термоизолирующий кожух криогенного устройства

Формула изобретения

1. Термоизолирующий кожух криогенного устройства, включающий внутреннюю стенку и внешнюю стенку и имеющий внутреннее пространство между упомянутыми стенками, полностью или частично заполненное изолирующим материалом, в котором упомянутое внутреннее пространство выполнено с возможностью размещения в нем сорбирующего влагу материала и сорбента, отличающийся тем, что кожух содержит контейнер для размещения сорбирующего влагу материала и сорбента, при этом контейнер разделен пористой перегородкой на внутреннюю зону для размещения сорбента и внешнюю зону для размещения собирающего влагу материала, при этом внешняя зона выполнена сообщающейся с внутренним пространством, содержащим упомянутый изолирующий материал.

2. Кожух по п.1, отличающийся тем, что упомянутая внешняя зона содержит также преобразователь водорода.

3. Кожух по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что преобразователь водорода выбирают из оксидов осмия, иридия, рутения, родия и паладия.

4. Кожух по п.1, отличающийся тем, что упомянутый контейнер представляет собой вертикальный короб с отверстием в своей самой верхней части и плоской перегородкой.

5. Кожух по п.1, отличающийся тем, что контейнер представляет собой тороидальный короб с радиальной или плоской перегородкой.

6. Кожух по п.4 или 5, отличающийся тем, что упомянутая перегородка является горизонтальной.

7. Кожух по п.1, отличающийся тем, что упомянутый контейнер предстваляет собой жесткий, полужесткий или гибкий короб.

8. Кожух по п.1, отличающийся тем, что упомянутый контейнер изготовлен из по существу свободного от воды материала, выбранного из металла или стекла, или керамики, или их комбинаций.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение касается термоизолирующего кожуха, в частности кожуха сосуда Дьюара или иного криогенного устройства, подобного, например, применяемым на трубопроводах для хранения и/или транспортировки низкотемпературных газов, таких как азот, кислород, водород, гелий, аргон и т.д. или других веществ, необходимых для поддержания температуры, отличной от комнатной температуры, обычно пониженной температуры, где изолирующие характеристики у упомянутых кожухов достигаются, как это известно, использованием вакуума и изолирующего материала.

Кожух по данному изобретению представляется исключительно удобным, поскольку его можно привести в рабочее состояние за очень короткое время.

Из практики известно, что для обеспечения надлежащей теплоизоляции у сосудов Дьюара и трубопроводов используют вакуумный кожух. Для обеспечения дополнительной термоизоляции в кожух обычно вводят теплоизолирующий материал, подобный стекловате, органическим пенопластам (например, из полиуретана и смол различного состава), что делается очень часто, представляющий собой так называемую "многослойную" изоляцию. Эта последняя изоляция состоит из чередующихся слоев, изготовленных из органических полимеров (таких как полиолефины), желательно обладающих прошитой структурой, и алюминизированных пластиков, полученных, например, как это известно, нанесением на пластиковую пленку алюминия напылением в вакууме.

Хорошо также известно, что вакуум в упомянутом кожухе характеризуется тенденцией ухудшаться со временем из-за газоотделения внутренних компонентов и даже стенок (а именно, испускания газообразных частиц, подобных CO, N₂, H₂, H₂O, O₂ и т.д.) и из-за существования возможных "течей" (а именно из-за проникновения атмосферного газа). Для поддержания вакуума обычно используют сорбирующий газы материал, помещаемый в кожух и обычно состоящий из цеолитов, молекулярных сит, силикагеля, активировааного углерода (угля) и других сорбирующих материалов, обладающих физической активностью. Эти вещества должны находиться при очень низкой температуре, например при температуре жидкого азота или при более низкой температуре, чтобы обеспечивалась возможность сорбции большей части таких газообразных частиц. Следует сказать, что указанные выше физически сорбирующие материалы не эффективно сорбируют водород. По этой причине уже давно существовала необходимость вводить в кожух, например, оксид палладия, как это предлагается в патенте GB-A-921273. Действительно, оксид палладия превращает водород в воду, что осуществляется по реакции

PdO + H₂ ___ Pd + H₂O.

