在以固体为主的基底与外部介质之间调节热传导的方法与流程

1.本发明主要涉及屏蔽和隔热结构的构建，尤其涉及一种能够调节在以固体为主的基底与外部介质之间热传递的方法。本发明可用于旨在改变物体表面间热传递的控制措施，例如土壤、建筑物、工程结构、设备和外部介质，以及液体或气体之间的热传递。


背景技术：

2.一种已知的遮阳篷结构，已在俄罗斯发明专利中公开，其编号为第2209270号(公开于2003年7月27日)。在此项发明中，建议使用主要由特型镀锌面板和防冻隔热材料制成的顶篷以及抗冻胀密封垫环，以增加竖立在冻胀土壤上电杆接触网支柱的稳定性。使用顶篷有助于减少传递到地面的热量。然而，目前此项发明不具备根据环境温度来控制土壤和周边环境之间热传递的能力，应用范围较为有限。
3.一种已知的装置，可用于在土壤中进行自然聚冷，已在俄罗斯发明专利中公开，其编号为第2694663号(公开于2019年7月16日)。该装置可根据周围环境温度的变化来对顶篷下的土壤冷却强度进行调节，但需使用相对复杂的执行机构以及需要外部能源和稳定运行的其他组件，这缩小了此发明的可应用范围。
4.一种已知的装置，可用于调节热传递，已在俄罗斯实用新型发明专利中公开，其编号为第179729号(公开于2018年5月23日)。此款装置由两块热控结构板(顶板和底板)组成，这两块板彼此对齐并沿两侧相对较短的边缘被刚性固定。由于顶板暴露于超过规定温度的热量时会发生弯曲而变成拱形，但底板形状基本保持不变。所以在两块板之间会出现空气夹层，这降低了热流对底板的效果，同样也降低了热流对安装在此表面装置的效果。
5.但是，该装置的工作效率并不高，因为负责形成间隙的两块热控结构板的有效区域，由于介质(此处指空气)的进入，并未得到充分利用。各板之间沿着两个短边相互固定，因此，当板材出现变形时，在各板连接处会出现缝隙，而这与在两块板之间出现的主要空间体积相比，减少热传递的效果并不太明显。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决的技术问题是确保可根据外部介质的温度和基底的温度，通过一块或多块板来调节以固体为主的底座与外部介质之间的热传递。
7.本发明所取得的技术成果是：根据热控结构板的温度，改变调节热传递效果的程度。
8.取得的另一项技术成果——提高了用于制造板材的材料面积的使用效率。
9.本发明公开了一种能够控制在以固体为主的基底与外部介质之间调节热传导的方法。在已声明的方法中，在静止温度下，将一块热控结构板或至少两块叠置互连的热控结构板安装在以固体为主的基底上。其中的至少一块板能够在相对静止的温度下，通过改变其自身温度而发生变形，从而使得在该板与基底或层中相邻的板之间形成空腔，而外部介质中的颗粒可填充该空腔。该板与基底的固定点或选择层中相邻的板，在其发送变形时，使
得该板材可形成凸面形状。
10.为了能够更加清晰的进行阐述，我们在此指出，术语“热传递”是指将热能从温度较高的物体直接(接触)或间接(通过分隔物体的区域)转移到温度较低的物体的一个物理过程。在这种情况下，这种物体可以是固体、液体、气体(气体和/或液体的混合物)。外部介质可能是温度较高的物体，基底可能是温度较低的物体，反之亦然，这可能会由具体应用问题来决定。因此，热传递既可以从介质传入基底，也可以从基底传入介质中。热传递的调节主要通过分隔物体区域来进行的。在要已声明的方法中，该区域可由一块或多块板材形成。此外，所述区域应包括至少一个填充有外部介质颗粒的空腔，该空腔可在至少一块板材的变形过程中形成。介质可以是空气，其颗粒填充形成的空腔。在本说明中，术语“外部介质”和“介质”用作同义词。
