BRPI0708014A2

BRPI0708014A2 - eletrodos proximamente espaçados com um espaço uniforme

Info

Publication number: BRPI0708014A2
Application number: BRPI0708014-0A
Authority: BR
Inventors: Tarek Makansi
Original assignee: Tempronics Inc
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2011-05-17
Also published as: EP1984625A2; WO2007100941A3; KR20080091783A; EP1984625A4; JP2009525620A; WO2007100941A2

Abstract

ELETRODOS PROXIMAMENTE ESPAçADOS COM UM ESPAçO UNIFORME. Um projeto melhorado para manutenção da separação entre eletrodos em dispositivos de tunelamento, de diodo, termiónicos, termofotovoltaicos e outros é mostrado. Pelo menos um eletrodo é feito de um material flexível. Um campo magnético está presente para combinação com a corrente fluindo no eletrodo flexível e para a geração de uma força que contrabalança a força eletrostática ou outras forças de atração entre os eletrodos. O equilíbrio de forças permite que a separação e o paralelismo entre os eletrodos seja mantido em um espaçamento muito pequeno, sem se requerer o uso de múltiplos sistemas de controle, atuadores ou outros meios de manipulação ou espaçadores. O formato de um ou ambos os eletrodos é projetado para manutenção de uma separação constante pela área de superposição inteira dos eletrodos. O resultado final é um dispositivo eletrónico que mantém dois eletrodos proximamente espaçados paralelos em equilíbrio estável com um espaço uniforme entre eles por uma área grande em uma configuração simples para uma capacidade de fabricação simplificada e uso para conversão de calor em eletricidade ou eletricidade para resfriamento.

Description

ELETRODOS PROXIMAMENTE ESPAÇADOS COM UM ESPAÇO UNIFORME

A presente invenção se refere a dispositivos de diodo,termiônicos, de tunelamento, termofotovoltaico e outros quesão projetados para tarem um espaçamento muito pequenoentre eletrodos e, em alguns casos, também requerem umisolamento térmico entre os eletrodos. A invenção pode seraplicada a geradores termofotovoltaicos e bombas de calor,e pode ser aplicada a muitos sistemas similares usandométodos termiônicos e termoelétricos. Estes geradores determotunelamento e bombas de calor convertem energiatérmica em energia elétrica e podem operar ao inverso paraa provisão de refrigeração. A invenção também pode seraplicada a qualquer dispositivo que requeira um espaçamentopróximo paralelo de dois eletrodos com uma corrente fluindoentre eles.

O fenômeno de fluxo de elétrons de alta energia de umcondutor (emissor) para um outro condutor (coletor) temsido usado em muitos dispositivos eletrônicos e para umavariedade de finalidades. Por exemplo, diodos de tubo devácuo foram implementados desta forma, e o fenômeno físicofoi denominado emissão termiônica. Devido às limitaçõesimpostas pelo espaçamento físico relativamente grandedisponível, estes diodos precisam operar a uma temperaturamuito alta (maior do que 1000 graus Kelvin - 726,85°C). Oeletrodo quente precisa ser muito quente para os eletrodosganharem energia suficiente para viajarem a grandedistância até o coletor e suplantarem a barreira de quantumalto. Não obstante, o tubo de vácuo permitiu que diodoseletrônicos e mais tarde amplificadores fossem construídos.Ao longo do tempo, estes dispositivos foram otimizados pelouso de metais alcalinos, tais como césio ou óxidos para orevestimento dos eletrodos, em um esforço para redução datemperatura de operação. Embora as temperaturas parageração termiônica ainda sejam muito mais altas do que atemperatura ambiente, este método de geração de potênciatem utilidade para a conversão de calor de combustão e deconcentradores solares em eletricidade.

Mais tarde, foi descoberto que se o emissor e ocoletor fossem muito próximos um do outro, da ordem dedistâncias atômicas tais como de 2 a 20 nanômetros, então,os elétrons poderiam fluir a temperaturas muito maisbaixas, mesmo à temperatura ambiente. Neste espaçamentopequeno, as nuvens de elétrons dos átomos dos doiseletrodos são tão próximas que os elétrons quentesrealmente fluem da nuvem de emissor para a nuvem decoletor, sem uma condução física. Este tipo de fluxo decorrente quando as nuvens de elétron estão seinterceptando, mas os eletrodos não estão fisicamente setocando é denominado tunelamento. O microscópio detunelamento de varredura, por exemplo, usa uma agulha decondução afiada que é colocada muito próxima de umasuperfície de condução, e os contornos atômicos destasuperfície podem ser mapeados pela plotagem do fluxo decorrente elétrica conforme a agulha é varrida através dasuperfície. A Patente U.S. N0 4343993 (Binning et al. )ensina um método como esse aplicado à microscopia detunelamento de varredura.

Foi conhecido na indústria que se essas separaçõesatômicas pudessem ser mantidas por uma área grande (umcentímetro quadrado, por exemplo) , então, uma quantidadesignificativa de calor poderia ser convertida emeletricidade por um dispositivo tipo de diodo único, eestes dispositivos teriam utilidade como refrigeradores ouna recuperação de energia térmica perdida a partir de umavariedade de fontes. Veja Efficiency of Refrigeration usingThermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use ofNanometer Scale Design, de Y. Hishinuna, T.H. Geballe, B.Y.Moyzhes, e T.W. Kenny, Applied Physics Letters, Volume 78,No. 17, 23 de abril de 2 001; Vaeuum ThermionieRefrigeration with a Semiconduetor HeterojunetionStrueture, de Y. Hishinuna, T. H. Geballe, B.Y. Moyzhes,Applied Physics Letters, Volume 81, No. 22, 25 de novembrode 2002; e Measurements of Cooling by Room TemperatureThermionie Emission Aeross a Nanometer Gap, de Y.Hishinuma, T.H. Geballe, B.Y. Moyzhes, e T.W. Kenny,Journal of Applied Physics, Volume 94, No. 7, 1 de outubrode 2003. O espaçamento entre os eletrodos deve ser pequenoo bastante para permitir que os elétrons "quentes" (aqueleselétrons com energia acima do nível de Fermi) fluam, masnão tão próximos para que se permita uma condução normal(fluxo de elétrons no ou abaixo do nível de Fermi). Há umafaixa trabalhável de distância de separação entre 2 e 20nanômetros que permite milhares de watts por centímetroquadrado de conversão de eletricidade em refrigeração. VejaEffieieney of Refrigeration using Thermotunneling andThermionie Emission in a Vaeuum: Use of Nanometer SealeDesign, de Y. Hishinuna et al. , supra. Estas referênciastambém sugerem a vantagem de um revestimento ou monocamadade um metal alcalino, ou um outro material, sobre oeletrodo de emissão, de modo a se obter uma função detrabalho baixa na transferência de elétrons de um eletrodopara o outro. Este revestimento ou monocamada reduz mais atemperatura de operação e aumenta a eficiência deconversão.

Mahan mostrou que a eficiência teórica de umrefrigerador termiônico usando eletrodos com uma função detrabalho de 0,7 eV e uma temperatura fria de 500 K é maisalta do que 80% da eficiência de Carnot. Veja ThermionicRefrigeration, de G.D. Mahan, Journal of Applied Physics,Volume 76, No. 7, 1 de outubro de 1994. Por analogia,também se espera que uma eficiência de conversão doprocesso de tunelamento de elétron também seja uma fraçãoalta da eficiência de Carnot. A eficiência de Carnotapresenta um limite superior na eficiência obtenível deconversão de energia térmica.

A manutenção da separação dos eletrodos em dimensõesatômicas por uma área grande tem sido o único desafio maissignificativo na construção de dispositivos que podemremover calor de um condutor. O microscópio de tunelamentode varredura, por exemplo, requer um ambiente delaboratório especial que seja sem vibrações, e sua operaçãoé limitada a uma área de uns poucos nanômetros quadrados.Mesmo muito recentemente, todas as medições de resfriamentoem um aparelho de trabalho foram limitadas a uma área deuns poucos nanômetros quadrados. Veja Measurements ofCooling by Room Temperature Thermionic Emission Across aNanometer Gap, de Y. Hishinuma, et al.

Uma separação de eletrodos de dimensões maiores de emtorno de 100 nanômetros pode suportar uma conversão decalor em eletricidade usando-se métodos termofotovoltaicos.Em sistemas termofotovoltaicos, os fótons formam um túnelatravés de um espaço. Uma fonte de calor faz com que umeletrodo fotoemissivo irradie e, se um segundo eletrodofotossensível for espaçado muito menos do que o comprimentode onda de irradiação, então, até dez vezes a potência deconversão será possível versus sistemas fotovoltaicospadronizados. A fonte de calor pode ser luz do solconcentrada, queima de combustível fóssil, ou outros meios.O eletrodo fotoemissivo pode ser feito de tungstênio, porexemplo. O eletrodo fotossensível pode ser feito desilício, selênio ou arseneto de índio e gálio. Para maioresinformações sobre métodos termofotovoltaicos, veja Micron-gap ThermoPhotoVoltaics (MTPV), de R. DiMatteo, P. Greiff,D. Seltzer, D. Meulenberg, E. Brown, E. Carlen, K. Kaiser,S. Finberg, H. Nguyen, J. Azarkevich, P. Baldasaro, J.Beausang, L. Danielson, M. Dashiell, D. DePoy, H. Ehsani,W. Topper, K. Rahner, R. Siergie, ThermophotovoltaicGeneration of Electricity Sixth Conference, AmericanInstitute of Physics, 2004.

Daí, resta uma necessidade de um dispositivo, o qualconverta de forma efetiva em termos de custos eeficientemente energia térmica em energia elétrica em umpacote que seja conveniente para uso para a fonte de calorcomo uma entrada e os circuitos elétricos precisando depotência como uma saída. Fontes abundantes de calor,incluindo calor de perda, poderiam facilmente se tornarfontes de eletricidade. Os exemplos em que um empregodesses disposi tivos ajudaria ao meio ambiente, poupariamdinheiro ou ambos incluem:

(1) Conversão do calor e da luz do sol em eletricidadede forma mais efetiva em termos de custos do quedispositivos fotovoltaicos usados atualmente. Muitosartigos descrevem o uso de emissão termiônica de altatemperatura para a reciclagem de energia térmica decoletores solares pelo uso desses dispositivos de conversãode calor. Veja Thermionic Refrigeration, de G.D. Mahan,supra; e Multilayer Thermionic Refrigeratorl de G. D. Mahan,J.A. Sofao e M. Bartkoiwak, Journal of Applied Physics,Volume 83, No. 9, 1 de maio de 1998. Contudo, essasconversões poderiam ser menos dispendiosas e maisprevalentes se um tunelamento fosse obtido em transação queocorrem naturalmente.

(2) Recuperação do calor gerado por um motor decombustão interna, como aquele usado em um automóvel, devolta em movimento útil. Alguns automóveis disponíveis hojeem dia, denominados automóveis a gás - elétricos híbridos,podem usar potência elétrica ou combustão interna para acriação de movimento. Em torno de 75% da energia nagasolina são convertidos em calor de perda em um motor decombustão interna de hoje em dia. Um dispositivo deconversão de tunelamento poderia recuperar muito daquelaenergia térmica a partir do motor de um automóvel híbrido ecolocá-la na bateria para uso posterior. A Patente U.S. Nc6651760 (Cox et al.) ensina um método de conversão de calora partir de uma câmara de combustão e o armazenamento ou aconversão da energia em movimento.

(3) Redução da necessidade de gases nocivos entraremna atmosfera. O automóvel híbrido eficiente em termos deenergia é um claro exemplo em que gases de exaustão nocivosescapando para a atmosfera podem ser reduzidos. Umdispositivo que convertesse calor de motor e de exaustão domotor híbrido e, então, armazenasse ou produzisseeletricidade na bateria híbrida aumentaria mais aeficiência do automóvel híbrido e reduziria a necessidadede expulsão de gases nocivos. Os resfriantes usados narefrigeração são outros exemplos de gases nocivos que sãonecessários para a remoção de calor, e dispositivos deconversão de tunelamento poderiam reduzir a necessidade deemissão de gases nocivos.

(4) Recuperação de energia térmica em um momento emque estivesse disponível, então, o armazenamento dela comoenergia química em uma bateria e, então, a reutilizaçãodela em um momento em que não estivesse disponível. Osdispositivos de conversão de tunelamento poderiam convertera energia do sol em eletricidade, durante o dia e, então,armazená-la em uma bateria. Durante a noite, a potência debateria armazenada poderia ser usada para a produção deeletricidade.

