專利名稱：用于保存制冷流體的容器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于保存制冷流體的容器。更具體地是，本發(fā)明涉及一種隔熱的雙壁式容器，該容器具有組合支撐和流體導管結構，用于使一內罐懸浮在一外罐內，從而減少熱傳遞并允許保存較長時間。
背景技術：
在燃燒發(fā)動機技術方面的發(fā)展已表明，常被稱作柴油循環(huán)發(fā)動機的壓縮引燃發(fā)動機可由氣體燃料代替柴油來供給燃料，且不會造成運行或效率方面的損失。例如，此類燃料包括天然氣、甲烷、丙烷、乙烷、氣體可燃碳氫化合物的衍生物、氫氣以及其中的混合物。用此類氣體燃料代替柴油通常導致成本、可利用率和釋放物方面的效益高于柴油。
然而，對于這些應用，使用氣體燃料的一個挑戰(zhàn)是，氣體燃料的能量密度不如傳統(tǒng)液體燃料那么高。例如，將氣體燃料系統(tǒng)應用于車輛，這是一個重要的考慮，因為交通工具車輛上的燃料存儲空間有限。為了使燃燒氣體的車輛相對于傳統(tǒng)的燃燒柴油的車輛更具吸引力，交通工具上的燃料存儲系統(tǒng)就不應該減少車輛的運輸能力或范圍。
為了增加氣體燃料的能量密度，可以以高壓來存儲氣體燃料。為了容納高壓氣體，就必須使用被評定為規(guī)定最高保存壓力等級的壓力罐。對于氣體燃料，與壓縮氣體相比，用液化氣在較低的存儲壓力下能達到更高的能量密度。因此，不需要高壓等級的燃料箱，從而可減輕燃料箱的重量。
因此，增加氣體燃料的能量密度的一種優(yōu)選方法是在液化狀態(tài)下以制冷溫度來存儲氣體燃料。以制冷溫度存儲的液化氣在這里被稱作制冷流體，且在液化狀態(tài)下以制冷溫度存儲的氣體燃料在這里通常被稱作“制冷燃料”。
為了這種應用的目的，制冷燃料包含液化的氣體燃料，該液化的氣體燃料在零下100攝氏度或低于零下100攝氏度的溫度在大氣壓下沸騰。這種燃料的一個例子是液化的天然氣，通常被稱作“LNG”。
在本公開中，液化天然氣LNG被指定為制冷燃料的一個優(yōu)選的例子，這是由于已證實在全世界許多潛在市場中天然氣的巨大貯備量、天然氣的購買力以及對于天然氣來說已經存在的基礎的緣故，液化天然氣在廣度和能力方面正繼續(xù)膨脹。
然而，技術人員應該理解，本公開的存儲容器能被用于保存其它冷的或制冷的燃料或者通用液化氣。作為例子，公開的存儲容器可被用于容納其它的碳氫化合物例如甲烷、乙烷、丙烷以及碳氫化合物的衍生物或諸如氫氣的非有機燃料。此外，本公開的主題的容器還能被用于以制冷溫度保存其它的液化氣例如氦、氮和氧。
然而，以制冷溫度存儲液化氣的一個挑戰(zhàn)是減少熱傳遞到制冷劑空間內。當液體溫度增加時，存儲容器內的蒸氣壓力也隨之升高。制冷存儲容器通常被配備有一壓力減輕排放系統(tǒng)，以便防止存儲容器的過分增壓。過多的熱傳遞到制冷劑空間內會導致燃料通過排放系統(tǒng)而損耗。當液化氣是一種燃料時，也不希望燃料被慣常地釋放到周圍環(huán)境中。對于用作例子的天然氣，天然氣的主要成分—甲烷是一種溫室氣體。
制冷存儲容器通常使用具有一內罐的一雙壁式結構，所述內罐用于保存懸浮在一外罐內的液化氣。適用于內罐與外罐之間的空間的真空將傳導的和對流的熱傳遞減至最低。此外，還知道把優(yōu)良的絕緣材料片包裹在內罐周圍，以便將放射的和對流的熱傳遞減至最低。然而，用于內罐的一些結構支撐件和內罐與外部環(huán)境之間的任何管線都提供了熱傳導路徑，且熱能從外部環(huán)境傳遞到制冷劑空間中的液化氣的這種現(xiàn)象通常被稱作“熱泄漏”。
只要具有用于內罐的結構支撐件和穿過隔離空間的管或導管，就會發(fā)生一些熱泄漏。在這里，“保存時間”被限定為這樣一段時間，即在熱泄漏到制冷劑空間內造成蒸氣壓力升高至減壓閥打開的程度之前，制冷劑能被保存在存儲容器內的這段時間。因此，如果可以減少熱泄漏，那么，就不需要排放過量的蒸氣壓力，從而可以延長保存時間。
對于具有一細長水平軸線的容器，用于支撐被懸浮在外罐內的內罐的許多傳統(tǒng)技術被發(fā)展成比較大的存儲箱，例如，該比較大的存儲箱被用于在船上、火車上或拖車上大規(guī)模運輸制冷劑，或者被發(fā)展成用于在分配站所使用的固定存儲罐。容器的這些類型中的最小類型通常所具有的容量大于3500升，一些較龐大的存儲容器可具有大于380000升的容量。對于這類大存儲箱，可以接受大量的熱泄漏，因為容器的容積和存儲在其中的制冷劑質量的數(shù)量級大于較小車輛的燃料箱相關的數(shù)量級，所述較小車輛燃料箱通常具有450升或更少的容量。也就是說，與存儲在較小容器中的較小量制冷劑相比，存儲在較大容器中的較大量制冷劑在蒸氣壓力升高至預定釋放壓力之前能吸收較大量的熱。如果用于支撐較大存儲箱的內罐的傳統(tǒng)技術被應用于較小容器，那么，與相同類型的支撐結構被用于較大箱時所能達到的保存時間相比，通過支撐結構泄漏到制冷劑空間內的熱將導致保存時間較短，即使當用于較小罐的支撐結構在尺寸方面被適當比例時也是如此。根據(jù)較小罐的應用這種較短的保存時間不能被接受。對于諸如車輛工具燃料箱的較小容器來說，與被設計成用于較大存儲容器的傳統(tǒng)內罐支撐結構相比，較長的保存時間是有利的，且可期望的是具有能提供降低熱泄漏的支撐結構。
