專利名稱：用于制造儲罐內襯的方法
用于制造儲罐內襯的方法
本申請要求2006年3月29日提交的美國臨時申請60A786716 的優先權，并且通過引用將其結合在此。
背景技術：
本發明涉及用于制造聚合物內襯的一種方法，該聚合物內襯用 于一個儲罐，特別是用于氫儲罐。
壓縮氣體作為運|命燃津+正在成為一個越來越普遍的選纟奪。隨著 越來越多的車輛使用壓縮氣體作為燃料，更多的強調需要放在這種 車輛的燃坤牛系統的排;改物上。當前，存在來自壓縮氣體燃料系統的 一個要求，該要求針對來自這樣一個系統的氣體滲透的安全風險。 然而，當前不存在4十對壓縮氣體滲透的環境問題的標準。當引進這 樣一個標準時，它可能要比當前的排放標準限制性更強。
今天，在運輸車輛中使用的大多數壓縮氣體罐都凈皮設計為存儲 壓縮的曱烷氣(CH4)并且是類型III或類型IV。然而，由于環境 的原因，人們希望改用壓縮氬氣(H2)作為燃料。當前沒有用壓氣 縮氫作為燃料的投產的車輛。
與氫氣相比，由于甲烷分子尺寸較大，常夫見的II型、III型和 IV型罐在充入壓縮甲烷氣時滿足當前的滲透要求。然而，對于壓縮 氫氣，這些常規的罐不一定滿足要求，尤其是如果，像預期的那樣， 引入了更具限制性的要求。儲罐已經被劃分為不同的類別。II型罐涉及所有鋼罐，通常它 們相當重并且因此對于車輛它們不受歡迎。III型罐是有鋁4于層的復 合罐。這些罐示出了優良的排放結果，但是相當昂貴。IV型罐是帶 有聚合物襯層的復合罐。IV型罐也有非常好的排放結果但是，與III
型罐相比，這些罐具有更輕和較不昂貴的進一步的優點。因此，IV
型罐是最可能是用于壓縮氫氣儲罐的候選罐。
IV型儲罐的一個例子在US5，429,845中示出，它4皮露了一個儲 罐，該儲罐包括一個非金屬內襯，它由塑料或其他彈性體制造并且 是通過壓縮模制、吹氣模制、注塑模制或者任何其他總體上已知的 技術制成一件。該內襯具有一個總體上圓柱形的中央部分和一個總 體上4共形的端部，該端部帶有用于 一 個金屬寫 關通凸臺的連4妄物。 US5，476,189中透露了另 一個相似的儲罐，其中該內襯具有一個總 體上半球體的端部，該端部帶有用于 一個金屬3f關通凸臺的連4妻物。
乂人WO 03/031860中也知道制造一個壓力容器，該壓力容器具 有一個外部加強層和一個內4于，該內^)"包4舌在一個圓^主體上只于頭焊 接的半球體的端蓋。這個結構具有的優點是金屬連接件(即用于固 定一個閥門，以允許在該容器中引入加壓流體)可以容易地由端蓋 進行包覆模制，而圓柱體可以通過常規的模制技術獲得。然而，這 樣的 一個襯層是一個單層的聚丙烯襯層，就:參透性而言它導致不良 結果。
在DE 103 60 953中也已經提出使用 一個相似的結構(帶有外 部玻璃或碳纖維復合物的內襯)，但帶有基于HDPE以及EVOH的 一個多層的襯層，就滲透性而言，它產生較好的結果。然而，該文 件中披露的襯層制作方法相當復雜，因為該襯層是通過多步驟注塑 模而制成一件。結合兩個文件傳授的內容(即選擇具有一個圓柱體和焊接端蓋 的一個襯層，但其中圓柱體是有多層結構制成)將即能提供一個改 進的方法用于制造一個儲罐的內襯也能提供用于獲得改進的儲罐 的一種改進的內襯。
然而，多層結構的焊接一般在焊接區導致連接問題(即，就機 械性能和滲透性而言)。
發明內容
本發明的目的是解決該問題并且提供用于制造聚合物內襯的 一種方法，該聚合物內襯用于一個儲罐，特別是用于一個氫儲罐，
該方法包纟舌如下步,《
-提供一個，該圓柱體由聚合物材料制造并且包括一個結構層 和一個阻擋層，所述圓片主體具有一個第一開口端部以及^立于所述開
口端部的一個第一外周連4妾片；
-提供由聚合物材料制造的 一 個拱形端蓋，該端蓋有 一 個基座， 該基座帶有實質上與該圓柱體的第一開口端部的截面相只于應的一 個截面，并且在所述端蓋的一個外周端部有一個第二外周連接片；
