CN115769339A - 用于热离子能量转换的系统和方法 - Google Patents

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CN115769339A CN202180033708.5A CN202180033708A CN115769339A CN 115769339 A CN115769339 A CN 115769339A CN 202180033708 A CN202180033708 A CN 202180033708A CN 115769339 A CN115769339 A CN 115769339A
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科亚纳·范·豪滕
卢卡斯·海因里希·赫斯
贾瑞德·施韦德
菲利克斯·施密特
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    • G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/10—Cells in which radiation heats a thermoelectric junction or a thermionic converter
    • G21H1/106—Cells provided with thermionic generators
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

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。

Description

用于热离子能量转换的系统和方法
相关申请的交叉引用
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。
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。
政府支持声明
本发明是根据由国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research ProjectsAgency)授予的第W911NF-18-C-0057号合同，由政府支持做出的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明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。
背景
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 reductionmaterials)(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。
附图简述
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。
图2A-图2G是界面层的各种示例的表示。
图3A是系统示例的示意性表示。
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。
图4是系统示例的示意性表示。
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。
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。
图7是用于热离子能量生成的方法的示意性表示。
优选实施例的描述
本发明的优选实施例的以下描述并不意欲将本发明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发明。
1.益处
该技术的变型可以提供几个益处和/或优点。
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。
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。
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。
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。
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。
2.系统
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。
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 ANDMETHOD 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。
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，但可以可替代地小于100nm或大于1mm。间隙(例如，平均间隙、最小间隙等)优选地大于阈值最小宽度(例如，0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.5μm、0.75μm、1μm、2μm、3μm、5μm、7.5μm、10μm、20μm、30μm、50μm、75μm、100μm、200μm、500μm、1000μm、0.1μm-0.3μm、0.3μm-1μm、1μm-3μm、3μm-10μm、10μm-30μm、30μm-100μm、100μm-300μm和/或300μm-1000μm等)，但可以附加地或可替代地小于100nm或具有任何其他合适的宽度。间隙(例如，平均间隙、最小间隙等)优选地小于阈值最大宽度(例如，1μm、2μm、3μm、5μm、7.5μm、10μm、20μm、30μm、50μm、75μm、100μm、200μm、500μm、1000μm、3000μm、1μm-3μm、3μm-10μm、10μm-30μm、30μm-100μm、100μm-300μm、300μm-1000μm和/或1000μm-3000μm等)，但可以附加地或可替代地大于3mm或具有任何其他合适的宽度。例如，该间隙可以具有0.2mm-20mm(例如，1mm-10mm、1mm-3mm、3mm-6mm、5mm-10mm、或10mm-20mm等)范围内的宽度，但是可以附加地或可替代地更窄(或者可以可替代地不存在或基本上不存在)。然而，间隙宽度可以附加地或可替代地在20mm-50mm、50mm-200mm的范围中或大于200mm。
