专利名称：金属管状体及其制作方法和压力容器衬套及其制作方法
技术领域：
本发明涉及用在例如车辆、住宅、输送机械等的高压管道中，供用作产生能量的燃料的高压燃料氢气或天然气在其中流动的金属管状体及其制作方法。
本发明还涉及用于例如车辆、住宅、输送机械等中存储用作产生能量的燃料的氢气或天然气的高压容器或用于存储氧气供应系统中的氧气的高压容器的衬套及其制作方法。
背景技术：
广泛使用的金属管状体是电阻焊接管，其通过成形轧制将金属板卷成管状并通过高频焊接使其互相对接的部分接合而制成。
由于电阻焊接管的焊接件受热强度降低，因此焊接件由于应力集中易发生疲劳断裂。当前未见有在供高压气体在其中通过的压力管道中使用电阻焊接管的。
因此，使用芯棒挤出的管子(下面称为芯棒挤出管)或用分流模挤出的管子(下面称为分流模挤出管)似乎可用于压力管道系统。
但是，芯棒挤出管的壁厚可能不均匀，此外的问题是芯棒挤出管不能制成具有较大的直径和/或较长的长度。另一个问题是无法制成横截面形状复杂的芯棒挤出管。这些问题可用分流模挤出管解决，但分流模挤出管存在以下问题。该模挤出管通过在分流模的孔部将坯料的金属材料流临时分成几部分，然后在室部再把分开的金属材料接合在一起而制成。该管子包括多个利用在管子整个长度上延伸的接合部接合在一起的分部。由于接合部的机械特性如强度和延伸率劣于管子分部，因此当管子在用于压力管道时，可能由于应力集中而在接合部发生断裂。
有人认为，对接合部的特性加以改良就可把分流模挤出管用于压力管道系统。已知对用于挤出的坯料进行各种热处理以提高分流模挤出管接合部的耐腐蚀性(见公报JP-A No.1999-172387)。
但是，提高接合部机械特性的方法仍有待于改进，分流模挤出管仍未用于高压管道系统。
另一方面，上述压力容器中的高压气体的压力当前一般为约20-约35MPa，而该压力将来可望升高到约70MPa。
已知用于该类压力容器的衬套由铝质杯状坯件制成，制作方法为通过流动旋压沿坯件轴向平整坯件体部，以在空心柱状主体(trunk)的各个相对端部形成端盖部；封闭至少端盖部中的一个使得该端盖部的壁厚比主体厚；在该端盖部中央的封闭部中形成一接口管装配孔(见公报JP-A No.1999-104762，权利要求1)。
但是，该压力容器衬套的问题是需要进行复杂的机加工，并且无法制成具有较长长度和较大尺寸的衬套。
另一种已知的压力容器衬套包括铝质挤出管状体和焊接在该管状体各相对端部的端盖(见公报JP-A No.1999-104762，图7)。可将芯棒挤出管、分流模挤出管等用作该铝质挤出管状体。
芯棒挤出管或分流模挤出管存在上文中结合压力管道所述的问题，并且分流模挤出管尚未用作压力容器衬套的主体。
鉴于上述问题，本发明的一个目的是提供可具有较长长度和较大尺寸并具有突出的耐压性的金属管状体及其制作方法。
本发明的另一个目的是提供可具有较长长度和较大尺寸并具有突出的耐压性的压力容器衬套及其制作方法。
发明内容
本发明提供一种金属管状体，该金属管状体包括通过分流模(portholedie)挤出的管子，并由通过在该管子的整个长度上延伸的多个接合部互相结合的多个分部构成，该挤出管在各接合部的金属母材经改性处理产生细分晶粒。
因此，本发明金属管状体包括分流模挤出管，该管子由通过在该管子整个长度上延伸的接合部互相接合的多个分部构成。该挤出管在各接合部的金属母材经改性处理产生细分晶粒。因此，接合部的机械特性如强度、延伸率和耐腐蚀性得到提高，使得该金属管状体能承受高压。即使将该金属管状体用作例如供高压气体在其中流动的压力管道中的压力管，也可防止接合部开裂。该金属管状体的壁厚均匀，可具有较长长度或较大尺寸。此外，该金属管状体可具有复杂形状的横截面。
对本发明金属管状体来说，最好通过摩擦搅动接合工具的探头对各接合部进行摩擦搅动，从而对该挤出管作改性处理。
对本发明金属管状体来说，理想的是在挤出管内部固定地设置加固分隔件，该加固分隔件在管子纵向延伸以将挤出管内部分隔成多个空间。该加固分隔件通过摩擦搅动在至少两个接合部与挤出管接合，也可与挤出管的分部设置成一体。当该管子内部固定地设有在纵向延伸以将管子内部分隔成多个空间的加固分隔件时，该金属管状体的耐压能力进一步提高。
本发明提供一种制作金属管状体的方法，其特征在于，制备一通过分流模挤出并包括通过在其整个长度上延伸的多个接合部互相接合的多个分部的管子；从外部将摩擦搅动接合工具的探头插入挤出管的接合部中，使探头局部位于接合部相对侧的管子分部中；然后沿管子纵向相对移动挤出管和探头，从而对挤出管的金属母材进行摩擦搅动，以进行改性处理，从而产生细分晶粒。
通过本发明的方法可较容易地制作金属管状体。