-將該端蓋以其基座安置于該圓柱體的第一開口端部上，并且 使所述第一和第二外周片相互接觸；以及
-將兩個連4妻片焊4妾在一起。
才艮據本發明的一個方面，該端蓋的一個外周端部配備有一個外 周連接片，該外周連接片用于焊接到該圓柱體的開口端部的一個外 周連接片上。這樣一種連接允許將滲透的風險限制在端蓋與圓柱體 之間的連接部并且提供一個強的機械連接。"連接片"是指該圓柱體的壁和該端蓋對應的 一個延伸，它允許 兩個部件在他們的外表面之一的一個實質性部分上被彼此相焊接。 優選地，這些片被向內彎曲，這樣使兩個部件的外表面被焊在一起， 給出一個向內的突起，該突起通過其構造沖是供一個強的和不'滲透的 連接。
焊接片的尺寸優選大于外殼的壁厚度，以便于材料的折疊，但 足夠地小到足以保證焊接的機械性能不是顯著不同于該襯層其余 部分的性能的，由此緩解由于一個應力上升引起的失效風險。焊接
片的長度至少是壁厚度的兩倍，但不超過襯層壁厚度的5或甚至4 倍，就此方面是一個好的折衷。
用這樣一種方法，具有好的排;改結果的 一個內襯可以更加成本 有效地進行生產。它不必要使用 一個復雜的注塑模制方法來生產整 個內襯。在普通燃料箱領域眾所周知的常規吹氣模制技術可以用于 制造圓柱體。并且，本方法為制造不同的長度的內襯提供了一種容 易和有效的解決方案。確實，為了形成完整的內4十，可將一個4共形 端蓋連接到任何長度的一個圓柱體上。此外，根據本方法的內襯提 供了優良的滲透質量并且同用于壓縮氫氣的儲罐相關聯它是合適 的。最后，這些端蓋例如可以在一項或多項4諸罐功能所要求的配件 上進行包覆模制或者通過將現存部件熱壓模制所述配件(或用于它 們的連^t妾部件)固定到這些熱壓才莫制的部件上。
在才艮據本發明的方法中，該端蓋優選也配備了至少一個結構層 和至少一個阻擋層。在圓柱體和端蓋這兩個部件中，該阻擋層優選 夾在兩結構層之間，如同在常規的燃料罐中的情況。在發明的整個 內襯中存在的一個阻擋層進一步增強其滲透性能。其結果是，一 個具有使用該優選實施方案制造的內襯的一個儲罐可以用于減少 從儲罐向大氣的排放。它還允許儲存更小分子的氣體，例如像氫氣。在該結構層和阻擋層之間可以提供一個粘合劑層用于粘合這 二個層(或三個)層。該粘合劑層可以由對該結構層和阻擋層均粘
合的任何材料制成，例如像以下所述的用于一種PE/EVOH構型的 文良粘附性LDPE。
優選地，該結構層包4舌聚乙晞(PE)或聚酰胺(PA)。
該阻擋層優選包括乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)并且具有一個 小于500 pm甚至小于300 fim的厚度。
該圓柱體可以具有一個第二開口端，它與該第一開口端相對并 且同樣包括一個外周連4妄片，而且該方法可以包4舌以下進一步的步 驟
-提供由聚合物材料制成的一個另外的拱形端蓋，該另一個端 蓋具有一基座，該基座有一個實質上對應于該圓柱體的第二開口端 的截面的一個截面以及一個外周連4妄片；
-將該另一個端蓋以其基座安置于該圓柱體的第二開口端上， 并且使兩個連接片相互接觸；以及
-通過把兩個連接片焊接在 一起而把該另外的端蓋焊接于該圓 柱體的第二開口端上。
本發明進一 步涉及根據以上方法制造的 一個內襯和包括這樣 一個內襯的一個儲罐。
上述的這一內襯確實整體上與一個外殼結合來4是供一個儲罐。 該外殼的性質是任何適合于容納至少10巴壓力的結構。這個結構 可以由一個金屬結構的形式或更優選地以一種纏繞在該內襯的外 部一種碳纖維細絲復合物的形式來實現并且然后優選纏繞一層更加耐沖擊的材料。優選地，該內襯和該外殼是彼此同軸相鄰而且除 外殼在內襯上的機械性限制外，二者沒有連接并且以不同的比率收 縮和膨脹。
