專利名稱：導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種在多年凍土地區(qū)工程建筑中，有效保護(hù)下部多年凍土，確保工程建筑基礎(chǔ)穩(wěn)定性的降溫裝置，尤指一種導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)民生產(chǎn)和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和進(jìn)程的不斷深入，我國(guó)現(xiàn)已在占據(jù)國(guó)土面積22％的多年凍土地區(qū)不斷進(jìn)行鐵路、公路、輸油管線、光纜、水利等重大工程設(shè)施的建設(shè)。
凍土是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤。多年凍土是指凍土不間斷地保持多年、若干世紀(jì)以至數(shù)千年。在多年凍土形成和發(fā)展過程中，由于凍融循環(huán)所導(dǎo)致的水分遷移往往會(huì)在地下的一定的深度上形成一定或是很厚的冰層(稱為地下冰)。
由于人為工程措施的影響，改變了地表換熱條件，特別是在青藏高原太陽高輻射地區(qū)，由于人為工程使實(shí)施后工程建筑吸熱面、吸熱量大為增加，使得各種工程措施基礎(chǔ)下部的多年凍土的熱量總體平衡遭到破壞，總體熱量收入大于支出，使得多年凍土的溫度不斷升高，多年凍土中的厚層地下冰不斷融化，由此導(dǎo)致工程建筑的基礎(chǔ)不斷下沉、失穩(wěn)，嚴(yán)重影響各種相關(guān)工程的穩(wěn)定性和正常運(yùn)營(yíng)。例如俄羅斯1994年調(diào)查表明，70年代建成的第二條西伯利亞鐵路，線路病害率達(dá)27.5％。運(yùn)營(yíng)近百年第一條西伯利亞鐵路1996年調(diào)查的線路病害率為45％。我國(guó)1990年調(diào)查表明，青藏公路當(dāng)時(shí)病害率達(dá)31.7％，東北多年凍土區(qū)鐵路病害率達(dá)40％。同時(shí)隨著全球氣候轉(zhuǎn)暖，多年凍土的年平均地溫也在不斷的轉(zhuǎn)暖，并對(duì)外界溫度變化變的更加敏感，許多多年凍土穩(wěn)定區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)變成不穩(wěn)定區(qū)或極不穩(wěn)定區(qū)。現(xiàn)存多年凍土往往厚達(dá)幾十米甚至上百米，如果多年凍土一旦失穩(wěn)便會(huì)進(jìn)入到一系列的惡性循環(huán)中，地下冰不斷融化，地表不斷下沉。因此，是否能采取和使用有效、實(shí)用的工程保護(hù)措施和技術(shù)，保護(hù)工程基礎(chǔ)下部的多年凍土少受或免受上部工程建筑的影響，就成為青藏鐵路和各種凍土工程建設(shè)成敗所在。目前就工程與凍土的相互作用的研究較多，但如何切實(shí)有效地解決其相互作用問題的成功措施不多。中國(guó)科學(xué)院“西部之光——凍土工程中保護(hù)凍土溫控關(guān)鍵技術(shù)研究”，中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程的重大項(xiàng)目 “青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應(yīng)”(No.KZCX1-SW-04)，中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所創(chuàng)新項(xiàng)目(CACX2002406)，國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(90102006)，“973”國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2002CB412704)等課題就是針對(duì)上述關(guān)鍵實(shí)際工程問題而開展了專題研究。
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提高路堤高度，在路堤表面鋪設(shè)拋石護(hù)坡、遮陽板，在路堤中加裝通風(fēng)管，在路堤中鋪設(shè)保溫材料、拋石基礎(chǔ)，埋設(shè)熱樁等措施達(dá)到保護(hù)路基下部多年凍土的目的。但由于我國(guó)多年凍土地區(qū)獨(dú)特條件的限制上述方法均存在一些不足或缺點(diǎn)。在我國(guó)多年凍土地區(qū)，尤其是青藏高原，很多多年凍土的年平均地溫接近零度(稱為高溫多年凍土)，致使這些在工程措施的要么功效不高，要么造價(jià)太高，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，難以在線性工程中大量使用。因此，在工程實(shí)踐中急切需要新穎、功效更高、在實(shí)踐中可行的工程技術(shù)措施。
