CN107360725A - 具有设置在流体储存容器内的泵驱动单元的低温罐组件 - Google Patents

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Abstract

一种流体储存和加压组件，其包括储存贮器和泵组件。该储存贮器包括内部容器、包围内部容器的外部容器和在内部容器和外部容器以及泵组件之间的隔绝空间，该内部容器限定用于在储存压力和低温温度下储存流体的低温流体空间。该泵组件包括泵和泵驱动单元，该泵具有设置在低温流体空间内用于接收来自低温流体空间的一定量的流体的入口和用于从其输送流体的出口，该泵驱动单元至少部分地设置在由储存贮器所限定的空间内。

Description

具有设置在流体储存容器内的泵驱动单元的低温罐组件
技术领域
本申请涉及一种低温罐组件，更具体地，涉及一种将泵和泵驱动单元两者设置在储存容器内的低温罐组件。
背景技术
内燃机技术的发展允许在不就车辆的性能或运输方面做出牺牲的情况下使用气体燃料而非柴油作为燃料。如本文中所使用的，气体燃料被限定为在标准温度和压力下处于气相的那些燃料，所述标准温度和压力在本申请的上下文中为21摄氏度(℃)和1个大气压(atm)。示例性的气体燃料包括天然气、甲烷、氢气和其他可燃的烃衍生物。由于天然气容易获得、成本低以及具有可使颗粒物排放减少的潜力，其被越来越多地选择作为气体燃料用于为包括矿用卡车、机车、船舶和其他重型货车(HGV)的各种工业和车辆发动机提供燃料。要提高天然气储存的能量密度、特别是车辆上天然气储存的能量密度，与压缩天然气(CNG)相比，液化天然气(LNG)由于在低得多的储存压力下能够实现高得多的能量密度是一种有吸引力的解决方案。
能够提供与柴油发动机类似的性能概况(performance profile)的天然气燃料直喷式发动机需要在高压下将燃料输送到发动机，以克服前一循环的喷射的缸内压力。此外，用于储存低温流体比如LNG的储存容器必须被充分隔热以使所储存的LNG保持在低温温度。低温温度在本文中被限定为如下温度：气体燃料在预定的储存压力下在所述温度会保持为液化形态。
隔热体防止从周围环境到储存容器内的低温流体空间的热传递，因为进入低温流体空间的热能够导致LNG沸腾，从而增加容器内的蒸汽压力。如果蒸汽流体压力超过预定的压力限制，要防止对储存容器、燃料泵或低温罐组件的任何其它部件造成任何损坏，则需要触发泄压阀来从低温流体空间排出蒸汽。然而，从低温流体空间排出蒸气是不可取的，因此，除了隔热之外，传统的低温罐组件还避免将能把热量引入低温流体空间内的任何东西定位在储存容器内。申请人已经获得了一些具有创造性的低温罐组件的专利，例如US7293418 B2，所述低温罐组件的确将泵放置在低温流体空间内，其具有位于储存容器外部的液压泵驱动器。液压泵驱动器所使用的液压流体的温度可在65℃至90℃的范围内，并且当与对于LNG而言的大约-160℃的典型温度相比时，在其间形成非常大的温度梯度。除了存在要防止热量进入低温流体空间的挑战之外，还存在与将泵驱动单元定位在储存容器内相关联的其他挑战，比如防止液压流体管线冻结——如果驱动单元是液压驱动单元的话。
因此，需要一种改进的、适合于大型低温储存容器的低温燃料储存和加压组件，其提升指定的车载燃料储存空间内的燃料储存容积，同时减轻与将液压泵驱动单元定位在低温燃料储存和加压组件内相关联的挑战。
发明内容
所要求保护的系统是一种流体储存和加压组件，其包括储存贮器，该储存贮器具有内部容器、包围内部容器的外部容器和在内部容器与外部容器之间的隔绝空间，所述内部容器限定能够在低温温度和储存压力下储存流体的低温流体空间。因此，整个低温流体空间由内部容器限定并且由隔绝空间包围。隔绝空间能够被抽空以产生真空隔绝空间。
内部容器和外部容器还包括套筒，由此外部外壳的套筒在内部容器的套筒内延伸到低温流体空间中，隔绝空间在外部容器的套筒和内部容器的套筒之间延伸。
