CN101855488A - 受压流体容器以及生产一个这种容器的方法及装置 - Google Patents

受压流体容器以及生产一个这种容器的方法及装置 Download PDF

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Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
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Abstract

本发明特别涉及一种用于储存处于高压条件下的流体的容器(1)，所述容器(1)基本为圆柱形形状并且具有圆形横截面。所述容器的纵向轴线(2)的每一个端部包括金属端部件(3、4)、环绕每一个端部件的衬套(6)以及由渗透有热固树脂的纤维制成的结构层(7)，所述结构层(7)环绕所述衬套。

Description

受压流体容器以及生产一个这种容器的方法及装置
技术领域
本发明涉及处于压力下的流体的储存。其主要但不只是能够应用于诸如燃料电池车辆的道路车辆中的气态氢的储存。
背景技术
在该领域，批量生产这种车辆的诸多困难之一是容器的设计，这是因为由这些车辆所携带的氢容器会承受高达700巴(bar)的工作压力，并且必须满足密封安全的要求，从而使撞击、意外碰撞或者火灾的后果最小化。例如，当该容器在牵涉车辆的事故中被损坏时，或者当火器发射的弹射物穿过该容器时，该容器需要逐步释放其压力，而不会发生爆炸，并且不会产生严重的撕裂。在由车辆火灾所引起的该容器内盛放的气体温度上升的情况下，具有同样的需要。
另一个目的是以合理成本(例如，以机动车辆应用所能接受的成本)取得对这种容器的规模生产。
发明内容
为此，本发明提出一种用于储存处于高压下的流体的容器，所述容器整体上具有圆柱外形并且具有圆形横截面，所述容器包括：金属端部件，所述金属端部件沿着所述容器的轴线位于所述容器的端部的每一个处；衬套，所述衬套包围所述端部件；渗透有热固树脂的纤维的结构层，所述结构层包围所述衬套，每一个端部件包括靠在所述衬套上的外部支撑表面，所述支撑表面包括非圆柱部分，所述容器的内部压力倾向于使所述端部件压靠在所述衬套上。
优选地，每一个端部件进一步包括弹性密封件，所述弹性密封件设置在所述端部件的外部表面的非圆柱部分的环形凹槽中，所述容器的内部压力趋向于使所述端部件压靠在所述衬套上，从而挤压所述密封件。优选地，所述密封件为O型圈。
优选地，所述结构层为碳纤维层。同样优选地，所述容器进一步包括玻璃纤维的外部保护层，所述外部保护层包围所述结构层。
优选地，所述结构层由缠绕所述衬套的纤维带构成，并且在合适的条件下，所述保护层也由缠绕所述衬套的纤维带构成。
优选地，所述衬套由聚酰胺制成，厚度小于或等于3mm，更优选地，小于1.5mm。
优选地，对于每一个端部，位于所述结构层外部并固定到所述端部件的筒节(shell ring)在轴向上将所述端部件支持在适当位置上。
优选地，对于每一个端部，环箍保持所述衬套的每一个端部在径向上压靠所述端部件。
优选地，所述端部件的外径基本相当于所述容器的内径。
本发明还涉及制造用于储存高压流体的容器的方法，所述容器整体上具有圆柱外形并且具有圆形横截面，所述容器围绕轴线包括衬套和结构层，所述方法包括多个步骤，这些步骤连续地包括：
·将金属端部件设置在管体内部，所述管体将要形成所述衬套，
·局部地减小所述管体的直径，从而使所述管体的端部的形状变化为所述端部件的形状，
·在所述衬套的周围缠绕渗透有热固树脂的至少一条纤维带，从而形成所述容器的所述结构层。
优选地，所述方法进一步包括一个步骤，该步骤包括：将弹性密封件设置在所述端部件的径向外部表面的环形凹槽中，所述外部表面面对将要形成所述衬套的所述管体。
优选地，所述方法进一步包括一个步骤，该步骤包括：在所述管体的端部周围设置箍环，所述管体的端部形成在所述端部件上。
