一种平板式热二极管及其制备方法和太阳能集热器与流程

1.本发明涉及热二极管技术领域，具体而言，涉及一种平板式热二极管及其制备方法和太阳能集热器。


背景技术：

2.热二极管是一种高效的传热元件，具有单向传热、热流可控、传热效率高等优势，还具有体积紧凑、重量轻、无噪声、没有传动部件等特点。在双碳战略背景下，热二极管在储能、节能、保温等领域均拥有着广阔的应用前景和潜在的市场价值，无论是与新能源相结合，还是在传统化工热传递与热回收方面，亦或是在机械电子领域的精密器件的导热散热上，热二极管均可以取代原本的传热工件。但是，热二极管的应用推广仍属于起步阶段，在两相流动和材质设计及其相关的理论计算上都不甚成熟，存在成本高、市场化难度高等问题。
3.目前市面常见的热二极管为重力式热二极管，通过工质在蒸发段受热汽化后，依靠重力场和加速压差的作用下流至冷凝管，放热转化至液体，冷凝液依靠重力作用回流至蒸发段，如此形成循环。对于重力式热二极管，在使用时冷凝段必须位于蒸发段上部，因而在设计、应用时均存在一定限制。而不依靠重力的热二极管，如cn202110633764.4公开了一种基于气液共面结构的超薄热二极管及其制备方法，其中设置了多孔结构的主干道吸液芯和辅助吸液芯以实现液态工质的流动；由于其本身结构更复杂，制备工序也繁杂，投入使用后需要同时维持吸液芯与壳体结构的封闭性，生产成本很高。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的第一目的在于提供一种平板式热二极管，所述热二极管具有优秀的单向传热能力和反向隔热能力，能量传递方向可控，传热效率高。
6.本发明的第二目的在于提供一种平板式热二极管的制备方法，该方法简单易行，适合大批量生产；具有高设计性且能够满足不同场景对传热的需求。
7.本发明的第三目的在于提供一种太阳能集热器，包括有所述的平板式热二极管，具有传热效率高的优势。
8.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
9.一种平板式热二极管，所述平板式热二极管包括亲水板、疏水板和设置在所述亲水板和所述疏水板之间的密封件；所述亲水板、所述疏水板和所述密封件之间形成的至少一个封闭腔体为水汽区，所述水汽区用于承载传热工质。
10.在所述水汽区内，所述亲水板的表面设置有毛细芯。
11.优选地，所述毛细芯的孔隙率为45％～55％，所述毛细芯的孔径为50μm～150μm；
12.优选地，所述毛细芯由铝粉烧结得到；
13.更优选地，所述毛细芯由厚度为3mm～5mm的铝粉烧结得到。
14.所述水汽区内，所述疏水板的表面具有若干凹陷结构。
15.优选地，所述凹陷结构的直径小于100μm；
16.优选地，所述凹陷结构为所述疏水板经过化学腐蚀得到。
17.通过水汽区中亲水板表面的毛细芯结构和疏水板表面的凹陷结构协同辅助水汽双相循环及热量的传递或阻断；
18.当热量由亲水板传向疏水板时，液相在亲水板一侧受热蒸发，蒸气在疏水板一侧凝聚，并由于疏水板的凹陷结构和表面修饰形成的超疏水性，液相的液滴无法在其表面停留，会滚动回亲水板一侧，并被亲水板表面的毛细芯吸收，形成正向传热循环。上述正向循环的传热系数在30w/m
·
k～100w/m
·
k；
19.当热量由疏水板传向亲水板时，液相在疏水板一侧受热蒸发，蒸气在亲水板一侧凝结，由于亲水板表面的毛细芯的超亲水性，液相液滴被毛细芯吸收，并基于传热工质的填充体积，液相无法溢出毛细芯，传热循环阻断，构成反向传热阻断。上述反向阻断时的传热系数小于0.5w/m
·
k，具有强隔热能力。
20.优选地，所述密封件的导热率小于0.5w/(m*k)；
21.优选地，所述密封件的材质包括聚四氟乙烯、聚丙烯、亚克力、酚醛树脂、聚氨酯和橡胶中的至少一种；
22.更优选地，所述密封件的材质选用聚四氟乙烯；
23.对密封件而言，隔热性能越强的材质效果更好，但相对应的原料成本也会升高，依据应用场景和经济成本以适应性选用密封件的材质。
24.优选地，所述传热工质为去离子水；
