專利名稱：無(wú)能耗光學(xué)制冷與聚熱的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷與聚熱的方法及裝置，尤其是光學(xué)輻射制冷與聚熱的方法及裝置。
現(xiàn)有的制冷方法主要有氣體壓縮制冷、溫差電偶制冷、化學(xué)制冷等，相應(yīng)的裝置為蒸氣壓縮式制冷機(jī)、半導(dǎo)體溫差電偶制冷器和化學(xué)制冷設(shè)備等(可參閱中文書籍《制冷空調(diào)原理與設(shè)備》，徐德勝，鄔振耀主編，上海交通大學(xué)出版社，1996年2月第1版，第1頁(yè))，特別是蒸氣壓縮式制冷機(jī)，由于其制冷效果好因而在現(xiàn)有各種制冷裝置中處于主導(dǎo)地位。而現(xiàn)有的聚熱方法及裝置則主要有各種公知的太陽(yáng)能應(yīng)用方法及裝置，例如凹面反射鏡式太陽(yáng)炊、內(nèi)壁涂黑的吸收式太陽(yáng)能熱管和熱箱等。這些制冷與聚熱裝置，特別是制冷裝置在食品儲(chǔ)藏、室溫調(diào)節(jié)、化工生產(chǎn)、衛(wèi)生醫(yī)療、科研軍事等諸多方面有著廣泛的應(yīng)用。
上述制冷裝置工作時(shí)均需功率驅(qū)動(dòng)，因而都要耗費(fèi)能源。其中的蒸氣壓縮式制冷機(jī)當(dāng)以氟利昂為制冷劑時(shí)還會(huì)對(duì)大氣造成污染，另外由于其核心部件壓縮機(jī)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)器件，故會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和噪聲，以及存在工作壽命不長(zhǎng)和需要維護(hù)等缺陷。上述聚熱裝置工作時(shí)雖然不需外能驅(qū)動(dòng)，但卻要有溫度更高、熱量更大的熱源，例如太陽(yáng)，否則不能工作，這些裝置不具備從溫度相同，甚至溫度更低的物體或環(huán)境吸收并聚積熱量的能力。
本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)能耗，無(wú)污染，具有足夠的可滿足一定實(shí)用需要的制冷或聚熱能力，聚熱時(shí)不僅可從高溫物體或環(huán)境，而且可從同溫或低溫的物體或環(huán)境聚積熱量的新型制冷或聚熱方法，以及實(shí)施該方法的無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)無(wú)震動(dòng)和噪聲，可以少維護(hù)甚至免維護(hù)，壽命極長(zhǎng)，基本構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并為薄板狀，自重輕，而且容積體積比大的裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的制作薄板形光學(xué)會(huì)聚元件列陣，在其一側(cè)表面鍍帶有透光孔的反射膜，使一側(cè)入射的熱輻射場(chǎng)無(wú)會(huì)聚地從透光孔透過(guò)，而使另一側(cè)入射的熱輻射場(chǎng)會(huì)聚地從透光孔通過(guò)，也可以將透光孔的表面制作成漫透射、散透射或吸收發(fā)射面以再提高熱輻射場(chǎng)由無(wú)反射膜一側(cè)向另一側(cè)的透過(guò)比，再制作氣密用薄片，將其與會(huì)聚元件列陣沿周邊粘合，并將其中預(yù)留的短間隙抽成真空，以制成一種兩表面之間的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)很小，但兩面的對(duì)熱輻射的透過(guò)率卻不相等的薄板形復(fù)合結(jié)構(gòu)，用該復(fù)合結(jié)構(gòu)板作為部分或全部的殼壁，且通過(guò)選擇殼壁面的朝向而構(gòu)成制冷或者聚熱裝置。
為實(shí)施本發(fā)明方法，所說(shuō)的光學(xué)會(huì)聚元件列陣是用對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高透射率的材料，例如碲化鉛、碲化鎘、鍺、硅等制作多個(gè)周邊形狀為正N邊形的平凸球面或雙凸球面或凸凹球面正透鏡，再將各透鏡的邊緣相互密合而制成，也可以采用預(yù)先加工好的球面正透鏡列陣的模具，用模壓工藝制造而成；所說(shuō)的在會(huì)聚元件列陣的一側(cè)表面鍍帶有透光孔的反射膜，是用對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高反射率的材料，例如鋁、金、銀、鈹?shù)龋谕哥R列陣的一側(cè)表面，例如平凸球面透鏡列陣的平面一側(cè)的表面，凸凹球面透鏡列陣的凹面一側(cè)的表面，雙凸球面透鏡列陣的某凸面一側(cè)的表面鍍制高反射率反射膜，并以各透鏡的光軸與預(yù)鍍膜表面的相交點(diǎn)為中心點(diǎn)，在鍍反射膜時(shí)預(yù)留或反射膜鍍好后再制作邊數(shù)與對(duì)應(yīng)的透鏡相同而內(nèi)接圓半徑d小于對(duì)應(yīng)的透鏡的內(nèi)接圓半徑D的正N邊形通孔；所說(shuō)的將透光孔的表面制作成漫透射、散透射或吸收發(fā)射面是將各透光孔的表面用光學(xué)打毛或細(xì)磨等工藝制作成漫透射面，或用光膠一薄的散射介質(zhì)層而制作成散透射面，或用光膠一薄的強(qiáng)吸收、強(qiáng)發(fā)射介質(zhì)層而制作成吸收發(fā)射面；所說(shuō)的透鏡列陣中透鏡和反射膜上透光孔的邊數(shù)N取四、六等可使各透鏡的邊緣相互密合的值；所說(shuō)的氣密用薄片則是用對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高透射率的材料制作而成的薄片；所說(shuō)的透鏡列陣的無(wú)反射膜一側(cè)的表面、各透光孔的表面以及氣密用透明薄片的兩側(cè)的表面可以鍍單層或多層增透膜；當(dāng)各透光孔的表面是漫透射或漫散射面時(shí)，也可以在其上鍍薄單層或薄多層增透膜；所說(shuō)的將氣密用薄片與會(huì)聚元件列陣沿周邊粘合，并將其中預(yù)留的短間隙抽成真空，是在透鏡列陣的鍍反射膜的一側(cè)，間隔一短距離平行放置透明氣密薄片，并可以在透鏡列陣薄板與透明薄片之間的間隙間隔地嵌入細(xì)隔條，以增大列陣薄板與透明薄片的抗壓強(qiáng)度，或使它們之中的間隙再分隔成若干互相氣密的子間隙，然后用具有低導(dǎo)熱系數(shù)的材料沿兩者的周邊進(jìn)行粘合，并在密封前將其中的間隙抽成真空，從而制成裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板。
為實(shí)施本發(fā)明方法，所說(shuō)的氣密用薄片也可以是用兩側(cè)表面或單側(cè)表面對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高吸收率的材料，例如無(wú)光氧化熟鐵、表面粗糙或粗糙氧化的鋼、充分氧化的銅、氧化的黃銅、鋁青銅、陽(yáng)極處理過(guò)的鋁板等(參閱中文書籍《激光與紅外技術(shù)手冊(cè)》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國(guó)防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第12-14頁(yè))制作而成，其也即為致熱片，將其與所說(shuō)的薄板形光學(xué)會(huì)聚元件列陣組合，組合時(shí)將氣密薄片也即致熱片置于會(huì)聚元件列陣的鍍反射膜的一側(cè)，且將其對(duì)熱輻射具有高吸收率的一面或其中一面朝向會(huì)聚元件列陣，并與列陣之間留有一短間隙，也可以在間隙中間隔地嵌入細(xì)隔條，然后用具有低導(dǎo)熱系數(shù)的材料將兩者的周邊粘合，并將其中的間隙抽空，從而制成裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板。
為實(shí)施本發(fā)明方法，所說(shuō)的氣密用薄片還可以被制作成兩片，一片是用兩側(cè)表面或單側(cè)表面對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高發(fā)射率的材料制作而成(根據(jù)基爾霍夫黑體輻射定律，好的熱輻射吸收體也是好的熱輻射發(fā)射體，參閱中文書籍《激光與紅外技術(shù)手冊(cè)》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國(guó)防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第12頁(yè))，其也即為致冷片，另一片是用兩側(cè)表面或單側(cè)表面對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高吸收率的材料制作而成，其也即為致熱片，將它們與所說(shuō)的薄板形光學(xué)會(huì)聚元件列陣組合，表面具有高發(fā)射率和高吸收率的兩氣密片，也即致冷片和致熱片分別置于會(huì)聚元件列陣薄板的無(wú)反射膜和鍍反射膜的兩側(cè)，且分別將它們對(duì)熱輻射具有高發(fā)射率或高吸收率的一面或其中一面朝向元件列陣，并分別與列陣之間留有適當(dāng)?shù)亩涕g隙，也可以在間隙中間隔地嵌入細(xì)隔條，然后用具有低導(dǎo)熱系數(shù)的材料將三者的周邊粘合，并將它們之中的間隙抽空，從而制成裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板。
