符合的天然能量儲存的制作方法
【專利摘要】一種用于儲存天然氣的系統(tǒng)包括管的多個直區(qū)段。管的多個直區(qū)段密集填充。管的多個直區(qū)段構造成充填指定容積。本發(fā)明可以以多種方式實施，包括作為過程；設備；系統(tǒng)；物質成分；實施在計算機可讀儲存介質上的計算機程序產(chǎn)品；和/或處理器，如，構造成執(zhí)行儲存在聯(lián)接于處理器的存儲器上的指令和/或由該存儲器提供的指令的處理器。這些實施或本發(fā)明可采用的任何其它形式可稱為技術。
【專利說明】符合的天然能量儲存
[0001] 相關申請的交叉引用 本申請請求享有2012年5月3日提交的標題為CONFORMING ENERGY STORAGE的美國 臨時專利申請第61/642, 388號的優(yōu)先權，該申請出于所有目的通過引用并入本文中。
[0002] 本申請請求享有2013年2月19日提交的標題為NATURAL GAS INTESTINE PACKED STORAGE TANK的美國臨時專利申請第61/766, 394號的優(yōu)先權，該申請出于所有目的通過 引用并入本文中。

【背景技術】
[0003] 從上世紀九十年代起，重型車輛已經(jīng)利用了壓縮天然氣（CNG)發(fā)動機。然而，輕型 車輛如乘用車仍必須實現(xiàn)廣泛采用。私人和公共參與者兩者開始識別CNG乘用車輛增長的 技術障礙。行業(yè)中認識到，如果可解決某些儲存問題，則天然氣提供難以置信的未開發(fā)的機 會。然而，針對集成車輛和轉換車輛兩者的當前的CNG儲存解決方案仍是龐大且昂貴的基 于氣缸的系統(tǒng)。對于集成系統(tǒng)，各種尺寸的圓筒形罐集成到車輛底盤設計中。對于轉換車 輛，較大的罐置于后備箱中，除去了儲存或備用輪胎。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004] 在以下詳細描述和附圖中公開了本發(fā)明的各種實施例。
[0005] 圖1為示出罐的中部處的截面的實施例的圖表。
[0006] 圖2為示出設計中的較少數(shù)量的罐的截面的實施例的圖表。
[0007] 圖3為不出有限兀分析（FEA)和分析解的實施例的圖表。
[0008] 圖4A-4D為示出具有直管的罐構造的實施例的圖表。
[0009] 圖5A和5B為示出硬釬焊區(qū)域的實施例的圖表。
[0010] 圖6A為示出回轉曲線的參數(shù)化的實施例的圖表。
[0011] 圖6B為示出沿管的長度的微分元件的實施例的圖表。
[0012] 圖6C為示出錐形編織物幾何形狀的實施例的圖表。
[0013] 圖7A-C為示出彎曲正方形螺旋的實施例的圖表。
[0014] 圖8A-C為示出彎曲正方形螺旋的實施例的圖表。
[0015] 圖9A-C為示出彎曲正方形螺旋的實施例的圖表。
[0016] 圖10為示出填充二維層的一組平螺旋的實施例的圖表。
[0017] 圖11為示出柔性彎肘的實施例的圖表。

【具體實施方式】
[0018] 本發(fā)明可以以多種方式實施，包括作為過程；設備；系統(tǒng)；物質成分；實施在計算 機可讀儲存介質上的計算機程序產(chǎn)品；和/或處理器，如，構造成執(zhí)行儲存在聯(lián)接于處理器 的存儲器上的指令和/或由該存儲器提供的指令的處理器。在本說明書中，這些實施或本 發(fā)明可采用的任何其它形式可稱為技術。大體上，公開的過程的步驟的順序可在本發(fā)明的 范圍內改變。除非另外指出，描述為構造成執(zhí)行任務的構件如處理器或存儲器可實施為暫 時地構造成在給定時間執(zhí)行任務的普通構件，或制造成執(zhí)行任務的特定構件。如本文使用 的，用語'處理器'是指一個或更多個裝置、電路和/或處理內核，其構造成處理數(shù)據(jù)，如計 算機程序指令。
[0019] 本發(fā)明的一個或更多個實施例的詳細描述在下文中連同附圖提供，該附圖示出了 本發(fā)明的原理。本發(fā)明結合此類實施例描述，但本發(fā)明不限于任何實施例。本發(fā)明的范圍 僅由權利要求限制，并且本發(fā)明包含許多備選方案、改型和等同方案。許多具體細節(jié)在以下 描述中闡明，以便提供本發(fā)明的徹底理解。這些細節(jié)出于實例的目的提供，并且本發(fā)明可在 沒有這些具體細節(jié)中的一些或所有的情況下根據(jù)權利要求實踐。為了清楚起見，涉及本發(fā) 明的【技術領域】中已知的技術材料并未詳細描述，以使本發(fā)明不是不必要地模糊的。
