专利角度分析大型液体容器防浪涌技术.pdf

-9-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期专利分析大型液体容器是工业上普遍使用的一类容器，多采用罐体形式，其所盛装的液体多为汽油、柴油等燃料或者一些强酸、强碱类的液体，也可用于盛装水等不具有危害性的液体。这类容器可通过货车、船舶等进行运输。对于油罐车而言，当油罐内没有装满液体时，油罐车在进行变速或转向行驶时，油罐里的液体在惯性的作用下会因晃动而发生重心偏移，从而撞击油罐的端壁或侧壁，不仅加大了油罐车启动和加速的难度，增加了刹车时的滑行距离，而且在急刹车和紧急转向的情况下，大容量油罐中的液体对罐壁的撞击力可能是巨大的，从而导致汽车侧翻、油罐损坏、爆炸、起火等危险，严重威胁到运输安全。因此，如何抑制大型液体容器中液体的浪涌现象尤为重要。大型液体容器防浪涌装置技术分支对大型液体容器防浪涌技术的全球专利进行研究，防浪涌的方式主要包括设置阻隔部件、限制波动空间以及其他方式，参见图 1。设置阻隔部件是指在大型液体容器内部设置额外的用于扰流的部件，从而当液体发生波动时能够用于缓解波动程度。该方式根据阻隔部件的结构可进一步分为防波板、多孔填充体和其他。对于防波板式，是指在容器内部固定设置的板状形式的阻隔部件，根据防波板的布置方向可分为纵向、横向、倾斜以及联合四类。对于多孔填充体式，是指用于填充到容器内部的具有多孔表面结构的填充材料。限制波动空间是指对于容器内部因未充满液体而剩余的行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度专利角度分析大型液体容器防浪涌技术朱新新 刘文丽朱新新 刘文丽（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心朱新新（1987），河北沧州，硕士，助理研究员，研究方向：机械领域专利审查和分析。刘文丽（1984），河北沧州，硕士，助理研究员，研究方向：机械领域专利审查和分析。图 1 大型液体容器防浪涌装置专利技术分支中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-10-专利分析可波动空间进行限制，从而使得液体几乎没有可晃动的空间以达到防浪涌的目的。根据具体手段可分为充满空间和隔离空间两类。其中，充满空间是指采用如充气气囊等部件将剩余空间占满，隔离空间是指采用可移动的隔板等部件，通过隔板的移动将剩余空间与充液空间隔离，从而使得充液空间成为充满状态。全球专利技术分支分析图 2 为不同防浪涌手段的大型液体容器防浪涌装置的全球专利技术分布情况。由左上图可知，93%的大型液体容器防浪涌装置采用设置阻隔部件的方式，限制波动空间的占5%。右上图中示出了不同结构类型的阻隔部件的大型液体容器防浪涌装置的专利分布国内外对比情况。无论是国内还是国外，采用防波板作为阻隔部件的技术均遥遥领先于采用其他类型阻隔部件的技术。对防波板的布置方向进行分析发现，国内专利中，纵向设置防波板的技术占比 84%，而国外专利中仅有 59%将防波板纵向设置（见右下图）。左下图示出了不同的限制波动空间的方式的大型液体容器防浪涌图 2 大型液体容器防浪涌装置全球专利技术分支图 3 防波板式大型液体容器防浪涌装置的技术发展路线图装置的专利分布国内外对比情况。此类技术中，无论国内还是国外，都是以充满空间的手段为主，且占比均超过 70%。设置阻隔部件的防浪涌手段在数量上占据绝对优势，并且在该分支中，采用防波板作为阻隔部件同样占重头比例，这可能是因为，防波板固定设置在液体容器内部，针对不同的被运输液体、容器的不同盛装比例等，都能够适用，无需在每次盛装液体时都进行调节，相对比较方便。相比之下，限制波动空间的防浪涌手段，由于其是根据盛装液体的多少来驱动相应的部件起作用，因此必须每次盛装液体时都进行调节，并且需要设置相应的控制机构，如气囊充气机构、隔板推动机构等，因此操作比较复杂。