金屬管狀體及其製作方法和壓力容器襯套及其製作方法
2023-07-15 21:18:21 2
專利名稱：金屬管狀體及其製作方法和壓力容器襯套及其製作方法
技術領域：
本發明涉及用在例如車輛、住宅、輸送機械等的高壓管道中，供用作產生能量的燃料的高壓燃料氫氣或天然氣在其中流動的金屬管狀體及其製作方法。
本發明還涉及用於例如車輛、住宅、輸送機械等中存儲用作產生能量的燃料的氫氣或天然氣的高壓容器或用於存儲氧氣供應系統中的氧氣的高壓容器的襯套及其製作方法。
背景技術：
廣泛使用的金屬管狀體是電阻焊接管，其通過成形軋制將金屬板捲成管狀並通過高頻焊接使其互相對接的部分接合而製成。
由於電阻焊接管的焊接件受熱強度降低，因此焊接件由於應力集中易發生疲勞斷裂。當前未見有在供高壓氣體在其中通過的壓力管道中使用電阻焊接管的。
因此，使用芯棒擠出的管子(下面稱為芯棒擠出管)或用分流模擠出的管子(下面稱為分流模擠出管)似乎可用於壓力管道系統。
但是，芯棒擠出管的壁厚可能不均勻，此外的問題是芯棒擠出管不能製成具有較大的直徑和/或較長的長度。另一個問題是無法製成橫截面形狀複雜的芯棒擠出管。這些問題可用分流模擠出管解決，但分流模擠出管存在以下問題。該模擠出管通過在分流模的孔部將坯料的金屬材料流臨時分成幾部分，然後在室部再把分開的金屬材料接合在一起而製成。該管子包括多個利用在管子整個長度上延伸的接合部接合在一起的分部。由於接合部的機械特性如強度和延伸率劣於管子分部，因此當管子在用於壓力管道時，可能由於應力集中而在接合部發生斷裂。
有人認為，對接合部的特性加以改良就可把分流模擠出管用於壓力管道系統。已知對用於擠出的坯料進行各種熱處理以提高分流模擠出管接合部的耐腐蝕性(見公報JP-A No.1999-172387)。
但是，提高接合部機械特性的方法仍有待於改進，分流模擠出管仍未用於高壓管道系統。
另一方面，上述壓力容器中的高壓氣體的壓力當前一般為約20-約35MPa，而該壓力將來可望升高到約70MPa。
已知用於該類壓力容器的襯套由鋁質杯狀坯件製成，製作方法為通過流動旋壓沿坯件軸向平整坯件體部，以在空心柱狀主體(trunk)的各個相對端部形成端蓋部；封閉至少端蓋部中的一個使得該端蓋部的壁厚比主體厚；在該端蓋部中央的封閉部中形成一接口管裝配孔(見公報JP-A No.1999-104762，權利要求1)。
但是，該壓力容器襯套的問題是需要進行複雜的機加工，並且無法製成具有較長長度和較大尺寸的襯套。
另一種已知的壓力容器襯套包括鋁質擠出管狀體和焊接在該管狀體各相對端部的端蓋(見公報JP-A No.1999-104762，圖7)。可將芯棒擠出管、分流模擠出管等用作該鋁質擠出管狀體。
芯棒擠出管或分流模擠出管存在上文中結合壓力管道所述的問題，並且分流模擠出管尚未用作壓力容器襯套的主體。
鑑於上述問題，本發明的一個目的是提供可具有較長長度和較大尺寸並具有突出的耐壓性的金屬管狀體及其製作方法。
本發明的另一個目的是提供可具有較長長度和較大尺寸並具有突出的耐壓性的壓力容器襯套及其製作方法。
發明內容
本發明提供一種金屬管狀體，該金屬管狀體包括通過分流模(portholedie)擠出的管子，並由通過在該管子的整個長度上延伸的多個接合部互相結合的多個分部構成，該擠出管在各接合部的金屬母材經改性處理產生細分晶粒。
因此，本發明金屬管狀體包括分流模擠出管，該管子由通過在該管子整個長度上延伸的接合部互相接合的多個分部構成。該擠出管在各接合部的金屬母材經改性處理產生細分晶粒。因此，接合部的機械特性如強度、延伸率和耐腐蝕性得到提高，使得該金屬管狀體能承受高壓。即使將該金屬管狀體用作例如供高壓氣體在其中流動的壓力管道中的壓力管，也可防止接合部開裂。該金屬管狀體的壁厚均勻，可具有較長長度或較大尺寸。此外，該金屬管狀體可具有複雜形狀的橫截面。
對本發明金屬管狀體來說，最好通過摩擦攪動接合工具的探頭對各接合部進行摩擦攪動，從而對該擠出管作改性處理。
對本發明金屬管狀體來說，理想的是在擠出管內部固定地設置加固分隔件，該加固分隔件在管子縱向延伸以將擠出管內部分隔成多個空間。該加固分隔件通過摩擦攪動在至少兩個接合部與擠出管接合，也可與擠出管的分部設置成一體。當該管子內部固定地設有在縱向延伸以將管子內部分隔成多個空間的加固分隔件時，該金屬管狀體的耐壓能力進一步提高。
本發明提供一種製作金屬管狀體的方法，其特徵在於，製備一通過分流模擠出並包括通過在其整個長度上延伸的多個接合部互相接合的多個分部的管子；從外部將摩擦攪動接合工具的探頭插入擠出管的接合部中，使探頭局部位於接合部相對側的管子分部中；然後沿管子縱向相對移動擠出管和探頭，從而對擠出管的金屬母材進行摩擦攪動，以進行改性處理，從而產生細分晶粒。
通過本發明的方法可較容易地製作金屬管狀體。
