WO2021023899A1 - Sistema de almacenamiento de gas a alta presión de morfología adaptable - Google Patents

Sistema de almacenamiento de gas a alta presión de morfología adaptable Download PDF

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WO2021023899A1
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tube
collector
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Antonio Ojeda Monge
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Go Ahead Engineering Sl
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Definitions

  • the present invention relates to a gas storage system at high pressures such as hydrogen with application to the transport sector.
  • the invention consists of a novel system consisting of a set of storage elements to contain the gas and structural elements to withstand the pressure. These elements have a particular geometry and arrangement that make it possible to give an adaptable shape to the set formed by said system. In this way, the adaptation of the same to the geometry of the available space that it will occupy in the means of transport is facilitated.
  • the elements of the system are made of composite materials to be able to withstand the high loads of hydrogen pressure and present a reduced weight that makes the means of transport more efficient.
  • the hydrogen is conducted from the tank to a fuel cell to produce the electricity that feeds the electric motor, propelling the latter to the means of transport in question.
  • Hydrogen is preferably stored in tanks whose incorporation into the available space of the vehicle is not impacted by a bulky tank. This is the case of current bottles that determine the structural or aerodynamic shape of the vehicle, as well as the geometry of its interior.
  • a technique is normally used that consists of winding the fiber or reinforcement around a mandrel in the shape of the tank.
  • the orientations of the fibers are strategically placed to strengthen the tank wall against axial and circumferential loading produced by gas pressure.
  • the task of winding the mandrel is complex especially in the placement of the fibers on the domed part of the ends of the bottle or cylinder. This procedure is specific for each deposit, therefore it implies longer production times when compared to the manufacture of a carbon fiber tube by extrusion or pultrusion, in which the manufacture is continuous and the placement of the reinforcement is simpler.
  • Patent W01996023721 A1 refers to a system where several bottle-shaped tanks that present a particular deformation that allow them to be coupled by means of a series of structural and functional elements to work in parallel as a single tank.
  • the global geometry of the system allows it to be housed in the vehicle in an efficient way in terms of making use of the space available for this purpose. This last characteristic is common to that achieved with the present invention.
  • the present invention manages to solve the problem posed by storing a gas such as hydrogen under pressure in a conventional bottle whose bulky geometry makes it difficult to house it inside the means of transport.
  • the excessive weight of the tank is a problem in means of transport in general since it implies a greater expenditure of energy to carry out a movement.
  • the present invention it is possible to significantly reduce the weight of the tank by using composite materials for its manufacture where the reinforcements made up of fibers are oriented in a simple and efficient way to support the loads produced by the pressure of the gas in the structure of the system.
  • thermosetting resins used in the manufacture of composite material tanks are usually of the thermosetting type. Those skilled in the art know that this implies that the tank after its useful life presents a costly and complicated recycling process. On the other hand, these thermosetting resins require a long curing time, which has an impact on long manufacturing cycles, negatively affecting their mass production.
  • the elements that make up the tank system of the present invention can be manufactured in thermoplastic composite materials, the recycling of which is simpler and cheaper. As the resin curing phase is not required, there are shorter manufacturing times and the mass manufacture of the deposit is facilitated.
  • thermoplastic composite materials can be welded together, presenting this joining process with shorter manufacturing times than those used with thermosetting resins where the joint is carried out with the use of an adhesive, normally associated with the laborious and long task of the surface preparation of bonding surfaces.
  • the present invention is characterized by presenting a series of straight tubes forming a set where the interior of each tube serves as the main compartment to store the gas.
  • the tubes are oriented parallel to each other, contained between covers or collecting elements located one on each side of the ends of the tubes.
  • the collecting elements have multiple housings to receive and accommodate the ends of the tubes of the reservoir system.
  • the mouth of the tubes is hermetically connected to the housing of the collectors.
  • the collectors' housings are strategically distributed to take advantage of the available space presented by the face of the collector exposed to receive the ends of the tubes.
  • At least one of the collectors contains inside a conduit that allows fluid communication between the entire set of tubes that make up the reservoir system.
  • This last collector has an orifice on one side of the same that connects with the interior conduit and that allows the entry and exit of fluids to the storage system.
  • a structural element in the form of a belt surrounds the assembly formed by the tubes and the collectors, said belt being taped by a reinforcing tape.
  • the belt has a straight shape parallel to the axial direction of the tubes over the entire length of the tubes.
  • the collectors have a curved geometry on their face exposed to the belt and contrary to the housings of the tubes. The belt conforms to this shape of the collector, defining a smooth curvature without breaks when passing from the straight section on the tubes to the curved section on the collector.
  • the set of tubes is contained between the manifolds, the belt and the panels.
  • An element in the form of a solid foam is introduced into the system occupying the space outside the tubes consisting essentially of the gaps between the tubes and limiting itself to the space between the collectors, the belt and the panels.
  • the volume and shape of the reservoir system of the present invention is adapted to the shape where it is intended to be housed.
  • the adaptation is configured through the lengths of the tubes, their section, their distribution and coupling between the collectors and the shape of the collectors where the belt is taped.
  • the useful volume for gas storage is made up of the internal volume of the set of tubes and that which may exist inside the manifolds for housing the tube mouths and the internal channels for fluid communication.
  • an example of adaptation could be one where it is shown that the available volume to house the tank consists of a rectangular prism.
  • two collectors are placed on two opposite faces of the prism respectively.
  • the tubes are distributed parallel between the two collectors with the axial axis of each tube perpendicular to the face of the collector where the ends of the tube are coupled.
  • the present invention is characterized by the orientation of the reinforcing fibers of the tubes that are mostly aligned with the direction of the hoop stress that the tube wall experiences due to the pressure of the gas.
  • the resistance capacity of the reinforcement is optimized with the main load stress that the tube wall experiences in the structural configuration of the present invention, and thus a minimized wall thickness is achieved.
  • the fiber content in orientations other than that explained above is reduced to avoid increasing the weight of the system and its use can be introduced in case of need to give cohesion to the tube.
  • the hermetic union of the tube with the collector can be carried out by various methods, such as welding when the elements to be joined allow such joining technology, through the use of an adhesive, by mechanical adjustment, by using gaskets or a combination of all the above methods.
  • the structure of the system is designed to prevent this joint from presenting load stresses due to the longitudinal stress experienced by a pressurized cylinder.
  • the pressure exerted by the gas at the mouth of each tube is transmitted to the body of the collector which acts as a plug, and this in turn transmits the load to the belt.
  • the belt experiences two equal loads in the opposite direction that are compensated for and which correspond to that experienced by the two collectors located at both ends of the tubes, all of them, both tubes and collectors, being wrapped by the belt.
  • the path of the load would therefore be from the pressure exerted by the gas at the mouth of the tubes towards the collectors, and from the collectors to the belt.
  • this axial load becomes instead supported by the structural belt instead of the joint between the tube and the manifold.
  • the belt is dimensioned and manufactured to withstand this load using unidirectional composite material with the orientation of the reinforcement aligned with the axial axis of the tubes and therefore with the direction of the load, thus achieving an optimized efficiency in terms of the capacity of reinforcement strength.
  • the use of the material is reduced, and therefore the weight associated with it as well.
  • the curved shape of the belt in the areas where it fits over the curved part of the manifolds allows the load of gas pressure exerted on the manifolds to be transferred to the belt in a suitable way without producing stress concentrations in such structural elements.
  • the interior surface of the reservoir system of the present invention generally has a coating that reduces the permeability of the gas contained in its interior, especially in the case of hydrogen, and thus reduces the leakage of the gas through the intermolecular interstices. of the materials used in the containment walls of the tank system.
  • any person skilled in the art can appreciate that the manufacture of the tubes used in the reservoir system can be carried out by various manufacturing methods using composite materials, such as those known in the art as pultrusion, winding on a straight mandrel, molding with pre-impregnated materials, resin transfer molding, injection, infusion, among other methods.
  • the structural component of the belt presents several methodologies for its manufacture, from a manual taping, to an automated one by rotating the tank assembly to be taped by its taping axis and being wrapped by the tape that comes from a dispensing roll headband. Both the turning of the taping assembly and the tape dispenser roll can be automated for mass manufacturing. Some tension in the belt during taping is introduced to improve the bonding of the reinforcement layers to each other, and to create a pretension in the belt. The union between the belt and the taped assembly can be carried out by means of welding processes or the use of adhesives.
  • the solid foam that is introduced between the outer interstices of the tubes and contained between the collectors, the belt and the panels serves as thermal insulation to avoid abrupt changes in temperature in the gas contained by the reservoir system. It also works as a structural element, cushioning possible vibrations and / or impact loads. In addition, in the event of the eventual failure of any of the tubes to break, the foam is in charge of cushioning the shrapnel or fragments that may be projected by the explosive action of the gas contained within the system.
  • the closing panels serve to protect the tube set against possible impacts. They are installed by closing any gaps in the assembly where the pipes can be exposed to the outside according to the configuration of the storage system. These join the set using a series of flanges or constructive joining elements that overlap with the rest of the components of the set by means of adhesive, welding or mechanical fastening methods.
  • both the belt and the panels serve as a damping element for shrapnel or fragments that may be propelled by the explosive action of the gas contained within.
  • the gas storage system can be manufactured in composite materials, using both synthetic fibers, such as carbon, aramid, glass, or of natural origin, such as linen or hemp, for reinforcement.
  • fibers of metallic or ceramic origin are also considered.
  • Thermoplastic or thermosetting resins can be considered for the resin matrix.
  • resins of natural origin can be considered for any of the components or elements described above that shape the gas storage system of the present invention.
  • the resistance to failure of the tubes by the pressure exerted by the gas is designed to be less than the resistance to failure of the structural belt, so that the first element to fail will be the tubes, serving both the foam, the belt and the panels. of the tank system as shock-absorbing elements of the explosion in case of failure of one or more tubes of the tank system.
  • the nominal pressure is 85 MPa
  • the failure load is 155 MPa.
  • the materials and layout of the storage system are configured to meet these requirements in addition to the total weight of the assembly, useful storage volume and geometry available to house the hydrogen storage system.
  • Figure 1 presents a perspective view of the gas storage system in which several partial sections are shown allowing to see all the components that make up the system according to an embodiment.
  • Figure 2 presents an exploded view of the system of Figure 1.
  • Figure 3 presents an isometric cross-sectional view of the system of Figure 1 cut along a plane perpendicular to the axis of the tubes.
  • Figure 4 presents an isometric cross-sectional view of the system of Figure 1 cut along a plane parallel to the axis of the tubes and containing an interior conduit of the collector that allows fluid communication between the sectioned tubes.
  • Figure 5 presents an isometric cross-sectional view of the system of Figure 1 cut along a plane parallel to the axis of the tubes and containing an interior conduit of the collector that allows fluid communication between the sectioned tubes and the exterior of the storage system. through a nozzle.
  • Figure 6 presents an isometric cross-sectional view of the system of Figure 1 cut by a plane that contains the interior ducts of the collector that allow the communication of fluids between all the tubes of the system, the representation of the side casings having been omitted, the foam and belt for clarity.
  • Figure 7 presents an isometric view of the system of Figure 1 cross-sectioned by three orthogonal planes allowing details of the connections between components of the system to be seen.
  • Figure 8 presents a front view of the tubes of the system of Figure 1 with a square packing scheme.
  • Figure 9 presents a front view of the tubes of the system of Figure 1 with a hexagonal packing scheme.
  • Figure 10 presents an exploded perspective view of the gas storage system, in which the representation of some components has been omitted to clearly expose the system according to another embodiment.
  • Figure 11 presents a perspective view of the gas storage system, in which a partial section is presented and the representation of some components has been omitted to clearly expose the system according to another embodiment.
  • Figure 12 presents a perspective view of the gas storage system, in which a partial section is presented and has the representation of some components omitted to clearly expose the system according to another embodiment.
  • Figure 13 presents a perspective view of the gas storage system, in which a partial section is presented and the representation of some components has been omitted to clearly expose the system according to another embodiment.
  • Figure 14 presents a perspective view of the component called the belt of the gas storage system where a superficial cut has been made to clearly present the arrangement of reinforcing fibers that make up the composite material of which it is made.
  • an imaginary line is represented with a broken line on the element that serves as a reference to clearly indicate the arrangement of the reinforcing fibers of this component.
  • Figure 15 presents a perspective view of the component called the tube of the gas storage system where a surface cut has been made to clearly present the arrangement of reinforcing fibers that make up the composite material of which it is made.
  • Said figure includes two tube geometries according to two possible embodiments. One of them being characterized by the tube represented on the left of the figure, which has a circular cross section, and the other embodiment, by the tube represented on the right of the figure, which has a polygonal cross section, in particular with regular hexagon shape.
  • FIGS 1 to 3 where a system 100 is presented according to one embodiment, in which a plurality of tubes 1 of equal length, the interior of which serves as a gas storage space, is distributed in the form of matrix, the ends of the tubes 1 being covered by collectors 3.
  • the set of tubes 1 and collectors 3 is wrapped inside a belt 2.
  • the sides not covered by the belt 2 are closed with casings 7.
  • the remaining content between the collectors 3, the belt 2 and the casings 7, not occupied by the tubes 1, is filled with a rigid foam 5.
  • One of the collectors 3, has on one side a hole 13 where a nozzle 6 is housed for allow the gas to enter and exit the system 100.
  • the tubes 1 are inserted into housings 8 that the collectors 3 have on the exposed face to the tubes 1.
  • a welded, adhesive and / or mechanical joining surface 9 ensures the tightness of the system 1 at the junction between the pipes 1 and the manifold 3.
  • the housings 7 have flanges 21 and 22 to facilitate overlapping joining of the same with other components of the system 100.
  • the housings 7 have folded flanges 21 that overlap with the belt 2 allowing a welded, adhesive and / or mechanical joint between both components.
  • the housings 7 have flanges 22 that overlap with some lateral surface of the collector 3, allowing the welded, adhesive and / or mechanical joint between both components.
  • FIG. 4 to 6 a system 100 according to the same embodiment is shown, in which a manifold 3 has inside it a main duct 10 which branches into secondary ducts 11. These conduits are connected by holes 12 with the interior of the tubes 1 allowing the communication of fluids between the plurality of tubes 1.
  • the main conduit 10 is connected with the orifice 13 making it possible for the entry and exit of gases into the system 100 through nozzle 6.
  • the system 100 is shown in Figure 7 with a sectional detail by three cut planes orthogonal to each other, showing in isolation the main components of the system 100: tubes 1, belt 2 and collector 3 and their integration with each other. themselves.
  • a detail of the union of the collector 3 with the nozzle 6 is also shown.
  • the tube 1 is attached to the collector 3 by means of a union surface 9 with a thickness of welding material, adhesive and / or mechanical adjustment that presents a bead 14 of the same bonding material between both components, being located on the outer contour of tube 1 flush with the face of collector 3 exposed to tubes 1.
  • the collector 3 is made of composite materials of short fiber and thermoplastic polymer matrix of the same type as the tubes 1, facilitating the welded joint between both components.
  • a housing 8 makes it possible to insert a portion of the length of the tube 1 inside the collector 3, said housing 8 has a groove shape describing the geometric figure of the cross-section of the tube and with a width similar to the wall thickness of the tube 1 and a depth that allows the tube 1 to introduce a portion of the tube 1 length in the collector 3 sufficient to guarantee the structural and hermetic union between both components.
  • the collector 3 has a curvature 15 in the area of contact with the belt 2, avoiding the adjustment of the belt 2 on a surface with corners.
  • the connection between the belt 2 and the collector 3 is carried out by means of a joint surface 16 with a thickness of welding, adhesive and / or mechanical adjustment.
  • the nozzle 6 is inserted into the hole 13 by welding, adhesive and / or mechanical adjustment.
  • the nozzle 6 has an anchoring element 17 that fits inside the body of the collector 3.
  • the reinforcing fibers 19 of the belt 2 are arranged for the most part in parallel to the direction of the loop 28 that the belt 2 describes when winding it to the assembly formed by the tubes 1 and the collectors 3.
  • the reinforcing fibers 18 of the tubes 1 are arranged for the most part circumferentially to the axial axis of the tube 1, following which a path that winds around the axial axis of the tube 1.
  • Figure 8 shows the tubes 1 in isolation according to an embodiment of the system 100 particularized by presenting a spatial grouping of the matrix of tubes 1 in which a square packing pattern is followed in their distribution, the axis of each being tube 1 located at each node of a square planar network.
  • the tubes 1 are in contact with each other, or there is a certain gap between the tubes 1.
  • the tubes 1 in contact have some type of welded and / or adhesive joint in the contact area.
  • Figure 9 shows the tubes 1 in isolation according to an embodiment of the system 100 particularized by presenting a spatial grouping of the matrix of tubes 1 in which a triangular packing pattern is followed in their distribution, the axis of each being tube 1 located at each node of a triangular flat network.
  • the tubes 1 are in contact with each other, or there is a certain gap between the tubes 1.
  • the tubes 1 in contact have some type of welded and / or adhesive joint in the contact area.
  • FIG 10 shows an embodiment of the system 100 in which the representation of some components has been omitted.
  • the tubes 1 have a hexagonal shape 26 in their section transversal, with rounded corners 27.
  • the tubes 1 are grouped together in a triangular pattern with the side walls 23 of each tube 1 in contact with that of the neighbors, decreasing the interstitial space outside the tubes.
  • the collector has housings 8 for inserting the slot-shaped tubes 24 following a pattern similar to the cross-section of the group of tubes 1.
  • each section 25 of the groove pattern 24 serves to house the walls of one or two tubes 1 in contact.
  • FIG 11 shows the main components of the system 100 according to another embodiment in which there are at least two groups of tubes 1 characterized by having different lengths of tube 1.
  • Each group is made up of tubes 1 of the same length. This length is different for each cluster.
  • This embodiment allows the system 100 to configure spaces to, for example, be accommodated in a vehicle, avoiding obstacles in its architecture.
  • the groups share a common manifold 3 that allows fluid communication between all the tubes 1 of the system 100.
  • the ends of each group of tubes 1 opposite the common manifold 3 are inserted into housings 8 of a separate manifold 3 for each group of tubes 1 .
  • Each group of tubes 1 is taped in a separate belt 2 for each group, containing the common collector 3, the group of tubes 1 in question and the independent collector 3 connected to that group of tubes 1.
  • Figure 12 shows the main components of the system 100 according to another embodiment in which there are at least two groupings of tubes 1 characterized by presenting a matrix distribution with different number of rows and columns.
  • This embodiment also allows the system 100 to configure spaces to be accommodated in a vehicle.
  • the groups share a common manifold 3 that allows fluid communication between all the tubes 1 of the system 100.
  • the common manifold 3 has a geometry of the face exposed to the tubes 1 that adapts to the matrix shape of the tubes 1 that are inserted into it.
  • the ends of each group of tubes 1 opposite the common collector 3 are inserted into housings 8 of a separate collector 3 for each group of tubes 1.
  • Each group of tubes 1 is taped in an independent belt 2 for each group, containing the collector 3 common, the grouping of tubes 1 in question and the separate collector 3 connected to that grouping of tubes 1.
  • Figure 13 shows the main components of the system 100 according to another embodiment in which there is a collector 3 located between two groups of tubes 1.
  • Said intermediate collector 3 can be located between more than two sets of tubes 1.
  • the length of tube 1 of each bundle can be different.
  • This collector 3 allows the communication of fluids between all the tubes 1 of the system 100, presenting pipes of the same type as those previously explained. It also has housings 8 for inserting the tubes 1 on both faces exposed to the groupings of tubes 1.
  • the nozzle 6 can be incorporated into this manifold 3 located between tubes.
  • This embodiment makes it possible to carry out the inlet and outlet of the gas to the system 100 in an intermediate location and different from the extremes of the overall volume as occurs in the case of the previous embodiments discussed.
  • the location of the gas inlet and outlet in an intermediate zone of the overall volume of the gas storage system 100 can be advantageous when configuring the system 100 inside a vehicle.
  • the free ends of the tube bundles 1 are connected with manifolds 3 and the assembly is taped with a belt 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Un dispositivo que consiste básicamente en el empaquetamiento de matrices de tubos paralelos que actúan como recipientes presurizados. Los extremos de ambos lados de cada tubo se encuentran conectados herméticamente en unos colectores situados en las inmediaciones de los extremos de los tubos. Los colectores presentan múltiples alojamientos distribuidos acorde con el patrón de empaquetamiento de la matriz de tubos, existiendo un alojamiento para cada extremo de tubo. Al menos un colector dispone de una canalización interior que permite la conexión de fluidos entre los tubos que forman la matriz de tubos. Este colector posee una abertura que permite el intercambio de fluidos entre el interior de los tubos y el exterior. El conjunto de matriz de tubos y colectores está envuelto en un cinturón estructural. Los colectores poseen una geometría redondeada en la zona de contacto con el cinturón. Las fibras de refuerzo del cinturón se orientan principalmente paralelas al eje de los tubos. Las fibras de refuerzo de los tubos se orientan principalmente en la dirección circunferencial de estos. Unas carcasas cubren las áreas del conjunto de matriz de tubos y colectores que no quedan cubiertas por el cinturón. Una espuma rígida ocupa los intersticios que existen entre el exterior de los tubos y el resto del espacio interior al cinturón y las carcasas.

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE GAS A ALTA PRESIÓN DE MORFOLOGIA ADAPTABLE
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere a un sistema de almacenamiento de gas a altas presiones tales como el hidrógeno con aplicación al sector de los medios de transporte.
La invención consiste en un sistema novedoso formado por un conjunto de elementos de almacenamiento para contener el gas y unos elementos estructurales para soportar la presión. Estos elementos presentan una geometría y una disposición particulares que permiten dar una forma adaptable al conjunto formado por dicho sistema. De este modo, se facilita la acomodación del mismo a la geometría del espacio disponible que va a ocupar en el medio de transporte.
Los elementos del sistema están fabricados con materiales compuestos para conseguir soportar las altas cargas de la presión del hidrógeno y presentar un peso reducido que hace al medio de transporte más eficiente.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los sistemas convencionales empleados para el almacenamiento de gas a presión, están basados en depósitos con forma de botella o bombona. Estas botellas están caracterizadas por presentar un cuerpo cilindrico alargado acabado en una forma semiesférica o abovedada en los extremos. Uno de los extremos presenta una abertura por donde se introduce o se extrae el gas. Esta geometría en general permite minimizar significativamente el espesor de pared del depósito necesario para soportar las cargas de presión que ejerce el gas contenido en su interior. De este modo se reduce el peso de las botellas. Para aplicaciones estacionarias donde los depósitos no se mueven suelen ser fabricadas en materiales metálicos, tales como el acero. En las aplicaciones en las que el depósito está instalado en un vehículo móvil, el peso del depósito penaliza la ligereza global del vehículo. En esta última aplicación, se emplean entonces materiales compuestos basados en refuerzos de fibra de carbono u otras fibras del mismo tipo que consiguen aportar resistencia suficiente para soportar las cargas de presión y al mismo tiempo presentar un peso mucho menor en comparación con su fabricación empleando materiales metálicos. La forma cilindrica de estos depósitos puede ser un inconveniente a la hora de ser incorporados en el interior de los vehículos, como por ejemplo en el compartimento destinado al almacenamiento de combustible de un coche, o en el interior de las alas de un avión, donde generalmente se almacenan los combustibles de las aeronaves. En estos casos el espacio debe ser aprovechado al máximo y la geometría del depósito en forma de botella impide que se pueda acomodar a la estructura del vehículo de un modo racional en términos de aprovechamiento del espacio interior del vehículo. Además, en el caso del hidrógeno, debido a sus propiedades físicas, los depósitos con forma de botella ocupan un volumen bastante considerable debido a la alta presión a la que se almacena dicho gas, y hacen complicada su incorporación por ejemplo a la estructura de un coche convencional.
La tendencia actual en cuanto al empleo del motor eléctrico en los coches y medios de transporte en general, hacen del hidrógeno un candidato idóneo para ser el combustible de los mismos, ya que no produce el gas invernadero dióxido de carbono. El hidrógeno se conduce desde el depósito a una célula de combustible para producir la electricidad que alimenta al motor eléctrico propulsando este último al medio de transporte que se trate. El hidrógeno se prefiere almacenar en depósitos cuya incorporación al espacio disponible del vehículo no se vea impactada por un depósito voluminoso. Éste es el caso de las botellas actuales que condicionan la forma estructural o aerodinámica del vehículo, así como la geometría del habitáculo del mismo.
En cuanto a la fabricación de los depósitos con forma de botella o bombona en material compuesto, se emplea normalmente una técnica que consiste en bobinar la fibra o refuerzo alrededor de un mandril con la forma del depósito. Las orientaciones de las fibras se colocan estratégicamente para reforzar la pared del depósito frente a la carga axial y circunferencial producida por la presión del gas. La tarea de bobinar el mandril es compleja especialmente en la colocación de las fibras sobre la parte abovedada de los extremos de la botella o bombona. Este procedimiento es puntual para cada depósito, por lo tanto implica mayores tiempos de producción si se compara con la fabricación de un tubo de fibra de carbono mediante una extrusión o pultrusión, en el cual la fabricación es de forma continua y la colocación del refuerzo es más simple.
Otros sistemas de fabricación emplean tejidos trenzados tubulares que se pueden expandir en diámetro y adaptarse a la geometría del mandril especialmente en los cambios de diámetro que presentan las zonas abovedadas de los extremos. El inconveniente de los refuerzos basados en tejidos es que presentan menor resistencia que los refuerzos de fibra unidireccional sin tejer. Por lo tanto, los espesores de pared de estos depósitos que emplean tejidos trenzados tubulares son mayores y pesan más.
La patente W01996023721 A1 hace referencia a un sistema donde varios depósitos con forma de botella que presentan una deformación particular que les permiten ser acoplados mediante una serie de elementos estructurales y funcionales para trabajar en paralelo como un único depósito. La geometría global del sistema permite el alojamiento del mismo en el vehículo de un modo eficiente en términos de aprovechamiento del espacio disponible para tal fin. Esta última característica es común a la que se consigue con la presente invención.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención consigue solucionar el problema planteado por el almacenamiento a presión de un gas como el hidrógeno en una botella convencional cuya geometría voluminosa hace complicado su alojamiento en el interior de los medios de transporte.
Por otro lado, el peso excesivo del depósito es un problema en los medios de transporte en general ya que implica un mayor gasto de energía para realizar un desplazamiento. Con la presente invención se consigue disminuir significativamente el peso del depósito empleándose para su fabricación materiales compuestos donde los refuerzos constituidos por fibras están orientados de un modo sencillo y eficiente para soportar las cargas producidas por la presión del gas en la estructura del sistema.
Cabe también añadir que la fabricación de los depósitos en material compuesto con geometría de bombona tradicional donde se emplea la tecnología del bobinado del refuerzo sobre cada depósito de uno en uno implica un proceso lento y complejo. Con la presente invención dicho proceso no es necesario. La fabricación de los componentes principales del sistema se puede realizar empleando procesos de fabricación continua y de menor complejidad.
Además, con la presente invención tampoco es necesario el uso de refuerzos en forma de tejidos, siendo esto una ventaja ya que los materiales compuestos con refuerzos en forma de tejido presentan unas propiedades mecánicas de resistencia menores que los que presentan las fibras de refuerzo de forma unidireccional.
Las resinas empleadas en la fabricación de depósitos de material compuesto suelen ser del tipo termoestable. Los expertos en la materia conocen que esto implica que el depósito una vez finalizada su vida útil presenta un proceso de reciclaje costoso y complicado. Por otro lado, estas resinas termoestables necesitan un tiempo de curado extenso, lo que repercute en unos ciclos de fabricación largos afectando negativamente a su fabricación en masa. Los elementos que componen el sistema de depósito de la presente invención permiten ser fabricados en materiales compuestos termoplásticos, cuyo reciclaje es más sencillo y económico. Al no necesitar la fase de curado de la resina se presentan menores tiempos de fabricación y se facilita la fabricación en masa del depósito. Además, los materiales compuestos termoplásticos pueden ser soldados entre sí, presentando este proceso de unión unos tiempos de fabricación menores que los empleados con resinas termoestables donde la unión se realiza con el empleo de un adhesivo, llevando normalmente asociada la laboriosa y larga tarea de la preparación superficial de las superficies de unión.
Así, la presente invención se caracteriza por presentar una serie de tubos rectos formando un conjunto donde el interior de cada tubo sirve de compartimento principal para almacenar el gas. Los tubos están orientados paralelamente entre sí, contenidos entre unas tapas o elementos colectores situados uno a cada lado de los extremos de los tubos. Los elementos colectores presentan múltiples alojamientos para recibir y acomodar los extremos de los tubos del sistema de depósito. La boca de los tubos se encuentra unida herméticamente al alojamiento de los colectores. Los alojamientos de los colectores se encuentran distribuidos estratégicamente para aprovechar el espacio disponible que presenta la cara del colector expuesta a recibir los extremos de los tubos. Al menos uno de los colectores contiene en su interior un conducto que permite la comunicación de fluidos entre todo el conjunto de tubos que integran el sistema de depósito. Este último colector presenta un orificio en un lateral del mismo que conecta con el conducto interior y que permite la entrada y salida de fluidos al sistema de almacenamiento. Un elemento estructural en forma de cinturón envuelve al conjunto formado por los tubos y los colectores, encintándose dicho cinturón mediante una cinta de refuerzo. La cinta presenta una forma recta paralela a la dirección axial de los tubos en toda la extensión que comprende la longitud de los tubos. Los colectores presentan una geometría curvada en su cara expuesta al cinturón y contraria a los alojamientos de los tubos. El cinturón se ajusta a esta forma del colector definiendo una curvatura suave y sin quiebros al pasar del tramo recto sobre los tubos al curvo sobre el colector. En caso de existir zonas del conjunto de tubos que no queden cubiertas con el cinturón estructural, estas se tapan con un panel que presenta una geometría que permite cerrar estas zonas. Estos paneles de cierre presentan unas pestañas que permiten solaparse con la estructura del cinturón y la de los colectores sirviendo de superficie de unión de la misma al resto de los elementos del sistema. De este modo, el conjunto de tubos queda contenido entre los colectores, el cinturón y los paneles. Un elemento en forma de espuma sólida se introduce en el sistema ocupando el espacio exterior a los tubos constituido esencialmente por los huecos presentes entre los tubos y limitándose al espacio comprendido entre los colectores, el cinturón y los paneles.
El volumen y forma del sistema de depósito de la presente invención se adapta a la forma donde está destinado a ser alojado. La adaptación se configura mediante las longitudes de los tubos, la sección de los mismos, su distribución y acoplamiento entre los colectores y la forma de los colectores donde se encinta el cinturón. El volumen útil destinado al almacenamiento de gas está constituido por el volumen interior del conjunto de los tubos y el que puede existir en el interior de los colectores para el alojamiento de las bocas de los tubos y los canales internos para la comunicación del fluido. Así, un ejemplo de adaptación podría ser aquél donde se presenta que el volumen disponible para alojar el depósito consiste en un prisma rectangular. Empleando el sistema de depósito presentado en la presente invención se colocan dos colectores en dos caras opuestas del prisma respectivamente. Los tubos se distribuyen paralelos entre los dos colectores con el eje axial de cada tubo perpendicular a la cara del colector donde se acoplan los extremos del tubo. Al disminuir la sección transversal de los tubos empleados se logra distribuir un mayor número de tubos dentro del volumen mejorando el factor de empaquetamiento de los mismos dentro del volumen del prisma rectangular. De este modo se consigue aumentar el volumen útil del sistema de depósito para gas a presión de la presente invención. La elección de la sección transversal del tubo adecuada dependerá de los requerimientos de la aplicación concreta.
La presente invención se caracteriza por la orientación de las fibras de refuerzo de los tubos que están alineadas en su mayor parte con la dirección de la tensión circunferencial que experimenta la pared del tubo debida a la presión del gas. De este modo se optimiza la capacidad de resistencia del refuerzo con la solicitación de carga principal que experimenta la pared del tubo en la configuración estructural de la presente invención, y así se consigue un espesor de pared minimizado. El contenido de fibras en otras orientaciones distintas a la explicada anteriormente es reducido para evitar el incremento del peso del sistema y su empleo puede ser introducido en caso de necesidad de dar cohesión al tubo.
Por otro lado, al disminuir la sección transversal del tubo, la tensión circunferencial que experimentan las paredes del tubo disminuye considerablemente para una misma presión dentro del depósito, por lo que se puede reducir el espesor del mismo y por lo tanto el peso del conjunto. Así, la sección transversal del tubo debe ser estudiada en cada caso concreto habiendo un compromiso entre el requisito de peso admisible y el volumen útil objetivo con respecto a la complejidad que puede adquirir el sistema en cuanto a su fabricación, por ejemplo, en el caso de empleo de tubos de diámetro micrométrico.
La unión hermética del tubo con el colector se puede llevar a cabo mediante varios métodos, tales como soldadura cuando los elementos a unir permiten tal tecnología de unión, mediante el empleo de un adhesivo, mediante ajuste mecánico, mediante el empleo de juntas o una combinación de todos los métodos citados. La estructura del sistema está ideada para evitar que esta unión presente solicitaciones de carga debidas a la tensión longitudinal que experimenta un cilindro presurizado.
Así, la presión ejercida por el gas en la boca de cada tubo es transmitida al cuerpo del colector que actúa en forma de tapón, y este a su vez transmite la carga al cinturón. De este modo el cinturón experimenta dos cargas iguales de sentido contrario que se compensan y que se corresponde con la que experimentan los dos colectores situados en ambos extremos de los tubos, estando todos ellos, tanto tubos como colectores, envueltos por el cinturón. La trayectoria de la carga sería por tanto desde la presión ejercida por el gas en la boca de los tubos hacia los colectores, y de los colectores al cinturón.
Esta es la clave de la estrategia estructural de la presente invención que permite aliviar la carga que experimenta la unión entre el tubo y el colector debida a la presión del gas y su correspondiente carga axial. Así, esta carga axial pasa a ser en cambio soportada por el cinturón estructural en vez de la unión entre el tubo y el colector. El cinturón está dimensionado y fabricado para soportar esta carga mediante material compuesto unidireccional con la orientación del refuerzo alineado con el eje axial de los tubos y por tanto con la dirección de la carga, consiguiéndose de este modo una eficiencia optimizada en términos de la capacidad de resistencia del refuerzo. Así, el empleo del material se reduce, y por lo tanto el peso asociado al mismo también.
La forma curvada del cinturón en las zonas donde se ajusta sobre la parte curvada de los colectores permite transferir la carga de la presión del gas ejercida sobre los colectores hacia el cinturón de un modo adecuado sin que se produzcan concentraciones de tensión en tales elementos estructurales.
La superficie interior del sistema de depósito de la presente invención presenta en general un recubrimiento que disminuye la permeabilidad del gas contenido en su interior, especialmente para el caso del hidrógeno, y así se disminuye la fuga del gas a través de los intersticios intermoleculares de los materiales empleados en las paredes de contención del sistema de depósito.
Cualquier experto en la materia puede apreciar que la fabricación de los tubos empleados en el sistema de depósito se puede llevar a cabo mediante diversos métodos de fabricación empleándose materiales compuestos, tales como los conocidos en la técnica como pultrusión, bobinado sobre mandril recto, moldeo con materiales pre-impregnados, moldeo por transferencia de resina, inyección, infusión, entre otros métodos. De entre ellos destacan los procedimientos de fabricación que consiguen la fabricación de la geometría tubular de modo continuado ilimitadamente, como la pultrusión o el moldeo por compresión continua.
De igual modo, el componente estructural del cinturón presenta varias metodologías para su fabricación, desde un encintado manual, a uno automatizado haciendo girar el conjunto del depósito a encintar por su eje de encintado y siendo envuelto por la cinta que proviene de un rollo dispensador de cinta. Tanto el giro del conjunto encintado como el rollo dispensador de cinta pueden estar automatizados para la fabricación en masa. Cierta tensión en la cinta durante el encintado es introducida para mejorar la unión de las capas de refuerzos entre sí, y crear una pretensión en el cinturón. La unión entre el cinturón y el conjunto encintado se puede llevar a cabo mediante procesos de soldadura o empleo de adhesivos.
La espuma sólida que se introduce entre los intersticios exteriores a los tubos y contenida entre los colectores, el cinturón y los paneles sirve como aislamiento térmico para evitar los cambios abruptos de temperatura en el gas contenido por el sistema de depósito. Además funciona como elemento estructural, amortiguando las posibles vibraciones y/o cargas de impacto. Además, en caso del eventual fallo a rotura de alguno de los tubos, la espuma se encarga de amortiguar la metralla o fragmentos que puedan salir proyectados por la acción explosiva del gas contenido en el interior del sistema.
Los paneles de cierre sirven para dar protección al conjunto de tubos frente a posibles impactos. Se instalan cerrando cualquier hueco del conjunto donde puedan quedar expuestos los tubos al exterior según la configuración que tenga el sistema de almacenamiento. Estos se unen al conjunto empleándose una serie de pestañas o elementos constructivos de unión que se solapan con el resto de componentes del conjunto mediante adhesivo, soldadura o métodos mecánicos de sujeción.
En el caso de un eventual fallo de alguno de los tubos, tanto el cinturón como los paneles sirven de elemento amortiguador para la metralla o fragmentos que puedan salir propulsados por la acción explosiva del gas contenido en su interior.
El sistema de almacenamiento de gas se puede fabricar en materiales compuestos, empleándose para el refuerzo tanto fibras sintéticas, como carbono, aramida, vidrio, o de origen natural, como lino o cáñamo. Así mismo fibras de origen metálico o cerámico también son consideradas. Para la matriz de resina se pueden considerar resinas termoplásticas o termoestables. También resinas de origen natural. Igualmente, se pueden considerar materiales metálicos y cerámicos para cualquiera de los componentes o elementos descritos anteriormente que dan forma al sistema de almacenamiento de gas de la presente invención.
La resistencia a fallo de los tubos por la presión ejercida por el gas está diseñada para ser menor que la resistencia a fallo del cinturón estructural, de modo que el primer elemento en fallar serán los tubos, sirviendo tanto la espuma, el cinturón y los paneles del sistema de depósito como elementos amortiguadores de la explosión en caso de fallo de alguno o varios tubos del sistema de depósito.
En el caso del hidrógeno como gas contenido en el sistema de almacenamiento de la presente invención, la presión nominal es de 85 MPa, y la carga de fallo de 155 MPa. Los materiales y la disposición del sistema de almacenamiento se configuran para satisfacer estos requisitos además de los de peso total del conjunto, volumen útil de almacenamiento y geometría disponible para alojar el sistema de almacenamiento de hidrógeno.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 presenta una vista en perspectiva del sistema de almacenamiento de gas en la que se presentan varios cortes parciales permitiéndose ver todos los componentes que integran el sistema de acuerdo con una realización.
La Figura 2 presenta una vista explosionada del sistema de la Figura 1 .
La Figura 3 presenta una vista en sección transversal isométrica del sistema de la Figura 1 cortado por un plano perpendicular al eje de los tubos.
La Figura 4 presenta una vista en sección transversal isométrica del sistema de la Figura 1 cortado por un plano paralelo al eje de los tubos y conteniendo un conducto interior del colector que permite la comunicación de fluidos entre los tubos seccionados.
La Figura 5 presenta una vista en sección transversal isométrica del sistema de la Figura 1 cortado por un plano paralelo al eje de los tubos y conteniendo un conducto interior del colector que permite la comunicación de fluidos entre los tubos seccionados y el exterior del sistema de almacenamiento a través una boquilla.
La Figura 6 presenta una vista en sección transversal isométrica del sistema de la Figura 1 cortado por un plano que contiene los conductos interiores del colector que permiten la comunicación de fluidos entre todos los tubos del sistema, habiéndose omitido la representación de las carcasas laterales, la espuma y el cinturón para mayor claridad.
La Figura 7 presenta una vista isométrica del sistema de la Figura 1 seccionada transversalmente por tres planos ortogonales permitiéndose ver detalles de las uniones entre componentes del sistema.
La Figura 8 presenta una vista frontal de los tubos del sistema de la Figura 1 con un esquema de empaquetamiento cuadrado.
La Figura 9 presenta una vista frontal de los tubos del sistema de la Figura 1 con un esquema de empaquetamiento hexagonal.
La Figura 10 presenta una vista explosionada en perspectiva del sistema de almacenamiento de gas, en la cual se ha omitido la representación de algunos componentes para exponer con claridad el sistema de acuerdo con otra realización.
La Figura 11 presenta una vista en perspectiva del sistema de almacenamiento de gas, en la cual se presenta un corte parcial y se ha omitido la representación de algunos componentes para exponer con claridad el sistema de acuerdo con otra realización.
La Figura 12 presenta una vista en perspectiva del sistema de almacenamiento de gas, en la cual se presenta un corte parcial y se ha omitido la representación de algunos componentes para exponer con claridad el sistema de acuerdo con otra realización.
La Figura 13 presenta una vista en perspectiva del sistema de almacenamiento de gas, en la cual se presenta un corte parcial y se ha omitido la representación de algunos componentes para exponer con claridad el sistema de acuerdo con otra realización.
La Figura 14 presenta una vista en perspectiva del componente denominado cinturón del sistema de almacenamiento de gas donde se ha practicado un corte superficial para presentar con claridad la disposición de fibras de refuerzo que integran el material compuesto del que está constituido. Además, se representa una línea imaginaria con trazado discontinuo sobre el elemento que sirve de referencia para indicar con claridad la disposición de las fibras de refuerzo de este componente.
La Figura 15 presenta una vista en perspectiva del componente denominado tubo del sistema de almacenamiento de gas donde se ha practicado un corte superficial para presentar con claridad la disposición de fibras de refuerzo que integran el material compuesto del que está constituido. Dicha figura incluye dos geometrías de tubos de acuerdo a dos posibles modos de realización. Caracterizándose uno de ellos por el tubo representado a la izquierda de la figura, que presenta una sección transversal circular, y el otro modo de realización, por el tubo representado a la derecha de la figura, que presenta una sección transversal poligonal, en particular con forma de hexágono regular.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
Se centra la atención en las Figuras 1 a 3 en donde se presenta un sistema 100 de acuerdo con una realización, en el cual una pluralidad de tubos 1 de igual longitud, cuyo interior sirve de espacio de almacenamiento de gas, se distribuye en forma de matriz, estando los extremos de los tubos 1 tapados mediante unos colectores 3. El conjunto de tubos 1 y colectores 3 queda envuelto en el interior de un cinturón 2. Los lados no cubiertos por el cinturón 2 se cierran con unas carcasas 7. El espacio restante contenido entre los colectores 3, el cinturón 2 y las carcasas 7, no ocupado por los tubos 1 , se rellena con una espuma rígida 5. Uno de los colectores 3, presenta en un lateral un orificio 13 donde se aloja una boquilla 6 para permitir la entrada y salida del gas al sistema 100. Los tubos 1 se insertan en unos alojamientos 8 que presentan los colectores 3 en la cara expuesta a los tubos 1. Una superficie de unión 9 soldada, adhesiva y/o mecánica, asegura la estanqueidad del sistema 1 en la unión entre los tubos 1 y el colector 3. Las carcasas 7 presentan unas pestañas 21 y 22 para facilitar unión mediante solape de las mismas con otros componentes del sistema 100. Así, las carcasas 7 presentan unas pestañas 21 plegadas que solapan con el cinturón 2 permitiendo una unión soldada, adhesiva y/o mecánica entre ambos componentes. Igualmente, las carcasas 7 presentan unas pestañas 22 que hacen solape con alguna superficie lateral del colector 3 permitiendo la unión soldada, adhesiva y/o mecánica entre ambos componentes.
Se fija la atención ahora en las Figuras 4 a 6, en las cuales se muestra un sistema 100 de acuerdo con la misma realización, en el cual un colector 3 presenta en su interior un conducto principal 10 que se ramifica en conductos secundarios 11 . Estos conductos se conectan mediante orificios 12 con el interior de los tubos 1 permitiendo la comunicación de fluidos entre la pluralidad de tubos 1. El conducto principal 10 se conecta con el orificio 13 haciendo posible la entrada y salida de gases en el sistema 100 a través de la boquilla 6.
