CN117307945A - 一种贮存天然气的压力容器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力容器领域，具体的说是一种贮存天然气的压力容器。包括瓶口、封头段、直筒段、瓶底和纤维缠绕层；纤维缠绕层包括第一梯度纤维层、第一反向纤维限位槽、第一反向纤维层、第二梯度纤维层、第二反向纤维限位槽；本申请通过纤维对天然气瓶的瓶身进行叠加缠绕后，形成有第一梯度纤维层、第一反向纤维限位槽，该第一反向纤维限位槽便于第二梯度纤维层的纤维以合适的的缠绕角进行进一步缠绕；在此基础上进一步继续设置有第二梯度纤维层、第二反向纤维限位槽；与传统的叠加方式相比，更为稳固缠绕，大大降低了纤维缠绕时打滑现象，也降低了长期使用后，纤维层之间容易发生松动的现象。
Description
技术领域
本发明涉及压力容器领域，具体的说是一种贮存天然气的压力容器。
背景技术
压力容器可包括金属衬里，缠绕包裹在金属衬里上的纤维复合材料。
纤维复合材料一般为纤维增强聚合物；该纤维复合材料可以是玻璃、芳族聚酰胺、碳及其组合。纤维复合材料可适当地涂覆有与环氧树脂相容的涂层。压力容器可用于储存流体，包括但不限于液体。压力容器内可以容置压缩天然气、氢气、液化石油气及其混合物。
通过纤维层的缠绕，可以实现气瓶的轻量化。但纤维层的缠绕方式都是通过层层叠加，且通过长丝缠绕方法的一层层附加在内衬的外周侧上；多数专利中，将这种缠绕描述为螺旋缠绕。技术人员尝试压力容器瓶身的不同的区域范围，以及采用不同的缠绕包角，来确定不发生滑移的包角和范围。较小的缠绕角一般尝试角度如10°、15°、25°、35°和45°；较大的缠绕角度如：125°、150°、170°等；例如：压力容器瓶身部分区域采用较小的缠绕角螺旋缠绕，另一部分区域采用较大的缠绕角螺旋缠绕；控制不同压力容器瓶身区域的覆盖厚度。
本申请从纤维层的缠绕、叠加方式上进行改进；针对纤维缠绕时打滑这一问题，特别是纤维在以较大角度缠绕时更容易打滑的问题，从纤维层本身、以及纤维缠绕过程中，去进行相应改进，解决纤维缠绕时打滑、以及长期使用容易打滑松动的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提出一种贮存天然气的压力容器，包括瓶口、封头段、直筒段、瓶底和纤维缠绕层；其特征在于：所述纤维缠绕层包括第一梯度纤维层、第一反向纤维限位槽、第一反向纤维层、第二梯度纤维层、第二反向纤维限位槽、第二反向纤维层。
所述纤维缠绕层包裹在压力容器的外表面；具体包裹封头段、直筒段、瓶底的外表面；
所述第一梯度纤维层是由5-10层的单层螺旋纤维层累加而成；且每一单层纤维层环向缠绕的缠绕角为α，α的大小为20~50°；优选的，该角度为45°。
第一梯度纤维层的缠绕角，与第一梯度纤维层内的每一单层纤维层环向缠绕的缠绕角α，角度相同。
进一步的，所述第一梯度纤维层最外周纤维层的外表面上，设置有多个第一反向纤维限位槽。
进一步的，相邻的两个所述第一反向纤维限位槽之间的间距相同。
进一步的，所述第一反向纤维限位槽的深度小于第一梯度纤维层的总厚度。
进一步的，所述第一反向纤维限位槽的缠绕角为β，β的大小为130~160°，优选的，该角度为135°。
进一步的，所述第一反向纤维限位槽的宽度内铺设满第一反向纤维层。
进一步的，所述第一反向纤维层的缠绕角，与第一反向纤维限位槽的缠绕角保持一致。
进一步的，所述第一梯度纤维层和第一反向纤维层之间夹角为γ1，γ1的大小控制为：50~120°；优选的该角度为90°。
进一步的，所述第一反向纤维限位槽深度H1的范围是0.3mm~4mm。
在所述压力容器包裹了第一梯度纤维层和第一反向纤维层后的外表面上，进一步设置第二梯度纤维层和多个第二反向纤维限位槽；所述第二反向纤维限位槽内铺设有第二反向纤维层。
进一步的，所述第二梯度纤维层也是由多个单层纤维层重复缠绕叠加而成，其层数与第一梯度纤维层的层数相同；所述第二梯度纤维层每一单层的纤维线的缠绕角度与第一反向纤维限位槽、第一反向纤维层的缠绕角的角度相同。
