CN219530539U - 一种蜂窝结构管束及高压气体储存装置 - Google Patents

Abstract

为克服现有用于高压气体储存的蜂窝结构管束存在材料强度低的问题，本实用新型提供了一种蜂窝结构管束，包括多根中空毛细管，多根所述中空毛细管的外壁相互抵接以形成蜂窝结构管束，所述中空毛细管的截面包括第一扩径部、第二扩径部以及位于所述第一扩径部和所述第二扩径部之间的缩径区，沿所述第一扩径部至所述缩径区的方向，所述中空毛细管的外径逐渐减小；沿所述第二扩径部至所述缩径区的方向，所述中空毛细管的外径逐渐减小。本实用新型还提供了包括上述蜂窝结构管束的高压气体储存装置。本实用新型提供的蜂窝结构管束设置有负泊松比的中空毛细管，极大提升了蜂窝结构管束的抗压强度和抗冲击能力。

Description

一种蜂窝结构管束及高压气体储存装置

技术领域

本实用新型属于新能源储存装置技术领域，具体涉及一种蜂窝结构管束及高压气体储存装置。

背景技术

为满足实际应用的要求，新能源气体储存装置应具有能量密度大、充放气体速率快、安全性高和成本低廉等特点，以提供足够的能源输出。但由于新能源气体易逸出、易发生化学反应等特点，很难满足以上要求。因此，开发安全高效的新能源气体储存技术已成为制约新能源发展的瓶颈，也是推进新能源发展的关键挑战。

根据储存新能源气体的机理，目前的新能源气体物理储存方法有低温液态储存、低温吸附储存和高压气态储存三大类。

低温液态储存的方法是在低温时，将气体转变为液体并储存于绝热的真空容器中。这种储存方式具有较高的体积储存密度，同时这种储存方式也有几点不足之处。存储器为绝热耐低温的特殊容器，成本较高；液化气体能耗高；汽化损失严重，不利于长期存储和使用。目前，液态储存主要应用于航天、军工等方面，不适用于民用和商用。

低温吸附储存是利用多孔材料与气体分子之间的范德华力相互作用来实现气体的储存。在这种储存方式中，气体以分子形式存在，不发生解离，属于物理吸附作用。但是由于多孔材料与多种气体分子之间的范德华力较弱，因此一般在低温条件下(77K)时才有较好的吸附效果。

高压气态储存是指在一定温度下通过提高压力来提升气体储存密度，是目前应用最广泛的一种气体储存技术。这种方式的优点是操作简单、充放气体速度快、常温操作和成本低等。

因此高压气态储存是日常中最常用的新能源气体储存技术，现有的技术主要为罐装储存装置，但是这种方式也存在许多不足之处，存在气体泄漏的隐患和不便于运输等问题；为解决传统罐装储存装置存在的问题，现有一种蜂窝结构的管束储存方式，通过圆形或六边形截面的毛细管组成蜂窝管束，通过毛细吸附作用对高压气体进行吸附储存，但现有蜂窝结构的管束存在材料强度低的问题，在外力作用下存在管束破裂的风险，引发气体泄漏。

实用新型内容

针对现有用于高压气体储存的蜂窝结构管束存在材料强度低的问题，本实用新型提供了一种蜂窝结构管束及高压气体储存装置。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本实用新型提供了一种蜂窝结构管束，包括多根中空毛细管，多根所述中空毛细管的外壁相互抵接以形成蜂窝结构管束，所述中空毛细管的截面包括第一扩径部、第二扩径部以及位于所述第一扩径部和所述第二扩径部之间的缩径区，沿所述第一扩径部至所述缩径区的方向，所述中空毛细管的外径逐渐减小；沿所述第二扩径部至所述缩径区的方向，所述中空毛细管的外径逐渐减小。

可选的，以所述中空毛细管的延伸方向为z轴，以所述中空毛细管的截面为xy平面，所述第一扩径部和所述第二扩径部沿y轴方向设置在所述缩径区的两端，且所述第一扩径部和所述第二扩径部为以所述缩径区在x轴方向上的中轴线对称设置的类梯形结构。

可选的，所述第一扩径部包括顶壁、第一侧壁和第二侧壁，所述顶壁沿x轴方向延伸，所述第一侧壁和所述第二侧壁分别由所述顶壁的两端延伸至所述缩径区的两端；所述第二扩径部包括底壁、第三侧壁和第四侧壁，所述底壁沿x轴方向延伸，所述第三侧壁和所述第四侧壁分别由所述底壁的两端延伸至所述缩径区的两端。

