本发明涉及一种压缩气体气缸的多重容纳单元和设置有这种单元的用于运输压缩气体的船舶。
根据本发明的多重容纳单元特别适用于气缸中的压缩气体的海上运输。特别地，该多重容纳单元可以安装在船只的货舱中或驳船的甲板上。该单元也可安装在潜式船或者半潜式或浮式平台上。
船舶可以是任何类型的，例如，船只或驳船、潜式装置或者半潜式或浮式平台。该船舶可用于运输压缩的天然的或工业生产的气体。
背景技术：
迄今为止，还没有用于运输在市场上营售的压缩气体的船只，而仅有这种类型的船只的可行性方案。
一般而言，这些方案涉及使船舶装备有多个模块化的多重容纳单元，俗称为支架。每个模块化单元包括支撑结构，并且在其内部包括多个压力容器(气缸)，这些压力容器彼此流体地连接以形成单压力容器。
出于结构稳定性的原因，模块化的多重容纳单元(支架)刚性地结合到船舶的结构。出于同样的原因，每个支架内的气缸也刚性地连接到相应支架的容纳结构。
这意味着，首先，船舶的结构受到由单压力容器和相关支架的膨胀所产生的应力并且进而参与气缸和支架的变形，如此，它用其刚度来约束它们。进而，支架(并由此，单气缸)受到船舶的结构所引起的载荷并参与船梁的变形。所有这些都极大地影响压力容器(气缸)的预期疲劳寿命。
通常，支架支撑结构通过模块化且重复的元件实现，其连接在一起以界定容纳容积，气缸布置在该容纳容积中约束于其中。特别地，它们是用通过焊接或螺栓连接而相互连接的金属型材所制成的网状结构。由于它们的制造方法，即，通过焊接或螺栓连接而刚性连接，这些结构完全吸收了与它们结合的气缸中的压缩气体的装载和卸载循环的疲劳应力，并且进而传递到由运输装置(其可以是卡车、火车或船舶)引起的相同的气缸应力。
特别地，当这些容纳结构放置在船只的货舱内时，由波浪运动引起并由船只的船体本身吸收的应力被传递到气缸的容纳单元(支架)，结果也在单气缸上排放这些应力。事实上，如前所述，出于结构稳定的原因，在力的传递链中没有不连续性。因此，支架和相关的气缸被迫与运输装置本身一起工作。
为了防止由上述循环载荷引起的变形改变支架的设计几何形状、损害气体容纳系统的功能，考虑到这种循环载荷，支架的结构通常超尺寸，这增加成本和重量。此外，由船只引起的循环对支架的影响严重地改变了支架和气缸本身的疲劳行为，从而降低了支架和单气缸的预期寿命。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是通过提供能够以结构稳定的方式连接到运输装置(特别是船舶)的压缩气体气缸的多重容纳单元来消除或者至少减轻上述现有技术的缺点，同时即使在运输装置经受显著变形时(如在船舶在不利的海洋和风力条件下的情况中)也可以自由地平移和变形，然而不明显经受到运输装置本身的应力和变形。
本发明的另一目的是提供一种压缩气体气缸的多重容纳单元，其在其支撑框架变形的情况下不会在气缸上引起变形。
本发明的另一目的是提供一种制造简单且经济的压缩气体气缸的多重容纳单元。
附图说明
根据上述目的，从以下列出的权利要求可以清楚地理解本发明的技术特征，并且从以下参考附图进行的详细描述，其优点将变得更加明显，其中示出了一个或多个仅示例性且非限制性的实施例，附图中：
-图1示出了根据本发明的优选实施例的竖直布置的cng气缸的单一多重容纳单元(支架)的顶部透视图；
-图2示出了图1所示的根据其中指示的箭头ii的两个多重容纳单元的纵向正交侧视图；为了简化附图本身的表示，两个多重容纳单元被表示为不具有气缸；
-图3示出了如图1所示的根据本发明的一组四个多重容纳单元的简化俯视平面图，为了阅读附图的简单性，一些部件未示出；为了附图本身的简单表示，四个多重容纳单元被表示为不具有气缸；
