包括用于容纳泵组件的贮存器的低温储存容器的制作方法

本申请涉及一种低温储存容器，更特别地涉及一种具有泵贮存器(receptacle)的双壁式低温储存容器。

背景技术：

气体燃料用于燃料内燃机。在一些应用中，当需要储存大量的燃料时并且当用于储存这样的燃料的空间(例如车载)有限时，已知的是通过将气体燃料(如天然气)以液化的形式(lng)进行储存来增大燃料储存密度，从而增加车辆的操作范围。低温储存容器通常可以储存与容纳压缩天然气(cng)的相似大小的储存容器相比约4倍以上的燃料。为了将气体燃料输送给发动机，采用低温泵将气体燃料增压至喷射压力，然而该气体燃料仍然处于液化形式。燃料通常在被泵送后进行汽化，所以当其被输送到发动机时不再处于液化形式。取决于发动机的设计以及下游喷射系统是低压喷射系统还是高压喷射系统，输送压力可以处于较宽的压力范围内。例如，除其他因素外，输送压力取决于燃料是被引入到进气系统中还是直接被引入到燃烧室中，并且如果燃料被引入燃烧室中，则输送压力还取决于燃料被引入的时间。

在已知的系统中，低温泵可以位于与由低温储存容器限定的低温空间(cryogenspace，制冷剂空间)分离的外部槽(sump)中，或者可以安装有延伸到低温空间中的泵组件(如在申请人共有的美国专利第7,293,418号中所公开的)。以泵部分浸没在液化气体中并且驱动部分在低温空间外部的方式安装低温泵组件具有若干优点，所述优点包括减少泵的启动时间，这是因为与需要时间冷却至低温温度以有效运作的外部泵不同，只要低温容器内储存有液化气体，位于低温空间内的泵就保持在低温温度。另外，当外部槽通过管路连接至低温空间时，这样的管路必须是绝热的，以减少液化燃料在流至槽然后最终流至泵之前的热泄漏和蒸发。

气体燃料是在标准温度和压力下处于气态的任何燃料，上述标准温度和压力在本申请的上下文中是指20摄氏度(℃)和1大气压(atm)。例如，可以以液化形式储存的典型气体燃料包括但不限于：天然气、丙烷、氢气、甲烷、丁烷、乙烷、具有相似能含量(energycontent，内能)的其他已知燃料，以及包括这些燃料中至少一种的混合物。天然气本身就是一种混合物，并且是一种用于内燃机的受欢迎的气体燃料，这是因为其与基于燃油的液体燃料相比更充足、较便宜并且燃烧更清洁，并且其来源在地域上广泛分布于世界各地。先前在实验性的铁路应用中使用的纯化形式lng被称为冷冻液态甲烷(rlm)。

在高马力应用中，例如在船舶、矿业和铁路应用中，每个发动机所消耗的燃料的量与货车载运应用所用的发动机相比显著更大。因此，消耗更多燃料的应用需要更大的燃料储存容器。作为示例，与重型卡车上所采用的低温储存容器的典型150加仑容量相比，用于机车(locomotive，火车头)的包括低温储存容器的煤水车可以承载27,000加仑的液化天然气(lng)。在货车载运应用中，在低温泵需要维修的情况下，可以在移除泵时使储存容器排空。在高马力应用中，由于燃料储存容器的尺寸显著更大并且可以储存在其中的液化燃料的量显著更大，所以当必须移除低温泵以用于维修时，将液化燃料从低温储存容器中排空是不实际、耗时并且较昂贵的。

