CN107257897B - 压力容器组件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种压力容器组件包括多个突出部，每个突出部具有至少一个垂直布置的内壁，所述突出部以并排布置的方式定位，以使得第一突出部的第一内壁被定位成与第二突出部的第二内壁相邻，所述第一内壁具有第一壁顶侧和第一壁底侧，所述第二内壁具有第二壁顶侧和第二壁底侧，所述第一壁顶侧接合到所述第二壁顶侧并且所述第一壁底侧接合到所述第二壁底侧。还包括所述多个突出部中的每一个的第一端壁表面和第二端壁表面。还包括多个端盖，所述端盖中的每一个接合到所述突出部的所述端壁表面，所述端盖中的每一个接合到至少一个相邻的端盖。

Description

压力容器组件及其形成方法
关于联邦政府资助研究或开发的声明
本发明是在政府支持下、根据针对ARPA-E低成本混合材料和可适形CNG罐的制造的协议DE-AR0000254完成的。政府享有本发明的某些权利。
发明背景
本发明的示例性实施方案总体涉及用于加压流体的运输、储存或利用的压力容器，并且更具体地，涉及一种具有高适形率的优化的压力容器。
压力容器广泛地用于在压力下储存液体和气体。压力容器的储存容量取决于压力容器的内部容积和容器能够安全地容纳的压力。除了其储存容量之外，压力容器的大小、内部形状、外部形状以及重量被定制用于特定的应用。
压力容器的一个逐渐增长的应用是储存压缩天然气(CNG)。存在用于运输或储存加压流体(包括液体或气体)的相对大的多突出部的罐。这种基本技术可进行扩展，以使得能够相对廉价地且商业上可行地制造能够在压力下处理流体的较小的罐。用于CNG的工业标准气缸在机动车辆中的当前使用是有限的，这是因为气缸的气体体积密度较低。具有足够的天然气以实现与常规汽车相当的车辆行驶里程的罐将是大且笨重的，并且将需要否则通常将是可用的载货空间的空间。
发明简述
根据本发明的一个实施方案，压力容器组件包括多个突出部，所述突出部中的每一个具有至少一个垂直布置的内壁，所述多个突出部以并排布置的方式定位，以使得第一突出部的第一内壁被定位成与第二突出部的第二内壁相邻，所述第一内壁具有第一壁顶侧和第一壁底侧，所述第二内壁具有第二壁顶侧和第二壁底侧，所述第一壁顶侧接合到所述第二壁顶侧并且所述第一壁底侧接合到所述第二壁底侧。还包括所述多个突出部中的每一个的第一端壁表面和第二端壁表面。还包括多个端盖，所述端盖中的每一个接合到突出部的端壁表面，所述端盖中的每一个接合到至少一个相邻的端盖。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：第一内壁和第二内壁彼此焊接，端盖被焊接到突出部的端壁表面，并且端盖彼此焊接。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：焊接接头是固态焊接。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：第一壁顶侧、第一壁底侧、第二壁顶侧以及第二壁底侧各自平行于压力容器组件的水平面对准并且被设置成与突出部的弯曲壁部分相邻。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括肩部区域，所述肩部区域被定位成靠近第一壁顶侧、第一壁底侧、第二壁顶侧以及第二壁底侧，其中所述肩部区域包括大于突出部的其余部分壁厚度的肩部壁厚度。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：压力容器组件被构造来储存压缩天然气并且被设置在车辆中。
根据本发明的另一个实施方案，提供一种形成压力容器组件的方法。所述方法包括形成各自在纵向方向上从第一端壁表面延伸到第二端壁表面的多个突出部，所述突出部中的每一个具有至少一个垂直布置的内壁，所述多个突出部以并排布置的方式定位，以使得第一突出部的第一内壁被定位成与第二突出部的第二内壁相邻，所述第一内壁具有第一壁顶侧和第一壁底侧，所述第二内壁具有第二壁顶侧和第二壁底侧。所述方法还包括将第一壁顶侧和第二壁顶侧接合。所述方法还包括将第一壁底侧和第二壁底侧接合。所述方法另外还包括将多个端盖接合到突出部的端壁表面。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：将端盖中的每一个接合到相邻的端盖。