BR102018004714B1 - Recipiente de pressão, e, método para fabricar um recipiente de pressão - Google Patents

Abstract

Um recipiente de pressão 100 compreende placas de extremidade dianteira e traseira 1A, 1B e uma pluralidade de estruturas de recipiente de extremidade aberta 2A, 2B construídas de material compósito de matriz polimérica reforçado com fibra. As estruturas de recipiente de extremidade aberta 2A, 2B estão posicionadas adjacentes umas às outras de modo que seus eixos longitudinais estejam paralelos a uma direção longitudinal que se estende entre as placas de extremidade dianteira e traseira 1A, 1B, e as estruturas de recipiente de extremidade aberta 2A, 2B estão fechadas pelas placas de extremidade dianteira e traseira 1A, 1B. Um reforço externo 3 que compreende material compósito de matriz polimérico com fibras contínuas que se estendem longitudinalmente ao redor do recipiente de pressão 100 fixa as placas de extremidade dianteira e traseira às estruturas de recipiente 2A, 2B. Pelo menos uma das estruturas de recipiente 2A, 2B tem uma secção transversal parcialmente curvada num plano perpendicular ao seu eixo longitudinal, de modo que uma ou mais fissuras 4 sejam formadas entre as estruturas de recipiente 2A, 2B, percorrendo longitudinalmente entre as placas de extremidade dianteira e traseira 1A, 1B. As placas de extremidade dianteira e traseira são moldadas para permitir que o reforço externo 3 preencha pelo (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente descrição refere-se a recipientes de pressão, em particular, recipientes de pressão feitos de um material compósito de matriz polimérica. Esta divulgação diz respeito às características de economia de espaço e peso de tais recipientes de pressão.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Os cilindros de gás de alta pressão são comumente usados em aeronaves como uma forma de armazenamento de energia em muitos sistemas interiores, incluindo sistemas de inflação de paraquedas, cilindros de oxigênio e recipientes de pressão para sistemas de abertura de portas. Os cilindros de alta pressão nestes sistemas podem ser feitos de vários materiais, incluindo um ou mais de: materiais compósitos de matriz polimérica reforçada com fibra, aço, alumínio e titânio que usam reforço de fibra de Kevlar, vidro e/ou carbono, por exemplo, polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP).Um recipiente de pressão envolvente compósito (COPV) é um recipiente que consiste em um revestimento fino e não estrutural (por exemplo, de alumínio) enrolado com um material compósito estrutural reforçado com fibra. O forro fornece uma barreira entre o fluido pressurizado e o material compósito, evitando vazamentos (que podem ocorrer através de microfissuras da matriz) e degradação química da estrutura.

[003] O uso de materiais compósitos de matriz polimérica reforçada com fibra tipicamente oferece uma economia de peso em recipientes de pressão metálicos, por exemplo, cilindros de gás de tamanho similar. Isso é desejável devido ao consequente aumento da eficiência de combustível para a aeronave.

[004] Os cilindros de gás de alta pressão também são usados em automóveis para armazenar gás natural e as economias de peso produzidas usando materiais compósitos de matriz polimérica reforçada com fibras, em vez de materiais mais pesados, podem aumentar a eficiência de combustível e melhorar o desempenho (por exemplo, aceleração) do automóvel.

[005] A forma mais eficiente de peso para um recipiente de pressão, como um cilindro de gás comprimido, é realmente uma esfera, porém é muito mais comum que os recipientes de pressão sejam de forma cilíndrica devido às restrições de empacotamento. A eficiência espacial pode ser melhorada, organizando uma série de cilindros em uma disposição de recipiente de pressão amalgamado. O documento de n° 7,971,.740 fornece um exemplo de um conjunto de recipiente de pressão que integra uma pluralidade de estruturas de recipientes, cada um incluindo um forro cilíndrico aberto em ambas as extremidades e uma camada de resina reforçada com fibra em torno das paredes periféricas do forro. Os forros são integrados com flanges externos que permitem que as estruturas de recipiente adjacentes sejam unidas entre si. Os membros de extremidade em forma de cúpula feitos de alumínio ou resina são unidos aos flanges e permitem a comunicação de fluido entre as estruturas de recipiente. Para uma resistência à pressão mais elevada, uma camada secundária de resina reforçada com fibras é formada em todas as estruturas de recipiente por enrolamento de reforço impregnado de resina, por exemplo, fibras de vidro ou carbono (ou feixes de fibras) de forma circunferencial, axial e/ou helicoidal em torno do arranjo das estruturas de recipiente, usando um método de enrolamento de filamentos.

[006] Uma vantagem de formar estruturas de recipiente CFRP como tubos de extremidades abertas, em vez de cilindros tradicionais com extremidades com abóbada, é que não é necessário um revestimento separado para enrolar e os tubos podem ser enrolados por filamento em um mandril paralelo com fácil extração do mandril. Após a extração, os tubos podem ser cortados eficientemente em qualquer comprimento desejado antes de serem unidos em um conjunto de recipientes de pressão usando membros de extremidade ou coletores. O conjunto do recipiente de pressão visto no documento EUA 7,971,740 depende dos revestimentos das estruturas do vaso para fornecer os flanges que permitem que as estruturas sejam unidas e ligadas aos membros terminais em forma de cúpula, por exemplo, usando um método de união de agitação por fricção. Existe ainda a necessidade de formas melhoradas de formar um conjunto de recipientes de pressão desse tipo, em particular reduzindo um ou mais de: contagem de partes, peso e/ou custo.

