基于六水氯化鈣的單相變材料熱二極管的實驗研究*

楊旭 李靜? 毛宇 陶可愛 孫寬 陳珊珊 周永利 鄭玉杰

1) (重慶大學,低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室,重慶 400044)

2) (重慶大學能源與動力工程學院,重慶 400044)

基于相反傳熱方向上相變程度不同引起的傳熱形式和系數差異設計的相變材料熱二極管被認為是有潛力的熱管理器件.然而多種材料的使用或僅依靠數值模擬的研究使其結構復雜或理想化,降低了其實際應用的可能性.因此,本文結合材料固液相變和自然對流過程的傳熱形式和傳熱系數變化,提出了一個僅含有CaCl2·6H2O 單相變材料的簡單熱二極管結構,并制備了相應的器件,搭建了穩態熱通量測試系統用于實驗研究,其測量結果與文獻記載值相近,具有良好的準確度,實驗研究了冷熱端溫差和正反傳熱方向對熱二極管熱整流效果的影響規律.結果表明:熱二極管的熱通量隨冷熱源溫差的減小而降低,正向和反向分別沿逆重力和重力方向時,熱整流比最高可達1.58,最佳冷源溫度范圍為20—25 ℃,接近室溫,所提出的相變材料熱二極管結構在建筑節能和熱管理等方面具有一定的應用潛力.

1 引言

隨著現代化、工業化的快速發展和化石燃料的燃燒,數萬億噸二氧化碳被排放到大氣中[1,2],溫室效應的加劇使全球變暖成為迫在眉睫的問題[3],過高的環境溫度將進一步增加建筑能耗[4],減短建筑壽命[5,6],進而提升室內溫度影響鋰離子電池[7,8]等高熱流密度的器件與設備,甚至導致燃燒、爆炸、熱失控[9]等問題.因此,迫切需要良好的熱管理措施從建筑保溫或節能層面降低外界環境溫度升高帶來的影響.

相變材料(phase change materials,PCMs)具有高潛熱、低能耗等優點,在電子設備、電池和建筑的蓄熱及熱管理領域得到了廣泛的研究和應用[10-12].PCMs 通過相變以潛熱的形式吸收和儲存熱量,其傳熱形式和導熱系數、傳熱系數或發射率[13]也隨材料相變而變化,如水[14]、石蠟[15]、二氧化釩[16,17]等.隨著跨學科發展,基于這些變化設計的相變材料熱二極管(phase change materials thermal diode,PCMTD)逐漸受到關注,它遵循熱力學第二定律,屬于被動熱整流器件.與電子二極管類似,熱二極管具有控制熱流的能力,實現相反方向上的傳熱量不對稱[18].通常,PCMTD 由傳熱能力隨溫度趨勢變化不同或相反的兩部分組成,后者相比前者具有更好的熱整流效果,由正負溫度趨勢部分組成,一部分的傳熱系數K隨溫度的升高而上升,另一部分則相反.研究一般通過冷熱源的布置規定傳熱方向,當PCMTD 各部分溫度恒定時,穩態正向 熱通量qfor與反向熱通量qrev的比值定義為熱整流比γ,如(1)式所示:

通常γ≥1,qfor與qrev通過(2)式的穩態熱通量公式計算,dT/dx為溫度梯度.由此可知,導熱系數K作為影響熱通量的自變量參數之一,PCMTD 在正反向傳熱模式下的整體導熱系數差異越大,熱通量差異越大,熱整流比越高.

PCMs 可分為固-液、固-固、固-氣和液-氣相變類型,固-液相變材料具有易獲取、種類多樣、相變前后體積變化小的優點,受到最多關注,但有兩個主要缺點限制了它在相變熱整流領域的應用,相變前后傳熱系數差異較小和易泄漏[19].

為增大材料相變前后傳熱系數的差異,在設計PCMTD 的結構時,除利用材料的固液傳熱形式差異外,常引入溫度驅動、重力輔助的自然對流效應,在一定的溫差和空間尺度下,同一種材料液態自然對流的等效傳熱系數可以高于液態無對流或固態的等效傳熱系數[20].在所有相變材料中,無機水合鹽相變材料的固液相變過程往往伴隨著金屬離子與水分子之間離子鍵的斷裂,析出的水使其具有更好的流動性,有利于增強自然對流作用,如Na2SO4·10H2O[21,22],Mn(NO3)2·6H2O[23],CaCl2·6H2O[24,25]等.

