Тепловой диод

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 ω_max, где ω_max - максимальная дебаевская частота связана с дебаевской температурой θ_д формулой ω_max=kθ_д/h (k - постоянная Больцмана, h - постоянная Планка).

Как в любой колебательной системе, собственные колебания решетки тела с меньшей дебаевской частотой ω_м, а соответственно и дебаевской температурой свободно передаются решетке с большей дебаевской частотой ω_б, большей дебаевской температурой. Передача тепла в обратном направлении затруднена, так как высокочастотные колебания в диапазоне частот ω_б-ω_м 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 (θ_д/Т).

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

Работа теплового диода поясняется на фиг.2.

Например, при контакте меди с θ_д=423 К (ω_м=4,2 10¹³ Гц) с оксидом магния с θ_д=800 К (ω_б=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 (ω_б-ω_м) 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.