专利名称：用于制造储罐内衬的方法
用于制造储罐内衬的方法
本申请要求2006年3月29日提交的美国临时申请60A786716 的优先权，并且通过引用将其结合在此。
背景技术：
本发明涉及用于制造聚合物内衬的一种方法，该聚合物内衬用 于一个储罐，特别是用于氢储罐。
压缩气体作为运|命燃津+正在成为一个越来越普遍的选纟奪。随着 越来越多的车辆使用压缩气体作为燃料，更多的强调需要放在这种 车辆的燃坤牛系统的排;改物上。当前，存在来自压缩气体燃料系统的 一个要求，该要求针对来自这样一个系统的气体渗透的安全风险。 然而，当前不存在4十对压缩气体渗透的环境问题的标准。当引进这 样一个标准时，它可能要比当前的排放标准限制性更强。
今天，在运输车辆中使用的大多数压缩气体罐都净皮设计为存储 压缩的曱烷气(CH4)并且是类型III或类型IV。然而，由于环境 的原因，人们希望改用压缩氬气(H2)作为燃料。当前没有用压气 缩氢作为燃料的投产的车辆。
与氢气相比，由于甲烷分子尺寸较大，常夫见的II型、III型和 IV型罐在充入压缩甲烷气时满足当前的渗透要求。然而，对于压缩 氢气，这些常规的罐不一定满足要求，尤其是如果，像预期的那样， 引入了更具限制性的要求。储罐已经被划分为不同的类别。II型罐涉及所有钢罐，通常它 们相当重并且因此对于车辆它们不受欢迎。III型罐是有铝4于层的复 合罐。这些罐示出了优良的排放结果，但是相当昂贵。IV型罐是带 有聚合物衬层的复合罐。IV型罐也有非常好的排放结果但是，与III
型罐相比，这些罐具有更轻和较不昂贵的进一步的优点。因此，IV
型罐是最可能是用于压缩氢气储罐的候选罐。
IV型储罐的一个例子在US5，429,845中示出，它4皮露了一个储 罐，该储罐包括一个非金属内衬，它由塑料或其他弹性体制造并且 是通过压缩模制、吹气模制、注塑模制或者任何其他总体上已知的 技术制成一件。该内衬具有一个总体上圆柱形的中央部分和一个总 体上4共形的端部，该端部带有用于 一 个金属写 关通凸台的连4妄物。 US5，476,189中透露了另 一个相似的储罐，其中该内衬具有一个总 体上半球体的端部，该端部带有用于 一个金属3f关通凸台的连4妻物。
乂人WO 03/031860中也知道制造一个压力容器，该压力容器具 有一个外部加强层和一个内4于，该内^)"包4舌在一个圓^主体上只于头焊 接的半球体的端盖。这个结构具有的优点是金属连接件(即用于固 定一个阀门，以允许在该容器中引入加压流体)可以容易地由端盖 进行包覆模制，而圓柱体可以通过常规的模制技术获得。然而，这 样的 一个衬层是一个单层的聚丙烯衬层，就:参透性而言它导致不良 结果。
在DE 103 60 953中也已经提出使用 一个相似的结构(带有外 部玻璃或碳纤维复合物的内衬)，但带有基于HDPE以及EVOH的 一个多层的衬层，就渗透性而言，它产生较好的结果。然而，该文 件中披露的衬层制作方法相当复杂，因为该衬层是通过多步骤注塑 模而制成一件。结合两个文件传授的内容(即选择具有一个圆柱体和焊接端盖 的一个衬层，但其中圆柱体是有多层结构制成)将即能提供一个改 进的方法用于制造一个储罐的内衬也能提供用于获得改进的储罐 的一种改进的内衬。
然而，多层结构的焊接一般在焊接区导致连接问题(即，就机 械性能和渗透性而言)。
发明内容
本发明的目的是解决该问题并且提供用于制造聚合物内衬的 一种方法，该聚合物内衬用于一个储罐，特别是用于一个氢储罐，
该方法包纟舌如下步,《
-提供一个，该圆柱体由聚合物材料制造并且包括一个结构层 和一个阻挡层，所述圓片主体具有一个第一开口端部以及^立于所述开
口端部的一个第一外周连4妾片；
-提供由聚合物材料制造的 一 个拱形端盖，该端盖有 一 个基座， 该基座带有实质上与该圓柱体的第一开口端部的截面相只于应的一 个截面，并且在所述端盖的一个外周端部有一个第二外周连接片；