RESUMO

[007] De acordo com a presente divulgação, é proporcionado um recipiente de pressão que compreende: placas frontais e traseiras; uma pluralidade de estruturas de recipientes de extremidade aberta, construídas de material compósito de matriz polimérica reforçada com fibras, as estruturas de recipiente de extremidade aberta posicionadas adjacentes entre si de modo que seus eixos longitudinais são paralelos a uma direção longitudinal que se estende entre as placas de extremidade dianteira e traseira e as estruturas de recipientes abertas sendo fechadas pelas placas dianteira e traseira; e um reforço externo que compreende material compósito de matriz de polímero com fibras contínuas que se estendem longitudinalmente ao redor do recipiente de pressão para fixar as placas de extremidade dianteira e traseira às estruturas de recipiente; em que pelo menos uma das estruturas de recipiente tem uma secção transversal parcialmente curvada num plano perpendicular ao seu eixo longitudinal, de modo que uma ou mais fissuras são formadas entre as estruturas de recipiente, percorrendo longitudinalmente entre as placas de extremidade dianteira e traseira; e em que as placas de extremidade dianteira e traseira são moldadas para permitir que o reforço externo preencha pelo menos parcialmente uma ou mais fissuras entre as estruturas de recipiente.

[008] Ao utilizar um reforço exterior que compreende fibras longitudinais contínuas para fixar as placas de extremidade dianteira e traseira às estruturas de recipiente, não é necessária nenhuma conexão estrutural, de ligação ou de outro tipo, entre as placas de extremidade e as estruturas de recipiente. A fabricação do recipiente de pressão pode, portanto, ser simplificada. Além disso, nenhuma carga axial é transmitida ao longo do comprimento das estruturas de recipiente, pois agora pode ser transportada pela fibra longitudinal no reforço externo. Como será discutido mais adiante, isso permite que as estruturas dos recipientes sejam otimizadas para somente o estresse de aro.

[009] O reforço externo pode ser formado de qualquer maneira adequada que resulte em fibras contínuas que se estendem longitudinalmente ao redor do recipiente de pressão. Em outras palavras, as fibras no revestimento de reforço externo em torno da parte externa do recipiente de pressão e se estendem longitudinalmente entre as placas de extremidade dianteira e traseira.

[0010] Isto significa que as fibras longitudinais podem transmitir cargas axiais entre as placas de extremidade sem que as estruturas de recipiente suportem quaisquer cargas axiais. O material compósito da matriz polimérica de reforço externo pode compreender ou consistir em polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). O reforço externo pode ser formado por enrolamento de fibras ou fitas de reforço impregnadas de resina (por exemplo, as chamadas "pré-impregnadas") em torno das placas de extremidade, por exemplo, usando uma técnica de enrolamento de filamento e depois curando a resina.

[0011] Em alguns exemplos, o reforço externo pode compreender uma ou mais faixas de reforço de material compósito de matriz polimérica, por exemplo, uma pluralidade de bandas espaçadas. Essas bandas de reforço podem ter uma largura lateral que é muito inferior à largura lateral do recipiente de pressão. Tais bandas de reforço podem ter uma largura lateral que corresponde às fissuras que correm longitudinalmente entre as estruturas dos recipientes.

[0012] Em alguns exemplos, o reforço externo pode compreender uma camada de material compósito de matriz polimérica. Essa camada pode ter uma largura lateral que corresponde substancialmente à largura lateral do recipiente de pressão. Tal camada pode preencher as fissuras que se deslocam longitudinalmente entre as estruturas de recipiente e se estendem lateralmente entre as fissuras adjacentes.

[0013] Será apreciado que o reforço externo que enche, pelo menos parcialmente, uma ou mais fissuras entre as estruturas de recipiente proporciona um benefício sobre o enchimento das fissuras com material não estrutural, aumentando o peso total. Além disso, as fissuras proporcionam convenientemente cavidades longitudinais para as fibras de reforço axial, o que significa que o enrolamento do reforço externo é simples de controlar e, portanto, automatizar. De preferência, o reforço externo enche completamente uma ou mais fissuras entre as estruturas de recipiente. O reforço externo pode, portanto, fornecer uma superfície externa plana, em vez de ondulada, para o recipiente de pressão. Isso pode facilitar a opção de aplicar reforço adicional, por exemplo, um reforço externo adicional de fibras de "aro", conforme descrito abaixo.

[0014] Como é discutido acima, uma vantagem do reforço externo que fornece fibras longitudinais contínuas para fixar as placas de extremidade dianteira e traseira às estruturas de recipiente é que é proporcionada uma conexão puramente mecânica. Isso pode ajudar com a certificação aeroespacial. Não são necessárias técnicas de junção química, como soldagem, ligação adesiva e junção de agitação por fricção. De preferência, não existe uma ligação adesiva entre as estruturas de recipiente e as placas de extremidade.

