CN1244292A - 改进的热电转换器 - Google Patents

Abstract

一种改进的热电转换器(200),利用金属丝网阴极(220)提供更大的蒸发电子的面积。另外利用弯曲的电子发射面能够得到更大的电子发射面积。激光器(242)在电子到达阴极前的瞬间对电子进行量子干扰,降低电子能级,使电子更易于被阳极(206)捕获。该结构提高了转换效率并降低电子散射。

Description

改进的热电转换器

本发明总的说来涉及直接将热能转化为电能的领域，具体地说，涉及一种改进的热电转换器。

如美国专利3,519,854，3,328,611，4,303,845，4,323,808及5,459,367(均授权为本发明的发明人，在这里作为参考文献)所记载的的热发射转换器已为人所知，其中公开了直接将热能转化为电能的各种设备和方法。美国专利3,519,854描述的转换器利用霍尔效应技术作为输出电流的集电装置。该专利教导使用从作为电子源的发射阴极表面逸出的电子束。这些电子朝着与霍尔效应换能器相分离的阳极被加速，该阳极是非常简单的金属板，带大量静电的元件环绕着金属板并与金属板绝缘。

美国专利3,328,611公开了一种球形的热发射转换器，其中，球形发射阴极受热，因而在控制元件的作用下向同心设置的球形阳极发射电子，其上面有高的正电势并与控制元件绝缘。同专利′854相同，专利′611的阳极也是简单的金属表面。

美国专利4,303,845公开了一种热发射转换器，其中，阴极发出的电子束穿过横向磁场内的气芯电感线圈，因而由于电子束和横向磁场的相互作用而在电感线圈中产生电动势。该专利′854的阳极也包括金属板，一带大量静电的元件环绕金属板并与金属板绝缘。

美国专利4,323,808公开了一种激光激励的热发射转换器，该转换器与专利′845中的热发射转换器非常相似。主要的区别在于，专利′808公开的是，在去掉加在上面汇集电子的格网上的电势的同时，将激光加到格网上，从而生成电子团，电子团经过位于横向磁场中的气芯电感线圈朝着阳极被加速。专利′808的阳极与专利′845的阳极相同，即为一简单的金属板，带大量静电元件环绕金属板并与其绝缘。

美国专利5,459,367优选使用了一种改进的集电元件，其阳极用钢棉纤维和硫酸铜胶体代替金属板，另外，该集电元件具有环绕阳极并与阳极绝缘的高带电(即静电)元件。

在另一个现有设计方案中，阳极和阴极位于真空腔内，彼此靠近，间隔例如2微米。这种设计方案除了将铯引入罩着阳极和阴极的腔内以外，没有利用别的吸引力将阴极发射的电子吸向阳极。铯将正电荷涂在阳极上使电子保持流动。由于阴极和阳极靠得太近，很难使阴极和阳极保持具有显著不同的温度。例如，一般地，阴极为1800开氏温度，而阳极为800开氏温度。用热源来加热阴极，而在阳极处设置冷却循环系统，而将阳极维持在需要温度。尽管腔维持为真空(没有铯源)，但是，热量从阴极传到阳极，因而在靠得很近的阴极和阳极间维持高温度差要消耗大量能量。于是，显著降低了系统效率。

相应地，本发明的目的是提供一种新的、改进的热电转换器。

更具体地说，本发明的目的是提供一种转换效率提高了的热电转换器。

本发明的第二个目的是提供一种用于热电转换器的改进的阴极。

本发明的第三个目的是提供一种热电转换器，其阴极和阳极明显地分开，使它们彼此热绝缘。

本发明的第四个目的是提供一种热电转换器，其中在电子撞击阳极前瞬间将电子的能量去掉。

本发明上述及其他目的在随后的描述中会变得清楚，并由下述的热电转换器实现，其包括：壳体件；壳体件内阴极，受热时工作，用作电子源；壳体内的阳极，能接收从阴极发射的电子。该阴极为金属丝网，金属丝沿至少两个相互交叉的方向延伸。带电的第一会聚环在壳体件内，位于阴极和阳极之间，能够将阴极发射的电子经电子路经上的第一会聚环导向到阳极，带电的第二会聚环在壳体件内位于第一会聚环和阳极间，能够将阴极发射的电子经由电子路经上的第二会聚环导向到阳极。还可使用其他的会聚环。阴极最好与阳极分开4微米到5厘米。更好的是，阴极与阳极分开1～3厘米。激光器用来轰击阴极和阳极间的电子(即将激光加到电子上)。激光器在电子到达阴极前的瞬间轰击电子。激光能够对电子进行量子扰动，使电子能易于被阳极捕获。

