JP6445522B2 - マイクロギャップ熱光起電力デバイス用マイクロチャネルヒートシンク - Google Patents

Description

[0001]本発明は、放射された熱出力を電気出力に変換するためのマイクロギャップ熱光起電力（ＭＴＰＶ：micron-gap thermal photovoltaic）技術に関する。高温側エミッタと低温側コレクタとの間のマイクロギャップおよびサブマイクロギャップの使用により、従来の熱起電力デバイスに比べて１桁分以上の出力密度の増加が可能になるが、低温側コレクタによる帯域外熱放射の吸収により、低温側コレクタの温度が相応に上昇することもあり得る。低温側コレクタの効率および高温側エミッタと低温側コレクタとの間の均一なギャップ分離を維持することを目的として、低温側コレクタを低減された温度に維持するために様々な手段が採用されてきた。本発明は、より詳しくは、冷却液を採用したマイクロチャネルヒートシンクを用いて低温側コレクタの比較的低い温度を維持するための新規の方法およびデバイスに関する。

[0002]本発明は、サブマイクロギャップ熱光起電力セル構造の効率を改善するために、低温側コレクタの低温を維持するための新規の方法およびデバイスを提供する。本発明による典型的なサブマイクロギャップ熱光起電力セル構造の一実施形態は、層境界が相対的に一定のサブミクロン寸法に比較して実質的に平坦でなくても、サブマイクロギャップ寸法が比較的一定であるように互いに押し付けられた複数の層を備えることができる。層構造は、スペーサによって維持される寸法を有するサブマイクロギャップによって光起電力セルの表面から分離された表面を有する高温側熱エミッタを備えることができる。サブマイクロギャップの反対側の光起電力セルの表面は、マイクロチャネルヒートシンクの表面に対して押し付けられるように配置され、光起電力セルの反対側のマイクロチャネルヒートシンクの表面は、圧縮性層または「スポンジ」を隔てて平坦剛性プレート層に対して押し付けられるように配置される。圧縮性層の反対側の平坦剛性プレート層の面に対して強制的に配置されるのは、高温側熱エミッタの表面と、対向する光起電力セルの表面との間の均一なギャップ寸法を維持するために、サブマイクロギャップ光起電力セル構造の層を圧縮して互いに密接に接触させるための力機構である。力機構は、例えば、ピエゾ力変換器、または外部ソースによって制御可能な圧力に維持された流体を含む空気圧または液圧チャンバでありうる。なお、ピエゾ変換器アレイは、上記のように、能動的な圧縮力を基板層の表面に対して垂直なＺ方向に提供することができ、面同士のずれに対向するために受動的な力をＸ方向およびＹ方向で提供することができ、それによって層に対する面内応力を最小限に抑えることができる。

[0003]マイクロチャネルヒートシンクは、適切な冷却液を外部ソースから受け取るための流入マニホールドを含む。冷却液は、流入マニホールドからの圧力によって強制的に、マイクロチャネルヒートシンクの表面下の複数のマイクロチャネルを通される。冷却液は、マイクロチャネルで熱エネルギーを吸収する。加熱された冷却液は、次いで排出マニホールドに渡され、そこで外部ソースに帰還されて、冷却され、さらに処理される。

[0004]従来の方法に比べて、上記のマイクロチャネルヒートシンク方法の恩恵は、液体金属層がもはや必要ではないこと、機械的ベローズが排除されること、および積層に対する流体流力の影響が排除されることである。さらに、軸圧縮力に従って液体金属の圧力を調節する必要がなくなり、ハードウェア要件および複雑性が低減する。

[0005]本概要は、以下の発明を実施するための形態にさらに説明される概念の選択を簡略化された形で紹介するために提供される。本概要は、特許請求される事項のすべての主要なまたは必要不可欠な特徴を識別することが意図されておらず、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されることも意図されていない。

[0006]本発明のこれらのおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の図面に従ってよりよく理解されることになろう。

[0007]本発明によるサブマイクロギャップ熱光起電力セル構造の一実施形態を示す図である。 [0008]本発明によるマイクロチャネルヒートシンク構造の製作例の一実施形態の斜視図である。 [0009]本発明によるマイクロチャネルヒートシンク構造の一実施形態の斜視図である。

