CN114207344B - 用于iv类可适形压力容器的内衬坍塌减轻 - Google Patents

Abstract

IV类压力容器具有改进的渗透气体管理。该压力容器包括内聚合物内衬、布置在内衬上的透气层、以及布置在透气层上的外复合壳体结构。透气层是可透气的、不可渗透液体的，并且为由透气层收集的透过内衬壁的气体提供流动通路。外复合壳体由一层或更多层的第一纤维类型的纤维和树脂形成。从内衬的内部空间渗透的气体由透气层接收并且导向在压力容器上的预定的出口位置。

Description

用于IV类可适形压力容器的内衬坍塌减轻

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年6月28日提交的美国临时申请第62/868,269号的优先权。

技术领域

本发明涉及IV类压力容器。更具体地，本发明涉及用于存储压力下的流体和/或气体的压力容器，例如天然气、氧、氮、氢、丙烷等。IV类压力容器或储箱具有无金属构造，该无金属构造包括卷绕和/或包覆编织在热塑性聚合物内衬上的碳纤维或复合材料。

背景技术

包括聚合物内衬和纤维增强的复合壳体结构的用于存储压缩气体的IV类压力容器已经用作可靠的、高效的容器。这些容器在重量效率、耐腐蚀性和疲劳性能方面优于其它容器设计。聚合物比金属储箱/内衬更容易受到气体渗透的影响。由于渗透，气体通过材料从高压区域迁移到低压区域。这种迁移会导致气体在聚合物内衬和复合壳体结构之间的间隙中积聚。气体在该区中的积聚会导致如下现象中的至少一种：(1)在压力容器减压时，随着在内衬和复合壳体之间的压力超过压力容器的内部压力时引起内衬向内屈曲，以及(2)随着压力容器再增压而在聚合物内衬和复合壳体之间捕获气体会阻止适当的填充或被推出压力容器结构，有时称为“动态气体释放”。

管理气体从压力容器渗透的第一种已知方法在美国专利10,168,002中公开，其中通过围绕聚合物内衬缠绕内复合结构来形成压力容器，围绕内复合结构施加内聚合物层，围绕内聚合物层缠绕多孔层，围绕多孔层施加外聚合物层，并且围绕外聚合物层缠绕外复合壳体。内复合结构、多孔层、内聚合物层、外聚合物层和外复合壳体中的每一个通过形成重叠的螺旋模式的单组连续缠绕纤维形成。

然而，在压力容器是细长的可适形压力容器时，第一种已知的方法是不太期望的。细长的可适形压力容器的第一示例在美国公开文本2016/363265中公开。该示例性的细长的可适形压力容器包括细长的聚合物内衬，该细长的聚合物内衬具有多个细长的刚性管部分，其中每对刚性管部分通过柔性连接器部分流体地联接。可选地，每一个柔性连接器部分包括波纹区段。另外，细长的刚性管部分通常具有比柔性连接器部分的最大外径更大的最小外径。美国专利9,217,538中公开的第二种类型的可适形压力容器包括细长管，细长管以螺旋方式缠绕以形成螺旋储箱。尽管可适形压力容器的具体尺寸和构造可以是变化的，但可适形压力容器通常具有细长的内衬，对于内衬的具体直径，细长的内衬具有比圆柱形非可适形压力容器的典型长度更大的内衬侧壁长度。此外，在固化树脂之前，可适形压力容器通常缠绕和/或折叠到预定空间中。因此，内衬的侧壁长度通常比所制造的压力容器的预定空间的外尺寸更长。与用于制造的压力容器的预定空间的总尺寸相比，用于可适形压力容器的内衬的增加的侧壁长度在管理气体渗透时提出了挑战。

第一种已知的方法要求至少多孔层、内聚合物层、外聚合物层和复合壳体中的每一个由形成重叠的螺旋模式的单组连续缠绕纤维形成。对于某些压力容器，尤其是细长的可适形压力容器，通过以重叠的螺旋模式缠绕单组连续缠绕纤维来形成多个层中的每一层不如围绕内衬编织多个纤维束合意。由于对于某些可适形压力容器纤维的编织能够适应内衬的各种直径和锥形区段，因此围绕内衬编织多个纤维优于以重叠的螺旋模式缠绕纤维，如美国公开文本2016/363265中所公开的。

此外，第一种已知的方法要求，内复合结构与内衬的外表面直接接触。特别是如果内衬包括波纹状的柔性连接器部分，将内复合结构施加成与内衬直接接触会沿着内衬外表面捕获气泡。对于某些压力容器，并且特别是对于具有波纹状的连接器部分的细长的可适形压力容器，由于树脂可能部分地且不均匀地填充柔性连接器部分的波纹空间，将内复合结构直接布置在压力容器内衬上是不太期望的。因此，对于细长的可适形压力容器，期望一种管理渗透气体的可替换方法，该方法不要求包括多孔层、内聚合物层、外聚合物层和复合壳体，其中多孔层、内聚合物层、外聚合物层和复合壳体中的每一个由以重叠的螺旋模式单组连续缠绕纤维形成。此外，期望一种管理渗透气体的可替换方法，其不要求将内复合结构直接施加到聚合物内衬上。

管理气体从压力容器渗透的第二种已知方法在美国专利10,415,753中公开，其中压力容器通常包括覆盖有气体通风层(即，“透气层”)的聚合物内衬和外复合壳体结构。压力容器包括构造为致使气体流入和流出内衬的杆。在压力容器的杆和外复合壳体之间形成气体排出端口，使得从内衬渗透到外层的气体通过气体排出端口排出到大气。气体排出端口由在杆的外径和外复合壳体中的开口的内径之间的间隙形成。

