CN1306173A - 贮存高压气体的容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于贮存高压气体的容器(1),例如用于靠天然气驱动的车辆的容器,此容器包括一个可由连接装置(4,5)接近并由一个设置成螺旋卷的管道(3)限定的限定腔(2),这样基本为直线的管道主部(10,11)彼此相靠。由气压施压在管道(3)的一圈的主部上的力则由施加在管道(3)相邻圈上的力抵消。

Description

贮存高压气体的容器
本发明涉及一种用于贮存高压气体的容器，容器包括一个限定腔，由连接装置有选择地外界连通。更具体地，本发明涉及一种容器，它重量轻，体积紧凑，可以在无污染的车辆(LNG,H2,LPG,…)或飞机或太空船的场合中贮存高压气体。
常规贮存高压气体的容器通常表现为缸体或球体。因为其形状以及因为用于连接和用于提供规程所要求的保护(防冲击、火…)的伸出装置的存在，这些单独使用或成排使用的容器占用很大的体积。组合缸体实际可以减小用于贮存的一个尺寸，例如高度尺寸，但不可避免使贮存组件变重和昂贵，而且相对于其别的尺寸变大。在最常见的现有的结构中，贮存气体的体积不超过用于一个最大的结构比1.5升/千克的整个体积的40％。
本发明的目的是解决现有技术的上述缺陷，并具体提供一种用于贮存高压气体的容器，当贮存同现有容器相同体积的气体时其尺寸和重量减小，同时符合现有技术中所需的保护条件。
这些目的可以由本发明的一种用于贮存高压气体的容器实现，容器包括一个限定腔，由连接装置有选择地与外界连通，容器的特征在于：所述限定腔包括一个由细长的第一和第二部形成的具有椭圆截面的管道，所述第一和第二部由弧形的第三和第四部相互连接，而且所述管道设置成多个接触部，以使一个接触部的至少一个细长部可以靠在所述多个接触部中的一个相郐的接触部的一个相应的细长部上。
本发明的用于贮存高压气体的容器同现有技术的容器相比在贮存一给定的贮存体积时可以使容器的重量和体积都大大减小。此外，本发明容器的设计不仅针对重量和体积优化容器，而且保证其符合此贮存类型的安全要求。
管道可以具有一个尺寸变化的截面。
在特定的实施例中，弧形的第三和第四部为半圆形。
更具体地，所述的细长部基本为直线状。
在本发明一个实施例中，管道设置成一个从所述管道具有连接装置的一个内端至结束所述管道的一闭合的外端的绕一轴线ZZ＇的螺旋卷。
以此方式，容器的连接装置不再从此伸出，这样减少了其整体尺寸。
容器可以是轮形，可以是椭圆形的，或也可以是矩形的。
根据本发明的一个特征，所述容器限定基本为平面且平行的前壁。
或者，所述容器限定至少一个基本为截头圆锥形的前壁。
根据本发明的一个特征，由卷曲的管道限定的容器的一个内表面包括一个内环。
其内表面不能由一相邻的圈抵消由气体压力施加的力的所述卷的最内圈在内侧上加固。
根据本发明的另一个特征，由卷曲的管道限定的容器的一个外表面包括一个外环。
其外表面不能由一相邻的圈抵消由气体压力施加的力的所述卷的最外圈在外侧上加固。
本发明容器的设计还可以通过设置成一盘旋型卷而优化。
这样，在本发明一个实施例中，管道设置成一个从一个闭合的第一端开始并延伸至具有连接装置的一第二端的绕一轴线ZZ＇的盘旋卷。
本发明容器的设计还可以由以下方式优化：管道设置成一Z字形结构，使容器具体表现为一矩形四面体。
这样，在本发明另一个实施例中，管道设置成从具有连接装置的第一端向第二端的一Z字形结构，第二端是闭合的，或者第二端同样具有一个连接装置。
根据本发明一个特征，管道具有弯头，其中形成至少一个焊缝。
容器还包括一个围绕由管道形成的Z字形结构侧面的带箍。
本发明还提供了一种制造用于贮存高压气体容器的方法，其特征在于包括以下步骤：将一个椭圆形截面的管道弯成多个接触部，以使所述管道的一个接触部的至少一个细长部靠在一个相邻的接触部的一细长部上；对所述管道进行热处理，同时使管道暂时连接；在管道的外表面上缠绕一种碳或玻璃纤维的带箍。
