一种绝热低温容器

技术领域

本发明涉及低温容器绝热技术领域，尤其是涉及一种绝热低温容器。

背景技术

目前传统的高真空多层绝热是超低温容器广泛采用的绝热方式，采用铝箔加玻璃纤维复合而成绝热材料；通过将绝热材料覆盖在容器内胆外表面；然后将内胆和外胆之间采用真空泵抽至高真空以达到绝热的目的。

传统的高真空多层绝热容器要求真空度较高，抽真空时间高达7天以上，而且需要对产品进行加热处理，以达到理想的真空要求；其夹层(内胆外表面和外胆内表面)其清洁度要求很高，必须通过清洗、烘干、脱脂处理；夹层相关的焊缝要求较高，必须对每个焊接部位进行捡漏，其检测要求较高、检测难度较大。

传统的高真空多层绝热容器真空难以长久维持，虽然在真空层布置吸附剂 (分子筛和氧化钯)等吸附材料，但其真空设计寿命也一般为3-5年，无法达到长久的绝热，且其氧化钯为贵重金属市场价格居高不下，造成真空绝热容器价格居高不下。

本专利参考美国宇航局(NASA)，美国材料与试验协会发布《柔性气凝胶绝热材料规范》(ASTMC1728-17《纳米孔气凝胶复合绝热制品》，GB/T34336-2017 《纳米孔气凝胶复合绝热制品》以及国防科大、哈工大、浙大、中科院等相关文献及资料。进一步通过研发新型绝热材料及绝热方式替代传统的高真空多层绝热方式。其绝热性能可与现有高真空多层绝热相媲美，通过新型材料及工艺使绝热效果能够永久性的保持，其大大降低了低温容器的生产、材料以及维护成本。

发明内容

为减轻低温容器重量，克服上述问题，本发明采用如下技术方案：一种绝热低温容器，包括内胆，所述内胆包括筒体、前封头、后封头，所述内胆的外壁上依次设置有纳米孔绝热材料层、固化树脂层和碳纤维层；所述前封头和后封头均设置有支撑固定机构，用于固定所述纳米孔绝热材料层。

优选的，所述前封头连接有加长管，所述加长管设置有阀门。

优选的，所述筒体上设置有第七支撑固定环。

优选的，所述筒体上设置有第八支撑固定环。

优选的，所述后封头自外向中心处，依次设置有第一支撑固定环、第二支撑固定环和第三支撑固定环。

优选的，所述前封头自外向中心处，依次设置有第四支撑固定环、第五支撑固定环和第六支撑固定环。

优选的，所述纳米孔绝热材料层组分包括：正硅酸甲脂、增强纤维。

进一步的，所述增强纤维的组分包括二氧化硅和三氧化二铝。

更进一步的，所述增强纤维还包括三氧化二铁、氧化钡、二氧化钛、氧化钙中的至少一种。

优选的，所述纳米孔绝热材料层组分还包括六甲基二硅氧烷。

优选的，所述二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁的质量份数比为53～58： 40～42:0.7～1。

优选的，所述正硅酸甲脂、增强纤维的质量份数比为60～80:8～16。

一种纳米孔绝热材料的制备方法：将二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁混合加热至熔融态，将熔融物细流并用高速气流吹成纤维状物冷却；将正硅酸甲脂、去离子水、盐酸混合搅拌经水解和缩聚反应生成溶胶，加入所述的纤维状物和氨水，静置缩聚反应成胶后失去流动性后加入无水乙醇后进行超临界干燥并保温；将乙醇缓慢放出后冷却至室温即可得到纳米微孔绝热材料。

本发明采用新型绝热材料替代传统的高真空多层绝热方式，创新了低温容器的新型绝热方式，永久性的告别高真空多层绝热真空“疲软”的问题，彻底取消原来高真空多层绝热抽真空、焊接、外胆捡漏等生产工序，使得生产过程更加简化以及易操作等。

通过改变绝热类型，采用纳米孔绝热材料，优点体现在以下方面：

1、其超低的导热系数,由于气凝胶固体本身所占质量分数很小且是多孔体，孔直径均在纳米尺度内，固相部分可看成是由许许多多的微孔的薄孔壁组成，热量在固体中的传递要经过近于无穷长的路程，气凝胶中的固体导热能力被这种巨大的长路径效应大大减弱变得很小。

2、低的热辐射性；由于其纳米孔结构，使得材料内部形成了近似于无穷多的固/气界面，热辐射的射线穿过每一层界面时，都会发生反射、吸收、透射和再辐射，相当于在热辐射的传播路径上，设置了近于无穷多的遮热板，近于无穷多次的反射作用，使热辐射的传播能力迅速衰减，最后大部分被吸收在绝热材料靠近热面一侧的表层，常温下辐射热传导变得很低。

3、超低的对流传热，气体进行对流传热，必须有足够大的空间，气凝胶的气孔孔径一般小于50nm，在这样的纳米孔内，所有的空气分子都失去了宏观迁移能力，不具备对流传热的条件，因此气凝胶的对流传热也被很好地限制了。