-将该端盖以其基座安置于该圆柱体的第一开口端部上，并且 使所述第一和第二外周片相互接触；以及
-将两个连4妻片焊4妾在一起。
才艮据本发明的一个方面，该端盖的一个外周端部配备有一个外 周连接片，该外周连接片用于焊接到该圓柱体的开口端部的一个外 周连接片上。这样一种连接允许将渗透的风险限制在端盖与圆柱体 之间的连接部并且提供一个强的机械连接。"连接片"是指该圆柱体的壁和该端盖对应的 一个延伸，它允许 两个部件在他们的外表面之一的一个实质性部分上被彼此相焊接。 优选地，这些片被向内弯曲，这样使两个部件的外表面被焊在一起， 给出一个向内的突起，该突起通过其构造冲是供一个强的和不'渗透的 连接。
焊接片的尺寸优选大于外壳的壁厚度，以便于材料的折叠，但 足够地小到足以保证焊接的机械性能不是显著不同于该衬层其余 部分的性能的，由此緩解由于一个应力上升引起的失效风险。焊接
片的长度至少是壁厚度的两倍，但不超过衬层壁厚度的5或甚至4 倍，就此方面是一个好的折衷。
用这样一种方法，具有好的排;改结果的 一个内衬可以更加成本 有效地进行生产。它不必要使用 一个复杂的注塑模制方法来生产整 个内衬。在普通燃料箱领域众所周知的常规吹气模制技术可以用于 制造圓柱体。并且，本方法为制造不同的长度的内衬提供了一种容 易和有效的解决方案。确实，为了形成完整的内4十，可将一个4共形 端盖连接到任何长度的一个圆柱体上。此外，根据本方法的内衬提 供了优良的渗透质量并且同用于压缩氢气的储罐相关联它是合适 的。最后，这些端盖例如可以在一项或多项4诸罐功能所要求的配件 上进行包覆模制或者通过将现存部件热压模制所述配件(或用于它 们的连^t妾部件)固定到这些热压才莫制的部件上。
在才艮据本发明的方法中，该端盖优选也配备了至少一个结构层 和至少一个阻挡层。在圓柱体和端盖这两个部件中，该阻挡层优选 夹在两结构层之间，如同在常规的燃料罐中的情况。在发明的整个 内衬中存在的一个阻挡层进一步增强其渗透性能。其结果是，一 个具有使用该优选实施方案制造的内衬的一个储罐可以用于减少 从储罐向大气的排放。它还允许储存更小分子的气体，例如像氢气。在该结构层和阻挡层之间可以提供一个粘合剂层用于粘合这 二个层(或三个)层。该粘合剂层可以由对该结构层和阻挡层均粘
合的任何材料制成，例如像以下所述的用于一种PE/EVOH构型的 文良粘附性LDPE。
优选地，该结构层包4舌聚乙晞(PE)或聚酰胺(PA)。
该阻挡层优选包括乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)并且具有一个 小于500 pm甚至小于300 fim的厚度。
该圓柱体可以具有一个第二开口端，它与该第一开口端相对并 且同样包括一个外周连4妄片，而且该方法可以包4舌以下进一步的步 骤
-提供由聚合物材料制成的一个另外的拱形端盖，该另一个端 盖具有一基座，该基座有一个实质上对应于该圆柱体的第二开口端 的截面的一个截面以及一个外周连4妄片；
-将该另一个端盖以其基座安置于该圆柱体的第二开口端上， 并且使两个连接片相互接触；以及
-通过把两个连接片焊接在 一起而把该另外的端盖焊接于该圓 柱体的第二开口端上。
本发明进一 步涉及根据以上方法制造的 一个内衬和包括这样 一个内衬的一个储罐。
上述的这一内衬确实整体上与一个外壳结合来4是供一个储罐。 该外壳的性质是任何适合于容纳至少10巴压力的结构。这个结构 可以由一个金属结构的形式或更优选地以一种缠绕在该内衬的外 部一种碳纤维细丝复合物的形式来实现并且然后优选缠绕一层更加耐沖击的材料。优选地，该内衬和该外壳是彼此同轴相邻而且除 外壳在内衬上的机械性限制外，二者没有连接并且以不同的比率收 缩和膨胀。
