【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電子放出を利用して発電する熱電子発電器に係り、特に熱電子発電器の内部構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の平行平板型の熱電子発電器の断面構造を図２に示す。同図において、平行平板型の熱電子発電器２０は、熱電子を放出するエミッタ電極２１と、このエミッタ電極２１に対向してスペーサ２３、２３を介して配置されエミッタ電極２１により放出された熱電子を捕集するコレクタ電極２２と、エミッタ電極２１の端部に一端が固設され上記両電極の中心軸方向に筒状に形成されたエミッタ側ヒートチョーク２４と、コレクタ電極２２の端部に一端が固設され上記両電極の中心軸方向に筒状に形成されたコレクタ側ヒートチョーク２５と、セラミックシール２６とから構成されている。
【０００３】
発電作動温度としてエミッタ電極２１は、１２００〜１７００℃、コレクタ電極２２は、４００〜７００℃の高温に保持されるようになっている。そして高温のエミッタ電極２１からの熱伝導による熱損失を低減するためにヒートチョークと称する薄肉の筒体をエミッタ電極２１、コレクタ電極２２に設け、低温側でセラミックシール２６によりエミッタ側ヒートチョーク２４とコレクタ側ヒートチョーク２５とを真空気密接合すると共に、両電極を電気的に絶縁している。
【０００４】
このように構成された熱電子発電器２０は、例えば図３に示すように、エミッタ電極を加熱する熱源３１の周囲に複数個、放射状に配置、固定されることにより熱電子発電装置３０を構成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
熱電子発電器の作動時における主構成要素の温度は、高い方から並べるとエミッタ電極、エミッタ側ヒートチョーク、コレクタ側ヒートチョーク、コレクタ電極の順になる。熱電子発電器は適用温度が上述したように高く、上記主構成要素間における高温部側から低温部側への熱放射による熱損失が大きい。
【０００６】
上述した従来の熱電子発電器にあっては、エミッタ、コレクタ両電極にヒートチョークを用いることにより上記構成要素間の熱伝導による熱損失を低減するように配慮されていたが、熱電子発電器内部における熱放射による熱損失の低減については特に配慮されていなかった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、熱電子発電器内部における熱放射による熱損失の低減を図った熱電子発電器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の熱電子発電器は、熱源により加熱され熱電子を放出するエミッタ電極と、該エミッタ電極に対向して配置されエミッタ電極により放出された熱電子を捕集するコレクタ電極と、前記エミッタ電極の端部に一端が固設され前記両電極の中心軸方向に筒状に形成されたエミッタ側ヒートチョークと、前記コレクタ電極の端部に一端が固設され前記両電極の中心軸方向に筒状に形成されたコレクタ側ヒートチョークと、エミッタ側ヒートチョークとコレクタ側ヒートチョークとを接合し前記エミッタ電極とコレクタ電極とを電気的に絶縁するセラミックシールとを有する熱電子発電器において、前記エミッタ電極、コレクタ電極、エミッタ側ヒートチョーク、コレクタ側ヒートチョーク及びセラミックシールとで形成される空間における高温部側から低温部側への熱放射を阻止する遮蔽部材を少なくとも前記空間のエミッタ電極近傍に配設したことを特徴とする。
【０００９】
このように構成することにより上記遮蔽部材が熱抵抗として機能し、熱電子発電器内部の主構成要素間における高温部側から低温部側への、具体的にはエミッタ電極からコレクタ電極、またはエミッタ電極から高温部のエミッタ側ヒートチョーク、またはエミッタ側ヒートチョークからコレクタ電極、またはエミッタ側ヒートチョークからコレクタ側ヒートチョークへの熱放射による熱損失の大幅な低減が図れる。
【００１０】
また本発明の熱電子発電器では、前記遮蔽部材は、少なくとも１つの面が鏡面加工されていることを特徴とする。
【００１１】
このように構成することにより高温に加熱されたエミッタ電極または高温部のエミッタ側ヒートチョークから、エミッタ側ヒートチョークまたはコレクタ電極またはコレクタ側ヒートチョークへの熱放射をエミッタ電極または高温部のエミッタ側ヒートチョークの方に反射させることができ、熱電子発電器の主構成要素間における高温部側から低温部側への熱放射による熱損失をより効果的に低減することができる。
【００１２】
このように本発明によれば、熱電子発電器内部の主構成要素間における高温部側から低温部側への熱放射による熱損失が大幅に低減され、この分だけ発電効率の向上が図れる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１には本発明に係る熱電子発電器の要部の構成が示されている。同図において熱電子発電器１は、熱源により加熱され熱電子を放出するエミッタ電極２と、エミッタ電極２に対向してスペーサ４を介して配置されエミッタ電極２により放出された熱電子を捕集するコレクタ電極３とを有している。
【００１４】
エミッタ電極２にはその端部に一端が固設され前記両電極の中心軸方向に筒状に形成され他端が断面略Ｌ字状に形成されたエミッタ側ヒートチョーク５が設けられている。
【００１５】
またコレクタ電極３にはその端部に一端が固設され前記両電極の中心軸方向に筒状に形成されたコレクタ側ヒートチョーク６が設けられている。コレクタ側ヒートチョーク６の他端はセシウム導入口８ａを有するセシウム導入部８の上端部に接合されている。
【００１６】
