CN104508349B

CN104508349B - 符合的天然能量储存

Info

Publication number: CN104508349B
Application number: CN201380035879.7A
Authority: CN
Inventors: S.格里菲思; P.S.林; S.E.卡利施; T.吉尔曼; K.西蒙
Original assignee: Other Lab LLC
Current assignee: Other Lab LLC
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2017-09-12
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: CN107355673B; US10107452B2; US20160018057A1; US20160348838A1; EP2844906A1; CN107355673A; WO2013166452A1; CN104508349A; US9217538B2; US20130299503A1; EP2844906A4; EP2844906B1

Abstract

一种用于储存天然气的系统包括管的多个直区段。管的多个直区段密集填充。管的多个直区段构造成充填指定容积。本发明可以以多种方式实施，包括作为过程；设备；系统；物质成分；实施在计算机可读储存介质上的计算机程序产品；和/或处理器，如，构造成执行储存在联接于处理器的存储器上的指令和/或由该存储器提供的指令的处理器。这些实施或本发明可采用的任何其它形式可称为技术。

Description

符合的天然能量储存

相关申请的交叉引用

本申请请求享有2012年5月3日提交的标题为CONFORMING ENERGY STORAGE的美国临时专利申请第61/642,388号的优先权，该申请出于所有目的通过引用并入本文中。

本申请请求享有2013年2月19日提交的标题为NATURAL GAS INTESTINE PACKEDSTORAGE TANK的美国临时专利申请第61/766,394号的优先权，该申请出于所有目的通过引用并入本文中。

背景技术

从上世纪九十年代起，重型车辆已经利用了压缩天然气(CNG)发动机。然而，轻型车辆如乘用车仍必须实现广泛采用。私人和公共参与者两者开始识别CNG乘用车辆增长的技术障碍。行业中认识到，如果可解决某些储存问题，则天然气提供难以置信的未开发的机会。然而，针对集成车辆和转换车辆两者的当前的CNG储存解决方案仍是庞大且昂贵的基于气缸的系统。对于集成系统，各种尺寸的圆筒形罐集成到车辆底盘设计中。对于转换车辆，较大的罐置于后备箱中，除去了储存或备用轮胎。

附图说明

在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。

图1为示出罐的中部处的截面的实施例的图表。

图2为示出设计中的较少数量的罐的截面的实施例的图表。

图3为示出有限元分析(FEA)和分析解的实施例的图表。

图4A-4D为示出具有直管的罐构造的实施例的图表。

图5A和5B为示出硬钎焊区域的实施例的图表。

图6A为示出回转曲线的参数化的实施例的图表。

图6B为示出沿管的长度的微分元件的实施例的图表。

图6C为示出锥形编织物几何形状的实施例的图表。

图7A-C为示出弯曲正方形螺旋的实施例的图表。

图8A-C为示出弯曲正方形螺旋的实施例的图表。

图9A-C为示出弯曲正方形螺旋的实施例的图表。

图10为示出填充二维层的一组平螺旋的实施例的图表。

图11为示出柔性弯肘的实施例的图表。

具体实施方式

本发明可以以多种方式实施，包括作为过程；设备；系统；物质成分；实施在计算机可读储存介质上的计算机程序产品；和/或处理器，如，构造成执行储存在联接于处理器的存储器上的指令和/或由该存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实施或本发明可采用的任何其它形式可称为技术。大体上，公开的过程的步骤的顺序可在本发明的范围内改变。除非另外指出，描述为构造成执行任务的构件如处理器或存储器可实施为暂时地构造成在给定时间执行任务的普通构件，或制造成执行任务的特定构件。如本文使用的，用语'处理器'是指一个或更多个装置、电路和/或处理内核，其构造成处理数据，如计算机程序指令。

本发明的一个或更多个实施例的详细描述在下文中连同附图提供，该附图示出了本发明的原理。本发明结合此类实施例描述，但本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限制，并且本发明包含许多备选方案、改型和等同方案。许多具体细节在以下描述中阐明，以便提供本发明的彻底理解。这些细节出于实例的目的提供，并且本发明可在没有这些具体细节中的一些或所有的情况下根据权利要求实践。为了清楚起见，涉及本发明的技术领域中已知的技术材料并未详细描述，以使本发明不是不必要地模糊的。

公开了用于储存天然气的系统。系统包括管的多个直区段。管的多个直区段密集填充。管的多个直区段构造成充填指定容积。在一个实施例中，减少半径的管区段也充填指定容积。

在1890年，Giuseppe Peano发现了充填2维空间的一类曲线，Hilbert将其结果延伸至3维立方体。可示出的是，此类曲线可密集地充填任何2维或3维(2D或3D)形状。基于这些见解，公开了肠道式储存构想，压缩气体储存罐模仿人的肠道，高密度曲线的实例有效地充填无规则的容积。