[0015] Além das estruturas de recipiente de extremidades abertas que são fechadas pelas placas de extremidade dianteira e traseira, o recipiente de pressão pode incluir vedações dispostas entre as extremidades abertas das estruturas de recipiente e as placas de extremidade, por exemplo, uma ou mais vedações de elastômero dispostas entre as placas de extremidade e cada uma das estruturas de recipiente. De preferência, tais vedações estão dispostas para evitar vazamento de fluido mesmo sob alta pressão interna. Num conjunto de exemplos, as placas de extremidade podem compreender uma pluralidade de flanges, cada flange estendendo-se para dentro ao longo da direção longitudinal para engatar com uma das estruturas de recipiente de extremidade aberta e transportar uma vedação. A vedação pode ser disposta em uma ranhura no flange. A vedação pode ser disposta sobre uma superfície externa ou interna do flange. Os flanges podem ser moldados para coincidir com as estruturas de recipientes de extremidades abertas. Por exemplo, cada flange pode ter uma secção transversal, num plano perpendicular ao eixo longitudinal de uma estrutura de recipiente correspondente, que corresponde substancialmente à sua estrutura de recipiente correspondente. Cada uma das placas de extremidade pode compreender uma pluralidade de flanges tendo uma ou mais formas diferentes em secção transversal, por exemplo para combinar uma pluralidade não uniforme de estruturas de recipientes. A forma em corte transversal das estruturas de recipiente é discutida mais adiante.

[0016] Em pelo menos alguns exemplos, as placas de extremidade dianteira e traseira também podem ser construídas de material compósito de matriz polimérica reforçado com fibra. No entanto, a fim de proporcionar a força de aro necessária, tais placas de extremidade provavelmente precisariam ser abobadadas para fora e, portanto, tomariam mais espaço. É preferível que as placas dianteiras e traseiras sejam feitas de metal.

[0017] Além disso, ou alternativamente, o requerente reconheceu que as placas de extremidade podem ser otimizadas para economia de espaço e economia de peso. Num conjunto preferido de exemplos, as placas de extremidade não se prolongam substancialmente lateralmente para além do diâmetro exterior das estruturas de recipiente. Além disso, ou alternativamente, num conjunto de exemplos preferido, as placas de extremidade são substancialmente planares, por exemplo, num plano perpendicular aos eixos longitudinais das estruturas dos recipientes. Isso pode minimizar o peso do material contribuído pelas placas de extremidade, o que é especialmente útil para placas de metal. No entanto, uma placa de extremidade plana normalmente inclui cantos entre seus lados planares e isso pode representar problemas para a sobreposição do reforço externo.

[0018] Além disso, ou, alternativamente, o requerente reconheceu que as placas de extremidade podem ser concebidas para evitar cortar ou danificar as fibras contínuas que se estendem longitudinalmente ao redor do recipiente de pressão para fixar as placas de extremidade dianteira e traseira às estruturas de recipiente. É desejável um caminho de invólucro reto ou curvo para as fibras longitudinais. Assim, num conjunto preferido de exemplos, pelo menos uma porção das placas de extremidade dianteira e traseira em contato com o reforço externo tem um perfil de seção transversal, em um plano paralelo aos eixos longitudinais das estruturas de recipiente, que não contém cantos, de modo que as fibras longitudinais não entrem em contato com bordas afiadas e potencialmente prejudiciais. Em outras palavras, pelo menos uma porção das placas de extremidade dianteira e traseira em contato com o reforço externo tem um perfil em corte transversal, em um plano paralelo aos eixos longitudinais das estruturas de recipiente, que é substancialmente curvado ou contém várias porções lineares de ângulo de aumento gradual.

[0019] Conforme descrito acima, uma função das placas de extremidade dianteira e traseira é fechar a pluralidade de estruturas de recipiente de extremidade aberta e fornecer uma conexão estrutural entre elas. Será apreciado que as estruturas de recipiente não precisam ser ligadas umas às outras. Nem as estruturas dos recipientes precisam se tocar, embora possa ser preferível que as estruturas dos vasos sejam dispostas em uma disposição de economia de espaço que limita o volume de espaço desperdiçado entre as estruturas de recipiente. Outra função possível das placas de extremidade dianteira e traseira é proporcionar uma conexão de fluido entre a pluralidade de estruturas de recipiente de extremidade aberta. Num conjunto de exemplos preferido, pelo menos uma das placas de extremidade dianteira e traseira compreende um caminho de fluxo de fluido entre pelo menos uma das estruturas de recipiente e outra uma ou mais das estruturas de recipiente. A pelo menos uma placa de extremidade pode compreender uma câmara interna conectada a cada uma da pluralidade de estruturas de recipiente de extremidade aberta. Pelo menos uma placa de extremidade pode, portanto, assumir a forma de um coletor. Além disso, pelo menos uma placa de extremidade pode opcionalmente compreender uma válvula que permite a entrada e/ou a saída de fluido para a pluralidade de estruturas de recipiente de extremidade aberta. Isso é benéfico, pois significa que as paredes das próprias estruturas de recipientes compósitos não precisam ser interrompidas por uma válvula.

