高保形性的壓力容器的制造方法
【專利摘要】提供一種被配置成用于存儲加壓流體的壓力容器，其包括多個凸齒。每個凸齒包括至少一個垂直布置的內(nèi)壁。所述多個凸齒以并排配置來安置，使得第一凸齒的第一內(nèi)壁與第二相鄰?fù)过X的第二內(nèi)壁相鄰安置。所述第一內(nèi)壁與所述第二內(nèi)壁被配置成在第一切點彼此接觸。第一切線與第一凸齒相交于第一切點，且第二切線與第二凸齒相交于第一切點。第一切線與第二切線相隔約120°。
【專利說明】高保形性的壓力容器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2013年11月8日提交的、美國臨時專利申請序列號61/901524的權(quán)益，該臨時申請的全部內(nèi)容通過引用并入本文。
[0002]關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)的聲明
本發(fā)明是在針對用于可保形C N G罐的A R P A - E低成本混合材料和制造的協(xié)議D E -AR0000254下借助政府支持完成的。政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。
[0003]發(fā)明背景
本發(fā)明的示例性實施方案一般涉及用于輸送、存儲或利用加壓流體的壓力容器，且更具體地說，涉及具有高保形率的最佳化的壓力容器。
[0004]壓力容器廣泛地用于在壓力下存儲液體和氣體。壓力容器的存儲容量取決于壓力容器的內(nèi)體積和容器能夠安全地含有的壓力。除其存儲容量外，壓力容器的尺寸、內(nèi)部的形狀、外部的形狀和重量可以針對具體的應(yīng)用而定制。
[0005]壓力容器的一種增長的應(yīng)用是存儲壓縮天然氣(CNG)?，F(xiàn)有相對較大的多凸齒儲罐用于輸送或存儲加壓流體。此項基礎(chǔ)技術(shù)可以延伸至使得能夠在壓力下處置流體的較小儲罐的制造能夠相對廉價且在商業(yè)上可行。因為鋼瓶的氣體體積密度低，所以當(dāng)前機(jī)動車輛中行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶用于CNG受到限制。具有足以實現(xiàn)可與常規(guī)機(jī)動車匹敵的車輛駕駛范圍的天然氣的儲罐將是巨大且大體積的，并將需要一般將另外作為有效載貨空間的空間。
發(fā)明概要
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供一種被配置成用于存儲加壓流體的壓力容器，其包括多個凸齒。每個凸齒包括至少一個垂直布置的內(nèi)壁。所述多個凸齒以并排配置來安置，使得第一凸齒的第一內(nèi)壁與第二相鄰?fù)过X的第二內(nèi)壁相鄰安置。所述第一內(nèi)壁與所述第二內(nèi)壁被配置成在第一切點彼此接觸。第一切線與第一凸齒相交于第一切點，且第二切線與第二凸齒相交于第一切點。第一切線與第二切線相隔約120°。
[0007]圖示簡單說明
在說明書完結(jié)時在權(quán)利要求書中特別指出且清楚地要求被視作本發(fā)明的主題。從以下詳細(xì)描述，結(jié)合隨附圖式，可顯而易見本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點，在所述圖式中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案被配置成用于存儲加壓流體的壓力容器的透視圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的壓力容器的一部分的分解端視圖；
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的壓力容器的裝配部分的端視圖；
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的另一壓力容器的透視圖；
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的壓力容器的末端凸齒的橫斷面圖；
圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的壓力容器的一部分的透視圖；
圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的壓力容器的分解透視圖；
圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的壓力容器的分解透視圖；
圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的壓力容器的末端的部分透明的透視圖； 圖10是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的壓力容器的部分橫斷面圖；以及圖11是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的壓力容器的末端的透視圖。
[0008]詳細(xì)描述例如參考圖式，說明本發(fā)明的實施方案以及優(yōu)點和特征。
[0009]發(fā)明詳述
現(xiàn)參見圖1，展示了被配置成用于存儲高壓流體或氣體的壓力容器或儲罐20的一個實例?？梢源鎯υ趬毫θ萜?0內(nèi)的示例性流體或氣體包括(但不限于)例如壓縮天然氣(CNG)、氫氣、丙烷、甲烷、空氣和液壓用液體。壓力容器20包括多個總體上圓筒形的凸齒，所述凸齒包括左端凸齒25和右端凸齒30。在所展示的非限制性實施方案中，壓力容器20另外包括多個基本上一致的內(nèi)部凸齒35，例如5個內(nèi)部凸齒35 ；然而，具有許多內(nèi)部凸齒35的壓力容器20在本發(fā)明的范圍內(nèi)。左端凸齒25、一個或多個內(nèi)部凸齒35和右端凸齒30并排安置并通過多個接頭接合在一起(參見圖4)。由于此布置，所以壓力容器20的整個配置總體上呈矩形。
[0010]現(xiàn)參見圖2-5，更詳細(xì)地提供壓力容器20的個別凸齒25、30、35。左端凸齒25和右端凸齒30基本上一致，且經(jīng)過布置，使得右端凸齒30相對于左端凸齒25旋轉(zhuǎn)180度，或彼此呈鏡像布置。末端凸齒25、30包括總體上圓筒形的外壁40，其具有第一厚度。內(nèi)壁45在圓筒形外壁40的第一末端42與第二末端44之間總體上垂直延伸且厚度等于外壁40厚度的一半。在一個實施方案中，內(nèi)壁45與圓筒形外壁40的末端42、44形成一體。圓筒形外壁40的曲率的至少一部分是由半徑R界定。在一個實施方案中，與內(nèi)壁45相對的外壁40部分包括圓形形狀，或如由半徑R界定的總體上240°角的曲線。因此，末端凸齒25、30的總高度等于圓筒形外壁40的半徑R的長度兩倍。垂直內(nèi)壁45總體上與垂直平面P平行并與其相隔一定距離，所述垂直平面P包括界定外壁40的曲率的半徑R的起點。在一個實施方案中，內(nèi)壁45與平行的垂直平面P之間的距離為約半徑R長度的一半。因此，末端凸齒25、30總體上的寬度等于外壁40的曲率半徑R的長度的約1.5倍。
[0011 ] 所示內(nèi)部凸齒35包括垂直布置的第一內(nèi)部側(cè)壁50和第二內(nèi)部側(cè)壁55，彼此相隔一定距離。在一個實施方案中，內(nèi)部凸齒35的寬度總體上等于末端凸齒25、30的曲率半徑R。第一內(nèi)部側(cè)壁50和第二內(nèi)部側(cè)壁55的厚度一致并等于末端凸齒25、30的內(nèi)壁45的厚度。第一外壁60在第一內(nèi)部側(cè)壁50的第一末端52與第二內(nèi)部側(cè)壁55的第一末端56之間延伸。類似地，第二外壁65在第一內(nèi)部側(cè)壁50的第二末端54與第二內(nèi)部側(cè)壁55的第二末端58之間延伸。第一外壁60和第二外壁65的厚度基本上與末端凸齒25、30的彎曲外壁40的厚度一致。在一個實施方案中，多個內(nèi)壁50、55和多個外壁60、65形成一體。
[0012]第一外壁60和第二外壁65的曲率可由圓形形狀或總體上60°角度的曲線由半徑R界定。在一個實施方案中，內(nèi)部凸齒35的曲率半徑R基本上與末端凸齒25、30的曲率半徑R—致。因此，第一曲壁60與第二曲壁65之間的距離是曲率半徑R的長度的兩倍，因此基本上等于末端凸齒25、30的高度。
[0013]當(dāng)裝配壓力容器20時，每個內(nèi)壁45、50、55與另一內(nèi)壁45、50、55直接相鄰安置。舉例來說，在不具有任何內(nèi)部凸齒35的壓力容器20中，左端凸齒25的內(nèi)壁45緊挨右端凸齒30的內(nèi)壁45布置。在具有單個內(nèi)部凸齒35的壓力容器20中，第一內(nèi)部側(cè)壁50鄰接左端凸齒25的內(nèi)壁45，且第二內(nèi)部側(cè)壁55鄰接右端凸齒30的內(nèi)壁45。在包括多個內(nèi)部凸齒35的實施方案中，至少一個內(nèi)部凸齒35的第二內(nèi)部側(cè)壁55緊挨相鄰內(nèi)部凸齒35的第一內(nèi)部側(cè)壁50布置。內(nèi)部凸齒的曲率半徑R的起點與相鄰?fù)过X，末端凸齒25、30或另一內(nèi)部凸齒35的曲率半徑R的起點之間的距離總體上等于曲率半徑R的長度。另外，壓力容器20的總寬度總體上等于三與內(nèi)部凸齒35全部數(shù)目之和乘以曲率半徑R的長度。
