CN104203541A - 制造压缩气筒的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成加压容器的方法包括步骤：提供薄壁柱体，以至少一层预浸强化纤维包绕柱体，以至少一层穿孔收缩带包绕柱体，将热量施加至收缩包绕的柱体以挤压该至少一个预浸纤维层来迫使树脂渗过穿孔收缩带且使树脂固化，以及允许树脂留在收缩带的外表面上以在压力容器上形成保护层。

Description

制造压缩气筒的方法
本申请要求2012年3月22日提交的美国临时专利申请序列号61/614,207的优先权。
技术领域
公开了一种制造用于容纳压缩气体的压力容器的方法，在其中在被固化之前以浸渍树脂的强化纤维和收缩包绕聚合物带包绕薄壁柱体，以消除在固化的复合物中的空隙并且以在容器上形成保护层。
背景技术
压缩天然气(CNG)和加压氢气越来越多地应用为用于内燃机的替代燃料。因此，需要具有相对轻重量高强度的压力容器来容纳加压气体。对于这样的压力容器的机械要求包括在10000psi数量级上的相对高的爆裂强度。
用于存储压缩气体的压力容器存在四个基本类型。类型1柱体是全金属的并且在机械上低效，因为在加压气筒中的周向应力载荷近似两倍于轴向应力载荷。类型2柱体包括金属衬套，其带有浸渍树脂的连续强化纤维束(其仅在金属衬套的柱体上环向包绕)。所有轴向载荷由金属衬套负担而环向载荷由金属衬套和复合强化物的组合负担。类型3柱体包括金属衬套，其带有浸渍树脂的连续纤维束，其完全包绕在端部圆顶上且环向包绕在柱体上。类型4柱体包括非金属衬套，其带有浸渍树脂的纤维束，其完全包绕在端部圆顶上且环向包绕在柱体上。对于类型2、类型3以及类型4的CNG罐来，由工业和政府所采用的当前标准要求复合物外包装(overwrap)设计用于在连续载荷和循环载荷下具有高可靠性。该可靠性通过达到或超过2.25x工作压力的复合强化物应力比值来实现。对于带有3600psi工作压力的典型CNG罐，这是大约8100psi。
细丝卷绕是最惯常的复合物制造工艺之一，并且是选择用于生产CNG罐的方法。第一台卷绕机在20世纪60年代末开发出来并且起初被开发用于生产复合火箭外壳。在20世纪90年代，利用细丝卷绕技术生产复合压力容器被进一步开发。在过去30年中，细丝卷绕机配备有现代CNC控制器、改进的机架、自动起停模块和机器人系统，以给细丝卷绕机提供气体不可渗透的衬套。虽然这些发展减少了卷绕时间，但是该过程的劳动需求仍比较高。主要原因是与使用用于纤维浸渍的树脂浴相联系的问题以及与纤维浸渍(其与细丝卷绕相结合)相联系的相对低的卷绕速度。该问题通过使用预浸渍纤维束(即，预浸丝束)被克服。
两个卷绕模式对于压缩气筒是可能的：环向和轴向(也称为等张力(isotensoid))。类型2容器仅环向包绕。类型3和4容器主要是环向和轴向(等张力)包绕的组合。如果卷绕机配备多于一个卷绕头，容器可在同一卷绕机中被细丝卷绕。
除了使用强化纤维之外，压力容器的制造要求聚合树脂，诸如热固性环氧树脂，例如，以将强化纤维彼此结合并且结合至柱形衬套。树脂还起在纤维间传递应力的重要功能。
存在将树脂施加到纤维的各种方法。可使用一种树脂传递模塑工艺，在其中可将干的未浸渍的纤维层包绕到柱体(其然后被置入阴模中)上。未固化的相对粘性的树脂然后在压力下被注入模具中。一旦注入，树脂被加热，并且树脂因此完成其聚合周期并且变硬。树脂传递纤维强化的柱体然后被从模具中移除。该工艺的主要限制是模具和工具的相对高的成本以及树脂固化或聚合所花的时间。
还可利用湿细丝卷绕工艺来制造CNG罐。这是这样一种工艺，在其中使纤维丝束经过树脂浴以浸渍该丝束，并且然后在其在烤箱中在高温下固化之前将其围绕心轴包绕。湿卷绕具有该工艺所固有的大量树脂浪费，并且以在制造过程期间产生大量挥发性有机化合物而著称。湿卷绕的柱体还可在固化的复合结构中具有非承载空隙。
