(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース部材と；
加熱時に電子源として動作する前記ケース部材内のカソードと；
前記カソードから発する電子を受けることのできる前記ケース部材内のアノードと；
前記カソードおよびアノード間で電子を打つことができ、電子を量子干渉して電子が前記アノードにより容易に捕獲されるようにするレーザを備える熱電子電気変換器。
【請求項２】
前記レーザが、前記アノードに届く直前に電子を打つことができる請求項１に記載の熱電子電気変換器。
【請求項３】
前記レーザが、電子が前記アノードに届く２ミクロン以内で電子を打つことができる請求項２に記載の熱電子電気変換器。
【請求項４】
前記カソードが互いに交差する少なくとも２方向に延びるワイヤを有するワイヤグリッドである請求項３に記載の熱電子電気変換器。
【請求項５】
前記カソードとアノード間の間隔が４ミクロンから５センチメーターである請求項３に記載の熱電子電気変換器。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、一般に熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する分野に関する。特に改良された熱電子電気変換器が提供される。
発明の背景
従来は、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する種々の装置および方法を記載した米国特許第３，５１９，８５４号、第３，３２８，６１１号、第４，３０３，８４５号、第４，３２３，８０８号および第５，４５９，３６７号（全て本発明の発明者のもので、全て参照として本願に併合されている）に表されるような知られている熱電子変換器がある。米国特許第３，５１９，８５４号では、出力電流の回収手段としてホール効果技術を用いた変換器が記載されている。’８５４号特許は、電子源としての放出カソード表面から噴出した電子流の使用を教示している。電子はホール効果トランスデューサの先に位置するアノードの方へ加速される。’８５４号特許のアノードは単純な金属板で、この金属板を取り囲み、かつ金属板から絶縁された、大きく静電帯電した部材を有する。
米国特許第３，３２８，６１１号では、球状に構成された熱電子変換器が開示されるが、ここでは、球状放出カソードに熱を供給して、同心上に位置する、制御メンバの影響下にあり、高い正電位で絶縁されている球状アノードに電子を放出する。’８５４号特許と同様、’６１１号特許のアノードは単純な金属面である。
米国特許第４，３０３，８４５号では、カソードからの電子流が横方向磁場に位置する空心誘導コイルを通ることによって電子流と横方向磁場との相互作用により、誘導コイルにＥＭＦを発生するという熱電子変換器が開示される。’８４５号特許のアノードも金属板から成り、この金属板を取り囲み、かつ金属板から絶縁された、大きく静電帯電したメンバを有する。
米国特許第４，３２３，８０８号では、’８４５号特許で開示された熱電子変換器に非常に類似したレーザ励起の熱電子変換器が開示される。主に異なる点は、’８０８号特許では、グリッドに照射するレーザを使用し、ここでグリッドに対する電位が除去されるのと同時に電子が回収され、それにより横方向磁場に位置する空心誘導コイルを通ってアノードの方向に加速される電子塊（boluses）を発生させることが開示されている。’８０８号特許のアノードは’８４５号特許に開示されたアノードと同じ、つまり単純な金属板で、この金属板を取り囲み、かつ金属板から絶縁された、大きく静電帯電したメンバを有する。
米国特許第５，４５９，３６７号では、有利なことに金属板の代わりに銅ウールファイバーおよび硫酸銅ゲルを有するアノードを備える改良された回収要素を用いている。加えて、回収要素は大きく帯電した（つまり静電気で）アノードを取り囲み、且つアノードから絶縁されたメンバを有する。
