一种空间利用率高的压力容器

一种空间利用率高的压力容器

本发明提供了一种空间利用率高的用于储存各种高中低压流体(气体和液体)所使用的压力容器，(以 下简称气箱)和应用该气箱制成的各种气动设备和压力容器，如气动船、气动潜艇、气动飞机、气动车、 方形液化气罐等。该气箱可由地球上已有的和将来出现任何金属和非金属材料的一种或一种以上的材料制 成，具体可制成铁板的、钢板的、超高强度钢板的及其它各种合金板的。应用于气动车包括：气动轿车、 气动摩托车、气动自行车、气动公交车、气动火车(气动轨道列车)、气动地铁列车、气动飞行车、气动 三轮车、各种气动货运和客运车辆、各种气动专用车辆等。方形流体压力容器新技术，还可应用于各种高 中低压车用运输容器，如天然气罐和液化石油气灌等。

现在国际上许多国家都在试验用碳纤维制作的气瓶，作为气动车的超高压储能装置。如我国某大学 的气动车就在车上安装了6个50升的碳纤维气瓶，总容积为300升，压力为300公斤，由于现在的碳纤维气 瓶只能做成两端为球面，中间为圆柱状的和球体的形状，所以这六个50升的碳纤维气瓶放在轿车里要相当 大的空间，要做成一个三百升的也放不下，有的是将碳纤维气瓶放在车的后备箱里，有的是放在车顶上， 有的是提高车的底盘高度安装气瓶。包括法国MDI在内的世界各国现在的气动车使用的超高压气瓶只能做 成圆形的，而本发明打破了世界各国的错误认识世界首创方形气箱、方形气箱组以及把车架的无效重量转 化为气箱的有效容积的独特方式。人们认为高压容器无法做成其它形状，这样的超高压容器一个50升的瓶 就要占用100升的空间才能放下，并且多个瓶之间无法形成牢固稳定的链接。这样的碳纤维气瓶受到撞击， 变形时压力会倍增，其增加值取决于气瓶撞击瞬间的凹陷程度，所以这样的气瓶要留有足够的抗压强度， 用以防止其达到爆破点爆炸。而以车架替代气箱方法已将整个气箱分散到整车的各部分的每一根拆子，前 后方为主要撞击吸能区(该区域也可不用于存储气体)，比较集中的部分若干个气箱体组合在车子碰撞不 到的部分，外侧拆子即使碰撞发生半米甚至更大的凹陷也不会使压力成倍增加，仅有百分之几的增加，因 为该部分的容积仅为总容积的几十分之一。每个拆子间有微孔连接通气，一般撞击只会变形而不会漏气， 万一有一处或几处碰撞泄漏其微孔便自动限制其它相联空间的气体以设定的安全流量流出，从而保证安 全。另外该气箱还可配备安全阀和保险快等装置。另外由于碳纤维气瓶所使用的碳纤维其价格为每公斤 3000元以上，使整车成本太高！碳纤维气瓶为同容量钢铁气瓶重量的二分之一(得出这一结论时应该是把 碳纤维气瓶和最大允许应力为230兆帕每平方厘米的普通钢板相比较得出的，因为那时还没有能保证超高 强度钢板获的理想焊口的理想焊接工艺，并且碳纤维气瓶要有内胆，还要使用树脂来将纤维粘合到一起， 内胆上还要涂一层底料，有的外边还要缠上两层玻纤增加其耐磨性能，这些都要占重量的。如果用今天的 超高强度钢板和碳纤维气瓶相比，其结果必然不会是这样)，并且碳纤维气瓶的空间利用率极低，而且它 的重量是在车架基础之上额外增加的重量。因此它的整车质量一定轻不了反而更重。而本发明之气箱是将 车驾的无用重量转化为了气箱有效容器使用，所以该技术之气箱仅根据需要增加容积时，其总质量仅有部 分增加，而不是碳纤维气瓶的百分之百的重量增加。因此该专利气箱的气动车的整车质量完全可以低于碳 纤维气瓶气动车的整车质量，而成本也远低于碳纤维气瓶气动车，其安全系数和效率也会更高并且也不会 占用车的有效空间和破坏美观。该车续航能力更强，除不占用车的有效空间外也不必为了放气瓶勉为其难 的把车的底盘提高或者放在车顶上和后备箱里，所以他也不会破坏车的整体美感，不会增加风阻系数而影 响效率。普通钢板的屈服强度为230兆帕每平方厘米，但近年来高强度钢板在很多地方均已投入使用，现 在我国的高强度钢板其强度已有超过2000兆帕的产品。由于资讯不全很可能现在世界上已有屈服强度超过 3000兆帕的钢板啦。即使现在没有将来也会出现的。以下是部分钢板强度的参数：HY100屈服强度910mpa/ 平方厘米HY80屈服强度560～665mpa/平方厘米HSLA115屈服强度800mpa/平方厘米NM450屈服 强度1250mpa/平方厘米40CrNi2SiMovA屈服强度1670mpa/平方厘米18Ni(250)屈服强度1570mpa/平 方厘米G99屈服强度1520mpa/平方厘米G50屈服强度1660mpa/平方厘米300M屈服强度1862mpa  Aemet100屈服强度2172mpa(经济型刚)浓缩铀离心分离机旋转筒体用马氏体时效钢，使用强度达到 2450MPa。但合金元素含量高致使马氏体时效钢的成本增高。下面我们就以国产D406A钢板为例其价格 为20元以上每公斤，按25元每公斤，300M为15元每公斤(碳纤维每公斤3000元以上)其价格为碳纤维成 本的120分之一，并且该气箱万一损坏后仍还可修复，而碳纤维气瓶只要损坏就报废是一次性的产品。G99 和G50为国产经济型刚。备注：D406A钢板用氩弧焊、等离子焊、真空电子束焊可以得到满意焊缝。向大 型城市公交车其原始车架内部长宽高构成的的容积就可达两点五个立方米以上，采用该技术最适合不过 啦！只要在车架上应用方形管状气箱的技术就可以啦！也可通过增加拆子和在每个座位下增设气箱的方法 进一步增加容量。