如上面已经解释的，该储罐(内衬)的至少一个端盖配备了一 个连接部件(写关通凸台)，它允许一个附件(例如阀门)到j渚罐上 的连接。该部件优选是一个金属部件。在该内衬的端盖是注塑模制 的情况下，它可以用该内衬的端盖进行包覆模制。可替代的，在该 内衬周围缠绕^友丝复合物之前，这个部件可以是置于该内衬端盖顶 部的一个分离部件。当该端盖是通过热压成形而获得时这个实施方 案尤其优选。在这种情况下，该内衬端盖外表面以及该连4妾部件的
下表面优选配备有一种相应的凹凸(例如凹槽和隆起)来防止在 缠绕纤维复合物层时该连接部件转动。
最后，本发明还涉及将上述的一个罐用于储存氢气的用途。
本发明进一步的方面可通过参见一个优选实施方案的详细说 明而变得清楚。
以下附图形成本说明书的 一个整体部分并且要与说明书 一起 阅读。本发明的详细说明是本发明的 一个优选实施方案的非限制性 说明。
图1是才艮据本发明的原理制造的一种聚合物内村的一个顶部l殳 的示意图。
图2是才艮据本发明的一个第一方面穿过该内衬的截面图。 图3是^4居本发明的一个第二方面穿过该内衬的截面图。图4是根据本发明的一个第三方面穿过该内衬的截面图。
图5是才艮据本发明一个优选实施方案的一个金属联通凸台、以 及根据本发明将其封装入一个罐中的方式的详图。
具体实施例方式
参见图1, 一种聚合物内衬的顶部段总体上由IO标明，并且包 *括一个圓柱体12,其第一端在图l中示出，以及一个^^形端盖14。
圆柱体12包括一个第一开口端16和一个第一外周连4妾片18。
该端盖14有一个基座和一个顶端，其中该基座有一个第二开 口端19,并且该顶端有一个联通开口 20用来形成该4诸罐的内月空与 其外部之间的联通。端盖14在它的基座包括一个第二外周连接片 22。
这些外周连4妄片18， 22安排的方式为4吏该端盖14^皮;改置在该 圆柱体12的第一端上时，这些外周连4妻片18， 22^皮对齐并且能通 过焊接而连结。 一旦焊接到一起，圓柱体12和端盖14形成一个内 腔24,其中可以4诸存压缩气体。
由于这些外周连4妄片18， 22,在圓一主体12和端盖14之间的连 ^妾处通过内^H" 10而泄漏气体的风险净皮降^f氐。
图2中示出的内4十10包4舌夹在第一和第二结构层28, 28，之间 的一个阻挡层26，而粘合剂层30， 30，安排在阻挡层26和结构层 28, 28，之间。在图3中示出的内衬10包括通过一个粘合剂层30 连才妄到一个结构层28的一个阻挡层26。在图4中示出的内衬IO包 括与结构层28直接相连的阻挡层26。这些结构层28, 28，可以用由PE制成，并且可以具有在1和 8mm之间的厚度范围。另外一种例如可以用作结构层的材料是PA。 阻挡层26可以由EVOH制成并且可具有在50和500 pm之间的范 围内的一个厚度。粘合剂层30, 30，可以由任何对结构层和阻挡层 均能粘合的材料制成，例如用于以上PE/EVOH构型的改良粘附性 的LDPE。该内衬10的总体厚度是在2和17 mm之间的范围内。
返回到图1， ^立于该端盖14顶部的耳关通开口 20与一个金属联: 通凸台协作，该凸台由参考号32示意性表示并总体上标明，以产 生该^f渚罐内部与其外部之间的一个耳关通通道。 一个阀门(未示出) 总体上安装在这个耳关通通道里。通过这个if关通通道，压缩气体可以 送入储罐被并从中放出。
图5示出带有凹槽41的一个金属耳关通凸台40，这些凹冲曹与内 衬的端盖14上相应的凸起(未示出)互锁。当一个复合纤维外壳 42围绕该内衬缠绕时，这些凹槽41防止所述凸台40的旋转，并因 此允i午所述凸台40在lt绕过禾呈中近1亭留在该端盖14的顶部。
尽管已经示出并详细说明了具体实施方案来阐述本发明的原 理，应理解本发明无需背离这些原理即可由其他方式实施。例如， 本领域的普通技术人员从以上讨论并从附图中很容易识别到并声 称可以估文出不同的更改，调整和变体而无需背离如以下权利要求中 所说明的本发明的精神和范围。
参考数字
10聚合物内4于 12圓柱体
14 4共形端盖 16第一开口端部
