CN106895253A - 一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶。高压气瓶的一端开有进、出气口，另一端有开口，超导热管的一端插入高压气瓶内，另一端位于高压气瓶外，超导热管外有翅片，管内充有无机盐超导介质；三通管道的第一端穿过进、出气口前端盖中心孔经前密封垫片插入高压气瓶内，第二端经单向阀为高压气体进口，第三端经减压阀为低压气体出口。或仅在高压气瓶的一端开有进、出气口，超导热管的一端穿过进、出气口前端盖中心孔经前密封垫片插入高压气瓶内。本发明充气过程无需采用预冷却等措施，降低了能耗；相同的温度限制下，可实现更高的加注速率；与国内外现有金属管散热器和热管散热器相比，散热速度更快，适应性更广。

Description

一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶
技术领域
本发明涉及高压气瓶，尤其是涉及一种带超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶。
背景技术
快速充放气技术是由大容积高压气瓶或者高压泵直接联接到高压气瓶，打开阀门进行充气。此方法充气速度快，可达到每分钟数公斤。但高压气瓶的充放气速度并不是越快越好，这主要是由气体快速充放时的温度效应决定的，充气速度越快，温升越明显，当温升超过100℃时，复合材料基体的强度会发生较大影响，从而影响复合材料气瓶的强度，因此需要控制高压气瓶充气时候的温升。
以高压气瓶充氢为例，氢的转化温度很低（在标准大气压下的转化温度为204.6K），远低于环境温度，故常温下氢的等焓膨胀Joule-Thomson系数为负，节流后温度会发生显著上升，因此氢容器的快速充放会引起明显的温度变化。快速充气时，温升可达100℃以上，而快速放气时，温度可降至0℃以下。而复合材料对温度的敏感性较高，同时采用树脂材料为粘合剂时，温度过高易导致复合材料层出现剥离现象，降低了气瓶使用的安全性。此外，这种充气温升使气体密度减小，放气温降使气体密度增大的现象，使得气瓶的实际冲氢量减少，造成汽车行驶里程缩短。因此，一般限制氢气瓶使用最高温度为85℃。复合材料的使用温度限制与快速充放氢气引起的温度效应的矛盾性，说明了在快速充放氢气过程中引入额外的温度控制机制的必要性。
近年来，我国在高压氢气加注技术及系统方面取得了一定进展，但目前主要是对加注系统组成及控制硬件进行的研究，而对于加氢过程中的温升现象关注较少。如CN101418908A给出了一种可用于高压氢气加氢站的加氢系统，其通过控制加注速率来控制温升，但其加注速度控制程序，必须测量车载储氢容器中温度，如温度超限，只能停止加注，等温度降回可行范围才能继续加注，而实际车载储氢容器自然冷却降温很慢，因而不仅实际加注时间较长，效率较低，而且该方法也没有进行能耗优化；又如CN201020213302.4虽然除了通过控制阀门开度来控制充气速率，还同时结合预冷却来综合控制充气温升程度，缩短了实际加注时间，但是同样局限于通过控制加注速率、预冷却来控制温升，而且预冷增加了能耗。总之，国内目前尚无对储氢容器本身进行改造，实现快速导热，控制储氢容器内温升现象的报道。而国际上，虽有此方面的报道，却各有缺陷。如EP1717511，利用铜或铝等强导热材料，将容器内产生的热量导出，但所用材料的导热系数限制了传热效率；又如EP1722153，采用热管的传热原理，利用相变介质的快速热传递性质达到转移气瓶内部产生的热量的目的，但是热管从本质上讲是对流的，具有热损失，因此降低了传热效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶，基于无机超导传热介质，导热率是铜的数千倍，比相同体积的热管也要大很多。
本发明采用的技术方案是：
技术方案1：一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶
本发明的高压气瓶的内衬层外绕有纤维缠绕层，高压气瓶的一端开有进、出气口，高压气瓶的另一端有开口，露出在高压气瓶外的开口一端与开口端盖为螺纹连接，开口端盖与开口间设有开口密封垫片，超导热管的一端穿过开口端盖中心孔经开口密封垫片插入高压气瓶内，超导热管的另一端位于高压气瓶外，位于高压气瓶内的超导热管外设置内部翅片，位于高压气瓶外的超导热管外设置外部翅片，超导热管内充有无机盐超导介质；进、出气口与进、出气口端盖为螺纹连接，进、出气口端盖与进、出气口间设有进、出气口密封垫片，三通管道的第一端穿过进、出气口端盖中心孔经进、出气口密封垫片插入高压气瓶内，三通管道的第二端经单向阀为高压气体进口，三通管道的第三端经减压阀为低压气体出口。
技术方案2：另一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶
本发明的高压气瓶的内衬层外绕有纤维缠绕层，高压气瓶开有进、出气口，进、出气口与进、出气口端盖为螺纹连接，进、出气口端盖与进、出气口间设有进、出气口密封垫片，三通管道的第一端和超导热管的一端穿过进、出气口端盖中心孔经进、出气口密封垫片插入高压气瓶内，超导热管的另一端位于进、出气口端盖外，三通管道的第二端经单向阀为高压气体进口，三通管道的第三端经减压阀为低压气体出口，位于高压气瓶内的超导热管外设置内部翅片，位于高压气瓶外的超导热管外设置外部翅片，超导热管内充有无机盐超导介质；超导热管内充有无机盐超导介质。
以上两种技术方案中：
所述内衬层的材料为铝合金、不锈钢或工程塑料。
所述纤维缠绕层为增强碳纤维、增强玻璃纤维、增强芳纶纤维或硼纤维和固化剂树脂固化形成复合材料增强层。
所述无机盐超导介质，其组分由蒸馏水、重铬酸钾、重铬酸银、过硼酸钠、硼酸、过氧化钠、氢氧化铝、三氧化二钴、二氧化锰、氧化铍和单晶硅粉末组合而成。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1)充气过程无需采用预冷却等措施，降低了能耗。
2)相同的温度限制下，可实现更高的加注速率。
3)与国内外现有金属管散热器和热管散热器相比，散热速度更快，适应性更广。
附图说明
图1是本发明的一种结构整体剖视图。
图2是发明的一种结构开口端放大图。
图3是发明的一种结构进、出气口端放大图。
图4是本发明的另一种结构整体剖视图。
图5是发明的另一种结构进、出气口端放大图。
图中：1.进、出气口，2.纤维缠绕层，3.内衬层，4.超导热管，5.开口，6.开口端盖，7.外部翅片，8.开口密封垫片，9.内部翅片，10.三通管道，11.单向阀，12.减压阀，13.进、出气口端盖，14.进、出气口密封垫片。
→代表热流。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的高压气瓶的内衬层3外绕有纤维缠绕层2，高压气瓶的一端开有进、出气口1，高压气瓶的另一端有开口5，露出在高压气瓶外的开口5一端与开口端盖6为螺纹连接，开口端盖6与开口5间设有开口密封垫片8，超导热管4的一端穿过开口端盖6中心孔经开口密封垫片8插入高压气瓶内，超导热管4的另一端位于高压气瓶外，位于高压气瓶内的超导热管4外设置内部翅片9，位于高压气瓶外的超导热管4外设置外部翅片7，超导热管4内充有无机盐超导介质；进、出气口1与进、出气口端盖13为螺纹连接，进、出气口端盖13与进、出气口1间设有进、出气口密封垫片14，三通管道10的第一端穿过进、出气口端盖13中心孔经进、出气口密封垫片14插入高压气瓶内，三通管道10的第二端经单向阀11为高压气体进口，三通管道10的第三端经减压阀12为低压气体出口。
如图4、图5所示，本发明的高压气瓶的内衬层3外绕有纤维缠绕层2，高压气瓶开有进、出气口1，进、出气口1与进、出气口端盖13为螺纹连接，进、出气口端盖13与进、出气口1间设有进、出气口密封垫片14，三通管道10的第一端和超导热管4的一端穿过进、出气口端盖13中心孔经进、出气口密封垫片14插入高压气瓶内，超导热管4的另一端位于进、出气口端盖13外，三通管道10的第二端经单向阀11为高压气体进口，三通管道10的第三端经减压阀12为低压气体出口，位于高压气瓶内的超导热管4外设置内部翅片9，位于高压气瓶外的超导热管4外设置外部翅片7，超导热管4内充有无机盐超导介质；超导热管4内充有无机盐超导介质。
所述内衬层3的材料为铝合金、不锈钢或工程塑料。
所述纤维缠绕层2为增强碳纤维、增强玻璃纤维、增强芳纶纤维或硼纤维和固化剂树脂固化形成复合材料增强层。
所述无机盐超导介质，其组分由蒸馏水、重铬酸钾、重铬酸银、过硼酸钠、硼酸、过氧化钠、氢氧化铝、三氧化二钴、二氧化锰、氧化铍和单晶硅粉末组合而成，其组合成分多少决定了超导介质的导热性能差异。
如图1、图2、图3所示，本发明的内衬层3为轻质铝合金6061-T6，纤维缠绕层2为碳纤维T700，与环氧树脂固化而成，气瓶开有2个开口，一端开有进、出气口1和另一端开口5。如图4、图5所示，气瓶只开有进、出气口1。
气瓶另一端开口内孔径30mm，外径40mm，开口伸出气瓶100mm，内置一个凹台，凹台深度60mm，凹台周向加工内螺纹，与开口端盖6的外螺纹相互配合，开口端盖6与凹台之间有开口密封垫片8加以密封。
超导热管4可设置于气瓶的进、出气口1(如图4、图5所示)，或者设置于气瓶的另一端开口的开口端盖6上(如图1、图2所示)；超导热管4置于开口端盖6中间，并与开口端盖6密封焊接，超导热管4的一端置于气瓶内，另一端伸出气瓶的外部。
超导热管4为圆柱形管子，管子内充装无机盐超导介质，管子外面设置圆柱形金属翅片，圆柱形金属翅片焊接与超导热管管子外表面。超导热管4外径20mm，内径12mm。超导热管4伸入气瓶内，直到进、出气口1附近，伸出端盖300mm。
开口端盖6与凹台之间开口密封垫片8加以密封垫圈厚3mm。当开口端盖6与接管通过螺纹旋紧，两者之间的压力使金属垫圈变形，达到密封的目的。
超导热管4外表面焊有外部翅片7，翅片高5mm，达到增强换热目的的同时增强超导热管的刚度。
