一种超低温绝热容器及其控制方法

技术领域

本发明属于低温介质储存技术领域，具体地说，涉及一种超低温绝热容器及其控制方法。

背景技术

近年来，低温技术在能源交通、生物医疗、食品加工、深潜航天、高端制造等诸多领域广泛应用。低温储存压力容器是一种用于储存、运输低温液体的载体，其采用双层结构，包括内容器、外容器、支撑结构进出液管路系统等。内容器和外容器之间形成真空夹层空间以隔绝外界热量的传递，来保证内容器中低温液化气体的安全性。

低温液体最显著的特点是沸点小、易蒸发，如液氢标况下沸点为20K，液氮标况下沸点为77K，液氧标况下沸点为90K。由于储存的低温液体与容器所处的外部环境存在巨大温差，如何有效抑制传热并将漏热量控制为最小是主要研究内容。

为了提高绝热性能，通常还在内容器罐体上缠绕绝热材料来减少热量的传导、对流以及辐射，从而达到隔热保温、储存低温液体的目的。现有的超低温绝热结构，主体采用真空多层绝热、真空粉末绝热、堆积绝热等，从而减少主体结构因为直接接触的结构材料而产生的导热量，大大减少从高温侧向低温侧热量的传导。

低温绝热容器支撑结构和进出液管路系统是最主要的热传导结构。支撑结构是低温容器的重要组成部分，是连接低温容器内胆与外壳的重要结构，对低温容器内胆起到空间上全方位固定、支撑和保护作用。支撑结构常用到的材料是玻璃钢，其具有较高的强度和较好的绝热性能，但这种结构是固体直接导热，即使做了较大的努力，其漏热量较其他真空绝热部分的导热量依然要大很多，且在整个绝热设计上引入了很多结构上的薄弱点，降低了结构的可靠性，并牺牲整体设计的其他性能。容器一旦生产完成，就难以进行调整，在容器需要对外排除液体或内部液体需要升温时，需要额外设置加热装置或由外循环增压，设备复杂性增加。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于至少克服现有技术的部分不足，提供一种超低温绝热容器，通过将设置在内容器与外容器之间的永磁体组件和超导磁体组件配置为可伸缩的结构，使得当内容器中储存超低温介质时，利用永磁体组件与超导磁体组件之间的斥力使永磁体组件和/或超导磁体组件缩回，从而使内容器悬浮于外容器中；当需要为内容器中的超低温介质加热时，使永磁体组件和/或超导磁体组件伸出，从而使永磁体组件与超导磁体组件接触以增大内容器与外容器之间的漏热。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种超低温绝热容器，包括内容器和套设在所述内容器外侧的外容器，所述内容器和所述外容器之间在轴线方向的两侧各设置有磁悬浮支撑结构；和/或，所述内容器和所述外容器之间在周线方向上间隔设置至少两个磁悬浮支撑结构；

其中，每个所述磁悬浮支撑结构包括永磁体组件和超导磁体组件，所述永磁体组件配置为与所述外容器可伸缩连接，和/或，所述超导磁体组件配置为与所述内容器可伸缩连接；

当所述内容器中储存超低温介质时，利用所述永磁体组件与所述超导磁体组件之间的斥力使所述永磁体组件和/或所述超导磁体组件缩回，从而使所述内容器悬浮于所述外容器中；

当需要为所述内容器中的超低温介质加热时，使所述永磁体组件和/或所述超导磁体组件伸出，从而使所述永磁体组件与所述超导磁体组件接触以增大所述内容器与所述外容器之间的漏热。

