CN1138775A - 结构引发非平衡电离热电子发电器 - Google Patents

Abstract

本发明电器属热电子发电领域。其特征及用途是：因密集排列的阳极细条与工质热传导方向相平行，与阴极相垂直而受热不均，其冷热两端产生了电位差，热端带正，冷端带负。这种阳极细条能对内电路电子产生吸引力。另外，阳极细条冷端负电荷吸引工质中正离子，在其表面形成了正电荷鞘，而鞘正电荷亦对内电路电子产生吸引力。以上两个吸引力对电子加速使工质产生非平衡电离而提高热电子发电的工质电导率。而发电器的结构特征又产生新的鞘层发电方式。因而提高了热电效率。

Description

结构引发非平衡电离热电子发电器

热电子发电器是一种把热能直接转变为电能的发电装置。本来，这种发电方式很先进，但科学家对它已研究二、三十年了，至今却未能得到实际的应用。原因是它的工质气体采用热电离，而单纯热电离要达到发电所必需的20西/米的电导率，工质温度需高达6000K左右。当工质中加入低电离电位的铯蒸气后，要达到相同的电导率，工质温度亦需要2500K左右，这是当今的耐火材料所无法长时间承受的。若在加铯热电离的基础上再增加非平衡电离(非热电离)措施，要使工质气体在1500-2000K的温度下有20西/米的电导率，则必需大量消耗其它高附加值的非热能，例如对工质气体外加电场、电磁辐射等以使工质中的铯原子电离。但这些非平衡电离措施效率甚低，经济上很不合算，因而亦无实用价值。

我现今仅仅通过发电器的结构特点而引发的正电荷吸引力和阳极吸引力，可以毫不消耗其它非热能，便能使加铯工质气体产生非平衡电离而提高工质气体的电离度和电导率，使发电器工质在1500-2000K的温度下达到较高的热电转换效率。

为使以下论述能结合附图进行，得首先对附图作图面说明如下：

阴极1(因有两种形状的发电器，因此阴极1可以是阴极板或是园筒阴极)阳极细条2、阳极3(因有两种形状的发电器，因此阳极3可以是阳极基板或是园筒阳极)、外壳4、惰性气体及铯种子进出口开关5、发电通道6、阳极细条间隙7、加热源(或燃烧室)8、发电器所有阳极细条正电荷中心9、发电器所有阳极细条负电荷中心10、燃料入口11、空气对流孔12、与煤气灶相似的打火装置13、炉膛14、烟道口15，高温废气流向16和正电荷鞘层17。

图1：结构引发非平衡电离热电子发电器纵剖面示意图。

图2：受热不均匀的金属导体其冷、热两端产生了电位差

     (即产生了正、负电荷分离)说明图。

图3：原有的热电子发电器没有阳极吸引力说明图。

图4：园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器横剖面示意图。

图6：园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器上底面示意图。

图6：园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器纵剖面示意图。

图7：园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器下底面示意图。

图8：冶金炉烟道口利用废气余热发电的园筒形结构引发非平衡

     电离热电子发电器纵剖面示意图。

为使所属专业人员能够充分理解本发电器通过其结构特点，使工质气体产生非平衡电离(非热电离)而提高工质气体电导率的原理，有必要详细论述有关技术方案：(1)发电器制作用材：1、2、3均是耐高温、抗腐蚀的合金良导体。可选用FS-85合金(《材料手册》美G·S布拉德H·R克劳瑟著，科学出版社89年版641页)。其成分是：铌60.6％、钽28％、钨10.5％和锆0.9％。这种合金的熔点为2863K，在高于1644K时抗拉强度103Mpa。FS-85合金主要成份的相对电导率为(银为100)：铌12.2、钽54.63、钨14(《材料手册》640页及1244页)。铌、钽、钨都有很强的抗酸、碱腐蚀性能(《材料手册》640页，888页及965页)。由此可见，必需耐受高温、抗酸碱腐蚀、导电良好的本发电器的1、2、3，很适宜用FS-85合金制作。此外，可供选用的难熔、抗腐蚀、导电良好的金属或合金还有许多。(2)发电器4使用密封、绝缘、隔热、耐高温的氧化镁陶瓷制作。外加石棉层，石棉之处更以不锈钢薄板作最外层。(3)1与3相平行，2与3相垂直，2与3是连接为一体的(见附图1)。发电器内腔是完全密封的。从5向发电器的6和7充入惰性气体及按气体重量比充入1-4％的铯种子后，便将5完全密封，使惰性气体及铯种子长期保存其内，不再泄漏。(4)根据气体热电离理论，若要使电离气体成为宏观电中性的等离子体，那么电离气体所在系统的线度L，必须远远大于德拜长度λD(λD＝6.9×10-3厘米)即L＞＞λD。我把7的宽度，设定为0.5-1厘米之间，就是为了使7内基本保持宏观电中性，确保铯原子电离产生的铯离子能作为宏观电中性的粒子顺利进入7内，为在发电器内电路中产生结构引发的正电荷吸引力作好准备。(5)金属导体受热不均匀时，将产生正、负电荷分离现象，即在金属导体的冷、热两端产生了一定的电位差(见附图2)。原理是：

因为电子热运动的速度与温度关系密切，温度越高，电子运动速度越快。当金属导体受到不均匀加热时，热端的自由电子就比冷端的运动得快，运动较快的电子常常从热端迁移至冷端，进入冷端的快速电子与冷端的运动较慢的电子之间发生碰撞时，将自己一部分动能传递给慢速电子后，速度就减慢了，最后以与它周围的自由电子几乎相同的速度运动。这样，从热端进入冷端的自由电子好像被“卡”在冷端了，因而从冷端进入热端的自由电子是非常少的。由此可见，不均匀加热使较多的自由电子聚集在金属导体的冷端，冷端成了负极，热端缺少电子，成了正极，因而冷、热两端之间产生了正、负电荷分离现象，即产生了一定的电位差。冷、热两端温差愈大，两端间的电位差也愈大。(6)1的正、负电荷分离：据上原理，当1受到8加热，1受热面上将出现空穴(缺少电子)，带正电荷；1背热面上则聚集着较多的自由电子，带负电荷(见附图1)。(7)2的正、负电荷分离：同理，2近热段出现了空穴(缺少电子)，带正电荷；2远热段则聚集着较多的自由电子，带负电荷(见附图1)。(8)3带负电荷：因为3是与许多2连接为一体的，即3属于2远热段的延伸，因此3与2远热段一样，亦聚集着较多的自由电子，带负电荷(见附图1)。(9)当8以2300K温度加热1时，发电器内(设发电器内总的高度仅5-10厘米)的6和7中的惰性工质气体将能达到约1800-2300K之间的温度梯度。惰性工质气体中的铯原子受热后将部分热电离为铯离子和电子。此时发电器内呈宏观电中性。(10)正电荷鞘层的形成：7惰性工质气体中的铯离子因受到2远热段所带电子负电荷的吸引力，将在2远热段表面附近的周围空间，形成一层稳定的、薄薄的铯离子薄层，即正电荷鞘层(见附图1)。

同理，由于3与2的远热段一样带负电荷，因而在3表面附近空间亦将形成一层稳定的、薄薄的铯离子层，即正电荷鞘层(见附图1)。(11)正电荷吸引力的产生：由于2远热段和3聚集着较多的自由电子负电荷，因而将把惰性工质气体中的铯离子吸附在其表面附近空间，并形成稳定的铯离子薄层，即正电荷鞘层。本文所称的正电荷吸引力，正是由于这些正电荷鞘层的正电荷，对1发射出来的电子负电荷，产生了库仑长程吸引力而言。

正电荷吸引力将能大大加快1发射出来的电子及6惰性工质气体中的电子由1向2和3迁移的运动速度。而对电子的加速正是非平衡电离(非热电离)的成因。(12)热能对电子的定向推力的产生：当8以2300K的温度加热1时，由于发电器内总的高度仅5-10厘米，因此加热将使6和7内的惰性工质气体的温度，很快便形成了从2300K向1800K左右逐渐递降的温度梯度。根据气体热传导理论，此时发电器内的惰性工质气体将产生热传导现象。即1一侧惰性工质气体的动能，将向2和3一侧定向迁移。在此过程中，1发射出来的电子亦随惰性工质气体动能的定向迁移而获得定向加速(电子从1向2和3加速运动)。我将热能对电子的这种定向作用力称之为热能对电子的定向推力。(13)阳极吸引力的产生：所谓阳极吸引力，其值等于2近热段空穴所带正电荷对1发射出来的电子负电荷所产生的库仑长程吸引力，减去2远热段所带电子负电荷对1发射出来的电子负电荷所产生的库仑长程斥力。

产生阳极吸引力的根本原因是因为2与1相垂直，是因为2的方向与发电器内惰性工质气体的热传导方向相平行。这种方向的2，必然受热不均匀。根据上第3页“(5)”的原理。由于2近热段比2远热段更较近发电器的8，因此2近热段的温度＞2远热段的温度。此情况下，2近热段上快速运动的自由电子，将向2远热段迁移。当进入2远热段的快速电子与2远热段上运动较慢的电子之间发生碰撞时，将自己一部分动能传递给慢速电子后，速度就减慢了，最后以与它周围的自由电子几乎相同的速度运动。这样，从2近热段进入2远热段的自由电子，好像被“卡”在2远热段了，因而从2远热段进入2近热段的自由电子是非常少的。由此可见，与发电器内惰性工质气体的热传导方向相平行的2，受到如上不均匀加热后，将有较多的自由电子聚集在2的远热段，因而带负电荷；而在2近热段，由于出现了空穴(缺少电子)，因而带正电荷(见附图1)。

2之所以能对1发射出来的电子，产生巨大的吸引力，大大加快电子由1迁至2和3的运动速度，并促进1顺利、大量发射电子，原因有以下两方面：A、有利因素得到大发扬：

由于2与1相垂直，当2密集排列时(即7很狭窄)，发电器内所有2近热段上的空穴正电荷，便大集中于距离1较近的位置，即9距离1较近。根据库仑定律F＝Qq/εr²关于两点电荷之间的作用力与其距离的平方成反比的原理，9便必然要对1发射出来的电子负电荷产生很强的库仑长程吸引力。因而大大加快电子由1迁至2和3的运动速度，而对电子的加速正是非平衡电离(非热电离)的成因。B、不利因素得到大抑制：

由于2与1相垂直，当2密集排列时(即7很狭窄)，发电器内所有2远热段上的电子负电荷，便大集中于距离1较远的位置，即10距离1较远。好得很！这些在发电器内能对1发射出来的电子产生同性相斥力，即具有阻碍、减慢1发射出来的电子由1向2和3迁移的不利因素(亦即限制1大量、顺利发射电子的不利因素)，今已大集中于距离1较远的位置上去了。根据库仑定律F＝Qq/εr²关于两点电荷之间的作用力与其距离的平方成反比的原理，负电荷大集中于距离1较远的位置上(即10位于距离1较远的位置)，无疑将使1发射出来的电子由1向2和3迁移的阻力大大减弱了。阻力既已得到减弱，电子便可加快由1向2和3迁移的运动速度了。而对电子的加速正是非平衡电离(非热电离)的成因。

总结以上A、B两方面的因素，即可得出结论：

发电器所有2近热段上的空穴正电荷对1发射出来的电子负电荷所产生的总的库仑长程吸引力》(远远大于)发电器所有2远热段上的电子负电荷对1发射出来的电子负电荷所产生的总的库仑长程斥力。

因而电子得以大大加快由1迁至2和3的运动速度。而对电子的加速正是非平衡电离(非热电离)的成因。以上就是阳极吸引力使工质气体产生非平衡电离的总根源。(14)原有的热电子发电器因何没有阳极吸引力？

