(57)【要約】  熱光起電性パネル組立体は、ヒートシンクと、ヒートシンクに取り付けられた複数の熱光起電性モジュールとを含む。各熱光起電性モジュールは、エミッタ組立体からギャップによって分離された光起電性要素を含む。エミッタ組立体はエミッタを含み、ギャップを維持するために光起電性要素に向かって力を加える。熱光起電性パネル組立体はまた、エミッタ上の力印加層を利用し、所定の位置にボルト止めすることができる。ハウジングは保護のために使用され、エミッタにエネルギーを伝達することができる。ヒートシンクは、熱光起電性モジュールとハウジングの内面との間に空間を画定するために、ハウジング内に片持ち支持されている。好ましくは、ハウジングは真空を維持し、ギャップは排気される。ヒートシンクは、一体式であってもよく、ヒートシンクを通って圧送される流体により冷却してもよい。エミッタは、透明であってもよく、少なくとも部分的に透過性であってもよい。
2019512202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクに取り付けられた少なくとも１つのモジュールであって、
エミッタ組立体と、
ギャップによって前記エミッタ組立体から分離されたエネルギー変換組立体と、
前記ギャップを維持するための力を加えるファスナと
を含む、モジュールと
を備えるパネル組立体。
【請求項２】
前記パネル組立体が熱光起電性であり、前記エネルギー変換モジュールが光起電性要素を有する光起電性モジュールであり、前記エミッタ組立体がエミッタを含み、光起電性組立体が含む、請求項１に記載のパネル組立体。
【請求項３】
前記エミッタが前記ヒートシンクにボルト止めされている、請求項２に記載のパネル組立体。
【請求項４】
前記エミッタに隣接して配置された力印加層をさらに備え、前記ファスナは、前記ヒートシンクに結合するために前記力印加層を通って延在する少なくとも１つのボルトである、請求項１に記載のパネル組立体。
【請求項５】
前記光起電性組立体と前記ヒートシンクとの間にベース基板をさらに備える、請求項２に記載のパネル組立体。
【請求項６】
前記ベース基板が高い熱伝導特性を有する材料から作製される、請求項５に記載のパネル組立体。
【請求項７】
前記エミッタに隣接して配置された力印加層をさらに備え、前記ファスナは、前記ベース基板に結合するために前記力印加層を通って延在する少なくとも１つのボルトである、請求項５に記載のパネル組立体。
【請求項８】
内部を画定する内面を有するハウジングと、
取付ブラケットと、
前記ヒートシンクが前記内部に片持ち支持されて前記少なくとも１つの熱光起電性モジュールと前記内面との間に空間を画定するように、前記取付ブラケットから延在し、前記ヒートシンクに結合された少なくとも１つの支持バーと
をさらに備える、請求項２に記載のパネル組立体。
【請求項９】
前記ハウジングは、閉鎖された遠位端部および開放された近位端部を有する管状である、請求項８に記載のパネル組立体。
【請求項１０】
前記ハウジングを取り付けるために前記開放された近位端部を取り囲むフランジをさらに備え、前記ハウジングが前記取付ブラケットに取り付けられている、請求項９に記載のパネル組立体。
【請求項１１】
前記ハウジングが真空を維持し、前記ギャップが排気され、
前記ヒートシンクは、そこを通ってポンプ輸送される冷却流体を受け入れるための通路を画定し、
ファスナは、少なくとも１つのボルト、少なくとも１つのリベット、少なくとも１つのステープル、少なくとも１つのクランプ、少なくとも１つの結合およびそれらの組み合わせで構成されるグループから選択され、
前記ハウジングと真空源との間に圧力逃がし弁をさらに備える、
請求項８に記載のパネル組立体。
【請求項１２】
内部を画定する内面を有するハウジングと、
前記少なくとも１つの熱光起電性モジュールと前記内面との間で前記ヒートシンクの周囲に空間が形成されるように、前記ヒートシンクと前記内面との間の少なくとも１つの支持要素と
をさらに備える、請求項２に記載のパネル組立体。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの熱光起電性モジュールに電気的接続を提供するために、前記ヒートシンクに結合された電線組立体をさらに備える、請求項２に記載のパネル組立体。
【請求項１４】
第１の内部と前記ヒートシンクとを画定する第１の内面を有し、それによって少なくとも１つの熱光起電性モジュールが前記第１の内部に延在する第１のハウジングと、
第２の内部を画定する第２の内面を有し、前記第１のハウジングを保護するために前記第１のハウジングが前記第２の内部に延在する第２のハウジングと
をさらに備える、請求項２に記載のパネル組立体。
【請求項１５】
前記第２のハウジングは高温環境に取り付けられ、さらに、前記第１のハウジングを選択的に前記第２のハウジング内に動かすことによって前記少なくとも１つの熱光起電性モジュールを所望の場所に移動させるリニアアクチュエータを備える、請求項１４に記載のパネル組立体。
【請求項１６】
内部を画定する内面を有し、前記少なくとも１つの熱光起電性モジュールが前記内部にあるハウジングであって、高温環境において前記ハウジングが所定位置に固定されている、ハウジングと、
前記少なくとも１つの熱光起電性モジュールを前記ハウジング内の所望の位置に移動させるためのリニアアクチュエータと
をさらに備える、請求項２に記載のパネル組立体。
【請求項１７】
内部を画定する内面を有するハウジングと、
前記内部にあるヒートシンクと、
エミッタ組立体からギャップによって分離された要素組立体を含む前記ヒートシンクに結合された少なくとも１つのモジュールと
を備えるパネル組立体であって、
前記ハウジングがエネルギーを吸収することによって前記エミッタ組立体にエネルギーを放射し、前記エミッタ組立体がエネルギーを吸収し、前記ギャップを越えてエネルギーを放出して前記要素組立体によって電気に変換するように、前記少なくとも１つのモジュールと前記内面とがその間に空間を画定する、パネル組立体。
【請求項１８】
前記ヒートシンクが前記ハウジング内に片持ち支持され、前記要素組立体が熱光起電性要素組立体である、請求項１７に記載のパネル組立体。
【請求項１９】
前記ヒートシンクは、前記ハウジングとの熱伝導を低減するために、少なくとも１つの断熱要素によって取り囲まれている、請求項１７に記載のパネル組立体。
【請求項２０】
前記エミッタ組立体は、前記ギャップを維持するための力を加える、請求項１７に記載のパネル組立体。
【請求項２１】
前記モジュールは、光起電性要素と、エミッタと、前記光起電性要素と前記ヒートシンクとの間のベース基板とを含み、
前記エミッタ組立体に隣接して配置され、前記ベース基板に結合された力印加層をさらに備える、請求項１７に記載のパネル組立体。
【請求項２２】
内部を画定する内面を有するハウジングと、
前記内部にあるヒートシンクと、
前記ヒートシンクに結合された少なくとも１つのモジュールと
を備えるパネル組立体であって、
前記内部は、前記ハウジングに入るエネルギーが前記少なくとも１つのモジュールに放射され、前記少なくとも１つのモジュールがエネルギーを吸収して発電するように、前記少なくとも１つのモジュールと前記内面との間に空間を含む、パネル組立体。
【請求項２３】
前記ハウジングは、不透明であり、周囲の熱を完全に吸収し、加熱すると、前記ハウジングは、前記少なくとも１つのモジュールに赤外線エネルギーを放射する、請求項２２に記載のパネル組立体。
【請求項２４】
前記ハウジングは、一部のエネルギーが吸収されて前記ハウジングを加熱し、一部のエネルギーがそこを通って伝達されるように半透明である、請求項２２に記載のパネル組立体。
【請求項２５】
前記ハウジングは、周囲のエネルギーがそこを通って前記少なくとも１つの熱光起電性モジュールに伝達されるように透明である、請求項２２に記載のパネル組立体。
【請求項２６】
前記ハウジングが、その異なる領域における透明度を変化させる１つ以上の窓を含む、請求項２２に記載のパネル組立体。
【請求項２７】
前記少なくとも１つのモジュールは、エミッタ組立体と、ギャップによって前記エミッタ組立体から分離された光起電性組立体と、前記ギャップを維持するために力を加えるファスナとを含み、
前記光起電性組立体と前記ヒートシンクとの間にベース基板をさらに備え、
前記ヒートシンクは、前記少なくとも１つのモジュールと前記内面との間に空間を画定するように前記内部に片持ち支持されており、
前記ハウジングは真空を維持する、
請求項２２に記載のパネル組立体。
【請求項２８】
前記ヒートシンクは、前記少なくとも１つのモジュールに隣接する少なくとも１つの冷却ベイを画定し、前記少なくとも１つの冷却ベイは、冷却流体源に結合される、請求項２２に記載のパネル組立体。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの冷却ベイは、熱交換を促進するフィンを含む、請求項２８に記載のパネル組立体。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの冷却ベイは複数の冷却ベイであり、各冷却ベイは入口を有し、前記入口は前記ヒートシンク上の位置に応じて変化して、冷却要件の局所的変動に対処する、請求項２８に記載のパネル組立体。
【請求項３１】
有効スペクトルの第１の光子を電気に変換するために前記有効スペクトルを有する光起電性要素と、
ギャップによって光起電性組立体から分離されたエミッタ組立体であって、前記有効スペクトル内の前記第１の光子がそこを通過することを可能にする、エミッタ組立体と
を備える熱光起電性組立体。
【請求項３２】
前記エミッタ組立体は、前記ギャップの視覚的観察のために少なくとも部分的に透明であり、前記エミッタ組立体は、フッ化マグネシウム、石英、シリカ、サファイア、第１のコーティングを有する石英、第２のコーティングを有するシリカ、および第３のコーティングを有するサファイアで構成される群から選択される材料から作製される、請求項３１に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項３３】
前記エミッタ組立体は断熱材料から作製される、請求項３１に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項３４】
前記エミッタ組立体は、加熱されたときに前記有効スペクトル内の光子を放射する、請求項３１に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項３５】
前記エミッタ組立体は、前記ギャップを維持するために前記エミッタ上に形成される複数のスペーサを含む、請求項３１に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項３６】
前記エミッタ組立体は、各スペーサの周囲に熱分離トレンチを画定する、請求項３１に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項３７】
吸収のために前記有効スペクトルの外側の第２の光子を前記エミッタに戻すように反射させるために、前記光起電性要素上に裏面反射体コーティングをさらに備える、請求項３１に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項３８】
前記エミッタの側面に少なくとも１つの層をさらに備える、請求項３１に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項３９】
前記少なくとも１つの層が、屈折率整合のためのものである、請求項３８に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項４０】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に取り付けられた少なくとも１つの熱光起電性モジュールであって、
有効スペクトルの第１の光子を電気に変換するために前記有効スペクトルを備えた光起電性要素を有する光起電性組立体と、
ギャップによって前記光起電性組立体から分離されたエミッタ組立体であって、前記有効スペクトル内の前記第１の光子がそこを通過することを可能にする、エミッタ組立体と
を含む、熱光起電性モジュールと
を備える熱光起電性パネル組立体。
【請求項４１】
前記ヒートシンクは、前記少なくとも１つの熱光起電性モジュールに隣接する少なくとも１つの冷却ベイを画定し、前記少なくとも１つの冷却ベイは、入口マニホルドによって冷却流体源に結合され、各冷却ベイは入口を画定し、
スリーブであって、前記入口マニホルド内に挿入され、前記各冷却ベイを通る流れを前記ヒートシンク上の位置に従って変化させて冷却要件の局所的変動に対処するスリーブをさらに備える、
請求項４０に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項４２】
前記熱光起電性モジュールの気密封止をさらに備える、請求項４０に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項４３】
