流体静压保持系统 【相关申请的交叉引用】
本发明是根据Robert J.Setlock，Jr.在08/06/98申请的、题为“流体静压保持装置和高强度连接方法”的美国专利与商标局第60/095,509号在先申请作出的。
【发明领域】
本发明总的来说涉及压力容器领域，特别是涉及一种用于在三维结构基体中保持压力流体并将元件连接到基体上的装置和方法。
【发明背景】
储存高压气体通常需要采用具有球形、圆柱形、椭球形、曲面形或这些形状组合的外壁的中空容器。已知有多种非常有效的形状来承受由内压在壁中引起的拉应力，但是这些形状并不是可制造的最有效结构。另外，这些传统的外壁结构很难有效地装配到现有空间内。在已有技术中，已知公开了许多在压力容器中采用多种结构的内部支撑件以形成非传统形状的实施例。但是，已有技术中的所有非传统压力容器都具有超重的特性。由于不能够充分利用构件材料，所以它们都比等效的传统压力容器要重。本发明提供了比由相同材料制成的等效传统压力容器要轻的新特性。
传统容器的另一个缺点是在外壁结构失效的情况下，由于压力产生的应力作用，容器将猛然失效。突然释放的压缩气体和外壁碎片将产生爆炸，对附近的人员和设备造成严重影响。
在本人地专利说明书WO97/27105，USSN08592004中描述了一种可能的气体高压储存罐，特别是具有设置在罐体内并安装在其内壁的加强基体的储存罐，基体占据不超过罐子内部容积50％的空间。但是，高压储存罐具有下述缺点，即制造困难而且昂贵，并且一般没有足够的强度来承受这种罐子通常具有的高压。
ERG空间公司的以前公开但未申请专利的产品特别采用了一种DUOCEL开孔铝泡沫作为非规则形状压力容器的内部支撑件，但它具有下述缺点，即制造困难而且昂贵，并且一般没有足够的强度来承受这种罐子通常具有的高压。
Mannesmann AG的专利说明书WO98/33004描述了一种用于储存压缩气体的容器，其外部金属壁封闭了一个空腔，其中设置有与外壁实际相连的开孔金属泡沫。但是，这种加强的容器一般也不能承受高压储存罐通常具有的高压。
诸如钢铁等的同向性材料具有机械特性，包括在所有点(匀质性)和每一方向(同向性)上具有相同的拉伸强度。这样，钢铁在所有三个Cartesian轴上同时承受拉伸负载。但是，通常很少以这种方式使用材料。通常，材料在一个方向(轴向)上加载或在两个方向上加载(平面负载)。一部分材料承载能力被浪费了，从而限制了其结构效能。处于拉伸状态的细丝或纤维承受轴向负载。在剩余两个方向上支撑负载的材料能力被浪费了。容纳压缩气体的传统壳体式压力容器处于平面负载下。在外壁上任一给定点处的材料在两个方向上受拉，这两个方向由在给定点处与外表面相切的平面限定，如图1和3所示。在垂直于给定平面的方向上支撑负载的材料能力仍被浪费了。另外，轴向和平面负载将导致材料的扭曲变形，这是引起结构失效的主要原因。
最好是在所有三个方向上等同地对材料加载(流体静压负载、三轴负载或三维负载)，完全利用处于流体静压负载(或三轴负载或三维负载)下的材料，并施展其剩余承载能力。这种理想的状态还防止了扭曲变形。不发生扭曲变形的另一个优点是极大地增加了材料在流体静压负载下的弯曲强度。这样，仅需较小体积的材料就能够制造容器，当与传统外壳压力容器比较时，这使得容器重量减轻。对于结构性流体静压负载来说，压力容器是一种理想的应用形式，这是因为流体(液体和/或气体)压力被流体静压抵消。
这种结构可以制成具有用于容纳压力流体的空穴或间隙的内部基体的形式。基体承载了大部分压力产生的负载。一个轻微受拉的实体薄外壳安装在基体上以保持流体。基体材料在一条轴(最坏的状态)或在所有三条轴(最好的状态)的每一部分上的承载能力取决于基体的三维状态(或形态)。
