CN110869662B - 改进的压力容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力容器(100)，其设置成用于在压力下存储流体，所述压力容器包括：热塑性内衬(40)，其具有圆柱形区段(41)、第一圆化端部区段(42)和第二圆化端部区段(42)；由复合材料制成的增强结构件(50)，所述增强结构件至少环绕所述热塑性内衬的所述圆柱形区段；以及局部增强层(20)。

Description

改进的压力容器
技术领域
本发明的领域涉及压力容器，确切地说，涉及用于车辆的压力容器。具体实施例涉及用于存储氢气、液化石油气(liquid petroleum gas，LPG)、压缩天然气(compressednatural gas，CNG)或氨的压力容器。
背景技术
当今，用于高压存储的压力容器通常由内衬制成，并在内衬上通过利用长丝缠绕工艺来制成复合材料增强结构件。举例来说，对于IV型压力容器，用于制造压力容器的方法可包括：
-例如通过注射成型或吹塑成型、旋转成型或管挤出与任何类型的成型工艺的组合来制造热塑性内衬，其中成型的端部区段通常焊接到管挤出件；此步骤的制造时间通常介于1分钟与5分钟之间；
-例如通过对增强纤维使用在线浸渍(in-line impregnation)来实施长丝缠绕工艺，对于60升容器，此步骤所需的时间通常为2到4小时；
-固化；对于60升容器，此步骤通常需要4到6小时。
美国专利公开文本US 3,112,234描述了缠绕在绕组的各层之间的环形增强贴片。这允许在不同于极点开口的另一位置制造穿过压力容器的开口。此开口的设计是基于多个集成在层之间的环形增强贴片，并且在容器制成之后通过所述环形增强贴片切割出孔。
美国专利公开文本US 3,815,773描述了一种压力容器，其具有金属内衬和在所述金属内衬与树脂浸渍的纤维壳体之间的集成负载分布层。以所述方式，可避免III型压力容器在压力循环期间的疲劳问题。
US 2004/0173618公开了一种压力容器，其具有带凸缘的凸台。凸缘在容器主体的接合部分处朝向容器主体的周边延伸，凸缘在所述接合部分处接合到容器主体。压力容器的内衬具有自密封部分，内衬在所述自密封部分处邻接凸缘以密封在一起。在自密封部分的外周边侧上，环状约束构件设置在内衬的外周边上，并且约束构件用以限制由容器主体的扩大引的内衬的直径扩大。内衬具有可容易移位的部分，所述部分可容易地在其外周边处在自密封部分的径向方向上延伸和变形。
发明内容
本发明的实施例旨在提供一种压力容器，其能够承受高应力负载，并且与能够承受相同应力负载的现有技术容器相比具有减小的重量。
根据本发明的第一方面，提供一种设置成存储受压流体的压力容器。压力容器包括热塑性内衬、凸台、增强结构件和局部增强层。热塑性内衬具有圆柱形区段、第一圆化端部区段和第二圆化端部区段。第一圆化端部区段具有开口。凸台的凸缘布置在所述开口周围。增强结构件由复合材料制成，并且增强结构件至少环绕热塑性内衬的圆柱形区段。局部增强层或嵌入于所述增强结构件中，或位于增强结构件与内衬之间，或集成在内衬中。局部增强层环绕第一圆化端部区段的位于凸台与热塑性内衬的圆柱形区段之间的区域中的至少一部分，并且环绕小于20％的圆柱形区段。
应注意，在US 2004/0173618中，约束构件不环绕内衬的圆化端部区段。实际上，其环绕内衬的圆柱形阶梯形端部区段。
术语“圆化端部区段”意指端部区段在内衬的轴向方向上是修圆的。如下文所解释，优选地，端部区段大致呈圆顶形。
术语“小于20％”意指在某些实施例中，局部增强层不环绕圆柱形区段，而在另一些实施例中，局部增强层在圆柱形区段之上只延伸较小距离(小于圆柱形区段的长度的20％)。
术语“集成在内衬中”意指局部增强层可以例如通过焊接粘附到内衬的表面，或可以例如通过包覆成型与内衬一起形成，但使得形成的局部增强层具有与内衬不同的材料性质，以形成内衬的局部增强。在优选实施例中，局部增强层由焊接到内衬的一个或多个带区段形成。
术语“位于增强结构件与内衬之间”意指局部增强层不需要附接到内衬，而是可由增强结构件保持在适当位置。
术语“嵌入于增强结构件中”意味着增强结构件的复合材料在局部增强层下方和上方延伸。
本申请的发明人们已发现，在现有技术压力容器中，当增强结构件处于压力容器的最大压力时(通常在爆裂测试期间)，增强结构件尚未被使用到其满负荷能力，即典型地，当增强结构件处于最大压力下时，增强结构件的纤维尚未被使用到其满负荷能力。这意味着增强结构件中的应力在压力容器的一些位置较高但在其它位置保持较低。最大应力的位置通常在压力容器的圆化端部区段中，或在压力容器的圆柱形区段与圆化端部区段之间的过渡区域中。这些区域通常通过添加螺旋层和/或优化增强结构件的现有螺旋层的角度来进行增强。本发明的实施例尤其基于本发明人的以下见解：为了减少压力容器的圆化端部区段中或圆柱形区段与圆化端部区段之间的过渡区域中的应力而添加的层未在压力容器的圆柱形区段的相当大的一部分中没有被有效利用。添加层仅在局部起作用，却因此增加了压力容器的重量和制造时间。产生压力容器时的另一问题是在形成增强结构件之后的固化循环的持续时间。此持续时间取决于增强结构件的最终复合材料厚度：增强结构件越厚，固化持续时间就越长。这些具有创造性的见解通过本发明的压力容器的实施例来实现。实际上，通过以上文所描述的方式添加局部增强层，增强结构件可更薄，从而与具有相同机械强度的现有技术压力容器相比减小了压力容器的重量。局部增强层环绕第一圆化端部区段的至少一部分并环绕小于20％的圆柱形区段，并且局部增强层的至少一部分布置在压力容器的在凸台与热塑性内衬的圆柱形区段之间的区域中。以所述方式，局部增强层可设置在应力最高的关键区域中。
