专利名称：利用半导体原理的导热装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热导装置及其应用，尤指一种在正温下隔热、在负温下导热的利用半导体原理的导热装置及其应用。
目前，用于保护铁路、公路等线性工程下部多年冻土的工程措施主要有在路堤中加装通风管、保温材料、抛石护坡、遮阳板、使用热桩和提高路堤等措施达到保护路基下部多年冻土的目的。其中热桩在冻土保护措施中最为有效，其工作原理是利用相变和气态浮力进行对流换热，由工质将热桩下端的热量传导至上端的散热端散热。其工作状态为当上端的温度的低于下端的温度，则热桩为工作状态；当上端的温度的高于下端的温度热桩为停止工作状态。这种热桩虽具热传导功能，但却不具备隔热功能，当环境温度高于其下部温度时，环境高温对冻土的解冻作用却无法防止；且其散热也仅为点散热，对面积大的工程则造价过高。因此，在我国青藏高原多年冻土地区特有的实际情况下，即多年冻土的年平均地温在很多多年冻土区接近零度(称为高温多年冻土)，并且结合气象学家对未来10～50年青藏高原气候将变暖2.3℃的预测，高温多年冻土区将会呈现快速增加的趋势，致使这些在工程措施的要么功效不高，要么造价太高难以在线性工程中大量使用，要么仅在点上降温，而难以满足工程实际要求的线上、面上降温的要求。
本发明的目的还在于提供一种利用半导体原理的导热装置的应用。通过其应用不仅可以对铁路、公路路堤或建筑物底部多年冻土的温度场起到很好的稳定作用，同时可以降低路堤要求的最低高度，大大减少工程造价，缩短建设周期。
本发明的目的可通过如下措施来实现本发明的原理是利用电学中能使电流单向流动的“半导体”原理，在密闭、真空的保温材料或其它载体中添加一定数量的工质，利用工质在液态和气态两种状态下导热系数巨大的差异，致使整个密闭系统的导热系数在正温和负温两种状态下能有一个较大的差值，实现热流单向流动，从而使系统成为一种类“半导体”的导热装置。
其工作原理为当外界处于正温时，系统较低的导热系数可以起到隔热的作用，阻止热量的传入；当外界处于负温时，系统较高的导热系数有利于内部热量的散发。
基于上述原理，本发明的目的通过如下措施来实现一种利用半导体原理的导热装置，包括外壳；在密闭的真空外壳内装有载体和热导工质。
所述的载体为保温隔热材料。
所述的保温隔热材料选自聚苯乙烯、聚氨酯、泡沫玻璃、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、硅酸钙、泡沫石棉、硅藻土、沸石中的至少一种。
所述的热导工质为在1个大气压、低温3℃以下为液态、且其沸点在-3℃～+3℃的导热工质。
所述的热导工质选自烷类化合物、醚类化合物、分子通式为CFCs、HCFCs、HFEs、HFCCs中的至少一种。
所述的烷类化合物为正丁烷、环已烷。
所述的醚类化合物选自分子式为C3HF7O，结构简式为CF3OCF2CHF2及分子式为C4F10O，结构简式为CF3CF2OCF2CF3中的一种。
所述的CFCs及HCFCs为制冷剂CFC-114，其结构简式为CC1F2CC1F2；HFCs选自分子式为C4H10，结构简式为CH3CH2CH2CH3；分子式为C3H2F6，结构简式为CF3CH2CF3；分子式为C4F10，结构简式为CF3CF(CF3)CF3中的一种；HFCCs为分子式为C4H8，结构简式为CH2CH2CH(CH3)。
本发明的目的还可通过如下措施来实现一种利用半导体原理的导热装置的应用是将导热半导体用于铁路、公路路堤及其他线性工程的底部和/或其挡土墙后或建筑物底部，在铁路、公路路堤及其他线性工程的底部和/或其挡土墙后或建筑物底部铺设至少一层10-30厘米厚的利用半导体原理的导热装置即可实现在环境温度为正温下的隔热和在负温下的热交换作用。
一种利用半导体原理的导热装置的应用是在建筑物或构筑物的四周布设利用半导体原理的导热装置可实现其与环境的隔热保温。
一种利用半导体原理的导热装置的应用是将导热半导体用于需降温的物体上。
本发明相比现有技术具有如下优点本发明利用在密闭的真空外壳内填充有保温隔热材料和热导工质，利用工质在低温下、沸点为0℃附近的状态变化来实现整个装置在环境为正温时的导热系数低，可用于隔绝环境温度向被保护物体的影响，而在环境温度为负温时，被保护物体可向环境散热的特点，实现热流的单向控制；通过将本发明应用于冻土区内铁路、公路路基浅层以下的各个部位，或布设于建筑物的四周可避免环境对其冻土层的影响，并有利于冻土层内部温度的散热。
