CN108027227B

CN108027227B - 被动式热二极管

Info

Publication number: CN108027227B
Application number: CN201680041425.4A
Authority: CN
Inventors: 曹之胤; 赵汝恒
Original assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Current assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2019-10-11
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: US10365049B2; US20180202726A1; CN108027227A; WO2017008748A1

Abstract

一种被动式热二极管(10)，包括：热源端(12)；散热端(14)；可移动连接到热源端(12)和散热端(14)的热耦合元件(16)；通过枢轴点(19)连接到热耦合元件(16)的杠杆(18)；连接到杠杆(18)的至少一个弹簧(20)，所述弹簧(20)由形状记忆合金构成，其中，当通过所述弹簧(20)对杠杆(18)产生力时，所述杠杆(18)传递所述力以使热耦合元件(16)位移。

Description

被动式热二极管

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2015年7月14日提交的临时申请序列号为No.62/231,701的美国临时专利申请的优先权，并通过引用将其包括在内。

技术领域

与电子二极管类似，热二极管主要在一个优选方向上传热，反方向则不能传热。由于潜热相变效应，相变式热二极管比固体式热二极管在热传输整流上具有更好的效果。然而，相变式热二极管受重力取向或一维构造所限制。而固体式热二极管可以有许多不同的形状和尺寸，具有坚固耐用、制造容易、操作简单的特点，但是其开关比(整流系数)却总是在η～1量级或者更低，对于实际应用而言过低。为了能够在大多数工程系统中应用，热二极管的开关比应该在η～10或者更高。

热二极管的有效性以整流系数(开关比)来测量，其满足

其中k_f和k_r分别表示在正向和反向工作模式的有效导热系数。当在优选方向以高传热系数传热时热二极管正向工作，当在反方向以低传热系数传热时热二极管反向工作。因此大的开关比要求热二极管在正向工作时传热系数应该尽量大，反向工作时，传热系数尽量小。

根据本发明实施方式的热二极管包含热源端、散热端和热耦合元件，这些都金属块(例如铜、铝、铁)。在正向工作时，热耦合元件与热源端及散热端连接。由于金属是一种优秀的导热材料，因此正向工作时的传热较好。在反向工作时，热耦合元件移动断开与热源端和散热端的连接。因为空气是一种良好的热绝缘体，因此反向工作时传热被有效阻止。

电机是用于控制金属块运动的一个好的装置。但是，它需要电能。

因此，需要开发一个具有大的开关比的被动式的固体式热二极管。

发明内容

总体上，在一方面，本发明的实施方式涉及一种被动式热二极管，包括：热源端；散热端；可移动连接热源端与散热端的热耦合元件；通过枢轴点连接到热耦合元件的杠杆；与杠杆连接的至少一个弹簧，所述弹簧由形状记忆合金构成，其中，当通过弹簧对杠杆产生力时，杠杆传递所述力以使热耦合元件位移。

总体上，在一方面，本发明的实施方式涉及一种用于控制热传递的被动式热二极管，包括：热源端，其包含第一表面；散热端，其包含第二表面；热耦合元件，其可移动接触所述第一表面和第二表面，所述热耦合元件具有第三表面；杠杆，其具有第一端和第二端，所述第一端连接到所述热耦合元件，所述第二端连接到控制组件；以及连接到所述控制组件的至少一个弹簧，所述弹簧由形状记忆合金构成，其中，所述至少一个弹簧被配置为在预定温度下使所述控制组件沿着所述控制组件的中心轴线在第一方向上位移。

总体上，在一方面，本发明的实施方式涉及一种用于操作被动式热二极管的方法，包括：提供热源端；提供散热端；提供可移动连接到所述热源端和所述散热端的热耦合元件；放置杠杆，所述杠杆通过枢轴点连接到热耦合元件；以及放置通过控制组件连接到所述杠杆的至少一个弹簧，所述弹簧由形状记忆合金构成，所述弹簧在预定温度下使所述控制组件沿着所述控制组件的中心轴线在第一方向上位移。

