專利名稱：無能耗光學制冷與聚熱的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制冷與聚熱的方法及裝置，尤其是光學輻射制冷與聚熱的方法及裝置。
現有的制冷方法主要有氣體壓縮制冷、溫差電偶制冷、化學制冷等，相應的裝置為蒸氣壓縮式制冷機、半導體溫差電偶制冷器和化學制冷設備等(可參閱中文書籍《制冷空調原理與設備》，徐德勝，鄔振耀主編，上海交通大學出版社，1996年2月第1版，第1頁)，特別是蒸氣壓縮式制冷機，由于其制冷效果好因而在現有各種制冷裝置中處于主導地位。而現有的聚熱方法及裝置則主要有各種公知的太陽能應用方法及裝置，例如凹面反射鏡式太陽炊、內壁涂黑的吸收式太陽能熱管和熱箱等。這些制冷與聚熱裝置，特別是制冷裝置在食品儲藏、室溫調節(jié)、化工生產、衛(wèi)生醫(yī)療、科研軍事等諸多方面有著廣泛的應用。
上述制冷裝置工作時均需功率驅動，因而都要耗費能源。其中的蒸氣壓縮式制冷機當以氟利昂為制冷劑時還會對大氣造成污染，另外由于其核心部件壓縮機是機械運動器件，故會產生震動和噪聲，以及存在工作壽命不長和需要維護等缺陷。上述聚熱裝置工作時雖然不需外能驅動，但卻要有溫度更高、熱量更大的熱源，例如太陽，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能耗，無污染，具有足夠的可滿足一定實用需要的制冷或聚熱能力，聚熱時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，以及實施該方法的無機械運動部件，工作時無震動和噪聲，可以少維護甚至免維護，壽命極長，基本構件結構簡單并為薄板狀，自重輕，而且容積體積比大的裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現的制作薄板形光學會聚元件列陣，在其一側表面鍍帶有透光孔的反射膜，使一側入射的熱輻射場無會聚地從透光孔透過，而使另一側入射的熱輻射場會聚地從透光孔通過，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由無反射膜一側向另一側的透過比，再制作氣密用薄片，將其與會聚元件列陣沿周邊粘合，并將其中預留的短間隙抽成真空，以制成一種兩表面之間的熱對流、熱傳導很小，但兩面的對熱輻射的透過率卻不相等的薄板形復合結構，用該復合結構板作為部分或全部的殼壁，且通過選擇殼壁面的朝向而構成制冷或者聚熱裝置。
為實施本發(fā)明方法，所說的光學會聚元件列陣是用對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見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；所說的在會聚元件列陣的一側表面鍍帶有透光孔的反射膜，是用對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見甚至紫外波段的光輻射具有高反射率的材料，例如鋁、金、銀、鈹等，在透鏡列陣的一側表面，例如平凸球面透鏡列陣的平面一側的表面，凸凹球面透鏡列陣的凹面一側的表面，雙凸球面透鏡列陣的某凸面一側的表面鍍制高反射率反射膜，并以各透鏡的光軸與預鍍膜表面的相交點為中心點，在鍍反射膜時預留或反射膜鍍好后再制作邊數與對應的透鏡相同而內接圓半徑d小于對應的透鏡的內接圓半徑D的正N邊形通孔；所說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打毛或細磨等工藝制作成漫透射面，或用光膠一薄的散射介質層而制作成散透射面，或用光膠一薄的強吸收、強發(fā)射介質層而制作成吸收發(fā)射面；所說的透鏡列陣中透鏡和反射膜上透光孔的邊數N取四、六等可使各透鏡的邊緣相互密合的值；所說的氣密用薄片則是用對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見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；所說的透鏡列陣的無反射膜一側的表面、各透光孔的表面以及氣密用透明薄片的兩側的表面可以鍍單層或多層增透膜；當各透光孔的表面是漫透射或漫散射面時，也可以在其上鍍薄單層或薄多層增透膜；所說的將氣密用薄片與會聚元件列陣沿周邊粘合，并將其中預留的短間隙抽成真空，是在透鏡列陣的鍍反射膜的一側，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隔條，以增大列陣薄板與透明薄片的抗壓強度，或使它們之中的間隙再分隔成若干互相氣密的子間隙，然后用具有低導熱系數的材料沿兩者的周邊進行粘合，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件復合結構薄板。
為實施本發(fā)明方法，所說的氣密用薄片也可以是用兩側表面或單側表面對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見甚至紫外波段的光輻射具有高吸收率的材料，例如無光氧化熟鐵、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、陽極處理過的鋁板等(參閱中文書籍《激光與紅外技術手冊》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第12-14頁)制作而成，其也即為致熱片，將其與所說的薄板形光學會聚元件列陣組合，組合時將氣密薄片也即致熱片置于會聚元件列陣的鍍反射膜的一側，且將其對熱輻射具有高吸收率的一面或其中一面朝向會聚元件列陣，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隔條，然后用具有低導熱系數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件復合結構薄板。
為實施本發(fā)明方法，所說的氣密用薄片還可以被制作成兩片，一片是用兩側表面或單側表面對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見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《激光與紅外技術手冊》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第12頁)，其也即為致冷片，另一片是用兩側表面或單側表面對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見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，將它們與所說的薄板形光學會聚元件列陣組合，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聚元件列陣薄板的無反射膜和鍍反射膜的兩側，且分別將它們對熱輻射具有高發(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的短間隙，也可以在間隙中間隔地嵌入細隔條，然后用具有低導熱系數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件復合結構薄板。
