具有增強的熱導率特性的複合材料成分、裝置和方法

2023-10-08 05:54:49 1

專利名稱：具有增強的熱導率特性的複合材料成分、裝置和方法
技術領域：
本發明涉及複合材料的技術領域。本發明涉及熱傳輸、提取和冷卻的技術領域。本 發明還涉及用於太陽能熱、光伏以及其它太陽能發電的熱傳輸、提取、冷卻、存儲和管理，並 且涉及包含但不限於一般電子行業的各種類型的冷卻和熱管理。
背景技術：
在此說明書中引用或者討論文件、行為或者知識項時，這種引用或者討論不是承 認該文件、行為或者知識項或者其任意組合是在優先權日，公開可獲得，為公眾所知，屬於 公知常識，或者以其它方式在適用法律規定之下構成現有技術；或者已知與解決與此說明 書關注的任何問題的嘗試相關。儘管在現有技術中存在許多用於熱傳輸、提取和冷卻的不同結構、裝置和技術，但 是存在對於具有改善的效率的用於冷卻和熱傳輸的改進結構、裝置和技術的需求。例如，在 太陽能熱、光伏和其它太陽能發電、核能發電冷卻、以及在一般電子行業的領域中存在對這 些改進的需求。光伏電池的冷卻是在設計集中光伏系統時的主要關注之一。由於溫度過高，電池 可能經歷短期(效率損失)以及長期(不可逆損傷)退化。集中太陽能使得從太陽能獲得其 它形式的輸出的能力最大化。然而，非常高的熱密度經常是由比太陽能量額定濃度大1000 倍的太陽濃度產生的。這種濃度有時被稱為〃 1000X 「或者〃 1000個太陽(lOOOsims)"。 暴露於這些熱密度水平的裝置的一些或者所有部分會被損毀或者變得無效或低效。因此， 至少一些市場上有售的太陽能電池指明它們不意圖用於大於1000個太陽。冷卻系統的設計考慮包含低且均勻的電池溫度、系統可靠性、應對最壞情形的足 夠能力以及系統的最小功耗。例如，高濃度(> 150個太陽)下的太陽能電池典型地需要 熱阻小於10_4Km2/W的主動冷卻系統。常規核能發電冷卻系統典型地需要大量的水。因而，核電站位置通常緊靠例如湖 的大面積水域。然而，由於氣候變化，變得更加普遍的嚴重乾旱條件會減少提供充分冷卻的 足夠水的可用性。這會導致發電的中斷。因而，需要提供一種方式使得能夠以小於當前使 用的體積的冷卻介質來在核能發電操作中進行充分冷卻。

發明內容
本發明提供在熱傳輸、提取、冷卻、存儲和管理方面改善效率的材料、裝置、系統和 方法。本發明可以用於許多潛在應用，所述潛在應用包含但是不限於太陽能熱、光伏以 及其它太陽能發電應用。本發明包含可以在具有由高達例如10000X太陽濃度產生的非常 高熱密度的應用中使用的材料、裝置、系統和方法。太陽能發電的熱管理涉及高效提取和傳輸高達例如10000X的入射集中的太陽能 強度的太陽能電池產生的熱量。這種系統存在至少兩個值得注意的方面冷卻太陽能電池以及將熱量傳輸走用於例如熱水和/或蒸汽的其它實用應用。太陽能熱發電的熱管理涉及 高效提取和傳輸入射太陽光濃度高達例如10000X的熱量收集器子系統吸收的熱量。這種 系統存在至少兩個值得注意的方面收集熱量以及將熱量傳輸走用於例如熱水和/或蒸汽 的其它實用應用。根據本發明一個方面，提供了一種裝置，該裝置包含太陽能接收設備；以及與太 陽能接收設備熱連通的至少一個熱傳輸設備，該至少一個熱傳輸設備由複合材料形成，該 複合材料包含多個碳纖維的基體，該多個碳纖維包含下述中的一種或多種中間相碳、碳納 米管、石墨、石墨烯和聚丙烯腈碳(pan carbon)。根據另一方面，本發明提供了一種熱傳輸設備，該熱傳輸設備包含內部通道；以 及該內部通道的至少一部分是由複合材料形成，該複合材料包含多個碳纖維的基體，該多 個碳纖維包含下述中的一種或多種中間相碳、碳納米管、石墨、石墨烯和聚丙烯腈碳。根據另一方面，提供了一種太陽能接收設備，該太陽能接收設備包含第一表面， 用於接收入射在其上的太陽能，以及對立的第二表面，該第二表面是導電的；至少一個熱傳 輸設備，與第二表面的至少一部分直接接觸，該至少一個熱傳輸設備包含至少一個內部通 道和至少一個導管；以及熱傳輸介質，其在該至少一個內部通道和至少一個導管內流動。


