Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к водородному резервуару высокого давления, в котором хранится водород под высоким давлением.
Уровень техники
Водородный резервуар высокого давления используется, например, на водородной станции для хранения водорода под высоким давлением и имеет конструктивное выполнение, в соответствии с которым крышка привинчена к открытому концу цилиндра (корпусу, имеющему форму кругового цилиндра). В таком резервуаре для хранения водорода цилиндр, заполненный водородом, уплотнен с помощью резинового уплотнительного элемента, такого как уплотнительное кольцо, установленного между внутренней окружной поверхностью цилиндра и внешней окружной поверхностью крышки (см., например, патентный документ 1).
Однако согласно сведениям, приведенным в патентном документе 1, через резиновый уплотнительный элемент проходит незначительное количество водорода. При этом водород достигает участка с внутренней резьбой, выполненной на открытом концевом участке цилиндра, что приводит к повреждению, обусловленному действием водорода, которое начинает происходить во впадине резьбы, где имеет место концентрация механических напряжений. Для решения этой проблемы в водородном резервуаре высокого давления, описанном в патентном документе 1, на участке с канавкой, образованной между участком с внутренней резьбой и резиновым уплотнительным элементом, выполнено сквозное отверстие, позволяющее выпускать газ, находящийся на участке с канавкой, и вводить кислородсодержащий газ в этот участок с канавкой.
Патентная литература
Патентный документ 1: опубликованная не прошедшая экспертизу заявка на выдачу патента Японии № 2020-56457.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема
Из сквозного отверстия, выполненного в водородном резервуаре высокого давления, описанном в патентном документе 1, происходит выпуск водорода, который ранее прошел через резиновый уплотнительный элемент и остался на участке с канавкой. Это уменьшает возможность возникновения трещин в водородном резервуаре высокого давления, обусловленное присутствием водорода, оставшегося после прохождения через резиновое уплотнение на участке с канавкой, при этом участок с внутренней резьбой, на котором создаются высокие напряжения, примыкает к указанному участку с канавкой. Однако в том случае, когда в металлическом резервуаре хранится водород под высоким давлением, молекулы водорода, которые имеют в резервуаре предварительно заданную концентрацию, проникают в металл, образующий металлический резервуар, и диффундируют внутрь структуры этого металла. То есть в водородном резервуаре высокого давления, описанном в патентном документе 1, водород, находящийся в цилиндре, проникает в структуру металла, диффундирует внутрь металла, образующего цилиндр, и затем достигает участка с внутренней резьбой.
На участке с внутренней резьбой создается концентрация напряжений вследствие резьбового зацепления с крышкой, прикрепленной на отрытом концевом участке цилиндра. В результате на участке с внутренней резьбой создается более высокое напряжение по сравнению с другими участками резервуара.
Цилиндр в патентном документе 1 содержит контактную поверхность, которая расположена на внутренней окружной поверхности цилиндра и перпендикулярна центральной оси.
Когда крышка входит в контакт с указанной контактной поверхностью, в крышке создается усилие в осевом направлении, и в результате крышка прикрепляется к участку с внутренней резьбой. В водородном резервуаре высокого давления концентрация напряжений создается не только на участке с внутренней резьбой, но также и в области, окружающей контактную поверхность. На участок с внутренней резьбой и область контактной поверхности, на которой действуют напряжения, воздействует водород, который диффундирует внутрь структуры металла, и в конечном итоге от этих участков начинают развиваться дефекты, такие как растрескивание.
Настоящее изобретение создано для решения указанных выше проблем и относится к водородному резервуару высокого давления, который позволяет уменьшить возможность образования дефекта, обусловленного диффузией водорода в структуру металла.
Решение проблемы
Водородный резервуар высокого давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит: цилиндрический корпус, выполненный из металла и предназначенный для хранения водорода под высоким давлением; закрывающий элемент, который закрывает концевой участок цилиндрического корпуса. Цилиндрический корпус содержит: участок соединения, который обеспечивает прикрепление закрывающего элемента к концевому участку цилиндрического корпуса в направлении вдоль центральной оси цилиндрического корпуса; цилиндрический участок, образующий внешнюю оболочку участка хранения, выполненную с возможностью хранения водорода под высоким давлением; и уплотнительную поверхность, расположенную между участком соединения и цилиндрическим участком в направлении вдоль центральной оси и образованную на внутренней поверхности цилиндрического корпуса.
Крышка содержит уплотнительный участок, который прилегает к уплотнительной поверхности цилиндрического корпуса, и участок фиксации, прикрепленный к участку соединения цилиндрического корпуса. По меньшей мере выполнено соотношение Н < L, причем участок уплотнительной поверхности, к которому прилегает уплотнительный участок, является контактным участком, при этом Н представляет собой толщину, измеренную от контактного участка до внешней поверхности цилиндрического корпуса, причем часть цилиндрического корпуса, которая включает в себя участок соединения и проходит от участка соединения до контактного участка и в которой создается напряжение, величина которого превышает или равна предварительно заданной величине напряжения σ, является участком создания напряжения, при этом L представляет собой расстояние между контактным участком и участком создания напряжения.
Положительные эффекты изобретения
Поскольку в водородном резервуаре высокого давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения закрывающий элемент прикреплен к цилиндрическому корпусу, расстояние L между контактным участком и участком создания напряжения, где создается напряжение предварительно заданной величины, удовлетворяет соотношению «H < L», и в результате металлический материал, из которого выполнен цилиндрический корпус, не находится под действием диффузии водорода. В результате в водородном резервуаре высокого давления можно уменьшить влияние диффузии водорода в структуру металла водородного резервуара высокого давления на его прочность. При этом водородный резервуар высокого давления может обеспечить высокую надежность даже в том случае, если к нему приложена высокая нагрузка.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вид в сечении, иллюстрирующий водородный резервуар 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения;
на фиг. 2 - увеличенное изображение участка 15 с внутренней резьбой и уплотнительной поверхности 16, показанных на фиг. 1, а также их окружение;
на фиг. 3 - иллюстрация состояния резервуара с диффузией водорода в структуру металла на уплотнительном участке 23 водородного резервуара 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения и область уплотнительного участка 23;
на фиг. 4 - иллюстрация корреляции между давлением газообразного водорода и начальной концентрацией водорода, который проникает в структуру металла;
на фиг. 5 - иллюстрация корреляции между коэффициентом диффузии водорода D и диффузионным потоком J;
на фиг. 6 - пример состояния с созданием напряжения в области участка 15 с внутренней резьбой в водородном резервуаре 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения;
на фиг. 7 - иллюстрация взаимосвязи напряжений, действующих на металлический материал, с количеством циклов, в которых действуют напряжения.
