СМЕННЫЙ КАРТРИДЖ, СИСТЕМА КАРТРИДЖЕЙ И СПОСОБ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ КАРТРИДЖЕЙ Российский патент 2024 года по МПК F17C1/00 

Настоящее изобретение относится к сменному картриджу для хранения флюида. Изобретение, помимо этого, относится к системе картриджей, по меньшей мере, из одного картриджа и блока управления клапаном, а также к способу для подсоединения картриджа к другому картриджу.

В технике известно хранение водорода (Н2) в сосудах под давлением. Водород служит в качестве носителя или аккумулятора энергии, и его можно использовать везде, где энергия требуются или доступна. Привод, в котором водород используется в качестве топлива, называется водородным приводам. В связи с этим водород типично используется в качестве энергоносителя для системы привода потребителя.

Необходимое условие для повсеместного использования водородных приводов заключается в создании инфраструктуры поставок водорода. В связи с этим резервуар энергоносителя мобильных потребителей водорода, например, транспортных средств на топливных элементах, должен заправляться на водородных заправочных станциях. Однако в результате наличия в настоящее время небольшого количества водородных заправочных станций еще нет никакой практически пригодной сети заправок, с одной стороны, и для заправки водорода в некоторых странах требуется специальное обучение для соблюдения правил техники безопасности при обращении с химически активными газами под давлением, например, с водородом, с другой стороны.

Хранение водорода, частности, для мобильного использования, в настоящее время еще является проблематичным, потому что водород необходимо хранить либо в газообразном состоянии при очень высоком давлении (от 200 до 700 бар) в сосудах под давлением, либо в жидком состоянии при сверхнизких температурах (-253°С). Это необходимо для хранения как можно большего количества газа в допустимом объеме (с высокой плотностью энергии). Для хранения водорода в небольших количествах, например, на транспортных средствах, используются исключительно баки под давлением вплоть до 700 бар из-за их небольшого веса. Относящиеся к обеспечению безопасности вопросы, в частности, высокий индекс воспламеняемости водорода или его способность образовывать взрывоопасную газовую смесь, также необходимо рассматривать в текущих исходных данных для проектирования топливных баков и линий.

Исходя из изложенного выше, в настоящем документе, согласно изобретению, предложены съемный картридж согласно основному пункту формулы изобретения, система картриджей согласно п. 13, а также способ для соединения картриджа согласно изобретению, согласно п. 15.

Сначала объясним некоторые термины.

Картридж (для хранения) является резервуаром для флюида для подсоединения к потребителю флюида. Картридж, таким образом, можно использовать в качестве сменного компонента сети снабжения. Картридж, в частности, можно выполнить с возможностью являться частью модульного масштабируемого резервуара для флюида. Более того, картридж может быть многоразовым, и его можно использовать, в частности, как мобильный резервуар для водорода.

Флюид следует понимать как газ или как смесь газа и жидкости. Газом предпочтительно может быть водород, кислород, азот или природный газ.

Сосуд под давлением является закрытым сосудом, давление внутри которого превышает давление окружающей среды. Флюид хранится в сосуде под давлением. В зависимости от варианта осуществления сосуда под давлением, давление внутри сосуда может составлять вплоть до 100 бар, или вплоть до 350 бар, или вплоть до 700 бар, или вплоть до 1000 бар.

Соединительной поверхностью картриджа является поверхность, расположенная на наружной стороне картриджа, на которой имеется транспортный интерфейс для транспортировки/передачи флюида в другой подсоединенный компонент (в частности, потребитель флюида, другой картридж, заправочное устройство и т.п.).

Соединительную линию следует понимать как работающий под давлением трубопровод, который подсоединен к сосуду под давлением. Таким образом, сосуд под давлением можно заполнить или опустошить с помощью соединительной линии. Соединительную линию можно перекрыть с помощью первого запорного элемента, который выполнен с возможностью быть частью клапанной системы. Когда закрыт первый запорный элемент клапанной системы, который установлен в соединительной линии, флюид можно хранить в сосуде под давлением. Когда первый запорный элемент открыт, сосуд под давлением можно заполнить или опустошить.

Запорный элемент является компонентом, которые служит для остановки и возобновления объемного расхода в трубопроводе. Запорный элемент может закрываться однонаправленным или двунаправленным образом. Запорный элемент может быть выполнен в виде управляемого клапана, например, электромагнитного клапана. Электромагнитный клапан является клапаном, который активируется электромагнитом. В случае выключения электромагнита пружина сжатия удерживает клапан закрытым, поскольку вышеупомянутая пружина сжатия прижимает золотник клапана к седлу клапана.

Сужением называется место в конструкции работающего под давлением трубопровода, в котором уменьшается площадь поперечного сечения работающего под давлением трубопровода. Это может быть достигнуто постепенным или ступенчатым уменьшением диаметра работающего под давлением трубопровода. Запорный элемент, в частности, клапан, например, также может представлять собой служение, когда вышеуказанный клапан для управления расходом флюида вызывает уменьшение площади поперечного сечения вплоть до полного закрытия работающего под давлением трубопровода.

Обращение с картриджем (например, подсоединение, вставление или снятие), содержащим сосуд под давлением, имеет аспект обеспечения безопасности, поскольку в сосуде под давлением может храниться значительное количество энергии. Когда такой находящийся под давлением сосуд открывается, возникает не только выход наружу флюида, но и сосуд в результате возникновения импульса вытекающего газа может быть отброшен назад реактивной силой. Для того чтобы пользователь был способен заменить картридж безопасным и простым образом, возникающие силы, следовательно, должны всегда быть меньше установленного максимального значения. Сила указывает, в какой степени одно тело воздействует на другое тело. Давление описывает силу, которая действует на некоторую площадь. Сила (давления) F вычисляется как произведение величины давления р и площади А:

Настоящее изобретение основано на идее, что сила, действующая при данном давлении, может быть ограничена посредством того, что площадь А удерживается настолько малой, насколько это возможно. Настоящее изобретение, таким образом, допускает соответствующее уменьшение расхода (объем флюида, протекающего за единицу времени).

Согласно настоящему изобретению, соединительная линия в направлении первой соединительной поверхности, таким образом, имеет сужение.

