МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЕМКОСТНОЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК H01L37/02 H02N10/00 B81B7/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике и позволяет генерировать электрическую энергию за счет модуляции теплового потока, проходящего через электрический конденсатор с температуро-зависимой емкостью.

Известные в настоящее время емкостные термоэлектрические преобразователи включают в себя переменные электрические конденсаторы, имеющие температурную зависимость емкости, и механические или оптические модуляторы теплового потока. Способ работы этих устройств состоит в том, что при изменении емкости электрических конденсаторов электрический заряд периодически перетекает из одной емкости в другую, совершая полезную работу в электрической нагрузке, включенной последовательно между указанными емкостями. Циклическое изменение емкости конденсаторов обеспечивается изменением их температуры, что приводит к преобразованию тепловой энергии в электрическую.

Общими недостатками, присущими емкостным термоэлектрическим преобразователям, являются медленный температурный отклик температуро-зависимой емкости и сравнительно большое время, требуемое для модуляции теплового потока. Эти факторы определяют низкую эффективность преобразования энергии, т.е. малый уровень полезной электрической мощности.

Для повышения эффективности емкостного термоэлектрического преобразования известны, например, следующие решения.

В патенте США US 6528898 [МПК Н02Р 9/04] описана конструкция емкостного термоэлектрического преобразователя, представляющая собой объединенные в каскады тонкопленочные температуро-зависимые конденсаторы. Емкость конденсаторов меняется под воздействием теплового потока, модулируемого с помощью прокачки жидкостей с различными температурами. Недостатком является сложность изготовления системы управления потоками жидкостей и значительные времена модуляции теплового потока.

В патенте РФ RU 2350008 [МПК H02N 10/00] описано устройство, в котором нагревание и охлаждение тонкопленочного сегнетоэлектрического конденсатора производится модулированием потока тепловой энергии при помощи жидкокристаллического модулятора. Недостатком является обязательное наличие светового излучения.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является конструкция микромеханического емкостного термоэлектрического преобразователя, описанная в патенте США US 2006/0162331. Известный микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь состоит из подложки, выполненной из диэлектрического или полупроводникового материала, на которой расположены неподвижный электрод и теплоизолирующие стенки, на которых закреплены теплопроводящая пластина и один из концов подвижного электрода, подвижная часть которого расположена параллельно поверхности неподвижного электрода с зазором между ними, причем температура подложки отлична от температуры теплопроводящей пластины. Теплоизолирующие стенки выполнены из оксидных пленок или эпоксидных материалов. Теплопроводящая пластина выполнена из металла. Подвижный электрод представляет собой двухслойную структуру: металлический сплав TiNi напылен на диэлектрическую пленку из диоксида кремния. При этом диэлектрическая пленка находится между металлическим слоем подвижного электрода и неподвижным электродом. Форма подвижного электрода зависит от температуры, т.е. при изменении его температуры он совершает движения перпендикулярно поверхности неподвижного электрода, изменяя величину электрической емкости между подвижным и неподвижным электродами. Циклическое перемещение подвижного электрода обеспечивается разницей температур между теплопроводящей пластиной и подложкой и гистерезисными явлениями в самом подвижном электроде. Недостатком является медленная модуляция электрической емкости, т.е. сравнительно низкая эффективность термоэлектрического преобразования.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение частоты преобразования тепловой энергии в электрическую, что увеличивает эффективность емкостного термоэлектрического преобразования.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь, также как известный, содержит диэлектрическую или полупроводниковую подложку, на которой расположены неподвижный электрод и теплоизолирующие стенки, на которых закреплена теплопроводящая пластина, причем температура подложки отлична от температуры теплопроводящей пластины. Но в отличие от известного в предлагаемом микромеханическом емкостном термоэлектрическом преобразователе на неподвижном электроде сформирован заряженный конденсатор с сегнетоэлектрической пленкой, второй электрод конденсатора покрыт диэлектрической пленкой, один из концов подвижного электрода жестко прикреплен к теплопроводящей пластине, а его подвижная часть расположена параллельно поверхности диэлектрической пленки с зазором между ними, второй электрод конденсатора и подвижный электрод подключены к источнику импульсного электрического напряжения.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является увеличение частоты преобразования тепловой энергии в электрическую, что увеличивает среднюю мощность электрической энергии, производимой микромеханическим емкостным термоэлектрическим преобразователем.

Влияние на получение указанного технического результата оказывают следующие существенные признаки. Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании сегнетоэлектрической пленки в электрическом конденсаторе и микромеханической системы с электрическим управлением для циклического изменения температуры сегнетоэлектрической пленки, что позволяет обеспечить как высокую частоту модуляции теплового потока, проходящего через сегнетоэлектрическую пленку, так и быстрый отклик температуро-зависимой емкости на изменение температуры.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 изобретения, характеризует микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь, в котором в качестве материала диэлектрической пленки использован сегнетоэлектрик. Технология производства такого устройства упрощается, поскольку используется однотипный материал (сегнетоэлектрик) при напылении диэлектрических пленок.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 3 изобретения, характеризует микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь, в котором второй конец подвижного электрода жестко закреплен на теплопроводящей пластине, а подвижный электрод выполнен из материала, обладающего способностью к растяжению под действием электрического напряжения между электродами. В таком устройстве обеспечивается лучший тепловой контакт подвижного электрода с теплопроводящей пластиной.

