TWI668404B - 熱三極管及熱路 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種熱三極管，包括：一第一熱極與一第二熱極，所述第一熱極由金屬材料製成，所述第二熱極由導電非金屬材料製成，所述第一熱極與所述第二熱極緊密接觸形成一熱介面；一熱阻調節單元，用於改變所述熱介面處的電場。

Description

熱三極管及熱路
本本發明涉及熱學技術領域，尤其涉及一種熱三極管。
當熱量流過兩個相接觸的固體的交界面時，介面本身對熱流呈現出明顯的熱阻，即介面熱阻（interfacial thermal resistance）。通過調控介面熱阻的大小可以實現熱邏輯控制，並可以在此基礎上製造熱學器件。然而，先前技術中尚沒有一種能夠有效的控制介面熱阻的方法以及介面熱阻可調的熱學器件。
有鑑於此，確有必要提供一種熱三極管，以克服先前技術中的不足。
一種熱三極管，包括：一第一熱極與一第二熱極，所述第一熱極由金屬材料製成，所述第二熱極由導電非金屬材料製成，所述第一熱極與所述第二熱極緊密接觸形成一熱介面；一熱阻調節單元，用於改變所述熱介面處的電場，所述熱阻調節單元包括一電壓提供裝置，分別與所述第一熱極、所述第二熱極電連接，在所述第一熱極、所述第二熱極之間提供一偏置電壓。
較於先前技術，本發明提供的熱三極管可以利用電場調控金屬熱介質與非金屬熱介質交界面處的熱阻。簡單、有效地實現了熱整流，為進一步製造各種熱邏輯器件提供了可能。
下面將結合圖示及具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
請參閱圖1-2，本發明實施例提供一種介面熱阻調控方法，用於調控金屬材料與非金屬材料交界面處的熱阻。所述調控方法包括： 步驟S11，提供一第一熱極10與一第二熱極20，所述第一熱極10由金屬材料製成，所述第二熱極20由非金屬材料製成，所述第一熱極10與所述第二熱極20緊密接觸形成一熱介面100；以及 步驟S12，通過改變所述熱介面100處的電場強度（方向和/或強弱）調節所述熱介面100處的熱阻。
步驟S11中，所述第一熱極10、所述第二熱極20均由熱導材料製成，區別在於製成所述第一熱極10的熱導材料為金屬材料，包括金屬單質或合金，如銅、鋁、鐵、金、銀等，製成所述第二熱極20的熱導材料為非金屬材料，優選為導電非金屬材料，如奈米碳管、石墨烯、碳纖維等。所述第一熱極10與所述第二熱極20的形狀和尺寸不限，但如果減小所述第一熱極10與所述第二熱極的厚度，介面熱阻變化將更為明顯。所述第一熱極10與所述第二熱極20保持緊密接觸可以使熱量盡可能多的在所述第一熱極10與所述第二熱極20之間傳遞。所述第一熱極10與所述第二熱極20可以設置在一密閉空間，優選真空中，以減少外界氣流的干擾。
本實施例中，所述第一熱極10為銅片，長與寬均約為15mm，厚度在0.1mm至1mm之間，優選為0.2mm至0.6mm之間，本實施例中該銅片的厚度約為0.5mm。優選地，所述銅片形成熱介面100的表面光滑，以使熱介面100處能夠緊密接觸。
本實施例中，所述第二熱極20為奈米碳管紙（buckypaper），長與寬均約為15mm，厚度在30μm至120μm之間，優選為35μm至75μm之間，本實施例中該奈米碳管紙的厚度約為52μm。所述奈米碳管紙的密度在0.3g/cm 3至1.4g/cm 3之間，優選為0.8g/cm 3至1.4g/cm 3之間，本實施例中該奈米碳管紙的密度在1.2g/cm 3至1.3g/cm 3之間。
所述第一熱極10與所述第二熱極20層疊設置形成一熱介面100。所述層疊設置可以是所述第一熱極10與所述第二熱極20完全重合，也可以是所述第一熱極10與所述第二熱極20部份重合。圖3給出了兩種所述第一熱極10與所述第二熱極20部份重合的示例。
所述奈米碳管紙包括多個奈米碳管，該多個奈米碳管中相鄰的兩個奈米碳管之間通過凡得瓦力首尾相連，且該多個奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。
