加强型压力容器的制作方法

本发明涉及用于车辆的压力容器。更具体地说，本发明涉及一种压力容器和包括该压力容器的车辆。

背景技术：

1、用于车辆的高压容器一般包括也称作衬里的空心容器，其具有带有两个穹顶状的纵向端部的整体柱形，并由塑料或例如金属(例如铝)的其它材料制成，选择塑料是因为重量轻且生产成本低。该容器用于存储要被配备了压力容器的车辆用于各种功能(例如动力源)的受压气体，例如二氢。受压气体在容器的内表面上施加大的应力，这可能会损坏容器的完好性，导致有危害的泄露，尤其是对于像二氢这样的可燃气体。

2、为了改善容器的机械性能，已知的做法是围绕整个容器的外表面缠绕由加强纤维(例如碳纤维)制成的丝线。丝线嵌在树脂中以便利缠绕和确保容器外表面的每一块都被覆盖。

3、对于容器的穹顶状纵向端部，已知的做法是制造包括独立于容器的丝线缠绕的穹顶加强部件，即穹顶加强壳体，然后在之后的步骤中，将该穹顶加强壳体装配到容器上。文献de 10 2017 208 492 a1提供了这样的穹顶加强壳体的一个示例。当使用这样的穹顶加强壳体时，容器的穹顶状纵向端部和穹顶加强壳体具有测地线穹顶轮廓，以在纤维路径的所有点上，在所缠绕的加强纤维中造成恒定张力。然而，它具有多个缺陷。

4、穹顶加强壳体的存在局部地增大了所缠绕的加强纤维内的应力集中，尤其是在穹顶加强壳体的端头区域，这使得必须使用比没有使用穹顶加强壳体时更多的加强纤维。不希望使用更多的加强纤维，这是因为这样成本高，在制造压力容器期间耗时，且所得的容器更重。

5、鉴于上文所述，需要通过在维持良好机械性能的同时减少所用加强纤维量来优化压力容器。

技术实现思路

1、为此，根据本发明，提供一种压力容器，其包括：

2、-限定内部流体储存室的衬里，该衬里具有：

3、·整体呈柱形的中央部分，其在第一纵向端部处具有第一外直径d1；

4、·第一穹顶状纵向端部，其具有基部，该基部具有第二外直径d2，该第二外直径d2小于第一外直径d1；和

5、·位于整体呈柱形的中央部分与第一穹顶状纵向端部之间的第一中间部分，其将整体呈柱形的中央部分的第一纵向端部连接到第一穹顶状纵向端部的基部；

6、其中，衬里的所述第一穹顶状纵向端部具有与具有测地线穹顶轮廓的穹顶状纵向端部相比，向内部流体储存室凹得更少的穹顶轮廓；

7、-第一穹顶加强壳体，其具有与衬里的第一穹顶状纵向端部和第一中间部分这两者的形状互补的形状，第一穹顶加强壳体装配在衬里的第一穹顶状纵向端部和第一中间部分这两者上；

8、-凸部；以及

9、-包围或包封衬里和第一穹顶加强壳体的外复合结构。

10、得益于第一穹顶加强壳体的互补形状，通过加强第一穹顶状纵向端部和第一中间部分，改善了压力容器的机械性能。特别地，减小了外复合结构内和第一穹顶加强壳体内的应力。这使得能够将更少的纤维用于制造第一穹顶加强壳体和外复合结构，同时维持良好的机械性能。这允许减小所得的压力容器的重量。而且，这允许缩短制造时间，这是因为在衬里和第一穹顶加强壳体上缠绕外复合结构的时间得到缩短。

11、而且，由于第一外直径d1与第二外直径d2直径的差异，在第一中间部分中产生插入区域，使得第一穹顶加强壳体要么与衬里平齐，要么不过于凸出，这避免在外复合结构内，在第一穹顶加强壳体会凸出之处施加过大应力。在一个优选实施例中，第一外直径d1和第二外直径d2使得第一穹顶加强壳体与衬里平齐。由此，压力容器的外表面特别光滑。这改善了外复合结构的施加，并减小了压力容器内的应力水平。

12、“第一穹顶加强壳体与衬里平齐”这个表达方式指衬里的外表面与第一穹顶加强壳体的外表面几何混合。

13、“丝线(filament)”这个表达方式指浸渍有液体基质以形成复合材料或未预浸渍(即干纤维)的连续纤维线束，优选地碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。取决于所用基质类型，主要有两个复合材料族。用热固性树脂或热塑性聚合物作为基质形成的热固性复合材料和热塑性复合材料。