该间隙可由间隔物150(例如，如在2019年11月6日提交的标题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/676,131号中所描述的，该专利申请通过本引用以其整体并入本文)限定和/或保持。例如，电子收集器可以(例如，由界面层)压靠在布置在收集器和发射器之间的电极间间隙内(并保持该电极间间隙)的间隔物上。然而，间隙可以附加地或可替代地由兜状物(pockets)保持、由其他机械固定装置保持和/或以任何其他合适的方式保持。
电子收集器优选地耦合(例如，机械地耦合、电耦合、热耦合、化学耦合等)到界面层。电子收集器优选地沿着至少一个不与电子发射器相对的宽面耦合到界面层，但是电子收集器可以沿着任何合适的宽面耦合到界面层。电子收集器优选地是导电体和/或半导体。例如，电子收集器可以包括以下中的一种或更多种(例如，由以下中的一种或更多种制成)：金属(例如，难熔金属和/或低功函数金属，诸如钨、钼、铂、镍、镍合金、高温合金(superalloys)、不锈钢、铌、铱、钽等；本身呈现出低功函数的金属；当暴露于功函数降低环境时(诸如在钡、锶和/或铯环境中，可选地包括氧等)呈现出低功函数的金属；等)、半导体(例如，n型半导体；p型半导体；收集器材料(诸如在2019年12月16日提交的标题为“SYSTEMAND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/715,705号中所描述的收集器材料、和/或在2019年11月6日提交的标题为“System and Method for Thermionic Energy Conversion”的美国申请第16/676,131号中所描述的收集器材料，以上每个申请通过本引用以其整体并入本文)；等)，和/或任何其他合适的材料。
在典型的热离子能量转换器的操作期间，电子收集器的温度可能升高(例如，高于最佳工作温度、高于目标操作温度、高于收集器材料相变等)。温度增加可能是由来自电子发射器的(例如，辐射的、传导的、对流的、它们的组合等)热传递引起的、通过接收来自电子发射器的电子引起的、由通过系统的寄生热通量(heat flux)引起的和/或以任何方式引起的。电子收集器通常在低于阈值温度(例如，低于电子发射器操作温度的阈值温度)时实现最高效率。因此，(例如，在操作期间)将电子收集器冷却到和/或将电子收集器保持在目标电子收集器温度或温度范围是有益的。
电子收集器优选地耦合到和/或包括一种或更多种功函数降低材料，其可以用于降低收集器功函数。例如，存在于系统内(例如，保留在界面层内和/或作为蒸气存在于系统的外壳内，诸如下面进一步详细描述的)的功函数降低材料可以沉积在电子收集器的表面上、驻留在电子收集器的表面上和/或以其他方式与电子收集器的表面相互作用。功函数降低材料优选地包括一种或更多种碱金属和/或碱土金属(和/或其化合物，诸如氧化物和/或氟化物)，更优选地涂覆(例如，作为单层(monolayer)或少量单层)或部分涂覆(例如，作为部分单层)一个或更多个表面，诸如电子收集器表面。然而，电子收集器可以附加地或可替代地包括氮族元素氟化物(pnictogen fluorides)(例如，氟化氮(诸如三氟化氮)、氟化磷、氟化砷、氟化锑、氟化铋等)和/或任何其他合适的材料。
在具体示例中，电子收集器可以是和/或包括如在2019年11月6日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/676,131号中所描述的“电子收集器”(或其元件)、和/或如在2019年12月16日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGYCONVERSION”的美国专利申请第16/715,705号中所描述的“阳极”(或其元件)，以上每个申请都通过本引用以其整体并入本文。
然而，系统可以附加地或可替代地包括任何其他合适的电子收集器。
电子发射器优选地用于发射电子(例如，当电子发射器温度超过阈值温度时)。电子(例如，从靠近间隙的发射器表面发射的电子)优选地被发射到电极间间隙中，但是可以附加地或可替代地在任何合适的方向上、从任何合适的发射器表面和/或向任何合适的部件发射。电子发射器(即阴极)优选地包含(例如，是以下各项、基本上由以下各项组成等)一种或更多种金属，优选地为难熔金属，诸如钨、钽、铼、钌、钼、镍、铬，一种或更多种高温合金(例如，铬镍铁合金(Inconel)、哈氏合金(Hastelloy)、康泰尔合金(Kanthal)等)、铌、铂、铑、铱等，但是附加地或可替代地包含任何其他合适的金属。然而，电子发射器可以附加地或可替代地包括一种或更多种半导体材料、绝缘材料和/或任何其他合适的材料。
电子发射器可以耦合到和/或包括功函数降低材料，诸如碱金属和/或碱土金属涂层(和/或其氧化物和/或氟化物)，其可以用于降低发射器功函数和/或增加从发射器发射的电子的数量和/或能量。功函数降低材料优选地在靠近间隙的发射器表面上(例如，仅沉积、驻留在靠近间隙的发射器表面上，有效地降低靠近间隙的发射器表面的功函数等)，但是可以附加地或可替代地扩散到发射器中，和/或以其他方式被包括在发射器中。然而，电子发射器可以附加地或可替代地包括氮族元素氟化物(例如，氟化氮(诸如三氟化氮)、氟化磷、氟化砷、氟化锑、氟化铋等)和/或任何其他合适的材料。
在具体实施例中，电子发射器可以包括和/或被配置为如在2019年11月6日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/676,131号中所描述的“发射器模块”和/或其任何合适的部件、和/或如在2019年12月16日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONICENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/715,705号中所描述的“阴极”，以上每个申请都通过本引用以其整体并入本文。
封装件优选地用于将系统与靠近系统(例如，围绕系统)的外部环境隔离。封装件可以附加地或可替代地用于耗散来自电子收集器的能量、为电子收集器和/或系统提供机械支撑和/或提供任何其他合适的功能。封装件可以耦合到界面层。封装件优选地被布置成跨界面层与电子收集器相对。例如，封装件可以连接(例如，机械连接、热连接等)到和/或以其他方式耦合到界面层的至少一个宽面上的界面层，优选地连接到界面层的第一宽面，该第一宽面与连接到电子收集器的界面层的第二宽面相对(例如，如图3A-图3B所示)。然而，封装件可以以任何合适的方式耦合到界面层。