[0014]當(dāng)壓力容器20的凸齒25、30、35并排安置時，兩個相鄰的凸齒，例如左端凸齒25和右端凸齒30、左端凸齒25和內(nèi)部凸齒35、內(nèi)部凸齒35和右端凸齒30或兩個內(nèi)部凸齒35例如被配置成彼此在第一切點70和第二切點75接觸。如圖3中展示，在左端凸齒25與內(nèi)部凸齒35之間的形成的第一切點布置于在內(nèi)壁45與第一內(nèi)部側(cè)壁50之間延伸的垂直平面Vl內(nèi)。第一切線Tl在第一切點70基本上垂直于左凸齒25的彎曲外壁40的半徑。類似地，第二切線T2在第一切點70垂直延伸至內(nèi)部凸齒35的彎曲外表面60的半徑。在一個實施方案中，第一切線Tl與第二切線T2彼此相隔120°且與在相鄰內(nèi)壁45、50之間延伸的垂直平面相隔120°。
[0015]在一個實施方案中，壓力容器20關(guān)于水平面H對稱，所述水平面H延伸穿過凸齒25、30、35每一者的曲率半徑R的起點。因此，第二切點75布置在相同的垂直平面Vl內(nèi)，所述垂直平面Vl在相鄰的左端凸齒25的內(nèi)壁45與內(nèi)部凸齒35的內(nèi)壁50之間延伸。第一切線T3在第二切點75垂直于左凸齒25的彎曲外壁40的半徑延伸。類似地，第二切線T4在第二切點75基本上垂直于內(nèi)部凸齒35的彎曲外表面65的半徑布置。第一切線T3和第二切線T4類似地與彼此和垂直平面Vl呈120°角度布置。雖然第一切點和第二切點在本文中是相對于左端凸齒25和內(nèi)部凸齒35之間的界面描述，但類似的第一切點70和第二切點75存在于每一對相鄰的凸齒之間的界面上。
[0016]現(xiàn)參見圖4和5，末端凸齒25、30可包括至少一個與彎曲外壁40形成一體的其它圓筒形區(qū)段80，其與延伸穿過曲率半徑R的起點的水平面H呈45°角。至少一個圓筒形區(qū)段80的半徑延伸約180°，形成半圓形，使得壓力容器20的總高度和寬度基本上保持恒定。另外，圓筒形區(qū)段80的壁85的厚度基本上小于彎曲外壁40的厚度。圓筒形區(qū)段80的壁85的第一末端90被配置成在切點95與彎曲外壁40的一部分接觸。第一切線T5在切點95基本上垂直于圓筒形區(qū)段80的壁85的半徑，且第二切線T6在切點95基本上垂直于彎曲外壁40的半徑。第一切線T5與第二切線T6彼此相隔120°角度。
[0017]如圖6中展示，壓力容器20的相鄰的凸齒25、30、35與安置在切點70、75的一個或多個接頭98連接。接頭98被配置成用于傳遞多個凸齒25、30、35之間的彎曲壁40、60、65上的拉伸負(fù)荷。接頭98的大小經(jīng)過設(shè)置，以提供適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和負(fù)荷途徑，允許外壁40、60、65與垂直內(nèi)壁45、50和55之間負(fù)荷分配平衡。用于制造這些接頭98的示例性工藝包括(但不限于)熔焊，例如電弧激光或電子束焊接;固態(tài)焊接，例如摩擦攪拌焊、線性摩擦焊、銅焊和瞬時液相擴(kuò)散焊，例如取決于所選的儲罐材料。
[0018]現(xiàn)參見圖7和8，端蓋100用例如閃光對接焊安裝在例如壓力容器20的多個凸齒25、30、35每一者的第一末端22與第二相對末端24。多個安裝至凸齒25、30、35每一者的末端22、24的端蓋100可以分開(圖7)或可以形成一體(圖8)。在端蓋100—體形成的實施方案中，端蓋100包括內(nèi)部支撐物105，所述內(nèi)部支撐物105總體上與壓力容器20的每個相鄰內(nèi)壁45、50、55對準(zhǔn)。每個端蓋100的形狀基本上與壓力容器20的相鄰?fù)过X25、30、35的形狀互補(bǔ)。在一個實施方案中，每個端蓋100包括半徑等于曲率半徑R的球的一部分。因此，被配置成與末端凸齒25、30連接的端蓋100包括比被配置成連接至內(nèi)部凸齒35的端蓋100更大部分的球。再次參見圖4，包括一個或多個形成一體的圓筒形區(qū)段80的末端凸齒25、30的端蓋100的幾何形態(tài)基本上與相鄰的末端凸齒25、30互補(bǔ)。因此，端蓋100包括半徑等于圓筒形區(qū)段80的曲率半徑的球的一部分和半徑等于外壁40的曲率半徑的球的一部分。
