JP7713564B2 - 熱電子エネルギー変換システムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
［０００１］本出願は、２０２０年５月６日に出願された米国仮出願番号６３／０２０，９８６に対する優先権を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

［０００２］本出願は、２０１９年１２月１６日に出願された米国特許出願番号１６／７１５，７０５、および２０１９年１１月６日に出願された米国特許出願番号１６／６７６，１３１に関連し、これらはそれぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

政府支援声明
［０００３］本発明は、米国国防高等研究計画局によって授与された契約番号Ｗ９１１ＮＦ－１８－Ｃ－００５７の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。

技術分野
［０００４］本発明は、一般に熱電子エネルギー変換分野に関し、より具体的には、熱電子エネルギー変換分野における新規で有用なシステムおよび方法に関する。

［０００５］多くの典型的な熱電子エネルギー変換器（thermionic energy converter：ＴＥＣ）は、コレクタ温度および／または電極間間隔の制御が不十分である。さらに、作業機能低下材料（セシウムなど）の管理は、このようなＴＥＣで困難となり得る。したがって、熱電子エネルギー変換の分野において、熱電子エネルギー変換のための新規で有用なシステムおよび方法を作り出す必要がある。

図１は、熱電子エネルギー変換システムの一実施形態の概略図である。 図２Ａ～２Ｇは、界面層の様々な例を示す図である。 図３Ａは、システムの一実施例の概略図である。 図３Ｂは、図３Ａに示すシステムの実施例の動作の一例を示す概略図であり、界面層を横切る熱勾配を有する。 図４は、システムの一例を示す概略図である。 図５は、多孔性界面材料とシャントを含むシステムの一例の概略図である。 図６Ａは、システムの変形例の一部の断面図および変形の具体例の概略図である。 図６Ｂは、システムの変形例の一部の断面図および変形の具体例の概略図である。 図７は、熱電子エネルギー生成方法の概略図である。

［００１４］以下の本発明の好適な実施形態の説明は、本発明をこれらの好ましい実施形態に限定することを意図するものではなく、当業者が本発明を製造および使用できるようにすることを意図している。

１．利益
［００１５］この技術のバリエーションは、いくつかの利点および／または利益を与えることができる。

［００１６］第１に、この技術のバリエーションでは、電子コレクタの温度を、目標電子コレクタ動作温度またはその近辺（±１℃、±５℃、±１０℃、±２０℃、±３０℃、±５０℃、±１００℃など）に確実に収めることができる。具体例では、界面層は、電子コレクタを冷却機構および／または他の熱制御要素に（例えば、直接的または間接的に）熱的に結合することができる。

［００１７］第２に、この技術のバリエーションは、電子コレクタと電子エミッタとの間の所望の間隔（または間隔範囲）を維持することができる（例えば、効率的な熱電子エネルギー変換器動作のための適切な電極間ギャップを確立する）。例えば、界面層は、電子コレクタを電子エミッタに対して適切な位置に維持するために、電子コレクタに力を加えることができる（例えば、電極間ギャップを維持するように機能する１以上のスペーサ要素に電子コレクタを押し付ける）。いくつかの例では、界面層は機械的にコンプライアントであり、これが（例えば、システムがシステム動作温度へおよび／またはそこから移行するとき、システム内の要素の温度が動作中に変化するときなど）熱膨張及び／又は収縮による１以上の構成要素（例えば、スペーサ、電子コレクタ、電子エミッタ、封入体など）の寸法変化に適応するように機能し得る。

［００１８］第３に、この技術のバリエーションは、仕事関数低減材料（例えば、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒなどのアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属、および／またはこれらの酸化物など、そのような元素を含む材料）を貯蔵（および／または放出）することができる。具体例では、仕事関数低減材料を界面層に含めることができ、システム内の仕事関数低減材料のための（および／または供給のための）別個のリザーバの必要性をなくすことができる。

［００１９］第四に、この技術のバリエーションは、システム内の仕事関数低減物質の位置および／または量を制御することができる。いくつかの熱電子エネルギー変換器では、仕事関数低減材料の位置、量、および／または濃度に応じて、仕事関数低減材料がシステム内に望まない電気経路を形成し（例えば、コレクタとエミッタ間の寄生シャントおよび／または短絡）、システムの構成要素と反応し、電子コレクタの仕事関数を不適切に変更し（例えば、仕事関数低減材料によるコレクタ表面の不十分または過剰なコーティングにより、仕事関数低減が不適切または過剰となり得る）、および／または他の方法でシステムの動作に影響を与える可能性がある。この技術のバリエーションは、仕事関数低減材料の制御を通じて、１以上のそのような問題を回避または軽減するように機能し得る。具体例では、界面層（および／またはシステムの他の要素）の構造、温度、および／または温度勾配は、界面層内の仕事関数低減材料を局在化し、および／または別の方法で仕事関数低減物質の位置、量、および／または濃度を制御することができる。

［００２０］ただし、この技術のバリエーションは、他の適切な利点および／または利益を与えることができる。

２．システム。
［００２１］図１に例を示すように、熱電子エネルギー変換システム１００は、１以上の電子コレクタ１１０、界面層１２０、封入体（encapsulation）１３０、および／または電子エミッタ１４０を含み得る。しかしながら、システムは、追加的または代替的に任意の他の適切な要素を含むことができる。

［００２２］いくつかの例では、システムは、２０２０年５月２６日に出願された「SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION」という名称の米国特許出願第１６／８８３，７６２号に記載されるような１以上の要素を含むことができ（例えば、米国特許出願第１６／８８３，７６２号の「エミッタモジュール１００」は電子エミッタを含み、米国特許出願第１６／８８３，７６２号の「コレクタモジュール２００」は電子コレクタおよび／または界面層を含み、「エミッタモジュール１００」、「コレクタモジュール２００」、および／または「シール３００」のうちの１以上が封入体の１以上の要素を含むなど）、これは参照によりその全体が本書に組み込まれる。例えば、システム１００は、電子エミッタ１４０と封入体１３０の第１の部分とを含むエミッタモジュール（例えば、米国特許出願第１６／８８３，７６２号に記載の「エミッタモジュール１００」に類似）と、電子コレクタ１１０、界面層１２０、および封入体１３０の第２の部分を含むコレクタモジュール（例えば、米国特許出願第１６／８８３，７６２号に記載の「コレクタモジュール２００」に類似）、および／または封入体１３０の第３の部分を含むシール（例えば、米国特許出願第１６／８８３，７６２号に記載の「シール３００」に類似）とを含み得る。システムは、好ましくは、熱入力を電気エネルギー出力に変換するように機能する。

［００２３］電子コレクタ（例えば、アノード）は、好ましくは、電子（例えば、熱イオン的に放出された電子などの電子エミッタから放出された電子）を収集するように機能する。電子コレクタの少なくとも１つの広面は、好ましくは電子エミッタの少なくとも１つの広面とギャップ（電極間ギャップ）を介して対向する。ギャップは、好ましくは、電子コレクタと電子エミッタとの間の分離距離（電極間間隔）を規定する。いくつかの例では、電極間間隔は、好ましくは１００ｎｍ～１ｍｍであるが、代替的に１００ｎｍ未満または１ｍｍ超であってもよい。ギャップ（例えば、平均ギャップ、最小ギャップなど）は、好ましくは閾値最小幅（例えば、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および／または３００～１０００μｍ等）より大きいが、追加的または代替的に、１００ｎｍ未満や任意の他の適切な幅を有することができる。ギャップ（例えば、平均ギャップ、最小ギャップなど）は、好ましくは閾値最大幅（例えば、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、および／または１０００～３０００μｍなど）未満であるが、追加的または代替的に、３ｍｍ超または他の適切な幅を有してもよい。例えば、ギャップは、０．２～２０ｍｍ（例えば、１～１０、１～３、３～６、５～１０、または１０～２０ｍｍなど）の範囲の幅を有し得るが、追加的または代替的に、より狭くてもよい（あるいは、存在しないか実質的に存在しなくてもよい）。しかしながら、ギャップ幅は、追加的または代替的に、２０～５０ｍｍ、５０～２００ｍｍ、または２００ｍｍ超であってもよい。