他の従来の設計は、真空チャンバ内で２ミクロン離れているような比較的近接したアノードおよびカソードを有する。このような従来の設計では、アノードおよびカソードを収容するチャンバ内へセシウムを導入する他には、カソードからアノードへ放出される電子を引きつける引力を用いない。セシウムは正電荷でアノードを覆い、電子流を維持する。カソードとアノードが近すぎると、カソードとアノードの温度を実質的に異なるように維持することが難しくなる。例えば、通常カソードは１８００ケルビンで、アノードは８００ケルビンである。カソードを加熱するため熱源が備えられ、アノードには、所望の温度に維持するため冷媒循環システムが備えられる。チャンバを真空に維持しても（セシウム源以外は）、カソードからの熱はアノードへ伝わり、近づけて設置したカソードとアノード間の大きな温度差を維持するために大量のエネルギーを必要とする。これがまたシステムの効果を低下させる。
本発明の目的および要約
よって、本発明の目的は新規の改良された熱電子電気変換器を提供することにある。
本発明のさらに具体的な目的は、変換効率を改良した熱電子電気変換器を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、熱電子電気変換器用に改良されたカソードを提供することにある。
本発明のさらなる目的は、カソードとアノードが互いに熱的に分離するように大きく離れた、熱電子電気変換器を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は電子がアノードに当たる直前に、電子からエネルギーを除去できる、熱電子電気変換器を提供することにある。
本発明の上記の目的および、以下の説明から明らかになる他の目的は、ケース部材と、加熱時に電子源として動作するケース部材内のカソード、およびカソードから発する電子を受けることのできるケース部材内のアノードを有する熱電子電気変換器によって実現される。カソードは、互いに交差する少なくとも２方向のワイヤを有するワイヤグリッドである。帯電された第１の集束リングは、カソードとアノード間のケース部材内にあり、アノードへ向かう途中で第１の集束リングを通ってカソードにより放出される電子を方向付けできる。帯電された第２の集束リングは、第１の集束リングとアノード間のケース部材内にあり、アノードへ向かう途中で第２の集束リングを通ってカソードにより発せられる電子を方向付けできる。追加の集束リングも必要となる可能性がある。カソードはアノードから４ミクロンから５センチメートル離れているのが好ましい。さらに好ましくは、カソードはアノードから１〜３センチメートル離れているのが好ましい。レーザはカソードおよびアノードの間で電子を打つことができ（つまり、レーザビームを電子に照射する）、アノードに届く直前に電子を打つ。レーザは電子に量子干渉を行うことができ、電子はアノードにより容易に捕獲される。
カソードのワイヤグリッドには、少なくとも４層のワイヤを含むのが好ましい。さらに、各ワイヤ層は、他のワイヤ層とはそれぞれ異なる方向に延びるワイヤを有し、カソードのワイヤグリッドは少なくとも４つの異なる方向に延びるワイヤを含む。これは、カソードの放出面を大きく増加するように設計したものである。
本発明はまた、ケース部材と、加熱時に電子源として動作するケース部材内のカソードと、カソードから発する電子を受けることができるケース部材内のアノード、およびカソードとアノード間で電子を打つことができるレーザを有する熱電子電気変換器として記載することができる。レーザは電子に量子干渉を行い、電子がアノードにより容易に捕獲されるようにする。レーザはアノードに届く直前に電子を打つことができ、電子がアノードに届く２ミクロン以内で電子を打つことができる。カソードは、互いに交差する少なくとも２方向に延びるワイヤを有するワイヤグリッドである。カソードはアノードから４ミクロンから５センチメーター離れている。
本発明はまた、ケース部材と、加熱時に電子源となるケース部材内のカソードおよび、カソードから放出され、一般にカソードからアノードに方向が定められた移動方向に沿って進む電子を受けることのできるケース部材内のアノードを有する熱電子電気変換器として説明できる。カソードは平坦で上記の移動方向に垂直な断面を有し、またアノード方向に電子を放出する電子放出面を有し、電子放出面は平坦な断面より少なくとも３０％大きい。カソードは互いに交差する少なくとも２方向に延びるワイヤを有するワイヤグリッドである。そうでなければ、あるいはさらに、カソードは上記の移動方向に垂直な、少なくとも１方向に湾曲している。レーザは電子がアノードに達する直前に、カソードとアノード間で電子を打つことができる。電子放出面が平坦な断面積の２倍であるのが好ましい。電子放出面が平坦な断面積の２倍であるのがさらに好ましい。ワイヤの直径が小さい程、放出面積が大きくなる。これは指数関数的関係である。