Осуществление изобретения
Далее будет подробно описан предпочтительный вариант выполнения водородного резервуара высокого давления согласно настоящему изобретению со ссылками на сопроводительные чертежи. Необходимо отметить, что описанный ниже вариант осуществления изобретения является предпочтительным частным примером, при этом будут описаны различные предпочтительные технические решения. Однако это описание не является ограничивающим изобретение, если в последующем описании не указано иное.
Вариант 1 осуществления изобретения
Водородный резервуар 100 высокого давления
На фиг. 1 представлен вид в сечении водородного резервуара 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения. На фиг. 1 схематически проиллюстрирована конструкция водородного резервуара 100 высокого давления. Водородный резервуар 100 высокого давления установлен, например, на водородной станции для подачи водорода, например, в автомобиль и предназначен для хранения в нем водорода под высоким давлением. Автомобиль на топливных элементах оборудован резервуаром, в котором хранится водород под высоким давлением, например, приблизительно 75 МПа. Для того чтобы резервуар этого автомобиля был заполнен водородом, необходимо, чтобы давление внутри установленного водородного резервуара 100 высокого давления можно было поддерживать на более высоком уровне, чем давление в топливном баке автомобиля. Каждый раз, когда водород поступает в автомобиль на топливных элементах, давление внутри водородного резервуара 100 высокого давления уменьшается, однако это внутреннее давление все еще сохраняется высоким. Таким образом, водородный резервуар 100 высокого давления подвержен периодическим изменениям давления в диапазоне высокого давления. Кроме того, учитывая частоту подачи водорода в автомобиль, необходимо, чтобы водородный резервуар 100 высокого давления был способен сохранять свою прочность в течение продолжительного периода времени, когда он подвергается изменениям давления при высоком давлении и в циклах с высокой частотой.
Конструкция водородного резервуара 100 высокого давления.
Как показано на фиг. 1, водородный резервуар 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения содержит цилиндрический корпус 10, выполненный из металла, и крышки 20, которые соединены с соответствующими открытыми концами цилиндрического корпуса 10 и зафиксированы на них. Цилиндрический корпус 10, выполненный из металла, имеет форму кругового цилиндра с открытыми концами. На указанных открытых концах имеются участки 15 с внутренней резьбой. Каждый из этих участков 15 выполнен с резьбой на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 10. В центральной части цилиндрического корпуса 10 в направлении центральной оси (направление вдоль центральной оси С на фиг. 1) находится цилиндрический участок 13, образующий внешнюю оболочку участка 12 хранения, в котором хранится водород. Указанный цилиндрический участок 13 имеет форму кругового цилиндра. В варианте 1 осуществления изобретения часть цилиндрического участка 13, в котором расположен участок 12 хранения, имеет толщину t , достигающую, например, 50 мм. Крышки 20 и элементы, которые фиксируют эти крышки 20 на концевых участках цилиндрического корпуса 10, могут называться «закрывающими элементами».
Между цилиндрическим участком 13 и участками 15 с внутренней резьбой, проходящими в направлении центральной оси цилиндрического корпуса 10, образованы уплотнительные поверхности 16. Указанные уплотнительные поверхности 16 образованы на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 10 и прилегают к соответствующему уплотнительному участку 23 крышек 20 для предотвращения утечки водорода из водородного резервуара 100 высокого давления. Предпочтительно, чтобы часть уплотнительных поверхностей 16, прилегающих к уплотнительным участкам 23, была выполнена в виде гладкой поверхности для сохранения характеристик уплотнения.
В варианте 1 осуществления изобретения каждая из крышек 20 содержит первый элемент 21, содержащий уплотнительный участок 23, и второй элемент 22, содержащий участок 25 с внешней резьбой. Первые элементы 21 закрывают соответствующие концевые части участка 12 хранения в направлении центральной оси. Каждый из первых элементов 21 имеет по существу форму сжатого цилиндра. В варианте 1 осуществления изобретения внешний диаметр первого элемента 21 меньше, чем внутренний диаметр уплотнительной поверхности 16 цилиндрического корпуса 10. На внешней окружной поверхности первого элемента 21 выполнена кольцевая канавка 21а (см. фиг. 2). В канавке 21а установлен уплотнительный элемент 24. Уплотнительный элемент 24 представляет собой, например, уплотнительное кольцо. Однако может быть использован уплотнительный элемент, имеющий другую конфигурацию.
На фиг. 2 представлен увеличенный вид участка 15 с внутренней резьбой и уплотнительной поверхности 16, показанных на фиг. 1, а также окружающие из элементы. Участок 15 с внутренней резьбой образован в передней части и проходит от открытого конца 19 цилиндрического корпуса 10. К участку 15 с внутренней резьбой примыкает участок 17 с канавкой. Участок 17 с канавкой имеет форму ступеньки и образован на части внутренней поверхности цилиндрического корпуса 10, расположенной между участком 15 с внутренней резьбой и уплотнительной поверхностью 16. При этом внутренний диаметр участка 17 с канавкой превышает внутренний диаметр участка 15 с внутренней резьбой. Указанный участок 17 с канавкой служит в качестве канавки для выхода режущего инструмента во время механической обработки участка 15 с внутренней резьбой. В варианте 1 осуществления изобретения с обоих концов участок 17 с канавкой имеет наклонные поверхности, причем эти наклонные поверхности соединены с участком 15 с внутренней резьбой и уплотнительной поверхностью 16 соответственно. Внутренний диаметр цилиндрического корпуса 10 постепенно изменяется, и тем самым уменьшаются напряжения, которые создаются как из-за давления на участке 12 хранения, так и из-за соединения участка 15 с внутренней резьбой.
Уплотнительная поверхность 16 примыкает к участку 17 с канавкой в направлении центральной оси. В варианте 1 осуществления изобретения внутренний диаметр уплотнительной поверхности 16 меньше внутреннего диаметра участка 17 с канавкой и равен внутреннему диаметру цилиндрического участка 13. Однако внутренний диаметр уплотнительной поверхности 16 может приблизительно соответствовать уплотнительному участку 23 крышки 20. Уплотнительный элемент 24 прилегает к уплотнительной поверхности 16 и тем самым обеспечивает уплотнение участка 12 хранения для предотвращения утечки водорода из указанного участка 12 хранения. Следует отметить, что часть цилиндрического корпуса 10, на которой находится уплотнительная поверхность 16, имеет толщину Н. Толщина Н может отличаться от толщины t цилиндрического корпуса 10 на участке 12 хранения. То есть между уплотнительной поверхностью 16 цилиндрического корпуса 10 и внутренней поверхностью участка 12 хранения может быть образована ступенька. Что касается варианта 1 осуществления изобретения, то он проиллюстрирован примером конструкции, в которой Н = t.