［００２４］ギャップは、スペーサ１５０によって規定および／または維持することができる（例えば、２０１９年１１月６日に出願され、「SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION」という名称の米国特許出願第１６／６７６，１３１号に記載のように。その全体がこの参照により組み込まれる）。例えば、電子コレクタは、コレクタとエミッタとの間の電極間ギャップ内に配置された（そして維持された）スペーサに対して（例えば、界面層によって）押し付けることができる。しかしながら、ギャップは、追加的または代替的に、ポケットや他の機械的固定具によって、および／または他の適切な方法で維持してもよい。

［００２５］電子コレクタは、好ましくは界面層に（例えば、機械的、電気的、熱的、化学的などで）結合される。電子コレクタは、好ましくは電子エミッタに対向しない少なくとも１つの広面に沿って界面層に結合されるが、電子コレクタは、任意の適切な広面に沿って界面層に結合されてもよい。電子コレクタは、好ましくは導電性および／または半導電性である。例えば、電子コレクタは、金属（例えば、高融点金属および／またはタングステン、モリブデン、プラチナ、ニッケル、ニッケル合金、超合金、ステンレス鋼、ニオブ、イリジウム、タンタルなどの低仕事関数金属；単独で低い仕事関数を示す金属；任意で酸素を含むバリウム、ストロンチウム、および／またはセシウム環境といった仕事関数が低下する環境にさらされると低い仕事関数を示す金属など）、半導体（ｎ型半導体、ｐ型半導体、それぞれ参照により全体が本書に組み込まれる２０１９年１２月１６日出願の米国特許出願番号１６／７１５，７０５、名称「SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION」、および／または２０１９年１１月６日出願の米国出願番号１６／６７６，１３１、名称「System and Method for Thermionic Energy Conversion」に記載のようなコレクタ材料などのコレクタ材料）、および／またはその他適切な材料、の１以上を含む（すなわち、から作られる）ことができる。

［００２６］典型的な熱電子エネルギー変換器の動作中に、電子コレクタの温度が上昇することがある（例えば、最適動作温度を超える、目標動作温度を超える、コレクタ材料の相転移温度を超えるなど）。温度上昇は、電子エミッタからの熱伝達（例えば、放射、伝導、対流、それらの組み合わせなど）、電子エミッタからの電子の受け取り、システムを通る寄生熱流束、および／または他の方法で生じ得る。電子コレクタは、一般に、閾値温度（例えば、電子エミッタ動作温度未満の閾値温度）未満で最高の効率を達成する。したがって、電子コレクタを目標の電子コレクタ温度または温度範囲に冷却し、および／または維持（例えば、動作中）することは有益であり得る。

［００２７］電子コレクタは、好ましくは、コレクタの仕事関数を低減するように機能し得る１以上の仕事関数低減材料に結合されるかそれを含む。例えば、システム内に存在する仕事関数低減材料（例えば後述するように、界面層内に保持されるか、および／またはシステム筐体内に蒸気として存在する）は、電子コレクタの表面上に堆積し、その上に存在し、および／または他の態様で相互作用している。仕事関数低減材料は、好ましくは、１以上のアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属（および／または酸化物および／またはフッ化物などのそれらの化合物）を含み、より好ましくは電子コレクタ表面などの１以上の表面をコーティング（例えば、単層またはいくつかの単層として）または部分的にコーティングする（例えば、部分的な単層として）。しかしながら、電子コレクタは追加的または代替的に、フッ化プニクトゲン（例えば、三フッ化窒素などのフッ化窒素、フッ化リン、フッ化ヒ素、フッ化アンチモン、フッ化ビスマスなど）および／または任意の他の適切な材料を含むことができる。

［００２８］具体例では、電子コレクタは、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２０１９年１１月６日出願の米国特許出願番号１６／６７６，１３１「SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に記載の「電子コレクタ」（またはその要素）、および／または２０１９年１２月１６日出願の米国特許出願番号１６／７１５，７０５「SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に記載の「アノード」（またはその要素）であるかそれを含むことができる。

［００２９］しかしながら、システムは追加的または代替的に、任意の他の適切な電子コレクタを含むことができる。

［００３０］電子エミッタは、好ましくは、電子を放出するように機能する（例えば、電子エミッタ温度が閾値温度を超えたとき）。電子は、好ましくは電極間ギャップに放出される（例えば、ギャップに近接するエミッタの表面から放出される電子）が、追加的または代替的に、任意の適切な方向に、任意の適切なエミッタ表面および／または任意の適切なコンポーネントからされてもよい。電子エミッタ（すなわちカソード）は、好ましくは、１以上の金属、好ましくはタングステン、タンタル、レニウム、ルテニウム、モリブデン、ニッケル、クロム、１以上の超合金（例えばインコネル、ハステロイ、カンタルなど）、ニオブ、プラチナ、ロジウム、イリジウムなどの高融点金属を含む（すなわち、などである、本質的にそうである）が、追加的または代替的に、任意の他の適切な金属であってもよい。しかしながら、電子エミッタは、追加的または代替的に１以上の半導体材料、絶縁材料、および／または任意の他の適切な材料を含むことができる。

［００３１］電子エミッタは、エミッタの仕事関数を低減するように機能し、および／またはエミッタから放出される電子の数および／またはエネルギーを増加させることができる、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属コーティング（および／またはその酸化物および／またはフッ化物）などの仕事関数低減材料に結合および／またはそれを含むことができる。仕事関数低減材料は、好ましくは、ギャップに近接するエミッタの表面上にある（例えば、付着のみ、常駐、仕事関数を低減するのに効果的など）が、追加的または代替的にエミッタ内に拡散していてもよく、および／または他の方法でエミッタに含まれてもよい。しかしながら、電子エミッタは、追加的または代替的に、フッ化プニクトゲン（例えば、三フッ化窒素などのフッ化窒素、フッ化リン、フッ化ヒ素、フッ化アンチモン、フッ化ビスマスなど）および／または任意の他の適切な材料を含むことができる。

［００３２］具体例では、電子エミッタは、２０１９年１１月６日に出願された米国特許出願番号１６／６７６，１３１「SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に記載の「エミッタモジュール」および／またはその任意の適切な構成要素、および／または２０１９年１２月１６日に出願された米国特許出願番号１６／７１５，７０５「SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に記載の「カソード」を有するかそのように構成され、これらは本参照により全体が本書に組み込まれる。

［００３３］封入体は、好ましくは、システムの近くの（例えば、システムを取り囲む）外部環境からシステムを隔離するように機能する。封入体は、追加的または代替的に、電子コレクタからエネルギーを放散させ、電子コレクタおよび／またはシステムに機械的支持を提供し、および／または任意の他の適切な機能を提供するように機能することができる。封入体は、界面層に結合してもよい。封入体は、好ましくは、界面層を介して電子コレクタと対向するように配置される。封入体は、好ましくは、界面層の少なくとも１つの広面において界面層に（例えば、機械的、熱的になど）接続および／または別の方法で結合され、好ましくは、電子コレクタに接続されている界面層の第２の広面に対向する界面層の第１の広面に接続することができる（例えば、図３Ａ～３Ｂに示すように）。しかしながら、封入体は、任意の適切な方法で界面層に結合することができる。

