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从1942年专利到冻土工程:热棒如何守护高寒路基

已有 148 次阅读 2026-8-17 14:36 |个人分类:地球科学|系统分类:科普集锦

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国外常把热棒称为 thermosyphonheat pipe。最典型的是美国阿拉斯加输油管线:输油管被架离地面,支墩上方装有散热翅片热棒,防止地下多年冻土融化、支墩倾斜。

  • 1942—1944年:热管原理提出:1942年12月21日,美国通用汽车公司工程师 Richard S. Gaugler(R. S. Gaugler)提交了“Heat Transfer Device(热传递装置)”专利申请;该专利于1944年6月6日获授权,专利号为 US 2,350,348。

  • 这项设计已经具备现代热管的核心机制:密闭管内的挥发性工质在受热端蒸发、在冷端冷凝,并借助管内

    细芯把液体回送到受热端,实现无泵、无外加动力的相变传热。

  • Gaugler的专利主要面向制冷装置,当时没有形成广泛工程应用;1963年前后,美国洛斯阿拉莫斯实验室的 George M. Grover 等人重新发展该技术,

    并首次广泛使用“heat pipe(热管)”这一名称,推动其进入航天与电子散热领域。

  • 冻土工程中的“热棒”更接近重力式两相热虹吸管:利用液体因重力回流,结构通常比带毛细芯的航天热

    管更适合大型野外工程。

  • 20世纪60年代:现代热管技术成熟随着航天器、电子设备散热需求上升,热管得到系统研究。工程上逐渐形成两类装置:依靠毛细结构回流的“热管”,以及主要靠重力回流、结构更简洁的“两相热虹吸管”。冻土工程中的“热棒”主要属于后者。

  • 20世纪70年代:进入寒区工程阿拉斯加输油管道建设中,工程师开始大规模采用热虹吸技术,防止高温原油和地表热量融化多年冻土、导致支墩失稳。这是热棒在大型多年冻土工程中走向成熟的重要阶段。

  • 20世纪80—90年代:中国开展冻土工程研究与试验中国科学院兰州冰川冻土研究所等单位持续开展青藏高原多年冻土调查、监测与路基工程研究。传统的加高路堤、保温层等方法只能延缓升温,难以适应高温高含冰冻土及气候变暖背景。

  • 2001—2006年:青藏铁路推动国产化与规模应用青藏铁路格拉段建设中,科研人员提出“主动冷却路基”思路,将块石通风路基、U形块石路基、通风管、遮阳措施和热棒等组合使用。热棒成为保护局部高温、高含冰量冻土的重要技术之一。2006年青藏铁路全线通车,标志着中国冻土工程技术达到世界先进水平。

  • 近年:从“保铁路”走向多领域应用热棒已用于青藏铁路、公路、机场、输油气管线、建筑基础和边坡稳定等工程。现代产品更加重视耐久性、低温启动性能、长期监测与对气候变暖的适应能力。

需要特别说明:热棒并不是把“冷”送入地下,而是在冬季把冻土中的热量不断排到空气中;它不耗电,却相当于为冻土配置了一套利用自然低温运行的“季节性冰箱”。

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