為實(shí)施本發(fā)明方法，所說(shuō)的光學(xué)會(huì)聚元件列陣也可以是用對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高透射率的材料制作多個(gè)上下底面均為正N邊形，且上底面的內(nèi)接圓半徑D大于下底面的內(nèi)接圓半徑d的正棱臺(tái)，各棱臺(tái)的上底面邊緣相互密合，組成薄板狀正棱臺(tái)列陣；在各棱臺(tái)的N側(cè)斜面上，鍍上對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高反射率的反射膜，而在各棱臺(tái)的上下底面上，或者都鍍上增透膜，或者僅在各棱臺(tái)的上底面鍍?cè)鐾改?，而將各棱臺(tái)的下底面或用光學(xué)打毛或細(xì)磨等工藝制作成漫透射面，或用光膠薄散射介質(zhì)層而制作成散透射面，或用光膠薄的強(qiáng)吸收和強(qiáng)發(fā)射介質(zhì)層而制作成吸收發(fā)射面，且還可以在被制成漫透射或散透射面的下底表面再鍍單層或多層增透膜；各棱臺(tái)上下底面的邊數(shù)N也取四、六等可使各棱臺(tái)上底面的邊緣相互密合的值；然后將此薄板狀正棱臺(tái)列陣，或者與一氣密用透明薄片相組合，并使氣密薄片位于棱臺(tái)列陣的下底面一側(cè)；或者與一表面具有高吸收率的氣密兼致熱片相組合，并使氣密兼致熱片位于棱臺(tái)列陣的下底面一側(cè)且將其高吸收率面朝向棱臺(tái)列陣；或者與一表面具有高吸收率的氣密兼致熱片和一表面具有高發(fā)射率的氣密兼致冷片相組合，并使表面高發(fā)射的氣密兼致冷片位于棱臺(tái)列陣的上底面一側(cè)，表面高吸收的氣密兼致熱片位于棱臺(tái)列陣的下底面一側(cè)，且將它們的高發(fā)射率或高吸收率面朝向棱臺(tái)列陣；再分別按這三種組合，將其中的組件沿周邊粘合，并將其中預(yù)留的短間隙抽空，從而制成裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板。
為實(shí)施本發(fā)明方法，所說(shuō)的殼壁可由單層復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板構(gòu)成，也可由雙層或數(shù)層復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板構(gòu)成；當(dāng)裝置僅有部分殼壁是用復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板制成時(shí)，其它的殼壁最好應(yīng)選用合適的絕熱材料制成。
為實(shí)施本發(fā)明方法，所說(shuō)的用復(fù)合結(jié)構(gòu)板作為部分或全部的殼壁而構(gòu)成制冷或者聚熱裝置，是使用所說(shuō)的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板作為部分或全部的殼壁，包括作為可開(kāi)閉的門或窗，或作為側(cè)面朝向可反轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)窗，而構(gòu)成需要對(duì)其內(nèi)空間或物體致冷或致熱的種類廣泛的裝置，例如冰箱、冷柜、冷庫(kù)、溫調(diào)房間、車船溫調(diào)倉(cāng)室、需致冷或加熱的特種儀器或裝備的外包容器等；還可以是使用所說(shuō)的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板作為部分或全部的殼壁先構(gòu)成基元裝置，再在對(duì)基元裝置內(nèi)的空間或物體致冷或致熱的基礎(chǔ)上，結(jié)合公知的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)而構(gòu)成的新型能源裝置，例如溫差電堆、熱能轉(zhuǎn)換動(dòng)力源等。
上述發(fā)明方法及裝置的工作原理如下我們知道，熱能傳播有三種基本形式，即熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射。當(dāng)使用上述各方案中所說(shuō)的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板作為全部的殼壁而構(gòu)成某一封閉裝置時(shí)，首先由于薄板內(nèi)已抽成真空，故裝置內(nèi)外的熱對(duì)流很小可以忽略；其次，由于連結(jié)薄板內(nèi)外壁的是導(dǎo)熱系數(shù)很低的材料，并僅僅分布在薄板的周邊因而導(dǎo)熱面積窄小，故裝置內(nèi)外的熱傳導(dǎo)也很小因此也可以被忽略；所以我們只需要考慮裝置內(nèi)外熱輻射的作用。當(dāng)上述所說(shuō)的裝置僅有部分殼壁是用復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板制成時(shí)，如果其它的殼壁是采用絕熱材料制成，則裝置內(nèi)外的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)也很小，因此也可以被忽略而只需要考慮裝置內(nèi)外熱輻射的作用。
任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向其四周發(fā)出熱輻射，由普朗克熱輻射定律可知，對(duì)于絕大多數(shù)的非高溫的物體而言，其發(fā)出的熱輻射能量主要是分布在紅外光波段。向其四周發(fā)出熱輻射的物體，同時(shí)又接收其周圍環(huán)境射來(lái)的熱輻射，當(dāng)其發(fā)出的熱輻射能量和其接收的熱輻射能量相等時(shí)，便處于熱平衡即溫度不變的狀態(tài)。
如果某物體處于一特殊的封閉裝置中，該裝置內(nèi)外之間的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)可以忽略，但其部分或全部的殼壁對(duì)于向內(nèi)和向外的熱輻射的透過(guò)率卻不相等，則從內(nèi)向裝置外發(fā)出的熱輻射能量和從外向裝置內(nèi)射入的熱輻射能量便不相等，當(dāng)發(fā)出的熱輻射能量多時(shí)裝置內(nèi)的空間和物體便會(huì)逐漸變冷，而當(dāng)射入的熱輻射能量多時(shí)裝置內(nèi)的空間和物體便會(huì)逐漸變熱，于是該裝置可向其內(nèi)的空間和物體實(shí)現(xiàn)致冷或致熱。由普朗克熱輻射定律可知(參閱中文書籍《激光與紅外技術(shù)手冊(cè)》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國(guó)防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第1-11頁(yè))，溫度變冷的物體其發(fā)出的熱輻射能量會(huì)逐漸減少，而溫度變熱的物體其發(fā)出的熱輻射能量會(huì)逐漸增多，從而裝置內(nèi)的物體向外發(fā)出的熱輻射能量最終會(huì)與從裝置外射入的熱輻射能量相等，即裝置內(nèi)的空間和物體與裝置外的環(huán)境會(huì)在溫度不同的情況下達(dá)到一種新的熱平衡。
對(duì)于構(gòu)成本發(fā)明裝置的部分或全部的殼壁的上述各種復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板，它們均具有對(duì)于熱輻射的透過(guò)率兩面不相等的功能，下面分別對(duì)其機(jī)理予以說(shuō)明先考慮由鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣薄板和氣密用透明薄片所組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板，并設(shè)其中的透鏡列陣是由M個(gè)周邊形狀為正N邊形的平凸球面透鏡所組成，帶孔的反射膜鍍?cè)诟魍哥R的平面一側(cè)。當(dāng)紅外熱輻射從氣密用透明薄片一側(cè)入射時(shí)，若氣密透明薄片兩表面的光強(qiáng)透過(guò)率很高，則熱輻射場(chǎng)可順利透過(guò)氣密片，而后入射到透鏡列陣的鍍反射膜一側(cè)的側(cè)面上。當(dāng)透鏡列陣中每個(gè)透鏡的面積為S時(shí)，則鍍反射膜一側(cè)的總面積為MS，設(shè)反射膜上每個(gè)透光孔的面積為s，則反射膜上所有透光孔的總面積為Ms，如果反射膜的反射率很高且近似為1，而每個(gè)透光孔的表面以及透鏡列陣凸球面一側(cè)的表面的光強(qiáng)透過(guò)率也很高，則入射到有反射膜一側(cè)的側(cè)面上與透過(guò)該側(cè)面，也即從該側(cè)入射到復(fù)合結(jié)構(gòu)板與透過(guò)復(fù)合結(jié)構(gòu)板的熱輻射能量之比約為Ms/MS＝d2/D2， (1)式中d和D分別是反射膜上的透光孔和透鏡列陣中的透鏡的內(nèi)接圓半徑。在推導(dǎo)(1)式時(shí)，假設(shè)了紅外熱輻射場(chǎng)的入射強(qiáng)度是分布均勻的，當(dāng)紅外熱輻射場(chǎng)的入射強(qiáng)度分布不均勻時(shí)，只要反射膜上的透光孔以及透鏡列陣中的透鏡的尺度制作得比較小，因而遠(yuǎn)比常見(jiàn)物體所發(fā)出的紅外熱輻射場(chǎng)到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)的不均勻尺度小，則上述假設(shè)仍然成立。由(1)式可見(jiàn)，由于d小于D入射能量將被反射膜部分地阻擋，且隨d的減小透過(guò)的能量將與d/D值的平方成比例地迅速衰減。
而當(dāng)紅外熱輻射從薄板狀透鏡列陣的凸面一側(cè)入射時(shí)，首先它們也能順利地透過(guò)該側(cè)面，然后入射到鍍有帶孔反射膜的側(cè)面上。由于列陣中每個(gè)透鏡的凸球面對(duì)光線有會(huì)聚作用，這使入射的熱輻射場(chǎng)在到達(dá)帶孔的反射膜上時(shí)能量已相對(duì)集中從而強(qiáng)度變成非均勻分布，因?yàn)檎哥R是使入射光場(chǎng)向其光軸方向會(huì)聚集中，而反射膜上的各透光孔又是環(huán)繞各透鏡的光軸的，這就使得由透鏡列陣的無(wú)反射膜一側(cè)入射的熱輻射場(chǎng)在到達(dá)反射膜時(shí)能量是向各透光孔會(huì)聚集中的，顯然這會(huì)使由該側(cè)入射的熱輻射能量比由對(duì)側(cè)入射的熱輻射能量在總體上可更多的透過(guò)反射膜，也即使由該側(cè)入射到復(fù)合結(jié)構(gòu)板與透過(guò)復(fù)合結(jié)構(gòu)板的熱輻射能量之比大于由對(duì)側(cè)入射且透過(guò)的熱輻射能量的比值(d/D)2，從而使該種復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板具有對(duì)于熱輻射的總透過(guò)率兩面不相等的功能。