為實施本發(fā)明方法，所說的光學會聚元件列陣也可以是用對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見甚至紫外波段的光輻射具有高透射率的材料制作多個上下底面均為正N邊形，且上底面的內接圓半徑D大于下底面的內接圓半徑d的正棱臺，各棱臺的上底面邊緣相互密合，組成薄板狀正棱臺列陣；在各棱臺的N側斜面上，鍍上對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見甚至紫外波段的光輻射具有高反射率的反射膜，而在各棱臺的上下底面上，或者都鍍上增透膜，或者僅在各棱臺的上底面鍍增透膜，而將各棱臺的下底面或用光學打毛或細磨等工藝制作成漫透射面，或用光膠薄散射介質層而制作成散透射面，或用光膠薄的強吸收和強發(fā)射介質層而制作成吸收發(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；各棱臺上下底面的邊數N也取四、六等可使各棱臺上底面的邊緣相互密合的值；然后將此薄板狀正棱臺列陣，或者與一氣密用透明薄片相組合，并使氣密薄片位于棱臺列陣的下底面一側；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列陣的下底面一側且將其高吸收率面朝向棱臺列陣；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列陣的上底面一側，表面高吸收的氣密兼致熱片位于棱臺列陣的下底面一側，且將它們的高發(fā)射率或高吸收率面朝向棱臺列陣；再分別按這三種組合，將其中的組件沿周邊粘合，并將其中預留的短間隙抽空，從而制成裝置的基本構件復合結構薄板。
為實施本發(fā)明方法，所說的殼壁可由單層復合結構薄板構成，也可由雙層或數層復合結構薄板構成；當裝置僅有部分殼壁是用復合結構薄板制成時，其它的殼壁最好應選用合適的絕熱材料制成。
為實施本發(fā)明方法，所說的用復合結構板作為部分或全部的殼壁而構成制冷或者聚熱裝置，是使用所說的復合結構薄板作為部分或全部的殼壁，包括作為可開閉的門或窗，或作為側面朝向可反轉的翻轉窗，而構成需要對其內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、溫調房間、車船溫調倉室、需致冷或加熱的特種儀器或裝備的外包容器等；還可以是使用所說的復合結構薄板作為部分或全部的殼壁先構成基元裝置，再在對基元裝置內的空間或物體致冷或致熱的基礎上，結合公知的能量轉換技術而構成的新型能源裝置，例如溫差電堆、熱能轉換動力源等。
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，即熱對流、熱傳導和熱輻射。當使用上述各方案中所說的復合結構薄板作為全部的殼壁而構成某一封閉裝置時，首先由于薄板內已抽成真空，故裝置內外的熱對流很小可以忽略；其次，由于連結薄板內外壁的是導熱系數很低的材料，并僅僅分布在薄板的周邊因而導熱面積窄小，故裝置內外的熱傳導也很小因此也可以被忽略；所以我們只需要考慮裝置內外熱輻射的作用。當上述所說的裝置僅有部分殼壁是用復合結構薄板制成時，如果其它的殼壁是采用絕熱材料制成，則裝置內外的熱對流、熱傳導也很小，因此也可以被忽略而只需要考慮裝置內外熱輻射的作用。
任何溫度高于絕對零度的物體都會向其四周發(fā)出熱輻射，由普朗克熱輻射定律可知，對于絕大多數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，同時又接收其周圍環(huán)境射來的熱輻射，當其發(fā)出的熱輻射能量和其接收的熱輻射能量相等時，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，該裝置內外之間的熱對流、熱傳導可以忽略，但其部分或全部的殼壁對于向內和向外的熱輻射的透過率卻不相等，則從內向裝置外發(fā)出的熱輻射能量和從外向裝置內射入的熱輻射能量便不相等，當發(fā)出的熱輻射能量多時裝置內的空間和物體便會逐漸變冷，而當射入的熱輻射能量多時裝置內的空間和物體便會逐漸變熱，于是該裝置可向其內的空間和物體實現致冷或致熱。由普朗克熱輻射定律可知(參閱中文書籍《激光與紅外技術手冊》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第1-11頁)，溫度變冷的物體其發(fā)出的熱輻射能量會逐漸減少，而溫度變熱的物體其發(fā)出的熱輻射能量會逐漸增多，從而裝置內的物體向外發(fā)出的熱輻射能量最終會與從裝置外射入的熱輻射能量相等，即裝置內的空間和物體與裝置外的環(huán)境會在溫度不同的情況下達到一種新的熱平衡。
對于構成本發(fā)明裝置的部分或全部的殼壁的上述各種復合結構薄板，它們均具有對于熱輻射的透過率兩面不相等的功能，下面分別對其機理予以說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合結構薄板，并設其中的透鏡列陣是由M個周邊形狀為正N邊形的平凸球面透鏡所組成，帶孔的反射膜鍍在各透鏡的平面一側。當紅外熱輻射從氣密用透明薄片一側入射時，若氣密透明薄片兩表面的光強透過率很高，則熱輻射場可順利透過氣密片，而后入射到透鏡列陣的鍍反射膜一側的側面上。當透鏡列陣中每個透鏡的面積為S時，則鍍反射膜一側的總面積為MS，設反射膜上每個透光孔的面積為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，而每個透光孔的表面以及透鏡列陣凸球面一側的表面的光強透過率也很高，則入射到有反射膜一側的側面上與透過該側面，也即從該側入射到復合結構板與透過復合結構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接圓半徑。在推導(1)式時，假設了紅外熱輻射場的入射強度是分布均勻的，當紅外熱輻射場的入射強度分布不均勻時，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，因而遠比常見物體所發(fā)出的紅外熱輻射場到達遠場時的不均勻尺度小，則上述假設仍然成立。由(1)式可見，由于d小于D入射能量將被反射膜部分地阻擋，且隨d的減小透過的能量將與d/D值的平方成比例地迅速衰減。
