МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЕМКОСТНОЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MICROMECHANICAL CAPACITIVE THERMO-ELECTRICAL TRANSDUCER

Изобретение относится к теплоэнергетике и позволяет генерировать электрическую энергию за счет модуляции теплового потока, проходящего через электрический конденсатор с температурно-зависимой емкостью, используя разницу температур в окружающей среде.
Известные в настоящее время емкостные термоэлектрические преобразователи включают в себя переменные электрические конденсаторы, имеющие температурную зависимость емкости, и механические или оптические модуляторы теплового потока. Циклическое изменение емкости конденсаторов при изменении температуры позволяет генерировать электрическую энергию.
Общими недостатками, присущими емкостным термоэлектрическим преобразователям, являются медленный температурный отклик температурно-зависимой емкости и сравнительно большое время, требуемое для модуляции теплового потока. Эти факторы определяют низкую эффективность преобразования энергии, т.е. малый уровень полезной электрической мощности.
Для повышения эффективности емкостного термоэлектрического преобразования известны, например, следующие решения.
В патенте США US 6528898 [МПК Н02Р 9/04] описана конструкция емкостного термоэлектрического преобразователя, представляющая собой объединенные в каскады тонкопленочные температурно-зависимые конденсаторы. Емкость конденсаторов меняется под воздействием теплового потока, модулируемого с помощью прокачки жидкостей с различными температурами. Недостатком является сложность изготовления системы управления потоками жидкостей и значительные времена модуляции теплового потока.
В патенте РФ RU 2350008 [МПК H02N 10/00] описано устройство, в котором нагревание и охлаждение тонкопленочного сегнетоэлектрического конденсатора производится модулированием потока тепловой энергии при помощи жидкокристаллического модулятора. Недостатком является обязательное наличие светового излучения.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является конструкция микромеханического емкостного термоэлектрического преобразователя, описанная в патенте США US 2006/0162331. Известный микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь состоит из подложки, выполненной из диэлектрического или полупроводникового материала, на которой расположены неподвижный электрод и теплоизолирующие стенки, на которых закреплены теплопроводящая пластина и один из концов подвижного электрода, подвижная часть которого расположена параллельно поверхности неподвижного электрода с зазором между ними, причем температура подложки отлична от температуры теплопроводящей пластины. Теплоизолирующие стенки выполнены из оксидных пленок или эпоксидных материалов. Теплопроводящая пластина выполнена из металла. Подвижный электрод представляет собой двухслойную структуру: металлический сплав TiNi напылен на диэлектрическую пленку из диоксида кремния. При этом диэлектрическая пленка находится между металлическим слоем подвижного электрода и неподвижным электродом. Форма подвижного электрода зависит от температуры, т.е. при изменении его температуры он совершает движения перпендикулярно поверхности неподвижного электрода, изменяя величину электрической емкости между подвижным и неподвижным электродами, тем самым преобразовывая тепловую энергию в электрическую. Циклическое перемещение подвижного электрода обеспечивается разницей температур между теплопроводящей пластиной и подложкой и гистерезисными явлениями в самом подвижном электроде. Недостатком является медленная модуляция электрической емкости, т.е. сравнительно низкая эффективность термоэлектрического преобразования.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение частоты преобразования тепловой энергии в электрическую, что увеличивает эффективность емкостного термоэлектрического преобразования.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь, также как известный, содержит диэлектрическую или полупроводниковую подложку, на которой расположены неподвижный электрод и теплоизолирующие стенки, на которых закреплена теплопроводящая пластина, причем температура подложки отлична от температуры теплопроводящей пластины. Но в отличие от известного в предлагаемом микромеханическом емкостном термоэлектрическом преобразователе неподвижный электрод покрыт пленкой, один из концов подвижного электрода жестко прикреплен к теплопроводящей пластине, а его подвижная часть расположена параллельно поверхности пленки с зазором между ними, оба электрода подключены к источнику импульсного электрического напряжения, а в качестве пленки использован сегнетоэлектрический материал.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является увеличение частоты преобразования тепловой энергии в электрическую, что увеличивает среднюю мощность электрической энергии, производимой микромеханическим емкостным термоэлектрическим преобразователем.