与用于在公路上行驶的载重卡车的重型发动机相比，上述高马力内燃机采用的最大燃料流量显著更大。作为示例，在某些应用中，用于高马力发动机的低温泵可以以约1000千克/小时的最大平均速率输送燃料，而用于重型发动机的低温泵可以以约100千克/小时的最大平均速率输送燃料。较大的燃料流量需要具有显著更大尺寸和质量的泵，并且与更小的泵相比，这样的泵在安装于低温容器中时具有独特的安装和支撑要求。在交通工具应用中，可能存在作用于泵的轴向载荷、横向载荷、径向载荷和转动载荷，这些载荷如果未被适当地约束则可能会引起将泵固定于低温容器的泵支撑件的疲劳，并且引起对低温容器自身的过度压力。

当低温泵组件使其泵部分安装在低温储存容器中时，在容器的底部可能存在低温泵无法获取的死体积的燃料。该死体积表示在设备的整个使用寿命期中对低温储存容器和泵的运行成本的现金投入，因为该死体积在泵运行时始终存在。期望的是，在不会过度增加低温储存容器的成本并且不会降低泵的运行效率的情况下尽可能地减少燃料的死体积。

对于低温储存容器，现有技术缺少如下技术：通过端部上的延伸到低温空间中的泵部分稳固地安装低温泵组件，以减少死体积，并且具有用于安装和拆卸泵组件的特征，而无需从低温空间排出液化燃料。

技术实现要素：

一种改进的低温储存容器，包括：限定低温空间的内部容器；以及与内部容器间隔开并环绕内部容器的外部容器，从而在内部容器与外部容器之间限定绝热空间。贮存器限定用于将液化气体从低温空间输送到低温储存容器外部的通路。贮存器包括细长外套筒和细长内套筒。细长外套筒具有与内部容器的相对侧相交的纵向轴线，细长外套筒的相对端限定与绝热空间流体连通的内部空间，该内部空间相对于低温空间密封。细长内套筒具有由外部容器支撑的开口端，该细长内套筒具有延伸到由细长外套筒限定的内部空间中的纵向轴线。细长内套筒还具有与所述开口端相对的封闭端，从而限定与绝热空间流体隔离的贮存器空间。流体连通通道从低温空间延伸至贮存器空间。流体连通通道具有允许细长内套筒相对于细长外套筒移动的柔性结构。该柔性结构可以包括波纹管装置。贮存器竖直定向以具有下端。该下端和流体连通通道两者均位于低温空间的底部附近。泵能够以入口在所述下端附近的方式布置在贮存器空间内。

在优选的实施方案中，存在阀，所述阀能够在打开位置和关闭位置之间进行操作，以控制低温空间与贮存器空间之间的流体流动。所述阀可以位于流体连通通道中，或者位于低温空间与贮存器空间之间的其他位置处。所述阀可以是止回阀，例如对夹式止回阀(wafertypecheckvalve，薄片型止回阀)，该止回阀被偏压以便阻止流体从低温空间流出，除非该止回阀被致动为处于打开位置。在优选的实施方案中，通过激活阀致动器从低温储存容器的外部机械地致动所述阀，该阀致动器致动连接装置，所述连接装置与该阀致动器和所述阀操作地连接。该连接装置可以延伸通过在阀致动器和所述阀之间延伸的管道，该管道与绝热空间和内部空间流体隔离。所述连接装置可以包括杆和线缆，其中所述杆与阀致动器操作地连接，并且所述线缆与所述阀操作地连接。可以存在传感器和切断机构，该传感器用以检测低温储存容器的位置，该切断机构与传感器操作地连接，以在传感器检测到紧急状况时，切断以下之一之间的连接：(a)连接装置与阀和(b)连接装置与阀致动器。在另一优选的实施方案中，当泵安装在贮存器的内部时，所述阀自动打开，而当将泵从贮存器移除时，所述阀自动关闭。

细长内套筒的封闭端可以由在横向于其纵向轴线的方向上约束移动的导向件支撑。可替代地或另外地，导向件约束细长内套筒的轴向移动和细长内套筒的旋转移动中的至少之一。当泵组件安装在细长内套筒内时，细长内套筒和该泵组件具有相对于彼此密封的配合表面，从而限制细长内套筒内液化气体可以上升至的高度。所述配合表面可由衬圈(collar，轴环，颈圈)和凸缘形成，所述衬圈在细长内套筒内形成凸台，所述凸缘与泵组件相关联。