而當紅外熱輻射從薄板狀透鏡列陣的凸面一側入射時，首先它們也能順利地透過該側面，然后入射到鍍有帶孔反射膜的側面上。由于列陣中每個透鏡的凸球面對光線有會聚作用，這使入射的熱輻射場在到達帶孔的反射膜上時能量已相對集中從而強度變成非均勻分布，因為正透鏡是使入射光場向其光軸方向會聚集中，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反射膜一側入射的熱輻射場在到達反射膜時能量是向各透光孔會聚集中的，顯然這會使由該側入射的熱輻射能量比由對側入射的熱輻射能量在總體上可更多的透過反射膜，也即使由該側入射到復合結構板與透過復合結構板的熱輻射能量之比大于由對側入射且透過的熱輻射能量的比值(d/D)2，從而使該種復合結構薄板具有對于熱輻射的總透過率兩面不相等的功能。
當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，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向其光軸方向會聚集中，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反射膜一側入射的熱輻射場在到達反射膜時能量會向各透光孔會聚集中，因而使由該側入射的熱輻射能量比由對側入射的熱輻射能量更多的透過反射膜，從而使由其組成的復合結構薄板也具有對于熱輻射的總透過率兩面不相等的功能。
但是，當想獲得好的光線會聚效果時卻會遇到下述問題對于從透鏡列陣的無反射膜一側入射的熱輻射場，由于列陣中每個透鏡凸球面的光線會聚作用，它們在到達反射膜一側的各透光孔時入射角會變大，尤其是當想獲得好的會聚效果而使用通光孔內接圓半徑D與象方焦距f’的比值D/f’很大的短焦距透鏡時，到達各透光孔的大部分光線的入射角可能都會大于臨界角，因而會發(fā)生全內反射而不能從透光孔透出(可參閱中文書籍《光學》，上冊，趙凱華，鐘錫華著，北京大學出版社，1984年1月第1版，第14頁)，顯然這將限制由該側入射的熱輻射能量向另一側的出射值，難以使復合結構板的兩側對熱輻射的透過率有理想的差值。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，因為對于理想的漫透射面、散透射面或吸收發(fā)射面，即使來自入射半球空間的光線的入射角很大，它們仍可以將入射光能量的一部分或大部分有效的漫透射、散透射或吸收后經傳導再發(fā)射到出射半球空間中去(詳見下實施例中說明，也可參閱中文書籍《光學手冊》，李景鎮(zhèn)主編，陜西科學技術出版社，1986年5月第1版，第25-27頁；中文書籍《光學》，母國光，戰(zhàn)元令編，人民教育出版社，1978年9月第1版，第552-556頁；中文書籍《激光與紅外技術手冊》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第11-21頁)，因此可解決既想獲得好的光線會聚效果，又想能使強會聚光束更多地從透光孔射出的矛盾。當將透光孔的表面制作成漫散射面時，可以在其上鍍單層或多層增透膜以增大紅外光輻射通過時的透射比，而當透光孔的表面被制成漫透射面時，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，因為只要所鍍膜的厚度比漫透射表面的不規(guī)則起伏的平均高度值小，其鍍膜后的表面仍然會是不規(guī)則起伏的漫透射面。
對于由薄板形光學會聚元件列陣和致熱片型氣密薄片所組成的復合結構薄板，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合結構薄板為例予以說明，并先考慮其中的致熱薄片是兩側表面對紅外輻射的吸收率都很高因而發(fā)射率也都很高的情況。首先由上述的機理說明可知，其中的鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣薄板可使由無反射膜一側入射的熱輻射能量比由鍍反射膜一側入射的熱輻射能量可以更多的透過，這就使得位于透鏡列陣鍍反射膜一側近旁的致熱薄片的兩側面所接收到的熱輻射能量是不相等的，因為致熱薄片的外側接收到的僅是來自整個復合結構薄板一側外部環(huán)境投射來的熱輻射能量，而致熱薄片本身發(fā)出而又被該側外部環(huán)境直接反射回來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，也即其內側所接收到的不僅有透過透鏡列陣的來自整個復合結構薄板另一側外部環(huán)境投射來的熱輻射能量，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的熱輻射能量，如果透鏡列陣對由無反射膜一側入射的熱輻射能量有足夠高的透過率，而反射膜對于由致熱薄片一側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將比其另一側接收到更多的熱輻射能量，這會使致熱薄片的溫度升高并使其向朝外一側發(fā)射的熱輻射能量比其從該側所接收到的熱輻射能量要多，這也就使得整個復合結構薄板等效地具有了對于熱輻射的透過率兩面不相等的功能。對于其中的致熱薄片是單側表面對紅外輻射的吸收率很高的復合結構薄板，情況也類同，即致熱薄片靠近透鏡列陣的一側的主要通過接收熱輻射而得到的熱能量也將比其另一側的主要通過與空氣的熱對流而得到的熱能量要多，因此也會使致熱薄片的溫度升高并通過熱對流向其外側輸出比其從外側所獲得的要多的熱能量，這也會使由其參與組成的復合結構薄板等效具有對于熱輻射的透過率兩面不相等的功能。該種復合結構薄板的優(yōu)點是可用不透明的致熱薄片替換透明的氣密用薄片，因為在紅外波段，尤其在需要覆蓋盡量寬的光譜帶范圍時，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度，尤其是單側表面具有高吸收率的部件，還易使其另一側表面美觀和好維護，另外不用透明氣密薄片則可免除其表面需要潔凈的要求，因為表面污染嚴重時會造成透過率的下降。
對于由致冷片型氣密薄片、薄板形光學會聚元件列陣和致熱片型氣密薄片所組成的復合結構薄板，我們也以光學會聚元件列陣是鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣為例予以說明，同樣由上述的機理說明可知，由于鍍有帶孔反射膜的正透鏡列陣薄板可使由無反射膜一側入射的熱輻射能量比由鍍反射膜一側入射的熱輻射能量可更多的透過，這就使得位于透鏡列陣鍍反射膜一側近旁的致熱薄片的靠近反射膜的一側比其另一側能接收到更多的熱能量，而使得位于透鏡列陣無反射膜一側近旁的致冷薄片的靠近透鏡列陣的一側比其另一側能接收到較少的熱能量，這會使致熱薄片的溫度升高并使其向朝外一側或通過發(fā)射和對流或主要通過對流而輸出的熱能量比其從該側接收到的熱能量要多，而會使致冷薄片的溫度降低并使其向朝外一側或通過發(fā)射和對流或主要通過對流而輸出的熱能量比其從該側接收到的熱能量要少，顯然，這會使整個復合結構薄板也等效地具有了對于熱輻射的透過率兩面不相等的功能。該種復合結構薄板的優(yōu)點是其兩個外側面都可用不透明材料，例如金屬薄片來制作，故可進一步增加所組成的復合薄板的總體機械強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起來免除表面污染，同時也因省去氣密用透明薄片而簡化了制作和降低了造價。