Цилиндрический корпус 10
Цилиндрический корпус 10 выполнен, например, из низколегированной стали. То есть в этом случае цилиндрический корпус 10 выполнен из стального материала, такого как хромомолибденовая сталь, хромоникельмолибденовая сталь, хромомарганцевая сталь, марганцевая сталь или сталь с добавкой бора. Цилиндрический корпус 10 имеет форму кругового цилиндра с открытыми концами с обеих сторон. На внутренней окружной поверхности на каждом из обоих концевых участков образованы участок 15 с внутренней резьбой, участок 17 с канавкой для выхода резьбонарезного инструмента и уплотнительная поверхность 16. Центральный участок цилиндрического корпуса 10 представляет собой цилиндрический участок 13, внутренняя часть которого служит в качестве участка 12 хранения. Следует отметить, что в варианте 1 осуществления изобретения цилиндрический корпус 10 имеет форму кругового цилиндра с открытыми концами с обеих сторон. Однако цилиндрический корпус 10 может быть выполнен в виде цилиндра, имеющего открытый конец с одной стороны и дно. Форма цилиндрического корпуса 10 не ограничена формой кругового цилиндра. То есть цилиндрический корпус 10 может иметь другую форму, например форму эллиптического цилиндра.
Обезуглероженный слой удаляется с внутренней окружной поверхности цилиндрического корпуса 10 путем механической обработки. После удаления обезуглероженного слоя внутренняя окружная поверхность цилиндрического корпуса 10 подвергается воздействию стальных шаров, имеющих большую массу, и таким образом на внутреннюю окружную поверхность воздействуют остаточные напряжения сжатия. Остаточные напряжения сжатия могут быть также приложены к цилиндрической части 13, уплотнительной поверхности 16, участку 17 с канавкой и участку 15 с внутренней резьбой.
Газообразный водород, который выходит из уплотнительного участка 23, может оставаться на участке 17 с канавкой и на участке 15 с внутренней резьбой. Вследствие утечки газообразного водорода прочность участков М создания напряжения на участке 17 с канавкой и на участке 15 с внутренней резьбой может быть уменьшена. По этой причине для отвода газообразного водорода может быть предусмотрено выпускное отверстие (не показано), посредством которого полость, образованная участком 17 с канавкой, сообщается с внешней средой. В качестве альтернативы может быть выполнено несколько отверстий для сообщения участка 17 с канавкой с внешней средой и, тем самым, для выпуска газа, находящегося на участке 17 с канавкой, наружу.
Крышка 20
Крышка 20 присоединена к одному из концевых участков цилиндрического корпуса 10. Крышка 20 расположена вдоль направления центральной оси участка хранения 12 и закрывает концевой участок цилиндрического корпуса 10. Крышка 20 содержит первый элемент 21, который обращен в сторону участка хранения 12, и второй элемент 22, который прикреплен к участку 15 с внутренней резьбой цилиндрического корпуса 10. Первый элемент 21 называется «пробкой» и закрывает участок хранения 12. Второй элемент 22 называется «прижимной гайкой» и фиксирует пробку в осевом направлении.
Первый элемент 21
Первый элемент 21 находится в контакте с газообразным водородом высокого давления, когда участок хранения 12 заполнен газообразным водородом, и поэтому выполнен из материала, обладающего высокой прочностью при воздействии низкотемпературного газообразного водорода. То есть первый элемент 21 выполнен из материала, который может обеспечить достаточную прочность даже при низкой температуре и выполнен, например, из аустенитной нержавеющей стали. Первый элемент 21 имеет по существу цилиндрическую форму, при этом по меньшей мере внешний диаметр первого элемента 21 меньше внутреннего диаметра уплотнительной поверхности 16. Торцевая поверхность первого элемента 21 образует поверхность участка хранения 12, проходящего в осевом направлении.
На внешней окружной поверхности первого элемента 21 образован уплотнительный участок 23. В варианте 1 осуществления изобретения уплотнительный участок 23 включает в себя кольцевую канавку 21а и уплотнительный элемент 24. В качестве примера уплотнительного элемента 24 в канавке 21а установлено уплотнительное кольцо. Внешняя окружная поверхность уплотнительного элемента 24 прилегает к уплотнительной поверхности 16 цилиндрического корпуса 10. Участок уплотнительной поверхности 16 цилиндрического корпуса 10, к которому прилегает уплотнительный элемент 24, далее будет называться контактным участком 18. Уплотнительный элемент 24 имеет внешний диаметр, который превышает внутренний диаметр уплотнительной поверхности 16. Таким образом, с помощью уплотнительного элемента 24 первый элемент 21 может быть введен и впрессован в цилиндрический корпус 10. В качестве уплотнительного элемента 24 используется уплотнительное кольцо, которое сжато уплотнительной поверхностью 16 и заполняет кольцевую канавку 21а, закрывая при этом зазор между нижней поверхностью кольцевой канавки 21а и уплотнительной поверхностью 16. Конструкция, образованная уплотнительным участком 23 и уплотнительной поверхностью 16, уплотняет участок 12 хранения, предотвращая утечки водорода, находящегося под высоким давлением, из участка хранения 12.
Второй элемент 22
Второй элемент 22 включает в себя участок 25 с внешней резьбой, который находится в зацеплении с внутренней резьбой участка 15 цилиндрического корпуса 10, и торцевую поверхность 29, которая упирается в торцевую поверхность 28 первого элемента 21. Второй элемент 22 сдерживает усилие, которое приложено к первому элементу 21 в осевом направлении за счет давления газообразного водорода высокого давления, находящегося в участке хранения 12, и фиксирует крышку 20 относительно концевого участка цилиндрического корпуса 10. Участок 25 с внешней резьбой второго элемента 22 находится в резьбовом зацеплении с участком 15 с внутренней резьбой цилиндрического корпуса 10, благодаря чему фиксируется положение крышки 20 в осевом направлении. В варианте 1 осуществления изобретения цилиндрический корпус 10 и крышка 20 не имеют поверхностей, которые соединены встык в осевом направлении. К участку резьбового зацепления между участком 15 с внутренней резьбой цилиндрического корпуса 10 и участком 25 с внешней резьбой второго элемента 22 приложено усилие трения между уплотнительным участком 23 первого элемента 21 и уплотнительной поверхностью 16 цилиндрического корпуса, а также усилие, созданное газообразным водородом высокого давления в участке 12 хранения, причем указанные усилия действуют в осевом направлении. Это осевое усилие обуславливает создание между участком 15 с внутренней резьбой и участком 25 с внешней резьбой прижимного усилия, благодаря которому крышка 20 фиксируется относительно концевого участка цилиндрического корпуса 10. Следует отметить, что первый элемент 21 и цилиндрический корпус 10 могут быть выполнены с возможностью упираться друг в друга в осевом направлении. В качестве альтернативы второй элемент 22 и цилиндрический корпус 10 могут быть выполнены с возможностью упираться друг в друга в осевом направлении. В этом случае между участком 15 с внутренней резьбой и участком 25 с внешней резьбой действует прижимающее усилие за счет осевого усилия, которое создается, когда первый элемент 21 или второй элемент 22 и цилиндрический корпус 10 упираются друг в друга в осевом направлении.