[0020] As estruturas de recipiente podem ter qualquer forma adequada que compreende uma secção transversal parcialmente curvada num plano perpendicular ao seu eixo longitudinal. As estruturas dos recipientes podem não ter a mesma forma. De preferência, cada estrutura de recipiente é uma estrutura, de forma geral, longitudinal com uma razão de aspecto muito maior que um, em que a razão de aspecto é o comprimento da estrutura ao longo do seu eixo longitudinal dividido pela largura ou diâmetro da estrutura em um plano perpendicular ao seu eixo longitudinal. As estruturas dos recipientes podem ter geralmente uma forma cilíndrica, por exemplo, tomando a forma de tubos abertos. Pelo menos algumas das estruturas de recipiente podem ter uma seção transversal geralmente circular ou oval em um plano perpendicular aos seus eixos longitudinais. No entanto, o requerente percebeu que pode ser benéfico evitar uma geometria inteiramente circular para maximizar a eficiência de empacotamento para as estruturas dos recipientes que compõem o recipiente de pressão.

[0021] Num conjunto preferido de exemplos, pelo menos algumas das estruturas de recipientes compreendem pelo menos uma parede plana num plano perpendicular aos seus eixos longitudinais. Pelo menos algumas das estruturas de recipientes são preferencialmente orientadas de modo a ter uma parede plana em contato com outra parede plana de uma estrutura de recipiente adjacente. Isto significa que as estruturas dos vasos podem ser empacotadas mais estreitamente. É claro que cada estrutura de recipiente precisa ser capaz de suportar a pressão interna de um fluido dentro do recipiente de pressão. O candidato percebeu que a espessura da parede de cada estrutura do vaso pode ser reduzida quando tem uma parede plana em contato com a parede plana de uma estrutura de recipiente adjacente, uma vez que a espessura efetiva da parede é dobrada. Além disso, a pressão líquida sobre as paredes planas que estão em contato umas com as outras neste exemplo é igual à diferença entre as pressões nas estruturas de vasos adjacentes. Esta diferença pode ser inferior à diferença entre a pressão dentro de qualquer um dos recipientes adjacentes e a pressão externa, caso em que a força radial líquida nas paredes planas é menor que a força radial nas paredes externas. Como resultado, as tensões de aro globais dentro das paredes de cada estrutura do recipiente são reduzidas e, portanto, a espessura da parede pode ser reduzida.

[0022] Nos exemplos em que as pressões dentro das duas estruturas de vaso são substancialmente iguais, por exemplo em exemplos que compreendem um caminho de fluxo de fluido entre as estruturas de recipiente, a força radial líquida nas paredes planas é reduzida a substancialmente zero. Enquanto as forças radiais ainda atuam nas paredes curvas, como resultado, as tensões de aro geral nas estruturas do vaso são reduzidas e suas espessuras de parede podem ser minimizadas, resultando em menor peso. Isto pode ser convenientemente conseguido por pelo menos uma das placas de extremidade proporcionando um tal caminho de fluxo de fluido, como mencionado acima.

[0023] Em alguns exemplos, pelo menos algumas das estruturas de recipientes compreendem uma forma de losango num plano perpendicular aos seus eixos longitudinais, a forma de losango compreende a primeira e segunda paredes planas paralelas e paredes curvas que conectam as primeira e segunda paredes planas paralelas. De preferência, estas estruturas de recipientes estão dispostas lado a lado em contato uma com a outra no recipiente de pressão, de modo que as paredes curvas formem as fissuras entre as estruturas de recipiente que correm longitudinalmente entre as placas de extremidade dianteira e traseira.

[0024] É mencionado acima que uma forma de losango pode ser preferida para as estruturas de recipiente, pois significa que podem ser embaladas de forma mais eficiente, lado a lado, com uma espessura reduzida para as paredes planas. Estruturas de recipientes construídas com material compósito de matriz polimérica reforçado com fibras, por exemplo. CFRP, são tipicamente feitas usando um processo de enrolamento de filamentos. Uma forma de pastilha pode ser proporcionada por um mandril de forma adequada em torno do qual o reforço de fibra é enrolado. No entanto, isso significa que todas as paredes (planas e curvas) da estrutura do recipiente geralmente têm a mesma espessura da parede. As paredes curvas externas não estão em contato com paredes adjacentes e devem, portanto, ter uma espessura de parede projetada para suportar a pressão interna esperada. As paredes planas só podem ser mais finas do que as paredes curvas, implementando etapas de fabricação adicionais, por exemplo, para engrossar as paredes curvas. Isso torna difícil aproveitar a espessura de parede dupla fornecida pelas paredes planas internas. O requerente percebeu que a espessura da parede das paredes curvas pode ser reduzida pela adição de um outro reforço externo que compreende material compósito de matriz polimérica com fibras contínuas que se estendem circunferencialmente ao redor do recipiente de pressão. Este outro reforço externo pode envolver sobre as paredes curvas externas das estruturas de recipiente que têm uma forma de losango. Isto significa que a espessura da parede das estruturas individuais do recipiente pode, então, ser ajustada pelos requisitos das paredes planas internas, melhorando assim a eficiência do peso.

