一種新型熱離子器件及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型熱離子器件，此器件包括一個(gè)用于發(fā)射熱離子的發(fā)射極板,一個(gè)用于捕獲熱離子的接收極板,一個(gè)用于控制兩個(gè)極板間隙的控制環(huán),所述控制環(huán)與兩個(gè)極板之間通過(guò)絕熱絕緣層進(jìn)行連接，兩個(gè)極板之間的間隔隙縫通過(guò)利用控制環(huán)的熱膨脹性控制在0.1～100納米之間，兩個(gè)極板、絕熱絕緣層和控制環(huán)之間組成一密閉的真空腔。采用此器件可以大幅度提高熱能發(fā)電的效率；另外,此器件通電后能夠進(jìn)行制冷，體積大大縮小，制冷效率可以達(dá)到或超過(guò)傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷效率，節(jié)約能耗。
【專利說(shuō)明】一種新型熱離子器件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱離子發(fā)電和熱離子制冷應(yīng)用領(lǐng)域的一種新型熱離子器件及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，世界上大部分的電能都是通過(guò)將化石能源，核能轉(zhuǎn)化為熱能，將熱能通過(guò)蒸汽轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，或直接利用風(fēng)輪或水輪傳遞的機(jī)械能，推動(dòng)發(fā)電機(jī)切割磁力線后獲得的。在這些轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，都有轉(zhuǎn)化損失，發(fā)電效率較低且體積龐大。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)或溫差半導(dǎo)體發(fā)電由于其熱端和冷端之間由絕熱性不好且厚度很低的材料連接，其導(dǎo)熱損失限制了光伏和溫差半導(dǎo)體的電轉(zhuǎn)化效率。熱離子發(fā)電技術(shù)可以將熱量直接轉(zhuǎn)化為電能，理論效率高，其沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，壽命長(zhǎng)，但由于熱離子發(fā)電技術(shù)要求發(fā)射極和接收極之間的間距需要控制在10納米以內(nèi)才能獲得良好的效果，傳統(tǒng)的加工工藝不能滿足此間隙控制要求。美國(guó)專利US7169006B2雖然提供一種間隙的控制方式，但其結(jié)構(gòu)和制作工藝復(fù)雜，產(chǎn)品造價(jià)聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種新型熱離子器件，包括含有一個(gè)用于發(fā)射熱離子的發(fā)射極板，一個(gè)用于捕獲熱離子的接收極板，一個(gè)用于控制兩個(gè)極板間隙的控制環(huán)，控制環(huán)與兩個(gè)極板之間通過(guò)絕熱絕緣層進(jìn)行連接，兩個(gè)極板之間的間隔隙縫通過(guò)利用控制環(huán)材料的熱膨脹性控制在0.1?100納米之間，兩個(gè)極板、絕熱絕緣層和控制環(huán)之間組成一密閉的真空腔。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:通過(guò)采用不同材料的熱膨脹率不同的原理，先將控制環(huán)套在熱離子發(fā)射極板和熱離子接收極板的中間，在一個(gè)操作溫度下將熱離子發(fā)射極板及熱離子接收極板壓緊，利用兩極板材料在壓力下的塑性變形，使控制環(huán)與極板緊密結(jié)合，用絕緣絕熱層填充入熱離子發(fā)射極板與控制環(huán)的接觸面及熱離子接收極板與控制環(huán)的另一個(gè)接觸面，其兩個(gè)極板與控制環(huán)的接觸面保證密封后，將整體恢復(fù)到常溫或工作溫度，因控制環(huán)與發(fā)射極板、接收極板的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化后會(huì)在兩個(gè)極板之間形成均勻隙縫，通過(guò)工藝孔抽真空去除隙縫中的空氣形成真空，完成此熱離子器件的制作。
