RU2394306C2

RU2394306C2 - Device for releasing or absorbing heat

Info

Publication number: RU2394306C2
Application number: RU2008126736/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Кириллович Неволин (RU); Владимир Кириллович Неволин
Original assignee: Владимир Кириллович Неволин
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-07-10
Also published as: RU2008126736A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device for releasing or absorbing heat has a cathode and an anode which have different electron Fermi energy and are connected to an electric voltage source. The cathode and anode are spaced apart by a 10-100 mcm gap and the cathode includes needle electrodes. Materials of the cathode and anode are selected from such materials for which the following condition is satisfied: q/Q=1+(Fk-Fa)/eU, where q is extra heat release or heat absorption; Q=IU, I is current in the circuit, U is applied voltage; Fk, Fa is Fermi energy of the cathode and anode respectively. The anode is heated at q>0 and cooled at q<0. In the preferred version, the gap between the cathode and the anode is evacuated, the needle electrodes are made in form of carbon nanotubes, their diametre d is much less than length f, the distance between them b is greater than f, and the gap between the anode L is much greater than f. There are versions where the cathode and the anode are mounted in an electrically insulating housing or an electric insulator is placed between them, e.g. in form of point supports.

EFFECT: more efficient thermo-electric conversion and higher efficiency of cooling the anode.

7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к автоэлектронным преобразователям и может в предпочтительном варианте быть использовано в качестве генератора холода, например, в холодильных установках.The invention relates to field-effect converters and can preferably be used as a cold generator, for example, in refrigeration units.

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].Known thermoelectric Peltier, containing two conductors in contact and having different Fermi energy of electrons. Moreover, while passing a current between the first and second conductors, electrons with a low Fermi energy of the first electrode transfer to the second electrode having a high Fermi energy, then the vibrational energy of the lattice of the second conductor is consumed to restore the equilibrium distribution, as a result of which it is cooled [1].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.This device is selected as a prototype of the proposed solution.

Основной недостаток описанного устройства заключается в его низкой тепловой эффективности, связанной с непосредственным контактом первого и второго проводников.The main disadvantage of the described device is its low thermal efficiency associated with direct contact of the first and second conductors.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности термоэлектрических преобразований и в первую очередь в увеличении КПД охлаждения анода.The technical result of the invention is to increase the efficiency of thermoelectric transformations, and primarily to increase the cooling efficiency of the anode.

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.The specified technical result is achieved in that in a device for heat generation or absorption containing a cathode and anode having different electron Fermi energy and connected to a voltage source, the cathode and anode are located with a gap between each other, the electron Fermi energy at the cathode is less than at the anode while the cathode includes needle electrodes. In a preferred embodiment, the gap between the cathode and the anode is evacuated, the needle electrodes are made in the form of carbon nanotubes, their diameters d are much smaller than the length f, the distance between them b is greater than f, and the gap between the cathode and the anode L is much larger than f, while the anode can be connected to the heat carrier.

Существуют варианты, в которых катод и анод закреплены в электроизолирующем корпусе либо между ними расположен электроизолятор, например, в виде точечных опор.There are options in which the cathode and anode are fixed in an electrically insulating casing or an electrical insulator is located between them, for example, in the form of point supports.

На фиг.1 изображен общий вид предложенного устройства.Figure 1 shows a General view of the proposed device.

На фиг.2 - корпусной вариант устройства.Figure 2 - case version of the device.

На фиг.3, фиг.4 - варианты устройства с точечными опорами.In Fig.3, Fig.4 is a variant of the device with point supports.

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).A device for generating or absorbing heat comprises a cathode 1, including needle electrodes 2, as well as an anode 3. Between the cathode 1 and anode 3 there is an electric insulator 4 forming a cavity 5, which can be evacuated. This is done by gluing the finished product in a vacuum chamber, for example, with UHU PLUS glue. The cathode 1 can be made of a conductive substrate 6 (silicon or metal) with needle electrodes 2, made, for example, in the form of carbon nanotubes 7 with a metal layer 8. A necessary condition is a different Fermi energy F of the cathode and anode. Anode 3 is expediently made from copper having high thermal conductivity. But since copper has a low Fermi energy of electrons, the anode on the cathode side can be coated with a conductive carbon film 9 with a high Fermi energy. Nickel is a catalyst for the growth of carbon nanotubes and can be located at their tip. It is also possible to deposit cadmium or silver on the surface of the nanotubes or their tips other than nickel, which significantly reduces the Fermi energy of the cathode electrons [2], which is also important for cooling the anode. See below for more details on the Fermi energy ratios. The insulator 4 may be made of glass or polycor. It is important that these materials also have heat-insulating properties. The diameter of the needle electrodes d should be much smaller than their length f. In the absolute value of d, there can be no more than 30 nanometers, and f starts from 100 nm and does not exceed 1 μm. The process of formation of 7 cm nanotubes is described in detail in [3, 4]. The distance between the needle electrodes b must be greater than f. The gap L between the anode 3 and the cathode 1, or rather the ends 10 of the needle electrodes 2 should be much larger than f and be 10-100 μm. The cathode 1 and anode 3 are connected to the control unit 11, which can be an adjustable voltage source. The anode 3 should have a smooth surface 12 for its possible connection to a coolant (not shown).