在一些实施方式中，超低温绝热容器还包括进液管组件，所述进液管组件设置在位于所述轴线方向上的两个磁悬浮支撑结构中的其中一个上；

所述进液管组件包括与所述永磁体组件固定连接的第一进液管和与所述超导磁体组件固定连接的第二进液管；

当向所述内容器中加注超低温介质时，使所述永磁体组件和/或所述超导磁体组件伸出，从而使所述第一进液管和所述第二进液管密封对接。

在一些实施方式中，超低温绝热容器还包括出液管组件，所述出液管组件设置在位于所述轴线方向上的两个磁悬浮支撑结构中的其中另一个上；

所述出液管组件包括与所述永磁体组件固定连接的第一出液管和与所述超导磁体组件固定连接的第二出液管；

当所述内容器向外排出超低温介质时，使所述永磁体组件和/或所述超导磁体组件伸出，从而使所述第一出液管和所述第二出液管密封对接。

在一些实施方式中，所述永磁体组件与所述外容器之间通过弹簧组件可伸缩连接，和/或，所述超导磁体组件与所述内容器之间通过弹簧组件可伸缩连接。

在一些实施方式中，所述弹簧组件包括：

导向筒，与所述外容器或者所述内容器固定连接；

弹簧，一端与所述导向筒的底部固定连接，并且在所述导向筒内沿轴线伸缩运动；

连接板，所述连接板的一侧与所述弹簧的另一端固定连接，另一侧与所述永磁体组件或者所述超导磁体组件连接。

在一些实施方式中，所述导向筒的底部与所述外容器或者所述内容器之间设置有阻尼层；

和/或，所述连接板与所述永磁体组件或者所述超导磁体之间设置有阻尼层。

在一些实施方式中，所述超导磁体组件连接有冷却组件，所述冷却组件用于将所述超导磁体组件的电流热量导出至所述外容器的外部。

在一些实施方式中，所述冷却组件包括：

冷却盘管，盘绕在所述超导磁体组件的外部；以及

冷却源，设置在所述外容器的外部，与所述冷却盘管循环连接，用于为所述冷却盘管供入冷却介质。

本发明还提供一种超低温绝热容器的控制方法，应用于根据如上所述的超低温绝热容器；所述控制方法包括：

获取所述超低温绝热容器当前时刻所处的工况；以及

根据所述超低温绝热容器当前时刻所处的工况控制所述超导磁体组件中的电流通断。

在一些实施方式中，当控制所述超导磁体组件中的电流连通时，所述控制方法还包括：

获取所述内容器中所储存的超低温介质的液位；以及

根据所述内容器中所储存的超低温介质的液位调节所述超导磁体组件中的电流大小。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明提供的超低温绝热容器，通过将设置在内容器与外容器之间的永磁体组件和超导磁体组件配置为可伸缩的结构，使得当内容器中储存超低温介质时，利用永磁体组件与超导磁体组件之间的斥力使永磁体组件和/或超导磁体组件缩回，从而使内容器悬浮于外容器中；当需要为内容器中的超低温介质加热时，使永磁体组件和/或超导磁体组件伸出，从而使永磁体组件与超导磁体组件接触以增大内容器与外容器之间的漏热。

2、本发明提供的超低温绝热容器，通过在无需进液时，使进液管组件的第一进液管和第二进液管分离，减少漏热，在需要进液时，使进液管组件的第一进液管和第二进液管密封对接，以及在无需出液时，使出液管组件的第一出液管和第二出液管分离，减少漏热，在需要出液时，使出液管组件的第一出液管和第二出液管密封对接。

3、本发明提供的超低温绝热容器，通过为超导磁体组件连接冷却组件，用于将超导磁体组件的电流热量导出至外容器的外部，减少电流产生的热量对超低温介质维持时间的影响。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是根据本发明示例性实施方式提供的超低温绝热容器的结构示意图；

图2是图1中的A-A向剖视图；

图3是根据本发明示例性实施方式提供的超低温绝热容器的控制方的流程示意图。

图中：100、超低温绝热容器；

10、内容器；

20、外容器；

30、磁悬浮支撑结构；31、永磁体组件；32、超导磁体组件；33、阻尼层；34、弹簧组件；

40、进液管组件；41、第一进液管；42、第二进液管；43、进液管密封圈；

50、出液管组件；51、第一出液管；52、第二出液管；53、出液管密封圈；

60、真空绝热腔；61、绝热层。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了根据本发明示例性实施方式提供的超低温绝热容器100的结构，图2示出了图1中的A-A向剖视结构。

如图1和图2所示，超低温绝热容器100包括内容器10和套设在所述内容器10外侧的外容器20，内容器10和外容器20之间形成真空绝热腔60，以此使得内容器10处于真空环境中，降低内容器10的漏热。可选地，真空绝热腔60内的真空度应高于1×10

为了将内容器10支撑在绝热真空腔中，在所述内容器10和所述外容器20之间在轴线方向的两侧各设置有磁悬浮支撑结构30；和/或，所述内容器10和所述外容器20之间在周线方向上间隔设置至少两个磁悬浮支撑结构30。其中，每个所述磁悬浮支撑结构30包括永磁体组件31和超导磁体组件32，所述永磁体组件31配置为与所述外容器20可伸缩连接，和/或，所述超导磁体组件32配置为与所述内容器10可伸缩连接。

在一些实施方式中，所述永磁体组件31与所述外容器20之间通过弹簧组件34可伸缩连接，和/或，所述超导磁体组件32与所述内容器10之间通过弹簧组件34可伸缩连接。

具体而言，所述弹簧组件34包括导向筒、弹簧和连接板。导向筒的底部与所述外容器20或者所述内容器10采用例如焊接的方式固定连接；弹簧的一端与所述导向筒的底部固定连接，并且在所述导向筒内沿轴线伸缩运动；另一端与所述连接板的一侧固定连接，所述连接板的另一侧与所述永磁体组件31或者所述超导磁体组件32连接。

