CN116348702A - 适用于低温服务的罐 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于低温服务的罐和建造该罐的方法。罐包括：内罐、热隔绝体和气密的外壳体，其中热隔绝体布置在内罐的外侧，并且外壳体布置在热隔绝体的外侧，还包括穿过外壳体的联接件，其中罐外侧的真空泵可以被联接以从内压力罐和外壳体之间的容积抽吸空气和气体，并且还包括从罐的外侧到内罐的内侧的开口，用于装载和卸载流体，其中运行中的内罐包含流体，并且内罐和外壳体之间的容积处于真空状态。该罐的特点在于：热隔绝体包括并排布置在内罐上的若干块体元件，在块体元件之间具有间隙，其中外壳体包括已经接合在一起以覆盖隔绝体的整个外表面的若干部分，其中外壳体的覆盖隔绝块体元件的部分具有与隔绝块体元件的形状相匹配的形状，并且在沿着相应间隙的截面中观察的情况下，外壳体的覆盖块体元件之间的间隙的部分具有向内或向外定向的弯曲形状，并且由于该弯曲形状的收缩或拉伸而是柔性的。

Description

适用于低温服务的罐

技术领域

本发明涉及流体的储存和运输。更具体地说，本发明提供了一种特别地适用于储存和运输低温流体的罐以及制造该罐的方法。

背景技术

低温流体的储存和运输具有挑战性，尤其是在最低温度范围内。有各种各样的气体是在非常低的温度下被储存和运输的，并且通常保存在隔绝容器中。一个例子是液态天然气，它在-163℃液化，并且通常由外部多孔或纤维非真空隔绝层隔绝，而真空隔绝也已经被应用于相对小型和中型的罐。

近年来，对储存液氢的兴趣和需求越来越大，这对隔绝提出了特殊的挑战。在大气压力下，氧在-183℃液化，且氮在-196℃液化，而氢在-253℃液化。当这些空气成分在液化氢温度下变成液体或固化时，由于所述空气成分液化或甚至固化，因此基于静止空气的隔绝性能的传统热隔绝的隔绝性能恶化，导致热传导增加并且热隔绝几乎完全失效。

低温温度范围显然没有通用的定义，但常用的定义是-150℃低至-273℃的绝对零度。

对于低温下的热隔绝和一般的强化热隔绝，已知的是，真空隔绝可能是优选的解决方案。真空下不存在物质导致作为传热机制的热传导和热对流原则上被消除。在实践中可能难以获得理想的真空；尽管如此，“接近完美真空”的条件将在很大程度上阻止热传递。然而，因辐射引起的显著的能量传递将仍然存在，其中这种现象取决于真空空间的相对侧的表面的四阶绝对温度。因此，通常用诸如珍珠岩、玻璃泡、多层隔绝体等的降辐射材料填充真空空间。已知的是，这种真空和降辐射材料相结合的方法为大多数非常低的温度应用提供了比单独真空更好的隔绝性能，并且显然对于液氢来说，对于20K也是如此。

对于相对小型和中型的罐，可以应用双壳体罐的原理，双壳体罐在罐层之间的容积内具有真空。显然，如果两个罐之间没有某种形式的连接，这两个罐就不能保持分开，并且不可避免的是，这种连接将提供热桥和热量进入。虽然这个问题可以是可控制的，但更大的问题是内罐在低温温度下不可避免地会显著收缩；这意味着两个壳体层之间的重要连接可能无法保持其稳定、连接的作用。例如，容纳低温流体的内罐的热收缩率可能高达每米罐7.5毫米；这意味着，对于更大的罐，内罐热收缩的问题会变得更加地明显。要注意的是，连接的丧失或弱化不仅与间距有关，而且外罐也将受到外部大气压力的影响，在外部大气压力下，如果支撑件保持不完整，外罐可能会屈曲。外壳体的屈曲不稳定性对于大型罐来说可能是一个严重的问题，并且这限制了双壳体真空罐对相当中等的罐尺寸的适用性。

已经尝试解决该尺寸问题。与本发明相比，最近的现有技术出版物显然是专利US8,807,382 B1，其描述并示出了具有柔性真空护套而不是刚性外壳体的储存系统。多层隔绝体支撑柔性真空护套。

一些另外的现有技术的代表有出版物JP 3111658U、JP 6435517B、JPH06293290A、JP2007218317A和DE 102004015295B4。

提供一种罐设计，其以可承受的成本允许罐具有几乎任何体积和形状，允许运行温度低至-253℃，并且具有足够的隔绝功效以避免由低温液体沸腾而累积的过多的内部压力，从而避免气体排放或不得不通过气体的主动冷却和冷凝来使蒸发蒸汽重新液化，这将是一个非常有益的目标。另一个重要的目标是提供一种真空隔绝系统，该真空隔绝系统对小型和超大型罐都同样有效；即带有隔绝系统的罐是完全可扩展的(scalable)。可以通过对内罐使用所谓的“栅格压力器皿(lattice pressure vessel)”或简称为LPV来确保内罐内的尺寸和内部压力的多尺寸可扩展性；尤其如专利公布WO2012/148154A2和WO2015073719 A1中所描述和示出的。

本发明的目的是提供一种在上述一种或更多种技术效果方面有益的罐。

发明概述

本发明的目的是通过提供一种适用于以低温温度储存和运输流体的罐来实现的，该罐包括：

内罐，

热隔绝体，和

外壳体，该外壳体是气密的，

其中，热隔绝体布置在内罐的外侧，并且外壳体布置在热隔绝体的外侧，

还包括穿过外壳体的联接件，其中罐的外侧的真空泵可以被联接以从内压力罐和外壳体之间的容积抽吸空气和气体，并且

还包括从罐的外侧到内罐的内侧的开口，用于装载和卸载流体，

其中，运行中的内罐包含流体，并且内罐和外壳体之间的容积处于真空状态。

该罐的特点在于：

热隔绝体包括并排布置在内罐上的若干块体元件，块体元件之间具有间隙，优选地间隙位于隔绝体的向外侧上，

其中，外壳体包括已经接合在一起以覆盖隔绝体的整个外表面的若干部分，其中外壳体的覆盖隔绝块体元件的部分具有与隔绝块体元件的形状相匹配的形状，并且在沿着相应间隙的截面中观察的情况下，外壳体的覆盖块体元件之间的间隙的部分具有向内或向外定向的弯曲形状，并且由于弯曲形状的收缩或拉伸而是柔性的。

本发明还提供了一种制造本发明的罐的方法，特点在于以下步骤：制造或提供内罐；制造或提供隔绝块体元件；制造或者提供用于填充或排空流体的开口件；制造或提供用于真空泵的联接件；制造或提供外壳体部分；将块体元件并排地布置并紧固在内罐的外表面上；布置用于真空泵的开口件和联接件；以及将外壳体部分布置并接合在一起。

本发明还提供了本发明的罐的用途，用于储存和运输低温流体或其他相对于环境温度的冷的或热的流体，例如温度与环境温度相差至少30℃的流体。

从罐的外侧到内罐的内侧的用于装载和卸载流体的开口是组合的入口和出口或者分离的结构。所述组合的或分离的结构代表了通过罐的隔绝体的唯一显著的热桥。

优选的实施例如从属权利要求中所限定的，对这些优选的实施例进行参考。本文描述或示出了另外的优选实施例。

优选地，隔绝块体元件之间的间隙位于所述元件的外侧，即元件的面向外壳体的一侧。较小的间隙应从外表面延伸到内罐表面，以避免内罐热收缩期间相邻块体重叠，并便于在真空过程中有效提取空气或气体。优选地，内罐是压力罐。优选地，块体元件通过粘合和/或机械装置布置并紧固到内罐，块体元件朝向内罐的表面靠近在一起，当在环境温度安装时，在内罐和块体元件之间的界面处的块体元件之间没有间隙，其中外壳体的弯曲部分下的可选的隔绝体切口下方的间隙优选地包括在块体元件之间形成V形或U形间隙的非平行侧，如在截面中观察时，其中当罐处于低温服务时，间隙优选地被保留，以保持柔性并在隔绝体的内侧温度下降到低温温度时保持用于真空抽吸的通道。

