CN116202015A - 用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构及其包覆工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构及其包覆工艺，它包括依次设置在双层壁低温容器的内容器外壁和外容器内壁之间的三层绝热层：第一组绝热层、第二组绝热层和第三组绝热层，所述第一组绝热层包覆在内容器外壁的表面；所述第一组绝热层、第二组绝热层和第三组绝热层之间均设有反射膜；所述第一组绝热层包括多层第一间隔物，所述第二组绝热层包括多层第二间隔物，所述第三组绝热层包括多层第三间隔物，相邻两层第一间隔物、第二间隔物和第三间隔物之间均设有反射膜。本发明在不同的温度区域使用不同的隔热材料和不同的层密度，大大提高绝热性能。
Description
技术领域
本发明涉及低温绝热技术领域，尤其涉及一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构及其包覆工艺。
背景技术
低温介质（如液氮、液氧、液氩、液化天然气，以及与氢能产业关系密切的液氢，最低温度的温液体液氩）的储运有赖于低温绝热技术的发展，低温介质的温度越低，其越容易挥发，任何进入低温液体容器内部的微小热流都会引起低温液体大量的蒸发。液化天然气的沸点温度约-160℃，使用目前的多层绝热技术即可保证其正常的储运周期内的储运。为了使液氢（沸点温度-253℃）、液氦（沸点温度-269℃）的超低温液体在储运过程中减少蒸发损失，则需要进一步提高多层绝热的绝热性能。如变密度多层绝热技术、冷蒸汽屏与多层绝热复合技术、珍珠岩泡沫多层绝热复合技术等等。提高多层绝热的绝热性能的机理是降低固体接触导热和自由气体分子导热，由于泡沫中含有大量充满空气的气孔无法抽真空，使得泡沫绝热不能维持真空状态的绝热；膨胀珍珠岩真空由于巨大的比表面积吸附大量空气，使其达不到高真空只能维持低真空状态；多层绝热的空腔内可以抽至高真空，但层间材料不断解析的气体分子，其层间压力相比于夹层空腔要高大数十倍，使得气体自由分子导热得不到很好的降低。
目前现有的多层绝热技术一定程度上阻止了热辐射传入低温容器的热量，存在问题是由于隔热材料和反射材料的接触，以及在真空下绝热材料的出气现象，造成多层绝热层与层的固体接触导热和层间自由气体分子导热，成为多层绝热进一步提高绝热性能的主要问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构及其包覆工艺，在不同的温度区域使用不同的隔热材料和不同的层密度，大大提高绝热性能。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，它包括依次设置在双层壁低温容器的内容器外壁和外容器内壁之间的三层绝热层：第一组绝热层、第二组绝热层和第三组绝热层，所述第一组绝热层包覆在内容器外壁的表面；所述第一组绝热层包括多层第一绝热层单元，第一绝热层单元包括内层第一间隔物和外层反射膜；第二组绝热层包括多层第二绝热层单元，第二绝热层单元包括内层第二间隔物和外层反射膜；第三组绝热层包括多层第三绝热层单元，第三绝热层单元包括内层第三间隔物和外层反射膜。
进一步地，所述第三组绝热层和外容器内壁之间设有一个真空空腔的间隔。
进一步地，所述第一组绝热层包括10~15层第一绝热层单元，所述第二组绝热层包括10~15层第二绝热层单元，所述第三组绝热层包括10~15层第三绝热层单元。
进一步地，所述第一间隔物为聚酰亚胺气凝胶纤维纸或聚酰亚胺气凝胶纤维布，所述第二间隔物为聚酰亚胺气凝胶纤维纸或聚酰亚胺气凝胶纤维布，所述第三间隔物为玻璃纤维纸。
进一步地，靠近内容器外壁的第一层第一间隔物的厚度为0.15mm~0.3mm，每层第一间隔物的厚度依次递减0.05mm，直至第一间隔物的厚度递减至0.05mm后保持不变。
进一步地，靠近内容器外壁的第一层第一间隔物的层密度为3~6/cm，第二层第一间隔物的层密度为4~9/cm，第三层第一间隔物的层密度为5~15/cm，第四层第一间隔物的层密度为6~20/cm，第五层至最后一层的第一间隔物的层密度均为10/cm；所述第二间隔物的层密度大于15/cm；所述第三间隔物的层密度大于20/cm。
进一步地，所述第一组绝热层的总厚度为20~25mm，所述第二组绝热层的总厚度为不大于10mm，所述第三组绝热层的总厚度为不大于10mm。
