本發(fā)明屬于道路溫控，特別涉及一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)道路在極端天氣條件下容易出現(xiàn)結(jié)冰或車轍等問題，影響行車安全。相變材料(pcm)因其優(yōu)異的熱調(diào)節(jié)性能，在道路溫控領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有技術(shù)中pcm在道路中的應(yīng)用仍存在以下不足：

2、1)熱傳導(dǎo)效率低：大多數(shù)pcm本身導(dǎo)熱性能較差，難以快速響應(yīng)溫度變化。

3、2)機械強度不足：直接將pcm摻入路面材料中會降低道路的承載能力和耐久性。

4、3)相變溫度單一：難以適應(yīng)不同氣候區(qū)域和季節(jié)變化的需求。

5、4)系統(tǒng)集成度低：現(xiàn)有技術(shù)多為單一功能設(shè)計，缺乏多功能協(xié)同的整體解決方案。

6、5)維護困難：pcm與路面材料混合后，難以進行更換或維護。

7、6)長期穩(wěn)定性差：pcm在多次相變循環(huán)后容易出現(xiàn)性能衰減。

8、7)環(huán)境適應(yīng)性不足：現(xiàn)有技術(shù)難以同時應(yīng)對極寒天氣。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高效、耐久、適應(yīng)性強的基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置及方法。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置，包括設(shè)置于水泥穩(wěn)定碎石基層上的若干模塊化裝置，模塊化裝置包括豎向支撐外殼，豎向支撐外殼內(nèi)從上到下依次設(shè)置的保護層、導(dǎo)熱層、pcm核心層、加熱裝置、pcm核心層、加熱裝置、pcm核心層、絕緣層和底部支撐層，豎向支撐外殼的頂部連接有頂部支撐結(jié)構(gòu)；還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與加熱裝置電連接。

4、本發(fā)明通過保護層、導(dǎo)熱層、pcm核心層、絕緣層和底部支撐層的合理組合，實現(xiàn)了高效熱管理和優(yōu)異的機械性能。本發(fā)明采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能在寒冷天氣防止路面結(jié)冰，又能在炎熱天氣降低路面溫度，減少車轍的形成。

5、本發(fā)明通過模塊化設(shè)計，便于安裝、更換和維護，大大提高了系統(tǒng)的實用性和壽命。本發(fā)明的模塊化設(shè)計為未來整合傳感器和智能控制系統(tǒng)提供了可能性，有望實現(xiàn)智能化道路溫控。

6、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述保護層的材料包括改性聚氨酯、碳納米管、二氧化硅納米顆粒；所述導(dǎo)熱層的材料包括石墨烯/鋁復(fù)合材料、碳纖維。本發(fā)明采用石墨烯/鋁復(fù)合材料和碳纖維構(gòu)建導(dǎo)熱層，顯著提高了熱傳導(dǎo)效率，使系統(tǒng)能快速響應(yīng)溫度變化。本發(fā)明利用改性聚氨酯和納米材料增強的保護層，結(jié)合玻璃纖維增強復(fù)合材料的底部支撐層，大幅提升了系統(tǒng)的抗壓、抗彎和抗沖擊性能。

7、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述pcm核心層為基于氯化鈣六水合物的pcm核心層或基于生物基材料的pcm核心層；基于氯化鈣六水合物的pcm核心層的組分包括氯化鈣六水合物、氯化鈉、氯化鉀、石墨烯納米片、硼砂、膨脹石墨、二氧化硅納米粒子、石蠟、納米氧化鋁、乙二醇；基于生物基材料的pcm核心層的組分包括月桂酸、癸酸、殼聚糖納米纖維、氧化石墨烯、β-環(huán)糊精、蒙脫土、檸檬酸。本發(fā)明通過微膠囊化技術(shù)和納米材料增強，顯著提高了pcm的循環(huán)穩(wěn)定性和長期使用性能。

