专利名称：用于高压介质的自监测复合容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于高压介质存储器的隔离衬套领域，并且更具体地涉及具有自检测能力的隔离衬套。
背景技术：
本文中称作“容器”的中空构件或压カ容器例如特别是在压カ下用于存储液体和气体的那些容器譬如加压气体罐通常是由金属例如钢或铝或者是由复合材料制成。存储某些介质需要容器内有隔离衬套以避免损失或容器的结构损坏。例如在复合罐内存储气体(由于纯复合材料的滲透性水平过高而导致气体损失)或者在钢制容器内存储氢气(容器可能会脆化)。存储另ー些液体例如水经常需要隔离衬套以避免对结构部件的不利影响。 现有用于某些容器形式的隔离衬套，例如用于气体存储的纤维缠绕复合容器内的HDPE衬套，并且金属化层已经在复合罐和金属罐中都得到应用以提高对介质渗透和破坏结构完整性的抗性。ー个示例是在设计用于存储天然气以用于车辆应用的复合容器中使用的招衬套。某些基于聚合物的衬套提供了对渗透、热量和化学侵蚀的良好抗性以使其适用于高压介质的存储。高压容器需要用于安全填充量、泄漏等的压カ监測。这一般是通过位于容器颈部的压カ传感器和调节器来完成。用于容器内压カ检测的现有技术的缺点包括必须要在制作完成后固定附加部件，这就涉及到额外的成本和加工步骤。另外，绝大多数压カ表都只在维修期间才装到罐上，因此在存储和/或运输阶段期间，罐内的压カ水平经常是未知的。外部安装的压カ表不太可能具有用于检测容器内因罐内或衬套结构内出现亚临界裂纹而微量泄漏的灵敏度，除非是为此专门设计的昂贵压カ表才能做到。
发明内容
因此本发明的主要目标是提供一种用于通过研发结合有高隔离性能的自检测衬套来监测高压介质存储容器内压カ的改进方法。另ー个目标是示出第一目标如何才能与非标准的容器结构结合使用。尽管现有技术已经表明由聚合物材料构成的衬套适合用于气密性应用，但是本发明的新颖性在于利用了另外的材料性质更具体地说是其压电性质以使得能够将多功能衬套结合到压カ容器内。压电材料已经表现出作为压カ传感器的适用性，由于它们在承受外部作用カ时会生成电荷以允许测量压カ的变化。具有高度的热稳定性、在大温度范围上出色的线性度、对电磁场和辐射不敏感使得能够在苛刻的条件下例如在压カ容器中进行压力測量。温度的改变导致压电材料由于热膨胀效应而变形，这样也会感生电荷。压电材料因此也可以获得作为温度传感器的应用，这对于监测容器的状态也是很实用的优点。
为了应对上述目标，可以使用表现出极佳隔离和压电效果的衬套材料。满足该要求的材料包括但不限于PVdF及其共聚物，以及包含压电陶瓷例如PZT或钛酸钡的聚合物复合材料。这样的材料以下将被称为“衬套材料”。这些材料表现出用作良好隔离层并具有压电效应的附加优点以允许对压カ和/或温度进行实时监测的组合性质。压电材料的高灵敏度使得能够检测压カ的微小变化。由于衬套自身提供了用于容器的检测元件，因此就可以连续监测容器状态，导致更早地检测出泄漏，包括来自亚临界裂纹的微量泄漏，并由此増加安全性。隔离性质可以通过衬套材料的改良或处理而进ー步改善。各种技术均可被用于实现最优的衬套隔离性质。这些技术包括加入纳米级的粘土颗粒或其他类似高纵横比的颗粒以提供对渗透的更好抗性并改进机械性质。也可以用涂层的形式将附加层加至衬套材料，涂层通过从等离子沉积到金属化的多种エ艺沉积。可以沉积各种涂层以获得最优的衬套性质，并且这些涂层也可以带来附加功能例如用作电触点。