(5) Geração de potência a partir de energiageotérmica. Existe calor em muitos lugares na superfície daterra, e é virtualmente abundante de forma infinitaprofundidade na terra. Um dispositivo de conversão detunelamento eficiente poderia derivar este suprimento deenergia.

(6) Produção de refrigeração por dispositivos deestado sólido compactos, silenciosos e estacionários, ondeum dispositivo de tunelamento como esse poderia prover umresfriamento para condicionadores de ar ou refrigeraçãopara substituição da necessidade de maquinário ecompressores pneumáticos volumosos.(7) Geração de potência a partir de calor do corpo. Ocorpo humano gera em torno de 100 watts de calor, e estecalor pode ser convertido em potência elétrica útil paraprodutos portáteis, tais como telefones celulares,telefones sem fio, tocadores de música, assistentesdigitais pessoais e lanternas. Um dispositivo de conversãotérmica conforme apresentado nesta exposição pode gerarpotência suficiente para operar ou carregar as bateriaspara estes produtos portáteis a partir do calor aplicadoatravés de um contato parcial com o corpo.

(8) Potência elétrica para queima de combustível. Umforno de lenha gera dezenas de milhares de watts de calor.Um dispositivo de tunelamento como esse poderia gerar um adois quilowatts daquele calor o que é suficiente paraacionar aparelhos eletrodomésticos domésticos típicos.Aplicações similares são possíveis pela queima de outroscombustíveis, tais como gás natural, carvão e outros.Então, os lares em áreas remotas podem não requerer umaconexão com a rede elétrica ou geradores elétricos ruidosospara terem as conveniências modernas.

O desafio na colocação de dois eletrodos paralelos emconjunto com menos de 20,0 nanômetros de espaço deseparação requer atenção para dois parâmetros. Um é arugosidade superficial e o outro é a planura de superfície.A rugosidade superficial é o desvio da lisura em uma árealocal pequena. Orifícios e arranhões são exemplos dedesvios que afetam a rugosidade superficial. A planura desuperfície é o desvio do paralelismo por uma área grande.Empenamento, flexão, fluência são exemplos de desvios queafetam a planura de superfície.Quando dois materiais rígidos são polidos planosusando-se as melhores técnicas disponíveis hoje em dia paracircuitos integrados, a planura de superfície é da ordem demicrômetros por uma área de um centímetro quadrado. Maisainda, calor e outras tensões podem causar mudanças noempenamento e na flexão ao longo do tempo, apresentando umdesafio adicional na manutenção da separação uniforme, umavez obtida. Uma superfície de metal ou semicondutor polidausando as técnicas de hoje em dia pode facilmente obter umarugosidade de menos de 0,5 nanômetros.

O estado da técnica de um dispositivo de conversão deenergia de tunelamento sofre de uma ou mais das limitaçõesa seguir: (1) uma separação que é grande demais para umtunelamento, (2) uma área que é pequena demais para umaconversão de energia significativa, (3) camadas de materialsólido que não podem ser termicamente isoladas resultandoem uma eficiência de conversão baixa, e (4) um projeto queé complexo demais para uma fabricação efetiva em termos decustos.

Uma separação de 10 mícrons ou mais foi obtida pormuitos sistemas termiônicos, mas estes sistemas operamapenas a temperaturas muito altas, requerem um projetodispendioso para segurança, e são limitados a ambientes emque esta temperatura é obtida.

Uma separação de em torno de 2,0 a 20,0 nanômetros foiobtida por um método ensinado na Patente U.S. N° 4343993(Binning et al.) no projeto do microscópio de tunelamentode varredura, mas a área efetiva foi da ordem de uns poucosnanômetros quadrados. Essa área era pequena demais (secomparada com a área desejada de em torno de um centímetroquadrado ou mais) para se permitir que uma correntesuficiente fluísse através dali, mesmo no melhor dosmateriais, para a conversão de energia significativa.

A indústria de semicondutor ensina e emprega muitosmétodos para controle de parâmetros físicos tais comoespessuras de filme, que são da ordem de vários nanômetros.Os dispositivos termiônicos são um exemplo de circuitosintegrados que convertem energia com uma pilha de materiaisem camadas. Veja Design and Characterization of Thin FilmMicrocoolers, de Chris LaBounty, Ali Shakouri, e John E.Bowers, Journal of Applied Physics, Volume 89, No. 7, 1 deabril de 2001. Contudo, todos estes métodos requerem quemateriais sólidos estejam em contato uns com os outros emcamadas. O calor flui facilmente de camada para camada,limitando a diferença de temperatura e a eficiência deconversão. Devido ao fato de os dois eletrodos estarem emcontato, o projeto está à mercê de materiaistermoeletricamente sensíveis disponíveis, e a barreira deenergia para os elétrons atravessarem não pode serarbitrariamente configurada, como é possível pela regulagemda largura de um espaço de vácuo. Os materiais tendo aspropriedades necessárias são elementos exóticos edispendiosos, tais como bismuto e telureto. Por estasrazões, os dispositivos termoelétricos são limitados a umalto custo por watt de potência de resfriamento e uma baixaeficiência de em torno de 7 por cento.

A técnica de separação de dois condutores por em tornode 2,0 a 2 0,0 nanômetros por uma área de um centímetroquadrado avançou pelo uso de um arranjo de sistemas decontrole de retroalimentação que são muito precisos porestas distâncias. Um sistema de controle inclui um meio deretroalimentação para medição da separação real, comparaçãodaquela com a separação desejada e, então, um meio demovimento para se colocarem os elementos mais próximos oumais distantes, de modo a se manter a separação desejada. Omeio de retroalimentação pode medir a capacitância entre osdois eletrodos, a qual aumenta conforme a separação forreduzida. O meio de movimento para estas dimensões, noestado da técnica é um atuador que produz um movimentoatravés de fenômenos piezoelétricos, de restrição magnéticaou de restrição elétrica. A Patente U.S. N0 6720704(Tavkhelidze, et al.) descreve um projeto como esse queinclui a conformação de uma superfície usando-se a outra e,então, o uso de sistemas de controle de retroalimentaçãopara finalização do paralelismo antes do uso. Devido aosprocessos elaborados envolvidos na conformação de umasuperfície contra a outra e ao uso de múltiplos sistemas decontrole de retroalimentação para manutenção doparalelismo, esta abordagem de projeto é um desafio parafabricação a um custo baixo.

Outros métodos foram documentados na Patente U.S. Nc6774003 (Tavkhelidze, et al.) e nos Pedidos de Patente U.S.2002/0170172 (Tavkhelidze, et al.) e 2001/0046749(Tavkhelidze, et al. ) que envolvem a inserção de uma"camada de sacrifício" entre os eletrodos, durante afabricação. A camada de sacrifício é evaporada, então, paraa produção de um espaço entre os eletrodos que é próximo doespaçamento desejado de 2 a 20 nanômetros. Estes trêsmétodos são suscetíveis a flutuações pós-fabricação, devidoa empenamento ou a diferenças de expansão térmica entre oseletrodos, ou requerem o arranjo de atuadores paracompensação destas flutuações.

Um outro método de obtenção e manutenção doespaçamento desejado ao longo do tempo é documentado naPatente U.S. N° 6876123 (Martinovsky, et al. ) e no Pedidode Patente U.S. N0 2004/0050415 através do uso deespaçadores dielétricos que mantêm o espaçamento de umeletrodo flexível, muito da forma como estacas suportam umatenda. Uma desvantagem destes espaçadores dielétricos é queeles conduzem calor de um eletrodo para o outro, reduzindoa eficiência do processo de conversão. Uma outradesvantagem deste método é que os eletrodos de metalflexíveis podem se distender ou deformar entre osespaçadores ao longo do tempo na presença de grandes forçaseletrostáticas e migrar lentamente em direção a umespaçamento que permite condução, ao invés de tunelamento eemissão termiônica.

Um outro método para a obtenção de um espaçamento devácuo necessário entre eletrodos é revelado no Pedido dePatente U.S. 2004/0195934, onde pequenos vazios são criadosna interface de duas pastilhas ligadas. Estes vazios sãopequenos o bastante para se permitir um termotunelamento deelétrons através de um espaço de uns poucos nanômetros.Embora estes espaços possam suportar um termotunelamento,uma condução térmica indesejada ocorre em torno dosespaços, e a uniformidade do espaçamento de eletrodo édifícil de controlar.

Ainda um outro método para a obtenção de um espaço determotunelamento é ao se terem as superfícies de face deduas pastilhas estando em contato, então, usando-seatuadores para separá-las por uns poucos nanômetros,conforme descrito no pedido de Patente U.S. 2006/0000226.Embora este método possa produzir um espaço determotunelamento, este método sofre do custo de múltiplosatuadores e da condução térmica entre pastilhas fora daárea do espaço.

Permanecem desafios continuados e difíceis naadequação às exigências para obtenção e manutenção de um deespaçamento de eletrodo em espaços de separação de menos de20 nanômetros, e na produção em massa de dispositivos determotunelamento de baixo custo, apesar dos esforços até omomento.

Uma utilidade adicional para um dispositivo que possamover elétrons através de um espaço de vácuo (além daprovisão de um resfriamento diretamente) é colocar esteespaço no topo da pilha termoelétrica. Nesta combinação, olado quente e espaço frio do espaço termoelétrico se tornamtermicamente isolados e, daí, mais eficientes. Umdispositivo com uma combinação de materiais termoelétricose um espaço de vácuo pode prover um resfriamento ou umaconversão de calor através de métodos termoelétricos,métodos de termotunelamento, métodos termiônicos ou umacombinação destes métodos.

Existe uma necessidade, portanto, de um projetomelhorado para manutenção de uma separação de vácuo entreeletrodos em dispositivos de tunelamento, diodo e outrosque seja mais eficiente em menos dispendioso do que osprojetos existentes. Em particular, existe uma necessidadede um projeto que tenha eletrodos proximamente espaçadoscom um espaço de vácuo uniforme. Mais particularmente,existe uma necessidade de um projeto tendo um par deeletrodos com autoposicionamento e auto-alinhamento em umespaço de espaçamento próximo entre eles, para se permitira transferência de elétrons através do espaçamento portunelamento, termiônica ou outra emissão, possivelmente emcombinação com elementos termoelétricos.

A presente exposição é dirigida a suplantar osdesafios mencionados anteriormente e outros e asdesvantagens da técnica anterior. Um dispositivo e umprocesso são mostrados, que empregam um fluxo de elétron deuma maneira não contemplada pela técnica anterior. Emprojetos anteriores, o fluxo de elétrons no dispositivo detunelamento foi usado para duas finalidades: (1) com umfluido termodinâmico para a transferência de calor de umcondutor para um outro, e (2) para mover a energiaconvertida diretamente para ou de uma bateria ou de umcircuito elétrico. Na presente invenção, são providos umaconstrução de dispositivo e um processo no qual o fluxo deelétrons também é usado para a geração de uma força derestauração que equilibra as forças eletrostáticas e outrasde atração em uma separação desejada dos eletrodos.

Um dispositivo e um processo são mostrados provendoeletrodos proximamente espaçados com um espaço uniforme.Mais particularmente, a exposição concerne a um par deeletrodos os quais se autoposicionam e auto-alinham em umespaço de espaçamento próximo entre eles, para se permitira transferência de elétrons através do espaço portunelamento, termiônica ou outra emissão, possivelmente emcombinação com elementos termoelétricos.

A presente invenção usa um material flexível para umdos eletrodos, e inclui um campo magnético paracontrabalançar forças eletrostáticas ou outras de atraçãocom forças de repulsão magnetostáticas que atuam de formanatural e simultânea sobre o eletrodo flexível paraposicioná-lo, alinhá-lo e mantê-lo em uma posição deequilíbrio estável em uma distância de espaçamento desejadadas outras superfícies de eletrodo por uma área grande, ese adaptar a desvios espaciais contínuos da planura emqualquer eletrodo.

Uma rugosidade superficial de menos de 0,5 nanômetrosé obtida pelo polimento das superfícies de face deeletrodos antes da montagem. As técnicas de polimento estãoprontamente disponíveis na indústria para a obtenção de umarugosidade superficial de menos de 0,5 nanômetros emmetais, semicondutores e outros materiais.

