專利名稱：加壓流體罐和制造這種罐的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處于壓力下的流體的儲(chǔ)存。其特別但并非唯一地適用于公路車輛、例如帶有高壓氧氣儲(chǔ)備的燃料電池車輛中氣態(tài)氧的儲(chǔ)存。
背景技術(shù)：
在該領(lǐng)域中，在大量生產(chǎn)所述車輛時(shí)的一個(gè)困難是所述罐的設(shè)計(jì)，因?yàn)橛伤鲕?輛攜帶的罐必須滿足嚴(yán)格的安全要求，以便使敲擊或者意外碰撞的后果最小化。例如，當(dāng)在 所涉及的車輛的意外事故中罐被毀壞時(shí)，或者當(dāng)從槍炮發(fā)射的彈丸穿過(guò)罐時(shí)，流體的壓力 被非常突然地釋放。因?yàn)閮?chǔ)存壓力為200至500巴的數(shù)量級(jí)，由該壓力釋放所產(chǎn)生的能量 可能如此大，以至聚集了火焰切割所需的條件。因此，一個(gè)目的是使由釋放罐的內(nèi)部壓力所 產(chǎn)生的能量最小化，否則后者將破裂。另一個(gè)目的是允許以合理的成本、例如機(jī)動(dòng)車輛應(yīng)用 可接受的成本按工業(yè)規(guī)模獲得所述罐。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明提出一種用于儲(chǔ)存高壓流體的金屬罐，該金屬罐沿其軸線包括多個(gè) 被分隔件隔開(kāi)的相鄰隔室，每個(gè)隔室具有圓筒形壁、將每個(gè)分隔件與圓筒形壁相連的過(guò)渡 區(qū)，所述隔室通過(guò)在每個(gè)分隔件中形成的至少一個(gè)孔口相互連通，其中，對(duì)于給定隔室，所 述圓筒形壁通過(guò)環(huán)狀焊縫與相鄰隔室的過(guò)渡區(qū)相連。優(yōu)選地，端部隔室不同于中央隔室，所有中央隔室彼此相同。優(yōu)選地，罐具有位于所述罐的入口 /出口端的單個(gè)入口 /出口接口。還優(yōu)選地，分 隔件呈穹頂狀，分隔件的凹面朝向罐的入口 /出口端。優(yōu)選地，每個(gè)分隔件具有置于所述分隔件的中心處的單個(gè)孔口，孔口的直徑在1 毫米和5毫米之間。本發(fā)明還提出一種獲得用于儲(chǔ)存高壓流體的金屬罐的方法，所述方法依次包括以 下步驟·形成基本元件，所述基本元件包括具有圓形橫截面的圓筒形壁、分隔件、將圓筒 形壁的第一端與分隔件相連的過(guò)渡區(qū)，所述圓筒形壁的第二端構(gòu)成自由邊緣，其中所述分 隔件包括孔口并且垂直于圓筒形壁的軸線安裝，·以使圓筒形壁的各自軸線重合的方式并置多個(gè)相同的基本元件，·通過(guò)將每個(gè)基本元件的圓筒形壁的端部的自由邊緣焊接到相鄰元件的過(guò)渡區(qū)上 將所述多個(gè)基本元件連接在一起。優(yōu)選地，所述基本元件基本上通過(guò)拉拔形成?？商鎿Q地，所述基本元件基本上通過(guò)材料去除形成。優(yōu)選地，所述多個(gè)基本元件通過(guò)電子束焊接連接在一起。優(yōu)選地，端部元件也被焊接到所述多個(gè)基本元件的兩端上，所述端部元件不同于 所述基本元件。
優(yōu)選地，每個(gè)基本元件的過(guò)渡區(qū)包括對(duì)中臺(tái)肩，相鄰元件的自由邊緣圍繞所述臺(tái)肩定位。


本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)從優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明中將變得顯而易見(jiàn)。附圖分別示出 了 -圖1根據(jù)發(fā)明的罐的透視和局部剖開(kāi)視圖；-圖2圖1的罐的兩個(gè)基本元件的平面圖；-圖3在包含罐的軸線的平面上的圖1的兩個(gè)罐元件之間的連接的細(xì)節(jié)的橫截面 視圖；-圖4在包含罐的軸線的平面上的圖1的罐的兩個(gè)隔室之間的連通孔口的細(xì)節(jié)的 橫截面視圖；-圖5根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的連接的細(xì)節(jié)的類似于圖4的橫截面視圖；-圖6根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的連接的細(xì)節(jié)的類似于圖4和5的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，其以局部剖開(kāi)的方式示出了具有圍繞軸線2的圓筒形總形狀的罐1。