[0025] Tal reforço externo adicional pode aumentar de forma vantajosa a resistência geral do "aro" do recipiente de pressão independentemente da forma em corte transversal das estruturas de recipiente. Assim, em vários exemplos, o recipiente de pressão pode compreender um outro reforço externo que compreende material compósito de matriz polimérica com fibras contínuas que se estendem circunferencialmente ao redor do recipiente de pressão. As fibras neste reforço externo adicional podem ser fibras de "aro" de ângulo alto, por exemplo, estendendo-se com um ângulo de pelo menos 80° em relação aos eixos longitudinais das estruturas de recipiente. De preferência, as fibras no reforço externo adicional são orientadas substancialmente perpendiculares, ou seja, aproximando 90°, aos eixos longitudinais das estruturas de recipiente. De preferência, as fibras do "aro" no reforço externo adicional estendem-se ao redor de todo o recipiente de pressão. Será apreciado que estas fibras de "aro" podem ser impedidas de cair nas fissuras entre as estruturas de recipiente, porque as fibras longitudinais de reforço externo subjacentes preenchem pelo menos parcialmente, de preferência completamente, as fissuras entre as estruturas de recipiente.

[0026] Em alguns exemplos, as fibras de "aro" que proporcionam o reforço adicional podem não assumir a forma de um reforço externo e podem, em vez disso, ser enroladas circunferencialmente em torno do recipiente de pressão antes do reforço externo de fibras longitudinais ser aplicado para fixar as placas de extremidade dianteira e traseira à estrutura do recipiente. Em tais exemplos, o recipiente de pressão pode compreender um reforço interno que compreende material compósito de matriz polimérica com fibras contínuas que se estendem circunferencialmente ao redor do recipiente de pressão. Esse reforço interno pode ser aplicado usando a colocação automatizada de fibras (AFP) em vez de enrolamento de filamentos. Será apreciado que estas fibras de "aro" podem seguir os contornos das fissuras, resultando em uma superfície ondulada com fissuras que seguem as fissuras subjacentes entre as estruturas dos recipientes. Quando o reforço externo das fibras longitudinais é formado sobre o reforço interno, as fibras longitudinais enchem essas fissuras do mesmo modo que descrito anteriormente.

[0027] O material compósito da matriz polimérica de reforço externo adicional pode compreender ou consistir em polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). O reforço externo adicional pode ser formado por enrolamento de fibras ou fitas de reforço impregnadas de resina (por exemplo, as chamadas "pré-impregnadas") em torno das estruturas de recipientes, por exemplo, usando uma técnica de enrolamento de filamento e depois curando a resina. De preferência, o reforço mais externo é proporcionado entre as placas dianteira e traseira e, de preferência, não se enrola sobre as placas de extremidade.

[0028] Em alguns exemplos, o reforço externo adicional pode compreender uma ou mais faixas de reforço de material compósito de matriz polimérica. Em alguns exemplos, o reforço externo pode compreender uma camada contínua de material compósito de matriz polimérica.

[0029] De acordo com a presente divulgação, as estruturas de recipiente de extremidade aberta são construídas de material compósito de matriz polimérica reforçado com fibra. As estruturas de recipiente podem compreender tal material compósito em combinação com outro material, por exemplo, uma estrutura de recipiente de material compósito com um revestimento interno de metal. No entanto, é preferível que as estruturas de recipiente consistam exclusivamente em material compósito com matriz polimérica reforçado com fibra. Em outras palavras, as estruturas dos recipientes são preferivelmente sem revestimento. Isso pode otimizar a proporção resistência/peso do recipiente de pressão. Em qualquer um destes exemplos, as estruturas de recipiente podem ser feitas de qualquer material compósito de matriz polimérica adequado. O material composto de matriz polimérica é preferencialmente um material composto de matriz polimérica reforçado com fibra, por exemplo, compreendendo fibras de vidro ou de carbono. Em muitos exemplos, o material composto da matriz polimérica é um polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). Tais materiais são inerentemente resistentes à corrosão e proporcionam uma grande economia de peso e um desempenho de fadiga melhorado.

[0030] As estruturas de recipiente abertas podem ser feitas usando qualquer técnica de fabricação adequada. Um material composto de matriz de polímero reforçado com fibras pode ser formado por trançamento, colocação automática de fibras (AFP) ou técnicas de enrolamento pré-impregnado. No entanto, em exemplos preferidos, as estruturas de recipientes são estruturas de filamentos enrolados. As técnicas de enrolamento de filamentos são particularmente adequadas para fazer estruturas de recipientes de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP).

[0031] Uma estrutura de recipiente compósito de filamento enrolado pode ser formada de modo a otimizar sua força de aro. Em um processo típico de enrolamento de filamentos para um recipiente de pressão, as fibras de carbono são enroladas ao redor de um mandril circunferencialmente em um ângulo superior a 80°, por exemplo, ângulos próximos de 90°. Consequentemente, cada uma das estruturas de recipiente é de preferência construída de um polímero reforçado com fibras no qual as fibras são orientadas substancialmente perpendiculares aos eixos longitudinais das estruturas de recipiente. Isto significa que as estruturas dos recipientes são estruturalmente otimizadas para a pressão interna esperada do recipiente geral.