本发明的其他方面从下面的说明和所附权利要求将是显而易见的。

附图说明

图1A示出了没有隔热盖系统的热二极管范例。

图1B和1C示出了没有和具有盒子的SMA驱动系统范例。

图2示出了处于反向工作模式的具有隔热盖系统的热二极管。

图3示出了热二极管进入正向工作模式的原理。

图4示出了在反向工作模式时的热二极管的截面图。

图5示出了在正向工作模式时的热二极管的截面图。

图6示出了示例性的热开关。

具体实施方式

现将参照附图详细描述具体实施方式。为了一致性，各个图中的相似部件由相同的数字标记表示。

在以下实施方式的详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施方式有更透彻的理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说，即使没有这些具体细节的情况下，依然可以实施这些实施方式。因此，众所周知的特征没有被详细描述以避免将描述复杂化。

在整个申请中，将使用序数(例如，第一，第二，第三等)作为形容词用于描述部件(即，本申请中的任何名词)。序号的使用并不意味着或创建任何特定的部件排序，也不限制任何部件仅是单个部件，除非明确地公开，例如通过使用术语“之前”，“之后”，“单个”等术语。相反地，序数的使用是为了区分这些部件。作为示例，第一部件不同于第二部件，并且第一部件中可以包含不只一个部件并且在部件的排序中优于(或先于)第二部件。

总的来说，这里讨论的实施服侍涉及用于控制传热的装置和方法。具体地说，至少一个由形状记忆合金(SMA)构成的弹簧产生与其温度对应的力。该力控制热耦合元件的运动，以实现在不同工作模式下形成或破坏热传递的路径。

更具体地说，形状记忆合金是一种可以记忆其原始形状的合金。这种合金在预定的温度下将会改变其形状，该温度被定义为SMA的激活温度。当其被加热到高于SMA激活温度的温度(即系统处于热状态)时，SMA将会膨胀；当受冷或温度低于激活温度时(即系统处于冷态)，SMA将会收缩，由此提供改变热耦合元件在散热端和热源端之间的机械连接运动所需的力。通过引入SMA驱动系统来替代电机，被动式热二极管是可以实现的。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，可以基于SMA的具体期望的性能来选择特定的SMA，以替代其他情况下所需的电机。

在这里讨论的实施方式中，当SMA被加热到高于激活温度的温度时，热二极管处于热状态，热二极管以正向模式工作。与热态相反，当SMA的温度低于激活温度时，热二极管处于冷态，而热二极管则以反向模式工作。

图1A示出了没有隔热盖系统的热二极管范例。如图1A所示，热二极管10包括具有相应顶面12a的热源端12和具有相应顶面14a的散热端14。热源端12和散热端14分别附接到加热构件28和散热构件30。热耦合元件16可移动地耦合到热源端12和散热端14。热耦合元件具有底面16a，在正向模式时底面16a与热源端表面14a和散热端表面14b接触。杠杆18具有两端，第一端18a经由枢轴点19连接到热耦合元件，第二端18b将杠杆18连接到控制组件21。控制组件21包括基板22和支撑杆24。支撑杆24将第二端18b连接到基板22。基板22连接到至少一个形状记忆合金(SMA)弹簧20，该弹簧进一步连接到加热构件28。偏置弹簧26被放置在支撑杆周围并且放置在杠杆18和基板22之间。

图1B示出了没有盒子的SMA驱动系统范例。SMA驱动系统包括至少一个SMA弹簧20、基板22、支撑杆24和围绕支撑杆放置的偏置弹簧26。该SMA驱动系统提供了改变热源端与散热端之间的热连接元件之间的连接运动所需的力，从而控制了热量的传递。

SMA驱动系统可以被容纳在如图1C所示的盒子27中。在具有容纳SMA驱动系统的盒子27的情况下，偏置弹簧26能够平衡来自所述至少一个SMA弹簧20的力，使得系统最终可以达到平衡状态。

