Устройство для выделения или поглощения тепла
Изобретение относится к автоэлектронным преобразователям и может быть использовано в качестве генератора холода или теплозащитного экрана. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности термоэлектрических преобразований и в первую очередь в увеличении КПД охлаждения анода. Устройство для выделения или поглощения тепла содержит катод и анод, которые имеют различную энергию Ферми электронов и подключены к источнику электрического напряжения. Катод и анод расположены с зазором между собой 10-100 мкм, а катод включает в себя игольчатые электроды, при этом в качестве материалов катода и анода выбраны такие материалы, для которых выполняется условие: q/Q=1+(Фк-Фа)/eU, где q - дополнительное тепловыделение или теплопоглощение; Q=IU, I - ток в цепи, U - приложенное напряжение; Фк, Фа - энергии Ферми катода и анода соответственно. Нагревание анода происходит при q>0, охлаждение - при q<0. В предпочтительном варианте зазор между катодом и анодом вакуумирован, игольчатые электроды выполнены в виде углеродных нанотрубок, их диаметры d много меньше длины f, расстояние между ними b больше f, а зазор между катодом и анодом L много больше f. Существуют варианты, в которых катод и анод закреплены в электроизолирующем корпусе или между ними расположен электроизолятор, например, в виде точечных опор. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к автоэлектронным преобразователям и может в предпочтительном варианте быть использовано в качестве генератора холода, например, в холодильных установках.
Известен термоэлектрический преобразователь Пельтье, содержащий два проводника, находящихся в контакте и имеющих различную энергию Ферми электронов. При этом если при пропускании тока между первым и вторым проводниками электроны с низкой энергией Ферми первого электрода переходят во второй электрод, имеющий высокую энергию Ферми, то на восстановление равновесного распределения расходуется энергия колебаний решетки второго проводника, в результате чего он охлаждается [1].
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Основной недостаток описанного устройства заключается в его низкой тепловой эффективности, связанной с непосредственным контактом первого и второго проводников.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности термоэлектрических преобразований и в первую очередь в увеличении КПД охлаждения анода.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для выделения или поглощения тепла, содержащем катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов и подключенные к источнику напряжения, катод и анод расположены с зазором между собой, энергия Ферми электронов у катода меньше, чем у анода, при этом катод включает игольчатые электроды. В предпочтительном варианте зазор между катодом и анодом вакуумирован, игольчатые электроды выполнены в виде углеродных нанотрубок, их диаметры d много меньше длины f, расстояние между ними b больше f, а зазор между катодом и анодом L много больше f, при этом анод имеет возможность подсоединения к теплоносителю.
Существуют варианты, в которых катод и анод закреплены в электроизолирующем корпусе либо между ними расположен электроизолятор, например, в виде точечных опор.
На фиг.1 изображен общий вид предложенного устройства.
На фиг.2 - корпусной вариант устройства.
На фиг.3, фиг.4 - варианты устройства с точечными опорами.
Устройство для выделения или поглощения тепла содержит катод 1, включающий игольчатые электроды 2, а также анод 3. Между катодом 1 и анодом 3 расположен электроизолятор 4, образующий полость 5, которая может быть вакуумирована. Это осуществляется путем склейки готового изделия в вакуумной камере, например, клеем UHU PLUS. Катод 1 может быть изготовлен из проводящей подложки 6 (кремниевой или металлической) с игольчатыми электродами 2, выполненными, например, в виде углеродных нанотрубок 7 со слоем металла 8. Необходимым условием является различная энергия Ферми Ф катода и анода. Анод 3 целесообразно изготавливать из меди, имеющей высокую теплопроводность. Но так как у меди низкое значение энергии Ферми электронов, то анод со стороны катода может быть покрыт проводящей пленкой углерода 9 с высоким значением энергии Ферми. Никель является катализатором роста углеродных нанотрубок и может находиться на их кончике. Возможно также нанесение на поверхность нанотрубок или их кончики кроме никеля кадмия или серебра, что существенно уменьшает энергию Ферми электронов катода [2], что также важно для охлаждения анода. Подробнее о соотношениях энергий Ферми см. ниже. Электроизолятор 4 может быть изготовлен из стекла или поликора. Важно, чтобы эти материалы обладали также теплоизолирующими свойствами. Диаметр игольчатых электродов d должен быть много меньше их длины f. В абсолютном значении d может быть не более 30 нанометров, а f начинаться от 100 нм и не превышать 1 мкм. Подробно процесс формирования нанотрубок 7 см. в [3, 4]. Расстояние между игольчатыми электродами b должно превышать f. Зазор L между анодом 3 и катодом 1, а точнее концами 10 игольчатых электродов 2 должен быть много больше f и составлять величину 10-100 мкм. Катод 1 и анод 3 подключены к блоку управления 11, в качестве которого может быть регулируемый источник напряжения. Анод 3 должен иметь гладкую поверхность 12 для его возможного подсоединения к теплоносителю (не показан).
Существует вариант, в котором катод 13 и анод 14 (фиг.2) закреплены в корпусе 15, выполненном из электроизоляционного и теплоизоляционного материала, либо содержащего такие вставки 16 и 17. Сборка и склейка этого изделия также может происходить в вакуумной камере. На фиг.2 игольчатые электроды на катоде условно не показаны.
Существует также вариант, в котором электроизолятор между катодом 18 и анодом 19 (фиг.3) выполнен в виде точечных опор. Эти опоры могут представлять собой три или четыре П-образных керамических захвата 20 со вставками 21. Соединение этих деталей может быть клеевым.
Возможен также вариант исполнения точечных опор в виде керамических штырей 22 (фиг.4), расположенных в отверстиях 23 катода 24 и анода 25, между которыми установлены электроизолирующие шайбы 26. В этом случае клеевое соединение 27 может формироваться в выборках 28. Соотношения размеров в графических материалах показаны условно.
