多功能超构热流调控器

技术领域

本发明涉及传热技术领域，尤其涉及一种多功能超构热流调控器。

背景技术

热学隐身斗篷、热学旋转器和热学聚集器是三种能够操控热流的热学功能器件，它们能够在操纵热流的同时不改变背景场的温度分布，从而实现无侵入式的热流操控。热学隐身斗篷可以引导背景热流绕过控制区域中的被保护的物体，使其在红外探测视角下隐身；热学聚集器可以将热流聚集到控制区域，使该区域的热流增强并大于背景热流；而热学旋转器可以将控制区域内的热流旋转至与背景热流呈一定的夹角。

若是能够将这三个器件集成为一个器件，那么这一集成的器件对热流的调控灵活性较高。然而，要同时实现这三种功能，需要材料的热导率变化能够达到三个数量级的变化，能够符合这一要求的材料目前难以找到或难以制备。因此，目前难以将热学隐身斗篷、热学旋转器和热学聚集器集成在一个器件中。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种多功能超构热流调控器，该热流调控器集成了热学隐身斗篷、热学旋转器和热学聚集器的功能。

根据本发明的实施例的多功能超构热流调控器，包括：安装板，包括相互间隔设置的背景部位和控制部位，所述背景部位设置在所述控制部位的外围；功能环，设置有至少一个，所述功能环设置在所述背景部位和所述控制部位之间，所述功能环包括环绕在所述控制部位的外周的多个调节单元，所述调节单元包括第一部位和第二部位，所述第一部位的热导率小于所述第二部位的热导率；所述调节单元均能够相对于所述安装板转动，以改变所述调节单元的旋转角，其中，沿所述调节单元的轴向观察：所述第一部位和所述第二部位沿所述第二部位的宽度方向分布，所述第二部位沿自身长度方向的两端的连线为第一直线，所述调节单元的中心与所述控制部位的中心之间的连线为第二直线，与所述第二直线相互垂直并且经过所述调节单元的中心的直线为第三直线，所述第一直线和所述第三直线之间的夹角为所述旋转角；所述多功能超构热流调控器具有热隐身状态、热聚集状态和热旋转状态；当所述多功能超构热流调控器处于所述热隐身状态，所述调节单元的所述旋转角为0°或180°；当所述多功能超构热流调控器处于所述热聚集状态，所述调节单元的所述旋转角为90°；当所述多功能超构热流调控器处于所述热旋转状态，所述调节单元的所述旋转角为锐角或钝角。

根据本发明实施例的，至少具有如下有益效果：本发明的多功能超构热流调控器集成了热学隐身斗篷、热学旋转器和热学聚集器的功能，该器件通过改变其调节单元的旋转角便可以切换多功能超构热流调控器的功能，从而灵活地调控热流。而且，本发明的多功能超构热流调控器结构简单、成本较低。

根据本发明的一些实施例，所述调节单元呈圆柱状，所述调节单元能够绕自身的中轴线转动，相邻的两个所述调节单元的外周面相切。

根据本发明的一些实施例，所述调节单元包括一个第一部位和一个第二部位，沿所述调节单元的轴向观察：所述第一部位和所述第二部位均呈半圆形；或者，所述调节单元包括至少一个第二部位和至少两个第一部位，沿所述调节单元的轴向观察：所述第一部位和所述第二部位交替层叠设置。

根据本发明的一些实施例，所述功能环设置有多个，对于任意两个相邻的所述功能环，其中一个所述功能环套在另一个所述功能环的外围。

根据本发明的一些实施例，所述多功能超构热流调控器还包括填充件，所述填充件设置于控制部位和所述背景部位之间，并且所述填充件与所述调节单元的外周面接触，所述填充件的热导率大于1W/(m·K)。

根据本发明的一些实施例，所述第一部位的热导率为k

根据本发明的一些实施例，所述第一部位由树脂材料制成。

根据本发明的一些实施例，所述多功能超构热流调控器还包括驱动机构，所述驱动机构与所述调节单元连接，所述驱动机构用于驱动所有所述调节单元同步转动。

根据本发明的一些实施例，所述驱动机构包括：电机；中心齿轮，与所述电机连接，所述电机用于驱动所述中心齿轮转动；外围齿轮，所述外围齿轮的数量与所述调节单元的数量相同，所述外围齿轮和所述中心齿轮均为外齿轮，多个所述外围齿轮围绕在所述中心齿轮的外周，所述外围齿轮和所述中心齿轮啮合，所述外围齿轮与所述调节单元固定连接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明第一实施例中的多功能超构热流调控器的俯视图；

