用于热离子能量转换的系统和方法技术方案

一种热离子能量转换系统，优选地包括一个或更多个电子收集器、界面层、封装件和/或电子发射器。一种用于制造热离子能量转换系统的方法。一种用于热离子能量转换系统的操作的方法，优选地包括接收功率、发射电子以及接收发射的电子，并且可选地包括对流地传递热量。并且可选地包括对流地传递热量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于热离子能量转换的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年5月6日提交的美国临时申请第63/020,986号的优先权，该临时申请通过本引用以其整体并入本文。
[0003]本申请与2019年12月16日提交的美国专利申请第16/715,705号和2019年11月6日提交的美国申请16/676,131号有关，这两个申请都通过本引用以其整体并入本文。
[0004]政府支持声明
[0005]本专利技术是根据由国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency)授予的第W911NF
‑
18
‑
C
‑
0057号合同，由政府支持做出的。政府对本专利技术具有一定的权利。


[0006]本专利技术总体上涉及热离子能量转换领域，并且更具体地涉及热离子能量转换领域中的新的并且有用的系统和方法。
[0007]背景
[0008]许多典型的热离子能量转换器(TEC)存在对收集器温度和/或电极间间距的控制不良的问题。此外，在这样的TEC中，功函数降低材料(work function reduction materials)(例如，铯)的管理可能具有挑战性。因此，在热离子能量转换领域中，需要创建用于热离子能量转换的新的并且有用的系统和方法。
[0009]附图简述
[0010]图1是用于热离子能量转换的系统的实施例的示意性表示。
[0011]图2A
‑
图2G是界面层的各种示例的表示。
[0012]图3A是系统示例的示意性表示。
[0013]图3B是图3A中所示的系统示例的操作示例的示意性表示，跨界面层具有热梯度。
[0014]图4是系统示例的示意性表示。
[0015]图5是包括多孔界面材料和分流器(shunt)的系统示例的示意性表示。
[0016]图6A
‑
图6B分别是该系统的变型的一部分和该变型的特定示例的横截面视图的示意性表示。
[0017]图7是用于热离子能量生成的方法的示意性表示。
[0018]优选实施例的描述
[0019]本专利技术的优选实施例的以下描述并不意欲将本专利技术限制到这些优选实施例，而是意欲使本领域中的任何技术人员能够制造并使用本专利技术。
[0020]1.益处
[0021]该技术的变型可以提供几个益处和/或优点。
[0022]首先，该技术的变型可以确保电子收集器的温度保持在或接近于目标电子收集器操作温度(例如，在目标电子收集器操作温度的
±
1℃、
±
5℃、
±
10℃、
±
20℃、
±
30℃、
±
50℃、
±
100℃等内)。在具体示例中，界面层可以(例如，直接或间接地)将电子收集器热耦合
到冷却机构和/或其他热控制元件。
[0023]第二，该技术的变型可以保持电子收集器和电子发射器之间的期望的间距(或间距范围)(例如，建立适当的电极间间隙，用于有效的热离子能量转换器操作)。例如，界面层可以在电子收集器上施加力，以将电子收集器保持在相对于电子发射器的适当位置(例如，使电子收集器压靠用于保持电极间间隙的一个或更多个间隔物元件)。在一些示例中，界面层可以是机械柔顺的，其可以用于适应一个或更多个部件(例如，间隔物、电子收集器、电子发射器、封装件等)诸如由于热膨胀和/或收缩(例如，当系统向和/或从系统操作温度转变时、当系统中元件的温度在操作期间变化时，等等)的尺寸变化。
[0024]第三，该技术的变型可以存储(和/或释放)功函数降低材料(例如，诸如Cs、Ba、Sr等的碱和/或碱土金属，和/或包括这样的元素的材料，诸如其氧化物等)。在具体示例中，功函数降低材料可以被包括在界面层中，这可以去除对用于(和/或供应)系统内功函数降低材料的单独储层(reservoir)的需要。
[0025]第四，该技术的变型可以控制系统内功函数降低材料的位置和/或数量。在一些热离子能量转换器中，根据功函数降低材料的位置、数量和/或浓度，功函数降低材料可能会在系统内产生不希望的电路径(例如，收集器和发射器之间的寄生分流(shunt)和/或短路)、与系统的部件反应、不适当地修改电子收集器的功函数(例如，由于功函数降低材料对收集器表面的涂覆不充分或涂覆过量，这可能导致功函数降低不充分或可能过量)，和/或可以以任何其他方式影响系统操作。该技术的变型可以用于通过功函数降低材料控制来避免或减少一个或更多个这样的问题。在具体示例中，界面层(和/或系统的其他元件)的结构、温度和/或温度梯度可以使功函数降低材料在界面层中局部化，和/或以其他方式控制功函数降低材料的位置、数量和/或浓度。