最后，對于包含有薄板狀正棱臺列陣的復合結構薄板，對于從棱臺下底面一側入射的強度分布均勻的熱輻射場，其透過率基本上等于棱臺下底面與上底面的面積之比，而對于從棱臺上底面一側入射的強度分布均勻的熱輻射場，其透過率會大于棱臺下底面與上底面的面積之比，因為側面鍍有反射膜的上下底面積不等的正棱臺對從其面積較大的底面入射的光束具有折反射并會聚的作用，因此當紅外光輻射從其面積較大的上底面入射，經其側面的反射，再從其面積較小的下底面出射時，能量強度會因會聚而提高，這相當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，也有利于使強會聚光束更多地通過下底面，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時的透射比。將此薄板狀正棱臺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，顯然都能構成對于熱輻射的透過率兩面不相等的復合結構薄板。
當將兩層或者兩層以上的上述各種復合結構薄板再復合，且每層復合結構薄板的致冷或致熱面都朝同一方向時，粗略來講，總的復合板的朝某一側方向的透過率是其中各層復合結構薄板的朝該側方向的透過率的乘積，因此可獲得兩側面透過率或透過率差值改變或改善的新的薄板形復合結構，用其作為基本構件，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1.在制冷或聚熱時，裝置本身無需功率驅動因此裝置本身運行時不消耗能源，而且這不違反能量守恒定律，因為裝置內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.因裝置本身無需功率驅動因而不要動力源，故可免除無論何種動力源，例如發(fā)電廠、柴油機、蒸氣機等都不可避免的對環(huán)境或大氣造成的污染，當其作為制冷裝置時，也無需使用氟利昂。
3.當作為聚熱裝置時，如上所述，只要從內向裝置外發(fā)出的熱輻射能量比從外向裝置內射入的熱輻射能量少，即使裝置外的環(huán)境比裝置內的空間和物體溫度低(由構成裝置的復合結構薄板兩側面的透過率不相等而造成，當復合結構薄板兩側面的透過率值相差大時尤其如此)，裝置內的空間和物體還會繼續(xù)升溫，因此其作為聚熱裝置聚熱時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，裝置運行時無機械運動部件(可開閉的門窗除外)，所以裝置工作時無震動，無噪聲，并因此裝置可以少維護甚至免維護，使用壽命極長。
5.裝置的基本構件為薄板狀，結構簡單，較易制作，造價也能降低，并可使由其所構成的裝置自重輕，容積體積比大。
6.具有足夠的制冷或聚熱能力，可滿足一定范圍內的實用需要(詳見下述實施例)。
可見，本發(fā)明所提供的制冷與聚熱的方法以及裝置與現有技術相比，在若干方面具有著十分突出的優(yōu)點。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細地說明。


圖1是本發(fā)明裝置的基本構件復合結構薄板的第一個實施例的結構側視圖。
圖2是圖1所示實施例中平凸球面透鏡列陣平面一側部分區(qū)域的俯視圖。
圖3是圖1所示實施例的工作示意圖。
圖4是本發(fā)明裝置的基本構件復合結構薄板的第二個實施例的結構側視圖。
圖5是本發(fā)明裝置的基本構件復合結構薄板的第三個實施例的結構側視圖。
圖6是本發(fā)明裝置作為冰箱的一個實施例的結構示意圖。
圖7是本發(fā)明裝置作為居室溫調器的一個實施例的結構示意圖。
圖8是本發(fā)明裝置作為溫差發(fā)電堆的一個實施例的結構示意圖。
圖1是本發(fā)明裝置的基本構件復合結構薄板的第一個實施例的結構側視圖，圖中1是由多個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的表面(圖中2)鍍有多層紅外增透膜，在各透鏡的平面一側的表面(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地嵌入細隔條(例如圖中6和7)，然后沿三者的周邊用低導熱材料(圖中8和9)進行粘合，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是其平面一側部分區(qū)域的俯視圖，圖中10是其中的一個透鏡單元，其內接圓半徑為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，其內接圓半徑為d，設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，在該范圍內的平均折射率是n＝5.70，采用鍍多層紅外增透膜的技術，使各透鏡凸球面一側表面的光強反射率RT減到小于0.05，采用鍍金屬紅外反射膜的技術，在各透鏡的平面一側鍍鋁反射膜，使該側對紅外光輻射的反射率RP大于0.98，再采用光學細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，并在其上鍍多層厚度為幾十nm量級的薄增透膜，使各透光孔表面的從光密介質到光疏介質的單向透射比τKR增到大于0.90，而從光疏介質到光密介質的單向透射比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，其另一面即外側面為普通熱壓平面且在其上噴涂了具有高導熱系數的防銹美飾漆層(可參閱中文書籍《激光與紅外技術手冊》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第11-14，95，105-112頁，以及英文書籍《Handbook of Optics》，M.Bass，Ed.in chief，Vol.II，McGraw-Hill，New York，1995，p.35.29)。
由于該復合結構薄板之中的間隙已抽成真空，而兩壁之間能夠傳導熱的細隔條和周邊粘合條又面積窄小，故兩壁之間的熱對流、熱傳導很小可以被忽略，只需考慮兩壁之間的熱輻射的傳播情況。