В варианте 1 осуществления изобретения первый элемент 21 имеет форму сжатого цилиндра или диска. Однако к центральному участку первого элемента 21 может быть присоединен трубопровод, предназначенный для подачи жидкого водорода или газообразного водорода в участок хранения 12 извне, от внешнего источника. В качестве альтернативы трубопровод может быть выполнен с возможностью выпуска газообразного водорода, находящегося в участке хранения 12, наружу. В водородном резервуаре 100 высокого давления хранится водород под высоким давлением для заполнения газообразным водородом, например, водородного бака автомобиля. Конструкция, образованная трубопроводом и первым элементом 21 крышки 20, может быть подвержена действию низкой температуры во время подачи жидкого водорода или газообразного водорода. Поэтому предпочтительно, чтобы первый элемент 21 был выполнен из материала, такого как аустенитная нержавеющая сталь, который может обеспечить достаточную прочность даже при низкой температуре. Второй элемент 22 крышки 20 не находится в контакте с газообразным водородом и, следовательно, не подвержен непосредственному действию низкой температуры. Следовательно, достаточно, чтобы во втором элементе 22 участок 25 с внешней резьбой, который служит в качестве участка фиксации, мог обеспечивать необходимую прочность. В качестве материала второго элемента 22 может быть использована низколегированная сталь, подобная стали, используемой для изготовления цилиндрического корпуса 10.
В варианте 1 осуществления изобретения первый элемент 21 и второй элемент 22 представляют собой отдельные элементы, и, следовательно, они могут быть выполнены из различных материалов, при этом можно уменьшить затраты, обеспечивая в то же время подходящую надежность. В варианте 1 осуществления изобретения только первый элемент 21 выполнен из аустенитной нержавеющей стали, а второй элемент 22 выполнен из иного материала, отличающегося от аустенитной нержавеющей стали. Следовательно, можно уменьшить затраты и, помимо этого, обеспечить как необходимую надежность присоединения крышки 20, так и надлежащий срок службы крышки 20. Следует отметить, что первый элемент 21 и второй элемент 22 могут быть выполнены как единая деталь. В этом случае может быть уменьшено количество компонентов, которые образуют водородный резервуар 100 высокого давления.
Взаимное расположение уплотнительного участка 23 и участка М создания напряжения в области участка соединения
В варианте 1 осуществления изобретения в цилиндрическом корпусе 10 второй элемент 22 находится в резьбовом зацеплении с участком 15 с внутренней резьбой, и к цилиндрическому корпусу 10 приложено давление, создаваемое водородом высокого давления на участке 12 хранения. В результате на каждом участке создается предварительно заданное напряжение σ. В цилиндрическом корпусе 10 концентрация напряжений легко возникает на участке 17 с канавкой и на впадине 15а резьбы участка 15 с внутренней резьбой. В водородном резервуаре 100 высокого давления, представленном на фиг. 1 и 2, уплотнительный участок 23 и уплотнительная поверхность 16 прилегают друг к другу на контактном участке 18, и концентрация напряжений создается на участке 17 с канавкой и на впадине 15а участка 15 с внутренней резьбой. При такой конфигурации более короткое расстояние из расстояния от контактного участка 18 до участка 17 с канавкой и расстояния от контактного участка 18 до впадины 15а резьбы является расстоянием L, а расстоянием от контактного участка 18 до внешней поверхности цилиндрического корпуса 10 является толщина Н. В водородном резервуаре 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения взаимосвязь между расстоянием L и толщиной Н удовлетворяет соотношению Н < L. Когда такое соотношение удовлетворяется, становится возможным уменьшить появление повреждения, такого как разрушение, на участке 17 с канавкой и на участке 15 с внутренней резьбой, которое обусловлено водородным охрупчиванием на участке 17 с канавкой и на участке 15 с внутренней резьбой, вызванным воздействием водорода, находящегося под давлением в участке 12 хранения.
Пример диффузии водорода в металл водородного резервуара 100 высокого давления
На фиг. 3 проиллюстрировано состояние диффузии водорода в структуру металла в области уплотнительного участка 23 в водородном резервуаре 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения. На фиг. 3 представлено изображение, основанное на анализе диффузии газообразного водорода, находящегося в участке 12 хранения, который диффундирует в структуру металла водородного резервуара 100 высокого давления при предварительно заданных условиях. Поскольку цилиндрический корпус 10 водородного резервуара 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения изготовлен из низколегированной стали, водород проникает и диффундирует в металлическую структуру от поверхности цилиндрического корпуса 10, которая находится в контакте с газообразным водородом, заполняющим участок 12 хранения. В водородном резервуаре 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения водород диффундирует от контактного участка 18, где уплотнительный участок 23 и уплотнительная поверхность 16 прилегают друг к другу, к области, удаленной от уплотнительной поверхности 16. На цилиндрическом участке 13 водород диффундирует от внутренней поверхности к внешней поверхности цилиндрического участка 13. Однако водород не так сильно диффундирует в осевом направлении цилиндрического корпуса 10, по сравнению с диффузией в радиальном направлении. Следовательно, водород, который диффундировал в структуру металла, не достигает участка 17 с канавкой или участка 15 с внутренней резьбой цилиндрического корпуса 10. Водород, который проник в структуру металла, диффундирует в металлическую структуру при определенных условиях; водород легко диффундирует в радиальном направлении цилиндрического корпуса 10, который имеет относительно малую толщину, и не диффундирует в участок 17 с канавкой или участок с внутренней резьбой 15, которые расположены за пределами контактного участка 18 в осевом направлении. Следует отметить, что в крышке 20 водород диффундирует в направлении первого элемента 21 вблизи центральной оси С таким образом, что проходит через первый элемент 21 в направлении его толщины.
На фиг. 3 проиллюстрировано состояние диффузии водорода, который диффундирует в структуру металла каждого из участков водородного резервуара 100 высокого давления, в частности, в том случае, когда используется хромомолибденовая сталь (SCM435), а участок 12 хранения заполнен газообразным водородом при давлении 95 МПа. Кроме того, на фиг. 3 отображена диффузия водорода, который диффундирует в структуру металла каждого из участков водородного резервуара 100 высокого давления и приходит в установившееся равновесное состояние. Водород, находящийся в участке 12 хранения водородного резервуара 100 высокого давления, с течением времени проникает в структуру металла и затем проходит через цилиндрический корпус 10. На фиг. 3 проиллюстрировано состояние, в котором водород проходит через цилиндрический участок 13 цилиндрического корпуса 10 и выходит при атмосферном давлении в окружающую среду, где установлен водородный резервуар 100 высокого давления.
