KR20040033297A - compositeness change atomic cell - Google Patents

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    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01KANIMAL HUSBANDRY; CARE OF BIRDS, FISHES, INSECTS; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
    • A01K61/00Culture of aquatic animals

Abstract

PURPOSE: A composite converting atomic battery is provided to achieve improved energy efficiency by using a thermoelectric energy conversion system and a thermion conversion system. CONSTITUTION: A power converting method comprises a step of allowing a thermionic electron emission to be performed even at a low temperature by using an oxide film having a high emission ratio; a step of producing a high vacuum state by using the thermal expansion of a metal so as to lengthen the lifespan of an oxide barium coated cathode; and a step of producing an electrical energy from the heat transmitted to an anode by the thermionic electron emission.

Description

복합 변환 원자력 전지{compositeness change atomic cell}Composite Conversion Atomic Cells

본 발명은 효율적인 원자력전지를 만드는 방법으로, 열을 전력으로 변환할 수 있는 열전변환방식과 열이온 변환방식을 함께 써서 열에너지를 전기에너지로 변환하는데 있어 에너지효율을 높이는것에 관한 것이다.The present invention relates to a method of making an efficient nuclear cell, and to improving energy efficiency in converting thermal energy into electrical energy by using a thermoelectric conversion method and a heat ion conversion method that can convert heat into electric power.

지금 사용하는 열전변환 원자력전지는 제베크효과를 이용한 것이다. 이방식을 간단히 설명하면 이와 같다. N형 반도체의 양쪽에 금속을 연결하고 각각의 접합부에 온도차를 주면 고온부에서 많은 전자가 여기되어 충만대에서 전도대로 이동되고 저온부 쪽으로 확산된다. 이에 따라 상대적으로 고온부에서 저온부 쪽으로 향하는 전기장이 생기므로 반도체 내부의 에너지준위가 경사를 이룬다. 따라서, 양측 금속의 페르미 준위 사이에 온도차가 생겨 고온부가 양전위의 열기전력이 생긴다. 또 p형 반도체일 때에는 이 작용이 반대로 되어 저온부가 양전위의 열기전력이 생긴다. 하지만 열전변환방식은 에너지 변환효율이 적다는 단점이 있다.The thermoelectric nuclear cell used now uses the Seebeck effect. This method is briefly described as follows. When a metal is connected to both sides of the N-type semiconductor and a temperature difference is applied to each junction, many electrons are excited at the high temperature part, move to the conduction band in the full band, and diffuse toward the low temperature part. As a result, an electric field is generated from the high temperature portion toward the low temperature portion, and the energy level inside the semiconductor is inclined. Thus, a temperature difference occurs between the Fermi levels of the metals on both sides, so that the hot portion generates the thermoelectric power of the positive potential. In the case of p-type semiconductors, this action is reversed, and the low-temperature portion generates a thermoelectric power of positive potential. However, the thermoelectric conversion method has a disadvantage of low energy conversion efficiency.

