CN105122466B - 用于微间隙热光电装置的微通道散热器 - Google Patents
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Abstract
用于保持冷侧发射极的低温以提高亚微米间隙热光电电池单元结构的效率的方法和装置。热光电电池单元结构可以包括由动力机构压缩在一起的多个层以使得亚微米间隙尺寸是相对恒定的，尽管与相对恒定的亚微米尺寸相比层边界未必是基本平坦的。分层结构包括热侧热发射极，其具有被由间隔物保持尺寸的亚微米间隙与光电电池表面间隔开的表面。相对亚微米间隙的光电电池的表面被压缩地抵靠微通道散热器的表面，相对光电电池的微通道散热器的表面被压缩地抵靠平坦金属板层和压缩层。
Description
背景技术
本发明涉及用于将辐射热功率转换为电力的微间隙热光电(MTPV)技术。尽管使用热侧发射极和冷侧集电极之间的微米间隙和亚微米间隙允许功率密度比大部分传统的热电装置增长超过一个数量级，然而由于冷侧集电极对带外热辐射的吸收，冷侧集电极的温度也会相应增加。为了保持冷侧集电极的效率及为了在热侧发射极和冷侧集电极之间保持间隙距离一致，已经采用了多种方式来将冷侧集电极保持在降低的温度。本发明更具体地涉及通过使用采用液体冷却剂的微通道散热器来保持冷侧集电极的相对低的温度的新方法和装置。
发明内容
本发明提供了保持冷侧集电极低的温度以提高亚微米间隙热光电电池单元结构的效率的新方法和装置。根据本发明的典型的亚微米间隙热光电电池单元结构的实施例可以包括压缩在一起的多个层以使得亚微米间隙尺寸是相对恒定的——尽管与相对恒定的亚微米尺寸相比层边界未必是基本平坦的。分层结构可以包括具有与光电电池表面隔离开的表面的热侧热发射极，该热侧热发射极的表面被具有由间隔物保持的尺寸的亚微米间隙将其与光电电池表面隔离开。与亚微米间隙相对的光电电池的表面可压缩地抵靠微通道散热器的表面而与光电电池相对的微通道散热器的表面可压缩地抵靠通过可压缩层或“海绵”隔离开的平坦刚性板层。动力机构强制抵靠与可压缩层相对的平坦刚性板的一侧，用于压缩亚微米间隙光电电池单元结构的各层为彼此紧密接触，以保持热侧热发射极的表面和光电电池的相对表面之间的均匀的间隙尺寸。动力机构可以是，例如压电式力换能器、或含有由外部源可控的压力下保持流体的气动或液压室。注意到压电式换能器阵列可以提供如上所述的垂直于基板各层的表面的Z维度的主动压缩力，以及用于抵消不规则表面同时最小化各层上的面内应力的X维度和Y维度的被动力。
微通道散热器包括输入歧管用于接收来自外部源的合适的冷却剂。冷却剂在压力下被强制从输入歧管通过在冷却剂吸收热能的微通道散热器的表面之下的多个微通道。加热的冷却剂之后被传递到排出歧管，在此处加热的冷却剂返回到外部源以被冷却并进一步处理。
如上描述的微通道散热器的方法超过现有方法的优势是不再需要液态金属层，消除了机械波纹管以及消除了作用在叠层上的流体流动力的影响。此外，也消除了根据轴向压缩力校准液体金属力的需求，减小了硬件需求和复杂性。
本内容提供来以简化的形式介绍概念的选择，其将在具体说明中在下面进一步描述。本内容不是为了表示要求保护的主题的所有关键特征或必要特征，也不意在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
通过以下说明和附图，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1示出了根据本发明的亚微米间隙热光电电池单元结构的实施例；
图2是根据本发明的微通道散热器结构的制造的实施例的透视图；和
图3是根据本发明的微通道散热器结构的实施例的透视图。
具体实施方式
考虑图1，图1示出了根据本发明的亚微米间隙热光电电池单元结构100的实施例。该结构包括多个基板层，其通常在微米量级非平坦，强制地彼此抵靠并且被可压缩地限制在外壳195内以保持热侧热发射极110和光电电池单元120的相对表面之间的相对恒定的亚微米间隙尺寸112。提供了间隔物115以帮助保持合适的亚微米间隙尺寸。微通道散热器125的通道板130压靠在与亚微米间隙112相对的光电电池单元120的表面。微通道散热器125包括通道板130和固定的容纳板135。容纳板135包括输入冷却剂连接器145，用于提供冷却剂190流入到微通道散热器125的输入歧管，以及排出冷却剂连接器140，用于提供从微通道散热器125的排出歧管的冷却剂175流出。通道板130包括如下描述的输入歧管、输入和排出歧管之间的多个微通道和排出歧管。
