Тепловой диод



Тепловой диод
Тепловой диод

 


Владельцы патента RU 2511948:

Общество с ограниченной ответственностью "ТВИНН" (RU)

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к регулировке температурных режимов теплонагруженных устройств, и может быть использовано в твердотельной и вакуумной электронике, в авиационном двигателестроении, а также других областях техники. Тепловой диод содержит, по меньшей мере, два находящихся в контакте теплопроводных материала, причем находящимися в контакте материалами образованы слои, материалы которых имеют разную дебаевскую температуру, при этом, по крайней мере, часть слоев выполнена из материалов, дебаевская температура которых последовательно возрастает от слоя к слою. Технический результат - снижение инерционности работы, повышение эффективности передачи тепла и расширение области применения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к регулировке температурных режимов теплонагруженных устройств, и может быть использовано в твердотельной и вакуумной электронике, в авиационном двигателестроении, а также других областях техники.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является тепловой диод, содержащий, по меньшей мере, два находящихся в контакте теплопроводных материала (см. авторское свидетельство SU №518614, кл. F28F 13/14, 25.06.1976).

Однако данный тепловой диод имеет сравнительно большую инерционность (устройство выходит в рабочий режим после прогрева) и низкую эффективность при работе при малом перепаде температур, что ограничивает область его применения.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков.

Техническим результатом предложенного технического решения является снижение инерционности работы, повышение эффективности регулирования передачи тепла и расширение области применения.

Указанная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что тепловой диод содержит, по меньшей мере, два находящихся в контакте теплопроводных материала, причем находящимися в контакте материалами образованы слои, материалы которых имеют разную дебаевскую температуру, при этом, по крайней мере, часть слоев выполнена из материалов, дебаевская температура которых последовательно возрастает от слоя к слою.

Материалы соседних последовательно расположенных слоев, предпочтительно, имеют максимально возможную разницу их дебаевских температур.

Тепловой диод снабжен ультразвуковым генератором с возможностью воздействия на один из внешних слоев.

Слои, контактирующие с частью последовательно расположенных слоев с возрастающей дебаевской температурой, предпочтительно, выполнены из материалов с разной зависимостью теплопроводности λ от температуры, причем в рабочем диапазоне температур у одного слоя dλ/dT>0, у другого dλ/dT<0.

В ходе проведенных исследований было установлено, что на контакте двух тел появляется дополнительное тепловое сопротивление, природа возникновения которого объясняется различием в спектрах колебаний кристаллических решеток тел.

Известно, что теплопроводность твердых тел определяется рассеянием электронов (металл) и фононов (диэлектрик) на фононах (колебаниях решетки) / Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика: Ч.1. Атомная физика. - М.: Наука. 1986. - 416 с. /. Частотный спектр собственных колебаний решетки рассматривается как непрерывный в диапазоне частот от 0 до ωmax, где ωmax - максимальная дебаевская частота связана с дебаевской температурой θд формулой ωmax=kθд/h (k - постоянная Больцмана, h - постоянная Планка).

Как в любой колебательной системе, собственные колебания решетки тела с меньшей дебаевской частотой ωм, а соответственно и дебаевской температурой свободно передаются решетке с большей дебаевской частотой ωб, большей дебаевской температурой. Передача тепла в обратном направлении затруднена, так как высокочастотные колебания в диапазоне частот ωбм в теле с меньшей дебаевской частотой не существуют.

Таким образом, на контакте двух твердых тел, по крайней мере, в одном из которых основным механизмом теплопроводности является фонон-фононное рассеяние, возникает дополнительное тепловое сопротивление, величина которого пропорциональна разности дебаевских температур тел.

На фиг.1 схематично показан в разрезе тепловой диод в виде многослойной структуры.

На фиг.2 приведены спектральные плотности (S) колебаний решеток (в относительных единицах) металла - меди и диэлектрика - оксида магния по отношению к величине (θд/Т).

Тепловой диод имеет, по меньшей мере, два, например четыре слоя: медь (θд=423 К) 1, оксид магния (θд=800 К) 2, бериллий (θд=1481 К) 3 и алмаз (θд=2250 К) 4 материалов с возрастающей дебаевской температурой.

Работа теплового диода поясняется на фиг.2.

Например, при контакте меди с θд=423 К (ωм=4,2 1013 Гц) с оксидом магния с θд=800 К (ωб=8 1013 Гц) спектральная плотность колебаний решетки оксида магния 1 перекрывает спектральную плотность колебаний решетки меди 2 по частоте, т.е. колебания, существующие в решетки меди, могут распространяться в решетке оксида магния. При смене направления только часть колебаний решетки оксида магния может беспрепятственно проникать в решетку меди. Колебания в диапазоне частот (ωбм) передаться от решетки оксида магния решетке меди не могут.

Описанный эффект также имеет место на последующих контактах: оксид магния - бериллий, бериллий - алмаз.

Таким образом, тепловой диод в виде многослойной структуры из слоев 1, 2, 3 и 4 различных материалов с последовательно возрастающей дебаевской температурой позволяет управлять переносом тепла в заданном направлении. В одну сторону тепловой поток протекает при одном градиенте температуры, а в другую тот же поток - при другом градиенте.

Эффект, по существу, одностороннего переноса тепла усиливается, если структура выполнена из сочетания слоев 1, 2, 3, 4 материалов, которые имеют максимально возможную разницу дебаевских температур контактирующих слоев.

