CN111120854B - 具有槽纹内衬的压力容器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有槽纹内衬的压力容器”。本发明描述了具有槽纹内衬的压力容器及其形成方法。该压力容器包括围绕其中的腔体的内衬、与腔体相对设置的内衬的外表面、设置在内衬的第一端部处的凸台、围绕内衬的复合层、靠近内衬设置的复合层的内表面、以及被构造成释放存在于复合层的内表面与内衬的外表面之间的气体的多个纵向凹槽。内衬限定穿过其的纵向轴线。凸台和内衬的外表面在其中限定多个纵向凹槽。多个纵向凹槽沿着纵向轴线从凸台朝向内衬的第二端部延伸。复合层跨越多个纵向凹槽中的每一个。

Description

具有槽纹内衬的压力容器
背景技术
本公开涉及压力容器领域，并且更具体地涉及采用具有槽纹内衬的压力容器的系统和方法。
压力容器用于在一定压力下容纳多种流体，例如氢气、天然气、氦气等。压力容器可包括复合壳体和树脂内衬以用于容纳流体。树脂内衬可能在流体泄放过程中弯曲。流体以不同速率扩散到内衬和复合壳体中，并且在容器减压期间或压力容器泄放期间，扩散的流体可在树脂内衬和复合壳体之间聚积，以形成相对于储存流体而言压力更高的气窝。这种压力差可导致树脂内衬向内膨胀并从复合壳体分层。此外，滞留气体对复合壳体的压力可造成复合壳体破裂，使得在下一次填充压力容器时，滞留气体强制穿过复合壳体并进入大气中。所施加的力可导致压力容器附近的环境中出现不期望的流体量或浓度。
发明内容
希望能够抑制气体聚积在压力容器的内衬与相邻层诸如复合层之间。根据本公开的系统、方法和压力容器在其外表面上实现具有凹槽的内衬，这些凹槽被构造成释放存在于内衬的外表面与复合层的内表面之间的气体。此外，根据本公开的系统、方法和压力容器可响应于储存流体的压力降低而释放滞留气体。
根据本公开的多个方面，压力容器包括围绕其中的腔体的内衬、与腔体相对设置的内衬的外表面、设置在内衬的第一端部处的凸台、围绕内衬的复合层、靠近内衬设置的复合层的内表面、以及被构造成释放存在于复合层的内表面与内衬的外表面之间的气体的多个纵向凹槽。内衬限定穿过其的纵向轴线。凸台联接到内衬以在其间形成基本上气密的密封。凸台和内衬的外表面在其中限定多个纵向凹槽。多个纵向凹槽沿着纵向轴线从凸台朝向内衬的第二端部延伸。复合层跨越多个纵向凹槽中的每一个。
根据本公开的另外方面，还包括多个插入件，多个插入件中的每一个设置在多个纵向凹槽的相应的一个中。
根据本公开的另外方面，其中多个插入件中的每一个由具有高热膨胀系数的材料形成。
根据本公开的另外方面，其中多个插入件中的每一个被构造成响应于多个插入件的温度高于预定的温度而基本上填充多个纵向凹槽中的相应的一个。
根据本公开的另外方面，其中预定的温度对应于复合层的固化温度。
根据本公开的另外方面，其中多个插入件中的每一个被构造成响应于腔体内存储的加压气体的泄放而收缩，从而通过多个纵向凹槽中的相应的一个释放复合层的内表面与复合层的外表面之间的气体。
根据本公开的另外方面，其中在多个插入件中的每一个与相应的纵向凹槽之间限定至少一根导管。
根据本公开的另外方面，其中插入件被构造成响应于腔体内存储的加压气体的泄放而限定至少一根导管。
根据本公开的另外方面，多个插入件设置在纵向凹槽内，使得内衬的外表面在压力平衡之后是连续的并且响应于压力容器的泄放而不连续。
根据本公开的多个方面，该方法包括：形成围绕其中的腔体的内衬；获得限定多个第二凹槽的凸台；将凸台附接到内衬的第一端部；将多个插入件中的每一个引入多个纵向凹槽中的相应的一个；施加复合层从而围绕内衬；以及在高温下固化复合层，使得多个插入件中的每一个响应于多个插入件的温度高于预定的温度而基本上填充多个纵向凹槽中的相应的一个。内衬限定穿过其的纵向轴线。内衬包括与腔体相对设置的外表面。内衬在其外表面上限定多个第一凹槽。凸台经附接，使得多个第一凹槽中的每一个与多个第二凹槽中的相应的一个对齐，从而形成多个沿着纵向轴线从凸台朝向内衬的第二端部延伸的纵向凹槽。复合层跨越多个纵向凹槽中的每一个。
根据本公开的另外方面，还包括在固化复合层之后冷却压力容器以及从多个纵向凹槽中移除多个插入件。
根据本公开的另外方面，其中多个插入件中的每一个由具有高热膨胀系数的材料形成。