與傳統(tǒng)的液體燃料如柴油和汽油相比，被以制冷溫度存儲在交通工具上的燃料的使用是比較新穎的。由于用于制冷流體的相對小的容器正被考慮用于這種活動的應用，因而，已經修改最初被設計用于較龐大存儲容器的傳統(tǒng)支撐結構。對于較大容器，考慮到此類容器的尺寸大小和保存在其中的制冷劑質量，能由內罐與外罐之間的管所提供的結構支撐被忽視了，這是由于這種結構支撐是極小的，如同可通過此類管發(fā)生的熱泄漏一樣。對于較小容器，通過穿過隔離空間的導管的導熱系數(shù)是相當可觀的，特別是由于導管通常由具有很高導熱性的金屬材料制成。因此，為了提高保存時間，需采取一些改進措施以便減少熱泄漏到較小的容器中，該較小的容器能被用于把燃料以制冷溫度存儲在交通工具車輛上。
已知的用于保存制冷流體的容器小于上述的龐大運輸容器，但這些容器一般具有一垂直的縱向軸線，而流體連接到與容器頂部相關聯(lián)的內制冷劑空間中。因為蒸氣空間占據(jù)了這些垂直定向的容器的上部區(qū)域，所以，通過在容器頂部的導管的熱泄漏被減少了，這是由于導管的全部或至少一部分不直接接觸制冷流體的緣故。用于雙壁式真空隔離容器的內罐的支撐結構部分地取決于容器的構造，無論該容器被設計用于固定的或活動的用途。因此，雖然已知的容器具有這么一個容量，該容量一般與用于把制冷燃料存儲在交通工具車輛上所需的容量相同，但是，這些已知的容器并不適用于這種比較新穎的應用。例如，具有垂直縱向軸線的容器不適用于安裝在交通工具車輛的這個位置上，這個位置是指通常安裝燃料箱的位置，且打算用于固定用途的容器不適于活動的用途，這是由于必須由內罐的支撐結構來承受動態(tài)荷載的緣故。

發(fā)明內容
公開了一種用于保存制冷流體的雙壁式真空隔離的容器，這種容器包括一支撐結構，其用于把一內罐支撐在一外罐內。所述容器包括a.一內罐，其限定一制冷劑空間并具有一水平的細長軸線；b.一外罐，其環(huán)繞著內罐，在外罐與內罐之間限定一可抽空的空間；c.一結構，用于把內罐支撐在外罐內。
支撐結構包括一導管，該導管在第一點處被連接到與內罐相聯(lián)的一內罐支撐托架上，且在第二點處被連接到用于外罐的一外罐支撐托架上。導管能夠承受著沿與水平軸線平行的方向作用在內罐上的大部分軸向荷載。制冷流體能通過導管被輸入和/或輸出制冷劑空間。支撐結構還包括至少一個架設在內罐與外罐之間的非金屬的支撐件。非金屬支撐件具有承壓面，這些承壓面與內罐和外罐相聯(lián)的各自的相對表面相聯(lián)，以便傳遞基本上所有的從內罐到外罐的橫向于水平軸線的徑向荷載。非金屬支撐件被固定地連接到相對表面上，從而非金屬支撐件能夠支撐大部分軸向荷載。
在這里，軸向荷載的“大部分”被定義為容器所承受的軸向荷載的一部分，從而，允許減少其它軸向支撐件的強度，以致于導管和非金屬支撐件合作共同地提供容器所承受的軸向荷載。沒有把傳統(tǒng)的導管設計成承受任何軸向水平荷載，因而由傳統(tǒng)導管所提供的結構支撐可忽略不計。因此，被設計成承受大部分軸向荷載的一導管具有一個壁厚度，這個壁厚度大于僅承擔使制冷流體流入或流出制冷劑空間的傳統(tǒng)導管的壁厚度。
雖然導管被固定連接到內罐和外罐上，但導管所能承受的徑向荷載量是可忽略不計的。因為容器被水平定向且從側面被支撐，所以，當容器被裝滿制冷流體時，必須把非金屬支撐件設計成沿徑向承受內罐的滿重量。導管的壁厚度就必須很厚，以便提供基本的沿徑向的支撐量，這樣將會導致太多的熱泄漏。在所公開的容器中，一個或多個非金屬的支撐件承受著基本上全部的徑向荷載。優(yōu)選地是，非金屬支撐件所具有的導熱系數(shù)小于由鐵類材料制成的具有至少相同結構強度的替代支撐件的導熱系數(shù)。
與內罐相聯(lián)的相對表面可由內罐支撐托架提供，且與外罐相聯(lián)的相對表面可由外罐支撐托架提供。也就是說，用于導管的支撐結構可與用于非金屬支撐件的支撐結構成一整體。例如，非金屬支撐件可呈管狀，它在兩托架之間延伸，并且導管延伸穿過非金屬支撐件的中空內部。
可具有多個非金屬的支撐件，其中的至少一個非金屬支撐件是一第一非金屬支撐件，其與相交于水平軸線的內罐的一第一側面相聯(lián)。作為例子，一第二非金屬支撐件可與內罐的相對于第一側面的一第二側面相聯(lián)。在這個例子中，第一和第二非金屬支撐件一起的尺寸定為可提供承受基本上全部徑向荷載所需的強度。
在一個實施例中，第二非金屬支撐件具有至少一個承壓面，該承壓面可沿著與水平軸線平行的方向相對于內罐或外罐的各自的相對表面滑動，因此，第二非金屬支撐件能夠提供徑向支撐而不是軸向支撐。
與內罐的第一和第二側面相聯(lián)的相對表面可由突入到制冷劑空間內的各自的杯形內部支撐結構的壁來提供。與外罐相聯(lián)的相對表面由相對的杯形外部支撐結構的壁來提供，所述杯形外部支撐結構從外罐突起并與杯形內部支撐結構相對齊。第一和第二非金屬支撐件各自可包括一圓筒形元件，該圓筒形元件具有一第一端部和一第二端部，所述第一端部被布置在杯形內部支撐結構的各自的一個支撐結構中，所述第二端部被布置在杯形外罐支撐結構的各自的一個支撐結構中。有利地是，內罐支撐托架可與杯形內部支撐結構成一整體，類似地，外罐支撐托架可與杯形外部支撐結構成一整體。
