CN114127467B - 压力容器装置 - Google Patents

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Abstract

本文公开的技术涉及一种压力容器装置(100)，根据本发明其包括多个压力容器(110)、一定数量的安全阀(115)以及一定数量的连接管路(120)，所述安全阀(115)设置在压力容器(110)之间，以便从预定的最大流量起和/或从预定的最大压差起关闭。由此可减少泄漏的影响。

Description

压力容器装置
技术领域
本文公开的技术涉及一种压力容器装置，其例如可用于在机动车中存储处于压力下的燃料。
背景技术
对于未来的机动车，计划更多地使用替代燃料、如加压氢。这同样适用于其它在高压、液化和/或低温下存储的气体。为了增加这种机动车的续航里程，已经表明有利的是，用作储罐的压力容器能够尽可能理想地适应现有的安装空间，即具有很小的死区，以便充分利用现有的安装空间来存储气体燃料。例如，相应的安装空间可以是长方体形和/或具有有限高度。
已经表明，相应的安装空间并没有被传统的大容积球柱状储罐很好地利用。而例如在此有望提供更好解决方案的链式储罐或管存储器的设计却带来特定于结构的问题。
发明内容
本文公开的技术的优选任务在于，提供一种压力容器装置，其关于此被设计成替代方案或更好的方案。其它优选任务可由本文公开的技术的有利效果产生。
所述任务通过一种压力容器装置解决，压力容器装置包括：
-多个压力容器，
-一定数量的安全阀，以及
-一定数量的连接管路，
所述压力容器借助连接管路流体连接，
所述安全阀设置在每两个相互连接的压力容器之间，
所述安全阀构造用于，从预定的最大流量起和/或从预定的最大压差起关闭，
其中，所述安全阀分别具有阀体、阀座和预张紧装置，所述预张紧装置使阀体在初始状态中与阀座保持间隔开，以便穿流的流体绕流阀体，所述阀体从所述最大流量起和/或从所述最大压差起克服预张紧装置的力压靠到阀座上。
本文公开的技术涉及一种压力容器装置。所述压力容器装置具有多个压力容器。所述压力容器装置具有一定数量的安全阀。所述压力容器装置具有一定数量的连接管路。
压力容器借助连接管路流体连接。安全阀设置在每两个相互连接的压力容器之间。安全阀构造用于从预定的最大流量起和/或从预定的最大压差起关闭。
借助这种压力容器装置，在压力容器之一可能发生泄漏的情况下(基于开头描述的问题，这种情况比只有一个大的压力容器的压力容器装置更容易发生)可将泄漏限制到这样的程度，即气体可仅从一个容积泄漏到相应限制的安全阀。在发生泄漏的情况下，通常会出现大于在正常运行时预定最大流量的体积流量和/或出现大于在正常运行时预定最大压差的压差。如果油箱系统没有损坏，正常运行尤其是应包括加燃料、存储和抽取的运行模式。与受泄漏影响的压力容器相邻的相应安全阀相应地确保关闭并因此限制逸出气体的量。由此，与在压力容器之间不设置安全阀的情况相比，可提供更高的安全性。同时，典型的功能性、如为压力容器装置加燃料和为运行发动机、燃料电池或其它能量转换器而抽取气体则不会受到任何影响，因为为此通常仅出现低于预定最大流量的流量和/或低于预定最大压差的压差。
压力容器装置例如可构造成链式储罐或管存储器的形式。
链式储罐例如包括多个相互串联的小容积腔室，这些腔室本身例如是大致球柱状的。在最简单的情况下，腔室通过由与腔室本身相同的材料制成的弯管连接，从而可使用连续生产方法分别制造内衬和纤维增强体。但各个腔室或压力容器之间的连接也可通过单独的连接元件或连接管路串联和/或并联建立。相应的实施方式可被称为管存储器并且也可由小容积球柱状腔室组成。
链式储罐和管存储器的腔室直径通常明显小于传统的大容积储罐。腔室的总表面积在此明显大于传统的大容积储罐。如果链式储罐和管存储器的腔室制造有与之前的大容积储罐相同的壁厚，则这将导致材料成本大大增加并且因此不经济。但直径较小的腔室的强度设计允许在相同的初始压力下壁厚与直径成比例减小，这可根据锅炉公式很容易看出。这允许经济地使用材料并保持相对安全系数、如大于2.25的爆裂系数。然而已经认识到，绝对安全裕度较低。例如如果直径为300mm的容器罐壁为21mm，则通过>2.25的爆裂系数可损坏外半部、即约10.5mm，而不会在70MPa的标称压力下导致爆裂事件或泄漏。但如果容器直径只有100mm并且罐壁为7mm，则显然10.5mm的损伤将完全穿透罐壁。
