微米间隙热光电大规模亚微米间隙方法和设备的制作方法

专利名称：微米间隙热光电大规模亚微米间隙方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于热到电的固态转换的微米间隙热光电的(MTPV)技木。更广泛地说，本发明当被插入高温环境，诸如エ业熔化炉中时,产生电功率。
背景技术：
热光电装置(TPV)由受热黑体组成，该受热黑体跨越间隙辐射电磁能到光电装置 上，该光电装置把辐射功率转换为电功率。给定TPV装置面积的功率输出的量，受该装置热的ー侧的温度约束，且一般要求非常高的温度，因皮对它的实际应用建立屏障。作为对比，微米间隙热光电(MTPV)系统，通过降低功率发射体和接收体之间间隙的大小，允许更大功率在它们之间传递。通过采用亚微米间隙技木，MTPV装置可获得的功率密度，与常用的TPV相比，能够增加约ー个数量级。等价地说，对给定的有效面积和功率密度，在MTPV装置热的ー侧的温度能够被降低。这允许新的应用，用在基片功率、废弃的热功率产生和转换器功率上。已经证明，热的和冷的物体之间的电磁能传递，由于近场的渐逝耦合，是两物体的接近间隔的函数。因此，两物体越接近，大约在I微米和以下，功率传递越大。对O. I微米的间隙间隔，能量传递速率増加5倍和更高已被观察到。然而，两难问题正在形成，就是要维持两物体之间的接近间隔在亚微米间隙，以便維持增强的性能。虽然获得亚微米间隙间隔是可能的，但对热的和冷的表面的热效应，引起単元的呈杯形、翘曲或变形，导致间隙间隔的变化，从而导致功率输出中不可控的偏差。通常，为了增加现有技术装置的给定的较低功率密度的功率输出，増加温度是必要的。然而，温度增加受装置和系统部件的材料的限制。微米间隙热光电(MTPV)系统，是使用光电池把热转换为电的潜在地更有效的途径。微米间隙热光电装置，是“太阳能电池”技术的热学版本的热光电方法的改进方法。两种方法都利用光子激发电子跨越半导体带隙的能力，从而产生有用的电流。热源的较低温度，半导体较窄的带隙，必须提供与光子能量的入射频谱最佳的匹配。只有能量等于或大于该带隙的那些光子能够产生电。较低能量的光子只能产生热，并对效率成为损耗机制。优秀的微米间隙热光电系统，应包含热辐射到或传导到发射体层的热的源，该发射体层被悬置于红外感测光电池表面之上的亚微米间隙处。通过使用热的发射表面和光电收集器之间的亚微米间隙，光子从固体到固体转移的速率，已被观察到比用大间隙可能的速率有更大増大。附加的转移机制不是简单地涉及普朗克辐射定律，尽管光子的频谱分布仍然属黑体分布。但是，亚微米间隙的使用，意味着真空环境被用于避免过量的热传导越过该间隙，该热传导是由不能激发电子进入导带的低能光子引起的。为了热源的有效使用，高能光子高的百分比必须被生成。用于分开发射表面与光电池的结构，为了相同效率的考虑，必须既是直径小的，并且又是非常好的绝热体。该光电池一般应当被一定程度冷却，以便它将适当发挥功能。在高温下，本征载流子的生成淹没PN结，而使它不再是电子的有效的收集器。微米间隙热光电系统仿佛有大于I的发射率值的发射体在起作用。黑体的定义是，它有等于I的发射率值且该值对大间隙的辐射能量传递不能被超过。使用范围在O. 30到O. 10微米的间隙，5-10的等效发射率倍数已经在实验上被证实。至少有两种方式利用这种现象。在可比较的系统中，如果发射表面的温度保持相同，微米间隙热光电系统能够按比例做得更小和更便宜，同时产生相同量的电。或者，如果大小可比较的系统被使用，微米间隙热光电系统将在低得多的温度上运行，因而降低制造该系统中使用的材料的费用。据初步估算，计算出通过使用微米间隙技术，典型系统的操作 温度将从1，400° C降低至1，000° C而仍然产生相同的电输出。温度的这样的下降，由于更广泛的可用性和更低的可能材料费用，可以造成系统的实用性的差別。美国专利No. 7，390，962、No. 6，232，546 和 No. 6，084，173 及美国专利申请No. 12/154，120、No. 11/500，062、No. 10/895，762、No. 12/011，677、No. 12/152，196 和No. 12/152，195在此被引用，供參考。附加的能量传递机制已经被假设，而使用窄的绝热间隙构建系统的能力，可以在按照本发明主题的许多应用类型中找到使用。