또다른 방법으로는 열이온변환방식을 사용하는 것이 있다. 이방식을 간단히 설명하면 이와 같다. 금속에 열을 가하면 금속표면에 있는 전자는 에너지 준위가 높아져서 자유공간으로 탈출한다. 이것이 열전자이다. 탈출한 열전자를 또다른 금속에 모이게 하면 열전자가 탈출한 금속은 양전하을 형성하고 열전자가 이동한 금속에서는 전자가 많아진다. 따라서 두금속을 도전체로 연결하면 전류가 흐른다. 일반적으로 원자력 전지를 만드는데에는 대부분 열전변환방식을 사용하고 있다. 그이유는 대부분의 금속이 열전자를 방출하기 전에 녹아서 열이온변환방식에 이용되는 열음극이 텅스텐 텅스텐+토륨 합금 산화물로 제한되어있게 때문이다. 텅스텐 열음극은 2200도, 텅스텐+토륨 열음극은 1500도까지 가열해야 열전자를 방출할 수 있다. 하지만 방사능 물질로 1500도 이상 올리기가 쉽지 않다는 단점이 있다. 이에 비해서 산화물음극은 600도만 되어도 열전자를 방출하기 시작한다. 하지만 텅스텐 열음극이나 텅스텐+토륨열음극보다 이온에 약하다는 단점이 있다. 열이온변환 방식의 음극과 양극사이는 진공상태가 되어야 하는데 현재 사용하고 있는 확산 펌프로 완전한 진공을 만드는 것은 불가능하다. 때문에 남아있는 기체가 열음극에서 방출된 열전자에 의해서 이온이 되어 산화물 피막에 충돌하여 산화물음극의 수명을 단축시키는 것이다. 열이온 변환방식에 산화물음극을 사용하는데 있어서 중요한 것은 높은 진공상태를 만드는 것이다. 또한 열이온 변환방식만 사용한 원자력전지도 에너지변환효율이 작다는 단점이 있다.Another method is to use thermal ion conversion. This method is briefly described as follows. When heat is applied to the metal, electrons on the surface of the metal rise in energy levels and escape to free space. This is a hot electron. When the escaped hot electrons are collected in another metal, the escaped metal forms a positive charge, and in the metal to which the hot electrons move, more electrons are generated. Therefore, when two metals are connected by a conductor, current flows. In general, thermoelectric conversion is mostly used to make nuclear batteries. This is because most metals melt before emitting hot electrons, so that the hot cathode used for thermal ion conversion is limited to tungsten tungsten + thorium alloy oxide. The tungsten hot cathode must be heated to 2200 degrees and the tungsten + thorium hot cathode to 1500 degrees to release the hot electrons. However, it is not easy to raise more than 1500 degrees with radioactive material. In comparison, the oxide cathode starts to emit hot electrons even at 600 degrees. However, there is a disadvantage in that ions are weaker than tungsten hot cathode or tungsten + thorium hot cathode. There must be a vacuum between the cathode and anode of the thermal ion conversion method, and it is impossible to make a complete vacuum with the current diffusion pump. Therefore, the remaining gas becomes ions by hot electrons emitted from the hot cathode and collides with the oxide film to shorten the lifetime of the oxide cathode. The key to using oxide cathodes in thermal ion conversion is to create a high vacuum. In addition, nuclear cells using only heat ion conversion methods have a disadvantage in that energy conversion efficiency is small.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 열전변환방식과 열이온변환방식을 함께 사용해서 에너지 변환효율을 높이고 또한 열이온변환방식에서 낮은온도에서도 작동할 수 있도록산화물음극을 사용하며 금속의 열팽창율을 이용하여 산화물음극의 수명을 늘여서 실용적인 원자력전지를 만드는데 목적이 있는것이다.In order to solve the problems described above, the present invention uses an oxide cathode to improve energy conversion efficiency by using a thermoelectric conversion method and a thermal ion conversion method together and to operate at a low temperature in the thermal ion conversion method. The purpose is to make a practical nuclear battery by extending the lifetime of the oxide cathode.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본발명은, 방사선의 열원이 600도인 온도에서도 열전자를 방출하는 산화물 음극을 사용하여 낮은 온도에서도 전력을 변환하는 단계, 금속의 열팽창율을 이용하여 열이온변환방식의 음극과 양극사이에 높은 진공상태를 유지하여 산화물 피막음극의 수명을 연장하는 단계, 방사선 열원으로부터 얻은 열로 열이온방식의 열음극에서 방출된 열전자에 의해서 양극으로 이동된 열로 금속과 반도체 접합부를 가열하여 제베크효과로 열에너지를 전력으로 변환하는 단계로 이루어진 것이 특징이다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of converting power at low temperature by using an oxide cathode that emits hot electrons even when the heat source of radiation is 600 degrees. Extending the life of the oxide-coated cathode by maintaining a high vacuum between the anode and the anode, and heating the metal and semiconductor junctions with heat transferred to the anode by hot electrons emitted from the thermal ion-type hot cathode with heat from the radiation heat source. The effect is characterized by consisting of the step of converting thermal energy into electric power.

도 1은 방사능열원, 열전 이온변환장치의 정면(가)과 측면(나)의 단면도1 is a cross-sectional view of a front (a) and a side (b) of a radiation heat source and a thermoelectric ion converter.