4、超强的使用温度范围-196℃～950℃。

5、阻燃性强，其材料自身不可燃烧，具有独特的耐火焰穿透性，可长时间接受火焰直接灼烧。

6、防水性好，其憎水性可达到99％以上。

本发明对低温绝热容器外胆通过在气瓶外壁缠绕纳米孔绝热材料，并在纳米孔材料最外侧采用固化树脂进行强度固定，以达到产品的使用、运输、吊装等强度要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为后封头结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种绝热低温容器，内胆1由筒体部分以及两端的前封头21 和后封头22组成，前封头21和后封头22均为曲面。如图2所示，后封头22 自外向中心处，依次焊接有圆环状的第一支撑固定环7、第二支撑固定环8和第三支撑固定环9；同样的结构，前封头21自外向中心处，依次焊接有圆环状的第四支撑固定环7a、第五支撑固定环8a和第六支撑固定环9a。而在筒体部分靠近后封头22，焊接有第七支撑固定环10，在筒体部分靠近前封头21，焊接有第八支撑固定环10a。前封头21的中心焊接有加长管5，加长管5安装有阀门6。传统的前封头处直接设置有瓶颈，在瓶颈上安装阀门，但是瓶颈处曲面较为复杂，不易实现对其的完全包裹，因此在满足强度的前提下本发明通过增加加长管的方式来减少传热面积的方式增加热阻，使其通过加长管的漏热较小。

在内胆1制造完成后，对内胆外壁2进行处理；然后对其内胆外壁2包覆纳米孔绝热材料层3，然后对纳米孔绝热材料层3涂覆固化树脂形成固化树脂层 4对其最外侧进行加强，以达到使用强度要求，最后用碳纤维进行包裹缠绕形成碳纤维层41完成加工。

需要注意的是：气瓶内胆的封头采用标准的椭圆封头，存在一定的曲面；封头覆盖的高密度纳米孔绝热材料采用压制成型与封头曲面一致，为保证与气瓶内胆封头完美贴合，防止在使用过程中出现纳米孔绝热材料与封头曲面脱离；必须对绝热材料与气瓶封头进行固定；因此本发明的方案采用支撑固定环对封头与纳米材料进行固定；支撑固定环的材质为环形不锈钢材料，支撑固定环与气瓶封头采用氩弧焊进行固定，每个封头固定三组支撑固定环；然后将纳米材料与支撑固定环压紧，防止纳米孔绝热材料与内胆筒体相互晃动。

而为了找到最佳的纳米孔绝热材料层材质分别做以下实施例进行对比。

实施例一、将二氧化硅53份、三氧化二铝42份、三氧化二铁0.8份、氧化钡1份、二氧化钛0.5份放入电弧炉加热至2000℃以上至熔融态，将熔融物细流并用高速气流吹成纤维状物。将正硅酸甲脂60份、六甲基二硅氧烷35份、去离子水15份、盐酸10份混合搅拌经水解和缩聚反应生成溶胶，加入8份上述制得的纤维状物和18份氨水，静置缩聚反应成胶后失去流动性后加入无水乙醇20份老化后加入高压釜进行超临界干燥并保温。将乙醇缓慢放出后冷却至室温即可得到纳米微孔绝热材料。

实施例二、将二氧化硅58份、三氧化二铝40份、三氧化二铁0.7份、氧化钡1.2份、二氧化钛0.8份放入电弧炉加热至2000℃以上至熔融态，将熔融物细流并用高速气流吹成纤维状物。将正硅酸甲脂65份、六甲基二硅氧烷30 份、去离子水20份、盐酸15份混合搅拌经水解和缩聚反应生成溶胶，加入8 份上述制得的纤维状物和15份氨水，静置缩聚反应成胶后失去流动性后加入无水乙醇30份老化后加入高压釜进行超临界干燥并保温。将乙醇缓慢放出后冷却至室温即可得到纳米微孔绝热材料。

实施例三、将二氧化硅58份、三氧化二铝40份、三氧化二铁0.7份、氧化钡1.2份、二氧化钛0.8份放入电弧炉加热至2000℃以上至熔融态，将熔融物细流并用高速气流吹成纤维状物。将正硅酸甲脂80份、去离子水20份、盐酸15份混合搅拌经水解和缩聚反应生成溶胶，加入8份上述制得的纤维状物和 15份氨水，静置缩聚反应成胶后失去流动性后加入无水乙醇30份老化后加入高压釜进行超临界干燥并保温。将乙醇缓慢放出后冷却至室温即可得到纳米微孔绝热材料。

实施例四、将二氧化硅58份、三氧化二铝40份、三氧化二铁0.7份、氧化钡2份放入电弧炉加热至2000℃以上至熔融态，将熔融物细流并用高速气流吹成纤维状物。将正硅酸甲脂80份、去离子水20份、盐酸15份混合搅拌经水解和缩聚反应生成溶胶，加入16份上述制得的纤维状物和15份氨水，静置缩聚反应成胶后失去流动性后加入无水乙醇30份老化后加入高压釜进行超临界干燥并保温。将乙醇缓慢放出后冷却至室温即可得到纳米微孔绝热材料。

对比例：将二氧化硅53份、三氧化二铝42份、三氧化二铁0.8份、氧化钙1份、放入电弧炉加热至2000℃以上至熔融态，将熔融物细流并用高速气流吹成纤维状物。将正硅酸甲脂80份、去离子水15份、盐酸10份混合搅拌经水解和缩聚反应生成溶胶，加入8份上述制得的纤维状物和18份氨水，静置缩聚反应成胶后失去流动性后加入无水乙醇20份老化后加入高压釜进行超临界干燥并保温。将乙醇缓慢放出后冷却至室温即可得到纳米微孔绝热材料。

上述实施例中均采用质量份数。将上述实施例制得的绝热材料分别进行导热率试验和抗压试验，实验数据如下:

从上述试验结果可以得知当增强纤维采用氧化钡、二氧化钛的组合时，材料具有最好的抗压强度，当采用正硅酸甲脂、六甲基二硅氧烷的组合时材料的热导率最低。当同时采用氧化钡、二氧化钛、正硅酸甲脂、六甲基二硅氧烷的组合即实施例一和实施例二，作为低温绝热容器绝热材料的试验数值最佳。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，对于一些本领域普通技术人员所熟知的技术内容，此处不再赘述，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。