Влияние на получение указанного технического результата оказывают следующие существенные признаки. Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании сегнетоэлектрической пленки в электрическом конденсаторе с температурно-зависимой емкостью и микромеханической системы с электрическим управлением для циклического изменения температуры сегнетоэлектрической пленки, что позволяет обеспечить как высокую частоту модуляции теплового потока, проходящего через сегнетоэлектрическую пленку, так и быстрый отклик температурно-зависимой емкости на изменение температуры.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 изобретения, характеризует микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь, в котором второй конец подвижного электрода жестко закреплен на теплопроводящей пластине, а подвижный электрод выполнен из материала, обладающего способностью к растяжению под действием электрического напряжения между электродами. В таком устройстве обеспечивается лучший тепловой контакт подвижного электрода с теплопроводящей пластиной.
Предлагаемое устройство и способ преобразования тепловой энергии в электрическую поясняются чертежами.
Фиг.1 - конструкция микромеханического емкостного термоэлектрического преобразователя,
3
Фиг.2 - зависимость диэлектрической постоянной сегнетоэлектрической (Ba, Sr)TiO керамики от температуры,
Фиг.3 - принципиальная электрическая схема преобразования тепловой энергии в электрическую,
Фиг.4 - микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь при втором крайнем положении подвижного электрода,
Фиг.5 - микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь, выполненный в соответствии с п.2 формулы изобретения,
Фиг.6 - микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь по п.2 формулы изобретения при втором крайнем положении подвижного электрода.
C
2
Способ преобразования тепловой энергии в электрическую, используемый в предлагаемом устройстве, основан на следующем принципе: электрическая энергия We, запасенная в электрическом конденсаторе емкостью С (W=q/(2C), где q - электрический заряд в конденсаторе), увеличивается при уменьшении емкости конденсатора за счет тепловой энергии при условии, что заряд в конденсаторе остается постоянным.
Назначение микромеханического емкостного термоэлектрического преобразователя состоит в том, чтобы циклически изменять температуру электрического конденсатора, содержащего диэлектрическую пленку с температурно-зависимой диэлектрической проницаемостью, тем самым обеспечивая циклическое изменение емкости электрического конденсатора.
Микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь (Фиг.1, Фиг.4-6) состоит из подложки 1 (диэлектрик или полупроводник), на которой расположены неподвижный электрод 2, покрытый сегнетоэлектрической пленкой 3, и теплоизолирующие стенки 4, на которых закрепляется теплопроводящая пластина 5, к которой прикрепляется один из концов подвижного электрода 6, подвижная часть которого расположена параллельно поверхности сегнетоэлектрической пленки 3 с зазором между ними. Подложка 1 и теплопроводящая пластина 5 имеют отличающиеся температуры, непрерывно поддерживаемые внешними тепловыми источниками (не показаны).
3
K
Подложка 1 может быть выполнена из полупроводниковых (например, кремний) или диэлектрических материалов (например, поликор). Электроды 2 и 6 микромеханического емкостного термоэлектрического преобразователя изготовлены из электро- и теплопроводящих материалов (например, медь, платина). Пленка 3 выполнена из сегнетоэлектрических материалов, имеющих температурную зависимость диэлектрической проницаемости. Например, на Фиг.2 представлена температурная зависимость диэлектрической постоянной сегнетоэлектрической керамики состава (Ba, Sr)TiO, которая демонстрирует сильную зависимость диэлектрической постоянной вблизи температуры Кюри T. Теплоизолирующие стенки 4 выполнены из диэлектрических материалов (например, диоксид кремния). Теплопроводящая пластина 5 выполнена из металла (например, медь).
Предлагаемый микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь изготавливается по технологиям создания микроэлектромеханических систем (нанесение защитных слоев, напыление диэлектрических или электропроводящих материалов, фотолитография, травление и т.д.). Подвижный электрод 6 прикрепляется к теплопроводящей пластине 5 точечной сваркой. Теплопроводящая пластина 5 закрепляется на теплоизолирующих стенках 4 с помощью эпоксидных материалов.
Микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь работает следующим образом.
В исходном положении (Фиг.1) подвижный электрод 6 имеет температуру теплопроводящей пластины 5 вследствие теплового контакта между ними, а температура сегнетоэлектрической пленки 3 равна температуре подложки 1 благодаря теплообмену между ними через неподвижный электрод 2. Для наиболее эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую температура подложки 1 должна быть примерно равна температуре Кюри сегнетоэлектрической пленки 3, поскольку вблизи этой температуры происходит наиболее сильное изменение диэлектрической проницаемости пленки 3 от температуры (Фиг.2).
нагр
Принципиальная электрическая схема, обеспечивающая преобразование тепловой энергии в электрическую, показана на Фиг.3. Микромеханический емкостной термоэлектрический преобразователь М подключен к источнику управляющего напряжения U через ключ К1 и к электрической нагрузке R через ключ К2. При замыкании ключа К1 электрическое напряжение U, приложенное к электродам 2 и 6 микромеханического емкостного термоэлектрического преобразователя, вырабатывает электростатическую силу, под действием которой подвижный электрод 6 перемещается от теплопроводящей пластины 5 к сегнетоэлектрической пленке 3. При соприкосновении подвижного электрода 6 с пленкой 3 формируется сегнетоэлектрический конденсатор, состоящий из электродов 2 и 6 и сегнетоэлектрической пленки 3 между ними (Фиг.4). Управляющее электрическое напряжение U также служит для начальной зарядки сегнетоэлектрического конденсатора. После зарядки сегнетоэлектрического конденсатора ключ К1 размыкается. Подвижный электрод 6 удерживается на поверхности сегнетоэлектрической пленки 3 электростатической силой. При этом происходит теплообмен между электродом 6 и пленкой 3. В результате температура сегнетоэлектрической пленки 3 изменяется, величина ее диэлектрической проницаемости уменьшается, и пропорционально этому уменьшению понижается емкость сегнетоэлектрического конденсатора, что приводит к увеличению электрической энергии, запасаемой в нем.
нагр
нагр
При достижении максимального изменения температуры сегнетоэлектрической пленки 3, т.е. при максимальном увеличении электрической энергии, запасаемой в сегнетоэлектрическом конденсаторе, замыкается ключ К2, и электрическая энергия поступает в электрическую нагрузку R. При разрядке сегнетоэлектрического конденсатора в нагрузку R уменьшается электрическое напряжение на его электродах 2 и 6, вследствие этого электростатическая сила убывает, и подвижный электрод 6 возвращается в исходное положение под действием собственных сил упругости, а значения температур подвижного электрода 6 и сегнетоэлектрической пленки 3 возвращаются к начальным величинам благодаря теплообмену с теплопроводящей пластиной 5 и подложкой 1 соответственно. Таким образом, температурный цикл изменения величины диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки 3 завершается.
Аналогичным образом обеспечивается температурный цикл в микромеханическом емкостном термоэлектрическом преобразователе, показанном на Фиг.5 и Фиг.6. В этом устройстве подвижный электрод 6 выполнен в виде мембраны, обладающей способностью к растяжению и сжатию. Края мембраны 6 прикреплены к теплопроводящей пластине 5. Мембранная структура подвижного электрода 6 обеспечивает ему лучший тепловой контакт с теплопроводящей пластиной 5 (Фиг.5) и с диэлектрической пленкой 3 (Фиг.6).
В предлагаемом микромеханическом емкостном термоэлектрическом преобразователе в отличие от известного используется электрическое управление подвижным электродом, что устраняет такой существенный недостаток в известном преобразователе как гистерезисные явления при нагреве и охлаждении подвижного электрода. За счет этого преимущества увеличивается частота преобразования тепловой энергии в электрическую, что увеличивает среднюю мощность электрической энергии, производимой предлагаемым преобразователем. Другим преимуществом предлагаемого преобразователя является то, что электрическое управление подвижным электродом позволяет легко синхронизировать нагрев и охлаждение сегнетоэлектрической пленки с зарядкой и разрядкой электрического конденсатора, включающего в себя эту пленку.