CN105401588B - 一种斯特林冻结壁装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冻结壁装置及方法，适用于冻结地层，所述地层中设有若干的冻结孔，所述冻结壁装置包括若干的冷冻单元，所述冷冻单元中包括斯特林制冷机，所述斯特林制冷机包括制冷端，所述制冷端上设有冻结筒，所述斯特林制冷机通过其上的制冷端将冻结筒制冷，当需形成冻结壁时，所述冻结筒插入所述冻结孔中。本发明的技术方案安装简便、设计方便、适用范围广、冻结效率高、冻结效果好，且不会造成任何污染。

Description

一种斯特林冻结壁装置及方法

技术领域

本发明属于机械领域，涉及一种冻结壁装置，尤其涉及一种斯特林冻结壁装置及方法。

背景技术

冻结壁始于利用人工技术冻结的冻土结构的掩护进行基坑施工。在施工前，采用人工制冷技术，将井筒周围的不稳定地层或含水层冻结成封闭的冻结壁，以抵抗地压、隔绝地下水。在现有的技术中也有利用冻结壁来形成屏蔽，以防止水分等渗透入地层之中。

为形成冻结壁，需打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器。冷冻站制出的低温盐水等经管路送到冻结器，低温盐水在冻结器中循环后，回到冷冻站被重新降温。低温盐水在冻结器中吸收其周围的地层中的热量，逐渐形成冻结壁，并直至达到设计厚度和强度。但现有的冷冻站成本高昂、结构庞大，安装、运行和维修均需花费较大的时间和费用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种斯特林冻结壁装置。

为达到上述目的，具体技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种斯特林冻结壁装置，适用于冻结地层，所述地层中设有若干的冻结孔，所述斯特林冻结壁装置包括若干的冷冻单元，所述冷冻单元中包括斯特林制冷机，所述斯特林制冷机包括制冷端，所述制冷端上设有冻结筒，所述斯特林制冷机通过其上的制冷端将冻结筒制冷，当需形成冻结壁时，所述冻结筒插入所述冻结孔中。

优选的，所述斯特林冻结壁装置还包括散热管路，所述斯特林制冷机上还 设有热端，所述散热管路与所述若干的制冷单元中的斯特林制冷机上的热端相连。

优选的，所述冻结筒与所述制冷端可拆连接。

优选的，所述冻结筒的外表面的形状为利于插入冻结孔的螺旋形。

优选的，所述冻结筒由铝制成。

优选的，还包括导冷机构，所述导冷机构由导冷材料制成，所述导冷机构的一端与所述制冷端相连，所述导冷机构的另一端朝向所述冻结筒的筒底延伸。

优选的，所述冻结筒内还设有传递冷量的导冷剂。

优选的，所述插入若干的冻结孔中的冷冻单元相互排列呈阵列，且相邻的行或列的冷冻单元之间相互错开。

另一方面，提供了一种斯特林冻结壁的形成方法，包括如下步骤：

步骤1，将如上所述的斯特林冻结壁装置插入到冻结孔中；

步骤2，利用斯特林制冷机通过冻结筒将地层冻结。

优选的，所述步骤2中还包括利用散热管路将与之相连的斯特林制冷机热端的热量吸收。

相对于现有技术，本发明的技术方案具有如下优点：

1，安装简便，仅需单独安装体积较小的斯特林制冷机，单个斯特林制冷机单独工作，仅需将其散热管路相连即可；

2，适用范围广，设计简便，仅需根据冻结地层的范围确定斯特林制冷机的数量即可，可方便的应用于冻结壁的各种使用场合；

3，制冷效率高，由于斯特林制冷机的冷端直接插入冻结孔中制冷，不需仅需冷量传递，因此几乎没有冷量损失；

4，制冷效果好，斯特林制冷机属于深低温设备，其致冷温度可在120K以下，能够快速的达到冻结要求；

5，散热效果好，只需将若干的斯特林制冷机的热端仅需散热即可，且由于斯特林制冷机属于封闭系统，散热不会造成任何污染。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的实施例的结构示意图；

图2为本发明的实施例的应用结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下将结合附图对本发明的实施例做具体阐释。

如图1和图2中所示的本发明的实施例的一种斯特林冻结壁装置，适用于冻结地层1，地层1中设有若干的冻结孔2。

如图1中所示，斯特林冻结壁装置包括若干的冷冻单元3，冷冻单元3中包括斯特林制冷机4，斯特林制冷机包括制冷端41，制冷端41上设有冻结筒5。斯特林制冷机4通过其上的制冷端41将冻结筒5制冷，当需形成冻结壁时，冻结筒5插入冻结孔2中，冻结筒5将冻结孔2周围的地层冻结。