當(dāng)薄板狀透鏡列陣中的各透鏡是由雙凸球面或凸凹球面透鏡所組成時(shí)，只要各透鏡是正透鏡，則它們同樣可使入射其上的熱輻射場(chǎng)向其光軸方向會(huì)聚集中，加上反射膜上的各透光孔也是以各透鏡的光軸為中心而制作的，故同樣可使由透鏡列陣的無(wú)反射膜一側(cè)入射的熱輻射場(chǎng)在到達(dá)反射膜時(shí)能量會(huì)向各透光孔會(huì)聚集中，因而使由該側(cè)入射的熱輻射能量比由對(duì)側(cè)入射的熱輻射能量更多的透過(guò)反射膜，從而使由其組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板也具有對(duì)于熱輻射的總透過(guò)率兩面不相等的功能。
但是，當(dāng)想獲得好的光線會(huì)聚效果時(shí)卻會(huì)遇到下述問(wèn)題對(duì)于從透鏡列陣的無(wú)反射膜一側(cè)入射的熱輻射場(chǎng)，由于列陣中每個(gè)透鏡凸球面的光線會(huì)聚作用，它們?cè)诘竭_(dá)反射膜一側(cè)的各透光孔時(shí)入射角會(huì)變大，尤其是當(dāng)想獲得好的會(huì)聚效果而使用通光孔內(nèi)接圓半徑D與象方焦距f’的比值D/f’很大的短焦距透鏡時(shí)，到達(dá)各透光孔的大部分光線的入射角可能都會(huì)大于臨界角，因而會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射而不能從透光孔透出(可參閱中文書籍《光學(xué)》，上冊(cè)，趙凱華，鐘錫華著，北京大學(xué)出版社，1984年1月第1版，第14頁(yè))，顯然這將限制由該側(cè)入射的熱輻射能量向另一側(cè)的出射值，難以使復(fù)合結(jié)構(gòu)板的兩側(cè)對(duì)熱輻射的透過(guò)率有理想的差值。為此，采用將各透光孔的表面制作成漫透射、散透射或吸收發(fā)射面的措施，因?yàn)閷?duì)于理想的漫透射面、散透射面或吸收發(fā)射面，即使來(lái)自入射半球空間的光線的入射角很大，它們?nèi)钥梢詫⑷肷涔饽芰康囊徊糠只虼蟛糠钟行У穆干洹⑸⑼干浠蛭蘸蠼?jīng)傳導(dǎo)再發(fā)射到出射半球空間中去(詳見(jiàn)下實(shí)施例中說(shuō)明，也可參閱中文書籍《光學(xué)手冊(cè)》，李景鎮(zhèn)主編，陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1986年5月第1版，第25-27頁(yè)；中文書籍《光學(xué)》，母國(guó)光，戰(zhàn)元令編，人民教育出版社，1978年9月第1版，第552-556頁(yè)；中文書籍《激光與紅外技術(shù)手冊(cè)》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國(guó)防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第11-21頁(yè))，因此可解決既想獲得好的光線會(huì)聚效果，又想能使強(qiáng)會(huì)聚光束更多地從透光孔射出的矛盾。當(dāng)將透光孔的表面制作成漫散射面時(shí)，可以在其上鍍單層或多層增透膜以增大紅外光輻射通過(guò)時(shí)的透射比，而當(dāng)透光孔的表面被制成漫透射面時(shí)，也可以在其上再鍍薄單層甚至薄多層增透膜以增大其透射比，因?yàn)橹灰兡さ暮穸缺嚷干浔砻娴牟灰?guī)則起伏的平均高度值小，其鍍膜后的表面仍然會(huì)是不規(guī)則起伏的漫透射面。
對(duì)于由薄板形光學(xué)會(huì)聚元件列陣和致熱片型氣密薄片所組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板，我們以由鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣薄板和致熱薄片所組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板為例予以說(shuō)明，并先考慮其中的致熱薄片是兩側(cè)表面對(duì)紅外輻射的吸收率都很高因而發(fā)射率也都很高的情況。首先由上述的機(jī)理說(shuō)明可知，其中的鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣薄板可使由無(wú)反射膜一側(cè)入射的熱輻射能量比由鍍反射膜一側(cè)入射的熱輻射能量可以更多的透過(guò)，這就使得位于透鏡列陣鍍反射膜一側(cè)近旁的致熱薄片的兩側(cè)面所接收到的熱輻射能量是不相等的，因?yàn)橹聼岜∑耐鈧?cè)接收到的僅是來(lái)自整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板一側(cè)外部環(huán)境投射來(lái)的熱輻射能量，而致熱薄片本身發(fā)出而又被該側(cè)外部環(huán)境直接反射回來(lái)的熱輻射能量在一般情況下是可以忽略的，但致熱薄片的靠近透鏡列陣的一側(cè)，也即其內(nèi)側(cè)所接收到的不僅有透過(guò)透鏡列陣的來(lái)自整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板另一側(cè)外部環(huán)境投射來(lái)的熱輻射能量，還有致熱薄片本身發(fā)出而又被其近旁的透鏡列陣上反射膜所直接反射回來(lái)的熱輻射能量，如果透鏡列陣對(duì)由無(wú)反射膜一側(cè)入射的熱輻射能量有足夠高的透過(guò)率，而反射膜對(duì)于由致熱薄片一側(cè)入射的熱輻射能量又有足夠高的反射率，則致熱薄片的靠近透鏡列陣的一側(cè)將比其另一側(cè)接收到更多的熱輻射能量，這會(huì)使致熱薄片的溫度升高并使其向朝外一側(cè)發(fā)射的熱輻射能量比其從該側(cè)所接收到的熱輻射能量要多，這也就使得整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板等效地具有了對(duì)于熱輻射的透過(guò)率兩面不相等的功能。對(duì)于其中的致熱薄片是單側(cè)表面對(duì)紅外輻射的吸收率很高的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板，情況也類同，即致熱薄片靠近透鏡列陣的一側(cè)的主要通過(guò)接收熱輻射而得到的熱能量也將比其另一側(cè)的主要通過(guò)與空氣的熱對(duì)流而得到的熱能量要多，因此也會(huì)使致熱薄片的溫度升高并通過(guò)熱對(duì)流向其外側(cè)輸出比其從外側(cè)所獲得的要多的熱能量，這也會(huì)使由其參與組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板等效具有對(duì)于熱輻射的透過(guò)率兩面不相等的功能。該種復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的優(yōu)點(diǎn)是可用不透明的致熱薄片替換透明的氣密用薄片，因?yàn)樵诩t外波段，尤其在需要覆蓋盡量寬的光譜帶范圍時(shí)，表面具有高吸收率或高發(fā)射率的部件要比具有高透射率的部件易制作，材料也價(jià)廉，表面具有高吸收率或高發(fā)射率的部件還可用金屬材料制作因而可具有更高強(qiáng)度，尤其是單側(cè)表面具有高吸收率的部件，還易使其另一側(cè)表面美觀和好維護(hù)，另外不用透明氣密薄片則可免除其表面需要潔凈的要求，因?yàn)楸砻嫖廴緡?yán)重時(shí)會(huì)造成透過(guò)率的下降。
對(duì)于由致冷片型氣密薄片、薄板形光學(xué)會(huì)聚元件列陣和致熱片型氣密薄片所組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板，我們也以光學(xué)會(huì)聚元件列陣是鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣為例予以說(shuō)明，同樣由上述的機(jī)理說(shuō)明可知，由于鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣薄板可使由無(wú)反射膜一側(cè)入射的熱輻射能量比由鍍反射膜一側(cè)入射的熱輻射能量可更多的透過(guò)，這就使得位于透鏡列陣鍍反射膜一側(cè)近旁的致熱薄片的靠近反射膜的一側(cè)比其另一側(cè)能接收到更多的熱能量，而使得位于透鏡列陣無(wú)反射膜一側(cè)近旁的致冷薄片的靠近透鏡列陣的一側(cè)比其另一側(cè)能接收到較少的熱能量，這會(huì)使致熱薄片的溫度升高并使其向朝外一側(cè)或通過(guò)發(fā)射和對(duì)流或主要通過(guò)對(duì)流而輸出的熱能量比其從該側(cè)接收到的熱能量要多，而會(huì)使致冷薄片的溫度降低并使其向朝外一側(cè)或通過(guò)發(fā)射和對(duì)流或主要通過(guò)對(duì)流而輸出的熱能量比其從該側(cè)接收到的熱能量要少，顯然，這會(huì)使整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板也等效地具有了對(duì)于熱輻射的透過(guò)率兩面不相等的功能。該種復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的優(yōu)點(diǎn)是其兩個(gè)外側(cè)面都可用不透明材料，例如金屬薄片來(lái)制作，故可進(jìn)一步增加所組成的復(fù)合薄板的總體機(jī)械強(qiáng)度和外觀美化自由度，并使需要保持高透射率和高反射率的鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣薄板被封護(hù)起來(lái)免除表面污染，同時(shí)也因省去氣密用透明薄片而簡(jiǎn)化了制作和降低了造價(jià)。