发明内容
因此，本发明的ー个目的，是提供一种新颖的微米间隙热光电装置结构，它还更易于制造。本发明的再ー个目的，是提供这样的ー种微米间隙热光电装置，它导致发射体和光电基底之间高的热绝缘。本发明的再ー个目的，是提供这样的ー种微米间隙热光电装置，它能够有大的面积并能有高的产出。本发明的再ー个目的，是提供这样的ー种微米间隙热光电装置，它允许横向热膨胀。本发明的再ー个目的，是提供这样的ー种微米间隙热光电装置，它是高效的。本发明的再ー个目的，是提供这样的一种有均匀亚微米间隙的微米间隙热光电装置。本发明的再ー个目的，是提供这样的ー种微米间隙热光电装置，它提供更大的能
量传递。本发明的再ー个目的，是提供这样的ー种微米间隙热光电装置，它无需组装多个分立的元件而被构成。本发明的再ー个目的，是提供一种制作微米间隙光电装置的方法。本发明的再ー个目的，是提供一种作为热光电系统有用的和在其他应用方面也有用的微米间隙装置。该热光电系统和设备，当它被插入高温环境，诸如エ业熔化炉中时，产生电功率。它由耐热并抗腐蚀的、真空气密的壳和内部的液体冷却的机械组件构成，该液体冷却的机械组件与受热的壳内壁接触。该机械组件有利于并提供ー种手段，用于在大发射体和光电表面之间获得亚微米间隔。热从壳的内表面被传导到频谱上受控的辐射体表面(热侧)。该辐射体表面以电磁能的形式发射热，跨越亚微米间隙到光电(PV)装置(冷侧)。热的一部分被该光电池转换成电。其余的热能从该光电池的相反侧被液体冷却的针形或叶片形散热器带走。该设计的主要方面，是允许发射体基片到壳内表面的密切接触，以便有良好的热传递。该光电池被向外推顶着发射体基片，以便压迫它们顶着内壁。高温热界面材料，改进壳内表面和发射体基片之间的热传导。发射体基片上微小间隔器总是在热福射表面和光电池之间维持亚微米的间隙。该机械组件被设计成随着壳变热、膨胀和翘曲，推动热的和冷的基片顶着壳内表面。为达到这一点，该光电池被附着于能与壳内表面形状一致的可变形体。该可变形体是薄的金属箔(膜)。压カ借助气动膜片和液态金属填充的腔被给与该膜。
液态金属腔的作用有两个目的1)向膜的后侧给与压力，膜本身又推动光电基片顶着发射体基片，同时允许该膜弯曲并与壳内表面形状一致；和2)运送过量的热离开该光电装置到达液体冷却的散热器。壳内空的空间接近完全真空(<10_3TOrr)，因此热不能通过空气被传导跨越亚微米间隙和在暴露的壳内表面与散热器之间。本发明是有用的，因为它从要不然被废弃的热产生电功率。该电能够被用于向エ厂内其他装置供电，或者它能够出售给公用事业公司。本文公开的本发明，当然容许诸多不同形式的实施例。附图出示和本文下面详细描述的是本发明的优选实施例。但是应当理解，本公开是本发明原理的示例，并且不把本发明限制于示出的实施例。


为进一歩理解本发明的本性和目的，应当參考下面结合附图的详细描述，附图中，相同単元被给予相同的參考数字，而其中图I示出按照本发明的热光电的和微米间隙热光电的技术；图2A示出单侧MTPV装置的实施例；图2B示出两侧MTPV装置的实施例；图3示出MTPV装置的操作的实施例300 ；图4示出“Quad” MTPV装置前端的横截面视图的实际实施例400 ；图5是Quad的横截面视图500 ；图6示出完整的Quad，被安装在它的组件一端上；图7示出为形成Quad而被组装的各个零件；图8示出已被完整地组装的Quad ；图9示出单个Quad在它的壳体内，它的顶盖已被移除；图10示出Quad模块滑进它的通过炉壁的热的壳体；图11画出含有4个Quad和冷却剂连接的模块；
