复合软管组件的制作方法

文档序号:13426371
复合软管组件的制作方法
复合软管组件相关申请本申请要求2015年3月3日提交的美国临时申请第62/127,534号的权益,所述申请以全文引用的方式并入本文中。本申请涉及2012年7月10日提交的PCT/US/2012/046053进入国家阶段的美国专利申请第14/398,295号,所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。技术领域本发明一般涉及用于输送流体的软管组件,并且更具体地说涉及使用复合技术的混合含氟聚合物管和组件以沿所述组件的长度提供可变挠性。

背景技术:
在各种应用中管件用于输送多种流体。在许多应用中,如在发动机组件中,常常需要将刚性软管连接到挠性管件。在常规组件中,例如,将刚性金属管耦合到挠性不锈钢编织软管。这些常规的管-软管接头需要许多部件和人工以降低在接头处渗漏的可能性,特别是当用于输送或存储可燃、易燃和/或有害流体时。举例来说,通常将管-软管转接器加工和焊接或钎焊、或成形和卷曲或模锻到软管上。然而,这些常规的管-软管转接器和接头由于暴露于恶劣环境(例如,高温、高压和/或化学侵蚀)和磨损而易于遭受金属疲劳和/或材料的降解,这可导致软管组件的潜在泄漏路径以及在最坏情况下软管组件的毁坏性破坏。尽管数十年的研究,但是仍然需要耐化学侵蚀性流体和/或能够承受在汽车和飞机发动机中存在的振动、压力和温度以及具有成本效益的管件。

技术实现要素:
根据本发明的实施例的软管组件减少了常规组件的管-软管接头的数目,从而减少了潜在泄漏路径的数目。此外,通过使用下文所述的轻质复合结构,部件和人工的减少降低了制造软管组件的成本以及软管组件的重量。实施例包括软管组件,所述软管组件包含含氟聚合物内管和沿圆周方向围绕所述含氟聚合物内管的护套,其中护套由编织长丝或编带的多个辫状物形成,如碳纤维、碳-碳纤维、对位芳族聚酰胺纤维、纤维玻璃纱线、氧化铝纤维、硼纤维、氮化硼纤维、二氧化硅纤维、二氧化硅氮化物纤维或其混合物,其中护套灌注有一种或多种树脂,如含氟聚合物分散体、热固性树脂、热塑性树脂、环氧树脂或其组合,沿管的长度具有不同程度的挠性。经由不同区域中的不同树脂和/或不同区域中的不同固化程度可实现不同的挠性。根据一实施例,管可灌注有在固化时具有不同挠性或刚性的至少两种树脂。根据另一实施例,使至少两种树脂中的第一种树脂灌注在护套中以形成具有第一挠性的第一部分,并且使至少两种树脂中的第二种树脂灌注在护套中以形成具有第二挠性的第二部分。在一个具体实施例中,软管组件的第一部分包含具有第一挠性的树脂,并且包夹第一部分的第二部分和第三部分包含具有大于第一挠性的第二挠性的树脂。在此实施例中,刚性第一部分保持软管组件的所需形状,并且提供轴向强度和支撑。挠性第二部分和第三部分使得软管组件的末端可移动,用于在使用中的装配、减震和挠曲。在本发明的一方面,护套可为编织或以其它方式织造的护套。护套可耦合到内管,如通过烧结到含氟聚合物内管。在一实施例中,护套可由多根以下的丝束或长丝形成:经含氟聚合物涂布的碳纤维、碳-碳纤维、对位芳族聚酰胺纤维、纤维玻璃纱线、氧化铝纤维、硼纤维、氮化硼纤维、二氧化硅纤维、二氧化硅氮化物纤维或其混合物。多个辫状物中的每种可在编织之前和/或在编织之后涂布有含氟聚合物。在一实施例中,编织角沿软管组件的长度可是恒定的。在另一实施例中,编织角可沿软管组件的长度变化,从而有助于沿软管组件长度的挠性可变性。举例来说,较高编织角(即,较紧密或较致密编织)可提供刚性,而较低编织角(即,较松散或不太致密编织)可提供挠性。多个辫状物可相对于管的纵向轴线基本上放平。