这里的关键见解在于，在圆筒形罐的设计中，罐质量与容纳的气体质量的比不取决于罐的几何形状。使用的材料质量和因此大量材料成本对于给定的压力和材料屈服应力是恒定的。在没有针对移动至小直径管的处罚支付(材料成本或填充密度)的情况下，获得了将罐配合到任何期望的3D形状中的能力，例如，嵌入在车辆的底盘中。在下文中，公开了用于产生具有小直径管路的压缩天然气(CNG)罐的若干选择。另外，公开了如何将管路填充成合乎需要的几何形状用于在汽车行业中使用。论述了重要的设计考虑：材料应力、穿过罐的扩散，以及由于蠕变、疲劳或热状况引起的可能的罐故障。

可示出的是，有可能以小管充填任意形状而没有质量损失，这里我们论述了填充这些管的可能的方式。由于从制造观点看，很可能难以将实际Hilbert曲线用作填充方案，故检查备选的填充几何形状，并且考虑它们配合到空间中有多好(符合性因素)。罐设计的符合性(即，容纳在罐中的气体体积与罐的最小边界框的容积之比)根据管的几何形状和填充几何形状变化。为了准确地计算符合性因素，需要考虑的填充方案的精确限定，包括弯头。

在各种实施例中，罐具有在一端处的入口联接器，罐具有多个入口联接器，罐具有在从管的一个或更多个直区段渐缩之后的入口联接器，罐具有联接于管的减小区段的入口联接器，或用于联接于罐用于接近的任何其它适合的方式。

图1为示出罐的中部处的截面的实施例的图表。在所示的实例中，管的多个圆形截面填充到矩形边界框中。认为没有边界条件的这些填充方案的填充密度是公知的：具有或大约91%的填充密度的六边形填充102；具有π/4或大约78.5%的填充密度的矩形填充100；以及具有带有92%的填充密度的两个不同半径的管的许多二元填充方案104中的一种。二元填充104具有带有-1的直径比的管。二元填充方案提高填充的效率，并且可用于增加附加的纵向强度。

图2为示出设计中的较少数量的罐的截面的实施例的图表。在所示的实例中，边界框中的六边形和矩形填充针对1、4和16个截面罐(例如，六边形200、202和204，以及矩形210、212和214)示出。在较少数量的罐(圆环)下，边界条件支配填充，并且矩形填充可更有效。当半径与边界框的比变得更大时，边界条件在填充效率接近理想时变为不太重要。由于六边形具有更为理想的填充效率，故在一些点(例如，一些半径，给出了特定的边界框)处，六边形填充的管将总是比最佳矩形填充更好。六边形填充总是更好所处的半径是什么的问题可仅在一旦选择边界框时才真正地回答，因为边界条件严重取决于边界框。一旦选择边界框，则可确定最大半径或管和管数，这将确保最高的填充效率。

对于远离端部的直的圆筒形罐，沿长度的应力保持恒定。该应力的大小取决于半径和直长度的壁厚度。应力集中还可形成在管端部、弯头或配件处。

聚合物或金属可挤压成管，其可弯曲和填充成密集几何形状。为了形成这些管的承载能力的理解，检查了圆筒形管的单个长度，而并未考虑端部情况。对于其中t/r≤1/20的几何形状，我们可使用薄壁理论来计算圆筒形器皿中的主要应力。应力如下：

1. 环向应力(δ_h)。我们假定其横跨壁厚度一致。

2. 纵向应力(δ_l)。该应力对于具有端盖的圆筒存在。我们假定其横跨区段一致，并且离端盖足够远。应力集中将需要单独处理。

3. 径向应力(δ_r)。在薄壁的假定下，径向应力相比于纵向应力和环向压力不显著。

对于环形应力，假定了材料中的应力仅由于罐内的压力而产生。环向应力围绕圆筒沿周向作用。由于该力为纵向应力的两倍，故其在给定的压力和材料屈服应力下设置罐的所需厚度。

其中：屈服应力(δ_y)、压力(P)、内半径(r)、壁厚(t)、安全系数(fs)。

轴向应力可写为：

如果我们将环向应力除以轴向应力，我们得到：

再次使用薄壁假定：r≈R，我们可以说：

这指出了环向应力为轴向应力的大约两倍。

罐质量为罐压力、容积和材料性质的函数。因此，罐质量和大量材料成本不是管半径的函数。对于单截面直圆筒形管，罐质量的等式为：

CNG车辆的另一个重要量度为总体罐能量密度。对于固定的内部容积，能量密度从罐质量确定，其中较高强度的材料将驱动质量向下，并且增大能量密度。

高强度纤维如碳和超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)具有大于金属的强度重量比，使得它们对于CNG应用是有吸引力的材料。通过围绕压力器皿卷绕或织造纤维，非常强的纤维显著地增大器皿的破裂压力。干纤维增强的器皿通过围绕压力器皿织造、编织或卷绕高强度纤维来制造。

通过使纤维最佳地定向，有可能平均地平衡环向应力和纵向应力。实现这一切的理想的角称为软管角。该角确保了材料强度最有效地使用，这在强度重量比为驱动设计决定时是有价值的。

在一些实施例中，纤维增强合成物由于基质包围和保护纤维而比干纤维增强更耐用。碳(迄今最强的市售纤维)在干应用中不可行，因为纤维太易碎。纤维增强合成物的缺陷在于与基质中纤维布局相关联的增加的制造成本。

