FI67267C - Fototermisk absorberare - Google Patents

Description

I55FH M m)KUU.LUtusjulkaisu 67267 JHa l J 1 ' utlAggningsskmft u ' (^) PatenL i;: idc lr. t, ^ ^ (51) /h«.ct3 G 02 B 1/10 SUOMI—FINLAND <”> 77263¾ (22) HrifihpIhH-*ΐϋίΙηΐΗ»<Μ 06.09.77 (23) GWrtghitwItf 06.09.77 (41) T«N«|»*lMfcX-MMteffMdH 17.03.78

Patentti- ja rekisteri halUtut M|> MMuMmUmioii |s fc—Hufluiw >Im1

Patent)· och registerstyraben ' ' AmMm ock «u»a« pAfani 31.10.8¾ (32)(33)(31) P|rr»«**r ·βΝΛηι·—es*«rd prtorttst 16.09.76 USA(US) 723857 (71) International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 1050¾.

USA(US) (72) Jerome John Cuomo, New York, N.Y., Thomas Herman DiStefano,

Bronxville, New York, Jerry MacPherson Woodall, Mt. Kisco, New York, USA(US) (7¾) Oy Kolster Ab (5¾) Fototerminen absorboi ja - Fototermisk absorberare

Keksinnön kohteena on fototerminen absorboija, jolla on minimoitu heijastuskyky valitulla aallonpituuskaistalla, joka käsittää fotoneja absorboivan kappaleen, jolla on sellainen pintarakenne, edullisesti kivikasa- tai dendriittirakenne, että siihen osuva valo heijastuu siinä moninkertaisesti.

Muunnettaessa fotonienergiaa lämpöenergiaksi on tehokkuus riippuvainen fotonienergian absorboidun osan suhteesta lämmön säteilevään tai heijastuvaan osaan. Metallit, joilla on hyvät lämpö-ominaisuudet, absorboivat tai ovat läpinäkymättömät oleellisesti kaikilla aallonpituuksilla, samalla kun ne myöskin heijastavat suuren osan energiasta, joka niihin kohdistuu. Paljon heijastavilla pinnoilla on yleensä sekä alhainen absorptiokyky että alhainen emissio-kyky. Koska absorptiokyky ja emissiokyky ovat keskinäisessä suhteessa, on alalla tähän asti kehitelty monikerrosrakenteita, joissa yhdellä kerroksella on eräs suotava ominaisuus ja toisella kerroksella on toinen suotava ominaisuus. Eräs esimerkki tällaisesta rakenteesta on esitetty US-patenttijulkaisussa nro 3 920 413. Tällaiset rakenteet ovat kuitenkin alttiit rakenteellisille rajoituksille sikäli, 2 67267 että toisen kerroksen vaikutus saattaa häiritä toisesta saatavaa parasta etua. Lisäksi monikerrosrakenteiden valmistukseen sisältyy usein paljon käsittelyjä valmistuksen aikana.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan fototerminen absorboi ja, jolla on olennaisesti suurempi hyötysuhde fotonienergian muuntamisessa lämpöenergiaksi kuin aiemmin tunnetuilla laitteilla.

Tähän on päästy keksinnön mukaisen fototermisen absorboijan avulla, joka on tunnettu mainitun kappaleen heijastuspintapäällys-teestä, joka on yhdenmukainen mainitun pintarakenteen kanssa, jolloin mainitulla päällysteellä on ensimmäinen heijastuskyky ja mainitun kappaleen ja päällysteen välissä olevalla rajakerroksella on toinen heijastuskyky ja jolloin mainittu päällyste on ainetta, jolla on erityinen taitekertoimen arvo ja fotoneja absorboivalla kappaleella on taitekerroin ja sammutuskerroin, jotka molemmat ovat arvoltaan sellaisia, että kolmen arvon yhdistelmä antaa pääasiallisesti samat arvot mainituille ensimmäiselle ja toiselle heijastuskyvylle.

Muita keksinnön olennaisia piirteitä on esitetty vaatimuksissa 2-4.