本實施例中所述奈米碳管紙的製備方法為： S101，提供一超順排奈米碳管陣列； S102，從所述超順排奈米碳管陣列中選取多個奈米碳管，對該多個奈米碳管施加一拉力，從而形成一奈米碳管膜；以及 S103，將多個所述奈米碳管膜層疊設置，擠壓層疊設置的多個奈米碳管膜。
步驟S101中，所述奈米碳管優選為多壁奈米碳管，直徑在10nm至20nm之間。
步驟S102中，所述奈米碳管膜為從一超順排奈米碳管陣列中拉取獲得，該奈米碳管膜包括多個首尾相連且沿拉伸方向擇優取向排列的奈米碳管。所述奈米碳管均勻分佈，且平行於奈米碳管膜表面。所述奈米碳管膜中的奈米碳管之間通過凡得瓦力連接。一方面，首尾相連的奈米碳管之間通過凡得瓦力連接，另一方面，平行的奈米碳管之間部份亦通過凡得瓦力結合。請參閱圖4，所述奈米碳管膜進一步包括多個首尾相連的奈米碳管片段122，每個奈米碳管片段122由多個相互平行的奈米碳管124構成，奈米碳管片段122兩端通過凡得瓦力相互連接。該奈米碳管片段122具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。所述奈米碳管可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管中的一種或者多種。
步驟S103中，將多個所述奈米碳管膜層疊設置，所述奈米碳管的層數在800層至1500層之間，優選為900層至1200層，本實施例中層數約為1000層。
步驟S12中，所述熱介面100處的電場強度可以通過多種方法進行改變，例如，可以通過在所述熱介面100處施加一外部調控電場E改變所述熱介面100處的電場強度，或者可以通過對所述第一熱極10與所述第二熱極20施加一偏置電壓U12改變所述熱介面100處的電場強度。
方法一）在所述熱介面100處施加外部調控電場E
請參見圖2，定義垂直於所述熱介面100且由所述第一熱極10指向所述第二熱極20的方向為第一方向，定義垂直於所述熱介面100且由所述第二熱極20指向所述第一熱極10的方向為第二方向。在所述熱介面100處施加外部調控電場E，通過改變該外部調控電場E的方向和/或強弱調節所述熱介面100處的電場。例如，可以通過在一定範圍內增加所述外部調控電場E在第一方向的大小（減小所述外部調控電場E在第二方向的大小）提高所述熱介面100處的熱阻，或者通過在一定範圍內減小所述外部調控電場E在第一方向的大小（增加所述外部調控電場E在第二方向的大小）降低所述熱介面100處的熱阻。
方法二）在所述第一熱極10與所述第二熱極20施加偏置電壓U12
請一併參見圖5與圖6，所述第一熱極10與所述第二熱極20分別連接電壓源的兩個輸出電極，通過改變所述第一熱極10與所述第二熱極20之間的偏置電壓U12調節所述熱介面100處的電場強度。所述偏置電壓U12的範圍可以選取在在-3V～3V之間，優選為-1V～1V。當所述偏置電壓U12大於0V時，即所述第一熱極10的電勢高於所述第二熱極20的電勢，此時熱介面100處的熱阻大於偏置電壓U12為零時的熱阻，且當0V＜U12＜0.2V時，熱介面100處的熱阻隨著U12絕對值的升高而升高，當U12達到0.2V附近時，熱介面100處的熱阻達到最大值；當所述偏置電壓U12小於0V時，即所述第一熱極10的電勢低於所述第二熱極20的電勢，此時熱介面處的熱阻小於偏置電壓U12為零時的熱阻，且當-0.9V＜U12＜-0.4V時，熱介面處的熱阻隨著U12絕對值的升高而降低。
步驟S12中還可以進一步包括：通過測量所述熱介面100在不同電場（調控電場/偏置電壓）下的介面熱阻，獲得電場-介面熱阻關係曲線，並根據該電場-介面熱阻關係曲線設定某一目標介面熱阻所需的電場或某一電場下的介面熱阻。
本發明實施例提供的介面熱阻調控方法利用電場調控金屬熱介質與非金屬熱介質交界面處的熱阻。簡單、有效地實現了熱整流，可以在該方法的基礎上進一步製造各種熱邏輯器件。
請參見圖7，本發明實施例進一步提供一種熱三極管50a，包括：第一熱極10、第二熱極20、熱阻調節單元30a。