为了确认增加弯曲不损害结构的强度，需要确定加压弯头中的应力。弯头的圆环面或区段可在几何上表示为围绕离圆环中心的固定轴线距离R_o回转的半径r_o的圆形截面。圆环面的区段中的环向应力可通过对管的两个连接的截面应用动量守恒来确定。这导致了压力器皿的一般等式，其具有需要确定的常数。通过检查中心线处的圆环面，其中r=R_o，并且α=π/2，可得出常数：

所以，圆环面中的环向应力的等式为：

其中α为圆形截面的切向角，c替代p/t，并且r为点离旋转轴线的距离。作为备选：

或者：

使用对于圆环的α_s=-1/r_o的事实，并且替换r：

这简化成直圆筒中的纵向应力的等式

这些等式示出了纵向应力保持不变，环向应力最小地增大(例如，在3.5管半径的弯头半径的情况下为20%)，并且弯头应力可通过减小弯头处的管的半径来保持低于管的损坏点。

图3为示出有限元分析(FEA)和分析解的实施例的图表。在所示的实例中，以上等式与以上图中的FEA的结果相比较。FEA的结果和分析解在1%内匹配。分析的结果示出了在弯头处的管半径减小43%的情况下，相同最大环向应力以相同壁厚保持。关于产生多室高压罐的一个主要困难为以如下方式连接室(例如，在该情况下为管)，使得不会不抑制地降低工作压力或增加制造成本。存在用于构建具有许多长直管的罐的若干选择。

图4A-4D为示出具有直管的罐构造的实施例的图表。在图4A中所示的实例中，管的多个直区段(例如，400)所有都在端部处连接于单个室(例如，402)中。在各种实施例中，钢管使用硬钎焊或焊接连接于歧管(例如，端室)。铝或碳纤维管使用连结或任何其它适合的连接方式来连接。在图4B中所示的实例中，管成排地连接于垂直管，其继而与最终又垂直的管(图4B中未示出)连接在一起。在图4C中所示的实例中，管使用U形配件(例如，在端部处的414，在图4B中不可见)和T形接合点(例如，410和412)独立地连接在单个长室中。在图4C中所示的实例中，对于奇怪形状的室，蛇形管(例如，管430)可层合来符合空间。直管的区段使用较窄管区段联结，该较窄管区段以U形432(例如，U形配件)弯曲。在截面中，管以六边形填充(例如，434，其中U形配件在端部处示出)来填充，以便实现符合空间的罐，其有效地使用了空间。在一些实施例中，管430由单个聚合物室制成，模制成形，并且利用高强度纤维编造。在一些实施例中，罐在浸渍树脂或以其它方式机械地界定成形之前弯曲成形。在图4D中所示的实例中，管的多个直区段具有半径减小的区段。减小半径的区段形成弯头，其实现使管的直区段形成为3维形状，其填充指定的容积(例如，图4D中的矩形棱柱容积)。管440示出了三维透视图。管442示出了管的直区段的侧视图，其具有直区段之间的较小直径的弯管。管444示出了以六边形紧密填充的管的直区段的端视图。448指出了扩大且示为由446指出的区域的区域。

图5A和5B为示出硬钎焊区域的实施例的图表。在所示的实例中，给定关于硬钎焊的最大可允许应力，可确定需要多大的重叠区域来进行安全的连结。在一些实施例中，圆筒形薄壁管连结到其它结构中。两个关心的情况为：1)如图5A中所示(例如，端盖或U形配件)将管连结到圆孔中，或2)如图5B中所示，将管垂直地连结到其它薄壁管中。在一些实施例中，为了将管连结到圆形孔中(例如，图5A)，硬钎焊区域或重叠区域由A_b=2πr_ol给出，其中r_o为管外半径(也是圆形孔半径)，并且l为圆筒形界面的长度(具有圆形开口的部分的厚度)。压力区域或有助于关于硬钎焊连结的剪切应力的区域由A_p=πr² _i给出，其中r_i为管内半径。硬钎焊面积容易计算，但将在斜接管的情况下稍微棘手。壁厚t=r_o-r_i由给定内半径处的材料性质设置。设置硬钎焊力等于压力，关联内半径和外半径，并且对于硬钎焊长度求解，给出了：

为了将一个管连结到另一个中，计算硬钎焊面积变得更困难。斜接的通路长度可计算为：

积分得出围绕四分之一斜接的通路长度，并且r为斜接管(较小的管)的半径，而a=R/r，大管的半径与小管的比。以π的明显类推向我们示出了斜接的‘周长’给出为：

其中，

并且d为小管的直径。使用ν(a)，硬钎焊面积可计算为A_b=2ν(a)r_ol，其中r_o为较小管外半径，并且l为界面的长度(其将为较大的端管的壁厚)。现在，我们可将硬钎焊长度写为：