优选地，所述方法进一步包括一个步骤，该步骤在于：在所述结构层的周围缠绕渗透有热固树脂的第二条纤维带，从而形成所述容器的保护性的外部层。优选地，所述第二条纤维带与所述第一条纤维带联结。
优选地，在缠绕所述带的同时，在预成型件的容积中维持内部压力，所述预成型件由所述衬套以及所述端部件构成。
优选地，在缠绕所述带的同时，在预成型件上维持径向牵引力，所述预成型件由所述衬套以及所述端部件构成。
优选地，相对于预成型件的轴线基本对称地同时缠绕两条带，所述预成型件由所述衬套以及所述端部件构成。
优选地，为了进行所述缠绕，由所述衬套以及所述端部件构成的预成型件围绕其轴线旋转，所述预成型件由所述端部件所保持，所述带由移动装置引导，所述移动装置能够平行于所述预成型件的轴线而移动。
优选地，所述预成型件的轴线在缠绕的过程中基本保持水平。
本发明还涉及用于在预成型件周围缠绕纤维带的装置，所述预成型件整体上具有圆柱外形并且具有圆形横截面，所述装置包括：
·旋转支架，所述旋转支架能够通过其端部来支持所述预成型件，
·旋转装置，所述旋转装置使所述旋转支架围绕所述预成型件的轴线旋转，
·供应设备，所述供应设备用于供应渗透有树脂的纤维带，
·移动装置，所述移动装置用于使所述供应设备与所述预成型件的轴线平行地移动。
优选地，所述纤维带供应设备包括用于使液态树脂渗透所述带的设备。
同样优选地，所述渗透设备利用液态树脂的至少一个喷流器(cascade)，该喷流器设置为使所述带穿过该喷流器。
同样优选地，所述渗透设备使用多个喷流器，这些喷流器设置为使所述带依次穿过这些喷流器。
优选地，所述带经由孔眼从所述渗透设备中引出，所述孔眼能够引导用于缠绕在所述预成型件周围的所述带。
优选地，所述旋转支架能够使轴向张力施加在所述预成型件上。
优选地，所述旋转支架在所述预成型件内部维持气体压力。
优选地，所述装置进一步包括用于供应纤维带的第二设备。同样优选地，所述第二带供应设备与所述第一供应设备相对于所述预成型件的轴线对称地设置。
附图说明
通过某些优选实施方案的描述，本发明的其它特征和优点将得以阐明。附图分别显示了：
-图1：根据本发明的容器的局部横截面；
-图2：将要形成图1中的容器的衬套的管体的立体图；
-图3至8：连续地显示根据本发明的方法的制造所述容器的各个步骤的视图；
-图9：根据本发明的方法的用于制造容器的装置的整体布置；
-图10：图9中的装置的细节视图，具体显示了对所述带进行渗透的装置。
具体实施方式
图1为经过容器1的轴线2的横截面，所述容器1整体上具有圆柱外形并且具有圆形横截面。图1在容器的中间被中断，这是因为与直径相比，长度可以相当长，例如是直径的10倍、20倍或30倍。容器的每一个端部都具有端部件，所述端部件优选地由金属制成，例如由铝合金制成。第一端部件3构成容器的入口/出口接口30，而第二端部件4构成容器的端部壁40。端部壁40自然也可以具有入口/出口接口。复合壁5在轴向上从一个端部件延伸到另一个端部件。该复合壁包括内部密封层(通常称为“衬套”)6以及浸透树脂的纤维形成的结构层，内部密封层例如由聚酰胺(尼龙)制成。衬套6并不很厚，优选地，其厚度小于或等于3mm，例如为1mm。此处的结构层由碳纤维层7形成。在此情况下，玻璃纤维形成的外部保护层8保护结构碳层。碳和玻璃层浸透有树脂，例如环氧树脂。当然，根据目标性能、产量以及成本，诸如芳香尼龙纤维的其它类型的纤维可以替代前述纤维的一种或另一种。
弹性密封件11(例如为O型圈)设置在每个件的径向外部表面的环形凹槽10中，其提供在端部件3、4和衬套6之间的密封。支撑表面并非圆柱形，端部件在密封件处经由该支撑表面靠在所述衬套上。在此情况下，其相对于容器的轴线倾斜大约45°。将意识到的是，容器的内部压力由此倾向于使所述衬套压靠在所述密封件上，这是因为内部压力沿轴向向外压迫所述端部件。更具体地，内部压力作用在所述端部件的中央部分上，在径向上直到作用在承受外部大气压力的密封件11上。在所述端部件的周缘部分(在径向上超过所述密封件)的位置，内部压力作用在所述端部件的两个面上，因此不会直接在该周缘部分上产生任何力。
