CN102062211A - 具有改进的密封结构的压力容器 - Google Patents

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渡边良浩
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佐藤庄司
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Abstract

一种压力容器(1)，包括：设有管状延伸部(22)的树脂衬(2)，管状延伸部中限定接收和排出气体或液体的通孔；装配在管状延伸部通孔中的管状构件(100，200，300)；螺纹接合在管状延伸部中的嘴(4)；围绕树脂衬外表面放置的纤维增强树脂层(3)；以及装配在管状构件的中心孔中的阀(60)。阀包括外径小于相对的管状构件内周面的段(62)，从而在阀和管状构件间限定间隙，在间隙中放置弹性密封构件(80)。管状构件用比树脂衬硬的如金属材料等的材料制造。由此，弹性密封构件被置于都很硬或者当压力容器内部置于各种压力条件下时不发生变形的管状构件和阀之间，这样，在所有压力条件下都能确保弹性密封构件的密封性能。

Description

具有改进的密封结构的压力容器
技术领域
本发明涉及一种具有改进的密封结构的压力容器，尤其是所具有的改进的密封结构适合于在高压下存储诸如压力天然气(CNG)等压力气体的一种压力容器。
背景技术
CNG被认为是一种有助于避免全球变暖的较为清洁的能源，并且有望取代传统的汽油而更广泛地用作汽车燃料。然而，气体的密度低于液体或固体，因此需要高度压缩以存储在机动车辆等中能得到的有限空间中。为了存储压缩气体，需要能够承受高压的压力容器。钢和铝是用于制造CNG压力容器的典型材料。金属压力容器的优点是高机械强度和被证实的高可靠性，但是，缺点是重。因此，重的金属压力容器可以用于机动车辆，只是要以车辆的燃料经济性和性能为代价。
为了克服这个问题，有建议使用合成材料制造压力容器，由此减轻压力容器的重量。一般来说，由金属或塑料材料制成的薄壳存贮器(衬)用浸渍有树脂的纤维增强层覆盖，然后，令树脂固化。例如，请参见日本专利第3523802号(专利文献1)。
在专利文献1的图2所公开的建议中，塑料衬同金属嘴一同模制，接着该组件用浸渍有树脂的纤维增强层覆盖，随后是树脂固化工艺。在这样的结构中，有一种可能性是，在塑料衬的嘴和其他部分之间的界面处会形成泄露路径。因为当将纤维增强层放置在塑料衬上之后，不能容易地修理经这种泄露路径的泄露，所以，非常必要的是确保针对这种潜在泄露的可靠密封。
日本专利公开第2009-58111(专利文献2)公开了一种在施加纤维增强树脂层前确保压力容器中潜在泄露路径的密封的结构。在这个建议中，O型圈被置于金属嘴和树脂衬之间。但是，因为当树脂衬的内部受压时，树脂衬以比嘴更加明显的方式变形，所以，如果树脂衬的变形很大，那么，O型圈的密封性能会受到损害。
发明内容
针对现有技术的这些问题，本发明的首要目的是提供一种压力容器，其设置有能够在所有压力条件下保持所需密封性能的改进的密封结构。
本发明的第二目的是提供一种压力容器，其设置有能够容易并且以可靠的方式组装的改进的密封结构。
根据本发明，这些目的可以通过提供下述的压力容器实现。这种压力容器包括：树脂衬，所述树脂衬限定了用于接收气体或者液体的内部并设置有管状延伸部，所述管状延伸部中限定了用于将气体或者液体接收进所述树脂衬的内部以及将气体或者液体排出所述树脂衬的内部的通孔，所述管状延伸部形成有围绕其外周面的外螺纹；管状构件，所述管状构件用比所述树脂衬更硬的材料制造，其具有中心孔并装配在所述管状延伸部的所述通孔中；嘴，所述嘴具有形成在其内周面上用于与所述管状延伸部的外螺纹螺纹接合的内螺纹；纤维增强树脂层，所述纤维增强树脂层围绕着所述树脂衬的外表面放置；以及阀，所述阀装配在所述管状构件的中心孔中；其中，所述阀包括外径小于相对的所述管状构件的内周面的段，从而在所述阀和所述管状构件之间限定了间隙，在所述间隙中放置弹性密封构件。