エミッタ側ヒートチョーク５とコレクタ側ヒートチョーク６とはセシウム導入部８の外周面に接合された支持部材７及びセラミックシール９を介して真空気密接合され、セラミックシール９によりコレクタ電極３とエミッタ電極２とが電気的に絶縁されている。
【００１７】
またエミッタ電極２、コレクタ電極３、エミッタ側ヒートチョーク５、コレクタ側ヒートチョーク６及びセラミックシール９とで形成される空間１３におけるエミッタ電極２近傍にはコレクタ電極３に固設された取付部材１１に支持部材１２を介して遮蔽部材１０が配設されている。取付部材１１は支持部材１２が固設される鍔部１１ａを有し、リング状に形成されコレクタ電極３に嵌装され、かつ固定されている。
【００１８】
遮蔽部材１０は、断面が内側に直角状に折り曲げられ、かつリング状に形成されており、その表面全体は鏡面加工されている。この遮蔽部材１０は、例えばＴａ，Ｍｏ，Ｎｉ等の金属材料を用いて製造することができる。尚、鏡面加工は遮蔽部材１０の内側の面についてのみ行なっても熱放射の遮蔽効果は十分、得られる。
【００１９】
また遮蔽部材１０は、取付部材１１の鍔部１１ａ上の円周方向に所定間隔で数箇所、支持部材１２により支持されている。これは遮蔽部材１０、取付部材１１と支持部材１２との接触面積を少なくすることにより遮蔽部材１０から取付部材１１への熱伝導を少なくすることを考慮したものである。
【００２０】
上記構成において、高温に加熱されたエミッタ電極２からコレクタ電極３、またはエミッタ電極２から高温部のエミッタ側ヒートチョーク５、または高温部のエミッタ側ヒートチョーク５からコレクタ電極３、または高温部のエミッタ側ヒートチョーク５からコレクタ側ヒートチョーク６への熱放射が、熱抵抗として機能する遮蔽部材１０により阻止される。
【００２１】
また遮蔽部材１０の表面を鏡面加工することにより高温に加熱されたエミッタ電極２または高温部のエミッタ側ヒートチョーク５から、エミッタ側ヒートチョーク５またはコレクタ電極３またはコレクタ側ヒートチョーク６への熱放射をエミッタ電極２または高温部のエミッタ側ヒートチョーク５の方に反射させることができ、熱電子発電器内部における高温部側から低温部側への熱放射による熱損失をより効果的に低減することができる。
【００２２】
熱放射による熱の移動量は両物体の位置関係の他、物体の表面温度及び熱放射率に依存する。したがって、熱放射を阻止する上記遮蔽部材１０を高温部に適用するほど熱放射による熱損失の低減効果が高い。
【００２３】
そこで図１に示す実施の形態では高温に加熱されるエミッタ電極２の近傍に遮蔽部材１０を配設するようにしたが、熱電子発電器内部における高温部側から低温部側への熱放射を遮断するものであればよく、この実施の形態に限定されない。
【００２４】
図１の実施の形態でエミッタ電極温度１８００〜２０００Ｋ、エミッタ電極加熱熱流束５０Ｗ／ｃｍ２として各部の温度、熱放射率を適切に設定して簡単な計算を行なうと、エミッタ加熱量１００に対して熱電子発電器内部における熱放射による熱損失は１０〜１５％程度と見込まれるが、遮蔽部材１０を設置することによりこの熱損失を半減することができる。したがって、この熱損失の低減分だけ発電効率の向上が図れる。
【００２５】
また熱電子発電器として好ましくない部分からの熱放射による熱損失を低減することにより、熱電子放出部、すなわち、エミッタ電極及びコレクタ電極の電極温度を均一化することができ、この点からも発電効率の向上が図れる。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によればエミッタ電極、コレクタ電極、エミッタ側ヒートチョーク、コレクタ側ヒートチョーク及びセラミックシールとで形成される空間における高温部側から低温部側への熱放射を阻止する遮蔽部材を少なくとも前記空間のエミッタ電極近傍に配設したので、熱電子発電器内部の主構成要素間における高温部側から低温部側への、具体的にはエミッタ電極からコレクタ電極、またはエミッタ電極から高温部のエミッタ側ヒートチョーク、またはエミッタ側ヒートチョークからコレクタ電極、またはエミッタ側ヒートチョークからコレクタ側ヒートチョークへの熱放射による熱損失の大幅な低減が図れる。
【００２７】
また本発明によれば上記遮蔽部材の、少なくとも１つの面に対して鏡面加工を施したので、高温に加熱されたエミッタ電極または高温部のエミッタ側ヒートチョークから、エミッタ側ヒートチョークまたはコレクタ電極またはコレクタ側ヒートチョークへの熱放射をエミッタ電極または高温部のエミッタ側ヒートチョークの方に反射させることができ、熱電子発電器の主構成要素間における高温部側から低温部側への熱放射による熱損失をより効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱電子発電器の要部の構造を示す断面図である。
【図２】従来の平行平板型の熱電子発電器の構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す従来の平行平板型の熱電子発電器が複数、装着されて構成される熱電子発電装置の外観構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 熱電子発電器
２ エミッタ電極
３ コレクタ電極
４ スペーサ
５ エミッタ側ヒートチョーク
６ コレクタ側ヒートチョーク
７ 支持部材
８ セシウム導入部
８ａ セシウム導入口
９ セラミックシール
１０ 遮蔽部材
１１ 取付部材
１１ａ 鍔部
１２ 支持部材
