JP5865270B2 - ミクロンギャップ熱光起電力の大型サブミクロンギャップ方法および装置 - Google Patents
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Description
（関連出願の相互参照）
本出願は、参照によって本明細書に援用される、２０１０年に２月２８日に出願された、米国仮特許出願第６１／３０８，９７２号の利益を主張する。
本出願は、参照によって本明細書に援用される、２０１０年に２月２８日に出願された、米国仮特許出願第６１／３０８，９７２号の利益を主張する。
本発明は、固体状態で熱を電気に変換する、ミクロンギャップの熱光起電力（ＭＴＰＶ）技術に関する。より広くは、本発明は、工業用溶融炉などの高温環境に挿入されると、電力を生成する。
熱光起電力デバイス（ＴＰＶ）は、ギャップから、放射パワーを電気パワーに変換する光起電力デバイスに電磁エネルギを放射する、加熱された黒体からなる。所与のＴＰＶデバイス領域の出力パワー量は、デバイスの高温側の温度によって制限を受け、一般に超高温を要求するので、実際の使用には障害となる。それに反して、ミクロンギャップ熱光起電力（ＭＴＰＶ）システムは、パワー放出部と受信部との間のギャップの大きさを小さくして、パワー放出部と受信部との間により多くのエネルギを伝達することが可能になる。サブミクロンギャップ技術を採用することで、ＭＴＰＶデバイスで達成可能な電力密度は、従来のＴＰＶに比較しておおよそ一桁分増加させることができる。同様に、所定の活性領域および電力密度に対する、ＭＴＰＶデバイスの高温側の温度も低減させることができる。これによって、新しい用途が、オンチップパワー、廃熱発電およびパワー変換にとって可能となる。
熱体と冷体との間の電磁エネルギ伝達は、近接場のエバネセント結合（evanescent coupling）による、熱体と冷体間の閉空間の関数であることが示された。従って、本体間が近づくほど、おおよそ１ミクロン以下で、パワー伝達が大きくなる。ギャップ空間が０．１ミクロンの場合には、エネルギ伝達係数の割合が５倍大きくなることが観察された。
しかし、サブミクロンギャップで狭い空間を形成し、改善された性能を維持するためには、２つの本体部間で該狭い空間を維持することにはジレンマがある。サブミクロンギャップ空間を得ることは可能であるが、高温表面および低温表面の熱的効果はカッピング、ワーピング、または要素の変形を引き起こすので、結果としてギャップ空間に変化が生じ、その結果として出力パワーの変化を制御できない。
典型的には、出力パワーを増加させるためには、従来技術デバイスで得られる低電力密度では、温度を上げることが必要であった。しかし、温度の増加は、デバイスおよびシステムの構成要素の材料によって制限されている。
熱を電気に変換する光起電力セルを使用するには、ミクロンギャップ熱光起電力（ＭＴＰＶ）システムが潜在的に非常に効率的な方法である。ミクロンギャップ熱光起電力デバイスは、「太陽電池（ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）」技術の熱バージョンである熱光起電力の改良された方法である。両方の方法は、半導体のバンドギャップ間で電子を励起させる光子の能力を使用するので、有用な電流を生成できる。光子エネルギの入射スペクトルに最も適合するように、低温熱源と、半導体の狭いバンドギャップが供給されなければならない。バンドギャップと同等またはそれを越えるエネルギを有するこれらの光子だけが電気を生成できる。低エネルギ光子は熱だけを生成でき、効率を損失する機構である。好ましいミクロンギャップ熱光起電力システムは、熱放射源を含み、赤外線検出光起電力セルの表面にあるサブミクロンギャップに懸架される放出層に導かれる熱を含む。
熱放出表面と光起電力収集部との間のサブミクロンギャップを使用することで、ラージギャップで可能な場合に比べて、固体から固体への光子の伝達速度が大きく向上することが観察された。光子のスペクトル分布は黒体のスペクトル分布であるが、単純なプランクの法則の放射以外に追加的な伝達機構も含まれる。しかし、サブミクロンギャップの使用は、電子を伝導帯に励起できない低エネルギ光子による、ギャップ間の過剰な熱伝導を避けるために真空環境が使用されることを意味する。熱源を効果的に使用するために、高画分の高エネルギ光子が生成されなければいけない。光起電力セルから放出表面を分離するために使用される構造は、同一効率で検討する場合、直径が小さく、非常に良好な断熱材の両方を備えなければならない。一般に、光起電力セルが適切に機能するために、いくらか冷却しなければならない。高温では、ＰＮ接合に真性キャリアが満ちるように生成され、電子の効果的な収集体とはならない。
ミクロンギャップ熱光起電力システムは、１よりも大きい放射率値を有する放出部のように機能する。黒体の定義は、放射率値が１に等しく、ラージギャップ放射エネルギ変換でこの値を超えないものであると定義される。等価放射率係数５から１０が、０．３０ミクロンから０．１０ミクロンのギャップ領域を使用して、経験的に示されている。
この現象をうまく利用するには、少なくとも２つの方法がある。比較可能なシステムでは、放出表面の温度が同一に維持される場合には、同量の電気を生成するには、ミクロンギャップ熱光起電力システムは比例して小さく、廉価に構成できる。あるいは、同等の大きさのシステムが使用される場合には、ミクロンギャップ熱光起電力システムは著しく低温度で運転されるので、システムを製造するために使用される材料コストを低減できる。事前推定では、ミクロンギャップ技術を使用することで、典型的なシステムの動作温度を１，４００℃から１，０００℃に下げても、まだ同一の電気出力を生成できることが見積もられた。温度を低減させることで、用途を広げ、可能な材料のコストを下げることになるので、システムの実用性に差をつけることができる。