在本發明的金屬管狀體製作方法中，理想的是擠出後立即在接合部對從擠出器擠出的管子的金屬母材進行摩擦攪動。從而該金屬管狀體可具有比使用其溫度下降到冷加工溫度的分流模擠出管高的生產率。其原因是，在對其溫度下降到冷加工溫度的分流模擠出管的金屬母材進行摩擦攪動的情況下，探頭轉動產生摩擦熱軟化接合部及其附近的管子需要時間。而當擠出後立即對從擠出器擠出的管子的金屬母材進行摩擦攪動時，可使所產生的金屬管狀體受到均勻的固溶熱處理，從而使機械特性穩定。在對冷卻到冷加工溫度的分流模擠出管的金屬母材進行摩擦攪動的情況下，管子的溫度在接合部及其附近局部升高，從而使所形成的管子很可能受到不均勻的固溶熱處理。而在擠出後立即對從擠出器擠出的管子的金屬母材進行摩擦攪動的情況下，該操作消除了否則會在擠出初始階段在管子分部之間形成的不合格接頭。
根據本發明的金屬管狀體製作方法，擠出管內可固定地設有一在該管子縱向延伸並將管子內部分成多個空間的加固分隔件。在對管子各接合部中擠出管金屬母材進行摩擦攪動時，探頭前端各穿過至少兩個接合部插入分隔件中，以通過摩擦攪動將分隔件接合到擠出管上。該擠出管可具有使至少兩個分部互連並在管子縱向延伸的加固分隔件。從而，該加固分隔件與管子一體地擠出。
本發明提供用於壓力容器的第一襯套，包括其相對端部各具有開口的主體和接合在該主體相對端部並封閉該主體端部開口的端蓋，該主體包括具有改性接合部並構成本發明金屬管狀體的擠出管。
本發明提供用於壓力容器的第二襯套，包括其相對端部各具有開口的主體；與主體一端形成一體以封閉該主體的該端開口且設有接口管安裝部的端蓋部；以及與該主體另一端接合併封閉主體另一端開口的端蓋，該主體和該端蓋部通過對具有改性接合部並構成本發明金屬管狀體的擠出管的一端部進行機加工而製成。
當在壓力容器中使用第一或第二襯套時，主體及從而整個襯套能承受高壓，從而襯套在接合部不會開裂。管狀體由分流模擠出管制成，因此壁厚均勻，從而使襯套可具有較長長度或較大尺寸。此外，可製成具有複雜橫截面的襯套。
當在壓力容器中使用本發明兩種襯套時，可通過摩擦攪動將端蓋接合到主體。
當使用本發明兩種壓力容器襯套時，主體內部固定地設有在其縱向延伸並將其內部分成多個空間的加固分隔件。該加固分隔件通過在構成主體的擠出管的至少兩個改性接合部上進行摩擦攪動而接合到管狀體上，或與構成主體的擠出管的分部一體地擠出。當主體內固定地設有在其縱向延伸並將其內部分成多個空間的加固分隔件時，主體，從而整個壓力容器襯套的耐壓性進一步提高。
當壓力容器襯套的主體內固定地設有加固分隔件時，該分隔件優選使其一端部朝向端蓋待接合到其上的主體的端部並伸出到主體外部，該端蓋圍繞該伸出部配合併與主體接合。由於在這種情況下主體和端蓋從內部受到分隔件的支承，因此各部件的接合工作效率提高，同時在通過摩擦攪動接合各部件時可防止主體和端蓋向內變形。
本發明提供用於壓力容器的第三襯套，包括其兩端各設有開口的主體以及兩個與主體各相對端部形成一體以封閉端部開口並各具有接口管安裝部的端蓋部，該主體和兩端蓋部通過對具有改性接合部並構成本發明金屬管狀體的擠出管的兩端部進行機加工而製成。
當使用本發明第三壓力容器襯套時，主體，從而整個襯套能承受高壓，從而防止襯套在接合部開裂。主體由分流模擠出管制成，因此壁厚均勻，並可提供具有較長長度或較大尺寸的襯套。此外可提供具有複雜橫截面的襯套。
當使用本發明第一至第三壓力容器襯套時，優選利用摩擦攪動接合工具的探頭對各接合部進行摩擦攪動，從而對構成主體的擠出管的接合部進行改性。
本發明提供一種燃料電池系統，包括燃料氫氣壓力容器、燃料電池和將燃料氫氣從壓力容器向燃料電池傳輸的壓力管道，該壓力容器具有所述第一至第三襯套中的一個襯套。
本發明提供一種天然氣供應系統，包括天然氣壓力容器和從壓力容器輸送天然氣的壓力管道，該壓力容器設有所述第一至第三襯套中的一個襯套。
本發明提供一種製作壓力容器襯套的第一方法，其特徵在於，製備一通過分流模擠出並包括通過在其整個長度上延伸的多個接合部互相接合的多個分部的管子；從外部將摩擦攪動接合工具的探頭插入擠出管的各個接合部中，使探頭局部位於接合部相對側的管子分部中；然後沿管子縱向使擠出管和探頭相對移動，從而對擠出管的金屬母材進行摩擦攪動，以進行改性處理，從而產生細分晶粒並獲得其相對端部各具有開口的主體，然後將端蓋接合到主體的各端部。
本發明提供一種製作壓力容器襯套的第二方法，其特徵在於，製備一通過分流模擠出並包括通過在其整個長度上延伸的多個接合部互相連接的多個分部的管子；從外部將摩擦攪動接合工具的探頭插入擠出管的各個接合部中，使探頭局部位於接合部相對側的管子分部中；然後沿管子縱向使擠出管和探頭相對移動，從而對擠出管的金屬母材進行摩擦攪動，以進行改性處理，從而產生細分晶粒並獲得其相對端部各具有開口的主體，然後在該主體的一端部與其一體地形成具有接口管安裝部的端蓋部，並將一端蓋接合到該主體的另一端部。
可通過本發明的第一和第二製作方法分別較容易地製作第一和第二壓力容器襯套。
在本發明第一和第二製作方法中，理想的是擠出後立即在接合部對從擠出器擠出的管子的金屬母材進行摩擦攪動。在上述金屬管狀體的製作方法中，該襯套可以以比使用其溫度下降到冷加工溫度的分流模擠出管高的速度製造，從而獲得較高的生產率。此外，可以使所形成的襯套受到均勻固溶熱處理，從而使機械特性穩定。所述操作消除了否則會在擠出初始階段在管子分部之間形成的不合格接頭。
在本發明第一和第二襯套製作方法中，擠出管內可設有在該管子縱向延伸並將管子內部分成多個空間的加固分隔件。在對管子各接合部中擠出管的金屬母材進行摩擦攪動時，探頭前端各穿過至少兩個接合部插入分隔件中，以通過摩擦攪動將分隔件接合到擠出管上，從而在形成主體的同時將分隔件接合到主體上。該方法使得主體、從而整個壓力容器襯套的耐壓性進一步提高。
在形成管狀體同時將加固分隔件固定到主體上的方法中，該加固分隔件使其一端部朝向端蓋將接合到其上的主體端部，並伸出到主體的外部，端蓋圍繞伸出部配合併接合到主體上。由於在這種情況下主體和端蓋從內部受到分隔件的支承，因此各部件的接合工作效率提高，同時在通過摩擦攪動接合各部件時可防止主體和端蓋向內變形。
在本發明第一和第二襯套製作方法中，擠出管可設有與其至少兩個分部接合併沿管子縱向延伸的加固分隔件。該加固分隔件與管子一體地擠出。該方法使得管狀體、從而整個襯套的耐壓性進一步提高。
在將管子和管子中的加固分隔件一體擠出的方法中，端蓋待接合到其上的主體端部被切去，以使加固分隔件伸出到主體的外部，然後將端蓋圍繞伸出部配合併接合到主體上。由於在這種情況下主體和端蓋也從內部受到分隔件的支承，因此各部件的接合工作效率提高，同時在通過摩擦攪動接合各部件時可防止主體和端蓋向內變形。
在本發明第一和第二襯套製作方法中，端蓋與端蓋待接合到其上的主體端部對接，然後摩擦攪動接合工具的探頭插入主體與端蓋的對接部，以使探頭局部位於主體和端蓋中，然後相對於探頭移動主體和端蓋，以沿對接部在對接部的整個周面移動探頭，從而通過摩擦攪動將端蓋接合到主體上。
本發明提供一種製作壓力容器襯套的方法，其特徵在於，製備一通過分流模擠出並包括通過在其整個長度上延伸的多個接合部互相接合的多個分部的管子；從外部將摩擦攪動接合工具的探頭插入擠出管的各個接合部中，使探頭局部位於接合部相對側的管子分部中；然後沿管子縱向使擠出管和探頭相對移動，從而對擠出管的金屬母材進行摩擦攪動，以進行改性處理，從而產生細分晶粒並獲得其相對端部各具有開口的主體，然後在該主體的相對端部一體地形成具有接口管安裝部的端蓋部。
通過本發明第三製作方法可較容易地製作所述第三壓力容器襯套。
圖1示出根據本發明實施例1的金屬管狀體的局部透視圖；圖2示出實施例1的金屬管狀體的製作方法的局部透視圖；圖3示出實施例1的金屬管狀體的製作方法的放大的局部剖面圖；圖4示出根據本發明實施例2的金屬管狀體的局部透視圖；圖5示出實施例2的金屬管狀體的製作方法的局部透視圖；圖6示出實施例2的金屬管狀體的製作方法的放大的局部剖面圖；圖7示出根據本發明實施例3的金屬管狀體的橫截面視圖；圖8示出根據本發明實施例4的金屬管狀體的局部透視圖；圖9示出根據本發明實施例5的壓力容器襯套的透視圖；圖10示出其中使用實施例5的襯套的高壓容器的縱向剖面圖；圖11示出實施例5的高壓容器襯套的製作方法的透視圖；圖12示出根據本發明實施例6的壓力容器襯套的局部剖開的透視圖；圖13示出實施例6的壓力容器襯套的製作方法的透視圖；圖14示出根據本發明實施例7的壓力容器襯套的局部剖開的透視圖；圖15示出實施例7的壓力容器襯套的製作方法的透視圖；圖16示出根據本發明實施例8的壓力容器襯套的透視圖；圖17示出實施例8的壓力容器襯套的製作方法的透視圖；圖18示出根據本發明實施例9的壓力容器襯套的透視圖。
具體實施例方式
下面結合
本發明各實施例。在所有附圖中，相同部件由相同的標號表示，不重複說明。
在以下說明中，術語「鋁」除了純鋁外還包括鋁合金。
實施例1圖1-3中示出本實施例。
圖1示出根據實施例1的金屬管狀體，圖2和3示出其製作方法。
參見圖1，金屬管狀體1包括分流模擠出管2，該分流模擠出管具有圓形橫截面並包括多個，更具體地是四個分部2b，這四個分部通過多個，即四個在管子整個長度上延伸的接合部2a互相接合。用作擠出管2的母材的金屬在各接合部2a處受到改性處理，從而在具有一定寬度並包括接合部2a的帶狀部中產生細分晶粒。該改性部用3表示。
分流模擠出管2由例如JIS A2000合金、JIS A5000合金、JIS A6000合金和JIS A7000合金中的一種製成。
利用摩擦攪動接合工具的探頭，通過摩擦攪動對母材進行改性。
順便說一句，分流模擠出管2的橫截面形狀不限於圓形，也可呈橢圓形(不限於數學意義上的橢圓形，而可包括與橢圓形相似的形狀，如長圓形)或其它形狀。
金屬管狀體1通過結合圖2和3所述的方法製成。
首先，利用一配備有分流模的擠出器5擠出管子2，該管子包括通過多個在管子整個長度上延伸的接合部2a互相接合的分部2b。擠出器5出口外側布置有數量與待擠出的管子2的接合部2a相同、位置與接合部2a對應的摩擦攪動接合工具6。每個工具6包括實心柱狀轉子7和銷狀探頭8，轉子7具有與其一體地設置在其前端並從該轉子沿軸向伸出的小直徑部7a，一錐形部設置在轉子與小直徑部之間，銷狀探頭8從轉子小直徑部7a沿其軸向與其一體地伸出，並且其直徑小於小直徑部7a(見圖3)。轉子7和探頭8由比分流模擠出管2硬且其耐熱性能承受接合過程中產生的摩擦熱的材料製成。