一个或多个辫状物可包括一根或多根增强丝束。一根或多根增强丝束可为芳族聚酰胺。一根或多根增强丝束可为对位芳香族聚酰胺。一根或多根增强丝束可为芳香族聚酯。在某些实施例中,一个或多个辫状物的纤维玻璃丝束与增强丝束的比率可在1:1与20:1之间。一个或多个辫状物的纤维玻璃丝束与增强丝束的比率可为7:1。含氟聚合物管可通过挤压形成,如通过垂直挤压。含氟聚合物内管的取向指数可在0.9与1.0之间。含氟聚合物内管的最内部分可是导电的。最内10%的含氟聚合物内管可含有约0.5重量%到约2.5重量%之间的导电颗粒。最内10%的含氟聚合物内管可含有约1.5重量%之间的导电颗粒。另外地或可替代地,编织护套和/或一种或多种树脂可包括导电颗粒。另外地或可替代地,内管可浸渍于导电颗粒的分散体中。导电颗粒可为炭黑。在其中一些长丝包含纤维玻璃的实施例中,纤维玻璃可为S-玻璃和/或E-玻璃。另一实施例提供一种制造软管组件的方法。方法包括:提供含氟聚合物内管,通过沿圆周方向缠绕和耦合形成护套,如通过在含氟聚合物内管周围烧结多个辫状物(如有或没有增强纤维的纤维玻璃编带),使护套灌注有一种或多种树脂,以及固化一种或多种树脂使得挠性沿软管组件的长度变化。方法可进一步包括烧结软管组件以将含氟聚合物内管粘结到编织护套。烧结步骤可包括将管引入到烘箱中,使得管被加热到约700℉与约725℉之间。可将管暴露于烘箱持续足够的时间段,以使管在约700℉与约725℉之间的温度下保持约3分钟。方法可进一步包括将管浸渍于导电颗粒分散体中。另一实施例提供通过本文所述方法中的任一项制备的软管组件。另一实施例提供一种使用软管组件的方法。方法包括:提供如本文所述的软管组件和将软管组件的一个或多个挠性末端耦合到一个或多个装置。以上发明内容并非旨在描述本发明主题的每个所示出的实施例或每一种实施方案。附图和下文具体实施方式更具体地举例说明了各种实施例。附图说明结合附图考虑以下各种实施例的详细描述可更全面地理解本发明主题,在附图中:图1描绘了根据本发明的一个实施例的软管组件;图2A和图2B分别描绘了坯料和具有内导电区域的挤压内管;图3为根据一实施例的具有纵向部分的管道的平面图;图4描绘了根据本发明的另一实施例制造软管组件的方法;图5描绘了根据本发明的一实施例使用软管组件的方法;图6为根据一实施例的用于软管组件的一部分编织护套的照片;图7为根据一实施例的软管组件的前视截面图的照片;图8为图7的软管组件的透视图的照片。虽然各种实施例容许各种修改和替代形式,但其细节已借助于实例在附图中示出且将详细地描述。然而,应理解,并非旨在将所要求的本发明限于所描述的具体实施例。相反地,旨在涵盖落入如由权利要求书所限定的主题的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。具体实施方式现参考图1,提供了根据本发明的一个实施例的复合软管组件100的长度。软管组件100包括内管102和沿圆周方向围绕内管102的护套104以及灌注在护套104内和在护套104上面的一种或多种树脂(未示出)。内管102可由聚合物构成,例如含氟聚合物,如(但不限于)聚四氟乙烯(PTFE)。在一些实施例中,内管完全或部分导电。举例来说,内管102的最内部分(即,邻近于内管102的纵向轴线的内表面)可是导电的。此最内部分的厚度可被定义为内管102的整个厚度的百分比,可例如,最内5%、10%、15%、20%、25%等。内管102或其部分可通过结合金属颗粒(例如,铜、铝、金、银、镍等)、炭黑、碳纤维或其它导电添加剂呈现导电,和/或可由导电材料如导电弹性材料形成。