表面催化熱二極管的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年5月29日遞交、題為"Epicatalytic Thermal Diode"的美國 臨時專利申請?zhí)?1/828,419的權益;于2013年5月29日遞交、題為％?"3七317衍(：1116^^1 Diode"的美國臨時專利申請?zhí)?1/828,421的權益；以及于2014年5月28日遞交、題為 "Epicatalytic Thermal Diode"的美國專利申請?zhí)?4/289,322的權益，所有這些都通過引 用而使其整體并入本文。
技術領域
[0003] 本文描述的主題通常涉及管理熱流，尤其涉及一種產(chǎn)生及維持穩(wěn)態(tài)溫差的設備。
【背景技術】
[0004] 熱量通常從熱流到冷，緩和溫度梯度以使得孤立的系統(tǒng)最終達到由單一均勻溫度 特征化的熱力學平衡。當前，為了使設備產(chǎn)生及維持溫度梯度必須做功。維持溫度梯度在諸 如制熱、制冷、環(huán)境控制、發(fā)電以及機械運動之類的廣闊范圍的技術領域上有實用價值。
[0005] 做功以維持溫度梯度的現(xiàn)有設備還生成廢熱。一些設備試圖使用該廢熱(例如，由 車輛發(fā)動機生成的廢熱可以在冬季月份期間被導向車輛的內(nèi)部以供熱)但這樣的系統(tǒng)通常 效率低且不能解決諸如通過燃燒化石燃料(例如，汽油、煤、油等)提供功的最初要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 以上及其它問題通過表面催化熱二極管(ETD)和對應的方法而解決。ETD自然地i) 產(chǎn)生及維持ETD的兩個單獨表面之間的溫差；并且ii)在溫度梯度的方向上（即，上）跨過 ETD。在一個方面介導有效率的穩(wěn)態(tài)熱流，ETD的結構熱機械及化學地優(yōu)化溫度梯度和熱流 的產(chǎn)生和維持兩者。
[0007] 在各種實施例中，ETD設備包括串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的一個或多個ETD單元。在特定 實施例中，相鄰的ETD單元共用一個或多個部件以用于增加操作效率和/或減小生產(chǎn)成本。
[0008] 在一個方面，ETD單元包括第一表面和第二表面，在它們之間具有被配置成保持氣 體的腔體。當氣體存在于腔體中時，表面與氣體相互化學作用，使得氣體接近于第一表面以 比接近于第二表面更快的速率離解。因而，比起在接近于第二表面處，更大量的熱量在接近 于第一表面處被吸收或釋放(取決于離解反應是否各自是吸熱或放熱的）。因此，第一表面 與第二表面之間的穩(wěn)態(tài)溫差被產(chǎn)生及維持。
[0009] 在另一方面，ETD單元進一步包括第一熱傳遞表面和第二熱傳遞表面，該第一熱傳 遞表面和第二熱傳遞表面相應地被連接到第一表面和第二表面且基本上平行。熱傳遞表面 被連接到對應的表面與腔體相對的一側。熱傳遞表面被配置成將熱量向對應的表面引導 和/或從對應的表面引導熱量。
【附圖說明】
[0010] 圖1A是示出根據(jù)一個實施例的導致兩個表面之間的溫差的表面催化反應的簡圖。
[0011] 圖1Β是根據(jù)一個實施例的在其中圖1Α的反應可能發(fā)生的單個ETD單元的側視圖。
[0012] 圖2是根據(jù)一個實施例的包括平行的多個ETD單元的系統(tǒng)配置的等距示圖。
[0013]圖3是根據(jù)一個實施例的串聯(lián)地組合三層的ETD單元的系統(tǒng)配置的側視圖表示。
[0014] 圖4是示出根據(jù)一個實施例的用于測試材料和氣體的組合以確定它們在ETD單元 中使用的適用性的裝置的簡圖。
[0015] 圖5是示出根據(jù)一個實施例的確定特定氣體-表面組合在ETD單元中使用的適用性 的示例性方法的流程圖。
[0016] 圖6是示出根據(jù)一個實施例的用于確定特定氣體-表面組合在ETD單元中使用的適 用性的可替代方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0017] 附圖和以下說明書僅以示例的方式描述了特定實施方式。本領域技術人員將易于 從以下說明書中認識到可以采用本文所示的結構和方法的可替代實施例而不偏離本文描 述的原理?，F(xiàn)在將對多個實施例進行參照，其示例在所附附圖中圖示。應當注意，只要可行， 可以在附圖中使用相似或相同的附圖標記，并且可以指示相似或相同的功能。
[0018] 過程概述
[0019] ETD的實施例利用包括(至少)兩個空間上分離的表面的過程，該兩個表面相對于 氣體是化學活性的，該氣體經(jīng)受通用的離解反應ΑΒ<-Α+Β。圖1Α圖示了使用兩個平行 表面120和140的該過程的實施例。該兩個(或更多)表面120和140展示了傳統(tǒng)非均相催化劑 的大多特性，但偏離催化的一個標準原則。不像不偏移氣相平衡的常規(guī)催化劑，由于表面效 應相對于表面之間的腔體130中的氣體的總體特性的支配地位，表面120和140改變氣相平 衡。因而，表面120和140在本文中被稱為"表面催化劑(epicatalyst)"并且基于這樣的表面 的過程被稱為"表面催化（epicatalysis)"和/或"表面催化過程（epicatalytic process)''。