图2为本发明中调节单元的旋转角的示意图；

图3为图1中的多功能超构热流调控器分别处于热隐身状态、热聚集状态和热旋转状态时的热仿真示意图；

图4为本发明第二实施例中的多功能超构热流调控器的俯视图；

图5为图4中的多功能超构热流调控器分别处于热隐身状态、热聚集状态和热旋转状态时的热仿真示意图；

图6为本发明第三实施例中的多功能超构热流调控器分别处于热隐身状态、热聚集状态和热旋转状态时的热仿真示意图；

图7为图4中的A区域的放大示意图；

图8为本发明第四实施例的调节单元的俯视图；

图9为本发明第五实施例的调节单元的俯视图；

图10为本发明第二实施例的多功能超构热流调控器的驱动机构的示意图；

图11为图10所示结构的剖视图。

附图标记：

101-热流调控器，102-安装板，103-背景部位，104-控制部位，105-功能环，106-调节单元，107-第一部位，108-第二部位，109-填充件；

201-第一直线，202-第二直线，203-第三直线，204-等温线；

301-驱动机构，302-电机，303-中心齿轮，304-外围齿轮。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

为方便描述，下文将“多功能超构热流调控器”简称为热流调控器。图1示出了本发明第一实施例中的热流调控器101，热流调控器101包括安装板102和功能环105。安装板102用于与热源和冷源接触，热量可以通过安装板102进行传递。例如，基于图1，若将安装板102的左端泡在热水中并且将安装板102的右端泡在冷水中，那么热量便会在安装板102中从左往右传递。功能环105相对于安装板102的状态可调节，通过改变功能环105的状态可以改变热量的传导路径。

如图1所示，安装板102包括背景部位103和控制部位104，背景部位103和控制部位104间隔设置，而且，背景部位103设置在控制部位104的外围。功能环105设置在背景部位103和控制部位104之间，并且功能环105围绕在控制部位104的外周。具体来说，安装板102的顶面开设有环形的凹槽，该环形的凹槽将安装板102分隔为背景部位103和控制部位104，功能环105设置在凹槽中。图1中的热流调控器101仅包括一个功能环105，功能环105包括多个调节单元106，调节单元106沿控制部位104的周向分布，多个调节单元106环绕在所述控制部位104的外周。调节单元106可以相对于安装板102转动，从而改变调节单元106的旋转角，进而改变热流调控器101的状态。调节单元106可以被使用者用手拧动从而旋转。或者，在另一些实施例中，调节单元106可以在电机等驱动部件的驱动作用下转动，以便节省人力，提高热流调控器101的状态切换的效率。调节单元106包括相互连接的第一部位107和第二部位108，若将第一部位107的热导率记为k

下面以图2为例对调节单元106的旋转角进行解释。图2示出了控制部位104和其中一个调节单元106。参照图2，沿调节单元106的轴向观察：第一部位107和第二部位108沿第二部位108的宽度方向分布，第二部位108沿自身长度方向的两端的连线为第一直线201，调节单元106的中心与控制部位104的中心之间的连线为第二直线202，与第二直线202相互垂直并且经过调节单元106的中心的直线为第三直线203，第一直线201和第三直线203之间的夹角为旋转角，旋转角用θ表示。需要说明的是，“调节单元106的轴向”可对应图1的垂直于纸面的方向，以及图2的垂直于纸面的方向。上述关于调节单元106的旋转角的解释是针对单个调节单元106来说的，不同的调节单元106有各自对应的第一直线201、第二直线202和第三直线203。

在热量由背景部位103传递至控制部位104的过程中，热量需要经过功能环105。而由于k

在背景部位103的温度场不变的情况下，改变调节单元106的旋转角，可以改变控制部位104的温度场，从而使热流调控器101处于热隐身状态、热聚集状态和热旋转状态。图3示出了热流调控器101分别处于热隐身状态、热聚集状态和热旋转状态时的热仿真示意图。