图2示出了当SMA的温度低于激活温度(即处于冷态)时在反向工作模式下具有隔热盖系统的热二极管范例。如图2所示，隔热盖系统包括覆盖热源端12和散热端14(防止热耦合元件16与热源端12和散热端14两者之间的热交换)的至少两个覆盖元件32以及将所述至少两个覆盖元件32连接到板36的至少两个驱动销，板36还通过连接杆38连接到热耦合元件16。在冷模式中，SMA弹簧20向控制组件施加初始力，拉动第二端18b，并且因此提升第一端18a。通过杠杆18的提升和第一端18a的运动，热耦合元件16被拉起。该向上的力施加到隔热盖系统，并关闭所述至少两个覆盖元件32。覆盖元件32用于阻止热量通过对流和/或辐射从热源端12和散热端14传输到热耦合元件16。隔热盖系统的使用是为了使反向工作模式下的有效导热系数最小化。应该注意的是，只要具有低导热系数，任何材料都可以用作覆盖元件。在本实施方式中，低于0.5W/(mK)的导热系数值就被认为是低的。例如，覆盖材料可以是木材、聚四氟乙烯(PTFE)或具有低导热系数的任何其他聚合物或塑料。

图3示出了根据本发明实施方式的热二极管如何以正向模式工作，即当SMA被加热到其激活温度(即处于热模式)时。如图3所示，所述至少一个SMA弹簧20伸长，并且沿着支撑杆24的中心轴线的方向向上推动控制组件。因此，杠杆的第二端18b在相同的方向上位移，并且连接热耦合元件16的杠杆的第一端18a沿相反的方向位移。热耦合元件16也沿着与控制组件的运动平行和相反的方向移动。

具体地说，传递到热耦合元件16的力通过连接杆38施加到板36上，覆盖元件32通过驱动销34位移。热耦合元件16与热源端12和散热端14接触。形成传热路径以允许热量从加热构件28传递到散热构件30。

杠杆系统起到桥接的作用并放大控制组件和热耦合元件16之间的位移。例如，SMA弹簧20的伸长在加热时可以仅为几毫米，但热耦合元件16需要移动较长的距离以接触热源端12和散热端14。例如，SMA弹簧可以仅扩张3mm，但热耦合元件必须移动9mm以完成热源端和散热端之间的连接。对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，根据系统的具体要求，可以使用杠杆系统的不同组合和配置来实现使系统在热状态和冷状态之间转换以分别在正向或反向模式运行所需的不同距离。

图4示出了处于反向工作模式的热二极管的横截面图。在反向模式中，加热构件28的温度低于SMA的激活温度。SMA弹簧20处于其初始形状，并且通过杠杆18和控制组件将初始力施加到热耦合元件16。覆盖元件32关闭以覆盖热源端12和散热端14。没有热量传递。换句话说，在反向工作模式下热导率被最小化。

图5示出了处于正向工作模式下的热二极管的横截面图。在正向工作模式下，加热构件的温度升高到高于预定值。与加热部件28热接触的SMA弹簧20通过伸长其长度来响应高温，并且沿着支撑杆24的中心轴线的方向向上推动控制组件21，如箭头40所示。由SMA弹簧20产生的力通过杠杆18传递，从而向下推动热耦合元件16。因此，热耦合元件在与控制组件21的方向平行和相反的方向上移动。热耦合元件16的移动由箭头42示出。传递到热耦合元件的力被施加到隔热盖系统并移开覆盖元件32。当热耦合元件16与热源端12和散热端14接触，热量从热源端12通过热耦合元件16传递到相对较冷的散热端14，如箭头44所示。高导热膏体Omega OT-201可以设置在表面12a、14a和16a上以降低其接触热阻。