可选的，多个所述中空毛细管在xy平面上阵列排布，且沿y轴方向相邻的两个所述中空毛细管中，其中一个所述中空毛细管的顶壁抵接于另一个所述中空毛细管的底壁上，沿x轴方向相邻的两个所述中空毛细管中，其中一个所述中空毛细管的第二侧壁抵接于另一个所述中空毛细管的第三侧壁上，或其中一个所述中空毛细管的第四侧壁抵接于另一个所述中空毛细管的第一侧壁上。

可选的，所述顶壁和所述底壁的距离为80～110μm。

可选的，所述中空毛细管的管壁厚度为8～11μm。

可选的，所述缩径区的外径为45～60μm。

可选的，所述第一扩径部的最大外径为90～120μm，所述第二扩径部的最大外径为90～120μm。

可选的，所述中空毛细管的内壁形成有多个孔洞，所述孔洞的孔径为2～20nm。

另一方面，本实用新型提供了一种高压气体储存装置，包括如上所述的蜂窝结构管束。

根据本实用新型提供的蜂窝结构管束，摒弃了传统的圆形或外凸六边形结构的管束截面结构，中空毛细管通过第一扩径部、第二扩径部和位于所述第一扩径部和所述第二扩径部之间的缩径区的截面设计，形成了一种负泊松比的结构形状，不同于传统的正泊松比结构，通过缩径区的向内凹进，中空毛细管在面对y轴方向的冲击时，不再是x轴方向扩展变形，而是x轴方向收缩变形，但因为中空毛细管在气体储存状态下其内部充满高压气体，内部高压向外膨胀起到了抑制x轴方向收缩变形的作用，进而中空毛细管不易发生变形，大大提高了抗压能力，抗压强度明显提高；其次面对斜向冲击时，根据有限元计算，其特殊结构能保证局部变形，而不是整体变形；在面对大变形时，仍是向内收缩，造成管束倾倒，延缓了变形的产生，因此会对大冲击的变形起到延迟缓冲作用，能够有效降低气体泄漏风险。

附图说明

图1是本实用新型提供的蜂窝结构管束的结构示意图；

图2是本实用新型提供的蜂窝结构管束的截面示意图；

图3是本实用新型提供的中空毛细管的截面示意图；

图4是本实用新型提供的中空毛细管的内壁结构示意图。

说明书附图中的附图标记如下：

1、中空毛细管；11、缩径区；12、第一扩径部；121、顶壁；122、第一侧壁；123、第二侧壁；13、第二扩径部；131、底壁；132、第三侧壁；133、第四侧壁；14、孔洞。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“x轴”、“y轴”、“z轴”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参见图1～图4所示，本实用新型一实施例提供了一种蜂窝结构管束，包括多根中空毛细管1，多根所述中空毛细管1的外壁相互抵接以形成蜂窝结构管束，所述中空毛细管1的截面包括第一扩径部12、第二扩径部13以及位于所述第一扩径部12和所述第二扩径部13之间的缩径区11，沿所述第一扩径部12至所述缩径区11的方向，所述中空毛细管1的外径逐渐减小；沿所述第二扩径部13至所述缩径区11的方向，所述中空毛细管1的外径逐渐减小。

沿远离所述缩径区11的方向，所述第一扩径部12、所述第二扩径部13的外径逐渐增大，以形成截面类似于漏斗形状的结构，可以理解的是，参见图3所示，在本实用新型的描述中，所述缩径区11指的是漏斗形状结构的中间外径较小的区域，所述第一扩径部12、所述第二扩径部13指的是漏斗形状结构两端外径增大的部分。

所述蜂窝结构管束的截面为蜂窝状，即一根蜂窝结构管束由许多根中空毛细管1组成，可代替传统罐装装置进行高压气体的储存。即使其中一根中空毛细管1发生气体逸出问题，也不会造成大规模的气体泄漏，降低了安全隐患；同时蜂窝结构管束容易改变形状，可以平铺成层、卷捆成筒，甚至可以根据运输环境与实际操作环境改变成各种形状，在具体的应用场景中，例如新能源汽车，可以根据车架进行管束铺设，不用特意留出位置，大大提高了空间利用率。