外殼封裝是應對PCMTD 泄漏最廣泛的策略,常用材料包括聚甲基丙烯酸甲酯[26],塑料[27]等,此外多孔材料也可以用作防泄漏載體.Chen等[28]將二十烷和聚乙二醇4000 浸漬到還原氧化石墨烯氣凝膠的兩端,制備雙相變熱整流材料,結果表明該材料的熱整流比可達1.23.Lyu等[29]使用芳綸納米纖維氣凝膠膜(OANF)和致密化的芳綸納米纖維氣凝膠膜(DANF)分別吸附聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)溶液和二十烷(C20),得到超柔性的OANF-PNIPAM 和DANF-C20 膜,由兩種膜組成的柔性熱二極管拉伸強度可達到7.2 MPa,最大熱整流比為2.0.

根據使用的材料數量,PCMTD 可分為單相變材料熱二極管(simple-phase change materials thermal diode,S-PCMTD)、雙相變材料熱二極管(dual-phase change materials thermal diode,DPCMTD)和多相變材料熱二極管(multi-phase change materials thermal diode,M-PCMTD).關于S-PCMTD,大多數研究添加另一種相不變材料或基于水的蒸發和冷凝進行研究:Wong等[30]設計制備了一個簡單的水蒸氣室熱二極管,并進行了實驗和理論研究,結果表明,提高熱側溫度可以顯著提高熱二極管的性能,當水氣體積比為0.5 時,最大熱整流比為1.43.為獲得PCMTD 兩部分之間的傳熱效果差異和更大的熱整流效果,D-PCMTD一直是最受關注的:Pallecchi等[27]闡述了熱二極管的原理和概念,設計并制備了由PNIPAM 相變材料和PDMS 材料組成的熱二極管,驗證了概念的真實性,熱二極管的熱整流比可達2.目前對MPCMTD 的研究很少,Swoboda等[31]提出了一種多層熱二極管,它由多層固固相變材料和相不變材料組成,通過材料各部分的尺寸設計,當冷源和熱源分別為300 K 和500 K 時,最大熱整流比可以達到2.36.

綜上可得,僅基于數值模擬的研究可得到較高的熱整流比預測結果,但缺乏實驗驗證其真實可行性;多種相變材料的使用可適當提高熱二極管的熱整流比,但增加了額外的封裝和材料成本,且使PCMTD 結構復雜化.因此,有必要探索更簡單通用的S-PCMTD 結構.本研究提出了一種基于材料相變過程中固、液和自然對流傳熱形式而設計的簡單S-PCMTD 結構,僅采用CaCl2·6H2O 一種相變材料和碳化柚子皮多孔材料,通過單次封裝構建了兩種相變后傳熱形式不同的部分,并進行了實驗研究.結果表明,本文提出并制備的S-PCMTD 在冷源溫度20—25 ℃范圍內能實現較好的熱整流,冷熱源溫度偏差為40 ℃時,正反向分別沿逆重力和重力方向時,整流比可達1.58.

2 S-PCMTD 結構設計

如圖1 所示,S-PCMTD 由相變材料(下端部分)和復合材料(上端部分)兩部分組成,相變前僅存在固態熱傳導.加熱相變后復合材料內受到孔隙限制的相變材料以液態形式傳熱,多孔碳材料始終以固態形式傳熱;相變材料區域相變為液態后以自然對流形式傳熱,且隨著相變的區域擴大,自然對流效果越強.

圖1 相變前后的S-PCMTD 組成和傳熱形式Fig.1.S-PCMTD composition and heat transfer form before and after phase transition.

通常情況下,由于同一種材料固態導熱能力大于液態傳熱能力,且一定情況下自然對流態傳熱能力大于固態導熱能力,則可將模型重新劃分為傳熱系數和溫度成正反比的兩部分(分別對應下端和上端).理想狀態下,若熱量由下至上傳遞,下端為自然對流形式傳熱,上端為固態形式導熱;熱量由上至下傳遞時,則上端為液態形式傳熱,下端為固態形式導熱.因此由下至上傳遞的熱量將高于其相反方向,但隨著相變界面的移動,在已相變部分傳熱形式的影響下,S-PCMTD 的熱通量和熱整流比會持續變化,后續的實驗結果證實了這一點.

