СИСТЕМА И СПОСОБ ПОДДЕРЖКИ СОСУДА ПОД ДАВЛЕНИЕМ
PRESSURE VESSEL SUPPORTING SYSTEM AND METHOD

ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее раскрытие в общем относится к хранению текучей среды, а в частности, к бобышке для емкости для удерживания текучей среды и к способу установки емкости для удерживания текучей среды при помощи бобышки. Особенно подходящей емкостью для удерживания текучей среды является сосуд под давлением. Типичный сосуд под давлением включает в себя внешнюю оболочку, несущую нагрузку, и непроницаемую для текучей среды внутреннюю футеровку.
[0002] Подходящие материалы оболочки сосуда под давлением включают в себя металлы, такие как сталь; или композиты, которые могут включать в себя ламинированные слои из намоточных стекловолокон или других синтетических волокон, соединенных вместе термореактивной или термопластичной смолой. Волокно может быть стекловолокном, арамидом, углеродом, графитом или любым другим общеизвестным волокнистым армирующим материалом. Используемый смоляной материал может быть эпоксидной смолой, полиэфиром, виниловым эфиром, термопластиком или любым другим подходящим смоляным материалом, способным обеспечить соединение волокна с волокном, соединение волокнистого слоя с волокнистым слоем и устойчивость к разрыву, необходимую для конкретного применения, в котором должен использоваться сосуд под давлением. Детали, относящиеся к образованию примерного сосуда под давлением, раскрыты в патенте US № 4,838,971 «Filament Winding Process and Apparatus», который включен сюда путем ссылки.
[0003] Эластомерную или другую неметаллическую эластичную футеровку или баллон часто располагают внутри композитной оболочки для уплотнения сосуда и предотвращения контакта содержащейся в сосуде текучей среды с композитным материалом. Футеровка может быть изготовлена путем прессования, выдувания, литьевого формования или любой другой общеизвестной технологии. Альтернативно футеровка может быть изготовлена из других материалов, включая сталь, алюминий, никель, титан, платину, золото, серебро, нержавеющую сталь и любые их сплавы. Такие материалы можно в общем охарактеризовать как имеющие высокий модуль упругости. В одном варианте выполнения футеровка образована путем литья с раздувом из полиэтилена высокой плотности (HDPE).
[0004] Композитная конструкция сосудов обеспечивает многочисленные преимущества, такие как легкость в весе и устойчивость к коррозии, усталостным нагрузкам и катастрофическому разрушению. Эти атрибуты связаны по меньшей мере частично с высокой удельной прочностью армирующих волокон или нитей. Такие композитные сосуды обычно используются для содержания различных текучих сред под давлением, таких как водород, кислород, природный газ, азот, метан, пропан и ракетное или другое топливо. В общем, сосуды под давлением могут быть любого размера или конфигурации. Сосуды могут быть тяжелыми или легкими, одноразовыми (то есть однократного применения), многоразовыми, подверженными высоким давлениям (например, более 50 фунтов на квадратный дюйм), низким давлениям (например, менее 50 фунтов на квадратный дюйм) или используются для хранения текучих сред при повышенных или криогенных температурах. Описания, относящиеся к сосудам под давлением, представлены в патенте US № 5,476,189 «Pressure vessel with damage mitigating system», который включен сюда путем ссылки.
[0005] Композитные сосуды под давлением, описанного выше характера, первоначально были разработаны для авиационных и аэрокосмических применений главным образом из-за ограничений критического веса в таких транспортных средствах. По мере того, как сжатый природный газ (CNG) стал более широко использоваться в наземных транспортных средствах, таких как автобусы и автомобили, то и композитный сосуд под давлением стал более широко использоваться. Структурные требования к сосуду под давлением таковы, что в общем цилиндрическая форма с закругленными концами является весьма желательным фактором формы с точки зрения, как прочности, так и эффективности упаковки. Однако закругленная форма может затруднить закрепление такого сосуда под давлением к транспортному средству.