Вода затем физически сорбируется цеолитами или иными физическими адсорбентами, присутствующими в кожухе.

Первый недостаток, свойственный изолирующим кожухам, сводится к тому, что на подготовку изолирующих кожухов для сосудов Дьюара или трубопроводов, указанных выше, требуется очень длительное время, поскольку активация физических адсорбентов (цеолитов и им подобных веществ) предлагает проведение продолжительной тепловой обработки с откачкой, что даже может продолжаться в течение нескольких дней.

Длительность обработки в основном связана с необходимостью предельно достижимого снижения остаточного количества воды, содержащейся в физических адсорбентах и в изолирующих материалах. Пониженное время может быть достигнуто сильным повышением температуры тепловой обработки системы (например, выше 150-200^oC), однако часто эта обработка не может быть проведена из-за того, что используемые материалы не допускают применения таких температур, или по практическим, или экономическим соображениям.

Второй недостаток связан с физическим характером сорбции, в результате чего взаимодействие носит обратимый характер. По этой причине, например, при освобождении сосуда Дьюара и нагревании его внутренних областей до комнатной температуры сорбированные газы вновь выделяются, создавая тем самым некоторое давление в кожухе. Следовательно, при заполнении внутренней области сосуда (сосуда Дьюара или трубопровода), уже нагревшегося до комнатной температуры, будет происходить сильное кипение, сопровождающееся потерей газа из-за ухудшения изоляционных условий. На восстановление условий требуется некоторое время, чтобы цеолиты охлаждались до низкой температуры и снова сорбировали газы. Такая проблема, известная как "выкипание" или вскипание, является серьезной проблемой, особенно в случае ожиженных газов, подобных H₂ и He, которые являются сравнительно дорогими и которые обладают низкой теплотой испарения. Следует также подчеркнуть тот факт, что немногие известные материалы, используемые до настоящего времени, обладают способностью взаимодействовать с ожиженным газом, с которым они могут случайно войти в контакт, когда в сосуде образуется течь, например, из-за появления трещины. Оксид палладия PdO не может быть использован с ожиженным водородом из-за возможности взрыва при разрушении внутренней стенки. Аналогичное справедливо в случае использования жидкого O₂ в условиях применения активированного углерода (угля).

Было предложено (C. Boffito et al. J. Vac. Sci. Technol. А5 (6), 3442 (1987)) использовать сорбирующий материал, основанный на сплаве Zr-V-Fe, раскрытом в патенте GB-A-2043691. Использованием этого материала можно действительно снять несколько обрисованных выше проблем, поскольку он химически сорбирует различные газы, ответственные за ухудшение вакуума, и особенно водород.

В технологическом цикле изготовления изолирующий материал, однако, сильно выделяет воду, которая может значительно снижать эффективность сорбции в отношении всех других газообразных частиц, что остается справедливым на протяжении всего срока службы устройства.

В патенте US-A-3144469 предлагается использовать в сочетании как адсорбирующий материал, так и сорбирующий материал и предлагается использовать барий желательно в виде мелкодисперсного порошка в качестве наилучшего сорбирующего материала. Адсорбирующим материалом может быть силикагель или, что более желательно, цеолитовые молекулярные сита. Однако при использовании этой комбинации не устраняется отмеченный выше недостаток, связанный с адсорбцией воды, носящий обратимый характер с повышением температуры.

В справочном руководстве (H.F. Mark et al. Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3 rd Edition, Vol. 8, pages 114-120) приведен перечень адсорбирующих материалов, обнаруживающих способность либо физически (обратимо), либо химически (необратимо) адсорбировать воду.

Следовательно, первая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы иметь кожух, позволяющий сократить время, необходимое для откачки и достижения состояния готовности у изолирующего кожуха сосуда Дьюара или иного низкотемпературного устройства типа используемого для хранения и/или транспортировки ожиженных газов.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы иметь устройство, свободное от недостатка, связанного с упомянутым выше "выкипанием" при заполнении сосуда ожиженными газами после того, как из сосуда было удалено содержимое и он снова принял комнатную температуру.

