用于存储尤其是为机动车辆发动机提供燃料的气体的高压流体的罐及其制造方法

摘要

一种用于存储高压流体的罐，其包括由高碳钢或高强度钢制成的主体(12)，阀刚性地固定到该主体(12)上。该主体(12)由单一件形成并包括终端部位(15)，该终端部位(15)具有带有加厚壁的部分(16)，该带有加厚壁的部分(16)相对于主体(12)的轴线(X)中心对称地布置。在该部分(16)中的至少一个中形成通孔(17)，以使得能够将阀固定到该通孔(17)。

说明书

本发明涉及罐，该罐用于存储处在高于100巴(bar)的工作压力下的流体，诸如用于为机动车辆发动机提供燃料的气体，并涉及用于所述类型的罐的生产的方法。

所述类型的罐包括主体，其限定了用于容纳加压流体的密封室。至少一个阀刚性地关联到所述主体，该阀适合于使得可以利用流体装填上述室以便填充罐，并且适合于从罐中抽出流体以使其可用。所述罐在多种行业都有应用，其中尤其重要的是汽车行业，用于在200巴-300巴的范围的压力下存储用于为车辆的内燃机提供燃料的甲烷气体或氢气。

由于钢材料的相对可接受的成本及其可靠性，当前用于汽车行业的高压气体罐的主体由钢制成。在这点上，需要指出的是，还存在其它类型的可以用作高压气体罐的缸体，诸如由合成材料制成的一些缸体，但是其非常高的成本阻止了其在汽车行业的扩展。

用于构造所述加压气体罐的主体的钢就目前而言是高碳钢，这是因为它们是仅有的适于保证强度方面的必需的安全性的钢。根据这种观点，钢“34CrMo4”由在汽车行业中用作高压罐的缸体的制造商所普遍采用。由于低的机械特性，低合金钢或低碳钢不适于替代应用于高的气体压力的情况下，如在汽车中使用。

已知类型的高压罐的主体利用由高合金钢制成的单一件来生产，其中该技术的特征在于不存在任何焊接工艺。为了所述目的，罐的主体从坯锭或厚板开始构建，使用热压技术以形成带有必须封闭的一端的中空主体。在某些情况下，罐的主体从管开始获得，在这种情况下其两端都必须是封闭的。主体的末端的封闭(在从坯锭或厚板开始的机械工艺的情况下)或其两端的封闭(在从管开始的机械工艺的情况下)通过流动成形(fluoforming)而获得，该流动成形包括逐步的热变形以便将待封闭的区域收拢在一起。

参考汽车行业，与所述类型的罐或缸体的外壳(encumbrance)相联系的是一个非常重要的问题。事实上，罐所占据的体积如何承担一个重要的角色是很明显的，这是因为可存储于其中的气体的量越大，则相应的汽车的自主性就越大。

在售后安装的情况下，即安装在机动车辆的模型上，最初没有设想到气体燃料推动会用于机动车辆上，罐的布置几乎总是发生在行李厢中。在最初为气体燃料推动设计的机动车辆的模型的情形下，罐改为容置在车辆的地板下方。在上文提到的两种情况下，空间的开发是关键的，这是因为到目前为止，为了容置气体罐而开发的空间必须从车辆的乘客厢或行李厢上扣除。在这点上，还应该考虑的是，假定汽车行驶了相同的距离，则用于汽车行业的在大约200巴的压力下压缩且处于25℃的环境温度中的天然气所需要的存储容量将比汽油所需的存储容量高三倍之多。

根据本领域的当前状态，有关高压气体罐的其它问题与标准型限制相联系，该限制对罐的有用尺寸具有不利的影响。按照此观点，再次参考汽车行业，普遍认为阀附连到罐的主体的区域是薄弱点或者总是要特别注意保护的点。因此，适当的标准规定了阀和车辆的周边之间的最小安全距离，该车辆的周边理解为主体的外部侧板或任何其它的部件或在事故中承受冲击的车身(例如，在意大利，所讨论的距离定为150mm)。上文所述的标准限制明显地减少了车辆上用于容置罐的可用布局，因此损失了加压燃料的可能的存储能力。

本发明的目的是克服上文所指的一个或多个缺点，特别是：

-使得用于在高于100巴的压力，特别是介于约200巴和300巴之间的压力下运行的气体罐的构造更简单、更快捷和更有经济优势，同时保证该气体罐的必须的机械坚固性；和

-减少根据现有技术的罐的典型容置的当前的关键方面，同时保证必须的安全度。

根据本发明，通过用于具有权利要求1的特征的罐实现上文的目的和其它的目的，所述罐用于存储在高于100巴的工作压力下，特别是在介于约200巴和300巴之间的工作压力下的用于供给机动车辆发动机的流体。