В результате наличия сужения, которое создано в соединительной линии в направлении первой соединительной поверхности, площадь поперечного сечения работающего под давлением трубопровода снижается, и действующая сила в силу этого всегда удерживаются ниже установленного максимального значения. Силы, которые возникают при обращении с картриджем (например, при открывании сосуда под давлением), могут, следовательно, быть скомпенсированы посредством применения сравнительно легкого фиксирующего механизма.

Уменьшение поперечного сечения по длине всей соединительной линии является недостатком в силу потери давления в результате трения на стенках и рассеяния энергии в трубопроводах. Поэтому дополнительно полезно расположить сужение на конечном участке соединительной линии, или так, чтобы оно было в соединительной линии непосредственно перед первой соединительной поверхностью. Согласно целесообразному варианту осуществления настоящего изобретения, диаметр соединительной линии на участке сужения уменьшается, по меньшей мере, на 50%, предпочтительно на 69% или еще более предпочтительно на 80%.

Согласно одному варианту осуществления, в картридже может быть транзитная линия. Транзитная линия соединяет первую соединительная поверхность со второй соединительной поверхностью, расположенной на наружной стороне картриджа. Второй запорный элемент клапанной системы расположен в транзитной линии, выполненной в виде работающего под давлением трубопровода. Когда второй запорный элемент закрыт, первая соединительная поверхность не имеет соединения с возможностью пропускания потока флюида со второй соединительной поверхностью. Когда второй запорный элемент открыт, транзитную линию можно использовать в качестве так называемой "байпасной линии" для транспортировки флюида с обходом сосуда под давлением и хранящегося внутри него флюида. Транзитная линия может использоваться в качестве байпасной линии, например, когда нужно заправить или опустошить другой картридж, подсоединенный к картриджу. Опустошение/заправку множество картриджей с помощью транзитной линии можно проводить параллельно или последовательно.

Транзитная линия может, по меньшей мере, частично быть выполнена как часть соединительной линии. При этом уменьшение объема картриджа в результате наличия работающих под давлением трубопроводов в идеальном случае незначительно, это позволяет получить конфигурацию относительно большого сосуда под давлением. Более того, это позволяет получить конфигурацию с единственным транспортным интерфейсом на первой соединительной поверхности картриджа. В этом варианте осуществления общая часть транзитной линии и соединительной линии может иметь служение, согласно настоящему изобретению.

Транзитная линия дополнительно может быть выполнена в виде механической распорки или стойки. Механическая стойка обладает высокой несущей способностью для механической нагрузки, в результате чего повышается устойчивость картриджа. Следовательно, картридж также устойчив относительно высоких механических напряжений, например, в случае аварийного происшествия.

Транзитную линию можно расположить таким образом, чтобы она в основном находилась внутри сосуда под давлением. Такое расположение транзитной линии, благодаря низкому перепаду давления, позволяет получить сравнительно небольшую конструкцию и размеры работающего под давлением трубопровода и запорного элемента, который установлен на нем, это позволяет оптимально использовать объем внутри картриджа. Более того, предпочтительно устанавливать транзитную линию вдоль центральной оси сосуда под давлением. Таким образом, можно добиться самой компактной конструкции картриджа.

Третий запорный элемент клапанной системы может быть расположен в общей части транзитной линии и соединительной линии. В результате применения второго и третьего запорных элементов, причем второй запорный элемент расположен в транзитной линии, а третий запорный элемент расположен в общей части транзитной линии и соединительной линии, флюид можно выборочно принимать из одной из двух соединительных поверхностей картриджа и направлять в сосуд под давлением. Более того, не общую часть среди транзитной линии можно использовать в качестве соединительной линии, если в транзитной линии в направлении второй соединительной поверхности имеется сужение. Таким образом, картридж можно использовать особенно гибким образом и с двух сторон к нему можно подсоединить компоненты соединителей.

Согласно одному варианту осуществления, клапанная система может быть расположена внутри сосуда под давлением. Такое расположение позволяет получить небольшой размер всех компонентов, относящихся к узлу клапана. Клапанная система содержит первый, второй и/или третий запорный элемент и может быть выполнена в виде одного блока, например, в виде трехходового клапана.

Картридж может иметь практически цилиндрический корпус, у которого есть поверхность обечайки и две торцевые поверхности, при этом первая соединительная поверхность расположена на одной из торцевых поверхностей. Вторая соединительная поверхность может быть расположена на противоположной торцевой поверхности. Таким образом, транзитная линия может быть проложена по прямой линии вдоль центральной оси цилиндрического корпуса. Поскольку сосуды под давлением обычно имеют цилиндрическую форму, цилиндрический корпус можно использовать в качестве оболочки сосуда под давлением, это позволяет получить компактную конструкцию картриджа. Цилиндрический корпус также может быть выполнен в виде корпуса из углепластика, корпуса из стеклопластика, или из пластмассового материала (литьем под давлением). Цилиндрическая оболочка может дополнительно усиливать сосуд под давлением и/или защищать его от воздействия внешних факторов.

Согласно другому варианту осуществления, картридж на участке первой соединительной поверхности может иметь фиксирующий элемент для обеспечения безопасного соединения с потребителем флюида и/или с другим картриджем. Перед выпуском хранящегося в сосуде под давлением флюида в подсоединенный к картриджу потребитель флюида (например, в топливный элемент) должна быть предусмотрена возможность прикрепить сменный картридж к потребителю флюида, в идеальном случае быстрым и одновременно безопасным образом. Для этой цели для сосудов под давлением известны различные быстроразъемные крепления, в частности, байонетный затвор. Фиксирующий элемент в предпочтительном варианте выполняется в виде постоянного магнита. Постоянный магнит позволяет подсоединить и отсоединить картридж простым образом, при этом удерживающую силу можно отрегулировать согласно требуемой для системы, в зависимости от исходных данных для проектирования постоянного магнита. В таком случае ответный компонент, который должен соединяться с картриджем, должен иметь соответствующую конфигурацию и также быть оснащен магнитным фиксирующим элементом вблизи соединительной поверхности. Постоянный магнит в предпочтительном варианте выполняется в виде кольцевого магнита, расположенного на участке, где первая соединительная поверхность простирается вокруг транспортного интерфейса. В результате круговой симметрии картридж можно подсоединить и зафиксировать в любой ориентации относительно ответного компонента соответствующей конфигурации. Аналогичным образом у картриджа может быть другой фиксирующий элемент на участке второй соединительной поверхности. Первая и/или вторая соединительная поверхность может быть выполнена в виде штуцера или гнезда, соответственно, для соединения со штуцером.

