电子收集器或所述电子发射器或如以下概述的额外支撑元件来支撑。
根据特定的优选实施例，所述栅电极具有由导电晶格条(棒)形成的晶格结构和所述多个电极开口。尽管对于所述晶格几何结构没有具体限制，但是具有一维分布或二维分布的晶格条的规则晶格可以被用在最简单的情况中。有利地考虑与完美周期性的偏差，例如所述发射器的外面积和内面积处的所述电子发射之间的差异。使用具有晶格结构的栅电极在所述栅电极的机械稳定性和对所述加速电势的均匀创建两方面都具有优势。
如果所述栅电极具有蜂窝晶格结构，则获得针对所述能量转换效率的特别的优势。利用蜂窝晶格结构，可以获得传送所述电子的孔的面积与屏蔽收集器电极的所述晶格条的面积之间的极好的长宽比。
利用本发明的另一优选的变型，所述电极开口具有等于或小于所述电子发射器与所述电子收集器之间的间隔的宽度的五倍的截面尺寸。特别优选的是其中所述截面尺寸等于或小于所述电子发射器与所述电子收集器之间的间隔的宽度的实施例。
优选地，所述电子发射器与所述电子收集器之间的距离高于1μm，特别地高于10μm。因此，可以避免以上第三方法的对常规技术的限制，而与(以上引用的)J.-H.Lee等人的文章相反，也避免了基于Cs离子的第一方法。另外，所述距离典型地低于0.5mm，优选地低于0.3mm，特别地低于200μm。这允许对本发明设备的紧凑设计并且使得能够实现针对固定栅电压的较高电流密度。根据另一优选特征，所述栅电极的所述厚度低于300μm，特别地低于250μm。有利地，这也对紧凑设计做出贡献。
根据本发明的另一有利的实施例，利用冷却设备来冷却所述电子收集器。利用对所述电子收集器的所述冷却，可以增加能量转换的效率。另外，对所述电子收集器的冷却允许额外的能量收获步骤。作为另一优势，对于设计所述冷却设备存在各种可能性。作为优选的范例，可以提供被动冷却，其中，所述冷却设备包括与所述电子收集器连接的散热器或冷却鳍片。额外地或备选地，所述冷却设备可以适于使用例如冷却液的所述电子收集器的主动冷却，所述冷却液以与所述电子收集器热接触的形式流动。对于另一实施例，所述电子收集器可以使用在所述电子收集器处收集到的残留热而与热机(例如蒸汽轮机)连接。
根据本发明的特别优选的实施例，所述磁场设备包括至少一个永磁体和/或电磁体，所述至少一个永磁体和/或电磁体被布置用于在所述真空间隙中创建所述磁场。所述至少一个永磁体和/或电磁体被相邻于或邻近于所述电子发射器和所述电子收集器中的至少之一布置。特别优选的是使用两个磁体的实施例，所述两个磁体中的每个被相邻于或邻近于所述电子发射器和所述电子收集器中的一个布置。创建永磁场在磁场均匀性和低操作成本方面具有优势。
有利地，所述磁场设备可以包括被布置用于限制所述磁场线的磁轭。额外地或备选地，所述磁场设备可以根据所述电极开口的位置来创建具有增加的场强部分的非均匀磁场。为此，所述磁场设备可以包括由软磁结构化材料制成的至少一个磁场成形部件。有利地，所述磁场成形部件提供额外的自由度以用于设计从所述电子发射器到所述电子收集器的所述电子路径。
根据本发明的另一优选的实施例，所述栅电极可以由所述电子发射器或所述电子收集器来支撑。具体而言，可以提供直接的夹心状支撑体或使用间隔器元件的支撑体。如果所述栅电极由所述电子发射器来支撑，则所述真空间隙主要地或完全地形成在所述栅电极与所述电子收集器之间。备选地，如果所述栅电极由所述电子收集器来支撑，则所述真空间隙主要地或完全地形成在所述电子发射器与所述栅电极之间。所述栅电极分别相对于所述电子发射器或所述电子收集器电气绝缘。对于该实施例，实质上增加了所述设备的稳定性，并且获得了在可扩展性、对靠近所述电子发射器或所述电子收集器的任何空间电荷的抑制、以及本发明设备的紧凑结构方面的优势。根据本发明的另一实施例，所述栅电极可以被定位在所述发射器与所述收集器之间的中心处。
作为优选的范例，所述栅电极可以由所述电子发射器或所述电子收集器上的绝缘体层来电气绝缘，其中，所述绝缘体层具有与所述电极开口对齐的绝缘体开口。所述电子发射器表面或所述电子收集器表面暴露在所述绝缘体开口处，使得电子释放或收集的效率并不减小。特别优选的，所述栅电极和所述电子发射器或所述电子收集器上的所述绝缘体层可以是由所述发射器表面或所述收集器表面承载的沉积涂层。所述沉积涂层可以通过例如蒸汽沉积、溅射、脉冲激光沉积(PLD)或用于沉积薄固体膜的其他工艺来做出。