优选地，增强结构件至少部分地覆盖局部增强层。更优选地，增强结构件完全地覆盖局部增强层。以所述方式，可由增强结构件将局部增强层牢固地保持在适当位置。
根据示例性实施例，局部增强层由以下材料中的任一种制成：金属、复合材料。优选地，复合材料包括嵌入于热固性或热塑性基质中的增强纤维。更优选地，局部增强层由热塑性或热固性预浸料或由增强带形成。此类复合材料具有以下优点：其可以容易地布置在压力容器中，并且足够坚固同时重量又足够轻。
在本申请的上下文中，术语“预浸料”是指既包括热塑性或热固性材料，又包括短切纤维或长纤维或连续纤维的薄片，纤维可以是编织的，也可以是非织的。一般来说，短切纤维的最终长度为数十/数百微米。在长纤维的情况下，剩余长度可为几毫米。如果所使用的纤维的长度为数十厘米，那么这些纤维被称作连续纤维或连续长丝。这些纤维可基于玻璃(E型、S型或其它类型)、碳、聚合物(如聚酰胺，例如芳纶等芳族聚酰胺，或如聚乙烯)，或甚至可以是天然纤维，如剑麻。其优选地为碳纤维。预浸料的纤维优选地与预浸料的热塑性塑料材料或热固性材料相容。为了获得此相容性，纤维可以用如硅烷的相容性物质来上浆(sized，表面处理)。还可以使用反应性HDPE类型的粘合剂。在此背景下，可有利地使用顺丁烯二酸酐类型的反应性功能。预浸料中的纤维含量优选地为至多70％，增强件的其余部分基本上由热塑性或热固性材料组成。换句话说，预浸料的热塑性或热固性材料含量为至少30％。在实践中，预浸料可通过压延成型、压缩成型、注射成型、喷涂成型或甚至下成型(molding under)来产生。
在本发明的语义中，术语“增强带”是指在热塑性或热固性树脂中包括任何种类的增强纤维的带。增强纤维可由例如碳、玻璃、玄武岩、芳纶、聚乙烯或任何其它增强纤维制成。增强纤维沿着纤维长度的方向为部件提高强度和硬度。纤维优选地在长度上是连续的或接近连续的，并且优选地与带长度(或带的纵向轴线)基本上平行地排列；但本发明的实施不依赖于带内的特定增强形式。热塑性树脂可以是例如聚酰胺、聚烯烃或聚苯硫醚。热固性树脂可以是环氧树脂或不饱和聚酯或聚氨酯。如同大多数聚合物复合材料应用一样，所使用的特定树脂和纤维以及其在复合材料内的比例和形式由待制造的局部增强层的特定要求确定。热塑性带可以例如通过激光、热气、IR、超声波、电子喷射或本领域的技术人员已知的任何其它方法布置到内衬上。当热塑性材料通过施加热和压力而布置在内衬上时，热塑性材料可以在原位接合。带可几乎为任何形状，例如，条带形状、波形状。优选地，带为条带形状。
根据示例性实施例，局部增强层的材料不同于内衬的材料。根据示例性实施例，局部增强层的材料是不同于增强结构件的材料的复合材料。更确切地说，增强层的材料可以选择为能够承受所需应力负载的最优材料。
根据示例性实施例，例如通过对40×10×1mm的测试样品进行测量，局部增强层的杨氏模量大于30GPa，更优选地大于40GPa，甚至更优选地大于50GPa。如果局部增强层包括纤维，那么在纤维的方向上执行测量。如果局部增强层包括不同方向上的纤维，那么优选地针对至少一个方向满足要求。具有此类杨氏模量的材料是可获得的，例如呈预浸料或增强带的形式，并提供足够的局部强度。
根据优选实施例，局部增强层具有基本上恒定的厚度，优选地在标称值的20％内，更优选地在标称值的10％内的厚度。
根据示例性实施例，局部增强层具有大于1mm的厚度。根据示例性实施例，局部增强层的厚度小于6mm，更优选地小于5mm。本发明的发明人已发现，满足那些厚度要求的层足以能够承受压力容器中在圆化端部区段中和/或在压力容器的圆化端部区段与圆柱形区段之间的过渡区域中的典型局部应力。
根据示例性实施例，由局部增强层形成的圆周部分的最大外径(Dmax)大于内衬的圆柱形区段的外径(D)的50％，优选地大于其70％，更优选地大于其80％，甚至更优选地大于其90％。以所述方式，第一圆化端部区段中的关键区域将由局部增强层加强。
根据示例性实施例，第一圆化端部区段在压力容器的轴向方向上具有长度L2，并且局部增强层至少在第一圆化区段的第一区(Z1)的一部分中环绕第一圆化端部区段，所述第一区(Z1)在压力容器的轴向方向上从圆柱形区段延伸出的长度为L2/2。这样，第一圆化端部区段的位于内衬的圆柱形部分附近的关键区域将由局部增强层加强。更优选地，第一区(Z1)在压力容器的轴向方向上从圆柱形区段延伸出的长度为(3/4)*L2，并例如延伸于整个长度L2。如下文所解释，局部增强层可甚至在凸台之上延伸。
根据示例性实施例，局部增强层布置在内衬与增强结构件之间。由此，局部增强层不与压力容器中的流体接触，并且由增强结构件保持在位，从而使得可用于局部增强层的材料具有广泛的范围。
根据示例性实施例，增强结构件包括嵌入于热固性或热塑性基质中的增强纤维，例如碳、玻璃、芳纶等。根据示例性实施例，增强结构件包括以下中的一个或多个：长丝缠绕层、编织层、带层。增强结构件可通过长丝缠绕工艺、编织工艺、自动铺带工艺、激光辅助铺带工艺、其组合或任何替代工艺来获得。