Более того, блок передачи, оснащенный интерфейсом связи, подсоединенным к блоку связи, может быть установлен на участке первой соединительной поверхности. Картридж может обмениваться данными с подсоединенным потребителем флюида или с подсоединенным другим картриджем, и/или им можно управлять с помощью интерфейса связи, подсоединенного к блоку связи. С помощью интерфейса связи картридж и другие компоненты сети снабжения могут обмениваться всеми необходимыми техническими данными и параметрами. Например, картридж в качестве резервуара для флюида в сети снабжения может быть включен или отключен с помощью интерфейса связи.

Более того, интерфейс связи можно выполнить в виде интерфейса передачи тока для питания картриджа электрическим током. Таким образом, картридж имеет электрическое подключение к соседним компонентам сети снабжения, в частности, к подсоединенному потребителю флюида или к другому картриджу. Все компоненты картриджа, в частности, клапанная система, могут получать напряжение питания от интерфейса передачи тока. Соответственно картриджу не требуется никакого специального аккумулятора энергии. Интерфейс связи и/или интерфейс передачи тока могут быть выполнены в виде беспроводных интерфейсов. Интерфейс связи и/или интерфейс передачи тока могут аналогичным образом быть выполнены с круговой симметрией, чтобы можно было использовать картридж в любой ориентации. Интерфейс передачи тока также может быть выполнен отдельно от интерфейса связи. На второй соединительной поверхности картриджа также может быть расположен блок передачи, оснащенный интерфейсом связи и/или интерфейсом передачи тока.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, интерфейс связи может быть подсоединен к клапанной системе с целью активации одного или множества запорных элементов. Следовательно, с помощью интерфейса связи можно дистанционно управлять запланированным открытием и закрытием отдельных запорных элементов. Блок связи может быть выполнен таким образом, что запорные элементы могут быть открыты или закрыты в зависимости от состояния картриджа (например, уровня заправки) и, при необходимости, дополнительных принятых сигналов.

Первый интерфейс связи, выполненный в виде части первого блока передачи, и второй интерфейс связи, выполненный в виде части второго блока передачи, могут быть подсоединены друг к другу с помощью блока связи. Каждый из первого и второго блоков передачи может быть расположен на участке первой и второй соединительной поверхности картриджа, и, таким образом, сигналы связи также могут быть переданы за пределы картриджа.

Согласно другому варианту осуществления, блок связи может быть подключен, по меньшей мере, к одному датчику, причем датчик выполнен как датчик внутренней температуры, датчик наружной температуры, датчик давления, датчик газа или датчик утечки газа. Соединение между датчиком и блоком связи позволяет автоматически и по мере необходимости получить доступ к данным датчика, вышеупомянутые данные учитываются при управлении клапанной системой. Более того, картридж может быть оснащен датчиком уровня заправки, который подсоединен к блоку связи, или может определить уровень заправки на основе данных с датчика давления и с датчика внутренней температуры. Датчик давления может быть выполнен в виде тензометрического датчика и может быть расположен на наружной стенке сосуда под давлением. Датчик внутренней температуры для определения температуры газа в предпочтительном варианте располагается снаружи сосуда под давлением, чтобы можно было по значению температуры сосуда сделать выводы относительно температуры газа. Датчик газа можно использовать для определения вида газа, если картридж будет использоваться для различных газов или смесей газов.

Уровень заправки картриджа может быть показан с помощью дисплея уровня заправки, расположенного с наружной стороны картриджа. Дисплей уровня заправки может быть выполнен на основе электронной бумаги. Для электрического питания дисплея уровня заправки можно использовать солнечный элемент. Для простой идентификации картриджа может быть предусмотрен уникальный идентификационный номер (UIN). Для определения местоположения картриджа дополнительно может быть предусмотрен модуль GPS. Номер UIN и модуль GPS могут также использоваться в качестве устройства защиты от кражи картриджа. Более того, для регулировки температуры флюида до требуемой в картридже может быть предусмотрен охлаждающий и/или нагревательный элемент.

Согласно одному варианту осуществления, картридж может быть выполнен таким образом, что первый запорный элемент открывается в случае положительной разницы давления между соединительной линией и сосудом под давлением. Положительная разница давления возникает, например, при заправке картриджа. Таким образом, картридж вставлением можно подсоединить к заправочному устройству, и процедура заправки выполняется полуавтоматическим образом.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, картридж может быть выполнен таким образом, что первый запорный элемент автоматически закрывается, когда картридж механически отделяется от потребителя флюида, заправочного устройства или другого картриджа. Картридж, таким образом, защищен в случае непреднамеренного отсоединения, с одной стороны, причем оставшийся флюид остается хранящимся в сосуде под давлением благодаря закрывшемуся запорному элементу, а с другой стороны, полный или наполовину заполненный картридж может быть вытащен/отделен в любой момент времени без любых заметных потерь хранящегося флюида.

Настоящее изобретение, помимо этого, относится к системе картриджей, по меньшей мере, из одного картриджа, согласно настоящему изобретению, и блока управления клапаном для управления клапанной системой с помощью блока связи. В связи с этим потребитель флюида может быть подсоединен к первой соединительной поверхности картриджа. Более того, (внешний) блок управления клапаном может быть выполнен в виде части потребителя флюида. Использование (внешнего) блока управления клапаном позволяет управлять запорными элементами при опустошении картриджа или при использовании картриджа в байпасном режиме. В зависимости от требований с помощью блока управления клапаном можно выполнить последовательное или параллельное опустошение множества картриджей. Блок управления клапаном с помощью блока связи (и интерфейса связи) может получить доступ к данным произвольного датчика, к уровню заправки и/или к номеру UIN картриджа.

Система картриджей может содержать другие картриджи, которые подсоединены к картриджу, при этом первая соединительная поверхность следующего картриджа подсоединена ко второй соединительной поверхности картриджа. Согласно одному возможному варианту осуществления настоящего изобретения, система картриджей содержит множество взаимно соединенных картриджей. В результате соединения между множеством картриджей можно получить резервуар для флюида регулируемого размера. В результате можно реализовать модульные блоки баков, которые можно вставлять друг в друга и взаимно отделять простым и безопасным образом даже при высоком давлении. Емкость такого бака под давлением может быть увеличена и масштабирована практически произвольным образом в результате вставления картриджей друг в друга.

