KR20230031822A - 열이온 에너지 변환을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

열이온 에너지 변환을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20230031822A
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KR
South Korea
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interfacial layer
electron
chamber
collector
electron collector
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KR1020227042505A
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English (en)
Inventor
캬나 밴 하우텐
루카스 하인리히 헤스
재러드 쉬드
펠릭스 슈미트
Original Assignee
스파크 써미오닉스, 인크.
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • 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
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J45/00—Discharge tubes functioning as thermionic generators

Abstract

본 발명은 바람직하게는 하나 이상의 전자 콜렉터, 계면층, 인캡슐레이션, 및/또는 전자 에미터를 포함하는 열이온 에너지 변환 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 열이온 에너지 변환 시스템을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 열이온 에너지 변환 시스템에 대한 동작 방법은 바람직하게는 전력을 수신하는 단계, 전자를 방출하는 단계, 및 방출된 전자를 수신하는 단계를 포함하고, 선택적으로 열을 대류적으로 전달하는 단계를 포함한다.

Description

열이온 에너지 변환을 위한 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2020년 5월 6일차로 출원된 미국 가출원 번호 제63/020,986호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다.
본 출원은 2019년 12월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/715,705호, 및 2019년 11월 6일자로 출원된 미국 출원 번호 제16/676,131호에 관한 것이며, 그 각각은 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다.
정부 지원 성명서
본 발명은 국방 첨단과학기술 연구소(Defense Advanced Research Projects Agency)에 의해 수여된 계약 번호 W911NF-18-C-0057 하에서의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 갖는다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 열이온 에너지 변환 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열이온 에너지 변환 분야에서의 새롭고 유용한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
많은 전형적인 열이온 에너지 컨버터(thermionic energy converter; TEC)는 콜렉터 온도 및/또는 전극간 간격의 열악한 제어로 어려움을 겪고 있다. 또한, 일함수 감소 물질(예를 들어, 세슘)의 관리는 그러한 TEC에서 어려울 수 있다. 따라서, 열이온 에너지 변환을 위한 새롭고 유용한 시스템 및 방법을 생성하기 위한 열이온 에너지 변환 분야에서의 필요성이 존재한다.
도 1은 열이온 에너지 변환을 위한 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2g는 계면층의 다양한 예의 표현이다.
도 3a는 시스템의 예의 개략도이다.
도 3b는, 계면층에 걸쳐 열구배(thermal gradient)를 갖는, 도 3a에 도시된 시스템의 예의 동작의 예의 개략도이다.
도 4는 시스템의 예의 개략도이다.
도 5는 다공성 계면 물질 및 션트(shunt)를 포함하는 시스템의 예의 개략도이다.
도 6a 내지 도 6b는 각각 시스템의 변형예 및 변형예의 특정 예의 일 부분의 단면도의 개략도이다.
도 7은 열이온 에너지 생성을 위한 방법의 개략도이다.
본 발명의 바람직한 실시예의 다음 설명은 본 발명을 이러한 바람직한 실시예에 제한하도록 의도되지 않고, 오히려 임의의 당업자가 본 발명을 만들고 사용할 수 있게 하도록 의도된다.
1. 이익.
기술의 변형예는 수 개의 이익 및/또는 이점을 수여할 수 있다.
첫째, 기술의 변형예는 전자 콜렉터의 온도가 목표 전자 콜렉터 동작 온도에 또는 그 근처에(예를 들어, ±1℃, ±5℃, ±10℃, ±20℃, ±30℃, ±50℃, ±100℃ 등 내에) 남아 있다는 것을 보장할 수 있다. 특정 예에서, 계면층은 (예를 들어 직접적으로 또는 간접적으로) 전자 콜렉터를 냉각 메커니즘 및/또는 다른 열적 제어 요소에 열적으로 결합시킬 수 있다.
둘째, 기술의 변형예는 전자 콜렉터와 전자 에미터 사이에 원하는 간격(또는 간격 범위)을 유지시킬 수 있다(예를 들어, 효율적인 열이온 에너지 컨버터 동작을 위해 적절한 전극간 갭을 설정함). 예를 들어, 계면층은 전자 에미터에 대해 적절한 위치에서 전자 콜렉터를 유지시키기 위해 전자 콜렉터 상에 힘을 가한다(예를 들어, 전극간 갭을 유지시키도록 기능하는 하나 이상의 스페이서 요소에 대해 전자 콜렉터를 가압함). 일부 예에서, 계면층은 기계적으로 유연(compliant)할 수 있으며, 이는, 예컨대 (예를 들어, 시스템이 시스템 동작 온도로 및/또는 이로부터 전이함에 따른, 시스템 내의 요소의 온도가 동작 동안 가변되는 등에 따른) 열적 팽창 및/또는 수축으로 인해, 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 스페이서, 전자 콜렉터, 전자 에미터, 인캡슐레이션 등)의 변화하는 치수를 수용하도록 기능할 수 있다.
셋째, 기술의 변형예는 일함수 감소 물질(예를 들어, 알칼리 및/또는 알칼리성 토금속 예컨대 Cs, Ba, Sr 등, 및/또는 그러한 요소를 포함하는 물질, 예컨대 그 산화물 등)을 저장(및/또는 방출)할 수 있다. 특정 예에서, 일함수 감소 물질은 계면층에 포함될 수 있으며, 이는 시스템 내에 일함수 감소 물질(및/또는 그 공급)을 위한 별도의 저장소에 대한 필요성을 제거할 수 있다.
넷째, 기술의 변형예는 시스템 내에서 일함수 감소 물질의 위치 및/또는 양을 제어할 수 있다. 일부 열이온 에너지 컨버터에서, 일함수 감소 물질의 위치, 양, 및/또는 농도에 따라, 일함수 감소 물질은 시스템 내에 원치 않는 전기 경로(예를 들어, 콜렉터와 이미터 사이의 기생 션트 및/또는 쇼트)를 생성하고/하거나, 시스템의 구성요소와 반응하고/하거나, (예를 들어, 부적절한, 또는 아마도 과도한, 일함수 감소를 초래할 수 있는, 일함수 감소 물질에 의한 콜렉터 표면의 불충분한 또는 과도한 코팅으로 인해) 전자 콜렉터의 일함수를 부적절하게 수정할 수 있고/있거나, 임의의 다른 방식으로 시스템 동작에 영향을 미칠 수 있다. 기술의 변형예는 일함수 감소 물질 제어를 통해 하나 이상의 그러한 문제를 회피하거나 감소시키도록 기능할 수 있다. 특정 예에서, 계면층(및/또는 시스템의 다른 요소)의 구조, 온도, 및/또는 온도 구배는 계면층에서 일함수 감소 물질을 국부화하고/하거나 그렇지 않으면 일함수 감소 물질의 위치, 양, 및/또는 농도를 제어할 수 있다.
그러나, 기술의 변형예는 임의의 다른 적절한 이익 및 이점을 제공할 수 있다.
2. 시스템.
도 1에 예로서 도시된 바와 같이, 열이온 에너지 변환 시스템(100)은 하나 이상의 전자 콜렉터(110), 계면층(120), 인캡슐레이션(130), 및/또는 전자 에미터(140)를 포함할 수 있다. 그러나, 시스템은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 시스템은 2020년 5월 26일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 16/883,762에 설명된 바와 같은 하나 이상의 요소를 포함할 수 있으며, 이는 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다(예를 들어, 여기서 미국 특허 출원 16/883,762의 '에미터 모듈(100)'은 전자 에미터(들)을 포함하고; 여기서 미국 특허 출원 16/883,762의 '콜렉터 모듈(200)'은 전자 콜렉터(들) 및/또는 계면층(들)을 포함하고; 여기서 '에미터 모듈(100)', '콜렉터 모듈(200)', 및/또는 '시일(300)' 중 하나 이상은 인캡슐레이션(encapsulation)의 하나 이상의 요소를 포함하는 등). 예를 들어, 시스템(100)은 전자 에미터(140) 및 인캡슐레이션(130)의 제1 부분을 포함하는 (예를 들어, 미국 특허 출원 16/883,762에 설명되는 '에미터 모듈(100)'과 유사한) 에미터 모듈; 전자 콜렉터(110), 계면층(120), 및 인캡슐레이션(130)의 제2 부분을 포함하는 (예를 들어, 미국 특허 출원 16/883,762에 설명되는 '콜렉터 모듈(200')과 유사한) 콜렉터 모듈; 및/또는 인캡슐레이션(130)의 제3 부분을 포함하는 (예를 들어, 미국 특허 출원 16/883,762에 설명되는 '시일(300)'과 유사한) 시일을 포함할 수 있다. 시스템은 바람직하게는 열 입력을 전기 에너지 출력으로 변환하도록 기능한다.