De modo a se obter uma separação de menos de 20,0nanômetros através de uma área grande de um centímetroquadrado ou mais, uma combinação de forças não de contato égerada, para se fazer com que os materiais de eletrodovenham a ficar no espaçamento desejado. Em condições deequilíbrio estável, uma força que já está presente nestesdispositivos de diodo é a força eletrostática entre oemissor e o coletor. Conforme uma voltagem é aplicada,cargas opostas são montadas em cada um dos eletrodos e apresença destas cargas resulta em uma força de atraçãoentre os eletrodos. Embora a força eletrostática sejaconsiderada como sendo a força de atração dominante emeletrodos proximamente espaçados, outras forças de atraçãotambém estão presentes, tais como gravidade, tensãosuperficial, forças de Van der Waals, forças de Casimir eatrito estático.

Um aspecto da presente invenção cria uma segunda forçaigual, mas oposta, a qual atua sobre o eletrodo flexívelpara equilibrar a força eletrostática de atração e outrasforças de atração em todos os pontos, de modo que oeletrodo flexível mantenha o espaçamento e o alinhamentodesejados. Esta segunda força é devido a um fenômeno físicoem que uma força é criada quando uma corrente flui em umcondutor na presença de um campo magnético. A força atua emuma direção que é perpendicular ao plano definido peladireção do fluxo de corrente e pela direção do campomagnético.

O campo magnético pode ser adicionado à modalidade dainvenção ao se ter um ímã permanente próximo de ou dentrodos eletrodos. Os materiais de ímã permanente como ferro,cobalto e níquel e suas ligas também são metais que sãoaltamente condutivos, térmica e eletricamente. Daí, estesmateriais magnéticos são compatíveis com as característicasde condutividade térmica e elétrica dos eletrodos. Mesmo sefosse desejado usar um material magnético não de conduçãopara a provisão de um campo magnético, um ímã como essepoderia ser revestido por um condutor ou simplesmente terum condutor plano montado nele, de modo a se construir oeletrodo de emissão.

A temperatura da superfície quando o ímã permanente écolocado pode afetar seus parâmetros de operação, já quemateriais magnéticos perdem sua magnetização no nível detemperatura de Curie, o qual tipicamente está entre 600 e1400 graus Kelvin. Contudo, na presente invenção, o ímãpode ser colocado no lado frio ou no lado quente dodispositivo de conversão, de modo que possam serencontradas configurações para se impedir o ímã de atingirsua temperatura de Curie.

A presente invenção prove uma forma para que osmateriais de eletrodo sejam colocados em conjunto de umamaneira nova, não óbvia, para a produção de um dispositivosimples e barato, o qual tem as vantagens a seguir: (1)simplicidade pela eliminação da necessidade de atuadores esistemas de controle requeridos pela técnica anterior, (2)fazer uso da tecnologia e dos processos de fabricação jádesenvolvidos nas indústrias de bulbo de luz elétrica esemicondutores para a obtenção de produção de baixo custo eem massa, (3) obtenção dos espaços de espaçamento estreitoentre os eletrodos sem o uso de espaçadores de modo apermitir um tunelamento de elétrons quentes de um eletrodopara o outro, desse modo se resfriando o primeiro eletrodo,e (4) manutenção de um espaço de espaçamento uniforme poráreas de eletrodo grandes, tal como um centímetro quadrado.

Outros sistemas, dispositivos, recursos e vantagens dodispositivo e processo mostrados tornar-se-ão evidentespara alguém de conhecimento na técnica, mediante um examedos desenhos a seguir e da descrição detalhada. Pretende-seque todos os sistemas, dispositivos, recursos e vantagens aserem incluídos nesta descrição, estejam no escopo dapresente invenção, e sejam protegidos pelas reivindicaçõesassociadas.

Muitos aspectos do dispositivo mostrado e do processopodem ser mais bem entendidos com referência aos desenhosassociados, FIG. 1 a 14. Os componentes nos desenhos nãoestão necessariamente em escala, a ênfase sendo colocada,ao invés disso, em ilustrar claramente os princípios dapresente invenção. Mais ainda, nos desenhos, números dereferência iguais não precisam de partes correspondentespor todas as várias vistas. Embora as modalidades deexemplo sejam mostradas em relação aos desenhos, não háintenção de limitar a exposição às modalidades mostradasaqui. Ao contrário pretende-se cobrir todas asalternativas, modificações e equivalentes.

A FIG. 1 ilustra uma modalidade do dispositivo deeletrodo de autoposicionamento da presente exposição;

a FIG. Ia ilustra o status direcional da corrente, docampo magnético e da força magnetostática no dispositivo daFIG. 1;

a FIG. Ib ilustra uma modalidade alternativa deeletrodo 2 no dispositivo da FIG. 1;

a FIG. 2 é uma vista em plano de topo esquemática doeletrodo 1 do dispositivo da FIG. 1;

a FIG. 2a é uma vista em perspectiva de fundo queilustra uma porção cortada de uma modalidade do eletrodo daFIG. 2;

a FIG. 3 ilustra uma modalidade alternativa dodispositivo da FIG. 1;

a FIG. 4 ilustra ainda uma outra modalidade dodispositivo da FIG. 1;

a FIG. 5 é um gráfico que ilustra de forma qualitativaas forças interagindo nos dispositivos das FIG. 1 a 4;

a FIG. 6 é um gráfico que ilustra de formaquantitativa as forças interagindo nos dispositivos dasFIG. 1, 3 e 4, usando-se eletrodos de metal polidos;

a FIG. 7 é um gráfico que ilustra de formaquantitativa as forças interagindo nos dispositivos dasFIG. 1, 3 e 4 usando-se eletrodos de silício polidos;

a FIG. 8 é um desenho que mostra como os eletrodospodem ser construídos a partir de um material de pastilhade silício;

a FIG. 9a ilustra uma modalidade alternativa com umespaço maior que é apropriado para aplicaçõestermofotovoltaicas;

a FIG. 9b é um gráfico similar ao da FIG. 5, queilustra as forças de interação do dispositivo da FIG. 9a;

as FIG. 10a a 10c mostram como múltiplos pares deeletrodo da FIG. 8 podem ser montados simultaneamente paraprodução em massa, usando-se as técnicas de processo quesão comuns na indústria de semicondutores;

as FIG. 11a a 11b mostram como múltiplos pares deeletrodo das FIG. 8, 9a ou IOc podem ser acondicionados emum trocador de calor grande para a obtenção de umadensidade mais alta e capacidade da função de dispositivo;

as FIG. 12a a 12b ilustram como o par de eletrodos daFIG. 8 pode ser acondicionado usando-se silício, vidro,selagem a vácuo com matéria-prima de vidro, e outrastécnicas de acondicionamento microeletromecânicas (MEMs)padronizadas que são comuns na indústria;

a FIG. 13 mostra um arranjo de ímãs permanentesafixados a uma grade magneticamente permeável, de modo a sefazer um dispositivo maior a partir dos dispositivosmenores das FIG. 8, 9a, 10c, 11a ou 12b; e

a FIG. 14 é um exemplo de um circuito eletrônico departida que pode ser usado para a formação do espaço nodispositivo das FIG. 8, 9c, 11a ou 12b, antes da aplicaçãode energia térmica para as modalidades em que eletricidadeé gerada.

Com referência, mais especificamente, aos desenhos,nos quais números de referência iguais se referem aelementos iguais por todas as várias vistas, as modalidadesde exemplo do dispositivo e do processo da presenteexposição são ilustradas nas FIG. 1 a 14.

Em geral, um dispositivo e um processo são mostrados,empregando eletrodos de face e envolvendo duasdistribuições de forças. Uma distribuição de força deatração eletrostática primariamente entre os eletrodos égerada por uma carga elétrica dentro dos eletrodos. Umadistribuição de força de repulsão igual, mas oposta, égerada pela distribuição de corrente elétrica dentro doseletrodos combinada com uma distribuição de campo magnéticoaplicada. As duas distribuições de força atuamsimultaneamente para o estabelecimento de uma separação deequilíbrio estável dos eletrodos através de suassuperfícies de face.

A FIG. 1 mostra uma modalidade da presente exposição.O eletrodo 1 é uma folha de metal flexível ou uma folha demetal montada sobre um filme ou substrato de plástico comopoliimida. O substrato de plástico ajuda a evitar que afolha fissure, enrugue ou rompa, depois de repetidosmovimentos criados pelas forças eletrostáticas eeletromagnéticas. O substrato de plástico ou aspropriedades elétricas do eletrodo 1 também podem atuarpara se evitar uma vibração ou uma instabilidade de seumovimento durante um equilíbrio. O eletrodo 2 é um ímãpermanente feito de ou revestido com um material decondução. Em uma forma de exemplo, o eletrodo 2 é um blocoretangular. Ambos os eletrodos são polidos nas superfíciesvoltadas uma para a outra. A fonte de calor 30 estápresente, se o dispositivo for usado para a conversão deenergia térmica, ou é um objeto a ser resfriado, se odispositivo for usado como um refrigerador. O suprimento depotência 10 está presente, se o dispositivo for usado comoum refrigerador e adicionalmente é uma carga elétrica, se odispositivo for usado como um gerador de conversão térmica.

A camada de isolamento 4 está presente para se permitir umponto de apoio não de condução para a ponta 6 do eletrodo1, quando o dispositivo não estiver em operação (isto é,enquanto o dispositivo estiver desligado). Adicionalmente,um dos eletrodos pode ter um revestimento de um materialnão de condução mais fino do que o espaçamento deequilíbrio desejado entre os eletrodos em que um outro doseletrodos se apóia, quando o dispositivo não estiver emoperação. Uma camada ou um revestimento 5 no topo doeletrodo 2 é um material projetado para ter uma função detrabalho baixa para facilitação de um tunelamento deelétron entre o eletrodo 2 e o eletrodo 1. Os conectores 9ae 9b e os fios 8a e 8b completam o circuito. A câmara 20sela a área entre os eletrodos de face 1 e 2 com um vácuoou um gás inerte para minimização da transferência de calorde um eletrodo para o outro. Os gases adequados incluemargônio e hélio. A extremidade mais larga de eletrodoflexível 1 é montada de forma fixa em uma estrutura desuporte na câmara 20, e o eletrodo 1 vem a ficar na ponta 6da camada ou filme de isolamento 4, quando a potência estiver desligada.A FIG. 1a indica o status de direção da corrente (I)fluindo no eletrodo 1, o campo magnético (B) gerado pelapresença do ímã permanente dentro do eletrodo 2, e a forçaF resultante da interação de I e B. A força F atua nadireção vertical para cima em todo ponto sobre o eletrodo1, opondo-se e equilibrando a força de atraçãoeletrostática que puxa o eletrodo 1 para baixo em direçãoao eletrodo 2.

A FIG. 1b mostra um arranjo alternativo para oeletrodo 2. Aqui, a superfície do material é padronizadacom um arranjo de picos 5. A geometria destes picos permiteum melhoramento da emissão de elétrons a partir do eletrodo2, devido aos campos elétricos magnifiçados na região dospicos. Estes picos também podem ocorrer naturalmente,devido a uma rugosidade pretendida ou não pretendida dasuperfície do eletrodo 2, após um polimento.

O dispositivo da FIG. 1 também pode ter mecanismos ousistemas de geração ou alteração de força adicionais paraajudarem na sua operação durante a potência desligada, oequilíbrio ou uma transição de potência desligada paraequilíbrio ou uma transição de equilíbrio para potênciadesligada. Por exemplo, estes mecanismos poderiam amortecero sistema para se evitarem vibrações ou oscilações doeletrodo 1 em torno de sua posição de apoio de equilíbrio.

Estas forças adicionais podem ser criadas de formamecânica, magnética, eletromecânica, eletromagnética ou poroutras formas para deslocamento de deficiências ou excessosna magnitude das forças de contrabalanço eletrostáticas emagnéticas primárias.

O material para o eletrodo flexível 1 pode ser ummetal condutivo, um material de semicondutor, vidro/metalem camadas ou metal/plástico em camadas. Os metaiscondutivos de exemplo incluem ouro, prata, alumínio ecobre. Os materiais semicondutores de exemplo incluemsilício, germânio e arseneto de gálio. O metal condutivo oumaterial de semicondutor opcionalmente pode ser montado oucombinado em camadas com um material que adicioneflexibilidade ao metal, se o metal não for suficientementeflexível por si mesmo, tal como vidro, poliamida,poliéster, poliimida, poliacrílico ou poliolefina.

O ímã permanente de eletrodo 2 pode estar contidodentro ou ser uma parte do eletrodo. Em uma modalidade deexemplo, o ímã permanente pode conter materiaisferromagnéticos de condução em qualquer combinação deferro, cobalto, níquel, neodímio ou alumínio.