根据本公开的另外方面，其中多个插入件中的每一个被构造成响应于腔体内存储的加压气体的泄放而收缩，从而通过多个纵向凹槽中的相应的一个释放复合层的内表面与内衬的外表面之间的气体。
根据本公开的另外方面，其中在多个插入件中的每一个与相应的纵向凹槽之间限定至少一根导管。
根据本公开的另外方面，其中仅在腔体内加压气体的泄放期间限定该至少一根导管。
根据本公开的另外方面，其中多个插入件设置在纵向凹槽内，使得内衬的外表面在压力平衡之后是连续的并且响应于压力容器的泄放而不连续。
通过结合附图对实施本公开的最佳模式进行的以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点显而易见。
附图说明
附图为示例性的，并非旨在限制由权利要求书限定的主题。示例性方面论述于以下具体实施方式中并示出于附图中，其中：
图1是根据本公开的一些方面的压力容器的分解图示意图；
图2A是图1中的压力容器处于第一状态时内衬的示意图；
图2B是图1中的压力容器处于第二状态时内衬的示意图；
图3A是沿图2A中的线A-A截取的内衬的示意性剖视图；
图3B是沿图3A中的线B-B截取的内衬的示意性剖视图；以及
图4是根据本公开的一些方面形成压力容器的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的多个方面的压力容器100的分解图。压力容器100包括内衬102、凸台104和复合层106。因为内衬102和复合层106 具有不同的渗透性，所以气体可能在这些部件之间聚积，并且导致内衬102 在例如压力容器100的泄放期间弯曲。有利地，根据本公开的系统、方法和压力容器100在内衬102内使用被构造成释放滞留气体的纵向凹槽114。此外，根据本公开的系统、方法和压力容器100可包括插入件116，以在形成复合层106时抑制树脂进入纵向凹槽114。
根据本公开的系统、方法和压力容器可响应于存储流体的压力降低而释放滞留气体。有利地，如本文所述的系统、方法和压力容器100可通过抑制内衬102弯曲来优化压力容器100的完整性和寿命。此外，如本文所述的系统、方法和压力容器100可泄放储存流体直至0psig，从而增加压力容器100内的可用气体量。
内衬102围绕其中的腔体108。内衬102围绕穿过其的纵向轴线110设置并限定该纵向轴线。内衬102包括与腔体相对设置的外表面112。该外表面112在其上限定多个第一凹槽114a。该第一凹槽114a以一定距离间隔开并且围绕内衬102分布。在一些方面，将第一凹槽114a间隔开以允许内衬 102在压力容器100的泄放期间变形，同时抑制内衬102弯曲。例如，可对内衬102进行分析，以确定内衬102将发生弯曲的条件(例如，确定可能导致非弹性变形或塑性变形的压力差或变形程度)。可随后将第一凹槽 114a间隔开，使得在内衬102达到塑性变形之前，滞留气体到达纵向凹槽 114。
在一些方面，内衬102为由聚酰胺或高密度聚乙烯形成的聚合物内衬。内衬可通过例如吹塑或模塑来形成。模具可在其壁上包括被构造成形成所需的多个第一凹槽114a的多个特征结构。在一些方面，将多个插入件 116放置在模具内，以限定多个第一凹槽114a。在一些方面，多个插入件 116围绕模具均匀地间隔开。有利的是，大致纵向的第一凹槽114a可在模制过程中与材料流对齐，从而抑制堵塞并优化内衬102的完整性。内衬102 可通过模制其多个部分来形成，然后将这些部分粘结在一起以形成一体的内衬102。例如，内衬102可按四个部分来模制，并且可将一对相应的四分之一部分粘结起来以形成半球形端部部分以及从其延伸出来的圆柱形主体。可随后沿着圆柱形主体在与半球形端部相对的端部处形成的凸缘将两个半块粘结起来，以形成具有圆柱形主体的一体内衬102，其中圆柱形主体具有半球形端部。在一些方面，从内衬102的第一半球形端部到内衬102 的相对的半球形端部，多个第一凹槽114a是连续的。
凸台104设置在内衬102的第一端部118处。凸台104联接到内衬102 以在其间形成基本上气密的密封。在一些方面，压力容器100包括设置在容器的相对端部处的第二凸台。
凸台104在其上包括多个第二凹槽114b。多个第二凹槽114b与多个第一凹槽114a对齐，使得第一凹槽114a和第二凹槽114b中的相应的凹槽形成纵向凹槽114，该纵向凹槽沿着纵向轴线110从凸台104朝向内衬102的第二端部120延伸。在一些方面，纵向凹槽114、第一凹槽114a和/或第二凹槽114b也可包括横向运动，从而形成螺旋状图案。