當暫時停止擠出管子2時，各摩擦攪動接合工具6將其探頭8從外部插入剛從擠出器5擠出的管子2的對應接合部2a的端部中，以使工具6在轉動的同時局部位於接合部2a的相對側處的管子分部2b中，此時圍繞探頭8的工具6的小直徑部7a的肩部壓靠分流模擠出管2的外周面(見圖3)。此時，探頭8的前端與管子2的內周面的距離優選為至少0.1mm至不大於管子2的壁厚的1/2。如該距離小於0.1mm，則在探頭8進行如下所述的攪動混合操作時會在管子2的內周面沿其縱向形成V形凹槽，管子2的耐壓性會不令人滿意。而如該距離超過管子壁厚的1/2，則管子整個壁厚的待改性的部分的厚度就小，從而會因接合部2a的強度、延伸率等機械特性得不到充分提高而無法獲得足夠的耐壓性。剛從擠出器5擠出的管子2保持熱加工溫度。壓靠接觸管子外周面的小直徑部7a的肩部通過如下所述方式確保攪動令人滿意在下文所述攪動開始和攪動過程中防止半流動狀態的金屬部分散開；通過肩部在管子2上的滑動而進一步產生摩擦熱；在防止管子2的外周面上產生毛刺或類似凹凸不平的同時，更大程度上使管子2與探頭8接觸的部分及其附近部分軟化。
然後恢復管子2的擠出，以使擠出管2與各摩擦攪動接合工具6彼此相對移動，從而探頭8沿管子2的縱向沿接合部2a移動。由探頭8旋轉產生的摩擦熱和由擠出管2與肩部相對滑動而產生的摩擦熱使管子2的處於接合部2a及其附近(即圖3中點劃線A所示區域)的金屬母材軟化，該軟化區在探頭8的轉動力的作用下被攪動和混合，此外還塑性地流動以填滿由探頭8通過留下的凹槽，然後迅速失去摩擦熱，從而在冷卻時固化。隨著探頭8的移動，這些現象反覆出現，從而使接合部2a及其周圍部分的金屬母材摩擦攪動、混合和改性，從而產生細分晶粒。如此連續地形成金屬管狀體1。
連續擠出管子2並把管子切割成一定長度，從而製成所述金屬管狀體1。最後製成的金屬管狀體1在探頭8退出的位置上形成有孔，因此把有該孔的部分切去。在製造最後的金屬管狀體1時，一接觸件在與接合部2a對應的位置上設置在從擠出器完全擠出的管子2的端面上，在探頭8來到接觸件的位置上時取出探頭8。從而消除因探頭8退出而在金屬管狀體1上形成的孔。
按照實施例1，摩擦攪動接合工具6的探頭8用於在剛擠出管子且管子還保持熱加工溫度時對模擠出管2的接合部2a進行改性。但是改性處理不限於這一方式；也可在管子擠出且自然冷卻後對模擠出管2的接合部2a進行改性。
實施例2圖4-6中示出本實施例。
圖4示出根據實施例2的金屬管狀體，圖5和6示出該金屬管狀體的製作方法。
參見圖4，金屬管狀體10包括分流模擠出管2，該金屬管狀體的內部固定地設置有在其整個長度上延伸並將管狀體10分成多個空間的加固分隔件11。管子2和分隔件11的長度相同，並且其對應的端部處於相同的位置。加固分隔件11包括從管子2的中心線伸出並且數量與接合部2a的數量相同的四個一體的分隔壁11a，該分隔壁的橫截面呈十字。每個分隔壁11a的外端通過摩擦攪動在接合部2a與管子2接合。加固分隔件11由例如JIS A2000合金、JIS A5000合金、JIS A6000合金和JIS A7000合金中的一種製成。
分流模擠出管2和加固分隔件11可由相同或不同的材料製成。
圖4所示分隔件11包括分隔壁11a，該分隔壁的數量與管子2的接合部2a的數量相同，並且在所有接合部2a處與管子2接合，但分隔件不限於這種結構。只要分隔壁可把管子2的內部分成多個空間，分隔壁11a的數量也可比接合部2a的數量少。此時，分隔壁11a在與其位置相對且包括在所有接合部2a中的接合部2a處與管子2接合。
除上述特徵外，金屬管狀體10與實施例1的金屬管狀體1相同。
金屬管狀體10通過下文結合圖5和6所述的方法製成。
首先，利用分流模擠出管子2，該管子包括通過多個在管子整個長度上延伸的接合部2a互相接合的多個分部2b。然後將管子切割成一定長度。此外擠出加固分隔件11並將其切割成與管子2的相同長度。
將切下的分隔件11插入切下的擠出管2中，其中，分隔壁11a的外端定位成與各接合部2a對齊(見圖5)。此時，分隔壁11a的外端與擠出管2的內周面緊密接觸。
然後，在摩擦攪動接合工具6轉動的同時，各工具6將其探頭8從外側插入管子2的對應接合部2a的端部中，從而探頭在接合部2a的相對側處局部位於管子分部2b中，此時圍繞探頭8的工具6的小直徑部7a的肩部壓靠分流模擠出管2的外周面。此時，探頭8穿過接合部2a，從而探頭端部插入到加固分隔件11的分隔壁11a中(見圖6)。壓靠管子2外周面的肩部產生的作用與結合實施例1所述的作用相同。