Более того, настоящее изобретение относится к способу для соединения картриджа, согласно настоящему изобретению, к другому картриджу, согласно настоящему изобретению, причем вышеупомянутый способ предусматривает следующие стадии:

- установление механического соединения между второй соединительной поверхностью картриджа и первой соединительной поверхностью другого картриджа;

- установление электрического соединения между вторым блоком передачи картриджа и первым блоком передачи другого картриджа;

- установление соединения между первым блоком связи картриджа и вторым блоком связи другого картриджа для активации клапанных систем с помощью первого и второго блоков связи.

Установление механического соединения между соответствующими соединительными поверхностями картриджей может проводиться с помощью вставления и вынимания, соответственно (разъемное соединение). С этой целью соединительные поверхности и, при необходимости, блоки передачи могут быть выполнены согласно принципу штуцер/гнездо. Прочность такого соединения может быть дополнительно отрегулирована с помощью одного или множества фиксирующих элементов. Электрическое соединение может быть установлено с помощью интерфейса передачи тока, выполненного в виде части блоков передачи. Соединение между блоками связи может осуществляться с помощью интерфейсов связи. Таким образом, картриджи могут быть соединены друг с другом и потом разъединены произвольным образом, согласно так называемому принципу "подключи и работай". Как изложено, применение картриджей в качестве резервуаров для флюида поддерживается аппаратурой и программным обеспечением.

Способ, согласно настоящему изобретению, может быть расширен с использованием других признаков, которые описаны в контексте картриджа, согласно настоящему изобретению, или системы картриджей, согласно настоящему изобретению Картридж, согласно настоящему изобретению, и система картриджей, согласно настоящему изобретению, могут быть уточнены с использованием других признаков, которые описаны в контексте способа, согласно настоящему изобретению.

Дополнительные преимущества и варианты осуществления конструкции настоящего изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и приложенных фигур.

Понятно, что упомянутые выше признаки и те, которые еще будут объяснены ниже в настоящем документе, могут быть использованы не только в соответствующей указанной комбинации, но и в других комбинациях, или по отдельности, без отклонения от объема настоящего изобретения.

Настоящее изобретение проиллюстрировано с помощью примеров его осуществления весьма схематичным образом, а фигуры выполнены без соблюдения масштаба, настоящее изобретение будет более подробно описано ниже со ссылками на фигуры, на которых:

на фиг. 1 показан схематический вид картриджа, согласно настоящему изобретению;

на фиг. 2 показан схематический вид системы картриджа, согласно настоящему изобретению, с картриджем, другим картриджем и потребителем флюида а) перед вставлением их друг в друга, и b) во вставленном друг в друга состоянии; и

на фиг. 3 показана схематическая иллюстрация использования картриджа, согласно настоящему изобретению, в качестве резервуара с водородом для велосипеда в трех сценариях.

На фиг. 1 показан сменный картридж 10, согласно настоящему изобретению, для хранения флюида в предпочтительном варианте осуществления. Элементы идентичного типа других картриджей 10', 10'', согласно настоящему изобретению, снабжены ссылочными обозначениями с соответствующими кавычками.

Практически цилиндрический картридж 10 простирается между первой соединительной поверхностью 10а и второй соединительной поверхности 10b, и внутри него имеется сосуд 11 под давлением для приема флюида. Картридж 10 выполнен таким образом, что флюид может приниматься и храниться в сосуде 11 под давлением и снова выпускаться из него по мере необходимости.

Таким образом, картридж 10 пригоден для транспортировки и хранения находящегося под давлением флюида.

Картридж 10 снабжен корпусом 20 с практически цилиндрической формой корпуса, у которого есть две противоположные торцевые поверхности. На противоположных торцевых поверхностях расположены первая и вторая соединительные поверхности 10а, 10b. Картридж 10 можно подсоединить к ответному компоненту соответствующей конфигурации с помощью первой и/или второй соединительной поверхности 10а, 10b. Ответный компонент соответствующей конфигурации может быть потребителем флюида, одним или множеством других картриджей 10', 10'', заправочным устройством или автоматическим обменным устройством. Однако, одна (первая) соединительная поверхность 10а уже является достаточной для картриджа 10, согласно настоящему изобретению.

Сменный картридж 10 содержит сосуд 11 под давлением, который имеет практически цилиндрическую форму. Однако сосуд 11 под давлением может также иметь сферическую форму. Сосуд 11 под давлением может быть изготовлен из металлического или пластмассового материала. Сосуд 11 под давлением простирается практически по всей ширине корпуса 20 картриджа 10, чтобы достичь идеально большого объема для хранения. В зависимости от предусмотренного использования сосуд 11 под давлением может быть сконструирован для различных давлений. Окружающий корпус 20 может быть выполнен в виде корпуса из углепластика, корпуса из стеклопластика, или из пластмассового материала (литьем под давлением), чтобы защитить сосуд 11 под давлением от воздействия внешних факторов и/или дополнительно усилить его для высоких давлений. Подлежащий хранению флюид может быть газом, в частности, водородом, кислородом, азотом или природным газом, или смесью газов или жидкостью.

Сосуд 11 под давлением картриджа 10 в показанном варианте осуществления заправлен водородом. Таким образом, картридж можно использовать как (многоразовый) резервуар для водорода для подсоединения к топливному элементу как к потребителю флюида. Сосуд 11 под давлением для использования в качестве резервуара для водорода сконструирован для давлений вплоть до 700 бар.

Соединительная линия 12 начинается в сосуде 11 под давлением и доходит до первой соединительной поверхности 10а на наружной стороне картриджа 10. Сосуд 11 под давлением с помощью соединительной линии 12, выполненной в виде работающего под давлением трубопровода, с возможностью пропускания потока флюида подсоединен к ответному компоненту, подсоединенному к соединительной поверхности 10а. Флюид можно транспортировать из сосуда 11 под давлением или в него с помощью соединительной линии 12. На соединительной линии 12 расположен первый запорный элемент 14а, который является частью клапанной системы 14. Первый запорный элемент 14а в этом приведенным в качестве примера варианте осуществления выполнен в виде электромагнитного клапана, управляемого электромагнитом (не показан). Когда первый запорный элемент 14а открыт, сосуд 11 под давлением можно заполнить или опустошить с помощью соединительной линии 12. Когда первый запорный элемент 14а закрыт, флюид можно хранить в сосуде 11 под давлением.

