АВТОЭЛЕКТРОННОЕ ВАКУУМНОЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЗАЗОРОМ

Полезная модель относится к устройствам охлаждения, и использует хорошо изученный эффект автоэлектронной эмиссии. Полезная модель может быть использована в устройствах охлаждения и термостатирования электронных схем, микропроцессоров, транзисторов, микросхем памяти, для охлаждения светодиодов и лазеров, в качестве холодильной установки в бытовых холодильниках, промышленных холодильных установках, для охлаждения солнечных батарей и для повышения их КПД (так же устройство может быть совмещено с солнечной батареей в общем корпусе и питаться прямо от нее).
На базе этого эффекта существует хорошо зарекомендовавший себя «Элемент Пельтье». Например, известно изобретение RU 2385516 «ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО С ОХЛАЖДАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ (ВАРИАНТЫ)», которое тоже относится к полупроводниковым приборам на основе эффекта Пельтье. Сущность: устройство содержит охлаждающий элемент, включающий группу полупроводниковых элементов, выполненных с возможностью возникновения термоэлектрического эффекта Пельтье при пропускании через них тока. Группа полупроводниковых элементов выполнена с асимметричной формой в третьем пространственном измерении с образованием вееровидного элемента. Группа полупроводниковых элементов подключена с образованием последовательной электрической цепи с охлаждаемым элементом. Полупроводниковые элементы могут быть расположены радиально на плате. Толщина полупроводниковых элементов может изменяться в направлении, перпендикулярном плоскости платы, с образованием сужающейся формы. В этом случае полупроводниковые элементы имеют в основном клиновидную форму, причем заостренный или узкий конец образует зону охлаждения, а противоположный широкий конец образует зону нагрева. Технический результат: обеспечение улучшенного распределения тепловой энергии и передачи тепла к теплоотводящему радиатору.
Также из уровня техники известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ИЛИ ОХЛАЖДЕНИЯ» (патент RU 2287208). Изобретение относится к системам нагрева или охлаждения, а именно к устройствам, работа которых основана на эффекте Пельтье. Сущность: устройство содержит термоэлектрическую батарею, составленную из элементов Пельтье. Батарея имеет две поверхности теплового контакта и хотя бы два электрических контакта. В разрыв провода питания термоэлектрической батареи введен переключатель, соединенный со схемой измерения разности потенциалов электрических контактов термоэлектрической батареи. Устройство содержит также автомат управления переключателем, циклически изменяющий его положение. Хотя бы на одной поверхности термоэлектрической батареи может быть установлен датчик температуры и введен электронный термометр с блоком сравнения измеренной температуры с заданной, присоединенный к датчику температуры и к автомату управления переключателем. Технический результат: сокращение длительности переходного процесса установления температуры и уменьшение погрешности измерения температуры.
Недостатком данных решений является то, что элемент Пельтье обладает очень низким КПД.
Поскольку элемент Пельтье по сути просто перекачивает электроны (не только горячие, а любые) из области одного типа проводимости в другую область за счет приложенного поля, и охлаждение по сути является «побочным эффектом».
Для того чтобы автоэлектронный эмиссионный эффект хорошо работал в плане именно охлаждения нужно чтобы между источником поля и источником электронов не было прямого контакта, т.е. был вакуумный зазор. Это предотвратит утечку тепла обратно в охлаждаемую область.
Поскольку вакуум тепло не проводит, а электронам в обратную сторону - не даст пройти поле.
Применение в качестве барьера тонкого изолятора - равносильно большему нерегулируемому вакуумному зазору, и потребует значительного поля для создания условий автоэлектронной эмиссии, а значит больших потерь, поскольку поле будет над электронами совершать работу.
Рассмотрим вакуумный вариант устройства:
Для хорошего КПД - зазор должен быть в идеале регулируемым, поскольку раз наше устройство работает на охлаждение, значит подразумевается что одна из сторон будет подвергаться нагреву.
А при нагреве сделать нано-зазор в реальности крайне тяжело, поскольку зазор будет или неработоспособным по КПД (источник электронов окажется слишком близким к источнику поля, что приведет к эмиссии не только горячих, но и «всех» электронов), так и зазор может оказаться слишком большим (т.е. поле будет совершать весьма внушительную работу над электронами, что тоже резко понижает КПД).