而本发明之气动车打破常规，首创整车作为气箱的理念，应用于轿车，气箱可以做到500升以上，应 用于公交车，气箱可以做到3000升以上，如果减少部分容量，压力增加到400公斤至700公斤，大大提高了 续航能力。并且由于本发明的气箱是由一个个独立的几何体小空间组成的整体气箱，即使车辆发生碰撞， 也不会破裂，箱内的气体由于分别装在独立的几何体中，每个空间的小孔限制了气体流出速度，所以不会 产生很大的冲击力，从而保证了人车的绝对安全。其实应用于轿车300到500升的容量已足够。每个独立气 箱体的外侧断面用以防止变形的支撑，也可改为仅用外侧端面板材材料加厚的方法进行，当然关于管状气 箱和气箱组的两侧的每个管口(端面)也可采用部分球面作为端面，也可以有效防止变形，使工艺大为简 化，从而提高了生产效率，进一步减轻气箱的重量。一个管状气箱体断面与其另一根管状气箱体在长度方 向上垂直连接，不露在外面的断面连接时无需用于防止断面所在边变形的支撑可以直接连接，因其两侧等 压。

本发明应用于轿车的任意形状气箱，完全可以不用车架了，可完全由本发明的气箱，来同时充当车架、 气箱、车的外表面的全部或部分。(当然也可以应用于各种车辆时单独的车架和本发明之气箱配合使用) 本发明用于轿车其原先按装机器的前方所有空间和后排座椅后面的所有空间及所有座位下的空间和脚下 的空间都可作为整体的气箱使用，如果你不嫌麻烦的话，甚至连汽车的车顶、门框、车门、座椅也都可以 作为气箱的一部分，用来作为气箱使用，从而进一步增加它的气体容量，使车跑得更远。该气箱除以上介 绍的方式外，还可以根据每种具体的车型制成统一压力、统一容量、统一大小、统一接口的可更换气箱， 这样气快用完时到了换气站把气箱拉出来换上即可。

长方体和正方体等各种任意形状压力容器定理创建与分析：由任意条边组成的多边体压力容器在受到 一定压力时，任意两点间的直线(边)将在压力作用下形成由两点向中心逐步加深的指向容器内部的圆弧， 同时也使两顶点间的距离缩短。变形与所受压力成正比，与容器顶点和边的强度成反比，与针对各顶点和 边的支撑强度成反比。也可以根据上面的定理进行直接针对顶点和边的气箱外部强化或内部支撑，也可两 者同时进行，其内部支撑可以是超高强度钢的支撑，也可以是碳纤维框架支撑，铝材支撑等各种材料的， 也可以使复合材料的，多种材料的，各种支撑方式。根据这个定理进行的直接支撑，比以上谈到的任意一 种方法更直接有效，也可和上面谈到的方法中和使用。根据该定理最有效的支撑就是直接针对相邻两个面 形成的这条边的支撑，就是直接作用于这两个面所形成的容器内角的角平分线上的支撑。该支撑可以是角 平分线支撑或者近似角平分线支撑也可以是对角线支撑或者近似对角线支撑。该直接支撑可以是由三角 形、梯形、长方形、正方形等多种单片支撑构成的复合支撑体，同时还可进行必要的加强牵拉。

