CN202586808U - 新型高效热离子电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种新型高效热离子电源，其特征在于：发射极（1）采用熔点高于高温热源（7）温度的热电子发射材料制造，接收极（2）采用熔点高于高温热源（7）温度的非热电子发射材料制造，发射极（1）和接收极（2）设在绝热外壳（6）内，发射极（1）和接收极（2）处于同一高温热腔（4）中，发射极（1）与接收极（2）通过导线（9）和导线（10）串接电泵直流电源（11）；高温热源（7）加热发射极（1）导致发射极（1）热电子发射，使得接收极（2）的电动势高于发射极（1）的电势，为热电子向接收极（2）的移动提供额外动力，热电子在接收极（2）的驱动电势和电泵直流电源（11）的诱导电场推动下飞向接收极（2），经过两极间隙，热电子在接收极（2）上被俘获，本实用新型能尽量使各种能源，如利用核能、热能、光能等转化为电离能。
Description
技术领域
本实用新型热离子电源属静态的热电转换装置技术领域，适用于核能、火力、太阳能发电等领域；该新型的热离子电源能以其优良高效的性能替代现有的低效热离子电源利用核能、火力、太阳能等多种能源服务于军事装备、民用电力、核动力、宇航电力等范围。
背景技术
热离子能量转换器是利用金属表面热电子发射现象提供电能的一种静态发电电源，不需要机械转动部分直接将热能转化为电能。它已成功地应用到空间技术和核动力潜艇上，近来又把它用作火力发电系统的前级。目前热离子电源的结构是：高温热源加热用功函数大、熔点高的材料制作的发射极导致发射热电子，热电子经过充有铯蒸汽的极小间隙，转移到用耐高温、功函数较低的材料制作的接收极，发射极需要加热处于高温状态下，接收极需要降温排热处于低温状态下。现有热离子电源基于其工作原理要求发射极功函数较大，而接收极功函数较小，极间铯蒸汽的温度和压力具有特定的控制范围，绝大部分热量经过接收极排放散失；由于现有热离子电源的热电转换效率为10％左右，单电源发电容量小，输出电压偏低，电源结构及运行条件复杂并且造价高昂，还存在许多问题妨碍商业应用，所以多年来这种电源一直未能推广，甚至应用领域在逐步退缩；新型热离子电源的设计能改变这种局面，会在很多领域替代现有的发电装备。
问题的发现与论证：现有热离子电源的极间电压计算公式存在问题！现有热离子电源的极间电压计算公式满足：极间电势差＝发射极材料逸出功－接收极材料逸出功－热电子运输损耗，即为： Ｕe＝ Ø 发 － Ø 收 －Ｅ运 ，其中 Ｕ 为极间电压， e 为电子电量，发射极为正极，接收极为负极，公式表明如果使用相同功函数的两个电极则电源会输出零电压或者负电压。
热离子电源的工作流程为发射极加温、热电子逸出、热电子向接收极转移、接收极俘获热电子、接收极排热降温，其中热电子的内能变化过程： Ｅ初— Ø 发 ＋Ｅ运＋ Ø 收 ＝Ｅ终 ，上述等式移项变换的结果是热电子动能的变化量： Ｅ初—Ｅ终＝ Ø 发 —Ｅ运— Ø 收 。热电子动能的变化过程与现有热离子电源的极间电压计算公式相似，但这个动能变化值和热电子相对于发射极的电势差无关，这个动能变化仅仅是热传递的过程。回路中唯一的热电转换环节为热电子从炙热的金属表面克服表面势垒逸出金属块体，进入自由空间继而形成电势差，相对于发射极具有一定电势差的热电子对回路没有贡献电能，只有热电子被接收极俘获才能发挥出热电子相对于发射极的电势差形成电压，只有热电子传递运输过程自由畅通，才能实现电子的微观内能转化为宏观电压。
发明内容