封装件优选地限定围绕电子发射器、电子收集器和/或界面层的腔室。该腔室优选地与围绕系统和/或封装件的周围环境(例如，大气)流体隔离。与周围环境相比，腔室环境优选地处于降低的压力(例如，完全或部分真空)，但可以处于相同的压力和/或升高的压力。该腔室可以封闭一个或更多个种类(例如，钡、铯、氧、钠、锶、锆等)，诸如可以与一个或更多个表面(例如，发射器表面、收集器表面等)相互作用以修改(例如，降低)表面的功函数的种类。在一些示例中，一个或更多个这样的种类可以作为填充材料被存储(例如，如下文进一步详细描述的)，诸如其中填充材料在腔室内生成该种类的蒸气压。在变型中，诸如其中一个或更多个种类以流体相(例如气体)存在，每个种类(和/或所有这些种类一起)诸如在正常系统操作期间的压力(和/或分压)可以大于第一阈值压力(例如，1x10-6、2x10-6、5x10-6、1x10-5、2x10-5、5x10-5、1x10-4、2x10-4、5x10-4、1x10-3、2x10-3、5x10-3、1x10-2、2x10-2、5x10-2、1x10-1、2x10-1、5x10-1、1、2、5、10、20、50、100、200、500、760、800、10-6-10-2、10-3-10-1、0.05-5、0.75-15和/或5-100Torr、大于800Torr、小于10-6Torr，等)，小于第二阈值压力(例如，1x10-6、2x10-6、5x10-6、1x10-5、2x10-5、5x10-5、1x10-4、2x10-4、5x10-4、1x10-3、2x10-3、5x10-3、1x10-2、2x10-2、5x10-2、1x10-1、2x10-1、5x10-1、1、2、5、10、20、50、100、200、500、760、800、10-6-10-2、10-3-10-1、0.05-5、0.75-15和/或5-100Torr、大于800Torr、小于10-6Torr，等)，和/或任何合适的压力(或分压)。在具体示例中，在正常系统操作期间，系统包括以填充材料(例如铯)存在的一个或更多个种类的在0.1Torr和10Torr之间(例如0.2-5、0.5-2和/或约1Torr等)的蒸气压。然而，该腔室可以附加地或可替代地具有任何其他合适的特性。
在变型中，封装件可以包括以下中的一个或更多个：如在2019年11月6日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/676,131号中所描述的收集器引线、发射器引线、冷却元件、密封件和/或其他部件，该专利申请通过本引用以其整体并入本文。然而，封装件可以包括任何合适的方式和/或以任何合适的方式被布置。
密封件优选地用于将电子发射器机械地耦合(但优选地不是电耦合)到电子收集器(和/或封装件、界面层或其他部件)。密封件可以附加地或可替代地用于(例如，与封装件的其他部分协作)将腔室环境与周围环境隔离。该密封件优选地包括一种或更多种电绝缘体材料，更优选地是在TEC操作期间能够承受(例如，不熔化、不变形、不分解和/或不与存在于腔室环境中的其他种类化学反应等)密封温度的材料。该材料优选地为玻璃和/或陶瓷(例如，块体陶瓷(bulk ceramic)、沉积陶瓷等；结晶和/或非晶陶瓷)。例如，密封件可以包括一种或更多种硼化物、碳化物、氧化物和/或氮化物材料和/或任何其他合适的材料。在具体示例中，密封件包括氧化铝(例如，蓝宝石、非晶氧化铝等)、氮化铝、二氧化硅、硅酸盐玻璃、硅、碳化硅、氮化硅中的一种或更多种和/或任何其他合适的材料。然而，密封件可以附加地或可替代地包括任何其他合适的材料。
封装件优选地包括(和/或热耦合到)一个或更多个冷却元件131，该冷却元件131可以用于促进从电子收集器(和/或系统的任何其他合适元件)中的热排出。热排出优选地以对流方式实现(例如，与气流模块协作、与冷却流体协作等)，但是可以附加地或可替代地包括辐射热排出、传导热排出和/或通过任何其他合适的机构进行的热排出。在操作期间，冷却元件将电子收集器和/或界面层优选地保持在目标温度或低于目标温度(例如，在0℃-100℃、100℃-200℃、200℃-400℃、400℃-600℃、200℃-275℃、250℃-350℃、325℃-400℃和/或275℃-325℃(诸如300℃)范围内的目标温度)，诸如在目标温度和较低温度(例如，周围环境温度(“室温”)、0℃、10℃、20℃、25℃、30℃、50℃、75℃、100℃、150℃、200℃、250℃、0℃-25℃、25℃-50℃、50℃-100℃、100℃-200℃和/或200℃-300℃等)之间。冷却元件优选地(例如，通过界面层)热耦合到电子收集器。在一些示例中，冷却元件包括一个或更多个表面修改器(surface modifier)，优选地包括金属(例如由金属制成)，表面修改器可以用于(例如在热传递流体(诸如空气、水、甘油等)中)诱发湍流和/或以其他方式增加与冷却元件的流体相互作用(例如热传递)。这种表面修改器可以包括散热翅片(fins)(例如，平行板)、挡板、肋、凹坑(dimple)和/或任何其他合适的结构。
冷却元件可以包括被动冷却元件(例如，吸热设备(heat sink)、散热器(heatspreader)、导热管(heat pipe)等)和/或主动冷却元件(例如，强制空气(forced air)、强制液体(forced liquid)、热电冷却器等)。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温度控制元件(例如，包括冷却元件)，该申请通过本引用(例如，诸如在美国专利申请16/883,762中所描述的一个或更多个“气流模块13”的元件)以其整体并入本文。
如通过图3A、图3B和图4中的示例所示，冷却元件优选地被布置在界面层(和/或电子收集器)附近，和/或以其他方式被配置成优先(例如，比系统的其他元件更优先)冷却界面层和/或电子收集器。这种布置可以提供优于替代布置(诸如其中冷却元件靠近TEC的其他元件布置和/或优先冷却系统的其他元件)的益处。这些其他元件可以包括密封件、布置在加热腔开口处和/或其附近的元件和/或任何其他合适的元件。例如，这种布置可以(例如，在热离子能量转换器操作期间)使界面层能够保持在比其他布置中更低的温度，诸如保持在低于阈值温度(诸如450℃、400℃、350℃、300℃、250℃、200℃、150℃、100℃、50℃、50℃-150℃、100℃-200℃、150℃-250℃、200℃-300℃和/或300℃-450℃或任何其他合适的温度)的温度(以及在一些实例中，该温度高于第二阈值温度(诸如400℃、350℃、300℃、250℃、200℃、150℃、100℃、50℃、0℃、0℃-100℃、50℃-150℃、100℃-200℃、150℃-250℃、200℃-300℃和/或300℃-400℃))，导致更大的可能的设备效率和/或更大的功函数降低材料定位在界面层附近(例如，在界面层内)。
