JP2002522715A - Hydrostatic pressure holding system - Google Patents

Hydrostatic pressure holding system

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JP2002522715A
JP2002522715A JP2000563975A JP2000563975A JP2002522715A JP 2002522715 A JP2002522715 A JP 2002522715A JP 2000563975 A JP2000563975 A JP 2000563975A JP 2000563975 A JP2000563975 A JP 2000563975A JP 2002522715 A JP2002522715 A JP 2002522715A
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JP
Japan
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matrix
fluid
pressure
holding device
outer cover
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JP2000563975A
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Japanese (ja)
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ジョセフ セロック ジュニア ロバート
アーネスト ギャレット マイケル
Original Assignee
ザ ビーオーシー グループ ピーエルシー
ヴェステク エルエルシー
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 圧力容器が、三つの次元で広がるマトリックス構造を有する。マトリックスは、マトリックス内の接触点で相互に連絡された一連の空隙内部に貯蔵された圧縮流体の圧力によって誘起された負荷を担うとき、一般に静止力学的(三軸的すなわち三次元的)張力下にある。流体が浸透できない外側カバーがマトリックスを囲むと共に、接触しつつマトリックスによって支持される。圧力容器は、不規則な形状を取ることができる。流体を入れ、また排出するために動脈路システムを含む移送手段が設けられる。固体面構成要素を液相にあるうちにマトリックスに取り付け、この固体面構成要素が固相に変化すると、構成要素がマトリックスに一体的結合で固着される。 (57) [Summary] A pressure vessel has a matrix structure extending in three dimensions. The matrix is generally under static mechanical (triaxial or three-dimensional) tension when carrying a load induced by the pressure of a compressed fluid stored within a series of interconnected voids at points of contact within the matrix. It is in. An outer cover that is impervious to fluid surrounds the matrix and is supported by and in contact with the matrix. The pressure vessel can have an irregular shape. A transfer means is provided which includes an arterial tract system for entering and draining the fluid. The solid surface component is attached to the matrix while in the liquid phase, and when the solid surface component changes to the solid phase, the component is secured to the matrix by an integral bond.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (関連出願に対する相互参照) 本出願は、1998年8月6日に米国特許商標局にRobert J.Setlock,Jr.
,によって出願され「静水圧維持システムおよび高強度結合方法“Hydrostatic
Pressure Retainment System And High Strength Bonding Method”」
と題されたシリアルナンバー60/095,509なる仮出願に基づく。
(Cross-Reference to Related Applications) This application was filed with the US Patent and Trademark Office on August 6, 1998, by Robert J. Setlock, Jr.
"Hydrostatic Pressure Maintenance System and High Strength Coupling Method"
Pressure Retainment System An High High Strength Bonding Method ””
Based on a provisional application entitled Serial Number 60 / 095,509.

【0002】 (技術分野) 本発明は、一般に圧力容器の分野に関し、特に、加圧された液体を三次元構造
のマトリックス内部に保持し、構成要素をマトリックスに結合する装置および方
法に関する。
TECHNICAL FIELD [0002] The present invention relates generally to the field of pressure vessels, and more particularly, to an apparatus and method for retaining pressurized liquid within a three-dimensionally structured matrix and coupling components to the matrix.

【0003】 (背景技術) 高圧下のガス容器には、一般に、球、円筒体、楕円体、円環面体もしくはこれ
らの形の複合した形状の外壁を有する中空の容器を用いる必要がある。これらの
形は、内圧によって壁に誘起された引っ張り応力に耐える上で最も効率的な形状
であるが、可能な範囲で最も効率的な構成ではない。また、これらの従来の外殻
形状が、利用可能な空間効率にフィットすることはほとんどない。従来の技術に
は、各種の構成の内部サポートを圧力容器の内側に導入し、従来用いられなかっ
た形状を用い易くする例が数多くある。しかし、従来技術における従来用いられ
なかった形状の圧力容器の全てが、過剰な重量という性質を共有している。そう
した圧力容器は全て、構造材料の非効率的な使用ゆえに、同等の従来の圧力容器
よりも重い。本発明は、同じ材料で作られた同等の従来の圧力容器よりも軽いと
いう新しい性質を提供するものである。
(Background Art) As a gas container under high pressure, it is generally necessary to use a hollow container having an outer wall of a sphere, a cylinder, an ellipsoid, an annular surface, or a composite shape of these shapes. These shapes are the most efficient shapes to withstand the tensile stresses induced in the wall by internal pressure, but are not the most efficient configurations possible. Also, these conventional shell shapes rarely fit the available space efficiency. There are many examples in the prior art where various configurations of internal supports are introduced inside the pressure vessel to facilitate the use of previously unused shapes. However, all previously unused pressure vessels in the prior art share the property of excessive weight. All such pressure vessels are heavier than comparable conventional pressure vessels due to inefficient use of structural materials. The present invention offers the new property of being lighter than an equivalent conventional pressure vessel made of the same material.

【0004】 従来の容器の別の欠点は、圧力によって誘起された応力による壁の構造的破損
が生じたとき、容器が破滅的に壊れることである。圧縮されたガスおよび壁の破
片が突然解放されると爆発が起き、付近の人間および設備に深刻な結果をもたら
す。
[0004] Another disadvantage of conventional containers is that the container can catastrophically break when structural damage to the wall occurs due to pressure-induced stress. An explosion occurs when the compressed gas and wall fragments are released suddenly, with serious consequences for nearby people and equipment.

【0005】 本出願人が先に特許出願したNo.WO97/27105,USSN0859
2004の明細書には、ガス用高圧貯蔵タンクを設ける可能性、特に、タンク本
体に設置されると共にその内壁に接続され、タンクの内部容積の50%以下を占
める補強マトリックスを設ける可能性について記載されている。しかし、この高
圧貯蔵タンクは、製造が難しく且つ高価であり、またそのようなタンクに通常伴
う高圧に耐えるだけの充分な強度を一般に有していないという欠点を抱えている
[0005] The applicant has previously applied for a patent application No. WO97 / 27105, USSN0859
The specification of 2004 describes the possibility of providing a high-pressure storage tank for gas, in particular the possibility of providing a reinforcing matrix which is installed on the tank body and connected to its inner wall and occupies less than 50% of the internal volume of the tank. Have been. However, these high pressure storage tanks suffer from the disadvantage that they are difficult and expensive to manufacture and generally do not have sufficient strength to withstand the high pressures normally associated with such tanks.

【0006】 既に開示されているが未だ特許になっていないERGエアロスペース(ERG
Aerospace)の製品は、不規則な形状の圧力容器の内部で、そのDUOCEL連
続気孔アルミニウムフォームを内部サポートとして用いることを特定しているが
、この製品もまた、製造が難しく且つ高価であり、またそのようなタンクに通常
伴う高圧に耐えるだけの充分な強度を一般に有していないという欠点を抱えてい
る。
The previously disclosed but not yet patented ERG Aerospace (ERG)
Aerospace's product specifies the use of its DUOCEL open-cell aluminum foam as an internal support inside an irregularly shaped pressure vessel, but this product is also difficult and expensive to manufacture, and It suffers from the disadvantage that it does not generally have sufficient strength to withstand the high pressures normally associated with such tanks.

【0007】 Mannesmann AGが出願人の特許明細書No.WO98/33004には、外
側の金属製の壁が中空のチャンバを内包すると共に、チャンバ内に外壁に材料的
に接続された連続気孔金属フォームが設けられた圧縮ガス貯蔵用容器が記載され
ている。しかし、このように補強された容器もまた、高圧貯蔵タンクに通常伴う
圧力には一般に耐えることができない。
[0007] Mannesmann AG has filed a patent application no. WO 98/33004 describes a compressed gas storage container in which an outer metal wall encloses a hollow chamber and in which a continuous-porous metal foam materially connected to the outer wall is provided. . However, such reinforced containers also generally cannot withstand the pressures normally associated with high pressure storage tanks.

【0008】 鉄鋼などの均一な等方性を有する材料は、全ての地点で(均一に)あらゆる方
向において(等方性を有する)等しい機械的特徴(引っ張り強さを含む)を有す
る。よって、鉄鋼は、三つのデカルト座標軸全てにおける引っ張り負荷を同時に
耐えることができる。しかし、材料がこの方法で用いられることはほとんどない
。通常、材料は、一つの方向(軸方向負荷)であるいは二つの方向(平面負荷)
で負荷をかけられる。材料の負荷を支持する能力の一部は利用されないままであ
り、よって構造的な効率性が制限される。フィラメントもしくはファイバーが引
張られると、軸方向負荷が掛かった状態となる。材料の残り二つの方向における
負荷を支持する能力は、使われていない。圧縮ガスを保持する従来のシェルタイ
プの圧力容器は、平面負荷が掛かった状態にある。材料は、壁のいかなる特定の
地点においても、図1および図3に示されるように、その地点で外面に接する平
面によって定義される二つの方向において応力を受ける。材料の、その特定の平
面に垂直な方向における負荷を支持する能力は利用されないままである。また、
軸方向負荷および平面負荷は材料に角度的な歪みを生じさせ、これが主に構造的
破損の引き金となる。
Materials with uniform isotropic properties, such as steel, have equal mechanical properties (including tensile strength) in all directions (uniformly) in all directions (including tensile strength). Thus, steel can simultaneously withstand tensile loads in all three Cartesian coordinate axes. However, materials are rarely used in this way. Usually, the material is in one direction (axial load) or in two directions (plane load)
Loaded with. Some of the ability to support the load of the material remains unused, thus limiting structural efficiency. As the filament or fiber is pulled, it is in an axially loaded state. The ability to support the load in the other two directions of the material is not used. A conventional shell-type pressure vessel holding compressed gas is in a state where a planar load is applied. The material is stressed at any particular point on the wall in two directions defined by the plane tangent to the outer surface at that point, as shown in FIGS. The ability of the material to support loads in a direction perpendicular to that particular plane remains unused. Also,
Axial and planar loads cause angular distortion in the material, which primarily triggers structural failure.

【0009】 材料に対して三つの方向全てにおいて均等に負荷(静水力学的負荷、三軸的負
荷すなわち三次元的負荷)を掛けることが有利である。静水力学的負荷(あるい
は三軸的負荷すなわち三次元的負荷)の下にある材料が完全に利用され、さらに
負荷を掛けた場合に能力が完全に用いられる。この理想的な条件は、角度的な歪
みあるいは変形がないことも意味する。角度的な歪みがないことは、材料に関し
静水力学的負荷における降伏強さが非常に増加するというさらなる利益につなが
る。よって、容器を製造する上で必要な材料の体積が少なくなり、従来の外側シ
ェル圧力容器と比較して重量を軽減できる。圧力容器は、打ち消すべき流体(液
体および/または気体)圧力が定義として静水力学的なので、構造的静水力学的
引っ張り負荷に関して理想的な適用例である。
It is advantageous to apply a load (hydrostatic, triaxial or three-dimensional load) evenly on the material in all three directions. The material under hydrostatic load (or triaxial or three-dimensional load) is fully utilized, and the capacity is fully utilized when further loaded. This ideal condition also means that there is no angular distortion or deformation. The absence of angular distortion leads to the further benefit that the yield strength at hydrostatic loading for the material is greatly increased. Therefore, the volume of the material required for manufacturing the container is reduced, and the weight can be reduced as compared with the conventional outer shell pressure container. Pressure vessels are an ideal application for structural hydrostatic tensile loads, as the fluid (liquid and / or gas) pressure to be counteracted is hydrostatic by definition.

【0010】 そのような構造は、加圧された流体を含むための腔部もしくは隙間を有する内
部マトリックスの形状を取ることになろう。マトリックスは、圧力によって誘起
された負荷の大部分を担う。若干の応力を受けた薄く固い外側カバーが、流体を
維持すべくマトリックスに接続される。一つの軸において(最も悪い場合)もし
くは三つの軸全てにおいて(最も良い場合)負荷を担うマトリックス材料の各部
分の能力は、そのマトリックスの三次元的詳細(すなわち組織)によって異なる
[0010] Such a structure would take the form of an internal matrix having cavities or interstices for containing a pressurized fluid. The matrix is responsible for most of the pressure induced load. A lightly stressed thin, rigid outer cover is connected to the matrix to maintain fluid. The ability of each portion of the matrix material to carry a load in one axis (worst case) or in all three axes (best case) depends on the three-dimensional details (ie, texture) of the matrix.

【0011】 最も良い場合のマトリックスであるために要求される性質を具体化するマトリ
ックス構造の一例は、一連の略球状の空隙(空隙は、それらの接触点で互いに連
絡されている)を有する材料体である。これらの接触点は開口を形成し、隣接す
る空隙間の開口のサイズは、一般に空隙の表面積の10%、好ましくは5%、よ
り好ましくは2%を超えず、1%以下が有利である。そのようなマトリックス構
造により、実質的な量の材料が静水力学的(三軸的すなわち三次元的)緊張状態
におかれる。複数の空隙は略球状であり、同様のサイズであることが望ましい。
空隙は、マトリックス全体を通して略均一に分布し、面心立方配向であることが
望ましい。図6は、各空隙を各接触点で隣接する空隙に接続する非常に小さな通
路18を備えて均一に分布した球状の空隙を有する、所望の内部組織を示す図示
例である。図7は、より望ましい面心立方配向を示す。連続性が、三つの次元全
てにおいて維持されている。この静水力学的に最適化された組織の構造は、圧力
容器内で内部マトリックスとして用いられた場合にマトリックス材料の多くの部
分を静水力学的引っ張り負荷の下に置くので、実質的に理想的な構造的効率性を
実証する。
One example of a matrix structure embodying the properties required to be the best case matrix is a material having a series of generally spherical voids (voids interconnected at their points of contact). Body. These contact points form an opening, and the size of the opening of the adjacent voids generally does not exceed 10%, preferably 5%, more preferably 2%, of the surface area of the voids, advantageously less than 1%. Such a matrix structure places a substantial amount of material in hydrostatic (triaxial or three-dimensional) tension. The plurality of voids are substantially spherical, and desirably have the same size.
Preferably, the voids are substantially uniformly distributed throughout the matrix and have a face-centered cubic orientation. FIG. 6 is an illustrative example showing a desired internal tissue having a uniformly distributed spherical void with very small passages 18 connecting each void to an adjacent void at each contact point. FIG. 7 shows a more desirable face-centered cubic orientation. Continuity is maintained in all three dimensions. This hydrostatically optimized tissue structure places a substantial portion of the matrix material under hydrostatic tensile loading when used as an internal matrix in a pressure vessel, making it virtually ideal. Demonstrate structural efficiency.

【0012】 図8は、従来のフォームの写真である。サポートは、不規則な構造および気孔
壁の欠如のため、ほぼ完全に単純な軸部材である。そのような構造の組織は、圧
力容器内の内部マトリックスとして用いられる場合、マトリックス材料の静水力
学的引っ張り負荷を効率的に支持しない。
FIG. 8 is a photograph of a conventional foam. The support is an almost completely simple shaft member due to the irregular structure and lack of stoma walls. The tissue of such a structure does not efficiently support the hydrostatic tensile load of the matrix material when used as an internal matrix in a pressure vessel.

【0013】 相対密度は、マトリックスの全体積における母材の体積の割合である。最も良
い場合のマトリックス組織の状態において、マトリックスの強さは、相対密度と
共に一次的に変化する。従って、要求される密度は、母材(設計ファクターを含
む)の静水力学的引っ張り強さに対する、要求される静水力学的引っ張り強さ(
最大貯蔵圧力)の比である。面心立方配向は、均一な球状の空隙組織に関して得
ることが可能な最大の気体能力である、約67%をもたらす。これは、相対密度
約33%に等しい。従って、材料は、好ましくは約30%から約35%、あるい
は約2%から約30%、あるいは約35%から約50%(母材およびパッキング
方法に応じて変わってくる)の相対密度を有する。
[0013] Relative density is the ratio of the volume of the matrix to the total volume of the matrix. In the best case of matrix texture, the strength of the matrix varies linearly with relative density. Therefore, the required density is the required hydrostatic tensile strength (with respect to the hydrostatic tensile strength of the base material (including the design factor)) (
(Maximum storage pressure). The face-centered cubic orientation results in about 67%, the maximum gas capacity that can be obtained for a uniform spherical void structure. This equates to a relative density of about 33%. Thus, the material preferably has a relative density of about 30% to about 35%, or about 2% to about 30%, or about 35% to about 50% (depending on the base material and packing method). .

【0014】 さて、図1および図2を参照すると、従来のシェルタイプの球状圧力容器10
を製造するのに必要な母材の体積が、マトリックスタイプの球状圧力容器12を
製造するのに必要な体積と比較されている。これらは、壁の薄い球体に関する概
算である。 最大応力: σ1 = σ2 = pr/2t シェル厚さ: t = pr/2σ 表面積: S = 4πr2 材料体積: Vsmtl= St = 4πr2 × pr/2σ Vsmtl= 2 × πpr3/σ (方程式60) ここで、 σ=最大応力、母材 p=最大貯蔵圧力 r=圧力容器半径 t=シェル厚さ S=表面積 Vsmtl=シェル材料の体積
Referring to FIGS. 1 and 2, a conventional shell-type spherical pressure vessel 10 will be described.
The volume of the base material required to manufacture the
Compared to the volume required to manufacture. These are approximate for thin-walled spheres.
It is a calculation. Maximum stress: σ1 = ΣTwo = Pr / 2t Shell thickness: t = pr / 2σ Surface area: S = 4πrTwo  Material volume: Vsmtl= St = 4πrTwo × pr / 2σ Vsmtl= 2 × πprThree/ Σ (equation 60) where σ = maximum stress, base material p = maximum storage pressure r = pressure vessel radius t = shell thickness S = surface area Vsmtl= Volume of shell material

【0015】 マトリックスタイプの球状圧力容器12に関し、外側のカバーは重要な負荷支
持構造でないため考慮しない。マトリックスを形成するのに必要な材料の体積は
、球体積とマトリックス密度との積である。
For the matrix type spherical pressure vessel 12, the outer cover is not considered because it is not an important load-bearing structure. The volume of material required to form the matrix is the product of the sphere volume and the matrix density.

【0016】 球の体積: Vsph= 4/3 × πr3 従って: Vmmtl= 4/3 × πr3 × p/σ = 1.33 × πpr3/σ (方程式62) ここで、 Vsph=球の体積 Vmmtl=マトリックス材料の体積The volume of the sphere: Vsph= 4/3 x πrThree  Therefore: Vmmtl= 4/3 x πrThree × p / σ = 1.33 × πprThree/ Σ (Equation 62) where Vsph= Sphere volume Vmmtl= Volume of matrix material

【0017】 方程式60および62を比較すると、材料効率上の利点が明らかになる。最適
なマトリックス構造は、理論的には球状シェルに関して33%の向上をもたらす
。実際の使用例は、20%以上の向上が達成されることを示している。
A comparison of equations 60 and 62 reveals material efficiency advantages. An optimal matrix structure theoretically results in a 33% improvement for a spherical shell. Practical use cases show that an improvement of 20% or more is achieved.

【0018】 さて、図3および図4を参照すると、従来のシェルタイプの円筒状圧力容器1
4を製造するのに必要な母材の体積が、マトリックスタイプの円筒状圧力容器1
6を製造するのに必要な体積と比較されている。これらは壁の薄い円筒体に関す
る概算であり、端部の閉塞は考えていない。フープ応力σ1は、全ての外側シェ
ル円筒体において長手方向応力σ2の二倍である。
Referring now to FIGS. 3 and 4, a conventional shell-type cylindrical pressure vessel 1 will be described.
The volume of the base material necessary for producing the cylindrical pressure vessel 4 is a matrix type cylindrical pressure vessel 1
6 compared to the volume required to make 6. These are estimates for thin walled cylinders and do not consider end plugging. The hoop stress σ 1 is twice the longitudinal stress σ 2 in all outer shell cylinders.

【0019】 最大応力: σmax= σ1 = pr/t シェル厚さ: t = pr/σ 表面積: S = 2πrl 材料体積: Vsmtl= St = 2πrl × pr/σ Vsmtl= 2 × πpr2l/σ (方程式66) ここで、 l=円筒体の長さThe maximum stress: σ max = σ 1 = pr / t shell thickness: t = pr / σ surface area: S = 2πrl material volume: V smtl = St = 2πrl × pr / σ V smtl = 2 × πpr 2 l / Σ (Equation 66) where l = length of cylinder

【0020】 マトリックスタイプの円筒状圧力容器16に関し、外側のカバーは重要な負荷
支持構造でないため考慮しない。マトリックスを形成するのに必要な材料の体積
は、円筒体の体積とマトリックス密度との積である。
Regarding the matrix type cylindrical pressure vessel 16, the outer cover is not considered because it is not an important load-bearing structure. The volume of material required to form the matrix is the product of the volume of the cylinder and the matrix density.

【0021】 円筒体の体積: Vcyl= πr2l 従って: Vmmtl= πr2l × p/σ = πpr2l/σ (方程式68)
ここで、 Vcyl=円筒体の体積
The cylinder volume: V cyl = πr 2 l Therefore: V mmtl = πr 2 l × p / σ = πpr 2 l / σ ( equation 68)
Where V cyl = volume of cylinder

【0022】 方程式66および68を比較すると、材料効率上の利点が明らかになる。最適
なマトリックス構造は、理論的には円筒状シェルに関して50%の向上をもたら
す。実際の使用例は、40%以上の向上が達成されることを示している。
A comparison of equations 66 and 68 reveals a material efficiency advantage. An optimal matrix structure theoretically results in a 50% improvement for a cylindrical shell. Practical use cases show that an improvement of 40% or more is achieved.

【0023】 比較的薄く且つ軽い外側カバーは、マトリックスに接続されても、あるいはマ
トリックスと一体的にワンピースとして形成されてもよい。分析目的のために、
薄い外側カバーを、数多くの小さな、相互に連絡した実質的に円形のプレートと
して構成してよい。半径が大きく異なる複数の円形が存在することになる。これ
らの円形の最大半径サイズは、マトリックスの隙間のサイズによって決定される
。図5は、内接円の半径=aおよび側面の数=nを有する多角形を示す。外側カ
バーの必要な厚さは、流体圧力、許容できる材料応力および多角形の半径サイズ
の関数である。多角形状プレートにおける最大応力は、応力および応力変形に関
するロアークの公式に従い、各プレートの外縁にかかる。以下のデータは、ロア
ークの公式(Roark's Formulas)における表26のNo.20から取られてい
る。
[0023] The relatively thin and light outer cover may be connected to the matrix or formed as one piece with the matrix. For analytical purposes,
The thin outer cover may be configured as a number of small, interconnected, substantially circular plates. There will be multiple circles with significantly different radii. The maximum radius size of these circles is determined by the size of the matrix gap. FIG. 5 shows a polygon with the radius of the inscribed circle = a and the number of sides = n. The required thickness of the outer cover is a function of the fluid pressure, the allowable material stress, and the radius size of the polygon. The maximum stress in the polygonal plates is applied to the outer edge of each plate according to Roark's formula for stress and stress deformation. The following data is from No. 2 in Table 26 in Roark's Formula. Taken from 20.

【0024】[0024]

【表1】 [Table 1]

【0025】 最大応力: σmax= −β2qa2/t2 厚さ: t2 = |−β2qa2/σmax| t = √|−β2qa2/σmax| (方程式72) ここで、 σmax=最大許容応力 β2=表からのファクター a=多角形の半径 q=流体圧力 t=膜厚Maximum stress: σmax= -ΒTwoqaTwo/ TTwo  Thickness: tTwo = | -ΒTwoqaTwo/ Σmax| t = √ | -βTwoqaTwo/ Σmax| (Equation 72) where σmax= Maximum allowable stress βTwo= Factor from table a = Radius of polygon q = Fluid pressure t = Film thickness

【0026】 一つの実施形態により、マトリックスタイプ圧力容器の効率が例証される。側
面の数=∞および半径=マトリックス空隙半径を有する円形状の多角形は、β2
値=0.75を有し、最も悪い場合の条件として用いられる。降伏応力が40キ
ロポンド/平方インチ(psi)の6061T6アルミニウムで作られると共に空
隙サイズが半径0.0625インチの静水力学的に最適化されたマトリックスを
仮定した場合、方程式72から得られる厚さが、q=450ポンド/平方インチ
、6キロポンド/平方インチおよび15キロポンド/平方インチについて下記に
おいて表にされている。
According to one embodiment, the efficiency of a matrix type pressure vessel is illustrated. A circular polygon with the number of sides = ∞ and radius = matrix void radius is β 2
Value = 0.75, used as worst case condition. Assuming a hydrostatically optimized matrix made of 6061T6 aluminum with a yield stress of 40 kilopounds per square inch (psi) and a void size of 0.0625 inch radius, the thickness obtained from equation 72 is Tables below are for q = 450 pounds / square inch, 6 kilopounds / square inch and 15 kilopounds / square inch.

【0027】[0027]

【表2】 [Table 2]

【0028】 外側カバー、フィルノズル(fill nozzle)などの固体面を有する構成要素は
、マトリックスと一体的に形成されても、後で接続されてもよい。
Components having a solid surface, such as an outer cover, a fill nozzle, etc., may be formed integrally with the matrix or connected later.

【0029】 (発明の開示) 本発明によれば、高い内圧に耐えることが可能な圧縮された流体用の静水圧保
持装置が提供される。この圧力保持装置は、圧縮された流体の圧力によって誘起
された負荷を担うマトリックスを含む。マトリックス構造は、接触点で互いに連
絡している一連の略球状の空隙を有する材料体を含む。これらの接触点は開口を
形成し、隣接する空隙間の開口のサイズは、一般に空隙の表面積の10%、好ま
しくは5%、より好ましくは2%を超えず、1%以下が有利である。そのような
マトリックス構造は、ほとんど閉じられた連続空隙組織を備えることにより、実
質的な量の材料が静水力学的(三軸的すなわち三次元的)緊張状態におかれるマ
トリックス構造として説明することができる。複数の空隙は略球状であり、同様
のサイズであることが望ましい。空隙は、マトリックス全体を通して略均一に分
布し、面心立方配向であることが望ましい。
DISCLOSURE OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided a hydrostatic pressure holding device for a compressed fluid capable of withstanding a high internal pressure. The pressure holding device includes a matrix that carries the load induced by the pressure of the compressed fluid. The matrix structure comprises a body of material having a series of generally spherical voids communicating with each other at points of contact. These contact points form an opening, and the size of the opening of the adjacent voids generally does not exceed 10%, preferably 5%, more preferably 2%, of the surface area of the voids, advantageously less than 1%. Such a matrix structure can be described as a matrix structure in which a substantial amount of material is placed in hydrostatic (triaxial or three-dimensional) tension by providing a substantially closed continuous void structure. it can. The plurality of voids are substantially spherical, and desirably have the same size. Preferably, the voids are substantially uniformly distributed throughout the matrix and have a face-centered cubic orientation.

【0030】 マトリックスは金属、たとえばアルミニウム、鉄鋼、ステンレススチールなど
が望ましい。
The matrix is desirably a metal, for example, aluminum, steel, stainless steel, or the like.

【0031】 外側カバーがマトリックスを囲み、マトリックス内部に圧縮された流体を保持
する。外側カバーは、マトリックスの外側境界面もしくは外側境界域に接続され
た内面を有する。保持されている流体は外側カバーに浸透できない。外側カバー
は、マトリックスの外側境界面の上に実質的に接触しながら支持されている。
An outer cover surrounds the matrix and holds the compressed fluid inside the matrix. The outer cover has an inner surface connected to an outer boundary or outer boundary area of the matrix. Retained fluid cannot penetrate the outer cover. The outer cover is supported in substantial contact over the outer boundary surface of the matrix.

【0032】 流体をマトリックスに入れ、また流体をマトリックスから排出する移送手段が
設けられる。
[0032] Transport means are provided for admitting fluid into and out of the matrix.

【0033】 ほとんど閉じられた空隙構造を備えた静水圧保持装置は、標準的な金属(もし
くは他の)フォーム製造技術によっては一般に達成されない。このタイプの装置
は、小さく均一な球状のボールを使用するインベストメント鋳造法技術を用いる
ことによって構成され得る。たとえば、形成予定の内部マトリックスに類似のも
しくはこれと共用できる金属製の成形された外側スキンを準備し、カルバミドな
どの揮発性の物質のビーズを粉状にした金属でコーティングすることによって内
部マトリックスを形成し、容器にこれらのビーズを加え、粉状にした金属の層で
仕上げると共にマニホールドもしくはチューブでシステムにアクセス可能にする
ことによって、ガス収容構造を製造することができる。その後、このユニットを
約200℃で加熱すると、金属のスラリが互いにくっつき合うと共に、カルバミ
ドのビーズが揮発してマニホールドを介して逃げる。そしてこの「半製品」容器
を続いてさらに高温の炉で焼結して、最終構造をもたらすことができる。内部的
には、上記の製造方法のため、気孔は全て球状であり且つ隣接した気孔との接触
点での相互の連絡は小さく、よって、各気孔間の小さな相互連絡があるだけの多
孔性組織が製造されるので、マトリックス全体の強度が最大化される。
A hydrostatic device with a nearly closed void structure is generally not achieved by standard metal (or other) foam manufacturing techniques. This type of device can be constructed by using investment casting techniques that use small, uniform, spherical balls. For example, a metal shaped outer skin similar to or compatible with the inner matrix to be formed is provided, and the inner matrix is coated by coating beads of a volatile substance such as carbamide with a powdered metal. By forming and adding these beads to a container, finishing with a layer of powdered metal and making the system accessible by a manifold or tube, a gas containing structure can be manufactured. Thereafter, when the unit is heated at about 200 ° C., the metal slurries stick together and the carbamide beads volatilize and escape through the manifold. This "semi-finished" container can then be sintered in a higher temperature furnace to provide the final structure. Internally, due to the manufacturing method described above, the pores are all spherical and the interconnects at the points of contact with adjacent pores are small, and thus a porous structure with only small interconnects between each pore Is produced, so that the overall strength of the matrix is maximized.

【0034】 キャニスターに有機材の球体を加えることは、構造における不規則性を最小限
にすべく「スノーストーム」パッキング法によって最も良く達成されるが、単純
な単一のサイズの気孔構造は、自由空間として体積の67%を空にするだけであ
る。この体積部分は、他の球体との間の空間に効率良くフィットするさらに小さ
なサイズの球体を用いることによって増加させることができる。
While adding organic spheres to the canister is best achieved by a “snowstorm” packing method to minimize irregularities in the structure, simple single-sized pore structures are It only empties 67% of the volume as free space. This volume can be increased by using smaller sized spheres that efficiently fit the space between other spheres.

【0035】 実験的作業により、これは、直径比が7:1と10:1の間で且つ小さな球体
の割合が18から20%のときに最適となることが実証されている。再び「スノ
ーストーム」パッキング技術を用いることにより、また要求されたサイズ範囲お
よび球体の割合を用いることにより、構造を非常に均一にすることができる。
Experimental work has demonstrated that this is optimal when the diameter ratio is between 7: 1 and 10: 1 and the proportion of small spheres is between 18 and 20%. Again, by using the "Snowstorm" packing technique, and by using the required size range and sphere percentage, the structure can be made very uniform.

【0036】 別の実施形態において、あらゆる縮み問題を回避させる粉状の金属スキンを使
用してもよい。
In another embodiment, a powdered metal skin that avoids any shrinkage problems may be used.

【0037】 面心立方組織で配向された球状の空隙間の空間は、半径比がdsmall=dlarge (√2−1)(dsmallは小さい方の空隙の直径、dlargeは大きい方の空隙の直
径)のさらに小さい空隙も収容してよい。この種のステップを、さらに小さな球
状の空隙で繰り返してもよい(さらに低い密度構成となる)。別の製造方法は、
フラウンホーファー・ゲゼルシャフト(Fraunhofer-Gesellschaft)によって
出願された米国特許題5,151,246(ここでの言及により同特許の内容が本
明細書に包含されたものとする)に記載されているような金属フォーム形成方法
を含むが、これに限定されない。本発明に必要な構造を達成すべく、そのような
方法を急速プロトタイプ(rapid prototype)技術などに変形してよい。
The space of the spherical voids oriented in the face-centered cubic structure has a radius ratio of d small = d large (√2-1) (d small is the diameter of the smaller void, and d large is the larger of the larger void. Even smaller gaps (diameter of gap) may be accommodated. Such steps may be repeated with smaller spherical voids (resulting in a lower density configuration). Another manufacturing method is
No. 5,151,246, filed by Fraunhofer-Gesellschaft, which is hereby incorporated by reference. Including but not limited to metal foam forming methods. Such a method may be modified to a rapid prototype technique or the like to achieve the structure required for the present invention.

【0038】 本発明は、添付の図面に示されたその好適実施形態に関する以下の詳細な説明
において一層完全に理解され、また、さらなる特徴および利点も明らかであろう
The invention will be more completely understood and further features and advantages will be apparent in the following detailed description of preferred embodiments thereof, as illustrated in the accompanying drawings.

【0039】 (発明を実施するための最良の形態) さて、図6,7,9および10を参照すると、圧縮された流体を貯蔵するため
の静水圧保持装置が20で示されている。同じ材料で製作された同等の従来の圧
力容器よりも軽量なこの装置は、圧縮された流体(図示されず)の圧力によって
誘起された負荷を担う三次元のマトリックス22を含む。マトリックスは、様々
な材料および構造構成で製作できる。ポリマー、金属およびその複合物を利用し
、静水力学的に最適化された組織のマトリックスを形成することができる。図7
は、球状の空隙の面心立方配向を有する静水力学的に最適化された組織の図示例
であり、本発明を具体化する上で好適な構造である。個々の気孔は実質的に球状
であり、マトリックス構造全体を通してほぼ均一に分布している。(これはほと
んど閉じられた気孔構造を示す)各気孔26は、圧縮された流体を収容する空間
すなわち隙間30をほとんど完全に内包する連続した壁28を有する。隙間30
は、細胞壁28の比較的小さい開口部すなわち孔32を介して互いに連通する。
孔32により、マトリックス22全体を通して流体のほぼ均一な分布が保証され
る。マトリックス22の外部寸法の限界が、外側境界面34を画定する。
Referring now to FIGS. 6, 7, 9 and 10, a hydrostatic pressure holding device for storing compressed fluid is shown at 20. This device, which is lighter than an equivalent conventional pressure vessel made of the same material, includes a three-dimensional matrix 22 that carries the pressure induced load of a compressed fluid (not shown). The matrix can be made of various materials and structural configurations. Polymers, metals and composites thereof can be utilized to form a hydrostatically optimized tissue matrix. FIG.
Is an illustrative example of a hydrostatically optimized tissue having a face-centered cubic orientation of spherical voids, which is a preferred structure for embodying the present invention. The individual pores are substantially spherical and are distributed almost uniformly throughout the matrix structure. Each pore 26 (which shows a nearly closed pore structure) has a continuous wall 28 that almost completely contains a space or gap 30 containing the compressed fluid. Gap 30
Communicate with one another via relatively small openings or holes 32 in the cell wall 28.
The holes 32 ensure a substantially uniform distribution of the fluid throughout the matrix 22. The limits of the outer dimensions of the matrix 22 define the outer interface 34.

【0040】 静水力学的に最適化された組織24の三次元的性質により、圧力により誘起さ
れた負荷を担うとき、マトリックス22の実質的に全ての部分が実質的に静水力
学的緊張状態にある。マトリックス22は、好ましくは約30%から約35%、
あるいは約2%から約30%、あるいは約35%から約50%(母材およびパッ
キング方法に応じて変わってくる)の相対密度を有する。しかし、従来の圧力容
器よりも軽量であるという新規な特徴は、相対密度とは無関係である。より軽量
であるという特徴は、完全にマトリックス組織の構造的効率性に依るものである
Due to the three-dimensional nature of the hydrostatically optimized tissue 24, substantially all portions of the matrix 22 are substantially in hydrostatic tension when carrying pressure-induced loads. . The matrix 22 is preferably about 30% to about 35%,
Alternatively, it has a relative density of about 2% to about 30%, or about 35% to about 50% (depending on the base material and packing method). However, the novel feature of being lighter than conventional pressure vessels is independent of relative density. The lighter weight feature is entirely due to the structural efficiency of the matrix organization.

【0041】 外側カバー36がマトリックス22を囲み、マトリックス22内部に圧縮され
た流体を保持する。流体は外側カバーに浸透できない。外側カバー36は、外面
38および反対側の内面40を有する。外側カバー内面40は、マトリックスの
外側境界面34に接続される。外側カバー36は、マトリックスの外側境界面3
4の上に実質的に接触しながら支持されている。外側境界面34、従って外側カ
バー36は、想像し得る任意の形状を取れると考えてよい。これは、応力の大部
分がマトリックスによって担われ外側カバー36によっては非常にわずかしか担
われないからであり、よって、フープ応力はもはや制限ファクターでない。従っ
て、外側境界面34構成を対称にしても、対称の程度が減少された形状(非対称
形状)にしてもよい。
An outer cover 36 surrounds the matrix 22 and holds the compressed fluid inside the matrix 22. Fluid cannot penetrate the outer cover. Outer cover 36 has an outer surface 38 and an opposite inner surface 40. The outer cover inner surface 40 is connected to the outer boundary surface 34 of the matrix. The outer cover 36 is connected to the outer boundary 3 of the matrix.
4 and supported substantially in contact therewith. The outer boundary surface 34, and thus the outer cover 36, may be considered to take any imaginable shape. This is because the majority of the stress is carried by the matrix and very little by the outer cover 36, so hoop stress is no longer the limiting factor. Therefore, the configuration of the outer boundary surface 34 may be symmetric or a shape with a reduced degree of symmetry (asymmetric shape).

【0042】 静水圧保持装置20のマトリックス22および外側カバー36は、同一の合計
体積(外側カバー36の外面38に関して測定されたもの)を有し、同一の母材
で作られ、同一の設計ファクターで同一の流体圧力に耐えるように設計されてい
る同等の従来のシェルタイプ圧力容器の合計構造重量よりも顕著に軽い合計構造
重量を有する。
The matrix 22 and the outer cover 36 of the hydrostatic pressure holding device 20 have the same total volume (measured with respect to the outer surface 38 of the outer cover 36), are made of the same base material, and have the same design factor. Have a total structural weight significantly less than that of an equivalent conventional shell-type pressure vessel designed to withstand the same fluid pressure.

【0043】 流体をマトリックス22に入れ、また流体をマトリックス22から排出するた
めの移送手段が設けられる。詳述すると、移送手段は、外側カバー36に接続さ
れた少なくとも一つのノズル42を含む。ノズル42は内面44およびオリフィ
ス46を有し、オリフィス46を介してマトリックスの隙間30に連通している
。所望であれば、ノズルオリフィス46およびマトリックスの隙間30に連通す
る動脈路48のネットワークを設けてよい。図9は、動脈路システム48の断面
図を示す。動脈路48はチューブ50を含み、チューブ50はノズルオリフィス
46からマトリックスの隙間30へ進むにつれ、一層小さくなりまた数も増える
。チューブ50は、図10に示されるように、流体を運ぶための複数の穴52を
含む。動脈路48はシステム全体にわたり流体の流速を上げるので、流体を入れ
る際は流体がより迅速にマトリックス22に行き渡り、流体を排出する際は流体
がより迅速にマトリックス22から集められる。動脈路48およびマトリックス
22は、一つの一体的な構造として製作されても別々に製作されてもよい。動脈
路48は、マトリックス22と同じ材料で作られても、マトリックス22構造と
共用でき且つこれに接続可能な異なる材料で作られてもよい。
Transfer means are provided for entering fluid into and out of the matrix 22. Specifically, the transfer means includes at least one nozzle 42 connected to the outer cover 36. The nozzle 42 has an inner surface 44 and an orifice 46 and communicates with the matrix gap 30 through the orifice 46. If desired, a network of arterial tracts 48 may be provided that communicate with the nozzle orifices 46 and the matrix gap 30. FIG. 9 shows a cross-sectional view of the arterial tract system 48. The arterial tract 48 includes a tube 50 that becomes smaller and more numerous as it progresses from the nozzle orifice 46 into the matrix gap 30. Tube 50 includes a plurality of holes 52 for carrying fluid, as shown in FIG. The arterial tract 48 increases the flow rate of the fluid throughout the system so that fluid enters the matrix 22 more quickly as fluid enters, and fluid is collected from the matrix 22 more quickly as fluid exits. Arterial tract 48 and matrix 22 may be fabricated as one integral structure or separately. The arterial tract 48 may be made of the same material as the matrix 22 or of a different material that can be shared with and connect to the matrix 22 structure.

【0044】 固体の外側カバー36が、マトリックスと一体的に形成された部分として存在
しない場合、図11に示される新規な接続システムが、固体の外側カバー36も
しくは固体面構成要素54をマトリックス22の外側境界表面34に一体的に取
り付けるために用いられる。外側カバー36もしくは構成要素54は、構成要素
の内面もしくは構成要素54全体が液相の状態にあるうちに、固相のマトリック
ス22に作り付けられる。構成要素の内面は、マトリックス22内に所定の距離
56が浸透する、あるいは広がることが許される。その後、構成要素が固化し、
構成要素をマトリックス22に固着する。この結果、一体的な強い結合構造がも
たらされる。この安上がりの接続は、不規則な外側境界構成についても用いるこ
とができる。適用方法は、ポッティング、ディッピング、スプレー、ブラッシン
グ、真空ディッピングその他を含むがこれに限定されない。衝撃、貫通その他か
らの機械的保護がもたらされるように、外側カバーを十分厚くしてもよい。また
、ラベルを導入し、種類確認、安全に関する指示その他についての情報を提供し
てもよい。カバーが装飾的特徴を有してもよく、また、システムによっては生物
学的適合性を有する材料を用いてよい。
If the solid outer cover 36 is not present as an integral part of the matrix, the novel connection system shown in FIG. Used to attach integrally to outer boundary surface 34. The outer cover 36 or component 54 is built into the solid phase matrix 22 while the inner surface of the component or the entire component 54 is in a liquid phase. The inner surface of the component is allowed to penetrate or extend a predetermined distance 56 into the matrix 22. Then the components solidify,
The components are fixed to the matrix 22. This results in an integral strong coupling structure. This cheap connection can also be used for irregular outer boundary configurations. Methods of application include, but are not limited to, potting, dipping, spraying, brushing, vacuum dipping, and the like. The outer cover may be thick enough to provide mechanical protection from impact, penetration and the like. A label may be introduced to provide information on type confirmation, safety instructions, and the like. The cover may have decorative features and some systems may use biocompatible materials.

【0045】 静水圧保持方法が、圧縮された流体の貯蔵に関して説明される。この方法は、
マトリックス構造22を外側境界面34へ三つの次元で広げるステップ、流体が
浸透しない外側カバー36でマトリックス22を囲むステップ、外側カバー36
の内面40をマトリックス22の外側境界面34に接続するステップ、外側カバ
ー36をマトリックスの外側境界面34の上に実質的に接触しながら支持するス
テップ、加圧下の流体をマトリックス22内に入れるステップ、圧縮された流体
をマトリックス22内部の隙間30に保持するステップ、外側カバー36を備え
たマトリックス22内部に圧縮された流体を保持するステップ、圧縮された流体
の圧力によってマトリックス22材料内に実質的に静水力学的負荷を誘起するス
テップ、マトリックス22材料の実質的に全ての部分において負荷を実質的に静
水力学的張力下で担うステップ、およびマトリックス22から流体を排出するス
テップを含む。
The hydrostatic hold method is described with respect to the storage of compressed fluid. This method
Spreading the matrix structure 22 to the outer boundary surface 34 in three dimensions, surrounding the matrix 22 with a fluid impervious outer cover 36, outer cover 36
Connecting the inner surface 40 to the outer boundary surface 34 of the matrix 22, supporting the outer cover 36 in substantial contact with the outer boundary surface 34 of the matrix, and placing the fluid under pressure into the matrix 22. Retaining the compressed fluid in the gap 30 within the matrix 22, retaining the compressed fluid within the matrix 22 with the outer cover 36, substantially compressing the compressed fluid into the matrix 22 material by the pressure of the compressed fluid. Inducing a hydrostatic load on substantially all portions of the matrix 22 material under substantially hydrostatic tension, and evacuating fluid from the matrix 22.

【0046】 また、ノズル42を外側カバー36に接続するステップ、およびオリフィス4
6をノズル42を介してマトリックスの隙間30と連通させるステップをさらに
含む。
Connecting the nozzle 42 to the outer cover 36;
6 further comprising the step of communicating 6 with the gap 30 of the matrix via the nozzle 42.

【0047】 また、動脈路48のネットワークをノズルオリフィス46およびマトリックス
の隙間30と連通させるステップ、流体を入れる際に流体を動脈路48を介して
マトリックス22に行き渡らせるステップ、および流体を排出する際に流体をマ
トリックス22から動脈路48を介して集めるステップをさらに含む。
In addition, the steps of communicating the network of arterial tracts 48 with the nozzle orifices 46 and the gaps 30 in the matrix, distributing the fluid to the matrix 22 through the arterial tracts 48 when entering the fluid, and Further collecting fluid from the matrix 22 via the arterial tract 48.

【0048】 また、構成要素の内面を、該内面の材料が液相の状態にあるうちにマトリック
ス22の外側境界面34に並置するステップ、マトリックスの隙間30に内面材
料を所定の深さまで浸透させるステップ、内面材料を固相に変え、これにより構
成要素をマトリックス22に固着するステップをさらに含む。
In addition, the step of juxtaposing the inner surface of the component with the outer boundary surface 34 of the matrix 22 while the material of the inner surface is in the liquid phase, infiltrating the inner surface material into the gap 30 of the matrix to a predetermined depth. The step further includes the step of changing the inner surface material to a solid phase, thereby securing the components to the matrix 22.

【0049】 別に、不規則な構成において外側境界面を形成するステップを含む。Separately, forming an outer boundary surface in an irregular configuration.

【0050】 さらに別に、マトリックス22を形成するステップ、およびインベストメント
鋳造工程を用いることによってマトリックスを形成するステップを含む。
Still further, forming a matrix 22 and forming the matrix by using an investment casting process.

【0051】 さらに別に、マトリックス22を形成するステップ、隣接する空隙間に小さな
孔を開けるように変形されたフラウンホーファーのタイプの金属フォームからマ
トリックスを形成するステップを含む。
Still further, forming the matrix 22 includes forming the matrix from a Fraunhofer type metal foam that has been modified to drill small holes in adjacent voids.

【0052】 さらに別に、マトリックス22を形成するステップ、急速プロトタイプ工程を
用いることによってマトリックスを形成するステップを含む。
Still further, forming a matrix 22 includes forming the matrix by using a rapid prototype process.

【0053】 上述の記載から理解されるように、本発明は加圧された流体を保持するシステ
ムを提供する必要を満たし、このシステムが、比較的厚い壁における平面負荷を
誘起せず、より少ない材料でもっと効率的な静水力学的負荷を利用することによ
り顕著に重量を減らし、同システムが球体、円筒体、楕円体あるいは円環面体の
形状に限定されず、対称の程度が減少した構成を取れるので、与えられた任意の
エンベロープ体の内部にフィットし、同システムが、壁の構造的破損が起きても
爆発せず、また、同システムが、任意の面構成のマトリックスに固体面構成要素
を確実に接続する方法を含む。
As will be appreciated from the above description, the present invention satisfies the need to provide a system for holding pressurized fluid, which system does not induce planar loading on relatively thick walls and has less The use of more efficient hydrostatic loads in the material significantly reduces weight, and the system is not limited to spheres, cylinders, ellipsoids or toroids, but has a reduced degree of symmetry. So that it fits inside any given envelope body, the system does not explode in the event of structural structural failure of the wall, and the system is a solid surface component in a matrix of any surface configuration Including a method to securely connect.

【0054】 本発明は好適実施形態において説明されまた示されたが、当業者であれば、本
発明と機能的に同等であると見なされる変更を加えることになろう。たとえば、
上述の且つ図9に示された静水圧保持装置は、直方体である。対称、非対称を問
わず任意の形状もしくは構成を利用できることを理解されたい。従って、上述の
本発明の実施形態の詳細な説明は、例として提供されたにすぎないことを理解さ
れたい。設計および製造に関する様々な詳細を、添付の請求の範囲に記載された
本発明の精神および範囲から逸脱することなく修正してよい。
Although the invention has been described and illustrated in a preferred embodiment, those skilled in the art will make modifications that are deemed functionally equivalent to the invention. For example,
The hydrostatic pressure holding device described above and shown in FIG. 9 is a rectangular parallelepiped. It should be understood that any shape or configuration may be utilized, whether symmetric or asymmetric. Therefore, it is to be understood that the above detailed description of the embodiments of the present invention has been provided by way of example only. Various details regarding design and manufacture may be modified without departing from the spirit and scope of the invention, which is set forth in the following claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 球状シェルタイプの圧力容器の正面図であり、シェルにかけられ
た平面応力を示す図である。
FIG. 1 is a front view of a spherical shell type pressure vessel, showing a plane stress applied to a shell.

【図2】 マトリックスタイプの球状の圧力容器の正面図であり、外側カバ
ーのないマトリックスを示す図である。
FIG. 2 is a front view of a matrix-type spherical pressure vessel, showing a matrix without an outer cover.

【図3】 端部が閉じられていない円筒状シェルタイプの圧力容器の正面図
であり、シェルにかけられた平面応力を示す図である。
FIG. 3 is a front view of a cylindrical shell-type pressure vessel whose end is not closed, showing a plane stress applied to the shell.

【図4】 マトリックスタイプの円筒状の圧力容器の正面図であり、外側カ
バーのないマトリックスを示す図である。
FIG. 4 is a front view of a matrix type cylindrical pressure vessel, showing a matrix without an outer cover.

【図5】 半径=aおよび側面の数=nの内接円を有する多角形である。FIG. 5 is a polygon having an inscribed circle with radius = a and number of sides = n.

【図6】 静水力学的に最適化された組織の図示例であり、各空隙を各接触
点で隣接する空隙に接続する非常に小さな通路を備えて均一に分布した球状の空
隙を示す図である。
FIG. 6 is a diagrammatic illustration of a hydrostatically optimized tissue showing a uniformly distributed spherical void with very small passages connecting each void to an adjacent void at each contact point. is there.

【図7】 静水力学的に最適化された組織の図示例であり、球状の空隙の望
ましい面心立方配向を示す図である。
FIG. 7 is an illustrative example of a hydrostatically optimized tissue, illustrating a desired face-centered cubic orientation of a spherical void.

【図8】 従来のフォームの写真である。FIG. 8 is a photograph of a conventional foam.

【図9】 本発明に基づく静水圧保持装置の部分断面等角図である。FIG. 9 is a partial sectional isometric view of a hydrostatic pressure holding device according to the present invention.

【図10】 図10の細部12の拡大図であり、動脈路の断面を示す図であ
る。
10 is an enlarged view of detail 12 of FIG. 10, showing a cross section of the arterial tract.

【図11】 マトリックスおよび固体面構成要素の断面図であり、構成要素
材料のマトリックスへの浸透を示す図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view of the matrix and the solid surface component, showing the penetration of the component material into the matrix.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20 静水圧保持装置 22 マトリックス 24 組織 26 気孔 28 細胞壁 30 隙間 32 孔 34 外側境界面 36 外側カバー 38 外面 40 外側カバー内面 42 ノズル 44 内面 46 ノズルオリフィス 48 動脈路 50 チューブ 52 穴 54 構成要素 56 所定の距離 Reference Signs List 20 hydrostatic pressure holding device 22 matrix 24 tissue 26 stomata 28 cell wall 30 gap 32 hole 34 outer boundary surface 36 outer cover 38 outer surface 40 outer cover inner surface 42 nozzle 44 inner surface 46 nozzle orifice 48 arterial path 50 tube 52 hole 54 component 56 predetermined distance

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,C H,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,FI ,GB,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL, IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,L K,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK ,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO, RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,T M,TR,TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 ロバート ジョセフ セロック ジュニア アメリカ合衆国 オハイオ州 45776 シ ェイド ギルキーリッジロード 42920 (72)発明者 マイケル アーネスト ギャレット イギリス国 サリー州 ジーユー22 7エ ックスアール ワキング ヨークロード 92 ゲーブルズ Fターム(参考) 3E072 BA01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG , BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, R , RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN, YU, ZW (72) Inventor Robert Joseph Sellock Jr. Gilky Ridge Road 42920 (72) Inventor Michael Ernest Garrett GU 22 Surrey, Surrey, United Kingdom 7 7X Woking York Road 92 Gables F-Term (Reference) 3E072 BA01

Claims (34)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧力保持装置が、圧縮された流体の圧力によって誘起された
負荷を担うマトリックスを含み、前記マトリックスの構造が、接触点で相互に連
絡された実質的に球状の一連の空隙を有する材料体を含み、これらの接触点が小
さな開口を形成すると共に、隣接する空隙の間の前記開口のサイズが、前記空隙
の内表面積の約10%を超えないことを特徴とする圧力保持装置。
A pressure holding device includes a matrix that carries a pressure induced load of a compressed fluid, the structure of the matrix defining a series of substantially spherical voids interconnected at points of contact. A pressure holding device, comprising a body of material having a contact, said contact points forming a small opening, and wherein the size of said opening between adjacent voids does not exceed about 10% of the internal surface area of said void. .
【請求項2】 前記マトリックス構造が、形状が略球状であり且つ前記マト
リックス全体にくまなく略均一に分布する空隙を含む請求項1記載の装置。
2. The apparatus of claim 1 wherein said matrix structure is substantially spherical in shape and includes voids distributed substantially uniformly throughout said matrix.
【請求項3】 前記マトリックス構造が、同様のサイズの空隙を含む請求項
1記載の装置。
3. The apparatus of claim 1, wherein said matrix structure includes similarly sized voids.
【請求項4】 前記マトリックス構造が、面心立方配向の空隙を含む請求項
1記載の装置。
4. The apparatus of claim 1, wherein said matrix structure includes voids in a face-centered cubic orientation.
【請求項5】 前記マトリックスにおいて、実質的な量の前記材料が、静水
力学的張力、三軸的張力、三次元的張力もしくはそれらの組み合わせから選択さ
れた張力下にある請求項1記載の装置。
5. The apparatus of claim 1, wherein in the matrix, a substantial amount of the material is under a tension selected from hydrostatic tension, triaxial tension, three-dimensional tension, or a combination thereof. .
【請求項6】 前記隣接する空隙の間の前記開口のサイズが、前記空隙の内
表面積の約5%を超えない請求項1記載の装置。
6. The apparatus of claim 1, wherein the size of the opening between the adjacent voids does not exceed about 5% of the internal surface area of the void.
【請求項7】 前記隣接する空隙の間の前記開口のサイズが、前記空隙の内
表面積の約2%を超えない請求項1記載の装置。
7. The apparatus of claim 1, wherein the size of the opening between the adjacent voids does not exceed about 2% of the internal surface area of the void.
【請求項8】 前記隣接する空隙の間の前記開口のサイズが、前記空隙の内
表面積の約1%を超えない請求項1記載の装置。
8. The apparatus of claim 1, wherein the size of the opening between the adjacent voids does not exceed about 1% of the internal surface area of the void.
【請求項9】 外側カバーがマトリックスを囲んで前記マトリックス内部に
前記圧縮された流体を保持し、前記外側カバーは、前記マトリックスの外側境界
面に接続された内面を有し、前記流体は外側カバーに浸透できず、前記外側カバ
ーは、前記マトリックスの外側境界面の上に実質的に接触しながら支持される請
求項1記載の装置。
9. An outer cover surrounds a matrix and retains the compressed fluid within the matrix, the outer cover having an inner surface connected to an outer boundary surface of the matrix, wherein the fluid covers the outer cover. The apparatus of claim 1, wherein the outer cover is impervious to air and the outer cover is supported in substantial contact over an outer boundary of the matrix.
【請求項10】 前記流体を前記マトリックス内に入れ、また前記流体を前
記マトリックスから排出する移送手段を有する請求項1記載の装置。
10. The apparatus of claim 1, further comprising transfer means for admitting said fluid into said matrix and discharging said fluid from said matrix.
【請求項11】 圧縮された流体を貯蔵する請求項1記載の装置。11. The device of claim 1, wherein the device stores compressed fluid. 【請求項12】 前記移送手段が、前記外側カバーに接続された少なくとも
一つのノズルをさらに含み、該ノズルが内面を有し、該ノズルがオリフィスを有
すると共に該オリフィスを介して前記マトリックスの隙間と連通する請求項1記
載の圧力保持装置。
12. The transfer means further includes at least one nozzle connected to the outer cover, the nozzle having an inner surface, the nozzle having an orifice, and a gap in the matrix through the orifice. The pressure holding device according to claim 1, which is in communication.
【請求項13】 前記移送手段が、前記流体を入れる際に前記流体を前記マ
トリックスに行き渡らせ、前記流体を排出する際に前記流体を前記マトリックス
から集めるべく、前記ノズルオリフィスおよび前記マトリックスの隙間と連通す
る動脈路のネットワークをさらに含む請求項2記載の圧力保持装置。
13. The gap between the nozzle orifice and the matrix for distributing the fluid to the matrix when the fluid is admitted and for collecting the fluid from the matrix when the fluid is ejected. 3. The pressure holding device of claim 2, further comprising a network of communicating arterial tracts.
【請求項14】 前記内面が前記マトリックス内に所定距離広がり、前記内
面を前記マトリックスに固着する請求項1記載の圧力保持装置。
14. The pressure holding device according to claim 1, wherein the inner surface extends within the matrix by a predetermined distance, and the inner surface is fixed to the matrix.
【請求項15】 前記外側境界面構成が不規則である請求項1記載の圧力保
持装置。
15. The pressure holding device according to claim 1, wherein said outer boundary surface configuration is irregular.
【請求項16】 前記マトリックスが構造的なフォーム(foam)を含む請求
項1記載の圧力保持装置。
16. The pressure holding device according to claim 1, wherein said matrix comprises a structural foam.
【請求項17】 前記マトリックスがフラウンホーファータイプの金属フォ
ームである請求項6記載の圧力保持装置。
17. The pressure holding device according to claim 6, wherein the matrix is a Fraunhofer type metal foam.
【請求項18】 圧縮された流体を貯蔵する静水圧保持装置であって、この
圧力保持装置が、 (a) 圧縮された流体の圧力によって誘起された負荷を担うマトリックスであ
って、外側境界面に三つの次元で広がり、接触点で相互に連絡し且つ前記圧縮さ
れた流体を収容する一連の空隙を全体にくまなく有し、該空隙が連通して前記流
該が略均一に分布し、前記圧力によって誘起された負荷を担うとき前記マトリッ
クスの実質的に全ての部分が実質的に静水力学的張力下にあるマトリックスと、 (b) マトリックスを囲んで前記マトリックス内部に前記圧縮された流体を保
持する外側カバーであって、外面およびその反対側の内面を有し、該外側カバー
内面がマトリックスの外側境界面に接続され、前記流体は外側カバーに浸透でき
ず、前記外側カバーは、前記マトリックスの外側境界面の上に実質的に接触しな
がら支持される外面カバーと、 (c) 前記流体を前記マトリックスに入れ、また前記流体を前記マトリックス
から排出する移送手段と を含み、 (d) 前記静水圧保持装置の前記マトリックスおよび前記外側カバーは、前記
外側カバーの外面に関して測定された同一の合計体積を有し、同一の母材で作ら
れ、同一の設計ファクターで同一の流体圧力に耐えるように設計された同等の従
来のシェルタイプ圧力容器の合計構造重量よりも軽い合計構造重量を有する、圧
縮された流体を貯蔵する静水圧保持装置。
18. A hydrostatic pressure holding device for storing a compressed fluid, said pressure holding device comprising: (a) a matrix bearing a load induced by the pressure of the compressed fluid; Have a series of voids throughout which extend in three dimensions, interconnect at the point of contact and contain the compressed fluid, the voids communicating to distribute the stream substantially uniformly; A matrix wherein substantially all of the matrix is under substantially hydrostatic tension when carrying the pressure induced load; and (b) surrounding the matrix with the compressed fluid within the matrix. An outer cover for retaining, having an outer surface and an inner surface opposite the outer surface, the inner surface of the outer cover being connected to an outer boundary surface of the matrix, wherein the fluid cannot penetrate the outer cover; Comprises: an outer cover supported substantially in contact with an outer boundary surface of the matrix; and (c) transfer means for entering the fluid into the matrix and discharging the fluid from the matrix. (D) the matrix and the outer cover of the hydrostatic pressure holding device have the same total volume measured with respect to the outer surface of the outer cover, are made of the same matrix, and have the same design factor and the same A hydrostatic pressure storage device for storing compressed fluid having a total structural weight that is less than the total structural weight of an equivalent conventional shell-type pressure vessel designed to withstand fluid pressure.
【請求項19】 前記移送手段が、前記外側カバーに接続された少なくとも
一つのノズルを含み、該ノズルが内面を有し、該ノズルがオリフィスを有すると
共に該オリフィスを介して前記マトリックスの隙間と連通する請求項18記載の
圧力保持装置。
19. The transfer means includes at least one nozzle connected to the outer cover, the nozzle having an inner surface, the nozzle having an orifice, and communicating with the gap in the matrix via the orifice. 19. The pressure holding device according to claim 18, wherein
【請求項20】 前記流体を入れる際に前記流体を前記マトリックスに行き
渡らせ、前記流体を排出する際に前記流体を前記マトリックスから集めるべく、
前記ノズルオリフィスおよび前記マトリックスの隙間と連通する動脈路のネット
ワークをさらに含む請求項19記載の圧力保持装置。
20. A method for distributing said fluid to said matrix upon entry of said fluid and collecting said fluid from said matrix upon discharge of said fluid,
20. The pressure holding device of claim 19, further comprising a network of arterial tracts communicating with the nozzle orifices and gaps in the matrix.
【請求項21】 前記内面が前記マトリックス内に所定距離広がり、前記内
面を前記マトリックスに固着する請求項18記載の圧力保持装置。
21. The pressure holding device according to claim 18, wherein the inner surface extends within the matrix by a predetermined distance, and the inner surface is fixed to the matrix.
【請求項22】 前記外側境界面構成が不規則である請求項18記載の圧力
保持装置。
22. The pressure holding device of claim 18, wherein said outer boundary surface configuration is irregular.
【請求項23】 前記マトリックスが構造的なフォームを含む請求項18記
載の圧力保持装置。
23. The pressure holding device according to claim 18, wherein said matrix comprises a structural foam.
【請求項24】 前記マトリックスがフラウンホーファータイプの金属フォ
ームである請求項23記載の圧力保持装置。
24. The pressure holding device according to claim 23, wherein the matrix is a Fraunhofer type metal foam.
【請求項25】 圧縮された流体を貯蔵する静水圧保持方法であって、この
方法が、 (a) マトリックス構造を外側境界面へ三つの次元で広げるステップと、 (b) 前記流体が浸透しない外側カバーで前記マトリックスを囲むステップと
、 (c) 前記外側カバーの内面を前記マトリックスの前記外側境界面に接続する
ステップと、 (d) 前記外側カバーを前記マトリックスの外側境界面の上に実質的に接触し
ながら支持するステップと、 (e) 圧力下の前記流体を前記マトリックス内に入れるステップと、 (f) 前記圧縮された流体を前記マトリックス内部の接触点で相互に連絡され
た一連の空隙に収容するステップと、 (g) 前記外側カバーを備えた前記マトリックス内部に前記圧縮された流体を
保持するステップと、 (h) 前記圧縮された流体の圧力によって前記マトリックス内に負荷を誘起す
るステップと、 (i) 前記マトリックスの実質的に全ての部分において負荷を実質的に静水力
学的張力下で担うステップと、 (j) 前記マトリックスから前記流体を排出するステップ を含む、圧縮された流体を貯蔵するための静水圧保持方法。
25. A method for maintaining a hydrostatic pressure for storing a compressed fluid, comprising: (a) spreading the matrix structure to an outer boundary surface in three dimensions; and (b) impregnating the fluid. Enclosing the matrix with an outer cover; (c) connecting the inner surface of the outer cover to the outer boundary of the matrix; (d) substantially placing the outer cover above the outer boundary of the matrix. (E) placing the fluid under pressure into the matrix; and (f) a series of interconnected voids at the point of contact within the matrix within the matrix. (G) retaining the compressed fluid within the matrix with the outer cover; and (h) pressure of the compressed fluid. Inducing a load within the matrix; (i) carrying the load under substantially hydrostatic tension in substantially all of the matrix; and (j) discharging the fluid from the matrix. A method for maintaining a hydrostatic pressure for storing a compressed fluid.
【請求項26】 (a) 前記外側カバーにノズルを接続するステップと、 (b) オリフィスを前記ノズルを介して前記マトリックスの隙間と連通させる
ステップ をさらに含む請求項24記載の圧力保持方法。
26. The method of claim 24, further comprising the steps of: (a) connecting a nozzle to the outer cover; and (b) communicating an orifice with a gap in the matrix via the nozzle.
【請求項27】 (a) 動脈路のネットワークを前記ノズルオリフィスおよ
び前記マトリックスの隙間と連通させるステップと、 (b) 前記流体を入れる際に前記流体を前記動脈路を介して前記マトリックス
に行き渡らせるステップと、 (c) 前記流体を排出する際に前記流体を前記マトリックスから前記動脈路を
介して集めるステップと をさらに含む請求項26記載の圧力保持方法。
27. (a) communicating a network of arterial tracts with the nozzle orifice and the interstices of the matrix; and (b) distributing the fluid through the arterial tract to the matrix upon entry of the fluid. 27. The method of claim 26, further comprising the step of: (c) collecting the fluid from the matrix via the arterial tract when draining the fluid.
【請求項28】 (a) 構成要素の内面を、該内面の材料が液相の状態にあ
るうちに前記マトリックスの前記外側境界面に並置するステップと、 (b) 前記マトリックスの隙間に前記内面材料を所定の深さまで浸透させるス
テップと、 (c) 前記内面材料を固相に変え、これにより前記構成要素を前記マトリック
スに固着するステップ をさらに含む請求項25記載の圧力保持方法。
28. (a) juxtaposing an inner surface of a component with the outer boundary surface of the matrix while the material of the inner surface is in a liquid phase; and (b) interposing the inner surface in a gap in the matrix. 26. The method of claim 25, further comprising the steps of: penetrating a material to a predetermined depth; and (c) converting the inner surface material to a solid phase, thereby securing the component to the matrix.
【請求項29】 前記外側境界面を不規則な構成で形成するステップをさら
に含む請求項25記載の圧力保持方法。
29. The method according to claim 25, further comprising the step of forming the outer boundary surface with an irregular configuration.
【請求項30】 前記マトリックスを構造的フォームから形成するステップ
をさらに含む請求項25記載の圧力保持方法。
30. The method of claim 25, further comprising forming the matrix from a structural foam.
【請求項31】 前記マトリックスをフラウンホーファータイプの金属フォ
ームから形成するステップをさらに含む請求項30記載の圧力保持方法。
31. The method of claim 30, further comprising forming the matrix from a Fraunhofer type metal foam.
【請求項32】 圧縮された流体を貯蔵する静水圧保持装置であって、この
圧力保持装置が、 (a) 圧縮された流体の圧力によって誘起された負荷を担うマトリックスであ
って、外側境界面に三つの次元で広がり、前記圧縮された流体を収容する隙間を
有し、前記圧力によって誘起された負荷を担うとき前記マトリックスの実質的に
全ての部分が実質的に静水力学的張力下にあるマトリックスと、 (b) マトリックスを囲んで前記マトリックス内部に前記圧縮された流体を保
持する外側カバーであって、前記マトリックスの外側境界面に接続された内面を
有し、前記流体は外側カバーに浸透できず、前記外側カバーは、前記マトリック
スの外側境界面の上に実質的に接触しながら支持される外面カバーと、 (c) 前記流体を前記マトリックスに入れ、また前記流体を前記マトリックス
から排出する移送手段と を含む圧縮された流体を貯蔵する静水圧保持装置。
32. A hydrostatic pressure holding device for storing a compressed fluid, said pressure holding device comprising: (a) a matrix bearing a load induced by the pressure of the compressed fluid; Extending in three dimensions and having a gap for containing the compressed fluid, wherein substantially all of the matrix is under substantially hydrostatic tension when carrying the pressure-induced load. A matrix, and (b) an outer cover surrounding the matrix and retaining the compressed fluid within the matrix, the inner cover being connected to an outer boundary surface of the matrix, wherein the fluid penetrates the outer cover. The outer cover, wherein the outer cover is supported substantially in contact with an outer boundary surface of the matrix; and (c) placing the fluid into the matrix. And a transfer means for discharging the fluid from the matrix.
【請求項33】 静水圧保持装置が組み込まれた圧力容器を圧力下にある流
体で満たす方法であって、前記方法が、 (a) 静水圧保持装置が組み込まれた圧力容器を得ることであって、該静水圧
保持装置が、 (i) 充填開口部およびタンク体を有し、該タンク体が、内部容積を画定す る少なくとも二つの対向した内壁を有する圧力容器と、 (ii) 前記タンク体に設置され且つ前記内壁に接続された補強マトリックス
であって、この補強マトリックス構造が接触点で相互に連絡された一連の略球状
の空隙を有する材料体を含み、これらの接触点が開口を形成すると共に隣接した
空隙間の開口のサイズが空隙の内表面積の約5%を超えない補強マトリックスと
を有する、静水圧保持装置が組み込まれた圧力容器を得ることと、 (b) 前記圧力容器を圧力下の前記流体で少なくとも部分的に満たすこと を含む方法。
33. A method for filling a pressure vessel incorporating a hydrostatic pressure holding device with a fluid under pressure, comprising: (a) obtaining a pressure vessel incorporating a hydrostatic pressure retaining device. Wherein the hydrostatic pressure holding device comprises: (i) a pressure vessel having a filling opening and a tank body, the tank body having at least two opposed inner walls defining an internal volume; and (ii) the tank A reinforcing matrix disposed on the body and connected to the inner wall, wherein the reinforcing matrix structure includes a body of material having a series of generally spherical voids interconnected at contact points, the contact points defining openings. Obtaining a pressure vessel incorporating a hydrostatic pressure holding device, the reinforcement vessel having a reinforcing matrix formed and having a size of an opening of an adjacent void not exceeding about 5% of the inner surface area of the void; and (b) said pressure vessel. The pressure The method comprising at least partially filled with said fluid.
【請求項34】 静水圧保持装置が組み込まれた圧力容器を圧力下にある流
体で満たす方法であって、前記方法が、 (a) 静水圧保持装置が組み込まれた圧力容器を得ることであって、該静水圧
保持装置が、 (i) 充填開口部およびタンク体を有し、該タンク体が、内部容積を画定す る少なくとも二つの対向した内壁を有する圧力容器と、 (ii) 前記タンク体に設置され且つ前記内壁に接続された補強マトリックス
であって、この補強マトリックス構造が接触点で相互に連絡された一連の略球状
の空隙を有する材料体を含み、これらの接触点が開口を形成すると共に隣接した
空隙間の開口のサイズが空隙の内表面積の約5%を超えない補強マトリックスと
を有する、静水圧保持装置が組み込まれた圧力容器を得ることと、 (b) 前記圧力容器内に圧力下の流体を入れることと、 (c) 圧力下の前記流体が前記圧力容器内に留まることを許すこと を含む方法。
34. A method of filling a pressure vessel incorporating a hydrostatic pressure holding device with a fluid under pressure, comprising: (a) obtaining a pressure vessel incorporating a hydrostatic pressure retaining device. Wherein the hydrostatic pressure holding device comprises: (i) a pressure vessel having a filling opening and a tank body, the tank body having at least two opposed inner walls defining an internal volume; and (ii) the tank A reinforcing matrix disposed on the body and connected to the inner wall, wherein the reinforcing matrix structure includes a body of material having a series of generally spherical voids interconnected at contact points, the contact points defining openings. Obtaining a pressure vessel incorporating a hydrostatic pressure holding device, the reinforcement vessel having a reinforcing matrix formed and having a size of an opening of an adjacent void not exceeding about 5% of the inner surface area of the void; and (b) said pressure vessel. Pressure inside The method comprising placing the fluid below, that allows the (c) said fluid under pressure remains the pressure vessel.
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