25.更优选地，所述去离子水的体积不超过所述毛细芯体积的40％；
26.更优选地，在去离子水的充装前所述水汽区的真空度小于10-3
pa；
27.传热工质的气液转化温度、热容、表面张力等物理性质与热二极管的性能紧密相关，水的热容高、表面张力好、成本低廉、易于获得，是理想的热二极管传热工质。
28.同时，亲水板、疏水板的表面性能也必须与传热工质的物理性质相匹配才能实现热循环。当以去离子水作为传热工质时，在水汽区中，去离子水在所述亲水板表面的接触角小于10
°
，在所述疏水板表面的接触角大于150
°
，滚动角小于10
°
，且水汽区中除水和水蒸气不应存在其他气液，真空度不足同样会影响热二极管的传热性能。
29.一种平板式热二极管的制备方法，适配于所述的平板式热二极管，主要包括如下步骤：
30.(1)对表面设置有铝粉的亲水板进行烧结处理，得到附着有超亲水表面的亲水板；
31.(2)对疏水板进行电化学腐蚀处理，而后分别通过硝酸银溶液、氟硅烷溶液修饰处理所述疏水板，得到带有超疏水表面的疏水板；
32.(3)依次组装步骤(1)中的亲水板、密封件和步骤(2)中的疏水板，进行固定和密封处理，得到所述平板式热二极管；
33.优选地，在步骤(2)中，通过所述硝酸银溶液浸泡处理2h～3h，所述硝酸银溶液的浓度为3wt％～7wt％；
34.优选地，在步骤(2)中，通过所述氟硅烷溶液浸泡处理2h～4h，所述氟硅烷溶液的浓度为0.5wt％～2wt％；
35.优选地，在步骤(2)中，所述修饰处理后还包括：在100℃下烘干所述疏水板，所述烘干时间为15min～30min；更优选地，所述烘干时间为20min。
36.一种太阳能集热器，包括所述的平板式热二极管。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
38.(1)本发明的平板式热二极管具有优秀的单向传热能力和反向隔热能力，能量传递方向可控，传热效率高。
39.(2)本发明的平板式热二极管可以根据使用场景对整体外形和内部水汽区腔体结构进行调整，可设计性高。
40.(3)本发明的平板式热二极管结构简单，制备方法流程短、用时少，适合大批量生产，具有较好的应用前景。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明提供的平板式热二极管的结构示意图；
43.图2为本发明提供的平板式热二极管的截面示意图；
44.图3为本发明提供的平板式热二极管的阶段示意图；
45.图4为本发明提供的太阳能集热器的结构示意图。
具体实施方式
46.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
48.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
49.本发明的通过以下具体实施方式进行：
50.一种平板式热二极管，所述平板式热二极管包括亲水板、疏水板和设置在所述亲水板和所述疏水板之间的密封件；所述亲水板、所述疏水板和所述密封件之间形成的至少一个封闭腔体为水汽区，所述水汽区用于承载传热工质；
51.在所述水汽区内，所述亲水板的表面设置有毛细芯。
52.图1为本发明提供的平板式热二极管的结构示意图，图2为本发明提供的平板式热二极管的截面示意图。
53.作为一种优选的实施方式，所述亲水板的材质为铝合金；所述水汽区内，水在所述亲水板表面的接触角小于10
°
。
54.作为一种优选的实施方式，所述疏水板的材质同样为铝合金；所述水汽区内，水在所述疏水板表面的接触角大于150
°
，滚动角小于10
°
。
55.作为一种优选的实施方式，所述毛细芯的孔隙率为45％～55％，所述毛细芯的孔径为50μm～150μm；其中，所述毛细芯的孔隙率包括但不限于45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％；所述毛细芯的孔径包括但不限于50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm、150μm。