18第一个外周连4妄片 19第二开口端部20联通开口
24内腔
28第一结构层
30粘附层
32金属耳关通凸台示意图 41所述凸台上的槽
22第二外周连接片 26阻挡层 28，第二结构层 30'粘附层
40金属联通凸台的细节 42外壳
权利要求
1.一种用于制造储罐，特别是氢储罐，的聚合物内衬的方法，该方法包括以下步骤提供一个圆柱体，该圆柱体由聚合物材料制成并且包括一个结构层和一个阻挡层，所述圆柱体具有一个第一开口端部和位于所述开口端部的一个第一外周连接片；提供由聚合物材料制造的一个拱形端盖，该端盖具有一个基座，该基座具有一个基本上和圆柱体的第一开口端部的横截面相对应的一个横截面，并且在所述端盖的一个外周端部具有一个第二外周连接片；该端盖以其基座安置于该圆柱体的第一开口端部上，并且使所述第一和第二外周片相互接触；以及将两个连接片焊接在一起。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中这些焊接片被向内弯曲以使 该圓柱体的外表面与该端盖的外表面纟皮焊接在一起。
3. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中这些焊接片具有的长 度大于该衬层壁厚度但是不超过该衬层壁厚度的5倍。
4. 才艮据前述任一片又利要求所述的方法，其中该圆柱体是通过吹气 模制而制成的。
5. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中这些端盖是在一项或 多项储罐功能所要求的配件上模制的，或者是通过对现存部件 热压才莫制并且将此类配件(或用于它们的连4妻部件)固定到这 些热压才莫制的部件上而获得。
6. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中该阻挡层包括一种乙 烯乙烯醇共聚物(EVOH)并且具有小于500 |Lim的一个厚度。
7. 使用由前述任一权利要求所述的方法获得的一种衬层制造一 个4诸罐的一种方法，其中 一个石灰纤维细丝复合物-故缠绕在该衬 层的外部以产生一个外壳的至少一部分。
8. 根据前述权利要求所述的方法，其中该内衬以及该外壳彼此同 轴相邻并且其中二者没有连4妄，这才羊它们能够以不同的比率膨 胀和收缩。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，其中该储罐配备有一个连接 部件，该部件允许一个配件(例如一个阀门)连4妾到这个<诸罐 上，这个连接部件在绕其缠绕该碳细丝复合物之前是放在该衬 层的端盖顶部上的 一 个分离的部件，并且其中该衬层的端盖的 外表面与该连4妾部件的下表面配备有一个对应的凸部，该凸部 在缠绕纤维复合物时防止该连接部件转动。
10. 由^又利要求7-9中任一项所述的方法获得的一个4诸罐在用于 储存氢中的应用。
全文摘要
一种用于制造储罐，特别是氢储罐的聚合物内衬的方法，其中该方法包括以下步骤提供一个圆柱体，该圆柱体由聚合物材料制成并且包括一个结构层和一个阻挡层，所述圆柱体具有一个第一开口端部和位于所述开口端部的一个第一外周连接片；提供由聚合物材料制成的一个拱形端盖，该端盖具有一个基座，该基座具有基本上与圆柱体的第一开口端部的横截面相对应的一个横截面，并且在所述端盖一个外周端部具有一个第二外周连接片；将该端盖以其基座安置于该圆柱体的第一开口端部上，并且使所述第一和第二外周片相互接触；以及将两个连接片焊接在一起。使用这样一种内衬制成的储罐和使用这种储罐储存氢气。
文档编号F17C1/16GK101410666SQ200780011501
公开日2009年4月15日 申请日期2007年3月26日 优先权日2006年3月29日
发明者戴维·希尔, 绍林·梅赫塔, 詹姆斯·爱德华·汤普森 申请人:因勒纪汽车系统研究公司