-图4示出了呈现有图2中所示的两个多重容纳单元的构造，这是由于货舱的下部部分相对于货舱本身的上部部分在平行于支架的锚脚的平面m上的平移变形；
-图5示出了相对于容纳单元的框架的支撑脚和相关联的弹性接头的图2的放大细节；
-图6示出了相对于设置在并排放置的根据本发明的两个容纳单元的侧结构之间的可弹性变形的间隔件的图2的放大细节；
-图7示出了根据其中示出的截面平面s和箭头ii的不具有支撑脚的图1所示装置的截面的正交侧视图；
-图8示出了图1所示的根据其中指示的箭头iii的单元的简化俯视平面图；
-图9、图10和图11分别示出了根据本发明的三个不同实施例的竖直布置的三个cng气缸的多重容纳单元(支架)的简化俯视平面图；
-图12、图13和图14分别示出了图8、图9和图19中的支架和气缸之间的上部连接装置的细节图；
-图15示出了根据优选实施例的支架和气缸之间的下部连接装置的细节图；
-图16a和图16b分别示出了当支架受到纯平移变形时图1中所示的多重容纳单元(支架)的竖直简化正交视图和正交俯视平面图；
-图17a和图17b分别示出了当支架受到纯弯曲变形时图1中所示的多重容纳单元(支架)的竖直简化正交视图和正交俯视平面图；以及
-图18a和图18b分别示出了当支架受到纯扭转变形时图1中所示的多重容纳单元(支架)的竖直简化正交视图和正交俯视平面图。
-图19示出了货舱中有隔离件的用于运输压缩气体的船只的构造的简化平面图，每个货舱容纳布置成相连行的确定数量的气缸的多重容纳单元；以及
-图20示出了图19的船只的货舱的放大平面图。
具体实施方式
参照附图，附图标号1整体上表示根据本发明的压缩气体气缸的多重容纳单元(支架)，并且20表示安装在容纳单元内的用于运输压缩气体的压力容器(气缸)。同时100整体上表示用于运输根据本发明的压缩气体的船舶，其装备有这种气缸的多重容纳单元1。
单元1的压力容器(气缸)可以用于容纳任何类型的压缩气体，特别是压缩天然气(cng)。
在此以及在说明书和权利要求的其余部分中，将参考处于使用状态下的气缸的多重容纳单元(支架)1。在这个意义上，应该理解为参考较低或较高位置或者水平或垂直方向。
根据附图中示出的本发明的一般实施例，多重容纳单元(支架)1(特别用于海上运输)包括：
-支撑框架10，其进而包括支撑基部11和多个侧容纳结构12，侧容纳结构在结构上连接到支撑基部11并且从支撑基部11竖直地延伸，以界定内部容纳容积13；以及
-用于容纳压缩气体的多个气缸20，气缸连接到所述支撑框架10以保持其中的稳定位置。
支撑框架10的支撑基部11具有多个支撑脚14，支撑脚被设计成刚性地锚固到运输装置(特别是船舶100)的一部分，
根据本发明，支撑框架10的支撑基部11通过弹性接头15连接到每个前述支撑脚14。
这一组弹性接头15产生支撑脚14与支撑基部11之间的应力和变形传输的不连续性。
可操作地，前述弹性接头15的尺寸被设定为允许脚14与支撑基部11在平行于基部本身的平面m上的相对移位，然而以抑制正交于该平面m的移位，如图4中示意性地描绘的。
当与运输单元1连接的运输装置受到外部应力时，该运输装置变形，并且因此，刚性地锚固到运输装置的单元1的锚脚14也变形。在功能上，将支撑基部11连接到脚14的弹性接头15允许框架10保持其初始几何形状，而不一体地跟随其支撑脚的运动。这些弹性接头15减弱了由脚传递到框架的应力，以将它们转换成与基部本身的平面平行的支撑基部(和整个框架)的平移运动。以这种方式保持单元1的框架10的几何形状不变或几乎不变，防止了机械应力从运输装置的结构传递到容纳单元1进而传递到容纳在该单元本身中的气缸。
在运输装置由船舶构成的情况下所有这些都特别重要，该船舶在运行寿命期间受到波浪载荷，波浪载荷引起与多重容纳单元1连接的船只结构的显著弹性变形。
