專利名稱：氣體容裝裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型的氣體容裝和供氣裝置，特別是使用者便于攜帶的氣體容裝和供氣裝置。
為了提高壓力氣體容裝容器的便攜性，通常需要使容器強(qiáng)度高而重量輕。在生產(chǎn)圓柱形壓力容器，如氣體分離器，高壓氣瓶或類似產(chǎn)品時(shí)，采用繞內(nèi)殼的附加繞組是一個(gè)既能增加強(qiáng)度又能減輕重量的技術(shù)。當(dāng)加壓時(shí)，這種結(jié)構(gòu)所受到的周向應(yīng)力要遠(yuǎn)大于軸向應(yīng)力，采用的附加繞組承受了大部分的周向載荷，從而使基圓柱的設(shè)計(jì)只考慮軸向應(yīng)力，這就使減輕重量有很大潛力。通常這種繞組是由具有高抗拉強(qiáng)度的金屬絲構(gòu)成。最近復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展使我們能在樹脂基體中使用纖維纏繞的復(fù)合層。
環(huán)形的壓力容器是一種代替圓柱形的可選擇幾何形狀?，F(xiàn)已知道可在金屬或復(fù)合內(nèi)環(huán)形殼的環(huán)形容器上附加纏繞金屬線或樹脂基體的纖維復(fù)合材料，例如在英國專利申請2110566中已有描述。與未經(jīng)纏繞的環(huán)形殼結(jié)構(gòu)相比，可減輕重量。在進(jìn)行復(fù)合纏繞的情況下，生產(chǎn)會(huì)復(fù)雜化，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的纏繞設(shè)備不適于在纏繞過程中使用樹脂粘接。很難保證纖維完全被樹脂基體浸濕。并且在傳統(tǒng)的樹脂基體纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)中，未完全的浸濕的纖維構(gòu)成了薄弱區(qū)域。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種基于環(huán)形壓力容器的重量輕的小型氣體容裝和供氣裝置，壓力容器帶有能減輕重量的纖維附加纏繞層，它可以避免在向環(huán)形結(jié)構(gòu)上纏繞樹脂基體纖維復(fù)合材料時(shí)在生產(chǎn)中遇到的困難。
根據(jù)本發(fā)明，一種氣體容裝和供氣裝置包括一個(gè)帶有供氣口并能容裝壓力氣體的氣體儲(chǔ)存容器，在第一端部能與供氣口相連以通過第二端供氣的供氣裝置，以及能控制供氣速度的控制裝置，其中氣體儲(chǔ)存容器是個(gè)環(huán)形的壓力容器，它包括一個(gè)金屬的環(huán)形殼，其表面纏繞有拉伸載荷作用于其上的高抗拉強(qiáng)度的非金屬纖維層上，纖維基本上與環(huán)形外殼的經(jīng)線方向?qū)R。
纖維纏繞層和金屬殼都用于承受載荷。在簡單的圓柱形情況下，這種結(jié)構(gòu)在經(jīng)線方向受到的壓力要比垂直于圍繞環(huán)面經(jīng)線圈方向受到的壓力大許多。纖維將只承受經(jīng)向載荷的一部分，因此它是基本上繞經(jīng)線方向纏繞的，而不是象英國專利申請2110566中現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合層那樣，是環(huán)繞環(huán)面斜紋交叉纏繞的。金屬殼承受剩下的經(jīng)向載荷和垂直于經(jīng)線的全部載荷。由于采用纏繞層來承受較多的經(jīng)向載荷，使得金屬殼的設(shè)計(jì)可采用較低的載荷系數(shù)，這比只采用金屬結(jié)構(gòu)能使容器更輕。
本發(fā)明提供了一種輕型的，具有環(huán)型外形的小型壓力氣體儲(chǔ)存容器，這兩個(gè)特點(diǎn)都可提高便攜性。由于環(huán)狀幾何形狀與相同體積的圓柱形相比具有較小的內(nèi)徑，因此它的外形輪廓扁平。這種形狀特別適用于儲(chǔ)藏在需要扁平外形處，或扛在人的背上，因?yàn)樗谑褂弥性诒池?fù)者的后面突起較小。環(huán)形的外形也適用于用人的背部背負(fù)，因?yàn)樗芨玫嘏c背部曲線吻合。這種緊湊的外形意味著即使使用者還需要一些類型的背帶來背負(fù)罐子，但與傳統(tǒng)的圓柱形裝置相比，通常更簡單，更輕快，從而可能帶著背部固定板來工作，而以前則必需有至少一個(gè)較大的從背部可裝的圓柱形氣瓶。能裝著背部固定板進(jìn)行工作是在降低總重量和減小裝置在背負(fù)者后面突起距離之外的另一個(gè)因素，兩者都有助于增加便攜性。環(huán)面的扁平外形使它可盛放在一個(gè)合適的袋子或囊中，這樣當(dāng)仍需要機(jī)械約束時(shí)，能提供較大的便攜性。
