ES2942709T3 - Recipiente a presión - Google Patents

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ES2942709T3 ES15754903T ES15754903T ES2942709T3 ES 2942709 T3 ES2942709 T3 ES 2942709T3 ES 15754903 T ES15754903 T ES 15754903T ES 15754903 T ES15754903 T ES 15754903T ES 2942709 T3 ES2942709 T3 ES 2942709T3
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Thomas K Delay
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Hanwha Cimarron LLC
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Abstract

La presente descripción proporciona un recipiente a presión (10) (a veces conocido como recipiente a presión envuelto en material compuesto o "COPV") que comprende fibra de carbono (20) (como filamentos de fibra de carbono (20)) envuelto alrededor de un revestimiento de tanque (30). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Recipiente a presión
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
Esta solicitud reclama el beneficio y la prioridad de la solicitud no provisional pendiente de los Estados Unidos No.
14/525,645 presentada el 28 de octubre de 2014 titulada "Recipiente a presión", que a su vez reclamaba el beneficio y la prioridad de la solicitud provisional pendiente de Estados Unidos No. 61/945,220 presentada el 27 de febrero de 2014 titulada "Recipiente a presión".
Campo de la invención
La presente divulgación se refiere a recipientes para el transporte de gases y líquidos a presión. Más específicamente, en una realización, la presente descripción se refiere a recipientes para el transporte y almacenamiento de gas natural comprimido ("GNC"), propano, metano, alcohol, helio, hidrógeno o argón.
Antecedentes
El deseo de suministrar combustibles más respetuosos con el medio ambiente (los denominados "verdes") para automóviles y otros usos ha aumentado considerablemente la demanda de recipientes a presión que puedan almacenar y utilizarse en el transporte de los combustibles. Uno de los combustibles más prometedores en la actualidad es el GNC, y ha surgido la necesidad de formas rentables de producir recipientes a presión para recipientes de GNC.
En general, las dos características más caras de un recipiente a presión de GNC son las fibras de carbono y los revestimientos del tanque (alrededor de los cuales se envuelven las fibras de carbono). El coste de las fibras de carbono depende en gran medida del mercado libre y, por lo tanto, los fabricantes de recipientes a presión pueden hacer poco para controlar o reducir el coste de las fibras de carbono. En consecuencia, es deseable reducir el coste de los revestimientos de los tanques.
Los tipos más comunes de recipientes a presión utilizados son: recipientes tipo 3 (revestidos de metal) y tipo 4 (revestidos de plástico). También hay un nuevo recipiente tipo 5 que está siendo considerado por la industria. Se considera que el recipiente tipo 5 es totalmente compuesto (sin revestimiento metálico o no metálico). También se puede considerar que un recipiente es de tipo 5 si tiene una barrera de permeación muy delgada en el interior si también es no portante de carga. Esta descripción se puede aplicar a un recipiente de tipo 4 y/o tipo 5. El revestimiento de tanque de un recipiente tipo 3 común es de aluminio, pero también hay algunos revestimientos de tanque producidos por ensamblajes de acero soldado. El límite de tamaño del revestimiento de tanque de aluminio está controlado por el diámetro de los tubos forjados disponibles. El tamaño del diámetro generalmente se detiene alrededor de 18" (42,72 cm). Hay nuevos mercados emergentes para camiones y sistemas de almacenamiento a granel que necesitan revestimientos de tanques de 25" (63,5 cm) de diámetro o más grandes. Esta necesidad de diámetros más grandes ha sido una de las razones por las que se están desarrollando más recipientes tipo 4. Los métodos de fabricación para los revestimientos tipo 4 más grandes pueden ser costosos si hay cambios de diseño frecuentes porque los moldes y las herramientas son costosos. Sin embargo, los nuevos recipientes de tipo 4 son más ligeros y económicos que los revestimientos de aluminio de los recipientes de tipo 3.
Sin embargo, la producción de revestimientos de tanques no es sencilla, ya que requiere herramientas especializadas y otros equipos, y los costes del equipo requerido presentan una barrera de entrada significativa en la industria.