圖1為碳纖維的分子結構的示意性說明。圖2為各向異性纖維中存在的熱梯度的示意性說明。圖3A和3B為在燒結之前和之後的鍍敷纖維的示意性說明。圖4為纖維基體的一部分的示意性說明，包含對熱路徑和熱梯度特性的說明。圖5為包含人造複合物(designer composite)的多個層的基礎構建單元構造的 示意性說明。圖6為呈各向異性XY交叉編織形式的、包含沿Z方向的基體材料的人造複合物的 示意性說明。圖7為微/毫微冷卻或熱傳輸通道裝置的示意性說明。圖8為圖7的裝置的某些可選細節的示意性說明。圖9為根據本發明附加方面形成的裝置的示意性截面說明。圖10為圖9的裝置的端視圖的示意性說明。圖11為根據本發明一個方面形成的包含太陽能電池和冷卻或熱傳輸裝置的裝置 的示意性說明。圖12為根據本發明另一方面形成的包含太陽能電池和冷卻或熱傳輸裝置的裝置 的示意性說明。定義除非在此處或者在下面說明書其餘部分中另行定義，所有此處使用的技術和科學 術語具有本發明所屬領域的普通技術人員通常所理解的含義。在詳細描述本發明之前，應理解的是，說明書中使用的術語是用於描述具體實 施例的，且不一定旨在用於限制。如此說明書和所附權利要求中所使用，單數形式的" 一"、「一個"和"該"不排除多個所指對象，除非內容清楚地指示排除多個所指對象。
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儘管與此處所述相似的、改動的或者等價的許多方法、結構和材料可以在本發明 的實踐中使用而無需不必要的實驗，但此處描述了優選的方法、結構和材料。在描述和要求 保護本發明時，將依照下文列出的定義來使用如下術語。如此處所使用，術語"熱接收設備"或者"電磁能量接收設備"是指這樣的一種 或多種設備，其布置成用於接收一種或多種形式的電磁能量(例如太陽能、紅外能量、遠紅 外能量、微波能量、聲能、聲子能量或者無線電波)，以及有可能將入射在其上的電磁能量轉 換成與入射在其上的形式不同的一種或多種形式的能量。所轉換的能量可以採用電流、熱 量、機械能量和/或流體壓力的形式。這種熱接收設備包含但不限於光伏太陽能電池以及 被動太陽能設備。易於理解的被動太陽能設備的一個實例為用於傳輸被加熱流體的試管或 其它結構。如此處所使用，術語"熱傳遞介質"是指蒸汽、單一流體、混合流體或者多相流 體。熱傳遞介質可具有包含等於、小於或高於大氣壓力的壓力的任何合適壓力。熱傳遞介 質可包含但不限於下述中的一種或其組合有機流體、無機流體、生物流體、水、蒸汽、油以 及有機、無機或生物材料的顆粒或結構。當以混合物的形式存在時，該熱傳遞介質可以採用 膠體分散體或者乳液的形式。如此處所使用，術語"導管"應指能夠穿過其傳導熱傳遞介質的一種或多種結 構。導管包含例如通道、渠道、試管、管道、通路、細管和毛細管的結構。術語"導管"不限於 任何具體材料，截面幾何或尺度。出於說明的目的，導管可設有大約Inm至幾釐米的尺度。如此處所使用，術語〃人造(designer)『『或者〃人造材料〃是指控制在X、Y、Z材 料指數上的物理和/或熱屬性的能力。人造材料具有沿三個維度中的一個或多個的定製屬 性。