在本发明的金属管状体制作方法中，理想的是挤出后立即在接合部对从挤出器挤出的管子的金属母材进行摩擦搅动。从而该金属管状体可具有比使用其温度下降到冷加工温度的分流模挤出管高的生产率。其原因是，在对其温度下降到冷加工温度的分流模挤出管的金属母材进行摩擦搅动的情况下，探头转动产生摩擦热软化接合部及其附近的管子需要时间。而当挤出后立即对从挤出器挤出的管子的金属母材进行摩擦搅动时，可使所产生的金属管状体受到均匀的固溶热处理，从而使机械特性稳定。在对冷却到冷加工温度的分流模挤出管的金属母材进行摩擦搅动的情况下，管子的温度在接合部及其附近局部升高，从而使所形成的管子很可能受到不均匀的固溶热处理。而在挤出后立即对从挤出器挤出的管子的金属母材进行摩擦搅动的情况下，该操作消除了否则会在挤出初始阶段在管子分部之间形成的不合格接头。
根据本发明的金属管状体制作方法，挤出管内可固定地设有一在该管子纵向延伸并将管子内部分成多个空间的加固分隔件。在对管子各接合部中挤出管金属母材进行摩擦搅动时，探头前端各穿过至少两个接合部插入分隔件中，以通过摩擦搅动将分隔件接合到挤出管上。该挤出管可具有使至少两个分部互连并在管子纵向延伸的加固分隔件。从而，该加固分隔件与管子一体地挤出。
本发明提供用于压力容器的第一衬套，包括其相对端部各具有开口的主体和接合在该主体相对端部并封闭该主体端部开口的端盖，该主体包括具有改性接合部并构成本发明金属管状体的挤出管。
本发明提供用于压力容器的第二衬套，包括其相对端部各具有开口的主体；与主体一端形成一体以封闭该主体的该端开口且设有接口管安装部的端盖部；以及与该主体另一端接合并封闭主体另一端开口的端盖，该主体和该端盖部通过对具有改性接合部并构成本发明金属管状体的挤出管的一端部进行机加工而制成。
当在压力容器中使用第一或第二衬套时，主体及从而整个衬套能承受高压，从而衬套在接合部不会开裂。管状体由分流模挤出管制成，因此壁厚均匀，从而使衬套可具有较长长度或较大尺寸。此外，可制成具有复杂横截面的衬套。
当在压力容器中使用本发明两种衬套时，可通过摩擦搅动将端盖接合到主体。
当使用本发明两种压力容器衬套时，主体内部固定地设有在其纵向延伸并将其内部分成多个空间的加固分隔件。该加固分隔件通过在构成主体的挤出管的至少两个改性接合部上进行摩擦搅动而接合到管状体上，或与构成主体的挤出管的分部一体地挤出。当主体内固定地设有在其纵向延伸并将其内部分成多个空间的加固分隔件时，主体，从而整个压力容器衬套的耐压性进一步提高。
当压力容器衬套的主体内固定地设有加固分隔件时，该分隔件优选使其一端部朝向端盖待接合到其上的主体的端部并伸出到主体外部，该端盖围绕该伸出部配合并与主体接合。由于在这种情况下主体和端盖从内部受到分隔件的支承，因此各部件的接合工作效率提高，同时在通过摩擦搅动接合各部件时可防止主体和端盖向内变形。
本发明提供用于压力容器的第三衬套，包括其两端各设有开口的主体以及两个与主体各相对端部形成一体以封闭端部开口并各具有接口管安装部的端盖部，该主体和两端盖部通过对具有改性接合部并构成本发明金属管状体的挤出管的两端部进行机加工而制成。
当使用本发明第三压力容器衬套时，主体，从而整个衬套能承受高压，从而防止衬套在接合部开裂。主体由分流模挤出管制成，因此壁厚均匀，并可提供具有较长长度或较大尺寸的衬套。此外可提供具有复杂横截面的衬套。
当使用本发明第一至第三压力容器衬套时，优选利用摩擦搅动接合工具的探头对各接合部进行摩擦搅动，从而对构成主体的挤出管的接合部进行改性。
本发明提供一种燃料电池系统，包括燃料氢气压力容器、燃料电池和将燃料氢气从压力容器向燃料电池传输的压力管道，该压力容器具有所述第一至第三衬套中的一个衬套。
本发明提供一种天然气供应系统，包括天然气压力容器和从压力容器输送天然气的压力管道，该压力容器设有所述第一至第三衬套中的一个衬套。
本发明提供一种制作压力容器衬套的第一方法，其特征在于，制备一通过分流模挤出并包括通过在其整个长度上延伸的多个接合部互相接合的多个分部的管子；从外部将摩擦搅动接合工具的探头插入挤出管的各个接合部中，使探头局部位于接合部相对侧的管子分部中；然后沿管子纵向使挤出管和探头相对移动，从而对挤出管的金属母材进行摩擦搅动，以进行改性处理，从而产生细分晶粒并获得其相对端部各具有开口的主体，然后将端盖接合到主体的各端部。
本发明提供一种制作压力容器衬套的第二方法，其特征在于，制备一通过分流模挤出并包括通过在其整个长度上延伸的多个接合部互相连接的多个分部的管子；从外部将摩擦搅动接合工具的探头插入挤出管的各个接合部中，使探头局部位于接合部相对侧的管子分部中；然后沿管子纵向使挤出管和探头相对移动，从而对挤出管的金属母材进行摩擦搅动，以进行改性处理，从而产生细分晶粒并获得其相对端部各具有开口的主体，然后在该主体的一端部与其一体地形成具有接口管安装部的端盖部，并将一端盖接合到该主体的另一端部。
可通过本发明的第一和第二制作方法分别较容易地制作第一和第二压力容器衬套。
在本发明第一和第二制作方法中，理想的是挤出后立即在接合部对从挤出器挤出的管子的金属母材进行摩擦搅动。在上述金属管状体的制作方法中，该衬套可以以比使用其温度下降到冷加工温度的分流模挤出管高的速度制造，从而获得较高的生产率。此外，可以使所形成的衬套受到均匀固溶热处理，从而使机械特性稳定。所述操作消除了否则会在挤出初始阶段在管子分部之间形成的不合格接头。
