专利名称：路基的自动温控通风装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在多年冻土地区进行工程建筑中，有效保护下部多年冻土稳定性的工程建筑基础降温的装置，尤指一种路基的自动温控通风装置。
随着国民生产和地区经济的发展，我国现已在多年冻土地区不断进行铁路、公路、输油管线、光缆等工程建筑的建设。由于人为工程措施的影响，改变了地表换热条件，特别是在青藏高原太阳高辐射地区，由于人为工程使实施后工程建筑吸热面、吸热量大为增加，使得各种工程措施基础下部的多年冻土的热量总体平衡遭到破坏，总体热量收入大于支出，使得多年冻土的温度不断升高，多年冻土中的厚层地下冰不断融化，由此导致工程建筑的基础不断下沉，严重影响各种相关工程的正常运营。目前正在建设中的青藏铁路格拉段将穿越约547km多年冻土地段，全线线路海拔高程大于4000m地段约960km，在唐古拉山越岭地段，线路最高海拔为5072m，为世界铁路海拔之最。“高原”和“冻土”问题是青藏线施工的两大难题，其特殊性和复杂性在世界上独一无二，是现目前国内、乃至世界上在冻土条件最为复杂情况下进行的一项重大工程。与我国东北和世界上其它地区的多年冻土相比，青藏线所在的多年冻土地区的多年冻土类型最为多变、多年冻土受外界条件变化影响最为敏感、冻土路基稳定性最为薄弱。青藏公路的长期研究和实践经验表明，地下冰是影响冻土路基稳定的最为重要的影响之一，是产生冻融灾害或者不良冻土工程现象的根本问题。地下冰最为集中分布在多年冻土上限附近，修筑路堤后引起多年冻土上限变化，其结果就会造成地下冰融化，导致路基产生融化下沉破坏。对于桥涵、路堑、高边坡等工程建筑物，高含冰量冻土的影响是极为关键的问题。因此，是否能采取和使用有效、实用的工程保护措施和技术，保护工程基础下部的多年冻土少受或免受上部工程建筑的影响，就成为青藏铁路和各种冻土工程建设成败所在。目前就工程与冻土的相互作用的研究较多，但从工程实际应用角度如何切实地有效地解决其相互作用问题的成功措施不多。中国科学院“西部之光——冻土工程中保护冻土温控关键技术研究”，中国科学院知识创新工程的重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”(No.KZCX1-SW-04)，国家自然科学基金重大项目(90102006)，“973”国家重点基础研究发展规划项目(2002CB412704)等课题就是针对上述关键实际工程问题而开展了专题研究。
目前，用于保护铁路、公路等线性工程下部多年冻土的工程措施主要有在路堤中加装通风管、保温材料、抛石护坡、遮阳板、使用热管和提高路堤等措施达到保护路基下部多年冻土的目的。其中通风路基在冻土保护措施中以其简便、快捷等优点在工程措施中得到一定程度的应用。其工作原理是在铁路、公路或其它线性工程中的路基基础中，在与线性工程走向垂直的方向、在其一定深度的部位、按照一定的间距、平行埋设多个一定口径的水泥管或PVC管(见示意图2)。在空气温度较低、由于太阳辐射造成路基内部积累了一定程度的热量的条件下，利用空气在流经管道的时候通过对流换热带走管壁周围的热量，低通风管周围介质的温度，从而达到稳定多年冻土稳定性的目的。但存在的突出问题是在春末、整个夏季和秋初，空气温度大多高于路基内部温度，在这种条件下，通风路基非但不能对路基进行降温，反倒对路基起到加热的反作用。由此会大大降低通风路基的降温效果，加大通风管周围温度的振幅，在含水率高的地段会由于其中水分冻结和融化导致路基的冻胀和融沉；在部分地区由于融化范围过大还会导致多年冻土上部地下冰的融化所导致的路基沉陷；同时由于较大幅度的冻融循环也会对路基的稳定性产生一定程度的负面作用。
本发明的目的还在于通过路基的自动温控通风大大提高通风路基功效的同时，通过对铁路、公路路堤或建筑物底部多年冻土的温度场起到很好的稳定作用的同时，可以降低路堤要求的最低高度，大大减少工程造价，缩短建设周期。