［００３４］封入体は、好ましくは、電子エミッタ、電子コレクタ、および／または界面層を取り囲むチャンバを画定する。このチャンバは、好ましくは、システムおよび／または封入体を取り囲む周囲環境（例えば、大気）から流体的に隔離される。チャンバ環境は、好ましくは、周囲環境と比べて低圧（例えば、完全真空または部分真空）であるが、同じ圧力および／または高圧であってもよい。チャンバは、１以上の表面（例えば、エミッタ表面、コレクタ表面など）と相互作用して当該表面の仕事関数を変更する（例えば、減らす）種（species）など、１以上の種（例えば、バリウム、セシウム、酸素、ナトリウム、ストロンチウム、ジルコニウムなど）を封入することができる。いくつかの例では、１以上のそのような種を充填材料として格納し（例えば、以下に詳述するように）、この充填材料がチャンバ内で種の蒸気圧を発生させるようしてもよい。１以上の種が流体相（例えば、気体）中に存在するようなバリエーションでは、通常のシステム動作時など、それぞれの種（および／またはすべての種をまとめたもの）の圧力（および／または分圧）は、第１の閾値圧力（例えば、１×１０^－６、２×１０^－６、５×１０^－６、１×１０^－５、２×１０^－５、５×１０^－５、１×１０^－４、２×１０^－４、５×１０^－４、１×１０^－３、２×１０^－３、５×１０^－３、１×１０^－２、２×１０^－２、５×１０^－２、１×１０^－１、２×１０^－１、５×１０^－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、および／または５～１００Ｔｏｒｒ、８００Ｔｏｒｒ以上、１０^－６Ｔｏｒｒ以下）以上、第２の閾値圧力（例えば、１×１０^－６、２×１０^－６、５×１０^－６、１×１０^－５、２×１０^－５、５×１０^－５、１×１０^－４、２×１０^－４、５×１０^－４、１×１０^－３、２×１０^－３、５×１０^－３、１×１０^－２、２×１０^－２、５×１０^－２、１×１０^－１、２×１０^－１、５×１０^－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、および／または５～１００Ｔｏｒｒ、８００Ｔｏｒｒ以上、１０^－６Ｔｏｒｒ以下）未満、および／または任意の適切な圧力（または分圧）であり得る。具体例では、通常のシステム動作中、システムは０．１～１０Ｔｏｒｒ（例えば、０．２～５、０．５～２、および／または約１Ｔｏｒｒなど）の充填材料（例えば、セシウム）に存在する１以上の種の蒸気圧を含む。しかしながら、チャンバは、追加的または代替的に任意の他の適切な特性を有することができる。

［００３５］バリエーションにおいて、封入体は、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２０１９年１１月６日出願の米国特許出願第１６／６７６，１３１号「SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に記載のコレクタリード、エミッタリード、冷却要素、シール、および／または他の構成要素のうちの１以上を含むことができる。しかしながら、封入体は、任意の適切な方法を含むおよび／または配置することができる。

［００３６］シールは、好ましくは、電子エミッタを電子コレクタ（および／または封入体、界面層、または他の構成要素）に機械的に（好ましくは電気的にではなく）結合するように機能する。シールは、追加的または代替的に、チャンバ環境を周囲環境から隔離するように機能し得る（例えば、封入体の他の部分と協働して）。シールは、好ましくは、１以上の電気絶縁材料を含み、より好ましくはＴＥＣ動作中のシール温度に耐える（例えば、溶融、変形、分解、および／またはチャンバ環境に存在する他の種との化学反応などを起こすことなく）ことができる材料を含む。材料は、好ましくはガラスおよび／またはセラミック（例えば、バルクセラミック、堆積セラミックなど、結晶セラミックおよび／またはアモルファスセラミック）である。例えば、シールは、１以上のホウ化物、炭化物、酸化物、および／または窒化物材料、および／または任意の他の適切な材料を含むことができる。具体例では、シールは、アルミナ（例えば、サファイア、非晶質アルミナなど）、窒化アルミニウム、シリカ、ケイ酸ガラス、シリコン、炭化シリコン、窒化シリコン、および／または任意の他の適切な材料のうちの１以上を含む。しかしながら、シールは、追加的または代替的に任意の他の適切な材料を含むことができる。

［００３７］封入体は、好ましくは、電子コレクタ（および／またはシステムの任意の他の適切な要素）からの熱除去を促進するように機能し得る１以上の冷却要素１３１を含む（および／またはそれに熱的に結合される）。熱除去は、好ましくは対流的に（例えば、空気流モジュールと協働して、冷却流体と協働してなど）達成されるが、追加的または代替的に、放射熱除去、伝導熱除去、および／または他の適切なメカニズムによる熱除去を含み得る。冷却要素は、好ましくは電子コレクタおよび／または界面層を、動作中に目標温度（例えば、０～１００、１００～２００、２００～４００、４００～６００、２００～２７５、２５０～３５０、３２５～４００。および／または２７５～３２５℃、例えば３００℃の目標温度）以下の、例えば目標温度とより低い温度（例えば、周囲環境温度（「室温」）、０、１０、２０、２５、３０、５０、７５、１００、１５０、２００、２５０、０～２５、２５～５０、５０～１００、１００～２００、および／または２００～３００℃など）との間に維持する。冷却要素は、好ましくは、電子コレクタに（例えば、界面層によって）熱的に結合される。いくつかの例では、冷却要素は、（例えば、空気、水、グリセロールなどの熱伝達流体において）乱流を誘発するように機能することができる、および／またはそうでなくとも冷却要素との流体相互作用（例えば、熱伝達）を増加させる、好ましくは金属を含む（例えば、金属で作成される）１以上の表面改変部（surface modifiers）を含む。そのような表面改変部には、フィン（例えば、平行プレート）、バッフル、リブ、ディンプル、および／または任意の他の適切な構造が含まれ得る。

［００３８］冷却要素は、受動冷却要素（例えば、ヒートシンク、ヒートスプレッダ、ヒートパイプなど）および／または能動冷却要素（例えば、強制空気、強制液体、熱電冷却器など）を含み得る。いくつかの例では、システムは、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２０２０年５月２６日出願の米国特許出願第１６／８８３，７６２号「SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に記載のような１以上の温度制御要素（例えば、冷却要素を含む）を含むことができる（例えば、米国特許出願第１６／８８３，７６２号に記載の１以上の「気流モジュール１３」の要素）。

［００３９］例として、図３Ａ、３Ｂ、および４に示すように、冷却要素は、好ましくは、界面層（および／または電子コレクタ）の近位に配置され、および／またはそうでなくとも界面層および／または電子コレクタの冷却を（例えば、システムの他の要素よりも）優先するように構成される。そのような構成は、冷却要素が近位に配置され、および／またはシステムの他の要素の冷却を優先させるような代替配置よりも利点を提供することができる。そのような他の要素は、シール、加熱キャビティ開口部および／またはその近くに配置された要素、および／または任意の他の適切な要素を含み得る。例えば、この構成は（例えば、熱電子エネルギー変換器の動作中に）界面層を他の構成よりも低い温度、例えば４５０、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０、１００、５０、５０～１５０、１００～２００、１５０～２５０、２００～３００、および／または３００～４５０℃などの閾値温度未満の温度、またはその他の適切な温度（そして、いくつかの例では、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０、１００、５０、０、０～１００、５０～１５０、１００～２００、１５０～２５０、２００～３００、および／または３００～４００℃の第２の閾値温度以上）に界面層を維持することができ、界面層の近く（例えば、内部）の近位におけるデバイス効率の向上および／またはより大きな仕事関数低減材料の局在化をもたらす。