图12画出Quad模块的阵列，被连接到公共冷却剂线路；和图13画出要求的控制模块，被连接到包括ー个或多个Quad的MTPV面板。
具体实施例方式转到图1，图I示出按照本发明的热光电装置104和微米间隙热光电装置106的技木。两种技术可以使用来自煤气、石油或煤燃烧的热110，核能120，来自工业过程废弃的热130，或太阳的热140。热光电装置(TPV) 104由辐射电磁能跨越宏观尺度间隙190到光电装置160的受热黑体150构成，该光电装置160把辐射功率转换为电功率。给定TPV装置面积的功率输出的量，受该装置热侧温度的约束，且一般要求非常高的温度，因此对它的实际应用建立屏障。作为对比，微观尺度间隙195热光电(MTPV)装置106，通过降低功率发射体150和接收体160之间间隙195的大小，允许更大功率在它们之间传递。通过采用亚微米间隙技术，MTPV装置106可获得的功率密度，与常用的TPV装置104相比，能够增加约ー个数量级。等价地说，对给定的有效面积和功率密度，在MTPV装置热侧的温度能够被降 低。这样允许新的应用，用在基片功率、废弃的热功率产生和转换器功率上。已经证明，由于近场的渐逝耦合，热的和冷的物体之间的电磁能传递是两物体的接近间隔的函数。因此，两物体170越接近，大约I微米和以下，功率传递越大。对O. I微米的间隙间隔180，能量传递速率増加5倍和更高已被观察到。通过使用热的发射表面150和光电收集器160之间的亚微米间隙195，光子从固体到固体转移的速率，已被观察到比用大间隙190可能的速率有更大増大。附加的传递机制不是简单地涉及普朗克辐射定律，尽管光子的频谱分布仍然属黑体分布。但是，亚微米间隙的使用，意味着真空环境被用于避免过量的热传导越过该间隙，该热传导是由不能激发电子进入导带的低能光子引起的。为了热源的有效使用，高能光子的高百分比必须被生成。用于分开发射表面与光电池的结构，为了相同效率的考虑，必须既是直径小的，并且又是非常好的绝热体。该光电池一般应当被一定程度冷却，以便它将适当发挥功能。在高温下，本征载流子的生成淹没PN结，而使它不再是电子的有效的收集器。转到图2A，图2A示出单侧MTPV装置的实施例200。该实施例包含热界面210，用于在暴露于高温的壳体和热侧发射体215之间传导热。热侧发射体215通过由间隔器220维持的微间隙与冷侧光电池225分隔开。箔膜230被置于冷侧光电池225和含有液态金属的室235之间，该液态金属被维持在受控压力下。该加压室235确保热侧发射体215和热界面210在宽大的温度范围上被維持与壳体紧密接触。邻接液态金属室235的是散热器240，该散热器240被冷却剂室245中的连续流动的冷却剂冷却。冷却剂室245被冷却剂室密封250和气动室柔性密封255与气动室260分隔开。气动室260被维持在受控压力上，以进ー步确保散热器240、液态金属室235、冷侧发射体225、热侧发射体215、热界面210与壳体之间的紧密接触被維持。气动室固定密封265被置于气动室260和冷却水支管270之间，该冷却水支管270被连接到循环冷却水的连续供给，用于冷却散热器240。转到图2B，图2B示出两侧MTPV装置的实施例205。该两侧MTPV装置包含上面关于图2A所述的结构和附加的结构，该附加结构是图2A所示的倒像，被附着于公共冷却水支管270。这种结构能从MTPV装置两侧实现热的收集。转到图3，图3示出MTPV装置的操作的实施例300。MTPV装置305被暴露于辐射和对流的热流310，该对流的热流310加热外表面和热侧/冷侧对320、330的热侧。真空被维持在MTPV装置305的内部，而冷侧光电池被循环水340、350从内部冷却。输出功率360、370从装置305被获得。转到图4，图4示出“Quad’lTPV装置前端的横截面视图的实际实施例400。该Quad是用于实施MTPV技术的基本积木式部件。该前端在高温壳体和热侧发射体420之间包含热传导石墨界面410。微间隙430被維持在热侧发射体420和冷侧光电池440之间。箔膜450被放置在冷侧发射体440和液态金属室460之间。散热器470的表面和箔膜450封闭液态金属室460。发射体420的目的，是Quad的壳体内侧吸收热。发射体基片420通常是，但不必须是，由娃制成，并在间隙ー侧上有微机加工的ニ氧化娃间隔器。发射体420的光滑ー侧被压迫顶着热的壳体内侧。石墨热界面材料410被夹在发射体420和壳体之间，以改进热传递。该壳体被炉内的辐射和对流能量加热，且该热通过壳体跨越热界面材料410被传导并进入硅发射体420，使它变得非常热。
