用于热离子能量转换的系统和方法与流程

用于热离子能量转换的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2018年11月6日提交的美国临时申请序列号62/756,502和于2019年10月15日提交的美国临时申请序列号62/915,160的权益，这两篇美国临时申请之中的每一者均通过此引用以其整体并入。
3.政府支持声明
4.本发明是根据由国防部高级研究计划局(defense advanced research projects agency)授予的合同号为w911nf
‑
17
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p
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0034和w911nf
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18
‑
c
‑
0057，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
5.本发明总体上涉及热离子能量转换领域，并且更具体地涉及用于热离子能量转换的新的并且有用的系统和方法。
6.背景
7.典型的热离子能量转换器(tec)会遭受有限的功率转换效率，尤其是当考虑到与向tec输送热量相关联的效率损失的时候。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。
8.附图简述
9.图1a是用于热离子能量生成的系统的实施例的示意性表示。
10.图1b是系统的变型的示意性表示。
11.图2a
‑
图2c分别是该系统的第一、第二和第三特定示例的截面图。
12.图3a是系统的tec的示例的截面图的示意性表示。
13.图3b是图3a的tec的一部分的特定示例的详细视图。
14.图3c是系统的tec的第二示例的截面图的示意性表示。
15.图3d是图3c的tec的一部分的特定示例的详细视图。
16.图4是tec的第一特定示例的分解截面图。
17.图5是tec的第二特定示例的截面图。
18.图6a是tec的轴对称示例的径向截面图。
19.图6b是图6a的tec的特定示例的径向截面图。
20.图7是用于热离子能量生成的方法的示意性表示。
21.优选实施例的描述
22.下面的对本发明的优选实施例的描述并不意欲将本发明限制到这些优选实施例，而是使本领域中的任何技术人员能够实行并且使用本发明。
23.1.系统。
24.用于热离子能量生成的系统10优选包括一个或更多个热离子能量转换器11(tec)。该系统可以可选地包括一个或更多个功率输入12、气流模块13和/或电功率负载14(例如，如图1a、图1b、图2a和/或图2b所示)。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。
25.1.1热离子能量转换器。
26.热离子能量转换器11(tec)优选用于将热量输入转换成电功率输出。tec优选包括发射器模块100、收集器模块200和密封件300(例如，如图3a
‑
图3b所示)。tec可以可选地包括间隔物400。然而，tec可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元件。
27.tec优选限定腔室500。腔室优选由发射器模块、收集器模块和/或密封件的内壁限定(例如，其中内壁限定腔室的边界)。该腔室优选地与围绕tec的周围环境(例如，大气)流体隔离。优选地，腔室环境与周围环境相比处于降低的压力(例如，完全或部分真空)。该腔室可以封闭一种或更多种物质(例如，钡、铯、氧、钠、锶、锆等)。然而，该腔室可以附加地或可替代地具有任何其他合适的属性。
28.tec优选地限定加热腔600。加热腔优选由发射器模块的壁(例如，内壳的外壁)的一部分限定。加热腔优选向周围环境开放(例如，在一端开放)，但可以可替代地是封闭腔和/或任何其他合适的腔。然而，该加热腔可以附加地或可替代地具有任何其他合适的属性。
29.tec可以可选地包括一个或更多个元件，诸如在2018年5月2日提交的标题为“system and method for work function reduction and thermionic energy conversion”的美国专利申请15/969,027和/或2018年7月24日提交的标题为“small gap device system and method of fabrication”的美国专利申请16/044,215中描述的元件，这两篇美国专利申请中的每一者都通过该引用以其整体并入本文。例如，发射器模块可以包括美国专利申请15/969,027中的“阴极200”(或其元件)，收集器模块可以包括美国专利申请15/969,027中的“阳极100”(或其元件)，和/或间隔物可以包括美国专利申请16/044,215的“间隔物120”(或其元件)。
30.然而，tec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。
31.1.1.1发射器模块。
32.发射器模块100优选用于接收热量(例如，来自功率输入)和发射电子(例如，进入腔室)。发射器模块优选地包括一个或更多个电子发射器110、内壳120和/或外壳130(其可以附加地或可替代地是收集器模块的一部分和/或者是tec的单独元件)，诸如通过图3a、图3b和/或图4
‑
图6中的示例所示。发射器模块可以可选地包括一个或更多个电引线140和/或辐射屏蔽150。然而，发射器模块可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元件。
33.电子发射器(即阴极)优选包含(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，优选为难熔金属，诸如钨、钽、铼、钌、钼、镍、铬，一种或更多种超级合金(superalloy)(例如，铬镍铁合金(inconel)、哈氏合金(hastelloy)、康泰合金(kanthal)等)、铌、铂、铑、铱等。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。电子发射器可以是沉积层(例如，通过化学气相沉积、物理气相沉积、喷射沉积、电沉积等沉积的)、可以是基体材料(bulk material)和/或可以以任何其他合适的方式制造。
34.电子发射器优选地涂覆内壳的一部分的内部(例如内壁，诸如最靠近腔室的壁)，更优选地，其中电子发射器被布置成跨腔室面向电子收集器(例如，其中电子发射器涂覆内
壳的、跨腔室面向电子收集器的部分)。该部分优选地是内壳的火焰接收区域的一部分和/或靠近火焰接收区域，并且优选地沿着中心轴线(例如，由发射器模块限定的中心轴线，诸如加热腔的中心轴线)相交和/或居中。然而，电子发射器可以附加地或可替代地布置在任何其他合适的位置。
35.电子发射器优选地传导连接到发射器模块的其他元件，诸如连接到内壳(例如，连接到内壳的传导层)、外壳(例如，通过内壳连接)和/或发射器引线(例如，优选地通过外壳，可替代地通过内壳和/或任何其他合适的元件)。然而，电子发射器可以附加地或可替代地传导连接(和/或以其他方式电耦合)到发射器模块的和/或系统的任何其他合适的元件。
36.电子发射器优选热耦合到内壳，更优选热耦合到内壳的火焰接收区域(例如，其中电子发射器由内壳加热)。然而，电子发射器可以附加地或可替代地热耦合到系统的任何其他合适的元件。
37.电子发射器优选地包括基本平坦的表面(例如，该表面限定了发射器平面)，该表面优选地界定腔室，但是电子发射器可以附加地或可替代地包括具有任何其他合适的确认的表面。