［００４０］しかしながら、冷却要素は、任意の適切な構成を有する任意の他の適切な要素を追加的または代替的に含むことができる。

［００４１］いくつかの例では、封入体は、１以上の加熱要素１３２を含み得る（および／または熱的に結合する）。例えば、封入は、冷却要素に対して界面層の近位に配置された加熱要素を含むことができる（例えば、図４に示すように）。しかしながら、封入体は、追加的または代替的に、加熱要素に対して界面層の近位に配置された冷却要素を含んでもよく、および／または加熱要素と冷却要素の任意の他の適切な配置を有してもよい。（好ましくは、１以上の冷却要素と協働する）加熱要素は、界面層などのシステムの他の要素の温度制御を可能におよび／または改善するように機能し得る（例えば、それによって、界面層に格納された液体セシウムの気化の制御など、界面層内に含まれる充填材料に対する優れた制御を可能にする）。例えば、加熱要素による熱出力を変化させることにより、界面層の温度を制御することができる（例えば、界面層の温度を効率的なシステム動作のための所望の温度範囲内に維持することを可能にする。例えば、最小と最大がそれぞれ１００～３００℃の範囲内および／または電子コレクタ温度よりそれぞれ０～２００℃低い温度範囲など）。しかしながら、システムは、追加的または代替的に、他の適切な機能を有する他の適切な加熱要素を含むことができる（および／または加熱要素を含まなくてもよい）。

［００４２］界面層は、好ましくは、電子コレクタを封入体（および／または封入体の任意の適切な構成要素および／または外部ロードなどの外部システム）に結合する（例えば、熱的、電気的、機械的、および／または化学的など）ように機能する。界面層の少なくとも１つの広面は、好ましくは電子コレクタと接触し（例えば、接触、機械的接続など）、少なくとも１つの広面が、好ましくは封入体と接触している。電子コレクタと接触する少なくとも１つの広面は、好ましくは、封入体と接触する少なくとも１つの広面とは異なる（例えば、２つの広面が界面層を介して互いに対向している）が、同じ広面（単数でも複数でも）が電子コレクタおよび封入体と接触してもよい。界面層は、点接触（例えば、１以上の別個の点）、エッジ接触、表面接触、体積接触、および／または任意の適切な接触であり得る。いくつかの実施形態では、界面層は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２０１９年１１月６日出願の米国特許出願第１６／６７６，１３１号「SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に記載の「コレクタブリッジ」を含む（および／または機能する）ことができる。界面層は、好ましくは、チャンバ環境と流体連通（例えば、流体接触）している（例えば、電極間ギャップに流体結合している）。

［００４３］具体例では、界面層は、接着され（例えば、接着剤を使用したり、仕事関数低減材料や充填材などによって生成される表面張や湿潤などの接着力を使用するなど）、加工され（例えば、成長および／または堆積、エッチングなどで規定されるなど）、統合され（例えば、部分的および／または完全なインターカレーション）、取り付けおよび／または固定され、溶接され、嵌め込まれ（例えば、界面層の構造的な保持機能、および／または相補的な雄部分と雌部分、ねじ部分などの他の嵌合要素を含む）、機械的に連結され、静電的および／または磁気的に結合され、結合力および／または機構がまったくなしか実質的になしで接触され、および／または他の方法でコレクタおよび／または封入体と接触している。しかしながら、界面層（および／または別個の界面層）は、任意の適切な構成要素と接触し、任意の方法で構成することができる。

［００４４］界面層は、好ましくは、コンプライアント（例えば、変形可能）である。このようなコンプライアンスは、１以上のシステム構成要素の機械的変化（例えば、熱膨張および／または収縮、圧力差から生じる力などの力に応じた変形など）に対応するように機能し、好ましくはシステムの動作および／または機能を実質的に低下させない。界面層は、好ましくは弾性的に変形可能であるが、追加的または代替的に、非弾性的に変形可能、弾力的に変形可能、および／または任意の適切な変形を有することができる。界面層は膨張および／または収縮することができる。界面層が膨張および／または収縮するとき、電子コレクタと電子エミッタとの間の分離距離（および／または配向）は、好ましくは実質的に一定のままである（例えば、変化しない；実質的に変化しない；１％、２％、５％、１０％、２０％、０．１～１％、１～２％、２～５％、５～１０％、１０～２０％、２０～３０％など、０％以上の閾値量未満だけ変化する）。しかしながら、代替的に、閾値量（例えば、１％、２％、５％、１０％、２０％、０．１～１％、１～２％、２～５％、５～１０％、１０～２０％、２０～３０％など）だけ、またはそれ以上に変化するなど、実質的に変化してもよい（例えば、界面層が動作温度に達したときに分離距離および／または配向に到達することができる）。界面層のばね定数（例えば、界面層をフックばねとしてモデル化）は好ましくは１０～５００ｋＮ／ｍであり、例えば２５、５０、７５、１００、１５０、２００、２５０、３００、４００、１０～５０、５０～１００、１００～２００、および／または２００～５００ｋＮ／ｍであるが、１０ｋＮ／ｍ未満や、５００ｋＮ／ｍより大きくてもよく、および／または任意の他の適切な値を有することができる。いくつかの例では、界面層は、マイクロ機械加工および／またはナノ加工されたばねなどの１以上のばね（例えば、カンチレバーばね、コイルばねなど）を含む（例えば、から作られる）ことができる。しかしながら、界面材料は、所望のコンプライアンスを達成するように構成された任意の他の適切な要素を追加的または代替的に含むことができる。

［００４５］界面層は、好ましくは、１以上の界面材料を含む（例えば、から作られる、から構成される）。界面材料は、好ましくは１以上の電子コレクタ材料（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣおよび／またはそれらの合金などのＩＶ族半導体、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、および／またはそれらの合金などのＩＩＩ－Ｖ族半導体、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＭｇＳ、および／またはそれらの合金などのＩＩ－ＶＩ族半導体などの半導体）と相溶性である（例えば、反応しない、閾値反応速度未満の速度で反応する、拡散しない、閾値拡散係数未満の拡散係数（および／または相互拡散係数）を有するなど）。具体例では、界面材料はコレクタ材料への拡散係数が低く（例えば、０℃、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃などで；電子コレクタ動作温度で；界面層温度で；封入体温度でなど）、その拡散係数（および／または相互拡散係数）は約１×１０^－９ｃｍ^２／秒未満などであり、例えば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未満である。しかしながら、界面材料は（例えば、０℃、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃などで；電子コレクタ動作温度で；界面層温度で；封入体温度でなど）、コレクタ材料への拡散係数（および／または相互拡散係数）は、約１×１０^－９より大きくてもよく、および／または任意の適切な拡散係数であってよい。界面材料は、金属（例えば、ニッケル、タンタル、ジルコニウム、チタン、タングステン、モリブデン、レニウム、ハフニウム、鉄、銅など）、仕事関数低減材料の前駆体、合金（例えば、タングステン－レニウム、タングステン－レニウム－ハフニウムカーバイド、インコネル、ハステロイ、インコロイ、モネル、ニモニック、ステライト、白銅、鋼、ステンレス鋼など）、炭素質材料（例えばグラファイト）、および／または任意の適切な材料の１以上を含むことができる。仕事関数低減材料の前駆体は、好ましくは、仕事関数低減材料の酸化物（例えば、クロム酸塩、重クロム酸塩、酸化物、超酸化物、過酸化物、アルミン酸塩、ケイ酸塩、ホウ酸塩、チタン酸塩、バナジン酸塩、バナダイト、鉄酸塩、過マンガン酸塩、マンガン酸塩など）である。しかしながら、仕事関数低減材料前駆体は、追加的または代替的に、仕事関数低減材料の硫化物、窒化物、アジ化物、ハロゲン化物、および／または任意の適切なアニオン塩、および／または任意の他の適切な前駆体を含むことができる。