전자 콜렉터(예를 들어, 애노드)는 바람직하게는 전자(예를 들어, 전자 에미터로부터 방출되는 전자, 예컨대 열이온으로 방출된 전자)를 수집하도록 기능한다. 전자 콜렉터의 적어도 하나의 넓은 면(broad face)은 바람직하게는 갭(전극간 갭)에 걸쳐 전자 에미터의 적어도 하나의 넓은 면에 대향한다. 갭은 바람직하게는 전자 콜렉터와 전자 에미터 사이의 이격 거리(전극간 간격)을 정의한다. 일부 예에서, 전극간 간격은 바람직하게는 100 nm 내지 1 mm 사이이지만, 대안적으로 100 nm 미만 또는 1 mm 초과일 수 있다. 갭(예를 들어, 평균 갭, 최소 갭 등)은 바람직하게는 임계 최소 폭(예를 들어, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.75, 1, 2, 3, 5, 7.5, 10, 20, 30, 50, 75, 100, 200, 500, 1000, 0.1-0.3, 0.3-1, 1-3, 3-10, 10-30, 30-100, 100-300, 및/또는 300-1000 ㎛ 등)보다 더 크지만, 추가적으로 또는 대안적으로 100 nm 미만이거나 임의의 다른 적절한 폭을 가질 수 있다. 갭(예를 들어, 평균 갭, 최소 갭 등)은 바람직하게는 임계 최대 폭(예를 들어, 1, 2, 3, 5, 7.5, 10, 20, 30, 50, 75, 100, 200, 500, 1000, 3000, 1-3, 3-10, 10-30, 30-100, 100-300, 300-1000, 및/또는 1000-3000 ㎛ 등) 미만이지만, 추가적으로 또는 대안적으로 3 mm 초과이거나 임의의 다른 적절한 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 갭은 0.2-20 mm(예를 들어, 1-10, 1-3, 3-6, 5-10, 또는 10-20 mm 등)의 범위의 폭을 가질 수 있지만, 추가적으로 또는 대안적으로 더 좁을 수 있다(또는 대안적으로 부재이거나 실질적으로 부재일 수 있음). 그러나, 갭 폭은 추가적으로 또는 대안적으로 20-50 mm, 50-200 mm의 범위 이거나, 200 mm보다 더 클 수 있다.
갭은 (예를 들어, 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합되는, 2019년 11월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/676,131에 설명된 바와 같은) 스페이서(150)에 의해 정의되고/되거나 유지될 수 있다. 예를 들어, 전자 콜렉터는 콜렉터와 에미터 사이의 전극간 갭 내에 배열되고 (이를 유지시키는) 스페이서에 대해 (예를 들어, 계면층에 의해) 가압될 수 있다. 그러나, 갭은 추가적으로 또는 대안적으로 포켓(pockets)에 의해, 다른 기계적 고정구에 의해, 및/또는 임의의 다른 적절한 방식으로 유지될 수 있다.
전자 콜렉터는 바람직하게는 계면층에 (예를 들어, 기계적, 전기적, 열적, 화학적 등으로) 결합된다. 전자 콜렉터는 바람직하게는 전자 에미터에 대향하지 않는 적어도 하나의 넓은 면을 따라 계면층에 결합되지만, 전자 콜렉터는 임의의 적절한 넓은 면(들)을 따라 계면층에 결합될 수 있다. 전자 콜렉터는 바람직하게는 전기적으로 전도성 및/또는 반도체성이다. 예를 들어, 전자 콜렉터는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다(예를 들어, 이로 이루어질 수 있음): 금속(예를 들어, 내화 금속 및/또는 낮은 일함수 금속, 예컨대 텅스텐, 몰리브덴, 백금, 니켈, 니켈 합금, 초합금, 스테인리스강, 니오븀, 이리듐, 탄탈륨 등; 자체적으로 낮은 일함수를 나타내는 금속; 선택적으로 산소 등을 포함하는, 바륨, 스트론튬, 및/또는 세슘 환경에서와 같은, 일함수 감소 환경에 노출될 때 낮은 일함수를 나타내는 금속; 등), 반도체(예를 들어, n-타입 반도체; p-타입 반도체; 그 각각이 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합되는, 2019년 12월 16일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/715,705, 및/또는 2019년 11월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 "System and Method for Thermionic Energy Conversion"인 미국 출원 번호 16/676,131에 설명되는 바와 같은 콜렉터 물질 등), 및/또는 임의의 다른 적절한 물질.
전형적인 열이온 에너지 컨버터의 동작 동안, 전자 콜렉터의 온도는 (예를 들어, 최적의 작동 온도 이상, 목표 동작 온도 이상, 콜렉터 물질 상 전이 이상 등으로) 증가할 수 있다. 적당한 증가(temperate increase)는 전자 에미터로부터의 열 전달(예를 들어, 복사, 전도, 대류, 그 조합 등)에 의해, 전자 에미터로부터 전자를 수신하는 것에 의해, 시스템을 통한 기생 열 유속(heat flux)에 의해, 및/또는 임의의 방식으로 야기될 수 있다. 전자 콜렉터는 일반적으로 임계 온도(예를 들어, 전자 에미터 동작 온도 아래의 임계 온도) 아래에서 최고 효율을 달성한다. 따라서, 그것은 (예를 들어, 동작 동안) 전자 콜렉터를 목표 전자 콜렉터 온도 또는 온도 범위로 냉각시키고/시키거나 전자 콜렉터를 이에 유지시키는 것이 유리할 수 있다.
전자 콜렉터는 바람직하게는 하나 이상의 일함수 감소 물질에 결합되고/되거나 이를 포함하며, 이는 콜렉터 일함수를 감소시키도록 기능할 수 있다. 예를 들어, 시스템 내에 존재하는(예를 들어, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같은 계면층 내에 보유되고/되거나 시스템의 인클로저(enclosure of the system) 내에 증기로서 존재하는) 일함수 감소 물질은 전자 콜렉터의 표면 상으로 증착되고/되거나, 그 상에 상주하고/하거나, 그렇지 않으면 이와 상호작용할 수 있다. 일함수 감소 물질은 바람직하게는 하나 이상의 알칼리 금속 및/또는 알칼리성 토금속(및/또는 그 화합물, 예컨대 산화물 및/또는 불화물)을 포함하고, 보다 바람직하게는 하나 이상의 표면, 예컨대 전자 콜렉터 표면을 (예를 들어, 단층 또는 소수의 단층으로서) 코팅하거나 (예를 들어, 부분 단층으로서) 부분적으로 코팅한다. 그러나, 전자 콜렉터는 추가적으로 또는 대안적으로 질소족 원소(pnictogen) 불화물(예를 들어, 불화질소 예컨대 삼불화질소, 불화인, 불화비소, 불화안티몬, 불화비스무트 등) 및/또는 임의의 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다.
특정 예에서, 전자 콜렉터는 2019년 11월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 ""SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/676,131에 설명되는 바와 같은 "전자 콜렉터"(또는 그 요소), 및/또는 2019년 12월 16일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/715,705에 설명되는 바와 같은 "애노드"(또는 그 요소)이고/이거나 이를 포함할 수 있으며, 그 각각은 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다.
그러나, 시스템은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 전자 콜렉터를 포함할 수 있다.
전자 에미터는 바람직하게는 (예를 들어, 전자 에미터 온도가 임계 온도를 초과할 때) 전자를 방출하도록 기능한다. 전자는 바람직하게는 전극간 갭 안으로 방출되지만(예를 들어, 갭 근위의 에미터의 표면으로부터 방출되는 전자), 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 에미터 표면으로부터, 및/또는 임의의 적절한 구성요소(들)로 임의의 적절한 방향으로 방출될 수 있다. 전자 에미터(즉, 캐소드)는 바람직하게는 하나 이상의 금속, 바람직하게는 내화 금속 예컨대 텅스텐, 탄탈륨, 레늄, 루테늄, 몰리브덴, 니켈, 크롬, 하나 이상의 초합금(예를 들어, 인코넬, 하스텔로이, 칸탈 등), 니오븀, 백금, 로듐, 이리듐 등 이지만, 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 금속을 함유한다(예를 들어, 이로 본질적으로 구성됨). 그러나, 전자 에미터는 추가적으로 또는 대안적으로 하나 이상의 반도체 물질, 절연성 물질, 및/또는 임의의 다른 적절한 물질을 포함한다.
전자 에미터는 일함수 감소 물질 예컨대 알칼리 금속 및/또는 알칼리성 토금속 코팅(및/또는 그 산화물 및/또는 불화물)에 결합되고/되거나 이를 포함할 수 있으며, 이는 에미터 일함수를 감소시키고/시키거나 에미터로부터 방출되는 전자의 수 및/또는 에너지를 증가시키도록 기능할 수 있다. 일함수 감소 물질은 바람직하게는 갭 근위의 에미터의 표면 상에 있지만(예를 들어, 그것의 일함수를 효과적으로 감소시키기 위해, 그 상에만 증착되고, 상주하는 등이지만), 추가적으로 또는 대안적으로 에미터로 확산되고/되거나, 그렇지 않으면 에미터에 포함될 수 있다. 그러나, 전자 에미터는 추가적으로 또는 대안적으로 질소족 원소 불화물(예를 들어, 불화질소 예컨대 삼불화질소, 불화인, 불화비소, 불화안티몬, 불화비스무트 등) 및/또는 임의의 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다.
특정 예에서, 전자 에미터는 2019년 11월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/676,131에 설명되는 바와 같은 "에미터 모듈" 및/또는 그 임의의 적절한 구성요소, 및/또는 2019년 12월 16일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/715,705에 설명되는 바와 같은 "캐소드"를 포함하고/하거나 이로서 구성될 수 있으며, 그 각각은 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다.
인캡슐레이션(encapsulation)은 바람직하게는 (예를 들어, 시스템을 둘러싸는) 시스템 근위의 외부 환경으로부터 시스템을 격리시키도록 기능한다. 인캡슐레이션은 추가적으로 또는 대안적으로 전자 콜렉터로부터 에너지를 소산시키고/시키거나, 기계적 지지를 전자 콜렉터 및/또는 시스템에 제공하고/하거나, 임의의 다른 적절한 기능을 제공하도록 기능할 수 있다. 인캡슐레이션은 계면층(들)에 결합될 수 있다. 인캡슐레이션은 바람직하게는 계면층(들)에 걸쳐 전자 콜렉터에 대향하여 배열된다. 예를 들어, 인캡슐레이션은 계면층의 적어도 하나의 넓은 면 상의 계면층(들)에 (예를 들어, 기계적, 열적 등으로) 연결되고/되거나 그렇지 않으면 결합될 수 있으며, 바람직하게는 (예를 들어, 도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이) 전자 콜렉터에 연결되는 계면층의 제2 넓은 면에 대향하는 계면층의 제1 넓은 면에 연결될 수 있다. 그러나, 인캡슐레이션은 임의의 적절한 방식으로 계면층에 결합될 수 있다.