38.然而，电子发射器可以附加地或可替代地具有任何其他合适的属性。
39.发射器模块的内壳优选包括多层结构。例如，内壳可以包括防火层(fpl)、传导层和/或夹层(例如，如图3b和/或图5所示)。然而，内壳可以附加地或可替代地包括任何其他合适的层和/或其他元件。内壳各层之间的交界面可以是光滑的、粗糙的、分级的(graded)、相互扩散的和/或具有任何其他合适的属性。在一些实施例中，内壳的层(或其子集)不限定不连续的交界面，而是在成分中从一层到下一层基本平滑地变化。内壳优选地具有范围为0.05
‑
10mm的、优选为0.2
‑
4mm(例如，0.2
‑
0.5mm、0.5
‑
2mm、2
‑
4mm、0.5
‑
1mm或1
‑
2mm等)的总厚度。
40.fpl优选地用于保护内壳的其他元件(和/或发射器模块的其他元件,诸如电子发射器)免受加热腔中的火焰的影响。fpl优选地被布置在加热腔的近端(例如，界定加热腔)。fpl可以包括(例如，其由以下各项制成、主要由以下各项组成等)氧化铝、二氧化硅、三氧化二硼、莫来石(mullite)、铂、铑、铱、硅、硅化物(诸如二硅化钼、碳化硅、氮化硅)、hitemco r512e、不锈钢、镍、铬、一种或更多种超级合金(例如，铬镍铁合金、哈氏合金、康泰合金等)和/或任何其他合适的材料。在一些示例中，fpl具有的厚度在0.0005
‑
10mm的范围内(例如，0.0005
‑
0.002mm、0.002
‑
0.005mm、0.005
‑
0.01mm、0.01
‑
0.02mm、0.02
‑
0.05mm、0.05
‑
0.02mm、0.02
‑
3mm、3
‑
10mm、0.02
‑
0.1mm、0.1
‑
0.3mm、0.3
‑
0.5mm、0.5
‑
1mm、1
‑
2mm和/或2
‑
5mm等)。然而，fpl可以附加地或可替代地具有任何其他合适的属性。
41.传导层优选地布置在腔室的近端(例如，界定腔室)(例如，该传导层与加热腔跨fpl相对)。传导层优选是导电的。传导层可以与电子发射器邻接(例如，传导层可以是作为与电子发射器相同的材料层的一部分，其中传导层和电子发射器共同形成单层，诸如单个金属层)。传导层优选用于将电子发射器电连接到发射器模块的一个或更多个其他元件，诸如外壳。在一些示例中，传导层具有一种或更多种属性，其基本上类似于fpl的属性(和/或类似于诸如上述关于fpl的可能实施例的属性)，诸如具有与fpl基本上相同的成分和/或厚度。然而，传导层可以附加地或可替代地具有任何其他合适的属性。
42.内壳可以可选地包括夹层(或多个夹层)。夹层可以用作扩散阻挡层(例如，减少
fpl和传导层之间的和/或内壳的任何其他合适的层或区域之间的扩散)、粘合层(例如，粘附到内壳的其他层(诸如fpl和/或传导层等)和/或改善内壳的其他层之间的粘附)。夹层可以包括(例如，由以下各项制成、主要由以下各项组成等)氧化铝、二氧化硅、三氧化二硼、氧化钛、莫来石、硅、硅化物(诸如二硅化钼、碳化硅、氮化硅)、二硼化锆、石墨、碳复合材料和/或其他含碳材料(例如渗碳材料)、碳化铌、碳化铪、碳化钽、碳化锆、氮化钽、氮化铝、氮化钛、镍、一种或更多种超级合金和/或任何其他合适的材料。在示例中，夹层厚度可以在0.0005
‑
10mm的范围内(例如，0.0005
‑
0.001mm、0.001
‑
0.002mm、0.002
‑
0.005mm、0.005
‑
0.02mm、0.02
‑
0.5mm、0.5
‑
2mm、0.02
‑
0.05mm、0.05
‑
0.1mm、0.1
‑
0.2mm、0.2
‑
0.5mm、0.5
‑
1mm、1
‑
2mm、2
‑
5mm或5
‑
10mm等等)，但是可以附加地或可替代地更厚、更薄和/或具有任何其他合适的尺寸。然而，该夹层可以附加地或可替代地具有任何其他合适的属性。
43.内壳优选包括平面的(或基本是平面的)部分和/或一个或更多个侧壁(例如，如图3a和/或图4所示)。平面部分优选地基本上平行于发射器平面(例如，其中电子发射器附接和/或沉积在平面部分上)，但是可替代地可以具有任何其他合适的布置。侧壁优选是直的侧壁。侧壁优选地布置成与发射器平面跨内壳的平面部分相对(和/或与电子收集器跨腔室和/或跨电子发射器相对)。侧壁优选从靠近平面部分的第一内壳侧壁端延伸到第二内壳侧壁端。侧壁可以与平面部分和/或发射器平面基本垂直地延伸、与平面部分和/或发射器平面以斜角(例如，在垂线的阈值角内，诸如在垂线的1
°
、2
°
、3
°
、5
°
、10
°
、15
°
、20
°
、25
°
或30
°
内等)延伸和/或以任何其他合适的方向延伸。在一些实施例中，内壳包括在第一内壳侧壁端处和/或附近的(例如，在侧壁和平面部分之间的)一个或更多个桥接特征，诸如倒角和/或斜面。侧壁优选地限定参考轴线，诸如纵向轴线(例如，基本上垂直于平面部分和/或发射器平面、与电子发射器和/或电子收集器相交等)，侧壁基本上以该纵向轴线为中心(例如，其中侧壁关于纵向轴线旋转对称，例如关于纵向轴线具有2重、3重、4重、6重或8重的旋转对称、关于纵向轴线的高阶旋转对称、关于纵向轴线的圆形对称等)。然而，侧壁可以附加地或可替代地具有任何其他合适的属性。
44.在一个示例中，内壳包括限定基本上圆形区域的平面部分(例如，以电子发射器为中心)。在第一特定示例中(例如，其中侧壁基本垂直于平面部分和/或发射器平面延伸)，内壳包括限定圆柱形壳的单个侧壁，其中圆柱形壳限定圆柱轴线，该圆柱轴线优选地与电子发射器和电子收集器相交和/或与之基本垂直。在第二特定示例中(例如，其中侧壁与平面部分和/或发射器平面成斜角地延伸)，内壳包括限定圆锥形或截头圆锥形壳(例如，圆锥形壳(优选为正圆锥形壳)的截头体、终止于平面部分、发射器平面或基本平行于平面部分和/或发射器平面的参考平面)的单个侧壁，其中圆柱形壳限定圆柱轴线，该圆柱轴线优选与电子发射器和电子收集器相交和/或基本垂直。
45.在一些示例中，内壳可以具有45
‑
250mm(例如，45
‑
70mm、55
‑
65mm、70
‑
100mm、100
‑
140mm、140
‑
190mm或190
‑
250mm)、20
‑
45mm或250
‑
750mm的长度(例如，侧壁长度)。在一些示例中，内壳可以具有10
‑
30mm(例如，10
‑
15mm、15
‑
20mm、18
‑
22mm、20
‑
25mm或25
‑
30mm)、5
‑
10mm或30
‑
60mm的宽度(例如，平面部分宽度，诸如平面部分直径)。然而，内壳可以具有任何其他合适的形状和/或尺寸。
46.内壳优选地包括一个或更多个热量接收区域(例如，火焰接收区域)，该热量接收区域优选地用于接收加热腔内的火焰(例如，入射到火焰接收区域上的火焰)。火焰接收区
域优选地是fpl的一部分(并且可选地是夹层和/或内壳的任何其他合适元件的一部分)。尽管在本文中被称为火焰接收区域，但是本领域技术人员将认识到，内壳可以附加地或可替代地包括一个或更多个热量接收区域，该热量接收区域被配置成以任何合适的方式(例如，通过辐射、对流和/或传导)接收热量(例如，来自燃烧器和/或其他功率输出端的热量)，并且热量接收区域可以包括诸如本文中关于火焰接收区域所述的元件和/或具有诸如本文中关于火焰接收区域所述的属性，但是可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元件和/或具有任何其他合适的属性。