米国特許第７，３９０，９６２号、同第６，２３２，５４６号および同第６，０８４，１７３号および米国特許出願第１２／１５４，１２０号、同第１１／５００，０６２号、同第１０／８９５，７６２号、同第１２／０１１，６７７号、同第１２／１５２，１９６号および同第１２／１５２，１９５号は本明細書に参照として組み込まれる。
追加のエネルギ伝達機構が想定され、本発明による狭い断熱ギャップを使用したシステムを構成することで多種類の用途での使用が見いだせるであろう。
従って、本発明の目的は、製造が容易な新規なミクロンギャップ熱光起電力デバイス構造を提供することである。
本発明のさらなる目的は、放出部と光起電力基板との間で高断熱を有する、ミクロンギャップ熱光起電力デバイスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、広い面積を有し、高効率が可能なミクロンギャップ熱光起電力デバイスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、横方向へ熱膨張可能なミクロンギャップ熱光起電力デバイスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、効率のよいミクロンギャップ熱光起電力デバイスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、均一なサブミクロンギャップを有するミクロンギャップ熱光起電力デバイスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、多くのエネルギを変換できるミクロンギャップ熱光起電力デバイスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、多くのディスクリート部品を組み立てないで構成される、ミクロンギャップ熱光起電力デバイスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、マイクロギャップ光起電力デバイスを製造する方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、熱光起電力システムとして有用な、他の用途でも有用なミクロンギャップデバイスを提供することである。
熱光起電力システムおよび装置は、工業用溶融炉などの高温環境に挿入されると、電力を生成する。これは、耐熱および耐食性、真空気密シェル、内側が加熱されたシェルの内側壁部に接触する液体冷却機械的組み立て部品からなる。
該機械的組み立て部品は、広い放出部と光起電力表面との間に、サブミクロン空間を構成する手段を補助し、供給する。熱は、シェルの内側表面から、スペクトルが制御された放射表面（高温側）に伝達される。放射表面は電磁エネルギの形態で熱を、サブミクロンギャップから光起電力（ＰＶ）デバイス（低温側）に放出する。熱の一部が、光起電力セルによって電気に変換される。残余の熱エネルギは、液体冷却される、ピン付きまたはフィン付きヒートシンクによって、光起電力セルの反対側から除去される。
設計の重要な側面は、放出チップとシェル内側表面とを緊密に接触させることで、良好な熱伝達が可能になる点である。光起電力セルは放出チップを外側に押圧するので、放出チップは内側壁部に押圧される。高温熱界面材料は、シェル内側表面と放出チップとの間の熱伝達を改善する。放出チップの小さなスペーサは、常に、高温放出表面と光起電力セルと間のサブミクロンギャップを維持する。
機械的組み立て部品は、高温および低温チップをシェル内側表面に押圧するように設計され、シェルは加熱され、膨張し、曲がる。これを実現するために、光起電力セルは、シェルの内側表面の形状に順応できる変形可能本体部に取り付けられる。変形可能本体部は薄い金属箔（膜）である。空気圧ダイヤフラムおよび液体金属充填空洞によって、圧力が膜に加えられる。
液体金属空洞は、２つの目的を果たす。１）膜の背面に圧力を印加し、次に、膜が曲がり、シェル内側表面の形状に適合できるように、光起電力チップを放出チップに押しつけること。そして、２）過剰な熱を光起電力部から、液体冷却ヒートシンクに伝えること。
シェルの内側の空間は、ほぼ完全真空（１０-3トール未満）であるので、サブミクロンギャップを越えて、露出されたシェル内側表面とヒートシンク間で、空気による熱伝導はない。
本発明は、本発明で使用されなければ無駄になってしまう、熱から電力を生成するので有用である。電気は、プラント内の他のデバイスに電力を供給するために使用でき、または公益事業会社に売却できる。
本明細書に開示された本発明は、言うまでもなく、多種多様な形態の実施形態に適合できる。図面に示され、以下に詳細に記載される内容は、本発明の好ましい実施形態である。しかし、本開示は本発明の原理の適例であって、説明された実施形態に本発明を限定するものではないことを理解するべきである。
本発明の目的および特徴をさらに理解するために、同様の要素には同一または類似の参照番号が付与された、添付の図面とともに、以下の詳細な説明が参照されるべきである。