参考图2A和图2B,根据一实施例,可通过经由模具挤出坯料200形成具有内导电区域206的内管102,所述坯料200具有导电聚合物202的内核和不导电聚合物204的外环。所得内管102具有由导电聚合物202构成的导电性最内区域206和由不导电聚合物构成的最外区域208。虽然线条呈现在图2B中所呈现的最内区域206与最外区域208之间,但是在区域之间没有明显界限。举例来说,最内区域的厚度可变化和/或聚合物的导电性在最内区域206与最外区域208之间的边界处可逐渐降低。可通过改变添加到聚合物的导电颗粒的量来控制最内区域206的导电性。在一些实施例中,最内区域206含有约0.5重量%与约2.5重量%之间的导电颗粒、约1.5重量%与约2.5重量%之间的导电颗粒等。在一些实施例中,内管可具有高的取向指数,所述取向指数为含氟聚合物(例如PTFE)链在纵向方向上的取向程度对横向方向上的取向程度的度量。取向指数为零(0)意指含氟聚合物链是随机取向的。取向指数为一(1)意指所有含氟聚合物链均是在纵向方向上取向。在未示出的一替代实施例中,整个内管是导电的。在又一未示出的替代实施例中,整个内管是不导电的。在将护套104施加在内管102上面之前,可将内管102完全成形和/或固化。在具体实施例中,护套104可由纤维玻璃编带的多个辫状物106形成。纤维玻璃编带反过来可任选地结合PTFE。合适的纤维玻璃编带可在A-A-52083(IV型)规范下从多种来源获得,包括印地安那州哥伦比亚城市Breyden产品有限公司(BreydenProducts,Inc.ofColumbiaCity,Indiana);科罗拉多州大章克申的威斯登长丝有限公司(WesternFilament,Inc.ofGrandJunction,Colorado);以及纽约格伦斯福尔斯的W.F.Lake公司(W.F.LakeCorp.ofGlensFalls,NewYork)。当然,在各种替代方案中,其它材料可用于形成护套104。举例来说,不同聚合物可用于制备编织物、编带或形成护套104替代物的其它布置。在其它实施例中,护套可由多根以下的丝束或长丝形成:碳纤维、碳-碳纤维、对位芳族聚酰胺纤维、纤维玻璃纱线、氧化铝纤维、硼纤维、氮化硼纤维、二氧化硅纤维、二氧化硅氮化物纤维或其混合物,并且每种纤维还可任选地涂布有含氟聚合物,如(但不限于)PTFE。在一些实施例中,底层丝束包括E-玻璃或S-玻璃纤维玻璃。E-玻璃和S-玻璃可广泛地购自多种来源。一般来说,E-玻璃被理解为是指用作其中期望强度和高电阻率的通用增强物的氧化铝-钙-硼硅酸盐玻璃,而S-玻璃被理解为是指用于在极端温度或腐蚀性环境的条件下需要高强度、高模量以及高耐久性的复合结构应用中的纺织底物或增强物的铝硅酸镁玻璃。可使用多种其它类型的纤维玻璃,包括AR-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、E-CR-玻璃、R-玻璃等。在一些实施例中,护套104如图1中所描绘编织。在其它实施例中,通过以螺旋方式缠绕辫状物形成护套。每个辫状物106可具有大体上矩形横截面。也就是说,每个辫状物106可具有大体上大于高度的宽度。在这类实施例中,辫状物106可布置在编织护套中使得辫状物106的较宽侧接触内管102。这类布置使编织护套104的厚度最小化并且向内管102提供更多结构支撑。每个辫状物106可由多根材料的单独丝束形成。举例来说,每个辫状物106可由5与19个之间的丝束形成。在一实施例中,一根或多根增强丝束可结合一个或多个辫状物106。举例来说,一种或多种芳族聚酰胺、对位芳族聚酰胺或芳香族聚酯丝束可与纤维玻璃丝束一起编织。