CN1116543C - 压力容器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种存放其工作压力在大气压力之上的固体、液体和/或气体媒质的压力容器，其中，压力容器围成一用于存放媒质的空心空间，并设置有至少一个装载和/或卸载的接头。由于压力容器至少部分由管子构成，而管子则由纤维加固热塑性塑料制成，其中热塑性材料含有大于10%体积的纤维，该纤维的平均长度超过50毫米，这种压力容器重量轻，有良好的耐腐蚀性和耐化学侵蚀媒质的性能，然而还能承受高达25Mpa的工作压力的机械应力。

Description

压力容器及其制造方法
本发明涉及一种存放其工作压力在大气压力之上的固体、液体和/或气体媒质的压力容器，该压力容器包括存放媒质的空间和至少一个装载和/或卸载的接头。
这种压力容器在已有技术的许多实施例中都有所揭示，它们必须满足内外压力的机械要求和能够承受来自机械、物理(温度)和化学的应力。制造这种压力容器的一种合适的材料是钢。钢容器大部分由圆筒形罐构成，这种圆筒形罐有一底板或底盖和一其结构类似于相应的底盖的盖子，尤其是当压力容器保持在水平位置(具有水平轴线)时。
这种钢容器基本上具有如下的优点：机械强度高，因此耐压力的程度也高，并有良好的耐热性。但另一方面，钢的耐腐蚀性欠缺，为此，钢容器一般不适合存放具有化学腐蚀性的媒质，否则，它们必须涂上昂贵的内涂层。钢容器也相当容易受到外界气候的影响，所以必须另外提供涂层或涂料。最后，钢容器相当重，将盖子和圆筒形的主体部分焊接在一起的制造也相当复杂。
如果用另一种具有较好的耐化学性和耐腐蚀性的金属取代钢，这种金属往往是很昂贵的，难以加工，或两者兼而有之。
具有热固基质体系的纤维-塑料复合物制成的压力容器也已是众所周知的。
例如，题为“压力容器及其制造方法”的欧洲专利EP-0 810 081 A1描述了如何在纤维包裹方法中在用塑料构成的封闭的包复层上覆盖纤维-塑料的复合物。在题为“压力容器”的欧洲专利EP-0 333 013 A1中描述了用于容器的一个类似的原理。也是用纤维所包围的包复层使得加固的外壳能够承受机械应力。
题为“用玻璃纤维加固的塑料容器和制造这种容器的方法和设备”的国际申请WO 92/20954描述了一用玻璃纤维加固的容器及其制造方法，其中容器由两爿半外壳粘接在一起而呈圆筒形。半外壳是采用树脂注射方法、用成形工具制造而成的，其中使用了热固塑料。由于用的是半外壳工艺，要改变容器的长度只有化相当大的代价(一新工具)才能实现。
其它已知的设计提议使用在包复层一部分区域上设置的纤维-塑料复合物的外壳，其中外壳的纤维方位基本沿周向。从而使包复层承担容器纵向轴线的强度，而外壳则承担容器周向的强度。
到目前为止所有已知的、用于塑料压力容器的设计和制造方法不是太复杂、太昂贵，不符合密封能力或机械应力的要求，就是太重或外表面不太令人满意。此外，由于制造需要，对于大多数容器，装载和/或卸载用的诸接头都设置在容器底部的中心。
针对已有技术，本发明的目的是提供一压力容器，它制造相当简单，重量轻，耐腐蚀性和耐化学侵蚀的性能良好，但尽管如此，它能承受来自高达25Mpa的工作压力的机械应力。
本发明解决此问题的压力容器至少部分由一管子形成，该管子是由纤维加固的热塑性材料制造而成，其中热塑性材料含有10％以上体积的纤维，纤维的平均长度在50毫米以上。
纤维加固的热塑性塑料及其在不同技术领域中的应用是人们所早就知道的。但是，直到目前这止，这种纤维加固热塑性塑料没有用于或很少用于压力容器。尽管对热塑性材料进行了选择：已知的纤维加固热塑性塑料具有一定程度的耐化学性和耐腐蚀性的优点，然而，直至目前，通常使用的纤维加固热塑性材料的机械性能仍然是如此不能令人满意以致在实际上在用这些材料制造足够耐压的容器时，一点也得不到什么好处。具体说，为了足够耐压，就只能使用相当昂贵的和重的塑料，此外，壁又要做得相当厚，重要的是由于壁很厚，与用钢或其它金属制造的相应压力容器相比在重量方面就一点没有优势。由于壁厚大量使用热塑性纤维加固材料的费用也相当贵，所以这种材料无论如何都难以被压力容器接受。