11.术语“以固体为主的基底”是指任意固体的表面，以及液体或气体系统中的固体。文中所述的基底可以是平坦的、凸出的或是圆柱面的，以及液体或气体的边界。例如，基底可以是土壤、冰(融化的冰)、积雪、以及设备、建筑物、设施的表面，特别是管道。在本说明中，术语“以固体为主的基底”、“基底”和所呈现的基底示例均用作同义词。
12.术语“板材”是指由某些坚硬、有弹性的材料制成的薄板或条带。板材的形状可以是任意的，这取决于基座表面的属性。在静止温度并且未变形的状态下，为了紧贴基底表面，板材可以是平坦的或与其所安装的基底表面具有相似的形状。板材的变形能力是因其是由具有较高的热膨胀系数，以及与层中的基底或相邻板材相比具有较小抗弯刚度的材料制成的。在制造过程中使用多块板材时，可以选择特定的材料和结构特点，使板材在受热时具有不同的弯曲度和相互膨胀的特性。该板材可以为薄膜，即厚度较薄。在这种情况下，术语“薄膜”是指具有较大表面积与厚度比的材料薄层。板材的厚度也可以是不固定的，例如，越靠近板材的中心越薄，或者越靠近板材的边缘越薄。
13.术语“静止温度”是指板材相对于基底或相邻板材不会发生变形，同时也不形成空腔的某一温度或温度范围。在静止温度下，介质与基底之间的热传递效率最高。
附图说明
14.如图1a和图1b所示，这是一种使用单块平板来控制基底和介质之间热传递的结构设计。
15.如图2a和图2b所示，这是一种使用在单层圆柱形基底上安装多块板的结构设计。
16.如图3a和图3b所示，这是一种结构设计，即使用两层叠加的平板来控制基底和介质之间的热传递，其中一块平板在超过静止温度时会发生变形。
17.如图4a和图4b所示，这是一种结构设计，即使用两层叠加的平板来控制介质和底座之间的热传递，而当超过静止温度时，其中的两块平板都会发生变形。
18.如图5所示，这是一种结构设计，即使用几块两层叠加的板材来控制介质和基底之间的热传递，而底板以条带的样式安装在基底周围区域，顶板以片状的方式安装在底板上。
19.如图6所示，这是一种使用板材堆叠形成的外侧垂直串联的结构设计。
具体实施方式
20.在本发明的各种应用方案中，在静止温度下，将一块或多块板安装在基底上。当其
温度相对于静止温度发生变化时，这些板中的至少一块板将会发生变形。板材的变形能力取决于其结构特点、制造材料的特性、板材在基底上的固定方式以及层中相邻板材间的相互连接方式。
21.例如，可发生变形的板材具有较小的厚度，而制造该板材的材料具有高线性膨胀系数的特征。此类材料可大致以下类别中进行选择：聚乙烯、氟塑料、聚酰胺、聚氯乙烯、乙缩醛、丙烯酸，但不限于这些示例。但也可以使用两块板材，第一块由高线膨胀系数的材料制成，第二块由低线膨胀系数的材料制成(例如钢)，而两块板至少需要部分地相互压靠在一起，并沿周边相互连接，例如，通过在一些固定点处使用零件进行固定。第一块板在出现温度变化时会比第二块板出现更强烈地变形，但由于两块板之间相互连接，第一块板的变形也会导致第二个板出现变形。请注意，必须选择第二块板的厚度或其他一些设计特征以促使板材发生弯曲。
22.无法发生变形的板材，在受到热影响时，需尽可能地保持不出现弯曲变形。为此，可以采用构造方法来增加其结构的强度，如加强钢筋、角钢、型材，以及线膨胀系数低、抗弯强度高、杨氏模量值大的材料，即材料在弹性变形过程中抵抗拉伸、压缩的能力。此类材料可大致以下类别中进行选择：钢材、花岗岩、金刚石、殷钢、云母、木材，但不限于这些示例。
