流體壓力容器的接管與襯裡的連接系統的製作方法
2023-08-07 21:00:26 1
專利名稱：流體壓力容器的接管與襯裡的連接系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及包括非金屬襯裡的流體壓力容器，具體涉及一種用於將此種壓力容器所用的接管連接到襯裡上的新的改進的系統和結構。
複合材料(纖維增強樹脂基)容器或罐已被普遍用於貯存各種壓力流體，包括貯存氧、天然氣、氮、火箭燃料、丙烷等。此種複合材料結構具有許多優點，如重量輕和耐腐蝕、抗疲勞、抗突然失效。這種重量輕和抗失效的結合之所以可能，歸功於增強纖維或增強絲(碳、玻璃、芳族聚醯胺等)的高強度，在壓力容器結構中，這些纖維通常沿主力方向取向。
因為複合材料壓力容器(殼體)的樹脂基體在操作和使用期間容易產生破裂和裂紋，所以壓力容器常常裝有防流體滲透的襯裡。雖然最常用金屬襯裡，但也使用合成橡膠和熱塑性塑料襯裡。有利的情況是，襯裡不但設計成防止壓力容器滲漏，而且用作壓力容器製造期間的型芯，也就是用於限定複合材料殼體的外形輪廓。
當重量輕的複合材料殼體被用於承受大部分負載而襯裡承受小負載時，結構效率達到最大;因此，如果使用金屬襯裡，那麼襯裡必須相當薄，以便減輕重量。但是，薄的金屬襯裡其疲勞壽命短，由於為了延長壽命而犧牲重量輕這一問題(反之亦然)，用戶愈來愈注意到使用重量較輕而防滲的非金屬襯裡。
使用非金屬襯裡的一個問題是將襯裡牢固地連接到通常為金屬的壓力容器接管上。端部接管支承進出壓力容器的流體通道，同時通過在壓力容器的兩端或兩極提供纖維轉盤並在如果使用繞絲構成殼體時提供型芯支承，從而可以在複合材料殼體的製造中起作用。當使用金屬襯裡時，此種接管通常與襯裡整體製造，但是隨著非金屬襯裡使用的增加，已經需要將接管連接到襯裡上的其他方法。某些將非金屬襯裡連接到接管上的先有技術包括將接管膠粘結合在襯裡上(如果襯裡有足夠剛性)和簡單依靠壓力容器中的內壓來提供接管一襯裡密封(如果襯裡為柔性的可摺疊膜)。附圖中圖2和圖3舉例說明了這兩種將非金屬襯裡連接到接管上的方法，過一會兒將會討論。
但是，上述兩種方法產生的問題包括在疲勞循環或在金屬(接管)對非金屬(襯裡)的結合暴露於某種環境下的斷裂，和由於大多數金屬與非金屬之間熱膨脹係數明顯不同而產生的結合的分離，以及襯裡在殼體中的移動(如果只依靠內壓)產生的通過接管一襯裡結合部的滲漏通路。
除了需要將襯裡合適地連接到接管上以外，同樣重要的是在複合材料殼體/金屬接管界面上形成一個剪切層，以減小在該界面上產生大的剪切應力的傾向。過去已經使用過橡膠複合物作為此種剪切層，但這類複合物隨著時間的推移易於分離。
本發明的一個目的是提供一種用於將流體壓力容器的襯裡連接到壓力容器端部接管上的新的改進的系統。
本發明的另一個目的是提供這樣一種系統，它特別適合於將非金屬襯裡連接到金屬或類似的剛性接管上。
本發明的又一個目的是提供這樣一種系統，其中壓力容器襯裡和接管之間的流體滲漏的可能性減小了。
本發明的一個附加目的是提供這樣一種系統，其中，壓力容器襯裡/接管連接結構也起壓力容器的外殼和接管之間的剪切層的作用。
本發明的另外一個目的是提供這樣一種系統，其中，壓力容器中的內部流體壓力被用來增強襯裡與接管的連接。