本发明的目的可通过如下措施来实现一种路基的自动温控通风装置，包括设在路基下的通风管；其特征在于在通风管上设自动温控装置；其中所述的自动温控装置包括温度感应单元，由其感应路基处的温度变化；及制动单元，所述有制动单元由温度感应单元控制其动作；气流控制单元，所述的气流控制单元由制动单元控制其开关。
所述的温度感应单元包括具一透光面的密闭盒及设于盒内的吸热板。
所述的密闭盒由保温材料制成，所述的吸热板由黑色吸热材料制成。
所述的制动单元设于温度感应单元内，由记忆合金弹簧和普通弹簧连接而成。
所述的制动单元的记忆合金弹簧和普通弹簧直线相连，或以一夹角相连。
所述的记忆合金弹簧选自Ti-Ni二元系、Ti-Ni-X三元系、Cu基、Fe基记忆合金中的一种。
所述的气流控制单元包括风门和与风门相连的轴杆，其中所述的轴杆与制动单元的记忆合金与普通合金的连接点相连。
所述的风门由单个或多个叶片组成。
本发明的原理是当外界气温高于系统设定温度条件下，系统自动关闭通风管的风门，阻止外界热量的进入通风路基内部；当外界气温高于系统设定温度条件下，系统自动打开通风管的风门，对通风管周围的介质进行通风换热和降温。
其工作原理为利用记忆合金弹簧在高于奥氏体(Austenite)相变温度Af环境下，具有相对较高的弹性系数，和在低于马氏体(Martenite)相变温度Mf环境下具有相对很低的弹性系数的特点，通过对记忆合金弹簧(shapememory spring以下简称SMS)与普通弹簧(general spring以下简称GS)的结合(以下简称复合弹簧)，就可以在不同温度环境条件下进行不同的相互作用，即在高于Af温度环境下，SMS的弹性系数高于GS的弹性系数，SMS可以对GS完成推动作用；而在低于Mf温度环境下，SMS的弹性系数低于GS的弹性系数，GS可以对SMS完成反向推动作用。Af、Mf可以通过结合现场辐射条件、温度条件和室内试验，在加工和处理记忆合金弹簧的过程中完成设定。通过复合弹簧与风门轴杆的连接，就可以完成不同温度条件下对风门开启或关闭的动作，从而达到控制气流的目的。
本发明相比现有技术具有如下优点充分避免了春末、整个夏季和秋初，空气温度大多高于路基内部温度条件下，通风管对路基加热的反作用；减缓了现有通风管周围温度振幅过大的问题，以及由此而引起在含水率高的地段由于其中水分冻结和融化所导致路基冻胀和融沉的工程问题。由于自动温控系统的控制，会使路基内部在冬季富集的冷能得到较好的保存，同时在气温较高的时期还会利用青藏高原夜间温度较低的特点，会自动打开风门对通风管周围的介质进行降温，这对路基下部多年冻土的稳定性起到很好的促进作用，由此会大大提高通风路基保护多年冻土的功效。
本发明的自动温控装置可以根据外界温度的变化自动控制通风管中的气流，可以有效提高通风路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖风进入通风管引起的加热负作用，以及由此而引起的通风管周围温度的振幅过大，在含水率高的地段会导致其中水分冻结和融化所导致的较大程度的冻胀、融沉和路基沉陷，以及对路基的稳定性产生一定程度的负面作用等工程病害问题。
所述的记忆合金弹簧选自Ti-Ni二元系、Ti-Ni-X三元系、Cu基、Fe基记忆合金中的一种。
所述的气流控制单元包括风门4和与风门4相连的轴杆5，其中所述的轴杆5与制动单元的记忆合金弹簧6与普通弹簧8的连接点相连。
所述的风门4由单个或多个叶片组成。
本发明的工作过程如下温度感应单元记忆合金的Af、Mf存在20℃一个较大的温差，如果Mf的温度设定在0℃，Af往往在20℃左右。一般要求通风路基通风管的开启或关闭在年平均气温变化到0～3℃范围内完成，即在发生气温波动的当日或几天之内完成通风管的开启或关闭。青藏高原气温的日变化幅度和季节之间的变化幅度往往为10～15℃，如果复合弹簧仅靠气温提供的温度环境很难达到工作要求的环境温度，即在气温高于0～3℃时，工作环境温度达到20℃以上。需要注意的是，青藏高原的气温变化与太阳辐射具有较好的相关性，由此设计的温度感应盒可以充分利用这种特性，对气温的变化起到一个放大作用。为复合弹簧的提供要求的工作温度。
