[发明专利]制造压缩气筒的方法

说明书

本申请要求2012年3月22日提交的美国临时专利申请序列号61/614,207的优先权。

技术领域

公开了一种制造用于容纳压缩气体的压力容器的方法，在其中在被固化之前以浸渍树脂的强化纤维和收缩包绕聚合物带包绕薄壁柱体，以消除在固化的复合物中的空隙并且以在容器上形成保护层。

背景技术

压缩天然气(CNG)和加压氢气越来越多地应用为用于内燃机的替代燃料。因此，需要具有相对轻重量高强度的压力容器来容纳加压气体。对于这样的压力容器的机械要求包括在10000psi数量级上的相对高的爆裂强度。

用于存储压缩气体的压力容器存在四个基本类型。类型1柱体是全金属的并且在机械上低效，因为在加压气筒中的周向应力载荷近似两倍于轴向应力载荷。类型2柱体包括金属衬套，其带有浸渍树脂的连续强化纤维束(其仅在金属衬套的柱体上环向包绕)。所有轴向载荷由金属衬套负担而环向载荷由金属衬套和复合强化物的组合负担。类型3柱体包括金属衬套，其带有浸渍树脂的连续纤维束，其完全包绕在端部圆顶上且环向包绕在柱体上。类型4柱体包括非金属衬套，其带有浸渍树脂的纤维束，其完全包绕在端部圆顶上且环向包绕在柱体上。对于类型2、类型3以及类型4的CNG罐来，由工业和政府所采用的当前标准要求复合物外包装(overwrap)设计用于在连续载荷和循环载荷下具有高可靠性。该可靠性通过达到或超过2.25x工作压力的复合强化物应力比值来实现。对于带有3600psi工作压力的典型CNG罐，这是大约8100psi。

细丝卷绕是最惯常的复合物制造工艺之一，并且是选择用于生产CNG罐的方法。第一台卷绕机在20世纪60年代末开发出来并且起初被开发用于生产复合火箭外壳。在20世纪90年代，利用细丝卷绕技术生产复合压力容器被进一步开发。在过去30年中，细丝卷绕机配备有现代CNC控制器、改进的机架、自动起停模块和机器人系统，以给细丝卷绕机提供气体不可渗透的衬套。虽然这些发展减少了卷绕时间，但是该过程的劳动需求仍比较高。主要原因是与使用用于纤维浸渍的树脂浴相联系的问题以及与纤维浸渍(其与细丝卷绕相结合)相联系的相对低的卷绕速度。该问题通过使用预浸渍纤维束(即，预浸丝束)被克服。

两个卷绕模式对于压缩气筒是可能的：环向和轴向(也称为等张力(isotensoid))。类型2容器仅环向包绕。类型3和4容器主要是环向和轴向(等张力)包绕的组合。如果卷绕机配备多于一个卷绕头，容器可在同一卷绕机中被细丝卷绕。

除了使用强化纤维之外，压力容器的制造要求聚合树脂，诸如热固性环氧树脂，例如，以将强化纤维彼此结合并且结合至柱形衬套。树脂还起在纤维间传递应力的重要功能。

存在将树脂施加到纤维的各种方法。可使用一种树脂传递模塑工艺，在其中可将干的未浸渍的纤维层包绕到柱体(其然后被置入阴模中)上。未固化的相对粘性的树脂然后在压力下被注入模具中。一旦注入，树脂被加热，并且树脂因此完成其聚合周期并且变硬。树脂传递纤维强化的柱体然后被从模具中移除。该工艺的主要限制是模具和工具的相对高的成本以及树脂固化或聚合所花的时间。

还可利用湿细丝卷绕工艺来制造CNG罐。这是这样一种工艺，在其中使纤维丝束经过树脂浴以浸渍该丝束，并且然后在其在烤箱中在高温下固化之前将其围绕心轴包绕。湿卷绕具有该工艺所固有的大量树脂浪费，并且以在制造过程期间产生大量挥发性有机化合物而著称。湿卷绕的柱体还可在固化的复合结构中具有非承载空隙。

用于施加树脂的另一方法涉及使用预浸渍的或“预浸”纤维，其具有在包绕过程之前施加给其的部分固化的树脂。由于树脂部分固化，树脂不再处于液态，并且可由自动装备将纤维卷绕到衬套上。

克服成品中的空隙的一途径是在最终树脂固化之前通过柔性套筒将压力施加到纤维的外表面上。这通常通过使用“装袋工艺”来完成，其中，覆盖有预浸渍纤维的柱体被放置在相对柔性的聚合物袋中且然后被置于加热的高压釜中。虽然该方法在机械上可行，但是高压釜设备的相对高成本增加了成品的成本。

发明内容

使用传统的细丝卷绕工艺以预浸渍的纤维丝束来包绕衬套。相比其它工艺，预浸丝束提供更受控制的树脂含量和在固化部分中的更少变化，并且比湿法提供更清洁的过程，挥发性气体化合物的排放很少或者没有。树脂可包含纳米材料，其增加了所得到的复合物结构的强度。收缩包绕带包绕在强化纤维上，并且对带施加热量以对强化纤维施加压缩力，以便防止在固化树脂中形成空隙并且使树脂本身固化。带可被穿孔以允许树脂渗到收缩包绕带的外表面上，在成品上形成保护层。

附图说明