所述第一熱極10、所述第二熱極20均由熱導材料製成，區別在於製成所述第一熱極10的熱導材料為金屬或合金材料，如銅、鋁、鐵、金、銀等，製成所述第二熱極20的熱導材料為非金屬材料，優選為導電非金屬材料，如奈米碳管、石墨烯、碳纖維等。本實施例中所述第一熱極10為銅片，所述第二熱極20為奈米碳管紙（buckypaper）。
所述第一熱極10與所述第二熱極20的形狀和尺寸不限，但如果減小所述第一熱極10與所述第二熱極20的厚度，介面熱阻變化將更為明顯。所述第一熱極10與所述第二熱極20保持緊密接觸可以使熱量盡可能多的在所述第一熱極10與所述第二熱極20之間傳遞。本實施例中，所述第一熱極10的長與寬均約為15mm，厚度在0.1mm至1mm之間，優選為0.2mm至0.6mm之間，例如0.5mm。所述第二熱極20的長與寬均約為15mm，厚度在30μm至120μm之間，優選為35μm至75μm之間，例如52μm。所述奈米碳管紙的密度在0.3g/cm 3至1.4g/cm 3之間，優選為1.2g/cm 3至1.3g/cm 3之間。
所述第一熱極10包括第一端11以及第二端13，所述第二熱極20包括第三端21以及第四端23。優選地，所述第一端11與所述第二端13相對設置，所述第三端21與所述第四端23相對設置。所述第一端11與所述第三端21相互接觸形成熱介面100。優選地，所述第一端11與所述第三端21的表面光滑，以使熱介面100處能夠緊密接觸。所述第二端13、第四端23為熱三極管50a的輸入輸出端。
所述熱阻調節單元30a用於改變所述熱介面100處的電場。本實施例中，所述熱阻調節單元30a包括一電壓提供裝置37，該電壓提供裝置37分別與所述第一熱極10、所述第二熱極20電連接，控制所述第一熱極10、所述第二熱極20的電勢，在所述第一熱極10、所述第二熱極20之間形成一偏置電壓U。所述偏置電壓U的範圍在-2V～2V之間，具體可以根據需求而設定。
所述熱阻調節單元30a還可以進一步包括一第一控制模組35a，與所述電壓提供裝置37電連接，用於控制所述電壓提供裝置37的提供偏置電壓U。該第一控制模組35a中存儲有偏置電壓與介面熱阻的對應關係，所述第一控制模組35a可以根據上述對應關係獲得某一目標介面熱阻所需的偏置電壓或某一偏置電壓下的介面熱阻，並將該計算結果傳遞給所述電壓提供裝置37控制該電壓提供裝置37提供偏置電壓U。
進一步地，所述熱三極管50a包括一外殼40，所述第一熱極10與所述第二熱極20設置在該外殼40形成的密閉空間，優選為真空密閉空間，使所述第一熱極10、所述第二熱極20與外界絕熱，減少工作時外界氣流的干擾。
請參閱圖8，本發明實施例進一步提供一種熱三極管50b，包括：第一熱極10、第二熱極20、熱阻調節單元。
本實施例與提供的熱三極管50b與上一實施例提供的熱三極管50a基本相同，僅區別在於：本實施例中所述熱阻調節單元為電場發生裝置，用於產生調控電場E。
本實施例提供了一種可供選擇的熱阻調節單元，包括兩個相對且平行設置的第一電極31、第二電極33。所述第一熱極10、所述第二熱極20設置于該平行的第一電極31與第二電極33之間。所述第一電極31、第二電極33分別攜帶等量異種電荷，以使在兩個電極之間形成電場。
進一步地，為了調控第一電極31、第二電極33之間形成的電場的強度，所述熱阻調節單元還包括一第二控制模組35b。具體地，所述控制模組35b包括一電壓提供裝置37以及一旋轉裝置353。所述電壓提供裝置37分別與所述第一電極31、第二電極33電連接，用於調控所述第一電極31與所述第二電極33之間的電壓。所述旋轉裝置353分別與所述第一電極31、所述第二電極33連接，用於調控所述第一電極31、所述第二電極33與所述熱介面100之間的夾角a。
進一步地，該第二控制模組35b中存儲有調控電場與介面熱阻的對應關係，所述第二控制模組35b可以根據上述對應關係獲得某一目標介面熱阻所需的調控電場或某一調控電場下的介面熱阻，並將該計算結果傳遞給所述電壓提供裝置37、旋轉裝置353，控制該電壓提供裝置37提供的電壓U、第一電極31、所述第二電極33與所述熱介面100之間的夾角a。
