本發(fā)明涉及氣體容器，尤其涉及一種浮空器的用于高效分離與回收輕質(zhì)氣體的容器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、輕質(zhì)氣體容器，特別是用于存儲(chǔ)氫氣或氦氣的容器，在現(xiàn)代科技和工業(yè)應(yīng)用中扮演著至關(guān)重要的角色。這些容器不僅可用于浮空器(如氣球和飛艇)，還廣泛應(yīng)用于能源存儲(chǔ)、工業(yè)氣體供應(yīng)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。然而，泄漏問題一直是這些容器面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。泄漏不僅可能導(dǎo)致氣體損失，還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。泄漏的原因多種多樣，包括材料缺陷、制造缺陷、操作不當(dāng)以及環(huán)境因素等。

2、通?？衫眯孤┞蕘矸从齿p質(zhì)氣體容器的泄漏情況，泄漏率通常與多種參數(shù)相關(guān)，包括材料特性、容器結(jié)構(gòu)、溫度、壓力以及氣體分子的大小和速度等。泄漏率的計(jì)算通常基于氣體動(dòng)力學(xué)和材料科學(xué)原理。

3、cn110726067a涉及一種利用雙層儲(chǔ)氣罐進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的雙層儲(chǔ)氣罐的內(nèi)層罐體用于存儲(chǔ)高壓空氣，內(nèi)層罐體與外層罐體之間的夾層空間用以存儲(chǔ)中壓空氣，該中壓空氣的壓力比內(nèi)層高壓空氣低一個(gè)壓力等級(jí)，多個(gè)雙層儲(chǔ)氣罐通過管道相聯(lián)，內(nèi)層罐體的主管路和夾層存儲(chǔ)空間的主管路都與壓縮機(jī)組、膨脹機(jī)組連通，通過調(diào)節(jié)閥控制壓縮、膨脹過程。內(nèi)層罐體放置于支撐導(dǎo)軌上，方便安裝，并使罐體能適應(yīng)運(yùn)行過程中反復(fù)承壓及溫度變化造成的形變和位移。該專利雖然涉及了兩個(gè)不同的壓力等級(jí)，但由于其僅僅著眼于內(nèi)層罐體的壁厚與成本之間的關(guān)系，單純從降低內(nèi)層罐體受壓等級(jí)的角度設(shè)計(jì)了“僅用于承受高壓空氣與中壓空氣的壓力差”的減壁厚的內(nèi)層罐體，核心優(yōu)勢僅在于節(jié)省成本，并未考慮泄漏率的問題。

4、此外，一方面由于對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解存在差異；另一方面由于申請人做出本發(fā)明時(shí)研究了大量文獻(xiàn)和專利，但篇幅所限并未詳細(xì)羅列所有的細(xì)節(jié)與內(nèi)容，然而這絕非本發(fā)明不具備這些現(xiàn)有技術(shù)的特征，相反本發(fā)明已經(jīng)具備現(xiàn)有技術(shù)的所有特征，而且申請人保留在背景技術(shù)中增加相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)之權(quán)利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)公開通過設(shè)置多層相互嵌套的容納空間來進(jìn)行不同壓力氣體儲(chǔ)存的技術(shù)方案。例如，cn112644681a公開了一種海上浮空器，能夠在海上超低空做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，包括高壓氣囊層、中間氣囊層、外層保護(hù)氣囊層、自發(fā)電電源模塊、傳感器模塊、控制模塊以及通信模塊，高壓氣囊層位于海上浮空器的中心，中間氣囊層與外層保護(hù)氣囊層順次套于高壓氣囊層外，高壓氣囊層與中間氣囊層氣囊內(nèi)充有輕質(zhì)氣體，外層保護(hù)氣囊層氣囊內(nèi)充有空氣；自發(fā)電電源模塊，傳感器模塊，控制模塊，通信模塊安裝于中間氣囊層；控制模塊分別與各氣囊層上的充氣閥門可控制地連接，通過調(diào)控充氣閥門啟閉調(diào)節(jié)各氣囊層氣囊內(nèi)輕質(zhì)氣體和/或空氣壓力，從而達(dá)到球體的微重力平衡，實(shí)現(xiàn)海上浮空器上浮-下降循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。然而，該技術(shù)方案中外層保護(hù)氣囊層的設(shè)計(jì)初衷是為了確保輕質(zhì)氣體的密封儲(chǔ)存，以維持其浮空能力，這種設(shè)計(jì)并沒有考慮到氣體泄漏的長期影響和相應(yīng)的解決策略。輕質(zhì)氣體容器的密封性是一個(gè)關(guān)鍵因素，在理想狀態(tài)下，容器應(yīng)該是完全密封的，以防止氣體的任何泄漏，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于材料老化、結(jié)構(gòu)缺陷或外部沖擊等原因，氣體泄漏是難以完全避免的，這種泄漏雖然在初期可能不易察覺，但隨著時(shí)間的推移，泄漏的累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致氣體量顯著減少，從而影響其浮空性能。由于該技術(shù)方案中的外層保護(hù)氣囊層處于密封狀態(tài)且缺乏氣體回收處理措施，其內(nèi)部存儲(chǔ)的氣體(包括泄漏至其內(nèi)部的輕質(zhì)氣體)都將經(jīng)由外層保護(hù)氣囊層的表面泄漏至大氣環(huán)境中，進(jìn)而導(dǎo)致輕質(zhì)氣體的不斷流失，使得輕質(zhì)氣體的儲(chǔ)存效率顯著降低。