光电池440被设计成把一些从热黑体发射的光转换为电。尤其是，该光电池440有非常平的表面，以致当它们被压迫顶着发射表面420上的间隔器时，非常小的真空间隙被形成。该间隔器被这样设计，以致非常小的热流被从热的发射体420传导到相对冷的光电池440。该光电池440和发射体420也都由高折射率材料制成，以获得最大量的近场耦合能量增强。从发射体420传输到光电池440的光的一定百分比被转换为电。转到图5，图5是Quad的横截面视图500。该视图是宏观透视图，它包含图4所示単元。该Quad包含水分配壳体，亦称冷却水支管510、波纹管子组件560、570、散热器子组件470、气动子组件530、540、550、液态金属隔间460 (亦见图4)、膜和光电子组件440、450(亦见图4)、热侧发射体阵列410、420 (亦见图4)、以及线性致动器压力调节器(水分配壳体内侧)。这些单元形成基本的Quad积木式部件。ー个或多个Quad通常被封闭在暴露于高温的空的封壳或热的壳体中，以便产生电功率。膜450、液态金属460、散热器470和波纹管子组件570有非常的耦合功能。金属波纹管570在水分配壳体510和散热器470之间传递水，一组波纹管570在入口侧而另一组在出ロ侧。波纹管570还作为膨胀接头起作用，因此当壳体变热并膨胀时，波纹管570拉长。波纹管570常常被压缩，所以它们提供把散热器和膜组件推向热的盖的力，因而推着光电池440顶着发射体间隔器和推着发射体420顶着热的壁。虽然散热器470有内部空隙让水通过，但它也作为光电池的悬置平台起作用。通过波纹管570的挠曲，该平台能够移进和移出并绕两个轴傾斜。这种联接方式允许光电阵列420宏观地与热的壳体的取向一致。该柔性膜450在此与热的壳体的弯曲有夫。膜450是基片的第二悬置物。第一悬置物要关注由于热膨胀产生的刚体运动和由于机加工容差及差温加热产生的倾斜偏移。该膜450是光电池440的柔性悬置物，允许电池的阵列推动顶着发射体420并弯曲和挠曲，使基片与壳体的弯曲形状一致。重要的是应当指出，当热流垂直于平的板时，跨越该板有导致热致弯曲或弓起的温度降。该光电池440被粘接于膜450。金属膜450有绝缘层和一定图形的导电体层。在这种意义下，膜450作为印刷电路板起作用，按串联和/或并联与光电池440结合在一起，并把电运送到膜450的边缘。
膜450围绕该边缘被密封到该平台，在膜450和该平台之间留下小的间隙。该空间其后用液态金属填充。该液态金属的作用有两个目的首先，它在光电池440和散热器470之间提供热通路。其次，因为它是液体，它允许膜450弯曲。热壳体由高温金属制成，并在里面放置Quad之后被牢固地封闭。壳体的大小取决于Quad的数量和分布。内表面被抛光，以便它们有低的发射率。外表面被故意氧化成黑的面层，因此它们将从炉吸收更多的辐射热。壳体有用于冷却液体的穿越端ロ、真空泵和电线。气动子组件530、540、550位于水分配壳体510和散热器470之间。气动膜片530与波纹管570平行地把散热器470往外推向热的壳体,因而在膜450和热壳体之间挤压光电池440和发射体420。在液态金属腔中有合适的气动力量和压力，膜450、基片和壳体将全部呈现相同形状，而发射体420和光电池440之间的间隙将是均匀的(但不一定是平的)。热流进壳体，通过热界面材料410并进入发射体420。