El documento US 2007/0246461 Al divulga un recipiente a presión que dispone e integra una pluralidad de estructuras de recipiente, cada una de las cuales incluyendo un revestimiento cilíndrico abierto en ambos extremos con miembros comunicantes en forma de cúpula abombados hacia fuera que están fijados a través de ambos extremos respectivos.
La presente descripción proporciona un recipiente a presión útil en el transporte y almacenamiento de gases y líquidos, como GNC, que comprende un revestimiento de tanque con segmentos que se pueden unir entre sí. El recipiente a presión de la presente descripción permite la fabricación modular que es rentable y fácilmente adaptable a los cambios, y accesorios de extremo y cúpulas más robustas.
Breve descripción de los dibujos
Para proporcionar además las ventajas y características de la presente divulgación, se hará una descripción más particular de la invención con referencia a realizaciones específicas de la misma que se ilustran en los dibujos adjuntos.
Se aprecia que estos dibujos no deben considerarse limitativos en su alcance. La invención se describirá y explicará con mayor especificidad y detalle mediante el uso de los dibujos adjuntos en los que:
Fig. 1 muestra fibra de carbono 20 envuelta en un revestimiento de tanque 30, donde este revestimiento de tanque no está cubierto por la reivindicación independiente 1.
Fig. 2 muestra un revestimiento de tanque 30 descrito en este documento, no cubierto por la reivindicación independiente 1.
Fig. 3 muestra una realización de un revestimiento de tanque 30 descrito en este documento, de acuerdo con la reivindicación independiente 1.
Fig. 4 muestra una pluralidad de recipientes a presión 10 transportados dentro de un recinto protector 60.
Descripción detallada
La presente descripción proporciona un recipiente a presión 10 (a veces conocido como recipiente a presión envuelto en material compuesto o "COPV", "composite overwrapped pressure vessel") que comprende fibras 20 (como filamentos de fibra de carbono 20) envueltos alrededor de un revestimiento de tanque 30. Las fibras 20 también se pueden utilizar con capas embebidas de tela u otros textiles para mejorar el rendimiento según sea necesario, como reconocería un experto en la técnica.
Cualquier fibra 20 conocida en la técnica se puede utilizar con el recipiente a presión 10 descrito en este documento. Por ejemplo, la fibra de carbono típica 20 para recipientes a presión 10 tiene una tensión de rotura de aproximadamente 700 kilo libras por pulgada cuadrada (ksi) (4,83 x 103 MPa) y un módulo de elasticidad de aproximadamente 33 millones de libras por pulgada cuadrada (msi) (227,5 x 103 MPa) o más, por lo que cualquier material con características similares puede ser usado. Otras envolturas de fibras 20 incluyen, pero no se limitan a, fibra de vidrio, fibra de basalto, hilo de yute, Zylon®, polietileno de alta densidad, polipropileno, polietileno, nailon, Vectran® y alambre de metal de alta resistencia. En algunas realizaciones, una envoltura de fibra de carbono 20 también puede incluir un epoxi o una resina que actúe para fortalecer y endurecer las fibras de carbono 20. La presente divulgación no se limita a un recipiente a presión 10 que comprende un solo tipo de fibra 20, por lo tanto, debe entenderse que el recipiente a presión 10 puede estar envuelto (o sobreenvuelto) con una pluralidad de diferentes tipos de fibras de carbono u otras fibras. 20, según el uso previsto y el tamaño del recipiente a presión 10. En la figura 1 se muestra un ejemplo de un revestimiento de tanque 30 que ha sido envuelto y que muestra algunas de las fibras de carbono 20 envueltas en el revestimiento de tanque 30. Las fibras 20 se pueden envolver a una "profundidad" continua alrededor del revestimiento de tanque 30, o ciertos segmentos del revestimiento de tanque 30 se pueden envolver con capas más gruesas de fibra 20. Por ejemplo, un área que se sabe que está sujeta a una mayor presión puede tener más fibras 20 envueltas que una sección bajo menos presión. Alternativamente, se pueden usar diferentes tipos de fibras 20 en diferentes áreas del recipiente a presión sujetas a diferentes presiones. Además, se pueden usar patrones de estratificación en relación con la presente divulgación, que incluyen, sin limitación, fibras 20 enrolladas en capas helicoidales, capas polares o capas de aro. Además, las fibras individuales 20 se pueden enrollar en ángulos iguales o diferentes en relación con el revestimiento de tanque, según las características deseadas del recipiente a presión 10.
Hay muchos epoxis o resinas adecuadas que se pueden usar en relación con la presente divulgación. Algunas de estas resinas son EPON® 828 y 862 y Dow 383, y existe una variedad de diferentes agentes de curado y aditivos que se pueden usar para ajustar el rendimiento del epoxi según sea necesario. Además, el epoxi o la resina se pueden impregnar en las fibras 20 antes del enrollado o las fibras 20 se pueden "enrollar en húmedo" donde se agrega el epoxi o la resina a medida que las fibras 20 se enrollan alrededor del revestimiento de tanque 30. El epoxi es la matriz de resina común, pero se pueden usar otros como uretanos, poliureas, epoxi viniléster, bismaleimida y benzoxazina.
La presente divulgación también proporciona un recipiente a presión 10 con un nuevo revestimiento de tanque 30 como se define en las reivindicaciones adjuntas. En una realización, el revestimiento de tanque 30 actúa como un mandril/herramienta que mantiene los accesorios metálicos de los extremos (discutidos más adelante) en su lugar y proporciona la superficie para la aplicación de la barrera de permeación. La herramienta mandril compuesta puede basarse en la capa de permeación 50 (discutida más adelante) para contener los gases.
Según la reivindicación 1, el revestimiento de tanque 30 comprende una pluralidad de segmentos 40 que están unidos entre sí. Los segmentos 40 se pueden moldear o dar forma en varias configuraciones. Como se muestra en la Fig. 3, el cuerpo cilíndrico del revestimiento de tanque 30 puede estar compuesto por varios segmentos 42a, 42b que están unidos entre sí.
Dependiendo del uso previsto del recipiente a presión 10, uno o ambos segmentos de extremo 44 pueden comprender un accesorio de extremo 46 (típicamente, pero no exclusivamente, un orificio perforado en el vértice de la herramienta para los segmentos de tapa que luego se ajusta con un accesorio de metal que interactúa con la conexión de la válvula de un sistema de gas) que está adaptado para conectarse a una válvula u otro mecanismo útil para permitir que el GNC sea ventilado desde el recipiente a presión 10. El accesorio de extremo de metal también se puede moldear o enrollar en su lugar con materiales de mandril. Cualquier accesorio de extremo conocido por los expertos en la técnica debe considerarse dentro del alcance de esta descripción. Además, el tipo de accesorio de extremo puede variar según el uso del recipiente a presión 10.
Los segmentos 40 que comprenden el revestimiento de tanque 30 pueden comprender muchos materiales diferentes. En una realización, el revestimiento de tanque 30 puede estar compuesto por un solo material, mientras que en otras realizaciones el revestimiento de tanque 30 puede estar compuesto por una pluralidad de materiales (según las reivindicaciones adjuntas, los segmentos de extremo están compuestos por un material diferente al de los segmentos 42 que forman el cuerpo del revestimiento de tanque 30). La composición del revestimiento de tanque 30 puede variar según el uso previsto del recipiente a presión 10. En una aplicación, los segmentos 42 pueden comprender plásticos reforzados con fibra de vidrio. En una realización alternativa, los segmentos 42 pueden comprender plásticos reforzados con fibra de carbono. En construcciones alternativas, los segmentos 42 pueden comprender un material reforzado con fibra de vidrio mientras que los segmentos de extremo 44 son metálicos. Si el peso es crítico, la herramienta mandril compuesta se puede fabricar con una fibra de carbono y una resina de matriz epoxi u otras resinas. Los segmentos de extremo compuestos 44 y los accesorios de extremo metálicos 46 también se pueden equipar con una junta tórica o material sellador en las interfaces metálicas y no metálicas. Un accesorio de extremo 46 y un segmento de extremo totalmente metálicos son especialmente útiles en situaciones de presión extremadamente alta, ya que los accesorios de extremo 46 no están unidos al segmento de extremo 44, sino que son parte integral del segmento de extremo 44.
En las realizaciones en las que el revestimiento de tanque 30 comprende más de un segmento 40, los segmentos deben estar unidos entre sí. Los segmentos 40 pueden tener una unión superpuesta que permite que una fina capa de unión de adhesivo una los segmentos 40 entre sí.
El revestimiento de tanque 30 se puede envolver directamente con la fibra de carbono 20 o se puede cubrir primero con una barrera de permeación 50. La barrera de penetración 50 puede estar en el interior, exterior o ambos lados del mandril herramienta compuesto dependiendo de la aplicación. La barrera de permeación 50 puede comprender un polímero tal como poliurea o poliuretano u otros materiales flexibles. La barrera de permeación 50 también puede contener varios materiales de relleno y aditivos para mejorar las propiedades de permeación de gases. En una realización, la barrera de permeación 50 también puede comprender un aditivo como nanopartículas que ayuda a mejorar su rendimiento; dichas nanopartículas podrían incluir, entre otras, arcillas exfoliadas o nanotubos de carbono. Esta barrera de permeación 50 típicamente no agrega fuerza a la estructura, sino que ayuda a evitar que el contenido del recipiente a presión 10 se escape. Una de las funciones principales de la barrera de permeación 50 es contener los gases dentro del revestimiento de tanque 30. La barrera de permeación 50 puede tener varias capas de diferentes materiales que se utilizan para reducir la difusión de los gases. Una vez que se agrega la barrera de permeación 50 sobre el revestimiento de tanque 30, la fibra de carbono 10 se puede envolver utilizando una máquina tradicional de bobinado de filamentos. En una realización, la barrera de permeación 50 puede estar en el interior del revestimiento de tanque 30, luego el revestimiento de tanque 30 puede estar envuelto con fibra de carbono 10. En otra realización alternativa, puede haber dos (2) barreras de permeación 50, una interior al revestimiento de tanque 30 y otra exterior al revestimiento de tanque 30.
El recipiente a presión 10 de la presente divulgación se puede utilizar en una serie de aplicaciones tales como automóviles propulsados por GNC, envío de GNC (por tierra o mar) o en cohetes. Además, uno o más de los recipientes a presión 10 descritos en este documento pueden estar incluidos dentro o rodeados por, un recinto protector 60 si los recipientes a presión 10 se utilizan para enviar GNC. Por ejemplo, cuatro recipientes a presión 10 pueden estar rodeados por un recinto protector 60 como se muestra en la Fig. 4.
Aunque se han descrito realizaciones particulares de la presente divulgación, no se pretende que tales referencias se interpreten como limitaciones al alcance de esta divulgación excepto como se establece en las reivindicaciones.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un recipiente a presión (10) que comprende un revestimiento de tanque (30), donde dicho revestimiento de tanque comprende, además, plástico reforzado con fibra de carbono y donde el cuerpo cilíndrico del revestimiento de tanque (30) comprende:
una pluralidad de segmentos centrales cilíndricos (42a, 42b) que están axialmente unidos entre sí y segmentos de tapa (44) unidos a los segmentos cilíndricos, donde los segmentos de tapa comprenden un metal
y donde todos los segmentos tienen una unión superpuesta que permite que una fina capa de unión de adhesivo una los segmentos.
2. El recipiente a presión (10) de la reivindicación 1 donde el revestimiento de tanque (30) comprende, además, fibras de carbono.
3. El recipiente a presión (10) de la reivindicación 1 donde el revestimiento de tanque (30) está recubierto por una capa de fibra de carbono enrollada.
4. El recipiente a presión (10) de la reivindicación 3 donde la capa de fibra de carbono enrollada comprende una fibra de carbono (20) que tiene una tensión de rotura de aproximadamente 700 KSI (4,83 x 103 MPa) y un módulo de aproximadamente 33 Msi (227,5 x 103 MPa).
5. El recipiente a presión (10) de la reivindicación 4, donde la capa de fibra de carbono enrollada tiene un grosor continuo uniforme alrededor del revestimiento de tanque (30).
6. El recipiente a presión (10) de la reivindicación 5 que comprende, además, una barrera de permeación (50) situada entre el revestimiento de tanque (30) y la capa de fibra de carbono enrollada.
7. El recipiente a presión (10) de la reivindicación 6, que comprende, además, una segunda capa de permeación (50) interior a una herramienta/mandril compuesta
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