专利名称：低温气凝胶隔离系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及隔离系统，并且更特别是涉及用于低温的隔离系统。
背景技术：
用于双壁容器的传统低温真空隔离系统需要强真空，通常在or;下 小于l微米Hg。真空的目的在于减小气体传导/对流。所需的强真空形 成成本高，在高温下需要很长的泵出时间。这对于真空隔离设备来说 造成很高的制造成本。 一旦得到，强真空很难在设备的使用寿命期间保持，设备的使用寿命通常是15-20年，并且实际上发现不管所有的预防措施，真空空间内的压力不可避免地升高，造成性能的限制损失。 一种选择是使用泡沫体隔离。但是，这种隔离比真空隔离具有更高的 热泄漏。除非采取精心的措施来对泡沫体隔离进行密封，水的渗入将 使其快速退化。因此，需要一种低温隔离系统，该系统在其寿命期间 非常可靠，并且相对地不敏感于真空的损失。 发明内容形成低温隔离系统的方法包括(A) 提供隔离空间，该隔离空间包括气凝胶，并通过内壁和外壁限定；(B) 对含有气凝胶的隔离空间进行至少一个加压和至少一个减 压，其中加压包括提供可压缩气体到含有气凝胶的隔离空间；以及(C) 将含有气凝胶的隔离空间的至少一个壁冷却到小于190K的温度。如这里使用那样，术语"可压缩气体，，指的是在冷环境下具有显 著低于通过在隔离空间的平均温度下采用理想气体定律所料到的压力 的蒸气压力的气体。通常，这是由从气体到固体进行相变的可压缩气 体而造成的。但是，气凝胶隔离具有极高的比面积，并且在冷却到低 温时能够吸收一定量的气体。
唯一的附图是本发明一个实施例的简化截面图，其中隔离空间通过双壁导管的壁来限定。
具体实施方式
本发明适用于任何双壁结构或容器，例如双壁管道或双壁罐。附 图表示双壁管道或导管的截面，并且将参考附图更加详细地描述本发 明。现在参考附图，隔离空间1是通过双壁导管4的内壁2和外壁3 限定的容积。隔离空间1包括可以是气凝胶合成物形式的气凝胶5，例 如包括与例如聚酯、玻璃纤维、碳纤维、硅石(silica)纤维及其混合 物的纤维毛絮体结合的气凝胶的被覆层(blanket)。最好是隔离空间 的至少75%的容积填充气凝胶或气凝胶合成物。任何适当的气凝胶可用于本发明的实践。本发明实践中的优选气 凝胶是硅石气凝胶。气凝胶可作为单体形成，例如小粒、小球或粉末 形式的颗粒，或者作为结合纤维毛絮体的合成气凝胶被覆层。凝胶或 气凝胶是胶状颗粒的连贯、刚性、连续的三维网络。在没有中和盐的 情况下，凝胶通常在酸性环境下通过胶状颗粒的聚合来形成，以便形 成三维凝胶微型结构。在凝胶干燥时，即液体从其中保存有连贯凝胶 微型结构的空隙中去除时，例如通过超临界干燥，形成低密度凝胶或 气凝胶。用于形成气凝胶的适当方法在美国专利No.3122520中描述。 用于形成气凝胶合成物的适当方法在美国专利No.6670402中描述。气 凝胶最好是金属氧化物气凝胶，特别是硅石气凝胶。气凝胶颗粒可具 有任何适当的密度，最好是大约0.05 g/cm.sup.3到大约0.15 g/cm.sup.3。 气凝胶颗粒还可具有任何适当的表面面积，最好是至少大约200 m.sup.2/g。这里描述的表面面积是按照Brunauer-Emmett-Teller( BET ) 模型根据在0.05-0.25 atm的范围上的五个不同相对压力下吸收的氮的 数量来计算的，参考Gregg, S.J.以及Sing， K.S.W.， "Adsorption, surface Area and Porosity", P.285, Academic Press, New York (1991)。气凝胶颗粒具有非常希望的性能，例如透光性、极低的密度以及 非常低的导热性。气凝胶颗粒可具有任何适当的直径。最好是，大致 所有的气凝胶颗粒的直径是大约0.5 mm或更多(例如大约1 mm或更 多)。更优选的是，大致所有的气凝胶颗粒的直径是大约5mm或更少 (例如大约0.5或1 mm到大约5 mm)。气凝胶可以任何适当的形式 用于本发明的实践。例如，根据应用，气凝胶可通过使其与例如聚酯、玻璃纤维、碳纤维、硅石或石英纤维混合而结合到被覆层内。合成气 凝胶/纤维被覆层接着以一系列层的形式围绕管道紧密包裹。在此构造 中，可以通过交织例如铜或铝的抛光金属的低放射性材料薄片来提供 辐射防护。这种选择的第二优点在于气凝胶可使用现有的机械包裹， 以便施加多层隔离。第二选择是将双壁空间填充颗粒形式的气凝胶。可以得到其尺寸范围从0.5-5.0 mm的多种粉末、颗粒和小球。为了给隔离空间填充颗 粒，通常希望垂直定向管道，使得环形空间从底部向上填充。这确保 没有不利地影响性能的空白空间。多种方法可用来处理粉末。传送气 凝胶的适当方法是使用真空输送机。