上述方案中，导向筒可限制弹簧的伸缩方向，防止所述永磁体组件31和/或超导磁体组件32在伸出或者缩回时发生偏移。

需要指出的是，上述的弹簧组件34可考虑内容器10的容量等因素设置多组，本发明对此不做限制。例如每个所述磁悬浮支撑结构30包括八组弹簧组件34，每组弹簧组件34包括十六个弹簧。

作为示例，永磁体组件31例如为海尔贝克阵列型永磁体。超导磁体组件32为超导电磁单元，利用内容器10中的低温液体使超导电磁单元处于超导工作温度下。此外，可以根据超低温介质的种类选择对应的超导材料，例如，当内容器10中储存液氢时，可选择超导材料MgB2形成超导电磁单元。当内容器10中储存液氮或者液氧时，可选择与液氮或者液氧温区相适应的超导材料形成超导电磁单元。

超导磁体组件32与设置在外容器20外部的控制单元(未示出)连接，控制单元可控制超导磁体组件32中的电流通断以及电流大小。

在一些实施方式中，所述超导磁体组件32连接有冷却组件，所述冷却组件用于将所述超导磁体组件32的电流热量导出至所述外容器20的外部，从而降低内容器10低温液体的蒸发率，提高超低温绝热容器100的维持时间。

作为示例，所述冷却组件包括冷却盘管和用于为所述冷却盘管供入冷却介质的冷却源。上述的冷却介质可以为液氮、液氦等。冷却盘管盘绕在所述超导磁体组件32的外部；冷却源设置在所述外球体的外部，与所述冷却盘管循环连接。

而且，所述超导磁体组件32为超导电磁单元时，冷却组件也可以用于使超导电磁单元处于超导工作温度下。在该实施例中，上述的冷却介质可以为液氢等。

当所述内容器10中储存超低温介质时，控制单元可控制超导磁体组件32中的电流连通，使超导磁体组件32具有与永磁体组件31的磁性相同的磁性，如此可以利用所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32之间的斥力克服弹簧的恢复力使所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32缩回，从而使所述内容器10悬浮于所述外容器20中。这样当内容器10充装低温介质时，由于金属材料的遇冷收缩，使所述超低温绝热容器100产生温差应力时，内容器10可以不受固定位置的约束，缓解温差应力。

当需要为所述内容器10中的超低温介质加热时，控制单元可控制超导磁体组件32中的电流断开，使超导磁体组件32失去磁性，所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32之间的斥力也随之消失，如此在弹簧恢复力的作用下使所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32伸出，从而使所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32接触以增大所述内容器10与所述外容器20之间的漏热。这样可以实现主动向容器增加导热的目的，减少加热所需耗能。

可替换地，当需要为所述内容器10中的超低温介质加热时，控制单元可控制超导磁体组件32中的电流方向发生变化，使超导磁体组件32具有与永磁体组件31的磁性相反的磁性，如此可以利用所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32之间的吸力配合弹簧的恢复力所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32伸出。

在一些实施方式中，所述导向筒的底部与所述外容器20或者所述内容器10之间设置有阻尼层33；和/或，所述连接板与所述永磁体组件31或者所述超导磁体之间设置有阻尼层33，以提高内容器10的抗振能力。

作为示例，内容器10包括内筒体和设置在内筒体两端的两个内封头。外容器20包括外筒体和设置在外筒体两端的两个外封头。内封头和外封头采用半球形、椭圆形、碟形和无折边球形封头等凸形封头。在轴线方向的两侧设置的磁悬浮支撑结构30设置在封头和外封头之间，在周线方向上间隔设置的至少两个磁悬浮支撑结构30设置在内筒体和外筒体之间。作为示例，在周线方向上可以均匀地间隔设置四个磁悬浮支撑结构30，分别位于内筒体和外筒体之间的前后和上下位置处。如此既可以保证对内容器10的轴向支撑，还可以防止内容器10在斥力的作用下发生扭转。

在一些实施方式中，超低温绝热容器100还包括向内容器10中供入超低温介质的进液管组件40，所述进液管组件40设置在位于所述轴线方向上的两个磁悬浮支撑结构30中的其中一个上。所述进液管组件40包括与所述永磁体组件31固定连接的第一进液管41和与所述超导磁体组件32固定连接的第二进液管42；当向所述内容器10中加注超低温介质时，使所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32伸出，从而使所述第一进液管41和所述第二进液管42密封对接。当向所述内容器10中加注超低温介质结束时，利用所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32之间的斥力使所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32缩回，同时将所述第一进液管41和所述第二进液管42分离。