優(yōu)選地是，導管在第一點和第二點之間具有一個長度，該長度在內罐與外罐之間提供一條熱路徑，該熱路徑長于內罐與外罐之間的軸向間距。
導管可由金屬材料制成。金屬的導管在第一點處被焊接到內罐支撐托架上，且在第二點處被焊接到外罐支撐托架上。
導管可架設在外罐與內罐之間，對齊平行水平軸線。制冷劑空間內的導管在向上彎曲之前可向下彎曲并傾斜，從而導管在制冷劑空間的頂部附近具有一敞開的端部。
導管被固定連接到內罐支撐托架上的第一點可與沿著該導管的向下傾斜的一個位置相聯(lián)。因為用于第一點的這個位置在制冷劑空間內，所以，它提供了一條熱傳遞路徑，該熱傳遞路徑長于內罐與外罐之間的軸向距離。此外，可期望地是使得部分傾斜導管隔熱，以防止在導管內部對流。
容器還可包括接近于導管的向下彎曲處的一頸圈(collar)支撐件，該頸圈支撐件防止導管沿著徑向移動。頸圈支撐件被布置在可抽空的空間中，且頸圈支撐件直接從內罐支撐托架或通過非金屬支撐件向導管提供結構支撐。如果支撐頸圈貼近于非金屬支撐件，那么非金屬支撐件就提供熱斷裂。支撐頸圈本身還可由非金屬的隔熱材料制成。在另一實施例中，頸圈支撐件可被設在導管的向下傾斜的部分上。
在一些優(yōu)選實施例中，非金屬支撐件由復合材料制成，該復合材料包含布置在一塑料基體中的纖維。具有復合材料知識的技術人員應該知道，可以從纖維和塑料的許多類型中選擇，且材料的選擇決定了復合材料的性能。在本例中，對于被用于為內罐提供支撐的復合材料來說，兩個重要的性能是在預期操作狀態(tài)下的強度和導熱系數(shù)。也就是說，使用非金屬復合材料的目的是減少熱泄漏到制冷劑空間內。因此，對于復合材料可期望的是比傳統(tǒng)容器中所使用的鐵支撐元件具有較低的導熱系數(shù)。雖然復合材料的熱傳遞系數(shù)小于鐵類材料，但是，如果復合材料不強硬，那么就需要具有較大導熱橫截面面積的復合結構元件，這樣的話，整體導熱系數(shù)就會較大。因此，需要強度與低熱傳遞系數(shù)的組合來實現(xiàn)所期望的結果，且優(yōu)選地是，非金屬支撐件所具有的導熱系數(shù)小于由鐵類材料制成的具有至少相同結構強度的替代支撐件的導熱系數(shù)。
用于內罐的非金屬支撐件的復合材料可包括纖維，這些纖維從材料組中挑選，該材料組包括玻璃、碳、樹脂制成的合成纖維以及石英。由樹脂制成的合成纖維的一個例子是氬酰胺(aramid)纖維，例如由E.I.Dupont de Nemours和商標名為Kevlar的公司所銷售的材料。環(huán)氧樹脂可被用于提供塑料基體。優(yōu)選地是，環(huán)氧樹脂具有大于175攝氏度(約350華氏度)的固化溫度，因此，當容器被加熱至在內罐與外罐之間的可抽空空間中形成一個絕緣真空時，不致?lián)p壞非金屬元件。在其它實施例中，塑料基體可包含雙馬來酰亞胺或熱塑塑料，該熱塑塑料選自包括聚醚醚酮和聚苯硫醚的材料組。
用于真空中的材料會釋放氣態(tài)元素，且由于非金屬支撐件被設在可抽空的空間內，因而，優(yōu)選的是具有低除氣性能的材料。除氣的一個計量是總質量損失(“TML”)，且優(yōu)選的是小于1％的總質量損失。除氣的另一個計量是聚集揮發(fā)性可凝結材料(“CVCM”)，且優(yōu)選的是小于0.1％的聚集揮發(fā)性可凝結材料。
容器還可包括一隔熱的支撐套筒，該支撐套筒在外罐與內罐之間延伸，其中，支撐套筒能夠承受大部分軸向荷載。用于保存制冷流體的容器還包括一支撐套筒，其主要目的是允許諸如泵的設備或儀器安裝在制冷劑空間內。支撐套筒還可被用于向內罐提供結構支撐，通過考慮由支撐套筒所貢獻的強度，從而允許減少其它結構支撐的強度。通過提供具有可抽空空間的雙壁式結構，隔離的支撐套筒能夠被隔熱，所述雙壁式結構的可抽空空間與環(huán)繞著內罐的可抽空空間相連。
支撐套筒可包括一內管壁，該內管壁與一外管壁分隔開，其中，內管壁與外管壁之間的空間以及外罐與內罐之間的可抽空空間是可抽空的。支撐套筒的一末端被布置在由內罐所限定出的制冷劑空間內。內管壁和外管壁被接合在一起且在末端處或接近于末端處被密封，從而防止制冷劑空間內的制冷流體流到外管壁與內管壁之間的空間內。支撐套筒的一近端與外罐以及內罐相聯(lián)，因而外管壁在結構上與內罐相連接，且內管壁在結構上與外罐相連接。
一種用于保存制冷流體的容器包括a.一細長的內罐，其限定一制冷劑空間并具有一水平的縱向軸線；b.一外罐，其環(huán)繞著內罐，在外罐與內罐之間限定一可抽空的空間；c.一結構，用于把內罐支撐在外罐內。
所述結構包括一金屬導管，該金屬導管在與外罐相聯(lián)的一外罐支撐托架和與內罐相聯(lián)的一內罐支撐托架之間延伸。金屬導管被固定連接到支撐托架上且能夠承受沿一方向起作用的大部分軸向荷載，所述的一方向是指平行于內罐與外罐之間的縱向軸線的方向。支撐結構還包括第一和第二非金屬的與內罐的相對的第一和第二側面相聯(lián)的支撐件。相對的第一和第二側面相交于縱向軸線。非金屬支撐件能夠承受基本上所有的沿著相對于縱向軸線的作用于徑向的荷載。第一和第二非金屬支撐件中的至少一個支撐件被固定連接到內罐和外罐上，且能夠承受大部分軸向荷載。第一和第二非金屬支撐件中的每一個包括一非金屬的元件，該非金屬元件在內罐與外罐之間延伸。這些非金屬元件中的每一個包括一些承壓面，這些承壓面與聯(lián)合內罐和外罐的支撐結構的各自的相對表面相聯(lián)。