14、热固性树脂是通过混合形成反应热固性前驱物的两种或更多种反应成分而形成的，所述热固性前驱物在暴露于固化条件(例如热量、uv或其它辐射，或简单地通过使其相互接触等)时起反应以形成热固性树脂。热固性基质必须完全固化以获得高性能复合材料。一旦固化，热固性树脂就是固态的，不能够被进一步加工或重塑，这是因为树脂不再能够流动。热固性树脂的示例包括不饱和聚酯、环氧、乙烯基酯、聚脲、异氰脲酸酯和聚氨酯树脂。可以生产由浸渍有反应性树脂的纤维制成的热固性预浸料，该反应性树脂仅部分固化以使其具有粘性，但仍然柔软。预浸料可被储存，并在之后在压力下，通过加热或使树脂暴露于uv而被进一步加工，以完成预浸料的固化和加强。

15、热塑性聚合物可以通过分别升高和降低温度，在固态(或不可流动状态)与液态(或可流动状态)之间转换。在半结晶聚合物的情况下，降低热塑性材料的温度会导致形成晶体和热塑性材料的固化。相反，将半结晶聚合物加热到其熔融温度以上会使晶体熔融，热塑性材料能够流动。半结晶热塑性材料的示例包括聚醚酮，例如聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮(pekk)、聚醚酮酮醚酮(pekkek)，聚酰胺，例如聚酰胺6(pa6)、聚酰胺66(pa66)、聚酰胺10(pa10)、聚酰胺11(pa11)、聚酰胺12(pa12))，聚烯烃，例如聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)等等。无定形热塑性材料不形成晶体并且没有熔融温度。无定形热塑性材料根据材料温度低于还是高于其玻璃化转变温度而固化或变得可流动。无定形热塑性材料的示例包括聚醚酰亚胺(pei)、聚砜(psu)、聚醚砜(pes)、聚碳酸酯(pc)、聚苯乙烯(ps)、热塑性聚氨酯(tpu)等等。因此，半结晶和无定形热塑性材料都可以通过将其加热到其熔融或玻璃化转变温度以上来重塑，并通过相应地降低温度来冷冻成其新的形状。尽管从物理角度来看并不严格正确，但为了简单起见，液态的半结晶和无定形热塑性材料在本文中均被称为“热塑性熔融体”。

16、衬里可以由任何常规地用于压力容器，尤其是用于车辆用压力容器的材料制成。例如，衬里可由例如铝或钢的金属制成，或由塑料制成。

17、第一穹顶加强壳体是例如如在上述现有技术文献中所述的穹顶加强壳体。

18、在本发明的范围中，测地线穹顶(geodesic dome)指基于半球表面大圆网络的穹顶结构。测地线相交以形成具有局部三角刚性并还将应力分散在结构上的三角形元素。可通过在stuart m.lee所著的《handbook of composite reinforcements》(isbn:0-471-18861-1)的244至245页所述的技术生成测地线穹顶轮廓。测地线穹顶轮廓提供丝线的等张力加载。

19、“等张力(isotensoid)”这个术语指被完全缠绕的压力容器的特性，其中，外复合结构的围绕衬里和第一穹顶加强壳体缠绕的每条丝线在其路径中所有点处经历恒定压强。在该构造中，由受压内部流体施加在容器上的整个应力几乎全部由外复合结构的丝线承受，衬里承受非常少的应力。

20、由于第一穹顶加强壳体具有与衬里的第一穹顶状纵向端部的形状互补的形状，第一穹顶加强壳体也具有比具有测地线穹顶轮廓的穹顶加强壳体向内部流体储存室凹得更少的穹顶轮廓。

21、有利地，衬里的第一中间部分的形状具有选自由柱形、截头圆锥形、弯曲形及其组合构成的集合的外周表面。

22、由此，包括第一穹顶加强壳体的衬里的外表面特别光滑。这改善了外复合结构的施加，并减小了压力容器内的应力水平。

23、优选地，第一中间部分的外周表面是第一截头圆锥形表面和第一柱形表面的组合。

24、由此，衬里可视为在整体呈柱形的中央部分与第一穹顶状纵向端部之间包括第一锥形(tapered)外肩部的阶梯状衬里。

25、有利地，形成于第一中间部分的第一截头圆锥形表面与第一柱形表面之间的角度γ小于15°，优选地小于10°。

26、该角度允许第一中间部分的第一截头圆锥形表面平滑地过渡到第一柱形表面，避免产生可能会导致损坏外复合结构的锋利边缘。该角度还允许减小第一穹顶加强壳体的端头区域中的，衬里内的应力。

27、有利地，形成于第一截头圆锥形表面与整体呈柱形的中央部分的外周表面之间的角度σ小于15°，优选地小于10°。

28、该角度允许第一截头圆锥形表面平滑地过渡到整体呈柱形的中央部分的外周表面，避免产生可能会导致损坏外复合结构的锋利边缘。而且，当第一中间部分包括用于接纳第一穹顶加强壳体的端头的第一锥形外肩部时，该角度减小了第一穹顶加强壳体的端头区域中的，衬里内的应力。