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：将部件接合包括将第一壁顶侧焊接到第二壁顶侧、将第一壁底侧焊接到第二壁底侧、以及将多个端盖焊接到端壁表面。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：在将部件接合之前对压力容器组件进行热处理。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：在将部件接合之后对压力容器组件进行热处理。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：焊接包括闪光电阻对接焊、线性摩擦焊接、熔焊、电容性放电焊接以及摩擦搅拌焊接中的至少一种。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：通过冷喷涂在部件之间形成至少一个接头。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：在将部件接合之后使压力容器组件的至少一个部件塑性变形。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：在将部件彼此焊接之前将焊接适配器插入在待接合的相邻部件之间。
附图简述
在本说明书的结论处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征以及优点从结合附图进行的以下详细描述中显而易见，在附图中：
图1是根据本发明的实施方案的被构造来储存加压流体的压力容器的透视图；
图2是压力容器的实施方案的一部分的分解端视图；
图3是压力容器的端部区域的分解透视图；
图4是压力容器的分解透视图；
图5是压力容器的实施方案的一部分的透视图；
图6是示出相邻部件的接合线的压力容器的透视图；
图7是以彼此接触的方式设置的相邻部件的放大透视图；
图8是压力容器的内部突出部的端视图；
图9是压力容器的端部突出部的端视图；
图10是通过焊接适配器接合到压力容器的端盖的压力容器的突出部的透视图；并且
图11是根据实施方案的压力容器的端视图。
详细描述参考附图通过实例的方式来解释本发明的实施方案以及优点和特征。
发明详述
现在参照图1，示出被构造来储存高压流体(包括液体或气体)的压力容器或罐20的实例。可储存在压力容器20内的示例性流体或气体包括例如但不限于：压缩天然气(CNG)、氢气、丙烷、甲烷、空气以及液压流体。压力容器20包括多个大致圆柱形的突出部，所述突出部包括左端突出部25和右端突出部30。在示出的非限制性实施方案中，压力容器20另外包括多个基本上相同的内部突出部35，例如像五个内部突出部35；然而，具有任何数量的内部突出部35的压力容器20都在本发明的范围内。左端突出部25、一个或多个内部突出部35以及右端突出部30并排定位，并且通过多个结合件(参见图3)接合在一起。由于这种布置，压力容器20的整体构型为大致矩形形状。
现在参照图2，更详细地提供压力容器20的各个突出部25、30、35。左端突出部25和右端突出部30是基本上相同的，并且被布置成使得右端突出部30相对于左端突出部25旋转180度，或者被布置为彼此的镜像。端部突出部25、30包括具有第一厚度的大致圆柱形外壁40。内壁45在圆柱形外壁40的第一端部42与第二端部44之间大致垂直地延伸，并且具有等于外壁40的厚度的一半的厚度。在一个实施方案中，内壁45与圆柱形外壁40的端部42、44一体形成。圆柱形外壁40的曲率的至少一部分由半径R限定。在一个实施方案中，外壁40的与内壁45相对的部分包括由半径R限定的大致为240度角的圆形形状或曲线。因此，端部突出部25、30的整体高度等于圆柱形外壁40的半径R的长度的两倍。垂直内壁45大致平行于垂直面P并且与其间隔开，所述垂直面P包括限定外壁40的曲率的半径R的原点。在一个实施方案中，内壁45与平行的垂直面P之间的距离为大约半径R的长度的一半。因此，端部突出部25、30通常具有等于外壁40的曲率半径R的长度的约一个半的宽度。