图1-1为管状气箱或气箱组中真对于长方形金属管的四条边的角平分线支撑结构图。图1-2为管状气 箱或气箱组中真对于长方形金属管的四条边的对角线支撑结构图。图1-4为管状气箱或气箱组中真对于正 方形金属管的四条边的角平分线支撑和对角线支撑结构图。图1-5为正方形管状三层气箱组，四角采用对 角线(也是角平分线)进行防止变形的支撑，其它部分(指每根方管长度方向上)采用防止变形的圆弧构 成的部分箱体外表面，考虑到整体气箱组的断面如果采用球面或者对角线以及角平分线支撑，空间利用率 会下降，所用材料会更多，这里采用了针对每个基本储气单元的断面(指每个基本断面形状如长方形、正 方形、三角形等)采用板材加厚的放法来防止变形，当然也可使用以上提到的任何方法防止变形。图1-6 为长方形管状单层气箱组，采用对角线进行防止变形的支撑，考虑到整体气箱组的断面如果采用球面或者 对角线以及角平分线支撑，空间利用率会下降，所用材料会更多，这里仍然采用了针对每个基本储气单元 的断面(指每个基本断面形状如长方形、正方形、三角形等)采用板材加厚的放法来防止变形，当然也可 使用以上提到的任何方法防止变形。图1-7为正方形管状多层T形气箱组，采用不同度数的圆弧构成每根 管子长度方向上的外表面，考虑到整体气箱组每个管子的断面如果采用球面或者对角线以及角平分线支 撑，空间利用率会下降，所用材料会更多，这里仍然采用了针对每个基本储气单元的断面(指每个基本断 面形状如长方形、正方形、三角形等)采用板材加厚的放法来防止变形(加厚平板)，当然也可使用以上 提到的任何方法防止变形。图1-8为正方形管状三层气箱组，采用对角线进行防止变形的支撑，考虑到整 体气箱组的断面如果采用球面或者对角线以及角平分线支撑，空间利用率会下降，所用材料会更多，这里 仍然采用了针对每个基本储气单元的断面(指每个基本断面形状如长方形、正方形、三角形等)采用板材 加厚的放法来防止变形，当然也可使用以上提到的任何方法防止变形。图1-9为采用了针对正方体的每一 条边进行了对角线(也是角平分线)支撑的实验气箱照片，实验用普通0.8毫米钢板，压力4MPA，实验 证明对角线或者角平分线的支撑结构确实可以制成方体压力容器。图1-10为本发明应用于液化气罐的实验 照片。图1-3为某汽车车架图，本发明应用于该车架，不对与车架进行连接的外部零件的连接点做任何改 动，如弓子板、发动机、车身的连接等。方法一采用将车架的无效重量转化为气箱的有效容积的方法，利 用车架的形状，不改变车架与外部其它部件的连接尺寸和位置，利用车架内外剩余的所有或部分空间制成 整体气箱，使气箱即是车架又是气箱，实现将车架的无效重量转化为气箱的部分有效容积，同时应用于公 交车轿车等车型时可在对应座位的位置或者上方有使用空间的地方，使气箱适当的凸起，以增加气箱容量。 方法二针对现有车辆的改装对的应用，如图1-3所示为某汽车车架图，改装时可分别在图1-3的车架的1-5 的空白区域部分的可以利用的部分，按其具体形状尺寸分别制成气箱固定在车架上，用管路将其联通，同 时应用于公交车轿车等车型时可在对应座位的位置或者上方有使用空间的地方，使气箱适当的凸起，以增 加气箱容量。

具体生产时根据不同的材料强度工作压力，确定板材的厚度，根据材料的不同选择具体的切割和焊接 的方法。具体生产工艺流程：(以300M超高强度钢板为例为例)激光焊接工艺参数对40CrNi2Si2MoVA钢 组织和性能的影响为了改善超高强度40CrNi2Si2MoVA钢的焊接性能，采用CO2激光对其进行了焊接处 理。利用OM、显微硬度仪和电子万能试验机等对激光焊接接头的显微组织、硬度、拉伸强度进行了研究。 结果表明，固定输出功率P，扫描速度v从120～240mm/min变化时，随着扫描速度的增加，焊缝区、 热影响区(H.A.Z)宽度变窄，焊缝区硬度值减小，而热影响区硬度增大；固定扫描速度，激光功率从 1.4～2.0kW变化时，随着功率的增加，焊缝区、热影响区宽度变宽，焊缝组织变得粗大，焊缝区硬度值 增大，而H.A.Z硬度值有所减小；当激光功率为1.6kW、扫描速度150mm/min时，焊接接头组织细小、 均匀，抗拉强度最高值达到1653MPa。

由以上介绍可知该气动车和气动船，完美的解决了气动车和气动船气源的存储问题，完全可以持续稳 定的保证车辆和船只远距离的行驶需要，广泛应用于气动自行车、气动摩托车、气动轿车、气动公交车、 气动三轮车等各种气动车辆上和各种气动船和气动飞机，具有无污染、零排放、加气迅速、高效、使用寿 命更长、成本更低、整车整船强度更高、更安全、更符合国家当前节能减排的新产业政策的特点。该技术 完全可用于生产造价低廉耐用的高续航能力的纯空气动力气动车，而不必生产现在大家都在搞的那种结构 复杂高成本的混合空气动力气动车。任意形状的压力容器，可应用于各种气动车和气动船，同时也可单独 作为各种压力容器使用，如液化石油气罐等，具有承受压力高、空间利用率高、用材料薄，轻，省的特点。