CN111886440A - 液态甲烷储存和燃料输送系统 - Google Patents

Abstract

用于储存和输送诸如甲烷的燃料的系统和方法。在某些方面，一种系统设置有内容器、外容器以及连接两个容器的绳索悬挂系统。在某些方面，所公开的储存箱以长保持时间在低压下操作，并且具有非圆柱形状。

Description

液态甲烷储存和燃料输送系统

技术领域

公开了总体涉及液态甲烷的低温储存和储存、以及将其作为燃料输送比如至诸如发动机的动力生成系统的实施方式。

背景技术

与诸如柴油、汽油以及丁烷的常规非低温液体燃料相比，液态甲烷的储存及其作为燃料到发动机和其它动力生成系统的输送的低温性质可能提出若干技术挑战。

例如，就储存而言，为了使甲烷气体通过排气的损失最小化，图1中例示了典型的储存箱100。通常，这种箱能够通过将甲烷储存在高压真空绝热容器中来延长甲烷可以保持液态的时段，并且可以包括外真空夹套102、内容器104、超级绝热体106以及排气口108。

图2A中提供了在如图1例示的箱中储存的液态甲烷的典型箱压和保持时间。在该示例中，压力和保持时间根据图2B所例示的饱和蒸汽曲线(从CRC Handbook of Chemistryand Physics第44版获得的表数据)来提供。该曲线示出了液态甲烷的平衡压力与温度之间的关系，其中，该曲线基于：

在-82.6℃的临界点以上，甲烷需要不切实际的压力来保持其为液态。

为了延长被动无排气时段以满足从填充开始5天的典型工业要求，在必须进行排气之前，箱中的蒸汽压力在5天内通常在8巴至15巴的范围内增加。这些系统的高压用于在打开输出阀时实现比如作为燃料源的高液体流量。

由此，仍然需要改进保持时间、以及使用低压系统储存和输送甲烷燃料。

另外，考虑到现有系统的压力限制，储存容器的横截面必须是圆柱形的，具有用于输出的中心定位的短管。由此，仍然需要具有关于管道和通道的灵活性的替代形状的布置。比如，用于交通工具中。

2013年6月27日提交的标题为“Liquid Methane Storage System and Method,”的US2014352332(W02013093601)中提供了包括有内部冷却单元的使用的液态甲烷储存系统。

发明内容

根据一些实施方式，提供了一种低温储存箱。例如，提供了一种甲烷储存箱，该甲烷储存箱具有外容器和布置在外容器内的内储存容器，该甲烷储存箱适于储存液态甲烷。在某些方面，储存箱包括用于连接内箱和外箱的支撑系统，其中，支撑系统包括绳索悬挂系统，使得防止内储存容器直接接触所述外容器。容器之间的空间可以是例如真空。在一些实施方式中，内储存容器布置在外容器内，而没有金属支撑套环。储存箱可以安装在交通工具(诸如卡车或拖拉机)中，并且连接到燃烧式发动机。比如，箱可以被布置成将甲烷输送到交通工具的燃烧式发动机。

根据一些实施方式，提供了一种甲烷储存箱，该甲烷储存箱包括外容器和布置在外容器内的内储存容器。在某些方面，箱还包括用于连接内容器和外容器的支撑系统。根据一些实施方式，储存箱是低压箱，在该箱中，液态甲烷在1巴至3巴范围内的压力下储存，并且保持时间为至少5天。

根据一些实施方式，提供了一种甲烷储存箱，该甲烷储存箱包括外容器和布置在外容器内的内储存容器。在某些方面，箱还包括用于连接内容器和外容器的支撑系统。根据一些实施方式，内储存容器具有非圆柱形状。例如，在一些情况下，内储存容器的横截面为正方形或圆角矩形形状。

根据一些实施方式，支撑系统可以由绳索制成，绳索可以包括例如通过拼接形成的固定环。绳索可以由比如合成纤维制成，诸如芳香族聚酰胺和对位芳香族聚酰胺合成纤维。悬挂系统还可以利用螺纹张紧布置和/或贝氏垫圈。系统还可以包括一个或多个滑轮和轮子。在一些实施方式中，内容器和外容器中的至少一个包括超声换能器，该超声换能器被构造为基于通过内储存容器的超声信号来提供关于内储存容器中的甲烷液位的数据。在一些方面，箱还包括固定地附接到内储存容器的外表面的热电偶，和/或箱还包括输出管线，其中，输出管线具有压力传感器。在一些实施方式中，处理器可以用于将与压力、温度以及甲烷液位中的一个或多个有关的数据发送到中央控制设施。

根据一些实施方式，提供了一种诸如用于卡车或拖拉机的燃料输送系统。系统可以包括比如：储存箱，该储存箱适于储存液态甲烷；热交换器，该热交换器联接到储存箱，并且构造为处理从储存箱提取的甲烷；以及第一压缩机，该第一压缩机联接到热交换器，并且被构造为对由热交换器处理的甲烷加压。在一些实施方式中，热交换器被定尺有足够的容量，以在整个操作条件范围内使来自箱的气体的温度正常化，以便确保供给到发动机的气体不太冷。系统还可以包括：燃烧式发动机，该燃烧式发动机联接到第一压缩机，其中，燃烧式发动机被构造为使用加压甲烷操作；第二压缩机，该第二压缩机联接到储存箱；以及辅助动力单元，该辅助动力单元联接到压缩机中的至少一个。在一些示例中，第二压缩机被布置为与第一压缩机并联地起作用，比如，以按需将额外的甲烷气体输送至发动机。根据一些实施方式，第二压缩机还独立于第一压缩机起作用，以供应甲烷气体用于储存在高压缓冲器中或驱动储存箱的制冷回路。另外，在燃烧式发动机是交通工具的一部分的情况下，辅助动力单元可以被构造为在交通工具的启动期间提供动力或者向交通工具的区域提供动力和热量。