前記気密封止は、前記熱光起電性モジュールの内部のみが真空下になるように真空を維持する、請求項４２に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項４４】
前記気密封止は、前記エミッタ組立体と前記光起電性要素との間のギャップを維持する力を持続させる壁を含む、請求項４２に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項４５】
有効スペクトルの第１の光子を電気に変換するために前記有効スペクトルを有する光起電性要素と、
ギャップによって光起電性組立体から分離されたエミッタ組立体であって、
第１の平坦な表面と、前記第１の表面に対向する第２の表面とを有し、前記第２の表面がギャップによって前記光起電性要素から分離されている基板と、
前記エミッタ組立体が前記第１の光子を前記光起電性要素に放射してそれによって吸収されるように、前記エミッタ組立体を加熱するために熱放射熱源から放出された第２の光子を吸収するために前記第２の表面上に堆積した光学的に不透明または高屈折率材料の薄層であって、前記第２の光子が前記有効スペクトルの外側にある、薄層と
を含む、エミッタ組立体と
を備える熱光起電性パネル組立体。
【請求項４６】
前記薄層が炭素である、請求項４５に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項４７】
前記基板が、前記ギャップを設定するための複数のスペーサを形成する、請求項４５に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項４８】
前記第２の光子は前記第１の光子とは異なり、前記エミッタ組立体は、前記有効スペクトルの前記第１の光子を通過させる、請求項４５に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項４９】
前記基板は、シリカ、溶融シリカ、石英、および溶融石英から構成されるグループである、請求項４５に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項５０】
前記光起電性要素に裏面反射層をさらに備える、請求項４５に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項５１】
前記裏面反射層が金である、請求項５０に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項５２】
光起電性要素を有する熱光起電性パネル組立体用のエミッタを製造する方法であって、
第１の表面と前記第１の表面に対向する第２の表面とを有する光学的に透明な基板を提供するステップと、
前記エミッタをギャップによって前記光起電性要素から分離するために、前記第２の表面上に複数のスペーサを形成するステップと、
前記エミッタが第２の光子を前記光起電性要素に放射してそれによって吸収されるように、前記エミッタを加熱するために、熱放射熱源から放出された第１の光子を吸収するために前記第２の表面上に光学的に不透明な材料の薄層を堆積させるステップと
を含む方法。
【請求項５３】
光起電組立体と前記ヒートシンクとの間のベース基板であって、複数の凹部を画定し、各凹部はその中に取付組立体を有し、各取付組立体はナットおよびばねを含むベース基板と、
前記エミッタに隣接して配置された力印加層であって、前記ファスナは複数のボルトであり、各ボルトは前記凹部内のナットに結合する、力印加層と
をさらに備える、請求項４に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項５４】
前記凹部は、前記ナットを設定された向きに保持するように寸法決めされ構成された外側部分と、組み立てられると前記ばねが前記ナットによって内側部分に保持され、前記複数のボルトが前記ばねを貫通し、前記ナットに螺合して前記ばねが圧縮力を提供するように、比較的半径方向により狭い内側部分とを含む、請求項５３に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項５５】
前記力印加層の形状はやや正方形であり、
前記複数のボルトは、前記形状の角部に対向する対に配置された８つのボルトである、請求項５３に記載の熱光起電性パネル組立体。
【請求項５６】
エネルギー変換組立体と、
熱光起電性パネル組立体を廃熱環境に選択的に挿入するために前記エネルギー変換組立体に結合された取付システムと、
前記熱光起電性パネル組立体の動作を制御するために前記取付システムと前記熱光起電性パネル組立体とに結合された制御ユニットと
を備える、廃熱環境からの電力生成を評価するための可搬型診断ツール。
【請求項５７】
前記取付システムは、ベース構造と、前記可搬型診断ツールを移動させるための前記ベース構造上の係止枢動キャスターと、警報ユニットと、冷却システムと、真空システムと、前記熱光起電性パネル組立体を軸に沿って選択的に移動させるためのレールシステムとを含む、請求項５６に記載の可搬型診断ツール。
【請求項５８】
前記冷却ユニットおよび前記真空ユニットのうちの少なくとも１つは、前記熱光起電性パネル組立体の展開中に平衡錘として作用するように配置される、請求項５７に記載の可搬型診断ツール。
【請求項５９】
前記制御ユニットは、ビデオ録画および監視機器、ユーティリティに結合するためのコネクタ、ＵＰＳバックアップユニット、データ取得モジュール、およびリモートアクセス制御ユニットを含む、請求項５６に記載の可搬型診断ツール。
【請求項６０】
前記制御ユニットは、所定の条件が満たされたときに前記熱光起電性パネル組立体を廃熱環境から自動的に後退させるように動作可能である、請求項５９に記載の可搬型診断ツール。
【請求項６１】
前記制御ユニットが挿入速度および引抜き速度を制御する、請求項６０に記載の可搬型診断ツール。
【請求項６２】
前記エネルギー変換組立体は、
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクに取り付けられた少なくとも１つの熱光起電性モジュールであって、
エミッタ組立体と、
ギャップによって前記エミッタ組立体から分離された光起電性組立体と、
前記ギャップを維持するための力を加えるファスナと
を含む、熱光起電性モジュールと、
内部を画定する内面を有するハウジングと、
取付ブラケットと、
前記ヒートシンクが前記内部に片持ち支持されて前記少なくとも１つの熱光起電性モジュールと前記内面との間に空間を画定するように、前記取付ブラケットから延在し、前記ヒートシンクに結合された少なくとも１つの支持バーと
を有する前記熱光起電性パネル組立体を含む、請求項５６に記載の可搬型診断ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、エネルギー変換に関し、特に、圧力の印加を統合してミクロンギャップを維持する放射性ミクロンギャップ熱光起電性モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
技術はあらゆる面でエネルギーの使用と発電を改善するように推進されている。発電用の超効率技術と設計から誰もが恩恵を受けるであろう。そのために、熱を電力に変換する画期的な技術が開発された。例えば、ミクロンギャップ熱光起電性大型サブミクロンギャップの方法および装置が、２０１４年７月２９日に発行されたＢｒｏｗｎらの特許文献１に示されている。特許文献１の技術は、熱界面材料によるエミッタとハウジングとの間の直接的な物理的接触を介して、高温ハウジングからエミッタへのエネルギーの伝導伝達を伴う近接場熱光起電性（ＰＶ）電池を利用するエネルギー変換システムである。近接場熱ＰＶ電池の追加の例は、２００１年５月１５日に発行されたＤｉＭａｔｔｅｏらの特許文献２、および２００９年１１月１２日に公開されたＧｒｅｉｆｆらの特許文献３（現在は特許文献４が発行されている）に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８７９１３５７号明細書
【特許文献２】米国特許第６２３２５４６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／０２７７４８８号明細書
【特許文献４】米国特許第８０７６５６９号明細書
【特許文献５】米国特許第８８２９３３５号明細書
【特許文献６】米国特許第８６３３３７３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本技術は、熱電または量子ドットエネルギー収穫システム、熱電子放出、遠方場ギャップエネルギー変換、光起電性および現在知られている、また後に開発される他のタイプのエネルギー変換など、様々なエネルギー変換システムに広く適用可能である。例示のために熱光起電性エネルギー変換に関して以下で説明するが、当業者は本技術の幅広い応用を理解するであろう。固体システムを使用してエネルギーを収穫および生成できることが、本技術の利点である。固体システムは、光起電性要素から離間したエミッタを含む。ハウジングからエミッタに伝達された放射エネルギーは電気エネルギーに変換される。
【０００５】
一実施形態では、本技術は、ヒートシンクを含む熱光起電性パネル組立体を対象とする。少なくとも１つの熱光起電性モジュールがヒートシンクに取り付けられている。各熱光起電性モジュールは、エミッタ組立体と、エミッタ組立体からギャップによって分離された光起電性組立体と、ギャップを維持するために力を加えるファスナとを含む。好ましくは、ギャップはサブミクロンギャップである。エミッタをヒートシンクに固定することができるか、またはエミッタに取り付けられた力印加層をヒートシンクに結合することができる。光起電性組立体とヒートシンクとの間のベース基板は、力を加えるためにファスナに結合することもできる。ベース基板は、優れた熱伝導特性を有するように選択することができる。さらに、ベース基板は、熱界面特性を改善するために処理されてもよく、または層が追加されてもよい。熱光起電性パネル組立体はまた、内部を画定する内面を有するハウジングを有してもよく、ヒートシンクは、内部に片持ち支持されて、少なくとも１つの熱光起電性モジュールと内面との間に空間を画定する。ハウジングは、典型的には真空を維持し、ギャップは排気される。典型的な真空レベルは、約０．１〜１０ミリトールである。ヒートシンクは、一体式であってもよく、あるいは、ヒートシンクを通って圧送される冷却流体を受け入れるための通路を画定するいくつかの部分から構成されてもよい。光起電性要素および／またはエミッタ上の少なくとも１つ、通常は複数のスペーサは、ギャップを維持することができる。
【０００６】
本技術の別の実施形態は、内にヒートシンクを有する内部を画定する内面を有するハウジングを含む熱光起電性パネル組立体を対象とする。少なくとも１つの熱光起電性モジュールがヒートシンクに結合し、ギャップによってエミッタ組立体から分離された光起電性要素組立体を有する。少なくとも１つの熱光起電性モジュールおよび内面は、その間に空間を画定するため、ハウジングがエネルギーを吸収することによってエミッタ組立体にエネルギーを放射し、エミッタ組立体がエネルギーを吸収し、ギャップを越えてエネルギーを放出して光起電性要素組立体による電力への変換が達成される。一実施形態では、ヒートシンクはハウジング内に片持ち支持されている。あるいは、熱光起電性モジュールとヒートシンクとの間の接触を防止するために、１つ以上の断熱要素がヒートシンクを取り囲むかまたはヒートシンクから突出することができる。
【０００７】
本技術のさらに別の実施形態は、内にヒートシンクを有する内部を画定する内面を有するハウジングを含む熱光起電性パネル組立体を含む。１つ以上の熱光起電性モジュールがヒートシンクに結合する。内部は、熱光起電性モジュールと内面との間に空間を含むため、ハウジングによって放射されおよび／またはハウジングに入るエネルギーが熱光起電性モジュールに放射され、熱光起電性モジュールがエネルギーを吸収して発電する。熱光起電性モジュールは、エミッタ組立体と、ギャップによってエミッタ組立体から分離された光起電性組立体と、ギャップを維持するために力を加えるファスナとを含むことができる。熱伝導能力および／または構造的支持を向上させるために、ベース基板を光起電性組立体とヒートシンクとの間に配置することができる。
【０００８】
本技術のさらに別の実施形態は、ヒートシンクと、ヒートシンク上に取り付けられた少なくとも１つの熱光起電性モジュールとを含むミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体に関する。熱光起電性モジュールは、エミッタ組立体からミクロンギャップによって分離された光起電性要素を含む。エミッタ組立体はエミッタを含み、光起電性要素に向かって力を加えてミクロンギャップを維持する。好ましくは、エミッタはヒートシンクにボルト止め、ねじ止め、および／またはクランプ止めされる。ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体はまた、エミッタ上に取り付けられ、ヒートシンクにボルト止めされた力印加層を利用してもよい。力印加層は、エミッタと一体化されているかまたはエミッタ自体であってもよい。