但本申请主题的发明人发现，当热塑性材料填有至少10％体积的纤维，这些纤维的平均长度至少是50毫米时，压力容器的热塑性材料的壁厚就可显著降低。对于压力容器而言是关键的热塑性材料的抗拉强度由于纤维的平均长度较长而有了显著的提高。同时，管形压力容器的重要部分采用管子的形状制造起来也特别简单，因为可以用挤压方法制出长度相当长的管子，然后简单地切割到所需长度，以用作压力容器的圆筒形主体部分。
安装在这种管状部分的两端的盖子也最好由纤维加固的塑料材料制成，它们最好是与管子同样的热塑性基质材料。这样可以简单而可靠地焊接盖子和管子。此外，本发明压力容器的较佳实施例的特性描述在权利要求2至13中。本发明的纤维-塑料复合物的压力容器在压力技术适用性上决不会低于传统的钢或铝容器，此外，它们具有明显的优点，诸如重量轻，增强了耐腐蚀性。通过将作为基质的塑料材料与作为加固的高强度纤维的适当组合，就可获得有多方面用途的材料，其中，通过选择适当的加固结构，就可获得人们所需的材料性能。
业已证明，当热塑性基质内的纤维的取向不是完全随机，而是在某一较佳方向即在周缘平均地构造成较大的取向或方位时，对压力容器就特别有益了。本发明的压力容器的构造最好是这样的：形成压力容器的主体部分的管子由纤维加固塑料构成，其中平均在相对于管子轴线的0°和90°之间的一个象限内，纤维具有在45°至65°范围内的方向角，较佳的是在50°至60°，尤其好的是近似54°至55°。
例如，聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酮、聚氯乙烯、聚-4-甲基戊烯-1(poly-4-methyl pentene-1)、聚缩醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、苯乙烯/丙烯腈共聚物、聚碳酸酯和/或丙烯腈丁二烯苯乙烯适合作为基质材料，但这里列举的并不是可用材料的全部。
合适的纤维有玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维和/或聚合物纤维或天然纤维。
有利的是，管子具有圆形横截面。如果管子使用非圆形横截面，当压力施加在从这种管子制造的压力容器的壁上时，壁就会或多或少向圆筒形横截面变形，因为对于一给定的管状圆周，圆筒形状的容积是最大的。
相应地，密封管子两端的盖子也构造成圆形，但是，盖子可以朝内或朝外拱起。一个特别的较佳实施例是，盖子有一管子连接部，其直径与形成压力容器的主体部分的管子的横截面匹配，较佳地使得管子连接部可伸缩套叠地、可压配合地插入形成压力容器的主体部分的管子之中。管子连接部与管子的重叠长度较佳地在5与100毫米之间，管子连接部的焊接表面面积尽可能大，焊接到它插入的管子端部。例如这可以通过摩擦焊、碰焊、超声波焊等等进行。
或者，盖子与管子也可粘结在一起。一具有管子连接部的盖子还可在管子连接部上设置有螺纹，或者设置一种与形成压力容器的主体部分的管子上的相对部分对应的一种卡口式封口，但在这种情况下，在盖子和管子的两个接触和完全环绕的表面之间另外设置密封是有利的或必要的。
盖子可以是注射模制的或冲压的部件，较好的是，尽管不是绝对必要，盖子也由纤维加固塑料制成，然而，盖子中的纤维长度可以较短，例如，平均在0与30毫米之间，盖子最好有较厚的壁和/或加强肋，这些肋穿过盖子的内侧或外侧表面。
