复合压力容器组件及制造方法与流程

关于联邦政府资助研究或开发的声明

根据协议de-ar0000254在政府支持下作出本发明，用于能源部先进能源研究计划署(arpa-e)的低成本混合材料和制造适用的cng罐。政府享有本发明的某些权利。

发明背景

本发明的示例性实施方案大体上涉及用于运输、存储或利用加压流体(包括气体或液体)的压力容器，并且更具体地涉及由复合材料形成的压力容器，以及用于制造此类复合压力容器的方法。

压力容器广泛用来存储处于压力下的液体和气体。压力容器的存储容量取决于压力容器的内容积，以及容器能够安全容纳的压力。除了存储容量之外，压力容器的尺寸、内部形状、外部形状和重量针对具体应用来定制。

压力容器的一种日益增长的应用是存储压缩天然气(cng)。存在用于加压流体的运输或存储的相对较大的圆柱形罐。此基础技术可扩展成能够相对廉价且商业可行地制造小型罐，所述小型罐能够处理处于压力下的流体。因为圆柱体的气体容量密度较低，所以用于cng的工业标准圆柱体在机动车辆中的当前使用受到限制。具有足够天然气以实现与常规汽车相当的车辆行驶距离的罐将是大型且笨重的，并且将需要大体上将是原本有效载货空间的空间。

高度适用的容器的较大尺寸和复杂几何结构带来制造挑战。此外，使用成型和焊接的金属材料制造是传统方法，但是产生随时间变化易于腐蚀的昂贵且较重的结构。

发明简述

根据本发明的一个实施方案，复合压力容器组件包括多个圆形突出部，所述圆形突出部中的每一个具有至少一个内壁和至少一个弯曲壁，所述多个圆形突出部被定位成并排布置并且在纵向方向上从第一端延伸到第二端。还包括设置在圆形突出部的端部处的多个端盖，其中所述多个圆形突出部和所述多个端盖由至少一种纤维增强聚合物形成。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部完全由至少一种纤维增强聚合物形成，其中复合压力容器组件包括总体基本上矩形或弧形的几何结构中的一种。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部和多个端盖形成为单个一体形成的复合结构。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：至少一种纤维增强聚合物包括纤维，所述纤维选自由碳、玻璃和芳族聚酰胺组成的组。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：至少一种纤维增强聚合物包括聚合物基质，所述聚合物基质包括环氧树脂、乙烯基酯、聚酯、聚氨酯、酚醛树脂、聚酰胺或聚酰亚胺中的至少一种。

根据本发明的另一实施方案，提供制造复合压力容器组件的方法。所述方法包括形成由至少一种纤维增强聚合物组成的多个圆形突出部。所述方法还包括形成具有多个圆形突出部的主体，所述圆形突出部被设置成并排布置。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部分别地形成并且随后彼此接合以形成主体。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部中的每一个包括一体形成到第一端的端盖和一体形成到第二端的端盖。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：形成多个圆形突出部包括使至少一个预成型件成形并将其进行组合、浸渍预成型件以及使组合的预成型件固化。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：形成预成型件包括对层状织物进行编织、机织、针织或积聚中的至少一种。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：将预成型件设置在外部模具与内部气囊之间，以形成多个圆形突出部的形状。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：使多个圆形突出部中的每一个通过粘附结合而彼此接合。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：使多个圆形突出部中的每一个通过预成型的连接器梁而彼此接合，所述预成型的连接器梁被定位在相邻的圆形突出部之间并且结合到相邻的圆形突出部。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部被一体形成，以形成主体作为单个预成型件。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：通过编织、机织或针织中的至少一种来使多个圆形突出部一体形成为单个预成型件。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部包括圆形突出部的每个端部处的多个端盖，所述方法包括用包含片模制料的短纤维来包裹多个内衬，以形成分别包裹的内衬。所述方法还包括将包裹的内衬设置成以期望的布置彼此接触。所述方法还包括用包含片模制料的外部短纤维来包裹所述包裹的内衬。所述方法还包括在包裹的内衬的内表面处施加压力。所述方法还包括在外部模具内使包裹的内衬固化，以形成单个一体形成的压力容器。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部包括多个端盖，所述方法包括：用连续纤维和短纤维中的至少一种来使多个预成型件成形；将多个预成型件组合成单个预成型件；用树脂来浸渍单个预成型件；以及使单个预成型件固化以形成单个一体形成的压力容器。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部包括多个端盖，所述方法还包括将短纤维喷涂在内衬上以形成预成型件。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部包括多个端盖，所述方法还包括用连续纤维预浸渍复合材料来包裹多个内衬以形成单个预成型件。所述方法还包括在加热的外部模具内使单个预成型件固化，以形成单个一体形成的压力容器。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代，另外的实施方案可包括：多个圆形突出部包括多个端盖，所述方法包括用连续纤维预浸渍复合材料和包含片模制料的短纤维的组合来包裹多个内衬。所述方法还包括在加热的外部模具内使单个预成型件固化，以形成单个一体形成的压力容器。