Если толщины электро- и теплоизоляторов составляют величину порядка 100 мкм, материалом для их изготовления может быть поликор, стекло и т.п. Если зазор между катодом и анодом порядка 10 мкм, то в качестве теплоизоляторов целесообразно использовать пленочные материалы, такие как полиимид, фторопласт и др.
Устройство работает следующим образом. Между катодом 1 и анодом 3 создают разность потенциалов U порядка нескольких вольт. В результате этого происходит полевая (автоэлектронная) эмиссия электронов из катода 1 (игольчатых электродов) и переход их на анод 3. В том случае если энергия Ферми электронов катода Фк меньше энергии Ферми электронов анода Фа, то для восстановления равновесного распределения расходуется энергия кристаллической решетки анода, в результате чего он охлаждается. В том случае, если Фк превышает Фа, анод будет дополнительно нагреваться.
Подробно процесс охлаждения анода и условия, его обеспечивающие, описываются следующим образом.
Относительное тепловыделение в аноде в зависимости от приложенного напряжения U будет изменяться по закону:
где q - дополнительное тепловыделение или теплопоглощение Q=IU, I - ток в цепи,
Фк, Фа - энергии Ферми катода и анода.
Из формулы (1) следует, что возможен перегрев или охлаждение анода в зависимости от соотношения энергий Ферми электродов, и только в частом случае изготовления электродов из одинаковых материалов Фк-Фа=0 и тепловыделение будет классическим. При нагревании анода q>0, при охлаждении - q<0.
Сформулируем необходимые критерии наблюдения эффекта охлаждения анода. Для возникновения режима автоэлектронной эмиссии приложенное напряжение U должно превышать наибольшую из работ выхода электронов катода и анода.
Для большинства известных материалов приложенное напряжение U должно быть не меньше 5-6 V. При этом напряжение U не должно превышать разность энергий Ферми электронов электродной пары, так чтобы выполнялось неравенство:
(Фа/Фк)/eU>1.
В противном случае электроны между катодом и анодом приобретут такую энергию, что охлаждение анода прекратится.
При этом величина разности энергий Ферми должна превышать 5-6 eV.
Если в качестве катодов использовать игольчатые электроды с большим аспектным соотношением (отношением длины f к диаметру d), то электрическое поле согласно [5] будет определяться формулой:
E=U/d,
где d диаметр игольчатых электродов.
При этом должно выполняться неравенство:
d<<L,
где L - межэлектродный зазор.
Для среднего расстояния между игольчатыми электродами на катоде b должно выполняться соотношение:
b>f.
В этом случае электрическое поле не зависит от величины межэлектродного зазора L. Если приложенное напряжение U не менее 6 V, то радиус острия R игольчатых электродов не должен превышать 15 нм, чтобы были приемлемые поля (E~106 V/см) для обеспечения автоэлектронного тока.
Рассмотрим конкретный пример. Для анода из графита работа выхода электрона по данным [3] равна 4,7 eV, а ожидаемая энергия Ферми будет не менее 20 eV [4]. Если имеется катод из стоящих на нем вертикально углеродных нанотрубок с никелевыми наконечниками с радиусом острия R не более 15 нм. Ожидаемая энергия Ферми будет составлять величину в 11,7 eV, а ожидаемая работа выхода электрона - 4,5 eV. В этом случае
q/Q=1-8,3/U, где 8,3V>U>5,2V.
Коэффициент производства «холода» у предложенного устройства может составлять до 60% от затрачиваемой электрической энергии, а у элемента Пельтье эта величина не превышает 20%. Подробнее этот процесс описан в [6]. При этом, чем выше КПД охлаждения, тем меньше абсолютная величина мощности охлаждения, т.к. мало Q.
Таким образом, предложенное устройство может быть использовано в качестве элементов холодильников, а также в виде теплозащитных экранов в вакуумных установках и космосе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электроника. Энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. 1991. С.540-541.
2. Ч.Китель. Введение в физику твердого тела. М.: Наука. 1970. С.26.
3. П.Харрис. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. М.: Техносфера. 2003. С.329.
4. П.Н.Дьячков. Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2006. С.19.
5. Г.Н.Шуппе. Электронная эмиссия металлических кристаллов. Ташкент: Изд. САГУ. 1959. С.64.
6. В.К.Неволин. Тепловой эффект на аноде при автоэлектронной эмиссии. Письма в ЖТФ 32. В.23, 66 (2006).
1. Устройство для выделения или поглощения тепла, содержащее катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов и подключенные к источнику электрического напряжения, отличающееся тем, что катод и анод расположены с зазором между собой 10-100 мкм, при этом катод включает в себя игольчатые электроды, а в качестве материалов катода и анода выбраны такие материалы, для которых выполняется условие
q/Q=1+(Фк-Фа)/eU,
где q - дополнительное тепловыделение или теплопоглощение;
Q=IU, I - ток в цепи, U - приложенное напряжение;
Фк, Фа - энергии Ферми катода и анода соответственно,
при q>0 - анод нагревается, при q<0 - анод охлаждается.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что игольчатые электроды выполнены в виде углеродных нанотрубок со слоем металла с энергией Ферми, меньшей, чем у анода.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметры игольчатых электродов d много меньше их длины f.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между игольчатыми электродами b больше их длины f.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазор между катодом и анодом L много больше диаметра игольчатых электродов.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между анодом и катодом расположен электроизолятор, являющийся одновременно теплоизолятором и обеспечивающий полость между электродами.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что электроизолятор выполнен в виде точечных опор.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод со стороны катода покрыт проводящей пленкой углерода с высоким значением энергии Ферми электронов.