Keksintöä selvitetään seuraavassa oheisten piirustusten avulla, jolloin kuvio 1 esittää kaaviomaista kuvantoa keksinnön optisesta toiminnasta, kuvio 2 esittää valomikrokuvaa kivikasatyyppisestä volframi-pinnasta, kuvio 3 esittää valomikrokuvaa dendriittityyppisesti volframi-pinnasta, kuvio 4 esittää kaaviota valon aallonpituudesta ja heijastuksesta näyttäen keksinnön vaikutuksen kolmeen eri pintatyyppiin, kuvio 6 esittää kaaviota volframioksidin tai volframin pinta-alueen paksuudesta ja aallonpituudesta suurimman absorption yhteydessä.

Muunnettaessa valoenergiaa lämmöksi voidaan tehokkuus ilmais- ta näin:

Yhtälö 1

Tehokkuus - aksorkoitu energia - toistosäteilevä energia energia-in

Kuvio 1 esittää kaaviomaista kuvantoa keksinnön vaikutuksesta valon absorptioon ja heijastukseen. Siinä näytetään heijastuksen 3 67267 säätävä pinta-alue 1 optisesti läpinäkyvänä aineena haluttua aallonpituutta varten, jonka pinta 2 on yhdensuuntainen fotoneja absorboivan aineen pinnan 3 kanssa ja jonka paksuus 4 on suhteessa tulovalon aallonpituuteen. Heijastuksen säätävän pinta-alueen optiset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat keskinäisessä suhteessa, kunte seuraa-vasta käy ilmi.

Tässä tarkoitetaan heijastuksella energiaa, joka iskee ja tulee palautetuksi tunkeutumatta aineeseen vastakohtana toistosä-teilylle, jossa energia menee aineeseen ja johtuen aineen lämpötilan muuttumisesta aine säteilee energian.

Kuviossa 1 pintaan 2 iskevällä valolla on heijastuskykykom-ponentti 5 ja sarja pieneneviä perättäisiä komponentteja, joista kolme on näytetty osina 6, 7 ja 8. Toiminnassa pinnasta 3 heijastuva valo vahvistuu tai heikkenee, kun siihen osuu valo, joka palaa pinnasta 2 aikaisemmasta heijastuksesta.

Seuraavassa kuvauksessa käytetään metallisen fotoneja absorboivan aineen oksidia esimerkkinä, vaikka kuvattavien periaatteiden valossa on selvää, että muita päällysteitä kuin oksideja sekä aineita, joilla on eri koostumus kuin pohjametallilla, voidaan käyttää haluttujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi.

Kuviossa 1 ensimmäinen heijastuskerroin (osa 5) voidaan ilmaista näin:

Yhtälö 2 .

1/2 ~ "

Alkuheijastuskerroin (osa 5) = (R^) ' ^——— o jossa R.j on ilman ja oksidin välinen heijastuskyky ja N on oksidin taittokerroin.

Samoin voidaan heijastuskerroin (osa 6) ilmaista yhtälöllä 3:

Yhtälö 3: „ „ . „

1 ij -N + N - i K

(Osan 6) heijastuskerroin = (R„) ' ~ TJ.m

λ N+N+iK

m o m jossa R2 on oksidin ja metallin välinen heijastuskyky, N on metallin taittokerroin, K on oksidien ekstinktiokerroin ja i on "V-l .

m Näin ollen on osien 5, 6, 7 ja 8 jne. heijastuskertoimien suhde tämä: 67267 s = γί 6 = r2 Π - τλ2) 7 = τ2τλ (1 - τ2) 8 = r23ri2 (1 - r,2) Täten säätöpinnan 1 heijastuskyky ilmaistaan yhtälössä 4: Yhtälö 4 47/e 2 2 kokonais ~ r1 + r2 e 1~r1 ’-r1r2 jossa d on paksuus 4 ja λ on aallonpituus, ja J J osoittaa itseisarvoja.

Yhtälö 5 1 2 2 I *r ' r^ - r2 1 £ haluttu heijastuskyky pienimmällä ^ r1r2 λ :n arvolla Tämä on suunnilleen Yhtälö 6 2 £ haluttu heijastuskyky pienimmällä r1 Γ2 λ:n arvolla

Jos sovellutukseen sisältyy auringon energian muuttamista lämmöksi, tulisi halutun heijastuskyvyn pienimmällä aallonpituudella (pienin λ) olla pienempi kuin 0,05.

Haluttu tavoite on, että on mahdollisimman pieni ja pinnan 2 heijastuskyky on lähes sama kuin pinnan 3 heijastuskyky.