附图简述

在本说明书结尾处的权利要求书中具体指出并且明确要求保护的主题被认为是本发明。本发明的前述和其他特征以及优点从以下结合附图进行的详述显而易见，在附图中：

图1是根据本发明的实施方案的被配置来存储加压流体的压力容器的透视图；

图2是压力容器的实施方案的一部分的分解端视图；

图3是压力容器的主体区域的分解透视图；

图4是根据本发明的实施方案的处于制造阶段的压力容器的主体；

图5是根据图4的实施方案的处于制造阶段的压力容器的透视图；

图6是根据本发明的实施方案的处于制造阶段的压力容器的透视图；

图7是最后装配条件下的压力容器的透视图；

图8示出根据压力容器的制造方法的内部压力分布；

图9示出根据压力容器的另一制造方法的外部压力分布；

图10是用于增强压力容器的相邻圆形突出部之间的接合部的复合梁；

图11是根据实施方案的处于制造过程的第一阶段的压力容器的剖视图；

图12是处于图11的制造过程的第二阶段的压力容器的剖视图；

图13是处于图11的制造过程的第三阶段的压力容器的剖视图；并且

图14是处于图11的制造过程的第四阶段的压力容器的透视图。

详细描述参考附图通过实例的方式来解释本发明的实施方案以及优点和特征。

发明详述

现在参考图1，示出被配置来存储高压流体的压力容器或罐20的实例。可存储在压力容器20内的示例性流体包括但不限于例如压缩天然气(cng)、氢气、丙烷、甲烷、空气和液压流体。压力容器20包括多个大体上圆柱形的圆形突出部，其包括左端圆形突出部25和右端圆形突出部30。在示出的非限制性实施方案中，压力容器20另外包括多个基本等同的内圆形突出部35，例如像五个内圆形突出部35；然而，具有任何数量的内圆形突出部35的压力容器20在本发明的范围内。左端圆形突出部25、一个或多个内圆形突出部35和右端圆形突出部30并排定位，并且通过多个结合部而接合在一起(参见图3)。由于这种布置，压力容器20的总体构型的形状是大体矩形，但是从本文中的描述将理解，考虑除了矩形之外的最终形状。

现在参考图2和图3，更详细地提供压力容器20的单独的圆形突出部25、30、35。左端圆形突出部25和右端圆形突出部30基本等同，并且被布置成使得右端圆形突出部30相对于左端圆形突出部25旋转180度，或者被布置成彼此的镜像。端部圆形突出部25、30包括具有第一厚度的大体上圆柱形的外壁40。内壁45在圆柱形外壁40的第一端42与第二端44之间大体上垂直地延伸，并且具有等于外壁40的厚度的一半的厚度。在一个实施方案中，内壁45与圆柱形外壁40的端部42、44一体形成。圆柱形外壁40的曲率的至少一部分由半径r限定。在一个实施方案中，外壁40的与内壁45相对的一部分包括如由半径r限定的大体上240度角的圆形或曲线。因此，端部圆形突出部25、30的总体高度等于圆柱形外壁40的半径r的长度的两倍。垂直内壁45大体上与垂直平面p平行并且与垂直平面p间隔开，所述垂直平面p包括限定外壁40的曲率的半径r的原点。在一个实施方案中，内壁45与平行的垂直平面p之间的距离约为半径r的长度的一半。因此，端部圆形突出部25、30大体上具有等于外壁40的曲率半径r的长度的约1.5倍的宽度。

