CN114396564A - 储气瓶及储气瓶加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储气瓶，包括：壳体；管束单元，其设于壳体的内部，管束单元设有容纳空间，容纳空间的顶部设有通气孔，多个管束单元沿水平方向无缝填充于壳体的内部。本发明的储气瓶，多个管束单元使壳体内部形成多孔的蜂窝结构，令壳体及多个管束单元之间形成较高的连接强度，进而有助于提高储气瓶的内部承压能力，进一步提高储气瓶的防爆性能。本发明还公开了一种储气瓶加工方法。本发明的储气瓶加工方法，利用3D打印形成储气瓶，降低储气瓶的制造难度，对成型后的储气瓶进行真空热处理，消除壳体及多个管束单元的内应力。本发明可应用于压力容器领域中。

Description

储气瓶及储气瓶加工方法
技术领域
本发明涉及压力容器领域，特别涉及储气瓶及储气瓶加工方法。
背景技术
储气瓶用于充装气体。在高压下(15.2～70.9兆帕)，氢气可以装盛在储气瓶中运输。现有的高压储氢瓶主要可分为四个类型：全金属气瓶(Ⅰ型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型)。其中，金属内胆纤维全缠绕气瓶及非金属内胆纤维全缠绕气瓶的综合性能较好，在内胆外部设置纤维缠绕层提高其防爆性能。然而，现有储气瓶的防爆性能仍有提升空间。
发明内容
本发明目的在于提供一种储气瓶及储气瓶加工方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
一种储气瓶，包括：
壳体；
管束单元，其设于所述壳体的内部，所述管束单元设有沿竖向延伸的容纳空间，所述容纳空间的顶部设有通气孔，所述管束单元有多个，多个所述管束单元沿水平方向无缝填充于所述壳体的内部。
本发明的有益效果是：多个管束单元沿水平方向无缝填充于壳体的内部，且管束单元设有沿竖向延伸的容纳空间，使得壳体内部形成多个互相分隔的容纳空间，向壳体内部充入气体后，气体从通气孔进入容纳空间中，气体被储存于多个容纳空间中，由于多个管束单元无缝填充于壳体的内部，多个管束单元使壳体内部形成多孔的蜂窝结构，令壳体及多个管束单元之间形成较高的连接强度，进而有助于提高储气瓶的内部承压能力，进一步提高储气瓶的防爆性能。
作为上述技术方案的进一步改进，每个所述管束单元包括多个多面体，每个所述多面体内部中空，每个所述多面体设有沿竖向贯通的通孔，所述通孔的孔径小于所述多面体的水平截面面积，多个所述多面体沿竖向层叠形成所述管束单元。
多个多面体沿竖向层叠形成管束单元，每个中空的多面体设有沿竖向贯通的通孔，使管束单元内部形成竖向的容纳空间，通孔的孔径小于多面体的水平截面面积，每个多面体作为一个更小的储存气体的单元，若储气瓶出现破裂，利用多面体的顶壁及底壁减缓气体在管束单元中的流动，减少气体从储气瓶破裂处释放的流量。
作为上述技术方案的进一步改进，每两个相邻的所述多面体的侧壁无缝贴合。
气体储存在多个多面体中，由于每两个相邻的多面体之间的侧壁无缝贴合，两个相邻多面体内部的气体对中间侧壁的压力方向相反，避免该侧壁向一侧变形，从而避免多面体的侧壁破损。
作为上述技术方案的进一步改进，所述多面体为开尔文胞体。
多面体为开尔文胞体，开尔文胞体为十四面体结构，开尔文胞体由六个方形面和八个正六边形面组成，且每个方形面的四条边一一对应连接于四个正六边形面，由于开尔文胞体的结构较为稳定，且多个开尔文胞体在空间结构上能够无缝贴合形成开尔文胞体阵列，使多面体的每个侧壁均处于稳定状态。
作为上述技术方案的进一步改进，所述壳体的侧壁厚度与所述管束单元的侧壁厚度之比介于1.2到1.8之间。
管束单元内部气体对侧壁的压力传递到壳体的侧壁，壳体的侧壁厚度与管束单元的侧壁厚度之比大于1.2，确保壳体的结构强度足以保持储气瓶稳定工作；壳体的厚度变大会增加储气瓶的重量，壳体的侧壁厚度与管束单元的侧壁厚度之比小于1.8，在保证壳体强度的情况下使储气瓶轻量化。
作为上述技术方案的进一步改进，所述管束单元的顶部设有加强筋，所述加强筋环绕设置于所述通气孔的外围。
管束单元的顶部通气孔的外围设有加强筋，避免气体流经通气孔时对管束单元顶部的结构造成破坏。
作为上述技术方案的进一步改进，所述管束单元的底部紧贴于所述壳体的底部内壁，所述管束单元的顶部与所述壳体的顶部内壁之间留有间隙，所述壳体的顶部设有贯通的进气孔。
管束单元的底部紧贴于壳体的底部内壁，使管束单元内部气体对底壁的压力能够传递到壳体的底部内壁上，避免管束单元的底壁破裂，管束单元的顶部与壳体的顶部内壁之间留有间隙，确保壳体顶部的进气孔通过该间隙连通多个管束单元的容纳空间。
一种储气瓶加工方法，所述储气瓶加工方法包括以下步骤：
S1、以上述的储气瓶为模型，在三维建模软件中建立3D打印模型；
S2、将所述3D打印模型导入3D打印设备中，所述3D打印设备增材成型制造所述储气瓶；
S3、对所述储气瓶进行真空热处理。
利用3D打印形成储气瓶，降低储气瓶的制造难度，对成型后的储气瓶进行真空热处理，消除壳体及多个管束单元的内应力。
作为上述技术方案的进一步改进，在所述步骤S2中，所述3D打印设备采用选择性激光融化技术。
3D打印采用选择性激光融化技术，按照储气瓶3D打印模型的切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得储气瓶，能直接成型出近乎全致密且力学性能良好的储气瓶结构；随后对3D打印成型的储气瓶进行真空热处理，消除壳体及多个管束单元的内应力。
作为上述技术方案的进一步改进，在所述步骤S2中，所述3D打印设备的打印素材采用铝合金粉末，所述3D打印设备处于氩气环境下增材成型制造所述储气瓶。
3D打印的选择性激光融化技术中，在氩气环境下利用铝合金粉末增材成型制造储气瓶，铝合金的密度较小，使得储气瓶的重量较轻，且铝合金的性质较稳定，确保储气瓶能够储存更多种类的气体。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
图1是本发明所提供的储气瓶，其一实施例中管束单元的结构示意图；
图2是本发明所提供的储气瓶，其一实施例中多面体的结构示意图；
图3是本发明所提供的储气瓶加工方法，其一实施例的步骤流程图。
100、管束单元，101、多面体，1011、通孔，110、通气孔，120、加强筋。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图2，本发明的储气瓶作出如下实施例：
储气瓶包括壳体与管束单元100。
管束单元100设于壳体内部，管束单元100包括多个多面体101，每个多面体101为开尔文胞体，开尔文胞体为十四面体，开尔文胞体由六个方形面和八个正六边形面组成，且每个方形面的四条边一一对应连接于四个正六边形面。每个多面体101的内部中空，每个多面体101设有沿上下方向贯通的通孔1011，通孔1011的孔径小于多面体101的水平截面面积。每个多面体101的侧壁厚度介于200μm到300μm之间，每个多面体101的体积为126.5mm3，多个多面体101从下往上依次层叠形成管束单元100，多个多面体101的内部依次连通使得每个管束单元100的中部形成沿上下方向延伸的容纳空间。管束单元100的顶部设有贯通的通气孔110，加强筋120环绕设置于通气孔110的外围。
管束单元100有多个，多个管束单元100沿水平方向无缝填充于壳体内部，每两个相邻的多面体101的侧面无缝贴合。管束单元100的底部紧贴于壳体的底部内壁，管束单元100的顶部与壳体的顶部内壁之间留有间隙。壳体的侧壁厚度与管束单元100的侧壁厚度之比介于1.2到1.8之间，在本实施例中，壳体的侧壁厚度与管束单元100的侧壁厚度之比为1.5，则壳体的侧壁厚度介于300μm到450μm之间，壳体的顶部设有贯通的进气孔，进气孔连通管束单元100顶部与壳体的顶部内壁之间留有的间隙，可通过进气孔向多个管束单元100充入气体，多个管束单元100内储存的气体亦能通过进气孔释放到外界。
在一些实施例中，多面体101的结构有多种，例如，多面体101为多棱柱体，多个多面体101从下往上依次层叠形成棱柱结构的管束单元100，多棱柱体的内部中空，每两个上下相邻的多棱柱体的端面互相贴合，通孔1011设于端面上，使得多个多棱柱体依次连通，多个管束单元100无缝填充于壳体内，即两个水平相邻的多棱柱体的侧壁互相贴合，多棱柱体可以是正三棱柱体、正立方体、正六棱柱体等等；或者，多面体101为圆柱体，多个圆柱体从下往上依次层叠形成圆柱结构的管束单元100，圆柱体的内部中空，多个管束单元100沿水平方向填充于壳体内部，多个平铺的管束单元100之间形成沿上下方向延伸的空隙，该空隙亦能作为储存气体的空间；或者，多面体101的侧面数量增多趋于圆球状，则管束单元100呈多个圆球依次层叠的链球状，每个管束单元100的内部能够存储气体，同样多个相邻的管束单元100之间存在沿上下方向延伸的空隙，该空隙亦能储存气体。
在一些实施例中，管束单元100的形式有多种，例如，在壳体的内部设有多个竖向的隔板，多个隔板互相交错使壳体内部形成多个沿上下方向延伸的管道空间，每个管道空间为一个管束单元100，在每个管道空间的内壁上设有多个水平设置的挡板，多个挡板沿竖向依次间隔分布，每个挡板设有一个沿上下方向贯通的通孔，使得管束单元100的内部被多个挡板分隔成多个更小的空间。