或者

由于R＞＞r，ν→π并且R≥r，故圆形硬钎焊为最差情况的方案。

不同于液体燃料，气体燃料可扩散穿过无孔无缝的材料。由于损失燃料导致损失金钱、较短的范围和爆炸性气体混合物，故过度扩散是个问题。此外，扩散随表面面积增大和壁厚减小两者线性地增大。公开的可高度符合的设计可实现以聚合物基质合成物和金属壁的可接受水平的天然气透过。该分析基于透过非玻璃状聚合物的溶液扩散模型。模型假定了两种不同的输送模式。第一吸收由溶度的亨利定律线性地模拟。该模型描述了渗透溶解到膜片中并且随后从其析出的过程。第二是扩散，其处理为Fickian扩散。该模型模拟直接穿过膜片的气体输送。这两个模式的组合可由扩散气体渗透性系数来线性地描述，其为溶度系数和扩散系数的产物。该模型仅在聚合物在很少或没有气孔的情况下处于它们的玻璃转化温度以下时是适用的。给定小范围的操作温度，渗透率假定独立于温度。还假定了渗透率独立于浓度和压力，两者都是共同的假定。模拟该过程的等式为：

其中Q为穿过膜片的体积流(m³=sec)，Δp为膜片的进料侧与渗透侧之间的气体局部压力差，t为膜片的厚度，A为表面面积，并且P为扩散气体渗透率系数

P=D*S

这里D为扩散系数，并且S为溶度系数。渗透率值通常在宽单元范围中表示(barrer，cm³(STP))/(cm*s*mmHg)，Ml(STP)*mm/(m²*天*atm)，等)。在一些实施例中，SI单元用于P(m³(STP)*m/(m²*s*Pa))。

为了简化模型，膜片的渗透侧上的对流假定为零。这给出了如下假定：渗透侧上的膜片的质量分数为大约1，引起模型由压力支配。这是合理的假定，因为横跨压力器皿的局部压差非常大。在真实的系统中，甚至在快速移动的车的底部上，渗透速率将仅略高于该简化系统中的。通过检查没有弯头的圆筒形管来开始，表面面积A从罐的容积(V)、内半径(r_i)和壁厚(t)来计算：

产生等式：

。

三个量度可用于确定穿过罐壁的扩散是否是限制因素：人员安全、环境影响和察觉的舒适度。当甲烷以5%到15%之间的大气浓度存在时，甲烷是爆炸性的。其在甲烷浓度超过1%的情况下在空间中是不安全的。如果使用对于3.5m³的轿车驾驶室最坏的空气变化速率情况(1次转换/小时)；并且假定了散逸出罐的所有气体直接进入车驾驶室中，如果设计可接受，则其可计算出。

还需要考虑渗透，ANSI/CSA NGV2-2007 16.12渗透测试需要罐的稳态渗透不大于容器的每升水容量0.25cc小时。ISO 11439:2000具有相同的要求。此外，扩散的甲烷的全球变暖潜在可能应当关于从内燃车辆排放的二氧化碳的全球变暖潜在可能来考虑。根据EPA(自1997年起)，平均乘用车消耗550加仑的汽油，并且每年排放4,500kg的CO₂。甲烷是CO₂的全球变暖潜在可能的25倍。公开的国内甲烷气体将需要排放小于180kg甲烷/年。设计选择可使得以便由于从小半径的罐扩散而引起的温室气体排放将远小于从内燃机的温室气体排放。

尽管甲烷为无嗅气体，但甲烷供应者通常添加其它化学制品如硫化氢到甲烷来使气体味道引人注意。存在的问题在于，扩散的甲烷将在健康问题变成风险之前闻到。如果消费者可闻到气体，则它们将怀疑该技术，限制了其市场活力。该阈值将需要基于添加至甲烷的共同的芳族气体来检查。将纤维增强添加至聚合物的效果并未完全被理解。大体上理解，湿法涂叠FRP具有纯聚合物隔层的渗透率的2到10倍之间。该效果随更多层添加至合成物而增大。一种阐释在于利用纤维的湿法涂叠过程引入空隙，该空隙加快了扩散。如果情况如此，则真空涂叠或其它涂叠技术可减小空隙，减小了渗透。渗透率增大十倍可将FRP排除出设计选择。

在一些实施例中，设计目标为可变半径的圆筒，其以大半径ro开始，并且缩小至小半径r1＜r0。在端部处的平均曲率为l=r0和l=r1。当半径开始缩小时，沿径向方向的曲率从零变到正，增大了平均曲率。由于弯曲力的量与平均曲率粗略成比例，故较高平均曲率意味着可反抗较高的压力。

令人遗憾的是，最终锥形必须变为沿轴向方向凹入，以便满足较小的圆筒，引起了平均曲率的减小，这必须由较小半径来反抗。这引起了停留在给定的平均曲率边界内的最快可能的锥形的问题。

使z为沿轴向方向的距离，r=r(z)，可变半径，并且限定：

E=1+R² _z，

平均曲率由以下给出：

最大圆筒的平均曲率为1/2r_o，所以需要理解曲线的空间满足H≥1/2r_o。等式保持的极值曲线因此求解为：

该等式看起来对于分求解不可能，但容易被数字地处理。一个求解选择为凸形，如，部分球冠。另一个求解选择在于使用单个恒定平均曲率曲线，其具有大于1/2r₀的平均曲率，选择成使得最小半径与最大半径之间的比为r₀/r₁。很可能存在另外的选择，所以需要另外的标准来选出最佳的一个。