56.作为一种优选的实施方式，所述毛细芯由铝粉烧结得到；具体而言，在所述亲水板的表面堆放有一层铝粉，烧结，形成所述毛细芯；所述铝粉的厚度为3mm～5mm，包括但不限于3mm、4mm或5mm。
57.作为一种优选的实施方式，所述水汽区内，所述疏水板的表面具有若干凹陷结构；所述凹陷结构的直径小于100μm；作为一种更优选的实施方式，所述凹陷结构为所述疏水板经过化学腐蚀得到。
58.作为一种优选的实施方式，所述密封件的导热率小于0.5w/(m*k)；所述密封件的材质包括聚四氟乙烯、聚丙烯、亚克力、酚醛树脂、聚氨酯和橡胶中的至少一种；
59.作为一种优选的实施方式，通过所述密封件的构型对所述水汽区进行分割规划；通过机械加工成型获得预设形状的密封件；具体而言，通过密封件将亲水板和疏水板之间形成的密封腔体分割为一个或多个区域，对各区域的划分可以是规则或不规则的，具体的划分方式依据热二极管的用途而定。
60.作为一种优选的实施方式，所述传热工质为去离子水；所述去离子水的体积不超过所述毛细芯体积的40％，包括但不限于30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％；在去离子水的充装前所述水汽区的真空度小于10-3
pa。
61.作为一种优选的实施方式，所述亲水板和/或所述疏水板内设置有测温元件；所述测温元件用于考察所述热二极管的工作性能；
62.所述测温元件包括热电阻、热电偶、红外测温仪等任何一种常规的测温元件；作为一种更优选的实施方式，所述测温元件选用热电偶。
63.作为一种优选的实施方式，依据所述测温元件的形状在所述亲水板和所述疏水板的内部设置预埋槽，用以放置所述测温元件；需要注意的是，所述预埋槽的深度应尽可能地靠近亲水区，以保证测得的温度尽可能贴近亲水区内部的温度；所述预埋槽和所述测温元件一一对应，在所述亲水板和所述疏水板上各自设置有2～4个预埋槽。
64.一种平板式热二极管的制备方法，主要包括如下步骤：
65.(1)对表面设置有铝粉的亲水板进行烧结处理，得到附着有超亲水表面的亲水板；
66.(2)对疏水板进行电化学腐蚀处理，而后分别通过硝酸银溶液、氟硅烷溶液修饰处理所述疏水板，得到带有超疏水表面的疏水板；
67.(3)依次组装步骤(1)中的亲水板、密封件和步骤(2)中的疏水板，进行固定和密封处理，得到所述平板式热二极管；
68.作为一种优选的实施方式，在步骤(2)中：对疏水板进行电化学腐蚀处理以得到若干直径小于150μm的凹陷，而通过硝酸银溶液浸泡，取出烘干后，再用氟硅烷溶液修饰处理所述疏水板的表面，而后在80℃～120℃下烘干，得到带有超疏水表面的疏水板；
69.作为一种更优选的实施方式，在步骤(2)中通过所述硝酸银溶液浸泡处理2h～3h，所述硝酸银溶液的浓度为3wt％～7wt％；
70.作为一种更优选的实施方式，在步骤(2)中，通过所述氟硅烷溶液浸泡处理2h～4h，所述氟硅烷溶液的浓度为0.5wt％～2wt％；
71.作为一种更优选的实施方式，在步骤(2)中，所述修饰处理后还包括：在100℃下烘干所述疏水板，所述烘干时间为15min～30min；作为进一步优选的实施方式，所述烘干时间为20min。
72.作为一种优选的实施方式，所述制备方法还包括：在所述亲水板或所述疏水板上制取通孔，用以放置充液管；当在所述亲水板上制取通孔时，这一操作适应性添加至步骤(1)中，当在所述疏水板上制取通孔时，这一操作适应性添加至步骤(3)中；
73.所述充液管用于抽取真空、并充入传热工质；充液完成后，移除所述充液管，重新填封所述亲水板或所述疏水板。图3为本发明提供的平板式热二极管的在这一阶段的示意图。
74.一种太阳能集热器，包括所述的平板式热二极管，图4为本发明提供的太阳能集热器的结构示意图。所述太阳能集热器融集热、储热和取热为一体，主要包括集热器、平板式热二极管、热水贮存装置，所述热水贮存装置包括冷水进口和热水出口。
