压力容器流体歧管组件的制作方法

关于联邦政府资助研究或开发的声明

本发明是在政府支持下、根据针对arpa-e低成本混合材料和可适形cng罐的制造的协议de-ar0000254完成的。政府享有本发明的某些权利。

发明背景

本发明的示例性实施方案总体涉及用于加压流体的运输、储存或利用的压力容器，并且更具体地，涉及一种具有高适形率的优化的压力容器。

压力容器广泛地用于在压力下储存液体和气体。压力容器的储存容量取决于压力容器的内部容积和容器能够安全地容纳的压力。除了其储存容量之外，压力容器的大小、内部形状、外部形状以及重量被定制用于特定的应用。

压力容器的一个逐渐增长的应用是储存压缩天然气(cng)。存在用于运输或储存加压流体的相对大的多突出部的罐。这种基本技术可进行扩展，以使得能够相对廉价地且商业上可行地制造能够在压力下处理流体的较小的罐。用于cng的工业标准气缸在机动车辆中的当前使用是有限的，这是因为气缸的气体体积密度较低。具有足够的天然气以实现与常规汽车相当的车辆行驶里程的罐将是大且笨重的，并且将需要否则通常将是可用的载货空间的空间。多个罐的使用需要歧管组件，所述歧管组件可能是复杂的并且易于泄漏。复杂的外部岐管还可能需要大量且浪费地使用载货空间。

发明简述

根据本发明的一个实施方案，压力容器流体歧管组件包括具有彼此接合的多个突出部的压力容器，所述多个突出部中的每一个具有被设置成与相邻突出部的相邻壁接触的壁。还包括所述多个突出部中的每一个的第一端部和第二端部。还包括多个端盖，所述端盖中的每一个安装到所述多个突出部的第一端部和第二端部。另外还包括流体联接所述多个突出部中的每一个的内部区域的流体歧管，所述流体歧管具有流体填充口。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：流体歧管是位于多个端盖的外部部分处的外部歧管。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：外部歧管包括从端盖延伸的多个凸台，所述多个凸台的位置在靠近端盖顶侧的位置与靠近端盖底侧的位置之间交替，所述凸台各自具有延伸穿过其中的孔口以及将所述孔口流体联接到突出部的内部区域的孔。外部歧管还包括多个歧管管件，所述多个歧管管件联接到凸台并且流体联接到凸台的孔口，其中所述歧管管件中的每一个以大体z形形状布置。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：外部歧管包括从端盖延伸的多个凸台，所述多个凸台的位置在靠近端盖顶侧的位置与靠近端盖底侧的位置之间交替，所述凸台各自具有延伸穿过其中的孔口以及将所述孔口流体联接到突出部的内部区域的孔。外部歧管还包括多个歧管管件，所述多个歧管管件联接到凸台并且流体联接到凸台的孔口，所述多个歧管管件包括在顶侧上的凸台与底侧上的凸台之间延伸的端部歧管管件、在顶侧上的凸台之间延伸的至少一个顶侧歧管管件、以及在底侧上的凸台之间延伸的至少一个底侧歧管管件。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：外部歧管包括从多个端盖中的每一个延伸的顶侧圆形凸台和底侧圆形凸台，所述凸台各自穿透到突出部的内部区域中并且限定孔。外部歧管还包括联接到凸台的多个歧管管件，所述歧管管件中的每一个联接到端盖的顶侧圆形凸台和相邻端盖的底侧圆形凸台，并且在所述顶侧圆形凸台与所述底侧圆形凸台之间延伸。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：顶侧圆形凸台和底侧圆形凸台各自相对于压力容器的水平面以45度的角从端盖延伸。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：外部歧管包括具有在封闭端与开放端之间延伸的内部空腔的集管，所述开放端包括填充口，所述集管沿压力容器水平地延伸。外部歧管还包括沿集管的纵向方向隔开的多个孔口。外部歧管还包括从多个端盖中的每一个延伸的多个凸台，所述凸台各自穿透到突出部的内部区域中并且限定孔。外部歧管另外还包括多个歧管管件，所述多个歧管管件在凸台与集管的孔口之间延伸并且流体联接凸台和所述孔口。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：外部歧管包括由端盖限定的多个孔口。外部歧管还包括具有至少一个孔的多个环形圈，所述环形圈中的每一个被设置成靠近端盖的相应孔口与端盖中的一个接触。外部歧管还包括多个空心螺栓，所述多个空心螺栓在多个孔口内被旋拧到端盖，以便将环形圈夹紧到端盖，螺栓和环形圈限定环形通道，并且每个螺栓具有至少一个释放孔以便将突出部的内部区域流体联接到环形通道。外部歧管另外还包括多个管件，所述多个管件联接到环形圈并且在环形圈之间延伸以便流体联接相邻的环形通道。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：流体歧管包括设置在多个突出部的内部区域内的内部歧管组件。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括由多个突出部中的每一个的壁和相邻壁限定的多个开口，其中内部歧管包括延伸穿过多个突出部中的每一个的壁和相邻壁的单个管件，所述单个管件具有限定流体通道的内壁表面，所述流体通道被构造来流体联接多个突出部中的每一个的内部区域。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括由单个管件限定并且延伸穿过所述单个管件的多个孔区段，所述多个孔区段中的每一个位于不同的突出部内。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：多个孔区段包括具有椭圆形和圆形中的至少一种的几何形状的孔。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括由多个突出部中的每一个的壁和相邻壁限定的多个开口，以便流体联接所述多个突出部中的每一个的内部区域。还包括设置在多个开口中的多个密封部件。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：多个密封部件被旋拧到多个突出部中的每一个的壁和相邻壁，所述密封部件被构造来将相邻的突出部彼此联接并且密封多个开口。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，其他实施方案可包括：多个密封部件是由形状记忆合金形成的膨胀圈。

附图简述

在本说明书的结论处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征以及优点从结合附图进行的以下详细描述中显而易见，在附图中：

图1是根据本发明的实施方案的被构造来储存加压流体的压力容器的透视图；

图2是压力容器的实施方案的一部分的分解端视图；

图3是压力容器的实施方案的一部分的透视图；

图4是压力容器的端部区域的分解透视图；

图5是压力容器的分解透视图；

图6是压力容器的外部流体歧管的一个实施方案的透视图；

图7是压力容器的外部流体歧管的另一个实施方案的透视图；

图8是压力容器的外部流体歧管的另一个实施方案的透视图；

图9是根据图8的实施方案的外部岐管的局部截面图；

图10是压力容器的外部流体歧管的另一个实施方案的透视图；

图11是压力容器的外部流体歧管的另一个实施方案的透视图；

图12是根据图11的实施方案的外部岐管的局部截面图；

图13是压力容器的内部流体歧管的实施方案的局部剖视透视图；

图14是根据图13的实施方案的内部流体歧管的放大图；

图15是压力容器的内部流体歧管的另一个实施方案的局部剖视透视图；

图16是压力容器的内部流体歧管的另一个实施方案的透视图；并且

图17是根据图16的实施方案的内部流体歧管的放大图。

详细描述参考附图通过实例的方式来解释本发明的实施方案以及优点和特征。

发明详述

现在参照图1，示出被构造来储存高压液体或气体的压力容器或罐20的实例。可储存在压力容器20内的示例性流体或气体包括例如但不限于：压缩天然气(cng)、氢气、丙烷、甲烷、空气以及液压流体。压力容器20包括多个大致圆柱形的突出部，所述突出部包括左端突出部25和右端突出部30。在示出的非限制性实施方案中，压力容器20另外包括多个基本上相同的内部突出部35，例如像五个内部突出部35；然而，具有任何数量的内部突出部35的压力容器20都在本发明的范围内。左端突出部25、一个或多个内部突出部35以及右端突出部30并排定位，并且通过多个结合件(参见图3)接合在一起。由于这种布置，压力容器20的整体构型为大致矩形形状。

现在参照图2，更详细地提供压力容器20的各个突出部25、30、35。左端突出部25和右端突出部30是基本上相同的，并且被布置成使得右端突出部30相对于左端突出部25旋转180度，或者被布置为彼此的镜像。端部突出部25、30包括具有第一厚度的大致圆柱形外壁40。内壁45在圆柱形外壁40的第一端部42与第二端部44之间大致垂直地延伸，并且具有等于外壁40的厚度的一半的厚度。在一个实施方案中，内壁45与圆柱形外壁40的端部42、44一体形成。圆柱形外壁40的曲率的至少一部分由半径r限定。在一个实施方案中，外壁40的与内壁45相对的部分包括由半径r限定的大致为240度角的圆形形状或曲线。因此，端部突出部25、30的整体高度等于圆柱形外壁40的半径r的长度的两倍。垂直内壁45大致平行于垂直面p并且与其间隔开，所述垂直面p包括限定外壁40的曲率的半径r的原点。在一个实施方案中，内壁45与平行的垂直面p之间的距离为大约半径r的长度的一半。因此，端部突出部25、30通常具有等于外壁40的曲率半径r的长度的约一个半的宽度。

示出的内部突出部35包括垂直布置的第一内侧壁50和第二内侧壁55，所述第一内侧壁50和所述第二内侧壁55彼此分开一定距离。在一个实施方案中，内部突出部35的宽度大致等于端部突出部25、30的曲率半径r。第一内侧壁50和第二内侧壁55的厚度是相同的，并且等于端部突出部25、30的内壁45的厚度。第一外壁60在第一内侧壁50的第一端部52与第二内侧壁55的第一端部56之间延伸。类似地，第二外壁65在第一内侧壁50的第二端部54与第二内侧壁55的第二端部58之间延伸。第一外壁60和第二外壁65的厚度与端部突出部25、30的弯曲的外壁40的厚度基本上相同。在一个实施方案中，多个内壁50、55和多个外壁60、65一体形成。

第一外壁60和第二外壁65的曲率可通过大致为60度角的圆形形状或曲线限定为半径r。在一个实施方案中，内部突出部35的曲率半径r基本上等于端部突出部25、30的曲率半径r。因此，第一弯曲壁60与第二弯曲壁65之间的距离是曲率半径r的长度的两倍，并且因此基本上等于端部突出部25、30的高度。

当装配压力容器20时，内壁45、50、55各自被定位成与另一个内壁45、50、55直接相邻。例如，在不具有任何内部突出部35的压力容器20中，左端突出部25的内壁45被布置成紧挨着右端突出部30的内壁45。在具有单个内部突出部35的压力容器20中，第一内侧壁50与左端突出部25的内壁45邻接，并且第二内侧壁55与右端突出部30的内壁45邻接。在包括多个内部突出部35的实施方案中，内部突出部35中的至少一个的第二内侧壁55被布置成紧挨着相邻的内部突出部35的第一内侧壁50。内部突出部的曲率半径r的原点与相邻突出部(端部突出部25、30或另一个内部突出部35)的曲率半径r的原点之间的距离大致等于曲率半径r的长度。另外，压力容器20的整体宽度大致等于三与内部突出部35的总数的和乘以曲率半径r的长度。

如图3所示，压力容器20的相邻的突出部25、30、35与一个或多个结合件98联接。结合件98被构造来在多个突出部25、30、35之间、在弯曲壁40、60、65上传递拉伸负载。结合件98的大小被设定成提供足够的强度和负载路径以允许在外壁40、60、65与垂直内壁45、50和55之间的平衡负载共享。取决于所选择的罐材料，用于制造这些结合件98的示例性工艺包括例如但不限于：熔焊(诸如电弧激光或电子束焊接)、固态焊接(诸如摩擦搅拌焊接、线性摩擦焊接)、硬钎焊以及瞬态液相结合。

现在参照图4和图5，端盖100例如像利用闪光对接焊被安装在压力容器20的多个突出部25、30、35中的每一个的第一端部22和第二相对端部24两者处。安装到突出部25、30、35中的每一个的端部22、24的多个端盖100可以是分开的(图4)或可一体形成(图5)。在端盖100一体形成的实施方案中，端盖100包括与压力容器20的每个相邻的内壁45、50、55大致对准的内部支撑件105。每个端盖100具有与压力容器20的相邻的突出部25、30、35的形状基本上互补的形状。在一个实施方案中，每个端盖100包括具有等于曲率半径r的半径的球体的一部分。因此，被构造成联接到端部突出部25、30的端盖100包括比被构造成联接到内部突出部35的端盖100更大的球体部分。

压力容器20的突出部25、30、35通常可由高强度金属或复合材料制成。端部突出部25、30和内部突出部35可通过以下多种制造工艺中的任一种形成：包括例如但不限于挤压、锻造、模压铸造、辊轧成形以及激光成形。类似地，端盖100可由高强度金属或复合材料并且通过以下工艺制成：包括例如但不限于冲压、锻造、模压铸造、冲击挤压以及机械加工。罐20的实施方案可通过以下工艺由复合材料制成：包括例如但不限于织造、编织、长丝缠绕、层敷(plylayups)。这些工艺可单独或结合使用以制造用于产生最终几何形状的单独的或联合的管件。

现在参照图6-12，多个突出部25、30、35可通过外部岐管150流体联接。以下详细地考虑和描述外部岐管150的多个实施方案。

参照图6，外部凸台155形成在端盖100的外部上、与压力容器20的每个突出部25、30、35相邻。每个外部凸台155包括延伸穿过外部凸台155并且基本上平行于水平面h布置的孔口，以及基本上垂直地从所述孔口延伸到压力容器20的内部中的孔。连接器160安装到每个凸台155的两侧，所述连接器160靠近孔口流体联接到外部凸台155，并且因此联接到压力容器20的内部。在本文中另外被称为歧管管件的一根管165从第一外部凸台155a的连接器160延伸到第二外部凸台155b的连接器160。在一个实施方案中，端盖100上的外部凸台155相对于每个突出部25、30、35的位置可交替，以使得在相邻的连接器160之间延伸的管165以z形形状布置。更具体地，凸台155是交替的，以使得一个凸台155a靠近端盖100的顶侧170设置并且相邻的凸台155b靠近端盖100的底侧175设置。如图所示，这种交替的布置导致管165的上述z形形状，从而提供由于压力容器20的加压和/或暴露于相对于环境的温度极限而产生的压力容器20的潜在增长的应变消除。这些连接器160中的一个可流体联接到发动机或流体联接到用于重新填充储存在其中的加压流体的系统(未示出)，从而提供流体填充口180。在一个实施方案中，存在单个流体填充口，而其他实施方案包括多个流体填充口。另外，外部歧管150可用来流体联接多个堆叠的压力容器20。

参照图7，包括图6的实施方案的交替的凸台布置。图7所示的实施方案提供用于连接压力容器20的不同突出部的不同的管布置。如图所示，管165从第一外部凸台155a的连接器160延伸到第二外部凸台155b的连接器160。在一个实施方案中，包括一个或多个顶侧歧管管件182以联接靠近端盖100的顶侧170定位的凸台，同时包括一个或多个底侧歧管管件184以联接靠近端盖100的底侧175定位的凸台。此外，端部歧管管件186在顶侧170上的凸台与底侧175上的凸台之间延伸。

在一个实施方案中，顶侧歧管管件182和底侧歧管管件184包括与端盖曲率同心的轻微曲率。然而，可以考虑的是，可采用直的管件。位于所述布置的端部处且未连接到管件的连接器160可连接到阀组件并且用作流体填充口。

参照图8和图9，示出外部岐管150的另一个实施方案。包括形成在端盖100上或其内的顶侧圆形凸台190和底侧圆形凸台192。圆形凸台190、192围绕相应的轴线定向，所述轴线各自被定向成垂直于端盖100的表面。在一个实施方案中，凸台190、192各自被定向成相对于压力容器20的水平面h成约45度的角。不论凸台190、192的精确取向如何，凸台各自穿透到压力容器20的突出部的内部区域中并且限定孔194。连接器160安装到凸台190、192中的每一个。在示出的实施方案中，歧管管件165利用连接器160联接到凸台190、192并且从顶部圆形凸台190a延伸到相邻的底部圆形凸台192a，从而流体联接突出部的内部区域。位于所述布置的端部处且未连接到管件的连接器160可连接到阀组件并且用作流体填充口。

参照图10，示出外部岐管150的另一个实施方案。类似于图8和图9的实施方案，外部岐管150包括顶侧凸台190。包括基本上水平延伸并且具有在封闭端200与开放端202之间延伸的内部空腔198的集管196。歧管管件165以上述方式联接到凸台190，但是靠近沿集管196的纵向方向隔开的多个孔口204联接到集管196。集管196的开放端202可连接到阀组件并且用作流体填充口。

现在参照图11和图12，示出外部岐管150的另一个实施方案。类似于图8-10的实施方案，外部岐管150包括顶侧凸台190。螺栓210(诸如对接螺栓)被旋拧到凸台190中以使端盖100穿透到突出部的内部区域。螺栓210是空心的并且包括至少一个释放孔212。环形圈214围绕螺栓210的一部分，所述环形圈214利用螺栓210的头部部分216夹紧到端盖100。环形通道218由螺栓210和环形圈214限定。螺栓210的空心部分和释放孔212将突出部的内部区域流体联接到环形通道218。歧管管件165中的每一个联接到相邻的环形圈214，并且在相邻的环形圈214之间延伸以便流体联接环形通道218。如图所示，管件165可以是非线性的，以使得形成弯曲的或弯折的图案。在所述布置的待连接到阀组件的端部处可包括管件节段220，并且所述管件节段220被用作流体填充口。

现在参照图13-17，多个突出部25、30、35可通过内部岐管250流体联接。以下详细地考虑和描述内部岐管250的多个实施方案。内部岐管250流体联接突出部的内部区域，同时消除对外部管件连接器、管件以及其他相关联特征的需要，从而减少重量并且降低泄漏风险。

参照图13和图14，压力容器20可包括多个开口，以使得布置在其中的加压流体可在多个突出部25、30、35之间连通。多个开口120中的每一个是大致对准的并且可形成在突出部的任一内壁40、50、55中，或形成在每个端盖100的侧壁或内部支撑件105中。在一个实施方案中，长度大于内壁45、50、55厚度的两倍的密封元件被布置在每个开口120内，以防止加压流体在相邻的内壁45、50、55之间泄漏。示例性密封元件包括例如但不限于：金属o型圈、电子密封件以及由收缩金属合金形成的密封件。

单个管件252在突出部的不同内部区域之间延伸，所述单个管件252延伸穿过开口120。管件252通过位于端盖100侧面上的进入口254插入并且从管件252内部向外锻压或塑性变形，以便在相邻壁的每个接合处形成密封过盈配合。每个开口120的内径可包括用于增强与管件252的连接和密封的机械加工的特征，包括但不限于刀刃形同心脊。

管件252包括由管件252限定并且延伸穿过管件252的多个孔区段256。孔区段256中的每一个位于不同的突出部内，以便将管件252流体联接到每个突出部的内部区域。孔可以任何合适的几何形状(包括圆形或椭圆形)形成，以便与实心壁管件相比减少轴向刚度。管件252的靠近进入口254定位的端部可用作流体填充口。

参照图15，提供与图13和图14的实施方案类似的布置。然而，提供多个密封部件260而不是单个管件。多个密封部件260包括位于开口120中的每一个内的不同密封节段。可在将突出部节段接合之前安装密封部件260。在一个实施方案中，可以将密封部件260压配合。在另一个实施方案中，密封部件260被旋拧到相邻壁的开口。具体地，可采用双螺纹布置。具体地，密封部件260的外径的大约一半可包括右旋螺纹并且所述外径的另一半包括左旋螺纹。密封部件260的内表面包括有利于传送来自操作者或机器的扭矩的几何形状(例如，正方形、六边形等)。如上所述，密封部件260安置在密封件内。

当突出部与密封部件260放置在一起时，在邻接的壁的每个接合处形成密封。由于接合方法发生在压力容器20的顶侧和底侧附近，所以突出部的相邻壁通常不具有沿其整个长度的恒定且完全的接触。将壁与密封部件260拉到一起增强了壁之间的接触，从而减少空隙。这种密封布置是合乎期望的，以防止突出部的储存空腔与壁之间的空隙之间的压力均衡。这种均衡在接合材料的根部(例如，焊缝)处引起高应力状态。

参照图16和图17，示出内部岐管250的另一个实施方案。在示出的实施方案中，开口120利用圆柱形联接器268进行密封，所述联接器268由随着受控的温度偏移而膨胀或收缩的形状记忆合金制成。取决于材料的特定合金化，可以使联接器268随着升高到某一高温而收缩，并且然后随着降低到某一低温而收缩。温度极限将需要在压力容器20的操作范围之上和之下，以防止形状记忆合金的无意的激活。联接器268将暴露于高温以致使其收缩并且随后安装在相邻壁的开口120中。联接器268的外表面可具有密封增强特征，诸如刀刃形同心脊270。在将突出部与所有联接器一起放置在适当位置(通过防止轴向移动的定位特征进行定位和保持)之后，组件随后将暴露于低的极端温度以致使联接器膨胀并且随后与开口120形成密封接头。

内部歧管250的所有实施方案提供流体填充口180，所述流体填充口180被构造来将压力容器20连接到发动机或连接到用于重新填充储存在其中的加压流体的系统(未示出)。

与用于储存加压流体的常规压力容器相比，压力容器20具有显著更高的适形能力(能够储存在压力容器内的加压流体的体积与等效矩形外壳的比率)。压力容器20的高适形能力是几何形状的结果，所述几何形状已被优化以便在内部压力下、在联合的突出部25、30、35的内壁和外壁40、45、50、55、60、65上共享负载并使应力(例如像环向应力)最小化。另外，外部歧管150和内部歧管250的实施方案提供不需要很多(如果有的话)外部体积并且流体联接压力容器20的不同突出部的流体输送方案。

虽然仅结合有限数量的实施方案对本发明进行了详细描述，但应易于理解，本发明不限于此类公开的实施方案。相反，可对本发明进行修改，以并入以上未描述但与本发明精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等同布置。另外，虽然已描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的方面可仅包括所述实施方案中的一些。因此，不应认为本发明受限于前面的描述，而是仅受限于所附权利要求书的范围。