优选地，支撑基部11具有正方形或矩形平面。支撑基部11设置有四个支撑脚14，每个支撑脚布置在基部11的四个顶点中的一个附近。
与基部11和脚14的竖直对准的标称位置相比，这一组弹性接头允许支撑基部11在平行于基部11本身的平面上进行相对运动，其范围不超过50mm。图2中示出了对准的标称位置。
弹性接头可以是适用于该目的的任何类型，只要它们允许在基部的平面上的大变形并且保持对竖直变形的显著刚度。
特别地，每个弹性接头15可以由弹性结构构成，该弹性结构由至少两个元件构成，每个元件在与基部11平行的平面上以及在与该平面本身正交的方向上相对于彼此具有不同的刚度。
更详细地，具有不同刚度的这两个元件中的每个在第一端部16'处连接到支撑基部11，并且在与第一端部相对的第二端部16”处连接到相应的支撑脚14。
优选地，具有不同刚度的这两个元件中的每个通过刚性连接到基部的第一刚性板17连接到支撑基部11，并且通过刚性连接到支撑脚14的第二刚性板18连接到相应的支撑脚14。
优选地，如图1至图6所示，除了将支撑基部11连接到脚14的弹性接头15之外，气缸的多重容纳单元1包括多个可弹性变形的间隔件19，其锚固到框架10的侧结构12。
有利地，这些可弹性变形的间隔件19相对于支撑基部11定位成至少不同的高度。
可操作地，在所述单元1在其支撑基部11的平面上的运动期间，这些可弹性变形的间隔件19适于防止压缩气体气缸的所述多重容纳单元1和与其邻近的其它类似单元和/或运输装置的与所述单元1相邻的结构直接接触。
有利地，如图2、图3和图4所示，前述可弹性变形的间隔件19可以将前述的压缩气体气缸的多重容纳单元1机械地连接到与其相邻的一个或多个其它类似单元1，由此产生单元1之间的连续性。以这种方式能够在单元1本身之间分配应力，并减小单一多重容纳单元1所经受的运动的幅度。
特别地，将单元1彼此连接的这些可弹性变形的元件19可以由弹性接头构成。
在船舶应用的优选情况下，必须注意的是，船舶的结构(货舱、船体和甲板)比单个容纳单元1的弹性刚度大几个量级。
通过使用前述弹性接头19将如上所述的合适数量的单元1连接在一起(优选地，以形成单元1的纵向行，如将在说明书的其余部分中再次讨论的那样)，能够产生具有与船只的结构相当的弹性刚度且能够以受控的方式变形的组件。
特别地，单个容纳单元1通过弹性接头19在一个或多个不同位置处连接到与其相邻的类似单元1，至少一个弹性接头在竖直位置中位于框架10的上部部分中，从而限制相邻单元之间的相对移位。
连接在脚14与框架10的支撑基部11之间的弹性接头15以及可能的可弹性变形的间隔件19(优选地，为弹性接头的形式)以它们的整体构成一种机械系统，该机械系统允许显著减小从运输车辆到单元1(特别是从船只的结构到单元1)的静态和动态应力。
特别地，在船舶的情况下，在有限值的范围内，足以允许支架沿船只的两个水平参考轴x和y平移，可能通过将几个支架连接在一起以确保足够的惯性，从而减小运动和相关变形的幅度。
这意味着实现一种用于运输压缩气体的船舶不会以任何方式影响压力容器和构成模块化容纳单元的其它元件的疲劳寿命，其中，船舶本身的结构完全不受载荷系统的变形的影响，并且在结构上不与载荷系统连接。
本发明涉及一种用于运输压缩气体的船舶100，其包括分组于单一多重容纳单元中的用于容纳压缩气体的多个气缸20。
船舶100可以是任何类型的。优选地，船舶100是船只或者驳船，但它也可以是潜式船或半潜式或浮式平台。
船舶100可用于运输压缩的天然或工业生产的气体。
特别地，多重容纳单元可以安装在货舱中(在船舶是船只的情况下，如图19和图20所示)或甲板上(在船舶是驳船的情况下)。