根据本发明的另一有利的实施例，所述电子发射器与所述电子收集器之间的所述电势额外地可以由至少一个辅助栅电极和至少一个屏蔽电极中的至少之一来进行成形。所述至少一个辅助栅电极和/或所述至少一个屏蔽电极被布置在所述电子发射器与所述电子收集器之间，并且具有多个电极开口，所述多个电极开口与所述栅电极的所述电极开口对齐。根据第一变型，提供了所述辅助栅电极，所述辅助栅电极适于在所述电子收集器的所述表面处或附近创建额外的加速电势。已经发现，在所述收集器表面处，可以创建额外的空间电荷，所述额外的空间电荷的影响可以由所述辅助电极抵消。
额外地或备选地，可以提供所述至少一个屏蔽电极，所述至少一个屏蔽电极适于屏蔽所述栅电极的面向和/或背离所述电子发射器的表面。作为另一备选，所述屏蔽电极可以被布置用于屏蔽所述电极开口的内壁。因此，向所述栅电极加速的电子向通过所述栅电极的所述至少一个孔偏转。有利地，这提供了对转换效率的额外的提高。
作为本发明的另一优势，可以避免关于所述电子发射器的几何形状和/或表面属性的任何限制。根据本发明的优选的实现方式，所述电子发射器和/或所述电子收集器具有平面表面，所述平面表面向着所述真空间隙暴露。所述平面表面具有针对例如将所述热电子发生器设备制造成集成芯片或单元的优势。
备选地，所述电子发射器和/或所述电子收集器可以具有弯曲表面(例如半球形表面)，所述弯曲表面向所述电子收集器打开。对于该实施例，可以获得关于对所述加速电势的成形和关于对所述空间电荷的稀释的优势。作为另一备选，可以提供圆柱形电子发射器，所述圆柱形电子发射器在多个方向上被成形为中空圆柱的所述电子收集器包围(例如完全包围)。
对于采用弯曲表面的实施例，所述栅电极和所述磁场的形状适于所述发射器和所述收集器的几何结构和所述间隙的形状。优选地，所述栅电极在几何结构上与所述电子发射器的表面形状相似，并且所述磁场被成形，使得所述磁场线垂直撞击在沿所述栅电极的所述表面的弯曲区域上。
根据可以被提供有平面的或弯曲的发射器和/或收集器表面两者的另一修改，可以在所述电子发射器和/或所述电子收集器表面上提供微米结构和/或纳米结构。所述微米结构或纳米结构分别包括具有在例如1μm至100μm或10nm至1μm的范围中的特性长度的发射器尖端的分布。所述表面结构是例如由立在所述电子发射器材料上的微米管或纳米管来提供的。有利地，所述表面结构创建增加所述发射概率的局部电场增强。特别优选的，所述尖端结构分布仅形成在所述电子发射器和所述电子收集器中的至少之一的表面部分上，所述表面部分与所述栅电极的所述电极开口对齐。
作为本发明的另一重要的优势，针对在所述电子发射器与所述栅电极之间创建所述加速电势存在各种备选。第一，所述栅电极可以与dc电压源(例如热电源)电气连接。所述dc电压源可以适于利用ac电压调制来叠加所述dc电压。因此，可以对收集到的电子的所述电流进行调制，并且可以利用造成负载电路中的ac电流的调制来创建电力。第二，如果所述栅电极的材料的功函数比所述电子发射器的材料的功函数更低，则可以省略所述电压源。对于该实施例，所述栅电极与所述电子发射器电气连接。发明人已经发现，功函数的差对于创建短路发射器电极与所述栅电极之间的电势是足够的，其中，该电势用作用于破坏所述发射器处的电荷云的所述加速电势。第三，可以将全部两个变型进行组合。如果所述栅电极的材料的功函数比所述电子发射器的材料的功函数更低，并且所述栅电极可以与dc电压源电气连接，则由所述dc电压源来支持所述功函数的差的加速作用。在这种情况下，所述电压源可以适于与所述第一变型相比更低的电压，例如在0.5V至1V的范围内。
根据本发明的另一独立的方面，可以提供采用所述发射器电极与栅电极之间的功函数的差以用于创建所述加速电势的以上实施例，而不提供所述磁场。因此，本发明的热电子能量转换器设备总体包括适于对电子的温度相关释放的电子发射器；适于收集所述电子的电子收集器，其中，所述电子收集器通过真空间隙与所述电子发射器隔开；以及被布置在所述电子发射器与所述电子收集器之间以用于使所述间隙中的所述电子经受所述加速电势的栅电极，其中，所述栅电极的材料的功函数比所述电子发射器的材料的功函数更低，并且所述栅电极与所述电子发射器电气连接。
