复合压力容器组件及制造方法与流程

本发明根据针对ARPA-E Low Cost Hybrid Materials and Manufacturing for Conformable CNG Tank（ARPA-E低成本混合材料和适形CNG罐制造）的DE-AR0000254协议在政府支持下完成。政府享有本发明的某些权利。

背景技术：

本公开涉及压力容器组件，并且更具体地涉及复合压力容器组件和制造方法。

压力容器可以用作各种消费者、商业和工业过程的储存介质（例如，气体）。为了在给定的体积内为任何操作储存足够的气体，气体被储存在高压下。传统上，压力容器具有典型的球形或圆柱形横截面设计，这种设计均匀地分布密闭周边中的应力。不幸的是，这种罐不能有效利用分配的空间。例如，球形容器以约52%的效率填充立方体空间，而圆柱形容器以约78%的效率填充矩形容积。通常符合矩形容积的压力容器的较新的改进可以相对于真正的矩形容积以约90%的效率来填充该空间。

支持高内部压力的非球形/圆柱形压力容器的设计较复杂，包括用于传递机械负载的可变曲率外表面和内部结构。高适形容器的大尺寸和复杂的形状使得制造具有挑战性。此外，制造业需要始终如一地提供可靠、高容积、轻量化和低成本的构造。

技术实现要素：

根据本公开的一个非限制性实施方案的复合压力容器组件包括：限定第一腔室的第一衬里，衬里包括多个穿孔；和包封第一衬里的复合层。

除了前述实施方案之外，复合层包括短切纤维和粘合剂。

替代地或附加地，在前述实施方案中，短切纤维由选自包括碳、玻璃和聚合物的组的材料制成。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一衬里是包括吹塑塑料、注塑塑料以及注塑和吹塑塑料的组合的组中的一种。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一衬里由网片制成。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一衬里是增材制造而成的。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一衬里是金属。

替代地或附加地，在前述实施方案中，复合压力容器组件包括：限定第二腔室的第二衬里，第二衬里包括多个穿孔并且与第一衬里并排对齐，并且其中间隙限定在第一衬里与第二衬里之间，其中复合层填充间隙并且第二衬里被复合层包封。

根据另一非限制性实施方案的制造复合压力容器组件的方法包括：形成限定第一腔室的穿孔第一衬里；对第一腔室施加真空抽吸；以及在第一衬里周围施加第一纤维。

除了前述实施方案之外，该方法还包括：形成限定第二腔室的穿孔第二衬里；对第二腔室施加真空抽吸；以及围绕第二衬里施加第一纤维。

替代地或附加地，在前述实施方案中，该方法包括将第一衬里与第二衬里并排设置；以及用第二纤维包封第一纤维。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一纤维包括粉末形式的粘合剂。

替代地或附加地，在前述实施方案中，该方法包括施加热量以活化粘合剂。

替代地或附加地，在前述实施方案中，该方法包括利用压力和热量至少部分地固结第一纤维和第二纤维中的至少一者。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一纤维和第二纤维中的至少一者是短切纤维并通过喷涂施加。

替代地或附加地，在前述实施方案中，该方法包括将聚合物纤维与第一纤维和第二纤维中的至少一者混合；以及施加热量以熔化聚合物纤维以将第一纤维和第二纤维中的至少一者粘合在一起，其中第一纤维和第二纤维中的至少一者选自包括碳纤维和玻璃纤维的组。

替代地或附加地，在前述实施方案中，该方法包括用树脂渗透第一纤维和第二纤维中的至少一者。

替代地或附加地，在前述实施方案中，第一衬里和第二衬里由包括穿孔片材、网片、吹塑塑料、注塑塑料和增材制造的组中的一种形成。

替代地或附加地，在前述实施方案中，该方法包括在施加第二纤维之前用压力和热量将第一粘合剂固结；以及用压力和热量固结第二纤维。

替代地或附加地，在前述实施方案中，该方法包括用树脂渗透固结的第一纤维和第二纤维。

前述特征和元件可以以各种组合非排他性地进行组合，除非另有明确指示。根据以下描述和附图，这些特征和元件及其操作将变得更为明显。然而，应理解，以下描述和附图意图在本质上是示例性的而非限制性的。