本实施例中的无机超导介质，其组分分别由蒸馏水100单位、重铬酸钾2单位、重铬酸银0.1单位、过硼酸钠1.5单位、硼酸0.5单位、过氧化钠2单位、氢氧化铝1单位、三氧化二钴0.1单位、二氧化锰0.1单位、氧化铍0.01单位、单晶硅粉末0.9单位等组合而成。将以上物质均匀搅拌后，根据超导热管的体积大小，充满2%的体积，然后抽真空到绝对压力900KPa，密封封装超导热管后安装于图1、图2所示的位置、或者图4、图5所示的位置。
本发明的工作原理如下：
当高压气体充气时，减压阀12关闭，高压气体通过三通管道10向高压气瓶内充气，充气时单向阀11自动开启，充气停止时自动关闭，充气完成后开启减压阀12即可向用户单元供应常压气体。当高压气体充入气瓶内时，气体温度迅速升高，此时高压气瓶内的超导热管吸收热量，如图1、图4中的箭头所示，热量通过超导热管4向气瓶外面迅速传递出去，在高压气瓶外面迅速散去热量，从而达到控制高压气瓶温升过高的问题。
设置该超导热管散热器的高压气瓶，与背景技术相比，其热导出效率为铜的10000倍以上，比热管散热器也要高10倍以上，同时没有热管散热器对介质蒸发温度的要求。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶，其特征在于：其高压气瓶的内衬层(3)外绕有纤维缠绕层(2)，高压气瓶的一端开有进、出气口(1)，高压气瓶的另一端有开口(5)，露出在高压气瓶外的开口(5)一端与开口端盖(6)为螺纹连接，开口端盖(6)与开口(5)间设有开口密封垫片(8)，超导热管(4)的一端穿过开口端盖(6)中心孔经开口密封垫片(8)插入高压气瓶内，超导热管(4)的另一端位于高压气瓶外，位于高压气瓶内的超导热管(4)外设置内部翅片(9)，位于高压气瓶外的超导热管(4)外设置外部翅片(7)，超导热管(4)内充有无机盐超导介质；进、出气口(1)与进、出气口端盖(13)为螺纹连接，进、出气口端盖(13)与进、出气口(1)间设有进、出气口密封垫片(14)，三通管道(10)的第一端穿过进、出气口端盖(13)中心孔经进、出气口密封垫片(14)插入高压气瓶内，三通管道(10)的第二端经单向阀(11)为高压气体进口，三通管道(10)的第三端经减压阀(12)为低压气体出口。
2.根据权利要求1所述的一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶，其特征在于：所述内衬层(3)的材料为铝合金、不锈钢或工程塑料。
3.根据权利要求1所述的一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶，其特征在于：所述纤维缠绕层(2)为增强碳纤维、增强玻璃纤维、增强芳纶纤维或硼纤维和固化剂树脂固化形成复合材料增强层。
4.根据权利要求1所述的一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶，其特征在于：所述无机盐超导介质，其组分由蒸馏水、重铬酸钾、重铬酸银、过硼酸钠、硼酸、过氧化钠、氢氧化铝、三氧化二钴、二氧化锰、氧化铍和单晶硅粉末组合而成。
5.一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶，其特征在于：其高压气瓶的内衬层(3)外绕有纤维缠绕层(2)，高压气瓶开有进、出气口(1)，进、出气口(1)与进、出气口端盖(13)为螺纹连接，进、出气口端盖(13)与进、出气口(1)间设有进、出气口密封垫片(14)，三通管道(10)的第一端和超导热管(4)的一端穿过进、出气口端盖(13)中心孔经进、出气口密封垫片(14)插入高压气瓶内，超导热管(4)的另一端位于进、出气口端盖(13)外，三通管道(10)的第二端经单向阀(11)为高压气体进口，三通管道(10)的第三端经减压阀(12)为低压气体出口，位于高压气瓶内的超导热管(4)外设置内部翅片(9)，位于高压气瓶外的超导热管(4)外设置外部翅片(7)，超导热管(4)内充有无机盐超导介质；超导热管(4)内充有无机盐超导介质。
6.根据权利要求5所述的一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶，其特征在于：所述内衬层(3)的材料为铝合金、不锈钢或工程塑料。
7.根据权利要求5所述的一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶，其特征在于：所述纤维缠绕层(2)为增强碳纤维、增强玻璃纤维、增强芳纶纤维或硼纤维和固化剂树脂固化形成复合材料增强层。
8.根据权利要求5所述的一种带有超导散热装置的纤维增强复合材料高压气瓶，其特征在于：所述无机盐超导介质，其组分由蒸馏水、重铬酸钾、重铬酸银、过硼酸钠、硼酸、过氧化钠、氢氧化铝、三氧化二钴、二氧化锰、氧化铍和单晶硅粉末组合而成。
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