23.板材能够以一层或多层垂直梯级的方式安装在基底上，也可以以另一种方式，即采用多排平行、依次串联、交错排列的横向梯级方式。
24.可优选使用实心或复合板作为可变形板材，而实心或复合板、条带作为不可变形的板材，其刚度可以使用诸如螺纹、杆、型材之类的结构部件来进行调节。在一层中，可以使用几个不可变形的条带将一块或多块可变形的板材固定在其上。丝线可以用作条带的替代品。条带或丝线可以沿着某个基底区域的周边进行安装，沿矩形区域的对角线方向，或沿基底区域的任意形状的任意方向进行安装。可变形的板材可放置于非变形板材的一侧或两侧，相互交错形成可变形板和非变形板相互排列的各种组合。
25.当在一层中使用单块可变形板时，在安装过程中，可以将该板与基底的任何点进行连接，从而使该板的温度相对于静止温度发生变化时，形成圆顶或拱形的形状。为确保该板能够形成圆顶形状，可以在该板的几何图形的顶点附近选择固定点。为确保该板能够形成圆顶形状，可以选择沿着可变形板的相对面选择固定点。此外，还可以在板材的任意部分选择固定点，例如在板材表面的中心部位。可以用挡块或挂钩将板材固定在固定点上。止动件可以是具有角型断面的特型梁。此外，可以用紧固件对板材进行固定，例如螺栓、螺母、螺钉、木螺钉、自攻螺钉、螺丝锚、铆钉、垫圈、无头钉、双头螺栓和卡箍。固定点也可以通过焊接、锡焊、压合和胶合等永久性连接方法获得，但不限于此。
26.当在一层中使用多块板时，可以将板材与任意点进行相互连接，当其温度相对于静止温度发生变化时，可确保可变形板形成圆顶或拱形。固定点的选择还取决于可变形板需要形成的形状：靠近可变形板的几何图形的顶点，沿着可变形板的相对面或板材任意部分的所有面。当在基底安装板材时，该层中的底板可能没有与底座进行刚性结合。为了确保能够进行刚性结合，可使用止动件、挂钩或紧固件，以及其他可用于建立永久连接的方法。
27.当可变形板的温度相对于静止温度发生变化时，其长度将会变长，但止动件、挂钩或紧固件阻挡了它的伸长，因此该板会发生变形。
28.如图1a所示，这是本发明的一个具体应用范例，其中一块板，以可变形平板2为代
表，安装在基底1上并通过固定点将其固定在基底上，使得板2可以完全覆盖基底。该板的安装是在静止温度下进行的，因此在初始状态下，该板紧贴在基底上。板2由热膨胀系数最高的材料聚乙烯制成。
29.具体来说，可以将板材通过四个固定点将其固定在基底上，每个固定点的位置可选在板2几何形状的顶部附近。可以使用紧固件3将板材在这些点与基底进行刚性固定。板2的几何图形可以是矩形。在这种情况下，如图1b所示，可变形板2'在超过静止温度时呈现向上凸起的形状，即圆顶形状。随着在板材的两个相对面上选取固定点3数量的增加，板材可在变形过程中形成拱形。
30.可变形板2'的圆顶形状可能是最佳选择，因为在应用该范例中，板材与基底之间的接触面积最小，因此由于热传导引起的热传递也更少。与此同时，与拱形相比，在板2'下方产生的空腔体积更大，因为在拱形中，板2'和基底3之间的接触点总是更多。
31.具体来说，可以在板材周边固定点中选取几个点，使用止动件或挂钩将板2固定在基底1上。止动件可防止板2在其伸长过程中发生位移。由于从止动件的一侧可以抵消板2的伸长力，从而使得该板开始发生弯曲。止动件可以从两个相对侧或从四周以各种形式将板2固定在基底1上。与使用紧固件3的方式类似，在使用止动件将可变形板2'固定到基底时，其形状也可以形成圆顶形或拱形。