具體實施例方式根據本發明某些方面，已經研製出各種具有高熱導率的各向異性材料、複合物、薄 膜和基體。這些材料可以在許多不同的應用中使用。例如，作為諸如下述的熱傳輸設備，本 發明的材料可以用於提供出乎意料的優異結果太陽能電池封裝襯底材料、微通道熱傳輸 設備和流體系統、部件載具(mount)、連接器、熱界面材料、熱擴散器、熱沉、熱交換管、蒸汽 室、熱電設備、核能發電操作中的冷卻部件以及其它冷卻部件。本發明的材料可以被表徵為人造材料。一般而言，常規複合物是簡單地通過混合 不同物理屬性的材料製成的，複合物內沒有特殊的有序性，並且只能演示體屬性。相比之 下，本發明的人造材料在複合物不同方向和部分演示不同的物理屬性，即熱導率，其中熱導 率對於冷卻和熱傳輸應用是非常重要的物理屬性。除了熱導率，還可以改編(tailor) —種 或多種下述屬性熱膨脹係數(CTE)、熱擴散係數Ke以及熱通量的等溫變形。本發明的人造材料為各向異性複合物和基體，其更薄、更輕且更強固，並且具有偏 心熱擴散。偏心性是人造材料中的重要且主要的屬性。沿x、Y和Z維度的熱擴散特性可以 基於應用需求而定製設計。此外，熱導率和熱擴散可以被定製設計成甚至沿著X、Y和Z軸 改變。例如，沿X方向的熱屬性可以隨X值變化而改變，其是沿著其長度的。此外，熱導率 和熱擴散可以被定製設計成甚至沿著X、Y和Z軸改變。例如，沿X方向的熱屬性可以隨X 值變化而改變，其是沿著其長度的。如果各向同性材料中的熱擴散可以形象化為一球體，則
一般而言，本發明的人造材料可包含各向異性碳基纖維部件以及高熱導率填料和 高熱導率塗層或覆層中的至少一種。各向異性碳基纖維可包含下述的一種或多種中間相碳纖維、碳納米管(CNT)基 碳纖維、石墨烯基碳纖維、石墨基碳纖維和聚丙烯腈(PAN)基碳纖維。如本領域所公知，碳 纖維可以得自浙青。可選地，根據可替換實施例，纖維可由銅形成，或者可用銅包覆。根據本發明一個實施例，複合物的纖維部件包含中間相碳纖維。許多包含聚合物 的材料可以在碳化的早期被轉換成結構有序的各向異性液晶(稱為中間相)，該中間相進 而可用於製作各向異性的高品質碳纖維。本發明的複合物中使用的碳材料之一的分子結構10在圖1中予以說明。在XY平 面內的六方晶體結構12具有負責在該平面內的高熱導率的強共價鍵14。然而，沿Z方向的 相鄰平面具有弱範德瓦爾斯鍵16。這種沿XY方向的高熱導率與沿Z方向的顯著低的傳導 率的組合形成由有關熱流18的指示所指示的材料各向異性。如圖2所示，中間相基碳纖維20的熱導率是各向異性的，其中沿X方向或者沿著 纖維長度的傳導率非常高，而沿著Z方向或厚度或直徑的熱導率非常低。這種特性由所示 的等溫線24和熱梯度26來指示。中間相基碳纖維沿著其長度的熱導率在100瓦每米開爾 文(W/mK)至5000瓦每米開爾文的範圍。沿厚度方向的熱導率小於50瓦每米開爾文。各向異性碳基纖維可以嵌有各向同性高熱導率填料材料。合適的填料材料包含 CNT以及比如銀、金剛石、氮化鋁和氮化硼的其它高傳導率材料。氮化硼和氮化鋁具有高熱 導率的特殊屬性而不具有電導率。所嵌入的填料的量根據所期望的應用和性能目標而變 化。例如，填料可以以5至50體積百分比的量存在。通過嵌入這些填料，碳基沿著其長度 的熱導率可以增大至約2000瓦每米開爾文。如此處所使用，CNT包含單壁CNT(SWCNT)和 多壁CNT (MWCNT)，以及它們的組合。SWCNT和MWCNT具有不同的傳導率和結構屬性，而二者 之間的選擇可以取決於例如待傳輸的熱的量的因素。無論是否嵌有填料，碳基纖維還可用高熱導率材料28塗覆或包覆。合適的塗層或 覆層材料包含鋁、銅、銀、氮化硼、金剛石和CNT。塗層或覆層的厚度可以根據應用和性能目 標以及所期望的複合物最終密度而變化。例如，塗層或覆層厚度範圍可為100ηπι-5μπι。根 據非限制性實例，塗層厚度為大約0. 5 μ m。各向異性碳基纖維可以被紡織(spin)並對齊以形成線性基體，且隨後被加熱以 燒結覆層或塗敷材料從而將纖維28熔合在一起。