储存和加压组件还包括泵组件，以接收来自低温流体空间的低温流体并从该低温流体空间输送所述流体。具体而言，泵组件包括具有入口和出口的泵，所述入口设置在低温流体空间内，所述出口用于将流体输送到储蓄器或其他加压流体接收装置。泵组件还包括至少部分地设置在由储存贮器所限定的空间内的泵驱动单元。泵驱动单元控制泵，使得由泵所接收和输送的流体响应于发动机的需要。
泵驱动单元设置在储存贮器内，使得泵驱动单元至少部分地被置于外部容器的套筒内的凹处。在示例性的实施例中，泵驱动单元完全地被置于外部容器的套筒内的凹处，并且被设置在如内部容器限定的低温流体空间之间。
泵组件设置在储存贮器内，使得泵浸入在低温流体空间中，这允许泵处于连续冷却状态，并且泵驱动单元基本上被设置在外部外壳的套筒内。
在一个示例性的实施例中，泵是具有设置在泵缸内的至少一个活塞的往复式活塞泵，并且其能够将流体加压到2500磅/平方英寸(psi)至9500psi之间的压力。往复式活塞泵优选地由液压驱动单元致动。
液压驱动单元包括液压缸和可在其中往复运动的活塞、与活塞连接的驱动轴和与驱动轴相关联的液压流体渗出管线，所述驱动轴延伸出液压缸用以致动泵，所述液压流体渗出管线用于收集沿着驱动轴从液压缸泄漏的液压流体。
由于当前所要求保护的系统将泵驱动单元定位在内部容器内，所以渗出管线的传统构造为使得该渗出管线会暴露于储存贮器内的低温温度。因此，渗出管线中的流体在这样的温度下容易冻结，这是不期望的。在示例性的实施例中，液压渗出管线与液压缸的邻近泵的端板相关联，并且嵌置(nest，套放)在第一液压流体管线或第二液压流体管线中的一个内。因此，渗出管线与储存贮器内的低温温度隔绝；通过将渗出管线嵌置在液压流体管线内，液压流体管线内的温暖流体的连续流动会减少渗出管线内的冻结。
在替代实施例中，可以使用各种其他驱动器来驱动往复活塞。举例而言，这些驱动器可包括电动马达、机械驱动单元、气动驱动单元或者任意其他的、不背离当前所要求保护的系统的精神的驱动单元。
在又一替代实施例中，泵驱动单元由隔热体包围，以确保低温流体空间内的低温温度不影响泵驱动单元的性能，并且将从泵驱动单元至低温流体空间中的热泄漏减少，从泵驱动单元至低温流体空间中的热泄漏可能会使流体的温度升高，并使其中一些变成蒸气。隔热体能够包括气凝胶套或任意其他合适的隔绝体。
在一个示例性的实施例中，流体储存和加压组件旨在用于液化天然气(LNG)或适合用作车辆燃料的任意其他低温流体。储存和加压组件还旨在车载使用用于重型车辆，包括储存容积最高达2000美制加仑的矿石运输车和其他重型货车(HGV)。
附图说明
图1为示出具有气体燃料储存组件的车辆的示意图。
图2为包括储存贮器和泵组件的低温流体储存和加压组件的截面图，其中泵组件的泵驱动单元位于储存贮器内。
图3为液压驱动单元的截面图，其中液压渗出管线设置在液压流体管线内。
具体实施方式
在整个下述说明中，公开具体细节以提供对所要求保护的系统的更透彻理解。然而，未详细示出或描述一些众所周知的要素以避免使本申请所公开的系统模糊。因此，说明书和附图应被视为是说明性的而非限制性的。附图未按比例绘制。
参照图1，车辆100被示出为具有包体(enclosure，壳)102，其位于车辆底盘104上并且位于车轮106之间。空间103至少限定可用于低温燃料储存贮器的竖向空间，并且可由壳102至少部分地限定。在一个示例性的实施例中，车辆100是大型的重型货车，然而，车辆可以被理解为任意的、具有用于储存低温燃料的车载罐组件的车辆。存在可用于低温燃料储存组件的有限空间，并且具有位于储存贮器108外部的泵驱动单元110的常规现有技术的低温储存贮器108的形状导致在壳102内存在环绕泵驱动单元延伸的空置空间112。因此，当前要求保护的系统旨在提供一种更加紧凑的布置，其用于通过如下方式来增加能够被储存在可用的壳102内的燃料的体积：将泵驱动单元110定位在低温储存贮器108内，使得空置空间112被并入为低温储存贮器108的可用燃料储存容积的一部分，如轮廓线114所示。因此，轮廓线114表示当泵驱动单元110位于低温储存贮器108内时可用于低温储存燃料储存的总空间，该总空间大于当泵驱动单元位于低温储存贮器108之外时的可用空间。
