表面催化热二极管的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年5月29日递交、题为"Epicatalytic Thermal Diode"的美国 临时专利申请号61/828,419的权益;于2013年5月29日递交、题为％?"3七317衍(：1116^^1 Diode"的美国临时专利申请号61/828,421的权益；以及于2014年5月28日递交、题为 "Epicatalytic Thermal Diode"的美国专利申请号14/289,322的权益，所有这些都通过引 用而使其整体并入本文。
技术领域
[0003] 本文描述的主题通常涉及管理热流，尤其涉及一种产生及维持稳态温差的设备。
【背景技术】
[0004] 热量通常从热流到冷，缓和温度梯度以使得孤立的系统最终达到由单一均匀温度 特征化的热力学平衡。当前，为了使设备产生及维持温度梯度必须做功。维持温度梯度在诸 如制热、制冷、环境控制、发电以及机械运动之类的广阔范围的技术领域上有实用价值。
[0005] 做功以维持温度梯度的现有设备还生成废热。一些设备试图使用该废热(例如，由 车辆发动机生成的废热可以在冬季月份期间被导向车辆的内部以供热)但这样的系统通常 效率低且不能解决诸如通过燃烧化石燃料(例如，汽油、煤、油等)提供功的最初要求。
【发明内容】
[0006] 以上及其它问题通过表面催化热二极管(ETD)和对应的方法而解决。ETD自然地i) 产生及维持ETD的两个单独表面之间的温差；并且ii)在温度梯度的方向上（即，上）跨过 ETD。在一个方面介导有效率的稳态热流，ETD的结构热机械及化学地优化温度梯度和热流 的产生和维持两者。
[0007] 在各种实施例中，ETD设备包括串联和/或并联连接的一个或多个ETD单元。在特定 实施例中，相邻的ETD单元共用一个或多个部件以用于增加操作效率和/或减小生产成本。
[0008] 在一个方面，ETD单元包括第一表面和第二表面，在它们之间具有被配置成保持气 体的腔体。当气体存在于腔体中时，表面与气体相互化学作用，使得气体接近于第一表面以 比接近于第二表面更快的速率离解。因而，比起在接近于第二表面处，更大量的热量在接近 于第一表面处被吸收或释放(取决于离解反应是否各自是吸热或放热的）。因此，第一表面 与第二表面之间的稳态温差被产生及维持。
[0009] 在另一方面，ETD单元进一步包括第一热传递表面和第二热传递表面，该第一热传 递表面和第二热传递表面相应地被连接到第一表面和第二表面且基本上平行。热传递表面 被连接到对应的表面与腔体相对的一侧。热传递表面被配置成将热量向对应的表面引导 和/或从对应的表面引导热量。
【附图说明】
[0010] 图1A是示出根据一个实施例的导致两个表面之间的温差的表面催化反应的简图。
[0011] 图1Β是根据一个实施例的在其中图1Α的反应可能发生的单个ETD单元的侧视图。
[0012] 图2是根据一个实施例的包括平行的多个ETD单元的系统配置的等距示图。
[0013]图3是根据一个实施例的串联地组合三层的ETD单元的系统配置的侧视图表示。
[0014] 图4是示出根据一个实施例的用于测试材料和气体的组合以确定它们在ETD单元 中使用的适用性的装置的简图。
[0015] 图5是示出根据一个实施例的确定特定气体-表面组合在ETD单元中使用的适用性 的示例性方法的流程图。
[0016] 图6是示出根据一个实施例的用于确定特定气体-表面组合在ETD单元中使用的适 用性的可替代方法的流程图。
【具体实施方式】
[0017] 附图和以下说明书仅以示例的方式描述了特定实施方式。本领域技术人员将易于 从以下说明书中认识到可以采用本文所示的结构和方法的可替代实施例而不偏离本文描 述的原理。现在将对多个实施例进行参照，其示例在所附附图中图示。应当注意，只要可行， 可以在附图中使用相似或相同的附图标记，并且可以指示相似或相同的功能。
[0018] 过程概述
[0019] ETD的实施例利用包括(至少)两个空间上分离的表面的过程，该两个表面相对于 气体是化学活性的，该气体经受通用的离解反应ΑΒ<-Α+Β。图1Α图示了使用两个平行 表面120和140的该过程的实施例。该两个(或更多)表面120和140展示了传统非均相催化剂 的大多特性，但偏离催化的一个标准原则。不像不偏移气相平衡的常规催化剂，由于表面效 应相对于表面之间的腔体130中的气体的总体特性的支配地位，表面120和140改变气相平 衡。因而，表面120和140在本文中被称为"表面催化剂(epicatalyst)"并且基于这样的表面 的过程被称为"表面催化（epicatalysis)"和/或"表面催化过程（epicatalytic process)''。
