КРИОГЕННЫЙ РЕЗЕРВУАР Российский патент 1995 года по МПК F17C3/00 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к конструкциям резервуаров для хранения криогенных жидкостей, преимущественно кислорода и азота, и способам удаления водорода из вакуумной полости резервуара.

Анализ теплопереноса в экранно-вакуумной теплоизоляции показал, что в панельных конструкциях, используемых в диапазоне 300-77 К, доля теплопереноса по остаточному газу составляет 30-60% и возрастает с увеличением толщины и плотности слоя [1] Здесь основным направлением совершенствования теплоизоляционной конструкции является поиск снижения давления остаточных газов.

Широко известны способы поддержания высокого вакуума в теплоизоляционной полости, заключающиеся в эвакуации остаточных газов с помощью криоконденсационных и криоадсорбционных насосов [2] Эти насосы наиболее распространены в криогенной технике для поддержания вакуума в теплоизоляционных полостях. Однако, криоконденсационные и криоадсорбционные насосы, охлаждаемые криогенной жидкостью с температурой кипения превышающей водородную, не позволяют удалить остаточный водород ввиду ограниченной поглотительной способности адсорбентов при этих температурах, а также невозможности конденсации водорода при этих температурах.

Известен криогенный резервуp, содержащий кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд, закрепленный на кожухе патрубок с фильтром, обращенным в теплоизоляционную полость, расположенный в патрубке химический поглотитель водорода и съемный внешний нагреватель, и способ удаления водорода из вакуумной полости криогенного резервуара путем химической реакции водорода, выделяемого внутренним стенками резервуара, с поглотителем на основе окислов с интерметаллическим диспергированным катализатором, при этом поглотитель перед эксплуатацией резервуара активируют путем нагрева его до температуры 200^оС [3]
Недостатками являются:
необходимость использования электроэнергии и, как следствие, полная зависимость от нее, необходимость в дополнительном электрооборудовании;
относительно низкая надежность устройства при длительной эксплуатации;
пожароопасность.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является криогенный резервуаp, содержащий кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд, закрепленный на кожухе патрубок с фильтром, обращенным в теплоизоляционную полость, расположенный в патрубке химический поглотитель водорода и съемный внешний нагреватель, причем патрубок закреплен снаружи кожуха, фильтр выполнен в виде стакана из пористого высокотеплопроводного газопроницаемого материала, который размещен коаксиально в патрубке с образованием кольцевого зазора для размещения химического поглотителя, а между патрубком и внутренним сосудом перпендикулярно оси патрубка установлен экран, размещенный в теплоизоляционной полости и закрепленный на кожухе [4]
Недостатком данного устройства является низкая скорость удаления водорода, обусловленная тем, что при суточных изменениях температуры очень сильно изменяется поглотительная способность геттера.

Целью изобретения является повышение эффективности работы химического поглотителя в условиях суточных колебаний температур.

Поставленная цель достигается тем, что в криогенном резервуаре, содержащем кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд и патрон, снабженный пористым газопроницаемым фильтром и химическим поглотителем водорода, согласно изобретению, химический патрон снабжен установленными в фильтре сквозными пористыми трубками, выполненными из материала с большим коэффициентом теплоемкости, пространство между которыми и стенками фильтра заполнено химическим поглотителем, фильтр охвачен теплопроводной герметичной оболочкой с образованием вакуумной полости, сообщенной через вакуумный клапан с теплоизоляционной полостью криогенного резервуара, при этом на внутренней поверхности оболочки закреплены термомеханические элементы с возможностью теплового взаимодействия со стенками фильтра, а оболочка посредством теплопередающего элемента, например, тепловой трубы, связана с поглощающим экраном.

Сущность изобретения заключается в обеспечении постоянной поглотительной способности химического поглотителя, соответствующей максимальной суточной температуре, за счет передачи теплового потока от теплопоглощающей панели в периоды максимальной суточной температуры окружающей среды, т.е. окружающей среды к стенкам фильтра, являющегося аккумулятором тепловой энергии, и к геттерному веществу путем автоматического перемещения термомеханических элементов и превращения теплового потока термомеханическими элементами при снижении температуры окружающей среды до заданного минимального значения путем автоматического возвращения термомеханических элементов в исходное положение, в котором между термомеханическими элементами и стенками фильтра обеспечивается зазор.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемое устройство обеспечивает постоянную максимальную скорость удаления водорода из теплоизоляционный полости, соответствующей максимальной суточной температуре окружающей среды. Этот фактор обеспечивает снижение давления в вакуумной полости и уменьшение количества остаточного водорода, что ведет к снижению испаряемости криогенной жидкости. Таким образом, введение термомеханических теплопередающих элементов и использование теплопоглощающего экрана обеспечивает максимальный подвод энергии к геттерному веществу и сохранение ее при снижении температуры окружающей среды. А введение теплового аккумулятора, выполняющего еще и роль фильтра, позволяет обеспечить накопление и сохранение тепловой энергии, необходимой для поддержания рабочей температуры геттерного вещества.

