单向导热方法及装置技术领域
本发明涉及单向导热方法及装置，属于热量传导技术领域。
背景技术
纵观热量传导技术领域，单向导热装置屈指可数，目前现有技术仅有一种带毛细
管芯的热管在水平放置的情况下，具有热二极管功能。众所周知，在地球上由于重力存在，
液体和气体的导热率小，很难向下传热，只有在致密的固体中发生的热传导能向下传热。
发明内容
本发明的目的在于克服现有单向导热装置存在的上述缺陷，提出了一种单向导热
方法及装置，通过可移动金属棒、控制极金属棒、双金属片、推杆和绝热杠杆构成的单向导
热装置，利用金属可实现朝向任意方向热传导的原理，克服了重力对于导热的影响，提高了
导热功率。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种单向导热装置，包括绝热外壳及其内
部的真空腔，绝热外壳两侧分别设置有导热金属棒和控制极金属棒，真空腔内设置有可移
动金属棒、双金属片、推杆和绝热杠杆，可移动金属棒一端连接导热金属棒，可移动金属棒
另一端通过双金属片、推杆和绝热杠杆连接控制极金属棒，控制极金属棒一端固定于绝热
外壳，控制极金属棒另一端连接双金属片，双金属片通过推杆连接绝热杠杆；当单向导热
时，一侧的可移动金属棒与另一侧的导热金属棒或可移动金属棒相连。
进一步地，双金属片根据工作范围设计为直线型、U型或蝶型。
进一步地，双金属片包括主动层和被动层，主动层和被动层相互平行且紧密接触，
推杆贯穿所有的双金属片。
进一步地，推杆与绝热杠杆相互垂直并固定连接，绝热杠杆嵌入可移动金属棒固
定，绝热杠杆的支点在支架上，支架与绝热外壳相固定。
进一步地，导热金属棒包括热端的导热金属棒Ⅰ和冷端的导热金属棒Ⅱ。
一种单向导热方法，当单向导热时，热量沿控制极金属棒导入双金属片，随着热端
温度升高或冷端温度降低，双金属片变动伸长，向外通过推杆推动绝热杠杆，绝热杠杆推动
可移动金属棒向前移动，可移动金属棒连接另一侧的导热金属棒或可移动金属棒，从而建
立热通路；随着热端温度降低或冷端温度升高，双金属片回缩，绝热杠杆带动可移动金属棒
移动，使之脱离另一侧的导热金属棒或可移动金属棒，从而切断热通路。
进一步地，热端的导热金属棒Ⅰ处于低温或者冷端的导热金属棒Ⅱ处于高温，由于
与控制极金属棒相连的双金属片反向动作，可移动金属棒与导热金属棒或可移动金属棒的
距离拉大，热通路是切断的。
进一步地，只有冷端和热端同时达到导热条件时，单向导热装置才开始工作。
进一步地，热通路断开后，真空腔内为真空状态，热量无法传递到另外一侧。
进一步地，通过可移动金属棒与另一侧的导热金属棒或可移动金属棒的接触面积
大小调节单向导热功率的大小。
本发明的有益效果是：
(1)制造工艺简单：单向导热装置由金属导热棒、控制极金属棒和绝热外壳组成，
内部抽真空，制作工艺简单；
(2)管道弯曲自由度大：单向导热装置里面只需要一个真空腔，真空腔内部的导热
金属随着绝热外壳的变化可做成任何形状，面积选择自由度更大，可适应复杂环境；
(3)寿命长且维修便捷：管体采用非金属绝热外壳，导热材料全部采用固体金属良
导体，因为管内为真空状态且没有液体腐蚀，因此管内的耐腐蚀能力提高，寿命相应延长；
把管外金属设计成可置换方式，维修非常便捷；
(4)导热方向可控：单向导热装置采用金属传导导热，不受重力影响，且导热金属
一直处于高真空环境中，热量几乎没有散失到空气中；
(5)高敏度和可微型化：单向导热装置在微型化后如采用高灵敏度控制器可以实
现在几百分之一摄氏度之间导热；在微电子设备散热和超低温制冷和半导体制冷中，单向
导热装置可以把多余的热量及时导出，使制冷效率提高不少；单向导热装置也可以用于温
差发电设备中精确制导，使热能利用最大化，显著提高热电转换效率；利用高灵敏度控制器
的微型单向导热装置可以做成拾热器，可以收集气温微小变化过程中的热量，用于研究空
气紊流、微型风暴，以及水蒸气蒸发、凝结、运动过程中产生的热量变化、可探测大小云朵、
灰尘雾霾对空气温度的影响，探测红外辐射、带电离子运动对空气粒子的影响等，在天气预