进一步地，所述反射膜为金属箔。
一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构的包覆工艺，包括以下内容：
第一组绝热层实施：
先在贴紧内容器的外表面上均匀包覆一层聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物，接缝处要搭边，聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物包覆厚度要均匀，厚度在0.15~0.3mm内，不留缝隙；然后包覆一层金属箔；相邻间隔物之间均设一层反射膜；第二层聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物的厚度在上一层的基础上递减0.05mm，以后从内向外每一层的间隔材料聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物的厚度依次按0.05mm递减，直至减少到聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物的单层为止；聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物的单层厚度应小于0.05mm，包覆至10~15个组合层为止，第一组绝热层的总厚度应在20~25mm之内；
第二组绝热层实施：
在第一组绝热层完成包覆的基础上包覆第二组绝热层；第二组绝热层中的反射膜为铝箔，间隔物为厚度尽可能小的单层聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物；用提前复合好的带状单层组合均匀缠绕包覆在第一组绝热层上，包覆至10~15个组合层为止，第二组绝热层的总厚度应在10mm之内，第二组绝热层的层密度大于15/cm；
第三组绝热层实施：
在第二组绝热层完成包覆的基础上包覆第三组绝热层；第三组绝热层中的反射膜为铝箔，间隔物为玻璃纤维纸；用提前复合好的带状单层组合均匀缠绕包覆在第二组绝热层上，包覆至10~15个组合层为止，第三组绝热层总厚度应在10mm之内，第三组绝热层的层密度大于20/cm。
进一步地，包覆工艺在恒温恒湿环境控制缠绕房内进行，房间内温度控制在20℃±1℃，湿度控制在相对湿度50%以下。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在靠近冷端至热端的金属反射薄膜之间采用不同厚度的聚酰亚胺气凝胶纤维纸作为隔热间隔层，利用置换干燥活化后的聚酰亚胺气凝胶纤维纸微孔在超低温下的吸附特性吸附复合多层绝热体层间的残余气体分子，提高层间真空度和延长层间高真空维持时间，利用气凝胶的超级隔热特性阻隔靠近超低温冷面多层绝热体中固体传热。本发明的聚酰亚胺气凝胶纤维隔热层的变密度多层绝热方法利用了聚酰亚胺气凝胶纤维多孔材料在低温真空下的吸附特性，以及气凝胶的超级隔热特性，同时减小了多层绝热的固体传热和残余气体自由分子的导热；将传统的多层绝热性能提高一个数量级以上；特别适用于液氢、液氦一类的超低温绝热低温液体容器的制造应用，大大提高了其绝热性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的间隔物的出气吸附活化装置的结构示意图。
其中：
内容器外壁1、第一间隔物2、第二间隔物3、第三间隔物4、反射膜5、真空空腔6、外容器内壁7、真空干燥箱8、箱门81、样品架82、温度测量控制器83、第一真空计84、放气阀85、第一真空阀86、第二真空阀87、第三真空阀88、第二真空计89、高真空扩散泵810、低真空泵811。
具体实施方式
为更好地理解本发明的技术方案，以下将结合相关图示作详细说明。应理解，以下具体实施例并非用以限制本发明的技术方案的具体实施态样，其仅为本发明技术方案可采用的实施态样。需先说明，本文关于各组件位置关系的表述，如A部件位于B部件上方，其系基于图示中各组件相对位置的表述，并非用以限制各组件的实际位置关系。
实施例1：