最后，對(duì)于包含有薄板狀正棱臺(tái)列陣的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板，對(duì)于從棱臺(tái)下底面一側(cè)入射的強(qiáng)度分布均勻的熱輻射場(chǎng)，其透過(guò)率基本上等于棱臺(tái)下底面與上底面的面積之比，而對(duì)于從棱臺(tái)上底面一側(cè)入射的強(qiáng)度分布均勻的熱輻射場(chǎng)，其透過(guò)率會(huì)大于棱臺(tái)下底面與上底面的面積之比，因?yàn)閭?cè)面鍍有反射膜的上下底面積不等的正棱臺(tái)對(duì)從其面積較大的底面入射的光束具有折反射并會(huì)聚的作用，因此當(dāng)紅外光輻射從其面積較大的上底面入射，經(jīng)其側(cè)面的反射，再?gòu)钠涿娣e較小的下底面出射時(shí)，能量強(qiáng)度會(huì)因會(huì)聚而提高，這相當(dāng)于上述鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣的作用，顯然，采用將各棱臺(tái)的下底面制作成漫透射、散透射或吸收發(fā)射面的措施，也有利于使強(qiáng)會(huì)聚光束更多地通過(guò)下底面，且若在被制成漫透射或散透射面的下底面的表面再鍍單層或多層增透膜，則可以更增大紅外光輻射通過(guò)時(shí)的透射比。將此薄板狀正棱臺(tái)列陣代替上述的鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣，然后按照上面所述的方式，或者與氣密透明薄片相組合，或者與致熱片型氣密薄片相組合，或者與致冷片型氣密薄片和致熱片型氣密薄片相組合，顯然都能構(gòu)成對(duì)于熱輻射的透過(guò)率兩面不相等的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板。
當(dāng)將兩層或者兩層以上的上述各種復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板再?gòu)?fù)合，且每層復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的致冷或致熱面都朝同一方向時(shí)，粗略來(lái)講，總的復(fù)合板的朝某一側(cè)方向的透過(guò)率是其中各層復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的朝該側(cè)方向的透過(guò)率的乘積，因此可獲得兩側(cè)面透過(guò)率或透過(guò)率差值改變或改善的新的薄板形復(fù)合結(jié)構(gòu)，用其作為基本構(gòu)件，可制成性能更加多樣化的制冷或聚熱裝置。
上述發(fā)明方法及裝置具有下述優(yōu)點(diǎn)1.在制冷或聚熱時(shí)，裝置本身無(wú)需功率驅(qū)動(dòng)因此裝置本身運(yùn)行時(shí)不消耗能源，而且這不違反能量守恒定律，因?yàn)檠b置內(nèi)減少或增加的熱能量與裝置外熱能量的增加或減少相守恒。
2.因裝置本身無(wú)需功率驅(qū)動(dòng)因而不要?jiǎng)恿υ?，故可免除無(wú)論何種動(dòng)力源，例如發(fā)電廠、柴油機(jī)、蒸氣機(jī)等都不可避免的對(duì)環(huán)境或大氣造成的污染，當(dāng)其作為制冷裝置時(shí)，也無(wú)需使用氟利昂。
3.當(dāng)作為聚熱裝置時(shí)，如上所述，只要從內(nèi)向裝置外發(fā)出的熱輻射能量比從外向裝置內(nèi)射入的熱輻射能量少，即使裝置外的環(huán)境比裝置內(nèi)的空間和物體溫度低(由構(gòu)成裝置的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板兩側(cè)面的透過(guò)率不相等而造成，當(dāng)復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板兩側(cè)面的透過(guò)率值相差大時(shí)尤其如此)，裝置內(nèi)的空間和物體還會(huì)繼續(xù)升溫，因此其作為聚熱裝置聚熱時(shí)不僅可從高溫物體或環(huán)境，而且可從同溫或者低溫物體或環(huán)境聚積熱量。
4.制冷或聚熱的方式是靜態(tài)的，裝置運(yùn)行時(shí)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件(可開(kāi)閉的門窗除外)，所以裝置工作時(shí)無(wú)震動(dòng)，無(wú)噪聲，并因此裝置可以少維護(hù)甚至免維護(hù)，使用壽命極長(zhǎng)。
5.裝置的基本構(gòu)件為薄板狀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較易制作，造價(jià)也能降低，并可使由其所構(gòu)成的裝置自重輕，容積體積比大。
6.具有足夠的制冷或聚熱能力，可滿足一定范圍內(nèi)的實(shí)用需要(詳見(jiàn)下述實(shí)施例)。
可見(jiàn)，本發(fā)明所提供的制冷與聚熱的方法以及裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，在若干方面具有著十分突出的優(yōu)點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
圖2是圖1所示實(shí)施例中平凸球面透鏡列陣平面一側(cè)部分區(qū)域的俯視圖。
圖3是圖1所示實(shí)施例的工作示意圖。
圖4是本發(fā)明裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的第二個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
圖5是本發(fā)明裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的第三個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
圖6是本發(fā)明裝置作為冰箱的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明裝置作為居室溫調(diào)器的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明裝置作為溫差發(fā)電堆的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1是本發(fā)明裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，圖中1是由多個(gè)平凸厚透鏡所組成的透鏡列陣薄板，在各透鏡的凸球面一側(cè)的表面(圖中2)鍍有多層紅外增透膜，在各透鏡的平面一側(cè)的表面(圖中3)鍍有帶透光孔的紅外反射膜，圖中4是薄片形不透明致冷片，圖中5是薄片形不透明致熱片，它們與透鏡列陣之間均留有短間隔，在致冷片、透鏡列陣和致熱片之間的間隙適當(dāng)?shù)厍度爰?xì)隔條(例如圖中6和7)，然后沿三者的周邊用低導(dǎo)熱材料(圖中8和9)進(jìn)行粘合，并在密封前將三者之中的間隙抽成真空。
圖1中的透鏡列陣是用M個(gè)周邊形狀為正六邊形的平凸球面透鏡所組成，圖2是其平面一側(cè)部分區(qū)域的俯視圖，圖中10是其中的一個(gè)透鏡單元，其內(nèi)接圓半徑為D，圖中11是在該透鏡單元表面所鍍的反射膜中所留的正六邊形透光孔，其內(nèi)接圓半徑為d，設(shè)該透鏡列陣是采用碲化鉛(PbTe)材料制成，其紅外透明范圍是從3.4μm到30μm，在該范圍內(nèi)的平均折射率是n＝5.70，采用鍍多層紅外增透膜的技術(shù)，使各透鏡凸球面一側(cè)表面的光強(qiáng)反射率RT減到小于0.05，采用鍍金屬紅外反射膜的技術(shù)，在各透鏡的平面一側(cè)鍍鋁反射膜，使該側(cè)對(duì)紅外光輻射的反射率RP大于0.98，再采用光學(xué)細(xì)磨工藝將各透光孔表面制成均勻的漫透射面，使其表面不規(guī)則起伏的平均高度約為幾十μm量級(jí)，并在其上鍍多層厚度為幾十nm量級(jí)的薄增透膜，使各透光孔表面的從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)的單向透射比τKR增到大于0.90，而從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)的單向透射比τKL增到大于0.95，由于該透鏡列陣可制作得較薄，故其對(duì)紅外輻射的吸收可忽略。圖1中的致冷片和致熱片均采用單側(cè)表面粗糙氧化的薄鋼板制成，其氧化表面的發(fā)射率ε和吸收率α約為0.94，其另一面即外側(cè)面為普通熱壓平面且在其上噴涂了具有高導(dǎo)熱系數(shù)的防銹美飾漆層(可參閱中文書籍《激光與紅外技術(shù)手冊(cè)》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國(guó)防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第11-14，95，105-112頁(yè)，以及英文書籍《Handbook of Optics》，M.Bass，Ed.in chief，Vol.II，McGraw-Hill，New York，1995，p.35.29)。
由于該復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板之中的間隙已抽成真空，而兩壁之間能夠傳導(dǎo)熱的細(xì)隔條和周邊粘合條又面積窄小，故兩壁之間的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)很小可以被忽略，只需考慮兩壁之間的熱輻射的傳播情況。
