SE467716B - Kollektor foer termojonisk energiomvandlare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 467 716 2 sarbetet för elektronerna från ytan. På samma sätt minskas också utträdesarbetet på kollektorn, vilket har mycket stor betydelse för omvandlarens funktion. Detaljerade beskriv- ningar av termojonomvandlare finns i referenserna: G.N.

Hatsopoulos och E.P. Gyftopoulos, Thermionic Energy Con- version, Vol. I (MIT Press, Cambridge, MA, 1973) samt G.N.

Hatsopoulos och E.P. Gyftopoulos, Thermionic Energy Con- version, Vol. II (MIT Press, Cambridge, MA 1979).

När omvandlaren ger uteffekt motsvarar kollektorns utträdes- arbete en förlust, dvs elektronerna från emittern förlorar motsvarande energi i form av värme i kollektorn. Godhetsta- let för termojonomvandlare, det s k barriärindexet, är sammansatt av kollektorns utträdesarbete och det sk bågspän- ningsfallet i omvandlaren. Barriärindexet är positivt och skall vara så lågt som möjligt. Dessa två delar i barriärin- dexet representerar de huvudsakliga förlusterna i omvand- laren under normal drift. Kollektorns utträdesarbete ger normalt det största bidraget till barriärindexet, och ett lågt utträdesarbete för kollektorn är således av ytterst stor betydelse för tillverkningen av effektiva termojonom- vandlare. Oftast används enkla metaller med utträdesarbeten av 4-5 eV som kollektormaterial, t ex molybden. I drift är en sådan kollektor täckt med ett tunt lager av cesiummetall (mindre än ett enkelt lager av atomer, ett s k monoskikt) eller av cesiumoxid. Detta lager sänker kollektorns utträde- sarbete till 1,6 - 1,8 eV i normal drift.

Det är vidare känt t ex genom US patentet 4,747,998, att det är möjligt att behålla en alkalimetall såsom cesium i en grafitreservoar för att erhålla ett reglerat tryck av alka- limetall i en termojonomvandlare.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en termojonisk. energiomvandlare av' det inledningsvis nämnda 10 15 20 25 30 35 -s>- ox \1 w .- ...L cr. 3 slaget, vilken uppvisar ett mycket lågt utträdesarbete hos kollektorn vilket medför en effektivare energiomvandling i termojonomvandlaren. Detta har uppnåtts genom att kollektorn åtminstone delvis är täckt av ett tunt skikt av ett materi- al, t ex kol, som förmår växelverka med sagda termojoniska material och bilda elektroniskt exciterade tillstånd av detta, och att vid drift ett lager av exciterat termojoniskt material bibehålles på kollektorns yta.

Beskrivning av ritningar Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas med hänvisning till ett på bifogade ritningar visat utförings- exempel.

- Fig. 1 visar i ett schematiskt vertikalsnitt en principskiss över kollektor och emitter i termojonomvandlaren.

Fig. 2 visar i vy framifrån kollektorn.

Fig. 3 är' ett vertikalt snitt genom Återmojonomvandlaren inklusive cesiumbehållare.

Fig. 4 visar i form av en ström-spänningskurva för termojo- nomvandlaren ett experimentellt resultat.

Beskrivning_§v utförningsexempel Kollektorn 1 består av en metallfolie med små hål genom folien, varvid. i experimentanläggningen avståndet mellan hålen var typiskt 0,2 mm och háldiametern 0,1 mm, dvs en håltäthet av 25 per mm2. Hålen har borrats med hjälp av en laser. Genom folien bringas ånga av cesium eller annat termojoniskt material, t ex annan alkalimetall, att strömma med ett tryck av omkring 1 mbar (jämviktstryck vid en tempe- ratur av 300 °C). Den yttre ytan av folien är belagd med ett mycket tunt skikt av kol, t ex i form av grafit. Kolet kan tillföras genom t ex kemisk sönderdelning av kolväte eller genom mekanisk beläggning med grafit i kolloidal form.