然而，冷却元件可以附加地或可替代地包括采用任何合适的布置的任何其他合适的元件。
在一些示例中，封装件可以包括(和/或热耦合到)一个或更多个加热元件132。例如，封装件可以包括相对于冷却元件布置在界面层附近的加热元件(例如，如在图4中所示)。然而，封装件可以附加地或可替代地包括相对于加热元件布置在界面层附近的冷却元件，和/或可以包括加热元件和冷却元件的任何其他合适布置。加热元件(优选地与一个或更多个冷却元件协作)可以用于实现和/或改进系统的其他元件(诸如界面层)的温度控制(例如，由此实现对包含在界面层内的填充材料的更大控制，诸如对存储在界面层中的液态铯的气化的控制)。例如，通过由加热元件改变热输出，可以控制界面层的温度(例如，能够将界面层温度保持在有效系统操作所需的温度范围内，诸如，其中最小值和最大值均在100℃-300℃的范围内和/或最小值和最大值均在小于电子收集器温度的0℃-200℃的范围内的温度范围)。然而，该系统可以附加地或可替代地包括具有任何其他合适功能的任何其他合适的加热元件(和/或可以不包括加热元件)。
界面层优选地用于将电子收集器耦合(例如，热耦合、电耦合、机械耦合和/或化学耦合等)到封装件(和/或封装件的任何合适部件和/或外部系统，诸如外部负载)。界面层的至少一个宽面优选地与电子收集器接触(例如，触及(touch)、机械地连接等)，并且至少一个宽面优选地与封装件接触。与电子收集器接触的至少一个宽面优选地不同于与封装件接触的至少一个宽面(例如，其中两个宽面跨界面层彼此相对)，但是相同的宽面可以与电子收集器和封装件接触。界面层可以处于点接触(例如，一个或更多个离散点)、边缘接触、表面接触、体积接触和/或任何合适的接触。在一些实施例中，界面层可以包括如在2019年11月6日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/676,131号中所描述的“收集器桥”(和/或用作收集器桥)，该专利申请通过本引用以其整体并入本文。界面层优选地与腔室环境流体连通(例如，流体接触)(例如，并因此流体耦合到电极间间隙)。
在具体示例中，界面层可以(例如，使用粘合剂；使用附着力(诸如由功函数降低材料、填充材料等生成的表面张力、润湿性(wetting)等)；等)被粘附到收集器和/或封装件，被制造在收集器和/或封装件上(例如，诸如通过蚀刻等生长在和/或沉积在收集器和/或封装件上、被限定到收集器和/或封装件中)，被集成到(例如部分和/或完全嵌入)收集器和/或封装件中，被安装和/或紧固到收集器和/或封装件，被焊接到收集器和/或封装件，被匹配到收集器和/或封装件(例如在界面层和/或其他匹配的部件上包括结构保持特征，诸如互补的凸部分和凹部分，螺纹部分等)，被机械地互锁到收集器和/或封装件，被静电和/或磁耦合到收集器和/或封装件，被接触而没有或基本上没有耦合力和/或机构，和/或以其他方式与收集器和/或封装件接触。然而，界面层(和/或单独的界面层)可以与任何合适的部件接触并以任何方式布置。
界面层优选地是柔顺的(例如，可变形的)。这种柔顺性可以用于适应一个或更多个系统部件的机械变化(例如，热膨胀和/或收缩；响应于力(诸如由压差产生的力)的变形等)，优选地不(或基本上不)降低系统操作和/或功能。界面层优选地是弹性地可变形的，但是附加地或可替代地可以是无弹性地可变形的、滞弹性地(anelastically)可变形的和/或具有任何合适的变形。界面层可以膨胀和/或收缩。当界面层膨胀和/或收缩时，电子收集器和电子发射器之间的分离距离(和/或取向)优选地保持基本上恒定(例如，不变化；基本上不变化；变化小于阈值量(诸如1％、2％、5％、10％、20％、0.1-1％、1-2％、2-5％、5-10％、10-20％、20-30％等)并且大于0％)，但是替代地可以显著变化(例如，当界面层达到操作温度时，可以达到分离距离和/或取向)，诸如变化了阈值量或者变化超过了阈值量(例如，1％、2％、5％、10％、20％、0.1-1％、1-2％、2-5％、5-10％、10-20％、20-30％等)。界面层的弹簧常数(例如，将界面层建模为虎克弹簧(Hookean spring))优选地在约10kN/m-500kN/m之间，诸如25kN/m、50kN/m、75kN/m、100kN/m、150kN/m、200kN/m、250kN/m、300kN/m、400kN/m、10kN/m-50kN/m、50kN/m-100kN/m、100kN/m-200kN/m和/或200kN/m-500kN/m，但可以小于10kN/m，大于500kN/m，和/或具有任何其他合适的值。在一些示例中，界面层可以包括一个或更多个弹簧(例如，悬臂弹簧、螺旋弹簧等)(例如，由一个或更多个弹簧制成)，诸如微加工弹簧和/或纳米制造的弹簧(nanofabricated springs)。然而，界面材料可以附加地或可替代地包括被配置成实现所需的柔顺性的任何其他合适的元件。
界面层优选地包括一种或更多种界面材料(例如，由一种或更多种界面材料制成、由一种或更多种界面材料组成等)。界面材料优选地与一种或更多种电子收集器材料(例如，半导体，诸如IV族半导体(诸如Si、Ge、SiC，和/或它们的合金)；III-V族半导体(诸如GaAs、GaSb、GaP、GaN、AlSb、AlAs、AlP、AlN、InSb、InAs、InP、InN和/或它们合金)；II-VI族半导体(诸如ZnTe、ZnSe、ZnS、ZnO、CdSe、CdTe、CdS、MgSe、MgTe、MgS和/或它们的合金)；等)兼容(例如，不与其反应，以小于阈值反应速率的速率与其反应，不扩散到其中，具有小于阈值扩散系数的扩散系数(和/或互扩散系数)等)。在具体示例中，界面材料(例如，在0℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃等；在电子收集器操作温度；在界面层温度；在封装件温度等)具有到收集器材料的低扩散系数，诸如扩散系数(和/或互扩散系数)小于约1×10-9cm2/s，诸如小于1×10-15、1×10-15、2×10-15、5×10-15、1×10-14、2×10-14、5×10-14、1×10-13、2×10-13、5×10-13、1×10-12、2×10-12、5×10-12、1×10-11、2×10-11、5×10-11、1×10-10、2×10-10、5×10-10等。然而，界面材料(例如，在0℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃等；在电子收集器操作温度；在界面层温度；在封装件温度等)可以具有大于约1×10-9的到收集器材料的扩散系数(和/或互扩散系数)和/或任何合适的扩散系数。