热离子发电器及热离子发电方法pdf
本发明公开了一种热离子发电器及热离子发电方法，属于发电技术领域。该热离子发电器包括：发射极板，所述发射极板用于发射电子；收集极板，所述收集极板用于捕获所述电子；微纳支撑结构件，所述微纳支撑结构件填充在所述发射极板和所述收集极板之间，且将所述发射极板和所述收集极板之间的间隙控制在500纳米至5微米之间；所述发射极板和所述收集极板之间除所述微纳支撑结构件之外的空隙为高真空。本发明可以有效地提高输出电流密度和输出功率，无额外能耗和毒害风险，降低成本和系统复杂度，且可以提高可靠性；在达到高精度控制间隙的
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 112187107 A (43)申请公布日 2021.01.05 (21)申请号 7.2 (22)申请日 2020.08.28 (71)申请人 东南大学 地址 211100 江苏省南京市江宁区东南大 学路2号 (72)发明人 魏志勇戚天航陈云飞 (74)专利代理机构 北京德崇智捷知识产权代理 有限公司 11467 代理人 戴义保 (51)Int.Cl. H02N 3/00 (2006.01) 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (54)发明名称 热离子发电器及热离子发电方法 (57)摘要 本发明公开了一种热离子发电器及热离子 发电方法，属于发电技术领域。该热离子发电器 包括：发射极板，所述发射极板用于发射电子；收 集极板，所述收集极板用于捕获所述电子；微纳 支撑结构件，所述微纳支撑结构件填充在所述发 射极板和所述收集极板之间，且将所述发射极板 和所述收集极板之间的间隙控制在500纳米至5 微米之间；所述发射极板和所述收集极板之间除 所述微纳支撑结构件之外的空隙为高真空。本发 明可以有效地提高输出电流密度和输出功率，无 额外能耗和毒害风险，降低成本和系统复杂度， 且可以提高可靠性；在达到高精度控制间隙的同 A 时，实现了微纳支撑结构件的高热阻，从而提高 7 了热电转化效率。 0 1 7 8 1 2 1 1 N C CN 112187107 A 权利要求书 1/1页 1.一种热离子发电器，其特征在于，所述热离子发电器包括： 发射极板，所述发射极板用于发射电子； 收集极板，所述收集极板用于捕获所述电子； 微纳支撑结构件，所述微纳支撑结构件填充在所述发射极板和所述收集极板之间，且 将所述发射极板和所述收集极板之间的间隙控制在500纳米至5微米之间； 所述发射极板和所述收集极板之间除所述微纳支撑结构件之外的空隙为高线所述的热离子发电器，其特征在于，所述发射极板与所述收集极板之 间的热传导损失与下列至少一种相关： 微纳尺度下声子发生边界散射； 所述微纳支撑结构件与所述发射极板和所述收集极板的接触对界面导热的限制，所述 接触为点接触或线接触； 所述微纳支撑结构件的镂空设计而产生的占空比； 所述微纳支撑结构件的材料的宏观导热系数。 3.根据权利要求2所述的热离子发电器，其特征在于，所述微纳支撑结构件中镂空面积 占总面积的50%以上。 4.根据权利要求1所述的热离子发电器，其特征在于，所述间隙是根据计算得到的光谱 辐射力对应波长得到的，所述光谱辐射力是对所述发射极板和所述收集极板的表面所具有 的光学特性进行计算得到的。 5.根据权利要求1所述的热离子发电器，其特征在于，所述发射极板面向所述热源的表 面上覆盖有降反射涂层，所述发射极板面向所述收集极板的表面上覆盖有用于促发射涂层 或促发射结构。 6.根据权利要求1所述的热离子发电器，其特征在于，所述收集极板面向所述发射极板 的表面进行了修饰，修饰后所述收集极板的功函数低于所述发射极板的功函数。 7.根据权利要求1所述的热离子发电器，其特征在于，所述收集极板的一个表面与热沉 接触，所述热沉用于发散多余的热量。 8.根据权利要求1所述的热离子发电器，其特征在于，所述高线中任一项所述的热离子发电器，其特征在于，所述微纳支撑结构 件的材料为耐高温陶瓷绝缘材料，所述发射极板和所述收集极板的基底材料为耐高温金属 材料。 10.一种热离子发电方法，其特征在于，用于如权利要求1至9中任一项所述的热离子发 电器中，所述方法包括： 所述发射极板从热源吸收热能，并向外发射电子； 所述收集极板捕获通过所述间隙到达的所述电子； 所述发射极板接收从外电路返回的所述电子，且所述电子用于向所述外电路的负载输 出功率； 其中，所述发射极板为电源输出正极，所述收集极板为电源输出负极。 