Тепловой диод: Тепловой диод позволит создавать термокомпьютеры: Наука и техника: Lenta.ru

1101665 — Тепловой диод — PatentDB.ru

Тепловой диод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ТЕПЛОВОЙ ДИОД, содержащий входной теплопровод в виде стержня с изогнутой пластиной на конце, имеющей два участка противоположной кривизны , концы которых закреплены на планке, отличающийс я тем, что, с Целью повышения температурной чувствительности, планка вьтолнена из материала с обратимым мартенситным превращением, изогнута по форме участка пластины входного теплопровода со стороны стержня и снабжена выступом, введенным во входной тепло ,провод в зоне стержня. %

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

00UNI5

РЕСПУБЛИК

0% 01И

3ФР % 28 F 13/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, Н ILR TOICHOMV СВИДВбВ ЬСГВ\Г

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3594092/24-06 (22) 23. 05.83 (46) 07.07.84. Бюл. Ф 25 (72)- Л.Л. Вержбицкий, Ф.В, Прудников, II.E. Вайтехович и В.П. Сивенков (71) Белорусский ордена Трудового

Красного Знамени технологический институт им. С.М. Кирова (53) 621.565.58(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 732657, кл. F 28 F 13/14, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР 9 848961, кл. F 28 F 13/14, 1979. (54)(57) ТЕПЛОВОЙ ДИОД, содержащий входной теплопровод в виде стержня с изогнутой пластиной на конце, име- 1 ющей два участка противоположной кривизны, концы которых закреплены на планке, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной чувствительности, планка выполнена из материала с обратимым мартенситным превращением, изогнута по форме участка пластины входного теплопровода со стороны стержня и снабжена выступом, введенным во входной тепло,провод в зоне стержня.

1101665

4 ° N

ФмРЗаказ 4746/25

Hop3QccNcH?

ВНИИ ПИ

Тираж 631,Изобретение относится к теплотехнике, в частности к теплопередающей коммутирующей аппаратуре.

Известен тепловой диод, содержащий входной и выходной теплопроводы, выполненные из материалов с различным коэффициентом линейного расширения(1).

Недостатками этого диода являются низкая температурная чувствительность и невысокая надежность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является тепловой диод, содержащий входной теплопровод, в виде стержня с изогнутой пластиной на конце, имеющей два участка противоположной кривизны, концы которых закреплены на планке (23;

Недостатком этого теплового диода

20 является сравнительно низкая температурная чувствительность.

Цель изобретения — повышение температурной чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в тепловом диоде, содержащем входной теплопровод в виде стержня с изогнутой пластиной на конце, имеющей два участка противоположной кривизны, концы которых закреплены на планке, последняя выполнена из материалов с обратимым мартенситным превращением (или с памятью формы), изогнута по форме участка пластины входного теплопровода со стороны стержня и снабжена выступом, введен- 35 ным во входной теплопровод в зоне стержня.

На фиг 1 схематично показан тепловой диод, разрез; на фиг. 2 — то же, во включенном положении. * 40

Тепловой диод содержит входной теплопровод 1 в виде стержня 2 с изогФилиал ППП «Патеыт», r. Ужгоррд, уа. Проектывя, 4 нутой пластиной З,на конце, имеющей два участка 4 и 5, концы которых закреплены на планке 6, выполненной из материала с обратимым мартенситным превращением, изогнутой по форме участка 5 пластины 3 и снабженной выступом 7, введенным во входной теплопровод 1 в зоне стержня 2. Выходной теплопровод 8 имеет зону 9 контакта с участком 4 пластины 3.

Пластина 3 проходит через отверстия

10 в планке 6, причем последняя может иметь форму полуэллипса. Теплопровод 1 и 8 размещены внутри корпуса 11.

Тепловой диод работает следующим образом.

При подводе тепла к входному теплопроводу планка 6, контактирующая с участком 5 пластины 3, прогревается и при повышении температуры выше точки Кюри ее материал претерпевает мартенситное превращение, в результате чего планка 6 дополнительно изгибается, при этом участок 4 пластины 3 входит в контакт с выходным теплопроводом 8. При обратном направлении теплового потока диод не включается.