答：原因是它的3与1相平行，但却没有与1相垂直的2(见附图3)。假设原有的热电子发电器3的厚度为0.5厘米，此情况下，3受热面与3背热面之间的正、负电荷分离的距离也就只有0.5厘米了。这样小的3正、负电荷分离的距离是谈不上有什么阳极吸引力的。因为决定阳极吸引力值的大小，有两个根本的要素：①3正、负电荷分离的距离。②3空穴正电荷的密集程度和3电子负电荷的密集程度。(15)本发电器内惰性工质气体产生非平衡电离(非热电离)的成因：

当8以2300K的温度加热1，使发电器内6和7内的惰性工质气体达到1800-2300K之间的温度梯度，惰性工质气体中的铯原子受加热后产生了低度的热电离，在此基础上，由于发电器内电路惰性工质气体中的电子受到上述①热能对电子的定向推力、②正电荷吸引力和③阳极吸引力三个同方向作用力的共同作用而加速，使电子大大加快由1向2和3迁移的运动速度。当高速电子与惰性工质气体中尚未电离的铯原子发生碰撞，因而又产生出更多的自由电子和铯离子(即产生碰撞电离)，这就进一步提高了惰性工质气体的电离度和电导率。因此，本发电器内惰性工质气体虽仅有1800-2300K之间的温度梯度，但其电离度和电导率将达发电所必需的水平。(16)由FS-85合金制作的1、2和3，能耐受1800-2300K的温度梯度吗？

发电器内的温度梯度虽为1800-2300K之间，但此时6中的惰性工质气体的平均温度为2000K左右。而在7中的惰性工质气体的平均温度，则仅有1800～1900K左右。在此一温度下，使用FS-85合金(见上2页叙述)制作的2和3，是基本能够承受的，因而其连续工作的使用寿命较长。1虽长期经受2300K的高温，使用寿命相对较短，但对发电器仅单独一块的1作新旧更换是很容易办的。(17)为何把惰性工质气体中的铯种子的重量比控制在1～4％的水平上：

把惰性工质气体中铯种子的重量比控制在1～4％这一较低的水平上是有根据的。因为惰性工质气体中假若铯原子太多太密，铯原子将会与惰性工质气体中高速运动的电子发生碰撞过频，以至使电子的动能大损，速度因而锐减，当电子失去足够的动能和运动速度时，再与铯原子发生碰撞，就不可能使铯原子发生碰撞电离，这样便不能提高惰性工质气体的电离度和电导率了。因此，惰性工质气体中的铯种子重量比不能过高。(18)本发电器有两种发电方式：

I、热电子发电方式：在上述三个同方向作用力的共同作用下，1发射出来的电子遵循电力线的轨迹由1迁移至2和3，并最后进入了2和3，称为热电子发电。

II、鞘层发电方式：由于电子的扩散迁移速率远大于离子的扩散迁移速率。当7惰性工质气体中的各种粒子依靠粒子本身所具动能而进行无规热运动时(扩散时)，因惰性工质气体中电子的扩散速度比离子快得多，所以电子将首先扩散到达2和3的表面，电子将随即进入2和3。电子在7通过无规热运动的扩散作用而进入2和3的，称为鞘层发电。

等离子体在其固体容器内，等离子体中的电子由于扩散迁移速率远大于等离子体中的离子的扩散迁移速率，困此等离子体中的电子将首先扩散到达固体容器的壁面上形成一层德拜厚度的电子鞘层。由于鞘层发电类似于等离子体中的电子在其固体容器内的电子成鞘运动(电子扩散作用)过程，故称之为鞘层发电。

由于发电器2是密集排列的，发电器总的2表面积十分巨大，因此电子在7通过电子成鞘运动(电子扩散作用)而进入2和3的机遇极大，所以这种发电方式发出的总电量很大，值得高度重视。