根据本发明的另一优选实施例，所述电子收集器和/或所述栅电极可以承载反射层，所述反射层在可见光和/或热辐射的波长范围中具有最大反射率。所述反射层将能量反射回所述电子发射器，因此提高了所述设备的效率。
本发明有两个主要应用，所述两个主要应用关于能量转换的方向不同。对于电源应用，热被转换为可消耗的电流。对于该实施例，所述热电子能量转换器设备包括负载电路，所述负载电路被连接在所述电子发射器与所述电子收集器之间。所述电子发射器被布置用于施加热能和辐射能中的至少之一，并且所述热电子能量转换器设备被配置用于将施加的能量转换为电能。优选地，热机可以与所述电子收集器连接，因此进一步增加转换效率。
对于散热器(或热源)应用，电流被转换为热能，提供了所述电子发射器处的冷却活动和/或所述电子收集器处的加热活动。对于该实施例，所述热电子能量转换器设备包括电源，所述电源被连接在所述电子发射器与所述电子收集器之间。所述电子发射器被布置为将要通过对所述电子的所述释放来冷却的所述散热器，和/或所述电子收集器被布置为将要通过对所述电子的所述收集来加热的所述热源。
附图说明
以下参考附图描述本发明的进一步的细节和优势，其中示出：
图1至图3：根据本发明的热电子能量转换器设备的优选实施例的示意性图示；
图4：磁场的作用以及发射器材料和栅材料中的功函数的差的示意性图示；
图5：电子发射器表面的示意性图示；
图6：根据本发明所使用的栅电极晶格结构的示意性图示；以及
图7和图8：表征本发明的热电子能量转换器设备的特征的实验结果的图形表示。
具体实施方式
以下特别参考对栅电极和任选的进一步的特征(例如磁场设备和屏蔽栅电极或辅助栅电极)的规定描述了本发明的热电子能量转换器设备和热电子能量转换的方法的优选实施例的特征。另外，对热电子能量转换器设备的电源应用进行特别参考。未描述热电子发生器的特征(如函数原理或针对向电子发射器施加热能的调整)，只要它们是根据常规热电子发生器或热离子发生器已知的。本发明的设备的电子发射器与电子收集器之间的间隙中的真空可以通过将全部设置布置在真空室中或真空外壳(未示出)中来提供。可以以所述的类似方式来实现热电子能量转换器设备的备选的散热器(或热源)应用，其中，由电源来替换负载电路(见例如图1)。
另外，应当强调，附图仅是示意性图示，附图不表示实际设备的按比例的版本。对于本发明的实际实现方式，技术人员将能够依据具体应用要求来选择几何尺寸、结构属性、材料和电气电路。
根据图1，热电子发生器设备100包括电子发射器设备10、电子收集器设备20、电极设备30和负载电路60。电子发射器设备10包括在这种情况下与地电势(地球电势)电气连接的电子发射器11。此外，电子发射器设备10可以包括用于容纳电子发射器11的机械部件和/或与电子发射器11热接触的能量吸收器设备(未示出)。电子收集器设备20包括电子收集器21，电子收集器21的表面22被布置为离电子发射器11的表面12距离D。电子发射器11与电子收集器21之间的间隙2是真空的，同时它是根据常规热电子发生器已知的。电子收集器21经由负载电路60与电子发射器11以及地电势连接。负载电路60包括例如负载电阻、累加器设备和/或耗电设备。在实际的实现方式中，电子发射器11和电子收集器21的布置由压力密闭壳体(未示出)封装，使得间隙2中的压力可以被降低在大气压力以下。
电极设备30包括栅电极31和栅电压源35。栅电极31被以离电子发射器11的表面12的距离d布置在真空间隙2中。栅电极31具有平面的或弯曲的层形状，然而，其表面的微结构(并且也可能是其他电极)可以是粗糙的，或者甚至是由针状结构来表征的。在图示的范例中，表面12和栅电极31二者都具有平面形状。栅电极31具有晶格结构，下面参考图6更详细地描述了所述晶格结构。它包括多个电极开口34，行进的电子1可以从电子发射器11经过所述电极开口34到电子收集器21。栅电压源35是dc源(例如常规热电源)，创建相对于电子发射器11的栅电极31的正电压。