具有最佳状态的基体特性的一种基体结构实例是带有一系列大致呈球形的间隙的材料体，这些球形间隙在其接触点处互连。这些接触点可以形成小孔，相邻间隙之间的小孔尺寸通常不超过间隙表面积的10％，优选5％，最好是2％，最有利的是不超过1％。这种基体结构导致了大量材料处于流体静压(三轴或三维)拉力下。这些间隙基本上呈球形，最好具有相同的尺寸。这些间隙在整个基体中基本上均匀分布，最好处于平面对中的立体取向上。图6是表示具有所期望内部形态的示意图，其中具有均匀分布的球形间隙且具有非常小的通道18，这些通道18在每一接触点上将每一间隙与相邻间隙相连。图7表示了优选的平面对中立体取向。在所有三个方向上保持了连续。这种经优化的流体静压形态基本上能达到理想的结构效能，这是因为当用作压力容器中的内部基体时，它能在流体静压拉伸负载条件下获得高比例的基体材料。
图8是传统泡沫的照片。由于具有不规则结构且没有开孔壁，支撑件几乎整个儿是一简单的轴向元件。当用作压力容器中的内部基体时，这种结构形态将不能有效地支撑基体材料的流体静压拉伸负载。
相对密度是指母体材料体积占基体总体积的比例。在最佳状态的基体形态下，基体的强度将与相对密度成线性变化。所需密度是所需流体静压拉伸强度(储存的最大压力)与母体材料的流体静压拉伸强度之比(包括设计因素)。平面对中的立体取向形成了均匀球形空间形态所能得到的最大的气体容纳能力，大约67％。这与大约33％的相对密度相等。因此，根据母体材料和包装方法，基体将具有最好从大约30％到大约35％、或者从大约2％到大约30％、或者从大约35％到大约50％的相对密度。
现在参见图1和2，制造传统壳体式球形压力容器10所需的母体材料的体积将与制造基体式球形压力容器12所需的体积作一比较。这里给出薄壁球体的估算值。
最大应力：σ1＝σ2＝pr/2t
壳厚：t＝pr/2σ
表面积：S＝4πr2
材料体积：Vsmtl＝St＝4πr2×pr/2σ
Vsmtl＝2×πpr2/σ(等式60)
其中：
σ＝最大应力，母体材料
p＝储存的最大压力
r＝压力容器半径
t＝壳厚
S＝表面积
Vsmtl＝壳体材料体积
对于基体式球形压力容器12，外壳并不是极限负载承受结构，所以不予考虑。形成基体所需的材料体积是球体体积与基体密度的乘积。
球体体积：Vsph＝(4/3)×πr3
因此：Vmmtl＝(4/3)×πr3×(p/σ)＝1.33×πpr3/σ(等式62)
其中：
Vsph＝球体体积
Vmmtl＝基体材料体积
将等式60和62比较，可以得知材料效能的优点。最佳的基体结构理论屈服强度能够比球形壳体提高33％。实际上能够超过20％。
现在参见图3和4，制造传统壳体式圆柱形压力容器14所需的母体材料的体积将与制造基体式圆柱形压力容器16所需的体积作一比较。这里给出薄壁球体的估算值，忽略了端盖。在所有外壳圆柱体中，弓形应力σ1是纵长应力σ2的2倍。
最大应力：σmax＝σ1＝pr/t
壳厚：t＝pr/σ
表面积：S＝2πrl
材料体积：Vsmtl＝St＝2πrl×pr/σ
Vsmtl＝2×πpr2l/σ(等式66)
其中：
l＝圆柱长度
对于基体式圆柱形压力容器16，外壳并不是极限负载承受结构，所以不予考虑。形成基体所需的材料体积是圆柱体积与基体密度的乘积。
圆柱体积：Vcyl＝πr2l
因此：Vmmtl＝πr2l×(p/σ)＝πpr2l/σ(等式68)
其中：
Vcyl＝圆柱体积
将等式66和68比较，可以得知材料效能的优点。最佳的基体结构理论屈服强度能够比圆柱形壳体提高50％。实际上能够超过40％。