Пластина 3 может быть выполнена из высокотеплопроводных материалов (например, меди) независимо от величины их коэффициента линейного расширения. Диод обладает высокой температурной чувствительностью благодаря выполнению планки 6 из материала с памятью формы.

Таким образом, выполнение планки изогнутой по форме пластины входного теплопровода из материала с обратным мартенситним превращением позволяет повысить температурную чувствительность теплового диода.

Тепловую индуктивность создали при комнатной температуре

Японские физики обнаружили тепловую индуктивность в проводящей пластине, прикладывая к ее концам переменное напряжение и изучая тепловые потоки, вызванные эффектом Пельтье. Индуктивность выражалась в отставании фазы тепловых волн от фазы напряжения, из-за чего в образце появлялся инвертированный градиент температуры. Исследование опубликовано в Communications Physics.

Если какое-то одно физическое явление похоже на другое, то, скорее всего, оно будет описываться сильно схожей математикой. Можно найти множество примеров этого, но, пожалуй, самым понятным из них оказались законы, описывающие электрический ток и течение воды в трубах. В этом случае можно получить понятную аналогию, если сопоставить электрическое напряжение с давлением, а электрический ток — с потоком воды.

Оказывается, похожим образом можно поступить, если рассматривать процессы теплопереноса. Физикам удалось создать множество тепловых аналогов для простейших элементов электрических цепей, таких как диоды, транзисторы, логические вентили и так далее. До недавнего времени единственным не воспроизведенным тепловым элементом оставалась тепловая индуктивность. Это связано с тем, что колебательное поведение с изменением направления теплового потока от холодного к горячему обычно считается нарушением второго закона термодинамики. Предыдущие попытки создания термоиндуктивного элемента опирались либо на громоздкие неизолированные системы, либо на гелиевые температуры.

Кэндзиро Окава (Kenjiro Okawa) с коллегами из Национального института передовой промышленной науки и технологий (AIST) смогли создать тепловую индуктивность при комнатной температуре на основе эффекта Пельтье, прикладывая переменное напряжение к разным концам проводящей пластины. Меняя частоту напряжения, они нашли режим задержки тепловой фазы, что выражается в отрицательном градиенте температуры в середине образца.

Эффект Пельтье заключается в нагреве или охлаждении в точке контакта двух разнородных проводящих материалов. Локальное увеличение или уменьшение температуры создает ее градиент в окрестности контакта, указывающий направление теплового тока. Тепло не распространяется мгновенно: для оценки скорости процессов теплопроводности используется тепловая постоянная времени, которая помогает понять, насколько быстро в образце выровняется градиент температуры.

При этом ток не обязательно должен быть постоянным. Если период колебания напряжения, приложенного с разных концов образца, много больше тепловой постоянной времени, температурный профиль будет успевать перестраиваться в линейный закон от координаты (в случае справедливости одномерного приближения), а тепловой поток будет повсеместно однородным. Для противоположного случая, когда частота колебаний очень большая, температурное распределение станет постоянным, а поток нулевым за исключением краевых точек. Но когда тепловая постоянная времени оказывается сопоставимой с периодом колебаний напряжения, тепловой профиль представляет собой волнообразную зависимость с двумя точками экстремума. Тепловой поток между этими двумя точками становится отрицательным по отношению к разности температур на концах образца. Из-за возникающей задержки тепловой фазы по отношению к фазе тока этот обратный тепловой поток можно интерпретировать как термоиндуктивность, вызванную эффектом Пельтье.

Физики построили математическую модель этого эффекта для нескольких темроэлектрических материалов: меди и теллуридов висмута и сурьмы. В последнем случае оказалось, что отрицательный локальный температурный градиент может достигать 20 процентов от разности на концах образца. Однако из-за того, что амплитуда колебаний температуры составляет при этом всего 25 милликельвин, эффект невозможно обнаружить прямыми калориметрическими измерениями.

Вместо этого авторы предложили проводить измерения электрического импеданса в области образца, в которой модель предсказывает обратный градиент. Согласно расчетам, пассивная проводимость в ней должна быть несколько ниже, чем в среднем по образцу, а реактивная часть сопротивления может стать положительной. Физики убедились в этом экспериментально, получив хорошее согласие с теорией.

