FI121094B - Menetelmä ja laite lämmön siirtoon - Google Patents
Menetelmä ja laite lämmön siirtoon Download PDFInfo
- Publication number
- FI121094B FI121094B FI20080434A FI20080434A FI121094B FI 121094 B FI121094 B FI 121094B FI 20080434 A FI20080434 A FI 20080434A FI 20080434 A FI20080434 A FI 20080434A FI 121094 B FI121094 B FI 121094B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- heat
- radiation
- energy
- insulating material
- emitting element
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 17
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 24
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 22
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 238000005401 electroluminescence Methods 0.000 claims description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims 11
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
- F25B23/003—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect using selective radiation effect
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D23/00—Control of temperature
- G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
- G05D23/1919—Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the type of controller
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
- H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
- H01L31/167—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
- H02S10/30—Thermophotovoltaic systems
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Description
MENETELMÄ JA LAITE LÄMMÖN SIIRTOON
TEKNIIKAN ALA
5 Keksintö liittyy yleisesti energian siirtoon. Erityisesti keksintö liittyy lämpöenergian siirtoon sähkömagneettisen säteilyn, kuten valon, avulla.
TEKNIIKAN TAUSTA
10 Tunnetuissa lämmönsiirtomenetelmissä lämmön siirtoon on perinteisesti käytetty erilaisia kylmäaineita (esimerkiksi kompressoreihin perustuvat ratkaisut jääkaapeissa) tai sähkövirtaa (Peltier-elementit). Näiden ratkaisujen heikkoutena ovat mekaanisten lämpöpumppujen osalta olleet suuri koko, haitalliset ympäristövaikutukset ja liikkuvien osien kuluminen, sekä termosähköisten lämpöpumppujen osalta heikko tehokerroin. 15
YHTEENVETO
Keksinnön erään ensimmäisen aspektin mukaisesti toteutetaan patenttivaatimuksessa 1 esitetty menetelmä.
20
Keksinnön suoritusmuodoissa lämpöä voidaan siirtää lämpöopin toisen pääsäännön määrittämään lämmön siirtymissuuntaan nähden vastakkaiseen suuntaan.
Keksinnön suoritusmuodoissa valoa tai muuta sähkömagneettista säteilyä voidaan 25 käyttää lämmönsiirtoon kiinteän olomuodon lämpöpumpussa. Keksinnön suoritusmuodoissa voidaan saavuttaa Peltier-elementtien edut kompaktina kiinteän olomuodon lämpöpumppuna, mutta voidaan myös saavuttaa Peltier-elementtiä suurempi tehokerroin. Keksinnön eräiden suoritusmuotojen mukaisessa lämmönsiirtomenetelmässä valoa tai muuta sähkömagneettista säteilyä emittoivan 30 elementin emittoima säteily kytkeytyy säteilyä absorboivaan elementtiin, jolle osa säteilyn sisältämästä energiasta luovutetaan lämpönä, ja osa säteilyn sisältämästä 2 energiasta muunnetaan takaisin hyödynnettäväksi energiaksi, esimerkiksi sähköiseksi tai mekaaniseksi energiaksi. Eräissä suoritusmuodoissa lämpöä siirretään emittoivasta elementistä absorboivaan elementtiin fotonien avulla. Säteilyä emittoivan elementin emittoima säteily voi olla esimerkiksi puolijohteissa elektroluminesenssin 5 avulla synnytettyä valoa.
Keksinnön erään toisen aspektin mukaisesti toteutetaan patenttivaatimuksessa 7 esitetty laite.
10 Eräissä suoritusmuodoissa laite käsittää optisesti toisiinsa kytketyt valoa emittoivan ja valoa absorboivan elementin, joista toinen jäähtyy emittoidessaan valoa ja toinen lämpenee absorboidessaan sitä.
Mainittu laite voi olla fotoneita lämmön siirtoon käyttävä laite, eli fotonilämpöpumppu. 15 Eräiden suoritusmuotojen mukainen fotonilämpöpumppu on kiinteän olomuodon lämpöpumppu joka soveltuu sekä jäähdytys- että lämmityssovelluksiin. Sen etuina kompressoripohjaisiin lämpöpumppuihin nähden ovat kompakti koko ja liikkuvien osien ja kylmäaineiden puuttuminen. Lisäksi sillä voidaan saavuttaa muita tunnettuja kiinteän olomuodon lämpöpumppuja parempi tehokerroin.