示出的内部突出部35包括垂直布置的第一内侧壁50和第二内侧壁55，所述第一内侧壁50和所述第二内侧壁55彼此分开一定距离。在一个实施方案中，内部突出部35的宽度大致等于端部突出部25、30的曲率半径R。第一内侧壁50和第二内侧壁55的厚度是相同的，并且等于端部突出部25、30的内壁45的厚度。第一外壁60在第一内侧壁50的第一端部52与第二内侧壁55的第一端部56之间延伸。类似地，第二外壁65在第一内侧壁50的第二端部54与第二内侧壁55的第二端部58之间延伸。第一外壁60和第二外壁65的厚度与端部突出部25、30的弯曲的外壁40的厚度基本上相同。在一个实施方案中，多个内壁50、55和多个外壁60、65一体形成。
第一外壁60和第二外壁65的曲率可通过大致为60度角的圆形形状或曲线限定为半径R。在一个实施方案中，内部突出部35的曲率半径R基本上等于端部突出部25、30的曲率半径R。因此，第一弯曲壁60与第二弯曲壁65之间的距离是曲率半径R的长度的两倍，并且因此基本上等于端部突出部25、30的高度。
当装配压力容器20时，内壁45、50、55各自被定位成与另一个内壁45、50、55直接相邻。例如，在不具有任何内部突出部35的压力容器20中，左端突出部25的内壁45被布置成紧挨着右端突出部30的内壁45。在具有单个内部突出部35的压力容器20中，第一内侧壁50与左端突出部25的内壁45邻接，并且第二内侧壁55与右端突出部30的内壁45邻接。在包括多个内部突出部35的实施方案中，内部突出部35中的至少一个的第二内侧壁55被布置成紧挨着相邻的内部突出部35的第一内侧壁50。内部突出部的曲率半径R的原点与相邻突出部(端部突出部25、30或另一个内部突出部35)的曲率半径R的原点之间的距离大致等于曲率半径R的长度。另外，压力容器20的整体宽度大致等于三与内部突出部35的总数的和乘以曲率半径R的长度。
现在参照图3和图4，端盖100例如像利用闪光对接焊被安装在压力容器20的多个突出部25、30、35中的每一个的第一端壁表面22和与第一端壁表面22相对定位的第二端壁表面24两者处。接合到突出部25、30、35中的每一个的端部22、24的多个端盖100可以是分开的(图4)或可一体形成(图5)。在端盖100一体形成的实施方案中，端盖100包括与压力容器20的每个相邻的内壁45、50、55大致对准的内部支撑件105。每个端盖100具有与压力容器20的相邻的突出部25、30、35的形状基本上互补的形状。在一个实施方案中，每个端盖100包括具有等于曲率半径R的半径的球体的一部分。因此，被构造成联接到端部突出部25、30的端盖100包括比被构造成联接到内部突出部35的端盖100更大的球体部分。
压力容器20的突出部25、30、35通常可由高强度金属或复合材料制成。端部突出部25、30和内部突出部35可通过以下多种制造工艺中的任一种形成：包括例如但不限于挤压、锻造、模压铸造、辊轧成形以及激光成形。类似地，端盖100可由高强度金属或复合材料并且通过以下工艺制成：包括例如但不限于冲压、锻造、模压铸造、冲击挤压以及机械加工。压力容器20的实施方案可通过以下工艺由复合材料制成：包括例如但不限于织造、编织、长丝缠绕、层敷(ply layup)。这些工艺可单独或结合使用以制造用于产生最终几何形状的单独的或联合的管件。以下详细讨论可用于形成压力容器20和其子部件以及所述子部件的接合技术的工艺的另外的且更具体的实施方案。
现在参照图5和图6，压力容器20的相邻的突出部25、30、35与一个或多个结合件98联接。结合件98被构造来在多个突出部25、30、35之间、在弯曲壁40、60、65上传递拉伸负载。结合件98的大小被设定成提供足够的强度和负载路径以允许在外壁40、60、65与垂直内壁45、50和55之间的平衡负载共享。取决于所选择的罐材料，用于制造这些结合件98的示例性工艺包括例如但不限于：熔焊(诸如电弧激光或电子束焊接)、固态焊接(诸如摩擦搅拌焊接、线性摩擦焊接)、硬钎焊、电容性放电焊接以及瞬态液相结合。另外，可采用冷喷涂工艺来接合压力容器20的部件。在某些实施方案中，这些工艺中的一些与形成突出部25、30、35和/或端盖100的某些合金一起使用是特别有利的。具体地，将受益于本文所述的某些焊接技术的使用的材料包括高强度铝合金(诸如2000和7000系列合金)、钢(诸如4000系列)以及pH不锈钢和高强度400系列不锈钢。