圖3是該復合結構薄板的工作示意圖，它側重描述其中一個作用單元的工作情況，顯然整個復合結構薄板的作用是M個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，于是凸球面所對圓心角2θ為60°，D＝5毫米。以透鏡凸球面與光軸的交點為坐標原點，由光學折射定律(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折射率，可參閱中文書籍《光學》，上冊，趙凱華，鐘錫華著，北京大學出版社，1984年1月第1版，第12頁)nisinθi＝nrsinθr，(2)可知入射角為60°且從坐標原點入射的光線(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°)，于是利用點斜式直線方程的表達式，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的坐標為x＝10.637毫米，y＝1.635毫米，這意味著對于從透鏡凸球面一側入射的光線，每個透鏡均可將入射其上并且入射方向與其光軸夾角小于±60°的入射光線全會聚集中到一個內接圓半徑d為1.635毫米的正六邊形最小面積內，該六邊形小面離透鏡凸球面頂點的距離為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的反射膜上，以各透鏡光軸的穿過點為中心，預留內接圓半徑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的距離LL為20毫米，致熱薄片(圖中5)離透鏡列陣右側平面的距離LR為10毫米。
致冷片和致熱片都是用熱導率高的薄鋼板制成，其厚度均選為0.5毫米。一般情況下整個薄板的溫度將是均勻的，因此其發(fā)出的熱輻射場(主要是其內側表面發(fā)射，其外側表面則主要是通過熱對流與外界的空氣交換熱量)的強度分布也是均勻的。當發(fā)自致熱片的紅外熱輻射入射到其左側的反射膜上時，由于膜上孔的限制作用，熱輻射能量的透過率為(d/D)2，又由于透鏡凸球面的光強反射率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，從致熱片到致冷片的熱輻射能量的透過率TL為TL＝ε(d/D)2τKL(1-RT)α＝0.085，(4)在推導(4)式時，假設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。
對于發(fā)自致冷片的紅外熱輻射，當它們通過透鏡列陣的凸球面時，熱輻射能量的透過率是(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算整個列陣從其左側的半錐角等于60°的圓錐內所接收到的熱輻射功率，以及整個列陣從其左側半球空間所接收到的熱輻射功率的二者的比值，而該問題是與計算整個致冷片向其右側的半錐角等于60°的圓錐內所發(fā)射的熱輻射功率，以及整個致冷片向其右側半球空間所發(fā)射的熱輻射功率的二者的比值的問題等效。
對于表面粗糙氧化的薄鋼板，或者更一般些，對于日常生活中所遇到的大多數物體，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》，上冊，趙凱華，鐘錫華著，北京大學出版社，1984年1月第1版，第126-127頁)。在球坐標系內作三重積分，可以得到整個致冷片向環(huán)繞其右側法線的半錐角等于60°的圓錐內所發(fā)射的熱輻射功率P60與整個致冷片向其右側半球空間所發(fā)射的熱輻射功率P90的比值η為η＝P60/P90＝0.75。
(5)由于整個致冷片向其右側的半錐角等于60°的圓錐內所發(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，并經漫透射透出，因此薄板內從致冷片到致熱片的熱輻射能量的透過率TR為TR＝εη(1-RT)τKRα＝0.567。(6)由(4)，(6)式可見，在薄板內，從左向右的熱輻射能量會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運值，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)明裝置的基本構件復合結構薄板的第二個實施例的結構側視圖，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，在各透鏡的另一側的平面(圖中22)鍍有帶透光孔的紅外反射膜，采用光學細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地嵌入細隔條(例如圖中24)，再沿兩者的周邊，用低導熱材料(圖中25和26)進行粘合，并在密封前將兩者之中的間隙抽成真空。
在本實施例中，透鏡列陣也是用M個周邊形狀為正六邊形的平凸球面透鏡進行邊緣密接而組成，且也采用碲化鉛(PbTe)材料，其平面一側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，在該范圍內的平均折射率是2.70(參閱中文書籍《激光與紅外技術手冊》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第92頁)，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，并取透鏡的內接圓半徑D為5毫米，其反射膜上透光孔的內接圓半徑d為1.635毫米，以及使各透鏡凸球面的光強反射率RT為0.05，其透光孔表面的從光密到光疏介質的單向漫透射比τKR為0.90，而從光疏到光密介質的單向漫透射比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該復合結構薄板的透過率TL為TL＝[(1-RR)(d/D)]2τKL(1-RT)＝0.093。(7)而對于從左向右通過該復合結構薄板的熱輻射能量，如同實施例1中的分析，且注意來自透鏡列陣左側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(假設透鏡列陣左側發(fā)出熱輻射的物體也近似是朗伯發(fā)射體)，因此其透過率TR為TR＝η(1-RT)τKR(1-RB)2＝0.616， (8)可見，該種復合結構薄板也可對由其兩側入射的熱輻射能量造成很大的凈差值單向流動。
圖5是本發(fā)明裝置的基本構件復合結構薄板的第三個實施例的結構側視圖，圖中27是薄板狀正棱臺列陣，它由M個上下底面均為正六邊形的正棱臺所組成，列陣中每個棱臺的上底面(圖中28)的內接圓半徑為D，下底面(圖中29)的內接圓半徑為d(d＜D)，各棱臺的上底面相互密接。在每個棱臺的六個斜面(圖中30)上，鍍有鋁反射膜，在各棱臺的上底面上，鍍有紅外增透膜，而將各棱臺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列陣的下底面間隔10毫米，在氣密薄片與棱臺列陣之間的間隙也可適當地嵌入細隔條(例如圖中32)，再沿兩者的周邊，用低導熱材料(圖中33和34)進行粘合，并在密封前將兩者之中的間隙抽成真空。