環(huán)狀外形產(chǎn)生的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在環(huán)面的內(nèi)壁上做一個(gè)供氣裝置的接頭，從而可提供某種保護(hù)，并能降低由于外部沖擊而產(chǎn)生剪切的可能性。為此，供氣孔最好位于環(huán)面的內(nèi)壁上。供氣裝置可永久與外殼相連，但為了更容易儲(chǔ)存和能夠更換氣體容器，氣體供氣孔最好包括能與供氣裝置實(shí)現(xiàn)可拆卸連接的裝置，以及一個(gè)閉合閥門，來防止由于供氣裝置脫落而造成的氣體泄漏。
采用纏繞層的另一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是由在環(huán)面內(nèi)側(cè)上的纏繞纖維層的厚度的加厚帶來的。附加纏繞層承受了較大一部分作用在環(huán)面內(nèi)側(cè)上的經(jīng)向載荷，環(huán)面內(nèi)側(cè)是整個(gè)經(jīng)向載荷最大的地方。這使得在較高載荷區(qū)不必顯著增加金屬厚度，結(jié)果是，包括基本上為圓形經(jīng)向截面的環(huán)面和基本上相同壁厚的金屬殼提供了具有最小多余金屬重量的近于優(yōu)化的壓力容器?？稍诋a(chǎn)品中采用一些簡化措施。然而應(yīng)當(dāng)理解，圓形橫截面不是影響本發(fā)明的本質(zhì)因素，本發(fā)明還可采用具有非恒定曲線的環(huán)形容器，它具有非圓形的徑向和/或橫向部分，這種形狀可能更適用于本發(fā)明的應(yīng)用場合。
用于纏繞的合適材料包括混合在熱固性或熱塑性基體中的聚合物纖維，玻璃纖維，碳纖維或陶瓷纖維，可在纏繞之前將熱固化樹脂加入到纖維中預(yù)浸，并在纏繞后成形。具有足夠柔韌性的高級(jí)浸漬纖維束可與熱塑性樹脂共同使用，以進(jìn)行纏繞操作，例如將熱塑性纖維與構(gòu)造纖維混合，或?qū)崴苄苑勰└街跇?gòu)造纖維上。不管采用什么樣的方法來加入熱塑性材料，復(fù)合體都要在高溫及壓力之下進(jìn)行后續(xù)的固化。在所有情況下，纖維都繞環(huán)形容器經(jīng)線方向?qū)R。
然而，由于本發(fā)明是在沿經(jīng)線方向的附加層中采用了纖維，并只在該方向承載，因此就有可能完全不需要基體，或者至少對于大部分承載厚度來說只是表層得到保護(hù)。在本發(fā)明的這種無基體優(yōu)選特征中，與由纏繞傳統(tǒng)纖維和基體復(fù)合材料的殼體構(gòu)成的壓力容器相比，沒有基體可以減輕重量，并且不再要求在生產(chǎn)過程中工藝必須適合纖維基體材料的濕度，這樣就簡化了纏繞過程。
本發(fā)明的這種干繞法無基體特征對纖維選擇的出發(fā)點(diǎn)是，選擇那些其使用在熱固性和熱塑性樹脂基體復(fù)合材料中是熟知的纖維。用于纖維纏繞的材料要求有高拉伸強(qiáng)度。這種材料必須在纏繞和使用過程中由于磨損產(chǎn)生的強(qiáng)度損失很小，這樣就不再需要基體材料來起到以前的抗磨損和保護(hù)作用。類似地，它的強(qiáng)度必須不再與纖維長度緊密相關(guān)(稱為長度/強(qiáng)度效應(yīng))，這樣就可大大減少在斷絲之間為傳遞載荷而對基材的需求。在本發(fā)明的這一方面，這些要求比使用玻璃纖維和碳纖維更重要。
可通過采用高拉伸強(qiáng)度的有機(jī)聚合纖維來克服以上問題，這些材料較少受表面缺陷的影響，并且對長度/強(qiáng)度的依賴性小。因此，它們在磨損破壞時(shí)不易喪失強(qiáng)度。在采用這種纖維的復(fù)合材料中，能沿?cái)嘟z傳遞載荷的基體就顯得不太重要了。這樣，拉伸載荷承受層最好包括一層高拉伸強(qiáng)度聚合纖維，纖維在環(huán)形殼上基本上沿經(jīng)向方向，并且，至少纖維厚度的大部分是沒有基體的。為了這一目的，最好采用芳族聚酰胺纖維。
然而，預(yù)拉伸的聚合纖維易產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松馳，這將導(dǎo)致它們在服務(wù)期內(nèi)失去張力并脫落。在傳統(tǒng)的復(fù)合材料中，由于存在基體因此可防止這種運(yùn)動(dòng)。為了與沒有基體的本發(fā)明相配，纖維的蠕變應(yīng)力松馳性能要足夠低，使得纖維實(shí)際上被預(yù)緊到一定程度，在實(shí)際環(huán)境的暴露狀態(tài)下，它們就能保持足夠時(shí)間的拉伸力，從而固定在環(huán)狀面上。
聚合纖維也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力斷裂，即當(dāng)處于足夠高的靜載中時(shí)，它們最終會(huì)失效。失效的時(shí)間取決于應(yīng)力和溫度，可能是幾十年或幾百年。與本發(fā)明相關(guān)，纖維的應(yīng)力斷裂性能是指在所有的實(shí)際環(huán)境暴露情況下，能對纖維拉伸進(jìn)行調(diào)整而不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力斷裂失效的容器壽命，這種纖維拉伸包括為克服蠕變問題而必需的預(yù)拉力和由于壓力載荷而產(chǎn)生的額外拉伸。
這樣就需要對纖維的性能加一個(gè)“限幅”，可在此處給纏繞加一個(gè)足夠的初始拉伸，以防止蠕變造成拉伸消失而產(chǎn)生的移動(dòng)，而不能使預(yù)拉伸過高而導(dǎo)致應(yīng)力斷裂失效。在本發(fā)明優(yōu)選特征中的無基體纏繞采用了那些高拉伸強(qiáng)度聚合纖維，這種纖維具有這種限幅，但卻省去了基體材料，而在現(xiàn)有技術(shù)中，這是具有纏繞復(fù)合材料的壓力容器的一個(gè)基本特征。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)芳族聚酰胺纖維在它們的性能中具有這種限幅，因此這種纖維特別適用于本發(fā)明的無基體特征。碳、玻璃和陶瓷纖維具有較大的上下限幅，但它們的使用卻由于上述抗磨損和長度/強(qiáng)度效應(yīng)的問題而受到限制。混合纖維包括一種或多種這些增益芳族聚酰胺，如混合的芳族聚酰胺和碳纖維，這是一種實(shí)用的折衷方案。這種芳族聚酰胺纖維可保護(hù)碳，使之免受纏繞過程中的磨損。在應(yīng)用過程中，就象在芳族聚酰胺纖維中發(fā)生的應(yīng)力松馳和蠕變一樣，載荷逐漸傳到碳纖維。這在設(shè)計(jì)中很有價(jià)值，因?yàn)榉甲寰埘０防w維接近它的應(yīng)力斷裂極限。
很顯然，環(huán)形殼中的開口不能被纏繞。為了設(shè)計(jì)方便，氣體容器會(huì)帶有一個(gè)加厚的內(nèi)殼區(qū)域，而不纏繞供氣口區(qū)域。然而，一條用于環(huán)形殼的最可能的生產(chǎn)線是將兩個(gè)弧形槽焊在一起，在這種情況下，由于加厚區(qū)被焊在容器中，交叉焊接會(huì)導(dǎo)致一些結(jié)構(gòu)問題。
為了克服這些困難，可在附加纏繞之前在環(huán)形殼的孔的上面加上環(huán)狀或部分環(huán)狀的凸緣，該凸緣包括一外表面用于接收一層經(jīng)線方向的纖維層，還包括側(cè)向孔和空氣通道，以及在環(huán)形殼的孔和側(cè)向孔之間設(shè)置的連接通道。這種結(jié)構(gòu)無需改變供氣口附近殼的厚度，可使纖維基本上纏在環(huán)形殼的整個(gè)表面上。
凸緣最好是部分環(huán)形，它帶有的月牙形部分可減小邊緣的不連續(xù)性。凸緣可很方便地被焊在殼上，最好是偏離環(huán)面的中心面，以避免同環(huán)向焊縫交錯(cuò)，這會(huì)導(dǎo)致潛在的薄弱點(diǎn)。還需要諸如聚四氟乙烯帶之類的外部潤滑，以避免在月牙形尖端的凱夫樂(Kevlar)磨損。
用混合纖維纏繞的另一個(gè)優(yōu)越之處是通過加入高模量碳纖維來提高纏繞的強(qiáng)韌性，從而使附加纏繞層區(qū)的經(jīng)向強(qiáng)韌性(即楊氏模量與厚度的乘積)與非附加纏繞層區(qū)大致相配，從而減小由于強(qiáng)韌性的不連續(xù)所產(chǎn)生的應(yīng)力。
這種無基體附加纏繞層最好覆有保護(hù)涂層。這可以部分補(bǔ)償與傳統(tǒng)的纖維復(fù)合纏繞中基體相比所缺乏的外界保護(hù)，特別是保護(hù)纖維，使之免受能對纖維強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響的可見光或紫外輻射(特別是附加纏繞層采用優(yōu)選的芳族聚酰胺纖維)，能將濕氣與繞線隔離，并能防止磨損。涂層可采取保護(hù)彈性層的最簡單形式來覆在纏繞層纖維上，可以是油漆。另一方面，可將一種不可滲的涂層覆在纏繞層纖維上，繞著該涂層再纏另一層纖維，其上有適當(dāng)?shù)臉渲?。這樣纏繞層就具有傳統(tǒng)樹脂基體復(fù)合材料的外部特性，而整體特性卻取決于纏繞層，因此它的本質(zhì)機(jī)械特性與帶有此處詳細(xì)描述附加優(yōu)點(diǎn)的本發(fā)明的干繞無基體優(yōu)選特征保持一致。
對纖維的纏繞拉伸需要細(xì)心控制，以確保拉伸高到足能防止附加纏繞層的松馳和由于時(shí)間的推移在纖維中發(fā)生的諸如應(yīng)力松馳和蠕變之類的易滑現(xiàn)象。但又不能高到導(dǎo)致纖維應(yīng)力斷裂的程度。此外，纏繞需要過度拉伸，從而在金屬殼上施加預(yù)置壓應(yīng)力，這樣可提高殼的壓力屈服極限。
在纏繞中，卷繞張力最好是發(fā)生變化的，從而在成品中產(chǎn)生均勻載荷分布。在纏繞過多層之后，外層不但向金屬殼施加壓力載荷，而且對內(nèi)纖維層也有壓力載荷。如果保持恒定的卷繞張力并且附加纏繞得足夠深時(shí)，這將導(dǎo)致內(nèi)層失去張力，從而當(dāng)它們在使用中受到壓力負(fù)荷時(shí)，不能承受全部載荷。這種方法隨著卷繞的不斷進(jìn)行會(huì)降低卷繞張力，從而使拉伸負(fù)荷在整個(gè)繞制容器中沿整個(gè)附加纏繞的纖維均勻分布。然而對于薄壁容器，變化纏繞張力就不太重要了。
根據(jù)本發(fā)明，采用附加纏繞層可以選擇失效方式，這樣對于一個(gè)給定的壓力容器樣品可選擇更好的模式。當(dāng)纖維卷繞過多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生環(huán)向斷裂之類的失效，也就是說，經(jīng)過由垂直于經(jīng)向的應(yīng)力所產(chǎn)生的經(jīng)向裂紋。由于纖維附加纏繞層的缺陷，先產(chǎn)生環(huán)向失效，這就是由經(jīng)向應(yīng)力所產(chǎn)生的垂直于經(jīng)向的裂紋。在后一種情況中，還可以有另一種選擇，這就是通過變化環(huán)面的厚度來產(chǎn)生一個(gè)薄弱區(qū)。
對于金屬殼來說，為了滿足保證強(qiáng)度的同時(shí)又能減輕重量的要求，優(yōu)選使用鋁及其的合金，最優(yōu)選的是鈦和鈦合金，盡管也能采用鋼和其它金屬，但這特別應(yīng)用于本發(fā)明對重量要求較低的部件中。
為了保證穩(wěn)定的供氣，控制機(jī)構(gòu)最好包括一個(gè)調(diào)壓器，這調(diào)壓器最好是兩級(jí)調(diào)壓器。
本發(fā)明的一個(gè)特殊應(yīng)用是在帶有壓縮氣體儲(chǔ)存容器的供氧設(shè)備，包括供吸氣體(氧氣O2/惰性氣體混合物，空氣等)容器，呼吸面罩和與供氣口的第二端部相連的使用者操縱的閥門。環(huán)狀外形便于攜帶，設(shè)計(jì)要求緊湊輕巧是本發(fā)明設(shè)備的重要因素。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，通過把供氣裝置連到環(huán)的內(nèi)側(cè)位置上從而起到的保護(hù)，顯然是很有價(jià)值的。
本發(fā)明的實(shí)施方案將僅參照附圖進(jìn)行說明，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的供氧設(shè)備壓縮氣體儲(chǔ)存容器的透視圖；圖2是圖1容器通過供氣孔附近的橫截面圖；圖3是雙級(jí)調(diào)壓器和與圖1和2的供氣孔相連的面罩的橫截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的供氧設(shè)備中壓縮氣體儲(chǔ)存容器另一實(shí)施方案的透視圖；圖5是通過平行于它的軸和供氣孔附近的圖4中容器的截面圖；圖6是供氣孔另一個(gè)實(shí)施方案的透視圖；圖7是圖6中容器通過供氣孔附近的橫截面圖；圖8是適于與圖6和7的供氣孔相連的接頭適配器的透視圖；圖9是通過圖6和7的供氣孔附近的經(jīng)向截面圖；圖10是通過供氣孔附近載荷分布加固板的經(jīng)向截面圖。
圖1表示的是用于根據(jù)本發(fā)明的供氧設(shè)備的環(huán)形氣罐，它帶有可拆卸的供氣裝置，該裝置處于分離狀態(tài)。環(huán)形內(nèi)罐2的容積為9升，設(shè)計(jì)壓力為207bar(21.1Mpa)，由6061鋁合金制成，可以很方便地由兩個(gè)曲面槽焊在一起。罐2的經(jīng)向圓周和橫截面的總直徑為400mm，內(nèi)孔直徑為128mm。罐2可以是由，例如，兩塊曲面槽焊在一起。環(huán)形面的側(cè)壁為恒定的壁厚6.5mm。罐2繞有Kevlar-49TM纖維(聚對苯甲酰胺纖維)4，從環(huán)面的內(nèi)部算起，附加纏繞層的厚度為2.5mm(這與環(huán)面外部的較厚度有關(guān)，這種厚度是上文提到的環(huán)狀幾何外形中所固有的累積效應(yīng)造成的)，只有一點(diǎn)例外，所剩下的外殼9的一小部分未被纏繞，以便能接入調(diào)壓器接頭8。纏繞技術(shù)并不是本發(fā)明的關(guān)鍵之處，可以使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和技術(shù)來把材料纏到環(huán)形芯上，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，例如采用在生產(chǎn)諸如環(huán)狀鐵心變壓器和電阻箱之類的線繞式電氣元件中的，通過最簡便的調(diào)整就可容下未纏繞區(qū)9。這種設(shè)計(jì)使得當(dāng)容器加壓大約一半的經(jīng)向載荷由纏繞層4承載時(shí)，余下的經(jīng)向載荷和所有與經(jīng)向垂直的載荷由鋁殼2來承載。
纖維層4帶有能起到環(huán)保作用的涂層，該涂層是將彈性聚胺酯涂層6涂到纖維纏繞層4表面來形成的。圖1僅表示了涂層6的一部分，為更好的表示里面的纏繞層4，其余部分已被移開，但在使用中，涂層6是涂在整個(gè)纏繞層上的。
氣體容裝裝置需要有一個(gè)無纏繞區(qū)9的加厚內(nèi)殼區(qū)域，從而可以插入調(diào)壓器接頭8。如圖2中所示，其中的橫截面部分是沿靠近調(diào)壓器接頭處的。由于該區(qū)域未被纏繞，最優(yōu)的設(shè)計(jì)則要求內(nèi)側(cè)10的金屬要比環(huán)面外側(cè)的厚一些，從而可以承載由于環(huán)狀外形而造成的更高載荷。為了達(dá)到這一目的，壁厚將從基本的6.5mm加厚至外壁12上的大約10.5mm和內(nèi)壁14上的15mm。非纏繞區(qū)要求盡可能的小，以減少對壓力容器來說是多余的重量，在這種情況下，非纏繞區(qū)限制在環(huán)面弧度α為34°。如圖2所示，應(yīng)在過渡區(qū)逐漸過渡，以盡量減小由于KevlarTM的相對低強(qiáng)度而造成的強(qiáng)度不連續(xù)效應(yīng)，否則會(huì)導(dǎo)致多余應(yīng)力。作為另一個(gè)或其它特征，纏繞層中可與KevlaTM一起加入強(qiáng)度更高的碳纖維，以使纏繞和非纏繞區(qū)域的經(jīng)向強(qiáng)度更接近，并可進(jìn)一步降低不連續(xù)應(yīng)力。
調(diào)壓器接頭部件8是采用標(biāo)準(zhǔn)的M18，長25mm，帶有內(nèi)螺紋14，以便于調(diào)壓器和相聯(lián)的供氧管嘴或面罩以及相關(guān)設(shè)備相連，相關(guān)的設(shè)備未連上，因此在圖中未示出。在這種未連上的設(shè)備中，所示的氣體容器由單向閥15密封。代為替代方案，可將一個(gè)隔離閥插入M18螺紋14中將調(diào)壓器接頭8設(shè)置在環(huán)面的環(huán)形內(nèi)部可以使設(shè)計(jì)更緊湊，并且當(dāng)裝上調(diào)壓器并使用時(shí)，也可起到某種保護(hù)作用。
圖3是可拆卸調(diào)壓器的局部剖視圖，這種調(diào)壓器可插入圖1和2中的氣罐，從而可將氣壓從儲(chǔ)存壓力降低到外界壓力。與M18連接件8相配合的螺紋接頭21將調(diào)壓器與氣罐相連。該連接件的插入使密封閥15打開，這樣供給調(diào)壓器腔室23的氣體就由可轉(zhuǎn)動(dòng)控制閥25來控制了。所用的調(diào)壓器是彈簧加載型的活塞27。然后氣體經(jīng)由供氣管28穿過使用者操縱的控制閥29流向面罩30。
應(yīng)當(dāng)理解當(dāng)優(yōu)選的是兩級(jí)調(diào)壓器時(shí)，本發(fā)明適用于帶有不可拆式連接供氧設(shè)備的氣罐，不論它是否有調(diào)壓器。
圖4表示的是根據(jù)本發(fā)明的壓力容器的另一種實(shí)施方案。具有類似于上述例子的外部尺寸的環(huán)形內(nèi)罐31由鈦合金Ti-6Al-4V制成。該罐的設(shè)計(jì)容量為6升，工作壓力為300bar(31.65Mpa)。罐31的經(jīng)向圓周和橫截面總直徑為340mm，內(nèi)直徑為112mm，基本壁厚為3.2mm。
先在罐上纏一層可覆蓋的碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸處理，這種預(yù)浸處理是以相互對齊的條狀涂在罐31上的，這樣纖維就基本上與經(jīng)向垂直，這樣在標(biāo)準(zhǔn)的固化和硬化之后，就形成了一個(gè)在該方向上能承受一定量載荷且排列好的復(fù)合涂層32?？捎门c前述例子中相似的方法用Kevlar49TM纖維34來纏繞罐。由于部分環(huán)向載荷是由碳纖維復(fù)合層32而不是金屬承載，這樣就可進(jìn)一步的顯著降低重量。在設(shè)計(jì)中需要注意避免層32中加厚區(qū)域處的應(yīng)力集中，以保證過渡區(qū)大到足以使有效載荷轉(zhuǎn)移到復(fù)合層32中。在圖5中表示了兩種可替換的方案(a)其中在罐上進(jìn)行錐形邊的預(yù)浸處理，以形成逐漸收縮的過渡區(qū)；(b)其中采用多層預(yù)浸處理36，以形成一個(gè)階梯狀的過渡區(qū)。再在干燥的繞組34上涂上一層環(huán)保涂層37。然而應(yīng)當(dāng)理解，可覆蓋的預(yù)浸處理概念不是附加纏繞鋁合金設(shè)計(jì)或附加纏繞鈦合金設(shè)計(jì)的本質(zhì)特征。
圖6～9涉及的是供氣孔的另一種實(shí)施方案。
可用兩塊弧形“槽”焊在一起來組成等壁厚的環(huán)狀外殼41。殼上焊有凸緣42，該凸緣帶有能與環(huán)形殼壁中的孔44相通的空氣通道43。凸緣最好從環(huán)面的中心面偏置，以避免與環(huán)形焊縫相交，這將導(dǎo)致潛在薄弱環(huán)節(jié)。然而從操作的角度考慮(例如由于把接頭設(shè)在環(huán)的內(nèi)側(cè)面達(dá)到的保護(hù)作用)，仍要求不要把壓力孔放的離中線太遠(yuǎn)。
采用與前述例子中相似的方法把Kevlar 49TM纖維46纏到罐上，先將凸緣42的兩側(cè)纏好，然后分別纏繞凸緣的頂部。這種罐就被完全纏好，而不再需要在供氣孔附近采用加厚部分了。
為保護(hù)纖維46，需在上面涂一層表面涂層48。
為了與氣體調(diào)壓器相連，使用了一種整體式接頭(如圖8所示)。將伸出部分53插入凸緣42中的通孔43，這樣孔50就與環(huán)形殼壁中的孔44對齊。橡膠密封圈54可進(jìn)行氣密連接，氣體可經(jīng)由通孔51流到帶有調(diào)壓器接頭的孔52處，該孔可以是M18或其它標(biāo)準(zhǔn)螺紋配合設(shè)計(jì)，這可以使調(diào)壓器與相聯(lián)的呼吸管嘴或面罩以及相關(guān)設(shè)備之間的連接變得更方便(如圖3所示)。
本實(shí)施方案可從簡化容器的制作，并且可以避免由于加厚區(qū)焊到容器時(shí)相交焊縫所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)問題?？椎某叽缈筛鶕?jù)為內(nèi)部維修目的所插入內(nèi)窺鏡之需，而不是根據(jù)所需要空氣孔的尺寸來決定。
圖9表示的是在采用附加纏繞之前凸緣42的優(yōu)選幾何尺寸。為了纏繞起作用，要在所有的點(diǎn)上采用正曲率，這樣作用在殼41上的是向內(nèi)的壓力。因此凸緣42需要采用長月牙形，盡可能使其外形輪廓能構(gòu)成橢圓的一部分。凸緣的大部分主要受壓，因此可以鑄?；蛩軌骸Ｒ虼藦?fù)雜的形狀不會(huì)帶來問題。月牙狀可作整體造型，或也可分別造型，然后再焊在一起。
當(dāng)月牙形穿過環(huán)面上的環(huán)形焊縫時(shí)，并不要求進(jìn)行不間斷的焊接。實(shí)際上如果將一個(gè)焊接部件剛性連接到膨脹殼上會(huì)導(dǎo)致焊縫中的高應(yīng)力，導(dǎo)致一個(gè)潛在的疲勞失效。然而如果月牙形在所有的點(diǎn)上都不進(jìn)行牢固地連接就可能需要“潤滑”，例如使用聚四氟乙烯層或尼龍56，以避免它沿殼的滑動(dòng)(因而還能避免其它可能的疲勞失效源)。另一種方法是采用一系列點(diǎn)焊(未示出)，其中有應(yīng)力釋放槽(用來降低切向強(qiáng)度)，但這種方法由于會(huì)導(dǎo)致更多的熱影響區(qū)而具有潛在的缺陷。
為避免在月牙形尖端所造成的Kevlar磨損。還需要外部潤滑，例如使用聚四氟乙烯帶，在本例子中，外部潤滑是一層聚四氟乙烯帶58。
剩余的結(jié)構(gòu)問題是當(dāng)將壓力容器設(shè)計(jì)成任何形狀時(shí)，還需要考慮到初始的失效不是發(fā)生在結(jié)點(diǎn)，凸緣等處，而是在容器結(jié)構(gòu)中通常為均勻的部位。在這種情況下，能達(dá)到一致并且可預(yù)計(jì)的斷裂壓力。在預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)中，可知沿環(huán)形焊縫的過量Kevlar會(huì)導(dǎo)致失效，在這種情況下，很可能的失效方式是由于環(huán)向壓力所導(dǎo)致的經(jīng)向斷裂。
事實(shí)上，環(huán)面中被焊縫圍繞的(小)孔和熱影響區(qū)恰巧是最可能發(fā)生初始失效的地方。
解決這個(gè)問題的可行方法是，將金屬片或復(fù)合材料粘到環(huán)面的內(nèi)表面上。這種設(shè)計(jì)將傳遞足夠的載荷(大約為總量的10～15％)，來消除熱影響區(qū)中的預(yù)失效。
改變圖6到9的實(shí)施方案所述的生產(chǎn)順序，就是先把凸緣焊到其中一個(gè)槽上，然后將小片敷到與凸緣相對的槽面的內(nèi)側(cè)上。將兩個(gè)槽焊在一起，從而形成環(huán)面，再象通常那樣進(jìn)行纏繞。
小片的尺寸部分地取決于接近環(huán)形焊縫的程度和允許使用粘接劑溫度，可選擇環(huán)氧樹脂粘接劑，適用于大約170℃，或bismaleide膠膜粘合劑(適用于約300℃，但并不是一種有效的粘合劑)。
圖6到9的后月牙形整體的構(gòu)思已經(jīng)應(yīng)用于壓力接頭的制造，與此同時(shí)還可使整個(gè)環(huán)形表面都是由纏繞層來支撐的。圖10中所示的另一種方法認(rèn)為將有一些未被支撐的區(qū)域，并試圖使它們的弱化效應(yīng)盡量減小。
特別針對高強(qiáng)度金屬薄殼來說，裸露區(qū)是一個(gè)麻煩。殼的局部加厚是不需要的，因?yàn)樗股a(chǎn)復(fù)雜化，并導(dǎo)致應(yīng)力集中和可能的疲勞失效源(當(dāng)堅(jiān)固的部件剛性地連到膨脹殼上時(shí)就會(huì)發(fā)生)。圖10的實(shí)施方案采用了一種載荷擴(kuò)散板來取代裸露區(qū)，圖10a表示的是在導(dǎo)入管61處沿?cái)U(kuò)散板的截面圖，圖10b是遠(yuǎn)離導(dǎo)入管的截面圖。
板62的曲線與環(huán)狀外殼64的曲線相一致，板62具有一個(gè)孔和角邊，孔可以套裝導(dǎo)入管61，在沒有纏繞層66的地方，板在裸露區(qū)中還有額外的支撐。板應(yīng)是松馳地聯(lián)接的，并且當(dāng)環(huán)面膨脹時(shí)可在其上滑動(dòng)?？刹捎靡粋€(gè)潤滑膜來幫助實(shí)現(xiàn)這一目的。
板將會(huì)受到高剪切和彎曲載荷，因此就要求足夠厚并且要選用適當(dāng)?shù)牟牧稀Ｍǔ?，纖維復(fù)合體不適于承載面外剪切載荷。最好選擇各向同性金屬，來滿足裝配或連接。在這種情況下，獲得均勻斷裂壓力的可能性就會(huì)增加，它的特點(diǎn)是具有低離差系數(shù)。
當(dāng)考慮附加纏繞層的環(huán)形壓力容器時(shí)，無論是圖6到9的后月牙形整體設(shè)計(jì)還是圖10的載荷擴(kuò)散板，應(yīng)知道最先的失效理論上是由于環(huán)形載荷的作用(這種設(shè)計(jì)是要用過多的附加纏繞層來克服由于經(jīng)向載荷而產(chǎn)生的失效)。所預(yù)期的失效會(huì)以繞環(huán)面最小圓周經(jīng)向斷裂的形式出現(xiàn)。在環(huán)形方向，最弱的地方將位于焊縫和/或繞壓力入口的熱影響區(qū)，即或者是支撐物或者是導(dǎo)入管。
為避免這種失效而采用的局部加厚是不必要的，原因如上所述。載荷擴(kuò)散板對能導(dǎo)致失效的膜載荷來說是不起作用的。
一種可行的解決辦法是將薄金屬片附在環(huán)繞焊縫的環(huán)形表面上。CFRP是理想的方法，使用這些片的技術(shù)已在有關(guān)復(fù)合材料修復(fù)的SMC操作中說明。當(dāng)繞焊縫的強(qiáng)度損失不太大時(shí)，所需材料的厚度可以很小，可能不到0.5mm。質(zhì)量所造成的不利可減至最小。
加強(qiáng)片的概念適用于圖6到9中后月牙形整體構(gòu)思或是圖10中載荷擴(kuò)散板中的任一個(gè)。在前一種情況中，附加厚度在空間最大的區(qū)域所引起的不利之處最小。而在后一種情況中，小片則需在擴(kuò)散板的下面工作，這樣，它就有足夠的厚度壓力強(qiáng)度來支撐擠壓載荷了。
權(quán)利要求
1.一種氣體容裝和供氣裝置，包括一個(gè)帶有供氣口的能容裝壓力氣體的氣體儲(chǔ)存容器，在第一端能與供氣口相連以通過第二端供氣的供氣裝置，以及能控制供氣速度的控制裝置，其特征在于，氣體容器是一個(gè)環(huán)形的壓力容器，該容器包括一個(gè)金屬的環(huán)形殼，殼的表面上纏有高抗拉強(qiáng)度非金屬纖維的拉載荷承受層，環(huán)形殼上的纖維基本上沿經(jīng)向?qū)R。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，供氣孔位于環(huán)面的內(nèi)側(cè)面上。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，供氣孔包括能對供氣裝置進(jìn)行可拆卸連接的裝置和當(dāng)拆卸供氣裝置后能防止漏氣的密封閥。
4.按照任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，環(huán)形殼包括一個(gè)基本上為圓形經(jīng)向截面的環(huán)面，并且該環(huán)面基本上等壁厚。
5.按照任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，承受拉伸載荷的層包括一層高抗拉強(qiáng)度的聚合纖維，環(huán)形殼上的纖維基本上沿經(jīng)向?qū)R并且至少纖維厚度的大部分是沒有基體的。
6.按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，纖維包括芳族聚酰胺。
7.按照權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，承受拉伸載荷層是由相互交錯(cuò)的混合纖維構(gòu)成的，這種混合纖維包括芳族聚酰胺纖維與至少是碳纖維，玻璃纖維或陶瓷纖維中的一種的結(jié)合。
8.按照任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，纖維纏繞需要過度拉伸，以便向金屬殼上作用壓應(yīng)力。
9.按照任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，生產(chǎn)外殼的材料是由鋁及其合金和鈦及其合金組成的組中選擇出的。
10.按照任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，氣體儲(chǔ)存容器具有在供氣孔區(qū)域不加纏繞的加厚內(nèi)殼區(qū)。
11.按照權(quán)利要求1到9任一個(gè)所述的裝置，其特征在于，一環(huán)形或部分環(huán)形的凸緣纏繞層下面的環(huán)形殼的孔上，該凸緣的外表面有經(jīng)向的纖維纏繞層，該凸緣還包括側(cè)孔和空氣通道，從而在環(huán)形殼的孔和側(cè)孔之間設(shè)置了一個(gè)連接通道。
12.按照權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，凸緣是帶有月牙形截面的部分環(huán)形。
13.按照任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，控制裝置包括一個(gè)壓力調(diào)節(jié)器。
14.按照任一前述權(quán)利要求所述的裝置可被裝在具有能將該裝置放在人的背部以便于攜帶的裝置的小帆布袋中。
15.基本上參照附圖中的圖1和圖2并且如前所述的裝置。
16.基本上參照附圖中的圖4和圖5并且處前所述的裝置。
17.基本上參考附圖中的圖6到圖9并且如前所述的裝置。
18.包括任一前述權(quán)利要求所述的便于攜帶氣體容裝和供氣裝置的供氧裝置，其特征在于，壓力氣體容器作為一個(gè)供氧氣體容器，它還包括一個(gè)呼吸面罩和一個(gè)與供氣孔第二端相連的使用者可調(diào)的控制閥。
全文摘要
一種氣體容裝和供氣裝置,包括一個(gè)可容裝壓力氣體并具有一供氣孔(8)的氣體儲(chǔ)存容器(1),供氣孔(8)可與供氣裝置連接,以便供應(yīng)氣體,該裝置還包括一個(gè)能控制供氣速度的控制裝置,其中氣體容器是一個(gè)環(huán)形壓力容器,它包括一個(gè)金屬環(huán)形外殼(2),在其表面上纏有由高抗拉強(qiáng)度非金屬纖維(4)構(gòu)成的承受拉伸載荷層,環(huán)形外殼上的纖維基本上沿經(jīng)向?qū)R。文中還說明了利用上述裝置的便于攜帶的供氧裝置。
文檔編號(hào)F17C1/06GK1202960SQ9619855
公開日1998年12月23日 申請日期1996年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月23日
發(fā)明者J·庫克, B·J·里查斯 申請人:英國國防部, 生命維持工程有限公司