熱電子発電機、熱電子発電機、または熱電エンジンとも呼ばれる熱電子電力変換器。最初に他のエネルギー形態に変えるのではなく、熱電子放出を使用して熱を直接電気に変換するクラスのデバイス。
熱電子電力変換器には2つの電極があります。これらの1つは、熱電子式電子エミッタ、つまり「ホットプレート」になるのに十分な高温に加熱されます。放出された電子を受け取るためコレクタと呼ばれるもう一方の電極は、著しく低い温度で動作します。電極間の空間は真空の場合がありますが、通常は低圧の蒸気またはガスで満たされています。熱エネルギーは、化学、太陽、または核の供給源から供給されます。熱電子コンバーターは、可動部品のない半導体デバイスです。高い信頼性と長寿命を実現するように設計できます。従って、熱電子変換器は多くの宇宙船で使用されてきた。
ホットプレートからの電子の放出は、水を加熱したときの蒸気粒子の放出に似ています。これらの放出された電子はコレクタに向かって流れ、図では抵抗として示されている外部負荷によって2つの電極を相互接続することによって回路を完成させることができます。電子を解放するために供給される熱エネルギーの一部は直接電気エネルギーに変換されますが、熱エネルギーの一部はコレクターを加熱するため、除去する必要があります。
熱電子デバイスの開発
18世紀半ばには、フランスの化学者であったシャルルフランソワドゥシステルネデュファイは、電気は高温物質に隣接するガス状物質、つまりプラズマで伝導される可能性があると指摘しました。1853年、フランスの物理学者アレクサンドルエドモンドベクレルは、高温のプラチナ電極間の空気を流れる電流を駆動するのに数ボルトしか必要としないと報告しました。1882年から1889年にかけて、ドイツのジュリアスエルスターとハンスガイテルは、2つの電極を備えた密閉デバイスを開発しました。彼らは、かなり低い温度では、高温の電極が正に帯電している場合、ほとんど抵抗なく電流が流れることを発見しました。適度に高い温度では、電流はどちらの方向にも容易に流れます。しかし、さらに高い温度では、負極からの電荷が最も容易に流れます。
1880年代、アメリカの発明家であるThomas Edisonは、真空中の熱電子放出に関する特許を申請しました。彼の特許要求で、彼は電流が白熱電球の加熱されたフィラメントから同じガラスグローブの導体に流れると説明しました。エジソンは、後にエジソン効果として知られるようになったこの現象を最初に開示したが、それを悪用しようとはしなかった。電灯システムの完成への彼の関心が優先されました。
1899年にイギリスの物理学者JJトムソンは負電荷キャリアの性質を定義しました。彼は、それらの電荷と質量の比が、彼が電子に対して見つけた値に対応していることを発見し、熱電子放出の基礎の理解をもたらしました。1915年にW.シュリヒターは、この現象を発電に使用することを提案しました。
1930年代初頭までに、アメリカの化学者アーヴィングラングミュアは、基本的なデバイスを構築するために熱電子放出について十分な理解を深めましたが、1956年までほとんど進展がありませんでした。その年、別のアメリカの科学者、ジョージN.ハトソプロスは、2種類の熱電子デバイスについて詳しく説明しました。彼の研究は、熱電子変換の急速な進歩につながりました。
熱電子変換器は高加速に耐え、可動部品がなく、比較的大きな出力対重量比を示すため、宇宙船の一部のアプリケーションに適しています。開発作業は、宇宙船に搭載された原子炉から電力を供給するシステムに焦点を当てています。それらは、900〜1,500 K（約600〜1,200°C、または1,200〜2,200°F）の温度で12〜15パーセントの範囲の効率を提供できます。これらのコンバーターは高温で最適に機能するため、最終的には従来の化石燃料発電所のトッピング装置として使用するために開発される可能性があります。それらの現在利用可能な効率により、特定のリモートまたは敵対的な環境での地上アプリケーションに適した電源になります。
