CN116963891A - Iv型压力容器的凸台-衬套结构 - Google Patents

Iv型压力容器的凸台-衬套结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于存储加压气体或液体介质的设备。本发明涉及一种用于存储加压气体或液体介质的设备。本发明还涉及一种用于制造这种设备的方法。

Description

IV型压力容器的凸台-衬套结构
技术领域
本发明涉及一种用于存储加压气体或液体介质的设备。本发明涉及在权利要求1的前序部分中限定的类型的用于存储加压气体或液体介质的设备。本发明还涉及一种用于制造这种设备的方法。
背景技术
作为主要来自可再生能源(太阳能、风能、水能)的未来能源组合的一部分，诸如氢气等气体为改进的、更灵活的电网提供了解决方案。此外，制造商越来越依赖使用CNG和氢气的系统作为重型车辆和轻型车辆的替代推进技术。
用于存储这种气体的设备通常是本领域公知的。压力容器通常用于存储在压力下的各种液体，例如用于存储氧气、天然气、氮气、氢气、丙烷和其他燃料。
通常，这种压力容器分为不同的类型。所谓的II型压力容器是设置有内容置件(所谓的衬套)和外壳的压力容器，该内容置件由高级钢或不锈钢制成，该外壳例如由纤维增强材料制成，该外壳包围该内容置件。III型压力容器具有铝衬套，IV型压力容器通常具有塑料材料(诸如高密度聚乙烯(HDPE))的衬套，该衬套被至少一个纤维增强塑料材料的外壳体包围。这种压力容器用作存储在高压下的气体或液体的设备。通常，这些压力容器用于在大约350巴、大约700巴或大约1100巴至1200巴的压力下将最大可能量的气体(特别是诸如氢气的轻质气体)存储在设备的相对易管理的体积中。
IV型压力容器或罐具有无金属主体，该无金属主体通常包括包裹和/或编织在热塑性聚合物衬套上的碳纤维增强聚合物复合材料。合适的压力容器材料包括包裹的玻璃纤维丝或其他合成纤维丝的层压层，层压层通过热固化树脂或热塑性树脂粘合在一起。弹性体或其他非金属弹性衬套被布置在复合壳体内，以对容器进行密封并防止容器内的液体接触复合材料。容器的复合结构提供了许多优点，诸如重量轻、抗腐蚀，抗疲劳和抗灾难性故障。这些特性是由于增强纤维或长丝的高比强度，在压力容器的结构中，增强纤维或长丝通常沿主要力的方向定向。
每个容器具有联接到该容器的阀，该阀用于用压缩液体填充容器。然而，阀不能直接地连接到聚合物衬套。出于这个原因，需要设置用于将阀联接到容器的凸台。
发明目的
本发明的目的是在凸台和衬套之间设置一种稳定的和集成的界面，以例如防止凸台和衬套之间的爆裂和/或气体积聚。
本发明的另一目的是提供一种凸台-衬套结构，该凸台-衬套结构表现出更好的抗膨胀或抗收缩的能力。
本发明的另一目的是提供一种用于形成这种凸台-衬套结构的方法。
发明内容
根据本发明，通过体现第一独立权利要求的技术特征的方法来实现该目的。
在本发明的第一方面，其可以与本文中所描述的本发明的其他方面和实施例结合出现，本发明包括一种通过旋转模塑由包含可固化原材料的材料生产用于IV型压力容器的凸台-衬套结构的方法。
该方法包括：设置用于形成衬套的模具，该衬套包括由细长的圆柱形衬套壁限定的中空主体，该细长的圆柱形衬套壁具有相对的内表面和外表面，该相对的内表面和外表面在衬套的第一端部和第二端部之间延伸，
其中，圆柱形衬套壁包括圆柱形主要部分、圆形头部部分和圆柱形的颈部，其中，圆柱形衬套壁具有通道开口，该通道开口在衬套的第一端部附近，其中，通过衬套的边缘来确定通道开口，以及
设置凸台和凸缘，该凸台具有轴向地延伸穿过凸台的凸台孔，其中，通过具有内表面的圆柱形壁来确定凸台孔，该凸缘径向向外地突出，具有彼此相对定位的内凸缘表面和外凸缘表面，
其中，凸台被布置成使得凸台孔至少部分地延伸到模具的内部，并且使得外凸缘表面面向模具的内表面。
该方法还包括在穿过凸台的凸台孔中设置密封元件；用材料填充模具中的模具腔体；将材料加热至第一预定温度；旋转模具，使得衬套由材料形成，其中，衬套形成在凸缘的内侧和外侧处以及在孔或凹部中；以及将所形成的衬套冷却至第二预定温度。