Дальнейшая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы позволить устранить опасность, связанную с использованием некоторых материалов для поддержания вакуума, в частности оксида палладия и активированного углерода (угля). Эти материалы действительно могут взаимодействовать со взрывом с водородом и кислородом соответственно, если в ожиженном виде присутствует любой из двух газов, находясь внутри изолированного сосуда, и если такой сосуд оказался разрушенным.

И еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить получение изолированного устройства (сосуда Дьюара или трубопровода) с эффективной химической откачкой нежелательных газов на протяжении всего срока службы устройства.

Эти цели могут быть достигнуты приведением в состояние готовности теплоизолирующего кожуха, в частности кожуха сосуда Дьюара или иного низкотемпературного устройства, имеющего внутреннюю стенку и внешнюю стенку и внутреннее пространство между упомянутыми стенками, частично или полностью заполненное изолирующим материалом, у которого упомянутое внутреннее пространство содержит также материал, сорбирующий влагу и сорбирующий материал, отличающийся тем, что упомянутый материал, сорбирующий влагу, представляет собой химически осушающее вещество, желательно выбранное из сорбирующих материалов, характеризующихся давлением паров воды менее 1 Па, в частности из оксида бария, оксида стронция, пентоксида фосфора и их смесей.

Когда жидкий водород не присутствует внутри и снаружи кожуха, который должен быть подвергнут откачке, упомянутое внутреннее пространство может также с успехом содержать преобразователь водорода, подобный, например, оксидам немногих благородных металлов (палладия, иридия, осмия, родия, рутения), причем наиболее предпочтительным преобразователем водорода является оксид палладия (PdO).

Предпочтительный, весьма эффективный вариант приведения термоизолирующего кожуха в состояние готовности включает в себя следующие, последовательно осуществляемые этапы:

a) внутреннее пространство кожуха сначала подвергают откачке до давления менее 100 Па посредством вакуумного насоса;

b) внутреннее пространство одновременно подвергают воздействию упомянутого химического осушающего вещества и, что не является обязательным, преобразователя водорода (при отсутствии жидкого водорода внутри или снаружи кожуха), тогда как сорбент удерживают в неактивированной форме;

c) внутреннее пространство далее подвергают откачке до давления менее 5 Па посредством вакуумного насоса;

d) сорбент активируют,

e) кожух изолируют от насоса, герметизируя соединение между насосом и внутренним пространством кожуха.

Откачка по п. a) может при желании не производиться при проведении операции по п. b), и при проведении операций по пп. a) и b) внутренняя стенка сосуда Дьюара или иного низкотемпературного устройства может поддерживаться в нагретом состоянии при температуре, не превышающей 150^oC и желательно 120^oC, что способствует удалению воды из изолирующего материала.

Операция по п. b) обычно продолжается не более 48 ч и желательно от 2 до 48 ч вместо нескольких дней, требовавшихся в прошлом.

Кроме того, химическое осушающее вещество и сорбент желательно помещать в отдельные зоны в противоположность тому, что делается в случае прежнего уровня техники, против внешней стенки сосуда Дьюара или иного низкотемпературного устройства.

Что касается упомянутого сорбента, то он может состоять из сплавов, которые могут быть активированы при относительно низкой температуре и которые являются подобными сплавам, основанным на барии и/или цирконии и желательно на сплавах Ba-Li, как они раскрыты в Европейской патентной заявке N 92830186, выданной на имя того же заявителя, в частности на сплаве с примерной формулой BaLi₄.

Говоря точнее, настоящее изобретение позволяет подвергать откачке и приводить в состояние готовности теплоизолирующий кожух низкотемпературного устройства (сосуда Дьюара, трубопроводов для транспортировки и хранения и т. д. ) для хранения и/или транспортировки вещества, которое должно находиться при температуре, отличной от комнатной температуры, в частности при пониженной температуре. Оно позволяет сорбировать газы, образующиеся при реализации этого способа, и в течение последующего срока службы низкотемпературного устройства, что достигается совместным действием некоторого (химического) адсорбирующего воду вещества, преимущественно используемого на первых стадиях способа (с откачкой воды в момент ее выделения in situ, чем ускоряется рассматриваемый способ) наряду с воздействием сорбента, активируемого только на последующей стадии, на которой действие преимущественно сводится к химической сорбции других газов, отличных от воды, подобных, например, O₂, N₂, CO, H₂ и т.д.

Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение поперечного сечения обычно используемого металлического сосуда Дьюара для хранения ожиженных газов, имеющего изолирующий кожух, соответствующий изобретению; фиг. 2 представляет собой график с результатами испытаний, проведенных на упомянутом сосуде Дьюара, показанном на фиг. 1; фиг. 3 изображает предпочтительное расположение осушающего вещества и сорбента в вакуумном кожухе; фиг. 4 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения обычно используемой металлической трубы для транспортировки ожиженных газов с изоляционным кожухом, откаченным согласно изобретению; фиг. 5 изображает график с результатами испытаний, проведенных на металлической трубе, показанной на фиг. 4.

Работа устройства, отвечающего изобретению, описывается со ссылкой на сосуд, подобный сосуду Дьюара, показанному на фиг. 1.

Как известно, сосуд Дьюара 1 состоит из внутреннего контейнера или сосуда 2, желательно изготовленного из металла, например из стали, составляющего внутренний объем или полезное пространство 3, пригодное для хранения ожиженного газа, который может сообщаться с окружающим пространством посредством "шейки" 6, закрытой, но не герметизированной. Внешняя стенка, или оболочка 4 составляет наряду с внутренней стенкой 2 кожух 5, частично заполненный, по крайней мере, в области, окружающей внутреннюю стенку 2, изолирующим материалом 9 желательно "многослойного" типа, о чем говорили выше. Кожух 5 может сообщаться с внешней откачной системой (не показанной на фигурах) посредством соединительного патрубка 8 и клапана 7 для отключения или приостановления действия насоса.

Согласно настоящему изобретению в кожух 5 вводятся химический поглотитель влаги 10 и сорбирующий материал 11 (и при желании в некоторых случаях, отмеченных выше, вводится преобразователь водорода), находящиеся в раздельных зонах против внешней стенки 4 в противоположность тому, что делается в случае существующего уровня техники, где сорбирующий материал должен располагаться против внутренней стенки, находящейся при пониженной температуре. Тогда на первой стадии откачки кожух 5 начнет откачиваться через трубку 8, что будет продолжаться до достижения давления 100 Па или более низкого давления и на что потребуется всего лишь несколько минут. Клапан 7 затем перекрывают, изолируя тем самым стенку сосуда от откачного устройства, и материал 10, сорбирующий воду, осуществляет в течение времени от 2 до 48 ч избирательную откачку паров воды, выделяющихся из изолирующего материала 9.

На этой стадии клапан 7 может находиться в открытом состоянии на протяжении всего упомянутого времени индукции. В таком случае, однако, осушающий материал 10 всегда сорбирует большую часть паров воды, поскольку действие насоса ограничивается пропускной способностью соединительного патрубка 8. Опять-таки, на этой стадии сорбции паров воды (с какой-либо откачкой наружу или без нее) внутренняя стенка 2 может подвергаться нагреванию до температуры, не превышающей 150^oC, например, путем подачи в пространство 3 горячего воздуха или горячей воды, чем обеспечивается ускорение удаления паров воды из изолирующего материала 9, в частности, из самых нижних слоев, находящихся у стенки 2, что достигается в большей мере, чем у других слоев.

По истечение времени индукции откачку вновь продолжают, если она ранее была приостановлена, вновь открывая клапан 7, и понижают давление до 5 Па или ниже. В этот момент активируют сорбент 11, например, посредством использования тепловыделяющего устройства, расположенного снаружи там, где внутри находится названный сорбент. Нагревание может быть просто произведено использованием пламени, воздушного пистолета с горячим воздухом, джоулева тепла или других аналогичных средств. Температура, которая должна быть достигнута, зависит от вида сорбента, выбранного для использования. Предпочтение следует отдавать сорбентам, которые могут быть активированы при низких или очень низких температурах; ими могут быть сорбенты, подобные сплавам Ba-Li, раскрытым в Европейской патентной заявке N 92830186, которые помещены в емкость с терморазрушаемой оболочкой согласно Европейской патентной заявке N 92830185, также выданной на имя того же заявителя. Сорбирующие материалы этого типа не требуют нагревания до температур, превышающих 120^oC, чтобы происходила активация.