[0010]図１を検討すると、図１は本発明によるサブマイクロギャップ熱光起電力セル構造１００の一実施形態を示す。構造は、複数の基板層を備え、基板層は、一般に、ミクロン単位では平坦でなく、互いに押し付けられた上でエンクロージャ１９５内に圧縮力をもって閉じ込められ、高温側熱エミッタ１１０の表面と光起電力セル１２０の対向面との間に比較的一定であるサブマイクロギャップ寸法１１２を維持する。スペーサ１１５が、適切なサブマイクロギャップ寸法を維持するのを助けるために設けられる。マイクロチャネルヒートシンク１２５のチャネルプレート１３０が、サブマイクロギャップ１１２の反対側で光起電力セル１２０の表面に押し付けられる。マイクロチャネルヒートシンク１２５は、チャネルプレート１３０と、貼着される封入プレート１３５とを備える。封入プレート１３５は、冷却液１９０の流入をマイクロチャネルヒートシンク１２５の流入マニホールドに提供するための流入冷却液コネクタ１４５と、マイクロチャネルヒートシンク１２５の排出マニホールドからの冷却液１７５の流出を提供するための排出冷却液コネクタ１４０とを含む。チャネルプレート１３０は、下記のように、流入マニホールドと、流入マニホールドと排出マニホールドとの間の複数のマイクロチャネルと、排出マニホールドとを含む。

[0011]封入プレート１３５の外側表面は、圧縮性層１５０によって隔てられた平坦剛性プレート１５５に対して押し付けられるように配置される。圧縮性層１５０は、エンクロージャ内でマイクロチャネルヒートシンク１２５を含むすべての層が一体になるようにするのに十分な力を提供する程度に圧縮される必要がある。ヒートシンク１２５は、数十ミクロンのレベルで屈曲可能である程度に薄く作製される。圧縮性層１５０は、他の層が平坦でないために、圧縮されたときに均一な厚さを有さないであろう。したがって、圧縮性層１５０の剛性および厚さは、ギャップ１１２を横切る圧力の変化を最小限に抑えるように注意深く選択される。例えば、圧縮性層１５０は、力の印加により平均１００ミクロン圧縮される、１０００ミクロンの厚さの発泡体であってもよい。このとき、圧縮された層の表面変動による圧縮性層１５０の厚さの変動が１０ミクロンであれば、マイクロチャネルヒートシンクに印加される圧力に１０％の変動があったことになる。発泡体の圧縮剛性のさらなる低減が、この圧力の変動を低減させるであろう。

[0012]力機構１６０は、圧縮性層１５０とは反対側の剛性プレートの表面を圧縮できるように配置される。力機構１６０は、基板層が不均一な表面平坦性を有していても比較的一定なサブマイクロギャップ寸法を維持するために、他の層に対して圧縮力を印加する。圧縮エネルギー１８５を力機構１６０に提供するために流入コネクタ１７０を設けることができ、力機構１６０からの圧縮エネルギーのための帰還１８０として出力コネクタ１６５を設けることができる。例えば、力機構１６０がピエゾ変換器を用いて実現される場合、コネクタ１７０、１６５は、電気的な接続部でありうる。力機構１６０が空気圧を用いて実装される場合、コネクタ１７０、１６５は、空気圧コネクタでありうる。

[0013]図２を参照すると、図２は、本発明によるマイクロチャネルヒートシンク構造の製作例２００の一実施形態の斜視図である。図２は、チャネルプレート２２０（図１の１３０）と封入プレート２６０（図１の１３５）とを含む。図２は、冷却液ソースから冷却液を受け取り、排出マニホールド２１０に接続されたマイクロチャネル２３０に冷却液を供給する流入マニホールド２４０を示す。冷却液は、マイクロチャネル２３０を通過する際に熱を吸収し、排出マニホールド２１０へと回収され、冷却液ソースに帰還され、冷却および処理される。封入プレート２６０は、冷却液供給路を流入マニホールド２４０に接続するための流入オリフィス２７０と、排出マニホールド２１０からの冷却液帰還を接続するための排出オリフィス２５０とを含む。他の実施形態は、機械的応力を軽減するために入口側と出口側とに複数のオリフィスを有することができる。

[0014]チャネルプレート２２０は、従来のフォトリソグラフィおよびエッチング技法を使用して、流入マニホールド２４０、マイクロチャネル２３０、および排出マニホールド２１０を設けるためにシリコンから製作し、精密加工することができる。封入プレート２６０もシリコンから製作し、エポキシなどの接着材、またはガラスフリットおよび熱圧縮などの他のウェーハ接合技法を使用してチャネルプレート２２０に接合することができる。

[0015]図３を参照すると、図３は、本発明によるマイクロチャネルヒートシンク構造３００の一実施形態の斜視図である。シリコンウェーハは、通常、透明ではないが、図３は、マイクロチャネルヒートシンク３００の構造的詳細をよりよく示すために、チャネルプレート３２０を透明構造として示す。図３は、封入プレート３６０に接合されたチャネルプレート３２０を示す。冷却液３９０は、流入冷却液コネクタ３８５から冷却液流入オリフィス３７０を通って流入マニホールド中に入る。流入マニホールド３４０は、マイクロチャネル３３０を通って排出マニホールド３１０へと冷却液を分配する。冷却液は、マイクロチャネル３３０を通過するときに加熱される。加熱された冷却液流体３８０は、排出マニホールド３１０によって受け取られ、冷却液排出オリフィス３５０を介して排出冷却液コネクタ３７５に提供され、それから処理のために冷却液ソースに戻される。

[0016]主題は構造的特徴および方法論的動作に特有の言語で説明されてきたが、添付の請求の範囲に定義される主題は、必ずしも上記の特有の特徴または動作に限定されないことを理解されたい。むしろ、上記の特有の特徴および動作は、請求の範囲を実現する例の形として開示される。

Claims (14)

1. 均一なサブマイクロギャップ、および熱光起電力セルの低温側光起電力コレクタの低温を維持するための層状構造であって、
   層状構造は、スペーサによって維持されるサブマイクロギャップによって低温側光起電力セルの第１側面から分離された高温側基板、前記低温側光起電力セルの第２側面と圧縮性層との間に配置されて前記低温側光起電力セルの前記第２側面に連結される屈曲可能なヒートシンク層、および前記圧縮性層と単一の力機構との間に配置される平坦剛性プレートを含み、
   前記層状構造は、エンクロージャ内に収容され、
   前記高温側基板および前記単一の力機構は、前記エンクロージャによって互いに固定的な位置関係に維持され、
   前記光起電力セルと前記屈曲可能なヒートシンク層との間の均一なサブマイクロギャップおよび効果的な熱伝導を維持するために、前記高温側基板と前記単一の力機構との間の前記エンクロージャ内の前記圧縮性層に対する圧縮力が前記力機構によって維持され、
   前記屈曲可能なヒートシンク層、前記低温側光起電力セル、及び前記高温側基板は、前記圧縮力の結果として前記エンクロージャの形と一致する一体形状になる、層状構造。
2. 前記圧縮性層、前記平坦剛性プレート、および前記力機構によって、前記屈曲可能なヒートシンク層が前記光起電力セルに対して押し付けられるように配置される、請求項１に記載の構造。
3. 前記圧縮性層の剛性および厚さが、前記サブマイクロギャップを横切る圧力の変動を最小化するように選択される、請求項１に記載の構造。
4. 前記屈曲可能なヒートシンク層が、
   冷却液オリフィスを介して冷却液流入マニホールドに接続された流入冷却液コネクタと、
   排出冷却液マニホールドを介して冷却液排出コネクタに接続された冷却液排出マニホールドと、
   前記冷却液流入マニホールドと前記冷却液排出マニホールドとの間のチャネルプレートであって、前記冷却液流入マニホールドと前記冷却液排出マニホールドとの間で冷却液を導流させるための複数のマイクロチャネルを有するチャネルプレートとを含む、請求項１に記載の構造。
5. 前記屈曲可能なヒートシンク層が、シリコン封入プレートに接合されたシリコンチャネルプレートを含み、前記チャネルプレートが、流入マニホールド、排出マニホールド、および前記流入マニホールドと前記排出マニホールドとの間のマイクロチャネルを設けるためにシリコンから製作され、精密加工される、請求項１に記載の構造。
6. 前記力機構が、ピエゾ変換器、空気圧アクチュエータ、および圧力調整器からなる群から選択される、請求項１に記載の構造。
7. 均一なサブマイクロギャップ、および熱光起電力セルの低温側光起電力コレクタの低温を維持するための方法であって、
   スペーサによって維持されるサブマイクロギャップによって低温側光起電力セルの第１側面から分離された高温側基板、前記低温側光起電力セルの第２側面と圧縮性層との間に配置されて前記低温側光起電力セルの前記第２側面に連結される屈曲可能なヒートシンク層、および前記圧縮性層と単一の力機構との間に配置される平坦剛性プレートを含む層状構造を形成するステップと、
   前記層状構造をエンクロージャ内に収容するステップと、
   前記エンクロージャによって前記高温側基板および前記単一の力機構を互いに固定的な位置関係に維持するステップと、
   前記光起電力セルと前記屈曲可能なヒートシンク層との間で均一なサブマイクロギャップおよび効果的な熱伝導を維持するために、前記高温側基板と前記単一の力機構との間の前記エンクロージャ内の圧縮性層に対する圧縮力を前記力機構によって生じさせるステップと