由于在通过旋转模塑生产衬套的过程中，在模具的内部存在凸台，特别是存在凸台的凸缘，因此凸台容易集成在衬套中并居中。此外，由于衬套形成在凸缘的内侧和外侧，因此形成了密封良好的结构。此外，通过锚固件(即在凸缘的孔或凹部中延伸的所形成的衬套的部分)，凸台被固定以防止凸台相对于衬套的轴向旋转。
因此，可以省略以下传统处理步骤中的至少一个步骤：钻孔、去毛刺并从衬套的待设置凸台的区域中去除所有污垢、施加密封件、安装凸台，然后再次清理结构。
在根据本发明的第一实施例中，其可以与本文中所描述的本发明的其他方面和实施例结合出现，密封元件仅部分地延伸到凸台孔中，使得在旋转模具时所形成的衬套部分地延伸到凸台孔中。在根据本发明的另一实施例中，密封元件可以设置有面向模具内部的大致半圆形的端部部分，并且以这样的方式布置，即沿穿过凸台的凸台孔的轴向方向，凸台的颈部的内侧的轴向位置对应于半圆形的端部部分的一点的轴向位置。
通过部分地覆盖包围凸台孔的壁的内侧，或通过将其集成到衬套中，可以提供直到连接元件(例如阀)的良好密封，该连接元件例如通过螺纹连接到凸台。因此，结构或压力容器将较少地受到膨胀或收缩的影响。
在根据本发明的第二实施例中，其可以与本文中所描述的本发明的其他方面和实施例结合出现，模具由细长圆柱形的模具壁限定，该细长圆柱形的模具壁具有在模具的第一端部和第二端部之间延伸的内表面，其中，模具壁包括圆柱形主要部分、圆形头部部分和开口，该开口在模具的第一端部附近，其中，凸台被布置成使得凸台孔延伸穿过模具中的开口并与模具的内部流体连通，并且使得外凸缘表面面向模具的内表面。在根据本发明的另一实施例中，模具壁可以包括第二开口，该第二开口在模具的第二端部附近。
在根据本发明的第三实施例中，其可以与本文中所描述的本发明的其他方面和实施例结合出现，模具在第二前端部中设置有第二开口，并且该方法还包括：设置第二凸台和第二凸缘，该第二凸台具有轴向地延伸穿过第二凸台的凸台孔，其中，通过具有内表面的圆柱形壁确定凸台孔，该第二凸缘径向向外地突出，具有彼此相对定位的内凸缘表面和外凸缘表面，其中，第二凸台被布置成使得凸台孔延伸到模具的内部，并且使得外凸缘表面面向模具的内表面；并且在穿过第二凸台的凸台孔中设置第二密封元件。在根据本发明的另一实施例中，凸台和第二凸台可以彼此背对。
在本发明的第二方面，其可以与本文中所描述的本发明的其他方面和实施例结合出现，本发明包括用于IV型压力容器的凸台-衬套结构。该结构包括聚合物衬套，优选地包括热塑性衬套，该聚合物衬套包括由细长的圆柱形衬套壁限定的中空主体，该细长的圆柱形衬套壁具有相对的内表面和外表面，该相对的内表面和外表面在衬套的第一端部和第二端部之间延伸。圆柱形衬套壁包括圆柱形主要部分、圆形头部部分和圆柱形的颈部，其中，圆柱形衬套壁具有通道开口，该通道开口在衬套的第一端部附近，其中，通过衬套的边缘来确定通道开口。该结构还包括凸台，该凸台具有轴向地延伸穿过凸台的凸台孔，其中，通过具有内表面的圆柱形壁来确定凸台孔，其中，凸台孔与压力容器的内部流体连通。
凸台包括凸缘，该凸缘具有彼此相对定位的内凸缘表面和外凸缘表面，其中，内凸缘表面面向衬套的内表面，外凸缘表面面向衬套的外表面，其中，凸缘集成在圆柱形壁的圆柱形的颈部中。
在根据本发明的实施例中，其可以与本文中所描述的本发明的其他方面和实施例结合出现，凸缘集成在圆柱形的颈部的整体层中。
在本发明的第三方面，其可以与本文中所描述的本发明的其他方面和实施例结合出现，本发明包括压力容器和外复合壳，该压力容器被构造成用于存储加压流体，该压力容器包括如上面所描述制造的凸台-衬套结构或如上面所描述的凸台-衬套结构，其中，外复合壳包围衬套的外周边。在根据本发明的实施例中，其可以与本文中所描述的本发明的其他方面和实施例结合出现，所述外复合壳通过围绕所述衬套的外周边的至少一部分编织多股纤维而形成。
附图说明
下文将通过参照附图中所示的示例性实施例来进一步阐明本发明。
图1示出了根据本发明的实施例的压力容器的示意图；
图2示出了根据本发明的第一实施例的用于图1所示的压力容器的凸台和衬套结构的分解图；
