CN103196035B - 高压气体容器的热自我保护的无源关闭装置 - Google Patents

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Abstract

高压气体容器可能具有对压缩气体温度的敏感性。具体地，过热状况可能引起降低耐用性和/或容器损坏，包括气体泄漏到环境。提供使用无源装置进行过热保护的制造物品、方法和系统。无源关闭装置不需要电功率，且不需要控制器、传感器或布线。与其它系统相比，这提供成本节省。使用无源关闭装置的压力容器可以自我保护，与压缩气体燃料站配置无关。

Description

高压气体容器的热自我保护的无源关闭装置
技术领域
本技术涉及压力容器，包括在压力容器装填期间响应于温度的无源关闭装置。
背景技术
该部分提供与本发明有关的背景信息，而不必构成现有技术。
各种高压容器可以被划分为四种类型：类型Ⅰ容器具有全金属结构；类型Ⅱ具有金属衬里结构，带有玻璃纤维箍包覆；类型Ⅲ具有金属衬里结构，带有复合全包覆；以及类型Ⅳ具有塑料衬里结构，带有复合全包覆。这种高压容器可以用于容纳压缩气体，例如压缩氢气，且可以提供所需机械稳定性和整体性，以防止压力容器的破裂或爆炸。用于车辆中的压力容器还可以使用轻质材料制造，因为轻质材料不会显著地影响车辆的重量要求。在某些情况下，类型Ⅳ压力容器可以用于存储用作车辆燃料的压缩或液化氢气。
如由Immel在通过参考全文引入的美国专利No. 6,742,554中所述，设想用于存储氢气的类型Ⅳ压力容器通常为圆柱形形状，以提供所需整体性，且包括在其中限定容器腔室的外部结构壁和内部衬里。外部壁和衬里的组合可以以轻质和成本有效的方式提供结构整体性、压力安全壳和气密性。
这种压力容器可以包括适配器，所述适配器提供用于气体的入口和出口开口。适配器可以容纳各种阀、压力调节器、管道连接器、过流限制器等。这些部件允许压力容器用压缩气体装填且允许压缩气体从压力容器以环境压力或接近环境压力或者较高压力排放，且作为燃料源输送；例如燃料电池发电站。适配器可以由钢制成，以提供用于存储压缩气体的结构强度。合适的粘合剂、密封环或类似物可以使用，以便以气密的方式将衬里从适配器密封，且将适配器紧固到容器的外部壁。
高压气体容器可能对温度敏感，包括所容纳气体的温度。例如，某些温度状况可能引起耐用性降低。
发明内容
本技术包括可以在用压缩气体装填期间保护压力容器的系统、方法和制造物品。
提供一种热响应元件，包括套筒和位于壳体内的活塞。所述套筒包括第一开口和第二开口。所述活塞包括离开第一开口的第一端部、离开第二开口的第二端部、以及将壳体内的热响应材料（例如，蜡）从壳体内的空间隔离的构件。所述热响应材料在阈值温度下膨胀，以将所述构件朝向所述空间推动，从而将活塞的第一端部从套筒伸出，同时第二端部朝向套筒退回。
提供一种无源关闭装置，包括主体和本文所述的热响应元件。所述主体包括与通道流体连通的孔。所述孔从主体的外部延伸到所述通道，且包括在孔和通道之间的座。所述通道延伸到主体的外部。活塞的第一端部设置在主体中，且配置成与所述座接合以将所述孔从所述通道密封。
提供一种压力容器，包括罐和本文所述的无源关闭装置。所述罐包括内部、外部和开口。所述无源关闭装置联接到所述开口。所述无源关闭装置的孔与罐的外部流体连通，所述无源关闭装置的通道与罐的内部流体连通。
提供一种系统，包括：本文所述的压力容器；用于装填压力容器的贮存器，所述贮存器流体地联接到压力容器；以及流体地联接到压力容器的发电站。所述发电站可以包括燃料电池，燃料电池可以容纳压缩氢气。
提供一种在装填期间热保护压力容器的方法，包括用压缩气体装填本文所述的压力容器。所述压力容器可以包括由聚合物构成的内层，压缩气体可以包括氢气。