在全球氣候不斷轉(zhuǎn)暖的今天，開展穩(wěn)定多年凍土溫度場(chǎng)工程措施的研究，穩(wěn)定或減緩多年凍土的退化，將對(duì)該類地區(qū)工程建設(shè)的順利進(jìn)行，確保工程建筑物穩(wěn)定性和正常運(yùn)營(yíng)具有重要意義。有關(guān)應(yīng)用于寒區(qū)工程中導(dǎo)熱系數(shù)可變材料或裝置的研究，是目前世界相關(guān)國(guó)家在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研究的重要方向之一，如能對(duì)我國(guó)開展相關(guān)研究的科研成果和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)內(nèi)容積極加以保護(hù)，將對(duì)今后的相關(guān)研究和在工程實(shí)踐中的正確應(yīng)用具有積極的重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種裝置，這種裝置無需任何動(dòng)力，利用自然界一年四季溫度的變化，通過整體在夏季正溫下導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低、冬季負(fù)溫下導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高的特點(diǎn)，即導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與被保護(hù)物體之間的熱流控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)物體的降溫作用。同時(shí)該裝置由于內(nèi)部水的存在，具有熱容量很高的特點(diǎn)，利用多年凍土區(qū)冷季的時(shí)間大于暖季時(shí)間的特征，還具有儲(chǔ)存冬季冷能的功能，達(dá)到對(duì)下部被保護(hù)物體的進(jìn)一步降溫。由于該裝置充分利用自然界溫度的變化和冷能，不需要任何動(dòng)力，不對(duì)大氣排放任何有害物質(zhì)，同時(shí)由于其埋設(shè)于地表以下，對(duì)環(huán)境保護(hù)同樣具有積極作用。
本實(shí)用新型的目的還在于通過其應(yīng)用不僅可以對(duì)多年凍土區(qū)的鐵路、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。
本實(shí)用新型的目的還在于通過其在寒區(qū)的應(yīng)用，可以對(duì)設(shè)置于地下用于保存水果或蔬菜的天然冷窖的降溫保墑作用。
本實(shí)用新型的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，包括外殼；在外殼內(nèi)設(shè)有吸水材料、空氣層和水體，其中吸水材料將空氣層和水體分隔。
所述的吸水材料將空氣層分隔成多層。
所述的吸水材料將水體分隔成多層。
所述的吸水材料選自吸水海綿、聚丙烯酸和聚丙烯酰胺組合的高吸水聚合物體系、花泥、無紡織布中的至少一種。
所述的外殼為密封外殼，選自金屬、非金屬、塑料或混凝土、建材等具有一定強(qiáng)度的材料中的至少一種。其作用在于阻止內(nèi)部水分的散發(fā)，保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整。
一種導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置的應(yīng)用，其中將導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置用于多年凍土區(qū)鐵路、公路路堤，及其他線性工程或建筑物底部，或地下用于保存水果或蔬菜的天然冷窖的地表，在鐵路、公路路堤及其他線性工程或建筑物底部，或在鐵路、公路路堤的表面兩側(cè)，或在地下用于保存水果或蔬菜的天然冷窖的地表，鋪設(shè)10-30厘米厚的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置即可實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度為正溫下的相對(duì)隔熱和在負(fù)溫下相對(duì)導(dǎo)熱的熱流控制和對(duì)被保護(hù)物體的降溫作用。
一種導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置的應(yīng)用，其中在建筑物或構(gòu)筑物的四周鋪設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置可實(shí)現(xiàn)其與環(huán)境的熱流控制和對(duì)建筑物或構(gòu)筑物的降溫作用。。
一種導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置的應(yīng)用，其中將導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置用于需熱流控制和降溫的物體上。
本實(shí)用新型的工作原理為在密閉的容器中添加一層一層的吸水材料，每層相間一定的距離，形成結(jié)構(gòu)為空氣層與吸水材料互層的結(jié)構(gòu)，并添加一定數(shù)量水體。水體在重力作用下匯集于裝置底部的儲(chǔ)水部位。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低為0.024W/m·K，在正溫的條件下，該種結(jié)構(gòu)中上部的空氣層可以起到很好的阻熱作用，致使整個(gè)裝置的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，阻止外部熱量的進(jìn)入下部被保護(hù)的凍土。在進(jìn)入冷季的時(shí)候，埋置于路基表面或路基中的該種裝置在單向凍結(jié)的條件下，首先最上層的吸水材料開始降溫。