已经认识到，与具有大直径和更大壁厚的传统储罐相比，对于具有小直径和更薄壁厚的链式储罐和管存储器而言，从外部作用于容器的损坏更为严重。但通过本文描述的技术可以确保在压力储罐或压力容器之一损坏或爆裂的情况下，其影响被最小化。应当理解，相关的流量和压差分别出现在相应的安全阀处或上方。
根据一种实施方式，可以这样设置安全阀，使得分别至少一个这样的安全阀位于每两个压力容器之间的每个连接处中。但也可规定，并不在所有相互连接的压力容器之间设置这种安全阀，例如可规定，这种安全阀可仅设置在每两个、每三个或概括而言每n个相互连接的压力容器之间。
安全阀尤其是构造用于，在流量低于预定最大流量和/或压差低于预定最大压差时打开，即允许穿流。这可用于正常功能、如加燃料和抽取气体。
根据相应实施方式，一个、一些或所有所述安全阀分别设置在压力容器之一上。例如安全阀可相应设计成集成的。
根据相应实施方式，一个、一些或所有所述安全阀分别设置在一个连接管路中。由此，安全阀可与压力容器间隔开。
根据相应实施方式，一个、一些或所有所述安全阀分别设计成仅在一侧关闭的。由此，可在实现关闭功能的相应方向上实现安全功能。根据相应实施方式，一个、一些或所有所述安全阀分别设计成在两侧关闭的。由此可在两侧实现安全功能。
例如可这样设计一个、一些或所有所述安全阀，使得它们在两个可能的流动方向上特性相同。但特性也可根据方向而不同，由此例如可考虑特定情况和要求。例如加燃料质量流量可在第一方向上流动，而抽取质量流量在第二方向上流动。通常，在正常运行中出现的最大加燃料质量流量大于最大抽取质量流量，从而安全阀在第二方向上的质量流量限制可在显著低于第一方向上的质量流量的情况下关闭。
根据一种优选实施方式，相应安全阀分别具有阀体、阀座和预张紧装置。所述预张紧装置尤其是可构造用于使阀体在初始状态中与阀座保持间隔开，以便穿流的流体绕流阀体。在此尤其是可规定，阀体从最大流量起和/或从最大压差起克服预张紧装置的力压靠到阀座上。
这能实现一种简单的实施方式，其以纯机械方式工作并且因此不需要电子或电气操作或监控。最终，可通过穿流的流体本身来操作阀体。
压力容器尤其是可并联和/或串联地流体连接。由此可实现适合的流体连接。
根据一种实施方式，所述安全阀可嵌入压力容器的内衬中。内衬尤其是可形成中空体，在其中存储燃料。内衬例如可由铝或钢或它们的合金制成。此外，内衬可由塑料制成。
但压力容器也可设计成没有内衬的。通过所述嵌入压力容器的内衬中可实现特别高的集成度和简单的制造。
优选安全阀构造用于即使在关闭状态中也允许残余通流。由此，例如在意外的关闭过程之后，可通过减小过大的压差来实现打开。
安全阀尤其是也可构造用于，在关闭后在低于打开压差时再次打开。这在例如意外地或在没有发生泄漏的情况下进行关闭时允许自动打开，在此尤其是可通过已经提到的残余通流将压差减小到打开压差以下并由此可实现打开。
所述压力容器装置尤其是可构造为链式储罐或其可构造为管存储系统，在此所述压力容器构造为相应的存储管。管存储系统在此原则上表示多个彼此连接的存储管，这种存储管与其长度相比通常相当薄。下面给出相应的典型值。链式储罐被理解为管存储系统的一种特殊实施方式，存储管和连接管路连续地并且优选仅由一种材料制成，由此能实现腔室的串联连接。链式储罐和管存储系统被认为是自由形式的储罐，其可以以有利的方式适应安装空间。
所述压力容器优选具有数值在5至40之间、或7至25之间、或9至15之间的相应长度直径比。已证明这些值对于典型应用是有利的，尤其是因为它们可很好地适应复杂的安装空间。
换句话说，应采取安全措施使以例如链式储罐和管存储器形式的压力容器装置的安全性达到与传统储罐相当的水平。在此，基本原理在于：链式储罐和管存储器由多个腔室组成，这些腔室分别仅存储大容积传统储罐容器中存储的能量的一小部分。这既适用于以氢气或其它气体形式存储的化学能，尤其是也适用于压缩能。理想气体的压缩能为p*V。由于所有类型的压力容器的公称压力都相同，因此容积是决定性的。如果在一个腔室损坏的情况下能够基本上仅释放这个腔室的气体，那么与大容积储罐损坏相比，危险性就会大大降低。因此，例如应分别在各个储罐腔室或压力容器之间使用限流阀或安全阀。因此，在一个腔室损坏的情况下，连接相邻腔室的连接处中的限流阀或安全阀会由于高质量流量或体积流量而关闭。因此在实践中仅最初位于损坏腔室中的氢气或其它气体才能逸出。由此产生的爆裂波和基于逸出氢气或其它气体而产生的火灾危险因此被大大降低。