在本发明第一和第二衬套制作方法中，挤出管内可设有在该管子纵向延伸并将管子内部分成多个空间的加固分隔件。在对管子各接合部中挤出管的金属母材进行摩擦搅动时，探头前端各穿过至少两个接合部插入分隔件中，以通过摩擦搅动将分隔件接合到挤出管上，从而在形成主体的同时将分隔件接合到主体上。该方法使得主体、从而整个压力容器衬套的耐压性进一步提高。
在形成管状体同时将加固分隔件固定到主体上的方法中，该加固分隔件使其一端部朝向端盖将接合到其上的主体端部，并伸出到主体的外部，端盖围绕伸出部配合并接合到主体上。由于在这种情况下主体和端盖从内部受到分隔件的支承，因此各部件的接合工作效率提高，同时在通过摩擦搅动接合各部件时可防止主体和端盖向内变形。
在本发明第一和第二衬套制作方法中，挤出管可设有与其至少两个分部接合并沿管子纵向延伸的加固分隔件。该加固分隔件与管子一体地挤出。该方法使得管状体、从而整个衬套的耐压性进一步提高。
在将管子和管子中的加固分隔件一体挤出的方法中，端盖待接合到其上的主体端部被切去，以使加固分隔件伸出到主体的外部，然后将端盖围绕伸出部配合并接合到主体上。由于在这种情况下主体和端盖也从内部受到分隔件的支承，因此各部件的接合工作效率提高，同时在通过摩擦搅动接合各部件时可防止主体和端盖向内变形。
在本发明第一和第二衬套制作方法中，端盖与端盖待接合到其上的主体端部对接，然后摩擦搅动接合工具的探头插入主体与端盖的对接部，以使探头局部位于主体和端盖中，然后相对于探头移动主体和端盖，以沿对接部在对接部的整个周面移动探头，从而通过摩擦搅动将端盖接合到主体上。
本发明提供一种制作压力容器衬套的方法，其特征在于，制备一通过分流模挤出并包括通过在其整个长度上延伸的多个接合部互相接合的多个分部的管子；从外部将摩擦搅动接合工具的探头插入挤出管的各个接合部中，使探头局部位于接合部相对侧的管子分部中；然后沿管子纵向使挤出管和探头相对移动，从而对挤出管的金属母材进行摩擦搅动，以进行改性处理，从而产生细分晶粒并获得其相对端部各具有开口的主体，然后在该主体的相对端部一体地形成具有接口管安装部的端盖部。
通过本发明第三制作方法可较容易地制作所述第三压力容器衬套。
图1示出根据本发明实施例1的金属管状体的局部透视图；图2示出实施例1的金属管状体的制作方法的局部透视图；图3示出实施例1的金属管状体的制作方法的放大的局部剖面图；图4示出根据本发明实施例2的金属管状体的局部透视图；图5示出实施例2的金属管状体的制作方法的局部透视图；图6示出实施例2的金属管状体的制作方法的放大的局部剖面图；图7示出根据本发明实施例3的金属管状体的横截面视图；图8示出根据本发明实施例4的金属管状体的局部透视图；图9示出根据本发明实施例5的压力容器衬套的透视图；图10示出其中使用实施例5的衬套的高压容器的纵向剖面图；图11示出实施例5的高压容器衬套的制作方法的透视图；图12示出根据本发明实施例6的压力容器衬套的局部剖开的透视图；图13示出实施例6的压力容器衬套的制作方法的透视图；图14示出根据本发明实施例7的压力容器衬套的局部剖开的透视图；图15示出实施例7的压力容器衬套的制作方法的透视图；图16示出根据本发明实施例8的压力容器衬套的透视图；图17示出实施例8的压力容器衬套的制作方法的透视图；图18示出根据本发明实施例9的压力容器衬套的透视图。
具体实施例方式
下面结合
本发明各实施例。在所有附图中，相同部件由相同的标号表示，不重复说明。
在以下说明中，术语“铝”除了纯铝外还包括铝合金。
实施例1图1-3中示出本实施例。
图1示出根据实施例1的金属管状体，图2和3示出其制作方法。
参见图1，金属管状体1包括分流模挤出管2，该分流模挤出管具有圆形横截面并包括多个，更具体地是四个分部2b，这四个分部通过多个，即四个在管子整个长度上延伸的接合部2a互相接合。用作挤出管2的母材的金属在各接合部2a处受到改性处理，从而在具有一定宽度并包括接合部2a的带状部中产生细分晶粒。该改性部用3表示。
分流模挤出管2由例如JIS A2000合金、JIS A5000合金、JIS A6000合金和JIS A7000合金中的一种制成。
利用摩擦搅动接合工具的探头，通过摩擦搅动对母材进行改性。
顺便说一句，分流模挤出管2的横截面形状不限于圆形，也可呈椭圆形(不限于数学意义上的椭圆形，而可包括与椭圆形相似的形状，如长圆形)或其它形状。
金属管状体1通过结合图2和3所述的方法制成。
首先，利用一配备有分流模的挤出器5挤出管子2，该管子包括通过多个在管子整个长度上延伸的接合部2a互相接合的分部2b。挤出器5出口外侧布置有数量与待挤出的管子2的接合部2a相同、位置与接合部2a对应的摩擦搅动接合工具6。每个工具6包括实心柱状转子7和销状探头8，转子7具有与其一体地设置在其前端并从该转子沿轴向伸出的小直径部7a，一锥形部设置在转子与小直径部之间，销状探头8从转子小直径部7a沿其轴向与其一体地伸出，并且其直径小于小直径部7a(见图3)。转子7和探头8由比分流模挤出管2硬且其耐热性能承受接合过程中产生的摩擦热的材料制成。
