一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。服役安全性。服役安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有层间间隙补偿的低温绝热容器


[0001]本专利技术涉及低温绝热容器
，具体涉及具有层间间隙补偿的低温绝热容器。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术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。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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%，以防本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛周天，曹壮壮，苑宇童，姚日雾，施建峰，郑津洋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：