提供一種把限定制冷劑空間的一內罐支撐在一外罐內，傳遞內罐與外罐之間的軸向和徑向荷載并減少熱泄漏到制冷劑空間內的方法。軸向荷載可沿著與內罐的細長水平軸線平行的方向傳遞，且徑向荷載可沿著與水平軸線垂直的徑向傳遞。所述方法包括抽空內罐與外罐之間的一密封的空間；通過至少一個非金屬的結構元件來傳遞基本上所有的沿徑向的荷載，所述非金屬結構元件比起至少沿徑向有著相同強度的鐵類材料來說具有較低的導熱系數(shù)；通過一根導管來傳遞沿軸向的大部分荷載；通過至少一個非金屬結構元件來傳遞沿軸向的大部分荷載。至少一個非金屬結構元件可以是兩個非金屬的結構元件中的一個，通過它來傳遞基本上所有的沿徑向的荷載。
這種方法還可包括用優(yōu)良的絕緣材料來包裹內罐，以便減少輻射熱傳遞和對流熱傳遞。
這種方法還可包括允許內罐沿軸向相對于外罐移動。這是對于有一長的水平軸線的容器具有實用性的特征。對于較小的罐由不同熱膨脹所造成的應力的量可忽略不計，如果需要從非金屬支撐件獲得更多的沿軸向的支撐，那么就可以把內罐的沿水平軸線的每個端部剛性地連接到外罐上。該方法包括用粘合劑或通過機械結合，或者通過粘合劑與機械結合的組合，將至少一個非金屬結構元件固定連接到內罐和外罐上。
這種方法可包括確定一用于支撐內罐的所期望的設計支撐強度；計算導管和多個其它導管或隔熱支撐套筒的軸向和徑向荷載支撐能力，所述導管和多個其它導管或隔熱支撐套筒都在內罐與外罐之間延伸，且它們中的每一個除了向內罐提供結構支撐以外還具有一些功能；把一個或多個非金屬結構元件的尺寸確定成可提供軸向和徑向強度，該軸向和徑向強度等于所期望的設計支撐強度減去所計算出的導管和多個其它導管或隔熱支撐套筒的軸向和徑向荷載支撐能力。
這種方法尤其適合應用于將液化的氣體燃料儲存在交通工具車輛(on-board a vehicle)上。由可在交通工具上操作的一裝置所使用的這種方法的能力是顯著的，因為施加于支撐結構的軸向和徑向荷載比施加在類似大小的固定容器上的那些荷載更為顯著。發(fā)生在一活動裝置中的加速、減速和改變方向可沿著軸向和徑向產生動量。與垂直定向的固定容器相比，水平對準還導致沿徑向的顯著的荷載，在垂直定向的固定容器中，大部分荷載沿垂直軸線被承受。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的用于保存制冷流體的雙壁式容器的剖面圖，該雙壁式容器具有用于內罐的一支撐結構，該支撐結構沿軸向和徑向支撐內罐；圖2表示用于保存制冷流體的容器的一個端部的放大剖面圖，表示用于將內罐懸浮在外罐內的結構支撐體系的實施例的放大剖面圖；圖3表示用于保存制冷流體的容器的另一實施例的另一剖面圖，該容器還包括一隔熱的套管，該套管有助于內罐的一些結構支撐。
具體實施例方式
圖1是用于保存制冷流體的一隔熱的雙壁式容器100的剖面圖。外罐102環(huán)繞著內罐104且與內罐104間隔開，從而在它們之間限定一可抽空的空間106。內罐104還限定制冷劑空間108的總體邊界。在所示的實施例中，內罐104具有一帶圓頂形的端部的圓筒形主體。該形狀與被連接到重型卡車上的傳統(tǒng)的燃料箱的總體形狀相一致。本發(fā)明涉及用于內罐104的支撐體系，并且對于具有相同支撐體系的內罐來說，也可以采用其它的形狀。例如，應用的其它形狀諸如球形或具有橢圓形橫截面的細長罐，這些形狀由安裝到容器內可利用的空間和應用情況來確定。由于強度的原因，與尖角或方角的形狀相比，優(yōu)選的是圓形。
如圖1所示，容器100具有一細長的水平軸線。在這里，作用于內罐104的軸向荷載被定義為沿與細長水平軸線平行的方向作用的荷載，所述的與細長水平軸線平行的方向限定“軸的方向”。為了沿軸向支撐內罐104，用于支撐內罐104的結構包括導管110，該導管110在與內罐104相聯(lián)的內罐支撐托架112和與外罐102相聯(lián)的外罐支撐托架114之間延伸。導管110在一個點處被固定連接到從內罐支撐托架112處延伸的延長管112A上，并且在第二點處被固定連接到杯形的外罐支撐托架114的底部。在那里，導管110穿透被設在支撐托架中的開口。導管110幾乎填滿了開口，這些開口通過導管110與支撐托架之間的連接件被密封。導管110可以是金屬的，它可由不銹鋼或其它適合的金屬制成，那些其它適合的金屬對于在制冷罐的制造方面富有經驗的人來說是已知的。作為例子，如圖2所示，如果導管110是金屬的，那么它能通過分別的焊接處211A和211B被連接到支撐托架上，從而，制冷劑空間108和可抽空的空間106在導管110與支撐托架之間的連接處各自被流體地密封。
包括內罐104、外罐102以及支撐托架112、114、122、124的這些金屬部件的全部合作，以限定制冷劑空間108和可抽空的空間106的總體邊界。支撐托架112、114、122、124能各自被焊接到與之相聯(lián)的罐上，從而密封在那里之間的各自的連接處。