【図面の簡単な説明】
ここで本発明を、同じ要素に同じ参照番号を付した下記図を参照して詳細に説明する：
図１は、従来技術の熱電子電気変換器の概念図。
図２は、従来技術のレーザで励起する熱電子電気変換器の概念図。
図３は、本発明の熱電子電気変換器の部分的切断面および概念図を示す側面図。
図４は、カソードに用いられるワイヤグリッド構造の平面図。
図５は、カソードに用いられるワイヤグリッド構造の一部の側面図。
図６は、カソードに用いられる他のワイヤグリッド構造の一部の側面図。
図７は、ワイヤグリッド構造の多層の側面概念図。
図８は、他のカソード構造の簡略化した側面図。
好ましい実施例の詳細な説明
図１および２は、それぞれ、両者とも本発明の発明者であるEdwin D.Davisによる米国特許第４，３０３，８４５号と第４，３２３，８０８号（これらの開示内容全体は参照としてここに併合される）に記載された従来技術の熱電子電気変換器を示す。両方の熱電子変換器の動作は併合された特許で詳細に説明しているので、一般的な動作に関する概観をここで図１および２を参照して示す。これにより本発明を理解するのに有用な背景が提供される。
図１は、ベーシックな熱電子電気変換器を示す。図２はレーザ励起熱電子変換器を示す。両変換器の動作は非常に類似している。
これらの図面を参照すると、ベーシックな熱電子電気変換器１０が図示されている。変換器１０は一対の端部壁１４と１６がはめ込まれ、密閉したチャンバ１８となる細長い円筒形の外側収容器１２を有する。収容部１２は任意の多数の知られている、強度が高い非導電性の材料、例えば、高温プラスチックまたはセラミックで形成され、一方、端部壁１４および１５は電気接続ができる金属板である。各部品を機械的に結合して、チャンバ１８が真空になるように気密封止し、適度な高さの電位を印加して、端部壁１４および１６にわたって維持する。
第１の端部壁１４は、内面に設けられた電子放出被覆（図示せず）を有する成形されたカソード領域２０を含み、第２の端部壁１６は、円形のわずかに凸状の面で、最初に絶縁リング２１内に取り付けられ組立体となり、次に全体を収容部１２に組み付ける。使用時には、端部壁１４および１６はそれぞれ、変換器のカソード端子およびコレクタプレートとして機能する。これら２つの壁の間には、カソード領域２０で発生しコレクタプレート１６で終わる電子流２２が実質的に円筒形のチャンバ１８の対称軸に沿って流れる。
環状集束要素２４をチャンバ１８内のカソード２０に隣接した位置に、同心に設置する。バッフル要素２６をチャンバ１８内のコレクタプレート１６に隣接した位置に、同心に設置する。
これら２つの部位の間に、らせん誘導コイル３０および長形環状磁石３２から成る誘導組立体２８を配置する。チャンバ１８内で、コイル３０および磁石３２は同心上に配置され、その中心領域を占める。図２の概念図について簡単に述べると、種々の要素および組立体が比較的放射状に設置されているのが分かる。分かりやすく示すため、これら内部に設置された部位の機械的保持具は、どの図面にも含まれていない。集束要素２４はリード線３４および気密封止したフィードスルー３６を用いて静電位の外部電源（図示せず）と電気的に接続されている。誘導コイル３０は一対のリード線３８および４０と一対のフィードスルー４２および４４を介して、単に抵抗器４６として示される外部負荷要素と同様に接続されている。
種々の要素に印加される電位は、関連する電子流装置に用いるよく知られた通常の手段であるため、明瞭に示したり詳細に説明したりはしない。簡潔には、（一般的に）カソード領域２０を電圧レベルの基準とすると、高い正の静電荷をコレクタプレート１６に印加し、この電圧源を含む外部回路の負の側とカソード２０とを接続する。この印加した高い正の静電荷はカソード領域２０で発生する電子流２２をコレクタプレート１６に向かって加速するが、その加速の大きさは印加する高い正の静電荷の大きさによる。電子はある量の跳ね返りを生じさせるのに十分な速度でコレクタプレート１６に衝突する。バッフル要素２６は、これらの跳ね返る電子が変換器の主要部分に達しないように構成、配置され、そこに電気的接続（図示せず）を必要に応じて設ける。