ТЕПЛОВОЙ ДИОД
THERMAL DIODE

Тепловой диод предназначен для преимущественной передачи тепла в одном направлении. Может применяться в устройствах, характеризуемых наличием градиентов температур.
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.
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%.
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.
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.
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.
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.
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.
а
b
0
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) и нижнего (T) теплопроводов, а также комнатная (Т).
а
b
b
0
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-T в обоих случаях совпадала. В качестве материала для теплопровода 1 были исследованы три металла. Выпрямительный эффект Р считался как отношение превышений T-Т в прямом и обратном направлениях (фиг.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.
Незначительные выпрямительные свойства обеспечивает и побывавший на воздухе никель, но тонкой пленки его естественного окисла оказывается слишком много. Магний же окисляется слишком глубоко.
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.
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.
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.
Техническим результатом изобретения является высокий выпрямительный эффект и простота конструкции.
Источники информации
1. P.W.О.Callaghan, S.D.Probert, A.Jones. Thermal Rectifier // Journal of Physics D: Appl. Phys., V.3, 1970, pp.1352-1358.
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.