20
Keksinnön suoritusmuotojen mukaista menetelmää ja laitetta voidaan käyttää lämmönsiirtoon esimerkiksi jääkaapeissa, lämmitys- tai ilmastointilaitteissa, pakastimissa tai muissa lämpöpumppuja hyödyntävissä laitteissa.
25 Esillä olevan keksinnön joitakin suoritusmuotoja on kuvattu tai kuvataan yksityiskohtaisessa selityksessä ja epäitsenäisissä vaatimuksissa. Suoritusmuotoja kuvataan tiettyjen valittujen keksinnön aspektien yhteydessä. Alan ammattimies ymmärtää, että mikä tahansa suoritusmuodoista voidaan tyypillisesti yhdistää toisen suoritusmuodon tai toisten suoritusmuotojen kanssa keksinnön saman aspektin alla. 30 Mikä tahansa suoritusmuodoista voidaan myös tyypillisesti yhdistää muuhun tai muihin keksinnön aspekteihin joko yksinään tai yhdessä minkä tahansa toisen 3 suoritusmuodon tai toisten suoritusmuotojen kanssa.
KUVIOIDEN LYHYT ESITTELY
5 Kuviossa 1 on esitetty esimerkki keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen lämmönsiirtomenetelmän periaatteesta ja kuviossa 2 esimerkki esitetyn lämmönsiirtomenetelmän mahdollistavan rakenteen tai laitteen poikkileikkauksesta.
YKSITYISKOHTAINEN SELITYS
10
Seuraavassa kuvataan esimerkkejä keksinnön suoritusmuotojen mukaisesta valon avulla toimivan lämpöpumpun toimintaperiaatteesta ja rakenteesta. On huomattava, että valon sijaan lämpöpumppu voi siirtää lämpöä muun sähkömagneettisen säteilyn välityksellä.
15
Kuviossa 1 sähkömagneettista säteilyä emittoiva elementti 1 emittoi säteilyä 3 ulkoisen energianlähteen 4 avulla. Elementti 1 voi sisältää esimerkiksi valodiodin, joka emittoi valoa elektroluminesenssin avulla, ja ulkoinen energialähde 4 voi olla jännitelähde Uo, joka syöttää kuvion 1 virtapiirin avulla valodiodille virran lo. Emittoitu 20 säteily 3 siirtyy säteilyä absorboivaan elementtiin 2, jossa osa säteilyn sisältämästä energiasta muuttuu lämpöenergiaksi ja osa otetaan talteen ulkoisessa elementissä 5 helposti hyödynnettävänä energian muotona, esimerkiksi sähköisenä tai mekaanisena energiana. Elementtinä 2 voi olla esimerkiksi aurinkokennona toimiva valodiodi, joka generoi jännitteen Ui ja virran L, joka johdetaan virtapiirin avulla 25 elementille 5, joka esimerkiksi varastoi vastaanottamansa energian, tai muuntaa elementin 2 tuottaman jännitteen sellaiseksi, että vastaanotettua energiaa voidaan esimerkiksi katkoviivan esittämällä takaisinkytkennällä käyttää edelleen elementin 1 emittoiman säteilyn synnyttämiseen ulkoisen energianlähteen 4 apuna. Absorboitujen fotoneiden energian uudelleenkäyttö mahdollistaa lämpöenergian siirron suurella 30 hyötysuhteella, vaikka lämpöä siirtävien fotoneiden energia on huomattavasti termistä energiaa suurempi. Emittoivan elementin 1 ympärillä oleva alue 6, joka voi sisältää 4 esimerkiksi sekä emittoivaan elementtiin 1 rakenteellisesti kuuluvat osat, kuten alustakiteen ja/tai kontaktit, että jäähdytettävän kohteen, erotetaan absorboivan elementin 2 ympärillä olevasta alueesta 7, joka voi sisältää emittoivan elementin 1 ympärillä olevia osia vastaavat osat, lämpöä eristävällä alueella 8, joka vähentää 5 lämpöenergian johtumista emittoivan elementin 1 ja absorboivan elementin 2 välillä, mutta läpäisee kuitenkin sähkömagneettista säteilyä emittoivan elementin 1 ja absorboivan elementin 2 välillä.
