CN114599911B - 一种纤维增强压力容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维增强压力容器(1)及制造该压力容器的方法(100)，该压力容器具有由热塑材料制成的用于容纳灌装介质的内胆(2)，该内胆具有外表面和围绕该外表面设置的用于提供该压力容器的耐压性的纤维复合层(3)以及连接到该内胆和该纤维复合层的至少一个阀连接件(4)；另外至少在内胆的外表面的一部分上施加热塑带(5)，所述热塑带具有足够小的热膨胀系数以保持任何间隙(6)，所述间隙(6)可以通过纤维复合层和内胆之间的热膨胀系数而比不存在热塑带的情况下的热膨胀系数小而由纤维复合层和内胆之间的热收缩产生。

Description

一种纤维增强压力容器
技术领域
本发明涉及一种纤维增强压力容器及其制造方法。
背景技术
用纤维复合材料增强的压力容器的市场持续增长。天然气和压裂气的日益增长的产量对使用压力容器来存储提出了需求，尤其是在没有合适的管道网络的国家中。此外，在汽车领域，很难开发燃料电池车辆，其中燃料在高压容器中以气态氢的形式储存在压力容器中。运输压力容器时需要使用轻型压力容器，因为运输大重量的压力容器将消耗大量不必要的能量，并因此导致过高的运输成本。
目前采用的圆柱形压力容器具有由纤维复合材料构成的加强层，其中，纤维嵌入在基体材料中，该基体材料通过缠绕的方式缠绕在压力容器中作为缠绕芯的内胆(称为衬里)上，形成外层。缠绕是用于制造纤维复合层的优选方法，所述纤维复合层在时间和成本方面是有效的。虽然内胆保证了例如压力容器的气密性，但是由纤维复合材料制成的加强层为压力容器提供了必要的机械刚度。对于3型的压力容器，机械内胆(金属衬里)包括使用例如铝或钢；在4型的压力容器的情况下，内胆(衬里)由塑料制成。特别是在4型压力容器的情况下，冷灌装对所有容器制造商提出了巨大的技术挑战，特别是在容器完全无压力的情况下。如果初始状态等于0bar，然后使内胆受到压力，则内胆可能破裂，特别是在内胆(衬里)易碎的低温下。在0bar下，衬里通常不粘附至层压件；相反，在两个部件之间存在间隙。内胆和围绕内胆的纤维加强件之间的间隙可以从而使得内胆可能仅在凸起部处接触纤维加强件。如果受到压力，衬里可能在大范围内广泛和快速地移动，这导致所谓的“冷灌装问题”以及衬里的失效。
国际专利申请WO 2019/007978 A1公开了一种用于储存加压流体的压力容器，该压力容器包括具有圆柱形部分、第一圆形端部和第二圆形端部的热塑性衬里以及由复合材料制成的加强结构，该加强结构至少包围热塑性衬里的圆柱形部分。压力容器还具有局部加强层。
欧洲专利申请EP 3 267 091公开了一种压力容器，包括主体和设置在主体上的带基加强结构，带基加强结构包括沿圆周方向设置在主体上的主带和设置在主体上的辅助带。沿圆周方向在主体上，该辅助带的至少一部分被紧固到主带上。
欧洲专利申请EP 2 668 020 A1公开了一种改进用于储存气体的复合气瓶的阻塞性能的方法，通过围绕复合气瓶的外表面的包裹方法包裹包含阻塞材料的塑料薄膜。复合气瓶由聚烯烃制成的内衬和外部纤维增强的承压层组成。阻塞材料可以包括聚酰胺、聚酯、卤素取代的聚合物、EVOH或金属镀层。该文件还公开了一种具有改进的阻塞特性的高压复合气瓶，以及其作为配备有内燃机的燃气动力机动车辆中的燃料箱的用途。因此，需要即使在低温下，特别是在容器无压力的状态下，也能够可靠地灌装多次而不会受到任何损坏的压力容器。
发明内容
本发明的目的是提供一种即使在低温下，特别是在容器无压力的状态下也能可靠地灌装多次而不会破裂的压力容器。