Для того чтобы гарантировать, что пользователь может безопасно использовать картридж 10, например, подсоединить в 10 к ответному компоненту или снять вышеупомянутый картридж 10 с последнего, возникающая при использовании (например, при заправке или опустошении сосуда 11 под давлением, соответственно) картриджа 10 сила должна оставаться ниже установленного максимального значения. С этой целью площадь поперечного сечения соединительной линии соответственно уменьшена, согласно настоящему изобретению. С этой целью на соединительной линии 12 имеется сужение 12а. В зависимости от установленного максимального значения для действующей силы диаметр соединительной линии на участке сужения снижен/заужен более чем на 80%. Сужение 12а может быть расположено в любом месте на соединительной линии 12, однако полезно расположить сужение 12а непосредственно перед концом первой соединительной линии 12, так чтобы оно было вблизи первой соединительной поверхности 10а, чтобы не допустить потерь внутри работающего под давлением трубопровода. Сужение, согласно настоящему изобретение, гарантирует, что пользователь может безопасно обращаться с картриджем в 10 в любое время.

Более того, картридж 10 может быть выполнен таким образом, что первый запорный элемент 14а автоматически открывается в случае положительной разницы давления между соединительной линией 12 и сосудом 11 под давлением. Благодаря этому картридж 10 можно заправить быстрым и простым образом.

Более того, в картридже 10 имеется транзитная линия 13. Транзитная линия 13, аналогичным образом выполненная в виде работающего под давлением трубопровода, проходит от первой соединительной поверхности 10а ко второй соединительной поверхности 10b. У транзитной линии 13, согласно этому варианту осуществления, имеется общая первая часть 13а с соединительной линии 12, и она выполнена в виде механической распорки, однако оба этих признака не являются обязательными. В этой первой части 13а транзитной линии 13 последняя выполнена как часть соединительной линии 12, а вторая часть 13b транзитной линии 13 выполняет соединение между соединительной линией 12 и второй соединительной поверхностью 10b. Транзитная линия 13 в каждой из первой и второй частей 13а, 13b имеет сужение по той же самой причине, как у соединительной линии 12.

Второй запорный элемент 14b, выполненный как часть клапанной системы 14, расположен в транзитной линии 13. Второй запорный элемент 14b расположен во второй части 13b транзитной линии и позволяет перекрывать транзитную линию 13. В случае закрытого второго запорного элемента 14b картридж можно использовать, как описано выше. В случае открытого второго запорного элемента 14b и закрытого первого запорного элемента 14а транзитную линию можно использовать в качестве байпасной линии для транспортировки флюида с обходом сосуда 11 под давлением.

Более того, в транзитной линии 13 может быть установлен третий запорный элемент 14 с, выполненный как часть клапанной системы 14. Третий запорный элемент 14с расположен в общей части 13а транзитной и соединительной линий 12, 13. В случае закрытого положения третьего запорного элемента 14с и одновременно открытых первого и второго запорных элементов 14а, 14b, вторую часть 13b транзитной линии 13 можно использовать в качестве соединительной линии, если можно так сказать, и картридж 10 можно также заправлять или опустошать с помощью транспортного интерфейса на второй соединительной поверхности 10b.

Первый, второй и третий запорные элементы 14а, 14b, 14с являются частью клапанной системы 14, которая подсоединена к одному блоку 18 связи и может управляться этим блоком. Отдельные запорные элементы 14а, 14b, 14 с можно активировать по отдельности или совместно с помощью блока 18 связи. С этой целью блок 18 связи подсоединен к внешнему блоку 30 управления клапаном. Соединение между блоком 30 управления клапаном и блоком 18 связи может также осуществляться с помощью интерфейсов 18а, 18b связи, как объяснено ниже. Блок 30 управления клапаном в предпочтительном варианте выполнен в качестве внешнего компонента, например, как часть потребителя топлива, который подсоединен к картриджу 10.

Согласно показанному варианту осуществления, картридж 10 оснащен первым блоком 20а передачи, расположенным на участке первой соединительной поверхности 10а, и вторым блоком 20b передачи, расположенным на участке второй соединительной поверхности 10b. Однако, одна (первая) соединительная поверхность 20а уже является достаточной для использования картриджа 10, согласно настоящему изобретению. Каждый первый и второй блоки 20а, 20b расположены вблизи транспортного интерфейса (интерфейсов), расположенного в конце соединительной линии 12 и, при необходимости, на концах транзитной линии 13, причем флюид можно транспортировать с помощью вышеупомянутого транспортного интерфейса (интерфейсов). Соединительные поверхности 10а, 10b, включая блоки 20а, 20b передачи, могут быть выполнены согласно принципу штуцер/гнездо. Картридж 10 можно, таким образом, легко подсоединить к ответному компоненту соответствующей конфигурации.

С помощью блоков 20а, 20b передачи можно обеспечить, что транспортировка флюида происходит только тогда, когда подсоединенный ответный компонент проверен и признан совместимым. С этой целью у блока 20а передачи в приведенном в качестве примера варианте осуществления имеется интерфейс 18а связи, который подсоединен к блоку 18 связи. Интерфейс 18а связи служит для обмена данных между картриджем 10 с подсоединенным ответным компонентом с идентичной конфигурацией, в частности, с другим картриджем 10', 10'' или с потребителем флюида. Более того, блок 20а передачи, согласно этому варианту осуществления, содержит интерфейс 19а передачи тока. Интерфейс 19а передачи тока служит для подачи электрического питания на электрические компоненты картриджа 10. Интерфейс 18а связи и интерфейс 19а передачи тока также можно выполнить в виде общего интерфейса. Интерфейсы 18а, 19а связи и/или передачи тока также могут быть выполнены в виде беспроводных интерфейсов. Согласно показанному варианту осуществления картриджа 10, блок 18 связи дополнительно подсоединен ко второму интерфейсу 18b связи, который расположен во втором блоке 20b передачи и настроен аналогично интерфейсу 19b передачи тока.