如上面已經解釋的，該儲罐(內襯)的至少一個端蓋配備了一 個連接部件(寫關通凸臺)，它允許一個附件(例如閥門)到j渚罐上 的連接。該部件優選是一個金屬部件。在該內襯的端蓋是注塑模制 的情況下，它可以用該內襯的端蓋進行包覆模制。可替代的，在該 內襯周圍纏繞^友絲復合物之前，這個部件可以是置于該內襯端蓋頂 部的一個分離部件。當該端蓋是通過熱壓成形而獲得時這個實施方 案尤其優選。在這種情況下，該內襯端蓋外表面以及該連4妾部件的
下表面優選配備有一種相應的凹凸(例如凹槽和隆起)來防止在 纏繞纖維復合物層時該連接部件轉動。
最后，本發明還涉及將上述的一個罐用于儲存氫氣的用途。
本發明進一步的方面可通過參見一個優選實施方案的詳細說 明而變得清楚。
以下附圖形成本說明書的 一個整體部分并且要與說明書 一起 閱讀。本發明的詳細說明是本發明的 一個優選實施方案的非限制性 說明。
圖1是才艮據本發明的原理制造的一種聚合物內村的一個頂部l殳 的示意圖。
圖2是才艮據本發明的一個第一方面穿過該內襯的截面圖。 圖3是^4居本發明的一個第二方面穿過該內襯的截面圖。圖4是根據本發明的一個第三方面穿過該內襯的截面圖。
圖5是才艮據本發明一個優選實施方案的一個金屬聯通凸臺、以 及根據本發明將其封裝入一個罐中的方式的詳圖。
具體實施例方式
參見圖1, 一種聚合物內襯的頂部段總體上由IO標明，并且包 *括一個圓柱體12,其第一端在圖l中示出，以及一個^^形端蓋14。
圓柱體12包括一個第一開口端16和一個第一外周連4妾片18。
該端蓋14有一個基座和一個頂端，其中該基座有一個第二開 口端19,并且該頂端有一個聯通開口 20用來形成該4諸罐的內月空與 其外部之間的聯通。端蓋14在它的基座包括一個第二外周連接片 22。
這些外周連4妄片18， 22安排的方式為4吏該端蓋14^皮;改置在該 圓柱體12的第一端上時，這些外周連4妻片18， 22^皮對齊并且能通 過焊接而連結。 一旦焊接到一起，圓柱體12和端蓋14形成一個內 腔24,其中可以4諸存壓縮氣體。
由于這些外周連4妄片18， 22,在圓一主體12和端蓋14之間的連 ^妾處通過內^H" 10而泄漏氣體的風險凈皮降^f氐。
圖2中示出的內4十10包4舌夾在第一和第二結構層28, 28，之間 的一個阻擋層26，而粘合劑層30， 30，安排在阻擋層26和結構層 28, 28，之間。在圖3中示出的內襯10包括通過一個粘合劑層30 連才妄到一個結構層28的一個阻擋層26。在圖4中示出的內襯IO包 括與結構層28直接相連的阻擋層26。這些結構層28, 28，可以用由PE制成，并且可以具有在1和 8mm之間的厚度范圍。另外一種例如可以用作結構層的材料是PA。 阻擋層26可以由EVOH制成并且可具有在50和500 pm之間的范 圍內的一個厚度。粘合劑層30, 30，可以由任何對結構層和阻擋層 均能粘合的材料制成，例如用于以上PE/EVOH構型的改良粘附性 的LDPE。該內襯10的總體厚度是在2和17 mm之間的范圍內。
返回到圖1， ^立于該端蓋14頂部的耳關通開口 20與一個金屬聯: 通凸臺協作，該凸臺由參考號32示意性表示并總體上標明，以產 生該^f渚罐內部與其外部之間的一個耳關通通道。 一個閥門(未示出) 總體上安裝在這個耳關通通道里。通過這個if關通通道，壓縮氣體可以 送入儲罐被并從中放出。
圖5示出帶有凹槽41的一個金屬耳關通凸臺40，這些凹沖曹與內 襯的端蓋14上相應的凸起(未示出)互鎖。當一個復合纖維外殼 42圍繞該內襯纏繞時，這些凹槽41防止所述凸臺40的旋轉，并因 此允i午所述凸臺40在lt繞過禾呈中近1亭留在該端蓋14的頂部。
