1.本技术属于工程热物理技术领域，涉及一种热流整流器，尤其涉及一种可自动调整热辐射发射与接收的集热制冷板及热流整流器。
背景技术：2.桥式热流整流器调节原理借鉴了电学中的整流器，可以将周期性或间断性的交变热源转化为较为稳定的单向热源，从而获得稳定的温差用于驱动热机做功。例如，将随时间周期性变化的太阳能转化为稳定的单向热源，实现24小时不间断地持续利用太阳能。
3.现有的桥式热流整流器使用了单一功能的太阳能集热板作为整流器的热源，这种集热板只能实现白天高效吸热，但夜间降温只能依靠对流和热传导手段，降温缓慢且效果不佳，且最低温度极限被限制为环境温度，影响了热流整流器输出的温差和功率。
技术实现要素：4.本技术提供了一种可自动调整热辐射发射与接收的集热制冷板及热流整流器，其技术目的是强化集热板的辐射制冷能力，减少寄生热流，优化热流整流器的输入热源，提高热流整流器的输出温差和功率。
5.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
6.一种可自动调整热辐射发射与接收的集热制冷板，包括光子辐射-吸收层、均热支撑板、高热导连接层、非辐射寄生热流隔绝层和辐射寄生热流隔绝层；
7.所述光子辐射-吸收层用于根据温度变化实现光谱自动调节，所述光谱自动调节的方法包括材料相变、机械形变和热胀冷缩；
8.所述均热支撑板用于维持集热制冷板的面内温度均匀，并为其提供机械强度支撑；
9.所述高热导连接层用于连接集热制冷板与热流整流热路，降低二者间接触热阻；
10.所述非辐射寄生热流隔绝层用于隔绝集热制冷板下表面与环境间的非辐射寄生热流；
11.所述辐射寄生热流隔绝层用于隔绝集热制冷板下表面与环境间的辐射性寄生热流，同时隔绝集热制冷板与热流整流热路间的非辐射漏热。
12.一种热流整流器，该热流整流器通过如上所述的集热制冷板吸热或制冷；所述热流整流器包括热流整流热路和绝热外壳；
13.所述绝热外壳内设有绝热填充物，用于隔绝各部分与环境间寄生漏热，所述绝热填充物围绕在所述热流整流热路四周并填补其内部空间，所述热流整流热路通过绝热支撑柱与所述绝热外壳连接；
14.所述热流整流热路用于将周期性的输入热流转化为直流输出，其结构包括：第一接触式热二极管、第二接触式热二极管、热端热容、冷端热容、热机。所述第一接触式热二极管的一端与所述热端热容连接、另一端与所述集热制冷板连接，导通方向为集热制冷板指
向热端热容；所述第二接触式热二极管的一端与所述集热制冷板连接、另一端与所述冷端热容连接，导通方向为冷端热容指向集热制冷板；所述热机的一端与所述热端热容连接、另一端与所述冷端热容连接；
15.本技术的有益效果在于：本技术由光子辐射-吸收层、均热支撑板、高热导连接层、非辐射寄生热流隔绝层、辐射寄生热流隔绝层、热流整流热路、绝热外壳共同组成了半桥式热流整流器，该半桥式热流整流器能够将周期变化的外界热流，通过接触式热二极管限制热流传输方向、通过热容存储和释放热能，调整为单向稳定的温差和热流，从而使得在一个变化周期内，热机两端的温差偏置始终不改变方向且保持近似恒定。
16.将现有桥式热流整流器中单一功能的太阳能集热板替换为光谱可自动调节的集热制冷板，该集热制冷板在实现白天高效吸热的同时，能够实现在夜间通过相变等方式改变辐射率光谱，强化其辐射制冷能力。一方面加快了集热制冷板在夜间的降温速度，另一方面可以通过辐射制冷效应将集热制冷板温度降低到环境温度以下，优化了热流整流器的输入热源，从而提高了热流整流器的输出温差和功率。
附图说明
17.图1为本技术所述可自动调整热辐射发射与接收的集热制冷板及热流整流器的结构示意图；
18.图2为真空环境(如太空)下的桥式热流整流器结构示意图；
19.图3为结合真空腔的桥式热流整流器结构示意图；
20.图4为集热制冷板由全波段透明薄膜遮蔽的具体实施方式示意图；
21.图5为不同实施方式输出功率的示意图；
22.图6为具体实施方式中各组件温度的变化示意图；
23.图中：1-光子辐射-吸收层；2-均热支撑板；3-高热导连接层；4-非辐射寄生热流隔绝层；5-辐射寄生热流隔绝层；61-第一接触式热二极管；62-第二接触式热二极管；63