１３ 空間[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermionic generator that generates electricity by using thermionic emission, and more particularly, to an internal structure of a thermionic generator.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of a conventional parallel plate type thermoelectric generator. In FIG. 1, a parallel plate type thermoelectron generator 20 has an emitter electrode 21 for emitting thermoelectrons, and a heat emitted from the emitter electrode 21 which is disposed opposite to the emitter electrode 21 via spacers 23 and 23. A collector electrode 22 for collecting electrons; an emitter-side heat choke 24 having one end fixed to an end of the emitter electrode 21 and formed in a cylindrical shape in the center axis direction of the two electrodes; It is composed of a collector-side heat choke 25 having one end fixed and formed in a cylindrical shape in the central axis direction of the two electrodes, and a ceramic seal 26.
[0003]
As the power generation operation temperature, the emitter electrode 21 is maintained at a high temperature of 1200 to 1700 ° C., and the collector electrode 22 is maintained at a high temperature of 400 to 700 ° C. In order to reduce heat loss due to heat conduction from the high-temperature emitter electrode 21, thin cylinders called heat chokes are provided on the emitter electrode 21 and the collector electrode 22. The collector-side heat choke 25 is vacuum-sealed and electrically insulated from both electrodes.
[0004]
As shown in FIG. 3, for example, as shown in FIG. 3, a plurality of thermionic generators 20 are radially arranged and fixed around a heat source 31 for heating an emitter electrode, thereby forming a thermionic generator 30. I do.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The temperatures of the main components during the operation of the thermionic generator are, in order from the highest, the order of the emitter electrode, the emitter-side heat choke, the collector-side heat choke, and the collector electrode. The applied temperature of the thermionic generator is high as described above, and heat loss due to heat radiation from the high temperature part side to the low temperature part side between the main components is large.
[0006]
In the above-described conventional thermionic generator, consideration was given to reducing heat loss due to heat conduction between the above-described components by using heat chokes for both the emitter and collector electrodes. No consideration was given to reducing heat loss due to heat radiation inside.
