專利名稱：高能量密度彈性儲(chǔ)能器及其使用方法
高能量密度彈性儲(chǔ)能器及其使用方法本申請(qǐng)要求2009年4月6日提交的、發(fā)明名稱為“高能量存儲(chǔ)密度彈性體儲(chǔ)能器”的第61/167，073號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其以引用的方式被全文結(jié)合到這里。我們知道，居住在4601 Park Ave. , Nashville, TN 37209 的美國公民 EricJ. Barth ;居住在 513 Cedar Brook Lane, Nolensville, TN 37135 的美國公民 AlexanderV. Pedchenko ;居住在 846 Shoreline Cricle, Ponte Vedra Beach, FL32082 的美國公民Karl Brandt ;和居住在 1130 South Tamarisk Drive, Anaheim Hills, CA 92807 的美國公民Oliver E. Tan,已經(jīng)發(fā)明了新的和有用的“高能量密度彈性儲(chǔ)能器及其使用方法”。關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明本發(fā)明部分地獲得了國家科學(xué)基金會(huì)的小型和高效流體動(dòng)力工程研究中心下的聯(lián)邦政府資助款，資助號(hào)為0540834。美國政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。參考的微縮膠片附錄不適用。
背景技術(shù)：
儲(chǔ)能器設(shè)計(jì)中的一個(gè)最緊迫的挑戰(zhàn)是制作可以用在多種工業(yè)中的輕量裝置。液壓儲(chǔ)能器是一般用來提供補(bǔ)充性的流體動(dòng)力且吸收震動(dòng)的能量存儲(chǔ)裝置。這些裝置的一個(gè)尤其有趣的最近應(yīng)用是再生制動(dòng)。盡管在理論上是吸引人的概念，但是，由于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能器的一些主要的固有缺陷和不理想的性能，液壓再生剎車(HRB)是難以實(shí)現(xiàn)的。氣囊儲(chǔ)能器和預(yù)先充氣的活塞式儲(chǔ)能器(PAGPs)使用氣體進(jìn)行能量存儲(chǔ)，并且因此，是比它們的彈簧活塞對(duì)應(yīng)部件輕很多的。在這些儲(chǔ)能器中，被囊或活塞分離開的氣體，占據(jù)否則被不可壓縮的流體填充的容器的一定容積。當(dāng)強(qiáng)迫流體進(jìn)入這個(gè)容器時(shí)，分離的容積內(nèi)側(cè)的氣體被壓縮并且將能量存儲(chǔ)在熱域(thermal domain)中(氣體動(dòng)力學(xué)理論)。這種儲(chǔ)能器有兩個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)1)由于熱損失導(dǎo)致效率低下；和2)氣體通過囊擴(kuò)散到液壓流體中。由于熱損失而引起的無效率的缺點(diǎn)是可克服的，但是氣體擴(kuò)散問題引起與氣體通常從流體出來的“放出(bleeding) ”相關(guān)的高維護(hù)成本。關(guān)于效率低下，如果不很快取回存儲(chǔ)在這種儲(chǔ)能器的壓縮氣體中的能量，熱從氣體流到它的緊鄰圍繞物導(dǎo)致能取回的能量更少。已經(jīng)示出，當(dāng)氣體壓縮和膨脹之間經(jīng)過的時(shí)間低至50秒時(shí),活塞式氣體儲(chǔ)能器的效率能降低到大約60%。Pourmovahed, A. , Baum,