前述的多重容纳单元的至少一部分由根据本发明的多重容纳单元1构成，并且具体如前所述。
优选地，将气缸20分组的所有的多重容纳单元由根据本发明的多重容纳单元1构成。
然而，可以提供这样的实施例，其中，多重容纳单元中的一部分是常规类型的，即，各个支撑框架刚性地约束到船只的结构而没有插入弹性接头。
优选地，如图19和图20中示意性所示，多重容纳单元1布置成行50。每个行50由彼此对准且头对头彼此抵靠并列放置的单一多重容纳单元1组成。在船舶是船只并且单元1安装在货舱101中的情况下，优先采用该空间构造。
有利地，每个单行50的单元1通过已经提到的可弹性变形的间隔件19连接到与相应的侧结构12对应的属于同一行50的相邻单元1，该可弹性变形的间隔件相对于支撑基部11定位在至少两个不同高度处。以这种方式，在行50的单元1之间产生连续性，以帮助减少由船舶100传递到所述单元的应力引起的单一单元1的变形。
优选地，如图20具体所示，多重容纳单元1的每行50在两侧上由纵向通道51界定，该纵向通道与其平行并且终止于与纵向通道51正交的横向通道52上的两端50'和50”。
优选地，如附图所示，单一多重容纳单元1的气缸20在由支撑框架10限定的容纳容积13内沿纵向延伸轴线x竖直地布置。由单元(支架)1所容纳的气缸的数量可以根据为单元本身所选择的构造而变化。
如上所述，通过前述弹性接头15以及可能还通过可弹性变形的间隔件19实现的框架1与运输装置之间的连接系统允许显著减小框架10的变形的强度和幅度，但不允许完全消除它们。
气缸20可以刚性地连接到框架10。在这种情况下，框架10的变形虽然被前述框架/运输装置连接系统减弱但因此可以被传递到与其连接的气缸并影响气缸的疲劳寿命。在确定气缸本身的尺寸的阶段期间必须考虑这一点，其会增加气缸的生产成本。实际上，除了由于气缸本身的装载和卸载循环导致的变形所引起的疲劳循环之外，实际上必须适当地设置气缸的尺寸，以承受由框架变形导致的变形所引起的疲劳循环。
根据特别优选的实施例，本发明提供用于将已经描述的框架10与运输装置(精确地基于弹性接头15以及可能的可弹性变形的间隔件19)的连接系统与每个气缸和框架10之间特定的连接系统组合，其防止从框架向气缸传递剩余变形。
下面将借助于图7至图18来描述每个气缸与框架之间的这种连接系统。
更详细地，如具体在图7和图15中所示，每个气缸20通过下部连接装置30连接到支撑基部11，该下部连接装置包括：
-与气缸20相对应的支撑元件31，该支撑元件与气缸本身的纵向底端21邻接；以及
-球形接头32，该球形接头将支撑元件31约束到支撑基部11，从而允许支撑元件31和搁置于其上的气缸20相对于支撑基部11自由旋转，但防止相对于支持基部11平移。
由于球形接头32，支撑元件31可以在支撑基部上方的半空间中在所有轴上旋转。在该旋转运动中，气缸的纵向延伸轴线x在球形接头上描绘了具有顶点的锥体。考虑到气缸在支架中以及相对于其它气缸的定位施加的空间和尺寸限制，球形接头32上的旋转受到限制。优选地，该旋转使得前述锥体具有不大于0.1°的孔径角。在高24米的气缸的情况下，在基部处以0.1°的角度的旋转会在气缸的纵向延伸轴线x上施加偏离竖直方向不超过50mm的偏差，其在气缸的顶部处沿水平分量(平移)测量。
多重容纳单元1还包括气缸20的竖直支撑结构40：
-该竖直支撑结构在与支撑基部11相距的预定高度h处结合到框架10的侧结构12；并且
-该竖直支撑结构为每个单气缸20限定竖直定位座41。
每个气缸20在相应的竖直定位座41内相对于竖直支撑结构40自由地轴向平移(即，沿其纵向延伸轴线x)。