導管110被設計成帶有適于將制冷流體輸入或輸出制冷劑空間108的壁厚度，同時還提供結構支撐，以便承受作用于內罐104的大部分軸向荷載。因此，由于導管110用作結構元件和用作導管，導管110的壁厚度比它僅僅用作導管時的壁厚度要厚。導管110包括一向下的彎管，以便提供液體/蒸氣分界面，從而減少由于在導管110內部對流而可能意料之外發(fā)生的熱泄漏。在沒有彎管的情況下，導管內的制冷流體就會從較冷端流向較暖端，此時蒸氣就會沿相反方向流動，從而導致熱泄漏到制冷劑空間內。通過利用一向下的彎管，就抑制了制冷流體流向較暖端。然而，導管110中的彎管把彎曲力矩引入到導管110內，這樣就減小了它的軸向的結構強度?？捎煞墙饘俚闹渭?20A來提供一些附加的軸向支撐，該支撐件120A被固定連接到內罐支撐托架112和外罐支撐托架114上，從而可由非金屬的支撐件120A來承受大部分軸向荷載。通過膠粘劑粘接或機械連接，例如，借助螺紋連接、摩擦或壓配合、收縮配合、互鎖特征或其它的機械方法將非金屬的支撐件120A固定連接到支撐托架上。為了方便組裝，在非金屬的支撐件120A的相對端部處可以采用不同的連接方法。例如，可以采用機械的連接方法來連接非金屬的支撐件120A的一個端部，采用膠粘劑來連接另一個端部。
為了加強導管110的軸向強度，可以利用任意的支撐頸圈126來防止導管110彎曲，以便抵消作用在其上的彎曲力矩。支撐頸圈126可提供一些開口(圖中未示)，以便將由支撐托架112所限定的整個內部空間與可抽空的空間106連接起來。支撐頸圈126的缺點是它引入了另一個熱傳遞路徑，但是，通過為支撐頸圈126選擇優(yōu)良的隔熱的且強耐壓的材料，就可以忽略這個影響。
導管110具有一接近于制冷劑空間108的頂部的敞開的端部。以這種方式來構造，導管110可以被用作一填充路線和/或一排放路線。采用設置在容器100外面的閥(圖中未示)可允許導管110作為大于一個容量，減少了對分開管道的需要，該分開管道將會向制冷劑空間108提供更多的熱傳遞路徑。這樣的閥能與外罐支撐托架114的主體成一整體，以便減少連接數(shù)目，并且減少對容器100外面的管的需要和隔離的需要。減少在此公開的容器的熱泄漏的一種措施是，利用容器的部件例如用于多于一個用途的導管，如果可能的話用于多于一個功能，以便既減少熱傳遞路徑的數(shù)目，又減少存在于外部環(huán)境與制冷劑空間之間的熱傳遞路徑的導熱系數(shù)。需要導管向制冷劑空間輸送制冷流體或者從制冷劑空間輸出制冷流體。然而，分離的導管通常被用于不同的用途，例如填充、排出以及排放，從而導致多個熱傳遞路徑。也就是說，通過利用多于一個用途例如既可填充又可排放的一導管就可以減少熱路徑的數(shù)目。另外，如上所述，傳統(tǒng)的容器沒有考慮到導管的作為結構支撐的第二功能。這可能是由于在一較大的存儲容器中，導管的結構強度由于導管的尺寸相對于容器的尺寸比較低，或者可能是由于導管中的彎管將導管的結構強度減少到了一個無效值。然而，忽視導管的結構貢獻可導致比它們所需的更強的傳統(tǒng)的支撐結構，從而導致軸向支撐具有較大的橫截面面積，其容許較高的導熱系數(shù)和較高的熱泄漏。即使管子的結構貢獻可忽略不計，減少管子的數(shù)目就減少了熱傳遞路徑的數(shù)目，也降低了容器的復雜性，并且也易于制造。因此，增加這些導管中的一個導管的壁厚度以便把它制成一結構元件，這在許多方面是有益的。
仍然參照圖1，由非金屬的支撐件來為內罐沿徑向提供支撐，所述非金屬的支撐件在所示實施例中被描述成非金屬的支撐件120A和120B，這兩支撐件大體上都呈管狀，且在每個端部處都具有承壓面，這些承壓面與杯形支撐托架112、114、122、124的相對表面協(xié)作。如上所述，非金屬的支撐件120A被固定連接到支撐托架112和114上，因此該支撐件120A除了能承受軸向荷載之外，還能承受徑向荷載。非金屬的支撐件120B可具有一個帶有一承壓面的端部，該承壓面與支撐托架的被聯(lián)合的相對表面形成滑動的不固定的關系，以允許內罐104相對于外罐102移動。如果容器沿縱向軸線的長度相當短以致于內罐與外罐之間的不同熱膨脹就不顯著，那么，第二非金屬的支撐件120B也能被固定連接到與之相聯(lián)的支撐托架上，因而非金屬的支撐件120B也能承受一部分軸向荷載。
在所示的實施例中，具有兩個非金屬的支撐件，如果沒有較小的罐，那么就只能采用一個非金屬的支撐件，在這樣的實施例中，由于允許相同的支撐托架與非金屬的支撐件120A和導管110相協(xié)作，因而只使用非金屬的支撐件120A。對于較大的容器來說，就難以從一個端部支撐內罐的懸臂重量，從而使用第二非金屬的支撐件120B更為實際，其中能使用較輕的支撐件以降低熱泄漏性能。
圖2是用于保存制冷流體的雙壁式容器的一個端部處的支撐結構的放大示意圖。外罐202環(huán)繞著內罐204且它們之間的空間定義為可抽空的空間206。內罐204定義為制冷劑空間208。導管210從外罐支撐托架214延伸向內罐支撐托架212。任選的支撐頸圈226通過消除由導管210中的向下彎管引起的彎曲力矩來幫助導管210支撐軸向荷載。如同圖1中所示的支撐頸圈126，支撐頸圈226可由強耐壓且優(yōu)良的隔熱材料制成，以便減少從導管210至內罐204的導熱系數(shù)。在圖2所示的實施例中，支撐頸圈226被安置在導管210的向下傾斜的部分上。由于支撐頸圈226與支撐托架212相接觸，因此，容納在制冷劑空間208中的制冷流體可使支撐頸圈226冷卻，從而形成一個冷點，在該冷點蒸氣可凝結在導管210內。在這個實施例中，由于支撐頸圈226被安置在導管210的向下傾斜的部分上，因此，凝結的液體將順著傾斜的導管流下并流回到制冷劑空間208內。