2、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之不足，本發(fā)明提供了一種浮空器的用于高效分離與回收輕質(zhì)氣體的容器系統(tǒng)，以解決上述至少部分技術(shù)問題。

3、本發(fā)明公開了一種浮空器的用于高效分離與回收輕質(zhì)氣體的容器系統(tǒng)，其具有能夠充入并保持輕質(zhì)氣體的浮空主體，浮空主體的外壁被配置為具有至少雙層柔性結(jié)構(gòu)，且能夠直接或間接地借助于浮空主體的內(nèi)蒙皮來保持輕質(zhì)氣體。浮空主體在其內(nèi)蒙皮之外設(shè)置的外蒙皮能夠與內(nèi)蒙皮之間形成至少一個(gè)夾層單元，該夾層單元能夠被充入第一介質(zhì)，用以在該浮空主體與外界大氣之間形成旨在降低輕質(zhì)氣體朝向外界大氣的擴(kuò)散速率的至少兩個(gè)壓力梯度。夾層單元內(nèi)的氣體在循環(huán)流動(dòng)的過程能夠被引入回收單元，其中，回收單元用于從夾層單元內(nèi)的第一介質(zhì)與泄漏至夾層單元的輕質(zhì)氣體所構(gòu)成的混合氣體中分離出輕質(zhì)氣體，并將所分離的輕質(zhì)氣體送回用于保持輕質(zhì)氣體的儲(chǔ)氣室內(nèi)。

4、優(yōu)選地，在夾層單元內(nèi)充入的第一介質(zhì)不同于儲(chǔ)氣室所保持的輕質(zhì)氣體，并且在相同氣壓下，該第一介質(zhì)的相變溫度高于該輕質(zhì)氣體的相變溫度。

5、與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明通過雙層柔性蒙皮結(jié)構(gòu)和夾層單元的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)氣體的高效分離與回收?；谏鲜鰠^(qū)別技術(shù)特征，本發(fā)明要解決的問題可以包括：如何在保持輕質(zhì)氣體容器密封性的同時(shí)，有效降低氣體的泄漏率并實(shí)現(xiàn)氣體的循環(huán)利用。具體地，本發(fā)明通過在浮空主體的內(nèi)蒙皮和外蒙皮之間設(shè)置至少一個(gè)夾層單元，并充入第一介質(zhì)，形成壓力梯度，如此設(shè)置顯著降低了輕質(zhì)氣體向外界大氣的擴(kuò)散速率，因?yàn)閴毫μ荻鹊淖兓梢詼p緩氣體分子的擴(kuò)散速度。此外，第一介質(zhì)的相變溫度高于輕質(zhì)氣體，有助于在夾層單元內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的壓力環(huán)境，減少輕質(zhì)氣體的泄漏。這種結(jié)構(gòu)不僅提升了容器的密封性能，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。本發(fā)明通過引入回收單元，可以從夾層單元的混合氣體中分離并回收輕質(zhì)氣體，從而實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)氣體的循環(huán)利用，減少了氣體的損失。這種回收機(jī)制不僅提高了資源的利用效率，而且通過將分離出的輕質(zhì)氣體重新送回浮空主體，減少了因泄漏導(dǎo)致的氣體損失，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的密封性能。