纖維彼此粘附並且靠攏在一起成為緊湊 或緻密基體。該過程使基體密度增大5至25倍。其它因素相同情況下，更高的密度導致更 佳的熱導率。若干其它因素也會影響所得到的基體的密度，例如纖維直徑，所嵌入的高傳導 率填料材料的密度、類型和質量，以及CNT類型(單壁或多壁)。當存在時，CNT生長的方式 也可以是影響所得到的基體形狀和密度的重要因素。沉積在各向異性碳基纖維20上的塗層或覆層28可以設有任何合適的厚度t。例 如，從而填充縱向纖維之間的孔洞以獲得89. 7%的基體理論堆積密度。如圖3A-3B所示，填 充壓縮纖維20之間的孔洞所需的覆層28的厚度t為當t = 0. 0502r時。r為纖維的平均
7半徑且R = r+t。對於大於80%的堆積密度，t = 0. 055r。所使用的纖維直徑的範圍可以是 可選地r = 2. Onm-IOO μ m,更具體地是IOnm至50 μ m，並且甚至更具體地是2. 5 μ m-10 μ m。 孔洞填充面積A = 0. 1616r2。根據替換實施例，本發明的複合物可包含上述各向異性碳基纖維、高熱導率填料 和泡沫材料。泡沫複合物是按照與所有金屬泡沫複合物製造方式相似的方式，通過吹氣和 發泡來製成的。由各向異性碳基纖維製成的本發明的泡沫複合物將比僅僅由鋁製成的金屬 泡沫更輕。根據另一實施例，所嵌入和/或包覆的各向異性碳基纖維20可以編織成各種圖 案，由此形成編織的基體複合物人造材料31。一種這樣的編織複合物結構示於圖4中。圖 4為截面圖，其示出穿過此特別的編織基體複合物31的橫斷熱路徑32和熱梯度34。對於 需要熱擴散而不是線性熱導率的應用，基體可設計成與沿其Z方向相比，沿X和Y方向具有 非常高的熱導率。通過選擇比如僅X或者僅Y的給定方向的編織，可以僅沿所選擇的方向 控制或改善該擴散。當基體設計成具有沿X、Y和Z方向互不相同的熱導率時，熱擴散將完 全互不相同，因而使得熱擴散是偏心的。在這些應用中經常使用的金屬(比如銅和鋁)內 的熱導率在所有三個方向上是相同的。與之相比，本發明的人造材料允許沿所選擇方向上 受控的熱擴散屬性。本發明的複合物基體可設有任何合適的尺寸或尺度。例如，該複合物基體可具有 IOnm至1000 μ m,更具體地IOnm至800nm，或者1 μ m至1000 μ m的厚度。根據替換實施例， 複合物基體材料的多個層可以熔合在一起以構建更厚的複合物基體。圖5示出複合物基體 材料的多個層42、44、46、48、50，其可以形成用於冷卻或熱傳遞部件的基礎構建單元。複合 物基體材料的每個層可設有不同的尺度、編織圖案或取向、和/或構成，從而將期望的屬性 傳遞到由其形成的所得到的冷卻或熱傳遞部件。例如，通過改變在由其構建冷卻或熱傳輸 部件中複合物基體材料層的數目和類型，可以獲得偏心熱導率輪廓。根據說明性且非限制 性實例，每個層厚度T為20 μ m至100 μ m。複合物基體材料以及由其形成的冷卻或熱傳輸部件可以由許多的合適技術或方 法製成。下述是這些技術和方法的說明性且非限制性的討論。製造嵌有前述類型的高熱導率填料(比如CNT和其它毫微/微材料)的各向異性 碳基纖維時，要牢記許多注意事項。並排進行不同的相關和關聯的製造、測試和品質控制過 程，通過使整個製造過程是連續的以最小化總生產成本，這會是有利的。還可以最小化通常 與分散的製造過程關聯的後製造和輸運過程。該製造過程可以從碳纖維前驅體材料的中間相或者液晶相開始，直到並且包含冷 卻或熱傳輸部件的成品線是連續的。該連續過程的不同步驟可以以任何特定順序包含下述 的一種或多種。例如CNT和金剛石的一種或多種高熱導率的毫微和微填料材料，在纖維拉絲經過 纖維拉絲模具和纖維噴絲頭期間嵌入處於中間相的碳纖維。