CN108351071A - 具有集成加热元件的复合压力容器组件 - Google Patents

Abstract

一种压力容器组件包括围绕至少一个腔室的复合层。加热元件嵌入所述复合层中以从所述腔室中抽出气体。

Description

具有集成加热元件的复合压力容器组件

背景技术

本公开涉及压力容器组件，并且更具体地涉及具有集成加热元件的压力容器组件。

压力容器可以用作各种消费者、商业和工业过程的储存介质(例如，气体)。为了在给定的体积内为任何操作储存足够的气体，气体被储存在高压下。传统上，压力容器具有典型的球形或圆柱形设计，这种设计均匀地分布密闭周边中的应力。遗憾地是，这种罐不能有效利用分配的空间。例如，球形容器以约52％的效率填充立方体空间，而圆柱形容器以约78％的效率填充矩形容积。通常符合矩形容积的压力容器的较新的改进可以相对于真正的矩形容积以约90％的效率来填充该空间。

可以将吸收剂放置在压力容器内以进一步提高加压气体的储存效率。为了帮助从容器中抽出气体，可以通过各种手段加热吸收剂。

支持高内部压力的非球形/圆柱形压力容器的设计较复杂，包括用于传递应力的可变曲率外表面和内部结构。高适形容器的大尺寸和复杂的形状使得制造具有挑战性。而且，添加吸收剂与加热装置会提高设计和制造的复杂性及成本。

发明内容

根据本公开的一个非限制性实施方案的压力容器组件包括围绕至少一个腔室的第一复合层；以及嵌入第一复合层中的第一加热元件。

除了前述实施方案之外，压力容器组件还包括设置在至少一个腔室中的至少一个中的第一吸收剂。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一复合层包含聚合物基质复合材料。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一加热元件选自包括金属丝、铜箔和碳纳米管的组。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一复合层包含连续碳纤维，并且加热元件包含连续碳纤维。

替代地或附加地，在前述实施方案中，压力容器组件被构造成储存天然气，并且第一加热元件被构造成加热吸收剂以抽出天然气。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一加热元件被构造成是容器结构健康监测装置的一部分。

替代地或附加地，在前述实施方案中，压力容器组件包括限定至少一个腔室中的第一腔室的第一衬里，并且其中第一衬里被第一复合层包围。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一衬里选自包括吹塑塑料和注塑塑料的组。

替代地或附加地，在前述实施方案中，压力容器组件包括限定至少一个腔室中的第二腔室的第二衬里，并且其中第一衬里和第二衬里被第一复合层包围。

替代地或附加地，在前述实施方案中，压力容器组件包括限定至少一个腔室中的第二腔室的第二衬里；以及与第二衬里接合并包封第二衬里的第二复合层，并且其中第一衬里被第一复合层接合并包封，并且第一复合层和第二复合层的各部分被接合。

替代地或附加地，在前述实施方案中，压力容器组件包括嵌入第二复合层中的第二加热元件。

替代地或附加地，在前述实施方案中，压力容器组件包括与第一复合层和第二复合层接合并且包封第一复合层和第二复合层的第三复合层。

替代地或附加地，在前述实施方案中，压力容器组件包括设置在第二腔室中的第二吸收剂。

替代地或附加地，在前述实施方案中，压力容器组件包括设置在第二腔室中的第二吸收剂。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第三复合层包含玻璃纤维。

根据另一非限制性实施方案的复合压力容器组件包括限定腔室并包含吹塑塑料的衬里；与衬里接合并包封衬里的层，并且其中所述层包含聚合物基质复合材料；设置在腔室中的吸收剂；以及嵌入所述层中的加热元件。

除了前述实施方案之外，聚合物基质复合材料包含选自包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维的组的增强纤维。

替代地或附加地，在前述实施方案中，加热元件被构造成将电能转换成热能并选自包括金属丝、铜箔和碳纳米管的组。

替代地或附加地，在前述实施方案中，加热元件被构造成施加液体循环热量并且包括嵌入层中以供加热流体流动的管。

前述特征和元件可以以各种组合非排他性地进行组合，除非另有明确指示。根据以下描述和附图，这些特征和元件及其操作将变得更为明显。然而，应理解，以下描述和附图意图在本质上是示例性的而非限制性的。

