CN105874260B - 高保形性的压力容器 - Google Patents

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Abstract

提供一种被配置成用于存储加压流体的压力容器，其包括多个凸齿。每个凸齿包括至少一个垂直布置的内壁。所述多个凸齿以并排配置来安置，使得第一凸齿的第一内壁与第二相邻凸齿的第二内壁相邻安置。所述第一内壁与所述第二内壁被配置成在第一切点彼此接触。第一切线与第一凸齿相交于第一切点，且第二切线与第二凸齿相交于第一切点。第一切线与第二切线相隔约120°。

Description

高保形性的压力容器
发明背景
本发明的示例性实施方案一般涉及用于输送、存储或利用加压流体的压力容器，且更具体地说，涉及具有高保形率的最佳化的压力容器。
压力容器广泛地用于在压力下存储液体和气体。压力容器的存储容量取决于压力容器的内体积和容器能够安全地含有的压力。除其存储容量外，压力容器的尺寸、内部的形状、外部的形状和重量可以针对具体的应用而定制。
压力容器的一种增长的应用是存储压缩天然气(CNG)。现有相对较大的多凸齿储罐用于输送或存储加压流体。此项基础技术可以延伸至使得能够在压力下处置流体的较小储罐的制造能够相对廉价且在商业上可行。因为钢瓶的气体体积密度低，所以当前机动车辆中行业标准钢瓶用于CNG受到限制。具有足以实现可与常规机动车匹敌的车辆驾驶范围的天然气的储罐将是巨大且大体积的，并将需要一般将另外作为有效载货空间的空间。
发明概要
根据本发明的一个实施方案，提供一种被配置成用于存储加压流体的压力容器，其包括多个凸齿。每个凸齿包括至少一个垂直布置的内壁。所述多个凸齿以并排配置来安置，使得第一凸齿的第一内壁与第二相邻凸齿的第二内壁相邻安置。所述第一内壁与所述第二内壁被配置成在第一切点彼此接触。第一切线与第一凸齿相交于第一切点，且第二切线与第二凸齿相交于第一切点。第一切线与第二切线相隔约120°。
图示简单说明
在说明书完结时在权利要求书中特别指出且清楚地要求被视作本发明的主题。从以下详细描述，结合随附图式，可显而易见本发明的上述和其它特征和优点，在所述图式中：
图1是根据本发明一个实施方案被配置成用于存储加压流体的压力容器的透视图；
图2是根据本发明一个实施方案的压力容器的一部分的分解端视图；
图3是根据本发明一个实施方案的压力容器的装配部分的端视图；
图4是根据本发明一个实施方案的另一压力容器的透视图；
图5是根据本发明一个实施方案的压力容器的末端凸齿的横断面图；
图6是根据本发明一个实施方案的压力容器的一部分的透视图；
图7是根据本发明一个实施方案的压力容器的分解透视图；
图8是根据本发明一个实施方案的压力容器的分解透视图；
图9是根据本发明一个实施方案的压力容器的末端的部分透明的透视图；
图10是根据本发明一个实施方案的压力容器的部分横断面图；以及
图11是根据本发明一个实施方案的压力容器的末端的透视图。
详细描述例如参考图式，说明本发明的实施方案以及优点和特征。
发明详述
现参见图1，展示了被配置成用于存储高压流体或气体的压力容器或储罐20的一个实例。可以存储在压力容器20内的示例性流体或气体包括(但不限于)例如压缩天然气(CNG)、氢气、丙烷、甲烷、空气和液压用液体。压力容器20包括多个总体上圆筒形的凸齿，所述凸齿包括左端凸齿25和右端凸齿30。在所展示的非限制性实施方案中，压力容器20另外包括多个基本上一致的内部凸齿35，例如5个内部凸齿35；然而，具有许多内部凸齿35的压力容器20在本发明的范围内。左端凸齿25、一个或多个内部凸齿35和右端凸齿30并排安置并通过多个接头接合在一起(参见图4)。由于此布置，所以压力容器20的整个配置总体上呈矩形。
现参见图2-5，更详细地提供压力容器20的个别凸齿25、30、35。左端凸齿25和右端凸齿30基本上一致，且经过布置，使得右端凸齿30相对于左端凸齿25旋转180度，或彼此呈镜像布置。末端凸齿25、30包括总体上圆筒形的外壁40，其具有第一厚度。内壁45在圆筒形外壁40的第一末端42与第二末端44之间总体上垂直延伸且厚度等于外壁40厚度的一半。在一个实施方案中，内壁45与圆筒形外壁40的末端42、44形成一体。圆筒形外壁40的曲率的至少一部分是由半径R界定。在一个实施方案中，与内壁45相对的外壁40部分包括圆形形状，或如由半径R界定的总体上240°角的曲线。因此，末端凸齿25、30的总高度等于圆筒形外壁40的半径R的长度两倍。垂直内壁45总体上与垂直平面P平行并与其相隔一定距离，所述垂直平面P包括界定外壁40的曲率的半径R的起点。在一个实施方案中，内壁45与平行的垂直平面P之间的距离为约半径R长度的一半。因此，末端凸齿25、30总体上的宽度等于外壁40的曲率半径R的长度的约1.5倍。
