三维壳结构体、具备其的压力容器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种用于储存和保管流体的压力容器(Pressure Vessel)及利用于该压力容器的三维壳结构体。所述三维壳结构体是一种压力容器用三维壳结构体，其内部被界面分离划分为包括相互扭缠的形态的第一子空间及第二子空间的两个子空间，所述压力容器用三维壳结构体的特征在于，所述两个子空间中的至少一个被设置为用于容纳流体的储存空间，且被设置为所述储存空间的子空间的露出于外部的部分中除了用于所述流体的引入及排出的部分外的部分被屏蔽板密封。根据本发明专利技术的压力容器，一方面将壳(shell)结构体构成为压力容器本体，所述壳结构体的内部被界面分离划分为相互扭缠的形态的两个子空间(subvolume)，且每个子空间具有连续的形态，另一方面将两个子空间独立地用作高压流体的储存空间或用于容纳或移动热交换介质的空间，使得壁厚较薄且相对于重量的储存体积较大的同时，具有优秀的耐压特性，与此同时，具有优秀的比表面积、流体渗透性及传热特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】三维壳结构体、具备其的压力容器及其制造方法
本专利技术涉及一种用于储存和保管流体的压力容器(PressureVessel)及利用于该压力容器的三维壳结构体。
技术介绍
通常，压力容器(PressureVessel)用于在内部储存和保管高压的流体。例如，对于诸如液体氧和氮的流体，工业气罐是承受120atm气压的压力的压力容器；对于原子能发电站的原子反应堆，工业气罐是保管315℃，160atm气压的水的压力容器，其最终生产转动发电用涡轮机的蒸汽。以往的压力容器形态通常被制作为圆柱形(cylinder)或球形(sphere)，以在具有较低的重量的同时能够承受高压。图1示出以往的通常的压力容器的圆柱形(cylinder)或球形(sphere)壳(shell)形状与当压力容器中的内部压力P起作用时在壳壁上产生的最大主应力之间的关系。然而，以往的圆柱形(cylinder)或球形(sphere)壳形状的压力容器1'具有以下几个问题。即，为了保管大量的高压的流体，需要使用由具有相应厚度的壳制成的容器，因此，当发生裂纹时，存在导致致命的爆炸事故的倾向。此外，外形局限于圆柱形(cylinder)或球形(sphere)壳(shell)形状，从而不利于固定在特定位置且占用较多的空间。此外，除了如同原子反应堆在内部直接产生热的情况外，构成压力容器1'的壳(shell)的与外气接触的表面局限于壳外廓面，且其比表面较少，致使向壳(shell)内外的传热特性较差，因而不利于根据压力容器1'的用途来加热或冷却压力容器1'内的流体。另一方面，1865年，德国的数学家H.A.Schwarz发表了一种在三维空间上不自行交叉而周期性地重复的曲面结构体，尤其平均曲率(meancurverture)为零(zero)的TPMS(TriplyPeriodicMinimalSurface：三周期极小曲面)。(GesammelteMathematischeAbhandlungen，Springer)。在这种情况下，所述平均曲率(meancurverture)指在三维面的一点相互垂直的两个方向的最大曲率和最小曲率的平均值，其表示三维面的弯曲程度。在1960年代，A.Schoen对此进行整理，并增加了几种新的TPMS(S.Hyde等人，TheLanguageofShape(形状的语言)，Elsevier(爱思唯尔)，1997年，ISBN:978-0-444-81538-5)。这样的TPMS存在多种形态，其中，如图2所示，在化学和生物领域中最具代表性地引用P、D及G表面。在自然界中，在水-乳化剂混合物、细胞薄膜、海胆表皮板、硅酸盐中间相等中发现TPMS，其中，大部分TPMS以分离两个相(phase)的界面的形态存在，而不以轻质多孔结构体的形态被人发现。进一步地，上述平均曲率(zeromeancurverture)为零的TPMS将空间分为分别连续的两个子空间(subvolume)，而两个子空间的体积比为1:1，即相同。在体积比不同的情况下，也可以定义划分两个子空间的平均曲率均一(constant)的最小表面积(minimalsurface)的曲面，该曲面亦称TPMS(参考文献：M.Maldovan和E.L.Thomas，“PeriodicMaterialsandInterferenceLithography(周期材料和干涉光刻)，2009WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA，ISBN:978-3-527-31999-2)。所述TPMS形态的曲面形成界面并划分空间而定义的两个子空间(subvolume)分别以连续且相互扭缠的形态存在。据知，倘若将壳(shell)结构体形成为TPMS形态，则在界面的任何位置均具有均一的平均曲率，从而，当外部荷重施加作用时，应力不会集中于某一部分，因而不会发生初期局部屈曲现象，且具有相对于重量的高强度(S.C.Kapfer，S.T.Hyde，K.Mecke，C.H.Arns，G.E.Schroder-Turk，Minimalsurfacescaffolddesignsfortissueengineering(组织工程的最小表面支架设计)，Biomaterials(生物材料)32(2011)6875-6882)。此外，被柔和的曲面包围的各子空间具有较宽的表面积，并且，当内部有流体流动时，渗透性(permeability)较高。因此，存在于两个子空间的边界的薄膜用作两个子空间之间的传热传质接口(heatandmasstransferinterface)的可能性较高。近来，曾提出作为制造TPMS形态的薄膜结构体的实用的工艺的两种值得关注的方法。KijuKang等人曾报道可以应用韩国专利第1341216号中提出的基于光刻制造薄膜的多面结构的方法来制造为类似于图2所图示的P表面的形态。此外，KijuKang等人曾在韩国专利第1699943中提出基于金属丝织造结构体的具有P表面及D表面的形态的薄膜结构体的制造技术。此外，KijuKang等人曾在韩国公开专利第10-2018-0029454号中提出基于有规律地排列的多个圆珠制造具有P表面、F-RD表面、以及IW-P表面的形态的薄膜结构体的制造技术。本专利技术人着眼于在被界面划分为两个子空间的壳(shell)结构体，尤其TPMS形态的壳结构体的情况下因具有均一的平均曲率而可以承受较高的内部压力的事实，预想当将这样的壳体结构体采用为压力容器时有望改善上述以往的圆柱形(cylinder)或球形(sphere)壳形状的压力容器中存在的各种问题，从而进行了本专利技术的研究。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的在于，提供一种相对于重量的储存体积大，同时具有优秀的耐压特性，并具有优秀的比表面积、流体渗透性及传热特性，且能够分割内部空间而按用途进行分离利用，且容器外观的设计自由度优秀的压力容器及其制造方法。技术方案为了解决上述课题，本专利技术人关注内部可以被界面分离划分为相互扭缠的形态的两个子空间(subvolume)且具有每个子空间连续的形态的壳(shell)结构体的几何结构，提出将两个子空间用作高压流体的储存空间或用于容纳或移动热交换介质的空间的方案，并确认到当这样的壳结构体尤其形成为TPMS时能够实现相对于重量的储存体积大的同时，具有优秀的耐压特性、比表面积、流体渗透性及传热特性的压力容器，并进行了本专利技术的研究。基于对上述待解决课题的识别和见解的本专利技术的要旨如下。(1)一种压力容器用三维壳结构体，其内部被界面分离划分为包括相互扭缠的形态的第一子空间及第二子空间的两个子空间，所述压力容器用三维壳结构体的特征在于，所述两个子空间中的至少一个被设置为用于容纳流体的储存空间，且被设置为所述储存空间的子空间的露出于外部的部分中除了用于所述流体的引入及排出的部分外的部分被屏蔽板密封。(2)根据上述(1)所述的压力容器用三维壳结构体，其特征在于，所述界面为三周期极小曲面(TPMS；TriplyPeriodicMinimalSurface)。(3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压力容器用三维壳结构体，其内部被界面分离划分为包括相互扭缠的形态的第一子空间及第二子空间的两个子空间，所述压力容器用三维壳结构体的特征在于，/n所述两个子空间中的至少一个被设置为用于容纳流体的储存空间，且被设置为所述储存空间的子空间的露出于外部的部分中除了用于所述流体的引入及排出的部分外的部分被屏蔽板密封。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180409 KR 10-2018-00411561.一种压力容器用三维壳结构体，其内部被界面分离划分为包括相互扭缠的形态的第一子空间及第二子空间的两个子空间，所述压力容器用三维壳结构体的特征在于，
所述两个子空间中的至少一个被设置为用于容纳流体的储存空间，且被设置为所述储存空间的子空间的露出于外部的部分中除了用于所述流体的引入及排出的部分外的部分被屏蔽板密封。