S.A. , Fronczak, F. J ,和 Beachley, N. H. , 1988. “Experimental Evaluation of HydraulicAccumulator Efficiency With and Without Elastomeric Foam，，. Journal of Propulsionand Power,4(2), March-ApriI, pp. 188。因?yàn)樵诩t燈時(shí)保持這么長時(shí)間或更長時(shí)間車輛保持固定不動(dòng)，這使得氣囊和預(yù)先充氣的活塞式儲(chǔ)能器對(duì)于HRB應(yīng)用來說不是理想的。已經(jīng) 提出了減輕這些熱損失的幾種方法。對(duì)于預(yù)先充氣的活塞式儲(chǔ)能器，一種方法包括將彈性體泡沫放置在氣體殼體(enclosure)中。這個(gè)泡沫起到吸收在氣體壓縮期間產(chǎn)生的熱的目的，否則的話在所述氣體壓縮期間產(chǎn)生的熱被傳遞到氣體殼體的壁，并且最終損失掉。泡沫能收集大量的這種產(chǎn)生的熱并且當(dāng)氣體膨脹時(shí)能將它返回給氣體。根據(jù)Pourmovahed,“將合適量的彈性體泡沫插入到氣體殼體中...[能]實(shí)質(zhì)上消除熱損失”。Pourmovahed,A. , Baum, S. A. , Fronczak, F. J.,和 Beachley, N. H. , 1988. “Experimental Evaluation ofHydraulic Accumulator Efficiency With and Without Elastomeric Foam，，. Journal ofPropulsion and Power,4(2) ,March-ApriI,pp. 188。包括彈性體泡沫已經(jīng)顯示能如何改進(jìn)儲(chǔ)能器的效率，然而，這種修改仍不能解決與現(xiàn)有儲(chǔ)能器相關(guān)的其它問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明披露了用于依靠應(yīng)變材料而存儲(chǔ)液壓能量的儲(chǔ)能器。所披露的儲(chǔ)能器可以用來接納流體，諸如液壓流體，以在儲(chǔ)能器內(nèi)膨脹彈性囊。儲(chǔ)能器將保持所存儲(chǔ)的應(yīng)變能量直到釋放流體，從而彈性囊返回到第一構(gòu)造。在某些實(shí)施方式中，儲(chǔ)能器包括具有恒定的未伸展的直徑的管狀可膨脹構(gòu)件，諸如囊，其中管狀可膨脹構(gòu)件具有開口端和閉合端，其中所述構(gòu)件具有大約IOOOpsi的最小屈服強(qiáng)度，其中所述構(gòu)件具有大約100%的最小伸長率，和外殼，所述外殼圍繞所述構(gòu)件，使得所述膨脹構(gòu)件被容納在所述外殼內(nèi)，其中所述外殼將所述構(gòu)件的徑向膨脹限制到小于所述構(gòu)件的最大不受拘束徑向膨脹的膨脹點(diǎn)。本發(fā)明的其它實(shí)施方式包括與所述管狀可膨脹構(gòu)件流體連通的液壓流體源。本發(fā)明的另一實(shí)施方式是一種儲(chǔ)能器，所述儲(chǔ)能器包括囊，其中所述囊具有第一端，其中所述第一端限定開口，使得流體可以進(jìn)入所述囊以徑向地和軸向地膨脹所述囊，其中所述囊是彈性體；具有第一端和第二端的罩殼，其中所述罩殼圍繞所述囊，其中所述罩殼限制所述囊的徑向膨脹，使得所述囊 不會(huì)伸展到所述囊的最大不受拘束徑向膨脹，其中所述罩殼的第一端限定圍繞所述囊的開口的開口，使得流體可以進(jìn)入所述罩殼到所述囊中；其中所述罩殼限定第二開口，使得當(dāng)所述囊填充流體并且在所述罩殼內(nèi)膨脹時(shí)空氣可以排出所述罩殼。所述儲(chǔ)能器的其它實(shí)施方式包括在所述罩殼上的潤滑劑，使得所述囊和所述罩殼之間的接觸被潤滑。