所示内部凸齿35包括垂直布置的第一内部侧壁50和第二内部侧壁55，彼此相隔一定距离。在一个实施方案中，内部凸齿35的宽度总体上等于末端凸齿25、30的曲率半径R。第一内部侧壁50和第二内部侧壁55的厚度一致并等于末端凸齿25、30的内壁45的厚度。第一外壁60在第一内部侧壁50的第一末端52与第二内部侧壁55的第一末端56之间延伸。类似地，第二外壁65在第一内部侧壁50的第二末端54与第二内部侧壁55的第二末端58之间延伸。第一外壁60和第二外壁65的厚度基本上与末端凸齿25、30的弯曲外壁40的厚度一致。在一个实施方案中，多个内壁50、55和多个外壁60、65形成一体。
第一外壁60和第二外壁65的曲率可由圆形形状或总体上60°角度的曲线由半径R界定。在一个实施方案中，内部凸齿35的曲率半径R基本上与末端凸齿25、30的曲率半径R一致。因此，第一曲壁60与第二曲壁65之间的距离是曲率半径R的长度的两倍，因此基本上等于末端凸齿25、30的高度。
当装配压力容器20时，每个内壁45、50、55与另一内壁45、50、55直接相邻安置。举例来说，在不具有任何内部凸齿35的压力容器20中，左端凸齿25的内壁45紧挨右端凸齿30的内壁45布置。在具有单个内部凸齿35的压力容器20中，第一内部侧壁50邻接左端凸齿25的内壁45，且第二内部侧壁55邻接右端凸齿30的内壁45。在包括多个内部凸齿35的实施方案中，至少一个内部凸齿35的第二内部侧壁55紧挨相邻内部凸齿35的第一内部侧壁50布置。内部凸齿的曲率半径R的起点与相邻凸齿，末端凸齿25、30或另一内部凸齿35的曲率半径R的起点之间的距离总体上等于曲率半径R的长度。另外，压力容器20的总宽度总体上等于三与内部凸齿35全部数目之和乘以曲率半径R的长度。
当压力容器20的凸齿25、30、35并排安置时，两个相邻的凸齿，例如左端凸齿25和右端凸齿30、左端凸齿25和内部凸齿35、内部凸齿35和右端凸齿30或两个内部凸齿35例如被配置成彼此在第一切点70和第二切点75接触。如图3中展示，在左端凸齿25与内部凸齿35之间的形成的第一切点布置于在内壁45与第一内部侧壁50之间延伸的垂直平面V1内。第一切线T1在第一切点70基本上垂直于左凸齿25的弯曲外壁40的半径。类似地，第二切线T2在第一切点70垂直延伸至内部凸齿35的弯曲外表面60的半径。在一个实施方案中，第一切线T1与第二切线T2彼此相隔120°且与在相邻内壁45、50之间延伸的垂直平面相隔120°。
在一个实施方案中，压力容器20关于水平面H对称，所述水平面H延伸穿过凸齿25、30、35每一者的曲率半径R的起点。因此，第二切点75布置在相同的垂直平面V1内，所述垂直平面V1在相邻的左端凸齿25的内壁45与内部凸齿35的内壁50之间延伸。第一切线T3在第二切点75垂直于左凸齿25的弯曲外壁40的半径延伸。类似地，第二切线T4在第二切点75基本上垂直于内部凸齿35的弯曲外表面65的半径布置。第一切线T3和第二切线T4类似地与彼此和垂直平面V1呈120°角度布置。虽然第一切点和第二切点在本文中是相对于左端凸齿25和内部凸齿35之间的界面描述，但类似的第一切点70和第二切点75存在于每一对相邻的凸齿之间的界面上。
现参见图4和5，末端凸齿25、30可包括至少一个与弯曲外壁40形成一体的其它圆筒形区段80，其与延伸穿过曲率半径R的起点的水平面H呈45°角。至少一个圆筒形区段80的半径延伸约180°,形成半圆形，使得压力容器20的总高度和宽度基本上保持恒定。另外，圆筒形区段80的壁85的厚度基本上小于弯曲外壁40的厚度。圆筒形区段80的壁85的第一末端90被配置成在切点95与弯曲外壁40的一部分接触。第一切线T5在切点95基本上垂直于圆筒形区段80的壁85的半径，且第二切线T6在切点95基本上垂直于弯曲外壁40的半径。第一切线T5与第二切线T6彼此相隔120°角度。