Säteilyn säätävän pinta-alueen 1 kriteerit haluttua aallonpituutta varten voidaan ilmaista näin:

Yhtälö 7 2 1-Nq Nm”No~^ Km ^ haluttu heijastuskyky pienim- 1+No Nn+No_i Km mällä λ:η arvolla

Yhtälön 7 mukaisesti heijastuksen säätävän pinta-alueen kriteerit toimivat siten, että pinnan 3 heijastuskomponenttien vai- 5 67267 kutus tulee samaksi kuin pinnasta 2 tulevan tulovalon alkuheijas-tuksen.

Paksuus d (osa 4 kuviossa 1) vaikuttaa kahdella tavalla.

Se on osa yhtälön 4 laskelmista määräten halutun heijastuskyvyn pienimmällä aallonpituudella/ ja kuten kuvion 6 yhteydessä kuvataan, se sallii pienimmän aallonpituuden siirtämisen.

Tällaisessa suhteessa on ilmeistä, että eräs haluttu tavoite on kaiken säteilyn absorbointi halutussa aallonpituuskaistassa, kaikkien ei-haluttujen aallonpituuksien heijastaminen ja suotavan, heijastuvan aallonpituusenergian pitäminen mahdollisimman pienenä.

Tämä tehdään keksinnön mukaisesti käyttämällä aallonpituuden valikoivaa, heijastuksen säätävää pinta-aluetta fotoneja absorboivan aineen pinnalla, niin että ilman ja alueen 1 välinen heijastuskyky, paksuus ja ääriviiva; alueen 1 taittokerroin; ja fotoneja absorboivan aineen indeksi ja ekstintiokerroin kaikki yhdessä vaikuttavat siten, että fotoneja absorboivasta aineesta heijastuva valo tulee lyhennetyksi.

Paras valittava pinnan muoto on karhea tai muotoiltu niin, että valon, joka tulee kohtisuorasti pintaa kohden, on heijastuttava oleellisesti useammin kuin kerran, ennen kuin se voi paeta pinnasta. Tämän karhean tai muotoillun pinnan ja heijastuksen säätävän pinnan avulla saadaan aikaan absorptio, joka on suurempi ja kattaa suuremman aallonpituuskaistan kuin yksinkertainen, heijastamaton päällyste sileällä metallilla. Esim. jälkimmäisen hei jastuskyky on » joka vaihtelee aallonpituuden mukana, kun taas karhennetulla pinnalla olevan heijastuspäällysteen heijastuskyky, jossa valo heijastuu 2 kahdesti ennen paluuta, on ^]ζ0]^0η3ΐ5 r j°ka on pienempi kuin g kokonais"

Heijastuksen säätävän alueen erottaa passivoivista päällysteistä se seikka, että jälkimmäisissä on päätarkoituksena inerttis-ten ominaisuuksien suojaaminen kemiallisesti ja aineet valitaan tätä silmälläpitäen.

Kuviot 2 ja 3 esittävät valomikrokuvio volframipinnoista, joil-laon vastaavasti suurenevat absorptiokykyasteet. Kuvion 2 mukaista pintaa kutsutaan kivikasapinnaksi, joka on alalla hyvin tunnettu, ja kuvion 3 mukaista pintaa kutsutaan dendrlittipinnaksi. Molemmat pinnat valmistetaan alalla hyvin tunnetulla kemiallisella höyrykäsittelyl-lä. Kivikasarakenne on paljon ohuempi kuin dendriittirakenne, joten se on halvempi. Valomikrokuva näyttää suurennusasteen. Kun keksinnön 6 67267 mukainen, heijastuksen säätävä pinta-alue valmistetaan yhdessä kuvioiden 2 ja 3 mukaisten pintojen kanssa ja ei-näytetyn, litteän pinnan kanssa, on tuloksena kokonaisheijastuskyvyn äkillinen pienennys määrättyä aallonpituutta varten, joka on valittavissa edellä mainittujen kriteerien mukaisesti.

Tämä on näytetty kuvion 4 kaaviossa, jossa on piirretty koh-tisuorasti tulevan valon kokonaisheijastus suhteessa aallonpituuteen mikroneissa. Kolme käyrää on näytetty. Pisteviiva tarkoittaa litteää volframia, katkoviiva kivikasa-ainetta kuviossa 2 ja ehyt käyrä dendriittiainetta kuviossa 3. On huomattava, että keksinnön mukainen, heijastuksen säätävä pinta-alue saa aikaan absorptiohuipun, joka on noin 0,62 mikronia läheisyydessä. Tämä aallonpituus on alalla vallitsevan käsityksen mukaan auringon emissiokyvyn huipulla tai lähellä huippua.