在防波板的布置方向方面，纵向设置的防波板占比最重，这与大型液体容器浪涌现象产生的原因有关。大型液体容器多采用陆路、海路运输，尤其在陆路运输时，浪涌现象的发生主要是由于车辆转弯、加速、急刹车等造成的，而这些情况通常是导致容器内液体在沿车辆行驶方向的 X 方向（如加速、急刹车时）或者在垂直于车辆行驶方向的 Y 方向（如转弯时）产生液面波动，对于这种液面波动，设置纵向的防波板可以很有效地在波浪运动的方向上对其进行阻挡，进而有效地防止浪涌现象。另外，车辆在行驶过程中，当路面不平或者轧到障碍物时容易引起颠簸，而海路运输时，船舶易在海洋波浪的作用下发生上下浮动，这些情况容易导致容器内液体沿垂直于水平面的 Z 方向进行波动，对于此类波动，设置横向防波板能够第一时间减弱液体的波动。设置阻隔部件防浪涌技术防波板式在该技术领域中，设置防波板作为阻隔部件是出现最早的防浪涌装置技术手段，在 1925 年公开的文献GB234062A 中记载了在液体容器内同时设置 X/Y 方向的纵向防波板，并且 X 方向的防波板为多组，每组防波板包括相对设置的两个防波板，防波板具有凹凸不平的表面，相邻两组防波板之间还设置有 Y 方向布置的平面防波板，这种交错设置的防波板有效地减缓了液体的波动，达到了防浪涌的目的；在 1977 年公开的文献 JPS5292910A 中，记载了在液体容器内同时设置纵向防波板以及横向防波板的技术手段，通过横向防波板与纵向防波板交叉设置，将液体容器内分为多个小隔间，有效的抑制液体波动；1998 年的文献 JPH10316195A 中记载了一种新的防波板形式，其采用周边硬质板体支撑中间挠性膜材来形成防波板，一方面降低了防波板的重量，实现轻量化，另一方面挠性膜材的使用使得防波板能够承受更大强度的冲击而不易损坏；2000 年，文献 CN2377221Y 中公开了一种车载液体槽罐防浪板，防浪板纵向固定在槽罐的内部，防浪板的四周焊接在槽罐的内壁上，防浪板上设有流动孔，防浪板的截面呈抛物线形状，能缓和甚至吸收开车时槽罐内液体对防浪板的波动和冲击；2008 年，文献 CN201027077Y 中公开了一种液罐车的横向防波装置，横向防波板呈浅碟形，能将液罐车内液体的摇晃所带来的冲击力向外扩张及向内压缩，使得冲击力能得到有效地吸收并被化解，同时横向防波板直接与筒体接触且-11-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期专利分析其外周缘形状与筒体一致，使得横向防波板与液罐车的筒体紧密接触，增强了横向防波板的抗冲击能力；2011 年，文献 CN201901372U 中提出了一种液体运输车用防波板，对公开号为 CN201027077Y 的专利进行改进，防波板具有轴线水平安置的圆锥筒状防波主板，其大端周圈与加强圈搭接焊连，加强圈与罐体内壁焊接，防波主板的锥角小于等于 72，从而使圆锥筒状板面具有足够的倾斜度，可以分散液体在车辆加速时的惯性冲击力，有效地减小液体波动对罐体带来的冲击，改善液体对防波板的冲击，使得防波板受力状况良好，还可以对罐体起到有效地加强作用，其安装方式可以有效减小防波主板与加强圈的焊缝以及加强圈与筒体的焊缝的受力，从而延长防波板和运输车罐体的使用寿命；2013 年公开的文献 CN103129864A 中提出了一种带防波板罐式集装箱，罐体的内部有三组防波板，每组防波板向罐式集装箱前端倾斜，使防波板与水平面成小于 90大于 45的夹角，每组防波板有左右对称的防波单元体组成，防波单元体与焊接在罐体内壁上的垫板固连，防波单元体剖面为波浪形或弧形，通过设置向罐式集装箱前端倾斜的防波板，能有效减弱因刹车引起的浪涌冲击力，改善防波板与罐体固定处的受力状况，避免防波板破损，或避免防波板从罐体内壁上脱落，或避免罐体内壁产生裂纹；2018 年，文献 