所使用的填料材料的量取決於 所期望的熱導率的增加。所選擇的拉絲孔取決於填料材料的量和類型以及構成紡織的碳纖 維的細絲直徑。如果所述孔小於一微米，則當纖維細絲由於重力下落並與來自拉絲工具其 它孔的其它細絲結合時，填料材料和碳纖維細絲變為幾百到數百納米，因而得到更細的紡 織纖維。如果金剛石用作填料，沿Z方向的傳導率也更高，因為金剛石沿所有三個方向具有比碳纖維高得多的傳導率。由於CNT以及其它嵌入的毫微和微材料，經紡織的纖維具有比 未填充的碳纖維高得多的熱導率。接下來的步驟可包含通過連續微波加熱和冷卻過程的加熱、重結晶和冷卻。取決 於所期望的熱導率，需要加熱直到中間相形成溫度。此溫度可以約為2000°C至3000°C。經熱處理的纖維可以被傳送經過塗敷或包覆的預處理過程。例如銅的各種高熱導 率金屬塗敷在纖維上。塗層厚度可以為大約IOnm至5μπι，且由纖維通過鍍敷循環的速度控 制。被塗敷或包覆的纖維可以如上所述燒結在一起，這允許纖維合在一起或者緻密 化。纖維可以卷繞成捲筒陣列。纖維可以被傳送經過纖維排列和編織過程。圖6示出交叉編織的基體52。該過程 為捲軸到捲軸的過程。該過程可包含兩個步驟直列編織和交叉編織。所編織的纖維可以 經過連續的微波燒結過程，在該微波燒結過程中所塗敷的纖維熔合而同時形成編織的複合 物人造基體材料。複合物基體材料可以通過連續輥到輥加熱過程而分層以及熔合在一起。選擇層的 類型和厚度以限定最終人造基體的熱導率。人造複合物基體層或膜可以卷繞成可運輸的捲筒陣列，供在後續製造各種冷卻或 熱傳輸設備或部件時使用。一些熱傳輸部件甚至可以在並排後續步驟中製造。可以至少部分地由本發明的復 合材料製作全系列的冷卻或熱傳輸部件和材料。部件和材料包含熱界面材料(TIM)、熱沉、 熱管、微通道熱傳輸部件、熱擴散器、加強件、封裝材料、PC板疊層、襯底材料、微處理器蓋以 及其它專用封裝材料。本發明的複合材料可以用於構造下述專利申請中公開的設備、系統、裝置和方法 2007年11月8日提交的美國臨時專利申請No. 60/996，273 ；2008年4月28日提交的美國 臨時專利申請No. 61/071,410 ；2008年4月28日提交的美國臨時專利申請No. 61/071，411 ；
以及與本申請同一日期提交的序列號為No._、發明人為KRS Murthy,Robert S. Block和
Allen J. Amaro 的題為"SolarConcentration and Cooling Devices, Arrangements and Methods"的美國非臨時專利申請。每個上述專利申請通過引用全文結合於此。根據本發明另一實施例，提供一種熱傳輸設備。本發明的熱傳輸設備可以至少部 分地由上述複合物基體人造材料形成。示例性熱傳輸設備60在圖7中示出。應強調的是 本發明不限於圖7所示的具體設備。在所示的實施例中，設備60包含內部通道62，該內部 通道62可選地具有一個或多個導管64。導管64可以具有任何合適尺度，例如IOnm至5mm 的寬度。導管64可以設計成具有例如至少10 1或者50 1的高度H與寬度W的高縱 橫比。至少一部分該內部通道62和/或至少一部分該一個或多個導管64是由人造複合物 基體材料形成的。如圖8所示，導管64可以被壓印有納米槽66和/或刺68以創建湍流且 因此有效地從通道表面傳遞熱。替代地或者附加地，CNT 70可以塗敷在導管64的一個或 多個內壁上。熱傳遞介質72可被設於內部通道62內並與至少一個導管64連通。熱傳遞介質 72可含有CNT和/或其它毫微或微尺寸的顆粒74以幫助創建湍流和打破層流而增強對流熱傳輸效率。