圖3是該復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的工作示意圖，它側(cè)重描述其中一個(gè)作用單元的工作情況，顯然整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的作用是M個(gè)這樣的單元的作用的疊加。
圖中透鏡凸球面的曲率半徑為r＝10毫米，透鏡的內(nèi)接圓半徑D按如下方法選取即使得與透鏡光軸(圖中12)夾角分別為±60°的入射光線(例如圖中13和14)能分別與透鏡邊緣曲球面的法線(圖中15和16)正好垂直，從而恰好能從透鏡的邊緣入射，于是凸球面所對(duì)圓心角2θ為60°，D＝5毫米。以透鏡凸球面與光軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，由光學(xué)折射定律(下式中θ1與θr分別是光線入射角與折射角，ni與nr分別是入射空間與折射空間的介質(zhì)折射率，可參閱中文書籍《光學(xué)》，上冊(cè)，趙凱華，鐘錫華著，北京大學(xué)出版社，1984年1月第1版，第12頁(yè))nisinθi＝nrsinθr，(2)可知入射角為60°且從坐標(biāo)原點(diǎn)入射的光線(圖中17)的折射角θr1為8.74°(代入n1＝1，nr＝5.7和θi＝60°)，而從透鏡邊緣入射且與透鏡列陣宏觀表面的法線夾角也為60°的光線(圖中14)的折射角θr2為10.10°(代入n1＝1，nr＝5.7和θi＝90°)，于是利用點(diǎn)斜式直線方程的表達(dá)式，可寫出兩折射光線(圖中18和19)的方程為y＝xtanθr1，y-D＝[x-(r-rcosθ)]tan(180°+θr2-θ)， (3)代入上述各值聯(lián)立求解(3)式，得到兩折射光線相交點(diǎn)的坐標(biāo)為x＝10.637毫米，y＝1.635毫米，這意味著對(duì)于從透鏡凸球面一側(cè)入射的光線，每個(gè)透鏡均可將入射其上并且入射方向與其光軸夾角小于±60°的入射光線全會(huì)聚集中到一個(gè)內(nèi)接圓半徑d為1.635毫米的正六邊形最小面積內(nèi)，該六邊形小面離透鏡凸球面頂點(diǎn)的距離為10.637毫米。因此，以H＝10.637毫米作為透鏡列陣的厚度，在透鏡列陣平面一側(cè)的反射膜上，以各透鏡光軸的穿過(guò)點(diǎn)為中心，預(yù)留內(nèi)接圓半徑d為1.635毫米的正六邊形透光孔。致冷薄片(圖中4)離透鏡列陣各曲面頂點(diǎn)的距離LL為20毫米，致熱薄片(圖中5)離透鏡列陣右側(cè)平面的距離LR為10毫米。
致冷片和致熱片都是用熱導(dǎo)率高的薄鋼板制成，其厚度均選為0.5毫米。一般情況下整個(gè)薄板的溫度將是均勻的，因此其發(fā)出的熱輻射場(chǎng)(主要是其內(nèi)側(cè)表面發(fā)射，其外側(cè)表面則主要是通過(guò)熱對(duì)流與外界的空氣交換熱量)的強(qiáng)度分布也是均勻的。當(dāng)發(fā)自致熱片的紅外熱輻射入射到其左側(cè)的反射膜上時(shí)，由于膜上孔的限制作用，熱輻射能量的透過(guò)率為(d/D)2，又由于透鏡凸球面的光強(qiáng)反射率RT＝0.05，透光孔表面從右向左的漫透射比τKL＝0.95，故在薄板內(nèi)，從致熱片到致冷片的熱輻射能量的透過(guò)率TL為TL＝ε(d/D)2τKL(1-RT)α＝0.085，(4)在推導(dǎo)(4)式時(shí)，假設(shè)了各透光孔的表面是均勻理想的漫透射面，因此漫透射比τKL不隨光線的入射方向和出射方向而變。
對(duì)于發(fā)自致冷片的紅外熱輻射，當(dāng)它們通過(guò)透鏡列陣的凸球面時(shí)，熱輻射能量的透過(guò)率是(1-RT)，然后，由于反射膜上各孔的限制作用，只有入射方向與透鏡的光軸方向，也就是與透鏡列陣宏觀平面的法線方向夾角小于±60°的光線才能入射到各透光孔并經(jīng)漫透射透出，而夾角大于±60°的入射光線將被反射膜反射，于是這就要求我們先去計(jì)算整個(gè)列陣從其左側(cè)的半錐角等于60°的圓錐內(nèi)所接收到的熱輻射功率，以及整個(gè)列陣從其左側(cè)半球空間所接收到的熱輻射功率的二者的比值，而該問(wèn)題是與計(jì)算整個(gè)致冷片向其右側(cè)的半錐角等于60°的圓錐內(nèi)所發(fā)射的熱輻射功率，以及整個(gè)致冷片向其右側(cè)半球空間所發(fā)射的熱輻射功率的二者的比值的問(wèn)題等效。
對(duì)于表面粗糙氧化的薄鋼板，或者更一般些，對(duì)于日常生活中所遇到的大多數(shù)物體，它們多近似是朗伯發(fā)射體，朗伯發(fā)射體表面的每塊面元向某方向發(fā)射的輻射能量強(qiáng)度dI是與cos成正比的，其中是面元法線與發(fā)射方向的夾角(可參閱中文書籍《光學(xué)》，上冊(cè)，趙凱華，鐘錫華著，北京大學(xué)出版社，1984年1月第1版，第126-127頁(yè))。在球坐標(biāo)系內(nèi)作三重積分，可以得到整個(gè)致冷片向環(huán)繞其右側(cè)法線的半錐角等于60°的圓錐內(nèi)所發(fā)射的熱輻射功率P60與整個(gè)致冷片向其右側(cè)半球空間所發(fā)射的熱輻射功率P90的比值η為η＝P60/P90＝0.75。
(5)由于整個(gè)致冷片向其右側(cè)的半錐角等于60°的圓錐內(nèi)所發(fā)射的熱輻射能量可入射到透鏡列陣反射膜上的各透光孔，并經(jīng)漫透射透出，因此薄板內(nèi)從致冷片到致熱片的熱輻射能量的透過(guò)率TR為TR＝εη(1-RT)τKRα＝0.567。(6)由(4)，(6)式可見(jiàn)，在薄板內(nèi)，從左向右的熱輻射能量會(huì)比從右向左的熱輻射能量大很多，它們之間的能流凈差值即為熱能量從薄板左壁向薄板右壁的轉(zhuǎn)運(yùn)值，也為薄板右壁向薄板左壁吸收因而給予左壁的制冷量。
圖4是本發(fā)明裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的第二個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，圖中20是平凸球面透鏡列陣薄板，在各透鏡的凸球面(圖中21)鍍有多層紅外增透膜，在各透鏡的另一側(cè)的平面(圖中22)鍍有帶透光孔的紅外反射膜，采用光學(xué)細(xì)磨工藝將各透光孔表面也制成均勻的漫透射面，圖中23是氣密用透明薄片，在其兩表面也鍍有紅外增透膜，在透鏡列陣和透明薄片之間的間隙適當(dāng)?shù)厍度爰?xì)隔條(例如圖中24)，再沿兩者的周邊，用低導(dǎo)熱材料(圖中25和26)進(jìn)行粘合，并在密封前將兩者之中的間隙抽成真空。
在本實(shí)施例中，透鏡列陣也是用M個(gè)周邊形狀為正六邊形的平凸球面透鏡進(jìn)行邊緣密接而組成，且也采用碲化鉛(PbTe)材料，其平面一側(cè)的反射膜也采用鋁膜，而氣密用透明薄片則采用折射率較低的材料，在本例中用熱壓碲化鎘(CdTe)制成，其紅外透明范圍是0.9μm到31μm，在該范圍內(nèi)的平均折射率是2.70(參閱中文書籍《激光與紅外技術(shù)手冊(cè)》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國(guó)防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第92頁(yè))，氣密透明薄片在距離反射膜10毫米處放置。
若列陣中的透鏡仍用厚度H為10.637毫米，曲面的曲率半徑為10毫米的平凸透鏡，并取透鏡的內(nèi)接圓半徑D為5毫米，其反射膜上透光孔的內(nèi)接圓半徑d為1.635毫米，以及使各透鏡凸球面的光強(qiáng)反射率RT為0.05，其透光孔表面的從光密到光疏介質(zhì)的單向漫透射比τKR為0.90，而從光疏到光密介質(zhì)的單向漫透射比τKL為0.95，另外使氣密用透明薄片兩表面的光強(qiáng)反射率RB為0.02(低折射率的材料易獲得低表面反射率)，則熱輻射能量從右向左通過(guò)該復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的透過(guò)率TL為TL＝[(1-RR)(d/D)]2τKL(1-RT)＝0.093。(7)而對(duì)于從左向右通過(guò)該復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的熱輻射能量，如同實(shí)施例1中的分析，且注意來(lái)自透鏡列陣左側(cè)半球空間的熱輻射功率P90中也只有比值為η＝P60/P90＝0.75的部分可入射到反射膜上的各漫透射孔(假設(shè)透鏡列陣左側(cè)發(fā)出熱輻射的物體也近似是朗伯發(fā)射體)，因此其透過(guò)率TR為TR＝η(1-RT)τKR(1-RB)2＝0.616， (8)可見(jiàn)，該種復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板也可對(duì)由其兩側(cè)入射的熱輻射能量造成很大的凈差值單向流動(dòng)。
圖5是本發(fā)明裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的第三個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，圖中27是薄板狀正棱臺(tái)列陣，它由M個(gè)上下底面均為正六邊形的正棱臺(tái)所組成，列陣中每個(gè)棱臺(tái)的上底面(圖中28)的內(nèi)接圓半徑為D，下底面(圖中29)的內(nèi)接圓半徑為d(d＜D)，各棱臺(tái)的上底面相互密接。在每個(gè)棱臺(tái)的六個(gè)斜面(圖中30)上，鍍有鋁反射膜，在各棱臺(tái)的上底面上，鍍有紅外增透膜，而將各棱臺(tái)的下底面制成漫透射面。圖中31是氣密用透明薄片，其兩表面也鍍有紅外增透膜，氣密透明薄片與棱臺(tái)列陣的下底面間隔10毫米，在氣密薄片與棱臺(tái)列陣之間的間隙也可適當(dāng)?shù)厍度爰?xì)隔條(例如圖中32)，再沿兩者的周邊，用低導(dǎo)熱材料(圖中33和34)進(jìn)行粘合，并在密封前將兩者之中的間隙抽成真空。
設(shè)棱臺(tái)列陣和氣密用透明薄片均采用熱壓碲化鎘(CdTe)材料制成，棱臺(tái)的高H為6毫米，上底面內(nèi)接圓半徑D＝6毫米，下底面的內(nèi)接圓半徑d＝3毫米。