该目的通过一种纤维增强压力容器来实现，该压力容器具有由热塑材料制成的用于容纳具有外表面的灌装介质的内胆和围绕该外表面布置的用于提供该压力容器的耐压性的纤维复合层，以及连接到该内胆和该纤维复合层的至少一个阀连接，至少在该内胆的外表面的部分上附加地施加热塑带。热塑带是聚酰胺或聚乙烯带和/或包含纤维增强物，优选包含碳纤维的纤维增强物。聚酰胺或聚乙烯是特别适合的热塑性材料。聚酰胺具有优异的强度和韧性。聚乙烯是一种广泛分布的热塑性材料，其特性是众所周知的。纤维增强使得可以使用与热塑带的基体材料相同的材料，热塑带也是内胆的材料，同时为热塑带产生较低的热膨胀系数，因为该系数由纤维增强材料的特性。因此，纤维增强的热塑塑料带仍然易于焊接，此外还可以很好地保护内胆在压力填充过程中不会出现故障。由于碳纤维的热膨胀系数，含碳纤维的纤维增强材料已被证明是特别合适的。因此，该热塑带具有足够小的热膨胀系数以保持纤维复合层和内胆之间的可能是由热收缩引起的任何间隙，该间隙比不存在热塑带的情况小。
术语“压力容器”包括所有类型和形状的压力容器，所述压力容器包括由热塑材料制成的内胆，并且在外部已经通过纤维复合材料机械地增强，使得压力容器满足关于耐压性的要求。通常，这些压力容器是圆柱形的，在圆柱形中心部分的两侧上具有凸起的端子。这些端子被称为极帽，并用于中心部分的压力密封。为了加强压力容器，将由纤维复合材料制成的外层缠绕在内胆的外侧周围，可能同时形成压力容器的外表面。内胆可以通过各种技术制造，例如通过焊接、注塑成型或作为吹塑部件。在生产之后，极帽也可以被设置在中心部分上，例如通过焊接。例如，可以通过注塑成型来制造单独的极帽。一方面，具有热塑性内胆的压力容器具有非常低的重量，这对于运输工具等应用很重要；另一方面，由于合适的热塑性塑料具有足够低的氢渗透性，并且由纤维复合材料制成的外层提供所需的刚性，因此例如氢的含量可以在高压下以低损失储存。
通常，用于构成纤维复合层的纤维复合材料由两种主要组分组成，本文中该两种主要成分都是纤维，嵌入在基体材料中，该基体材料在纤维之间产生强粘结。其中，纤维复合材料可以由一种纤维或由多种纤维缠绕形成，其中一种或多种纤维紧靠彼此缠绕并彼此接触。缠绕的纤维已经用基质材料浸渍。这造成一种纤维层，在该纤维层上，另外的纤维缠绕至更多的纤维层中，直到纤维复合材料具有所需的厚度并形成具有该厚度的相应纤维层。外层缠绕在由纤维复合材料制成的若干层中，其中不同的层可以包含相对于压力容器的圆柱体轴线，以不同的纤维角度布置的纤维。在一个实施例中，由第一和/或附加纤维(例如第二纤维)制成的每个纤维层包括多个纤维层。该复合材料赋予纤维复合材料比所涉及的两个单独组分中的任何一个所能提供的更高质量的性能，例如更高的强度。当纤维在纵向上的弹性模量超过基质材料的弹性模量时，当基质材料的断裂伸长率超过纤维的断裂伸长率时，以及当纤维的抗断裂性超过基质材料的抗断裂性时，实现纤维在纤维方向上的增强效果。可使用的纤维是任何种类的纤维，例如玻璃纤维，碳纤维，陶瓷纤维，钢纤维，天然纤维或合成纤维。用于纤维复合层的基体材料通常是热固性的。纤维和基体材料的材料性能是本领域技术人员已知的，结果是本领域技术人员可以选择合适的纤维和基体材料的组合来生产用于特定应用的纤维复合材料。在本文中，纤维复合材料区域中的单个纤维层可以包括单个纤维或多个相同或不同的纤维。
术语“热塑性塑料”表示可以在特定温度范围内热塑性变形的塑料。该过程是可逆的，即，通过冷却和再加热到熔融状态，可以重复不定的次数，条件是材料不会由于过热而发生热分解。这将热塑性塑料与热固性塑料和弹性体区分开。热塑性塑料的另一个独特的特征是，例如与热固性塑料相反，它们可以被焊接。热塑带是平面材料，优选具有比其宽度更长的纵向尺寸。
在根据本发明的压力容器中，内胆的热膨胀通过热塑带来改变，使得内胆和纤维增强件之间的间隙明显减小或甚至完全消失，因而，如果经受从0bar的初始状态开始的压力，则第一压力脉冲不会使其移动或至少少得多地移动，从而消除或至少强烈地降低在内胆中形成裂纹的风险。这尤其适用于内胆(衬里)易碎的低温情况。为了实现这一点，热塑带的热膨胀系数低于内胆的热膨胀系数。可以通过适当选择热塑材料或通过将纤维增强材料嵌入热塑性基体材料中来实现热塑带的这种较低的热膨胀系数。热膨胀系数是热塑材料的材料参数。本领域技术人员可以根据本发明的说明书选择合适的热塑材料。
以这种方式，提供了一种压力容器，其即使在低温下也能够可靠地灌装多次，特别是在容器的无压力状态下，而不会破裂。