29、优选地，第一穹顶状纵向端部的穹顶轮廓与具有测地线穹顶轮廓的穹顶状纵向端部的穹顶轮廓之间的最大距离包含在第一外直径d1的0.1％至5％之间，优选地包含在第一外直径d1的0.5％至2.5％之间。

30、这些数值适于第一穹顶状纵向端部，在制造衬里时易于实施，且允许更好地减小包围或包封衬里和第一穹顶加强壳体的外复合结构中的应力。该应力减小允许减少所用复合结构。

31、在另一实施例中，所述压力容器还包括环箍层，该环箍层围绕衬里的整体呈柱形的中央部分缠绕，以使得第一外直径d1包括该环箍层。

32、该设置允许衬里是传统衬里，而不是阶梯状衬里。传统衬里是没有阶梯部的衬里。

33、在一个优选实施例中，所述压力容器是这样的压力容器：其中，

34、-衬里还包括：

35、·整体呈柱形的中央部分的与第一纵向端部相对的第二纵向端部处的第三外直径；

36、·第二穹顶状纵向端部，其具有基部，该基部具有第四外直径，该第四外直径比第三外直径小；以及

37、·位于整体呈柱形的中央部分与第二穹顶状纵向端部之间的第二中间部分，该第二中间部分将整体呈柱形的中央部分的第二纵向端部连接到第二穹顶状纵向端部的基部；

38、其中，衬里的所述第二穹顶状纵向端部具有与具有测地线穹顶轮廓的穹顶状纵向端部相比，向内部流体储存室凹得更少的穹顶轮廓；

39、-该压力容器还包括第二穹顶加强壳体，该第二穹顶加强壳体具有与衬里的第二穹顶状纵向端部和第二中间部分这两者的形状互补的形状，所述第二穹顶加强壳体装配在衬里的第二穹顶状纵向端部和第二中间部分这两者上；并且

40、-外复合结构包围或包封衬里和两个穹顶加强壳体。

41、通过该设置，衬里的整体呈柱形的中央部分的每个纵向端部都具有穹顶状纵向端部，该穹顶状纵向端部具有本发明的有益机械性能。

42、有利地，第三外直径大约等于第一外直径。

43、优选地，第四外直径大约等于第二外直径。

44、有利地，衬里的第二中间部分的形状具有选自由柱形、截头圆锥形、弯曲形及其组合构成的集合的外周表面。

45、由此，包括第二穹顶加强壳体的衬里的外表面特别光滑。这改善了外复合结构的施加，并减小了压力容器内的应力水平。

46、优选地，第二中间部分的外周表面是第二截头圆锥形表面和第二柱形表面的组合。

47、由此，衬里可视为在整体呈柱形的中央部分与第二穹顶状纵向端部之间包括第二锥形外肩部的阶梯状衬里。

48、有利地，形成于第二中间部分的第二截头圆锥形表面与第二柱形表面之间的角度小于15°，优选地小于10°。

49、该角度允许从第二中间部分的第二截头圆锥形表面平滑地过渡到第二柱形表面，并避免产生可能会导致损坏外复合结构的锋利边缘。该角度还允许减小第二穹顶加强壳体的端头区域中的，衬里内的应力。

50、有利地，形成于第二截头圆锥形表面与整体呈柱形的中央部分的外周表面之间的角度小于15°，优选地小于10°。

51、该角度允许从第二截头圆锥形表面平滑地过渡到整体呈柱形的中央部分的外周表面，并避免产生可能会导致损坏外复合结构的锋利边缘。而且，当第二中间部分包括用于接纳第二穹顶加强壳体的端头的第二锥形外肩部时，该角度减小了第二穹顶加强壳体的端头区域中的，衬里内的应力。

52、优选地，第二穹顶状纵向端部的穹顶轮廓与具有测地线穹顶轮廓的穹顶状纵向端部的穹顶轮廓之间的最大距离包含在第三外直径的0.1％至5％之间，优选地包含在第三外直径的0.5％至2.5％之间。

53、这些数值适于第二穹顶状纵向端部，易于在衬里制造时实施，且允许更好地减小包围或包封衬里和第二穹顶加强壳体的外复合结构中的应力。该应力减小允许减少所用复合结构。

54、在另一实施例中，所述压力容器还包括环箍层，该环箍层围绕衬里的整体呈柱形的中央部分缠绕，以使得第三外直径包括该环箍层。

55、该设置允许衬里是传统衬里，而不是阶梯状衬里。传统衬里是没有阶梯部的衬里。

56、根据本发明还提供一种车辆，其包括如上所述的压力容器。