6、根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，浮空主體的內(nèi)蒙皮限定出用于存儲(chǔ)輕質(zhì)氣體的儲(chǔ)氣室，以利用內(nèi)蒙皮作為儲(chǔ)氣室的側(cè)壁，其中，儲(chǔ)氣室內(nèi)設(shè)置有若干并行排布的隔膜，以利用隔膜將儲(chǔ)氣室的內(nèi)部空間分隔成若干艙室。

7、根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，艙室內(nèi)設(shè)置有用于填充有不同于輕質(zhì)氣體的第二介質(zhì)的氣囊，其中，通過調(diào)節(jié)氣囊中第二介質(zhì)的充入量來改變氣囊在相應(yīng)艙室中占據(jù)體積的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)艙室內(nèi)的輕質(zhì)氣體的占據(jù)體積的調(diào)節(jié)，從而改變浮空器的整體密度。

8、與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明通過在儲(chǔ)氣室內(nèi)設(shè)置若干并行排布的隔膜，將儲(chǔ)氣室的內(nèi)部空間分隔成若干艙室，每個(gè)艙室都可以獨(dú)立控制和調(diào)節(jié)，從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性?；谏鲜鰠^(qū)別技術(shù)特征，本發(fā)明要解決的問題可以包括：如何在確保儲(chǔ)氣室整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)氣體的高效儲(chǔ)存和隔離，以及在發(fā)生局部泄漏時(shí)如何快速定位并限制其影響范圍。具體地，本發(fā)明通過將儲(chǔ)氣室分隔成若干艙室，使得每個(gè)艙室可以獨(dú)立進(jìn)行氣體壓力和體積的調(diào)節(jié)控制，從而在發(fā)生泄漏時(shí)可以迅速隔離受影響的艙室，避免影響擴(kuò)散至整個(gè)儲(chǔ)氣系統(tǒng)，降低了單個(gè)艙室泄漏對(duì)整體系統(tǒng)的影響。此外，這種設(shè)計(jì)有助于減少氣體在儲(chǔ)氣室內(nèi)的流動(dòng)，降低了由于流動(dòng)引起的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

9、根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，儲(chǔ)氣室內(nèi)的輕質(zhì)氣體和夾層單元內(nèi)的第一介質(zhì)是在彼此不同的時(shí)間和/或位置充入的，其中，儲(chǔ)氣室內(nèi)的輕質(zhì)氣體和夾層單元內(nèi)的第一介質(zhì)是利用彼此不同的加氣單元和/或壓力調(diào)節(jié)單元來充入的。

10、與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明通過在儲(chǔ)氣室內(nèi)的輕質(zhì)氣體和夾層單元內(nèi)的第一介質(zhì)采用不同的加氣單元和壓力調(diào)節(jié)單元來充入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充入過程的精確控制。基于上述區(qū)別技術(shù)特征，本發(fā)明要解決的問題可以包括：如何在不同艙室之間實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同操作的同時(shí)，保持各自的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。具體地，本發(fā)明通過獨(dú)立控制的策略允許系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)氣室內(nèi)的實(shí)時(shí)需求調(diào)整輕質(zhì)氣體的充入量，以及根據(jù)第一介質(zhì)的特性和夾層單元的工作條件調(diào)整其充入方式。如此設(shè)置可以更精確地控制氣體的充入過程，減少過量充入導(dǎo)致的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。此外，獨(dú)立控制的加氣單元和壓力調(diào)節(jié)單元可以針對(duì)不同艙室的具體情況進(jìn)行優(yōu)化，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。

