專利名稱：導熱系數可變裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在多年凍土地區工程建筑中，有效保護下部多年凍土，確保工程建筑基礎穩定性的降溫裝置，尤指一種導熱系數可變裝置。
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、若干世紀以至數千年。在多年凍土形成和發展過程中，由于凍融循環所導致的水分遷移往往會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，由于人為工程使實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，由此導致工程建筑的基礎不斷下沉、失穩，嚴重影響各種相關工程的穩定性和正常運營。例如俄羅斯1994年調查表明，70年代建成的第二條西伯利亞鐵路，線路病害率達27.5％。運營近百年第一條西伯利亞鐵路1996年調查的線路病害率為45％。我國1990年調查表明，青藏公路當時病害率達31.7％，東北多年凍土區鐵路病害率達40％。同時隨著全球氣候轉暖，多年凍土的年平均地溫也在不斷的轉暖，并對外界溫度變化變的更加敏感，許多多年凍土穩定區域逐漸轉變成不穩定區或極不穩定區。現存多年凍土往往厚達幾十米甚至上百米，如果多年凍土一旦失穩便會進入到一系列的惡性循環中，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、實用的工程保護措施和技術，保護工程基礎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，但如何切實有效地解決其相互作用問題的成功措施不多。中國科學院“西部之光——凍土工程中保護凍土溫控關鍵技術研究”，中國科學院知識創新工程的重大項目“青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環境效應”(No.KZCX1-SW-04)，中國科學院寒區旱區環境與工程研究所創新項目(CACX2002406)，國家自然科學基金重大項目(90102006)，“973”國家重點基礎研究發展規劃項目(2002CB412704)等課題就是針對上述關鍵實際工程問題而開展了專題研究。
目前，用于保護鐵路、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，在路堤表面鋪設拋石護坡、遮陽板，在路堤中加裝通風管，在路堤中鋪設保溫材料、拋石基礎，埋設熱樁等措施達到保護路基下部多年凍土的目的。但由于我國多年凍土地區獨特條件的限制上述方法均存在一些不足或缺點。在我國多年凍土地區，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，要么造價太高，要么僅在點上降溫，而難以滿足工程實際要求的線上、面上降溫的要求，難以在線性工程中大量使用。因此，在工程實踐中急切需要新穎、功效更高、在實踐中可行的工程技術措施。
在全球氣候不斷轉暖的今天，開展穩定多年凍土溫度場工程措施的研究，穩定或減緩多年凍土的退化，將對該類地區工程建設的順利進行，確保工程建筑物穩定性和正常運營具有重要意義。有關應用于寒區工程中導熱系數可變材料或裝置的研究，是目前世界相關國家在相關領域進行研究的重要方向之一，如能對我國開展相關研究的科研成果和自主知識產權內容積極加以保護，將對今后的相關研究和在工程實踐中的正確應用具有積極的重要意義。
本發明的目的還在于通過其應用不僅可以對多年凍土區的鐵路、公路路堤或建筑物底部多年凍土的溫度場起到很好的穩定作用，同時可以降低路堤要求的最低高度，大大減少工程造價，縮短建設周期。
本發明的目的還在于通過其在寒區的應用，可以對設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。
本發明的目的可通過如下措施來實現一種導熱系數可變裝置，包括外殼；在外殼內設有吸水材料、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、建材等具有一定強度的材料中的至少一種。其作用在于阻止內部水分的散發，保護內部結構的完整。