В состоянии, иллюстрируемом на фиг. 3, водород диффундирует в структуру металла цилиндрического корпуса 10 в направлении его толщины, при этом концентрация водорода, который диффундирует в осевом направлении, является низкой. В соответствии с фиг. 3 начальная концентрация водорода на участке 12 хранения составляет 0,181 млн-1 по массе, а величина коэффициента диффузии D водорода составляет 2,3×10-10 м2/с.
Фиг. 3, отображающая состояние диффузии водорода в водородном резервуаре высокого давления100, основана на рассмотренной ниже величине диффузионного потока J водорода, который диффундирует в структуру металла.
Математическая формула (1):
J - диффузионный поток (млн-1 ⋅ мм/с)
D - коэффициент диффузии (мм2/с)
ϕ - нормализованная концентрация ϕ=c/s;
c - концентрация водорода (млн-1)
s - растворимость (млн-1 ⋅ мм/Н1/2)
p - гидростатическое напряжение (σX+σY+σZ)/3 (MПa)
κp - коэффициент эффективности гидростатического напряжения, который зависит от концентрации.
На фиг. 4 проиллюстрирована корреляция между давлением газообразного водорода и начальной концентрацией водорода, который проникает в структуру металла. На фиг. 4 представлена графическая зависимость, полученная в результате испытания по проникновению водорода высокого давления, которая иллюстрирует взаимосвязь между давлением Р водорода и концентрацией С0 водорода, проникающего в хромомолибденовую сталь (SCM435). В соответствии с фиг. 4 концентрация С0 водорода, который проникает в хромомолибденовую сталь, увеличивается по мере увеличения давления Р. Как показано на фиг. 4, выполняется математическое соотношение «C0=0,523P(1/2) exp(-1000/T)», где Т - температура. В водородном резервуаре 100 высокого давления, показанном на фиг. 3, давление на участке 12 хранения составляет 96 МПа. При этом, как можно видеть из фиг. 3, начальная концентрация С0 водорода составляет 0,181 млн-1 по массе.
На фиг. 5 проиллюстрирована корреляция между коэффициентом D диффузии водорода и диффузионным потоком J. На фиг. 5 представлена графическая зависимость, полученная в результате проведения такого же испытания по проникновению водорода высокого давления, как и отраженного на фиг. 4. Газообразный водород вводили в резервуар, выполненный из хромомолибденовой стали (SCM435). Коэффициент D диффузии водорода был получен исходя из характера изменения концентрации водорода от момента времени, в котором водород был введен в резервуар, выполненный из хромомолибденовой стали (SCM435), до момента времени, в котором водород приобрел установившееся состояние после прохождения сквозь резервуар и остался в установившемся состоянии. Концентрация водорода у поверхности водородного резервуара 100 высокого давления, которая находится в контакте с окружающим воздухом, была получена равной 0 млн-1 по массе. Следует пояснить, что на фиг. 5 t - время (с), х - расстояние (м) от поверхности, на которой металл и газообразный водород вступают в контакт друг с другом. На фиг. 3 проиллюстрировано состояние диффузии водорода в водородном резервуаре 100 высокого давления, в котором, исходя из данных на фиг. 5, величина коэффициента диффузии водорода D = 2,3×10-10 (м2/с).
Следует отметить, что состояние диффузии водорода в водородном резервуаре 100 высокого давления, показанное на фиг. 3, было достигнуто, когда растворимость s составляла 0,076033 млн-1·мм/Н1/2, используя величину растворимости для материала, имеющего прочность и структуру, которые подобны присущим хромомолибденовой стали (SCM435) (см.: Fujii T., Hazama T., Nakajima H. and Horita R.: Текущие решения проблем водорода в сталях, (1982), 361, ASM International Materials, Park, Ohio). Величина коэффициента кр гидростатического напряжения была получена путем линейной интерполяции полученных величин коэффициентов для следующих концентраций:
0,00 млн-1: 0,00000 (Н1/2/мм);
1,00 млн-1: 0,10803 (Н1/2/мм) и
3,00 млн-1: 0,54014 (Н1/2/мм).
Напряжение, возникающее в водородном резервуаре 100 высокого давления.
На фиг. 6 проиллюстрирован пример состояния, в котором напряжение создается в области участка 15 с внутренней резьбой в водородном резервуаре 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения. На фиг. 6 представлено распределение гидростатического напряжения в области участка, на котором цилиндрический корпус 10 и крышка 20 соединены друг с другом, при этом участок 12 хранения водородного резервуара 100 высокого давления заполнен газообразным водородом с давлением 96 МПа. В соответствии с фиг. 6 в цилиндрическом корпусе 10 и крышке 20 в целом создается определенный уровень напряжения за счет высокого давления водорода на участке 12 хранения. Это напряжение имеет достаточно малую величину по сравнению с прочностью на растяжение материала, который образует цилиндрический корпус 10 и крышку 20. Однако в цилиндрическом корпусе 10 создается высокое напряжение σ в донной части 17а участка 17 с канавкой и во впадине 15а резьбы участка 15 с внутренней резьбой, который расположен ближе к участку 12 хранения. Напряжение представляет собой гидростатическое напряжение, которое является средней величиной напряжений, действующих в направлениях Х, Y и Z, и вычисляется по формуле σ=(σX+σY+σZ)/3. При этом, чем больше величина гидростатического напряжения, тем легче структура металла подвергается действию водорода.
В варианте 1 осуществления изобретения участки М создания напряжения водородного резервуара 100 высокого давления находятся на участке 15 с внутренней резьбой, в области уплотнительной поверхности 16 и в области участка 17 с канавкой и представляют собой участки и точки, в которых создается напряжение, величина которого выше или равна предварительно заданной величине напряжения σ. Величина предварительно заданного напряжения σ, например, равна одной третьей предела прочности на растяжение металла. В варианте 1 осуществления изобретения донная часть 17а участка 17 с канавкой и впадина 15а резьбы участка 15 с внутренней резьбой, которые расположены ближе к участку 12 хранения, как показано на фиг. 6, соответствуют участкам М создания напряжения. Как показано на фиг. 6, в водородном резервуаре 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения донная часть 17а участка 17 с канавкой, которая является самым близкорасположенным участком от контактного участка 18, является участком М создания напряжения, а расстояние L от контактного участка 18 до участка М создания напряжения больше толщины Н, измеренной от контактного участка 18 до внешней поверхности цилиндрического корпуса 10. В существующих водородных резервуарах высокого давления диффузия водорода в структуру металла не учитывается, и соотношение между расстоянием L и толщиной Н является таким, что существующий водородный резервуар высокого давления выдерживает давление, созданное на участке 12 хранения. То есть если существующий водородный резервуар высокого давления может выдерживать давление, созданное на участке 12 хранения, расстояние L задано соответствующим самому короткому возможному расстоянию. Наоборот, в варианте 1 осуществления изобретения, как показано на фиг. 3, водородный резервуар высокого давления выполнен так, что водород проходит через цилиндрический корпус 10 и выходит из цилиндрического корпуса 10 наружу без диффундирования в структуру металла и достижения участка М создания напряжения. Следовательно, участок М создания напряжения не подвержен действию этого водорода.