当暂时停止挤出管子2时，各摩擦搅动接合工具6将其探头8从外部插入刚从挤出器5挤出的管子2的对应接合部2a的端部中，以使工具6在转动的同时局部位于接合部2a的相对侧处的管子分部2b中，此时围绕探头8的工具6的小直径部7a的肩部压靠分流模挤出管2的外周面(见图3)。此时，探头8的前端与管子2的内周面的距离优选为至少0.1mm至不大于管子2的壁厚的1/2。如该距离小于0.1mm，则在探头8进行如下所述的搅动混合操作时会在管子2的内周面沿其纵向形成V形凹槽，管子2的耐压性会不令人满意。而如该距离超过管子壁厚的1/2，则管子整个壁厚的待改性的部分的厚度就小，从而会因接合部2a的强度、延伸率等机械特性得不到充分提高而无法获得足够的耐压性。刚从挤出器5挤出的管子2保持热加工温度。压靠接触管子外周面的小直径部7a的肩部通过如下所述方式确保搅动令人满意在下文所述搅动开始和搅动过程中防止半流动状态的金属部分散开；通过肩部在管子2上的滑动而进一步产生摩擦热；在防止管子2的外周面上产生毛刺或类似凹凸不平的同时，更大程度上使管子2与探头8接触的部分及其附近部分软化。
然后恢复管子2的挤出，以使挤出管2与各摩擦搅动接合工具6彼此相对移动，从而探头8沿管子2的纵向沿接合部2a移动。由探头8旋转产生的摩擦热和由挤出管2与肩部相对滑动而产生的摩擦热使管子2的处于接合部2a及其附近(即图3中点划线A所示区域)的金属母材软化，该软化区在探头8的转动力的作用下被搅动和混合，此外还塑性地流动以填满由探头8通过留下的凹槽，然后迅速失去摩擦热，从而在冷却时固化。随着探头8的移动，这些现象反复出现，从而使接合部2a及其周围部分的金属母材摩擦搅动、混合和改性，从而产生细分晶粒。如此连续地形成金属管状体1。
连续挤出管子2并把管子切割成一定长度，从而制成所述金属管状体1。最后制成的金属管状体1在探头8退出的位置上形成有孔，因此把有该孔的部分切去。在制造最后的金属管状体1时，一接触件在与接合部2a对应的位置上设置在从挤出器完全挤出的管子2的端面上，在探头8来到接触件的位置上时取出探头8。从而消除因探头8退出而在金属管状体1上形成的孔。
按照实施例1，摩擦搅动接合工具6的探头8用于在刚挤出管子且管子还保持热加工温度时对模挤出管2的接合部2a进行改性。但是改性处理不限于这一方式；也可在管子挤出且自然冷却后对模挤出管2的接合部2a进行改性。
实施例2图4-6中示出本实施例。
图4示出根据实施例2的金属管状体，图5和6示出该金属管状体的制作方法。
参见图4，金属管状体10包括分流模挤出管2，该金属管状体的内部固定地设置有在其整个长度上延伸并将管状体10分成多个空间的加固分隔件11。管子2和分隔件11的长度相同，并且其对应的端部处于相同的位置。加固分隔件11包括从管子2的中心线伸出并且数量与接合部2a的数量相同的四个一体的分隔壁11a，该分隔壁的横截面呈十字。每个分隔壁11a的外端通过摩擦搅动在接合部2a与管子2接合。加固分隔件11由例如JIS A2000合金、JIS A5000合金、JIS A6000合金和JIS A7000合金中的一种制成。
分流模挤出管2和加固分隔件11可由相同或不同的材料制成。
图4所示分隔件11包括分隔壁11a，该分隔壁的数量与管子2的接合部2a的数量相同，并且在所有接合部2a处与管子2接合，但分隔件不限于这种结构。只要分隔壁可把管子2的内部分成多个空间，分隔壁11a的数量也可比接合部2a的数量少。此时，分隔壁11a在与其位置相对且包括在所有接合部2a中的接合部2a处与管子2接合。
除上述特征外，金属管状体10与实施例1的金属管状体1相同。
金属管状体10通过下文结合图5和6所述的方法制成。
首先，利用分流模挤出管子2，该管子包括通过多个在管子整个长度上延伸的接合部2a互相接合的多个分部2b。然后将管子切割成一定长度。此外挤出加固分隔件11并将其切割成与管子2的相同长度。
将切下的分隔件11插入切下的挤出管2中，其中，分隔壁11a的外端定位成与各接合部2a对齐(见图5)。此时，分隔壁11a的外端与挤出管2的内周面紧密接触。
然后，在摩擦搅动接合工具6转动的同时，各工具6将其探头8从外侧插入管子2的对应接合部2a的端部中，从而探头在接合部2a的相对侧处局部位于管子分部2b中，此时围绕探头8的工具6的小直径部7a的肩部压靠分流模挤出管2的外周面。此时，探头8穿过接合部2a，从而探头端部插入到加固分隔件11的分隔壁11a中(见图6)。压靠管子2外周面的肩部产生的作用与结合实施例1所述的作用相同。