进一步的，所述第二梯度纤维层的外表面设置有多个第二反向纤维限位槽，所述第二反向纤维限位槽内铺设有第二反向纤维层；并使得第二反向纤维限位槽内外的纤维层高度一致。
所述所述第二梯度纤维层和第二反向纤维层之间夹角为γ2，γ2的大小控制为：50~120°；优选的该角度控制为90°。
进一步的，在覆盖了第二梯度纤维层和第二反向纤维层后的压力容器的外表面，进一步缠绕第三梯度纤维层；所述第三梯度纤维层与第一梯度纤维层的缠绕方向一致。
是否设置第三梯度纤维层和第三反向纤维限位槽，可根据实际情况决定，可综合考虑瓶身轻量化、缠绕稳定性的需求；通过实验和模拟获得最佳设置情况。
进一步的，所述第一反向纤维限位槽的宽度小于第二反向纤维限位槽；所述第二反向纤维限位槽的宽度小于第三反向纤维限位槽。
进一步的，所述第一反向纤维限位槽、第二反向纤维限位槽、第三反向纤维限位槽的宽度成比例的逐渐增大。
进一步的，所述第一反向纤维限位槽、第二反向纤维限位槽和第三反向纤维限位槽在每一梯度纤维层上设置的数量相同。
本发明的有益效果如下：
本申请是通过用纤维对天然气瓶的压力容器进行叠加缠绕后，形成有第一梯度纤维层，进一步的，在第一梯度纤维层的外表面上设置多个第一反向纤维限位槽，该第一反向纤维限位槽的设置，使得第一反向纤维层中的纤维以另一种缠绕角铺设于第一反向纤维限位槽内；在此基础上，可进一步叠加，设置第二梯度纤维层、第二反向纤维限位槽、第二反向纤维层；由于在每个梯度的纤维层上设置有多个反向纤维限位槽，从纤维层本身、以及纤维缠绕过程中去进行相应改进，使得瓶身的各种纤维不是简单的叠加。
与传统的叠加方式相比，更为稳固缠绕，大大降低了纤维缠绕时打滑现象，也降低了长期使用后，纤维层之间容易发生松动的现象。特别是解决了纤维在以较大角度缠绕时更容易打滑的问题。且由内向外的纤维限位槽的宽度可以不断增加，更好的控制其缠绕的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明中背景技术中叙述的现有技术的示意图。
图2为本发明的纤维层缠绕天然气压力容器的示意图。
图3为本发明的第一梯度纤维层缠绕压力容器的示意图。
图4为本发明的在第一梯度纤维层上设置的第一反向纤维限位槽后的示意图。
图5为本发明的在第一反向纤维限位槽内填充纤维形成第一反向纤维层后的示意图。
图6为本发明的第二实施例的示意图。
图7为图6中A处放大示意图。
图中：1、瓶口；2、封头段；3、直筒段；4、瓶底；5、纤维缠绕层；61、第一梯度纤维层；62、第一反向纤维限位槽；63、第一反向纤维层；71、第二梯度纤维层；72、第二反向纤维限位槽；73、第二反向纤维层；81、第三梯度纤维层；82、第三反向纤维限位槽；83、第三反向纤维层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术手段和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：如图1-7所示 ，一种贮存天然气的压力容器，包括瓶口1、封头段2、直筒段3、瓶底4和纤维缠绕层5；纤维缠绕层5包括第一梯度纤维层61、第一反向纤维限位槽62、第一反向纤维层63、第二梯度纤维层71、第二反向纤维限位槽72、第二反向纤维层73。
所述纤维缠绕层5包裹在压力容器的外表面；具体包裹封头段2、直筒段3、瓶底4的外表面；
如图2-3所示：第一梯度纤维层61内：每一单层纤维层的结构示意图如附图2所示，为表示清楚，图3中相邻纤维线之间间距比较大，实际缠绕时：纤维线采用现有技术中的螺旋缠绕法，相邻的纤维线紧紧挨着。
为了显示方便，附图3-5只表示出纤维层覆盖压力容器直筒段3的情况，采用同样的覆盖手法，控制纤维层覆盖封头段2和瓶底4；
封头段2、瓶底4的纤维层也可根据需要设置与直筒段3的纤维层不同的缠绕角，在此不展开过多叙述。
每个单层纤维层：均是由一条一条的纤维线（片），以螺旋的方式缠绕满直筒段3，从直筒段3的一端缠到另一端为一层。
所述第一梯度纤维层61是由5-10层的单层螺旋纤维层累加而成；且每一单层纤维层环向缠绕的缠绕角为α，α的大小为20~50°；优选的，α的大小为45°。