도 2는 본발명의 작동시 단면도(가)와 전류의 흐름을 나타내는 단면도(나)Figure 2 is a cross-sectional view (a) and a cross-sectional view (i) showing the flow of current during operation of the present invention

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

1 : 인바 2 : 황동1: Invar 2: Brass

3 : 방사능 물질 4 : 접합부분3: radioactive material 4: junction part

5 : 전선 6 : 산화물 피막5: wire 6: oxide film

7 : 전기 절연체 8 : 열 전기 절연제7: electrical insulator 8: thermal electrical insulation

9 : 진공부분 10 : 전기 전도체9: vacuum part 10: electric conductor

11 : N형 반도체 12 : P형반도체11: N-type semiconductor 12: P-type semiconductor

13 : 전자의 이동방향13: direction of electron movement

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, described in detail by the accompanying drawings as follows.

도 1은 본발명의 열원인 방사능물질부분과 열전 이온변환장치부분을 분리한 도면으로서 (가)는 본발명의 정면부를 나타내는 단면도이고 (나)는 측면부를 나타내는 단면도이다. 도1의 열원부를 보면 방사능물질이(3) 열·전기절연체(8)로감싸져 있는 것을 볼 수 있다. 방사선 중에 알파선은 헬륨핵이기 때문에 공기중에서 수cm를 진행하면 멈출정도로 투과력이 약하다. 그렇기 때문에 알파선만을 내는 플루토늄238(반감기88년)이나 퀴륨244(반감기17.9년)를 열원으로 사용하면 플루토늄238과 퀴륨244가 내는 알파선은 방사능물질(3) 자신에 의해서 대부분 흡수되면서 그에너지를 방사능물질(3)에 준다. 따라서 방사능물질을 열·전기절연체로 감싸면 고온의 온도를 낼 수 있다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view of separating a radioactive material portion and a thermoelectric ion converter portion, which are heat sources of the present invention. 1, it can be seen that the radioactive material 3 is wrapped with the thermal and electrical insulators 8. Alpha radiation is a helium nucleus during radiation, so the penetrability is weak enough to stop if you proceed a few cm in the air. Therefore, if plutonium 238 (half-life 88) or curium 244 (half-life 17.9), which emits only alpha rays, is used as a heat source, the alpha rays emitted by plutonium 238 and curium 244 are mostly absorbed by the radioactive material (3) and absorb the energy. Give to (3). Therefore, if the radioactive material is wrapped with a thermal and electrical insulator, it can produce a high temperature.

도1의 열전·이온변환장치의 가는실선은 접합면을 나타내는 것이고 굵은 실선은 재료사이에 공기가 없는 밀착면을 나타낸 것이다.The solid solid line of the thermoelectric-ion converter of FIG. 1 represents a joint surface, and the thick solid line shows the close contact surface with no air between materials.