然后使挤出管2与各摩擦搅动接合工具6相对移动，从而探头8在管子2的纵向沿接合部2a移动，从而金属母材在管子2的接合部2a及其附近(即图6中点划线B所示区域)被摩擦搅动、混合和改性，以产生细分晶粒，这与实施例1的情况相同。同时，由探头8转动产生的摩擦热使分隔壁11a外端(即图6中点划线B所示区域)的金属母材软化，该软化部在探头8的转动力的作用下被搅动和混合，此外还塑性地流动以填满由探头8通过留下的凹槽，然后迅速失去摩擦热，从而在冷却时固化。随着探头8的移动，这些现象反复出现，从而将管子2接合到分隔壁11a上。如此连续地形成金属管状体10。
在制作金属管状体10时，管状体上因退出探头8而产生的孔可这样消除在管子2相对侧的与接合部2a对应的位置设置接触件，将探头8插入一个接触件中以对接合部2a进行改性并使隔壁11a接合，然后将探头8移动到另一接触件的位置上并退出探头。供探头8插入的接触件并非总是必需。
实施例3图7示出本实施例。
参见图7，该实施例即金属管状体15包括横截面呈椭圆形的分流模挤出管2。除上述特征外，金属管状体15的结构与实施例2的金属管状体10相同，其制作方法与实施例2的金属管状体10相同。
实施例4在图8中示出本实施例。
图8示出本实施例的金属管状体20。该管状体20包括分流模挤出管2，该分流模挤出管内部设有在其整个长度上延伸并与其形成一体从而将管子2的内部分成多个空间的加固分隔件21。该加固分隔件21的横截面呈十字并包括多个分隔壁21a，分隔壁21a与管子2的各分部2b形成一体、向管子2中心线延伸并在中心线上接合。分隔件21与管子2一体地挤出，分隔壁21a与各分部2b形成一体并在管子2中心线上彼此接合。该接合部用22表示。
除上述特征外，金属管状体20的结构与实施例1的金属管状体1相同，其制作方法与实施例1的金属管状体1相同。
实施例1至实施例4的金属管状体1、10、15和20可用于燃料电池系统的压力管道中，燃料电池系统包括用于燃料氢气的压力容器、燃料电池和将燃料氢气从压力容器输送到燃料电池的压力管道。该燃料电池系统安装在燃料电池机动车中或使用在废热发电系统中。
金属管状体1、10、15和20可用于废热发电系统的压力管道中，以将天然气从压力容器输送到发电机驱动装置，该废热发电系统包括天然气供应系统、发电机和发电机驱动装置，天然气供应系统包括天然气压力容器和从该容器输送天然气的压力管道。
金属管状体1、10、15和20可用于天然气机动车的压力管道中，以将天然气从压力容器输送到发动机，天然气机动车包括天然气供应系统和利用天然气作为燃料的发动机，该天然气供应系统包括天然气压力容器和从该压力容器输送天然气的压力管道。
金属管状体1、10、15和20可用于氧气供应系统的压力管道中，氧气供应系统包括氧气压力容器和从该压力容器输送氧气的压力管道。
但是，本发明金属管状体不限于在这些压力管道系统中使用。
实施例5在图9-11中示出本实施例。
图9示出本实施例的用于压力容器的衬套，图10示出其中使用该衬套的高压氢气罐。图11示出该压力容器衬套的制作方法。
参见图9，压力容器衬套30包括其相对端部各具有一开口的空心柱状主体31和与主体31各端接合并封闭端部开口的铝质端盖32、33。
主体31为实施例1的金属管状体形式，包括分流模挤出管2，在所有接合部2a及其附近的管子的母材被改性。
两端盖32、33通过切削加工或锻造而制成。一个端盖32一体地设有接口管安装部32a。两端盖32、33可分别由例如JIS A2000合金、JIS A5000合金、JIS A6000合金和JIS A7000合金中的一种制成。
管子2的主体31和两端盖32、33可由相同的材料制成，或者至少其中的两个可由不同的材料制成。
主体31通过适当的方法以金属熔接的方式(metallically)与端盖32、33接合。根据本发明，主体31和端盖32、33通过摩擦搅动在对接部分的整个周面上接合。所形成的接头的焊道用34表示。
参见图10，衬套30在除接口管安装部32a之外的整个外周面上覆盖一层例如由碳纤维加强的树脂制成的纤维加强树脂层35，以用作高压容器36。
用于压力容器中的衬套30通过下文结合图11所述的方法制作。
首先，通过结合实施例1所述的方法，即在所有接合部2a及其附近对挤出管2的母材进行摩擦搅动混合，以进行改性并产生细分晶粒，利用分流模挤出管2制作主体31。该主体31与实施例1的金属管状体1相同。
另一方面，用锻造或切削加工制作具有接口管安装部32a的端盖32和没有接口管安装部的端盖33。
然后，端盖32的大端与主体31的一端对接。这两个端部的表面平坦，从而彼此面对面接触地对接。主体31和端盖32在对接部处的壁厚相同。然后转动的摩擦搅动接合工具6将探头8插入主体31与端盖32的对接部的周面的一个位置。工具6的转子7和探头8的制作材料比主体31和端盖32、33硬，并且其耐热性能承受接合过程中产生的摩擦热。
此时，围绕探头8的工具6的小直径部7a的肩部压靠主体31和端盖32。压靠接触该工件的肩部通过如下方式产生令人满意的接头在接合开始和接合过程中防止半流动状态的金属部分散开；通过肩部在主体31和端盖32上滑动而进一步产生摩擦热，以在防止在接头表面上产生毛刺或类似凹凸不平的同时，在更大程度上使主体31和端盖32与探头8接触的部分及其附近部分软化。