本發明的上述和其他目的在一個用於保持流體的壓力容器的專門舉例說明的實施例中得到實現，該壓力容器包括一個由基本上剛性的機械強度高的材料如纖維增強樹脂複合材料製成的外殼，並具有至少一個其中帶開孔的扁球形端部區段。壓力容器還包括一個接管，接管具有一個裝入外殼開孔的頸部和一個從頸部的一端向外延伸的法蘭部分。在外殼內部對著其內表面設置了一個通常不滲透流體的內部襯裡，襯裡包括至少一個端部區段，後者帶一個與外殼開孔對準的開孔。內部襯裡有一個環繞襯裡開孔的雙層唇形結構，它具有一個上唇部分和一個下唇部分，兩部分之間有一個環形凹口，用以容納和保持接管的法蘭部分。實際上，接管的法蘭部分被密封在襯裡的上下唇部分之間的凹口內，凹口將法蘭部分牢固地保持在其位置上。
按照本發明的一個方面，接管包括一個延伸通過頸部的通常為圓筒形的空心通道，在頸部延伸出法蘭部分的一端形成一個第一開孔，在頸部的另一端形成一個第二開孔。下唇部分在接管的法蘭部分下方沿徑向向內延伸，然後向上通過第一開孔並沿接管的空心通道壁伸到一個位置，在該位置上一個附屬裝置或附件如閥門通過第二開孔裝入空心通道。襯裡以這種方式直接接合到此附件上，以形成一個更加防漏的結合部。
考慮下述與附圖一起提供的詳細說明，將會清楚本發明的上述和其他目的、特點和優點。附圖中
圖1是一個本發明特別適用的那種類型的複合材料容器的側面立視圖;
圖2是一個按照常規先有技術方法的帶有合成橡膠襯裡的複合材料容器的側視局部截面圖，襯裡僅僅利用容器內流體的內壓連接到接管上;
圖3是一個複合材料容器的側視局部截面圖，該複合材料容器具有一個以常規方式結合到接管上去的剛性的非金屬襯裡;
圖4是一個按照本發明原理製成的流體壓力容器的側視局部截面圖;
圖5A和5B分別表示一個按照本發明原理製成的壓力容器接管的頂視平面圖和一個沿圖5A中A-A線截取的接管的側視截面圖。
參考附圖，圖1表示一個可以使用本發明的典型的複合材料(纖維增強樹脂)壓力容器4。容器4包括一個通常為空筒的中心區8和兩個整體結合的扁球形端部區12和16。端部區12和16包括軸向對準的開孔20和24，開孔中分別設置了作為出入口的接管28和32。如前所述，接管28和32通常用金屬或金屬合金製成，並且可以裝設閥門之類的附件，使得能夠將流體供入壓力容器4或從容器4中取出流體。在壓力容器的製造期間，接管28和32通常也用作纖維轉盤和型芯支承。
雖然接管28和32圖示位於端部區12和16，有時被稱作極區，但接管也可以置於其他位置，並可以設置兩個以上的接管。同樣，也可以提供完全球形的容器，就象可以提供其他常規的容器形狀一樣，接管則設置在所希望的位置上。
圖2和圖3表示將圖1所示類型的容器中所用的非金屬襯裡連接到端部接管上去的先有技術方法。具體地說，圖2表示一個複合材料容器的殼體40的側視局部截面圖，殼體40中設置了一個合成橡膠襯裡44。襯裡44的位置對著殼體40的內表面並延伸到殼體的開孔48中。接管52設置在開孔48中，它包括一個下法蘭部分56，後者的位置對著圍繞開孔48的襯裡44。採用這種先有技術構型，容器中對著接管52的內壓被用來幫助對著接管密封襯裡44。但是，在容器內部出現真空的情況下，密封多半會破壞，將汙染物引入容器中，並在接管52和襯裡44之間形成滲漏通路。即使對準備作高壓用途的容器也常常出現內部真空，比如一個容器部分地充滿流體然後冷卻而產生出真空。