由此，弹性密封构件被置于管状构件和阀之间，管状构件和阀二者都非常硬或者当压力容器内部处于各种压力条件下时不会变形，这样，能够在所有压力条件下确保弹性密封构件的密封性能。一般来说，阀和管状构件都是用金属材料制造的。
为了确保在管状构件和树脂衬的管状延伸部之间的界面处的牢固机械连接和高密封作用，管状构件的外周面可以形成接收在或者埋置于管状延伸部的材料中的一个环状凸起或者多个环状凸起。如果需要，至少一个环状凸起的面对着树脂衬内部的侧面可以形成有环状槽，用于改进机械连接和密封性能。
根据本发明的一个优选实施方式，所述阀的朝向所述树脂衬的内部的自由端部包括第一圆柱部和第二圆柱部，所述第二圆柱部连接到所述第一圆柱部的自由端侧，并具有比所述第一圆柱部小的外直径，从而在所述第二圆柱部和相对的所述管状构件的内周面之间限定了间隙，所述第二圆柱部在其外周面上形成有环状凸起，从而将所述弹性密封构件保持在限定于所述第一、第二圆柱部之间的环状肩表面和所述环状凸起之间的间隙中。
为了确保嘴和树脂衬之间的界面的有益密封，所述管状构件可以在其外轴向端设置外部径向凸缘，而所述嘴可以形成环状肩表面，所述环状肩表面与其内螺纹的外轴向端相邻并面对所述树脂衬的内部，从而当所述嘴完全螺纹连接在所述管状延伸部上时紧靠所述管状构件的外部径向凸缘的轴向端表面。作为替换方式，当所述嘴完全螺纹连接在所述管状延伸部上时，所述嘴的环形肩表面可以同所述管状构件的外部径向凸缘的轴向端表面相对，使得弹性密封构件可以共同由所述环状肩表面和所述外部径向凸缘的轴向端表面接合。
根据本发明的一个特定方面，所述管状构件的外表面由热焊接到所述管状延伸部的内周面上的树脂层覆盖，使得所述管状构件和管状延伸部之间的界面的密封不费力地得以确保。作为替换方式或者还可以有，粘合剂可以置于所述管状构件的外表面和所述管状延伸部的内周面之间。
根据本发明一个特别优选的实施方式，所述嘴在面对所述树脂衬的内部的端上形成裙部，在环绕所述嘴的树脂衬部分上形成互补的下凹部分，用于将所述裙部接收在其中，使得所述树脂衬和所述裙部的外表面共同形成光滑的外轮廓。所述裙部接合所述树脂衬的外表面的大表面面积有助于所述嘴和所述树脂衬之间的界面的有益密封。而且，所述裙部和所述树脂衬的组合外表面可以做得非常光滑，使得当将纤维增强树脂层施加到所述裙部和所述树脂衬的组合外表面时，其上面的纤维增强树脂层能提供最大的增强效果。
附图说明
接下来在下文中参照附图描述本发明。在附图中：
图1是以部分剖视形式体现本发明的压力容器的侧视图；
图2是图1所示压力容器的嘴部件的放大剖视图；
图3是示出本发明第二实施方式的类似图2的视图；
图4是示出本发明第三实施方式的类似图2的视图。
具体实施方式
图1示出了体现本发明的压力容器1的主要部分。压力容器1包括具有圆柱状主体部分和一对半球状轴向端部分的树脂衬2、围绕着树脂衬2的外表面的纤维增强树脂层3以及装配到设置于压力容器1的轴向端部分之一的开口的嘴4。
图示的压力容器1可以以任何希望的方位使用，但是，为了下文描述的目的，如图中所示那样，假定压力容器1使嘴4在上面地以竖直位置安放。
树脂衬2用适合接触要容纳在压力容器1中的气体或者液体的材料制造，该材料可以从各种塑料材料中进行选择，诸如聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚酰胺、聚酮以及聚苯硫醚(PPS)，这取决于要容纳的材料的种类和内部压力。吹塑工艺可以用来制备图示实施方式中的树脂衬2，但是，还可以使用诸如滚塑等其他工艺。