凸台104可由诸如铝或不锈钢的材料形成。凸台104及其特征结构可通过研磨、模制或其它合适的工艺形成。
复合层106围绕内衬102。如本文所用，复合层106为纤维增强型树脂基质材料。在一些方面，复合层106为长丝卷绕结构或层合结构。例如，复合层106可为碳纤维增强型聚合物或卷绕玻璃纤维长丝增强型聚合物。
复合层106包括靠近内衬102设置的内表面122。在一些方面，复合层的内表面122邻接内衬102的外表面112。
多个纵向凹槽114被构造成将存在于复合层106的内表面122与内衬 102的外表面112之间的气体释放到压力容器100的周围环境中。复合层 106跨越多个纵向凹槽114中的每一个。在压力容器100的泄放过程中，腔体108内的压力减小，导致内衬102的外表面112由于滞留气体的压力相对较大而变形。内衬102被构造成变形，直至滞留气窝到达多个纵向凹槽 114中的一个，此时滞留气体进入纵向凹槽114并且气窝被减压。
压力容器100还可包括设置在多个纵向凹槽114中的多个插入件116。插入件116被构造成在形成复合层106或另一相邻层时抑制树脂或其它材料进入多个纵向凹槽114。每个插入件116沿着外表面112跨越相应的纵向凹槽114，以将纵向凹槽114与树脂基本上隔离。在一些方面，插入件116 的形状经过设置，使得在形成复合层106的同时，内衬102和插入件116 形成基本上连续的外表面112，而由于滞留气体导致内衬102的变形使内衬 102与插入件116之间产生间隔，使得滞留气体可通过纵向凹槽114或通过由纵向凹槽114和插入件116形成的导管逸出。
插入件116可由合适的柔性和/或热膨胀材料形成。在一些方面，插入件116由聚丙烯或聚四氟乙烯形成。在一些方面，插入件116通过挤出工艺形成。
在一些方面，插入件116由具有高热膨胀系数的材料形成。如本文所用，除非具体使用场景另外指明，否则“高”和“低”热膨胀系数是用于量化材料相对于周围材料的移动量的比较术语。例如，具有高热膨胀系数的结构或材料的尺寸增大或减小速率将大于周围材料，使得温度降低可减少或终止两个结构的表面之间的接触，而温度升高可增加或促进两个结构的表面之间的接触。当热膨胀系数比周围材料的热膨胀系数大至少20％时，认为该系数是“高”的。在一些方面，热膨胀系数比周围材料大至少 30％。在一些方面，热膨胀系数比周围材料大至少50％。
图2A和图2B示出了压力容器100，该压力容器包括多个具有高热膨胀系数的插入件116以及复合壳体106(为了清楚起见已拆掉复合壳体)。图2A示出了处于第一状态下的压力容器100，图2B示出了处于第二状态下的压力容器100。在第一状态下，插入件116处于升高的温度下，在第二状态下，插入件116处于降低的温度下。如图2A可见，插入件116在较高温度下完全填充纵向凹槽114，而插入件116在较低温度下为外表面112与复合层106的内表面122之间的滞留气体提供通道，以经由凸台104逸出到大气中。尽管例示的插入件116被示出为具有对应于凹槽形状的形状，但设想可采用不同的形状。例如，纵向凹槽114和插入件116中的至少一个的剖面相对于曲面可为大致梯形的，而其它纵向凹槽和插入件的剖面相对于曲面为大致矩形的。
图3A是沿图2A中的线A-A截取的内衬102的剖视图。如图可见，插入件116完全填充纵向凹槽114，并且沿着内衬102的外表面112提供大致连续的表面。有利的是，本文所述的内衬102优化复合层106的结构完整性。例如，通过提供在升高的固化温度下具有基本上圆形剖面形状的内表面122，抑制应力增大和减小的点，从而优化结构完整性。
图3B是沿图3A中的线B-B截取的内衬102的示意性剖视图。如图可见，插入件116可被构造成通常沿着其宽度而膨胀和收缩，而非通常沿着其高度而膨胀或收缩。为了促进此行为，可选择插入件116的纵横比和/或插入件116限定的几何形状。
现在参考图4，压力容器100的形成方法400。方法400包括：形成 402围绕其中的腔体108的内衬102；获得404限定多个第二凹槽114b的凸台104；将凸台附接406到内衬102的第一端部118；将多个插入件116中的每一个引入408多个纵向凹槽114中的相应的一个；施用410复合层106 从而围绕内衬102；以及在高温下固化412复合层106。
