CN216006466U - 一种用于冻土路基温度调控的单向导热结构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于冻土路基温度调控的单向导热结构，包括呈Z字型且同向并排设置的数根板式热管（2），分设在板式热管（2）左右两边的下部保温板（11）和上部保温板（12）；下部保温板（11）的上表面与板式热管（2）的上半段（22）和中间段的下表面连接，下表面具有第一错口搭接平台；上部保温板（12）的下表面与板式热管（2）的下半段（21）和中间段的上表面连接，上表面具有第二错口搭接平台；相邻两个单向导热结构之间通过第一错口搭接平台和第二错口搭接平台搭接。本申请降低了制造难度，便于大规模生产；搭接式组装方便快速施工；搭接完成后热管以阵列式、层叠式分布，增大了热管的设置面积，提高了温控均衡性和强度。

Description

一种用于冻土路基温度调控的单向导热结构

技术领域

本申请涉及冻土路基温度调控技术领域，尤其涉及一种用于冻土路基温度调控的单向导热结构。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，冻土的力学强度会随着温度的变化而发生巨大的改变：温度越低冻土强度越大，当温度低于-1.5℃时，其瞬时抗压强度与一般岩石相当；而当温度高于-0.5℃至0℃时，其抗压强度相当于一般土块，甚至基本丧失。在多年冻土区、季节冻土区等寒冷区域，路基工程面临着严重的冻结、融化导致的路基冻胀、融沉等工程病害。因此，为保证寒区重大工程建设的顺利进行和长期稳定，寒区科学工作者针对各种调控路基温度场的工程措施开展了大量工程和科学实践。

其中，路基坡面调控是调控路基温度场的一项关键工程措施，其利用坡面传热过程进行地温调控，不仅能有效降低冻土基础温度、维护冻土基础长期稳定，而且能有效防控冻融作用不利影响、影响范围，还能改善由于太阳辐射差异导致的“阴阳坡效应”。

针对青藏铁路等高路堤道路工程、或边坡防护等工程，以往提出的坡面调控措施主要有遮阳板路基、块石（碎石）护坡路基、空心块护坡等（基于对流换热、遮阳原理），但是，在实际应用过程中发现这些措施不仅单向导热性能、地温调控效能不足，而且稳定性较差，难以满足实施工程需要。

申请号200510022750.X的发明专利申请提出了一种降低路基冻土地温场的高效单向导热装置，图1示出了该装置在路基内部完成拼接的示意图，该装置由保温材料和热管组成，热管分散热段、传热段、吸热段：散热段、吸热段水平位于保温材料的上下端面，传热段嵌于保温材料的内部，在密闭的真空外壳热管内装有热导工质，水平埋设在路堤中的一定位置，实现对装置下部土体热流调控和有效降温作用；预制、拼接时一块保温材料对应一个拼接单元。该装置虽然具有高效的单向导热性能，但是在实际制造和使用过程中发现：

1、制造难度大：现有技术中仅在宏观上公开了保温材料和热管的大致构成情况（“吸热段水平位于保温材料的上下端面，传热段嵌于保温材料的内部”），并未在微观上公开的组成细节，在实际制作时要将Z型热管直接嵌入整块的保温材料，制造难度大，不利于大规模生产。

2、温控的均衡性和强度低：由于每个拼接单元中热管、保温材料两者的形状、组合形式等的限制，使得导热装置在拼接完成后顶面/底面上只有一半面积设有热管，严重影响了温控的均衡性和强度。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种用于冻土路基温度调控的单向导热结构，以降低制造难度、提高温控均衡性和强度。

为解决上述问题，本申请提供了一种用于冻土路基温度调控的单向导热结构包括呈Z字型且同向并排设置的数根板式热管，分设在板式热管左右两边的下部保温板和上部保温板；所述下部保温板的上表面与所述板式热管的上半段和中间段的下表面连接，下表面具有第一错口搭接平台；所述上部保温板的下表面与所述板式热管的下半段和中间段的上表面连接，上表面具有第二错口搭接平台；相邻两个单向导热结构之间通过所述第一错口搭接平台和所述第二错口搭接平台搭接。

优选的，还包括分别设在所述上半段上表面和所述下半段下表面的保护板。

优选的，所述保护板为金属板。

优选的，所述保护板、所述板式热管与保温板之间通过粘合剂连成整体。

优选的，所述粘合剂为导热粘合剂。

优选的，所述第一错口搭接平台和所述第二错口搭接平台完成搭接后，相邻两个单向导热结构的上下表面均平齐。

优选的，所述第一错口搭接平台和所述第二错口搭接平台的厚度为1/2h，h为所述板式热管中间段的竖向高度。

优选的，所述板式热管为厚度小于5mm的微热管阵列。

优选的，还包括均布在所述单向导热结构底部的数根支撑底座。

本申请与现有技术相比具有以下优点：

1、本申请提供了一种搭接式单向导热结构，（1）板式热管左右两边分设下部保温板和上部保温板，这种组合方式降低了制造难度，便于大规模生产；（2）施工时相邻两个单向导热结构之间通过设在保温板上的错口搭接平台搭接，方便快速；（3）单向导热结构搭接完成后热管以阵列式、层叠式分布，增大了热管上半段/下半段在整个顶面/底面的设置面积，提高了温控均衡性和强度。

