以减少的热泄漏保持制冷流体和从其中除去制冷流体的设备和方法

摘要

本设备包括双壁真空绝缘容器，其形成了保持制冷流体的制冷剂空间，泵组件，其包括带有设置在制冷剂空间内的吸入口的泵和从泵延伸到设置在制冷剂空间外的驱动单元的至少一个细长构件。细长构件包括细长的非金属部分，该非金属部分具有低于相同长度的结构等同的细长不锈钢构件的热导率。在优选实施例中，细长构件可以是驱动轴或者用于支撑泵并保持泵与驱动单元固定关系的刚性结构构件中的其中一个或二者都是。本方法利用该设备通过减少向制冷剂空间的热泄漏增加保持制冷流体的保持时间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以减少的热泄漏和改善的保持时间保持制冷流体和从其中除去制冷流体的设备和方法。尤其是，该设备包括带有设置在其中的泵的热绝缘容器和用来减少通过泵和驱动单元组件向制冷剂空间热泄漏的装置。

背景技术

在制冷温度，气体可以液化形式存储在存储容器中，这样与以气态存储的相同气体相比，可得到更高的存储密度。例如，当气体用作车辆燃料时，更高的存储密度是期望得到的，因为车辆上存储燃料的可用空间是有限的。

以液化形式存储气体的另一个好处是容器的制造成本和运行成本较低。例如，存储容器可以设计成在制冷温度和小于2MPa(大约300psig)的饱和压力下存储液化气体。压缩气体通常在超过20MPa(大约3000psig)的压力下存储，但是额定容纳如此高压气体的容器需要的结构强度会给容器增加重量和成本。此外，由于以气态存储的气体的较低存储密度，所以为了保持同样摩尔量的气体，容器尺寸和/或数量必需更大，并且如果气体以气态存储的话，这增加了存储容器的重量。如果容器用于可移动应用、或者用来保持液化气体以运输它、或者将气体保持在车辆上用作车辆引擎消耗的燃料的话，额外的重量增加了运行成本。对于同样摩尔量的气体，在高压下以气态保持这些气体的存储容器的重量是在低压下以液化形式保持相同气体的存储容器质量的二到五倍大。

存储液化气体的期望温度取决于特定气体。例如，在大气压下，天然气可以在约113K的温度下以液化形式存储，较轻的气体如氢可以在约20K的温度下在大气压下以液化形式存储。对于任何一种液体，通过在更高的压力下保持液化气体，该液化气体的沸点温度将升高。在这里，术语“制冷温度”用来描述低于175K的温度，在该温度下，给定流体可在小于2MPa(大约300psig)的压力下以液化形式存储。为了在制冷温度保持液化气体，存储容器限定了热绝缘的制冷剂空间。

在制冷温度下存储液化气体的问题是要提供充分的热绝缘以阻止热量传递到制冷剂空间。传统容器利用若干技术来为制冷剂空间提供热绝缘。例如，双壁容器典型地在外壁和内壁之间的空间中提供真空绝缘以减少热对流传递。内壁和外壁的外表面也可以覆盖绝缘材料以减少热辐射传递。用于将内壁悬置在外壁内的支架可设计有拉长的热传递路径以减少热对流传递。

泵可以用来从制冷剂空间除去液化气体。当气体需要用于高压应用时，与采用压缩机在气体蒸发后对气加压的情况相比，在气体蒸发前使用泵对气体加压更有效。设计用来泵送液化气体的泵可以设置在制冷剂空间内部或外部。

将泵定位在制冷剂空间外部的其中一个问题是从制冷剂空间通向泵的吸入管需要良好绝缘以防止液化气体在到达泵之前被加热和蒸发。吸入管内任何剂量的液化气体的蒸发都会导致泵的效率降低或不能运行和/或气蚀现象，这可能损坏泵本身。

当泵定位在制冷剂空间内部时，其中一个问题是热量可通过泵结构传递到制冷剂空间。在工业应用中，存储容器是有一定体积的典型地固定设施，它的数量级大于通常用于车辆燃料箱的体积。利用这样大的固定存储容器，通过泵结构产生的热泄漏效果不明显。在较小的可移动存储容器例如在车上载运燃料的容器中，相同量的热泄漏对保持时间具有较大的影响，因为热泄漏对于较小量的液化气体具有较大比例的影响。在大型工业存储容器中，也可能加长泵组件以通过提供更长的热传递路径而减少热泄漏。对于较小的存储容器来说，这种方法被容器的尺寸所限制。