[0020] 第一表面140与第二表面120相比倾向于离解(dissociation)半反应（意为AB-A+ B)。相反地，第二表面120相对于第一表面140比较倾向于复合(recombination)半反应（意 为A+B-AB)。因而，当气体二聚体接近于第一表面140时，在二聚体与第一表面140之间的相 互作用导致其离解速率高于接近于第二表面120的对应的离解速率。本文中使用术语接近 是相对于气体和表面的从而意为气体的单体和/或二聚体在表面的10埃以内，包括在表面 上。
[0021] 腔体130包含气体，其可以在腔体内自由移动。因而，从第一表面140向第二表面 120存在比在相反方向上流过腔体130的更大通量的A和B种类的气体。相反地，从第二表面 120向第一表面140存在比在相反方向上流过腔体130的更大通量的AB种类的气体。因此，在 腔体130中存在化学循环，其中AB种类125的气体的净流动在一个方向，并且A和B种类135的 气体的净流动在另一方向。在两个表面120和140之间的气体的该流动承载净热能和化学 能，导致在两个表面之间的稳态温差。
[0022] 在一个实施例中，离解反应是吸热的，并且复合反应是放热的。其结果是，有利于 离解的表面140自然地冷却并维持比相对有利于复合的表面120更低的温度。如果过量的热 量被提供到较冷的表面140，热量通过空间130被热对流及化学平流输送到另一表面120，从 而在表面之间产生在ETD热梯度上向上的净热流。随后热量可以经由标准热传递机构（即， 对流、传导、辐射)从较暖的表面120收获。净结果构成了有利于在一个方向上而不是在另一 个方向上的热传递的热二极管，因而使得热量的净传递能够抵抗温度梯度。尽管离解反应 是吸热的特定实施例在以下被描述，应当注意的是，在一些实施例中，离解反应是放热的。 在这样的实施例中，有利于离解140的表面将比有利于复合的表面更暖。
[0023] ETD单元的结构
[0024]图1B是图示了根据一个实施例的ETD单元100的一半结构的切除侧视图。多个ETD 单元100可以以各种方式被组合以达到期望的效果，这些结合的一些示例在以下参照图2和 图3进行更为详细的讨论。在所示的实施例中，ETD单元100包括第一表面140和第二表面 120,每个被对应的热传递表面110支撑并且彼此基本上平行地对准。表面120和140之间的 分隔由多个分隔件160维持，其中两个分隔件在此被示出。因而，腔体130形成在表面120和 140之间，腔体130包含气体。在其它实施例中，维持两个或更多表面之间的基本上恒定的间 隔的其它几何形状被用于ETD单元100,诸如嵌套圆柱体、嵌套球体、螺旋体等。在一些实施 例中，表面120和140中的一者或两者也用作对应的热传递表面110。在又一实施例中，表面 120和140并不被布置为具有基本上恒定的间隔，例如，相对于彼此以45度的角度，或者使得 一个表面相对于另一个表面大致弯曲。
[0025] 对于公开的装置有用的气体是作为二聚体AB存在的那些气体，但也作为独立的单 体A和B存在。进而，对于公开的装置有用的气体是基于它们与特定表面120和140的相互作 用而被选择的。如以上所公开的，对于特定表面120和140有用的气体是比起在两个表面中 的第二表面处而言倾向于在两个表面中的第一表面处离解并且比起在两个表面中的第一 表面处而言倾向于在两个表面中的第二表面处复合的气体。在一个实施例中，气体基于以 下而被选择:独立的单体A和B的稳定性，在二聚体AB中的组分之间键合的强度，以及在ETD 设备的操作温度处(例如，在或接近室温处)气体的蒸汽压。
[0026] 在一些实施例中，气体被选择为使得在气体处于ETD的操作温度时气体的蒸汽压 对于操作化学循环是充分的。换言之，遍及腔体130中必须有足够的处于汽相的气体以用于 离解/复合循环，因此温差得以维持。因而，具有相对低的分子量(例如，小于约200amu)的气 体可以在一些实施例中被使用以旨在用于室温下的操作。这样的气体具有可与环境热能相 比的净分子间力和能量，因此，可察觉量的离解在环境条件下发生。通常，具有更高分子量 的气体，显著比例的分子趋向于在室温液化或固化，致使腔体130不包含足够量的处于汽相 的气体以用于维持反应循环。
[0027] 在一些实施例中，针对所选气体的独立的单体的稳定性和二聚体的键合的强度为 使得当ETD设备出于操作温度时由于表面120和140所致的表面效应相对于气相平衡特性处 于支配地位。在这些实施例中，二聚体AB被相对弱的键所键合，使得二聚体可以在或接近室 温处热离解，导致在任何给定时间处可察觉量的气体(例如10 % )以离解的种类存在。在各 种实施例中，具有氢键(HyB)、卤键(HaB)和范德华键(vdWB)的气体二聚体被使用。在各种实 施例中，两个同二聚体(单体A和B相同的气体)和异二聚体(单体A和B不同的气体)被使用。
[0028] 氢键