2、一种结构双重效能：本申请单向导热板在坡面铺设场景下可以在不改变内部结构的条件下，仅通过调整其整体的放置方式即能发挥降温或者升温功效，适用范围广。

3、适用范围广：本申请除了可以应用到坡面调控，还可以应用到机场、公路路基、高速铁路路基等冻土基础上，针对大范围、大平面等工作条件下的冻土路基进行地温调控，有效解决多年冻土区的机场建设、线路工程的站场建设中，大尺度、大范围和整体平面建筑地温调控和降温难题，填补冻土工程地温调控措施空白。

附图说明

下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为现有技术中单向导热装置在路基内部完成拼接的示意图。

图2为本申请实施例提供的单向导热结构的整体结构示意图。

图3为本申请实施例提供的板式热管的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的单向导热结构的剖面示意图。

图5为本申请实施例提供的单向导热结构的拼接正视图。

图6为本申请实施例提供的单向导热结构的应用场景侧视图。

图7为本申请实施例提供的单向导热结构的应用场景正视图。

图8为本申请实施例提供的路基地温场分布数值模拟结果。

图中：1—保温板，2—板式热管，3—保护板，4—粘合剂，5—支撑底座，6—路基坡面；11—下部保温板，12—上部保温板；21—下半段，22—上半段；31—下部保护板，32—上部保护板。

具体实施方式

参考图2和图3，本申请实施例提供了一种用于冻土路基温度调控的单向导热结构，该单向导热结构主要包括板式热管2、分设在板式热管2左右两边的下部保温板11和上部保温板12（保温板1包括下部保温板11和上部保温板12）。

板式热管2呈Z字型，由放热段、吸热段和中间的传热段构成，放热段、吸热段分别与传热段间的夹角为90°-150°；板式热管2内部有工质，板式热管2的放热段和吸热段可以互换——在板式热管2两端存在高度差情况下，在高位的一段就是放热段，在低位的一段就是吸热段。如图2和图3所示的状态下，板式热管2的上半段22为放热段，下半段21为吸热段。

在实际应用中，保温板1采用常规工业保温材料如岩棉板、EPS，XPS等中的一种。板式热管2采用厚度小于5mm的超薄微热管阵列，单向导热作用强。

在每个拼接单元中，数根板式热管2同向、等高、并排设置，并且以阵列式、高密度式进行密集排列，由此实现面层、均匀的温度调控作用；其中“同向”指上半段22/下半段21的朝向一致。下部保温板11和上部保温板12分设在板式热管2左右两边：下部保温板11的上表面与板式热管2的上半段22和中间段的下表面粘合连接，上部保温板12的下表面与板式热管2的下半段21和中间段的上表面粘合连接，由此实现板式热管2在保温板1上的“嵌设”。

下部保温板11的下表面具有第一错口搭接平台（呈倒L型），下部保温板11下表面上除第一错口搭接平台之外的部分与板式热管2的下半段21的下表面平齐；上部保温板12的上表面具有第二错口搭接平台（呈正L型），上部保温板12上表面上除第二错口搭接平台之外的部分与板式热管2的上半段22的上表面平齐。第一错口搭接平台和第二错口搭接平台的厚度为1/2h，h为板式热管2中间段的竖向高度（5cm -15 cm）。

参考图5至图7，相邻两个单向导热结构之间通过第一错口搭接平台和第二错口搭接平台搭接。单向导热结构底部均布数根支撑底座5（可以用槽钢制作）。完成搭接后，相邻两个单向导热结构的上表面平齐，下表面也平齐；当前单向导热结构上板式热管2的上半段22与前一单向导热结构上板式热管2的下半段21上下（相隔保温材料）重叠，下半段21与后一单向导热结构上板式热管2的上半段22上下（相隔保温材料）重叠。

本申请中，单向导热结构还包括分别设在上半段22上表面和下半段21下表面的保护板3，防止板式热管2和保温板1被破坏。保护板3同时也覆盖下部保温板11和上部保温板12上除错口搭接平台之外的部分。

参考图4，在实际应用中，保护板3、板式热管2与保温板1之间通过粘合剂4连成整体；粘合剂4进一步为导热粘合剂，导热粘合剂采用耐冻融性能、耐老化性能优良及粘贴性能良好的材料，起到固定及提高导热效率的双重作用。保护板3进一步为传热性能和强度较好的金属板，既能起到保护作用，又能充当翅片增加吸热、散热面积，提高整体导热和换热能力。

