改進的熱電轉換器的製作方法

2023-07-24 12:12:56

專利名稱：改進的熱電轉換器的製作方法
技術領域：
本發明總的說來涉及直接將熱能轉化為電能的領域，具體地說，涉及一種改進的熱電轉換器。
背景技術：
如美國專利3,519,854，3,328,611，4,303,845，4,323,808及5,459,367(均授權為本發明的發明人，在這裡作為參考文獻)所記載的的熱發射轉換器已為人所知，其中公開了直接將熱能轉化為電能的各種設備和方法。美國專利3,519,854描述的轉換器利用霍爾效應技術作為輸出電流的集電裝置。該專利教導使用從作為電子源的發射陰極表面逸出的電子束。這些電子朝著與霍爾效應換能器相分離的陽極被加速，該陽極是非常簡單的金屬板，帶大量靜電的元件環繞著金屬板並與金屬板絕緣。
美國專利3,328,611公開了一種球形的熱發射轉換器，其中，球形發射陰極受熱，因而在控制元件的作用下向同心設置的球形陽極發射電子，其上面有高的正電勢並與控制元件絕緣。同專利′854相同，專利′611的陽極也是簡單的金屬表面。
美國專利4,303,845公開了一種熱發射轉換器，其中，陰極發出的電子束穿過橫向磁場內的氣芯電感線圈，因而由於電子束和橫向磁場的相互作用而在電感線圈中產生電動勢。該專利′854的陽極也包括金屬板，一帶大量靜電的元件環繞金屬板並與金屬板絕緣。
美國專利4,323,808公開了一種雷射激勵的熱發射轉換器，該轉換器與專利′845中的熱發射轉換器非常相似。主要的區別在於，專利′808公開的是，在去掉加在上面匯集電子的格網上的電勢的同時，將雷射加到格網上，從而生成電子團，電子團經過位於橫向磁場中的氣芯電感線圈朝著陽極被加速。專利′808的陽極與專利′845的陽極相同，即為一簡單的金屬板，帶大量靜電元件環繞金屬板並與其絕緣。
美國專利5,459,367優選使用了一種改進的集電元件，其陽極用鋼棉纖維和硫酸銅膠體代替金屬板，另外，該集電元件具有環繞陽極並與陽極絕緣的高帶電(即靜電)元件。
在另一個現有設計方案中，陽極和陰極位於真空腔內，彼此靠近，間隔例如2微米。這種設計方案除了將銫引入罩著陽極和陰極的腔內以外，沒有利用別的吸引力將陰極發射的電子吸向陽極。銫將正電荷塗在陽極上使電子保持流動。由於陰極和陽極靠得太近，很難使陰極和陽極保持具有顯著不同的溫度。例如，一般地，陰極為1800開氏溫度，而陽極為800開氏溫度。用熱源來加熱陰極，而在陽極處設置冷卻循環系統，而將陽極維持在需要溫度。儘管腔維持為真空(沒有銫源)，但是，熱量從陰極傳到陽極，因而在靠得很近的陰極和陽極間維持高溫度差要消耗大量能量。於是，顯著降低了系統效率。

發明內容
相應地，本發明的目的是提供一種新的、改進的熱電轉換器。
更具體地說，本發明的目的是提供一種轉換效率提高了的熱電轉換器。
本發明的第二個目的是提供一種用於熱電轉換器的改進的陰極。
本發明的第三個目的是提供一種熱電轉換器，其陰極和陽極明顯地分開，使它們彼此熱絕緣。
本發明的第四個目的是提供一種熱電轉換器，其中在電子撞擊陽極前瞬間將電子的能量去掉。
本發明上述及其他目的在隨後的描述中會變得清楚，並由下述的熱電轉換器實現，其包括殼體件；殼體件內陰極，受熱時工作，用作電子源；殼體內的陽極，能接收從陰極發射的電子。該陰極為金屬絲網，金屬絲沿至少兩個相互交叉的方向延伸。帶電的第一會聚環在殼體件內，位於陰極和陽極之間，能夠將陰極發射的電子經電子路經上的第一會聚環導向到陽極，帶電的第二會聚環在殼體件內位於第一會聚環和陽極間，能夠將陰極發射的電子經由電子路經上的第二會聚環導向到陽極。還可使用其他的會聚環。陰極最好與陽極分開4微米到5釐米。更好的是，陰極與陽極分開1～3釐米。雷射器用來轟擊陰極和陽極間的電子(即將雷射加到電子上)。雷射器在電子到達陰極前的瞬間轟擊電子。雷射能夠對電子進行量子擾動，使電子能易於被陽極捕獲。