   を含み、
   前記屈曲可能なヒートシンク層、前記低温側光起電力セル、及び前記高温側基板は、前記圧縮力の結果として前記エンクロージャの形と一致する一体形状になる、方法。
8. 前記圧縮性層、前記平坦剛性プレート、および前記力機構によって、前記屈曲可能なヒートシンク層を前記光起電力セルに対して押し付けられるように配置するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記圧縮性層によって、前記光起電力セル、前記高温側層、および前記ギャップ内の前記スペーサに対する圧力の変動を最小化するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記屈曲可能なヒートシンク層の冷却液オリフィスを介して流入冷却液コネクタを冷却液流入マニホールドに接続するステップと、
    前記屈曲可能なヒートシンク層の排出冷却液マニホールドを介して冷却液排出マニホールドを冷却液排出コネクタに接続するステップと、
    前記冷却液流入マニホールドと前記冷却液排出マニホールドとの間にチャネルプレートを配置するステップであって、前記チャネルプレートが、前記冷却液流入マニホールドと前記冷却液排出マニホールドとの間に冷却液を導流するための複数のマイクロチャネルを有するステップと
    をさらに含む、請求項７に記載の方法。
11. 屈曲可能なヒートシンク層を形成するためにシリコン封入プレートに接合されたシリコンチャネルプレートを含むステップと、流入マニホールド、排出マニホールド、および前記流入マニホールドと前記排出マニホールドとの間のマイクロチャネルを設けるためにシリコンから前記チャネルプレートを製作して精密加工するステップとをさらに含む、請求項７に記載の方法。
12. 前記力機構を、ピエゾ変換器、空気圧アクチュエータ、および圧力調整器からなる群から選択するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
13. 均一なサブマイクロギャップ、および熱光起電力セルの低温側光起電力コレクタの低温を維持するための層状構造であって、
    スペーサによって維持されるサブマイクロギャップによって光起電力セルの熱コレクタ面から分離された高温側基板の熱エミッタ面と、
    前記熱コレクタ面とは反対側の前記光起電力セルの表面に対して押し付けられるように配置された屈曲可能なヒートシンク層の第１の表面と、
    前記屈曲可能なヒートシンク層の前記第１の表面とは反対側で圧縮性層の第１の表面に対して押し付けられるように配置された前記屈曲可能なヒートシンク層の第２の表面と、
    前記圧縮性層の前記第１の表面とは反対側で平坦剛性プレートの第１の表面に対して押し付けられるように配置された前記圧縮性層の第２の表面と、
    前記平坦剛性プレートの前記第１の表面の反対側で力機構の第１の表面に対して押し付けられるように配置された前記平坦剛性プレートの第２の表面と、
    エンクロージャによって前記力機構の前記第１の表面とは反対側の前記力機構の第２の表面との固定的な位置関係を維持する、前記高温側熱エミッタ面とは反対側の前記高温側基板の熱コレクタ面と、
    前記光起電力セルと前記屈曲可能なヒートシンク層との間の均一なサブマイクロギャップおよび効果的な熱伝導を維持するために、前記高温側熱コレクタ面と前記力機構の前記第２の表面との間の前記エンクロージャ内の層に対して前記力機構によって維持される圧縮力と
    を含み、
    前記屈曲可能なヒートシンク層、前記低温側光起電力セル、及び前記高温側基板は、前記圧縮力の結果として前記エンクロージャの形と一致する一体形状になる、層状構造。
14. 均一なサブマイクロギャップ、および熱電変換セルの低温側光起電力コレクタの低温を維持するための層状構造であって、
    層状構造は、スペーサによって維持されるサブマイクロギャップによって低温側セルから分離された高温側基板、前記低温側セルに連結される屈曲可能なヒートシンク層、圧縮性層、平坦剛性プレート、および力機構を含み、
    前記層状構造は、エンクロージャ内に収容され、
    前記高温側基板および前記力機構は、前記エンクロージャによって互いに固定的な位置関係に維持され、
    前記セルと前記屈曲可能なヒートシンク層との間の均一なサブマイクロギャップおよび効果的な熱伝導を維持するために、前記高温側基板と前記力機構との間の前記エンクロージャ内の層に対する圧縮力が前記力機構によって維持され、
    前記屈曲可能なヒートシンク層、前記低温側光起電力セル、及び前記高温側基板は、前記圧縮力の結果として前記エンクロージャの形と一致する一体形状になる、層状構造。

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