ТЕПЛОВОЙ ДИОД Российский патент 2013 года по МПК F28D21/00 

Тепловой диод предназначен для преимущественной передачи тепла в одном направлении. Может применяться в устройствах, характеризуемых наличием градиентов температур.

Явление асимметричной теплопроводности было открыто еще в 30-х годах прошлого века. С тех пор сообщения на данную тему регулярно попадали в научные периодические издания. Например, подобный эффект отмечен при пропускании теплового потока через стопку металлических пластин, гладких с одной стороны и шероховатых с другой [1]. Развитие нанотехнологий тоже внесло свою лепту: ученым удалось создать тепловой диод на основе трубок из нитридов углерода или бора длиной порядка 10 микрон и толщиной около 30 нм, на которые было нанесено органическое соединение платины с нарастанием слоя от одного конца трубки к другому [2]. При этом в направлении убывания толщины наблюдалось превышение теплопроводности на 7%. Столь маленькая величина наряду со сложностью технологии и высокой стоимостью материалов лишает это устройство всякой практической перспективы.

В качестве прототипа взят тепловой диод, где перенос энергии осуществляется при посредничестве тепловой радиации. Между двумя телами со специально подобранными спектрами поглощения и испускания находится переизлучатель со свойствами абсолютно черного тела [3]. Недостатком устройства является то, что оно предназначено для работы только на разграничительной длине волны, соответствующей определенной температуре, и весьма невелика разница прямой и обратной теплопроводности, едва достигающая 20%.

Тем не менее оказалось, что можно получить более качественное выпрямление, если от прототипа оставить только первое тело, задав ему другую особенность, и среднее тело с имеющейся хорошей способностью поглощать и излучать тепловую радиацию.

Конструкция объекта изобретения приведена на фиг.1. Непрозрачные для тепловых лучей теплопроводы 1 и 2 разделены прозрачным для тепловой радиации пространством. Металлический теплопровод 1 покрыт слоем 3, образованным окислами этого же металла. Обращенная к окисной пленке поверхность 4 теплопровода 2 хорошо поглощает и хорошо испускает тепловые лучи, т.е. приближена к абсолютно черному телу. Слой 3 способен частично поглощать и частично пропускать тепловое излучение.

Сначала рассмотрим процессы при обратном включении диода. При повышенной температуре теплопровода 2 излучение с поверхности 4 направляется к полупрозрачному оксидному слою 3, сквозь который заметная часть данной тепловой радиации достигает металлической основы теплопровода 1. Чистые металлы хорошо отражают тепловые лучи с изменением фазы волны на противоположную. В результате интерференции прямого и отраженного потоков возникает стоячая волна А, узел которой соответствует поверхности металла. При крайне малой толщине окисного слоя 3 он практически целиком помещается в этом узле и оказывается не в состоянии поглощать электромагнитную энергию.

При работе диода в прямом включении металлическая основа теплопровода 1 не способна на значительное тепловое излучение, но через молекулярную теплопроводность подогревает оксидный слой 3, который и справляется с данной задачей. Будучи частично прозрачным, он испускает одни волны в направлении поверхности 4 сразу, другие - после их отражения от металлической основы теплопровода 1. Поскольку эти потоки заведомо разные, ни стоячей волны, ни какой-нибудь другой интерференции между ними появиться не может. В конечном итоге обеспечивается максимально интенсивный перенос энергии от теплопровода 1 к теплопроводу 2.

При увеличении толщины оксидного слоя падает и его прозрачность для теплового излучения, меньшая доля которого достигает металлической основы теплопровода 1. При этом вклад описанной выше интерференции уменьшается, что приводит к выравниванию теплопередачи в прямом и обратном направлениях.

Схема установки по испытанию диода приведена на фиг.2. Исходящее от лампы накаливания 5 излучение (штриховой пунктир) через прорезь в перегородке 6 нагревало черненую внешнюю поверхность 7 одного из теплопроводов объекта изобретения 8. Через такую же поверхность 9 другой теплопровод охлаждался радиационным излучением (точечный пунктир) и конвекцией воздуха. Внутри диода 8 также находился воздух, но нагрев сверху вниз препятствовал обратному конвективному переносу тепла. При этом непрерывно контролировались температуры верхнего (Т_а) и нижнего (T_b) теплопроводов, а также комнатная (Т₀).