設棱臺列陣和氣密用透明薄片均采用熱壓碲化鎘(CdTe)材料制成，棱臺的高H為6毫米，上底面內接圓半徑D＝6毫米，下底面的內接圓半徑d＝3毫米。
顯然，對于從棱臺下底面一側入射的強度分布均勻的熱輻射場，入射到各棱臺下底面的光線都可以通過，而入射到各棱臺的斜側面的光線將被鋁反射膜反射而不能通過，由于棱臺下底面與上底面的面積之比為(d/D)2，當棱臺上底面的光強反射率RG為0.02，棱臺下底面的從光密到光疏介質的單向漫透射比τKR為0.90，而從光疏到光密介質的單向漫透射比τKL為0.95，另外氣密透明薄片兩面的光強反射率RB＝0.02時，則熱輻射能量從右向左通過該復合結構薄板的透過率TL為TL＝[(1-RB)(d/D)]2τKL(1-RG)＝0.224。 (9)而對于從棱臺上底面一側入射的強度分布均勻的熱輻射場，因為斜側面鍍有反射膜的棱臺對從其大端面入射的光束具有折射和會聚的作用，因此其透過率會提高。設從棱臺的上底面入射的光線中只有入射角小于±45°的光線才可以通過棱臺列陣，于是先要計算整個棱臺列陣從其左側的半錐角等于45°的圓錐內所接收到的熱輻射功率與整個棱臺列陣從其左側半球空間所接收到的熱輻射功率的二者的比值η。
假設棱臺列陣左側發(fā)出熱輻射的物體也近似是朗伯發(fā)射體，于是用與實施例1中類似的計算，可得η的值為η＝P45/P90＝0.50，因此熱輻射能量從左向右通過該復合結構薄板的透過率TR為TR＝η(1-RG)τKR(1-RB)2＝0.424，(10)所以，該種復合結構薄板對其兩側的熱輻射場的透過率也是明顯不相等的。
上述復合結構薄板的三個實施例中所提供的結構參數均為初步設計值，都可以利用現有光學優(yōu)化設計技術而使它們的結構參數更加適當，從而進一步提高其透過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實施例的結構示意圖。
圖中裝置的四個側面和上頂面的殼壁(圖中35和36是其中的兩個側面殼壁，圖中37是上頂面殼壁)均用上述第一個實施例中所說的復合結構薄板構成，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，五塊復合結構薄板和一塊絕熱板的周邊相互密合，構成一氣密容器，將五塊復合結構薄板的致冷片都朝向容器的內側，并將其中一側面的一塊復合結構板安裝成可開閉式作為門，圖中39是放置于該裝置內的物品。
利用普朗克熱輻射定律(參閱中文書籍《激光與紅外技術手冊》，楊臣華，梅遂生，林鈞挺主編，國防工業(yè)出版社，1990年5月第1版，第1-11頁)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·開氏度-1，(11)[式中λ是波長(單位微米)，T是絕對溫度(單位開氏度)]，在3微米到30微米的波長范圍內，對ro進行積分可得到不同溫度的黑體在此波長范圍內的輻出射度，也即在不同溫度下和在此波長范圍內，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列出了一些具體計算值。
設裝置的外體積為560mm×520mm×1500mm，這約為常見家用200升雙門冰箱的體積，于是裝置的四個側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。裝置的四個側面和上頂面殼壁的外側致熱片是采用薄鋼板制成，鋼的熱導率αG為56瓦·米-1·開氏度-1，而空氣與金屬板接觸時的熱對流放熱系數αQ為444.444瓦·米-2·開氏度-1。利用熱傳導公式和熱對流公式，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功率，(t1-t2)是薄鋼板兩側表面的溫差，δ是薄鋼板的厚度，而QQ則是空氣與薄鋼板接觸時通過對流而帶走熱量的速率。代入(t1-t2)＝1開氏度，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。再設裝置的下底面殼壁是采用冰箱常用的隔熱材料硬質聚氨酯(聚酯不連續(xù)氣泡，充填在用適當材料制成的薄板狀中空容器內)，其熱導率αD為0.024瓦·米-1·開氏度-1(可參閱中文書籍《制冷空調原理與設備》，徐德勝，鄔振耀主編，上海交通大學出版社，1996年2月第1版，第25-27，30-32頁)。
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(波長范圍3微米-30微米)
設在某一初始時刻，裝置內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t為攝氏20度，然后裝置的四個側面和上頂面殼壁便以不同的速率向裝置內和向裝置外傳輸熱能量。由于裝置的四個側面和上頂面殼壁是20攝氏度，于是它們的致熱片的內側發(fā)射面向裝置內發(fā)射的熱輻射功率為PBN＝SBP20TL， (14)式中SB是裝置四個側面和上頂面殼壁的總面積，P20是黑體20攝氏度時在3微米到30微米范圍內所輻射的熱功率，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功率和空氣與薄鋼板外側的熱對流放熱速率都比復合結構薄板對熱輻射的透過率大，故PBN值也即近似為裝置的四個側面和上頂面殼壁向裝置內發(fā)射的熱輻射功率。
而裝置的四個側面和上頂面殼壁的致冷片的內側發(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側面和上頂面殼壁向裝置外發(fā)射的熱輻射功率。
由于裝置內外在制冷開始時溫差不大，故此時裝置的下底面殼壁造成的向裝置內的熱漏可以忽略。
裝置的四個側面和上頂面殼壁的向裝置內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度開始制冷時，制冷功率可達629.380瓦，這已經大于一般家用200升雙門冰箱的制冷功率。
當然，隨著裝置內的空間和物體的逐漸變冷，它們發(fā)出的熱輻射能量會逐漸減少，因此使裝置的進一步制冷的功率也逐漸減小，當裝置內的物體向外發(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，該裝置內的空間和物體便維持在一種溫度不變的低溫狀態(tài)下(設此時的溫度為td)。