罐 具有構(gòu)成其入口 /出口接口 40的一個(gè)開(kāi)口端4和一個(gè)封閉端5。罐內(nèi)部具有限定出多個(gè)隔 室10的多個(gè)分隔件3。相鄰隔室通過(guò)位于相應(yīng)分隔件的中心處的孔口 6連通。在該例子 中，罐由限定出五個(gè)相同的中央隔室10的五個(gè)相同的基本元件7組成。罐的端部使用不同 于基本元件7的特殊用途(專用)元件8和9。封閉端5由端蓋元件9構(gòu)成。由此限定出的端部隔室91具有與中央隔室相似的 容積。這里，端蓋元件包括用于通過(guò)可動(dòng)或柔性中間元件固定到車輛底盤上的螺紋桿51。 這將允許罐的封閉端軸向移動(dòng)，所述移動(dòng)是其所承受的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力引起的變形的結(jié) 果。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，可以以任何適宜的方式、例如利用滑動(dòng)引導(dǎo)件實(shí)現(xiàn)保持/引導(dǎo)罐的封閉端 5的該功能。罐1的開(kāi)口端4由具有入口 /出口接口 40的入口 /出口元件8構(gòu)成。所述入口 /出口接口 40包括與流體回路相連的連接裝置(參見(jiàn)用于密封的外殼41)，以及在該例子 中形成相對(duì)于車輛附接罐的附接裝置(參見(jiàn)螺紋孔42)。如此處所示，分隔件3優(yōu)選朝向罐的端部呈穹頂狀(凹面朝向罐和所述分隔件形 成其一部分的元件的開(kāi)口端)。圖1的罐還包括與基本元件7相似的元件71，只是其管狀部分稍短，從而使得由此 限定出的入口 /出口隔室71具有與中央隔室10相當(dāng)?shù)娜莘e。然而，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，如果可以 接受相應(yīng)的隔室71具有稍大于其它隔室的容積的事實(shí)，則可以替代該元件71非常好地采 用第六基本元件7。示出了在相互裝配在一起之前的兩個(gè)基本元件的圖2清楚地示出每個(gè)基本元件 7 (或者71)具有分隔件3和用于構(gòu)成罐的圓筒形壁的外徑為“ Φ ”的圓形截面管狀部分72。 每個(gè)元件被制造成整體件，優(yōu)選由諸如與加壓氧氣相適應(yīng)的不銹鋼的金屬和可焊接材料制 成。
然后，如圖3中所示，以密封方式將所有元件(基本元件和端部元件)連接在一 起，其中圖3詳細(xì)示出了兩個(gè)相鄰元件之間的連接的一個(gè)實(shí)施例。該附圖示出了連接管狀 部分72和整體式基本元件的分隔件3的過(guò)渡區(qū)73。相鄰元件7'的管狀部分72的自由邊 緣76圍繞該過(guò)渡區(qū)的對(duì)中臺(tái)肩74裝配。然后，周邊焊縫(焊道)75以密封方式連接兩個(gè) 元件。此處所圖示的連接是兩個(gè)基本元件之間的連接，但是，如可從圖1中推斷出的那樣， 可以將相同類型的連接應(yīng)用到端部元件8和9上。特別是，因?yàn)槿肟?/出口元件8沒(méi)有分 隔件，入口 /出口元件8的過(guò)渡區(qū)不同，但是可以以與其它元件相同的方式實(shí)現(xiàn)該元件8和 相鄰元件70之間的連接。圖4以放大的比例示出了圖2中的細(xì)節(jié)B。其示出了具有孔口 6的分隔件3的中 心部分。如上所述，所述孔口使兩個(gè)相鄰隔室10連通。當(dāng)罐被填充時(shí)，流體通過(guò)孔口流向 附圖的右側(cè)，以便裝滿全部隔室并且使它們壓力相等。當(dāng)罐供給流體消耗回路時(shí)，流體流向 附圖的左側(cè)，即，朝向罐的開(kāi)口端4。