專利名稱：一種重力平衡式的對(duì)流控制風(fēng)門的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種自動(dòng)調(diào)控凍土路基對(duì)流換熱過程，通過最大程度利用冷能、 積極降低路基溫度，確保凍土路基穩(wěn)定和安全運(yùn)營的無能耗自動(dòng)溫度控制風(fēng)門。
背景技術(shù)：
凍土是一種溫度低于0°C且含有冰的土巖，按凍土保持時(shí)間的長短可分為短時(shí)凍 土(凍結(jié)數(shù)小時(shí)至半月)、季節(jié)凍土(凍結(jié)半月至數(shù)月)、多年凍土(凍結(jié)數(shù)年至數(shù)百萬年 以上)，其分布區(qū)域稱為凍土區(qū)。世界陸地面積的50%為寒區(qū)所覆蓋，我國凍土區(qū)和多年凍 土的面積占到國土面積的75 %和21. 5 %。我國屬世界第三凍土大國，而高海拔多年凍土面 積則位居世界之最。凍土不僅由于冰的存在其性質(zhì)會(huì)較融土發(fā)生復(fù)雜和根本性的改變，而且在多年凍 土區(qū)，通過長期的演化、發(fā)展和變化，更會(huì)形成厚達(dá)幾米、十幾米各具形態(tài)的厚層地下冰。隨 著氣候環(huán)境的轉(zhuǎn)暖、以及人類活動(dòng)日益加劇極易誘發(fā)凍土和厚層地下冰的融化，對(duì)凍土環(huán) 境、凍土工程造成嚴(yán)重影響和威脅。我國建設(shè)的青藏鐵路、青藏公路等國家重大工程都面對(duì)高溫(即溫度接近0°C的 多年凍土)、高含冰量凍土(即體積含冰量基本超過30%的多年凍土)等極為特殊的凍土 環(huán)境，都面臨著如何長期確保凍土路基長期穩(wěn)定的難題。隨著《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》的實(shí) 施，由于高等級(jí)寬幅黑色浙青路面更為強(qiáng)烈的吸熱和對(duì)凍土的熱擾動(dòng)，都使得即將開展的 通往玉樹的高等級(jí)公路建設(shè)、以及未來青藏高速公路的建設(shè)面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。面對(duì)突出問題，我國寒區(qū)科學(xué)工作者立足國情，圍繞青藏鐵路國家重大工程，在以 “冷卻路基”科學(xué)思想的指導(dǎo)下，為積極保護(hù)多年凍土，達(dá)到凍土工程的長期穩(wěn)定，緊密圍繞 各種工程措施進(jìn)行了積極的探索和系統(tǒng)研究。中國科學(xué)，2003，第33卷介紹了俞祁浩在“自 動(dòng)溫控通風(fēng)路基在青藏鐵路中的應(yīng)用研究”的初期結(jié)果。通過2003年6月 10月的野外 現(xiàn)場實(shí)踐證明，這種新型工程措施結(jié)合利用冷能的思路，具有效能突出、降溫效果明顯、工 程施工可行、應(yīng)用環(huán)境較寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。該種措施的關(guān)鍵是在普通通風(fēng)路基通風(fēng)管上加裝 了一種可以根據(jù)外界環(huán)境溫度變化自動(dòng)開啟和關(guān)閉的風(fēng)門，當(dāng)外界的環(huán)境溫度大于設(shè)定感 應(yīng)溫度時(shí)風(fēng)門自動(dòng)關(guān)閉，小于感應(yīng)溫度時(shí)自動(dòng)開啟，使得外界的冷能得以富集于路提的內(nèi) 部，達(dá)到降溫的目的。雖然上述溫度感應(yīng)控制系統(tǒng)可以較為有效的降低多年凍土的溫度，但通過2003 年 2004年底的資料分析發(fā)現(xiàn)，在2004年3月至6月的時(shí)間里，路提溫度場出現(xiàn)了以通風(fēng) 管為主較為快速的升溫過程，由此，較大程度的削弱了整體降溫效果。其主要原因在于其溫 度感應(yīng)和控制系統(tǒng)主要由記憶合金組成，記憶合金的延遲效應(yīng)只能使控制系統(tǒng)在一個(gè)設(shè)定 溫度區(qū)段內(nèi)完成規(guī)定動(dòng)作，加之青藏高原外界環(huán)境的巨大變化，使得風(fēng)門在暖季常處于開 啟狀態(tài)，尤其是在夜間。因此，如果首先使自控通風(fēng)路基的控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確以設(shè)定的環(huán)境溫 度作為控制指標(biāo)，完成開啟和關(guān)閉動(dòng)作，其次，選擇較為合理的控制溫度，必將最大程度發(fā) 揮自控通風(fēng)路基的降溫效能，保證凍土工程處于長期穩(wěn)定，避免全球氣候轉(zhuǎn)暖的影響。通過