界面材料可以包括以下中的一种或更多种：金属(例如，镍、钽、锆、钛、钨、钼、铼、铪、铁、铜等)、功函数降低材料前体、合金(例如，钨铼、碳化钨铼铪、铬镍铁合金(inconel)、哈氏合金(hastelloy)、因康合金(incoloy)、蒙乃尔合金(monel)、镍铬钛合金(nimonic)、钨铬钴合金(stellite)、铜镍合金(cupronickel)、钢、不锈钢等)、碳质材料(例如，石墨)和/或任何合适的材料。功函数降低材料前体优选地为功函数降低材料的氧化物(例如，铬酸盐、重铬酸盐、氧化物、超氧化物、过氧化物、铝酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钛酸盐、钒酸盐、高铁酸盐、高锰酸盐、锰酸盐等)。然而，功函数降低材料前体可以附加地或可替代地包括功函数降低材料的硫化物、氮化物、叠氮化物、卤化物和/或任何合适的阴离子盐，和/或任何其他合适的前体。
在一个示例中，其中界面层包括金属(诸如钛、铪、锆、铁、镍、铝、钙、镁、铍、锶、钡、镭等)和功函数降低材料前体，金属可以与功函数降低材料前体反应(例如，一旦界面层达到反应温度、处于特定的腔室压力(诸如在TEC正常操作期间达到的压力等))，释放功函数降低材料。
在具体示例中，界面层可以包括保护性金属(例如，钛、铪、锆、铁、镍、铝、钙、镁、铍、锶、钡、镭等)和功函数降低材料前体(例如，铬酸铯(Cs2CrO4))。保护性金属可以作为结构部件、作为涂层被包括在保护性金属储层中，作为非结构部件，和/或以其他方式被包括在界面层中。当界面层达到阈值温度(例如，室温、目标操作温度、反应温度等)时，表示为“M”的一些保护性金属可以与Cs2CrO4反应以产生Cs和M2(CrO4)x。
在一些变型中，界面层可以被(部分地和/或全部地)涂覆。涂层可以用于修改界面层和/或界面材料(和/或界面层与系统其他元件的界面的界面材料)的电特性、热特性、机械特性、化学特性和/或其他特性。例如，涂层可以用于改进界面层与界面层接触的元件(例如，收集器和/或封装件)之间的热传导和/或电传导。涂层可以与界面材料相同或不同(例如，可以包括界面材料中的一种或更多种，可以包括与界面材料(诸如上面关于界面材料所描述的材料)不同的材料，等)。涂层可以被沉积、生长、镀(plate)(例如电镀(electroplate))、浸涂、喷涂、辊涂，和/或界面材料可以以其他方式被涂覆。在其中界面材料包括钨和/或钴的第一具体示例中，涂层可以包括铜。在其中界面材料包括铜的第二具体示例中，涂层可以包括镍。然而，任何合适的涂层可以被用于任何界面材料。
界面层可以附加地或可替代地用于存储一种或更多种填充材料(例如，用作填充材料的储层)。填充材料优选地为流体(例如，液体、气体、超临界流体等)，更优选地为冷凝相，诸如液体，但可以附加地或可替代地包括固体、等离子体和/或任何其他物质相。在一些实施例中，填充材料可以修改(例如，确定、增加、降低等)界面层的物理和/或化学特性(诸如热导率、电导率、变形性、弹簧常数、扩散率等)。例如，填充材料可以用于增加收集器和封装件之间的耦合(例如，热耦合、电耦合等)。填充材料优选地部分或完全地润湿界面层，但可以替代地不润湿界面层。可以基于界面层的结构(例如，纳米结构、介观结构、宏观结构等)、界面材料、填充材料、界面层的表面能、界面层的表面处理和/或界面层的任何合适特性来控制填充材料对界面层的润湿性。
填充材料优选地为功函数降低材料(例如，碱和/或碱土金属，例如铯、钡、锶等)，诸如，其中界面层用作功函数降低材料的整体储层(例如，整体铯储层)。然而，填充材料可以附加地或可替代地包括与一个或更多个“阳极层”(优选地为功函数调谐层，但附加地或可替代地为任何其他合适的阳极层，例如半导体层、电子保护层、电子俘获层、化学保护层等)相对应的材料，该“阳极层”如在2019年11月6日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FORTHERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/676,131号中所描述，该专利申请通过本引用以其整体并入本文。
界面层的几何形状(例如，界定界面层、限定界面层、包围界面层等的三维结构)可以是和/或包括诸如以下项的一种或更多种结构：拟柱体(prismatoid)结构(例如，矩形棱柱)、截头角锥形(frustopyramidal)结构、截头圆锥形(frustoconical)结构、圆柱形结构、任意结构，和/或具有任何合适的几何形状。与电子收集器接触的界面层的宽面优选地具有与它们所接触的电子收集器的宽面大致相同的形状，但可以具有与电子收集器的宽面不同的形状。与电子收集器接触的界面层的宽面优选地具有与它们所接触的电子收集器的宽面基本相同的大小(例如，横向和/或纵向范围最多相差1％、5％、10％、20％、30％、40％等)，但可以具有与电子收集器的宽面不同的大小(例如，大于电子收集器的宽面或小于电子收集器的宽面)。
界面层的厚度可以基于界面层的物理和/或化学特性(例如，在正常条件下(例如在高温下和/或有铯存在的情况下)的系统操作期间)来被选择。例如，薄的界面层(例如，比第一阈值厚度薄)可以呈现非线性(例如，非弹性)的机械特性，而厚的界面层(例如，比第二阈值厚度厚)可能需要大体积的填充材料(例如，以实现所需状态，诸如完全或基本上完全用填充材料装载，填充材料装载在诸如50％、75％、85％、90％、95％、98％、30-60％、50-100％、50-80％、70-85％、80-90％、90-95％和/或95-100％等的最大容量的阈值分数内)，可以呈现大的热梯度和/或温差(例如，大于阈值梯度或温差)，可以随着温度变化而经历大的膨胀和/或收缩，和/或可以以其他方式不利。因此，优选地选择以避免和/或平衡这种潜在的损害的厚度。界面层的厚度优选地在0.05mm-10mm之间，诸如0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm、7.5mm、9mm、0.05mm-0.5mm、0.1mm-1mm、0.5mm-10mm。然而，界面层的厚度可以小于0.05mm，大于10mm，和/或任何其他合适的厚度。
