Способ и устройство микроканального теплопоглощающего устройства для термофотоэлектрического генератора электрической энергии с микрозазором Российский патент 2018 года по МПК H01L31/52 

[0001] Настоящее изобретение относится к технологии термального фотоэлектрического микронного зазора (MTPV), используемой для преобразования излучаемой тепловой энергии в электрическую энергию. В процессе использования микронных зазоров и субмикронных зазоров между горячей стороной эмиттера и холодной стороной коллектора допускается рост удельной мощности относительно мощности других конвенционных термоэлектрических устройств, здесь также может быть пропорциональный рост температуры холодной стороны коллектора в соответствии с поглощением внеполосной термальной энергии холодной стороной коллектора. Чтобы достичь эффективности холодной стороны коллектора и унифицировать разделяющий зазор между горячей стороной эмиттера и холодной стороной коллектора, были применены различные способы для того, чтобы снизить температуру холодной стороны коллектора. Настоящее изобретение относится, по большей части, к новому способу и устройству для достижения относительно низкой температуры холодной стороны коллектора с помощью применения микроканального теплопоглощающего устройства с использованием охлаждающей жидкости.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Настоящее изобретение обеспечивает новый способ и устройство для достижения низкой температуры холодной стороны коллектора для подтверждения эффективности субмикронного зазора в устройстве термофотоэлектрической ячейки. Вариант осуществления обычного субмикронного зазора в устройстве термофотоэлектрической ячейки, в соответствии с настоящим изобретением, может включать несколько слоев, сжатых вместе таким образом, чтобы размер субмикронного зазора был относительно постоянным, в то время как границы слоя могут не быть существенно плотно прилегающими по сравнению с относительно неизменным субмикронным размером. В состав слоев может быть включен термальный эмиттер с горячей стороной, имеющий поверхность, изолированную от поверхности фотоэлектрической ячейки субмикронным зазором, имеющим размер, поддерживаемый прокладками. Поверхность фотоэлектрической ячейки напротив субмикронного зазора придавлена к поверхности микроканального теплопоглотителя, и поверхность микроканального теплопоглотителя напротив фотоэлектрической ячейки придавлена к слою плоской жесткой пластины, отделенной сдавливающим слоем или "губкой". Сильно придавленная сторона плоской жесткой пластины напротив сдавливающего слоя - это силовой механизм для сдавливания слоев устройства термофотоэлектрической ячейки с субмикронным зазором для тесного взаимодействия друг с другом для достижения одинакового размера зазора между поверхностью горячей стороны термального эмиттера и расположенной напротив поверхности фотоэлектрической ячейки. Силовой механизм может быть в виде, например, пьезоэлектрического силового датчика или пневматической или гидравлической камеры, содержащей жидкость, поддерживаемую под контролируемым давлением внешним источником. Следует отметить, что решетка пьезоэлектрического датчика может обеспечивать активную сдавливающую силу в Z-измерении перпендикулярно поверхностям слоев подложки, как описано выше, и пассивные силовые воздействия в Х-измерении и Y-измерении для нейтрализации искривленных поверхностей путем минимизации напряжений в плоскости на слоях.

[0003] Микроканальный теплопоглотитель включает в себя входную трубку для получения подходящего охладителя из внешнего источника. Охладитель движется под давлением из входной трубки через множество микроканалов по нижней стороне поверхности микроканального теплопоглотителя, причем охладитель впитывает тепловую энергию. Нагретый охладитель затем проходит к выпускной трубке, где возвращается во внешний источник для охлаждения и последующей обработки.

[0004] Преимущества способа микроканального теплопоглотителя, описанного выше, над способами, известными из уровня техники, заключаются в том, что слой жидкого металла больше не требуется, механические мехи удалены, а также исключен эффект воздействия потока жидкости на канал. Более того, необходимость регулировки давления жидкого металла, в соответствие с осевой силой сдавливания, исключена, сократив при этом системные требования и сложность работы.