3查閱青藏高原的氣溫資料，高于0°c的時(shí)間約為5 9月不到五個(gè)月的時(shí)間，結(jié)合室內(nèi)的初 步分析計(jì)算，0°C是一個(gè)較為合理的控制溫度點(diǎn)，使整個(gè)路提在全年的熱量收支上可以達(dá)到 最優(yōu)。因此，如何研發(fā)一種以0°C為凍土路基對(duì)流換熱過程的調(diào)控節(jié)點(diǎn)，且實(shí)施方便、造價(jià)低 廉、操作簡單、穩(wěn)定性高的自控系統(tǒng)，對(duì)于有效應(yīng)對(duì)高等級(jí)公路等國家重大建設(shè)工程的需要 就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種重力平衡式的對(duì)流控制風(fēng)門。本發(fā)明 利用水或冰的溫度變化，并在0°C發(fā)生凍結(jié)或融化的過程中，其單位體積會(huì)發(fā)生9%的膨脹 或收縮。根據(jù)這一物理性質(zhì)和重力的偏移，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)0°C條件下的對(duì)流換 熱風(fēng)門的開啟、或關(guān)閉效能。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種重力平衡式的對(duì)流控制風(fēng)門，主要由溫度感應(yīng)單元、重力平衡單元、風(fēng)門和風(fēng) 門支架組成。溫度感應(yīng)單元是由密閉的容器與密閉容器組成；容器置于容器的內(nèi)部，容器內(nèi) 裝滿水，容器裝滿油；密閉的容器連接連通器，連通器穿過風(fēng)門與重力平衡單元相連；風(fēng)門 懸掛在風(fēng)門支架內(nèi)兩端的軸上，并嵌入通風(fēng)管內(nèi)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是1、針對(duì)性強(qiáng)、具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明是充分結(jié)合凍土工程中突出的實(shí)際問 題而進(jìn)行的研發(fā)?？梢詫?shí)現(xiàn)在0°c條件下對(duì)路基對(duì)流換熱過程的準(zhǔn)確控制，由此達(dá)到通過充 分利用冷能進(jìn)一步提升自控通風(fēng)路基的降溫效能的目的。通過本發(fā)明的實(shí)施可以最大限度 的發(fā)揮自控通風(fēng)路基的降溫效能，確保凍土工程的長期穩(wěn)定。2、工程經(jīng)濟(jì)效益明顯。由于其降溫效能的進(jìn)一步提高，可在工程實(shí)際中進(jìn)一步通 過減少路提高度、或較少通風(fēng)管的使用量，以及減少工程維護(hù)成本等方式減少工程總體成 本。同時(shí)進(jìn)一步拓寬其在各種不良凍土地區(qū)的應(yīng)用范圍。3、溫度感應(yīng)靈敏、控制精度高。本發(fā)明與已有以記憶合金為主要控件的對(duì)流自控 系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)無需更多溫度的變化，只需1_2°C的溫度變化即可完成風(fēng)門的開啟或關(guān)閉 動(dòng)作。同時(shí)由于該發(fā)明的溫度感應(yīng)單元的水體體積較小，無需更多時(shí)間的相變過程，即可以 實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)外界溫度變化的快速和準(zhǔn)確反應(yīng)。3、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、安裝維護(hù)簡便。由于本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡便、自成一體，沒有更多 聯(lián)動(dòng)裝置，在青藏高原惡劣環(huán)境下與以往系統(tǒng)相比，具有更高的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于本發(fā)明 結(jié)構(gòu)簡單，可以對(duì)系統(tǒng)完成快速的安裝、或拆卸，對(duì)其中的一些部件也可以快速更換。因此， 該本發(fā)明更有利于青藏高原野外惡劣高寒缺氧環(huán)境下推廣工作。4、造價(jià)低廉、性價(jià)比高。以前已有通風(fēng)路基的對(duì)流自控系統(tǒng)，主要由昂貴的記憶合 金組成，工程造價(jià)較高。