В конечном итоге на последней стадии кожух 5 окончательно изолирует от внешней системы, перекрывая клапан 7, отделяя насос и производя герметизацию (например, посредством образования "перетяжки") в месте нахождения патрубка 8.

Тот же самый сорбент работает много лучше, если сорбированный газ не содержит воду. Именно по этой причине предлагается приводить газы сначала в контакт с сильным сужающим веществом, таким как BaO (и, что не является обязательным, с преобразователем водорода), а затем в другой зоне с сорбентом, например с BaLi₄.

Рассмотрим более подробно вариант осуществления, показанный на фиг. 3; упомянутое химическое осушающее вещество 10 и упомянутый сорбент 11 могут быть расположены в контейнере 12, разделенном на внутреннюю и внешнюю зоны пористой перегородкой 13, в котором внутренняя зона 14 содержит сорбент, внешняя зона 14 содержит сорбент, внешняя зона 15 сообщается с пространством, содержащим изолирующий материал 9, и содержит химическое осушающее вещество 10, которое препятствует прохождению водяных паров через перегородку и к сорбенту 11.

Контейнер 12 может представлять собой вертикальный короб с отверстием в верхней части и плоской (например, горизонтальной) перегородкой или представлять собой тороидальный короб, охватывающий, например, внутренний сосуд Дьюара или низкотемпературный трубопровод с радиальной или плоской (например, горизонтальной) перегородкой.

Рассматриваемый контейнер может быть также жестким, полужестким или гибким со стенками, преимущественно изготовленными из свободного от воды материала, желательно из металла, стекла, керамики или из их сочетаний. Контейнер может быть тороидальной формы, но он в поперечном сечении может быть и иной формы, например круглой, квадратной, прямоугольной, треугольной, эллиптической, овальной, долевидной формы и схожей конфигурации.

Следующие примеры приводятся с целью иллюстрации, и они никоим образом не ограничивают рамки изобретения.

Пример 1 (сравнительный).

Этот пример приводится с целью охарактеризовать поведение сосуда Дьюара, подобного представленному на фиг. 1, с вакуумной рубашкой, изготовленной без использования способа, отвечающего настоящему изобретению.

Упомянутый вакуумный кожух, имеющий объем 36 л и содержащий 500 г многослойного изолирующего материала, состоящего из полиолефиновых лент, чередующихся с алюминизированными полиэфирными лентами (ленты с торговым названием "милар"), был соединен с внешним вакуумным насосом вращательного или турбомолекулярного типа, посредством которого откачку производили в течение 5 ч. Затем сосуд Дьюара изолировали, и в зависимости от времени регистрировали повышение давления.

Результаты этих опытов представлены линией 1 на фиг. 2. Линией 2, наоборот, показан рост давления, вызванный простым проникновением воздуха в кожух через течи, имеющиеся в сосуде Дьюара; натекание составляет 610^-7 (Пам³)/с, что установлено по результатам измерений, проведенных на масс-спектрометре. Испытуемое устройство является вполне приемлемым, являясь типичным для обычно используемых на практике устройств; однако, чтобы опыты можно было проводить ускоренно, была сделана воздушная течь, о которой говорили выше, по размерам, по крайней мере, в 5000 раз превышающая размеры течи, считающейся допустимой при подобных применениях (обычно размером порядка 110^-10 (Пам³)/с). Тем самым оказалось возможным воспроизводить за короткое время эффекты, обусловленные длительным натеканием. Различие между линией 1 и линией 2 состоит в природе газов, в основном по воде, выделяющихся при дегазации внутреннего изолирующего материала.

Пример 2.

