用于-253℃低温环境的双层液氢球罐的制作方法

本实用新型涉及液氢储罐技术领域，尤其涉及一种用于-253℃低温环境的双层液氢球罐。

背景技术：

尽管氢的液化是一项较为成熟的技术，但由于氢具有一些特殊物理性质，如存在焦耳—汤姆逊转变温度、沸点低（20.4k）、液态正—仲自发转化放热等，使得氢的液化成本增高，且液氢的储存及运输都有一定的困难。

液氢储罐主要有球形储罐（球形储罐又称球罐）和圆筒形储罐两种，球形储罐与圆筒形储罐相比，在相同容积和相同压力下，球罐的表面积最小，故球罐所需钢材面积少；在相同直径情况下，球罐壁内应力最小，而且均匀，故球罐的承载能力比圆筒形储罐大一倍，球罐的板厚只需相应圆筒形储罐壁板厚度的一半。目前国内大多数为单壁球罐，而双层球罐技术还不成熟，对于双层球罐的结构还处于探索阶段。

技术实现要素：

本实用新型所需解决的技术问题是：提供一种结构简单、能加注泄排、充气—排气、加热及杂质吸附及对内容器空腔进行吹扫的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐。

为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是：所述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，包括：带空腔的球状的外容器和带空腔的球状的内容器，内容器悬空于外容器的空腔中，且内容器外壁与外容器内壁之间形成真空夹层，在内容器和外容器上设置有若干组用以共同支撑内容器和外容器的支撑结构；在外容器底部间隔开设有与外容器的空腔连通的第一下通孔、第二下通孔、第三下通孔、第四下通孔和第五下通孔，在内容器顶部间隔开设有与内容器的空腔连通的第一上通孔、第二上通孔和第三上通孔，在内容器底部开设有第六下通孔；充气—排气管的底部开口位于外容器外，且充气—排气管的底部开口高度高于外容器顶部高度，充气—排气管的顶部开口密封穿过第一下通孔后沿真空夹层引至内容器顶部、密封穿过第一上通孔后伸入内容器的空腔顶部；液氢加注管的进口位于外容器外，液氢加注管的出口密封穿过第二下通孔后沿真空夹层引至内容器顶部、密封穿过第二上通孔后伸入内容器的空腔顶部；循环氢出口管的进口位于外容器外，循环氢出口管的出口密封穿过第三下通孔后沿真空夹层引至内容器顶部、密封穿过第三上通孔后伸入内容器的空腔顶部；循环氢入口管的出口位于外容器外，循环氢入口管的进口依次密封穿过第四下通孔、第六下通孔后伸入内容器的空腔底部；循环氢入口管的出口与具备加热及吸附功能的低温吸附系统中的吸附管的进口密封连通，在位于外容器外的循环氢入口管上设置有第一阀门，在第一阀门至循环氢入口管的出口之间的循环氢入口管上设置有第一吹扫管，在第一吹扫管上设置有第二阀门；循环氢出口管的进口与具备加热及吸附功能的低温吸附系统中的吸附管的出口密封连通，在位于外容器外的循环氢出口管上设置有第三阀门，在第三阀门至循环氢出口管的进口之间的循环氢出口管上设置有第二吹扫管，在第二吹扫管上设置有第四阀门；抽气管的抽气口位于外容器外，抽气管的进气口密封穿过第五下通孔后伸入真空夹层中。

进一步地，前述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，其中，位于外容器外的充气—排气管、液氢加注管、循环氢出口管、循环氢入口管、抽气管、第一吹扫管和第二吹扫管均为带真空夹层的双管结构。

进一步地，前述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，其中，第一下通孔、第二下通孔、第三下通孔、第四下通孔和第五下通孔均位于外容器的左半球体上，第一上通孔、第二上通孔、第三上通孔和第六下通孔均位于内容器的左半球体上。

进一步地，前述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，其中，在外容器底部间隔开设有与外容器的空腔连通的第一下连接通孔、第二下连接通孔、第三下连接通孔、第四下连接通孔和第五下连接通孔，在内容器顶部开设有与内容器的空腔连通的上连接通孔，在内容器中段由上至下间隔开设有与内容器的空腔连通的第一中部通孔和第二中部通孔，在内容器底部开设有与内容器的空腔连通的下连接通孔；

第一下连接通孔、第二下连接通孔、第三下连接通孔、第四下连接通孔和第五下连接通孔位于外容器的右半球体上，上连接通孔、第一中部通孔、第二中部通孔和下连接通孔位于内容器的右半球体上；