CNT和/或毫微或微顆粒74撞擊在導管64的壁上並從壁收集熱量，隨後彈回 到熱傳遞介質72內並快速分散和將熱量傳遞到熱傳遞介質72內，因而用作導管64和熱傳 遞介質72之間的熱傳遞劑。顆粒74也破壞層流邊界層流動並且創建或增加熱傳遞介質72 的湍流。應僅添加適當體積的這些高傳導率顆粒74到熱傳遞介質72以最小化這些系統中 可存在的流體通道系統、閥門、過濾器、膜和泵中的任何凝結/成團。可替換地，熱傳輸設備 60可包含含有設定體積的(a set volume of)熱傳遞介質72的封閉系統，如果確實存在， 該熱傳遞介質可以僅僅在閉合迴路內循環。導管64內設計有適當的彎曲以增強流體流動 湍流。導管64的內壁可設有CNT和/或毫微/微纖維70從突出到熱傳遞介質內的表面垂 直地生長。這些突起將所傳導的熱量傳遞到熱傳遞介質內，在其流內來回搖擺。熱傳輸設備60可以由任何合適的技術來製造。例如，納米壓印光刻(NIL)可作為 低成本方法用來形成納米尺度的特徵，例如導管、納米槽和/或刺。該方法還符合國際半導 體技術路線圖。NIL可以是位於32和22nm製作節點處的光刻解決方案。根據本發明的附加實施例，上述類型的熱傳輸設備被併入包含一個或多個太陽能 電池的裝置內，且被用於冷卻太陽能電池和/或傳輸熱量用於其它用途。示例性裝置80在 圖9中予以說明。如圖9所說明的，裝置80包含太陽能電池82。太陽能電池82包含第一 表面84和第二表面86。熱傳輸設備60設置為與太陽能電池82熱連通，可選地與第二表 面86的至少一部分熱連通。根據一個實施例，熱傳輸設備61與太陽能電池82的整個第二 表面86連通。熱傳輸設備61可以至少部分地由此處描述的人造複合材料形成。熱傳輸設 備61可以以其它方式具有任何合適的配置。因而，熱傳輸設備61例如可以是熱傳遞介質 在其中循環的主動冷卻設備(例如圖10)。可替換地，熱傳輸設備61可包含具有密封內部 室63的被動設備。熱傳遞介質可被設置在室63內。根據另一可替換實施例，熱傳輸設備 61設有一個或多個此處結合熱傳輸設備60描述的特徵。裝置80可包含位於太陽能電池 82和熱傳輸設備60之間的熱界面88材料(TIM)。熱界面材料88是導熱的、導電的或者這 二者。一種合適的熱界面材料為銀基材料。太陽能電池82可以直接安裝在熱傳輸設備60 上，而不使用伴隨太陽能電池82的封裝。因為太陽能電池82典型地安裝在襯底上且用具 有比較低熱導率的材料來封裝，將太陽能電池直接安裝在冷卻組件上使得能夠最大化從太 陽能電池到熱傳輸設備的熱傳遞。可替換地，本發明可以直接與常規封裝太陽能電池裝置組合，並且仍提供因優越 的冷卻和熱傳輸屬性而帶來的優點和益處，其中該常規封裝太陽能電池裝置包含焊接在其 上設有電連接器的15mil厚的陶瓷襯底上的標準太陽能電池。根據另一實施例，裝置80附加地可包含光學元件或其它合適的裝置90，用以產生 入射在太陽能電池82上的集中太陽能92。依照本發明原理形成的裝置能夠將太陽光的濃 度放大直到例如10000倍於額定太陽能強度水平(10000X)。該裝置的附加可選特徵包含電 連接94和印刷電路板96。此外，如圖10所示，熱傳輸設備60可附加地包含用於在其內部循 環熱傳遞介質的入口 98和出口 100。最後，應理解的是，該裝置可包含太陽能電池的陣列。 單個熱傳輸設備可以與整個陣列關聯。可替換地，每個單獨的電池可設有相應的熱傳輸設 備，或者還預想到任何變型，其中單獨的熱傳輸設備的數目少於單獨的太陽能電池的數目 (即，每個熱傳輸設備與多個單獨太陽能電池關聯，所述多個單獨太陽能電池的數目小於陣 列內的數目)。