容纳板135的外表面被可压缩抵靠由可压缩层150隔离开的平坦刚性板155。可压缩层150需要足够的压缩以提供足够的力，使得包括微通道散热器125的所有层采取与外壳一致的共同的形状。散热器125被制备为薄的，以允许几十微米级别的弯曲。当由于不平坦的其它层而被压缩时，可压缩层150也将不具有均匀的厚度。因此，可压缩层150的刚度和厚度被仔细选择以最小化整个间隙112的压力变化。例如，可压缩层150可以是由于施加了力会压缩平均100微米的1000微米厚的泡沫。此外，如果由于被压缩的层的表面变化导致可压缩层150的厚度变化为10微米，那么施加到微通道散热器的压力会变化10％。泡沫的压缩刚度的进一步减小会降低这种压力的变化。
动力机构160被可压缩地抵靠在与可压缩层150相对的刚性板的表面。尽管基板层的表面不是均匀平坦的，但是动力机构160对其它层施加压缩力以保持相对恒定的亚微米间隙尺寸。提供了输入连接器170用于提供到动力机构160的压缩能量185以及输出连接器165可以被提供作为来自动力机构160的压缩能量的返回180。例如，如果动力机构160由压电式换能器实现，则连接器170、165可以是电连接。如果动力机构160是气动实现，则连接器170、165可以是气动连接器。
转向图2，图2是根据本发明的微通道散热器的制造200的实施例的透视图。图2包括通道板220(图1中的130)和容纳板260(图1中的135)。图2示出了输入歧管240，其接收来自冷却剂源的冷却剂并向连接到排出歧管210的微通道230供给冷却剂。在通过微通道230时，冷却剂吸收热量并在排出歧管210中收集用于返回、并在冷却剂源处冷却和处理。容纳板260包括输入口270，用于连接冷却剂供给到输入歧管240，以及排出口250，用于从排出歧管210连接冷却剂返回。其他实施例可以具有在入口侧和出口侧的多个口以减轻机械应力。
通道板220可以由硅制成并使用常规的光刻和刻蚀技术微机械加工以提供输入歧管240、微通道230和排出歧管210。容纳板260也可以由硅制成，并可以使用如环氧树脂的粘合剂或如玻璃胶和热压缩的其他晶圆接合技术，接合到通道板220。
转向图3，图3是根据本发明的微通道散热器结构300的实施例的透视图。尽管硅晶圆通常是不透明的，图3描绘通道板320为透明结构以更好地示出微通道散热器300的结构细节。图3示出了接合到容纳板360的通道板320。冷却剂流体390进入输入冷却剂连接器385，穿过冷却剂输入口370进入输入歧管340。输入歧管340分流冷却剂穿过微通道330到排出歧管310。当冷却剂穿过微通道330时被加热。加热的冷却剂流体380由排出歧管310接收并经由冷却剂排出口350被提供给排出冷却剂连接器375用于返回到冷却剂源进行处理。
虽然本主题以特定于结构特征和方法动作的语言进行了描述，但是应当理解，在所附权利要求中限定的本主题不必限于上述的具体特征或动作。相反，上述的具体特征和动作被公开为实现权利要求的示例形式。
Claims (18)
1.一种分层结构，用于保持热光电电池单元的冷侧光电集电极的低温和均匀的亚微米间隙，包括：
分层结构，包括由间隔物保持的亚微米间隙从冷侧光电电池单元隔离开的热侧基板、位于所述冷侧光电电池单元和可压缩层之间的可弯曲微通道散热器、和位于所述可压缩层和动力机构之间的平坦刚性板；
所述分层结构容纳在外壳内；
所述热侧基板和所述动力机构通过所述外壳彼此保持刚性定位关系；和
由所述动力机构在所述外壳内的所述热侧基板和动力机构之间的各层上保持压缩力，用于保持均匀的亚微米间隙和所述光电电池单元和所述可弯曲微通道散热器之间有效的热传导。
2.如权利要求1所述的结构，其中所述可弯曲微通道散热器被所述可压缩层、平坦刚性板和动力机构可压缩地定位为抵靠所述光电电池单元。
3.如权利要求1所述的结构，其中所述可弯曲微通道散热器可以采取所述外壳的形状。
4.如权利要求1所述的结构，其中所述可弯曲微通道散热器的结构特性为薄到允许几十微米级别的弯曲。
5.如权利要求1所述的结构，其中所述可压缩层最小化所述光电电池单元、热侧层和亚微米间隙中的间隔物上的压力变化。
6.如权利要求1所述的结构，其中所述可弯曲微通道散热器包括：
输入冷却剂连接器，其经由冷却剂口连接到冷却剂输入歧管；
冷却剂排出歧管，其经由排出冷却剂歧管连接到冷却剂排出连接器；和