示出的内圆形突出部35包括垂直布置的第一内侧壁50和第二内侧壁55，它们彼此分开一定距离。在一个实施方案中，内圆形突出部35的宽度大体上等于端部圆形突出部25、30的曲率半径r。第一内侧壁50和第二内侧壁55的厚度相同，并且等于端部圆形突出部25、30的内壁45的厚度。第一外壁60在第一内侧壁50的第一端52与第二内侧壁55的第一端56之间延伸。类似地，第二外壁65在第一内侧壁50的第二端54与第二内侧壁55的第二端58之间延伸。第一外壁60和第二外壁65的厚度与端部圆形突出部25、30的弯曲外壁40的厚度基本上相同。在一个实施方案中，多个内壁50、55和多个外壁60、65一体形成。

第一外壁60和第二外壁65的曲率可由半径r的大体上60度角的圆形或曲线来限定。在一个实施方案中，内圆形突出部35的曲率半径r与端部圆形突出部25、30的曲率半径r基本上相同。因此，第一弯曲壁60与第二弯曲壁65之间的距离是曲率半径r长度的两倍，并且因此基本上等于端部圆形突出部25、30的高度。

当装配压力容器20时，内壁45、50、55中的每一个被定位成直接邻近内壁45、50、55中的另一个。例如，在不具有任何内圆形突出部35的压力容器20中，左端圆形突出部25的内壁45被布置成靠近右端圆形突出部30的内壁45。在具有单个内圆形突出部35的压力容器20中，第一内侧壁50邻接左端圆形突出部25的内壁45，并且第二内侧壁55邻接右端圆形突出部30的内壁45。在包括多个内圆形突出部35的实施方案中，内圆形突出部35中的至少一个的第二内侧壁55被布置成靠近相邻的内圆形突出部35的第一内侧壁50。内圆形突出部的曲率半径r的原点与相邻的圆形突出部(端部圆形突出部25、30或另一个圆形突出部35)的曲率半径r的原点之间的距离大体上等于曲率半径r的长度。此外，压力容器20的总宽度大体上等于内圆形突出部35的总数加三的和乘以曲率半径r的长度。

应理解，上述几何结构仅仅是压力容器20的示例性实施方案。例如，作为替代，与所示实施方案的壁的平行取向不同，内壁45、50、55可成角度。这种成角度的布置有助于整个压力容器20的弯曲(即，弧形)程度。如可理解的，文本中描述的实施方案有助于形成多种压力容器形状，以符合各种存储环境。

如图1、图5、图6和图7所示，端盖100在第一端22和第二端24处接合到多个圆形突出部25、30、35或者与所述多个圆形突出部25、30、35一体形成，所述第二端24被定位成与压力容器20的多个圆形突出部25、30、35中的每个圆形突出部的第一端22相反。接合到圆形突出部25、30、35中的每一个的端部22、24的多个端盖100可彼此分离或者可彼此一体形成。每个端盖100的形状与压力容器20的相邻的圆形突出部25、30、35的形状基本上互补。在一个实施方案中，每个端盖100包括具有等于曲率半径r的半径的球形的一部分。因此，与内圆形突出部35的端盖100相比，圆形突出部25、30的端盖100包括球形的更大的部分。