Опыт, отвечающий примеру 1, повторяли, вводя при этом в зоны вакуумного кожуха, соответствующие осушающему веществу 10 и сорбенту 11, соответственно 10 г BaO и 10 г сплава BaLi₄, отвечающего Европейской патентной заявке N 92830186 и взятого в виде гранул (небольших таблеток), внесенных в терморазрушаемые контейнеры (сосуды), как это описано в Европейской патентной заявке N 92830185.

Вакуумный кожух присоединяли к внешнему насосу и подвергали короткой откачке в течение 10 мин. Затем систему отключали от насосов, перекрывая клапан 7. При таких условиях индукционное время составляло 24 ч, после чего наступала вторая стадия (новая откачка системы) с открыванием клапана 7; при этом одновременно активировали сорбент, нагревая его до 120^oC посредством нагревательного устройства, расположенного снаружи относительно внутреннего местонахождения рассматриваемого сорбента, для чего использовали пистолет со струей горячего воздуха. Время активации составляло 25 мин, после этого систему изолировали и начинали регистрировать изменение давления в зависимости от времени. Результаты, полученные при проведении этих опытов, показаны линией 3 на фиг. 2.

Пример 3.

Этот пример дается с целью охарактеризовать поведение трубы из нержавеющей стали, используемой для транспортировки жидкого азота, как это показано на фиг. 4, и изолированной применением вакуумного кожуха, подвергнутого откачке по способу, отвечающему настоящему изобретению.

Упомянутый вакуумный кожух объемом 20 л содержит примерно 500 г многослойного изоляционного материала, состоящего из полиолефиновых лент, чередующихся с алюминизированными полиэфирными лентами (с торговым названием "милар"), обернутого вокруг внутренней трубы.

В кожухе содержались также следующие материалы:

10 г сплава BaLi₄ согласно Европейской патентной заявке N 92830186 в виде гранул (небольших таблеток), находящихся в терморазрушаемом контейнере 17, как это предлагается делать в Европейской патентной заявке N 92830185, который помещен в сорбционное отделение 16;

20 г BaO (18), свободно распределенного в кожухе, и

0,75 г гранул PdO с оберткой в виде пористого металлического кармана 19, закрепленного на стенке сорбционного отделения 16.

Вакуумный кожух посредством клапана 20 присоединяли к внешней откачной системе, состоящей из диффузионного и вращательного насоса и проверяли на герметичность посредством течеискателя с чувствительностью 510^-12 (Пам³)/с.

Откачку затем продолжали в течение 15 ч, обдувая внутреннюю трубу горячим воздухом с температурой 100-120^oC, чем способствовали дегазации многослойного изолирующего материала, и, наконец, сорбционное отделение 16 нагревали при 120^oC, используя внешний ленточный нагреватель, чем вызывали активации сорбента.

После проведения активации в течение 30 мин кожух изолировали от откачной системы и регистрировали временное изменение давления.

Результаты этих опытов нанесены на график фиг. 5.

Из сравнения линий 1 и 3 на фиг. 2 можно видеть, что применяя способ, отвечающий изобретению, можно существенно понизить скорость роста давления в криогенном устройстве после его герметизации. Из нескольких проверочных опытов, проведенных с использованием масс-спектрометра, следует, что совместным использованием двух материалов, а именно осушающего вещества и сорбента, можно не только количественно сорбировать воду, выделяющуюся из изолирующего материала, но и нейтрализовать действие течей, существующих в приборе. Следует далее заметить, что опыты проводили в форсированном режиме, а именно при более жестких условиях с натеканием атмосферных газов, более сильном в сравнении с имеющим место на практике. Следовательно, ускоренное тестирование продолжительностью 360 ч (15 сут) является эквивалентным длительности фактической работы, равной, по крайней мере, 20 г.

В случае криогенного устройства, у которого скорость натекания является существенно более низкой и обычно составляет менее 110^-10 (Пам³)/с, откачка, осуществляемая сорбирующими материалами, ведет к заметному понижению давления после герметизации кожуха, как это показано линией на фиг. 5.

Совершенно ясно, что специалистами, работающими в этой области техники, могут быть внесены все возможные дополнения и/или изменения в описанные выше рабочие условия и конструкцию, что не сопровождается выходом за рамки и идею изобретения.