TWI401384B - 低溫氣凝膠隔熱系統 - Google Patents

Description

低溫氣凝膠隔熱系統

本發明大體關於隔熱系統且尤其是關於在極低溫度下使用的隔熱系統。

習用的用於雙壁容器的低溫真空隔熱系統需要嚴格的真空，典型地在0℃下低於1微米Hg。真空之目的係降低氣體傳導/對流。產生所需嚴格真空係昂貴的，需要在高溫下的長久泵出時間。此點導致對真空隔熱設備之高製造成本，且在獲得後，在該設備的使用壽命中該嚴格真空非常難以維持，設備使用壽命通常為15至20年，而且在實作上發現，儘管有所有預防措施，真空空間內的壓力無可避免地會升高而引起巨大的性能損失。一種替代作法為使用泡沫隔熱。不過，此種隔熱具有比真空隔熱遠較為高之熱滲漏。除非對氣候性密封(weatherseal)泡沫隔熱有採取複雜的措施，否則水滲入會使其快速降解。因此，有需要一種低溫隔熱系統，其在使用壽命期間都是可靠的，製作起來不貴，具有高性能，和即使真空隨時間有些惡化的情況下也保持有效的能力。

一種建立低溫隔熱系統之方法，其包括：(A)提供一隔熱空間，其內裝有氣凝膠且係由一內壁及一外壁所界定； (B)對該裝有氣凝膠之隔熱空間進行至少一次加壓及至少一次洩壓，其中該加壓包括提供可冷凝氣體到該裝有氣凝膠之隔熱空間中；及(C)將該裝有氣凝膠之隔熱空間的至少一壁冷卻到低於190 K之溫度。

如本文中所用者，術語”可冷凝氣體“意指一種氣體，其在冷狀況下所具蒸氣壓顯著地低於在該隔熱空間之平均溫度下應用理想氣體定律所預期的壓力。典型地，此係得自該可冷凝氣體所進行之從氣體至固體之相變化。不過，該氣凝膠絕熱體具有極高的比面積，且在冷卻至極低溫度時，能夠吸附某些量的氣體。

本發明可應用於任何雙壁構造或容器諸如雙壁管或雙壁槽。本發明圖1例示雙壁管或導管之截面且本發明將參照該圖式予以更詳細地說明。

參照圖1，隔熱空間1係由雙壁導管4之內壁2和外壁3所界定的容積。隔熱空間1裝有氣凝膠5，其可為氣凝膠複合物的形式諸如毯(blanket)，即包括氣凝膠與纖維狀棉絮(batting)諸如聚酯、玻璃纖維、碳纖維、二氧化矽纖維及其混合物之組合。較佳者，該隔熱空間的容積中有至少75%係填充著氣凝膠或氣凝膠複合物。

任何適合的氣凝膠都可用於本發明之實作中。本發明實作中較佳的氣凝膠為二氧化矽氣凝膠。氣凝膠可製造成單塊，呈顆粒、珠粒或細粉的粒子形式，或為併有纖維狀棉絮的複合氣凝膠毯。凝膠或氣凝膠為一種膠體粒子之內聚性、剛性、連續三維網絡。凝膠係經由膠體粒子聚集而產生，典型地，當不含中和性鹽之時，係在酸性條件下聚集，以形成三維凝膠微結構。當以可保持內聚性凝膠微結構的手段，諸如超臨界乾燥，將凝膠乾燥時，即自孔隙移除液體時，可形成低密度凝膠或氣凝膠。一種適合用於製造氣凝膠之方法述於美國專利第3,122,520號中。一種適合用於製造氣凝膠複合物之方法述於美國專利第6,670,402號中。該氣凝膠較佳為金屬氧化物氣凝膠，尤其是二氧化矽氣凝膠。氣凝膠粒子可具有任何適合的密度，較佳為約0.05克/立方公分至約0.15克/立方公分。氣凝膠粒子亦可具有任何適合的表面積，特別者至少約200平方米/克。本文中所述表面積係根據Brunauer－Emmett－Teller(BET)模式於0.05至0.25大氣壓(atm)範圍內的五種不同相對壓力下所吸附的氮氣之量為基礎而計算者，可參考Gregg,S.J.,and Sing,K.S.W.,“Adsorption,Surface Area and Porosity“,p.285,Academic press,New York(1991)。

氣凝膠粒子具有極佳的性質諸如光學透明性、極低的密度、及非常低的熱傳導性。氣凝膠粒子可具有任何適合的直徑。較佳為，實質上所有氣凝膠粒子的直徑為約0.5毫米或更大者(例如，約1毫米或更大)。更佳為，實質上所有氣凝膠粒子的直徑為約5毫米或更小者(例如，約0.5或1毫米至約5毫米)。氣凝膠可以任何適合形式用於本發明實作中。例如，取決於應用所需，可將氣凝膠與纖維諸如聚酯、玻璃纖維、碳纖維、二氧化矽纖維或石英纖維混合在毯內。該複合氣凝膠/纖維毯隨即可用系列層方式緊緊的纏繞管子。在此組態中，可經由插入低發射率材料薄片，典型者，拋光金屬諸如銅或鋁，而提供輻射屏蔽。此作法的第二項優點在於該氣凝膠可使用現行的施用多層絕熱體的機器來纏繞。