为了将衬套材料装入容器内，它必须具有用于柱状容器的中空形式的管状或者用 于其他结构的与所需外壳形状相同的形式。这可以通过各种技术实现，包括将衬套材料滚压成管并焊接接缝以使其密封，或者成形滚筒，其中有多层重叠以形成避免从接缝损失流体的气密管。封闭的形式可以通过吹塑和随后密封末端制成，但是根据外壳形状，衬套可能在一端或两端需要有插件以使得能够形成密封结构。根据罐外壳的类型及其制造方法，衬套材料可以通过多种技术装入不同类型的容器内。这些技术可以是但不限于在软囊膨胀或辅助模制的情况下将衬套材料用作软囊，或者使用可移除的心轴支撑衬套材料以用于随后在外部纤维缠绕复合外壳。在外壳预先存在的情况下，树脂涂层、溅射或加入吹塑衬套都是用于将罐内衬以功能性隔离层的可行选项。在提出的衬套材料具有压电效应的情况下，需要有电触点以使得能够将生成的电荷转化为输出信号。这些触点被内置在衬套-外壳的组合中并且应该与容器的阀套绝缘以确保精度。包括导线和涂层在内的所有触点种类根据所需功能都有可能是可用的。除了可以提供胜于局部检漏的泄漏内部监测的自检测衬套以外，应变传感器例如装有布拉格光栅传感器的光纤可以被装入外壳材料内以允许及早检测临界尺寸的裂纹及其对应位置，这可以与来自压电衬套的输出相结合以在高压下提供更大的安全边际。
图I-用于衬套材料的可行结构。图Ia表示具备固有压电性质的聚合物或共聚物薄膜。图Ib表示包含高纵横比纳米颗粒的聚合物。图Ic示出了包含压电陶瓷材料的聚合物基体，并且图ld-f—一示出了具有设计用于增强隔离性能的多层涂层的示例la-c。图2-装有自检测衬套的容器颈部的特写视图。插图示出了装有电极以将来自衬套材料的压电电荷转化为用于压カ读数的电信号的可行衬套结构的特写视图。图3-穿过使用自检测衬套材料的典型复合柱状罐以及结合到复合外壳内的附加健康监测传感器的截面。图4-可行的电极结构，其中衬套由在功能性聚合物部件的任何ー侧具有金属涂层的滚压层构成。图5-将罐设置为具有非柱形截面以提高有限外部体积内的存储容量。插图示出了装有集成电极的可行衬套结构的特写视图。I.压电衬套
2.复合外壳
3.光纤布拉格光栅(FBG)传感器
4.插件
5.电极
6.高压容器
7.框架。
具体实施例方式图I示出了用于衬套材料结构的优选实施例。给出了六个可行的衬套材料组合的示例。对于以下说明的每ー个，“聚合物”是指聚合物或共聚物材料。在图Ia中示出了纯压电聚合物薄膜例如PVdF及其共聚物。在图Ib中示出了压电聚合物基体例如包含高纵横比颗粒例如高纵横比粘土颗粒的PVdF和PVdF的共聚物作为改进机械性质和增加渗透抗性的方法。图Ic示出了包含压电陶瓷颗粒例如PZT或钛酸钡颗粒的聚合物基体。在此情况下，压电功能由压电陶瓷提供，并且绝大部分隔离功能归因于聚合物基体。图ld-f示出了图la，Ib和Ic中给出的实施例具有附加的多层涂层以增强隔离性质。涂层可以包括一层或多层，例如单层的金属层或者金属氧化物和氮化物层，或者交替的有机层和无机层例如与金属层或者金属氧化物或氮化物层交替的丙烯酸酯层，并且可以将ー层或多层用作电扱。交替的有机层和无机层与单个的无机层相比提供了更好的隔离性能。涂层在聚合物薄膜的一侧上示出，但是涂层可以应用于两侧。图I中示出的实施例有利地使用了如欧洲专利申请EPll 18444A1中详细介绍的恒温软囊膨胀模制技术或者如欧洲专利EP1368179B1中详细介绍的非恒温软囊膨胀技木。在图2示出的示例中，衬套I或软囊通常是例如可以通过挤压吹塑成形制成的狭长的几何结构，以位于部件中心轴上或任意其他合适位置的一个或多个开ロ终结。