[0032] De acordo com a presente divulgação, é ainda proporcionado um método de fabricação de um recipiente de pressão, em que o método compreende: posicionar uma pluralidade de estruturas de recipiente de extremidade aberta construídas de material compósito de matriz polimérica reforçado com fibra para que sejam adjacentes umas às outras, de modo que seus eixos longitudinais sejam paralelos; fechar as estruturas de recipiente abertas com placas de extremidade dianteira e traseira; em que pelo menos uma das estruturas de recipiente tem uma secção transversal parcialmente curvada num plano perpendicular ao seu eixo longitudinal, de modo que uma ou mais fissuras são formadas entre as estruturas de recipiente, percorrendo longitudinalmente entre as placas de extremidade dianteira e traseira; e aplicar um reforço externo que compreende material compósito de matriz polimérica por enrolamento de fibras contínuas para se prolongar longitudinalmente ao redor do recipiente de pressão para fixar as placas de extremidade dianteira e traseira às estruturas de recipiente, em que as placas de extremidade dianteira e traseira são moldadas para permitir que o reforço externo preencha, pelo menos parcialmente, uma ou mais fissuras entre as estruturas de recipiente.

[0033] Será apreciado que a etapa de aplicação do reforço externo compreenderá tipicamente o aquecimento/cura do material compósito da matriz polimérica. Consequentemente, o reforço externo pode atuar para manter todos os componentes do recipiente de pressão juntos e formar uma ligação mecânica entre as estruturas de recipiente e as placas de extremidade, por exemplo, sem qualquer ligação adesiva. O reforço externo pode atuar como um componente de carga axial para o recipiente de pressão, de modo que as estruturas do vaso precisam apenas suportar o estresse de aro resultante do volume de fluido contido. Para melhorar a resistência do aro do recipiente de pressão, o método pode ainda compreender: aplicar um outro reforço externo que compreende material compósito de matriz polimérica por enrolamento de fibras contínuas para que se prolonguem circunferencialmente em torno do recipiente de pressão. Este reforço externo adicional ("aro") pode ser aplicado antes de curar o reforço externo ("axial") de fibras longitudinais ou depois, por exemplo, em uma etapa de fabricação subsequente.

[0034] As etapas do método, de acordo com a presente divulgação, podem ser realizadas utilizando qualquer técnica de fabricação adequada. Um material composto de matriz de polímero reforçado com fibras pode ser formado por trançamento, colocação automática de fibras (AFP) ou técnicas de enrolamento pré-impregnado. No entanto, em exemplos preferidos, a aplicação do reforço externo (e opcionalmente o reforço externo adicional) compreende o enrolamento de filamentos. As técnicas de enrolamento de filamentos são particularmente adequadas para a fabricação de componentes estruturais compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). DESCRIÇÃO DETALHADA

[0035] Um ou mais exemplos não-limitantes serão agora descritos, com fins exclusivamente exemplificativos e com referência às figuras anexas em que: A Figura 1 mostra uma vista explodida de um recipiente de pressão, de acordo com um exemplo da presente divulgação; A Figura 2 mostra uma vista em corte frontal do recipiente de pressão; A Figura 3 mostra uma vista em corte transversal lateral de parte do recipiente de pressão; e A Figura 4 é uma vista em corte transversal esquemática de uma extremidade do recipiente de pressão da Fig. 1, tomada no plano indicado pelas setas (F4) dessa figura.

[0036] A Fig. 1 mostra uma vista explodida de um recipiente de pressão 100, de acordo com um exemplo da presente divulgação. O recipiente de pressão 100 compreende: uma pluralidade de estruturas de recipientes tubulares 2A, 2B; placas de extremidade dianteira e traseira 1A, 1B; envoltório de fibra longitudinalmente enrolado 3 e envoltório de fibra de aro enrolado 7. As estruturas de recipiente 2A, 2B estão abertas em cada extremidade e estão dispostas de modo a que os seus eixos longitudinais estejam paralelos entre si. Elas são fabricadas a partir de compósitos poliméricos reforçados com fibra de carbono com um alto ângulo de enrolamento (por exemplo, > 80° do eixo longitudinal), de modo que tenham alta resistência às tensões de aro.

[0037] Na Fig. 1 pode ver-se que as placas de extremidade 1A, 1B estão posicionadas para fechar as extremidades abertas de cada estrutura de recipiente 2A, 2B. Neste exemplo, as placas de extremidade 1A, 1B têm um perfil exterior que corresponde à seção transversal das extremidades da pluralidade de estruturas de recipiente 2A, 2B. A fibra longitudinal 3 é enrolada axialmente sob tensão em torno do recipiente de pressão 100 para manter as placas de extremidade 1A, 1B em contato com as extremidades dos tubos 2A, 2B de tal modo que as estruturas de recipiente sejam vedadas para fechar. Uma vedação de elastômero pode ser posicionada entre cada placa de extremidade 1A, 1B e as estruturas de recipiente (2A, 2B) para proporcionar fechamento com maior resistência à pressão. Um exemplo de disposição de vedação é mostrado na Fig. 3.