然後使擠出管2與各摩擦攪動接合工具6相對移動，從而探頭8在管子2的縱向沿接合部2a移動，從而金屬母材在管子2的接合部2a及其附近(即圖6中點劃線B所示區域)被摩擦攪動、混合和改性，以產生細分晶粒，這與實施例1的情況相同。同時，由探頭8轉動產生的摩擦熱使分隔壁11a外端(即圖6中點劃線B所示區域)的金屬母材軟化，該軟化部在探頭8的轉動力的作用下被攪動和混合，此外還塑性地流動以填滿由探頭8通過留下的凹槽，然後迅速失去摩擦熱，從而在冷卻時固化。隨著探頭8的移動，這些現象反覆出現，從而將管子2接合到分隔壁11a上。如此連續地形成金屬管狀體10。
在製作金屬管狀體10時，管狀體上因退出探頭8而產生的孔可這樣消除在管子2相對側的與接合部2a對應的位置設置接觸件，將探頭8插入一個接觸件中以對接合部2a進行改性並使隔壁11a接合，然後將探頭8移動到另一接觸件的位置上並退出探頭。供探頭8插入的接觸件並非總是必需。
實施例3圖7示出本實施例。
參見圖7，該實施例即金屬管狀體15包括橫截面呈橢圓形的分流模擠出管2。除上述特徵外，金屬管狀體15的結構與實施例2的金屬管狀體10相同，其製作方法與實施例2的金屬管狀體10相同。
實施例4在圖8中示出本實施例。
圖8示出本實施例的金屬管狀體20。該管狀體20包括分流模擠出管2，該分流模擠出管內部設有在其整個長度上延伸並與其形成一體從而將管子2的內部分成多個空間的加固分隔件21。該加固分隔件21的橫截面呈十字並包括多個分隔壁21a，分隔壁21a與管子2的各分部2b形成一體、向管子2中心線延伸並在中心線上接合。分隔件21與管子2一體地擠出，分隔壁21a與各分部2b形成一體並在管子2中心線上彼此接合。該接合部用22表示。
除上述特徵外，金屬管狀體20的結構與實施例1的金屬管狀體1相同，其製作方法與實施例1的金屬管狀體1相同。
實施例1至實施例4的金屬管狀體1、10、15和20可用於燃料電池系統的壓力管道中，燃料電池系統包括用於燃料氫氣的壓力容器、燃料電池和將燃料氫氣從壓力容器輸送到燃料電池的壓力管道。該燃料電池系統安裝在燃料電池機動車中或使用在廢熱發電系統中。
金屬管狀體1、10、15和20可用於廢熱發電系統的壓力管道中，以將天然氣從壓力容器輸送到發電機驅動裝置，該廢熱發電系統包括天然氣供應系統、發電機和發電機驅動裝置，天然氣供應系統包括天然氣壓力容器和從該容器輸送天然氣的壓力管道。
金屬管狀體1、10、15和20可用於天然氣機動車的壓力管道中，以將天然氣從壓力容器輸送到發動機，天然氣機動車包括天然氣供應系統和利用天然氣作為燃料的發動機，該天然氣供應系統包括天然氣壓力容器和從該壓力容器輸送天然氣的壓力管道。
金屬管狀體1、10、15和20可用於氧氣供應系統的壓力管道中，氧氣供應系統包括氧氣壓力容器和從該壓力容器輸送氧氣的壓力管道。
但是，本發明金屬管狀體不限於在這些壓力管道系統中使用。
實施例5在圖9-11中示出本實施例。
圖9示出本實施例的用於壓力容器的襯套，圖10示出其中使用該襯套的高壓氫氣罐。圖11示出該壓力容器襯套的製作方法。
參見圖9，壓力容器襯套30包括其相對端部各具有一開口的空心柱狀主體31和與主體31各端接合併封閉端部開口的鋁質端蓋32、33。
主體31為實施例1的金屬管狀體形式，包括分流模擠出管2，在所有接合部2a及其附近的管子的母材被改性。
兩端蓋32、33通過切削加工或鍛造而製成。一個端蓋32一體地設有接口管安裝部32a。兩端蓋32、33可分別由例如JIS A2000合金、JIS A5000合金、JIS A6000合金和JIS A7000合金中的一種製成。
管子2的主體31和兩端蓋32、33可由相同的材料製成，或者至少其中的兩個可由不同的材料製成。
主體31通過適當的方法以金屬熔接的方式(metallically)與端蓋32、33接合。根據本發明，主體31和端蓋32、33通過摩擦攪動在對接部分的整個周面上接合。所形成的接頭的焊道用34表示。
參見圖10，襯套30在除接口管安裝部32a之外的整個外周面上覆蓋一層例如由碳纖維加強的樹脂製成的纖維加強樹脂層35，以用作高壓容器36。
用於壓力容器中的襯套30通過下文結合圖11所述的方法製作。
首先，通過結合實施例1所述的方法，即在所有接合部2a及其附近對擠出管2的母材進行摩擦攪動混合，以進行改性並產生細分晶粒，利用分流模擠出管2製作主體31。該主體31與實施例1的金屬管狀體1相同。
另一方面，用鍛造或切削加工製作具有接口管安裝部32a的端蓋32和沒有接口管安裝部的端蓋33。
然後，端蓋32的大端與主體31的一端對接。這兩個端部的表面平坦，從而彼此面對面接觸地對接。主體31和端蓋32在對接部處的壁厚相同。然後轉動的摩擦攪動接合工具6將探頭8插入主體31與端蓋32的對接部的周面的一個位置。工具6的轉子7和探頭8的製作材料比主體31和端蓋32、33硬，並且其耐熱性能承受接合過程中產生的摩擦熱。
此時，圍繞探頭8的工具6的小直徑部7a的肩部壓靠主體31和端蓋32。壓靠接觸該工件的肩部通過如下方式產生令人滿意的接頭在接合開始和接合過程中防止半流動狀態的金屬部分散開；通過肩部在主體31和端蓋32上滑動而進一步產生摩擦熱，以在防止在接頭表面上產生毛刺或類似凹凸不平的同時，在更大程度上使主體31和端蓋32與探頭8接觸的部分及其附近部分軟化。