因此软囊的几何形状并不局限于旋转体的形状，而是可以应用于任何中空的能够通过多种エ艺例如挤压吹塑成形或旋转铸造模塑成形现有技术中的公知エ艺制成的热塑性形状。在中空的衬套或软囊上，金属、陶瓷或聚合物插件4可以在外包装或外编织热塑性基体增强材料之前可选地加入。内插件4必须具有某一工作温度以使得临界尺寸例如螺纹的几何尺寸不会在最終的非恒温模制过程期间由于热量而变形。这样的插件可以通过现有技术中公知的多种エ艺制成，包括注模成形、压模成形、鋳造和机加工等。可选地，插件可以被置于挤压吹塑模制工具内并且在成形软囊的过程期间依赖于用非兼容性的插件材料机械互锁和/或用兼容性的插件材料熔融接合而直接进行包覆模制。图2中示出了位于衬套或软囊上的插件4。将电极5与上述插件同时地结合到该结构内。各种形式例如导电材料譬如铜的薄条或薄带均可使用。图2的插图中示出的实施例包括I厘米宽、100微米厚的铜带。电极5a利用导电粘合剂被接合至衬套的外表面。电极5b利用相同的导电粘合剂被接合至衬套的内表面。插件被设计用于确保电极装置在纤维增强复合材料2固结之后实现的可靠连接。插件的正确固结是确保气密性密封的关键。
具有通过衬套或软囊上的定位设备或者外部定位夹具固定的就位的插件4和电极5的衬套I被用作供外包装或外编织过程使用的心轴，为此将增强纤维例如以上所述与热塑性树脂紧密混合的增强纤维设置在衬套或软囊上。在外包装或外编织过程期间并不直接施加压力，因此提高了缠卷速度并且缩短了循环时间。连接有插件的一个或多个衬套或软囊可以可选地设置在同一条外包装或外编织生产线上以例如形成连续的外包装或外编织过程。ー个可选实施例是使用具有滚压衬套的纤维缠绕复合容器结构。在该实施例中，衬套材料包括图Id或e中介绍的衬套材料以及加至每ー个表面的涂层例如铝，该涂层可以利用标准技术例如真空沉积来沉积。利用如图I所述的材料例如PVdF或PVdF的共聚物以及粘土颗粒以薄板形式生产的基于聚合物的压电衬套材料可以利用蜡质心轴滚压成管形以用于支撑并且板边缘之间的接缝被有重叠或无重叠地焊接在一起以形成密封结构。基于聚合物的压电衬套的厚度可以被调节以确保适当水平的隔离性能，并且厚度范围可以从几百微米到几毫米，优选地在从500微米到3毫米的范围内。可选地，薄板可以通过利用多层重叠而成形为密封管，其中 利用几层重叠的衬套材料层将薄板滚压为心轴上的期望形状。多层就避免了气体渗透并且降低了结构的整体滲透性。在此情况下薄板的厚度范围可以从从几十微米到几百微米，优选地在从50微米到500微米的范围内。利用心轴引入插件以确保插件与衬套材料的无缝整合。该结构需要有两个插件以确保管的两端均被气密地密封。图2中示出了用于开ロ端4的插件示例。封闭端要求插件无开ロ但是以与开ロ端插件相同的方式引入。电极也在该滚压步骤中被引入，并且由铜带或类似部件构成，具有的适当尺寸为I厘米宽乘100微米厚。第一电极在滚压开始时引入，并且第二电极在完成多次滚压后引入。电极被利用标准导电粘合剂粘接就位以确保它们保持固定。图4示出了该电极结构的示意图，其中电极从滚压的衬套结构伸出。插件被设计用于确保电极装置在纤维增强复合外壳固结后实现的可靠连接。插件的正确固结是确保气密性密封的关键。在滚压过程结束时，通过现有技术中公知的纤维缠绕过程来构建并固结复合外売。蜡质心轴在随后的步骤中移除以留下中空的容器。图3中示出了穿过标准柱形罐的截面，其中衬套材料被结合到外壳结构中。这是以上给出的两个实施例的说明。附加特征包括引入以监测复合外壳健康状况的集成自检测系统可以被结合到这些实施例中。