47.火焰接收区域优选地布置在电子发射器和火焰之间(例如，在电子发射器和加热腔之间)。电子发射器(以及可选的一些或全部内壳传导层)优选地布置在火焰接收区域和腔室之间，和/或优选地附接到火焰接收区域(其中，一个通过沉积到另一个上而形成)。在一些实施例中，火焰接收区域可以包括一个或更多个散热片(fin)和/或其他热传递结构，其可以用于增加热传递(例如，从火焰到火焰接收区域的热传递)。然而，火焰接收区域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。
48.内壳的一个或更多个表面可以被磨光、研磨和/或抛光(例如，电抛光)和/或可以以其他方式平滑处理，这可以用于减少来自表面的热辐射。表面可以附加地或可替代地涂覆有一层或更多层(例如薄层)低发射率材料，该材料也可以用于减少热辐射。这可以减少热损失(例如，来自电子发射器、火焰接收区域和/或其他内壳元件的热损失)和/或可以减少向其他元件(例如，向外壳、电子收集器和/或其他收集器模块元件)的热传递。
49.然而，内壳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。
50.外壳优选地用于电连接到内壳，并且用于将内壳机械地和/或热耦合(例如，连接)到收集器模块。外壳优选表现出高导热性和/或抗氧化性(例如，在高温处，诸如在范围100
‑
900℃的温度，优选为300
‑
600℃)。
51.外壳优选围绕或基本上围绕内壳(例如，其中外壳与外壳所围绕的内壳一起限定了腔室的一部分)。内壳和外壳可以限定基本恒定宽度的间隙(例如，内壳和外壳的内壁之间的间隙)、具有变化的宽度的间隙(例如，该间隙从在第一端处或附近的较宽间隙向在第二端处或附近的较窄间隙或没有间隙逐渐变细)和/或具有任何其他合适的属性。例如，外壳可以限定第二圆柱形壳，该第二圆柱形壳优选地与内壳的圆柱形侧壁同心，并且具有比内壳的圆柱形侧壁更大的半径。然而，外壳可以可替代地限定任何其他合适的形状。外壳优选地具有与内壳类似的尺寸，诸如具有基本相等的长度和比内壳稍大的宽度(例如，其中宽度差限定了间隙宽度)。该间隙优选地足够大，以避免内壳和外壳之间的热(和/或电)短路(例如，由于侧壁粗糙；由于与低功函数(low work function)涂层相关联的材料(诸如cs金属的液滴)等)。在一些示例中，间隙(例如，平均间隙、最小间隙等)大于阈值宽度(例如，0.01mm、0.03mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm或1mm等)，但是可以附加地或可替代地小于0.01mm或具有任何其他合适的宽度。例如，间隙可以具有在0.2
‑
20mm的范围内(例如，1
‑
10mm、1
‑
3mm、3
‑
6mm、5
‑
10mm或10
‑
20mm等)的宽度，但是可以附加地或可替代地更窄(和/或没有或基本上没有间隙，诸如其中间隙在第二端处或附近减小到零，这样桥接了内壳和外壳)和/或更宽。然而，间隙宽度可以附加地或可替代地在20
‑
50mm、50
‑
200mm的范围中或大于200mm。在一些示例中，tec包括一个或更多个间隔物，优选地是热绝缘和/或电绝缘间隔物(例如，绝缘球，
诸如蓝宝石球)，该间隔物布置在内壳侧壁和外壳侧壁之间的腔室内，其可以用于保持期望的最小间隙宽度。外壳优选地限定第一端和第二端，更优选地对应于内壳的第一端和第二端(诸如其中外壳第一端靠近内壳第一端(例如，跨腔室地基本上彼此相对)，外壳第二端靠近内壳第二端(例如，跨腔室地基本上彼此相对)和/或从外壳第一端到外壳第二端的方向基本上与从内壳第一端到内壳第二端的方向对齐(例如，其中“基本上对齐”意味着向量之间的角度小于阈值量(诸如1
°
、2
°
、5
°
、10
°
、15
°
、20
°
、25
°
、30
°
、35
°
、45
°
、60
°
、75
°
或90
°
)；向量之间的点积为正；等等)。然而，外壳可以可替代地具有任何其他合适的形状和/或尺寸。
52.外壳优选地包括一个或更多个导热和/或导电元件(例如，沿着外壳的长度(诸如从第一端到第二端)延伸)。在第一实施例中，外壳包括基本均匀的壁(例如，金属壁)。在示例中，壁可以包括(例如，由以下各项中的一项或更多项制成、主要由以下各项中的一项或更多项组成等)：镍和/或镍合金(例如，蒙乃尔合金(monel)、可伐合金(kovar)、因瓦合金(invar)、伊诺维科合金(inovco)、合金42(alloy 42)(诸如feni42、nilo 42、玻璃密封件42(glass seal 42)和/或pernifer 40等)、铝、铬、铜、不锈钢、钛和/或哈氏合金。壁可以可选地包括一个或更多个包覆层(例如，如果传导壁材料不够抗氧化，诸如对于铜或铝传导壁材料)。包覆层可以包括抗氧化层(例如，镍、镍合金、铬、不锈钢等)和/或夹层，其可以用作传导壁材料和抗氧化层之间的扩散阻挡层。夹层优选布置在壁内部(例如，传导壁材料)和抗氧化包覆层之间。在一个示例中，夹层包括钴。然而，夹层可以附加地或可替代地包括任何其他合适的材料。
53.在该实施例的第一示例中，壁包括铜芯、钴夹层和镍(或镍合金)抗氧化包覆层。在第二示例中，壁包括铝芯和不锈钢抗氧化包覆层。然而，壁可以附加地或可替代地包括采用任何合适布置的任何其他合适的元件和/或材料。
54.在第二实施例中，外壳包括一个或更多个热管(例如，在第一端和第二端之间延伸)，其可以用于沿着外壳的长度携带热量。热管优选地包括封闭流体的固体，该热管可以通过对流来传热。在示例中，主体可以包括一种或更多种以上关于第一实施例描述的材料(例如，不锈钢、蒙乃尔合金、哈氏合金等)和/或包括任何其他合适的材料。在这样的示例中，流体(例如，处于外壳温度的液体和/或蒸汽)可以包括锡、铅、钠、铯、钾和/或任何其他合适的材料。然而，外壳可以附加地或可替代地包括被配置成携带热量的任何其他合适的结构和/或可以可替代地省略这种结构。
55.内壳和/或外壳可以可选地限定发射器桥。发射器桥优选地连接内壳和外壳(例如，在每个壳的第二端处或第二端附近)。发射器桥优选地机械连接、电连接和热连接内壳和外壳(但是可替代地，可以仅执行这些功能的子集)。发射器桥优选地由与内壳或外壳相同的材料(或这些材料的子集)制成，但是可以附加地或可替代地包括不同于内壳和外壳的材料。在一些示例中(例如，如图3a
‑
图3b和/或图4所示)，发射器桥包括弯曲构件，该弯曲构件从内壳和外壳延伸(例如，基本平行于内壳和外壳)并限定在内壳和外壳之间桥接的弧。在其他示例中，发射器桥包括在内壳和外壳之间(例如，基本垂直于内壳和/或外壳)延伸的基本平坦(例如，平面)的构件。然而，发射器桥可以附加地或可替代地限定任何其他合适的结构。
56.发射器模块可以可选地包括一个或更多个发射器引线。发射器引线可用于将电能从发射器模块传导至外部负载。发射器引线优选是导电的(例如，由金属制成)。在示例中，
发射器引线可以是(或包括)导线、电缆和/或任何其他合适的传导结构。发射器引线优选地电耦合(例如，导电连接)到电子发射器。发射器引线优选地连接(例如，电连接和/或机械连接)到外壳，更优选地在第二端处或第二端附近连接。然而，发射器引线可以附加地或可替代地连接到发射器模块的任何其他合适的元件(例如，连接到电连接到电子发射器的任何传导元件)。然而，该发射极引线可以另外地或可替代地具有任何其他合适的属性。
57.电子发射器可以可选地包括一个或更多个辐射屏蔽。辐射屏蔽可用于减少从内壳传递到外壳的热辐射(和/或在系统的任何其他合适元件之间传递的热辐射)。辐射屏蔽优选为难熔材料，并且优选具有低发射率。在示例中，辐射屏蔽可以包括(例如，由以下各项制成、主要由以下各项组成等)钨、钽、钼、铼、镍和/或镍合金(例如，如上所述的镍合金)、不锈钢、任何其他合适的超级合金和/或任何其他合适的材料。