压力容器20的圆形突出部25、30、35和端盖100至少部分由至少一种复合材料制成。在一个实施方案中，圆形突出部和端盖的整体由复合材料形成，并且完全地一体形成为单个结构，这样使得成形和装配不再需要典型的接合技术(例如，焊接、机械紧固等)。复合材料是指纤维增强的聚合物基质复合物。示例性基质材料包括环氧树脂、乙烯基酯、聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺或类似的增韧和纳米增强树脂系统。通常，主要强化物将为碳纤维，尽管也可使用其他纤维，诸如玻璃和芳族聚酰胺纤维。

压力容器20的实施方案可由复合物通过一定过程来制造，所述过程包括但不限于例如机织、编织、针织、纤维缠绕、板层叠层和自动抽头放置过程。这些过程可单独或组合使用以制造单独或联合的管和端盖100，以产生最终的几何结构。以下详细讨论可用于形成压力容器20及其子部件以及子部件的接合技术的过程的另外和更具体的实施方案。

参考图6和图7，示出制造压力容器20的第一方法。在示出的实施方案中，分别且单独地形成单独的圆形突出部25、30、35。端盖100可与单独的圆形突出部一体形成，以形成整个单独的管和分离的管。单独的圆形突出部25、30、35和端盖100通过任何上述聚合物复合物形成过程并且利用任何上述材料来制成。在一些实施方案中，单独的圆形突出部由纤维预成型件通过3d编织或3d机织/针织过程而制成。预成型件随后被浸渍并固化。为了使预成型件能够在浸渍和固化期间和之后维持其形状，可在编织、机织、针织过程(或其他合适的过程)中包封薄塑料或金属内衬。

在单独的圆形突出部25、30、35成形时，圆形突出部被接合以建立圆形突出部的主体120，所述主体120与一体形成的端盖100一起形成整个压力容器20。圆形突出部25、30、35的接合可在多种合适的过程中执行。在一个实施方案中，圆形突出部粘附结合在一起。与粘附结合组合，附加的纤维增强复合条122可包含在接合区域中以控制局部应力。强化条122可预先形成，并且随后在圆形突出部的粘附结合期间结合到位或者形成到位。强化条122通常沿着圆形突出部的整个长度延伸，但是应理解，所述条可以以间断方式间隔开。

在另一实施方案中，分离的圆形突出部可与复合梁124(图10)接合。复合梁类似于工字梁的形状，并且可预先形成并结合在圆形突出部25、30、35之间。梁124的翼缘126具有一定程度的曲率以符合外圆形突出部表面的形状，以提供足够的结合面积并且提供有效的载荷转移应力。工字梁124的边缘通常是锥形的，以防止应力集中和剥离。每个圆形突出部的结构被设计来在综合设计中优化载荷转移。

现在参考图4和图5，示出制造压力容器20的另一实施方案。在示出的实施方案中，圆形突出部25、30、35彼此一体形成以形成主体120。主体120通过任何上述聚合物复合物形成过程并且利用任何上述材料而形成。例如，主体120用单个预成型件形成，所述单个预成型件用整合的纱线、纤维和/或织物布置来机织、编织或针织。随后，主体120被浸渍并固化成单个罐组件，其中端盖100在圆形突出部25、30、35的端部22、24处附接。如在本文所述的其他实施方案的情况下，固化过程可包括约250°f至约375°f的固化温度。端盖100由另一预成型件构造并且附接有接合部，诸如搭接接合部，所述接合部被设计来提供从圆形突出部到端盖的足够的载荷转移。这种制造过程整合主管结构的机织或编织模式，以优化跨连接区域的有效载荷转移。此方法的变型将是在圆形突出部的端部22、24中的一个或两个处以逐渐减小的半径继续进行机织、针织或编织过程，以形成更小的横截面，由此提供用于附接端盖100的弯曲的、减小半径的段。