检查没有沿一个方向的曲率的对象的极端情况建立了具有恒定平均曲率不保证应力保持为常数。作为替代，通过检查微分轴对称元件生成的一对耦合等式可在回转和加压时产生连续变化应力的曲线。执行从圆筒坐标到笛卡尔坐标的转换产生第[0052]段中的以下等式，获得了关于“未变形”材料中的科希应力张量的第一和第二皮奥拉-柯克霍夫应力。

图6A为示出回转曲线的参数化的实施例的图表。在所示的实施例中，s代表沿曲线行进的长度。函数r(s)代表回转曲线的半径，并且z(s)代表回转曲线的z位置。函数α(s)代表相对于z轴线的角。函数α_s(s)代表在沿曲线的位置s处的相对于s的角的导数。

图6B为沿管的长度的微分元件的实施例的图表。在所示的实例中，管具有在左侧上的半径r₀和右侧上的r₁。P为内部压力。角α₀为在其触到具有半径r₀的管时相对于微分元件的轴线的角。在微分元件触到具有半径r₀的管时，应力为δ₀，并且当微分元件触到具有半径r₁的管时应力为δ₁。

图6C为示出锥形编织物几何形状的实施例的图表。在所示的实例中，θ_b为编织角，T为纤维中的张力，并且1为轴向方向上的长度。

在以上等式中，p为由s(沿曲线行进的长度)参数化的曲线，并且J为雅可比行列式。由于雅可比行列式为1，故

P=FS

第一皮奥拉-柯克霍夫张量代表笛卡尔平面上的圆筒应力的事实可用于在圆筒坐标系中应用散度定理来得到等式：

其中c为内部压力/壁厚之比，并且n为法向矢量

这向我们给出了系统的等式：

其可通过在θ=0下评估系统来简化

微分等式的该系统可通过取消S^ss _s项来简化，以产生关系：

这限定了任何轴对称的压力器皿的轴向应力和环向应力之间的关系。S^ss的另一个等式可通过将动量守恒应用于不同半径的微分元件来导出：

替换sin(α(s))ds=dr并且计算积分，得出以下关系：

由于任何物理压力器皿必须最终具有使容积闭合的为零的半径，故常数必须总是等于零。因此，以下关系导出用于轴向应力：

因此，对于S^ss的闭形解也为：

接着，任何几何形状的软管角为

以上等式显示出约束于具有与圆筒的接合点处的α_s=0的线将具有连续变化的编织角，而没有任何间断。在围绕对称轴线回转时具有连续变化的曲率(例如，没有曲率变化中的间断)、切向角和半径并且满足α(0)=0、α_s(0)=0，α(端部)=0，以及α_s(端部)=0的任何曲线将允许具有连续变化编织角的锥形的构造。

该锥形由建立必要的边界条件和生成曲线来产生，该曲线根据以下耦合的常微分等式(ODE)匹配较大圆筒的环向应力或轴向应力。接着，该曲线围绕中心轴线回转，并且随后编织来产生合成物，而没有编织角中的任何间断。

在一些实施例中，至管的减小半径区段的锥形具有连续变化的曲率。在一些实施例中，连续变化的曲率实现了包覆编织的优化编织角的目标。例如，优化编织角有助于在从直形状弯曲至期望形状之后在压力下保持管(和编织物)的期望形状(例如，编织物随后不移动或显著地变形)。在一些实施例中，这实现了使用干编织物。在一些实施例中，锥形目标在于优化弯头的内部容积，而不超过弯头的应力最大值。

利用编织机工作将允许建造蛇形设计和螺旋两者的原型。螺旋设计需要编织物成锥形，并且在将其铺设于模具中并且固化其之前弯曲编织物。下文描述了编织物，其减小了直径并且保持了软管角。软管角这里限定为纤维角，其平衡了环向和轴向应力。正方形螺旋的原型可使用具有螺旋第三轴线的三轴编织物来实现。

利用在心轴进料速率(v)和载体角速度(ω)上的完全控制，有可能产生锥形编织物，其在锥形上保持纤维中的应力平衡。这建立于以上建立的软管(或理想)角的限定。软管角的限定对于锥形编织物形成。在编织的压力器皿中，轴向力和环向力应当平衡。这通过调整编织角(θ_b)来实现，使得编织纤维中的环向力和轴向力的部分同样由纤维中的张力承载。由于环向力为圆锥半径、角和曲率的函数，我们预计编织角也将如此。在传统的圆筒形压力器皿中，该角呈现单个值( arctan )，并且称为'软管'角(编织灭火软管的编织角)。为了得出圆锥的'软管'角，我们采用了具有厚度t的正方形截面编织纤维。纤维的轴向应力平衡由以下给出：

纤维的环向应力平衡为：

对于θ_h相除并且求解，我们得到：

编织物将能够使用该等式来动态地设置机器参数，并且保持编织角在整个编织过程中理想。尽管编织机将很可能使用该关系来确定它们的特定机器的参数，但这里开发出了普通的方式来在理想编织角和载体角速度(ω)与拉紧速度(v)之间转换。编织角的基本等式将为：