该图示出了使用嵌入复合外壳内的光纤布拉格光栅(FBG)传感器3，它能够提供关于外壳损坏的信息并且由于定位外壳内损坏事件的能力而进ー步增强衬套-外壳组合的整体安全性。使用基于聚合物的衬套材料的一项优点是由于増加了可成形性而与非柱状外壳相适应。与例如软囊膨胀模制这样的技术相结合即可实现复杂截面形状的容器，从而允许比具有相同容量的柱状容器更好地利用空间。图5示出了ー组复合罐6的可行实施例。多个罐可以利用外部框架7固定为期望结构，这就另外提供了一种用于移动式应用的重要的固定方法。来自每ー个罐内使用的个体衬套材料的数据可以加以组合以提供关于组内每ー个个体罐的压力和健康状态的信息。本发明涵盖了具有自检测性质的基于聚合物的衬套材料，其能够被装入各种容器中。衬套材料表现出聚合物材料的高度隔离性质以及通过固有的聚合物特性或者将基本成分的聚合物衬套修改为包含压电材料而表现出压电性质。具体參照基于复合材料外壳的容器还涵盖了将这种衬套材料装入容器内的各种方法。根据本发明的衬套可以有利地应用于例如在以下对象中使用的存储容器中
-燃料电池车辆
-氢动カICE车
-氢和/或氢-氧燃料站
-用于飞机燃料电池的氢和/或氧存储系统
-氢和/或氢-氧燃料电池备用电源(通信天线、数据中心、医院等)
-燃料电池船 -固定式燃料电池
尽管本发明可以易于得到各种修改和可选形式，但还是示出并且详细介绍了某些实施例以用作本发明可行的应用示例。但是本发明不应受限于公开的具体实施例，而是应该涵盖落在本发明实质和保护范围内的所有变形、等价形式和可选形式。
权利要求
1.高压介质存储容器，包括由具有隔离和压电性质的至少一个层制成的壁部。
2.如权利要求I所述的容器，其中所述层由至少一种聚合物制成。
3.如权利要求2所述的容器，其中所述聚合物是压电聚合物。
4.如权利要求3所述的容器，其中所述压电聚合物是PVdF。
5.如权利要求3或4所述的容器，其中所述聚合物构成包含高纵横比颗粒的基体。
6.如权利要求2至5中的任意一项所述的容器，其中所述聚合物包含压电颗粒。
7.如权利要求6所述的容器，其中所述压电颗粒由陶瓷制成。
8.如以上权利要求中的任意一项所述的容器，其中所述壁部包括具有隔离和压电性质的至少一个层以及由纤维增强复合材料制成的另一个层。
9.如以上权利要求中的任意一项所述的容器，其中所述壁部包含一个或几个另外的隔尚层。
10.如以上权利要求中的任意一项所述的容器，进一步包括以便于测量所述层内生成的电子信号的方式连接至所述层的电子参数测量装置。
11.包含如以上权利要求中的任意一项所述的高压介质存储容器的车辆。
12.包含如以上权利要求中的任意一项所述的高压介质存储容器的加油站。
13.包含如以上权利要求中的任意一项所述的高压介质存储容器的备用电源系统。
14.具有隔离和压电性质用于在高压介质存储容器的壁部内使用的层。
15.用于高压介质存储容器的压力监测方法，所述高压介质存储容器包括由表现出压电性质的至少一个层制成的壁部，所述方法包括测量所述层内生成的电子信号。
全文摘要
高压介质存储容器，包括由具有隔离和压电性质的至少一个层制成的壁部。
文档编号G01L9/00GK102770574SQ201180010761
公开日2012年11月7日 申请日期2011年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者J.E.曼森, J.瓦勒, Y.勒特里尔 申请人:贝伦诺斯清洁电力控股有限公司