Диод устанавливался один раз в прямом направлении, второй в обратном. При этом высота расположения лампы 5 регулировалась так, чтобы после достижения равновесия прикладываемая к диоду разность температур Т_а-T_b в обоих случаях совпадала. В качестве материала для теплопровода 1 были исследованы три металла. Выпрямительный эффект Р считался как отношение превышений T_b-Т₀ в прямом и обратном направлениях (фиг.3).

Из приведенных данных хорошо видно, что оптимальное сочетание прозрачности и поглощающей способности слоя оксида алюминия наблюдается при его толщине не более 20 нм с максимумом выпрямительного эффекта в районе 5 нм. В этом случае наилучшее прямое пропускание почти вдвое превосходит обратную тепловую проводимость диода.

Незначительные выпрямительные свойства обеспечивает и побывавший на воздухе никель, но тонкой пленки его естественного окисла оказывается слишком много. Магний же окисляется слишком глубоко.

Химический аналог алюминия - бериллий - не проверялся, поскольку он заведомо непригоден: монооксид бериллия хорошо пропускает тепловое излучение даже в толстых слоях и в виде керамики применяется для изготовления окошек, прозрачных в средней части инфракрасного диапазона.

Таким образом, единственным достойным кандидатом остается алюминий. Процесс его окисления на воздухе сильно зависит от содержания примесей. На металле высокой чистоты, из которого, в частности, прокатывают фольгу, оксидная пленка нарастает лишь до 3-5 нм, что оптимально для объекта изобретения. Применяемый же в конструктивных элементах технический алюминий покрывается более мощным оксидным слоем, толщина которого оказывается в интервале 20-40 нм, не самом подходящем для нашего случая.

При проверке функционирования диода вполне между теплопроводами может быть и воздух. Но вполне очевидно, что вакуумирование этого пространства должно улучшить выпрямительный эффект, так как будет исключен мешающий конвективный теплообмен.

Техническим результатом изобретения является высокий выпрямительный эффект и простота конструкции.

Источники информации

1. P.W.О.Callaghan, S.D.Probert, A.Jones. Thermal Rectifier // Journal of Physics D: Appl. Phys., V.3, 1970, pp.1352-1358.

2. C.W.Chang, D.Okawa, A.Majumdar, A.Zettl. Solid-State Thermal Rectifier // Science, V.314, Nov. 2006, pp.1121-1124.

3. N.A.Roberts, D.G.Walker. A Review of Thermal Rectification Observations and Mechanisms in Solid Materials // International Journal of Thermal Sciences, V.50, May 2011, pp.648-662.

Тепловой диод предназначен для преимущественной передачи тепла в одном направлении. Состоит из алюминиевого теплопровода, покрытого оксидным слоем толщиной не более 20 нм, и теплопровода, имеющего хорошо поглощающую тепловое излучение поверхность. Пространство между теплопроводами прозрачно для тепловой радиации. При работе диода в прямом направлении повышенная температура подается на алюминиевый теплопровод. Нагретый от него слой излучает тепловую радиацию, целиком поглощаемую поверхностью. При обратном подключении диода значительная часть испускаемого поверхностью теплового излучения проникает сквозь слой и интерферирует с потоком, отраженным от металла обратно. Оказавшийся в узле возникшей стоячей волны оксидный слой лишается возможности поглощать электромагнитную энергию. Техническим результатом изобретения является простота конструкции и высокий выпрямительный эффект. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловой диод, содержащий прозрачное для теплового излучения пространство, разделяющее два теплопровода, из которых один способен хорошо поглощать тепловые лучи, отличающийся тем, что другой теплопровод выполнен из алюминия, покрытого слоем своего оксида толщиной не более 20 нм.

2. Диод по п.1, отличающийся тем, что прозрачным для теплового излучения пространством является вакуум.