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热端热容；64-冷端热容；65-热机；7-绝热外壳；8-绝热填充物；9-绝热支撑柱。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本技术技术方案进行详细说明。
25.如图1所示，可自动调整热辐射接收的真空桥式热流整流器包括光子辐射-吸收层1、均热支撑板2、高热导连接层3、非辐射寄生热流隔绝层4、辐射寄生热流隔绝层5、第一接触式热二极管61、第二接触式热二极管62、热端热容63、冷端热容64、热机65、绝热外壳7、绝热填充物8和绝热支撑柱9。
26.所述绝热外壳7内设有绝热填充物8，所述绝热填充物7围绕在所述第一接触式热二极管61、第二接触式热二极管62、热端热容63、冷端热容64、热机65四周，所述热端热容63和所述冷端热容64都通过绝热支撑柱9与所述绝热外壳7连接。
27.所述第一接触式热二极管61的一端与所述热端热容63连接、另一端与所述高热导连接层2连接，导通方向为2到63；所述第二接触式热二极管62的一端与所述高热导连接层2连接、另一端与所述冷端热容64连接，导通方向为64到2；所述热机65的一端与所述热端热容63连接、另一端与所述冷端热容64连接。
28.上述真空桥式热流整流器通过材料性质或其他手段(例如由相变材料制作的超晶格超材料)，实现在不影响热流整流器白天正常吸热工作的同时，将温度为零下270摄氏度的超冷外太空作为装置的热沉，强化其夜间辐射制冷能力，从而加大装置内部单向偏置温差，显著提高了装置的工作效率和输出功率。
29.作为具体实施例地，绝热外壳7的材料为真空腔体或中空金属或陶瓷或绝热泡沫；绝热填充物8的材料为真空或绝热泡沫；绝热支撑柱9的材料为陶瓷或绝热塑料。
30.所述光子辐射-吸收层1用于根据温度变化实现光谱自动调节，所述光谱自动调节的方法包括材料相变、机械形变和热胀冷缩。当光谱自动调节的方法为材料相变时，所述集热制冷板为超晶格材料相变集热制冷板，且所述光子辐射-吸收层包括自上而下依次设置的50纳米氧化铝、100纳米二氧化钒、92纳米氧化铝、100纳米二氧化钒、500微米聚二甲基硅氧烷和高反射铝基底。该超晶格材料相变集热制冷板相变前后的辐射率光谱如图1所示。
31.能够实现光谱自动调节的光子辐射-吸收层，其工作机理为：白天吸收太阳辐射，进而提升温度、提供高温热源，具有较低红外波段的辐射率，降低辐射性寄生热流对高温的削弱；夜间集热制冷板的性质或结构发生变化，辐射率光谱近似黑体，从而强化辐射制冷效果，提供低温冷源。
32.所述均热支撑板通过其较高的面内热导率均匀集热制冷板整体的面向温度，并通过其机械强度为集热制冷板提供支撑。
33.所述高热导连接层具有极高的面向导热能力，用于降低均热支撑板与热二极管间的接触热阻。
34.非辐射寄生热流隔绝层包裹在均热支撑板下表面，通过其高热阻隔绝集热制冷板下表面与环境间的非辐射换热，减少寄生热流。
35.辐射寄生热流隔绝层包裹在非辐射寄生热流层的下表面，其表面红外辐射率极低(反射率极高)，用于隔绝集热制冷板与环境和热流整流热路间的辐射性寄生热流。
36.第一接触式热二极管和第二接触式热二极管的工作机理为：阻碍反向偏置方向的热流传递，即高反向偏置热阻；不干扰正向偏置方向的热流传递，即低正向偏置热阻。其实现方式包括但不限于基于材料热膨胀性质的无源热开关等。
37.热端热容和冷端热容的工作机理为：热阻小，当有接通的热源/冷源时，可以快速的升温/降温。其中高温端热容受到热二极管制约，大量吸收外界热能，但不释放或少量释放热能，维持高温；低温端热容受到热二极管制约，大量释放自身热能，但不吸收或少量吸收外界热能，维持低温。二者为热机的工作提供高温和低温热沉。
38.热机的工作机理为：依靠高温、低温热容与其对应的热二极管所构成的高温、低温热源，将热能转化为电能、机械能或其他能源。其实现方式包括但不限于温差发电片、斯特林热机等利用温差将热能转化为其他能源的装置。