인캡슐레이션은 바람직하게는 전자 에미터, 전자 콜렉터, 및/또는 계면층을 둘러싸는 챔버를 정의한다. 챔버는 바람직하게는 시스템 및/또는 인캡슐레이션을 둘러싸는 주위 환경(예를 들어, 대기)으로부터 유체적으로 격리된다. 챔버 환경은 주위 환경과 비교하여 감소된 압력(예를 들어, 완전 또는 부분 진공)에 있지만, 동일한 압력 및/또는 상승된 압력에 있을 수 있다. 챔버는 하나 이상의 종(species)(예를 들어, 바륨, 세슘, 산소, 나트륨, 스트론튬, 지르코늄 등), 예컨대 하나 이상의 표면(예를 들어, 에미터 표면, 콜렉터 표면 등)과 상호작용하여 표면(들)의 일함수를 수정(예를 들어, 감소)시킬 수 있는 종을 에워쌀 수 있다. 일부 예에서, 하나 이상의 그러한 종은 (예를 들어, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같은) 충전 물질로서 저장될 수 있으며, 예컨대 여기서 충전 물질은 챔버 내에 종의 증기압을 생성한다. 하나 이상의 종이 유체상(fluid phase)(예를 들어, 가스)으로 존재하는 것과 같은 변형예에서, 각각의 종(및/또는 모든 그러한 종의 합)의 압력(및/또는 부분 압력)은, 예컨대 정상 시스템 동작 동안, 제1 임계 압력(예를 들어, 1 x 10-6, 2 x 10-6, 5 x 10-6, 1 x 10-5, 2 x 10-5, 5 x 10-5, 1 x 10-4, 2 x 10-4, 5 x 10-4, 1 x 10-3, 2 x 10-3, 5 x 10-3, 1 x 10-2, 2 x 10-2, 5 x 10-2, 1 x 10-1, 2 x 10-1, 5 x 10-1, 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, 및/또는 5-100 Torr, 800 Torr 초과, 10-6 Torr 미만 등)보다 더 크고/크거나, 제2 임계 압력(예를 들어, 1 x 10-6, 2 x 10-6, 5 x 10-6, 1 x 10-5, 2 x 10-5, 5 x 10-5, 1 x 10-4, 2 x 10-4, 5 x 10-4, 1 x 10-3, 2 x 10-3, 5 x 10-3, 1 x 10-2, 2 x 10-2, 5 x 10-2, 1 x 10-1, 2 x 10-1, 5 x 10-1, 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, 및/또는 5-100 Torr, 800 Torr 초과, 10-6 Torr 미만 등) 미만이고/이거나, 임의의 적절한 압력(또는 부분 압력)일 수 있다. 특정 예에서, 정상 시스템 동작 동안, 시스템은 0.1 내지 10 Torr 사이(예를 들어, 0.2-5, 0.5-2, 및/또는 약 1 Torr 등)의 충전 물질(예를 들어, 세슘)에 존재하는 하나 이상의 종의 증기압을 포함한다. 그러나, 챔버는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 특성을 가질 수 있다.
변형예에서, 인캡슐레이션은 다음: 즉, 2019년 11월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/676,131에 설명되는 바와 같은 콜렉터 리드, 에미터 리드, 냉각 요소, 시일, 및/또는 다른 구성요소 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이는 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다. 그러나, 인캡슐레이션은 임의의 적절한 방식을 포함하고/하거나 이로 정렬될 수 있다.
시일(seal)은 바람직하게는 전자 에미터를 전자 콜렉터(및/또는 인캡슐레이션, 계면층, 또는 다른 구성요소)에 기계적으로 연결시키도록(그러나 바람직하게는 전기적으로 연결시키지 않도록) 기능한다. 시일은 추가적으로 또는 대안적으로 (예를 들어, 인캡슐레이션의 다른 부분과 협력하여) 주위 환경으로부터 챔버 환경을 격리시키도록 기능한다. 시일은 바람직하게는 하나 이상의 전기 인슐레이터 물질, 보다 바람직하게는 TEC 동작 동안 시일 온도를 (예를 들어, 챔버 환경에 존재하는 다른 종을 용융, 변형, 분해, 및/또는 이와 화학적으로 반응하는 등 없이) 견딜 수 있는 물질을 포함한다. 물질은 바람직하게는 유리 및/또는 세라믹(예를 들어, 벌크 세라믹, 증착 세라믹 등; 결정 및/또는 비정질 세라믹)이다. 예를 들어, 시일은 하나 이상의 붕화물, 탄화물, 산화물, 및/또는 질화물 물질 및/또는 임의의 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다. 특정 예에서, 시일은 알루미나(예를 들어, 사파이어, 비정질 알루미나 등), 질화알루미늄, 실리카, 실리케이트 유리, 규소, 탄화규소, 질화규소, 및/또는 임의의 다른 적절한 물질 중 하나 이상을 포함한다. 그러나, 시일은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다.
인캡슐레이션은 바람직하게는 하나 이상의 냉각 요소(131)을 포함하고/하거나(이에 열적으로 결합되며), 이는 전자 콜렉터(및/또는 시스템의 임의의 다른 적절한 요소)로부터 열 제거를 용이하게 하도록 기능할 수 있다. 열 제거는 바람직하게는 (예를 들어, 기류 모듈과 협력하여, 냉각 유체와 협력하는 등) 대류적으로 달성되지만, 추가적으로 또는 대안적으로 복사 열 제거, 전도성 열 제거, 및/또는 임의의 다른 적절한 메커니즘(들)에 의한 열 제거를 포함할 수 있다. 냉각 요소는 바람직하게는, 동작 동안, 목표 온도와 더 낮은 온도(예를 들어, 주위 환경 온도("실온"), 0, 10, 20, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 0-25, 25-50, 50-100, 100-200, 및/또는 200-300℃ 등) 사이와 같은, 목표 온도(예를 들어, 0-100, 100-200, 200-400, 400-600, 200-275, 250-350, 325-400, 및/또는 275-325℃, 예컨대 300℃ 범위의 목표 온도)에 또는 그 아래에 전자 콜렉터 및/또는 계면층을 유지시킨다. 냉각 요소는 바람직하게는 (예를 들어, 계면층에 의해) 전자 콜렉터에 열적으로 결합된다. 일부 예에서, 냉각 요소는 하나 이상의 표면 개질제를 포함하며, 바람직하게는 금속을 포함하며(예를 들어, 이로 이루어지며), 이는 (예를 들어, 열 전달 유체, 예컨대 공기, 물, 글리세롤 등에서) 난류를 유도하고/하거나 그렇지 않으면 냉각 요소와의 유체 상호작용(예를 들어, 열 전달)을 증가시키도록 기능할 수 있다. 그러한 표면 개질제는 핀(fin)(예를 들어, 평행 플레이트), 배플, 리브, 딤플, 및/또는 임의의 다른 적절한 구조를 포함할 수 있다.
냉각 요소는 수동 냉각 요소(들)(예를 들어, 히트 싱크, 히트 스프레더, 히트 파이프 등) 및/또는 능동 냉각 요소(들)(예를 들어, 강제 공기, 강제 액체, 열전기 쿨러 등)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 시스템은 2020년 5월 26일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 16/883,762에 설명되는 바와 같은 (예를 들어, 냉각 요소를 포함하는) 하나 이상의 온도 제어 요소를 포함할 수 있으며, 이는 본 참조에 의해 전제적으로 본원에 통합된다(예를 들어, 미국 특허 출원 16/883,762에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 '기류 모듈(13)'의 요소).
도 3a, 도 3b, 및 도 4에서 예로서 도시된 바와 같이, 냉각 요소는 바람직하게는 계면층(및/또는 전자 콜렉터) 근위에 배열되고/되거나 그렇지 않으면 (예를 들어, 시스템의 다른 요소보다 더 많이) 계면층 및/또는 전자 콜렉터의 냉각을 우선적으로 처리하도록 구성된다. 그러한 배열은 대안적인 배열에 비해 이점을 제공할 수 있으며, 예컨대 여기서 냉각 요소는 시스템의 다른 요소 근위에 배열되고/되거나 그것의 냉각을 우선적으로 처리한다. 그러한 다른 요소는 시일, 가열 공동 개구에 및/또는 그 근처에 배열되는 요소, 및/또는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 배열은 (예를 들어, 열이온 에너지 컨버터 동작 동안) 다른 배열에서보다 더 낮은 온도, 예컨대 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 50, 50-150, 100-200, 150-250, 200-300, 및/또는 300-450℃와 같은 임계 온도 아래 또는 임의의 다른 적절한 온도(및, 일부 예에서, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 50, 0, 0-100, 50-150, 100-200, 150-250, 200-300, 및/또는 300-400℃와 같은 제2 임계 온도 이상)에서 계면층의 유지를 가능하게 할 수 있어서, 계면층 근위에(예를 들어, 그 내에) 더 큰 가능한 디바이스 효율 및/또는 더 큰 일함수 감소 물질 국부화를 야기한다.