[0005] Данная Сущность изобретения предлагает рассмотрение выбора концепций в упрощенной форме, которые далее описаны в Подробном Описании. Данная Сущность изобретения не призвана определить все ключевые или отличительные характеристики заявленной темы, а также не призвана использоваться для ограничения поля заявленного объекта изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Данные и другие характеристики, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут более понятны благодаря следующему описанию и прилагаемым чертежам, где:

[0007] Фигура 1 иллюстрирует вариант осуществления устройства термофотоэлектричской ячейки с субмикронным зазором в соответствии с настоящим изобретением;

[0008] Фигура 2 представляет собой вид в перспективе варианта осуществления изготовления устройства микроканального теплопоглотителя в соответствии с настоящим изобретением; и

[0009] Фигура 3 представляет собой вид в перспективе варианта осуществления устройства микроканального теплопоглотителя в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Рассматривая Фигуру 1, следует отметить, что Фигура 1 иллюстрирует вариант осуществления устройства термофотоэлектрической ячейки с субмикронным зазором 100 в соответствии с настоящим изобретением. Устройство включает в себя множество слоев подложки, которые, большей частью, не плоские по микронной шкале, сильно придавленные друг к другу, и в сжатом состоянии заключены в корпус 195 для поддержания относительно постоянного размера субмикронного зазора 112 между поверхностью горячей стороны термального эмиттера 110 и противоположной поверхности фотоэлектрической ячейки 120. Прокладки 115 обеспечивают помощь в поддержании подходящего размера субмикронного зазора. Канальная пластина 130 микроканального теплопоглотителя 125 придавлена к поверхности фотоэлектрической ячейки 120 напротив субмикронного зазора 112. Микроканальный теплопоглотитель 125 включает в себя канальную пластину 130 и прикрепленную защитную пластину 135. Защитная пластина 135 включает в себя входной соединитель для охладителя 145 для обеспечения вливания охладителя 190 во входную трубку микроканального теплопоглотителя 125, и выпускной соединитель для охладителя 140 для обеспечения выливания охладителя 175 из выпускной трубки микроканального теплопоглотителя 125. Канальная пластина 130 включает в себя входную трубку, множество микроканалов между входной и выпускной трубками и выпускную трубку, как описано ниже.

[0011] Внешняя поверхность защитной пластины 135 сильно придавлена к плоской жесткой пластине 155, изолированной сдавливающим слоем 150. Сдавливающий слой 150 должен сдавливать достаточно для обеспечения такой достаточной силы, чтобы все слои, включая микроканальный теплопоглотитель 125, имеющие одинаковую форму, могли быть совмещены с камерой. Теплопоглотитель 125 изготовлен тонким для того, чтобы сгибаться до уровня в десятки микрон. Сдавливающий слой 150 не будет иметь одинаковую толщину при сдавливании из-за неровности других слоев. Более того, жесткость и толщина сдавливающего слоя 150 выбраны с осторожностью для минимизации изменения давления в зазоре 112. Например, сдавливающий слой 150 может быть из густой пены толщиной 1000 микрон, и это подавляет среднюю величину в 100 микрон в соответствии с применением силы. Также, если изменение толщины сдавливающего слоя 150 в 10 микрон в соответствии с изменениями на поверхности сдавливаемых слоев, в таком случае будет 10% изменение в давлении, применяемом на микроканальный теплопоглотитель. Последующее снижение сдавливающей жесткости пены будет снижать это изменение давления.

[0012] Силовой механизм 160 придавлен к поверхности жесткой пластины напротив сдавливающего слоя 150. Силовой механизм 160 применяет сдавливающую силу на другие слои для поддержания относительно постоянного размера субмикронного зазора в независимости от неоднородности плоскости поверхности слоев подложки. Входной соединитель 170 может применяться для обеспечения сдавливающей энергии 185 в силовом механизме 160, и выпускной соединитель 165 может применяться для возврата 180 сдавливающей энергии из силового механизма 160. Если, например, силовой механизм 160 осуществлен в варианте с пьезоэлектрическими датчиками, соединители 170 и 165 могут быть электрическими соединителями. Если силовой механизм 160 осуществлен в пневматическом виде, соединители 170 и 165 могут быть пневматическими соединителями.