温度感应单元主要由密闭容器、吸热板和保温材料组成。吸热板安装于密闭容器的顶部外表面；或安装在顶部的内表面，此时密闭容器的顶表面为透光材料。密闭容器的其余各内表面加装一层一定厚度的保温材料，主要起到盒内温度与外界气温按一定比例的平衡作用。
制动单元由复合弹簧、轴杆和风门组成。复合弹簧安装在温度感应单元的内部，在其提供的温度变化条件下，完成要求的规定动作。通过与复合弹簧相连的轴杆带动风门的开启或关闭。复合弹簧中的记忆合金是指Ti Ni二元系、TiNi-X三元系、Cu基、Fe基等形状记忆合金中的一种。
在实验室内模拟在如下条件铁路路基高度为4m，路基顶面宽度为10m，路基坡面为1∶1.5，通风管铺设埋深为3m，通风管为水泥管，管径为0.3m、管间距为0.6m；路基土体条件为干密度为1.5g/cm3，含水率为12.0％，试验土体为兰州黄土；结合青藏高原实测气温资料，以及气温日变化和全年日平均值变化特征，设定自动温控系统的控制温度设定在0℃，即在气温大于0℃时气流控制风门处于关闭状态，气温小于0℃时气流控制风门处于开启状态。气温条件结合实测资料作近似调整不考虑全球气候转暖的因素的影响，设定气温在6℃～-16℃范围内做正弦波动。在考虑上述条件下，模拟计算普通通风路基和自动温控通风路基下部11年，天然土体20m范围内的温度场的变化过程。计算结果见图A和图B。图A表示普通通风路基的计算结果，图B显示自动温控通风路基的计算结果。
通过对比两种情况下的计算结果可以看到，自动温控通风路基在第三年的十一月份，5m的深度上地温就已达到-1℃的稳定温度，而普通通风路基则要第九年的一月份才能在5m的深度上达到-1℃的稳定温度。另外图中2m范围内红色线表示零度等温线，通过两种情况的对比不难发现，自动温控通风路基的零度等温线仅在1m的范围内波动，并有逐渐减缓的趋势；而普通通风路基零度等温线的波动范围则达到约2m的范围。由此可以看见，自动温控通风路基无论在降低多年冻土地温场的温度方面，还是在减少地温波动幅度方面都具有显著的作用。
权利要求
1.一种路基的自动温控通风装置，包括设在路基下的通风管；其特征在于在通风管上设自动温控装置；其中所述的自动温控装置包括温度感应单元，由其感应路基处的温度变化；及制动单元，所述有制动单元由温度感应单元控制其动作；气流控制单元，所述的气流控制单元由制动单元控制其开关。
2.如权利要求1所述的路基的自动温控通风装置，其特征在于所述的温度感应单元包括具一透光面的密闭盒及设于盒内的吸热板。
3.如权利要求2所述的路基的自动温控通风装置，其特征在于所述的密闭盒由保温材料制成，所述的吸热板由黑色吸热材料制成。
4.如权利要求2所述的路基的自动温控通风装置，其特征在于所述的制动单元设于温度感应单元内，由记忆合金弹簧和普通弹簧连接而成。
5.如权利要求4所述的路基的自动温控通风装置，其特征在于所述的制动单元的记忆合金弹簧和普通弹簧直线相连，或以一夹角相连。
6.如权利要求4所述的路基的自动温控通风装置，其特征在于所述的记忆合金弹簧选自Ti-Ni二元系、Ti-Ni-X三元系、Cu基、Fe基记忆合金中的一种。
7.如权利要求1或4所述的路基的自动温控通风装置，其特征在于所述的气流控制单元包括风门和与风门相连的轴杆，其中所述的轴杆与制动单元的记忆合金弹簧与普通弹簧的连接点相连。
8.如权利要求7所述的路基的自动温控通风装置，其特征在于所述的风门由单个或多个叶片组成。
全文摘要
本发明涉及一种路基的自动温控通风装置；该装置可根据外界温度的变化自动控制通风管中的气流，可以有效提高通风路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖风进入通风管引起的加热负作用，以及由此而引起的通风管周围温度的振幅过大，在含水率高的地段会导致其中水分冻结和融化所导致的较大程度的冻胀、融沉和路基沉陷，以及对路基的稳定性产生一定程度的负面作用等工程病害问题。
文档编号E02D27/35GK1478963SQ03114640
公开日2004年3月3日 申请日期2003年4月2日 优先权日2003年4月2日
发明者俞祁浩, 程国栋, 马魏 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所