通道板，其在所述输入冷却剂歧管和所述冷却剂排出歧管之间，所述通道板具有用于在所述输入冷却剂歧管和所述冷却剂排出歧管之间传导冷却剂的多个微通道。
7.如权利要求1所述的结构，其中所述可弯曲微通道散热器包括接合到硅容纳板的硅通道板，所述通道板由硅制备并被微机械加工以提供输入歧管、排出歧管以及所述输入歧管和所述排出歧管之间的微通道。
8.如权利要求1所述的结构，其中所述动力机构是压电式力换能器、或含有由外部源可控的压力下保持的流体的气动室或液压室。
9.一种保持热光电电池单元的冷侧光电集电极的低温和均匀的亚微米间隙的方法，包括：
形成分层结构，该分层结构包括由间隔物保持的亚微米间隙与冷侧光电电池单元隔离开的热侧基板、位于所述冷侧光电电池单元和可压缩层之间的可弯曲微通道散热器、和位于所述可压缩层和动力机构之间的平坦刚性板；
在外壳内封装所述分层结构；
通过所述外壳保持所述热侧基板和所述动力机构彼此刚性定位关系；和
由所述动力机构在所述外壳内的所述热侧基板和所述动力机构之间的各层上产生压缩力，用于保持所述均匀的亚微米间隙和所述光电电池单元和所述可弯曲微通道散热器之间的有效的热传导。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括通过所述可压缩层、所述平坦刚性板和所述动力机构将所述可弯曲微通道散热器可压缩地定位为抵靠所述光电电池单元。
11.如权利要求9所述的方法，进一步包括使得所述可弯曲微通道散热器采取所述外壳的形状。
12.如权利要求9所述的方法，进一步包括将可弯曲微通道散热器选择为薄到允许几十微米级别的弯曲。
13.如权利要求9所述的方法，进一步包括通过所述可压缩层最小化所述光电电池单元、热侧层和亚微米间隙中的间隔物上的压力变化。
14.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
经由可弯曲微通道散热器中的冷却剂口将输入冷却剂连接器连接到冷却剂输入歧管；
经由可弯曲微通道散热器中的排出冷却剂歧管将冷却排出歧管连接到冷却剂排出连接器；和
在所述输入冷却剂歧管和所述冷却剂排出歧管之间定位通道板，所述通道板具有用于在所述输入冷却剂歧管和所述冷却剂排出歧管之间传导冷却剂的多个微通道。
15.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
包括接合到硅容纳板的硅通道板以形成可弯曲微通道散热器，由硅制备所述通道板并微机械加工它以提供输入歧管、排出歧管以及所述输入歧管和所述排出歧管之间的微通道。
16.如权利要求9所述的方法，
其中所述动力机构是压电式力换能器、或含有由外部源可控的压力下保持的流体的气动室或液压室。
17.一种分层结构，用于保持热光电电池单元的冷侧光电集电极的低温和均匀的亚微米间隙，其包括：
热侧基板的热发射极表面，所述热侧基板由间隔物保持的亚微米间隙与光电电池单元的热收集表面隔离开；
可弯曲微通道散热器的第一表面，其被可压缩地定位为抵靠与所述光电电池单元的热收集表面相对的光电电池单元的表面；
所述可弯曲微通道散热器的第二表面，其与所述可弯曲微通道散热器的所述第一表面相对，被可压缩地定位为抵靠可压缩层的第一表面；
所述可压缩层的第二表面，其与所述可压缩层的所述第一表面相对，被可压缩地定位为抵靠平坦刚性板的第一表面；
所述平坦刚性板的第二表面，其与所述平坦刚性板的所述第一表面相对，被可压缩地定位为抵靠动力机构的第一表面；
所述热侧基板的热集电极表面，其与所述热侧热发射极表面相对，与相对于所述动力机构的所述第一表面的所述动力机构的第二表面由外壳保持刚性定位关系；和
由所述动力机构在所述外壳内的所述热侧热集电极表面和所述动力机构的所述第二表面之间的各层上保持压缩力，用于保持均匀的亚微米间隙和所述光电电池单元和所述可弯曲微通道散热器之间的有效的热传导。
18.一种分层结构，用于保持热光电电池单元的冷侧集电极的低温和均匀的亚微米间隙，包括：
分层结构，包括由间隔物保持的亚微米间隙与冷侧电池单元隔离开的热侧基板、可弯曲微通道散热器、可压缩层、平坦刚性板和动力机构；
所述分层结构容纳在外壳内；
所述热侧基板和所述动力机构通过所述外壳彼此保持刚性定位关系；和
由所述动力机构在所述外壳内的所述热侧基板和所述动力机构之间的各层上保持压缩力，用于保持均匀的亚微米间隙和所述电池单元和所述可弯曲微通道散热器之间的有效的热传导。
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