Alternativamente, o ímã permanente pode conter um ou maismateriais ferromagnéticos não de condução revestidos com ummaterial de condução. Os materiais ferromagnéticos não decondução de exemplo incluem ferrita, ferrita de bário epartículas de óxido de ferro seladas em um aglutinante.

A camada ou o revestimento 5 no eletrodo 2 pode ser ummaterial de função de trabalho baixa, um materialtermoeletricamente sensível, um material de tunelamentoressonante, uma textura de melhoria de campo elétrico, ouuma combinação destes. As modalidades de exemplo de ummaterial de função de trabalho baixa incluem quaisquercamadas ou outra combinação de metal alcalino, uma liga demetal alcalino, um óxido, ou diamante, tal como um filme dediamante, ou nanotubos. Uma coleção de picos e valessurgindo a partir de rugosidade superficial ou padronização(conforme ilustrado, por exemplo, na FIG. lb) pode melhorara emissão de elétrons. Os materiais de semicondutor deexemplo incluem silício, germânio e arseneto de gálio. Osmateriais termoeletricamente sensíveis incluem telureto debismuto de várias dopagens.

O material de função de trabalho baixa na camada 5 daFIG. 1 ou material de melhoria 5' na FIG. Ib pode ser, porexemplo, césio (Cs), bário (Ba), estrôncio (Sr) , rubídio(Rb), germânio (Ge), sódio (Na), potássio (K), cálcio (Ca),Lítio (Li) e combinações ou óxidos dos mesmos. Essesmateriais são mostrados para redução da função de trabalhodo eletrodo de emissão 2 de 4 a 5 eV para tão baixo quanto1,1 eV ou menos. Os materiais de função de trabalho baixaincluem tório (Th) , óxidos revestidos com metal e silício.

Outros materiais não mencionados aqui também podem obterfunções de trabalho baixas, e a adição de uma camada dematerial como essa é uma extensão óbvia da invenção. Porexemplo, um tipo diferente de camada, uma camada desemicondutor de espaço largo para facilitação detunelamento de elétrons é proposta por Korotkov. VejaPossible Cooling by Resonant Fowler-Nordheim Emission, deA. N. Korotkov e K.K. Likharev, Applied Physics Letters,Volume 75, No. 16, 23 de agosto de 1999. Ali, uma camada deóxido fina, cuja espessura é controlada cuidadosamente,excita os elétrons para uma condição ressonante, desse modoajudando os elétrons quentes a escaparem para o vácuo.Também, a camada 5 da FIG. 1 e 5' da FIG. Ib poderia ser umarranjo de nanotubos de carbono ou um arranjo similar paramaximização da emissão e minimização da função de trabalho.

Os materiais de camada de isolamento 4 podem incluir vidro,poliimida ou outros plásticos.

O fluxo dos elétrons na FIG. Iea singularidade dainvenção podem ser descritos conforme se segue. Os elétronslivres fluem a partir do suprimento de potência ou da cargaelétrica 10 para o eletrodo de emissão 2. Os elétronslivres que são emitidos a partir do eletrodo 2 para oeletrodo 1 são selecionados por este projeto para seremelétrons quentes que podem remover calor do eletrodo 2. Umaspecto desta invenção é que os elétrons livres fluemdentro do eletrodo 1 da esquerda para a direita na FIG. 1,na presença de um campo magnético B mostrado de formadirecional na FIG. Ia. Esta direção de fluxo de elétronlivre em combinação com o campo magnético aplicado gera umaforça de repulsão mostrada de forma direcional na FIG. Ia,que equilibra a força eletrostática de atração e obtém umaseparação constante e desejada entre o eletrodo Ieoeletrodo 2 por uma área grande.

A FIG. 2 é um esquema de uma vista de topo damodalidade de exemplo de eletrodo 1 na FIG. 1, mostrandouma seção transversal 7 com setas apontando na direção defluxo de elétrons. A seção transversal 7 tem uma densidadede corrente igual à corrente de tunelamento agregada que écapturada por toda a superfície do eletrodo para a esquerdade 7 dividida pelo comprimento da seção transversal 7. Comose espera que a corrente de tunelamento seja proporcional àárea de atividade de tunelamento à esquerda de 7, então, ocomprimento de seção transversal 7 otimamente aumentará emproporção com o aumento na área da superfície de eletrodopara sua esquerda. A borda 3 de eletrodo 1, portanto, traçauma função exponencial. Assim, a largura da superfície doeletrodo flexível 1 cresce exponencialmente a partir de suaponta 6 para sua extremidade oposta. Uma função exponencialé matematicamente igual à área delimitada por ela e o eixoX até seu ponto de integração. A função traçada pela borda3 também pode compensar outras variações em densidade decorrente, tal como uma resistência elétrica devido aocomprimento de percurso dentro do eletrodo 1. Também, emalguns casos, o projeto pode ser subotimizado com umeletrodo de formato triangular 1, para facilidade defabricação.

A FIG. 2a é uma vista esquemática do lado de fundo daporção cortada de eletrodo 1 mostrada na FIG. 2. Elailustra como o eletrodo 1 pode ser padronizado em suasuperfície de fundo, a qual se volta para o eletrodo 2. Opadrão permite que a área de tunelamento (definida pelaárea total X de superfície elevada x) seja diferente daárea total Y que está disponível para a corrente fluir. Apadronização do eletrodo 1 desta forma permite uma áreatotal maior Y e, daí, perdas de resistência elétrica eperdas de geração de calor menores para a corrente agregadafluir. Ao mesmo tempo, minimiza a área que está próxima doeletrodo 2, o que reduz a força eletrostática que deve servencida para se colocarem os eletrodos nas suas posiçõesdesejadas. O mesmo efeito de padronização do eletrodo 1também pode ser realizado por uma rugosidade superficialintencional ou não intencional após um polimento. Ossegmentos elevados de forma intermitente 4 são camadas deisolamento finas as quais podem suportar o eletrodo 1 eimpedir curtos elétricos, conforme o material de folha doeletrodo 1 cair em direção ao eletrodo 2, quando odispositivo for ligado.

A FIG. 3 é um esquema que mostra uma outra modalidadeda presente exposição, a qual pode obter umacondicionamento mais compacto. Aqui, o eletrodo 2 é um ímãpermanente cilíndrico com uma direção de magnetização queemana radialmente para fora a partir do centro. O eletrodo1 agora tem o formato de uma espiral exponencial, cujalargura aumenta exponencialmente após cada virada.

Alternativamente, o eletrodo 1 pode ter um formato deespiral crescente linearmente como uma aproximação maissimples do formato de espiral exponencial para facilidadede fabricação. Devido ao fato de o eletrodo 1 ter umformato de espiral, o fluxo de corrente é na direçãotangencial. A força sobre o eletrodo 1 atua na direçãovertical, provendo uma força de repulsão que equilibra aforça de atração eletrostática similar àquilo obtido naFIG. 1. O formato em espiral do eletrodo 1 faz com que estamodalidade tenha um projeto mais compacto, porque não érequerido que a área de tunelamento total seja espalhadaatravés de uma dimensão longa, como na FIG. 1. ímãscilíndricos com magnetização radial (medindo o campomagnético em uma direção radial a partir do centro dodispositivo) estão rotineiramente disponíveis na indústria,já que são populares para a construção de alto-falantes. Oscomponentes remanescentes desta modalidade são os mesmosque na FIG. 1.

Há muitas outras modalidades óbvias para estainvenção, além das modalidades das FIG. 1 e 3, as quaisusam um formato especial de um eletrodo para a obtenção deuma força de repulsão uniforme. A FIG. 4 é um desenhoesquemático de uma dessas outras modalidades de exemplo.

Ela usa um campo magnético variável, ao invés de umeletrodo de largura variável. Por exemplo, na FIG. 4, adensidade de corrente no eletrodo 1 aumenta da esquerdapara a direita, conforme mais corrente estiver disponível apartir da área de tunelamento. De modo a se obter uma forçauniforme através do eletrodo 1, o campo magnético édiminuído da esquerda para a direita, porque menosintensidade de campo é necessária conforme mais densidadede corrente for desenvolvida. Assim, a intensidade do campomagnético varia na proporção inversa à densidade decorrente no eletrodo flexível 1, de modo a se obter umaforça constante. Uma forma para o campo magnético diminuirda esquerda para a direita é variar a profundidade domaterial de ímã permanente 23 contido no eletrodo 2 eaumentar a quantidade de material não magnetizado 24, talcomo cobre ou alumínio.

A FIG. 5 é uma ilustração gráfica que mostra como asforças interagem nas FIG. 1 a 4 para a produção de umespaçamento constante entre os dois eletrodos pela área detunelamento. O eixo Y 40 é força e o eixo X 41 é a largurade espaço de espaçamento ou distância de separação entre oseletrodos. A curva 43 mostra as forças eletrostáticas deatração entre o eletrodo Ieo eletrodo 2. A forçailustrada na curva 43 é inversamente proporcional aoquadrado do espaço de espaçamento 41. A curva 4 6 mostra aforça de repulsão entre os dois eletrodos gerada pelacorrente de tunelamento fluindo na presença do campomagnético. Esta corrente é próxima de zero, até a separaçãose tornar estreita o bastante para que um tunelamentoocorra. Então, ela aumenta muito rapidamente conforme oespaçamento diminuir mais. As localizações do ponto deseparação de partida para tunelamento 4 2 e o ponto deseparação para uma condução plena 4 4 dependem das condiçõesde processo usadas. Por exemplo, o ponto de separação departida 4 2 para tunelamento é de em torno de 2 0 nanômetrospara um dispositivo com um potencial aplicado de 0,1 a 2,0volts, e o ponto de condução essencialmente plena 44 é deem torno de 1 nanômetro, de acordo com Hishinuna. VejaEfficiency of Refrigeration using Thermotunneling andThermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer ScaleDesign, de Y. Hishinuna, et al. ; supra; e Measurements ofCooling by Room Temperature Thermionie Emission Aeross aNanometer Gap, de Y. Hishinuma, et al.; supra. As forças deatração e de repulsão são iguais no ponto 45. Esta é aseparação em que o dispositivo vem a ficar em sua posiçãode equilíbrio estável. Se quaisquer perturbações nodispositivo causarem uma separação maior do que o ponto 45,a força de atração 43 ultrapassará a força de repulsão 46,causando uma tendência a se mover de volta para o ponto deequilíbrio 45. De modo similar, em qualquer perturbação quecause uma separação menor do que o ponto 45, a força derepulsão 46 ultrapassa a força de atração 43 e de novorestaura o dispositivo para seu ponto de equilíbrio 45.

Além do arranjo de eletrodo mencionado anteriormente,os eletrodos também podem ser dispostos em múltiplascamadas de espaçamento periódico. Adicionalmente, múltiplasunidades do dispositivo podem ser montadas em série ou emparalelo ou em paralelo e em série, de modo se obterem osníveis mais altos de conversão de energia.Em operação, as intensidades da distribuição decorrente ou densidade no eletrodo flexível Ieo campomagnético do eletrodo de face 2 são ajustados paracolocarem os eletrodos em uma posição de equilíbrio estávelespaçada. Em uma modalidade de exemplo, quando odispositivo da presente exposição for usado na conversão decalor em energia elétrica ou para resfriamento, usando-seum tunelamento de elétron ou uma transferência de elétrontermiônica, ou uma combinação de tunelamento de elétrons eprincípios termiônicos, as intensidades da densidade oudistribuição de corrente no eletrodo Ieo campo magnéticodo eletrodo 2 podem ser ajustados para se colocarem oseletrodos de face em uma posição de equilíbrio estávelespaçada de 1 nanômetro a 20 nanômetros, usando-se umafolha de metal flexível para um eletrodo. Em uma outramodalidade de exemplo, quando o dispositivo da presenteexposição é usado em uma conversão de calor pararesfriamento ou geração de potência por transferência deelétron termiônica, as intensidades da densidade oudistribuição de corrente no eletrodo 1 e o campo magnéticodo eletrodo 2 podem ser ajustados para se colocarem oseletrodos de face em uma posição de equilíbrio estávelespaçada de 1 nanômetro a 20 nanômetros usando-se umapastilha de silício como o substrato para um ou ambos oseletrodos.