如线130所示，结合件98沿突出部25、30、35的长度以彼此接触的方式延伸。结合件98可沿突出部的整个长度形成或间歇地沿所述长度形成。如图所示，结合件98沿突出部的内壁45、50的顶侧延伸。类似地，结合件98沿突出部的内壁45、50的底侧形成。例如，第一内壁132包括第一壁顶侧134和第一壁底侧136。类似地，与第一内壁132相邻定位的第二内壁138包括第二壁顶侧140和第二壁底侧142。第一壁顶侧134接合到第二壁顶侧140，并且第一壁底侧136接合到第二壁底侧142。
参照图7-9，沿待接合的区域(即，靠近内壁的顶侧和底侧的区域)，形成肩部区域150，以便有利于更有效的焊接，特别是对于固态焊接技术。肩部区域150包括内壁的顶壁表面和底壁表面的平坦的上表面152，所述平坦的上表面152基本上平行于压力容器20的水平面。平坦的上表面152过渡到弯曲部分154，所述弯曲部分154是突出部25、30、35的弯曲壁40、60、65的一部分。肩部区域150形成大于突出部其余部分壁厚度的肩部壁厚度。肩部区域150通过焊缝提供部分壁穿透，以避免在突出部壁的内径处形成穿透壁的焊缝和焊缝界面开裂或缺口。另外，肩部区域150允许在焊接之后进行机械加工，以便提供最佳的应力分布。
如以上指出的，端盖100可以并排构型一体形成并且接合到突出部25、30、35的端部表面22、24。可替代地，端盖100可单独形成并且使用上述接合技术中的任一种接合在一起。在具有单独形成的需要彼此接合的端盖100的实施方案中，可沿端盖100的待接合的部分包括上述的肩部区域150。与突出部一样，端盖的肩部区域150在整体压力容器20的纵向方向上延伸。以上描述了接合技术及其优点。
端盖100利用上述技术中的任一种接合到端部表面22、24。在一个实施方案中，接合技术有利于每个端盖100围绕端部表面22、24的整个表面有效地接合到端部表面22、24。然而，所设想的是，端盖100仅沿端部表面22、24的部分接合到端部表面22、24。在端盖100接合到端部表面22、24期间，焊接适配器160可设置在部件之间，如图10所示。许多焊接技术可受益于基于提供更容易的焊接途径以及支持在焊接工艺(例如像摩擦搅拌焊接和对接焊)期间产生的高负载的焊接适配器160的使用。
参照图11，示出端盖100的实施方案。图示的实施方案示出端盖100的接合到突出部的部分的横截面。端盖100的直接接合到突出部的部分是基本上平坦的并且不包括弯曲区域。端盖100的弯曲区域远离接合界面定位。平坦的接合界面改善了应力分布并且有利于在界面处的固态焊接。图示仅是一个代表性几何形状，并且应理解的是，可包括任何几何形状以便将端盖100定位到突出部并接合到突出部。
应理解的是，可仅利用本文所述的接合技术中的任一种来接合压力容器20的部件，或者可采用这些技术的组合。可执行各种焊后过程。例如，在实施上述的接合工艺之后，可利用粘合剂和/或硬钎焊来执行未焊接的部分界面的浸润，以减少应力升高。另外，可包括复合粘合剂表面补片以分布应力并加强焊接。此外，可采用使焊接区塑性变形的焊后处理来改善应力状态并使合金加工硬化。
可在接合部件之前执行压力容器20的热处理，以使部件的机械性能稳定。可单独地或与接合前热处理结合来应用接合后热处理。接合后热处理优化了部件的机械性能。两步式热处理(接合前和接合后热处理)过程对于某些合金(诸如2000和7000系列合金)可为特别有益的。另外，在某些接合技术期间(诸如在摩擦搅拌焊接期间)可执行冷却以增强部件的机械性能。
在一个示例性实施方案中，形成压力容器20的过程包括形成突出部25、30、35。形成可通过挤出突出部并将其矫直来实现。端盖100被锻造并机械加工成期望的形状。端盖100随后诸如通过闪光电阻对接焊被单独接合到分开的突出部的端部表面22、24。单独的端盖100随后诸如通过摩擦搅拌焊接彼此接合。随后，应用热处理以提高强度并减轻应力。
与用于储存加压流体的常规压力容器相比，压力容器20具有显著更高的适形能力(能够储存在压力容器内的加压流体的体积与等效矩形外壳的比率)。压力容器20的高适形能力是几何形状的结果，所述几何形状已被优化以便在内部压力下、在联合的突出部25、30、35的内壁和外壁40、45、50、55、60、65上共享负载并使峰值应力(例如像环向应力)最小化。压力容器20有利地更容易配合在各种储存区域、例如像车辆内。另外，本文所述的接合工艺提供接头，其使在接合期间的材料强度损失和应力集中最小化，以便在压力容器20的应用周期内、在长期的疲劳载荷下提供坚固的焊接接头。