［００４６］界面層が金属（チタン、ハフニウム、ジルコニウム、鉄、ニッケル、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、ベリリウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムなど）および仕事関数低減材料前駆体を含む一例では、金属は仕事関数低減材料前駆体と反応して（例えば、界面層が反応温度に達すると、ＴＥＣの通常動作中に達成されるような特定のチャンバ圧力などで）、仕事関数低減材料を放出することができる。

［００４７］具体例では、界面層は、犠牲金属（例えば、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、鉄、ニッケル、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、ベリリウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムなど）および仕事関数低減材料前駆体（例えば、クロム酸セシウム（Ｃｓ_２Ｃｒ０_４））を含み得る。犠牲金属は、構造成分として、コーティングとして、犠牲金属リザーバ内に、非構造成分として、および／または別の方法で界面層に含めることができる。界面層が閾値温度（例えば、室温、目標動作温度、反応温度など）に達すると、「Ｍ」で示す犠牲金属の一部がＣｓ_２Ｃｒ０_４と反応して、ＣｓとＭ_２（Ｃｒ０_４）_ｘを生成し得る。

［００４８］いくつかのバリエーションでは、界面層を（部分的および／または全体的に）コーティングすることができる。コーティングは、界面層および／または界面材料（および／またはシステムの他の要素との界面）の電気的、熱的、機械的、化学的、および／または他の特性を変更するように機能し得る。例えば、コーティングは、界面層とそれが接触する要素（例えば、コレクタおよび／または封入体）との間の熱伝導および／または電気伝導を改善するように機能することができる。コーティングは、界面材料と同じであっても異なっていてもよい（例えば、界面材料の１以上を含むことができ、界面材料に関して上述した材料や、界面材料とは異なる材料を含むことができる）。コーティングは、堆積、成長、めっき（例えば、電気めっき）、ディップコーティング、スプレーコーティング、ロールコーティング、および／または界面材料を別の方法でコーティングすることができる。界面材料がタングステンおよび／またはコバルトを含む第１の具体例では、コーティングは銅を含み得る。界面材料が銅を含む第２の具体例では、コーティングはニッケルを含み得る。しかしながら、任意の適切なコーティングを任意の界面材料に使用することができる。

［００４９］界面層は、追加的または代替的に、１以上の充填材料を格納する機能を果たし得る（例えば、充填材料のリザーバとして機能する）。充填材料は、好ましくは流体（例えば、液体、気体、超臨界流体など）、より好ましくは液体などの凝縮相であるが、追加的または代替的に、固体、プラズマ、および／または物質の任意の他の相の物質を含み得る。いくつかの実施形態では、充填材料は、界面層の物理的および／または化学的特性（熱伝導率、電気伝導率、変形性、ばね定数、拡散率など）を変更（例えば、決定、増加、減少など）することができる。例えば、充填材料は、コレクタと封入体の間の結合（例えば、熱的、電気的など）を増大させるように機能し得る。充填材料は、界面層を部分的または完全に湿潤すること（wet）が好ましいが、代替的に界面層に対して非湿潤性であってもよい。界面層に対する充填材料の湿潤性は、界面層の構造（例えば、ナノスコピック構造、メソスコピック構造、マクロスコピック構造など）、界面材料、充填材料、界面層の表面エネルギー、界面層の表面処理、および／または界面層の任意の適切な特性に基づいて制御することができる。

［００５０］充填材料は、好ましくは仕事関数低減材料（例えば、セシウム、バリウム、ストロンチウムなどのアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属）であり、界面層が仕事関数低減材料のための一体的なリザーバとして機能する（例えば、一体型セシウムリザーバ）。しかしながら、充填材料は、追加的または代替的に、この参照によってその全体が本書に組み込まれる２０１９年１１月６日出願の米国特許出願番号１６／６７６，１３１「SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に記載の１以上の「アノード層」（好ましくは仕事関数調整層であるが、追加的または代替的に、例えば半導体層、電子保護層、電子捕獲層、化学保護層など任意の他の適切なアノード層）に対応する材料を含んでもよい。

［００５１］界面層の形状（例えば、境界を定める、画定する、包囲するなどの三次元構造）は、角柱（例えば、直角柱）、円錐台形、円柱形、円筒形、任意形状、および／または適切なジオメトリのうちの１以上の構造であるか、および／または含み得る。電子コレクタと接触する界面層の広面は、好ましくはそれらが接触する電子コレクタの広面とほぼ同じ形状を有するが、電子コレクタの広面とは異なる形状を有してもよい。電子コレクタと接触する界面層の広面は、好ましくは、それらが接触している電子コレクタの広面と実質的に同じサイズを有するが（例えば、横方向および／または縦方向の広がりがせいぜい１％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％等だけ異なる）、電子コレクタの広面とは異なるサイズ（例えば、大きいか小さい）であってもよい。

［００５２］界面層の厚さは、界面層の物理的および／または化学的特性に基づいて選択することができる（例えば、高温および／またはセシウムの存在下などのシステム動作中の通常の条件下で）。例えば、薄い界面層（例えば、第１の閾値厚さより薄い）は非線形（例えば、非弾性）の機械的特性を示し、一方で厚い界面層（例えば、第２の閾値厚さより厚い）は、大量の充填材料を必要としたり（例えば、充填材料を完全または実質的に完全に充填するなどの所望の状態を達成するために、例えば５０％、７５％、８５％、９０％、９５％、９８％、３０～６０％、５０～１００％、５０～８０％、７０～８５％、８０～９０％、９０～９５％、および／または９５～１００％など、最大容量に対する閾値割合内で材料を充填する）、大きな温度勾配または温度差を示したり（例えば、閾値勾配または閾値温度差よりも大きい）、温度変化で大きな膨張および／または収縮を起こしたり、および／またはそうでない不都合が生じ得る。したがって、厚さは、好ましくは、そのような潜在的な不利益を回避および／または平衡するように選択される。界面層の厚さは、好ましくは０．０５～１０ｍｍの間であり、例えば０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１ｍｍ、１．２５ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、７．５ｍｍ、９ｍｍ、０．０５～０．５ｍｍ、０．１～１ｍｍ、０．５～１０ｍｍであり得る。しかしながら、界面層の厚さは、０．０５ｍｍ未満、１０ｍｍ超、および／または任意の他の適切な厚さであり得る。

［００５３］界面層は、開放ボリューム（open volume）を画定することが好ましいが、代わりに固体材料（例えば、細孔および／または空洞などの開放ボリュームを画定しない）であってもよい。具体例では、界面層は、多孔性要素（例えば、図２Ｂに例として示すような、ナノポア、マイクロポア、メソポア、マクロポアなどを規定する）、フィラメントが整列した、整列していない、および／または部分的に整列した束（例えば、図２Ａに示すような）、図２Ｆに例示するようなワイヤボール（例えば、ニッケルワイヤなど）、整列した、整列していない、および／または部分的に整列した繊維および／またはブリストル（例えば、図２Ｇに示す）、構造（例えば、図２Ｃおよび２Ｄに示すような穴、くぼみ、トラフ、谷、空洞、隆起構造、メッシュなど）、構造のアレイ（例えば、図２Ｅに示すような、この参照によりそれぞれの全体が本書に組み込まれるMeza, Lucas R., Satyajit Das, Julia R. Greer. "Strong, lightweight, and recoverable three-dimensional ceramic nanolattices." Science 345.6202 (2014): 1322-1326 および／または Schaedler, Tobias A., et al. "Ultralight metallic microlattices." Science 334.6058 (2011): 962-965に記載のような構造）、金属ウール（例えば、スチールウール、銅ウールなど）、フェルト（例えば、グラファイトフェルト）、材料の層状シート（例えば、波形および／またはしわ加工シートなど）、ナノおよび／またはマイクロ加工構造（例えば、原子層堆積を使用して調製された構造、原子層堆積によって製造された機械的に適合する構造など、化学的蒸着、物理蒸着、スパッタリング、エッチング、それらの組み合わせなど）、および／または任意の適切な構造を有する。