[0019]壓力容器20的凸齒25、30、35總體上可以由高強(qiáng)度金屬或復(fù)合材料制造。末端凸齒25、30和內(nèi)部凸齒35可以通過大量制造工藝中的任一者形成，包括(但不限于)例如擠壓、鍛造、模壓鑄造、輥乳成形和激光成形。端蓋100可以類似地由高強(qiáng)度金屬或復(fù)合材料制造，并通過包括(但不限于)例如錘擊、鍛造、模壓鑄造、沖擠和機(jī)械加工的工藝制造。儲罐20的一個實施方案可以通過包括(但不限于)例如編織、編帶、長絲纏繞、疊層等工藝，由復(fù)合材料制造。這些工藝可以個別或組合使用，以制造個別或接合管，從而產(chǎn)生如圖3中表達(dá)的幾何形態(tài)。
[0020]現(xiàn)參見圖9-10，壓力容器20可以包括多個孔口120，使得布置在其中的加壓流體可以在多個凸齒25、30、35之間連通。多個孔口 120每一者總體上對準(zhǔn)并可以在凸齒的內(nèi)壁40、50、55中或每個端蓋100的側(cè)壁或者內(nèi)部支撐物105中形成。在一個實施方案中，長度超過內(nèi)壁45、50、55的厚度兩倍的密封元件125布置在每個孔口 120內(nèi)，以防止加壓流體在相鄰的內(nèi)壁45、50、55之間泄漏。示例性密封元件包括(但不限于)金屬O形環(huán)、e形密封件和由例如收縮金屬合金形成的密封件。在多個凸齒25、30、35在壓力容器20的內(nèi)部內(nèi)流體地連接的實施方案中，端蓋100之一包括端口 130，所述端口 130被配置成將壓力容器20連接至發(fā)動機(jī)或用于將其中存儲的加壓流體再填充的系統(tǒng)(未展示)。在一個實施方案中，內(nèi)部突出部135被配置成環(huán)繞在端蓋100中形成的端口 130。
[0021]在圖11中所示的另一個實施方案中，多個凸齒25、30、35可以經(jīng)由外部岐管150流體地連接。外部突出部155在端蓋100外部形成，與壓力容器20的每個凸齒25、30、35相鄰。每個外部突出部155包括總體上與水平面H平行布置的第一通孔(未展示)和從第一通孔垂直延伸至壓力容器20的內(nèi)部的第二通孔(未展示)。流體地連接至第一通孔，因此連接至壓力容器20的內(nèi)部的連接器160安裝至每個突出部155的兩側(cè)。一條管道165從第一外部突出部155a的連接器160延伸至第二外部突出部155b的連接器160。在一個實施方案中，相對于每個凸齒25、30、35，外部突出部155在端蓋100上的位置可以交替，使得在相鄰的連接器160之間延伸的管道165呈Z形布置。這些連接器160之一可以流體地連接至發(fā)動機(jī)或用于將其中存儲的加壓流體再填充的系統(tǒng)(未展示)。另外，外部岐管150可以用于流體地連接多個堆疊的壓力容器20。
[0022]壓力容器20的保形性(壓力容器內(nèi)可以存儲的加壓流體與同等矩形外殼的體積比率)顯著高于用于存儲加壓流體的常規(guī)壓力容器。壓力容器20的高度保形性是所述幾何形態(tài)的結(jié)果，所述幾何形態(tài)已經(jīng)最佳化以將內(nèi)壓力下接合凸齒25、30、35的內(nèi)壁和外壁40、45、50、55、60、65上的負(fù)荷均分，并使例如環(huán)向應(yīng)力等應(yīng)力最小化。
[0023]雖然已經(jīng)結(jié)合僅僅有限的實施方案詳細(xì)描述了本發(fā)明，但應(yīng)容易了解本發(fā)明不限于此類公開的實施方案。更確切些，本發(fā)明可以進(jìn)行修改以并入迄今未描述，但符合本發(fā)明的精神和范圍的許多變化、改變、替代或同等布置。另外，雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施方案，但應(yīng)了解本發(fā)明的方面可以僅僅包括一些所描述的實施方案。因此，本發(fā)明不應(yīng)視為受上述描述限制，而僅僅受隨附權(quán)利要求書的范圍限制。
【主權(quán)項】
1.一種被配置成用于存儲加壓流體的壓力容器，其包含: 多個凸齒，每個凸齒包括至少一個垂直取向的內(nèi)壁，所述多個凸齒以并排配置來安置，使得第一凸齒的第一內(nèi)壁與第二相鄰?fù)过X的第二內(nèi)壁相鄰安置，所述第一內(nèi)壁與所述第二內(nèi)壁被配置成在第一切點彼此接觸，且第一切線在所述第一切點接觸所述第一凸齒，且第二切線在所述第一切點接觸所述第二凸齒，使得所述第一切線與所述第二切線相隔約120。。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力容器，其中所述第一切點布置在位于所述第一內(nèi)壁與所述第二內(nèi)壁之間的垂直平面中。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力容器，其中所述第一切線與所述第二切線均以離所述垂直平面120°角度布置。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力容器，其中所述壓力容器基本上關(guān)于水平面對稱。