CN216006467U - 一种用于冻土路基的单向导热板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于冻土路基的单向导热板，包括保温层（1）和嵌设在保温层（1）上的数根热管单元（2），热管单元（2）呈Z字型，顶面段（21）和底面段（22）分设在保温层（1）两面；热管单元（2）在保温层（1）上以阵列、高密度方式横向交错布置；热管单元（2）与横向基准方向P1之间具有一定夹角以使单向导热板在目标铺设角度下每根热管单元（2）的两端存在高度差；在纵向基准方向P2上，相邻两根热管单元（2）反向交叉或反向平行，相间两根热管单元（2）同向且平行。本实用新型单向导热板的温控均衡性和强度高，并且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。

Description

一种用于冻土路基的单向导热板

技术领域

本实用新型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的单向导热板。

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5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。该装置虽然具有一定的单向导热性能，但是由于热管在保温材料上布置方式的限制（在每个拼接单元中所有热管同向平行布置），使得保温材料顶面/底面上只有一半面积设有热管，影响了温控的均衡性和强度，这种影响在所有拼接单元完成拼接后更为突出。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于冻土路基的单向导热板，以提高温控的均衡性和强度。

为解决上述问题，本实用新型所述的一种用于冻土路基的单向导热板包括保温层和嵌设在所述保温层上的数根热管单元，所述热管单元呈Z字型，其顶面段统一设在保温层的一面，底面段统一设在保温层的另一面，中间部分贯穿保温层厚度方向，其特征在于：所述热管单元在所述保温层上以阵列、高密度方式横向交错布置；所述热管单元与横向基准方向P1之间具有一定夹角以使所述单向导热板在目标铺设角度下每根所述热管单元的两端存在高度差；在纵向基准方向P2上，相邻两根所述热管单元反向交叉或反向平行，相间两根所述热管单元同向且平行。

优选的，该单向导热板还包括分别设在所述保温层上下表面的保护盖板。

优选的，所述热管单元与横向基准方向P1的夹角为0°~20°。

优选的，所述保温层厚度为5cm~15 cm，所述热管单元外径小于1cm。

优选的，所述热管单元为微热管阵列。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、温控的均衡性和强度高

本实用新型中,热管单元在保温层上以阵列、高密度方式横向交错布置,热管单元与横向基准方向P1之间具有一定夹角(保证热管单元的基本工作条件),并且在纵向基准方向P2上相邻两根热管单元反向交叉或反向平行，相间两根热管单元同向且平行,结构紧凑、均匀,扩张了保温层每个面上发挥温控作用的区域，提高了温控的均衡性和强度。

2、一种结构双重效能

本实用新型中，利用热管单元的顶面段和底面段可以互换结构功能（在高位的一段就是放热段），通过设定特定的布置方式（交错和夹角）使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

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例提供的降温模式下单向导热板的应用场景图。

图2为本实用新型实施例提供的降温模式下单向导热板沿P1方向的横截面示意图。

图3为本实用新型实施例提供的降温模式下单向导热板的俯视示意图。

图4为本实用新型实施例提供的升温模式下单向导热板的俯视示意图。

图5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。

图中：1—保温层，2—热管单元，3—路基坡面；21—顶面段，22—底面段。

具体实施方式

参考图1至图3，本实用新型用于冻土路基的单向导热板主要包括保温层1和嵌设在保温层1上的数根热管单元2。热管单元2呈Z字型，顶面段21统一设在保温层1的顶面，底面段22统一设在保温层1的底面，中间部分贯穿保温层1厚度方向。

保温层1的厚度为5cm ~ 15 cm，厚度取值与热管单元2中间部分的长度相适应，使得顶面段21和底面段22自然贴合在保温层1的表面。

热管单元2的管径较小（外径小于1cm），在保温层1上以阵列、高密度方式进行密集排列，由此实现面层、均匀的温度调控作用；此处“面层”相较点、线而言。为进一步增强面层的单向导热作用，本实用新型中热管单元2特别采用一种超薄（厚度小于5mm）的板式超强导热元件——微热管阵列。

本实用新型中，单向导热板应用时置于坡面，为避免或减小外界环境对其造成损坏，该单向导热板还包括分别设在保温层1上下表面的保护盖板（图中未示出）。

热管单元2的工作原理：热管一端为吸热段，另一端为放热段，内部有工质，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。基于这样的工作原理，热管单元2的顶面段21和底面段22可以互换——在高位的一段就是放热段，在低位的一段就是吸热段。