优选地，凸台由金属制成，更优选地由铝金属制成。优选地，凸台具有由凸台的圆柱形内表面限定的通道。通常，通道在压力容器的轴向方向上延伸，并且通常与内衬中的开口对准。凸台的凸缘从通道向外突出。凸台的凸缘的形状可适于第一圆化端部区段围绕其中开口的形状圆化。凸台是可附接功能组件的组件。为此，凸台可以具有内部螺纹以与功能组件上的螺纹配合。功能组件可以是例如阀(如泄压阀或多功能阀)、出口、传感器、热压释放阀、压力传感器、温度传感器、过压释放阀、适配器部件、装配件、封闭件等。
根据示例性实施例，第一圆化端部区段的开口的周向边缘连接到从内衬向外突出的圆柱形端部区段，其中凸台布置在圆柱形端部区段周围，并且其中局部增强层和/或增强结构件在凸台上延伸。以所述方式，局部增强层和/或增强结构件将凸台保持在适当位置，从而形成压力容器的紧凑且坚固的端部区段。
根据另一示例性实施例，第一圆化端部区段的开口的圆周边缘连接到从内衬向内突出的圆柱形端部区段，其中凸台布置在圆柱形端部区段中并从内衬中突出，并且其中局部增强层和/或增强结构件在凸台的一部分上延伸。同样在此实施例中，局部增强层和/或增强结构件将使凸台保持在适当位置，从而产生压力容器的紧凑且坚固的端部区段。
根据示例性实施例，内衬的第一圆化端部区段和/或第二圆化端部区段大体上呈圆顶形。这通常是用于应对压力容器中的高压负载的最优形状。应注意，内衬的端部区段可进一步包括容纳开口的多少扁平的端部部分或容纳开口的圆柱形部分，但增强层环绕的是大致为圆顶形的区段，其不具有阶梯或不连续部分的。
根据示例性实施例压力容器设置成存储以下中的任一种：液化石油气(LPG)、氢气、压缩天然气(CNG)、氨；并且压力容器设置为承受高于2巴的压力。
根据本发明的另一方面，提供一种用于制造设置成用于在压力下存储流体的压力容器的方法，所述方法包括：
-形成具有圆柱形区段、第一圆化端部区段和第二圆化端部区段的热塑性内衬，其中开口设置在第一圆化端部区段中；
-将凸台布置在第一圆化端部区段中的开口周围；
-形成由复合材料制成的增强结构件，使得所述增强结构件至少环绕热塑性内衬的圆柱形区段；以及
-或将局部增强层嵌入于所述增强结构件中，或将局部增强层置于内衬与增强结构件之间，或将局部增强层集成在所述内衬中，使得所述局部增强层圆化在凸台与热塑性内衬的圆柱形区段之间的区域中环绕第一圆化端部区段的至少一部分，并且环绕小于20％的圆柱形区段。
根据示例性实施例，其中局部增强层在内衬或内衬的子部分的成型期间在内衬上包覆成型。内衬的形成可通过例如吹塑成型、注射成型、旋转成型或管挤出与任何类型的成型工艺的组合来进行，其中成型的端部区段通常焊接到管挤出件。举例来说，预浸料，例如碳基预浸料，可以在模具外部加热，拉伸(draped)成正确形状并置于模具内部以在内衬制造过程期间包覆成型。
根据示例性实施例，在形成内衬与形成增强结构件之间将局部增强层置于内衬上；其中增强层或集成为独立组件，或在形成内衬之后粘附到内衬。举例来说，可以在内衬制造和增强结构件制造的步骤之间将局部增强层定位在内衬上。在此实施例中，局部增强层可集成为独立组件。替代地，局部增强层可以在内衬制造好之后粘附、例如焊接到内衬。在特定实施例中，热塑性增强带可以直接激光焊接在第一圆化端部区段上，以便形成局部增强层。
根据示例性实施例，通过将局部增强层定位在增强结构件的两个复合层之间而将局部增强层嵌入于增强结构件中。例如可以是通过将局部增强层定位在增强结构件的两个长丝层之间而将局部增强层可嵌入于增强结构件中。以所述方式，局部增强层可牢固地保持在复合结构件的两个复合层之间的适当位置。
根据示例性实施例，局部增强层的一部分布置在内衬上或嵌入于增强结构件的一部分中，并且其中热固性或热塑性树脂被注射以形成局部增强层和增强结构件。通过在内衬上布置局部增强层的“干燥”部分或将局部增强层的“干燥”部分嵌入于增强结构件的“干燥”部分中，可以在一个步骤中进行注射热固性或热塑性树脂以形成局部增强层和增强结构件。举例来说，可以在不对增强纤维进行在线浸渍的情况下执行长丝缠绕。在所述实施例中，局部增强层的“干燥”部分可以位于内衬上和/或不同长丝缠绕层之间。长丝缠绕步骤之后是注射热固性或热塑性树脂以固结增强结构件和局部增强层的复合材料。
根据示例性实施例，内衬可由基于例如HDPE、PA、PPA、PVDF或任何其它合适的热塑性材料的单材料制成。替代地，内衬可由共挤出结构制成，例如包含氢渗透率极低的层的共挤出层(通常为EVOH)。
根据示例性实施例，增强结构件至少部分地形成在局部增强层之上，优选地完全覆盖在局部增强层之上。
根据示例性实施例，局部增强层的位置被选择为使得由局部增强层形成的圆周部分的最大外径(Dmax)大于内衬的圆柱形区段的外径(D)的50％，优选地大于其70％，更优选地大于其80％。
根据示例性实施例，局部增强层被选择为使得其厚度大于1mm和/或小于6mm，更优选地小于5mm。
根据示例性实施例，其中增强结构件是通过以下中的一项或多项制成：长丝缠绕、编织、施加增强带。
根据示例性实施例，局部增强层和/或增强结构件形成为使得局部增强层和/或增强结构件在凸台上延伸。
根据示例性实施例，内衬形成为使得第一圆化端部区段的开口的周向边缘设有从内衬向外突出的圆柱形端部区段，凸台布置在圆柱形端部区段周围。根据另一实施例，内衬形成为使得第一圆化端部区段的开口的周向边缘具有从内衬向内突出的圆柱形端部区段，凸台布置在圆柱形端部区段中，并且凸台的凸缘围绕开口从内衬中突出。