同样地，根据本发明，通过具有权利要求11的特征的用于加工罐的方法实现上文所述的目的，所述罐用于存储高于100巴的工作压力下的流体，特别是用于为机动车辆发动机提供燃料的气体。

权利要求中表明了根据本发明的罐和方法的优选特征，该权利要求应理解为形成了本说明书的组成部分。

本发明的更多目的、特征和优点将在随后的详细描述和附图中清楚地呈现，这些描述和附图仅以说明性的和非限制的示例的方式提供，其中：

-图1是已知类型的高压气体罐的透视图；

-图2是根据本发明的高压气体罐的透视图；

-图3是图2的罐的截面的透视图；

-图4是图3的截面的顶视平面图；

-图5是根据图4的线V-V的截面图；

-图6是根据图5的线VI-VI的截面图；

-图7-图12是表示用于生产根据本发明的罐的有利方法的步骤的示意图；以及

-图13A和图13B分别是位于类似安装位置的根据本发明的罐和根据现有技术的罐的两个示意性平面图。

在图1中，参考标号1整体表示用于存储高压流体的已知类型的缸体。在所示例的情况中，缸体1是通常用作机动车辆的燃料罐的类型，该罐用于容纳供给内燃机所必需的处于介于约200巴与约300巴之间的压力的甲烷气体。

缸体1具有主体2，该主体2具有底部3，中间部4和头部5。底部3具有基本上平坦的形状，中间部4具有大致中空的圆柱形的形状，头部5具有基本半球形或帽状的形状。

图1所示的形状是如下情况下的一种典型形状：主体2由单一件获得，经由钢坯或厚钢板的热压，以首先形成部分3和4。接着经由流动成形通过使中间部4的端部变形而获得部分5。可选地，主体2的中间部4可以从管开始获得，在这种情况下管的两端通过流动成形而成形为类似半球形的帽。

参考标号6表示阀，其以自身公知的方法制成并且用于在补给燃料时能够利用甲烷气体装填缸体，并能够从缸体中抽出气体以便供给机动车辆的发动机。为此，在使用中，阀6连接到用于气体的装填和抽出的合适的管道(未示出)。为了将阀6锚定到主体2上，阀6的螺纹部分旋入在头部5的顶部上的设有内螺纹的通孔中。

图1所示的实施例的类型是普遍地用于由钢制成的用于汽车的缸体的一种实施例，其中，阀6在与主体2的轴线对齐的位置从主体2突出。所述布置来自这种需要：将阀6定位在主体2的厚度较大的点上，以便能够在其中提供足够长的螺纹通孔，从而保证阀6的可靠的锚定。用于提供头部5的流动成形工艺使得阀6的锚定区域足够厚以用于待实现的目的。

应该注意的是，参考图1在上文所确定的罐的构造的几何形状和技术与用于容纳在静态应用中普遍采用的工业气体的缸体所用的几何形状和技术保持大致相同，在静态应用中不存在外壳的关键方面。

这种实施例表现出这样的缺点，由于形成主体2的所述技术，阀6仅可以位于对应于部分5的顶部的位置，以从该顶部突出。这对缸体1的总体尺寸具有不利的影响，因为由于规范的原因阀6必须离碰撞的可能表面保持一定的距离。结果，可由主体2占据的有用空间将更小，即危害了其用于气体的存储容量的事实。

根据本发明的一个重要的方面，罐的安全度和存储容量通过缸体的主体的特定成型，特别是其末端中的一个的特定成型而提升，从而使得相应的阀在安全的或受更多保护的位置可用。如随后的内容所清楚地呈现，不同于现有技术，相应的阀固定到其上的缸体的主体的末端不是通过流动成形来成型的。

为此，图2到图6表示了根据本发明的用于存储处于高于100巴的工作压力下的流体的罐的可行的实施例，所述主体从单一件开始形成，并在对应于其终端部位的位置中-此处通常限定为“头部部位”-设有相对于主体的轴线中心对称布置的带有加厚壁的部分，在这些部分的至少一个中加工了阀将固定于其中的孔。

在图2和3中所示范的情况中，由11整体表示的根据本发明的罐具有主体12，在该主体中，确定了由14所指示的中间的中空部位和两个终端部位13和15，终端部位13和15分别形成主体12的底部和头部。中间部位14的形状大致为圆柱形，同时底部终端部位13整体是杯状的；特别地，底部终端部位13具有半球形的帽的形状。相反，头部部位15具有更平坦的构造。主体12由具有高的当量碳含量的淬火钢和回火钢形成，这种钢具有介于800MPa和1200MPa之间的最终强度(诸如，例如铬锰钢或铬钼钢，或高强度钢，例如，34CrMo4)。