图3示出了热流调控器101的温度场，图3中的安装板102的左侧为高温区域，安装板102的右侧为低温区域，热量由安装板102的左侧传导至安装板102的右侧。

如图3(a)所示，当热流调控器101处于热隐身状态时，旋转角θ＝0°或180°。此时，同一调节单元106中，第一部位107和第二部位108沿控制部位104的径向分布，第二部位108沿自身长度方向的两端的连线沿控制部位104的切向延伸。而且，沿控制部位104的周向相邻设置的两个第二部位108相互接触(相互接触的两个第二部位108分别属于不同的调节单元106)。因此，在背景部位103的热量传导至调节单元106之后，热量主要沿功能环105的周向传导，从功能环105进入控制部位104的热量较少，控制部位104的温度场受背景部位103的温度场的影响较小。如图3(a)所示，控制部位104的等温线204较少，控制部位104的温度场分布和背景部位103的温度场分布的差异较大，控制部位104的温度场受背景部位103的温度场的影响较小。因此，处于热隐身状态时的热流调控器101起到热隐身斗篷的作用。

如图3(b)所示，当热流调控器101处于热聚集状态时，旋转角θ＝90°。此时，同一调节单元106中，第一部位107和第二部位108沿控制部位104的周向分布，第二部位108沿自身长度方向的两端的连线沿控制部位104的径向延伸。而且，沿控制部位104的周向相邻设置的两个第一部位107相互接触(相互接触的两个第二部位108分别属于不同的调节单元106)。因此，在背景部位103的热量传导至调节单元106之后，热量沿控制部位104的径向传导并进入控制部位104，热量可以被聚集在控制部位104中。如图3(b)所示，控制部位104的等温线204的密度高于背景部位103的等温线204的密度，控制部位104中的热流被增强。因此，处于热聚集状态时的热流调控器101起到热聚集器的作用。

如图3(c)所示，当旋转角θ为锐角或钝角时，热流调控器101处于热旋转状态。在背景部位103的热量传导至调节单元106之后，热量沿第二部位108的长度方向传导并进入控制部位104。相比于θ＝90°的时候，θ为锐角或钝角时控制部位104的热流方向不同。如图3(c)所示，热流调控器101处于热旋转状态时，控制部位104的等温线204的排列方向与背景部位103的等温线204的排列方向不同，这意味着控制部位104的热流方向与背景部位103的热流方向具有一定的角度。因此，处于热聚集状态时的热流调控器101起到热旋转器的作用。此外，在保证旋转角为锐角或钝角的情况下，通过改变旋转角的大小，可以改变控制部位104的热流方向与背景部位103的热流方向之间的角度。

综上，本发明的热流调控器101兼具热隐身斗篷、热聚集器和热旋转器的功能。该热流调控器101可以应用在物体的热管理上。以电池为例，若干电池可以安装在控制部位104上，当电池需要与背景部位103实现隔热的时候，可以将热流调控器101切换至热隐身状态，减少背景部位103的热量对电池的影响；当电池需要被加热时(例如电池处于低温环境下)，可以将热流调控器101切换至热聚集状态，增强控制部位104的热流密度，从而加热电池；当需要让控制部位104处的多个电池都能够被均匀加热时，可能需要调节控制部位104的热流方向，此时可以将热流调控器101切换至热旋转状态。

在一些实施例中，功能环105可以设置有多个，对于任意两个相邻的功能环105，其中一个功能环105套在另一个功能环105的外周。例如，图4示出了本发明第二实施例中的热流调控器101，图6示出了本发明第三实施例中的热流调控器101，第二实施例包括两个功能环105，第三实施例包括三个功能环105。图5(a)、图5(b)和图5(c)分别示出了第二实施例中的热学器件处于热隐身状态、热聚集状态和热旋转状态时的温度场分布；图6(a)、图6(b)和图6(c)分别示出了第二实施例中的热学器件处于热隐身状态、热聚集状态和热旋转状态时的温度场分布。由图5和图6可以看出，热流调控器101包括多个功能环105时同样能够兼具热隐身斗篷、热聚集器和热旋转器的功能。此外，增加功能环105的层数可以提高热流调控器101对热流的调控效果。以热聚集状态为例，将图3(b)、图5(b)和图6(b)进行对比可以得出，功能环105的数量越多，控制部位104的等温线204密度越高，控制部位104的热流越强。