可操作地，竖直支撑结构40在框架的侧结构12的运动中伴随气缸20，遵循由相应的下部连接装置30允许的每个气缸20的旋转而不向气缸传递弯矩和/或扭矩，并且同时根据预定的定位平面布局来保持气缸20彼此分开。
因此，本发明提供用于通过机械连接系统将每个单气缸20连接到支撑框架10，该机械连接系统由两个单独的支撑系统构成，一个支撑系统作用在气缸底部部分上(即，前述的下部连接装置30)，并且一个支撑系统作用在相对于底部更高地放置的部分上(即，前述的竖直支撑结构40)。
竖直支撑结构40可以作用在气缸的任何高度处，只要在最大预期的轴向滑动的情况下确保与气缸的连接。
由于本发明，在海上运输的情况下，容纳单元1的支撑框架10即使在不利的海况和风况下也能够自由地变形，而不会对气缸造成显著的影响。实际上，由于本发明，气缸可以相对于支撑框架10自由移动，尽管根据预定的定位平面布局将它们本身基本上保持在一起。这通过将气缸20与支撑框架10分开来实现，从而防止(或至少显著地限制)从框架10到气缸20的静态和动态应力的传递。
由于本发明，随着时间的推移，当最柔性元件(支撑框架)随着包含最柔性元件和最刚性元件的运输装置的应力而变形时，能够防止最刚性元件(气缸，具有处于压力下的气体)的过载。
当运输装置在其整个使用寿命期间内执行过高的多个应力循环以致于使得刚性元件(气缸)的适当尺寸在经济上不切实际时，该优点变得明显。
容纳单元1的前述支撑框架10是刚度低于布置于其中的气缸20的刚度的结构，并且当支撑框架受到由运输装置施加的动态载荷时能够变形，其中该支撑框架安装于运输装置内部。
优选地，支撑框架10是由通过焊接或螺栓连接而彼此连接的金属段制成的网状结构。
有利地，特别如图15所示，支撑元件31可以被成形为限定具有与气缸的底端的形状对应的形状的支撑座。特别地，支撑元件31由托架构成。
优选地，支撑元件31由金属材料制成。
有利地，如图15所示，下部连接装置30可以包括置于支撑元件31与气缸的底端21之间的可弹性变形材料的垫33。
该垫33适于抑制由支撑框架10传递到气缸20的任何振动和/或竖直应力。
优选地，形成垫33的可弹性变形材料提供了与气缸20的摩擦系数，其在由气缸本身接收的竖直和/或侧向加速度的情况下足以使气缸20保持搁置在支撑元件31中。
根据图7至图18所示的实施例，气缸的前述竖直支撑结构40包括：
-多个轴环42，每个气缸20对应一个轴环，每个轴环限定用于相应的气缸20的定位座41；以及
-多个间隔元件43，间隔元件将轴环彼此连接并且将轴环连接到框架10的侧结构12，以根据预定的定位平面布局将轴环定位在它们之间并将轴环相对于侧结构定位。
可操作地，前述间隔元件43将轴环42彼此连接并且将轴环连接到支撑框架10的侧结构12，以在弯矩/扭矩的传输方面将轴环彼此解耦并将轴环从侧结构解耦。
特别地，如图12和图13所示，每个间隔元件43可以由双球接头构成。
如图10和图14所示，每个间隔元件43可以由相当于双球接头的弹性接头构成。
弹性接头可以布置在轴环与轴环之间以及轴环与框架之间的最小距离的点处(如图8所示)，或者可替代地，沿着轴环与轴环之间以及轴环与框架之间的最大距离的对角线方向(如图9所示)。后一种构造可以有利地用于气缸20之间的空间显著减小的情况中。
有利地，轴环和间隔元件可以彼此制造成一体件，以形成由可弹性变形材料制成的单结构45。
特别地，如图11所示，由可弹性变形材料制成的这种单结构可以由面板45构成，该面板包括多个主贯穿开口46，每个主贯穿开口限定用于气缸的竖直定位座。每个主贯穿开口46的边缘部分限定了轴环，而面板的布置在前述主贯穿开口46之间的部分47构成前述间隔元件。
如图11所示，前述面板45可以包括特别地具有照明功能的多个辅助贯穿开口48，其被制造在面板的布置于前述主开口之间的部分中。间隔元件由面板的布置在主开口46与辅助开口48之间的部分47限定。