外壳体的弯曲部分从覆盖隔绝块体元件的大致外壳体表面向外或向内延伸。如将进一步解释的，在环境温度的空罐将在隔绝块体元件之间具有最大的间隙，并且相应地具有覆盖间隙的弯曲部分的最大宽度。为了确保所有弯曲部分沿其全部长度向外或向内弯曲，从而避免锁定和高度应力集中，优选地为所有弯曲部分提供初始曲率。当罐装载有低温流体(如-253℃的LH2)时，内罐会热收缩，导致隔绝块体和弯曲部分的收缩。流体越冷，块体之间的接合区处收缩越大。

弯曲部分原则上代表“最小能量”型几何形状，当块体之间的间隙压缩时，可以从自然屈曲函数中采得。最简单的线性屈曲形式是余弦函数的，其振幅可以放大以达到柔性波纹的目的。向外波纹和向内波纹两者都是可行的。波纹的跨度和选择的初始振幅两者都取决于与整体冷却和隔绝块体的尺寸相关的具体情况。这一构思提供了一种高效的波纹形状，其在主罐的热收缩期间最小化了波纹中的总体应力水平以及应力集中。假设的理想余弦函数以及通过数值模拟产生的屈曲形状两者都可以被使用。它们的实际性能(例如产生的应力)可以通过对每个详细实施例的数值模拟或测试来确定。

如果内罐每米内罐外表面收缩尺寸D，当从环境温度冷却到低温温度时，隔绝块体的向外的侧上的间隙和覆盖间隙的弯曲部分的宽度优选地明显大于横跨间隙本身发生的实际热收缩。如本领域技术人员将理解的，D的值取决于环境温度和低温流体充满时的低温温度之间的温差。典型地，对于LH2，D对于铝制的内罐高达约7.5毫米/米，并且对于不锈钢制的内罐高达约5毫米/米。必须为隔绝块体的向外的侧上的间隙选择足够的宽度，并为覆盖间隙的弯曲部分选择足够的宽度和高度，以避免不可接受的塑性应变，并根据规范和标准获得低于规定限值的应力水平。

优选地，柔性外壳体在两个间隙交叉之处的波纹形状通过叠加余弦状形状或通过采用由屈曲分析产生的形状获得，如将进一步解释的。

外壳体的部分优选地被焊接在一起，可替代地以其他方式接合，例如通过钎焊或粘合，但是总是使用确保在整个设计寿命内在所有运行设计条件下气密接合的接合方法。例如，液氢的运行设计条件为+45至-253℃。此类应用的正常目标设计寿命为30年。因为低应力集中和应变以及将有很少的热负荷循环的事实，这被认为是容易获得的。因此，疲劳不是关键的设计因素，因为一旦充满低温流体，内罐将保持在低温温度或其附近，这是由于罐的极端隔绝性能以及即使在“空的”情况下所需量的低温流体通常总是被保持的事实。只有在有检查要求的情况下，例如每五年一次，以及可能的在维修时，内罐才会发生加热和膨胀。

优选地，当运行中的内罐包含低温流体时，内罐和外壳体之间的全部容积处于真空状态。入口和出口穿透内罐和外壳体，因此不直接位于内罐和外壳体之间。

本发明的罐优选地包括“栅格压力器皿”内罐，这意味着内罐包括与专利公布WO2012/148154 A2和WO 2015073719 A1中描述和示出的相同或相似的内部结构。因此，对于本发明的罐，消除了尺寸限制以及形状限制。更具体地，“栅格压力器皿”构思消除了内罐的尺寸和形状限制，并且本发明的隔绝体构思消除了隔绝体的尺寸限制和任何形状限制。此外，本发明还可以应用于其他壳体形状，例如圆柱形压力器皿。显然，圆柱体的大小是不可扩展的。

在块体元件之间和块体元件上的外壳体的柔性弯曲部分可以是连接到隔绝块体上的预紧固外壳体部分的分离的部分。外壳体部分可以在隔绝块体单元安装在内罐表面上之后被应用，并且覆盖间隙的柔性弯曲区可以是外壳体区部的集成部分。因此，外壳体的不同部分之间的实际接合连接可以位于远离块体接合部的位置。因此，潜在的较弱接合部位于远离承受最高应力水平的外壳体的部分的位置。

本发明的罐(如指定的被隔绝的罐)可用于储存任何流体或材料，特别是如果其温度不同于罐外侧的环境温度，更冷或更热。本发明提供的独特优点随着罐的尺寸和罐内容物与罐外侧环境温度之间的温差而增加。然而，由于出色的隔绝与便于实际和经济制造的设计相结合，隔绝的罐原则上有利于储存和运输相对于环境温度具有较高温差的任何流体，而其主要旨在用于在低温温度或非常冷的温度储存和运输流体，其中运行中的内罐包含流体，例如-253℃的液氢，LH2，或任何其他需要有效热隔绝的气体或液体，特别是消除了周围空气的液化或固化。

尽管具体提到了用于储存和运输液态天然气和液氢的罐，但本发明同样适用于各种各样的其他冷却和低温流体，例如液氮、液态氧、液态二氧化碳、液态石油气、液氨和许多类型的工业气体。此外，本发明的罐可用于储存和/或运输热的流体，诸如蒸汽和过热蒸汽，例如在热能电池中，如在国际专利公布WO 2020/251373 A1中所描述和示出的。然而，聚合物基隔绝体可能需要用矿物基隔绝体代替，并且金属材料可以用高温稳定合金代替。

块体之间的柔性气密连接区必须具有足够的弹性柔性和可变形性，以适应内罐的热收缩和/或膨胀，并能够承受内侧真空和来自外侧的至少一个大气压力，而不会永久变形或损坏。块体之间的柔性气密接合部可以是单层结构，其中具有接合部几何形状的薄金属层焊接到块体的外金属层的扁平部分。附加的密封可以通过施加聚合物或密封带而施加在焊接区上。也可以应用其他接合方法，其中通过焊接和密封材料或织物的组合将接合部分连接到扁平部分。可替代地，块体之间的金属皮层的柔性几何形状被形成为外皮层的一部分并附接到块体上。因此，外皮层的不同区部之间的接合接缝可以定位成远离块体之间的区，例如在块体的中线处。

在块体之间的所述弯曲的柔性接合区或线处的外壳体的几何形状是本发明的重要部分。在内罐由于填充冷流体而收缩的情况下，相邻块体(也称为块体元件或元件)之间的接合区或间隙将显著收缩，这意味着外壳体将不得不变形以适应块体接合区处的该局部缩回或收缩。值得注意的是，外壳体的扁平部分不会发生太大的热变形，因为皮层保持在周围的外侧空气的温度。因此，“通道宽度”将变窄，并且波纹外壳体必须相应地弯曲和收缩。

最关键的部分是这些通道在四个相邻块体的交叉处相遇。显然，交叉区不能仅仅是具有连续通道几何形状的两个交叉通道，因为连续通道将针对该机制锁定。显然，皮层在通道交汇部处的几何形状必须允许同时在两个垂直方向上收缩。交叉通道处的几何形状必须使得在内罐收缩期间仅激活最小的弯曲能量。如将显示的，采用“自然变形形状”的这一原则提供了低弯曲应力，而没有高应力集中和具有显著屈服的热点。受单向收缩的梁或板区部的“最小势能”几何形状是余弦函数的(对应于固支梁的初始余弦屈曲形式)；因此，这种形状或类似形状应该被应用于收缩的通道区部。交叉通道区域需要更复杂的形状，以允许同时在两个方向上收缩。交叉通道的优选形状可以是叠加到交叉通道的余弦几何形状上的余弦函数。这将在后面更详细地解释。该原理的后续变型是，通过使用有限元方法或类似的计算机模拟方法从大位移结构分析获得的屈曲形状以数值方式生成交汇区的几何形状。