[0006] Горловина цилиндра со сжатым газом обеспечивает конструктивный выступ, подходящий для крепления с помощью манжеты или подобного устройства. Некоторые известные конструкции используют этот признак для крепления газового цилиндра. Однако такие конструкции страдают от ряда недостатков. Некоторые конструкции плохо управляют смещением и могут создавать существенные нагрузки на конструкцию горловины в случае смещения. Другие конструкции недостаточно закрепляют горловину, так что имеется риск того, что цилиндр может отсоединиться от держателя при определенных условиях. Более того, в некоторых случаях цилиндр может вращаться вокруг главной оси цилиндра, тем самым размещая нагрузку на соединительные линии или другое прикрепленное оборудование.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В одном аспекте бобышка, выполненная с возможностью крепления к сосуду под давлением, включает в себя первое отверстие и подшипник, расположенный по меньшей мере частично внутри первого отверстия. В другом аспекте система поддержки сосуда под давлением на держателе сосуда включает в себя бобышку, подшипник и крепежный элемент. Бобышка прикреплена к сосуду под давлением и имеет первое отверстие, выполненное в ней. Подшипник расположен по меньшей мере частично внутри первого отверстия и имеет второе отверстие, проходящее через него. Крепежный элемент выполнен с возможностью прикрепляться к держателю сосуда, при этом участок крепежного элемента продолжается через второе отверстие и может скользить внутри первого и второго отверстий по существу вдоль продольной оси сосуда под давлением.
[0008] В еще одном аспекте описан способ поддержки сосуда под давлением на держателе сосуда. Сосуд под давление имеет бобышку, имеющую первое отверстие, выполненное в ней, и подшипник, расположенный по меньшей мере частично внутри первого отверстия и имеющий второе отверстие, проходящее через него. Способ включает в себя этапы, на которых вводят первый участок крепежного элемента через второе отверстие и участок первого отверстия, и устанавливают второй участок крепежного элемента на держателе сосуда.
[0009] Данное раскрытие в различных сочетаниях либо в виде устройства, либо в виде способа, также может отличаться следующим перечнем признаков:
1. Бобышка, выполненная с возможностью крепления к сосуду под давлением, причем бобышка включает в себя:
первое отверстие, выполненное в ней; и
подшипник, расположенный по меньшей мере частично внутри первого отверстия.
2. Бобышка по п.1, в которой подшипник является сферическим.
3. Бобышка по п.2, в которой первое отверстие включает в себя поверхность, которая является по меньшей мере частично сферической и соответствует участку внешней сферической поверхности подшипника.
4. Бобышка по любому из пп.1-3, в которой подшипник включает в себя второе отверстие, проходящее через него.
5. Бобышка по п.4, в которой первое отверстие и второе отверстие имеют коаксиальные продольные оси.
6. Бобышка по любому из пп.2-5, дополнительно включающая в себя фиксатор, расположенный между участком внешней сферической поверхности подшипника и участком первого отверстия.
7. Бобышка по п.6, в которой фиксатор включает в себя внутреннюю поверхность, которая является по меньшей мере частично сферической и соответствует участку внешней сферической поверхности подшипника.
8. Бобышка по любому из пп.6-7, в которой:
первое отверстие включает в себя плечо; и
фиксатор включает в себя внутреннюю концевую поверхность, выполненную с возможностью стыковаться с плечом.
9.Бобышка по любому из пп.6-8, в которой фиксатор является кольцевым.
10. Бобышка по любому из пп.6-9, в которой:
первое отверстие включает в себя паз; и
фиксатор выполнен с возможностью по меньшей мере частично входить в паз.
11. Система для поддержки сосуда под давлением на держателе сосуда, причем система включает в себя:
бобышку, прикрепленную к сосуду под давлением и имеющую первое отверстие, выполненное в ней;
подшипник, расположенный по меньшей мере частично внутри первого отверстия и имеющий второе отверстие, проходящее через него; и
крепежный элемент, выполненный с возможностью прикрепляться к держателю сосуда, при этом участок крепежного элемента продолжается через второе отверстие и может скользить внутри первого и второго отверстий по существу вдоль продольной оси сосуда под давлением.