Предлагаемое устройство и способ преобразования тепловой энергии в электрическую поясняются чертежами.

Фиг.1 - конструкция микромеханического емкостного термоэлектрического преобразователя,

Фиг.2 - зависимость диэлектрической постоянной сегнетоэлектрической (Ba, Sr)TiO₃ керамики от температуры,

Фиг.3 - микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь при втором крайнем положении подвижного электрода,

Фиг.4 - микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь, выполненный в соответствии с п.3 формулы изобретения,

Фиг.5 - микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь по п.3 формулы изобретения при втором крайнем положении подвижного электрода,

Фиг.6 - принципиальная электрическая схема преобразования тепловой энергии в электрическую.

Микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь (Фиг.1, Фиг.3-5) состоит из подложки 1 (диэлектрик или полупроводник), на которой расположены неподвижный электрод 2, покрытый сегнетоэлектрической пленкой 3, на которой расположен второй неподвижный электрод 7, покрытый диэлектрической пленкой 8, и теплоизолирующие стенки 4, на которых закрепляется теплопроводящая пластина 5, к которой прикрепляется один из концов подвижного электрода 6, подвижная часть которого расположена параллельно поверхности диэлектрической пленки 8 с зазором между ними. Подложка 1 и теплопроводящая пластина 5 имеют отличающиеся температуры, непрерывно поддерживаемые внешними тепловыми источниками (не показаны).

Подложка 1 может быть выполнена из полупроводниковых (например, кремний) или диэлектрических материалов (например, поликор). Электроды 2, 6 и 7 микромеханического емкостного термоэлектрического преобразователя изготовлены из электро- и теплопроводящих материалов (например, медь, платина). Пленка 3 выполнена из сегнетоэлектрических материалов, имеющих температурную зависимость диэлектрической проницаемости. Например, на Фиг.2 представлена температурная зависимость диэлектрической постоянной сегнетоэлектрической керамики состава (Ва, Sr)ТiO₃, которая демонстрирует сильную зависимость диэлектрической постоянной вблизи температуры Кюри Т_K. Теплоизолирующие стенки 4 выполнены из диэлектрических материалов (например, диоксид кремния). Теплопроводящая пластина 5 выполнена из металла (например, медь).

Предлагаемый микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь изготавливается по технологиям создания микроэлектромеханических систем (нанесение защитных слоев, напыление диэлектрических или электропроводящих материалов, фотолитография, травление и т.д.). Подвижный электрод 6 прикрепляется к теплопроводящей пластине 5 точечной сваркой. Теплопроводящая пластина 5 закрепляется на теплоизолирующих стенках 4 с помощью эпоксидных материалов.

Микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

В исходном положении (Фиг.1) подвижный электрод 6 имеет температуру теплопроводящей пластины 5 вследствие теплового контакта между ними, а температура сегнетоэлектрической пленки 3 равна температуре подложки 1 благодаря теплообмену между ними через неподвижный электрод 2. Для наиболее эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую температура подложки 1 должна быть примерно равна температуре Кюри сегнетоэлектрической пленки 3, поскольку вблизи этой температуры происходит наиболее сильное изменение диэлектрической проницаемости пленки 3 от температуры (Фиг.2). Сегнетоэлектрический конденсатор, сформированный неподвижными электродами 2 и 7 и сегнетоэлектрической пленкой 3 между ними, содержит электрический заряд.

При подаче управляющего электрического напряжения к электродам 6 и 7 микромеханического емкостного термоэлектрического преобразователя вырабатывается электростатическая сила, под действием которой подвижный электрод 6 перемещается от теплопроводящей пластины 5 к диэлектрической пленке 8 (Фиг.3). При этом происходит теплообмен между электродом 6 и сегнетоэлектрической пленкой 3 благодаря теплопроводимости диэлектрической пленки 8 и электрода 7. В результате температура сегнетоэлектрической пленки 3 изменяется, величина ее диэлектрической проницаемости уменьшается и пропорционально этому уменьшению понижается емкость сегнетоэлектрического конденсатора.

При уменьшении управляющего электрического напряжения на электродах 6 и 7 электростатическая сила убывает, и подвижный электрод 6 возвращается в исходное положение под действием собственных сил упругости, а значения температур подвижного электрода 6 и сегнетоэлектрической пленки 3 возвращаются к начальным величинам благодаря теплообмену с теплопроводящей пластиной 5 и подложкой 1, соответственно. Вследствие этого емкость сегнетоэлектрического конденсатора возвращается к исходной величине. Таким образом, температурный цикл изменения величин диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки 3 и емкости сегнетоэлектрического конденсатора завершается.