第一梯度纤维层61的缠绕角，与第一梯度纤维层内的每一单层纤维层环向缠绕的缠绕角α，角度相同。
第一梯度纤维层61的总厚度可以在0.44mm至5mm的范围内；
缠绕角：碳纤维线（片）在压力容器表面的铺覆方向与压力容器轴向的夹角，如图1所示。
如图3-5所示，第一梯度纤维层61最外周纤维层的外表面上，设置有多个第一反向纤维限位槽62。
第一反向纤维限位槽62设置方法可以是：第一梯度纤维层61覆盖完成后，采用模具进行加压、加热形成上述第一反向纤维限位槽62。
相邻的两个第一反向纤维限位槽62之间的间距相同。
进一步的，所述第一反向纤维限位槽62的深度小于第一梯度纤维层61的总厚度。
进一步的，第一反向纤维限位槽62的深度为H1：0.3mm~4mm。
每个第一反向纤维限位槽62，构成一封闭环形结构；多个第一反向纤维限位槽62均匀铺设在第一梯度纤维层61所覆盖的压力容器部分。
第一反向纤维限位槽62的缠绕角为β，β的大小为130~160°；优选的该角度为135°。
第一反向纤维限位槽62的宽度为M1，M1宽度内铺设满第一反向纤维层63。
第一反向纤维层63的缠绕角，与第一反向纤维限位槽62的缠绕角保持一致。
第一反向纤维层63的总高度为H2，采用多个单层纤维、螺旋铺设且多层叠加而成。
进一步的，第一反向纤维层63的总高度控制为：H2=H1。
使得，第一反向纤维层63铺设完成后，第一反向纤维限位槽62内外的纤维层高度一致。
第一梯度纤维层61和第一反向纤维层63之间夹角为γ1，γ1的大小控制为：50~120°；优选的该角度为90°。
如图6所示，在压力容器瓶身包裹了第一梯度纤维层61和第一反向纤维层63后的外表面上，进一步设置第二梯度纤维层71和多个第二反向纤维限位槽72。
第二梯度纤维层71也是由多个单层纤维层重复缠绕叠加而成，其层数与第一梯度纤维层61的层数相同；第二梯度纤维层71的缠绕角度与第一反向纤维限位槽62的缠绕角的角度相同。
在第二梯度纤维层71铺设完成后，在第二梯度纤维层71的外表面设置有多个第二反向纤维限位槽72，进而在第二反向纤维限位槽72内铺设有第二反向纤维层73；并使得第二反向纤维限位槽72内外的纤维层高度一致；第二反向纤维限位槽72内平铺并填满第二反向纤维层73。
所述所述第二梯度纤维层71和第二反向纤维层73之间夹角为γ2，γ2的大小控制为：50~120°；优选的该角度控制为90°。
实施例2：如图6所示，在实施例1的基础上。
进一步的，在压力容器瓶身按上述方式，包裹了第一梯度纤维层61、第一反向纤维层63、第二梯度纤维层71、第二反向纤维层73后的外表面上，继续缠绕第三梯度纤维层81；第三梯度纤维层81与第一梯度纤维层61的缠绕方向一致。
进一步的，第一反向纤维限位槽62的宽度小于第二反向纤维限位槽72；第二反向纤维限位槽72的宽度小于第三反向纤维限位槽82；优选的，第一反向纤维限位槽62、第二反向纤维限位槽72、第三反向纤维限位槽82的宽度成比例的逐渐增大。
进一步的，第一反向纤维限位槽62、第二反向纤维限位槽72和第三反向纤维限位槽82在每一梯度纤维层上设置的数量相同。
通过本申请的方法改进，突破了现有技术中传统纤维层叠加容易缠绕时打滑，长期使用纤维层之间容易发生松动的问题，提高了稳定性。
通过本申请的缠绕方法，进一步提高了稳定性。
具体操作如下：
首先以传统的缠绕方式，用纤维线（片）对天然气瓶的压力容器瓶身进行叠加缠绕后，形成有第一梯度纤维层61；角度和层数控制如上所述，进一步的，在第一梯度纤维层61的外表面上设置多个第一反向纤维限位槽62，在第一反向纤维限位槽62内继续铺设纤维线（片），角度和层数控制如上所述；在将第一反向纤维限位槽62填满的基础上，在第一梯度纤维层61的外表面上，铺设第二梯度纤维层71，直至第二梯度纤维层71铺设完成；继而在第二梯度纤维层71上开设第二反向纤维限位槽72，进一步在第二反向纤维限位槽72内继续铺设，经过多次重复，进行多层的缠绕。
各个梯度纤维层的厚度、层数，可以根据实际需要增加和减少，本申请实施例中采取的纤维层的厚度为实验获得的，符合我司产品的参数；如进一步考虑轻量化，可在本申请的缠绕方式的改进上，减少各个梯度纤维层的层数或厚度。