一種導熱系數可變裝置的應用，其中將導熱系數可變裝置用于多年凍土區鐵路、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，或在地下用于保存水果或蔬菜的天然冷窖的地表，鋪設10-30厘米厚的導熱系數可變裝置即可實現在環境溫度為正溫下的相對隔熱和在負溫下相對導熱的熱流控制和對被保護物體的降溫作用。
一種導熱系數可變裝置的應用，其中在建筑物或構筑物的四周鋪設導熱系數可變裝置可實現其與環境的熱流控制和對建筑物或構筑物的降溫作用。
一種導熱系數可變裝置的應用，其中將導熱系數可變裝置用于需熱流控制和降溫的物體上。
本發明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，形成結構為空氣層與吸水材料互層的結構，并添加一定數量水體。水體在重力作用下匯集于裝置底部的儲水部位。由于空氣的導熱系數很低為0.024W/m·K，在正溫的條件下，該種結構中上部的空氣層可以起到很好的阻熱作用，致使整個裝置的導熱系數相對較低，阻止外部熱量的進入下部被保護的凍土。在進入冷季的時候，埋置于路基表面或路基中的該種裝置在單向凍結的條件下，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，當溫度下降到空氣露點，冷壁表面上吸附著一極薄的水層。當溫度進一步下降至水的三相點或更低時，水層凝固為冰層。在冷壁表面溫度下降至0℃以下而穩定時，空氣中的水蒸氣在這薄冰層上凝華形成冰的結晶胚胎，并由此開始水蒸氣在結晶胚胎上不斷凝華，形成針狀或柱狀的霜的晶體，由此不斷發展，在經歷結晶生長期、霜層生長期和霜層充分生長期后霜層充滿整個第一層空氣層。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不斷向空氣中釋放，達到一種水氣平衡。由于下部吸水材料內部水分的減少，吸水材料又會從底部儲水部分抽吸水分補充內部水分的散失。在第一層空氣層中充滿霜層后，利用冰的導熱系數為2.21～2.236W/m·K的特點，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。由此不斷循環，最終使底部儲水部分儲藏的水體全部轉化為在空氣層中形成的霜層。因為冰的導熱系數相對較高，在這種情況下裝置整體的導熱系數也會隨之增加，有利于外部冷量進入下部凍土和下部熱量的向外的散出。根據上述在發展過程，在一年四季正負溫變化的條件下，該種裝置的導熱系數在正溫和負溫兩種狀態下能有一個較大的差值，從而實現環境與被保護物體之間進行熱流控制，最終達到對多年凍土的穩定和保護的作用。同時該裝置由于內部水體的存在，由于水的熱容量很高和多年凍土區冷季的時間大于暖季時間，該種裝置還具有儲存冬季冷能的功能，進一步達到對下部多年凍土保護的目的。密閉容器的作用在于阻止內部水分的散失，同時由于密閉容器具有一定的強度可以有效保護內部層疊結構在外在荷載作用下免受破壞。
由于結霜多發生在空調制冷系統、貨物冷藏系統、氣體凝固凈化、低溫液體儲藏等過程中，以及在起飛或飛行中的飛機機體表面，機車、船舶駕駛室的玻璃窗鏡面上，被認為是有百害而無一利，有關結霜的研究和相關專利也是圍繞如何消除這種影響而開展得。本專利從一個全新的角度，在如何利用、改善和增進霜層在有限空間的發育，改變上述空氣層導熱系數變化開展結霜過程研究，并結合研究結果申報專利。
本發明相比現有技術具有如下優點本專利緊密圍繞工程實踐中對成本、功效、可操作性等具體要求而進行，該種裝置可在室內或工廠加工成形，在現場直接布設或安裝。通過成本計算和比較，其成本略低于保溫材料、拋石路基、高路基、通風路基等工程措施的成本。更重要的是通過室內試驗和計算比較，在種工程措施的在保護多年凍土的效果方面要優于其它工程措施。因此具有簡單易行、性價比高、在工程實踐中強操作性強、穩定多年凍土地溫場效果明顯等諸多優點。
路堤在建設完成后主要由三個外表面進行吸熱，其中又由于路堤兩側表面面積要遠大于頂表面，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行傳熱。因此，在陽坡淺表面、或兩側邊坡淺表面、或靠近路基底面鋪設該種裝置，就可以在關鍵部位對熱流進行控制，對穩定下部多年凍土溫度場、穩定凍土基礎起到事半功倍的作用。因此，具有可在關鍵部位進行熱流控制和降溫的作用的優點。