［００５４］充填率（例えば、空隙率、開放ボリューム、１以上の充填材料で充填、または充填可能であるなどの界面層の総体積のパーセンテージなど）は、界面材料、充填材料、動作パラメータ（電圧、電流、電力などの電気パラメータ、電子コレクタ温度、界面層温度、電子エミッタ温度などの動作温度、動作圧力など）、界面層および／または電子コレクタのサイズ、および／または任意の適切な特性に基づいて選択することができる。例えば、充填率が低い（例えば、第１の閾値充填率よりも低い）界面層は、非弾性になり得る。一方、充填率が高い（例えば、第２の閾値充填率よりも高い）界面層は、充填および／または未充填の界面層の伝導度などの伝導率が低く（例えば、熱伝導率、電気伝導率など）、および／または充填材料の保持が不十分となり得る（例えば、蒸発などによって充填材料の大部分が界面層から離れたり、界面層が未充填、実質的に未充填、または効率的な運用のための最小の所望の充填度よりも低い充填状態）。しかしながら、いくつかの実施形態では、充填率は、界面層の特性（例えば、物理的および／または化学的特性）に対して殆どまたはまったく影響がなく（例えば、１％、２％、５％、１０％、２０％以下など）、界面層は、任意の充填率で機能するように選択および／または設計でき（例えば、任意の充填率で機能する１つの界面層、異なる充填率で設計された異なる複数の界面層など）、および／または任意の充填率を使用することができる。

［００５５］充填率は、好ましくは約７５％～９９．５％であり、例えば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、および／または７５～８０％などである。しかしながら、充填率は、７５％未満、９９．５％超、および／または任意の適切な割合であってもよい。

［００５６］しかしながら、システムは、追加および／または代替的に、界面層とは別個の（例えば、仕事関数低減材料および／または任意の他の適切な充填材料の）１つ以上のリザーバを含むことができる。

［００５７］界面層は、追加的または代替的に、熱を伝導するように機能し得る（例えば、熱界面層として機能する）。動作中、界面層は、好ましくは電子コレクタから熱を伝導し（例えば、電子コレクタを冷却する機能）、より好ましくは、コレクタから封入体へ（例えば、冷却機構へ）伝導する。しかしながら、界面層は、追加的または代替的に、電子コレクタに熱を伝導してもよい（例えば、電子コレクタを動作温度まで温める、フィードバックループで動作して電子コレクタ温度を所望の温度範囲内に維持するなど）。

［００５８］界面層の熱伝導率は、界面層の形状（例えば、無負荷の界面層、製造時の界面層、負荷有りの界面層、通常動作中など）、界面層の材料、界面層の負荷（例えば、充填材料、充填率など）、および／または界面層の任意の特性に依存し得る。熱伝導率は、等方性（例えば、ｘ／ｙ／ｚ方向で同じ）および／または異方性（例えば、ｘ／ｙ／ｚ方向で異なる）であり得る。界面層の熱伝導率は、好ましくは約０．５Ｗ／（ｍ*Ｋ）以上であり、例えば０．７５、１、２、３、５、１０、２０、５０、１００、２００、５００、１０００、２０００、５０００、５～２０、１～１０、１０～５０、および／または２５～２００Ｗ／（ｍ*Ｋ）などである。しかしながら、界面層の熱伝導率は、０．５Ｗ／（ｍ*Ｋ）未満であってもよい。

［００５９］いくつかのバリエーションでは、界面層は、ライデンフロスト効果を使用して界面層の熱特性を変更および／または付与するように構成することができる。ライデンフロスト効果は、高温の表面（例えば、液体のライデンフロスト点を超える温度と圧力の表面）に近い液体が急速に蒸発し、蒸発していない液体を絶縁（例えば、熱的に絶縁）し、それによって蒸発していない液体の蒸発速度を（例えば、液体が表面と直接接触している場合と比較して）遅くする蒸気層を生成する現象である。具体例では、仕事関数低減材料は液体であり、電子コレクタ（および／または封入体）と接触したときにライデンフロスト効果を活用することができる。しかしながら、ライデンフロスト効果を実現するために、任意の適切な材料および／または界面層を使用することができる。

［００６０］他の変形例では、界面層は、ライデンフロスト効果が生じないように、および／またはライデンフロスト効果を抑制するように構成することができる。具体例では、仕事関数低減材料を吸い上げる（wick）ように形状、表面エネルギー、湿潤性（例えば、仕事関数低減材料に対する界面層の）、界面材料、および／または任意の適切な特性を選択し、これが液滴形成を抑制し、それによってライデンフロスト効果を中断するように機能することができる。

［００６１］他の変形例では、界面層は、ヒートパイプとして動作するように構成することができる（例えば、１以上のヒートパイプを含み得る）。これらの変形例の具体例では、仕事関数低減材料をヒートパイプの作動流体（例えば、ヒートパイプ内で蒸発および凝縮される材料）として使用して、電子コレクタと封入体（および／または界面層）との間で熱を伝達させる。しかしながら、任意の適切な充填材料をヒートパイプの作動材料として使用することができ、および／またはヒートパイプを別の方法で構成することができる。

［００６２］しかしながら、界面層は、ライデンフロスト効果を可能にするとともに（例えば、第１のモードで、動作条件の第１のセットで、特定の材料に対してなど）、ライデンフロスト効果を生じさせないか、および／またはライデンフロスト効果を抑制するように構成することができる（例えば、第２のモードで、第２の一連の動作条件で、特定の材料に対してなど）、および／または別の方法で構成することができる。

［００６３］図３Ｂに示すように、界面層にわたって熱勾配が存在し得る（例えば、通常の状態、所望の状態、最大効率の状態などでの動作などの動作中に）。勾配は、好ましくは、電子コレクタと封入体の間の軸に沿って（または実質的に沿って）規定される（例えば、界面層は、電子コレクタに近い側および／または界面層の広面でより熱く、封入体に近い側および／または封入体の広面でより冷たくなり得る、またはその逆である）。しかし、勾配は、電子コレクタと封入体の間の軸に対して垂直または斜めの軸に沿ったものであってもよく、放射状の温度勾配、方位角の温度勾配、および／または任意の適切な温度勾配であってもよい。界面層内の最大温度差（ΔＴ）（例えば、界面層の表面、点、体積などの最も高温の場所と最も低温の場所の間、好ましくは、コレクタまたはその近くの最も高温の場所と、封入体またはその近くの最も冷たい場所との間）は、好ましくは最大２００℃である（例えば、ΔＴは約１、２、５、１０、２０、５０、１００、１５０、１７５、１９０、および／または２００℃以下など、ΔＴは０～２００、０～１０、１０～３０、２０～５０、３０～１００、５０～１５０、および／または１００～２００℃の範囲内であるが、代替的に２００℃を超えてもよい。界面層内の最小のΔＴ（例えば、界面層の表面、点、体積などの最も高温の場所と最も低温の場所の間、好ましくは、コレクタまたはその近くの最も高温の場所と、封入体の最も低温の場所との間）は、好ましくは閾値温度差（例えば、ΔＴは約１、２、５、１０、２０、５０、１００、１５０、１７５、１９０、および／または２００℃以上、ΔＴは１～２００、１～１０、１０～３０、２０～５０、３０～１００、５０～１５０、および／または１００～２００℃の範囲内など）であるが、代替的に１℃未満でもよい。温度差は、界面層内の仕事関数低減材料を局在化するように機能し得る（例えば、チャンバ内の他の構成要素とは対照的に、界面層における仕事関数低減材料の凝縮および／または収集を促進する）。