根据一些实施方式，提供了一种组装甲烷储存箱的方法。该方法可以包括比如将内储存容器放置在外容器内，其中，内容器适于储存液态甲烷。方法还可以包括使用具有绳索悬挂系统的支撑系统将内储存容器附接到外储存容器。在一些示例中，内容器和外容器中的至少一个具有非圆柱形横截面，诸如正方形或圆角矩形。根据一些实施方式，制造方法被设计为确保可以通过真空密封端口实现绳索支架的张紧，而不需要打开外箱。

根据一些实施方式，提供了一种操作诸如卡车或拖拉机的交通工具的方法。该方法可以包括填充储存箱并用来自箱的甲烷提供动力的燃烧式发动机操作交通工具。箱可以是例如本文公开的实施方式中描述的箱中的一个。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了各种实施方式。

图1例示了储存箱。

图2A和图2B例示了压力信息。

图3例示了根据一些实施方式的用于储存和输送燃料的系统。

图4A和图4B例示了根据一些实施方式的储存系统。

图5例示了根据一些实施方式的储存容器。

图6A至图6D例示了根据一些实施方式的储存容器。

图7例示了根据一些实施方式的轮支撑组件。

图8例示了根据一些实施方式的张紧组件。

图9例示了根据一些实施方式的储存容器。

图10至图12例示了根据一些实施方式的数据。

图13例示了根据一些实施方式的储存容器。

图14例示了根据一些实施方式的过程。

图15A和图15B例示了根据一些实施方式的过程。

图16例示了根据一些实施方式的控制单元。

附图与说明书一起进一步用于说明本公开的原理，并且使得相关领域的技术人员能够进行并使用本文公开的实施方式。在附图中，同样的附图标记指示相同或相似的功能。

具体实施方式

本公开的方面解决了通常为高压的现有系统的某些问题。

虽然现有系统可以简单地制造和操作，并且能够在打开输出阀时实现非常高的液体流量，但它们具有许多限制性特性。这种特性可以包括以下特性中的一个或多个：(1)在必须排出过量气体之前容纳甲烷的固有时限，气体的排出对环境有害并且需要小心控制以防止爆炸；(2)在高压下操作，这通常需要具有圆角端的圆柱形横截面，这又可能减少可以被装进给定长度、宽度和高度中的液体量，从而减少箱的有效能量储存容量；(3)关于使用这种系统的任何交通工具的范围的结果限制、和/或对动力生成器可以起作用的持续时间和范围的限制；(4)为了减小应力，所有的出口管路系统通常必须通过箱的中心部分去掉，这意味着通常需要非常短的输出管，从而增加通过传导进入主甲烷体积的热流；(5)非常短的支撑套环，该支撑套环用在内液态甲烷箱与外真空夹套之间，以使连接管路系统的弯曲最小化，并防止箱之间的相对移动，这种相对移动可能导致内箱接触外箱；然而，该短的支撑套环增加了进入主甲烷贮存器中的热流；(6)甲烷在对应高温下的质量密度明显低于在较低温度下的液态甲烷，这再次降低了箱的有效能量储存容量，这又限制了交通工具的范围或可以生成动力的时间；(7)在较高的压力下，由于液态甲烷的较低密度，需要通常10％的增加的缺量空间以防止随着液态甲烷膨胀通过液压压力的积累而破裂；(8)在延长的高输出流量的时段期间，内箱压力降低，这导致到交通工具或动力生成器的最终燃料不足。实际上，某些系统可能依赖于进入箱中的热泄漏来蒸发足够的甲烷以供应发动机，这在一些场景中可能是对整体系统性能的折衷。在一些情况下，使用甲烷作为交通工具的替代燃料的重大挑战是储存足够的量以提供典型现有运输和动力生成应用的范围，并且这样做不会过度增加交通工具或动力生成形式的尺寸。

本公开的方面涉及解决现有系统的问题，包括一个或多个上述问题，并且总体涉及以最空间有效的形状和体积以其最能量密集的形式储存液态甲烷。这还可以包括在发动机和其它动力生成系统中以最高可能的连续流输送作为气体燃料的甲烷。在一些实施方式中，这与需求或持续时间的水平无关，至少直到箱的全部内容物已经耗尽为止。

液态甲烷比室温下的甲烷气体能量密集超过621倍，但是由于其天然物理特性，通常只能作为液体低温储存。低温液体储存通常涉及在没有足够的压力积累的情况下尽可能长时间地保持液体尽可能冷，该压力积累将需要排出气体。传统的解决方案通过使用真空夹套来隔离液体容器并将支撑结构和管路系统设计为最小化热量进入来实现这一点，比如，如图1例示。然而，热量总会进入液体容器中，这导致液体冷冻剂沸腾，从而放出气体。最后，如果气体压力没有释放，则液体容器的压力将增加直到容器爆炸。存在其它危害。

比如，甲烷不应释放到环境中，除非必要，因为它是强力的全球变暖气体并破坏环境。由于其爆炸性质，它还存在安全危害。为此，目前的液态甲烷交通工具规章(UN R110)规定液态甲烷箱应该能够将箱内的甲烷保持最少5天。

实施方式可以通过例如以下来克服这些和其它限制：提供显著减少热量进入液态甲烷容器中的内容器支撑设计，从而延长在8巴至15巴范围的压力范围内5天的非排气时段的工业标准R110要求的保持时间。比如，根据一些实施方式，保持时间可以在相同范围内延长到25天甚至50天。在某些方面，该提高的持续时间性能可以用于在1巴至3巴的减压范围内满足5天的非排气时段。在1巴至3巴的压力下，液态甲烷在饱和蒸汽温度下保持在高达30％的更密集的能量状态下，如图10所示。在某些方面，1巴至3巴的减压范围可以意味着箱的构造材料不需要大到包含压力，这允许更自由的设计(例如，矩形箱)。对于更复杂的设计，并且在一些实施方式中，压力可以被限制到较低值。类似地，对于更简单的设计，在一些情况下可以适应较高的压力。

