[发明专利]一种基于材料热膨胀差异的单向传热结构及使用方法

说明书

本发明公开了一种单向传热结构及使用方法,属于单向传热器件领域，该单向传热结构可以任意摆放不影响效果。本发明包括隔板、支撑柱和传热半柱传热半柱和支撑柱放置于隔板之间，支撑柱机械连接和固定隔板；隔板选用高导热率材料，支撑柱选用低导热率而具有一定力学强度的材料，两侧隔板选用两种高导热但是热膨胀率不同的材料，并且使左侧传热半柱的热膨胀率高于右侧，而支撑柱的热膨胀率介于两侧传热半柱之间；传热半柱之间宜保留微小空隙，当左侧隔板为热端，右侧隔板为冷端，并且温差超过临界值时，传热半柱之间的微小空隙将消失，整个结构可良好导热；而当左侧隔板为冷端，右侧隔板为热端，传热半柱之间将保留空隙，隔板之间低导热。

技术领域

本发明属于单向传热器件领域，尤其涉及一种基于材料热膨胀差异的单向传热结构及使用方法。

背景技术

单向传热器件是一种能够单向导热的器件，即在顺向温差下这种器件具有高的热导率而逆向温差下几乎为绝热材料。单向传热器在空间技术，低温制冷和太阳能方面具有重要的应用价值，已在现代工业和生活中发挥重要作用。近来随着环保节能和新能源的要求越来越高，单向传热器件将更有价值。传统的单向传热器件是热二极管,朱津裘等人在《逻辑学研究》，1992(2):94-99中报道这种热二极管外形为管状，在某些特定场合比如实现两个腔体之间的单向传热这种形状并不合适；由于利用到重力，对摆放方式有要求，专利CN200410036758.7公开了一种单向导热装置，将充有导热工质的热管竖直插在青藏公路冻土地带，当地下土层温度高、地上温度低时，热管内气体上面密度大，下面密度小，热管内气体产生对流，将地下土层高热量释放出来；当地下土层温度低、地上温度高时，热管内气体上面密度小，下面密度大，热管内气体不产生对流，起着加厚冻土层的作用，但是如果把这种热管水平放置，就没有单向导热的性质了；而且传统的热二极管成本较高，不利于大规模使用。

发明内容

本发明提供了一种基于材料热膨胀差异的单向传热结构及使用方法，该单向传热结构对制备材料要求不高，而且结构简单，有利于降低成本并大规模使用，而且可以任意摆放不影响效果。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于材料热膨胀差异的单向传热结构，包括第一隔板1、第二隔板2、支撑柱3和传热柱，所述传热柱由第一传热半柱4、第二传热半柱5以及两个半柱之间的空隙构成；第一传热半柱4、第二传热半柱5和支撑柱3放置于两块隔板之间，支撑柱3机械连接和固定隔板1、第二隔板2。

以上所述结构中，第一传热半柱4的热膨胀率高于第二传热半柱5，支撑柱3的热膨胀率介于第一传热半柱4和第二传热半柱5的热膨胀率之间，第一传热半柱4和第二传热半柱5具有相近的热导率，第一传热半柱4和5的热导率高于支撑柱3的热导率；第一隔板1、第二隔板2之间保留气体或保持真空；第一隔板1、第二隔板2之间保留气体时，选用导热率小于1W/mK的材料制作支撑柱3，选用双金属条制作第一传热半柱4、第二传热半柱5；第一隔板1、第一隔板2之间保持真空时，选用弹性材料制作支撑柱3，选用金属和陶瓷分别制作第一传热半柱4、第二传热半柱5；所述结构使用时直接使用或通过单元阵列式重复制作成薄膜形态；所述结构制作成薄膜形态时，优选采用蜂窝壁形状。

以下给出理想情况下单向传热结构的理论模型。假定传热半柱长为L，左右侧传热半柱的热膨胀率分别为C_L和C_R，支撑柱长为2L，热膨胀率为C，其中C_LCC_R，基准温度为T₀，基准温度下左右侧传热半柱间隙为S。假定支撑柱的热膨胀率为两侧传热半柱的热膨胀平均值，则有：

C_L+C_R＝2C

当左右侧传热半柱温度改变量分别为T_L，T_R，而两侧传热半柱尚未接触时，两侧传热半柱间隙为：