O dispositivo da presente exposição pode ser usado emum processo para conversão de calor para resfriamento ou emenergia elétrica. A fonte de calor pode ser uma fonte deradiação, tal como radiação do sol, calor do ambiente,energia geotérmica ou calor gerado a partir de motores oumetabolismo animal, tal como, mas não limitando, o calor deum corpo humano vivo. A fonte de calor também pode ser apartir de um motor elétrico, a vapor ou de combustãointerna em funcionamento, ou pela queima de um combustível,tal como um forno, tal como um forno a lenha ou um forno acarvão ou um outro tipo de forno, ou seus gases deexaustão. Quando a fonte de calor, por exemplo, é a partirde um motor de combustão interna em funcionamento ou deseus gases de exaustão, o presente dispositivo pode serincorporado no motor ou em uma linha de exaustão de gáscomo um sumidouro de calor. O combustível para queima podeser madeira, gás natural, carvão ou outro combustível dequeima. A energia convertida pode ser armazenada, tal comoem uma bateria, ou dirigida para um dispositivo elétricoportátil, tal como um telefone celular, um telefone sem fioou um outro produto mencionado anteriormente.

A operação do dispositivo da presente invenção seráexplicada, agora, quando de sua operação como umrefrigerador. Com referência, de novo, à FIG. 1, umavoltagem, crescendo a partir de zero, é aplicada entre oeletrodo Ieo eletrodo 2 pelo suprimento de potência 10.Esta voltagem resulta em uma força eletrostática que puxa aponta 6 do eletrodo 1 em direção à superfície do eletrodo2. Conforme a voltagem é aumentada gradualmente, o eletrodoflexível 1 se flexiona para baixo em direção à superfíciedo eletrodo 2 de uma forma de rolamento começando a partirda ponta 6. Esta flexão continua até o eletrodo 1 ficar tãopróximo do eletrodo 2 que uma corrente de tunelamentocomece a fluir para cima a partir do eletrodo 2 para oeletrodo 1. Esta corrente de tunelamento, uma vez atingindoo eletrodo 1, flui horizontalmente para a direita dentro doeletrodo 1 em direção ao conector 9. Devido ao fato de estacorrente estar fluindo na direção I da FIG. IA, o campomagnético produzido pelo imã permanente no eletrodo próximo2 está na direção B, então, um força atuará para empurrar oeletrodo 1 para cima. Desde que a voltagem a partir dosuprimento 10 continue a ser aumentada, o eletrodo 1 seachatará e combinará com os contornos da superfície doeletrodo 2. A força eletrostática atua para puxar as duassuperfícies de eletrodo uma em direção à outra, e a forçaoposta do fluxo de corrente no eletrodo 1 impede os doiseletrodos de ficarem mais próximos do que o espaçamentodesejado.

A operação do dispositivo da presente invenção como umdispositivo gerador é similar, exceto pelo fato de a fontede calor 30 gerar "elétrons quentes" se movendo de umestado de energia alta de serem quentes no eletrodo 2 paraum estado de energia mais baixo de serem frios no eletrodo1. É este movimento de elétrons de um estado de energiapara um outro que cria o fluxo de corrente entre oseletrodos. A carga elétrica 10 se torna o dissipador para aenergia elétrica assim produzida.

Em uma operação de refrigeração, a energia elétrica éusada a partir do suprimento de potência para puxar oselétrons quentes para longe do eletrodo 2, desse modoresfriando-o. Quando operando como um gerador elétrico, afonte de calor 3 0 é usada para se empurrarem os elétronspara o suprimento de potência.

EXEMPLOS

A invenção será adicionalmente ilustrada pelosexemplos a seguir, os quais são baseados em leisfundamentais da física em conjunto com dados experimentaise medições obtidas pelo inventor e pelos cientistasacadêmicos, conforme descrito aqui. Estes exemplos mostramque: (1) o dispositivo desta exposição pode ser projetado econstruído usando-se dimensões e processos que são comunsna indústria, (2) as forças quantificadas geradasresultarão na separação de eletrodo desejada, e (3) aspropriedades elétricas do dispositivo da invenção podemportar e transmitir a energia elétrica convertidaefetivamente. Os exemplos demonstram os três atributosacima do dispositivo da invenção para conversores determotunelamento, em que a separação de eletrodo é menor doque 20 nanômetros e para conversores termofotovoltaicos emque a separação de eletrodo é de em torno de 100nanômetros.

Exemplo 1

Para um conversor de termotunelamento, considere asdimensões a seguir nas FIG. 1, 2 ou 3:

A área de tunelamento de superposição total Y doseletrodos de face é de 1 centímetro quadrado ou 10"4 metrosquadrados. O comprimento L do eletrodo flexível 1 é de 2centímetros e a largura máxima W é de 1 centímetro. Ocomprimento Lea largura W são definidos de modo similarpara a FIG. 3, mas o eletrodo 1 é enrolado em um formato emespiral, se comparado com um formato linear para a FIG. 1.A superfície de face do eletrodo 1 é padronizada nasuperfície ou tem uma rugosidade superficial de modo que aárea de tunelamento total X (a soma de todos os x) seja deum décimo da área superficial total Y, ou 10"5 metrosquadrados. O material de ímã permanente usado no eletrodo 2tem uma intensidade de campo B de 1,2 Tesla. A voltagem Ventre os eletrodos é de 0,15 Volts. A constante depermissividade ε de vácuo ou gás inerte rarefeito entre oseletrodos 1 e 2 é igual a 8,8 χ 10"12 farads por metro. Aresistividade r do eletrodo flexível 1 é assumida comosendo próxima daquela do cobre, ou de 1,7 χ 10"8 ohm-metro.A resistência do percurso de elétrons a partir do conectorsuperior 9a até o outro conector inferior 9b é assumidacomo sendo plenamente concentrada no eletrodo 1, devido aofato de ele necessitar ser fino e flexível, se comparadocom o restante do circuito. A espessura t do eletrodoflexível 1 é de 20 mícrons e, portanto, é um material defolha.

A fórmula para a força eletrostática de atração Fe é1/2ε XV2/d2, onde d é a separação entre os eletrodos. Afórmula para a força magnética de repulsão Fm é ILB, onde Ié a corrente, e L é o comprimento médio efetivo do fluxo decorrente no eletrodo 1.

A corrente de tunelamento I como uma função daseparação é tomada a partir dos gráficos de Hishinuma eassume uma função de trabalho de revestimento 5 da FIG. 1de 1,0 eV, e uma temperatura de operação de 300 grausKelvin. Veja Efficiency of Refrigeration usingThermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use ofNanometer Scale Design, de Y. Hishinuna, et al. ; supra; eMeasurements of Cooling by Room Temperature ThermionicEmission Aeross a Nanometer Gapl de Y. Hishinuma, et al. ;supra.

Na FIG. 6, as funções de força Fm e Fe para os valoreslistados acima são plotadas com uma escala logarítmica, noeixo Y, versus o espaço de separação de eletrodo d, com umaescala aritmética no eixo X. Este gráfico produz um gráficocomo aquele da FIG. 5, apenas agora sendo plenamentequantificado. O ponto de equilíbrio estável 45 está próximode 2,0 nanômetros, o qual é a faixa de espaçamento desejadapara a obtenção de uma corrente de tunelamento de 20ampères, de acordo com Hishimuna. Veja Measurements ofCooling by Room Temperature Thermionic Emission Across aNanometer Gap, de Y. Hishinuma, et al. ; supra. Conforme asperturbações tentam deslocar o espaço de espaçamento paralonge do equilíbrio estável em qualquer direção, as forçasde restauração são maiores do que 0,2 Newton, o que ésuficiente para vencer a resistência à flexão do eletrodoflexível e empurrá-lo de volta para sua posição deequilíbrio.

Com o eletrodo de emissão à temperatura ambiente, umfluxo de corrente de 20 A e uma vòltagem de 0,15 V, odispositivo pode obter uma capacidade de geração depotência elétrica ou uma capacidade de refrigeração de 16watts, o que é computado como a corrente (I) vezes ocoeficiente de Peltier de 0,8 usado neste exemplo, conformedescrito em Measurements of Cooling by Room TemperatureThermionic Emission Across a Nanometer Gap, de Y.Hishinuma, et al.; supra. A potência de resistência perdidano fluxo desta corrente através do eletrodo flexível 1 éI2rL/tw. Com os valores mencionados acima, a perda depotência ôhmica é calculada em 1,0 Watt, o que é assumidocomo sendo gerenciável como uma perda de potência e comouma fonte de eletrodo de aquecimento 1. A transferência decalor do eletrodo 2 para o eletrodo 1 também pode ocorrerpor radiação, convecção e condução, mas é estimada comosendo de não mais do que 1,3 Watt, quando a câmara dodispositivo da invenção for posta sob vácuo para um nívelde 0,06 mmHg (79,99 Pa) de gás argônio. Finalmente, há umcalor elétrico gerado no eletrodo 2, conforme descrito emMeasurements of Cooling by Room Temperature ThermionicEmission Across a Nanometer Gap, de Y. Hishinuma, et ai.;supra, o qual é igual à voltagem V vezes a corrente I, oude em torno de 3,0 Watts neste exemplo. A energiadisponível remanescente a partir dos 16 Watts de energiaconvertida é de 10,7 Watts. Isto corresponde a umaeficiência calculada de 67 por cento.

Assim, nós vemos que as características de nível desistema deste dispositivo, com base na teoriaeletromagnética estabelecida, suportam um projetotrabalhável e um meio para redução para a prática para umconversor de termotunelamento com alta eficiência.

Exemplo 2

Um outro exemplo da versatilidade desta invenção é aescolha dos materiais. A modalidade preferida, conformedescrito no Exemplo 1, inclui uma folha de metal como umdos eletrodos. Uma outra modalidade poderia usar um silíciode cristal único como o eletrodo flexível. Embora o silícionão seja normalmente considerado como um material flexível,ele é rotineiramente fabricado na indústria com umarugosidade de 0,5 nanômetros e uma planura de 1 micrômetroatravés de uma superfície de 1 centímetro quadrado. Emborao silício seja muito mais rígido do que uma folha de metal,conforme medido pelo Módulo de Young, sua planura indicaque muito pouca flexão é requerida para aproximação daplanura ideal. As forças geradas pela invenção mostrarãoser capazes de flexionarem uma pastilha de silício por ummícron, necessário para aplainá-la completamente. Em geral,o uso de silício como o material de base para o eletrodoflexível ou ambos os eletrodos tem várias vantagens: (1) aspastilhas de silício estão prontamente disponíveis a umcusto baixo, (2) as pastilhas de silício têm ascaracterísticas desejáveis de rugosidade e planura, (3) aadição de materiais de função de trabalho baixa ou padrõesde materiais em silício é realizada de forma ponta efreqüente na indústria, (4) a resistividade de silícioimpede o eletrodo flexível de reagir muito rapidamente,durante um contato ou quase contato com o outro eletrodo dainvenção, e (5) a resistividade desejada de silício podeser arbitrariamente controlada através de dopagem, o quetambém é prática comum na indústria. Em geral, o projeto dainvenção pode ser construído com materiais e processos queestão rotineiramente disponíveis na indústria de semicondutores.

De modo a ilustra receptor exemplo da invenção usandosilício para o eletrodo flexível, considere a FIG. 8. Aqui,o eletrodo 1 é compreendido por um reforço de folha 62 epor um substrato de silício 65. 0 formato do eletrodo 1 naFIG. 8 é triangular, aproximando-se do formato exponencialótimo descrito no Exemplo 1. O substrato de silício 65 podeser cortado a partir de uma pastilha padrão e, então, serligado ao reforço de folha 62 do eletrodo 1, usando-se umadesivo condutivo. 0 eletrodo 2' na FIG. 8 é construídocomo o eletrodo 2 na FIG. 1, apenas o ímã não sendomostrado e sendo assumido que está posicionadoseparadamente. Pela separação do ímã do eletrodo 2', épossível construir o eletrodo 2' na FIG. 8 usando os mesmosmateriais e o processo que no eletrodo 1 da FIG. 8. Assetas 61 indicam o fluxo direcional de elétrons. Devido aofato de o reforço de folha ter condutividade muito maisalta do que o silício, os elétrons seguirão um percurso demenor resistência. Daí, os elétrons fluem da direita para aesquerda através do reforço de folha de eletrodo 2' atravésde condução, então, eles fluem verticalmente através dosubstrato de silício de eletrodo 2', conforme indicado pelaporção de seta 67, então, os elétrons fluem via tunelamentoou emissão termiônica a partir da superfície 64 de eletrodo2' para o eletrodo 1 em um vácuo, conforme indicado pelaporção de seta 66. Uma vez que os elétrons atinjam oeletrodo 1, eles de novo fluem através de um substrato desilício verticalmente, conforme indicado pela porção deseta 65 e, finalmente, atingem o reforço de folha 62 deeletrodo 1. Então, eles seguem um percurso de resistênciamuito baixa da esquerda para a direita através do reforçode folha 62 de eletrodo 1. O fluxo de elétrons, conformeindicado direcionalmente pelas setas 61 interage com umcampo magnético de um ímã permanente próximo, o qual não émostrado na FIG. 8.