可以将相对薄的轻质外壳安装在基体上，也可以将其整体与基体制成一个元件。为了分析目的，薄外壳可以制成许多小的、互连的、大致为圆形的成型板。可以采用半径在较宽范围内变化的圆。这些圆的最大半径尺寸由基体间隙尺寸决定。图5表示了具有半径为a的所述圆的多边形，其边数为n。所需的外壳厚度是流体压力、允许的材料强度和多边形半径大小的函数。根据Roark的应力和扭曲公式，多边形板的最大强度位于每一板的外边缘处。下面的数据是从用Roark公式计算的表格26中的20组数据中选出的。 n 3 4 5 6 7 8 9 10 ∞β2 1.423 1.232 1.132 1.068 1.023 0.99 0.964 0.944 0.75最大应力：σmax＝-β2qa2/t2厚度：t2＝|-β2qa2/σmax|t=|-β2qa2σmax|]]> (等式72)
其中：
σmax＝最大允许应力
β2＝查表系数
a＝多边形半径
q＝流体压力
t＝薄膜厚度
下面以实例说明基体式压力容器的效率。用圆的多边形作为最劣条件，其边数＝∞，半径＝基体空隙半径，β2＝0.75。假定经优化的流体静压基体具有半径为0.0625英寸的空隙，并且用屈服强度为40kpsi的6061 T6铝材制成；q＝450psi.、6kpsi.和15k psi.时从公式72计算出的厚度如下表： 参数 低压 中压 高压 最大工作压力，psi. 150 2,000 5,000破裂压力(3×最大压力)，psi. 450 6,000 15,000所需的外壳厚度，英寸 0.00597 0.02180 0.03447
诸如外壳、填充喷嘴等固体表面元件可以与基体制成一体，或者随后安装。
发明概述
根据本发明，提供了一种用于压缩流体的流体静压保持装置，它能够承受内部高压。所述压力保持装置包括用于承载由压缩流体的压力所产生的负载。基体结构包括一个材料体，它具有一系列大致为球形的间隙，这些间隙在其接触点上互连。这些接触点可形成小孔，其中相邻间隙之间的小孔尺寸通常不超过间隙表面积的10％，优选5％，最好是2％，最有利的是不超过1％。这种基体结构可被描述为具有几乎封闭的敞开间隙形态的一个整体，结果是大量材料处于流体静压(三轴或三维)拉力下。这些间隙基本上呈球形，最好具有相同的尺寸。这些间隙在整个基体中基本上均匀分布，最好处于平面对中的立体取向上。
基体最好是金属，例如铝、钢、不锈钢和类似物。
外壳包围着基体，用于将压缩流体保持在基体中。外壳具有安装在基体外边界表面或区域上的内表面。对于保持的流体来说，外壳是不透水的，并且基本上紧邻支撑在基体外边界表面上。
还提供了用于将流体引入基体并从基体排出流体的传送装置。
通常，具有几乎封闭的间隙结构的流体静压保持装置并不是由标准的金属(或其他材料)泡沫制造技术获得的。这种类型的装置可以通过采用熔模铸造技术制成，这种铸造技术使用了统一的小球。例如，气体保持结构可以通过下述步骤制成：准备与要制成的内部基体相似或相同的成型金属外壳，通过用粉末金属涂覆诸如尿素等挥发物质制成的小珠然后将这些小珠加在容器上制成内部基体，以粉末金属层覆盖并确保在系统中形成一个歧管或管形通路。然后将该装置加热到大约200℃，使得金属浆料硬化在一起，并且尿素小珠挥发并通过歧管逸出。然后可将该“半成品”容器在高温炉中烧结以形成最终结构。本质上讲，由于制造方法的原因，小腔都是球形的，并且内部连接处都很小并位于相邻小腔的接触点上，因此仅在每一小腔之间用细小的内部连接点就能够制成多孔的形态，从而增加了整个基体的强度。
向金属罐施加有机球的方法最好用“暴风雪”包装方法来实现，以减小不规则结构，但是，简单的单一尺寸的蜂窝结构将仅在自由空间内留下67％的空余体积。可以通过采用小尺寸球体来增加体积比例，这些小球体能够有效地装配在其他球体之间的空间内。
已有实验证明，当直径比例处于7∶1和10∶1之间是最优的，并且小球比例是18-20％。通过采用“暴风雪”包装技术，借助于使用所需尺寸范围和比例的小球，能够使该结构制得非常均匀。