由裝置內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，分別是裝置的四個側面和上頂面殼壁的致冷片和致熱片向裝置外和裝置內發(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應改為黑體在低溫溫度td時的輻射功率Ptd。而式中的PDN是裝置的下底面殼壁向裝置內的熱漏速率，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功率，(t1-td)是下底面殼壁兩側表面的溫差，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，裝置內空間和物體的溫度便可降至攝氏負30度以下，由上述表1可知，黑體在攝氏負30度時的輻射功率P-30＝163.19瓦，由(15)式可知裝置內的空間和物體在攝氏負30度時向外發(fā)出的熱輻射功率PBW＝326.737瓦，其仍然明顯大于此時裝置外的環(huán)境向其內輸入的熱輻射的功率值PBN+PDN，因此該裝置可對其內的空間和物體繼續(xù)制冷，使溫度降至攝氏負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器的一個實施例的結構示意圖，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是用上述第一個實施例中所說的復合結構薄板所構成的四個獨立的居室溫調器，并采用適當的固定機構，例如在復合結構板的上下或左右邊緣的中間安裝轉軸，以使它們側面的朝向能較易翻轉180度。
在氣溫炎熱時，可將四塊復合結構薄板的致熱片一側朝向室外，設每塊復合結構薄板的面積為1平方米，再設室內室外的溫度均為攝氏40度，于是四塊復合結構薄板向室外輸運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。而四塊復合結構薄板向室內輸運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。因此由該四塊復合結構薄板所構成的四個居室溫調器的總制冷功率在制冷開始時為945.646瓦。
而在氣溫寒冷時，則可將四塊復合結構薄板的致熱片一側翻轉朝向室內，若設此時室內室外的溫度均為攝氏零下10度，于是四塊復合結構薄板向室外輸運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。而四塊復合結構薄板向室內輸運熱能量的功率近似為PWN＝SWP-10TR，(21)代入各值，得到PWN＝524.861瓦。因此由該四塊復合結構薄板所構成的四個居室溫調器的總加熱功率在加熱開始時為446.178瓦。
將四塊復合結構薄板中的一塊或兩塊的致熱片一側朝向室外，而余下的復合結構板的致熱片一側朝向室內，則可調整由其合成的總的居室溫調器的制冷或加熱功率，以適應在不同氣溫條件下對氣溫調節(jié)程度的需要，當春秋季不需對室溫進行調節(jié)時，則可將一半復合結構板的致熱片朝外，一半復合結構板的致熱片朝內，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)電堆的一個實施例的結構示意圖。
圖中J1，…，Jk+1，Jk+2，Jk+3，Jk+4，…，JM是M個對其內空間和物體致冷或致熱的基元裝置，其中腳標序號為奇數的基元裝置為致冷裝置，例如圖中J1，…Jk+1，Jk+3，…，JM-1，而腳標序號為偶數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壁(例如圖中46，47，48和49)，是用上述第一個實施例中所說的復合結構薄板構成，且致冷片都朝向裝置內側，并沿兩側壁的周邊用熱導率低的材料進行密封粘合，而其中的致熱裝置的兩側壁(例如圖中50，51，52和53)，也是用上述第一個實施例中所說的復合結構薄板構成，不過致冷片都朝向裝置外側，且也沿兩側壁的周邊用熱導率低的材料進行密封粘合。
在每個致冷裝置內，放置用半導體材料制成的溫差電偶的冷端接觸板，例如圖中54和55，而在每個致熱裝置內，放置用半導體材料制成的溫差電偶的熱端接觸板，例如圖中56和57，這些接觸板由導線(例如圖中58，59和60)在裝置外依序作串聯(lián)連接，構成溫差電堆。
由上述對圖6所示的冰箱的實施例的說明可知，各個致冷基元裝置內的空間和物體會降溫變冷，而各個致熱基元裝置內的空間和物體會升溫變熱。由于每兩個相鄰的基元裝置都構成一個溫差電偶，而每個電偶的冷端與熱端接觸板又處于不同的溫度中，于是在連接每個電偶的冷端與熱端接觸板的導線的兩端便會產生電動勢，各個電偶的串聯(lián)連接又會使總電動勢增強，當再用另一導線(圖中61)將由這些溫差電偶所組成的溫差電堆的兩個輸出端閉合連接，在閉合回路中就會有電流流動，并對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》，上冊，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)。
雖然各個致冷基元裝置向外界放熱，而各個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存在一個差值，這個差值便是轉化成溫差電堆所產生的電能的來源。
權利要求
1.一種光學制冷與聚熱的方法，其特征在于制作薄板形光學會聚元件列陣，在其一側表面鍍帶有透光孔的反射膜，使一側入射的熱輻射場無會聚地從透光孔透過，而使另一側入射的熱輻射場會聚地從透光孔通過，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由無反射膜一側向另一側的透過比，再制作氣密用薄片，將其與會聚元件列陣沿周邊粘合，并將其中預留的短間隙抽成真空，以制成一種兩表面之間的熱對流、熱傳導很小，但兩面的對熱輻射的透過率卻不相等的薄板形復合結構，用該復合結構板作為部分或全部的殼壁，且通過選擇殼壁面的朝向而構成制冷或者聚熱裝置。
2.一種實施根據權利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說的光學會聚元件列陣是用對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見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；所說的在會聚元件列陣的一側表面鍍帶有透光孔的反射膜，是用對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見甚至紫外波段的光輻射具有高反射率的材料，例如鋁、金、銀、鈹等，在透鏡列陣的一側表面，例如平凸球面透鏡列陣的平面一側的表面，凸凹球面透鏡列陣的凹面一側的表面，雙凸球面透鏡列陣的某凸面一側的表面鍍制高反射率反射膜，并以各透鏡的光軸與預鍍膜表面的相交點為中心點，在鍍反射膜時預留或反射膜鍍好后再制作邊數與對應的透鏡相同而內接圓半徑d小于對應的透鏡的內接圓半徑D的正N邊形通孔；所說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打毛或細磨等工藝制作成漫透射面，或用光膠一薄的散射介質層而制作成散透射面，或用光膠一薄的強吸收、強發(fā)射介質層而制作成吸收發(fā)射面；所說的透鏡列陣中透鏡和反射膜上透光孔的邊數N取四、六等可使各透鏡的邊緣相互密合的值；所說的氣密用薄片則是用對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見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；所說的透鏡列陣的無反射膜一側的表面、各透光孔的表面以及氣密用透明薄片的兩側的表面可以鍍單層或多層增透膜；當各透光孔的表面是漫透射或漫散射面時，也可以在其上鍍薄單層或薄多層增透膜；所說的將氣密用薄片與會聚元件列陣沿周邊粘合，并將其中預留的短間隙抽成真空，是在透鏡列陣的鍍反射膜的一側，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隔條，然后用具有低導熱系數的材料沿兩者的周邊進行粘合，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件復合結構薄板。