如图6中展示，压力容器20的相邻的凸齿25、30、35与安置在切点70、75的一个或多个接头98连接。接头98被配置成用于传递多个凸齿25、30、35之间的弯曲壁40、60、65上的拉伸负荷。接头98的大小经过设置，以提供适当的强度和负荷途径，允许外壁40、60、65与垂直内壁45、50和55之间负荷分配平衡。用于制造这些接头98的示例性工艺包括(但不限于)熔焊，例如电弧激光或电子束焊接；固态焊接，例如摩擦搅拌焊、线性摩擦焊、铜焊和瞬时液相扩散焊，例如取决于所选的储罐材料。
现参见图7和8，端盖100用例如闪光对接焊安装在例如压力容器20的多个凸齿25、30、35每一者的第一末端22与第二相对末端24。多个安装至凸齿25、30、35每一者的末端22、24的端盖100可以分开(图7)或可以形成一体(图8)。在端盖100一体形成的实施方案中，端盖100包括内部支撑物105，所述内部支撑物105总体上与压力容器20的每个相邻内壁45、50、55对准。每个端盖100的形状基本上与压力容器20的相邻凸齿25、30、35的形状互补。在一个实施方案中，每个端盖100包括半径等于曲率半径R的球的一部分。因此，被配置成与末端凸齿25、30连接的端盖100包括比被配置成连接至内部凸齿35的端盖100更大部分的球。再次参见图4，包括一个或多个形成一体的圆筒形区段80的末端凸齿25、30的端盖100的几何形态基本上与相邻的末端凸齿25、30互补。因此，端盖100包括半径等于圆筒形区段80的曲率半径的球的一部分和半径等于外壁40的曲率半径的球的一部分。
压力容器20的凸齿25、30、35总体上可以由高强度金属或复合材料制造。末端凸齿25、30和内部凸齿35可以通过大量制造工艺中的任一者形成，包括(但不限于)例如挤压、锻造、模压铸造、辊轧成形和激光成形。端盖100可以类似地由高强度金属或复合材料制造，并通过包括(但不限于)例如锤击、锻造、模压铸造、冲挤和机械加工的工艺制造。储罐20的一个实施方案可以通过包括(但不限于)例如编织、编带、长丝缠绕、叠层等工艺，由复合材料制造。这些工艺可以个别或组合使用，以制造个别或接合管，从而产生如图3中表达的几何形态。
现参见图9-10，压力容器20可以包括多个孔口120，使得布置在其中的加压流体可以在多个凸齿25、30、35之间连通。多个孔口120每一者总体上对准并可以在凸齿的内壁40、50、55中或每个端盖100的侧壁或者内部支撑物105中形成。在一个实施方案中，长度超过内壁45、50、55的厚度两倍的密封元件125布置在每个孔口120内，以防止加压流体在相邻的内壁45、50、55之间泄漏。示例性密封元件包括(但不限于)金属O形环、e形密封件和由例如收缩金属合金形成的密封件。在多个凸齿25、30、35在压力容器20的内部内流体地连接的实施方案中，端盖100之一包括端口130，所述端口130被配置成将压力容器20连接至发动机或用于将其中存储的加压流体再填充的系统(未展示)。在一个实施方案中，内部突出部135被配置成环绕在端盖100中形成的端口130。
在图11中所示的另一个实施方案中，多个凸齿25、30、35可以经由外部岐管150流体地连接。外部突出部155在端盖100外部形成，与压力容器20的每个凸齿25、30、35相邻。每个外部突出部155包括总体上与水平面H平行布置的第一通孔(未展示)和从第一通孔垂直延伸至压力容器20的内部的第二通孔(未展示)。流体地连接至第一通孔，因此连接至压力容器20的内部的连接器160安装至每个突出部155的两侧。一条管道165从第一外部突出部155的连接器160延伸至第二外部突出部155的连接器160。在一个实施方案中，相对于每个凸齿25、30、35，外部突出部155在端盖100上的位置可以交替，使得在相邻的连接器160之间延伸的管道165呈Z形布置。这些连接器160之一可以流体地连接至发动机或用于将其中存储的加压流体再填充的系统(未展示)。另外，外部岐管150可以用于流体地连接多个堆叠的压力容器20。
压力容器20的保形性(压力容器内可以存储的加压流体与同等矩形外壳的体积比率)显著高于用于存储加压流体的常规压力容器。压力容器20的高度保形性是所述几何形态的结果，所述几何形态已经最佳化以将内压力下接合凸齿25、30、35的内壁和外壁40、45、50、55、60、65上的负荷均分，并使例如环向应力等应力最小化。