树脂衬2的形状基本决定了压力容器1的最终形状，并能够以最少量的材料承受规定的压力。压力容器1可以像图示实施方式那样具有圆柱形形状，但也可以是球形或者能够方便地接收于具有不规则形状的车辆可用隔室中的其他形状。吹塑工艺适于制备具有不规则形状的树脂衬2。
一般来说，将嘴4装配在树脂衬2上之后，将浸渍了树脂的增强纤维通过绕丝工艺施加到树脂衬2的外表面和一部分嘴4。作为替换方式，浸渍了树脂的纤维条可以通过手糊成型工艺施加到树脂衬2的外表面和一部分嘴4。
纤维增强树脂层3也可以被认为是纤维增强塑料(FRP)，可以通过将浸渍有树脂的纤维(或织物)形成为规定形状接着使树脂固化进行制备，并用作为压力容器1提供主要机械强度的基本结构构件。
用于纤维增强树脂层3的树脂材料一般来说由具有高机械强度的环氧树脂构成。当要求热稳定性时，酚醛树脂可能是优选的。纤维一般来说包括高强度和高弹性的纤维，诸如碳纤维、玻璃纤维、石英纤维以及芳香族聚酰胺纤维等。浸渍有这种树脂的纤维或者织物被称为预浸料坯。
将预浸料坯施加到树脂衬2和嘴4的组件上面既可以通过绕丝工艺也可以通过手糊成型工艺实现，但绕丝工艺更适合执行本发明，因为这种工艺由于使用非常连续的纤维而能够达到高机械强度，同时允许壳的厚度最小。增强纤维可以沿周向绕在树脂衬2上(环向缠绕)，沿轴向绕在树脂衬2(同轴缠绕)，以及/或者，相对于环向匝成角度地绕(螺旋缠绕)。可以选择缠绕方法、缠绕角度以及缠绕匝数，以适应具体需要。
一旦将预浸料坯施加到树脂衬2，则将该组件在固化炉中放置规定的时间段，让树脂固化。
参见图2，树脂衬2形成有管状延伸部22。管状延伸部22从树脂衬2的轴向端延伸，里面限定了将树脂衬2的内部和外部连通起来的通孔24。管状延伸部22在其外周面上形成有外螺纹S2。直接围绕着管状延伸部22下端的部分树脂衬2的外表面稍微下凹，如附图标记26所示。
管状构件100通过嵌件注塑方式装配到通孔24内。管状构件100包括在其外周上的环状凸起101和将树脂衬2的内部和外部连通的中心孔102。环状凸起101的形状为伸进管状延伸部22的材料内的伞状。环状凸起101不仅增强了管状构件100和树脂衬2(或者管状延伸部22)之间的机械连接，而且改善了管状构件100和树脂衬2(或者管状延伸部22)之间的界面的密封性能。管状构件100的上端设置有外部径向凸缘105，外部径向凸缘105的上端表面基本与管状延伸部22的上端表面齐平。管状构件100优选地用比树脂衬2(或者管状延伸部22)更硬或者刚度更大的材料制造，并且一般来说是用诸如铝合金和不锈钢等金属材料制造，但是，也可以用诸如环氧树脂和其他热固性塑料等高强度塑料材料制造。
嘴4包括管状主体44、裙部45和外端47。管状主体44具有形成在其内周面的内螺纹S4。裙部45连接到主体44的下端并被接收在树脂衬2的下凹部分26中。外端47连接到主体44的上端，并具有比主体44小的内径。裙部45被构造成其与树脂衬2的其余部分的组合外表面限定了一光滑轮廓25。还有，面朝下的环状肩表面46形成在嘴4的内周，位于主体44和外端47之间，或者与内螺纹S4的外端相邻。外端47的内周面形成有内螺纹。嘴4一般来说是用诸如铝合金和不锈钢等金属材料制造的。
通过利用分别形成于管状延伸部22和嘴4的螺纹S2和S4，嘴4以螺纹接合的方式装配到管状延伸部22上面。螺纹可以是任何希望的构造，诸如具有高密封性能的锥螺纹和提供高机械强度的梯形螺纹或者爱克米螺纹。在后者情况下，密封剂或密封构件可以组合使用，这样可以达到希望的密封性能。如果希望的话，可以使用卡口联结或者其他联结结构来将嘴4结合到管状延伸部22。
当将嘴4完全装配或者螺纹连接到管状延伸部22上面时，嘴4的裙部45由树脂衬2的下凹部分26接收，使得裙部45和树脂衬2的外表面共同限定了这个组件的光滑外轮廓25。同时，嘴4的环状肩表面46接合管状延伸部22和管状构件100的组合上端表面，使得环状肩表面46和管状构件100之间的金属对金属接触精确限定了嘴4和管状延伸部22之间螺纹接合的范围。
一旦嘴4组装到树脂衬2，就将纤维增强树脂层3用任何一种已知方法形成在嘴4和树脂衬2的外表面。上面施加纤维增强树脂层3的树脂衬2和嘴4的组合外表面如上所述没有任何凸凹不平，这样，增强纤维得以提供最大增强效果。裙部45紧靠树脂衬2(的下凹部分26)的外表面的很大面积上，而这有助于嘴4和树脂衬2之间的界面的有利密封。
在管状构件100和树脂衬2嵌件注塑之前，或者不用管状构件100和树脂衬2嵌件注塑，可以将粘合剂施加到管状构件100的外表面。粘合剂可以是热熔粘合剂，这种粘合剂在模塑工艺过程中熔化，而在模塑工艺后凝固，这样，粘合剂层可被置于管状构件100和树脂衬2之间。这种粘合剂层不仅可有效地填充管状构件100和树脂衬2之间的间隙用来密封，而且可有效地承受树脂衬2的内部压力造成的、趋于将树脂衬2从管状构件100剥离的力。还有，粘合剂层可以具有适应管状构件100和树脂衬2之间热膨胀的差异并在压力容器1内部没有压力时确保管状构件100和树脂衬2之间密封的功能。于是，粘合剂层改善了压力容器1可能受到的整个压力范围上的密封性能。所述粘合剂可以由任何合适的粘合剂构成，但优选的是，由诸如聚烯烃粘合剂等热塑性粘合剂构成。
阀60被接收在嘴4的中心开口中，并穿过管状构件100的中心孔102。阀60被赋予大致逐渐变细的圆柱体的形状，并按照从上到下的次序包括凸缘基座部65、螺纹接合在嘴4的螺纹孔中的螺纹部67、外径比螺纹部67稍小的第一圆柱段61、外径比第一圆柱段61小的第二圆柱段62，凸缘基座部65在其凸缘处紧靠嘴4的外端47的外轴向端表面。因此，面向下的环状肩表面63被限定在第一、第二圆柱段61、62之间。阀60的详细情况，尤其是其内部机构，在图示中被省略，因为阀60并不形成本发明的一部分。
当阀60被拧进嘴4的螺纹孔中时，第一圆柱段61被管状构件100的内孔102紧密地接收，并且第二圆柱段62和相对的管状构件100的内周面一起限定了环状间隙(具有在图2中用L表示的宽度)。环状凸起64形成在第二圆柱段62的外周面上。O型圈80被接收在这个环状间隙中，并由环状肩63和环状凸起64的相对表面保持就位。环状凸起64的下侧面没有其上侧面那么陡，使得O型圈80可容易地被引导进入规定位置中，但是一旦被放置在规定位置，则不容易从规定位置脱开。O型圈80的尺寸可以确定为以最佳方式压缩在第二圆柱段62的外表面和相对的管状构件100的内表面之间。
如果希望的话，可以使用两个以上的O型圈。还可以使用具有非圆截面的O型圈。
当压力容器1完全组装时，有5个潜在泄露路径。这些泄露路径被下文总结的相应密封结构合适地密封：
(1)阀60和管状构件100之间的界面，被置于使用期间相对来说没有变形的管状构件100和阀60之间的O型圈80密封；
(2)管状构件100和管状延伸部22之间的界面，通过用树脂衬2对管状构件100进行嵌件注塑而被密封，其中，管状构件100的环状凸起101提供了自密封功能；
(3)嘴4的环状肩表面46与管状构件100和管状延伸部22的组合端表面之间的界面，通过它们之间的紧靠接合以及/或者通过使用密封剂而被密封；
(4)嘴4的内周面和相对的管状延伸部22的外表面之间的界面，通过使用合适的密封剂而被密封；