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根據本發明另一實施例，上述類型的熱傳輸設備被併入核能發電操作的冷卻系統 中。可選地可以用該熱傳輸設備或者不用該熱傳輸設備來利用上述熱傳遞介質。與常規裝 置相比，根據本發明構造的熱傳輸設備的改善的效率和/或此處描述的熱傳遞介質的使用 應提供更強的冷卻而需要更少體積的冷卻劑。根據本發明的原理形成的裝置可包含熱傳輸設備和其它熱傳輸和/或冷卻系統 部件的組合。圖11示出裝置110，其中熱傳遞介質通過歧管114而流動跨過太陽能電池帶 112。熱傳遞介質的一個實例為水。熱傳遞介質進入歧管114，通過太陽能電池112，吸收熱 量並攜帶走所提取的熱量。主熱傳遞介質入口 116設計成維持在高於歧管114的水平，以 及歧管114之外的熱傳遞介質出口 118設計成維持在低於歧管114的水平，使得被加熱的 介質不往回進入太陽能電池112。通過歧管114的流速基於入射在集中器和太陽能電池帶 112上的太陽光的量而受控制。圖12示出可替換裝置120。此實施例中存在與圖11中所述實施例相同的一般特 徵。然而，在圖12的實施例中，熱傳遞介質入口 122和熱傳遞介質出口 124被如此構造使 得流體流動的方向不被該裝置顯著地改變。例如圖9、11和12中所示的，如此處所描述的本發明的熱傳輸裝置可直接連接到 太陽能電池陣列或帶。換言之，本發明的冷卻或熱傳輸裝置可以與常規太陽能電池構造組 合，但是其中這種常規太陽能電池裝置的襯底和/或安裝部件已被移除，從而允許太陽能 電池陣列或太陽能電池帶與本發明的冷卻或熱傳輸裝置之間的直接連接，由此改善整個裝 置的冷卻/熱傳輸性能。可替換地，本發明可以與包含其標準襯底和/或安裝的常規太陽 能電池裝置直接組合，並且仍提供如此處描述的因優越的冷卻和熱傳輸屬性而帶來的優點 和益處。在說明書中使用的所有表示成分、構成、反應條件等量的數字應理解為在所有情 形中用詞"大約"修飾。儘管列出了所述數值範圍和參數，但此處給出的寬廣範圍的主題 是近似的，所列出的數值範圍被儘可能精確地表示。然而任何數值可能固有地含有例如由 於它們各自測量技術引起的某些誤差，如由與之關聯的標準偏差所證明的。儘管本發明已經結合其優選實施例予以描述，但是本領域技術人員將理解，在不 背離本發明的精神和範圍的前提下可以進行未具體描述的添加、刪除、改動和替換。此處使 用的術語不應依照35U. S. C. §112，1 6來解讀，除非術語"裝置"明確地與之關聯使用。
1權利要求
一種裝置，包含太陽能接收設備；以及與該太陽能接收設備熱連通的至少一個熱傳輸設備，該至少一個熱傳輸設備由複合材料形成，該複合材料包含多個碳基纖維的基體，該多個碳基纖維包含下述中的一種或多種中間相碳、碳納米管、石墨、石墨烯和聚丙烯腈碳。
2.權利要求1的裝置，其中該複合材料進一步包含下述中的一種或多種包含在該多 個纖維內的填料、以及布置在該多個纖維上的塗層，該填料包含下述中的一種或多種碳納米管、金剛石、氮化硼、氮化鋁和銀，以及該塗層包含下述中的一種或多種鋁、銅、銀、氮化硼、氮化鋁、金剛石和碳納米管。
3.權利要求2的裝置，其中該複合材料包含該填料和該塗層。
4.權利要求1的裝置，其中該太陽能接收設備包含集中器，該集中器能夠將太陽強度 放大至少1000倍，以及多達10000倍。
5.權利要求1的裝置，其中該太陽能接收設備包含太陽能電池，該太陽能電池包含用 於接收入射在其上的太陽能的第一平面表面，以及對立的第二平面表面，該第二表面是導 電的，其中該至少一個熱傳輸設備與該第二表面的至少一部分直接接觸。
6.權利要求5的裝置，其中該第二表面包含導電的熱界面材料。
7.權利要求5的裝置，其中該至少一個熱傳輸設備與整個第二表面直接接觸。
8.權利要求1的裝置，其中該至少一個熱傳輸設備具有沿至少一個方向大約100至 5000ff/mK的熱導率。