圖3用側視局部截面圖示出一個壓力容器的殼體60，其中設置了一個剛性的非金屬襯裡64。接管68設置在殼體60的開孔72中並粘結在襯裡的頂壁64a上，以便在襯裡和接管之間提供所需的密封。但是，如前所述，非金屬材料(如塑料)對金屬的粘結在用於接管一襯裡連接時是難於維持的，它通常隨著時間和使用而變壞，導致接管一襯裡界面上的滲漏。
圖4表示一種按照本發明製造的流體壓力容器80的側視局部截面圖。壓力容器80包括一個外殼84，後者具有一個空筒形中心區84a和兩個(僅圖示一個)與中心區整體形成的扁球形(通常為橢球形)的端部區84b。如圖4所示，端部區84b中形成軸向對準的開孔88(僅圖示其中之一)。殼體84是以常規方式用纖維增強樹脂複合材料製成的。
在殼體84內部設置了例如由聚乙烯、尼龍聚醯胺或對苯二甲酸聚乙烯(PET)之類熱塑性材料製成的不滲透流體的襯裡94。襯裡94對著殼體84的內表面設置，因此具有與殼體同樣的總體形狀，並包括一對與殼體的相應開孔88對準的開孔98(只圖示了其中一個)。
端部接管104相應地設置在殼體和襯裡的相鄰開孔88和98中，接管通常用鋁或碳鉻鉬合金鋼之類金屬或金屬合金製成。接管104有一個軸向圓筒形空心通道或孔108，其上部108a用於接受閥門之類的附件，以便將流體供入容器80或從容器80中取出。如圖5B中最清楚地看到的，接管104也有一個通常為圓筒形的頸部112，它安裝在殼體84的開孔88內，一個法蘭盤或法蘭部分116從頸部下端沿徑向向外延伸。法蘭部分116的下表面通常為凸形，並在法蘭下表面和空心通道108的內側壁118之間包括修圓的邊緣116a。同樣，法蘭部分116的頂部和頸部112之間的過渡區116b是光滑和修圓的。這樣做的原因是有助於減少接管和仿照接管輪廓的襯裡中的應力集中，這一點將在下面說明。
接管104的空心通道108中形成了一個圓周溝槽120(見圖5B)，如下邊將說明的，這個溝槽用於接受一部分襯裡94，以有助於將襯裡牢固地保持在其位置上。
如圖4中清楚地看到的，圍繞襯裡94中開口98的那部分襯裡94形成雙唇形配置，它包括一個上唇部分124，當接管就位時該上唇部分124環繞接管104的頸部112，並覆蓋接管的法蘭部分116的上表面。襯裡94的雙唇形結構還包括一個下唇部分128，該下唇部分在接管的法蘭部分116的下表面下方從上唇部分124的下側沿徑向向內延伸，然後沿空心通道的壁118向上進入空心通道108，這也可從圖4中清楚見到。下唇部分128的終端形成一個環形圈128a，裝入接管104的圓周溝槽120，用於將下唇部分128保持在空心通道108中。上唇部分124和下唇部分128在這兩個部分之間限定一個環形凹口132，用以容納並在實際上密封和保持接管104的法蘭部分116，如圖4中所示。
利用襯裡94的雙唇形結構和帶法蘭部分116的接管104的設計，就不需要將接管粘結到襯裡上了，因為上述法蘭部分116已被容納和封閉在唇形部分124和128之間的凹口132內。接管104的設計也兼顧利用壓力容器中的內部流體壓力，以增強襯裡94在接管上的附著。特別是，內部壓力迫使下唇部分128頂著法蘭部分116的底部表面和頂著空心通道108的壁118。此種壓力也迫使下唇部分128的環圈128a進入圓周溝槽120。這個溝槽120和下唇部分128的環圈128a在溝槽中的鎖定用於在增壓和減壓期間防止襯裡94滑脫。同時，將空心通道108中的下唇部分128定位在圓周溝槽120的位置上，能夠在襯裡94和空心通道108的入口部分108a之間形成一個直接的接合(該處將接受一個附件，如閥門)，從而儘可能減少產生滲漏通路之類的情況。