使用時，所述第一電極31與第二電極33分別連接不同電勢，在所述熱介面100處產生一調控電場E。所述第一電極31與第二電極33之間的電壓可以根據需求而設定，以改變調控電場E的大小。所述第一電極31與第二電極33與所述熱介面100之間的夾角可以根據需求而設定，以改變調控電場E的方向。
本發明實施例提供的熱三極管50a、50b可以利用電場調控金屬熱介質與非金屬熱介質交界面處的熱阻。簡單、有效地實現了熱整流，為進一步製造各種熱邏輯器件提供了可能。
進一步地，本領域技術人員可以在本實施例提供的熱三極管50a、50b的基礎上獲得一熱路，所述第一熱極10包括第一端11以及與該第一端11相對設置的第二端13，所述第二熱極20包括第三端21以及與該第三端21相對設置的第四端23。所述第一端11與所述第三端21相互接觸形成熱介面100，所述第三端13與所述第四端23中的一個作為熱輸入端，與熱源或其他熱學器件熱連接，另一個為熱輸出端，與另一熱源或其他熱學器件熱連接。所述熱連接的方式包括熱傳導、熱輻射以及熱對流。圖9給出了一種簡單的熱路示意圖。
請參見圖10，本發明實施例進一步提供一種熱三極管的製備方法，包括以下步驟： S21，提供一第一熱極10與一第二熱極20，所述第一熱極10為由金屬材料製成的層狀結構，所述第二熱極20為非金屬導電材料製成的層狀材料； S22，將所述第一熱極10與所述第二熱極20層疊設置形成一熱介面100；以及 S23，將所述第一熱極10與所述第二熱極20分別與電壓源的電壓輸出端電連接。
步驟S21中，所述第一熱極10可以為常見的金屬材料，如銅、鋁、鐵、金、銀等。所述第二熱極20為非金屬材料，優選為導電非金屬材料，如奈米碳管、石墨烯、碳纖維等。所述第一熱極10與所述第二熱極20的尺寸不限，但如果減小所述第一熱極10與所述第二熱極的厚度，介面熱阻變化將更為明顯。所述第一熱極10與所述第二熱極20保持緊密接觸可以使熱量盡可能多的在所述第一熱極10與所述第二熱極20之間傳遞。
本實施例中所述第一熱極10為銅片，長與寬均約為15mm，厚度在0.1mm至1mm之間，優選為0.2mm至0.6mm之間，本實施例中該銅片的厚度約為0.5mm。優選地，所述銅片形成熱介面100的表面光滑，以使熱介面100處能夠緊密接觸。
本實施例中所述第二熱極20為奈米碳管紙（buckypaper），長與寬均約為15mm，厚度在30μm至120μm之間，優選為35μm至75μm之間，本實施例中該奈米碳管紙的厚度約為52μm。所述奈米碳管紙的密度在0.3g/cm 3至1.4g/cm 3之間，優選為0.8g/cm 3至1.4g/cm 3之間，本實施例中該奈米碳管紙的密度在1.2g/cm 3至1.3g/cm 3之間。
所述奈米碳管紙包括多個奈米碳管，該多個奈米碳管中相鄰的兩個奈米碳管之間通過凡得瓦力首尾相連，且該多個奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。
本實施例中所述奈米碳管紙的製備方法為： S11，提供一超順排奈米碳管陣列； S12，從所述超順排奈米碳管陣列中選取多個奈米碳管，對該多個奈米碳管施加一拉力，從而形成一奈米碳管膜；以及 S13，將多個所述奈米碳管膜層疊設置，擠壓層疊設置的多個奈米碳管膜。
步驟S11中，所述奈米碳管優選為多壁奈米碳管，直徑在10nm至20nm之間。
步驟S13中，將多個所述奈米碳管膜層疊設置，所述奈米碳管的層數在800層至1500層之間，優選為900層至1200層，本實施例中層數約為1000層。
步驟S22中，將所述第一熱極10與所述第二熱極20層疊設置。
進一步地，為了使層疊設置的所述第一熱極10與所述第二熱極20緊密接觸，還可以向第二熱極20遠離所述熱介面100的表面滴加有機溶劑。本實施例中，將有機溶劑滴加在奈米碳管紙表面浸潤整個奈米碳管紙，該奈米碳管紙在揮發性有機溶劑的表面張力的作用下完全展開並牢固地貼附在第一熱極10表面。所述有機溶劑通常選用揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿等。