在所述端部件的非圆柱部分中的密封件的这种设置的一个效果是：由压力所产生的轴向力趋向于使环形凹槽10保持闭合，由此防止O型圈被挤出。只要使支撑表面相对于容器轴线发生较大的倾斜，就可以获得该效果。在极端情况下，根据该观点，90°的倾斜(也就是说，设置为使所述端部件在所述密封件的区域中是平展的)会产生最大的效果。
本文所示的端部件3和4的漏斗形状为优选形状，这是因为这种形状使所述端部件能够如上所述地直接靠在所述复合壁的内部面上，并提供对于该内部面的极好的密封，也就是说对于所述衬套的极好的密封。如本文所述，所述端部件在其过渡区域(也就是说，在此实例中的所述密封件的每一侧)的形状还优选为基本为半球状，从而使所述端部件以及所述复合壁所承受的压力最佳地分布。
如附图中所示，所述端部件沿轴向延伸，优选地直到容器的圆柱部分。因此，所述端部件的外径基本相当于所述容器的内径。
作为所示实施例的替代方案，所述衬套可以束缚或浇铸到所述端部件的金属上，这意味着可以略去所述密封件和对应的凹槽。在这样的情况下，非金属端部件(例如由聚酰胺制成的端部件)可以证明也是具有吸引力的。
优选地，在不存在内部压力时，或者在该压力的大小不足以防止所述端部件在例如发生轴向撞击的情况下发生移动时，(分别)保持在第一和第二端部件的凹槽(31和41)中的筒节9在轴向上将所述端部件保持在适当位置上。这些筒节(或者至少一个筒节)还可以用于将容器连接到车辆上并且/或者连接到其提供的电路上。
容器的长度和直径可以具体根据将要使用该容器的车辆中可利用的空间而改变。
由聚酰胺制成(或者由任何其他的相容材料制成)的所述衬套的一个优点是它会在发生火灾的情况下提供本身的安全，聚酰胺在达到极高的温度之前会熔化。受到火焰灼烧时，根据本发明的容器主动终止释放气体，而不会引起爆炸。
图2至8显示了根据本发明的制造方法的基本的连续步骤。
图2显示了具有圆形横截面的管体，该管体被切割成一定长度并且将要形成容器的衬套6。其由密封材料制成，并且与所述复合壁的其它构成元件相容，该密封材料在存在受压氢气时是惰性的。聚酰胺6(PA6)非常适当于该用途。
图3显示了随后如何将端部件3和4设置在聚酰胺管体的端部内。优选地，所述端部件的外径基本相当于所述管体的内径，亦即容器的内径。在合适的条件下，O型圈11设置在所述端部件中的对应的环形凹槽10中。
在图4中，管体61和62的端部成形到所述端部件上。该结果可以特别地根据所述衬套所选择的厚度来通过变薄旋压(flow turning)、通过冷成型或热成型或者通过任何其它可用的方法而实现。在该应用中，在图4中由衬套6和端部件3和4构成的物体被称为“预成型件”。
根据本发明的一个优选实施方案，环箍63随后围绕成形衬套而设置，从而在一方面保证其边缘的定位，在另一方面促使端部件和衬套之间的负载转移，以便于随后的缠绕操作。在所述端部件的对应表面上滚花会进一步增强这些环箍效果。
在图5中，容器预成型件设置在缠绕机中。所述端部件由旋转卡盘32和42所保持。所述结构层随后被逐步缠绕，并且在合适的条件下，所述保护层也被逐步缠绕，也就是说，在此情况下碳纤维层和玻璃纤维层被逐步缠绕。为了做到这点，包括许多平行的纤维的带15和15’被缠绕。所述卡盘的旋转驱动所述带，所述带在受控制的张紧力下被供应。在将所述带缠绕到所述预成型件上之前，所述带渗透有热固树脂，例如环氧树脂。优选地，如在下文中通过参考缠绕装置所述，所述带通过穿过一个或多个树脂喷流器而被渗透。两条带同时从两个沿直径相反的方向被缠绕。与单条带缠绕相比，这会使生产能力加倍，并限制了预成型件的变形，所述带的张紧力倾向于使预成型件发生变形。显而易见，如果所述衬套相当厚或者如果所述带的张紧力非常低，那么优选地只缠绕一条带。相比而言，特别是在容器的直径相比带的宽度更大时，可以选择同时对多于两条的带进行缠绕。
