CN116428507A - 一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器 - Google Patents
一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116428507A CN116428507A CN202310687124.0A CN202310687124A CN116428507A CN 116428507 A CN116428507 A CN 116428507A CN 202310687124 A CN202310687124 A CN 202310687124A CN 116428507 A CN116428507 A CN 116428507A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- low
- fiber
- fiber composite
- composite material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 190
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 131
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 95
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 88
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 88
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 74
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 42
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 28
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 9
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 8
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 7
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 7
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 claims description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 3
- 229920002748 Basalt fiber Polymers 0.000 claims description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 238000005490 dry winding Methods 0.000 claims description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 238000004046 wet winding Methods 0.000 claims description 2
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 claims 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 abstract description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 16
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 6
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004831 Hot glue Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 2
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 238000009958 sewing Methods 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 239000010964 304L stainless steel Substances 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000008642 heat stress Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C3/00—Vessels not under pressure
- F17C3/02—Vessels not under pressure with provision for thermal insulation
- F17C3/08—Vessels not under pressure with provision for thermal insulation by vacuum spaces, e.g. Dewar flask
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C13/00—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C3/00—Vessels not under pressure
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C3/00—Vessels not under pressure
- F17C3/02—Vessels not under pressure with provision for thermal insulation
- F17C3/04—Vessels not under pressure with provision for thermal insulation by insulating layers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
- F17C2203/03—Thermal insulations
- F17C2203/0304—Thermal insulations by solid means
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
- F17C2203/03—Thermal insulations
- F17C2203/0391—Thermal insulations by vacuum
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
- F17C2223/01—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
- F17C2223/0107—Single phase
- F17C2223/013—Single phase liquid
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/32—Hydrogen storage
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
本发明公开了一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器，包括金属外壳、真空绝热层与复合内胆，复合内胆位于金属外壳形成的空腔内，真空绝热层位于金属外壳与复合内胆之间，复合内胆由内至外依次包括金属内衬层、绝热缓冲层和纤维复合材料层；金属内衬层阻隔其内部空腔的低温液态介质；绝热缓冲层为经过预压缩的绝热被，其包覆于金属内衬层的外表面，通过释放压缩形变以补偿金属内衬层与纤维复合材料层之间由于温度变化引起的变形差异而形成的层间间隙；纤维复合材料层缠绕于绝热缓冲层外表面以提升复合内胆的承压能力。本发明解决了纤维复合材料层与金属内衬层的层间间隙的结构缺陷，降低内部热应力水平，保障低温绝热容器的服役安全性。
Description
技术领域
本发明涉及低温绝热容器技术领域，具体涉及具有层间间隙补偿的低温绝热容器。
背景技术
目前甲烷、氢等典型能源因碳排放量少而成为能源的重要发展方向，低温液态的能源介质相比气态或压缩气态的能源介质具有更高的质量储能密度与体积储能密度，是能源高效储运和使用的有效途径，但是其沸点通常处于低温与极低温的温区范围，对移动式储运设备具有特殊的要求。
现阶段，具有双层真空结构的低温绝热容器是实现低温液态介质储存的典型装备，其主体结构包括了内胆、绝热层与外壳三部分。传统低温绝热容器中的内胆与外壳均采用金属材料，低温液态介质储存于内胆中，通过对内胆与外壳间的绝热层进行抽真空处理，利用真空环境的高绝热效应，实现低温液态介质的绝热储存以优异的绝热效果将低温液态介质储存于内胆中。然而，低温液态介质与环境间存在极大温差，不可避免会引起热量进入内胆，造成低温液态介质吸热蒸发从而内部压力提升，并伴随着从而引发的超压泄放等行为。目前提升低温绝热容器内胆的承压能力是提升低温液态介质无损储存时间的有效技术途径。
在移动式低温绝热容器中，美国罗伦斯-利弗莫尔国家实验室提出了复合材料低温绝热容器的技术构思，通过将传统低温绝热容器中工作压力承压能力较低的金属内胆替换为具有较高耐压能力的纤维复合材料全缠绕金属内衬的内胆结构，用于储存低温液态介质，而金属外壳与绝热层的结构均未调整。然而，当纤维复合材料全缠绕金属内衬的结构应用在低温液态介质储存领域时，复合材料低温绝热容器充装低温液态介质，会在金属内衬层与纤维复合材料缠绕层间产生间隙。当复合材料低温绝热容器在服役过程中经历冲击、震动或高加速等严峻工况时，纤维复合材料层与金属内衬层会因存在间隙导致两者的频繁挤压、碰撞或摩擦，造成纤维复合材料内部损伤并降低其剩余强度，进而引发复合材料低温绝热容器压力等级降低、使用寿命减少以及低温液态介质无损储存时间减小的后果。
而目前的现有技术中鲜少有对于移动式低温绝热容器中的层间间隙的内在机制和消除或者补偿方法的研究，仅仅存在针对高压储存需求中纤维复合材料全缠绕内衬结构中抑制或补偿层间分层的方案，例如CN105371100B中提出在纤维复合材料层层间或内表面加入添加物的方法，调节纤维复合材料层的应力水平，并提升纤维复合材料层的抗开裂性能；然而该技术的前提是内部处于高压条件，纤维复合材料层与金属内衬层贴合紧密且变形协调，无法解决低温液态介质储存要求下纤维复合材料层与金属内衬层层间的间隙问题，同时也容易在纤维复合材料层层间引入新的分层缺陷；CN213420627U中通过设置磁性内胆与高导电纤维复合材料层，通过施加外部电流的方法使内胆与纤维复合材料层通过电磁场吸附，促进层与层间贴合；然而该技术需要配套外部供电装置，难以在移动式容器中应用，且当储存低温液态介质时，处于极低温服役条件下的结构安全性与电磁场效果均难以得到保障。