本發明通過工廠加工后的成品可按工程實際需要制成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，進行凍土工程的整體熱流控制和穩定多年凍土溫度場。因此具有對工程建筑整體基礎，尤其是線性工程整體基礎，進行熱流控制和促進其穩定性的作用的優點。
1-路基 2-導熱系數可變裝置 3-密閉容器4-吸水材料 5-空氣層 6-水體具體的實施方式本發明還將結合附圖對實施例作進一步詳述參照
圖1A、B、圖2，為一種導熱系數可變式凍土基礎，包括設在路基1中鋪設的導熱系數可變裝置2；其中所述的導熱系數可變裝置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。
在實驗室內應用比較法對該種裝置進行了導熱系數的測試。試驗吸水材料選用花泥(圖3中的綠色材料)，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構，并注入一定的水量。在測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℃單向凍結條件下內部冰晶霜層的生長情況。經過測試該裝置的導熱系數在正溫條件下的導熱系數為0.21W/m·K，負溫條件下的導熱系數為1.2W/m·K，導熱系數比值為5.71。同時通過圖3可以看到在空氣層中生長有非常好的冰晶霜層。
通過室內對這種裝置的30年仿真分析計算，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℃的高溫多年凍土區路提下部多年凍土上界由原有的不斷下移，融化圈不斷擴大，最大下移量達到10.5m，多年凍土不斷失穩，改變為多年凍土的上界最大下移量不大于1m，多年凍土基本處于穩定狀態。
權利要求
1.一種導熱系數可變裝置，包括外殼(3)；其特征在于在外殼(3)內設有吸水材料(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.如權利要求1所述的導熱系數可變裝置，其特征在于所述的吸水材料(4)將空氣層(5)分隔成多層。
3.如權利要求1所述的導熱系數可變裝置，其特征在于所述的吸水材料(4)將水體(6)分隔成多層。
4.如權利要求1所述的導熱系數可變裝置，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.如權利要求1所述的導熱系數可變裝置，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、建材等具有一定強度的材料中的至少一種。
6.一種權利要求1所述的導熱系數可變裝置的應用，其特征在于將導熱系數可變裝置用于鐵路、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，或在地下用于保存水果或蔬菜的天然冷窖的地表，鋪設10-30厘米厚的導熱系數可變裝置即可實現在環境溫度為正溫下的相對隔熱和在負溫下相對導熱的熱流控制和對被保護物體的降溫作用。
7.一種權利要求1所述的導熱系數可變裝置的應用，其特征在于在建筑物或構筑物的四周設導熱系數可變裝置可實現其與環境的熱流控制和對建筑物或構筑物的降溫作用。
8.一種權利要求1所述的導熱系數可變裝置的應用，其特征在于將導熱系數可變裝置用于需熱流控制和降溫的物體上。
全文摘要
本發明涉及一種無需任何動力，利用自然界一年四季溫度的變化，在正、負溫不同條件下的導熱系數可變裝置及其應用；該裝置包括外殼，在密閉的外殼內裝有結構為空氣層與吸水材料互層的吸水材料，并添加一定數量水體。可將其應用于鐵路、公路及其它工程的路基基礎和建筑物其他需保溫隔熱的物體上；本發明通過系統在正溫下導熱系數低、負溫下導熱系數高的特征來實現環境與被保護物體之間的熱流控制，最終實現對被保護物體的降溫作用。其實用、有效，并對環境沒有任何影響。
文檔編號E04H5/10GK1478962SQ03108089
公開日2004年3月3日 申請日期2003年4月30日 優先權日2003年4月30日
發明者俞祁浩, 程國棟, 劉永智, 馬魏, 吳青柏 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所