專利名稱：低溫氣凝膠隔離系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及隔離系統(tǒng)，并且更特別是涉及用于低溫的隔離系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
用于雙壁容器的傳統(tǒng)低溫真空隔離系統(tǒng)需要強(qiáng)真空，通常在or;下 小于l微米Hg。真空的目的在于減小氣體傳導(dǎo)/對(duì)流。所需的強(qiáng)真空形 成成本高，在高溫下需要很長(zhǎng)的泵出時(shí)間。這對(duì)于真空隔離設(shè)備來(lái)說(shuō) 造成很高的制造成本。 一旦得到，強(qiáng)真空很難在設(shè)備的使用壽命期間保持，設(shè)備的使用壽命通常是15-20年，并且實(shí)際上發(fā)現(xiàn)不管所有的預(yù)防措施，真空空間內(nèi)的壓力不可避免地升高，造成性能的限制損失。 一種選擇是使用泡沫體隔離。但是，這種隔離比真空隔離具有更高的 熱泄漏。除非采取精心的措施來(lái)對(duì)泡沫體隔離進(jìn)行密封，水的滲入將 使其快速退化。因此，需要一種低溫隔離系統(tǒng)，該系統(tǒng)在其壽命期間 非?？煽?，并且相對(duì)地不敏感于真空的損失。 發(fā)明內(nèi)容形成低溫隔離系統(tǒng)的方法包括(A) 提供隔離空間，該隔離空間包括氣凝膠，并通過(guò)內(nèi)壁和外壁限定；(B) 對(duì)含有氣凝膠的隔離空間進(jìn)行至少一個(gè)加壓和至少一個(gè)減 壓，其中加壓包括提供可壓縮氣體到含有氣凝膠的隔離空間；以及(C) 將含有氣凝膠的隔離空間的至少一個(gè)壁冷卻到小于190K的溫度。如這里使用那樣，術(shù)語(yǔ)"可壓縮氣體，，指的是在冷環(huán)境下具有顯 著低于通過(guò)在隔離空間的平均溫度下采用理想氣體定律所料到的壓力 的蒸氣壓力的氣體。通常，這是由從氣體到固體進(jìn)行相變的可壓縮氣 體而造成的。但是，氣凝膠隔離具有極高的比面積，并且在冷卻到低 溫時(shí)能夠吸收一定量的氣體。


唯一的附圖是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化截面圖，其中隔離空間通過(guò)雙壁導(dǎo)管的壁來(lái)限定。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明適用于任何雙壁結(jié)構(gòu)或容器，例如雙壁管道或雙壁罐。附 圖表示雙壁管道或?qū)Ч艿慕孛?，并且將參考附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā) 明?，F(xiàn)在參考附圖，隔離空間1是通過(guò)雙壁導(dǎo)管4的內(nèi)壁2和外壁3 限定的容積。隔離空間1包括可以是氣凝膠合成物形式的氣凝膠5，例 如包括與例如聚酯、玻璃纖維、碳纖維、硅石(silica)纖維及其混合 物的纖維毛絮體結(jié)合的氣凝膠的被覆層(blanket)。最好是隔離空間 的至少75%的容積填充氣凝膠或氣凝膠合成物。任何適當(dāng)?shù)臍饽z可用于本發(fā)明的實(shí)踐。本發(fā)明實(shí)踐中的優(yōu)選氣 凝膠是硅石氣凝膠。氣凝膠可作為單體形成，例如小粒、小球或粉末 形式的顆粒，或者作為結(jié)合纖維毛絮體的合成氣凝膠被覆層。凝膠或 氣凝膠是膠狀顆粒的連貫、剛性、連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)。在沒(méi)有中和鹽的 情況下，凝膠通常在酸性環(huán)境下通過(guò)膠狀顆粒的聚合來(lái)形成，以便形 成三維凝膠微型結(jié)構(gòu)。在凝膠干燥時(shí)，即液體從其中保存有連貫?zāi)z 微型結(jié)構(gòu)的空隙中去除時(shí)，例如通過(guò)超臨界干燥，形成低密度凝膠或 氣凝膠。用于形成氣凝膠的適當(dāng)方法在美國(guó)專利No.3122520中描述。 用于形成氣凝膠合成物的適當(dāng)方法在美國(guó)專利No.6670402中描述。氣 凝膠最好是金屬氧化物氣凝膠，特別是硅石氣凝膠。氣凝膠顆?？删?有任何適當(dāng)?shù)拿芏?，最好是大約0.05 g/cm.sup.3到大約0.15 g/cm.sup.3。 氣凝膠顆粒還可具有任何適當(dāng)?shù)谋砻婷娣e，最好是至少大約200 m.sup.2/g。