此外，根据中国标准GB/T 35544中规定，高压储存需求的纤维复合材料全缠绕内衬结构的最低使用温度不低于-40℃，而在移动式低温绝热容器的使用场景中，例如液氢温度-253℃、液化天然气温度-162℃等低温液态介质的储存温度均已达到极低温温区。因此，纤维复合材料全缠绕内衬结构在储存高压气体时，在内部高压作用下，纤维复合材料层与金属内衬层贴合紧密，充分发挥了纤维复合材料层高强度的特点，并不会遇到储存低温液态介质时显著的层间热分层现象，其层间热分层现象也随温度、材料与结构呈强相关，使得现有针对高压气体储存的抑制或补偿层间分层的技术构思均无法对移动式低温绝热容器提供直接指示或参考。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器，以解决纤维复合材料层与金属内衬层的层间间隙的结构缺陷，降低内部热应力水平，从而保障低温绝热容器的服役安全性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器，包括金属外壳、真空绝热层与复合内胆，所述复合内胆位于所述金属外壳形成的空腔内，所述真空绝热层位于所述金属外壳与所述复合内胆之间，所述复合内胆由内至外依次包括金属内衬层、绝热缓冲层和纤维复合材料层；所述金属内衬层阻隔其内部空腔的低温液态介质；所述绝热缓冲层为经过预压缩的绝热被，其包覆于金属内衬层的外表面，通过释放压缩形变以补偿金属内衬层与纤维复合材料层之间由于温度变化引起的变形差异而形成的层间间隙；所述纤维复合材料层缠绕于绝热缓冲层外表面以提升复合内胆的承压能力。
当纤维复合材料全缠绕金属内衬的结构应用在低温液态介质储存领域，考虑到准各向同性纤维复合材料的热膨胀系数约1.5×10-6/K，典型的金属内衬层材料如铝合金的热膨胀系数约23.5×10-6/K，316L不锈钢的热膨胀系数约17.2×10-6/K，该结果表明金属内衬层的热膨胀系数比纤维复合材料层至少高出1个数量级。因此，当低温绝热容器充装低温液态介质时，从室温降至低温液态介质的沸点温度会存在超过200℃的温差，容易造成金属内衬层收缩相比纤维复合材料层更加显著，且常规的工况下低温液态介质饱和压力不足以将纤维复合材料层和金属内衬层紧密贴合，造成宏观结构上纤维复合材料层与金属内衬层沿径向和轴向脱粘，并在两者层间会产生间隙。
通过在纤维复合材料层与金属内衬层二者层间布置绝热缓冲层，绝热缓冲层具体为经过预压缩的绝热被，将纤维复合材料缠绕于绝热缓冲层上，使绝热缓冲层呈初始压缩状态，当复合内胆处形成层间间隙时，绝热缓冲层及时释放部分压缩形变以填充层间间隙，以保障低温绝热容器中复合内胆结构的完整性，绝热缓冲层可有效避免纤维复合材料层与金属内衬层层间的碰撞与摩擦行为；同时绝热缓冲层具备低热传导系数，从而增加了低温绝热容器内部的传热热阻，减小纤维复合材料层受到金属内胆内部低温液态介质传导作用而引起的温降变化，降低并缓解了纤维复合材料层在低温下的热应力水平。
可选的，所述绝热被为多层结构，且为纤维棉、 纤维布或纤维纸中一种或多种的组合，其材料为玻璃纤维、植物纤维与化学纤维中的若干组合，以保证其能够提升复合内胆的承压能力，同时具备可压缩性能，在产生间隙时能够及时释放压缩形变以补偿间隙。
可选的，所述绝热缓冲层的初始厚度不小于所述金属内衬层的厚度，保证其厚度能够满足补偿层间间隙的需求。
可选的，所述绝热缓冲层预压缩变形量不低于20%压缩形变，即压缩形变量占初始尺寸的20%，且压缩释放后变形恢复效果不高于5%残余压缩形变，以充分保证补偿效果。
可选的，所述绝热被的热膨胀系数不超过金属内衬层材料的热膨胀系数的30%，以防止绝热被与金属内衬层之间带来新的层间间隙。
可选的，所述绝热被通过直接包覆或者纤维复合材料缠绕预紧力实现预压缩。
可选的，所述金属内衬层包括筒体段和封头段，所述绝热被覆盖所述金属内衬层筒体段和封头段，以保证绝热被能够全面补偿金属内衬层与纤维复合材料层之间的轴向和径向的层间间隙，保证复合内胆结构的完整性。
可选的，所述绝热被通过粘结、包扎或环向缠绕的方式固定于金属内衬层的外表面。
可选的，所述纤维复合材料层通过纤维复合材料通过干法缠绕或湿法缠绕的方式缠绕并固化成型在绝热缓冲层外表面而形成，以使其充分发挥增强内胆结构承压能力的作用。
可选的，所述纤维复合材料包含碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，纤维复合材料的基体材料为热固性塑料或热塑性塑料，使复合内胆结构的承压强度显著增强。
可选的，所述低温液态介质是液氢、液氧、液氮或液化天然气。
可选的，金属内衬层的材料可以是316L不锈钢与304L不锈钢等耐低温不锈钢材料，也可以是铝合金与钛合金等金属合金材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)解决了纤维复合材料层与金属内衬层因收缩量不同产生的层间间隙问题，通过释放绝热缓冲层初始压缩形变，填充层间间隙，保障纤维复合材料全缠绕金属内衬层的结构完整性，且不影响金属内衬层与纤维复合材料层的力学性能；
(2) 金属内衬层与纤维复合材料层的刚度与固有频率具有数量级差异，本发明提出使用绝热缓冲层的方法，可避免金属内衬层与纤维复合材料层在冲击、震动或高加速度等严峻工况下结构间的挤压、碰撞或摩擦等损伤现象；