32.使用止动件将板2与基底1进行固定可能是最佳选择，因为在应用该范例中，板材与基底之间的接触面积最小，与此同时，与紧固件3进行连接相比，在板2'下方产生的空腔的体积更大，因为板2'在紧固点处总是有一部分地压在了基底上。
33.关于使用止动件和紧固件的注意事项也同样适用于本发明的其他应用范例。
34.如图2a所示，这是一种特殊应用范例，其中基底为管道4的圆柱表面。安装在基底上的板被弯曲成弧形，从而与静止温度下基底的圆柱表面相似。为了能够覆盖管道的表面，可使用几块邻接的板子。在该应用范例中，板材被紧固件固定在围绕管道靠近板子相对侧所选择的固定点。如图2b所示，当超过静止温度时，可变形板2'会呈现出凸起形状。
35.如图3a所示，这是一种特殊应用范例，其中使用了两块堆叠互连的板材，而该层中的顶板2为可变形板，而安装在基底上的底板5为不可变形板。板材间彼此的固定点选择在了板2的拐角附近。底板5与基底1没有进行刚性连接，因为它本身即可作为板2的固体基底。如图3b所示，当超过静止温度时，可变形板2'的形状变成了圆顶形。
36.如图4a所示，这是一种特殊应用范例，其中使用了两块堆叠互连的板材(板2和板6)，板2和板6都是可变形板。板材间的固定点均沿着其所有边缘进行选择的。板2和板6可以具有不同的热膨胀系数、弯曲刚度和杨氏模量。在所示应用范例中，当超过静止温度时，可变形顶板2的特征在于，其比可变形底板6具有更大的线性膨胀系数，因此板2能够比板6进行更多的伸长。如图4b所示，这导致在可变形板6'和基底1之间能够形成空腔，而在板2'和6'之间则无法形成空腔。然而，如果在板2和6之间选择较少的连接点，则同样可以在它们之间形成空腔。
37.如图5所示，这是一种应用范例，其中使用了多块两层板，底板2是可变形的，非变形顶板7可作为板2周边的条带，并在其伸展时将其固定在基底上。
38.而且类似的方法也是可行的(图中未显示)，其中需使用多块两层堆叠的板材，同时底板需为不可变形板，并作为位于基底1上某个区域周边的条带7，顶板2为可变形，并可
以与底板上的任意点进行连接，以覆盖基底1的一部分面积。为了能够在基底1上覆盖更大的面积，可以使用底板7建立任意的框架结构，然后与可变形板进行连接。
39.如图6所示，这是一种应用范例，其中使用多块可变形板进行垂直和横向的串联。每个串联中的可变形部件由两块可变形板2和板6组成(如图4a和图4b所示)。可变型板2和板6线性膨胀系数、弯曲刚度和杨氏模量变化，可以使可变形部件形成向上或向下的凸形。因此，如果板2具有比板6更高的线性膨胀系数，则串联的可变形元件可在其变形时，可形成向上凸起的形状。如果将串联的可变形部件出现翻转，使得板6在上，板2在下，则在其变形过程中可形成向下凸出的形状。最终可形成这种结构，即由于形成了更多数量的空腔，并且由于相邻板材的边缘效应减小，使得热传导效率可以显着增加。
40.文中所述的热传导调节方法基于以下原理。
41.当一块或多块板出现变形时，可形成至少一个空腔，在该空腔内将会充满介质颗粒，而介质可以是液体或气体(气体的混合物)。由此产生的空腔可通过热控制结构减少基底与外部介质之间的热传递。导热(热传导)是一种物理过程，通过物体粒子(原子、分子、电子等)的不规则运动，可将热能从受热较多的物体粒子传递到较小的物体粒子中。在实施本发明时，导热会出现减少，因为首先，气体或液体具有较低的热导率(大部分低于固体)，而由此产生的空腔可形成额外的绝热层，其次，保温层的厚度随着结构温度与静止温度之间的温差的增大而增加。