Для облегчения выхода электронов пластина - источник электронов так же изготавливается с заострениями, чтобы требовалось меньшее поле, и соответственно совершалась меньшая работа поля.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является патент US 7253549, где используется пьезоэлемент для регулировки зазора. Это весьма сложная и дорогая, а главное ненадежная конструкция.
Поскольку в микромире обеспечивать зазор в 10…20 нм крайне непросто, это можно сопоставить с натягиванием тонкой пленки с размерностью в 3000 метров × 3000 метров на высоте в 5 см от земли, и чтобы пленка нигде не провисала. А из земли при этом торчат небольшие «иглы».
А если добавить нагрев одной из сторон - то все становится еще на порядок сложнее. И следует не забывать, что пьезоэлементы не обладают идеальной анизотропией, поэтому их расширение на микроуровне - далеко нелинейно, и всегда будут области где источник электронов окажется слишком близко к источнику поля, и наоборот - всегда будут области где наблюдается обратный эффект. Что резко снизит КПД устройства на макроуровне.
Техническим результатом является то, что устройство свободно от этих недостатков и позволяет регулировать зазор электронным (не механическим) образом, при наноразмерных элементах, точно, и независимо по каждому элементу или по группе либо кластеру элементов. Тем самым обеспечивается повышение КПД.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство охлаждения, состоящее из охлаждаемой пластины - источника горячих электронов, имеющей микроскопические выступы или иглы, функцией которых является эмиссия горячих электронов, причем охлаждаемая пластина через изолятор соединена с первым уровнем источника поля, который через изолятор соединен с конечным уровнем источника поля, причем каждый из источников поля представляет собой электрический проводник с положительным потенциалом, а в целом пластина и источники поля образуют замкнутую объемную структуру с вакуумной камерой, причем микроскопические выступы или иглы пластины обращены внутрь вакуумной камеры.
Содержит контроллер, функцией которого является управление силой поля (напряжением) на текущем (активном) одиночном уровне или активной группы уровней, управление выборкой уровня, на который требуется подать поле (напряжение), и выборкой уровня, с которого соответственно требуется снять поле (напряжение), коммутацией подачи поля (напряжения) на заданный уровень, произведение расчета значения необходимого напряжения на уровнях по силе тока на активных уровнях непосредственно (по значениям тока) или косвенно (емкостно) за счет кратковременного отключения всех уровней для введения «тактов неактивности», в которые - контроллером проводятся измерения текущего состояния зазора между уровнями и охлаждаемой пластиной.
Между первым и конечным источниками поля через изоляторы размещено не менее одного дополнительного уровня источника поля таким образом, что каждый источник поля изолирован от соседнего.
Осуществление полезной модели
Предлагаемое техническое решение может быть реализовано на основе охлаждающего устройства, которое может быть изготовлено способом современной фотолитографии и планарными технологиями, приблизительно так же как изготавливаются микросхемы FLASH или многослойные солнечные батареи.
Пример изготовления устройства. На толстую подложку (в микроэлектронике часто используют кремний) наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится фоторезист. Производят экспонирование через фотошаблон (контактным или проекционным методом).
Облученные участки фоторезиста изменяют свою растворимость и их можно удалить химическим способом (процесс травления). Освобожденные от фоторезиста участки тоже удаляются.
Заключительная стадия - удаление остатков фоторезиста.
Таким образом, устройство (см. Фиг., где показана его конструктивная схема) формируется послойно (как слои изоляторов так и слои проводимости), после чего финально на него сверху крепится охлаждающая пластина (2), на которой предварительно с помощью фотолитографии, либо любым другим способом формируются микроскопические выступы (3) или иглы.
Положение пластины (2) при позиционировании ее установки может быть точно выставлено за счет подачи на контроллеры устройства специальных управляющих сигналов и вычисления точного совмещения пространственного положения выступов (3) у пластины (2) с структурой устройства для наилучшего КПД. После чего пластина фиксируется и герметизируется.
Принцип работы устройства в режиме холодильника.
Предполагается что на пластину (2) подается некая теплота Q от внешнего источника, которую требуется утилизировать. Поскольку пластина (2) сделана из металла она обладает отменной теплопроводностью благодаря высокоподвижным «электронам проводимости» внутри металла.
Эти электроны и берут на себя теплоту, и начинают быстро перемещаться внутри металлической решетки по пластине, как шарики в бильярде, многократно бьющиеся об разные борта. При достижении краев пластины - они, как шарики, отскакивают назад ввиду потенциального барьера.