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a thermionic generator that reduces heat loss due to heat radiation inside the thermionic generator.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a thermionic generator according to the present invention is provided with an emitter electrode that is heated by a heat source and emits thermoelectrons, and is disposed to face the emitter electrode and collects thermoelectrons emitted by the emitter electrode. A collector electrode, an emitter-side heat choke having one end fixed to an end of the emitter electrode and formed in a cylindrical shape in the direction of the central axis of the two electrodes, and the two ends having one end fixed to an end of the collector electrode; A heat source having a collector-side heat choke formed in a cylindrical shape in the central axis direction of the electrode, and a ceramic seal that joins the emitter-side heat choke and the collector-side heat choke and electrically insulates the emitter electrode and the collector electrode. In the electronic generator, the emitter electrode, the collector electrode, the emitter side heat choke, the collector side heat choke and the ceramic seal are used. Characterized by being provided near the emitter electrode of at least the space shielding member for preventing heat radiation to the cold side from the hot side of the space formed.
[0009]
With this configuration, the shielding member functions as a thermal resistor, and from the high-temperature portion side to the low-temperature portion side between the main components inside the thermionic generator, specifically, from the emitter electrode to the collector electrode or the emitter. Heat loss due to heat radiation from the electrode to the high-temperature part on the emitter side heat choke, or from the emitter side heat choke to the collector electrode, or from the emitter side heat choke to the collector side heat choke can be greatly reduced.
[0010]
Further, in the thermionic power generator of the present invention, at least one surface of the shielding member is mirror-finished.
[0011]
With this configuration, heat radiation from the emitter electrode heated to a high temperature or the emitter-side heat choke of the high-temperature portion to the emitter-side heat choke or the collector electrode or the collector-side heat choke is transferred to the emitter electrode or the emitter-side heat choke of the high-temperature portion. The heat can be reflected toward the choke, and the heat loss due to the heat radiation from the high-temperature portion side to the low-temperature portion side between the main components of the thermionic generator can be more effectively reduced.
[0012]
As described above, according to the present invention, the heat loss due to heat radiation from the high-temperature portion side to the low-temperature portion side between the main components inside the thermionic generator is significantly reduced, and the power generation efficiency can be improved accordingly.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of a main part of a thermionic generator according to the present invention. In FIG. 1, a thermoelectron generator 1 has an emitter electrode 2 which is heated by a heat source and emits thermoelectrons, and is arranged via a spacer 4 so as to face the emitter electrode 2 and collects thermoelectrons emitted by the emitter electrode 2. And a collector electrode 3.
[0014]
The emitter electrode 2 is provided with an emitter-side heat choke 5 having one end fixed to one end thereof, formed in a cylindrical shape in the center axis direction of the two electrodes, and the other end formed in a substantially L-shaped cross section.
[0015]
The collector electrode 3 is provided with a collector-side heat choke 6 having one end fixed to an end thereof and formed in a cylindrical shape in the center axis direction of the two electrodes. The other end of the collector-side heat choke 6 is joined to the upper end of a cesium introduction part 8 having a cesium introduction port 8a.
[0016]
The emitter side heat choke 5 and the collector side heat choke 6 are vacuum-hermetic bonded via a support member 7 and a ceramic seal 9 which are bonded to the outer peripheral surface of the cesium introduction portion 8, and the collector electrode 3 and the emitter electrode 2 are connected by the ceramic seal 9. And are electrically insulated.
[0017]
Further, in a space 13 formed by the emitter electrode 2, the collector electrode 3, the emitter side heat choke 5, the collector side heat choke 6 and the ceramic seal 9, in the vicinity of the emitter electrode 2, a mounting member 11 fixed to the collector electrode 3 is provided. The shielding member 10 is provided via the support member 12. The attachment member 11 has a flange 11a to which the support member 12 is fixed, is formed in a ring shape, is fitted to the collector electrode 3, and is fixed.
[0018]
The cross section of the shielding member 10 is bent inward at a right angle and is formed in a ring shape, and the entire surface is mirror-finished. The shielding member 10 can be manufactured using a metal material such as Ta, Mo, Ni, or the like. It should be noted that even if the mirror finishing is performed only on the inner surface of the shielding member 10, a sufficient heat radiation shielding effect can be obtained.