方案1. 一种热响应元件，包括：
套筒，所述套筒包括第一开口和第二开口；和
位于套筒内的活塞，所述活塞包括离开第一开口的第一端部、离开第二开口的第二端部、以及将套筒内的热响应材料从套筒内的空间隔离的构件，其中，所述热响应材料在阈值温度下膨胀，以将所述构件朝向所述空间推动，且将活塞的第一端部从套筒伸出，同时第二端部朝向套筒退回。
方案2. 根据方案1所述的热响应材料元件，其中，所述套筒的形状是大致圆柱形。
方案3. 根据方案2所述的热响应材料元件，其中，所述活塞是大致圆柱形且与套筒同轴。
方案4. 根据方案1所述的热响应材料元件，其中，所述构件包括项圈。
方案5. 一种无源关闭装置，包括：
主体，所述主体包括与通道流体连通的孔，所述孔从主体的外部延伸到所述通道，所述孔包括在孔和通道之间的座，所述通道延伸到主体的外部；和
联接到所述主体的热响应元件，所述热响应元件包括：
套筒，所述套筒包括第一开口和第二开口；和
位于套筒内的活塞，所述活塞包括离开第一开口的第一端部、离开第二开口的第二端部、以及将套筒内的热响应材料从套筒内的空间隔离的构件，其中，所述热响应材料在阈值温度下膨胀，以将所述构件朝向所述空间推动，且将活塞的第一端部从套筒伸出，同时第二端部朝向套筒退回，其中，活塞的第一端部设置在主体中，且配置成与所述座接合以将所述孔从所述通道密封。
方案6. 根据方案5所述的无源关闭装置，其中，活塞的第二端部暴露于主体的外部。
方案7. 根据方案5所述的无源关闭装置，还包括弹簧，所述弹簧设置在活塞的第一端部和第二端部中的一个上，所述弹簧推动活塞远离所述座。
方案8. 根据方案7所述的无源关闭装置，还包括在第一端部和套筒之间联接到活塞的凸缘，其中，所述弹簧在凸缘和主体之间压缩。
方案9. 根据方案7所述的无源关闭装置，还包括在第二端部和套筒之间联接到活塞的凸缘，其中，所述弹簧在凸缘和套筒之间压缩。
方案10. 根据方案5所述的无源关闭装置，其中，所述通道还包括腔室，且所述孔从主体的外部延伸到所述腔室，所述孔包括靠近所述腔室的座，所述通道从所述腔室延伸到主体的外部。
方案11. 一种压力容器，包括：
罐，所述罐包括内部、外部和开口；和
联接到所述开口的无源关闭装置，所述无源关闭装置包括：
主体，所述主体包括与通道流体连通的孔，所述孔从主体的外部延伸到所述通道，所述孔包括在孔和通道之间的座，所述通道延伸到主体的外部；和
联接到所述主体的热响应元件，所述热响应元件包括：
套筒，所述套筒包括第一开口和第二开口；和
位于套筒内的活塞，所述活塞包括离开第一开口的第一端部、离开第二开口的第二端部、以及将套筒内的热响应材料从套筒内的空间隔离的构件，其中，所述热响应材料在阈值温度下膨胀，以将所述构件朝向所述空间推动，且将活塞的第一端部从套筒伸出，同时第二端部朝向套筒退回，其中，活塞的第一端部设置在主体中，且配置成与所述座接合以将所述孔从所述通道密封，所述孔与罐的外部流体连通，所述通道与罐的内部流体连通。
方案12. 根据方案11所述的压力容器，其中，活塞的第二端部暴露于罐的内部。
方案13. 根据方案11所述的压力容器，其中，所述罐包括外层和内层，其中，所述内层包括不透流体的衬里。
方案14. 根据方案13所述的压力容器，其中，所述外层包括碳纤维基体。
方案15. 根据方案13所述的压力容器，其中，所述内层包括聚合物。
方案16. 根据方案15所述的压力容器，其中，所述热响应材料在阈值温度下膨胀，所述阈值温度低于不利地影响内层整体性的温度。
方案17. 一种系统，包括：
根据方案11所述的压力容器；
用于装填压力容器的贮存器，所述贮存器流体地联接到压力容器；以及
流体地联接到压力容器的气体使用者。