[0013] Обращаясь к Фигуре 2, необходимо отметить, что Фигура 2 является видом в перспективе варианта изготовления 200 устройства микроканального теплопоглотителя, в соответствии с настоящим изобретением. Фигура 2 включает в себя канальную пластину 220 (130 на Фигуре 1) и защитную пластину 260 (135 на Фигуре 1). Фигура 2 иллюстрирует входную трубку 240, которая получает охладитель из источника охладителя и подводит охладитель на микроканалы 230, соединенные с выпускной трубкой 210. В процессе прохождения через микроканалы 230 охладитель впитывает тепло и собирается в выпускной трубке 210 для возврата, охлаждения и переработки в источнике охладителя. Защитная пластина 260 включает в себя входное отверстие 270 для соединения охладителя при подаче с входной трубкой 240, и выпускное отверстие 250 для соединения охладителя при возврате с выпускной трубкой 210. Другие варианты осуществления могут иметь несколько отверстий со стороны входа и выхода для уменьшения механического напряжения.

[0014] Канальная пластина 220 может быть изготовлена из кремния и микромеханически обработана для обеспечения наличия входной трубки 240, микроканалов 230 и выпускной трубки 210, с использованием фотолитографии и технологии травления. Защитная пластина 260 может быть также изготовлена из кремния и прикреплена к канальной пластине 220 с помощью клеящего вещества, такого как эпоксидный клей, или другой техники склеивания пластин, как, например, стеклокристаллический припой и термокомпрессия.

[0015] Обращаясь к Фигуре 3, необходимо отметить, что Фигура 3 представляет собой вид в перспективе варианта осуществления устройства микроканального теплопоглотителя 300 в соответствии с настоящим изобретением. Несмотря на то что кремниевые пластины обычно не прозрачны, Фигура 3 демонстрирует канальную пластину 320 как прозрачное устройство для наилучшей иллюстрации деталей устройства микроканального теплопоглотителя 300. Фигура 3 демонстрирует канальную пластину 320, прикрепленную к защитной пластине 360. Охлаждающая жидкость 390 поступает в соединитель охладителя 385 через входное отверстие охладителя 370 и входную трубку 340. Входная трубка 340 распределяет охладитель по микроканалам 330 к выпускной трубке 310. Охладитель нагревается в то время, как он проходит через микроканалы 330. Нагретая охлаждающая жидкость 380 поступает в выпускную трубку 310 и проходит в выпускной соединитель охладителя 375 через выпускное отверстие охладителя 350 для возврата в источник охладителя для переработки.

[0016] Несмотря на то что предмет исследования был описан на определенном языке, описывающим характеристики устройства и методологические действия, следует понимать, что предмет исследования, определенный в прилагаемой формуле изобретения, не обязательно ограничен определенными характеристиками или действиями, описанными выше. Скорее, определенные характеристики и действия, описанные выше, изложены в формуле в качестве примеров осуществления.

Изобретение относится к технологии термального фотоэлектрического микронного зазора. Слоистое устройство для поддержания субмикронного зазора и низкой температуры холодной стороны фотоэлектрического коллектора термофотоэлектрической ячейки, включающее слоистое устройство, включающее в себя подложку с горячей стороной, отделенную от холодной стороны фотоэлектрической ячейки субмикронным зазором, поддерживаемым прокладками, гнущийся теплопоглотитель, расположенный между холодной стороной фотоэлектрической ячейки и сдавливающим слоем, и плоскую жесткую пластину, расположенную между сдавливающим слоем и силовым механизмом; слоистое устройство помещено внутри корпуса; горячая сторона подложки и силовой механизм, поддерживаемые в жестком расположении относительно друг друга благодаря корпусу. Причем сдавливающая сила, поддерживаемая силовым механизмом на слоях внутри корпуса между горячей стороной подложки и силовым механизмом, для поддержания одинакового субмикронного зазора и оптимальной теплопроводности между фотоэлектрической ячейкой и гнущимся теплопоглотителем. 7 н. и 25 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Слоистое устройство для поддержания субмикронного зазора и низкой температуры холодной стороны фотоэлектрического коллектора термофотоэлектрической ячейки, включающее:

слоистое устройство, включающее в себя подложку с горячей стороной, отделенную от холодной стороны фотоэлектрической ячейки субмикронным зазором, поддерживаемым прокладками, гнущийся теплопоглотитель, расположенный между холодной стороной фотоэлектрической ячейки и сдавливающим слоем, и плоскую жесткую пластину, расположенную между сдавливающим слоем и силовым механизмом;

слоистое устройство помещено внутри корпуса;

горячая сторона подложки и силовой механизм, поддерживаемые в жестком расположении относительно друг друга благодаря корпусу; и

сдавливающая сила, поддерживаемая силовым механизмом на слоях внутри корпуса между горячей стороной подложки и силовым механизмом, для поддержания одинакового субмикронного зазора и оптимальной теплопроводности между фотоэлектрической ячейкой и гнущимся теплопоглотителем.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что гнущийся теплопоглотитель придавлен к фотоэлектрической ячейке сдавливающим слоем, плоской жесткой пластиной и силовым механизмом.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что микроканальный теплопоглощающий слой принимает общую форму, совмещенную с корпусом, в результате действия сдавливающей силы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что прочностная характеристика гнущегося теплопоглотителя выбрана из группы, включающей полужесткий и гибкий типы.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сдавливающий слой минимизирует изменения давления на фотоэлектрическую ячейку, горячую сторону слоя и прокладки в субмикронном зазоре.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что гнущийся теплопоглотитель включает в себя:

входной соединитель охладителя, соединенный с входной трубкой охладителя с помощью отверстия охладителя;

выпускную трубку охладителя, соединенную с выпускным соединителем охладителя с помощью трубки выпуска охладителя; и

канальную пластину между входной трубкой охладителя и выпускной трубкой охладителя, канальная пластина, имеющая множество микроканалов для того, чтобы провести охладитель между входной трубкой охладителя и выпускной трубкой охладителя.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что гнущийся теплопоглотитель включает кремниевую канальную пластину, прикрепленную к защитной пластине, канальная пластина изготовлена из кремния и микромеханически обработана для обеспечения наличия входной трубки, выпускной трубки и микроканалов между входной трубкой и выпускной трубкой.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что силовой механизм выбран из группы, состоящей из пьезоэлектрического датчика, пневматического привода и регулятора давления.

9. Способ для поддержания одинакового субмикронного зазора и низкой температуры холодной стороны фотоэлектрического коллектора термофотоэлектрической ячейки, включающее:

создание слоистого устройства, включающего в себя подложку с горячей стороной, отделенную от холодной стороны фотоэлектрической ячейки субмикронным зазором, поддерживаемым прокладками, гнущийся теплопоглотитель, расположенный между холодной стороной фотоэлектрической ячейки и сдавливающим слоем, и плоскую жесткую пластину, расположенную между сдавливающим слоем и силовым механизмом;

помещение слоистого устройства внутрь корпуса;

поддержание горячей стороны подложки и силового механизма в жестком расположении относительно друг друга благодаря корпусу; и

получение сдавливающей силы силовым механизмом на слоях внутри корпуса между горячей стороной подложки и силовым механизмом, для поддержания одинакового субмикронного зазора и оптимальной теплопроводности между фотоэлектрической ячейкой и гнущимся теплопоглотителем.

10. Способ по п. 9, также включающий гнущийся теплопоглотитель, придавленный к фотоэлектрической ячейке сдавливающим слоем, плоской жесткой пластиной и силовым механизмом.

11. Способ по п. 9, также включающий возможность гнущегося теплопоглотителя принимать форму корпуса.

12. Способ по п. 9, также включающий выбор прочностной характеристики гнущегося теплопоглотителя из группы, включающей полужесткий и гибкий типы.