陰極金屬絲網最好包括至少四層金屬絲，而且每個金屬絲層的金屬絲沿著不同於其他層金屬絲的方向延伸，因此，陰極金屬絲網包括沿著至少四個不同方向延伸的金屬絲。這種設計大大增加了陰極的發射表面。
本發明還可描述成一種熱電轉換器，其包括殼體件；殼體件內的陰極，受熱時能夠用作電子源；殼體件內的陽極，能夠接收從陰極射出的電子；以及能夠轟擊陰極、陽極間的電子的雷射器。雷射器對電子進行量子幹擾，使電子更易於被陽極捕獲。雷射器能夠在電子達到陽極前瞬間轟擊電子。雷射器能夠在電子達到陽極前2微米內轟擊電子。陰極為金屬絲網，其金屬絲沿著至少兩個相互交叉的方向延伸，陰極與陽極分開4微米到5釐米。
本發明還可描述為一種熱電轉換器，其包括殼體件；殼體件內的陰極，加熱時用作電子源；殼體件的陽極，能夠接收從陰極射出並大致沿著構成從陰極到陽極方向的運動方向前進的電子。陰極的投影橫截面垂直於該運動方向，陰極的電子發射面向陽極發射電子，電子發射面至少比投影橫截面積大30％。陰極為金屬絲網，其金屬絲沿至少兩個相互交叉的方向延伸。另外，或附加地，陰極沿垂直於運動方向的至少一個方向彎曲。一雷射器能夠在電子到達陽極前瞬間轟擊陰極和陽極間的電子。優選的，電子發射面面積至少為投影橫截面積的兩倍。更好的是，電子發射面面積至少為所述投影橫截面積的兩倍。金屬絲直徑越小，發射面積越大，並呈指數關係。


下面參照附圖詳細描述本發明，其中相同的標號代表相同的元件。圖中，圖1是現有技術的熱電轉換器的示意圖；圖2是現有技術的雷射激勵熱電轉換器的示意圖；圖3是根據本發明熱電轉換器的橫截面側視示意圖；圖4是用於陰極的金屬絲網的俯視圖；
圖5是金屬絲網結構一部分的側視圖；圖6是另一種金屬絲網結構一部分的側視圖；圖7是金屬絲網結構中多層的側視示意圖；及圖8是另一種陰極結構的簡化側視圖。
具體實施例方式
圖1和圖2分別為授給Edwin D.Davis，即本發明的發明人的美國專利4,303,845和4,323,808中示出並描述的現有技術熱發射轉換器，其中公開的全部內容在這裡引作參考。雖然這兩種熱發射轉換器在引入的專利中詳細進行了描述，但這裡參照圖1和2大致地介紹其工作情況。這對理解本發明可以提供有益的背景知識。
圖1示出了一種基本的熱電轉換器。圖2示出了一種雷射激勵熱發射轉換器。這兩種轉換器的工作情況非常相似。
附圖示出了基本的熱電轉換器10。轉換器10有一細長的圓柱形外殼12，並安裝有端壁14，16，從而構成了封閉腔18。殼12由公知的任何一種強度高的非導電材料製成，例如，高溫塑料或陶瓷。而端壁14，16為金屬板，上面能形成電連接。這些元件機械連接在一起，並氣密密封，使腔18能保持真空。在端壁14，16之間可以施加並維持較高的電勢。
第一端壁14有一成型陰極區20，其內表面上設有電子發射塗層(未示出)；第二端壁16製成圓形、略凸的表面，其首先安裝在絕緣環21中而形成一組件，然後全部的元件配裝到殼12上。使用中，端壁14，16分別用作轉換器10的陰極端子和集電板。在兩個壁之間，電子束22沿著圓柱形腔18的對稱軸線前進，起始於陰極區20，並終止於集電板16。
環形會聚件84同心地位於腔18內，鄰近於陰極20。擋板件26同心地位於腔18內，鄰近於集電板16。
上述兩個元件之間設有電感組件28，其包括螺線管電感線圈30和細長的環形磁鐵32，線圈30和磁鐵32同心地位於腔18內，並佔據其中心區域。簡略地參照圖2的側視示意圖，可以看到各種元件和組件的相對經向定位，其清楚起見，用於這些位於裡面的元件的機械定位裝置沒有包括於這兩個圖中。會聚件24經引線34和氣密封的進給通孔36連接到外靜電電勢源(未示出)。電感線圈30類似地經一對引線38，40和一對進給通孔42，44連接到簡單地示為電阻46的外部負載件。