界面层优选地限定开放体积，但替代地可以是固体材料(例如，不限定开放体积，诸如孔和/或空腔)。在具体示例中，界面层可以包括多孔元件(例如，限定纳米孔、微孔、中孔、大孔等，诸如通过图2B中的示例所示)、对齐的、未对齐的和/或部分对齐的细丝束(例如，如图2A所示)、诸如通过图2F中的示例所示的线球(例如镍线等)、对齐的、未对齐的和/或部分对齐的纤维和/或刚毛(例如，如图2G所示)、结构(例如，如图2C和图2D所示的孔、凹坑、槽、谷、腔、凸起的结构、网格；等)，结构的阵列(例如，如图2E所示；诸如，例如Meza、Lucas R.、Satyajit Das和Julia R.Greer在“Strong,lightweight,and recoverablethree-dimensional ceramic nanolattices.”Science 345.6202(2014):1322-1326中和/或Schaedler、Tobias A.等人在“Ultralight metallic microlattices.”Science334.6058(2011):962-965中所描述的结构，这两个文献中的每一个都通过该引用以其整体并入本文；等)、金属棉(例如，钢棉、铜棉等)、毛毡(例如，石墨毡)、分层材料板(例如，波纹板和/或皱纹板等)、纳米结构和/或微制造结构(例如，使用原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、溅射、蚀刻、它们的组合等制备的结构，诸如经由原子层沉积制造的机械柔顺结构)，和/或具有任何合适的结构。
可以基于界面材料、填充材料、操作参数(例如，诸如电压、电流、功率等的电参数；诸如电子收集器温度、界面层温度、电子发射器温度等的操作温度；操作压力等)、界面层和/或电子收集器的大小和/或任何合适的特性来选择填充分数(fill fraction)(例如孔隙率，诸如界面层的总体积中开放体积(其被填充或者可能填充有一种或更多种填充材料)的百分比等)。例如，具有低填充分数(例如，低于第一阈值填充分数)的界面层可能变得非弹性；而具有高填充分数(例如，高于第二阈值填充分数)的界面层可能具有低传导率(例如，热导率、电导率等)，诸如填充的和/或未被填充的界面层的传导率，和/或可能呈现较差的填充材料保持率(例如，其中填充材料的大部分可能离开界面层，诸如通过蒸发，这可能使界面层未被填充、基本上未被填充或被填充小于用于有效操作的最小期望填充状态)。然而，在一些实施例中，填充分数可以对界面层特性(例如，物理特性和/或化学特性)具有很小的影响(例如，小于1％、2％、5％、10％、20％等)或没有影响，界面层可以被选择和/或被设计成适用于任何填充因子(例如，一个界面层适用于任何填充因子，不同的界面层被设计用于不同的填充因子等)，和/或可以使用任何填充因子。
填充因子优选地在约75％-99.5％之间，诸如99.4％、99.3％、99.2％、99.1％、99％、98％、96％、94％、92％、90％、87.5％、85％、82.5％、80％、77.5％、99％-99.5％、98％-99％、95％-98％、90％-96％、85％-90％、80％-85％，和/或75％-80％等。然而，填充因子可以小于75％，大于99.5％，和/或任何合适的分数。
然而，该系统可以附加地和/或可替代地包括与界面层分离的一个或更多个储层(例如，功函数降低材料和/或任何其他合适的填充材料的储层)。
界面层可以附加地或可替代地用于传导热量(例如，作为热界面层操作)。在操作期间，界面层优选地将热量从电子收集器传导走(例如，起到冷却电子收集器的作用)，更优选地从收集器传导到封装件(例如，传导到冷却机构)。然而，界面层可以附加地或可替代地将热量传导到电子收集器(例如，将电子收集器加热到工作温度，在反馈回路中操作以将电子收集器温度保持在期望的温度范围内，等等)。
界面层的热导率可以取决于界面层几何形状(例如，在正常操作期间未被装载的界面层(如已制造的界面层)、被装载的界面层等)、界面层材料、界面层装载(例如，填充材料、填充因子等)和/或界面层的任何特性。热导率可以是各向同性的(例如，在x/y/z方向上相同)和/或各向异性的(例如，在x/y/z方向上不同)。界面层的热导率优选地至少约为0.5W/(m*K)，诸如0.75W/(m*K)、1W/(m*K)、2W/(m*K)、3W/(m*K)、5W/(m*K)、10W/(m*K)、20W/(m*K)、50W/(m*K)、100W/(m*K)、200W/(m*K)、500W/(m*K)、1000W/(m*K)、2000W/(m*K)、5000W/(m*K)、5W/(m*K)-20W/(m*K)、1W/(m*K)-10W/(m*K)、10W/(m*K)-50W/(m*K)和/或25W/(m*K)-200W/(m*K)等。但是，界面层的热导率可以小于0.5W/(m*K)。
在一些变型中，界面层可以被配置成使用莱顿弗罗斯特效应(Leidenfrosteffect)来修改和/或赋予界面层的热特性。莱顿弗罗斯特效应是一种现象，其中靠近热表面(例如，温度和压力高于液体的莱顿弗罗斯特点的表面)的液体迅速蒸发，产生蒸气层，该蒸气层将未蒸发的液体与表面隔绝(例如，热隔绝)，从而减缓未蒸发的液体的蒸发速率(例如，相对于液体与表面直接接触的情况)。在具体示例中，功函数降低材料可以是液体，并且当与电子收集器(和/或封装件)接触时可以利用莱顿弗罗斯特效应。然而，可以使用任何合适的材料和/或界面层来实现莱顿弗罗斯特效应。
在其他变型中，界面层可以被配置成对莱顿弗罗斯特效应不可知和/或抑制莱顿弗罗斯特效应。在具体示例中，可以选择几何形状、表面能、润湿性(例如，界面层对功函数降低材料的润湿性)、界面材料和/或任何合适的特性来芯吸(wick)功函数降低材料，这可以用于抑制液滴形成从而中断莱顿弗罗斯特效应。
在其他变型中，界面层可以被配置成作为导热管进行操作(例如，可以包括一个或更多个导热管)。在这些变型的具体示例中，功函数降低材料可以被用作导热管的工作流体(例如，在导热管内蒸发和冷凝的材料)，以在电子收集器和封装件(和/或界面层)之间传递热量。然而，任何合适的填充材料都可以被用作导热管工作材料和/或导热管可以以其他方式被布置。
然而，界面层可以被配置成允许莱顿弗罗斯特效应(例如，针对特定材料，在第一模式下，在第一组操作条件下等)和对莱顿弗罗斯特效应不可知和/或抑制莱顿弗罗斯特效应(例如，针对特定材料，在第二模式下，在第二组操作条件下等)，和/或以其他方式被配置。