在一些实施方式中，超低温绝热容器100还包括从内容器10向外部提供超低温介质的出液管组件50，所述出液管组件50设置在位于所述轴线方向上的两个磁悬浮支撑结构30中的其中另一个上。所述出液管组件50包括与所述永磁体组件31固定连接的第一出液管51和与所述超导磁体组件32固定连接的第二出液管52；当所述内容器10向外排出超低温介质时，使所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32伸出，从而使所述第一出液管51和所述第二出液管52密封对接。当所述内容器10向外部提供超低温介质结束时，利用所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32之间的斥力使所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32缩回，同时将所述第一出液管51和所述第二出液管52分离。

上述方案中，通过在无需进液时，使进液管组件40的第一进液管41和第二进液管42分离，避免接触导热，减少漏热，在需要进液时，使进液管组件40的第一进液管41和第二进液管42密封对接，以及在无需出液时，使出液管组件50的第一出液管51和第二出液管52分离，避免接触导热，减少漏热，在需要出液时，使出液管组件50的第一出液管51和第二出液管52密封对接。

需要指出的是，在第一进液管41和第二进液管42需要密封对接以及第一出液管51和第二出液管52需要密封对接时，可以改变超导磁体组件32中的电流方向，使的超导磁体组件32具有与永磁体组件31相反的磁性，此时，超导磁体组件32与永磁体组件31之间的作用力为吸力，在吸力的作用下，第一进液管41和第二进液管42、第一出液管51和第二出液管52可完成自动对中，便于第一进液管41和第二进液管42的密封对接、第一出液管51和第二出液管52的密封对接。

作为示例，所述第一进液管41和所述第二进液管42之间以及所述第一出液管51和所述第二出液管52通过卡扣结构实现对准。可选地，所述第一进液管41和所述第二进液管42之间设置有进液管密封圈43，所述第一出液管51和所述第二出液管52之间设置有出液管密封圈53，防止超低温介质泄漏。

需要指出的是，进液管密封圈43和出液管密封圈53应采用能够适用于超低温环境的非金属绝热材料制作，例如泡棉玻璃、岩棉等。

此外，卡扣结构还具有自动锁紧功能，以防止所述第一进液管41和所述第二进液管42、所述第一出液管51和所述第二出液管52在高压作用下脱离。

在一些实施方式中，本发明还提供一种超低温绝热容器100的控制方法200，应用于上述的超低温绝热容器100。

如图3所示，所述控制方法200包括以下步骤：

S210、获取所述超低温绝热容器当前时刻所处的工况；以及

S220、根据所述超低温绝热容器当前时刻所处的工况控制所述超导磁体组件中的电流通断。

具体而言，当所述内容器10中储存超低温介质时，控制单元可控制超导磁体组件32中的电流连通，使超导磁体组件32具有与永磁体组件31的磁性相同的磁性，如此可以利用所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32之间的斥力克服弹簧的恢复力使所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32缩回，从而使所述内容器10悬浮于所述外容器20中。这样当内容器10充装低温介质时，由于金属材料的遇冷收缩，使所述超低温绝热容器100产生温差应力时，内容器10可以不受约束，缓解温差应力。

当需要为所述内容器10中的超低温介质加热时，控制单元可控制超导磁体组件32中的电流断开，使超导磁体组件32失去磁性，所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32之间的斥力也随之消失，如此在弹簧恢复力的作用下使所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32伸出，从而使所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32接触以增大所述内容器10与所述外容器20之间的漏热。这样可以实现主动向容器增加导热的目的，减少加热所需耗能。

可替换地，当需要为所述内容器10中的超低温介质加热时，控制单元可控制超导磁体组件32中的电流方向发生变化，使超导磁体组件32具有与永磁体组件31的磁性相反的磁性，如此可以利用所述永磁体组件31与所述超导磁体组件32之间的吸力配合弹簧的恢复力所述永磁体组件31和/或所述超导磁体组件32伸出。

在一些实施方式中，当控制所述超导磁体组件32中的电流连通时，所述控制方法还包括：获取所述内容器10中所储存的超低温介质的液位；以及根据所述内容器10中所储存的超低温介质的液位调节所述超导磁体组件32中的电流大小，从而调节超导磁体组件32的磁力大小，使超导磁体组件32的磁力、内容器10、内容器10中超低温介质的重力以及永磁体组件31的磁力相平衡。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。