根据一些实施方式，提供了一种支撑结构。在一些实施方式中，该支撑结构与内撑式加强和制造过程结合使用，以允许液态甲烷和真空夹套容器设计，这些设计允许任意形状的液态甲烷容器。

根据一些实施方式，描述了一个或多个压缩机的并入，这些压缩机被定尺为提供所需的气体流率。在一些实施方式中，这可以有效地将低温箱性能与甲烷输送要求隔离。在一些实施方式中，辅助动力单元可以用于提供额外的动力和热量，以便在冷启动和补充应用期间使用。系统可以包括增压器，该增压器提供甲烷气体的高压贮存器，用于与低温贮存器隔离的冷启动和辅助动力生成。在一些实施方式中，可以包括气体液化系统的并入，该气体液化系统将任何未使用的甲烷气体冷凝回液体，并同时根据需要冷却液态甲烷贮存器。根据实施方式，对于气体液化系统，燃料可以被储存延长的时段并且在不间断动力供应中使用。

根据一些实施方式，可以使用控制器来管理箱的条件和甲烷输送。例如，可以提供比如经由SATCOMS和/或地面网络的因特网或其他网络链路的并入。比如，通信可以是到中央控制站，以便监测和控制甲烷储存和输送系统。图16中示出了控制系统的示例。

在一些实施方式中，轻质复合材料用于内液态甲烷箱和外真空夹套。比如，可以将耐火材料用于外夹套。可以用于一个或多个箱和夹套的材料的示例包括铝、芳纶(Kevlar)以及碳纤维。其它合适的材料可以包括足以满足R110规章对道路行驶箱的“火烧”试验的要求的那些材料。

甲烷是天然气的主要组分，其提供了增加百分比的集中动力生成。由于其物理特性，目前仅可以使用低温将其储存为液体，这限制了甲烷在储存容器必须排气之前可以储存的时段，并且还使将其转化为气相以便用作动力生成燃料的需要复杂化。储存为液体使得能够方便地运输和有效地使用储存空间。特别地，当用作用于运输目的大功率燃烧式发动机的燃料时，需要在最小的空间内储存尽可能多的液体，并且能够根据需要供应足够量的燃料。特别地，液态甲烷的能量密度足够高以替代用于为重型货车提供动力的液体化石燃料，诸如汽油和柴油，然而，当前技术使用需要具有圆柱形横截面的高压低温储存箱，由此限制了可以容纳在给定空间封套内的燃料的体积。

加压箱可以提供迫使液态甲烷移动的初始装置。这可以比如通过由来自冷却系统的废热加热的蒸发器来产生发动机通常所需的气态燃料。然而，在持续的重负荷下，诸如长时间的爬升，甲烷箱中的压力可能下降到流向发动机的燃料不足(导致乏油和功率下降)的点。该问题的方面由本文所公开的实施方式来解决。

另外，间歇性可再生能源，诸如风能、太阳能、潮汐能、水力发电和波浪动力具有严重的限制，因为它们在需要时通常不发电，并且仍然接管对电力基础设施的大量接入。另选地，许多生物甲烷生产者位于电网接入受限的区域中，因此无法在这些时段期间增加其功率输出。通过将生物甲烷在可以被运输的紧凑储存容器中转化成液体，生物甲烷然后可以用于为位于可再生能源场所的备用动力生成器提供燃料，在这些可再生能源场所中，存在电网接入，以覆盖太阳能、风能等不足的那些时间。然而，为了满足所需的高功率水平，需要在不确定的时段内根据需要即时供应大量的气态甲烷，这对于所使用的现有高压储存系统来说是个问题。另外，排气之前的储存问题是复合性的，因为可能需要将液态甲烷储存数月而不是数天。

根据一些实施方式，提供了一种系统，该系统用于液态甲烷在低压下的不定期非排气储存及其在独立于甲烷贮存器的天然蒸汽压的压力下向高气态甲烷流率的连续转化。

现在参照图3，根据一些实施方式提供了用于储存和输送比如甲烷的燃料的系统300。该系统可以包括低压燃料储存箱302。在一些实施方式中，箱302具有非圆柱形横截面，诸如正方形或圆角矩形横截面。虽然在该示例中使用正方形和圆角矩形形状，但可以使用其他非圆柱形横截面。另外，箱302可以具有复杂的形状，比如，“L”形。系统还可以包括热交换器306、辅助动力单元308、液化/制冷回路316、气体压缩机310以及高压缓冲器和增压器314和312。系统可以被构造为使得液态甲烷被保持在最低的可能温度，从而将能量密度增加到其最大值。

在一些实施方式中，在接收到对气态甲烷的需求时，压缩机310通电，这迫使气体进入发动机304中。气体也可以经由调节器被迫返回到箱中，这对箱加压，以迫使更多的液态甲烷通过热交换器306离开，在热交换器中，甲烷在被压缩和被迫进入发动机中以继续循环之前被蒸发。即，气体可以经由调节器313从压缩机310(或311)传递到箱302。这样，系统300的部件可以结合使用，以同时将必要的燃料输送到单元304(例如，发动机)，同时确保额外的燃料将从箱302排出，以便持续输送和使用。