所述單個(gè)和中心孔口 6構(gòu)成限制兩個(gè)相鄰隔室之間的 流量/流速的聲速喉部。分隔件所起到的實(shí)質(zhì)作用是如果罐破裂則減小被立刻釋放的流體的體積。優(yōu)選 地，需如此設(shè)計(jì)分隔件和孔口的尺寸，以使得當(dāng)罐破裂時(shí)，它們能夠抵抗至少一個(gè)隔室的壓 力的急劇下降，即使為了這樣做它們不得不變形，包括永久(塑性)變形。對(duì)于由拉伸強(qiáng)度 為IlOOMPa的不銹鋼制成、直徑為Φ =70毫米、填充處于200巴的慣用壓力下的氧氣的罐， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，分隔件的厚度為0. 8毫米并且孔口的直徑為3毫米被證明是完全滿意的。取決 于罐的尺寸，孔口的直徑可以變化。優(yōu)選地，其在1毫米和5毫米之間。可替換地，可以具 有最終對(duì)全部流量具有相同作用的多個(gè)更小直徑的孔。
分隔件朝向罐的端部呈穹頂形的事實(shí)允許在相對(duì)于目標(biāo)儲(chǔ)存壓力來(lái)說(shuō)相對(duì)高的 的填充壓力下填充罐而不損壞分隔件，因?yàn)樗鼈兡軌虺惺軆蓚€(gè)相繼隔室(附圖中從左至 右)之間的高壓力差。因此，可以更快地進(jìn)行填充。與之相對(duì)照，當(dāng)接著通過(guò)供應(yīng)流體的回 路消耗流體時(shí)，分隔件所承受的壓力差低得多(如果不可以忽略)，因?yàn)榱髁?流速比填充 期間低得多。為此，使用以下方法制造罐·例如通過(guò)材料去除(車削、銑削)、通過(guò)拉拔或者使用適合于所選材料的任何技 術(shù)來(lái)形成基本元件和特殊用途端部元件，·沿元件的軸線組裝組成罐的所述元件， 例如通過(guò)電子束焊接(亦稱電子轟擊)、激光焊接或者摩擦焊接實(shí)現(xiàn)每個(gè)元件的 圓筒形壁72的自由邊緣76與相鄰元件的過(guò)渡區(qū)73之間的最后或確定連接。當(dāng)提到基本上通過(guò)拉拔獲得所述元件時(shí)，其意味著拉拔操作賦予元件的總形狀， 即使然后還需要根據(jù)連接類型所需的裝配精度在過(guò)渡區(qū)中或者自由邊緣上進(jìn)行機(jī)加工操 作。例如，已知通過(guò)電子束焊接的連接需要相對(duì)高的精度。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的罐的第二實(shí)施例，其中，通過(guò)與如上所述關(guān)于將相鄰元 件相互連接在一起的方法類似的方式將管部分721焊接(參見(jiàn)焊縫或焊道77)到分隔件3 的臺(tái)肩78上來(lái)獲得元件本身。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的罐的第三實(shí)施例。其與第二實(shí)施例的不同之處在于，管 部分721的自由邊緣761和過(guò)渡區(qū)732以這樣的方式構(gòu)造，以使得允許利用單個(gè)焊縫75將它們組裝并連接在一起。在該實(shí)例中，自由邊緣以45°的角度倒角，并且分隔件3具有環(huán)形 隆起79，其側(cè)面斜坡也傾斜45°。已經(jīng)以在車輛罐上的特定應(yīng)用為例描述了本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解，其也可以被應(yīng)用到 具有更大或更小容量的靜止罐的情況下。在機(jī)動(dòng)車輛應(yīng)用中設(shè)想的慣常壓力為200巴。 根據(jù)目前實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)應(yīng)于300 巴的檢驗(yàn)壓力和超過(guò)450巴的拉伸強(qiáng)度。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是罐的長(zhǎng)度僅取決于所應(yīng)用的基本元件的數(shù)量。
權(quán)利要求