附图说明

本领域技术人员将从以下对所公开非限制性实施方案的详细描述中明白各种特征。伴随于详细描述的附图可简要描述如下：

图1是根据本发明的示例性实施方案的被构造成储存加压流体的压力容器组件的透视图；

图2是压力容器组件的衬里的分解透视图；

图3是衬里的横截面；

图4是施加了中间层的衬里的透视横截面；

图5是压力容器组件的透视横截面；以及

图6是从图5中标记为6的圆圈中取出的放大局部横截面。

具体实施方式

现在参考图1，示出了被构造成储存高压流体的压力容器或罐组件20的实例。可储存在压力容器20内的示例性流体包括但不限于例如压缩天然气(CNG)、氢气、丙烷、甲烷、空气和液压流体。压力容器组件20通常可以包括两个侧翼容器22、24和至少一个内部容器26(例如，示出五个相同的内部容器)，所述至少一个内部容器连接并设置在侧翼容器22、24之间。每个容器22、24、26通常可以是细长的，并且压力容器组件20的总体构造通常是矩形形状，但是从本文的描述中可以理解，其他形状也是可以预期的。

参考图2，每个容器22、24、26可以包括相应的衬里28、30、32。每个衬里28、30、32可以限定相应腔室34、36、38的边界以用于流体储存。侧翼端衬里28、30可以包括相应的凸台46、48，凸台46由相对的端盖50、52封闭，凸台46由相对的端盖54、56封闭。每个凸台46、48可以是周向连续的并且基本上为圆柱形的。衬里32可以包括凸台58，凸台58由相对的端盖59、61封闭。凸台58可以是周向连续的。衬里28、30、32可以由能够提供特定应用所需的必要结构支撑、重量、操作特性、成本限制和其他参数的任何材料和厚度制成。衬里材料的实例可以包括钢或其他金属组合物和塑料。衬里28、30、32还可以是吹塑塑料或注塑塑料。

参考图3，相应的侧翼衬里28、30的凸台46、48可以基本相同并且被布置成使得第一侧翼衬里28的凸台46相对于相对的侧翼衬里30的凸台48旋转大约一百八十度(180度)(即，布置为彼此的镜像)。每个侧翼凸台46、48可以包括大致圆柱形的外部部分或壁60和内部部分或壁62。内壁62可以是大致平面的并且可以横向地跨过圆柱形外壁60的第一端部64与第二端部66之间。在一个实施方案中，内壁62与圆柱形外壁60的端部64、66一体形成。圆柱形外壁60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60的与内壁62相对的那部分包括通常具有二百四十(240)度角的圆形或曲线，如由半径R所限定。因此，侧翼凸台46、48的总高度等于圆柱形外壁60的半径R的长度的两倍。垂直内壁62大致平行于垂直平面P并与其间隔开，垂直平面P包括限定外壁60的曲率的半径R的原点。在一个实施方案中，内壁62与平行垂直平面P之间的距离约为半径R的一半。结果，侧翼凸台46、48的宽度通常等于外壁60的曲率半径R的长度的约1.5倍。

图示的内部凸台58包括第一内侧壁68和第二内侧壁70，所述第一内侧壁和第二内侧壁可以在直径方向上彼此相对、基本上垂直布置并且彼此分开一定距离。在一个实施方案中，内部凸台58的宽度大致等于端部凸台46、48的曲率半径R。第一内侧壁68和第二内侧壁70的厚度可以是相同的并且可以等于侧翼凸台46、48的内壁62的厚度。第一外侧壁72在第一内侧壁68的第一端74与第二内侧壁70的第一端76之间延伸。类似地，第二外侧壁78在第一内侧壁68的第二端80与第二内侧壁70的第二端82之间延伸。

第一外侧壁72和第二外侧壁78的曲率可以由通常具有六十(60)度角的圆形或曲线限定，如由半径R所限定。在一个实施方案中，内部凸台58的曲率半径R与侧翼凸台46、48的曲率半径R基本相同。因此，第一弯曲壁72与第二弯曲壁78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侧翼凸台46、48的高度。

