专利名称：高能量密度弹性储能器及其使用方法
高能量密度弹性储能器及其使用方法本申请要求2009年4月6日提交的、发明名称为“高能量存储密度弹性体储能器”的第61/167，073号美国临时专利申请的优先权，其以引用的方式被全文结合到这里。我们知道，居住在4601 Park Ave. , Nashville, TN 37209 的美国公民 EricJ. Barth ;居住在 513 Cedar Brook Lane, Nolensville, TN 37135 的美国公民 AlexanderV. Pedchenko ;居住在 846 Shoreline Cricle, Ponte Vedra Beach, FL32082 的美国公民Karl Brandt ;和居住在 1130 South Tamarisk Drive, Anaheim Hills, CA 92807 的美国公民Oliver E. Tan,已经发明了新的和有用的“高能量密度弹性储能器及其使用方法”。关于联邦政府资助的研究或开发的声明本发明部分地获得了国家科学基金会的小型和高效流体动力工程研究中心下的联邦政府资助款，资助号为0540834。美国政府在本发明中具有某些权利。参考的微缩胶片附录不适用。
背景技术：
储能器设计中的一个最紧迫的挑战是制作可以用在多种工业中的轻量装置。液压储能器是一般用来提供补充性的流体动力且吸收震动的能量存储装置。这些装置的一个尤其有趣的最近应用是再生制动。尽管在理论上是吸引人的概念，但是，由于传统的储能器的一些主要的固有缺陷和不理想的性能，液压再生刹车(HRB)是难以实现的。气囊储能器和预先充气的活塞式储能器(PAGPs)使用气体进行能量存储，并且因此，是比它们的弹簧活塞对应部件轻很多的。在这些储能器中，被囊或活塞分离开的气体，占据否则被不可压缩的流体填充的容器的一定容积。当强迫流体进入这个容器时，分离的容积内侧的气体被压缩并且将能量存储在热域(thermal domain)中(气体动力学理论)。这种储能器有两个严重的缺点1)由于热损失导致效率低下；和2)气体通过囊扩散到液压流体中。由于热损失而引起的无效率的缺点是可克服的，但是气体扩散问题引起与气体通常从流体出来的“放出(bleeding) ”相关的高维护成本。关于效率低下，如果不很快取回存储在这种储能器的压缩气体中的能量，热从气体流到它的紧邻围绕物导致能取回的能量更少。已经示出，当气体压缩和膨胀之间经过的时间低至50秒时,活塞式气体储能器的效率能降低到大约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。因为在红灯时保持这么长时间或更长时间车辆保持固定不动，这使得气囊和预先充气的活塞式储能器对于HRB应用来说不是理想的。已经 提出了减轻这些热损失的几种方法。对于预先充气的活塞式储能器，一种方法包括将弹性体泡沫放置在气体壳体(enclosure)中。这个泡沫起到吸收在气体压缩期间产生的热的目的，否则的话在所述气体压缩期间产生的热被传递到气体壳体的壁，并且最终损失掉。泡沫能收集大量的这种产生的热并且当气体膨胀时能将它返回给气体。根据Pourmovahed,“将合适量的弹性体泡沫插入到气体壳体中...[能]实质上消除热损失”。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。包括弹性体泡沫已经显示能如何改进储能器的效率，然而，这种修改仍不能解决与现有储能器相关的其它问题。
发明内容
本发明披露了用于依靠应变材料而存储液压能量的储能器。所披露的储能器可以用来接纳流体，诸如液压流体，以在储能器内膨胀弹性囊。储能器将保持所存储的应变能量直到释放流体，从而弹性囊返回到第一构造。在某些实施方式中，储能器包括具有恒定的未伸展的直径的管状可膨胀构件，诸如囊，其中管状可膨胀构件具有开口端和闭合端，其中所述构件具有大约IOOOpsi的最小屈服强度，其中所述构件具有大约100%的最小伸长率，和外壳，所述外壳围绕所述构件，使得所述膨胀构件被容纳在所述外壳内，其中所述外壳将所述构件的径向膨胀限制到小于所述构件的最大不受拘束径向膨胀的膨胀点。本发明的其它实施方式包括与所述管状可膨胀构件流体连通的液压流体源。