75.所述太阳能集热器的工作原理主要包括：投射在所述集热器表面的太阳辐射能，被平板式热二极管的亲水板一侧吸收，亲水板一侧的液相受热蒸发并在疏水板一侧聚集；所述热水贮存装置与疏水板一侧固定连接，由于所述热水贮存装置中预先储存有冷水，热蒸汽在疏水板一侧液化放热，并将热量传递至所述热水贮存装置中，而疏水板一侧的液滴回流至亲水板一侧，形成循环。一段时间后，所述热水贮存装置中的液体升温至适用温度。
76.尽管已用具体实施方式来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

技术特征：
1.一种平板式热二极管，其特征在于，所述平板式热二极管包括亲水板、疏水板和设置在所述亲水板和所述疏水板之间的密封件；所述亲水板、所述疏水板和所述密封件之间形成的至少一个封闭腔体为水汽区，所述水汽区用于承载传热工质；在所述水汽区内，所述亲水板的表面设置有毛细芯。2.根据权利要求1所述的平板式热二极管，其特征在于，所述亲水板的材质为铝合金；优选地，所述水汽区内，水在所述亲水板表面的接触角小于10
°
。3.根据权利要求1所述的平板式热二极管，其特征在于，所述毛细芯的孔隙率为45％～55％，所述毛细芯的孔径为50μm～150μm；优选地，所述毛细芯由铝粉烧结得到；更优选地，所述毛细芯由厚度为3mm～5mm的铝粉烧结得到。4.根据权利要求1所述的平板式热二极管，其特征在于，所述疏水板的材质为铝合金；优选地，所述水汽区内，水在所述疏水板表面的接触角大于150
°
，滚动角小于10
°
。5.根据权利要求1所述的平板式热二极管，其特征在于，所述水汽区内，所述疏水板的表面具有若干凹陷结构；优选地，所述凹陷结构的直径小于100μm；优选地，所述凹陷结构为所述疏水板经过化学腐蚀得到。6.根据权利要求1所述的平板式热二极管，其特征在于，所述密封件的导热率小于0.5w/(m*k)；优选地，所述密封件的材质包括聚四氟乙烯、聚丙烯、亚克力、酚醛树脂、聚氨酯和橡胶中的至少一种。7.根据权利要求1所述的平板式热二极管，其特征在于，所述传热工质为去离子水；优选地，所述去离子水的体积不超过所述毛细芯体积的40％；优选地，在去离子水的充装前所述水汽区的真空度小于10-3
pa。8.根据权利要求1～7任一项所述的平板式热二极管，其特征在于，所述亲水板和/或所述疏水板内设置有测温元件。9.一种平板式热二极管的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：(1)对表面设置有铝粉的亲水板进行烧结处理，得到附着有超亲水表面的亲水板；(2)对疏水板进行电化学腐蚀处理，而后分别通过硝酸银溶液、氟硅烷溶液修饰处理所述疏水板，得到带有超疏水表面的疏水板；(3)依次组装步骤(1)中的亲水板、密封件和步骤(2)中的疏水板，进行固定和密封处理，得到所述平板式热二极管；优选地，在步骤(2)中，通过所述硝酸银溶液浸泡处理2h～3h，所述硝酸银溶液的浓度为3wt％～7wt％；优选地，在步骤(2)中，通过所述氟硅烷溶液浸泡处理2h～4h，所述氟硅烷溶液的浓度为0.5wt％～2wt％；优选地，在步骤(2)中，所述修饰处理后还包括：在100℃下烘干所述疏水板，所述烘干的时间为15min～30min。10.一种太阳能集热器，包括如权利要求1～8任一项所述的平板式热二极管。

技术总结
本发明提供了一种平板式热二极管及其制备方法和太阳能集热器，涉及热二极管技术领域。具体而言，所述平板式热二极管包括亲水板、疏水板和设置在所述亲水板和所述疏水板之间的密封件；所述亲水板、所述疏水板和所述密封件之间形成的至少一个封闭腔体为水汽区，所述水汽区用于承载传热工质；在所述水汽区内，所述亲水板的表面设置有毛细芯。本发明的平板式热二极管具有优秀的单向传热能力和反向隔热能力，能量传递方向可控，传热效率高；同时具有一定可设计性，能够满足不同场景对传热的需求。求。求。


技术研发人员：尹航 张晓屿 冉方圆 张晓林 孙萌 连红奎 刘新生 李亚丽 王娜
受保护的技术使用者：北京微焓科技有限公司
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2022/5/25