[0038] A fibra longitudinal 3 é enrolada de tal modo que preenche as fissuras 4 entre as estruturas de recipiente 2A, 2B que são formadas pela curvatura das paredes. Isso evita que a fibra longitudinal 3 escorregue do recipiente de pressão 100 e seja mais eficiente em termos de espaço do que deixar vazios ou encher as fissuras 4 com material não estrutural que não contribua para a resistência do recipiente de pressão 100. Além disso, as fissuras 4 permitem uma maior automação do processo de enrolamento durante a fabricação.

[0039] A Fibra 7 também é enrolada em torno do recipiente na direção do "aro" (circunferencial) sob tensão, proporcionando força de aro adicional e permitindo que as estruturas de recipiente 2A, 2B sejam construídas com paredes mais finas, mantendo o mesmo nível de resistência à pressão. Isto pode ser enrolado após a fibra longitudinal 3 durante a fabricação, de modo que as fissuras 4 são preenchidas e a flacidez da camada reforçada com fibra de aro 7 é evitada.

[0040] Conforme visto na FIG. 2, a pluralidade de estruturas de recipiente tubulares compreende tubos exteriores 2A e tubos interiores 2B, que têm diferentes formas de secção transversal, de modo que as interfaces de tubo-tubo interiores 6 sejam substancialmente planas e as paredes de tubo exteriores 8 sejam curvas. Em uso, a pressão dentro de cada uma das estruturas de recipiente compósito pode ser substancialmente a mesma, de modo que as tensões de aro nas paredes entre recipientes 6 sejam substancialmente reduzidas.

[0041] A Figura 3 mostra uma secção transversal lateral de uma porção de extremidade de um recipiente de pressão em que uma placa de extremidade 1 fecha uma estrutura de recipiente de extremidade aberta 2. A placa de extremidade 1 é um coletor que compreende uma câmara interna 14 e uma válvula 10. Uma vedação elastomérica 9, por exemplo um anel em O, está disposta entre a placa de extremidade 1 e a estrutura de recipiente 2. A placa de extremidade 1 tem um flange 15 que se prolonga axialmente no interior da estrutura de recipiente 2 para proporcionar uma superfície circunferencial que transporta a vedação elastomérica 9. O flange 15 inclui uma ranhura usinada 12 que segura a vedação do anel de vedação O 9. A estrutura do vaso composto 2, portanto, "flutua" na vedação de elastômero 9 ao invés de ser ligada adesivamente à placa de extremidade 1. Isso forma uma conexão mecânica entre as estruturas de recipientes compósitos e as placas de extremidade.

[0042] A câmara interna 14 liga o interior da estrutura de recipiente 2 às outras estruturas de vaso (não mostradas) do recipiente de pressão. Isso permite que o fluido flua entre as estruturas de recipiente, de modo que eles compreendam um grande volume. A válvula 10 está montada numa extremidade do canal 14 e é operável para controlar a entrada e saída de gás do recipiente de pressão. A válvula 10 compreende uma porção rosqueada 11 e a placa de extremidade 1 tem uma porção rosqueada de forma semelhante para permitir que a válvula seja fixada à placa de extremidade e para vedar a câmara interna 14. A válvula pode ainda compreender uma ou mais juntas elastoméricas (não mostradas) para proporcionar uma vedação com uma maior resistência à pressão. Durante o uso, a câmara interna 14 proporciona um caminho de fluxo de fluido entre as estruturas de recipiente 2 e, como resultado, a pressão dentro de cada estrutura de recipiente pode ser igual.

[0043] A Figura 4 mostra esquematicamente a forma como o envoltório de fibras longitudinalmente enroladas 3 situa-se ao longo do perfil em secção transversal 40 da placa de extremidade 1 e na fissura entre as estruturas de recipiente 2A, 2B. O perfil em secção transversal 40 da placa de extremidade 1 é curvado e a borda externa está alinhada com o diâmetro externo das estruturas de recipiente 2A, 2B, de modo que o percurso seguido pela fibra 3 não contém ângulos afiados, o que poderia levar ao desgaste e falha. Neste exemplo, o perfil em secção transversal 40 da placa de extremidade 1 segue uma curva lisa, mas também pode ser chanfrado ou formado por várias seções retas, desde que o perfil geral de seção transversal 40 não contenha ângulos afiados, por exemplo, ângulos inferiores a 110°.