這里描述的表面面積是按照Brunauer-Emmett-Teller( BET ) 模型根據(jù)在0.05-0.25 atm的范圍上的五個(gè)不同相對(duì)壓力下吸收的氮的 數(shù)量來(lái)計(jì)算的，參考Gregg, S.J.以及Sing， K.S.W.， "Adsorption, surface Area and Porosity", P.285, Academic Press, New York (1991)。氣凝膠顆粒具有非常希望的性能，例如透光性、極低的密度以及 非常低的導(dǎo)熱性。氣凝膠顆?？删哂腥魏芜m當(dāng)?shù)闹睆?。最好是，大?所有的氣凝膠顆粒的直徑是大約0.5 mm或更多(例如大約1 mm或更 多)。更優(yōu)選的是，大致所有的氣凝膠顆粒的直徑是大約5mm或更少 (例如大約0.5或1 mm到大約5 mm)。氣凝膠可以任何適當(dāng)?shù)男问?用于本發(fā)明的實(shí)踐。例如，根據(jù)應(yīng)用，氣凝膠可通過(guò)使其與例如聚酯、玻璃纖維、碳纖維、硅石或石英纖維混合而結(jié)合到被覆層內(nèi)。合成氣 凝膠/纖維被覆層接著以一系列層的形式圍繞管道緊密包裹。在此構(gòu)造 中，可以通過(guò)交織例如銅或鋁的拋光金屬的低放射性材料薄片來(lái)提供 輻射防護(hù)。這種選擇的第二優(yōu)點(diǎn)在于氣凝膠可使用現(xiàn)有的機(jī)械包裹， 以便施加多層隔離。第二選擇是將雙壁空間填充顆粒形式的氣凝膠?？梢缘玫狡涑叽绶秶鷱?.5-5.0 mm的多種粉末、顆粒和小球。為了給隔離空間填充顆 粒，通常希望垂直定向管道，使得環(huán)形空間從底部向上填充。這確保 沒(méi)有不利地影響性能的空白空間。多種方法可用來(lái)處理粉末。傳送氣 凝膠的適當(dāng)方法是使用真空輸送機(jī)。還可以將氣凝膠包裝在預(yù)成形袋中。每個(gè)袋填充氣凝膠并通過(guò)最 好是二氧化碳的可壓縮氣體吹掃。袋接著被排氣，理想地達(dá)到 1000-10000微米之間的范圍的壓力。在環(huán)境壓力下，袋的容積減小， 使其容易裝入隔離空間。對(duì)于例如罐、拖車(chē)等大型隔離空間，多個(gè)袋 可用來(lái)填充隔離空間。對(duì)于例如導(dǎo)管的較小隔離空間，袋可預(yù)成形為 蛤殼形狀，與隔離空間的輪廓相符。如果氣凝膠以此方式包裝，隔離 空間也應(yīng)該通過(guò)可壓縮氣體吹掃，并且將被排空到類(lèi)似于每個(gè)袋的內(nèi) 部壓力的壓力。適當(dāng)?shù)拇牧鲜蔷哂凶銐虻偷拇┩感缘木酆喜牧希?得真空在組裝過(guò)程中得以保持。采用這種系統(tǒng)，需要確保隔離容積中 有足夠的部分來(lái)填充含有氣凝膠的袋，使得在袋膨脹時(shí)，沒(méi)有空白空 間。第三選擇是將氣凝膠合成被覆層和氣凝膠顆粒結(jié)合使用。在所有 情況下，可以使用親水或疏水形式的氣凝膠。疏水氣凝膠顆?？杀粔?縮，而不損失其結(jié)構(gòu)，并且具有低的水含量。親水氣凝膠是不太能夠 壓縮的，并且具有高的親水性。此外，親水氣凝膠在純氧中不能燃燒， 并且因此可以更加適當(dāng)4吏用。為了密封雙壁空間，端部必須被焊接，使得空間被氣密密封。不 被焊接高溫?fù)p壞的高溫氣凝膠被覆層或玻璃纖維材料應(yīng)該靠近焊接部 使用。在制造雙壁導(dǎo)管時(shí)，必須設(shè)置使得內(nèi)管相對(duì)于外管進(jìn)行不同膨 脹的裝置。通常這通過(guò)供應(yīng)膨脹波紋管(bellow)來(lái)實(shí)現(xiàn)。波紋管通常 放置在外套內(nèi)，這是由于在此情況下波紋管暴露于真空壓力而不是加 工壓力。這種配置的主要缺陷在于在操作溫度下，外套的長(zhǎng)度減小，并且必須設(shè)計(jì)管道支承系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)運(yùn)動(dòng)。雖然波紋管暴露于環(huán)境和機(jī) 械損壞下，在失效情況下，其結(jié)果局限于真空的損失?？梢赃M(jìn)行不同 熱膨脹的第二方法是使用在內(nèi)管或外管內(nèi)使用多個(gè)區(qū)段的柔性軟管。含有氣凝膠的隔離空間被吹掃。最好是真空泵開(kāi)始用來(lái)將隔離空間排空到1000- 10000微米Hg范圍內(nèi)的壓力，以便去除制造過(guò)程在氣 凝膠材料中留下的任何濕氣或重碳?xì)浠衔?。含有氣凝膠的隔離空間 接著進(jìn)行至少一個(gè)加壓和至少一個(gè)減壓，其中加壓包括在含有氣凝膠 的隔離空間內(nèi)提供例如二氧化碳?xì)怏w的可壓縮氣體，即包括至少99.5 克分子百分比的二氧化碳流體。可使用的其它可壓縮氣體包括N20、 R-134a、氮、氧和氬。