这样本发明提供了一种加工一容器的方法，可以获得一种在安全性方面至少同现有容器一样可靠而体积和重量大大降低的容器。
根据本发明一个特征，此方法还包括一个闭合所述管道的第一端的步骤，以及一个将联通装置固定在所述管道的第二端上的步骤。
根据本发明一个特征，此方法包括一个由通过轴向焊接闭合的金属片形成所述椭圆截面管道的步骤。
根据本发明另一个特征，卷曲管道的操作步骤还包括在所述管道内施加压力和/或预热所述管道。
在本发明一个实施方式中，卷曲步骤相当于绕一轴线ZZ＇卷曲管道，而且还包括一个将一个内环插靠在由所述卷限定的内表面上的步骤。
在本发明另一个实施方式中，卷曲步骤相当于将管道折成一个Z字形结构，而且还包括一个将管道的弯头焊接在Z字形结构中的步骤。
具体地，此方法还包括一个张紧外带箍的步骤。
有利地，此方法还包括一个用一个玻璃纤维带箍包裹容器的步骤。
本发明的其他特征和优点将从以下对本发明的特定实施例的描述中而体现，其中特定的实施例非限定性地参照附图给出，在附图中：
图1是本发明第一实施例的一个容器的局部剖视立体图；
图2是一个容器的其中一圈的剖视图，示出本发明一个管导的截面；
图3是一个局部立体图，示出一卷图1容器的一个端部；
图4是一个局部立体图，示出一卷图1容器的另一个端部；
图5是一个轴向半剖视图，示出本发明带有恒定截面的一个管导的各圈的分布；
图6是一个轴向半剖视图，示出本发明带有变化截面的一个管导的各圈的分布；
图7是本发明第二实施例的一个容器的立体图；
图8是本发明第三实施例的一个容器的立体图；
图9是本发明第四实施例的一个容器的立体图；
图10是示出一个容器的截面的剖视图；而
图11是本发明第五实施例的一个容器的局部剖视立体图。
图1示出用于贮存高压气体的一个容器1，并且在此第一实施例中容器包括一个由一卷绕轴ZZ＇的螺旋金属管道3构成的气体限定腔2。管道3具有一个平的或椭圆形的截面，并且卷成多个相邻的圈，以使这些圈由其基本为直线的细长部10、11彼此相靠，只是每个最内圈和最外圈只有一个直线部与一个相邻圈相靠。
卷绕一个平截面的管道，这样其各个圈的接触可以取得本发明的目的，尤其是同用于贮存相同气体量的常规容器相比可以减小容器的质量、体积和成本。
图2是通过管道3的一个剖视图，示出由弧形部12、13相连的直线细长部10、11。由气体压力施加在细长部10、11上的力由在一个力抵消区h中各个系列的箭头F1和F2表示。由相邻的圈施加在管道外壁上的力由区域h中的箭头F1＇和F2＇表示。可以看出管道内气体压力施加在各个直线部10和11上的径向力F1、F2分别由施加在相邻圈的相应部上的径向力F1＇和F2＇抵消。这样，可以认为气体压力只作用在分别承受轴向力F3和F4的弧形部12、13上。管道壁的厚度可以根据抵消量成比例地减小。机械地决定管道3与压力相匹配的尺寸，从而决定一个由通过组合两个弧形部12和13而构成的直径为D＇的圈的尺寸。在某些场合下，根据制成管道的材料以及气体的贮存压力，管道的壁厚在弧形部12、13处可以大于直线细长部10、11。
图10示出一个用于在给定压力下盛放气体的圈30的一个截面。在给定材料和给定压力下圈的直径D和厚度e的关系为e/D=常数。因此，如果截面的直径D可以减小，则关系式e/D=常数使得厚度e可以成比例地减小。相应地，例如使直径减小一半即D＇=D/2可以同样使容器的壁厚减小相同的量即e＇=e/2。本发明的管道可以具体通过使直径为D的一个管件30变平而形成，这样可以表现出如图2中所示的一个椭圆形，带有两个直径D＇=D/2的弧形部12、13，从而可以使其具有一个壁厚为e＇=e/2，同时满足与管件30相同的压力要求。
无论如何，每单位长度的质量节省为50％。尽管如此，应该看出管道3的变形的截面小于原始管件30。在以上的示例中，管件需要加长33％以盛放相同的体积。这样实际节省的质量总体为33％，并提高本发明容器的结构比，使其优于1.5升/千克。
