Тепловой диод



Тепловой диод
Тепловой диод
Тепловой диод

 


Владельцы патента RU 2477828:

Сергеев Святослав Михайлович (RU)

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.

 

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 (Та) и нижнего (Tb) 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 Та-Tb в обоих случаях совпадала. В качестве материала для теплопровода 1 были исследованы три металла. Выпрямительный эффект Р считался как отношение превышений Tb0 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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в реакторах-теплообменниках. .

Изобретение относится к способу работы дистилляционной колонны для удаления воды и компонентов кипящих ниже, чем 1,2-дихлорэтан, из 1,2-дихлорэтана. .

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к способу и устройству для системы теплообмена с синтез-газом. .

Изобретение относится к области терморегулирования, а конкретнее - к устройствам отвода низкопотенциального тепла от систем космических аппаратов. .

Изобретение относится к системам терморегулирования космических аппаратов и может быть использовано для отвода низкопотенциального тепла от бортовых систем аппаратов.

Изобретение относится к отраслям промышленности, сельского и коммунального хозяйства, использующих теплообменные аппараты для осаждающихся жидкостей, и может быть использовано на животноводческих и птицеводческих фермах в установках для переработки органических отходов методом анаэробного сбраживания навоза, помета и различных растительных остатков при приготовлении из них горючего биогаза и высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры и семян сорняков органических удобрений.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам нагрева-охлаждения циркулирующих потоков жидкости или газа и может найти применение в энергетической, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности

Изобретение относится к конструкции элементов системы отопления помещения, в частности к теплообменнику металлическому, и может быть использовано при изготовлении системы отопления помещения

Изобретение относится к технологии изготовления элементов системы отопления жилых и других зданий, в частности к способу изготовления теплообменника металлического системы отопления

Изобретение относится к технологии изготовления элементов системы отопления жилых и других зданий и может быть использовано при изготовлении теплообменника металлического системы отопления помещения. Изготавливают трубопровод в виде стенки сквозной полости с внешней поверхностью, концевыми участками, а также изготавливают внешние элементы теплопередачи и закрепляют их к одному концевому участку. Стенку сквозной полости другого концевого участка изготавливают в виде обрамляющего элемента сквозного проема, который образуют в стене помещения, при этом внешние элементы теплопередачи изготавливают в виде облицовочных элементов стены помещения из стальных пластин, или труб, или швеллеров, или уголков, или прутков, а концевые участки закрепляют между собой металлическим фиксатором. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности теплопередачи от теплообменника к воздуху окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей теплообменника и арсенала технических средств. 2 ил.

Изобретение относится к конструкции теплообменника, в частности к теплообменнику металлическому системы отопления помещения. Теплообменник содержит трубопровод в виде стенки сквозной полости с внешней поверхностью, концевыми участками, а также внешние элементы теплопередачи, которые закреплены к одному концевому участку. Стенка сквозной полости другого концевого участка выполнена в виде обрамляющего элемента сквозного проема, образованного в стене помещения. При этом внешние элементы теплопередачи выполнены в виде облицовочных элементов стены помещения из стальных пластин, или труб, или швеллеров, или уголков, или прутков, а концевые участки закреплены между собой металлическим фиксатором. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности теплопередачи от теплообменника к воздуху окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей теплообменника и арсенала технических средств. 2 ил.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к аппаратам воздушного охлаждения (АВО), применяемым для охлаждения природного газа. Охлаждаемый газ из магистрального газопровода после компрессорной станции подается в теплообменные трубы теплообменной секции. Дополнительно охлажденный теплоноситель второго контура (топливный газ и т.п.) поступает во внутренние трубы, расположенные в полости теплообменных труб. За счет теплообмена охлаждаемого газа с теплоносителем второго контура происходит дополнительное охлаждение газа после компрессорной станции и нагрев теплоносителя второго контура. Технический результат - повышение тепловой эффективности за счет снижения энергопотребления. 2 ил.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в охлаждающих башнях с теплообменниками сухого типа. Теплообменник для охлаждения жидкости, направленный вертикально вдоль продольной оси, включает в себя первую охладительную дельту, установленную в первой точке вдоль продольной оси и содержащую первый впускной трубопровод для впуска потока жидкости, соединенный по текучей среде с первым подающим магистральным трубопроводом, и первый выпускной трубопровод для выпуска потока жидкости, соединенный по текучей среде с первым впускным трубопроводом и первым отводящим магистральным трубопроводом; и вторую охладительную дельту, установленную во второй точке вдоль продольной оси над первой охладительной дельтой, содержащую второй впускной трубопровод для впуска потока жидкости, соединенный по текучей среде со вторым подводящим магистральным трубопроводом, и второй выпускной трубопровод для выпуска потока жидкости, соединенный по текучей среде со вторым впускным трубопроводом и вторым отводящим магистральным трубопроводом. Технический результат - повышение теплообмена в охладительных дельтах. 5 н.. и 16 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системах теплообмена, предназначенных для восстановления и использования отработанного тепла. Система, работающая по органическому циклу Ренкина, для восстановления и использования отработанного тепла, поступающего от источника отработанного тепла, с помощью замкнутого контура рабочей текучей среды содержит по меньшей мере один испаритель. Указанный испаритель дополнительно содержит поверхностно-обработанную подложку для содействия пузырьковому кипению рабочей текучей среды с обеспечением ограничения температуры рабочей текучей среды до значения ниже заданной температуры. Кроме того, испаритель выполнен с обеспечением испарения рабочей текучей среды путем использования отработанного тепла, поступающего от источника отработанного тепла. Технический результат - уменьшение размеров, снижение стоимости и повышение эффективности системы. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

Нагреватель предназначен для подогрева магистральных трубопроводов, транспортирующих нефть и газ с морских платформ ледового класса, в том числе использующих в качестве источника энергии атомные реакторы. Нагреватель содержит греющие блоки, каждый из которых расположен вокруг обогреваемого трубопровода и содержит теплоизоляционный слой с вмонтированным в него электронагревательным элементом, подключенным к токонесущим проводам, при этом греющий блок, расположенный в начальной части трубопровода, выполнен в виде теплообменника с промежуточным теплоносителем, использующим тепловую энергию конденсатора перегретого пара атомного реактора; причем каждый последующий греющий блок обеспечен датчиком температуры стенки трубопровода, электрически связанным с управляющим процессором, расположенным в блоке управления морской платформы; при этом нагревательный элемент каждого греющего блока содержит механизм пуска и отключения контакта с токонесущими проводами, взаимосвязанными с управляющим процессором, при этом трубопровод с греющими секциями и токопроводящими элементами помещены в едином теплоизолированном кожухе. Технический результат - стабильное поддержание диапазона заданной температуры прокачиваемого по магистральному трубопроводу продукта в условиях охлаждающего воздействия окружающей среды. 2 ил.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. В теплообменнике, содержащем пакет теплообменных пластин (1, 1а, 1b, 1с), образованных из листового металла, имеющего трехмерный рельеф (2, 3), каждая пластина (1, 1а, 1b, 1с) теплообменника имеет канавку (10), в которой расположена прокладка (9), причем указанная канавка (10) имеет днищевую внутреннюю поверхность (11), при этом указанная днищевая внутренняя поверхность (11) имеет по меньшей мере один выступ (14, 15), направленный к указанной соседней теплообменной пластине (1а). На участке указанного выступа (14, 15) указанная прокладка (9) сжата сильнее, чем на участке, расположенном за пределами указанного выступа (14, 15). Технический результат заключается в минимизации риска утечки жидкой среды. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх