專利名稱：用于傳熱的方法和器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要地涉及能量傳送。本發(fā)明具體地涉及借助電磁輻射如光來傳送熱能。
背景技術(shù)：
已知的傳熱方法常規(guī)地使用各種制冷劑(例如制冷機中的基于壓縮機的溶液)或者電流(珀耳帖元件)。這些解決方案的弱點在于尺寸大、對環(huán)境產(chǎn)生有害影響并且機械熱泵的可動部分磨損而且在熱電熱泵的情況下性能系數(shù)低。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種如權(quán)利要求1所述的方法。在本發(fā)明的某些實施例中，可以在與熱力學(xué)第二定律確定的熱流向相反的方向上傳熱。在本發(fā)明的某些實施例中，光或者其它電磁輻射可以用來傳送固態(tài)熱泵中的熱。 本發(fā)明的某些實施例可以實現(xiàn)珀耳帖元件作為緊湊固態(tài)熱泵的益處，而且還達(dá)到比珀耳帖元件更高的性能系數(shù)。在本發(fā)明某些實施例的傳熱方法中，發(fā)射光或者其它電磁輻射的元件所發(fā)射的輻射耦合到吸收輻射的元件，其中該輻射的部分能量作為熱被釋放而該輻射的部分能量轉(zhuǎn)換回可利用的能量形式，比如電能或者機械能。在某些實施例中，借助光子從發(fā)射元件向吸收元件傳熱。發(fā)射元件發(fā)射的輻射可以例如是半導(dǎo)體中的電致發(fā)光產(chǎn)生的光。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種如權(quán)利要求7所述的方法。在某些實施例中，該器件包括發(fā)射光的元件，光學(xué)耦合到吸收光的元件，其中發(fā)射元件隨著它發(fā)射光而冷卻并且吸收元件隨著它吸收光而加熱。上述器件可以是使用光子來傳熱的器件，也就是光子熱泵。根據(jù)某些實施例的光子熱泵是適合于冷卻和加熱應(yīng)用的固態(tài)熱泵。它與基于壓縮機的熱泵相比的優(yōu)點在于尺寸小并且無可動部分和制冷劑。此外，它可以達(dá)到比其它固態(tài)熱泵更高的性能系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明實施例的方法和器件可以用于在例如制冷機、加熱或者空調(diào)設(shè)備、制冷器或者利用熱泵的其它設(shè)備中傳熱。在具體實施方式
中和在從屬權(quán)利要求中描述本發(fā)明的某些實施例。在本發(fā)明的某些所選方面的背景中描述實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解任何實施例通?？梢耘c在本發(fā)明的相同方面之下的其它一個或者多個實施例組合。任何實施例通常也可以與本發(fā)明本身的其它一個或者多個方面組合或者與任何其它一個或者多個實施例一起組合。


圖1示出了本發(fā)明一個實施例中的傳熱原理的例子，而圖2示出了實現(xiàn)所呈現(xiàn)的傳熱方法的器件的結(jié)構(gòu)或者橫截面的例子。
具體實施方式
在下文中描述根據(jù)本發(fā)明實施例的借助光來操作的熱泵的操作原理和結(jié)構(gòu)的例子。將注意，代替光，該熱泵可以借助其它電磁輻射來傳熱。在圖1中，發(fā)射輻射的元件1借助外部能量源4發(fā)射輻射3。元件1可以例如包括通過電致發(fā)光來發(fā)光的發(fā)光二極管，而外部能量源4可以是通過圖1的電路為發(fā)光二極管提供電流Itl的電壓源U00向吸收輻射的元件2傳送發(fā)射的輻射3，其中輻射中包括的部分能量作為熱能被釋放而部分能量在外部元件5中以容易利用的能量形式(例如電能或者機械能)被恢復(fù)。元件2可以例如是作為光電電池單元來操作的發(fā)光二極管，該二極管生成通過電路向元件5饋送的電壓U1和電流Ip元件5可以例如存儲接收的能量或者對由元件2產(chǎn)生的電壓進(jìn)行變換，從而可以例如通過虛線代表的反饋電路與外部能量源4結(jié)合使用接收的能量以發(fā)射元件1中的輻射。即使傳熱的光子的能量明顯大于熱能，回收所吸收的光子的能量仍然實現(xiàn)以大的性能系數(shù)傳熱。包圍發(fā)射元件1的區(qū)域6 (該區(qū)域可以包括在結(jié)構(gòu)上屬于元件1的元件(比如襯底和/或電接觸件)和冷卻的物體)通過隔熱區(qū)域 8(該區(qū)域減少在發(fā)射元件1與吸收元件2之間的導(dǎo)熱，但是對于在發(fā)射元件1與吸收元件 2之間的電磁輻射為透明)來與包圍吸收元件2的區(qū)域7 (該區(qū)域可以包括與在元件1周圍的元件對應(yīng)的元件)分離。