図１に戻ると、図１は、本発明による熱光起電力１０４の技術、ミクロンギャップ熱光起電力１０６の技術を示す。両方の技術は、ガス、石油または石炭１１０の燃焼による熱、核エネルギ１２０、産業プロセス１３０からの廃熱または太陽熱１４０を使用できる。熱光起電力デバイス（ＴＰＶ）１０４は、マクロスケールギャップ１９０を越えて、放射パワーを電気パワーに変換する光起電力デバイス１６０に、電磁エネルギを放射する加熱された黒体１５０からなる。所与のＴＰＶデバイス領域の出力パワー量は、デバイスの高温側の温度によって制限を受け、一般に超高温を要求するので、実際の使用には障害となる。それに反して、マイクロスケールギャップ１９５の熱光起電力（ＭＴＰＶ）デバイス１０６は、パワー放出部１５０と受信部１６０との間のギャップ１９５の大きさを小さくすることで、パワー放出部１５０と受信部１６０との間により多くのエネルギを伝達することが可能になる。サブミクロンギャップ技術を採用することで、ＭＴＰＶデバイス１０６で達成可能な電力密度は、従来のＴＰＶデバイス１０４に比較して、おおよそ一桁分増加させることができる。同様に、所定の活性領域および電力密度に対する、ＭＴＰＶデバイスの高温側の温度も低減させることができる。これによって、新しい用途が、オンチップパワー、廃熱発電およびパワー変換にとって可能となる。
熱体と冷体との間の電磁エネルギ伝達は、近接場のエバネセント結合による、熱体と冷体間の閉空間の関数であることが示された。従って、本体間１７０が近づくにつれて、おおよそ１ミクロン以下で、パワー伝達が大きくなる。ギャップ空間０．１ミクロン１８０の場合には、エネルギ伝達係数の割合が５倍大きくなることが観察された。熱放出表面１５０と光起電力収集部１６０との間のサブミクロンギャップ１９５を使用することで、固体から固体への光子の伝達速度が、ラージギャップ１９０で可能な場合に比べて、大きく向上することが観察された。光子のスペクトル分布は黒体のスペクトル分布であるが、単純なプランクの法則の放射以外に追加的な伝達機構も含まれる。しかし、サブミクロンギャップの使用は、電子を伝導帯に励起できない低エネルギ光子による、ギャップ間の過剰な熱伝導を避けるために、真空環境が使用されることを意味する。熱源を効果的に使用するために、高画分の高エネルギ光子が生成されなければいけない。光起電力セルから放出表面を分離するために使用される構造は、同一効率で検討する場合には、直径が小さく、非常に良好な断熱材の両方を備えなければならない。光起電力セルは、一般に適切に機能するために、いくらか冷却されなければならない。高温では、ＰＮ接合に真性キャリアに真性キャリアが満ちるように生成され、電子の効果的な収集体とはならない。
図２Ａに戻ると、図２Ａは片面ＭＴＰＶデバイスの実施形態２００を示す。実施形態は、高温に晒されるハウジングと、高温側放出部２１５との間で熱伝導させるための熱界面２１０を含む。高温側放出部２１５は、スペーサ２２０によって維持されるマイクロギャップによって、低温側光起電力セル２２５から分離されている。箔膜２３０は、低温側光起電力２２５と、制御された圧力で維持される液体金属を含むチャンバ２３５との間に配置されている。この加圧されたチャンバ２３５によって、高温側放出部２１５と熱界面２１０とが、広い温度範囲にわたってハウジングに密着して維持されることを確実にする。液体金属チャンバ２３５の隣には、冷却剤チャンバ２４５の冷却剤の連続流によって冷却されるヒートシンク２４０がある。冷却剤チャンバ２４５は、冷却剤チャンバ密閉部２５０と空気圧チャンバ弾性密閉部２５５とによって、空気圧チャンバ２６０から分離されている。空気圧チャンバ２６０は制御された圧力で維持され、さらに、ヒートシンク２４０、液体金属チャンバ２３５、低温側放出部２２５、高温側放出部２１５、熱界面２１０およびハウジングの接触が密接に維持されることを確実にする。空気圧チャンバ固定密閉部２６５は、空気圧チャンバ２６０と、ヒートシンク２４０を冷却するための循環冷却水を連続して供給するように接続されている、冷却水マニホールド２７０との間に位置する。
図２Ｂに戻ると、図２Ｂは、両面ＭＴＰＶデバイスの実施形態２０５を示す。両面ＭＴＰＶデバイスは、共通の冷却水マニホールド２７０に取り付けられる、上述の図２Ａに関連する構造、図２Ａに示される構造を逆転した追加の構造を含む。この構造によって、ＭＴＰＶデバイスの両面から熱を収集できる。
図３に戻ると、図３は、ＭＴＰＶデバイスの動作を示す実施形態３００を示す。ＭＴＰＶデバイス３０５は、外側表面および高温側／低温側対３２０、３３０の高温側を加熱する放射、対流熱流束３１０に晒される。ＭＴＰＶデバイス３０５の内部は真空に維持され、低温側光起電力セルは、循環水３４０、３５０によって内側から冷却される。出力３６０、３７０がデバイス３０５から得られる。
図４に戻ると、図４は、「カッド（Quad）」ＭＴＰＶデバイスの前部の断面図の実際の実施形態４００を示す。カッドは、ＭＴＰＶ技術を実現する基本構成要素である。前部は、高温ハウジングと高温側放出部４２０との間の熱伝導グラファイト界面４１０を含む。マイクロギャップ４３０は、高温側放出部４２０と低温側光起電力セル４４０との間で維持される。箔膜４５０は、低温側放出部４４０と液体金属チャンバ４６０との間に位置する。ヒートシンク４７０の表面と箔膜４５０は液体金属チャンバ４６０を囲む。
放出部４２０の目的は、カッドのハウジングの内側から熱を吸収することである。放出部チップ４２０は、必ずしもそうではないが、典型的にはシリコンから形成され、ギャップ側に微細加工された二酸化ケイ素スペーサを備える。放出部４２０の滑らかな側は、ホットハウジングの内側に押圧されている。グラファイト熱界面材料４１０は、放出部４２０とハウジングとで挟まれるので、熱伝達を改善する。ハウジングは、炉内の放射および対流エネルギによって加熱され、熱はハウジングを介し、熱界面材料４１０を渡り、シリコン放出部４２０の中に伝達され、非常に高温になる。