所述低温储存容器还包括：衬圈，该衬圈围绕内部贮存器的内表面延伸，并且当泵组件安装在贮存器中时，该衬圈将内部贮存器流体划分为暖端和冷端。还具有：与加压清洗气体的供应装置流体连通的清洗阀；将清洗阀与暖端流体地连接的第一清洗管道；以及将清洗阀与冷端流体地连接的第二清洗管道。具有：与第二储存容器和所述低温空间中之一流体连通的排放阀，将排放阀与暖端流体地连接的第一排放管道；以及将排放阀与冷端流体地连接的第二排放管道。在优选的实施方案中，具有检测排放阀下游的气体燃料的浓度的气体燃料浓度传感器，从而间接地检测贮存器空间中的气体燃料的浓度，以确定何时完成排放，还具有检测排放阀下游的压力的压力传感器。

在另一优选的实施方案中具有：位于外部容器下方的井状部，贮存器空间和流体连通通道延伸到该井状部中；以及用于使低温空间与贮存器空间通过流体连通通道选择性地流体地连接的阀。

存在一种用于低温储存容器中的泵的改进的贮存器，该低温储存容器包括内部容器和外部容器，该内部容器限定低温空间，该外部容器与内部容器间隔开并环绕内部容器，从而在内部容器和外部容器之间限定绝热空间。该贮存器限定用于将液化气体从低温空间输送到低温储存容器外部的通路。该贮存器包括：具有与内部容器的相对侧相交的纵向轴线的细长外套筒，该细长外套筒的相对端限定与绝热空间流体连通的内部空间，该内部空间相对于低温空间密封；和具有由外部容器支撑的开口端的细长内套筒，该细长内套筒具有延伸到由细长外套筒限定的内部空间中的纵向轴线。细长内套筒具有与所述开口端相对的封闭端，从而限定与绝热空间流体隔离的贮存器空间。流体连通通道从低温空间延伸至贮存器空间。在优选的实施方案中，存在阀，该阀能够在打开位置和关闭位置之间进行操作，以控制低温空间和贮存器空间之间通过流体连通通道的流体流动。