限流阀或安全阀优选位于各个腔室或压力容器之间的连接处中。与定位在腔室中相比，这具有优势，即在那里只需要封闭小的横截面。更准确地说，例如阀座可这样定位，使得阀座在关闭状态中关闭较小的横截面，如腔室之间的连接处的情况。阀的一部分完全可能位于腔室中或其圆顶区域中。
在链式储罐的情况下，限流阀或安全阀优选可在连续生产过程中、特别优选在内衬生产中引入。在管存储器的情况下，限流阀或安全阀优选可集成到腔室之间的连接处中。不应关闭限流阀或安全阀的最高质量流量或体积流量通常出现在加燃料期间。如果在加燃料期间使用循环以防止死区过热，则优选也考虑相关的流量。
优选这样设计和设置限流阀或安全阀，使得显著超过上述加燃料或再循环流量的质量流量或体积流量导致限流阀触发、即阀关闭。
优选使用这样的限流阀或安全阀，使得一旦两侧、即上游和下游之间的压力达到平衡，它们就会自动重新打开。通常，这种类型的限流阀或安全阀也不会完全关闭，而是在关闭状态中也允许轻微的泄漏。这在下游密封系统的情况下会导致压力平衡，从而允许上述自动打开。例如如果限流阀或安全阀被短暂增加的质量流量或穿流量触发，但最终不合理，则这是很有用的。
附图说明
现在参考附图阐述本文公开的技术。附图如下：
图1a：压力容器装置的局部；
图1b：相关线路图；
图2：根据现有技术的压力容器装置；
图3：压力容器装置；
图4a：安全阀；
图4b：相关线路图；
图5：压力容器装置。
具体实施方式
图1a示出压力容器装置100的局部，更确切地说在一个压力容器110和连接其上的连接管路120之间的过渡部。在该压力容器110和连接管路120之间构造有变细部130。在变细部中构造有安全阀115，这将在下面更详细地描述。
安全阀115具有阀体150。该阀体固定在弹簧160形式的预张紧装置上，该弹簧允许阀体150在图1a的图示中在水平方向上运动并且在此将其远离变细部130向左预张紧。在此，阀体150被流体流绕流，该流体流借助箭头示出。该流体流因此在图1a的图示中从左向右流动。
在阀体150和变细部130之间发生流线的压缩140，这在安全阀115的左侧和右侧之间具有相应大的压差和/或相应高的流量时导致负压，该负压将阀体150压向右侧。然后，阀体150可封闭阀115，使得所示的流体流不再可能。变细部130在此形成阀座135。
因此，这样构造安全阀115，使得它在低于预定最大压差的压差和/或低于预定最大流量的流量下是打开的并且允许相应的流量，但在超过预定最大流量和/或预定最大压差时关闭并且因此不再允许进一步穿流。这并不排除可能甚至有意允许一些泄漏，以便在意外关闭的情况下允许减小压差并且因此能够使安全阀115重新打开。
图1b以线路图的图示示出压力容器110以及连接其上的连接管路120和其中包含的安全阀115。这种图示用于后续附图中。安全阀115上方的箭头在此表示可如所描述那样关闭所沿的方向。它可被称为阻断方向。
图2示出根据现有技术的压力容器装置100。在此总共示出三个压力容器110，它们通过相应的连接管路120彼此连接。很明显，在压力容器110之一中例如基于机械损坏发生泄漏的情况下，这将导致所有三个压力容器110立即排空。这造成了安全问题，因为逸出的气体通常是易燃的并且处于高压下。
图3示出根据一种实施例的压力容器装置100。在此可以看出，在各压力容器110之间设置有相应的安全阀115，这些安全阀相应于图1a中的图示构造。因此，它们限定最大流量和/或最大压差。在在此所示的变型方案中，在所有所示的压力容器110之间分别连接有两个安全阀115，它们具有不同的阻断方向。通过在相应压力容器110之间分别使用两个这种安全阀115，可实现在压力容器110之一发生泄漏时只有该压力容器110被排空，在此基于立即产生的高流量或立即形成的高压差，相应相邻的安全阀115关闭并且因此防止其它压力容器110也被排空。因此，相应的泄漏或爆裂事件仅限于一个压力容器110并且不会导致所有压力容器110排空(如图2的实施方式中的情况)。
图4示出安全阀115的一种替代实施方式，在这种情况下，阀体150被两个弹簧160、160'在两个方向上预张紧。可在两个方向上形成流线的压缩140、140'，从而如果在两个方向上的流量太高或压差太高，则可在相应方向上进行关闭。相应地，也构造有两个阀座135、135'。这例如可避免如在图3中在每两个压力容器110之间各使用两个安全阀115。但可提供相同的安全功能。相应的线路图在图4b中示出。在此示出两个箭头，它们指向相反的方向并且因此表示安全阀115具有两个阻断方向。