(5)嘴4的裙部45和相对的树脂衬2的下凹部分26的外表面之间的界面，通过这两个部分之间提供了自密封功能的大面积接触而被密封。
这里使用的“自密封”指的是一种密封模式，这种密封通过受密封流体的压力而被增强。
图3示出了本发明的第二实施方式。在图3中，与前面实施方式相对应的部分用类似标号代表，不再重复这些部分的描述。在这个实施方式中，设在管状构件200的上端的外部径向凸缘105基本上整个叠置于管状延伸部22的上轴向端表面上。嘴4的环状肩46可按同前面实施方式类似的方式紧靠管状构件200的凸缘端的上端表面，或者，O型圈81可以被置于环状肩46和相对的管状构件200的凸缘端的端表面之间，如图3所示。当压力容器1的内部压力较低，且不能获得自密封功能时，这个O型圈81尤其有效。
管状构件200设有一对伸进管状延伸部22的材料内的环状凸起101和103。由此，管状构件200和管状延伸部22之间的自密封特征以及二者间的机械连接更加增强了。还有，环状槽104形成在环状凸起103和101之一的面对着树脂衬2内部的侧面上，用以改善管状构件200和管状延伸部22之间的机械连接和密封作用。这样的环状槽104可以形成在第一实施方式的单个环状凸起101中。
于是，第二实施方式不同于第一实施方式之处在于密封模式：(2)通过使用一对环状凸起101和103密封管状构件200和管状延伸部22之间的界面，和(3)通过使用诸如O型圈等弹性密封构件密封嘴4的环状肩表面46与管状构件100和管状延伸部22的组合端表面之间的界面。
图4示出了本发明的第三实施方式，其不同于第二实施方式之处仅在于管状构件300的结构。除此之外，图4所示的第三实施方式类似于第二实施方式，图4中与图3相对应的部分用相似标号代表，不再重复这些部分的描述。
这个情形中的管状构件300包括：金属主体部分106，在其上轴向端具有外部径向凸缘；以及覆盖层107，其覆盖主体部分106的整个表面并用能热粘合到树脂衬2的材料上的材料制造。当树脂衬2用高密度聚乙烯(HDPE)制造时，覆盖层107可以由聚乙烯(PE)构成。HDPE和PE都是热塑性的，并在规定的高温变软/熔化。在本情形中，通过加热使管状构件300的覆盖层107和树脂衬的管状延伸部22的材料变软，迫使管状构件300进入到管状延伸部22的开口中，然后令这个组件冷却，管状构件300可以装配在管状延伸部22的开口中。这个粘合工艺既可以在嵌件注塑工艺期间进行，也可以作为单独的粘合工艺的一部分。管状构件300的外径相对于管状延伸部22开口的内径适当进行选择，使得一旦覆盖层107和管状延伸部22的材料冷却并凝固，这两个部分在其界面108处牢固地相互结合在一起。
通过这样热焊接管状构件300和管状延伸部22，这两个部分以它们之间的界面108完全气密的方式相互结合在一起。根据这个实施方式，泄露路径(2)或者管状构件300和管状延伸部22之间的界面108，通过管状构件300的覆盖层107和树脂衬2的管状延伸部22之间的焊接而被密封。
作为第三实施方式的变型，带有或者不带有覆盖层107的管状构件300可以装配在通孔24中，同时将粘合剂施加在界面108。可以使用任何的粘合剂，但聚烯烃粘合剂是优选的，因为它们提供了有利的机械粘合强度和所需的气密性。通过首先在本情形中用金属材料制造(或者具有金属表面)的管状构件300的表面上施加底层涂料，然后在底层涂料上方施加环氧树脂粘合剂，可以获得改善的粘合强度。这样的结构确保了管状构件300和管状延伸部22之间牢固的机械粘合，并且这确保了粘合剂的密封性能。粘合剂还可以起到适应管状构件300和管状延伸部22热膨胀差异的目的。
尽管本发明针对其优选实施方式进行了描述，但是，对于本领域技术人员显而易见的是，在不超出权利要求书限定的本发明范围的情况下，可以有各种改变和变型。针对本申请的巴黎公约优先权所基于的原始日本专利申请以及本申请中引用的现有技术文献的内容，通过引用结合于本申请中。