如图3B所示，跨界面层可能存在热梯度(例如，在操作期间，诸如在正常条件下的操作、在期望条件下的操作、在最大效率条件下的操作等)。梯度优选地沿着(或基本上沿着)电子收集器和封装件之间的轴被限定(例如，界面层在靠近电子收集器的界面层的一侧和/或宽面上可以更热，在靠近封装件的一侧和/或宽面上可以更冷，反之亦然)。然而，梯度可以沿着垂直于或倾斜于电子收集器和封装件之间的轴的轴，可以是径向温度梯度、方位温度梯度和/或任何合适的温度梯度。界面层内的最大温差(ΔT)(例如，在界面层的最热位置和最冷位置(诸如表面、点、体积等)之间；优选在收集器处或附近的最热位置和封装件处或附近的最冷位置之间)优选地至多为200℃(例如，ΔT小于或等于约1℃、2℃、5℃、10℃、20℃、50℃、100℃、150℃、175℃、190℃和/或200℃等；ΔT在0℃-200℃、0℃-10℃、10℃-30℃、20℃-50℃、30℃-100℃、50℃-150℃和/或100℃-200℃范围内)，但替代地可以大于200℃。界面层内的最小温差(ΔT)(例如，在界面层的最热位置和最冷位置(诸如表面、点、体积等)之间；优选地在收集器处或附近的最热位置和封装件处或附近的最冷位置之间)优选地大于阈值温差(例如，ΔT大于或等于约1℃、2℃、5℃、10℃、20℃、50℃、100℃、150℃、175℃、190℃和/或200℃等；ΔT在1℃-200℃、1℃-10℃、10℃-30℃、20℃-50℃、30℃-100℃、50℃-150℃和/或100℃-200℃范围内等)，但替代地可以小于1℃。温差可以用于使功函数降低材料在界面层内局部化(例如，促进功函数降低材料在界面层内，而不是在腔室内的其他部件处的冷凝和/或聚集)。
腔室内的最冷(或基本上最冷)位置(例如，在正常条件下的系统操作期间)优选地位于界面层内(例如，界面层的至少一部分处于比电子收集器、电子发射器、间隔物等更低的温度)，这可以用于优先冷凝和/或局部化界面层内的功函数降低材料(和/或任何合适的材料)。然而，界面层(或其子集)可以替代地(例如，在正常条件下的系统操作期间)在腔室内的最冷温度的阈值温差内(例如，超过最冷腔室温度0℃-50℃、0℃-10℃、10℃-30℃和/或20℃-50℃)，或可以具有任何其他合适的温度。
在一些变型中，通过界面层内填充材料的存在可以提供和/或增强跨界面层的热传输。例如，填充材料可提供增强的热传导，和/或流体(例如，液体)填充材料可以经由对流而介导(mediate)热传递。在具体示例中(例如，其中填充材料是或者包括液态金属，诸如液态铯)，填充材料内的对流和传导都可以显著地促进跨界面层的热传输。
界面层可以附加地或可替代地用于提供电导率(例如，将电子从电子收集器中导出和/或将电子导入电子收集器中)。电流可以在电子收集器与外部负载、封装件和/或任何合适的端点之间传导(例如，电子可以从电子收集器传导到外部负载、封装件和/或任何合适的端点)。界面层的电导率(例如，电子传导率)可以取决于界面层几何形状(例如，未被装载的界面层，如已制造的界面层等)、界面层材料、界面层装载(例如，填充材料、填充因子等)和/或界面层的任何特性。电导率(例如，电子传导率)可以是各向同性的(例如，在x/y/z方向上相同)和/或各向异性的(例如，在x/y/z方向上不同)。
在具体示例中，界面层的电导率(例如，电子传导)可以大于约1×104S/m(例如，大于约105S/m、106S/m、107S/m等)。然而，界面层的电导率可以小于104S/m和/或具有任何合适的值。
在一些变型中，界面层内填充材料的存在可以提供和/或增强界面层的电导率(例如，电子传导率)，可以降低界面层与电子收集器(和/或封装件)之间的接触电阻，和/或以其他方式修改界面层的电特性。
在一些变型中，该系统可以包括多于一个的界面层。每个界面层优选地是不同的(例如，不同的几何形状、不同的表面能、不同的界面材料、不同的填充材料等)，但可以是相同的。附加界面层可以改变任何部件之间(例如，电子发射器和封装件之间、电子收集器和封装件之间、第一界面层和封装件之间、电子收集器和第一界面层之间，等等)的电热耦合、机械耦合、化学耦合和/或任何合适的耦合。在具体示例中(例如，如图5中所示)，该系统可以包括多孔界面层(例如，功函数降低材料储层)和固体界面层(例如，分流器)。分流器可以用于使界面层(和电子收集器)从封装件(例如，冷却机构)偏移，这可以改变功函数降低材料储层的操作温度和/或热梯度。在该示例中，分流器可以被布置在功函数降低材料储层和封装件之间。在变型中，包含分流器对于Cs等离子体热离子能量转换器特别有益，但是分流器可以被用于任何热离子能量转换器和/或任何合适的系统。
在一些实施例中，系统包括一个或更多个元件，诸如2019年11月6日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/676,131号中描述的元件，该美国专利申请通过本引用以其整体并入本文。例如，系统可以包括(例如，是)美国专利申请第16/676,131号的“用于热离子能量生成的系统10”(或其元件的子集)，其中美国专利申请第16/676,131号的“收集器触点250”可以包括本文所述的界面层(例如，如图6A-图6B中所示)；在具体示例中，收集器触点包括机械柔顺的界面层，该界面层包括功函数减少填充材料，诸如铯。
然而，该系统可以附加地或可替代地在任何合适布置中包括任何其他合适的元件。
3.方法
一种用于制造系统(和/或系统的任何部件)的方法可以包括任何合适的一个或更多个步骤(例如，被执行一次或多于一次)，该步骤包括：材料生长、材料沉积(例如，微制造、纳米制造等，诸如原子层沉积；化学气相沉积；物理气相沉积；溅射；蚀刻；它们的组合等)、人工材料操纵(例如，卷绕、机加工等)、拉削(例如，使用拉刀生成细丝屑(thin wireshavings))、界面材料前体(例如，金属双(四氮唑配合物(tetrazolato))胺BTA络合物)的燃烧、脱合金、纳米熔炼(nanosmelting)、γ射线照射、金属溶胶-凝胶处理、金属泡沫生成(例如，将气体注入熔融金属、将发泡剂混合到熔融金属中、使用泡沫骨架铸造金属等)、对齐结构和/或材料(例如，刚毛、堆叠层等)、嵌入材料(例如，将填充材料嵌入界面层和/或材料中)、涂覆界面层(和/或界面材料)和/或任何合适的处理步骤。界面层可以制造在电子收集器上、制造在封装件上和/或与电子收集器和/或电子收集器封装件分开制造。然而，系统和/或其部件可以附加地或可替代地以任何其他合适的方式被制造。
操作方法20优选地包括接收功率、发射电子和接收发射的电子，并且可以可选地包括对流地传递热量和/或任何其他合适的元素(例如，如图7中所示)。该方法优选地使用上述用于热离子能量生成的系统10来执行，但是可以附加地或可替代地使用任何其他合适的系统来执行。
用于热离子能量生成的方法优选地用于生成电输出(例如，向外部负载提供电功率)。该方法优选地包括接收功率、发射电子和接收发射的电子。该方法可以可选地包括对流地传递热量。然而，该方法可以附加地或可替代地包括任何其他合适的要素。
接收功率优选在加热腔内执行，更优选在电子发射器附近执行(例如，在内壳处，诸如邻近电子发射器)。该功率优选地为热功率，但是可以附加地或可替代地包括来自任何其他合适源的功率。该方法可以可选地包括提供接收的功率。功率优选地由功率输入提供。功率优选地连续地被提供，但是可以可替代地以任何其他合适的定时提供。在一个示例中，提供功率包括操作燃烧器(例如，布置在加热腔内的燃烧器)，其中一个或更多个火焰靠近和/或入射在发射器模块的火焰接收区域上，其中接收功率包括在火焰接收区域处接收来自火焰的热量。然而，接收功率可以附加地或可替代地包括以任何合适的方式执行的任何其他合适的要素。
