CN111396741A - 一种液氦容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液氦容器，包括外壳和安装在外壳内的内胆，外壳和内胆之间由内至外依次设置有高真空层、多屏绝热层和多层绝热层，外壳和多层绝热层之间还设置有高温吸气剂，高真空层内还设置有低温吸气剂，通过采用多屏绝热层和多层绝热层减少辐射传热，并回收氦的显热减少漏热，保持内胆外以及多屏绝热层的高真空度，减少接触热阻，固体导热和气体导热，使液氦容器获得极高的绝热性能。

Description

一种液氦容器
技术领域
本发明涉及液氦存储技术领域，尤其是一种液氦容器。
背景技术
氦在工业领域有广泛应用，在航空航天、国防、低温物理、气相分析、焊接、探漏、化学气相淀积、晶体生长、等离子干刻、粒子加速器、低温超导和核磁共振成像等领域发挥着不可替代的作用，其中多数涉及液氦的储运。然而液氦是一种沸点很低、气化潜热很小，极易气化、极难储存的液化气体，因而对液氦容器的绝热性能有极高的要求。
在液氦温区的低温容器中常规采用的绝热方式有多层绝热、多屏绝热和多层-汽冷屏绝热三种方式，这三种方式虽然可满足液氦储存的一般性要求，但仍存在一些不足。多层绝热结构一般是直接包裹在内胆上，因而多层绝热结构与之存在固体导热，而且多层绝热缠绕较紧，多层绝热体内部抽高真空的难度大，多层绝热体内部的气体导热比较大；单独的多屏绝热的屏数低于多层绝热，辐射屏数少，阻挡辐射传热的效果仍有进一步提高的空间；多层-汽冷屏绝热中汽冷屏的效率不高，多层汽冷屏的效率一般低于高真空汽冷屏的效率，屏温也高于高真空汽冷屏的屏温。与此同时由于低温下辐射漏热已大为降低，而多层绝热体中的多层绝热空间内缠绕多层材料，固体导热就增大，加上抽气困难，残余气体的传热也增加，纵向导热也难以避免，因而总的漏热量也会相应增加。
因此本领域技术人员致力于开发一种极高的绝热性能的液氦容器。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种极高的绝热性能的液氦容器。
为了实现上述目的，本发明提供一种液氦容器，包括外壳和安装在所述外壳内的内胆，所述内胆的上端设置有向上延伸且与外界连通的颈管，所述外壳和内胆之间由内至外依次设置有高真空层、多屏绝热层和多层绝热层。
所述多屏绝热层包括层叠设置的至少两个传导屏，所述传导屏的一端通过一与所述颈管焊接连接的工字型翅片固定连接。
两个相邻所述传导屏之间设置有第一间隔层，两个相邻所述传导屏之间抽真空设置。
所述传导屏的材料为铝或铜。
所述传导屏设置有10-35层，优选的，所述传导屏设置有12-20层。
所述多层绝热层包括层叠设置的至少两层辐射屏，两层相邻所述辐射屏之间设置有第二间隔层。
所述辐射屏设置有5-25层，优选的，所述辐射屏设置有20-25层。
所述高真空层内还设置有低温吸气剂。
所述外壳和所述多层绝热层之间还设置有高温吸气剂。
两个相邻所述传导屏在所述颈管上的间距l由以下公式得出：
Figure BDA0002459100430000021
式中：m为所述液氦容器的蒸发率，n为所述传导屏的层数，Lb为液氦的汽化潜热，Ai为第i屏的面积，i大于等于2，σ为辐射常数，εi为第i块所述传导屏与第i-1块所述传导屏之间的辐射率，s为颈管的横截面积，L为两个相邻所述传导屏在所述颈管上的间距，H0是饱和氦蒸汽的焓值，Ki、λi、Hi分别是随温度变化的所述传导屏的导热系数、所述颈管的导热系数和氦蒸汽的焓值，Ti为单个所述传导屏表面的温度。
本发明的有益效果是：本发明的液氦容器，包括外壳和安装在外壳内的内胆，外壳和内胆之间由内至外依次设置有高真空层、多屏绝热层和多层绝热层，外壳和多层绝热层之间还设置有高温吸气剂，高真空层内还设置有低温吸气剂，通过采用多屏绝热层和多层绝热层减少辐射传热，并回收氦的显热减少漏热，保持内胆外以及多屏绝热层的高真空度，减少接触热阻，固体导热和气体导热，使液氦容器获得极高的绝热性能。
附图说明
图1是本发明的结构剖视示意图；
图2是本发明的多屏绝热层的传热模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需注意的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1、图2所示，一种液氦容器，包括外壳1和安装在外壳1内的内胆2，内胆2的上端设置有向上延伸且与外界连通的颈管11，外壳1和内胆2之间由内至外依次设置有高真空层3、多屏绝热层和多层绝热层。外壳和多层绝热层之间还设置有高温吸气剂，高真空层内还设置有低温吸气剂，通过采用多屏绝热层和多层绝热层减少辐射传热，并回收氦的显热减少漏热，保持内胆外以及多屏绝热层的高真空度，减少接触热阻，固体导热和气体导热，使液氦容器获得极高的绝热性能。