光起電力セル４４０は、熱本体部から放射される光のいくらかを電気に変換するように設計される。特に、光起電力セル４４０はとても平坦な表面を有するので、放出表面４２０のスペーサに押圧されると、非常に小さな真空ギャップが形成される。スペーサは、非常に小さな熱流が、高温放出部４２０から比較的冷たい光起電力セル４４０に伝達されるように設計される。光起電力セル４４０および放出部４２０も、最大量の近接場結合エネルギ増強が得られるように、高指数材料（high index materials）で形成される。放出部４２０から光起電力セル４４０へ通過する光の割合が電気に変換される。
図５に戻ると、図５はカッドの断面図５００である。この図は、図４に示される要素を含む拡大透視図である。カッドは、冷却水マニホールド５１０とも呼ばれる配水ハウジング、ベローズ組み立て部品５６０、５７０、ヒートシンク組み立て部品４７０、空気圧組み立て部品５３０、５４０、５５０、液体金属チャンバ４６０（図４も参照）、膜および光起電力組み立て部品４４０、４５０（図４も参照）、高温側放出アレイ４１０、４２０（図４も参照）、リニアアクチュエータ圧力調節機（内側配水ハウジング）を含む。これらの要素は、カッドの基本構成要素を形成する。一つ以上のカッドが、通常は、電力を生成するために高温に晒される、真空エンクロージャまたはホットハウジングの中に覆われている。
膜４５０、液体金属チャンバ４６０、ヒートシンク４７０、ベローズ組み立て部品５７０は、非常に密接した機能性を有する。金属ベローズ５７０は、配水ハウジング５１０とヒートシンク４７０との間に水を伝達し、入口側の一組のベローズ５７０と出口側の他の組のベローズとの間に水を伝達する。ベローズ５７０も伸縮継ぎ手として機能するので、ハウジングが加熱されて膨張すると、ベローズ５７０が伸びる。ベローズ５７０はいつでも圧縮できるので、ヒートシンクと膜組み立て部品をホットカバー方向に押圧する力を供給でき、従って光起電力セル４４０を放出部スペーサに押圧し、放出部４２０を高温壁部へ押圧する。ヒートシンク４７０には水が通過する内部ボイドがあるが、光起電力セルの懸架プラットフォームとしても機能する。ベローズ５７０の屈曲によって、プラットフォームは出入りでき、２軸に傾斜できる。この関節動作（articulation）によって、光起電力アレイ４２０を、巨視的に、ホットハウジングの方向に一致させられる。弾性膜４５０は、ここでは、ホットハウジングの屈曲を処理する。
膜４５０はチップの第２のサスペンションであり、第１のサスペンションは、加工許容度および選択加熱による、熱膨張およびチルトオフセットによる剛体運動に対処する。膜４５０は光起電力セル４４０に対する弾性サスペンションであるので、セルのアレイは放出部４２０を押圧し、チップがハウジングの湾曲形状に適合するように屈曲、伸縮させる。平板を熱が伝わる場合には、板の両端間に、熱屈曲、または熱湾曲を生じる温度降下が発生することに留意することは大切である。光起電力セル４４０は、膜４５０に結合されている。金属膜４５０は絶縁層および伝導体のパターン層を有している。この意味で、膜４５０はプリント配線基板として機能し、光起電力セル４４０を直列および／または並列に接続し、並びに電気を膜４５０の端に流す。
膜４５０の端の周りはプラットフォームで密閉されており、膜４５０とプラットフォームとの間に小さなギャップが生じる。この空間が、次に液体金属で満たされる。液体金属は、２つの目的を果たす。第１に、光起電力セル４４０とヒートシンク４７０との間に熱経路を形成する。第２に、液体金属は液体であるので、膜４５０が屈曲できる。
ホットハウジングは高温金属から形成され、カッドが内側に配置された後に確実に密閉される。ハウジングの大きさはカッドの数の配分によって異なる。内側表面は研磨されるので放射率は低い。外側表面は、意図的に酸化されて黒色処理されているので、炉から多くの放射熱を吸収する。ハウジングは、冷却液、真空ポンプ、電線のための通過ポートを備える。
空気圧組み立て部品５３０、５４０、５５０は配水ハウジング５１０とヒートシンク４７０との間に位置する。空気圧ダイヤフラム５３０は、ベローズ５７０と平行に、ヒートシンク４７０をホットハウジングの外側方向に押圧し、従って光起電力セル４４０と放出部４２０とを、膜４５０とホットハウジングとの間で挟み込む。液体金属の空洞の空気圧力および圧力が適切である場合には、膜４５０、チップ、ハウジングは同一形状になり、放出部４２０と光起電力セル４４０との間のギャップは均一となる（必ずしも平面ではない）。
熱はハウジングに流れ込み、熱界面材料４１０を介して、放出部４２０に流れ込む。そしてサブミクロン真空ギャップ間で放射されて、いくらかのエネルギが電気に変換され、膜表面の金属化によって熱が取り去られる光起電力セル４４０に入る。残りの熱は、膜４５０、液体金属、銅、銅ピンを通過し、連続的に補充される冷却水に到達する。
光起電力セル４４０がすべて直列である場合には、バイパスダイオードをセルの各行の終端に接続できるので、１行中の光起電力セル４４０が故障した場合に、その行全体が迂回されて、電流が次の行に流れる。
図６に戻ると、図６は、その組み立て部品の末端に備えられた完全なカッド６００を示す。図６では、高温側放出アレイ４１０、４２０、膜および光起電力組み立て部品４４０、４５０、液体金属チャンバ４６０、ヒートシンク４７０、配水ハウジング５１０、空気圧チャンバ５４０、電気接続部６１０および空気圧接続部６２０、６３０が示される。