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.There is an option in which the cathode 13 and the anode 14 (FIG. 2) are fixed in a housing 15 made of electrical insulating and heat-insulating material, or containing such inserts 16 and 17. The assembly and gluing of this product can also take place in a vacuum chamber. In figure 2, needle electrodes at the cathode are not conventionally shown.

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.There is also an option in which the electrical insulator between the cathode 18 and the anode 19 (Fig. 3) is made in the form of point supports. These supports can be three or four U-shaped ceramic grippers 20 with inserts 21. The connection of these parts can be adhesive.

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.An embodiment of the point supports in the form of ceramic pins 22 (Fig. 4) located in the holes 23 of the cathode 24 and the anode 25, between which electrically insulating washers 26 are installed, is also possible. In this case, the adhesive joint 27 can be formed in the samples 28. The size ratios in the graphic materials shown conditionally.

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.If the thicknesses of electrical and thermal insulators are of the order of 100 microns, the material for their manufacture can be polycor, glass, etc. If the gap between the cathode and anode is of the order of 10 μm, then it is advisable to use film materials such as polyimide, fluoroplast, etc. as heat insulators.

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.The device operates as follows. Between the cathode 1 and the anode 3 create a potential difference U of the order of several volts. As a result of this, field (field-by-electron) emission of electrons from the cathode 1 (needle electrodes) takes place and their transition to the anode 3. If the Fermi energy of the cathode electrons Фc is less than the Fermi energy of the anode Фа electrons, then the energy of the anode crystal lattice is consumed to restore the equilibrium distribution causing it to cool. In the event that Фк exceeds Фа, the anode will additionally heat up.

Подробно процесс охлаждения анода и условия, его обеспечивающие, описываются следующим образом.The cooling process of the anode and the conditions providing it are described in detail as follows.

Относительное тепловыделение в аноде в зависимости от приложенного напряжения U будет изменяться по закону:The relative heat dissipation in the anode, depending on the applied voltage U will vary according to the law:

где q - дополнительное тепловыделение или теплопоглощение Q=IU, I - ток в цепи,where q is the additional heat or heat absorption Q = IU, I is the current in the circuit,

Фк, Фа - энергии Ферми катода и анода.Фк, Фа - Fermi energy of the cathode and anode.

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.From formula (1) it follows that overheating or cooling of the anode is possible depending on the ratio of the Fermi energies of the electrodes, and only in the frequent case of the manufacture of electrodes from the same materials Фк-Фа = 0 and heat dissipation will be classical. When the anode is heated, q> 0, and when cooled, 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.We formulate the necessary criteria for observing the anode cooling effect. For the emergence of the field emission mode, the applied voltage U must exceed the largest of the work functions of the electrons of the cathode and anode.

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:For most known materials, the applied voltage U should be at least 5-6 V. Moreover, the voltage U should not exceed the difference of the Fermi energies of the electrons of the electrode pair, so that the inequality

(Фа/Фк)/eU>1.(Fa / FC) / eU> 1.

В противном случае электроны между катодом и анодом приобретут такую энергию, что охлаждение анода прекратится.Otherwise, the electrons between the cathode and the anode will acquire such energy that cooling of the anode will cease.

При этом величина разности энергий Ферми должна превышать 5-6 eV.In this case, the Fermi energy difference should exceed 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:If needle electrodes with a large aspect ratio (the ratio of the length f to the diameter d) are used as cathodes, then the electric field according to [5] will be determined by the formula:

E=U/d,E = U / d

где d диаметр игольчатых электродов.where d is the diameter of the needle electrodes.

При этом должно выполняться неравенство:In this case, the following inequality must be satisfied:

d<<L,d << L,

где L - межэлектродный зазор.where L is the interelectrode gap.

