JPH06509698A - 熱電子エネルギー変換装置用コレクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱電子エネルギー変換装置用コレクタ 技術分野 本発明は熱電子エネルギー変換装置におけるコレクタの新設計に関するものであ る。このような変換装置は２個の電極から成り立っている。　すなわち、エミッ タとコレクタであり、それらの間にある空間には、熱電子材料例えばセシウムま たは他のアルカリ金属の蒸気が供給されている。　エミッタが加熱される時、エ ミッタはコレクタに向かって電子を放出し、そのため、コレクタとエミッタの間 の外側回路により電流を取り出すことができる。　こうしてエミッタにおける熱 エネルギーが電気エネルギーに変換される。 発明の背景 熱電子エネルギー変換装置は機械的可動部分無しに、１２００’Ｋから２５００ ’−Ｋまでの温度の熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用され　 熱電子変換器は、上記の熱源温度から典型的には８００″にのドレーン温度まで の間の熱機械として作用する。　変換器は金属または他の適当な熱伝導体で作ら れた２個の電極から構成され、そのうちの１個は熱源温度のエミッタであり、他 の１個はドレーン温度のコレクタである。　両電極は真空または低圧状態でお互 いに接近して？置され、エミッタはコレクタに電子の流れを放出するが、その際 、エミッタは外からの例えば炎または他の熱源からの熱エネルギーにより高温に 保持されている。　両電極はしばしば変換器の外部真空タイト壁面またはシラウ ドの一部を構成し、そして絶縁材によって分離されている。　熱電子変換装置に おいては、通電、エミッタからの電子の放出を増大し、変換装置における空間電 荷の問題を減少するため、１ミリバールの大きさの圧力を持つセシウム蒸気が使 用され、そのため、変換装置からより大きな電流密度が得られる。　エミッタか らの放出は表面からの電子に対する仕事関数を低下するセシウムにより増大され る。　同様にその仕事関数はコレクタにもあり、そのことは変換装置の機能に対 し非常に大きな意義を持つ。 牡電子変換器の詳細な記述は参考文献のＧ、Ｎ、ハトツブ−ロス及びＥ　Ｐ、ジ フトブーロス、熱電子エネルギー変換Ｖｏ１．ｉｎ（ＭＩＴプレス、ケンブリッ ジ、ＭＡ、１９７３）やＧ、Ｎ、ハトツブ−ロス及びＥ、Ｐ、　ジフトブーロス 、熱電子エネルギー変換Ｖｏ１．２　（ＭＩＴブレス、ケンブリッジ、ＭＡ、１ ９７９）に見出される。 変換装置が出力を出す時、コレクタの仕事関数は損失に相当する。　すなわち、 エミッタからの電子はコレクタにおける熱の形での対応エネルギーを失う。　熱 電子変換装置に対する利点のファクター、いわゆるバリヤ・インデックスはコレ クタの仕事関数と変換装置におけるいわゆるアーク電位降下から成る。　バリヤ ・インデックスは正で、可能な限り低くなければならない。　バリヤ・インデッ クスにおけるこれら２部分は正常運転状態での変換装置における主要損失を表わ す。　コレクタの仕事関数は通常バリヤ・インデックスに最も大きい影響力を持 ち、コレクタに対する低い仕事関数はその結果効率的な熱電子変換装置の製造に 非常に大きな重要性を有する。　しばしば単一の金属、例＾ばモリブデンがコレ クタ材料として４〜５ｅＶの仕事関数をもって使用される。　運転中、そのよう なコレクタはセシウム金属の薄層（原子の単一層、いわゆるモルレヤーより小さ い）またはセシウム酸化物の薄層で被覆されている。　この層は正常運転中にコ レクタの仕事関数を１．６〜１．８ｅＶまで低下させる。 さらに、例えば、米国特許４７４７９９８により、例λばセシウムのようなアル カリ金属を、熱電子変換装置中でアルカリ金属の規制圧力を得るために、グラフ ァイト・コンテナーの中に保有することが可能であることが知られている。 発明の目的と最重要な特徴 本発明の目的は序文で述べたタイプの熱電子エネルギー変換装置を完成すること であり、その装置は熱電子変換装置においてより効果的なエネルギー変換を課す コレクタの非常に低い仕事関数を発揮するものである。　この装置は例えば炭素 のような材料の薄層によって少なくとも部分的に被覆されるコレクタによって完 成されるが、かかる材料は前記熱電子材料と相互作用をすることができ、この材 料の電子的励起状態を形成し、また、運転により励起状態の層がコレクタの表面 上に維持される。 図面の簡単な説明 次に添付図面に示す実施例を参照して本発明をより詳細に説明する。 図１は熱電子変換装置におけるコレクタとエミッタの概略ダイアグラムを図式的 垂直断面で示したものである。 図２はコレクタの正面図である。 