Claims (12)

1.一种压力容器，包括：
树脂衬(2)，所述树脂衬(2)限定用于接收气体或者液体的内部并设置有管状延伸部(22)，所述管状延伸部中限定用于将气体或者液体接收进所述树脂衬的内部以及将气体或者液体排出所述树脂衬的内部的通孔(24)，所述管状延伸部形成有围绕其外周面的外螺纹(S2)；
管状构件(100，200，300)，所述管状构件用比所述树脂衬更硬的材料制造，其具有中心孔(68)并装配在所述管状延伸部的所述通孔中；
嘴(4)，所述嘴具有形成在其内周面上用于与所述管状延伸部的外螺纹螺纹接合的内螺纹(S4)；
纤维增强树脂层(3)，所述纤维增强树脂层围绕着所述树脂衬的外表面放置；以及
阀(60)，所述阀装配在所述管状构件的中心孔中；
其特征在于，
所述阀包括外径小于相对的所述管状构件的内周面的段(62)，从而在所述阀和所述管状构件之间限定间隙，在所述间隙中放置弹性密封构件(80)。
2.如权利要求1所述的压力容器，其中，所述管状构件用金属材料制造。
3.如权利要求1所述的压力容器，其中，所述管状构件(100，200)的外周面形成有接收在所述管状延伸部的材料中的环状凸起(101，103)。
4.如权利要求3所述的压力容器，其中，所述环状凸起(103)的面对着所述树脂衬的内部的侧面形成有环状槽(104)。
5.如权利要求1所述的压力容器，其中，所述管状构件(200)的外周面形成有两个以上接收在所述管状延伸部的材料中的环状凸起(101，103)。
6.如权利要求1所述的压力容器，其中，所述阀的朝向所述树脂衬的内部的自由端部包括第一圆柱部(61)和第二圆柱部(62)，所述第二圆柱部连接到所述第一圆柱部的自由端侧并具有比所述第一圆柱部小的外直径，从而在所述第二圆柱部和相对的所述管状构件的内周面之间限定间隙，所述第二圆柱部在其外周面上形成有环状凸起(64)，从而将所述弹性密封构件保持在限定于所述第一、第二圆柱部之间的环状肩表面和所述环状凸起之间的间隙中。
7.如权利要求1所述的压力容器，其中，所述管状构件在其外轴向端设置外部径向凸缘(105)，所述嘴形成有环状肩表面(46)，所述环状肩表面与所述嘴的内螺纹(S4)的外轴向端相邻并面对所述树脂衬的内部，从而当所述嘴完全螺纹连接在所述管状延伸部上时，所述环状肩表面紧靠所述管状构件的外部径向凸缘的轴向端表面。
8.如权利要求1所述的压力容器，其中，所述管状构件在其外轴向端设置外部径向凸缘(105)，所述嘴形成有环状肩表面(46)，所述环状肩表面与所述嘴的内螺纹(S4)的外轴向端相邻并面对所述树脂衬的内部，从而当所述嘴完全螺纹连接在所述管状延伸部上时，所述环状肩表面同所述管状构件的外部径向凸缘的轴向端表面相对，并共同由所述环状肩表面和所述外部径向凸缘的轴向端表面接合弹性密封构件(81)。
9.如权利要求1所述的压力容器，其中，所述管状构件(300)的外表面由热焊接到所述管状延伸部的内周面的树脂层(107)覆盖。
10.如权利要求1所述的压力容器，其中，粘合剂置于所述管状构件的外表面和所述管状延伸部的内周面之间。
11.如权利要求1所述的压力容器，其中，所述嘴在面对所述树脂衬的内部的端上形成裙部(45)，在环绕所述嘴的树脂衬部分上形成互补的下凹部分(26)，用于将所述裙部接收在其中，使得所述树脂衬和所述裙部的外表面共同形成光滑的外轮廓(25)。
12.如权利要求11所述的压力容器，其中，所述纤维增强树脂层施加到所述裙部和所述树脂衬的组合外表面(25A)。
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