低中レベルの負の電圧を電子流２２を細いビームに集束するための集束要素２４に印加する。運転時には、熱源４８（化石燃料の燃焼、ソーラー装置、電子力装置、原子廃棄物または、現用の原子力装置からの熱交換機等、異なる熱源から得られる）を用いてカソード２０上の電子放出被覆を加熱し、大量の電子を放出させる。放出された電子を集束要素２４によって細いビームに集束し、コレクタプレート１６方向に加速する。誘導組立体２８を通過する間、電子は磁石３２により生じた磁場の影響を受け、誘導コイル３０の回転部にＥＭＦを誘導する相互作用を引き起こす。実際には、この誘導されたＥＭＦは、それぞれ小さい円形電流ループを起こしている多数の電子の集合であり、同じくらい多くの小さいＥＭＦをコイルの巻線で発展させる。全体としては、変換器の出力電圧は通過中の電子の速度に比例し、出力電流は電子源の大きさと温度に依存する。誘導されたＥＭＦの機構は、電子の速度に垂直に配置された実質的に均一な磁場に電子が入る時、初期線速度を有する電子に作用するローレンツ力で説明できる。正しく構成された装置では、らせん状の電子の経路（図示せず）ができ、ここから誘導されたＥＭＦを発生するためファラデーの法則で求められた望ましいネット比のフラックス変化が生じる。
このらせん状の電子の経路は、コレクタプレート１６の加速作用による線形移動経路（縦方向）と、初期電子速度と磁石３２の横方向の磁場の相互作用による円形経路（横方向）との組み合わせにより生ずる。コレクタプレート１６に印加する高電圧の相対的な大きさと、磁石３２から生じる磁場の強さおよび方向により、誘導コイル３０に直接電圧を生じさせる、他の機構も可能である。上記に示した機構は例示として提案されているだけで、利用できる唯一の動作モードとして考えられているわけではない。しかし、全ての機構が、利用可能なローレンツおよびファラデーの考察の種々の組み合わせによって得られる。
米国特許第４，３０３，８４５号に示されるベーシックな変換器と、米国特許第４，３２３，８０８号に示されるレーザ励起変換器との基本的な違いは、レーザ励起変換器は、リード線１８０を介して負の電位源１７８により印加された絶対値が小さい負の電位を有し、電子流および電子集団を捕らえるグリッド１７６上に、カソード表面から放出された電子を回収することである。グリッドに印加された電位を除去し、同時にグリッドをレーザアセンブリー１７０、１７３、１７４、２０から放出されるレーザパルスで露光して、電子塊２２を放出させる。電子塊２２は、、電気的に集束され、方向付けられ、横方向磁場に位置する空心誘導コイルの内部を通って、誘導コイルにＥＭＦを発生し、これを外部回路に印加して、ベーシックな熱電子電気変換器に関して上記に記載したように作動させる。
本件発明者の従来米国特許第５，４５９，３６７号に記載の通り、通常、コレクタ要素が導電金属板でできていることに関連した多数の付随する欠点がある。そこで、この設計のコレクタ要素には、銅ウールファイバーに含浸させた硫酸銅ゲルの導電層を含む。本発明にこのようなアノードを使用してもよいが、本発明では、本発明の他の面からこのような金属板アノードが引き起こすかもしれないいくつかの欠点が最低限にされ、または回避されるため、導電金属板アノードを使用することもできる。基本的にアノードの特性は、本発明の好ましい設計に主要なものではない。
図３を参照すると、本発明による熱電子電気変換器２００はケース部材２０２を備え、この内部は、真空装置（図示せず）によって知られているように真空が維持される。ケース部材２０２は、部材２０２および別に指定されたもの以外の内部部品の対称軸である中心軸２０２Ａを中心とする円筒形であるのが好ましい。
コレクタ２０４は、複数の絶縁リング２１０を同心に有する静電帯電リング２０８（例えば１０００クーロンに帯電する）で囲まれた平らなアノード円板２０６（例えば銅製である）を備える。リング２０８および複数のリング２１０は、米国特許第５，４５９，３６７号に記載の通り形成され、動作する。冷媒源２１４からの冷媒が冷媒回路２１６を通って循環するように冷却部材２１２は板２０６に熱的に結合される。冷却部材２１２はアノード板を所望の温度に維持する。冷却部２１２はまた、アノード板２０６と同じでもよい（つまり、冷媒はアノード板２０６を通って循環する）。アノード２０６の温度を安定させるため一つまたは複数のセンサー図示せず）を用いるフィードバック装置（図示せず）を使用できる。