그러나, 냉각 요소는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 배열을 갖는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 인캡슐레이션은 하나 이상의 가열 요소(132)를 포함할 수 있다(및/또는 이에 열적으로 결합될 수 있음). 예를 들어, 인캡슐레이션은 (예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이) 냉각 요소에 대해 계면층(들) 근위에 배열되는 가열 요소를 포함할 수 있다. 그러나, 인캡슐레이션은 추가적으로 또는 대안적으로 가열 요소에 대해 계면층(들) 근위에 배열되는 냉각 요소를 포함할 수 있고/있거나, 가열 요소 및 냉각 요소의 임의의 적절한 배열을 포함할 수 있다. 가열 요소는 (바람직하게는 하나 이상의 냉각 요소와 협력하여) 시스템의 다른 요소, 예컨대 계면층의 온도 제어를 가능하게 하고/하거나 이를 개선하도록 기능할 수 있다(예를 들어, 그것에 의해 계면층에 저장되는 액체 세슘의 기화에 대한 제어와 같은, 계면층 내에 함유되는 충전 물질에 대한 더 큰 제어를 가능하게 할 수 있함). 예를 들어, 가열 요소에 의한 열 출력을 가변시킴으로써, 계면층의 온도는 제어될 수 있다(예를 들어, 100-300℃ 범위 내에서 각각 및/또는 전자 콜렉터 온도 미만의 각각 0-200℃ 내에서 최대 및 최소를 갖는 온도 범위와 같은, 효율적인 시스템 동작을 위한 원하는 온도 범위 내에서 계면층 온도의 유지를 가능하게 할 수 있음). 그러나, 시스템은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 기능을 갖는 임의의 다른 적절한 가열 요소를 포함할 수 있다(및/또는 가열 요소를 포함하지 않을 수 있음).
계면층은 바람직하게는 (예를 들어, 열적, 전기적, 기계적, 및/또는 화학적 등으로) 전자 콜렉터를 인캡슐레이션(및/또는 인캡슐레이션의 임의의 적절한 구성요소 및/또는 외부 부하와 같은 외부 시스템)에 결합시키도록 기능한다. 계면층의 적어도 하나의 넓은 면은 바람직하게는 전자 콜렉터와 접촉하고(예를 들어, 이를 터치하고, 이에 기계적으로 연결되는 등), 적어도 하나의 넓은 면은 바람직하게는 인캡슐레이션과 접촉한다. 전자 콜렉터와 접촉하는 적어도 하나의 넓은 면은 바람직하게는 인캡슐레이션과 접촉하는 적어도 하나의 넓은 면과 구별되지만(예를 들어, 여기서 2개의 넓은 면은 계면층에 걸쳐 서로 대향함), 동일한 넓은 면(들)이 전자 콜렉터 및 인캡슐레이션과 접촉할 수 있다. 계면층은 점 접촉(예를 들어, 하나 이상의 이산점), 에지 접촉, 표면 접촉, 체적 접촉, 및/또는 임의의 적절한 접촉에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 계면층은 2019년 11월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/676,131에 설명되는 바와 같은 "콜렉터 브리지"를 포함(및/또는 이로서 동작)할 수 있으며, 이는 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다. 계면층은 바람직하게는 챔버 환경과 유체 연통(예를 들어, 유체 접촉)한다 (예를 들어, 그리고 따라서 전극간 갭에 유체적으로 결합됨).
특정 예에서, 계면층은 콜렉터 및/또는 인캡슐레이션에 (예를 들어, 접착제(들)을 사용하여; 일함수 감소 물질, 충전 물질 등에 의해 생성되는 표면 장력, 습윤 등과 같은 접착력 등을 사용하여) 부착되고/되거나, 그 상에 제조되고/되거나(예를 들어, 그 상에 성장 및/또는 증착되고, 예컨대 에칭에 의해 그 안으로 정의되는 등), 그 안으로 통합되고/되거나(예를 들어, 부분 및/또는 완전 삽입), 이에 장착 및/또는 고정되고/되거나, 이에 용접되고/되거나, 이에 정합되고/되거나(예를 들어, 계면층 및/또는 다른 정합 구성요소(들), 예컨대 상보적인 수형 부분 및 암형 부분, 나사식 부분 등 상에 구조적 유지 특징을 포함함), 이에 기계적으로 인터록킹되고/되거나, 이에 정전기적으로 및/또는 자기적으로 결합되고/되거나, 이에 결합력 및/또는 메커니즘 없이 또는 실질적으로 없이 접촉되고/되거나, 이와 달리 접촉할 수 있다. 그러나, 계면층(및/또는 별도의 계면층)은 임의의 적절한 구성요소(들)과 접촉하고 임의의 방식으로 배열될 수 있다.
계면층은 바람직하게는 유연하다(예를 들어, 변형가능함). 그러한 유연성(compliance)은, 바람직하게는 시스템 동작 및/또는 기능을 저하시키는 것 없이(또는 실질적으로 저하시키는 것 없이), 하나 이상의 시스템 구성요소의 기계적 변화(예를 들어, 열적 팽창 및/또는 수축; 압력차로부터 발생하는 힘과 같은 힘에 응답하는 변형 등)를 수용하도록 기능할 수 있다. 계면층은 바람직하게는 탄성적으로 변형가능하지만, 추가적으로 또는 대안적으로 비탄력적으로(inelastically) 변경가능하고/하거나, 비탄성적으로(anelastically) 변형가능하고/하거나, 임의의 적절한 변형을 가질 수 있다. 계면층은 확장 및/또는 수축할 수 있다. 계면층이 확장 및/또는 수축함에 따라, 전자 콜렉터와 전자 에미터 사이의 이격 거리(및/또는 배향)는 바람직하게는 실질적으로 일정하게 남아 있지만(예를 들어, 변하지 않음; 실질적으로 변하지 않음; 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 0.1-1%, 1-2%, 2-5%, 5-10%, 10-20%, 20-30% 등과 같은 임계량 미만만큼, 및 0% 이상만큼 변함), 임계량(예를 들어, 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 0.1-1%, 1-2%, 2-5%, 5-10%, 10-20%, 20-30% 등)만큼, 또는 그 이상만큼 변하는 바와 같이, 대안적으로 실질적으로 변할 수 있다(예를 들어, 여기서 이격 거리 및/또는 배향은 계면층이 동작 온도에 도달할 때 도달될 수 있음). 계면층의 스프링 상수(예를 들어, 계면층을 후크(Hookean) 스프링으로 모델링함)는 바람직하게는 약 10-500 kN/m 사이, 예컨대 25, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 10-50, 50-100, 100-200, 및/또는 200-500 kN/m이지만, 10 kN/m 미만이고/이거나, 500 kN/m 초과이고/이거나, 임의의 다른 적절한 값을 가질 수 있다. 일부 예에서, 계면층은 하나 이상의 스프링(예를 들어, 캔틸레버 스프링, 코일 스프링 등), 예컨대 미세가공된 및/또는 나노제작된 스프링을 포함할 수 있다(예를 들어, 이로 이루어질 수 있음). 그러나, 계면 물질은 추가적으로 또는 대안적으로 원하는 유연성(compliance)을 달성하도록 구성되는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
계면층은 바람직하게는 하나 이상의 계면 물질을 포함한다(예를 들어, 이로 이루어지고, 이로 구성되는 등). 계면 물질은 바람직하게는 하나 이상의 전자 콜렉터 물질(예를 들어, 반도체, 예컨대 그룹 IV 반도체, 예컨대 Si, Ge, SiC, 및/또는 그 합금; III-V 반도체, 예컨대 GaAs, GaSb, GaP, GaN, AlSb, AlAs, AlP, AlN, InSb, InAs, InP, InN, 및/또는 그 합금; II-VI 반도체, 예컨대 ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, CdSe, CdTe, CdS, MgSe, MgTe, MgS, 및/또는 그 합금; 등)과 호환가능하다(예를 들어, 이와 반응하지 않고, 이와 임계 반응 속도 미만의 속도에서 반응하고, 그 안으로 확산되지 않고, 임계 확산 계수 미만의 확산 계수(및/또는 상호확산 계수)를 갖는 등). 특정 예에서, 계면 물질은 콜렉터 물질(들)로의 (예를 들어, 0℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃ 등에서; 전자 콜렉터 동작 온도에서; 계면층 온도에서; 인캡슐레이션 온도 등에서) 낮은 확산 계수, 예컨대 약 1 x 10-9 cm2/s 미만, 예컨대 1 x 10-15, 1 x 10-15, 2 x 10-15, 5 x 10-15, 1 x 10-14, 2 x 10-14, 5 x 10-14, 1 x 10-13, 2 x 10-13, 5 x 10-13, 1 x 10-12, 2 x 10-12, 5 x 10-12, 1 x 10-11, 2 x 10-11, 5 x 10-11, 1 x 10-10, 2 x 10-10, 5 x 10-10 미만 등의 확산 계수(및/또는 상호확산 계수)를 갖는다. 그러나, 계면 물질은 (예를 들어, 0℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃ 등에서; 전자 콜렉터 동작 온도에서; 계면층 온도에서; 인캡슐레이션 온도 등에서) 약 1 x 10-9 및/또는 임의의 적절한 확산 계수보다 더 큰 콜렉터 물질로의 확산 계수(및/또는 상호확산 계수)를 가질 수 있다. 계면 물질은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 금속(예를 들어, 니켈, 탄탈륨, 지르코늄, 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 레늄, 하프늄, 철, 구리 등), 일함수 감소 물질 전구체, 합금(예를 들어, 텅스텐-레늄, 텅스텐-레늄-하프늄 탄화물, 인코넬, 하스텔로이, 인콜로이(incoloy), 모넬, 니모닉, 스텔라이트, 백동, 강철, 스테인리스강 등), 탄소질 물질(예를 들어, 흑연), 및/또는 임의의 적절한 물질(들). 일함수 감소 물질 전구체는 바람직하게는 일함수 감소 물질의 산화물(예를 들어, 크롬산염, 중크롬산염, 산화물, 초산화물, 과산화물, 알루미네이트, 실리케이트, 보레이트, 티타네이트, 바나데이트, 바나디트, 페레이트, 과망간산염, 망간산염 등)이다. 그러나, 일함수 감소 물질 전구체는 추가적으로 또는 대안적으로 일함수 감소 물질의 황화물, 질화물, 아지드화물, 할로겐화물, 및/또는 임의의 적절한 음이온성 염, 및/또는 임의의 다른 적절한 전구체를 포함할 수 있다.