有利地，对于每个轴环41，前述竖直支撑结构40包括置于轴环41与相应气缸20之间的由可弹性变形材料制成的插入结构44。该结构44适于允许由于在装载和卸载气缸的循环中发生的气缸本身的热膨胀和机械变形而导致的气缸的移位。通常，这些移位大约为20-30mm。
特别地，该插入结构44是在截面中在气缸的整个周边上延伸的连续结构，或者是由在横截面中沿气缸的周向延伸分布的多个元件构成的不连续结构，例如以滑块的形式。
有利地，形成前述插入结构44的可弹性变形材料提供与气缸20的摩擦系数，该摩擦系数足够低从而不妨碍气缸相对于轴环42的轴向平移。
如上所述，根据图7至图18所示的特别优选的实施例，本发明提供用于通过机械连接系统将每个单气缸20连接到支撑框架10，该机械连接系统由两个单独的支撑系统组成，一个支撑系统作用在气缸的底部部分上(即，前述下部连接装置30)，并且一个支撑系统作用在设置在相对于底部更高的部分上(即，前述竖直支撑结构40)。
由于这两个连接系统30和40的组合作用，在框架10可能经受的所有可能的机械变形中，框架10的变形不会将弯矩或扭矩传递到气缸20，但是仅在位于气缸底部的空间中的旋转点周围产生每个气缸的刚性旋转运动。然而，空间中这种刚性旋转运动不会导致气缸本身的任何附加的结构应力。
图16a至图16b、图17a至图17b和图18a至图18b示意性地示出了容纳单元的支撑框架的变形的一些可能状态，以及因此气缸所呈现的位置。
特别地，图16a至图16b示出了框架的纯平移变形的影响。它引起所有气缸的刚性旋转，并且特别是每个气缸的底部部分在平移平面上的旋转以及竖直支撑结构40的旋转平移。
图17a至图17b示出了框架的纯弯曲变形的影响。它引起所有气缸的刚性旋转，并且特别是每个气缸的底部部分在弯曲平面上的纯旋转以及竖直支撑结构40的旋转或旋转平移。
图18a至图18b示出了框架的纯扭转变形的影响。它引起所有气缸的刚性旋转，并且特别是每个气缸底部部分在扭转平面上的纯旋转以及竖直支撑结构40的扭转平移。
框架10的任何其它类型的变形可以被限定为上述三种变形的几何组合。因此，气缸20将仅经受作为框架的单变形的组合的对应刚性旋转。
本发明允许获得部分已经描述的许多优点。
根据本发明的压缩气体气缸的多重容纳单元1被构造成使得其可以以结构稳定的方式连接到运输装置，特别是船舶，并且同时，即使在运输装置经受显著变形时(如在船舶在不利的海洋和风力条件的情况下)，它也可以自由平移和变形，然而不会明显经受运输装置本身的应力和变形。
根据图7至图18中所示的特别优选的实施例，压缩气体气缸的多重容纳单元1也被具体构造为使得，即使在海上运输的情况下在不利的海洋和风力条件下，支撑框架也可以自由地变形，而在变形方面对可相对于框架自由移动的气缸不具有任何显著影响。
在海上运输的情况下，气缸的尺寸由此可以设定为仅考虑装载/卸载气体的循环(大约为在20年内10^3的量级)，且不考虑与由容纳单元1的支撑框架所承受的最大波浪应力相关的波浪载荷循环(大约为在20年内10^6的量级)。
根据本发明的压缩气体气缸的多重容纳单元的制造简单且经济。
框架与运输装置之间以及气缸与支撑框架之间的连接系统事实上在构造上简单地制造和组装，并且不包括复杂的部件。它们也具有机械系统，其以自动方式进行机械干涉而不需要控制和驱动系统。
因此，如此构思的本发明实现了预定的目的。
显然，在其实际的实施例中，为了此目的，在不偏离本保护范围的前提下，甚至可以假设不同于上面所示的形式和构造。
而且，所有细节可以由技术上等同的元件替换，并且根据需要，所使用的尺寸、形式和材料可以是任意的。