本発明のカソード組立体２１８は、熱源により加熱されるカソード２２０を備え、一般にアノード２０６に向かう移動方向２０２Ａに沿って移動する電子を放出する。（特許第５，４５９，３６７号のように、電荷リング２０８は電子をアノードに引きつける働きをする。）熱源を加熱回路２２６を介して加熱部材２２４（カソード２２０と熱的に結合している）の方へ流れる加熱流体（液体または気体）の熱源２２２として示すが、カソード２２４に照射されるレーザ等、他のエネルギー源を用いてもよい。熱源２２２へのエネルギー入力は、太陽光、レーザ、マイクロ波、または放射性材料でよい。さらに、高コストで、利益の無いまま貯蔵されているだけの使用済み核燃料を熱源２２２を加熱するのに使用できるかもしれない。
カソード２２０でフェルミ準位に励起された電子は、その表面から逃げ、静電帯電リングにに引きつけられ、上述の従来装置の集束部材２４に類似した方法で構成され操作できる、第１および第２集束リングまたは円筒２２８および２３０を通って移動方向２０２Ａに沿って移動する。電子が適正な方向へ移動できるようにするため、シールド２３２でカソード２２４を取り囲んでもよい。シールド２３２は円筒形または円錐形であるか、或いは図示のように、カソード２２４の近くが円筒でカソード２２４から離れた部分が円錐であってもよい。いずれの場合も、シールドは電子の移動方向を方向２０２Ａに保持するためのものである。シールドが比較的高温なため（比較的高温のカソード２２０に近いため）、電子は、シールド２３２から跳ね返される傾向にある。高温のシールドによる跳ね返りとは別に、または付け加えて、シールド２３２には負の電荷を印加してもよい。後者の場合、シールド２３２とカソード２２０間に絶縁体（図示せず）を用いることができる。
カソード２２０からアノード２０６への電子流により生じた電気エネルギーはカソードワイヤ２３４およびアノードワイヤ２３６を介して外部回路２３８に供給される。
変換器２００の運転全体から、特有の利益面について言えば、電子２４０のような電子は、アノード２０６に近づくにつれ、高エネルギーレベルになり易い。そのため、一般的な傾向として表面で跳ね返って捕らえられないものがある。このため、一般に電子分散が起き、変換器の変換効率が減少する。この傾向を回避または大きく減少するため、本発明では、電子がアノード２０６にぶつかる直前に電子を打つレーザ２４２を用いる（つまり、レーザビームむ２４４で打つ）。レーザビーム２４４の光子と電子２４０の間の量子干渉により、電子のエネルギー状態が低下し、アノード２０６の表面で容易に捕らえられるようになる。
物理学の波動−粒子２重性理論から分かるように、レーザビームに打たれた電子は波動および／または粒子の特性を示すことができる。（もちろん、本発明の請求の範囲は、量子干渉等のように請求項ではっきりとこのような動作理論に言及しない限り、またそうした場合を除き、いかなる特定の動作理論にも限定されない。）
ここで用いられた、電子がアノード２０６に達する「直前に」、レーザ２４２がビーム線２４４で電子を打つということは、打たれた電子がアノード２０６に進時に他の任意の部品（集束部材等）を通り抜けないという意味である。より具体的には、電子はアノード２０６に達する２ミクロン以内で打たれるのが好ましい。さらに好ましくは、アノード２０６に達する１ミクロンのところでレーザに打たれるのがよい。事実、第２の集束部材２３０からアノード２０６までの距離は１ミクロンで、レーザはアノード２０６のより近くで電子を打つことができる。この方法で（つまり、電子をアノードに達する直前に打つこと）、電子エネルギーは、減少したエネルギーが最も適切で有用な点まで減少する。
ケース部材２０２は、金属部材のように不透明でよいが、レーザ窓２４６は、レーザビーム２４４がレーザ２４２から部材２０２内のチャンバに照射できるように透明な物質でできている。そうでなければ、レーザ２４２は、チャンバ内に設置できる。
レーザ２４２を用いて電子がアノード２０６に達する直前に電子のエネルギー水準を減少させる変換効率の改良に加えて、本発明のカソード２２０は、カソード２２０の電子放出面積を増加して効率を改善するように特に設計されている。
