[發明專利]制造壓縮氣筒的方法

無效

• 申請號: 201380015481.7
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN104203541A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: R.A.科勒斯;D.S.布魯克斯泰因;R.A.卡佩塞爾;D.奧爾曼
• 申請（專利權）人: 法孚機械加工系統股份有限公司
• 主分類號: B29C63/06
• 分類號: B29C63/06;B29C70/30;B29D23/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 陳浩然;肖日松

本申請要求2012年3月22日提交的美國臨時專利申請序列號61/614,207的優先權。

技術領域

公開了一種制造用于容納壓縮氣體的壓力容器的方法，在其中在被固化之前以浸漬樹脂的強化纖維和收縮包繞聚合物帶包繞薄壁柱體，以消除在固化的復合物中的空隙并且以在容器上形成保護層。

背景技術

壓縮天然氣(CNG)和加壓氫氣越來越多地應用為用于內燃機的替代燃料。因此，需要具有相對輕重量高強度的壓力容器來容納加壓氣體。對于這樣的壓力容器的機械要求包括在10000psi數量級上的相對高的爆裂強度。

用于存儲壓縮氣體的壓力容器存在四個基本類型。類型1柱體是全金屬的并且在機械上低效，因為在加壓氣筒中的周向應力載荷近似兩倍于軸向應力載荷。類型2柱體包括金屬襯套，其帶有浸漬樹脂的連續強化纖維束(其僅在金屬襯套的柱體上環向包繞)。所有軸向載荷由金屬襯套負擔而環向載荷由金屬襯套和復合強化物的組合負擔。類型3柱體包括金屬襯套，其帶有浸漬樹脂的連續纖維束，其完全包繞在端部圓頂上且環向包繞在柱體上。類型4柱體包括非金屬襯套，其帶有浸漬樹脂的纖維束，其完全包繞在端部圓頂上且環向包繞在柱體上。對于類型2、類型3以及類型4的CNG罐來，由工業和政府所采用的當前標準要求復合物外包裝(overwrap)設計用于在連續載荷和循環載荷下具有高可靠性。該可靠性通過達到或超過2.25x工作壓力的復合強化物應力比值來實現。對于帶有3600psi工作壓力的典型CNG罐，這是大約8100psi。

細絲卷繞是最慣常的復合物制造工藝之一，并且是選擇用于生產CNG罐的方法。第一臺卷繞機在20世紀60年代末開發出來并且起初被開發用于生產復合火箭外殼。在20世紀90年代，利用細絲卷繞技術生產復合壓力容器被進一步開發。在過去30年中，細絲卷繞機配備有現代CNC控制器、改進的機架、自動起停模塊和機器人系統，以給細絲卷繞機提供氣體不可滲透的襯套。雖然這些發展減少了卷繞時間，但是該過程的勞動需求仍比較高。主要原因是與使用用于纖維浸漬的樹脂浴相聯系的問題以及與纖維浸漬(其與細絲卷繞相結合)相聯系的相對低的卷繞速度。該問題通過使用預浸漬纖維束(即，預浸絲束)被克服。

兩個卷繞模式對于壓縮氣筒是可能的：環向和軸向(也稱為等張力(isotensoid))。類型2容器僅環向包繞。類型3和4容器主要是環向和軸向(等張力)包繞的組合。如果卷繞機配備多于一個卷繞頭，容器可在同一卷繞機中被細絲卷繞。

除了使用強化纖維之外，壓力容器的制造要求聚合樹脂，諸如熱固性環氧樹脂，例如，以將強化纖維彼此結合并且結合至柱形襯套。樹脂還起在纖維間傳遞應力的重要功能。

存在將樹脂施加到纖維的各種方法。可使用一種樹脂傳遞模塑工藝，在其中可將干的未浸漬的纖維層包繞到柱體(其然后被置入陰模中)上。未固化的相對粘性的樹脂然后在壓力下被注入模具中。一旦注入，樹脂被加熱，并且樹脂因此完成其聚合周期并且變硬。樹脂傳遞纖維強化的柱體然后被從模具中移除。該工藝的主要限制是模具和工具的相對高的成本以及樹脂固化或聚合所花的時間。

還可利用濕細絲卷繞工藝來制造CNG罐。這是這樣一種工藝，在其中使纖維絲束經過樹脂浴以浸漬該絲束，并且然后在其在烤箱中在高溫下固化之前將其圍繞心軸包繞。濕卷繞具有該工藝所固有的大量樹脂浪費，并且以在制造過程期間產生大量揮發性有機化合物而著稱。濕卷繞的柱體還可在固化的復合結構中具有非承載空隙。

用于施加樹脂的另一方法涉及使用預浸漬的或“預浸”纖維，其具有在包繞過程之前施加給其的部分固化的樹脂。由于樹脂部分固化，樹脂不再處于液態，并且可由自動裝備將纖維卷繞到襯套上。

克服成品中的空隙的一途徑是在最終樹脂固化之前通過柔性套筒將壓力施加到纖維的外表面上。這通常通過使用“裝袋工藝”來完成，其中，覆蓋有預浸漬纖維的柱體被放置在相對柔性的聚合物袋中且然后被置于加熱的高壓釜中。雖然該方法在機械上可行，但是高壓釜設備的相對高成本增加了成品的成本。

發明內容

使用傳統的細絲卷繞工藝以預浸漬的纖維絲束來包繞襯套。相比其它工藝，預浸絲束提供更受控制的樹脂含量和在固化部分中的更少變化，并且比濕法提供更清潔的過程，揮發性氣體化合物的排放很少或者沒有。樹脂可包含納米材料，其增加了所得到的復合物結構的強度。收縮包繞帶包繞在強化纖維上，并且對帶施加熱量以對強化纖維施加壓縮力，以便防止在固化樹脂中形成空隙并且使樹脂本身固化。帶可被穿孔以允許樹脂滲到收縮包繞帶的外表面上，在成品上形成保護層。

附圖說明