然后相对于摩擦搅动接合工具6移动主体31和端盖32，从而沿对接部的周向移动探头8。由探头8旋转产生的摩擦热和由主体31和端盖32与肩部的相对滑动而产生的摩擦热使主体31和端盖32的处于对接部附近的金属母材软化，该软化部在探头8的转动力的作用下被搅动和混合，此外还塑性地流动以填满由探头8通过留下的凹槽，然后迅速失去摩擦热，从而在冷却时固化。随着探头8的移动，这些现象反复出现，从而将主体31接合到端盖32上。在沿对接部的整个周面移动后，探头8返回到开始时插入的位置，从而主体31在整个周面上接合到端盖32。此时形成焊道。
在返回开始时插入对接部的位置或移过该位置后，探头8移动到设置在主体31和端盖32的对接部处的接触件的位置处，并且在该位置退出。另一端盖33以与上述方式相同的方式接合到主体31。这样，形成了用于压力容器中的衬套30。
高压容器36利用衬套30通过在衬套30的除接口管安装部32a之外的整个外周面上覆盖一层纤维加强树脂层35而制成。
实施例6在图12和13中示出本实施例。
图12示出本实施例的衬套40，其中，主体31内部固定地设有加固分隔件11，以将主体31的内部分成多个空间。加固分隔件11比主体31长，其两端伸出到主体31两端的外部。两端盖32、33配合在分隔件11的相应的伸出的端部周围，并接合到主体31上。除上述特征外，衬套40的结构与实施例5的衬套30相同。
更具体地说，在制作主体31和加固分隔件11时，将实施例2的金属管状体10中的分隔件11设置成比分流模挤出管2长，从而使分隔件11的相对端部伸出到挤出管2的相应端部的外部。
压力容器衬套40通过下面结合图13所述的方法制作。
与实施例2的金属管状体10的制作方法相同，制作主体31的同时通过摩擦搅动将加固分隔件11接合到主体31，只是使加固分隔件11比分流模挤出管2长并将分隔件11穿过管子2，使得分隔件11的相对端部伸出到管子2的相应端部的外部。
另一方面，通过锻造或切削加工制作具有接口管安装部32a的端盖32和没有接口管安装部的端盖33。
然后，将端盖32、33配合在分隔件11的相应的伸出的端部的周围，并与主体31的端部对接。然后以与实施例5相同的方式，通过摩擦搅动将两端盖32、33接合到主体31。由于接合过程中主体31和端盖32、33由加固分隔件11从内部支承，因此可防止主体31和端盖32、33向内变形。
根据本实施例，可按如下方式制作主体31和加固分隔件11。将待插入分流模挤出管2中的分隔件11制成与管子2具有相同的长度。按上述方式，在管子2的接合部2a改性的同时将分隔件11接合到管子2，然后从管子2上切去一定长度的相对端部，从而制成主体31和分隔件11。
实施例7在图14和15中示出本实施例。
图14示出本实施例的压力容器衬套50，其中，主体31内部与其一体地设有加固分隔件11，以将主体31内部分成多个空间。加固分隔件11比主体31长，其相对端部伸出到主体31的相对端部的外部。两端盖32、33配合在分隔件11的相应的伸出的端部周围，并接合到主体31。除上述特征外，衬套50的结构与实施例5的衬套30相同。
更具体地说，主体31和加固分隔件11由实施例4的金属管状体20的分流模挤出管2通过切去管子2相对端部的特定长度而制成。
通过如下方法制作压力容器衬套50以与实施例4的金属管状体20的制作方法相同的方法制作主体31和加固分隔件21，然后将分流模挤出管2的相对端部切去特定长度，然后以与实施例6中相同的方式通过摩擦搅动将两端盖32、33接合到主体31的相对端部(见图15)。
实施例8在图16和17中示出本实施例。
图16示出本实施例的压力容器衬套60，其中，主体31的一端设有与其形成一体的端盖部61，该端盖部具有接口管安装部61a。主体31的一个开口由该端盖部61封闭。加固分隔件11不伸入端盖部11内部。除上述特征外，衬套60的结构与实施例6的衬套40相同。
更具体地说，在制作主体31和加固分隔件11时，使实施例2的金属管状体10的加固分隔件11的一端位于金属管状体10的分流模挤出管2的一端内部，并使加固分隔件11的另一端伸出到管子2的另一端的外部。
通过如下方法制作压力容器衬套60。
通过与实施例6相同的方法，在制作主体31的同时通过摩擦搅动将加固分隔件接合到主体31，只是使加固分隔件11的一端位于分流模挤出管2的一端的内部(见图17)，然后通过旋压(spinning)、锻造或冲压主体31的伸出端而制成具有接口管安装部61a的端盖61。然后通过与实施例6相同的方法将端盖33接合到主体31的另一端。如此制成压力容器衬套60。
通过上述方法，对构成主体31的分流模挤出管2的接合部2a进行改性以使金属母材的晶粒细分，从而接合部2a的延伸率、强度等机械特性得到提高。因此，可以对主体31进行旋压或冲压或锻造，而接合部2a不会出现裂缝。如不对分流模挤出管2的接合部2a进行改性，则旋压、锻造或冲压加工可能会造成接合部2a出现裂缝。