栅电极31可以包括通过电极材料自身的机械刚性或通过与电极材料连接并且由例如陶瓷制成的附加层成形的支撑元件来自支撑的部件。备选地，栅电极31可以由使用例如薄膜技术中公知的技术的电子收集器设备20或电子发射器设备10来支撑(见图3)。
另外，图1图示了对包括两个永磁体51、52的磁性设备50的规定。第一永磁体51被布置为南极S面向电子发射器11，而第二永磁体52被布置为北极N面向电子收集器21。永磁体51、52由例如具有允许对间隙2中的均匀磁场的规定的形状的NdFeB制成。鉴于电子发射器11与电子收集器21的对齐，永磁体51、52优选地具有比电子发射器11和电子收集器21的面积更大的大小，因此提高间隙2中的场均匀性。
图4A中图示了磁场的作用(见下文)。磁性设备50和其作用可以被进行如下修改。不必所有磁场线都延伸通过电极开口。实际上，磁场线的主要部分延伸通过电极开口。磁场可以通过磁轭的作用而被集中(见图3)。永磁体51、52可以被以反向场方向来布置。另外，它们可以由超导或常导电磁体来替换。最后，可以例如通过提供具有非均匀磁性材料属性的永磁体来创建非均匀磁场。永磁体可以具有创建通过栅电极开口的位置的集中场线的表面结构。
在实际范例中，热电子能量转换器设备100被提供如下。电子发射器11是具有平面表面12的、由掺杂有氧化镧的钨制成的板，所述平面表面暴露于间隙2。表面直径为例如5cm至15cm。暴露的表面12具有例如10cm2至100cm2的面积。电子发射器11的厚度为例如0.1mm至1.0cm。电子收集器21是与电子发射器11并联布置的平板，其中，距离D被选定在例如20μm至0.2mm的范围中。发射器表面12与栅电极31之间的距离d为大约D/2。电子收集器21由例如钛/钨或承载具有低功函数的材料(例如氧化钡)的层的另一种金属制成。一般地，发射器的功函数比收集器的更大。栅电极31由例如形成矩形晶格孔34的矩形矩阵布置的直晶格条制成。晶格孔34的截面尺寸被选定在例如10μm至1mm的范围中。典型地，大约100μm的截面尺寸是优选的。晶格条的截面尺寸为例如1μm至0.1mm。栅电极31由例如钛或钨制成。本发明不限于以上范例。技术人员将能够对例如几何结构和电气参数做出变化。
为了实现本发明的能量转换方法，例如通过利用太阳能的聚焦辐照来将热能施加到电子发射器11。电子收集器11被加热到例如1000℃的温度，导致借助于热能并且通过光电效应到真空间隙2中的电子1的发射。实际上，电子发射器11的温度取决于发射器材料。通过将正电压(例如5V)施加到栅电极31来在间隙2中创建加速电势。从电子发射器11的表面12发射出的电子1被向电子收集器21加速，使得空间电荷云的创建被避免。电子1沿电子路径3行进通过电极孔34(见箭头)。电子收集器21被布置为与电子发射器11相比更低的温度，典型地低于500℃，例如在200℃至300℃处。为了保持较低的温度，可以在电子发射器11与电子收集器21之间的间隙2周围的区域中布置热绝缘，并且可以利用高光反射率表面来制作冷表面。释放出的电子1聚集在电子收集器21上，使得通过负载电路60创建电子电流。
为了反向实现本发明的能量转换方法(热泵实施例)，在电子发射器11与电子收集器21之间提供电力，导致来自电子发射器11的电子的释放。热能从周围传导到电子发射器11，导致其冷却作用。
图2中示意性地图示了本发明的热电子能量转换器设备100的备选实施例的另外的特征。对于该实施例，电极设备30包括栅电极31和辅助栅电极32。辅助栅电极32被布置在电子收集器21的表面22处或附近。通过将相对于电子收集器21的dc源36(例如常规热电源)的正电压施加到辅助栅电极32，可以抑制表面22处的电子电荷影响。由加速电势来支持电子收集器21上的电子的聚集过程。图2还示意性地图示了冷却设备40，冷却设备40被布置用于冷却电子收集器21。冷却设备40包括例如使用水或油作为冷却液的主动冷却回路。另外，图2示出了电子收集器21的表面上的反射层23。反射层23提供将可见光和/或热辐射反射回电子发射器11的镜。
