[發明專利]具有內部負載支撐件的復合壓力容器

有效

• 申請號: 202011275498.4
• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN112344199B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: M·加格
• 申請（專利權）人: 昆騰燃料系統有限責任公司
• 主分類號: F17C1/00
• 分類號: F17C1/00;F17C1/02
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 袁策

本申請涉及具有內部負載支撐件的復合壓力容器，并公開了用于支撐復合加壓存儲容器的末端的裝置、系統以及方法，包含用被軸向地固定在存儲容器內部的固定在每個末端的軸向桿/管來支撐圓柱形的復合加壓存儲容器的兩個末端；以及提供從兩個末端的至少一個末端進入到所述容器中的流體路徑，所述至少一個末端不被所述軸向桿/管道堵塞。

本申請是于2016年11月22日提交的名稱為“具有內部負載支撐件的復合壓力容器”的中國專利申請201680075499.X的分案申請。

相關申請的交叉引用

本申請要求2015年11月24日申請的美國臨時專利申請第62/259,490號的優先權，其中的內容在此被完整地包括，就像在本文被充分地敘述一樣。

技術領域

壓力容器軸向負載處理。

背景技術

對于用于存儲H2和CNG的便攜式或重量輕的壓力容器的傳統設計是昂貴的。纖維纏繞復合包裝(overwrap)壓力容器(COPV)由厚的外包裝、塑料襯墊和金屬配件構成。包裝結構是結構纖維和樹脂的結合。連續纖維為結構完整提供抗拉強度，而樹脂承載復合材料中的剪切負載并維持纖維位置。由于纖維/樹脂復合材料通常不被認為是耐壓密封的，所以該復合材料被應用在充當復合材料內部襯墊的流體-保持(fluid-retention)屏障之上。這些流體-保持屏障可以是橡膠、塑料或薄韌性金屬襯墊。這些襯墊用于維持可接受的泄漏率和流體純度，而且增加少許(如果有的話)結構的完整性。對于重量輕、高-效率的應用，COPV提供了重要的重量優勢，可比較的金屬罐的大約一半重量。大部分高性能、成本效益好的罐設計努力主要集中使用成本更低的碳纖維或混合(碳+玻璃)纖維。

取得了一些研究成果，包括加強在纏繞過程期間使用的樹脂。大多數纖維纏繞使用包括環和螺旋層的類似纏繞模式來制作。環層接受周向負載，而螺旋層接受軸向負載。纖維纏繞過程還包括使用高角度螺旋層，該高角度螺旋層接受環向和軸向負載。高角度層加強穹頂-圓筒(dome-cylinder)過渡區域。環層在周向負載加強圓筒部分方面是非常有效的；然而，它們在軸向負載加強圓筒方面是非常低效的。它們難以纏繞在相當普遍的網格球頂式等張壓(geodesic isotensoid)穹頂形狀上方。螺旋層用來克服環層的缺點并通過復合包裝提高軸向應力承載能力。螺旋層的數量通常超過罐中所需的數量。螺旋層是低或高角度螺旋層兩者中的任一者。低角度螺旋層主要承受軸向負載并用來保持靠近COPV的極點開口的金屬配件。連續纖維纏繞過程迫使罐制造器在圓筒部分之上纏繞低角度螺旋層。這些低角度螺旋層增加不必要的重量并降低罐的存儲容積(對于固定的外部罐尺寸)。

發明內容

由于在COPV制造中的一個主要成本因素是碳纖維(60％-75％)，因此具有目前典型的碳纖維成本(26.50美元/公斤-33.10美元/公斤，按2015年的美元計算)的一小部分的高強度、高模量的碳纖維將會是理想的。幾家碳纖維供應商正在該方面努力。

纖維纏繞由濕式(樹脂浸漬纖維)和干式(絲束預浸)纏繞類型組成。與濕式纏繞相比，干式纏繞是非常昂貴的工藝；然而，它允許更多的控制和一致的纏繞模式。復合殼體的濕式和干式纏繞都涉及在襯墊上纏繞環和螺旋層。環纏繞支撐環應力并且限定罐的破裂能力并加強壓力容器的圓筒部分。螺旋纏繞支撐壓力容器上的軸向負載。螺旋纏繞主要加強壓力容器的穹頂部分。螺旋纏繞由高角度螺旋纏繞和低角度螺旋纏繞組成。高角度螺旋纏繞和環纏繞一起加強圓筒-穹頂過渡區域。低角度螺旋纏繞保持極點凸出部(polar boss)靠近開口。極點開口部分通常是壓力容器中最厚的部分，因為它靠近極點開口加入了厚度。內部壓力越高，需要越多的低角度螺旋層來加強極點開口區域以保持金屬凸出部。需要低角度螺旋層來加強穹頂部分以及小批量用于圓筒部分。圓筒部分中的大部分低角度螺旋層只增加了罐的重量并導致罐的儲存密度降低。例如，優化后的122L氫罐設計(500mm×1000mm)由總共95層的環組成，其中包括52個螺旋層和僅僅43個環層。