Neste exemplo, a espessura total ts do silício é de0,5 milímetros ou 0,25 milímetros por pastilha, o que é umpadrão da indústria. O material de silício é dopado parater uma resistividade rs de 0,02 ohm-cm, a qual também écomumente praticada. O Módulo de Young Es para o silício éconhecido como sendo de 47 Gigapascais ou 4,7 χ 10^10Pascais. As pastilhas de silício são rotineiramente polidasna indústria para 0,5 nanômetros de rugosidade superficiale obtém uma planura de superfície dx de 1,0 mícron para umapastilha de dimensões laterais de um centímetro.

A FIG. 7 mostra o efeito do silício sobre as forças,se comparada com a FIG. 6. A força magnetostática élimitada a 0,6 Newtons, conforme o espaço se tornar muitopequeno. A resistência do silício limita o fluxo decorrente e, daí, a força de repulsão magnetostática.Também, um espaço muito estreito fará com que toda avoltagem de suprimento caia na resistência de silício, euma voltagem zero aparecerá através do espaço, o quesignifica que as forças de atração eletrostáticas são nulaspara um espaçamento de espaço muito pequeno.

Para a quantificação destes efeitos, considere acorrente máxima que pode fluir neste sistema, a qual é avoltagem de suprimento V dividida pela resistência dosilício, a qual é igual a rsts/Lw. Para a voltagemaplicada, o comprimento e largura do eletrodo no Exemplo 1,o fluxo de corrente máxima é de em torno de 50 ampères,quando o silício estiver presente. Mais ainda, quando acorrente se aproxima deste nível de 50 ampères, a voltagemde suprimento é toda caída através do silício, e nenhumadiferença de voltagem pode ser obtida através dassuperfícies de face dos eletrodos.

As forças diferenciais de restauração na FIG. 7 sãorelativamente grandes. De acordo com a figura, um desvio de0,1 nanômetro da separação desejada produz uma força derestauração maior do que 0,05 Newtons. Esta força derestauração é muito maior do que as forças de flexãorequeridas para aplainamento do eletrodo 1 e muito maior doque as forças de flexão requeridas para a obtenção deparalelismo com o eletrodo 2, conforme será calculado,agora.

De modo a se aplainar uma corrugação de um mícron noeletrodo 1, uma força de 40dxEsWts3/12L3 é requerida. Estaforça é calculada como de 0,003 Newtons. Se o eletrodo 1 eo eletrodo 2 tiverem corrugações opostas, então, a forçarequerida será de duas vezes esta quantidade ou 0,006Newtons, o que é muito menor do que os 0,05 Newtons deforça de restauração disponíveis para manutenção de umespaço em 0,1 nanômetro do espaço desejado.

As características de força na FIG. 1 com um materialde eletrodo de silício são mais desejáveis do que aquelasna FIG. 6 com um material de folha de metal pelas razões aseguir: (1) as forças com o silício presente não se tornamtão grandes para causarem oscilações ou um movimento súbitoque poderia danificar ou desestabilizar o sistema, como nocaso de eletrodos de metal puros, (2) uma maior planura depastilha de silício versus folha de metal permite que osistema comece muito mais próximo do ponto de operaçãodesejado, (3) a resistência do silício impede grandescorrentes de se formarem em áreas localizadas pequenas, quepodem resultar em altas temperaturas e danos evaporativosaos materiais de eletrodo, (4) a rigidez do silício reduz aquantidade de movimento do material para sustentação doespaço ao longo do tempo e, daí, reduzindo o risco defadiga, fissuração ou deformação, e (5) a rigidez mais altae a planura do silício asseguram que o espaço pode sermantido na presença de variações locais, o que reduz anecessidade de precisão no formato exponencial,uniformidade da espessura do eletrodo e outras variações deparâmetro dos materiais e do projeto.

Exemplo 3

A FIG. 9a mostra um outro exemplo de como estedispositivo poderia ser usado para um tipo diferente deconversão de energia denominado termofotovoltaica. Nesteexemplo, a fonte de calor 71 faz com que um materialfotoemissivo 73 comece a irradiar luz, ilustrado por 72,através de um espaço 74 que é menor do que o comprimento deonda da luz para o material fotossensível 75, o que, porsua vez, cria uma corrente elétrica ilustrada pelas setas76. Neste exemplo, o material fotoemissivo 73 poderia sertungstênio ou similar. O material fotossensível 75 poderiaser silício, selênio, gálio, arsênico, índio ou algumacombinação ou liga destes. O comprimento requerido para oespaço 74 tipicamente é menor do que o menor comprimento deonda emitido pelo material fotoemissivo 73 ou de em tornode 100 nanômetros, de modo a se obterem condições óticas decampo próximo. O eletrodo fotoemissivo 73, neste caso, érígido, plano e polido no lado de espaço. O eletrodofotossensível 75 tem flexibilidade suficiente para aplainarpara um espaço uniforme largamente uniforme de em torno de100 nanômetros.

A FIG. 9b mostra um gráfico das forças que podem sercriadas em uma implementação termofotovoltaica destainvenção. Devido ao fato de a força eletrostática serpequena demais nestas distâncias para ser significativa,uma força de mola ou uma força externa similar pode sersubstituída para causar uma atração entre os doiseletrodos. A força de mola tem uma magnitude linear comouma função de uma separação de espaço. A força de repulsãode equilíbrio é gerada como nos exemplos prévios pelacorrente ilustrada pelas setas 76 fluindo na presença de umcampo magnético, o qual não é mostrado na FIG. 9. Estacorrente é gerada pelo material fotossensível recebendofótons a partir da emissão do eletrodo 73, mas, de outraforma, serve para a criação e a manutenção de uma separaçãode espaço uniforme, conforme descrito nos exemplos prévios.

A força de repulsão 46' na FIG. 9b é proporcional àcorrente termofotovoltaica cujo compartimento versusseparação foi derivado a partir de Micron-gapThermoPhotoVoltaics (MTPV) , de R. DiMatteo et al., supra.

Exemplo 4

As FIG. 10a a 10c ilustram como o projeto da FIG. 8 ouda FIG. 9 poderiam ser montados, onde os múltiplosdispositivos são conectados em série eletricamente e emparalelo termicamente. Mais ainda, as FIG. 10a a 10cilustram como escalonar para cima múltiplos destesdispositivos usando-se técnicas de fabricação que sãoamplamente usadas na indústria de semicondutores. A FIG.10a mostra um substrato de base 82 que mantém um lado dosmúltiplos dispositivos. Este substrato 82 é resfriadoquando o dispositivo está operando como um resfriador determotunelamento, ou é aquecido quando operando como calorpara um conversor de eletricidade, ou está irradiandoquando o dispositivo está operando como um conversortermofotovoltaico. A FIG. 10b mostra uma vista lateral daspilhas de filme que podem ser criadas para a fabricação demúltiplos dispositivos em um substrato 82. O substrato 82 éfeito de silício, carbureto de silício, alumínio, arsenetode gálio ou de um material de substrato similar usadocomumente na indústria. A camada 88 é um oxido ou um filmesimilar que isola eletricamente a primeira camada de metal83 da camada de substrato 82, mas ainda permite conduçãotérmica. A primeira camada de metal 83 é uma camadaaltamente condutiva e relativamente espessa para transportede corrente para a operação de termotunelamento ou para otransporte de calor para uma operação termofotovoltaica. Acamada 83 pode ser de cobre, por exemplo, ou de um metalmenos dispendioso, como alumínio. A camada de espaço 84 é ometal ou um outro filme que é mais bem adequado para umainterface com o espaço. No caso de termotunelamento, estacamada 84 poderia ser de ouro, para proteção de oxidação econtaminação, já que o ouro é um metal inerte. No caso deuma operação termofotovoltaica, a camada de espaço 84poderia ser de tungstênio ou de um outro material que sejaaltamente fotoemissivo, de modo a se maximizar a conversãode calor em fótons que atravessam o espaço. A camada 85 éuma camada de sacrifício que mais tarde é removida, após apilha de filme de camadas 83, 84, 84' e 83' ser produzida.A camada de sacrifício provê uma estrutura para a deposiçãode filmes adicionais que compreendem o segundo eletrodo.Após a remoção da camada de sacrifício 85, o espaço éformado entre as camadas 84 e 84' pelo equilíbrio de forçapreviamente descrito da FIG. 5, 6, 7 ou 9b. A camada 84' éotimizada para receber a energia do espaço e para proteçãoda camada 83' de contaminação ou oxidação. No caso de umaoperação de termotunelamento, a camada 84' poderia serfeita de ouro. No caso de uma operação termofotovoltaica, acamada 84' poderia ser um material fotossensível descritocomo o material 75 na FIG. 9a. A camada 83' é a camada detransporte de corrente que transporta a corrente para forado dispositivo, e seu material poderia ser cobre oualumínio. Uma vez que a pilha de filme mostrada na FIG. IObseja criada usando-se o processamento de semicondutor, asconexões elétricas em série são feitas, conforme ilustradona FIG. 10c. Neste caso, as conexões elétricas são feitas apartir do eletrodo de topo para o eletrodo de substratovizinho, usando-se fio e ligações de fio 86. Os fios 89indicam a entrada e a saída elétricas para múltiplosdispositivos. A camada de sacrifício 85 pode ser feita dequalquer material que possa ser removido com um líquido deprocessamento, um gás ou pela fusão ou evaporação dele comcalor.

Uma vez que um par de dispositivos seja criado,conforme mostrado na FIG. 8, 9a ou 10c, então, eles podemser inseridos em um pacote de trocador de calor, conformeilustrado na FIG. 11a, por exemplo. Aqui, os pares deeletrodo ou arranjos de pares de eletrodo 92 movem o calorde uma aleta 93 para uma aleta correspondente 93'. Asaletas 93 são todas conectadas fisicamente à primeira placatérmica 90, e as aletas correspondentes 93' são todasconectadas fisicamente à segunda placa térmica 90'. Asplacas térmicas 90 e 90' representam o lado quente e o ladofrio para uma operação de termotunelamento outermofotovoltaica pela agregação em conjunto dos ladosquentes menores 93 e dos lados frios menores 93',respectivamente. As placas térmicas 90 e 90' são feitas deum material com alta condutividade térmica, tal como cobre,alumínio ou silício. Um tubo retangular 91 provê as paredespara o recipiente selável e é feito a partir de um materialcom baixa condutividade térmica, tal como vidro, Teflon,poliimida ou um material similar com resistência àcompressão suficiente. A baixa condutividade térmicapermite um isolamento térmico das placas quente e fria 90 e90', melhorando a efetividade do sistema. Se as placas 90 e90' tiverem características de expansão térmica nãocombinadas em relação às paredes de tubo 91, então, omaterial de interface 95 poderia ser feito de uma borrachacompatível com vácuo macia, como Viton, ou Teflon, umapoliimida ou um material similar usado para a feitura deanéis em O na indústria para estes tipos de selos. Se ascaracterísticas de expansão térmica do material de placatérmica 90 e 90' e do material de parede de tubo 91 fossemaproximadamente iguais, então, o material de interface 95poderia ser um material de ligação duro como matéria-primade vidro, epóxi, solda fraca ou solda. A FIG. Ilb mostracomo construir uma estrutura de ímã que circunda o pacotede trocador de calor lia e supre o campo magnéticonecessário para a formação dos espaços nos pares deeletrodo 92 da FIG. 11a. O ímã permanente 101 é fixado noanel retangular de um material magneticamente permeável100. Os ímãs permanentes 101 poderiam ser feitos demateriais padronizados usados para ímãs, tais como ligas deferro, cobalto, níquel, neodímio, boro e alumínio.Tipicamente, esta liga é sinterizada em pequenas partículase, então, reacondicionadas no formato desejado com ummaterial aglutinante, de modo a se obter uma magnetizaçãoremanescente alta, quando magnetizada. O anel retangular100 poderia ser feito a partir do mesmo aço usado emtransformadores para maximização da permeabilidade e docampo magnético produzido pelos ímãs permanentes 101. Essematerial pode ser um aço rico em ferro, ou alguma outraliga de ferro, cobalto, níquel, cromo e platina, porexemplo.