最好在压力容器的两个盖子中的一个也设置装载和卸载的孔或连接件。当压力容器使用时处于竖立位置时，有利的是提供一个作为盖子的延伸的合适的支脚，或使用在容器的底部朝内拱进的盖子，使得其整个边缘能够为容器提供可靠的支脚。
关于制造存放工作压力在大气压力之上的固体、液体和/或气体媒质的压力容器的方法，本发明是通过如下的步骤解决的：
a)用具有热塑性基质的纤维-塑料复合物制造管子，所用纤维占复合物材料体积的至少10％，纤维的平均长度大于50毫米，
b)将管子切割成所需长度，
c)制造密封管子端部的塑料盖子，以及
d)将管子连接到塑料盖子，使得盖子紧紧地密封在管子的端部。
例如，可用包裹和/或牵引缠绕方法制造管子。此外，可首先使纤维的方向是随机的，随后以另一挤压工艺使管子再膨胀、例如可使用加热管子，通过膨胀，使随机地设置在管子壁中的纤维较佳地定向在周向，或在周向获得较大定向比例，以便以这种方法使管子的材料性能达到最佳以用作压力容器的壁。管子的相对膨胀应该在10％与50％之间，较佳地是20％至30％。
制造的其它方面可从从属权利要求15至18看得一清二楚，也可以从根据权利要求1至13阐述的成品压力容器的特征看得一清二楚。
通过使用具有热塑性基质的纤维-塑料复合物的管子，加上较佳的长的定向的纤维，可以导致管子只有较低的固有重量。通过使用所述的纤维-塑料复合物，容器能够承受机械应力，而且例如采用内部的无纤维或低纤维层，还可另外用作扩散阻挡。从而不必要再使用一耐扩散包复层。此外，材料能抗腐蚀。
通过用纤维-塑料复合物制造不同长度的管子以及用两盖子进行合适的密封，能够用最容易的方法生产具有不同储存能力的压力容器。
管子和盖子具有良好的外表面，有很满意的视觉效果，所以随后的外表面复盖或处理可被省略。
由于使用了基于热塑性塑料的基质体系，本发明的容器可以再回收或再循环，例如可以弄碎后再熔化。
在另一实施例中，在管子的圆筒形部分设置有可对容器进行装载和卸载的孔。这种结构的优点是，可在组装盖子之前将可插入零件形式的孔插入件或接头从内部简单地插入。例如，这种结构的优点是，在容器横卧安装时，液体媒质完全可通过该孔排出。
在另一实施例中，管子分成多个部分构造。但是，对于这种多个部分结构的包复层，必须确保各个部分彼此适当地气密相连。
多个部分的结构优点是，例如，中间部件可插入管子区域中，排出孔与中间部件可以做成一体。
在另一实施例中，管子设计有一朝内拱进的盖子。对于这种结构的盖子，例如具有的优点是，容器具有可靠的支承，就不需要安装另外的支承表面。
借助本发明的方法，显示了所生产的容器具有上面提到的、在此又将阐述的良好的作用、功能和效果。
例如，可将管子先做成相当长的管子。再将该管子按照需要的长度分割成各段。制造管子的较佳方法有包裹或牵引缠绕方法，但这不是绝对的，还可以用其它的方法。
制造盖子的较佳方法有注射模制或冲压方法，但这不是绝对的，也还可以有其它的制造方法。
随后将适当弄短的管子连接到两个盖子上。将盖子连接到管子的较佳方法有，焊接和/或粘合和/或形状配合，可以在盖子和管子的密封表面之间设置或夹住一较佳的弹性密封件，但这些不是绝对的，还可以有其它的方法。
根据本发明，存放在容器中的媒质的工作压力小于25Mpa(250bar)，较好的是0.1至6Mpa(1至60bar)。对应的爆裂压力对应于各个工作压力乘以1.1至4。
存放的媒质可以是空气、氧、氮、二氧化碳、丙烷、天然气、氢或其它工业用气或液体等。本发明不限于存放某一种特定的气体和/或液体。
根据本发明的另一方面，根据本发明的方法制造的上述容器可用于不同的用途。有可能应用的例子例如用作安全系统(例如，空气包)的增压容器，用作易燃气体的增压容器或用作压缩空气罐，但这仅仅是举例，实际上并不限于这些。
下面结合实施例的例子，参考附图，来详细地描述本发明。在这些附图中：