リニアアクチュエータはモータおよび送りねじからなり、配水ハウジング５１０の内側に収納されている。この目的は膜４５０の裏側の液体量を制御することである。アクチュエータは、回転ダイヤフラムに取り付けられたピストンを駆動し、ダイヤフラムの内部は、液体金属／膜チャンバ４６０に導かれるチャネルに送り出される、液体金属で満たされる。膜４５０の裏側の液体金属の量を、減少または増加させるために、アクチュエータは、内側方向または外側方向にそれぞれ駆動される。アクチュエータは、液体金属の圧力を制御するためにも使用される。リニアアクチュエータとピストンとの間は、ばねダイスである。アクチュエータからの力は、ばねを通過してピストンに入るので、ばねは常に圧縮される。これによって、たとえピストンが動かなくとも、アクチュエータは液体金属の圧力を修正できる。ばねダイスの圧縮は、液体金属の圧力に直接関係する。
図７に戻ると、図７は、カッド７００を構成するために組み込まれる多様な部品を示す。これらには、光起電力アレイ７１０およびヒートシンク上部７１５、ヒートシンク底部７２０、水ハウジング上部カバー７３５、サーボモータベローズ７２５、水ハウジング側カバー７３０、水ハウジング７４０、ベローズ接続部７４５、サーボモータベローズ７５０、ベローズ管７５５が含まれる。
図８に戻ると、図８は、完全に組み立てられたカッド８００を示す。図８に示すように、カッドは、光起電力アレイ７１０およびヒートシンク上部７１５、サーボモータベローズ７２５、水ハウジング側カバー７３０、水ハウジング７４０、外部の制御モジュールへの電気および空気圧接続部７７０を含む。
図９に戻ると、図９は、上部カバーを除いたハウジングに収まった単一のカッド９００を示す。図８に示される完全に組み立てられたカッド８００、ホットハウジング９１０、冷却水接続部９３０、９４０および真空ポート９２０が示される。空気圧制御モジュールへの接続部は示されていない。
図１０に戻ると、図１０は、炉壁を通過してホットハウジング内に入るカッドモジュールスライディング１０００を示す。カッド８００、ホットハウジング１０２０、炉壁１０３０、カッドモジュールエンクロージャ９１０、冷却水接続部９３０、９４０、電力施設への接続部、真空制御モジュール、並びに空気圧制御モジュール１０１０が示される。
図１１に戻ると、図１１は、４つのカッドおよび冷却剤接続部１１００を含むモジュールを示す。これは、４つまでの両面カッドモジュール８００および冷却剤接続部１１３０、１１４０を含むことができる。
図１２に戻ると、図１２は、共通の冷却剤ラインに接続されているカッドモジュール１２００のアレイを示す。共通の冷却剤ライン１２３０、１２４０に接続されている２４個のカッドモジュール８００を示す。各カッドは、光起電力セルおよび放出チップのアレイを含むが、パネルは、Ｍ×Ｎアレイのカッドを含み、ここでＭおよびＮは１以上である。カッドアレイは、冷却パイプに一緒に接続されることができるので、ユニットが直列または並列に冷却される。
図１３に戻ると、図１３は、一つ以上のカッド１３００を含むＭＴＰＶパネルに接続されている、要求される制御モジュールを示す。ＭＰＴＶパネル１３５０、冷却制御モジュール１３１０、真空制御モジュール１３２０および空気圧圧力制御モジュール１３３０が示される。
〔態様１〕
熱伝導シェルの内側表面から放射線放出層の収集表面によって熱エネルギを収集する工程であって、当該シェルの外側表面を高温熱エネルギ源に晒させる、工程と、
前記放射線放出層の放出表面から光起電力セルの受信表面までの距離を１ミクロン未満に維持する工程と、
前記放出表面からの電磁波放射を前記受信表面によって受信して、前記光起電力セルによって電力を生成する工程と、
加圧された熱伝導性変形可能膜によって前記光起電力セルに圧力を供給して、前記放射線放出層の前記収集表面を前記シェルの前記内側表面と密着して接触させ、冷却効果を最大限に発揮させる工程と、
前記熱伝導性変形可能膜に接触するヒートシンクに圧力を供給して、冷却効果を最大限に発揮させる工程と、
を含む、サブミクロンギャップ熱光起電力技術を使用して熱エネルギを電気エネルギに変換する方法。
〔態様２〕
態様１記載の方法において、
前記放出表面と前記受信表面との間に真空を生成して、熱伝導効率を最低にする工程を更に含む方法。
〔態様３〕
態様２記載の方法において、
前記真空は１０ -3 トール未満である方法。
〔態様４〕
態様１記載の方法において、
前記シェルの内側を真空に維持する工程を更に含む方法。
〔態様５〕
態様１記載の方法において、
前記光起電力セルの前記受信表面と前記放射線放出層の前記放出表面との間の距離は、おおよそ０．１０ミクロンから０．３０ミクロンの間である方法。
〔態様６〕
態様１記載の方法において、
前記光起電力セルの前記受信表面と前記放射線放出層の前記放出表面との間の距離を、断熱スペーサの使用によって維持する工程をさらに含む方法。
〔態様７〕
態様１記載の方法において、
前記変形可能膜は、リニアアクチュエータおよび液体金属充填空洞によって加圧される方法。
〔態様８〕
態様１記載の方法において、
放射線放出層の前記収集表面と前記熱伝導シェルの前記内側表面との間に熱界面を挿入する工程を更に含む方法。
〔態様９〕
態様８記載の方法において、
前記熱界面は、熱伝導グラファイトを含む方法。
〔態様１０〕
態様１記載の方法において、
冷却液をヒートシンク空洞に通過させて循環させて、前記光起電力セル、前記ヒートシンク、液体金属チャンバおよび前記変形可能膜の温度を下げる工程をさらに含む方法。
〔態様１１〕
態様１０記載の方法において、
弾性ベローズおよび配水ハウジングを使用して冷却液を分配する工程を更に含む方法。
〔態様１２〕
熱伝導シェルの内側表面からの熱エネルギを収集するための放射線放出層の収集表面であって、当該シェルの外側表面が高温熱エネルギ源に晒される収集表面と、
前記放射線放出層の放出表面から１ミクロン未満の距離に維持された光起電力セルの受信表面と、