Ученые отмечают, что обнаруженный ими эффект существует при комнатной температуре и легко может быть настроен изменением частоты напряжения. Если удастся сформировать таким образом тепловой аналог самоиндукции, это откроет дорогу к созданию тепловых колебательных контуров.

В последнее время появляется все больше материалов, демонстрирующих необычную теплопроводность. Мы уже рассказывали про концепцию ткани с асимметричной терморегуляцией, а также про достижение рекордного коэффициента тепловой анизотропии в слоистых структурах.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Что такое термодиод?

Опубликовано 22 апреля 2021 г.

Полупроводниковые диоды позволяют электричеству течь в одном направлении и препятствуют потоку в другом направлении. Термодиод выполняет аналогичную функцию затвора, только используя тепловую энергию вместо электрической энергии.

При положительном тепловом смещении термодиод действует как теплопроводник, в то время как в противоположном случае отрицательного теплового смещения он подвергается плохой теплопроводности, эффективно действуя как теплоизолятор. Принцип действия этого термодиода показан на рис. 1.9.0009

Рисунок 1: Схема работы термодиода.

Когда первая клемма диода (левая сторона) имеет более высокую температуру по сравнению со второй клеммой (правая сторона), тепло может свободно течь от первой клеммы ко второй клемме. Напротив, когда второй вывод становится более горячим по сравнению с первым выводом, поток тепла от второго вывода к первому выводу сильно уменьшается. Это явление впервые наблюдал Чонси Старр на границе раздела меди и оксида меди(I) в 1919 году.30 с.

Как и его электронный аналог, концепция термодиода предполагает наличие механизма нарушения симметрии. Это нарушение симметрии наиболее удобно достигается путем слияния двух материалов с разными характеристиками теплопередачи. Чонси Старр из Политехнического института Ренсселера в Нью-Йорке построил соединение, состоящее из металлической медной части, которую он соединил с ее фазой оксида меди; тем самым подтверждая принцип работы выпрямления тепла в такой структуре. Термический выпрямитель Старра физически основан на асимметричном электрон-фононном взаимодействии, возникающем на границе раздела двух разнородных материалов. Сегодня существует множество макроскопических выпрямителей, которые функционируют за счет разности характеристик материала из-за температурного смещения и/или других внешних управляющих полей. В 2006 году были построены первые микроскопические твердотельные термодиоды.

Термически симметричный

Однополупериодное выпрямление

Исследования в области тепловых или тепловых диодов предлагают теоретические модели для объяснения этого эффекта. В 2017 году в статье, опубликованной в журнале Nature, был представлен новый метод построения теплового диода, в котором диод состоит из фиксированной и подвижной клеммы. На рисунке ниже показаны отдельные изображения одного и того же устройства; подвижный терминал показан внизу, а фиксированный терминал показан вверху на обеих иллюстрациях. На иллюстрации слева диод не проводит тепло, а справа — проводит.

На иллюстрации «вперед» справа подвижный терминал приближается к неподвижному терминалу. На «обратной» иллюстрации слева клеммы находятся дальше. Это происходит из-за свойства теплового расширения материала подвижного терминала. В режиме «вперед» подвижный терминал горячее неподвижного, поэтому он расширяется вверх по направлению к неподвижному терминалу. В «реверсе» подвижный терминал холоднее неподвижного, поэтому он не расширяется вверх; и держит дистанцию.

Тепловое излучение ближнего поля (NTFR) — это процесс, при котором тепло передается посредством теплового излучения между двумя терминалами. Зазор должен быть сравним с длиной волны излучения и, следовательно, должен быть очень маленьким. Расстояние между поверхностями экспоненциально влияет на интенсивность передаваемого тепла. Такова природа исправления. Когда подвижный терминал подходит достаточно близко к фиксированному терминалу, NFTR допускает теплопроводность; в обратном — слишком далеко и теплоотдачи нет.