【０００９】
ハウジングは保護のために使用され、エミッタにエネルギーを伝達することができる。ヒートシンクは、少なくとも１つの熱光起電性モジュールと内面との間に空間を画定するために、ハウジング内に片持ち支持されてもよい。好ましくは、ハウジングは真空を維持し、ミクロンギャップは排気される。ヒートシンクは、一体式であってもよく、ヒートシンクを通って圧送される流体により冷却してもよい。少なくとも１つのスペーサは、光起電性要素とエミッタ要素との間にあり、ミクロンギャップを維持することができる。熱光起電性モジュールは、光起電性要素とヒートシンクとの間に熱界面層を含むことができる。
【００１０】
本技術の別の実施形態は、内部を画定する内面を有するハウジングを含むミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体を対象とする。ヒートシンクは、内部に片持ち支持されている。少なくとも１つの熱光起電性モジュールがヒートシンクに取り付けられている。少なくとも１つの熱光起電性モジュールは、エミッタからミクロンギャップにより分離された光起電性要素を含む。ハウジングがエネルギーを吸収することによってエミッタにエネルギーを放射するように、少なくとも１つの熱光起電性モジュールおよび内面は、その間に空間を画定する。エミッタはエネルギーを吸収し、ミクロンギャップを越えてエネルギーを放出して光起電性要素によって電気に変換する。エミッタはまた、ミクロンギャップを維持するために光起電性要素に向かって力を加えることができる。例えば、エミッタはヒートシンクにボルト止めされている。あるいは、エミッタ上に力印加層が取り付けられ、ヒートシンクにボルト止めされている。
【００１１】
本技術のさらに別の実施形態は、内部を画定する内面を有するハウジングを含むミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体に関する。ヒートシンクは、内部に片持ち支持されている。少なくとも１つの熱光起電性モジュールがヒートシンクに取り付けられている。少なくとも１つの熱光起電性モジュールは、エミッタからミクロンギャップにより分離された光起電性要素を含む。ハウジングに入るエネルギーがエミッタに放射されるように、内部は、少なくとも１つの熱光起電性モジュールと内面との間に空間を含む。その結果、エミッタはエネルギーを吸収し、それによりミクロンギャップを越えてエネルギーを放出し、光起電性要素による電気への変換が行われる。
【００１２】
別のエネルギー変換組立体は、本技術の全部または一部から利益を得ることができることを理解されたい。例えば、限定はしないが、熱電または量子ドットエネルギー収穫システムは、本技術を利用することができる。本技術は、限定はしないが、現在知られている、また後に開発される用途のためのプロセス、装置、システム、デバイスおよび方法を含む多数の方法で実装および利用できることも理解されたい。本明細書に開示されたシステムのこれらおよび他の独特な特徴は、以下の説明および添付図面からより容易に明らかになるであろう。
【００１３】
開示されたシステムが属する当業者であれば、以下の図面を参照して、それらの作製方法および使用方法をより容易に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示によるミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体の斜視図である。
【図２Ａ】本開示によるミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体の分解図である。
【図２Ｂ】本開示による別のミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体の分解図である。
【図３】本開示によるミクロンギャップ熱光起電性モジュールの分解図である。
【図４】本開示によるミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体の動作を示すための部分的切欠き図である。
【図５】本開示による構成要素を示すために、部分的に組み立てられた状態の別の熱光起電性パネル組立体の斜視図である。
【図６】従来のヒートシンクの分解図である。
【図７】本開示によるヒートシンクの冷却ベイを示す縦断面図である。
【図８】本開示によるヒートシンクの入口マニホルドを示す代替的な縦断面図である。
【図９】本開示によるヒートシンクの冷却ベイを示す断面図である。
【図１０】本開示による別のヒートシンクを示す断面図である。
【図１１】本開示によるエミッタの断面図である。
【図１２Ａ】本技術による不均一なギャップの外観を例示する画像である。
【図１２Ｂ】本技術による均一なギャップの外観を例示する画像である。
【図１３Ａ】本技術に従って薄膜エミッタを作製するための様々な可能な製造工程を示すやや概略的な断面図である。
【図１３Ｂ】本技術に従って薄膜エミッタを作製するための様々な可能な製造工程を示すやや概略的な断面図である。
【図１３Ｃ】本技術に従って薄膜エミッタを作製するための様々な可能な製造工程を示すやや概略的な断面図である。
【図１３Ｄ】本技術に従って薄膜エミッタを作製するための様々な可能な製造工程を示すやや概略的な断面図である。
【図１３Ｅ】本技術に従って薄膜エミッタを作製するための様々な可能な製造工程を示すやや概略的な断面図である。
【図１３Ｆ】本技術による薄膜エミッタの別の実施形態のやや概略的な断面図である。
【図１４】本技術に従って光起電性要素のバンドギャップに配置された高透過率と高吸収率との間の遷移を有する最適化されたエミッタのグラフ図である。
【図１５】本技術によるミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体を有する産業用ガラス炉の用途を示す図である。
【図１６Ａ】本開示による別のミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体の斜視図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａのミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体の遠位端部の部分分解図である。
【図１６Ｃ】図１６Ａのミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体の角電気ジャンパの断面図である。
【図１６Ｄ】図１６Ａのミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体の電気母線の断面図である。
【図１６Ｅ】図１６Ａのミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体のヒートシンクの斜視図である。
【図１６Ｆ】図１６Ｅのヒートシンクの部分分解図である。
【図１６Ｇ】図１６Ｅのヒートシンクのフィンプレートの平面図である。
【図１６Ｈ】図１６Ｅのヒートシンクのフィンプレートの端部の詳細図である。
【図１６Ｉ】図１６Ｅのヒートシンクの断面図である。
【図１７Ａ】本開示による別の熱光起電性（ＴＰＶ）モジュールの上面斜視図である。
【図１７Ｂ】図１７ＡのＴＰＶモジュールの底面斜視図である。
【図１７Ｃ】図１７Ａおよび図１７ＢのＴＰＶモジュールにおける取付組立体の断面図である。
【図１８】本技術に従って透明または他の基板上にナノギャップスペーサを作製するための様々な可能な製造工程の一連の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本技術は、エネルギー変換組立体に関連する先行技術の多くの問題を克服する。以下の説明は、例示のためにミクロンギャップ熱光起電性組立体に関するものであるが、本技術は、量子ドットエネルギー収穫システム、熱電子放出組立体、遠方場光起電力などの遠方場組立体、太陽電池など、他のアプローチにも同様に適用可能である。
【００１６】
本明細書で開示された技術の利点および他の特徴は、本技術の代表的な実施形態を示す図面と併せて以下の特定の好ましい実施形態の詳細な説明から、当業者にはより容易に明らかになるであろう。以下の説明は図面のみに関連するものであり、対象技術の方向が可変であるため、上向き、下向き、左向きおよび右向きのような用語は限定的に解釈されるべきではない。
【００１７】
ここで図１を参照すると、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体が示され、全体的には参照番号１００で示されている。ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００は、熱エネルギーを電力に変換するための複数の熱光起電性モジュール１５０（図２Ａ、簡略化のためにその一部のみを示す）を含む。ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００は、産業プロセスからの熱の経路などの高温環境に部分的に配置される。ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００は、壁１０に形成された開口部を単に通過して熱にアクセスすることができる。ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００は、取付ブラケット組立体１２０上に支持された細長いハウジング１０２を含む。取付ブラケット組立体１２０は、ハウジング１０２の一部が壁１０を通過して熱に曝されるように支持面１２に結合する。ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００には、入口冷却管１０４および出口冷却管１０４を通して冷却液が供給される。冷却管１０４は、冷却液を圧送する冷却システム（図示せず）に接続する。冷却ラインは、起こり得る過圧に対処するための圧力逃がし弁（図示せず）を含むことができる。さらに、ハウジング１０２は、ハウジング１０２内の真空を維持するための真空接続部１０６を有する。真空接続部１０６は、圧力逃がし弁１０８も含む。圧力逃がし弁１０８は、真空によって適所に保持された拘束された蓋１１０および／またはヒンジ付きプレートまたはクリップ（図示せず）のような追加の装置を有する。冷却液漏れまたはハウジング１０２内の蒸気の迅速な生成の場合、逃げる蒸気が蓋１１０をずらして蒸気が放出する。
【００１８】
さらに図２Ａを参照すると、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００の分解図が示されている。熱光起電性モジュール１５０はヒートシンク１７０に取り付けられている。熱光起電性モジュール１５０は、対向する上面１７４および底面１７４上のヒートシンク１７０の遠位端部１７２に向かって取り付けられている。側壁１７３は、上面１７４と底面１７４との間に延在している。ヒートシンク１７０は、一体式であってもよいし、複数の構成要素から作製されて、冷却管１０４と流体連通する複数の冷却通路を形成してもよい。冷却システムがチューブ１０４およびヒートシンク１７０の通路を通って冷却液を圧送すると、熱光起電性モジュール１５０は冷却される。
【００１９】
好ましくは、ヒートシンク１７０は、熱光起電性モジュール１５０を冷却する目的で熱伝導性が高い金属（例えば、アルミニウム、銅またはスチール）または熱伝導性セラミックなどの材料で構成される。一実施形態では、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００は、約６ｃｍ×６ｃｍでほぼ正方形の２４個の熱光起電性モジュール１５０を有する。ヒートシンク１７０は、長さ約５５インチ、幅４インチ、厚さ１インチである。
【００２０】
高温ハウジング１０２は、ヒートシンク１７０を囲む。ハウジング１０２は、金属、石英、炭化ケイ素などのセラミック、または他の材料であってもよい。ハウジング１０２は、炭化ケイ素などの材料の押し出しまたは静水圧プレスおよびその後の焼結によって形成することができる。ハウジング１０２は、不透明で周囲の熱を完全に吸収することができる。加熱されると、ハウジング１０２は次いで赤外線エネルギーを熱光起電性モジュール１５０に放射する。代替として、ハウジング１０２は、トランスルーセントまたは半透明であってもよく、一部のエネルギーは吸収されてハウジングを加熱し、一部のエネルギーはそこを通って伝達される。このように、熱光起電性モジュール１５０は、ハウジング照射および周辺環境からエネルギーを受け取る。ハウジング１０２は透明であってもよく、周囲のエネルギーはそこを通して熱光起電性モジュール１５０に伝達される。別の実施形態では、ハウジング１０２は、ハウジング１０２の異なる領域における透明度、半透明性または不透明度を変化させる１つ以上の窓または機構を有する。