用于施加树脂的另一方法涉及使用预浸渍的或“预浸”纤维，其具有在包绕过程之前施加给其的部分固化的树脂。由于树脂部分固化，树脂不再处于液态，并且可由自动装备将纤维卷绕到衬套上。
克服成品中的空隙的一途径是在最终树脂固化之前通过柔性套筒将压力施加到纤维的外表面上。这通常通过使用“装袋工艺”来完成，其中，覆盖有预浸渍纤维的柱体被放置在相对柔性的聚合物袋中且然后被置于加热的高压釜中。虽然该方法在机械上可行，但是高压釜设备的相对高成本增加了成品的成本。
发明内容
使用传统的细丝卷绕工艺以预浸渍的纤维丝束来包绕衬套。相比其它工艺，预浸丝束提供更受控制的树脂含量和在固化部分中的更少变化，并且比湿法提供更清洁的过程，挥发性气体化合物的排放很少或者没有。树脂可包含纳米材料，其增加了所得到的复合物结构的强度。收缩包绕带包绕在强化纤维上，并且对带施加热量以对强化纤维施加压缩力，以便防止在固化树脂中形成空隙并且使树脂本身固化。带可被穿孔以允许树脂渗到收缩包绕带的外表面上，在成品上形成保护层。
附图说明
图1是在以预浸纤维卷绕之前柱体的侧视图。
图2是在以预浸纤维头尾相连卷绕之后图1的柱体的侧视图。
图3是在以预浸纤维环向卷绕之后图2的柱体的侧视图。
图4是在以穿孔收缩带头尾相连卷绕之后图3的柱体的侧视图。
图5是在以穿孔收缩带环向卷绕之后图4的柱体的侧视图。
图6是在图5上示出的区段6的放大视图。
图7是在加热和固化烤箱中图5的柱体的侧视图。
图8是在从图7的加热和固化烤箱中移除之后图5的柱体的侧视图。
图9是在图8上示出的区段9的放大视图。
图10是透视图，部分地以剖面示出了在从图7的加热和固化烤箱中移除之后图8的柱体的层。
图11示出了在制造图8的柱体的方法中的步骤。
具体实施方式
图1是在以强化纤维卷绕之前柱体衬套12的侧视图。柱体12在一端示出有连接器颈部13而在另一端有圆顶终端15，但是如果希望的话，柱体可在两端都以连接器颈部13来形成。柱体可包含铝、钢或可被成形成薄壁容器的任何其它金属。柱体还可包含塑料或其它类似非金属材料。
图2是在以预浸纤维14纵向地头尾相连卷绕之后柱体12的侧视图。使用带有涂覆到纤维上的树脂的纤维14或预浸纤维消除了对于高成本的树脂传递模塑工艺的需求，如果以干的或未浸渍的纤维来卷绕柱体需要该工艺。为了符合美国运输部的要求，如果柱体12是金属的，在金属与外部强化层之间需要电化学腐蚀保护层。为了该目的，在施加纤维强化层14之前，可将塑料层或玻璃细丝以及环氧树脂层施加至柱体12的外表面。
各种强化材料可被用于纤维14，包括但不限于碳纤维、芳纶、高强度聚乙烯纤维以及玻璃丝纤维。在一实施例中，采用碳纤维。强化材料可采取丝束或狭缝带(slit tape)的形式。丝束在横截面中可以是圆的或椭圆的或扁平的。
涂覆到纤维14上的预浸材料可包括传统的热固性树脂或新开发的注入纳米材料的热固性树脂。纳米材料树脂具有改善的抗拉强度，其允许使用比利用传统预浸料所需更少的碳纤维基材料。减少的碳纤维降低了包绕的成本并且使能够在更少的时间中完成包绕。
图3是在以预浸纤维16环向卷绕之后柱体12的侧视图。环向卷绕16强化柱体抵抗环向应力(当柱体被加压时其在柱体中通常两倍于轴向应力)。在施加了纤维卷绕物14和16之后，被卷绕的未固化的罐外包有等张力和环圈定向的收缩带的组合，如下所述。
图4是在以收缩带层18头尾相连卷绕之后柱体12的侧视图。收缩带层18完全覆盖纤维层14和16。收缩带18在300°F的丝束浸渍固化温度下具有大约20%的自由收缩率。收缩带18自身不是粘性的并且因此可首先将压力敏感层施加到纤维包套16的外表面上以防止在固化期间带18移动。在其它实施例中，收缩带可具有粘性，在该情形中不必施加单独的压力敏感层到纤维包套16的外表面上。使用收缩带18消除了在制造过程中使用昂贵的阴模和高压釜。
图5是在以收缩带层20环向卷绕之后柱体12的侧视图。环向包绕层20施加在收缩带18的纵向包绕层18上。