虽然已经结合仅仅有限的实施方案详细描述了本发明，但应容易了解本发明不限于此类公开的实施方案。更确切些，本发明可以进行修改以并入迄今未描述，但符合本发明的精神和范围的许多变化、改变、替代或同等布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施方案，但应了解本发明的方面可以仅仅包括一些所描述的实施方案。因此，本发明不应视为受上述描述限制，而仅仅受随附权利要求书的范围限制。

Claims (15)

1.一种被配置成用于存储加压流体的压力容器，其包含：
多个凸齿，每个凸齿包括至少一个垂直取向的内壁，所述多个凸齿以并排配置来安置，使得第一凸齿的第一内壁与相邻的第二凸齿的第二内壁相邻安置，所述第一内壁与所述第二内壁被配置成在第一切点彼此接触，且第一切线在所述第一切点接触所述第一凸齿，且第二切线在所述第一切点接触所述第二凸齿，使得所述第一切线与所述第二切线相隔约120°；
进一步包含端盖，其安装至所述多个凸齿每一者的第一末端和相对的第二末端；
其特征在于
外部岐管，其安装至所述端盖并被配置成流体地连接至所述多个凸齿每一者；
在每个端盖的外部上邻近所述压力容器的每个凸角地形成外部突出部，每个外部突出部包括第一通孔和第二通孔，所述第一通孔布置成基本上平行于水平平面，所述第二通孔垂直地从所述第一通孔延伸进入所述压力容器的内部；
连接器被流体地连接到所述第一通孔并连接到所述压力容器的所述内部并且被安装到每个突出部的两侧；
一条管道从第一外部突出部的连接器延伸到第二外部突出部的连接器；以及
所述外部突出部在端盖上的相对于每个凸角的位置是交替的，使得在相邻连接器之间延伸的所述管道被Z字形布置。
2.根据权利要求1所述的压力容器，其中所述第一切点布置在位于所述第一内壁与所述第二内壁之间的垂直平面中。
3.根据权利要求2所述的压力容器，其中所述第一切线与所述第二切线均以离所述垂直平面120°角度布置。
4.根据权利要求3所述的压力容器，其中所述压力容器基本上关于水平面对称。
5.根据权利要求4所述的压力容器，其中所述第一凸齿与所述第二凸齿被配置成在第二切点彼此接触。
6.根据权利要求5所述的压力容器，其中该第二切点布置于所述垂直平面中，使得第三切线在所述第二切点接触所述第一凸齿且第四切线在所述第二切点接触所述第二凸齿，其中所述第三切线与所述第四切线相隔约120°。
7.根据权利要求1所述的压力容器，其中所述多个凸齿包括左端凸齿和右端凸齿。
8.根据权利要求7所述的压力容器，其中所述左端凸齿和所述右端凸齿基本上一致并相对于彼此旋转180°。
9.根据权利要求7所述的压力容器，其中所述左端凸齿和所述右端凸齿包括连接至内壁的弯曲外壁，且所述弯曲外壁的曲率由半径界定。
10.根据权利要求9所述的压力容器，其中所述压力容器的高度基本上等于所述半径长度的两倍。
11.根据权利要求9所述的压力容器，其中所述弯曲外壁具有第一厚度且所述内壁具有第二厚度，所述第二厚度基本上是所述第一厚度的一半。
12.根据权利要求9所述的压力容器，其进一步包含与所述左端凸齿和所述右端凸齿中至少一者的所述弯曲外壁形成一体的圆筒形区段，所述圆筒形区段与所述半径的起点呈45°角度布置。
13.根据权利要求12所述的压力容器，其中所述圆筒形区段被配置成在第三切点接触所述弯曲外壁，且第五切线与所述圆筒形区段相交于所述第三切点且第六切线与所述圆筒形区段相交于第三切点，使得所述第五切线和所述第六切线相隔约120°。
14.根据权利要求11所述的压力容器，其中所述多个凸齿进一步包括至少一个内部凸齿，所述内部凸齿包含通过第一曲壁和第二曲壁连接的第一内部侧壁和第二内部侧壁，其中所述第一曲壁的曲率和所述第二曲壁的曲率类似并由所述半径界定，且所述第一曲壁和所述第二曲壁具有所述第一厚度且所述第一内部侧壁和所述第二内部侧壁具有所述第二厚度。
15.根据权利要求1所述的压力容器，其进一步包含：
多个对准的孔口，其布置在所述压力容器的内部内，所述孔口被配置成流体地连接所述多个凸齿；以及
多个密封元件，每个密封元件布置在所述多个对准的孔口之一内。
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