阴极金属丝网最好包括至少四层金属丝，而且每个金属丝层的金属丝沿着不同于其他层金属丝的方向延伸，因此，阴极金属丝网包括沿着至少四个不同方向延伸的金属丝。这种设计大大增加了阴极的发射表面。

本发明还可描述成一种热电转换器，其包括：壳体件；壳体件内的阴极，受热时能够用作电子源；壳体件内的阳极，能够接收从阴极射出的电子；以及能够轰击阴极、阳极间的电子的激光器。激光器对电子进行量子干扰，使电子更易于被阳极捕获。激光器能够在电子达到阳极前瞬间轰击电子。激光器能够在电子达到阳极前2微米内轰击电子。阴极为金属丝网，其金属丝沿着至少两个相互交叉的方向延伸，阴极与阳极分开4微米到5厘米。

本发明还可描述为一种热电转换器，其包括：壳体件；壳体件内的阴极，加热时用作电子源；壳体件的阳极，能够接收从阴极射出并大致沿着构成从阴极到阳极方向的运动方向前进的电子。阴极的投影横截面垂直于该运动方向，阴极的电子发射面向阳极发射电子，电子发射面至少比投影横截面积大30％。阴极为金属丝网，其金属丝沿至少两个相互交叉的方向延伸。另外，或附加地，阴极沿垂直于运动方向的至少一个方向弯曲。一激光器能够在电子到达阳极前瞬间轰击阴极和阳极间的电子。优选的，电子发射面面积至少为投影横截面积的两倍。更好的是，电子发射面面积至少为所述投影横截面积的两倍。金属丝直径越小，发射面积越大，并呈指数关系。

下面参照附图详细描述本发明，其中相同的标号代表相同的元件。图中，

图1是现有技术的热电转换器的示意图；

图2是现有技术的激光激励热电转换器的示意图；

图3是根据本发明热电转换器的横截面侧视示意图；

图4是用于阴极的金属丝网的俯视图；

图5是金属丝网结构一部分的侧视图；

图6是另一种金属丝网结构一部分的侧视图；

图7是金属丝网结构中多层的侧视示意图；及

图8是另一种阴极结构的简化侧视图。

图1和图2分别为授给Edwin D.Davis，即本发明的发明人的美国专利4,303,845和4,323,808中示出并描述的现有技术热发射转换器，其中公开的全部内容在这里引作参考。虽然这两种热发射转换器在引入的专利中详细进行了描述，但这里参照图1和2大致地介绍其工作情况。这对理解本发明可以提供有益的背景知识。

图1示出了一种基本的热电转换器。图2示出了一种激光激励热发射转换器。这两种转换器的工作情况非常相似。

附图示出了基本的热电转换器10。转换器10有一细长的圆柱形外壳12，并安装有端壁14，16，从而构成了封闭腔18。壳12由公知的任何一种强度高的非导电材料制成，例如，高温塑料或陶瓷。而端壁14，16为金属板，上面能形成电连接。这些元件机械连接在一起，并气密密封，使腔18能保持真空。在端壁14，16之间可以施加并维持较高的电势。

第一端壁14有一成型阴极区20，其内表面上设有电子发射涂层(未示出)；第二端壁16制成圆形、略凸的表面，其首先安装在绝缘环21中而形成一组件，然后全部的元件配装到壳12上。使用中，端壁14，16分别用作转换器10的阴极端子和集电板。在两个壁之间，电子束22沿着圆柱形腔18的对称轴线前进，起始于阴极区20，并终止于集电板16。

环形会聚件84同心地位于腔18内，邻近于阴极20。挡板件26同心地位于腔18内，邻近于集电板16。

上述两个元件之间设有电感组件28，其包括螺线管电感线圈30和细长的环形磁铁32，线圈30和磁铁32同心地位于腔18内，并占据其中心区域。简略地参照图2的侧视示意图，可以看到各种元件和组件的相对经向定位，其清楚起见，用于这些位于里面的元件的机械定位装置没有包括于这两个图中。会聚件24经引线34和气密封的进给通孔36连接到外静电电势源(未示出)。电感线圈30类似地经一对引线38，40和一对进给通孔42，44连接到简单地示为电阻46的外部负载件。