在所述儲(chǔ)能器的再其它實(shí)施方式中，所述囊是彈性體，諸如聚氨酯或丁腈橡膠。在所述儲(chǔ)能器的再其它實(shí)施方式中，所述囊具有圓形橫截面形狀。本發(fā)明的另一實(shí)施方式是一種儲(chǔ)能器，該儲(chǔ)能器包括膨脹構(gòu)件，其中所述膨脹構(gòu)件限定用于流體源進(jìn)入和流出的開口，其中所述膨脹構(gòu)件具有內(nèi)表面和外表面，其中所述膨脹構(gòu)件適于響應(yīng)于流體連通而從第一構(gòu)造膨脹到第二構(gòu)造，并且然后返回到第一構(gòu)造；圍繞所述膨脹構(gòu)件的剛性支撐結(jié)構(gòu)，其中所述剛性支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)直徑小于所述膨脹構(gòu)件的在所述膨脹構(gòu)件膨脹到最大不受拘束徑向膨脹時(shí)的外表面的直徑；與所述膨脹構(gòu)件流體連通的流體源；和用于提供所述膨脹構(gòu)件和所述流體源之間的流體連接的管道。在所述儲(chǔ)能器在再其它實(shí)施方式中，所述膨脹構(gòu)件是可反復(fù)地膨脹的材料。在所述儲(chǔ)能器的其它實(shí)施方式中，所述膨脹構(gòu)件的內(nèi)表面具有軸向凹槽，所述軸向凹槽沿所述構(gòu)件的長度延伸，使得所述構(gòu)件的膨脹能膨脹所述凹槽。在所述儲(chǔ)能器的更其它實(shí)施方式中，在所述膨脹構(gòu)件的開口附近所述膨脹構(gòu)件的厚度減小，使得當(dāng)流體進(jìn)入所述構(gòu)件時(shí)所述構(gòu)件的膨脹在那個(gè)位置處開始，因此通過促進(jìn)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)而減少構(gòu)件在剛性支撐結(jié)構(gòu)上的滑動(dòng)。在本發(fā)明的更其它實(shí)施方式中，所述剛性支撐結(jié)構(gòu)具有圓形橫截面形狀。在本發(fā)明的再另一實(shí)施方式中，所述剛性支撐結(jié)構(gòu)具有至少2000psi的壓力定額。在本發(fā)明的更另一實(shí)施方式中，所述剛性支撐結(jié)構(gòu)是有排氣孔的。因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供利用應(yīng)變能量存儲(chǔ)液壓能量的儲(chǔ)能器。本發(fā)明的另一方面是提供用于通過使用可膨脹的儲(chǔ)能器存儲(chǔ)能量的方法。
本發(fā)明的再另一提供是提供小型的和輕量的儲(chǔ)能器，使得它可以用在客車上。


圖I是本發(fā)明的一實(shí)施方式的分解圖的透視圖。在其內(nèi)示出了由剛性外殼設(shè)備圍繞的管狀可膨脹囊。圖2是本發(fā)明的一實(shí)施方式的橫截面圖。示出了具有囊的儲(chǔ)能器。囊被保護(hù)性外殼圍繞。囊是空的并且處于未膨脹的構(gòu)造。當(dāng)囊填充加壓流體并膨脹時(shí)這種構(gòu)造將變化，如同在圖3和4中所示的那樣。 圖3是圖2中所示的實(shí)施方式在一些加壓流體開始膨脹所述囊之后的橫截面圖。這個(gè)圖和圖4沒有示出提供加壓流體的流體源或流體管道。在圖7中示出了那些物品。圖4是圖3中所示的實(shí)施方式在更多的加壓流體膨脹所述囊之后的橫截面圖。在其內(nèi)示出了充滿流體已經(jīng)完全膨脹了的囊。囊緊縮的相反過程將在壓力下強(qiáng)制地排出流體。也示出了保護(hù)外殼限制所述囊的徑向膨脹。圖5是這里所描述的囊的一實(shí)施方式的橫截面圖。在其內(nèi)示出了軸對(duì)稱地或以其它方式的、在囊的開口附近的切口，其減少囊的厚度，以促使囊的徑向膨脹在那個(gè)位置開始。圖6是囊連接到流體管道的一實(shí)施方式的側(cè)視圖。