58.辐射屏蔽优选布置在腔室内，更优选布置在内壳和外壳之间。例如，辐射屏蔽可以限定在内壳和外壳之间的一个或更多个中间圆柱壳。辐射屏蔽优选地与内壳和外壳之间的一大部分视线(例如，来自内壳的发射辐射原本可能到达外壳的路径的一大部分)相交。例如，辐射屏蔽可以与超过阈值分数的这种路径(例如，超过99％、98％、95％、90％、85％、75％、60％、50％、40％、30％、20％或10％等)相交。在一些实施例中，辐射屏蔽包括一个或更多个间隔物(例如，电绝缘和/或热绝缘间隔物，诸如包括氧化铝、mgo、beo和/或zro等的间隔物)布置在屏蔽和tec的其他元件(例如，发射器模块(诸如内壳和/或外壳)、收集器模块等)之间和/或(例如，在包括多个辐射屏蔽的实施例中)在辐射屏蔽之间。
59.辐射屏蔽优选地在发射器桥处或在发射器桥附近和/或在温度(例如，稳态操作温度)类似于辐射屏蔽温度(例如，减少和/或最小化在辐射屏蔽和发射器模块之间的传导热流)的位置处机械地连接到发射器模块，但是可以附加地或可替代地连接到任何其他合适的位置。辐射屏蔽可以附加地或可替代地是收集器模块和/或tec的任何其他合适元件(例如，连接到收集器模块和/或tec的任何其他合适元件)的一部分。
60.在一些实施例中，tec被设计成能够实现特别长的发射器引线长度(例如，与典型的tec相比、与限定加热腔的tec相比等)，这可以实现更高的设备效率。例如，这种引线长度可以通过将发射器模块(例如，限定加热腔壁的发射器模块的一部分(诸如内壳))延伸到加热腔的开口，然后将发射器模块的一部分(例如，加热腔外部的一部分(诸如外壳))远离加热腔开口延伸来实现。外壳优选地延伸与内壳相当的距离(例如，超过内壳长度的10％、25％、50％、75％、90％、100％或110％)，从而实现对于发射器模块终止于加热腔开口处或开口附近或终止于加热腔内的tec来说显著更大的引线长度。
61.然而，发射器模块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。
62.1.1.2收集器模块。
63.收集器模块200优选用于收集发射的电子。收集器模块优选地包括一个或更多个电子收集器210(即阳极)、收集器桥220和/或冷却元件230(例如，如图3a所示)。收集器模块可以可选地包括一个或更多个收集器引线240和/或收集器触点250。然而，收集器模块可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元件。
64.电子收集器优选地是具有低功函数(例如，在tec的操作环境中，诸如处于高温和/或在具有功函数还原材料的环境中(诸如钡、锶或铯蒸汽环境，可选地还包括氧))，更优选
地低于电子发射器的功函数的材料。在示例中，电子收集器功函数可以小于阈值，诸如0.5
‑
2.5ev(例如，0.5
‑
0.75ev、0.75
‑
1ev、1
‑
1.2ev、1.2
‑
1.5ev、1.5
‑
2ev或2
‑
2.5ev等)。然而，电子收集器可以可替代地具有任何其他合适的功函数和/或其他属性。
65.在第一实施例中，电子收集器包括一种或更多种金属(例如，包含一种或更多种金属、由一种或更多种金属制成、基本由一种或更多种金属组成等)，其优选为难熔和/或低功函数金属，诸如钨、钼、铂、镍、镍合金、超级合金、不锈钢、铌、铱和/或钽(例如，自身表现出低功函数的金属，当暴露于功函数还原环境(诸如在钡、锶和/或铯环境中，可选地包括氧等)时表现出低功函数的金属)。
66.在第二实施例中，电子收集器包括一种或更多种半导体，更优选地是n型半导体(例如，如2018年5月2日提交的且标题为“system and method for work function reduction and thermionic energy conversion”的美国专利申请15/969,027中所述，该美国专利申请通过该引用以其整体并入本文)。半导体优选地是高质量的(例如，单晶的、低杂质的等)半导体，但是可以附加地或可替代地包括任何合适质量的半导体材料。半导体优选地包括(例如，是以下各项、主要由以下各项组成等)si(例如，单晶的、多晶的和/或微晶的、非晶形的等)、砷化镓(例如，gaas)、铝镓砷(例如al
x
ga1‑
x
as)、镓铟磷化物(例如，ga
x
in1‑
x
p)和/或铝镓铟磷化物(例如，al
x
ga
y
in1‑
x
‑
y
p)，但是可以附加地或可替代地包括任何合适的半导体材料(例如，如以下更详细描述的)。本领域技术人员将认识到，本文使用的术语半导体优选地不包括诸如透明传导氧化物的材料，但是可以可替代地包括这种材料。该半导体优选是高掺杂的(例如，大于阈值水平(诸如10
15
/cm3、10
16
/cm3、10
17
/cm3、10
18
/cm3、10
19
/cm3、10
20
/cm3等)的平衡电荷载流子密度；范围为10
15
/cm3‑
10
16
/cm3、范围为10
16
/cm3‑
10
17
/cm3、范围为10
17
/cm3‑
10
18
/cm3、范围为10
18
/cm3‑
10
20
/cm3等的平衡载流子密度)，更优选高度掺杂但不是简并掺杂(degenerately doped)，但是可以附加地或可替代地包括较低掺杂(例如，平衡载流子密度小于10
15
/cm3、小于10
14
/cm3、小于10
12
/cm3、在10
14
/cm3‑
10
15
/cm3的范围中、在10
12
/cm3‑
10
14
/cm3的范围中)，这可能是所希望的，例如以减少自由载流子吸收和/或任何其他合适的掺杂水平。在特定示例中，体半导体(bulk semiconductor)111具有范围在10
16
/cm3‑3×
10
17
/cm3(例如，1
‑3×
10
16
/cm3、3
‑6×
10
16
/cm3、6
‑
10
×
10
16
/cm3、1
‑3×
10
17
/cm3、7.5
×
10
16
/cm3‑2×
10
17
/cm3等)内的平衡载流子密度。半导体优选地具有基本均匀的掺杂，但是可以附加地或可替代地包括掺杂变化(例如，横向和/或随深度变化)，诸如梯度、不连续性和/或任何其他合适的掺杂特征。半导体优选为n型硅，但是可以附加地或可替代地包括n型碳化硅、n型锗、n型iii
‑
v族半导体和/或任何其他合适的材料。在该实施例的一些示例中，电子收集器包括一个或更多个附加层(例如，在半导体上或半导体附近)，诸如2018年5月2日提交的且标题为“system and method for work function reduction and thermionic energy conversion”的美国专利申请15/969,027中所述的，该美国专利申请通过引用以其整体并入本文。
67.电子收集器优选具有碱金属和/或碱土金属涂层(和/或其氧化物)，其可以用于降低收集器功函数。然而，电子收集器可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元件。
68.电子收集器优选传导连接到收集器模块的其他元件，诸如收集器桥和/或收集器引线(例如，其中电子收集器通过收集器桥和/或收集器触点传导连接到收集器引线)。电子收集器优选为热耦合到冷却元件(例如，其中热量从电子收集器传递到冷却元件，从而冷却
电子收集器)，诸如直接连接到冷却元件、经由收集器触点和/或收集器模块的其他元件热耦合到冷却元件和/或以其他方式热耦合到冷却元件。电子收集器优选地机械耦合(例如，机械连接)到收集器桥、收集器触点和/或冷却元件，但是可以附加地或可替代地连接到收集器模块的任何其他合适的元件。在一些示例中，电子收集器布置在冷却元件和电子发射器之间，和/或布置在冷却元件和腔室(例如，整个腔室；腔室在电子收集器和电子发射器之间的部分(诸如腔室的跨电子收集器与收集器触点相对的部分)；等等)之间。然而，冷却元件可以附加地或可替代地具有任何其他合适的布置。