基于上述电源的结构及计算公式，我们提出了不同的观点，因为多种金属依次连接时，接触电势差只与两端金属的性质有关，与中间金属无关，热离子电源电路里电子逸出后，未经对外做功的电子回到发射极前其相对于发射极的能量保持为 Ø 发 ＋ ⊿ Ｅ ＝ Ｅ初 ＝ Ｕｅ ，其中 ⊿ Ｅ ≥ 0 为热电子出逸后动能，发射极逸出功 Ø 发 仅是热电子实现逸出的能量下限而已，上式就是新型热离子电源极间电压的计算公式即：极间电势差＝发射极材料逸出功＋热电子出逸后的动能＝出逸热电子相对于发射极的总能量，公式充分体现了微观电子能量向宏观极间电压的转化。试验证明使用相同或者不同逸出功的材料制作两个电极能够输出较高的与接收极材料逸出功无关的电压，同时试验还证明了随着发射极温度的提高，热电子的初始总能量会增加，相应的极间电压也会明显增大，试验结论进一步否定了现有热离子电源的输出电压计算理论。热离子电源、导线、电阻组成的基本回路中电势分布如下所述：假设热离子电源发射极电势为0，接收极经过负载 Ｒ 与发射极相连，回路电流为 Ｉ ，则热电子电势为 －Ｅ０＝－ Ø 发 － ⊿ Ｅ ，接收极电势为 ＥＳ＝－ＩＲ 本文称这个接收极电势 ＥＳ 为驱动电势，热电子在驱动电势的吸引下，经过极小的极间距飞向接收极，热电子运动到接收极形成闭合回路。
本实用新型的目的是依据新的极间电压计算理论，采用新的方法设计直流输出和交流输出两种方案的新型高效热离子电源。实现本发明的目的所采取的技术方案如下：
直流输出方案：该新型高效热离子电源包括发射极、接收极、高温热腔及高温热源，发射极要求采用熔点高于热源温度的热电子发射材料制造，接收极要求采用熔点高于热源温度的非热电子发射材料制造，发射极材料逸出功小于等于接收极材料逸出功；发射极和接收极设在绝热外壳内，绝热外壳为封闭式，发射极及接收极处于同一高温热腔中，发射极与接收极的极间间隙一般保持在0.01～2毫米之间，发射极与接收极通过导线和导线串接电泵直流电源；电源工作中发射极与接收极能通过导线串接直流电源提高热电子利用效率，本发明中称这个外加的电源为电泵电源，电泵电源的输入电压一般保持在0～220伏范围。高温热源加热发射极导致发射极发射热电子，电泵直流电源通过发射极导线和接收极导线使得接收极的电动势高于发射极的电势，为热电子向接收极的移动提供额外动力。热电子由于初始动能的存在并受到驱动电势的吸引或者另有电泵直流电源的诱导电场推动会飞向接收极，经过两极间隙，热电子在接收极上被俘获。接收极由于发射热电子效率很低，热电子数量少，或者因为有电泵电场的作用，不能与来自发射极的热电子数量相平衡，热电子趋于向接受极集中并形成极间电压，极间缝隙里能根据需要添加金属蒸气，用于辅助传导热电子和增大导流系数。电源的工作条件有利于保热、传导，结构简单，发射极与接收极之间不需要刻意设定温差，系统热能散失少，热电转化效率高。
交流输出方案：是该新型高效热离子电源的另一种结构形式，为了减小极间空间电荷效应、增大导流系数，电源的两个电极均能使用热电子发射材料并同时加热，电泵电源相应调整为交流输出特性，使得两个电极互为发射极和接收极，本方案所说的发射极和接收极均用热电子发射材料制造，两个电极的极间距离和填充方式与直流输出方案相同，发射极和接收极通过导线和导线串接电泵交流电源，高温热源在高温热腔内加热发射极及接收极，导致发射极及接收极的热电子逸出，电泵交流电源发出交流诱导电压，通过导线和导线施加到发射极及接收极之间，使得发射极及接收极分别与其附近的热电子聚集区之间形成方向相同并且周期性变化的电泵交变电场，发射极和接收极互为发射极和接收极，并交替变化极性，在电泵电场的作用下加剧逸出热电子或加剧俘获热电子，形成交变电流。