合适的芳族聚酰胺和对位芳族聚酰胺以商标由特拉华州威明顿市杜邦公司(E.I.duPontdeNemoursandCompanyofWilmington,Delaware)、以商标由日本大阪帝人有限公司(TeijinLimitedofOsaka,Japan)以及以商标由荷兰阿纳姆帝人芳纶公司(TeijinAramidB.V.ofArnhem,TheNetherlands)出售。合适的芳香族聚酯可以和EX商标购自南卡罗来纳州米尔堡可乐丽美国有限公司(KurarayAmerica,Inc.ofFortMill,SouthCarolina)。纤维玻璃丝束与增强丝束的比率可例如在1:1与20:1之间。护套104可是导电或不导电的。举例来说,护套104可包括多种导电颗粒,如金属颗粒(例如,铜、铝、金、银、镍等)、炭黑、碳纤维或其它导电添加剂。这类颗粒可存在于纤维玻璃的单独丝束中、施加于纤维玻璃辫状物106和/或施加于在形成之后的护套104。举例来说,丝束、辫状物106或护套104中的任一种可浸渍于、喷涂有、涂布有或以其它方式施加有导电颗粒的分散体,所述导电颗粒的分散体然后保留在内辫状物106内。可将护套104烧结到内管102以提供防止或抑制内管102皱缩、变形或破裂的结构稳定性,如下文将更详细地论述。可根据关于图4和图5所述的方法制得或使用图1和图2中示出的实施例。这类方法产生与图6A和图6B中示出的那些类似的结构。此外,可根据图4和图5中示出的方法制得或使用相对更复杂的复合管,如图3中示出的结构。图3为根据一实施例的具有纵向部分的管道的平面图。具体来说,软管组件300包括主要部分302、第一末端部分304a以及第二末端部分304b。在图3中示出的实施例中,软管组件300包含如先前关于其它实施例所述的编织外层。编织物围绕限定例如用于汽车或航空应用的充气室的内管。编织物可灌注有包封树脂材料以提供进一步支撑。除关于先前所公开的实施例描述的那些特征以外,末端部分304a和304b促进与相邻部件的连接和断开。末端部分304a和304b可包括灌注有不同厚度或不同材料的编织物,例如使得那些部分的挠性不同于主要部分302的挠性。举例来说,在其中软管组件300将与相邻结构连接或断开的实施例中,末端部分304a和304b可具有比主要部分302相对更高的挠性,以促进这类连接和断开。在其它实施例中,仅第一末端部分304a或仅第二末端部分304b具有较高水平的挠性。在又另外的实施例中,根据软管组件300的应用,主要部分302可具有比末端部分304a和/或304b相对更高水平的挠性。改变软管组件300的流变特性的一种机理是通过在特定区域中使编织物灌注有不同树脂类型或化学物质,这将使制得的那些部分刚性相对更强或更弱。实际上,将软管组件300的切割长度成形为具有所需弯曲的期望形状。然后使编织物灌注有树脂。在其中需要高刚性的区域中,使用固化成刚性的树脂。相比之下,在其中期望挠性的区域中,如末端304a和304b,使用挠性树脂。一般来说,刚性树脂可用于保持组件的所需形状、提供轴向强度以及以其它方式支撑软管组件300的期望几何结构。挠性树脂允许如末端304a和304b的部分弹性地挠曲或移动,用于在使用中装配、减震和挠曲。具有不同水平的挠性的这些部分可减少潜在泄漏路径的数目(例如通过提供连续的含氟聚合物衬垫,而不是与具有不同水平的挠性的若干管配对)、减少生产管-软管转接器(其通常被加工和焊接或钎焊、或成形和卷曲或模锻到软管上)所需要的部件和人工,以及通过使用轻质复合部件而不是金属片管或不锈钢编织软管来降低采用它们的整个系统的重量。在其它实施例中,根据沿管的每个部分的期望挠曲,可制得具有不同流变特性的更多或更少部分。