外皮层的通道型几何形状可以朝向内罐指向内，或者可以远离罐指向外。这两种选择都是可行的，并且被包括在本发明中。当通道指向内时，低于真空的皮层上的大气压力在很大程度上导致通道区部的膜张力。替代地，当这种类型的波纹指向外时，压力差很大程度上导致通道区中的膜压缩。在结构上，第一种可能是优选的；然而，当涉及到实际生产时，包括将皮层区部焊接在一起，向外指的波纹也可能具有一些优点。

还应注意的是，所提出的波纹的“平滑”余弦函数型几何形状意味着在最初扁平薄板的金属成形过程中适度的塑性变形。屈曲函数的平滑性也意味着平滑的塑性弯曲变形，而没有具有极端塑性应变的“结”。与目前用于LNG的膜罐中的波纹几何形状相比，目前提出的波纹几何形状显然是有利的，在LNG的膜罐中波纹具有尖锐的弯曲、褶皱和结。在这种情况下，在波纹的初始成形期间的塑性应变将是非常显著的，并且同样有问题的是，由于温度变化，在运行期间将发生热变形、应变以及进一步的显著塑化。目前海运行业所使用的膜罐中出现的这些几何依赖机制可能导致皮层材料的显著局部弱化，具有产生裂纹和气体泄漏的风险。图1示出了现有技术，示出了用于LNG货舱的典型波纹膜。请注意两个波纹交叉处的大范围变形区，导致极端的塑性应变和“结”，这反过来也导致热收缩期间非常高的应力集中。

本发明旨在使用波纹的平滑形状来大大减少这些问题，该波纹的平滑形状适应由内罐的收缩引起的外皮层的压缩。

内罐优选地可以是压力罐，这意味着内罐压力可以显著高于大气压力，例如高达大气压力的20倍或甚至更高。具有超压能力的内罐允许用增加的气体压力来平衡来自热量进入的增加温度，从而避免通过从罐中释放气体和/或必须使蒸发气体重新液化来调节气体压力。这种通过补偿压力来容纳气体的方法对于液氢特别有用，液氢是一种重量轻、单位能量成本高的能量载体。

内罐和靠近内罐的材料必须由耐受运行温度(如低温温度)而不变脆的材料制成。奥氏体不锈钢合金在极低的温度保持韧性，而其他可焊接金属(如许多铝合金)适合在非常低的温度使用。外壳体或皮层通常不会受到低温的影响；然而，由于反射性能和抗降解性，不锈钢和铝可能仍然是优选的。如果低温流体从内罐意外泄漏，这种材料也有利于避免脆性裂纹。

压力罐和外壳体之间的容积处于真空，这意味着压力低于大气压力，优选地远低于大气压力，例如0.01：0.001或0.0001大气压力或更低。显然，压力越低，热隔绝效果越好。

与具有坚硬外壳体的真空隔绝罐不同，本发明的真空隔绝系统的布局和几何形状可以用于任何尺寸和任何形状的罐。隔绝块体的尺寸，以及因此，波纹网格图案的尺寸，主要取决于内罐随着冷却和加压而收缩的程度多少，而不是罐本身的尺寸。如将理解的那样，罐尺寸的这种独立性由对内罐的收缩补偿应对于局部水平而不是全罐尺寸水平引起。每个隔绝块体的典型尺寸和相应的波纹距离在两个表面方向中的任一个上的长度可以从0.25米到2米。例如，内罐的每米6毫米的收缩意味着尺寸为1米的块体的周围波纹将不得不适应跨越波纹以及在波纹交叉处的两个方向上大约6毫米的收缩。可以理解的是，满足特定收缩要求的能力取决于主要的设计参数，例如决定波纹的宽度的在块体之间的外平面处的间隙的尺寸、波纹的振幅和波纹皮层的厚度。当前真空隔绝构思的独特性源于这样一个事实，即它独立于罐尺寸同样良好地发挥作用，并且安装工作的成本和量与罐的总表面积成比例。这主要不同于前面提到的双壳体型真空隔绝体，对于双壳体型真空隔绝体，由于强度要求，外壳体(护套)的强度随尺寸增长很大。

本发明的罐包括一种布置真空隔绝体的新方法，该方法基于柔性外屏障与承载负载的多孔隔绝体连接的原理，该承载负载的多孔隔绝体使用块体型隔绝体几何形状，其中块体被布置在一起，其间有间隙，而收缩和膨胀通过隔绝块体元件的外表面上的外皮层之间的柔性接合部来应对。该罐实际上可以具有任何形状和尺寸，因为缩回问题通过与内罐几何形状相适应的隔绝层被局部地解决，而不引入离散的热桥。块体元件覆盖内罐的整个外侧表面，在块体元件之间只有小间隙，其中内侧上的每个块体具有与内罐的表面几何形状完全一致的形状或曲率，并且外侧上的形状与隔绝层的内侧和选定厚度一致。

考虑到内部和外侧温度、隔绝要求、收缩灵活性以及隔绝体内侧的空气或气体易于排空的能力，选择用于隔绝块体的特定材料可能取决于使用情况。另一个要求是真空隔绝块体必须能够将外侧空气的压力传递到内罐上。进一步的材料要求可能与持续压力下的抗蠕变性、机械和化学稳定性、能够粘合或各种形式的机械附接的一致性等有关。存在若干纤维和多孔材料可以满足这些要求，例如用于LNG罐隔绝的隔绝材料。通常使用的这种材料是PUF(聚氨酯泡沫)和R-PUF(增强PUF)。

真空隔绝层的块体几何形状可以以两种方式中的任何一种产生。首先，隔绝体可以完全预制，其形状与其将被放置在内罐的表面上的位置一致。这种形状可以通过在模型中铸造或通过将隔绝块体成形并研磨成预期位置的特定几何形状来获得。可以通过机械附接方法和/或粘合来实现对表面的附接。预制隔绝块体可以在表面皮层完全附接在块体上的情况下生产。在这种情况下，块体之间的间隙区必须覆盖有附加的波纹皮层条带，这些波纹皮层条带通过焊接和/或粘合连接到块体的预制表面皮层。重要的是，块体与其外皮层之间的波纹连接和焊接具有足够的强度，以承受由内罐收缩产生的压力和力，并具有防漏性。可替代地，选择将表面皮层作为波纹板直接生产并应用到隔绝块体上(最初没有皮层)，其中相邻板之间的接缝优选地位于块体的表面的中线处。这将典型地导致焊缝长度的减小，并且因此可以提供一些优点。可以采取特殊措施来保护隔绝材料免受焊接产生的热量。

作为应用带有泡沫型隔绝体的预制隔绝块体的替代方案的是将隔绝体一层一层地直接喷涂在内罐的外表面上。对于诸如LNG的应用，这是一种已知并被接受的方法。然而，使用块体构思仍然是必要的，因为需要以有效的方式排空隔绝层，并且还需要减少由于内罐收缩引起的隔绝体应力。这可以通过雕刻、研磨或锯切规则的深通道来最好地完成，优选地一直向下到内罐的表面，使得空气排空通道的连续系统跨越内罐的整个表面区域。显然，该方式提供了与本发明一致的块体隔绝几何形状；与预制块体的主要区别在于，块体是在隔绝体被应用到罐上后形成的。多孔隔绝体(如各种形式的PUF)比钢或铝具有更高的热膨胀系数。出于这个原因，优选的是，块体之间的间隙的宽度足够宽，以便当内罐由于冷却而收缩时，间隙不会闭合。然而，由于开放间隙通过开放空间的辐射提供热传递，因此同时希望不要使初始间隙变得比防止外壳体下的块体之间接触或闭合所需的更宽。在波纹向内定向的情况下，这些间隙的成形还应考虑波纹所需的空间。

如这里所述的，在隔绝层上喷涂不会产生完全光滑的外部抛光表面。因此，在波纹表面皮层被应用之前，有必要使隔绝体的外表面平整化和平滑化。这可以通过研磨和/或在表面上施加再填充材料来完成。在该工艺之后，波纹表面皮层板可以被附接到隔绝块体上，并焊接在一起，如对于没有预附接表面皮层的预制隔绝块体所述的。

如上所述，重要的是隔绝块体之间的间隙不会由于内罐的热收缩而闭合。此外，在波纹指向内的情况下，这种间隙必须在表面皮层波纹的位置附近用凹槽加宽；这是为了确保收缩波纹在任何时候都不会使相邻的隔绝块体直接接触。隔绝层中凹槽的实际几何形状可能不是非常重要，只要间隙在收缩期间不闭合；例如U形或V形或其他形状的形状可以用于块体之间的初始间隙。当波纹从柔性壳体表面指向外时，可能不需要波纹凹槽。

如前所述，外壳体板必须通过焊接、可替代地其他方式与它们的邻接体连接，以确保完全气密的外壳体层。当这意味着焊接时，问题出现了，由于焊接产生的高温热量将在皮层中局部地产生，并且这种加热可能损坏下置隔绝材料。有两种简单的方法可以用来解决这个问题。首先，隔绝块体可以用材料条带保护，该材料条带本身可以承受高温，并在焊接位置处强烈减少对下置隔绝块体的热传递。可替代的方法是在焊接位置处的隔绝块体中雕刻小凹槽，使得加热的金属和隔绝材料之间不会直接接触。这种凹槽必须足够宽以防止通过皮层的热传导造成的焊接热损伤，并且不宽于皮层可以跨越凹槽而不受应力过度的范围。因此，两种类型的凹槽可以应用于本发明的真空隔绝系统；(1)波纹凹槽，以适应向内波纹；和(2)焊接凹槽，以防止因焊接产生的热量而损坏隔绝块体。热保护条带是第二种凹槽类型的替代方案。

本发明的罐的隔绝构思的一个非常有益的效果是，随着罐尺寸增加的热缩回问题得到了解决，而没有显著的热桥，并且唯一的热传导源是多孔隔绝块体本身。

隔绝体由多孔材料制成。优选地，所有孔(在本文中意味着所有充满空气或气体的容积)是相互连接的。由于孔隙材料不是气密的，真空排空从隔绝材料内的孔中移除截留的空气或气体，在隔离材料内没有留下大量截留的空气或气体；这确保了非常好的隔绝性能。空气或气体的有效排空防止了孔内的气体在内罐具有极低温度的情况下(例如当充满例如液氢的流体时)变成固体。这种孔隙度通常被称为开放型孔隙度。

本发明的罐包括外皮层的通道状波纹，其布置在隔绝块体元件之间的间隙和凹槽形成收缩空间的地方，包括在所述波纹交叉的位置处的特殊波纹几何形状，其中通道状波纹被成形为维持和适应由容纳冷或低温流体的内罐的热收缩引起的隔绝块体元件之间的收缩，并且其中外柔性壳体的波纹始终保持其气密性，作为外部空气压力与外壳体和内罐之间的真空空间之间的屏障。

典型的块体大小尺寸在任一壳体表面方向上可以在0.25米到2.5米的范围内，所选择的尺寸取决于特定的热和机械条件，并且在某种程度上取决于罐的尺寸。在特殊应用中，块体元件的尺寸，以及因此波纹之间的距离，甚至可能超过这些限制。简而言之，块体元件的尺寸和几何形状以及波纹的尺寸可以取决于内罐的几何形状、所用材料的性能、温度变化、罐支撑条件和其他实际问题。排空或抽真空过程的效率可能是另一个考虑因素，因为与较小的块体相比，超大型块体可能需要更长的时间来达到所需的真空条件。

优选地，块体元件之间的间隙形成块体之间的开放空间，在冷却期间不闭合，并且隔绝块体在运行期间的任何时候都不干扰波纹。

块体元件必须以安全且一致的方式牢固地附接到内罐；这可以通过若干方式实现。可以使用的是粘合隔绝材料以及直接喷涂隔绝材料。然而，也可以选择应用机械附接，使隔绝块体抵靠内罐牢固地保持。一种这样的方法是首先以一定的图案将引导导轨附接或焊接到内罐的表面，该图案与抵靠内罐的隔绝块体的覆盖区完全对应。在这样的导轨就位的情况下，隔绝块体可以正确地定位在内罐表面上，并且隔绝块体可以通过导轨和隔绝块体之间的连接器保持就位，例如通过将连接销或其他附接装置插入隔绝材料中。这种机械紧固装置可以由具有低热传导率的材料制成。值得注意的是，当应用抽真空时，隔绝块体也将被外部空气压力牢固地压靠在内罐上。由此，外部空气压力通过跨越真空层的隔绝块体传递到内罐上。

罐隔绝体以块体元件的形式一起布置在气密外皮层下和内罐上方/外侧，必须具有至少0.1MPa(对应于一个大气压力)的允许抗压强度，并具有足够的弹性刚度，以确保应力和变形在整个运行温度范围内(如+45℃至-253℃)保持在可接受的范围内。

柔性波纹具有限定的形状，该形状最小化波纹皮层内的应力，并允许在运行过程中块体之间的间隙的实际收缩和膨胀。皮层的温度总是与周围的温度非常相似，然而内罐可能会受到极端的冷却，例如液氢的-253℃。

本发明的主要目的是提供一种能够容纳极冷流体(如液氢和液态氮)的整体隔绝罐解决方案。同样清楚的是，当前的模块化块体型隔绝系统成为容纳需要热隔绝的其他类型流体(例如液态天然气、液态石油气、冷却和加压的二氧化碳等)的罐的热隔绝的有吸引力的替代方案。

本发明的罐也可以是移动罐，例如用于无人机、飞机、车辆、火车或船的燃料罐；在这样的应用中，本发明的真空隔绝罐在形状和尺寸方面的柔性和低重量是非常重要的。当储存流体(如液氢)时，本发明的模块化可扩展性和罐形状可以不是但也包括圆柱形或球形的事实是特别重要的，因为在一个或多个罐内储存的总体容积效率由于每单位体积的液氢的能量密度非常低而变得极其重要。