另一实施例采用粉末金属表层，能够避免产生任何收缩问题。
在平面对中取向的立体形态中，球形间隙之间的空间也可以容纳更小的间隙，其半径是：，其中d小是小间隙的直径，d大是大间隙的直径。这种过程可以用更小的球形间隙加以重复，形成更低密度的结构。另一种替换的制造技术包括Fraunhofer-Gesellschaft的美国专利5,151,246所述的金属成型方法，但不限于此，该专利的内容作为参考文献包含在这里。可以用快速成像技术和类似方法制成本发明所需的结构。
附图简要描述
通过下面对本发明实施例的详细描述，将更好地理解本发明，而且本发明的其他特征和优点会更清楚地表现出来，所述实施例以下述附图表示，其中：
图1是球形壳体式压力容器的立体图，表示了施加在壳体上的平面应力；
图2是基体式球形压力容器的立体图，表示了不带外壳体的基体；
图3是不带端盖的圆柱壳体式压力容器的立体图，表示了施加在壳体上的平面应力；
图4是基体式圆柱压力容器的立体图，表示了不带外壳体的基体；
图5是具有半径为a的内接圆的多边形，其边数为n；
图6是经流体静力学优化的形态示意图，表示了多个均匀分布的球形间隙，在每一间隙和相邻间隙的每一接触点处都具有非常小的连接通道；
图7是经流体静力学优化的形态示意图，表示了球形间隙的最佳平面对中立体取向；
图8是传统泡沫的相片；
图9是根据本发明构造成的流体静压保持装置的局部剖开立体图；
图10是图2所示细节12的放大图，表示了孔道的截面；
图11是穿过基体和固体表面元件的剖面图，表示了元件材料插入基体的状态。
优选实施例的描述
现在参见图6、7、9和10，序号20表示了一个用于储存压缩流体的流体静压保持装置。该装置的重量小于用相同材料制成的等效传统压力容器的重量，该装置包括三维基体22，用于承载那些由压力流体(未表示)的压力产生的负载。基体可用多种材料制成并可具有多种结构。可用聚合物、金属和化合物来形成具有经流体静力学优化形态的基体。图7是经流体静力学优化的形态示意图，其中球形间隙的平面对中立体取向，这是实施本发明的优选结构。各个小腔的形状基本上都是球形的，并在整个基体结构中基本上均匀分布。(这里表示了近乎封闭的小腔结构)。每一小腔26都具有连续的壁28，这些壁28几乎完全将用于保持压力流体的空间或间隙30封闭。间隙30通过小腔壁28上的相对较小的开口或孔32相互连通。孔32确保流体在基体22中大致均匀地分布。基体22的外部边界形成了外边界表面34。
当承载由压力产生的负载时，基体22的基本上所有部分都几乎处于流体静压拉伸状态。根据母体材料和包装方法的不同，基体22具有最好为大约30％到大约35％的相对密度，或者从大约2％到大约30％，或大约35％到大约50％。但是，重量比传统压力容器小的新特征取决于相对密度。低重量的特征完全取决于基体形态的结构效能。
外壳36包围基体22，用于将压力流体保持在基体22中，并且流体不能透过。外壳36具有外表面38和相对的内表面40。外壳的内表面40附着在基体外边界表面34上。外壳36基本上紧邻支撑在基体外边界表面34上。外边界表面34以及外壳36能形成任何不透水的形状。这是因为大部分应力被基体承担，极小部分被外壳36承担，所以弧形应力不再是一个限制因素。这样，外边界表面34的结构可以对称，或者可以是不太对称(不规则形状)。
流体静压保持装置20的基体22和外壳36的整体质量明显小于以外壳36的外表面38测量的总容积相同、母体制造材料相同且具有相同设计参数并被设计成能承受相同流体压力的等效传统壳体式压力容器的整体质量。