3 實驗部分

3.1 實驗材料及分析測試儀器

六水氯化鈣(CaCl2·6H2O,98%),白色晶體,購自上海畢臣生化科技有限公司;新鮮柚子購買于超市,剝離果肉與最外層黃皮得到柚子皮;無水乙醇(≥99.7%)購自成都市科隆化學品有限公司.DSC404 F3 差示掃描量熱儀 (精確度:溫度誤差±0.03%;靈敏度誤差±0.02%),Netzsch.Ltd;兩溫區管式電阻爐,洛陽西格馬爐業股份有限公司;SCIENTZ-10N 冷凍干燥機,寧波新芝生物科技股份有限公司;DF-101S 集熱式恒溫(水浴)加熱磁力攪拌器,上海予申儀器有限公司;板式加熱器,上海精學科學儀器有限公司,使用前進行溫度校準;低溫循環冷卻器,上海喬躍電子有限公司,使用前進行溫度校準;YET-640L 測溫儀器(K 型熱電偶),精度±(0.3%|T|+0.4) ℃,江蘇興華蘇瑪電器儀表有限公司,多個熱電偶在每次測溫前進行統一校準.

3.2 相變材料的選擇

針對室溫下的應用場景,選擇相變溫度在30 ℃左右的CaCl2·6H2O,其相變機理[32]為材料溫度高于相變溫度后,部分水分子與金屬離子的離子鍵斷裂生成四水氯化鈣(CaCl2·4H2O),若溫度進一步升高超過45 ℃(四水氯化鈣相變溫度),CaCl2·4H2O部分水分子會再次與離子鍵斷裂生成二水氯化鈣(CaCl2·2H2O),通常CaCl2·4H2O 和CaCl2·2H2O 均會溶解在析出的水中成為溶液;其結晶過程為水分子與金屬離子的離子鍵重新生成,若此時離子周圍水分子不足,其以CaCl2·4H2O 或CaCl2·2H2O 的形式結晶,但無法從形貌上分辨三者.其自然對流的機理為:由于重力的作用,CaCl2·4H2O 顆粒還未能完全溶于水時發生局部沉淀,顆粒的下落導致溫度高于相變溫度的水向上運動與上層材料接觸,從而傳遞熱量.此后沉淀的CaCl2·4H2O 進一步吸熱相變析出水分直至完全溶于水形成溶液.

3.3 多孔材料的選擇與制備

由于環保、低碳、低成本、機械強度高等優點,選用碳化柚子皮(carbonized pomelo peel,CPP)作為多孔材料[33].

制備過程:去除新鮮的柚子皮最表面的黃皮后,在純水中浸泡5 h,-45 ℃冷凍干燥2 d,之后放入管式電阻爐在N2氣氛中,900 ℃碳化1 h,得到CPP.

3.4 CPP/CaCl2·6H2O 復合材料的制備

用無水乙醇浸泡洗滌CPP 后,60 ℃完全干燥.向燒杯中加入過量的CaCl2·6H2O,在50 ℃的水浴中密封攪拌加熱,熔化后向燒杯中加入CPP,50 ℃、-0.05 MPa 真空環境下浸漬1 h,得到復合材料CPP/CaCl2·6H2O.

3.5 穩態熱通量與傳熱系數測試系統的組成、結構

穩態熱通量與傳熱系數測試系統由低溫循環冷卻器、板式加熱器、絕熱泡沫、不銹鋼塊、熱電偶和樣品組成,結構如圖2(b)所示.在測試過程中,除絕熱材料外的所有部件的接觸面保持平整,并用真空導熱硅脂(導熱系數6.0 W/(m·K))連接,以降低界面熱阻的影響,因此簡化消去后續計算過程中的此項.

圖2 (a) S-PCMTD 的示意圖;(b) 穩態測量系統的組成Fig.2.(a) Schematic diagram of S-PCMTD;(b) composition of the steady-state measurement system.