根据一些实施方式，可以使用第二压缩机311。第二压缩机可以联接到箱302。在一些实施方式中，第二压缩机311与第一压缩机310并联放置，以在高需求下输送甲烷气体。在一些实施方式中，第二压缩机311可以被布置为独立于第一压缩机310起作用，以将甲烷气体供应至增压器，诸如增压器312。这可以比如实现用于储存在高压缓冲器314中的高压或驱动冷却单元，诸如制冷回路316。如图3例示并且在一些情况下，调节器313还可以连接到压缩机311并用于将气体引导到缓冲器314和箱302中的一个或多个。虽然被描绘为单个部件，但是在一些情况下，调节器313可以包括多个调节部件，包括一个或多个阀。根据一些实施方式，第一和第二压缩机310、311可以位于由必要的管理系统、控制和电力电缆服务的交通工具上的任何地方。在一些情况下，一个或多个压缩机采用低压(例如3巴)的气体，并将其以较高压力(诸如10巴)输送到发动机。在一些实施方式中，这可以是具有每秒16克的组合输出速率。

例如，在正常的交通工具巡航运行期间，一个压缩机(例如，压缩机310)可能足以将甲烷以第一水平(例如，8克/秒)输送到发动机。在这种情况下，第二压缩器可以根据需要被保留用于附加任务。作为示例，第二压缩机(例如311)可以用于将气体供应到增压器和/或填充高压缓冲器。根据一些实施方式，当需要冷却储存在箱中的燃料(诸如箱302中的液态甲烷)时，来自缓冲器或来自增压器的输出的高压甲烷可以通过制冷元件，诸如箱内部的焦耳汤普森(Joule Thompson)制冷回路，这将甲烷重新冷凝为比主贮存器更冷的液体。这可以增加在甲烷需要被排出之前剩余的保持时间，或者使得额外的空间可用于新鲜燃料，因为更冷的甲烷更稠密。

根据一些实施方式，交通工具的初始启动，包括比如启动动力/交通工具单元304，可以使用储存在可以储存甲烷气体的高压缓冲器(诸如缓冲器314)中的燃料来实现。这可允许例如第一压缩机310独立于主箱302中的压力而启动，根据一些实施方式，该压力可能低。在某些方面，一旦压缩机310运行，调节器313就可用于将一些气体放出到主箱中。在一些实施方式中，气体在3巴下放出到主箱302。因此，在一些方面，主箱压力独立于液态甲烷蒸汽压力而设定。根据实施方式，比如在需要高气体流量的情况下，可以并入压力升高回路。这可以使得箱的压力能够通过例如借助附接到外真空容器的内壁的热交换器蒸发掉一些液体来增加。这样，在高使用率期间，可以维持箱中的压力。

在某些方面，辅助动力单元308可以起许多作用。根据实施方式，它可以定位在交通工具上的任何地方并且经由必要的管连接。辅助动力单元可以用于从甲烷气体提取能量，否则当甲烷箱中的压力升高但交通工具或生成器不使用时，甲烷气体必须被排出。电能可以由单元308比如通过使用一些甲烷利用燃料电池布置和/或二次燃烧式发动机生成。电能可以储存在电池中。

根据一些实施方式，辅助动力单元308还可以用于在驾驶员在夜间睡觉时向交通工具的区域提供动力和/或热量，该区域包括比如客舱或“旅馆”负载。例如，对于非常冷的启动，辅助动力单元可以专门从高压缓冲器运行，以生成用于热交换器(例如热交换器306)的热量，该热交换器在交通工具主发动机足够暖之前蒸发液态甲烷。

根据一些实施方式，系统300可以在箱处于增大压力的状态下操作。例如，当储存箱302已经被留置一段时间(这允许热量使储存的燃料，诸如液态甲烷，沸腾，从而增大压力)时，系统可以操作。根据实施方式，阀被打开，以便将过量的甲烷气体供给到辅助动力单元(诸如燃烧式发动机或燃料电池)，在该辅助动力单元中生成动力并将动力储存在电池中。比如，辅助动力单元可以是单元308。来自电池的功率然后可以用于为压缩机提供动力，以从箱取走过量气体，并使其通过增压器(例如，增压器312)和冷却单元(例如，制冷回路316)，以使过量气体再液化并使其返回到主贮存器。这可以有利地降低主贮存器的温度并延长其非排气储存时间。另选地，并且根据一些实施方式，压缩机和增压器可以用于从主箱取走低压气体，并且将其以高度压缩的气态储存在高压缓冲器(诸如缓冲器314)中，该缓冲器充当独立的贮存器，该贮存器可以用于发起主发动机的起动顺序或根据需要供应辅助动力单元。

虽然可以使用一个较大的低压压缩机，但根据一些实施方式，为了在最大需求下时向发动机供应足够的气体，可以使用独立作用的两个较低流量压缩机。在一些情况下，在正常操作下，一个压缩机可以完成足够的燃料输送，这节省能量。进一步地，为了提供高压缓冲体积，第二压缩机可以独立使用。通过将气体泵送通过增压器，可以填充高压贮存器。高压贮存器然后可以用于在冷启动期间为发动机提供动力，或者通过穿过定位在内液态甲烷箱内的焦耳汤普森制冷系统来保持液体贮存器是冷的。该系统可以用于保持主贮存器是冷的，从而维持低压操作。

通常，低温液态甲烷储存箱将允许气体的压力随着液态甲烷升温而根据饱和压力增加。这是可以的，直到液态甲烷的温度达到161开尔文的临界温度为止。此时，没有压力可以将甲烷保持在液态(临界温度的定义)，因此，如果超过箱的机械强度，则释放过量气体压力或箱爆炸。虽然甲烷被保持在液态，但随着它升温，它的密度与它在大气压下的密度相比降低了高达30％。这意味着对于给定的体积，能量密度也降低，这在交通工具的燃料箱的情况下，可能具有许多缺点，包括例如到重型货车或在农用拖拉机的情况下的操作时间的减小的范围以及空间的低效使用中的一个或多个。与其它液态燃料(诸如柴油)相比，这可能是严重的缺点。本文所述的方法和系统可以允许甲烷保持在低压(诸如大气压甚至更低)，从而确保维持燃料箱的最大能量密度，这提供优于传统高压甲烷箱的显著优点。