图3图示了本发明的热电子能量转换器设备100的备选实施例的另外的特征。对于这些实施例，栅电极31由电子收集器21支撑。在面向间隙2的电子收集器21的表面22上，提供了具有根据栅电极31的电极孔的位置和范围的预定过孔的绝缘层。栅电极31被布置在所述绝缘层上，其中，电极开口与绝缘层中的开口对齐(未示出)。可以通过收集器表面22上的蒸发沉积来提供栅电极31和绝缘层两者。
与以上实施例相反，图3示出了栅电极31与电子发射器11电气连接。在这种情况下，如图4B和图4C中进一步图示的，通过发射器材料和栅材料的功函数的差来创建电子发射器11与栅电极31之间的加速电势。
图3还图示了电子发射器11和(与栅电极31一起的)电子收集器21可以被制造成具有夹心结构的集成发生器单元。间隔器13被布置在面向彼此的电子发射器11的表面12和电子收集器21的表面22的外边界处。备选地或额外地，间隔器可以被定位在栅电极上。间隔器13的厚度限定了真空间隙2的间隔(见图1中的距离D)。间隔器13由电(和热)绝缘材料(例如陶瓷)制成。可以利用如根据常规半导体技术已知的技术来制造集成发生器单元。
图4A中示意性地图示了间隙2中创建的磁场的作用，图4A示出了具有电极孔34的栅电极31。电子路径3从电子发射器经过电极孔34到电子收集器(未示出)。在磁场的作用下，电子1遵循螺旋形路径4，使得它们主要飞过栅电极31的电极孔34，而不撞击到带正电的栅电极31上。为了避免栅电极31上的电子的损失，这可以被提供有如以下参考图6C描述的屏蔽电极33。
图4B和图4C示出了对具有发射器材料和栅材料的不同功函数的电子发射器11和栅电极31之间的加速电势的创建。根据图4B，电子发射器11具有比栅电极31的功函数ΦG更大的功函数ΦE。当电子发射器11和栅电极31彼此连接时(图4C)，电子从栅电极31移动到电子发射器11直到材料的化学势平衡。因此，加速电势是在电子发射器11与栅电极31之间生成的。
尽管以上实施例图示了具有平面表面12的电子发射器，但是可以分别如图5A和图5B所示提供电子发射器11的微米结构或纳米结构14和/或弯曲表面12。根据图5A，针对电子发射器11的表面12上的场增强来布置由例如碳制成的纳米管。根据图5B，表面12具有面向半球形电子收集器21的半球的形状。在这种情况下，栅电极31也被提供有半球形状。电子收集器21可以具有如示出的弯曲形状或平面形状。
图6利用示意性俯视图(图6A和图6B)或透视部分视图(图6C)示出了栅电极31的变型。图6A图示了优选的二维蜂窝晶格结构，其中，电极孔34具有规则六边形形状。备选地，可以如图6B所示提供包括直晶格条的线性晶格。图6C图示了具有蜂窝晶格的范例的栅电极31的夹心结构。栅电极31被提供有屏蔽电极33，屏蔽电极33被布置在栅电极31的面向电子发射器11的侧上(见例如图1至图3)。屏蔽电极33通过由例如陶瓷制成的绝缘层相对于栅电极31电气绝缘。屏蔽电极33与额外的电压源连接，所述额外的电压源经由栅电极31创建负电压，所述负电压形成晶格条37周围的场势垒。因此，电子被迫到通过电极孔34的电子路径3。
图7和图8图示了已经利用热电子发生器设备的发明设计获得并且利用其实际演示模型确认的实验结果。图7示出了电子收集器21处测得的电流(IColl)和栅电极31处测得的电流(I栅)，所述电流被绘制为针对栅电极31处施加的栅电压U栅＝6V并且电子发射器温度T＝1100℃负载电路60处的收集器电压(UColl)的函数。在没有磁场(B：关闭)的情况下，栅电流比针对所有收集器电压的收集器电流更大。在有施加的磁场的情况下(B：开启)，电子的大部分经过栅电极31并且聚集在电子收集器21上。因此，收集器电流比针对Ucoll＞-1V的栅电流更大。图8示出了跟据针对若干栅电压15V、8V和0V的收集器电压Ucoll来显示的测得的生成的功率Pcoll。因此，图8示出了栅电极31的效率增加作用。
以上说明中公开的本发明的特征、附图以及权利要求可以独立地并且以组合的形式具有对于以本发明的各种实施例来实现本发明的重要性。

Claims (36)

1.一种热电子能量转换器设备(100)，包括：
-电子发射器(11)，其适于对电子(1)的温度相关释放，
-电子收集器(21)，其适于收集所述电子(1)，其中，所述电子收集器(21)通过真空间隙(2)与所述电子收集器(11)隔开，