参考图4，容器22、24、26各自包括基本上覆盖相应衬里28、30、32的中间层84、86、88。中间层84可以是缠绕在衬里的凸台和端盖周围以获得结构强度并分配内部应力的连续纤维包裹物或预浸料(即，带有树脂的纤维)。或者，中间层84、86、88可以包括缠绕在相应衬里28、30、32周围的编织物。主加强件(即，纤维或编织物)可以由碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维制成。用于粘合连续纤维的基质材料或树脂可以包括可以纳米增强的环氧树脂、乙烯基酯和其他树脂体系。可进一步预期和理解的是，中间层84、86、88可以由树脂浸渍的纤维制成，所述纤维可以被切碎。作为一个实例，短切纤维的长度可以为约一(1)英寸(2.54cm)。

当至少部分地组装压力容器组件20时，侧翼凸台46的内壁62与内部凸台58的内侧壁68相对并靠近。中间层84的覆盖内壁62的那部分可以直接与中间层88的覆盖侧壁68的那部分相邻并粘附(如果存在粘合剂的话)。类似地，侧翼凸台48的内壁62与内部凸台58的内侧壁70相对并靠近。中间层86的覆盖内壁62的那部分可以直接与中间层88的覆盖侧壁70的那部分相邻并粘附。

参考图5，压力容器组件20可以包括通常覆盖并包封中间层84、86、88的外层90。外层90可以在将中间层84、86、88接合之后施加。外层90可以是可以喷涂(即，喷涂短切纤维/树脂)的短切纤维和树脂的混合物，或者可以是片状成型料(SMC)。主加强件(即，短切纤维)可以由长度为约一(1)英寸(2.5cm)的碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维制成。用于粘合短切纤维的树脂可以包括可以纳米增强的环氧树脂、乙烯基酯和其他树脂体系。

压力容器组件20还可以包括多个接合部92，每个接合部位于外壁60、72、78的相应端部，侧壁68、70的端部和内壁62的端部通常会合的地方。每个接合部92通常可以是Y形(即，三角星形)并且可以由与外层90相同的材料制成。

由于在中间层84、86、88中使用连续纤维，因此与整个组件由短切纤维制成的情况相比，容器组件20的重量要轻得多。然而，内部结构侧壁68、70和内壁62与具有连续纤维和短切纤维的混合物的外壁60、72、78具有不同的机械性能。内部结构侧壁68、70和内壁62将具有比混合外壁60、72、78更高的弹性模量，并且因此而言，接合部92将需要不同于通常来源于均质材料的约一百二十(120)度的优化角度。接合部92角度和内壁厚度将根据具体的材料性质进行优化。

参照图5和图6，压力容器组件20还可以包括位于一个或所有腔室34、36、38中的吸收剂94(即，气体吸收介质)。吸收剂94起到补充压力容器组件20的气体储存容量的作用。吸收剂94可以呈颗粒状或小球状，或者可以形成任何期望的形状。吸收剂94的非限制性实例可以至少部分取决于所储存的气体的类型。例如，如果气体是氢气，则吸收剂94可以包括金属有机骨架、活性炭、金属氢化物、碳纳米管等。如果气体是CNG，则吸收剂94可以包括活性炭、金属有机骨架等。

压力容器组件20还可以包括加热元件96，该加热元件适于加热吸收剂94以改善从压力容器组件抽出流体或气体。加热元件96可以嵌入例如中间层84中。而且，每个腔室34、36、38都可以包含吸收剂94，并且可以将单独的加热元件96嵌入每个中间层84、86、88中。可进一步预期和理解的是，一个加热元件96可以加热位于所有三个腔室34、36、38中的吸收剂94，并且单个加热元件通常可以嵌入外层90中。在又一个实施方案中，一个或多个加热元件96可以设置并嵌入在中间层84、86、88与外层90之间。

加热元件96的非限制性实例可以包括被构造成将电能转换成热能的装置以及被构造成供加热的流体流动的液体循环装置。电气装置的嵌入部分的实例可以包括金属线、铜箔、碳纳米管等。另外，在上文提到的中间层84、86、88的聚合物基质复合材料包括连续碳纤维增强材料的实例中，碳纤维本身可以用作发出热能的电路的一部分。如果加热元件96是液体循环装置的一部分，则一个或多个加热元件96可以是嵌入中间层84、86、88并且被构造成供加热的流体(即，液体和/或气体)流动的管。加热元件类型可以基于期望的特性，诸如重量、加热效率和成本。

在另一个实施方案中，中间层84、86、88和/或外层90的复合材料可以包括用于结构加强并且还起到电绝缘作用的玻璃纤维。此外，加热元件96还可以用作能够检测例如加热元件96的任何不连续性或破损的容器结构健康监测系统98的一部分。