对ω/v求解得到编织物半径与载体角速度与拉紧速度之比之间的关系。

给定函数R(z)，其为沿z轴线的心轴的形状，则获得在为心轴位置的函数的固定载体频率下的拉紧速度的等式。

覆盖分数(c_f)为由纤维覆盖的合成编织物的表面面积的分数。在具有太小的覆盖系数的压力器皿中将导致过大的径向剪切应力，其作用在二轴织造物的纤维之间的菱形空隙上。那些空隙在三轴织造物中为三角形。当剪切力超过基质的剪切强度时，结构在空隙'吹出'时损坏。限定了最小可接受的覆盖系数的几何函数，假定了理想的编织角和各向同性的基质。单元菱形(由四条交织纤维的纱的中间之间的面积限定的空间)上的吹出力等于限定为以下的纤维之间的面积：

其中A为纤维之间的面积，θ为编织角，R为管的半径，n为载体的数量，并且w为载体的宽度。该力在横跨菱形的剪切中施加。由于比例定律(表面面积对边缘长度)，故最大剪切应力将在空隙菱形的边界处经历。区域的周长由纤维几何形状限定为以下：

由于应力为力与面积之比：

其中P为器皿内的压力，并且t为环氧树脂的厚度，

包括覆盖系数的几何限定：

或者

并且使用圆筒形压力器皿的区段的最佳卷绕角的等式，该最佳卷绕角在关于管的最宽区段的收缩半径处：

其中R_o为压力器皿的最大半径，并且α为锥形的角。在给定半径减小和最佳编织角下的最小可接受覆盖系数的函数由以下给出：

或者

只要以上不等式是真实的，在τ_yield的安全系数内，材料将不通过具有吹出而损坏。锥形编织物的实际覆盖系数可如以上计算。假定了载体(n)的数量和纱宽度(ω)在编织物上为常数。在最大半径(R_o)下，覆盖系数为C_o，并且编织角为θ_o。方便地限定了两个常数：

其中

接着覆盖系数为

在一些实施例中，锥形使用'软管'角编织θ_h，并且理想锥形为：

一旦选择标称变径和减小的半径(以及载体的数量和纱宽度的值)，则管理吹出风险的不等式如下：

在一些实施例中，基于编织纤维的罐由包覆编织聚合物衬里来构建。例如，聚合物衬里产生为具有减小区段的单个长管，其将在罐折叠成形时弯曲。在一些实施例中，管的多个直区段包括具有减小半径区段的单个长管。在一些实施例中，减小半径区段包括弯曲区段(例如，其中减小考虑期望的弯曲、壁厚、较大的管的间距，以产生期望的填充，而没有弯曲时的弯头区段的变形或机械故障)。在一些实施例中，该衬里可形成为由单个模具或利用一组分离长度的模具吹气模制成的单个单元。在一些实施例中，管的多个直区段包括具有减小半径区段的多个长管，它们连结在一起(例如，密封在一起)。在一些实施例中，衬里区段可单独地模制并且与较小直径的管连接，并且密封成较大的组件，如图4C和图4D中所示。室区段的长度可通过算法确定为“规划”最终形状，其可为任何期望的形状。接着，衬里利用编织机在单个长长度上包覆编织。在一些实施例中，管的多个直区段具有包覆编织纤维。在一些实施例中，包覆编织纤维包括单个长包覆编织物。在各种实施例中，在编织之后，罐折叠成形并且在缠绕的纤维、织造的袋或机械地构建的盒上与树脂保持在一起，或以任何其它适合的保持方式保持。衬里既作用为编织的心轴，并且又作用为气体扩散的隔层。减小的形状产生为使得理想编织角可在罐的整个长度上保持，而没有所需的角的间断。

所有类型I的金属罐为CNG储存的最低成本的选择。金属制造比合成物具有更长且更发展的历史。用于锻造和形成金属几何形状的廉价且有效的方法是常见的、容易取得的，并且针对安全性和长期活力进行了充分检查。

在一些实施例中，类型I的罐为完全硬钎焊T形拉出设计的。完全硬钎焊的罐使用具有锥形(型锻)端部的直长度的管。端部在批量硬钎焊过程中硬钎焊到滚珠拉管上。层可为六边形填充的，并且再次使用滚珠拉管来连接。

在一些实施例中，类型I的罐包括硬钎焊到U接头上的型锻直管。类似于以上设计，接头将容易硬钎焊或焊接。在一些实施例中，有可能在端部处型锻管的直长度，渐缩和增大壁厚，以足以允许内部或外部的国家标准管螺纹(NPT)。一旦产生螺纹，则液压软管或小直径厚壁管路可用于连接于端部。

在一些实施例中，有可能型锻或以其它方式形成管，以使管的中心具有减小的直径。利用特殊工具，心轴折弯机可用于将该管弯曲成蛇形。蛇形将为较大六边形填充的单层。在一些实施例中，有可能在端部处型锻管的直长度，渐缩和增大壁厚，以足以允许内部或外部的NPT螺纹。一旦产生螺纹，则液压软管或小直径厚壁管路可用于连接于端部。