第二種作法係用一種粒狀形式之氣凝膠來填充該雙壁空間。可使用尺寸範圍自0.5至5.0毫米之各種粉末、顆粒及珠粒。用粒子填充隔熱空間通常需要將管子垂直定向以從底部向上填充環狀空間。此可確保沒有會不利地影響效能之空隙空間。有許多方法可用來處理粉末。用於運送氣凝膠的適當方法為使用真空運送機。

也可以將氣凝膠包裝在預先形成的袋子內。每一個袋子用氣凝膠填充且用可冷凝氣體沖滌，較佳為用二氧化碳。然後將該袋子抽真空，理想者抽真空到介於1000至10,000微米之間的壓力，然後密封。在周圍壓力下，該袋子的體積會縮減，所以其可容易地配置在隔熱空間內。對於大的隔熱空間諸如槽、拖車等，可以使用多個袋子來填充該隔熱空間。對於較小的隔熱空間諸如導管，可將該袋子預先形成為符合該隔熱空間的輪廓之蛤殼形狀。若用此方式包裝氣凝膠，仍應用可冷凝氣體沖滌該隔熱空間，且抽真空到類似於每一袋子的內部壓力之壓力。適合的袋子材料為聚合物材料，其必須具有低到足以可在裝配程序期間維持真空之滲透性。用此系統時，需要確定有足夠的隔熱空間容積部份填充有裝有氣凝膠的袋子，以使得在該袋子膨脹時沒有空隙空間。

第三種作法係組合使用氣凝膠複合物毯與氣凝膠粒子。在所有情況中，都可使用親水性或疏水性形式之氣凝膠。該疏水性氣凝膠粒子可經壓縮而不損失其構造，且具有低水含量。親水性氣凝膠較不可壓縮且對水具有高親和性。再者，親水性氣凝膠在純氧中係不可燃者，因此更適合於此用途。

要密封該雙壁空間時，必須將末端焊接，使得該空間氣密地密封。在靠近焊接處必須使用不會被焊接程序的高溫所損壞的高溫氣凝膠毯或玻璃纖維材料。在製作雙壁導管時，必須提供可容忍內管相對於外管的差別膨脹之裝置。通常，此係經由供給膨脹風箱(bellows)而達成。該風箱常安置在套管中，因為在此情況中，該風箱系曝露於真空壓力而不是程序壓力。此配置的主要缺點在於在操作溫度下，套管的長度會縮短且管子支撐系統必須設計成可容納該項移動。雖然該風箱曝露於環境及機械損害下，不過於破損事件中，其後果僅限於真空的逸失。容許差別熱膨脹之第二種方法係在內管或外管任一者之中使用伸縮軟管段。

該裝有氣凝膠的隔熱空間需經氣滌。較佳為，先使用真空泵將隔熱空間抽真空到1000至10000微米Hg範圍內之壓力，以移除在製造後留在氣凝膠材料中的任何水分或重質烴類。然後對該裝有氣凝膠的隔熱空間施以至少一次加壓及至少一次洩壓，其中該加壓包括對該裝有氣凝膠的隔熱空間提供可冷凝氣體諸如二氧化碳氣體，即包含至少99.5莫耳百分比的二氧化碳之流體。可以使用的其他可冷凝氣體包括N₂ O、R－134a、氮氣、氧氣和氬氣。該加壓步驟可高到外壁之設計壓力。該洩壓步驟可高到一大氣壓或低到10微米，但典型者係在1000至10000微米之範圍內。較佳者，係對該裝有氣凝膠的隔熱空間施以至少兩次此等循環且可施以多至約10個此等循環。較佳為，該隔熱空間在最後洩壓後之最終壓力係在1000至10000微米之範圍內。

該裝有氣凝膠的隔熱空間的至少一壁(較佳為僅其內壁)係經冷卻到低於190 K之溫度。較佳者，此冷卻係經由對雙壁容器提供低溫液體而進行，諸如圖式中所示的液體6。適合的低溫液體包括液態氮、液態氧、液態氬、液化天然氣、液態氦及液態氫。隨著在該裝有氣凝膠的隔熱空間內的溫度下降，且當雙壁結構之至少一壁或內表面經冷卻至所需溫度時，會發生進一步的壓力降低。該裝有氣凝膠的隔熱空間係經冷卻，較佳者到低於該可冷凝氣體在所欲最後壓力(典型者1－5微米)下的凝固點之溫度。在冷卻期間，該裝有氣凝膠的隔熱空間內之溫度即降低。若該雙壁結構之壁或表面經冷卻至該可冷凝氣體在當時壓力下的凝固點或以下之溫度時，該可冷凝氣體(例如二氧化碳)會移動至內表面且凝固，而進一步降低在該隔熱空間內的壓力。該氣凝膠；毯，若存在時；及任何吸氣劑都會吸附可冷凝及不可冷凝的氣體，而增加隔熱空間之起始真空強度，而且會移除隨時間發生的任何滲漏氣體。