Как отмечено выше, взаимосвязь между расстоянием L и толщиной Н выражена соотношением H < L. В данном случае H=K⋅L, где K - коэффициент, величина которого меньше 1. Величина коэффициента K изменяется в зависимости от материала цилиндрического корпуса 10, распределения напряжения, которое создается в цилиндрическом корпусе 10, и концентрации водорода на участке 12 хранения. В водородном резервуаре 100 высокого давления согласно варианту 1 осуществления изобретения величина K < 1. Следует отметить, что в водородном резервуаре 100 высокого давления согласно варианту 1 осуществления изобретения давление на участке 12 хранения меньше или равно 100 МПа. Такое давление соответствует давлению на участке 12 хранения при использовании водородного резервуара 100 высокого давления, при этом участком М создания напряжения является участок, на котором предел прочности на растяжение равен или превышает 310 МПа, что является одной третьей предела прочности на растяжение хромомолибденовой стали, из которой выполнен цилиндрический корпус 10, равного 930 МПа. В водородном резервуаре 100 высокого давления, показанном на фиг. 6, создается напряжение, приблизительно равное 360 МПа, на участке М создания напряжения в донной части 17а участка 17 с канавкой и напряжение, приблизительно равное 490 МПа, на участке М создания напряжения во впадине 15а резьбы участка 15 с внутренней резьбой.
На фиг. 7 проиллюстрирована взаимосвязь между напряжением, которое действует на металлический материал, и количеством циклов действия этого напряжения. Когда к металлу прикладываются повторные напряжения (циклическая нагрузка), металлический материал разрушается. Однако если повторные напряжения уменьшаются по величине, металлический материал не разрушается даже в том случае, если напряжение повторно прикладывается к металлическому материалу в продолжение от 106 до 107 циклов или более. Напряжение в этот период времени соответствует «пределу усталости». В случае, когда металлический материал находится под воздействием водорода, даже в диапазоне малого количества циклов, когда повторные напряжения прикладываются с низкой частотой, напряжение, которое может привести к разрушению металлического материала, ниже, чем в том случае, когда металл не подвержен воздействию водорода. Однако если циклическая нагрузка меньше или равна пределу усталости материала, влияние водорода является пренебрежимо малым. В то же время, участок, на котором создается напряжение, равное или превышающее напряжение, соответствующее пределу усталости металлического материала, определяется как участок М создания напряжения, при этом расстояние L может быть задано более коротким. Путем задания расстояния L вплоть до самого короткого возможного расстояния можно уменьшить размер иного участка, чем участок 12 хранения, обеспечивая в то же время достаточную прочность, даже в таких рабочих условиях, когда металлический материал подвержен воздействию водорода.
Водородный резервуар 100 высокого давления заполнен водородом под высоким давлением, составляющим от 75 до 100 МПа, и питает водородом, например, водородный бак автомобиля. При этом давление многократно изменяется. Например, поскольку в водородном баке автомобиля водород содержится при 75 МПа, необходимо, чтобы давление на участке 12 хранения водородного резервуара 100 высокого давления поддерживалось на уровне по меньшей мере более 75 МПа. Следовательно, после начала подачи водорода из водородного резервуара 100 высокого давления, например, в водородный бак, и последующего снижения давления на участке 12 хранения жидкий водород или газообразный водород поступает на участок 12 хранения, и давление на этом участке увеличивается до достижения вновь высокого давления. Таким образом, цилиндрический корпус 10 водородного резервуара 100 высокого давления подвержен многократным изменениям давления в области высокого давления, например в интервале от 75 до 100 МПа. Вследствие изменения давления цилиндрический корпус 10 находится в таком состоянии, при котором постоянно создается напряжение. В частности, на участке соединения между цилиндрическим корпусом 10 и крышкой 20, на котором может возникать концентрация напряжений, создается высокое напряжение, и этот участок многократно подвергается действию амплитуды напряжения. При этом необходимо, чтобы водородный резервуар 100 высокого давления имел высокую прочность, позволяющую предотвращать разрушение водородного резервуара 100 высокого давления, даже если резервуар многократно подвергается действию такой амплитуды высокого напряжения.
Необходимо, чтобы водородный резервуар 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения имел высокую прочность, как это указано выше, и был выполнен из низколегированной стали, обладающей высокими пределами прочности на растяжение и усталостной прочности. Низколегированная сталь имеет высокий предел прочности на растяжение, высокую механическую прочность и, следовательно, высокую усталостную прочность. Однако если в металлическую структуру низколегированной стали проникает водород, то его механическая прочность уменьшается, и в результате низколегированная сталь может разрушаться. В существующих водородных резервуарах высокого давления принимается во внимание только действие водорода на поверхности, которая находится в контакте с водородом. Однако водородный резервуар 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения уменьшает степень снижения прочности элемента, который контактирует с водородом, диффундирующим в структуру металла этого элемента, вследствие воздействия водорода. Расстояние L от участка М создания напряжения до контактного участка 18 между уплотнительным участком 23 и уплотнительной поверхностью 16 задано надлежащим образом, и водородный резервуар 100 высокого давления может обеспечить максимальный размер участка 12 хранения и увеличить объемную эффективность с одновременным уменьшением степени снижения его прочности.
Участок 15 с внутренней резьбой цилиндрического корпуса 10 может называться «участком соединения». Кроме того, участок 25 с внешней резьбой крышки может называться «участком фиксации». Следует отметить, что участок 15 с внутренней резьбой и участок 25 с внешней резьбой крышки в варианте 1 осуществления изобретения могут иметь иное конструктивное выполнение соединения. Цилиндрический корпус 10 и крышка 20 могут быть соединены друг с другом с помощью других способов соединения, таких как плотная посадка, сварка или крепление с использованием болта. В том случае, когда способ соединения цилиндрического корпуса 10 с крышкой 20 изменяется, положение участка М создания напряжения в водородном резервуаре 100 высокого давления согласно варианту 1 осуществления изобретения также изменяется. Однако даже в этом случае водородный резервуар 100 высокого давления все еще может обеспечить надлежащую прочность с выполнением условия, согласно которому расстояние L больше или равно толщине Н. Если говорить конкретно, то давление, созданное внутри водородного резервуара 100 высокого давления, показанного на фиг. 6, удовлетворяет предварительно заданному условию, при этом определяется состояние напряжения, которое возникает в цилиндрическом корпусе 10, и точно определяется участок М создания напряжения. В этом случае благодаря тому, что расстояние L между участком М создания напряжения и контактным участком 18, к которому прилегает уплотнительный участок 23, превышает толщину Н, водородный резервуар 100 высокого давления может обеспечить надлежащую прочность, не подвергаясь воздействию хранимого в резервуаре водорода.