此外，第二种已知方法公开了，通过以第一卷绕密度将未浸渍树脂的纤维材料卷绕到内衬上而形成透气层。通过将浸渍有树脂的纤维材料以第二卷绕密度卷绕到透气层的外周上，来形成外复合壳体。第二种方法将卷绕密度定义为在卷绕目标区域中每单位表面积卷绕的纤维材料的卷绕数，并且要求第一卷绕密度低于第二卷绕密度。另外，第二种已知的方法要求透气层和外复合壳体都由单一类型的纤维材料形成。

然而，对于某些压力容器，特别是细长的可适形压力容器，由于对于某些可适形压力容器，编织的纤维束更容易与内衬的不同直径保持一致，期望围绕内衬编织多个纤维束而不是以螺旋模式围绕内衬卷绕纤维束。由于纤维不以螺旋模式围绕内衬卷绕，编织的纤维束本身不具有卷绕密度。就包括变化的外径的内衬而言，这进一步复杂化。对于围绕内衬编织的给定数量的纤维束，每单位内衬表面积的纤维密度取决于在每一个束中的纤维数量、在编织图案中的束数量和内衬的外径。因此，对于具体数量的纤维束，随着内衬外径的增加，每单位表面积的纤维密度将减小。

而且，如第二种已知方法所要求的，在透气层和外复合壳体中使用相同的纤维材料对于某些压力容器来说比使用不同的纤维材料以用于透气层和外复合结构中的每一个是不太期望的。一些类型的纤维，例如碳纤维，通常用作外复合壳体的一部分。其它类型的纤维可以具有比碳纤维更低的成本和/或更低的重量。此外，对于某些应用，基于纤维性质、纤维外径、纤维的透气性、编织纤维层的孔隙率和/或期望的性能性质，期望可选地选择与外复合壳体不同的纤维材料用于透气层。

因此，期望提供一种通过改进透气层的孔隙率，使得其高于螺旋地缠绕与用于外复合壳体的纤维相同的纤维的干纤维层的孔隙率，来管理气体从IV类细长的可适形压力容器渗透的方法。此外，期望提供一种管理气体渗透的方法，用于具有由较小外径区段间隔开的较大外径区段的可适形压力容器。还期望在制造过程期间防止液态树脂侵入到透气层中。最后，期望并入可透气且不可渗透液体的透气层。

发明内容

提供了一种IV类可适形压力容器，其包括内聚合物内衬、布置在内衬上的透气层、以及布置在透气层上的外复合壳体结构。透气层是可透气的、不可渗透液体的，并且为由透气层收集的透过内衬壁的气体提供流动通路。外复合壳体由一层或更多层的第一纤维类型的纤维和树脂形成。从内衬的内部空间渗透的气体由透气层接收并且导向在压力容器上的预定的出口位置。

附图说明

在结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，本发明的优点将显而易见并且变得更好理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的压力容器的一部分的立体图，该压力容器具有带有通气槽的杆；

图2是图1的压力容器的实施例的横截面视图，示出了在内内衬和外复合壳体之间的透气层；

图3A示出了以螺旋模式围绕内衬缠绕浸渍有树脂的纤维束的已知方法；

图3B示出了根据本发明的一个实施例的以螺旋模式围绕内衬缠绕干纤维束的方法；

图4示出了围绕具有较大外径部分、锥形直径部分和较小外径部分的内衬编织多个纤维束的方法；

图5是图1的杆的立体图，示出了延伸穿过杆的安装脊部的通气槽；

图6是图2的压力容器的一部分的剖视图，示出了通过内衬、进入透气层、通过透气层、并且通过预定的出口位置排放到大气的气流；

图7A和图7B分别示出了在较大直径纤维和较小直径纤维的纤维层内的孔隙率；

图8是图1的压力容器的另一实施例的放大的横截面视图，示出了内内衬、第一纤维类型的透气层、以及由树脂和第二类型的纤维形成的外复合壳体；

图9是图1的压力容器的另一实施例的横截面视图，示出了在透气层和外复合壳体之间的树脂阻隔层；

图10示出了围绕内衬缠绕阻隔膜的方法，该内衬由编织的干纤维束的层覆盖；

图11是图9的压力容器的一部分的放大的剖视图，示出了通过内衬，进入透气层和树脂阻隔层，并且通过透气层和树脂阻隔层，并且通过预定的出口位置排放到大气的气流；

图12A是图9的压力容器的另一实施例的放大的横截面视图，示出了在内内衬、包括干纤维的透气层、树脂阻隔层和外复合壳体之间的一层或更多层非结构金属层；

图12B是图9的压力容器的另一实施例的放大的横截面视图，示出了在内内衬、包括玻璃纤维织物的透气层、树脂阻隔层和外复合壳体之间的一层或更多层非结构金属层；

图13是图1的压力容器的另一实施例的放大横截面视图，示出施加到内衬的、包括聚合物膜的透气层，和施加到透气层的外复合结构；

图14示出了围绕内衬的外表面缠绕聚合物膜以形成透气层的方法；

图15是图2的压力容器的放大的横截面视图，示出了沿着透气层、通过在杆中的通气槽、并且排放到外部大气的气流；

图16是图9的压力容器的放大的横截面视图，示出了沿着透气层和沿着树脂阻隔层、通过在杆中的通气槽、并且排放到外部大气的气流；

图17是根据本发明的另一实施例的压力容器的一部分的横截面视图，该压力容器具有在聚合物内衬和外复合壳体之间的透气层、插入内衬中的开口中的杆、以及将杆固定地联接到外复合壳体的套环；

