CN103277630A - 一种变密度配置的多层低温绝热结构 - Google Patents

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黄永华
朱浩唯
陈强
承磊
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Abstract

一种变密度配置的多层低温绝热结构，包括多层反射层，沿反射层厚度方向平均地分成三部分，在每部分相邻的反射层之间填充不同层数的间隔材料，使靠近冷边界部分的多层低温绝热结构的层密度为7.5层/cm、中间部分的多层低温绝热结构的层密度为15层/cm以及靠近热边界部分的多层低温绝热结构的层密度为22.5层/cm。本发明实现较全部均匀配置15层/cm的常规多层绝热配置方式在热边界温度353K，冷边界温度77K的液氮容器保温应用上提高14.3%的绝热性能。

Description

一种变密度配置的多层低温绝热结构
技术领域
本发明涉及深冷系统的高效绝热技术，具体是一种变密度配置的多层低温绝热结构。
背景技术
深冷环境的产生及维持离不开有效的绝热技术。针对与环境温度存在大温差的深冷应用特点，绝热主要从阻止热辐射、减小绝热材料固体导热以及消除气体对流换热三个角度实现。真空多层绝热是低温下最佳的绝热技术途径，它有效地同时消除了上述三种传热方式，同时还兼有重量较轻、占用体积较小等优点，因此有“超级绝热”之称。真空多层绝热是指在处于高真空环境中的被绝热物体的外（热）边界处，通过层叠一定数量的相互间隔的反射层材料和低导热纤维状材料形成的高效绝热方式。现有技术的普遍实施方法是，多层绝热材料通常包含几十层低放射率的反射层，相邻反射层之间被相同数量（基本上都是1层）的低导热率间隔层均匀地隔开；或者不放置间隔物材料，而将反射层本身做褶皱或压花加工，使得叠置时反射层间仅在个别点或线接触，同样达到降低固体热传导的目的。反射层一般为铝箔、双面镀铝的聚氨酯薄膜或者单面镀铝的聚氨酯薄膜。间隔层则有玻璃纤维布、涤纶丝网、尼龙网、T型纸以及Z型纸等。
随着各行各业对液氮、液氧、液化天然气（LNG）、液氢、液氦等低温液体的需求不断增大，如何进一步提高多层绝热的性能，降低低温液体蒸发率，对相关产业的经济性具有重要意义。另一方面，在相同绝热性能的条件下，若能通过材料改进或者布置方式优化而减少材料应用数量，不仅对节约材料成本和加工成本有价值，而且对诸如航天空间应用中对材料重量“斤斤计较”的限制也有极大的贡献。
经过对现有技术的检索发现，如公开号为CN101307857A号的专利涉及了一种多种材料复合的阻燃性高真空多层绝热结构，其为了增强多层材料在富氧环境下的安全性，在多层绝热内部有针对性地加入了阻燃性的材料。再如CN202613039U公开了一种低温热气瓶夹层中多层材料的层叠结构，其中绝热材料以多层包扎于低温绝热气瓶的内胆外形成层叠结构，且于各层绝热材料或预定层数的绝热材料上设有透气孔以加速内部的抽空。进一步检索发现，公开号为CN101285548A的专利阐述了一种高真空多层绝热被的制作方法，主要是将反射层和间隔材料按一定比例间隔组合后，用缝合线缝制成被子，并在被子上均匀穿透开孔。这些传统的多层绝热技术将整块多层材料做成沿厚度方向均一的叠加配置，没有考虑其内部反射层与间隔材料在厚度方向上的优化配置，也就不能发挥它最大的绝热性能。能够实现这种优化配置的多层绝热未见专利报道。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种变密度配置的多层低温绝热结构，通过反射层材料与间隔材料之间的优化配置，在不增加多层复合材料自身用量的前提下，有效地改善多层复合材料综合绝热性能的技术方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种变密度配置的多层低温绝热结构，其特点在于，包括多层反射层，沿反射层厚度方向平均地分成三部分，在每部分相邻的反射层之间填充不同层数的间隔材料，使靠近冷边界部分的多层低温绝热结构的层密度为7.5层/cm、中间部分的多层低温绝热结构的层密度为15层/cm以及靠近热边界部分的多层低温绝热结构的层密度为22.5层/cm。
所述的反射层为双面镀铝的聚氨酯薄膜材料，重量为17.5g/m2、厚度为0.01mm、镀铝层厚度不小于
Figure BDA00003208840900021
在所述的双层镀铝的聚氨酯薄膜材料上均匀地开有直径为3.6mm的圆孔，平均开孔率为2.2%。
所述的间隔材料为P型纸，以化学合成纤维为原料，重量为10g/m2，厚度为0.1mm，常温热导率小于0.15W/m·K，抗张强度不小于0.3kN/m。
所述的复合材料的反射层材料与间隔材料之间通过Φ0.2mm棉纱线缝制固定。
多层绝热结构中的反射层在沿厚度方向单位长度内的层数是变化的而非均一的。
与现有技术相比，本发明实现较全部均匀配置15层/cm的常规多层绝热配置方式在热边界温度353K，冷边界温度77K的液氮容器保温应用上提高14.3%的绝热性能。
附图说明
图1是本发明变密度配置的多层低温绝热结构应用于液氮储罐实施例示意图。