以下参照图1至4所示的第一实施例描述本发明的制造方法和容器。可以通过比较低的成本折叠和焊接一个金属片或拉拔一个无缝管即不带焊缝，而获得椭圆形截面管道3。以此方式获得的管道3的一端16如图4所示通过金属加工形成为一个圆柱圆锥烟囱形14，以承接一个连接件4和一个联通件5。联通件5可以包括一个阀、一个活塞以及任何使容器可以有选择地打开和关闭进行填充和传送目的的部件。图3示出管道3的另一端15，它同样形成为可以逐渐变小为一通过焊接闭合的尖端。
接下来的操作包括将管道3卷曲成一个以端部16开始而以相对端15结束的螺旋卷。这种卷曲操作取决于管道3的轮廓特征可以在一个数控机床上进行，并且可以或者在管道3内施加一个给定的压力、或者预热管道、或者由以上两者组合而进行。坯料卷则暂时卷绕并经受一个适当的热处理循环。然后管道3的螺旋卷固定成其最终形状并需要在其外表面17加固，以便一旦管道处于压力作用下保证卷绕结构的相干性和可靠性。在卷绕操作之后彼此相靠的管道3的各圈可以有选择地使材料相互位于其之间，以减小两个相邻圈的两个直线细长部10、11或11、10之间的摩擦力。
由卷的最外圈限定的外圆柱表面17通过缠绕碳纤维或玻璃纤维而连接，以形成围绕卷的外环7。然后一个内环6放置到位靠在卷的内表面9上。内环6包括一个装在一个环氧树脂中的金属环。一个有选择的玻璃纤维保护壳8可以包在整个由卷形成的环上，以保证其防止冲击和化学品侵蚀。
在复合物形成后，组件承受压紧操作，使得在没有任何气体压力的情况下将外环7放置在张力下而将金属管道3放置在压力下。最后，取决于容器的用途根据现行规程进行液压试验类型的操作。
以此方式取得的容器1可以例如表现为一个通过使用具有7.5圈的一个卷而具有100升的贮存容器，其中外径为950mm，而外侧高度为190mm。
可以给出许多变化的实施例。例如，外圈7可以使用一种金属材料制成。
图1中所示的容器为轮形。此形状使容器非常适于装入例如小或大发动机车辆的结构中，这需要这种类型的零件的体积和质量得到优化。
尽管如此，可以获得很多种容器的形状，同时保持本发明容器的最优的设计特性(可以接触到一个平截面的管件的各个圈)。
例如，图5和图6示出通过使一个管件截面略微不对称，可以改变由容器所占据的包层的形状。图5是一个剖视图，示出了一个容器的形状，其中一个具有恒定截面的管道从一圈向下一圈竖直偏离而离开卷的中心。图6是一个剖视图，其中示出一个容器的形状，其底部表面同样向外抬起但其顶部表面保持平坦，因为其管道3具有变化的截面。由此形状特征，容器则具有一个或两个基本为截头圆锥形的前壁，而不是象具有固定尺寸和非不对称形状的管道结构那样基本为平面状并平行。这两个变化的形状在装配或使用时具有额外的优点，尤其是它们提供了在连接件和联通装置4,5可以装配的位置附近在容器中具有一个低点的选择。
至于本发明容器的变化形状的其他例子，图7、8和9分别示出了本发明一第二实施例100，一第三实施例200和一第四实施例300。这些变化的形状包括两个变化的螺旋卷，以及一个为盘旋型的卷。可以观察出在图7、8和9中表示的第二、第三和第四实施例的所有部件与本发明第一实施例的容器1的部件的形状和功能相同，并不再详细描述。另外，图7、8和9示出不带有其覆盖物的本发明的第二、第三和第四实施例，即不带有参照图1所述的缠绕环和覆盖物。本领域普通技术人员可以容易理解通过实施上述的制造方法可以完成这些实施例以包括这些部件。
在所有这些实施例中，连接件4和联通件5可以设置在由卷的内表面9限定的内圆柱腔中。尽管这不是唯一的情况，但它可以避免需要从容器中伸出的任何连接装置。图7示出使用如上参照图1所述的制造方法形成为一螺旋卷的容器100，但最终形状为一个椭圆形，这是在管道卷曲过程中通过适当调节而获得的。同样，通过使用不同的卷曲参数和有选择地通过重新确定管道的尺寸，本发明的一个容器200可以具有图8中所示的细长矩形。