계면층이 금속(예컨대 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 철, 니켈, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 베릴륨, 스트론튬, 바륨, 라듐 등) 및 일함수 감소 물질 전구체를 포함하는 일 예에서, 금속은 (예를 들어, 일단 계면층이 반응 온도에 도달하면, TEC의 정상 동작 동안 달성되는 것들과 같은 특정 챔버 압력 등에서) 일함수 감소 물질 전구체와 반응하여, 일함수 감소 물질을 방출할 수 있다.
특정 예에서, 계면층은 희생 금속(예를 들어, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 철, 니켈, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 베릴륨, 스트론튬, 바륨, 라듐 등) 및 일함수 감소 물질 전구체(예를 들어, 크롬산세슘 (Cs2CrO4))를 포함할 수 있다. 희생 금속은 구조적 구성요소로서, 코팅으로서, 희생 금속 저장소에, 비구조적 구성요소로서 포함되고/되거나, 그렇지 않으면 계면층에 포함될 수 있다. 계면층이 임계 온도(예를 들어, 실온, 목표 동작 온도, 반응 온도 등)에 도달할 때, 'M'으로서 표시되는 희생 금속 중 일부는 Cs2CrO4와 반응하여 Cs 및 M2(CrO4)x를 생성할 수 있다.
일부 변형예에서, 계면층은 (부분적으로 및/또는 전체적으로) 코팅될 수 있다. 코팅(들)은 계면층 및/또는 계면 물질(및/또는 시스템의 다른 요소와의 그것의 계면(들))의 전기적, 열적, 기계적, 화학적, 및/또는 다른 특성을 수정하도록 기능할 수 있다. 예를 들어, 코팅(들)은 계면층과 그것이 접촉하는 요소(들)(예를 들어, 콜렉터 및/또는 인캡슐레이션) 사이의 열적 및/또는 전기적 전도를 개선하도록 기능할 수 있다. 코팅은 계면 물질과 동일하거나 상이할 수 있다(예를 들어, 계면 물질 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 계면 물질과 관련하여 상술한 물질과 같은 계면 물질 이외의 상이한 물질을 포함할 수 있는 등). 코팅은 증착, 성장, 도금(예를 들어, 전기도금), 딥-코팅, 스프레이-코팅, 롤-코팅될 수 있고/있거나, 계면 물질은 달리 코팅될 수 있다. 계면 물질이 텅스텐 및/또는 코발트를 포함하는 제1 특정 예에서, 코팅은 구리를 포함할 수 있다. 계면 물질이 구리를 포함하는 제2 특정 예에서, 코팅은 니켈을 포함할 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 코팅이 임의의 계면 물질에 대해 사용될 수 있다.
계면층은 추가적으로 또는 대안적으로 하나 이상의 충전 물질을 저장하도록 기능할 수 있다(예를 들어, 충전 물질(들)을 위한 저장소로서 기능할 수 있함). 충전 물질은 바람직하게는 유체(예를 들어, 액체, 기체, 초임계 유체 등)이며, 보다 바람직하게는 액체와 같은 응축상이지만, 추가적으로 또는 대안적으로 고체, 플라즈마, 및/또는 임의의 다른 상(phase)의 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 충전 물질은 (열 전도성, 전기 전도성, 변형성, 스프링 상수, 확산성 등과 같은) 계면층의 물리적 및/또는 화학적 특성을 수정할 수 있다(예를 들어, 이를 결정하고, 증가시키고, 감소시킬 수 있는 등). 예를 들어, 충전 물질은 콜렉터와 인캡슐레이션 사이의 (예를 들어, 열적, 전기적 등의) 결합(coupling)을 증가시키도록 기능할 수 있다. 충전 물질은 바람직하게는 계면층을 부분적으로 또는 완전히 습윤시키지만, 대안적으로 계면층에 대해 비습윤성일 수 있다. 계면층에 대한 충전 물질의 습윤성은 계면층의 구조(예를 들어, 나노스코픽 구조, 메소스코픽 구조, 매크로스코픽 구조 등), 계면 물질, 충전 물질, 계면층의 표면 에너지, 계면층의 표면 처리, 및/또는 계면층의 임의의 적절한 특성에 기초하여 제어될 수 있다.
충전 물질은 바람직하게는 일함수 감소 물질(예를 들어, 알칼리 및/또는 알칼리성 토금속, 예컨대 세슘, 바륨, 스트론튬 등)이며, 예컨대 여기서 계면층은 일함수 감소 물질을 위한 통합(integral) 저장소(예를 들어, 통합 세슘 저장소)로서 기능한다. 그러나, 충전 물질(들)은 추가적으로 또는 대안적으로 2019년 11월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/676,131에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 "애노드 층"(바람직하게는 일함수 튜닝 층이지만, 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 애노드 층(들), 예를 들어, 반도체 층, 전자 보호 층, 전자 포획 층, 화학적 보호 층 등)에 대응하는 물질(들)을 포함할 수 있으며, 이는 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다.
계면층의 기하구조(예를 들어, 경계를 이루고, 정의하고, 둘러싸는 등의 3차원 구조)는 다음: 즉, 유사각기둥(prismatoid)(예를 들어, 직사각형 프리즘), 절두피라미드형, 절두원추형, 원통형, 임의형과 같은 하나 이상의 구조이고/이거나 이를 포함하고/하거나, 임의의 적절한 기하구조를 가질 수 있다. 전자 콜렉터와 접촉하는 계면층의 넓은 면(들)은 바람직하게는 그들이 접촉하는 전자 콜렉터의 넓은 면(들)과 대략적으로 동일한 형상을 갖지만, 전자 콜렉터의 넓은 면(들)과 상이한 형상을 가질 수 있다. 전자 콜렉터와 접촉하는 계면층의 넓은 면(들)은 바람직하게는 그들이 접촉하는 전자 콜렉터의 넓은 면(들)과 실질적으로 동일한 크기를 갖지만(예를 들어, 측방향 및/또는 종방향 범위(extent)는 최대 1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40% 등만큼 상이함), 전자 콜렉터의 넓은 면(들)과 상이한 크기를 가질 수 있다(예를 들어, 이들보다 더 크거나 더 작을 수 있음).
계면층의 두께는 (예를 들어, 상승된 온도에서 및/또는 세슘의 존재에서와 같은, 정상 조건 하에서의 시스템 동작 동안) 계면층의 물리적 및/또는 화학적 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 얇은 계면층(예를 들어, 제1 임계 두께보다 더 얇음)은 비선형의(예를 들어, 비탄성의) 기계적 특성을 나타낼 수 있는 반면, 두꺼운 계면층(예를 들어, 제2 임계 두께보다 더 두꺼움)은 (예를 들어, 원하는 상태, 예컨대 충전 물질로의 완전한 또는 실질적으로 완전한 로딩, 최대 용량의 임계 분율, 예컨대 50%, 75%, 85%, 90%, 95%, 98%, 30-60%, 50-100%, 50-80%, 70-85%, 80-90%, 90-95%, 및/또는 95-100% 내의 충전 물질 로딩 등을 달성하기 위해) 더 큰 체적의 충전 물질을 필요로 할 수 있고/있거나, (예를 들어, 임계 구배 또는 온도차보다 더 큰) 큰 열구배 및/또는 온도차를 나타낼 수 있고/있거나, 온도 변화와 함께 큰 팽창 및/또는 수축을 겪을 수 있고/있거나, 달리 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 두께는 바람직하게는 그러한 잠재적인 손상을 회피하고/하거나 균형을 맞추도록 선택된다. 계면층의 두께는 바람직하게는 0.05-10 mm 사이, 예컨대 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 0.75 mm, 1 mm, 1.25 mm, 1.5 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 7.5 mm, 9 mm, 0.05-0.5 mm, 0.1-1 mm, 0.5-10 mm이다. 그러나, 계면층의 두께는 0.05 mm 미만, 10 mm 초과, 및/또는 임의의 다른 적절한 두께일 수 있다.
계면층은 바람직하게는 개방 체적(open volume)을 정의하지만, 대안적으로 (예를 들어, 포어(pour) 및/또는 공동과 같은 개방 체적을 정의하지 않는) 고체 물질일 수 있다. 특정 예에서, 계면층은 (예를 들어, 도 2b에서 예로서 도시되는 바와 같은, 나노포어, 마이크로포어, 메조포어, 매크로포어 등을 정의하는) 다공성 요소, (예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같은) 정렬된, 비정렬된, 및/또는 부분적으로 정렬된 필라멘트 번들(bundle), 도 2f에서 예로서 도시된 바와 같은 와이어 볼(예를 들어, 니켈 와이어 등), (예를 들어, 도 2g에 도시된 바와 같은) 정렬된, 비정렬된, 및/또는 부분적으로 정렬된 섬유 및/또는 강모, 구조(예를 들어, 홀, 딤플, 트로프, 밸리, 공동, 상승 구조, 메쉬 등; 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같은 것 등), 구조 어레이(예를 들어, 도 2e에 도시된 바와 같은 것; 그 각각이 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합되는, 예를 들어, Meza, Lucas R., Satyajit Das, 및 Julia R. Greer의 "Strong, lightweight, and recoverable three-dimensional ceramic nanolattices." Science 345.6202 (2014): 1322-1326 및/또는 Schaedler, Tobias A. 등의 "Ultralight metallic microlattices." Science 334.6058 (2011): 962-965에 설명되는 것들과 같은 구조 등), 금속 울(예를 들어, 강철 울, 구리 울 등), 펠트(예를 들어, 흑연 펠트), 물질의 적층 시트(예를 들어, 골판지 및/또는 주룸진 시트 등), 나노- 및/또는 마이크로가공 구조(예를 들어, 다음을 사용하여 제조되는 구조: 원자층 증착, 예컨대 원자층 증착을 통해 제조되는 기계적으로-유연한 구조; 화학적 증기 증착; 물리적 증기 증착; 스퍼터링; 에칭; 그 조합 등)를 포함하고/하거나, 임의의 적절한 구조를 갖는다.