圖2呈現(xiàn)了利用所呈現(xiàn)的傳熱方法的器件或者結(jié)構(gòu)的橫截面的例子。為了附圖簡潔起見，該結(jié)構(gòu)并未按正確比例繪制，并且實際上，該結(jié)構(gòu)的寬度比高度大得多。在圖2中， 發(fā)射元件由在交線A上方的部分形成而吸收元件由在交線B下方的部分形成。發(fā)射元件和吸收元件在實踐中可以包括半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)，金屬接觸件和鏡結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，發(fā)射元件操作為使得當(dāng)電荷載流子在它們通過金屬接觸件15a、 15b和16a以及摻雜的半導(dǎo)體層IOa(η-型摻雜)和lla(p型摻雜)注入至有源區(qū)域1 時重新組合時生成光子。當(dāng)材料為高質(zhì)量時，發(fā)射的光子的能量大于外部功率源提供的能量。外部能量源未提供的發(fā)射光子的部分能量由發(fā)射元件的熱能提供。因此發(fā)射元件冷卻下來。在一個實施例中，吸收元件是作為光電電池單元來操作的二極管結(jié)構(gòu)，其中在有源區(qū)域12b中，以很高的量子效率來吸收發(fā)射元件發(fā)射的光子。在有源區(qū)域中生成的電荷載流子通過摻雜半導(dǎo)體層10b(n型摻雜)和llb(p型摻雜)以及金屬接觸件15c、15d和 16b在外部電路中生成電壓和電流并且允許將發(fā)射的光子的部分能量恢復(fù)為電能。未恢復(fù)的那部分能量被釋放為吸收元件中的熱，這造成加熱吸收元件。通過接觸件15a-15d、16a、16b將該結(jié)構(gòu)連接到外部元件(比如圖1的外部能量源)。在某些實施例中，圖1的外部電壓源U0通過接觸件15a、1 和16a向發(fā)射元件饋送能量并且通過電致發(fā)光或者另一適用機制生成光子。外部電路仏從吸收光子的吸收元件對應(yīng)地接收能量并且將能量重定向回發(fā)射元件以在發(fā)射光子中重用。當(dāng)封裝該器件時，圖2 的結(jié)構(gòu)連接到外部電路，被緊密地密封并且在密封體中產(chǎn)生真空。發(fā)射元件形成器件的冷卻側(cè)而吸收元件形成器件的加熱側(cè)。為了使傳熱更高效，導(dǎo)熱元件如熱管、散熱器和/或風(fēng)扇可以放置于冷卻側(cè)與待冷卻的物體以及加熱側(cè)與待加熱的物體之間，從而它們通過該器件從冷卻的物體向加熱的物體傳熱。圖2中的器件作為高效熱泵的操作根據(jù)實施例而基于光子發(fā)射和吸收的很高量子效率，在發(fā)射元件與吸收元件之間的少量導(dǎo)熱以及少量電阻損耗。為了實現(xiàn)這些，以下因素起作用(1)發(fā)射的光子在摻雜半導(dǎo)體層中的吸收應(yīng)當(dāng)少。這可以例如通過由磷化銦制作摻雜半導(dǎo)體層10a、10b和IlaUlb而由能隙比InP層的能隙更小的GaAs釙或者InGaAs層制作有源區(qū)域12a、12b來實現(xiàn)。半導(dǎo)體層10a、10b、11a、lib和1加、12b應(yīng)當(dāng)與襯底晶格匹配或者為假形(pseudomorphic)，即應(yīng)變結(jié)構(gòu)(其中應(yīng)變尚未通過形成位錯而松弛)。有源區(qū)域12a、12b的厚度通常可以為光的波長級，半導(dǎo)體層IlaUlb的厚度可以是空穴的擴散長度級，而半導(dǎo)體層10a、10b的厚度可以是襯底的厚度級并且它可以由襯底本身形成，只要襯底材料的光學(xué)損耗充分小。能夠基于電致發(fā)光和吸收來實現(xiàn)發(fā)光并且可以用來制作其中有源區(qū)的能隙比摻雜半導(dǎo)體層的能隙更小的結(jié)構(gòu)的其它復(fù)合半導(dǎo)體也可以用來制作圖2 的器件。例如使用GaAs/AWaAs材料系統(tǒng)是可能的，但是通常需要從完整結(jié)構(gòu)中去除GaAs 襯底以便于襯底吸收不引起問題。(2)在發(fā)射元件與吸收元件之間的光學(xué)耦合應(yīng)當(dāng)強到使得光子傳送高效率地出現(xiàn)在元件之間，但是同時在元件之間的導(dǎo)熱應(yīng)當(dāng)少。這可以例如通過以下方式來實現(xiàn)將圖2 中的結(jié)構(gòu)制作成兩個部分，從而單獨地制作發(fā)射元件和吸收元件并且例如通過使用小粒子 13將它們附著在一起來相互接近地放置它們。