图18是图17的压力容器的放大的横截面视图，示出了沿着透气层，通过在杆和套环之间的压接接头，并且排放到外部大气的气流；

图19是图17的压力容器的另一实施例的横截面视图，示出了在透气层和外复合壳体之间的树脂阻隔层；

图20是图19的压力容器的放大的横截面视图，示出了沿着透气层和树脂阻隔层，通过在杆和套环之间的压接接头，并且排放到外部大气的气流；

图21是图17的压力容器的另一实施例的横截面视图，示出了穿过外复合壳体的通气孔，该通气孔将透气层流体地联接到外部大气；

图22是图21的压力容器的一部分的放大的横截面视图，示出了沿着透气层和树脂阻隔层，穿过在外复合壳体中的通气孔，并且排放到外部大气的气流；以及

图23是图21的压力容器的一部分的放大的横截面视图，示出了沿着透气层和树脂阻隔层，通过延伸穿过外复合壳体和套环的通气孔，并且排放到外部大气的气流。

具体实施方式

参考附图，其中在所有的几个视图中，相同的附图标记表示相同或对应的部件，根据本发明的一个实施例，图1和图2中示出了用于容纳压力下的液体和/或气体12并且具有对渗透气体14的改进的管理的IV类压力容器10。压力容器10包括聚合物内衬16，该聚合物内衬包括由细长的圆柱形壁26限定的内部中空本体或空间18。圆柱形壁26的外表面28由至少一个透气层30和外复合壳体结构34覆盖，如图2所示。内衬16包括在内衬16的第一终端38处的至少一个入口开口36，杆44通过该入口开口插入，以添加气体12和从内衬16的内部中空本体18移除气体。另外，套环48将外复合壳体34固定地联接到杆44。

压力容器10适合用于存储压缩的液体和/或气体12，例如氮、氢、天然气、氦、二甲醚、液化石油气、氙等。用于汽车应用的用于存储氢的压力容器10通常设计成额定工作压力为约5000PSI至约10000PSI。相比之下，用于存储压缩天然气的压力容器10通常设计成在正常使用期间内部压力为约3000PSI。

参考图2，透气层30为透过内衬16的圆柱形壁26的气体14提供逸出路径52。透气层30包括安装在内衬16和外复合壳体34之间的多孔材料30，该多孔材料可以用于将气体14从在内衬16和外复合壳体34之间的间隙54沿着压力容器10的长度通过位于压力容器10的一端68处的杆44附近的开口64排出到外部大气60。这导致较低的间隙54压力处于稳定状态，并且显著降低了在外复合壳体34和内衬16中吸收的气体14的量。

参考图2，与典型的非可适形压力容器10比，可适形压力容器10倾向于在每单位内衬外径16A下具有更长的内衬16的总长度。内衬16的总长度是沿着圆柱形壁26的外表面28从内衬16的第一终端38到内衬16的相对终端38’测量的。用于典型的压力容器10的内衬16的总长度与在压力容器10的一端68和相对端68’之间的线性距离大约相同。然而，可适形压力容器10可以具有内衬16，该内衬的总内衬长度比在可适形压力容器10的一端68和相对端68’之间的线性距离大许多倍。在制造可适形压力容器10期间，内衬16至少由外复合壳体34覆盖并且折叠和/或螺旋地缠绕以在固化外复合壳体34中的树脂72之前填充预限定的空间。因此，可适形压力容器10的总外部尺寸通常由预限定的空间来确定，其中内衬16的总长度大于限定压力容器10外部尺寸的预限定的空间的长度、宽度和/或高度。由于内衬16显著长于可适形压力容器10的总外部尺寸，用于可适形压力容器10的内衬16的总长度对于将渗透气体14排泄到大气60的气流52是一个挑战。

图1、图2和图5-23中示出了具有改进的渗透气体14管理的透气层30的各种实施例，以及透气层30向外部大气60通气上的改进。每一个公开的实施例包括至少一个聚合物内衬16、透气层30、纤维和树脂的外复合壳体34、杆44和套环48，如图2所示。

图2所示的聚合物内衬16通常由一种或更多种聚合物材料形成，例如尼龙(PA)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、乙烯-乙烯醇(EVOH)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯(PU)和/或聚氯乙烯(PVC)。聚合物内衬16可以由单层的聚合物材料形成，或者可以包括两层或更多层聚合物层的多层结构，并且根据具体应用的需要，还可以包括一层或更多层非结构金属膜层和/或非结构金属箔。

如图2所示，压力容器10的外复合壳体34通常通过将浸渍有树脂的纤维70布置到内衬16上而形成，如图3A和图4所示。多个纤维丝70组合以形成纤维70的束70’。可以通过将纤维70的一个或更多个束70’以重叠的螺旋模式围绕内衬16连续地缠绕来将纤维束70’施加到内衬16，以便形成一层或更多层的缠绕纤维70A，如图3A所示。在纤维束缠绕在内衬16上之前可以用液态树脂72覆盖纤维束70’，如图3A所示。可替换地，在纤维束缠绕在内衬16上之后可以用液态树脂72覆盖纤维束70’和/或可以用树脂72预浸渍纤维70。可替换地，可以围绕内衬16编织多个纤维束70’以形成纤维70的编织层70B，如图4所示。此外，在围绕内衬16编织纤维束70’之前和/或之后，可以用液态树脂72浸渍纤维束70’。

图2所示的外复合壳体34包括覆盖在树脂72中的纤维70的一个或更多个层70A、70B。用于外复合壳体34的合适的纤维70包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、聚芳酰胺纤维、高密度聚乙烯纤维(HDPE)、Zylon^TM聚(对亚苯基-2，6-苯并二唑纤维(PBO)、聚芳酰胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维(PET)、尼龙纤维(PA)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酯纤维(PL)、聚丙烯纤维(PP)和聚乙烯纤维(PE)等中的一种或多种。将多个纤维丝70组合在一起，以形成纤维70的束70’，然后再将束布置到内衬16上。纤维丝70至少由材料组成和纤维外径限定。合适的树脂72包括环氧树脂、乙烯基酯树脂、热塑性树脂、聚酯树脂、聚氨酯等中的一种或多种。内衬16的材料和尺寸选择，以及形成外复合壳体34的树脂72和纤维70的类型和量，部分地基于压力容器10的所期望的操作状态来选择。