方案18. 根据方案17所述的系统，其中，所述气体使用者包括燃料电池。
方案19. 一种在装填期间热保护压力容器的方法，包括：
用压缩气体装填根据方案11所述的压力容器。
方案20. 根据方案19所述的方法，其中，压缩气体包括氢气。
进一步的应用领域将从本文所提供的描述显而易见。在该发明内容中的说明和具体示例仅用于描述目的，并且不旨在限制本发明的范围。
附图说明
本文所述的附图仅用于描述所选择实施例的目的，但不用于描述全部可能实施方式的目的，并且不旨在限制本发明的范围。
图1是类型IV压力容器的实施例的一部分被切去的情况下的部分透视图。
图2是采用两个压力容器的系统的实施例的示意图。
图3A是无源关闭装置的实施例的部分截面正视图。
图3B是无源关闭装置的另一个实施例的部分截面正视图。
图4是双端部活塞热响应元件的实施例的正视图。
图5是图4的双端部活塞热响应元件沿线5-5截取的截面正视图。
具体实施方式
下述技术说明在本质上仅示例出一个或多个发明的主题内容、制造和使用，并且不旨在限制在本申请中、或在提交时要求本申请优先权的这种其他申请中、或者由其授权的专利中要求保护的任何特定发明的范围、应用或使用。关于所公开的方法，所阐述的步骤顺序本质上是示例性的，并且因此在可能的不同实施例中步骤的顺序可以不同。
本技术在高压气体容器中的压缩气体输送期间使用无源关闭装置提供热保护。在某些情况下，期望使用不需要外部功率源或监测的稳固和可靠机构热保护高压气体容器。因而，本无源关闭装置可以提供热自我保护（既不需要电功率，也不需要传感器或控制器）以在装填或排放操作期间消除温度有关问题。例如，在压力容器装填期间，热力学定律提供，气体压缩成减少体积增加气体的温度。这还可以导致在用压缩气体装填时压力容器内表面处的温度增加。
在一些情况下，压力容器可以包括聚合物层以减少容器重量。一些聚合物材料可能是温度敏感的。为了避免压力容器暴露于可能不利地影响容器结构的温度，在压力容器装填期间压缩气体流可以在达到阈值温度时减少或截止。本技术提供用于该截止功能的无源关闭装置。无源关闭装置可以是适配器的一部分，用于将压缩气体关于容器装填和排放，其中，所述装置在阈值温度下截断进入容器的压缩气体流。
作为示例，用于高压燃料罐系统的类型IV压力容器100可以具有如图1所示的两层纤维复合结构。外层110可以提供机械强度，且可以包括诸如碳纤维基体和/或玻璃纤维包覆的材料。内层120可以包括聚合材料，其提供不透流体的衬里，以在压力容器100的内部130内容纳加压气体。当内层120包括一种或多种聚合物时，这些材料可能是温度敏感的，尤其是对可能影响聚合物属性的高温。开口140可以提供与压力容器100的内部130的流体连通，且可以配置成接收适配器（未示出）。
图2示出了包括两个压力容器100的系统200的简化示意图。贮存器210设置成连接到压缩气体源（未示出）以装填压力容器100。例如，压缩气体源可以是车辆的燃料补充站。来自于贮存器210的压缩气体可以流动通过止回阀220进入压力容器100中的一个或两者。在装填时，罐阀230和截止阀240可以关闭。例如，罐阀230通常不设计用于在压力容器100装填期间使用的高气体流量。因而，在装填操作期间的高压缩气体流量可以通过可具有较高截面面积的止回阀220操控。在压缩气体从压力容器100排放期间，例如，在气体是氢气时，压缩气体可以被引导通过压力调节器250到达气体260的使用者（例如，燃料电池），压力调节器250控制压缩气体的流量。
在一些实施例中，图2所示的系统200可以使用与装填站（未示出）连通的一个或多个温度传感器和/或控制器来监测压缩气体的温度以及因而压力容器100和内层120的温度。然而，系统200中的压力容器100可以配备有如图3所示的无源关闭装置300，取代这种传感器和控制器。