根据实验结果，本发明的实施方式开发了具有大开关比(93.24±23.01)的被动式热二极管。

本发明的实施方式可以扩展以开发如图6的热开关(60)。虽然工作原理与上述热二极管保持相同，但热开关通过“ON/OFF”门开关(68)主动控制热传递。热量可以在热开关中以任一方向传递，这使得热源端(12)和散热端(14)充当两个相对终端：第一终端(62)和第二终端(64)。存在第三终端(66)以控制门开关(68)从而进一步控制第一终端(62)和第二终端(64)之间的热传递。具体来说，热开关决定整个系统是起到导体还是绝缘体的作用。更具体地说，当门开关(68)置于“ON”模式(70)时，允许热量在前两个终端之间传输，并且整个系统起到导体的作用；否则，门开关被置于“OFF”模式(72)而没有热传递，并且整个系统起到绝缘体的作用。

以图1中的热二极管为例，热源端(12)和散热端(14)可以是热开关中的第一和第二终端。此外，可移动热耦合元件(16)、杠杆(18)、控制组件(21)和隔热盖系统可作为一个整体组件用作热开关中的门开关(68)。另外，SMA弹簧(20)可以是第三终端(66)，其基于SMA弹簧的温度通过产生平行和相反方向的两个力来控制整个组件的移动。具体而言，当SMA被加热到高于激活温度的温度时，整个组件用作“ON”模式(70)下的门开关(68)，并且当SMA的温度低于激活温度时，整个组件用作“OFF”模式(72)下的门开关(68)。在这个例子中，热二极管是被动控制装置。但是，热开关是主动控制装置，其主动决定整个系统是起到导体还是绝缘体的作用。

总之，热开关具有与热二极管相同的能力。但是，在热二极管是被动控制装置的情况下，热开关是主动控制装置。热开关和热二极管都适用于需要控制热量传递的装置。热开关和热二极管的区别仅在于需要的是有源控制还是无源控制。

热开关的一个优点是“OFF”状态热阻与“ON”状态热阻之比(Roff/Ron)或“ON”状态热导与“OFF”状态热导的比率。根据实验结果，基于SMA的热开关可以达到约98.73±20.48的Roff/Ron值。然而，对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，可实现上述实施方式的变型，并且可产生特定应用所需的其他Roff/Ron比。

尽管已经针对有限数量的实施方式描述了本发明，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围仅由所附权利要求限定。

Claims

1.一种被动式热二极管，包括：

热源端；

散热端；

热耦合元件，所述热耦合元件可移动连接到所述热源端和所述散热端；

杠杆，所述杠杆通过枢轴点连接到所述热耦合元件；以及

连接到所述杠杆的至少一个弹簧，所述弹簧由形状记忆合金构成，

其中，当通过所述弹簧对所述杠杆产生力时，所述杠杆传递所述力以使所述热耦合元件位移，

其中，所述被动式热二极管，还包括隔热盖系统，所述隔热盖系统包括：

至少两个覆盖部件；

至少两个传动销；

连接杆；以及

板，

其中，通过所述杠杆传递的力经由所述连接杆施加到所述板上并通过所述至少两个传动销使所述至少两个覆盖部件位移。

2.根据权利要求1所述的被动式热二极管，其中，所述至少两个覆盖部件包括导热系数小于0.5W/(mK)的材料。

3.根据权利要求1所述的被动式热二极管，还包括控制组件，所述控制组件包括：

基板；以及

支撑杆，

其中，所述支撑杆将所述杠杆连接到所述基板，并且所述基板连接到所述至少一个弹簧。

4.根据权利要求3所述的被动式热二极管，其中，所述控制组件沿着所述支撑杆的中心轴线在与第二方向平行和相反的方向上移动，所述第二方向是当所述力由所述至少一个弹簧产生时所述热耦合元件移动的方向。

