[发明专利]具有内部负载支撑件的复合压力容器

说明书

本申请公开了用于支撑复合加压存储容器的末端的装置、系统以及方法，包含用被轴向地固定在存储容器内部的固定在每个末端的轴向杆/管来支撑圆柱形的复合加压存储容器的两个末端；以及提供从两个末端的至少一个末端进入到所述容器中的流体路径，所述至少一个末端不被所述轴向杆/管道堵塞。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年11月24日申请的美国临时专利申请第62/259,490号的优先权，其中的内容在此被完整地包括，就像在本文被充分地叙述一样。

技术领域

压力容器轴向负载处理。

背景技术

对于用于存储H2和CNG的便携式或重量轻的压力容器的传统设计是昂贵的。纤维缠绕复合包装(overwrap)压力容器(COPV)由厚的外包装、塑料衬垫和金属配件构成。包装结构是结构纤维和树脂的结合。连续纤维为结构完整提供抗拉强度，而树脂承载复合材料中的剪切负载并维持纤维位置。由于纤维/树脂复合材料通常不被认为是耐压密封的，所以该复合材料被应用在充当复合材料内部衬垫的流体-保持(fluid-retention)屏障之上。这些流体-保持屏障可以是橡胶、塑料或薄韧性金属衬垫。这些衬垫用于维持可接受的泄漏率和流体纯度，而且增加少许(如果有的话)结构的完整性。对于重量轻、高-效率的应用，COPV提供了重要的重量优势，可比较的金属罐的大约一半重量。大部分高性能、成本效益好的罐设计努力主要集中使用成本更低的碳纤维或混合(碳+玻璃)纤维。

取得了一些研究成果，包括加强在缠绕过程期间使用的树脂。大多数纤维缠绕使用包括环和螺旋层的类似缠绕模式来制作。环层接受周向负载，而螺旋层接受轴向负载。纤维缠绕过程还包括使用高角度螺旋层，该高角度螺旋层接受环向和轴向负载。高角度层加强穹顶-圆筒(dome-cylinder)过渡区域。环层在周向负载加强圆筒部分方面是非常有效的；然而，它们在轴向负载加强圆筒方面是非常低效的。它们难以缠绕在相当普遍的网格球顶式等张压(geodesic isotensoid)穹顶形状上方。螺旋层用来克服环层的缺点并通过复合包装提高轴向应力承载能力。螺旋层的数量通常超过罐中所需的数量。螺旋层是低或高角度螺旋层两者中的任一者。低角度螺旋层主要承受轴向负载并用来保持靠近COPV的极点开口的金属配件。连续纤维缠绕过程迫使罐制造器在圆筒部分之上缠绕低角度螺旋层。这些低角度螺旋层增加不必要的重量并降低罐的存储容积(对于固定的外部罐尺寸)。

发明内容

由于在COPV制造中的一个主要成本因素是碳纤维(60％-75％)，因此具有目前典型的碳纤维成本(26.50美元/公斤-33.10美元/公斤，按2015年的美元计算)的一小部分的高强度、高模量的碳纤维将会是理想的。几家碳纤维供应商正在该方面努力。

纤维缠绕由湿式(树脂浸渍纤维)和干式(丝束预浸)缠绕类型组成。与湿式缠绕相比，干式缠绕是非常昂贵的工艺；然而，它允许更多的控制和一致的缠绕模式。复合壳体的湿式和干式缠绕都涉及在衬垫上缠绕环和螺旋层。环缠绕支撑环应力并且限定罐的破裂能力并加强压力容器的圆筒部分。螺旋缠绕支撑压力容器上的轴向负载。螺旋缠绕主要加强压力容器的穹顶部分。螺旋缠绕由高角度螺旋缠绕和低角度螺旋缠绕组成。高角度螺旋缠绕和环缠绕一起加强圆筒-穹顶过渡区域。低角度螺旋缠绕保持极点凸出部(polar boss)靠近开口。极点开口部分通常是压力容器中最厚的部分，因为它靠近极点开口加入了厚度。内部压力越高，需要越多的低角度螺旋层来加强极点开口区域以保持金属凸出部。需要低角度螺旋层来加强穹顶部分以及小批量用于圆筒部分。圆筒部分中的大部分低角度螺旋层只增加了罐的重量并导致罐的储存密度降低。例如，优化后的122L氢罐设计(500mm×1000mm)由总共95层的环组成，其中包括52个螺旋层和仅仅43个环层。