附图说明

图1是根据第一实施方案的低温储存容器的局部截面视图。

图2是图1的低温储存容器中的泵贮存器的局部截面视图。

图3是图2的低温空间和泵贮存器的贮存器空间之间的流体连通通道的局部截面视图。

图4是图2所示的泵容器的上端的局部立体图，安装有低温泵组件。

图5是安装在图2的泵贮存器中的低温泵的局部截面视图。

图6是图2的泵贮存器的局部截面视图，具有清洗管道和阀以及排放管道和阀。

图7是用于将图4的低温泵从图2的泵贮存器中移除的程序的流程图。

图8是用于将图4的低温泵安装到图2的泵贮存器中的程序的流程图。

图9是根据第二实施方案的低温储存容器的局部截面视图。

具体实施方式

参阅图1和图2，示出了根据第一实施方案的低温储存容器10，其是在内部容器和外部容器之间采用真空空间来减少泄漏到容器中的热的类型。内部容器20在低温空间25中储存液化气体燃料，并且该内部容器被外部容器30环绕并与外部容器间隔开，从而限定绝热空间40(真空空间)。在所示出的实施方案中，低温储存容器10在水平面内纵向延伸，并且这样的构造适合于用在各种高马力应用中(例如用在用于向机车供应燃料的煤水车上)，并且适合在发电应用中用作储存容器。低温储存容器10可以包括一个或多个贮存器15，低温泵组件300设置于所述贮存器中。多个泵提供冗余，这在一个泵无法运行时是有用的，并且当不止一个泵同时运行时有助于增大流量，或者可替代地，多个泵可以独立运行以向多个下游消耗者供应燃料。贮存器15限定了用于将液化气体从低温空间25输送到低温储存容器10外部的通路。细长外套筒80具有与内部容器20的相对侧相交的纵向轴线45。外套筒80的相对端限定了与绝热空间40流体连通并且相对于低温空间25密封的内部空间85。细长内套筒120包括由外部容器30支撑的开口端125以及延伸到由外套筒80限定的内部空间85中的纵向轴线46。在所示出的实施方案中，内套筒120并不与外套筒80同轴，然而这并不是要求。内套筒120具有与开口端125相对的封闭端126，从而限定与绝热空间40流体隔离的贮存器空间100。流体连通通道200从低温空间25延伸至贮存器空间100。阀220能够在打开位置和关闭位置之间进行操作，以控制低温空间25与内套筒120中的贮存器空间100之间的流体流动。

内部容器20包括定位成与孔60相对的孔50，并且外部容器30包括孔70，这些孔被布置成使得当容器10被装配时，这些孔至少在轴向上重叠。在优选的实施方案中，孔50、60和70的形状通常为圆形或椭圆形。外套筒80在孔50和60之间轴向延伸，并环状地围绕内套筒120。在外套筒80和内部容器20之间于孔50和60周围存在流体密封，例如焊接。在本公开中，除非另外说明结构部件之间的流体密封包括焊接，否则还可以采用其他已知的流体密封技术。

支撑凸缘110与内套筒120在开口端125处流体密封。凸缘115从支撑凸缘110的外周向外延伸，并在孔70周围与外部容器30流体密封。在封闭端126，端盖130与内套筒120流体密封。导向件150在底板170处牢牢地固定于外部容器30的内表面。凸起160从端盖130的底面延伸到导向件150的孔155中，从而限制内套筒120相对于纵向轴线46靠近端盖130的横向和径向移动。内套筒120相对于外部容器30悬置，使得凸起160并不接触底板170，从而允许在热收缩期间的自由轴向移动。在另一优选的实施方案中，可以在孔155中于凸起160和底板170之间布置压缩弹簧，使得贮存器15(以及在安装有泵组件300时该泵组件)的轴向载荷的一部分由外部容器30的底板支撑。在其他实施方案中，不需要导向件150和凸起160，并且可以通过支撑凸缘110和外部容器30之间的连接使内套筒120牢牢地固定，然而这会增大支撑凸缘110上的压力并且是不优选的。在再一实施方案中，可以使导向件150相对于凸起160键接(keyed)，使得内套筒120相对于导向件150的旋转受约束。