图5示出根据另一种实施例的压力容器装置100，其中也存在这样的两个压力容器110，在它们之间仅存在一个根据图4a实施方式的在两侧关闭的安全阀115。该功能性在此原则上与图3的实施方式的功能性相同，但总体上需要较少的安全阀115。
应指出，在所示的安全阀115实施方式中未示出弹簧160的相应保持装置和阀体150的轴向导向装置。还应指出，相应弹簧160也可不同地例如在图1a的实施方式中设置在另一侧。由此也可实现同样的功能。原则上也可这样修改图4a的实施方式，使得一个唯一的弹簧160足矣。
在图4a的实施方式中，例如通过选择弹簧160、160'以及通过流动导向装置、尤其是相应变细部的几何设计，可对于不同的方向设定为它们在不同的流量和/或压差下关闭。这可以是有利的，因为例如可以以比抽取显著更高的质量流量或流量进行加燃料。因此，关闭灵敏度可最佳地适应这种要求。
如果使用差动设计，则限流阀或安全阀可特别简单地集成到压力容器110中。但例如也可将限流阀或安全阀集成在整体设计中，这在大批量的情况下尤为经济。已经提到的变细部130尤其是可用作阀体150的阀座135。

Claims (13)

1.压力容器装置(100)，包括：
-多个压力容器(110)，
-一定数量的安全阀(115)，以及
-一定数量的连接管路(120)，
所述压力容器(110)借助连接管路(120)流体连接，
所述安全阀(115)设置在每两个相互连接的压力容器(110)之间，
所述安全阀(115)构造用于，从预定的最大流量起和/或从预定的最大压差起关闭，
其中，所述安全阀(115)分别具有阀体(150)、阀座(135)和预张紧装置，所述预张紧装置使阀体(150)在初始状态中与阀座(135)保持间隔开，以便穿流的流体绕流阀体，所述阀体(150)从所述最大流量起和/或从所述最大压差起克服预张紧装置的力压靠到阀座上。
2.根据权利要求1所述的压力容器装置(100)，其中，一个、一些或所有所述安全阀(115)分别设置在压力容器(110)之一上。
3.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，一个、一些或所有所述安全阀(115)分别设置在一个连接管路(120)中。
4.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，一个、一些或所有所述安全阀(115)分别设计成仅在一侧关闭的。
5.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，一个、一些或所有所述安全阀(115)分别设计成在两侧关闭的。
6.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，所述压力容器(110)并联和/或串联地流体连接。
7.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，所述安全阀(115)嵌入压力容器(110)的内衬中。
8.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，所述安全阀(115)构造用于即使在关闭状态中也允许残余通流。
9.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，所述安全阀(115)构造用于在关闭后在低于打开压差时再次打开。
10.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，所述压力容器装置(100)构造为链式储罐；或构造为管存储系统，所述压力容器(110)构造为相应的存储管。
11.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，所述压力容器具有数值在5至40之间的相应长度直径比。
12.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，所述压力容器具有数值在7至25之间的相应长度直径比。
13.根据权利要求1或2所述的压力容器装置(100)，其中，所述压力容器具有数值在9至15之间的相应长度直径比。
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