通过使编织物/护套灌注有在固化或凝固时具有较高水平的挠性的不同树脂,不仅在末端,而且在期望具有较高挠性的管的任何部分都可制得较高的挠性部分。现参考图4,提供了制造根据本发明实施例的管的方法400。在步骤S402,提供了含氟聚合物内管。内管可为,例如PTFE内管,或由另一种含氟聚合物材料形成,或其可由来自各种来源的多种替代材料获得。在一些实施例中,内管通过糊状物挤压、熔融物挤压或条带缠绕和烧结形成。在步骤S404,将护套沿圆周方向缠绕在含氟聚合物内管的外表面周围或以其它方式耦合到含氟聚合物内管的外表面。在一些实施例中,护套为编织护套。在其它实施例中,以螺旋形缠绕护套。可使用标准编织、织造和绳索制备技术和设备由如上所述的多个辫状物形成护套。如上文所论述,辫状物可包括多根以下的丝束或长丝:经含氟聚合物涂布的碳纤维、碳-碳纤维、对位芳族聚酰胺纤维、纤维玻璃纱线、氧化铝纤维、硼纤维、氮化硼纤维、二氧化硅纤维、二氧化硅氮化物纤维或其混合物。在步骤S406,任选地将组装管暴露于导电颗粒的分散体以赋予护套导电特性。在步骤S408,任选地将组装管烧结以将含氟聚合物内管粘结到编织护套。烧结步骤可包括将管引入到烘箱中,使得管被加热到约700℉与约725℉之间。可控制烘箱的速度、长度和/或温度使得管在此温度下保持约2分钟与约4分钟之间(例如,约3分钟)。在步骤S410,根据实施例,可通过使用一种或多种树脂浸渍和/或包封护套材料来进一步修饰管件。首先将具有编织护套的管切割成期望长度和期望形状,如包括任何所需的弯曲部。然后,在单独纤维之间以及在更厚编织或辫状物之间,使编织护套灌注有一种或多种树脂。可通过浸渍单独纤维、单独编织辫状物或整个护套;帘式涂布;挤压涂布或多种应用方法中的任一项来施加树脂。不管护套中纤维或编带的布置,灌注树脂都可基本上包封纤维以保护纤维并且为整体管提供期望水平的挠性。然后,在步骤S412固化树脂。在一个具体实施例中,在S410使编织护套的第一长度浸渍有第一树脂,并且在S412固化。然后重复步骤S410和S412,使得编织护套的第二长度浸渍有第二树脂并且固化。根据待浸渍有不同树脂的不同区域的数目,视需要重复步骤S410和S412。在一替代实施例中,多种树脂施加于编织护套的不同轴向部分,并且在单一步骤S412中固化组装管。在一些实施例中,如先前关于图3所述的实施例,管件的不同部分可具有灌注到不同区域中的编带中的不同树脂。在实施例中,可使护套灌注有第一树脂和第二树脂,所述第一树脂具有第一组流变特性,如第一挠性,所述第二树脂具有不同于第一组的第二组流变特性,如第二挠性。举例来说,第一树脂灌注可用于防止或抑制管件扭结,并且视需要使得管件挠性更强或更弱。然后,可使管件的末端区域灌注有第二树脂,所述第二树脂在固化时具有比第一树脂相对更高水平的挠性。可替代地,沿长度使用相同的树脂,但是在不同区域中固化到不同程度以沿软管组件的长度改变挠性。在又一替代实施例中,将一种或多种树脂施加于编织护套并固化,并且然后仅在其中需要较大刚性的区域中施加第二施加的树脂(相同或不同)并且固化。在又一实施例中,在将树脂施加并且固化到编织护套之后,烧结组装管。现参考图5,提供了根据一实施例使用如本文所述的管的方法500。在步骤S502,提供了含氟聚合物管。管可是本文所述的类型,例如关于图4所述的类型。在步骤S502提及的管可为例如具有外编织的内管,所述内管沿其轮廓已经灌注有不同树脂,从而提供沿管具有不同挠性的不同区域。在步骤S504,一个或多个配件可与管的一个或多个末端耦合。配件可是例如汽车和航空行业中使用的常规类型。在实施例中,对于管的末端有利的是具有与管的剩余部分的不同水平的刚性或挠性,以促进与相邻部件的连接。