［００６４］チャンバ内の最も冷たい（または実質的に最も冷たい）場所（例えば、通常の条件下でのシステム動作中）は、好ましくは界面層内に位置し（例えば、界面層の少なくとも一部は電子コレクタ、電子エミッタ、スペーサ等よりも低い温度である）、これは界面層内の仕事関数低減材料（および／または任意の適切な材料）を優先的に凝縮および／または局所化するように機能することができる。しかしながら、界面層（またはそのサブセット）は、代替的に（例えば、通常の条件下でのシステム動作中）、チャンバ内の最も冷たい温度の閾値温度差内（例えば、最も冷たいチャンバ温度を０～５０、０～１０、１０～３０、および／または２０～５０℃超える）であってもよく、または他の適切な温度であってもよい。

［００６５］いくつかのバリエーションでは、界面層内の充填材料の存在によって、界面層を横切る熱輸送を提供および／または強化することができる。例えば、充填材料は強化された熱伝導を提供することができ、および／または流体（例えば液体）の充填材料は対流による熱伝達を媒介することができる。具体例（例えば、充填材料が液体セシウムなどの液体金属であるか、または液体金属を含む場合）では、充填材料内の対流および伝導の両方が、界面層を横切る熱輸送に大きく寄与し得る。

［００６６］界面層は、追加的または代替的に、電気伝導性を提供するように機能し得る（例えば、電子を電子コレクタからおよび／または電子コレクタに伝導する）。電流は、電子コレクタと（例えば、電子コレクタから）外部負荷、封入体、および／または任意の適切な終点との間で伝導することができる。界面層の電気伝導率（例えば、電子伝導率）は、界面層の形状（例えば、無負荷の界面層、製造されたまま（as manufactured）の界面層など）、界面層の材料、界面層の負荷（例えば、充填材料、充填率など）、および／または界面層の任意の特性に依存し得る。電気伝導率（例えば、電子伝導率）は、等方性（例えば、ｘ／ｙ／ｚ方向で同じ）および／または異方性（例えば、ｘ／ｙ／ｚ方向で異なる）であり得る。

［００６７］具体例では、界面層の電気伝導率（例えば、電子伝導率）は、約１ｘ１０^４Ｓ／ｍよりも大きくすることができる（例えば、約１０^５Ｓ／ｍ、１０^６Ｓ／ｍ、１０^７Ｓ／ｍなどよりも大きい）。しかしながら、界面層の電気伝導率は、１０^４Ｓ／ｍ未満であってもよく、および／または任意の適切な値を有してもよい。

［００６８］いくつかのバリエーションでは、界面層内の充填材料の存在は、界面層の電気伝導率（例えば、電子伝導率）を提供および／または高めることができ、界面層と電子コレクタ（および／または封入体）の間の接触抵抗を低減し、および／またはそうでなければ界面層の電気的特性を変更することができる。

［００６９］いくつかのバリエーションでは、システムは複数の界面層を含み得る。各界面層は、好ましくは異なる（例えば、異なる形状、異なる表面エネルギー、異なる界面材料、異なる充填材料など）が、同じであってもよい。追加の界面層は、任意の構成要素間（例えば、電子エミッタと封入体の間、電子コレクタと封入体の間、第１の界面層と封入体の間、電子コレクタと第１の界面層の間など）の熱電気的、機械的、化学的、および／または任意の適切な結合を変更することができる。具体例では（例えば、図５に示すように）、システムは、多孔性界面層（例えば、仕事関数低減材料リザーバ）および固体界面層（例えば、シャント）を含むことができる。シャントは、界面層（および電子コレクタ）を封入体（例えば、冷却機構）からオフセットするように機能することができ、これにより、仕事関数低減材料リザーバの動作温度および／または温度勾配を変更することができる。この例では、シャントは、仕事関数低減材料リザーバと封入体の間に配置することができる。変形例では、シャントを含めることは、Ｃｓプラズマ熱電子エネルギー変換器に特に有益であり得るが、任意の熱電子エネルギー変換器および／または任意の適切なシステムに使用することができる。

［００７０］いくつかの実施形態では、システムは、この参照により全体が本書に組み込まれる２０１９年１１月６日出願の米国特許出願番号第１６／６７６，１３１号「SYSTEM AND METHOD FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に記載のような１以上の要素を含む。例えばシステムは、米国特許出願第１６／６７６，１３１号の「熱電子エネルギー生成システム１０」（またはその要素のサブセット）を含む（例えば、そうである）ことができ、米国特許出願番号１６／６７６，１３１の「コレクタ接点２５０」は、本書記載の界面層を含み得る（例えば、図６Ａ～６Ｂに示すように）。具体例では、コレクタ接点は、セシウムなどの仕事関数低減充填材料を含む機械的に適合性のある界面層を含む。

［００７１］しかしながら、システムは、追加的または代替的に任意の適切な構成で任意の他の適切な要素を含むことができる。

３．方法
［００７２］システム（および／またはシステムの任意の構成要素）の製造方法は、材料成長、材料堆積（例えば、原子層堆積、化学気相堆積、物理気相堆積、スパッタリング、エッチング、これらの組み合わせなどのマイクロファブリケーション、ナノファブリケーションなど）、マニュアル材料操作（例えば、ワインディング、機械加工など）、ブローチ加工（例えば、ブローチを用いた細線シェービングの生成）、界面材料前駆体の燃焼（例えば、金属ビス（テトラゾラト）アミンＢＴＡ錯体）、脱合金、ナノ製錬、ガンマ線照射、金属ゾルゲル処理、金属発泡体の生成（例えば、溶融金属へのガス注入、溶融金属への発泡剤の混合、発泡骨格を使用した金属の鋳造など）、構造および／または材料の整列（例えば、ブリストル、積層層など）、材料のインターカレーション（例えば、界面層および／または材料への充填材料のインターカレーション）、界面層（および／または界面材料）のコーティング、および／または任意の適切な処理ステップ、を含む任意の適切なステップ（例えば、１回または複数回実行される）を含み得る。界面層は、電子コレクタ上、封入体上、および／または電子コレクタおよび／または電子コレクタ封入体とは別に製造することができる。しかしながら、システムおよび／またはその構成要素は、追加的または代替的に、任意の他の適切な方法で製造することができる。

［００７３］作動方法２０は、好ましくは、電力を受け取るステップと、電子を放出するステップと、放出された電子を受け取るステップとを含み、任意選択で、熱および／または任意の他の適切な要素を対流的に伝達するステップを含むことができる（例えば、図７に示すように）。この方法は、好ましくは、上述の熱電子エネルギー生成システム１０を使用して実行されるが、追加的または代替的に、任意の他の適切なシステムを使用して実行してもよい。

［００７４］熱イオンエネルギー生成方法は、好ましくは、電気出力を生成するように機能する（例えば、外部負荷に電力を供給する）。この方法は、好ましくは、電力を受け取るステップと、電子を放出するステップと、放出された電子を受け取るステップとを含む。この方法は、任意選択で、対流的に熱を伝達するステップを任意に含むことができる。しかしながら、この方法は、追加的または代替的に、任意の他の適切な要素を含むことができる。

［００７５］電力を受け取るステップは、好ましくは加熱キャビティ内で、より好ましくは電子エミッタの近くで（例えば、電子エミッタに隣接する内側シェルで）行われる。電力は好ましくは熱電力であるが、追加的または代替的に任意の他の適切なソースからの電力を含み得る。この方法は、任意選択で、受け取った電力を提供するステップを含み得る。電力は、好ましくは、電力入力によって提供される。電力は好ましくは連続的に提供されるが、代替的に他の適切なタイミングで提供することもできる。一例では、電力を供給するステップは、バーナー（例えば、加熱キャビティ内に配置されたもの）を、エミッタモジュールの火炎受容領域に近接および／または入射する１以上の火炎で作動させることを含み、電力を受容するステップは、この火炎受容領域で火炎から熱を受け取ることを含む。しかしながら、電力を受け取るステップは、追加的または代替的に、任意の適切な方法で実行される任意の他の適切な要素を含むことができる。