用于儲(chǔ)存高壓流體的金屬罐(1)，該金屬罐(1)沿其軸線(2)包括多個(gè)被分隔件(3)隔開(kāi)的相鄰隔室(10，71，91)，每個(gè)隔室具有圓筒形壁(72)、將每個(gè)分隔件與所述圓筒形壁相連的過(guò)渡區(qū)(73)，所述隔室通過(guò)在每個(gè)分隔件中形成的至少一個(gè)孔口(6)相互連通，其中，對(duì)于給定隔室，所述圓筒形壁通過(guò)環(huán)狀焊縫(75)與相鄰隔室的過(guò)渡區(qū)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罐，其特征在于，端部隔室(71，91)不同于中央隔室(10)，所 有中央隔室彼此相同。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的罐，其特征在于，包括位于所述罐的入口/出口端(4) 處的單個(gè)入口 /出口接口(40)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的罐，其特征在于，所述分隔件呈穹頂狀，所述分隔件的凹面朝 向所述罐的入口/出口端。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的罐，其特征在于，每個(gè)分隔件具有置于所述分隔件的 中心的單個(gè)孔口(6)，所述孔口的直徑在1毫米和5毫米之間。
6.制造用于儲(chǔ)存高壓流體的金屬罐的方法，所述方法依次包括以下步驟 形成基本元件，所述基本元件包括具有圓形橫截面的圓筒形壁(72)、分隔件(3)、將 所述圓筒形壁的第一端與所述分隔件相連的過(guò)渡區(qū)(73)，所述圓筒形壁的第二端構(gòu)成自由 邊緣(76)，其中所述分隔件(3)包括孔口(6)并且垂直于所述圓筒形壁的軸線(2)安裝， 以使所述圓筒形壁的各自軸線重合的方式并置多個(gè)相同的基本元件， 通過(guò)將每個(gè)基本元件的圓筒形壁的端部的自由邊緣焊接到相鄰元件的過(guò)渡區(qū)上將所 述多個(gè)基本元件連接在一起。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述基本元件基本上通過(guò)拉拔形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述基本元件基本上通過(guò)材料去除形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)基本元件通過(guò)電子束焊 接連接在一起。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9之一所述的方法，其特征在于，端部元件(8，9)也被焊接到所 述多個(gè)基本元件(7)的兩端上，所述端部元件不同于所述基本元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求6至10之一所述的方法，其特征在于，每個(gè)基本元件(7)的過(guò)渡區(qū) (73)包括對(duì)中臺(tái)肩(74)，所述相鄰元件(7')的自由邊緣(76)圍繞所述對(duì)中臺(tái)肩(74)定 位。
全文摘要
本發(fā)明特別涉及一種用于儲(chǔ)存高壓流體的金屬罐(1)，該金屬罐(1)沿其軸線(2)包括多個(gè)被分隔件(3)隔開(kāi)的相鄰隔室(10，71，91)，每個(gè)隔室具有圓筒形壁(72)、將每個(gè)分隔件與圓筒形壁相連的過(guò)渡區(qū)(73)，所述隔室通過(guò)在每個(gè)分隔件中形成的至少一個(gè)孔口(6)相互連通，其中，對(duì)于給定隔室，所述圓筒形壁通過(guò)環(huán)狀焊縫(75)與相鄰隔室的過(guò)渡區(qū)相連。
文檔編號(hào)F17C1/16GK101836027SQ200880112698
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2008年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月24日
發(fā)明者B·弗拉尼爾, D·沃爾澤 申請(qǐng)人:米其林技術(shù)公司;米其林研究和技術(shù)股份公司