图9示出本发明一第四实施例的容器300，其不同于以上实施例之处不仅在于其形状，而且在于管道绕轴线ZZ＇卷绕的方式。在参照图1、7和8所述的实施例中，管道绕轴线ZZ＇卷绕成一个螺旋线，相邻圈的细长部10、11平行于轴线ZZ＇延伸。这具有使管道绕其本身卷绕的效果，并且卷中的圈数决定了所形成的容器的直径或竖向尺寸。以不同的方式，图9中所示的容器300包括一个同样为椭圆截面的管道303，但以一个盘旋形绕轴线ZZ＇卷绕。在此结构中，各圈的卷绕在一端315处开始，即在向一个焊接端逐渐变细的端部处开始，并且绕轴线ZZ＇向上向其另一端316卷绕，此端315与连接和联通装置304、305配合。在此实施例中，这套交错叠置的圈起沿轴线限定容器纵向尺寸的作用。
图11中示出本发明的一第五实施例的容器，在此实施例中，通过将一个管道403折成多个带有绷带420的Z字形的接触部而形成容器400。这种单管道403的布置可以获得本发明所需的效果。除了端部长度416、415以外，接触部的细长部410、411支靠在管道的相邻的接触部的细长部上，其中端部长度416、415分别在一端包括连接装置404、405，而在另一端包括一个锥形的管道闭合形状，或者在两端都包括连接装置。在此情况中所示的端部415具有一个抵消端部轮廓，形状为一个带有内部加固物的半弯头。在容器400的整个侧表面上设有一个带箍407，以防止Z形折迭的接触部在气体压力的影响下移动。每个弯头420可以由一个或多个在弯头的整个内或外周上的焊缝421形成和加固。这样首先可以获得一个用于管道403的通过180°的短弯头同时保持在容器内与快速填充相适应的压头损失，其次可以控制压力作用下的变形，尤其是由于焊缝421的存在。
当然，上述所有实施例可以由一种特殊的管道布置(不对称)或其截面变化的尺寸组合而成，如参照第一实施例所述。这样取得的容器的形状是本发明所选定的管道设置的方式以及调节管道布置和尺寸的参数的函数。本领域的普通技术人员可以容易地给出任何用于实施本发明容器的形状。
图11中所示的第五实施例特别用于取得紧凑的矩形形状而不在容器中央留有空腔。
本发明的容器特别适于贮存例如200巴数量级或更高压力的气体。这种容器可以具有减小的质量，尤其是如果由例如铝材制成。
当本发明的容器安装在一个车辆中时，从安全的角度可以发现，因为其形状进行伪隔离，例如由于一个冲击引起的压力突然损失的影响可以由贮存的质量的惯性中和。具体地，应该发现容器具有很大的容量吸收在一个包含容器大多数尺寸的平面中的冲击(垂直于图1、7和8的实施例中的轴线ZZ＇的平面、包含图9实施例的轴线ZZ＇的一个轴向平面，以及图11实施例的横向平面)，容器则使自己表现为一个放在一车辆中的弹性“三明治”结构的形状，这样可以适于吸收在此用途中最常见的冲击种类，即横向冲击。

Claims (26)

1．一种用于贮存高压气体的容器(1)，容器包括一个限定腔(2)，由连接装置(4,5)有选择地与外界连通，容器的特征在于：所述限定腔(2)包括一个由细长的第一和第二部(10,11)形成的具有椭圆截面的管道(3)，所述第一和第二部由弧形的第三和第四部(12,13)相互连接，而且所述管道(3)设置成多个接触部，以使一个接触部的至少一个细长部(10,11)可以靠在所述多个接触部中的一个相邻的接触部的一个相应的细长部(11,10)上。
2．如权利要求1所述的容器，其特征在于，管道(3)具有一个尺寸变化的截面。
3．如权利要求1或2所述的容器，其特征在于，管道(3；103；203)设置成一个从所述管道具有连接装置(4,5；104,105；204,205)的一个内端(16；116；216)到结束所述管道的一闭合外端(15；115；215)的绕一轴线ZZ＇的螺旋卷。