2.根据权利要求1所述的压力容器用三维壳结构体，其特征在于，
所述界面为三周期极小曲面。


3.根据权利要求1所述的压力容器用三维壳结构体，其特征在于，
除了所述储存空间外的其他子空间被设置为用于热交换介质的容纳或移动的空间。


4.根据权利要求1所述的压力容器用三维壳结构体，其特征在于，
所述屏蔽板具有平面或曲面轮廓。


5.根据权利要求4所述的压力容器用三维壳结构体，其特征在于，
所述屏蔽板向所述储存空间外部方向凸出或向所述储存空间内部方向凹陷。


6.一种压力容器，其特征在于，包括：
权利要求1至5中任一项所述的三维壳结构体；以及
入口及出口，其与所述储存空间连通而提供流体的引入及排出通道。


7.一种压力容器的制造方法，所述压力容器由内部被界面分离划分为包括相互扭缠的形态的第一子空间及第二子空间的两个子空间的壳结构体形成，且具有所述第一子空间及第二子空间中的某一个被设置为用于容纳流体的储存空间的结构，所述压力容器的制造方法的特征在于，包括：
(A)制作所述第一子空间和或第二子空间中的某一个填充有模板材料的形态的模板的步骤；
(B)在所述模板的整体表面形成第一涂膜的步骤；以及
(C)去除所述第一涂膜的一部分，以使模板材料露出后去除所述模板材料的步骤，
所述第一涂膜形成所述界面与所述壳结构体的外廓面。


8.根据权利要求7所述的压力容器的制造方法，其特征在于，
所述(A)步骤还包括：
在露出的模板材料连接出入口形成用杆件的步骤，
在所述(B)步骤，在所述模板材料及出入口形成用杆件的露出的表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜基洲，吴政翰，郑仑昌，
申请(专利权)人：全南大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国;KR