图5示出了在与内衬16组装之前的杆44的一个实施例。杆44包括圆柱形凸台80，该圆柱形凸台具有纵向延伸穿过圆柱形凸台80的通路82，气体12通过该通路置入内衬16的内部空间18中以及从其中移除。圆柱形凸台80构造为插入内衬16中的入口开口36中，如图2所示。

参考图5，杆44包括安装脊部92，该安装脊部远离圆柱形凸台80而径向地突出并且围绕杆44的外周表面80’周向地延伸。安装脊部92包括大体竖直的内衬安装表面92A，该内衬安装表面92A与相对的大体竖直的安装表面92B间隔开，其中外周表面92C在内衬安装表面92A的远端94A与相对的安装表面92B的远端94B之间延伸，如图2所示。

通道100围绕安装脊部92的外周表面92C周向地延伸，如图2和图5所示。通道100构造为与围绕套环48的内表面120B周向地延伸的唇部106配合地接合，如图2所示。

可选地，圆柱形凸台80的外部表面80’包括保持特征110，例如远离外部表面80’而径向地突出的成角度的齿或肋110，如图5所示。

如图5的实施例所示，多个间隔开的通气槽112延伸穿过在内衬安装表面92A和相对的安装表面92B之间的安装脊部92。通气槽112包括间隔开的相对的侧壁112A、112B。根据具体应用的需要，在杆44中可以包括任意数量和构造的通气槽112，包括轴向孔。

参考图2，套环48将外复合壳体34固定地联接到杆44。套环48包括大体圆柱形的中空管120，该中空管具有在纵向方向上延伸的外表面120A和相对的内表面120B。如图2所示，套环48的一个实施例包括远离套环48的内表面120B径向地延伸的齿状突起126，该齿状突起构造为与压力容器10的外复合壳体34摩擦地接合。同样如图2所示，套环48包括唇部106，该唇部从套环48的内表面120B径向地向内突出并且构造为与在杆44的安装脊部92中的通道100配合地接合。可替换地，套环48的唇部106和/或齿状突起126在压接过程期间形成，以将套环48机械地紧固到外复合壳体34和杆44。

透气层30围绕圆柱形壁26的外周28，并且在内衬16的第一终端38和第二终端38’之间延伸，如图2所示。图6示出了图2的压力容器10的剖视图，示出了气体14透过内衬16并且进入透气层30。透气层30是可透气的，并且为透过内衬16的气体14提供路径52。由透气层30收集的气体14导向在压力容器10上的预定的出口位置64。在图6所示的实施例中，透气层30还是不可渗透液体的，如箭头A表示的。因此，施加到外复合壳体34的纤维70上的液态树脂72将不会由透气层30吸收。防止树脂72吸收到透气层30内，特别是防止树脂72侵入到透气层30和内衬16之间，保持了透气层30的透气性。

如图6所示，透气层30的一个实施例包括干纤维70C，该干纤维具有相比形成外复合壳体34的纤维70增加的孔隙率。干纤维70C是未浸渍树脂72的纤维70C。可以通过将一层或更多层70D的干纤维束70C’以重叠的螺旋模式围绕圆柱形壁26缠绕来形成透气层30。图3B中示出了围绕内衬16缠绕纤维束70C’的示例性方法。优选地，多个干纤维束70C’围绕细长的内衬16的圆柱形壁26编织以形成编织的干纤维层70E。图4中示出了围绕内衬16编织纤维束70’、70C’的示例性过程。围绕内衬16编织多个干纤维束70C’允许透气层30紧密地附着到圆柱形壁26的外表面28，即使在内衬16包括较大外径区段136A、较小外径区段136B以及在较大外径区段136A和较小外径区段136B之间的锥形区段136C时，如图4所示。透气层30可以包括一层或更多层70E的干纤维70C。

透气层30的孔隙率与干纤维70C的外径138、138’相关，如图7A和图7B所示。图7A和图7B分别示出了纤维类型70C的具有较大外径138的纤维140、140’和具有较小外径138’的纤维144、144’的组的横截面视图。在图7A中相邻的较大直径纤维140、140’之间的空置空间148大于在图7B中相邻的较小直径纤维144、144’之间的空置空间148’。由于空置空间148、148’形成穿过透气层30的空气通道52，透气层30的孔隙率与相邻的纤维140、140’、144、144’之间的空置空间148、148’的量直接相关。因此，可以通过选择具有比结合到外复合壳体34中的纤维70的外径更大的外径138的纤维70C来增加透气层30的孔隙率。

例如，如果玻璃纤维的外径138大于碳纤维的外径，则相比碳纤维，使用玻璃纤维形成透气层30将提高透气层30的孔隙率。玻璃纤维通常在约3μm至约20μm的范围内是可用的。相比之下，碳纤维通常在约5μm至约10μm的范围内是可用的。因此，作为非限制性示例，相比于使用直径为约7μm的碳纤维以形成透气层30，直径为约18μm的玻璃纤维将导致在透气层30中的更大的空置空间148、148’。

另外，相比于包括具有圆形横截面的纤维70C的透气层30，选择具有非圆形横截面的纤维70C可以增加透气层30中的空置空间148、148’。虽然圆形纤维和非圆形纤维70C都适用于透气层30，但由于与圆形纤维70C相比，非圆形纤维可以获得更高的孔隙率，非圆形纤维70C是优选的。可选地，初始时排列在束70C’中的纤维70C可以在编织过程之前不久用空气喷嘴来混合，以增加在纤维束70C’内的孔隙率。