报辅助系统有重大的帮助，也是热管等导热设备不具备的功能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图之一。
图2是本发明的结构示意图之二。
图3是本发明的结构示意图之三。
图中：1导热金属棒Ⅰ；2导热金属棒Ⅱ；3控制极金属棒Ⅰ；4控制极金属棒Ⅱ；5可移
动金属棒Ⅰ；6可移动金属棒Ⅱ；7主动层Ⅰ；8被动层Ⅰ；9主动层Ⅱ；10被动层Ⅱ；11推杆Ⅰ；12推
杆Ⅱ；13绝热杠杆Ⅰ；14绝热杠杆Ⅱ；15支架Ⅰ；16支架Ⅱ；17真空腔；18绝热外壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
本发明涉及一种热量单方向传导装置，利用热能驱使双金属片变形伸长，推动其
相连的导热金属棒位移。双金属片可根据其工作范围设计为直线型、U型、蝶型，以及使用记
忆合金弹簧。双金属片的主动层和被动层的材料由技术人员根据不同的工作温度和使用范
围来选择不同的材料。其目的是实现在可移动金属棒的可移动范围内，具有较大的热推力，
推动绝热杠杆的另一端可移动金属棒自由运动。选用绝热材料做绝热杠杆，是为了防止非
控制极金属棒的温度对控制极金属棒的双金属片产生影响，避免了控制极金属棒误动作。
上述原理简单易懂，本领域的技术人员可根据原理图和理论指导轻松完整地制造出该装
置，并根据适应的工作环境做出外形不同、温差不同且符合其工作性质的单向导热装置。
实施例二：
单向导热装置分为精密级和常规级两种。精密级单向导热装置为冷端和热端双控
型，如图1所示。常规级单向导热装置分为热端控制型和冷端控制型，如图2和图3所示。
无论是热端控制型还是冷端控制型，进行单向导热都有一定的适应范围。但是，在
精确导热的领域，最好使用冷端和热端双控型，因为只有当冷端和热端同时达到导热条件
时，单向导热装置才开始工作。在温度容易发生突变的环境中，比如卫星自转所处的环境或
者各种科学研究中，像风暴探测、气象测定、气体振动……在冻土防治方面，也可以用单向
导热装置工作，长寿命以及自动化工作等因素使单向导热装置的运行成本极低。
如图1所示，冷端和热端双控型单向导热装置相当于一个冷端控制型单向导热装
置和一个热端控制型单向导热装置对接而成。作为精密级元件，当一端温度处于相反位置
或者其中一端的温度达不到设定温度时，单向导热装置就不工作。这就避免了当控制极金
属棒的温度已达到启动温度，而另一端的温度高于启动端的温度，从而造成逆向传热的情
况的发生，造成不必要的麻烦。这一点，对于航天器导热和超低温导热过程中尤为重要。当
然，在民用方面和普通环境中，冷端控制型单向导热装置和热端控制型单向导热装置都可
以解决其涉及的单向导热问题。
当热端温度升高时，热量沿着同侧控制极金属棒Ⅰ3导入双金属片，随着温度升高，
双金属片变动伸长，向外推动绝热杠杆Ⅰ13热端。绝热杠杆Ⅰ13连着自由移动的可移动金属
棒Ⅰ5一端，可移动金属棒Ⅰ5另一端连接导热金属棒Ⅰ1，双金属片包括主动层Ⅰ7和被动层Ⅰ8，
主动层Ⅰ7和被动层Ⅰ8相互平行且紧密接触，推杆Ⅰ11贯穿所有的双金属片的主动层Ⅰ7和被
动层Ⅰ8。推杆Ⅰ11与绝热杠杆Ⅰ13相互垂直并固定连接，绝热杠杆Ⅰ13嵌入可移动金属棒Ⅰ5固
定，绝热杠杆Ⅰ13的支点在支架Ⅰ15上。冷端控制型双金属片的主动层Ⅱ9和被动层Ⅱ10与热
端控制型相反，当冷端温度下降时，热量沿控制极金属棒Ⅱ4导出，随着温度下降，双金属片
变形伸长，向外推动绝热杠杆Ⅱ14冷端，绝热杠杆Ⅱ14的另一端连着可移动金属棒Ⅱ6，双
金属片包括主动层Ⅱ9和被动层Ⅱ10，主动层Ⅱ9和被动层Ⅱ10相互平行且紧密接触，推杆
Ⅱ12贯穿所有的双金属片的主动层Ⅱ9和被动层Ⅱ10。推杆Ⅱ12与绝热杠杆Ⅱ14相互垂直
并固定连接，绝热杠杆Ⅱ14嵌入可移动金属棒Ⅱ6固定，绝热杠杆Ⅱ14的支点在支架Ⅱ16
上。可移动金属棒Ⅰ5和可移动金属棒Ⅱ6向前移动，可移动金属棒Ⅰ5和可移动金属棒Ⅱ6侧
面接触，进而连接热端导热金属棒Ⅰ1和冷端导热金属棒Ⅱ2，从而建立一个热通路。