附图说明

本领域技术人员将从以下对所公开非限制性实施方案的详细描述中明白各种特征。伴随于详细描述的附图可简要描述如下：

图1是根据本发明的示例性实施方案的被构造成储存加压流体的压力容器组件的透视图；

图2是压力容器组件的衬里的分解透视图；

图3是衬里的横截面；

图4是施加了中间层的衬里的透视横截面；以及

图5是压力容器组件的透视横截面。

具体实施方式

现在参考图1，示出了被构造成储存高压流体的压力容器或罐组件20的实例。可储存在压力容器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。压力容器组件20通常可以包括两个侧翼容器22、24和至少一个内部容器26（例如，示出五个相同的内部容器），所述至少一个内部容器连接并设置在侧翼容器22、24之间。每个容器22、24、26通常可以是细长的，并且压力容器组件20的总体构造通常是矩形形状，但是从本文的描述中可以理解，其他形状也是可以预期的。

参考图2，每个容器22、24、26可以包括相应的衬里28、30、32。每个衬里28、30、32可以限定相应腔室34、36、38的边界以用于流体储存。侧翼端衬里28、30可以包括相应的凸台46、48，凸台46由相对的端盖50、52封闭，凸台46由相对的端盖54、56封闭。每个凸台46、48可以是周向连续的。衬里32可以包括凸台58，凸台58由相对的端盖59、61封闭。凸台58可以是周向连续的。衬里28、30、32可以由能够提供适用于特定应用的必要结构支撑、重量、操作特性、成本限制和其他参数的任何材料和厚度制成。衬里材料的实例可以包括任何金属合金和塑料（例如聚合物）。衬里还可以是吹塑塑料或注塑塑料。

衬里28、30、32还包括多个穿孔63。穿孔63可以在衬里28、30、32形成之后形成，或者可以是用于形成衬里的原材料的一部分。例如，衬里28、30、32可以由穿孔片材或网片形成。或者，衬里28、30、32可以通过增材制造工艺形成有穿孔63。

参考图3，相应的侧翼衬里28、30的凸台46、48可以基本相同并且被布置成使得第一侧翼衬里28的凸台46相对于相对的侧翼衬里30的凸台48旋转大约一百八十度（180度）（即，布置为彼此的镜像）。每个侧翼凸台46、48可以包括大致圆柱形的外部部分或壁60和内部部分或壁62。内壁62可以是大致平面的并且可以横向地跨过圆柱形外壁60的第一端部64与第二端部66之间。在一个实施方案中，内壁62与圆柱形外壁60的端部64、66一体形成。圆柱形外壁60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60的与内壁62相对的那部分包括通常具有二百四十(240)度角的圆形或曲线，如由半径R所限定。因此，侧翼凸台46、48的总高度等于圆柱形外壁60的半径R的长度的两倍。垂直内壁62大致平行于垂直平面P并与其间隔开，垂直平面P包括限定外壁60的曲率的半径R的原点。在一个实施方案中，内壁62与平行垂直平面P之间的距离约为半径R的一半。结果，侧翼凸台46、48的宽度通常等于外壁60的曲率半径R的长度的约1.5倍。

图示的内部凸台58包括第一内侧壁68和第二内侧壁70，所述第一内侧壁和第二内侧壁可以在直径方向上彼此相对、基本上垂直布置并且彼此分开一定距离。在一个实施方案中，内部凸台58的宽度大致等于端部凸台46、48的曲率半径R。第一内侧壁68和第二内侧壁70的厚度可以是相同的并且可以等于侧翼凸台46、48的内壁62的厚度。第一外侧壁72在第一内侧壁68的第一端74与第二内侧壁70的第一端76之间延伸。类似地，第二外侧壁78在第一内侧壁68的第二端80与第二内侧壁70的第二端82之间延伸。

第一外侧壁72和第二外侧壁78的曲率可以由通常具有六十(60)度角的圆形或曲线限定，如由半径R所限定。在一个实施方案中，内部凸台58的曲率半径R与侧翼凸台46、48的曲率半径R基本相同。因此，第一弯曲壁72与第二弯曲壁78之间的距离是曲率半径R的长度的两倍，并且因此基本上等于侧翼凸台46、48的高度。