还有另一种减少热泄漏到存储容器中的方法是使用更高速度运转的更小的泵，这样，与较大的泵相比，具有较小的贯穿泵的横截面积，这减少了热传导的传递量。以更高速度运转的泵通常需要更大的净吸入压头(“NPSH”)以防止在泵抽吸时和在泵内发生蒸发和气蚀。在固定工业设施中，因为存储容器通常十分大，不被移动容器面临的相同尺寸的约束所限制，所以固定存储容器可以设计有能提供更高NPSH的深度，允许泵以更高的速度运转。例如，固定存储容器可以垂直纵轴为方向以增加可用的NPSH。较小的容器，尤其是可移动容器，容器尺寸和方向可能限制可用的NPSH，因此限制了泵可运转的速度。

给定足够的时间，向制冷剂空间的热传递将最终导致保持在制冷剂空间内的某些液化气体蒸发，这依次导致制冷剂空间内的压力上升。为了减轻该压力，传统存储容器典型地采用减压阀以从存储容器排出某些蒸汽。在任何设计中，发生一些热传递到制冷剂空间的情况是可接受的。然而，期望减少热传递量以延长“保持时间”，在这里，保持时间定义为在发生排气之前液化气体可被保持的时间长度。较长的保持时间使得较少的气体被排出和可能的浪费，能量被更有效利用(因为能量消耗在液化气体上)，并且对于像天然气之类的燃料气体，这还使得向环境排放的未燃烧热量降低。

发明内容

提供了一种用于保持制冷流体和从中除去制冷流体的设备和方法。所述设备包括：

(a)双壁真空绝缘容器，其形成了保持所述制冷流体的制冷剂空间；

(b)泵组件，其包括带有设置在所述制冷剂空间内的吸入口的泵和从所述泵延伸到设置在所述制冷剂空间外的驱动单元的至少一个细长构件，其中所述细长构件包括细长的非金属部分，该非金属部分具有低于相同长度的结构等同的细长不锈钢构件的热导率。

非金属构件的结构要求由细长构件的功能确定。特别指出，细长非金属部分与细长金属构件结构等同，这里等同定义为通过细长构件的功能性必需的结构要求被确定。结构性质可包括拉伸屈服强度和压缩屈服强度以及刚度，这里“结构强度”定义为包括细长构件功能性所需要的所有这样的结构性质。在细长非金属部分作为整体和结构等同的金属部分之间来确定“结构等同”。也就是说，非金属部分可由结构性质与不锈钢不同的材料制成，只要细长非金属部分的结构性质与相同长度的细长金属构件功能等同即可，并且细长非金属构件具有较低的热导率。

泵组件的吸入口包括与覆盖活塞气缸远端的端板相连的单向吸入阀和与所述泵的与所述远端相反的近端相连的排出口。

泵优选为双动两级泵，包括：

可在气缸内往复并且操作连接到驱动轴的活塞；

由所述活塞和覆盖所述远端的所述端板之间的空间限定的第一工作室；

由所述活塞和所述驱动轴可延伸穿过的端壁之间的环形空间限定的第二工作室；和

设置在流体通道内允许流体从所述第一工作室流向所述第二工作室的单向通过阀。

所述方法增加了将液化气体保持在由容器限定的制冷剂空间内部的保持时间，所述容器包括设置在所述制冷剂空间内的泵。所述方法包括：

(a)真空绝缘所述容器；

(b)通过用包括细长非金属部分的细长构件将所述泵连接到所述容器外部的驱动单元，从而热绝缘所述泵以减少向所述制冷剂空间的热泄漏，其中所述细长非金属部分具有小于相同长度的结构等同的细长不锈钢构件的热导率。