Kuviossa 2 on esitetty esimerkkinä poikkileikkaus laitteesta tai rakenteesta, joka 10 hyödyntää esitettyä lämmönsiirtomenetelmää. Kuvion selvyyden vuoksi rakennetta ei ole piirretty oikeaan mittakaavaan, vaan todellisuudessa rakenteen leveys on hyvin paljon korkeutta suurempi. Kuviossa 2 emittoivan elementin muodostaa leikkauksen A yläpuolella oleva osa ja absorboivan elementin leikkauksen B alapuolella oleva osa. Sekä emittoiva että absorboiva elementti voivat käytännössä koostua puolijohteilla 15 toteutetusta diodirakenteesta, metallisista kontakteista ja peilirakenteesta.
Emittoiva elementti toimii eräässä suoritusmuodossa siten, että metallikontaktien 15a, 15b ja 16a sekä seostettujen puolijohdekerrosten 10a (n-tyyppinen seostus) ja 11a (p-tyyppinen seostus) kautta johdetaan aktiiviseen alueeseen 12a 20 varauksenkuljettajia, joiden rekombinoituessa syntyy fotoneja. Materiaalien ollessa korkealaatuisia, emittoitujen fotoneiden energia on suurempi kuin niiden synnyttämiseen tarvittu ulkoisen jännitelähteen syöttämä energia. Se osa emittoitujen fotoneiden energiasta, joka ei ole peräisin ulkoisesta jännitelähteestä, tulee emittoivan elementin lämpöenergiasta. Tästä syystä emittoiva elementti jäähtyy.
25
Absorboiva elementti on eräässä suoritusmuodossa aurinkokennona toimiva diodirakenne, jossa emittoivan elementin emittoimat fotonit absorboituvat aktiiviseen alueeseen 12b hyvin suurella kvanttihyötysuhteella. Aktiivisessa alueessa generoidut varauksenkuljettajat synnyttävät seostettujen puolijohdekerrosten 10b (n-tyyppinen 30 seostus) ja 11b (p-tyyppinen seostus) sekä metallikontaktien 15c, 15d ja 16b kautta ulkoiseen piiriin jännitteen ja virran, joiden avulla osa absorboitujen fotoneiden 5 energiasta saadaan talteen sähköisenä energiana. Se osa energiasta, jota ei saada talteen, vapautuu absorboivaan elementtiin lämpönä, jolloin absorboiva elementti lämpenee.
5 Rakenteen kytkeminen ulkoisiin elementteihin, kuten kuvion 1 ulkoisiin energianlähteisiin, tapahtuu kontaktien 15a-d, 16a,b kautta. Eräissä suoritusmuodoissa kuvion 1 ulkoinen jännitelähde Uo syöttää emittoivalle elementille energiaa kontaktien 15a,b ja 16a kautta ja synnyttää fotoneita elektroluminesenssin tai muun soveltuvan mekanismin avulla. Ulkoinen piiri Ui vastaavasti vastaanottaa 10 energiaa fotoneita absorboivalta elementiltä ja ohjaa vastaanotetun energian takaisin emittoivalle elementille uudelleen käytettäväksi fotoneiden emissioon. Laitteen kotelointivaiheessa kuvion 2 rakenne kytketään ulkoisiin piireihin, pakataan tiiviisti ja tyhjiöidään. Emittoiva elementti muodostaa laitteen jäähdyttävän puolen ja absorboiva elementti laitteen lämmittävän puolen. Lämmönsiirron tehostamiseksi voidaan laitteen 15 jäähdyttävän puolen ja jäähdytettävän kohteen sekä laitteen lämmittävän puolen ja lämmitettävän kohteen välille kytkeä lämpöä johtavat elementit, kuten lämpösillat, lämpösiilit ja/tai tuulettimet, jotka siirtävät lämpöä laitteen välityksellä jäähdytettävästä kohteesta lämmitettävään kohteeseen.