本实用新型涉及了新型热离子电源的几个特征与现有热离子电源存在根本性差别，导致新型热离子电源实现了高效的热电转换过程，作为新技术的技术特征概括如下：
A、新型热离子电源的输出有效极间电势差满足：有效极间电势差＝发射极材料逸出功＋热电子出逸后的动能＝出逸热电子相对于发射极的总能量。在同等电极材料和工作温度条件下此电压在数值上远高于现有热离子电源的输出电压。
B、新型热离子电源两个电极材料在功函数的要求上，与现有热离子电源恰恰相反，新型热离子电源要求发射极材料逸出功小于接收极材料的逸出功，并且能串联电泵电场用于提高热电子转移效率，能在较低温度的热源条件下实现发射极上热电子大规模逸出，而避免接收极上热电子大规模逸出，有利于形成热电子电流，热离子电源的工作条件简单。
C、新型热离子电源不需要必不可少的排热降温流程，只要热源供应能满足电源的温度要求，能根据电极温度调节供热能力，而不会导致高温破坏，降温散热不再是必须的，如此新型热离子电源相比现有热离子电源大大提高了热能的利用率，同时电源结构简单造价低廉，容易采用排列多个电极的方法制作出容量较大、电压较高的单电源和电源堆。
D、能使用电泵电源提供外加的直流或交流电压，为热离子电源提供转移热电子的电场，加速发射极热电子的出逸和转移，同时抑制接收极热电子的逸出与转移，使得热离子电源能提供直流或交流电能。其中交流泵电方案，改善了热电子转移条件，能增大导流系数，使得热离子电源表现出良好的伏安特性。
E、新型热离子电源能尽量使各种能源，如利用核能、热能、光能等转化为电离能。可以将太阳能光电效应发电过程直接替换为热电转换的静态发电过程，使得太阳能光电转换效率不再受制约于光电材料的寻找与提纯，并能突破光电材料很低的极限光电转换效率，为太阳能发电开辟新的途径。
附图说明
图1是现有热离子电源原理图；
图2是本实用新型直流输出方案的新型高效热离子电源原理图；
图3是本实用新型交流输出方案的新型高效热离子电源原理图。
图中，1、发射极，2、接收极，3、极间间隙，4、高温热腔，5、低温热腔，6、绝热外壳，7、高温热源，8、降温排热，9、导线，10、导线，11、电泵直流电源，12、电泵交流电源。
具体实施方式
参照附图，对本实用新型作进一步说明。
直流输出方案：该新型高效热离子电源包括发射极1、接收极2、高温热腔4及高温热源7，其特征在于：发射极1采用熔点高于高温热源7温度的热电子发射材料制造，接收极2采用熔点高于高温热源7温度的非热电子发射材料制造，发射极1材料的逸出功小于等于接收极2材料的逸出功；发射极1和接收极2设在绝热外壳6内，绝热外壳6为封闭式，发射极1和接收极2处于同一高温热腔4中，发射极1与接收极2的极间间隙在0.01～2毫米之间，高温热源7加热发射极1导致发射极1发射热电子，基于两个电极1和2同样工作在高温环境下，为抑制接收极2的热电子发射能力、避免接收极2逸出的热电子移动到发射极1成为有效热电子，增强发射极1的热电子发射能力、强制发射极1逸出的热电子向接收极2移动成为有效热电子，热离子电源能够使用外加的电泵直流电源11通过导线9和导线10串接发射极1与接收极2，来提供由接收极2指向发射极1的电场，使得接收极2的电动势高于发射极1的电势，为热电子向接收极2的移动提供额外动力，电泵电源的输入电压一般保持在0～220伏范围；热电子在接收极2的驱动电势和电泵直流电源11的诱导电场推动下飞向接收极2，经过两极间隙，热电子在接收极2上被俘获。本方案所说的发射极1及接收极2具有相同或相近的高温，温度在600K～3300K范围，具体温度应该以热源的温度特性、电极材料的热电子发射特性、输出电压等因素为基础实施控制，该电源不存在因为热电转换的需要设置降温排热过程，所以绝大部分热能可以用于热电转换而不是通过降温散失，极大地提高了热能利用效率。