由于斯特林制冷机属于深低温设备，其致冷温度可在120K以下。同时其是在封闭系统中获得低温和冷量，制冷快速的同时几乎没有冷量损失。

本发明的实施例利用一定数量的斯特林制冷机进行冻结壁的形成，具有安装维护简便、制冷效率高且无污染的优点。

在本发明的实施例中，斯特林冻结壁装置的散热结构优选还包括散热管路，散热管路与若干的制冷单元中的斯特林制冷机上的热端相连，散热管路中优选 包括吸热剂，将热端的热量吸收并通过管路传递出去。

如图1中所示，在本发明的实施例中，冻结筒5的长度优选为30±5m，并优选冻结筒5与制冷端41可拆连接，即可根据不同的冻结壁的深度、厚度的需要选择不同的冻结筒5。

此外，优选冻结筒5的外表面的形状为利于插入冻结孔2的形状，如螺旋形、锥形或类似自攻螺丝的螺纹的向末端收敛的螺旋形等。在某些利于插入的地层1，可不先设置冻结孔2，而是利用冻结筒5及其外表面的形状将冻结筒5直接插入地层1，并形成冻结孔2，更加方便安装和使用。并优选冻结筒5由铝、铝合金、碳钢等金属材料制成，更加坚固。

另如图1中所示，在本发明的实施例中，优选还包括导冷机构42，导冷机构42的一端与制冷端41相连，导冷机构42的另一端朝向冻结筒5的筒底延伸，通过导冷机构42将制冷端41的冷量迅速的传递至冻结筒5上，并保持整个结构上冷量的分布均匀。优选导冷机构42具有螺旋形或具有分叉的导冷叶片等利于分散冷量的结构。并优选导冷机构42由铜等导冷材料制成，导冷机构42为铜管。

此外，如图1中所示，在本发明的实施例中，优选冻结筒5内还设有传递冷量的导冷剂51，优选为氦气等，以迅速的制冷。

如图2中所示，在本发明的实施例中，插入若干的冻结孔2中的冷冻单元3相互排列呈阵列，且相邻的行或列的冷冻单元3之间相互错开，从而在形成冻结壁作为屏障时，以利于快速形成冻结壁。

如图1和图2中所示，在本发明的实施例中，斯特林冻结壁的形成方法，包括如下步骤：

步骤1，优选将导冷机构42安装于制冷端41上，随后安装上适合的冻结筒5，并在冻结筒5中灌入导冷剂51。将一定数量的斯特林制冷机4插入到冻结孔2中，提供斯特林制冷机2电源，将斯特林制冷机2的热端通过散热管路相连；

步骤2，利用斯特林制冷机4通过冻结筒5将地层1冻结；利用散热管路 将与之相连的斯特林制冷机热端的热量吸收并传递走。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种冻结壁装置，适用于冻结地层，所述地层中设有若干的冻结孔，其特征在于，所述冻结壁装置包括若干的冷冻单元，所述冷冻单元中包括斯特林制冷机，所述斯特林制冷机包括制冷端，所述制冷端上设有冻结筒，所述斯特林制冷机通过其上的制冷端将冻结筒制冷，当需形成冻结壁时，所述冻结筒插入所述冻结孔中。

2.如权利要求1所述的冻结壁装置，其特征在于，所述冻结壁装置还包括散热管路，所述斯特林制冷机上还设有热端，所述散热管路与所述若干的制冷单元中的斯特林制冷机上的热端相连。

3.如权利要求1所述的冻结壁装置，其特征在于，所述冻结筒与所述制冷端可拆连接。

4.如权利要求3所述的冻结壁装置，其特征在于，所述冻结筒的外表面的形状为利于插入冻结孔的螺旋形。

5.如权利要求4所述的冻结壁装置，其特征在于，所述冻结筒由铝制成。

6.如权利要求1所述的冻结壁装置，其特征在于，还包括导冷机构，所述导冷机构由导冷材料制成，所述导冷机构的一端与所述制冷端相连，所述导冷机构的另一端朝向所述冻结筒的筒底延伸。

7.如权利要求6所述的冻结壁装置，其特征在于，所述冻结筒内还设有传递冷量的导冷剂。

8.如权利要求1所述的冻结壁装置，其特征在于，所述插入若干的冻结孔中的冷冻单元相互排列呈阵列，且相邻的行或列的冷冻单元之间相互错开。

9.一种冻结壁的形成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将如权利要求1所述的冻结壁装置插入到冻结孔中；

步骤2，利用斯特林制冷机通过冻结筒将地层冻结。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤2中还包括利用散热管路将与之相连的斯特林制冷机热端的热量吸收。