Дополнительное усиление описанного эффекта достигается, если в контактирующих слоях 1, 2. 3, 4, по крайней мере, слои 2 и 3 выполнены из материалов с возрастающей дебаевской температурой, а, по крайней мере, слои 1 и 4 выполнены из материалов с разной зависимостью теплопроводности λ от температуры Т, причем предпочтительно, чтобы в рабочем диапазоне температур у слоя 1 dλ/dT>0, а у слоя 4 dλ/dT<0.

Еще большего одностороннего переноса тепла можно добиться, если использовать ультразвуковой генератор, излучение которого, воздействуя на один из внешних слоев 1 или 4, позволяет менять спектр колебаний решеток твердых тел и соответственно регулировать величину передаваемого через тепловой диод теплового потока.

Таким образом, предложенное техническое решение расширяет область применения за счет возможности обеспечения заданного режима переноса тепла и возможности, например, с помощью ультразвукового генератора регулировать величину теплового потока, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность теплового диода и расширить его функциональные возможности.

1. Тепловой диод, содержащий, по меньшей мере, два находящихся в контакте теплопроводных материала, отличающийся тем, что находящимися в контакте материалами образованы слои, материалы которых имеют разную дебаевскую температуру, при этом, по крайней мере, часть слоев выполнена из материалов, дебаевская температура которых последовательно возрастает от слоя к слою.

2. Тепловой диод по п.1, отличающийся тем, что материалы соседних последовательно расположенных слоев имеют максимально возможную разницу их дебаевских температур.

3. Тепловой диод по п.1, отличающийся тем, что он снабжен ультразвуковым генератором с возможностью воздействия на один из внешних слоев.

4. Тепловой диод по п.1, отличающийся тем, что слои, контактирующие с частью последовательно расположенных слоев с возрастающей дебаевской температурой, выполнены из материалов с разной зависимостью теплопроводности λ от температуры Т, причем в рабочем диапазоне температур у одного слоя dλ/dT>0, у другого dλ/dT<0.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системам охлаждения и теплоотвода, например к устройствам для охлаждения компьютерного процессора. Технический результат - получение сверхнизких температур в процессе охлаждения и теплоотвода.

Изобретение относится к модулю полупроводникового преобразователя электроэнергии. Технический результат - создание модуля полупроводникового преобразователя электроэнергии с охлаждаемой ошиновкой (8) по меньшей мере двух модулей (2, 4) силовых полупроводниковых приборов, который можно нагружать электрически сильнее по сравнению со стандартным модулем полупроводникового преобразователя электроэнергии, при этом может выдерживаться допустимая температура для изоляционного слоя (32) и материала ламинирования ошиновки (8).

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике, и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к устройству для рассеяния тепла для выделяющего тепло электрического компонента. Технический результат - обеспечение экономически эффективного устройства, обеспечивающего эффективное рассеяние тепла, а также облегчение монтажа/демонтажа и предотвращение деформации, вызываемой различиями в коэффициенте теплового расширения.

Изобретение относится к гибридным интегральным схемам СВЧ и предназначено для радиоэлектронных устройств различного назначения, в том числе радиолокационных станции с фазированными антенными решетками (ФАР).

Изобретение относится к средствам защиты микроэлектронного оборудования от внешних разрушающих факторов, таких как высокотемпературные огневые воздействия, ударные перегрузки, статические давления, а также от длительного воздействия повышенной температуры, и может быть использовано при создании защищенных бортовых накопителей полетной информации для самолетов и вертолетов, а также защищенных накопителей информации для других транспортных средств.

Изобретение относится к устройствам для отвода тепла от электронных компонентов. .

Изобретение относится к способам охлаждения и теплоотвода, например к способам охлаждения компьютерного процессора. .

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к устройству измерения перемещений, имеющих большое значение в робототехнике, прецизионных механизмах при эксплуатации сооружений и металлоконструкций и т.д.

Изобретение относится к области авиационного и ракетного двигателестроения и может применяться в других энергетических установках многоразового использования (ЭУМИ) и техносистемах нефтяной, газовой, автомобильной, транспортной, энергетической, атомной и др.

Изобретение относится к области теплообмена и может быть использовано для интенсификации теплопередачи. .

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к поверхностям теплообмена, Цель изобретения - повышение теплопередающей способности поверхности теплообмена . .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при вибровоздействии на испаряемую жидкость (Ж). .

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к теплопередающим устройствам. .

Изобретение относится к теплотехнике. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в нагревательных устройствах радиоппаратуры для поддерживания заданной температуры промежуточной нагреваемой жидкости путем изменения в необходимых пределах величины поступающего в жидкость теплового потока.

Изобретение относится к криогенной технике. .

Группа изобретений относится к охлаждающему блоку мощного полупроводникового устройства (100). Блок содержит теплоотвод с активным охлаждением (102) и контроллер (208; 300), контроллер (208; 300) выполнен с возможностью регулирования эффективности охлаждения теплоотвода (102) в зависимости от температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, содержащегося в мощном полупроводниковом устройстве (100), причем контроллер (208; 300) выполнен с возможностью приема сигнала температуры, определяющего фактически измеренное значение температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, при этом контроллер (208; 300) содержит модуль выбора, выполненный с возможностью выбора между режимом управления с обратной связью и режимом управления с упреждением для регулирования эффективности охлаждения. Изобретение обеспечивает регулирование охлаждения в зависимости от температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх