专利名称：用于保存制冷流体的容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于保存制冷流体的容器。更具体地是，本发明涉及一种隔热的双壁式容器，该容器具有组合支撑和流体导管结构，用于使一内罐悬浮在一外罐内，从而减少热传递并允许保存较长时间。
背景技术：
在燃烧发动机技术方面的发展已表明，常被称作柴油循环发动机的压缩引燃发动机可由气体燃料代替柴油来供给燃料，且不会造成运行或效率方面的损失。例如，此类燃料包括天然气、甲烷、丙烷、乙烷、气体可燃碳氢化合物的衍生物、氢气以及其中的混合物。用此类气体燃料代替柴油通常导致成本、可利用率和释放物方面的效益高于柴油。
然而，对于这些应用，使用气体燃料的一个挑战是，气体燃料的能量密度不如传统液体燃料那么高。例如，将气体燃料系统应用于车辆，这是一个重要的考虑，因为交通工具车辆上的燃料存储空间有限。为了使燃烧气体的车辆相对于传统的燃烧柴油的车辆更具吸引力，交通工具上的燃料存储系统就不应该减少车辆的运输能力或范围。
为了增加气体燃料的能量密度，可以以高压来存储气体燃料。为了容纳高压气体，就必须使用被评定为规定最高保存压力等级的压力罐。对于气体燃料，与压缩气体相比，用液化气在较低的存储压力下能达到更高的能量密度。因此，不需要高压等级的燃料箱，从而可减轻燃料箱的重量。
因此，增加气体燃料的能量密度的一种优选方法是在液化状态下以制冷温度来存储气体燃料。以制冷温度存储的液化气在这里被称作制冷流体，且在液化状态下以制冷温度存储的气体燃料在这里通常被称作“制冷燃料”。
为了这种应用的目的，制冷燃料包含液化的气体燃料，该液化的气体燃料在零下100摄氏度或低于零下100摄氏度的温度在大气压下沸腾。这种燃料的一个例子是液化的天然气，通常被称作“LNG”。
在本公开中，液化天然气LNG被指定为制冷燃料的一个优选的例子，这是由于已证实在全世界许多潜在市场中天然气的巨大贮备量、天然气的购买力以及对于天然气来说已经存在的基础的缘故，液化天然气在广度和能力方面正继续膨胀。
然而，技术人员应该理解，本公开的存储容器能被用于保存其它冷的或制冷的燃料或者通用液化气。作为例子，公开的存储容器可被用于容纳其它的碳氢化合物例如甲烷、乙烷、丙烷以及碳氢化合物的衍生物或诸如氢气的非有机燃料。此外，本公开的主题的容器还能被用于以制冷温度保存其它的液化气例如氦、氮和氧。
然而，以制冷温度存储液化气的一个挑战是减少热传递到制冷剂空间内。当液体温度增加时，存储容器内的蒸气压力也随之升高。制冷存储容器通常被配备有一压力减轻排放系统，以便防止存储容器的过分增压。过多的热传递到制冷剂空间内会导致燃料通过排放系统而损耗。当液化气是一种燃料时，也不希望燃料被惯常地释放到周围环境中。对于用作例子的天然气，天然气的主要成分—甲烷是一种温室气体。
制冷存储容器通常使用具有一内罐的一双壁式结构，所述内罐用于保存悬浮在一外罐内的液化气。适用于内罐与外罐之间的空间的真空将传导的和对流的热传递减至最低。此外，还知道把优良的绝缘材料片包裹在内罐周围，以便将放射的和对流的热传递减至最低。然而，用于内罐的一些结构支撑件和内罐与外部环境之间的任何管线都提供了热传导路径，且热能从外部环境传递到制冷剂空间中的液化气的这种现象通常被称作“热泄漏”。
只要具有用于内罐的结构支撑件和穿过隔离空间的管或导管，就会发生一些热泄漏。在这里，“保存时间”被限定为这样一段时间，即在热泄漏到制冷剂空间内造成蒸气压力升高至减压阀打开的程度之前，制冷剂能被保存在存储容器内的这段时间。因此，如果可以减少热泄漏，那么，就不需要排放过量的蒸气压力，从而可以延长保存时间。
对于具有一细长水平轴线的容器，用于支撑被悬浮在外罐内的内罐的许多传统技术被发展成比较大的存储箱，例如，该比较大的存储箱被用于在船上、火车上或拖车上大规模运输制冷剂，或者被发展成用于在分配站所使用的固定存储罐。容器的这些类型中的最小类型通常所具有的容量大于3500升，一些较庞大的存储容器可具有大于380000升的容量。对于这类大存储箱，可以接受大量的热泄漏，因为容器的容积和存储在其中的制冷剂质量的数量级大于较小车辆的燃料箱相关的数量级，所述较小车辆燃料箱通常具有450升或更少的容量。也就是说，与存储在较小容器中的较小量制冷剂相比，存储在较大容器中的较大量制冷剂在蒸气压力升高至预定释放压力之前能吸收较大量的热。如果用于支撑较大存储箱的内罐的传统技术被应用于较小容器，那么，与相同类型的支撑结构被用于较大箱时所能达到的保存时间相比，通过支撑结构泄漏到制冷剂空间内的热将导致保存时间较短，即使当用于较小罐的支撑结构在尺寸方面被适当比例时也是如此。根据较小罐的应用这种较短的保存时间不能被接受。对于诸如车辆工具燃料箱的较小容器来说，与被设计成用于较大存储容器的传统内罐支撑结构相比，较长的保存时间是有利的，且可期望的是具有能提供降低热泄漏的支撑结构。
与传统的液体燃料如柴油和汽油相比，被以制冷温度存储在交通工具上的燃料的使用是比较新颖的。由于用于制冷流体的相对小的容器正被考虑用于这种活动的应用，因而，已经修改最初被设计用于较庞大存储容器的传统支撑结构。对于较大容器，考虑到此类容器的尺寸大小和保存在其中的制冷剂质量，能由内罐与外罐之间的管所提供的结构支撑被忽视了，这是由于这种结构支撑是极小的，如同可通过此类管发生的热泄漏一样。对于较小容器，通过穿过隔离空间的导管的导热系数是相当可观的，特别是由于导管通常由具有很高导热性的金属材料制成。因此，为了提高保存时间，需采取一些改进措施以便减少热泄漏到较小的容器中，该较小的容器能被用于把燃料以制冷温度存储在交通工具车辆上。
已知的用于保存制冷流体的容器小于上述的庞大运输容器，但这些容器一般具有一垂直的纵向轴线，而流体连接到与容器顶部相关联的内制冷剂空间中。因为蒸气空间占据了这些垂直定向的容器的上部区域，所以，通过在容器顶部的导管的热泄漏被减少了，这是由于导管的全部或至少一部分不直接接触制冷流体的缘故。用于双壁式真空隔离容器的内罐的支撑结构部分地取决于容器的构造，无论该容器被设计用于固定的或活动的用途。因此，虽然已知的容器具有这么一个容量，该容量一般与用于把制冷燃料存储在交通工具车辆上所需的容量相同，但是，这些已知的容器并不适用于这种比较新颖的应用。例如，具有垂直纵向轴线的容器不适用于安装在交通工具车辆的这个位置上，这个位置是指通常安装燃料箱的位置，且打算用于固定用途的容器不适于活动的用途，这是由于必须由内罐的支撑结构来承受动态荷载的缘故。
发明内容
公开了一种用于保存制冷流体的双壁式真空隔离的容器，这种容器包括一支撑结构，其用于把一内罐支撑在一外罐内。所述容器包括a.一内罐，其限定一制冷剂空间并具有一水平的细长轴线；b.一外罐，其环绕着内罐，在外罐与内罐之间限定一可抽空的空间；c.一结构，用于把内罐支撑在外罐内。
支撑结构包括一导管，该导管在第一点处被连接到与内罐相联的一内罐支撑托架上，且在第二点处被连接到用于外罐的一外罐支撑托架上。导管能够承受着沿与水平轴线平行的方向作用在内罐上的大部分轴向荷载。制冷流体能通过导管被输入和/或输出制冷剂空间。支撑结构还包括至少一个架设在内罐与外罐之间的非金属的支撑件。非金属支撑件具有承压面，这些承压面与内罐和外罐相联的各自的相对表面相联，以便传递基本上所有的从内罐到外罐的横向于水平轴线的径向荷载。非金属支撑件被固定地连接到相对表面上，从而非金属支撑件能够支撑大部分轴向荷载。
在这里，轴向荷载的“大部分”被定义为容器所承受的轴向荷载的一部分，从而，允许减少其它轴向支撑件的强度，以致于导管和非金属支撑件合作共同地提供容器所承受的轴向荷载。没有把传统的导管设计成承受任何轴向水平荷载，因而由传统导管所提供的结构支撑可忽略不计。因此，被设计成承受大部分轴向荷载的一导管具有一个壁厚度，这个壁厚度大于仅承担使制冷流体流入或流出制冷剂空间的传统导管的壁厚度。
虽然导管被固定连接到内罐和外罐上，但导管所能承受的径向荷载量是可忽略不计的。因为容器被水平定向且从侧面被支撑，所以，当容器被装满制冷流体时，必须把非金属支撑件设计成沿径向承受内罐的满重量。导管的壁厚度就必须很厚，以便提供基本的沿径向的支撑量，这样将会导致太多的热泄漏。在所公开的容器中，一个或多个非金属的支撑件承受着基本上全部的径向荷载。优选地是，非金属支撑件所具有的导热系数小于由铁类材料制成的具有至少相同结构强度的替代支撑件的导热系数。
与内罐相联的相对表面可由内罐支撑托架提供，且与外罐相联的相对表面可由外罐支撑托架提供。也就是说，用于导管的支撑结构可与用于非金属支撑件的支撑结构成一整体。例如，非金属支撑件可呈管状，它在两托架之间延伸，并且导管延伸穿过非金属支撑件的中空内部。
可具有多个非金属的支撑件，其中的至少一个非金属支撑件是一第一非金属支撑件，其与相交于水平轴线的内罐的一第一侧面相联。作为例子，一第二非金属支撑件可与内罐的相对于第一侧面的一第二侧面相联。在这个例子中，第一和第二非金属支撑件一起的尺寸定为可提供承受基本上全部径向荷载所需的强度。
在一个实施例中，第二非金属支撑件具有至少一个承压面，该承压面可沿着与水平轴线平行的方向相对于内罐或外罐的各自的相对表面滑动，因此，第二非金属支撑件能够提供径向支撑而不是轴向支撑。
与内罐的第一和第二侧面相联的相对表面可由突入到制冷剂空间内的各自的杯形内部支撑结构的壁来提供。与外罐相联的相对表面由相对的杯形外部支撑结构的壁来提供，所述杯形外部支撑结构从外罐突起并与杯形内部支撑结构相对齐。第一和第二非金属支撑件各自可包括一圆筒形元件，该圆筒形元件具有一第一端部和一第二端部，所述第一端部被布置在杯形内部支撑结构的各自的一个支撑结构中，所述第二端部被布置在杯形外罐支撑结构的各自的一个支撑结构中。有利地是，内罐支撑托架可与杯形内部支撑结构成一整体，类似地，外罐支撑托架可与杯形外部支撑结构成一整体。
优选地是，导管在第一点和第二点之间具有一个长度，该长度在内罐与外罐之间提供一条热路径，该热路径长于内罐与外罐之间的轴向间距。
导管可由金属材料制成。金属的导管在第一点处被焊接到内罐支撑托架上，且在第二点处被焊接到外罐支撑托架上。
导管可架设在外罐与内罐之间，对齐平行水平轴线。制冷剂空间内的导管在向上弯曲之前可向下弯曲并倾斜，从而导管在制冷剂空间的顶部附近具有一敞开的端部。
导管被固定连接到内罐支撑托架上的第一点可与沿着该导管的向下倾斜的一个位置相联。因为用于第一点的这个位置在制冷剂空间内，所以，它提供了一条热传递路径，该热传递路径长于内罐与外罐之间的轴向距离。此外，可期望地是使得部分倾斜导管隔热，以防止在导管内部对流。
容器还可包括接近于导管的向下弯曲处的一颈圈(collar)支撑件，该颈圈支撑件防止导管沿着径向移动。颈圈支撑件被布置在可抽空的空间中，且颈圈支撑件直接从内罐支撑托架或通过非金属支撑件向导管提供结构支撑。如果支撑颈圈贴近于非金属支撑件，那么非金属支撑件就提供热断裂。支撑颈圈本身还可由非金属的隔热材料制成。在另一实施例中，颈圈支撑件可被设在导管的向下倾斜的部分上。
在一些优选实施例中，非金属支撑件由复合材料制成，该复合材料包含布置在一塑料基体中的纤维。具有复合材料知识的技术人员应该知道，可以从纤维和塑料的许多类型中选择，且材料的选择决定了复合材料的性能。在本例中，对于被用于为内罐提供支撑的复合材料来说，两个重要的性能是在预期操作状态下的强度和导热系数。也就是说，使用非金属复合材料的目的是减少热泄漏到制冷剂空间内。因此，对于复合材料可期望的是比传统容器中所使用的铁支撑元件具有较低的导热系数。虽然复合材料的热传递系数小于铁类材料，但是，如果复合材料不强硬，那么就需要具有较大导热横截面面积的复合结构元件，这样的话，整体导热系数就会较大。因此，需要强度与低热传递系数的组合来实现所期望的结果，且优选地是，非金属支撑件所具有的导热系数小于由铁类材料制成的具有至少相同结构强度的替代支撑件的导热系数。
用于内罐的非金属支撑件的复合材料可包括纤维，这些纤维从材料组中挑选，该材料组包括玻璃、碳、树脂制成的合成纤维以及石英。由树脂制成的合成纤维的一个例子是氩酰胺(aramid)纤维，例如由E.I.Dupont de Nemours和商标名为Kevlar的公司所销售的材料。环氧树脂可被用于提供塑料基体。优选地是，环氧树脂具有大于175摄氏度(约350华氏度)的固化温度，因此，当容器被加热至在内罐与外罐之间的可抽空空间中形成一个绝缘真空时，不致损坏非金属元件。在其它实施例中，塑料基体可包含双马来酰亚胺或热塑塑料，该热塑塑料选自包括聚醚醚酮和聚苯硫醚的材料组。
用于真空中的材料会释放气态元素，且由于非金属支撑件被设在可抽空的空间内，因而，优选的是具有低除气性能的材料。除气的一个计量是总质量损失(“TML”)，且优选的是小于1％的总质量损失。除气的另一个计量是聚集挥发性可凝结材料(“CVCM”)，且优选的是小于0.1％的聚集挥发性可凝结材料。
容器还可包括一隔热的支撑套筒，该支撑套筒在外罐与内罐之间延伸，其中，支撑套筒能够承受大部分轴向荷载。用于保存制冷流体的容器还包括一支撑套筒，其主要目的是允许诸如泵的设备或仪器安装在制冷剂空间内。支撑套筒还可被用于向内罐提供结构支撑，通过考虑由支撑套筒所贡献的强度，从而允许减少其它结构支撑的强度。通过提供具有可抽空空间的双壁式结构，隔离的支撑套筒能够被隔热，所述双壁式结构的可抽空空间与环绕着内罐的可抽空空间相连。
支撑套筒可包括一内管壁，该内管壁与一外管壁分隔开，其中，内管壁与外管壁之间的空间以及外罐与内罐之间的可抽空空间是可抽空的。支撑套筒的一末端被布置在由内罐所限定出的制冷剂空间内。内管壁和外管壁被接合在一起且在末端处或接近于末端处被密封，从而防止制冷剂空间内的制冷流体流到外管壁与内管壁之间的空间内。支撑套筒的一近端与外罐以及内罐相联，因而外管壁在结构上与内罐相连接，且内管壁在结构上与外罐相连接。
一种用于保存制冷流体的容器包括a.一细长的内罐，其限定一制冷剂空间并具有一水平的纵向轴线；b.一外罐，其环绕着内罐，在外罐与内罐之间限定一可抽空的空间；c.一结构，用于把内罐支撑在外罐内。
所述结构包括一金属导管，该金属导管在与外罐相联的一外罐支撑托架和与内罐相联的一内罐支撑托架之间延伸。金属导管被固定连接到支撑托架上且能够承受沿一方向起作用的大部分轴向荷载，所述的一方向是指平行于内罐与外罐之间的纵向轴线的方向。支撑结构还包括第一和第二非金属的与内罐的相对的第一和第二侧面相联的支撑件。相对的第一和第二侧面相交于纵向轴线。非金属支撑件能够承受基本上所有的沿着相对于纵向轴线的作用于径向的荷载。第一和第二非金属支撑件中的至少一个支撑件被固定连接到内罐和外罐上，且能够承受大部分轴向荷载。第一和第二非金属支撑件中的每一个包括一非金属的元件，该非金属元件在内罐与外罐之间延伸。这些非金属元件中的每一个包括一些承压面，这些承压面与联合内罐和外罐的支撑结构的各自的相对表面相联。
提供一种把限定制冷剂空间的一内罐支撑在一外罐内，传递内罐与外罐之间的轴向和径向荷载并减少热泄漏到制冷剂空间内的方法。轴向荷载可沿着与内罐的细长水平轴线平行的方向传递，且径向荷载可沿着与水平轴线垂直的径向传递。所述方法包括抽空内罐与外罐之间的一密封的空间；通过至少一个非金属的结构元件来传递基本上所有的沿径向的荷载，所述非金属结构元件比起至少沿径向有着相同强度的铁类材料来说具有较低的导热系数；通过一根导管来传递沿轴向的大部分荷载；通过至少一个非金属结构元件来传递沿轴向的大部分荷载。至少一个非金属结构元件可以是两个非金属的结构元件中的一个，通过它来传递基本上所有的沿径向的荷载。
这种方法还可包括用优良的绝缘材料来包裹内罐，以便减少辐射热传递和对流热传递。
这种方法还可包括允许内罐沿轴向相对于外罐移动。这是对于有一长的水平轴线的容器具有实用性的特征。对于较小的罐由不同热膨胀所造成的应力的量可忽略不计，如果需要从非金属支撑件获得更多的沿轴向的支撑，那么就可以把内罐的沿水平轴线的每个端部刚性地连接到外罐上。该方法包括用粘合剂或通过机械结合，或者通过粘合剂与机械结合的组合，将至少一个非金属结构元件固定连接到内罐和外罐上。
这种方法可包括确定一用于支撑内罐的所期望的设计支撑强度；计算导管和多个其它导管或隔热支撑套筒的轴向和径向荷载支撑能力，所述导管和多个其它导管或隔热支撑套筒都在内罐与外罐之间延伸，且它们中的每一个除了向内罐提供结构支撑以外还具有一些功能；把一个或多个非金属结构元件的尺寸确定成可提供轴向和径向强度，该轴向和径向强度等于所期望的设计支撑强度减去所计算出的导管和多个其它导管或隔热支撑套筒的轴向和径向荷载支撑能力。
这种方法尤其适合应用于将液化的气体燃料储存在交通工具车辆(on-board a vehicle)上。由可在交通工具上操作的一装置所使用的这种方法的能力是显著的，因为施加于支撑结构的轴向和径向荷载比施加在类似大小的固定容器上的那些荷载更为显著。发生在一活动装置中的加速、减速和改变方向可沿着轴向和径向产生动量。与垂直定向的固定容器相比，水平对准还导致沿径向的显著的荷载，在垂直定向的固定容器中，大部分荷载沿垂直轴线被承受。
图1表示根据本发明的用于保存制冷流体的双壁式容器的剖面图，该双壁式容器具有用于内罐的一支撑结构，该支撑结构沿轴向和径向支撑内罐；图2表示用于保存制冷流体的容器的一个端部的放大剖面图，表示用于将内罐悬浮在外罐内的结构支撑体系的实施例的放大剖面图；图3表示用于保存制冷流体的容器的另一实施例的另一剖面图，该容器还包括一隔热的套管，该套管有助于内罐的一些结构支撑。
具体实施例方式
图1是用于保存制冷流体的一隔热的双壁式容器100的剖面图。外罐102环绕着内罐104且与内罐104间隔开，从而在它们之间限定一可抽空的空间106。内罐104还限定制冷剂空间108的总体边界。在所示的实施例中，内罐104具有一带圆顶形的端部的圆筒形主体。该形状与被连接到重型卡车上的传统的燃料箱的总体形状相一致。本发明涉及用于内罐104的支撑体系，并且对于具有相同支撑体系的内罐来说，也可以采用其它的形状。例如，应用的其它形状诸如球形或具有椭圆形横截面的细长罐，这些形状由安装到容器内可利用的空间和应用情况来确定。由于强度的原因，与尖角或方角的形状相比，优选的是圆形。
如图1所示，容器100具有一细长的水平轴线。在这里，作用于内罐104的轴向荷载被定义为沿与细长水平轴线平行的方向作用的荷载，所述的与细长水平轴线平行的方向限定“轴的方向”。为了沿轴向支撑内罐104，用于支撑内罐104的结构包括导管110，该导管110在与内罐104相联的内罐支撑托架112和与外罐102相联的外罐支撑托架114之间延伸。导管110在一个点处被固定连接到从内罐支撑托架112处延伸的延长管112A上，并且在第二点处被固定连接到杯形的外罐支撑托架114的底部。在那里，导管110穿透被设在支撑托架中的开口。导管110几乎填满了开口，这些开口通过导管110与支撑托架之间的连接件被密封。导管110可以是金属的，它可由不锈钢或其它适合的金属制成，那些其它适合的金属对于在制冷罐的制造方面富有经验的人来说是已知的。作为例子，如图2所示，如果导管110是金属的，那么它能通过分别的焊接处211A和211B被连接到支撑托架上，从而，制冷剂空间108和可抽空的空间106在导管110与支撑托架之间的连接处各自被流体地密封。
包括内罐104、外罐102以及支撑托架112、114、122、124的这些金属部件的全部合作，以限定制冷剂空间108和可抽空的空间106的总体边界。支撑托架112、114、122、124能各自被焊接到与之相联的罐上，从而密封在那里之间的各自的连接处。
导管110被设计成带有适于将制冷流体输入或输出制冷剂空间108的壁厚度，同时还提供结构支撑，以便承受作用于内罐104的大部分轴向荷载。因此，由于导管110用作结构元件和用作导管，导管110的壁厚度比它仅仅用作导管时的壁厚度要厚。导管110包括一向下的弯管，以便提供液体/蒸气分界面，从而减少由于在导管110内部对流而可能意料之外发生的热泄漏。在没有弯管的情况下，导管内的制冷流体就会从较冷端流向较暖端，此时蒸气就会沿相反方向流动，从而导致热泄漏到制冷剂空间内。通过利用一向下的弯管，就抑制了制冷流体流向较暖端。然而，导管110中的弯管把弯曲力矩引入到导管110内，这样就减小了它的轴向的结构强度。可由非金属的支撑件120A来提供一些附加的轴向支撑，该支撑件120A被固定连接到内罐支撑托架112和外罐支撑托架114上，从而可由非金属的支撑件120A来承受大部分轴向荷载。通过胶粘剂粘接或机械连接，例如，借助螺纹连接、摩擦或压配合、收缩配合、互锁特征或其它的机械方法将非金属的支撑件120A固定连接到支撑托架上。为了方便组装，在非金属的支撑件120A的相对端部处可以采用不同的连接方法。例如，可以采用机械的连接方法来连接非金属的支撑件120A的一个端部，采用胶粘剂来连接另一个端部。
为了加强导管110的轴向强度，可以利用任意的支撑颈圈126来防止导管110弯曲，以便抵消作用在其上的弯曲力矩。支撑颈圈126可提供一些开口(图中未示)，以便将由支撑托架112所限定的整个内部空间与可抽空的空间106连接起来。支撑颈圈126的缺点是它引入了另一个热传递路径，但是，通过为支撑颈圈126选择优良的隔热的且强耐压的材料，就可以忽略这个影响。
导管110具有一接近于制冷剂空间108的顶部的敞开的端部。以这种方式来构造，导管110可以被用作一填充路线和/或一排放路线。采用设置在容器100外面的阀(图中未示)可允许导管110作为大于一个容量，减少了对分开管道的需要，该分开管道将会向制冷剂空间108提供更多的热传递路径。这样的阀能与外罐支撑托架114的主体成一整体，以便减少连接数目，并且减少对容器100外面的管的需要和隔离的需要。减少在此公开的容器的热泄漏的一种措施是，利用容器的部件例如用于多于一个用途的导管，如果可能的话用于多于一个功能，以便既减少热传递路径的数目，又减少存在于外部环境与制冷剂空间之间的热传递路径的导热系数。需要导管向制冷剂空间输送制冷流体或者从制冷剂空间输出制冷流体。然而，分离的导管通常被用于不同的用途，例如填充、排出以及排放，从而导致多个热传递路径。也就是说，通过利用多于一个用途例如既可填充又可排放的一导管就可以减少热路径的数目。另外，如上所述，传统的容器没有考虑到导管的作为结构支撑的第二功能。这可能是由于在一较大的存储容器中，导管的结构强度由于导管的尺寸相对于容器的尺寸比较低，或者可能是由于导管中的弯管将导管的结构强度减少到了一个无效值。然而，忽视导管的结构贡献可导致比它们所需的更强的传统的支撑结构，从而导致轴向支撑具有较大的横截面面积，其容许较高的导热系数和较高的热泄漏。即使管子的结构贡献可忽略不计，减少管子的数目就减少了热传递路径的数目，也降低了容器的复杂性，并且也易于制造。因此，增加这些导管中的一个导管的壁厚度以便把它制成一结构元件，这在许多方面是有益的。
仍然参照图1，由非金属的支撑件来为内罐沿径向提供支撑，所述非金属的支撑件在所示实施例中被描述成非金属的支撑件120A和120B，这两支撑件大体上都呈管状，且在每个端部处都具有承压面，这些承压面与杯形支撑托架112、114、122、124的相对表面协作。如上所述，非金属的支撑件120A被固定连接到支撑托架112和114上，因此该支撑件120A除了能承受轴向荷载之外，还能承受径向荷载。非金属的支撑件120B可具有一个带有一承压面的端部，该承压面与支撑托架的被联合的相对表面形成滑动的不固定的关系，以允许内罐104相对于外罐102移动。如果容器沿纵向轴线的长度相当短以致于内罐与外罐之间的不同热膨胀就不显著，那么，第二非金属的支撑件120B也能被固定连接到与之相联的支撑托架上，因而非金属的支撑件120B也能承受一部分轴向荷载。
在所示的实施例中，具有两个非金属的支撑件，如果没有较小的罐，那么就只能采用一个非金属的支撑件，在这样的实施例中，由于允许相同的支撑托架与非金属的支撑件120A和导管110相协作，因而只使用非金属的支撑件120A。对于较大的容器来说，就难以从一个端部支撑内罐的悬臂重量，从而使用第二非金属的支撑件120B更为实际，其中能使用较轻的支撑件以降低热泄漏性能。
图2是用于保存制冷流体的双壁式容器的一个端部处的支撑结构的放大示意图。外罐202环绕着内罐204且它们之间的空间定义为可抽空的空间206。内罐204定义为制冷剂空间208。导管210从外罐支撑托架214延伸向内罐支撑托架212。任选的支撑颈圈226通过消除由导管210中的向下弯管引起的弯曲力矩来帮助导管210支撑轴向荷载。如同图1中所示的支撑颈圈126，支撑颈圈226可由强耐压且优良的隔热材料制成，以便减少从导管210至内罐204的导热系数。在图2所示的实施例中，支撑颈圈226被安置在导管210的向下倾斜的部分上。由于支撑颈圈226与支撑托架212相接触，因此，容纳在制冷剂空间208中的制冷流体可使支撑颈圈226冷却，从而形成一个冷点，在该冷点蒸气可凝结在导管210内。在这个实施例中，由于支撑颈圈226被安置在导管210的向下倾斜的部分上，因此，凝结的液体将顺着倾斜的导管流下并流回到制冷剂空间208内。