虽然仅结合有限数量的实施方案对本发明进行了详细描述，但应易于理解，本发明不限于此类公开的实施方案。相反，可对本发明进行修改，以并入以上未描述但与本发明精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等同布置。另外，虽然已描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的方面可仅包括所述实施方案中的一些。因此，不应认为本发明受限于前面的描述，而是仅受限于所附权利要求书的范围。

Claims (12)

1.一种压力容器组件，其包括：
多个突出部，所述突出部中的每一个具有至少一个垂直布置的内壁，所述多个突出部以并排布置的方式定位，以使得第一突出部的第一内壁被定位成与第二突出部的第二内壁相邻，所述第一内壁具有第一壁顶侧和第一壁底侧，所述第二内壁具有第二壁顶侧和第二壁底侧，所述第一壁顶侧接合到所述第二壁顶侧并且所述第一壁底侧接合到所述第二壁底侧；
所述多个突出部中的每一个的第一端壁表面和第二端壁表面；以及
多个端盖，所述端盖中的每一个接合到所述突出部的所述端壁表面，
其中，所述第一壁顶侧、所述第一壁底侧、所述第二壁顶侧以及所述第二壁底侧各自平行于所述压力容器组件的水平面对准并且被设置成与所述突出部的弯曲壁部分相邻；
其中，所述多个突出部由高强度铝合金、4000系列的钢以及pH不锈钢和高强度400系列不锈钢中的至少一者形成；
所述端盖中的每一个接合到至少一个相邻的端盖；以及
每个突出部包括肩部区域，所述肩部区域被定位成靠近所述第一壁顶侧、所述第一壁底侧、所述第二壁顶侧以及所述第二壁底侧，其中所述肩部区域包括大于所述突出部的其余部分的壁厚度的肩部壁厚度。
2.如权利要求1所述的压力容器组件，其中所述第一内壁和所述第二内壁彼此焊接，所述端盖被焊接到所述突出部的所述端壁表面，并且所述端盖彼此焊接。
3.如权利要求2所述的压力容器组件，其中所述焊接接头是固态焊接。
4.如前述权利要求中任一项所述的压力容器组件，所述压力容器组件被构造来储存压缩天然气并且被设置在车辆中。
5.一种形成压力容器组件的方法，其包括：
形成各自在纵向方向上从第一端壁表面延伸到第二端壁表面的多个突出部，所述突出部中的每一个具有至少一个垂直布置的内壁，所述多个突出部以并排布置的方式定位，以使得第一突出部的第一内壁被定位成与第二突出部的第二内壁相邻，所述第一内壁具有第一壁顶侧和第一壁底侧，所述第二内壁具有第二壁顶侧和第二壁底侧；以及肩部区域，被定位成靠近所述第一壁顶侧、所述第一壁底侧、所述第二壁顶侧以及所述第二壁底侧，其中所述肩部区域包括大于所述突出部的其余部分的壁厚度的肩部壁厚度；其中，所述第一壁顶侧、所述第一壁底侧、所述第二壁顶侧以及所述第二壁底侧各自平行于所述压力容器组件的水平面对准并且被设置成与所述突出部的弯曲壁部分相邻；其中，所述多个突出部由高强度铝合金、4000系列的钢以及pH不锈钢和高强度400系列不锈钢中的至少一者形成；
将所述第一壁顶侧和所述第二壁顶侧接合；
将所述第一壁底侧和所述第二壁底侧接合；以及
将多个端盖接合到所述突出部的所述端壁表面；
将所述端盖中的每一个接合到相邻的端盖。
6.如权利要求5所述的方法，其中将部件接合包括将所述第一壁顶侧焊接到所述第二壁顶侧、将所述第一壁底侧焊接到所述第二壁底侧、以及将所述多个端盖焊接到所述端壁表面。
7.如权利要求5或6所述的方法，其还包括在将部件接合之前对所述压力容器组件进行热处理。
8.如权利要求5或6所述的方法，其还包括在将部件接合之后对所述压力容器组件进行热处理。
9.如权利要求5或6所述的方法，其中焊接包括闪光电阻对接焊、线性摩擦焊接、熔焊、电容性放电焊接以及摩擦搅拌焊接中的至少一种。
10.如权利要求5或6所述的方法，其中通过冷喷涂在部件之间形成至少一个接头。
11.如权利要求5或6所述的方法，其还包括在将部件接合之后使所述压力容器组件的至少一个部件塑性变形。
12.如权利要求5或6所述的方法，其还包括在将部件彼此焊接之前将焊接适配器插入在待接合的相邻部件之间。
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