然後相對於摩擦攪動接合工具6移動主體31和端蓋32，從而沿對接部的周向移動探頭8。由探頭8旋轉產生的摩擦熱和由主體31和端蓋32與肩部的相對滑動而產生的摩擦熱使主體31和端蓋32的處於對接部附近的金屬母材軟化，該軟化部在探頭8的轉動力的作用下被攪動和混合，此外還塑性地流動以填滿由探頭8通過留下的凹槽，然後迅速失去摩擦熱，從而在冷卻時固化。隨著探頭8的移動，這些現象反覆出現，從而將主體31接合到端蓋32上。在沿對接部的整個周面移動後，探頭8返回到開始時插入的位置，從而主體31在整個周面上接合到端蓋32。此時形成焊道。
在返回開始時插入對接部的位置或移過該位置後，探頭8移動到設置在主體31和端蓋32的對接部處的接觸件的位置處，並且在該位置退出。另一端蓋33以與上述方式相同的方式接合到主體31。這樣，形成了用於壓力容器中的襯套30。
高壓容器36利用襯套30通過在襯套30的除接口管安裝部32a之外的整個外周面上覆蓋一層纖維加強樹脂層35而製成。
實施例6在圖12和13中示出本實施例。
圖12示出本實施例的襯套40，其中，主體31內部固定地設有加固分隔件11，以將主體31的內部分成多個空間。加固分隔件11比主體31長，其兩端伸出到主體31兩端的外部。兩端蓋32、33配合在分隔件11的相應的伸出的端部周圍，並接合到主體31上。除上述特徵外，襯套40的結構與實施例5的襯套30相同。
更具體地說，在製作主體31和加固分隔件11時，將實施例2的金屬管狀體10中的分隔件11設置成比分流模擠出管2長，從而使分隔件11的相對端部伸出到擠出管2的相應端部的外部。
壓力容器襯套40通過下面結合圖13所述的方法製作。
與實施例2的金屬管狀體10的製作方法相同，製作主體31的同時通過摩擦攪動將加固分隔件11接合到主體31，只是使加固分隔件11比分流模擠出管2長並將分隔件11穿過管子2，使得分隔件11的相對端部伸出到管子2的相應端部的外部。
另一方面，通過鍛造或切削加工製作具有接口管安裝部32a的端蓋32和沒有接口管安裝部的端蓋33。
然後，將端蓋32、33配合在分隔件11的相應的伸出的端部的周圍，並與主體31的端部對接。然後以與實施例5相同的方式，通過摩擦攪動將兩端蓋32、33接合到主體31。由於接合過程中主體31和端蓋32、33由加固分隔件11從內部支承，因此可防止主體31和端蓋32、33向內變形。
根據本實施例，可按如下方式製作主體31和加固分隔件11。將待插入分流模擠出管2中的分隔件11製成與管子2具有相同的長度。按上述方式，在管子2的接合部2a改性的同時將分隔件11接合到管子2，然後從管子2上切去一定長度的相對端部，從而製成主體31和分隔件11。
實施例7在圖14和15中示出本實施例。
圖14示出本實施例的壓力容器襯套50，其中，主體31內部與其一體地設有加固分隔件11，以將主體31內部分成多個空間。加固分隔件11比主體31長，其相對端部伸出到主體31的相對端部的外部。兩端蓋32、33配合在分隔件11的相應的伸出的端部周圍，並接合到主體31。除上述特徵外，襯套50的結構與實施例5的襯套30相同。
更具體地說，主體31和加固分隔件11由實施例4的金屬管狀體20的分流模擠出管2通過切去管子2相對端部的特定長度而製成。
通過如下方法製作壓力容器襯套50以與實施例4的金屬管狀體20的製作方法相同的方法製作主體31和加固分隔件21，然後將分流模擠出管2的相對端部切去特定長度，然後以與實施例6中相同的方式通過摩擦攪動將兩端蓋32、33接合到主體31的相對端部(見圖15)。
實施例8在圖16和17中示出本實施例。
圖16示出本實施例的壓力容器襯套60，其中，主體31的一端設有與其形成一體的端蓋部61，該端蓋部具有接口管安裝部61a。主體31的一個開口由該端蓋部61封閉。加固分隔件11不伸入端蓋部11內部。除上述特徵外，襯套60的結構與實施例6的襯套40相同。
更具體地說，在製作主體31和加固分隔件11時，使實施例2的金屬管狀體10的加固分隔件11的一端位於金屬管狀體10的分流模擠出管2的一端內部，並使加固分隔件11的另一端伸出到管子2的另一端的外部。
通過如下方法製作壓力容器襯套60。
通過與實施例6相同的方法，在製作主體31的同時通過摩擦攪動將加固分隔件接合到主體31，只是使加固分隔件11的一端位於分流模擠出管2的一端的內部(見圖17)，然後通過旋壓(spinning)、鍛造或衝壓主體31的伸出端而製成具有接口管安裝部61a的端蓋61。然後通過與實施例6相同的方法將端蓋33接合到主體31的另一端。如此製成壓力容器襯套60。
通過上述方法，對構成主體31的分流模擠出管2的接合部2a進行改性以使金屬母材的晶粒細分，從而接合部2a的延伸率、強度等機械特性得到提高。因此，可以對主體31進行旋壓或衝壓或鍛造，而接合部2a不會出現裂縫。如不對分流模擠出管2的接合部2a進行改性，則旋壓、鍛造或衝壓加工可能會造成接合部2a出現裂縫。