충전 분율(예를 들어, 다공성, 예컨대 하나 이상의 충전 물질 등로 충전되거나 충전가능한 등의, 개방 체적인 계면층의 총 체적의 백분율)은 계면 물질(들), 충전 물질(들), 동작 파라미터(예를 들어, 전기적 파라미터 예컨대 전압, 전류, 전력 등; 동작 온도 예컨대 전자 콜렉터 온도, 계면층 온도, 전자 에미터 온도 등; 동작 압력 등), 계면층 및/또는 전자 콜렉터의 크기, 및/또는 임의의 적절한 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 낮은 충전 분율(예를 들어, 제1 임계 충전 분율보다 더 낮음)을 갖는 계면층은 비탄성이 될 수 있는 반면; 높은 충전 분율(예를 들어, 제2 임계 충전 분율보다 더 높음)을 갖는 계면층은 낮은 전도성(예를 들어, 열 전도성, 전기 전도성 등), 예컨대 충전된 및/또는 비충전된 계면층의 전도성을 가질 수 있고/있거나, 열악한 충전 물질 보유를 나타낼 수 있다(예를 들어, 여기서 충전 물질의 상당 부분은 예컨대 증발에 의해 계면층을 떠날 수 있으며, 이는 계면층을 비충전된, 실질적으로 비충전된, 또는 효율적인 동작을 위한 최소 원하는 충전 상태 미만으로 충전된 상태가 되게 할 수 있음). 그러나, 일부 실시예에서, 충전 분율은 계면층 특성(예를 들어, 물리적 및/또는 화학적 특성)에 거의(예를 들어, 1 %, 2%, 5%, 10%, 20% 미만 등) 또는 전혀 영향을 미칠 수 없고/없거나, 계면층은 임의의 충전 인자(fill factor)(예를 들어, 임의의 충전 인자에 대해 작동하는 하나의 계면층, 상이한 충전 인자에 대해 설계되는 상이한 계면층 등)에 대해 작동하도록 선택 및/또는 설계될 수 있고/있거나, 임의의 충전 인자가 사용될 수 있다.
충전 인자는 바람직하게는 대략 75-99.5% 사이 예컨대 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, 및/또는 75-80% 등이다. 그러나, 충전 인자는 75% 미만, 99.5% 초과, 및/또는 임의의 적절한 분율을 가질 수 있다.
그러나, 시스템은 계면층으로부터 분리된 (예를 들어, 일함수 감소 물질 및/또는 임의의 다른 적절한 충전 물질의) 하나 이상의 저장소를 포함할 수 있다.
계면층은 추가적으로 또는 대안적으로 열을 전도하도록(예를 들어, 열 계면층으로서 동작하도록) 기능할 수 있다. 동작 동안, 계면층은 바람직하게는 전자 콜렉터로부터 멀리 열을 전도하고(예를 들어, 전자 콜렉터를 냉각시키도로 기능하고), 보다 바람직하게는 열을 콜렉터로부터 인캡슐레이션(예를 들어, 냉각 메커니즘)으로 전도한다. 그러나, 계면층은 추가적으로 또는 대안적으로 열을 전자 콜렉터로 전도할 수 있다(예를 들어, 전자 콜렉터를 작동 온도로 가온시키고, 원하는 온도 범위 내에 전자 콜렉터 온도를 유지시키기 위해 피드백 루프에서 동작할 수 있는 등).
계면층의 열 전도성은 계면층 기하구조(예를 들어, 정상 동작 동안 언로딩된 계면층, 제조된 바와 같은 계면층, 로딩된 계면층 등), 계면층 물질, 계면층 로딩(예를 들어, 충전 물질, 충전 인자 등), 및/또는 계면층의 임의의 특성(들)에 의존할 수 있다. 열 전도성은 (예를 들어, x/y/z 방향에서 동일한) 등방성 및/또는 (예를 들어, x/y/z 방향에서 상이한) 비등방성일 수 있다. 계면층의 열 전도성은 바람직하게는 적어도 약 0.5 W/(m*K) 예컨대 0.75, 1, 2, 3, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 5-20, 1-10, 10-50, 및/또는 25-200 W/(m*K) 등이다. 그러나, 계면층의 열 전도성은 0.5 W/(m*K) 미만일 수 있다.
일부 변형예에서, 계면층은 계면층의 열적 특성을 수정하고/하거나 부여하기 위해 라이덴프로스트 효과(Leidenfrost effect)를 사용하도록 구성될 수 있다. 라이덴프로스트 효과는 뜨거운 표면(예를 들어, 액체에 대한 라이덴프로스트 포인트 위의 온도 및 압력에서의 표면)에 가까운 액체가 급격히 증발하여 비증발된 액체를 표면으로부터 단열하는(예를 들어, 열적으로 단열하는) 증기의 층을 생성하여 그것에 의해 (예를 들어, 액체가 표면과 직접 접촉하는 경우에 비해) 비증발된 액체에 대한 증발 속도를 느리게 하는 현상이다. 특정 예에서, 일함수 감소 물질은 액체일 수 있고 전자 콜렉터(및/또는 인캡슐레이션)와 접촉할 때 라이덴프로스트 효과를 활용할 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 물질(들) 및/또는 계면층이 라이덴프로스트 효과를 가능하게 하도록 사용될 수 있다.
다른 변형예에서, 계면층은 라이덴프로스트 효과에 불가지론적이고/이거나 이를 억제하도록 구성될 수 있다. 특정 예에서, 기하구조, 표면 에너지, (예를 들어, 일함수 감소 물질에 대한 계면층의) 습윤성, 계면 물질, 및/또는 임의의 적절한 특성(들)은 일함수 감소 물질을 윅(wick)하기 위해 선택될 수 있으며, 이는 액적 형성을 억제하여 그것에 의해 라이덴프로스트 효과를 방해하도록 기능할 수 있다.
다른 변형예에서, 계면층은 히트 파이프로서 동작하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 하나 이상의 히트 파이프를 포함할 수 있음). 이러한 변형예 중 특정 예에서, 일함수 감소 물질은 전자 콜렉터과 인캡슐레이션(및/또는 계면층) 사이에 열을 전달하기 위해 히트 파이프의 작동 유체(예를 들어, 히트 파이프 내에서 증발 및 응축되는 물질)로서 사용될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 충전 물질이 히트 파이프 작동 물질로서 사용될 수 있고/있거나 히트 파이프가 달리 배열될 수 있다.
그러나, 계면층은 (예를 들어, 특정 물질에 대한, 1 세트의 동작 조건인, 제1 모드 등에서) 라이덴프로스트 효과를 가능하게 하고, (예를 들어, 특정 물질에 대한, 제2 세트의 동작 조건인, 제2 모드 등에서) 라이덴프로스트 효과에 불가지론적이고/이거나 이를 억제하도록 구성되고/되거나, 달리 구성될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, (예를 들어, 정상 조건, 원하는 조건, 최대 효율 조건 하에서의 동작 등과 같은, 동작 동안) 계면층에 걸쳐 열구배가 있을 수 있다. 구배는 바람직하게는 전자 콜렉터와 인캡슐레이션 사이의 축을 따라서(또는 실질적으로 이를 따라서) 정의된다(예를 들어, 계면층은 전자 콜렉터 근위의 계면층의 측면 및/또는 넓은 면 상에서 더 뜨겁고 인캡슐레이션 근위의 측면 및/또는 넓은 면 상에서 더 차가울 수 있거나 그 역도 마찬가지임). 그러나, 구배는 전자 콜렉터와 인캡슐레이션 사이의 축에 수직이거나 이에 사각인 축을 따를 수 있고/있거나, 방사형 온도 구배이고/이거나, 방위각 온도 구배이고/이거나, 임의의 적절한 온도 구배일 수 있다. 계면층 내의 (예를 들어, 계면층의, 표면, 점, 체적 등과 같은, 가장 뜨거운 위치와 가장 차가운 위치 사이; 바람직하게는 콜렉터에서 또는 그 근처에서의 가장 뜨거운 위치와 인캡슐레이션에서 또는 그 근처에서의 가장 차가운 위치 사이의) 최대 온도차(ΔT)는 바람직하게는 최대 200℃이지만(예를 들어, ΔT는 약 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 150, 175, 190, 및/또는 200℃ 등 이하이며; ΔT는 0-200, 0-10, 10-30, 20-50, 30-100, 50-150, 및/또는 100-200℃의 범위 내에 있음), 대안적으로 200℃보다 더 클 수 있다. 계면층 내의 (예를 들어, 계면층의, 표면, 점, 체적 등과 같은, 가장 뜨거운 위치와 가장 차가운 위치 사이; 바람직하게는 콜렉터에서 또는 그 근처에서의 가장 뜨거운 위치와 인캡슐레이션에서 또는 그 근처에서의 가장 차가운 위치 사이의) 최소 온도차(ΔT)는 바람직하게는 임계 온도차보다 더 크지만(예를 들어, ΔT는 약 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 150, 175, 190, 및/또는 200℃ 등 이상이며; ΔT는 1-200, 1-10, 10-30, 20-50, 30-100, 50-150, 및/또는 100-200℃ 등의 범위 내에 있음), 대안적으로 1℃ 미만일 수 있다. 온도차는 계면층 내에 일함수 감소 물질을 국부화하도록 기능할 수 있다(예를 들어, 챔버 내의 다른 구성요소와 대조적으로, 계면층에서 일함수 감소 물질 응축 및/또는 수집을 촉진시킬 수 있음).