在一个实施例中，热塑带包括含有与内胆相容的材料的基体材料。热塑带可以完全由这种材料组成或由基体材料制成，在基体材料中可以嵌入例如纤维增强部件。以这种方式，例如通过适当的焊接工艺，由于在两侧(热塑带和内胆)上都存在相同的材料，因此热塑带可以非常好地连接到内胆上。
在另一个实施例中，热塑带被焊接到内胆上。焊接过程在热塑带和内胆之间建立牢固和牢固的连接，并且也易于控制。热塑性塑料也可以粘合在一起；然而，粘合剂接头不适于在110℃和-60℃之间的应用温度下的压力储存的负载变化，因为在该宽温度范围内，如果发生许多负载变化，粘合剂粘结不够稳定。
在另一个实施方案中，热塑带另外施加在中心部分和/或极帽上；优选地，它完全覆盖内胆。在内胆上施加的热塑带越多，整个系统的热膨胀将越低，并且内胆被保护以防破裂越好，在制造过程中的工作量随着热塑带的使用量的增加而增加。如果内胆完全被热塑带覆盖，纤维复合层和内胆之间的间隙可能完全消失。为了实现这一点，可以将热塑带以几个层的形式施加在内胆上。优选地，这些层以适于至少部分地消除纤维复合层和内胆之间的间隙的数量存在。在另一个有利的实施方案中，纤维复合层由热固性材料组成。
在一个实施方案中，纤维复合层是具有嵌入基体材料中的几个纤维复合层的层，并且热塑带与面向内胆的至少一个层交织。这里交织指的是几股柔性材料的规则嵌套，在这种情况下是纤维复合材料和热塑带。除了例如在包装中，各股线不是简单地彼此相邻或彼此叠置，而是彼此交叉，从而在纤维复合层的层片和热塑带的层片之间形成牢固和稳定的连接，从而热塑带不仅牢固地连接到内胆，而且还牢固地连接到纤维复合层。
本发明还包括一种制造根据本发明的纤维增强压力容器的方法，包括以下步骤：
提供用于容纳由热塑材料制成的灌装介质的内胆，所述内胆具有外表面，并且优选地具有至少一个阀连接件；
至少在所述内胆的外表面的一些区域上应用热塑带，所述热塑带具有足够小的热膨胀系数，以保持纤维复合层和所述内胆之间可能由热收缩造成的任何间隙，因为它的热膨胀系数小于没有热塑带存在的情况；以及
通过将纤维复合层施加到内胆的外表面上来完成压力容器，其中，热塑带已经施加到内胆上，以提供压力容器的耐压性。
利用这种制造方法，提供了一种压力容器，其即使在低温下也能够可靠地灌装多次而不会破裂，特别是在容器的无压力状态下。
在一个实施例中，应用包括以下附加步骤：
优选地通过指向内容器的激光束，以使内胆的热塑材料局部熔化以形成熔化区，；
优选地通过压力辊将热塑带压到熔化区上，以在内胆和热塑带之间形成焊接连接，其中优选地将热塑带通过间隔辊供给到压力辊，并且压力和间隔辊在内胆的外表面上跟踪激光束。
利用易于引导的激光束，可以轻松创建具有所需扩展的熔化区，并在扩展和温度方面进行精确控制。压力辊将带压入熔化区，从而确保热塑带与内胆的材料之间的良好连接。以这种方式产生的焊接连接特别坚固和可靠。间隔辊使得热塑塑料带与内胆保持距离，其扔未与压力容器相连，因此便于焊接过程的控制，特别是激光束的引导，由于内胆不会被尚未处理的热塑塑料带无意地覆盖。
在另一个实施例中，配置局部熔化和激光束，使得除了内胆的材料之外，热塑带还至少在熔化区中熔化。这进一步改进了焊接连接。
在另一个实施方案中，纤维复合层是具有几个纤维复合层的层，嵌入基体材料中，并且热塑带与至少一个面向内胆的层交织。这在纤维复合层和内胆之间形成了坚固的连接，这基本上防止了内胆的塌陷。
先前列出的实施例可以单独使用或以任何组合使用，以实现根据本发明的设备，这与权利要求中的参考文献不同。
附图说明
本发明的这些和其它方面在附图中详细示出如下：
图1：(a)根据现有技术的五种应力压力容器和(b)根据本发明的非应力压力容器的横向部分；
图2：将热塑带应用到内胆上的焊接工艺的实施例
图3：根据本发明的用于制造根据本发明的纤维增强压力容器的方法的实施例。
具体实施方式