8、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述加熱裝置包括預(yù)埋在pcm核心層下方的碳纖維發(fā)熱電纜、嵌入pcm核心層不同位置的溫度傳感器，碳纖維發(fā)熱電纜和溫度傳感器分別與控制系統(tǒng)電連接。本發(fā)明可調(diào)節(jié)相變溫度，通過不同pcm配方的設(shè)計，可以根據(jù)具體應(yīng)用場景調(diào)節(jié)相變溫度，適應(yīng)不同氣候區(qū)域的需求。本發(fā)明選用生物基材料和可再生資源，減少對環(huán)境的負面影響。

9、一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置的組裝方法，包括以下步驟：

10、t1：按照保護層、導(dǎo)熱層、pcm核心層、加熱裝置、pcm核心層、加熱裝置、pcm核心層、絕緣層和底部支撐層的順序疊加各功能層；

11、t2：在各功能層之間涂抹環(huán)氧樹脂膠粘劑；

12、t3：將疊加好的多層結(jié)構(gòu)置于壓力機中，施加壓力；

13、t4：加熱固化處理，然后緩慢冷卻至室溫；

14、t5：對組裝好的模塊進行邊緣處理和防水密封。

15、本發(fā)明通過模塊化設(shè)計，便于安裝、更換和維護，大大提高了系統(tǒng)的實用性和壽命。本發(fā)明的模塊化設(shè)計為未來整合傳感器和智能控制系統(tǒng)提供了可能性，有望實現(xiàn)智能化道路溫控。

16、一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍方法，包括以下步驟：

17、s1：定時或隨機檢測pcm核心層，判斷路面是否有結(jié)冰風險；

18、s2：在路面有結(jié)冰風險的情況下，計算道路所需熱量；

19、s3：調(diào)整加熱裝置功率，直至道路表面溫度＞0℃。

20、本發(fā)明可在路面有結(jié)冰風險的情況下，調(diào)整加熱裝置工況，直至道路表面溫度＞0℃，實現(xiàn)自動調(diào)控路面溫度。

21、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s1的具體步驟為：

22、s11：獲取未來七天天氣預(yù)報和當天精確天氣預(yù)報；

23、s12：獲取路面溫度傳感器數(shù)據(jù)和pcm核心層溫度數(shù)據(jù)；

24、s13：判斷路面是否有結(jié)冰風險，判斷依據(jù)為未來24h內(nèi)路面溫度＜1℃。

25、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s2的具體步驟為：

26、s21：計算道路所需熱量；

27、s22：估算熱損失；

28、s23：計算所需補充熱量；

29、s24：考慮pcm核心層潛熱影響；

30、s25：修正道路所需熱量。

31、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s3的具體步驟為：

32、s31：根據(jù)熱量擴散公式計算pcm核心層目標溫度；

33、s32：調(diào)整加熱裝置功率；

34、s33：判斷pcm核心層溫度是否達到目標；若未達到目標，則繼續(xù)調(diào)整加熱裝置功率；若達到目標，維持加熱裝置功率；

35、s34：監(jiān)測道路表面溫度；若道路表面溫度＞0℃，則維持當前狀態(tài)；若道路表面溫度≤0℃，則增加加熱裝置功率。

36、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在步驟s3中，通過太陽能裝置或市政用電對加熱模塊供電。本發(fā)明創(chuàng)新性地集成了太陽能電池板和電加熱裝置，利用太陽能產(chǎn)生的電流直接加熱pcm核心層，不僅提高了系統(tǒng)的能源利用效率，還增強了溫控系統(tǒng)在極端寒冷天氣下的性能，實現(xiàn)了可持續(xù)的道路除冰功能。

37、本發(fā)明的有益效果為：

38、1.本發(fā)明通過保護層、導(dǎo)熱層、pcm核心層、絕緣層和底部支撐層的合理組合，實現(xiàn)了高效熱管理和優(yōu)異的機械性能。本發(fā)明采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能在寒冷天氣防止路面結(jié)冰，又能在炎熱天氣降低路面溫度，減少車轍的形成。