12. Система по п.11, в которой:
подшипник является сферическим; и
первое отверстие включает в себя поверхность, которая является по меньшей мере частично сферической и соответствует внешней сферической поверхности подшипника.
13. Система по п.12, дополнительно включающая в себя фиксатор, расположенный между участком внешней сферической поверхности подшипника и участком первого отверстия.
14. Система по п.13, в которой фиксатор включает в себя внутреннюю поверхность, которая является по меньшей мере частично сферической и соответствует участку внешней сферической поверхности подшипника.
15. Система по любому из пп.13-14, в которой:
первое отверстие включает в себя плечо; и
фиксатор включает в себя внутреннюю концевую поверхность, выполненную с возможностью стыковаться с плечом.
16. Система по любому из пп.13-15, в которой фиксатор является кольцевым.
17. Система по любому из пп.13-16, в которой:
первое отверстие включает в себя паз; и
фиксатор выполнен с возможностью по меньшей мере частично входить в паз.
18. Система по любому из пп.11-17, в которой крепежный элемент выполнен в виде штифта.
19. Способ поддержки сосуда под давлением, имеющего бобышку, на держателе сосуда, причем бобышка имеет первое отверстие, выполненное в ней, подшипник, расположенный по меньшей мере частично в первом отверстии и имеющий второе отверстие, проходящее через него, причем способ включает в себя этапы, на которых:
вводят первый участок крепежного элемента через второе отверстие и участок первого отверстия; и
устанавливают второй участок крепежного элемента на держателе сосуда.
20. Способ по п.19, в котором подшипник является сферическим, причем способ дополнительно включает в себя этап, на котором пропускают первый участок крепежного элемента через фиксатор, который удерживает подшипник по меньшей мере частично внутри первого отверстия.
[0010] Данная сущность изобретения обеспечивается для введения понятий в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Данная сущность изобретения не предназначена для определения ключевых признаков или существенных признаков раскрытого или заявленного объекта изобретения и не предназначена для описания каждого раскрытого варианта выполнения или каждой реализации раскрытого или заявленного объекта изобретения. Кроме того, данная сущность изобретения не предназначена для использования в качестве помощи в определении объема охраны заявленного объекта изобретения. Многие другие новые преимущества, признаки и отношения станут очевидными по мере продолжения этого описания. Фигуры и описание, которые следуют далее, более конкретно описывают иллюстративные варианты выполнения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Раскрытый объект изобретения будет дополнительно пояснен со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых одинаковые элементы конструкции или системы обозначаются одинаковыми ссылочными позициями на нескольких видах.
[0012] ФИГ.1 представляет собой вид в перспективе сосуда под давлением известного уровня техники и установочный узел с рамой 302, показанной прозрачной для иллюстративных целей.
[0013] ФИГ.2 представляет собой разобранный вид в перспективе бобышки и установочного узла на ФИГ.1.
[0014] ФИГ.3 представляет собой вид в сечении собранной бобышки и установочного узла, выполненный по линии 3-3 на ФИГ.1.
[0015] ФИГ.4 представляет собой вид в перспективе сосуда под давлением с примерным вариантом выполнения бобышки по настоящему изобретению, в котором компоненты бобышки отделены от нее в разобранном виде.
[0016] ФИГ.5 представляет собой перспективный вид в сечении примерной бобышки в разобранном виде, выполненный по линии 5-5 на ФИГ.4.
[0017] ФИГ.6 представляет собой перспективный вид в сечении бобышки на ФИГ.5 с компонентами, собранными вместе.
[0018] ФИГ.7 представляет собой вид в сечении участка сосуда под давлением, показанного на ФИГ.4, причем сечение выполнено вдоль линии 5-5 на ФИГ.4, с компонентами примерной бобышки, собранными вместе, и дополнительно включает в себя установочный штифт, с помощью которого сосуд может быть установлен на внешних конструкциях через примерную бобышку.