A FIG. 13 mostra como o conjunto de ímã pode serescalonado para cima para a acomodação de um arranjo detrocadores de calor. O material magneticamente permeável110 é disposto em uma estrutura de grade com um arranjo devazios para a inserção de dispositivos mostrados na FIG. 8,9, 10c ou 11a. Os ímãs permanentes 101 são inseridos emcada célula para a produção de um campo magnético entre osímãs .

Em um processo de fabricação altamente miniaturizado,o arranjo de ímã da FIG. 13 poderia ser construído no topodo substrato da FIG. 10c e disposto de modo que os pares deeletrodo da FIG. 10c estivessem contidos nos vazios dosarranjos de ímã da FIG. 13. Neste caso de miniaturização,os ímãs permanentes 101 e o material permeável 110 poderiamser deixados crescer como filmes de metal dos materiaismencionados, usando-se processos padronizados, tais comoevaporação, desintegração e deposição de catodo, oueletrodeposição diretamente sobre o substrato similar àconstrução de filmes de eletrodo na FIG. 10b.

A FIG. 14 ilustra um circuito elétrico adicional quepoderia ser necessário, quando o dispositivo da FIG. 8, 10cou lia estivesse operando como um conversor determotunelamento de calor em eletricidade. Devido ao fatode o dispositivo desta invenção 120 requerer que umacorrente elétrica esteja fluindo de modo a se obter aformação de espaço, o espaço não está presente antes de umfluxo de corrente. Na FIG. 14, uma fonte de potênciaexterna 122 provê um fluxo de corrente que pode ser usadopara a formação do espaço no dispositivo 120. Uma vez que oespaço seja formado e calor seja aplicado a um eletrodo,então, uma diferença de temperatura será criada em relaçãoao outro eletrodo. Uma vez que esta diferença detemperatura esteja presente, então, um termotunelamento deelétrons quentes começará a fluir, criando um fluxo decorrente adicional. Uma vez que a corrente determotunelamento esteja fluindo, ela sozinha pode manter oespaço no dispositivo 120, conforme descrito previamente.Agora, a fonte de potência externa 122 não é maisnecessária e pode ser desligada pelo comutador 123. Daí, ocircuito da FIG. 14 é um circuito de partida para umaconversão de termotunelamento de calor em uma fonte depotência para uma carga elétrica 126. O comutador 123 podereaplicar a fonte de potência externa 122 sempre que afonte de calor for removida e for subseqüentemente restabelecida.

Exemplo 5

A FIG. 12a mostra um outro exemplo paraacondicionamento de eletrodos deste dispositivo, que ésimilar a como os sistemas microeletromecânicos (MEMs) sãoacondicionados, quando um ambiente de vácuo é requerido. Asplacas térmicas de topo e de fundo 130 podem ser feitas desilício e podem ser cortadas a partir de pastilhas desilício padronizadas. O silício tem uma alta condutividadetérmica e, daí, é bem adequado para o percurso térmicodeste dispositivo. A parede do pacote 132 é feita de vidro,o que tem uma baixa condutividade térmica, mas umcoeficiente de expansão térmica que é próximo daquele dasplacas térmicas de silício 130. Devido ao fato de vidro esilício terem características de expansão térmicasimilares, então, é possível suar um método de ligação dematéria-prima de vidro bem conhecido entre 130 e 131. Aligação de matéria-prima de vidro é usada tipicamente paraa ligação de duas peças de vidro em conjunto, mas tambémpode ligar vidro a silício, uma vez que uma camada dedióxido de silício de vidro se forma naturalmente sobresuperfícies de silício expostas ao ar. O resultado é umselo muito duro e firme entre o vidro e o silício, que podefacilmente suportar a pressão de um vácuo. Pacotes de vácuosimilares são usados na indústria de MEMs paraacelerômetros, osciladores e comutadores de altafreqüência. Uma camada de pedestal 131 também é feita desilício e pode ser ligada à placa térmica 134. As camadasde metal 134 nas placas térmicas de topo e de fundo 130 sãousadas para a feitura de uma conexão elétrica com oseletrodos dentro do pacote, sem se requererem orifíciospassantes ou outros mecanismos que limitam a vida de bulbosde luz e outros produtos de vácuo.

A FIG. 12b mostra como os eletrodos poderiam estarcontidos no pacote de vácuo da FIG. 12a. O par de eletrodos145 corresponde à FIG. 8, 9a ou 10c. O material deinterface térmica 141 conduz o calor para ou de cadaeletrodo para o exterior do pacote e também produz umacamada macia para os eletrodos se moverem contra, duranteuma operação. Os exemplos de material de interface térmica141 são um calço de espaço da Bergquist Corporation, graxade vácuo da Apiezon ou Dow Chemical, compostos de nanotubode carbono e misturas da MER Corporation ou outrosmateriais macios misturados com partículas termicamentecondutivas. O material de ligação 143 liga a parede devidro às placas térmicas de silício e os exemplos destematerial são epóxi e matéria-prima de vidro. Os fios 144conectam a base dos eletrodos às placas de topo e de fundo.Os materiais de exemplo para os fios são uma folha plana ouum fio cilíndrico feito de cobre, alumínio ou de outromaterial eletricamente condutor. As camadas de cobre 134permitem que a corrente flua amplamente através das placasde silício resistivas 130. As placas de silício poderiamser dopadas com boro, arsênico ou um elemento similar, demodo a se aumentar sua condutividade elétrica e minimizaras perdas resistivas do fluxo de corrente para o pacote. Umfilamento absorvedor 140 se aquece, quando uma voltagem foraplicada a seus calços de cobre 134, muito como o filamentoem um bulbo de luz. Um material adequado, como cromato decésio, é revestido no filamento 140 para se permitir aliberação de vapor de césio para o pacote de vácuo. 0 vaporde césio realiza as funções a seguir, uma vez liberado: (1)colocação sob vácuo do ar remanescente ou de outros gasesdentro do pacote, após uma selagem, pela reação com estesgases para a produção de sólidos, (2) remoção de gases quevazam na câmara pela vida do dispositivo ao reagir de formasimilar, e (3) para formar naturalmente uma monocamada decésio ou uma submonocamada nas superfícies de face deespaço de eletrodos 145 e, desse modo, produzir uma camadade função de trabalho baixa para encorajar a emissão deelétrons através do espaço.

Outros Exemplos

Os exemplos básicos acima indicam como um sistema determotunelamento de trabalho pode ser projetado para aobtenção de resfriamento ou conversão de potência. Outrosexemplos são facilmente projetados pela alteração de um oumais dos parâmetros usados nos Exemplos 1 e 2. A distânciade espaço pode ser aumentada por uma ou mais das mudanças aseguir: (1) aumento do campo magnético, (2) diminuição davoltagem, (3) aumento do fluxo de corrente, (4) aumento docomprimento do eletrodo flexível, ou (5) diminuição da áreado eletrodo flexível. A distância de espaço pode serdiminuída ao se fazerem as mudanças opostas.

Deve ser notado que vários dos recursos descritos aquipodem não ser necessários ou podem ser obtidos sem umacomplexidade de fabricação adicional. Devido ao fato de aindústria não ter sido capaz de produzir um conversor determotunelamento de trabalho maior do que as dimensões donanômetro, o compartimento real em uma escala maior não éconhecido. Por exemplo, com referência de novo às FIG. Ia aIb, a camada de função de trabalho baixa 5 pode não sernecessária, se o espaço puder ser feito menor. 0 materialde melhoria 5' poderia ser apenas tão facilmente realizadopela rugosidade superficial após um polimento, o qualnaturalmente produz os picos e vales que são conhecidos pormelhorarem a emissão de elétrons. A ponta de apoio 6 tambémpode não ser requerida, dada a escolha de materiaisresistivos para o eletrodo 1 ou 2. A padronização deeletrodo na FIG. 2a, a qual também provê picos e vales pararedução da força eletrostática, também poderia ser obtidapor uma rugosidade superficial natural após um polimento.

Finalmente, a câmara de vácuo 2 0 pode não ser requerida, seo processo de tunelamento tiver sido demonstradoexperimentalmente em um espaço de ar. Além disso, o formatoexponencial do eletrodo 1 pode ser aproximado por umformato triangular mais fácil de fabricar. Todos estesrecursos de complicação (ponta 3, camada 5, material demelhoria 5', padronização na FIG. 2a, o formato curvado doeletrodo 1, a câmara de vácuo 20) foram incluídos nestaexposição para completude na descrição do que poderia serrequerido na produção final.

Os dispositivos mostrados aqui são versáteis naconstrução de vários tipos de junções eletrônicas para aindústria de eletrônicos, que requer um espaço uniformeentre os eletrodos. Por exemplo, um dispositivotermoelétrico tendo um isolamento térmico ruim entre o ladoquente e o lado frio poderia empregar a presente exposição.Um espaçamento de vácuo no topo de uma pilha termoelétricapoderia prover melhor isolamento térmico, e esta exposiçãoprovê um meio para a realização deste espaçoindependentemente de ou em combinação com os métodostermiônicos ou de termotunelamento.

Um comentário final sobre a facilidade de fabricaçãodos dispositivos mostrados aqui envolve uma discussão dasforças naturais que surgem quando duas superfícies muitolisas são colocadas em conjunto. Duas forças de atraçãoconhecidas por manterem as superfícies lisas em conjuntosão as forças de Casimir e as forças de Van der Waals.

Estas forças sao fortes o bastante para manterem os doiseletrodos desta invenção em conjunto, antes da aplicação deuma voltagem, mas não é esperado que elas sejam tão fortesque afetem a interação desejada e a dominação das forçaseletrostáticas e magnetostáticas, conforme descrito,durante uma operação da invenção. Contudo, estas forças deCasimir e de Van der Waals podem assegurar que os doiseletrodos estejam em pleno contato de superfície, antes dese ligar o dispositivo com uma voltagem aplicada. Nestecaso, a operação da invenção meramente precisa separar osdois eletrodos por uns poucos nanômetros. Estas forças deCasimir e de Van der Waals também ajudam a eliminar anecessidade da camada de isolamento 4 da FIG. 1,simplificando adicionalmente o projeto da invenção.

Múltiplas unidades deste dispositivo podem serconectadas em conjunto em paralelo e em série, de modo a seobterem níveis mais altos de conversão de energia ou paracombinação de voltagens com o suprimento de potência ouambos.

Resultados de Laboratório e Simulação

A configuração de eletrodo da FIG. 8 foi montada em umlaboratório de microeletrônica com cobre como o reforço defolha, e este par de eletrodos foi colocado dentro de umaestrutura de ímã, tipo aquela mostrada na FIG. 11b.Termopares foram afixados a cada eletrodo, para a produçãode uma voltagem que seja proporcional à temperatura, e oaparelho inteiro foi colocado em uma câmara de vácuo quefoi bombeada para IE"3 Torr (0,133 Pa) de pressão de vácuo.Quando o par de eletrodos foi ativado por um suprimento depotência externo com 1,1 ampères, uma diferença detemperatura relativa de 3,0 graus foi observada entre osdois eletrodos, com o lado mais frio sendo o lado queestava emitindo elétrons. Esta mesma diferença detemperatura relativa foi observada como sendo removida,quando qualquer uma das ações a seguir foi tomada: (1)substituição de vácuo por nitrogênio à pressão atmosférica,(2) desativação do chip pela desconexão do suprimento depotência externo, ou (3) reversão do fluxo de corrente paraaumento da força de contato de atração entre os eletrodos,ao invés de se formar um espaço. É presumido que cada umadestas três ações removeu o efeito de termotunelamento.Simulações em computador do sistema eletromecânico desteaparelho, bem como características elétricas observadas doseletrodos também foram consistentes com este projeto,criando de forma bem sucedida um espaço determotunelamento.

Deve ser enfatizado que as modalidades descritas acimados presentes dispositivo e processo, particularmente asmodalidades "preferidas", são meramente exemplos possíveisde implementações e meramente estabelecem um entendimentoclaro dos princípios da invenção. Muitas modalidadesdiferentes do dispositivo de eletrodo de autoposicionamentodescritas aqui podem ser projetadas e/ou fabricadas, semque se desvie do espírito e do escopo da invenção.

Pretende-se que todas essas modificações e variações sejamincluídas aqui no escopo desta exposição e protegidas pelasreivindicações a seguir. Portanto, não se pretende que oescopo da invenção esteja limitado, exceto conformeindicado nas reivindicações em apenso.