依据本方法，细长构件可以是驱动泵的驱动轴或者用于支撑泵并保持泵与驱动单元固定关系的刚性结构支撑中的其中一个或二者都是。

附图说明

图1是带有设置在制冷剂空间内的泵的液化气体储存罐的示意图。

图2是泵和驱动轴一端的放大图。

图2A和2B是从图2的剖面线2A观察的沿驱动轴纵轴的横截面图。图2A和2B图示了用于支撑泵和将泵保持为与驱动单元固定关系的结构布置的两个实施例。

图3是内燃机的燃料供给系统的示意图，其中，这种系统特别适用于本方法和设备的应用。

具体实施方式

图1是横截面图，示出了设备100的一部分的通常布置，设备100包括热绝缘存储容器和安置在存储容器内的泵。示出的存储容器具有双壁结构，带有外壁102和内壁104。在外壁102和内壁104之间的空间可被抽空以为由内壁104的内表面限定的热绝缘的制冷剂空间106提供真空空间103。存在许多已知布置将内壁104支撑在外壁102内，并且支撑结构108仅仅是这种布置的其中一个代表。对于可移动存储容器，支撑结构必需能够处理由车辆移动引起的载荷变化，并且支撑必需设计同时承受轴向和径向的全部动荷载。

包括外套筒104A和内套筒102A的双壁套筒围绕泵组件110的轴部分伸出真空空间103以提供通过泵组件110从外部环境到制冷剂空间106的延长的热传递路径。

泵组件110的图示实施例包括设置在制冷剂空间内的双动往复活塞泵120、设置在外壁102外面的驱动单元130、细长的驱动轴140和结构构件150，每个结构构件都从驱动单元130延伸到泵120。泵组件110可在泵120的吸入口处装备过滤器112，用于限制可以进入泵120的固体颗粒的尺寸。过滤器112包括多孔板筛以防止污染物或冻结颗粒进入泵。污染物可以，例如，从制备过程或从导入存储容器的燃料产生。冻结颗粒，例如，可能包括冻结的二氧化碳或在制冷流体温度下冻结的其它化合物。

图2示出了图1所示的相同实施例，但是给出了泵120和驱动轴140一端的放大横截面图。在不同的附图中采用了相似的附图标记表示相同的特征，如果参考一幅图描述了一个特征的话，为了简短，同样的特征如果在另一幅图中被描述过将不再描述。现在参考图2，泵120包括空心体，该空心体形成汽缸122。活塞124与驱动轴140操作连接，并且可在汽缸122内往复。单向吸入阀125在内缩行程期间(当活塞124向泵组件110的驱动端运动时)可开启，这样液化气体可从通过进气道从制冷剂空间106吸出并进入第一工作室126。在内缩行程的同时，残留在第二工作室128中的制冷流体被压缩，并且通过单向排出阀129从其中排出，然后流入排出管152。在内缩行程期间，第二工作室128中的流体压力高于第一工作室126中的流体压力，使单向通过阀127保持关闭。单向通过阀127优选地安装在活塞124的主体上。

在外伸行程期间，当活塞124向入口端运动(并且远离泵组件110的驱动端)时，第一室126中的压力增加，导致单向吸入阀125保持关闭。同时，第二工作室128的容积扩张，并且单向通过阀127开启以允许制冷流体从第一工作室126流向第二工作室128。驱动轴140延伸通过第二工作室128，这样，第二工作室128的工作容积小于第一工作室126的工作容积。因此，在外伸行程期间，比扩张体积容纳的更多的制冷流体流入第二工作室128，导致在外伸行程期间第二工作室128内的压缩，并且一些制冷流体通过单向排出阀129排出并且通过排出管152排出。这种优选布置和操作方法在申请人共有的美国专利No.5,884,488中揭示。利用这种布置，在外伸和内缩行程都可以操作泵以排出制冷流体。如果第一工作室126的工作容积是第二工作室128工作容积的大约两倍，则在每一个活塞冲程期间排出大约等量的制冷流体，减少了泵排放下游管道的压力波动。

再次参考图1，示出的驱动单元是线性驱动器，其操作连接到驱动轴140并且匹配泵活塞124的往复运动。液压驱动器优选地允许活塞124以恒定速度并且以与引擎速率不耦合的比率往复。在车辆应用中，传统上，液压系统通常已经设置地在车上。在其它实施例中，虽然未示出，但是本领域技术人员公知的是，驱动单元可被其它驱动装置，如气动地、电动地或机械地致动。