还提供了传送装置来将流体引入基体22，并用于将流体排出基体22。特别是，传送装置包括至少一个安装在外壳36上的喷嘴42。该喷嘴42具有内表面44和穿过它并与基体间隙30连通的小孔46。可以提供一个可选择的孔道48的网络，该孔道网络与喷嘴孔46和基体间隙30连通。图9表示了截面形式的孔道系统48。孔道48包括管道50，这些管道50从啧嘴孔46向着基体间隙30延伸并且变得非常小且数目众多。如图10所示，管道50包括多个孔52以传送流体。孔道48增加了穿过该系统的液体流通率，用于在流体进入时更快地向基体22分配流体并在流体排出时更快地从基体22收集流体。孔道48和基体22可以制成整体结构，或者分开制造。孔道48可以与基体22用同一种材料制成，或者用与基体22匹配的不同材料制成并安装在基体22的结构上。
当固体外壳36未制成基体结构的一整体部分时，如图11所示，要采用新的安装系统以将固体外壳36或固体表面元件54整体安装在基体22的外边界表面34上。外壳36或元件54制成在固相基体22上，而元件内表面或整个元件54是液相的。元件内表面可以插入或延伸到基体22内一预定距离56。然后元件固化，从而将元件固定在基体22上。这样就获得了坚固的整体连接结构。这种并不昂贵的安装结构能够与不规则的外边界结构配合。采用的方法包括浇灌、浸渍、喷射、涂抹、真空浸渍和类似方法，但并不局限于此。外壳还可以足够厚以形成对冲击、刺戳等的机械保护层。另外，还可以施加标签以形成识别信息、安全指示和类似信息。外壳还可具有外观特征，并且在某些系统中可以采用生物降解材料。
本文还公开了用于储存压缩流体的流体静压保持方法。该方法包括以下步骤：将基体结构22在三个方向上延伸到外边界表面34；用不渗透流体的外壳36包围基体22；将外壳36的内表面40安装在基体22的外边界表面34上；将外壳36基本上紧邻支撑在基体外边界表面34上；使处于压力下的流体流入基体22；将压缩流体保持在基体22内的间隙30中；将压缩流体保持在带有外壳36的基体22内；通过压缩流体的压力将基本上为流体静压的负载引入基体22；将基本上处于流体静压张力下的负载加载到基体22材料中几乎所有的部分上；以及从基体22中排出流体。
其它步骤包括：将喷嘴42安装到外壳36上；以及通过喷嘴42将孔46与基体间隙30连通。
其它步骤还包括：将孔道48的网络与喷嘴孔46和基体间隙30连通；在液体流入期间，通过孔道48将流体分配到基体22中；在液体排出期间通过孔道48从基体22收集流体。
另外的步骤包括：将元件的内表面与基体22的边界表面34并置，而内表面材料是液相的；用内表面材料浸渍基体间隙30到一预定深度；将内表面材料转变为固相，从而将元件定位在基体22上。
其它步骤包括使外边缘表面形成不规则结构。
再有的步骤包括制成基体22；并通过采用熔模铸造工艺而形成基体。
再有的步骤包括形成基体22；并由Fraunhofer型金属泡沫制成基体，所述金属泡沫是经过改进的以在相邻的间隙之间打开小孔。
再有的步骤包括形成基体22；并通过采用快速成型工艺制成基体。
从上面的描述中可以看出，本发明满足了提供一种用于保持压力流体的系统的需要，这种系统在相对较厚的壁上并不会产生平面负载，而是用较少的材料承担更有效的静压负载并明显减轻了重量；该系统并不仅限于球形、圆柱形、椭圆形或曲面形，而是可以制成并不太对称的结构以装配到任一给定的外壳中；即使在其外壁结构失效情况下，该系统也不会爆炸；该系统包括将固体表面元件牢固地安装到任一表面结构的基体上的方法。
尽管本文以优选实施例的方式描述和显示了本发明，但是本领域的技术人员仍能够作出与本发明功能等效的多种变化。例如，在图9中表示的上述流体静压保持装置是长方体。应该认识到，也可以采用任一形状或结构，可以是对称的或者是不对称的。因此，应该理解到，上面对本发明实施例的详细描述仅是示例性的。在不脱离如所附权利要求描述的本发明的精神和范围内，可以对本发明设计形式和结构中的多种细节作出改变。