實施例9在圖18中示出本實施例。
圖18示出本實施例的壓力容器襯套70，其中，主體31的相對端上各設有與其形成一體、其上設有接口管安裝部71a的端蓋部71。端蓋部71封閉主體31各端部的開口。除上述特徵外，襯套70的結構與實施例5的襯套30相同。
更具體地說，主體31的製作方法與實施例1相同，然後對主體31的相對端部進行旋壓、鍛造或衝壓加工以形成分別具有接口管安裝部71a的端蓋部71。如此製成用於壓力容器中的襯套70。
在通過該方法旋壓主體31時，與實施例8一樣，在構成主體31的分流模擠出管2的接合部2a不會出現裂縫。
對於實施例5至實施例9，分流模擠出管2的橫截面形狀不限於圓形，也可呈橢圓形(不限於數學意義上的橢圓形，而可包括與橢圓形相似的形狀，如長圓形)或其它形狀。
與實施例5相同，實施例6至實施例9的襯套40、50、60、70在接口管安裝部32a、61a或71a之外的整個外周面上覆蓋一層例如由碳纖維加強的樹脂製成的纖維加強樹脂層，以用作高壓容器。
具有上述實施例的襯套30、40、50、60、70中任一襯套的高壓容器在燃料電池系統中用作氫氣壓力容器，該燃料電池系統包括燃料氫氣壓力容器、燃料電池和將燃料氫氣從壓力容器輸送到燃料電池的壓力管道。該燃料電池系統安裝在燃料電池機動車中。該燃料電池系統也可用於廢熱發電系統。
此外，該高壓容器可在天然氣供應系統中用作天然氣壓力容器，該天然氣供應系統包括天然氣壓力容器和從該壓力容器輸送天然氣的壓力管道。在廢熱發電系統中，天然氣供應系統與發電機和發電機驅動裝置一起使用。天然氣供應系統還用在包括將天然氣用作燃料的發動機的天然氣機動車中。
該高壓容器還在氧氣供應系統中用作氧氣壓力容器，該氧氣供應系統包括氧氣壓力容器和從該壓力容器輸送氧氣的壓力管道。
工業實用性本發明提供用於例如機動車、住宅、輸送機械等的高壓管道中、供用作發電燃料的高壓氫氣或天然氣在其中流動的金屬管狀體。這些金屬管狀體用來提供在機動車、住宅、輸送機械中存儲氫氣、天然氣或氧氣的壓力容器的襯套的管狀體。
權利要求
1.一種金屬管狀體，包括通過分流模擠出的管子，該管子由通過在所述管子的整個長度上延伸的多個接合部互相接合的多個分部構成，該擠出管在各接合部的金屬母材經改性處理以產生細分晶粒。
2.根據權利要求1所述的金屬管狀體，其特徵在於，利用摩擦攪動接合工具的探頭對各接合部進行摩擦攪動，從而對擠出管進行改性處理。
3.根據權利要求1所述的金屬管狀體，其特徵在於，所述擠出管在其內部固定地設有沿所述管的縱向延伸並將所述擠出管的內部分成多個空間的加固分隔件。
4.根據權利要求3所述的金屬管狀體，其特徵在於，所述加固分隔件至少在兩個接合部通過摩擦攪動接合到擠出管上。
5.根據權利要求3所述的金屬管狀體，其特徵在於，所述加固分隔件與擠出管的分部形成一體。
6.一種製作金屬管狀體的方法，其特徵在於，製備一通過分流模擠出並包括通過在管子的整個長度上延伸的多個接合部互相接合的多個分部的管子；從外部將摩擦攪動接合工具的探頭插入擠出管的接合部中，使探頭局部位於接合部相對側的管子分部中；然後沿管子縱向使擠出管和探頭相對移動，從而對擠出管的金屬母材進行摩擦攪動，以進行改性處理，從而產生細分晶粒。
7.根據權利要求6所述的金屬管狀體製作方法，其特徵在於，擠出後立即在接合部對從擠出器擠出的管子的金屬母材進行摩擦攪動。
8.根據權利要求6所述的金屬管狀體製作方法，其特徵在於在擠出管內設置在所述管的縱向延伸並將其內部分成多個空間的加固分隔件；在對擠出管各接合部的金屬母材進行摩擦攪動時，探頭前端穿過至少兩個接合部中的每一個插入分隔件中，以通過摩擦攪動將分隔件接合到擠出管上。
9.根據權利要求6所述的金屬管狀體製作方法，其特徵在於，為擠出管設置使其至少兩個分部互連並在所述管的縱向延伸的加固分隔件，該加固分隔件與管子一體地擠出。
10.一種壓力容器襯套，包括其相對端部各設有開口的主體和各接合在該主體相對端部並封閉該主體端部開口的端蓋，該主體包括具有改性接合部並構成根據權利要求1所述的金屬管狀體的擠出管。
11.一種壓力容器襯套，包括其相對端部各設有開口的主體、與該主體的一端形成一體以封閉該主體的該端部開口並具有接口管安裝部的端蓋部、以及與該主體另一端接合併封閉該主體另一端開口的端蓋，該主體和端蓋部通過對具有改性接合部並構成根據權利要求1所述的金屬管狀體的擠出管的一端部進行機加工而製成。
12.根據權利要求10或11所述的壓力容器襯套，其特徵在於，所述端蓋通過摩擦攪動與主體接合。
13.根據權利要求10或11所述的壓力容器襯套，其特徵在於，所述主體內固定地設有在所述主體的縱向延伸並將所述主體的內部分成多個空間的加固分隔件。
14.根據權利要求13所述的壓力容器襯套，其特徵在於，所述加固分隔件在構成該主體的擠出管的至少兩個改性接合部通過摩擦攪動接合到該主體上。