参照图3，本发明的储气瓶加工方法作出如下实施例：
储气瓶加工方法包括以下步骤：
S1、以上述的储气瓶为模型，在三维建模软件中建立3D打印模型；
S2、将3D打印模型导入3D打印设备中，所述3D打印设备增材成型制造所述储气瓶，所述3D打印设备采用选择性激光融化技术，所述3D打印设备的打印素材采用铝合金粉末，所述3D打印设备处于氩气环境下增材成型制造所述储气瓶；
S3、对所述储气瓶进行真空热处理。
利用SOLIDWORKS软件对储气瓶进行建模形成储气瓶的3D模型，将储气瓶的3D模型导入ANSYS软件中，ANSYS软件对储气瓶的3D模型进行力学分析和优化，迭代选出较优参数，重建模型并以STL文件格式输出，最后使用magics软件对储气瓶的3D模型进行分层处理，生成相应的扫描路径，形成储气瓶的3D打印模型，保存并导出相应的工艺参数，工艺参数包括储气瓶的摆放位置、储气瓶的摆放方式，以及激光的扫描方式、扫描速度、功率和光斑直径，储气瓶沿竖直方向摆放，激光的功率为50～200W，激光的光斑直径为50～180μm，激光的扫描速度为50～500mm/s，铝合金粉层的厚度为10～80μm，铝合金粉层由球状颗粒铝合金粉末组成，球状颗粒铝合金粉末直径为10～100μm。
将上述的工艺参数导入3D打印设备，3D打印设备为选择性激光融化3D打印设备，3D打印设备在99.999wt.％的氩气保护环境中进行成型加工，3D打印设备设有基板，在基板上均匀铺设铝合金粉层，利用高能激光按扫描路径扫描基板上的铝合金粉层，使铝合金粉层融化冷却固结在基板上，在已经固结的铝合金粉层上再铺上新的铝合金粉层，并按扫描路径对新的铝合金粉层进行激光扫描，重复铺铝合金粉层并进行激光扫描直至储气瓶完全成型，将成型的储气瓶从基板上取下。
将储气瓶外部用于支撑的支撑杆去除，使用砂轮对储气瓶的表面进行手动抛光，利用堵头将储气瓶的进气孔封闭，随后对储气瓶采用喷砂处理，进行超声波清理，除去表面粘熔残余的材料，最后将储气瓶放入真空热处理炉进行真空热处理去除内应力。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种储气瓶，其特征在于：包括：
壳体；
管束单元(100)，其设于所述壳体的内部，所述管束单元(100)设有沿竖向延伸的容纳空间，所述容纳空间的顶部设有通气孔(110)，所述管束单元(100)有多个，多个所述管束单元(100)沿水平方向无缝填充于所述壳体的内部。
2.根据权利要求1所述的储气瓶，其特征在于：每个所述管束单元(100)包括多个多面体(101)，每个所述多面体(101)内部中空，每个所述多面体(101)设有沿竖向贯通的通孔(1011)，所述通孔(1011)的孔径小于所述多面体(101)的水平截面面积，多个所述多面体(101)沿竖向层叠形成所述管束单元(100)。
3.根据权利要求2所述的储气瓶，其特征在于：每两个相邻的所述多面体(101)的侧面无缝贴合。
4.根据权利要求3所述的储气瓶，其特征在于：所述多面体(101)为开尔文胞体。
5.根据权利要求1所述的储气瓶，其特征在于：所述壳体的侧壁厚度与所述管束单元(100)的侧壁厚度之比介于1.2到1.8之间。
6.根据权利要求1所述的储气瓶，其特征在于：所述管束单元(100)的顶部设有加强筋(120)，所述加强筋(120)环绕设置于所述通气孔(110)的外围。
7.根据权利要求1所述的储气瓶，其特征在于：所述管束单元(100)的底部紧贴于所述壳体的底部内壁，所述管束单元(100)的顶部与所述壳体的顶部内壁之间留有间隙，所述壳体的顶部设有贯通的进气孔。
8.一种储气瓶加工方法，其特征在于：所述储气瓶加工方法包括以下步骤：
S1、以权利要求1-7中任一项所述的储气瓶为模型，在三维建模软件中建立3D打印模型；
S2、将所述3D打印模型导入3D打印设备中，所述3D打印设备增材成型制造所述储气瓶；
S3、对所述储气瓶进行真空热处理。
9.根据权利要求8所述的储气瓶加工方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述3D打印设备采用选择性激光融化技术。
10.根据权利要求9所述的储气瓶加工方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述3D打印设备的打印素材采用铝合金粉末，所述3D打印设备处于氩气环境下增材成型制造所述储气瓶。
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