如果不使用任選的支撐頸圈226，可采用其它的一些方法為沿軸向支撐內罐而提供更大的強度。作為例子，可增厚導管210的壁厚度來提供更大的軸向支撐，和/或通過增大非金屬的支撐件220A的橫截面面積來增加它的軸向強度。為了保持低的導熱系數(shù)，在需要額外的強度來抵抗彎曲的情況下，只需增厚和/或增強導管210的壁厚度，從而在不需要額外的強度的情況下，可保持較小的橫截面面積。
圖2的放大示意圖表示出了允許公開的支撐結構以減少熱泄漏到制冷劑空間208內的一些特征。D1是第一點與第二點之間的距離，第一點位于導管210與金屬的內罐支撐托架212的直接連接處，第二點位于導管210與外罐支撐托架214的連接處。距離D2是外罐202與內罐204之間的沿著導管210的軸線的軸向間距。導管210是一熱導體，因此優(yōu)選地是，支撐體系被設計成大體上如圖2中所示的那樣，因而距離D1長于距離D2，以便增加熱傳遞路徑的長度，并由此減少熱傳遞。應當注意到，當使用任選的支撐頸圈226時，從導管210到內罐支撐托架212，通過支撐頸圈226的熱傳遞路徑較短。然而，這個較短的熱傳遞路徑仍然長于距離D2，選擇那些具有隔熱性能的材料來制造支撐頸圈226，因此仍然可減少熱泄漏。
如上所示，盡管希望利用一根多功能的導管來減少熱泄漏到制冷劑空間208內，但對于現(xiàn)行的軸向支撐結構，如果需要功能，仍可使用多根導管。多根導管可平行于導管210安裝并且可穿過中空的非金屬的支撐件220A布置。
現(xiàn)在參照圖3，容器300是用于水平定向的內罐的一改進了的支撐結構的另一優(yōu)選實施例的一個例子，該容器300包括外罐302和內罐304。如同其它的實施例，圖3中所示的容器使用非金屬的支撐件320A和320B，這兩支撐件基本上承受所有的徑向荷載以及部分的軸向荷載。對于用于制冷流體的一些容器，要求為制冷劑空間308內的泵或水平傳感器設置入口。圖3的實施例表示出了具有雙壁式套筒330的一容器，在它的里面可布置泵或儀器。在這個實施例中，由導管310和隔熱的支撐套筒330來承受一部分軸向荷載。就其它實施例中的每個實施例所示的徑向支撐結構而言基本上是相同的，容器300的軸向支撐結構的強度被設計成考慮所有的由導管和支撐套筒提供的結構支撐，導管和支撐套筒在為內罐304提供一些結構支撐的同時還發(fā)揮著其它的功能。因此，非金屬的支撐件沿軸向的強度可小于支撐內罐304所需的全部軸向強度，如果這導致非金屬的支撐件的橫截面面積較小，那么就能減少熱泄漏到制冷劑空間308內。
因此，公開了具有減少熱泄漏的容器，其利用一導管承受沿細長水平軸線作用的大部分軸向荷載。導管基本上不承受垂直于水平軸線的徑向荷載。導管還起到將制冷流體輸入或輸出制冷劑空間的作用。利用一個或多個非金屬的支撐件承受基本上所有的徑向荷載，同時還有助于承受沿水平軸線作用的大部分軸向荷載。優(yōu)選地是，非金屬的支撐件與有著相同結構性能的金屬元件相比，具有非常低的導熱系數(shù)。另外，優(yōu)選地是，通過所公開的支撐結構的熱傳遞路徑長于設置支撐結構的位置處的內罐與外罐之間的軸向間距。非金屬的支撐件可以整個地被布置在內罐與外罐之間的可抽空的空間中，因此一全金屬的結構為制冷劑空間和可抽空的空間限定邊界，從而非金屬的支撐件與金屬的支撐托架之間的界面無需流體緊密(tight)。
在一些實施例中，容器包括附加的特征或元件例如用于泵或儀器的多根導管或多個支撐套筒，這些附加的特征或元件在結構上還有助于承受沿軸向和徑向承受內罐的荷載。在所公開的實施例中，計算出了所期望的整體結構的強度，然后，考慮到具有超過一結構功能的用途的特征或元件的結構能力。作為例子，導管通常作為制冷容器的部分而存在，其目的是把制冷流體輸入或輸出制冷劑空間，但這樣的導管的結構能力通常被忽視，然而根據(jù)所公開的裝置和方法，計算并考慮這種結構能力。然后，非金屬的支撐件和導管的尺寸確定為可提供具有集中強度的支撐結構，該集中強度等于所期望的整體結構強度。以這種方式，就可以避免提供過大的結構強度。通常，對于非制冷的應用，過大的結構強度是不成問題的，因為高于必需的材料成本而僅增加了容器的成本。對于非制冷的應用，一些過大的結構強度甚至是所要求的，以提供一個額外的安全因素來防止失效。然而，對于制冷容器，過大的結構強度除了導致材料成本較高之外，還導致較高的熱泄漏和較短的保存時間。因此，對于制冷容器，更要求的是把容器設計成僅具有安全和堅固耐用操作所需的強度，而不使用過多的支撐結構。
盡管已經描述和表示出了本發(fā)明的特定元件、實施例和應用，但是應當理解，當然本發(fā)明并不局限于此，因為本領域技術人員特別是根據(jù)上述教導所作出的修改并不背離本公開的范圍。
權利要求