透气层30可以包括多层编织和/或缠绕的干纤维束70C’，如具体应用所需的。用于透气层30的合适纤维70C包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、聚芳酰胺纤维、高密度聚乙烯纤维(HDPE)、Zylon^TM聚(对亚苯基-2，6-苯并二唑纤维(PBO)、聚芳酰胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、尼龙纤维(PA)、聚酯纤维(PL)、聚丙烯纤维(PP)、聚乙烯纤维(PE)等中的一种或多种，这些纤维70C在纤维直径、纤维形状、横向压缩强度、各种材料组成、成本和重量的范围内是可获得的。用于透气层30的纤维类型70C的选择部分地基于压力容器10的气体管理要求、材料成本、材料性质、纤维层的厚度等。优选地，透气层30的选定的纤维70C与用于外复合壳体34的选定的纤维70在纤维70C的材料组成、横截面形状和/或外径138中的一个或更多个方面不同。相比于针对透气层30和外复合壳体34使用相同的纤维70，为透气层30选择具有比选定用于外复合壳体34的纤维70更大直径的纤维70C将提高透气层30的孔隙率。

图8示出了压力容器10的横截面视图，该压力容器具有由在内衬16和外复合壳体34之间的干纤维70C形成的透气层30。透气层30的径向厚度160的至少一部分沿内衬16的外表面28没有树脂72，以确保气体14流过透气层30。

参考图8，在透气层30包括施加到内衬16的一层或更多层的干纤维70C时，必须控制液态树脂72侵入到透气层30中。用于限制液态树脂72侵入到透气层30中的一个方法是，在将由纤维70和树脂72形成的外复合材料34施加到内衬16之前包括透气层30的一层或更多层牺牲层160’。牺牲层160’从外复合壳体34吸收过多的液态树脂72并且防止液态树脂72侵入到与内衬16相邻的内部纤维层160中。如果透气层30的纤维70C的成本和/或重量比复合材料34的纤维70更低，则优选包括透气纤维70C的附加层以形成牺牲层160’。

可替换地，透气层30可以由树脂阻隔层170覆盖，以防止液态树脂72侵入到透气层30中，如图9所示的压力容器10的实施例所示。

优选地，树脂阻隔层170包括不可透过液体的树脂阻隔材料170’。合适的树脂阻隔材料170’包括线性低密度聚乙烯(LLDPE)、聚硅氧烷、聚氨酯(PU)、聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙、合成橡胶、硅酮、三元乙丙橡胶(EPDM)、聚乙烯(DPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、丁腈橡胶(腈类)、乙烯乙烯醇(EVOH)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等中的一种或多种。作为非限制性示例，树脂阻隔材料170’可以是胶带、膜、片材、缠绕物和/或模制橡胶。树脂阻隔材料170’的一个优选实施例是围绕透气层30的外周30’缠绕聚合物膜170’，如图10所示。围绕透气层30的外周30’缠绕保护膜170’，例如聚乙烯拉伸缠绕物，将防止在树脂72的固化过程期间液态树脂72堵塞透气层30。

图11示出了图9的压力容器10的剖视图，示出了气体14透过圆柱形壁26，进入透气层30，并且进入树脂阻隔层170。透气层30是可透气的，并且为透过圆柱形壁26的气体14提供了流动路径52。由透气层30收集的气体14导向在压力容器10上的预定的出口位置64。在图9和图11所示的实施例中，树脂阻隔层170是不可渗透液体的，如箭头A所表示的，也是可透气的。因此，由于树脂阻隔层170是不可渗透液体的，施加到形成外复合壳体34的纤维70的液态树脂72将不会由透气层30吸收。防止液态树脂72吸收到透气层30内，特别是防止液态树脂72侵入到透气层30和圆柱形壁26之间，保持透气层30的透气性和孔隙率。

可替换地，除了树脂阻隔层170和透气层30之外，可以使用非结构金属层180，例如金属箔和/或金属化膜。如图12A所示，金属层180可以插入到内衬16和透气层30之间、透气层30和树脂阻隔层170之间、和/或树脂阻隔层170和外复合壳体34之间。此外，在压力容器10没有树脂阻隔层170时，可以包括非结构金属层180。在与聚合物相比时，金属具有低渗透性。在围绕内衬16编织透气层30的纤维束70C之前，一层或几层的金属化膜，例如镀铝聚酯薄膜(PET)，可以围绕内衬16的恒定的外径(OD)区段而设置。这显著地减慢了在覆盖区域中的外复合壳体34对诸如如氢的气体14的吸收。这降低了吸收到外复合壳体34中的气体14的总量，因此减轻了内衬16的坍塌。可选地，可以围绕内衬16编织与纤维束70C和/或碳纤维行70’大致相等宽度的金属化聚酯薄膜(PET)条，与只是不连续地施加在某些内衬16区段上的片材相比，提供了更高的内衬16覆盖率和过程连续性的优点。

图12B中示出了透气层30的另一实施例，其中透气层30由一层或更多层的缠绕的玻璃纤维织物190代替干纤维70C层形成。玻璃纤维织物190可以是编织的或非编织的。围绕透气层30的外周30’缠绕保护膜170’的树脂阻隔层170，例如聚乙烯拉伸缠绕物，以防止在树脂72的固化过程期间液态树脂72堵塞透气层30。此外，一层或更多层非结构金属层180，例如金属箔和/或金属化膜，可以插入到内衬16和透气层30之间、透气层30和树脂阻隔层170之间、和/或树脂阻隔层170和外复合壳体34之间，如图12B所示。

图13示出了图1的压力容器10的另一实施例的横截面视图，其中透气层30包括聚合物膜200。优选地，聚合物膜200是可透气的以及不可渗透液体的。因此，透气层30可以收集透过内衬16的气体14，并且将气体14导向在压力容器10上的预定的出口位置64。一个优选实施例是围绕内衬16的外周28缠绕聚合物膜200，例如图14所示。可以围绕用于可适形压力容器10的内衬16的恒定的外径区段136A、136B和锥形区段136C缠绕聚合物膜200。