[0005]進(jìn)一步，在選用熱離子發(fā)射極板材料時(shí)，所用的熱離子發(fā)射極板材質(zhì)為易發(fā)射熱離子的導(dǎo)體或半導(dǎo)體。
[0006]進(jìn)一步，在選用熱離子接收極板材料時(shí)，所用的熱離子接收極板材質(zhì)為易捕獲熱離子的導(dǎo)體或半導(dǎo)體。
[0007]進(jìn)一步，在選擇控制環(huán)的材料時(shí)，控制環(huán)的熱膨脹率與熱離子發(fā)射極板、熱離子接收極板的熱膨脹率中的其中一個(gè)極板不同，或兩個(gè)極板都不同。
[0008]進(jìn)一步，熱離子發(fā)射極板與熱離子接收極板之間的空間為真空，且其間隙優(yōu)選為0.1納米?10納米之間。
[0009]進(jìn)一步，通過(guò)加熱發(fā)射極板，發(fā)射極板發(fā)射熱離子被接收極板捕獲，接收極板將熱離子傳遞的熱量迅速排除，此時(shí)接收極板將積聚電子帶負(fù)電，發(fā)射極板因丟失電子而帶正電，在發(fā)射極和接收極之間形成電壓，實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電。
[0010]進(jìn)一步，通過(guò)在發(fā)射極板和接收極板之間加直流電，發(fā)射極板接負(fù)極，接收極板接正極，這樣通過(guò)電場(chǎng)的作用，將發(fā)射極較高動(dòng)能的電子轉(zhuǎn)移至接收極板，降低發(fā)射極板的溫度，實(shí)現(xiàn)高效的制冷功能，為了維持制冷效果，接收極板需要將多余的熱量不斷排除。
[0011]進(jìn)一步，為了提高發(fā)射極板的活性，并降低活潑金屬的使用量，可以在發(fā)射極板的表面覆蓋一層堿性活潑金屬，如銣，或銫等。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:此新型熱離子器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)采用此新型制作結(jié)構(gòu)，大大降低熱離子器件的制作成本，并通過(guò)控制環(huán)材料的熱膨脹物理性能控制熱離子發(fā)射極板和接收極板之間的間隔隙縫，性能穩(wěn)定可靠。采用此器件可以大幅度提高熱能發(fā)電的效率，為太陽(yáng)能發(fā)電效率的提高提供一個(gè)新方案。另外，采用熱離子技術(shù)的制冷器件，體積大大縮小，制冷效率可以達(dá)到或超過(guò)傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷效率，節(jié)約能耗。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明新型熱離子器件的剖視圖；
圖2是本發(fā)明新型熱離子器件的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述:如圖1和圖2所示，I為熱離子發(fā)射極板，2為熱離子接收極板，3為控制環(huán)，4為絕熱絕緣密封層，5為工藝孔；6、隙縫；7、突出部分。
[0015]本實(shí)施例以熱離子發(fā)射極板I和熱離子接收極板2為紫銅材質(zhì)，控制環(huán)為鋁合金環(huán)狀材料，及絕熱絕緣密封層為環(huán)氧樹(shù)脂密封材料為例，解釋此熱離子器件的制作和使用方法。首先將鋁合金控制環(huán)3套在熱離子發(fā)射極板I和熱離子接收極板2的中間，鋁合金控制環(huán)3的厚度略小于熱離子發(fā)射極板I和熱離子接收極板2的突出部分7高度之和，發(fā)射極板I和接收極板2的突出部分7高度各2.5毫米，即在控制環(huán)3與熱離子發(fā)射極板I和熱離子接收極板2中間留有空隙，用環(huán)氧樹(shù)脂材料即絕熱絕緣密封層4填充入熱離子發(fā)射極板I與控制環(huán)3的接觸面及熱離子接收極板2與控制環(huán)3的另一個(gè)接觸面，在5°C操作溫度下將熱離子發(fā)射極板I及熱離子接收極板2壓緊，利用兩極板材料在壓力下的塑性變形，使極板緊密結(jié)合，接觸面保證密封后，將整體恢復(fù)到常溫25°C，因控制環(huán)與發(fā)射極板及接收極板的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化后會(huì)在兩個(gè)極板之間形成均勻隙縫6大約4.5納米，通過(guò)抽真空去除隙縫中的空氣形成真空，并在真空完畢后將工藝口 5密封，完成此熱離子器件的制作。