20 Kuvion 2 laitteen toiminta tehokkaana lämpöpumppuna perustuu suoritusmuodosta riippuen fotonien emission ja absorption hyvin suureen kvanttihyötysuhteeseen, pieneen emittoivan ja absorboivan elementin välisen lämmönjohtavuuteen sekä pieniin resistiivisiin häviöihin. Näiden saavuttamiseksi seuraavilla tekijöillä on merkitystä: 25 (1) Emittoivan elementin emittoimien fotoneiden absorption tulisi olla vähäistä seostetuissa puolijohdekerroksissa. Tämä saavutetaan esimerkiksi valmistamalla johtavat puolijohdekerrokset 10a,b ja 11a,b indiumfosfidista, ja aktiiviset alueet 12a,b GaAsSb tai InGaAs -kerroksesta, jonka kielletty energiaväli on pienempi kuin InP 30 kerroksilla. Puolijohdekerroksien 10a,b, 11a,b ja 12a,b tulisi olla alustakiteen kanssa hilayhteensovitettuja tai pseudomorfisia ts. jännittyneitä rakenteita, joissa jännitys ei 6 ole relaksoitunut dislokaatioiden muodostumisen kautta. Aktiivisen alueen 12a,b paksuus voi olla tyypillisesti valon aallonpituuden suuruusluokkaa, puolijohdekerroksen 11 a,b paksuus voi olla aukkojen diffuusiopituuden suuruusuokkaa ja puolijohdekerroksen 10a,b paksuus voi olla alustakiteen 5 paksuuden suuruusluokkaa ja se voi muodostua itse alustakiteesta, edellyttäen, että materiaalien optiset häviöt ovat riittävän alhaiset. Myös muut yhdistepuolijohteet jotka mahdollistavat elektroluminesenssiin perustuvan valon emission ja absorption, ja joista voidaan valmistaa rakenne, jossa aktiivisen alueen kielletty energiaväli on pienempi kuin seostettujen puolijohdekerroksien kielletty energiaväli soveltuvat kuvion 10 2 laitteen valmistamiseen. Esimerkiksi GaAs/AIGaAs materiaalisysteemin käyttö on mahdollista, mutta vaatii tyypillisesti GaAs alustakiteen irroitusta valmiista rakenteesta, jotta alustakiteen absorptio ei aiheuta ongelmia.
(2) Emittoivan elementin optisen kytkennän absorboivaan elementtiin tulisi olla 15 voimakas, jotta fotoneiden siirtyminen elementtien välillä tapahtuu suurella hyötysuhteella, mutta samalla lämmönjohtavuuden elementtien välillä tulisi olla pieni. Tämä voidaan saavuttaa esimerkiksi valmistamalla kuvion 2 rakenne kahdessa vaiheessa, siten että emittoiva ja absorboiva elementti valmistetaan erikseen ja sijoitetaan lähelle toisiansa esimerkiksi kiinnittämällä ne toisiinsa pienten partikkelien 20 13 tukemana. Tällöin elementtien väliin jäävästä alueesta saadaan niin ohut, että se sallii valon tehokkaan kytkeytymisen elementtien välillä, mutta partikkelien 13 pieni kontaktipinta-ala vähentää voimakkaasti fononien avulla tapahtuvaa lämmönjohtumista elementtien välillä. Laitteen koteloinnin yhteydessä alueeseen 14 voidaan lisäksi muodostaa tyhjiö, mikä pienentää edelleen merkittävästi lämmön 25 johtumista elementtien välillä.
(3) Absorptiohäviöiden puolijohdekerrosten 11a,b ja kontaktimetallien 16a,b rajapinnoilla Ra ja Rb tulisi olla pieniä. Tämän saavuttamiseksi voidaan näillä rajapinnoilla käyttää puolijohteen ja heijastin- tai kontaktimetallin välissä suurimman 30 osan pinta-alasta peittävää ilmarakoa 17a,b, joka kasvattaa puolijohteen ja ilman rajapinnasta tapahtuvan kokonaisheijastuksen osuutta aiheuttamatta kuitenkaan liian 7 suuria resistiivisiä häviöitä. Kuvion 2 konfiguraatiossa varsinainen sähköinen kontaktointi tapahtuu puolijohteen pintaan sopivalla täyttöosuudella valmistettujen ulokkeiden 18a,b avulla. Myös muut korkean heijastuskertoimen peilirakenteet soveltuvat tarkoitukseen.