图6是在图5上示出的区段6的放大的视图。图6示出了施加到罐12的外表面上的预浸纤维的等张力层14和环圈层16。收缩带的轴向层18和环圈层20包绕在预浸纤维层16上。在层18和20中所使用的收缩带可包含穿孔21。
图7是在加热和固化烤箱30中的被包绕的柱体12的侧视图。柱体支撑在烤箱30中的细长心轴32上，并且通过加热元件34来供应热量。心轴可被旋转以使柱体12的整个外表面均匀地暴露于加热元件34。在加热烤箱30中可使用多于一个加热元件34。在固化循环期间，加热烤箱30的内部可被维持在大气压力下。从加热元件34施加热量导致带层18和20收缩并且施加压力到纤维层14和16，消除在纤维层中的任何空隙，而无需使用高压。
通过在大气压力下的烤箱中加热收缩包绕的柱体12，收缩带层18和20收缩并且提供大量压缩力以巩固细丝包绕的压力容器并且消除在最终产品中的空隙。在固化之后热收缩带可被留下以提供用于罐的保护覆盖物。用于该目的的合适的收缩带以名称Dunstone Hi-Shrink Tape售卖。带可被穿孔或不穿孔。
已确定，通过在完成的包绕柱体上包绕高收缩聚酯带，使用大约一小时的快速固化时间柱体可被加热至300°F的相对低温以获得基本上无空隙的固化复合物。已知聚酯带对于大多数物质具有优越的抵抗力。其抵抗酸、氧化剂(诸如过氧化氢)以及大多数溶剂。聚酯还对烃类燃料、油以及润滑油具有优越的抵抗力。因此，由带层18和20所提供的保护聚酯层将增加所得到的压缩气罐的耐用性和环境抵抗力。
在层18和20中所使用的热收缩带还可被穿孔。穿孔允许过量树脂渗过带并且在固化之后在带上提供树脂的保护层，因此排除了通过独的工艺步骤在最终的复合物柱体上彻底施加保护覆层的需要。合适的穿孔收缩带由Dunstone Company, Inc生产并且在名称Perforated Hi-Shrink Tape 220下销售。带将在大约65℃处开始收缩并且被使用在直至180℃的应用中。如果未受限制，带将在150℃在15分钟后收缩20%。收缩带的层包绕到包绕纤维的罐的外表面上以形成如在图4中所示的纵向包绕层18且以形成如在图5中所示的环向包绕层20。可通过自动卷绕工艺来执行收缩带卷绕。
图8和图10分别是在被从图7的加热和固化烤箱移除之后包绕的柱体12的侧视图和透视性剖视图。在固化后，由于来自预浸带层14和16的树脂通过带层18和20的收缩被压缩，收缩带层18和20留在所得到的加压容器12上，并且在收缩带层18和20的外表面上形成固化树脂层22。
图9是在图8上示出的区段9的放大视图。图9示出预浸纤维层14和16被收缩带层18和20压缩，以及来自层14和16的树脂分别传播通过收缩带层18和20中的穿孔21，以形成外部树脂层22。
图11示出了根据上面所提供的说明形成加压容器的方法40中的一系列步骤。方法40包括提供薄壁柱体的第一步骤42，以预浸强化纤维纵向包绕柱体的第二步骤44，以及以预浸强化纤维环向包绕柱体的第三步骤46。方法40继续有以穿孔的收缩带纵向包绕柱体的第四步骤48、以穿孔的收缩带环向包绕柱体的第五步骤50，以及施加热量至收缩包绕柱体以挤压预浸纤维层来迫使树脂渗过穿孔的收缩带且使树脂固化的第六步骤52。方法40以允许树脂留在收缩带的外表面上以在压力容器上形成保护层的步骤54结束。
本文中所公开的高压复合物存储罐使用与传统细丝卷绕系统结合的新的压力施加系统来制造。制造系统能够高度自动化并且能够以快速的方式将预浸碳纤维沉积在类型3或类型4衬套上。而且，所提出的制造系统使“无模”固化以及相对快速的树脂固化循环成为可能。罐可使用新颖的基于纳米材料碳纤维的预浸料(其提供改善的机械性能)来制造。这些材料的使用可通过减少实现所期望的强度所需要的卷绕层的数目而减少重量和制造时间，导致成本降低。
已如此说明该装置，本领域技术人员将想到各种修改和变型，这些修改和变型将处在如所附权利要求所限定的装置的范围内。