顯然，對(duì)于從棱臺(tái)下底面一側(cè)入射的強(qiáng)度分布均勻的熱輻射場(chǎng)，入射到各棱臺(tái)下底面的光線都可以通過(guò)，而入射到各棱臺(tái)的斜側(cè)面的光線將被鋁反射膜反射而不能通過(guò)，由于棱臺(tái)下底面與上底面的面積之比為(d/D)2，當(dāng)棱臺(tái)上底面的光強(qiáng)反射率RG為0.02，棱臺(tái)下底面的從光密到光疏介質(zhì)的單向漫透射比τKR為0.90，而從光疏到光密介質(zhì)的單向漫透射比τKL為0.95，另外氣密透明薄片兩面的光強(qiáng)反射率RB＝0.02時(shí)，則熱輻射能量從右向左通過(guò)該復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的透過(guò)率TL為TL＝[(1-RB)(d/D)]2τKL(1-RG)＝0.224。 (9)而對(duì)于從棱臺(tái)上底面一側(cè)入射的強(qiáng)度分布均勻的熱輻射場(chǎng)，因?yàn)樾眰?cè)面鍍有反射膜的棱臺(tái)對(duì)從其大端面入射的光束具有折射和會(huì)聚的作用，因此其透過(guò)率會(huì)提高。設(shè)從棱臺(tái)的上底面入射的光線中只有入射角小于±45°的光線才可以通過(guò)棱臺(tái)列陣，于是先要計(jì)算整個(gè)棱臺(tái)列陣從其左側(cè)的半錐角等于45°的圓錐內(nèi)所接收到的熱輻射功率與整個(gè)棱臺(tái)列陣從其左側(cè)半球空間所接收到的熱輻射功率的二者的比值η。
假設(shè)棱臺(tái)列陣左側(cè)發(fā)出熱輻射的物體也近似是朗伯發(fā)射體，于是用與實(shí)施例1中類似的計(jì)算，可得η的值為η＝P45/P90＝0.50，因此熱輻射能量從左向右通過(guò)該復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的透過(guò)率TR為TR＝η(1-RG)τKR(1-RB)2＝0.424，(10)所以，該種復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板對(duì)其兩側(cè)的熱輻射場(chǎng)的透過(guò)率也是明顯不相等的。
上述復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的三個(gè)實(shí)施例中所提供的結(jié)構(gòu)參數(shù)均為初步設(shè)計(jì)值，都可以利用現(xiàn)有光學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)而使它們的結(jié)構(gòu)參數(shù)更加適當(dāng)，從而進(jìn)一步提高其透過(guò)率的方向差異性性能。
圖6是本發(fā)明裝置作為冰箱的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面的殼壁(圖中35和36是其中的兩個(gè)側(cè)面殼壁，圖中37是上頂面殼壁)均用上述第一個(gè)實(shí)施例中所說(shuō)的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板構(gòu)成，另用一絕熱材料做成下部托板(圖中38)以增加裝置的承重能力，五塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板和一塊絕熱板的周邊相互密合，構(gòu)成一氣密容器，將五塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的致冷片都朝向容器的內(nèi)側(cè)，并將其中一側(cè)面的一塊復(fù)合結(jié)構(gòu)板安裝成可開(kāi)閉式作為門，圖中39是放置于該裝置內(nèi)的物品。
利用普朗克熱輻射定律(參閱中文書籍《激光與紅外技術(shù)手冊(cè)》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國(guó)防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第1-11頁(yè))ro＝2πhc2λ-5[e(hc/kλT)-1]-1，h＝6.626×10-34焦耳·秒，c＝2.99792458×1014微米·秒-1，k＝1.3806×10-23焦耳·開(kāi)氏度-1，(11)[式中λ是波長(zhǎng)(單位微米)，T是絕對(duì)溫度(單位開(kāi)氏度)]，在3微米到30微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)ro進(jìn)行積分可得到不同溫度的黑體在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻出射度，也即在不同溫度下和在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，從一平方米表面積的黑體輻射到半球空間的總熱輻射通量，表1列出了一些具體計(jì)算值。
設(shè)裝置的外體積為560mm×520mm×1500mm，這約為常見(jiàn)家用200升雙門冰箱的體積，于是裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁的總面積為3.5312米2，裝置的下底面殼壁的面積為0.2912米2。裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁的外側(cè)致熱片是采用薄鋼板制成，鋼的熱導(dǎo)率αG為56瓦·米-1·開(kāi)氏度-1，而空氣與金屬板接觸時(shí)的熱對(duì)流放熱系數(shù)αQ為444.444瓦·米-2·開(kāi)氏度-1。利用熱傳導(dǎo)公式和熱對(duì)流公式，則有QG＝[αG(t1-t2)]/δ，(12)QQ＝αQ(t1-t2)， (13)式中QG是單位面積的薄鋼板的熱傳導(dǎo)功率，(t1-t2)是薄鋼板兩側(cè)表面的溫差，δ是薄鋼板的厚度，而QQ則是空氣與薄鋼板接觸時(shí)通過(guò)對(duì)流而帶走熱量的速率。代入(t1-t2)＝1開(kāi)氏度，δ＝0.5毫米，得到QG為每平方米112×103瓦，QQ為每平方米444.444瓦。再設(shè)裝置的下底面殼壁是采用冰箱常用的隔熱材料硬質(zhì)聚氨酯(聚酯不連續(xù)氣泡，充填在用適當(dāng)材料制成的薄板狀中空容器內(nèi))，其熱導(dǎo)率αD為0.024瓦·米-1·開(kāi)氏度-1(可參閱中文書籍《制冷空調(diào)原理與設(shè)備》，徐德勝，鄔振耀主編，上海交通大學(xué)出版社，1996年2月第1版，第25-27，30-32頁(yè))。
表1一平方米表面積的黑體輻射到半球空間的總熱輻射通量(波長(zhǎng)范圍3微米-30微米)
設(shè)在某一初始時(shí)刻，裝置內(nèi)的空間和物品與裝置外的環(huán)境處于某一相同的室溫t，設(shè)t為攝氏20度，然后裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁便以不同的速率向裝置內(nèi)和向裝置外傳輸熱能量。由于裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁是20攝氏度，于是它們的致熱片的內(nèi)側(cè)發(fā)射面向裝置內(nèi)發(fā)射的熱輻射功率為PBN＝SBP20TL， (14)式中SB是裝置四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁的總面積，P20是黑體20攝氏度時(shí)在3微米到30微米范圍內(nèi)所輻射的熱功率，TL則由(4)式給出，代入SB＝3.5312米2，P20＝369.78瓦·米-2和TL＝0.085，得到PBN＝110.990瓦。由于薄鋼板的熱傳導(dǎo)功率和空氣與薄鋼板外側(cè)的熱對(duì)流放熱速率都比復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板對(duì)熱輻射的透過(guò)率大，故PBN值也即近似為裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁向裝置內(nèi)發(fā)射的熱輻射功率。
而裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁的致冷片的內(nèi)側(cè)發(fā)射面向裝置外發(fā)射的熱輻射功率為PBW＝SBP20TR， (15)式中TR由(6)式給出，同樣代入SB＝3.5312米2，P20＝369.78瓦·米-2以及TR＝0.567，得到PBW＝740.370瓦，其也近似為裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁向裝置外發(fā)射的熱輻射功率。
由于裝置內(nèi)外在制冷開(kāi)始時(shí)溫差不大，故此時(shí)裝置的下底面殼壁造成的向裝置內(nèi)的熱漏可以忽略。
裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁的向裝置內(nèi)和向裝置外輸送熱能量的功率的差值即為該裝置的有效制冷功率，從上可知，其在攝氏20度開(kāi)始制冷時(shí)，制冷功率可達(dá)629.380瓦，這已經(jīng)大于一般家用200升雙門冰箱的制冷功率。
當(dāng)然，隨著裝置內(nèi)的空間和物體的逐漸變冷，它們發(fā)出的熱輻射能量會(huì)逐漸減少，因此使裝置的進(jìn)一步制冷的功率也逐漸減小，當(dāng)裝置內(nèi)的物體向外發(fā)出的熱輻射能量最終與從裝置外射入的熱輻射能量相等時(shí)，該裝置內(nèi)的空間和物體便維持在一種溫度不變的低溫狀態(tài)下(設(shè)此時(shí)的溫度為td)。
由裝置內(nèi)的空間和物體與裝置外的環(huán)境在溫度不同的情況下處于熱平衡的條件，有