Claims

1. Dispositivo caracterizado pelo fato de compreendereletrodos de face ou conjuntos de eletrodo, onde umadistribuição de força de atração nos eletrodos ou nosconjuntos de eletrodo e uma distribuição de força derepulsão igual, mas oposta, gerada por uma distribuição decorrente elétrica nos eletrodos ou conjuntos de eletrodo napresença de uma distribuição de campo magnético aplicado,atual simultaneamente para o estabelecimento de umaseparação de equilíbrio estável dos dois eletrodos atravésde suas superfícies de face.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por uma ou mais das características a seguir:(a) um ou ambos os eletrodos de face são flexíveis;(b) a superfície de um ou mais eletrodos é feita de ourevestida com ou tem evaporado nela um material de funçãode trabalho baixa, preferencialmente um metal em camadas ouuma outra combinação de um metal alcalino, uma liga demetal alcalino, um óxido, diamante, ou nanotubos, maispreferencialmente, césio, sódio, potássio, tório, óxidorevestido com metal, um filme de diamante, silício,germânio, um arranjo de nanotubos de carbono e uma coleçãode partículas de óxido de dimensões de nanômetro, ummaterial termicamente sensível, uma pluralidade de picos evales, um ressonador de semicondutor, um material emcamadas tendo uma camada inferior resistiva e uma camadasuperior de uma função de trabalho baixa, ou uma combinaçãodos mesmos;(c) incluir ainda uma força criada de forma mecânica,magnética, eletrostática, eletromecânica oueletromagnética, opcionalmente formada a partir de umadistribuição de molas ou de material esponjoso, deslocandodeficiências ou excessos na magnitude das referidas forçasmagnéticas de atração e repulsão.(d) incluir ainda um sistema de amortecimento paraprevenção de vibrações ou oscilações de um eletrodo emtorno de sua posição inativa de equilíbrio;(e) um ou mais eletrodos são padronizados ou comrugosidades com áreas elevadas e não elevadas para sereduzirem simultaneamente forças eletrostáticas e forçasresistivas de eletrodo;(f) uma porção de um eletrodo tem um revestimento deum material não de condução sobre a qual um outro eletrodopode se apoiar, enquanto o dispositivo estiver desligado;(g) os eletrodos são envolvidos em uma câmara de vácuo;(h) os eletrodos são envolvidos em uma câmarapreenchida com gás inerte, preferencialmente argônio ounitrogênio;(i) um dos eletrodos de face é formado em um formatode espiral e o campo magnético corre em uma direção radiala partir do centro do dispositivo, onde o formato emespiral preferencialmente é de uma largura que crescelinearmente ou de uma largura que cresce exponencialmente;(j) incluir ainda uma fonte de calor conectada aoseletrodos;(k) incluir ainda um suprimento de potência conectadoaos eletrodos;(l) a intensidade de campo magnético diminui em umamesma direção em que a densidade de corrente aumenta em umou ambos os eletrodos, de modo a se obterem distribuiçõesde força uniformes atuando entre os eletrodos, onde umaproximidade de um material magnético preferencialmente édiminuída na direção em que a densidade de corrente aumentaem um ou ambos os eletrodos;(m) os eletrodos são dispostos em camadas múltiplasespaçadas.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de um ou ambos os eletrodos seremflexíveis, e por uma ou mais das características a seguir:(a) o(s) eletrodo(s) flexível(is) compreende(m) ummaterial de base selecionado a partir de um metalcondutivo, um metal / vidro em camadas, um metal /compósito de plástico em camadas, e um material semicondutor;(b) o(s) eletrodo(s) flexível(is) compreende(m) ummaterial de base selecionado a partir de silício, germânioou arseneto de gálio, ou um metal condutivo selecionado apartir do grupo que consiste em ouro, prata, alumínio,cobre e níquel opcionalmente combinado em camadas comvidro, poliimida, poliéster, poliamida, poliacrílico oupoliolefina;(c) o(s) eletrodo(s) flexível(is) é (são)conformado (s) para a geração de uma distribuição dedensidade de corrente que, combinada com a distribuição decampo magnético, gera uma distribuição de força de repulsãoque eqüivale à distribuição de força de atração na oupróximo de uma distribuição de distância de separaçãodesejada entre os eletrodos, onde uma largura de umasuperfície do(s) eletrodo(s) flexível(is) preferencialmenteaumenta exponencialmente a partir de uma extremidade para aoutra extremidade;(d) o(s) eletrodo(s) flexível(is) é (são) maislargo(s) em uma extremidade, cuja extremidade mais larga émontada de forma fixa em uma estrutura de suporte;(e) o(s) eletrodo(s) flexível(is) é (são) maisestreito(s) em uma extremidade, cuja extremidade maisestreita se apóia em um suporte de isolamento, quando odispositivo estiver desligado;(f) o(s) eletrodo(s) flexível(is) compreende(m) umafolha de metal montada em um filme de plástico flexível; e(g) a intensidade do campo magnético varia emproporção inversa com a densidade de corrente no eletrodoflexível, de modo a se obter uma força constante.

4. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado por incluir aindaum ímã permanente montado em um ou próximo de qualquereletrodo, onde o ímã permanente:(a) preferencialmente está contido em ou faz parte deum dos eletrodos de face;(b) preferencialmente contém materiais magnéticosferromagnéticos de condução selecionados a partir de ferro,cobalto, níquel, neodímio e alumínio, ou uma combinação dosmesmos, e/ou(c) onde um dos eletrodos é formado de um ímãpermanente contendo materiais ferromagnéticos não decondução revestidos com um material de condução.

5. Dispositivo, caracterizado por compreendermúltiplas unidades do dispositivo de qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, montadas em série, ou emparalelo, ou em paralelo e em série.

6. Dispositivo, caracterizado por compreendermúltiplos dispositivos do dispositivo de qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, fabricados em uma pastilha ouem uma pilha de pastilhas para a obtenção de eficiência deprodução ou densidade de acondicionamento, ou umacombinação de eficiência de produção e densidade deacondicionamento.

7. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 4 ou 5, caracterizado pelo fato doseletrodos serem colocados em pequenos sumidouros de calorque são conectados a um sumidouro de calor maior queacumula um fluxo de calor para dentre ou para fora demúltiplos dispositivos; onde os sumidouros de calor menorespreferencialmente compreendem aletas que correm em umadireção plana diferente de e conectadas ao sumidouro decalor maior.

8. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado por umaou mais das característica a seguir:(a) incluir múltiplos ímãs permanentes e materiaisferromagnéticos permeáveis dispostos para terem vazioscontendo um campo magnético que permite que espaços seformem em dispositivos individuais, quando eles foremligados e tiverem uma corrente fluindo, onde os Imãspermanentes preferencialmente são colocados dentro de umagrade formada de material magnético permeável para acriação de um arranjo de dispositivos com um lado para ocalor fluir para o arranjo e um lado para o calor fluirpara fora do arranjo;(b) o dispositivo é produzido por processos e técnicasde projeto de sistemas microeletromecânicos (MEMs);(c) um ou mais os eletrodos são criados a partir de umarranjo de estruturas em balanço fabricadas a partir de umacombinação de crescimento de filme e remoção de camada desacrifício em substratos de indústria padronizados;(d) o ímã permanente e/ou o material magnéticopermeável é um dentre ou uma liga de ou uma sinterizaçãorecombinada de ferro, cobalto, níquel, cromo, platina,alumínio ou neodímio;(e) incluir ainda um circuito elétrico que gera umacorrente de partida de formação de espaço no dispositivo,criando uma separação que pode sustentar uma diferença detemperatura entre os dois eletrodos ou conjuntos deeletrodo, até uma corrente de tunelamento de elétron poderassumir como a corrente de criação de espaço;(f) uma camada de função de trabalho baixa é formadapela inclusão de césio ou bário ou de uma combinação decésio e bário em um acondicionamento a vácuo, o qual criaum vapor que forma uma monocamada, uma submonocamada oumúltiplas monocamadas em um ou ambos os eletrodos de face;(g) um composto de um metal alcalino é afixado a umfilamento que cria a presença de metal alcalino dentro dorecipiente através de aquecimento, evaporação econdensação, onde o metal alcalino preferencialmente écésio, mais preferencialmente, cromato de césio, e onde osconectores de filamento opcionalmente são eletricamenteroteados através dos lados térmicos de silício dopado paraa eliminação de orifícios de fio e passagens dealimentação, ou são conectados em paralelo eletricamentedentro do dispositivo e são projetados para abrirem seucircuito, após o metal alcalino ser evaporado; e(h) incluir um material que atua como um absorvedorpara remoção de gases indesejados no momento da produção ousubseqüentemente, onde o material absorvedorpreferencialmente é selecionado a partir de titânio, césio,bário, sódio, potássio, e uma combinação dos mesmos.

9. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelofato dos eletrodos ou conjuntos de eletrodos estaremcontidos em um recipiente sob vácuo com dois percursostérmicos levando para dentro e para fora do recipiente.

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9,caracterizado por uma ou mais das características a seguir:(a) os dois percursos térmicos são separados porvidro, cerâmica ou outro material com baixa condutividadetérmica;(b) o material de percurso térmico é feito de silício,cobre, alumínio ou de um outro material com altacondutividade térmica;(c) as paredes do recipiente são de vidro e ospercursos térmicos são de silício, os quais são ligados emconjunto usando-se um processo de vitrificação de vidropara a formação de um selo de vácuo, onde o material desilício preferencialmente é altamente dopado para sepermitir que conexões elétricas com os eletrodos fluamatravés do silício e eliminem a necessidade de orifícios defio, passagens de alimentação ou conexões similares para ointerior do recipiente;(d) um material térmico mole com condutividade térmicasuficiente é usado para se permitir um movimento ligeirodos eletrodos, enquanto simultaneamente se conduz calorpara ou a partir dos eletrodos, onde o material térmicomacio preferencialmente é um dentre um metal líquido, umpolímero sem silicone, uma mistura contendo nanotubos decarbono, uma graxa compatível com vácuo ou uma suspensão departículas termicamente condutivas em um material mole oulíquido;(e) o fio de conexão ao eletrodo ou ao conjunto deeletrodo é afixado com solda branca, bossas de soldabranca, soldagem com fio ultra-sônica, epóxi condutivo,pasta de solda branca ou pressão de contato.

11. Processo para a conversão de energia térmica emuma corrente elétrica ou para conversão de energia elétricapara refrigeração, caracterizado pelo suprimento de umdispositivo de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4,- 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, e pelo ajuste das intensidades docampo magnético e da distribuição de corrente para secolocarem os eletrodos de face em uma posição de equilíbrioestável e espaçada.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado por uma ou mais das características a seguir:(a) os eletrodos de face são separados na faixa de emtorno de 20 nanômetros ou menos;(b) as intensidades do campo magnético e dadistribuição de corrente são ajustadas para se colocarem oseletrodos de face em uma posição de equilíbrio estável,espaçada, espaçados na faixa de 1 nanômetro a 2 0nanômetros;(c) as intensidades são ajustadas para a produção deum espaçamento de eletrodo na faixa de 6 nanômetros a 20nanômetros;(d) as intensidades são ajustadas para a produção deum espaçamento de eletrodo na faixa de 1 a 6 nanômetros; e(e) as intensidades produzem um espaçamento deeletrodo na faixa de 20 nanômetros a 1000 nanômetros,preferencialmente de 20 nanômetros a 100 nanômetros, e umeletrodo tem um material fotossensivel para uso emconversão de radiação em potência elétrica pelotermotunelamento de fóton primariamente a partir doeletrodo de radiação para o outro eletrodo fotossensivel.

13. Processo para conversão de calor para resfriamentoou energia elétrica, caracterizado pelo fato de usar odispositivo de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4,- 5, 6, 7, 8, 9 ou 10.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 13,caracterizado por uma ou mais das características a seguir:(a) a fonte de calor é uma fonte de radiação, calor doambiente, energia geotérmica ou calor gerado a partir demotores ou metabolismo animal;(b) a fonte de calor é um corpo humano vivo;(c) a fonte de calor é um corpo humano vivo e odispositivo é um dispositivo portátil;(d) a fonte de calor é um motor funcionando elétrico,a vapor ou de combustão interna, combustível de queima ouseus gases de exaustão;(e) a fonte de calor é um motor de combustão internaou seus gases de exaustão e o dispositivo é incorporado nomotor ou em uma linha de exaustão de gás como um sumidourode calor;(f) o dispositivo é operado a temperaturas ambientes;e(g) o dispositivo é usado em um refrigerador, umcondicionador de ar, uma cobertor de resfriamento, umartigo de vestuário de resfriamento ou um dispositivo deresfriamento afixado a ou contido em um corpo humano ou deanimal.