参考图8，本文中描述的任何实施方案可包括使用有助于形成压力容器部件的内衬110。内衬110通常是利用片模制料(smc)或喷涂切割纤维/树脂包裹的塑料。包裹的内衬利用smc或喷涂切割纤维/树脂来装配，并且可将附加的切割纤维/树脂施加到每个y形接点，以在这些位置处改善结合并且分布应力。随后将组件放置在加热的模具中，并且通过施加压缩空气来从内衬内部施加压力。内衬将在压力下变形并且热量从模具进行传递以压缩复合物。复合物在热和压力下固化以形成最终的罐。

可替代地，传热流体(htf)可用于从内衬内部施加压力和温度。随后，使固化的复合物脱模。成品部件是完全模制的复合罐，其中塑料内衬用作阻止气体存储中的气体渗透的阻隔件。在处理为增强的阻隔件之前或之后，还可将薄的柔性金属薄膜施加到内衬的内表面。

现在参考图9，此外或作为对由内衬施加的内部压力的替代，外部模具112可与内部结构(诸如内衬110或气囊)组合使用，以形成期望形状的圆形突出部25、30、35。在示出的实施方案中，从包裹的组件的外部施加压力。在这种情况下，将需要刚性金属内衬而不是塑料内衬，以在复合物的形成和固化期间承受压力和热量。具有传热流体(htf)的柔性气囊可用于施加热量，并且可能从包裹的组件的外部加压。对包裹的组件进行真空包装是可施加压力的替代方式。

参考图11-14，示出制造过程130的实施方案。在示出的实施方案中，制造过程的第一阶段(图11)示出可由塑料材料等形成的内衬110，所述内衬110被成形成期望的几何结构，随后用纤维组件132来包裹，所述纤维组件132是包含片模制料(smc)或者用切割纤维和树脂喷涂的短纤维形式。单独包裹的单独内衬110被通过围绕单独包裹的内衬的外表面包裹smc的或喷涂的切割纤维和树脂的附加纤维层134来形成单个结构(图12)来进行装配。为了填充较小的基本上y形的间隙，可在所述间隙中施加附加的切割纤维/树脂136(称为“面条状物”)，以在这些位置处改善结合并且分布应力。随后可将组件放置在加热的模具140(图13)内部，其中在内部、外部或内部和外部同时施加压力，如以上详细描述的。内部压力可通过将诸如压缩空气的气体注入圆形突出部的内部区域中来实现。在组件固化时，将整体形成的复合结构20从模具140移除。

尽管以上详细描述了短纤维，但是可使用连续纤维通过上述任何方法(例如像编织、机织、针织)来形成预成型件。对于如上所述使用短纤维的实施方案，短纤维可喷涂在内衬110上，或者可变成将要形成预成型件的毡垫。

与用于存储加压流体的传统压力容器相比，压力容器20具有明显更高的适应性(在压力容器内可存储的加压流体的体积与等效矩形包络的比率)。压力容器20的高度适应性是几何结构的结果，所述几何结构已优化来共享载荷并且在内部压力下使联合的圆形突出部25、30、35的内壁和外壁40、45、50、55、60、65上的应力(例如像环向应力)最小化。有利地，压力容器20更容易装配在例如像车辆的各种存储区域内。此外，当与金属结构相比时，具有复合物的压力容器20的完全或部分成形有利地减轻重量，从而增加能量存储密度。与金属罐相比，复合压力容器还提供更大的耐腐蚀性。成熟和低成本复合材料的选择以及制造过程有利地降低压力容器的总成本。增强的结构可优化来在接合或复杂段中提供更有效的载荷转移，同时减少简单直线或圆形段的重量。

尽管仅结合有限数量的实施方案对本发明进行详细描述，但应容易理解，本发明不限于此类所公开的实施方案。相反，本发明可进行修改以便并入上文未描述但与本发明精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。此外，虽然已描述了本发明的各种实施方案，但是应理解，本发明的方面可仅包括所描述的实施方案中的一些。因此，不应认为本发明受限于前面的描述，而是仅受限于所附权利要求书的范围。