PBW＝PBN+PDN， (16)式中PBW和PBN上已述，分別是裝置的四個(gè)側(cè)面和上頂面殼壁的致冷片和致熱片向裝置外和裝置內(nèi)發(fā)射的熱輻射功率，注意PBW雖仍有(15)式定義，但其中的黑體輻射功率P20應(yīng)改為黑體在低溫溫度td時(shí)的輻射功率Ptd。而式中的PDN是裝置的下底面殼壁向裝置內(nèi)的熱漏速率，其有下式給出PDN＝[αD(t1-td)SD]/δD， (17)式中αD是下底面殼壁材料的熱傳導(dǎo)功率，(t1-td)是下底面殼壁兩側(cè)表面的溫差，SD是下底面殼壁的面積，而δD是下底面殼壁的厚度。代入αD＝0.024瓦·米-1·開(kāi)氏度-1，t1＝20攝氏度，td＝-30攝氏度，δD＝6厘米，SD＝0.2912米2，得到PDN＝5.824瓦。
由于PBN＝110.990瓦，可知只要PBW大于116.814瓦，裝置內(nèi)空間和物體的溫度便可降至攝氏負(fù)30度以下，由上述表1可知，黑體在攝氏負(fù)30度時(shí)的輻射功率P-30＝163.19瓦，由(15)式可知裝置內(nèi)的空間和物體在攝氏負(fù)30度時(shí)向外發(fā)出的熱輻射功率PBW＝326.737瓦，其仍然明顯大于此時(shí)裝置外的環(huán)境向其內(nèi)輸入的熱輻射的功率值PBN+PDN，因此該裝置可對(duì)其內(nèi)的空間和物體繼續(xù)制冷，使溫度降至攝氏負(fù)30度以下，顯然這已滿足作為一般家用冰箱的需要。
圖7是本發(fā)明裝置作為居室溫調(diào)器的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中40是居室中安裝有或可以安裝窗戶的某一面墻壁，圖中41是該面墻壁上可以采光的普通窗戶，圖中42，43，44和45是用上述第一個(gè)實(shí)施例中所說(shuō)的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板所構(gòu)成的四個(gè)獨(dú)立的居室溫調(diào)器，并采用適當(dāng)?shù)墓潭C(jī)構(gòu)，例如在復(fù)合結(jié)構(gòu)板的上下或左右邊緣的中間安裝轉(zhuǎn)軸，以使它們側(cè)面的朝向能較易翻轉(zhuǎn)180度。
在氣溫炎熱時(shí)，可將四塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的致熱片一側(cè)朝向室外，設(shè)每塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的面積為1平方米，再設(shè)室內(nèi)室外的溫度均為攝氏40度，于是四塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板向室外輸運(yùn)熱能量的功率近似為
PWW＝SWP40TR， (18)代入SW＝4米2，P40＝490.48瓦·米-2和TR＝0.567，得到PWW＝1112.409瓦。而四塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板向室內(nèi)輸運(yùn)熱能量的功率近似為PWN＝SWP40TL， (19)代入各值和TL＝0.085，得到PWN＝166.646瓦。因此由該四塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板所構(gòu)成的四個(gè)居室溫調(diào)器的總制冷功率在制冷開(kāi)始時(shí)為945.646瓦。
而在氣溫寒冷時(shí)，則可將四塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板的致熱片一側(cè)翻轉(zhuǎn)朝向室內(nèi)，若設(shè)此時(shí)室內(nèi)室外的溫度均為攝氏零下10度，于是四塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板向室外輸運(yùn)熱能量的功率近似為PWW＝SWP-10TL， (20)代入各值和P-10＝231.42瓦·米-2，得到PWW＝78.683瓦。而四塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板向室內(nèi)輸運(yùn)熱能量的功率近似為PWN＝SWP-10TR，(21)代入各值，得到PWN＝524.861瓦。因此由該四塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板所構(gòu)成的四個(gè)居室溫調(diào)器的總加熱功率在加熱開(kāi)始時(shí)為446.178瓦。
將四塊復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板中的一塊或兩塊的致熱片一側(cè)朝向室外，而余下的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的致熱片一側(cè)朝向室內(nèi)，則可調(diào)整由其合成的總的居室溫調(diào)器的制冷或加熱功率，以適應(yīng)在不同氣溫條件下對(duì)氣溫調(diào)節(jié)程度的需要，當(dāng)春秋季不需對(duì)室溫進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，則可將一半復(fù)合結(jié)構(gòu)板的致熱片朝外，一半復(fù)合結(jié)構(gòu)板的致熱片朝內(nèi)，從而使合成制冷或加熱功率近似為零。
圖8是本發(fā)明裝置作為溫差發(fā)電堆的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中J1，…，Jk+1，Jk+2，Jk+3，Jk+4，…，JM是M個(gè)對(duì)其內(nèi)空間和物體致冷或致熱的基元裝置，其中腳標(biāo)序號(hào)為奇數(shù)的基元裝置為致冷裝置，例如圖中J1，…Jk+1，Jk+3，…，JM-1，而腳標(biāo)序號(hào)為偶數(shù)的基元裝置為致熱裝置，例如圖中的J2，…，Jk+2，Jk+4，…，JM，其中的致冷裝置的兩側(cè)壁(例如圖中46，47，48和49)，是用上述第一個(gè)實(shí)施例中所說(shuō)的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板構(gòu)成，且致冷片都朝向裝置內(nèi)側(cè)，并沿兩側(cè)壁的周邊用熱導(dǎo)率低的材料進(jìn)行密封粘合，而其中的致熱裝置的兩側(cè)壁(例如圖中50，51，52和53)，也是用上述第一個(gè)實(shí)施例中所說(shuō)的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板構(gòu)成，不過(guò)致冷片都朝向裝置外側(cè)，且也沿兩側(cè)壁的周邊用熱導(dǎo)率低的材料進(jìn)行密封粘合。
在每個(gè)致冷裝置內(nèi)，放置用半導(dǎo)體材料制成的溫差電偶的冷端接觸板，例如圖中54和55，而在每個(gè)致熱裝置內(nèi)，放置用半導(dǎo)體材料制成的溫差電偶的熱端接觸板，例如圖中56和57，這些接觸板由導(dǎo)線(例如圖中58，59和60)在裝置外依序作串聯(lián)連接，構(gòu)成溫差電堆。
由上述對(duì)圖6所示的冰箱的實(shí)施例的說(shuō)明可知，各個(gè)致冷基元裝置內(nèi)的空間和物體會(huì)降溫變冷，而各個(gè)致熱基元裝置內(nèi)的空間和物體會(huì)升溫變熱。由于每?jī)蓚€(gè)相鄰的基元裝置都構(gòu)成一個(gè)溫差電偶，而每個(gè)電偶的冷端與熱端接觸板又處于不同的溫度中，于是在連接每個(gè)電偶的冷端與熱端接觸板的導(dǎo)線的兩端便會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，各個(gè)電偶的串聯(lián)連接又會(huì)使總電動(dòng)勢(shì)增強(qiáng)，當(dāng)再用另一導(dǎo)線(圖中61)將由這些溫差電偶所組成的溫差電堆的兩個(gè)輸出端閉合連接，在閉合回路中就會(huì)有電流流動(dòng)，并對(duì)連接在回路中的用電器(圖中62)作功(可參閱中文書籍《電磁學(xué)》，上冊(cè)，趙凱華，陳熙謀著，人民教育出版社，1978年4月第1版，第248-254頁(yè))。
雖然各個(gè)致冷基元裝置向外界放熱，而各個(gè)致熱基元裝置又從外界吸熱，但總的放出的熱量與吸收的熱量會(huì)存在一個(gè)差值，這個(gè)差值便是轉(zhuǎn)化成溫差電堆所產(chǎn)生的電能的來(lái)源。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)制冷與聚熱的方法，其特征在于制作薄板形光學(xué)會(huì)聚元件列陣，在其一側(cè)表面鍍帶有透光孔的反射膜，使一側(cè)入射的熱輻射場(chǎng)無(wú)會(huì)聚地從透光孔透過(guò)，而使另一側(cè)入射的熱輻射場(chǎng)會(huì)聚地從透光孔通過(guò)，也可以將透光孔的表面制作成漫透射、散透射或吸收發(fā)射面以再提高熱輻射場(chǎng)由無(wú)反射膜一側(cè)向另一側(cè)的透過(guò)比，再制作氣密用薄片，將其與會(huì)聚元件列陣沿周邊粘合，并將其中預(yù)留的短間隙抽成真空，以制成一種兩表面之間的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)很小，但兩面的對(duì)熱輻射的透過(guò)率卻不相等的薄板形復(fù)合結(jié)構(gòu)，用該復(fù)合結(jié)構(gòu)板作為部分或全部的殼壁，且通過(guò)選擇殼壁面的朝向而構(gòu)成制冷或者聚熱裝置。