【００２１】
ヒートシンク１７０は、熱光起電性モジュール１５０とハウジング１０２との間の熱伝導を最小限にするために、ハウジング内部１１２（図４）に片持ち支持されている。ハウジング１０２および／またはヒートシンク１７０は、組み立て中など、ハウジングとの不慮の接触による損傷を防ぐために、１つ以上複数のバンパー、リングまたは突起部を含むことができる。あるいは、ヒートシンク１７０は片持ち支持されず、１つ以上の要素がハウジング１０２内のヒートシンク１７０を支持し、および／またはハウジング１０２内のヒートシンク１７０の位置を設定する。好ましくは、支持要素は非導電性であり、熱光起電性モジュール１５０および／またはヒートシンク１７０およびハウジング１０２の間の熱伝導を最小にする。
【００２２】
例えば、別のヒートシンク２７０が図５に部分的に組み立てられた状態で示されている。当業者には理解されるように、ヒートシンク２７０および熱光起電性モジュール２５０は、上述の熱光起電性パネル組立体１００と同様の原理を利用する。したがって、数字「１」の代わりに数字「２」から始まる同様の参照番号は、同様の要素を示すために使用される。主な相違点は、１つ以上の位置でヒートシンク２７０の周りに嵌合する非伝導要素２７３である。一実施形態では、非伝導要素２７３は石英ディスクである。バンパー、突起部、足部、スタンドオフ、剛性フレーム、リングなどのような多くの代替物を様々な組み合わせで使用することができる。熱光起電性パネル組立体１００はまた、照射されるべき領域に放射光を閉じ込める隔壁２７５を含むことができる。隔壁２７５は、ヒートシンク２７０を反射および／または追加的に支持することができる。
【００２３】
さらに図２Ａを参照すると、ヒートシンク１７０は、支持バー１２２によって取付ブラケット組立体１２０に結合された近位端部１１４を有する。支持バー１２２は、取付ブラケット組立体１２０から延在する。ヒートシンク１７０は、支持バー１２２の間を摺動し、バー１２２の穴１２６を通ってヒートシンク１７０のねじ穴１７６に通されるボルト１２４（簡略化のために１つのみ示されている）によって定位置に保持される。好ましくは、各支持バー１２２は、取付ブラケット組立体１２０に溶接され、２つの支持バー１２２が一緒になって、ヒートシンク１７０の片持ち重量を支持する。
【００２４】
ハウジング１０２は、フランジブラケット１１８のクリアランスホールを通るボルト１２７によってブラケット１１８に結合する近位のカラーまたはフランジ１１６を有する。好ましくは、高温封止（図示せず）がハウジング１０２の近位端部１１４とブラケット１１８との間で使用される。ハウジング１０２は真空接続部１０６に接続され、ハウジング内部１１２が排気され、熱光起電性モジュール１５０は真空状態になる。取付ブラケット組立体１２０はまた、電気導管または接続部１２８を含む。電気接続部１２８は、熱光起電性モジュール１５０からの電力を、必要に応じて遠隔に配置することができるインバータなどの電力調整機構にもたらす。
【００２５】
ここで図２Ｂを参照すると、本開示による別のミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体２００の分解図が示されている。上述の実施形態に関連して説明した要素と同様の要素は、同様の参照番号で示されている。多くの要素は、前述の実施形態の要素と本質的に同じであり、したがって、ここではこれ以上説明しない。主な相違点は、ハウジング２０２内のヒートシンク２７０を片持ち支持する方法である。
【００２６】
ヒートシンク２７０は、下部フレーム２２３によって支持されている。下部フレーム２２３とヒートシンク２７０は好ましくは一緒にボルト止めされる。ヒートシンク２７０の上面２７４は、ヒートシンク２７０の適切な位置決めをさらに安定させて維持するために、取付ブラケット組立体２２０にボルト止めする直立したＬ字形ブラケット２２５を有する。ヒートシンク２７０は、ヒートシンク２７０の近位端部とブラケット２１８との間に隙間が形成されて設備の接続を容易にするように、下部フレーム２２３およびＬ字形ブラケット２２５にのみ接触することができることが想定される。
【００２７】
ここで図３を参照すると、熱光起電性モジュール１５０の分解図が示されている。各熱光起電性モジュール１５０は同一であることが好ましいが、各々はまた、ヒートシンク１７０の長さに沿った熱光起電性モジュール１５０の用途および配置場所に応じて変化してもよい。なお、本明細書のレンダリングは例示の目的のためのものであり、様々な構成要素の縮尺および厚さは、製造されるときに全く異なることがある。
【００２８】
熱光起電性モジュール１５０は、光起電性要素１５２を有する光起電性要素組立体１５１と、エミッタ１５８を有するエミッタ組立体１５６とを含む。なお、明瞭にするために、エミッタ組立体１５６は力印加層１９０の下にあり、力印加層１９０は半透明で描かれている。光起電性要素１５２とエミッタ１５８とは、組み立てられるとミクロンギャップにより分離される。ミクロンギャップは、サブミクロンサイズのスペーサ（明示されていない）によって維持される。例えば、２０１４年９月９日に発行されたＧｒｉｅｆｆの特許文献５および２０１４年１月２１日に発行されたＧｒｉｅｆｆらの特許文献６には、光電池のミクロンギャップを維持するためのスペーサが例示されている。このような現在既知の、および後に開発されるスペーサが本技術に利用されてもよい。ハウジング１０２が真空下に維持されると、ミクロンギャップが排気される。
【００２９】
ベース基板１６０は、熱光起電性モジュール１５０とヒートシンク１７０との間に挟まれており、ヒートシンク１７０による熱光起電性モジュール１５０の冷却を促進する。ベース基板１６０は、ボルト１６６がベース基板１６０を定位置に固定することができるように、ヒートシンク１７０に形成されたねじ穴１６４と位置合わせされた４つの角部取付穴１６２を画定する。ベース基板１６０には、熱界面特性を有する層を塗布してもよい。好ましくは、ベース基板は、表面における界面の熱抵抗を低減するために、熱拡散の改善ならびに促進（表面の粗面化またはテクスチャリングまたはベース基板の上下に位置する熱界面材料の収容など）のために、厚さ方向の熱伝導率および高い側方熱伝導率を有することが好ましい。
【００３０】
ボルトはファスナの一種であると認識される。任意のタイプのファスナが、本明細書に記載のファスナと交換可能であることが想定される。例えば、限定はしないが、ファスナは、ボルト、リベット、ステープル、クランプ、ボンド材など、ならびにこれらの組み合わせから選択することができる。ファスナは、適用時に機械的に堅くてもよいし、機械的に適合する特性を有してもよい。機械的に適合する特性は、構成要素に損傷を与える力の集中を有利に防止する。ベース基板１６０はまた、ヒートシンク１７０に適所に接着されてもよい。
【００３１】
好ましくは、ベース基板１６０は、高い熱伝導率を有する間質性材料を含み、光起電性要素組立体１５１との間、ならびにヒートシンク１７０との間に低い熱接触抵抗を有する界面を形成する。代替的に、熱光起電性モジュール１５０、さらに光起電性要素１５２は、接着の有無にかかわらずヒートシンク１７０に直接接触してもよい。光起電性要素組立体１５１および光起電性要素１５２は、正方形、三角形、円形または任意の所望の形状であってもよい。同様に、エミッタ組立体１５６、エミッタ１５８、およびベース基板１６０は、様々な形状にすることができる。
【００３２】
ベース基板１６０はまた、ピンボード１４０のための凹部１６８を画定することによって光起電性要素組立体１５１への電気的結合を容易にする。ピンボード１４０は、光起電性要素組立体１５１に接触するために一連の開口部１４６を通過する一連のピン１４２を有し、対応する電気パッド（図示せず）で形成されている。ピン１４２は、ばね付勢など機械的に適合していてもよい。ピンボード１４０はまた、ピン１４２と電気的に連通する導電性パッド１４４を含む。このように、導電性パッド１４４は、光起電性要素組立体１５１と電気的に連通している。
【００３３】
ヒートシンク１７０の側壁１７６は、ワイヤ１８４が走行する細長い凹部１７７を形成する。凹部１７７は、好ましくはカバー（図示せず）によって囲まれている。ワイヤ１８４は、電気コネクタ１２８（図２Ａに示す）からヒートシンク１７０の側壁１７６を通って延在している。単一のワイヤ１８４が各熱光起電性モジュール１５０に向かって曲がる。一実施形態では、２４本のワイヤが電気コネクタ１２８から出て、最外側のワイヤがそれぞれ各熱光起電性モジュール１５０で上下に曲がる。
【００３４】
したがって、例えば、遠位端部１７２からの第３および第４の熱光起電性モジュール１５０には、４本のワイヤ１８４が存在する。２本のワイヤ１８４は、遠位端部１７２の第１および第２の熱光起電性モジュール１５０に通じ、１本は第３の熱光起電性モジュール１５０に接続するために上方に曲がり、１本は第４の熱光起電性モジュール１５０に接続するために下方に曲がる。ワイヤ１８４は別個であるか、またはワイヤ１８４が柔軟なフラットケーブルにリソグラフ的に画定されているフレックスプリント組立体などの組立体として作製され得る。
【００３５】
ヒートシンク１７０はまた、複数のスロット１８６を形成し、スロット１８６を通って電気ランド１８８がそれぞれ通過する。各ランド１８８は、金、銅、または任意の導電性材料であってもよい。ワイヤ１８４が熱光起電性モジュール１５０に向かって曲がると、ワイヤ１８４はランド１８８に接続する。次に、ランド１８８は、導電性パッド１４４に電気的に接続される。したがって、電気コネクタ１２８から光起電性要素１５２まで電気的連続性が確立される
【００３６】
エミッタ組立体１５６は、実質的に光起電性要素組立体１５１を覆う。エミッタ組立体１５６は、好ましくは、光起電性要素１５２とエミッタ１５８との間にミクロンギャップを維持するために力を加える。エミッタ組立体１５６は、エミッタ１５８の上部に力を加えるための力印加層１９０を含む。力印加層１９０は、ベース基板１６０内のねじ穴１９６に結合するねじ１９４用の４つの穴１９２を画定する。このように、ボルト１６６と比較して比較的軽いトルクがねじ１９４に加えられてもよい。
【００３７】
別の実施形態では、ベース基板１６０にねじ穴１９６がない。代わりに、ベース基板１６０はクリアランスホールを形成し、ねじ１９４はナットに結合する。ナットは、ばねをベース基板１６０の底部に押し込むようにばねによって付勢される。ばねは、ねじ内の力が熱光起電性モジュール１５０の１つ以上の層を破壊する過度に大きな力を生成しないように、コンプライアンスを提供する。力印加層１９０は、エミッタ１５８の動作を妨害しないような材料から選択される。典型的には、力印加層１９０はエミッタ１５８を覆う。
【００３８】
あるいは、力印加層がない。代わりに、エミッタ１５８は、ねじ穴を通過するねじが構成要素を適切な位置に維持するように、ねじ穴を形成するのに十分な頑強性を有する。別の実施形態では、熱光起電性モジュールは、熱光起電性モジュールの内部のみが真空になるように気密封止される。例えば、熱光起電性モジュールは気密封止されてもよく、気密封止の壁はミクロンギャップを維持する力を持続させる。気密封止装置はまた、熱光起電性モジュール１５０を維持するための力を加えることによって別個のファスナの必要性を低減することができる。例えば、気密封止装置の壁は、保持力を加えてミクロンギャップを維持することができる。
【００３９】
ここで図４を参照すると、動作において、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００は、電気エネルギーへの望ましい変換を行うためのエネルギーを含む高温および／または高放射環境に固定または挿入される。ハウジング１０２は、環境からエネルギーを吸収および／または伝達するように作製することができ、それによって、ハウジング１０２（矢印「ａ」で表す）および／または環境（矢印「ｂ」で表す）から熱光起電性モジュール１５０上にエネルギーが放射される。ハウジング１０２が真空下にあり、熱光起電性モジュール１５０に接触していないため、あるとすれば最小限のエネルギーが伝導または対流によって環境から熱光起電性モジュール１５０に流れる。
【００４０】
ハウジング１０２と熱光起電性モジュール１５０との間に空間１３２を有することにより、精密で平坦な内部ハウジング表面の存在も、内部ハウジング表面に保持されたチップスタック上の均一で強い力を維持するために必要な物理的堅牢性も要求されない。ハウジング１０２と力印加層１９０またはエミッタ１５８との間の空間１３２は、場合によっては、その間の熱界面材料の必要性を軽減する。空間１３２は、ハウジング１０２と熱光起電性モジュール１５０との間の接触による応力を緩和する。
【００４１】
力印加層１９０は、エミッタ１５８にハウジング１０２および／または環境からの入射エネルギーが照射されたときに光起電性要素１５２が適切に機能できるようにミクロンギャップを維持する、信頼性のある力印加機構である。入射エネルギーに曝されると、エミッタ１５８は入射エネルギーを吸収し、それによって加熱する（すなわち、エミッタ組立体１５６は高温側である）。加熱されたエミッタ１５８は、ミクロンギャップを越えて光起電性要素１５２にエネルギーを再放出する。