進一步地，為了使所述第一熱極10與所述第二熱極20在熱介面100處能夠緊密接觸，可以在層疊設置前先去除所述第一熱極10與所述第二熱極20表面的雜質，例如將第一熱極10置於酸性溶液（如稀鹽酸）中去除金屬材料表面的金屬氧化物。
步驟S23中，將所述第一熱極10、所述第二熱極20分別與電壓源的電壓輸出端電連接，在所述第一熱極10與所述第二熱極20形成一偏置電壓以改變所述熱介面100處的電場。可以理解，除本實施例步驟S23的方法外，還可以通過在所述第一熱極10與所述第二熱極20外部施加一平行板電容器，以形成調控電場E，進而改變所述熱介面100處的電場。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
熱三極管 50a、50b
第一熱極 10
第一端 11
第二端 13
第二熱極 20
第三端 21
第四端 23
熱介面 100
熱阻調節單元 30a
第一電極 31
第二電極 33
第一控制模組 35a
第二控制模組 35b
旋轉裝置 353
電壓提供裝置 37
外殼 40
奈米碳管片段 122
奈米碳管 124
圖1為本發明實施例提供的介面熱阻調控方法流程圖。
圖2為本發明實施例提供的一種介面熱阻調控方法示意圖。
圖3為本發明實施例中第一熱極與第二熱極部份重合示意圖。
圖4為本發明實施例提供的奈米碳管膜中奈米碳管片斷的結構示意圖。
圖5為本發明實施例提供的另一種介面熱阻調控方法示意圖。
圖6為圖5提供的介面熱阻調控方法對應的電壓-熱阻關係圖。
圖7為本發明實施例提供的一種熱三極管界結構示意圖。
圖8為本發明實施例提供的另一種熱三極管界結構示意圖。
圖9為本發明實施例提供的熱路示意圖。
圖10為本發明實施例提供的熱三極管的製備方法流程圖。
無

Claims (11)

  1. 一種熱三極管，包括： 一第一熱極與一第二熱極，所述第一熱極由金屬材料製成，所述第二熱極由導電非金屬材料製成，所述第一熱極與所述第二熱極緊密接觸形成一熱介面； 一熱阻調節單元，用於改變所述熱介面處的電場，所述熱阻調節單元包括一電壓提供裝置，分別與所述第一熱極、所述第二熱極電連接，在所述第一熱極、所述第二熱極之間提供一偏置電壓。
  2. 如請求項1所述的熱三極管，其中，所述熱阻調節單元，進一步包括一控制模組與所述電壓提供裝置電連接，所述控制模組中存儲有偏置電壓與介面熱阻的對應關係，所述控制模組根據該對應關係獲得目標介面熱阻所需的偏置電壓，並控制所述電壓提供裝置輸出相應數值的偏置電壓。
  3. 如請求項1所述的熱三極管，其中，所述熱三極管進一步包括一外殼，所述第一熱極與所述第二熱極設置在該外殼形成的密閉空間內。
  4. 如請求項1所述的熱三極管，其中，所述金屬材料包括金屬單質或合金。
  5. 如請求項4所述的熱三極管，其中，所述金屬單質包括銅、鋁、鐵、金、銀中的一種。
  6. 如請求項1所述的熱三極管，其中，所述第一熱極的厚度範圍為0.1mm～1mm。
  7. 如請求項1所述的熱三極管，其中，所述導電非金屬材料包括奈米碳管、石墨烯、碳纖維。
  8. 如請求項7所述的熱三極管，其中，所述第二熱極的材料為奈米碳管紙，所述奈米碳管紙的厚度在30μm至120μm之間，密度在0.3g/cm 3至1.4g/cm 3之間。
  9. 如請求項1所述的熱三極管，其中，所述偏置電壓的範圍在-1V～1V之間。
  10. 一種熱路，包括如請求項1-9任一請求項所述的熱三極管，其中，所述第一熱極包括第一端以及與該第一端相對設置的第二端，所述第二熱極包括第三端以及與該第三端相對設置的第四端；所述第一端與所述第三端相互接觸形成熱介面，所述第三端與所述第四端中的一個為熱輸入端，與熱源或熱學器件熱連接，另一個為熱輸出端，與熱源或熱學器件熱連接。
  11. 如請求項10所述的熱路，其中，所述熱連接包括熱傳導、熱輻射以及熱對流中的一種或多種。
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