39.光子辐射-吸收层1在白天通过吸收太阳的辐射热流，将热量通过高热导连接层、正向偏置的第一接触式热二极管传递至热端(高温)热容，通过反向偏置的第二接触式热二极管阻止其将热量传递至冷端(低温)热容。在夜间通过与环境间的非辐射换热与辐射制冷效应， 维持略低于环境的温度， 高温热容的热量因为反向偏置的第一接触式热二极管阻止其泄漏， 低温热容的热量通过正向偏置的第二接触式热二极管、 高热导连接层释放至集热制冷板。基于能量守恒对集热制冷板进行热流分析， 如下：
2所示，h＝0w/m
2-k)、真空腔(图3所示，h＝0.1w/m
2-k)、良好避风遮挡(图 4所示，h＝1w/m
2-k)的不同条件下分别提升了43.5％、36.1％、1.0％，如图5所示。
53.实施例1：
54.为了定量描述该热流整流器的工作参数，选用某些符合设计要求的材料和结构进行理论计算，具体材料和结构(图2)如下所示：集热制冷板为多层超晶格结构，从上至下依次为：50纳米氧化铝、100纳米二氧化钒、92纳米氧化铝、100纳米二氧化钒、500 微米pdms(聚二甲基硅氧烷)、抛光铝基底，其辐射率光谱如图1所示；接触式热二极管正向偏置导通热阻为rf＝5.14k/w，反向偏置断开热阻为rb＝514k/w；热容值为c＝ 8.4
×
104j/k；循环周期为τ＝86400s(24小时)；白天太阳辐射功率密度为q0＝ 1000sin(2πt/τ)w/m2，夜间为0；环境温度为ta＝300+10sin(2πt/τ-π/6)k；考虑理想情况，以卡诺热机为例，取热阻为re＝5.14k/w。以理想非辐射绝热为例(即绝对真空)，取h＝0w/m
2-k。
55.温度输出计算结果如图6所示，a-b-c-d-a
′‑b′‑c′‑d′
的循环阶段分别表示：
56.a-b阶段，集热制冷板温度高于热端热容温度，第一接触式热二极管导通，从而使得热端热容迅速加热；
57.b-a
′
阶段，集热制冷板温度低于热端热容温度，第一接触式热二极管断开，热端热容处于保温状态，但随着漏热缓慢降温；
58.c-d阶段，集热制冷板温度低于冷端热容温度，第二接触式热二极管导通，从而使得冷端热容迅速冷却；
59.d-c
′
阶段，集热制冷板温度高于冷端热容温度，第二接触式热二极管断开，冷端热容处于保温状态，但随着漏热缓慢升温。
60.功率输出计算结果如图5所示，稳态后一周期内平均输出功率为9.9w/m2。
61.实施例2：
62.在实施例1的基础上，如图3所示，考虑更具体的真空技术，使用真空腔和辐射遮蔽罩可以实现10-6
torr的真空度，真空腔上方使用全波段透明的刚性材料(如znse)作为盖板密封，等效非辐射换热系数约为h＝0.1w/m
2-k。功率输出计算结果如图5所示，稳态后一周期内平均输出功率为9.8w/m2。
63.实施例3：
64.在实施例2的基础上，如图4所示，考虑更低的应用成本，使用挡风板并将透明pe 薄膜(聚乙烯)等全波段透明的材料覆盖于挡风结构上方，可以实现良好避风遮挡，等效非辐射换热系数约为h＝1w/m
2-k。功率输出计算结果如图3所示，稳态后一周期内平均输出功率为8.3w/m2。
65.以上为本技术示范性实施例，本技术的保护范围由权利要求书及其等效物限定。
技术特征：1.一种可自动调整热辐射发射与接收的集热制冷板，其特征在于，包括光子辐射-吸收层(1)、均热支撑板(2)、高热导连接层(3)、非辐射寄生热流隔绝层(4)和辐射寄生热流隔绝层(5)；所述光子辐射-吸收层(1)用于根据温度变化实现光谱自动调节，所述光谱自动调节的方法包括材料相变、机械形变和热胀冷缩；所述均热支撑板(2)覆盖于所述光子辐射-吸收层(1)下表面，用于均匀所述光子辐射-吸收层(1)的温度，且支撑其机械强度；所述高热导连接层(3)用于连接所述均热支撑板(2)与热流整流热路(6)，用于降低接触热阻；所述非辐射寄生热流隔绝层(4)覆盖于未安装所述高热导连接层(3)的所述均热支撑板(2)的下表面，用于隔绝所述均热支撑板(2)下方的非辐射换热；所述辐射寄生热流隔绝层(5)覆盖于所述非辐射寄生热流隔绝层(4)下表面，用于隔绝其与环境间的辐射性寄生热流、与热流整流热路(6)间的辐射性漏热。2.