Kuvion 4 logaritmisesta asteikosta nähdään, että kun kuvion 3 dendriittiaine varustetaan keksinnön mukaisella, heijastuksen säätävällä pinta-alueella, se absorboi 99,94 % tulovalosta aallonpituudella 0,55 mikronia.

Kuvio 5 näyttää keksinnön vaikutuksen dendriittipinnalle tulevan valon vaihtelevilla suunnilla. Siinä on kokonaisheijastuskyky piirretty suhteessa aallonpituuteen nanometreissä tulovalon kulman ollessa vastaavasti 0°, 20°, 40°, 60° ja 80°. Jokaisessa tapauksessa absorptiohuippu esiintyy suunnilleen samalla aallonpituudella.

Keksinnön mukaisesti suoritetaan kuvion 1 mukaisen, heijastuksen säätävän pinta-alueen valmistus varustamalla alueen 1 aine, joka on muotoiltu fotonia absorboivan aineen pintamuodon mukaan, suotavilla parametreillä, jotka ovat: heijastuskerroin alueen 1 aineen pinnasta 2 on suunnilleen sama kuin fotonia absorboivan aineen ja alueen 1 välisen jakopinnan 3 heijastuskerroin. Nämä heijastus-kertoimet ovat suhteessa alueen 1 aineen taittokertoimeen, fotonia absorboivan aineen taittokertoimeen ja jälkimmäisen ekstinktioker-toimeen. Nämä ovat alalla tarkoin määriteltyjä parametrejä ja ne löytyvät useimmista alan käsikirjoista. Jotta alan asiantuntija kuitenkin voisi vähentää kokeilua, on taulukossa 1 annettu yhtälöille 2-7 määrätyt arvot aineelle W0^ käytettynä heijastuksen säätävänä pinta-alueena 1 dendriitillä W, kuten kuvio 3 näyttää.

7 67267

Taulukko 1 w wo3 W - wo3 n 3,43 2,26 --- k 2,96 0,0 --- --- --- 0,386 r2 --- --- 0,496 2 UI - Ir21 — I — °'°12

Heijastuksen säätävän pinta-alueen 1 valmistus voidaan erityisen hyvin soveltaa prosesseihin, joissa muodostetaan kemiallisia yhdisteitä fotoneja absorboivasta aineesta. Näissä käytetään fotoneja absorboivaa «ainetta yhtenä aineosana, niissä muotoillaan sama ääriviiva kuin pinnan ääriviiva ja ne ovat yleensä helposti säädettävissä pinnan säätöalueen halutulla paksuusalueella. Tällaisia prosesseja ovat esim. anodinen käsittely tai hapetus, nitridointi ja karburointi. Eräs helposti säädettävä valmistusmenetelmä on anodinen käsittely, milloin fotoneja absorboiva aine ja muodostettu alue sen sallivat keksinnön mainittujen kriteerien mukaisesti. Tässä menetelmässä muodostuu usein oksidi, joka rajoittaa virran kulkua, niin että alueen paksuus vastaa tarkasti jännitettä. Keksinnön mukaisesti käyttökelpoisia metalleja, jotka muodostavat edullisia oksideja, ovat esim.: W, Mo, Hf, V, Ta ja Nb.

Keksinnön toteuttamisen helpottamiseksi on taulukossa 2 ilmoitettu kuvion 1 mukaisen paksuusmitan 4 ja anodikäsittelyn jännitteen välinen suhde aineelle W03 aineen W päällä.

Taulukko 2 Jännite Paksuus voltteja ^,um_ 20 0,035 25 0,045 30 0,055 35 0,065 40 0,075 8 67267

Erään määrätyn toteutusmuodon seuraavat koetulokset valaisevat keksinnöllä saavutettavia, suuria etuja. Kuvion 2 mukainen kivi-kasavolframipinta käsiteltiin anodisesti fosforihappohauteessa jännitteellä 30 V. Tällöin WO^ alue pysäyttää anodisen reaktion määrätyllä paksuudella, joka säädetään syötetyllä jännitteellä. Tämän pinnan osalta 150°C lämpötilassa on "absorptiokyvyn" suhde tulosä-teilyyn "verrattuna” "puolipallon emissiokykyyn", t.s.p. ( aL/ζ ) 3,9. Seuraavassa taulukossa yhtälön 1 mukaan laskettua tehokkuutta on verrattu tavallisen mustan kappaleen tehokkuuteen eri lämpötiloissa .