圆筒形结构引发非平衡电离热电子发电器(见附图4、5、6、7)：

(1)1、2、3均由FS-85合金制作(见上第2页介绍)。

(2)4使用密封、绝缘、隔热、耐高温的氧化镁陶瓷制作，外加石棉层，石棉之外更以不锈钢薄板作最外层。

(3)发电器内6、7与外界完全密封。通过5一次性向发电器6、7充入惰性气体及1～4％重量比铯种子，然后把5完全封闭，不再泄漏，使惰性气体及铯种子长期保存其内。

结构引发非平衡电离热电子发电器的各种用途：

(1)作为大、中、小型发电厂的主机发电。

(2)冶金炉15废气余热发电(见附图8)：

在紧连14的15，废气温度一般也有1800K左右。在那里安装一个圆筒形结构引发非平衡电离热电子发电器。发电器的8是无上底和下底的。高温14废气从1中央穿过时，就能加热发电器的1。这样14高温废气便成了发电器不另耗燃料的8了。当高温废气将1加热至1800K左右的温度，发电器内的6和7中的惰性工质气体就能达到1500～1800K之间的温度梯度，产生低度的热电离。在此基础上，由于发电器①热能对电子的定向推力和发电器结构特点而引发的②正电荷吸引力、③阳极吸引力三个同方向作用力大大加快内电路电子由1迁至2和3的运动速度，当高速电子与惰性工质气体中尚未电离的铯原子发生碰撞时，将又产生出更多的自由电子和铯离子，使惰性工质气体的电离度和电导率大大提高，即实现了非平衡电离(非热电离)，因而能够发出大量的直流电。

(3)工厂、企业的大小锅炉，家庭、店铺的大、小灶15废气余热发电：

那些15的废气温度亦高达1500-1800K左右。使用以上相同发电方式，即可利用废气余热不费燃料而发出直流电。这对缓和当前遍及全国的电紧张局面，尤其对解决广大农村生产、生活用电困难，更为实用。在不用电之时，又可将发电器发出的直流电给蓄电池充电以备急用。

(4)太阳能聚焦的热能通过加热结构引发非平衡电离热电子发电器的1而进行发电：

由于太阳能聚焦较易达到1800K左右的温度，所以这种发电方式将是很实用的。由于本发电器发电效率很高(有两种发电方式)因而采用这种发电方式发电，应有较高的发电效率。

(5)将本发电器应用于制造电动机车——即仅用一个园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器和一个电动机相配合，完全代替机车动力系统中原来的内燃发动机、发电机、起动机(即电动机)、蓄电池和电打火装置五个装置的五种功能。

起动程序：以本发电器内13使导入园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器(见附图4、5、6、7)8内的气态或液态燃料起火燃烧，即可发出直流电供机车的电动机使用。电动机起动后即可带动机车传动装置作功而使轮子运行。

这样，机车便不再需要内燃发动机、蓄电池和电打火装置了。如此的机车将能大幅减轻机车自重，大幅降低机车造价和运行成本。由于不设内燃发动机，因而机车的噪音将大减。

本发电器发出直流电→使机车电动机工作→机车传动装置作功使轮子运行。

Claims (5)

1、由发电器的结构特征而引发的阳极吸引力(达到本发明目的的必要技术特征之一)。

其特征是：在发电器阳极基板(3)之上，连接着无数的垂直于阳极基板(3)、密集排列的阳极细条(2)。阳极细条(2)与发电器内工质热传导方向相平行、与阴极(1)相垂直，因而受热不均匀，所以在其近热段与远热段之间产生了一定的电位差。近热段带正电荷，远热段带负电荷。阳极细条(2)近热段所带正电荷对阴极(1)发射的电子负电荷和内电路电子负电荷产生了库仑长程吸引力；阳极细条(2)远热段所带负电荷对阴极(1)发射的电子负电荷和内电路电子负电荷产生了库仑长程斥力。因阳极细条(2)近热段比其远热段更接近阴极(1)，根据库仑定律两点电荷之间的作用力与其距离的平方成反比的原理，可知上述的库仑长程吸引力＞上述的库仑长程斥力。所谓阳极吸引力，其值等于上述的库仑长程吸引力，减去上述的库仑长程斥力。