図４を参照すると、カソード２２０がワイヤの円形グリッド２４８として示される。平行ワイヤの最上層または第１層のワイヤ２５０は、方向２５２に延び、平行ワイヤの第２層のワイヤ２５４は、方向２５２と交差する方向、好ましくは２５２と直角な方向２５６に延びる。平行ワイヤの第三層（図を分かりやすくするためワイヤ２５８を一本だけ示した）は、２６０の方向（２５２および２５６の方向から４５度）に延びる。平行ワイヤの第四層（図を分かりやすくするためワイヤ２６０を１本だけ示した）は、２６４の方向（２６０の方向から９０度）に延びる。
図４ではまた、ワイヤが比較的大きな間隔で離れているように見えるがこれもまた図を分かりやすくするためである。ワイヤが細い押出しワイヤで、同一層の平行ワイヤ間の間隔がワイヤの直径に近いのが好ましい。好ましくは、ワイヤが直径２ｍｍまたはそれ以下の微細フィラメントのサイズである。ワイヤはタングステンまたはカソードに用いられる他の金属でよい。
図５を参照すると、ワイヤ２５０および２５４は互いにオフセットされ、ワイヤ２５０は全て（図５には１本のみ示した）、全てのワイヤ２５４が配置される共平面にオフセットされた共平面上に配置されている。図６に示される他の配置では、ワイヤ２５０′（一本しか見えない）および２５４′が織物のように織り込まれている。
図７を参照すると、他のカソード２２０′が３つの部分２６６、２６８および２７０を有する。各部分２６６、２６８および２７０は、２５０および２５４等（または２５０′および２５４′）の２つの直角なワイヤの層（図７には示さない）を有する。部分２６６は、図７の面にぶつかるワイヤおよび図７の面に平行なワイヤを有する。部分２６８は２層のワイヤを有し、それぞれが部分２６６のワイヤの１方向から３０度の方向に延びている。部分２７０は２層のワイヤを有し、各層が部分２６６のワイヤの１方向から６０度の方向に延びている。
図７が、異なる方向に延びる多層のワイヤが用いられることを図示したものであることが認められる。
ワイヤおよびその多層構造の形としての種々のカソード用のワイヤグリッド構造により有効な電子放出表面積が増加する。表面積を増加する他の方法が図８に示される。図８では、一般に移動方向２２０Ａ′に沿って移動する電子を放出できる放物面カソード２８０の横断面図を示す。カソード２８０は、移動方向２０２Ａに垂直な平面の断面積Ａを有する。重要なことは、カソード２８０が、平面の断面積より少なくとも３０％は大きい、アノード方向へ電子放出する電子放出表面積ＥＡ（カソードの曲線部分から）を有することである。こうして、所定の大きさのカソードから、より密度の高い電子が発生する。カソード２８０は放物面として示されているが、他の曲面も使用できる。カソード２８０は、むくの部材で形成されてもよいが、または、各層が湾曲し、平面ではないことを除き、図４〜７に記載のような多層ワイヤグリッド構造を組み合わせることもできる。
図８の湾曲カソード装置は、側断面積Ａより少なくとも３０％大きい電子放出面積ＥＡを提供するが、図４のような種々のワイヤグリッド装置は、横断面積（図８に定義した）の少なくとも２倍の電子放出面積を提供する。事実、グリッド構成における電子放出面積は横断面積の少なくとも１０倍となる。
有利なことに、本発明によりカソード２２０およびアノード２０６が互いに４ミクロンから５センチ、オフセットにできるようになった。さらに具体的には、このオフセットまたは間隔が１〜３ｃｍになる。カソードおよびアノードは十分に離れて、カソードとアノードを近づけなければならない配置より、カソードの熱がアノードに伝わりにくくなった。そこで、多くの従来の設計よりも冷媒を必要としないため、冷媒源２１４は必要な冷媒が比較的少ない構成となる。
本発明は、個々の実施例と共に説明したため、多くの代案、修正案および変形例が当業者に明らかであることが分かる。従って、前記の本発明の好ましい実施例は、例示であり限定するものではない。明細書および後に続く請求項に定義された本発明の精神および範囲から離れずに、様々に変更することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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