15.根據權利要求13所述的壓力容器襯套，其特徵在於，所述加固分隔件與構成所述主體的擠出管的分部一體地擠出。
16.根據權利要求13所述的壓力容器襯套，其特徵在於，所述分隔件使其一端部定位成朝向端蓋待接合到其上的主體端部並伸出到主體外部，該端蓋圍繞該伸出部配合併與主體接合。
17.一種壓力容器襯套，包括其相對端各設有開口的主體以及兩個與主體各相對端部形成一體以封閉端部開口並各具有接口管安裝部的端蓋部，該主體和兩端蓋部通過對具有改性接合部並構成根據權利要求1所述的金屬管狀體的擠出管的兩端部進行機加工而製成。
18.根據權利要求10、11或17所述的壓力容器襯套，其特徵在於，通過摩擦攪動接合工具的探頭對各接合部進行摩擦攪動，從而對構成主體的擠出管的接合部進行改性處理。
19.一種燃料電池系統，包括燃料氫氣壓力容器、燃料電池和將燃料氫氣從壓力容器向燃料電池輸送的壓力管道，該壓力容器具有根據權利要求10、11或17所述的壓力容器襯套。
20.一種天然氣供應系統，包括天然氣壓力容器和從壓力容器輸送天然氣的壓力管道，該壓力容器具有根據權利要求10、11或17所述的壓力容器襯套。
21.一種製作壓力容器襯套的方法，其特徵在於，製備一通過分流模擠出並包括通過在管子的整個長度上延伸的多個接合部互相接合的多個分部的管子；從外部將摩擦攪動接合工具的探頭插入擠出管的各個接合部中，使探頭局部位於接合部相對側的管子分部中；然後沿管子縱向使擠出管和探頭相對移動，從而對擠出管的金屬母材進行摩擦攪動，以進行改性處理，從而產生細分晶粒並獲得在其相對端各具有開口的主體，然後將頭部接合到該主體的各端部。
22.一種製作壓力容器襯套的方法，其特徵在於，製備一通過分流模擠出並包括通過在管子的整個長度上延伸的多個接合部互相接合的多個分部的管子；從外部將摩擦攪動接合工具的探頭插入擠出管的各個接合部中，使探頭局部位於接合部相對側的管子分部中；然後沿管子縱向使擠出管和探頭相對移動，從而對擠出管的金屬母材進行摩擦攪動，以進行改性處理，從而產生細分晶粒並獲得其相對端部各具有開口的主體，然後在該主體的一端部與其一體地形成具有接口管安裝部的端蓋部，並將一頭部接合到該主體的另一端。
23.根據權利要求21或22所述的壓力容器襯套製作方法，其特徵在於，擠出後立即在接合部對從擠出器擠出的管子的金屬母材進行摩擦攪動。
24.根據權利要求21或22所述的壓力容器襯套製作方法，其特徵在於，所述擠出管在其內部設有在所述管的縱向延伸並將其內部分成多個空間的加固分隔件；在對擠出管各接合部中的擠出管的金屬母材進行摩擦攪動時，探頭前端穿過至少兩個接合部中的每一個插入分隔件中，以通過摩擦攪動將分隔件接合到擠出管上，從而在形成主體的同時將分隔件固定到主體上。
25.根據權利要求24所述的壓力容器襯套製作方法，其特徵在於，所述加固分隔件使其一端部定位成朝向端蓋待接合到其上的主體端部，並伸出到主體外部，端蓋圍繞該伸出部配合併接合到主體上。
26.根據權利要求21或22所述的壓力容器襯套製作方法，其特徵在於，所述擠出管設有與其至少兩個分部接合併沿管子縱向延伸的加固分隔件，該加固分隔件與管子一體地擠出。
27.根據權利要求26所述的壓力容器襯套製作方法，其特徵在於，端蓋待接合到其上的主體端部被切去，以使分隔件伸出到主體的外部，然後將端蓋圍繞伸出部配合併接合到主體上。
28.根據權利要求21或22所述的壓力容器襯套製作方法，其特徵在於，端蓋與端蓋待接合到其上的主體端部對接，然後摩擦攪動接合工具的探頭插入主體與端蓋的對接部，以使探頭局部位於主體和端蓋中，然後相對於探頭移動主體和端蓋，以沿對接部在對接部的整個周面移動探頭，從而通過摩擦攪動將端蓋接合到主體上。
29.一種製作壓力容器襯套的方法，其特徵在於，製備一通過分流模擠出並包括通過在管子的整個長度上延伸的多個接合部互相接合的多個分部的管子；從外部將摩擦攪動接合工具的探頭插入擠出管的各個接合部中，使探頭局部位於接合部相對側的管子分部中；然後沿管子縱向使擠出管和探頭相對移動，從而對擠出管的金屬母材進行摩擦攪動，以進行改性處理，從而產生細分晶粒並獲得其相對端各具有開口的主體，然後在該主體的各相對端部一體地形成具有接口管安裝部的端蓋部。
全文摘要
本發明涉及金屬管狀體及其製作方法和壓力容器襯套及其製作方法。金屬管狀體(1)包括通過分流模擠出的管子(2)，該管子由通過在其整個長度上延伸的多個接合部(2a)互相接合的多個分部構成。擠出管(2)在各接合部(2a)的金屬母材經改性處理產生細分晶粒。優選利用摩擦攪動接合工具(6)的探頭(8)對各接合部進行摩擦攪動，從而對擠出管(2)進行改性處理。該金屬管狀體(1)可具有較長長度和較大尺寸，並具有高耐壓性。
文檔編號F17C1/14GK1795062SQ200480014520
公開日2006年6月28日 申請日期2004年4月22日 優先權日2003年4月25日
發明者納康弘 申請人:昭和電工株式會社, 本田技研工業株式會社