42.可变形板2'较低的高度可减少对流热传递，例如，板2和基底1或与相邻板5之间的对流热传递。对流热传递是一种物理过程，其中热能可通过液体或气体的气流和流动进行传递。为了进一步减少对流传热，可以为板2配备防对流帘，并将其安装在板2的边缘部分。此处所述的防对流帘可屏蔽板2在变形过程中形成的空腔，以此来降低板2下方气流运动的强度，而防对流帘还可为基底1的表面遮挡热辐射。
43.可变形板2'还可起到遮阳板的作用，它为基底提供遮光作用并防止其在阳光的直射或漫射下，或在另一种性质的热辐射影响下变热。为了防止任何板材在热辐射(例如太阳辐射)影响下变热，可以让板材的表面具有较高的反射值——反光能力。可以通过在板材涂抹反射涂层，或使用反射材料制作此类板材的方式来实现。所述涂层可以是一层浅色的氟塑料、铝箔、反光漆，完全或部分覆盖在板材的表面上。在其他特定情况下，板材的反光的能力可以通过其材料的颜色填料(例如聚乙烯中的填料颗粒)或材料的物理特性(例如金属的金属光泽)来实现。如果在设计中使用了多块板，那么可以将所有板材或其中的几块制成具有反射能力的板材。
44.在相反的情况下，当需要在热辐射的影响下对板材进行加热时，可将其制作成具有低反射值——光吸收能力较强的表面。如果在设计中使用了多块板，那么可以将所有板材或其中的几块制成具有光吸收能力的板材。
45.由于热传递从介质到基底1的传导和对流的减少，以及需保护基底1免受热辐射的影响，导致从介质到基底1的总热传递系数有所降低。其结构高度和形成腔体的体积越高，则该结构的温度越高。
46.为增加板材与介质之间的热交换强度，可人为地将板材的表面制成或设置成不规则的形状，并根据热交换装置的类型(平面、圆柱形或其他形状)来增加热交换面积，同时还可以在结构出现变形的瞬间起到防对流帘的作用。
47.为从结构的空腔中去除比周围温度高的介质，可在板材上设置排气孔，通过自然对流，较热的介质将被排出，并被外部较冷的介质所取代。
48.此外，为使板材彼此之间能够更加紧密地贴合，可以在顶板上开孔，使其形状与底板的不规则形状一致。当结构处于未变形状态时，其不规则性可以使得顶板上的孔洞出现更强烈的热传递。
49.当达到静止温度时，板材将被缩短，圆顶或拱形相对于基底的高度将降低至最低限度。同时，平板会紧贴基底，以确保在整个接触区域内进行牢固的热接触。由于排除了空腔，同时去除了板2和基底1之间的隔热层，以及板材材料的高导热系数，因此热传导将有所增加。整个结构的总热量传递系数也会有所增加。
50.如图6所示，垂直和横向串联方法可额外降低来自未被板材所覆盖的底部区域的边际加热效应，并提供了更大体积的填充有介质颗粒的内腔，这增加了结构的整体厚度，以及隔热层的厚度。
51.因此，本发明所示的方法可在温度相对于静止温度发生变化时，通过结构减少基底与介质之间的热传递，并且当结构的温度接近或达到静止温度时，可通过结构增加基底与介质之间的热传递。本发明可通过改进可变形板的形状、固定点的选择、各类固定方式的使用以及其他上述优点，可根据传热控制结构的温度变化来控制热传递的效率水平。
52.需要说明的是，本发明不限于上述实施范例，在不脱离发明本质和表现方式的情况下，还可补充其他特征。此说明仅用于阐明，在没有任何限制的条件下，实施各类方案的可能性。