加壓步驟可高達(dá)外壁的壓力等級(jí)。加壓步驟可 以高達(dá)一個(gè)大氣壓，或者低至IO微米，但是通常在1000到10000微米 的范圍內(nèi)。最好是，含有氣凝膠的隔離空間進(jìn)行至少兩個(gè)這樣的循環(huán)， 并進(jìn)行高達(dá)大約IO個(gè)這樣的循環(huán)。最好是在最后減壓之后，隔離空間 的最后壓力在1000到10000微米的范圍內(nèi)。含有氣凝膠的隔離空間的至少一個(gè)壁(最好只是內(nèi)壁)被冷卻到 小于190K的溫度。最好是這種冷卻通過(guò)將例如附圖所示的液體6的低 溫流體提供到雙壁容器來(lái)實(shí)現(xiàn)。適當(dāng)?shù)牡蜏匾后w包括液體氮、液體氧、 液體氬、液化天然氣、液體氦和液體氫。在含有氣凝膠的隔離空間內(nèi) 的溫度降低時(shí)，并且在雙壁結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)壁或內(nèi)表面冷卻到所需溫 度時(shí)，出現(xiàn)進(jìn)一步的壓力減小。含有氣凝膠的隔離空間被冷卻，最好 在所需最終壓力(通常是l-5微米)下冷卻到小于可壓縮氣體的冰點(diǎn)的 溫度。在冷卻過(guò)程中，含有氣凝膠的隔離空間內(nèi)的溫度降低。如果雙 壁結(jié)構(gòu)的壁或表面在當(dāng)前壓力下被冷卻到可壓縮氣體的冰點(diǎn)或以下的 溫度，例如二氧化碳的可壓縮氣體將遷徙到內(nèi)表面并結(jié)冰，進(jìn)一步減 小隔離空間內(nèi)的壓力。氣凝膠、被覆層(如果有的話)以及任何吸氣 劑將吸收添加到隔離空間的初始容積強(qiáng)度的可壓縮和不可壓縮氣體， 以及消除長(zhǎng)時(shí)間之后會(huì)出現(xiàn)的任何泄漏。在操作過(guò)程中，由于經(jīng)由真空空間內(nèi)的小毛細(xì)管或其它開(kāi)口的泄 漏、來(lái)自于暴露于真空空間的材料的脫氣和/或氣體經(jīng)由真空空間壁滲 透，隔離空間內(nèi)的壓力不可避免地升高。傳統(tǒng)真空隔開(kāi)需要l-10微米 范圍的真空，從而有效。本發(fā)明的氣凝膠真空系統(tǒng)在10-10000微米的 范圍內(nèi)保持有效，其中有效性限定為具有小于非真空泡沫類(lèi)型的隔離的熱泄漏。由于氣凝膠真空系統(tǒng)的可接受工作壓力高于傳統(tǒng)真空隔離， 在出現(xiàn)顯著的隔離性能損失之前，可以允許顯著的泄漏。本發(fā)明的重 要方面在于不需要采取精心的措施來(lái)確保含有氣凝膠隔離空間內(nèi)的壓 力足夠低。這造成經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，這是由于制造設(shè)備的成本降低。用于低溫液體的存儲(chǔ)和輸送的不同類(lèi)型的隔離可方便地劃分成五個(gè)類(lèi)別(l)真空；(2)多層隔離；(3)粉末和纖維隔離；(4)泡 沫體隔離；以及(5)特殊目的的隔離。這些總體類(lèi)別之間的界限不是 明確的。例如，粉末隔離可包括氣體或被排氣，并且可在后面的情況 下具有類(lèi)似于真空隔離的性能。但是這種分類(lèi)方式確實(shí)提供了可以討 論廣泛的多種類(lèi)型的低溫隔離的框架。經(jīng)過(guò)這些不同的隔離系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)可通過(guò)不同的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但 是通常涉及固體傳導(dǎo)、氣體傳導(dǎo)和對(duì)流以及輻射。任何隔離系統(tǒng)的目 的在于減小這些不同機(jī)構(gòu)中的總熱傳導(dǎo)。試驗(yàn)上用來(lái)結(jié)合所有這些導(dǎo) 熱模式，隔離系統(tǒng)的表觀導(dǎo)熱性提供最佳的措施，由此比較不同類(lèi)型 的隔離系統(tǒng)。本發(fā)明實(shí)踐中的隔離空間在大于IO微米的壓力下具有小 于3mW/mK的表》見(jiàn)導(dǎo)熱性。具有用于導(dǎo)管的多種機(jī)構(gòu)，包括內(nèi)管上的波紋管、外管上的波紋 管以及每個(gè)區(qū)段端部處的波紋管。柔性導(dǎo)管同樣可以得到。氣凝膠被 覆層適用于結(jié)合到后者中。在某些情況下，會(huì)希望結(jié)合分子篩材料， 最好盡可能靠近內(nèi)壁，以便吸收從大氣泄漏的不希望的氧和氮，和/或 泄漏到隔離空間的低溫流體。氣凝膠具有極高的比表面面積，并且在 冷卻到低溫時(shí)能夠吸收一定量的例如氮和氧的不希望氣體。此外，本 發(fā)明可包括確保真空的任何傳統(tǒng)措施，例如吸氣劑和分子篩，并且還 可包括輻射防護(hù)。雖然參考某些優(yōu)選的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技例
