[发明专利]基于温度依赖坐标变换理论的热电旋转器及其设计方法

说明书

本发明属于新材料和红外技术领域，具体为一种基于温度依赖坐标变换理论的热电旋转器及其设计方法。本发明将变换理论由热场扩展到热电场，提出温度依赖变换热电学，并将其运用到热电效应中；包括：建立利用温度依赖热电变换理论控制内在物理参数与温度有关的热电场，将特定区域的空间进行旋转变换，改变局域热流和电流的方向，同时不改变背景热流和电流的分布，并将空间的变换转换为材料属性的变换，即实现热电旋转器的设计。本发明具有普适性，可以通过坐标变化灵活调控热电场。有限元模拟验证表明，本发明安全、可行，为灵活控制热电场提供了一种新思路，具有广泛的实际应用前景，可用于废热发电，保护器件等。

技术领域

本发明属于新材料和红外技术领域，具体涉及基于温度依赖坐标变换理论的热电旋转器及其设计方法。

背景技术

近年来，随着科技的进步，电子器件的大量使用给人们带来了极大的便利，但同时一些问题也涌现出来，比如电子器件发热，造成器件损坏等。越精细的器件越容易因为高温导致报废，而这些器件发热的原因多半是器件通以电流，产生焦耳热，而又不能及时散热，导致温度过高，器件被烧坏。因此解决器件因高温报废的问题是迫在眉睫的，提高器件的耐热度是一种渠道，提高散热的效率也是一种方法。如果能够让电子器件中因通电产生的焦耳热被引到其他地方，也就是耐热度更高的地方，这样也能实现对器件的保护。研究者们设计出的热旋转器，就能让热流在特定区域改变原来的方向，且不影响背景的热流分布，就很好的实现了引流的效果。之前的热旋转器只考虑了热场，但无论在工业生产，还是在日常生活中，热的产生往往与电有关，比如热电效应。热电效应是一个重要的耦合多物理场景，温度差可以转换为电压，反之亦然，热流和电流通过塞贝克系数来实现耦合。那么在热电效应中操纵热流和电流，让热流和电流能够以特定方向流动就是我们的研究重点。

2008年，研究者提出了变换热学，并利用变换热学实现了对热流的多功能操纵，包括热旋转器。本发明将变换理论由热场扩展到热电场，提出了温度依赖变换热电学，并将其运用到热电效应中，将特定区域的空间进行旋转变换，改变局域热流和电流的方向，同时不改变背景热流和电流的分布，故称该器件为热电旋转器。本发明提出的方案，能够同时处理针对热传导和电传导的热旋转和电旋转问题，对灵活地操控热流和电流有着重要作用。同时本发明设计的器件考虑了温度效应，更贴近实际情况，对解决实际问题有着重要意义，比如：保护器件，回收废热发电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够让电流和热流在特定区域实现旋转的效果的基于温度依赖坐标变换理论的热电旋转器及其设计方法。

本发明将变换理论由热场扩展到热电场，提出了温度依赖变换热电学，并将其运用到热电效应中。包括：建立利用温度依赖热电变换理论控制内在物理参数与温度有关的热电场，将特定区域的空间进行旋转变换，改变局域热流和电流的方向，同时不改变背景热流和电流的分布，并将空间的变换转换为材料属性的变换，即可以实现热电旋转器的设计。

本发明设计的温度依赖热电旋转器，相比于以往的只能够处理热传导的热旋转器，能够同时处理材料参数与温度有关的热传导和电传导。

具体地，本发明提供的设计方法，根据温度依赖坐标变换理论，考虑温度依赖的热导率、电导率、塞贝克系数，对特定的区域进行旋转变换，然后将空间变化等价为材料的变换，就可以得到热电旋转器的温度依赖的材料参数。具体步骤如下：

对于一个处于局域平衡态(稳态)的热电系统，即系统各部分的热力学参数不随时间变化，此时热电场控制方程可以写成如下的形式：

其中，J和J_Q分别代表电流密度矢量和热流密度矢量，σ(T)、κ(T)和S(T)分别是与温度有关的电导率、热导率和塞贝克系数的二阶张量表达式，μ和T分别代表电化学势和温度，上标τ为转置符号。在热电介质上同时施加温度差和电势差时，除了产生电流和热流各自独立输运项，也会产生电流和热流的耦合输运项，电流和热流之间通过塞贝克系数S(T)实现耦合。