С целью предотвращения непреднамеренного освобождения картриджа 10 от подсоединенного ответного компонента картридж 10 на участке соединительных поверхностей 10а, 10b дополнительно оснащен в каждом случае одним фиксирующим элементом 16а, 16b. Согласно показанному варианту осуществления, фиксирующие элементы 16а, 16b выполнены в виде кольцевых постоянных магнитов, которые расположены вблизи транспортного интерфейса. С помощью постоянного магнита картридж может быть безопасно прикреплен к ответному компоненту соответствующей конфигурации и может быть простым образом отсоединен от ответного компонента. Благодаря кольцевой конфигурации постоянного магнита операция фиксации может быть выполнена при любой ориентации картриджа 10.

Как уже обсуждалось, управление клапанной системой 14 выполняется с помощью блока 18 связи картриджа 10. С этой целью блок 18 связи может быть дополнительно подсоединен к различным датчикам картриджа 10. Согласно показанному варианту осуществления, в картридже 10 установлен датчик 21 внутренней температуры, датчик 22 наружной температуры, датчик 23 давления, датчик 24 газа и датчик 25 утечки газа. Блок 18 связи может выполнять управление клапанной системой 14 на основе принятых от датчиков данных измерений. Данные датчика, поступающие от блока 18 связи, могут также быть переданы через интерфейсы 18а, 18b связи.

Датчик 21 внутренней температуры служит для определения температуры газа внутри сосуда 11 с газом под давлением. Однако датчик внутренней температуры в предпочтительном варианте снаружи прикреплен к металлическому сосуду 11 под давлением, чтобы можно было по значению температуры сосуда сделать выводы относительно температуры газа. Данные датчика 22 наружной температуры могут быть оценены совместно с данными от датчика 21 внутренней температуры, чтобы можно было сделать выводы о возможном повышении температуры газа. Датчик 23 давления может быть выполнен в виде тензометрического датчика и может быть расположен на наружной стенке сосуда 11 под давлением. Комбинация датчика 23 давления и датчика 21 внутренней температуры позволяет определить уровень заправки сосуда 11 под давлением. Датчик 24 газа можно использовать для определения типа флюида. Это уместно, когда тот же самый картридж 11 используется для различных флюидов. С помощью датчика 25 утечки газа можно подать предупреждение в случае утечки или неисправности картриджа 10.

Более того, на наружной стороне показанного картриджа 10 расположен дисплей уровня заправки 28. Это устройство отображения выполнено в виде отражательного дисплея на основе электронной бумаги и оснащено специальным источником питания в виде солнечного элемента 29. В альтернативном варианте дисплей уровня заправки 28 также может быть подключен к интерфейсу 19а, 19b подачи тока. В качестве другого устройства отображения картридж 10 может быть оснащен дисплеем рабочего состояния (не показан) в виде многоцветного светоизлучающего диода. Таким образом, снаружи непосредственно можно будет увидеть, например, проводится ли в настоящее время заправка или опустошение картриджа 10.

Более того, показанный картридж 10 оснащен нагревательным элементом 26 и охлаждающим элементом 27. В зависимости от предусмотренного применения картриджа 10 температура хранящегося флюида может быть отрегулирована до заранее определенной температуры с помощью нагревательного или охлаждающего элемента 26, 27. В случае применения картриджа 10 в качестве, например, резервуара для кислорода, кислород перед применением в качестве дыхательной смеси может быть доведен до температуры, близкой к температуре окружающего воздуха или к температуре тела.

Более того, картридж 10 может быть оснащен идентификационным блоком (не показан), который позволяет безошибочно идентифицировать картридж 10. Здесь этим может быть, например, уникальный идентификационный номер (UIN).

На фиг. 2 показана система картриджей, согласно настоящему изобретению, состоящая из картриджа 10, другого картриджа 10' и потребителя 40 флюида. Потребитель 40 флюида в показанном в качестве примера варианте осуществления является топливным элементом. Картриджи 10, 10' в каждом случае имеют конфигурацию согласно картриджу 10, показанному на фиг. 1, но здесь они показаны в более упрощенном виде. На фиг. 2а показана система картриджей до вставления их вместе. На фиг. 2b показана вставленная вместе система картриджей.

Потребитель 40 флюида, показанный в нижней части фиг. 2, оснащен блоком 40b передачи, конфигурация которого сравнима с конфигурацией описанного выше блока 20b передачи. Следовательно, картридж 10 с помощью блока 20а передачи, расположенного на участке первой соединительной поверхности 10а, может быть вставлен в блок 40b передачи потребителя 40 флюида согласно принципу штуцер/гнездо. Соединительная линия 12 вставленного картриджа 10 в этом примере с возможностью пропускания потока флюида подсоединена к работающему под давлением трубопроводу потребителя 40 флюида, и флюид можно передавать из картриджа 10 потребителю 40 флюида.

Согласно тому же самому принципу, другой картридж 10', у которого на участке первой соединительной поверхности 10а' расположен первый блок 20а' передачи, может быть вставлен в блок 20b передачи картриджа 10, который расположен на участке второй соединительной поверхности 10b. Другой картридж 10' с помощью его соединительной линии 12' с возможностью пропускания потока флюида подсоединен к транзитной линии 13 картриджа 10 и с помощью этого картриджа также подсоединен к потребителю 40 флюида. Другие картриджи 10'' можно вставить в систему согласно тому же самому принципу, вышеуказанные другие картриджи 10'' совместно образуют масштабируемый бак.

Более того, потребитель 40 флюида оснащен блоком 30 управления клапаном для управления клапанными системами 14 и 14'. Блока 40b передачи потребителя 40 флюида оснащен интерфейсом 40с связи, который подсоединен к блоку 30 управления клапаном (пунктирная линия на фиг. 2). Согласно показанной на фиг. 2 системе картриджей, все интерфейсы 40с, 18а, 18b, 18а', 18b' также выполнены с возможностью работы в качестве интерфейсов передачи тока.