本发明的另一实施方式是一种储能器，所述储能器包括囊，其中所述囊具有第一端，其中所述第一端限定开口，使得流体可以进入所述囊以径向地和轴向地膨胀所述囊，其中所述囊是弹性体；具有第一端和第二端的罩壳，其中所述罩壳围绕所述囊，其中所述罩壳限制所述囊的径向膨胀，使得所述囊 不会伸展到所述囊的最大不受拘束径向膨胀，其中所述罩壳的第一端限定围绕所述囊的开口的开口，使得流体可以进入所述罩壳到所述囊中；其中所述罩壳限定第二开口，使得当所述囊填充流体并且在所述罩壳内膨胀时空气可以排出所述罩壳。所述储能器的其它实施方式包括在所述罩壳上的润滑剂，使得所述囊和所述罩壳之间的接触被润滑。在所述储能器的再其它实施方式中，所述囊是弹性体，诸如聚氨酯或丁腈橡胶。在所述储能器的再其它实施方式中，所述囊具有圆形横截面形状。本发明的另一实施方式是一种储能器，该储能器包括膨胀构件，其中所述膨胀构件限定用于流体源进入和流出的开口，其中所述膨胀构件具有内表面和外表面，其中所述膨胀构件适于响应于流体连通而从第一构造膨胀到第二构造，并且然后返回到第一构造；围绕所述膨胀构件的刚性支撑结构，其中所述刚性支撑结构的内直径小于所述膨胀构件的在所述膨胀构件膨胀到最大不受拘束径向膨胀时的外表面的直径；与所述膨胀构件流体连通的流体源；和用于提供所述膨胀构件和所述流体源之间的流体连接的管道。在所述储能器在再其它实施方式中，所述膨胀构件是可反复地膨胀的材料。在所述储能器的其它实施方式中，所述膨胀构件的内表面具有轴向凹槽，所述轴向凹槽沿所述构件的长度延伸，使得所述构件的膨胀能膨胀所述凹槽。在所述储能器的更其它实施方式中，在所述膨胀构件的开口附近所述膨胀构件的厚度减小，使得当流体进入所述构件时所述构件的膨胀在那个位置处开始，因此通过促进滚动运动而减少构件在刚性支撑结构上的滑动。在本发明的更其它实施方式中，所述刚性支撑结构具有圆形横截面形状。在本发明的再另一实施方式中，所述刚性支撑结构具有至少2000psi的压力定额。在本发明的更另一实施方式中，所述刚性支撑结构是有排气孔的。因此，本发明的一个方面是提供利用应变能量存储液压能量的储能器。本发明的另一方面是提供用于通过使用可膨胀的储能器存储能量的方法。
本发明的再另一提供是提供小型的和轻量的储能器，使得它可以用在客车上。
图I是本发明的一实施方式的分解图的透视图。在其内示出了由刚性外壳设备围绕的管状可膨胀囊。图2是本发明的一实施方式的横截面图。示出了具有囊的储能器。囊被保护性外壳围绕。囊是空的并且处于未膨胀的构造。当囊填充加压流体并膨胀时这种构造将变化，如同在图3和4中所示的那样。 图3是图2中所示的实施方式在一些加压流体开始膨胀所述囊之后的横截面图。这个图和图4没有示出提供加压流体的流体源或流体管道。在图7中示出了那些物品。图4是图3中所示的实施方式在更多的加压流体膨胀所述囊之后的横截面图。在其内示出了充满流体已经完全膨胀了的囊。囊紧缩的相反过程将在压力下强制地排出流体。也示出了保护外壳限制所述囊的径向膨胀。图5是这里所描述的囊的一实施方式的横截面图。在其内示出了轴对称地或以其它方式的、在囊的开口附近的切口，其减少囊的厚度，以促使囊的径向膨胀在那个位置开始。图6是囊连接到流体管道的一实施方式的侧视图。在其内示出了由压缩环和连接螺母围绕的囊的颈部。当连接螺母紧固到流体管道的螺纹部分时所述囊的颈部与流体管道流体连接。图7是本发明的一实施方式的侧视图。在其内示出了与储能器流体连通的流体源，诸如车辆的液压流体系统。当液压流体通过流体管道进入在保护罩壳内的囊时，存储应变能量。如果附接的液压系统允许流体在由囊的强有力的紧缩供应的压力下流出所述囊，那么本发明将以液压能量的形式释放它的存储的应变能量。两个托架将罩壳附接到车辆的另一部件(未示出)，从而以稳定的方式设置所述罩壳。图8是在图7中所示的本发明的实施方式的沿着图7中所示的线的横截面图。在其内示出了罩壳和囊。图9是囊的另一实施方式的横截面图。不是具有如同图8的实施方式的囊所示的圆形内表面，这个另一实施方式具有带有凹槽的内表面。图10是用于测试囊的系统的一实施方式的示意性的图表，如同这里进一步描述的那样。图11是操作图10中所披露的系统的方法的步骤的示意性的图表。图12示出了被称作NBR6212的材料的三个样品的应力-应变曲线，如同这里进一步描述的那样。