[0019] Хотя вышеописанные фигуры излагают один или несколько вариантов выполнения раскрытого объекта изобретения, также предполагаются и другие варианты выполнения, как указано в раскрытии. Во всех случаях это раскрытие представляет раскрытый объект изобретения путем иллюстрации, а не ограничения. Следует понимать, что многие другие модификации и варианты выполнения могут быть разработаны специалистами в области техники, которые подпадают под объем охраны и суть принципов настоящего раскрытия.
[0020] Фигуры могут быть изображены не в масштабе. В частности, некоторые признаки могут быть увеличены по отношению к другим признакам для наглядности. Кроме того, когда используются термины, такие как «выше», «ниже», «над», «под», «верхний», «нижний», «сбоку», «справа», «слева» и т.д., следует понимать, что они используются только для удобства понимания описания. Предполагается, что конструкции могут быть ориентированы иначе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0021] В патенте US № 6,986,490 Eihusen et al., «Method and apparatus for mounting a fluid containment cylinder», который полностью включен в данный документ путем ссылки, описывается способ и устройство для крепления сосудов известного уровня техники, которые обеспечивают надежное крепление сосуда под давлением от осевого и вращательного перемещения, при этом позволяя установочным конструкциям сосудов под давлением принимать степень смещения без чрезмерной нагрузки на горловину сосуда под давлением.
[0022] Как показано на ФИГ.1-3, цилиндр известного уровня техники и узел 300 рамы включает в себя сферический подшипник 310, расположенный вокруг внешней поверхности горловины 306 бобышки 308 цилиндра 304. Бобышка 308 может быть бобышкой, такой, как описана в патенте US № 5,429,845 «Boss for a filament wound pressure vessel», который включен в настоящее описание путем ссылки. Внутренняя поверхность 322 сферического подшипника 310 сформирована для сопряжения с внешней поверхностью горловины 306. Например, внутренняя поверхность 322 является цилиндрической, чтобы соответствовать цилиндрической форме горловины 306. В собранном виде сферический подшипник 310 насажен на сферическую внутреннюю поверхность 316 в раме 302. Сферический подшипник 310 захвачен внутри рамы 302 путем закрепления манжеты 320. Закрепительная манжета 320 может иметь частично сферическую внутреннюю поверхность 324 такой формы, чтобы притираться с внешней поверхностью сферического подшипника 310. Закрепительная манжета 320 зафиксирована в раме 302 при помощи кольца 330. Некоторая степень осевого смещения может допускаться узлом 300 без размещения потенциально опасных нагрузок на горловину 306 бобышки 308 цилиндра 304. Однако сосуды под давлением часто устанавливают в местах с ограниченным пространством, таких, как транспортные средства. В таких местах продолжающаяся горловина 306, рама 302, подшипник 310 и закрепляющая манжета 320 требуют значительного пространства.
[0023] На ФИГ.4-7 показана примерная бобышка 12 настоящего изобретения, в которой установочные конструкции для бобышки 12 и прикрепленного сосуда 10 под давлением обеспечены во внутреннем отверстии 26 бобышки 12. Таким образом, для обозначенного пространства сосуд 10 может быть длиннее, чем цилиндр 304 (тем самым обеспечивая большую объемную емкость), поскольку для установки сосуда 10 требуется меньше конструкций, внешних по отношению к сосуду 10. Раскрытая бобышка 12 и способ установки композитного сосуда 10 под давлением позволяет сосуду расширяться, не занимая ценного пространства.
[0024] ФИГ.4 представляет собой вид в перспективе сосуда 10 под давлением, включающего в себя примерную бобышку 12 настоящего изобретения, имеющую внутренний подшипник 18, удерживаемый в горловине 16 бобышки 12 с помощью фиксатора 20 и удерживающего кольца 22. ФИГ.5 представляет собой перспективный вид в сечении с пространственным разделением деталей примерной бобышки 12, снятой с сосуда 10, в которой сечение выполнено по линии 5-5 согласно ФИГ.4. ФИГ.6 аналогична ФИГ.5, но показывает компоненты бобышки 12, собранные вместе. ФИГ.7 дополнительно показывает футеровку 34 и оболочку 36 сосуда 10 под давлением, образованную вокруг участков бобышки 12; дополнительно, установочный штифт 14 показан продолжающимся по меньшей мере частично в отверстие 26 и через отверстие 56 подшипника 18.