图3示出了根据本发明的第二实施例的用于图1所示的压力容器的凸台和衬套结构的分解图；以及
图4示出了根据本发明的第三实施例的用于图1所示的压力容器的凸台和衬套结构的分解图。
具体实施方式
下文将关于特定实施例并且参照某些附图来描述本发明，但本发明不限于此并且仅由权利要求来限定。所描述的附图仅仅是示意性描绘，并且是非限制性的。在附图中，出于说明的目的，某些部件的尺寸可能被夸大，而不是按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于本发明实践的实际缩小。
此外，在说明书和权利要求中使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来区分相似的元件，而不一定用于描述相继顺序或时间顺序。所讨论的术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施例可以以除了在此所描述的或所示出的顺序之外的其他顺序来执行。
此外，在说明书和权利要求中使用术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等来进行描述，而不一定用于指示相对位置。如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施例可以沿除了本文中所描述的或所示出的定向之外的其他定向执行。
此外，尽管不同的实施例被称为“优选形式”，但应该通过示例的方式将其理解为执行本发明的方式，而不是限制本发明的范围。
权利要求中使用的术语“包括”不应该被解释为对其后列出的装置或步骤的限制；该术语不排除其他元件或步骤。该术语应该被解释为明确指出存在所提及的所述特征、元件、步骤或部件，然而，不排除存在或增加一个或多个额外的特征、元件、步骤或部件，或它们的组。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应限于仅由部件A和B组成的设备。意思是，就本发明而言，仅列出了部件A和B，权利要求还应该被解释为还包括这些部件的等价物。
图1示出了细长的压力容器10，该压力容器具有主要部分12和端部部分14，该压力容器呈具有半径的圆柱形，并在压力容器10的两个端部之间的长度d上延伸。金属凸台30被布置在压力容器10的一个或两个端部处，以提供用于与压力容器10的内部连通的端口。压力容器10由内(热塑性)聚合物衬套20形成，该内(热塑性)聚合物衬套被外复合壳覆盖。在这种情况下，“复合材料”是指纤维增强树脂基质材料，诸如纤维包裹结构或纤维层压结构。根据本发明的压力容器10可以制造成用于存储大约一升、两升、三升、五升、八升、十三升、二十一升、三十四升、五十五升和其他合适量的氢气。
图2至图4示出了压力容器的改进的凸台和衬套结构的细节。衬套20具有大致圆柱形的形状，该大致圆柱形的形状具有大致半圆形的端部部段22，该大致半圆形的端部部段具有颈部形状的端部部段24。颈部形状的端部部段24包括通道26和中空壁28，该通道适用于在外复合壳中的开口内对齐，该中空壁包围该通道。中空壁28包括内环形壁部分30和外环形壁部分32。
根据本发明的衬套20可以由本领域技术人员可用的任何材料制造。合适的材料例如可以选自热固性(共)聚合物，诸如环氧化物、不饱和聚酯树脂等。合适的热塑性(共)聚合物例如是聚酰胺(PA)、聚烯烃(例如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯醚(PPE或PPO)等)、非晶形聚酯和/或结晶聚酯(诸如聚对苯二甲酸亚烷基酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETP或PET)、聚对苯二甲酸丁烯酯(PBT)等)，或聚酰亚胺(PI)(例如聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺-酰亚胺(PAI))，或聚(甲基)丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚甲基丙烯酸酯(PEMA)和聚碳酸酯。