还可以将气凝胶包装在预成形袋中。每个袋填充气凝胶并通过最 好是二氧化碳的可压缩气体吹扫。袋接着被排气，理想地达到 1000-10000微米之间的范围的压力。在环境压力下，袋的容积减小， 使其容易装入隔离空间。对于例如罐、拖车等大型隔离空间，多个袋 可用来填充隔离空间。对于例如导管的较小隔离空间，袋可预成形为 蛤壳形状，与隔离空间的轮廓相符。如果气凝胶以此方式包装，隔离 空间也应该通过可压缩气体吹扫，并且将被排空到类似于每个袋的内 部压力的压力。适当的袋材料是具有足够低的穿透性的聚合材料，使 得真空在组装过程中得以保持。采用这种系统，需要确保隔离容积中 有足够的部分来填充含有气凝胶的袋，使得在袋膨胀时，没有空白空 间。第三选择是将气凝胶合成被覆层和气凝胶颗粒结合使用。在所有 情况下，可以使用亲水或疏水形式的气凝胶。疏水气凝胶颗粒可被压 缩，而不损失其结构，并且具有低的水含量。亲水气凝胶是不太能够 压缩的，并且具有高的亲水性。此外，亲水气凝胶在纯氧中不能燃烧， 并且因此可以更加适当4吏用。为了密封双壁空间，端部必须被焊接，使得空间被气密密封。不 被焊接高温损坏的高温气凝胶被覆层或玻璃纤维材料应该靠近焊接部 使用。在制造双壁导管时，必须设置使得内管相对于外管进行不同膨 胀的装置。通常这通过供应膨胀波紋管(bellow)来实现。波紋管通常 放置在外套内，这是由于在此情况下波紋管暴露于真空压力而不是加 工压力。这种配置的主要缺陷在于在操作温度下，外套的长度减小，并且必须设计管道支承系统来适应运动。虽然波紋管暴露于环境和机 械损坏下，在失效情况下，其结果局限于真空的损失。可以进行不同 热膨胀的第二方法是使用在内管或外管内使用多个区段的柔性软管。含有气凝胶的隔离空间被吹扫。最好是真空泵开始用来将隔离空间排空到1000- 10000微米Hg范围内的压力，以便去除制造过程在气 凝胶材料中留下的任何湿气或重碳氢化合物。含有气凝胶的隔离空间 接着进行至少一个加压和至少一个减压，其中加压包括在含有气凝胶 的隔离空间内提供例如二氧化碳气体的可压缩气体，即包括至少99.5 克分子百分比的二氧化碳流体。可使用的其它可压缩气体包括N20、 R-134a、氮、氧和氩。加压步骤可高达外壁的压力等级。加压步骤可 以高达一个大气压，或者低至IO微米，但是通常在1000到10000微米 的范围内。最好是，含有气凝胶的隔离空间进行至少两个这样的循环， 并进行高达大约IO个这样的循环。最好是在最后减压之后，隔离空间 的最后压力在1000到10000微米的范围内。含有气凝胶的隔离空间的至少一个壁(最好只是内壁)被冷却到 小于190K的温度。最好是这种冷却通过将例如附图所示的液体6的低 温流体提供到双壁容器来实现。适当的低温液体包括液体氮、液体氧、 液体氩、液化天然气、液体氦和液体氢。在含有气凝胶的隔离空间内 的温度降低时，并且在双壁结构的至少一个壁或内表面冷却到所需温 度时，出现进一步的压力减小。含有气凝胶的隔离空间被冷却，最好 在所需最终压力(通常是l-5微米)下冷却到小于可压缩气体的冰点的 温度。在冷却过程中，含有气凝胶的隔离空间内的温度降低。如果双 壁结构的壁或表面在当前压力下被冷却到可压缩气体的冰点或以下的 温度，例如二氧化碳的可压缩气体将迁徙到内表面并结冰，进一步减 小隔离空间内的压力。气凝胶、被覆层(如果有的话)以及任何吸气 剂将吸收添加到隔离空间的初始容积强度的可压缩和不可压缩气体， 以及消除长时间之后会出现的任何泄漏。在操作过程中，由于经由真空空间内的小毛细管或其它开口的泄 漏、来自于暴露于真空空间的材料的脱气和/或气体经由真空空间壁渗 透，隔离空间内的压力不可避免地升高。传统真空隔开需要l-10微米 范围的真空，从而有效。本发明的气凝胶真空系统在10-10000微米的 范围内保持有效，其中有效性限定为具有小于非真空泡沫类型的隔离的热泄漏。由于气凝胶真空系统的可接受工作压力高于传统真空隔离， 在出现显著的隔离性能损失之前，可以允许显著的泄漏。本发明的重 要方面在于不需要采取精心的措施来确保含有气凝胶隔离空间内的压 力足够低。这造成经济上的优势，这是由于制造设备的成本降低。用于低温液体的存储和输送的不同类型的隔离可方便地划分成五个类别(l)真空；(2)多层隔离；(3)粉末和纤维隔离；(4)泡 沫体隔离；以及(5)特殊目的的隔离。这些总体类别之间的界限不是 明确的。例如，粉末隔离可包括气体或被排气，并且可在后面的情况 下具有类似于真空隔离的性能。但是这种分类方式确实提供了可以讨 论广泛的多种类型的低温隔离的框架。经过这些不同的隔离系统的热传导可通过不同的机构来实现，但 是通常涉及固体传导、气体传导和对流以及辐射。任何隔离系统的目 的在于减小这些不同机构中的总热传导。