优选地，预成型件2的轴线在缠绕的过程中保持水平，从而保证树脂沿着容器均匀地分布。
在缠绕的过程中，优选地在所述预成型件内部维持气体压力，例如空气压力。这样的效果首先是使两个端部件在轴向上保持压靠在所述衬套上，其次是使所述衬套张紧，从而限制其在所述带的夹持效应下发生局部变形，并且限制其在两条带中存在不均匀的张紧力的情况下发生下垂的程度。大约1至3巴的内部压力给出了良好的结果。
此外，卡盘32和42优选地为所述端部件提供轴向牵引力，从而在轴向上使所述衬套张紧，从而进一步限制其下垂的可能。优选地，施加到所述预成型件的该牵引力并非是固定强度的力，而是旨在为预成型件提供精确的且可重复的长度，该长度大于其自由长度数毫米(例如，对于1600mm长的容器，伸长量为2至4mm)。
内部压力以及/或者轴向牵引力还具有有助于从端部件传递到衬套(并因此传递到复合壁)的扭矩的有益效果，并由此促使在带15和15’中产生张紧力。这在不存在环箍63时会尤其有益。
图6至8显示了容器的一个端部在不同制造阶段的横截面，并且以相比图2至5中更大的比例显示。
在图6中完成一个步骤，该步骤在于将碳纤维的结构层7缠绕到衬套6上。
图7显示了下一步骤的结果，该步骤是将玻璃纤维的外部保护层8缠绕到碳纤维层7上。通过使玻璃带联结到碳带，能够相当简单地进行碳缠绕和玻璃缠绕之间的过渡。如早前所述，所述结构层可以不具有保护层。
纤维带可以是成卷地在市场上可买到的带。对于同样质量的纤维，根据带中所呈现的细丝的数量可以得到带的各种宽度。碳带例如可以是线密度为1600特(tex)的24K(24000条细丝)带。其宽度大约为5至6mm。玻璃带的相容尺寸可以在2400特。
一旦所述结构层被缠绕，或者在合适的条件下所述保护层也被缠绕，可选步骤可以包括通过刷、刮、抹拭或任何可应用的方法除去任何多余的液态树脂，从而仅保留严格需要的树脂量。在该步骤的过程中，卡盘(32和42)继续使容器旋转。
优选地，在上文所述的步骤之后也维持容器的内部压力和旋转运动，直到树脂充分聚合的这一时刻，从而保证容器的尺寸稳定性。
优选地，预成型件2的轴线在缠绕的过程中保持水平，直到树脂充分聚合，从而保证树脂沿着容器均匀分布。
一旦聚合达到了充分程度，就可以撤去轴向张紧力，在合适的条件下还可以撤去内部压力，并且还可以随后对该容器烘焙数小时，以完成树脂的聚合。
图8显示了可选步骤，在该步骤期间，新月形件91和92被装配到凹槽31中，凹槽31为此目的而设置在端部件3的颈部。新月形件91和92随后连结在一起，并且/或者一起连接到端部件3(例如使用螺纹)，从而形成筒节9，上文已参考图1对筒节9的使用进行了描述。
图9和10是根据本发明的方法的用于缠绕所述带以及用于(至少部分地)对容器进行聚合的装置的视图。
图9为装置100的整体布置。容器预成型件1通过其端部件利用旋转支架101得以保持。所述支架包括使所述预成型件围绕其保持水平的轴线旋转的装置。优选地，所述支架包括受压空气供应装置，该受压空气供应装置通过旋转密封件连接到所述预成型件的端部件(3)，从而能够在缠绕的过程中维持所述预成型件内部的受控压力。
所述装置包括供应设备102，该供应设备102用于供应处于受控张紧力下的带。优选地，张紧力以处于配重的作用下的本身公知的方式产生，该配重作用在带的环圈上，所述带从带卷轴107以整齐方式铺设，从而保持配重起作用。数daN(例如，4daN)的张紧力是适当的。
图10为细节视图，其更为具体地显示了从所述供应设备引出带15。该出口包括导引所述带的孔眼103，以便使所述带能够缠绕到所述预成型件上。在达到孔眼103之前，所述带通过渗透设备104而渗透有液态树脂。所述渗透设备可以包括一个或在此处的多个喷流器105，喷流器105通过导管106而供应有液态树脂，并且设置为使所述带穿过所述喷流器。供应到所述喷流器的树脂的流速可以受到容积泵的控制，容积泵例如为本身公知的蠕动泵，并且此处并未显示。利用喷流器对所述带进行渗透避免了纤维的任何磨损或挠曲，并且这对于它们的机构强度具有有益效果。此外，装置的维护和清洁更为容易。从所述喷流器流出的树脂可以被收集，并且在返回到所述喷流器之前可以被过滤。