69.电子收集器优选地跨腔室与电子发射器相对(例如，其中电子收集器的收集器表面基本上跨腔室面向电子发射器)。收集器平面优选为基本平坦的表面(例如，限定收集器平面)。收集器平面优选为基本上平行于发射器平面，但是可替代地可以具有任何其他合适的取向。电子发射器和电子收集器之间跨腔室的空间(例如，电极间间距)优选限定小间隙。间隙优选为0.1
‑
10μm，更优选为0.5
‑
3μm(例如，0.75μm、1μm、2μm等)，但可以可替代地是50
‑
100nm、小于50nm、10
‑
25μm、25
‑
50μm、大于50μm或任何其他合适的高度。间隙可以一直建立，或者可以在tec处于标准操作条件时建立(例如，其中腔室压力显著低于周围环境压力(诸如大气压力)，其中功率输入向tec输送功率，其中tec温度处于基本稳定的状态条件下，等等)。
70.在一些实施例中，电子收集器(例如收集器表面)界定腔室(例如，如图3a
‑
图3b所示)。附加地或可替代地，电子收集器可以被包含在腔室内(例如，完全或基本上完全在腔室内)，诸如其中电子收集器通过一个或更多个收集器触点250(例如，如图3c
‑
图3d所示)接触(例如，在系统操作期间、一直，等等)。收集器触点优选地在跨电子收集器与收集器表面相对的一个或更多个区域中(例如，在与收集器表面相对的背面处)接触电子收集器，但是可以附加地或可替代地在任何其他合适的位置处接触电子收集器。收集器触点优选地将电子收集器电气耦合、热耦合和/或机械耦合到收集器模块的其他元件(例如，耦合到冷却元件)。因此，收集器触点优选包括一种或更多种导电和/或导热材料。收集器触点可以可选地将电子收集器保持在收集器模块的其他元件(例如，冷却元件)附近，诸如粘附和/或结合到电子收集器。收集器触点可以附加地或可替代地将电子收集器保持在电子发射器附近(例如，保持电极间间隙)，优选地按照间隔物来保持电子收集器。例如，收集器触点可以包括一个或更多个顺应式(例如，可变形)结构，该结构被压缩在电子收集器和收集器模块的一个或更多个其他元件(例如，冷却元件)之间，从而在电子收集器上施加远离其他元件并朝向电子发射器的力。然而，电子收集器可以附加地或可替代地以任何其他合适的方式耦合到收集器模块的其他元件(和/或系统的其他元件)。
71.然而，电子收集器可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元件和/或可以具有任何其他合适的布置。
72.收集器桥优选用于将电子收集器耦合到tec的一个或更多个其他元件。收集器桥优选地将电子收集器机械地耦合(例如，到密封件)和/或电耦合(例如，到收集器引线)，并且可以可选地将电子收集器热耦合到tec的其他元件。收集器桥优选地包括一种或更多种金属(例如，由以下的一种或更多种金属制成，主要由以下的一种或更多种金属组成等)，诸如与外壳相同的金属和/或不同的金属。收集器桥优选地表现出与密封件类似的热膨胀系数，这可以有助于保持收集器桥和密封件之间的结合。然而，收集器桥可以附加地或可替代
地包括任何其他合适的材料。
73.收集器桥优选包括平面部分，更优选地是基本平行于收集器平面的平面部分。平面部分优选为从电子收集器向外延伸(例如，延伸到密封件或朝向密封件延伸)。在一个示例中，平面部分限定了延伸到发射器模块的外壳和/或延伸经过发射器模块的外壳的区域(例如，圆形区域)。收集器桥可以附加地或可替代地包括一个或更多个非平面部分(例如，基本垂直于收集器平面延伸)和/或具有任何其他合适形状和/或取向的部分。
74.在一些实施例中，收集器桥的一些或全部基本上是可变形的(例如，沿着垂直于收集器平面的方向)，这可以用于实现电子收集器相对于电子发射器的移动(例如，朝向和/或远离电子发射器的移动)，诸如建立和/或保持期望的电极间间距。响应于tec元件的热变形(由于腔室和周围环境之间的压力差，和/或由于任何其他合适的力和/或应力)，收集器桥可以变形。在一些示例中，可变形元件可以包括薄箔、波纹或波形结构和/或任何其他合适的可变形元件。这种可变形结构可以附加地或可替代地被包括在收集器模块中的、发射器模块中的(例如，跨密封件与收集器桥相对、沿着内壳和/或外壳、在发射器桥内等)和/或在tec的任何其他合适位置中的其他地方。
75.然而，收集器桥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。
76.冷却元件优选地用于促进从电子收集器(和/或tec的任何其他合适的元件，诸如收集器模块的其他元件)的热排出。热排出优选为对流热排出(例如，与气流模块协作)，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制的热排出。冷却元件(例如，与气流模块协作)优选地在tec操作期间将电子收集器保持在目标温度或低于目标温度(例如，目标温度在0
‑
100℃、100
‑
200℃、200
‑
400℃、400
‑
600℃、200
‑
275℃、250
‑
350℃、325
‑
400℃或275
‑
325℃的范围内，诸如300℃)。冷却元件优选地热耦合到电子收集器(例如，通过导热材料(诸如金属)耦合)。在一些示例中，冷却元件包括一个或更多个表面改性剂(surface modifier)，优选地包括以下金属(例如由以下金属制成)：该金属可以用于诱导湍流(例如在热传递流体中，例如在气流模块内的空气中)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)。这种表面改性剂可以包括散热片、挡板、肋、凹坑和/或任何其他合适的结构。例如，冷却元件可以包括延伸到(并且优选为基本平行于)由气流模块限定的气流路径中的多个散热片(例如，平行板)(例如，如图2a和/或图2b所示)。
77.冷却元件优选地靠近电子收集器布置和/或以其他方式配置成优先冷却电子收集器(例如，比收集器模块的其他元件更优先冷却、比tec的其他元件更优先冷却等)。这种布置可以提供优于替代布置的益处，诸如其中冷却元件靠近tec的其他元件布置和/或优先冷却tec的其他元件。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(例如，发射器桥)和/或任何其他合适的元件。例如，这种布置能够将电子收集器维持在比其他布置中更低的温度，诸如低于450℃、400℃、350℃、300℃、250℃、200℃、150℃、100℃、50℃的温度(或任何其他合适的温度)，从而产生更大的可能的设备效率。
78.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。
79.收集器模块可以可选地包括收集器引线。收集器引线可以用于将电功率从收集器
模块传导到外部负载(例如，其中tec通过发射器引线和收集器引线电驱动外部电负载)。收集器引线优选是导电的。例如，收集器引线可以包括(例如，是)一根或更多根导线、电缆、其他金属结构和/或任何其他合适的元件。收集器引线优选为电耦合(更优选为传导连接)到电子收集器。收集器引线优选地连接(例如，电气地和/或机械地)到收集器桥，更优选地在收集器桥的向外部分处或其附近(例如，在收集器桥与密封件相遇的地方)。然而，收集器引线可以附加地或可替代地连接到收集器模块的任何其他合适的元件(例如，电连接到电子收集器的任何导电元件)。
80.在一些实施例中，收集器模块包括诸如在2018年5月2日提交的且标题为“system and method for work function reduction and thermionic energy conversion”的美国专利申请15/969,027(该美国专利申请通过该引用以其整体并入本文)中描述的一个或更多个元件，诸如关于美国专利申请15/969,027的阳极(例如，其中电子收集器是和/或包括美国专利申请15/969,027的阳极的元件)。