实施例9在图18中示出本实施例。
图18示出本实施例的压力容器衬套70，其中，主体31的相对端上各设有与其形成一体、其上设有接口管安装部71a的端盖部71。端盖部71封闭主体31各端部的开口。除上述特征外，衬套70的结构与实施例5的衬套30相同。
更具体地说，主体31的制作方法与实施例1相同，然后对主体31的相对端部进行旋压、锻造或冲压加工以形成分别具有接口管安装部71a的端盖部71。如此制成用于压力容器中的衬套70。
在通过该方法旋压主体31时，与实施例8一样，在构成主体31的分流模挤出管2的接合部2a不会出现裂缝。
对于实施例5至实施例9，分流模挤出管2的横截面形状不限于圆形，也可呈椭圆形(不限于数学意义上的椭圆形，而可包括与椭圆形相似的形状，如长圆形)或其它形状。
与实施例5相同，实施例6至实施例9的衬套40、50、60、70在接口管安装部32a、61a或71a之外的整个外周面上覆盖一层例如由碳纤维加强的树脂制成的纤维加强树脂层，以用作高压容器。
具有上述实施例的衬套30、40、50、60、70中任一衬套的高压容器在燃料电池系统中用作氢气压力容器，该燃料电池系统包括燃料氢气压力容器、燃料电池和将燃料氢气从压力容器输送到燃料电池的压力管道。该燃料电池系统安装在燃料电池机动车中。该燃料电池系统也可用于废热发电系统。
此外，该高压容器可在天然气供应系统中用作天然气压力容器，该天然气供应系统包括天然气压力容器和从该压力容器输送天然气的压力管道。在废热发电系统中，天然气供应系统与发电机和发电机驱动装置一起使用。天然气供应系统还用在包括将天然气用作燃料的发动机的天然气机动车中。
该高压容器还在氧气供应系统中用作氧气压力容器，该氧气供应系统包括氧气压力容器和从该压力容器输送氧气的压力管道。
工业实用性本发明提供用于例如机动车、住宅、输送机械等的高压管道中、供用作发电燃料的高压氢气或天然气在其中流动的金属管状体。这些金属管状体用来提供在机动车、住宅、输送机械中存储氢气、天然气或氧气的压力容器的衬套的管状体。
权利要求
1.一种金属管状体，包括通过分流模挤出的管子，该管子由通过在所述管子的整个长度上延伸的多个接合部互相接合的多个分部构成，该挤出管在各接合部的金属母材经改性处理以产生细分晶粒。
2.根据权利要求1所述的金属管状体，其特征在于，利用摩擦搅动接合工具的探头对各接合部进行摩擦搅动，从而对挤出管进行改性处理。
3.根据权利要求1所述的金属管状体，其特征在于，所述挤出管在其内部固定地设有沿所述管的纵向延伸并将所述挤出管的内部分成多个空间的加固分隔件。
4.根据权利要求3所述的金属管状体，其特征在于，所述加固分隔件至少在两个接合部通过摩擦搅动接合到挤出管上。
5.根据权利要求3所述的金属管状体，其特征在于，所述加固分隔件与挤出管的分部形成一体。
6.一种制作金属管状体的方法，其特征在于，制备一通过分流模挤出并包括通过在管子的整个长度上延伸的多个接合部互相接合的多个分部的管子；从外部将摩擦搅动接合工具的探头插入挤出管的接合部中，使探头局部位于接合部相对侧的管子分部中；然后沿管子纵向使挤出管和探头相对移动，从而对挤出管的金属母材进行摩擦搅动，以进行改性处理，从而产生细分晶粒。
7.根据权利要求6所述的金属管状体制作方法，其特征在于，挤出后立即在接合部对从挤出器挤出的管子的金属母材进行摩擦搅动。
8.根据权利要求6所述的金属管状体制作方法，其特征在于在挤出管内设置在所述管的纵向延伸并将其内部分成多个空间的加固分隔件；在对挤出管各接合部的金属母材进行摩擦搅动时，探头前端穿过至少两个接合部中的每一个插入分隔件中，以通过摩擦搅动将分隔件接合到挤出管上。
9.根据权利要求6所述的金属管状体制作方法，其特征在于，为挤出管设置使其至少两个分部互连并在所述管的纵向延伸的加固分隔件，该加固分隔件与管子一体地挤出。
10.一种压力容器衬套，包括其相对端部各设有开口的主体和各接合在该主体相对端部并封闭该主体端部开口的端盖，该主体包括具有改性接合部并构成根据权利要求1所述的金属管状体的挤出管。
11.一种压力容器衬套，包括其相对端部各设有开口的主体、与该主体的一端形成一体以封闭该主体的该端部开口并具有接口管安装部的端盖部、以及与该主体另一端接合并封闭该主体另一端开口的端盖，该主体和端盖部通过对具有改性接合部并构成根据权利要求1所述的金属管状体的挤出管的一端部进行机加工而制成。
12.根据权利要求10或11所述的压力容器衬套，其特征在于，所述端盖通过摩擦搅动与主体接合。
13.根据权利要求10或11所述的压力容器衬套，其特征在于，所述主体内固定地设有在所述主体的纵向延伸并将所述主体的内部分成多个空间的加固分隔件。
14.根据权利要求13所述的压力容器衬套，其特征在于，所述加固分隔件在构成该主体的挤出管的至少两个改性接合部通过摩擦搅动接合到该主体上。
