專利名稱：利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱導(dǎo)裝置及其應(yīng)用，尤指一種在正溫下隔熱、在負(fù)溫下導(dǎo)熱的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置及其應(yīng)用。
目前，用于保護(hù)鐵路、公路等線性工程下部多年凍土的工程措施主要有在路堤中加裝通風(fēng)管、保溫材料、拋石護(hù)坡、遮陽(yáng)板、使用熱樁和提高路堤等措施達(dá)到保護(hù)路基下部多年凍土的目的。其中熱樁在凍土保護(hù)措施中最為有效，其工作原理是利用相變和氣態(tài)浮力進(jìn)行對(duì)流換熱，由工質(zhì)將熱樁下端的熱量傳導(dǎo)至上端的散熱端散熱。其工作狀態(tài)為當(dāng)上端的溫度的低于下端的溫度，則熱樁為工作狀態(tài)；當(dāng)上端的溫度的高于下端的溫度熱樁為停止工作狀態(tài)。這種熱樁雖具熱傳導(dǎo)功能，但卻不具備隔熱功能，當(dāng)環(huán)境溫度高于其下部溫度時(shí)，環(huán)境高溫對(duì)凍土的解凍作用卻無(wú)法防止；且其散熱也僅為點(diǎn)散熱，對(duì)面積大的工程則造價(jià)過(guò)高。因此，在我國(guó)青藏高原多年凍土地區(qū)特有的實(shí)際情況下，即多年凍土的年平均地溫在很多多年凍土區(qū)接近零度(稱為高溫多年凍土)，并且結(jié)合氣象學(xué)家對(duì)未來(lái)10～50年青藏高原氣候?qū)⒆兣?.3℃的預(yù)測(cè)，高溫多年凍土區(qū)將會(huì)呈現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)，致使這些在工程措施的要么功效不高，要么造價(jià)太高難以在線性工程中大量使用，要么僅在點(diǎn)上降溫，而難以滿足工程實(shí)際要求的線上、面上降溫的要求。
本發(fā)明的目的還在于提供一種利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置的應(yīng)用。通過(guò)其應(yīng)用不僅可以對(duì)鐵路、公路路堤或建筑物底部多年凍土的溫度場(chǎng)起到很好的穩(wěn)定作用，同時(shí)可以降低路堤要求的最低高度，大大減少工程造價(jià)，縮短建設(shè)周期。
本發(fā)明的目的可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的原理是利用電學(xué)中能使電流單向流動(dòng)的“半導(dǎo)體”原理，在密閉、真空的保溫材料或其它載體中添加一定數(shù)量的工質(zhì)，利用工質(zhì)在液態(tài)和氣態(tài)兩種狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)巨大的差異，致使整個(gè)密閉系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)在正溫和負(fù)溫兩種狀態(tài)下能有一個(gè)較大的差值，實(shí)現(xiàn)熱流單向流動(dòng)，從而使系統(tǒng)成為一種類“半導(dǎo)體”的導(dǎo)熱裝置。
其工作原理為當(dāng)外界處于正溫時(shí)，系統(tǒng)較低的導(dǎo)熱系數(shù)可以起到隔熱的作用，阻止熱量的傳入；當(dāng)外界處于負(fù)溫時(shí)，系統(tǒng)較高的導(dǎo)熱系數(shù)有利于內(nèi)部熱量的散發(fā)。
基于上述原理，本發(fā)明的目的通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，包括外殼；在密閉的真空外殼內(nèi)裝有載體和熱導(dǎo)工質(zhì)。
所述的載體為保溫隔熱材料。
所述的保溫隔熱材料選自聚苯乙烯、聚氨酯、泡沫玻璃、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、硅酸鈣、泡沫石棉、硅藻土、沸石中的至少一種。
所述的熱導(dǎo)工質(zhì)為在1個(gè)大氣壓、低溫3℃以下為液態(tài)、且其沸點(diǎn)在-3℃～+3℃的導(dǎo)熱工質(zhì)。
所述的熱導(dǎo)工質(zhì)選自烷類化合物、醚類化合物、分子通式為CFCs、HCFCs、HFEs、HFCCs中的至少一種。
所述的烷類化合物為正丁烷、環(huán)已烷。
所述的醚類化合物選自分子式為C3HF7O，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CF3OCF2CHF2及分子式為C4F10O，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CF3CF2OCF2CF3中的一種。
所述的CFCs及HCFCs為制冷劑CFC-114，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CC1F2CC1F2；HFCs選自分子式為C4H10，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH3CH2CH2CH3；分子式為C3H2F6，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CF3CH2CF3；分子式為C4F10，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CF3CF(CF3)CF3中的一種；HFCCs為分子式為C4H8，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH2CH2CH(CH3)。