总体而言，当前要求保护的系统涉及一种低温流体储存和加压组件，其包括储存贮器和泵组件，所述储存贮器具有能够在预定范围内的低温温度和储存压力下储存流体的低温流体空间。泵组件包括用于接收低温流体并以更高压力将其输送给用户的泵和用于驱动该泵的泵驱动单元。在示例性的实施例中，泵和泵驱动单元两者都被完全地设置在储存贮器内，导致更加紧凑的布置，使得储存贮器包含常规地会围绕它的空置空间，从而使总的可用的低温流体储存容积增加。对于其他应用比如铁路供给车辆(tender car，煤水车)而言，由于泵驱动单元不需要延伸到储存贮器的高度之上，所以储存贮器在保持相同的整体高度的同时，其直径能够更大。尽管将泵定位在储存贮器内是已经已知的，但是将泵驱动单元定位在用于在低温温度下储存的流体的储存贮器内是较具挑战性的。当泵驱动单元暴露于储存贮器内的低温温度时，其可能会冻结并且变得不起作用。因此，需要将泵驱动单元与储存贮器内的低温温度隔绝。泵驱动单元在使用时通常被视为热源，因此还需要进行充分的隔绝来防止泵驱动单元中所产生的热量转移到低温流体空间中，泵驱动单元中所产生的热量转移到低温流体空间中可能加热低温流体，将其转化为蒸汽。这使储存贮器内的压力增加，并且最终可能需要被排放以防止对低温罐组件造成损坏，这是不期望的。低温流体储存和加压组件能够用于对LNG或任意其他的适合用作车辆燃料的低温流体进行储存和加压。储存和加压组件能够车载使用用于重型车辆，包括具有最高达2000美制加仑的储存容量的矿用卡车，以及其他HGV。
参照图2，示出了低温流体储存和加压组件200，其具有储存贮器202和泵组件204。储存贮器202包括内部容器206和外部容器208，该内部容器限定低温流体空间203的边界。内部容器206和外部容器208由隔绝空间210隔开，该隔绝空间能够被抽空来提供隔热，以使低温流体空间203与外部容器208和包围外部容器208的周围环境隔绝。
内部容器206包括套筒——其在本文中被称为内部套筒221，并且外部容器208包括套筒——其在本文中被称为外部套筒222。外部套筒222在内部套筒221内延伸到低温流体空间203中，使得隔绝空间210在所述套筒之间延伸。
内部容器206由被设计为使外部容器208和内部容器206之间的热传导减少的支撑结构212支撑在外部容器208内。在图2中这些支撑结构212被示出为处于容器的底部，然而，所述支撑结构可以是从内部容器206支撑外部容器208的任意机械部件或结构部件，并且可以位于从外部容器208对内部容器206提供适当支撑的任意位置。
在该所示实施例中，泵组件204包括可操作地连接到泵驱动单元218的泵216，两者都被完全地设置在储存贮器202内。更具体地，泵组件204设置在位于低温流体空间203内的外部泵套筒222内。因此，隔绝空间210提供低温流体空间203和泵组件204(泵组件204的延伸到低温流体空间203中的部分除外)之间的隔热，更具体地，提供泵驱动单元218和低温流体空间203之间的隔热，以使由泵驱动单元218所产生的热量到储存在低温流体空间203内的流体的任何传递最小化，以避免不期望的蒸发和排放。
仍在所示实施例中，泵组件204完全地位于储存贮器202内，使得泵驱动单元218不延伸超过与外部容器208的顶部相连接并覆盖泵组件204的覆盖件250。在该布置中，储存贮器202可以被做得更大，使得对应于图1中的空置空间112的空间230被并入为低温流体空间203的一部分，使可用于低温流体的总储存容积(当与泵驱动单元218完全地位于储存贮器202之外、更具体地为位于外部容器208之外时可用于低温流体的总存储容积相比较时)增加。