参见图1，图1绘制了一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构的结构示意图。如图所示，本发明的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，它包括依次设置在双层壁低温容器的内容器外壁1和外容器内壁7之间的三层绝热层：第一组绝热层、第二组绝热层和第三组绝热层，所述第一组绝热层包覆在内容器外壁1表面，所述第三组绝热层和外容器内壁7之间设有一个真空空腔6的间隔。
所述第一组绝热层、第二组绝热层和第三组绝热层之间均设有反射膜5。
所述第一组绝热层为超低温绝热层，包括10~15层第一间隔物2，相邻两层第一间隔物2之间设有反射膜5；所述第一间隔物2为聚酰亚胺气凝胶纤维纸或聚酰亚胺气凝胶纤维布，靠近内容器外壁1的第一层第一间隔物2的厚度为0.15mm~0.3mm，每层第一间隔物2的厚度依次递减0.05mm，直至第一间隔物2的厚度递减至0.05mm后保持不变，所述第一组绝热层的总厚度为20~25mm；靠近内容器外壁1的第一层第一间隔物2的层密度为3~6/cm，第二层第一间隔物2的层密度为4~9/cm，第三层第一间隔物2的层密度为5~15/cm，第四层第一间隔物2的层密度为6~20/cm，第五层至最后一层的第一间隔物2的层密度均为10/cm。
所述第二组绝热层为低温绝热层，包括10~15层第二间隔物3，相邻两层第二间隔物3之间设有反射膜5；所述第二间隔物3为聚酰亚胺气凝胶纤维纸或聚酰亚胺气凝胶纤维布，所述第二间隔物3的层密度大于15/cm；所述第二组绝热层的总厚度为不大于10mm。
所述第三组绝热层为亚低温绝热层，包括10~15层第三间隔物4，相邻两层第三间隔物4之间设有反射膜5；所述第三间隔物4为玻璃纤维纸，所述第三间隔物4的层密度大于20/cm；所述第三组绝热层的总厚度为不大于10mm。
所述反射膜5为金属铝箔或者金属铜箔等金属箔，金属箔的厚度小于0.02mm，发射率小于0.006。
单层聚酰亚胺气凝胶纤维纸或聚酰亚胺气凝胶纤维布的厚度小于0.05mm。
本发明的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构的包覆工艺包括以下内容：
（1）在可恒温恒湿环境控制的缠绕房内进行，房间内温度控制在20℃±2℃，湿度控制在相对湿度50%以下，操作人员佩戴口罩、帽子、手套，严格限制人数；
（2）密封包装的聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）以及玻璃纤维纸和铝箔在缠绕房内打开包装，即开始按常规包覆工艺进行包覆，并在规定的时间内完成包覆；
（3）第一组绝热层实施：
内容器在第一组多层绝热包覆前，先进行内容器外表面的清洁干燥处理，然后在贴紧内容器外表面上均匀包覆一层聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布），接缝处要搭边，聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）包覆厚度要均匀，厚度在0.15~0.3mm内，不留缝隙；然后包覆一层金属箔；接下来的包覆原则是间隔层在内反射膜在外的组合方式：可用聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）与金属箔提前复合好的复合层包覆第二层，也可分开包覆；第二层聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）厚度在上一层的基础上递减0.05mm，以后从内向外每一层的间隔材料聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）的厚度依次按0.05mm递减，直至减少到聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）的单层为止；聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）的单层厚度应小于0.05mm，包覆至10~15个组合层为止，第一组绝热层的总厚度应在20~25mm之内；通过测量周长与调节松紧度控制每组绝热层总厚度，第一组绝热层为变密度绝热层，其绝热原理是通过增加超低温端的隔热层厚度，最大限度的降低超低温端温度梯度较大时的固体导热成分；
（4）第二组绝热层实施：