【００４２】
真空になったミクロンギャップは、エミッタ１５８から光起電性要素１５２への対流的および分子的熱伝達を最小限に抑え、一方、エミッタ１５８と光起電性要素１５２との間の非常に有効なエネルギー伝達のためにエネルギーのエバネッセント結合が生じる。各熱光起電性モジュール１５０は、液体冷却ヒートシンク１７０によって冷却される（すなわち、光起電性要素組立体１５１は低温側である）。光起電性要素１５２は、伝達されたエネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００４３】
熱光起電性モジュール１５０によって生成された電力は、電気ピン１４２、パッド１４４、ランド１８８、ワイヤ１８４、電気コネクタ１２８、および必要に応じて様々な接続によって電力調整機構に運ばれる。コンピュータコントローラ（図示せず）は、エネルギー変換システムを監視し、動作を変更し、修正することができる。コンピュータコントローラはまた、オペレータに警告を提供する能力、および／またはミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００、オペレータ、および／または環境に損傷を与える条件に自動解決を提供する能力を含む。例えば、コンピュータコントローラは、挿入深度を変化させてもよく、または高温環境からハウジングを完全に除去してもよい。
【００４４】
一実施形態では、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００は、高温および／または高放射環境への挿入深さを正確に制御するために、リニアアクチュエータ（図示せず）上に配置されたハウジングを有する。例えば、支持面１２は単に車輪付きカートの一部であってもよい。あるいは、支持面は、レールおよび／または固定具、ひいてはミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００の位置決めのためのラックアンドピニオン機構によって案内される固定具（図示せず）に取り付けられてもよい。移動は電動であっても手動であってもよい。
【００４５】
別の実施形態では、ハウジングは高温環境で定位置に固定される。ヒートシンク１７０、ひいては熱光起電性モジュール１５０は、ハウジング１０２内への挿入深さを正確に制御するために、同様のまたは異なるリニアアクチュエータ上にあってもよい。さらに、外部ハウジング（図示せず）を高温環境または取付ブラケット１２０に取り付けて、それと一緒に移動させることができる。外部ハウジングは、高温環境にあるハウジング１０２を取り囲み、それによって保護するためにわずかに大きいことを除いて、ハウジング１０２と形状が非常に似ている。
【００４６】
別の実施形態では、ヒートシンク１７０が２つ以上の側面を有し、各側面が熱光起電性モジュール１５０を有するように、ヒートシンク１７０を異なる形状にすることができる。例えば、ヒートシンクは、三角形、正方形、五角形、六角形、八角形などであってもよい。一例として、以下に説明する図１６Ａ〜図１６Ｄを参照されたい。
【００４７】
ここで図６を参照すると、従来技術のヒートシンク３７０の分解図が示されている。ヒートシンク３７０は、入口３７３および出口３７５を備えた流体回路の一部としての複数の冷却ベイ３７１を含む。各冷却ベイ３７１は、冷却流体との熱交換を促進するピンプレート３７７を含む。例えば、ピンプレート３７７は、表面積接触を増加させるために流路を形成するフィンおよび／またはピンを有することができる。
【００４８】
ここで図７および図９を参照すると、ヒートシンク１７０の様々な断面図が示されている。ヒートシンク１７０は、その中に冷却フィンまたはピン１７５を有する複数の冷却ベイ１７１を含む。冷却ベイ１７１は、各モジュール１５０の下に配置される。入口および出口冷却管１０４は、冷却流体を冷却ベイ１７１に供給する。
【００４９】
冷却流体は入口マニホルド１７９から入口スロット１８０を介して冷却ベイ１７１に入る。冷却流体は、冷却ベイ１７１から出口スロット１８３を通って出口マニホルド１８１に流れる。図７に最もよく見られるように、入口スロット１８０の面積は、遠位端部１７２に向かう遠位方向に沿ってベイ１７１からベイ１７１に増加する。増加した面積／流れを提供するために、スロット１８０の長さおよび／または高さを増加させることができる。冷却ベイ１７１が近位位置から遠位位置まで進むにつれて、入口スロット１８０のこの増大した断面積は、提供される冷却を全ての冷却ベイ１７１に、したがって全てのモジュール１５０に最適にバランスさせる。その結果、モジュール１５０は効率的に冷却され、効率的な電気生産を最適化する。あるいは、入口スロット１８０の長さは、ヒートシンク１７０の長さに沿って冷却を調整するために、幅に代えて、または幅に加えて変化してもよい。熱および／または放射が熱光起電性パネル組立体１００に不均一に印加される可能性があるため、入口スロット１８０の形状およびサイズは、冷却要件の局所的変動に対処するように調整することもできる。図８は、代替的に変更されたスロット１８０’の構成を示す。
【００５０】
ここで図１０を参照すると、本開示による別のヒートシンク４７０を例示する断面図が示されている。ヒートシンク４７０は、入口マニホルド４７７に挿入されたチューブまたはスリーブ４８５を含む。スリーブ４８５は、遠位方向に沿ってベイ４７１からベイ４７１まで入口スロット４８０のサイズを変えるために、サイズが変化するスロット４８７を形成する。スリーブ４８５の遠位端部により近いより大きな入口スロット４８７は、より遠位に位置する冷却ベイ４７１の流れを増加させる。ここでも、熱が熱光起電性パネル組立体１００に不均一に印加されることがあるため、冷却要件の局所的変動に対処するように、入口スロット４８７の形状およびサイズを所望により調整することができる。
【００５１】
図１１を参照すると、本開示によるエミッタ５５８の断面図が示されている。エミッタ５５８は、本明細書および他の出願に記載されているミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体に組み込むための例示的な薄膜エミッタである。エミッタ５５８は、溶融シリカ、石英またはサファイアなどの光学的に透明な媒体から作製された基板５６０を有する。低温の実施形態では、ガラスなどの追加の媒体を使用することができる。
【００５２】
基板５６０は、第１の表面５６２と、第１の表面５６２に対向する第２の表面５６４とを有する。第２の表面５６４は、光起電性組立体（図示せず）に面する。光起電性組立体に対するギャップを維持するために、第２の表面５６４は、複数のスペーサ５６６を形成することができる。見て分かるように、基板５６０は、相対的に厚くすることができ、これにより、より大きな構造強度、改善された平坦度、およびギャップ上の力の均一性を提供する。一実施形態では、基板５６０は、厚さ「ｔ」が約４ｍｍであり、スペーサ５６６の間に約１ｍｍの間隔「ｓ」を有し、直径「ｄ」が約１００μｍであり、高さ「ｈ」が０．１５μｍである。
【００５３】
一実施形態では、第２の表面５６４は、その上に堆積した光学的に不透明な材料の薄層５６８を有する。一実施形態では、薄層５６８は炭素である。別の実施形態では、薄層５６８はシリコンなどの高屈折率材料である。薄層５６８は、高温放射熱源から放射された赤外光を吸収して、光起電性要素が吸収するようにエネルギーを放射するように設計されている。要するに、薄層５６８を有する光学的に透明な基板５６０は、熱源（図示せず）と、赤外光を電流に変換することができる光起電性組立体との間に配置される。好ましくは、ギャップの少なくとも１つの寸法は、赤外光の波長よりも短い。
【００５４】
薄層５６８の厚さは、熱源から放出される赤外光の大部分または全部を吸収するのに十分な厚さになるように選択すべきであるが、薄層５６８の厚さは、ギャップ形成手段５６６に対する、およびギャップ形成手段５６６を通る側方熱伝導を制限するのに十分な薄さにすべきである。薄層５６８の薄さが熱抵抗のように作用することによって、薄層５６８を横切る横方向の熱の流れを制限する。好ましい実施形態では、光学的に透明な基板５６０は、一般に、赤外光に対して透明であり、高い熱抵抗を有し、石英、シリカ、サファイアなど高温動作に適した材料で構成されている。薄層５６８の幾何学的に制約された高い側方熱抵抗と組み合わされた光学的に透明な媒体基板５６０の厚さ方向の高い熱抵抗が共に作用して、ギャップ形成手段５６６を通る熱伝導エネルギーの伝達を制限する。一実施形態では、薄層５６８は、赤外光の十分な吸収を可能にするために、少なくとも１００ナノメートルの厚さであり、好ましくは数ミクロンの厚さである。
【００５５】
別の実施形態では、ミクロンギャップ熱光起電性用途の場合、薄層５６８は第２の層５７０を含む。第２の層５７０は、非晶質シリコンおよび多結晶シリコンなどの高い赤外吸収率および高屈折率を有する材料で構成すべきである。さらに別の実施形態では、第２の層５７０が十分に高い吸収率を有するため、薄層５６８を省略することができ、第２の層５７０のみが使用される。本技術を概観することによって理解されるように、第１の表面５６２には様々なコーティングを施すことができる。例えば、反射防止コーティング、フィルタ層、代替吸収層または反射層などを利用して性能を高めることができる。さらに、第２および第３の層またはエミッタは、表面５６２，５６４，５６８，５７０のいずれかに付加的に付着することができる。基板５６０自体が多層構造であってもよい。実際には、２つ以上の溶融シリカ層を所望に応じてコーティングし、所望に応じて追加の層と整合させ、限定はしないがスペーサのようなナノ構造で形成し、任意の組み合わせで一緒に挟むことができる。
【００５６】
スペーサまたはギャップ形成手段５６６は、小さな横寸法の物理的スペーサであってもよい。各スペーサ５６６は、最も近いスペーサから、薄層５６８から光起電性要素への熱伝導を最小にするのに十分な距離だけ離れている。しかしながら、スペーサ５６６間の距離は、薄層５６８がスペーサ５６６間の領域で光起電性要素と直接物理的に接触する可能性を最小にするために、依然として十分に小さくすべきである。
【００５７】
ギャップ形成手段５６６は、マイクロメートルサイズのディスク、ピラー、カラム、チューブ、ピラミッドなどであってもよい。スペーサ５６６は、好ましくは、シリコン酸化物などの機械的に頑丈な熱抵抗材料から構成される。スペーサ５６６は、薄層５６８を付着する前に、透明な基板５６０の第２の表面５６４上に置かれるか、埋め込まれ、場合によっては意図的にパターン化されてもよい。薄層が平坦でパターン化されていない場合、スペーサ５６６はまた、薄層５６８の外面および／または光起電性要素の表面に付着されてもよい。スペーサ５６６は、薄層５６８と一体的に形成することもできる。スペーサ５６６は、スペーサが基板表面５６４の上に延在するように、基板に形成されたウェル内に断熱材料を堆積させることによって形成することもできる。
【００５８】
ここで図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、ギャップの目視検査の２つの画像が示されている。図１２Ａは、不均一なギャップの外観を例示する画像６００であり、図１２Ｂは、均一なギャップの外観を例示する画像６０２である。透明なエミッタを有することにより、ギャップの目視検査方法が有効である。エミッタが光起電性要素の表面などの第２の表面に近接して配置されるように組み立てられると、縞模様６０１が裸眼で見える。複数の縞は、ギャップの不均一性を最小限にするかまたは全く有しない組立体（例えば、画像６０２）と比較して、比較的大きいおよび／または不均一なギャップ（例えば、画像６００）を示す。
【００５９】
有利なことに、縞は、高品質の近接場ギャップを迅速かつ容易に検査することができるだけでなく、リアルタイムの調節を可能にする。技術者は、縞模様を調整のためのフィードバックとして使用しながら、ファスナ張力および他の手段を調節することができる。ギャップのサイズおよび均一性は、ＵＶ薄膜厚さ測定ツールのような光学ツールによっても測定することができる。どちらの場合でも、縞を見ながら、ギャップの寸法および均一性を改善するために調節を行うことができる。
【００６０】
図１３Ａ〜図１３Ｅは、本技術に従って薄膜エミッタを作製するための様々な可能な製造工程の一連の断面図である。図１３Ａにおいて、この方法は、石英または溶融シリカなどの断熱材料で作られた比較的厚い基板７００から始まる。好ましくは、片面または両面を研磨する。基板７００は、特定の光起電性要素（例えば、ＩｎＧａＡｓ）についてバンドギャップ（例えば、１〜２．２μｍ）を超える放射に対して透明であり、バンドギャップ（例えば、２．２〜１０μｍ）以下の放射に対して吸収性であり得る。このように、顕著なバンドギャップ以下の放射曝露により、エミッタは著しく加熱される。