上液位管的底部开口位于外容器外，上液位管的顶端开口密封穿过第一下连接通孔后沿真空夹层引至内容器顶部、密封穿过上连接通孔后伸入内容器的空腔顶部；第一中液位管的底部开口位于外容器外，第一中液位管的顶端开口密封穿过第二下连接通孔后沿真空夹层引至内容器中段、密封穿过第一中部通孔后伸入内容器的空腔中；第二中液位管的底部开口位于外容器外，第二中液位管的顶端开口密封穿过第三下连接通孔后沿真空夹层引至内容器中段、密封穿过第二中部通孔后伸入内容器的空腔中；下连接通孔分别与流体分析管、下液位管连通，流体分析管密封穿过第四下连接通孔后伸出外容器外、与测量仪器连接；下液位管密封穿过第五下连接通孔后伸出外容器外。

进一步地，前述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，其中，位于外容器外的上液位管、第一中液位管、第二中液位管、流体分析管和下液位管均为带真空夹层的双管结构。

进一步地，前述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，其中，位于真空夹层中的流体分析管、下液位管及循环氢入口管均为由一端向另一端左右往复迂回的螺旋状结构。

进一步地，前述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，其中，带液位计的测量柱下端依次密封穿过外容器顶部连接口处的连接部、内容器顶部连接口、内容器底部连接口、外容器底部连接口处的连接部后伸出外容器底部外，且测量柱的轴线与内容器的竖向中心线重叠；在位于内容器的空腔中的测量柱上设置有若干温度传感器。

进一步地，前述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，其中，位于内容器底部连接口处的内容器内壁上固定设置有圆台状支承座，圆台状支承座的上端直径小于圆台状支承座的下端直径，测量柱密封穿插于圆台状支承座的中心通孔中。

进一步地，前述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，其中，外容器底部连接口处的连接部的具体结构为：双管结构的连接管从测量柱底部套入，连接管底部通过下连接固定部密封固定于测量柱底部外壁上，且连接管内壁与测量柱外壁之间形成中空夹层，在连接管上套设有波纹管，波纹管顶部通过上连接固定部密封固定于连接管外壁上，波纹管底部通过外容器连接部密封固定连接于外容器底部连接口上，且波纹管内壁与连接管外壁之间留有间隙。

进一步地，前述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，其中，所述的测量柱为由内管和外管构成的双管结构。

本实用新型的有益效果是：①上述结构简单，能实现加注泄排、充气—排气、加热及杂质吸附、对内容器空腔进行吹扫等需求；②将位于外容器外的充气—排气管、液氢加注管、循环氢出口管、循环氢入口管、抽气管、第一吹扫管、第二吹扫管、上液位管、第一中液位管、第二中液位管、流体分析管和下液位管均设计为带真空夹层的双管结构，起到隔热作用，降低双层液氢球罐的漏热量；③将位于真空夹层中的流体分析管、下液位管及循环氢入口管均设计为由一端向另一端左右往复迂回的螺旋状结构，通过增加距离的方式增加温度梯度，从而降低外界热传导；④外容器底部连接口处的连接部的具体结构设计中通过波纹管的形变，能缓冲大容器由于从常温到低温引起的形变，提高双层液氢球罐的安全稳定使用性能。

附图说明

图1是本实用新型所述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐的结构示意图。

图2是图1的局部放大结构示意图。

图3是图1另一部分的局部放大结构示意图。

图4是图1中外容器底部连接口处的连接部的具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本实用新型所述的技术方案作进一步详细的说明。

实施例一

本实施例中所述的用于-253℃低温环境的双层液氢球罐，包括：带空腔的球状的外容器1和带空腔的球状的内容器2，内容器2悬空于外容器1的空腔中，且内容器2外壁与外容器1内壁之间形成真空夹层100，在内容器2和外容器1上设置有若干组用以共同支撑内容器2和外容器1的支撑结构。在球罐中设置有将内容器2中的液氢引出的加氢管，需要使用球罐中的液氢时，可以通过加氢管引出内容器2中的液氢。

如图2所示，在外容器1的底部间隔开设有与外容器1的空腔连通的第一下通孔65、第二下通孔66、第三下通孔68、第四下通孔69和第五下通孔67，在内容器2的顶部间隔开设有与内容器2的空腔连通的第一上通孔61、第二上通孔62和第三上通孔63，在内容器2的底部开设有第六下通孔64。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，充气—排气管31的底部开口位于外容器1外，且充气—排气管31的底部开口高度高于外容器顶部高度，充气—排气管31的顶部开口密封穿过第一下通孔65后沿真空夹层100引至内容器2的顶部、密封穿过第一上通孔61后伸入内容器2的空腔顶部。充气—排气管31的设置用于保证内容器2中低温介质的安全储存，当内容器2中的压力过大时排放过多的蒸汽，并在特殊条件中，提供充气的功能。在球罐正常使用过程中，充气—排气管31的底部开口处于常闭状态。