襯裡94的上唇部分124設置在接管104和殼體84之間，特別是設置在接管的法蘭部分116和殼體84之間，起前面提到的剪切層的作用。
為了增強接管104和襯裡94之間的扭矩傳遞，在法蘭部分116的周邊上間隔地設置了輪牙或切口136，如圖5A中清楚地見到的。這些切口136被安置成與上唇部分124和下唇部分128之間的環形凹口132的壁相接觸，以有助於接管和襯裡之間的扭矩或剪力傳遞。接管104的法蘭部分116的上表面和下表面也可以弄粗糙或以其他方法處理，以分別防止在上唇部分124和下唇部分128上的滑動，從而進一步增強扭矩傳遞。
可以理解，上述配置僅僅舉例說明本發明原理的應用。本技術領域的普通技術人員可以設計許多變型和替換的配置而不偏離本發明的精神和範圍，而所附的權利要求將包括這樣的變型和配置。
權利要求
1.一種保持流體用的壓力容器，包括一個外殼，它由基本上剛性的機械強度高的材料製成，並具有至少一個其中帶開孔的扁球形端部區段；接管裝置，它具有一個裝入所述外殼中的開孔的頸部和一個從頸部的一端向外延伸的法蘭部分，接管裝置還具有一個大體上與所述外殼中的開孔對準的通常為圓筒形的空心通道；一個通常不滲透流體的內部襯裡，它設置在所述外殼內部對著外殼的內表面，並具有至少一個端部區段，後者帶有一個與所述外殼中的開孔對準的開孔，所述內部襯裡有一個環繞所述襯裡的開孔的雙層唇形結構，該雙層唇形結構有一個上唇部分和一個下唇部分，在這兩部分之間有一個環形凹口，用於在其間容納和保持所述接管裝置的法蘭部分，所述上唇部分被保持在所述外殼的內表面和接管裝置的一個表面之間，而所述下唇部分在接管裝置的法蘭部分的下方沿徑向向內延伸，然後沿所述空心通道的內壁向上進入接管裝置的空心通道；以及將所述下唇部分保持在所述空心通道內位置上的保持裝置。
2.一種如權利要求1所述的壓力容器，其特徵是，所述外殼是用複合的纖維增強樹脂材料製成的，所述內部襯裡是用非金屬材料製成的，而所述接管裝置是用金屬或金屬合金製成的。
3.一種如權利要求1所述的壓力容器，其特徵是，所述法蘭部分包括一個下表面和一個上表面，所述下唇部分在該下表面下方延伸，所述上唇部分在該上表面上方延伸，所述下表面通常沿徑向成凸面，並且在該下表面和所述空心通道的內壁之間包括修圓的邊緣。
4.一種如權利要求3所述的壓力容器，其特徵是，所述接管裝置的法蘭部分的下表面和上表面具有不滑的粗糙結構，以分別防止在所述下唇部分和上唇部分上面的滑動。
5.一種如權利要求1所述的壓力容器，其特徵是，所述保持裝置包括一個在所述空心通道內壁中形成的圓周溝槽，所述下唇部分終止於一個裝入所述空心通道的溝槽中的環形圈。
6.一種如權利要求1所述的壓力容器，其特徵是，所述接管裝置的法蘭部分包括一個具有在其周邊間隔設置的多個切口的外緣，所述切口用於接觸所述雙層唇形結構的凹口壁。
7.一種如權利要求5所述的壓力容器，其特徵是，所述空心通道包括一個第一部分和一個入口部分，該第一部分具有一個容納所述下唇部分用的第一直徑，該入口部分具有一個容納附屬裝置用的比第一直徑大的直徑，其中，所述溝槽形成於所述空心通道中第一部分和入口部分之間，使得當所述環形圈裝入該溝槽時，一個裝在入口部分中的附屬裝置接合到該環形圈上。