【００６１】
図１３Ｂでは、フォトリソグラフィとエッチングによって複数のスペーサ７０２が形成されている。典型的なスペーサの形状は、直径が１０〜１００ミクロン、高さが０．１０〜０．２０ミクロンである。図１３Ｃでは、炭素の層７０４が基板７００上に堆積している。動作中、炭素層７０４は、基板７００によって吸収されない入射放射を吸収する。その結果、１０００℃の温度に達することがある。一実施形態では、炭素層７０４は、０．１〜５ミクロンの厚さであってもよい。
【００６２】
ここで図１３Ｄを参照すると、シリコン層７０６が炭素層上に堆積している。シリコン層７０６は随意であるが、光起電性要素（例えば、ＩｎＧａＡｓ）への屈折率整合を可能にして、近接場性能を高めることができる。屈折率整合は、ある材料の屈折率が別の材料の屈折率に非常に近似しているため同じ屈折率を有する２つのアイテム（例えば、層７０６と光起電性要素）が互いに隣り合っている場合、放射エネルギーは最小限の反射または屈折を伴って一方から他方へ流れる場合である。シリコン層７０６の厚さは、炭素層７０４の厚さと同様であってもよい。
【００６３】
随意選択的に、炭素層７０４および／またはシリコン層７０６は、図１３Ｅに示されるように、ちょうどスペーサ７０２の領域には存在しなくてもよい。その結果、スペーサ７０２は、１つ以上の上部層７０４，７０６を効果的に貫通する。別の実施形態では、スペーサ７０２の周囲の追加領域７０８は、図１３Ｆの実施形態に示すように、シリコン層７０６および／または炭素層７０４を有さない。スペーサ７０２はまた、所望の酸化物または異なるドープ領域など、基板とは異なる構造および／または材料であってもよい。別の変形例では、スペーサ７０２は、追加の層の厚さよりも単純に高く、製造処理中に層で覆われていない。別の実施形態では、基板７００には、割り込み技術を使用する標準的な半導体製造装置によるハンドリングを容易にするための不透明層を最初に堆積させる。別の方法では、裏面の不透明層が塗布され、その後不要になったときに除去される。図１３Ｂ〜図１３Ｅの各々の構造は、図１３Ｆのものと同様に完成した組立体を表し得ることが想定される。
【００６４】
図１３Ｆに示すような基板７００を製造する別の方法では、基板７００は、１つの表面に塗布されたレジスト（図示せず）を有する。レジストは、フォトリソグラフィプロセスによって現像され、穴のパターンが形成される。穴は、スペーサ７０２の所望の横方向寸法にほぼ一致する寸法を有する。レジスト層に穴を形成することにより、穴の底部で基板７００の一部が露出する。
【００６５】
レジストが塗布された基板の全面に亘って酸化ケイ素などのスペーサ材料が堆積され、スペーサ材料がレジスト層の穴の一部または全部を満たして、レジスト層の穴の底部に露出する基板７００と物理的に接触する。断面において、レジスト層の穴は、円形であるかまたは楕円形、三角形、正方形などの他の任意の二次元形状であってもよいが、スペーサは狭い平坦な頂点に向かって先細りであるか、尖っているか、そうでなければ形状が変化してもよい。熱処理は、穴の底部でスペーサ材料と基板７００との間の良好な機械的結合を保証するために使用されてもよい。リフトオフプロセスを通して、レジスト層および大部分のスペーサ材料層が除去され、スペーサ７０２が基板７００に接着されたままになる。次いで、付加的な層７０４，７０６のうちの１つ以上を好ましいように付着することができる。
【００６６】
一実施形態では、基板７００は、酸化すると体積が増加することが知られている堆積したスペーサ材料でコーティングされるか、またはその後、材料体積を増加させるさらなる処理工程を受ける。熱酸化の結果としてこの体積増加の特性を有するこのような材料は、酸化物が酸化ケイ素になるシリコンであってもよい。あるいは、基板７００は、シリコンなどの酸化可能材料の薄層を接合するか、または基板上に成長させることができる。次の工程では、酸化していないスペーサ材料上に窒化ケイ素などのマスキング層を堆積させる。フォトリソグラフィ処理工程を介して、スペーサ７０２の所望の横方向寸法にほぼ一致する寸法のマスキング層に穴のパターンが形成される。その結果、穴の底部に酸化していないスペーサ材料の一部が露出する。
【００６７】
次いで、基板を熱酸化工程に付し、穴の底部の酸化していないスペーサ材料を酸化させ、それによって酸化状態のスペーサ材料の体積を増加させる。体積が増加すると、穴の近傍にある酸化したスペーサ材料は、穴の縁でマスキング材料を押し上げる。マスキング材料およびスペーサ材料は、帯域内ＩＲ放射に対して十分に薄くおよび／または透明であれば、適所に残すことができ、押し上げられたマスキング材料はスペーサの支持面となる。別の実施形態では、酸化したスペーサ材料がスペーサの支持面となるように、マスキング材料を剥がすことができる。さらに別の代替的な構成では、マスキング材料および未酸化スペーサ材料の両方が剥がされ、酸化したスペーサ材料のみがスペーサの支持面として残る。
【００６８】
引き続き図１３Ｆを参照すると、スペーサが基板上に形成される前述の実施形態のいずれも、スペーサの周囲に分離トレンチ７０８を形成する処理工程によって強化することができる。一実施形態では、分離トレンチ７０８は、深さ１０〜４０ミクロンおよび環状幅５〜１００ミクロンの環状の形状である。トレンチ７０８は、スペーサ７０２の周囲に形成され、スペーサ７０２の断熱を改善し、比較的少量の熱エネルギーが、スペーサ７０２の高さを通る伝導によってエミッタから光起電性組立体まで伝達される。上述のように、スペーサ７０２の形状はまた、ピラミッド形状など、熱エネルギー伝達をさらに低減するために近位端部から遠位端部まで変化し得る。トレンチ７０８はまた、基板７００内に下降する下端部７１０を有してもよい。
【００６９】
ここで図１４を参照すると、光起電性要素のバンドギャップに位置する高透過率と高吸収率との間の遷移点８０６を有する最適化されたエミッタのグラフ８００が示されている。このようなエミッタは、光起電性要素の効率を最大にするように調整されたエミッタを作製するために使用することができる。エミッタは、光起電性要素のバンドギャップを超えるエネルギー（「ＡＢ」）を有する光子を大部分通過させるように作製され、吸収および電気への変換は非常に効率的である（例えば、範囲８０２）。ＰＶ要素にバンドギャップ以下の光／エネルギー（「ＢＢ」）が入射することは望ましくない。したがって、フィルタ付きエミッタはＢＢ光子を吸収し、加熱される（例えば、範囲８０４）。エミッタはＡＢ光子を完全に透過しないため、吸収されるＡＢ光子もエミッタの加熱に寄与する。一旦十分に熱くなると、エミッタは光起電性要素またはチップ（ＰＶ）によって効率的に電気に変換されるＡＢ光子を放射する。要するに、バンドギャップよりも高いエネルギーを有するＡＢ光子は、光起電性要素による高効率の変換のためにエミッタを大部分通過し、一方でバンドギャップよりも低いエネルギーを有するＢＢ光子は、エミッタによって吸収され、エミッタが加熱されて、バンドギャップよりも高いエネルギーを有する追加のＡＢ光子を放射する。
【００７０】
黒体または他の放出源から放出される全ての波長を吸収するＰＶは、動作上最適ではない。典型的には、バンドギャップよりも高い（ＡＢ）波長のみが容易に電力に変換されるが、バンドギャップよりも低い（ＢＢ）波長は熱としてＰＶに吸収され、電力に変換されない。別の実施形態では、変換を改善するために放出源とＰＶとの間に選択層が挿入される。選択層は、エミッタまたは別の構造であってもよい。
【００７１】
一実施形態では、溶融シリカを使用してエミッタの所望の特性の近似値を提供する。吸収されたＢＢエネルギーはエミッタを加熱し、エミッタからほぼ黒体の再放出が起こる。好ましくは、エミッタからの再放出されたエネルギーが低抵抗でＰＶへ伝達されるように、フィルタとＰＶは近接場（すなわち、サブ波長）ギャップによって分離される。結果として、ＰＶの裏面反射体（例えば、金層）から反射されたＢＢエネルギーも、近接場ギャップを越えて低抵抗でエミッタに伝達され、このこともまた、改善された再放出のためにエミッタに加熱エネルギーを加える。
【００７２】
さらなる最適化では、理想的なエミッタは、光起電性要素によって変換可能なエネルギーよりも高いエネルギーを有する光子について、完全に透過し、完全に吸収するかまたは完全に反射する追加の第２の遷移を容易にする膜および／または構造を組み込む。エネルギースペクトルにおけるこの第２のバンドギャップよりも高い遷移の最適な配置は、限定はしないが、光起電性要素の反射率、光起電性要素のスペクトル応答、エミッタと光起電性要素との間のエネルギーバランス、ＰＶの本体内での光吸収を含むいくつかの要因に依存する。
【００７３】
この第２のバンドギャップよりも高い遷移の存在は、非常に高いエネルギーの光子が有するバンドギャップのエネルギーを超える余剰エネルギーを、エミッタを加熱する熱エネルギーに変換するのに役立つ。エミッタの加熱は、ＰＶによるエネルギー変換のためのＡＢ光子として放出される熱エネルギーをもたらす。
【００７４】
本技術は、特定の分野または技術分野に限定されない。例えば、本明細書の教示は、現在知られている、および後に開発される熱電子、量子ドットエネルギー収穫システム、太陽電池、遠方場技術などにも同様に適用可能である。本技術は、廃熱変換、一次エネルギー生成、太陽エネルギーおよび可搬型電力、ならびに光起電性用途などの他の分野および用途にも等しく適用可能であることが想定される。本技術は、トッピングサイクルまたはボトミングサイクルを提供するため、または熱・電力複合利用（ＣＨＰ）エネルギー変換システムを効果的に提供するために、既知のエネルギー変換メカニズムと組み合わせるか、または統合することもできる。
【００７５】
特に有用な領域の一例として、廃熱は、低コストのエネルギーの巨大かつ大部分が未利用の供給源である。世界で生成されるエネルギーの半分以上が廃熱の形で大気に流出している。世界のエネルギー使用量は２０４０年までに５０％近く増加すると予測され、電力需要は同じ時間枠内で約７０％増加すると見込まれており、廃熱問題の規模は増大している。本技術はこの課題に対処する。典型的な産業規模の廃熱環境は、６００℃〜１４００℃の範囲の温度を有することがある。
【００７６】
本技術は、上流の処理を損なうことなく、既存の産業インフラストラクチャの廃熱ストリームを容易に改装するコンパクトでモジュール式のシステム設計を提供する。本開示によるフットプリントが小さいミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体によって、石油およびガス探査、石油化学および化学処理、ならびにガラス、スチール、セメント製造など世界最大の産業の一部の生産設備に設置するための理想的な形態が提供される。ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体は、グリッドの電力消費とコストを削減しつつ、産業用プラントに現場の電力を供給することができる。
【００７７】
ここで図１５を参照すると、本技術によるミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００を有する産業用ガラス炉の用途３００が示されている。用途３００は、高温の排気ガスを運ぶための煙道組立体３０２を有する。煙道３０２は、その中のミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００を示すために部分的な断面で示されている。上述のように、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００は、煙道組立体３０２の壁３０４のポートを介して取り付けられる。隆起した歩道３０６は、導管支持システムの二重の目的に役立つ。歩道３０６は、組立体１００用の導管３０８を介して冷却流体を供給する冷却流体システムなどのユーティリティラインをサポートすることができる。歩道３０６はまた、真空ライン、監視ライン、診断ライン、通信ライン、電気ラインなどをサポートしてもよい。ユーザは、１つ以上のステーション３１０において、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００を監視および／または操作することができる。ステーション３１０は、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００との容易な操作上の確認および相互作用を可能にするスクリーン３１２を有する。あるいは、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００は、遠隔で監視および／または操作されてもよい。
【００７８】