81.然而，收集器模块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。
82.1.1.3密封件。
83.密封件300优选地用于机械耦合(例如，连接)发射器模块和收集器模块，更优选地，同时将发射器模块与收集器模块电气隔离。优选地，发射器模块和收集器模块基本上仅通过外部负载经由发射器引线和收集器引线和/或经由穿过腔室发射的电子彼此电耦合。
84.密封件优选地包括一种或更多种电绝缘体材料，更优选地是能够承受在tec操作期间的密封温度(例如，不熔化、变形和/或分解)的材料。该材料优选为玻璃和/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。在特定示例中，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。
85.密封件优选地布置在收集器桥和发射器模块外壳之间，更优选地在外壳的第一端处或其附近。密封件优选将收集器桥机械连接到外壳(例如，如图2a、图3a和/或图4所示)。在替代实施例中(例如，其中外壳是收集器模块的元件，诸如电连接到电子收集器而不是电子发射器)，密封件可以布置在外壳和内壳之间，优选地将外壳机械连接(并且优选地不电连接)到内壳(例如，在发射器桥是内壳的一部分的示例中，将外壳连接到发射器桥)，诸如通过图2b和/或图5中的示例所示。然而，密封件可以附加地或可替代地布置在tec的任何其他合适的位置，优选地将发射器模块机械连接(并且优选地不电连接)到收集器模块的发射器模块与收集器模块两者的相应边界处(例如，发射器模块的沿着直接传导路径离电子发射器最远的部分；收集器模块的沿着直接传导路径离电子收集器最远的部分)或其附近。本领域技术人员将认识到，tec可以容忍(例如，与其他电气设备相比)一些寄生电气短路(例如，在发射器模块和收集器模块之间，诸如通过密封件)。例如，在输出电压约为1v的tec中，发射器模块和收集器模块之间的10ω的寄生短路将导致约0.1a的电流输出损失，这是可以接受的。因此，本领域技术人员将认识到，在一些示例中，不打算电连接其他元件(例如，发射器模块和收集器模块)的tec的元件(例如，密封件)仍然可以提供寄生传导路径(例如，具有大于100ω、10ω和/或1ω的电阻等)。
86.密封件可以结合(例如铜焊)到它所连接的一个或两个元件上。可替代地，密封件可以沉积在它所连接的和/或可以以其他方式附接的元件之一上。
87.在一些实施例中，密封件基本上是平的，并且优选地限定基本上匹配(例如，重叠)其所附接的一个或更多个表面(例如，外壳表面和收集器桥表面的外周边等)的覆盖区。在其他实施例中，密封件限定了与外壳互补的形状(例如，在外壳是圆柱形壳的实施例中的圆柱形外壳、在外壳是六棱柱形壳的实施例中的六棱柱形壳等)，诸如其中收集器桥被附接到密封件的内表面，并且外壳被附接到密封件的外表面(例如，跨密封件的壁(优选地是限定外壳的壁)与内表面相对)。在一个示例中，密封件的厚度小于10mm(例如，0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm、0.05
‑
0.2mm、0.2
‑
1mm、1
‑
3mm或3
‑
10mm)，并且宽度在10
‑
100mm的范围内，优选为20
‑
50mm(例如，限定直径在20
‑
50mm范围内的圆形形状)。
88.然而，密封件可以附加地或可替代地包括采用任何合适布置的任何其他合适的元件。
89.1.1.4间隔物。
90.tec可以可选地包括间隔物400。间隔物可以用于维持电子发射器和电子收集器之间的分离距离(例如，最小分离距离)。在一个示例中，间隔物包括一个或更多个元件，诸如2018年7月24日提交的且标题为“small gap device system and method of fabrication”的美国专利申请16/044,215中描述的元件，该美国专利申请通过该引用以其整体并入本文。
91.该间隔物优选在电子发射器和电子收集器之间布置在腔室中。间隔物可以附接到电子发射器和电子收集器中的一个或两个上，可以通过压缩力(例如，由tec的元件的热膨胀、由腔室和周围环境之间的压差等引起的压缩力)保持在适当的位置，和/或以任何其他合适的方式保持在适当的位置。间隔物优选地不形成完全连续的层(例如，不阻挡电子发射器和电子收集器之间的整个视线)。例如，间隔物可以是多孔层、分散物体(例如，微球体、棒状物、台面等)的集合和/或可以具有任何其他合适的结构。然而，可替代地，间隔物可以是连续层。
92.(沿着从电子发射器到电子收集器的方向(诸如垂直于发射器平面和/或收集器平面)限定的)间隔物厚度优选地在电子发射器和电子收集器之间建立基本均匀的间隔(例如，在间隔物接触电子发射器和电子收集器的点处具有基本均匀的厚度)。在一个示例中，其中间隔物包括分散的微球体的集合，间隔物的厚度被限定为等于微球体的直径(例如，集合中最大的微球体的直径)。间隔物优选地基本上跨越电子发射器
‑
电子收集器重叠的整个区域，但是可以附加地或可替代地跨越其子集、跨越重叠之外的区域和/或具有任何其他合适的形状或范围。
93.间隔物优选地包括一个或更多个电绝缘体(例如，包含一个或更多个电绝缘体、由一个或更多个电绝缘体制成、主要由一个或更多个电绝缘体组成等)，使得间隔物不电连接发射器模块和收集器模块。该材料优选能够承受高温(例如，在tec操作期间的电子发射器温度)，而不会熔化、变形和/或分解。该材料可以可选地表现出低热导率，这可以减少从电子发射器到电子收集器的热传导。
94.间隔物120优选地包括一种或更多种热绝缘和/或电绝缘材料(例如，由其制成)。该材料可以包括氧化物化合物(例如，金属和/或半导体氧化物)和/或任何其他合适的化合
物，诸如金属和/或半导体氮化物、氮氧化物、氟化物和/或硼化物。例如，材料可以包括al、be、hf、la、mg、th、zr、w/或si的氧化物和/或其变体(例如氧化钇稳定的氧化锆)。间隔物材料优选基本上是非晶形的，但是可以附加地或可替代地具有任何合适的结晶度(例如，半结晶、纳米结晶和/或微晶、单晶等)。然而，间隔物120可以附加地或可替代地包括任何其它合适的材料(例如，如上所述的相关材料)。
95.间隔物可以包括两种或更多种材料的组合(例如，该组合能够调整材料属性、保护不太稳固的材料等)，但是可以可替代地包括单一材料。该材料组合可以包括合金、混合物(例如，各向同性混合物、各向异性混合物等)、多层堆叠和/或任何其他合适的组合。例如，多层堆叠可降低导热和/或导电性(例如，由于载流子边界散射)，和/或可增加间隔物的稳定性(例如，在高温、化学反应性环境中等)，诸如通过将不太稳定的材料部分或全部地封装在更稳定的材料层中。在第一特定示例中，间隔物120由铪铝酸盐合金制成。在第二特定示例中，间隔物120包括多层(例如，三层)结构，具有中间层(例如，包括氧化铝或含氧化铝的化合物(诸如氧化铪
‑
氧化铝合金)；包括氧化铪或含氧化铪的化合物(诸如氧化铪
‑
氧化铝合金)；优选为主要由这种材料组成)，中间层在两个外层(例如，包括铪或含铪化合物(诸如与中间层不同的铪
‑
氧化铝合金)；包括氧化铝或含氧化铝的化合物(诸如不同于中间层的氧化铪
‑
氧化铝合金)；优选为主要由这种材料组成)之间(例如，主要封装在其之间)，该两个外层具有彼此相同或不同的材料，这可以用于例如减少中间层中物质(例如al、hf等)在高温处的蒸发和/或结晶。在该第二特定示例中，第一外层优选接触第一电极内表面，并且第二外层优选接触第二电极内表面。