Термодиоды используются из-за их свойства изменять напряжение в зависимости от температуры. Разнообразные области применения включают тепловые двигатели, охлаждение и регулирование температуры. Они контролируют температурные пределы микропроцессоров с высокими тепловыми нагрузками. Дальнейшие исследования включают в себя создание микроскопических твердотельных тепловых диодов, применение концепции тепловых диодов для использования солнечной энергии и эффективное преобразование тепла в электричество при более низких температурах, среди прочего.

Разработан новый твердотельный термодиод с улучшенными характеристиками выпрямления

(a) и (b) представляют собой схематическую геометрию термодиода, состоящего из Ni0,85Fe0,15S и Al2O3 для прямого и обратного направления. (c) Термический коэффициент выпрямления (γ) как функция смещения температуры (ΔT) вместе с указанными значениями. Кредит: Чжан Сюэкай

Эффективный контроль теплопередачи важен для повышения энергоэффективности. Термодиод является одним из ключевых элементов регулирования теплового потока. Подобно эффекту выпрямления тока, обнаруженному в электронных диодах, тепловой поток легко поддерживается в одном направлении в термодиоде, в то время как в противоположном направлении ему препятствуют. Значительное выпрямление тепла можно получить, используя соединение двух твердых материалов с противоположными тенденциями теплопроводности в зависимости от температуры. Этот тип теплового диода предлагает масштабируемость и простую аналогию конструкции электрического диода.

Группа под руководством профессора Тонг Пэна из Института физических наук Хэфэй (HFIPS) Китайской академии наук (CAS) сообщила, что они обнаружили сульфиды Ni _1-x Fe _x S, a ряд материалов, которые могут открыть новые способы создания лучшего термического выпрямления.

Недавно та же команда объявила, что они создали новый термодиод из комбинированного материала Ni _0,85 Fe _0,15 S и оксида алюминия, который продемонстрировал превосходные характеристики по сравнению с любыми другими твердотельными термодиодами, о которых когда-либо сообщалось. Их актуальный результат был опубликован в Journal 9.0049  Применена физическая проверка .

В своей предыдущей работе они обнаружили резкий скачок теплопроводности вблизи фазового перехода первого рода (FOPT) в Ni _1-x Fe _x S. Изменение теплопроводности достигает 200%, что свидетельствует о том, что сульфиды являются перспективными материалами для создания твердотельных термодиодов.

На этой основе они сконструировали термодиод с Ni _0,85 Fe _0,15 S (связанный 10 вес.% Ag) и Al ₂ O ₃  в виде двух сегментов. Термодиод демонстрирует отличные характеристики теплового выпрямления. При настройке холодного конца термодиода на 250 К при температурном смещении 97 К максимальный коэффициент теплового выпрямления γ _max достигает 1,51.

Разработан новый твердотельный термодиод с улучшенными характеристиками выпрямления. Кредит: Чжан Сюэкай

Ni _0,85 Fe _0,15 S/Al ₂ O ₃  термодиод имеет преимущества перед другими твердотельными термодиодами. А именно, его γ _max является самым большим среди заявленных значений, в то время как требуемое температурное смещение для возбуждения γ _max как минимум на 100 K меньше, чем у тепловых диодов, имеющих сопоставимые γ _max . ценности.

Выдающийся эффект теплового выпрямления современного термодиода может иметь потенциальное применение в системах управления температурой, таких как калорическое охлаждение и преобразование энергии.

Кроме того, на основе систематического экспериментального и теоретического анализа группа выяснила, как на коэффициент теплового выпрямления влияет температура холодного конца, соотношение длин Ni _0,85 Fe _0,15 S и Al ₂ O ₃  сегментов и резкость FOPT Ni _0,85 Fe _0,15 S.

Эти новые результаты служат руководством для разработки новых твердотельных тепловых диодов в будущем.

Дополнительная информация:
Сюэкай Чжан и др., Большое термическое выпрямление в твердотельном термодиоде, изготовленном из легированного железом сульфида никеля и оксида алюминия, Physical Review Applied (2021). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.014031

Предоставлено
Китайская академия наук

Цитата :
Разработан новый твердотельный термодиод с улучшенными характеристиками выпрямления (2 августа 2021 г.