根据示例性实施例，第一和第二圆化端部区段可分别具有第一和第二局部增强层。第一局部增强层可或嵌入于增强结构件中，或布置在内衬上，或集成在内衬中，其中第一局部增强层环绕第一圆化端部区段的至少一部分并且环绕小于20％的圆柱形区段。类似地，第二局部增强层可或嵌入于增强结构件中，或布置在内衬上，或集成在内衬中，其中第二局部增强层环绕第二圆化端部区段的至少一部分并且环绕小于20％的圆柱形区段。在典型实施例中，第一和第二圆化端部区段两者都可受益于局部增强，本实施例能够实现这点。
根据示例性实施例，可提供多于一个局部增强层，例如内衬上的或集成在内衬中的局部增强层以及嵌入于增强结构件中的另一局部增强层；其中局部增强层和另一局部增强层两者可环绕同一圆化端部区段的至少一部分并且环绕小于20％的圆柱形区段。此类实施例可根据需要进一步增加局部区域中的机械强度。根据另一示例性实施例，第二局部增强层可设置成在压力容器的轴向方向上与局部增强层相邻，其中所述第二增强层不同于所述局部增强层。换句话说，可以在压力容器的轴向方向上提供多个相邻的局部增强层。相邻局部增强层可以具有针对压力容器上的不同位置而优化的不同性质。相邻局部增强层可以例如作为预浸料或作为增强带来施加。
在本发明的语义中，术语“压力容器”是指能够承受至少2巴，优选地至少3巴的内部压力的容器。压力容器可包括集成在压力容器主体中的组件，例如安装在压力容器主体的开口中的功能部件。其实例在下文的图式描述中更详细地描述。压力容器主体可以具有纵长的基本圆柱形区段，所述圆柱形区段具有两个圆化端部区段，并且功能部分可以布置在这些圆化端部区段中的一个中。
在本发明的语义中，术语“IV型的压力容器”是指以内衬为特征的构造，碳纤维或混合碳/玻璃纤维复合材料布置在所述内衬上。在制造之后，内衬还保持是容器的一部分。
在本发明的语义中，术语“热塑性材料”表示包含热塑性弹性体的任何热塑性聚合物，以及其掺合物。术语“聚合物”表示均聚物和共聚物两者(尤其是二元或三元共聚物)。此类共聚物的实例为但不限于：无规共聚物、线性嵌段共聚物、其它嵌段共聚物和接枝共聚物。通常使用的一种聚合物为聚乙烯。已经用高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)和纤维增强聚合物获得极佳结果。
根据示例性实施例，内衬的第一圆化端部区段和/或第二圆化端部区段形成为使得其大体上呈圆顶形的。应注意，端部可以具有容纳开口的或多或少扁平的端部部分，但增强层优选地环绕不具有阶状物或不连续部分的大体呈圆顶形的区段。
上文针对压力容器所描述的优选特征也适用于所述方法，且反之亦然。
附图说明
附图中示出本发明的装置的当前优选的非限制性示例性实施例。当结合附图阅读以下详细描述时，本发明的特征和客体的上述优点和其它优点将变得更显而易见，并且能够更好地理解本发明，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明的压力容器的第一示例性实施例的部分横截面；
图2A到图2D示意性地示出根据本发明的压力容器的不同实施例的压力容器的一部分的横截面；
图3到图5示意性地示出根据本发明的压力容器的各种示例性实施例的横截面；
图6示意性地示出包括根据本发明的压力容器的示例性实施例的燃料电池系统；并且
图7A和图7B示意性地示出根据本发明的压力容器的不同实施例的压力容器的一部分的横截面。
具体实施方式
图1示出用于存储受压气体的压力容器100的第一示例性实施例。图1的压力容器100包括热塑性内衬40、增强结构件50、第一局部增强层20和第二局部增强层20'，以及凸台10、10'。热塑性内衬40具有纵长的圆柱形区段41、第一圆化端部区段42和第二圆化端部区段42'。增强结构件50由复合材料制成，并且至少环绕热塑性内衬40的圆柱形区段41。优选地，增强结构件50在圆柱形区段41中以及在第一圆化端部区段42和第二圆化端部区段42'中都环绕内衬40，如图1中所绘制。更优选地，增强结构件50还在延伸到凸台10、10'之上。局部增强层20、20'或者直接布置在热塑性内衬40上，至少部分地布置在所述增强结构件50下方，优选地被所述增强结构件50完全覆盖(如图1中所绘制)；或者嵌入于所述增强结构件50中(如图2c中所绘制，进一步可见)。
第一局部增强层20优选地在第一圆化端部区段42的长度L2的至少20％之上环绕第一圆化端部区段42，如在压力容器100的轴向方向A上所见；更优选地在长度L2的至少50％之上、甚至更优选地在长度L2的至少70％之上环绕第一圆化端部区段42。优选地，第一局部增强层20不环绕圆柱形区段41，或仅在圆柱形区段41的一小部分上延伸，优选地小于圆柱形区段41的直径的20％，更优选地小于圆柱形区段41的直径的15％。局部增强层20至少在第一圆化区段42的第一区(Z1)的一部分中环绕第一圆化端部区段42，所述第一区(Z1)在从圆柱形区段起沿着压力容器的轴向方向上延伸L2一半的长度。局部增强层20可存在于第一区Z1的一部分中或整个第一区Z1中。局部增强层20还可以在覆盖第一圆化端部区段42的后一半的第二区Z2上延伸，和/或可以在圆柱形区段41之上延伸，和/或可以在凸台10之上延伸，如后文所述。优选地，由局部增强层20形成的圆周部分的最大外径Dmax大于内衬40的圆柱形区段41的外径D的50％，优选地大于70％，更优选地大于80％，甚至更优选地大于90％。以所述方式，第一圆化端部区段42中的关键区域将由局部增强层20加强。
在图1中所示的系统中，内衬40、增强结构件50以及第一和第二局部增强层20、20'形成具有纵长圆柱形区段101以及第一圆化端部区段102和第二圆化端部区段102'的压力容器100。