参照图2和图3两者，流体连通通道200从低温空间25延伸到贮存器空间100。在优选的实施方案中，流体连通通道200包括在外套筒80中的孔180和内套筒120中的孔190之间延伸的、具有柔性结构的管状波纹管210，当低温储存容器10在环境温度和低温温度之间进行热循环时，该管状波纹管允许外套筒80相对于内套筒120移动。管状波纹管210的内部空间205与内部空间85流体隔离，但与低温空间25流体连通，并且与贮存器空间100选择性地流体连通。在所示出的实施方案中，管状波纹管210延伸通过孔180并且与环形凸缘215流体密封，该环形凸缘215在孔180周围与外套筒80流体密封。通过允许端盖130朝向底板170延伸并优选地延伸通过内部容器20中的孔60，流体连通通道200可以位于更加靠近内部容器的底板175处，从而减少死体积并且增加容纳于低温空间25中的燃料的可用量。这是通过如下方式而得以推进的：外套筒80具有开口端并在孔50和60之间延伸，使得内部空间85从外套筒80的两端与绝热空间40流体连通。在其他实施方案中，外部容器30中和下面可以包括槽，从而允许流体连通通道200位于更加接近底板175处。阀220允许低温空间25和贮存器空间100之间通过波纹管210选择性流体连通，并且在所示出的实施方案中，阀为栓接于布置在孔190中的环形凸缘225的对夹式止回阀，使得如果阀受损，其可以在低温储存容器被清空后进行更换。在其他实施方案中，阀220可以布置在沿着流体连通通道200的不同位置处。如将在下面更详细地说明的，阀220允许将低温泵安装到贮存器15中以及允许从该贮存器中移除低温泵，而无需首先要求低温空间25排空液化气体燃料。阀致动器240(参见图2)通过连接装置250操作地连接至阀220，该连接装置延伸通过管道260。管道260提供通过内部空间85的位于致动器240和管状波纹管210之间的流体密封通路，并且该通路通过支撑凸缘110流体密封。参照图2、图3和图4，低温空间25的上部(也被称为蒸气空间)可以通过通路480、阀470(其可以选择性地打开或关闭)以及通路440与贮存器空间100流体连通，以允许低温空间中的压力与贮存器空间中的压力相等，从而促进阀220的打开，否则阀220必须抵抗低温空间25中的液化气体燃料的相当可观的压头(pressurehead，压位差)打开。在优选的实施方案中，连接装置250包括与连接至阀220的线缆255(最好参见图3)连接的杆(在管道260内)。该杆由管道260通过气封件(未示出，诸如o形环等)密封，以减少并且优选地防止任何蒸发的气体燃料通过管道逸出。阀致动器240包括可旋转手柄，当其沿一个方向转动时向上拉动杆，从而打开阀220，而当其沿相反方向转动时，向下推动连接装置250的杆，从而使线缆255松弛，使得当低温空间25中的压力大于贮存器空间100中的压力时该阀关闭。止回阀220也可以是用弹簧加载的，使得其关闭并不需要低温空间25和容器空间100之间的压力差。可替代地，在其他实施方案中，阀致动器240和连接装置250可以与泵组件300整体形成，使得连接装置250从贮存器空间100而非内部空间85内驱动阀220，并且在此种情况下不需要管道260。在又一实施方案中，当泵组件300安装在贮存器15中时，连接装置250可以自动打开阀220，而当泵组件300被移除时，阀220自动关闭，在此种情况下不需要致动器240。在紧急情况下，可以通过切断阀和连接装置250之间的连接或者连接装置和致动器240之间的连接而使阀220自动关闭，其中上述切断在阀为偏置于关闭位置的类型时允许阀关闭。当低温储存容器为向机车供应液化气体燃料的煤水车时，紧急情况可以是火车脱轨时和机车翻倒时。传感器(诸如陀螺仪或加速计)可以直接或间接地检测煤水车的当前位置并激活切断机构(诸如在机车行业中已知的断销式离合器)，以允许阀220关闭。

现在参照图5，示出了低温泵组件300安装在贮存器15中。低温泵组件300的凸缘310与支撑凸缘110流体密封，并通过紧固件315固定于支撑凸缘110。除了在开口端125处的径向载荷(横向载荷)和旋转载荷(扭转载荷)之外，外部容器30还通过支撑凸缘100承载低温泵组件300的轴向载荷。低温泵组件300在该组件的端部305处的径向载荷通过端盖130、凸起155和导向件150传递到外部容器30。低温泵组件300上的凸缘320与衬圈270上的凸台配合，该衬圈与内套筒120连接以形成液封，从而将贮存器空间100划分为暖端330和冷端340。在优选的实施方案中，低温泵组件300包括暖端330中的液压马达和冷端340中的由该马达驱动的往复式活塞泵。当阀220打开时，液化气体燃料从低温空间25流入冷端340中，并且在低温泵组件300的抽吸冲程期间进入往复式活塞泵的入口中。