在一些实施例中，有可能型锻或以其它方式形成管，以使管的中心具有减小的直径。利用特殊工具，心轴折弯机可用于将该管弯曲成蛇形。蛇形将为较大六边形填充的单层。

在一些实施例中，为了以最少的常用工具来使用当前弯曲技术，单直径管可弯曲成螺旋。螺旋可六边形地堆叠以允许更好的填充密度。螺旋罐的一个缺点在于为了实现最大填充密度，螺旋的圈数需要达到，这并未留下足够的空间用于许多管弯曲模具。通过从具有圈之间的1直径间距的两个(或更多个)螺旋中产生罐的单层并且以180度偏移交织它们，你可实现与具有缓解的制造约束的紧密螺旋类似的填充密度。

在一些实施例中，为了实现对于轻型车辆应用的足够的能量密度，罐的重量必须＜100kg。为了实现这一切，使用了高屈服强度的钢或铝。由于连结铝合金的复杂性，故在一些实施例中，选定了钢。在一些实施例中，由于从一定数量的硬钎焊接头引入的不一致以及固定用于批量硬钎焊的组件的难度，故排除了硬钎焊选择。类似的论据反对(holdagainst)机械配件。在一些实施例中，由于没有配件或接头，故选定了弯曲蛇形，但形成减小的区段有挑战。

在一些实施例中，由于具有带相对大弯曲半径的仅四分之一的弯头的便利，故弯曲正方形螺旋为良好设计。在各种实施例中，完全正方形螺旋用于罐，其中弯曲正方形螺旋包括以下中的一个：紧密填充的单个长管正方形螺旋、单一稀疏正方形螺旋、双重稀疏正方形螺旋，或任何其它适合的螺旋。

图7A-C为示出弯曲正方形螺旋的实施例的图表。在图7A中所示的实例中，弯曲正方形螺旋700沿顺时针方向向内螺旋。管具有90度弯头，并且在其向内螺旋时在管之间不以空间弯曲。弯曲的正方形螺旋702沿逆时针方向向内螺旋。管具有90度弯头，并且在其向内螺旋时在管之间不以空间弯曲。交错的螺旋(例如，弯曲的正方形螺旋700和弯曲的正方形螺旋702)堆叠成六边形地密集填充。在图7B中所示的实例中，示出了堆叠以实现六边形填充的八个交错螺旋的截面视图(例如，类似于沿B-B切割)。在图7C中所示的实例中，示出了交错的弯曲正方形螺旋的堆叠的透视图。在一些实施例中，直区段与90弯头连接，并且构造成使得弯头产生螺旋。

图8A-C为示出弯曲正方形螺旋的实施例的图表。在图8A中所示的实例中，弯曲稀疏正方形螺旋800沿逆时针方向向内螺旋。管具有90度弯头，并且在其向内螺旋时以管之间的单个管空间弯曲。弯曲的稀疏正方形螺旋802沿逆时针方向向内螺旋。管具有90度弯头，并且在其向内螺旋时在管之间以单个管空间弯曲。交错螺旋(例如，弯曲的稀疏正方形螺旋800和弯曲的稀疏正方形螺旋802)嵌套在彼此内以形成单层的叠堆。在图8B中所示的实例中，示出了堆叠以实现六边形填充的八个交错嵌套螺旋的截面视图(例如，类似于沿A-A切割)。在图8C中所示的实例中，示出了交错的弯曲嵌套正方形螺旋的叠堆的透视图。在一些实施例中，直区段与90弯头连接，并且构造成使得弯头产生螺旋。

图9A-C为示出弯曲正方形螺旋的实施例的图表。在图9A中所示的实例中，弯曲双重稀疏正方形螺旋900具有沿逆时针方向向内螺旋的两个管。两个管具有90度的弯头，并且在它们向内螺旋时以两个管之间的双管空间来弯曲。弯曲双重稀疏正方形螺旋802具有两个管，其沿逆时针方向向内螺旋。两个管具有90度的弯头，并且在它们向内螺旋时以两个管之间的双管空间弯曲。交错的双重螺旋(例如，弯曲双重稀疏正方形螺旋900和弯曲双重稀疏正方形螺旋902)嵌套在彼此内以形成单层的叠堆。在图9B中所示的实例中，示出了堆叠成实现六边形填充的六个交错嵌套螺旋的截面视图(例如，类似于沿AA-AA切割)。在图9C中所示的实例中，示出了交错的弯曲嵌套双重正方形螺旋的叠堆的透视图。双重稀疏螺旋具有每半层的两个唯一的弯管，其中每层总共四个。为了实现六边形填充单元，四个独特的弯管用作具有交错图案的层叠堆,ABAB。交错层尺寸确定成使得层堆叠成实现六边形密集填充。在一些实施例中，平罐层接着可成层到车的底盘或载重车车厢中。在一些实施例中，直区段与90弯头连接，并且构造成使得弯头产生螺旋。在一些实施例中，双重稀疏螺旋可延伸至任何数量的稀疏螺旋的稀疏度。在一些实施例中，管的多个直区段包括相同层中的多个螺旋的弯曲稀疏正方形螺旋(例如，双重或2、三重或3、4、5、6等)。在一些实施例中，弯曲稀疏正方形螺旋与多个螺旋的第二弯曲稀疏正方形螺旋嵌套，以形成稀疏的正方形层。在一些实施例中，稀疏的正方形层以密集填充构造与另一个稀疏正方形层堆叠。