[0026]然而，该技术的变型可以提供任何其他合适的益处和/或优点。
[0027]2.系统
[0028]如通过图1中的示例所示，热离子能量转换系统100可包括一个或更多个电子收集器110、界面层120、封装件(encapsulation)130和/或电子发射器140。然而，系统可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元件。
[0029]在一些示例中，该系统可以包括诸如在2020年5月26日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请16/883,762中所描述的一个或更多个元件，该申请通过本引用以其整体并入本文(例如，其中美国专利申请16/883,762的“发射器模块100”包括电子发射器；其中美国专利申请16/883,762的“收集器模块200”包括电子收集器和/或界面层；其中“发射器模块100”、“收集器模块200”和/或“密封件(seal)300”中的一个或更多个包括封装件的一个或更多个元件；等)。例如，系统100可以包括发射器模块(例如，类似于美国专利申请16/883,762中所描述的“发射器模块100”)，该发射器模块包括电子发射器140和封装件130的第一部分；收集器模块(例如，类似于美国专利申请16/883,762中所描述的“收集器模块200”)，该收集器模块包括电子收集器110、界面层120和封装件130的第二部分；和/或密封件(例如，类似于美国专利申请16/883,762中所描述的“密封件300”)，该密封件包括封装件130的第三部分。该系统优选地作用于将热输入转换为电能输出。
[0030]电子收集器(例如，阳极)优选地用于收集电子(例如，从电子发射器发射的电子，
诸如热离子发射的电子)。电子收集器的至少一个宽面(broad face)优选地跨间隙(电极间间隙)与电子发射器的至少一个宽面相对。该间隙优选地限定电子收集器和电子发射器之间的分离距离(电极间间距)。在一些示例中，电极间间距优选地在100nm和1mm之间，但可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种包括限定腔室的热离子能量转换器(TEC)的系统，其中，所述TEC包括：电子收集器，其被布置在所述腔室内；电子发射器，其跨所述腔室与所述电子收集器相对；以及界面层，其被布置在所述腔室内，其中：所述电子收集器被布置在所述电子发射器与所述界面层之间；所述界面层将所述电子收集器机械地耦合到所述腔室；以及所述界面层限定所述腔室内的储层，其中，所述储层包含功函数降低材料。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述腔室与围绕所述TEC的周围环境流体隔离。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述腔室包含所述功函数降低材料的蒸气。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述功函数降低材料包括液态铯。5.根据权利要求4所述的系统，还包括热耦合到所述界面层的冷却元件，其中：所述冷却元件被布置在所述腔室的外部；以及所述界面层被布置在所述冷却元件与所述电子收集器之间。6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述冷却元件被配置成控制所述液态铯的温度。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述界面层包括多孔金属结构。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述功函数降低材料包括包含在所述多孔金属结构的孔隙内的铯，其中，所述铯的蒸气流体耦合到电极间间隙，所述电极间间隙被限定在所述腔室内在所述电子发射器和所述电子收集器之间。9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述液态铯被配置成将所述电子收集器热耦合到被布置在所述腔室外部的冷却元件。10.根据权利要求1所述的系统，还包括：内壳，所述内壳限定加热腔，其中，所述加热腔跨所述电子发射器并且跨所述内壳与所述腔室相对；外壳，所述外壳跨所述腔室与所述内壳相对，所述外壳经由所述内壳电连接到所述电子发射器；收集器模块，所述收集器模块包括所述电子收集器；以及密封件，所述密封件包括电绝缘体，所述密封件被布置在所述外壳与所述收集器模块之间；其中：所述密封件将所述外壳机械地连接到所述收集器模块，从而将所述外壳机械地耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：科亚纳，
申请(专利权)人：火花热离子学公司，
类型：发明
国别省市：