驱动轴140优选地包括细长的非金属部分，其热导率小于相同长度的结构等同的细长不锈钢构件的热导率。例如，图1和2中所示的驱动轴140的阴影线部分可以由这种非金属材料制成。例如，与像不锈钢的金属材料相比，纤维增强塑料，如玻璃纤维/环氧材料，商业上通称为G-10或G-11，具有非常低的热导率，并且在低温下具有足够的抗压强度和抗拉强度。在优选实施例中，细长的非金属部分具有的热导率在100K(开氏度)时等于或小于3W/m*K。下面，表1比较了G-10到304L不锈钢的热导率和抗拉屈服强度。即使G-10具有小于304L不锈钢的抗拉屈服强度，但是因为热导率十分低，由G-10制成的具有较大横截面面积的细长构件仍然具有低于结构等同的不锈钢构件的热导率。

表1

  材料 性质(单位)          温度(K)  100  273  G-10或G-11 热导率(W/m*K)  0.26  0.55 抗拉屈服强度(MPa)  300-400  300-400  304L不锈钢 热导率(W/m*K)  9.2  13.4 抗拉屈服强度(MPa)  1300  1183

在驱动轴140的各端设置了轴承146和148以支撑、引导和密封驱动轴140。在优选实施例中，例如图1所示的实施例，驱动轴在端部142和144处包括金属构件，其提供光滑的金属轴承面。与完全由复合材料制成的驱动轴相比，具有金属端部的驱动轴是优选的，因为其具有较好的耐磨性、硬度和可加工性以获得支撑和密封驱动轴想要的表面光滑度。金属端部优选地由在制冷温度下具有合适的结构和热导性质的材料制成。像碳钢之类的一些金属不适合，因为他们在制冷温度下变得相对较脆。不锈钢、镍铁合金36(Invar36)和具有高镍含量的其它合金是该制冷设备优选结构材料的例子，因为与结构合适的其它金属如铝-铜合金或黄铜相比，这些材料在制冷温度下保留延性，可提供必需的结构强度，并且具有相对低的热导率。

在图2的放大图中，示出了用来将细长非金属部分连接到金属端部142的优选布置。细长非金属部分的末端具有阶梯状匹配面，该匹配面与金属端部142的末端中设置的互补的阶梯状孔相匹配。可采用粘合剂将两个零件粘合到一起，并且与采用等直径匹配面情况相比，阶梯状匹配面更均匀地将负荷传递到驱动轴的横截面上。用来将细长非金属部分连接到金属端部的其它手段对于本领域的技术人员来说是公知的，例如一个或多个销钉、螺纹或轴环。在一些实施例中，可采用连接技术的结合。例如，粘合剂和销钉可以同时采用以将非金属部分连接到金属端部。

如果细长非金属部分具有大于金属端部的材料强度，则为了减少热导率，非金属部分可具有小于金属端部142和144的横截面积。例如，非金属部分可以是空心的，并且具有与金属端部相同的直径，或者它可以是实心的并且具有小于金属端部的直径。相反，如果细长非金属部分具有小于金属端部的材料强度，则它可以具有较大的横截面积以提供结构等效，只要非金属材料的热导率足够低，以致非金属部分整体的热导率低于结构等同的细长不锈钢构件就可以。

对于驱动轴140，细长结构构件150，如图1和2的阴影线横截面所示，也可以由非金属材料制成，这样结构构件150具有低于相同长度的结构等同的细长不锈钢构件的热导率。结构构件150提供一种支撑泵120的结构，使其与驱动单元130为固定关系。泵120和驱动单元130优选地连接在结构构件150的相对端。也就是说，细长结构构件150优选地从泵120跨过全部长度延伸到驱动单元130，如图1所示。

如图2A所示，在优选实施例中，结构构件150可以是空心构件，这样驱动轴140和管152可以延伸通过空心。在图示的实施例中，结构构件150具有环形形状的横剖面，但是也可以采用其它的横截面形状。在另一实施例中，代替单个中空结构构件，多个实心或空心结构构件可从泵120延伸到驱动单元130以保持它们之间的固定距离，同时提供驱动轴通过其插入的开放空间。图2B示出了横剖面图，示出了驱动轴140、管152和细长结构构件250，细长结构构件250在这个实例中表示为实心杆。关于其它实施例，为了减少通过泵组件110向制冷剂空间的热泄漏，结构构件250可以由非金属材料制成。