图2是本发明变密度配置的多层低温绝热结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下实施，介绍了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在待绝热低温物件（如低温容器、航天低温产品、低温制冷机冷头等）的外侧真空腔中，根据具体的冷热边界温度要求，覆盖或者包裹一定厚度的变密度多层复合材料，以起到相比常规真空多层绝热更好的低温绝热效果。多层复合材料由低发射率的反射层材料和低导热率的间隔材料叠合而成。沿厚度方向反射层的层密度是绝热最优配置的、变化的，显著区别于常规均一层密度配置的多层绝热。应用中，该多层复合材料所处的真空腔环境的真空度高于10-3Pa。
反射层材料为双面镀铝的聚氨酯薄膜，重量为17.5g/m2、厚度为0.01mm、镀铝层厚度不小于反射层材料均匀地开有直径为3.6mm的圆孔用于加速多层复合材料内部气体在抽空过程中的释放，开孔率为2.2%。
间隔材料是P型纸，以化学合成纤维为原料，重量为10g/m2，厚度为0.1mm，常温热导率小于0.15W/m·K，抗张强度不小于0.3kN/m。它是接触热阻大、绝热性能良好的稀疏多孔介质材料。
通过调节相邻两个反射层之间的间隔材料的层数来实现复合材料层密度的调节。具体地，将包含18层反射层的多层材料沿厚度方向等分成三段，在每段中所包含的相邻单层反射层之间按如下规律填充不同层数的间隔材料：在靠近冷边界的区段上，布置较小的反射层层密度；在靠近热边界的区段上，布置较大的反射层层密度；中间层采用平均层密度。
附图1是本发明变密度配置的多层低温绝热结构应用于液氮储罐实施例示意图，包括：低温液体储罐内壁1、变密度配置的多层复合材料2和低温液体储罐外壁3。内壁1和多层复合材料2之间形成10-3Pa以上高真空环境。
对于液氮低温储罐，冷热边界温度分别为77K和300K，双面镀铝反射层材料的总长度为储罐内壁1周长的18倍，而间隔材料P型纸的长度为储罐内壁1周长的90倍，即为反射层材料长度的5倍。具体配置过程如下：
所选取的间隔物材料的宽度和反射层材料的宽度相等。先将反射层材料完全展开，在长度方向将其切割为三段，长度依次为总长度的1/6、1/3、1/2，分别记为#1号段；#2号段和#3号段。然后从间隔物材料上裁剪出与上述三段反射层材料长度相同的间隔物材料，与#1号段反射层等长的单层间隔物材料准备6件，与#2号段反射层等长的单层间隔物材料准备3件，与#3号段反射层等长的单层间隔物材料准备2件。接下来将每一段反射层材料平铺于洁净地面，并在其上面铺上相应的间隔材料，即在#1号段上，铺六层间隔材料；在#2号段上，铺三层间隔材料；在#3号段上，铺二层间隔材料。如图2所示的本发明变密度配置的多层低温绝热结构的示意图，包括：冷边界5、#1号段材料6、#2号段材料7、#3号段材料8、热边界9。
对于配置好的三段复合材料，均用Φ0.2mm棉纱线缝制的方式在边缘将反射层材料与间隔材料固定成形，形成独立的绝热被。缝制过程中确保反射层材料与间隔材料之间受力均匀、适度。
用均匀的缠绕力将缝制的材料包裹在液氮低温储罐上，从里（低温侧）到外（常温侧）的包裹顺序依次为#1号段、#2号段和#3号段。由于包裹过程中始终使用均匀的预紧力，同时考虑到每段中间隔材料的实际用量（重量）相同且反射层的厚度相对于间隔材料的厚度可忽略不计，包裹后每段的实际厚度都相同，为4mm。由此可计算出三段中的反射层层密度分别为7.5层/cm、15层/cm、22.5层/cm。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在有权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种变密度配置的多层低温绝热结构，其特征在于，包括多层反射层，沿该反射层的厚度方向平均地分成三部分，在每部分相邻的反射层之间填充不同层数的间隔材料，使靠近冷边界部分的多层低温绝热结构的层密度为7.5层/cm、中间部分的多层低温绝热结构的层密度为15层/cm以及靠近热边界部分的多层低温绝热结构的层密度为22.5层/cm。
2.如权利要求1所述的变密度配置的多层低温绝热结构，其特征在于：所述的反射层为双面镀铝的聚氨酯薄膜材料，重量为17.5g/m2、厚度为0.01mm、镀铝层厚度不小于
Figure FDA00003208840800011
3.如权利要求2所述的变密度配置的多层低温绝热结构，其特征在于：在所述的双层镀铝的聚氨酯薄膜材料上均匀地开有直径为3.6mm的圆孔，平均开孔率为2.2%。
4.如权利要求1所述的变密度配置的多层低温绝热结构，其特征在于：所述的间隔材料为P型纸，以化学合成纤维为原料，重量为10g/m2，厚度为0.1mm，常温热导率小于0.15W/m·K，抗张强度不小于0.3kN/m。
5.如权利要求1所述的变密度配置的多层低温绝热结构，其特征在于：所述的反射层与间隔材料之间通过Φ0.2mm棉纱线缝制固定。
6.如权利要求1所述的变密度配置的多层低温绝热结构，其特征在于：所述的多层反射层为10-50层。
7.如权利要求6所述的变密度配置的多层低温绝热结构，其特征在于：所述的多层反射层为18层。
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