8.一種如權利要求7所述的壓力容器，其特徵是，所述溝槽在溝槽和所述空心通道第一部分之間形成一個臺階，所述環形圈就安置在該臺階上。
9.一種壓力容器，具有一個複合材料結構的外部殼體、一個不滲透流體的內部襯裡和一對端部接管，上述外部殼體有一個圓筒形側壁以及帶兩個軸向對準的端部開孔的第一和和二圓拱形端部區段，上述內部襯裡的形狀配對著殼體的內表面並具有兩個開孔，每個開孔分別與所述殼體的一個開孔相對準並鄰接，上述一對端部接管每個安置在所述殼體和襯裡的相應的鄰接開孔中，所述壓力容器的特徵在於每個接管具有一個圓筒形頸部、一個空心通道部分和一個從頸部沿徑向向外延伸的環形法蘭盤;所述襯裡的每個開孔的周邊有一個沿徑向向內伸出的第一區段和一個從第一區段下邊沿徑向向內伸出並沿相應的空心通道部分的側壁向上進入該部分的第二區段，第一區段用於覆蓋相應接管的法蘭盤頂部，以便起所述接管和殼體之間的剪切層的作用，第二區段用於襯墊相應接管的法蘭盤底部，上述第一和第二區段在其間形成一個環形凹口，用於在其中容納和密封一個相應的法蘭盤，使得當所述接管安裝在所述殼體中時第一區段被保持在接管和殼體之間;以及在所述空心通道部分中和第二區段上形成了用於將第二區段緊固在所述空心通道部分中的機構。
10.一種如權利要求9中所述的壓力容器，其特徵是，至少一個接管在其頸部中心形成一個洞孔，該洞孔的一端適合於在其中容納一個延伸到洞孔中預定位置的附件，上述在其內部至少安置了一個接管的開孔周邊的下部區段在一個接管的法蘭盤下邊向內延伸，並向上通過所述洞孔的另一端到上述預定位置，以接合所述附件。
11.一種如權利要求10所述的壓力容器，其特徵是，所述法蘭盤的底部通常為凸面並形成粗糙表面，以防止襯裡開孔周邊的第二區段在該表面上滑動。
12.一種如權利要求10所述的壓力容器，其特徵是，上述洞孔在上述預定位置上形成一個環形溝槽，相應的第二區段包括一個延伸到該溝槽中的環形圈，用於嚙合裝在洞孔一端中的所述附件。
13.一種如權利要求10所述的壓力容器，其特徵是，上述法蘭盤向外延伸而終結在一個周邊上，該周邊具有許多個以間隔位置圍繞周邊形成的切口，用於嚙合所述凹口的壁。
14.一種如權利要求12所述的壓力容器，其特徵是，上述洞孔的一端具有一個第一直徑，該洞孔的另一端具有一個比第一直徑小的第二直徑，上述溝槽形成於該洞孔的一端和另一端之間，以形成一個臺階，當所述附件被裝入該洞孔的一端時，附件迫使第二區段的環形圈頂著上述臺階。
全文摘要
流體壓力容器包括有筒形側壁與帶兩個軸向開孔的第一和第二拱形端部的複合外殼。不透流體的襯裡對著外殼的內表面並有兩個開孔，每個開孔與外殼的相應開孔對準並鄰接。兩接管置於外殼和襯裡的相應開孔中。其改進在於接管包括筒形頸部和從頸部徑向外延的法蘭盤，襯裡開孔的周緣有覆蓋法蘭盤頂部的徑向內伸的第一區段和襯墊法蘭盤底部的從第一區段下邊徑向內伸的第二區段。第一和第二區段形成環形凹口，以容納和密封接管的法蘭盤，將其保持在容器中。
文檔編號F17C1/10GK1074990SQ93100908
公開日1993年8月4日 申請日期1993年1月28日 優先權日1992年1月28日
發明者薩丹安丹·N·西羅詩 申請人:艾多加拿大有限公司