도2의 (가)와같이 방사능물질 열원과 열전·이온변환장치를 결합하면 다음과 같이 작동한다. 방사능물질(3)의 열이 인마(1-a)를 통해서 산화물 피막(6)으로 전달되고 전달된 열은 다시 산화물 피막(6)과 밀착되어있던 인마(1-b)를 거쳐서 황동으로 전달된다. 열을 받아서 팽창한 황동(2)은 인마(1)보다 열팽창율이 높으므로 도 2의 (가)처럼 산화물 피막(6)과 인바(1-b)사이에 진공(9)부분이 생긴다. 또한편으로 산화물 피막(6)의 온도가 600도를 넘어서면 산화물 피막(6)의 표면에서 열전자를 방출하기 시작한다. 도2의 (가)에서와 같이 산화물 피막(6)과 인바(1-b)의 사이가 진공상태이므로 산화물 피막(6)에서 방출된 열전자는 인바(1-b)로 이동한다. 인바(1-b)로 이동한 열전자에 의해서 인바(1-a)와 인바(1-b) 사이에는 전압이 생긴다. 이것이 열이온변환으로 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 단계이다. 그리고 인바(1-b)는 산화물 피막(6)에서 방출된 열전자로부터 열에너지를 얻고 그 열은 다시 전기절연체(7)를 통해서 각각 N형반도체(11)과 P형반도체(12)로 이동한다. 이때에 N형 반도체(11-a, 11-b)와 P형반도체(12-a, 12-b)에서는 제베크효과로 N형반도체(11-a, 11-b)의 전자는 열을 받은 고온부쪽에서 저온부쪽으로 이동을 하고 이와동시에 P형반도체(12-a, 12-b)의 정공도 마찬가지로 열을 받은 고온부에서 저온부로 이동한다. 따라서 두종류의 반도체 즉 N형반도체(11-a, 11-b)와 P형반도체(12-a, 12-b)를 도2의 (가)와 같이 연결하면 N형반도체(11-a)에서부터 P형반도체(b)로 이동하는 전자의 흐름이 생긴다. 이것이 열전변환으로 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 단계이다.When the radioactive material heat source and the thermoelectric and ion conversion device are combined as shown in Fig. 2A, the operation is performed as follows. The heat of the radioactive material 3 is transferred to the oxide film 6 through the ingots 1-a, and the transferred heat is transferred to the brass through the ingots 1-b which are in close contact with the oxide film 6 again. . Since the brass 2 expanded by heat has a higher thermal expansion rate than the ingot 1, a vacuum 9 portion is formed between the oxide film 6 and the invar 1-b as shown in FIG. On the other hand, when the temperature of the oxide film 6 exceeds 600 degrees, hot electrons start to be emitted from the surface of the oxide film 6. As shown in Fig. 2A, since the vacuum between the oxide film 6 and the invar 1-b is in a vacuum state, the hot electrons emitted from the oxide film 6 move to the invar 1-b. Due to the hot electrons moving to the Invar 1-b, a voltage is generated between the Invar 1-a and the Invar 1-b. This is the step of converting thermal energy into electrical energy by thermal ion conversion. Invar 1-b obtains thermal energy from the hot electrons emitted from the oxide film 6, and the heat is transferred back to the N-type semiconductor 11 and the P-type semiconductor 12 through the electric insulator 7, respectively. At this time, in the N-type semiconductors 11-a and 11-b and the P-type semiconductors 12-a and 12-b, the electrons of the N-type semiconductors 11-a and 11-b are heated by the Seebeck effect. It moves from the high temperature side to the low temperature side, and at the same time, the holes of the P-type semiconductors 12-a and 12-b move in the same manner to the low temperature portion. Therefore, when two types of semiconductors, namely, N-type semiconductors 11-a and 11-b and P-type semiconductors 12-a and 12-b are connected as shown in Fig. 2A, the N-type semiconductors 11-a are connected. Flows of electrons to the P-type semiconductor (b). This is the step of converting thermal energy into electrical energy by thermoelectric conversion.

열전변환방식과 열이온변환방식을 도2의 (가)와 같이 결합하면 도2의 (나)와 같이 전자의 이동이 발생하므로 N형반도체(11-b)는 음극 P형반도체(12-b)는 양극이 된다. 본발명과 같이 열변환방식과 열이온변환방식을 함께 사용함으로서 열을 전력으로 바꾸는 과정에서 손실되는 에너지를 최소화 할 수 있고 또한 금속의 열팽창을 이용해서 진공을 만듬으로 전지의 부피를 줄일 수 있는것이다.When the thermoelectric conversion method and the thermal ion conversion method are combined as shown in Fig. 2A, electron movement occurs as shown in Fig. 2B, so the N-type semiconductor 11-b is the negative electrode P-type semiconductor 12-b. ) Becomes the anode. By using both the thermal conversion method and the thermal ion conversion method as in the present invention, the energy lost in the process of converting heat into electric power can be minimized, and the volume of the battery can be reduced by creating a vacuum using thermal expansion of metal. .

이상에서 상술한 바와같이 본 발명은, 열전변환과 열이온변환을 함께 사용하는 방법으로 열에너지가 전기에너지로 변환되는 과정에서 열의 손실을 줄이고 또한 열이온 변환방식에서 금속의 열팽창율을 이용하여 열음극과 양극사이의 높은진공부분을 만듬으로서 전지의 수명을 연장하고, 전지의 부피를 줄일 수 있다.As described above, the present invention reduces the loss of heat in the process of converting thermal energy into electrical energy by using a thermoelectric conversion and a thermal ion conversion, and furthermore, by using the thermal expansion coefficient of the metal in the thermal ion conversion method, By creating a high vacuum between the positive electrodes, the battery life can be extended and the volume of the battery can be reduced.

Claims (1)

열에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치에 있어서,In the device for converting thermal energy into electrical energy, 열전변환방식과 열이온 변환방식을 함께 사용하는 단계Steps to use thermoelectric conversion method and thermal ion conversion method together 열이온 변환방식에 있어서,In the thermal ion conversion method, 도면과 같이 금속을 배치하여 금속의 열팽창율로 높은 진공상태를 만드는 단계Arranging the metal as shown in the drawing to create a high vacuum with the thermal expansion rate
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