凸台40在颈部形状的端部部段24的中空壁28中延伸，并且包括颈部42和凸缘44，该凸缘径向向外地突出。颈部42限定与衬套20的通道26对齐的通道44，该通道44使得高压流体能够连通到压力容器10的内部。凸缘44具有内侧46和外侧48。底部开口50被限定在凸缘44的内侧。底部开口通过多个分离的孔54连接到凸缘44的外侧处的上开口52。孔54的横截面例如可以是圆形的或细长的。
图2和图3示出了在颈部42的内表面上设置有螺纹60的凸台-衬套结构。图3还示出了分层衬套20，该分层衬套包括至少两种不同材料的多层。在所示的实施例中，内整体层和外整体层由相同的材料制造，该材料优选地通过旋转模塑成型。在所示的实施例中，凸缘集成在外层中。
用于连接衬套20和凸台40的方法包括使得用于衬套20的液态聚合物材料能够在凸缘44的内侧46和外侧48处流动并流入到孔54中以填充这些孔。在固化之后，衬套材料在孔54中形成锚固件56。衬套20通过形成在孔54中的锚固件56与凸台40机械地互锁，在该实施例中，锚固件将内侧30处的衬套材料连接到外侧32处的衬套材料。替代性地，“孔”不需要一直延伸穿过构件。因此，孔54可以从孔的开口50、52延伸到孔的封闭端部。在这两个实施例中，即使在极端压力环境下，也能防止衬套20与凸台40的分离。
用于形成压力容器10的方法包括将凸台40插入到模具的前部中。凸台的突出部分固定在模具的外侧，这样凸台就不能再移动。凸台以这种方式定位在模具的前部，使得衬套材料可以位于模具和凸台之间(即，在凸台的外侧)。此外，凸台接纳密封装置，该密封装置设置有透气过滤器或特氟隆塑料膜，该透气过滤器或特氟隆塑料膜延伸穿过凸台，并且确保没有材料会从模具中掉出，并且还确保衬套层可以粘附到凸台的内侧。因此，凸台在内侧和外侧处都被完全地包围在模具中，从而该凸台不需要进一步的膜密封。
通过将凸台布置在模具中，凸台在单个步骤中居中并附接到衬套上，并且在凸台的凸缘的内侧和外侧处完全密封。因此，简化了生产，因为不再需要执行连续的步骤，即钻出通入衬套的开口以接纳凸台、对元件进行清洁、施加(膜)密封件、安装凸台和再次对罐进行清洁。
附图标记列表
10.压力容器
12.压力容器的主要部分
14.压力容器的端部部分
20.衬套
22.半圆形的端部部段
24.颈部形状的端部部段
26.穿过颈部形状的端部部段的通道
28.颈部形状的端部部段的中空壁
30.中空壁的内环形壁部分
32.中空壁的外环形壁部分
40.凸台
42.凸台的颈部
44.凸台的凸缘
46.凸缘的内侧
48.凸缘的外侧
50.在凸缘的内侧处的开口
52.在凸缘的外侧处的开口
54.穿过凸缘的孔
56.孔中的锚固件
60.螺纹

Claims (14)

1.通过旋转模塑由包含可固化原材料的材料生产用于IV型压力容器的凸台-衬套结构的方法，所述方法包括以下步骤：
-设置用于形成衬套(20)的模具，所述衬套包括由细长的圆柱形衬套壁限定的中空主体，所述细长的圆柱形衬套壁具有相对的内表面和外表面，所述相对的内表面和外表面在所述衬套的第一端部和第二端部之间延伸，其中，所述圆柱形衬套壁包括圆柱形主要部分、圆形头部部分(22)和圆柱形的颈部(24)，其中，所述圆柱形衬套壁具有通道开口，所述通道开口在所述衬套的所述第一端部附近，其中，通过所述衬套的边缘来确定所述通道开口；
-设置凸台(30)和凸缘(34)，所述凸台具有轴向地延伸穿过所述凸台的凸台孔，其中，通过具有内表面的圆柱形壁(32)来确定所述凸台孔，所述凸缘径向向外地突出，具有彼此相对定位的内凸缘表面和外凸缘表面，其中，所述凸台(30)被布置成使得所述孔至少部分地延伸到所述模具的内部，并且使得所述外凸缘表面面向所述模具的内表面；
-在穿过所述凸台的所述凸台孔中设置密封元件；
-用所述材料填充所述模具中的模具腔体；
-将所述材料加热至第一预定温度；
-旋转所述模具，使得所述衬套由所述材料形成，其中，所述衬套形成在所述凸缘的内侧和外侧处以及在所述孔或凹部中；以及