其后跨越亚微米真空间隙向 光电池440辐射，其中一些能量被转换为电并被膜表面上的金属化取走。其余的热通过膜450、液态金属、铜、铜引脚并进入总是被加满的冷却水。如果光电池440全部被串联，那么旁路ニ极管能够被连接在电池的每一行的两端，这样ー来，如果一行内的光电池440失效,整行能够被旁路,而该电流将被转到下一行。转到图6，图6示出完整的Quad 600，被安装在它的组件一端上。图6所示的有热侧发射体阵列410、420、膜和光电组件440、450、液态金属室460、散热器470、水分配壳体510、气动室540、电连接610和气动连接620、630。线性致动器由电动机和导引螺杆组成，并被藏在水分配壳体510内側。它的目的是控制膜450后面液体的量。该致动器驱动附着于滚动膜片(rolling diaphragm)的活塞。膜片的内部被液态金属填充，液态金属能够通过弓I向液态金属/膜室460的通道被抽运。为増加或降低膜450后面液态金属的量，该致动器分别被向外或向内驱动。该致动器还被用于控制液态金属中的压力。线性致动器和活塞之间是模具弹簧(die spring)。来自致动器的力通过该弹簧并进入活塞，因此该弹簧总是受压的。这样允许致动器改变液态金属压力，即使活塞保持静止。模具弹簧的压缩直接与液态金属压カ有夫。转到图7，图7示出被组装以形成Quad 700的各个零件。这些零件包含光电阵列710和散热器顶715、散热器底720、水壳体顶盖735、Servometer波纹管(servometerbellows) 725、水壳体侧盖730、水壳体740、波纹管连接器745、Servometer波纹管750和波纹管筒755。转到图8，图8示出被完整地组装的Quad 800。如图8所示，Quad包含光电阵列710和散热器顶715、SerVOmeter波纹管725、水壳体侧盖730、水壳体740和到外部控制模块的电及气动连接770。转到图9，图9示出单个Quad 900在它的壳体内，它的顶盖已被移除。出示的是被完整地组装的图8所示Quad 800、热的壳体910、水冷却剂连接930、940和真空端ロ 920。没有出示的是与气动控制模块的连接。转到图10，图10示出Quad模块1000滑进它的通过炉壁的热的壳体。出示的是Quad 800、热的壳体1020、炉壁1030、Quad模块封壳910、水冷却剂连接930、940、以及与电
功率设施、真空控制模块及气动控制模块的连接1010。
转到图11，图11画出含有4个Quad和冷却剂连接的模块1100。它可以包含高达4个双侧Quad模块800和冷却剂连接1130、1140。
转到图12，图12画出Quad模块1200的阵列，被连接到公共冷却剂线路。图上出示24个Quad模块800，被连接到公共冷却剂线1230、1240。虽然每一 Quad含有光电池和发射体基片的阵列、但面板可以含有Quad的MXN阵列，这里M和N大于或等于I。Quad阵列可以被冷却管连接在一起，使这些单位可以串联或并联地被冷却。转到图13，图13画出要求的控制模块1300，被连接到包括ー个或多个Quad的MTPV面板。出示的是MTPV面板1350、冷却控制模块1310、真空控制模块1320和气动压力控制模块1330。
权利要求
1.ー种利用亚微米间隙热光电技术把热能转换为电功率的方法，包括步骤 通过辐射发射层的收集表面，从热传导壳的内表面收集热能，该壳的外表面被暴露于高温热能源； 维持光电池的接收表面离福射发射层的发射表面小于ー微米距离； 用该接收表面从该发射表面接收电磁辐射，用于由该光电池产生电功率； 由加压的、热传导的、可变形的膜在光电池上提供压力，用于保持辐射发射层的收集表面与壳的内表面的紧密接触，并用于使冷却最大化；和 提供压カ在与热传导可变形膜接触的散热器上，用于使冷却最大化。
2.权利要求I的方法，还包括在发射表面和接收表面之间建立真空，用于使热传导最小化。
3.权利要求2的方法，其中该真空小于10_3Torr。
4.权利要求I的方法，还包括在壳内维持真空。