图10为示出充填二维层的一组平螺旋的实施例的图表。在所示的实施例中，平空间充填有4个较大的螺旋(例如，螺旋1000、螺旋1002、螺旋1004和螺旋1006)，以及4个较小的螺旋(例如，螺旋1010、螺旋1012、螺旋1014和螺旋1016)。所示的大螺旋和小螺旋为双重稀疏嵌套正方形螺旋。三维体积还可充填有成组的平螺旋的叠堆，以有效地充填任何任意的容积。

在一些实施例中，六边形填充的纤维管系统用于罐。传统的碳纤维结构可由在端盖中胶合的直碳纤维增强聚合物(CFRP)管制成。这些端盖可由"U"形弯头构成，该"U"形弯头将两个相邻的管连结在一起。直管在连续过程中拉挤，并且端盖在成批模制过程中制造。拉挤的管的端部的壁厚给出略微锥形，其由端盖中的略微锥形匹配。这些弯肘可为合成物或金属液压软管。

在一些实施例中，替代取决于保持端盖就位的联结强度，有可能使用外部CFRP带或贯穿杆，其平行于拉挤管延伸，并且获得全部轴向负载，克服内部压力来保持端盖。对于该情况，拉挤管需要具有周向纤维，并且因此可具有较薄的壁厚，轴向纤维要求转移至外部带或贯穿杆。

在一些实施例中，堆叠的螺旋合成结构可通过在乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)衬里上湿拉挤碳纤维织造物并且利用透气织物将其铺设到两部分螺旋模具中来制成。EVOH衬里被加压，并且在模具上抽真空来驱离任何空气、废气和过量树脂。螺旋罐层使用碳脊柱来堆叠和连接，碳脊柱沿罐的外边缘延伸。

在一些实施例中，长碳纤维(CF)管的模块化设计铺设成正方形螺旋。例如，管直径在0.6英寸到2英寸之间，并且边界框为大约3英尺x3英尺。螺旋罐六边形地堆叠以形成较大的容积。

在一些实施例中，以最大柔性的最密集填充将管六边形地堆叠，并且简单地连接端部。

图11为示出柔性弯肘的实施例的图表。在所示实例中，连接管的端部使用了柔性弯肘。内部管1100包括柔性内部橡胶弯头。内部管1100抵靠管1104的内衬1102就座。利用柔性弯肘，直长度包覆编织(例如，使用合成包绕1106)并且在固化前弯曲。在各种实施例中，柔性弯肘包括塑料衬里的减小区段、液压软管的附接区段、合成橡胶管，或者包括任何其它适合的弯肘构造。

在一些实施例中，使用连续的内衬里作为心轴，整个罐在单个过程中编织。罐的形状“规划”到衬里中，使得减小的区段在编织之后弯曲成弯肘。

在各种实施例中，罐用于储存除天然气之外的其它气体，并且符合容积，例如，空气、氧气、二氧化碳、氮气或任何其它适合的气体。

尽管出于理解清楚的目的详细描述了前述实施例，但本发明不限于提供的细节。存在实施本发明的许多备选方式。公开的实施例为示范性的而非限制性的。

Claims

1.一种用于储存天然气的系统，包括：

管的多个直区段，其中：

所述管的多个直区段密集填充；并且

所述管的多个直区段构造成充填指定容积；

所述管的多个直区段使用弯曲成U形的减少半径的管区段连接，其中从所述管的多个直区段的其中一个到所述减少半径的管区段的锥形停留在给定的平均曲率边界内，其中所述给定的平均曲率边界包括单个恒定平均曲率曲线，所述恒定平均曲率曲线具有大于1/2r₀的平均曲率，其中r₀是所述管的多个直区段的半径。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述减少半径的管区段也充填所述指定容积。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管的多个直区段包括连结在一起的具有减小半径的区段的多个长管。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管的多个直区段具有包覆编织纤维。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，从所述多个直区段中的一个到减小半径区段的锥形具有连续变化的曲率。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述连续变化的曲率实现了针对包覆编织的最佳编织角的目标。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述锥形目标在于优化弯头的内部容积，而不超过所述弯头的应力最大值。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管的多个直区段包括金属管。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管的多个直区段包括利用高强度纤维包覆编织的聚合物衬里。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述包覆编织的所述最佳编织角包括软管角，所述软管角保持环向应力和轴向应力平衡。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述聚合物衬里形成为单个长管，所述单个长管包括所述管的多个直区段和所述减少半径的管区段。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述聚合物衬里单独地模制，其中管的多个直区段和多个减少半径的管区段单独地模制然后连结在一起。

13.一种用于储存天然气的方法，包括：

提供管的多个直区段，其中：

所述管的多个直区段密集填充；以及

将所述管的多个直区段构造成充填指定容积，其中所述管的多个直区段使用弯曲成U形的减少半径的管区段连接，其中从所述管的多个直区段的其中一个到所述减少半径的管区段的锥形停留在给定的平均曲率边界内，其中所述给定的平均曲率边界包括单个恒定平均曲率曲线，所述恒定平均曲率曲线具有大于1/2r₀的平均曲率，其中r₀是所述管的多个直区段的半径。