測試要求將樣品制成橫截面為50 mm ×50 mm 的長方體.經過校準后,將8 個熱電偶插入不銹鋼塊的T1—T8 位置,每兩個相鄰熱電偶之間的距離為10 mm.測量開始前連接各部分,設置加熱器和冷卻器的溫度,開始后觀察每個熱電偶數據的變化,直至在一定溫度附近波動時達到穩定狀態,記錄此時每個熱電偶的平均溫度,得到T1—T4和T5—T8 每兩個溫度點之間的溫度梯度并求平均值以減小誤差,然后代入(2)式計算樣品和測試裝置的總熱通量,不銹鋼塊的導熱系數為16.3 W/(m·K)(＜100 ℃,數據來自制造商).后文中測量誤差的獲得方式為:根據一次性間接測量的誤差計算公式針對每個工況分別代入(2)式中包含的各項誤差得出不同的誤差范圍,誤差來源有3 個,包括溫度測量誤差(±(0.3%|T|+0.4) ℃),每兩個相鄰測溫點之間的距離誤差(±1 mm),不銹鋼塊的熱導率的誤差(根據廠家數據可知0—100 ℃其變化很小,故忽略此項).

為驗證測試系統測量結果的真實性,選取CaCl2·6H2O 和PEG4000 作為樣品,測量并計算兩個固態樣品穩態時的熱通量,測量樣品厚度和兩端溫差,基于(2)式計算兩種材料的導熱系數,過程中測得的相關參數和計算結果如表1 所示,根據測量結果得出的各個導熱系數與文獻記載值相近,具有較好的可信度.

表1 測試系統測量結果Table 1.Results of the measurement system.

3.6 S-PCMTD 的制備

S-PCMTD 由聚氯乙烯(PVC)方管(邊長50 mm,壁 厚2 mm)和兩塊 紫銅薄方板(邊 長50 mm,厚0.5 mm)通過防水密封膠粘合封裝而成,如 圖2(a).CPP/CaCl2·6H2O 和CaCl2·6H2O依次填充使其自由接觸,消除兩者的界面熱阻.

首先確定CaCl2·6H2O 部分的高度為40 mm,此高度允許自然對流發生[15].利用所搭建的測試系統測得CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 相變前后的導熱系數,如表2 所示.對流態CaCl2·6H2O的導熱系數是熱源為60 ℃,冷源為30 ℃時測得的等效導熱系數,即對流作用下的最大等效導熱系數,此時剛好40 mm 高的CaCl2·6H2O 全部熔化發生自然對流.

表2 CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 的熱物理性質Table 2.Thermophysical properties of CaCl2·6H2O and CPP/CaCl2·6H2O.

對于CPP/CaCl2·6H2O 部分的高度,存在理想的高度比公式[35]:

式中,κA1,κA2,κB1,κB2分別對應于表3 中的0.74,1.10,1.02,0.61 W/(m·K).≈1.14,則CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 部分的 最終高度分別為40 mm 和35 mm.在此理想高度比下,有一個最大熱整流比預測公式[35]:

表3 CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 的相變相關溫度點Table 3.Temperature points related to phase transitions of CaCl2·6H2O and CPP/CaCl2·6H2O.

計算得γ=Qmax≈1.6.

考慮到材料熔化和結晶引起的熱膨脹和收縮,CaCl2·6H2O 以液態形式填充,在其凝固過程中熱二極管沿垂直重力方向放置,以確保結晶產生的真空間隙不會影響熱量通過CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 的連續傳遞.

4 結果和討論

4.1 CPP/CaCl2·6H2O 的泄漏測試

能實現形狀穩定無泄漏的多孔材料是理想的相變材料載體.將塊狀CPP/CaCl2·6H2O 放置在濾紙上進行泄漏測試,負載前后CPP 與復合材料分別重0.072 g 與0.882 g(圖3(a)),60 ℃加熱20 min后如圖3(b)所示,復合材料僅表面濕潤,并無明顯泄漏,加熱后將樣品迅速轉移到冷藏室中-20 ℃冷凍20 min,使復合材料凝固后再進行加熱,至此完成一次熱循環.圖3(c)所示為10 次熱循環后,CaCl2·6H2O 僅有少量泄漏,此時復合材料重量為0.828 g,僅下降了6%,原因為復合材料表面的CaCl2·6H2O 無機鹽易吸收空氣中的水分,少部分CaCl2·6H2O 隨水溶液泄漏.結果證明所制備的CPP/CaCl2·6H2O 具有良好的防泄漏性.

圖3 CPP/CaCl2·6H2O 的泄漏測試圖像 (a) 加熱前;(b) 加熱后;(c) 10 個熱循環后Fig.3.Leakage test image of CPP/CaCl2·6H2O:(a) Before heating;(b) after heating;(c) after 10 cycles.