Claims (19)

1.一种形成加强压力容器的方法，所述方法包括如下步骤：
提供薄壁柱体；
以至少一层预浸强化纤维包绕所述柱体；
以至少一层收缩带包绕所述柱体；
将热量施加至所述收缩带包绕的柱体以挤压该至少一个预浸纤维层来迫使树脂渗过所述收缩带且使所述树脂固化；以及，
允许所述树脂留在所述收缩带的外表面上以在所述压力容器上形成保护层。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括如下步骤：
以至少两层预浸强化纤维包绕所述柱体。
3.根据权利要求2所述的方法，其还包括如下步骤：
将预浸强化纤维层中的一个在轴向或纵向上包绕在所述柱体上；以及，
将所述预浸强化纤维层中的另一个在环圈方向上包绕在所述柱体上。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括如下步骤：
以至少两层收缩带包绕所述柱体。
5.根据权利要求4所述的方法，其还包括如下步骤：
将收缩带层中的一个在轴向或纵向上包绕在所述柱体上；以及，
将所述收缩带层中的另一个在环圈方向上包绕在所述柱体上。
6.根据权利要求5所述的方法，其还包括如下步骤：
在所述收缩带中提供穿孔，由此，来自所述预浸强化纤维的树脂的至少一部分响应于施加热量到所述收缩带包绕的所述柱体而渗过所述穿孔。
7.根据权利要求2所述的方法，其方法还包括如下步骤：
以至少两层收缩带包绕所述柱体。
8.根据权利要求7所述的方法，其还包括如下步骤：
将收缩带层中的一个在轴向或纵向上包绕在所述柱体上；以及，
将所述收缩带层中的另一个在环圈方向上包绕在所述柱体上。
9.根据权利要求8所述的方法，其还包括如下步骤：
在所述收缩带中提供穿孔，由此，来自所述预浸强化纤维的树脂的至少一部分响应于施加热量到所述收缩带包绕的柱体而渗过所述穿孔。
10.根据权利要求8所述的方法，其还包括如下步骤：
将预浸强化纤维层中的一个在轴向或纵向上包绕在所述柱体上；以及，
将所述预浸强化纤维层中的另一个在环圈方向上包绕在所述柱体上。
11.一种加强压力容器，所述容器包括：
薄壁柱体衬套；
包绕到所述柱体衬套上的至少一层预浸强化纤维；
包绕到所述柱体上的至少一层收缩带；
在所述收缩带的外表面上的树脂层，以在所述压力容器的外表面上形成保护层。
12.根据权利要求11所述的加强压力容器，其还包括：
在所述柱体衬套上在轴向或纵向上定向的第一层预浸强化纤维；以及，
在所述柱体衬套上在环圈方向上定向的第二层预浸强化纤维。
13.根据权利要求12所述的加强压力容器，其还包括：
包绕到所述柱体衬套上的至少两层收缩带；
在所述柱体衬套上在轴向或纵向上定向的第一层收缩带；以及，
在所述柱体衬套上在环圈方向上定向的第二层收缩带。
14.根据权利要求13所述的加强压力容器，其还包括：
形成在所述收缩带中的穿孔，由此，当所述收缩带被加热时来自预浸纤维的树脂渗过所述穿孔以在压力容器上形成保护层。
15.根据权利要求11所述的加强压力容器，其中，所述预浸强化纤维选自：碳纤维、芳纶、高强度聚乙烯纤维、玻璃丝纤维或它们的组合。
16.根据权利要求11所述的加强压力容器，其特征在于，所述强化纤维选自：单根纤维、丝束、狭缝带或它们的组合。
17.根据权利要求11所述的加强压力容器，其还包括：
聚酯带，其包括所述收缩带，其中，所述收缩带响应于施加热量而收缩，以消除在预浸强化纤维层中的空隙而不需要使用高压。
18.根据权利要求11所述的加强压力容器，其还包括：
热固性树脂，其包括涂覆到所述强化纤维上的预浸材料。
19.根据权利要求11所述的加强压力容器，其还包括：
纳米材料树脂，其包括涂覆到所述强化纤维上的预浸材料。
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