[0025] В примерном варианте выполнения, показанном на ФИГ.4-7, горловина 16 бобышки 12 механически образована или иначе образована с отверстием 26 в ней. Отверстие 26 выполнено с возможностью принимать подшипник 18, который расположен и зафиксирован в отверстии 26 с помощью двух кольцевых фиксаторов, а именно фиксатора 20 чашки подшипника и удерживающего кольца 22. Как показано на ФИГ.7, участок держателя сосуда или крепежный элемент, в этом случае выполненный в виде штифта 14, по существу содержится в отверстии 26 бобышки 12.
[0026] Как показано на ФИГ.5-7, подшипник 18 включает в себя отверстие 56, проходящее через него. Как показано на ФИГ.6 и 7 продольные оси отверстия 26 и отверстия 56 являются коаксиальными вдоль оси 24, которая совпадает с продольной осью сосуда 10 под давлением. Как показано на ФИГ.7, отверстие 56 выполнено с возможностью позволять вставлять участок штифта 14 через отверстие 56 и в участок отверстия 26. Штифт 14 перемещается продольно вдоль оси 24 через подшипник 18 и внутри отверстия 26 бобышки 12. Внешний участок 70 штифта 14 используется в примерном способе установки сосуда 10 на внешних установочных конструкциях сосуда (не показаны). Традиционным образом внешний участок 70 может иметь крепежные детали, апертуры, кронштейны и другие элементы крепления, позволяющие такую установку штифта 14 и, следовательно, сосуда 10 под давлением на традиционных установочных конструкциях сосуда. Раскрытая установочная система позволяет сосуду 10 расширяться по длине во время повышения давления из-за продольного скользящего перемещения штифта 14 вдоль оси 24 через отверстие 56 и по меньшей мере частично внутри отверстия 26. Кроме того, раскрытая система обеспечивает сосуд 10 под давлением степенью вращательной свободы вокруг подшипника 18, который является сферическим подшипником в примерном варианте выполнения, и оси 24 без влияния на размещение штифта 14 относительно внешних конструкций, прикрепленных к внешнему участку 70. Путем размещения подшипника 18, фиксаторов 20 и 22 и существенного участка штифта 14 по существу внутри бобышки 12, раскрытая бобышка 12 и установочная система тем самым устраняют необходимость в установочном блоке. Соответственно, длина сосуда 10, пригодного для удерживания и хранения текучей среды, может быть увеличена по сравнению с длиной цилиндра 304 узла 300 на ФИГ.1-3, для заданной длины удерживающего пространства.
[0027] Как показано на ФИГ.5 и 6, бобышка 12 включает в себя продольное отверстие 26. В некоторых вариантах выполнения бобышка 12 имеет отверстие, такое как апертура на концевой стенке 28, для обеспечения соединения по текучей среде между отверстием 26 и внутренней средой 30 (обозначенной на ФИГ.7) сосуда 10. В других вариантах выполнения бобышка 12 не позволяет соединение по текучей среде между внутренней средой 30 и внешней средой 54 сосуда 10, но скорее используется в основном для установки сосуда 10. В этих случаях другая бобышка, имеющая отверстие, проходящее через нее, может быть обеспечена в другом месте на сосуде 10.