2 2 CN 112187107 A 说明书 1/5页 热离子发电器及热离子发电方法 技术领域 [0001] 本发明实施例涉及发电技术领域，特别涉及一种热离子发电器及热离子发电方 法。 背景技术 [0002] 热离子发电器，也称为热电子发射能量转换器（Thermionic Energy Converters， TEC），是一种基于热电子发射效应的高温发电器。热离子发电器的特点是无需化学反应、流 体介质或移动部件，结构简单，可靠性高；且在发电过程中无噪音、无磨损、无介质泄露，使 用寿命长；同时具备可扩展性高，输出电流密度及单位面积输出功率大等优点。 [0003] 热离子发电器包括发射极板和收集极板，且发射极板上不断逸出的低速电子会在 极板之间形成电子云，而电子云产生的电场会阻碍后续逸出的电子到达收集极板，从而削 弱热离子发电器的输出电流密度，进而使其实际输出功率和转化效率远低于理想值。 [0004] 相关技术中可以在极板之间通入铯（Cs）蒸汽来中和低速电子，而铯蒸汽存在有毒 有害性，部分电子在极板间与铯离子碰撞进而散射，仍然使电流密度有一定程度的降低。或 者，相关技术中还可以在两电极之间增加电子加速栅、磁偏转等结构，而这样发电装置需要 额外耗能用于电子加速或偏转。相关技术中的两种热离子发电器的成本和系统复杂度均较 高，且可靠性较低。 发明内容 [0005] 本发明实施例提供了一种热离子发电器及热离子发电方法，用于解决相关技术中 两种热离子发电器的成本和复杂度高，可靠性低的问题。所述技术方案如下： 一方面，提供了一种热离子发电器，所述热离子发电器包括： 发射极板，所述发射极板用于发射电子； 收集极板，所述收集极板用于捕获所述电子； 微纳支撑结构件，所述微纳支撑结构件填充在所述发射极板和所述收集极板之间，且 将所述发射极板和所述收集极板之间的间隙控制在500纳米至5微米之间； 所述发射极板和所述收集极板之间除所述微纳支撑结构件之外的空隙为高线] 在一种可能的实现方式中，所述发射极板与所述收集极板之间的热传导损失与下 列至少一种相关： 微纳尺度下声子发生边界散射； 所述微纳支撑结构件与所述发射极板和所述收集极板的接触对界面导热的限制，所述 接触为点接触或线接触； 所述微纳支撑结构件的镂空设计而产生的占空比； 所述微纳支撑结构件的材料的宏观导热系数。 [0007] 在一种可能的实现方式中，所述微纳支撑结构件中镂空面积占总面积的50%以上。 [0008] 在一种可能的实现方式中，所述间隙是根据计算得到的光谱辐射力对应波长得到 3 3 CN 112187107 A 说明书 2/5页 的，所述光谱辐射力是对所述发射极板和所述收集极板的表面所具有的光学特性进行计算 得到的。 [0009] 在一种可能的实现方式中，所述发射极板面向所述热源的表面上覆盖有降反射涂 层，所述发射极板面向所述收集极板的表面上覆盖有用于促发射涂层或促发射结构。 [0010] 在一种可能的实现方式中，所述收集极板面向所述发射极板的表面进行了修饰， 修饰后所述收集极板的功函数低于所述发射极板的功函数。 [0011] 在一种可能的实现方式中，所述收集极板的一个表面与热沉接触，所述热沉用于 发散多余的热量。 [0012] -6 在一种可能的实现方式中，所述高线] 在一种可能的实现方式中，所述微纳支撑结构件的材料为耐高温陶瓷绝缘材料， 所述发射极板和所述收集极板的基底材料为耐高温金属材料。 [0014] 另一方面，提供了一种热离子发电方法，所述方法用于如上所述的热离子发电器 中，所述方法包括： 所述发射极板从热源吸收热能，并向外发射电子； 所述收集极板捕获通过所述间隙到达的所述电子； 所述发射极板接收从外电路返回的所述电子，且所述电子用于向所述外电路的负载输 出功率； 其中，所述发射极板为电源输出正极，所述收集极板为电源输出负极。 [0015] 本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括： 由于发射极板和收集极板之间填充有微纳支撑结构件，且除该微纳支撑结构件之外的 空隙为高真空，所以，可以通过直接控制发射极板和收集极板之间的间距来降低空间电荷 效应对输出电流密度的影响，有效地提高了输出电流密度和输出功率，而无需通入铯蒸汽， 也无需增加加速栅、磁偏转等结构，从而无额外能耗和毒害风险，可以降低成本和系统复杂 度，且可以提高可靠性。