在一些情况下，低温恒温器被设计成借助于不锈钢支撑套环将内液体容器从外真空容器悬挂。在水平支撑的液体容器的情况下，支撑必须足够坚固，以保持内液态甲烷箱的全部重量。而且，为了使内箱的体积量最大化，必须使外真空容器与内液体箱之间的空间最小化。因此，支承套环应短而结实，并且由于必须维持圆柱形横截面，所以必须通过中心去掉倾析管和排气管。比如，这在图11的布置1100中例示，在真空箱1110内具有用于甲烷箱1108的短支撑套环1102、短输出管1104以及短排气管1106。布置1100形成了一种支撑结构，该支撑结构允许大量的热量从外部真空夹套1110流入到内液体箱1108中，这减少了液体达到气体必须排出的设计压力所花费的时间。在该布置1100中，从液态甲烷以8巴的压力放入箱1102中的点开始，箱可以在必须排气之前维持甲烷的液态五天(例如，在达到15巴时，这是R110中陈述的规章要求)。支撑套环与外箱之间的短距离意味着提取液态甲烷所通过的管1104也是短的，这意味着热导率再次更高。

现在参照图4A和图4B，根据一些实施方式提供了储存箱400。箱可以包括比如具有支撑系统406的内容器402和外容器404。支撑系统可以用于将具有元件410的内容器402连接到具有元件408的外容器404。管道系统412可以用于从内容器402提取燃料，诸如甲烷。箱400可以对应于例如图3的箱302。即，在一些实施方式中，如图3阐述的系统可以实施如图4A和图4B阐述的箱以及参照图5至图9例示的箱。图4B中示出了管道412的侧视图414。根据一些实施方式，系统约束内容器402的移动，以防止它与外容器404接触。根据实施方式，诸如填充或提取管道的管道不需要居中地定位在箱表面上。例如，管可以在边缘附近进入/离开容器。

一些实施方式使用各种长度的绳索，而不是使用支撑不锈钢套环。这些可以是比如从外箱支撑内箱的合成纤维材料，诸如芳纶(Kevlar)绳索。根据实施方式，绳索材料具有非常低的热导率，并且在一些情况下，因为使用相对长的长度，所以液态甲烷升温到临界温度所花费的时间可能显著增加。例如，根据实施方式，时间增加十倍，即，50天。在一些实施方式中，使用绳索来提供内箱支撑还允许使用长薄壁管来再次倾析液态甲烷，这再次减少内箱的热负荷，从而增加在需要排放气体之前可维持的时间。在一些实施方式中，绳索可以由高强度、低热导率材料制成。虽然在该示例中使用芳纶，但可以使用其它合适的材料。

根据实施方式，并且使用五天不排气的规章要求作为示例，液态甲烷可以在1巴的压力下填充并且被允许在必须释放相同的五天的时段的压力之前升温至饱和压力为3巴的温度。换言之，并且根据实施方式，箱布置的较低热泄漏减少了压力积累，由此允许满足调节，同时保持较低系统压力和高液体密度的特征。这意味着由于上述原因，箱的液态甲烷密度和能量密度更高。这比如在图12中示出。

在该低得多的压力下，除了圆柱形设计之外的横截面变得可能。例如，与圆柱形横截面1304相比，可以使用正方形或弯曲的矩形横截面1302，这允许进一步增加储存体积。例如，图13中示出了液态甲烷1306的量以及因此可以储存在相同的总封套内的能量。虽然在该示例中使用正方形形状，但可以使用其他非圆柱形横截面。根据一些实施方式，箱可以具有复杂的形状，比如“L”形。实际上，对于整个箱结构，可以考虑其它更复杂的形状，使得其可以配合到交通工具整体设计内的更方便的空间中。这对于空间受限的交通工具，诸如农用拖拉机，可能是重要的。

根据一些实施方式，合成材料绳索可以是极其结实的，并且在外真空容器与内箱之间提供绰绰有余的张力，以支撑内箱和容纳在其中的液态甲烷的重量。在某些方面，即使箱受到机械冲击，诸如在交通工具碰撞期间发生的机械冲击，这也是成立的。然而，为了使进入内箱中的热负荷最小化，应选择最细的绳索。在一些实施方式中，为了将绳索附接至内箱和外箱，使用绞盘，诸如关于游艇使用的绞盘。然而，当绳结用于形成固定到绞盘所围绕的环时，绳结随着其拉过绳索的纤维而变成结构的最弱部分。绳结可能使布置的强度降低50％或更多，这意味着必须使用更粗的绳索。而且，绳结比绳索本身宽，因此增加了丢失到由支撑结构占据的空间的体积。

为了对于给定的外箱体积使内箱的体积最大化，根据一些实施方式，使用使内箱与外箱之间的间隙最小化的设计。因此，一些实施方式利用拼接来在绳索材料中形成固定环。拼接方法可以保持绳索的完整性和强度。例如，通过部分地解开绳索然后将所得的绳股编织在一起，可以形成环接头(有时称为眼环结)。这意味着在设计中可以使用高的安全裕度。在芳纶的示例中，这种接头在最好的绳结上维持高达80％的断裂应变，并且还使丢失到悬挂系统的空间最小化。在一些实施方式中，相对于绳索直径使用大直径绞盘，从而增加上面搁置绳索的面积，以减小应力并允许绳索的移动平衡力。例如，绞盘可以具有大约50mm至75mm的直径，并且可以与5mm至7.5mm的绳索直径一起使用。虽然在该示例中使用芳纶，但根据实施方式，可以使用其它合适的材料。

现在参照图5，根据一些实施方式提供了储存容器500。容器500可以包括外表面502、比如用于悬挂系统的一个或多个连接点504、以及管道506。根据实施方式，储存容器500可以对应于内容器402。