11、根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，夾層單元通過注壓設(shè)備來獲得艙室內(nèi)的壓力，其中，夾層單元內(nèi)的壓力能夠通過注壓設(shè)備、與注壓設(shè)備相連的通氣管道上的受控閥和/或減壓設(shè)備來進(jìn)行調(diào)整。

12、與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明通過注壓設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的通氣管道上的受控閥及減壓設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了夾層單元內(nèi)壓力的精確調(diào)整?；谏鲜鰠^(qū)別技術(shù)特征，本發(fā)明要解決的問題可以包括：如何在維持氣體壓力穩(wěn)定的同時(shí)，提高系統(tǒng)的安全性和減少氣體的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明通過注壓設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的通氣管道上的受控閥及減壓設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了夾層單元內(nèi)壓力的精確調(diào)整。這種可控性不僅有助于維持氣體在安全的壓力范圍內(nèi)，而且通過動(dòng)態(tài)調(diào)整壓力，可以進(jìn)一步降低氣體泄漏的可能性，確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

13、根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，回收單元的分離回收方式為使混合氣體中相變溫度相對(duì)更高的第一介質(zhì)發(fā)生相態(tài)變化，以使得保持氣態(tài)的輕質(zhì)氣體與轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤鈶B(tài)的第一介質(zhì)發(fā)生分離，從而將分離出的氣態(tài)的輕質(zhì)氣體返回至儲(chǔ)氣室。

14、與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明通過利用第一介質(zhì)的相態(tài)變化實(shí)現(xiàn)氣液分離，進(jìn)一步提高了輕質(zhì)氣體的回收效率?；谏鲜鰠^(qū)別技術(shù)特征，本發(fā)明要解決的問題可以包括：如何有效地分離并回收泄漏至夾層單元內(nèi)的輕質(zhì)氣體。本發(fā)明通過控制回收單元中的環(huán)境條件，利用第一介質(zhì)的相態(tài)變化實(shí)現(xiàn)氣液分離，進(jìn)一步提高了輕質(zhì)氣體的回收效率。由于第一介質(zhì)的相變溫度高于輕質(zhì)氣體，這種設(shè)計(jì)可以在高空低溫環(huán)境中有效地分離出氣態(tài)的輕質(zhì)氣體，減少了輕質(zhì)氣體的損失，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。

15、根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，回收單元包括調(diào)參器、分離器和換熱器，其中，從夾層單元抽出的混合氣體經(jīng)過換熱器后進(jìn)入調(diào)參器進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，進(jìn)而利用分離器將不同相態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行分離，保持氣態(tài)的輕質(zhì)氣體從第一通道流出分離器，轉(zhuǎn)變相態(tài)的第一介質(zhì)從第二通道流出分離器，第一通道和/或第二通道能夠經(jīng)過換熱器，以使得被分離的輕質(zhì)氣體和/或第一介質(zhì)在換熱器內(nèi)與待分離的混合氣體進(jìn)行熱交換。

16、與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明的回收單元能夠通過參數(shù)調(diào)整以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同相態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行分離?；谏鲜鰠^(qū)別技術(shù)特征，本發(fā)明要解決的問題可以包括：如何在分離輕質(zhì)氣體的過程中，實(shí)現(xiàn)不同組分的精確分離并優(yōu)化能源的利用效率。本發(fā)明通過回收單元中的調(diào)參器、分離器和換熱器的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了混合氣體的有效分離和熱交換。這種設(shè)計(jì)不僅提高了分離效率，而且通過熱交換減少了能量損失，優(yōu)化了系統(tǒng)的能源利用，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。

17、根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，夾層單元內(nèi)的第一介質(zhì)來自以下這組成分或由其中之一構(gòu)成：二氧化碳、乙烷、甲烷、氨氣、氯氟烴、氫氯氟烴、氫氟烴、一氧化二氮、二氧化硫和/或氯氣；儲(chǔ)氣室內(nèi)的輕質(zhì)氣體為氦氣或氫氣。

18、本發(fā)明通過選擇合適的第一介質(zhì)，如二氧化碳、乙烷等，這些介質(zhì)的相變溫度高于輕質(zhì)氣體，有助于在夾層單元內(nèi)形成穩(wěn)定的高壓環(huán)境，減少輕質(zhì)氣體的泄漏。同時(shí)，這些介質(zhì)的選擇也考慮了成本、化學(xué)性質(zhì)、環(huán)境友好性等因素，使得系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)保。