用于透气层30的合适的聚合物膜200包括线性低密度聚乙烯(LLDPE)、聚硅氧烷、聚氨酯(PU)、聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙、合成橡胶、硅酮、三元乙丙橡胶(EPDM)、聚乙烯(DPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、丁腈橡胶(腈类)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等中的一种或多种。作为非限制性示例，聚合物膜200可以为胶带、膜、片材、缠绕物和/或模制橡胶。

由透气层30收集的渗透气体14通过预定的出口位置64排泄到大气60，例如图15所示。图15示出了图2的压力容器10的部分17的放大的横截面视图。杆44包括在安装脊部92的内衬安装表面92A和相对的安装表面92B之间延伸的一个或更多个通气槽112，如图3和图15所示。在套环48压接到外复合壳体34以及杆44的安装脊部92时，轴向孔220形成在每一个通气槽112中。由透气层30收集的渗透气体14从透气层30流出，通过在套环48和安装脊部92之间的轴向孔220，并且排放到大气60。在透气层30包括干纤维70C时以及在透气层30包括聚合物膜200时，渗透气体14从透气层30流入轴向孔220中。流过轴向孔220的气体14的量至少取决于透气层30的透气性和孔隙率以及总内衬16长度。

图16示出了在内衬16由透气层30和树脂阻隔层170覆盖时，渗透气体14通过轴向孔220的流动。由于透气层30和树脂阻隔层170都是可透气的，所以气体14从透气层30和树脂阻隔层170流入穿过安装脊部92的轴向孔220中，并且排放到大气60。

图17和图18中示出了使透气层30通气至大气60的第二实施例，其中渗透气体14流过在套环48和杆44之间的压接接头240。图17示出了压力容器10，该压力容器具有在内衬16和外复合材料34之间的透气层30。图17的压力容器10包括插入在内衬16中的开口36内的杆44和将外复合壳体34固定地联接到杆44的套环48。然而，图17的杆44没有图2所示的安装脊部92中的通气槽112。套环48的压接接头240构造为将气体14在套环48下输送并且输出到大气60。渗透气体14从透气层30流出，通过在套环48和杆44之间的压接接头240，并且流出到大气60，如图18所示。

图19示出了压力容器10的实施例，该压力容器具有在内衬16和外复合壳体34之间的透气层30和树脂阻隔层170，以及具有图17所示的杆44和套环48。沿透气层30和树脂阻隔层170流动的渗透气体14流过在套环48和杆44之间的压接接头240，并且流出到大气60，如图20所示。

减轻在内衬16和外复合壳体34之间的间隙54中的气体压力增加并且因此防止内衬16的随后坍塌的另一个方式是，提供穿过外复合壳体34的通气孔250、260，如图21所示。一个或更多个通气孔250、260将透气层30通过外复合壳体34流体连接到大气60。

压力容器10可以包括在压力容器10的终端68附近的外复合壳体34中的一个或更多个通气孔250、260。可选地，压力容器10可以包括沿着整个压力容器10和/或沿着压力容器10的选定的纵向区段分布的通气孔250的阵列。在外复合壳体34中的通气孔250的阵列可以通过在编织之后但在树脂72固化之前将针插入外复合壳体34中来产生。在树脂72固化之后，将针从外复合壳体34移除。基于减轻在内衬16与外复合壳体34之间的间隙54中的气体压力所需的通气的量来选择通气孔250、260的直径、数量和位置。

图22示出了气体14从内衬16的内部空间18，穿过内衬壁26，到达透气层30中，通过在外复合壳体34中的通气孔250，并且排放到大气60中的流动。如果树脂阻隔层170是可透气的，则渗透气体14也沿着可选的树脂阻隔层170流到通气孔250。在外复合壳体34中的通气孔250的阵列可以实现在内衬16和外复合壳体34之间的间隙54中的气体压力的充分减轻，使得不需要透气层30。在这种情况下，通气孔250的阵列从在内衬16和外复合壳体34之间的间隙54排放气体14。部分地基于待排泄到大气60的气体14的量来选择穿过外复合壳体34的通气孔250、260的直径、间距和数量。

在通气孔260穿过外复合壳体34和套环48时，气体14类似地排放到大气60，如图21和图23所示。参考图21和图23，一个或更多个通气孔260可以延伸穿过套环48并且穿过外复合壳体34到达透气层30。为了防止与压接的套环48的密封和机械夹持特征126干涉，一个或更多个钻出的通气孔260位于压力容器10的终端68附近并且越过这些特征126。这样，套环48容纳气体14并且将外复合壳体34固定到杆44的能力不受穿过套环48的一个或更多个通气孔260的影响。另外，套环48设计成使得通气孔260的存在不会将其结构完整性降低到不可接受的程度。透气层30必须在压接套环48的压力下继续如预期地操作，即，在透气层30中用于输送气体14的空气通道52、148必须保持打开。如果考虑到透气层30在压接压力下保持孔隙率的能力，则可以在内衬16和外复合壳体34之间安装附加的多孔材料(例如烧结的金属插入物、更多纤维、玻璃珠)，以确保气体14流动。

具有透气层30的改进孔隙率的压力容器10的一个好处是改进了渗透气体14管理，该改进的孔隙率高于螺旋地缠绕与用于外复合壳体34的纤维相同的纤维的干纤维层的孔隙率。第二个好处是透气层30可以如在某些可适形压力容器10中那样布置在具有由较小直径区段136B间隔开的较大外径区段136A的内衬16上。第三个好处是通过防止液态树脂72侵入到透气层30中以及防止液态树脂72侵入到透气层30和内衬16之间来保持透气层30的孔隙率。第四个好处是透气层30是可透气的并且不可渗透液体的，使得透气层30防止树脂72侵入到透气层30和内衬16之间，同时还允许气体14沿透气层30渗透到在压力容器10上的预定的出口位置64。