现在参照图6A至图6D，根据一些实施方式提供了诸如容器500的储存容器的详细视图。在该示例中，602是圆角截面，并且604是端板后侧。图6B是沿着图6A的“A”截取的横截面。如图6B的示例所示，606是缺量汽缸，608是水平加强件，610是垂直加强件，612是凸缘，614是填充管线，616是排气管线，618是气体管线，620是端板侧，并且622是液体管线。图6D是沿着图6C的“B”截取的横截面。例示了连接点624，其可以是例如绞盘。在一些实施方式中，绞盘在各侧上以相同的尺寸定位。

现在参照图7，提供了根据一些实施方式的轮支撑组件。在该示例中，组件包括U形夹702、U形夹销704以及槽轮706。图7还示出了组件的侧视图。

现在参照图8，根据一些实施方式提供了张紧组件。在该示例中，组件包括张紧U形夹802、张紧销804、槽轮806以及螺纹杆808。在一些实施方式中，螺纹杆808螺纹穿过U形夹并对接焊接。关于图7和图8，在一些情况下，绳索的端可以终止于环接头。绳索可以比如绕绞盘绞入，使得内箱受到约束。作为绳索的端的环接头可以使用轮806安装。这可以用于在组装之后张紧绳索。

现在参照图9，图9例示了根据一些实施方式的具有绳索(例如，合成绳索，诸如芳纶)和贝氏垫圈的容器900的两个视图。由于一些材料可以是刚性的(例如，芳纶)并且在失效之前不拉伸，因此实施方式在机械冲击的情况下提供了一些顺应性。比如，可以使用螺纹张紧布置来收紧绳索，并且还可以选择贝氏垫圈来提供适当的张紧量。容器900可以结合图7和图8所阐述的一个或多个组件。虽然在该示例中使用芳纶，但根据实施方式，可以使用其它合适的材料。

根据一些实施方式，当布置成在3巴下操作时，内储存容器的侧壁的厚度可以低于10mm，例如，8mm。相反，比如，这将具有20mm的厚度。这在一些情况下可以使得能够更容易焊接并减少重量和成本。另外，在该示例中，对于每1mm的厚度减少，内部容积(例如用于300升的箱)每毫米增加1升，因此容积增加12升。

根据一些实施方式，提供了缺量改进。缺量可以指比如死区，该死区不能在箱内利用来允许液体膨胀进入膨胀空间中，以防止由于来自液体随着其升温膨胀的液压引起的灾难性故障。在对于15巴的高压箱的缺量可能存在10％的要求的情况下，对于根据实施方式的3巴300升的箱，这降至留出作为死区的小于4％的缺量。总之，在该示例中，300升正方形箱的体积从15巴(200mm壁厚)到3巴(8mm壁厚)的增加将是12升加上1.06倍312＝330或额外的10％物理体积空间。考虑到甲烷密度为30％的事实，在该示例中，这可能导致13％的额外有效能量含量改进。而且，重量和原材料成本也将减少56％。

根据一些实施方式，通过使用压缩机来满足发动机的气体供给要求，可能几乎不需要在箱内积累任何显著的压力。比如，这可以是在图3和图4所阐述的布置中。在某些情况下，可能期望少量的正压，例如100毫巴，以防止空气进入到甲烷箱中，空气的进入将带来安全危害。根据实施方式，可以避免对任何缺量空间的需要，这使得额外的空间可用于更多的液体。由此，根据一些实施方式，提供了不需要任何缺量空间的液态甲烷储存箱。在某些方面，箱可以在100毫巴或更低的压力下操作，包括低至0巴。

根据一些实施方式，可以在交通工具上实施储存箱。如本文所用的，术语交通工具包括但不限于陆基交通工具(诸如汽车、卡车、摩托车以及拖拉机)、海基交通工具(诸如船)和空基交通工具(诸如飞机或无人机)。

虽然关于芳纶描述了一些示例，但可以使用其它纤维材料，包括合成纤维，诸如其它对位芳香族聚酰胺合成纤维。比如，可以使用在包括低至低温的宽温度范围内维持强度和弹性的其它材料。根据一些实施方式，用于内箱的悬挂系统的绳索材料在多年中应当具有高强度、非常低的热导率以及低弹性的特定特性。对于一些交通工具应用，UNR110规章要求箱必须能够承受沿任何轴线的9G的冲击减速度或加速度。测试过程还包括在60分钟内没有液体释放的9米液滴，这可能导致甚至更高的力，以便悬挂系统继续存在并且还不允许快速热进入。因此，在某些实施方式中，材料不仅能够支撑箱的质量，而且能够支撑多多个数量级的质量。另外，必须维持真空绝热的完整性以避免热量进入，因此在一些实施方式中，材料具有低脱气特性。

UNR110规章还包括火烧试验，该试验必须达到650℃的温度60分钟，同时控制产生的气体的释放，因此以受控方式发生故障对于排气过程可能是重要的。在一些实施方式中，随着系统发生故障，仅允许热量缓慢地进入箱中，以允许减压阀处理在这种情况下增加的气体蒸发。因此，在该示例中，所用纤维的温度范围也应该能够尽可能长时间地耐受高温。

现在参照图14，根据一些实施方式提供了用于组装储存系统和/或燃料输送系统的过程1400。在步骤1402中，将内储存容器放置在外储存容器内。内容器可以适于储存液态甲烷。在步骤1404中，使用支撑系统将内储存容器附接到外储存容器。根据一些实施方式，支撑系统包括合成绳索悬挂系统，并且内箱和外箱中的至少一个具有正方形或圆角矩形横截面。过程1400可以比如结合关于图3至图13例示的系统和装置中的任何一个来使用。