多屏绝热层包括层叠设置的至少两个传导屏4，传导屏4的一端通过一与颈管11焊接连接的工字型翅片8固定连接，传导屏4与工字型翅片8紧密连接，减少热阻，回收冷量；两个相邻传导屏4之间设置有第一间隔层5，两个相邻传导屏4之间抽真空设置。第一间隔层5与传导屏4之间接触连接，两者之间存在一定的空隙，因此易于抽真空，抽真空后能达到很高的层间真空度，有效的减少固体导热、纵向导热和残余气体导热，因而大幅度提高了绝热性能。在本实施例中，传导屏4的材料为铝或铜，传导屏4设置有10-35层，优选的，传导屏4设置有12-20层。
传导屏4的设计可以采用不同的方法，推荐可采用下述算法。忽略导热系数随温度的变化，不考虑传导屏和颈管存在的接触热阻、颈管内的气膜热阻及传导屏上的温度梯度，在理想情况下，对多屏绝热进行传热分析。多屏绝热的传热模型如图2所示。在颈管上安装了n个传导屏后，第n个屏上的辐射热qr(n)分成二部分：一部分qr(n–1)传入第(n–1)屏，另一部分qm(n)沿屏传给颈管；同样，从颈管热端传向第n屏的热流qk(n)也分成两部分：一部分qk(n-1)导入第(n-1)屏；另一部分qk(n)与qm(n)一起被冷蒸汽带走。
因此有下列的传热方程式。
Figure BDA0002459100430000041
Figure BDA0002459100430000042
Figure BDA0002459100430000051
由此可得第i块传导屏上的温度Ti的计算公式为：
Figure BDA0002459100430000052
并由上式可得关于蒸发率m的关系式如下：
Figure BDA0002459100430000053
上述公式中：Lb为液氦的汽化潜热，Ai为第i屏的面积，s为颈管的横截面积，δ为屏间距，l为两个相邻传导屏4在颈管11上的间距，H0是饱和氦蒸汽的焓值，Ki、λi、Hi分别是随温度变化的传导屏4的导热系数、颈管11的导热系数和氦蒸汽的焓值，σ为辐射常数，εi为第i块传导屏与第i-1块传导屏之间的辐射率，Ti为单个传导屏4表面的温度。
对于高真空条件下的多屏绝热来说，因为残余气体导热和纵向导热基本上可以忽略，因此：
Figure BDA0002459100430000054
所以，两个相邻所述传导屏4在所述颈管11上的间距l参照以下公式得出：
Figure BDA0002459100430000055
式中：m为液氦容器的蒸发率，n为传导屏4的层数，Lb为液氦的汽化潜热，Ai为第i屏的面积，i大于等于2，σ为辐射常数，εi为第i块传导屏4与第i-1块传导屏4之间的辐射率，s为颈管的横截面积，l为两个相邻传导屏4在颈管11上的间距，H0是饱和氦蒸汽的焓值，Ki、λi、Hi分别是随温度变化的传导屏4的导热系数、颈管11的导热系数和氦蒸汽的焓值，Ti为单个传导屏4表面的温度。
在多屏绝热层和外壳1之间再额外设置20层左右的多层绝热层，进一步减少辐射传热并提高绝热性能。多层绝热层包括层叠设置的至少两层辐射屏6，两层相邻所述辐射屏6之间设置有第二间隔层7辐射屏6一般为铝箔或铜箔；辐射屏6与颈管11间隔，即不与颈管11连接，有效提高绝热性能；其中辐射屏6设置有5-25层，优选的，辐射屏6设置有20-25层。由于传导屏4的主要作用是传递回收冷量，辐射屏6主要作用是反射热量，所以传导屏4的厚度大于辐射屏6的厚度。
在本实施例中，第一间隔层5和第二间隔层7均为绝热性能好的物质，例如玻璃纤维纸、尼龙网。
上述辐射屏6和传导屏4的设置数量均是发明人综合考虑了容器内各个零件的位置关系、材料强度、绝热效果、工字型翅片与传导屏4的接触程度和加工工艺复杂程度，然后经过多次试验得出的。发明人想特别强调的是，由上可以看出发明人在解决本发明所要解决的技术问题过程中，已经付出了很大的创造性劳动，而且没有现成资料可供参考，这也是在液氦存储技术领域的技术人员很难想到的。
由于绝热空间内的真空会随时间下降，为了长期保持高真空度，避免绝热性能下降，本发明还采用了高效的组合吸气剂，高真空层3内还设置有低温吸气剂9，外壳1和多层绝热层之间还设置有高温吸气剂10，进一步的，低温吸气剂9为锆铁锰吸气剂、锆-锆铝16吸气剂和锆-锆钒铁吸气剂中的一种或多种的组合，高温吸气剂10为锆铝16吸气剂、锆石墨吸气剂、锆镍吸气剂和锆铁钒吸气剂中一种或多种的组合。通过高效组合吸气剂的采用，使绝热空间可以长期保持理想的真空度，因而液氦容器也可以长期保持极高的绝热性能。