El sistema 100 de acuerdo con la misma realización se muestra en la Figura 7 con un detalle en sección por tres planos de corte ortogonales entre sí mostrando aisladamente los componentes principales del sistema 100: tubos 1 , cinturón 2 y colector 3 y su integración entre sí mismos. Además, también se muestra un detalle de la unión del colector 3 con la boquilla 6. El tubo 1 se une al colector 3 mediante una superficie de unión 9 con un espesor de material de soldadura, adhesivo y/o ajuste mecánico que presenta un cordón 14 del mismo material de unión entre ambos componentes situándose en el contorno exterior del tubo 1 a ras con la cara del colector 3 expuesta a los tubos 1 . El colector 3 está fabricado con materiales compuestos de fibra corta y matriz polimérica termoplástica del mismo tipo que los tubos 1 facilitando la unión soldada entre ambos componentes. Un alojamiento 8 permite insertar una porción de longitud del tubo 1 en el interior del colector 3, dicho alojamiento 8 presenta forma de ranura describiendo la figura geométrica de la sección transversal del tubo y con anchura similar al espesor de pared del tubo 1 y una profundidad que permite introducir el tubo 1 una porción de longitud del tubo 1 en el colector 3 suficiente para garantizar la unión estructural y hermética entre ambos componentes. El colector 3 presenta una curvatura 15 en la zona de contacto con el cinturón 2, evitándose el ajuste del cinturón 2 sobre una superficie con esquinas. La unión entre el cinturón 2 y el colector 3 se lleva a cabo mediante una superficie de unión 16 con un espesor de soldadura, adhesivo y/o ajuste mecánico. La boquilla 6 se inserta en el orificio 13 mediante soldadura, adhesivo y/o ajuste mecánico. La boquilla 6 presenta un elemento de anclaje 17 que se encaja en el interior del cuerpo del colector 3.
Centrando la atención en las Figuras 14 y 15 se muestran unos cortes superficiales sobre los componentes cinturón 2 y tubo 1 permitiéndose ver con mayor claridad las fibras de refuerzo de ambos componentes. En particular, las fibras de refuerzo 19 del cinturón 2 están dispuestas en su mayor parte en paralelo a la dirección del lazo 28 que describe el cinturón 2 al enrollar el mismo al conjunto formado por los tubos 1 y los colectores 3. Las fibras de refuerzo 18 de los tubos 1 están dispuestas en su mayor parte circunferencialmente al eje axial del tubo 1 , siguiendo las cuales una trayectoria que se enrolla en torno al eje axial del tubo 1 .
La Figura 8 muestra aisladamente los tubos 1 según un modo de realización del sistema 100 particularizado por presentar una agrupación espacial de la matriz de tubos 1 en la que se sigue un patrón de empaquetamiento cuadrado en la distribución de los mismos, estando el eje de cada tubo 1 localizado en cada nodo de una red plana cuadrada. En esta agrupación los tubos 1 están contacto entre sí, o bien, entre los tubos 1 existe una cierta separación. Los tubos 1 en contacto presentan algún tipo de unión soldada y/o adhesiva en la zona de contacto.
La Figura 9 muestra aisladamente los tubos 1 según un modo de realización del sistema 100 particularizado por presentar una agrupación espacial de la matriz de tubos 1 en la que se sigue un patrón de empaquetamiento triangular en la distribución de los mismos, estando el eje de cada tubo 1 localizado en cada nodo de una red plana triangular. En esta agrupación los tubos 1 están contacto entre sí, o bien, entre los tubos 1 existe una cierta separación. Los tubos 1 en contacto presentan algún tipo de unión soldada y/o adhesiva en la zona de contacto.
La Figura 10 muestra un modo de realización del sistema 100 en el cual se ha omitido la representación de algunos componentes. En este modo de realización los tubos 1 presentan una forma hexagonal 26 en su sección transversal, con los vértices redondeados 27. Los tubos 1 se agrupan empaquetándose siguiendo un patrón triangular con las paredes laterales 23 de cada tubo 1 en contacto con la de los vecinos, disminuyéndose el espacio intersticial en el exterior de los tubos. Así mismo, el colector presenta unos alojamientos 8 para insertar los tubos en forma de ranura 24 siguiendo un patrón similar al corte transversal de la agrupación de tubos 1 . Adicionalmente, cada tramo 25 del patrón de ranuras 24 sirve para alojar las paredes de uno o de dos tubos 1 en contacto.
La Figura 11 muestra los componentes principales del sistema 100 según otro modo de realización en el cual existen al menos dos agrupaciones de tubos 1 caracterizadas por presentar diferente longitud de tubo 1 . Cada agrupación está integrada por tubos 1 de la misma longitud. Esta longitud es diferente para cada agrupación. Este modo de realización permite al sistema 100 configurar espacios para por ejemplo ser acomodado en un vehículo sorteando obstáculos de la arquitectura del mismo. Las agrupaciones comparten un colector 3 común que permite la comunicación de fluidos entre todos los tubos 1 del sistema 100. Los extremos de cada agrupación de tubos 1 opuestos al colector 3 común están insertados en alojamientos 8 de un colector 3 independiente para cada agrupación de tubos 1 . Cada agrupación de tubos 1 está encintada en un cinturón 2 independiente para cada agrupación, conteniendo el colector 3 común, la agrupación de tubos 1 que se trate y el colector 3 independiente conectado a esa agrupación de tubos 1 .
La Figura 12 muestra los componentes principales del sistema 100 según otro modo de realización en el cual existen al menos dos agrupaciones de tubos 1 caracterizadas por presentar una distribución matricial con número de filas y de columnas diferentes. Este modo de realización también permite al sistema 100 configurar espacios para ser acomodado en un vehículo. Las agrupaciones comparten un colector 3 común que permite la comunicación de fluidos entre todos los tubos 1 del sistema 100. El colector 3 común presenta una geometría de la cara expuesta a los tubos 1 que se adapta a la forma matricial de los tubos 1 que se insertan en el mismo. Los extremos de cada agrupación de tubos 1 opuestos al colector 3 común están insertados en alojamientos 8 de un colector 3 independiente para cada agrupación de tubos 1 . Cada agrupación de tubos 1 esta encintada en un cinturón 2 independiente para cada agrupación, conteniendo el colector 3 común, la agrupación de tubos 1 que se trate y el colector 3 independiente conectado a esa agrupación de tubos 1 .
La Figura 13 muestra los componentes principales del sistema 100 según otro modo de realización en el cual existe un colector 3 situado entre medio de dos agrupaciones de tubos 1 . Dicho colector 3 intermedio puede situarse entre más de dos conjuntos de tubos 1 . La longitud de tubo 1 de cada agrupación puede ser diferente. Este colector 3 permite la comunicación de fluidos entre todos los tubos 1 del sistema 100 presentando unas conducciones del mismo tipo a las expuestas anteriormente. Presenta igualmente alojamientos 8 para insertar los tubos 1 en ambas caras expuestas a las agrupaciones de tubos 1. La boquilla 6 se puede incorporar en este colector 3 situado entre tubos. Este modo de realización permite llevar a cabo la entrada y salida del gas al sistema 100 en una localización intermedia y diferente de los extremos del volumen global como ocurre en el caso de los anteriores modos de realización expuestos. La localización de la entrada y salida de gas en una zona intermedia del volumen global del sistema 100 de almacenamiento de gas puede ser ventajoso a la hora de configurar el sistema 100 en el interior de un vehículo. Los extremos libres de las agrupaciones de tubos 1 se conectan con colectores 3 y el conjunto se encinta con un cinturón 2.

Claims

REIVINDICACIONES
1. El sistema (100) de almacenamiento de gas a presión, comprendiendo principalmente dicho sistema (100) de: una pluralidad de tubos (1) distribuidos en el espacio en forma de matriz con los ejes de los tubos (1) paralelos entre sí, almacenándose el gas en el interior de éstos, unos colectores (3) configurados para ser conectados en los extremos de los tubos (1) a modo de tapón múltiple, cerrando el volumen interior de todos los tubos (1) del sistema (100), y uno o varios cinturones (2) que envuelven el conjunto formado por los tubos (1) conectados a los colectores (3), el cual o los cuales soportan la carga que el gas a presión en el interior de los tubos (1) ejerce sobre los colectores (3).
2. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1, en el cual: al menos un colector (3) posee una boquilla (6) que sirve de entrada y salida de gas al sistema (100), uno o más colectores poseen en su interior una conducción que permite la comunicación de fluidos entre todos los tubos (1) del sistema (100), estando al menos una conducción conectada con la boquilla (6), unas carcasas (7) se ubican en los laterales del sistema (100) que no quedan cubiertos por el cinturón (2), una espuma rígida (5) ocupa el volumen exterior a los tubos (1) que queda comprendido entre el cinturón (2), los colectores (3) y las carcasas (7), los colectores (3) presentan unos alojamientos (8) para facilitar la acomodación de los extremos de los tubos (1) sobre el cuerpo de los colectores (3), entre los extremos de los tubos (1) y los alojamientos (8) existe una superficie de unión (9) caracterizada por un sobre espesor de material de soldadura, adhesivo y/o ajuste mecánico, las carcasas (7) presentan unas pestañas (21) plegadas que solapan con el cinturón (2) permitiendo una unión soldada, adhesiva y/o mecánica entre ambos componentes. Igualmente, las carcasas (7) presentan unas pestañas (22) que hacen solape con alguna superficie lateral del colector (3) permitiendo la unión soldada, adhesiva y/o mecánica entre ambos componentes, y en el cual un recubrimiento en la superficie interior a los tubos (1) disminuye la permeabilidad a través de las paredes del tubo (1) del gas almacenado en su interior.
3. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual: la conducción interior de los colectores (3) que permite la comunicación de fluidos entre los tubos (1) está formada por un conducto principal (10), el cual se ramifica en
16
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26) conductos secundarios (11), y unos orificios (12) comunican cada uno de los tubos con la conducción interior, y en el cual la conducción interior está comunicada con la boquilla (6) a través de un orificio (13).
4. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1, en el cual: los tubos (1) están fabricados en material compuesto con fibra unidireccional continua con la dirección de las fibras de refuerzo (18) orientada mayormente en la dirección circunferencial de la sección transversal del tubo, encargándose esta fibra de soportar la tensión circunferencial que ejerce el gas sobre el tubo (1), y en el cual los cinturones (2) están fabricados en material compuesto con fibra unidireccional continua, estando las fibras de refuerzo (19) del cinturón (2) dispuestas en su mayor parte en paralelo a la dirección del lazo (28) que describe el cinturón (2) al ser enrollado el mismo al conjunto formado por los tubos (1) y los colectores (3), destinándose las fibras de refuerzo (19) del cinturón (2) a soportar las tensiones axiales que el gas ejerce sobre los colectores (3) y son transmitidas a los cinturones (2).
5. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1, en el cual: los colectores (3) presentan una superficie curvada (15) que permite el enrollamiento del cinturón (2) de forma suave evitando curvas quebradas en los cambios de dirección del cinturón (2) al ser enrollado en el conjunto formado por los tubos (1) y los colectores (3), y en el cual, una superficie (16) en la zona de contacto entre el cinturón (2) y los colectores (3) permite la unión soldada, adhesiva y/o mecánica entre ambos componentes.
6. El sistema (100) de acuerdo a las reivindicaciones de 1 a 3, en el cual: la boquilla (6) presenta un elemento de anclaje (17) localizada en el interior del cuerpo del colector (3) que permite mejorar la unión soldada, adhesiva y/o mecánica entre ambos componentes, y en el cual, los colectores (3) están fabricados con materiales compuestos de fibra corta y matriz polimérica termoplástica del mismo tipo que los tubos (1) facilitando la unión soldada entre ambos componentes.
7. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicaciones 1 y 2, en el cual: un alojamiento (8) permite insertar una porción de longitud del tubo (1) en el interior del colector (3), dicho alojamiento (8) presenta forma de ranura describiendo la figura geométrica de la sección transversal del tubo y con anchura similar al espesor de pared del tubo (1) y una profundidad que permite introducir el tubo (1) una porción de longitud del tubo (1) en el colector (3) suficiente para garantizar la unión estructural y hermética entre ambos componentes,
17
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26) existiendo una superficie de unión (9) soldada, adhesiva y/o mecánica entre tubo y colector que comprende toda la zona de contacto entre el colector (3) y el tubo (1) al ser insertado el uno en el otro, y en el cual, un cordón (14) de unión soldada o adhesiva se aplica entre el tubo (1) y el colector (3) en la superficie exterior al tubo (1) y el borde exterior del alojamiento (8) en la superficie del colector (3) expuesta a los tubos (1).
8. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1, en el cual: el conjunto de tubos (1) está ordenado en el espacio agrupándose con los centros geométricos de la sección transversal de los tubos (1) posicionados en los nodos de una red plana cuadrada, o bien, en los nodos de una red plana triangular, con objeto de maximizar el factor de empaquetamiento de los tubos (1).
9. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1, en el cual: los tubos (1) están contacto entre sí, o bien, entre los tubos (1) existe una cierta separación, y en el cual los tubos (1) en contacto presentan algún tipo de unión soldada y/o adhesiva en la zona de contacto.
10. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1, en el cual: los tubos (1) presentan una geometría circular en la sección transversal de los mismos, o bien, los tubos (1) presentan una geometría en la sección transversal poligonal hexagonal (26) con vértices redondeados (27) donde los lados (23) de los tubos (1) están en contacto entre sí formando una red plana triangular.
11. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1 , 7, 9 y 10, en el cual: el alojamiento (8) está constituido por un patrón de ranuras (24) que permite insertar una agrupación de tubos (1) que se encuentran en contacto entre sí, sirviendo cada tramo (25) del patrón de ranuras (24) para alojar los lados (23) de las paredes de uno o de dos tubos (1) en contacto.
12. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual: la agrupación de tubos (1) está constituida por tubos (1) de igual longitud, o bien, la agrupación de tubos (1) está constituida por varios subgrupos de tubos caracterizándose cada subgrupo por una longitud de tubo (1) igual dentro del subgrupo y diferente para cada subgrupo, distribuyéndose los subgrupos en distintos tramos a lo largo de un colector (3) común que contiene la conducción interior que permite la comunicación de fluidos entre todos los tubos (1) del sistema (100) y existiendo un cinturón (2) diferente para cada subgrupo de tubos (1) y un colector (3) opuesto al colector (3) común para cada subgrupo de tubos (1).
18
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
13. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual: la agrupación de tubos (1) se distribuye en forma de matriz con un determinado número de filas y de columnas, o bien, la agrupación de tubos (1) se compone de varios subgrupos de tubos (1) caracterizándose cada subgrupo de tubos (1) por presentar una distribución en forma de matriz con número de filas y columnas diferentes para cada subgrupo, existiendo un cinturón (2) diferente para cada subgrupo, y siendo los colectores (3) comunes para todos los subgrupos.
14. El sistema (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual: - se presenta al menos un colector (3) intermedio a dos o más conjuntos de tubos (1), en el cual existe una conducción interior que permite la comunicación de fluidos entre todos los tubos (1) del sistema (100) y contiene la boquilla (6) para la carga y descarga de gas del sistema (100), dicho colector (3) intermedio posee alojamientos (8) en lados opuestos, en los cuales se insertan tubos (1) que se extienden una determinada longitud a cada lado, y en el cual los extremos de estos tubos son taponados con colectores (3) y todo el conjunto es envuelto con un cinturón (2).
19
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
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