-将所形成的所述衬套冷却至第二预定温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述密封元件(50)仅部分地延伸到所述凸台孔中，使得在旋转所述模具时所形成的所述衬套延伸到穿过所述凸台的通道中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述密封元件设置有面向所述模具内部的大致半圆形的端部部分，并且以这样的方式布置，即所述凸台的所述颈部的内侧的轴向位置对应于所述半圆形的端部部分的一点的轴向位置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模具由细长圆柱形的模具壁限定，所述细长圆柱形的模具壁具有在所述模具的第一端部和第二端部之间延伸的内表面，其中，所述模具壁包括圆柱形主要部分、圆形头部部分和开口，所述开口在所述模具的所述第一端部附近，
其中，所述凸台被布置成使得所述凸台孔延伸穿过所述模具中的所述开口并与所述模具的内部流体连通，并且使得所述外凸缘表面面向所述模具的内表面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模具壁包括第二开口，所述第二开口在所述模具的所述第二端部附近。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模具在第二前端部中设置有第二开口，并且所述方法还包括：
-设置第二凸台(30’)和第二凸缘，所述第二凸台具有轴向地延伸穿过所述第二凸台的凸台孔，其中，通过具有内表面的圆柱形壁确定所述凸台孔，所述第二凸缘径向向外地突出，具有彼此相对定位的内凸缘表面和外凸缘表面，其中，所述第二凸台(30’)被布置成使得所述凸台孔延伸到所述模具的内部，并且使得所述外凸缘表面面向所述模具的内表面；
-在穿过所述第二凸台的所述凸台孔中设置第二密封元件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述凸台(40)和所述第二凸台(40’)彼此背对。
8.用于IV型压力容器的凸台-衬套结构，所述凸台-衬套结构包括：
-热塑性/聚合物衬套(20)，所述热塑性/聚合物衬套包括由细长的圆柱形衬套壁限定的中空主体，所述细长的圆柱形衬套壁具有相对的内表面和外表面，所述相对的内表面和外表面在所述衬套的第一端部和第二端部之间延伸，其中，所述圆柱形衬套壁包括圆柱形主要部分、圆形头部部分(22)和圆柱形的颈部(24)，其中，所述圆柱形衬套壁具有通道开口，所述通道开口在所述衬套的所述第一端部附近，其中，通过所述衬套的边缘来确定所述通道开口；以及
-凸台，所述凸台具有轴向地延伸穿过所述凸台的凸台孔，其中，通过具有内表面的圆柱形壁来确定所述凸台孔，其中，所述凸台孔与所述压力容器的内部流体连通；其中，所述凸台具有凸缘(44)，所述凸缘具有彼此相对定位的内凸缘表面和外凸缘表面，其中，所述内凸缘表面面向所述衬套的内表面，所述外凸缘表面面向所述衬套的外表面，
其中，所述凸缘集成在所述圆柱形壁的所述圆柱形的颈部(24)中。
9.根据权利要求8所述的凸台-衬套结构，其中，所述凸缘集成在所述圆柱形的颈部(24)的整体层中。
10.根据权利要求8或9所述的凸台-衬套结构，其中，所述凸台在所述圆柱形壁的内表面上设置有螺纹。
11.根据前述权利要求8至10中任一项所述的凸台-衬套结构，其中，所述圆柱形的颈部(24)、所述圆形头部部分(22)和/或所述衬套壁包括多个不同材料的整体层。
12.根据权利要求9和11所述的凸台-衬套结构，其中，所述凸缘集成在外整体层中。
13.压力容器(100)，所述压力容器被构造成用于存储加压流体，所述压力容器包括：
-根据权利要求1至8中任一项所制造的凸台-衬套结构或根据权利要求9至12中任一项所述的凸台-衬套结构；以及
-外复合壳，其中，所述外复合壳包围所述衬套的外周边。
14.根据权利要求13所述的压力容器，其中，所述外复合壳通过围绕所述衬套的外周边的至少一部分编织多股纤维而形成。
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