任选地，方法400还可包括冷却414压力容器100，以及从多个纵向凹槽114中移除多个插入件116。
虽然对实施本公开的最佳模式进行了详细描述，但熟悉本公开所涉及领域的技术人员将认识到，在所附权利要求书的范围内存在多种可实践本公开的另选设计和实施方案。

Claims (8)

1.一种压力容器，所述压力容器包括：围绕其中的腔体的内衬，所述内衬限定穿过其的纵向轴线；与所述腔体相对设置的所述内衬的外表面；设置在所述内衬的第一端部处的凸台，所述凸台联接到所述内衬以在其间形成基本上气密的密封；围绕所述内衬的复合层；靠近所述内衬设置的所述复合层的内表面；以及多个纵向凹槽，所述多个纵向凹槽被构造成释放存在于所述复合层的所述内表面与所述内衬的所述外表面之间的气体，所述凸台和所述内衬的所述外表面在其中限定所述多个纵向凹槽，所述多个纵向凹槽沿着所述纵向轴线从所述凸台朝向所述内衬的第二端部延伸，所述复合层跨越所述多个纵向凹槽中的每一个；还包括多个插入件，所述多个插入件中的每一个设置在所述多个纵向凹槽中的相应的一个中，其中所述多个插入件中的每一个被构造成响应于所述多个插入件的温度高于预定的温度而基本上填充所述多个纵向凹槽中的所述相应的一个；所述多个插入件中的每一个设置在所述多个纵向凹槽中的相应的一个中，其中在所述多个插入件中的每一个与所述相应的纵向凹槽之间限定至少一根导管，并且其中所述插入件被构造成响应于所述腔体内存储的加压气体的泄放而限定所述至少一根导管。
2.根据权利要求1所述的压力容器，还包括多个插入件，所述多个插入件中的每一个设置在所述多个纵向凹槽中的相应的一个中，其中所述多个插入件中的每一个由具有高热膨胀系数的材料形成。
3.根据权利要求1所述的压力容器，其中所述多个插入件中的每一个被构造成响应于所述腔体内存储的加压气体的泄放而收缩，从而通过所述多个纵向凹槽中的所述相应的一个所述插入件的收缩以释放所述复合层的所述内表面与所述内衬的所述外表面之间的气体。
4.根据权利要求2所述的压力容器，其中所述多个插入件设置在所述纵向凹槽内，使得所述内衬的所述外表面在压力平衡之后是连续的并且响应于所述压力容器的泄放而不连续。
5.一种形成压力容器的方法，所述方法包括：形成围绕其中的腔体的内衬，所述内衬限定穿过其的纵向轴线，所述内衬包括与所述腔体相对设置的外表面，所述内衬在其所述外表面上限定多个第一凹槽；获得限定多个第二凹槽的凸台；将所述凸台附接到所述内衬的第一端部，使得所述多个第一凹槽中的每一个与所述多个第二凹槽中的相应的一个对齐，从而形成多个沿着所述纵向轴线从所述凸台朝向所述内衬的第二端部延伸的纵向凹槽；将多个插入件中的每一个引入所述多个纵向凹槽中的相应的一个，所述多个插入件中的每一个设置在所述多个纵向凹槽中的相应的一个中，其中在所述多个插入件中的每一个与所述相应的纵向凹槽之间限定至少一根导管，并且其中所述插入件被构造成响应于所述腔体内存储的加压气体的泄放而限定所述至少一根导管；施加复合层从而围绕所述内衬，所述复合层跨越所述多个纵向凹槽中的每一个；以及在高温下固化所述复合层，使得所述多个插入件中的每一个响应于所述多个插入件的温度高于预定的温度而基本上填充所述多个纵向凹槽中的所述相应的一个。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在固化所述复合层之后冷却所述压力容器，以及从所述多个纵向凹槽中移除所述多个插入件。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述多个插入件中的每一个被构造成响应于所述腔体内存储的加压气体的泄放而收缩，从而通过所述多个纵向凹槽中的所述相应的一个释放所述复合层的内表面与所述内衬的所述外表面之间的气体。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述多个插入件设置在所述纵向凹槽内，使得所述内衬的所述外表面在压力平衡之后是连续的并且响应于所述压力容器的泄放而不连续。
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