施加到各种元件上的电势由于构成了用于实施相关电子束器件的公知和传统装置，于是没有清楚地示出，也没有详细讨论。简单地讲，(传统上)将阴极区20作为电压基准。高的正静电荷加到集电板16上，通过将外电路的负极侧连接到阴极20上而完成含有该电压源的外电路。所施加的高的正静电荷使从阴极区20出来的电子束22朝着集电板16加速，电子束的值直接取决于施加的高静电荷的大小。电子以足够的速度撞击在集电板16上而产生一定量的回弹。挡板件26的构形和位置成能防止这些回弹电子到达转换器的主要部分，电连接(未示出)按需要布置在上面。较低到中等大小的负压加在会聚件24上，将电子束22会聚成窄束。在工作中，用热源48(可利用矿物燃料的燃烧、太阳能装置、原子能装置、来自于目前原子操作时的原子废料或热交换器等多种热源)加热阴极20上的电子发射涂层，而蒸发出大量的电子。逸出的电子由会聚件24会聚成窄束并朝着集电板16被加速。当通过电感组件28时，电子受到磁铁32产生的磁场作用，并进行相互作用的运动，而在电感线圈30的线匝中感生出电动势。实际上，感生出的电动势是大量单个电子进行小的国环环流时在线圈30的各个圈中产生的微小电动势的和。总的说来，转换器的输出电压正比于电子的行进速度，而输出电流取决于电子源的尺寸和温度，感生电动势的机理可以解释为，开始有直线速度的电子进入到与电子速度正交的大致均匀磁场中时，洛伦兹力会作用在这些电子上，在一适当结构的装置中，螺线电子路径按法拉弟定律能产生所需的净磁通变比率，从而生成感生电动势。

这种螺线形电子路径由集电板16的加速作用产生的直线行进路径与初始电子速度和磁铁32的横向磁场相互作用产生的圆形路径综合而成。根据施加在集电板16上的高电压的相关幅值和磁铁32产生的磁场强度和方向，也可以用其他的机制在电感线圈30中直接生成电压。上面概括性描述的机理只是作为举例性质的，而不应视为唯一可用的工作模式。但所有机制都来自于应用洛伦兹力和法拉弟条件的各种组合。

美国专利4,303,845中的基本转换器和美国专利4,323,808中的激光激励转换器的基本区别是，激光激励转换器收集从网176上阴极表面蒸发出的电子，负电势源178经引线180将小的负电势加在网176上，该转换器能捕获电子流和大量电子。去掉加在网上的电势，而同时将网暴露在从激光器组件170，173，174，20发出的激光脉冲之下，使电子团22逸出。电子团22被电子聚焦，并被导引通过横向磁场中的气芯电感线圈的内部，从而在电感线圈中产生电动势，并加到外电路上作功，如同上述的基本热发射转换器。

如本发明人的在先美国专利5,459,367所指出的，仅用导电金属板制成的集电件经常有许多附带的缺点，因此，该设计的集电件包括充满钢棉纤维的硫酸铜胶体导电层。本发明可以使用同样的阴极，不过，由于本发明的其他方面最大限度地减小或避免了这种金属板阳极引起的一些缺点，所以本发明也可以使用导电金属板阳极。从本质上讲，阴极的具体形式对本发明的最优设计并不重要。

请参见图3，根据本发明的热电转换器200包括壳体202，其中的真空由公知形式的真空设备(未示出)保持，壳体件202优选为绕着中心轴线202A的圆柱形，除非另有说明，中心轴线202A作为壳体件202和壳体件中各元件的对称轴线。

集电器204包括平面阳极圆板(例如由铜制成)，由带静电环208(例如充电到1000库仑)环绕。环208带有与其同心的绝缘环210。如专利5,459,367中讨论的那样，环208和环210可共同构造并工作。冷却件212与板206热联接，使从冷却剂源214出来的冷却剂经冷却回路经板206循环，将阳极板保持在所需温度。另外，冷却件212可以与阳极板206相同(换句话说，冷却剂能经板206循环)，可以使用有一个或多个传感器(未示出)的反馈结构来稳定阳极206的温度。

本发明的阴极组件218包括阴极220，其由热源加热并发射出电子，这些电子大致沿着向阳极206的运动方向202A移动(如在专利5,459,367中，带电环208有助于将电子吸向阳极)。尽管该热源图示为源222，其加热流体(液体或气体)经加热回路226流向加热件224(该加热件与阴极220热耦合)，但作用在阴极224上的激光器等能源也可以使用。进入源222中的能量可以为太阳能、激光、微波或者放射性材料。另外，那些贮存起来费用高而又没有价值的废弃核料也可以用来向源222提供热。