9.權利要求1的裝置，其中該至少一個熱傳輸設備具有各向異性熱導率。
10.權利要求1的裝置，其中所述多個纖維中的至少一些形成編織織物。
11.權利要求1的裝置，其中每個所述纖維呈現由Kx、Ky和Kz代表的沿x、y和ζ方向 的熱導率，其中Kx > Kz且Ky > Kz。
12.權利要求1的裝置，其中該至少一個熱傳輸設備包含下述中的一種或多種太陽能 電池封裝材料、部件載具、連接器、熱界面層、熱擴散器、熱沉、管道和蒸汽室。
13.權利要求1的裝置，其中該至少一個熱傳輸設備具有至少80%的密度。
14.權利要求1的裝置，其中該至少一個熱傳輸設備具有至少89%的密度。
15.權利要求1的裝置，其中所述多個纖維具有大約2nm-100μ m的直徑。
16.權利要求1的裝置，其中該至少一個熱傳輸設備包含多個層。
17.權利要求1的裝置，其中該至少一個熱傳輸設備包含至少一個內部通道和至少一 個導管。
18.權利要求5的裝置，其中該至少一個熱傳輸設備包含內部通道和至少一個導管，該 至少一個熱傳輸設備與該第二表面直接接觸。
19.一種熱傳輸設備，包含內部通道；該內部通道的至少一部分由複合材料形成，該複合材料包含多個碳基纖維的基體，該 多個碳基纖維包含下述中的一種或多種中間相碳、碳納米管、石墨、石墨烯和聚丙烯腈碳。
20.權利要求19的設備，進一步包含布置在該通道內的至少一個導管；以及至少部分 地由該複合材料形成的至少一個導管。
21.權利要求19的設備，其中該複合材料進一步包含下述中的一種或多種該多個纖 維內包含的填料以及布置在該多個纖維上的塗層；該填料包含下述中的一種或多種碳納米管、金剛石、氮化硼、氮化鋁和銀，以及 該塗層包含下述中的一種或多種鋁、銅、銀、氮化硼、氮化鋁、金剛石和碳納米管。
22.權利要求21的設備，其中該複合材料包含該填料和該塗層二者。
23.權利要求19的設備，其中該複合材料具有至少80%的纖維密度。
24.權利要求19的設備，其中該複合材料具有至少89%的纖維密度。
25.權利要求19的設備，其中所述多個纖維中的至少一些形成編織織物。
26.權利要求19的設備，其中該複合材料具有各向異性熱導率。
27.權利要求19的設備，其中每個所述纖維呈現由Kx、Ky和Kz代表的沿x、y和ζ方 向的熱導率，其中Kx > Kz且Ky > Kz。
28.權利要求19的設備，其中該至少一個導管具有至少10 1的高度與寬度比例。
29.權利要求19的設備，其中該至少一個導管包含布置在其中以增加該至少一個導管 內的湍流的多個納米槽、多個納米突起和多個碳納米管中的至少一種。
30.權利要求19的設備，進一步包括包含在該內部通道中的熱傳遞介質。
31.權利要求30的設備，其中該熱傳遞介質包含下述中的至少一種多個毫微顆粒、多 個微顆粒和多個碳納米管。
全文摘要
一種系統，包含太陽能接收設備以及與太陽能接收設備熱連通的至少一個部件，該至少一個部件由複合材料形成，該複合材料可包含多個碳基纖維的基體，該多個碳基纖維包含下述中的一種或多種中間相碳、碳納米管、石墨、石墨烯和聚丙烯腈碳。還可以提供一種太陽能接收設備，其包含用於接收入射在其上的太陽能的第一表面，以及對立的第二表面，該第二表面是導電的；至少一個熱傳輸設備，與第二表面的至少一部分直接接觸，該至少一個熱傳輸設備可包含至少一個內部通道和至少一個導管；以及熱傳輸介質，其在該至少一個內部通道和至少一個導管內流動。
文檔編號F24J2/46GK101918770SQ200880124342
公開日2010年12月15日 申請日期2008年11月7日 優先權日2007年11月8日
發明者A·J·阿馬羅, K·穆爾蒂, R·S·布洛克 申請人:太陽能技術公司