CN207107508U 中公开了一种液罐车防波板，包括防波板、支撑板以及用来连接防波板、支撑板的柔性缓冲结构，支撑板的外侧与罐体的内壁形状相适配且支撑板通过焊接固定在罐体的内壁上，通过设置柔性缓冲结构，将之前防波板与支撑板的刚对刚碰撞改成了柔性碰撞，改善了防波板的受力情况，延长了使用寿命；2019 年公开的文献CN109436607A 中提出了一种压力容器，采用柔性端子对防波板进行固定，柔性端子具有很大的形变量，筒体应变强化时，柔性端子能随着筒体直径增大而被拉长，这样防波板就不会约束筒体应变强化形变的发展，使得应变强化充分均匀，应变强化后筒体表面呈微鼓形，防波板设置成球面板后也具有一定的形变量，也能起到不约束应变强化的作用，防波板能通过柔性端子可靠的固定于筒体中，从而可靠的对液体波动进行减缓；2020 年公布的文献 CN209905583U 中提出了一种罐车防波板，包括面板、设在筋板上的冲压孔、与冲压孔连接的冲压臂，面板左右端设有翼板，面板上下端设有折弯板，翼板、折弯板是防波板与罐体的焊接连接位置，面板四周都被焊接到罐体上，防波板连接更加牢固，整体使用冲压设备一次成型，省去了下料、折弯、焊接等工序，生产效率更高，成本更低，使用椭圆形模具，压制完成冲压臂为曲面形状，能够更好地缓冲液体波动冲击力。多孔填充体式多孔填充体是指带有许多孔隙的结构体，通常有球体、柱体等，通过众多的小孔隙来分散液体，从而达到抑制浪涌的目的。该技术最早出现在 1971 年公开的专利文献DE2102855A1 中，其记载了在容器内部填满球状体来抑制液体波动的技术方案；2004 年，文献 US2004134916A1中公开了一种液罐中的液体稳定装置，其采用三个互相垂直的带有若干孔的板体拼插而构成球体，并将多个球体置于液罐的液体中；2012 年，文献 CN102700872A 中公开了一种液罐车罐体的阻浪装置，阻浪装置为具有空腔的壳体，当罐内液体流经该壳体时，液体可从壳体上的通孔流入壳体内，从而减弱液体各个方向的波浪，实现三维空间的阻浪，阻浪装置由树脂、橡胶等重量轻、耐高温、耐腐蚀的弹性材料制成，可根据阻浪球的数量、大小以及形状来提高阻浪系数，使罐内的载荷分布趋于均匀，提高运输的安全性；2016年，文献 KR20160039054A 中公开了一种液体容器，其内部填充满了多孔填充体，多孔填充体的结构可以为球体、三棱锥、正方体等，也可以为大的多孔中空球壳内部还设置多个小的多孔球体的形式，此外，可以采用大小不同的多孔填充体来填充液体容器内部，具有良好的波浪抑制效果；同年，文献 CN205470865U 中公开了一种储油罐的防爆结构，其在容器内部填充了铝合金箔材拉伸而成的多空隙蜂窝状的大防爆柱体和小防爆柱体，利用蜂窝状结构把容器内腔分成许多很小的小隔室，减少浪涌现象；2019 年，文献CN208715994U 提出了对文献 CN205470865U 的改进方案，通过在钢制内罐的内部设置多个可伸缩的伸缩隔栅，多个伸缩隔栅将钢制内罐的内部隔成多个阻隔防爆室，多个阻隔防爆室内均堆叠有阻隔防爆材料卷，有效填充满钢制内罐内部，可阻止罐内油的晃动，并且该结构组装、拆卸便捷，且伸缩隔栅可回收利用，节约资源，并使阻隔防爆材料卷稳定固定在钢制内罐的内部，保证 SF 双层油罐阻隔防爆的稳定性和防爆效果。结语本文全面统计了大型液体容器防浪涌装置的全球专利申请，总结了大型液体容器防浪涌装置的多级技术分支，并对各分支专利申请情况进行全球专利分析。从分析中发现，大型液体容器防浪涌装置领域的技术从采用的防浪涌手段上看，呈现以设置阻隔部件为主、限制波动空间为辅的发展特点，而设置阻隔部件方式中又以采用防波板为主，多孔填充体的方式次之。从技术发展脉络来看，防波板与罐体的连接强度、防波板的结构强度、轻量化等一直处于改进中，是申请人的研究热点，也将是未来该技术领域中的发展方向。图 4 多孔填充体式大型液体容器防浪涌装置的技术发展路线图