前記光起電力セルによって電力を生成するために、前記放出表面から前記受信表面によって受信される電磁波放射と、
前記放射線放出層の前記収集表面を前記シェルの前記内側表面と密着して接触させ、冷却効果を最大限に発揮するために、加圧された熱伝導性変形可能膜によって加圧された前記光起電力セルと、
冷却効果を最大限に発揮するために、前記熱伝導性変形可能膜に接触するように加圧されたヒートシンクと、
を含む、サブミクロンギャップ熱光起電力技術を使用して熱エネルギを電気エネルギに変換する装置。
〔態様１３〕
態様１２記載の装置において、
放射線放出層の前記収集表面と前記熱伝導シェルの前記内側表面との間に熱界面を挿入させる装置。
〔態様１４〕
態様１２記載の装置において、
前記熱界面は、熱伝導グラファイトを含む装置。
〔態様１５〕
態様１２記載の装置において、
前記放出表面と前記受信表面との間で真空が維持される装置。
〔態様１６〕
態様１２記載の装置において、
前記シェルの内部が真空に維持される装置。
〔態様１７〕
態様１２記載の装置において、
前記光起電力セルの前記受信表面と前記放射線放出層の前記放出表面との距離を維持する断熱スペーサを更に含む装置。
〔態様１８〕
態様１２記載の装置において、
前記変形可能膜がリニアアクチュエータおよび液体金属充填空洞によって加圧される装置。
〔態様１９〕
態様１２記載の装置において、
弾性ベローズおよび配水ハウジングを使用して分配される冷却液を更に含む装置。
〔態様２０〕
サブミクロンギャップ熱光起電力技術を使用して、熱エネルギを電気エネルギに変換する装置であって、カッドの要素を囲い込むためのシェルを含み、当該シェルは、
グラファイト熱界面を介して前記シェルと緊密な熱接触が維持された放出チップアレイと、
前記放出チップアレイから断熱スペーサによって空間を置いて離れる膜および光起電力アレイ組み立て部品と、
前記シェルと緊密な熱接触が維持された前記放出チップアレイを維持するための前記膜と接触している液体金属チャンバと、
前記膜、前記液体金属チャンバおよび前記光起電力アレイを冷却するための冷却液を受容するヒートシンク組み立て部品と、
ベローズ組み立て部品を介して前記ヒートシンク組み立て部品に冷却液を分配するための配水ハウジングと、
前記ヒートシンクが前記液体金属冷却剤および前記光起電力アレイに密着することを維持する空気圧組み立て部品と、
前記空気圧組み立て部品の圧力を維持するためのリニアアクチュエータ圧力アクチュエータと、を含む装置。
〔態様２１〕
態様２０記載の装置において、
前記シェル内は真空に維持される装置。
〔態様２２〕
態様２０記載の装置において、
前記膜は、前記リニアアクチュエータおよび液体金属充填空洞によって加圧される装置。
〔態様２３〕
態様２０記載の装置において、
前記カッドは、複数の光起電力および放出チップアレイを含む装置。
〔態様２４〕
態様２０記載の装置において、
シェルはＭ×Ｎアレイのカッドであり、ここでＭおよびＮは１以上である装置。
〔態様２５〕
態様２０記載の装置において、
冷却制御モジュール、真空制御モジュールおよび空気圧制御モジュールを更に含む装置。
〔態様１〕
熱伝導シェルの内側表面から放射線放出層の収集表面によって熱エネルギを収集する工程であって、当該シェルの外側表面を高温熱エネルギ源に晒させる、工程と、
前記放射線放出層の放出表面から光起電力セルの受信表面までの距離を１ミクロン未満に維持する工程と、
前記放出表面からの電磁波放射を前記受信表面によって受信して、前記光起電力セルによって電力を生成する工程と、
加圧された熱伝導性変形可能膜によって前記光起電力セルに圧力を供給して、前記放射線放出層の前記収集表面を前記シェルの前記内側表面と密着して接触させ、冷却効果を最大限に発揮させる工程と、
前記熱伝導性変形可能膜に接触するヒートシンクに圧力を供給して、冷却効果を最大限に発揮させる工程と、
を含む、サブミクロンギャップ熱光起電力技術を使用して熱エネルギを電気エネルギに変換する方法。
〔態様２〕
態様１記載の方法において、
前記放出表面と前記受信表面との間に真空を生成して、熱伝導効率を最低にする工程を更に含む方法。
〔態様３〕
態様２記載の方法において、
前記真空は１０ -3 トール未満である方法。
〔態様４〕
態様１記載の方法において、
前記シェルの内側を真空に維持する工程を更に含む方法。
〔態様５〕
態様１記載の方法において、
前記光起電力セルの前記受信表面と前記放射線放出層の前記放出表面との間の距離は、おおよそ０．１０ミクロンから０．３０ミクロンの間である方法。
〔態様６〕
態様１記載の方法において、
前記光起電力セルの前記受信表面と前記放射線放出層の前記放出表面との間の距離を、断熱スペーサの使用によって維持する工程をさらに含む方法。
〔態様７〕
態様１記載の方法において、
前記変形可能膜は、リニアアクチュエータおよび液体金属充填空洞によって加圧される方法。
〔態様８〕
態様１記載の方法において、
放射線放出層の前記収集表面と前記熱伝導シェルの前記内側表面との間に熱界面を挿入する工程を更に含む方法。
〔態様９〕
態様８記載の方法において、
前記熱界面は、熱伝導グラファイトを含む方法。
〔態様１０〕
態様１記載の方法において、
冷却液をヒートシンク空洞に通過させて循環させて、前記光起電力セル、前記ヒートシンク、液体金属チャンバおよび前記変形可能膜の温度を下げる工程をさらに含む方法。
〔態様１１〕
態様１０記載の方法において、
弾性ベローズおよび配水ハウジングを使用して冷却液を分配する工程を更に含む方法。
〔態様１２〕
熱伝導シェルの内側表面からの熱エネルギを収集するための放射線放出層の収集表面であって、当該シェルの外側表面が高温熱エネルギ源に晒される収集表面と、