阀6在侧向位置固定到头部终端部位15，由于该部位自身的特定的构形，所述定位的可能性是允许的。

图3中可见的仅仅是终端部位15的内部，图4，5和6分别表示根据三个不同的相互垂直的平面的相同部位的截面视图。在所述图中应该注意的是，为了更加清楚而将阀6的表示省略掉。如所述图所呈现的，在对应于形成终端部位15的大致平坦的帽的侧面区域的位置中，限定了由16表示的带有加厚壁的两个局部部分。该部分16的尺寸为使得能够在要求的位置并按要求的长度形成内螺纹17，或其它类型的通孔。图2的阀6的带有螺纹的固定部分旋入所述孔，而阀的剩余的连接部分则保持在主体12的外面。

为了本说明书的目的，可以在加厚部分16中确定三个不同的区域。第一区域16a限定了大致为平面的座，其参考垂直于主体12的中心轴线X的方向在对应于孔17的位置形成并且具有最大厚度。第二区域16b绕着上文所述的第一区域16a限定了第一圆角区域；第三区域16c绕着上文所述的第一区域16a和第二区域16b限定了第二圆角区域。区域16c在一侧上朝着中间部位14延伸，并且在相对侧上朝着终端部位15的末端延伸，从而以连续的方式对该处进行圆角化。第二区域16b的第一圆角区域和第三区域16c的第二圆角区域具有符号相反的曲率。

此外，为了获得用于阀6的支承座并有助于将阀6固定在主体12上，主体12的外侧在对应于第一区域16a的位置具有相应的平面的外侧部位16a’。

对于所示的实施例，上文描述的部分16的构形是特定的。然而，本发明的范围包括了具有权利要求1中所指定的特征的另一种类的加厚部分16的形成。

如图5和图6所示，上文所述的第一区域16a、第二区域16b和第三区域16c具有全局地限定了其特定几何形状的特征尺寸。所述尺寸如下：

-L1：第一区域的最小侧；

-A：加厚部分的前端突出部的宽度；

-B：加厚部分的前端突出部的高度；

-R1：第二区域的第一圆角半径；

-R2：第三区域的第二圆角半径。

本申请人对所述实施例的缸体进行的实验揭示了，部分16的特定构型导致根据本发明的罐相对于传统类型的罐显著地加强，同样使得能够在所有使用条件下将阀可靠的固定。如实验案例中所发现的，带有加厚壁的部分的最佳构形通过根据主体12的某些尺寸决定上文所列出的尺寸的值的关系所确定，从而限定生产中的所有类型的罐；这些罐在容积以及确保最大强度的部分16的特定的几何形状方面进行区分。

参考上文给出的尺寸的符号，优选的关系如下：

A具有介于约0.45D和0.51D之间的值，优选地为0.48D；

B具有介于约0.4D和0.5D之间的值，优选地为从0.45D到0.48D；

R1具有介于约0.1D和0.2D之间的值，优选地为0.13D；

R2大于或者等于10mm，优选地大于或者等于15mm，

D是罐的直径。

第一区域16a的最小侧必须大于孔17的直径，优选地至少比上述直径大约大7％-8％。在这种情况下，例如孔17具有26mm的直径，则最小侧将是约28mm。

根据本发明的罐或缸体的主体12可以利用简单快速的方法经由挤压通过上文所指类型的钢坯而获得，就目前而言所述技术良好地适用于部分16的轮廓的复杂度。

由于可能将阀6放置在如下位置，即对安全有积极的影响-在碰撞的情况下阀受到更多保护-并且在用于容置罐主体的可以利用的体积增加的情况下对燃料的存储容量有积极的影响的位置，所以上述的根据本发明的实施例能够改善容纳处于高于100巴的工作压力下的高压气体的罐的功能。

上文所述的优点从在图13A和图13B中以示例的方式所提供的示意图中明显可见，其中参考标号9表示小尺寸的普通的机动车辆的行李箱的端面。图13A和图13B分别表示根据图2的实施例的罐11容置在所述行李箱中的情况以及根据图1中所示的现有技术的罐1容置在所述行李箱中的情况。