-栅电极(31)，其被布置在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间，以用于使所述间隙(2)中的所述电子(1)经受加速电势，以及
-磁场设备(50)，其被布置用于创建具有在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间延伸的磁场线的磁场，
所述热电子能量转换器设备(100)的特征在于：
-所述栅电极(31)具有多个电极开口(34)，所述多个电极开口(34)被布置用于将从所述电子发射器(11)运行的电子(1)发送到所述电子收集器(21)，并且
-所述磁场设备(50)被布置使得所述磁场线的至少部分经过所述电极开口(34)。
2.根据权利要求1所述的热电子能量转换器设备，其中：
-所述栅电极(31)是导电材料的单个薄板。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，其中：
-所述栅电极(31)具有规则晶格结构，特别是蜂窝晶格结构，包括所述多个电极开口(34)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，其中：
-所述电极开口(34)具有等于或小于所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间的间隔的宽度的五倍的截面尺寸。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，包括以下特征中的至少之一：
-所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间的距离高于1μm，特别地高于10μm，和/或低于0.3mm，特别地低于200μm，
-所述栅电极(31)的厚度低于300μm，特别地低于250μm，
-所述电子发射器(11)和所述电子收集器(21)中的至少之一由以下中的至少之一制成：金属、导电氧化物、半导体、类金刚石、LaB6和电子化合物，
-所述电子发射器(11)和所述电子收集器(21)中的至少之一被掺杂有功函数降低掺杂物，并且
-所述电子发射器(11)和所述电子收集器(21)中的至少之一被涂覆有功函数降低涂层。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，还包
括：
-冷却设备(40)，其被布置用于冷却所述电子收集器(21)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，其中，所述磁场设备(50)包括以下特征中的至少之一：
-所述磁场设备(50)包括至少一个永磁体(51，52)和至少一个电磁体特别是至少一个超导线圈中的至少之一，所述至少一个永磁体(51，52)和所述至少一个电磁体中的所述至少之一被相邻于或邻近于所述电子发射器(11)和所述电子收集器(21)中的至少之一布置，
-所述磁场设备(50)包括磁轭(53)，所述磁轭(53)被布置用于限制所述磁场线，以及
-所述磁场设备(50)适于根据所述电极开口(34)的位置来创建具有增加的场强部分的所述磁场。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，其中：
-所述栅电极(31)由所述电子发射器(11)或所述电子收集器(21)来支撑，其中，所述栅电极(31)分别相对于所述电子发射器(11)或所述电子收集器(21)电气绝缘。
9.根据权利要求8所述的热电子能量转换器设备，其中：
-所述栅电极(31)通过绝缘体层相对于所述电子发射器(11)或所述电子收集器(21)电气绝缘，并且
-所述绝缘体层具有与所述电极开口(34)对齐的绝缘体开口。
10.根据权利要求8或9所述的热电子能量转换器设备，其中：
-所述栅电极(31)和所述绝缘体层分别是形成在所述电子发射器(11)或所述电子收集器(21)上的沉积涂层。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，还