図３はセシウム・コンテナーを含む熱電子変換装置の垂直断面図である。 図４は熱電子変換装置についての電流−電圧線図で示した実験効果である。 実施例の詳細な説明 コレクタ１は小さい穴が貫通する金属箔から成るが、この場合、実験プラントで は穴と穴との間隔は典型的には０．２ｍｍで、穴の直径は０．１ｍｍ、すなわち 大密度は２５／ｍｍ”である。　穴はレーザーによって穿孔されている。　セシ ウムまたは他の熱電子材料の箔蒸気により、例λば他のアルカリ金属がもたらさ れ、約１ミリバールの圧力（３００℃の温度での等価圧力）で流れる。　箔の外 面は例久ばグラファイトの形で炭素の非常に薄い層で被覆される。炭素は例えば 炭化水素の化学分解により、またはコロイド状のグラファイトの機械的被覆によ り供給される。　おそらく炭素はコＬ／クタ材料の被覆に際して反応し、カーバ イドを形成するであろう。　セシウム蒸気と炭素被覆面の間の相互作用により、 高いエネルギー、いわゆるセシウム原子とセシウム・イオンの励起状態が形成さ れる。　このメカニズムは参考文献のＫ　メラー及びり、ホルムリッド、［表面 科学２０４　（１９８８）９８Ｊ、Ｊ、Ｂ、Ｃ。 ベッダーリン及びり、ホルムリッド、「表面科学２１１（１９８９）２６３Ｊ　 、並びｉ：　Ｔ　、　ハ：／　ソン、　Ｃ、７７ン。 Ｊ、Ｂ、Ｃ，ペッダーリン及びり、ホルムリッド、「Ｊ。 Ｐｈｙｓ、Ｂ、２３　（１９９０）２１６３Ｊに記載されている。 これらの状態は互いに非常に強く作用し合うので、励起されたセシウムの層は箔 の上に保持することができる。　励起状態の形成と励起セシウムの層の形成は箔 の近傍の高温炭素被覆面の存在により容易化され、そのため、セシウムのより一 層の励起状態が形成できる。炭素の代わりに、上記の方法でセシウム（または他 の熱電子材料）と相互作用をすることができる他の材料を使用することもできる 。 このタイプのコレクタはレーザー穿孔面のサイズとその形状（平面または曲面、 可能性として円筒面）に関してい（っがの異なる方法で実現できる。　コレクタ のテストとその特性の測定が図１における原理で示すような配置で実施されてき た。　ここにおいてレーザー穿孔箔はステンレス鋼のコンテナーに溶接される。 　コ　ンテナーにおいてはセシウムの蒸気圧が維持される。　セシウム蒸気はコ レクタ１の開口部４を通ってコレクタ１と隣接する高温のいわゆるエミッタ６の 間の領＠５へ流出する。　このエミッタ６はエミッタ６を加熱する電流を伝える ２本の脚７によって支えられる。 テストにおけるコレクタのデザインは図２に示す。　それは厚さ０．５ｍｍのニ ッケル箔で作られている。　コレクタの外径ａ：よ１０ｍｍで、これに対してレ ーザー穿孔部は４Ｘ４ｍｍ”の面すの範囲内にある。　これらの寸法関係は実際 の実施例のみを考慮したものであって、決して発明を制限するものではないこと を注意すべきである。コロイド状のグラファイトがレーザー穿孔されない面の部 分のコレクタ１に供給される。 セシウムは、例久ば図３に示すように、加熱容器からコＬ／クタに供給される。 　この図面では、エミッタ箔６の横断面が示され、そしてコレクタ１とコレクタ １を約８００°にの温度まで加熱する加熱コイル９付き銅ケーシング８も示され ている。　図３の装置の上部１０においてまた、弁１２用接続金具１１があり、 低部コンテナー１３から上部１ｏへのセシウムの流れを閉塞するために使用され る。　セシウム１４は低部コンテナー１３内に金属の形で導入され、しばしばガ ラスびんに入った固体の形で導入される。　低部コンテナー１３は加熱ケーシン グ１５により加熱され、加熱ケーシング１５はまたジャケット１６と３本の脚１ ７を介して真空室の位置に装置を保持する。　低部コンテナー１３を迅速に冷却 するために、空気または水が加圧されてジャケット１６に送り込まれる。 本発明による熱電子変換装置は他の熱電子変換装置の通常の電圧−電流特性と異 なる電圧−電流特性を示す。　こうして例えば電子の流れは、もし変換装置が出 力を出している時、変換装置が通常の極性に比較して逆極性を持つ電圧源に接続 されているならば、コレクタからエミッタの方へ流れ、いわゆる逆電流を起こす ことができる。　この逆電流は５００Ａ／ｃｍ”以上の非常に大きな電流密度に 達し得る。　このことはコレクタの仕事関数が熱電子放出に対するリチャードソ ンの方程式から０．７ｅＶより小さいことを意味する。　電圧−電流特性をさら に詳細に分析すると、０．５〜０．９ｅＶの仕事関数があることが指摘される。 このことは今日まで約１．２ｅＶ以下に減少することが不可能であった熱電子変 換装置におけるコレクタの仕事関数が大きく減少することを意味する。 この新しいタイプのコレクタで、我々は、例えば図４に示す実験において、簡単 な一定運転中の熱電子変換装置におけるバリヤ・インデックスを１．