Аналогичным образом обеспечивается температурный цикл в микромеханическом емкостном термоэлектрическом преобразователе, показанном на Фиг.4 и Фиг.5. В этом устройстве подвижный электрод 6 выполнен в виде мембраны, обладающей способностью к растяжению и сжатию. Края мембраны 6 прикреплены к теплопроводящей пластине 5. Мембранная структура подвижного электрода 6 обеспечивает ему лучший тепловой контакт с теплопроводящей пластиной 5 (Фиг.4) и с диэлектрической пленкой 8 (Фиг.5).

Принципиальная электрическая схема, обеспечивающая преобразование тепловой энергии в электрическую, показана на Фиг.6. Электрическая схема включает в себя два микромеханических емкостных термоэлектрических преобразователя П1 и П2, имеющих короткозамкнутую электрическую цепь между электродами 2 преобразователей, а электроды 7 преобразователей электрически соединены через электрическую нагрузку R_нагр. Перед началом работы сегнетоэлектрические конденсаторы преобразователей, сформированные неподвижными электродами 2 и 7 и сегнетоэлектрической пленкой 3 между ними, должны быть заряжены до некоторого начального напряжения сторонними источниками зарядов А1 и А2. При этом разность потенциалов между электродами 7 преобразователей должна иметь нулевое значение. Затем источники А1 и А2 отключаются.

Источники импульсного электрического напряжения M1 и М2, подключенные к электродам 6 и 7 преобразователей П1 и П2, обеспечивают изменение температуры указанных сегнетоэлектрических конденсаторов за счет электростатического перемещения подвижного электрода 6 преобразователей от теплопроводящей пластины 5 к сегнетоэлектрическим конденсаторам. При этом источники импульсного электрического напряжения M1 и М2 работают в противофазе так, что когда один сегнетоэлектрический конденсатор нагревается, другой охлаждается. Соответственно в противофазе изменяются емкости сегнетоэлектрических конденсаторов так, что когда одна емкость имеет минимальное значение, другая емкость имеет максимальное значение, при этом начальный электрический заряд конденсаторов перераспределяется между ними, вызывая электрический ток в нагрузке R_нагр. Циклическое изменение емкости сегнетоэлектрических конденсаторов при периодическом изменении их температуры вызывает переменный электрический ток в нагрузке, что обеспечивает преобразование тепловой энергии в электрическую.

В предлагаемом микромеханическом емкостном термоэлектрическом преобразователе в отличие от известного используется электрическое управление подвижным электродом, что устраняет такой существенный недостаток в известном преобразователе, как гистерезисные явления при нагреве и охлаждении подвижного электрода. За счет этого преимущества увеличивается частота преобразования тепловой энергии в электрическую, что увеличивает среднюю мощность электрической энергии, производимой предлагаемым преобразователем, т.е. повышает его эффективность. Другим преимуществом предлагаемого преобразователя является то, что электрическое управление подвижным электродом позволяет легко синхронизировать нагрев и охлаждение сегнетоэлектрической пленки с зарядкой и разрядкой электрического конденсатора, включающего в себя эту пленку.

Изобретение относится к теплоэнергетике и позволяет генерировать электрическую энергию за счет модуляции теплового потока, проходящего через электрический конденсатор с температуро-зависимой емкостью. Сущность: преобразователь состоит из диэлектрической или полупроводниковой подложки 1, на которой расположен неподвижный электрод 2, покрытый сегнетоэлектрической пленкой 3. На сегнетоэлектрической пленке 3 расположен второй неподвижный электрод 7, покрытый диэлектрической пленкой 8. На теплоизолирующих стенках 4 закрепляется теплопроводящая пластина 5. К пластине 5 прикрепляется один из концов подвижного электрода 6, подвижная часть которого расположена параллельно поверхности диэлектрической пленки 8 с зазором между ними. Подложка 1 и теплопроводящая пластина 5 имеют отличающиеся температуры. При приложении электрического напряжения между электродами подвижный электрод 6 обеспечивает циклический теплообмен между теплопроводящей пластиной 5 и сегнетоэлектрической пленкой 3 путем его перемещения от теплопроводящей пластины 5 к диэлектрической пленке 3. Технический результат: повышение эффективности за счет увеличения частоты, что увеличивает среднюю электрическую мощность на выходе преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь, содержащий диэлектрическую или полупроводниковую подложку, на которой расположены неподвижный электрод и теплоизолирующие стенки, на которых закреплена теплопроводящая пластина, причем температура подложки отлична от температуры теплопроводящей пластины, отличающийся тем, что на неподвижном электроде сформирован заряженный конденсатор с сегнетоэлектрической пленкой, второй электрод конденсатора покрыт диэлектрической пленкой, один из концов подвижного электрода жестко прикреплен к теплопроводящей пластине, а его подвижная часть расположена параллельно поверхности диэлектрической пленки с зазором между ними, второй электрод конденсатора и подвижный электрод подключены к источнику импульсного электрического напряжения.

2. Микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала диэлектрической пленки использован сегнетоэлектрик.

3. Микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что второй конец подвижного электрода жестко закреплен на теплопроводящей пластине, а подвижный электрод выполнен из материала, обладающего способностью к растяжению под действием электрического напряжения между электродами.