如图2所示，热端控制型的单向导热装置。
当热端温度升高时，热量沿着同侧控制极金属棒Ⅰ3导入双金属片，随着温度升高，
双金属片变动伸长，向外推动绝热杠杆Ⅰ13热端。绝热杠杆Ⅰ13的另一端连着自由移动的可
移动金属棒Ⅰ5，可移动金属棒Ⅰ5向前移动连接导热金属棒Ⅱ2，导热金属棒Ⅰ1和导热金属棒
Ⅱ2相连，从而建立一个热通路，热量自由地从热端传导到冷端。当热端温度下降时，双金属
片回缩，绝热杠杆Ⅰ13带动可移动金属棒Ⅰ5移动，使之脱离热端和冷端的连接，从而切断热
通路。此时，由于热通路处于断路状态，真空腔17内又是高真空，这样几乎没有热量从热端
传到冷端。可移动金属棒Ⅰ5的侧面与导热金属棒Ⅱ2相接触，可通过接触面积大小调节导热
功率大小。
反之，如果让冷端的导热金属棒Ⅱ2处于高温，热端的导热金属棒Ⅰ1处于低温，它
的热量影响不了双金属片的动作，使之仍处于断路状态。从而热量也不能从冷端传导到热
端，这样就实现了单向热传导的目的。
同理，也可以用冷端控制来实现单向导热，如图3所示。冷端控制型双金属片的主
动层Ⅱ9和被动层Ⅱ10与热端控制型相反，当冷端温度下降时，热量沿控制极金属棒Ⅱ4导
出，随着温度下降，双金属片变形伸长，向外推动绝热杠杆Ⅱ14冷端，绝热杠杆Ⅱ14的另一
端连着可移动金属棒Ⅱ6，可移动金属棒Ⅱ6向前移动连接热端导热金属棒Ⅰ1和冷端导热金
属棒Ⅱ2，从而建立一个热通路，热量自由地从热端传到冷端。当冷端温度上升时，双金属片
回缩，绝热杠杆Ⅱ14带动可移动金属棒Ⅱ6移动，使之脱离热端和冷端的连接，从而切断热
通路。此时，由于热通路处于断路状态，真空腔17内又是高真空，这样几乎没有热量从热端
传导冷端。真空腔17通过绝热外壳18密封构成。可移动金属棒Ⅱ6的侧面与导热金属棒Ⅰ1相
接触，可通过接触面积大小调节导热功率大小。
反之，如果让冷端处于高温，热端处于低温，热端的低温影响不了双金属片变化，
使之仍处于断路状态，从而热量也不能从热端传导到冷端，这样就实现了单方向热传导的
目的。
实施例三：
如图1所示，冷端和热端双控性单向导热装置是冷端和热端同时达到设定条件时，
单向导热装置才开始工作。这样可以进行精确地设定的导热，是单向程度最高的单向导热
装置，不会出现逆向传热现象。
实施例四：
本发明在许多领域应用中能起到不可想象的作用，尤其在磁力制冷和半导体制冷
中，单向导热装置可以把多余的热量及时导出，可做制冷效率提高不少。
单向导热装置可以用于温差发电设备中，精确制导，反应灵敏，不浪费热量，可显
著提高温差发电中的热电转换效率；把高温型单向导热装置和一个蓄热器相连，收集外界
的热量，把低温型单向导热装置和一个蓄冷器相连，把热量排到外界低温处，在蓄热器和蓄
冷器之间接上半导体温差发电器，就可以发出电能。
实施例五：
上述实施例四可能在地面上作用不显著，但在太空环境中，效果却极佳。
航天器外面的向阳处和背阴处温差极大，利用单向导热装置来收集和放出的热
量，可以为半导体温差发电器提供足够的热量。可以补充太阳能电池板在光照减弱和进入
背阴处发电量减少的不足，为航天器在太空生存条件拓宽，让其做更多的科学研究，同时延
长使用寿命。
实施例六：
单向导热装置的用途是单向导热，就是为了解决各种情况下的热能分配和吸收再
利用问题。
比如：在各种热能发电系统中，热能的最大利用率一直是很重要的一个指标。而这
一过程中加入单向导热装置，就可以使它控制热能分配。利用单向导热装置自动控制输入
的热量，实现了提高效率和节省电能的目的。
实施例七：
单向导热装置在空气调节和余热回收有很大用武之地。
比如：夏季室内高温排到室外，冬季室外热量引进室内，当气流的含湿量较大时，
通过单向导热装置将余热回收，辅助降温功能，在建筑节能方面有良好的应用前景。
实施例八：
单向导热装置利用传导方式导热，导热速度快又不受重力影响，可在宇宙空间工
作，用于宇宙飞船和人造卫星的温度展平，既可解决宇宙飞船和人造卫星向阳面和背阴面
的受热不均匀问题，又可利用向阳面的高温和背阴面的低温来调节舱内温度，从而保证电