已经以说明性的方式对本发明进行了描述，并且应当理解，所使用的术语旨在具有描述文字的性质，而非限制性。根据上述教导，本发明的许多修改和变型是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以以与具体的描述不同的方式实施。

Claims (22)

1.一种压力容器，用于容纳压力下的液体和/或气体，所述压力容器包括：

聚合物内衬，其包括由细长的圆柱形壁限定的中空本体，所述圆柱形壁具有在所述内衬的第一终端和第二终端之间延伸的外表面，所述内衬包括在所述内衬的所述第一终端处的入口开口；

透气层，其围绕所述圆柱形壁的所述外表面并且在所述内衬的所述第一终端和所述第二终端之间延伸，所述透气层是可透气的并且是不可渗透液体的，所述透气层为由所述透气层收集的透过所述圆柱形壁的气体提供流动通路；

外复合壳体，其包括树脂和第一纤维类型的纤维，所述外复合壳体围绕所述透气层的外周，并且在所述内衬的所述第一终端和所述第二终端之间延伸；以及

杆和套环，其中所述杆插入所述内衬中的所述入口开口中，并且其中所述套环将所述外复合壳体固定地联接到所述杆；

其中由所述透气层收集的透过所述圆柱形壁的所述气体导向在所述压力容器上的预定的出口位置；

其中所述杆具有圆柱形凸台，所述圆柱形凸台在纵向方向上延伸并且构造为插入到所述内衬的所述入口开口中，所述杆包括安装脊部，所述安装脊部从所述圆柱形凸台突出并且围绕所述杆的外周周向地延伸；

其中所述杆插入所述内衬的所述入口开口中，使得所述内衬的所述入口开口周向地围绕与所述安装脊部相邻的所述圆柱形凸台；以及

其中所述套环将所述安装脊部固定地联接到所述外复合壳体。

2.根据权利要求1所述的压力容器，其中：

所述第一纤维类型包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、聚芳酰胺纤维、高密度聚乙烯纤维HDPE、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN、Zylon^TM聚对亚苯基-2，6-苯并二唑纤维PBO、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维PET、尼龙纤维PA、聚酯纤维PL、聚丙烯纤维PP和/或聚乙烯纤维PE中的一种或多种；

所述聚合物内衬包括尼龙PA、乙烯-醋酸乙烯酯EVA、线性低密度聚乙烯LLDPE、低密度聚乙烯LDPE、高密度聚乙烯HDPE、聚丙烯PP、乙烯乙烯醇EYOH、聚四氟乙烯PTFE、聚氨酯PU和/或聚氯乙烯PVC中的一种或多种；以及

所述树脂包括环氧树脂、热塑性树脂、乙烯基酯树脂、聚酯树脂和/或氨基甲酸乙酯中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的压力容器，其中：

所述透气层包括线性低密度聚乙烯LLDPE、聚硅氧烷、聚氨酯PU、聚四氟乙烯PTFE、尼龙、合成橡胶、硅酮、三元乙丙橡胶EPDM、聚乙烯DPE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、丁腈橡胶腈类、和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的压力容器，其中所述透气层是胶带、膜、片材、缠绕物和/或模制橡胶中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的压力容器，其中：

所述透气层包括第二纤维类型的一层或更多层堆叠的编织纤维层；

所述第二纤维类型包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、聚芳酰胺纤维、高密度聚乙烯纤维HDPE、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN、Zylon^TM聚对亚苯基-2，6-苯并二唑纤维PBO、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维PET、尼龙纤维PA、聚酯纤维PL、聚丙烯纤维PP和/或聚乙烯纤维PE中的一种或多种；以及

所述第二纤维类型与所述第一纤维类型在材料组成和/或纤维外径中的一个或更多个方面不同。

6.根据权利要求5所述的压力容器，其中所述第二纤维类型的所述纤维的外径比所述第一纤维类型的所述纤维的外径更大。

7.根据权利要求4所述的压力容器，其中：

所述透气层包括围绕所述圆柱形壁的所述外周缠绕的玻璃纤维编织织物和/或玻璃纤维非编织织物中的一个或更多个。

8.根据权利要求2所述的压力容器，其中：

所述压力容器包括至少一个非结构金属膜层，所述至少一个非结构金属膜层围绕所述圆柱形壁的所述外周并且沿着所述圆柱形壁的至少一部分纵向延伸；

所述至少一个非结构金属膜层与所述圆柱形壁、所述透气层和/或所述外复合壳体中的一个或更多个直接接触；以及

所述至少一个非结构金属膜层包括金属化膜和/或金属箔中的一个或更多个。

9.根据权利要求2所述的压力容器，其中：

所述外复合壳体包括延伸穿过所述外复合壳体的至少一个通气孔；以及

所述至少一个通气孔将所述透气层流体地连接到外部大气，使得渗透到所述透气层中的气体通过所述透气层流入所述至少一个通气孔中，流过所述至少一个通气孔，并且分散到所述外部大气中。

10.根据权利要求1所述的压力容器，其中：

所述安装脊部包括在所述杆与所述内衬组装时朝向所述内衬定向的内衬安装表面和远离所述内衬定向的相对的安装表面；

所述安装脊部包括在所述内衬安装表面和所述相对的安装表面之间延伸的通气槽；以及

所述通气槽将所述透气层流体地联接到外部大气，使得渗透到所述透气层中的气体通过所述透气层流入所述通气槽中，流过所述通气槽，并且分散到所述外部大气中。

11.根据权利要求10所述的压力容器，其中：

将所述套环压接到所述杆的所述安装脊部而形成穿过所述通气槽的轴向孔；以及

流过所述通气槽的所述气体流过所述轴向孔。

12.根据权利要求1所述的压力容器，其中：

至少一个通气孔延伸穿过所述套环和所述外复合壳体；以及

所述至少一个通气孔将所述透气层流体地连接到外部大气，使得渗透到所述透气层中的气体通过所述透气层流入所述至少一个通气孔中，流过所述至少一个通气孔，并且分散到所述外部大气中。