如果不使用任选的支撑颈圈226，可采用其它的一些方法为沿轴向支撑内罐而提供更大的强度。作为例子，可增厚导管210的壁厚度来提供更大的轴向支撑，和/或通过增大非金属的支撑件220A的横截面面积来增加它的轴向强度。为了保持低的导热系数，在需要额外的强度来抵抗弯曲的情况下，只需增厚和/或增强导管210的壁厚度，从而在不需要额外的强度的情况下，可保持较小的横截面面积。
图2的放大示意图表示出了允许公开的支撑结构以减少热泄漏到制冷剂空间208内的一些特征。D1是第一点与第二点之间的距离，第一点位于导管210与金属的内罐支撑托架212的直接连接处，第二点位于导管210与外罐支撑托架214的连接处。距离D2是外罐202与内罐204之间的沿着导管210的轴线的轴向间距。导管210是一热导体，因此优选地是，支撑体系被设计成大体上如图2中所示的那样，因而距离D1长于距离D2，以便增加热传递路径的长度，并由此减少热传递。应当注意到，当使用任选的支撑颈圈226时，从导管210到内罐支撑托架212，通过支撑颈圈226的热传递路径较短。然而，这个较短的热传递路径仍然长于距离D2，选择那些具有隔热性能的材料来制造支撑颈圈226，因此仍然可减少热泄漏。
如上所示，尽管希望利用一根多功能的导管来减少热泄漏到制冷剂空间208内，但对于现行的轴向支撑结构，如果需要功能，仍可使用多根导管。多根导管可平行于导管210安装并且可穿过中空的非金属的支撑件220A布置。
现在参照图3，容器300是用于水平定向的内罐的一改进了的支撑结构的另一优选实施例的一个例子，该容器300包括外罐302和内罐304。如同其它的实施例，图3中所示的容器使用非金属的支撑件320A和320B，这两支撑件基本上承受所有的径向荷载以及部分的轴向荷载。对于用于制冷流体的一些容器，要求为制冷剂空间308内的泵或水平传感器设置入口。图3的实施例表示出了具有双壁式套筒330的一容器，在它的里面可布置泵或仪器。在这个实施例中，由导管310和隔热的支撑套筒330来承受一部分轴向荷载。就其它实施例中的每个实施例所示的径向支撑结构而言基本上是相同的，容器300的轴向支撑结构的强度被设计成考虑所有的由导管和支撑套筒提供的结构支撑，导管和支撑套筒在为内罐304提供一些结构支撑的同时还发挥着其它的功能。因此，非金属的支撑件沿轴向的强度可小于支撑内罐304所需的全部轴向强度，如果这导致非金属的支撑件的横截面面积较小，那么就能减少热泄漏到制冷剂空间308内。
因此，公开了具有减少热泄漏的容器，其利用一导管承受沿细长水平轴线作用的大部分轴向荷载。导管基本上不承受垂直于水平轴线的径向荷载。导管还起到将制冷流体输入或输出制冷剂空间的作用。利用一个或多个非金属的支撑件承受基本上所有的径向荷载，同时还有助于承受沿水平轴线作用的大部分轴向荷载。优选地是，非金属的支撑件与有着相同结构性能的金属元件相比，具有非常低的导热系数。另外，优选地是，通过所公开的支撑结构的热传递路径长于设置支撑结构的位置处的内罐与外罐之间的轴向间距。非金属的支撑件可以整个地被布置在内罐与外罐之间的可抽空的空间中，因此一全金属的结构为制冷剂空间和可抽空的空间限定边界，从而非金属的支撑件与金属的支撑托架之间的界面无需流体紧密(tight)。
在一些实施例中，容器包括附加的特征或元件例如用于泵或仪器的多根导管或多个支撑套筒，这些附加的特征或元件在结构上还有助于承受沿轴向和径向承受内罐的荷载。在所公开的实施例中，计算出了所期望的整体结构的强度，然后，考虑到具有超过一结构功能的用途的特征或元件的结构能力。作为例子，导管通常作为制冷容器的部分而存在，其目的是把制冷流体输入或输出制冷剂空间，但这样的导管的结构能力通常被忽视，然而根据所公开的装置和方法，计算并考虑这种结构能力。然后，非金属的支撑件和导管的尺寸确定为可提供具有集中强度的支撑结构，该集中强度等于所期望的整体结构强度。以这种方式，就可以避免提供过大的结构强度。通常，对于非制冷的应用，过大的结构强度是不成问题的，因为高于必需的材料成本而仅增加了容器的成本。对于非制冷的应用，一些过大的结构强度甚至是所要求的，以提供一个额外的安全因素来防止失效。然而，对于制冷容器，过大的结构强度除了导致材料成本较高之外，还导致较高的热泄漏和较短的保存时间。因此，对于制冷容器，更要求的是把容器设计成仅具有安全和坚固耐用操作所需的强度，而不使用过多的支撑结构。
尽管已经描述和表示出了本发明的特定元件、实施例和应用，但是应当理解，当然本发明并不局限于此，因为本领域技术人员特别是根据上述教导所作出的修改并不背离本公开的范围。
权利要求