權(quán)利要求
1.一種形成低溫隔離系統(tǒng)的方法，包括(A)提供隔離空間，該隔離空間包括氣凝膠，并通過(guò)內(nèi)壁和外壁限定；(B)對(duì)含有氣凝膠的隔離空間進(jìn)行至少一個(gè)加壓和至少一個(gè)減壓，其中加壓包括提供可壓縮氣體到含有氣凝膠的隔離空間；以及(C)將含有氣凝膠的隔離空間的至少一個(gè)壁冷卻到小于190K的溫度。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，隔離空間在雙壁導(dǎo)管 的內(nèi)壁和外壁之間。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，隔離空間在雙壁罐的 內(nèi)壁和外壁之間。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，氣凝膠是氣凝膠被覆 層的形式。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，氣凝膠被覆層包括與 纖維毛絮體結(jié)合的氣凝膠。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，氣凝膠是顆粒形式。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，氣凝膠以袋的形式提 供到隔離空間內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，可壓縮氣體是二氧化碳。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在含有氣凝膠的隔離 空間上進(jìn)行至少兩個(gè)加壓和減壓循環(huán)。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，含有氣凝膠的隔離 空間通過(guò)來(lái)自于低溫液體的制冷來(lái)冷卻。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，含有氣凝膠的隔離 空間還包括分子篩。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，含有氣凝膠的隔離 空間還包括吸氣劑。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，含有氣凝膠的隔離 空間還包括輻射防護(hù)。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，氣凝膠包括硅石氣凝膠。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，隔離空間在冷卻之 前具有1000-10000微米范圍內(nèi)的壓力。
16. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述加壓之前使用真空泵對(duì)隔離空間排氣。
17. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，隔離空間在大于IO微米的壓力下具有小于3mW/mK的表觀導(dǎo)熱性。
全文摘要
一種用于形成低溫隔離系統(tǒng)的方法，其中氣凝膠提供給通過(guò)內(nèi)和外壁(2、3)限定并加壓和減壓的可密封隔離空間(1)。加壓通過(guò)使用提供給隔離空間(1)的最好是二氧化碳的可壓縮氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)。可壓縮氣體冷卻，以便通過(guò)將至少一個(gè)壁(2、3)冷卻到小于190K來(lái)減壓隔離空間，并且通常通過(guò)從低溫液體施加制冷來(lái)冷卻到低溫。
文檔編號(hào)F17C3/02GK101405533SQ200780010304
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月23日
發(fā)明者J·H·羅亞爾, N·H·懷特, R·J·吉布, S·A·施維希勒, W·霍布斯 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司