1.一種用于保存制冷流體的容器，所述容器包括a.一內罐，限定出一制冷劑空間并具有一水平的細長軸線；b.一外罐，環(huán)繞著所述內罐，在所述外罐與所述內罐之間限定一可抽空的空間；c.一結構，用于將所述內罐支撐在所述外罐內，所述結構包括一導管，該導管在第一點處被連接到與所述內罐相聯(lián)的一內罐支撐托架上，且在第二點處被連接到用于所述外罐的一外罐支撐托架上，所述導管能夠承受沿著與所述水平軸線平行的方向作用在所述內罐上的大部分軸向荷載，其中所述制冷流體能通過所述導管被輸入和/或輸出所述制冷劑空間；至少一個非金屬的支撐件，架設在所述內罐與所述外罐之間，所述非金屬支撐件提供一承壓面，該承壓面與聯(lián)合所述內罐和所述外罐的各自的相對表面相聯(lián)，以便傳遞基本上所有的從所述內罐到所述外罐的橫向于所述水平軸線的徑向荷載，并且其中所述非金屬支撐件被固定連接到所述相對表面上，從而所述非金屬支撐件能夠支撐大部分所述軸向荷載。
2.根據(jù)權利要求1所述的容器，其中，與所述內罐相聯(lián)的所述相對表面由所述內罐支撐托架提供，并且與所述外罐相聯(lián)的所述相對表面由所述外罐支撐托架提供。
3.根據(jù)權利要求2所述的容器，其中，所述至少一個非金屬支撐件呈管狀，且所述導管延伸穿過所述至少一個非金屬支撐件的中空內部。
4.根據(jù)權利要求1所述的容器，其中，所述至少一個非金屬支撐件是一第一非金屬支撐件，其與所述內罐的相交于所述水平軸線的一第一側面相聯(lián)，并且所述容器還包括一第二非金屬的支撐件，其與所述內罐的相對于所述第一側面的一第二側面相聯(lián)，并且所述第一和第二非金屬支撐件一起的尺寸定為可提供承受基本上全部所述徑向荷載所需的強度。
5.根據(jù)權利要求4所述的容器，其中，所述第二非金屬支撐件具有至少一個承壓面，其可沿著與所述水平軸線平行的方向相對于所述內或外罐的所述各自相對表面滑動，因此，所述第二非金屬支撐件能夠提供徑向支撐而不是軸向支撐。
6.根據(jù)權利要求4所述的容器，其中與所述內罐的所述第一和第二側面相聯(lián)的所述相對表面，由突入到所述制冷劑空間內的各自的杯形內部支撐結構的壁提供；與所述外罐相聯(lián)的所述相對表面，由從所述外罐突出并與所述杯形內部支撐結構相對齊的杯形外部支撐結構的壁提供；所述第一和第二非金屬支撐件各自包括一圓筒形元件，其具有一第一端部和一第二端部，所述第一端部被布置在所述杯形內部支撐結構的各自的一個中，所述第二端部被布置在所述杯形外罐支撐結構的各自的一個中。
7.根據(jù)權利要求6所述的容器，其中，所述圓筒形元件是中空的，因此它們呈管狀。
8.根據(jù)權利要求7所述的容器，其中，所述導管延伸穿過一個所述圓筒形元件。
9.根據(jù)權利要求6所述的容器，其中，所述內罐支撐托架與所述杯形內部支撐結構成一整體。
10.根據(jù)權利要求6所述的容器，其中，所述外罐支撐托架與所述杯形外部支撐結構成一整體。
11.根據(jù)權利要求1所述的容器，其中，所述至少一個非金屬支撐件包括一結構元件，其由包含布置在一塑料基體中的纖維的復合材料制成。
12.根據(jù)權利要求11所述的容器，其中，所述纖維從包括玻璃、碳、樹脂制成的合成纖維以及石英的材料組中挑選。
13.根據(jù)權利要求11所述的容器，其中，所述塑料基體由環(huán)氧樹脂提供。
14.根據(jù)權利要求13所述的容器，其中，所述環(huán)氧樹脂具有大于175攝氏度的固化溫度。
15.根據(jù)權利要求11所述的容器，其中，所述塑料基體包含雙馬來酰亞胺。
16.根據(jù)權利要求11所述的容器，其中，所述塑料基體包含選自包括聚醚醚酮和聚苯硫醚的材料組的熱塑塑料。
17.根據(jù)權利要求11所述的容器，其中，所述復合材料具有小于1％的TML。
18.根據(jù)權利要求11所述的容器，其中，所述復合材料具有小于0.1％的CVCM。
19.根據(jù)權利要求1所述的容器，其中，所述導管在所述第一和第二點之間具有一長度，該長度在所述內罐與所述外罐之間提供一熱路徑，該熱路徑長于所述內罐與所述外罐之間的軸向間距。
20.根據(jù)權利要求1所述的容器，其中，所述導管由金屬材料制成，且所述導管在所述第一點處被焊接到所述內罐支撐托架上，在所述第二點處被焊接到所述外罐支撐托架上。
21.根據(jù)權利要求1所述的容器，其中，所述導管架設在所述外罐與所述內罐之間，對準平行于所述水平軸線，且所述導管在所述制冷劑空間內部向下彎曲并傾斜。
22.根據(jù)權利要求21所述的容器，其中，所述第一點與沿著所述導管的向下傾斜的一位置相聯(lián)。
23.根據(jù)權利要求21所述的容器，還包括接近于導管的向下彎曲處的一防止所述導管沿著徑向移動的頸圈支撐件。
24.根據(jù)權利要求23所述的容器，其中，所述頸圈支撐件是非金屬的。
25.根據(jù)權利要求23所述的容器，其中，所述頸圈支撐件被設在沿著所述導管的向下傾斜的一位置處。
26.根據(jù)權利要求1所述的容器，其中，所述至少一個非金屬支撐件所具有的導熱系數(shù)小于由鐵類材料制成的具有至少相同結構強度的替代支撐件的導熱系數(shù)。
27.根據(jù)權利要求1所述的容器，還包括一在所述外罐與所述內罐之間延伸的隔熱的支撐套筒，其中，所述支撐套筒能夠承受大部分所述軸向荷載。
