[发明专利]用于能量转换、电气开关和热控开关的设备

说明书

技术领域

本发明涉及二极管、热离子、穿隧、限流、电流中断和设计成在电极之间具有极小间距并且在一些情况下也要求电极之间的热绝缘的其他设备。本发明结合热穿隧发生器和热泵而具有特别功用，且可以应用于使用热离子和热电方法的类似系统，并且将结合此类功用进行描述，尽管也涵盖其他功用。这些热穿隧发生器和热泵将热能转换为电能，并且可以反过来操作以提供冷却。本发明也可以应用于在两个电极之间需要紧密、平行间距的任何设备，其中在这两个电极之间施加或产生电压。本发明也可以应用于开关设备，诸如限流器、过温保护器、继电器、可重置的保险丝或断路器，其中电气行为高度取决于温度或可能影响电极温度的参数，诸如电流、电压或附近的热源。本发明也可以应用为热开关，此热开关的热传导可以变化或者可以对其进行编程。

背景技术

已经在许多电子设备中并且为了多种目的而使用从一个导体(发射极)到另一个导体(集电极)的高能电子流现象。例如，用这种方式来实施真空管二极管，并且这种物理现象称为热离子发射。由于受到相对较大可用实体间距所强加的限制，使得这些二极管需要以非常高的温度(高于1000开氏度)工作。热电极需要电子非常热，以获得足够能量来向集电极行进大的距离，并克服高量子势垒。然而，真空管允许构建电子二极管以及随后构建放大器。随着时间的过去，通过使用碱金属、类铯或氧化物来涂覆电极，以试图降低工作温度，来使这些设备达到最佳。尽管热离子发生的温度仍然比室温高得多，但是这种发电方法对于将热从燃烧、从聚太阳能器或其他源转换成电力而言具有功用。

随后发现，如果发射极和集电极彼此非常靠近，大约如2至20纳米的原子距离，那么电子可能以低得多的温度甚至以室温流动。以这种小间距，两个电极的原子的电子云如此靠近，使得热电子实际上是在无实体传导的情况下从发射极云流动到集电极云。在电子云相交但是电极并不实体接触时的这种类型的电流流动称为穿隧。例如，扫描穿隧显微镜使用尖的传导触针(使其非常靠近传导面)，并且可以通过绘制在使触针扫过传导面时的电流流动来绘出该传导面的原子轮廓。美国专利4343993(Binnig等人)教示了应用于扫描穿隧显微镜的这种方法。

已经知道，在工业中，如果可以在大面积上(例如，一平方厘米甚至一平方毫米)维持这种原子间距，那么可以通过单个的类二极管设备将足够量的热转换为电力，并且这些设备将具有作为冰箱的功用或在从多种源回收浪费的热能方面具有功用。参见Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny的“Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design”(2001年4月23日，Applied Physics Letters，第78卷，第17号)；Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes的“Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure”(2002年11月25日，Applied Physics Letters，第81卷，第22号)；以及Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny的“Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”(2003年10月1日，Journal of Applied Physics，第94卷，第7号)。电极之间的间距必须足够小，以允许“热”电子(这些电子具有高于费米能级的能量)流动，但是并不如此靠近以允许普通传导(以费米能级或低于费米能级的电子流动)。在一些情况下，真空间隙可能用以最小化晶格声子振动产生的热传导，并且热电子的过滤可以发生在与该间隙邻近的半导体或热电材料中，如由同一发明者在国际PCT PCT/US07/77042中进行举例说明。存在0.5纳米与20纳米之间的分离距离的可行范围，这允许从电力到冷却的每平方厘米数千瓦特的转换。参见Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny的“Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design”(2001年4月23日，Applied Physics Letters，第78卷，第17号)。这些参考同样提出以下优点：发射电极上碱金属或其他材料的涂层或单层，以实现在将电子从一个电极转移到另一个电极时的低功函数。这种涂层或单层进一步降低了工作温度，并增加了这些配置的转换效率，而无需用于电子过滤的分离构件。