(3)绝热缓冲层使用低热传导系数的多层绝热被结构，增加了环境向低温液态介质的漏热热阻，一方面降低了低温液态介质热流密度，保障了低温液态介质的储存性能，另一方面可提升纤维复合材料层温度，有效降低纤维复合材料层层内与层间的热应力水平，保障了其结构的服役安全。
本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明低温绝热容器的结构示意图；
图2为低温绝热容器中纤维复合材料层与金属内衬层因收缩量不同引起层间间隙的结构缺陷机制示意图；
图3为本发明具有层间间隙补偿的低温绝热容器补偿机制示意图；
图4为本发明实施例中绝热被结构示意图；
图5为本发明实施例中不具有层间间隙补偿的复合内胆结构的低温收缩变形示意图；
图6为本发明实施例中具有层间间隙补偿的复合内胆结构的低温收缩变形示意图。
其中，101金属内衬层， 102绝热缓冲层，103绝热容器支座，104纤维复合材料层，106真空绝热层，107金属外壳，108前端支撑，109内部接管，110后端支撑；
201纤维复合材料层收缩变形，202层间间隙，203金属内衬层收缩变形；
301纤维复合材料层收缩变形，303金属内衬层收缩变形，302绝热缓冲层变形；
401玻璃纤维布，402玻璃纤维棉。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。基于实施方式中的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。
具有层间间隙补偿的低温绝热容器如图1所示，包括金属外壳107、真空绝热层106与复合内胆，复合内胆位于金属外壳107形成的空腔内，真空绝热层106位于金属外壳107与复合内胆之间，复合内胆由内至外依次包括金属内衬层101、绝热缓冲层102和纤维复合材料层104；金属内衬层101阻隔其内部空腔的低温液态介质；绝热缓冲层102为经过预压缩的绝热被，其包覆于金属内衬层101的外表面，通过释放压缩形变以补偿金属内衬层101与纤维复合材料层104之间由于温度变化引起的变形差异而形成的层间间隙；纤维复合材料层104缠绕于绝热缓冲层102外表面以提升复合内胆的承压能力。金属内衬层101包括筒体段和两侧的封头段，复合内胆与金属外壳107通过前端支撑108和后端支撑110连接固定，内部接管109安装于前端支撑108内部实现低温液态介质加注和使用，绝热容器整体通过绝热容器支座103安装固定于移动式或固定式场景内。
图2展示了复合内胆中纤维复合材料层104与金属内衬层101因收缩量不同引起层间间隙的结构缺陷机制。金属内衬材料的热膨胀系数通常为(15～25)×10-6/K，相比纤维复合材料热膨胀系数1.5×10-6/K高出约1个数量级，使得复合内胆温度由室温降低至低温液态介质温区时，金属内衬层101相比纤维复合材料层104具有更高的冷却收缩量，该收缩量同时表现在容器径向方向壁厚降低，轴向方向层间摩擦以及环向方向内径减小，其中径向与环向方向的冷却收缩是引起层间间隙的关键原因。在没有任何补偿措施的情况下，在冷却降温时，复合内胆结构产生收缩变形，其中201为纤维复合材料层收缩变形，203为金属内衬层收缩变形，导致了层间间隙202的产生，该层间间隙202对复合内胆结构特别是纤维复合材料层104的损伤，将在低温绝热容器处于冲击、震动或高加速度等严峻工况下被显著放大，影响内胆结构服役安全性。
图3为绝热缓冲层变形与层间间隙补偿机制示意图。图3的（a）显示设有绝热缓冲层的复合内胆初始状态图，（b）显示冷却降温后复合内胆结构的结构变形情况，其中301为纤维复合材料层收缩变形，303为金属内衬层收缩变形，302为绝热缓冲层变形，通过释放绝热缓冲层初始压缩形变使其沿厚度方向迅速膨胀，及时填充纤维复合材料层与金属内衬层两者的层间间隙，保障纤维复合材料全缠绕金属内衬复合内胆的结构完整性。同时绝热缓冲层102中的主体材料纤维具有较多的封闭空隙，对外界载荷与冲击能量具有较好的吸收减释效果，保障低温绝热容器即使处于冲击、震动或高加速度等严峻工况，仍能有效保障纤维复合材料层与金属内衬层无挤压、无碰撞与无摩擦，进一步保障了结构的服役安全性。
下面为一个实施例的低温绝热容器用于车载氢燃料电池系统中的储氢装备环节的具体应用，液氢具有低于-253℃的极低温储存条件，金属内衬层选用316L不锈钢材料，纤维复合材料层选用T700碳纤维复合材料，绝热缓冲层选用玻璃纤维棉与玻璃纤维布组合的多层绝热被包覆结构。内胆容积为140 L， 金属内衬层的内径为170 mm，壁厚为5.5 mm；绝热缓冲层初始厚度为10.0 mm，预压缩变形量为20%压缩形变，压缩释放后变形恢复效果为5%残余压缩形变；T700碳纤维复合材料层全缠绕厚度为15.4 mm。
在一个实施例中，绝热被的组合、包覆与预压缩方法如下：
(1) 裁取厚度为3.0 mm的玻璃纤维棉402与厚度为0.25 mm的玻璃纤维布401，将两者以交替的形式组合并使用热熔胶膜粘结成型，形成具有7层组织的绝热被，总厚度为10.0 mm，如图4所示；
(2) 将单块的绝热被通过缝合的方式组成大片面积的绝热被，裁剪绝热被用以匹配内衬筒体与封头的包覆尺寸，并通过热熔胶膜粘性成型的方法，完全包裹于金属内衬层外壁面，缝合筒体与封头处的绝热被，确保绝热被无间隙且各处绝热被厚度均匀；
(3) 所用绝热被在0～40%压缩形变范围内的压缩模量约80 MPa，在T700碳纤维复合材料全缠绕过程中选用预紧力缠绕技术，调控施加预紧力为16 MPa，实现绝热被20%的预压缩形变状态，使其发挥层间间隙补偿与结构缓冲效果，同时提升纤维复合材料层应力水平，提高材料强度利用率。