优选地，第一和第二局部增强层20、20'由以下材料中的任一种制成：金属、复合材料。在优选实施例中，第一和第二局部增强层20、20'由以热塑性或热固性预浸料形式施加的复合材料制成。预浸料包括“预浸渍”纤维，其中纤维预浸渍在热固性或热塑性聚合物基质材料中。纤维可以采用织物的形式，并且基质用以将所述纤维接合在一起并允许接合到内衬或其它组件。如果使用热固性材料基质，那么在将热固性材料基质布置在压力容器中之前，热固性材料基质通常仅部分地固化以使其易于处理；热固性材料基质在压力容器中集成之后能够完全地固化。
根据示例性实施例，局部增强层20、20'具有大于30GPa的杨氏模量(例如对40×10×1mm的测试样品测量)，其更优选地大于40GPa，更优选地大于50GPa。如果局部增强层20、20'包括纤维，那么在纤维的方向上执行测量。如果局部增强层包括不同方向上的纤维，那么优选地在至少一个方向上满足要求。
优选地，局部增强层20、20'具有大于1mm的厚度。更优选地，厚度介于1mm与5mm之间，更优选地介于1mm与4mm之间。
增强结构件50可由复合材料制成，并且可包括嵌入于热固性或热塑性基质中的增强纤维，例如碳、玻璃、芳纶等。增强结构件50可通过长丝缠绕工艺、编织工艺、自动铺带工艺、激光辅助铺带工艺、其组合或任何替代工艺来获得。增强结构件50可包括以下中的一个或多个：长丝缠绕层、编织层、带层。优选地，增强结构件包括长丝缠绕层。以本申请人的名义提交的欧洲专利申请EP 16 305 374.7和EP16305839.9中描述了有利的增强结构件，所述专利文件以引用的方式包含在本文中。
优选地，第一圆化端部区段42和第二圆化端部区段42'基本上呈圆顶形。应注意，那些端部区段通常具有开口43、43'。限定开口43、43'的边缘连接到从内衬40向外突出的圆柱形端部区段45、45'，其中凸台10、10'布置在圆柱形端部区段45、45'周围。凸台10、10'具有凸缘11、11'，凸缘11、11'在开口43、43'周围的区域中抵靠圆化端部区段42、42'而布置。优选地，增强结构件50在凸台10、10'上延伸。任选地，局部增强层20、20'也可以在凸台10、10'上延伸(图1中未绘制)。因为制成内衬40的材料通常不足够坚固到能将功能部件保持在开口43内，所以压力容器100通常具有围绕圆柱形端部区段45、45'的凸台10、10'。此凸台10可由金属或抵抗压力容器100中的压力的任何其它材料形成。凸台10、10'通常由铝制成。增强结构件50可以布置在凸台10周围。换句话说，在制造期间，凸台10可以首先布置在内衬40的圆柱形端部区段45周围，接着，用于形成增强结构件50的增强材料可以布置在内衬40上和凸台10的周向外表面上。类似地，局部增强层20可以被布置成使得其部分地在凸台10的周向外表面上延伸。
图1的压力容器可以具有介于20升与120升之间的容积。其可以是所谓的IV型容器，参见上文给出的定义。优选地，压力容器设置成存储以下中的任一种：液化石油气(liquid petroleum gas，LPG)、氢气、压缩天然气(compressed natural gas，CNG)、氨。优选地，压力容器设置成承受高于2巴的压力。在本发明的一些实施例中，压力容器可以设置为在高于0.3MPa(3巴)的压力下存储气体。如果压力容器设置为存储液化石油气(LPG)，那么压力容器可以设置成在大致0.5MPa到1.5MPa(5到15巴)的压力下存储此液化石油气。对于设置成存储氢气的压力容器，压力容器可以在约70MPa(700巴)或35MPa(旧标准350巴)的压力下存储此气体。如果压力容器用于存储压缩天然气(CNG)，那么压力容器可以设置为在约20MPa(200巴)下存储气体。如果压力容器用于存储氨，通常为氨水，那么压力容器可以设置成在0.1MPa到2MPa的压力下存储氨。
内衬40可以通过吹塑成型或注射成型或任何其它合适的成型技术由热塑性材料制成。内衬40还可以由挤出成型的管状区段和焊接到所述管状区段的两个圆顶形区段形成。内衬40可由基于HDPE、PA、PPA、PVDF等的单材料构成，或可由共挤压结构制成，共挤压结构包含具有氢渗透率非常低的层，例如EVOH层。
增强结构件50可包括螺旋绕组，并且在本发明的实施例中，与具有相同机械强度要求的现有技术实施例相比，可移除一些螺旋绕组，同时在圆化端部区段42、42'上或在圆柱形区段41与圆化端部区段42、42'之间的过渡区域上添加局部增强层20、20'。对于相同的机械强度要求，按照本发明的实施例能够产生重量较小的压力容器。还能够减少制造时间，尤其是固化所需的时间。
此局部增强层20、20'可通过以下示例性方法来获得：
-在内衬或内衬的子部分的成型工艺期间对局部增强层进行包覆成型。在示例性实施例中，预浸料，例如碳基预浸料，可以在模具外部加热，拉伸成正确形状并定位在模具内部以在内衬制造过程中包覆成型；在另一示例性实施例中，增强带区段的堆积可以定位在模具内部以在内衬制造期间包覆成型。
-在制造内衬和制造增强结构件的步骤之间将局部增强层定位在内衬上。在此实施例中，局部增强层可以集成为独立组件；
-在完成内衬制造之后将局部增强层粘附、例如焊接到内衬。在特定实施例中，热塑性带可以直接激光焊接在圆化端部区段上，以形成局部增强层；另外，多个带区段可以激光焊接以形成一个或多个局部增强层，其中不同带区段可以具有相同或不同的强度性质；