在其他实施例(未示出)中，与之前已知的、将整个泵驱动单元218定位在外部容器208外部的布置相比，将泵驱动单元218仅部分地定位在储存贮器202内仍然能够提供更加紧凑的布置。
在示例性实施例中，泵216是往复式活塞泵，其具有朝向储存贮器202的底部定位在低温流体空间203内的泵入口220。泵216被示出为浸没在低温流体空间203中。这使泵216能保持在所储存的低温流体的温度，使得泵216不需要在工作之前被冷却到低温温度。在一个示例性的实施例中，泵驱动单元218是液压驱动的驱动单元，然而，根据应用要求，可以用许多其他驱动单元代替。举例而言，这些替代性的驱动单元可包括气动驱动器、机械驱动器和电动马达。
图3中示出驱动单元218的详细视图。具体地，图3示出液压驱动单元318的详细视图。示出了液压缸301，活塞302设置在该液压缸内。活塞302是液压驱动的，并且通过将加压的液压流体以交替的方式引导到活塞302的相对侧而往复运动，产生往复直线运动。
具体而言，加压的液压流体经由在本文中称为第一液压流体管线305的高压导管沿箭头A所示的方向从液压流体贮存器(未示出)流入液压缸301，填充第一液压腔室330。加压的液压流体沿箭头A所示的方向对活塞302施加力，导致活塞302向下移动。同时，加压的液压流体经由第二液压流体管线312被从第二液压腔室332沿箭头B所示的方向推出到液压流体贮存器。第二液压腔室332环绕驱动轴309延伸。
液压驱动单元318包括一个或多个阀(未示出，并且在其他实施例中其可以与液压驱动单元是分开的)，所述阀在活塞302完成其冲程时被致动，使得在活塞冲程结束时，加压的液压流体此时经由第二液压流体管线312进入第二液压腔室332，将活塞向上(与箭头A所示的方向相反)推动，迫使加压的液压流体从第一液压腔室330经由第一液压流体管线305流出到液压流体贮存器。
驱动轴309刚性地连接到活塞302，并且将泵216可操作地连接到驱动单元218(在液压驱动单元的情况下为318)，使得当活塞302和驱动轴309往复运动时，泵216被致动。在一个示例性的实施例中，泵216是往复式活塞泵，使得驱动轴309在液压驱动单元318和泵206之间延伸，并且当驱动轴309往复运动时，驱动轴309驱使泵216中的活塞进行往复运动。
沿着驱动轴309泄露穿过端板306内的轴密封件320的任何液压流体都经由另一流体管线来收集，该流体管线在本文中称为渗出管线310。渗出管线310位于端板306内，具有通至驱动轴309在其中作往复运动的孔的开口，以收集泄露穿过轴密封件320的液压流体，从而防止泄漏的液压流体收集在延伸到泵的套筒中。
该泄漏的液压流体经由渗出管线出口316被引导到泵壳体307的外部并返回到液压流体贮存器。液压驱动单元通常被设计成使自液压缸301内的流体泄漏最小化。因此，泄露穿过轴密封件320的液压流体通常是具有低间歇流量的少量流体。这种低流量泄漏的液压流体与渗出管线316的壁接触，并且比行进通过第二液压流体管线312的、更快流动的高压液压流体暴露于低温温度的时间段更长，因此其更容易冻结。
在具有处于储存贮器202外部的泵驱动单元218的常规现有技术的系统中，渗出管线316(以及在其内行进的低流量泄漏的液压流体)暴露于环境温度，因此不易冻结。为了防止当泵驱动单元218位于储存贮器202内时泄漏的液压流体在渗出管线310内冻结，渗出管线310被定位在泵壳体307内，并且尤其嵌置在第二液压流体管线312内，以使渗出管线310内间歇和/或低流量泄露的液压流体与周围的低温温度隔绝。第二液压流体管线312内的高温液压流体的连续流动使离开渗出管线310的热传递减少，由此防止泄漏的液压流体冻结。
尽管已经示出并说明了当前要求保护的系统的具体元件、实施例和应用，但是应当理解，示例性实施例在本文中是作为所要求保护的概念和所描述的特征的示例公开的，并且所要求保护的系统不限于此，因为在不脱离本公开内容的范围的情况下，尤其是根据上述教导，能够作出变体用于实施相同的概念。