子仪器在合理的温度下工作，也可导出液氦和液氮等冷却设备工作时产生的热量，利用温
差不额外耗能的优势，使卫星在太空中的工作寿命大大延长。
实施例九：
当然，单向导热装置也可以用于航天服，作为热交换的辅助设备，减少宇航员在太
空的能耗，还可以为航天器上的半导体温差发电器提供能源。
实施例十：
在冻土层防治方面，单向导热装置能起到与重力热管相当的效果，但比同功的热
管，运行成本更低，寿命更长，不污染环境。重力热管老化破损或管内液体泄露，内部液体分
解变性和管壳的腐蚀穿孔，也会污染环境，同时使热管失效。
实施例十一：
单向导热装置用于热能分配系统。
比如：在太阳池发电系统中，单向导热装置可以控制从池底取出的热量，避免资源
浪费，并且不用像常规利用那样，先取出热盐水，经换热器换热后，冷盐水再回送池底。单向
导热装置只取热，不扰动热盐水，在维持太阳池稳定和保存热量方面，比常规方式更有优
势。
像发电厂、蒸汽车间，以及炼钢、炼铁、煤气燃烧、供暖系统和天然气液化，尤其是
空气压缩机工作时产生的热量，都可以用单向导热装置回收利用。
而各种机械运行，电气以及生物活动产生的热能废气、废水中的热能，都可以用单
向导热装置进行热能回收，用于补充生产生活中的热能消耗，以达到节能的目的。
实施例十二：
单向导热装置还可以用于散热系统中。
夏日阳光下的不运行车辆，车内的温度往往会超过50℃，会造成车里面的机件、装
饰材料、仪盘和仪表加速老化，还会引起甲醛过多排放，车内存放的食品加速腐败和小物品
爆炸等，严重时还会引起火灾。
此时，在车上安装一支或几支单向导热装置，两端加散热片，当车内温度刚刚高于
车外阴影部分温度时，单向导热装置就开始工作，使车内温度大大降低，甚至于接近气温。
这样就避免了上述的各种风险。
夏日行车过程中，如果开着窗或外循环，在车流量大时，外界的汽车尾气、粉尘就
会进入车内，引起各种呼吸道疾病，影响人体健康，但长时间使用内循环模式，会使人感觉
头昏。而采用单向导热装置把热量多数导出到车外，既降低了温度又降低了能耗，可谓一举
多得。
当然，冬天应把单向导热装置反转安装，可以进行保温和吸收外界热量的目的。如
果不用，两端加盖，绝热盖板，使其停止工作，防止车内热量流失。也可以把发动机工作时产
生的热量引入车内。
实施例十三：
单向导热装置可以小型化、微型化，大批量运用于电脑、电视、手机等电子设备的
散热，也可以用于空调和冰箱等散热领域。
实施例十四：
尤其在磁力制冷和半导体制冷的深层和接点处的热量导出，比其他的导热方式更
有显著特点。因为单向导热装置只进行单向导热，热量导出后，不会倒流回去，在低温和超
低温领域，液体的粘滞性会增加，热管阻力增大，影响热量转移，而金属导体在特殊领域中
会起到其他的导热方式不可替代的作用。在超低温领域，金属导体会进入超导态，导热速度
增加很快。因此，单向导热装置对稳定超低温环境和深冷节能方面的表现，都比常规方法优
秀的多。
实施例十五：
单向导热装置可以独立改变高温段和低温段的换热面积，使其改变热流密度。即
以较小的面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量；或以较大的加热面积输入热量，而
以较小的面积输出热量，解决一些常规方法难以解决的传热难题。单向导热装置可以控制
改变接触面积来改变热量的变化。即随热量的增加来降低热阻，随热量的减少来增大热阻，
可使单向导热装置在加热量大幅度变化的情况下，实现对温度的控制，以实现单向导热装
置的恒温特性。单向导热装置还可以做成热量控制器，在高温或低温过度时关闭，实现在一
些特殊场合的温度控制，防止热量过度传输。
当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施
例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围
内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。