1.一种用于保存制冷流体的容器，所述容器包括a.一内罐，限定出一制冷剂空间并具有一水平的细长轴线；b.一外罐，环绕着所述内罐，在所述外罐与所述内罐之间限定一可抽空的空间；c.一结构，用于将所述内罐支撑在所述外罐内，所述结构包括一导管，该导管在第一点处被连接到与所述内罐相联的一内罐支撑托架上，且在第二点处被连接到用于所述外罐的一外罐支撑托架上，所述导管能够承受沿着与所述水平轴线平行的方向作用在所述内罐上的大部分轴向荷载，其中所述制冷流体能通过所述导管被输入和/或输出所述制冷剂空间；至少一个非金属的支撑件，架设在所述内罐与所述外罐之间，所述非金属支撑件提供一承压面，该承压面与联合所述内罐和所述外罐的各自的相对表面相联，以便传递基本上所有的从所述内罐到所述外罐的横向于所述水平轴线的径向荷载，并且其中所述非金属支撑件被固定连接到所述相对表面上，从而所述非金属支撑件能够支撑大部分所述轴向荷载。
2.根据权利要求1所述的容器，其中，与所述内罐相联的所述相对表面由所述内罐支撑托架提供，并且与所述外罐相联的所述相对表面由所述外罐支撑托架提供。
3.根据权利要求2所述的容器，其中，所述至少一个非金属支撑件呈管状，且所述导管延伸穿过所述至少一个非金属支撑件的中空内部。
4.根据权利要求1所述的容器，其中，所述至少一个非金属支撑件是一第一非金属支撑件，其与所述内罐的相交于所述水平轴线的一第一侧面相联，并且所述容器还包括一第二非金属的支撑件，其与所述内罐的相对于所述第一侧面的一第二侧面相联，并且所述第一和第二非金属支撑件一起的尺寸定为可提供承受基本上全部所述径向荷载所需的强度。
5.根据权利要求4所述的容器，其中，所述第二非金属支撑件具有至少一个承压面，其可沿着与所述水平轴线平行的方向相对于所述内或外罐的所述各自相对表面滑动，因此，所述第二非金属支撑件能够提供径向支撑而不是轴向支撑。
6.根据权利要求4所述的容器，其中与所述内罐的所述第一和第二侧面相联的所述相对表面，由突入到所述制冷剂空间内的各自的杯形内部支撑结构的壁提供；与所述外罐相联的所述相对表面，由从所述外罐突出并与所述杯形内部支撑结构相对齐的杯形外部支撑结构的壁提供；所述第一和第二非金属支撑件各自包括一圆筒形元件，其具有一第一端部和一第二端部，所述第一端部被布置在所述杯形内部支撑结构的各自的一个中，所述第二端部被布置在所述杯形外罐支撑结构的各自的一个中。
7.根据权利要求6所述的容器，其中，所述圆筒形元件是中空的，因此它们呈管状。
8.根据权利要求7所述的容器，其中，所述导管延伸穿过一个所述圆筒形元件。
9.根据权利要求6所述的容器，其中，所述内罐支撑托架与所述杯形内部支撑结构成一整体。
10.根据权利要求6所述的容器，其中，所述外罐支撑托架与所述杯形外部支撑结构成一整体。
11.根据权利要求1所述的容器，其中，所述至少一个非金属支撑件包括一结构元件，其由包含布置在一塑料基体中的纤维的复合材料制成。
12.根据权利要求11所述的容器，其中，所述纤维从包括玻璃、碳、树脂制成的合成纤维以及石英的材料组中挑选。
13.根据权利要求11所述的容器，其中，所述塑料基体由环氧树脂提供。
14.根据权利要求13所述的容器，其中，所述环氧树脂具有大于175摄氏度的固化温度。
15.根据权利要求11所述的容器，其中，所述塑料基体包含双马来酰亚胺。
16.根据权利要求11所述的容器，其中，所述塑料基体包含选自包括聚醚醚酮和聚苯硫醚的材料组的热塑塑料。
17.根据权利要求11所述的容器，其中，所述复合材料具有小于1％的TML。
18.根据权利要求11所述的容器，其中，所述复合材料具有小于0.1％的CVCM。
19.根据权利要求1所述的容器，其中，所述导管在所述第一和第二点之间具有一长度，该长度在所述内罐与所述外罐之间提供一热路径，该热路径长于所述内罐与所述外罐之间的轴向间距。
20.根据权利要求1所述的容器，其中，所述导管由金属材料制成，且所述导管在所述第一点处被焊接到所述内罐支撑托架上，在所述第二点处被焊接到所述外罐支撑托架上。
21.根据权利要求1所述的容器，其中，所述导管架设在所述外罐与所述内罐之间，对准平行于所述水平轴线，且所述导管在所述制冷剂空间内部向下弯曲并倾斜。
22.根据权利要求21所述的容器，其中，所述第一点与沿着所述导管的向下倾斜的一位置相联。
23.根据权利要求21所述的容器，还包括接近于导管的向下弯曲处的一防止所述导管沿着径向移动的颈圈支撑件。
24.根据权利要求23所述的容器，其中，所述颈圈支撑件是非金属的。
25.根据权利要求23所述的容器，其中，所述颈圈支撑件被设在沿着所述导管的向下倾斜的一位置处。
26.根据权利要求1所述的容器，其中，所述至少一个非金属支撑件所具有的导热系数小于由铁类材料制成的具有至少相同结构强度的替代支撑件的导热系数。
27.根据权利要求1所述的容器，还包括一在所述外罐与所述内罐之间延伸的隔热的支撑套筒，其中，所述支撑套筒能够承受大部分所述轴向荷载。