第一实施例、第二实施例和第三实施例中，调节单元106均呈圆柱状，调节单元106能够绕自身的中轴线转动，相邻的两个调节单元106的外周面相切。在这种情况下，无论调节单元106旋转至何种角度，相邻的调节单元106之间均可以保持接触，从而保证热流调控器101对热流的调控效果的稳定性。需要说明的是，在功能环105的数量为两个或以上时，“相邻的两个调节单元106的外周面相切”意味着，同一功能环105中相邻的两个调节单元106的外周面相切，属于不同的功能环105的两个相邻的调节单元106的外周面也相切。在另一些实施例中，热流调控器101也可以设置为棱柱，例如六棱柱；调节单元106的形状越接近圆柱，热流调控器101对热流的调控效果越好。

第一实施例、第二实施例和第三实施例中，调节单元106包括一个第二部位108和两个第一部位107，沿调节单元106的轴向观察，第一部位107和第二部位108交替层叠设置。图8示出了第四实施例中的调节单元106的俯视图，图8的调节单元106包括两个第二部位108和三个第一部位107，沿调节单元106的轴向观察，第一部位107和第二部位108交替层叠设置。当然，在另一些实施例中，第二部位108和第一部位107的数量可以更多，此处不一一举例。第一部位107和第二部位108的数量越多，热流调控器101的热隐身效果越好。

图9示出了第五实施例中的调节单元106的俯视图，图5的调节单元106仅包括一个第一部位107和一个第二部位108，沿调节单元106的轴向观察，第一部位107和第二部位108均呈半圆形。这种设计有利于降低热流调控器101的结构复杂度。

第一部位107可以由树脂材料制成，更具体地，树脂材料可以选用光敏树脂、环氧树脂等。树脂材料的成本较低，有利于降低热流调控器101的成本。第二部位108可以由铜、银或金制成，这几种金属材料的热导率较高，这有利于增大k

在调节单元106呈圆柱状的情况下，热流调控器101还可以包括填充件109。如图7所示，填充件109设置于控制部位104和背景部位103之间，并且填充件109与所述调节单元106的外周面接触，填充件109的热导率大于1W/(m·K)。为了方便区分不同的零部件，图7的填充件109用斜线填充，但需要说明的是，图7并非剖视图。背景部位103和控制部位104由一个环形凹槽分隔开，调节单元106位于环形凹槽中，填充件109位于环形凹槽中并将环形凹槽中未被调节单元106占据的空间填满。更具体地，填充件109可以设置为导热硅脂。填充件109的热导率远大于空气的热导率(空气的热导率为0.0267W/(m·K))，填充件109有利于降低背景部位103与调节单元106之间的热阻，以及降低调节单元106与控制部位104之间的热阻。

若将安装板102的热导率记为k

在一些实施例中，热流调控器101还包括驱动机构，驱动机构301与调节单元106连接，驱动机构能够驱动所有调节单元106同步转动。在这种设置方式下，在需要切换热流调控器101的状态时，使用者无需手动拧动调节单元106，热流调控器101的状态切换更方便。而且，在设置有驱动机构时，调节单元106的旋转角的可以控制得更精确，以便精准地调控热流。

图10和图11示出了其中一种驱动机构301，参照图10，驱动机构301包括电机302、中心齿轮303和多个外围齿轮304。中心齿轮303和外围齿轮304均为外齿轮(即齿位于齿轮的外周)，多个外围齿轮304围绕中心齿轮303的外周，外围齿轮304与中心齿轮303相互啮合。电机302与中心齿轮303连接，外围齿轮304和调节单元106一一对应连接。当电机302驱动中心齿轮303转动时，所有外围齿轮304同步转动，所有调节单元106亦同步转动。

如图11所示，若功能环105设置有多个，那么中心齿轮303和功能环105的数量相等，外围齿轮304分多层设置，外围齿轮304的层数与中心齿轮303的个数相等。多个中心齿轮303同轴设置，不同层的外围齿轮304分别绕在不同的中心齿轮303的外围。同一层的外围齿轮304，与同一功能环105中的调节单元106一一对应连接。这样一来，驱动机构301便可以驱动所有调节单元106同步转动。

在使用热流调控器101时，可以在控制部位104或者安装于控制部位104的物体上安装一个温度传感器，温度传感器和驱动机构301都与控制器通讯连接，驱动机构301根据温度传感器所检测到的温度来改变调节单元106的旋转角。这样便可以实现根据控制部位104的温度对热流进行自动调控。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。