复合内胆中各结构材料的力学性能参数见下表所示：
| 性能参数 | 弹性模量 | 泊松比 | 热膨胀系数 |
| 316L不锈钢内衬层 | 200.0 GPa | 0.32 | 17.2×10-6/K |
| 绝热缓冲层 | 80.0 MPa | 0.28 | 3.7×10-6/K |
| 碳纤维复合材料层 | 234.5 GPa | 0.28 | 1.5×10-6/K |
不具有层间间隙补偿的低温绝热容器充装液氢后，容器内温度从初始室温23℃降低至液氢温度-253℃，金属内衬层与纤维复合材料层均会产生不同数量的径向收缩和环向收缩，如图5所示。金属内衬层收缩后内径由170.0 mm收缩至169.2 mm，外径由175.5 mm收缩至174.7 mm；纤维复合材料层内径由175.5 mm收缩至175.4 mm，外径由190.9收缩至190.8，此时，纤维复合材料层与金属内衬层因收缩量不同将产生0.76 mm的层间间隙，该层间间隙尺寸占金属内衬层总厚度的约13.8%，不可忽略层间间隙存在及其对结构完整性与安全性的影响。
具有层间间隙补偿的低温绝热容器充装液氢后，复合内胆内温度从初始室温23℃降低至液氢温度-253℃，金属内衬层与纤维复合材料层均会产生不同数量的径向收缩和环向收缩，而绝热缓冲层将会释放部分压缩形变，如图6所示。金属内衬收缩后内径由170.0mm收缩至169.2 mm，外径由175.5 mm收缩至174.7 mm；绝热缓冲层内径由175.5 mm变形至174.7 mm，外径由183.5 mm变形至183.4 mm；纤维复合材料层内径由183.5 mm收缩至183.4mm，外径由198.9 mm收缩至198.8 mm；其中，绝热缓冲层初始处于20%（初始厚度10.0mm）预压缩形变状态，随着碳纤维复合材料层与不锈钢内衬两者层间间隙形成，绝热缓冲层将会释放约8%压缩形变以填充层间间隙，此时考虑5%的残余压缩形变，绝热缓冲层仍有约7%的压缩形变释放能力用于保障结构完整性，并且可有效应对冲击、震动或高加速度等严峻工况。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (10)
1.一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器，包括金属外壳（107）、真空绝热层（106）与复合内胆，所述复合内胆位于所述金属外壳（107）形成的空腔内，所述真空绝热层（106）位于所述金属外壳（107）与所述复合内胆之间，其特征在于，
所述复合内胆由内至外依次包括金属内衬层（101）、绝热缓冲层（102）和纤维复合材料层（104）；
所述金属内衬层（101）阻隔其内部空腔的低温液态介质；
所述绝热缓冲层（102）为经过预压缩的绝热被，其包覆于金属内衬层（101）的外表面，通过释放压缩形变以补偿金属内衬层（101）与纤维复合材料层（104）之间由于温度变化引起的变形差异而形成的层间间隙；
所述纤维复合材料层（104）缠绕于绝热缓冲层（102）外表面以提升复合内胆的承压能力。
2.根据权利要求1所述的具有层间间隙补偿的低温绝热容器，其特征在于，所述绝热被为多层结构，且为纤维棉、 纤维布或纤维纸中一种或多种的组合，其材料为玻璃纤维、植物纤维与化学纤维中的若干组合。
3.根据权利要求1所述的具有层间间隙补偿的低温绝热容器，其特征在于，所述绝热缓冲层（102）的初始厚度不小于所述金属内衬层（101）的厚度。
4.根据权利要求1所述的具有层间间隙补偿的低温绝热容器，其特征在于，所述绝热缓冲层（102）预压缩变形量不低于20%压缩形变，且压缩释放后变形恢复效果不高于5%残余压缩形变。
5.根据权利要求1所述的具有层间间隙补偿的低温绝热容器，其特征在于，所述绝热被的热膨胀系数不超过金属内衬层（101）材料的热膨胀系数的30%。
6.根据权利要求1所述的具有层间间隙补偿的低温绝热容器，其特征在于，所述绝热被的预压缩方式为直接包覆预压缩多层绝热被和/或通过纤维复合材料缠绕预紧力实现预压缩。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的具有层间间隙补偿的低温绝热容器，其特征在于，所述绝热被通过粘结、包扎或环向缠绕的方式固定于金属内衬层（101）的外表面。
8.根据权利要求3-6中任一项所述的具有层间间隙补偿的低温绝热容器，其特征在于，所述纤维复合材料层（104）通过纤维复合材料通过干法缠绕或湿法缠绕的方式缠绕并固化成型在绝热缓冲层（102）外表面而形成。
9.根据权利要求8所述的具有层间间隙补偿的低温绝热容器，其特征在于，所述纤维复合材料包含碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，纤维复合材料的基体材料为热固性塑料或热塑性塑料。
10.根据权利要求9所述的具有层间间隙补偿的低温绝热容器，其特征在于，所述低温液态介质是液氢、液氧、液氮或液化天然气。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310687124.0A CN116428507A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310687124.0A CN116428507A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116428507A true CN116428507A (zh) | 2023-07-14 |
Family
ID=87094706