15.根据权利要求13所述的压力容器衬套，其特征在于，所述加固分隔件与构成所述主体的挤出管的分部一体地挤出。
16.根据权利要求13所述的压力容器衬套，其特征在于，所述分隔件使其一端部定位成朝向端盖待接合到其上的主体端部并伸出到主体外部，该端盖围绕该伸出部配合并与主体接合。
17.一种压力容器衬套，包括其相对端各设有开口的主体以及两个与主体各相对端部形成一体以封闭端部开口并各具有接口管安装部的端盖部，该主体和两端盖部通过对具有改性接合部并构成根据权利要求1所述的金属管状体的挤出管的两端部进行机加工而制成。
18.根据权利要求10、11或17所述的压力容器衬套，其特征在于，通过摩擦搅动接合工具的探头对各接合部进行摩擦搅动，从而对构成主体的挤出管的接合部进行改性处理。
19.一种燃料电池系统，包括燃料氢气压力容器、燃料电池和将燃料氢气从压力容器向燃料电池输送的压力管道，该压力容器具有根据权利要求10、11或17所述的压力容器衬套。
20.一种天然气供应系统，包括天然气压力容器和从压力容器输送天然气的压力管道，该压力容器具有根据权利要求10、11或17所述的压力容器衬套。
21.一种制作压力容器衬套的方法，其特征在于，制备一通过分流模挤出并包括通过在管子的整个长度上延伸的多个接合部互相接合的多个分部的管子；从外部将摩擦搅动接合工具的探头插入挤出管的各个接合部中，使探头局部位于接合部相对侧的管子分部中；然后沿管子纵向使挤出管和探头相对移动，从而对挤出管的金属母材进行摩擦搅动，以进行改性处理，从而产生细分晶粒并获得在其相对端各具有开口的主体，然后将头部接合到该主体的各端部。
22.一种制作压力容器衬套的方法，其特征在于，制备一通过分流模挤出并包括通过在管子的整个长度上延伸的多个接合部互相接合的多个分部的管子；从外部将摩擦搅动接合工具的探头插入挤出管的各个接合部中，使探头局部位于接合部相对侧的管子分部中；然后沿管子纵向使挤出管和探头相对移动，从而对挤出管的金属母材进行摩擦搅动，以进行改性处理，从而产生细分晶粒并获得其相对端部各具有开口的主体，然后在该主体的一端部与其一体地形成具有接口管安装部的端盖部，并将一头部接合到该主体的另一端。
23.根据权利要求21或22所述的压力容器衬套制作方法，其特征在于，挤出后立即在接合部对从挤出器挤出的管子的金属母材进行摩擦搅动。
24.根据权利要求21或22所述的压力容器衬套制作方法，其特征在于，所述挤出管在其内部设有在所述管的纵向延伸并将其内部分成多个空间的加固分隔件；在对挤出管各接合部中的挤出管的金属母材进行摩擦搅动时，探头前端穿过至少两个接合部中的每一个插入分隔件中，以通过摩擦搅动将分隔件接合到挤出管上，从而在形成主体的同时将分隔件固定到主体上。
25.根据权利要求24所述的压力容器衬套制作方法，其特征在于，所述加固分隔件使其一端部定位成朝向端盖待接合到其上的主体端部，并伸出到主体外部，端盖围绕该伸出部配合并接合到主体上。
26.根据权利要求21或22所述的压力容器衬套制作方法，其特征在于，所述挤出管设有与其至少两个分部接合并沿管子纵向延伸的加固分隔件，该加固分隔件与管子一体地挤出。
27.根据权利要求26所述的压力容器衬套制作方法，其特征在于，端盖待接合到其上的主体端部被切去，以使分隔件伸出到主体的外部，然后将端盖围绕伸出部配合并接合到主体上。
28.根据权利要求21或22所述的压力容器衬套制作方法，其特征在于，端盖与端盖待接合到其上的主体端部对接，然后摩擦搅动接合工具的探头插入主体与端盖的对接部，以使探头局部位于主体和端盖中，然后相对于探头移动主体和端盖，以沿对接部在对接部的整个周面移动探头，从而通过摩擦搅动将端盖接合到主体上。
29.一种制作压力容器衬套的方法，其特征在于，制备一通过分流模挤出并包括通过在管子的整个长度上延伸的多个接合部互相接合的多个分部的管子；从外部将摩擦搅动接合工具的探头插入挤出管的各个接合部中，使探头局部位于接合部相对侧的管子分部中；然后沿管子纵向使挤出管和探头相对移动，从而对挤出管的金属母材进行摩擦搅动，以进行改性处理，从而产生细分晶粒并获得其相对端各具有开口的主体，然后在该主体的各相对端部一体地形成具有接口管安装部的端盖部。
全文摘要
本发明涉及金属管状体及其制作方法和压力容器衬套及其制作方法。金属管状体(1)包括通过分流模挤出的管子(2)，该管子由通过在其整个长度上延伸的多个接合部(2a)互相接合的多个分部构成。挤出管(2)在各接合部(2a)的金属母材经改性处理产生细分晶粒。优选利用摩擦搅动接合工具(6)的探头(8)对各接合部进行摩擦搅动，从而对挤出管(2)进行改性处理。该金属管状体(1)可具有较长长度和较大尺寸，并具有高耐压性。
文档编号F17C1/14GK1795062SQ200480014520
公开日2006年6月28日 申请日期2004年4月22日 优先权日2003年4月25日
发明者纳康弘 申请人:昭和电工株式会社, 本田技研工业株式会社