阴极220中获得能量而达到费米能级的电子从其表面逸出，受到静电环208的吸引，经第一和第二会聚环或者柱228和230沿运动方向202A运动，其结构和工作类似于上面讨论的现有技术中会聚件24的形式，为有助于电子沿正确方向运动，屏蔽件232绕在阴极224上。如图所示，屏蔽件232为圆柱形或锥形，包括靠近阴极224的圆柱部和运离阴极224的锥部。各种情况下，屏蔽件将会保持电子沿方向202A的运动。由于屏蔽件处于较高温度(从其旁边到较高温度的阴极220)，趋于从屏蔽件232排斥电子。另外，或者附加地，为了在屏蔽件的高温下排斥电子，屏蔽件232上加有负电荷。在后一种情况下，在屏蔽件232和阴极220间使用了绝缘物(未示出)。

相应于从阴极220到阳极206的电子流所产生的电能经阴极导线234和阳极导线236加到外电路238。

下面从转换器200的整体工作情况转换到其特有的优点方面，随着电子240等到达阳极206而趋于具有高能级。因此，一般会出现一些电子会从表面反弹回来而没有被捕获。这会导致电子散射而降低转换效率，为了避免或大大减小这种趋势，本发明使用激光器242在电子轰击阳极206前的瞬间轰击电子(即用激光束244轰击电子)、激光束244的光子和电子240之间的量子干扰降低了电子能态，使电子更易于被阳极206表面捕获。

从物理学的波粒二象性理论可以清楚，由激光束轰击的电子会显现波动和/或粒子特性(当然，本发明权利要求的范围并不限于任何一种具体的工作原理，除非某一权利要求明确指明，如量子扰动)。

这里所说的激光242在电子到达阳极的“刚好瞬间”用光束244轰击电子的意思是，被轰击的电子当继续行进到阳极206时不穿过任何别的元件(如会聚件)。更具体地，电子最好在到达阳极206的2微米内受到轰击。更好的是，电子在到达阳极的1微米内由激光轰击。实际上，第二会聚件230到阳极206间的距离可设为1微米，而激光器可以在更靠近阳极206的地方轰击电子。在上述情形下(即在电子到达阳极前瞬间轰击电子)，电子能量降低，使减少后的能量最合适和有用。

尽管壳体件202是不透明的，如金属件，但激光窗口由透明材料制成，使激光束204能从激光器242传播进壳体件202内的腔中。另一种方案是，将激光器242放置于腔中。

除了用激光器242在电子到达阳极前瞬间减小其能级来提高转换效率外，本发明的阳极进行了特殊设计，通过增大阴极220的电子发射面积来提高效率。

如图4所示，阴极220为圆形金属丝网248，顶层或第一层平行金属丝的金属丝250沿方向252延伸，而第二层平行金属丝的金属丝254沿方向256延伸，并与方向252交叉，最好是垂直于方向252。第三层平行金属丝(为便于说明只示出了一根金属丝258)沿方向260延伸(与方向252和256成45°)。第四层平行金属丝(为便于说明，只示出了一根金属丝262)沿方向264延伸(与方向260成90°)。

注意到，图4示出的金属丝之间分开较大的距离，但这只是为了图示的方便。优选地，这些金属丝为精压金属丝，同层中平行金属丝分开的距离与金属丝直径差不多，优选地，金属丝的直径为不足2mm至细丝的尺寸之间，金属线可以为钨丝或其他阴极用材料。

参见图5，金属丝250和254彼此错开，所有的金属丝250(图中只示出一根)置于一个公共面内，与放置所有金属丝254的公共面不同并错开。另外一种结构示于图6，金属丝250′(只看到一根)和254′按织物的形式相互交织在一起。

参见图7，另一种阴极220′有三部分266，268，270。每个部分266，268，270都有两层垂直的金属丝，如250，254(或250′和254′)。部分266具有伸进图7视图平面内的金属丝和平行图7平面的金属丝。部分268有两层金属丝，每层中的金属丝沿着与部分266中金属丝的一个方向成30°角的方向延伸。部分270有两层金属丝，每层中的金属丝沿着与部分266中金属丝的一个方向成60°角的方向延伸。