在操作期間，由於透過真空空間中的小毛細管或其他開孔之滲漏，來自曝露於真空空間的材料之排氣(outgassing)及/或穿過真空空間的壁之氣體滲透，都無可避免地會導致隔熱空間中的壓力之上升。傳統的真空隔熱都要求有效的自1至10微米範圍內的真空。本發明氣凝膠真空系統可在從10至10000微米範圍內保持有效，其中有效的定義為具有低於非真空泡沫型隔熱的熱滲漏。由於對氣凝膠真空系統可接受的操作壓力係遠高於傳統真空隔熱，因此在發生隔熱性能的極端損失之前，可以容忍明顯的滲漏。本發明一重要方面在於不需要採用複雜的措施來確保裝有氣凝膠的隔熱空間的壓力夠低。此可導致經濟效益，因為製造該設備之成本可以降低。

在低溫液體之貯存及傳送中所用的各種類型的絕熱體可方便地分成五類：(1)真空；(2)多層隔熱；(3)粉末及纖維隔熱；(4)泡沫隔熱；及(5)特用隔熱。此等種類之間的界限絕非特定者。例如，粉末隔熱可包含氣體或抽真空且在後者情況中可展現出非常類似真空隔熱的性質。然而，此種分類方案，確實提供一種架構，藉此可以討論廣泛不同類型之低溫隔熱。

透過此等不同隔熱的熱傳輸可由數種不同的機制發生，但通常涉及固體傳導、氣體傳導和對流、及輻射。任何隔熱之目的係將經由此等不同機制之總熱傳輸減至最少。絕熱體之視熱傳導係數(於結合所有此等熱傳模式而實驗測得者)可提供用來比較不同隔熱類型之最佳手段。本發明實施中的隔熱空間在大於10微米的壓力下具有低於3 mW/mK之視熱傳導係數。

有多種機械設計可用於導管，其包括在內管上之風箱、在外管上之風箱及每一段末端處之風箱。亦可使用伸縮導管。氣凝膠毯適用於併入後者中。在某些情況中，可能宜於摻加分子篩材料，較佳為儘可能接近內壁，以吸附可能來自大氣滲漏進來的不要的氧氣和氮氣，及/或可能滲漏到該隔熱空間內的低溫流體。該氣凝膠具有極高的比表面積且當冷卻至極低溫度時，能夠吸附某些量的不要的氣體諸如氮氣和氧氣。再者，本發明可包括習用於確定真空的任何措施諸如吸氣劑及分子篩且也可包括輻射屏蔽。

雖然本發明已經參照某些較佳具體實例予以詳細說明，不過諳於此技者都會瞭解另有本發明之其他具體實例落於申請專利範圍之精伸和範圍之內。

1．．．隔熱空間

2．．．內壁

3．．．外壁

4．．．雙壁導管

5．．．氣凝膠

6．．．液體

圖1係本發明一具體實例的簡化橫截面圖，其中隔熱空間係由雙壁導管的壁所界定。

1．．．隔熱空間

2．．．內壁

3．．．外壁

4．．．雙壁導管

5．．．氣凝膠

6．．．液體

Claims (14)

1. 一種建立低溫隔熱系統之方法，其包括：(A)提供一隔熱空間，其內裝有氣凝膠且其係由一內壁及一外壁所界定；(B)對該裝有氣凝膠之隔熱空間進行至少一次加壓及至少一次洩壓，其中該加壓包括提供可冷凝氣體到該裝有氣凝膠之隔熱空間中且該洩壓係進行至低於大氣壓力的程度；及(C)在該至少一次洩壓完成後，將該裝有氣凝膠之隔熱空間的至少一壁冷卻到低於190 K之溫度，使得該可冷凝氣體冷凝而使進一步的壓力降低發生，並使得該氣凝膠吸附某量的該可冷凝氣體以及存在於該隔熱空間內的任何非可冷凝氣體而使該隔熱空間內發生更進一步的壓力降低。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該隔熱空間係在一雙壁導管的內壁與外壁之間。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該隔熱空間係在一雙壁槽的內壁與外壁之間。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該氣凝膠係呈氣凝膠毯的形式。
5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該氣凝膠毯包含組合有纖維狀棉絮的氣凝膠。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該氣凝膠係呈粒狀形式。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該可冷凝氣體係二氧化碳。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中對該裝有氣凝膠的隔熱空間進行至少兩次加壓及洩壓循環。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該裝有氣凝膠的隔熱空間係經由來自低溫液體的冷凍作用予以冷卻。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該裝有氣凝膠的隔熱空間進一步包含輻射屏蔽。
11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該氣凝膠包含二氧化矽氣凝膠。
12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該隔熱空間在冷卻前具有在從1000至10000微米範圍內之壓力。
13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該隔熱空間在該加壓之前係經使用真空泵予以抽真空。
14. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該隔熱空間在大於10微米壓力下具有低於3mW/mK之視熱傳導係數。