5 (4) Suuren ulkoisen kvanttihyötysuhteen saavuttaminen vaatii tyypillisesti suurta sisäistä kvanttihyötysuhdetta. Tämä vaatimus voidaan saavuttaa hyvälaatuisilla materiaaleilla, edistyneellä valmistustekniikalla ja rakenteen optimoinnilla. Rakenteen pinnoissa tapahtuvan ei-säteilevän rekombinaation osuutta häviöistä voidaan 10 pienentää aktiivisten alueiden 12a,b läheisyydessä sijaitsevien rajapintojen passivoinnilla, jonka avulla ei-säteilevien pintatilojen määrää ja niiden kautta tapahtuvan rekombinaation voimakkuutta voidaan vähentää.
(5) Rakenteen resistiivisten häviöiden tulisi olla riittävän pienet. Sähköiset 15 kontaktoinnit 15a-d rakenteeseen alueella 10a,b voidaan tehdä sivukautta, ja alueella 11 a,b siten, että valo heijastuu tehokkaasti puolijohteen 11a,b ja sähköisen kontaktin 16a,b rajapinnasta. Koska rakenteen leveys on huomattavasti paksuutta suurempi, virrankuljetus rakenteessa tapahtuu siis pääosin lateraalisesti kontaktien 15a,b ja 16a, sekä 15b,d ja 16b välillä. Resistiivisiin häviöihin voidaan kuviossa 2 esitetyssä 20 rakenteessa vaikuttaa optimoimalla rakenteen leveys, puolijohdekerroksien 10a,b ja 11a,b paksuus ja seostustiheys, sekä kontaktointiulokkeiden 18a,b täyttöosuus.
Edellä kuvattua keksinnön eräiden suoritusmuotojen mukaista menetelmää voidaan hyödyntää monenlaisilla rakenteilla, joista yllä on esitetty vain yksi esimerkki. Muita 25 muunnoksia ovat esimerkiksi muista materiaaleista kuin epäorgaanisista puolijohteista valmistetut rakenteet sekä rakenteet joissa säteilyn siirtämisessä emitterinä ja absorbaattorina toimivien elementtien välillä hyödynnetään optisia kuituja, fotonikiteitä, muita aaltojohteita tai epäresiprookkisia komponentteja, kuten esimerkiksi Faraday-kiertoon perustuvia optisia isolaattoreita. Lisäksi rakenne 30 voidaan myös integroida osaksi sähköistä tai optista integroitua piiriä, jolloin voidaan saavuttaa valmistusteknisiä etuja.
8
Edellä esitetty selitys tarjoaa ei-rajoittavia esimerkkejä keksinnön joistakin suoritusmuodoista. Alan ammattimiehelle on selvää, että keksintö ei kuitenkaan rajoitu esitettyihin yksityiskohtiin vaan, että keksintö voidaan toteuttaa myös muilla 5 ekvivalenttisilla tavoilla. Tässä dokumentissa termit käsittää ja sisältää ovat avoimia ilmaisuja eikä niitä ole tarkoitettu rajoittaviksi.
Esitettyjen suoritusmuotojen joitakin piirteitä voidaan hyödyntää ilman muiden piirteiden käyttöä. Edellä esitettyä selitystä täytyy pitää sellaisenaan vain keksinnön 10 periaatteita havainnollistavana selityksenä eikä keksintöä rajoittavana. Keksinnön suojapiiriä rajoittavat vain oheistetut patenttivaatimukset.
Claims (15)
1. Menetelmä lämmön siirtoon, jossa lämpöenergiaa siirretään rakenteessa synnytetyn sähkömagneettisen säteilyn (3) avulla säteilyä emittoivasta elementistä (1) 5 säteilyä absorboivaan elementtiin (2) ja joka on t u n n e 11 u siitä, että lämpöenergiaa välittävää sähkömagneettista säteilyä (3) synnytetään elektroluminesenssin avulla ja että osa absorboidun säteilyn energiasta muunnetaan takaisin hyödynnettäväksi energiaksi, esimerkiksi sähköiseksi tai mekaaniseksi energiaksi.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, joka on t u n n e 11 u siitä, että osa säteilyä absorboivassa elementissä (2) talteen otetusta energiasta käytetään uudelleen emittoivassa elementissä (1) sähkömagneettisen säteilyn (3) emittoimiseen.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, joka on tunnettu siitä, että emittoiva elementti (1) ja/tai absorboiva elementti (2) sisältää valodiodin.
4. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, joka on tunnettu siitä, että absorboivan ja emittoivan elementin välissä käytetään lämmöneristeenä (8) 20 ainakin yhtä lämpöä eristävää materiaalikerrosta tai tyhjiötä, joka on niin ohut, että se sallii säteilyn (3) siirtymisen lämmöneristeen läpi.
5. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, joka on t u n n e 11 u siitä, että lämpöä siirretään kahden valodiodirakenteen (10a-16a, 10b-16b) välillä, 25 joiden välissä on ainakin yksi lämpöä eristävä materiaalikerros tai tyhjiö, joka on niin ohut, että se sallii säteilyn (3) siirtymisen lämmöneristeen läpi.
6. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, joka on t u n n e 11 u siitä, että jokin emittoivan ja absorboivan elementin tai valodiodin välissä käytetty 30 lämpöä eristävä materiaalikerros on toteutettu pienillä partikkeleilla (13), joiden välinen tila (14) on tyhjiö tai koostuu muusta hyvin lämpöä eristävästä materiaalista, siten, että lämpöä eristävä materiaalikerros on niin ohut, että se sallii valon tehokkaan kytkeytymisen lämmöneristeen läpi, mutta partikkelien (13) pieni kontaktipinta-ala vähentää lämmönjohtumista elementtien välillä.
7. Laite lämmön siirtoon, joka käsittää: säteilyä emittoivan elementin (1), joka on konfiguroitu siirtämään energiaa sähkömagneettisen säteilyn (3) avulla säteilyä absorboivaan elementtiin (2), säteilyä absorboivan elementin (2), joka on konfiguroitu absorboimaan emittoivan elementin emittoimaa sähkömagneettista säteilyä (3) ja sen mukana 10 siirtyvää energiaa, ja joka on t u n n e 11 u siitä, että laite on konfiguroitu tuottamaan lämpöenergiaa välittävää sähkömagneettista säteilyä (3) elektroluminesenssin avulla ja siirtämään säteilyn mukana lämpöenergiaa emittoivasta elementistä (1) absorboivaan elementtiin (2) ja muuntamaan osan absorboidun säteilyn energiasta takaisin hyödynnettäväksi energiaksi, esimerkiksi 15 sähköiseksi tai mekaaniseksi energiaksi.
8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, joka on tunnettu siitä, että se on konfiguroitu käyttämään osan säteilyä absorboivassa elementissä (2) talteen otetusta energiasta uudelleen emittoivassa elementissä (1) sähkömagneettisen säteilyn 20 emittoimiseen.
9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen laite, joka on t u n n e t t u siitä, että emittoiva elementti (1) ja/tai absorboiva elementti (2) on valodiodi.
10. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 7-9 mukainen laite, joka on t u n n e 11 u siitä, että laite käsittää ainakin yhden lämpöä eristävän materiaalikerroksen tai tyhjiön (8), joka on niin ohut, että se sallii säteilyn (3) siirtymisen lämpöä eristävän materiaalikerroksen läpi. .
11. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 7-10 mukainen laite, joka on t u n n e 11 u 30 siitä, että laite käsittää kaksi valodiodirakennetta (10a-16a, 10b-16b), joiden välissä on ainakin yksi lämpöä eristävä materiaalikerros tai tyhjiö, joka on niin ohut, että se sallii säteilyn (3) siirtymisen lämmöneristeen läpi.
12. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 7-11 mukainen laite, joka on t u n n e 11 u 5 siitä, että jokin emittoivan ja absorboivan elementin tai valodiodin välissä käytetty lämpöä eristävä materiaalikerros on toteutettu pienillä partikkeleilla (13), joiden välinen tila (14) on tyhjiö tai koostuu muusta hyvin lämpöä eristävästä materiaalista, siten, että lämpöä eristävä materiaalikerros on niin ohut, että se sallii valon tehokkaan kytkeytymisen elementtien välillä, mutta partikkelien (13) pieni kontaktipinta-ala 10 vähentää lämmönjohtumista elementtien välillä.
13. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 7-12 mukainen laite, jossa varauksenkuljettajien syöttäminen puolijohteeseen tapahtuu sellaisen sähköisen kontaktin (16a,b) kautta, joka on 15 tunnettu siitä, että puolijohde ja kontaktina toimiva metalli on erotettu toisistaan ilmaraolla (17a,b) suuressa osassa kontaktia ja virrankuljetus puolijohteen ja metallin välillä tapahtuu puolijohteessa tai metallissa olevien ilmaraon ylittävien ulokkeiden (18a,b) avulla.
14. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 7-13 mukainen laite, joka on t u n n e 11 u siitä, että laite on konfiguroitu käyttämään sähkömagneettisen säteilyn siirrossa aaltojohtoja, optisia kuituja tai epäresiprookkisia komponentteja, kuten esimerkiksi Faraday-kiertoon perustuvia optisia isolaattoreita.
15. Optinen tai sähköinen laite, joka sisältää minkä tahansa patenttivaatimuksen 7-14 mukaisen laitteen yleisesti osana optista tai sähköistä laitetta tai erityisesti sähköisen tai optisen mikropiirin kanssa samalle alustaneelle integroituna.
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20080434A FI121094B (fi) | 2008-07-09 | 2008-07-09 | Menetelmä ja laite lämmön siirtoon |
| JP2011517186A JP2011527516A (ja) | 2008-07-09 | 2009-07-07 | 熱を伝達するための方法および機器 |
| EP09784151A EP2321591A2 (en) | 2008-07-09 | 2009-07-07 | Method and device for transferring heat |
| PCT/FI2009/050617 WO2010004090A2 (en) | 2008-07-09 | 2009-07-07 | Method and device for transferring heat |
| US13/002,574 US20110107770A1 (en) | 2008-07-09 | 2009-07-07 | Method and device for transferring heat |
| KR1020117002994A KR20110052607A (ko) | 2008-07-09 | 2009-07-07 | 열 전달 방법 및 장치 |
| CN2009801266508A CN102216701A (zh) | 2008-07-09 | 2009-07-07 | 用于传热的方法和器件 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20080434A FI121094B (fi) | 2008-07-09 | 2008-07-09 | Menetelmä ja laite lämmön siirtoon |
| FI20080434 | 2008-07-09 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20080434A0 FI20080434A0 (fi) | 2008-07-09 |
| FI20080434A FI20080434A (fi) | 2010-01-10 |
| FI121094B true FI121094B (fi) | 2010-06-30 |
Family
ID=39677550
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20080434A FI121094B (fi) | 2008-07-09 | 2008-07-09 | Menetelmä ja laite lämmön siirtoon |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20110107770A1 (fi) |
| EP (1) | EP2321591A2 (fi) |
| JP (1) | JP2011527516A (fi) |
| KR (1) | KR20110052607A (fi) |
| CN (1) | CN102216701A (fi) |
| FI (1) | FI121094B (fi) |
| WO (1) | WO2010004090A2 (fi) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9557215B2 (en) | 2012-08-17 | 2017-01-31 | Massachusetts Institute Of Technology | Phonon-recyling light-emitting diodes |
| US9722144B2 (en) | 2013-08-16 | 2017-08-01 | Massachusetts Institute Of Technology | Phonon-recycling light-emitting diodes |
| US10845375B2 (en) * | 2016-02-19 | 2020-11-24 | Agjunction Llc | Thermal stabilization of inertial measurement units |
| US11359875B1 (en) | 2016-08-11 | 2022-06-14 | David M. Baker | Radiant heat pump |
| EP3717842B1 (en) * | 2017-11-30 | 2023-11-15 | Carrier Corporation | Electrocaloric heat transfer system |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2932954A (en) * | 1958-10-17 | 1960-04-19 | Westinghouse Electric Corp | Illuminating and heating and cooling panel member |
| US5696863A (en) * | 1982-08-06 | 1997-12-09 | Kleinerman; Marcos Y. | Distributed fiber optic temperature sensors and systems |
| US4628695A (en) * | 1984-09-28 | 1986-12-16 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solid state radiative heat pump |
| WO1999052341A2 (en) * | 1998-04-10 | 1999-10-21 | The Regents Of The University Of California | Optical refrigerator using reflectivity tuned dielectric mirror |
