Тепловые диоды: принципы, применение и современные разработки.
Thermal diode
Тепловые диоды: принцип работы, виды (электрические, тепловые), история открытия (Ч. Старр, 1930-е). Односторонний теплопроводный эффект и его применение.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Термин "термический диод" может означать:
The term "thermal diode" can refer to:
устройство (возможно, неэлектрическое), которое обеспечивает преимущественный поток тепла в одном направлении;
электрический (полупроводниковый) диод, рассматриваемый в связи с тепловым эффектом или функцией;
либо может описывать обе ситуации, когда электрический диод используется как тепловой насос или термоэлектрический охладитель.
a (possibly non electrical) device which allows heat to flow preferentially in one direction;
an electrical (semiconductor) diode in reference to a thermal effect or function;
or it may describe both situations, where an electrical diode is used as a heat pump or thermoelectric cooler.
Односторонний теплопоток
Термодиод в этом смысле – это устройство, у которого тепловое сопротивление различается для теплового потока в одном направлении и в другом. То есть, когда первый вывод термодиода горячее второго, тепло будет легко перетекать от первого ко второму, но когда второй вывод горячее первого, от второго к первому будет перетекать мало тепла. Этот эффект впервые был обнаружен в интерфейсе медь-оксид меди Чонси Старром в 1930-х годах. Начиная с 2002 года, предлагались теоретические модели для объяснения этого эффекта. В 2006 году были созданы первые микроскопические твердотельные термодиоды. В апреле 2015 года итальянские исследователи из CNR объявили о разработке рабочего термодиода, опубликовав результаты в журнале Nature Nanotechnology. Тепловые сифоны могут функционировать как односторонний теплообменник. Тепловые трубы, работающие под действием силы тяжести, также могут обладать подобным эффектом.
A thermal diode in this sense is a device whose thermal resistance is different for heat flow in one direction than for heat flow in the other direction. I. e., when the thermal diode's first terminal is hotter than the second, heat will flow easily from the first to the second, but when the second terminal is hotter than the first, little heat will flow from the second to the first. Such an effect was first observed in a copper–cuprous oxide interface by Chauncey Starr in the 1930s. Beginning in 2002, theoretical models were proposed to explain this effect. In 2006 the first microscopic solid state thermal diodes were built. In April 2015 Italian researchers at CNR announced development of a working thermal diode, publishing results in Nature Nanotechnology. Thermal siphons can act as a one way heat flow. Heat pipes operating in gravity may also have this effect.
Электрический тепловой эффект или функция диода
Сенсорное устройство, встроенное в микропроцессоры для контроля температуры кристалла, также известно как "термодиод". Принцип работы термодиода основан на свойстве электрических диодов линейно изменять напряжение в зависимости от температуры. С повышением температуры прямое напряжение на диоде уменьшается. Микропроцессоры с высокой тактовой частотой испытывают значительные тепловые нагрузки. Для контроля температуры используются термодиоды, которые обычно размещают в наиболее горячей части ядра процессора. Напряжение на термодиоде изменяется пропорционально его температуре. Все современные процессоры AMD и Intel, а также графические процессоры AMD и Nvidia оснащены встроенными термодиодами. Благодаря непосредственному расположению на кристалле, датчик обеспечивает наиболее точные и локальные показания температуры процессора и графического процессора. Температурная зависимость кремниевых диодов составляет 2 мВ на градус Цельсия. Таким образом, температура кристалла может быть определена путем пропускания через диод фиксированного тока и измерения напряжения на нем. Помимо процессоров, эта технология широко применяется в специализированных микросхемах датчиков температуры.
A sensor device embedded on microprocessors used to monitor the temperature of the processor's die is also known as a "thermal diode". This application of thermal diode is based on the property of electrical diodes to change voltage across it linearly according to temperature. As the temperature increases, diodes' forward voltage decreases. Microprocessors having high clock rate encounter high thermal loads. To monitor the temperature limits thermal diodes are used. They are usually placed in that part of the processor core where highest temperature is encountered. Voltage developed across it varies with the temperature of the diode. All modern AMD and Intel CPUs, as well as AMD and Nvidia GPUs have on chip thermal diodes. As the sensor is located directly on the processor die, it provides most local and relevant CPU and GPU temperature readings. The silicon diodes have temperature dependency of 2mV per degree Celsius. Thus the junction temperature can be determined by passing a set current through the diode and then measuring voltage developed across it. In addition to processors, the same technology is widely used in dedicated temperature sensor IC's.
Термоэлектрические тепловые насосы или охладители
Есть два типа. Один использует полупроводники или менее эффективные металлы, то есть термопары, работающие на основе эффектов Пельтье и Зеебека. Другой основан на вакуумных лампах и принципах термоэлектронной эмиссии.
There are two types. One uses semiconductor, or less efficient metal, i. e. thermocouples, working on the principles of the Peltier Seebeck effect. The other relies on vacuum tubes and the principles of thermionic emission.
Прогресс
С 2009 года команда из MIT работает над созданием тепловых диодов, преобразующих тепло в электричество при более низких температурах, чем ранее. Это может быть использовано при создании двигателей или для производства электроэнергии. Эффективность современных тепловых диодов составляет около 18% в диапазоне температур от 200 до 300 градусов Цельсия.
As of 2009 a team at MIT is working for construction of thermal diodes that convert heat to electricity at lower temperatures than before. This can be used in construction of engines or in electricity production. The efficiency of present thermal diodes is about 18% between the temperature range of 200 300 degree Celsius.