Уровни источника поля - это проводники электричества на которые подается положительный потенциал (при наноразмерных зазорах - в несколько вольт).
Рассмотрим работу одиночной ячейки устройства.
Мы включили устройство, и оно с помощью контроллера произвело измерения - какой из уровней источников поля (5, 6 или 7) - находится наиболее оптимально по расстоянию до пластины (2) имеющей некую температуру t.
Слишком близкий уровень источника поля будет создавать условия для туннелирования не только горячих, но и обычных электронов проводимости, т.е. будет бесполезное расходование мощности поля, а следовательно - низкий КПД по охлаждению.
Слишком же далекий уровень источника поля для создания автоэлектронной эмиссии потребует большего потенциала, что приведет к большой работе поля над электронами.
Это так же даст низкий КПД по охлаждению.
После того, как контролер устройства или вручную оператор проведут измерения, и выберет оптимальный уровень за счет измерений, будет подано требуемое поле.
Наличие поля рядом с пластиной (2) делает тонким потенциальный барьер для электронов внутри пластины (2), причем делает таким образом, что наибольшая вероятность туннелировать возникает только у быстрых (горячих) электронов. Горячие электроны туннелируют из пластины (2) через микроскопические выступы (3) и попадают в один из активных уровней источников поля.
В неактивные (отключенные) уровни электроны попасть не могут, поскольку находятся в поле.
Благодаря небольшому расстоянию от пластины (2) до источника поля (5, 6 или 7) - электрон получает минимальную дополнительную энергию, что повышает КПД устройства. Но при попадании электронов в активный уровень источника поля он нагревается, и характеристики зазора начинают изменяться, что позволяет контроллеру действовать в двух плоскостях:
- изменять потенциал на текущем уровне, чтобы регулировать автоэлектронный ток;
- перейти на более дальний уровень для компенсации уменьшающегося зазора;
- перейти на более близкий уровень для компенсации увеличивающегося зазора. Устройство (см. Фиг.) состоит из вакуумной камеры (1), охлаждаемой пластины (2) - источника горячих электронов, микроскопических выступов (3) или игл для облегчения эмиссии горячих электронов, изоляторов (4), первого уровня источника поля (5) (проводник электричества с положительным потенциалом), второго уровня источника поля (6) (проводник электричества с положительным потенциалом), конечного уровня источника поля (7) (проводник электричества с положительным потенциалом).
Дополнительным элементом устройства может быть контроллер (8) (на чертеже не отображен поскольку он может быть общим для группы таких элементов).
Для простоты на Фиг. представлено всего три уровня источников поля, хотя их может быть и два и более трех.
Методом фотолитографии прямо на кристалле возле каждой такой ячейки, либо общий для группы или кластера ячеек формируется контроллер (на чертеже не отображен), который управляет переключениями поля между первым, вторым, третьим и последующими уровнями источника поля, вплоть до конечного.
Контроллер управляет как силой поля (напряжением), так и тем, на какой из уровней в данный момент поле подавать наиболее оптимально. Он может это вычислят как прямо, непосредственно по значениям силы тока на активных уровнях, так и косвенно (емкостно) за счет кратковременного отключения всех уровней поля для введения «тактов неактивности», в которые контроллером проводятся измерения текущего состояния зазора.
Таким образом происходит активное регулирование зазора для автоэлектронной эмиссии. Возможно так же смешанные режимы, когда поле будет сразу на нескольких уровнях (и разное) для более широкого диапазона вырываемых электронов (например, очень горячие + теплые).
В динамическом режиме система будет сама активно и оптимально калибровать себя на микроуровне, что даст на макроуровне хороший КПД по охлаждению.
При наличии внутри устройства собственного делителя по питанию устройство может питаться от обыкновенного источника тока.
Устройства могут каскадироваться для достижения больших дельта t (перепадов температур), либо сразу изготавливаться послойно через изоляторы из группы устройств в одном корпусе.
В том числе при каскадировании контроллер может быть исполнен общим для нескольких каскадов устройств, и контролировать общий лавинный процесс.
При каскадировании будет расти дельта t (увеличиваться перепад температур). Устройство может так же работать в режиме «теплового насоса», т.е. работать как нагреватель, отнимая теплоту у более холодной среды, делая ее еще более холодной.