在其內(nèi)示出了由壓縮環(huán)和連接螺母圍繞的囊的頸部。當(dāng)連接螺母緊固到流體管道的螺紋部分時(shí)所述囊的頸部與流體管道流體連接。圖7是本發(fā)明的一實(shí)施方式的側(cè)視圖。在其內(nèi)示出了與儲(chǔ)能器流體連通的流體源，諸如車輛的液壓流體系統(tǒng)。當(dāng)液壓流體通過流體管道進(jìn)入在保護(hù)罩殼內(nèi)的囊時(shí)，存儲(chǔ)應(yīng)變能量。如果附接的液壓系統(tǒng)允許流體在由囊的強(qiáng)有力的緊縮供應(yīng)的壓力下流出所述囊，那么本發(fā)明將以液壓能量的形式釋放它的存儲(chǔ)的應(yīng)變能量。兩個(gè)托架將罩殼附接到車輛的另一部件(未示出)，從而以穩(wěn)定的方式設(shè)置所述罩殼。圖8是在圖7中所示的本發(fā)明的實(shí)施方式的沿著圖7中所示的線的橫截面圖。在其內(nèi)示出了罩殼和囊。圖9是囊的另一實(shí)施方式的橫截面圖。不是具有如同圖8的實(shí)施方式的囊所示的圓形內(nèi)表面，這個(gè)另一實(shí)施方式具有帶有凹槽的內(nèi)表面。圖10是用于測試囊的系統(tǒng)的一實(shí)施方式的示意性的圖表，如同這里進(jìn)一步描述的那樣。圖11是操作圖10中所披露的系統(tǒng)的方法的步驟的示意性的圖表。圖12示出了被稱作NBR6212的材料的三個(gè)樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如同這里進(jìn)一步描述的那樣。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明披露了具有管狀可膨脹囊12的彈性儲(chǔ)能器10，所述管狀可膨脹囊12可反復(fù)地膨脹和基本返回到它的原始形狀而不會(huì)疲勞。外殼14圍繞儲(chǔ)能器10的囊12，所述外殼14限制所述囊12的徑向膨脹，以防止過渡膨脹導(dǎo)致的囊12的塑性變形。在使用時(shí)，流體，諸如液壓流體，在壓力下進(jìn)入囊12并且將囊12膨脹到與外殼14相接觸的點(diǎn)。當(dāng)期望取回所存儲(chǔ)的能量時(shí)，使流體流動(dòng)反向并且強(qiáng)制排出流體，隨著囊12恢復(fù)到它的原始形狀和構(gòu)造，將應(yīng)變能量轉(zhuǎn)變回成液壓能量?，F(xiàn)在參考圖I，示出了本發(fā)明的一實(shí)施方式的分解圖。儲(chǔ)能器10包括在外殼14內(nèi)的管狀可膨脹囊12。囊12的頸部18附接到流體管道28，使得囊12的本體22可以如同這里所披露的那樣地膨脹和縮回。外殼14的第一端24包括與囊12的用于流體流動(dòng)的開口28相對(duì)準(zhǔn)的開口 26。在某些實(shí)施方式中，囊12可以通過開口 26被插入到外殼14中。液壓儲(chǔ)能器作為背景技術(shù)，對(duì)于液壓儲(chǔ)能器，使用下面的等式能得到最高可達(dá)到的系統(tǒng)的體積能量密度
權(quán)利要求
1.一種儲(chǔ)能器,包括 具有恒定的未伸展直徑的管狀可膨脹構(gòu)件，其中所述管狀可膨脹構(gòu)件具有開口端和閉合端，其中所述構(gòu)件具有大約IOOOpsi的最小屈服強(qiáng)度，其中所述構(gòu)件具有大約100%的最小伸長率，其中所述構(gòu)件能存儲(chǔ)最小20kJ的應(yīng)變能量； 外殼，所述外殼圍繞所述構(gòu)件，使得所述膨脹構(gòu)件被容納在所述外殼內(nèi)，其中所述外殼將所述構(gòu)件的徑向膨脹限制為小于所述構(gòu)件的最大不受拘束徑向膨脹的膨脹點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求I所述的儲(chǔ)能器，進(jìn)一步包括與所述管狀可膨脹隔膜流體連通的液壓流體源。