一旦这些带已经渗透有树脂，它们就只将孔眼103作为它们与所述装置接触的点，这使得所述装置更易于维护。
将意识到的是，旋转支架101能够沿平行于容器预成型件的轴线的方向而相对于供应设备102移动，从而使带15经过向外运动以及返回运动而逐渐缠绕，该向外运动以及返回运动与旋转支架101的旋转速率(亦即所述预成型件的旋转速率)相协调。用于移动所述支架的装置例如包括齿轮电动机单元，该齿轮电动机单元驱动所述支架所连接的齿形带。相反，所述旋转支架可以是静止的，并且所述孔眼随后能够在所述渗透设备存在或不存在轴向运动的条件下沿轴向移动。
优选地，第二供应设备102’面对第一供应设备而设置在所述装置相对于旋转支架101的另一侧上，从而提供相对于第一带15对称的第二带15’。因此，每个供应设备与另一个供应设备独立地供应其处于受控张紧力下的渗透有液态树脂的纤维带。如上文所述，可以设想同时缠绕多于两条带，在此情况下，优选地提供对应数量的独立供应设备。

Claims (29)

1.一种用于储存处于高压下的流体的容器(1)，所述容器(1)整体上具有圆柱外形并且具有圆形横截面，所述容器(1)包括：金属端部件(3、4)，所述金属端部件(3、4)沿着所述容器的轴线(2)位于所述容器的端部的每一个处；衬套(6)，所述衬套(6)包围所述端部件；渗透有热固树脂的纤维的结构层(7)，所述结构层(7)包围所述衬套，每一个端部件包括靠在所述衬套上的外部支撑表面，所述支撑表面包括非圆柱部分，所述容器的内部压力趋向于使所述端部件压靠在所述衬套上。
2.根据权利要求1所述的容器，其中每一个端部件进一步包括弹性密封件(11)，所述弹性密封件(11)设置在所述端部件(3、4)的外部表面的非圆柱部分的环形凹槽(10)中，所述容器的内部压力趋向于使所述端部件压靠在所述衬套(6)上，从而挤压所述密封件(11)。
3.根据权利要求2所述的容器，其中所述密封件(11)为O型圈。
4.根据前述权利要求之一所述的容器，所述结构层(7)为碳纤维层。
5.根据前述权利要求之一所述的容器，进一步包括玻璃纤维的外部保护层(8)，所述外部保护层(8)包围所述结构层(7)。
6.根据前述权利要求之一所述的容器，其中所述结构层(7)由缠绕所述衬套的纤维带(15)构成，并且在合适的条件下，所述保护层(8)也由缠绕所述衬套的纤维带(15)构成。
7.根据前述权利要求之一所述的容器，其中所述衬套(6)由聚酰胺制成，厚度小于或等于3mm，优选为小于1.5mm。
8.根据前述权利要求之一所述的容器，其中对于每一个端部，位于所述结构层(7)的外部并固定到所述端部件(3、4)上的筒节(9)在轴向上将所述端部件(3、4)支持在适当位置上。
9.根据前述权利要求之一所述的容器，其中对于每一个端部，环箍(63)保持所述衬套(6)的每一个端部在径向上压靠所述端部件。
10.根据前述权利要求之一所述的容器，其中所述端部件的外径基本相当于所述容器的内径。
11.一种制造用于储存高压流体的容器(1)的方法，所述容器(1)整体上具有圆柱外形并且具有圆形横截面，所述容器围绕轴线(2)包括衬套(6)和结构层(7)，所述方法包括多个步骤，这些步骤连续地包括：
·将金属端部件(3、4)设置在管体内部，所述管体将要形成所述衬套，
·局部地减小所述管体的直径，从而使所述管体的端部的形状变化为所述端部件的形状，
·在所述衬套的周围缠绕渗透有热固树脂的至少一条纤维带(15)，从而形成所述容器的所述结构层。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括一个步骤，该步骤包括：将弹性密封件(11)设置在所述端部件的径向外部表面的环形凹槽(10)中，所述外部表面面对将要形成所述衬套的所述管体。