６４ｅＶに 低下させることができた。　この場合、エミッタノ温度は１６８０’　Ｋｆ　１ ４０７°Ｃ）、コＬ／クタの温度は５５３’　Ｋ　（２８０℃）、そしてエミ・ ツタとコレクタの間隔は約０．４ｍｍである。　これらのデータに対応する出力 は１０Ｗ／ｃ”ｒｎであり、コレクタの仕事関数は０．６４ｅＶである。 パルス運転は−Ｎ＠いバリヤ・インデックスな与久ることを期待される。　この ことはバリヤ・インデックスが典型的公表値の１゜８〜２．ＯｅＶから大幅に減 少することを意味する。 熱電子エネルギー変換装置のコレクタのこの上記の改良型は次の特性を示す。 ・電子の仕事関数はコレクタからは非常に低く、０．７ｅＶ以下である。　この ことはエネルギー変換における損失が非常に減少することを意味する。 ・コレクタの表面層は、セシウムのいわゆる励起したアトムとイオンがコレクタ の表面に層を形成する高いエネルギーによって変換装置を使用する時に作られる 。 ・励起状態はいくつかの既知の方法によって供給できる薄い炭素の１ができたコ レクタの表面上に形成される。 ・励起状態とコレクタ上の励起状態による表面層の形成はセシウムの励起状態が 形成され得る他の高温面の存在により容易化される。 ・熱電子変換装置におけるコレクタのこの新型の低仕事関数は、損失の減少と、 多くの部分でコレクタの仕事関数により構成されるいわゆるバリヤ・インデック スの減少を課す。　このことはこのタイプのコレクタを使用する熱電子変換装置 におけるより効果的なエネルギー変換を意味する。 本発明はもちろん上記の実施例に限定されるものではなく、いくつかの変形が「 請求の範囲」の範囲内で許容できる。　例λば、コレクタ１は穴４無しで設計で きるし、セシウム蒸気はエミッタとコレクタの間の空間５に直接供給できる。　 セシウム蒸気とコレクタの炭素層の間の接触を増大させるために、コレクタ面は ぎざぎざ及び／またはいぼ状隆起のような不規則性を備えることができる。 この場合、コレクタはより厚い材料で作ることができる。　おそらく滑らかなコ レクタ面であっても、例えばもし炭素がコレクタ面から糸状生成物を形成するな らば、セシウム蒸気と炭素の間に十分良好な接触を与えることができる。 ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４ −８−６４−２　０２４６８　Ｕ（Ｖ）国際調査報告 ＋＊、ｎｌｓ＊ｓｌ　ａ工、７エ１１ａ　ＰＣＴ／ＳＥ　９２１００５３０国際 調査報告 ＰＣＴ／ＳＥ　９２１００５３０ フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。 ＤＫ、ＥＳ、ＰＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、０Ａ（ＢＦ 、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、ＣＭ、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，ＳＮ、ＴＤ、ＴＧ ）、ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　Ｃ３，ＦＩ、　ＨＵ、ＪＰ。 ＫＰ、ＫＲ，ＬＫ、ＭＧ、ＭＮ、ＭＷ、Ｎｏ、　ＰＬ、　ＲＯ，ＲＵ、　ＳＤ、 　ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．エミッタ（６）及びコレクタ（１）から成る２個の電極及びそれらの間に設 けられ、熱電子材料、例えばセシウムまたは他のアルカリ金属の蒸気が供給され る空間（５）を含む熱電子エネルギー変換器用コレクタにおいて、 前記コレクタ（１）は前記熱電子材料と相互作用を起こすことのできる材料、例 えば炭素の薄層によって少なくとも部分的に被覆されており、これの励起された 状態を形成すること、及び運転により励起された熱電子材料の層が前記コレクタ （１）の表面上に維持されていることを特徴とするコレクタ（１）。 ２．前記コレクタ（１）は前記熱電子材料の蒸気が通過するためのいくつかの穴 （４）を備えた金属箔から成ることを特徴とする請求の範囲１に記載されたコレ クタ（１）。 ３．前記コレクタ（１）は前記エミッタ（６）と向かい合うその面において、前 記炭素の層及び前記熱電子材料の間の接触を増加するためぎざぎざ及び／または いぼ状隆起を備えていることを特徴とする請求の範囲１に記載されたコレクタ（ １）。 ４．前記層は炭素または他の適当な材料で前記コレクタ（１）を被覆した後形成 される例えばカーバイドによって構成されていることを特徴とする請求の範囲１ から３までのいずれかに記載されたコレクタ（１）。