4.2 CaCl2·6H2O 與CPP/CaCl2·6H2O 的相變熱物性

DSC 吸熱測試結果見圖4,相關溫度點見表3.二者初始相變溫度在25 ℃左右,CPP/CaCl2·6H2O初始相變溫度較低的原因可能是CPP 孔隙的限制會抑制部分六水氯化鈣的完全結晶,從而在較小程度上降低熔化溫度.圖4(a),(b)中第1 個峰值溫度在30 ℃左右,是CaCl2·6H2O 的吸熱焓峰,隨著溫度的不斷升高,失去水分子的CaCl2·6H2O 變成CaCl2·4H2O,其相變和峰值溫度在45 ℃附近[32],對應第2 個峰.

圖4 (a) CaCl2·6H2O和(b) CPP/CaCl2·6H2O 的DSC 曲線Fig.4.DSC curves of (a) CaCl2·6H2O and (b) CPP/CaCl2·6H2O.

4.3 S-PCMTD 熱整流實驗結果

據了解,夏季室外建筑表面溫度高達50—70 ℃,則將熱源溫度保持為60 ℃,以模擬暴露在太陽輻射下的高溫表面,冷源溫度在0—30 ℃之間變化(小于等于相變溫度),尋找最佳熱整流效果對應的冷源溫度區間.

CaCl2·6H2O 相變材料與CPP/CaCl2·6H2O 復合材料的初始相變溫度差為1.2 ℃,相對于整個相變溫度區間較小,討論S-PCMTD 中相變界面的移動時,為簡化分析過程,提出以下假設:1)相變材料與復合材料的相變溫度相同;2)將固液共存的相變發生區域簡化為更薄的相變界面;3)同一材料各部分在相同相態下的傳熱效果和熱物理性能是均勻且相同的.

S-PCMTD 的工作原理和熱整流效果受其傳熱方向的影響,則從以下3 種情況探討溫差對其正反方向熱通量與熱整流比的影響.

4.3.1 逆重力方向和重力方向

逆重力方向(正向)和重力方向(反向)通過交換冷熱源位置實現.圖5 顯示了在正反向模式下冷源溫度變化時S-PCMTD 相變過程和傳熱模型.正向模式下隨著相變界面的運動,CaCl2·6H2O 熔化后發生自然對流,并以對流傳熱的形式沿逆重力方向傳遞熱量,存在某個臨界狀態如圖5 狀態②所示,即下端所有液態CaCl2·6H2O 均參與自然對流,此后上端復合相變材料逐漸相變并由固態導熱轉變為固液混合傳熱;在反向模式下,復合材料先相變,由于自然對流由重力驅動的機理,因此復合材料內相變后的CaCl2·6H2O 只能以液態傳遞熱量.

圖5 S-PCMTD 在逆重力方向(正向)和重力方向(反向)的相變和傳熱模型Fig.5.Phase transition and heat transfer model of S-PCMTD in the inverse of gravity direction (forward) and towards gravity direction (reverse).

如圖6 所示,S-PCMTD 的正反向熱通量隨冷熱源溫差的減小而降低,結合圖5 可知正向模式中,由于自然對流作用,S-PCMTD 的熱通量更大,當冷源溫度高于20 ℃后正向熱通量曲線斜率降低,根據(2)式可知曲線斜率與熱二極管等效導熱系數成正比,所以基于Meng等[26]的研究推測導熱系數下降的原因可能為臨界狀態②之后復合材料相變帶來的低熱導率,增加了熱二極管熱通量隨溫度變化的下降幅度;在反向模式下,由于復合材料和相變后的CaCl2·6H2O 的低導熱系數,且無自然對流,熱通量始終低于正向熱通量.S-PCMTD正反向熱整流比隨冷源溫度上升逐漸增加,20 ℃時達到最大值1.58,與前人預測公式結果γ=Qmax≈1.6 相接近,25 ℃時降為1.56,然后迅速降低.

圖6 S-PCMTD 在逆重力方向(正向)和重力方向(反向)的熱通量和熱整流比Fig.6.Heat flux and thermal rectification ratio of S-PCMTD in the inverse of gravity direction (forward) and towards gravity direction (reverse).