Eventuellt reagerar kolet i beläggningen med kollektormate- rialet och bildar en karbid. Genom växelverkan mellan cesiu- .nn 10 15 20 25 30 35 467 716 4 mångan och den kolbelagda ytan bildas energirika, s k ex- citerade tillstånd av cesiumatomer och cesiumjoner. Denna mekanism finns dokumenterad i referenserna: K. Möller och L. 204 (1988) 98, J.B.C. Pettersson och L. Holmlid, Surface Sci. 211 (1989) 263 samt T. Hansson, C. Åman, J.B.C. Holmlid, J. Phys. B. 23 (1990) 2163.

Dessa tillstånd växelverkar så starkt med varandra att ett lager av exciterat cesium kan bibehållas på foliens yta.

Bildningen av de exciterade tillstånden och bildningen av lagret av exciterat cesium underlättas av närvaron av en het Holmlid, Surface Sci.

Pettersson och L. koltäckt yta i närheten av folien, så att ytterligare ex- citerade tillstånd av cesium kan bildas. I stället för kol kan annat material användas, som förmår växelverka med cesium (eller annat termojoniskt material) på det ovan angivna sättet.

En kollektor av denna typ kan utföras på ett flertal olika sätt avseende storlek av den laserborrade ytan och dess form (plan eller krökt, ev cylindrisk). Utprovning av kollektorn och uppmätning av dess egenskaper har skett i en uppställ- ning som visas i princip i Figur 1. I denna är den laserbor- rade folien fastsvetsad vid en behållare i rostfritt stål.

I behållaren upprätthålls ett ångtryck av cesium. Cesiumång- an strömmar genom öppningar 4 i kollektorn 1, ut i området 5 mellan kollektorn och den närliggande heta s k emittern 6. Denna hålls av två ben 7, som också leder den elektriska ström som värmer emittern.

Kollektorns utförande i testerna visas i Figur 2. Den är tillverkad av nickelfolie med tjocklek 0,5 mm. Den yttre diametern a av kollektorn är 10 mm, medan de laserborrade hålen ligger inom en yta b om 4x4 mm2. Det bör påpekas att dessa mätangivelser endast avser det aktuella utföringsexemplet, och på intet sätt är begränsande för uppfinningen. Kolloidal grafit tillförs på kollektorn 1 på den ej laserborrade delen av ytan. 10 15 20 25 30 35 467 716 Cesiumångan tillförs till kollektorn från en upphettad reservoir, såsom visas i Figur 3. I denna figur syns tvär- snittet av emitterfolien 6, kollektorn 1 och en kopparmantel 8 med värmespiral 9 som upphettar kollektorn till en tempe- ratur runt 800 K. I den övre delen 10 av anordningen i Figur 3 finns också en anslutning 11 för en ventil 12, som kan användas för att strypa cesiumflödet från en nedre behållare 13 till den övre 10. Cesiet 14 införs i metallisk form i den nedre behållaren 13, ofta i fast form i en glasampull. Den nedre behållaren 13 värms med hjälp av en värmemantel 15, som också håller anordningen på plats i vakuumkammaren via en mantel 16 och tre ben 17. För att kyla den nedre behålla- ren snabbt kan luft eller vatten tryckas genom manteln 16.

Termojonomvandlaren enligt uppfinningen uppvisar spännings- ström-karakteristiker som avviker från de normala för andra termojonomvandlare. Så kan t ex en stor elektronström gå från kollektorn till emittern, en s k backström, om omvand- laren ansluts till en spänningskälla med omvänd polaritet jämfört med den normala polariteten när omvandlaren ger uteffekt. Denna backström kan nå mycket stora strömtätheter, mer än 500 A/cm2. Detta betyder att kollektorns utträdesar- bete är mindre än 0,7 eV, ur Richardsons ekvation för ter- misk elektronemission. Mer detaljerade analyser av spän- nings-ström-karakteristiken visar på utträdesarbeten mellan 0,5 och 0,9 eV. Detta innebär en stor sänkning av utträde- sarbetet för kollektorer i termojonomvandlare, som hittills inte kunnat sänkas under ungefär 1,2 eV.