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310687124.0A Pending CN116428507A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116428507A (zh) |
Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10231998A (ja) * | 1997-02-24 | 1998-09-02 | Toyoda Gosei Co Ltd | 圧力容器及びその製造方法 |
| US6145692A (en) * | 1997-12-30 | 2000-11-14 | Cherevatsky; Solomon | Pressure vessel with thin unstressed metallic liner |
| CN201268204Y (zh) * | 2008-08-19 | 2009-07-08 | 浙江吉利汽车有限公司 | 一种汽车后支柱总成 |
| CN102606874A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 哈尔滨工业大学 | 带有多层真空绝热层和纤维增强复合材料层的液氧容器 |
| CN102713403A (zh) * | 2010-05-12 | 2012-10-03 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池系统及其燃料气体供给方法以及移动体 |
| CN102741147A (zh) * | 2009-12-07 | 2012-10-17 | 通力股份公司 | 电梯的导靴装置 |
| CN103527920A (zh) * | 2013-07-05 | 2014-01-22 | 江苏久维压力容器制造有限公司 | 一种工业级大丝束碳纤维复合高压气瓶的生产方法 |
| JP2016080058A (ja) * | 2014-10-16 | 2016-05-16 | トヨタ自動車株式会社 | 圧力容器 |
| CN107228274A (zh) * | 2017-06-02 | 2017-10-03 | 浙江大学 | 固定式多层真空绝热高压液氢储罐 |
| WO2018173348A1 (ja) * | 2017-03-22 | 2018-09-27 | 株式会社Ihi | 低温タンク及びその製造方法 |
| CN110173619A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-08-27 | 杨清萍 | 一种铝、钢复合层储氢罐及其为芯的纤维缠绕增强储氢瓶 |
| KR20200052000A (ko) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | 손승희 | 고압 용기 |
| CN111411955A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-07-14 | 天地科技股份有限公司上海分公司 | 短跨距薄煤层采煤机的导向牵引系统 |
| CN111720723A (zh) * | 2017-01-18 | 2020-09-29 | 丰田自动车株式会社 | 气罐 |
| CN112361205A (zh) * | 2020-12-03 | 2021-02-12 | 江苏国富氢能技术装备股份有限公司 | 一种低温车载液氢瓶 |
| CN114962982A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-08-30 | 中太海事技术(上海)有限公司 | 一种用于船舶等运输设备的液化气体储存舱 |
| CN115789500A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-03-14 | 亚普汽车部件股份有限公司 | 一种双道径向密封的高压复合容器 |
-
2023
- 2023-06-12 CN CN202310687124.0A patent/CN116428507A/zh active Pending
Patent Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10231998A (ja) * | 1997-02-24 | 1998-09-02 | Toyoda Gosei Co Ltd | 圧力容器及びその製造方法 |
| US6145692A (en) * | 1997-12-30 | 2000-11-14 | Cherevatsky; Solomon | Pressure vessel with thin unstressed metallic liner |
| CN201268204Y (zh) * | 2008-08-19 | 2009-07-08 | 浙江吉利汽车有限公司 | 一种汽车后支柱总成 |
| CN102741147A (zh) * | 2009-12-07 | 2012-10-17 | 通力股份公司 | 电梯的导靴装置 |
| CN102713403A (zh) * | 2010-05-12 | 2012-10-03 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池系统及其燃料气体供给方法以及移动体 |