5.根据权利要求3所述的被动式热二极管，还包括偏置弹簧，所述偏置弹簧围绕所述支撑杆放置并设置在所述杠杆和所述基板之间。

6.根据权利要求5所述的被动式热二极管，其中，所述偏置弹簧产生的力小于由所述至少一个弹簧产生的力的50％。

7.根据权利要求5所述的被动式热二极管，还包括：

导热膏，所述导热膏设置在所述被动式热二极管的至少三个部分上，第一部分位于所述热源端的第一表面上；第二部分位于所述散热端的第二表面上；第三部分位于所述热耦合元件的第三表面上，其中，所述第一表面与所述第三表面平行且相对，所述第二表面与所述第三表面平行且相对。

8.根据权利要求1所述的被动式热二极管，其中，所述二极管具有93.24±23.01的开关比。

9.一种用于控制传热的被动式热二极管，包括：

热源端，所述热源端包含第一表面；

散热端，所述散热端包含第二表面；

热耦合元件，所述热耦合元件可移动接触所述第一表面和所述第二表面，所述热耦合元件具有第三表面；

杠杆，所述杠杆具有第一端和第二端，所述第一端连接到所述热耦合元件，所述第二端连接到控制组件；以及

连接到所述控制组件的至少一个弹簧，所述弹簧由形状记忆合金构成，

其中，所述至少一个弹簧被配置为在预定温度下沿着所述控制组件的中心轴线在第一方向上位移，

至少两个覆盖部件；

至少两个传动销；

连接杆；以及

板，

其中，当所述控制组件在第一方向上位移时，所述板在相反方向上位移。

10.根据权利要求9所述的被动式热二极管，其中，所述至少两个覆盖部件包括导热系数小于0.5W/(mK)的材料。

11.根据权利要求9所述的被动式热二极管，还包括偏置弹簧，基板，以及支撑杆，所述支撑杆将所述杠杆连接到所述基板，所述偏置弹簧围绕所述支撑杆放置并设置在所述杠杆和所述基板之间。

12.根据权利要求11所述的被动式热二极管，其中，所述偏置弹簧产生的力小于由所述至少一个弹簧产生的力的50％。

13.根据权利要求11所述的被动式热二极管，还包括：

导热膏，所述导热膏设置在至少三个部分上，第一部分位于所述第一表面上；第二部分位于所述第二表面上；第三部分位于所述第三表面上，其中，所述第一表面与所述第三表面平行且相对，所述第二表面与所述第三表面平行且相对。

14.根据权利要求9所述的被动式热二极管，其中，所述二极管具有93.24±23.01的开关比。

15.一种用于操作被动式热二极管的方法，包括：

提供热源端；

提供散热端；

提供可移动连接到所述热源端和所述散热端的热耦合元件；

放置杠杆，所述杠杆通过枢轴点连接到所述热耦合元件；

放置通过控制组件连接到所述杠杆的至少一个弹簧，所述弹簧由形状记忆合金构成，所述弹簧在预定温度下使所述控制组件沿着所述控制组件的中心轴线在第一方向上位移；以及

提供隔热盖系统，提供所述隔热盖系统包括：

提供至少两个覆盖部件；

提供至少两个驱动销；

提供连接杆；以及

提供板，

其中，所述被动式热二极管还包括基板和支撑杆，所述支撑杆将所述杠杆连接到所述基板，当所述支撑杆在第一方向上移动时，所述板在相反的方向上移动，

通过所述杠杆传递的力经由所述连接杆施加到所述板上并通过所述至少两个传动销使所述至少两个覆盖部件位移。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少两个覆盖部件包括导热系数小于0.5W/(mK)的材料。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括提供偏置弹簧，所述偏置弹簧围绕所述支撑杆放置并设置在所述杠杆和所述基板之间。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述偏置弹簧产生的力小于由所述至少一个弹簧产生的力的50％。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括在至少三个部分上提供导热膏，第一部分位于所述热源端的第一表面上；第二部分位于所述散热端的第二表面上；第三部分位于所述热耦合元件的第三表面上，其中，所述第一表面与所述第三表面平行且相对，所述第二表面与所述第三表面平行且相对。