Необходимо отметить, что в варианте 1 осуществления изобретения участок М создания напряжения задан как участок, на котором создается напряжение, величина которого превышает или равна одной третьей предела напряжения на растяжение металлического материала. Однако участок М создания напряжения может быть также задан как участок, на котором создается «предельное усталостное напряжение металлического материала».
Водородный резервуар 100 высокого давления, представленный на фиг. 6, выполнен таким же, как и на фиг. 3, и имеет, например, указанные ниже размеры.
Толщина Н от контактного участка 18 до внешней окружной поверхности цилиндрического корпуса 10 составляет 50 мм;
толщина Н2 в месте расположения донной части 17а участка 17 с канавкой составляет 36 мм;
длина S участка 15 с внутренней резьбой в осевом направлении составляет 217 мм;
толщина Е первого элемента 21 составляет 110 мм;
внешний диаметр цилиндрического корпуса 10 составляет 406 мм; и
толщина второго элемента 22 составляет 42 мм.
Для распределения напряжения в водородном резервуаре 100 высокого давления, представленного на фиг. 6, давление на участке 12 хранения составляет 95 МПа, при этом на указанной фиг. 6 проиллюстрировано состояние цилиндрического корпуса 10 и крышки 20 на участке 15 с внутренней резьбой и на участке 25 с внешней резьбой. В водородном резервуаре 100 высокого давления расстояние L от контактного участка 18 до участка М создания напряжения составляет 65,5 мм. Расстояние L соответствует расстоянию от контактного участка 18 до участка М создания напряжения, который расположен ближе всего к контактному участку 18 в том случае, когда на указанном участке М создается напряжение, величина которого превышает или равна 310 МПа, что составляет «одну треть предельного напряжения при растяжении металлического материала». Расстояние L соответствует расстоянию L1 на фиг. 6. Следует отметить, что в том случае, если участок М создания напряжений является участком, на котором величина напряжения составляет 465 МПа или более, то есть создается «напряжение выше предела усталости металлического материала», расстояние L соответствует расстоянию L2, показанному на фиг. 6, равному 86 мм. В водородном резервуаре 100 высокого давления, представленном на фиг. 6, в котором выполняется соотношение H < L, можно пренебречь воздействием водорода, хранимого в цилиндрическом корпусе 10 на участке М создания напряжения, и его разрушение все еще может быть предотвращено, даже если резервуар подвержен действию амплитуды напряжения, обусловленному давлением водорода в цилиндрическом корпусе 10.
Следует отметить, что хотя в варианте 1 осуществления изобретения толщина Н, как показано на фиг. 6, равна толщине t цилиндрического корпуса 10, предполагается, что, например, в случае, когда на внешней окружной поверхности цилиндрического корпуса 10 на фиг. 6 образована ступенька 13а (которая имеет форму, показанную пунктирной линией на фиг. 2), самое короткое расстояние h от контактного участка 18 до ступеньки 13а соответствует толщине Н.
Как отмечено выше, в водородном резервуаре 100 высокого давления определяется состояние напряжения, созданное благодаря приложенному давлению на участке 12 хранения, и устанавливается положение участка М создания напряжения. В соответствии с изложенным выше, участок М создания напряжения является участком, на котором величина напряжения σ больше или равна одной трети предельного напряжения при растяжении металлического материала, или превышает или равна пределу усталости металлического материала. Хотя эта величина напряжения зависит от формы водородного резервуара 100 высокого давления, возможным положением участка М создания напряжения может быть каждое из ряда определенных местоположений. При этом одно из определенных местоположений, которое находится ближе всего к контактному участку 18, к которому прилегает уплотнительный элемент 24, является положением участка М создания напряжений. В данном случае водородный резервуар 100 высокого давления имеет конструкцию, которая удовлетворяет соотношению H < L между толщиной Н и расстоянием L от контактного участка 18 до участка M создания напряжения. В водородном резервуаре 100 высокого давления расстояние L является самым коротким возможным расстоянием, и в то же время его величина превышает толщину Н. В результате участок М создания напряжения не находится под воздействием водорода, и его прочность не снижается. Следует отметить, что в том случае, если участки М создания напряжения находятся в ряде определенных мест, самое короткое расстояние из расстояний между контактным участком 18 и участками М создания напряжения определяется как расстояние L, и водородный резервуар 100 высокого давления имеет такую конфигурацию, что H < L.
В водородном резервуаре 100 высокого давления в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения первый элемент 21 или второй элемент 22 не упираются в цилиндрический корпус 10 в осевом направлении. Как показано на фиг. 6, участок М создания напряжения расположен в области участка 17 с канавкой или впадины 15а резьбы участка 15 с внутренней резьбой. Конфигурация водородного резервуара 100 высокого давления удовлетворяет соотношению H < L, вследствие чего водород не оказывает воздействия на участок М создания напряжения. Благодаря этому водородный резервуар 100 высокого давления может обеспечить необходимую прочность при хранении в нем водорода. Следует отметить, что если, например, водородный резервуар высокого давления имеет конфигурацию, в которой первый элемент 21 и цилиндрический корпус 10 упираются друг в друга в осевом направлении, участок М создания напряжения расположен в области контакта в осевом направлении. Следовательно, предпочтительно, чтобы расстояние между контактным участком 18 и областью контакта в осевом направлении было расстоянием L, а водородный резервуар высокого давления был выполнен так, чтобы удовлетворялось соотношение H < L.
Вариант осуществления изобретения
Был проведен анализ процесса диффузии водорода при изменении расстояния L, определяемого от контактного участка 18 до участка М создания напряжения, относительно толщины Н, определяемой от контактного участка 18 до внешней окружной поверхности цилиндрического корпуса 10. В Таблице 1 представлены данные по максимальной концентрации (млн-1) водорода, накопленного на участке М создания напряжения.
Как видно из Таблицы 1, в указанном варианте осуществления изобретения участок М создания напряжения не находится под воздействием водорода, и можно обеспечить надлежащую прочность резервуара при хранении в нем водорода под высоким давлением. Напротив, в сравнительном примере, если соотношение H < L не выполняется, на участке М создания напряжения накапливается водород. Следовательно, если участок 12 хранения содержит водород высокого давления, усталостная прочность водородного резервуара 100 высокого давления уменьшается.
Описанные выше конструкции, соответствующие рассмотренному варианту осуществления изобретения, являются только примерами, и, следовательно, могут быть частично исключены или модифицированы без выхода за пределы сущности настоящего изобретения.