На фиг.1 изображен криогенный резервуаp; на фиг.2 химический патрон.

Кpиогенный резервуар (фиг. 1) состоит из внутреннего сосуда 1, заполненного криогенной жидкостью, кожуха 2, теплоизоляционной полости 3 между ними, вакуумных затворов 4, криоадсорбционных насосов 5, вакуумного вентиля 6, корпуса химического патрона 7, химического поглотителя 8, фильтра 9.

Химический патрон (фиг.2) содержит фильтр 9 из газопроницаемого материала с установленными в нем сквозными пористыми трубами 10, пространство между которыми и стенками фильтра заполнено химическим поглотителем 11.

Фильтр 9 охвачен теплопроводной герметичной оболочкой 12 с образованием вакуумной полости 13, сообщенной через вакуумный клапан 14 с теплоизоляционной полостью криогенного резервуара, при этом на внутренней поверхности оболочки 12, закреплены термомеханические элементы 15 с возможностью теплового взаимодействия со стенками фильтра 9, а оболочка 12 посредством теплопередающего элемента 16, например, тепловой трубы, связана с теплопоглощающим экраном 17. Фильтр 9 закреплен в корпусе химического патрона посредством теплоизолирующих проставок 18 с отверстиями. Устройство работает следующим образом. Пpи нагреве теплопоглощающего экрана 17 инсоляцией тепло от него передается на оболочку 12, на внутренней стенке которой установлены теплопередающие элементы 15, выполнены, например, из материала с памятью формы. При температуре нагрева теплопоглощающего экрана 17 больше рабочей температуры химического поглотителя, теплопередающие элементы 15 распрямляются и вступают в контакт с наружной стенкой пористого фильтра 9, который выполнен из материала с высоким коэффициентом тепловой емкости. Материал фильтра 9 и пористых трубок 10 запасает тепловую энергию для термостатирования химического поглотителя 11. Пpи снижении температуры теплопоглощающего экрана 17 до минимальной рабочей температуры химпоглотителя теплопередающие элементы 15 принимают первоначальную форму. Тем самым, исключается отток тепла от теплового аккумулятора пористого фильтра 8 с пористыми трубками 10. Теплоизолирующие проставки 18 фиксируют фильтр 9 в корпусе химического патрона. Химический поглотитель 11 выполнен порошковым, так как порошковые нераспыляемые геттеры имеют ряд ценных преимуществ перед компактными геттерами: высокую начальную скорость поглощения газов, значительную емкость, меньшие габаритные размеры при сравнимых величинах емкости. Эти преимущества объемных геттеров обусловлены большой развитой поверхностью контакта газа с геттерным материалом. Устройство позволяет повысить эффективность работы геттера при суточных колебаниях температур, повысить межрегламентный период теплоизоляции и насосной группы, снизить количество адсорбента в криосорбционных устройствах резервуара, улучшить эксплуатационные характеристики, создать более глубокий вакуум в теплоизоляционной полости резервуара, что уменьшает потери криопродукта, а следовательно снижает энергетические затраты на его производство.

Сущность изобретения: криогенный резервуар содержит кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд и патрон, снабженный пористым газопроницаемым фильтром и химическим поглотителем водорода. Новым является то, что химический патрон снабжен установленными в фильтре сквозными пористыми трубками, выполненными из материала с большим коэффициентом теплоемкости, пространство между которыми и стенками фильтра заполнено химическим поглотителем, фильтр охвачен теплопроводной герметичной оболочкой с образованием вакуумной полости, сообщенной через вакуумный клапан с теплоизоляционной полостью криогенного резервуара, при этом на внутренней поверхности оболочки закреплены термомеханические элементы с возможностью теплового взаимодействия со стенками фильтра, а оболочка посредством теплопередающего элемента, например, тепловой трубы, связана с теплопоглощающим экраном. 2 ил.

КРИОГЕННЫЙ РЕЗЕРВУАР, содержащий кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд и патрон, снабженный пористым газопроницаемым фильтром и химическим поглотителем водорода, отличающийся тем, что он снабжен теплопоглощающим экраном, химический патром снабжен установленными в фильтре сквозными пористыми трубками, выполненными из материала с большим коэффициентом теплоемкости, пространство между которыми и стенками фильтра заполнено химическим поглотителем, фильтр снабжен и охвачен теплопроводной герметичной оболочкой с образованием вакуумной полости, сообщенной через вакуумный клапан с теплоизоляционной полостью криогенного резервуара, при этом внутренняя поверхность оболочки имеет термомеханические элементы, закрепленные на ней с возможностью теплового взаимодействия со стенками фильтра, а оболочка посредством теплопередающего элемента, например тепловой трубы, связана с теплопоглощающим экраном.