现在参照图15A，根据一些实施方式提供了用于操作交通工具的过程1500。在步骤1502中，用甲烷填充储存箱。比如，该箱可以是关于图3至图13例示的任何箱。在步骤1504中，使用由甲烷提供动力的燃烧式发动机来操作交通工具。交通工具可以是例如卡车或拖拉机。

现在参照图15B，根据一些实施方式提供了用于操作交通工具的过程1550。在步骤1552中，从低压储存箱中提取甲烷。比如，该箱可以是关于图3至图13例示的任何箱。例如，储存箱可以包括绳索悬挂系统和具有正方形或圆角矩形横截面的储存容器中的一个或多个。

在根据一些实施方式可以是任选的步骤1554中，可以用热交换器(诸如热交换器306)处理提取的甲烷。这可以包括例如蒸发。在步骤1556中，通过压缩甲烷(诸如所提取或处理的甲烷)(例如，使用压缩机310和311中的一个或多个)，生成加压甲烷，并且在步骤1558中，使用加压甲烷操作交通工具的动力单元。

根据实施方式，方法还可以包括将所提取的甲烷和加压甲烷中的一个或多个输送(步骤1560)到缓冲器中，并且将储存在缓冲器中的甲烷传递(步骤1562)回到储存箱中。在一些实施方式中，输送包括使用增压器和第二压缩机，比如，如关于图3例示。在一些实施方式中，方法1550还包括使用从所述储存箱排出的甲烷(诸如储存在缓冲器中的甲烷和由所述热交换器处理的甲烷中的一种或多种)凭借辅助动力单元(例如，单元308)生成能量(步骤1564)，诸如电能。方法还可以包括执行(步骤1566)加热交通工具乘客区域、操作热交换器和使用来自辅助动力单元的所述生成的能量启动交通工具中的一个或多个。另外，提取(步骤1552)、处理(步骤1554)、生成加压甲烷(步骤1556)、输送(步骤1560)、传递(步骤1562)、生成能量(步骤1564)以及执行操作的步骤1566中的任何一个可以响应于对气态甲烷的需求。

根据一些实施方式，超声液位传感器与上述系统中的一个或多个结合使用。例如，为了提供用于留在箱中的液态甲烷的量的输出，将超声换能器固定到内液态甲烷箱的下侧。比如，这可以是如图3或4所示的箱。在一些实施方式中，传感器发送超声信号通过箱内壁和液态甲烷，直到它碰到液态甲烷的顶面为止。然后将该信号反射回换能器，并且使用往返行程所花费的时间来计算箱中液态甲烷的高度，然后由此计算燃料的总量。为了管理液态甲烷的状态，可以并入另外的传感器。液态甲烷的温度也可以通过固定在内箱外部的热电偶测量。压力传感器也定位在箱的输出管线中。

根据一些实施方式，微处理器使用从这些传感器取出的读数来控制定位在气体面板和压缩机中的阀的打开或关闭，以确保主动管理液态甲烷储存条件。另外，与箱的状态有关的数据经由因特网或其它网络发送到中央控制设施，使得如果存在与液态甲烷安全储存的状态有关的任何问题，则可以采取必要的步骤。

根据一些实施方式，通信和处理可以使用控制模块1600来完成。图16是根据一些实施方式的这种控制单元的框图。如图16所示，控制单元可以包括：数据处理系统(DPS)1602，该系统可以包括一个或多个处理器1655(例如，通用微处理器和/或一个或多个其他处理器，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等)；耦合到天线1622的无线电发送器1605和无线电接收器1606，用于与控制设施或其它服务进行无线通信；以及本地存储单元(又称为“数据储存系统”)1608，该系统可包括一个或多个非易失性存储和/或一个或多个易失性存储装置(例如，随机存取存储器(RAM))。在控制单元包括通用微处理器的实施方式中，可以提供计算机程序产品(CPP)。CPP 1641包括存储包括计算机可读指令(CRI)1644的计算机程序(CP)1643的计算机可读介质(CRM)1642。CRM 1642可以是永久计算机可读介质，诸如但不限于磁介质(例如，硬盘)、光介质(例如，DVD)、存储装置(例如，随机存取储存器)等。在一些实施方式中，计算机程序1643的CRI 1644被构造为使得当由数据处理系统1602执行时，CRI使得控制单元执行上述步骤(例如，上面参考流程图描述的步骤)。在其它实施方式中，控制单元可以被构造为执行本文描述的步骤而不需要代码。即，例如，数据处理系统1602可以仅由一个或多个ASIC组成。因此，本文所述的实施方式的特征可以在硬件和/或软件中实施。

虽然甲烷被用作示例，但本文所述的储存元件也可以用于储存其它材料，包括低温储存。比如，根据本文所述的实施方式，可使用氢燃料，并且可以储存其它材料(例如，氧、氦、氩以及氮)。类似地，根据实施方式的燃料储存和输送系统也适用于非甲烷燃料。

虽然本文描述了本公开的各种实施方式，但应理解，它们仅以示例的方式提出，而不是限制。由此，本公开的广度和范围不应被上述示例性实施方式中的任一个限制。而且，除非本文另有指示或另外与上下文明显矛盾，否则本公开涵盖上述元件在其所有可能变化中的任何组合。

另外，虽然以上描述的和在附图中例示的过程被示出为一系列步骤，但是这仅仅是为了例示的目的而进行。因此，预期可以添加一些步骤，可以省略一些步骤，可以重新排列步骤的顺序，并且可以并行地执行一些步骤。

Claims (23)

1.一种储存箱(400)，该储存箱包括：

外容器(404)；

内储存容器(402)，该内储存容器布置在所述外容器内；以及

支撑系统(406)，该支撑系统将所述内储存容器连接到所述外容器，

其中，所述支撑系统包括绳索悬挂系统，该绳索悬挂系统连接安装在所述外容器上的第一元件(408)和安装在所述内储存容器上的第二元件(410)。

2.根据权利要求1所述的储存箱，其中，所述内储存容器是适于储存液态甲烷的低温储存箱，并且其中，所述液态甲烷在1巴至3巴范围内的压力下储存，并且保持时间为至少5天。

