引言

        随着科技进步与经济发展，低温液体，如：液氢、LNG、液氮等，在航空航天、新能源及机械制造等诸多领域得到了广泛的应用。尤其对于被视为21世纪最具发展潜力的氢能源的研究在近几十年获得了迅速发展，有望成为能源使用的终极形式。而这些低温液体的生产、贮存、运输都离不开具有优良保冷绝热性能的低温储罐。低温储罐的热泄露不仅会导致低温液体存储时间变短，经济性差；而且还增加了由于泄露及储罐内压力增加而导致的安全隐患。因此，研制减少漏热量的创新结构是提高低温储罐经济性、安全性的重要手段，也是低温液体能否进一步扩大其应用范围的关键。

1 常见低温液体储罐结构及其漏热

        由于低温液体的沸点很低，低温液体的温度与外界的温度存在巨大的温差，稍有热量从外界渗入容器，即可造成低温液体的快速沸腾而损失。因此，对低温液体储罐的绝热要求较高。日蒸发率是衡量低温液体储罐重要的竞争性指标，一般其随着储罐的尺寸增大而减小。根据相关文献，对于大型液氢储罐，如美国著名的土星-5运载火箭的地面贮罐容积为3500m3，液氢日蒸发率0.756%；而对于小型低温液体储罐，如通过试验确定的某200L进口品牌LNG储罐的日蒸发率为1.3%。[1]

低温液体储罐多设计成高真空多层绝热结构，主要由内胆、绝热保冷层、外壳、支撑结构、操作管路系统等部分组成。系统的热泄露一般可分为3个部分，即通过绝热层的漏热、沿热桥的漏热（支撑件、悬挂件等）及沿导线的漏热。本文仅讨论支撑系统的漏热。支撑结构主要指内胆和外壳之间的支撑，一般采用导热系数低的材料，同时减少支撑截面面积、增大支撑有效绝热长度。但是，这部分结构依然是主要的热泄露途径，随着日蒸发率的提升，该部分的漏热量越发突出，往往超过总热泄露量的 30% 。[2-3]

2 高温超导磁悬浮技术及其应用

        当高温超导体（HTS）处于外磁场中时，其内部将产生一个较大的屏蔽电流而实现悬浮，同时其钉扎能力使得部分穿过超导体的磁力线被束缚在钉扎中心而实现横向稳定。因此，高温超导磁悬浮是自稳定的悬浮系统。由于磁能积远远高于现行永久磁体钕铁硼，且具有很高的磁通捕获能力，HTS 块材特别适合磁悬浮应用。[4-5]

近年来，随着制备工艺逐渐成熟及相关试验的逐步开展，超导材料已从研究阶段向应用发展阶段转变。高温超导体的抗磁性和自稳定性使得其在轴承、飞轮储能系统、运输系统、高精度陀螺仪等领域得到了广泛的实际应用。目前高温超导材料中应用最为广泛的是钇系（YBCO）、铋系（BSCCO）和二硼化镁（MgB2）。[6]

3 内胆悬浮的低温液体储罐设计

本文提出一种利用低温液体本身所具有的低温环境，采用高温超导磁悬浮的非接触自稳定支撑系统代替传统的机械支撑，从而实现内胆悬浮的低温液体储罐设计方案，以减少热桥导致的热传导漏热，提高低温液体的存储时间并降低由于内压升高、泄露而导致的安全隐患。

图1 内胆悬浮的低温液体储罐结构示意图

        如图1所示，与传统的低温液体储罐相比，本设计方案的内胆2采用不导磁材料，其下部及上部的个别位置布置有若干离散的超导体3，超导体与内胆具有良好的热接触。在外胆1的内壁上，和超导体对应位置，布置有永磁体4。永磁体与超导体形成超导磁悬浮单元。

按照超导体与永磁体的排放结构可组成轴对称系统和平移系统。[7-8]为减少因温度梯度而导致的结构载荷，超导磁悬浮单元的总体布置上采用轴对称场和平移对称场组合方式，从而使内胆形成简支。

        此外，本设计方案中还设有实现内、外胆之间刚性接触和磁悬浮状态转化机构，以满足冷、热罐状态的使用要求。该机构由安装于外胆的斜楔6，安装于内胆的拉杆5，以及同内胆及拉杆铰接的杠杆7组成，杠杆上设有滚轮8用于同斜楔刚性接触。该机构在高度方向应高于下部的超导磁悬浮单元。

预冷至一定温度的低温液体储罐充装与罐体温度仍然具有一定温差的低温液体时，当液面达到下部超导体时，下部超导体由内胆直接传导冷却，达到超导温度，超导体进入超导态。随着液面升高，内胆下部出现进一步整体的收缩变形，由于内胆与拉杆具有不同的热膨胀系数且存在温差，二者存在纵向相对变形，该相对变形经杠杆放大后驱动滚轮抬起，与斜楔分开，内胆下落，由于重力与超导磁浮单元产生的磁力平衡，使内胆悬浮起来。当液面到达上部个别超导体后，其相应进入超导态，当内胆处于理想位置时，上部超导体无电磁感应力，只有当内胆偏离时，才产生电磁力，以提高内胆稳定性。当出现热罐时，内胆与拉杆的纵向相对变形减小，滚轮与斜楔接触，实现对内胆的刚性支撑作用。

5 结论