Taulukko 3

Tehokkuus, % Toistosäteily, watteja T_Volframi Musta kappale_Volframi Musta kappale 50°C 80 % 32 % 0,015 0,063 75°C 75 % 13 % 0,020 0,083 100°C 68 % 0 0,027 0,1125 150°C 51 % 0 0,044 > 0,1 200°C 26 % 0 0,069 > 0,1

Taulukosta ilmenee, että enintään 150°C lämpötiloissa saavutetaan yli 50 % tehokkuudet.

Eräs tärkeä etu on se, että keksinnön menetelmä tekee mahdolliseksi uuden fotoneja absorboivan aineen aikaansaamisen, koska heijastamattoman päällysteen edut voidaan nyt antaa substraateille, joilla on pinnan epäsäännöllisyyksistä saatuja fotoniabsorbointi-ominaisuuksia.

Useimmissa aurinkoenergian muuttamiseen käytettävissä sovellutuksissa halutaan käyttää sellaisia fotoneja absorboivia aineita, jotka absorboivat enemmän kuin 90 % auringon spektristä. Tähän tulokseen ei voi päästä litteällä metallilla, karhealla metallilla eikä näiden päällä olevilla, yksinkertaisilla, heijastamattomilla päällysteillä. Kun sitä vastoin käytetään keksinnön mukaista heijastuksen säätävää pinta-aluetta yhdessä määrätynlaisten, muotoiltujen tai karheiden metallipintojen, kuten volframin, kanssa, voidaan saavuttaa alhainen heijastus laajalla spektrialueella. On todettu, että auringon spektrin suhteen saavutetaan haluttu absorptio muotoiltujen tai karhennettujen pintojen avulla, joissa kohtisuorasti tuleva 9 67267 valo heijastuu moninkertaisesti heijastuksen säätävän kerroksen pinnasta. Sitä vastoin siteillä metalleilla olevilla, heijastamattomil-la päällysteillä on absorptio, joka kattaa vain pienen osan auringon spektristä.

Vaikka keksintö on esitelty erään määrätyn, anodisesti käsiteltyä volfrämiä käyttävän toteutusmuodon yhteydessä, on alan asiantuntijalle selvää, että esiteltyjen periaatteiden valossa ovat monet erilaiset toteutusmuodot mahdollisia.

Claims (4)

10 67267

1. Fototerminen absorboija, jolla on minimoitu heijastuskyky valitulla aallonpituuskaistalla, joka käsittää fotoneja absorboivan kappaleen, jolla on sellainen pintarakenne, edullisesti kivikasa-tai dendriittirakenne, että siihen osuva valo heijastuu siinä moninkertaisesti, tunnettu mainitun kappaleen heijastuspinta-päällysteestä joka on yhdenmukainen mainitun pintarakenteen kanssa, jolloin mainitulla päällysteellä on ensimmäinen heijastuskyky ja mainitun kappaleen ja päällysteen välissä olevalla rajakerroksella on toinen heijastuskyky ja jolloin mainittu päällyste on ainetta, jolla on erityinen taitekertoimen arvo ja fotoneja absorboivalla kappaleella on taitekerroin ja sammutuskerroin jotka molemmat ovat arvoltaan sellaisia, että kolmen arvon yhdistelmä antaa pääasiallisesti samat arvot mainituille ensimmäiselle ja toiselle heijastuskyvylle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen fototerminen absorboija, tunnettu siitä, että mainittujen ensimmäisen ja toisen hei-jastuskyvyn eron vaihtelut ovat suuruusluokkaa 0,05.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen fototerminen absorboi ja, tunnettu siitä, että fotoneita absorboiva aine on volframi ja heijastusta säätävä pinta-alue on volframioksidi.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen fototerminen absorboi ja, tunnettu siitä, että heijastusta säätävä pinta-alue on anodioksidoitua volframioksidia.