更重要的是，所述蜂窝结构管束摒弃了传统的圆形或外凸六边形结构的管束截面结构，中空毛细管1通过第一扩径部12、第二扩径部13和位于所述第一扩径部12和所述第二扩径部13之间的缩径区11的截面设计，形成了一种负泊松比的结构形状，不同于传统的正泊松比结构，通过缩径区11的向内凹进，中空毛细管1在面对y轴方向的冲击时，不再是x轴方向扩展变形，而是x轴方向收缩变形，但因为中空毛细管1在气体储存状态下其内部充满高压气体，内部高压向外膨胀起到了抑制x轴方向收缩变形的作用，进而中空毛细管1不易发生变形，大大提高了抗压能力，抗压强度明显提高；其次面对斜向冲击时，根据有限元计算，其特殊结构能保证局部变形，而不是整体变形；在面对大变形时，仍是向内收缩，造成管束倾倒，延缓了变形的产生，因此会对大冲击的变形起到延迟缓冲作用，能够有效降低气体泄漏风险。

如图1和图3所示，在一实施例中，以所述中空毛细管1的延伸方向为z轴，以所述中空毛细管1的截面为xy平面，所述第一扩径部12和所述第二扩径部13沿y轴方向设置在所述缩径区11的两端，且所述第一扩径部12和所述第二扩径部13为以所述缩径区11为中轴线对称设置的类梯形结构，进而得到中部向内凹陷，两端扩大的截面结构。在其他实施例中，为实现本实用新型的技术效果，所述第一扩径部12和所述第二扩径部13也可以为非对称结构，或是所述第一扩径部12和所述第二扩径部13也可以是非梯形结构，可以理解的是，在满足形成负泊松比结构的基础上，可以对所述中空毛细管1的截面结构进行适当调整。

在一实施例中，所述第一扩径部12包括顶壁121、第一侧壁122和第二侧壁123，所述顶壁121沿x轴方向延伸，所述第一侧壁122和所述第二侧壁123分别由所述顶壁121的两端延伸至所述缩径区11的两端；所述第二扩径部13包括底壁131、第三侧壁132和第四侧壁133，所述底壁131沿x轴方向延伸，所述第三侧壁132和所述第四侧壁133分别由所述底壁131的两端延伸至所述缩径区11的两端。

由所述顶壁121、所述第一侧壁122、所述第二侧壁123、所述底壁131、所述第三侧壁132和所述第四侧壁133合围形成所述中空毛细管1。

如图2所示，在一实施例中，多个所述中空毛细管1在xy平面上阵列排布，且沿y轴方向相邻的两个所述中空毛细管1中，其中一个所述中空毛细管1的顶壁121抵接于另一个所述中空毛细管1的底壁131上，沿x轴方向相邻的两个所述中空毛细管1中，其中一个所述中空毛细管1的第二侧壁123抵接于另一个所述中空毛细管1的第三侧壁132上，或其中一个所述中空毛细管1的第四侧壁133抵接于另一个所述中空毛细管1的第一侧壁122上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“抵接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体成型；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。例如，在一实施例中，所述蜂窝结构管束由光纤抽丝拉伸而成，使用玻璃纤维，抽丝成微米级的蜂窝结构，此时，术语“抵接”可以作为一体成型理解。

如图3所示，在一些实施例中，所述顶壁121和所述底壁131的距离为80～110μm。

在具体的实施例中，所述顶壁121和所述底壁131的距离可以为80μm、82μm、85μm、87μm、89μm、91μm、92μm、95μm、97μm、99μm、102μm、105μm、107μm、109μm或110μm。

在一些实施例中，所述中空毛细管1的管壁厚度为8～11μm。

在具体的实施例中，所述中空毛细管1的管壁厚度可以为8μm、8.2μm、8.5μm、8.7μm、8.9μm、9.1μm、9.2μm、9.5μm、9.7μm、9.9μm、10.2μm、10.5μm、10.7μm、10.9μm或11μm。

在一些实施例中，所述缩径区11的外径为45～60μm。

在具体的实施例中，所述缩径区11的外径可以为45μm、47μm、48μm、49μm、50μm、51μm、52μm、55μm、57μm、59μm或60μm。

在一些实施例中，所述第一扩径部12的最大外径为90～120μm，所述第二扩径部13的最大外径为90～120μm。

在具体的实施例中，所述第一扩径部12的最大外径可以为90μm、91μm、92μm、95μm、97μm、99μm、102μm、105μm、107μm、109μm、110μm、112μm、115μm、117μm或120μm。所述第二扩径部13的最大外径可以为90μm、91μm、92μm、95μm、97μm、99μm、102μm、105μm、107μm、109μm、110μm、112μm、115μm、117μm或120μm。

术语“第一扩径部12的最大外径”指的是所述第一扩径部12在x轴方向上的外径最大值，由于沿所述缩径区11至所述第一扩径部12方向，所述第一扩径部12的外径逐渐增大，因此，所述第一扩径部12的最大外径实际上也是所述顶壁121的长度，对应的，术语“第二扩径部13的最大外径”为所述底壁131的长度。