96.材料组合和/或表面功能化(例如，包括诸如氢、羟基、烃、氮、硫醇、硅烷等的封端(termination))可以附加地或可替代地用于改变(例如，增强、降低)表面粘附(例如，至电极内表面的表面粘附)、热和/或电接触、扩散(例如，相互扩散)、化学反应和/或任何其他合适的交界面属性和/或过程。例如，间隔物可以包括布置成与第一电极(例如，电子发射器或电子收集器)接触的第一层和布置成与第二电极(例如，该第二电极与第一电极相对)接触的第二层。在第一示例中，第一层表现出对第一电极的强粘附力(例如，第一层
‑
第一电极交界面具有低界面能)，第二层表现出对第二电极的弱粘附力(例如，第二层
‑
第二电极交界面具有高界面能)。在第二示例中，第一层和第二层对它们接触的相应电极都表现出弱粘附性(例如，具有高界面能，基本相等的界面能)。在第三示例中，第一层和第二层对它们接触的相应电极都表现出强粘附性(例如，具有低界面能，基本相等的界面能)。在特定示例中，接触阴极的间隔物表面包括h封端的表面功能化，接触阳极的间隔物表面包括oh封端的表面功能化。然而，间隔物可以包括任何其他合适的材料组合，并且间隔物可以附加地或可替代地包括采用任何合适布置的任何其他合适的元件。
97.1.2功率输入。
98.该系统可以可选地包括一个或更多个功率输入12。功率输入可以用于加热电子发射器和/或发射器模块的其他元件，从而向tec提供输入能量。功率输入优选为燃烧器，更优选为回热燃烧器(recuperating burner)。然而，功率输入可以可替代地包括任何其他合适的化学和能量输入、辐射热输入和/或任何其他热输入和/或可操作来加热电子发射器的其他元件。
99.功率输入(例如，燃烧器)优选地将热量(例如，燃烧热)传递到tec(例如，传递到发
射器模块，优选地在热量接收区域处和/或其附近)。热量可以辐射、对流、传导和/或以任何其他合适的方式传递。例如，功率输入可以在发射器模块的火焰接收区域附近和/或入射在其上产生火焰。
100.功率输入优选地布置在加热腔内。燃烧器产生的废气优选地在离开加热腔时将热量(例如，从其自身)传递给系统的其他元件。例如，废气可以将热量传递给一种或更多种气体(诸如燃烧器使用的输入气体(例如，空气或氧气、燃料等)和/或输出气体(诸如燃烧器废气))，传递给发射器模块(例如，发射器模块内壳和/或发射器桥)和/或传递给任何其他合适的元件。功率输入可以附加地或可替代地实现燃烧器和发射器模块(例如，内壳)之间的热传递(例如，辐射热传递)。
101.然而，功率输入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。
102.1.3气流模块。
103.该系统可以可选地包括一个或更多个气流模块13。气流模块可以包括一个或更多个风扇和/或导管。风扇(和/或能够引起流体流动的任何其他合适的元件(诸如鼓风机、压缩机等))优选地在tec冷却元件处和/或其附近引起气流(和/或任何其他合适的流体的流动)。流动的空气(或其他流体)优选地从冷却元件(和/或从系统的任何其他合适的元件，诸如收集器模块的其他元件)移除热量。在一些示例中，风扇迫使空气通过一个或更多个导管(例如，沿着由导管限定的气流路径)。
104.导管可用于限定一个或更多个气流路径。导管优选地将气流从冷却元件引导至加热腔(例如，其中气流在发射器桥处和/或其附近进入加热腔)。空气(和/或其他流体)可以从tec中移除热量，从而加热空气。热量优选地从冷却元件中被移除，但是可以附加地或可替代地从外壳、内壳和/或tec的任何其他合适的元件中移除。空气可以附加地或可替代地从燃烧器、从废气和/或从任何其他合适的热源中移除热量。该预热空气优选地供给燃烧器(例如，增加燃烧器效率)，但是可以附加地或可替代地以任何其他合适的方式使用(或者可以不使用)。
105.然而，气流模块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。
106.1.4操作温度。
107.在一些实施例中，在操作期间(例如，在执行下面描述的方法20时)，tec的一个或更多个元件优选地保持在诸如下面描述的温度范围内。例如，在加热腔内的功率输入在0
‑
5000w范围内(例如，150
‑
300w、150
‑
200w、200
‑
250w、250
‑
300w、300
‑
500w、500
‑
1000w、1000
‑
2000w或2000
‑
5000w等)和/或tec生成的电功率输出在0
–
2500w的范围内(例如，0
‑
10w、10
‑
20w、20
‑
40w、40
‑
60w、60
‑
100w、100
‑
200w、200
‑
500w、500
‑
1000w或1000
‑
2500w等)的基本稳定的操作条件下，温度范围可以上升。
108.在这些实施例中，电子发射器优选地具有高于500℃的温度(例如，在500
‑
800℃、800
‑
1000℃、1000
‑
1600℃、1100
‑
1400℃、1000
‑
1200℃、1200
‑
1300℃、1300
‑
1400℃、1400
‑
1600℃或1600
‑
2000℃等范围内的温度或者高于2000℃的温度)，更优选高于1000℃。内壳温度优选地沿着从电子发射器到发射器桥(其优选地在温度上低于电子发射器)的一个或更多个路径(例如，由内壳限定的传导路径)降低(例如，单调地降低，诸如严格的单调地降
低)。发射器桥优选具有明显低于电子发射器的温度，诸如至少低了阈值温度差(例如，100℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、900℃、1000℃、1200℃、100
‑
300℃、250
‑
750℃、400
‑
600℃、600
‑
800℃、800
‑
1200℃或多于1200℃等)和/或优选地具有高于100℃的温度(例如，300
‑
1200℃、100
‑
400℃、300
‑
500℃、500
‑
1000℃、1000
‑
1200℃、600
‑
700℃、700
‑
800℃和/或800
‑
1000℃等)，更优选为在300
‑
900℃(例如300
‑
600℃、600
‑
800℃或750
‑
900℃)范围内的温度。外壳温度优选地沿着从发射器桥到密封件和/或到发射器引线的一个或更多个路径(例如，由外壳限定的传导路径)(其中的每个的温度优选为低于电子发射器)降低(例如，单调地降低，诸如严格单调地降低)。密封件和发射器桥之间的温度差优选为小于(但也可以大于或基本等于)发射器桥和电子发射器之间的温度差。这些温度差之间的差优选大于50℃(例如，50
‑
100℃、100
‑
150℃、150
‑
300℃或大于300℃)，更优选为大于100℃。密封件的温度优选低于600℃(例如，300
‑
450℃、450
‑
600℃或低于300℃)，更优选低于450℃。因此，发射器模块温度优选地沿着从电子发射器到密封件和/或到发射器引线的一个或更多个路径(例如，由发射器限定的传导路径)降低(例如，单调地降低，诸如严格单调地降低)。
109.在这些实施例中，电子收集器优选具有低于700℃的温度(例如，100
‑
600℃、150
‑
350℃、200
‑
300℃、500
‑
700℃或低于100℃等)，更优选低于400℃。电子收集器优选处于与密封件相同的较低温度，但可以可替代地处于较高温度或具有基本相同的温度。例如，在电子收集器和密封件之间的温度差可以大于50℃(例如，50
‑
100℃、100
‑
150℃、150
‑
300℃或大于300℃等)，更优选为高于100℃。
110.在一些示例中(例如，其中功率输入为180
‑
200w和/或电功率输出为20
‑