-例如通过将局部增强层定位在增强结构件的两个复合层之间而将局部增强层嵌入于增强结构件中；
-在内衬上布置局部增强层的“干燥”部分或将局部增强层的“干燥”部分嵌入于增强结构件的“干燥”部分中，并注射热固性或热塑性树脂以形成局部增强层和增强结构件。举例来说，可以在不对增强纤维进行在线浸渍(in-line impregnation)的情况下实施长丝缠绕。在所述实施例中，局部增强层的“干燥”部分可以定位在内衬上和/或不同长丝缠绕层之间。长丝缠绕步骤之后是注射热固性或热塑性树脂以固结增强结构件和局部增强层的复合材料。局部增强件还可通过在制造支撑件上的带区段的堆积来制造。一旦此堆积完成，就可通过任何成型工艺将其集成在内衬中或布置在内衬上。
图2A到图2D示出包括内衬40、增强结构件50和局部增强层20的压力容器的四个可能的示例性实施例。如上文针对图1的实施例所描述地设置凸台10。
在图2A的实施例中，局部增强层20集成在内衬40中，并且可以在内衬40的部分厚度或在内衬40的整个厚度上延伸。优选地，局部增强层集成在内衬40的外表面处。在图2B的实施例中，局部增强层20定位在内衬40的外表面处，并且不在内衬40的整个厚度上延伸。此实施例可具有局部增强件20不与压力容器中的气体接触的优点，这在防止污染方面可以是有利的。
在图2C的实施例中，局部增强层20嵌入于增强结构件50中。可选地(未绘制)，局部增强层20可以在凸台10上延伸。在一些实施例中，凸台10可包括螺纹，参见图2C，以将功能组件固定在凸台中。图2D示出可能的压力容器的另一更详细实施方案。在此实施例中，增强结构件50布置在内衬40的圆柱形区段41上并且部分地在局部增强层20上延伸。局部增强层20是布置在内衬40的圆化端部区段42上的预浸料或增强带。局部增强层20在凸台10上延伸。上面结合图1和图2A到2D所描述的特征中的一些也存在于图3到图6的示例性实施例中，并且将不再描述。
在图1中所示的压力容器100的实施例中，设置向外突出的基本呈圆柱形的端部区段45。在基本呈圆柱形的端部区段45向外突出的实施例中，凸台10可以布置在基本呈圆柱形的端部区段45周围。相比之下，在图3中，内衬40具有向内突出的圆柱形端部区段46(即，朝向压力容器100的内部向内突出的基本呈圆柱形的区段46)。凸台10可以插入于向内突出的端部区段46中。凸台10用于安装组件，例如阀(如泄压阀或多功能阀)、出口、传感器、热压释放阀、压力传感器、温度传感器、过压释放阀、适配器部件、装配件等。应注意，在替代实施例中，凸台10还可以是封闭部件，即不具有中心通道的部件。在图3中所示的压力容器100中，凸台10包括具有第一直径的第一大体圆柱形部分12，和形成凸缘11的具有第二直径的第二大体圆柱形部分，第二直径例如大于第一直径，所述第一部分12插入于开口43中并且凸缘11从开口43中向外延伸。密封件3可以布置在开口43内、在圆柱形端部区段46与凸台10之间，以防止所存储气体从压力容器100逸出。局部增强层20和/或增强结构件50可以在第一大体圆柱形部分12和/或凸缘11上延伸并环绕第一大体圆柱形部分12和/或凸缘11。
在图4的示例性实施例中，内衬40不具有圆柱形端部区段。实际上，圆柱形区段由单独的圆柱形组件47形成，其可以在凸台10上包覆成型。此圆柱形组件47可以由可焊接的热塑性材料形成。在图4的实施例的制造期间，圆柱形组件47可以首先焊接到内衬40，然后可以施加局部增强层20和增强结构件50。局部增强层20也可以在圆柱形组件47之前布置。另外，功能组件65(此处以适配器部件的形式绘制)插入于圆柱形组件47中。功能组件65可以是以下中的任一个：阀(例如泄压阀或多功能阀)、出口、传感器、热压释放阀、压力传感器、温度传感器、过压释放阀、适配器部件、装配件、封闭件等。
在图5的压力容器100中，压力容器100设有插入到内衬40中的开口43中的内部凸台70。此内部凸台70可以由金属或抵抗压力容器中的压力的任何其它材料制成，并且可以在内衬40的吹塑成型期间集成。在图5的实施例中，压力容器100不包括外部凸台。可以在内衬40的内周边与内部容器适配器70之间设置密封件3，使得开口43适当地密封。
图7A和图7B中示意性地示出两个另外的示例性实施例。根据图7A的示例性实施例，第一局部增强层20a、第二局部增强层20b和第三局部增强层20c被设置成在压力容器的轴向方向上彼此相邻，其中第一增强层20a、第二增强层20b和第三增强层20c具有不同性质，例如不同纤维基质和/或不同厚度，和/或不同纤维含量等。更一般来说，可以在压力容器的轴向方向上提供任何数目个相邻的局部增强层20a、20b、20c。相邻局部增强层可以具有针对压力容器上不同位置而优化的不同性质。在所示实施例中，第三局部增强层20c在凸台10上延伸，并且增强结构件50在整个内衬40上、在第一第二第三局部增强层20a、20b和20c上并且在凸台10上延伸。在其它实施例(未图示)中，第三局部增强层20c不在凸台10上延伸。第一局部增强层20a、第二局部增强层20b和第三局部增强层20c可以是例如预浸料层或增强带层。第一局部增强层20a、第二局部增强层20b和第三局部增强层20c可以全部布置在第一圆化端部区段42上，其中例如第一局部增强层20a可以在内衬40的圆柱形区段41上延伸较小距离。