3.—種儲(chǔ)能器,包括 囊，其中所述囊具有第一端，其中所述第一端限定開口，使得流體能進(jìn)入所述囊以徑向地和軸向地膨脹所述囊，其中所述囊是彈性體； 具有第一端的罩殼，其中所述罩殼圍繞所述囊，其中所述罩殼限制所述囊的徑向膨脹，使得所述囊不會(huì)伸展到所述囊的最大不受拘束徑向膨脹，其中所述罩殼的第一端限定圍繞所述囊的開口的第一開口，使得流體能進(jìn)入所述罩殼到所述囊中； 其中所述罩殼限定第二開口，使得當(dāng)所述囊填充流體并且在所述罩殼內(nèi)膨脹時(shí)空氣可以排出所述罩殼。
4.如權(quán)利要求3所述的儲(chǔ)能器，進(jìn)一步包括在所述罩殼上的潤滑劑，從而潤滑所述囊和所述罩殼之間的接觸。
5.如權(quán)利要求3所述的儲(chǔ)能器，其中所述囊是聚氨酯。
6.如權(quán)利要求3所述的儲(chǔ)能器，其中所述囊是丁腈橡膠。
7.如權(quán)利要求3所述的儲(chǔ)能器，其中所述囊具有圓形橫截面形狀。
8.—種儲(chǔ)能器,包括 膨脹構(gòu)件，其中所述膨脹構(gòu)件限定用于流體源進(jìn)入和流出的開口，其中所述膨脹構(gòu)件具有內(nèi)表面和外表面，其中所述膨脹構(gòu)件適于響應(yīng)于流體連通而從第一構(gòu)造膨脹到第二構(gòu)造，并且然后返回到第一構(gòu)造； 圍繞所述膨脹構(gòu)件的剛性支撐結(jié)構(gòu)，其中所述剛性支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)直徑小于所述膨脹構(gòu)件在它膨脹到最大不受拘束徑向膨脹時(shí)的外表面的直徑； 與所述膨脹構(gòu)件流體連通的流體源； 用于提供所述膨脹構(gòu)件和所述流體源之間的流體連接的管道。
9.如權(quán)利要求8所述的儲(chǔ)能器，其中所述膨脹構(gòu)件是可重復(fù)膨脹的材料。
10.如權(quán)利要求8所述的儲(chǔ)能器，其中所述膨脹構(gòu)件的內(nèi)表面具有軸向凹槽，所述軸向凹槽在所述構(gòu)件的長度上延伸，使得所述構(gòu)件的膨脹能使所述凹槽膨脹。
11.如權(quán)利要求8所述的儲(chǔ)能器，其中在所述膨脹構(gòu)件的開口附近所述膨脹構(gòu)件的厚度減小，使得當(dāng)流體進(jìn)入所述構(gòu)件時(shí)所述構(gòu)件的膨脹在這個(gè)位置處開始。
12.如權(quán)利要求8所述的儲(chǔ)能器，其中所述剛性支撐結(jié)構(gòu)具有圓形橫截面形狀。
13.如權(quán)利要求8所述的儲(chǔ)能器，其中所述剛性支撐結(jié)構(gòu)具有大約2000psi的最小壓力額定值。
14.如權(quán)利要求8所述的儲(chǔ)能器，其中所述剛性支撐結(jié)構(gòu)具有排氣孔。
全文摘要
本發(fā)明是儲(chǔ)能器，該儲(chǔ)能器通過響應(yīng)于加壓流體的流動(dòng)而從它的原始形狀變形，進(jìn)而存儲(chǔ)能量。當(dāng)流體流動(dòng)反向且儲(chǔ)能器返回到它的原始形狀時(shí)，返回所存儲(chǔ)的能量。所述儲(chǔ)能器的新穎之處的至少一個(gè)部分是它吸收可伸展囊的彈性應(yīng)變能量，而不是如同在傳統(tǒng)的儲(chǔ)能器中通?？吹降哪菢右揽繗怏w和金屬用于能量存儲(chǔ)。
文檔編號(hào)F15B1/027GK102803743SQ201080024882
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月6日
發(fā)明者E.J.巴思, A.V.佩德欽科, K.布蘭特, O.E.坦 申請(qǐng)人:范德比爾特大學(xué)