附图简述

图1示出了在许多当前热隔绝膜罐中使用的波纹图案。

图2示出了具有双壳体设计的压力器皿的真空隔绝体的常规方法。

图3示出了根据本发明的真空隔绝罐系统。

图4更详细地示出了块体元件的构思。

图5示出了罐系统如何在冷却过程中收缩，并且这种收缩在外膜的波纹区中得到补偿。

图6示出了块体元件可以如何通过机械装置定位并附接到罐的表面。

图7示出了波纹几何形状的发展，波纹几何形状可以从梁和板的屈曲图案中推导出。

图8示出了交叉波纹线之间的交汇部的波纹几何形状的发展。

图9示出了由计算机模拟和计算机图形学生成的波纹几何形状的例子。

图10示出了本发明在低温栅格压力器皿中的应用的例子。

发明的详细描述

应对多屏障隔绝系统中的热收缩或膨胀的问题通常使用某种形式的几何波纹来应对，通过这种几何波纹，柔性膜屏障允许由隔绝体的不同侧部的温度变化引起的变形。应对不同热条件和变形的典型例子是目前用于储存冷却后的流体或低温流体(例如液化天然气(LNG))的热隔绝罐的设计构思。在用于在船上运载LNG的膜式货舱的情况下，是船结构本身提供负荷承载支撑结构，而低温流体通过具有足够热隔绝能力和强度的热隔绝层以及抵挡内部流体的防漏膜保持与该结构的隔绝和分离。出于安全原因，法规还可能要求在隔绝层内侧设置二级防漏屏障。当抵挡冷流体的膜屏障显著热收缩，而作为船的集成部分的罐结构不收缩时，出现了一个基本问题。在热收缩较大的情况下，由于热收缩和拉紧，扁平的膜会明显破裂。这个问题通常通过提供具有几何波纹的最初扁平的膜来应对，以便波纹区通过波纹内的弯曲来应对收缩。使这个问题变得困难的是，热收缩自然地在膜的两个方向上发生，这要求波纹也必须在两个方向上定向。不可避免地会有波纹的交叉，这意味着波纹不能是连续的，而是必须在这些交汇部处“破裂”，以完全适应二维收缩。图1显示了当前实践如何解决波纹交汇问题的典型例子。除了基本膜平面10之外，在一个方向上存在波纹11并且在垂直方向上存在稍大的波纹12。交汇波纹的“破裂”是通过提供附加褶皱或“结”13和14来完成的，附加褶皱或“结”13和14垂直于两个波纹的长度方向，使得褶皱或“结”13和14中的每一个也可以在它们自己的长度方向上收缩。可以看出，波纹具有多个相当尖锐的弯曲，这意味着在波纹图案的几何形成过程中的显著的局部塑性应变。显然，由于膜的实际热收缩，在运行过程中会产生附加的热生成应力。具有双重褶皱结的双通道几何形状意味着非常坚硬的结构区，这通常会产生强烈的应力集中或“热点”，这可能会超过所使用的特定材料的正常可接受应力水平。本发明限定了明显不同的波纹和交汇几何形状，其极大减少了几何形成期间的塑性应变，并确保了在运行期间由于热变形引起的可接受应力。

当对热罐隔绝采用真空时，会出现对连接的特殊要求。如图2a所示，不是根据本发明的真空隔绝罐的常见方法是为内部容纳罐20提供外部气密、坚硬的“护套”或壳体21，使得这两个壳体之间的空间22可以出于热隔绝的目的而被排空。在内壳体20和外壳体21之间通常会有一些结构连接件23，这种连接件23可以具有各种形状和刚度，并且在这里仅原则上示出。用于冷却的且液态的流体的容器20必须设计成压力器皿，因为热进入无法避免，并且由于从液体24到气体25的转变，内部压力将相应地增加。外壳体受到外部压力，这是由于一侧上的大气压力和另一侧22上的接近完美真空，并且必须考虑这些来设计。壳体上的外部压力也意味着它可能受到结构不稳定和屈曲的影响。如所示，外壳体21可以通过确保壳体之间的距离以及外壳体的一定程度的结构支撑的某种连接件23而被部分地支撑到内壳体上。还要注意，两个壳体之间的连接件23内在地将会导致热桥。不幸的是，当容纳罐由于填充冷流体24而显著收缩并且内壳体20由于冷却而相应收缩时，壳体之间的结构兼容性和交互支撑变得具有挑战性。在实践中，这意味着屈曲或稳定性问题随着真空隔绝罐的实际尺寸而增大，因为屈曲极大地依赖于罐总尺寸，并且两层之间的距离差或不相容性与实际罐尺寸成正比。在某种程度上，这个问题可以通过建造非常坚固且坚硬的外壳体来解决，该外壳体可以承受外部压力和内罐的收缩，而稳定性和屈曲问题随着壳体尺寸的增加而显著增加。不稳定性和屈曲问题原则上在右侧图2b中示出，其中外壳体部分地被迫跟随内壳体的收缩，并且外壳体由于外部压力而屈曲。可替代地，连接件23可以是柔性的，而外壳体则可能遭受整体屈曲模式。由于上述原因，到目前为止，双壳体真空隔绝罐的尺寸被限制在几百立方米。本发明提出了真空隔绝的不同方法，其中外壳体被模块化块体构思所取代，该模块化块体构思在外侧具有由真空空间中的块体中的多孔隔绝体支撑的波纹状、高度柔性的膜或“皮层”。

图3示出了本发明的构思。30表示任何类型的容器系统，例如圆柱形、球形、栅格压力器皿或任何类型的加压或非加压棱柱形或其他形状的容器。模块化真空隔绝系统由覆盖罐的整个表面的隔绝块体31组成。存在薄的防漏波纹膜32和33，其与隔绝块体一起覆盖罐的整个外表面，从而形成二级壳体。波纹33是该构思的重要部分，因为当主罐30充满低温流体时，主罐30将显著收缩。还显著的是，隔绝块体通过开放空间34分离，开放空间用于两个主要目的：(1)当主罐因冷却而收缩时，它们防止隔绝块体相互挤压，以及(2)在真空过程中，它们用作覆盖在罐的顶部上的整个隔绝层的空气排放通道。显然，这些间隙的图案与隔绝块体的图案相一致。图3还示出了罐内的冷液体35和在冷液体35的顶部上的呈气态形式的部分36。还具有管道系统37和38，使得能够从外侧进行受控的流体填充和排放。管39表示隔绝体中的空气排放通道34和外部抽真空泵系统之间的连接。罐30内的内部压力对应于蒸汽压力，蒸汽压力又取决于填充程度和实际流体温度。此外，还会有重力分量和动态压力分量。最重要的方面是实现尽可能好的热隔绝体，以将温度和压力累积保持在可接受的界限内。因此，真空隔绝体的目的是实现尽可能好的热隔绝体。

覆盖罐系统的整个外表面的波纹膜与低温膜罐有相似之处，低温膜罐通常用于LNG容器，并结合图1进行了概述。这种侧向支撑罐中的膜提供了对抗内侧低温流体的直接泄漏屏障，并且正是这种膜屏障将由于内侧低温流体的冷却而热收缩。这种金属膜的收缩导致膜的拉伸，特别是跨越波纹的拉伸。在本发明中，原理是“相反的”，因为本发明是流体保持、结构容器收缩，而膜保持外部周围空气或气体的温度相对不变。坚固的内罐(通常是压力器皿)的收缩迫使隔绝体和膜被推到一起，导致波纹将受到压缩而不是拉伸，如内部膜罐的情况。如将在后面概述的，当前创新的主要贡献还在于针对波纹而开发的特殊的几何形状，其导致波纹膜的塑性应变成形大大减少，并且在热变形期间的弹性应力大大减少。

图4a和图4b更详细地说明了当前块体真空隔绝构思的两个版本。30是如图3所述的流体容器的外壳体表面。假设内侧具有流体的罐显著冷却，罐表面将相应地收缩，并且与罐材料的热性能和强制的温度降低相一致。对于奥氏体不锈钢，在罐内侧液氢在-253℃的情况中，收缩的迹象是从+20到-253℃毫米每米长度约4.7毫米每米。如更详细地示出的，隔绝系统的负荷承载元件由多孔或纤维轻质隔绝块体31组成，多孔或纤维轻质隔绝块体31通过机械附接和/或粘合附接被固定到容器30的表面；这种装置将在后面描述。块体材料必须足够开放且多孔，以便最初截留在隔绝体中的空气或气体可以作为抽真空程序的一部分被完全排空。这些块体由初始间隙34分离。这些间隙的形状和宽度必须使得它们在流体容器30的冷却和热收缩期间不闭合，以避免重叠，而是保持开放的通道，以实现和保持整个罐周围的真空。因此，这些间隙的大小和形状不仅取决于容器收缩的程度多少，还取决于块体的实际大小。块体大小的例子可以是从0.5米到2.5米，而其他块体大小也可以是可行的。隔绝块体的典型厚度可以为0.1至0.5米或者甚至1米，而其他厚度也可以是可行的。注意，隔绝块体是柔性的，并且可以适应在罐表面处与容器相同的收缩，而块体的外部分保持相当地不变形，只有由于外部周围气体或空气的热变化而产生的小的改变。