Перечень ссылочных номеров позиций и условных обозначений
10 - цилиндрический корпус, 12 - участок хранения, 13 - цилиндрический участок, 15 - участок с внутренней резьбой, 15а - впадина резьбы, 16 - уплотнительная поверхность, 17 - участок с канавкой, 17а - донная часть, 18 - контактный участок, 19 - открытый конец, 20 - крышка, 21 - первый элемент, 22 - второй элемент, 23 - уплотнительный участок, 24 - уплотнительный элемент, 25 - участок с внешней резьбой, 26 - уплотнительный участок, 27 - торцевая поверхность, 100 - водородный резервуар высокого давления, С - центральная ось, С0 - концентрация водорода, D - коэффициент диффузии водорода, Н - толщина, J - диффузионный поток, K - коэффициент, L - расстояние, М - участок создания напряжения, Р - давление, s - растворимость, t - толщина, кр - коэффициент интенсивности гидростатического напряжения, σ - напряжение, ϕ - нормализованная концентрация.
Изобретение относится к водородному резервуару высокого давления. Водородный резервуар высокого давления содержит цилиндрический корпус, выполненный из металла и предназначенный для хранения водорода под высоким давлением; и закрывающий элемент, который закрывает концевой участок цилиндрического корпуса. Цилиндрический корпус содержит участок соединения, который обеспечивает крепление закрывающего элемента к концевому участку цилиндрического корпуса в направлении вдоль центральной оси цилиндрического корпуса. Резервуар содержит цилиндрический участок, который образует внешнюю оболочку участка хранения, выполненную с возможностью хранения водорода под высоким давлением, и уплотнительную поверхность, расположенную между участком соединения и цилиндрическим участком в направлении вдоль центральной оси и образованную на внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Крышка содержит уплотнительный участок, который прилегает к уплотнительной поверхности цилиндрического корпуса, и участок фиксации, который прикреплен к соединительному участку цилиндрического корпуса. Выполняется соотношение H < L, причем участок уплотнительной поверхности, который прилегает к уплотнительному участку, является контактным участком, при этом Н – толщина, измеренная от контактного участка до внешней поверхности цилиндрического корпуса. Причем часть цилиндрического корпуса, которая включает в себя участок соединения и проходит от участка соединения до контактного участка и в которой создается напряжение, которое превышает или равно предварительно заданному напряжению σ, является участком создания напряжения, при этом L – расстояние между контактным участком и участком создания напряжения. Техническим результатом является уменьшение возникновения повреждений, обусловленного диффузией водорода в структуру металла. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Водородный резервуар высокого давления, содержащий:
цилиндрический корпус, выполненный из металла и предназначенный для хранения водорода под высоким давлением; и
закрывающий элемент, который закрывает концевой участок цилиндрического корпуса,
при этом цилиндрический корпус включает в себя
участок соединения, который обеспечивает крепление закрывающего элемента к концевому участку цилиндрического корпуса в направлении вдоль центральной оси цилиндрического корпуса;
цилиндрический участок, который образует внешнюю оболочку участка хранения, выполненную с возможностью хранения водорода под высоким давлением; и
уплотнительную поверхность, расположенную между участком соединения и цилиндрическим участком в направлении вдоль центральной оси и образованную на внутренней поверхности цилиндрического корпуса;
причем закрывающий элемент включает в себя
уплотнительный участок, прилегающий к уплотнительной поверхности цилиндрического корпуса, и
участок фиксации, прикрепленный к участку соединения цилиндрического корпуса;
при этом по меньшей мере выполнено соотношение Н < L, причем участок уплотнительной поверхности, к которому прилегает уплотнительный участок, является контактным участком, при этом Н представляет собой толщину, измеренную от контактного участка до внешней поверхности цилиндрического корпуса, причем часть цилиндрического корпуса, которая включает в себя участок соединения и проходит от участка соединения до контактного участка, и в которой создается напряжение, величина которого превышает или равна предварительно заданной величине напряжения σ, является участком создания напряжения, при этом L представляет собой расстояние между контактным участком и участком создания напряжения.
2. Водородный резервуар высокого давления по п. 1, в котором закрывающий элемент включает в себя первый элемент и второй элемент, при этом первый элемент содержит уплотнительный участок, примыкающий к цилиндрическому участку и имеющий внешний диаметр, который меньше внутреннего диаметра уплотнительной поверхности, а второй элемент содержит участок фиксации.
3. Водородный резервуар высокого давления по п. 1 или 2, в котором закрывающий элемент включает в себя первый элемент и второй элемент, при этом первый элемент содержит уплотнительный участок, примыкающий к цилиндрическому участку, и выполнен из аустенитной нержавеющей стали, а второй элемент содержит участок фиксации.
4. Водородный резервуар высокого давления по любому из пп. 1–3, в котором участок соединения представляет собой участок с внутренней резьбой, образованный на внутренней окружной поверхности концевого участка цилиндрического корпуса,
при этом участок фиксации является участком с внешней резьбой, образованным на закрывающем элементе,
причем участок соединения и участок фиксации находятся в зацеплении друг с другом.
5. Водородный резервуар высокого давления по любому из пп. 1–4, в котором уплотнительный участок представляет собой уплотнительное кольцо, прикрепленное к закрывающему элементу.
6. Водородный резервуар высокого давления по любому из пп. 1–5, в котором напряжение σ составляет одну треть предела прочности на растяжение металлического материала, из которого выполнен цилиндрический корпус, в состоянии использования, в котором цилиндрический участок заполнен водородом высокого давления.
7. Водородный резервуар высокого давления по любому из пп. 1–5, в котором напряжение σ представляет собой предел усталости металлического материала, из которого выполнен цилиндрический корпус, в состоянии использования, в котором цилиндрический участок заполнен водородом высокого давления.
8. Водородный резервуар высокого давления по любому из пп. 1–7, в котором напряжение σ представляет собой гидростатическое напряжение.
9. Водородный резервуар высокого давления по любому из пп. 1–8, в котором взаимосвязь между толщиной Н и расстоянием L может быть выражена соотношением H = K ⋅ L, где K – коэффициент, который изменяется в зависимости от по меньшей мере концентрации водорода на участке хранения и гидростатического давления, созданного в цилиндрическом корпусе, при этом коэффициент K меньше 1,0 (K < 1,0).
10. Водородный резервуар высокого давления по любому из пп. 1–9, в котором цилиндрический корпус выполнен из низколегированной стали.
11. Водородный резервуар высокого давления по любому из пп. 1–10, в котором участок создания напряжения включает в себя множество участков создания напряжения, при этом расстояние L представляет собой расстояние между контактным участком и одним из множества участков создания напряжения, ближайшим к контактному участку.
| WO 2019083047 A1, 02.05.2019 | |||
| WO 2017138662 A1, 17.18.2017 | |||
| ЕМКОСТЬ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА | 2005 |
|
RU2267694C1 |
| СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ ВОДОРОДА | 2008 |
|
RU2373454C1 |