[0019]
Further, the shielding member 10 is supported by the support member 12 at several places at predetermined intervals in the circumferential direction on the flange 11a of the mounting member 11. This is because the heat conduction from the shielding member 10 to the mounting member 11 is reduced by reducing the contact area between the shielding member 10 and the mounting member 11 and the supporting member 12.
[0020]
In the above configuration, the emitter electrode 2 is heated to a high temperature, the collector electrode 3 is heated, or the emitter electrode 2 is heated to the emitter side heat choke 5 at the high temperature portion, or the emitter heat heat choke 5 is heated to the collector electrode 3 or the emitter is heated to the high temperature portion. Heat radiation from the side heat choke 5 to the collector side heat choke 6 is blocked by the shielding member 10 functioning as a thermal resistor.
[0021]
Further, heat radiation from the emitter electrode 2 or the emitter-side heat choke 5 of the high-temperature portion heated to a high temperature by mirror-finishing the surface of the shielding member 10 to the emitter-side heat choke 5 or the collector electrode 3 or the collector-side heat choke 6. Can be reflected toward the emitter electrode 2 or the emitter-side heat choke 5 in the high-temperature portion, and heat loss due to heat radiation from the high-temperature portion to the low-temperature portion inside the thermionic generator can be reduced more effectively. Can be.
[0022]
The amount of heat transfer due to heat radiation depends on the surface temperature and thermal emissivity of the object, as well as the positional relationship between the two objects. Therefore, the more the shielding member 10 that blocks heat radiation is applied to a high-temperature portion, the higher the effect of reducing heat loss due to heat radiation.
[0023]
Therefore, in the embodiment shown in FIG. 1, the shielding member 10 is arranged near the emitter electrode 2 which is heated to a high temperature. However, heat radiation from the high temperature part side to the low temperature part side in the thermionic power generator is performed. What is necessary is just to block, and it is not limited to this embodiment.
[0024]
In the embodiment of FIG. 1, when the temperature of each part and the heat emissivity are appropriately set and the emitter electrode temperature is set to 1800 to 2000 K and the emitter electrode heating heat flux is set to 50 W / cm 2 , a simple calculation is performed. Thus, the heat loss due to heat radiation inside the thermionic power generator is expected to be about 10 to 15%, but by installing the shielding member 10, this heat loss can be halved. Therefore, the power generation efficiency can be improved by the reduced heat loss.
[0025]
In addition, by reducing heat loss due to heat radiation from an undesired portion as a thermionic generator, the temperature of the thermionic emission portion, that is, the electrode temperature of the emitter electrode and the collector electrode can be made uniform. The efficiency can be improved.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, heat radiation from the high-temperature portion to the low-temperature portion in the space formed by the emitter electrode, the collector electrode, the emitter-side heat choke, the collector-side heat choke, and the ceramic seal is prevented. Since the shielding member to be disposed is disposed at least in the vicinity of the emitter electrode in the space, from the high-temperature portion side to the low-temperature portion side between the main components inside the thermionic generator, specifically, from the emitter electrode to the collector electrode or the emitter. Heat loss due to heat radiation from the electrode to the high-temperature part on the emitter side heat choke, or from the emitter side heat choke to the collector electrode, or from the emitter side heat choke to the collector side heat choke can be greatly reduced.
[0027]
Also, according to the present invention, since at least one surface of the shielding member is mirror-finished, the emitter-side heat choke or the collector electrode or Heat radiation to the collector-side heat choke can be reflected toward the emitter electrode or the emitter-side heat choke in the high-temperature portion, and the heat radiation from the high-temperature portion to the low-temperature portion between the main components of the thermionic generator Heat loss can be reduced more effectively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a main part of a thermionic generator according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional parallel plate type thermoelectric generator.
FIG. 3 is a diagram showing an external configuration of a thermoelectric power generation device configured by mounting a plurality of the conventional parallel-plate thermoelectric generators shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermionic generator 2 Emitter electrode 3 Collector electrode 4 Spacer 5 Emitter side heat choke 6 Collector side heat choke 7 Support member 8 Cesium introduction part 8a Cesium introduction port 9 Ceramic seal 10 Shielding member 11 Mounting member 11a Flange portion 12 Support member 13 space