图1示出了(a)根据现有技术的无压力压力容器1'和(b)根据本发明的无压力压力容器1的横向截面。在图1a中，可以看出在0bar的初始状态下，内容器1'与纤维增强材料明显隔开。如果施加压力，这可能会导致内容器2出现裂缝，从而导致容器无法使用。间隙6在内容器2和纤维增强件之间延伸通过围绕内容器2的纤维增强层3，使得内容器2在此仅在凸台4和凸台或盲凸台8处接触纤维复合层3在对面。该间隙可以具有例如20mm的尺寸，尽管在制造过程中最初纤维复合材料直接缠绕在内容器周围。相比之下，根据本发明的图1b中的压力容器1包括由热塑材料制成的用于接收填充介质的内胆2，其具有外表面和围绕外表面布置的用于提供压力的纤维复合层3。压力容器1的阻力以及与内容器2和纤维复合层3连接的阀接头4。在相对侧设置有凸台或盲凸台8，其与纤维复合层3和纤维复合层3连接。内容器2也是如此。除了现有技术之外，此处热塑带5附加地施加在内容器2的外表面的一些区域上，这里在内容器2的中心部分。热塑带5具有热膨胀系数其小于内容器2材料的材料，以保持纤维复合层3和内容器2之间由热收缩引起的任何间隙6小于不存在热塑带5时的情况，如图所示在图1a中。热塑带5可以不仅在中央部分而且完全覆盖内容器2。热塑带5可以以若干层L1，……，Ln的形式施加到内容器2上，n优选地是适合于至少部分地消除纤维复合层3和内容器2之间的间隙6的数字，这里的情况是至少在中部。纤维复合层3例如可以由热固性材料制成。纤维复合层3可以由若干层F1，……，Fn的纤维复合材料，嵌入基体材料中。热塑带5或热塑带5的至少一层可以与面向内容器2的至少一层F1交织。
图2显示了用于在内胆2上施加热塑带5的焊接过程的实施例。为此目的，内胆2的热塑材料被局部熔化以形成熔化区24。熔化区在表面上延伸，随后可以在该表面上施加热塑带。熔化区域仅影响内胆的总厚度的一部分，使得熔化仅发生在表面上。在该实施例中，使用激光器来产生熔化区24，该激光器的激光束7聚焦在内胆上，该激光器提供足够的热量来熔化内胆的热塑材料。在内胆2上产生的温度由内胆2的热塑材料的材料特性产生，并且通常远远高于200℃。聚乙烯可以在熔化区中的表面温度为约220℃时良好地熔融。对于聚酰胺，应该在熔化区中达到约300℃的温度。为此目的所需的激光器和光学器件的选择在本领域技术人员的技术范围内。为了在内胆2和热塑带5之间建立良好的焊接连接，通过压力辊71将热塑带5压在熔化区24上，热塑带5通过间隔辊72供给到压力辊71。在聚酰胺的情况下，由压力辊71施加的压力应该是例如0.5MPA，而在聚乙烯的情况下，压力辊71施加的压力应该是0.2MPA。对于连续的焊接过程，压力和间隔辊71,72在焊接组件的移动方向B上相对于内胆在内胆2的外表面上跟踪激光束7。
图3示出了根据本发明的用于制造根据本发明的纤维增强压力容器1的方法100的实施例，该方法包括以下步骤：提供110内胆2，该内胆2用于接收由热塑材料制成并具有外表面的灌装介质，优选地具有至少一个阀连接件4；施加120热塑带5在内胆2的外表面的至少一部分上，该热塑带5具有足够小的热膨胀系数，以保持由于受压而在纤维复合层3和内胆2之间产生的任何间隙6，该间隙6的热膨胀系数小于不存在热塑带5的情况；以及通过在内胆2的外表面上施加纤维复合层3来修整130压力容器1，所述内胆2设置有热塑带5，用于提供压力容器1的耐压性。应用程序120可以包括以下附加步骤：局部熔化122内胆2的热塑材料，以产生熔化区24，优选地借助于指向内胆的激光束7；以及优选地通过压力辊71将热塑带5压124在熔化区24上，以在内胆2和热塑带5之间形成焊接连接，热塑带5优选地经由间隔辊72和压力辊和间隔辊71,72供给到压力辊71，从而在内胆2的外表面上跟踪激光束7。用于焊接的热塑带的供给可以例如从热塑带5的辊进行。应当进行局部熔化122，并且应当控制激光束7，使得除了内胆2的材料之外，热塑带5还至少在熔化区24内熔化。在一个实施例中，纤维复合层3是具有嵌入基体材料中的由纤维复合材料制成的若干层F1，……，Fn。这里，由一个或多个层L1等构成的热塑带5可以与面向内胆2的至少一个层F1交织。
这里所示的实施例仅仅是本发明的示例，因此不是为了进行限制。本领域技术人员所考虑的替代实施例同样包括在本发明的保护范围内。