39、2.本發(fā)明通過模塊化設(shè)計，便于安裝、更換和維護，大大提高了系統(tǒng)的實用性和壽命。本發(fā)明的模塊化設(shè)計為未來整合傳感器和智能控制系統(tǒng)提供了可能性，有望實現(xiàn)智能化道路溫控。

40、3.本發(fā)明可在路面有結(jié)冰風險的情況下，調(diào)整加熱裝置工況，直至道路表面溫度＞0℃，實現(xiàn)自動調(diào)控路面溫度。

技術(shù)特征：

1.一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置，其特征在于：包括設(shè)置于水泥穩(wěn)定碎石基層(2)上的若干模塊化裝置(1)，模塊化裝置(1)包括豎向支撐外殼(17)，豎向支撐外殼(17)內(nèi)從上到下依次設(shè)置的保護層(11)、導(dǎo)熱層(12)、pcm核心層(13)、加熱裝置(14)、pcm核心層(13)、加熱裝置(14)、pcm核心層(13)、絕緣層(15)和底部支撐層(16)，豎向支撐外殼(17)的頂部連接有頂部支撐結(jié)構(gòu)(18)；還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與加熱裝置(14)電連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置，其特征在于：所述保護層(11)的材料包括改性聚氨酯、碳納米管、二氧化硅納米顆粒；所述導(dǎo)熱層(12)的材料包括石墨烯/鋁復(fù)合材料、碳纖維。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置，其特征在于：所述pcm核心層(13)為基于氯化鈣六水合物的pcm核心層(13)或基于生物基材料的pcm核心層(13)；基于氯化鈣六水合物的pcm核心層(13)的組分包括氯化鈣六水合物、氯化鈉、氯化鉀、石墨烯納米片、硼砂、膨脹石墨、二氧化硅納米粒子、石蠟、納米氧化鋁、乙二醇；基于生物基材料的pcm核心層(13)的組分包括月桂酸、癸酸、殼聚糖納米纖維、氧化石墨烯、β-環(huán)糊精、蒙脫土、檸檬酸。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置，其特征在于：所述加熱裝置(14)包括預(yù)埋在pcm核心層(13)下方的碳纖維發(fā)熱電纜、嵌入pcm核心層(13)不同位置的溫度傳感器，碳纖維發(fā)熱電纜和溫度傳感器分別與控制系統(tǒng)電連接。

5.一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置的組裝方法，用于組裝權(quán)利要求1所述的一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置，其特征在于：包括以下步驟：

6.一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍方法，使用權(quán)利要求權(quán)利要求4所述的一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置，其特征在于：包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍方法，其特征在于：步驟s1的具體步驟為：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍方法，其特征在于：步驟s2的具體步驟為：

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍方法，其特征在于：步驟s3的具體步驟為：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍方法，其特征在于：在步驟s3中，通過太陽能裝置(8)或市政用電對加熱模塊供電。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于道路溫控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置及方法。其技術(shù)方案為：一種基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置，包括設(shè)置于水泥穩(wěn)定碎石基層上的若干模塊化裝置，模塊化裝置包括豎向支撐外殼，豎向支撐外殼內(nèi)從上到下依次設(shè)置的保護層、導(dǎo)熱層、PCM核心層、加熱裝置、PCM核心層、加熱裝置、PCM核心層、絕緣層和底部支撐層，豎向支撐外殼的頂部連接有頂部支撐結(jié)構(gòu)；還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與加熱裝置電連接。本發(fā)明提供了一種高效、耐久、適應(yīng)性強的基于相變材料的模塊化道路溫控防凍裝置及方法。

技術(shù)研發(fā)人員：李偉,王仙芝,周吉日,陳曉潤,高長玲
受保護的技術(shù)使用者：中國五冶集團有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2