而本發(fā)明主要由容器、水和油等組成，成本極為低廉，同時(shí)，根據(jù)水 膨脹或收縮物理性質(zhì)和重力的偏移，易實(shí)現(xiàn)風(fēng)門完成開啟關(guān)閉動(dòng)作，由此大大降低工程造 價(jià)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中風(fēng)門呈關(guān)閉狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式如圖4所示，一種重力平衡式的對(duì)流控制風(fēng)門，主要由溫度感應(yīng)單元1、重力平衡 單元2、風(fēng)門6和風(fēng)門支架7組成，其特征是溫度感應(yīng)單元1是由密閉的容器3與密閉容器 4組成；容器3置于容器4的內(nèi)部，容器3內(nèi)裝滿水，容器4裝滿油；密閉的容器4連接連通 器5，連通器5穿過風(fēng)門6與重力平衡單元2相連通；風(fēng)門6懸掛在風(fēng)門支架7內(nèi)兩端的軸 上，并嵌入通風(fēng)管8內(nèi)。隨著冷季到來，環(huán)境溫度開始降低到0°C以下的時(shí)候，容器3中的水分開始發(fā)生凍 結(jié)，隨著凍結(jié)過程體積開始發(fā)生膨脹，導(dǎo)致容器4中的油壓開始升高；在油壓作用下，容器4 中的油則向重力平衡單元2移動(dòng)；隨著油體的移動(dòng)過程，重力平衡單元2的重量會(huì)不斷增 加，同時(shí)溫度感應(yīng)單元的重量不斷減少，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的重心向重力平衡單元2 —側(cè)發(fā)生 偏移；由此，在重力作用下風(fēng)門6完成開啟動(dòng)作，促進(jìn)路基內(nèi)部與外界冷環(huán)境的換熱過程， 如圖3所示。反之，隨著暖季到來，環(huán)境溫度開始升高到0°C以上的時(shí)候，由于整個(gè)系統(tǒng)為密閉 系統(tǒng)，隨著容器3中冰的融化，以及容器3體積的收縮，在吸力作用下，重力平衡單元2中的 油體被吸回容器4中；導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)重心向溫度感應(yīng)單元一側(cè)偏移，由此，在重力作用下風(fēng) 門6完成關(guān)閉動(dòng)作，阻止外部熱量進(jìn)入到路基的內(nèi)部。當(dāng)風(fēng)門3處于開啟、或關(guān)閉狀態(tài)下，在風(fēng)壓和重力作用下，兩種狀態(tài)均為穩(wěn)態(tài)。另 外，實(shí)際觀測也表明，通風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速較之外界自然分場要低許多。因此，在青藏高原惡劣 環(huán)境下，控制系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)情況，可以確保整個(gè)系統(tǒng)的工作準(zhǔn)確和順暢。本發(fā)明是一種促進(jìn)凍土降溫的零度溫控開關(guān)，主要應(yīng)用于凍土通風(fēng)路基中，根據(jù) 需要可以在通風(fēng)管的一段、或是兩端安裝重力平衡式的對(duì)流控制風(fēng)門，即可完成對(duì)通風(fēng)路 基的換熱過程的自動(dòng)控制。
權(quán)利要求
一種重力平衡式的對(duì)流控制風(fēng)門，主要由溫度感應(yīng)單元(1)、重力平衡單元(2)、風(fēng)門(6)和風(fēng)門支架(7)組成，其特征是溫度感應(yīng)單元(1)內(nèi)包含密閉的容器(3)與密閉容器(4)，容器(3)置于容器(4)的內(nèi)部，容器(3)內(nèi)裝滿水，容器(4)裝滿油；密閉的容器(4)連接連通器(5)，連通器(5)穿過風(fēng)門(6)與重力平衡單元(2)相連通；風(fēng)門(6)懸掛在風(fēng)門支架(7)內(nèi)兩端的軸上，并嵌入通風(fēng)管(8)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種重力平衡式的對(duì)流控制風(fēng)門，主要由溫度感應(yīng)單元、重力平衡單元風(fēng)門和風(fēng)門支架組成。溫度感應(yīng)單元包含密閉的容器與密閉容器；容器3位于容器4的內(nèi)部，容器3內(nèi)裝滿水，容器4裝滿油；密閉的容器4連接連通器，連通器穿過風(fēng)門與重力平衡單元相連通；風(fēng)門懸掛在風(fēng)門支架內(nèi)兩端的軸上，并嵌入通風(fēng)管內(nèi)。本發(fā)明根據(jù)容器4內(nèi)部油壓的膨脹或縮小，使重力平衡單元發(fā)生偏移；由此，在重力作用下風(fēng)門完成開啟關(guān)閉動(dòng)作，促進(jìn)路基內(nèi)部與外界冷環(huán)境進(jìn)行熱交換，從而保證凍土工程處于長期穩(wěn)定。
文檔編號(hào)E01C3/06GK101914883SQ20101024135
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者俞祁浩, 常小曉, 錢進(jìn) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所