このような廃熱環境は、排気ガスの温度、組成および質量流量のプラント特有の組み合わせに基づいて、熱から電力への生成を可能にする。ガラスの製造に使用される炉は、典型的には、１時間当たり１７ｍＢＴＵの熱流量で８００℃〜１４００℃の排気ガスを生成する。１つの煙道あたり２０組以上のミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００を配置することができ、炉ごとに２つの煙道を用いて、各ガラス炉からの出力は２００ｋＷ〜１ＭＷ以上になり得る。この電力は、１ｋＷｈ当たり０．０７ドルの米国の平均産業費における年間電力費用を６０万ドルまで相殺し得る。カリフォルニア（１３．６ｃ／ｋＷｈ）、ドイツ（１５．５ｃ／ｋＷｈ）、イタリア（２６ｃ／ｋＷｈ）など、高コスト地域ではより大幅に節約できる。
【００７９】
ここで図１９を参照すると、本技術による可搬型診断ツール１３００の後方斜視図が示されている。可搬型診断ツール１３００は、廃熱環境からの電力生成を容易に評価することができる。可搬型診断ツール１３００は、取付システム１３０２上に熱光起電性パネル組立体１００を含む。取付システム１３０２は、好ましくは分解や組み立てなしで、従来の方法で容易に出荷することができる。別の実施形態では、可搬型診断システムは、出荷のために部分的に分解される。さらに別の実施形態では、出荷のために、取り付けられたヒンジによって、突出している構成要素を直立位置に回転させてもよい。取付システム１３０２は、熱光起電性パネル組立体を廃熱環境に選択的に挿入するために、所望の場所に容易に移動される。制御ユニット１３０４はまた、熱光起電性パネル組立体１００の動作を制御するために取付システム上にある。
【００８０】
取付システム１３０２は、構成要素をそこに取り付けるためのベース構造１３０６を含む。ベース構造１３０６の係止枢動キャスター１３０８は、可搬型診断ツール１３００を所定の位置に容易に転動させロックする。ベース構造１３０６は、熱光起電性パネル組立体１００を軸に沿って選択的に移動させるためのレールシステム１３１０を有する。好ましくは、熱光起電性パネル組立体１００の高さも調節することができる。ベース構造１３０６はまた、熱光起電性パネル組立体１００に真空を提供するための真空システムを含む。真空システムは大きな重量を有するため、真空システムは、熱光起電性パネル組立体の延長時に平衡錘として作用するように配置または移動可能である。ベース構造１３０６は、保守用品、サービスツール、保護ガウンおよびシールド、熱傷キットなどを収容するための格納ユニット１３２０を含む。
【００８１】
ベース構造１３０６はまた、冷却流体を熱光起電性パネル組立体１００に供給するための冷却ユニットを有する。代替的に、冷却には、インフラストラクチャ（例えば、水、配管、ＨＶＡＣ、冷却塔など）によって提供されるものなどの外部供給源、または天然源（例えば、地熱冷却、河川、流れ、海洋、空気など）を用いることができる。可搬型診断ツール１３００は、必要に応じて電気および他のユーティリティ接続部、ケーブル、ホースおよびコネクタを有し、迅速かつ容易な接続のために現場のユーティリティとインターフェースする。一実施形態では、オンボード冷却システムは、大型の冷却液リザーバと、ポンプと、熱交換器とを含む。このように、冷却システムは、熱光起電性パネル組立体の延長時に平衡錘として作用するように配置または移動可能である大きな重量を有する。可搬型診断ユニット１３００の他の構成要素も、平衡錘として作用するのに役立つ可能性がある。
【００８２】
可搬型診断ユニット１３００はまた、インバータ１３１２を有する。インバータ１３１２は取り外し可能であり、専用ケーブル接続によって可搬型診断ユニット１３００に結合してもよい。同様に、制御ユニット１３０４および他の構成要素は取り外し可能であってもよい。構成要素を減らすことができることにより、可搬型診断ユニット１３００は、より多様な環境に配置することができる。全体の大きさ、高さおよび／または重量も減少させることができる。
【００８３】
制御ユニット１３０４は、熱光起電性パネル組立体１００と、可搬型診断ツール１３００の他の構成要素、例えば、電動システムであればレールシステム１３１０などの動作を管理する。制御ユニット１３０４は、視覚的警告「ライトスタック」または「スタックインジケータ」または「インジケータライト」１３１４、およびビデオ記録／監視機器１３１６を有する。必要に応じて、制御ユニット１３０４は、ＵＰＳバックアップユニット、データ取得モジュール、およびスマートフォンアプリケーションなどを介して動作するためのリモートアクセスモジュールを有することもできる。
【００８４】
一実施形態では、制御ユニット１３０４は特化されたアプリケーション特有のハードウェア設計である。制御ユニット１３０４は、典型的には、１つ以上のマイクロプロセッサを含む中央処理装置、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、Ｉ／Ｏ動作を実行するための機構および構造（図示せず）、磁気ハードディスクドライブなどの格納媒体、取り外し可能なコンピュータ可読媒体からの読み取りおよび／または書き込みのためのデバイス、および中央処理装置上で実行するためのオペレーティングシステムを含む。一実施形態によれば、制御ユニット１３０４のハードディスクドライブは、オペレーティングシステム、実行される他のアプリケーションまたはシステムのブートおよび格納、ハードディスクおよびＲＡＭなどの間のページングおよびスワッピングなどを実行する。一実施形態では、アプリケーションプログラムは、本技術に従って機能を実行するためにハードディスクドライブに常駐する。別の実施形態では、制御ユニット１３０４は、ローカルエリアネットワークまたはインターネットなどの分散コンピューティングネットワーク内でホストされるアプリケーションにアクセスするためのブラウザを有する。制御ユニット１３０４はまた、取り外し可能なコンピュータ可読媒体に読み書きするためにそこに挿入されたＣＤまたはＤＶＤタイプの媒体など、取り外し可能なコンピュータ可読媒体を利用することもできる。他の実施形態では、制御は、ＳＣＡＤＡ（監視制御およびデータ収集）のための通信機能を有するかまたは有しない単純なプログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）によって達成される。
【００８５】
制御ユニット１３０４は、アプリケーションプログラムおよび制御ユニット１３０４上で実行されるオペレーティングシステムなどの他のプログラムを制御するための入力信号を提供するために使用され得る、当業者に知られている入力デバイスを有する。例示的な実施形態では、入力デバイスは、好ましくは、スイッチ、スライド、マウス、トラックボール、グライドポイントまたはジョイスティック、マイクロフォン、または消費者などのユーザが制御信号および他のコマンドを入力することができる他のそのようなデバイス（例えば、一体的に取り付けられたグライドポイントまたはマウスを有するキーボード）を含む。入力デバイスとしてのキーボードおよび／またはタッチスクリーンの使用はここではさらに説明しないが、入力デバイスが当業者に知られている多くのキーボードおよびタッチスクリーンのいずれかを備えることは、本開示の範囲内であり、ユーザおよびこのような方法論を具現化するアプリケーションプログラムと相互作用し実装するための制御信号またはコマンドは、キーボードまたはタッチスクリーンを介して個別のコマンドの形態で実装することができる。
【００８６】
制御ユニット１３０４は、当業者には理解されるように、ディスプレイを有する。ディスプレイは、コンピュータ１４，１６からの出力信号に応答して画像を表示するための、当業者に知られている多くのデバイスのいずれであってもよい。そのようなデバイスには、限定するものではないが、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤＳ）、プラズマスクリーンなどが含まれる。簡略化された図が図１９に示されているが、このような図示は、本開示を図示の実施形態に限定するものとして解釈されるべきではない。制御ユニット１３０４から出力される信号は、制御ユニット１３０４のマイクロプロセッサおよびディスプレイに動作可能に結合された制御ユニット１３０４のハウジング内に取り付けられたＰＣＩまたはＡＧＰビデオボードまたはカードを含む、多くのデバイスのいずれかから発することができることを認識すべきである。
【００８７】
動作において、可搬型診断ユニット１３００は熱光起電性パネル組立体を有するため、熱から発電する熱光起電性パネル組立体のより永続的な設置の適性について様々な場所を試験することができる。一実施形態では、４つの接続が必要である（例えば、２０８  ３０アンペアの電源回路、インバータをグリッドに接続するための２０８  ３０アンペアの電源回路、監視システムの１１０電源回路、および水の供給）。全ての接続および機器は、ネマ格付けおよびＵＬ準拠である。例えば、廃熱環境内のいくつかの場所が発電に適している可能性がある。様々な場所で（例えば、熱光起電性パネル組立体を挿入するための複数の穴を作成することによって）アクセスを作成することができる。１つ以上の可搬型診断ユニット１３００は、現場に出荷され、一定の期間各々可能な場所にセットアップすることができる。可搬型診断ユニット１３００は、永続的に設置される熱光起電性パネル組立体の数および配置に関して情報に基づいた決定がなされるように、場所の適性および収益性を分析するための全ての関連データを収集する。制御ユニットもまた、その一部または全部を永続的な設置に使用することができる。例えば、動作を監視している間、制御ユニット１３０４は、電動レールシステムを使用して、冷却システムの不具合を示す可能性がある過熱状態などの所定の条件が満たされたときに、廃熱環境から熱光起電性パネル組立体を自動的に後退させることができる。制御ユニットは、組立体の熱衝撃プロファイルに応じて熱衝撃を管理するために、挿入速度および引抜き速度を制御する。
【００８８】
電動レールシステムを用いて、永久熱光起電性パネル組立体の加熱ゾーンへの挿入を制御することも可能であることが想定される。電動アクチュエータは、任意のタイプのレール（例えば、円形、磁気、ラック＆ピニオンなど）を使用することができるが、主ねじまたはボールねじまたはアクメねじによって駆動されるリニアアクチュエータであってもよい。駆動機構はまた、油圧シリンダ、空気圧シリンダ、空気圧モータ、ハンドクランクギヤなど、任意のタイプであり得る。
【００８９】
制御ユニットはまた、インターネット、電話、携帯電話、ブルートゥース（登録商標）または類似の通信プロトコルを用いて、カスタマイズ可能なアラームパラメータに基づいて、指定された受信者にアラートを提供することができる。動的システム制御において典型的であるように、制御ユニットは、様々な温度（例えば、環境、制御、炉、冷却水、真空モータ、システム内部、インバータなど）、圧力（例えば、システムの真空、環境圧力、冷却水圧力など）、流量（例えば、空気排出、冷却水）を監視する無数のセンサ、およびシステム制御技術の当業者に知られている任意の他のデジタルまたはアナログセンサからの入力を受信することができる。一実施形態では、制御ユニットは、熱電対を使用するプログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）、電流信号（０−２０ｍＡ、４−２０ｍＡなど）、電圧信号（単なる一例として０−１０ＶＤＣ）、任意のプロトコル（ＲＳ−２３２、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ、ＭＯＤＢＵＳなど）のシリアル通信、およびトリガシステムの動作のための入出力リレーを含む。典型的なシステムは、グリッド上に直接電力を供給するインバータを有してもよく、その発電は、第三者のハードウェアおよびソフトウェア（一般的にはインバータに内蔵されているもの）によって、または直流電流を監視するためのホール効果センサなどの機器を介する前述の信号によって監視することができる。
【００９０】
他の実施形態では、オフグリッド電力が生成され、充電コントローラ（最大電力点追跡ありまたはなし）およびバッテリバンクなどのシステムの典型的なバランスを使用してバッテリに格納される。これらのシステムは、無停電電源装置（ＵＰＳ）またはグリッド電源接続に頼るのではなく、独自の発電電力を使用して動作し得る。格納手段は、可搬型診断ユニットの一部であってもよいし、別個の組立体であってもよい。
【００９１】
可搬型診断ユニットは、現実の状況における様々な特徴を評価するのに役立つこともできる。例えば、様々な環境において様々な構成が異なる動作を行うことができる。可搬型診断ユニットは、異なる熱光起電性パネル組立体を有することができるため、現実の状況で特徴の比較を実行することができる。別の実施形態では、冷却システムを、別の用途のための流体のヒータまたは予熱器として使用する。可搬型診断ユニットが複数の熱光起電性パネル組立体を有することも想定される。例えば、２つの可搬型診断ユニットが単一の制御ユニットを有することができるなど、いくつかの構成要素をモジュール式にすることができる。
【００９２】