5.权利要求I的方法，其中该光电池的接收表面和辐射发射层的发射表面之间的距离通常是在O. 10和O. 30微米之间。
6.权利要求I的方法，还包括利用绝热间隔器维持该光电池的接收表面和辐射发射层的发射表面之间的距离。
7.权利要求I的方法，其中该可变形膜被线性致动器和液态金属填充的腔加压。
8.权利要求I的方法，还包括把热界面置于福射发射层的收集表面和热传导壳的内表面之间。
9.权利要求8的方法，其中该热界面包括热传导石墨。
10.权利要求I的方法，还包括通过让冷却剂液体通过散热器腔循环，来降低光电池、散热器、液态金属室和可变形膜的温度。
11.权利要求10的方法，还包括通过柔性波纹管和水分配壳体的使用，分配冷却液。
12.ー种利用亚微米间隙热光电技术把热能转换为电功率的设备，包括 辐射发射层的收集表面，用于从热传导壳的内表面收集热能，该壳的外表面被暴露于高温热能源； 光电池的接收表面，被维持在离该福射发射层的发射表面小于ー微米距离处； 电磁福射，被该接收表面从该发射表面接收，用于由该光电池产生电功率； 该光电池由加压的、热传导的、可变形的膜加压，用于保持辐射发射层的收集表面与壳的内表面的紧密接触，并用于使冷却最大化；和 散热器，被加压成与热传导可变形膜接触，用于使冷却最大化。
13.权利要求12的设备，还包括把热界面置于辐射发射层的收集表面和热传导壳的内表面之间。
14.权利要求12的设备，其中该热界面由热传导石墨組成。
15.权利要求12的设备，其中真空被維持在该发射表面和该接收表面之间。
16.权利要求12的设备，其中真空被維持在该壳内。
17.权利要求12的设备，还包括绝热间隔器，用于维持光电池的接收表面和辐射发射层的发射表面之间的距离。
18.权利要求12的设备，其中该可变形膜被线性致动器和液态金属填充的腔加压。
19.权利要求12的设备，还包括通过使用柔性波纹管和水分配壳体分配的冷却液。
20.ー种利用亚微米间隙热光电技术把热能转换为电功率的设备，包括用于封闭Quad的部件的壳，该Quad包含 发射体基片阵列，经由石墨热界面，被維持与壳的紧密热接触； 膜和光电阵列子组件，通过绝热间隔器与发射体基片阵列分隔开； 与该膜接触的液态金属室，用于维持被維持与壳紧密热接触的发射体基片阵列； 散热器子组件，用于接收液体冷却剤，以便冷却该膜、液态金属室和光电阵列； 水分配壳体，用于经由波纹管子组件，向散热器子组件分配液体冷却剂； 气动子组件，用于维持散热器与液态金属冷却剂和光电阵列的紧密接触；和 线性致动器压カ致动器，用于维持气动子组件中的压力。
21.权利要求20的设备，其中真空在该壳内被維持。
22.权利要求20的设备，其中该膜被线性致动器和液态金属填充的腔加压。
23.权利要求20的设备，其中该Quad包含多个光电的和发射体基片的阵列。
24.权利要求20的设备，其中壳可以是Quad的MXN阵列，这里M和N大于或等于I。
25.权利要求20的设备，还包括冷却控制模块、真空控制模块和气动压カ控制模块。
全文摘要
微米间隙热光电大规模亚微米间隙方法和设备。本发明涉及用于热到电的固态转换的微米间隙热光电的(MTPV)技术。问题正在形成并且然后要维持两物体之间的接近间隔在亚微米间隙，以便维持增强的性能。虽然获得亚微米间隙间隔是可能的，但对热的和冷的表面的热效应，引起单元的呈杯形、翘曲或变形，导致间隙间隔的变化，从而导致功率输出中不可控的偏差。该设计的主要方面，是允许发射体基片到壳内侧表面的密切接触，因此有良好的热传递。光电池被推向顶着发射体基片，以便压迫它们顶着内壁。高温热界面材料，改进壳内表面和发射体基片之间的热传递。
文档编号H01L35/00GK102823004SQ201180008551
公开日2012年12月12日 申请日期2011年2月28日 优先权日2010年2月28日
发明者E·L·布朗, R·S·德玛特奥, B·A·纳尔德利, 彭斌, 李潇 申请人:Mtpv能量公司