由于吸水材料良好的吸水特性在冷壁表面冷卻降溫時(shí)，當(dāng)溫度下降到空氣露點(diǎn)，冷壁表面上吸附著一極薄的水層。當(dāng)溫度進(jìn)一步下降至水的三相點(diǎn)或更低時(shí)，水層凝固為冰層。在冷壁表面溫度下降至0℃以下而穩(wěn)定時(shí)，空氣中的水蒸氣在這薄冰層上凝華形成冰的結(jié)晶胚胎，并由此開始水蒸氣在結(jié)晶胚胎上不斷凝華，形成針狀或柱狀的霜的晶體，由此不斷發(fā)展，在經(jīng)歷結(jié)晶生長(zhǎng)期、霜層生長(zhǎng)期和霜層充分生長(zhǎng)期后霜層充滿整個(gè)第一層空氣層。在此過程中由于空氣中水蒸氣的減少，下部吸水材料中的水分會(huì)不斷向空氣中釋放，達(dá)到一種水氣平衡。由于下部吸水材料內(nèi)部水分的減少，吸水材料又會(huì)從底部?jī)?chǔ)水部分抽吸水分補(bǔ)充內(nèi)部水分的散失。在第一層空氣層中充滿霜層后，利用冰的導(dǎo)熱系數(shù)為2.21～2.236W/m·K的特點(diǎn)，很快使第二層吸水材料由成為冷壁表面又開始上述過程的循環(huán)。由此不斷循環(huán)，最終使底部?jī)?chǔ)水部分儲(chǔ)藏的水體全部轉(zhuǎn)化為在空氣層中形成的霜層。因?yàn)楸膶?dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高，在這種情況下裝置整體的導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)隨之增加，有利于外部冷量進(jìn)入下部?jī)鐾梁拖虏繜崃康南蛲獾纳⒊?。根?jù)上述在發(fā)展過程，在一年四季正負(fù)溫變化的條件下，該種裝置的導(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，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境與被保護(hù)物體之間進(jìn)行熱流控制，最終達(dá)到對(duì)多年凍土的穩(wěn)定和保護(hù)的作用。同時(shí)該裝置由于內(nèi)部水體的存在，由于水的熱容量很高和多年凍土區(qū)冷季的時(shí)間大于暖季時(shí)間，該種裝置還具有儲(chǔ)存冬季冷能的功能，進(jìn)一步達(dá)到對(duì)下部多年凍土保護(hù)的目的。密閉容器的作用在于阻止內(nèi)部水分的散失，同時(shí)由于密閉容器具有一定的強(qiáng)度可以有效保護(hù)內(nèi)部層疊結(jié)構(gòu)在外在荷載作用下免受破壞。
由于結(jié)霜多發(fā)生在空調(diào)制冷系統(tǒng)、貨物冷藏系統(tǒng)、氣體凝固凈化、低溫液體儲(chǔ)藏等過程中，以及在起飛或飛行中的飛機(jī)機(jī)體表面，機(jī)車、船舶駕駛室的玻璃窗鏡面上，被認(rèn)為是有百害而無一利，有關(guān)結(jié)霜的研究和相關(guān)專利也是圍繞如何消除這種影響而開展得。本實(shí)用新型從一個(gè)全新的角度，在如何利用、改善和增進(jìn)霜層在有限空間的發(fā)育，改變上述空氣層導(dǎo)熱系數(shù)變化開展結(jié)霜過程研究。
本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型緊密圍繞工程實(shí)踐中對(duì)成本、功效、可操作性等具體要求而進(jìn)行，該種裝置可在室內(nèi)或工廠加工成形，在現(xiàn)場(chǎng)直接布設(shè)或安裝。通過成本計(jì)算和比較，其成本略低于保溫材料、拋石路基、高路基、通風(fēng)路基等工程措施的成本。更重要的是通過室內(nèi)試驗(yàn)和計(jì)算比較，在種工程措施的在保護(hù)多年凍土的效果方面要優(yōu)于其它工程措施。因此具有簡(jiǎn)單易行、性價(jià)比高、在工程實(shí)踐中強(qiáng)操作性強(qiáng)、穩(wěn)定多年凍土地溫場(chǎng)效果明顯等諸多優(yōu)點(diǎn)。
路堤在建設(shè)完成后主要由三個(gè)外表面進(jìn)行吸熱，其中又由于路堤兩側(cè)表面面積要遠(yuǎn)大于頂表面，為主要吸熱面，陽坡以其接收太陽輻射是陰坡的約1.5倍，為最主要的吸熱面。所吸收的熱量通過路基底面向下伏多年凍土進(jìn)行傳熱。因此，在陽坡淺表面、或兩側(cè)邊坡淺表面、或靠近路基底面鋪設(shè)該種裝置，就可以在關(guān)鍵部位對(duì)熱流進(jìn)行控制，對(duì)穩(wěn)定下部多年凍土溫度場(chǎng)、穩(wěn)定凍土基礎(chǔ)起到事半功倍的作用。因此，具有可在關(guān)鍵部位進(jìn)行熱流控制和降溫的作用的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)用新型通過工廠加工后的成品可按工程實(shí)際需要制成1～2m2的單元，可按保溫材料的施工方法施工，沿線路的軸向水平鋪設(shè)，進(jìn)行凍土工程的整體熱流控制和穩(wěn)定多年凍土溫度場(chǎng)。因此具有對(duì)工程建筑整體基礎(chǔ)，尤其是線性工程整體基礎(chǔ)，進(jìn)行熱流控制和促進(jìn)其穩(wěn)定性的作用的優(yōu)點(diǎn)。