在第一组绝热层完成包覆的基础上包覆第二组绝热层；第二组绝热层中的反射膜为铝箔，间隔物为厚度尽可能小的单层聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）；用提前复合好的带状单层组合均匀缠绕包覆在第一组绝热层上，包覆至10~15个组合层为止，第二组绝热层的总厚度应在10mm之内，第二组绝热层的层密度大于15/cm；
（5）第三组绝热层实施：
在第二组绝热层完成包覆的基础上包覆第三组绝热层；第三组绝热层中的反射膜为铝箔，间隔物为玻璃纤维纸；用提前复合好的带状单层组合均匀缠绕包覆在第二组绝热层上，包覆至10~15个组合层为止，第三组绝热层的总厚度应在10mm之内，第三组绝热层的层密度大于20/cm；
完成包覆后即进行外容器组装焊接，并在规定的时间内完成组装焊接；至此完成高真空超低温多层绝热复合结构安装组合；
对完成组装焊接的容器对内外容器之间的夹层粗抽真空，待接受下一步工序。
参见图2，图2绘制了多层绝热复合结构的间隔物的出气吸附活化装置的结构示意图。如图所示，上述多层绝热复合结构的间隔物在应用前需要进行真空高温出气吸附活化工艺，采用真空高温出气吸附活化装置，该装置包括真空干燥箱8，真空干燥箱8包括箱门81，所述真空干燥箱8内设有样品架82，所述样品架82上设置间隔物，间隔物为聚酰亚胺气凝胶纤维纸或聚酰亚胺气凝胶纤维布以及玻璃纤维纸。
所述真空干燥箱8内设有温度测量控制器83，所述真空干燥箱8连接第一真空计84，所述真空干燥箱8连接放气阀85，所述放气阀85的一端连接高纯氮接口，另一端连接至真空干燥箱8内。
所述真空干燥箱8分别连接第一真空阀86和第二真空阀87，所述第一真空阀86分别连接第二真空计89和高真空扩散泵810，所述第二真空阀87分别连接第三真空阀88和低真空泵811，所述第三真空阀88连接高真空扩散泵810。
上述真空高温出气吸附活化工艺，包括以下内容：
（1）将聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）以及玻璃纤维纸放置真空干燥箱的样品架上，利用低真空泵通过F2抽空阀对真空干燥箱加热抽真空，由温度测控器控制加热温度维持在约300℃，当第一真空计测得真空度小于50Pa时，关闭F2抽空阀；
（2）打开充气阀通过高纯氮气接口向真空干燥箱内充入约0.08MPa的高纯氮气，然后关闭充气阀；维持300℃高温半小时后，对真空干燥箱加热抽真空，抽真空至小于30Pa时，关闭F2抽空阀；
（3）打开充气阀第二次向真空干燥箱内充入0.08MPa的高纯氮气，然后关闭充气阀；维持300℃高温半小时后，对真空干燥箱加热抽真空，抽真空至小于15Pa时，关闭F2抽空阀；
（4）打开充气阀第三次向真空干燥箱内充入0.08MPa的高纯氮气，然后关闭充气阀；维持300℃高温半小时后，对真空干燥箱加热抽真空，抽真空至小于5Pa后，开启高真空扩散泵通过F1抽空阀对真空干燥箱持续加热抽真空4小时，然后停止加热，关闭F1抽空阀；
（5）打开充气阀第四次向真空干燥箱内充入0.11MPa的高纯氮气，自然冷却至常温，在自然冷却至常温过程中持续向真空干燥箱内充入高纯氮气，保持真空干燥箱内0.11MPa的微正压状态；
（6）待自然冷却至常温后，打开真空干燥箱的箱门，迅速取出处理好的聚酰亚胺气凝胶纤维纸（布）及玻璃纤维纸分别密闭封装在充有高纯氮气的塑料包装袋中备用。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，其特征在于：它包括依次设置在双层壁低温容器的内容器外壁（1）和外容器内壁（7）之间的三层绝热层：第一组绝热层、第二组绝热层和第三组绝热层，所述第一组绝热层包覆在内容器外壁（1）表面；所述第一组绝热层包括多层第一绝热层单元，第一绝热层单元包括内层第一间隔物（2）和外层反射膜（5）；第二组绝热层包括多层第二绝热层单元，第二绝热层单元包括内层第二间隔物（3）和外层反射膜（5）；第三组绝热层包括多层第三绝热层单元，第三绝热层单元包括内层第三间隔物（4）和外层反射膜（5）。
2.根据权利要求1所述的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，其特征在于：所述第三组绝热层和外容器内壁（7）之间设有一个真空空腔（6）的间隔。
3.根据权利要求1所述的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，其特征在于：所述第一组绝热层包括10~15层第一绝热层单元，所述第二组绝热层包括10~15层第二绝热层单元，所述第三组绝热层包括10~15层第三绝热层单元。