具体实施例方式本发明披露了具有管状可膨胀囊12的弹性储能器10，所述管状可膨胀囊12可反复地膨胀和基本返回到它的原始形状而不会疲劳。外壳14围绕储能器10的囊12，所述外壳14限制所述囊12的径向膨胀，以防止过渡膨胀导致的囊12的塑性变形。在使用时，流体，诸如液压流体，在压力下进入囊12并且将囊12膨胀到与外壳14相接触的点。当期望取回所存储的能量时，使流体流动反向并且强制排出流体，随着囊12恢复到它的原始形状和构造，将应变能量转变回成液压能量。现在参考图I，示出了本发明的一实施方式的分解图。储能器10包括在外壳14内的管状可膨胀囊12。囊12的颈部18附接到流体管道28，使得囊12的本体22可以如同这里所披露的那样地膨胀和缩回。外壳14的第一端24包括与囊12的用于流体流动的开口28相对准的开口 26。在某些实施方式中，囊12可以通过开口 26被插入到外壳14中。液压储能器作为背景技术，对于液压储能器，使用下面的等式能得到最高可达到的系统的体积能量密度
权利要求
1.一种储能器,包括 具有恒定的未伸展直径的管状可膨胀构件，其中所述管状可膨胀构件具有开口端和闭合端，其中所述构件具有大约IOOOpsi的最小屈服强度，其中所述构件具有大约100%的最小伸长率，其中所述构件能存储最小20kJ的应变能量； 外壳，所述外壳围绕所述构件，使得所述膨胀构件被容纳在所述外壳内，其中所述外壳将所述构件的径向膨胀限制为小于所述构件的最大不受拘束径向膨胀的膨胀点。
2.如权利要求I所述的储能器，进一步包括与所述管状可膨胀隔膜流体连通的液压流体源。
3.—种储能器,包括 囊，其中所述囊具有第一端，其中所述第一端限定开口，使得流体能进入所述囊以径向地和轴向地膨胀所述囊，其中所述囊是弹性体； 具有第一端的罩壳，其中所述罩壳围绕所述囊，其中所述罩壳限制所述囊的径向膨胀，使得所述囊不会伸展到所述囊的最大不受拘束径向膨胀，其中所述罩壳的第一端限定围绕所述囊的开口的第一开口，使得流体能进入所述罩壳到所述囊中； 其中所述罩壳限定第二开口，使得当所述囊填充流体并且在所述罩壳内膨胀时空气可以排出所述罩壳。
4.如权利要求3所述的储能器，进一步包括在所述罩壳上的润滑剂，从而润滑所述囊和所述罩壳之间的接触。
5.如权利要求3所述的储能器，其中所述囊是聚氨酯。
6.如权利要求3所述的储能器，其中所述囊是丁腈橡胶。
7.如权利要求3所述的储能器，其中所述囊具有圆形横截面形状。
8.—种储能器,包括 膨胀构件，其中所述膨胀构件限定用于流体源进入和流出的开口，其中所述膨胀构件具有内表面和外表面，其中所述膨胀构件适于响应于流体连通而从第一构造膨胀到第二构造，并且然后返回到第一构造； 围绕所述膨胀构件的刚性支撑结构，其中所述刚性支撑结构的内直径小于所述膨胀构件在它膨胀到最大不受拘束径向膨胀时的外表面的直径； 与所述膨胀构件流体连通的流体源； 用于提供所述膨胀构件和所述流体源之间的流体连接的管道。
9.如权利要求8所述的储能器，其中所述膨胀构件是可重复膨胀的材料。
10.如权利要求8所述的储能器，其中所述膨胀构件的内表面具有轴向凹槽，所述轴向凹槽在所述构件的长度上延伸，使得所述构件的膨胀能使所述凹槽膨胀。
11.如权利要求8所述的储能器，其中在所述膨胀构件的开口附近所述膨胀构件的厚度减小，使得当流体进入所述构件时所述构件的膨胀在这个位置处开始。
12.如权利要求8所述的储能器，其中所述刚性支撑结构具有圆形横截面形状。
13.如权利要求8所述的储能器，其中所述刚性支撑结构具有大约2000psi的最小压力额定值。
14.如权利要求8所述的储能器，其中所述刚性支撑结构具有排气孔。
全文摘要
本发明是储能器，该储能器通过响应于加压流体的流动而从它的原始形状变形，进而存储能量。当流体流动反向且储能器返回到它的原始形状时，返回所存储的能量。所述储能器的新颖之处的至少一个部分是它吸收可伸展囊的弹性应变能量，而不是如同在传统的储能器中通常看到的那样依靠气体和金属用于能量存储。
文档编号F15B1/027GK102803743SQ201080024882
公开日2012年11月28日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年4月6日
发明者E.J.巴思, A.V.佩德钦科, K.布兰特, O.E.坦 申请人:范德比尔特大学