液氢加注管32的进口位于外容器1外，液氢加注管32的出口密封穿过第二下通孔66后沿真空夹层100引至内容器2的顶部、密封穿过第二上通孔62后伸入内容器2的空腔顶部。液氢加注管32的设置用于液氢的充装。在球罐充装完毕后，液氢加注管32的进口处于常闭状态。

循环氢出口管33的进口位于外容器1外，循环氢出口管33的出口密封穿过第三下通孔68后沿真空夹层100引至内容器2的顶部、密封穿过第三上通孔63后伸入内容器2的空腔顶部。循环氢入口管35的出口位于外容器1外，循环氢入口管35的进口依次密封穿过第四下通孔69、第六下通孔64后伸入内容器2的空腔底部。循环氢入口管35的出口与具备加热及吸附功能的低温吸附系统361中的吸附管36的进口密封连通，在位于外容器1外的循环氢入口管35上设置有第一阀门41，在第一阀门41至循环氢入口管35的出口之间的循环氢入口管35上设置有第一吹扫管37，在第一吹扫管37上设置有第二阀门42。循环氢出口管33的进口与具备加热及吸附功能的低温吸附系统361中的吸附管36的出口密封连通，在位于外容器1外的循环氢出口管33上设置有第三阀门43，在第三阀门43至循环氢出口管33的进口之间的循环氢出口管33上设置有第二吹扫管38，在第二吹扫管38上设置有第四阀门44。

在球罐正常使用过程中，第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44均处于关闭状态。液氢状态下，液氢中的其他杂质均呈固态状态，杂质过多会存在安全隐患，因而球罐在使用一段时间后，需要打开第一阀门41和第三阀门43，第二阀门42和第四阀门44依然处于关闭状态，此时，沉淀于内容器2的内腔底部的杂质随液氢一同经循环氢入口管35进入低温吸附系统361中，杂质经过吸附管36时被过滤，过滤后的液氢则通过循环氢出口管33进入内容器2的空腔顶部，重新返回至内容器2的空腔中。

对内容器2的空腔进行清扫时，低温吸附系统361不工作，第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44均处于打开状态。往第一吹扫管37中通入氮气，氮气经第一吹扫管37、循环氢入口管35、内容器2的空腔、循环氢出口管33、第二吹扫管38后排出，清扫完毕后通入纯氢置换。

抽气管34的抽气口位于外容器1外，抽气管34的进气口密封穿过第五下通孔67后伸入真空夹层100中。对内容器2和外容器1之间的真空夹层100进行抽真空作业前，使抽气管34的抽气口与抽真空装置连通，启动抽真空装置进行抽真空作业。在球罐正常使用过程中，抽气管34的抽气口处于常闭状态。

如图1和图2所示，本实施例中，位于外容器外的充气—排气管31、液氢加注管32、循环氢出口管33、循环氢入口管35、抽气管34、第一吹扫管37和第二吹扫管38均为带真空夹层的双管结构，真空夹层的双管结构起到隔热作用，降低球罐的漏热量。位于真空夹层100中的循环氢入口管35为由一端向另一端左右往复迂回的螺旋状结构，通过由一端向另一端左右往复迂回的结构增加距离的方式增加温度梯度，从而降低外界热传导。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上进行进一步设计。

如图1和图2所示，本实施例中，第一下通孔65、第二下通孔66、第三下通孔68、第四下通69和第五下通孔67均位于外容器1的左半球体上，第一上通孔61、第二上通孔62、第三上通孔63和第六下通孔64均位于内容器2的左半球体上。

如图1和图2所示，在外容器1的底部间隔开设有与外容器1的空腔连通的第一下连接通孔75、第二下连接通孔76、第三下连接通孔77、第四下连接通孔79和第五下连接通孔78，在内容器2的顶部开设有与内容器2的空腔连通的上连接通孔71，在内容器2的中段由上至下间隔开设有与内容器2的空腔连通的第一中部通孔72和第二中部通孔73，在内容器2的底部开设有与内容器2的空腔连通的下连接通孔74。

第一下连接通孔75、第二下连接通孔76、第三下连接通孔77、第四下连接通孔79和第五下连接通孔78位于外容器1的右半球体上，上连接通孔71、第一中部通孔72、第二中部通孔73和下连接通孔74位于内容器2的右半球体上。

上液位管51的底部开口位于外容器1外，上液位管51的顶端开口密封穿过第一下连接通孔75后沿真空夹层100引至内容器2的顶部、密封穿过上连接通孔71后伸入内容器2的空腔顶部。通过上液位管51可以为内容器2提供上液位的介质，也可以粗略判断内容器2中的液位。上液位管51处于未使用状态时，上液位管51的底部开口处于常闭状态。