参考数字列表
1.根据本发明的压力容器
1' 根据现有技术的压力容器
2.压力容器的内胆(衬里)
24 熔化区
3 纤维复合层
4 阀连接，凸台
5 热塑塑料带
6 纤维复合层与内胆之间的间隙
7 激光光束
71 压力辊
72 间隔辊
8 凸台
B 焊接组件相对于内胆的运动方向
F1-Fn 纤维复合层嵌入基体材料中形成纤维复合层
L1-Ln 内胆上的热塑塑料带层
100 制造根据本发明的压力容器的方法
110 提供内胆
120 在内胆的外表面上施加热塑带
122 内胆的热塑材料的局部熔化
124 将热塑带压在熔化区上
126 纤维复合材料与热塑带交织
130 完成压力容器

Claims (11)

1.一种纤维增强压力容器(1)，所述纤维增强压力容器(1)具有由热塑材料制成的用于容纳灌装介质的内胆(2)，具有外表面和围绕所述外表面布置的用于提供给所述压力容器(1)的耐压性的纤维复合层(3)，以及连接到内胆(2)和纤维复合层(3)的至少一个阀连接件(4)；此外，施加在至少内胆(2)的外表面的一部分上的热塑带(5)，其特征在于，所述热塑带(5)包含纤维增强物，所述热塑带(5)具有与所述内胆(2)相同的基体材料，
其中，所述纤维复合层(3)是嵌入基体材料中的多层纤维复合层(F1，……，Fn)，并且热塑带(5)与面向内胆(2)的至少一个层(F1)交织。
2.根据权利要求1所述的压力容器(1),其特征在于，所述热塑带(5)焊接在所述内胆(2)上。
3.根据上述权利要求中任一项所述的压力容器(1),其特征在于，所述热塑带(5)另外施加在中心部分和/或极帽上。
4.根据权利要求1或2所述的压力容器(1),其特征在于，所述热塑带(5)完全覆盖所述内胆(2)。
5.根据权利要求1或2所述的压力容器(1),其特征在于，所述热塑带(5)在内胆(2)上施加若干层(L1，……，Ln)。
6.根据权利要求5所述的压力容器(1),其特征在于，所述热塑带(5)在内胆(2)上施加的若干层(L1,...,Ln)具有用于至少部分地消除所述纤维复合层(3)和内胆(2)之间的间隙(6)的合适数量。
7.根据权利要求1、2或6所述的压力容器(1),其特征在于，所述纤维复合层(3)由热固性材料构成。
8.根据权利要求1所述的压力容器(1)，其特征在于，所述纤维增强物包括含碳纤维的纤维增强物。
9.一种制造根据上述权利要求中任一项所述的纤维增强压力容器(1)的方法(100)，其中，所述纤维复合层(3)是嵌入基体材料中的多层纤维复合层(F1，……，Fn)，并且热塑带(5)与面向内胆(2)的至少一个层(F1)交织，包括以下步骤：
提供(110)用于容纳由热塑材料制成的灌装介质的内胆(2)，所述内胆(2)具有外表面，并具有至少一个阀连接件(4)；并且其特征在于以下附加步骤：
将热塑带(5)至少应用(120)在所述内胆(2)的外表面的一部分上；以及
通过将所述纤维复合层(3)施加到内胆(2)的外表面上来完成(130)压力容器(1)，其中，热塑带(5)已经应用到内胆(2)上，以提供压力容器的耐压性。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述应用(120)还包括以下步骤：
局部熔化(122)所述内胆(2)的所述热塑材料以形成熔化区(24)，并借助于激光束(7)导向所述内胆(2)；
通过压力辊(71)，将所述热塑带(5)压(124)在熔化区(24)上以在所述内胆(2)和所述热塑带(5)之间形成焊接连接，所述热塑带(5)经由间隔辊(72)供给到压力辊(71)，所述压力辊和间隔辊(71，72)在内胆(2)的外表面上跟踪激光束(7)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，局部熔化(122)和激光束(7)分别这样实现或控制，即，除了内胆(2)的材料之外，热塑带(5)还至少在熔化区(24)内熔化。
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