为较好适应坡面应用场景,热管单元在保温层1上主要沿横向布置（路基方向称为横向基准方向P1），热管单元2与横向基准方向P1之间具有一定夹角，比如0°~20°（不包括端值），以使单向导热板在目标铺设角度下每根热管单元2的两端存在高度差，保证热管单元2的基本工作条件。

在纵向基准方向P2上（坡脚到坡顶称为纵向基准方向P2），相邻两根热管单元2反向交叉（一面的顶面段21与另一面的底面段22交叉）或者反向平行，相间两根热管单元2同向且平行。这样的布置方式在满足阵列式、高密度密集排列要求的基础上，使热管单元2之间更紧凑进而增强调控的均衡性和强度。

参考图3，热管单元2位于保温层1上表面的一段位置高，因此，位于保温层1上表面的一段为放热段，位于下表面的一段为吸热段，为降温模式：在保温层1的上表面，相邻两根顶面段21呈正V型分布，相间两根顶面段21相互平行，可以理解的是，在保温层1的下表面，相邻两根底面段22呈倒V型分布，相间两根底面段22相互平行。

参考图4，其为图3原地水平旋转180°的结果，此时，热管单元2位于保温层1上表面的一段位置低，因此，位于保温层1上表面的一段为吸热段，位于下表面的一段为放热段，为升温模式：在保温层1的上表面，相邻两根底面段22呈倒V型分布，相间两根底面段22相互平行，可以理解的是，在保温层1的下表面，相邻两根顶面段21呈正V型分布，相间两根顶面段21相互平行。

由此可以看出，本实用新型中，同一块单向导热板在坡面上按不同的放置方式具有降温和升温两种功能（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始终是吸热段，因此只具有降温功能），在实际应用中根据路基地温调控目标的需求，可实现对路基的不断降温，或对路基的持续升温的目的。

（1）降温作用：在多年冻土区，将如图3所示单向导热板铺设于路基坡面，随着外界环境温度的变化，单向导热板可以将环境冷能通过路基坡面不断蓄积到基础的内部，以及达到不断降低路基温度、减少冻融作用影响范围和程度的目的，保持冻土基础长期冻结和路基的长期稳定。

（2）升温作用：在季节冻土区，将如图4所示单向导热板铺设于坡面，单向导热板将环境热量不断蓄积到基础的内部，通过冬季热量的不断补充提高路基地温，避免路基发生冻结，解决季节冻土区路基冻胀不利影响。

本实用新型对于路基的选择并无特别限制，普通高度路基或高填方路基均能满足使用要求。为了保证单向导热板与路基坡面3紧密接触，路基坡面3不宜具有较大的起伏，在使用过程中使用者可根据路基坡面3的实际情况，在铺设单向导热板前对路基坡面3进行平整处理，以满足使用要求。

单向导热板的工作原理：保温层1将热管单元2的顶面段21和底面段22隔开，并阻断路基3坡面与外界环境之间的直接换热；当环境温度达到热管单元2的工作温度时，单向导热板具有热学超导性能和蓄能作用，而其它非工作温度情况下，单向导热板中保温层1具有良好隔热效能，由此在两者的共同作用下实现在外界环境温度起伏变化过程中起到单向导热作用和对路基内部不断的蓄能作用（包括降温模式下的蓄冷能和升温模式下的蓄热能）。

以上对本实用新型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实用新型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实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于冻土路基的单向导热板，包括保温层（1）和嵌设在所述保温层（1）上的数根热管单元（2），所述热管单元（2）呈Z字型，其顶面段（21）统一设在保温层（1）的一面，底面段（22）统一设在保温层（1）的另一面，中间部分贯穿保温层（1）厚度方向，其特征在于：所述热管单元（2）在所述保温层（1）上以阵列、高密度方式横向交错布置；所述热管单元（2）与横向基准方向P1之间具有一定夹角以使所述单向导热板在目标铺设角度下每根所述热管单元（2）的两端存在高度差；在纵向基准方向P2上，相邻两根所述热管单元（2）反向交叉或反向平行，相间两根所述热管单元（2）同向且平行。

2.如权利要求1所述的单向导热板，其特征在于，该单向导热板还包括分别设在所述保温层（1）上下表面的保护盖板。

3.如权利要求1所述的单向导热板，其特征在于，所述热管单元（2）与横向基准方向P1的夹角为0°~20°。

4.如权利要求1所述的单向导热板，其特征在于，所述保温层（1）厚度为5cm~15 cm，所述热管单元（2）外径小于1cm。

5.如权利要求1至4任一项所述的单向导热板，其特征在于，所述热管单元（2）为微热管阵列。

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