ここで図１６Ａを参照すると、本開示による別のミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体９００の斜視図が示されている。当業者には理解されるように、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体９００は、上述したミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体１００と同様の原理を利用する。したがって、数字「１」の代わりに数字「９」から始まる同様の参照番号は、可能な場合に同様の要素を示すために使用される。以下の説明は、相違点を対象としている。
【００９３】
ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体９００の１つの相違点は、ヒートシンク９７０が四面体であることである。一実施形態では、ヒートシンク９７０は、４８個のＴＰＶモジュール９５０（各面に１２個）を有する。ヒートシンク９７０は、各面に冷却フィンプレート９７１（図１６Ｂ、１６Ｆおよび１６Ｇ）を有し、各々が１２個のＴＰＶモジュール９５０を備える。ヒートシンク９７０は約４５度回転されていることにも留意されたい。４５度の向きは、複数の組立体９００の密な充填にもかかわらず、ヒートシンクの４つ全ての側面のモジュールが環境からの放射を確実に受けるようにする。ハウジング９０２は、説明のために半透明で描かれているが、透明、不透明、半不透明または半透明であってもよい。
【００９４】
ここで図１６Ｂを参照すると、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体９００のヒートシンク９７０の遠位端部９７２の部分分解図が示されている。特に、１つのＴＰＶモジュール９５０がヒートシンク９７０から切り離されて示されている。ＴＰＶモジュール９５０は、剛性を高めるために比較的厚いベース基板９６０を有し、ねじ９６６のための取付穴９６２が再配置される。なお、取付穴９６２の数は、追加のねじ９６６に対応するために倍増される。取付ねじ９９４が概して正方形の四隅により近接して配置されるように、力印加層９９０も異なる形状を有する。当業者であれば、ＴＰＶモジュール設計がヒートシンク設計とは無関係であるため、ＴＰＶモジュール９５０に見られる相違点は、二面または任意の面のヒートシンク上に配置されるＴＰＶモジュールに適用できることを理解されたい。
【００９５】
四面体のミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体９００のもう１つの相違点は、図１６Ｂ〜図１６Ｄに示すように、電気接続部がヒートシンク９７０に埋め込まれることである。ヒートシンク９７０は、その角縁部９０９に沿って細長いスロット９０７を形成する。図１６Ｄの断面に示すように、母線９１１はスロット９０７に嵌合してＴＰＶモジュール９５０からの電圧を運ぶ。
【００９６】
ここで、図１６Ｃを参照すると、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体９００の角部電気ジャンパ９１３の断面図が示されている。角部電気ジャンパ９１３は、ＴＰＶモジュール９５０を電気的に接続する。一実施形態では、角部電気ジャンパ９１３は、ヒートシンク９７０の長さに沿って同じポイントで４つのＴＰＶモジュール９５０を１つのグループに接続する。角部電気ジャンパ９１３は、１２のグループを形成するなどの様々な方法でＴＰＶモジュール９５０の他の組み合わせをグループ化することができる。母線９１１および角部電気ジャンパ９１３は、好ましくは金属製であり、低電圧（例えば１０Ｖ）および高電圧（例えば５０Ｖ）の両方の用途をサポートする。
【００９７】
ここで図１６Ｅを参照すると、ミクロンギャップ熱光起電性パネル組立体９００のヒートシンク９７０の斜視図が示されている。ヒートシンク９７０は、流体の進入および流出のための２つの比較的大きなボア９８５を備えた一体の背板９８３を有する。より大きなボア９８５は、冷却流体のより多い流れおよびより低い圧力低下を可能にする。好ましくは、ヒートシンク９７０は、高導電率のアルミニウム合金、銅、鋼などから作製される。
【００９８】
さらに図１６Ｆを参照すると、ヒートシンク９７０の部分分解図が示されている。ヒートシンク９７０は、各面にフィンプレート９８７を有する４面体９８１を含む。各フィンプレート９８７の下で、本体９８１は、ボア９８５と流体連通する大きな流れ領域９８９を形成する。フィンプレート９９１はフィンプレート９８７から流れ領域９８９内に延在し、図１６Ｇおよび図１６Ｉに最もよく示されているようにヒートシンク９７０の冷却を容易にする。フィン９９１は、一般に、それらの間に平行なチャネルを形成する複数の細長いリッジである。フィン９９１の端部９９３は、図１６Ｈに最もよく示されるように、レーストラック構成を形成する。
【００９９】
ここで図１７Ａを参照すると、本開示による別の熱光起電性（ＴＰＶ）モジュール１０５０の上面透視図が示されている。当業者には理解されるように、ＴＰＶモジュール１０５０は、上述したＴＰＶモジュール１５０，９５０と同様の原理を利用する。したがって、「１」または「９」の代わりに「１０」から始まる同様の参照番号は、可能な場合に同様の要素を示すために使用される。
【０１００】
ＴＰＶモジュール１０５０の相違点は、力印加層１０９０の形状と取付ねじ１０９４の配置が変化したことである。力印加層１０９０は、実質的に正方形であるが、４つの拡大された角部１０９１を含む。取付ねじ１０９４は、実質的に対称的な放射状に配置されており、角部ギャップの引き離しを低減し、冷却を改善するために熱界面に圧力を均等に分配する。図示された実施形態では、取付ねじ１０９４は、各角部１０９１に対向する対になって配置されている。
【０１０１】
ここで図１７Ｂを参照すると、ＴＰＶモジュール１０５０の底面斜視図が示されている。ＴＰＶモジュール１０５０は、取付ねじ１０９４に結合する取付組立体１０２１を有する。ベース基板１０６０には、取付組立体１０２１がヒートシンクとの良好な接触を妨げないように、凹部１０６１が形成されている。ベース基板１０６０にはまた、ヒートシンク上に位置決めするための取付ピン１０６７と、電気的接続などのための凹部領域１０６８とを含むことができる。
【０１０２】
取付組立体１０２１の１つが分解図で示されている。各取付組立体１０２１は、取付ねじ１０９４と、ナット１０２３と、ばね１０２５とを含む。ナット１０２３および凹部１０６１は、取付ねじ１０９４が回転するとナットが凹部によって捕捉されるような形状をしている。図１７Ｃを参照すると、組み立てられた取付組立体１０２１の断面図が示されている。凹部１０６１は、ナット１０２３を設定された向きに保持するように寸法決めされ構成された外側部分１０６３を有する。凹部１０６１はまた、比較的半径方向により狭い内側部分１０６５を有する。組み立てられると、ばね１０２５は、外側部分１０６３に位置するナット１０２３によって内側部分１０６５に保持される。ねじ１０９４は、ばね１０２５を通り、ナット１０２３に螺合している。外側部分１０６３は、ねじ１０９４が突出しないように十分な深さを有する。さらに、十分な深さは、ＴＰＶがヒートシンクに取り付けられた後にねじ１０９４の調節、ひいてはＴＰＶモジュール１０５０のギャップの調節を可能にする。印加層１０９０によって加えられる力は、ねじ１０９４およびナット１０２３によって与えられる張力に抗して作用するばね１０２５の圧縮によって提供される。
【０１０３】
ここで図１８を参照すると、本技術に従って透明または他の基板上にナノギャップスペーサを作製するための様々な可能な製造工程「ａ〜ｌ」の一連の断面図が示されている。一実施形態では、基板は、熱光起電性モジュールの透明エミッタである。工程「ａ〜ｌ」は、半導体産業において典型的な既知のマイクロリソグラフィプロセスを使用することによって実行されてもよい。工程ａでは、裸の基板１１００が提供される。裸の基板１１１０は、工程ｂにおいてフォトレジスト層１１０２で被覆される。工程ｃにおいて、複数の穴１１０４が形成されるようにフォトレジスト層１１０２をパターニングする。穴１１０４は、任意のサイズおよび形状であってもよい。
【０１０４】
工程ｄにおいて、酸化物層１１０６を堆積させる。穴１１０４の結果として、酸化物層１１０６の部分またはスペーサ１１０８は、基板１１００上に直接存在する。フォトレジスト層１１０２を、その上にある酸化物層１１０６と共に取り去ることによって、工程ｅに示すように、酸化物スペーサ１１０８のみが基板１１００上に残る。
【０１０５】
工程ｆにおいて、スペーサ１１０８および基板１１００上に金属マスク層１１１０を堆積させる。金属マスク層１１１０をパターニングするために、工程ｇに示すようにフォトレジスト１１１２を塗布する。フォトレジスト１１１２が所望のパターンで形成され、穴１１１４を有するパターン付きフォトレジスト１１１２’を形成した後（工程ｈ）、工程ｉに示すように、金属マスク層１１１０を同じパターンにエッチングしてパターン付き金属マスク層１１１０’を形成する。その結果、フォトレジスト１１１２’および金属マスク層１１１０’を貫通して基板１１００まで穴１１１４が形成される。金属マスク層は、厚いフォトレジストのような十分に頑強なマスキング材料でも作ることができる。金属マスク層は、基板１１００をパターニングするために使用されるエッチングおよび他の必要な処理工程に対して頑強でなければならず、この処理工程はかなり攻撃的であり得る。一実施形態では、基板１１００は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用してエッチングされる溶融シリカである。
【０１０６】
フォトレジスト１１１２’を除去した後（工程ｊ）、基板１１００を穴１１１４の位置でエッチングして、工程ｋに示すように、基板１１００にトレンチ１１１６を形成することができる。工程ｌに示すように、金属マスク層１１１０’が除去されると、結果として、スペーサの熱抵抗を改善するためにトレンチ１１１６によって取り囲まれたスペーサ１１０８を有する基板１１００が得られる。
【０１０７】
当業者であれば、いくつかの要素の機能が、代替の実施形態では、より少ない要素または単一の要素によって実行されてもよいことが理解されよう。同様に、いくつかの実施形態では、任意の機能要素は、例示の実施形態に関して記載されたものより少ない、または異なる動作を実行することができる。また、説明のために区別されるように示した機能要素（例えば、ヒートシンク、冷却管、フランジ、電気コネクタ、インターフェース層、ボルトなど）は、特定の実施例において他の機能要素内に組み込まれてもよい。
【０１０８】
本明細書中に開示される全ての特許、特許出願および他の参考文献は、参照によりその全体が明示的に組み込まれる。本技術を好ましい実施形態に関して説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本技術に様々な変更および／または修正を加えることができることを容易に理解するであろう。例えば、エミッタに通されるエネルギーは、ハウジングから放射されてもよいし、またはハウジングが周囲環境からの光子を単に通過してもよいことに留意されたい。さらに、請求項の一部が別の請求項に列挙され、各請求項は、元は請求されていなくても、複数の従属態様で任意の、一部のまたは全ての請求項に依存することができるように、特許請求の範囲は再び書いてもよい。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１６Ｇ】
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【図１６Ｈ】
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【図１６Ｉ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
2019512202.tif 000038
【図１８ｃ】
2019512202.tif 000039
【図１８ｄ】
2019512202.tif 000040
【図１８ｅ】
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【図１８ｆ】
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【図１８ｇ】
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【図１８ｈ】
2019512202.tif 000044
【図１８ｉ】
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【図１８ｊ】
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【図１８ｋ】
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【図１８ｌ】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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