发射电子优选地在电子发射器处(和/或其附近)执行。响应于接收到功率(例如，响应于电子发射器达到高温，诸如大于400-500℃、500-600℃、600-700℃、700-800℃、800-1000℃、1000-1600℃或1600–2000℃范围内的温度等)，电子发射器优选地发射电子(例如，热离子发射电子)。电子优选地被发射到腔室中，更优选地朝向电子收集器发射。然而，发射电子可以附加地或可替代地包括以任何合适的方式执行的任何其他合适的要素。
接收发射的电子优选地在电子收集器处执行。电子优选地通过腔室从电子发射器接收。当接收发射的电子时，电子收集器优选地具有比电子发射器更低的温度(并且可选地具有更低的功函数)，这可以导致从发射的电子的接收中生成电功率。接收发射的电子优选地包括将生成的电功率提供给外部电负载(例如，通过发射器模块和收集器模块的传导引线)。然而，接收发射的电子可以附加地或可替代地包括以任何合适的方式执行的任何其他合适的元素。
该方法可以可选地包括对流地传递热量。对流地传递热量可以用于冷却电子收集器和/或预热燃烧器气体。对流地传递热量优选地由气流模块执行，这可以导致一种或更多种流体(例如，空气)沿着系统的元件流动(例如，沿着由气流模块的一个或更多个导管限定的气流路径)。流体可以沿其流动的系统的元件可以包括冷却元件、发射器模块外壳、发射器模块内壳、燃烧器和/或任何其他合适的元件中的一个或更多个。然而，对流地传递热量可以附加地或可替代地包括以任何合适的方式执行的任何其他合适的要素，和/或该方法可以附加地或可替代地包括以任何合适的方式执行的任何其他合适的要素。
该操作方法可以可选地包括一个或更多个元件(例如，用于“功函数降低”和/或“热离子能量转换”)，该元件如2019年12月16日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FORWORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION”的美国专利申请第16/715,705号中所公开的，该美国专利申请通过本引用以其整体并入本文。然而，该操作方法可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元素。
系统和/或方法的实施例可以包括各种系统部件和各种方法过程的每种组合和置换，其中本文描述的方法和/或过程的一个或更多个实例可以通过和/或使用本文描述的系统、元件和/或实体的一个或更多个实例异步地(例如顺序地)、同时地(例如并行地)或以任何其他合适的顺序来执行。
附图示出了根据优选实施例、示例配置及其变型的系统和方法的可能的实施方式的架构(architecture)、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以代表模块、部分、步骤或部分代码，其包括用于实施指定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应当指出的是，在一些可选实施方案中，在框中提到的功能可以以在附图中指出的顺序以外的顺序发生。例如，连续地显示的两个框事实上可以基本上同时执行，或者框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应当指出的是，框图和/或流程图说明中的每个框，以及框图和/或流程图说明中的框的组合，可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合来实施。
如本领域中的技术人员将从先前的详细描述以及从附图和权利要求中认识到的，可以对本发明的优选实施例做出修改和改变而不偏离在随附权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (20)

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合到所述电子收集器；
所述密封件没有将所述外壳电连接到所述收集器模块；以及
所述腔室由所述电子发射器、所述内壳、所述外壳、所述密封件和所述收集器模块界定。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述界面层包括金属和功函数降低材料前体，其中，所述金属和所述功函数降低材料前体被配置成进行反应以生成所述功函数降低材料。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述功函数降低材料是铯，并且所述功函数降低材料前体是铬酸铯。
13.一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；
间隔物，其被布置在所述电子收集器与所电子发射器之间；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；以及
所述界面层保持所述电子收集器与所述间隔物接触，从而保持所述电子收集器和所述电子发射器之间的电极间间隙。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述界面层是机械柔顺的，并且在所述电子收集器和腔室边界之间保持压缩，使得所述界面层将所述电子收集器推向所述电子发射器。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述界面层的弹簧常数在10kN/m至500kN/m之间。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述界面层包括多孔金属结构，其中，所述多孔金属结构是机械柔顺的。
17.根据权利要求13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。
18.根据权利要求17所述的系统，其中：
所述界面层包括多孔金属结构；以及
所述系统包括填充所述多孔金属结构的一部分的液态铯。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述多孔金属结构包括镀镍铜。
20.根据权利要求13所述的系统，其中：
所述界面层在宽面处接触所述电子收集器；以及
所述界面层沿垂直于所述宽面的轴限定0.05mm至10mm之间的厚度。
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