28.根据权利要求27所述的容器，其中，所述支撑套筒包括一内管壁，与一外管壁分隔开，其中，所述内和外管壁之间的空间以及所述外罐与所述内罐之间的所述可抽空空间是可抽空的；一末端，被布置在所述内罐中，由于所述内和外管壁被接合在一起且在所述末端处或接近于所述末端处被密封，从而防止所述制冷剂空间内的制冷流体流到所述外和内管壁之间的空间内；一近端，与所述内罐以及所述外罐相联，从而，所述内管壁在结构上被连接到所述外罐上，且所述外管壁在结构上被连接到所述内罐上。
29.根据权利要求1所述的容器，其中，所述容器可安装在一车辆上，所述制冷流体是可燃的燃料，且所述容器可操作的用作一燃料箱，用于向所述车辆的发动机供应燃料。
30.一种用于保存制冷流体的容器，所述容器包括a.一细长的内罐，限定一制冷剂空间并具有一水平的纵向轴线；b.一外罐，环绕着所述内罐，在所述外罐与所述内罐之间限定一可抽空的空间；c.一结构，用于将所述内罐支撑在所述外罐内，所述结构包括一金属导管，在与所述外罐相联的一外罐支撑托架和与所述内罐相联合的一内罐支撑托架之间延伸，所述金属导管被固定连接到所述支撑托架上且能够承受沿作用在一个方向的大部分轴向荷载，该一个方向是指平行于所述内罐与所述外罐之间的所述纵向轴线的方向；第一和第二非金属的支撑件，与所述内罐的相对的第一和第二侧面相联，所述相对的第一和第二侧面相交于所述纵向轴线，所述非金属支撑件能够承受基本上所有的作用在沿着相对于所述纵向轴线的径向的荷载，并且所述第一和第二非金属支撑件中的至少一个支撑件被固定连接到所述内和外罐上，且能够承受大部分所述轴向荷载，所述第一和第二非金属支撑件中的每一个包括一在所述内罐与所述外罐之间延伸的非金属的元件，所述非金属元件中的每一个包括承压面，这些承压面与联合所述内罐和所述外罐的支撑结构的各自的相对表面相联。
31.根据权利要求30所述的容器，其中，所述导管在所述纵向轴线附近被固定连接到所述外罐支撑托架上，且所述金属导管被固定连接到所述内罐支撑托架上的这个点与所述金属导管被固定连接到所述外罐支撑托架上的那个点之间的距离，大于在所述纵向轴线相交于所述外罐的位置附近的所述内罐与所述外罐之间的沿纵向轴线的距离。
32.一种将限定制冷剂空间的一内罐支撑在一外罐内、传递所述内罐与所述外罐之间的轴向和径向荷载并减少热泄漏到所述制冷剂空间内的方法，其中，所述轴向荷载可沿着与所述内罐的细长水平轴线平行的方向传递，且所述径向荷载可沿着与所述水平轴线垂直的径向传递，所述方法包括抽空所述内罐与所述外罐之间的一密封的空间；通过至少一个非金属的结构元件来传递基本上所有的沿所述径向的荷载，所述非金属结构元件比沿所述径向至少有着相同强度的铁类材料具有较低的导热系数；通过一导管来传递沿所述轴向的大部分荷载；以及通过所述至少一个非金属结构元件传递沿所述轴向的大部分荷载。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述至少一个非金属结构元件是两个非金属的结构元件中的一个，通过它来传递基本上所有的沿所述径向的荷载。
34.根据权利要求32所述的方法，还包括用优良的绝缘材料来包裹所述内罐。
35.根据权利要求32所述的方法，还包括允许所述内罐沿着所述轴向相对于所述外罐移动。
36.根据权利要求32所述的方法，还包括用粘合剂将所述至少一个非金属结构元件固定连接到所述内和外罐上。
37.根据权利要求32所述的方法，还包括通过机械结合将所述至少一个非金属结构元件固定连接到所述内和外罐上。
38.根据权利要求32所述的方法，还包括确定一个期望的设计支撑强度，以支撑所述内罐；计算所述导管和多个其它导管或隔热支撑套筒的轴向和径向荷载支撑能力，所述导管和多个其它导管或隔热支撑套筒都在所述内罐与所述外罐之间延伸，且它们中的每一个除了为所述内罐提供结构支撑以外还具有一些功能；把所述至少一个非金属结构元件的尺寸定为可提供这样的轴向和径向强度，即等于所期望的设计支撑强度减去所计算出的所述导管和所述多个导管或隔热支撑套筒的轴向和径向荷载支撑能力。
39.根据权利要求32所述的方法，其中，所述方法被用于将可燃的燃料在液化状态下以制冷温度储存在交通工具车辆上。
全文摘要
一种用于保存制冷流体的双壁式真空隔离的容器包括一用于把一内罐支撑在一外罐内的支撑结构。容器具有一细长的水平轴线。在内罐与外罐之间延伸的一导管具有的壁厚度，允许导管承受沿着与水平轴线平行的方向作用在内罐上的大部分轴向荷载。支撑结构还包括一非金属支撑件，其架设在内罐与外罐之间，非金属支撑件能够传递基本上全部的横向于所述水平轴线的径向荷载。非金属支撑件还被固定连接到内罐和外罐上，以致它能够支撑大部分轴向荷载，因而非金属的支撑件与导管相协作以便沿轴向提供支撑。
文档编号F17C1/12GK1856678SQ200480027211
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月23日 优先权日2003年9月23日
发明者格雷戈里·C·哈珀, 贾斯廷·吉什 申请人:韦斯特波特研究公司