4．如权利要求1至3中任一项所述的容器，其特征在于，容器(1)是轮形。
5．如权利要求1至3中任一项所述的容器，其特征在于，容器(200)为矩形。
6．如权利要求1至5中任一项所述的容器，其特征在于，所述容器限定基本为平面且平行的前壁。
7．如权利要求1至5中任一项所述的容器，其特征在于，所述容器限定至少一个基本为截头圆锥形的前壁。
8．如权利要求1或2中任一项所述的容器(300)，其特征在于，管道(303)设置成一个从一闭合的第一端(315)开始并延伸至具有连接装置(304,305)的第二端(316)的绕一轴线ZZ＇的螺旋卷。
9．如权利要求1至8中任一项所述的容器(1；100；200；300)，其特征在于，由卷曲的管道(3；103；203；303)限定的容器的一个内表面(9；109；209；309)包括一个内环(6)。
10．如权利要求1至9中任一项所述的容器(1；100；200；300)，其特征在于，由卷曲的管道(3；103；203；303)限定的容器的一个外表面(17；117；217)包括一个外环(7)。
11．如权利要求1或2所述的容器，其特征在于，管道(403)设置成从具有连接装置(404,405)的第一端(416)至第二端(415)的一Z字形。
12．如权利要求11所述的容器(400)，其特征在于，第二端(415)是闭合的。
13．如权利要求11所述的容器(400)，其特征在于，第二端同样具有连接装置。
14．如权利要求11至13中任一项所述的容器(400)，其特征在于，管道(403)具有弯头(420)，其中形成至少一个焊缝(421)。
15．如权利要求11至14中任一项所述的容器(400)，其特征在于，包括一个围绕由管道(403)形成的Z字结构侧面的带箍(407)。
16．如权利要求11至15中任一项所述的容器(400)，其特征在于，容器为一个矩形四面体形状。
17．如权利要求1至16中任一项所述的容器，其特征在于，弧形的第三和第四部(12,13)为半圆形。
18．如权利要求1至17中任一项所述的容器，其特征在于，所述的细长部(10,11)基本为直线状。
19．一种制造用于贮存高压气体容器的方法，其特征在于包括以下步骤：
a)将一个具有椭圆形截面的管道(3)弯成多个接触部，以使所述管道的一个接触部的至少一个细长部(10,11)靠在一个相邻的接触部的一细长部(11,10)上；
b)对所述管道进行热处理，同时使管道暂时连接；
c)在管道的外表面(17)上缠绕一种碳或玻璃纤维的带箍(7)。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括一个闭合所述管道的第一端(15)的步骤，以及一个将联通装置(4,5)固定在所述管道的第二端(16)上的步骤。
21．如权利要求19或20所述的容器，其特征在于，包括一个由通过轴向焊接闭合的金属片形成所述椭圆截面管道(3)的步骤。
22．如权利要求19至21中任一项所述的容器，其特征在于，卷曲管道(3)的操作步骤a)还包括在所述管道内施加压力和/或预热所述管道。
23．如权利要求19至22中任一项所述的容器，其特征在于，卷曲步骤a)相当于绕一轴线ZZ＇卷曲管道(3；103；203；303)，而且还包括一个步骤d)：将一个内环(6)插靠在由所述卷限定的内表面上。
24．如权利要求19至22中任一项所述的容器，其特征在于，卷曲步骤a)相当于将管道(403)折成一个Z字形结构，而且还包括一个步骤d＇)：将管道(403)的弯头焊接在Z字形结构中。
25．如权利要求19至24中任一项所述的容器，其特征在于，还包括一个步骤e)：张紧外带箍(7)。
26．如权利要求19至25中任一项所述的容器，其特征在于，还包括一个步骤f)：用一个玻璃纤维带箍缠绕所述容器。
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