4.3.2 逆重力方向

正反向通過反轉S-PCMTD 實現.正向模式下的過程與圖5 中相同;反向模式下,相變界面從復合材料移動至另一端,最后上部CaCl2·6H2O 逐漸熔化，如圖7 所示.

圖7 S-PCMTD 在逆重力方向(反向)的相變和傳熱模型Fig.7.Phase transition and heat transfer model of S-PCMTD in the inverse of gravity direction (reverse).

如圖8 所示,S-PCMTD 正向熱通量的變化已在4.3.1 節中描述和分析;反向模式下,復合材料相變后的導熱系數較低,導致了與正向熱通量的差異,至⑨狀態時CaCl2·6H2O 的熔化部分較少,不能產生較為明顯的自然對流,僅以液態熱傳導的形式傳遞熱量.熱通量隨冷熱源溫差的減小而降低,曲線斜率無變化.S-PCMTD 熱整流比隨溫度升高而逐漸增加,在20 ℃時達到最大值1.36.

圖8 S-PCMTD 在逆重力方向的熱通量和熱整流比Fig.8.Heat flux and thermal rectification ratio of S-PCMTD in the inverse of gravity direction.

與圖6 中的反向熱通量相比,逆重力方向的反向熱通量整體更高,原因可能是復合材料中的多孔碳骨架熱擴散系數較高,熱量沿骨架向上傳遞,導致上端部分CaCl2·6H2O 相變發生小區域自然對流,但僅限于小幅度提高反向的熱通量,且始終低于正向熱通量.

4.3.3 垂直重力方向

S-PCMTD 在垂直重力方向上的正反向相變過程如圖9 所示.自然對流增強了傳熱并逐漸擴大了相變區域,與上述情況不同,此時PCM 端相變界面變成不規則的表面[36],導致熱二極管橫截面上各處熱通量不均勻,此時測得的熱通量為截面上的平均熱通量.

圖9 S-PCMTD 在垂直重力方向的相變與傳熱模型Fig.9.Phase transition and heat transfer model of S-PCMTD in the vertical gravity direction.

如圖10 所示,在自然對流的影響下S-PCMTD的正向熱通量始終高于反向熱通量;在反向模式下,相變后的復合材料的導熱系數較低,熱通量隨著溫差的減小而進一步降低,當冷源溫度超過25 ℃時,反向熱通量曲線斜率增大,推測原因為左側部分相變后開始發生小面積對流,如圖9 狀態⑥所示,小幅增強了S-PCMTD 的傳熱效果.此傳熱方向下S-PCMTD 熱整流比始終很小,最大值僅為1.14,因為與前兩種情況相比,垂直重力方向橫截面的自然對流不均勻,其對流強度和效果均較小.

圖10 S-PCMTD 在垂直重力方向的熱通量和熱整流比Fig.10.Heat flux and thermal rectification ratio of S-PCMTD in the vertical gravity direction.

5 結論

本文基于材料相變過程中物理狀態引起的傳熱形式變化,提出一種包含多孔碳材料的單相變材料熱二極管結構,依靠溫度驅動材料相變實現被動熱整流,無需額外能耗,在不同傳熱方向上分別借助自然對流傳熱與液態傳熱提高與降低熱二極管的熱通量.與其他研究相比,本文設計的相變熱二極管結構簡單、成本低廉,并對其他固液相變材料具有通用性,制備了相應裝置進行實驗,探究得到傳熱方向和冷熱源溫差對其熱整流效果的影響規律,對不同工況下S-PCMTD 的相變過程進行了假設傳熱模型分析;設計并搭建了穩態熱通量測試系統用于本文的實驗研究,測量結果與文獻值相近,具有較高的可信度.結果表明,本文設計制備的S-PCMTD 正反向熱通量均隨冷熱源溫差減小而降低,最佳熱整流方向為正向沿逆重力方向、反向沿重力方向,在冷源溫度為20 ℃時,最高熱整流比可達1.58,驗證了前人提出的經驗公式,可在室溫附近保持較好的熱整流效果,后續工作可通過更換相變材料、進一步提升自然對流效果或優化結構得到熱整流效果更好的相變熱二極管裝置.本研究進一步證實了相變材料除儲熱外還具有被動熱管理和熱控制的潛力,所研究的S-PCMTD 可作為建筑控溫材料層單元進行應用,為節能環保的雙碳目標做出了新的思路貢獻.