[0020] 公開了用于儲存天然氣的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括管的多個直區(qū)段。管的多個直區(qū)段密集 填充。管的多個直區(qū)段構造成充填指定容積。
[0021] 在1890年，Giuseppe Peano發(fā)現(xiàn)了充填2維空間的一類曲線，Hilbert將其結果 延伸至3維立方體?？墒境龅氖?，此類曲線可密集地充填任何2維或3維（2D或3D)形狀。 基于這些見解，公開了腸道式儲存構想，壓縮氣體儲存罐模仿人的腸道，高密度曲線的實例 有效地充填無規(guī)則的容積。
[0022] 這里的關鍵見解在于，在圓筒形罐的設計中，罐質量與容納的氣體質量的比不取 決于罐的幾何形狀。使用的材料質量和因此大量材料成本對于給定的壓力和材料屈服應力 是恒定的。在沒有針對移動至小直徑管的處罰支付（材料成本或填充密度）的情況下，獲 得了將罐配合到任何期望的3D形狀中的能力，例如，嵌入在車輛的底盤中。在下文中，公開 了用于產(chǎn)生具有小直徑管路的壓縮天然氣（CNG)罐的若干選擇。另外，公開了如何將管路 填充成合乎需要的幾何形狀用于在汽車行業(yè)中使用。論述了重要的設計考慮：材料應力、穿 過罐的擴散，以及由于蠕變、疲勞或熱狀況引起的可能的罐故障。
[0023] 可示出的是，有可能以小管充填任意形狀而沒有質量損失，這里我們論述了填充 這些管的可能的方式。由于從制造觀點看，很可能難以將實際Hilbert曲線用作填充方案， 故檢查備選的填充幾何形狀，并且考慮它們配合到空間中有多好（符合性因素）。罐設計的 符合性（即，容納在罐中的氣體體積與罐的最小邊界框的容積之比）根據(jù)管的幾何形狀和 填充幾何形狀變化。為了準確地計算符合性因素，需要考慮的填充方案的精確限定，包括彎 頭。
[0024] 在各種實施例中，罐具有在一端處的入口聯(lián)接器，罐具有多個入口聯(lián)接器，罐具有 在從管的一個或更多個直區(qū)段漸縮之后的入口聯(lián)接器，罐具有聯(lián)接于管的減小區(qū)段的入口 聯(lián)接器，或用于聯(lián)接于罐用于接近的任何其它適合的方式。
[0025] 圖1為示出罐的中部處的截面的實施例的圖表。在所示的實例中，管的多個圓形 截面填充到矩形邊界框中。認為沒有邊界條件的這些填充方案的填充密度是公知的：具有 十·' 1或大約91%的填充密度的六邊形填充102 ;具有π /4或大約78. 5%的填充密度的矩形 填充100 ;以及具有帶有~92%的填充密度的兩個不同半徑的管的許多二元填充方案104中 的一種。二元填充104具有帶有-1的直徑比的管。二元填充方案提高填充的效率，并且 可用于增加附加的縱向強度。
[0026] 圖2為示出設計中的較少數(shù)量的罐的截面的實施例的圖表。在所示的實例中，邊 界框中的六邊形和矩形填充針對1、4和16個截面罐（例如，六邊形200、202和204,以及矩 形210、212和214)示出。在較少數(shù)量的罐（圓環(huán)）下，邊界條件支配填充，并且矩形填充 可更有效。當半徑與邊界框的比變得更大時，邊界條件在填充效率接近理想時變?yōu)椴惶?要。由于六邊形具有更為理想的填充效率，故在一些點（例如，一些半徑，給出了特定的邊 界框）處，六邊形填充的管將總是比最佳矩形填充更好。六邊形填充總是更好所處的半徑 是什么的問題可僅在一旦選擇邊界框時才真正地回答，因為邊界條件嚴重取決于邊界框。 一旦選擇邊界框，則可確定最大半徑或管和管數(shù)，這將確保最高的填充效率。
[0027] 對于遠離端部的直的圓筒形罐，沿長度的應力保持恒定。該應力的大小取決于半 徑和直長度的壁厚度。應力集中還可形成在管端部、彎頭或配件處。
[0028] 聚合物或金屬可擠壓成管，其可彎曲和填充成密集幾何形狀。為了形成這些管的 承載能力的理解，檢查了圓筒形管的單個長度，而并未考慮端部情況。對于其中t/r < 1/20 的幾何形狀，我們可使用薄壁理論來計算圓筒形器皿中的主要應力。應力如下： 1.環(huán)向應力（Sh)。我們假定其橫跨壁厚度一致。
[0029] 2.縱向應力（δ 〇。該應力對于具有端蓋的圓筒存在。我們假定其橫跨區(qū)段一致， 并且離端蓋足夠遠。應力集中將需要單獨處理。
[0030] 3.徑向應力（Sr)。在薄壁的假定下，徑向應力相比于縱向應力和環(huán)向壓力不顯 著。
[0031] 對于環(huán)形應力，假定了材料中的應力僅由于罐內的壓力而產(chǎn)生。環(huán)向應力圍繞圓 筒沿周向作用。由于該力為縱向應力的兩倍，故其在給定的壓力和材料屈服應力下設置罐 的所需厚度。

【權利要求】