圖1A為本實(shí)用新型的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置安裝在路基底部的裝配示意圖圖1B為本實(shí)用新型的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置安裝在路基側(cè)面的裝配示意圖圖2為本實(shí)用新型的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖中標(biāo)號(hào)說明如下1-路基 2-導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置 3-密閉容器4-吸水材料 5-空氣層 6-水體具體的實(shí)施方式本實(shí)用新型還將結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例作進(jìn)一步詳述
參照?qǐng)D1A、B、圖2，為一種導(dǎo)熱系數(shù)可變式凍土基礎(chǔ)，包括設(shè)在路基1中鋪設(shè)的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置2；其中所述的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置2包括密閉外殼3，吸水材料4，空氣層5和水體6。其中在水體6上設(shè)吸水材料4，并由吸水材料4將空氣層5分隔成多層。所述的密閉容器由金屬、非金屬、塑料或混凝土、建材任何材料中的一種制成；所述的吸水材料選自吸水海綿、聚丙烯酸和聚丙烯酰胺組合的高吸水聚合物體系、花泥、無紡織布中的至少一種。
在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用比較法對(duì)該種裝置進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試。試驗(yàn)吸水材料選用花泥，在花泥的周邊局部地方用少部分花泥將每層架空，形成所需要的層疊結(jié)構(gòu)，并注入一定的水量。在測(cè)試中該種裝置下端面保持在0℃左右，上端面分別為15℃、-15℃；并模擬在上端面每日降低1℃單向凍結(jié)條件下內(nèi)部冰晶霜層的生長(zhǎng)情況。經(jīng)過測(cè)試該裝置的導(dǎo)熱系數(shù)在正溫條件下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.21W/m·K，負(fù)溫條件下的導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W/m·K，導(dǎo)熱系數(shù)比值為5.71。通過室內(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10cm這種材料的特定條件下，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1.一種導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，包括外殼(3)；其特征在于在外殼(3)內(nèi)設(shè)有吸水材料(4)、空氣層(5)和水體(6)，其中吸水材料(4)將空氣層(5)和水體(6)分隔。
2.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，其特征在于所述的吸水材料(4)將空氣層(5)分隔成多層。
3.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，其特征在于所述的吸水材料(4)將水體(6)分隔成多層。
4.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，其特征在于所述的吸水材料(4)選自吸水海綿、聚丙烯酸和聚丙烯酰胺組合的高吸水聚合物體系、花泥、無紡織布中的至少一種。
5.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，其特征在于所述的外殼(3)為密封外殼；所述的外殼為金屬、非金屬、塑料或混凝土、建材中的至少一種。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種利用自然界一年四季溫度的變化，在正、負(fù)溫不同條件下的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置；該裝置包括外殼，在密閉的外殼內(nèi)裝有結(jié)構(gòu)為空氣層與吸水材料互層的吸水材料，并添加一定數(shù)量水體?？蓪⑵鋺?yīng)用于鐵路、公路及其它工程的路基基礎(chǔ)和建筑物其他需保溫隔熱的物體上；本實(shí)用新型通過系統(tǒng)在正溫下導(dǎo)熱系數(shù)低、負(fù)溫下導(dǎo)熱系數(shù)高的特征來實(shí)現(xiàn)環(huán)境與被保護(hù)物體之間的熱流控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)物體的降溫作用。其實(shí)用、有效，并對(duì)環(huán)境沒有任何影響。
文檔編號(hào)E04H5/10GK2704621SQ03218970
公開日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2003年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月30日
發(fā)明者俞祁浩, 程國(guó)棟, 劉永智, 馬魏, 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