无源关闭装置300可以联接到压力容器100的开口140或者可以是联接到开口140的适配器（未示出）的一部分。无源关闭装置300包括主体305，用于在开口140处联接到压力容器100。主体305可以包括可以构成主体305的一部分的壳体构件310，或者壳体构件310可以是联接到主体305的独立部件。套筒315联接到壳体构件310且包括具有第一端部325和第二端部330的活塞320。第一端部325从套筒315中形成的第一开口335延伸，第二端部330从套筒315中形成的第二开口340延伸。第一开口335和第二开口340可以配置成在活塞320和套筒315之间具有不透流体的密封。套筒315和活塞320构成热响应元件400的部分，如图4和5进一步详细所示。
无源关闭装置300还包括孔345，孔345穿过主体305形成且与由主体305和壳体构件310形成的腔室350流体连通。孔345包括座355，所述座355配置成与活塞320的第一端部325接合以将孔345从腔室350密封。弹簧360可以设置在活塞320的任一侧上，所述弹簧360推动活塞320远离座355。例如，如图3A所示，腔室350包括弹簧360，弹簧360设置在腔室350中，且将活塞320以远离座355的方向推动。弹簧360可以在靠近第一端部325联接到活塞320的凸缘365和主体305之间压缩，从而将凸缘365和联接的活塞320推动远离座355。可选地，如图3B所示，弹簧360可以定位在靠近第二端部330联接到活塞的凸缘365和套筒315之间，从而将凸缘365和联接的活塞320推动远离座355。
主体305或者壳体构件310可以包括在腔室350和压力容器100的内部130之间提供流体连通的一个或多个通道370（示出两个）。在一些实施例中，腔室350形成所述一个或多个通道370的一部分。在其它实施例中，孔345可以在没有居中腔室350的情况下流体地联接到所述一个或多个通道370。在这种情况下，活塞320的第一端部325设置在主体305中，且配置成与座355接合，以将孔345从通道370密封。
现在参考图4和5，示出了热响应元件400。热响应材料510（例如，蜡）设置在套筒315中，其相对于阈值温度改变密度。例如，热响应材料510在达到阈值温度时可能熔融，其中，得到的相变引起热响应材料510的体积增加。热响应材料510可以包括一种或多种蜡，具有相对窄范围碳链长度。由此，热响应材料510成分可以被定制以在预定阈值温度下液化。液化使得套筒315中的热响应材料510膨胀，从而其作用于套筒315内的热响应构件500上。构件500可以构成活塞320的一部分，或者可以是联接到活塞320的独立部件。在一些实施例中，构件500可以包括从活塞320延伸的项圈，如图5所示。构件500可以固定地联接到活塞320，从而热响应材料510在构件500上的压力使得活塞320连同构件500一起移动。当热响应材料510液化和膨胀时，构件500可以移动或滑动到套筒315中形成的空间520内。活塞320从而以相同方向推动。空间520可以是空的空间，或者可以包括可压缩材料，例如泡沫、橡胶、气体等。因此，当热响应材料510熔融和膨胀时，活塞320的第一端部325从套筒315进一步伸出，同时第二端部320朝向套筒315退回。套筒315可以包括联接机构410，例如螺纹，从而热响应元件400可以联接到主体305或主体305的壳体构件310。