如权利要求1所述的集热制冷板，其特征在于，所述光子辐射-吸收层(1)在吸收热能时，吸收的光子的波长小于截止波长；释放热能时，所述光子辐射-吸收层(1)的光谱为黑体，其全波段辐射率为1；所述光子辐射-吸收层(1)光谱自动调节的方法为材料相变时，所述光子辐射-吸收层(1)为超晶格材料相变集热制冷板，且所述光子辐射-吸收层(1)包括自上而下依次设置的50纳米氧化铝、100纳米二氧化钒、92纳米氧化铝、100纳米二氧化钒、500微米聚二甲基硅氧烷和高反射铝基底。3.如权利要求1所述的集热制冷板，其特征在于，所述均热支撑板(2)的面内热阻低于0.25k/w，工作状态下所述均热支撑板(2)上任两点所测得温度差小于5℃；所述均热支撑板(2)的材料包括但不限于：高导热金属、真空相变均热板及石墨导热片。4.如权利要求1所述的集热制冷板，其特征在于，所述高热导连接层(3)的面向热阻低于0.1k/w，并为所述均热支撑板(2)和所述热流整流热路(6)提供连接强度；其材料包括但不限于：导热硅胶、液态金属及高抛光金属片。5.如权利要求1所述的集热制冷板，其特征在于，所述非辐射寄生热流隔绝层(4)的面向热阻高于10k/w，其材料包括但不限于：聚乙烯泡沫、绝热海绵及绝热气凝胶。6.如权利要求1所述的集热制冷板，其特征在于，所述辐射寄生热流隔绝层(5)下表面红外平均辐射率小于0.05，其材料包括但不限于：红外高反射金属板及其他红外高反射材料。7.一种热流整流器，其特征在于，该热流整流器通过如权利要求1-6任一所述的集热制冷板吸热或制冷；所述热流整流器包括热流整流热路(6)和绝热外壳(7)；所述绝热外壳(7)内设有绝热填充物(8)，用于隔绝各部分与环境间寄生漏热，所述绝热填充物(8)围绕在所述热流整流热路(6)四周并填补其内部空间，所述热流整流热路(6)通过绝热支撑柱(9)与所述绝热外壳(7)连接；所述热流整流热路(6)包括第一接触式热二极管(61)、第二接触式热二极管(62)、热端热容(63)、冷端热容(64)和热机(65)组成；
所述第一接触式热二极管(61)的一端与所述热端热容(63)连接、另一端通过所述高热导连接层(3)与所述均热支撑板(2)连接，导通方向为集热制冷板指向所述热端热容(63)；所述第二接触式热二极管(62)的一端与所述冷端热容(64)连接、另一端通过所述高热导连接层(3)与所述均热支撑板(2)连接，导通方向为所述冷端热容(64)指向集热制冷板；所述热机(65)的一端与所述热端热容(3)连接、另一端与所述冷端热容(64)连接。8.如权利要求7所述的热流整流器，其特征在于，所述绝热外壳(7)的材料为真空腔体或中空金属或陶瓷或绝热泡沫；所述绝热填充物(8)的材料为真空或绝热泡沫；所述绝热支撑柱(9)的材料为陶瓷或绝热塑料。9.如权利要求7所述的热流整流器，其特征在于，所述第一接触式热二极管(61)和所述第二接触式热二极管(62)的热阻满足：r
b
/r
e
≥10.8，r
f
/r
e
≤0.05；其中，r
f
表示第一接触式热二极管(61)和第二接触式热二极管(62)的导通热阻，r
b
表示第一接触式热二极管(61)和第二接触式热二极管(62)的断开热阻，r
e
表示热机热阻，单位为k/w。10.如权利要求7所述的热流整流器，其特征在于，所述热端热容(63)的热容满足：r
e
c
hot
/τ≥0.79；所述冷端热容(64)的热容满足：r
e
c
cold
/τ≥0.34；其中，c
hot
表示热端热容的热容值，c
cold
表示冷端热容的热容值，单位为j/k；τ表示交变热源变化周期，单位为秒。
技术总结本发明公开了一种可自动调整热辐射发射与接收的集热制冷板及热流整流器，涉及工程热物理技术领域，解决了现有集热板受到环境和寄生热流因素制约而导致热流整流器输出的温差和功率不大的技术问题，其技术方案要点是将热流整流器中单一功能的太阳能集热板替换为光谱可自动调节的集热制冷板，该集热制冷板在实现白天高效吸热的同时，能够实现在夜间通过相变等方式改变辐射率光谱，强化其辐射制冷能力。一方面加快了集热制冷板在夜间的降温速度，另一方面可以通过辐射制冷效应将集热制冷板温度降低到环境温度以下，优化了热流整流器的输入热源，从而提高了热流整流器的输出温差和功率。和功率。和功率。
技术研发人员：陈震 张政 赵晓冬
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.05.27
技术公布日：2022/11/1