然后可以使元件之間的間隙如此之薄以至它允許光在元件之間的高效耦合，但是粒子13的小接觸區(qū)域?qū)@著地減少光子在元件之間的導(dǎo)熱。當(dāng)封裝器件時，真空也可以形成于區(qū)域14中，這進(jìn)一步明顯減少元件之間的導(dǎo)熱。(3)在半導(dǎo)體層1 la、lib和金屬接觸件16a、16b的界面Ra和Rb處的吸收損耗應(yīng)當(dāng)少。為了實現(xiàn)這一點，填充半導(dǎo)體與反射體或者接觸件金屬之間多數(shù)區(qū)域的氣隙17a、17b 可以在這些界面用來增加來自空氣和半導(dǎo)體的界面的全內(nèi)反射部分而不引起過量電阻損耗。在圖2的配置中，實際電接觸件由以適當(dāng)填充因子制作至半導(dǎo)體表面的擠壓物18a、18b 形成。反射率系數(shù)高的其它鏡結(jié)構(gòu)也適合于該目的。(4)達(dá)到高外部量子效率通常需要大的內(nèi)部量子效率?？梢酝ㄟ^使用高質(zhì)量材料、 高級制作技術(shù)和對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來達(dá)到這一要求?？梢酝ㄟ^鈍化與有源區(qū)12a、12b接近的界面(這減少非輻射表面狀態(tài)的量并且允許減少通過這些狀態(tài)的再組合的速率)來減少在該結(jié)構(gòu)的表面發(fā)生非輻射再組合的比例。(5)該結(jié)構(gòu)的電阻損耗應(yīng)當(dāng)少。可以通過側(cè)部和在區(qū)域IlaUlb中制作與區(qū)域 IOaUOb中的結(jié)構(gòu)的電接觸件15a-15d，從而光由在半導(dǎo)體11a、lib與電接觸件16a、16b之間的界面高效反射。由于該結(jié)構(gòu)的寬度明顯大于厚度，所以在該結(jié)構(gòu)中的電流傳送在接觸件15a、15b與16a以及接觸件15b、15d與16b之間主要為橫向?？梢酝ㄟ^優(yōu)化該結(jié)構(gòu)的寬度、半導(dǎo)體層10a、10b和IlaUlb的厚度和摻雜濃度以及接觸件擠壓物18a、18b的填充因子來實現(xiàn)在圖2中代表的結(jié)構(gòu)中的電阻損耗?？梢岳蒙衔囊呀?jīng)僅呈現(xiàn)其一個例子的各種結(jié)構(gòu)開發(fā)利用根據(jù)上文描述的本發(fā)明某些實施例的方法。其它修改例如是由除了無機半導(dǎo)體之外的材料制成的結(jié)構(gòu)和如下結(jié)構(gòu)，其中光纖、光子晶體、其它波導(dǎo)或者非互易(non-reciprocal)部件(比如基于法拉第旋轉(zhuǎn)的光學(xué)隔離器)用來在充當(dāng)發(fā)射器與吸收器的元件之間傳送光子。另外該結(jié)構(gòu)也可以集成作為電或者光集成電路的部分，這可以允許制作技術(shù)上的優(yōu)點。前文描述提供了本發(fā)明某些實施例的非限制例子。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚本發(fā)明并不限于呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)并且也可以使用其它等效方式來實施本發(fā)明。在本文中，術(shù)語包括為開
6放式表述并且它們并非意在進(jìn)行限制。 也可以利用所呈現(xiàn)的實施例的一些特征而不使用其它特征。這樣，前文描述應(yīng)當(dāng)視為僅說明而不限制本發(fā)明的原理。本發(fā)明的范圍僅由所附專利權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于傳熱的方法，其中借助在結(jié)構(gòu)中生成的電磁輻射(3)從發(fā)射輻射的元件 (1)向吸收輻射的元件( 傳送熱能，其特征在于傳遞所述熱能的所述電磁輻射(3)由電致發(fā)光生成并且所述吸收的輻射的部分能量轉(zhuǎn)換回可利用的能量形式，例如電能或者機械能。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述吸收元件O)中恢復(fù)的部分能量在所述發(fā)射元件(1)中用來發(fā)射電磁輻射(3)。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的方法，其特征在于所述發(fā)射元件(1)和/或所述吸收元件( 包括發(fā)光二極管。
4.如權(quán)利要求1-3中的任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于使用至少一個隔熱材料層或者真空作為所述吸收元件(2)與所述發(fā)射元件(1)之間的隔熱體(8)，所述隔熱材料層或者真空如此之薄使得它允許在所述發(fā)射元件與所述吸收元件之間傳送輻射(3)。