3.一种甲烷储存箱(400)，该甲烷储存箱包括：

外容器(404)；

内储存容器(402)，该内储存容器布置在所述外容器内，并且适于储存液态甲烷，其中，所述内储存容器的横截面为正方形或圆角矩形；以及

支撑系统，该支撑系统将所述内储存容器连接到所述外容器。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的箱，其中，所述支撑系统包括由芳香族聚酰胺或对位芳香族聚酰胺合成纤维制成的绳索。

5.根据权利要求4所述的箱，其中，所述绳索包括通过拼接形成的固定环。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的箱，其中，所述支撑系统包括螺纹张紧布置和贝氏垫圈中的一个或多个。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的箱，其中，所述内容器和外容器中的至少一个包括超声换能器，该超声换能器被构造为基于通过所述内储存容器的超声信号来提供关于所述内储存容器中的所述甲烷液位的数据；所述箱还包括固定地附接到所述内储存容器的外表面的热电偶；或者所述箱还包括输出管线，其中，所述输出管线具有压力传感器。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的箱，还包括控制模块1600，其中，所述控制模块被构造为将与压力、温度以及甲烷液位中的一个或多个有关的数据发送到中央控制设施。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的箱，其中，

所述内储存容器布置在所述外容器内，而没有金属支撑套环，

所述支撑系统被布置为防止所述内储存容器直接接触所述外容器，

所述内容器与外容器之间的空间是真空，并且

所述支撑系统包括滑轮和轮子中的一个或多个。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的箱，其中，所述储存箱安装在交通工具中，并且连接到燃烧式发动机，其中，所述箱还被布置成将所述甲烷输送到所述燃烧式发动机。

11.一种燃料输送系统(300)，该燃料输送系统包括：

储存箱(302)；

热交换器(306)，该热交换器联接到所述储存箱，其中，所述热交换器被构造为处理从所述储存箱提取的甲烷；

第一压缩机(310)，该第一压缩机联接到所述热交换器，并且被构造为对由所述热交换器处理的所述甲烷加压；

动力单元(304)，该动力单元联接到所述第一压缩机，其中，所述动力单元被构造为使用所述加压甲烷操作；

第二压缩机(311)，该第二压缩机联接到所述储存箱；以及

辅助动力单元(308)，该辅助动力单元联接到所述动力单元、所述热交换器以及一个或多个所述压缩机中的至少一个。

12.根据权利要求11所述的燃料输送系统，其中，所述第二压缩机被布置为与所述第一压缩机并联地起作用，以按需将甲烷气体输送至所述动力单元，并且其中，所述第二压缩机还被布置为独立于所述第一压缩机操作，以供应甲烷气体用于储存在高压缓冲器(314)中或驱动所述储存箱的制冷回路(316)。

13.根据权利要求11或12所述的燃料输送系统，其中，所述动力单元是交通工具的燃烧式发动机，其中，所述辅助动力单元被构造为在所述交通工具的启动期间提供动力和热量或者向所述交通工具的区域提供动力和热量。

14.一种组装甲烷储存箱的方法(1400)，该方法包括以下步骤：

将内储存容器放置(1402)在外容器内，其中，所述内储存容器适于储存液态甲烷；以及

使用支撑系统将所述内储存容器附接(1404)到所述外储存容器，

其中，所述支撑系统包括绳索悬挂系统，

其中，所述内容器和外容器中的至少一个具有非圆柱形横截面。

15.一种操作交通工具的方法(1500)，该方法包括以下步骤：

用甲烷填充(1502)根据权利要求1至10中任意一项的储存箱；以及

用由所述甲烷提供动力的燃烧式发动机操作(1504)所述交通工具，

其中，所述储存箱包括绳索悬挂系统和具有正方形或圆角矩形横截面的储存容器中的一个或多个。

16.根据权利要求1至10中任意一项所述的箱，其中，所述储存箱具有4％或更少的缺量，并且被布置为以在0毫巴至100毫巴范围内的压力操作。

17.一种操作交通工具的方法(1550)，该方法包括以下步骤：

从低压储存箱中提取(1552)甲烷；

通过压缩所提取的甲烷生成(1556)加压甲烷；以及

使用所述加压甲烷操作(1558)所述交通工具的动力单元，

其中，所述储存箱包括绳索悬挂系统和具有正方形或圆角矩形横截面的储存容器二者中的一个或多个。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

用热交换器处理(1554)所述所提取的甲烷。

19.根据权利要求17或18所述的方法，还包括以下步骤：

将所述所提取的甲烷和所述加压甲烷中的一个或多个输送(1560)到缓冲器；以及

将储存在所述缓冲器中的甲烷传递(1562)到所述储存箱。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述输送包括使用增压器和第二压缩机。

21.根据权利要求17至20中任意一项所述的方法，还包括以下步骤：

使用从所述储存箱排出的甲烷凭借辅助动力单元生成能量(1564)；以及

执行(1566)以下项中的一项或多项：加热交通工具乘客区域、操作所述热交换器以及使用来自所述辅助动力单元的生成的能量启动所述交通工具。

22.根据权利要求17至21中任意一项所述的方法，其中，以下项中的一项或多项响应于对气态甲烷的需求：所述提取(1552)、处理(1554)、生成加压甲烷(1556)、输送(1560)、传递(1562)、生成能量(1564)以及执行(1566)。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其中，从所述储存箱排出的所述甲烷是在所述缓冲器中储存的所述甲烷和由所述热交换器处理的所述甲烷中的一个或多个。

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