28.根據(jù)權利要求27所述的容器，其中，所述支撐套筒包括一內管壁，與一外管壁分隔開，其中，所述內和外管壁之間的空間以及所述外罐與所述內罐之間的所述可抽空空間是可抽空的；一末端，被布置在所述內罐中，由于所述內和外管壁被接合在一起且在所述末端處或接近于所述末端處被密封，從而防止所述制冷劑空間內的制冷流體流到所述外和內管壁之間的空間內；一近端，與所述內罐以及所述外罐相聯(lián)，從而，所述內管壁在結構上被連接到所述外罐上，且所述外管壁在結構上被連接到所述內罐上。
29.根據(jù)權利要求1所述的容器，其中，所述容器可安裝在一車輛上，所述制冷流體是可燃的燃料，且所述容器可操作的用作一燃料箱，用于向所述車輛的發(fā)動機供應燃料。
30.一種用于保存制冷流體的容器，所述容器包括a.一細長的內罐，限定一制冷劑空間并具有一水平的縱向軸線；b.一外罐，環(huán)繞著所述內罐，在所述外罐與所述內罐之間限定一可抽空的空間；c.一結構，用于將所述內罐支撐在所述外罐內，所述結構包括一金屬導管，在與所述外罐相聯(lián)的一外罐支撐托架和與所述內罐相聯(lián)合的一內罐支撐托架之間延伸，所述金屬導管被固定連接到所述支撐托架上且能夠承受沿作用在一個方向的大部分軸向荷載，該一個方向是指平行于所述內罐與所述外罐之間的所述縱向軸線的方向；第一和第二非金屬的支撐件，與所述內罐的相對的第一和第二側面相聯(lián)，所述相對的第一和第二側面相交于所述縱向軸線，所述非金屬支撐件能夠承受基本上所有的作用在沿著相對于所述縱向軸線的徑向的荷載，并且所述第一和第二非金屬支撐件中的至少一個支撐件被固定連接到所述內和外罐上，且能夠承受大部分所述軸向荷載，所述第一和第二非金屬支撐件中的每一個包括一在所述內罐與所述外罐之間延伸的非金屬的元件，所述非金屬元件中的每一個包括承壓面，這些承壓面與聯(lián)合所述內罐和所述外罐的支撐結構的各自的相對表面相聯(lián)。
31.根據(jù)權利要求30所述的容器，其中，所述導管在所述縱向軸線附近被固定連接到所述外罐支撐托架上，且所述金屬導管被固定連接到所述內罐支撐托架上的這個點與所述金屬導管被固定連接到所述外罐支撐托架上的那個點之間的距離，大于在所述縱向軸線相交于所述外罐的位置附近的所述內罐與所述外罐之間的沿縱向軸線的距離。
32.一種將限定制冷劑空間的一內罐支撐在一外罐內、傳遞所述內罐與所述外罐之間的軸向和徑向荷載并減少熱泄漏到所述制冷劑空間內的方法，其中，所述軸向荷載可沿著與所述內罐的細長水平軸線平行的方向傳遞，且所述徑向荷載可沿著與所述水平軸線垂直的徑向傳遞，所述方法包括抽空所述內罐與所述外罐之間的一密封的空間；通過至少一個非金屬的結構元件來傳遞基本上所有的沿所述徑向的荷載，所述非金屬結構元件比沿所述徑向至少有著相同強度的鐵類材料具有較低的導熱系數(shù)；通過一導管來傳遞沿所述軸向的大部分荷載；以及通過所述至少一個非金屬結構元件傳遞沿所述軸向的大部分荷載。
33.根據(jù)權利要求32所述的方法，其中，所述至少一個非金屬結構元件是兩個非金屬的結構元件中的一個，通過它來傳遞基本上所有的沿所述徑向的荷載。
34.根據(jù)權利要求32所述的方法，還包括用優(yōu)良的絕緣材料來包裹所述內罐。
35.根據(jù)權利要求32所述的方法，還包括允許所述內罐沿著所述軸向相對于所述外罐移動。
36.根據(jù)權利要求32所述的方法，還包括用粘合劑將所述至少一個非金屬結構元件固定連接到所述內和外罐上。
37.根據(jù)權利要求32所述的方法，還包括通過機械結合將所述至少一個非金屬結構元件固定連接到所述內和外罐上。
38.根據(jù)權利要求32所述的方法，還包括確定一個期望的設計支撐強度，以支撐所述內罐；計算所述導管和多個其它導管或隔熱支撐套筒的軸向和徑向荷載支撐能力，所述導管和多個其它導管或隔熱支撐套筒都在所述內罐與所述外罐之間延伸，且它們中的每一個除了為所述內罐提供結構支撐以外還具有一些功能；把所述至少一個非金屬結構元件的尺寸定為可提供這樣的軸向和徑向強度，即等于所期望的設計支撐強度減去所計算出的所述導管和所述多個導管或隔熱支撐套筒的軸向和徑向荷載支撐能力。
39.根據(jù)權利要求32所述的方法，其中，所述方法被用于將可燃的燃料在液化狀態(tài)下以制冷溫度儲存在交通工具車輛上。
全文摘要
一種用于保存制冷流體的雙壁式真空隔離的容器包括一用于把一內罐支撐在一外罐內的支撐結構。容器具有一細長的水平軸線。在內罐與外罐之間延伸的一導管具有的壁厚度，允許導管承受沿著與水平軸線平行的方向作用在內罐上的大部分軸向荷載。支撐結構還包括一非金屬支撐件，其架設在內罐與外罐之間，非金屬支撐件能夠傳遞基本上全部的橫向于所述水平軸線的徑向荷載。非金屬支撐件還被固定連接到內罐和外罐上，以致它能夠支撐大部分軸向荷載，因而非金屬的支撐件與導管相協(xié)作以便沿軸向提供支撐。
文檔編號F17C1/12GK1856678SQ200480027211
公開日2006年11月1日 申請日期2004年9月23日 優(yōu)先權日2003年9月23日
發(fā)明者格雷戈里·C·哈珀, 賈斯廷·吉什 申請人:韋斯特波特研究公司