本发明所述高效复合绝热设法克服了上述绝热结构的不足之处，有效阻断了热量传入容器内低温液体的各项途径，因而可以获得极高的绝热性能。本发明采用的绝热结构从内胆到外壳依次为高真空层、多屏绝热层和多层绝热层。在内胆外面是一个高真空层，这样可以有效提高真空度和传导屏的效率，提高绝热性能。中间采用多屏绝热，有效回收氦汽化后的显热，降低屏温，大幅提高绝热性能。多屏绝热层由20层左右的传导屏和屏与屏之间的第一间隔层组成，彼此之间松散接触，并抽至很高的真空度，而且每个传导屏均分别采用工字型翅片使之与颈管紧密贴牢，这样可以有效减少漏热，进一步提升绝热性能。在多屏绝热层和外壳之间再额外设置20层左右的多层绝热层，进一步减少辐射传热，提高绝热性能。
本发明的优点：
(1)氦、氢这样的低温气体，潜热很小，显热却很大，因而显热/潜热之比很大。也就是说只需要一点热量就会汽化。与此同时由于其饱和温度与环境温度相差极大，因而气化的饱和低温气体显热形式储存的冷量却很大。常规低温储存容器只能利用液化气体的潜热。本发明的复合绝热结构中间采用了多屏绝热，可以充分利用液化气体的显热，降低屏温，抑制辐射热流，减少漏热，显著提高绝热性能；
(2)本发明在多屏绝热层与内胆之间专门设置了一个高真空空间，减少绝热体与内胆之间的传热。在传统的绝热结构中，往往在内胆外直接包扎多层绝热体，因而存在固体导热，而且导致多层绝热体内很难抽至很高的真空度，气体传热也很大。本发明专门在内胆外面设置一个高真空层，可以有效的解决上述问题，提高液氦容器的绝热性能。
(3)由于多屏绝热层的屏数不多(约20屏左右)，屏与屏之间虽然有第一间隔层存在，但是彼此贴得不紧，因此抽真空容易，可以达到很高的层间真空度，有效的减少固体导热、纵向导热和残余气体导热，因而大幅度提高了绝热性能。
(4)因为高真空空间的存在和多屏绝热层内真空度的提高，本发明中传导屏的效率将高于多层-汽冷屏绝热结构中传导屏的效率，屏温也低于多层-汽冷屏绝热结构中的屏温，因而可以获得比多层-汽冷屏绝热结构更优的绝热性能。
(5)通过对多屏绝热层体内屏位的优化，实现低温氦蒸气冷量的充分利用，降低传导屏的温度，减少漏热，提高绝热性能。
(6)在多屏绝热层和外壳之间再额外设置20层左右的多层绝热层，进一步减少辐射传热并提高绝热性能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡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，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种液氦容器，包括外壳(1)和安装在所述外壳(1)内的内胆(2)，所述内胆(2)的上端设置有向上延伸且与外界连通的颈管(11)，其特征是：所述外壳(1)和内胆(2)之间由内至外依次设置有高真空层(3)、多屏绝热层和多层绝热层。
2.如权利要求1所述的液氦容器，其特征是：所述多屏绝热层包括层叠设置的至少两个传导屏(4)，所述传导屏(4)的一端通过一与所述颈管(11)焊接连接的工字型翅片(8)固定连接。
3.如权利要求2所述的液氦容器，其特征是：两个相邻所述传导屏(4)之间设置有第一间隔层(5)，两个相邻所述传导屏(4)之间抽真空设置。
4.如权利要求2或3所述的液氦容器，其特征是：所述传导屏(4)的材料为铝或铜。
5.如权利要求2或3所述的液氦容器，其特征是：所述传导屏(4)设置有10-35层。
6.如权利要求1所述的液氦容器，其特征是：所述多层绝热层包括层叠设置的至少两层辐射屏(6)，两层相邻所述辐射屏(6)之间设置有第二间隔层(7)。
7.如权利要求6所述的液氦容器，其特征是：所述辐射屏(6)设置有5-25层。
8.如权利要求1所述的液氦容器，其特征是：所述高真空层(3)内还设置有低温吸气剂(9)。
9.如权利要求1所述的液氦容器，其特征是：所述外壳(1)和所述多层绝热层之间还设置有高温吸气剂(10)。
10.如权利要求2-9任一所述的液氦容器，其特征是：两个相邻所述传导屏(4)在所述颈管(11)上的间距l由以下公式得出：
Figure FDA0002459100420000021
式中：m为所述液氦容器的蒸发率，n为所述传导屏(4)的层数，Lb为液氦的汽化潜热，Ai为第i屏的面积，i大于等于2，σ为辐射常数，εi为第i块所述传导屏(4)与第i-1块所述传导屏(4)之间的辐射率，s为颈管的横截面积，H0是饱和氦蒸汽的焓值，Ki、λi、Hi分别是随温度变化的所述传导屏(4)的导热系数、所述颈管(11)的导热系数和氦蒸汽的焓值，Ti为单个所述传导屏(4)表面的温度。
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