施加到各種元件上的電勢由於構成了用於實施相關電子束器件的公知和傳統裝置，於是沒有清楚地示出，也沒有詳細討論。簡單地講，(傳統上)將陰極區20作為電壓基準。高的正靜電荷加到集電板16上，通過將外電路的負極側連接到陰極20上而完成含有該電壓源的外電路。所施加的高的正靜電荷使從陰極區20出來的電子束22朝著集電板16加速，電子束的值直接取決於施加的高靜電荷的大小。電子以足夠的速度撞擊在集電板16上而產生一定量的回彈。擋板件26的構形和位置成能防止這些回彈電子到達轉換器的主要部分，電連接(未示出)按需要布置在上面。較低到中等大小的負壓加在會聚件24上，將電子束22會聚成窄束。在工作中，用熱源48(可利用礦物燃料的燃燒、太陽能裝置、原子能裝置、來自於目前原子操作時的原子廢料或熱交換器等多種熱源)加熱陰極20上的電子發射塗層，而蒸發出大量的電子。選出的電子由會聚件24會聚成窄束並朝著集電板16被加速。當通過電感組件28時，電子受到磁鐵32產生的磁場作用，並進行相互作用的運動，而在電感線圈30的線匝中感生出電動勢。實際上，感生出的電動勢是大量單個電子進行小的圓環環流時在線圈30的各個圈中產生的微小電動勢的和。總的說來，轉換器的輸出電壓正比於電子的行進速度，而輸出電流取決於電子源的尺寸和溫度，感生電動勢的機理可以解釋為，開始有直線速度的電子進入到與電子速度正交的大致均勻磁場中時，洛倫茲力會作用在這些電子上，在一適當結構的裝置中，螺線電子路徑按法拉弟定律能產生所需的淨磁通變比率，從而生成感生電動勢。
這種螺線形電子路徑由集電板16的加速作用產生的直線行進路徑與初始電子速度和磁鐵32的橫向磁場相互作用產生的圓形路徑綜合而成。根據施加在集電板16上的高電壓的相關幅值和磁鐵32產生的磁場強度和方向，也可以用其他的機制在電感線圈30中直接生成電壓。上面概括性描述的機理只是作為舉例性質的，而不應視為唯一可用的工作模式。但所有機制都來自於應用洛倫茲力和法拉弟條件的各種組合。
美國專利4,303,845中的基本轉換器和美國專利4,323,808中的雷射激勵轉換器的基本區別是，雷射激勵轉換器收集從網176上陰極表面蒸發出的電子，負電勢源178經引線180將小的負電勢加在網176上，該轉換器能捕獲電子流和大量電子。去掉加在網上的電勢，而同時將網暴露在從雷射器組件170，173，174，20發出的雷射脈衝之下，使電子團22逸出。電子團22被電子聚焦，並被導引通過橫向磁場中的氣芯電感線圈的內部，從而在電感線圈中產生電動勢，並加到外電路上作功，如同上述的基本熱發射轉換器。
如本發明人的在先美國專利5,459,367所指出的，僅用導電金屬板製成的集電件經常有許多附帶的缺點，因此，該設計的集電件包括充滿鋼棉纖維的硫酸銅膠體導電層。本發明可以使用同樣的陰極，不過，由於本發明的其他方面最大限度地減小或避免了這種金屬板陽極引起的一些缺點，所以本發明也可以使用導電金屬板陽極。從本質上講，陰極的具體形式對本發明的最優設計並不重要。
請參見圖3，根據本發明的熱電轉換器200包括殼體202，其中的真空由公知形式的真空設備(未示出)保持，殼體件202優選為繞著中心軸線202A的圓柱形，除非另有說明，中心軸線202A作為殼體件202和殼體件中各元件的對稱軸線。
集電器204包括平面陽極圓板(例如由銅製成)，由帶靜電環208(例如充電到1000庫侖)環繞。環208帶有與其同心的絕緣環210。如專利5,459,367中討論的那樣，環208和環210可共同構造並工作。冷卻件212與板206熱聯接，使從冷卻劑源214出來的冷卻劑經冷卻迴路經板206循環，將陽極板保持在所需溫度。另外，冷卻件212可以與陽極板206相同(換句話說，冷卻劑能經板206循環)，可以使用有一個或多個傳感器(未示出)的反饋結構來穩定陽極206的溫度。
本發明的陰極組件218包括陰極220，其由熱源加熱並發射出電子，這些電子大致沿著向陽極206的運動方向202A移動(如在專利5,459,367中，帶電環208有助於將電子吸向陽極)。儘管該熱源圖示為源222，其加熱流體(液體或氣體)經加熱迴路226流向加熱件224(該加熱件與陰極220熱耦合)，但作用在陰極224上的雷射器等能源也可以使用。進入源222中的能量可以為太陽能、雷射、微波或者放射性材料。另外，那些貯存起來費用高而又沒有價值的廢棄核料也可以用來向源222提供熱。
陰極220中獲得能量而達到費米能級的電子從其表面選出，受到靜電環208的吸引，經第一和第二會聚環或者柱228和230沿運動方向202A運動，其結構和工作類似於上面討論的現有技術中會聚件24的形式，為有助於電子沿正確方向運動，屏蔽件232繞在陰極224上。如圖所示，屏蔽件232為圓柱形或錐形，包括靠近陰極224的圓柱部和運離陰極224的錐部。各種情況下，屏蔽件將會保持電子沿方向202A的運動。由於屏蔽件處於較高溫度(從其旁邊到較高溫度的陰極220)，趨於從屏蔽件232排斥電子。另外，或者附加地，為了在屏蔽件的高溫下排斥電子，屏蔽件232上加有負電荷。在後一種情況下，在屏蔽件232和陰極220間使用了絕緣物(未示出)。
相應於從陰極220到陽極206的電子流所產生的電能經陰極導線234和陽極導線236加到外電路238。
下面從轉換器200的整體工作情況轉換到其特有的優點方面，隨著電子240等到達陽極206而趨於具有高能級。因此，一般會出現一些電子會從表面反彈回來而沒有被捕獲。這會導致電子散射而降低轉換效率，為了避免或大大減小這種趨勢，本發明使用雷射器242在電子轟擊陽極206前的瞬間轟擊電子(即用雷射束244轟擊電子)、雷射束244的光子和電子240之間的量子幹擾降低了電子能態，使電子更易於被陽極206表面捕獲。
從物理學的波粒二象性理論可以清楚，由雷射束轟擊的電子會顯現波動和/或粒子特性(當然，本發明權利要求的範圍並不限於任何一種具體的工作原理，除非某一權利要求明確指明，如量子擾動)。
這裡所說的雷射242在電子到達陽極的「剛好瞬間」用光束244轟擊電子的意思是，被轟擊的電子當繼續行進到陽極206時不穿過任何別的元件(如會聚件)。更具體地，電子最好在到達陽極206的2微米內受到轟擊。更好的是，電子在到達陽極的1微米內由雷射轟擊。實際上，第二會聚件230到陽極206間的距離可設為1微米，而雷射器可以在更靠近陽極206的地方轟擊電子。在上述情形下(即在電子到達陽極前瞬間轟擊電子)，電子能量降低，使減少後的能量最合適和有用。
儘管殼體件202是不透明的，如金屬件，但雷射窗口由透明材料製成，使雷射束204能從雷射器242傳播進殼體件202內的腔中。另一種方案是，將雷射器242放置於腔中。
除了用雷射器242在電子到達陽極前瞬間減小其能級來提高轉換效率外，本發明的陰極進行了特殊設計，通過增大陰極220的電子發射面積來提高效率。
如圖4所示，陰極220為圓形金屬絲網248，頂層或第一層平行金屬絲的金屬絲250沿方向252延伸，而第二層平行金屬絲的金屬絲254沿方向256延伸，並與方向252交叉，最好是垂直於方向252。第三層平行金屬絲(為便於說明只示出了一根金屬絲258)沿方向260延伸(與方向252和256成45°)。第四層平行金屬絲(為便於說明，只示出了一根金屬絲262)沿方向264延伸(與方向260成90°)。
注意到，圖4示出的金屬絲之間分開較大的距離，但這只是為了圖示的方便。優選地，這些金屬絲為精壓金屬絲，同層中平行金屬絲分開的距離與金屬絲直徑差不多，優選地，金屬絲的直徑為不足2mm至細絲的尺寸之間，金屬線可以為鎢絲或其他陰極用材料。