直流输出方案的特点：现有热离子电源两个电极要求发射极功函数大于接收极功函数，极间电压小于两个电极材料的逸出功差值，两个电极的温差源于其接收极功函数偏小更容易发射热电子，而热电子只能由发射极飞向接收极，保持发射极高温和接收极低温才能保持热电子的单向发射实现极间电压与电流。该方案新型高效热离子电源同样具有两个电极，但是发射极材料的逸出功小于等于接收极材料的逸出功，比如钨（W）、钼(Mo)、Ta(钽)、Nb(铌)、Re (铼)、经过碳化处理的W—ThO2、Mo—La2O3、W基Ba、W基Sc等均能作为发射极材料，比如石墨（C）等材料均能制作接收极。上述电极条件决定了热离子电源可以工作在某个温度较低的热源里，能实现发射极高效发射热电子，而接收极在此温度下尚不能大规模发射热电子；新型热离子电源接收极可以不再进行必须的排热，整个电源系统处于保温绝热层以内，两个电极能具有相同或相近的高温。新型热离子电源允许配置的电泵电场减小了发射极表面势垒、加大了接收极表面势垒，同时阻止了高温接收极逸出热电子向发射极的漂移，而来自发射极飞向接收极的热电子因为打破接收极表面逸出与返回的平衡而更容易被俘获并避免高速轰击接收极表面，电泵电场辅助高温发射极逸出的热电子飞向接收极成为有效热电子对电路贡献电压电流，而高温接收极逸出的热电子不能到达发射极成为无效热电子，对电路不能贡献电流和电压，此时接收极仅仅表现为一个高温电极而已。试验证明处于炙热的接收极相对于其低温状态在外加电泵电场的作用下会大大提高热电子的俘获能力，明显减小了空间电荷的阻挡效应。因为新型热离子电源不需要降温排热，电源的结构和工作条件得到了大幅度的简化，因此可以制作出多电极串联或并联的单电源设备，这样的单电源容量大、输出电压高、工作流程简单、相对造价较低。上述新型热离子电源因为不需要排热大大提高了热能利用效率和热电转换效率，同时大大减小了电源的降温排热、控制极间金属蒸气温度等附属工作条件，使得设备简单可靠，电源的单位体积和单位重量功率均有很大的提升。
交流输出方案：为了减小极间空间电荷效应、增大导流系数，电源的两个电极均能使用热电子发射材料并同时加热，电泵电源相应调整为交流输出特性，使得两个电极互为发射极和接收极。参照附图本方案所说的发射极1和接收极2均用热电子发射材料制造，两个电极的极间距离和填充方式与直流输出方案相同，发射极1和接收极2通过导线9和导线10串接电泵交流电源12，电泵电源的输入电压一般保持在0～220伏范围，高温热源7在高温热腔4内加热发射极1及接收极2，加热温度的范围和控制条件与直流输出方案相同，加热会导致发射极1及接收极2的热电子逸出，电泵交流电源12发出交流诱导电压，通过导线9和导线10施加到发射极1及接收极2之间，使得发射极1及接收极2分别与其附近的热电子聚集区之间形成方向相同并且周期性变化的电泵交变电场，发射极及接收极在电泵电场的作用下加剧逸出热电子或加剧俘获热电子，电泵交变电场使得发射极1和接收极2的电势高低发生交替变化，同时分别在两个电极上实现加剧逸出热电子或加剧俘获热电子，导致发射极1和接收极2呈现互为发射极和接收极，并交替变化极性形成交变电流。在交替变化的电泵电场作用下，热电子的逸出为热电转换过程，热电子的俘获对回路起到贡献电压的作用，由于热电子聚集区距离发射极或接收极很近，热电子加速和移动距离短，不再需要热电子跨越极间距，能极大地回避空间电荷效应，能充分实现热电子的微观内能向极间宏观电压的转变。