本發(fā)明的目的還可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置的應(yīng)用是將導(dǎo)熱半導(dǎo)體用于鐵路、公路路堤及其他線性工程的底部和/或其擋土墻后或建筑物底部，在鐵路、公路路堤及其他線性工程的底部和/或其擋土墻后或建筑物底部鋪設(shè)至少一層10-30厘米厚的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置即可實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度為正溫下的隔熱和在負(fù)溫下的熱交換作用。
一種利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置的應(yīng)用是在建筑物或構(gòu)筑物的四周布設(shè)利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置可實(shí)現(xiàn)其與環(huán)境的隔熱保溫。
一種利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置的應(yīng)用是將導(dǎo)熱半導(dǎo)體用于需降溫的物體上。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用在密閉的真空外殼內(nèi)填充有保溫隔熱材料和熱導(dǎo)工質(zhì)，利用工質(zhì)在低溫下、沸點(diǎn)為0℃附近的狀態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置在環(huán)境為正溫時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)低，可用于隔絕環(huán)境溫度向被保護(hù)物體的影響，而在環(huán)境溫度為負(fù)溫時(shí)，被保護(hù)物體可向環(huán)境散熱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)熱流的單向控制；通過(guò)將本發(fā)明應(yīng)用于凍土區(qū)內(nèi)鐵路、公路路基淺層以下的各個(gè)部位，或布設(shè)于建筑物的四周可避免環(huán)境對(duì)其凍土層的影響，并有利于凍土層內(nèi)部溫度的散熱。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖1-外殼 2-載體 3-熱導(dǎo)工質(zhì)具體的實(shí)施方式本發(fā)明還將結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例作進(jìn)一步詳述在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬在鐵路路基下部鋪設(shè)20cm的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D1，包括外殼1；在密閉的真空外殼1內(nèi)裝有載體2和熱導(dǎo)工質(zhì)3；所述的載體2選用抗壓強(qiáng)度大于3Mpa/cm2的隔熱材料—硅藻土，這種材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前應(yīng)用于凍土工程中對(duì)一般保溫材料抗壓強(qiáng)度大于0.3Mpa/cm2的要求；在一定程度上起到熱流單向控制的同時(shí)對(duì)路基的不均勻變形起到一定的限制作用；且其對(duì)液體工質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附力，當(dāng)工質(zhì)處于液態(tài)時(shí)工質(zhì)可以均布于載體中。如以保溫隔熱材料為硅藻土、工質(zhì)為沸點(diǎn)在零度附近的工質(zhì)丙烷為例，硅藻土在干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.085W/mK，并且在正負(fù)溫變化條件下基本沒(méi)有變化；工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)在液態(tài)下為0.116W/mK，氣態(tài)下0.016W/mK，經(jīng)過(guò)計(jì)算整個(gè)裝置的導(dǎo)熱系數(shù)在負(fù)溫環(huán)境下為0.102W/mK，正溫環(huán)境下為0.023W/mK。在正負(fù)溫兩種狀態(tài)下裝置的導(dǎo)熱系數(shù)的比值可以達(dá)到4.4倍。
通過(guò)室內(nèi)對(duì)這種裝置的30年仿真分析計(jì)算，在所有相同條件下，在加鋪20cm這種裝置的特定條件下，可以使在年平均地溫為-0.5℃的高溫多年凍土區(qū)路提下部多年凍土上界由原有的不斷下移，融化圈不斷擴(kuò)大，最大下移量達(dá)到10.5m，多年凍土不斷失穩(wěn)，改變?yōu)槎嗄陜鐾恋纳辖缱畲笙乱屏坎淮笥?m，多年凍土基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，包括外殼(1)；其特征在于在密閉的真空外殼(1)內(nèi)裝有載體(2)和熱導(dǎo)工質(zhì)(3)。
2.如權(quán)利要求1所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，其特征在于所述的載體(2)為保溫隔熱材料。