根据图7B的示例性实施例，设置在内衬40上或集成在内衬40中的第一局部增强层20d和嵌入于增强结构件50中的另一局部增强层20e。第一局部增强层20d和第二局部增强层20e两者都环绕同一圆化端部区段42的至少一部分并且环绕小于20％的圆柱形区段。此实施例可以根据所需机械强度性能进一步提高某些局部区域中的机械强度。
在本发明的所示实施例中，压力容器100可以设置成存储以下中的任一种：液态石油气(LPG)、氢气、压缩天然气(CNG)、氨气。
图6示出包括压力容器100的燃料电池系统的示例性实施例，压力容器100与图1的压力容器大体上相同。压力容器100由被增强结构件50环绕的内衬40和局部增强层20、20'形成。压力容器100具有纵长的圆柱形区段101、第一圆化端部区段102和第二圆化端部区段102'。压力容器100可以在圆化端部区段102、102'处具有减震器138、139。另外，可以围绕压力容器100的圆柱形区段101提供绑带130、131以将压力容器系统100固定到车辆。
在图6的压力容器系统100中，在内衬40的第一圆化端部区段42中存在第一开口43，并且在内衬40的第二圆化端部区段42'中存在第二开口43'。在其它实施例中，仅一个圆化端部区段42或42'具有开口43或43'。例如包括多功能阀(如氢多功能阀)的第一功能部件132布置在内衬40的第一圆柱形端部区段45中。第二功能部件147(例如辅助泄压阀)布置在内衬40的第二圆柱形端部区段45'中。
在图6中，使用凸台10、10'来安装功能部件132，凸台10、10'被设置成围绕内衬40向外突出的圆柱形端部区段45。然而，本领域技术人员理解，图3到图5中的任一个的结构都是可能的。
图6的燃料电池系统进一步包括通过加注管135连接到多功能阀132的加注接口137以及通过燃料电池供给管142连接到多功能阀132的燃料电池145。
尽管上文已经结合具体实施例阐述了本发明的原理，但应理解，此描述仅借助于实例而非作为由所附权利要求书确定的保护范围的限制而进行。

Claims (36)

1.一种压力容器(100)，其设置为在压力下存储流体，所述压力容器包括：
-热塑性内衬(40)，其具有圆柱形区段(41)、第一圆化端部区段(42)和第二圆化端部区段(42’)；所述第一圆化端部区段具有开口(43)；
-增强结构件(50)，其由复合材料制成，所述增强结构件至少环绕所述热塑性内衬的所述圆柱形区段；
-凸台(10)，其具有凸缘(11)；其中所述凸缘(11)围绕所述第一圆化端部区段中的所述开口延伸；以及
-局部增强层(20)，其嵌入于所述增强结构件(50)中，其中，所述局部增强层(20)的材料是不同于增强结构件(50)的材料的复合材料，所述局部增强层(20)在所述凸台(10)与所述热塑性内衬(40)的所述圆柱形区段之间的区域中环绕所述第一圆化端部区段(42)的至少一部分，并且环绕小于20％的所述圆柱形区段。
2.根据权利要求1所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)包括焊接到所述热塑性内衬的带区段。
3.根据权利要求1所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)嵌入于所述增强结构件中，使得所述增强结构件的复合材料在所述局部增强层下方和上方延伸。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)具有恒定的厚度。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)由以下材料中的任一种制成：金属、复合材料。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述增强结构件(50)至少部分地在所述局部增强层(20)上延伸。
7.根据权利要求6所述的压力容器，其中所述增强结构件(50)完全地在所述局部增强层(20)上延伸。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中由所述局部增强层形成的圆周部分的最大外径(Dmax)大于所述热塑性内衬的所述圆柱形区段的外径(D)的50％。
9.根据权利要求8所述的压力容器，其中所述最大外径(Dmax)大于所述热塑性内衬的所述圆柱形区段的外径(D)的70％。
10.根据权利要求8所述的压力容器，其中所述最大外径(Dmax)大于所述热塑性内衬的所述圆柱形区段的外径(D)的80％。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中，所述第一圆化端部区段在所述压力容器的轴向方向上具有长度L2，并且其中所述局部增强层至少在所述第一圆化端部区段的第一区(Z1)的一部分中环绕所述第一圆化端部区段，所述第一区(Z1)在所述压力容器的轴向方向上从所述圆柱形区段延伸出L2/2的长度。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述局部增强层的杨氏模量大于30GPa。
13.根据权利要求12所述的压力容器，其中所述局部增强层的杨氏模量大于40GPa。
14.根据权利要求12所述的压力容器，其中所述局部增强层的杨氏模量大于50GPa。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)具有大于1mm的厚度。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)具有小于6mm的厚度。