交流输出方案的特点：
该新型高效热离子电源，两个极板均需要加热，互为发射极和接收极，两个电极材料均按照发射极材料的要求进行选择，两个电极之间的热电子云团在交变诱导电场的作用下发生震荡运动，同时实现热电子的逸出与返回过程并为回路贡献电能和电压，有效地减小了空间电荷效应；交流电压有利于电能的输送和变换。
Claims (2)
1.一种新型高效热离子电源包括发射极（1）、接收极（2）、高温热腔（4）及高温热源（7），其特征在于：发射极（1）采用熔点高于高温热源（7）温度的热电子发射材料制造，接收极（2）采用熔点高于高温热源（7）温度的非热电子发射材料制造，发射极（1）材料的逸出功小于等于接收极（2）材料的逸出功；发射极（1）和接收极（2）设在绝热外壳（6）内，绝热外壳（6）为封闭式，发射极（1）和接收极（2）处于同一高温热腔（4）中，发射极（1）与接收极（2）的极间间隙在0.01～2毫米之间，发射极（1）与接收极（2）通过导线（9）和导线（10）串接电泵直流电源（11）；高温热源（7）加热发射极（1）导致发射极（1）热电子发射，电泵直流电源（11）通过导线（9）和导线（10）能使得接收极（2）的电动势高于发射极（1）的电势，为热电子向接收极（2）的移动提供额外动力，热电子在接收极（2）的驱动电势和电泵直流电源（11）的诱导电场推动下飞向接收极（2），经过两极间隙，热电子在接收极（2）上被俘获。
2.按照权利要求1所说的新型高效热离子电源，其特征在于：发射极（1）及接收极（2）具有相同或相近的高温，温度在600K～3300K范围，具体温度应该以热源的温度特性、电极材料的热电子发射特性、输出电压等因素为基础实施控制，该电源不存在因为热电转换的需要设置降温排热过程，所以绝大部分热能可以用于热电转换而不是通过降温散失，极大地提高了热能利用效率。
3、按照权利要求1所说的新型高效热离子电源，其特征在于：基于两个电极（1）和（2）同样工作在高温环境下，为避免接收极逸出的热电子移动到发射极成为有效热电子、抑制接收极的热电子发射能力、增强发射极的热电子发射能力、强制发射极逸出的热电子向接收极移动成为有效热电子，电源能够使用外加的电泵直流电源（11）来提供由接收极指向发射极的电场来诱导热电子的转移。
4 、按照权利要求1所说的新型高效热离子电源，其特征在于：为了减小极间空间电荷效应、增大导流系数，电源的两个电极均能使用热电子发射材料并同时加热，电泵电源相应调整为交流或直流脉冲的输出特性，使得两个电极互为发射极和接收极，所说的发射极（1）和接收极（2）均用热电子发射材料制造，发射极（1）和接收极（2）通过导线（9）和导线（10）串接电泵交流电源（12），高温热源（7）在高温热腔（4）内加热发射极（1）及接收极（2），导致发射极（1）及接收极（2）的热电子逸出，电泵交流电源（12）发出交流诱导电压，通过导线（9）和导线（10）施加到发射极（1）及接收极（2）之间，使得发射极（1）及接收极（2）分别与其附近的热电子聚集区之间形成方向相同并且周期性变化的电泵交变电场，电泵交变电场使得发射极（1）和接收极（2）的电势高低发生交替变化，同时分别在两个电极上实现加剧逸出热电子或加剧俘获热电子，导致发射极（1）和接收极（2）呈现互为发射极和接收极，并交替变化极性形成交变电流。
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