1. 一種用于儲存天然氣的系統(tǒng)，包括： 管的多個直區(qū)段，其中： 所述管的多個直區(qū)段密集填充；并且 所述管的多個直區(qū)段構造成充填指定容積。
2. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段包括具有減小半徑 的區(qū)段的單個長管。
3. 根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述減小半徑的區(qū)段包括彎曲區(qū)段。
4. 根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述彎曲區(qū)段實現(xiàn)形成充填所述指定容 積的罐。
5. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段包括連結在一起的 具有減小半徑的區(qū)段的多個長管。
6. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段具有包覆編織纖維。
7. 根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，從所述多個直區(qū)段中的一個到減小半徑 區(qū)段的錐形具有連續(xù)變化的曲率。
8. 根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述連續(xù)變化的曲率實現(xiàn)了針對包覆編 織的最佳編織角的目標。
9. 根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述錐形目標在于優(yōu)化彎頭的內部容積， 而不超過所述彎頭的應力最大值。
10. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段使用單個室在端部 處聯(lián)接。
11. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段使用U形配件聯(lián)接。
12. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段使用T形接頭聯(lián)接。
13. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段包括彎曲正方形螺 旋。
14. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述彎曲正方形螺旋為用于充填所述指 定容積的多個彎曲正方形螺旋中的一個。
15. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段包括彎曲的單個正 方形螺旋。
16. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段包括彎曲的稀疏正 方形螺旋。
17. 根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述彎曲稀疏正方形螺旋與第二彎曲 稀疏正方形螺旋嵌套來形成稀疏正方形層。
18. 根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述稀疏正方形層以密集填充構造與 另一個稀疏正方形層堆疊。
19. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管的多個直區(qū)段包括相同層中的多 個螺旋的彎曲稀疏正方形螺旋。
20. 根據(jù)權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述彎曲稀疏正方形螺旋與多個螺旋 中的第二彎曲稀疏正方形螺旋嵌套來形成稀疏正方形層。
21. 根據(jù)權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述稀疏正方形層以密集填充構造與 另一個稀疏正方形層堆疊。
22. -種用于儲存天然氣的方法，包括： 提供管的多個直區(qū)段，其中： 所述管的多個直區(qū)段密集填充；以及 將所述管的多個直區(qū)段構造成充填指定容積。
【文檔編號】F17C13/08GK104508349SQ201380035879
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權日:2012年5月3日
【發(fā)明者】格里菲思 S., S. 林 P., E. 卡利施 S., 吉爾曼 T., 西蒙 K. 申請人:奧特爾實驗室有限責任公司