(예를 들어, 정상 조건 하에서의 시스템 동작 동안) 챔버 내의 가장 차가운(또는 실질적으로 가장 차가운) 위치는 바람직하게는 계면층 내에 위치되며(예를 들어, 계면층의 적어도 일 부분은 전자 콜렉터, 전자 에미터, 스페이서 등보다 더 낮은 온도에 있음), 이는 계면층 내에서 일함수 감소 물질(및/또는 임의의 적절한 물질(들))을 우선적으로 응축 및/또는 국부화시키도록 기능할 수 있다. 그러나, 계면층(또는 그 서브세트)은 대안적으로 (예를 들어, 0-50, 0-10, 10-30, 및/또는 20-50℃만큼 가장 차가운 챔버 온도를 초과하는) 챔버 내의 가장 차가운 온도의 임계 온도차 내에 (예를 들어, 정상 조건 하에서의 시스템 동작 동안) 있을 수 있거나, 임의의 다른 적절한 온도를 가질 수 있다.
일부 변형예에서, 계면층에 걸친 열 수송은 계면층 내의 충전 물질의 존재에 의해 제공되고/되거나 향상될 수 있다. 예를 들어, 충전 물질은 향상된 열 전도를 제공할 수 있고/있거나, 유체 (예를 들어, 액체) 충전 물질은 대류를 통해 열 전달을 중재할 수 있다. (예를 들어, 충전 물질이 액체 금속, 예컨대 액체 세슘이거나 이를 포함하는) 특정 예에서, 충전 물질 내의 대류 및 전도 둘 다는 계면층에 걸친 열 수송에 상당히 기여할 수 있다.
계면층은 추가적으로 또는 대안적으로 전기 전도성을 제공하도록(예를 들어, 전자를 전자 콜렉터로 밖으로 및/또는 안으로 전도하도록) 기능할 수 있다. 전류는 전자 콜렉터 사이에서 전도될 수 있고 외부 부하, 인캡슐레이션, 및/또는 임의의 적절한 엔드포인트로 (예를 들어, 전자는 전자 콜렉터로부터 전도될 수 있다). 계면층의 전기 전도성(예를 들어, 전자 전도성)은 계면층 기하구조(예를 들어, 언로딩된 계면층, 제조된 바와 같은 계면층 등), 계면층 물질, 계면층 로딩(예를 들어, 충전 물질, 충전 인자 등), 및/또는 계면층의 임의의 특성(들)에 의존할 수 있다. 전기 전도성(예를 들어, 전자 전도성)은 등방성(예를 들어, x/y/z 방향에서 동일한) 등방성 및/또는 (예를 들어, x/y/z 방향에서 상이한) 비등방성일 수 있다.
특정 예에서, 계면층의 전기 전도성(예를 들어, 전자 전도성)은 약 1x104 S/m보다 더 클 수 있다(예를 들어, 약 105 S/m, 106 S/m, 107 S/m 등보다 더 클 수 있음). 그러나, 계면층의 전기 전도성은 104 S/m 미만이고/이거나 임의의 적절한 값을 가질 수 있다.
일부 변형예에서, 계면층 내의 충전 물질의 존재는 계면층의 전기 전도성(예를 들어, 전자 전도성)을 제공 및/또는 향상시킬 수 있고/있거나, 계면층과 전자 콜렉터(및/또는 인캡슐레이션) 사이의 접촉 저항을 감소시킬 수 있고/있거나, 그렇지 않으면 계면층의 전기적 특성을 수정할 수 있다.
일부 변형예에서, 시스템은 하나보다 많은 계면층을 포함할 수 있다. 각각의 계면층은 바람직하게는 상이하지만(예를 들어, 상이한 기하구조, 상이한 표면 에너지, 상이한 계면 물질, 상이한 충전 물질 등), 동일할 수 있다. 추가적인 계면층은 임의의 구성요소 사이(예를 들어, 전자 에미터와 인캡슐레이션 사이, 전자 콜렉터와 인캡슐레이션 사이, 제1 계면층과 인캡슐레이션 사이, 전자 콜렉터와 제1 계면층 사이 등)의 전기적, 열적, 기계적, 화학적 및/또는 임의의 적절한 결합(coupling)을 수정할 수 있다. (예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같은) 특정 예에서, 시스템은 다공성 계면층(예를 들어, 일함수 감소 물질 저장소) 및 고체 계면층(예를 들어, 션트)을 포함할 수 있다. 션트는 인캡슐레이션(예를 들어, 냉각 메커니즘)으로부터 계면층(및 전자 콜렉터)을 오프셋하도록 기능할 수 있으며, 이는 일함수 감소 물질 저장소의 동작 온도 및/또는 열구배를 수정할 수 있다. 이러한 예에서, 션트는 일함수 감소 물질 저장소와 인캡슐레이션 사이에 배열될 수 있다. 변형예에서, 션트의 포함은 Cs 플라즈마 열이온 에너지 컨버터에 대해 특히 유리할 수 있지만, 임의의 열이온 에너지 컨버터 및/또는 임의의 적절한 시스템에 대해 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 2019년 11월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/676,131에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 요소를 포함하며, 이는 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다. 예를 들어, 시스템은 미국 특허 출원 번호 16/676,131의 '열이온 에너지 생성을 위한 시스템(10)'(또는 그 요소의 서브세트)를 포함할 수 있으며(예를 들어, 이것일 수 있음), 여기서 특허 출원 번호 16/676,131의 '콜렉터 콘택(250)'은 (예를 들어, 도 6a 내지 도 6b에 도시된 바와 같은) 본원에 설명되는 계면층을 포함할 수 있으며; 특정 예에서, 콜렉터 접촉은 일함수 감소 충전 물질, 예컨대 세슘을 포함하는 기계적으로-유연한 계면층을 포함한다.
그러나, 시스템은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 배열로 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
3. 방법.
시스템(및/또는 시스템의 임의의 구성요소)를 제조하기 위한 방법은 다음을 포함하는 (예를 들어, 한 번 또는 한 번 이상 수행되는) 임의의 적절한 단계 또는 단계들을 포함할 수 있다: 물질 성장, 물질 증착(예를 들어, 원자층 증착과 같은 미세가공, 나도가공 등; 화학적 증기 증착; 물리적 증기 증착; 스퍼터링; 에칭; 그 조합 등), 수동 물질 조작(예를 들어, 권선, 기계가공 등), 브로칭(예를 들어, 브로치를 사용하여 얇은 와이어 셰이빙(shaving)을 생성), 계면 물질 전구체(예를 들어, 금속 비스(테트라졸라토)아민 BTA 착물)의 연소, 합금해제, 나노제련, 감마선 조사, 금속 졸-겔 처리, 금속 폼 생성(예를 들어, 용융 금속에 가스 주입, 용융 금속에 발포제(들) 혼합, 폼 골격을 사용하여 금속 주조 등), 구조 및/또는 물질(예를 들어, 강모, 적층 층 등) 정렬, 물질 삽입(예를 들어, 계면층 및/또는 물질에 충전 물질 삽입), 계면층(및/또는 계면 물질) 코팅, 및/또는 임의의 적절한 처리 단계들. 계면층은 전자 콜렉터 상에, 인캡슐레이션 상에, 및/또는 전자 콜렉터 및/또는 전자 콜렉터 인캡슐레이션과 별도로 제조될 수 있다. 그러나, 시스템 및/또는 그 구성요소는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 방식으로 제조될 수 있다.
동작 방법(20)은 바람직하게는 전력을 수신하는 단계, 전자를 방출하는 단계, 및 방출된 전자를 수신하는 단계를 포함하고, 선택적으로 (예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이) 열 및/또는 임의의 다른 적절한 요소를 대류적으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 바람직하게는 상술한 열이온 에너지 생성을 위한 시스템(10)을 사용하여 수행되지만, 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 시스템(들)을 사용하여 수행될 수 있다.