图1是本发明的结构示意图1-外壳 2-载体 3-热导工质具体的实施方式本发明还将结合附图对实施例作进一步详述在实验室内模拟在铁路路基下部铺设20cm的利用半导体原理的导热装置，该装置的结构参照图1，包括外壳1；在密闭的真空外壳1内装有载体2和热导工质3；所述的载体2选用抗压强度大于3Mpa/cm2的隔热材料—硅藻土，这种材料远远大于目前应用于冻土工程中对一般保温材料抗压强度大于0.3Mpa/cm2的要求；在一定程度上起到热流单向控制的同时对路基的不均匀变形起到一定的限制作用；且其对液体工质具有很强的吸附力，当工质处于液态时工质可以均布于载体中。如以保温隔热材料为硅藻土、工质为沸点在零度附近的工质丙烷为例，硅藻土在干燥状态下的导热系数为0.085W/mK，并且在正负温变化条件下基本没有变化；工质的导热系数在液态下为0.116W/mK，气态下0.016W/mK，经过计算整个装置的导热系数在负温环境下为0.102W/mK，正温环境下为0.023W/mK。在正负温两种状态下装置的导热系数的比值可以达到4.4倍。
通过室内对这种装置的30年仿真分析计算，在所有相同条件下，在加铺20cm这种装置的特定条件下，可以使在年平均地温为-0.5℃的高温多年冻土区路提下部多年冻土上界由原有的不断下移，融化圈不断扩大，最大下移量达到10.5m，多年冻土不断失稳，改变为多年冻土的上界最大下移量不大于1m，多年冻土基本处于稳定状态。
权利要求
1.一种利用半导体原理的导热装置，包括外壳(1)；其特征在于在密闭的真空外壳(1)内装有载体(2)和热导工质(3)。
2.如权利要求1所述的利用半导体原理的导热装置，其特征在于所述的载体(2)为保温隔热材料。
3.如权利要求2所述的利用半导体原理的导热装置，其特征在于所述的保温隔热材料选自聚苯乙烯、聚氨酯、泡沫玻璃、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、硅酸钙、泡沫石棉、硅藻土、沸石中的至少一种。
4.如权利要求1所述的利用半导体原理的导热装置，其特征在于所述的热导工质(3)为在1个大气压、低温3℃以下为液态、且其沸点在-3℃-+3℃的导热工质。
5.如权利要求1或4所述的利用半导体原理的导热装置，其特征在于所述的热导工质(3)选自烷类化合物、醚类化合物、分子通式为CFCs、HCFCs、HFEs、HFCCs中的至少一种。
6.如权利要求5所述的利用半导体原理的导热装置，其特征在于所述的烷类化合物为正丁烷、环已烷。
7.如权利要求5所述的利用半导体原理的导热装置，其特征在于所述的醚类化合物选自分子式为C3HF7O，结构简式为CF3OCF2CHF2及分子式为C4F10O，结构简式为CF3CF2OCF2CF3中的一种。
8.如权利要求5所述的利用半导体原理的导热装置，其特征在于所述的CFCs及HCFCs为制冷剂CFC-114，其结构简式为CC1F2CC1F2；HFCs选自分子式为C4H10，结构简式为CH3CH2CH2CH3；分子式为C3H2F6，结构简式为CF3CH2CF3；分子式为C4F10，结构简式为CF3CF(CF3)CF3中的一种；HFCCs为分子式为C4H8，结构简式为CH2CH2CH(CH3)。
9.一种权利要求1所述的利用半导体原理的导热装置的应用，其特征在于将导热半导体用于铁路、公路路堤的底部和/或其挡土墙后及其他线性工程或建筑物底部，在铁路、公路路堤及其他线性工程的底部和/或其挡土墙后或建筑物底部铺设至少一层10-30厘米厚的利用半导体原理的导热装置即可实现在环境温度为正温下的隔热和在负温下的热交换作用。
10.一种权利要求1所述的利用半导体原理的导热装置的应用，其特征在于在建筑物或构筑物的四周布设利用半导体原理的导热装置可实现其与环境的隔热保温。
11.一种权利要求1所述的利用半导体原理的导热装置的应用，其特征在于将导热半导体用于需保温隔热降温的物体上。
全文摘要
本发明涉及一种利用半导体原理的导热装置及其应用，装置该包括外壳；在密闭的真空外壳内装有载体和热导工质；可将其应用于铁路、公路及其他线性工程的路基和建筑物和其他需保温隔热的物体上；本发明通过系统在正温下导热系数低、负温下导热系数高的特征来实现环境温度与被保护物体的温度之间的调控；其实用、有效。
文档编号E01B27/00GK1467471SQ0211469
公开日2004年1月14日 申请日期2002年7月12日 优先权日2002年7月12日
发明者俞祁浩, 程国栋, 马巍, 吴青柏 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所