操作无源关闭装置300的物理效果是在热响应材料510液化时热响应材料510的相变。如果达到相变温度，热响应材料510的膨胀开始，且活塞320朝向孔345附近的座355移动，以密封孔345。由此，压缩气体不再能够通过无源关闭装置300引入压力容器100的内部130。在一些实施例中，液化热响应材料510的阈值温度可以被选择低于或大约为压力容器的内层120的承受极限温度。由此，内层120被保护以免暴露于不利地影响内层120整体性的温度。例如，当内层120包括可能在高于一定温度时损害的聚合物衬里时，热响应材料510可以被选择在低于或刚好低于所述一定温度时液化。当热响应材料510熔融时，活塞320朝向座355移动，从而克服弹簧360的力。第一端部325和座355密封孔345，从而截断通过无源关闭装置300的压缩气体流。当热响应材料510冷却低于阈值温度时，其固化并收缩。弹簧360通过将活塞320的第一端部325推动远离座355而复位活塞320，其中，构件500移动远离空间520。因而，第一端部325朝向壳体315移动，同时第二端部330从壳体315进一步伸出。
无源关闭装置300可以补偿压力容器100内的加压气体的压力。在这方面，热响应元件400的活塞320配置成以同步方式操作，其中，活塞320的第二端部330从套筒315的第二开口340伸出，且暴露于压力容器100的内部130的气体压力。
本技术的益处在于控制进入压力容器100的压缩气体流的热响应元件400安装在压力容器100的内层120附近，且暴露于相同或几乎相同的条件，包括温度。因而，由于改进的热连接，比常规系统更精确的温度控制是可能的。由于热响应材料510的低热质量和套筒315的表面面积，在装填压力容器100的压缩气体温度和热响应材料510的温度之间存在非常小的时间延迟。此外，由于热响应材料510的滞后性质，再开启温度可能低于关闭温度，从而在无源关闭装置300的开启和关闭之间没有不稳定的振动。
本技术的其它益处包括通过提供用于压力容器100的温度和可靠无源关闭装置300的改进。无源关闭装置300不需要电功率，且不需要控制器、传感器或布线。与其它系统相比，这提供成本节省。使用无源关闭装置300的压力容器可以自我保护，与压缩气体燃料站配置无关。无源关闭装置300的位置和配置还提供压力容器100的内层120经受的条件的相关性。
这些益处与没有方法来减少或截断进入压力容器的氢流的其它系统相比。例如，在安装在容器外侧的温度传感器信号和内层120的温度之间可能存在高偏差。需要控制器和燃料补充站的合适（电）接口以调节压缩气体的装填速率。这种系统不能自我保护以对抗导致过热状况的燃料补充速度/梯度。其仅仅可以发送请求给外部燃料补充系统/站以降低或停止流量。
提供了示例性实施例以使得本发明是透彻的，并且将向本领域技术人员更完整地传达保护范围。阐述了许多具体细节，例如具体部件、装置和方法的示例，以提供对本发明的实施例的透彻理解。本领域技术人员将理解的是，不必要采用具体细节，并且示例性实施例能够以许多不同的形式被实施，并且上述两者都不应当被认为限制本发明的范围。在一些示例性实施例中，公知的过程、公知的装置结构和公知的技术未被详细地描述。在本技术的范围内能够作出一些实施例、材料、组成和方法的等同变化、修改和变型，而得到大致类似的结果。

Claims (20)

1.一种用于无源关闭装置的热响应元件，所述无源关闭装置包括主体，所述主体包括与通道流体连通的孔，所述孔从主体的外部延伸到所述通道，所述孔包括在孔和通道之间的座，所述通道延伸到主体的外部，所述热响应元件包括：
套筒，所述套筒包括第一开口和第二开口；和
位于套筒内的活塞，所述活塞包括离开第一开口的第一端部、离开第二开口的第二端部、以及将套筒内的热响应材料从套筒内的空间隔离的构件，其中，所述热响应材料在阈值温度下膨胀，以将所述构件朝向所述空间推动，且将活塞的第一端部从套筒伸出，同时第二端部朝向套筒退回，其中，活塞的第一端部设置在主体中，且配置成与所述座接合以将所述孔从所述通道密封。