13. Способ по п. 9, также включающий минимизацию изменения давления на фотоэлектрическую ячейку, горячую сторону слоя и прокладки в субмикронном зазоре благодаря сдавливающему слою.

14. Способ по п. 9 также включает в себя следующие этапы:

соединение входного соединителя охладителя с входной трубкой охладителя с помощью отверстия охладителя в гнущемся теплопоглотителе;

соединение выпускной трубки охладителя с выпускным соединителем охладителя с помощью трубки выпуска охладителя в гнущемся теплопоглотителе; и

размещение канальной пластины между входной трубкой охладителя и выпускной трубкой охладителя, канальная пластина, имеющая множество микроканалов для того, чтобы провести охладитель между входной трубкой охладителя и выпускной трубкой охладителя.

15. Способ по пункту 9, также включающий кремниевую канальную пластину, прикрепленную к кремниевой защитной пластине для формирования гнущегося теплопоглотителя, изготовление канальной пластины из кремния и с микромеханической обработкой, чтобы обеспечить наличие входной трубки, выпускной трубки и микроканалов между входной трубкой и выпускной трубкой.

16. Способ по п. 9, также включающий выбор силового механизма из группы, состоящей из пьезоэлектрического датчика, пневматического привода и регулятора давления.

17. Слоистое устройство для поддержания одинакового субмикронного зазора и низкой температуры холодной стороны фотоэлектрического коллектора термофотоэлектрической ячейки, включающее:

термальную излучающую поверхность горячей стороны подложки, отделенной от термальной поглощающей поверхности фотоэлектрической ячейки субмикронным зазором, поддерживаемым прокладками;

первую поверхность гнущегося теплопоглотителя, придавленную к поверхности фотоэлектрической ячейки напротив термальной поглощающей поверхности фотоэлектрической ячейки;

вторую поверхность гнущегося теплопоглотителя напротив первой поверхности гнущегося теплопоглотителя, придавленную к первой поверхности сдавливающего слоя; вторую поверхность сдавливающего слоя напротив первой поверхности сдавливающего слоя, придавленную к первой поверхности плоской жесткой пластины;

вторую поверхность плоской жесткой пластины напротив первой поверхности плоской жесткой пластины, придавленную к первой поверхности силового механизма;

термальную поглощающую поверхность горячей стороны подложки напротив горячей стороны термальной излучающей поверхности, удерживаемую в жестком взаимном расположении со второй поверхностью силового механизма напротив первой поверхности силового механизма с помощью корпуса; и

сдавливающую силу, поддерживаемую силовым механизмом на слоях внутри корпуса между горячей поглощающей стороной и второй поверхностью силового механизма, для поддержания одинакового субмикронного зазора и оптимальной теплопроводности между фотоэлектрической ячейкой и гнущимся теплопоглотителем.

18. Слоистое устройство для поддержания одинакового субмикронного зазора и низкой температуры холодной стороны коллектора ячейки термоэлектрического преобразования, включающее:

слоистое устройство, включающее в себя подложку, отделенную от холодной стороны ячейки субмикронным зазором, поддерживаемым прокладками, гнущийся теплопоглотитель, сдавливающий слой, плоскую жесткую пластину и силовой механизм;

слоистое устройство, помещенное внутрь корпуса;

горячую сторону подложки и силовой механизм, поддерживаемые в жестком расположении относительно друг друга благодаря корпусу; и

сдавливающую силу, поддерживаемую силовым механизмом на слоях внутри корпуса между горячей стороной подложки и силовым механизмом, для поддержания одинакового субмикронного зазора и оптимальной теплопроводности между фотоэлектрической ячейкой и гнущимся теплопоглотителем.

19. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с помощью ячейки для преобразования энергии, включающий этапы, на которых:

используют прокладки для выполнения зазора между слоем эмиттера и коллектором; соединение гибкого теплопоглощающего слоя с коллектором; и

приложение силы к гибкому теплопоглощающему слою так, чтобы гибкий теплопоглощающий слой соответствовал коллектору.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что гибкий теплопоглощающий слой является достаточно тонким для обеспечения сгибания так, чтобы гибкий теплопоглощающий слой принимал форму корпуса.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что теплопоглощающий слой включает канальную пластину, соединенную с защитной пластиной для формирования внутреннего пространства, при этом канальная пластина имеет множество микроканалов, расположенных во внутреннем пространстве и находящихся в жидкостной связи с входным соединителем и выходным соединителем.

22. Способ по п. 21, также включающий этапы, на которых: формируют канальную пластину и защитную пластину; и выполняют микроканалы путем микромеханической обработки.

23. Способ по п. 19, также включающий этап, на котором заключают слой эмиттера, коллектор и гибкий теплопоглощающий слой в корпус, причем слой эмиттера, коллектор и гибкий теплопоглощающий слой принимают общую форму, совмещенную с корпусом в результате действия силы.

24. Способ по п. 19, также включающий этапы, на которых: соединяют сдавливающий слой с теплопоглощающим слоем; и соединяют силовой механизм со сдавливающим слоем так, чтобы сила исходила от силового механизма и сдавливающий слой минимизировал изменения давления.

25. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с помощью ячейки для преобразования энергии, включающий этапы, на которых:

используют прокладки для выполнения зазора между слоем эмиттера и коллектором; соединяют гибкий теплопоглощающий слой с коллектором; и

обеспечивают силовой механизм так, чтобы сила, исходящая от силового механизма, обуславливала соответствие гибкого теплопоглощающего слоя с коллектором, представляет собой общую форму, совмещенную с корпусом.

26. Способ по п. 25, также включающий этапы, на которых соединяют сдавливающий слой с гибким теплопоглощающим слоем так, чтобы сдавливающий слой минимизировал изменения давления.

27. Способ по пункту 26, также включающий этап, на котором соединяют жесткую пластину между сдавливающим слоем и силовым механизмом, причем гибкий теплопоглощающий слой включает канальную пластину, соединенную с защитной пластиной, при этом канальная пластина имеет множество микроканалов, находящихся в жидкостной связи с входным соединителем и выходным соединителем; теплопоглощающий слой выполнен тонким для того, чтобы сгибаться до уровня в десятки микрон; и площадь микроканалов приблизительно соответствует форме коллектора.

28. Способ по п. 25, также включающий этап, на котором заключают слой эмиттера, коллектор, гибкий теплопоглощающий слой и сдавливающий слой в корпус, причем сила обеспечивает то, что слой эмиттера, коллектор, гибкий теплопоглощающий слой и сдавливающий слой принимают общую форму, совмещенную с корпусом.

29. Способ по п. 25, отличающийся тем, что сила создает неодинаковую толщину сдавливающего слоя ввиду неровности по меньшей мере одного из слоя эмиттера, коллектора и теплопоглощающего слоя.

30. Способ по п. 25, также включающий этап, на котором выбирают жесткость и толщину сдавливающего слоя для минимизации изменения давления в зазоре, и причем коллектор представляет собой слой фотоэлектрической ячейки.

31. Способ по п. 25, отличающийся тем, что коллектор представляет собой слой фотоэлектрической ячейки.

32. Способ поддержания одинакового субмикронного зазора и низкой температуры холодной стороны коллектора ячейки для преобразования энергии, включающий:

формирование слоистого устройства, включающего в себя подложку с горячей стороной, отделенную от холодной стороны коллектора субмикронным зазором, поддерживаемым прокладками, гибкий теплопоглощающий слой с микроканалами, сдавливающий слой, и плоскую жесткую пластину;

заключают слоистое устройство в корпус;

поддерживают подложку с горячей стороной в расположении благодаря корпусу; и

прикладывают сдавливающую силу к сдавливающему слою для поддержания одинакового субмикронного зазора и оптимальной теплопроводности между холодной стороной коллектора и гибким теплопоглощающим слоем с микроканалами,

причем гибкий теплопоглощающий слой с микроканалами принимает форму корпуса в результате действия сдавливающей силы.