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力容器，其中所述第一凸齒與所述第二凸齒被配置成在第二切點彼此接觸。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力容器，其中該第二切點布置于所述垂直平面中，使得第三切線在所述第二切點接觸所述第一凸齒且第四切線在所述第二切點接觸所述第二凸齒，其中所述第三切線與所述第四切線相隔約120°。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力容器，其中所述多個凸齒包括左端凸齒和右端凸齒。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓力容器，其中所述左端凸齒和所述右端凸齒基本上一致并相對于彼此旋轉(zhuǎn)180°。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓力容器，其中所述左端凸齒和所述右端凸齒包括連接至內(nèi)壁的彎曲外壁，且所述彎曲外壁的曲率由半徑界定。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力容器，其中所述壓力容器的高度基本上等于所述半徑長度的兩倍。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力容器，其中所述彎曲外壁具有第一厚度且所述內(nèi)壁具有第二厚度，所述第二厚度基本上是所述第一厚度的一半。12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力容器，其進(jìn)一步包含與所述左端凸齒和所述右端凸齒中至少一者的所述彎曲外壁形成一體的圓筒形區(qū)段，所述圓筒形區(qū)段與所述半徑的起點呈45°角度布置。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓力容器，其中所述圓筒形區(qū)段被配置成在第三切點接觸所述彎曲外壁，且第五切線與所述圓筒形區(qū)段相交于所述第三切點且第六切線與所述圓筒形區(qū)段相交于第三切點，使得所述第五切線和所述第六切線相隔約120°。14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力容器，其中所述多個凸齒進(jìn)一步包括至少一個內(nèi)部凸齒O15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓力容器，其中所述內(nèi)部凸齒包含通過第一曲壁和第二曲壁連接的第一內(nèi)部側(cè)壁和第二內(nèi)部側(cè)壁。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓力容器，其中所述第一曲壁的曲率和所述第二曲壁的曲率基本上類似并由所述半徑界定。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的壓力容器，其中所述第一曲壁和所述第二曲壁具有所述第一厚度且所述第一內(nèi)部側(cè)壁和所述第二內(nèi)部側(cè)壁具有所述第二厚度。18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力容器，其進(jìn)一步包含: 端蓋，其安裝至所述多個凸齒每一者的第一末端和相對的第二末端。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的壓力容器，其進(jìn)一步包含: 多個對準(zhǔn)的孔口，其布置在所述壓力容器的內(nèi)部內(nèi)，所述孔口被配置成流體地連接所述多個凸齒；以及 多個密封元件，每個密封元件布置在所述多個對準(zhǔn)的孔口之一內(nèi)。20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的壓力容器，其進(jìn)一步包含: 外部岐管，其安裝至所述端蓋并被配置成流體地連接至所述多個凸齒每一者。
【文檔編號】F17C1/16GK105874260SQ201480072784
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年9月8日
【發(fā)明人】P.F.克羅特奧, J.P.維森, A.E.庫策克, M.E.林奇, T.I.埃爾－瓦丹尼, E.Y.孫, 趙文平, D.V.維恩斯
【申請人】聯(lián)合工藝公司