因此，阳极吸引力能加快电子由阴极(1)一侧迁向阳极细条(2)和阳极基板(3)一侧的运动速度。而对电子的加速是非平衡电离(非热电离)的成因，故能提高热电子发电工质电导率和热电效率。

2、由发电器的结构特征而引发的正电荷吸引力(达到本发明目的的必要技术特征之二)。

其特征是：在发电器阳极基板(3)之上，连接着无数的垂直于阳极基板(3)、密集排列的阳极细条(2)。阳极细条(2)与发电器内工质热传导方向相平行、与阴极(1)相垂直，因而受热不均匀，所以在其近热段与远热段之间产生了电位差。近热段带正电荷，远热段带负电荷。阳极细条(2)远热段所带负电荷对阳极细条间隙(7)工质中正离子产生了吸引力，因而在阳极细条(2)远热段表面形成了一层稳定的正离子薄层，即正电荷鞘层。由于鞘正电荷对阴极(1)发射的电子负电荷和内电路电子负电荷产生了库仑长程吸引力，因而加快电子由阴极(1)一侧迁向阳极细条(2)和阳极基板(3)一侧的运动速度。而对电子的加速是非平衡电离(非热电离)的成因，故能提高热电子发电工质电导率和热电效率。

3、由发电器的结构特征而产生的鞘层发电方式(达到本发明目的的必要技术特征之三)。

其特征是：由于与阴极(1)相垂直的阳极细条(2)是密集排列的，即相邻两阳极细条(2)之间的空间——阳极细条间隙(7)很狭窄，当宏观电中性的电离工质气体进入这样狭窄的空间后，工质中的电子依靠本身的动能在进行无规热运动的过程中，极其频繁地与其周围的阳极细条(2)的表面相碰撞而进入阳极细条(2)。由于发电器所有阳极细条(2)总的表面积巨大，所以电子在阳极细条间隙(7)通过这种方式进入阳极细条(2)的机遇极大，即鞘层发电发出的总电量将很大。本发电器由于在热电子发电方式的基础上又增加了鞘层发电方式。因而将大大提高总的热电转换效率。

4、冶金炉、大小锅炉或大小灶烟道口(15)废气余热发电。

引用部分：1、由发电器的结构特征而引发的阳极吸引力。2、由发电器的结构特征而引发的正电荷吸引力。和3、由发电器的结构特征而产生的鞘层发电方式。

限定部分：将一个燃烧室(8)无上底和下底的园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器安装在冶金炉、大小锅炉或大小灶的烟道口(15)处，让烟道高温废气先从发电器的园筒阴极(1)的中央[园筒阴极(1)的中央即燃烧室(8)]穿过，然后再流向烟囱而排出。这样烟道高温废气就能加热发电器的园筒阴极(1)而发出大量的电流。

由于1和2能提高工质气体电导率，从而提高热电转换效率。而3能直接提高热电转换效率。因此，烟道废气温度虽不甚高，却能发出大量的电流。

由于燃烧室无上底和下底，这种型号的园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器是专为利用烟道口(15)废气余热发电而设计的，因此，这一技术应成为本从属权利要求的技术特征。

5.将本发电器应用于制造电动机车——即仅用一个园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器与一个电动机相配合，完全代替机车动力系统中原来的内燃发动机、发电机、起动机(即电动机)、蓄电池和电打火装置五个装置的五种功能。

引用部分：1、由发电器的结构特征而引发的阳极吸引力。2、由发电器的结构特征而引发的正电荷吸引力。和3、由发电器的结构特征而产生的鞘层发电方式。

限定部分：由园筒形结构引发非平衡电离热电子发电器内的与煤气灶相似的打火装置(13)使已导入发电器燃烧室(8)的气态或液态燃料起火燃烧，即可发出大量的电流供机车电动机使用，从而使传动装置作功而带动轮子运行。

由于结构引发非平衡电离热电子发电器的园筒形型号，它的燃烧室有上底和下底，并设有一个与煤气灶相似的打火装置。此仍专为制造结构简单、实用的电动机车而设计的  因此这一技术，应成为本从属权利要求的技术特征。

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