第一中液位管52的底部开口位于外容器1外，第一中液位管52的顶端开口密封穿过第二下连接通76孔后沿真空夹层100引至内容器2的中段、密封穿过第一中部通孔72后伸入内容器2的空腔中。通过第一中液位管52可以为内容器2提供中上液位的介质，也可以粗略判断内容器2中的液位。第一中液位管52处于未使用状态时，第一中液位管52的底部开口处于常闭状态。

第二中液位管53的底部开口位于外容器1外，第二中液位管53的顶端开口密封穿过第三下连接通孔77后沿真空夹层100引至内容器2的中段、密封穿过第二中部通孔73后伸入内容器2的空腔中。通过第二中液位管53可以为内容器2提供中下液位的介质，也可以粗略判断内容器2中的液位。第二中液位管53处于未使用状态时，第二中液位管53的底部开口处于常闭状态。

下连接通孔74分别与流体分析管55、下液位管54连通，流体分析管55密封穿过第四下连接通孔79后伸出外容器1外、与测量仪器连接，流体分析管55可以与用于成分检测的测量仪器、用于液氢的正仲氢含量检测的测量仪器连接。下液位管54密封穿过第五下连接通孔78后伸出外容器1外。通过下液位管54可以为内容器2提供下液位的介质，也可以粗略判断内容器2中的液位。下液位管54处于未使用状态时，下液位管54的底部开口处于常闭状态。

本实施例中，位于外容器1外的上液位管51、第一中液位管52、第二中液位管53、流体分析管55和下液位管54均为带真空夹层的双管结构，真空夹层的双管结构起到隔热作用，降低球罐的漏热量。位于真空夹层中的流体分析管、下液位管均为由一端向另一端左右往复迂回的螺旋状结构。通过由一端向另一端左右往复迂回的结构增加距离的方式增加温度梯度，从而降低外界热传导。

实施例三

本实施例是在实施例一或实施例二的基础上进行进一步设计。

如图1和图2所示，本实施例中，带液位计的测量柱4下端依次密封穿过外容器顶部连接口处的连接部42、内容器顶部连接口、内容器底部连接口、外容器底部连接口11处的连接部8后伸出外容器1的底部外，且测量柱4的轴线与内容器2的竖向中心线重叠；在位于内容器2的空腔中的测量柱4上设置有若干温度传感器。各温度传感器通常由上至下成对间隔设置于测量柱4上，以提高各处温度检测的准确性。

如图2所示，本实施例中，位于内容器底部连接口处的内容器内壁上固定设置有圆台状支承座41，圆台状支承座41的上端直径小于圆台状支承座的下端直径，测量柱4密封穿插于圆台状支承座41的中心通孔中。圆台状支承座41能为测量柱4提供支撑作用。本实施例中，所述的测量柱4为由内管401和外管402构成的双管结构。

如图4所示，外容器底部连接口处的连接部8的具体结构为：双管结构的连接管82从测量柱4底部套入，连接管82底部通过下连接固定部81密封固定于测量柱4底部外壁上，且连接管82的内壁与测量柱4的外壁之间形成中空夹层80，在连接管82上套设有波纹管84，波纹管84的顶部通过上连接固定部83密封固定于连接管82的外壁上，波纹管84的底部通过外容器连接部85密封固定连接于外容器底部连接口11上，且波纹管84的内壁与连接管82的外壁之间留有间隙。这里通过波纹管84的形变，能缓冲大容器由于从常温到低温引起的形变，提高球罐的安全稳定使用性能。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例，并非是对本实用新型作任何其他形式的限制，而依据本实用新型的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本实用新型要求保护的范围。

本实用新型的优点是：①上述结构简单，能实现加注泄排、充气—排气、加热及杂质吸附、对内容器2的空腔进行吹扫等需求；②将位于外容器1外的充气—排气管31、液氢加注管32、循环氢出口管33、循环氢入口管35、抽气管34、第一吹扫管37、第二吹扫管38、上液位管51、第一中液位管52、第二中液位管53、流体分析管55和下液位管54均设计为带真空夹层的双管结构，起到隔热作用，降低双层液氢球罐的漏热量；③将位于真空夹层100中的流体分析管55、下液位管54及循环氢入口管35均设计为由一端向另一端左右往复迂回的螺旋状结构，通过增加距离的方式增加温度梯度，从而降低外界热传导；④外容器底部连接口处的连接部8的具体结构设计中通过波纹管84的形变，能缓冲大容器由于从常温到低温引起的形变，提高双层液氢球罐的安全稳定使用性能。