盡管已經示出并詳細說明了具體實施方案來闡述本發明的原 理，應理解本發明無需背離這些原理即可由其他方式實施。例如， 本領域的普通技術人員從以上討論并從附圖中很容易識別到并聲 稱可以估文出不同的更改，調整和變體而無需背離如以下權利要求中 所說明的本發明的精神和范圍。
參考數字
10聚合物內4于 12圓柱體
14 4共形端蓋 16第一開口端部
18第一個外周連4妄片 19第二開口端部20聯通開口
24內腔
28第一結構層
30粘附層
32金屬耳關通凸臺示意圖 41所述凸臺上的槽
22第二外周連接片 26阻擋層 28，第二結構層 30'粘附層
40金屬聯通凸臺的細節 42外殼
權利要求
1.一種用于制造儲罐，特別是氫儲罐，的聚合物內襯的方法，該方法包括以下步驟提供一個圓柱體，該圓柱體由聚合物材料制成并且包括一個結構層和一個阻擋層，所述圓柱體具有一個第一開口端部和位于所述開口端部的一個第一外周連接片；提供由聚合物材料制造的一個拱形端蓋，該端蓋具有一個基座，該基座具有一個基本上和圓柱體的第一開口端部的橫截面相對應的一個橫截面，并且在所述端蓋的一個外周端部具有一個第二外周連接片；該端蓋以其基座安置于該圓柱體的第一開口端部上，并且使所述第一和第二外周片相互接觸；以及將兩個連接片焊接在一起。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中這些焊接片被向內彎曲以使 該圓柱體的外表面與該端蓋的外表面纟皮焊接在一起。
3. 根據前述任一權利要求所述的方法，其中這些焊接片具有的長 度大于該襯層壁厚度但是不超過該襯層壁厚度的5倍。
4. 才艮據前述任一片又利要求所述的方法，其中該圓柱體是通過吹氣 模制而制成的。
5. 根據前述任一權利要求所述的方法，其中這些端蓋是在一項或 多項儲罐功能所要求的配件上模制的，或者是通過對現存部件 熱壓才莫制并且將此類配件(或用于它們的連4妻部件)固定到這 些熱壓才莫制的部件上而獲得。
6. 根據前述任一權利要求所述的方法，其中該阻擋層包括一種乙 烯乙烯醇共聚物(EVOH)并且具有小于500 |Lim的一個厚度。
7. 使用由前述任一權利要求所述的方法獲得的一種襯層制造一 個4諸罐的一種方法，其中 一個石灰纖維細絲復合物-故纏繞在該襯 層的外部以產生一個外殼的至少一部分。
8. 根據前述權利要求所述的方法，其中該內襯以及該外殼彼此同 軸相鄰并且其中二者沒有連4妄，這才羊它們能夠以不同的比率膨 脹和收縮。
9. 根據權利要求7或8所述的方法，其中該儲罐配備有一個連接 部件，該部件允許一個配件(例如一個閥門)連4妾到這個<諸罐 上，這個連接部件在繞其纏繞該碳細絲復合物之前是放在該襯 層的端蓋頂部上的 一 個分離的部件，并且其中該襯層的端蓋的 外表面與該連4妾部件的下表面配備有一個對應的凸部，該凸部 在纏繞纖維復合物時防止該連接部件轉動。
10. 由^又利要求7-9中任一項所述的方法獲得的一個4諸罐在用于 儲存氫中的應用。
全文摘要
一種用于制造儲罐，特別是氫儲罐的聚合物內襯的方法，其中該方法包括以下步驟提供一個圓柱體，該圓柱體由聚合物材料制成并且包括一個結構層和一個阻擋層，所述圓柱體具有一個第一開口端部和位于所述開口端部的一個第一外周連接片；提供由聚合物材料制成的一個拱形端蓋，該端蓋具有一個基座，該基座具有基本上與圓柱體的第一開口端部的橫截面相對應的一個橫截面，并且在所述端蓋一個外周端部具有一個第二外周連接片；將該端蓋以其基座安置于該圓柱體的第一開口端部上，并且使所述第一和第二外周片相互接觸；以及將兩個連接片焊接在一起。使用這樣一種內襯制成的儲罐和使用這種儲罐儲存氫氣。
文檔編號F17C1/16GK101410666SQ200780011501
公開日2009年4月15日 申請日期2007年3月26日 優先權日2006年3月29日
發明者戴維·希爾, 紹林·梅赫塔, 詹姆斯·愛德華·湯普森 申請人:因勒紀汽車系統研究公司