Для среднего расстояния между игольчатыми электродами на катоде b должно выполняться соотношение:For the average distance between the needle electrodes on the cathode b, the relation:

b>f.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.In this case, the electric field does not depend on the magnitude of the interelectrode gap L. If the applied voltage U is at least 6 V, then the radius of the tip R of the needle electrodes should not exceed 15 nm so that acceptable fields (E ~ 10 ⁶ V / cm) are provided to ensure the field current.

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 случаеConsider a specific example. For the anode from graphite, the electron work function according to [3] is 4.7 eV, and the expected Fermi energy will be at least 20 eV [4]. If there is a cathode made of vertically standing carbon nanotubes with nickel tips with a tip radius R of not more than 15 nm. The expected Fermi energy will be 11.7 eV, and the expected electron work function is 4.5 eV. In this case

q/Q=1-8,3/U, где 8,3V>U>5,2V.q / Q = 1-8.3 / U, where 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.The “cold” production coefficient of the proposed device can be up to 60% of the consumed electric energy, and for a Peltier element this value does not exceed 20%. This process is described in more detail in [6]. Moreover, the higher the cooling efficiency, the lower the absolute value of the cooling power, because little Q.

Таким образом, предложенное устройство может быть использовано в качестве элементов холодильников, а также в виде теплозащитных экранов в вакуумных установках и космосе.Thus, the proposed device can be used as elements of refrigerators, as well as in the form of heat shields in vacuum installations and space.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Электроника. Энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. 1991. С.540-541.1. Electronics. Encyclopedic Dictionary. M .: Soviet Encyclopedia. 1991. S. 540-541.

2. Ч.Китель. Введение в физику твердого тела. М.: Наука. 1970. С.26.2. C. Kitel. Introduction to solid state physics. M .: Science. 1970. S. 26.

3. П.Харрис. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. М.: Техносфера. 2003. С.329.3. P. Harris. Carbon nanotubes and related structures. M .: Technosphere. 2003. P.329.

4. П.Н.Дьячков. Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2006. С.19.4. P.N.Dyachkov. Carbon nanotubes. Structure, properties, applications. M .: BINOM. Knowledge laboratory. 2006. S. 19.

5. Г.Н.Шуппе. Электронная эмиссия металлических кристаллов. Ташкент: Изд. САГУ. 1959. С.64.5. G.N. Schuppe. Electronic emission of metal crystals. Tashkent: Publ. SAGU. 1959. P.64.

6. В.К.Неволин. Тепловой эффект на аноде при автоэлектронной эмиссии. Письма в ЖТФ 32. В.23, 66 (2006).6. V.K. Nevolin. Thermal effect on the anode during field emission. Letters to the ZhTF 32. V.23, 66 (2006).

Claims

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.1. A device for the generation or absorption of heat, containing a cathode and anode having different Fermi energies of electrons and connected to a voltage source, characterized in that the cathode and anode are arranged with a gap of 10-100 μm between them, while the cathode includes a needle electrodes, and as materials of the cathode and anode selected materials for which the condition
q / Q = 1 + (Fk-Fa) / eU,
where q is the additional heat or heat absorption;
Q = IU, I is the current in the circuit, U is the applied voltage;
Фк, Фа are the Fermi energies of the cathode and anode, respectively,
at q> 0 - the anode is heated, at q <0 - the anode is cooled.

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.2. The device according to claim 1, characterized in that the needle electrodes are made in the form of carbon nanotubes with a metal layer with a Fermi energy less than that of the anode.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметры игольчатых электродов d много меньше их длины f.3. The device according to claim 1, characterized in that the diameters of the needle electrodes d are much smaller than their length f.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между игольчатыми электродами b больше их длины f.4. The device according to claim 1, characterized in that the distance between the needle electrodes b is greater than their length f.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазор между катодом и анодом L много больше диаметра игольчатых электродов.5. The device according to claim 1, characterized in that the gap between the cathode and the anode L is much larger than the diameter of the needle electrodes.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между анодом и катодом расположен электроизолятор, являющийся одновременно теплоизолятором и обеспечивающий полость между электродами.6. The device according to claim 1, characterized in that between the anode and cathode is an electrical insulator, which is both a heat insulator and provides a cavity between the electrodes.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что электроизолятор выполнен в виде точечных опор.7. The device according to claim 6, characterized in that the electrical insulator is made in the form of point supports.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод со стороны катода покрыт проводящей пленкой углерода с высоким значением энергии Ферми электронов. 8. The device according to claim 1, characterized in that the anode on the cathode side is covered with a conductive carbon film with a high Fermi energy of electrons.