3.一種實施根據權利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說的氣密用薄片是用兩側表面或單側表面對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見甚至紫外波段的光輻射具有高吸收率的材料，例如無光氧化熟鐵、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、陽極處理過的鋁板等制作而成，其也即為致熱片，將其與所說的薄板形光學會聚元件列陣組合，組合時將氣密薄片也即致熱片置于會聚元件列陣的鍍反射膜的一側，且將其對熱輻射具有高吸收率的一面或其中一面朝向會聚元件列陣，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隔條，然后用具有低導熱系數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件復合結構薄板。
4.一種實施根據權利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說的氣密用薄片制作兩片，一片是用兩側表面或單側表面對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見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，另一片是用兩側表面或單側表面對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見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，將它們與所說的薄板形光學會聚元件列陣組合，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聚元件列陣薄板的無反射膜和鍍反射膜的兩側，且分別將它們對熱輻射具有高發(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的短間隙，也可以在間隙中間隔地嵌入細隔條，然后用具有低導熱系數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件復合結構薄板。
5.一種實施根據權利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說的光學會聚元件列陣是用對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見甚至紫外波段的光輻射具有高透射率的材料制作多個上下底面均為正N邊形，且上底面的內接圓半徑D大于下底面的內接圓半徑d的正棱臺，各棱臺的上底面邊緣相互密合，組成薄板狀正棱臺列陣；在各棱臺的N側斜面上，鍍上對紅外波段，或者對由紅外波段延伸至可見甚至紫外波段的光輻射具有高反射率的反射膜，而在各棱臺的上下底面上，或者都鍍上增透膜，或者僅在各棱臺的上底面鍍增透膜，而將各棱臺的下底面或用光學打毛或細磨等工藝制作成漫透射面，或用光膠薄散射介質層而制作成散透射面，或用光膠薄的強吸收和強發(fā)射介質層而制作成吸收發(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；各棱臺上下底面的邊數N也取四、六等可使各棱臺上底面的邊緣相互密合的值；然后將此薄板狀正棱臺列陣，或者與一氣密用透明薄片相組合，并使氣密薄片位于棱臺列陣的下底面一側；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列陣的下底面一側且將其高吸收率面朝向棱臺列陣；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列陣的上底面一側，表面高吸收的氣密兼致熱片位于棱臺列陣的下底面一側，且將它們的高發(fā)射率或高吸收率面朝向棱臺列陣；再分別按這三種組合，將其中的組件沿周邊粘合，并將其中預留的短間隙抽空，從而制成裝置的基本構件復合結構薄板。
6.一種實施根據權利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說的殼壁可由單層復合結構薄板構成，也可由雙層或數層復合結構薄板構成；當裝置僅有部分殼壁是用復合結構薄板制成時，其它的殼壁最好應選用合適的絕熱材料制成。
7.一種實施根據權利要求1所述的方法的裝置，其特征在于所說的用復合結構板作為部分或全部的殼壁而構成制冷或者聚熱裝置，是使用所說的復合結構薄板作為部分或全部的殼壁，包括作為可開閉的門或窗，或作為側面朝向可反轉的翻轉窗，而構成需要對其內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、溫調房間、車船溫調倉室、需致冷或加熱的特種儀器或裝備的外包容器等；還可以是使用所說的復合結構薄板作為部分或全部的殼壁先構成基元裝置，再在對基元裝置內的空間或物體致冷或致熱的基礎上，結合公知的能量轉換技術而構成的新型能源裝置，例如溫差電堆、熱能轉換動力源等。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光學制冷與聚熱的方法及裝置,其特征是制作一種含有光學會聚元件列陣的薄板形復合結構,其兩表面之間的熱對流、熱傳導很小,但兩面的對熱輻射的透過率卻不相等,用其作為殼壁并通過選擇殼壁面的朝向而構成一種新型的制冷或聚熱裝置,該種裝置工作時無能耗,無污染,無震動,無噪聲,且具有足夠的制冷或聚熱能力,其結構簡單,并無機械運動部件,故裝置壽命長,該種新型裝置具有廣泛和重要的應用前景。
文檔編號F24J3/00GK1193093SQ9710063
公開日1998年9月16日 申請日期1997年3月12日 優(yōu)先權日1997年3月12日
發(fā)明者柳尚青 申請人:柳尚青