在所述图中，L表示这两个罐的最大轴向或纵向尺寸。

可以立即注意到，给定相同尺寸的行李箱(和罐的截面)，由于阀6的不同的位置，图13A所示的罐11的纵向的外壳可大于图13B所示的罐1的纵向的外壳。

根据本发明，阀6可以位于主体的在任何情形下都是安全的区域，这个事实的直接结果是主体12的更大的纵向延伸，以及因此而增加的存储容量。

通过图13A和图13B之间的比较，可以注意到，在罐11的情形下，阀6的突出部和行李箱的壁9之间的距离如何总是可以大于由标准(图13B的情形)所指定的最小的一个尺寸，以及如何总是远离面对它的行李箱的表面，并且具有安全方面的明显的优点。阀的所述突出部总是包括在主体12的最大外壳的尺寸内。

应该注意的是，根据本发明构想的阀6的特定位置与主体12的构形且特别是加厚部分16的存在严格地相关。事实上，部分16导致头部终端部位15的侧面区域的增强，从而使得能够形成用于固定阀6的孔17。

本发明还构想可能存在两个以上带有加厚壁的部分16，其中状态是它们相对于主体12的轴线X中心对称布置，以便在主体12的截面上均匀地分布圆周应力。在这个方面，还可以提供带有加厚壁的带，该带在头部终端部位15的整个截面上圆周地延伸。

在上述的实施例中，罐11的主体12从单一件开始获得，该单一件在本情况下是高合金钢的坯锭。

参考图7到图12，示出了用于制作根据本发明的罐的方法的步骤。

图7示出了预成形的步骤，在该步骤中，由20所表示的坯锭在压力机21下受压以获得预成形件。

接着，执行第一锻压步骤，如图8所示，在该步骤中预成形件插入到模具22中并由底模23(counter-die)压缩以获得成形件20b，其具有带有大致杯状轮廓的纵向截面，该成形件20b的底端将限定主体12的头部终端部位15。

然后，执行在图9中可见的第二锻压步骤，该步骤构想使用第二底模23’。底模23’具有两个表面腔23b’，其关于模具和底模的中心轴线在直径上相对，并且限定了加厚部分16的模型(matrix)。特别地，在上述实施例的主体12的情况中，腔23b具有第一区域、第二区域和第三区域，其分别对应于加厚部分16的第一区域、第二区域和第三区域。底模的上述区域的特征在于，尺寸对应于针对部分16所限定的尺寸，所述尺寸在上述实施例的情况中根据上文给出的关系互相关联。利用第二锻压步骤获得了成形件20c，其在底部(在图10中观察)限定了侧向地具有加厚部分16的头部终端部位15。

在第二锻压步骤之后，将成形件20c拉伸并铸造，从而形成也设有中空的中间部位14的成形件20d。在图10示意性地表示的拉伸工艺中，在顶部延伸到加厚部分16的成形件20c的部分在由伸展上述部件的辊子24所施加的力的作用下塑性变形。因此，将成形件20c延长，直到体积基本上等于罐11的主体12的体积。

在此处，如图11所示意，通过拉伸获得的成形件20d经历喷砂工艺，该工艺包括利用压力下的砂和水的射流来使壁平滑。在喷砂之后，对由成形件20d所表示的拉伸产品进行尺寸检查，并通过可视检察来检测是否存在可能的结构不规则，这种结构不规则可能能够损害成品罐的机械属性。

最后，通过图12所示的流动成形步骤，成形件20d经由根据自身已知的方式形成底部部位13而封闭。特别地，所述步骤构想使成形件20d旋转，该成形件20d在对应于其开口端的位置处加热，并且辊子25以使限定所述末端的壁20d’弯曲的方式作用，以便形成区分底部终端部位13的半球形帽。

一旦形成了主体12，使部分16的一个部分为穿孔的，孔17在内部具有螺纹以用于接收阀6的螺纹杆。

如图2-图6所示的实施例所示，在需要时，本发明也可以提供用于同一个缸体的两个不同的阀，例如用于装填流体的一个阀和用于将其抽出的另一个阀。如上文所述，各个所述阀将位于与具有螺纹孔17的相应部分16相对应的位置，然后这两个阀从同一个头部终端部位15的两个相对侧上突出。

特别地参考用于汽车行业中的应用的罐或缸体的构造，对本发明进行了描述，但是明显的是，本发明还可用于任何其它的具有相同的特定问题的领域，特别是需要保证高于100巴的工作压力下的足够机械坚固性的领域。同样地，尽管参考甲烷气体的存储对上文所概述的罐的应用进行了描述，但是明显的是，可以理解它们适用于存储高于100巴，特别是大致介于200巴和300巴之间的工作压力下的任何其它的流体。

当然，在不违背本发明的原理的前提下，构造和实施例的细节可相对于此处仅以示例的方式所描述和表示的内容而进行变化。