| CN102606874A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 哈尔滨工业大学 | 带有多层真空绝热层和纤维增强复合材料层的液氧容器 |
| CN103527920A (zh) * | 2013-07-05 | 2014-01-22 | 江苏久维压力容器制造有限公司 | 一种工业级大丝束碳纤维复合高压气瓶的生产方法 |
| JP2016080058A (ja) * | 2014-10-16 | 2016-05-16 | トヨタ自動車株式会社 | 圧力容器 |
| CN111720723A (zh) * | 2017-01-18 | 2020-09-29 | 丰田自动车株式会社 | 气罐 |
| WO2018173348A1 (ja) * | 2017-03-22 | 2018-09-27 | 株式会社Ihi | 低温タンク及びその製造方法 |
| CN107228274A (zh) * | 2017-06-02 | 2017-10-03 | 浙江大学 | 固定式多层真空绝热高压液氢储罐 |
| KR20200052000A (ko) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | 손승희 | 고압 용기 |
| CN110173619A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-08-27 | 杨清萍 | 一种铝、钢复合层储氢罐及其为芯的纤维缠绕增强储氢瓶 |
| CN111411955A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-07-14 | 天地科技股份有限公司上海分公司 | 短跨距薄煤层采煤机的导向牵引系统 |
| CN112361205A (zh) * | 2020-12-03 | 2021-02-12 | 江苏国富氢能技术装备股份有限公司 | 一种低温车载液氢瓶 |
| CN114962982A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-08-30 | 中太海事技术(上海)有限公司 | 一种用于船舶等运输设备的液化气体储存舱 |
| CN115789500A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-03-14 | 亚普汽车部件股份有限公司 | 一种双道径向密封的高压复合容器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102606874B (zh) | 带有多层真空绝热层和纤维增强复合材料层的液氧容器 | |
| KR101415899B1 (ko) | 초저온 액체 저장 시스템 및 이것을 이용한 액화천연가스 운반선의 화물창 | |
| CN109931495B (zh) | 车用液态储氢绝热气瓶 | |
| CN208901068U (zh) | 一种超临界氢储罐 | |
| WO2004029503A3 (en) | Lightweight cryogenic-compatible pressure vessels for vehicular fuel storage | |
| KR102473949B1 (ko) | 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템 | |
| CN105443974A (zh) | 气体存储罐 | |
| WO2022117013A1 (zh) | 一种低温车载液氢瓶 | |
| CN112361204B (zh) | 一种低温车载液氢瓶的绝热保冷结构 | |
| CN210687756U (zh) | 小微轻型深冷高压储氢装置 | |
| CN108626564A (zh) | 具有热辐射和剩余气体排放结构的高压罐及其制造方法 | |
| CN100430641C (zh) | Pbo纤维与碳纤维混杂复合材料高压储氢气瓶的制备方法 | |
| KR102473948B1 (ko) | 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템 | |
| CN207621668U (zh) | 纤维缠绕塑料内胆的储运气瓶 | |
| CN109630864A (zh) | 一种具备轴向承重及限位功能的低温储罐 | |
| CN116428507A (zh) | 一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器 | |
| CN201561265U (zh) | 一种铝内胆纤维全缠绕储氢瓶 | |
| CN106151869A (zh) | 固态高压混合储氢装置 | |
| CN117948532A (zh) | 一种复合材料气瓶 | |
| CN109140223A (zh) | 高压复合容器 | |
| CN114104539A (zh) | 一种三壳体金属真空低温液体储存罐 | |
| CN110220104A (zh) | 高压复合容器及其制造工艺 | |
| KR101422594B1 (ko) | 액화가스의 저장 용기 | |
| CN113217804B (zh) | 一种复合材料气瓶液氧隔绝保护层及安装方法 | |
| CN209386008U (zh) | 气室连接结构及船用c型储罐 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |