專利名稱：纖維增強型壓力容器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種纖維增強型壓力容器，它包括被纖維金屬絲纏繞的氣密或液密剛性體。本發(fā)明還涉及一種制造纖維增強型壓力容器的方法，所述壓力容器包括被纖維金屬絲纏繞的氣密或液密剛性體。
公知的制造纖維增強型壓力容器的方法包括固化或硬化步驟，以便將纏繞后的纖維金屬絲結(jié)合到粘結(jié)材料內(nèi)。所述硬化步驟通常占用6～8個小時。
公知的纖維增強型壓力容器及其制造方法的缺點都是需要占用6～8個小時的固化或硬化步驟。另一個缺陷是有時需要吸收特別剪應(yīng)力所產(chǎn)生的機械負(fù)載的附加繞組。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，利用一種纖維增強型壓力容器可以實現(xiàn)一個或多個目的，所述壓力容器包括被纖維金屬絲纏繞的氣密或液密剛性體，至少一些纖維金屬絲可以彼此自由地相對運動，纖維金屬絲被纏繞，從而當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，纖維金屬絲精確地沿它們的縱向承載。
由于纏繞了纖維金屬絲，從而當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，纖維金屬絲僅僅在縱向承載，在使用期間，它們將保持在原位，不需要粘結(jié)材料。
另一個特點是，僅僅使用吸收壓力容器內(nèi)的機械負(fù)載所需數(shù)量的纖維金屬絲。不需要額外的纖維金屬絲，和公知的壓力容器相比，降低了重量和制造成本。
由于至少一些纖維金屬絲可以彼此自由地相對運動，這樣纏繞纖維金屬絲，使得當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，纖維金屬絲精確地沿它們的縱向承載，例如當(dāng)壓力容器被損壞時，壓力容器上的纖維金屬絲將彼此被置換。
最好在本發(fā)明的壓力容器上，所有纖維金屬絲可以彼此自由地運動。
本發(fā)明的優(yōu)點是，可以一點都不使用粘結(jié)材料(例如樹脂)，從而硬化步驟成為多余，和公知壓力容器相比，降低了成本。
最好，本發(fā)明的壓力容器具有等緊度(isotensoid)形狀，也就是當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，機械應(yīng)力在纖維金屬絲之間相同地分布。為了提供具有所希望等緊度形狀的壓力容器，可以使用一種軸向增強壓力容器的裝置。
由于使用等緊度形狀，僅僅需要最小數(shù)量的纖維金屬絲，以便吸收壓力容器內(nèi)的機械負(fù)載。
此外，符合本發(fā)明的壓力容器最好具有圓柱體形狀，在該容器的縱向兩端具有等緊度形狀的端件。
通過提供具有圓柱體形狀的壓力容器，所述壓力容器可以被用作氣瓶。
符合本發(fā)明的壓力容器最好配備有保護(hù)層，即所謂的涂層。
一種包含合成橡膠的涂層特別適合于被用作保護(hù)裝置，用于防火，抵御小的沖擊和處理負(fù)載。
符合本發(fā)明的壓力容器的剛性體最好由高密度聚乙烯(HDPE)組成，所述纖維金屬絲是碳素纖維。
從壓力容器的制造成本、重量和強度觀點出發(fā)，上述材料的組合很有優(yōu)勢。
符合本發(fā)明的壓力容器的剛性體最好由高密度聚乙烯(HDPE)組成，所述纖維金屬絲是玻璃纖維。
從壓力容器的制造成本、重量和強度觀點出發(fā)，上述材料的組合也很有優(yōu)勢。
符合本發(fā)明的壓力容器可以在不同的實施例中被制造，因此可以被制造的適用于不同的最大內(nèi)壓。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，利用一種纖維增強型壓力容器的制造方法，可以實現(xiàn)一個或多個目的，所述壓力容器包括被纖維金屬絲纏繞的氣密或液密剛性體，所述制造方法包括如下步驟a)提供氣密或液密剛性體、纖維金屬絲和纏繞設(shè)備；b)將纖維金屬絲纏繞在剛性體上，因而至少一些纖維金屬絲可以彼此自由地相對運動，纖維金屬絲被如此地纏繞，因而當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，纖維金屬絲精確地沿它們的縱向承載；由于沒有使用粘結(jié)材料(例如樹脂)，因而纖維金屬絲不被粘結(jié)材料固定在壓力容器上，纖維金屬絲可以彼此自由地相對運動。
利用這種方法，不需要使用比吸收壓力容器內(nèi)的機械負(fù)載所需數(shù)量更多數(shù)量的纖維金屬絲。因此降低了壓力容器的制造成本。
最好在符合本發(fā)明的制造方法中，一點都不使用粘結(jié)材料。由于在本發(fā)明的壓力容器內(nèi)不使用粘結(jié)材料，所以不需要硬化步驟。因此，和現(xiàn)有技術(shù)中需要6～8小時的固化或硬化相比，縮短了生產(chǎn)時間。
通過下文結(jié)合附圖描述本發(fā)明的壓力容器的兩個實施例以及壓力容器制造方法的一種實施例，介紹本發(fā)明。
圖5示意地顯示了縱向上的符合本發(fā)明的纖維金屬絲上的機械負(fù)載。
優(yōu)選實施例介紹首先參考附圖介紹符合本發(fā)明的壓力容器的兩個實施例。


圖1顯示了符合本發(fā)明的壓力容器的第一實施例。壓力容器1包括具有等緊度形狀的氣密或液密剛性體2。纖維金屬絲3纏繞著剛性體2。還具有一輔助裝置4。在這個實施例中，輔助裝置4是一種用于軸向增強壓力容器1的裝置。輔助裝置4上具有構(gòu)件5，在這個實施例中構(gòu)件5是螺紋孔，諸如封閉元件或壓力閥的附件(未示出)通過螺紋孔被連接到壓力容器1上。
圖2顯示了符合本發(fā)明的壓力容器的第二實施例。壓力容器6包括具有圓柱體形狀的氣密或液密剛性體7。圓柱體7上配備有具有等緊度形狀的端件8。如圖所示，圓柱體7被安裝在轉(zhuǎn)動軸9上，以便圍繞著剛性體7而纏繞纖維金屬絲。幾股金屬絲10沿剛性體7的圓周方向(所謂的“環(huán)向纏繞”)纏繞在圓柱體7上，另幾股金屬絲11沿剛性體7的縱向(所謂的“螺旋式纏繞或極向纏繞”)而纏繞在剛性體上。
剛性體可以包括由金屬、熱塑性塑料或熱固性材料組成的薄層，只要所使用的材料滿足將被容納在壓力容器內(nèi)的物質(zhì)所需的具體安全性要求就行。
纖維材料最好是碳素纖維，但是也可以是其它任何類型的纖維，只要它能夠承受張力就行，例如E型、R型或S型玻璃纖維、密亞胺纖維、碳素纖維或聚合物纖維，例如聚乙烯、聚酯或聚酰胺。
圖3是顯示了圖2所示壓力容器6的端部的橫截面視圖。它顯示了圓柱體氣密或液密剛性體13的端部12以及鄰接該剛性體13的輔助元件14。在這個實施例中，輔助元件14和剛性體一起提供具有等緊度形狀的端部12。在這個示例中，壓力容器6的軸向上也具有開口15和16。該示例也顯示了剛性體13和輔助裝置14如何一起被纖維金屬絲層17纏繞(僅示意性顯示)。
圖4A和4B是橫截面視圖，顯示了靠在(鄰接)本發(fā)明壓力容器的剛性體19上的纖維金屬絲的位置。在這個示例中，纖維金屬絲18處于立體最密裝填狀態(tài)。圖4B顯示了被施加到纖維金屬絲上的涂層20。
圖5顯示了當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓f時纖維金屬絲弧AD上的負(fù)載，以及由此產(chǎn)生的纖維金屬絲弧AD的反作用力F。R代表剛性體的半徑，dv代表所述弧的圓心角。纖維金屬絲當(dāng)然也對剛性體施加了法向力。
下文將介紹符合本發(fā)明的纖維增強型壓力容器的制造方法的一個實施例，該壓力容器包括被纖維金屬絲纏繞的氣密或液密剛性體。
首先應(yīng)該確定壓力容器的功能，并選擇用于制造壓力容器的材料。然后設(shè)計人員確定設(shè)計方案，也就是設(shè)備的形狀，包括確定下列參數(shù)，諸如壓力容器的體積、尺寸、所能承受的內(nèi)壓、安全系數(shù)和壓力容器流出口的尺寸。選擇適合的制造工藝。根據(jù)本發(fā)明，該工藝是指纏繞纖維(“纖維纏繞”)。對于所述纏繞，首先要確定適合壓力容器形狀的纏繞圖案，按照圖案纏繞纖維，因而至少一些纖維金屬絲可以彼此自由地相對運動，當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，纖維金屬絲精確地沿縱向承載，從而剛性體并不吸收內(nèi)壓所產(chǎn)生的負(fù)載?？梢岳萌魏喂姆椒ㄖ圃靹傂泽w，例如通過模制法和吹塑法或噴射成型或旋轉(zhuǎn)模制。然后將剛性體安裝在纏繞設(shè)備(“纖維纏繞設(shè)備”)上。設(shè)置了纏繞設(shè)備的控制條件后，纖維的前端被連接在剛性體上，剛性體被纏繞，纏繞后的金屬絲的端頭被固定。有時，分幾個步驟實現(xiàn)所述纏繞圖案。例如對于圓柱體形狀的剛性體來說，例如金屬絲在圓周方向(所謂的“環(huán)向纏繞”)上的纏繞和金屬絲在縱向(所謂的“螺旋式纏繞或極向纏繞”)上的纏繞被分別進(jìn)行。當(dāng)在縱向(所謂的“螺旋式纏繞或極向纏繞”)纏繞金屬絲時，首先將輔助裝置固定在剛性體上，然后輔助裝置也被金屬絲纏繞。當(dāng)剛性體完全被纏繞后，最好利用合成橡膠對壓力容器進(jìn)行選擇性地涂附。壓力容器上可選擇性地設(shè)置一附件。
利用纏繞即所謂的金屬絲纏繞來實現(xiàn)纖維纏繞。由于纏繞了纖維金屬絲，當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，它們僅僅在縱向承載，在使用期間它們保持在原位，不需要使用粘結(jié)材料。粘結(jié)材料(例如樹脂)最好一點都不使用。
纖維沒有被浸漬或粘合或緊固到剛性體，當(dāng)然除了起初被纏繞的纖維金屬絲的前端之外。可以通過在纖維金屬絲上形成結(jié)點，而實現(xiàn)纖維金屬絲的附著。通常這樣理解所謂的浸漬，即粘結(jié)材料被部分或完全浸漬在纖維金屬絲內(nèi)或纖維金屬絲之間。因此，在符合本發(fā)明的壓力容器內(nèi)，由于不使用粘結(jié)材料，在纖維金屬絲內(nèi)或纖維金屬絲之間沒有浸漬粘結(jié)材料。所述粘結(jié)材料通常指樹脂、合成樹脂或合成橡膠。此外，剛性體可以相對于纖維金屬絲自由地移動。
在符合本發(fā)明的方法中，在纏繞之前、纏繞期間或纏繞之后沒有固化或硬化步驟。
最好，可以在纖維金屬絲的上方設(shè)置彈性或剛性保護(hù)層即所謂的涂層。這種涂層是耐火的但并不是結(jié)構(gòu)性支撐，它僅用于保護(hù)纖維金屬絲不受外界影響，例如切割作用或磨損作用、化學(xué)作用，以及不受潮濕或光的影響。對于實現(xiàn)壓力容器的主要功能，也就是在壓力下安全地容納物質(zhì)來說，這種涂附并不是必需的。
如果設(shè)置涂層，所述涂層可以由彈性體組成，或它可以是由金屬、熱塑性塑料或熱固性材料組成的剛性殼。最好所述涂層由合成樹脂構(gòu)成。
符合本發(fā)明的壓力容器可以被用于在壓力下容納物質(zhì)或運輸物質(zhì)，例如丙烷、丁烷、CNG(壓縮天然氣)、空氣、水和諸如液氮或液氧的致冷物質(zhì)。根據(jù)被容納或被運輸?shù)奈镔|(zhì)，符合本發(fā)明的壓力容器可以被制造的適用于0～5巴的工作壓力(例如在膨脹水箱內(nèi)的熱水)、0～10巴的工作壓力(例如室溫下的液氮或液氧或在家用氣瓶內(nèi)使用的丙烷氣體或丁烷氣體或者這兩種氣體的混合物)、0～35巴的工作壓力(例如高溫下的丙烷氣體或丁烷氣體)、0～100巴的工作壓力(例如在機動車的燃料罐內(nèi)所使用的LPG)、0～300巴的工作壓力(例如CNG或壓縮空氣)、以及空間技術(shù)領(lǐng)域的致冷氣體系統(tǒng)所需的0～600巴的工作壓力。
本發(fā)明在纏繞技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)了突破，具體地說，克服了技術(shù)偏見，所述技術(shù)偏見是指，對于增強型壓力容器來說，必須使用諸如樹脂的粘結(jié)材料。本發(fā)明具有寬廣的范圍，并不受上述實施例的限制。
權(quán)利要求
1.一種纖維增強型壓力容器(1，6)，其包括被纖維金屬絲(3，10，11，18)纏繞的氣密或液密剛性體(2，7，13，19)，其特征在于至少一些纖維金屬絲(3，10，11，18)可以彼此自由地相對運動，纖維金屬絲(3，10，11，18)被如此地纏繞，使得當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，纖維金屬絲(3，10，11，18)精確地沿它們的縱向承載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述纖維增強型壓力容器(1，6)，其特征在于所有被纏繞的纖維金屬絲(3，10，11，18)可以彼此自由地相對運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(1)具有等緊度形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(6)具有圓柱體形狀。
5.根據(jù)上述任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(1，6)上具有涂層(20)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述涂層(20)包括合成橡膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述剛性體(2，7，13，19)由高密度聚乙烯(HDPE)組成，所述纖維金屬絲(3，10，11，18)是碳素纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述剛性體(2，7，13，19)由高密度聚乙烯(HDPE)組成，所述纖維金屬絲(3，10，11，18)是玻璃纖維。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(1，6)可以承受0～5巴的工作壓力。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(1，6)可以承受0～10巴的工作壓力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(1，6)可以承受0～35巴的工作壓力。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(1，6)可以承受0～100巴的工作壓力。
13.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(1，6)可以承受0～300巴的工作壓力。
14.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(1，6)可以承受0～600巴的工作壓力。
15.根據(jù)權(quán)利要求9～11中任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于它可以被用作家用的氣瓶，用于容納丙烷氣體或丁烷氣體或者這兩種氣體的混合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述纖維增強型壓力容器，其特征在于它可以被用作燃料罐，被用于機動車，尤其用于容納LPG。
17.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述纖維增強型壓力容器，其特征在于它可以被用作燃料罐，用于容納CNG或壓縮空氣。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述纖維增強型壓力容器，其特征在于可以在空間技術(shù)領(lǐng)域的致冷氣體系統(tǒng)中使用所述壓力容器。
19.根據(jù)上述任一個權(quán)利要求所述纖維增強型壓力容器，其特征在于所述壓力容器(1，6)配備有附件，例如塞子或壓力閥。
20.一種纖維增強型壓力容器的制造方法，所述壓力容器包括被纖維金屬絲纏繞的氣密或液密剛性體，所述方法包括如下步驟a)提供氣密或液密剛性體、纖維金屬絲和纏繞設(shè)備；b)將纖維金屬絲纏繞在剛性體上，使得至少一些纖維金屬絲可以彼此自由地相對運動，纖維金屬絲被如此地纏繞，從而當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，纖維金屬絲精確地沿它們的縱向承載；其特征在于不使用粘結(jié)材料(例如樹脂)，因而纖維金屬絲不被粘結(jié)材料固定在壓力容器上，纖維金屬絲可以彼此自由地相對運動。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述方法，其特征在于一點都不使用粘結(jié)材料。
22.在根據(jù)權(quán)利要求20或21的纖維增強型壓力容器的制造過程中所使用的模具。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種纖維增強型壓力容器(1，6)，其包括被纖維金屬絲(3，10，11，18)纏繞的氣密或液密剛性體(2，7，13，19)，所述纖維金屬絲被如此地纏繞，使得至少一些纖維金屬絲可以彼此自由地相對運動，當(dāng)壓力容器承受內(nèi)壓時，纖維金屬絲在它們的縱向承載。本發(fā)明還涉及一種制造纖維增強型壓力容器的方法，其中沒有使用粘結(jié)材料(例如樹脂)，從而纖維金屬絲不被粘結(jié)材料固定在壓力容器上，纖維金屬絲可以彼此自由地相對運動。
文檔編號F17C1/06GK1419642SQ01807147
公開日2003年5月21日 申請日期2001年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月4日
發(fā)明者安迪·德貝克, 奧斯卡·克里斯托夫·范德賈格特, 揚·雅各布斯·馬泰斯·科佩特 申請人:高級輕型構(gòu)件集團(tuán)公司