RU2477828C1

RU2477828C1 - Thermal diode

Info

Publication number: RU2477828C1
Application number: RU2011143138/06A
Authority: RU
Inventors: Святослав Михайлович Сергеев
Original assignee: Святослав Михайлович Сергеев
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-03-20

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: thermal diode is meant for primary heat transfer in one direction. It consists of an aluminium heat pipe covered with an oxide layer with thickness of not more than 20 nm and a heat pipe having the surface satisfactorily absorbing heat emission. Space between heat pipes is transparent for heat radiation. Increased temperature is supplied to the aluminium heat pipe at diode operation in forward direction. As a result, the heated layer emits heat radiation wholly absorbed with the surface. At backward diode connection, considerable part of the heat radiation emitted with the surface penetrates through the layer and interferes with the flow reflected back from metal. An oxide layer that found itself in the occurred standing wave node looses the possibility of absorbing an electromagnetic energy.

EFFECT: simple design and high rectifying effect.

2 cl, 3 dwg

Description

Тепловой диод предназначен для преимущественной передачи тепла в одном направлении. Может применяться в устройствах, характеризуемых наличием градиентов температур.The thermal diode is designed to preferentially transfer heat in one direction. It can be used in devices characterized by the presence of temperature gradients.

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.The phenomenon of asymmetric thermal conductivity was discovered back in the 30s of the last century. Since then, reports on this topic regularly fell into scientific periodicals. For example, a similar effect was noted when a heat flux was passed through a stack of metal plates, smooth on one side and rough on the other [1]. The development of nanotechnology also contributed: scientists succeeded in creating a thermal diode based on tubes of carbon or boron nitrides with a length of about 10 microns and a thickness of about 30 nm, on which an organic compound of platinum was applied with a layer growing from one end of the tube to the other [2]. Moreover, in the direction of decreasing thickness, an excess of thermal conductivity by 7% was observed. Such a small value, along with the complexity of the technology and the high cost of materials, deprives this device of any practical perspective.

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%.As a prototype, a thermal diode is taken, where energy is transferred through thermal radiation. Between two bodies with specially selected absorption and emission spectra there is a reemitter with the properties of a completely black body [3]. The disadvantage of this device is that it is designed to operate only at a differentiating wavelength corresponding to a certain temperature, and the difference in direct and reverse thermal conductivity is very small, barely reaching 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.Nevertheless, it turned out that better straightening can be obtained if only the first body is left from the prototype, giving it a different feature, and an average body with the good ability to absorb and radiate thermal radiation.

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.The design of the object of the invention is shown in figure 1. Oils 1 and 2, which are opaque to heat rays, are separated by a space transparent to thermal radiation. The metal heat pipe 1 is covered with a layer 3 formed by oxides of the same metal. The surface 4 of the heat conduit 2 facing the oxide film absorbs and emits heat rays well, i.e. close to a completely black body. Layer 3 is capable of partially absorbing and partially transmitting thermal radiation.

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.First, we consider the processes when the diode is turned back on. At an elevated temperature of heat conduit 2, radiation from surface 4 is directed to a translucent oxide layer 3, through which a significant part of this thermal radiation reaches the metal base of heat conduit 1. Pure metals reflect heat rays well with a change in the phase of the wave to the opposite. As a result of interference between the direct and reflected flows, a standing wave A arises, the node of which corresponds to the surface of the metal. With an extremely small thickness of oxide layer 3, it is almost entirely located in this site and is unable to absorb electromagnetic energy.

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.When the diode is in direct connection, the metal base of the heat conduit 1 is not capable of significant thermal radiation, but through the molecular thermal conductivity heats the oxide layer 3, which copes with this task. Being partially transparent, it emits some waves in the direction of surface 4 immediately, others after they are reflected from the metal base of heat conduit 1. Since these flows are obviously different, neither a standing wave, nor any other interference between them can appear. Ultimately, the most intense transfer of energy from heat conduit 1 to heat conduit 2 is ensured.

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.With an increase in the thickness of the oxide layer, its transparency for thermal radiation also decreases, a smaller fraction of which reaches the metal base of heat conduit 1. At the same time, the contribution of the above-described interference decreases, which leads to equalization of heat transfer in the forward and reverse directions.

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).The installation diagram for testing the diode is shown in figure 2. The radiation (dashed line) emanating from an incandescent lamp 5 through a slot in the partition 6 heated the blackened outer surface 7 of one of the heat pipes of the object of the invention 8. Through the same surface 9, another heat pipe was cooled by radiation (dotted line) and air convection. Inside the diode 8, there was also air, but heating from top to bottom prevented the convective heat transfer back. In this case, the temperatures of the upper (T _a ) and lower (T _b ) heat conductors, as well as the room temperature (T ₀ ), were continuously monitored.

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).The diode was installed once in the forward direction, the second in the opposite. In this case, the height of the lamp 5 was adjusted so that after reaching equilibrium, the temperature difference T _a -T _b applied to the diode coincided in both cases. As a material for heat conduit 1, three metals were investigated. The rectifying effect P was considered as the ratio of the excesses T _b -T ₀ in the forward and reverse directions (figure 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.From the above data it is clearly seen that the optimal combination of transparency and absorbing ability of the alumina layer is observed at its thickness of not more than 20 nm with a maximum rectifying effect in the region of 5 nm. In this case, the best direct transmittance is almost double the inverse thermal conductivity of the diode.

Незначительные выпрямительные свойства обеспечивает и побывавший на воздухе никель, но тонкой пленки его естественного окисла оказывается слишком много. Магний же окисляется слишком глубоко.Nickel, which has been in the air, also provides insignificant rectifying properties, but there is too much thin film of its natural oxide. Magnesium is oxidized too deeply.

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.The chemical analogue of aluminum - beryllium - has not been tested, since it is obviously unsuitable: beryllium monoxide transmits thermal radiation well even in thick layers and is used in the form of ceramics to make windows transparent in the middle part of the infrared range.

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.Thus, aluminum remains the only worthy candidate. The process of its oxidation in air is highly dependent on the content of impurities. On a metal of high purity, from which, in particular, the foil is rolled, the oxide film grows only up to 3-5 nm, which is optimal for the object of the invention. Technical aluminum used in structural elements is coated with a more powerful oxide layer, the thickness of which is in the range of 20–40 nm, which is not the most suitable for our case.

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.When checking the functioning of the diode, there may well be air between the heat pipes. But it is obvious that evacuation of this space should improve the rectifying effect, since interfering convective heat transfer will be excluded.

Техническим результатом изобретения является высокий выпрямительный эффект и простота конструкции.The technical result of the invention is a high rectifying effect and simplicity of design.

Источники информацииInformation sources

1. P.W.О.Callaghan, S.D.Probert, A.Jones. Thermal Rectifier // Journal of Physics D: Appl. Phys., V.3, 1970, pp.1352-1358.1. P.W. O. Callaghan, S. D. Probert, A. Jones. Thermal Rectifier // Journal of Physics D: Appl. Phys., V.3, 1970, pp. 1552-1358.

2. C.W.Chang, D.Okawa, A.Majumdar, A.Zettl. Solid-State Thermal Rectifier // Science, V.314, Nov. 2006, pp.1121-1124.2. 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.648-662.3. 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.

Claims

1. A thermal diode containing a space transparent to thermal radiation separating two heat pipes, one of which is capable of absorbing heat rays well, characterized in that the other heat pipe is made of aluminum coated with a layer of its oxide with a thickness of not more than 20 nm.

2. The diode according to claim 1, characterized in that the space transparent to thermal radiation is vacuum.