[0016]當(dāng)通過(guò)加熱發(fā)射極板，發(fā)射極板發(fā)射熱離子被接收極板捕獲，接收極板將熱離子的熱量迅速排除，此時(shí)接收極板將積聚電子帶負(fù)電，發(fā)射極板因丟失電子而帶正電，在發(fā)射極板和接收極板之間形成電壓，實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電。
[0017]進(jìn)一步說(shuō)，當(dāng)通過(guò)在發(fā)射極板和接收極板之間加直流電，發(fā)射極板接負(fù)極，接收極板接正極，這樣通過(guò)電場(chǎng)的作用，將發(fā)射極板較高動(dòng)能的電子轉(zhuǎn)移至接收極板，降低發(fā)射極板的溫度，通過(guò)接收極板將多余的熱量不斷排除，實(shí)現(xiàn)制冷。
[0018]需要強(qiáng)調(diào)的是:以上僅是為了便于業(yè)內(nèi)工程師理解本發(fā)明而做的實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種新型熱離子器件，其特征在于:包含:一個(gè)用于發(fā)射熱離子的發(fā)射極板，一個(gè)用于捕獲熱離子的接收極板，一個(gè)用于控制兩個(gè)極板間隙的控制環(huán)，所述控制環(huán)與兩個(gè)極板之間通過(guò)絕熱絕緣層進(jìn)行連接，兩個(gè)極板之間的間隔隙縫通過(guò)利用控制環(huán)的熱膨脹性控制在0.1?100納米之間，兩個(gè)極板、絕熱絕緣層和控制環(huán)之間組成一密閉的真空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型熱離子器件，其特征在于:所述的發(fā)射極板的材質(zhì)為易發(fā)射熱離子的導(dǎo)體或半導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型熱離子器件，其特征在于:所述的接收極板的材質(zhì)為易捕獲熱離子的導(dǎo)體或半導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型熱離子器件，其特征在于:所述控制環(huán)的熱膨脹率與發(fā)射極板、接收極板的熱膨脹率中的其中一個(gè)極板不同，或與兩個(gè)極板都不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型熱離子器件，其特征在于:所述發(fā)射極板與接收極板之間的空間為真空，且其間隙優(yōu)選為0.1納米?10納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?5所述的新型熱離子器件，其特征在于:在所述發(fā)射極板的表面覆蓋一層堿性活潑金屬層，所述金屬層包括銣，或銫。
7.一種新型熱離子器件的制作方法，其特征在于，將發(fā)射極板，接收極板面對(duì)面放置，控制環(huán)通過(guò)絕緣絕熱材料分別與發(fā)射極板和接收極板連接，并留有用于抽真空的工藝口，在一操作溫度下，通過(guò)擠壓的方式，將發(fā)射極板和接收極板的接觸面壓平，利用控制環(huán)熱膨脹系數(shù)大于發(fā)射極板和接收極板的熱膨脹系數(shù)特性，在高于擠壓操作溫度的條件下，發(fā)射極板與接收極板之間形成可控的間隔隙縫；或利用控制環(huán)熱膨脹系數(shù)小于發(fā)射極板和接收極板的熱膨脹系數(shù)特性，在低于擠壓操作溫度的條件下，發(fā)射極板與接收極板之間形成可控的間隔隙縫；通過(guò)抽真空的工藝口，將發(fā)射極板和接收極板之間的空間抽真空,真空完成后，將工藝口封閉，制成新型熱離子器件。
【文檔編號(hào)】H01L23/04GK103531430SQ201310505645
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】魏輝 申請(qǐng)人:蘇州圖卡節(jié)能科技有限公司