30w，其中电子发射器维持在大约1200℃和/或冷却元件维持在大约300℃等)，tec的一个或更多个元件的操作温度等于如图6b所示的温度或在其阈值范围内(例如，在150℃、100℃、75℃、50℃、30℃或15℃内等)。虽然图6描绘了tec的特定轴对称示例(关于圆柱轴线对称)，但是tec的其他示例也可以表现出类似的温度(例如，在阈值范围内)和/或温度差(例如，其中元件的温度不同于图6中所示的温度，但是元件的温度之间的绝对差和/或比例差在图6中描绘的温度差的阈值范围内；其中绝对差阈值范围可以在150℃、100℃、75℃、50℃、30℃或15℃等的范围内；和/或其中比例差阈值范围可以在元件之一的绝对温度的1％、2％、5％、10％、15％、20％、25％或50％等之内)，和/或可以表现出任何其他合适的温度特性。
111.发射器模块的从电子发射器到密封件的热阻优选大于阈值(例如，5k/w、10k/w、15k/w、20k/w、25k/w、30k/w、40k/w、50k/w、3
‑
10k/w、10
‑
20k/w、20
‑
30k/w或30
‑
50k/w等)。内壳的(从电子发射器到发射器桥的)热阻优选大于外壳的(从发射器桥到密封件的)热阻，诸如限定热阻比大于阈值量(例如，至少大1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.5倍、2倍、2.5倍或3倍等)。
112.然而，tec的元件可以附加地或可替代地具有任何其他合适的温度(例如，在操作期间)和/或tec可以附加地或可替代地表现出任何其他合适的热属性。
113.1.5材料。
114.该系统的元件可以包括任何合适的材料和/或材料的组合(例如，由其制成)。该材料可以包括半导体、金属、绝缘体、2d材料(例如，2d拓扑材料、单层材料等)、有机化合物(例如，聚合物、有机小分子等)和/或任何其他合适的材料类型。
115.半导体可以包括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/或它们的合金)；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)；和/或任何其他合适的半导体。半导体可以是掺杂的和/或本征的。掺杂半导体优选由低扩散率掺杂剂掺杂，这可以(例如，在高温时)使掺杂剂迁移最小化。例如，n型si优选由p和/或sb掺杂，但是可以附加地或可替代地由as和/或任何其他合适的掺杂剂掺杂，并且p型si优选由in掺杂，但是可以附加地或可替代地由ga、al、b和/或任何其他合适的掺杂剂掺杂。半导体可以是单晶的、多晶的、微晶的、非晶形的和/或具有任何其他合适的结晶度或其混合物(例如，包括被非晶区域包围的微晶区域)。
116.金属可以包括碱金属(例如li、na、k、rb、cs、fr)、碱土金属(例如be、mg、ca、sr、ba、ra)、过渡金属(例如，sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、sn、zr、nb、mo、au、ru、rh、pd、ag、cd、hf、ta、w、re、ir、pt、hg、ga、tl、pb、bi、sb、te、sm、tb、ce、nd)、后过渡金属(例如al、zn、ga、ge、cd、in、sn、sb、hg、tl、pb、bi、po、at)、类金属(例如b、as、sb、te、po)、稀土元素(如镧系元素、锕系元素)、合成元素(如am、cm、bk、cf、es、fm、md、no、lr、rf、db、sg、bh、hs、mt、ds、rg、cn、nh、fl、mc、lv、ts)、任何其他合适的金属元素和/或任何合适的合金、化合物和/或其他金属元素的混合物。
117.绝缘体可以包括任何合适的绝缘(和/或宽带隙半导体)材料。例如，绝缘体可以包括绝缘金属和/或半导体化合物，诸如氧化物、氮化物、碳化物、氮氧化物、氟化物、硼化物和/或任何其他合适的化合物。
118.2d材料可以包括任何合适的2d材料。例如，2d材料可以包括石墨烯、bn、金属二硫化物(例如mos2、mose2等)和/或任何其他合适的材料。然而，该系统可包括任何其他合适的材料。
119.该系统的元件可以包括采用任何合适的布置(例如，多层；超晶格；具有显微结构元素，诸如内含物、枝晶、薄片等)的材料(例如，上述材料、其他合适的材料等)的任何合适的合金、化合物和/或其他的混合物。
120.然而，该系统可以附加地或可替代地包括采用任何合适的布置的、包括任何合适的成分和/或功能的任何其他合适的元件。
121.2.方法。
122.用于热离子能量生成的方法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传递热量和/或任何其他合适的元素(例如，如图7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。
123.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。
124.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(powder)包括在火焰接收区域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。
125.发射电子优选在电子发射器处(和/或其附近)执行。响应于接收功率(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)，电子发射器优选发射电子(例如，热离子发射电子)。电子优选发射到腔室中，更优选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。
126.接收发射的电子优选在电子收集器处进行。电子优选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。
127.该方法可以可选地包括对流传递热量。对流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。
128.虽然为简明起见而省略，但是优选实施例包括各种系统部件和各种方法过程的每个组合和排列。此外，优选方法的各个过程可以至少部分地作为配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器被体现或实现。指令优选地由优选地与系统集成的计算机可执行部件来执行。计算机可读介质可以存储在任何适当的计算机可读介质上，诸如ram、rom、闪速存储器、eeprom、光学设备(cd或dvd)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何适当的设备。计算机可执行部件优选地是通用或专用处理子系统，但是任何合适的专用硬件设备或硬件/固件组合设备可以附加地或可替代地执行指令。
129.附图示出了根据优选实施例、示例配置及其变型的系统、方法和计算机程序产品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块可以代表模块、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，在块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，连续地显示的两个块事实上可以基本上同时执行，或者块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块，以及框图和/或流程图说明中的块的组合，可以由进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。
130.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。