[0028] В примерном варианте выполнения бобышки 12 внутренние резьбы 32 обеспечены по меньшей мере на участке поверхности отверстия 26, чтобы позволять устанавливать бобышку 12 на оправке (не показана), например, для образования футеровки 34 и оболочки 36 сосуда 10 под давлением вокруг бобышки 12. В примерном варианте выполнения отверстие 26 включает в себя частично сферическую внутреннюю поверхность 38, которая выполнена с возможностью соответствовать внешней сферической поверхности 40 подшипника 18. В примерном варианте выполнения отверстие 26 включает в себя по существу цилиндрическую внутреннюю поверхность 42, выполненную с возможностью соответствовать форме цилиндрической внешней поверхности 44 фиксатора 20. Кроме того, фиксатор 20 имеет внутреннюю поверхность 46, которая является частично сферической, чтобы соответствовать форме участка внешней сферической поверхности 40 подшипника 18. Подшипник 18 в примерном варианте выполнения включает в себя внутреннюю концевую поверхность 48 и внешнюю концевую поверхность 52. Как показано на ФИГ.6 и 7, внешняя концевая поверхность 52 подшипника 18 подвергается воздействию внешней среды 54 сосуда 10 под давлением.
[0029] В примерном варианте выполнения фиксатор 20 включает в себя внутреннюю концевую поверхность 58, выполненную с возможностью стыковаться с плечом 50 отверстия 26. Фиксатор 20 также включает в себя внешнюю концевую поверхность 60, выполненную с возможностью быть смежной с фиксирующим кольцом 22. Фиксирующее кольцо 22 в примерном варианте выполнения имеет внешний диаметр и толщину, позволяющие ему по меньшей мере частично входить и защелкиваться в пазу 62 отверстия 26. Фиксирующее кольцо 22 также имеет поверхность внутреннего диаметра с частично сферической конфигурацией, чтобы соответствовать внешнему участку сферической поверхности 40 подшипника 18.
[0030] Как показано на ФИГ.6, примерная бобышка 12 включает в себя фланец 64, который продолжается радиально наружу от горловины 16. В примерном варианте выполнения фланец 64 включает в себя паз 66, имеющий конфигурацию "ласточкин хвост". Со ссылкой на ФИГ.7, для образования сосуда 10 под давлением, бобышка 12 может быть установлена на оправке для образования сосуда (не показана, через резьбу 32). Таким образом размещенный расплавленный полимерный материал может обтекать внутреннюю форму (не показана), в которой материалу футеровки позволяется течь в паз 66 для образования взаимосвязанных выступов 68, которые механически блокируют футеровку 34 с фланцем 64 бобышки 12. После того, как материал для футеровки 34 вулканизируется или иным образом затвердевает, может быть использован способ намотки нити для формования оболочки 36 вокруг футеровки 34 и внешних участков фланца 64.
[0031] Хотя объект настоящего раскрытия описан со ссылкой на несколько вариантов выполнения, специалисты в данной области техники поймут, что изменения могут быть сделаны в форме и деталях без отхода от объема охраны изобретения. Например, в примерных вариантах выполнения подшипник 18 представляет собой сферический подшипник, который позволяет множественные степени свободы при установке сосуда 10 под давлением к внешним конструкциям (не показаны) через штифт 14, показанный на ФИГ.7. Однако преимущества экономии пространства при позиционировании подшипника 18 по меньшей мере частично внутри бобышки 12 могут быть реализованы с помощью несферического подшипника, включая подшипник скольжения, втулку, цилиндрическую, линейную и другие конфигурации подшипников. Сам подшипник может быть образован из или включать в себя сжимаемый материал, такой как резина, например, для дополнительного обеспечения контроля вибрации или отклонения хода. Кроме того, свобода движения при установке сосуда 10 под давлением к внешним конструкциям также может быть достигнута, например, с помощью гибкого и эластичного штифта 14. Дополнительно или альтернативно, штифт 14 можно устанавливать на гибкие или эластичные внешние конструкции (не показаны). Штифт 14 может иметь круглое сечение или другую форму, например, шестиугольную, чтобы позволять закрепление с отверстием 56 соответствующей формы. Кроме того, наряду с реализацией оптимизированной экономии пространства, когда подшипник 18 установлен по меньшей мере частично внутри бобышки 12, подшипник 18 может альтернативно или дополнительно устанавливаться на поверхности торца или внешней поверхности бобышки 12. Кроме того, любой признак, раскрытый в отношении одного варианта выполнения, может быть включен в другой вариант выполнения и наоборот.