应该清楚，图7是示例地说明可以使用沿不同方向延伸的多层金属丝。

利用金属丝的形状和多层金属丝，阴极的各种金属丝网结构增大有效电子发射面积。另一种增大面积的方法示于图8中。图8示出了一种抛物型阴级280的侧视横截面，该阴极发射电子大致沿运动方向220A′运动。阴极280的投影横截面积A垂直于运动方向202A。很明显向阳极发射电子的阴极280的电子发射面积EA(按阴极的曲率)至少比投影横截面积A大30％。因此，对于给定尺寸的阴极生成了更大密度的电子。虽然将阴极280图示为抛物型，但也可以使用其他曲面，阴极280由固定件制成，或者也可以包含类似图4-7所描述的多层金属丝网结构，只是各层为弯曲的，而不是平面的。

尽管图8的弯曲阴极结构所提供的电子发射面积EA比投影横截面积A大至少30％，如图4所示的各种金属丝网结构提供的电子发射面积，至少是侧面横截面积(即如图8所定义的)的两倍。实际上，网结构中的电子发射面积应至少是侧面横截面积的十倍。

优选的，本发明使阴极220和阳极206彼开错开4微米到5cm。更具体地说，错开或分开的距离为1～3cm。这样，阴极和阳极隔开足够远，热量从阴极传递到阳极的可能性要小于阴极和阳极必需靠得很近的结构。因此由于比许多现有设计需要更少的冷却剂，冷却剂源214能够制成对冷却剂需求较低的结构。

虽然已参照具体实施例描述了本发明，但很显然，多种方案、变型和改变对本领域技术人员是显而易见的。因而，这里提出的优选实施例只是示例性的，而并非限制性的。在不脱离此处和后附权利要求所定义的本发明的构思和范围的情况下，可以进行各种变化。

Claims (20)

1.一种热电转换器，包括：

壳体件；

壳体件内的阴极，加热时工作，能够用作电子源；和

壳体件内的阳极，能够接收从阴极发射的电子，其中，

阴极为金属丝网，其金属丝沿着彼此交叉的至少两个方向延伸。

2.如权利要求1的热电转换器，还包括壳体件内的阴极和阳极间的带电的第一会聚环，工作时导引阴极发射的电子经过其路径上的第一会聚环到达阳极。

3.如权利要求2的热电转换器，还包括壳体内、第一会聚环和阳极间的带电的第二会聚环，工作时导引电子经过其路径上的第二会聚环到达阳极。

4.如权利要求1的热电转换器，其中，阴极与阳极分开4微米到5厘米。

5.如权利要求4的热电转换器，其中，阴极与阳极分开1～3厘米。

6.如权利要求1的热电转换器，还包括能够轰击阴极和阳极间的电子的激光器。

7.如权利要求6的热电转换器，其中，激光器能够在电子到达阳极前瞬间轰击电子。

8.如权利要求7的热电转换器，其中，激光器能够对电子进行量子干扰，使电子更易于被阳极捕获。

9.如权利要求1的热电转换器，其中，阴极金属丝网包括至少四层金属丝。

10.如权利要求9的热电转换器，其中，每个金属丝层的金属丝沿着不同于其他金属丝层中金属丝的方向延伸，阴极金属丝网包括沿至少四个不同方向延伸的金属丝。

11.一种热电转换器，包括：

壳体件；

壳体件内的阴极，加热时工作，能用作电子源；

壳体件内的阳极，能够接收从阴极发射出的电子；和

能够轰击阴极和阳极间的电子的激光器，对电子进行量子干扰，使电子更易于被阳极捕获。

12.如权利要求11的热电转换器，其中，激光器能够在电子到达阳极前瞬间轰击电子。

13.如权利要求12的热电转换器，其中，激光器在电子到达阳极的2微米内轰击电子。

14.如权利要求13的热电转换器，其中，阴极为金属丝网，其金属丝沿着相互交叉的至少两个方向延伸。

15.如权利要求14的热电转换器，其中，阴极与阳极分开4微米到5厘米。

16.一种热电转换器，包括：

壳体件；

壳体件内的阴极，加热时工作，能够用作电子源；

壳体件内的阳极，能够接收从阴极发射并大致沿着构成从阴极到阳极的方向的运动方向行进的电子；阴极具有一定面积的向阳极发射电子的电子发射面，其中，阴极电子发射面积至少比投影横截面积大30％。

17.如权利要求16的热电转换器，其中，阴极为金属丝网，其金属丝沿着相互交叉的至少两个方向延伸。

18.如权利要求16的热电转换器，其中，阴极在垂直于运动方向的至少一个方向上弯曲。

19.如权利要求16的热电转换器，还包括能在阴极和阳极间于电子到达阳极前瞬间轰击电子的激光器，其中，电子发射面面积至少为投影横截面积的两倍。

20.如权利要求15的热电转换器，其中，电子发射面面积至少为投影横截面积的10倍。

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