参考图4，容器22、24、26各自包括基本上覆盖相应衬里28、30、32的中间层84、86、88。中间层84可以由短切纤维制成，短切纤维可以被喷涂到衬里28、30、32上。纤维的长度可以为约一(1)英寸(2.54 cm)，并且可以由碳、玻璃、芳纶或其他合适的材料制成。可以是粉末形式的粘合剂可以与纤维一起喷涂。在制造过程中（即，在喷涂过程中），惰性气体或空气抽吸可以施加到衬里28、30、32，例如将腔室34、36、38连接到抽真空源。该真空促进纤维和粘合剂在衬里28、30、32上的均匀分布和附着。喷涂后，可以通过施加压力和热量将纤维至少部分地在衬里28、30、32上固结（并且固化粘合剂）。

在喷涂中间层84、86、88后，可以将衬里28、30、32并排设置，使得中间层88与中间层84、86接触并位于它们之间。更具体地讲，当至少部分地组装复合容器组件20时，侧翼凸台46的内壁62与内部凸台58的内侧壁68相对并靠近。中间层84的覆盖内壁62的那部分可以直接与中间层88的覆盖侧壁68的那部分相邻并粘附（即，如果存在粘合剂的话）。类似地，侧翼凸台48的内壁62与内部凸台58的内侧壁70相对并靠近。中间层86的覆盖内壁62的那部分可以直接与中间层88的覆盖侧壁70的那部分相邻并粘附。

参考图5，复合容器组件20可以包括通常覆盖并包封中间层84、86、88的外层90。外层90可以在将中间层84、86、88组装在一起之后施加。类似于中间层84、86、88的组成和施加，外层90可以由可以喷涂到中间层84、86、88的尚未彼此接触的那些部分上的非连续纤维（例如短切纤维）制成。短切纤维可以由碳、玻璃、芳纶或其他合适的材料制成。可以是粉末形式的粘合剂可以与短切纤维一起喷涂。在外层90的喷涂过程中，维持在中间层84、86、88的施加过程中进行的抽气。可进一步预期和理解的是，粘合剂可以是聚合物纤维（例如短切聚合物纤维），其可以与中间层84、86、88和/或外层90中的至少一者的纤维一起混合并喷涂。喷涂之后，可以施加热量以熔化聚合物纤维，从而将复合容器组件20固结在一起。

复合容器组件20还可以包括多个接合部92，每个接合部位于外壁60、72、78的相应端部，侧壁68、70的端部和内壁62的端部通常会合的地方。每个接合部92通常可以是Y形（即，三角星形）并且可以由与外层90相同的材料制成。

在施加外层90之后，整个组件20可以再次被固结并且粘合剂在热和压力下固化。如果短切纤维包括热塑性纤维，则该工艺步骤可以是完全固结，这将产生完全集成的复合容器组件。或者，该过程可以只是部分固结。在部分固结之后，容器组件20可以用树脂渗透并固化成最终复合容器组件20。树脂的实例可以包括可以纳米增强的环氧树脂、乙烯基酯和其他树脂体系。

可进一步预期和理解的是，上述工艺步骤可以变化。例如，中间层84、86、88的材料组成可以不包括短切纤维，而是可以是连续的纤维缠绕物、连续的机织纤维织物或连续的编织纤维织物。上述连续纤维的实例可增加强度并减轻复合容器组件20的重量。此外，如果粘合剂可用辐射固化，则中间层84、86、88的至少部分固结可以使用辐射固化，诸如紫外线或电子束。

可进一步预期和理解的是，如果树脂如上所述与短切纤维一起喷涂，则树脂渗透步骤可以被取消。

上述工艺的益处包括：复合容器组件通常具有均匀的层厚度，并且没有接缝或重叠接合部，而在使用例如片状成型料(SMC)来包裹衬里28、30、32时则可能出现所述接缝或重叠接合部。而且，复合容器组件20可以是轻量化的、耐腐蚀的并且不具有通常在金属罐中发现的焊接或接合部。切碎、喷涂和使用热塑性纤维（作为一个实例）可以提供高速制造工艺以满足大的CNG罐容量需求。由于容器组件不需要是非圆柱形的，所以该组件将提供对预定空间的最佳适形性。

虽然参考示例性实施方案描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变并且可以进行等效物替换。另外，可以应用各种修改来使本公开的教导适于特定情况、应用和/或材料而不脱离其基本范围。因此，本公开并不受限于本文所公开的特定实例，而是包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。