Claims (17)

1.一种流体储存和加压组件，其包括：
a.储存贮器，其具有内部容器、包围所述内部容器的外部容器和在所述内部容器和所述外部容器之间的隔绝空间，所述内部容器限定用于在储存压力和低温温度下储存流体的低温流体空间，
和
b.泵组件，其还包括：
i.泵，其具有设置在所述低温流体空间内用于接收来自所述低温流体空间的一定量的流体的入口和用于从其输送所述流体的出口；和
ii.泵驱动单元，其用于驱动所述泵，所述泵驱动单元至少部分地设置在由所述储存贮器所限定的空间内。
2.根据权利要求1所述的储存和加压组件，其中，所述内部容器和所述外部容器还各包括套筒，其中所述外部容器的套筒在所述内部容器的套筒内延伸到所述低温流体空间中，并且由此，所述隔绝空间在所述外部容器的套筒和所述内部容器的套筒之间延伸。
3.根据权利要求2所述的储存和加压组件，其中，所述泵驱动单元至少部分地设置在所述外部容器的套筒内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的储存和加压组件，其中，所述隔绝空间是真空空间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其中，所述低温流体空间基本上由所述隔绝空间包围。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的储存和加压组件，其中，所述泵是包括设置在泵缸内的至少一个活塞的往复式活塞泵。
7.根据权利要求6所述的储存和加压组件，其中，所述往复式活塞泵将所述流体加压到2500psi至9500psi之间的压力。
8.根据权利要求2所述的储存和加压组件，其中，所述泵驱动单元完全地被置于所述外部容器的套筒内的凹处。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的储存和加压组件，其中，所述泵驱动单元基本上由所述低温流体空间包围。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的储存和加压组件，其中，所述泵驱动单元选自电动马达、机械驱动器、气动驱动器或液压驱动器中之一。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的储存和加压组件，其中，所述泵驱动单元是液压驱动单元，所述液压驱动单元具有液压缸和能在所述液压缸中往复运动的活塞、与所述活塞相连接的驱动轴和与所述驱动轴相关联的液压流体渗出管线，所述驱动轴延伸出所述液压缸用以致动所述泵，所述液压流体渗出管线用于收集沿着所述驱动轴从所述液压缸泄漏的液压流体。
12.根据权利要求11所述的储存和加压组件，其中，所述液压流体渗出管线位于所述液压缸内。
13.根据权利要求12所述的储存和加压组件，其中，所述液压渗出管线与所述液压缸的邻近所述泵的端板相关联。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的储存和加压组件，其中，所述液压渗出管线嵌置在第一液压流体管线或第二液压流体管线中的一个内。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的储存和加压组件，其中，所述泵驱动单元由隔热体包围。
16.根据权利要求15所述的储存和加压组件，其中，包围所述泵驱动单元的所述隔热体包括气凝胶套。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的储存和加压组件，其中，所述储存贮器具有最高达2000美制加仑的储存容积。
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