Когда картридж 10' подсоединен к потребителю 40 флюида, интерфейс 40с связи находится в состоянии связи с первым интерфейсом 18а связи картриджа 10'. Первый интерфейс 18а связи с помощью блока 18 связи, в свою очередь, находится в состоянии связи со вторым интерфейсом 18b связи картриджа 10 (пунктирная линия). Блок 18 связи картриджа 10, таким образом, находится в состоянии связи с блоком 30 управления клапаном. Согласно тому же самому принципу, блок 18' связи другого картриджа также находится в состоянии связи с блоком 18 связи картриджа 10 и с блоком 30 управления клапаном.

С помощью блока управления клапаном можно, таким образом, управлять последовательным или параллельным опустошением картриджей 10, 10'. Сосуд 11' под давлением другого картриджа 10' с помощью транзитный линии 13 может быть использован для транспортировки флюида и при этом выполнять обход сосуда 11 под давлением или работать одновременно с сосудом 11. Другой картридж 10', который подсоединен ко второй соединительной поверхности 10b картриджа 10, с помощью соединительной линии 13 картриджа 10 может подавать флюид потребителю 40 флюида, который подсоединен к первой соединительной поверхности 10а картриджа 10.

Отдельные компоненты такой совместно вставленной системы картриджей могут быть в любой момент времени взаимно разделены посредством преодоления удерживающей силы фиксирующих элементов (не показаны). Блоки 18, 18' связи имеют такую конфигурацию, что первые запорные элементы 14а, 14а' клапанных систем 14, 14' в этом случае автоматически закрываются и флюид больше не может выходить из сосудов 11, 11' под давлением.

Способ для соединения картриджа 10 и другого картриджа 10', таким образом, выполняется, на первой стадии, посредством установления механического соединения между второй соединительной поверхностью 10b и первой соединительной поверхностью 10а виде соединения вставлением картриджей 10, 10' друг в друга. После того, как картриджи 10, 10' механически соединены друг с другом, вышеупомянутые картриджи 10, 10' соединяются с возможностью пропускания потока флюида. Одновременно устанавливается электрическое соединение между вторым блоком 20b передачи и первым блоком 20а' передачи, при этом электрическое соединение выполняется между интерфейсами 18b и 18а' связи, выполненными с возможностью работать в качестве интерфейсов передачи тока. Согласно этому варианту осуществления картриджей 10, 10', соединение между блоками 18, 18' связи картриджей 10, 10' аналогичным образом одновременно устанавливается с помощью интерфейсов 18b, 18а' связи. Клапанные системы 14, 14' картриджей 10, 10' могут быть активированы с помощью блоков 18, 18' связи.

На фиг. 3 показано использование картриджей 10, 10', 10'', согласно настоящему изобретению, в качестве многоразового резервуара с водородом (резервуара Н2) для (везущего груз) велосипеда 50 в трех различных сценариях.

Известны велосипеды с электрической помощью нажатию педалей, но полная процедура зарядки от сетевой розетки в большинстве случаев занимает несколько часов. По этой причине велосипеды 70, которые с помощью топливного элемента 41 (в качестве потребителя флюида) вырабатывают ток для электрического двигателя, являются особенно перспективными. В связи с этим, в установленный на велосипеде 70 топливный элемент 41 необходимо подавать водород из баков. В связи с этим один или множество заправленных водородом картриджей 10, 10', 10'', согласно настоящему изобретению, можно посредством вставления простым и безопасным образом соединить с топливным элементом 41 на велосипеде 70, при этом вышеупомянутый топливный элемент 41 сконструирован согласно настоящему изобретению, и после потребления водорода картридж можно снова снять аналогичным простым и безопасным образом. Количество необходимых картриджей 10, 10' зависит, помимо прочего, от расстояния, пройденного велосипедом 70.

В каждом из показанных на фиг.3 сценариев поставка водорода на велосипед 70 с помощью сменных картриджей 10, 10' проводится с помощью автоматического обменного устройства 60. Автоматическое обменное устройство 60 может быть, например, заправочной станцией или киоском. Заправленные водородом картриджи 10, 10', 10'' хранятся доступными в достаточном количестве в автоматическом обменном устройстве 60. (Зарегистрированный) пользователь может извлечь картриджи 10, 10' в необходимом количестве из автоматического обменного устройства 60, как требуется, или обменять вышеупомянутые картриджи 10, 10' на пустые картриджи 10, 10', соответственно. В противоположность к водородной заправочной станции 62, автоматические обменные устройства 60 обладают преимуществом, состоящим в том, что они могут быть установлены гибким способом, как требуется, почти в любом месте и с необходимой вместимостью (независимо от водородной заправочной станции или другой водородной инфраструктуры). Согласно настоящему изобретению, картриджи 10, 10' могут быть заменены самим пользователем простым и безопасным образом. Замена пустого картриджа 10, 10' на полный картридж 10, 10' на велосипеде 70, таким образом, проводится пользователем в течение нескольких секунд.

В связи с этим, автоматическое обменное устройство 60, или хранящиеся доступными в нем картриджи 10, 10', должны регулярно снабжаться водородом (Н2) или заправляться новыми или заправленными картриджами.

Согласно первому сценарию (а) доставка новых или заправленных картриджей 10, 10', 10'', соответственно, и сбор пустых картриджей 10, 10', 10'' проводится с помощью транспортного средства 61, которое перевозит картриджи 10, 10', 10'' назад и вперед между водородной заправочной станцией 62 и автоматическим обменным устройством 60. Картриджи 10, 10', 10'' могут быть заправлены простым и быстрым образом на водородной заправочной станции 62, и оттуда по мере необходимости доставлены на различные автоматические обменные устройства 60.

Согласно второму сценарию (b) поставка водорода проводится с помощью внешних водородных баллонов 63, которые доставляются на автоматическое обменное устройство 60. Водородные баллоны 63 могут быть либо непосредственно подсоединены к автоматическому обменному устройству 60 и, таким образом, использоваться для заправки всех картриджей 10, 10', которые установлены в автоматическом обменном устройстве (и еще не полностью заправлены), либо отдельные картриджи 10, 10' отдельно подсоединяются к водородному баллону 63, выполняющему роль заправочного устройства на площадке, и затем (заново) заправляются.