3.如權(quán)利要求2所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，其特征在于所述的保溫隔熱材料選自聚苯乙烯、聚氨酯、泡沫玻璃、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、硅酸鈣、泡沫石棉、硅藻土、沸石中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，其特征在于所述的熱導(dǎo)工質(zhì)(3)為在1個(gè)大氣壓、低溫3℃以下為液態(tài)、且其沸點(diǎn)在-3℃-+3℃的導(dǎo)熱工質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1或4所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，其特征在于所述的熱導(dǎo)工質(zhì)(3)選自烷類化合物、醚類化合物、分子通式為CFCs、HCFCs、HFEs、HFCCs中的至少一種。
6.如權(quán)利要求5所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，其特征在于所述的烷類化合物為正丁烷、環(huán)已烷。
7.如權(quán)利要求5所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，其特征在于所述的醚類化合物選自分子式為C3HF7O，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CF3OCF2CHF2及分子式為C4F10O，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CF3CF2OCF2CF3中的一種。
8.如權(quán)利要求5所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置，其特征在于所述的CFCs及HCFCs為制冷劑CFC-114，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CC1F2CC1F2；HFCs選自分子式為C4H10，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH3CH2CH2CH3；分子式為C3H2F6，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CF3CH2CF3；分子式為C4F10，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CF3CF(CF3)CF3中的一種；HFCCs為分子式為C4H8，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH2CH2CH(CH3)。
9.一種權(quán)利要求1所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置的應(yīng)用，其特征在于將導(dǎo)熱半導(dǎo)體用于鐵路、公路路堤的底部和/或其擋土墻后及其他線性工程或建筑物底部，在鐵路、公路路堤及其他線性工程的底部和/或其擋土墻后或建筑物底部鋪設(shè)至少一層10-30厘米厚的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置即可實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度為正溫下的隔熱和在負(fù)溫下的熱交換作用。
10.一種權(quán)利要求1所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置的應(yīng)用，其特征在于在建筑物或構(gòu)筑物的四周布設(shè)利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置可實(shí)現(xiàn)其與環(huán)境的隔熱保溫。
11.一種權(quán)利要求1所述的利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置的應(yīng)用，其特征在于將導(dǎo)熱半導(dǎo)體用于需保溫隔熱降溫的物體上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用半導(dǎo)體原理的導(dǎo)熱裝置及其應(yīng)用，裝置該包括外殼；在密閉的真空外殼內(nèi)裝有載體和熱導(dǎo)工質(zhì)；可將其應(yīng)用于鐵路、公路及其他線性工程的路基和建筑物和其他需保溫隔熱的物體上；本發(fā)明通過(guò)系統(tǒng)在正溫下導(dǎo)熱系數(shù)低、負(fù)溫下導(dǎo)熱系數(shù)高的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度與被保護(hù)物體的溫度之間的調(diào)控；其實(shí)用、有效。
文檔編號(hào)E01B27/00GK1467471SQ0211469
公開日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2002年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月12日
發(fā)明者俞祁浩, 程國(guó)棟, 馬巍, 吳青柏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所