2.一種實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說(shuō)的光學(xué)會(huì)聚元件列陣是用對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高透射率的材料，例如碲化鉛、碲化鎘、鍺、硅等制作多個(gè)周邊形狀為正N邊形的平凸球面或雙凸球面或凸凹球面正透鏡，再將各透鏡的邊緣相互密合而制成，也可以采用預(yù)先加工好的球面正透鏡列陣的模具，用模壓工藝制造而成；所說(shuō)的在會(huì)聚元件列陣的一側(cè)表面鍍帶有透光孔的反射膜，是用對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高反射率的材料，例如鋁、金、銀、鈹?shù)龋谕哥R列陣的一側(cè)表面，例如平凸球面透鏡列陣的平面一側(cè)的表面，凸凹球面透鏡列陣的凹面一側(cè)的表面，雙凸球面透鏡列陣的某凸面一側(cè)的表面鍍制高反射率反射膜，并以各透鏡的光軸與預(yù)鍍膜表面的相交點(diǎn)為中心點(diǎn)，在鍍反射膜時(shí)預(yù)留或反射膜鍍好后再制作邊數(shù)與對(duì)應(yīng)的透鏡相同而內(nèi)接圓半徑d小于對(duì)應(yīng)的透鏡的內(nèi)接圓半徑D的正N邊形通孔；所說(shuō)的將透光孔的表面制作成漫透射、散透射或吸收發(fā)射面是將各透光孔的表面用光學(xué)打毛或細(xì)磨等工藝制作成漫透射面，或用光膠一薄的散射介質(zhì)層而制作成散透射面，或用光膠一薄的強(qiáng)吸收、強(qiáng)發(fā)射介質(zhì)層而制作成吸收發(fā)射面；所說(shuō)的透鏡列陣中透鏡和反射膜上透光孔的邊數(shù)N取四、六等可使各透鏡的邊緣相互密合的值；所說(shuō)的氣密用薄片則是用對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高透射率的材料制作而成的薄片；所說(shuō)的透鏡列陣的無(wú)反射膜一側(cè)的表面、各透光孔的表面以及氣密用透明薄片的兩側(cè)的表面可以鍍單層或多層增透膜；當(dāng)各透光孔的表面是漫透射或漫散射面時(shí)，也可以在其上鍍薄單層或薄多層增透膜；所說(shuō)的將氣密用薄片與會(huì)聚元件列陣沿周邊粘合，并將其中預(yù)留的短間隙抽成真空，是在透鏡列陣的鍍反射膜的一側(cè)，間隔一短距離平行放置透明氣密薄片，并可以在透鏡列陣薄板與透明薄片之間的間隙間隔地嵌入細(xì)隔條，然后用具有低導(dǎo)熱系數(shù)的材料沿兩者的周邊進(jìn)行粘合，并在密封前將它們之中的間隙抽成真空，從而制成裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板。
3.一種實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說(shuō)的氣密用薄片是用兩側(cè)表面或單側(cè)表面對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高吸收率的材料，例如無(wú)光氧化熟鐵、表面粗糙或粗糙氧化的鋼、充分氧化的銅、氧化的黃銅、鋁青銅、陽(yáng)極處理過(guò)的鋁板等制作而成，其也即為致熱片，將其與所說(shuō)的薄板形光學(xué)會(huì)聚元件列陣組合，組合時(shí)將氣密薄片也即致熱片置于會(huì)聚元件列陣的鍍反射膜的一側(cè)，且將其對(duì)熱輻射具有高吸收率的一面或其中一面朝向會(huì)聚元件列陣，并與列陣之間留有一短間隙，也可以在間隙中間隔地嵌入細(xì)隔條，然后用具有低導(dǎo)熱系數(shù)的材料將兩者的周邊粘合，并將其中的間隙抽空，從而制成裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板。
4.一種實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說(shuō)的氣密用薄片制作兩片，一片是用兩側(cè)表面或單側(cè)表面對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高發(fā)射率的材料制作而成，其也即為致冷片，另一片是用兩側(cè)表面或單側(cè)表面對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高吸收率的材料制作而成，其也即為致熱片，將它們與所說(shuō)的薄板形光學(xué)會(huì)聚元件列陣組合，表面具有高發(fā)射率和高吸收率的兩氣密片，也即致冷片和致熱片分別置于會(huì)聚元件列陣薄板的無(wú)反射膜和鍍反射膜的兩側(cè)，且分別將它們對(duì)熱輻射具有高發(fā)射率或高吸收率的一面或其中一面朝向元件列陣，并分別與列陣之間留有適當(dāng)?shù)亩涕g隙，也可以在間隙中間隔地嵌入細(xì)隔條，然后用具有低導(dǎo)熱系數(shù)的材料將三者的周邊粘合，并將它們之中的間隙抽空，從而制成裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板。
5.一種實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說(shuō)的光學(xué)會(huì)聚元件列陣是用對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高透射率的材料制作多個(gè)上下底面均為正N邊形，且上底面的內(nèi)接圓半徑D大于下底面的內(nèi)接圓半徑d的正棱臺(tái)，各棱臺(tái)的上底面邊緣相互密合，組成薄板狀正棱臺(tái)列陣；在各棱臺(tái)的N側(cè)斜面上，鍍上對(duì)紅外波段，或者對(duì)由紅外波段延伸至可見(jiàn)甚至紫外波段的光輻射具有高反射率的反射膜，而在各棱臺(tái)的上下底面上，或者都鍍上增透膜，或者僅在各棱臺(tái)的上底面鍍?cè)鐾改?，而將各棱臺(tái)的下底面或用光學(xué)打毛或細(xì)磨等工藝制作成漫透射面，或用光膠薄散射介質(zhì)層而制作成散透射面，或用光膠薄的強(qiáng)吸收和強(qiáng)發(fā)射介質(zhì)層而制作成吸收發(fā)射面，且還可以在被制成漫透射或散透射面的下底表面再鍍單層或多層增透膜；各棱臺(tái)上下底面的邊數(shù)N也取四、六等可使各棱臺(tái)上底面的邊緣相互密合的值；然后將此薄板狀正棱臺(tái)列陣，或者與一氣密用透明薄片相組合，并使氣密薄片位于棱臺(tái)列陣的下底面一側(cè)；或者與一表面具有高吸收率的氣密兼致熱片相組合，并使氣密兼致熱片位于棱臺(tái)列陣的下底面一側(cè)且將其高吸收率面朝向棱臺(tái)列陣；或者與一表面具有高吸收率的氣密兼致熱片和一表面具有高發(fā)射率的氣密兼致冷片相組合，并使表面高發(fā)射的氣密兼致冷片位于棱臺(tái)列陣的上底面一側(cè)，表面高吸收的氣密兼致熱片位于棱臺(tái)列陣的下底面一側(cè)，且將它們的高發(fā)射率或高吸收率面朝向棱臺(tái)列陣；再分別按這三種組合，將其中的組件沿周邊粘合，并將其中預(yù)留的短間隙抽空，從而制成裝置的基本構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板。
6.一種實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說(shuō)的殼壁可由單層復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板構(gòu)成，也可由雙層或數(shù)層復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板構(gòu)成；當(dāng)裝置僅有部分殼壁是用復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板制成時(shí)，其它的殼壁最好應(yīng)選用合適的絕熱材料制成。
7.一種實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說(shuō)的用復(fù)合結(jié)構(gòu)板作為部分或全部的殼壁而構(gòu)成制冷或者聚熱裝置，是使用所說(shuō)的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板作為部分或全部的殼壁，包括作為可開(kāi)閉的門或窗，或作為側(cè)面朝向可反轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)窗，而構(gòu)成需要對(duì)其內(nèi)空間或物體致冷或致熱的種類廣泛的裝置，例如冰箱、冷柜、冷庫(kù)、溫調(diào)房間、車船溫調(diào)倉(cāng)室、需致冷或加熱的特種儀器或裝備的外包容器等；還可以是使用所說(shuō)的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄板作為部分或全部的殼壁先構(gòu)成基元裝置，再在對(duì)基元裝置內(nèi)的空間或物體致冷或致熱的基礎(chǔ)上，結(jié)合公知的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)而構(gòu)成的新型能源裝置，例如溫差電堆、熱能轉(zhuǎn)換動(dòng)力源等。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光學(xué)制冷與聚熱的方法及裝置,其特征是制作一種含有光學(xué)會(huì)聚元件列陣的薄板形復(fù)合結(jié)構(gòu),其兩表面之間的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)很小,但兩面的對(duì)熱輻射的透過(guò)率卻不相等,用其作為殼壁并通過(guò)選擇殼壁面的朝向而構(gòu)成一種新型的制冷或聚熱裝置,該種裝置工作時(shí)無(wú)能耗,無(wú)污染,無(wú)震動(dòng),無(wú)噪聲,且具有足夠的制冷或聚熱能力,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,故裝置壽命長(zhǎng),該種新型裝置具有廣泛和重要的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)F24J3/00GK1193093SQ9710063
公開(kāi)日1998年9月16日 申請(qǐng)日期1997年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月12日
發(fā)明者柳尚青 申請(qǐng)人:柳尚青