图1是第一实施例的容器的示意性剖视图，其中在盖子和圆筒形容器部分中具有装载和卸载孔，
图2是本发明第二实施例的容器的示意性剖视图，其中在盖子的中心设置了装载和卸载孔，
图3是本发明第三实施例的容器的示意性剖视图，其中在圆筒形部分具有另外的装载和卸载孔，
图4是本发明第四实施例的容器的示意性剖视图，其中容器底部拱向内部，
图5示出了本发明的压力容器，其中管状端部朝内翻转，
图6示出了插入容器一孔中的螺纹连接件11，
图7是一类似于图6的详细视图，其中孔接头或封口具有一体的螺纹13，以及
图8是容器盖子3的剖视图和平面图，盖子上具有一减压接合处14。
在图1中，以剖面形式示意性地示出了存放增压气体的容器1。容器1由一个纤维-塑料复合物的管子2和两个纤维-塑料复合物的盖子3连接而成，使它们围封成一存放气体的空心空间5。端部分别用盖子3密封的管子2可通过诸接头6装载和/或卸载。在管子2中，还设置另一接头6’，用于装载和/或卸载。
图2示出了本发明第二实施例的容器的示意性剖面，其中容器10由一纤维-塑料复合物的管子2和两个纤维-塑料复合物的盖子3和4构成，它们彼此相连，围封成一存放气体的空心空间5。两端分别被盖子3和4密封的管子2可通过设置在中心的接头6装载和/或卸载。
在图3中，示出了本发明第三实施例的容器的示意性剖面，其中容器20包括一被构造成两个部分的管子2。具有一装载和/卸载用的接头6的一中间部分7连接于管子2。两盖子3和4连接于管子2和中间部分7，围封成一存放气体的空心空间5。在盖子3设置另几个装载和/或卸载的接头6。
在图4中，示出了本发明第四实施例的容器的示意性剖面。其中容器30有一纤维-塑料复合物的管子2和两个纤维-塑料复合物的盖子3和8所构成，它们连接在一起而围封成一存放气体的空心空间5。两端分别被盖子3和8密封的管子2通过设置在中心的接头6装载和/或卸载。盖子8构造成一朝内拱进的容器底部。
如图1至3所示，盖子3、4分别有一管子连接部11，其外径几乎与管子2的内径正确匹配，从而可以及伸缩套叠方式插入管子2的一端。该管子连接部11以弹簧状方式扩大超过插入部分至较大直径，最好是至管子2的外径，使得它形成一能够抵靠在管子端表面上的台阶，其中盖子的外侧壁与管子的外侧表面齐平地连接。盖子伸入管子2的管子连接部11的轴向长度一般为5-100毫米，最好至少是50毫米，以便在管子连接部11、各个盖子3、4和管子2之间能够形成尽可能大的粘合或焊接连接表面区域。
图4示出了盖子的变化结构，盖子的一侧朝内拱入，使得该盖子8的外边缘可作为直立或支承表面，压力容器1其位置整个地在一支承件或底部上可以转过了4至180°。
图5示出了管子2与盖子3、4之间的接合的另一变化结构，在该实施例中，管子2设置有朝内弯曲的自由端表面，这些表面可通过例如热模制制造而成，其中诸盖子从内侧压向管子2的朝内伸出的部分，然后以一类似方法在盖子3、4的外侧壁与管子2的内侧壁之间进行焊接或粘合。从而，在朝内翻转的管子端部构造之前，可以将盖子插入管子；但是，也可以当压管子2的一侧的横截面变成椭圆形或椭圆化时，再插入管子，使得盖子3、4插入管子时一边的边缘先插入管子，然后，转到所需位置。因此，在这里，管子和/或盖子中具有一定的弹性变形能力是有利的。
图6和7详细地示出了接头件的结构，该接头件或有一个插入的螺纹件11，或有一个模制到接头上的螺纹13。此外，为了加固盖子3和4，可设置沿纵向和横向(也就是说平行于纸面和垂直于纸面)延伸的加强肋12。
在图8中，示出了另一在盖子中呈U形、槽状凹口形式的减压接合处14，用以确保在容器可能发生过压的情况下，媒质以以可控制方式经减压接合处逸出，使整个容器不会爆炸。

Claims (17)