包括：
-至少一个辅助栅电极(32)和至少一个屏蔽电极(33)中的至少之一，所述至少一个辅助栅电极(32)和至少一个屏蔽电极(33)中的至少之一被布置在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间。
12.根据权利要求11所述的热电子能量转换器设备，包括以下特征中的至少之一：
-所述至少一个辅助栅电极(32)被布置用于创建额外的加速电势，
-所述至少一个屏蔽电极(33)被布置用于屏蔽所述栅电极(31)的面向所述电子发射器(11)的表面，
-所述至少一个屏蔽电极(33)被布置用于屏蔽所述栅电极(31)的背离所述电子发射器(11)的表面，和/或
-所述至少一个屏蔽电极(33)被布置用于屏蔽所述电极开口(34)的内壁。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，其
中：
-所述电子发射器(11)和所述电子收集器(21)中的至少之一具有面向所述间隙(2)的平面表面(12)。
14.根据权利要求1至12中的任一项所述的热电子能量转换器设备，
其中：
-所述电子发射器(11)和所述电子收集器(21)中的至少之一具有面向所述间隙(2)的弯曲表面(12)。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，其
中：
-尖端结构分布形成在所述电子发射器(11)和所述电子收集器(21)中的至少之一上，其中，所述尖端结构分布包括微米结构和纳米结构中的至少之一(13)。
16.根据权利要求15所述的热电子能量转换器设备，其中：
-所述尖端结构分布形成在所述电子发射器(11)和所述电子收集器(21)中的至少之一的与所述栅电极(31)的所述电极开口(34)对齐的表面部分上。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，其
中：
-所述栅电极(31)与dc电压源电气连接。
18.根据权利要求17所述的热电子能量转换器设备，其中：
-所述dc电压源适于利用ac电压调制来叠加所述dc电压。
19.根据权利要求1至16中的任一项所述的热电子能量转换器设备，
其中：
-所述栅电极(31)的材料的功函数比所述电子发射器(11)的材料的功函数更低，并且
-所述栅电极(31)与所述电子发射器(11)电气连接。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，其
中：
-所述电子收集器(21)或所述栅电极承载反射层(23)，所述反射层(23)适于将可见光和/或热辐射反射回所述电子发射器(11)。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器设备，其
中：
-负载电路(60)被连接在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间，
-所述电子发射器(11)被布置用于施加热能和辐射能中的至少之一，并且
-所述热电子能量转换器设备被配置用于将施加的能量转换为电能。
22.根据权利要求21所述的热电子能量转换器设备，其中：
-热机与所述电子收集器(21)连接。
23.根据权利要求1至20中的任一项所述的热电子能量转换器设备，
其中：
-电源(70)被连接在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间，
-所述电子发射器(11)被布置为将要通过对所述电子(1)的所述释放来冷却的散热器，和/或所述电子收集器(21)被布置为将要通过对所述电子(1)的所述收集来加热的热源，并且
-所述热电子能量转换器设备被配置用于将电能转换为热能。
24.一种使用根据前述权利要求中的任一项所述的热电子能量转换器
设备(100)来转换能量的方法，包括以下步骤：
-从所述电子发射器(11)释放电子(1)，
-由所述间隙(2)中的所述加速电势将从所述电子发射器(11)释放出的所述电子(1)通过所述电极开口(34)朝向所述电子收集器(21)加速，