[0020] 第一表面140與第二表面120相比傾向于離解(dissociation)半反應（意為AB-A+ B)。相反地，第二表面120相對于第一表面140比較傾向于復合(recombination)半反應（意 為A+B-AB)。因而，當氣體二聚體接近于第一表面140時，在二聚體與第一表面140之間的相 互作用導致其離解速率高于接近于第二表面120的對應的離解速率。本文中使用術語接近 是相對于氣體和表面的從而意為氣體的單體和/或二聚體在表面的10埃以內(nèi)，包括在表面 上。
[0021] 腔體130包含氣體，其可以在腔體內(nèi)自由移動。因而，從第一表面140向第二表面 120存在比在相反方向上流過腔體130的更大通量的A和B種類的氣體。相反地，從第二表面 120向第一表面140存在比在相反方向上流過腔體130的更大通量的AB種類的氣體。因此，在 腔體130中存在化學循環(huán)，其中AB種類125的氣體的凈流動在一個方向，并且A和B種類135的 氣體的凈流動在另一方向。在兩個表面120和140之間的氣體的該流動承載凈熱能和化學 能，導致在兩個表面之間的穩(wěn)態(tài)溫差。
[0022] 在一個實施例中，離解反應是吸熱的，并且復合反應是放熱的。其結果是，有利于 離解的表面140自然地冷卻并維持比相對有利于復合的表面120更低的溫度。如果過量的熱 量被提供到較冷的表面140，熱量通過空間130被熱對流及化學平流輸送到另一表面120，從 而在表面之間產(chǎn)生在ETD熱梯度上向上的凈熱流。隨后熱量可以經(jīng)由標準熱傳遞機構（即， 對流、傳導、輻射)從較暖的表面120收獲。凈結果構成了有利于在一個方向上而不是在另一 個方向上的熱傳遞的熱二極管，因而使得熱量的凈傳遞能夠抵抗溫度梯度。盡管離解反應 是吸熱的特定實施例在以下被描述，應當注意的是，在一些實施例中，離解反應是放熱的。 在這樣的實施例中，有利于離解140的表面將比有利于復合的表面更暖。
[0023] ETD單元的結構
[0024]圖1B是圖示了根據(jù)一個實施例的ETD單元100的一半結構的切除側視圖。多個ETD 單元100可以以各種方式被組合以達到期望的效果，這些結合的一些示例在以下參照圖2和 圖3進行更為詳細的討論。在所示的實施例中，ETD單元100包括第一表面140和第二表面 120,每個被對應的熱傳遞表面110支撐并且彼此基本上平行地對準。表面120和140之間的 分隔由多個分隔件160維持，其中兩個分隔件在此被示出。因而，腔體130形成在表面120和 140之間，腔體130包含氣體。在其它實施例中，維持兩個或更多表面之間的基本上恒定的間 隔的其它幾何形狀被用于ETD單元100,諸如嵌套圓柱體、嵌套球體、螺旋體等。在一些實施 例中，表面120和140中的一者或兩者也用作對應的熱傳遞表面110。在又一實施例中，表面 120和140并不被布置為具有基本上恒定的間隔，例如，相對于彼此以45度的角度，或者使得 一個表面相對于另一個表面大致彎曲。
[0025] 對于公開的裝置有用的氣體是作為二聚體AB存在的那些氣體，但也作為獨立的單 體A和B存在。進而，對于公開的裝置有用的氣體是基于它們與特定表面120和140的相互作 用而被選擇的。如以上所公開的，對于特定表面120和140有用的氣體是比起在兩個表面中 的第二表面處而言傾向于在兩個表面中的第一表面處離解并且比起在兩個表面中的第一 表面處而言傾向于在兩個表面中的第二表面處復合的氣體。在一個實施例中，氣體基于以 下而被選擇:獨立的單體A和B的穩(wěn)定性，在二聚體AB中的組分之間鍵合的強度，以及在ETD 設備的操作溫度處(例如，在或接近室溫處)氣體的蒸汽壓。
[0026] 在一些實施例中，氣體被選擇為使得在氣體處于ETD的操作溫度時氣體的蒸汽壓 對于操作化學循環(huán)是充分的。換言之，遍及腔體130中必須有足夠的處于汽相的氣體以用于 離解/復合循環(huán)，因此溫差得以維持。因而，具有相對低的分子量(例如，小于約200amu)的氣 體可以在一些實施例中被使用以旨在用于室溫下的操作。這樣的氣體具有可與環(huán)境熱能相 比的凈分子間力和能量，因此，可察覺量的離解在環(huán)境條件下發(fā)生。通常，具有更高分子量 的氣體，顯著比例的分子趨向于在室溫液化或固化，致使腔體130不包含足夠量的處于汽相 的氣體以用于維持反應循環(huán)。
[0027] 在一些實施例中，針對所選氣體的獨立的單體的穩(wěn)定性和二聚體的鍵合的強度為 使得當ETD設備出于操作溫度時由于表面120和140所致的表面效應相對于氣相平衡特性處 于支配地位。在這些實施例中，二聚體AB被相對弱的鍵所鍵合，使得二聚體可以在或接近室 溫處熱離解，導致在任何給定時間處可察覺量的氣體(例如10 % )以離解的種類存在。在各 種實施例中，具有氫鍵(HyB)、鹵鍵(HaB)和范德華鍵(vdWB)的氣體二聚體被使用。在各種實 施例中，兩個同二聚體(單體A和B相同的氣體)和異二聚體(單體A和B不同的氣體)被使用。
[0028] 氫鍵