试验上用来结合所有这些导 热模式，隔离系统的表观导热性提供最佳的措施，由此比较不同类型 的隔离系统。本发明实践中的隔离空间在大于IO微米的压力下具有小 于3mW/mK的表》见导热性。具有用于导管的多种机构，包括内管上的波紋管、外管上的波紋 管以及每个区段端部处的波紋管。柔性导管同样可以得到。气凝胶被 覆层适用于结合到后者中。在某些情况下，会希望结合分子筛材料， 最好尽可能靠近内壁，以便吸收从大气泄漏的不希望的氧和氮，和/或 泄漏到隔离空间的低温流体。气凝胶具有极高的比表面面积，并且在 冷却到低温时能够吸收一定量的例如氮和氧的不希望气体。此外，本 发明可包括确保真空的任何传统措施，例如吸气剂和分子筛，并且还 可包括辐射防护。虽然参考某些优选的实施例来详细描述本发明，本领域的普通技例
权利要求
1.一种形成低温隔离系统的方法，包括(A)提供隔离空间，该隔离空间包括气凝胶，并通过内壁和外壁限定；(B)对含有气凝胶的隔离空间进行至少一个加压和至少一个减压，其中加压包括提供可压缩气体到含有气凝胶的隔离空间；以及(C)将含有气凝胶的隔离空间的至少一个壁冷却到小于190K的温度。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，隔离空间在双壁导管 的内壁和外壁之间。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，隔离空间在双壁罐的 内壁和外壁之间。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，气凝胶是气凝胶被覆 层的形式。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，气凝胶被覆层包括与 纤维毛絮体结合的气凝胶。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，气凝胶是颗粒形式。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，气凝胶以袋的形式提 供到隔离空间内。
8. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，可压缩气体是二氧化碳。
9. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，在含有气凝胶的隔离 空间上进行至少两个加压和减压循环。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，含有气凝胶的隔离 空间通过来自于低温液体的制冷来冷却。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，含有气凝胶的隔离 空间还包括分子筛。
12. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，含有气凝胶的隔离 空间还包括吸气剂。
13. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，含有气凝胶的隔离 空间还包括辐射防护。
14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，气凝胶包括硅石气凝胶。
15. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，隔离空间在冷却之 前具有1000-10000微米范围内的压力。
16. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述加压之前使用真空泵对隔离空间排气。
17. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，隔离空间在大于IO微米的压力下具有小于3mW/mK的表观导热性。
全文摘要
一种用于形成低温隔离系统的方法，其中气凝胶提供给通过内和外壁(2、3)限定并加压和减压的可密封隔离空间(1)。加压通过使用提供给隔离空间(1)的最好是二氧化碳的可压缩气体来实现。可压缩气体冷却，以便通过将至少一个壁(2、3)冷却到小于190K来减压隔离空间，并且通常通过从低温液体施加制冷来冷却到低温。
文档编号F17C3/02GK101405533SQ200780010304
公开日2009年4月8日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月23日
发明者J·H·罗亚尔, N·H·怀特, R·J·吉布, S·A·施维希勒, W·霍布斯 申请人:普莱克斯技术有限公司