19、根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，容器系統(tǒng)設(shè)置有用于對(duì)回收單元、加氣單元和/或壓力調(diào)節(jié)單元進(jìn)行壓力控制的控制單元，其中，控制單元的控制邏輯包括：單個(gè)艙室的壓力控制、多個(gè)艙室的壓力聯(lián)合調(diào)整和/或內(nèi)蒙皮與外蒙皮之間的壓力控制。

20、與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明通過設(shè)置控制單元對(duì)回收單元、加氣單元和壓力調(diào)節(jié)單元進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)艙室壓力的獨(dú)立控制以及多個(gè)艙室壓力的聯(lián)合調(diào)整?；谏鲜鰠^(qū)別技術(shù)特征，本發(fā)明要解決的問題可以包括：如何在保證輕質(zhì)氣體容器系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部壓力的精確控制和調(diào)節(jié)。本發(fā)明通過設(shè)置控制單元對(duì)回收單元、加氣單元和壓力調(diào)節(jié)單元進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)艙室壓力的獨(dú)立控制以及多個(gè)艙室壓力的聯(lián)合調(diào)整。這種智能化的控制邏輯可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整艙室內(nèi)的輕質(zhì)氣體壓力，確保系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下都能維持在最佳運(yùn)行狀態(tài)，降低了泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

21、根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，浮空主體能夠與系泊部通過系留線纜連接，以保持浮空主體在特定區(qū)域。

22、為了長時(shí)間滯空，目前如科學(xué)研究氣球或高空探測氣球這樣的輕于空氣的浮空體采用了多種技術(shù)和策略來延長其滯空時(shí)間，例如以下這些現(xiàn)有技術(shù)：

23、1.高氣密性材料：使用高氣密性的材料，如多層聚酯薄膜或尼龍，這些材料具有極低的氣體滲透率，可以有效減少氦氣通過材料壁的擴(kuò)散損失。

24、2.密封技術(shù)：在氣球的接縫和連接處采用密封技術(shù)，如熱焊接或特殊粘合劑，以確保氣體的緊密封閉。這些密封技術(shù)必須能夠承受高空的極端溫度和壓力變化。

25、3.壓力控制系統(tǒng)：配備有壓力控制系統(tǒng)，包括自動(dòng)閥門和氣囊，以調(diào)節(jié)氣球內(nèi)部的氣體壓力。這有助于維持氣球的形狀和浮力，同時(shí)減少因壓力變化導(dǎo)致的氣體泄漏。

26、4.氣體回收系統(tǒng)：一些浮空體可配備有氣體回收系統(tǒng)，可以在浮空體降落時(shí)回收未使用的氦氣，以便重復(fù)使用。這不僅延長了浮空體的滯空時(shí)間，還提高了氦氣的使用效率。

27、5.定期檢查和維護(hù)：定期對(duì)浮空體進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)任何可能的泄漏點(diǎn)。這包括對(duì)閥門、接縫和其他關(guān)鍵部件的檢查。

28、6.環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)：浮空體的設(shè)計(jì)考慮高空環(huán)境的極端條件，如低溫和強(qiáng)烈的紫外線輻射。使用耐候性強(qiáng)的材料和涂層可以保護(hù)氣球免受環(huán)境損害，從而延長其使用壽命。

29、7.精確的充氣技術(shù)：在充氣過程中，精確控制氦氣的充入量，避免過度充氣導(dǎo)致材料應(yīng)力過大，從而減少潛在的泄漏點(diǎn)。

30、目前，通過這些技術(shù)和策略的綜合應(yīng)用，長時(shí)間滯空的浮空體可以實(shí)現(xiàn)從幾天到數(shù)周的滯空時(shí)間。相比之下，本發(fā)明的浮空器的設(shè)計(jì)允許其在高空長期滯空，滯空時(shí)間可達(dá)到數(shù)月到數(shù)年，甚至十年到幾十年，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高效和可持續(xù)運(yùn)營。