板式热管2的工作原理：放热段在上，吸热段在下；在满足热管工作温差的条件下，吸热段吸收热量，内部的液态工质气化，在压强的作用下，气态工质流向放热段，在放热段由于外部温度较低使气态工质释放热量凝结成液体，同时放出气化潜热，液态工质在重力或毛细力作用下，回流至吸热段并再次气化。在工质的如此不断循环下，热量由吸热段传递至放热段。

由于板式热管2的放热段和吸热段可以互换（坡面铺设情况下，在高位的一段就是放热段，在低位的一段就是吸热段），使得本申请中同一单向导热结构按不同的施工方式具有降温和升温两种功能，适用范围广（注：两种功能只在坡面铺设场景下成立，在0°的水平面上，由于靠近底面的一段21始终是吸热段，因此只具有降温功能）。比如：在多年冻土区发挥对路基不断制冷、蓄冷的作用；在季节冻土区发挥对路基不断加热、集热的作用。以下分情况进行说明。

（1）降温模式

在路基坡面上，使位于单向导热结构与坡面之间的板式热管2（半段21）的位置在下，该段成为吸热段，板式热管2的另一段22在上成为放热段，整个单向导热结构处于对坡面的降温模式。

降温模式下单向导热结构的工作原理：当冬季、夜间等环境温度低于坡面温度的时候，单向导热结构发挥超导热效能，使得路基内部热量有效放出，并降低路基温度；而当夏季、白天等环境温度高于坡面温度的时候，单向导结构发挥良好隔热效能，阻止外界热量的侵入，以保护路基内部的相对冷能。由此通过不断的累积过程，使得外界的冷能不断蓄积到路基的内部和降低路基温度，并长期处于更低的低温状态和维护冻土路基的长期稳定。

（2）升温模式

在路基坡面上，使位于单向导热结构与坡面之间的板式热管2（半段21）的位置在上成为放热段，板式热管2的另一半段22在下成为吸热段，整个单向导热结构处于对坡面的升温模式。

升温模式下单向导热结构的工作原理与降温模式相同，但单向导热板处于导热状态和隔热状态下环境温度与路基坡面温度差值、作用方向和地温控制目的则正好相反，并由此导致路基温度的不断升高、路基热能的不断积累，由此达到防治季节冻土区路基冻胀病害发生和维护路基稳定的目的。

数值仿真结果

借助数值模拟，对本发明的单向导热板在多年冻土区铁路路基坡面应用后降温效果进行了研究。参见图8，图8为本申请用于多年冻土区铁路路基坡面第5年10月路基地温场分布数值模拟结果。在单向导热板作用下，人为冻土上限位于靠近路面处，路堤填土以下基本处于冻结状态。该模拟结果表明本申请的单向导热板具有显著的降温效能。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的结构及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于冻土路基温度调控的单向导热结构，其特征在于，该单向导热结构包括呈Z字型且同向并排设置的数根板式热管（2），分设在板式热管（2）左右两边的下部保温板（11）和上部保温板（12）；所述下部保温板（11）的上表面与所述板式热管（2）的上半段（22）和中间段的下表面连接，下表面具有第一错口搭接平台；所述上部保温板（12）的下表面与所述板式热管（2）的下半段（21）和中间段的上表面连接，上表面具有第二错口搭接平台；相邻两个单向导热结构之间通过所述第一错口搭接平台和所述第二错口搭接平台搭接。

2.如权利要求1所述的单向导热结构，其特征在于，还包括分别设在所述上半段（22）上表面和所述下半段（21）下表面的保护板（3）。

3.如权利要求2所述的单向导热结构，其特征在于，所述保护板（3）为金属板。

4.如权利要求2所述的单向导热结构，其特征在于，所述保护板（3）、所述板式热管（2）与保温板（1）之间通过粘合剂（4）连成整体。

5.如权利要求4所述的单向导热结构，其特征在于，所述粘合剂（4）为导热粘合剂。

6.如权利要求1所述的单向导热结构，其特征在于，所述第一错口搭接平台和所述第二错口搭接平台完成搭接后，相邻两个单向导热结构的上下表面均平齐。

7.如权利要求1所述的单向导热结构，其特征在于，所述第一错口搭接平台和所述第二错口搭接平台的厚度为1/2h，h为所述板式热管（2）中间段的竖向高度。

8.如权利要求1所述的单向导热结构，其特征在于，所述板式热管（2）为厚度小于5mm的微热管阵列。

9.如权利要求1所述的单向导热结构，其特征在于，还包括均布在所述单向导热结构底部的数根支撑底座（5）。

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