5.如權(quán)利要求1-4中的任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述發(fā)射元件和所述吸收元件由小粒子(13)相互分離，從而形成于所述元件之間的間隙(14)如此之薄使得它允許光在所述元件之間的高效耦合，但是所述粒子(1 的小接觸表面區(qū)域減少所述元件之間的導(dǎo)熱。
6.如權(quán)利要求1-5中的任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在由小粒子(13)和窄真空相互分離的兩個發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(10a-16a、10b-16b)之間傳熱。
7.一種器件，包括發(fā)射輻射的元件(1)，配置成通過使用電磁輻射(3)向吸收輻射的元件( 傳送能量，吸收輻射的元件O)，配置成吸收由發(fā)射輻射的所述元件(1)發(fā)射的電磁輻射和由所述輻射傳送的能量，其特征在于所述器件被配置成通過使用電致發(fā)光來生成傳遞熱能的所述電磁輻射C3)并且與輻射一起將熱能從所述發(fā)射元件(1)向所述吸收元件( 傳送并且將所述吸收的輻射的部分量轉(zhuǎn)換回可利用的能量形式，例如電能或者機械能。
8.如權(quán)利要求7所述的器件，其特征在于所述器件被配置成在所述發(fā)射元件(1)中重用所述吸收元件O)中恢復(fù)的部分能量以發(fā)射電磁輻射(3)。
9.如權(quán)利要求7或者8所述的器件，其特征在于所述發(fā)射元件(1)和/或所述吸收元件O)為發(fā)光二極管。
10.如權(quán)利要求7-9中的任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于所述器件包括至少一個隔熱材料層或者真空(8)，所述隔熱材料層或者真空如此之薄使得允許在所述發(fā)射元件 (1)與所述吸收元件(2)之間傳送輻射(3)。
11.如權(quán)利要求7-10中的任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于所述發(fā)射元件和所述吸收元件由小粒子(13)相互分離使得形成于所述元件之間的間隙(14)如此之薄使得它允許光在所述元件之間的光耦合，但是所述粒子(1 的小接觸表面區(qū)域減少所述元件之間的導(dǎo)熱。
12.如權(quán)利要求7-11中的任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于所述器件包括由小粒子(13)和窄真空相互分離的兩個發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(10a-16a，10b-16b)。
13.如權(quán)利要求7-12中的任一權(quán)利要求所述的器件，其中通過這樣的電接觸件(16a， 16b)進(jìn)行電荷載流子向半導(dǎo)體中的注入，其特征在于所述半導(dǎo)體和充當(dāng)接觸件的金屬已經(jīng)由所述接觸件中占大部分的氣隙(17a，17b)分離并且通過所述半導(dǎo)體或者所述金屬中的穿越所述間隙的擠壓物(18a，18b)進(jìn)行在所述半導(dǎo)體與所述金屬之間的電流傳送。
14.如權(quán)利要求7-13中的任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于所述器件被配置成在傳送電磁輻射時使用波導(dǎo)、光纖或者非互易部件，比如基于法拉第旋轉(zhuǎn)的光學(xué)耦合器。
15.一種光器件或者電器件，包括如權(quán)利要求7-14中的任一權(quán)利要求所述的器件作為一般光器件或者電器件的部分或者具體與電或者光集成電路集成于相同襯底上。
全文摘要
一種用于在熱泵中傳熱的方法和器件，其中在與熱力學(xué)第二定律限定的方向相反的方向上借助光或者其它電磁輻射從發(fā)射輻射的元件(1)向吸收輻射的元件(2)傳送熱能，并且其中吸收的輻射的部分能量轉(zhuǎn)換回可利用的能量形式，例如電能或者機械能。
文檔編號F25B23/00GK102216701SQ200980126650
公開日2011年10月12日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者雅尼·奧克薩南, 雅科·蒂爾基 申請人:雅尼·奧克薩南, 雅科·蒂爾基