17.根据权利要求16所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)具有小于5mm的厚度。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)包括嵌入于热固性或热塑性基质中的增强纤维。
19.根据权利要求18所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)由热塑性或热固性预浸料形成或由增强带形成。
20.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述增强结构件(50)包括嵌入于热固性或热塑性基质中的增强纤维。
21.根据权利要求20所述的压力容器，其中所述增强结构件(50)包括以下中的一个或多个：长丝缠绕层、编织层、带层。
22.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述局部增强层(20)和/或所述增强结构件(50)在所述凸台上延伸。
23.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述第一圆化端部区段(42)的所述开口(43)的周向边缘连接到从所述热塑性内衬向外突出的圆柱形端部区段(45)，其中所述凸台(10)布置在所述圆柱形端部区段周围。
24.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述第一圆化端部区段(42)的所述开口(43)的周向边缘连接到从所述热塑性内衬向内突出的圆柱形端部区段(46)，其中所述凸台(10)具有布置在所述圆柱形端部区段(46)中的部分，并且其中所述凸台(10)的凸缘(11)围绕所述开口从所述热塑性内衬(40)中突出。
25.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述第一圆化端部区段和/或所述第二圆化端部区段呈圆顶形。
26.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中所述压力容器设置为存储以下中的任一种：液化石油气(LPG)、氢气、压缩天然气(CNG)、氨；并且其中所述压力容器设置成承受高于2巴的压力。
27.根据权利要求1至3中任一项所述的压力容器，其中第二局部增强层被设置成在所述压力容器的轴向方向上与所述局部增强层相邻，其中所述第二局部增强层不同于所述局部增强层。
28.一种用于制造如权利要求1至27中任一项所述的压力容器(100)的方法，所述方法包括：
-形成具有圆柱形区段(41)、第一圆化端部区段(42)和第二圆化端部区段(42’)的热塑性内衬(40)；
-形成由复合材料制成的增强结构件(50)，使得所述增强结构件至少环绕所述热塑性内衬的所述圆柱形区段；其中开口设置在所述第一圆化端部区段中；
-将凸台(10)布置在所述第一圆化端部区段中的所述开口周围；以及
-将局部增强层(20)嵌入于所述增强结构件中，所述局部增强层(20)的材料是不同于增强结构件(50)的材料的复合材料，使得所述局部增强层(20)在所述凸台(10)与所述热塑性内衬(40)的所述圆柱形区段之间的区域中环绕所述第一圆化端部区段(42)的至少一部分，并且环绕小于20％的所述圆柱形区段。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述局部增强层被布置成具有小于6mm的厚度。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述局部增强层被布置成具有小于5mm的厚度。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中所述局部增强层在所述热塑性内衬或所述热塑性内衬的子部分的成型期间在所述热塑性内衬上包覆成型。
32.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中在形成所述热塑性内衬与形成所述增强结构件之间将所述局部增强层置于所述热塑性内衬上；其中所述局部增强层或集成为独立组件，或在形成所述热塑性内衬之后粘附到所述热塑性内衬。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述局部增强层焊接到所述热塑性内衬。
34.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中，通过将所述局部增强层置于所述增强结构件的两个复合层之间而将所述局部增强层嵌入于所述增强结构件中。
35.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中所述局部增强层的一部分布置在所述热塑性内衬上或嵌入于所述增强结构件的一部分中，并且其中热固性或热塑性树脂注射于所述局部增强层中以形成所述局部增强层和所述增强结构件。
36.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中所述热塑性内衬(40)形成为使得所述第一圆化端部区段和所述第二圆化端部区段呈圆顶形。
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