13.一种压力容器，用于容纳压力下的液体和/或气体，所述压力容器包括：

聚合物内衬，其包括由细长的圆柱形壁限定的中空本体，所述圆柱形壁具有在所述内衬的第一终端和第二终端之间延伸的外表面，所述内衬包括在所述内衬的所述第一终端附近的入口开口；

透气层，其围绕所述圆柱形壁的所述外表面并且在所述内衬的所述第一终端和所述第二终端之间延伸，所述透气层通过围绕所述圆柱形壁编织第一纤维类型的纤维而形成，所述透气层为由所述透气层收集的透过所述圆柱形壁的气体提供流动通路，并且所述透气层不含树脂；

外复合壳体，其包括树脂和第二纤维类型的纤维，所述外复合壳体围绕所述透气层的外周，并且在所述内衬的所述第一终端和所述第二终端之间延伸；

杆，所述杆具有圆柱形凸台，所述圆柱形凸台在纵向方向上延伸并且构造为插入到所述内衬的所述入口开口中，所述杆包括安装脊部，所述安装脊部从所述圆柱形凸台突出并且围绕所述杆周向地延伸，并且所述杆插入所述内衬的所述入口开口中，使得所述内衬的所述入口开口周向地围绕与所述安装脊部相邻的所述圆柱形凸台；以及

套环，所述套环将所述安装脊部固定地联接到所述外复合壳体；

其中所述第一纤维类型与所述第二纤维类型在材料组成和/或纤维外径中的一个或更多个方面不同；以及

其中由所述透气层收集的透过所述圆柱形壁的所述气体导向在所述压力容器上的预定的出口位置。

14.根据权利要求13所述的压力容器，其中：

所述第一纤维类型和所述第二纤维类型中的每一个包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、聚芳酰胺纤维、高密度聚乙烯纤维HDPE、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN、Zylon^TM聚对亚苯基-2，6-苯并二唑纤维PBO、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维PET、尼龙纤维PA、聚酯纤维PL、聚丙烯纤维PP和/或聚乙烯纤维PE中的一种或多种；

所述聚合物内衬包括尼龙PA、乙烯-醋酸乙烯酯EVA、线性低密度聚乙烯LLDPE、低密度聚乙烯LDPE、高密度聚乙烯HDPE、聚丙烯PP、乙烯乙烯醇EVOH、聚四氟乙烯PTFE、聚氨酯PU和/或聚氯乙烯PVC中的一种或多种；以及

所述树脂包括环氧树脂、热塑性树脂、乙烯基酯树脂、聚酯树脂和/或氨基甲酸乙酯中的一种或多种。

15.根据权利要求14所述的压力容器，其中所述第一纤维类型具有第一外径的纤维，所述第二纤维类型具有第二外径的纤维，并且所述第一外径大于所述第二外径。

16.根据权利要求14所述的压力容器，其中：

所述压力容器包括树脂阻隔层，所述树脂阻隔层围绕所述圆柱形壁的所述外表面和/或所述透气层的外表面的外周；

所述树脂阻隔层是可透气的并且是不可渗透液体的；以及

所述树脂阻隔层包括线性低密度聚乙烯LLDPE、聚硅氧烷、聚氨酯PU、聚四氟乙烯PTFE、尼龙、合成橡胶、硅酮、三元乙丙橡胶EPDM、聚乙烯DPE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、丁腈橡胶腈类、乙烯乙烯醇EVOH和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET中的一种或多种。

17.根据权利要求16所述的压力容器，其中所述树脂阻隔层是胶带、膜、片材、缠绕物和/或模制橡胶中的一种或多种。

18.根据权利要求14所述的压力容器，其中：

所述压力容器包括至少一个非结构金属膜层，所述至少一个非结构金属膜层围绕所述圆柱形壁的所述外周并且沿着所述圆柱形壁的至少一部分纵向地延伸；

所述至少一个非结构金属膜层与所述圆柱形壁的所述外表面、所述透气层和/或所述外复合壳体的内表面中的一个或更多个直接接触；以及

所述至少一个非结构金属膜层包括金属化膜和/或金属箔中的一个或更多个。

19.根据权利要求14所述的压力容器，其中：

所述外复合壳体包括延伸穿过所述外复合壳体的至少一个通气孔；以及

所述至少一个通气孔将所述透气层流体地连接到外部大气，使得渗透到所述透气层中的气体通过所述透气层流入所述至少一个通气孔中，流过所述至少一个通气孔，并且分散到所述外部大气中。

20.根据权利要求13所述的压力容器，其中：

所述安装脊部包括在所述杆与所述内衬组装时朝向所述内衬定向的内衬安装表面和远离所述内衬定向的相对的安装表面；

所述安装脊部包括在所述内衬安装表面和所述相对的安装表面之间延伸的通气槽；以及

所述通气槽将所述透气层流体地联接到外部大气，使得渗透到所述透气层中的气体通过所述透气层流入所述通气槽中，流过所述通气槽，并且分散到所述外部大气中。

21.根据权利要求13所述的压力容器，其中：

至少一个通气孔延伸穿过所述套环和所述外复合壳体；以及

所述至少一个通气孔将所述透气层流体地连接到外部大气，使得渗透到所述透气层中的气体通过所述透气层流入所述至少一个通气孔中，流过所述至少一个通气孔，并且分散到所述外部大气中。

22.根据权利要求13所述的压力容器，其中：

至少一个通气孔延伸穿过所述外复合壳体；以及

所述至少一个通气孔将所述透气层流体地连接到外部大气，使得渗透到所述透气层中的气体通过所述透气层流入所述至少一个通气孔中，流过所述至少一个通气孔，并且分散到所述外部大气中。