[发明专利]一种重力平衡式的对流控制风门

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种自动调控冻土路基对流换热过程，通过最大程度利用冷能、积极降低路基温度，确保冻土路基稳定和安全运营的无能耗自动温度控制风门。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，按冻土保持时间的长短可分为短时冻土(冻结数小时至半月)、季节冻土(冻结半月至数月)、多年冻土(冻结数年至数百万年以上)，其分布区域称为冻土区。世界陆地面积的50％为寒区所覆盖，我国冻土区和多年冻土的面积占到国土面积的75％和21.5％。我国属世界第三冻土大国，而高海拔多年冻土面积则位居世界之最。

冻土不仅由于冰的存在其性质会较融土发生复杂和根本性的改变，而且在多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，更会形成厚达几米、十几米各具形态的厚层地下冰。随着气候环境的转暖、以及人类活动日益加剧极易诱发冻土和厚层地下冰的融化，对冻土环境、冻土工程造成严重影响和威胁。

我国建设的青藏铁路、青藏公路等国家重大工程都面对高温(即温度接近0℃的多年冻土)、高含冰量冻土(即体积含冰量基本超过30％的多年冻土)等极为特殊的冻土环境，都面临着如何长期确保冻土路基长期稳定的难题。随着《国家高速公路网规划》的实施，由于高等级宽幅黑色沥青路面更为强烈的吸热和对冻土的热扰动，都使得即将开展的通往玉树的高等级公路建设、以及未来青藏高速公路的建设面临更为严峻的挑战。

面对突出问题，我国寒区科学工作者立足国情，围绕青藏铁路国家重大工程，在以“冷却路基”科学思想的指导下，为积极保护多年冻土，达到冻土工程的长期稳定，紧密围绕各种工程措施进行了积极的探索和系统研究。中国科学，2003，第33卷介绍了俞祁浩在“自动温控通风路基在青藏铁路中的应用研究”的初期结果。通过2003年6月～10月的野外现场实践证明，这种新型工程措施结合利用冷能的思路，具有效能突出、降温效果明显、工程施工可行、应用环境较宽等诸多优点。该种措施的关键是在普通通风路基通风管上加装了一种可以根据外界环境温度变化自动开启和关闭的风门，当外界的环境温度大于设定感应温度时风门自动关闭，小于感应温度时自动开启，使得外界的冷能得以富集于路堤的内部，达到降温的目的。

虽然上述温度感应控制系统可以较为有效的降低多年冻土的温度，但通过2003年～2004年底的资料分析发现，在2004年3月至6月的时间里，路堤温度场出现了以通风管为主较为快速的升温过程，由此，较大程度的削弱了整体降温效果。其主要原因在于其温度感应和控制系统主要由记忆合金组成，记忆合金的延迟效应只能使控制系统在一个设定温度区段内完成规定动作，加之青藏高原外界环境的巨大变化，使得风门在暖季常处于开启状态，尤其是在夜间。因此，如果首先使自控通风路基的控制系统能准确以设定的环境温度作为控制指标，完成开启和关闭动作，其次，选择较为合理的控制温度，必将最大程度发挥自控通风路基的降温效能，保证冻土工程处于长期稳定，避免全球气候转暖的影响。通过查阅青藏高原的气温资料，高于0℃的时间约为5～9月不到五个月的时间，结合室内的初步分析计算，0℃是一个较为合理的控制温度点，使整个路堤在全年的热量收支上可以达到最优。因此，如何研发一种以0℃为冻土路基对流换热过程的调控节点，且实施方便、造价低廉、操作简单、稳定性高的自控系统，对于有效应对高等级公路等国家重大建设工程的需要就显得尤为重要。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种重力平衡式的对流控制风门。本发明利用水或冰的温度变化，并在0℃发生冻结或融化的过程中，其单位体积会发生9％的膨胀或收缩。根据这一物理性质和重力的偏移，设计了一种独特结构，实现0℃条件下的对流换热风门的开启、或关闭效能。

本发明的技术方案是：

一种重力平衡式的对流控制风门，主要由温度感应单元、重力平衡单元、风门和风门支架组成。温度感应单元是由密闭的容器与密闭容器组成；容器置于容器的内部，容器内装满水，容器装满油；密闭的容器连接连通器，连通器穿过风门与重力平衡单元相连；风门悬挂在风门支架内两端的轴上，并嵌入通风管内。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、针对性强、具有重要的应用价值。本发明是充分结合冻土工程中突出的实际问题而进行的研发。可以实现在0℃条件下对路基对流换热过程的准确控制，由此达到通过充分利用冷能进一步提升自控通风路基的降温效能的目的。通过本发明的实施可以最大限度的发挥自控通风路基的降温效能，确保冻土工程的长期稳定。