參見圖5，金屬絲250和254彼此錯開，所有的金屬絲250(圖中只示出一根)置於一個公共面內，與放置所有金屬絲254的公共面不同並錯開。另外一種結構示於圖6，金屬絲250′(只看到一根)和254′按織物的形式相互交織在一起。
參見圖7，另一種陰極220′有三部分266，268，270。每個部分266，268，270都有兩層垂直的金屬絲，如250，254(或250′和254′)。部分266具有伸進圖7視圖平面內的金屬絲和平行圖7平面的金屬絲。部分268有兩層金屬絲，每層中的金屬絲沿著與部分266中金屬絲的一個方向成30°角的方向延伸。部分270有兩層金屬絲，每層中的金屬絲沿著與部分266中金屬絲的一個方向成60°角的方向延伸。
應該清楚，圖7是示例地說明可以使用沿不同方向延伸的多層金屬絲。
利用金屬絲的形狀和多層金屬絲，陰極的各種金屬絲網結構增大有效電子發射面積。另一種增大面積的方法示於圖8中。圖8示出了一種拋物型陰級280的側視橫截面，該陰極發射電子大致沿運動方向220A′運動。陰極280的投影橫截面積A垂直於運動方向202A。很明顯向陽極發射電子的陰極280的電子發射面積EA(按陰極的曲率)至少比投影橫截面積A大30％。因此，對於給定尺寸的陰極生成了更大密度的電子。雖然將陰極280圖示為拋物型，但也可以使用其他曲面，陰極280由固定件製成，或者也可以包含類似圖4-7所描述的多層金屬絲網結構，只是各層為彎曲的，而不是平面的。
儘管圖8的彎曲陰極結構所提供的電子發射面積EA比投影橫截面積A大至少30％，如圖4所示的各種金屬絲網結構提供的電子發射面積，至少是側面橫截面積(即如圖8所定義的)的兩倍。實際上，網結構中的電子發射面積應至少是側面橫截面積的十倍。
優選的，本發明使陰極220和陽極206彼開錯開4微米到5cm。更具體地說，錯開或分開的距離為1～3cm。這樣，陰極和陽極隔開足夠遠，熱量從陰極傳遞到陽極的可能性要小於陰極和陽極必需靠得很近的結構。因此由於比許多現有設計需要更少的冷卻劑，冷卻劑源214能夠製成對冷卻劑需求較低的結構。
雖然已參照具體實施例描述了本發明，但很顯然，多種方案、變型和改變對本領域技術人員是顯而易見的。因而，這裡提出的優選實施例只是示例性的，而並非限制性的。在不脫離此處和後附權利要求所定義的本發明的構思和範圍的情況下，可以進行各種變化。
權利要求
1.一種熱電轉換器，包括殼體件；殼體件內的陰極，加熱時工作，能用作電子源；和殼體件內的陽極，能夠接收從陰極發射出的電子；和能夠轟擊陰極和陽極間電子的雷射器，對電子進行量子幹擾，使電子更易於被陽極捕獲。
2.如權利要求1的熱電轉換器，其中，雷射器能夠在電子到達陽極前瞬間轟擊電子。
3.如權利要求2的熱電轉換器，其中，雷射器在電子到達陽極的2微米內轟擊電子。
4.如權利要求3的熱電轉換器，其中，陰極為金屬絲網，其金屬絲沿著相互交叉的至少兩個方向延伸。
5.如權利要求4的熱電轉換器，其中，陰極與陽極分開的距離為4微米到5釐米。
6.如權利要求5的熱電轉換器，其中，電子發射面面積至少為所述投影橫截面積的10倍。
全文摘要
一種改進的熱電轉換器(200)，利用金屬絲網陰極(220)提供更大的蒸發電子的面積。另外利用彎曲的電子發射面能夠得到更大的電子發射面積。雷射器(242)在電子到達陰極前的瞬間對電子進行量子幹擾，降低電子能級，使電子更易於被陽極(206)捕獲。該結構提高了轉換效率並降低電子散射。
文檔編號H01J19/08GK1489174SQ0314513
公開日2004年4月14日 申請日期1997年11月14日 優先權日1997年1月22日
發明者埃德溫·D·戴維斯, 埃德溫 D 戴維斯 申請人:塞莫康公司