加热元件96可以在压力容器组件20的制造过程期间嵌入中间层84、86、88中。加热元件96可以放置在层84、86、88内的最佳深度处，以最大程度提高加热效率并使加热元件电负荷降至最低。

复合压力容器组件20可以提供具有高能量储存密度的轻质储罐。该方法能够在需要的地方(例如，接合部92)容易地添加加强复合材料。混合连续和短纤维的使用可以进一步使容器组件重量降至最低。因为容器组件20可以是非圆柱形的，所以该组件将对给定的空间提供最高的适形性。此外，与金属罐相比，该复合构造还将提供耐腐蚀性。

具有吸收剂94的复合材料中的集成加热元件96将在所有天气条件下使气体利用率最大化。本公开提供了在制造过程期间将加热元件96和相关联的端子集成到复合压力容器组件20中的简化且经济有效的方法。

虽然参考示例性实施方案描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变并且可以进行等效物替换。另外，可以应用各种修改来使本公开的教导适于特定情况、应用和/或材料而不脱离其基本范围。因此，本公开并不受限于本文所公开的特定实例，而是包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1.一种压力容器组件，包括：

围绕至少一个腔室的第一复合层；和

嵌入所述第一复合层中的第一加热元件。

2.根据权利要求1所述的压力容器组件，还包括：

设置在所述至少一个腔室中的至少一个中的第一吸收剂。

3.根据权利要求2所述的压力容器组件，其中所述第一复合层包含聚合物基质复合材料。

4.根据权利要求2所述的压力容器组件，其中所述第一加热元件选自包括金属丝、铜箔和碳纳米管的组。

5.根据权利要求2所述的压力容器组件，其中所述第一复合层包含连续碳纤维，并且所述加热元件包含所述连续碳纤维。

6.根据权利要求2所述的压力容器组件，其中所述压力容器组件被构造成储存天然气，并且所述第一加热元件被构造成加热所述吸收剂以抽出所述天然气。

7.根据权利要求1所述的压力容器组件，其中所述第一加热元件被构造成是容器结构健康监测装置的一部分。

8.根据权利要求1所述的压力容器组件，还包括：

限定所述至少一个腔室中的第一腔室的第一衬里，并且其中所述第一衬里被所述第一复合层包围。

9.根据权利要求8所述的压力容器组件，其中所述第一衬里选自包括吹塑塑料和注塑塑料的组。

10.根据权利要求8所述的压力容器组件，还包括：

限定所述至少一个腔室中的第二腔室的第二衬里，并且其中所述第一衬里和第二衬里被所述第一复合层包围。

11.根据权利要求8所述的压力容器组件，还包括：

限定所述至少一个腔室中的第二腔室的第二衬里；以及

与所述第二衬里接合并包封所述第二衬里的第二复合层，并且其中所述第一衬里被所述第一复合层接合并包封，并且所述第一复合层和第二复合层的各部分被接合。

12.根据权利要求11所述的压力容器组件，还包括：

嵌入所述第二复合层中的第二加热元件。

13.根据权利要求12所述的压力容器组件，还包括：

与所述第一复合层和第二复合层接合并包封所述第一复合层和第二复合层的第三复合层。

14.根据权利要求10所述的压力容器组件，还包括：

设置在所述第二腔室中的第二吸收剂。

15.根据权利要求13所述的压力容器组件，还包括：

设置在所述第二腔室中的第二吸收剂。

16.根据权利要求13所述的压力容器组件，其中所述第三复合层包含玻璃纤维。

17.一种复合压力容器组件，包括：

限定腔室并包含吹塑塑料的衬里；

与所述衬里接合并包封所述衬里的层，并且其中所述层包含聚合物基质复合材料；

设置在所述腔室中的吸收剂；和

嵌入所述层中的加热元件。

18.根据权利要求17所述的复合压力容器组件，其中所述聚合物基质复合材料包含选自包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维的组的增强纤维。

19.根据权利要求17所述的复合压力容器组件，其中所述加热元件被构造成将电能转换成热能并且选自包括金属丝、铜箔和碳纳米管的组。

20.根据权利要求17所述的复合压力容器组件，其中所述加热元件被构造成施加液体循环热量并且包括嵌入所述层中以供加热流体流动的管。