열이온 에너지 생성을 위한 방법은 바람직하게는 전기 출력을 생성하도록(예를 들어, 전력을 외부 부하에 제공하도록) 기능한다. 방법은 바람직하게는 전력을 수신하는 단계, 전자를 방출하는 단계, 및 방출된 전자를 수신하는 단계를 포함한다. 방법은 선택적으로 열을 대류적으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 그러나, 방법은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
전력을 수신하는 단계는 바람직하게는 가열 공동 내에서, 보다 바람직하게는 전자 에미터 근처에서(예를 들어, 내부 쉘에서, 예컨대 전자 에미터에 인접하여) 수행된다. 전력은 바람직하게는 화력(thermal power)이지만, 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 소스로부터의 전력을 포함할 수 있다. 방법은 선택적으로 수신된 전력을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 전력은 바람직하게는 전력 입력에 의해 제공된다. 전력은 바람직하게는 연속적으로 제공되지만 대안적으로 임의의 다른 적절한 타이밍으로 제공될 수 있다. 일 예에서, 전력을 제공하는 단계는 에미터 모듈의 화염-수용 영역에 근접하는 및/또는 이에 입사하는 하나 이상의 화염으로 (예를 들어, 가열 공동 내에 배열되는) 버너를 동작시키는 단계를 포함하며, 여기서 전력을 수신하는 단계는 화염-수용 영역에서 화염으로부터 열을 수신하는 단계를 포함한다. 그러나, 전력을 수신하는 단계는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 방식으로 수행되는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
전자를 방출하는 단계는 전자 에미터에서 (및/또는 그 근처에서) 수행된다. 전력을 수신하는 단계에 응답하여(예를 들어, 전자 에미터가, 400-500, 500-600, 600-700, 700-800, 800-1000, 1000-1600, 또는 1600-2000℃ 등의 범위 내의 온도보다 더 큰 것과 같은, 상승된 온도에 도달하는 것에 응답하여), 전자 에미터는 바람직하게는 전자를 방출한다(예를 들어, 전자를 열이온적으로 방출한다). 전자는 바람직하게는 챔버 안으로, 보다 바람직하게는 전자 콜렉터를 향하여 방출된다. 그러나, 전자를 방출하는 단계는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 방식으로 수행되는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
방출된 전자를 수신하는 단계는 바람직하게는 전자 콜렉터에서 수행된다. 전자는 바람직하게는 챔버를 통해 전자 에미터로부터 수신된다. 방출된 전자를 수신하는 동안, 전자 콜렉터는 바람직하게는 전자 에미터보다 더 낮은 온도(및 선택적으로 더 낮은 일함수)를 가지며, 이는 방출된 전자의 수신으로부터 전력의 생성을 야기할 수 있다. 방출된 전자를 수신하는 단계는 바람직하게는 (예를 들어, 에미터 및 콜렉터 모듈의 전도성 리드를 통해) 외부 전기 부하에 생성된 전력을 제공하는 단계를 포함한다. 그러나, 방출된 전자를 수신하는 단계는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 방식으로 수행되는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
방법은 선택적으로 열을 대류적으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 열을 대류적으로 전달하는 단계는 전자 콜렉터을 냉각시키고/시키거나 버너 가스를 예열하도록 기능할 수 있다. 열을 대류적으로 전달하는 단계는 바람직하게는 기류 모듈(airflow module)에 의해 수행되며, 이는 하나 이상의 유체(예를 들어, 공기)가 시스템의 요소를 따라서(예를 들어, 기류 모듈의 하나 이상의 덕트에 의해 정의되는 기류 통로를 따라서) 흐르게 할 수 있다. 유체가 따라서 흐를 수 있는 시스템의 요소는 냉각 요소, 에미터 모듈 외부 쉘, 에미터 모듈 내부 쉘, 버너, 및/또는 임의의 다른 적절한 요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그러나, 열을 대류적으로 전달하는 단계는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 방식으로 수행되는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있고/있거나, 방법은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 방식으로 수행되는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
동작 방법은 선택적으로 2019년 12월 16일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION"인 미국 특허 출원 번호 16/715,705에 개시되는 바와 같은 (예를 들어, '일함수 감소' 및/또는 '열이온 에너지 변환'을 위한) 하나 이상의 요소를 포함할 수 있으며, 이는 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다. 그러나, 동작 방법은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.
시스템 및/또는 방법의 실시예는 다양한 시스템 구성요소 및 다양한 방법 프로세스의 모든 조합 및 순열을 포함할 수 있으며, 여기서 본원에 설명되는 방법 및/또는 프로세스의 하나 이상의 인스턴스(instance)는 본원에 설명되는 시스템, 요소, 및/또는 엔티티에 의해 및/또는 이를 사용하여 비동기식으로(예를 들어, 순차적으로), 동시에(예를 들어, 병렬로), 또는 임의의 다른 적절한 순서로 수행될 수 있다.
도면은 바람직한 실시예, 예시적 구성, 및 그 변형예에 따른 시스템 및 방법의 가능한 구현예의 구조(architecture), 기능 및 동작을 예시한다. 이와 관련하여, 흐름도 또는 블록도 내의 각각의 블록은 모듈, 세그먼트, 단계, 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 이는 특정 논리 기능(들)을 수행하기 위한 하나 이상의 실행가능한 명령을 포함한다. 또한, 일부 대안적인 구현예에서, 블록에 언급되는 기능은 도면에 언급되는 순서에서 벗어나서 발생할 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 예를 들어, 연속으로 도시된 2개의 블록은, 사실, 실질적으로 동시에 수행될 수 있거나, 블록은, 수반되는 기능에 따라, 때때로 역순으로 실행될 수 있다. 또한, 블록도 및/또는 흐름도의 각각의 블록, 및 블록도 및/또는 흐름도의 블록의 조합은 특정 기능 또는 액트(act)를 수행하는 특수 목적 하드웨어-기반 시스템, 또는 특수 목적 하드웨어 및 컴퓨터 명령의 조합에 의해 구현될 수 있다는 점이 주목될 것이다. 당업자가 이전의 상세 설명으로부터 그리고 도면 및 청구항으로부터 인식할 수 있는 바와 같이, 수정 및 변경은 이어지는 청구항에 정의되는 본 발명의 범위로부터 벗어나는 것 없이 본 발명의 바람직한 실시예에 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 챔버를 정의하는 열이온 에너지 컨버터(thermionic energy converter; TEC)를 포함하는 시스템으로서, 상기 TEC는:
    ● 상기 챔버 내에 배열되는 전자 콜렉터;
    ● 상기 챔버에 걸쳐 상기 전자 콜렉터에 대향하는 전자 에미터; 및
    ● 상기 챔버 내에 배열되는 계면층을 포함하며, 여기서:
    ● 상기 전자 콜렉터는 상기 전자 에미터와 상기 계면층 사이에 배열되고;
    ● 상기 계면층은 상기 전자 콜렉터를 상기 챔버에 기계적으로 결합시키고;
    ● 상기 계면층은 상기 챔버 내의 저장소를 정의하며, 상기 저장소는 일함수 감소 물질을 함유하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 TEC를 둘러싸는 주변 환경으로부터 유체적으로 격리되는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 일함수 감소 물질의 증기를 함유하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일함수 감소 물질은 액체 세슘을 포함하는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계면층에 열적으로 결합되는 냉각 요소를 더 포함하며,
    ● 상기 냉각 요소는 상기 챔버 외부에 배열되고;
    ● 상기 계면층은 상기 냉각 요소와 상기 전자 콜렉터 사이에 배열되는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각 요소는 상기 액체 세슘의 온도를 제어하도록 구성되는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 계면층은 다공성 금속 구조를 포함하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 일함수 감소 물질은 상기 다공성 금속 구조의 포어(pore) 내에 함유되는 세슘을 포함하며, 상기 세슘의 증기는 상기 전자 에미터와 상기 전자 콜렉터 사이의 상기 챔버 내에 정의되는 전극간(inter-electrode) 갭에 유체적으로 결합되는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 액체 세슘은 상기 전자 콜렉터를 상기 챔버 외부에 배열되는 냉각 요소에 열적으로 결합시키도록 구성되는, 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    ● 가열 공동을 정의하는 내부 쉘 - 상기 가열 공동은 상기 전자 에미터에 걸쳐 그리고 상기 내부 쉘에 걸쳐 상기 챔버에 대향함 -;
    ● 상기 챔버에 걸쳐 상기 내부 쉘에 대향하는 외부 쉘 - 상기 외부 쉘은 상기 내부 쉘을 통해 상기 전자 에미터에 전기적으로 결합됨 -;
    ● 상기 전자 콜렉터를 포함하는 콜렉터 모듈; 및
    ● 전기 인슐레이터를 포함하는 시일 - 상기 시일은 상기 외부 쉘과 상기 콜렉터 모듈 사이에 배열됨 -을
    더 포함하며;
    여기서:
    ● 상기 시일은 상기 외부 쉘을 상기 콜렉터 모듈에 전기적으로 연결시켜, 그것에 의해 상기 외부 쉘을 상기 전자 콜렉터에 기계적으로 결합시키고;
    ● 상기 시일은 상기 외부 쉘을 상기 콜렉터 모듈에 전기적으로 연결시키지 않고;
    ● 상기 챔버는 상기 전자 에미터, 상기 내부 쉘, 상기 외부 쉘, 상기 시일, 및 상기 콜렉터 모듈에 의해 둘러싸여진, 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 계면층은 금속 및 일함수 감소 물질 전구체를 포함하며, 상기 금속 및 상기 일함수 감소 물질 전구체는 반응하여 상기 일함수 감소 물질을 생성하도록 구성되는, 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 일함수 감소 물질은 세슘이고 상기 일함수 감소 물질 전구체는 크롬산세슘인, 시스템.
  13. 챔버를 정의하는 열이온 에너지 컨버터(thermionic energy converter; TEC)를 포함하는 시스템으로서, 상기 TEC는:
    ● 상기 챔버 내에 배열되는 전자 콜렉터;
    ● 상기 챔버에 걸쳐 상기 전자 콜렉터에 대향하는 전자 에미터;
    ● 상기 전자 콜렉터와 전자 에미터 사이에 배열되는 스페이서; 및
    ● 상기 챔버 내에 배열되는 계면층을 포함하며, 여기서:
    ● 상기 전자 콜렉터는 상기 전자 에미터와 상기 계면층 사이에 배열되고;
    ● 상기 계면층은 상기 스페이서와 접촉하는 상태로 상기 전자 콜렉터를 유지시키며, 그것에 의해 상기 전자 콜렉터와 상기 전자 에미터 사이의 전극간 갭을 유지시키는, 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 계면층은 기계적으로 유연하고(compliant) 상기 계면층이 상기 전자 콜렉터를 상기 전자 에미터를 향하여 강압하도록 상기 전자 콜렉터와 챔버 경계 사이에 압축 유지되는, 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 계면층은 10 kN/m 내지 500 kN/m 사이의 스프링 상수를 갖는, 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 계면층은 다공성 금속 구조를 포함하며, 상기 다공성 금속 구조는 기계적으로 유연한, 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 TEC를 둘러싸는 주위 환경으로부터 유체적으로 격리되는, 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    ● 상기 계면층은 다공성 금속 구조를 포함하고;
    ● 상기 시스템은 상기 다공성 금속 구조의 일 부분을 충전하는 액체 세슘을 포함하는, 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다공성 금속 구조는 니켈-코팅된 구리를 포함하는, 시스템.
  20. 제13항에 있어서,
    ● 상기 계면층은 넓은 면에서 상기 전자 콜렉터와 접촉하고;
    ● 상기 계면층은, 상기 넓은 면에 법선인 축을 따라, 0.05 mm 내지 10 mm 사이의 두께를 정의하는, 시스템.
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