实现真空的要求是真空空间完全密封，并且外部柔性壳体在运行过程中保持完整而不损坏。这是通过在隔绝块体的外侧施加密封膜来实现的，该膜能够顺应内罐的整体热收缩。跨越块体之间的开放间隙的波纹是应对罐收缩的关键。图4a更详细地示出了向外波纹，而图4b示出了可替代的向内波纹40。这两种解决方案都是完全可行的，并且在罐收缩期间以基本相同的方式发挥作用。膜还受到由外侧上的大气压力和隔绝层内的真空引起的外部压力；此处为大约1巴或0.1兆帕的外部压力。在情况4a中，压力作用在向外的拱型几何形状33上，这导致在压缩中的膜应力分量产生横跨间隙的小“推动”。对于情况4b，不同之处在于压力作用在向内的“吊床”型几何形状40上，这导致张紧中的膜应力分量产生横跨间隙的小“拉动”。这两个原理都行得通。向外波纹的优点是，与向内的情况相比，向外波纹使膜部分的必要焊接变得更容易达成且更容易。向内波纹需要更少的空间，并且不容易受到外侧来源的机械损坏。向内波纹还可能要求用附加的凹槽41来修改块体之间的间隙的几何形状，以为波纹提供空间，从而避免与隔绝块体直接接触。

图5的目的是更详细地解释本发明如何工作。图5a示出了在主罐发生冷却之前，具有3×3隔绝块体图案的表面截面的外侧视图。线50可以被视为在冷却发生之前标记在内容器的表面上的系统线。系统线之间的距离在一个方向上是a，而在另一个方向上是b。该图还示出了在冷却之前波纹之间的膜区域51和位于块体之间的波纹图案52(向内或向外定向)。接触区域的大小在一个方向上是c，而在另一个方向上是d。因此，波纹的跨度在一个方向上是e＝a-c，而在另一个方向上是f＝b-d。图5b示出了在热冷却之后的情况，其中内罐上的系统线50之间的距离已经减小到a_T和b_T。实际收缩取决于罐冷却后的温度变化ΔT和罐的热膨胀割线模量α，因此

a_T＝a(1+αΔT)，和b_T＝b(1+αΔT) (1)

应注意，相对于冷却前20℃的初始温度，例如作为例子，对于液氢，冷却为-273℃，ΔT为负。外膜不会受到显著的自身热收缩，因为它保持在当前的外部温度。这意味着内罐的热收缩必须由图中阴影所示的波纹区内的机械收缩来调节。因此在冷却之后波纹区的跨度e_T和f_T变成：

e_T＝a_T-c，和f_T＝b_T-d (2)

其中波纹所承受的实际机械收缩为：

Δe＝e_T-e＝aαΔT，和Δf＝f_T-f＝bαΔT (3)

由波纹产生的收缩与系统线50之间的距离a和b成比例。波纹跨度e和f的大小必须根据机械上可行的方式来选择，而这又主要取决于实际的波纹设计。选择较大的距离a和b意味着较少的波纹和焊接且更便宜的解决方案。数值模拟表明，对于本发明，大约2米的波纹之间的距离是可行的；这比图1所示的当前类型的波纹设计大大约十倍。由a和b表示的典型块体大小的边尺寸优选地在0.25至2米的范围内，但是更小的尺寸也是可能的，并且更大的尺寸也是可能的，特别是对于比LH2要求更低的应用。相应的间隙大小优选地足够宽以始终保持开放间隙，这意味着弯曲部分跨度或间隙大小e和f优选地大于相应的应变Δe和Δf，其中Δe和Δf两者为负。间隙g和波纹跨度不一定相同。但是，如果g_a和g_b表示两个方向上的初始间隙，间隙的非闭合条件为:

g_a+Δe>0，和g_b+Δf>0 (4)

至于弯曲部分及其宽度，增量为负。

关于弯曲部分的宽度，并考虑Δe和Δf的绝对值，e优选地为至少2Δe、甚至更优选地为至少3Δe或5Δe、但优选地不宽于8Δe或10Δe或15Δe。且同样地，f优选地为至少2Δf，更优选地为至少3Δf或5Δf，但优选地不宽于8Δf或10Δf或15Δf。弯曲部分优选地具有的初始高度分别为至少0.5Δe和0.5Δf，以确保一致的弯曲方向。由于外壳体实际上将处于静止状态数年，由于内罐将保持在低温温度，因此对间隙和/或弯曲部分的最小或最大宽度没有特定限制，因为即使是塑性应变的弯曲部分或非常宽的弯曲部分也将是气密的。保持开放间隙是优选的，以便于在隔绝体中形成真空并避免所述弯曲部分中的塑性应变，而避免非常宽的间隙是优选的，以便减少辐射的热量进入并避免对外壳体的坚固性存疑。

主要有两种方式可以实施当前的隔绝块体系统。首先，块体可以完全预制，具有或不具有外膜层。隔绝块体可以制成单层或通过将多个隔绝层粘合在一起而制成。外部几何形状必须具有精确的尺寸，这可能需要精确的切割或研磨表面。可以通过机械紧固和粘合的组合来实现对容器30的表面的附接。图6a示出了一个例子，其中预制隔绝块体60通过与导轨61连接的机械紧固装置62附接到内壳体，导轨61已经在图5所示的系统线50的精确位置处焊接到容器30的表面。由此，这些突出的导轨或导轨段可以用于精确定位隔绝块体60的目的。同样重要的是，如图所示，导轨61还可以在隔绝块体和容器30的表面之间提供机械附接点。对于所示的情况，在导轨61上有延伸件62，并且在该件的端部和插入到隔绝块体中的钉子63之间存在连接部。紧固是通过将延伸件63牢固地附接在钉子62的顶部和导轨61来完成的，从而确保块体将被机械地锁定在适当的位置。用于附接件的材料应符合可接受的热性能和强度。其他块体紧固解决方案也是可行的。

使用预制块体的另一种替代方案是将容器的整个表面一层一层地连续喷涂，隔绝体64具有所需的性能，见图6b。此外，在这种情况下，除了在容器表面和喷涂隔绝体之间发生的化学结合之外，还可以有紧固到容器表面的机械附接件或锚固件65，以确保机械锚固。在完成隔绝体的铺设之后，可以雕刻、切割或锯切块体66之间所需的间隙。图6b示出了这样做的情况，包括可以容纳向内波纹的附加空间67。

如上所述，由容纳罐的冷却引起的外膜的机械收缩必须被覆盖块体之间的间隙的膜波纹吸收。波纹的最佳可能形状的基础可以在收缩期间产生尽可能小的势能的几何形状中发现，这意味着最小可能的变形应力。将认识到，受到轴向负荷或等效地受到强制缩短的固支梁将屈曲成由数学余弦函数定义的几何形状。对于稳定性问题，可以利用最小势能原理从梁方程导出该解。因此，余弦函数是在屈曲过程中导致固支梁内应力尽可能少累积的形状。这一事实导致这样的结论，余弦函数也可能是膜波纹的非常好的几何形状，因为它代表了横跨块体之间间隙的薄板屈曲或压缩的最小能量条件。图7a示出了薄的弹性板70，其具有承受端部负荷72的固支侧71。图7b还相应地示出了作为在端部74处的有限位移Δ的结果的弹性屈曲形状73。在只有小位移的情况下，屈曲形状在两种情况下都是精确的余弦函数。尽管余弦函数仅适用于无穷小的变形，但它可以容易地缩放为将为波纹选择的任何跨度75和振幅76。膜变形的数值应力计算也证实了放大余弦函数作为初始波纹形状的限定非常好。更进一步，通过利用考虑大位移效应的更高级的屈曲形状，可以容易地扩展对波纹使用屈曲形状的原理。不使用简单的余弦函数，优选的形状可以通过考虑大位移效应的结构计算机模拟来生成；这种形状已经被证明比小变形余弦表现得更好。大位移屈曲形状也可以根据波纹的期望跨度75和振幅76来缩放。因此，图7b也可以表示所谓的非线性理论屈曲形状。图7c表示，考虑除了大位移效应之外的由侧向压力77引起的几何形状的变化，产生波纹形状76也是可行的。该图示出的是向内波纹78的情况，然而这里限定的方法同样地适用于向内波纹和向外波纹。