现在参照图7，现将参照图6描述用于将低温泵组件300从贮存器15中移除的程序。首先，关闭阀470以将贮存器空间100与低温空间25中的蒸气空间流体隔离(图7中的步骤500)。接下来，通过相应地激活阀致动器240并且打开阀430来关闭阀220，以使冷端340与低温空间25流体隔离(步骤510)，其中激活阀致动器并打开阀是用以将贮存器空间100中的压力降低到低温空间25中的压力以下，使得阀220由于压力差而关闭(步骤510)。阀430后面的管道460通向储存容器，该储存容器处的压力显著小于贮存器空间100中的压力。在阀220关闭后，阀400打开以允许清洗气体在压力下进入管道410和420中(步骤520)。清洗气体与蒸发的气体燃料相比密度更大，但其密度并不大于液化气体燃料的密度。例如，清洗气体可以为氮气，并且气体燃料可以为天然气。在暖端330，在管道410和管道440之间建立清洗气体的流动，其将蒸发的气体燃料带到管道440中。在冷端340，清洗气体通过管道420进入液化气体燃料池，从而使其沸腾，这是因为清洗气体的温度远高于低温温度并且用作热交换流体。当液化气体燃料蒸发时，其在清洗气体的压力下通过管道450逸出，这在管道420和管道450之间建立了流动。压力传感器495(通过监测管道460中的压力)间接地监测贮存器空间100中的压力，使得可以防止贮存器空间中由于加压清洗气体所引起的压力上升得超过低温空间25中的压力，如果贮存器空间中的上述压力上升得超过低温空间25中的压力，那么当压力差足以促使阀打开时，其将会使阀220打开。管道460将排放的气体燃料输送到储存设施(未示出)中。传感器490检测管道460中的气体燃料的浓度，以确定暖端330和冷端340何时清除气体燃料，在此之后关闭阀400(步骤530)。在压力传感器495确定贮存器空间100中的压力到达0磅每平方英寸(psig)后，将泵组件300与贮存器15断开并从其取出(步骤540)。阀430可以保持打开以确保压力保持在0psig。

现在参照图8，现将参照图6描述用于安装低温泵组件300的程序。将低温泵组件300插入到贮存器15中并将其固定于支撑凸缘110(步骤600)。打开阀400和430，以允许清洗气体流通过贮存器100并从管道460离开，以排空贮存器中的空气和水分，允许清洗气体流流动达预定量时间，在此之后这些阀均关闭(步骤610)。打开阀470，以使贮存器空间100和低温空间25之间的压力相等(步骤620)。低温空间25和贮存器空间100之间的压力平衡使得当阀致动器240被激活时(步骤630)打开阀220所需的力减小，允许液化气体燃料流入冷端340中。阀220的打开可以延迟预定量的时间，以允许低温泵组件300通过泵组件和低温空间25中的液化气体燃料之间的热传递进行冷却。当阀220打开时，冷端340中的任何蒸发的气体燃料(其是在阀470打开时引入的)将通过管道450、通过阀470流入到低温空间25中。

参照图9，示出了根据第二实施方案的低温储存容器12，第二实施方案与第一实施方案相似，其中与第一实施方案相同的部件具有相同的附图标记，并且如果有的话可能不会被详细描述。外部容器30包括井状部35(也被称为槽)，该井状部延伸到底板170以下，并且泵贮存器15的端盖130延伸到该井状部中。流体连通通道201在外部容器30外部和下面从低温空间25延伸，通过井状部35延伸至贮存器空间100。阀221通过阀致动器241选择性地打开和关闭。与图2中的第一实施方案相比，本实施方案具有的优点是减小了死体积，这是因为流体连通通道201在内部容器20的底板175以下；并且阀致动器241可以定位得靠近低温储存容器12的底部处，以便于维修人员从地面访问。第一实施方案至少具有简化外部容器30的结构的优点。

虽然已经示出和描述了本发明的具体的元件、实施方案和应用，但将理解的是，本发明不限于此，这是因为本领域的技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下、特别是根据前述教导进行修改。