Claims (15)

1. Recipiente de pressão (100), que compreende: placas frontais e traseiras (1A, 1B); uma pluralidade de estruturas de recipientes (2A, 2B) de extremidade aberta, cada estrutura de recipientes construída de material compósito de matriz polimérica reforçada com fibras e tendo um eixo longitudinal que se estende entre suas extremidades abertas, as estruturas de recipiente (2A, 2B) de extremidade aberta posicionadas adjacentes entre si de modo que seus eixos longitudinais estejam paralelos a uma direção longitudinal que se estende entre as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B) e as estruturas de recipientes (2A, 2B) abertas são fechadas pelas placas dianteira e traseira (1A, 1B); e um reforço externo (3) que compreende material compósito de matriz de polímero com fibras contínuas que se estendem longitudinalmente ao longo da direção longitudinal e ao redor do recipiente de pressão (100) para fixar as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B) às estruturas de recipiente (2A, 2B); o recipiente de pressão (100) caracterizado pelo fato de pelo menos uma das estruturas de recipiente (2A, 2B) tem uma secção transversal parcialmente curvada em um plano perpendicular ao seu eixo longitudinal, de modo que uma ou mais fissuras (4) sejam formadas entre as estruturas de recipiente (2A, 2B), percorrendo longitudinalmente ao longo da direção longitudinal entre as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B); e em que as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B) são moldadas em um plano perpendicular à direção longitudinal de modo que o reforço externo (3) esteja preenchendo pelo menos parcialmente uma ou mais fissuras (4) entre as estruturas de recipiente (2A, 2B).

2. Recipiente de pressão (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reforço externo (3) compreende uma camada de material compósito de matriz polimérica.

3. Recipiente de pressão (100) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o reforço externo (3) preenche completamente as uma ou mais fissuras (4) entre as estruturas de recipiente (2A, 2B).

4. Recipiente de pressão (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende ainda vedações (9) dispostas entre as extremidades abertas das estruturas de recipiente (2A, 2B) e as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B).

5. Recipiente de pressão (100) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B) compreendem uma pluralidade de flanges (15), cada flange estendendo-se para dentro ao longo da direção longitudinal para engatar com uma das estruturas de recipiente de extremidade aberta (2A, 2B) e transportar uma das vedações (9).

6. Recipiente de pressão (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B) são substancialmente planas.

7. Recipiente de pressão (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção das placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B) em contato com o reforço externo (3) tem um perfil em corte transversal, em um plano paralelo aos eixos longitudinais das estruturas de recipiente (2A, 2B), que é substancialmente curvado.

8. Recipiente de pressão (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B) compreende um caminho de fluxo de fluido entre pelo menos uma das estruturas de recipiente (2A, 2B) e outra uma ou mais das estruturas de recipiente (2A, 2B).

9. Recipiente de pressão (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das estruturas de recipientes (2A, 2B) compreendem pelo menos uma parede plana num plano perpendicular aos seus eixos longitudinais e estão orientadas de modo a ter uma parede plana em contato com outra parede plana de uma estrutura de recipiente (2A, 2B) adjacente.

10. Recipiente de pressão (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das estruturas de recipientes (2A, 2B) compreendem uma forma de losango em um plano perpendicular aos seus eixos longitudinais, a forma de losango compreende a primeira e segunda paredes planas paralelas e paredes curvas que conectam as primeira e segunda paredes planas paralelas.

11. Recipiente de pressão (100) de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que as estruturas de recipientes (2A, 2B) estão dispostas lado a lado em contato uma com a outra no recipiente de pressão (100), de modo que as paredes curvas formem as fissuras (4) entre as estruturas de recipiente (2A, 2B) que correm longitudinalmente entre as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B).

12. Recipiente de pressão (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende um reforço adicional (7) que compreende material compósito de matriz polimérica com fibras contínuas que se estendem circunferencialmente em torno do recipiente de pressão (100).

13. Recipiente de pressão (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada uma das estruturas de recipiente (2A, 2B) é construída de um polímero reforçado com fibras em que as fibras são orientadas substancialmente perpendiculares aos eixos longitudinais das estruturas de recipiente (2A, 2B).

14. Método para fabricar um recipiente de pressão (100), o método compreendendo: posicionar uma pluralidade de estruturas de recipiente (2A, 2B) de extremidade aberta, cada estrutura de recipientes construída de material compósito de matriz polimérica reforçado com fibra e tendo um eixo longitudinal que se estende entre suas extremidades abertas, para que sejam adjacentes umas às outras, de modo que seus eixos longitudinais estejam paralelos; fechar as estruturas de recipiente (2A, 2B) abertas com placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B); o método caracterizado pelo fato de pelo menos uma das estruturas de recipiente (2A, 2B) tem uma secção transversal parcialmente curvada num plano perpendicular ao seu eixo longitudinal, de modo que uma ou mais fissuras (4) sejam formadas entre as estruturas de recipiente (2A, 2B), percorrendo longitudinalmente ao longo de uma direção longitudinal entre as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B); e aplicar um reforço externo (3) que compreende material compósito de matriz polimérica por enrolamento de fibras contínuas para se prolongar longitudinalmente ao longo da direção longitudinal e ao redor do recipiente de pressão (100) para fixar as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B) às estruturas de recipiente (2A, 2B), em que as placas de extremidade dianteira e traseira (1A, 1B) são moldadas em um plano perpendicular a direção longitudinal de modo que o reforço externo (3) esteja preenchendo, pelo menos parcialmente, uma ou mais fissuras (4) entre as estruturas de recipiente (2A, 2B).

15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende: aplicar um outro reforço externo (7) que compreende material compósito de matriz polimérica por enrolamento de fibras contínuas para que se prolonguem circunferencialmente em torno do recipiente de pressão (100).