1.一种存放其工作压力在大气压力之上的固体、液体和/或气体媒质的压力容器(1，10，20，30，40)，其中，容器基本上由一单层的管子(3)构成，此管子由纤维加固热塑性材料制成，管子设置有盖子以密封管子的开口端表面，使得单层管子和盖子围成一用于存放媒质的空心空间，其中，为装载/卸载设置至少一个接头(6，6’)，其特征在于，制造单层管子的热塑性材料包括大于10％体积的纤维，纤维的平均长度大于50毫米。
2.如权利要求1所述的压力容器，其特征在于，盖子本身由纤维加固塑料构成，其中盖子材料含有纤维，纤维的平均长度在1与30毫米的范围内。
3.如权利要求1或2所述的压力容器，其特征在于，提供多个单独的管段，这些管段分别通过中间件而彼此相连。
4.如权利要求1至3中的任何一项所述的压力容器，其特征在于，容器的基质材料由热塑性材料构成，例如，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚酮(PK)、聚氯乙烯(PVC)、聚-4-甲基戊烯-1(PMP)、聚缩醛(聚甲醛)(POM)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、苯乙烯/丙烯腈共聚物(SAN)、聚碳酸酯(PC)和/或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。
5.如权利要求1至4中的任何一项所述的压力容器，其特征在于，有机的或无机的纤维，较佳的是玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维和/或聚合物纤维都可用来加固。
6.如权利要求1至5中的任何一项所述的压力容器，其特征在于，管子具有圆形横截面。
7.如权利要求1至6中的任何一项所述的压力容器，其特征在于，盖子中的至少一个设置有一管状接头，它以可伸缩套叠方式连接于管子的一端。
8.如权利要求7所述的压力容器，其特征在于，管子接头的外径对应于管子(2)的内径。
9.如权利要求1至8中的任何一项所述的压力容器，其特征在于，管子纤维的平均定向在周向大于轴向。
10.如权利要求9所述的压力容器，其特征在于，相对管子轴线平行的在0与90°之间的象限中的纤维定向角度在45°与65°之间，较好的是50°和60°。
11.如权利要求1至10中的任何一项所述的压力容器，其特征在于，管子的壁厚在1毫米与10毫米之间的范围内。
12.如权利要求1至11中的任何一项所述的压力容器，其特征在于，容器的工作压力设定在低于25Mpa(250bar)，较好的是低于6Mpa(60bar)。
13.制造单层压力容器的方法，其特征在于包括如下步骤：
a)用具有热塑性基质的纤维-塑料复合物制成管子，纤维的平均长度大于50毫米，
b)将管子切割到所需长度，
c)制造密封管子开口端表面的塑料盖子，
d)用盖子紧紧密封管子，其中用以装载或卸载由管子和盖子形成的空心空间的接头分别设置在管子或盖子中。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，通过中间件将多个短的管子段连接起来，以形成一较长的管子，其中，以这种方法制造的长管子的开口端用盖子密封。
15.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，用包裹或牵拉卷绕方法制造管子。
16.如权利要求13至15中的任何一项所述的方法，其特征在于，用注射模制和/或冲压方法制造盖子。
17.如权利要求13至16中任何一项所述的方法，其特征在于，管子和盖子，以及可能还有中间件，通过焊接和/或粘合和/或形状配合而彼此相连以及可能在不同部分的接触表面上提供另外的密封件。
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