尽管用于块体之间的膜侧接合部的推导波纹形状的方法是直的，但将这些通道形状向前延伸到交叉波纹将不起作用，因为交叉波纹将在这些点处针对收缩而完全锁定，另请参考图5。该问题通过本发明的当前屈曲形状方法的进一步扩展来解决。图8示出了两个交叉波纹80和81之间的区。具体地，图8a从外侧示出了根据图5所示的系统线50的两个交叉波纹。产生尽可能低的应力的关键是避免几何结或硬点，因此交叉波纹处的拐角以曲率半径R成圆角82。图8b示出了波纹膜在远离交汇区外侧的位置处的初始屈曲型截面几何形状83，例如在截面切口A-A和B-B处。该图还表示出了波纹跨度84、以85所示的初始波纹高度h₁、来自隔绝块体86的底层支撑以及隔绝块体之间的波纹的跨度e₁，如87所示。88表示位于系统线50上方的直波纹的顶点线。图8c和图8d图示了避免交汇波纹锁定的关键。不是采用如虚线89所示出的波纹88的顶部的直接延续，而是具有如91所示的附加高度h₂的“附加屈曲”90在交汇部的系统线处叠加。由这种具有如92所示的长度e₂的叠加屈曲所提供的柔性使交汇部能够在如图5b所示的系统线方向上以及对角线上收缩。在图8d中示出了交汇部几何形状的几何形状的进一步限定，图8d示出了沿对角线切口E-E和F-F的膜几何形状93，其中跨度95是e₃并且波纹高度94是h₁和h₂的和。注意e₂和e₃是选择e₁和R的直接函数。图8b、图8c、图8d所示的线之间的膜波纹的波纹几何形状可以简单地由函数平滑程序生成，该函数平滑程序容易获得并用于计算机辅助设计和计算机图形学。

图8所示的波纹几何形状可以基于简单的余弦函数，或者通过使用更先进的大位移屈曲函数，包括在生成几何函数时施加侧向压力。进一步的进展是通过数值、线性或非线性板屈曲模拟(例如使用有限元法)生成二维板屈曲形状。这种模拟的负载情况对应于图5b所示情况的收缩屈曲。该方法的数值模拟和测试表明，该方法效果很好。

图9示出了使用本文描述的方法生成的膜波纹几何形状的例子。这种波纹的良好性能已经通过广泛的非线性有限元分析得到证实，并显示出吸收隔绝块体之间收缩的良好能力和平滑的应力水平，而没有严重的“热点”。

显然，压力器皿总是包括单弯曲表面区域或双弯曲表面区域，以完成完整的三维外外壳。图4和图5所示的块体元件可以容易地采用弯曲的几何形状，通过预制具有弯曲几何形状的块体，或者更简单地通过喷涂隔绝体，然后在块体元件之间雕刻间隙。特别是，当前的模块化真空隔绝体解决方案为超大型尺寸的容器的真空隔绝体提供了机会；这一点很重要，因为这种技术在这之前不存在。如前所述，栅格压力器皿(LPV)在尺寸上是唯一完全可扩展的，并且LPV与本发明的块体型真空隔绝体解决方案的组合为非常重要的应用打开了大门。图10用三个侧视图示出了具有圆角100的主要棱柱形LPV和本发明的隔绝系统的组合。针对罐101、102和103的扁平侧部，将系统划分为隔绝块体是简单明了的，并且符合之前描述的原理。请注意，为了精确地适应罐的几何形状，在不同的侧部上，块体的形状和尺寸可以不同。扁平侧部之间的过渡区域由圆柱形表面104限定。圆柱形块体可以应用于这些圆角侧部连接处。对于所示的情况，在这些区中使用具有单个元件的条带，而当圆角半径较大时，显然也可以使用多个元件。三个平面侧部相交之处的拐角需要双弯曲块体105。在这个例子中，与弯曲侧部连接处的单行块体一致，在八个拐角中的每一个拐角处只有一个双弯曲块体元件。这些块体元件在形状上是三角形的，而每个三角形拐角具有90度的角度；对于球体的1/8区，这实际上是可行的。通过实施三角形块体元件和T形接合部波纹的可能性，具有许多块体元件的更大尺寸的球形区部也是可行的。因此，本发明也可以应用于球形壳体以及具有圆化端盖的圆柱形壳体。

本发明的设计、原理和实施方式的进一步说明

本发明涉及一种用于以低于零度和低温温度盛放流体的罐的真空隔绝体的新解决方案，使得真空型隔绝体可以应用于任何尺寸和形状的超大型罐，对于这种大型罐，以前没有此种可用的隔绝系统。所提供的解决方案可以用于经受极低温度的罐，例如用于液氢的容器，并且罐本身的总的累积热收缩可能非常大。本发明还适用于具有单弯曲表面和双弯曲表面的压力器皿的热隔绝体。双层型真空隔绝体也可以用于以非常高的温度盛放流体的罐，伴随着内罐的大量热膨胀和跨越块体接合部的拉伸。

本发明的基本构思是，低温罐的真空隔绝体可以预制成几乎相似的块体元件，这些块体元件牢固且安全地附接到内罐的外表面。这些隔绝块体的具体尺寸取决于罐的几何形状，使得元件适合罐表面各部分的尺寸和形状。块体元件的典型基础尺寸可以是0.25至2.5米或更大，这取决于特定的热范围、材料性能和罐形状。例如，假设低温罐每米罐收缩6毫米，因此，对于所提及的块体尺寸，皮层处的相邻块体元件之间的间隙将收缩3至15毫米。在本发明中，块体元件之间的密封接合部的这种收缩是可行的。

每个块体内侧的隔绝体的厚度可取决于所使用的隔绝材料的类型。聚氨酯泡沫(PUF)广泛用作工业低温应用的隔绝材料。这种材料也可以用玻璃纤维或其他类型的纤维增强物加强和硬化，并称为增强聚氨酯泡沫(R-PUF)。例如，这种材料广泛用于LNG的大型运输罐的隔绝体。这些材料的抗拉强度通常高于抗压强度，而抗压强度的能力在当前的应用中更有价值；并且通常，强度随着温度的降低而增加。正常的长期抗压强度可以在1至2MPa的范围内，这明显大于抽真空后的实际负载(约1atm或0.1MPa)。有关这种隔绝体的好的参考资料可以在以下链接中找到：

http://www.ivt.ntnu.no/ept/fag/tep4215/innhold/LNG％20Conferences/2007/fscommand/PO_11_Y_Lee_s.pdf

所用隔绝材料的类型可能因块体而异。例如，作为罐支撑系统的集成部分的块体可以被选择为比仅经受大气压力的块体具有更高的刚度和强度。

隔绝材料主要用作保持外壳体和低温罐之间距离的支撑。理想的真空不通过传导和对流传递热量，因此，主要是隔绝材料导致传导热侵入。隔绝体也大大减少了通过辐射的热传递。因此，较厚的隔绝层减少了总的热传递(热进入)。热应力也将根据厚度在隔绝层中发展；隔绝材料本身内的热应力很小，因为这种材料的刚度低。考虑隔绝性能和成本，应根据具体的应用来确定最佳的隔绝体厚度。