4.根据权利要求3所述的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，其特征在于：所述第一间隔物（2）为聚酰亚胺气凝胶纤维纸或聚酰亚胺气凝胶纤维布，所述第二间隔物（3）为聚酰亚胺气凝胶纤维纸或聚酰亚胺气凝胶纤维布，所述第三间隔物（4）为玻璃纤维纸。
5.根据权利要求3所述的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，其特征在于：靠近内容器外壁（1）的第一层第一间隔物（2）的厚度为0.15mm~0.3mm，每层第一间隔物（2）的厚度依次递减0.05mm，直至第一间隔物（2）的厚度递减至0.05mm后保持不变。
6.根据权利要求3所述的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，其特征在于：靠近内容器外壁（1）的第一层第一间隔物（2）的层密度为3~6/cm，第二层第一间隔物（2）的层密度为4~9/cm，第三层第一间隔物（2）的层密度为5~15/cm，第四层第一间隔物（2）的层密度为6~20/cm，第五层至最后一层的第一间隔物（2）的层密度均为10/cm；所述第二间隔物（3）的层密度大于15/cm；所述第三间隔物（4）的层密度大于20/cm。
7.根据权利要求1所述的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，其特征在于：所述第一组绝热层的总厚度为20~25mm，所述第二组绝热层的总厚度为不大于10mm，所述第三组绝热层的总厚度为不大于10mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构，其特征在于：所述反射膜（5）为金属箔。
9.一种权利要求1所述的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构的包覆工艺，其特征在于，包括以下内容：
第一组绝热层实施：
先在贴紧内容器的外表面上均匀包覆一层聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物，接缝处要搭边，聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物包覆厚度要均匀，厚度在0.15~0.3mm内，不留缝隙；然后包覆一层金属箔；相邻间隔物之间均设一层反射膜；第二层聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物的厚度在上一层的基础上递减0.05mm，以后从内向外每一层的间隔材料聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物的厚度依次按0.05mm递减，直至减少到聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物的单层为止；聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物的单层厚度应小于0.05mm，包覆至10~15个组合层为止，第一组绝热层的总厚度应在20~25mm之内；
第二组绝热层实施：
在第一组绝热层完成包覆的基础上包覆第二组绝热层；第二组绝热层中的反射膜为铝箔，间隔物为厚度尽可能小的单层聚酰亚胺气凝胶纤维间隔物；用提前复合好的带状单层组合均匀缠绕包覆在第一组绝热层上，包覆至10~15个组合层为止，第二组绝热层的总厚度应在10mm之内，第二组绝热层的层密度大于15/cm；
第三组绝热层实施：
在第二组绝热层完成包覆的基础上包覆第三组绝热层；第三组绝热层中的反射膜为铝箔，间隔物为玻璃纤维纸；用提前复合好的带状单层组合均匀缠绕包覆在第二组绝热层上，包覆至10~15个组合层为止，第三组绝热层总厚度应在10mm之内，第三组绝热层的层密度大于20/cm。
10.根据权利要求9所述的一种用于双层壁低温容器的多层绝热复合结构的包覆工艺，其特征在于：包覆工艺在恒温恒湿环境控制缠绕房内进行，房间内温度控制在20℃±1℃，湿度控制在相对湿度50%以下。
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