缠绕原理：纤维线（片）经树脂浸渍过，采用分层固化工艺缠绕：在缠绕纤维复合材料时，为保证压力容器质量，采用分层固化工艺，即在需要缠绕的部位先缠绕一定厚度、层数的纤维，使其固化，再缠绕第二次，使其固化，直至产品厚度达到设计要求。这是现有技术中的操作方法，故不赘述。
本申请中的各种限位槽的加工可以采用：模压技术、电子束光刻、离子束光刻、模压技术。
如：设置一具有与第一反向纤维限位槽相适应的凸起图案的压印模板，将压印模板覆盖包裹瓶身，并施加压力和/或温度；这种方法可以将模板上的凸起图案转移到纤维层外表面，创造微小的第一反向纤维限位槽。
另外，电子束光刻、离子束光刻也都是可以精确控制刻蚀深度和形状的加工技术。
上述天然气瓶也可用于容纳氢气、液化石油气及其混合物。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种贮存天然气的压力容器，包括瓶口（1）、封头段（2）、直筒段（3）、瓶底（4）和纤维缠绕层（5）；其特征在于：所述纤维缠绕层（5）包括第一梯度纤维层（61）、第一反向纤维限位槽（62）、第一反向纤维层（63）、第二梯度纤维层（71）、第二反向纤维限位槽（72）、第二反向纤维层（73）；
所述纤维缠绕层（5）包裹在压力容器的外表面；具体包裹封头段（2）、直筒段（3）、瓶底（4）的外表面；
所述第一梯度纤维层（61）是由5-10层的单层螺旋纤维层累加而成；且每一单层纤维层环向缠绕的缠绕角为α，α的大小为20~50°；
所述第一梯度纤维层（61）的最外周的纤维层的外表面上，设置有多个第一反向纤维限位槽（62）；
相邻的两个所述第一反向纤维限位槽（62）之间的间距相同；
所述第一反向纤维限位槽（62）的深度小于第一梯度纤维层（61）的总厚度；
所述第一反向纤维限位槽（62）的缠绕角为β，β的大小为130~160°度；
所述第一反向纤维限位槽（62）的宽度内铺设满第一反向纤维层（63）；
所述第一反向纤维层（63）的缠绕角，与第一反向纤维限位槽（62）的缠绕角保持一致；
所述第一梯度纤维层（61）和第一反向纤维层（63）之间夹角为γ1，γ1的大小控制为：50~120°；
在所述压力容器包裹了第一梯度纤维层（61）和第一反向纤维层（63）后的外表面上，进一步设置第二梯度纤维层（71）和多个第二反向纤维限位槽（72）；所述第二反向纤维限位槽（72）内铺设有第二反向纤维层（73）。
2.根据权利要求1所述的一种贮存天然气的压力容器，其特征在于：所述第二梯度纤维层（71）也是由多个单层纤维层重复缠绕叠加而成，其层数与第一梯度纤维层（61）的层数相同；所述第二梯度纤维层（71）的缠绕角度与第一反向纤维限位槽（62）的缠绕角的角度相同；
所述第二梯度纤维层（71）的外表面设置有多个第二反向纤维限位槽（72），所述第二反向纤维限位槽（72）内铺设有第二反向纤维层（73）；第二反向纤维限位槽（72）内外的纤维层高度一致。
3.根据权利要求1或2所述的一种贮存天然气的压力容器，其特征在于：所述第一梯度纤维层（61）的每一单层纤维层环向缠绕的缠绕角α为45°，所述第一反向纤维限位槽（62）缠绕角β为135°度。
4.根据权利要求3所述的一种贮存天然气的压力容器，其特征在于：所述第一反向纤维限位槽（62）深度H1的范围是0.3mm~4mm。
5.根据权利要求4所述的一种贮存天然气的压力容器，其特征在于：所述第二梯度纤维层（71）和第二反向纤维层（73）之间夹角为γ2，γ2的大小控制为：50~120°。
6.根据权利要求5所述的一种贮存天然气的压力容器，其特征在于：γ2为90°。
7.根据权利要求6所述的一种贮存天然气的压力容器，其特征在于：在覆盖了第二梯度纤维层（71）和第二反向纤维层（73）的压力容器的外表面上，继续缠绕第三梯度纤维层（81）；所述第三梯度纤维层（81）与第一梯度纤维层（61）的缠绕方向一致。
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