另外，通过微纳支撑结构件将发射极板和收集极板之间的间隙控制 在500纳米至5微米之间，在达到高精度控制间隙的同时，实现了微纳支撑结构件的高热阻， 既可以避免间隙过大时不能有效消除空间电荷效应的问题，也可以避免间隙较小时近场辐 射加剧，从而增加热损失的问题，从而提高了热电转化效率。 [0016] 通过利用微纳尺度下声子发生边界散射导致的导热系数下降、微纳支撑结构件与 两个极板的点接触或线接触对界面热导的限制、微纳支撑结构件的镂空设计提升占空比， 并结合微纳支撑结构件材料本身的宏观导热系数低的特性，大幅提高微纳支撑结构件的等 效热阻，有效降低两个极板之间的热传导损失。 [0017] 镂空面积占总面积的50%以上，便于发射极板发射的电子穿过极板间间隙。 附图说明 [0018] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。 [0019] 图1是本发明一个实施例中的一种热离子发电器的示意图； 4 4 CN 112187107 A 说明书 3/5页 图2是本发明一个实施例中的一种热离子发电器的示意图； 图3是本发明一个实施例中的一种网状镂空的微纳支撑结构件的示意图； 图4是本发明一个实施例中的一种热离子发电方法的流程图。 具体实施方式 [0020] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。 [0021] 请参考图1，其示出了本发明实施例提供的一种热离子发电器，该热离子发电器包 括：发射极板1、收集极板2、微纳支撑结构件3和极板之间的间隙4。 [0022] 发射极板1用于发射电子。具体的，发射极板1中有一侧面向高温的热源，从而可以 通过热辐射或热传导吸收热源的热能，发射极板1内的电子从热源吸收能量，克服表面功函 数逸出。 [0023] 其中，发射极板1的基底材料为耐高温金属材料，比如钨、钼、铼等，本实施例不作 限定。发射极板1面向热源的表面上覆盖有降反射涂层，该降反射涂层用于减少反射，从而 增加从热源吸收热能的效率。发射极板1面向收集极板2的表面上覆盖有用于促发射涂层或 促发射结构，比如钡氧化物、磷掺杂多晶金刚石薄膜、六硼化镧等，从而促进电子发射。 [0024] 收集极板2用于捕获电子。具体的，电子能够通过发射极板1和收集极板2之间的间 隙4到达收集极板2。 [0025] 其中，收集极板2的基底材料为耐高温金属材料，比如钨、钼、铼等，本实施例不作 限定。收集极板2的一个表面与热沉接触，该热沉用于通过热传导来发散多余的热量；或者， 可以在收集极板2的表面附着提高发射率的材料或结构，从而通过热辐射将多余的热量发 散出去。收集极板2面向发射极板1的表面进行了修饰，修饰后收集极板2的功函数低于发射 极板1的功函数。在一个示例中，收集极板2的功函数低于发射极板1的功函数约1eV。 [0026] 微纳支撑结构件3填充在发射极板1和收集极板2之间，且将发射极板1和收集极板 2之间的间隙4控制在500纳米至5微米之间；且发射极板1和收集极板2之间除微纳支撑结构 件3之外的空隙为高线] 其中，微纳支撑结构件3的材料为耐高温陶瓷绝缘材料，比如氧化硅、氧化铝、氧化 锆、氮化硅等，本实施例不作限定。微纳支撑结构件3为通过纳米悬浮液在极板基底上滴铸 得到的纳米颗粒，其直径为5微米，填充在两个极板之间。在装配时，可以在两极板装配过程 中施加一定的相向的压力用于纳米颗粒的固定。或者，可以通过原子层沉积（Atomic-layer deposition，ALD）或化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD） 或物理气相沉积 （Physical Vapor Deposition，PVD） 等方法将耐高温陶瓷绝缘材料沉积在特定基底上，结 合光刻模具和蚀刻镂空的方式得到网状镂空结构，并将该网状镂空结构转移至两个极板之 间，并在两极板装配过程中施加一定的相向的压力固定该结构。或者，可以通过原子层沉积 或化学气相沉积或物理气相沉积等方法将耐高温陶瓷绝缘材料直接沉积在发射极板1的表 面，并通过光刻得到镂空层，该镂空层即为微纳支撑结构件3，其与发射极板1为一体化制 造。 [0028] 其中，图1中所示的热离子发电器中的微纳支撑结构件采用纳米颗粒和纳米线中所示的热离子发电器中的微纳支撑结构件采用网状镂空结构示意，请参考图3所 5 5 CN 112187107 A 说明书 4/5页 示的网状镂空的微纳支撑结构件的示意图。 [0029] 通过利用微纳尺度下声子发生边界散射导致的导热系数下降、微纳支撑结构件3 与两个极板的点接触或线接触对界面热导的限制、微纳支撑结构件3的镂空设计提升占空 比，并结合微纳支撑结构件3材料本身的宏观导热系数低的特性，大幅提高微纳支撑结构件 3的等效热阻，有效降低两个极板之间的热传导损失。同时，两个极板在微纳支撑结构件3的 阻隔下，在尽可能减少近场辐射的前提下，达到更小的间距以充分降低空间电荷效应对输 出电流和转化效率的负面影响。 [0030] 需要说明的第一点是，微纳支撑结构件3中镂空面积占总面积的50%以上。 [0031] 需要说明的第二点是，微纳支撑结构件3所控制的间隙能够到达500纳米 5微米范~ 围内的一个精确值，具体的精确值是根据发射极板1和收集极板2的表面所具有的光学特性 计算光谱辐射力对应波长并优化得到，目的在于尽可能减小极板之间的近场辐射。即，间隙 是根据计算得到的光谱辐射力对应波长得到的，该光谱辐射力是对发射极板1和收集极板2 的表面所具有的光学特性进行计算得到的。 [0032] 本实施例中，两个极板之间除微纳制成结构件3外的空隙部分为高线 Torr。优选的线] 综上所述，本实施例提供的热离子发电器，由于发射极板和收集极板之间填充有 微纳支撑结构件，且除该微纳支撑结构件之外的空隙为高真空，所以，可以通过直接控制发 射极板和收集极板之间的间距来降低空间电荷效应对输出电流密度的影响，有效地提高了 输出电流密度和输出功率，而无需通入铯蒸汽，也无需增加加速栅、磁偏转等结构，从而无 额外能耗和毒害风险，可以降低成本和系统复杂度，且可以提高可靠性。另外，通过微纳支 撑结构件将发射极板和收集极板之间的间隙控制在500纳米至5微米之间，在达到高精度控 制间隙的同时，实现了微纳支撑结构件的高热阻，既可以避免间隙过大时不能有效消除空 间电荷效应的问题，也可以避免间隙较小时近场辐射加剧，从而增加热损失的问题，从而提 高了热电转化效率。 [0034] 通过利用微纳尺度下声子发生边界散射导致的导热系数下降、微纳支撑结构件与 两个极板的点接触或线接触对界面热导的限制、微纳支撑结构件的镂空设计提升占空比， 并结合微纳支撑结构件材料本身的宏观导热系数低的特性，大幅提高微纳支撑结构件的等 效热阻，有效降低两个极板之间的热传导损失。 [0035] 镂空面积占总面积的50%以上，便于发射极板发射的电子穿过极板间间隙。 [0036] 请参考图4，其示出了本发明实施例提供的一种热离子发电方法，该热离子发电方 法可以应用于图1所示的热离子发电器中，该热离子发电方法可以包括： 步骤401，发射极板从热源吸收热能，并向外发射电子。 [0037] 步骤402，收集极板捕获通过间隙到达的电子。 [0038] 其中，电子通过两个极板之间的间隙到达收集极板，由于微纳支撑结构件可以缩 小两个极板的间隙，使得空间电荷效应的负面作用减弱，所以，可以使得更多的电子到达收 集极板。 [0039] 步骤403，发射极板接收从外电路返回的电子，且电子用于向外电路的负载输出功 率，发射极板为电源输出正极，收集极板为电源输出负极。 [0040] 其中，电子可以通过外电路返回发射极板，并向外电路的负载输出功率。 6 6 CN 112187107 A 说明书 5/5页 [0041] 综上所述，本实施例提供的热离子发电方法，由于发射极板和收集极板之间填充 有微纳支撑结构件，且除该微纳支撑结构件之外的空隙为高真空，所以，可以通过直接控制 发射极板和收集极板之间的间距来降低空间电荷效应对输出电流密度的影响，有效地提高 了输出电流密度和输出功率，而无需通入铯蒸汽，也无需增加加速栅、磁偏转等结构，从而 无额外能耗和毒害风险，可以降低成本和系统复杂度，且可以提高可靠性。另外，通过微纳 支撑结构件将发射极板和收集极板之间的间隙控制在500纳米至5微米之间，在达到高精度 控制间隙的同时，实现了微纳支撑结构件的高热阻，既可以避免间隙过大时不能有效消除 空间电荷效应的问题，也可以避免间隙较小时近场辐射加剧，从而增加热损失的问题，从而 提高了热电转化效率。 [0042] 以上所述并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所 作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。 7 7 CN 112187107 A 说明书附图 1/2页 图1 图2 8 8 CN 112187107 A 说明书附图 2/2页 图3 图4 9 9
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