13.根据权利要求11至12中的一项所述的方法，进一步包括一个步骤，该步骤包括：在所述管体的端部周围设置箍环(63)，所述管体的端部形成在所述端部件上。
14.根据权利要求11至13中的一项所述的方法，进一步包括一个步骤，该步骤在于：在所述结构层(7)的周围缠绕渗透有热固树脂的第二条纤维带，从而形成所述容器的保护性的外部层(8)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二条纤维带与所述第一条纤维带联结。
16.根据权利要求11至15中的一项所述的方法，其中在缠绕所述带的同时，在预成型件的容积中维持内部压力，所述预成型件由所述衬套以及所述端部件构成。
17.根据权利要求11至16中的一项所述的方法，其中在缠绕所述带的同时，在预成型件上维持轴向牵引力，所述预成型件由所述衬套以及所述端部件构成。
18.根据权利要求11至17中的一项所述的方法，相对于预成型件的轴线(2)基本对称地同时缠绕两条带(15、15’)，所述预成型件由所述衬套以及所述端部件构成。
19.根据权利要求11至18中的一项所述的方法，为了进行所述缠绕，由所述衬套以及所述端部件构成的预成型件围绕其轴线(2)旋转，所述预成型件由所述端部件所保持，所述带由移动装置(103)引导，所述移动装置(103)能够平行于所述预成型件的轴线而移动。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述预成型件的轴线(2)在缠绕的过程中基本保持水平。
21.一种用于在预成型件周围缠绕纤维带的装置(100)，所述预成型件整体上具有圆柱外形并且具有圆形横截面，所述装置(100)包括：
·旋转支架(101)，所述旋转支架(101)能够通过其端部来保持所述预成型件，
·旋转装置，所述旋转装置使所述旋转支架围绕所述预成型件的轴线(2)旋转，
·供应设备(102)，所述供应设备(102)用于供应渗透有树脂的纤维带(15)，
·移动装置，所述移动装置用于使所述供应设备与所述预成型件的轴线平行地移动。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述纤维带供应设备包括用于使液态树脂渗透所述带的设备(104)。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述渗透设备(104)使用至少一个液态树脂的喷流器(105)，所述喷流器(105)设置为使所述带穿过所述喷流器。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述渗透设备(104)使用数个喷流器(105)，所述喷流器(105)设置为使所述带依次穿过所述喷流器。
25.根据权利要求21至24中的一项所述的装置，其中所述带经由孔眼(103)从所述渗透设备(104)中引出，所述孔眼(103)能够引导用于缠绕在所述预成型件周围的所述带(15)。
26.根据权利要求21至25中的一项所述的装置，其中所述旋转支架(101)使得轴向张力能够施加在所述预成型件上。
27.根据权利要求21至27中的一项所述的装置，其中所述旋转支架(101)在所述预成型件内部维持气体压力。
28.根据权利要求21至27中的一项所述的装置，进一步包括用于供应纤维带(15’)的第二设备(102’)。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述第二带供应设备(102’)与所述第一供应设备(102)相对于所述预成型件的轴线(2)对称地设置。
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