Med denna nya typ av kollektor har vi kunnat uppnå barriär- index i termojonomvandlare under kortvarig konstant drift ned till 1,64 eV, t.ex. i experimentet i Fig. 4. I detta fall var emittertemperaturen 1680 K (1407 °C), kollektortem- peraturen 553 K (280 °C) och avståndet mellan emitter och kollektor omkring 0,4 mm. Den uteffekt som dessa data mot- svarar är 10 W/cm2, och kollektorns utträdesarbete är 0,64 10 15 20 25 30 35 467 716 6 eV. Pulsad drift förväntas ge ännu lägre barriärindex. Detta innebär en kraftig sänkning av barriärindex från typiska publicerade värden 1,8 - 2,0 eV.

Den här beskrivna förbättrade typen av kollektor till termo- joniska energiomvandlare uppvisar följande egenskaper: - utträdesarbetet för elektroner är mycket lågt från kollek- torn, under 0,7 eV, vilket innebär kraftigt minskade förlus- ter vid energiomvandlingen: - kollektorns ytskikt framställs under användningen i om- vandlaren genom att energirika s k exciterade atomer och joner av cesium bildar ett lager på kollektorns yta, - de exciterade tillstånden bildas på kollektorns yta i ett tunt kolskikt, som kan tillföras genom flera kända metoder, - bildningen av de exciterade tillstånden och ytlagret av exciterade tillstånd på kollektorn underlättas genom närva- ron av en annan het yta där exciterade tillstånd av cesium kan bildas, - det låga utträdesarbetet hos den nya typen av kollektor i en termojonomvandlare medför sänkta förluster och sänkt s k barriärindex, som till stor del består av kollektorns ut- trädesarbete: detta innebär effektivare energiomvandling i termojoniska energiomvandlare som använder denna typ av kollektor.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till det visade och ovan beskrivna utföringsexemplet utan ett flertal vari- anter är tänkbara inom ramen för patentkraven. Exempelvis kan kollektorn 1 utformas utan hål 4, och cesiumångan till- föras direkt till utrymmet 5 mellan emitter och kollektor.

För att erhålla ökad kontakt mellan cesiumångan och kollek- torns kolskikt kan kollektorytan utformas med ojämnheter såsom fördjupningar och/eller upphöjningar. I detta fall kan kollektorn vara av ett tjockare material. Eventuellt kan även en slät kollektoryta ge tillräckligt god kontakt mellan cesiumångan och kolet, t.ex. om kolet bildar trådformade utväxter från kollektorytan.

Claims (4)

10 15 20 25 30 PATENTKRAV

1. Kollektor för termojonisk energiomvandlare, vilken om- vandlare innefattar två elektroder: en emitter (6) och en kollektor (1) och ett däremellan anordnat utrymme (5) till vilket tillförs ånga av ett termojoniskt material t ex cesium eller annan alkalimetall, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att kollektorn (1) åtminstone delvis är täckt av ett tunt skikt av ett material, t ex kol, som förmår växelverka med sagda termojoniska material och bilda exciterade tillstånd av detta, och att vid drift ett lager av exciterat termojo- niskt material bibehålles på kollektorns yta.

2. Kollektor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att kollektorn (1) består av en metallfolie försedd med ett flertal hål (4) genom vilka ånga av sagda termojoniska material bringas att passera.

3. Kollektor enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att kollektorn (1) i sin mot emittern (6) vända yta uppvisar fördjupningar och/eller upphöjningar för att erhålla ökad kontakt mellan kolskiktet och det termojoniska materialet.

4. Kollektor enligt något eller några av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att sagda skikt utgörs av t.ex. en karbid bildad efter beläggning av kollektorn med kol eller annat lämpligt mate- rial.