-使从所述电子发射器(11)释放出的所述电子(1)经受所述磁场，其中，所述磁场的所述磁场线经过所述电极开口(34)，并且
-利用所述电子收集器(21)来收集所述电子(1)。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：
-利用冷却设备(50)来冷却所述电子收集器(21)。
26.根据权利要求24至25中的任一项所述的方法，其中：
-所述磁场是利用至少一个永磁体(51,52)和至少一个电磁体特别是至少一个超导线圈中的至少之一来创建的，所述至少一个永磁体(51,52)和至少一个电磁体中的至少之一被分别相邻于或邻近于所述电子发射器(11)和所述电子收集器(21)中的至少之一布置。
27.根据权利要求24至26中的任一项所述的方法，还包括以下中的至少之一：
-利用辅助栅电极(32)来将所述电子(1)朝向所述电子收集器(21)加速，并且
-利用屏蔽电极(33)来屏蔽所述栅电极(31)的面向和/或背离所述电子发射器(11)的表面。
28.根据权利要求24至27中的任一项所述的方法，其中：
-从所述电子收集器(11)释放所述电子(1)的步骤包括从被布置在所述电子发射器(11)上的微米结构和纳米结构中的至少之一(13)发射电子(1)。
29.根据权利要求24至28中的任一项所述的方法，其中：
-在所述电子收集器(21)处收集所述电子(1)的步骤包括利用被布置在所述电子收集器(21)上的微米结构和纳米结构中的至少之一(13)来收集所述电子(1)。
30.根据权利要求24至29中的任一项所述的方法，其中：
-dc电压被施加到所述栅电极(31)。
31.根据权利要求30所述的方法，其中：
-利用ac电压调制来叠加所述dc电压。
32.根据权利要求24至31中的任一项所述的方法，其中：
-所述栅电极(31)的材料的功函数比所述电子发射器(11)的材料的功函数更低，
-所述栅电极(31)与所述电子发射器(11)电气连接，并且
-所述间隙(2)中的所述加速电势是通过所述栅电极(31)的材料的所述功函数与所述电子发射器(11)的材料的所述功函数的差来创建的。
33.根据权利要求24至32中的任一项所述的方法，其中：
-负载电路(60)被连接在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间，
-热能和辐射能中的至少之一被施加到所述电子发射器(11)，并且
-所述热电子能量转换器设备被用于将施加的能量转换为电能，其中，因此在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间的所述负载电路(60)中创建电流。
34.根据权利要求33所述的方法，其中：
-热机与所述电子收集器(21)连接。
35.根据权利要求24至34中的任一项所述的方法，其中：
-电源(70)被连接在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间，
-电压被施加在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间，并且
-所述热电子能量转换器设备被用于将电能转换为热能，其中，所述电子发射器(11)通过对所述电子(1)的所述释放来冷却，和/或所述电子收集器(21)通过响应于施加所述电压而对电子的所述收集来加热。
36.一种热电子能量转换器设备(100)，包括：
-电子发射器(11)，其适于对电子(1)的温度相关释放，
-电子收集器(21)，其适于收集所述电子(1)，其中，所述电子收集器(21)通过间隙(2)与所述电子发射器(11)隔开，以及
-栅电极(31)，其被布置在所述电子发射器(11)与所述电子收集器(21)之间，以用于使所述间隙(2)中的所述电子(1)经受加速电势，
所述热电子能量转换器设备(100)的特征在于：
-所述栅电极(31)的材料的功函数比所述电子发射器(11)的材料的功函数更低，并且
-所述栅电极(31)与所述电子发射器(11)电气连接。
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