| US6378321B1 (en) * | 2001-03-02 | 2002-04-30 | The Regents Of The University Of California | Semiconductor-based optical refrigerator |
| US6947615B2 (en) * | 2001-05-17 | 2005-09-20 | Sioptical, Inc. | Optical lens apparatus and associated method |
| US7390962B2 (en) * | 2003-05-22 | 2008-06-24 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Micron gap thermal photovoltaic device and method of making the same |
| US20050057831A1 (en) * | 2003-09-12 | 2005-03-17 | Practical Technology, Inc. | Directional heat exchanger |
| US20090188549A1 (en) * | 2008-01-29 | 2009-07-30 | Mtvp Corporation | Method of and apparatus for improved thermophotonic generation of electricity |
-
2008
- 2008-07-09 FI FI20080434A patent/FI121094B/fi not_active IP Right Cessation
-
2009
- 2009-07-07 CN CN2009801266508A patent/CN102216701A/zh active Pending
- 2009-07-07 JP JP2011517186A patent/JP2011527516A/ja active Pending
- 2009-07-07 KR KR1020117002994A patent/KR20110052607A/ko not_active Application Discontinuation
- 2009-07-07 EP EP09784151A patent/EP2321591A2/en not_active Withdrawn
- 2009-07-07 WO PCT/FI2009/050617 patent/WO2010004090A2/en active Application Filing
- 2009-07-07 US US13/002,574 patent/US20110107770A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20110052607A (ko) | 2011-05-18 |
| WO2010004090A3 (en) | 2010-03-11 |
| JP2011527516A (ja) | 2011-10-27 |
| CN102216701A (zh) | 2011-10-12 |
| US20110107770A1 (en) | 2011-05-12 |
| FI20080434A0 (fi) | 2008-07-09 |
| EP2321591A2 (en) | 2011-05-18 |
| WO2010004090A2 (en) | 2010-01-14 |
| FI20080434A (fi) | 2010-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sadi et al. | Thermophotonic cooling with light-emitting diodes | |
| FI121094B (fi) | Menetelmä ja laite lämmön siirtoon | |
| JP5547749B2 (ja) | 高出力半導体レーザおよびその製造方法 | |
| RU2015108905A (ru) | Преобразователь мощности лазерного излучения | |
| CN102694341A (zh) | 一种刻蚀散热增强型垂直腔面发射激光器 | |
| US6107645A (en) | Thermoelectric system using semiconductor | |
| CN102709812A (zh) | 衬底上分布有导热通道的量子级联激光器 | |
| Heikkilä et al. | The challenge of unity wall plug efficiency: The effects of internal heating on the efficiency of light emitting diodes | |
| CN109244825B (zh) | 带有散热结构的边发射半导体激光器及其制备方法 | |
| US20090188549A1 (en) | Method of and apparatus for improved thermophotonic generation of electricity | |
| JP4833827B2 (ja) | 異方性冷却素子およびこれを備えたペルチェモジュール、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子 | |
| US20130075780A1 (en) | Radiation heat dissipation led structure and the manufacturing method thereof | |
| CN113851563B (zh) | 一种薄膜型半导体芯片结构及应用其的光电器件 | |
| WO2010106232A2 (en) | A method and device for transferring heat | |
| Xiao et al. | Ultra-high luminescence efficiency as a technology enabler: solar cells, thermophotovoltaics, and optoelectronic refrigerators | |
| US20130269759A1 (en) | Programmable gain amplifier with multi-range operation for use in body sensor interface applications | |
| Jian-Ming et al. | AlGaInP thin-film LED with omni-directionally reflector and ITO transparent conducting n-type contact | |
| Casado et al. | On the temperature dependence of the efficiency of electroluminescence | |
| CN116683278B (zh) | 提高半导体激光器cod阈值的热沉、芯片封装结构及方法 | |
| CN112902491B (zh) | 一种光致热电子与光子协同发射制冷的方法及装置 | |
| Xiao et al. | Practical efficiency limits of electroluminescent cooling | |
| WO2017151730A1 (en) | Light emitting diode assemblies utilizing heat sharing from light-conditioning structures for enhanced energy efficiency | |
| Tauke-Pedretti et al. | Power sharing in dual-wavelength optically pumped midinfrared laser | |
| Xiao et al. | Light-Emitting Diodes for Solid-State Refrigeration | |
| CN117353155A (zh) | 一种半导体激光器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 121094 Country of ref document: FI |
|
| MM | Patent lapsed |