在步骤S506,管的一个或多个末端耦合到一个或多个装置。举例来说,管的第一末端可连接到燃料源(例如,燃料箱或燃料泵),而管的第二末端连接到燃料储集器(例如,燃料泵、化油器或燃料喷射器)在另一实例中,管的第一末端可连接到制动主缸,并且管的第二末端可连接到制动从动缸。在再一实例中,管的第一末端可连接到发动机并且管的第二末端可连接到散热器。现参考图6,提供了根据本发明一实施例的管600的外部视图。组装管600包括辫状物608,所述辫状物608编织在含氟聚合物内管(未示出)周围。部分606灌注有单一类型的树脂。如先前关于其它图所述,此部分可被布置成邻近于灌注有不同树脂的各种其它部分。那些其它部分中的一些可视需要具有不同水平的刚性或挠性,以在管件长度上产生挠性分布。在图6中示出的实施例中,辫状物608包含纤维玻璃编带,虽然如先前关于前述图所述,可使用其它材料和图案的辫状物或编织,如经含氟聚合物涂布的碳纤维、碳-碳纤维、对位芳族聚酰胺纤维、纤维玻璃纱线、氧化铝纤维、硼纤维、氮化硼纤维、二氧化硅纤维、二氧化硅氮化物纤维或其混合物。虽然所描绘的管600具有暗色颜料,但是单个辫状物608是可见的并且示例性辫状物608由白色矩形示出。在辫状物608内,可见两种不同类型的长丝或丝束610和612。举例来说,纤维玻璃丝束610比芳族聚酰胺丝束612更暗。参看图7和图8,成品软管组件700包括如前所述的内管702、覆盖外表面并且粘结到管702的编成辫的护套704以及覆盖护套704并且灌注在护套704内的一种或多种树脂706。如先前所述,树脂706沿软管组件700的长度是不同的和/或固化到不同程度,以沿软管组件700的长度赋予不同程度的挠性,在离散部分中实现或沿长度连续实现从而形成梯度挠性。内表面702a由导电材料构成或涂布有导电材料。系统、装置和方法的各种实施例已经在本文中描述。这些实施例仅为了举例而示出且并非旨在限制所要求的本发明的范围。此外,应了解,已经描述的实施例的各种特征可按不同方式组合以产生许多额外的实施例。此外,虽然已经描述了用于所公开的实施例的各种材料、尺寸、形状、配置和位置,但是在不超出所要求的本发明的范围情况下,可利用除所公开内容之外的其它内容。相关领域中的普通技术人员将认识到,本发明主题可包含比上述任何个别实施例中所示出更少的特征。本文所述的实施例并不意味着为其中可组合本发明主题的各种特征的方式的详尽呈现。因此,实施例并非特征的相互排斥的组合;相反地,各种实施例可包含选自不同个别实施例的不同个别特征的组合,如本领域的普通术人员所理解。此外,除非另外指出,否则关于一个实施例所述的元件可在其它实施例中实施,即使在这类实施例中未描述。虽然权利要求书中的从属权利要求可是指与一项或多项其它权利要求的特定组合,但是其它实施例还可包括从属权利要求与每一项其它从属权利要求的主题的组合,或者一个或多个特征与其它从属或独立权利要求的组合。除非声明了不希望特定组合,否则本文中建议这类组合。上述文献以引用方式的任何并入受到限制,使得不并入与本文中的明确公开内容相反的主题。上述文献以引用方式的任何并入进一步受到限制,使得文献中所包括的权利要求不以引用方式并入本文中。上述文献以引用方式的任何并入更进一步受到限制,使得文献中所提供的任何定义不以引用方式并入本文中,除非明确包括于本文中。出于解释权利要求书的目的,明确地希望35U.S.C.§112(f)的条款不会被调用,除非权利要求中叙述特定术语“用于…的方式”或“用于…的步骤”。...
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