前記放射線放出層の放出表面から１ミクロン未満の距離に維持された光起電力セルの受信表面と、
前記光起電力セルによって電力を生成するために、前記放出表面から前記受信表面によって受信される電磁波放射と、
前記放射線放出層の前記収集表面を前記シェルの前記内側表面と密着して接触させ、冷却効果を最大限に発揮するために、加圧された熱伝導性変形可能膜によって加圧された前記光起電力セルと、
冷却効果を最大限に発揮するために、前記熱伝導性変形可能膜に接触するように加圧されたヒートシンクと、
を含む、サブミクロンギャップ熱光起電力技術を使用して熱エネルギを電気エネルギに変換する装置。
〔態様１３〕
態様１２記載の装置において、
放射線放出層の前記収集表面と前記熱伝導シェルの前記内側表面との間に熱界面を挿入させる装置。
〔態様１４〕
態様１２記載の装置において、
前記熱界面は、熱伝導グラファイトを含む装置。
〔態様１５〕
態様１２記載の装置において、
前記放出表面と前記受信表面との間で真空が維持される装置。
〔態様１６〕
態様１２記載の装置において、
前記シェルの内部が真空に維持される装置。
〔態様１７〕
態様１２記載の装置において、
前記光起電力セルの前記受信表面と前記放射線放出層の前記放出表面との距離を維持する断熱スペーサを更に含む装置。
〔態様１８〕
態様１２記載の装置において、
前記変形可能膜がリニアアクチュエータおよび液体金属充填空洞によって加圧される装置。
〔態様１９〕
態様１２記載の装置において、
弾性ベローズおよび配水ハウジングを使用して分配される冷却液を更に含む装置。
〔態様２０〕
サブミクロンギャップ熱光起電力技術を使用して、熱エネルギを電気エネルギに変換する装置であって、カッドの要素を囲い込むためのシェルを含み、当該シェルは、
グラファイト熱界面を介して前記シェルと緊密な熱接触が維持された放出チップアレイと、
前記放出チップアレイから断熱スペーサによって空間を置いて離れる膜および光起電力アレイ組み立て部品と、
前記シェルと緊密な熱接触が維持された前記放出チップアレイを維持するための前記膜と接触している液体金属チャンバと、
前記膜、前記液体金属チャンバおよび前記光起電力アレイを冷却するための冷却液を受容するヒートシンク組み立て部品と、
ベローズ組み立て部品を介して前記ヒートシンク組み立て部品に冷却液を分配するための配水ハウジングと、
前記ヒートシンクが前記液体金属冷却剤および前記光起電力アレイに密着することを維持する空気圧組み立て部品と、
前記空気圧組み立て部品の圧力を維持するためのリニアアクチュエータ圧力アクチュエータと、を含む装置。
〔態様２１〕
態様２０記載の装置において、
前記シェル内は真空に維持される装置。
〔態様２２〕
態様２０記載の装置において、
前記膜は、前記リニアアクチュエータおよび液体金属充填空洞によって加圧される装置。
〔態様２３〕
態様２０記載の装置において、
前記カッドは、複数の光起電力および放出チップアレイを含む装置。
〔態様２４〕
態様２０記載の装置において、
シェルはＭ×Ｎアレイのカッドであり、ここでＭおよびＮは１以上である装置。
〔態様２５〕
態様２０記載の装置において、
冷却制御モジュール、真空制御モジュールおよび空気圧制御モジュールを更に含む装置。
Claims (19)
- 熱伝導シェル（２１０）の内側表面（２０８）から放射線放出層（２１５）の収集表面（２１２）によって熱エネルギを収集する工程であって、当該熱伝導シェル（２１０）の外側表面（２０３）を熱エネルギ源に晒させる、工程と、
前記放射線放出層（２１５）の放出表面（２１８）から光起電力セル（２２５）の受信表面（２２２）までの距離をマイクロギャップ内のスペーサ（２２０）で１ミクロン未満に維持する工程と、
前記放出表面（２１８）からの電磁波放射を前記受信表面（２２２）によって受信する工程と、
液体金属を含む加圧されたチャンバ（２３５）の壁を形成する熱伝導性変形可能箔膜（２３０）によって前記光起電力セル（２２５）に圧力を供給して、前記放射線放出層（２１５）の前記収集表面（２１２）を前記熱伝導シェル（２１０）の前記内側表面（２０８）と密着して接触させ、当該光起電力セル（２２５）の冷却効果を発揮させる工程と、
制御された圧力に維持された空気圧チャンバ（２６０）によって、冷却剤チャンバ（２４５）と、前記液体金属を含む加圧されたチャンバ（２３５）に接触するヒートシンク（２４０）と、前記光起電力セル（２２５）と、前記放射線放出層（２１５）と、前記熱伝導シェル（２１０）とに圧力を供給して、当該光起電力セル（２２５）の冷却効果を更に発揮させる工程と、
伸縮自在のベローズと冷却液分配ハウジング（２７０）とを使用して、前記ヒートシンク（２４０）の内部ボイド及び前記冷却剤チャンバ（２４５）を通して冷却液を循環させる工程と、
を含む、サブミクロンギャップ熱光起電力技術を使用して熱エネルギを電気エネルギに変換する方法。 - 請求項１記載の方法において、
前記放射線放出層（２１５）の前記放出表面（２１８）と前記光起電力セル（２２５）の前記受信表面（２２２）との間に真空を生成して、過剰な熱伝導を避ける工程を更に含む方法。 - 請求項２記載の方法において、
前記真空は１０-3トール未満である方法。 - 請求項１記載の方法において、
前記熱伝導シェル（２１０）の内側を真空に維持する工程を更に含む方法。 - 請求項１記載の方法において、
前記光起電力セル（２２５）の前記受信表面（２２２）と前記放射線放出層（２１５）の前記放出表面（２１８）との間の距離は、０．１０ミクロンから０．３０ミクロンの間である方法。 - 請求項１記載の方法において、
前記光起電力セル（２２５）の前記受信表面（２２２）と前記放射線放出層（２１５）の前記放出表面（２１８）との間の距離を、断熱スペーサ（２２０）の使用によって維持する工程をさらに含む方法。 - 請求項１記載の方法において、