如图4所示，在一些实施例中，所述中空毛细管1的内壁形成有多个孔洞14，所述孔洞14的孔径为2～20nm。

利用中空毛细管1的内壁处的孔洞14结构，实现气体分子的吸附作用，提高气体储存效率。由于孔洞14与分子间存在范德华力，根据密度泛函理论和蒙特卡洛方法，如下式所示，

在高压的环境下，分子动能降低，气体分子会依附在孔洞14中，从而不发生化学反应而储存气体分子。在物理吸附储存高压气体中，压力越高，越利于储存，本结构相比于罐装而言极限压力值高出约40MPa，储存环境更好。冲入高压气体后，根据有限元计算可以得出，所述蜂窝结构管束的极限应力在100MPa左右，远大于罐装装置的80MPa，气体密度能够满足需求。在充放气与储存途中，玻璃纤维会发生一定膨胀，但因为其特性，体积改变率不会过大，一般在4％以下，变形量较低。在储存途中，如果发生碰撞等意外情况导致玻璃纤维破碎，其特殊的蜂窝状结构也能在有气体逸出的情况下，保证大部分气体储存妥当，避免了一些气体大规模泄漏造成安全隐患，例如氢气泄漏。

本实用新型的另一实施例中提供了一种高压气体储存装置，包括如上所述的蜂窝结构管束。

所述蜂窝结构管束在所述高压气体储存装置中具有不同的应用结构。例如：

在一实施例中，所述高压气体储存装置还包括有壳体，所述蜂窝结构管束内置于所述壳体中。

在另一实施例中，所述高压气体储存装置还包括有气体分配装置和连通管线，所述蜂窝结构管束的一端封堵，所述蜂窝结构管束的另一端由连通管线连通至所述气体分配装置，通过所述气体分配装置向所述蜂窝结构管束中导入或导出高压气体。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蜂窝结构管束，其特征在于，包括多根中空毛细管，多根所述中空毛细管的外壁相互抵接以形成蜂窝结构管束，所述中空毛细管的截面包括第一扩径部、第二扩径部以及位于所述第一扩径部和所述第二扩径部之间的缩径区，沿所述第一扩径部至所述缩径区的方向，所述中空毛细管的外径逐渐减小；沿所述第二扩径部至所述缩径区的方向，所述中空毛细管的外径逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的蜂窝结构管束，其特征在于，以所述中空毛细管的延伸方向为z轴，以所述中空毛细管的截面为xy平面，所述第一扩径部和所述第二扩径部沿y轴方向设置在所述缩径区的两端，且所述第一扩径部和所述第二扩径部为以所述缩径区在x轴方向上的中轴线对称设置的类梯形结构。

3.根据权利要求2所述的蜂窝结构管束，其特征在于，所述第一扩径部包括顶壁、第一侧壁和第二侧壁，所述顶壁沿x轴方向延伸，所述第一侧壁和所述第二侧壁分别由所述顶壁的两端延伸至所述缩径区的两端；所述第二扩径部包括底壁、第三侧壁和第四侧壁，所述底壁沿x轴方向延伸，所述第三侧壁和所述第四侧壁分别由所述底壁的两端延伸至所述缩径区的两端。

4.根据权利要求3所述的蜂窝结构管束，其特征在于，多个所述中空毛细管在xy平面上阵列排布，且沿y轴方向相邻的两个所述中空毛细管中，其中一个所述中空毛细管的顶壁抵接于另一个所述中空毛细管的底壁上，沿x轴方向相邻的两个所述中空毛细管中，其中一个所述中空毛细管的第二侧壁抵接于另一个所述中空毛细管的第三侧壁上，或其中一个所述中空毛细管的第四侧壁抵接于另一个所述中空毛细管的第一侧壁上。

5.根据权利要求3所述的蜂窝结构管束，其特征在于，所述顶壁和所述底壁的距离为80～110μm。

6.根据权利要求1所述的蜂窝结构管束，其特征在于，所述中空毛细管的管壁厚度为8～11μm。

7.根据权利要求1所述的蜂窝结构管束，其特征在于，所述缩径区的外径为45～60μm。

8.根据权利要求1所述的蜂窝结构管束，其特征在于，所述第一扩径部的最大外径为90～120μm，所述第二扩径部的最大外径为90～120μm。

9.根据权利要求1所述的蜂窝结构管束，其特征在于，所述中空毛细管的内壁形成有多个孔洞，所述孔洞的孔径为2～20nm。

10.一种高压气体储存装置，其特征在于，包括如权利要求1～9任意一项所述的蜂窝结构管束。