Согласно третьему сценарию (с) поставка водорода проводится с помощью специального устройства 64 для производства водорода, которое установлено в физической близости к автоматическому обменному устройству 60. Это, в частности, предпочтительный вариант, если автоматическое обменное устройство 60 работает в режиме большого и регулярного оборота водорода. Специальное устройство 64 для производства водорода, аналогично сценарию (b), может быть либо непосредственно подсоединено к автоматическому обменному устройству 60, либо в каждом случае подсоединяться к отдельным картриджам 10, 10' для их заправки.

У всех трех сценариев имеется преимущество, состоящее в том, что возвращенные картриджи, которые не были полностью опустошены, могут быть дозаправлены или заправлены снова без потери все еще имевшегося в картридже остаточного водорода. Более того, в автоматическом обменном устройстве 60 могут храниться доступными картриджи 10, 10' различных размеров.

Настоящее изобретение, как уже было сказано, направлено на создание системы картриджей для хранения флюида под давлением, причем вышеупомянутые картриджи можно заменять безопасным и простым образом.

Изобретение относится к сменным картриджам для хранения флюида. Технический результат заключается в обеспечении системы картриджей для хранения флюида под давлением, позволяющей безопасно заменять картриджи. Картридж содержит резервуар под давлением для приема флюида, соединительную линию, которая проходит из резервуара под давлением к первой соединительной поверхности на наружной стороне картриджа, и клапанную систему, которая содержит первый запорный элемент, расположенный на соединительной линии. Соединительная линия сужается в направлении первой соединительной поверхности. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Сменный картридж (10) для хранения флюида, содержащий в себе:

сосуд (11) под давлением для хранения флюида;

соединительную линию (12), которая проходит из сосуда под давлением (11), к первой соединительной поверхности (10a) на наружной стороне картриджа (10), причем соединительная линия (12) имеет сужение (12a) в направлении первой соединительной поверхности (10a); и

клапанную систему (14), содержащую первый запорный элемент 14a, расположенный на соединительной линии (12);

при этом блок (20a, 20b) передачи расположен на участке первой соединительной поверхности (10a), блок (20a, 20b) передачи оснащен интерфейсом (18a, 18b) связи, подключенным к блоку (18) связи.

2. Картридж (10) по п. 1, содержащий транзитную линию (13), соединяющую первую соединительную поверхность (10a) со второй соединительной поверхностью (10b), расположенной на наружной стороне картриджа (10), в котором второй запорный элемент (14b) клапанной системы (14) расположен на транзитной линии (13), и транзитная линия (13) предпочтительно выполнена, по меньшей мере, частично, как часть соединительной линии (12).

3. Картридж (10) по п. 2, в котором транзитная линия (13) выполнена как механическая распорка и/или расположена в основном внутри сосуда (11) под давлением, предпочтительно вдоль центральной оси сосуда (11) под давлением.

4. Картридж (10) по любому из пп. 2, 3, в котором третий запорный элемент (14с) клапанной системы (14) расположен в общей части (13a) транзитной линии (13) и соединительной линии (12).

5. Картридж (10) по любому из пп. 1-4, в котором клапанная система (14) расположена внутри сосуда (11) под давлением.

6. Картридж (10) по любому из пп. 1-5, оснащенный практически цилиндрическим корпусом (20), у которого есть поверхность обечайки и две торцевые поверхности, причем первая соединительная поверхность (10a) расположена на одной из торцевых поверхностей.

7. Картридж (10) по любому из пп. 1-6, в котором фиксирующий элемент (16a, 16b) для обеспечения безопасного соединения с потребителем (40) флюида и/или с другим картриджем (10') расположен на участке первой соединительной поверхности (10a), а фиксирующий элемент (16a, 16b) предпочтительно выполнен в виде постоянного магнита.

8. Картридж (10) по любому из пп. 1-7, в котором блок (20a, 20b) передачи оснащен интерфейсом (19a, 19b) передачи тока, или интерфейс (18a, 18b) связи выполнен в виде интерфейса (19a, 19b) передачи тока.

9. Картридж (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором блок (18) связи подсоединен к клапанной системе (14) с целью активации одного или множества запорных элементов (14a, 14b).

10. Картридж (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором первый интерфейс (18а) связи, выполненный в виде части первого блока (20a) передачи, выполнен с возможностью подсоединения с помощью блока (18) связи ко второму интерфейсу (18b) связи, выполненному в виде части второго блока (20b) передачи.

11. Картридж (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором блок (18) связи подсоединен, по меньшей мере, к одному датчику (21, 22, 23, 24, 25), и, по меньшей мере, один датчик выполнен в виде датчика (21) внутренней температуры, датчика (22) наружной температуры, датчика (23) давления, датчика (24) газа или датчика (25) утечки газа.

12. Картридж (10) по любому из пп. 1-11, в котором картридж (10) выполнен таким образом, что первый запорный элемент (14a) открывается в случае положительной разницы давления между соединительной линией (12) и сосудом (11) под давлением, и/или в котором картридж (10) выполнен таким образом, что первый запорный элемент (14a) закрывается при механическом отделении от потребителя (40) флюида, заправочного устройства или другого картриджа (10').

13. Система картриджей, по меньшей мере, из одного картриджа (10, 10', 10"), выполненного по любому из пп. 1-12, и блока (30) управления клапаном для управления клапанной системой (14) с помощью блока (18) связи, в которой потребитель (40) флюида предпочтительно подсоединен к первой соединительной поверхности (10a) картриджа (10), в которой, более того, блок (30) управления клапаном предпочтительно выполнен как часть потребителя (40) флюида.

14. Система картриджей по п. 12, оснащенная другим картриджем (10'), который подсоединен к картриджу (10), причем первая соединительная поверхность (10a') другого картриджа (10') подсоединена ко второй соединительной поверхности (10b) картриджа (10).

15. Способ для соединения картриджа (10) к другому картриджу (10'), причем каждый из них выполнен по одному из пп. 9-11, вышеупомянутый способ предусматривает следующие стадии:

установление механического соединения между второй соединительной поверхностью (10b) картриджа (10) и первой соединительной поверхностью (10a') другого картриджа (10');

установление электрического соединения между вторым блоком (20b) передачи картриджа (10) и первым блоком (20a') передачи другого картриджа (10');

установление соединения между первым блоком (18) связи картриджа (10) и вторым блоком (18') связи другого картриджа (10') для активации клапанных систем (14, 14') с помощью первого и второго блоков (18, 18') связи.