［００７６］電子を放出するステップは、好ましくは、電子エミッタで（および／またはその近くで）実行される。電力を受け取ると（例えば、電子エミッタが４００～５００、５００～６００、６００～７００、７００～８００、８００～１０００、１０００～１６００、または１６００～２０００℃などの上昇温度に達したら）、電子エミッタは好ましくは電子を放出する（例えば、熱電子的に電子を放出する）。電子は、好ましくはチャンバ内に放出され、より好ましくは電子コレクタに向かって放出される。しかし、電子を放出するステップは、追加的または代替的に、任意の適切な方法で実行される任意の他の適切な要素を含むことができる。

［００７７］放出された電子を受け取るステップは、好ましくは、電子コレクタで実行される。電子は、好ましくはチャンバを介して電子エミッタから受け取られる。放出された電子を受け取っている間、好ましくは電子コレクタは電子エミッタよりも温度が低く（任意に仕事関数が低く）、放出された電子の受け取りから電力を生成することができる。放出された電子を受け取るステップは、好ましくは生成された電力を外部電気負荷に提供することを含む（例えば、エミッタおよびコレクタモジュールの導電性リードを介して）。しかしながら、放出された電子を受け取るステップは、追加的または代替的に、任意の適切な方法で実行される任意の他の適切な要素を含むことができる。

［００７８］この方法は、任意選択で、対流的に熱を伝達するステップを含むことができる。対流的に熱を伝達するステップは、電子コレクタを冷却し、および／またはバーナーガスを予熱するように機能することができる。対流的に熱を伝達するステップは、好ましくは空気流モジュールによって実行され、これによってシステムの要素に沿って（例えば、空気流モジュールの１以上のダクトによって画定される空気流経路に沿って）１以上の流体（空気など）を流すことができる。流体が流れることができるシステムの要素は、冷却要素、エミッタモジュール外側シェル、エミッタモジュール内側シェル、バーナー、および／または任意の他の適切な要素のうちの１以上を含むことができる。しかしながら、対流的に熱を伝達するステップは、追加的または代替的に、任意の適切な方法で実行される任意の他の適切な要素を含むことができ、および／またはこの方法は任意の適切な方法で実行される任意の他の適切な要素を含むことができる。

［００７９］この作動方法は、参照によりその全体が本書に組み込まれる２０１９年１２月１６日出願の米国特許出願番号１６／７１５，７０５「SYSTEM AND METHOD FOR WORK FUNCTION REDUCTION AND THERMIONIC ENERGY CONVERSION」に開示された１以上の要素（例えば、「仕事関数低減」および／または「熱電子エネルギー変換」用）を含み得る。しかしながら、この作動方法は、追加的または代替的に、任意の他の適切な要素を含むことができる。

［００８０］システムおよび／または方法の実施形態は、様々なシステム構成要素および様々な方法プロセスのすべての組み合わせおよび順列を含むことができ、本明細書に記載の方法および／またはプロセスの１以上のインスタンスは、本明細書に記載のシステム、要素、および／またはエンティティの１以上のインスタンスによっておよび／またはそれを用いて、非同期的に（例えば、順次に）、同時に（例えば、並行して）、または任意の他の適切な順序で実行することができる。

［００８１］図面は、好ましい実施形態、例示的な構成、およびそれらの変形例によるシステムおよび方法の可能な実装のアーキテクチャ、機能、および動作を示す。これに関して、フローチャートまたはブロック図の各ブロックは、指定された論理機能を実装するための１以上の実行可能な命令を含む、モジュール、セグメント、ステップ、またはコードの一部を表し得る。また、いくつかの代替実施形態では、ブロックに記載された機能が、図に記載されている順序以外で発生する可能性があることにも留意されたい。例えば、関連する機能に応じて、連続して示す２つのブロックが実際には実質的に同時に実行されるか、ブロックが逆の順序で実行される場合がある。ブロック図および／またはフローチャート図の各ブロック、およびブロック図および／またはフローチャート図のブロックの組み合わせは、指定された機能または行為を実行する専用ハードウェアベースのシステム、または専用ハードウェアとコンピュータ命令の組み合わせによって実装できることに留意されたい。

［００８２］当業者は、上記の詳細な説明と、図面および特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の好ましい実施形態に対して修正および変更を行うことができることを認識するであろう。

Claims (19)

1. チャンバを画定する熱電子エネルギー変換器（ＴＥＣ）を有するシステムにおいて、前記ＴＥＣが、
   前記チャンバ内に配置された電子コレクタと、
   前記チャンバを横切って前記電子コレクタと対向する電子エミッタと、
   前記チャンバ内に配置された界面層とを具え、
   前記電子コレクタは前記電子エミッタと前記界面層との間に配置され、
   前記界面層は、前記電子コレクタを前記チャンバに機械的に結合し、
   前記界面層は前記チャンバ内にリザーバを画定し、当該リザーバは仕事関数低減材料を含み、当該仕事関数低減材料の蒸気が、前記電子エミッタの表面および前記電子コレクタの表面と相互作用して、前記電子エミッタの表面および前記電子コレクタの表面の仕事関数を低減することを特徴とするシステム。
2. 前記チャンバは、前記ＴＥＣを取り囲む周囲環境から流体的に隔離されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記チャンバは、前記仕事関数低減材料の蒸気を含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記仕事関数低減材料が液体セシウムを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記界面層に熱的に結合された冷却要素をさらに具え、
   前記冷却要素は前記チャンバの外側に配置され、
   前記界面層は前記冷却要素と前記電子コレクタとの間に配置されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記冷却要素は、前記液体セシウムの温度を制御するように構成される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記界面層が多孔質金属構造を有する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記仕事関数低減材料が、前記多孔質金属構造の細孔内に含まれるセシウムを有する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記セシウムは、前記電子コレクタを前記チャンバの外側に配置された冷却要素に熱的に結合するように構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記界面層が金属と仕事関数低減材料前駆体とを含み、前記金属および前記仕事関数低減材料前駆体が反応して前記仕事関数低減材料を生成するように構成される、請求項１に記載のシステム。
11. 仕事関数低減材料がセシウムであり、仕事関数低減材料前駆体がクロム酸セシウムである、請求項１０に記載のシステム。
12. 請求項１～１１のいずれか１項に記載のシステムにおいて、
    前記電子コレクタと前記電子エミッタとの間に配置されたスペーサを具え、
    前記界面層は、前記電子コレクタと前記スペーサとの接触を維持することにより、前記電子コレクタと前記電子エミッタとの間の電極間ギャップを維持することを特徴とするシステム。
13. 前記界面層が機械的に柔軟である、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記界面層が１０ｋＮ／ｍ～５００ｋＮ／ｍのばね定数を有する、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記界面層が多孔質金属構造を含み、前記多孔質金属構造が機械的に柔軟である、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記仕事関数低減材料の蒸気が、前記電子エミッタの表面の仕事関数を低減する、請求項３に記載のシステム。
17. 前記セシウムの蒸気が、前記電子エミッタと前記電子コレクタとの間で前記チャンバ内に規定されている電極間のギャップを流体結合している、請求項８または９に記載のシステム。
18. 前記多孔質金属構造はニッケル被覆銅を含む、請求項７、８、９および１７のいずれか１項に記載のシステム。
19. 前記界面層は広面で前記電子コレクタと接触し、
    前記界面層は、前記広面に垂直な軸に沿って０．０５ｍｍ～１０ｍｍの厚さを規定する、請求項１２に記載のシステム。