本发明提供了一种具有隔绝系统的罐，该隔绝系统利用施加到封闭的热冷藏容纳罐的真空。特别令人感兴趣的特征是：一种由优选预制的模块化隔绝块体元件构造的隔绝层，该预制的模块化隔绝块体元件附接到罐，其中块体元件和块体之间的连接优选具有以下特性：

-块体的尺寸和形状根据罐的整体几何形状和块体的安装位置处的表面形状来确定，例如平的、单弯曲的或双弯曲的；

-每个块体都有外部的气密皮层，该皮层形成针对该层下面的支撑隔绝材料的气密屏障；

-外表面皮层的尺寸小于突起到容器上的块体的覆盖区，以在相邻块体之间提供开放间隙，相邻块体在内罐的热收缩期间保持分离；

-在间隙的表面开口上附接气密且可收缩的密封件；

-外密封皮层通过粘合和/或机械装置附接到支撑隔绝材料；

-位于外皮层下面并与外皮层相连的多孔隔绝材料，对于多孔隔绝材料的间隔材料，所有空气都可以被抽孔，并且在空气抽空(抽真空)后，在强度上完全可以维持和支撑外皮层上的外部压力；

-用于将隔绝块体定位和固定到容器的表面上的装置，该装置可以包含引导导轨、胶和机械固定装置；

-连续的膜密封系统，其在相邻块体之间并与之附接，由气密连接器薄板条带构成，气密连接器薄板条带附接到块体的外皮层，其中该连接密封件具有的材料和波纹形状允许相邻块体的顶层皮层之间的由内罐的热收缩引起的相对距离的变化，同时密封系统还承载由外侧空气和接近真空之间的压力差提供的负载，使得附接的隔绝块体和块体之间的密封的完整系统提供了围绕隔绝罐的整个外表面的完整的气密密封和隔绝系统，从而实现气密、真空般的隔绝体，允许容器和周围环境之间的非常大的温差(例如高达300℃或更高的温差)；

-本发明的一个重要部分是跨越块体之间的开放空间的波纹皮层的几何形状的特定限定，由此形状及其可变形性基于最小势能原理，并且由此外皮层允许内罐收缩而不在波纹中产生高应力集中和“热点”，并且特别地，避免波纹在交叉接合部处相遇处的高应力。

作为上述预制块体构思的替代方案，块体可以通过将隔绝材料一层一层地喷涂到内罐上来形成，然后通过雕刻、研磨或锯切间隙开口来产生块体形状，以形成隔绝块体，该隔绝块体之间具有非闭合间隙。在喷涂之前，锚固装置可以被附接到罐表面，以确保隔绝体和罐之间始终保持良好的接触。当应用外皮层的平面和波纹部分时，外表面可以被平滑化以确保良好的接触。在其他方面，这种方法具有与上面列出的相同的性能。

在一些优选的实施例中，罐和制造罐的方法还包括真空罐的完全预制和在船或器皿中的快速和有效的安装。提升、运输、安装和支撑本文所述类型的罐的特殊方式也是可行的，并且这些特征在单独的发明中描述。值得注意的是，所描述的解决方案使得避免使用木块体支撑件和与罐的相关热桥是可行的，因为隔绝体被用于支撑，包括至少一个软支撑结构。可行的好处包括能够在运输和安装之前，在制造现场完成并完全测试罐的压力，并检查隔绝体的泄漏。提升、运输和安装可以在不干扰和损坏隔绝系统的情况下进行。进一步的细节可以在第20200965号专利申请和要求其优先权的国际专利申请中找到，这两者通过引用并入本文。

本发明的罐的一般实施例包括内罐和外部气密波纹状柔性壳体，在内罐和外壳体之间一起布置有隔绝体的块体元件，其中当罐运行时，在内罐和外壳体之间的容积中保持真空，隔绝元件包括气密外侧，并且间隔一定距离布置，以确保冷却后保持块体元件之间的开放间隙，并且包括波纹的外部膜型壳体中的应力保持在可接受的范围内。罐的一般实施例可以包括任何特征或步骤以及在任何有效组合中所描述或示出的。

Claims (11)

1.一种罐，所述罐适用于以低温温度储存和运输流体，所述罐包括：

内罐，

热隔绝体，和

外壳体，所述外壳体是气密的，

其中，所述热隔绝体布置在所述内罐的外侧，并且所述外壳体布置在所述热隔绝体的外侧，

还包括穿过所述外壳体的联接件，其中所述罐的外侧的真空泵能够被联接以从所述内压力罐和所述外壳体之间的容积抽吸空气和气体，并且

还包括从所述罐的外侧到所述内罐的内侧的开口，用于装载和卸载流体，

其中，运行中的所述内罐包含流体，并且所述内罐和所述外壳体之间的容积处于真空状态，

其特征在于，

所述热隔绝体包括并排布置在所述内罐上的多个块体元件，在所述块体元件之间具有间隙，

其中，所述外壳体包括已经接合在一起以覆盖所述隔绝体的整个外表面的多个部分，其中所述外壳体的覆盖隔绝块体元件的部分具有与所述隔绝块体元件的形状相匹配的形状，并且在沿着相应间隙的截面中观察的情况下，所述外壳体的覆盖所述块体元件之间的所述间隙的部分具有向内或向外定向的弯曲形状，并且由于所述弯曲形状的收缩或拉伸而是柔性的。

2.根据权利要求1所述的罐，其中，在沿着间隙的截面中观察的情况下，所述外壳体的弯曲部分具有余弦形状、类似余弦的形状、或另一种平滑波纹形状。

3.根据权利要求1或2所述的罐，其中，所述弯曲部分在两个弯曲部分交叉的位置处具有叠加的余弦形状或叠加的平滑波纹形状。

4.根据权利要求1或2所述的罐，其中，横跨所述间隙的初始弯曲形状是通过采用和缩放从对跨越块体之间的间隙的薄板的屈曲进行计算机模拟产生的形状而产生的，所述计算机模拟考虑了压缩并且优选地还考虑了法向压力。

5.根据权利要求1或3所述的罐，其中，在间隙之间的交叉处的初始弯曲形状是通过采用和缩放从对在所述交叉处跨越相邻块体之间的开放区域的薄板的屈曲进行计算机模拟所产生的形状而产生的，所述计算机模拟考虑了双边压缩并且优选地还考虑了法向压力。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的罐，其中，所述外壳体的覆盖所述间隙的所述弯曲部分不是形状稳定的，而是在所述内罐冷却和收缩时收缩，并且在所述内罐升温和膨胀时拉伸，而所述外壳体的在所述块体元件上的部分是形状稳定的，并且通过粘合和/或机械装置紧固到所述块体元件，并且相对于相应的块体元件不变形。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的罐，其中，所述罐包括具有叠加的弯曲形状的外壳体部分，其中两个弯曲部分在所述部分的区域中心处交叉，其中所述叠加的弯曲形状没有接合部，并且外壳体部分之间的接合部位于最小应力的位置处，由此所述弯曲形状沿着所述外壳体部分的中心线布置。

8.一种用于制造根据权利要求1-7中任一项所述的罐的方法，其特征在于以下步骤：

制造或提供所述内罐，

制造或提供隔绝块体元件，

制造或提供用于填充或排空流体的开口件，

制造或提供用于真空泵的联接件，

制造或提供外壳体部分，

将所述块体元件并排地布置并紧固在所述内罐的外表面上，

布置用于真空泵的所述开口件和所述联接件，

将所述外壳体部分布置并接合在一起。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述隔绝体通过喷涂步骤、随后通过雕刻出隔绝块体的步骤来形成。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述外壳体部分通过对奥氏体不锈钢或铝或其他适合于此目的的材料的板元件进行冲压和模拉、深拉或胀形来制造，所述弯曲部分位于中心线处，并且所述叠加部分位于所述板元件的中心处。

11.一种根据权利要求1-7中任一项所述的罐的用途，用于储存和运输低温流体或具有与环境温度相差超过30℃的温度的其他冷的或热的流体。

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