前記放射線放出層（２１５）の前記収集表面（２１２）と前記熱伝導シェル（２１０）の前記内側表面（２０８）との間に熱界面を挿入する工程を更に含む方法。 - 請求項７記載の方法において、
前記熱界面は、熱伝導グラファイトを含む方法。 - 熱伝導シェル（２１０）の内側表面（２０８）からの熱エネルギを収集するための放射線放出層（２１５）の収集表面（２１２）であって、当該熱伝導シェル（２１０）の外側表面（２０３）が熱エネルギ源に晒される収集表面（２１２）と、
前記放射線放出層（２１５）の放出表面（２１８）からマイクロギャップ内のスペーサ（２２０）で１ミクロン未満の距離に維持された光起電力セル（２２５）の受信表面（２２２）と、
前記放出表面（２１８）から前記受信表面（２２２）によって受信される電磁波放射と、
前記放射線放出層（２１５）の前記収集表面（２１２）を前記熱伝導シェル（２１０）の前記内側表面（２０８）と密着して接触させた状態を維持して前記光起電力セル（２２５）の冷却効果を発揮するために、液体金属を含む加圧されたチャンバ（２３５）の壁を形成する熱伝導性変形可能箔膜（２３０）によって制御された圧力が印加される前記光起電力セル（２２５）と、
前記光起電力セル（２２５）の冷却効果を更に発揮するために、冷却剤チャンバ（２４５）と、当該光起電力セル（２２５）に圧力を印加するための前記液体金属を含む加圧されたチャンバ（２３５）に接触するヒートシンク（２４０）と、前記放射線放出層（２１５）と、前記熱伝導シェル（２１０）とを、制御された圧力に維持する空気圧チャンバ（２６０）と、
前記ヒートシンク（２４０）内の内部ボイド及び前記冷却剤チャンバ（２４５）を通して冷却液を循環させる伸縮自在のべローズ及び冷却液分配ハウジング（２７０）と、
を含む、サブミクロンギャップ熱光起電力技術を使用して熱エネルギを電気エネルギに変換する装置。 - 請求項９記載の装置において、
前記放射線放出層（２１５）の前記収集表面（２１２）と前記熱伝導シェル（２１０）の前記内側表面（２０８）との間に挿入させた熱界面を更に備える装置。 - 請求項９記載の装置において、
高温に晒されるハウジング（２１０）と熱伝導グラファイトから構成される高温側放出部（２１５）との間に熱界面を更に備える装置。 - 請求項９記載の装置において、
高温側放出部（２１５）の前記放出表面（２１８）と低温側の前記光起電力セル（２２５）の前記受信表面（２２２）との間で真空が維持される装置。 - 請求項９記載の装置において、
前記熱伝導シェル（２１０）の内部が真空に維持される装置。 - 請求項９記載の装置において、
前記光起電力セル（２２５）の前記受信表面（２２２）と前記放射線放出層（２１５）の前記放出表面（２１８）との距離を維持する断熱スペーサ（２２０）を更に含む装置。 - サブミクロンギャップ熱光起電力技術を使用して熱エネルギを電気エネルギに変換する装置であって、ミクロンギャップ熱光起電力（ＭＴＰＶ）デバイス（８００）の要素を囲い込むためのシェル（９１０）を含み、
グラファイト熱界面（４１０）を介して前記シェル（９１０）と緊密な熱接触が維持された放出チップアレイ（４２０）と、
前記放出チップアレイ（４２０）から断熱スペーサ（４３０）によって空間を置いて離れる膜（４５０）および光起電力組み立て部品（４４０，７１０）と、
前記放出チップアレイ（４２０）が前記シェル（９１０）と熱接触するのを維持するために、前記膜（４５０）と接触している液体金属チャンバ（４６０）と、
前記膜（４５０）、前記液体金属チャンバ（４６０）および前記光起電力組み立て部品（４４０，７１０）を冷却するために、冷却液を受容するヒートシンク組み立て部品（４７０）と、
入口側のベローズ組み立て部品（５６０，５７０）を介して前記ヒートシンク組み立て部品（４７０）の冷却液入り口に冷却液を分配し、出口側のべローズ組み立て部品（５６０，５７０）を介して当該ヒートシンク組み立て部品（４７０）の冷却液出口を受容するための配水ハウジング（５１０，７４０）であって、当該入口側のべローズ組み立て部品（５６０，５７０）が当該ヒートシンク組み立て部品（４７０）上で当該出口側のべローズ組み立て部品（５６０，５７０）から離れて配置されている、配水ハウジング（５１０，７４０）と、
前記シェル（９１０）の熱膨張及び熱収縮を可能にし、前記ヒートシンク組み立て部品（４７０）を当該シェル（９１０）の方向に押圧する前記ベローズ組み立て部品（５６０，５７０）と、
前記ヒートシンク組み立て部品（４７０）が前記液体金属チャンバ（４６０）および前記光起電力組み立て部品（４４０，７１０）に接触することを維持する空気圧組み立て部品（５３０，５４０，５５０）と、
前記空気圧組み立て部品（５３０，５４０，５５０）から離れて配置され、当該空気圧組み立て部品（５３０，５４０，５５０）の圧力を維持するための圧力調節機と、を含む装置。 - 請求項１５記載の装置において、
前記シェル（９１０）内は真空に維持される装置。 - 請求項１５記載の装置において、
前記ＭＴＰＶデバイス（８００）は、複数の光起電力組み立て部品（４４０，７１０）および放出チップアレイ（４２０）を含む装置。 - 請求項１５記載の装置において、
シェル（９１０）はＭ×ＮアレイのＭＴＰＶデバイス（８００）を含み、ここでＭおよびＮは１以上である装置。 - 請求項１５記載の装置において、
冷却制御モジュール（１３１０）、真空制御モジュール（１３２０）および空気圧制御モジュール（１３３０）を更に含む装置。
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