2.根据权利要求1所述的热响应元件，其中，所述套筒的形状是大致圆柱形。
3.根据权利要求2所述的热响应元件，其中，所述活塞是大致圆柱形且与套筒同轴。
4.根据权利要求1所述的热响应元件，其中，所述构件包括项圈。
5.一种无源关闭装置，包括：
主体，所述主体包括与通道流体连通的孔，所述孔从主体的外部延伸到所述通道，所述孔包括在孔和通道之间的座，所述通道延伸到主体的外部；和
联接到所述主体的热响应元件，所述热响应元件包括：
套筒，所述套筒包括第一开口和第二开口；和
位于套筒内的活塞，所述活塞包括离开第一开口的第一端部、离开第二开口的第二端部、以及将套筒内的热响应材料从套筒内的空间隔离的构件，其中，所述热响应材料在阈值温度下膨胀，以将所述构件朝向所述空间推动，且将活塞的第一端部从套筒伸出，同时第二端部朝向套筒退回，其中，活塞的第一端部设置在主体中，且配置成与所述座接合以将所述孔从所述通道密封。
6.根据权利要求5所述的无源关闭装置，其中，活塞的第二端部暴露于主体的外部。
7.根据权利要求5所述的无源关闭装置，还包括弹簧，所述弹簧设置在活塞的第一端部和第二端部中的一个上，所述弹簧推动活塞远离所述座。
8.根据权利要求7所述的无源关闭装置，还包括在第一端部和套筒之间联接到活塞的凸缘，其中，所述弹簧在凸缘和主体之间压缩。
9.根据权利要求7所述的无源关闭装置，还包括在第二端部和套筒之间联接到活塞的凸缘，其中，所述弹簧在凸缘和套筒之间压缩。
10.根据权利要求5所述的无源关闭装置，其中，所述通道还包括腔室，且所述孔从主体的外部延伸到所述腔室，所述孔包括靠近所述腔室的座，所述通道从所述腔室延伸到主体的外部。
11.一种压力容器，包括：
罐，所述罐包括内部、外部和开口；和
联接到所述开口的无源关闭装置，所述无源关闭装置包括：
主体，所述主体包括与通道流体连通的孔，所述孔从主体的外部延伸到所述通道，所述孔包括在孔和通道之间的座，所述通道延伸到主体的外部；和
联接到所述主体的热响应元件，所述热响应元件包括：
套筒，所述套筒包括第一开口和第二开口；和
位于套筒内的活塞，所述活塞包括离开第一开口的第一端部、离开第二开口的第二端部、以及将套筒内的热响应材料从套筒内的空间隔离的构件，其中，所述热响应材料在阈值温度下膨胀，以将所述构件朝向所述空间推动，且将活塞的第一端部从套筒伸出，同时第二端部朝向套筒退回，其中，活塞的第一端部设置在主体中，且配置成与所述座接合以将所述孔从所述通道密封，所述孔与罐的外部流体连通，所述通道与罐的内部流体连通。
12.根据权利要求11所述的压力容器，其中，活塞的第二端部暴露于罐的内部。
13.根据权利要求11所述的压力容器，其中，所述罐包括外层和内层，其中，所述内层包括不透流体的衬里。
14.根据权利要求13所述的压力容器，其中，所述外层包括碳纤维基体。
15.根据权利要求13所述的压力容器，其中，所述内层包括聚合物。
16.根据权利要求15所述的压力容器，其中，所述热响应材料在阈值温度下膨胀，所述阈值温度低于不利地影响内层整体性的温度。
17.一种系统，包括：
根据权利要求11所述的压力容器；
用于装填压力容器的贮存器，所述贮存器流体地联接到压力容器；以及
流体地联接到压力容器的气体使用者。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述气体使用者包括燃料电池。
19.一种在装填期间热保护压力容器的方法，包括：
用压缩气体装填根据权利要求11所述的压力容器。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，压缩气体包括氢气。
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