在优选实施例中，细长非金属构件，例如驱动轴的一部分或结构构件，可以由合成材料制成，该合成材料包括置于塑料基质中的纤维。熟知合成材料知识的技术人员应该理解，有可能从许多类型的纤维和塑料中选择，并且材料的选择决定了合成材料的性质。在本案例中，合成材料的两个重要性质是在预期运行条件下的结构强度和热导率。例如，在预期运行条件下，设备将经历制冷温度下的流体，并且非金属材料在预期运行温度下不能变脆。

使用非金属合成材料的一个目的是减少向制冷剂空间的热泄漏。因此，期望合成构件具有低于用于传统驱动轴的结构等同的铁构件的热导率，传统驱动轴典型地由制冷装置用不锈钢制成。即使合成材料的热传递系数小于金属材料如不锈钢，如果合成材料不具有足够的结构强度，则总的热导率可能较大。即，具有不充分材料强度的合成结构构件可能需要更大的热传导横截面积，这样与由不锈钢制成的结构等同的金属构件相比，会产生更高的总热导率。因此，需要结合结构强度和低热传导系数以获得期望结果。在优选实施例中，非金属结构构件具有的热导率低于由不锈钢制成的替代的结构等同的轴构件的热导率。

用于非金属结构轴构件的合成材料可包括选自包括玻璃、碳、由树脂制成的合成纤维以及石英的组中的纤维。由树脂制成的合成纤维的例子可以是芳族聚酸胺纤维，例如由E.I.Dupont de Nemours和商标为Kevlar的公司出售的材料。可以采用环氧树脂以提供塑料基质。在其它实施例中，塑料基质可包括从包括多醚酮醚(polyetheretherketone)和聚苯硫醚(polyphenylenesulfide)的组中选出的热塑性塑料或双马来酰亚胺(bismaleimide)。

虽然可以采用随机定向的纤维，但是因为结构轴构件主要需要轴向强度，所以可采用控制方向的纤维以提高轴向的刚度和结构强度。例如，可以采用编制纤维垫或连续定向线以保证至少最小量的纤维被对齐以在轴向提供更大的强度。

可以选择用于合成材料的纤维和塑料材料以提供重量低于传统金属元件的元件。较低的重量对于驱动效率有好处，因为驱动具有较轻驱动轴的泵需要较小的能量。此外，对于可移动设备，即使益处仅仅是微小的，也期望较轻的重量。

如已经指出的那样，设备100的特别有益的应用是可移动设施。一个原因是在可移动应用中，对存储容器的尺寸有限制，并且对于较小的容器来说，向制冷剂空间的热泄漏比向较大容器同样量的热泄漏更显著。图3是车辆燃料系统300的示意图，该系统在车上储存作为燃料供给到引擎的液化燃料气体。设备100与图1的设备相同，并且液化燃料气体从泵通过排出管152排出。液化气体在蒸发器310中蒸发，并在高压下以气态流过管312。车辆燃料系统300可以使用储槽320，其经由管322与管312流体连通。储槽320是保证有足够的以气态并且在足够的压力下为引擎供给燃料的压力容器。燃料调节模块330包括用来控制通过管332输送到燃料喷射阀340的气态燃料压力的调压装置。车辆燃料系统300可以用于任何消耗气态燃料的车辆，但是设备100在高于20MPa的压力下输送气体时尤其有效和有用，因此，车辆燃料系统300特别适合的应用是所谓的气态燃料直接喷射到燃烧室中的直喷引擎。

在其它实施例中，虽然未示出，但是泵可以是单动活塞泵，另一种类型的容积式泵，或者采用转轴的泵，例如离心泵。利用披露的驱动轴和/或结构布置可以实现本布置的相同优点，并且如果驱动轴往复或旋转的话，没有影响。

虽然已经展示和描述了本发明的特定元件、实施例和应用，但是应当理解，本发明不受其限制，因为本领域的技术人员在不脱离本公开的范围，特别是根据上述启示的情况下可做出各种变型。