專利名稱：流體壓力容器的接管與襯里的連接系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及包括非金屬襯里的流體壓力容器，具體涉及一種用于將此種壓力容器所用的接管連接到襯里上的新的改進(jìn)的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。
復(fù)合材料(纖維增強樹脂基)容器或罐已被普遍用于貯存各種壓力流體，包括貯存氧、天然氣、氮、火箭燃料、丙烷等。此種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)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(jié)合之所以可能，歸功于增強纖維或增強絲(碳、玻璃、芳族聚酰胺等)的高強度，在壓力容器結(jié)構(gòu)中，這些纖維通常沿主力方向取向。
因為復(fù)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(chǎn)生破裂和裂紋，所以壓力容器常常裝有防流體滲透的襯里。雖然最常用金屬襯里，但也使用合成橡膠和熱塑性塑料襯里。有利的情況是，襯里不但設(shè)計成防止壓力容器滲漏，而且用作壓力容器制造期間的型芯，也就是用于限定復(fù)合材料殼體的外形輪廓。
當(dāng)重量輕的復(fù)合材料殼體被用于承受大部分負(fù)載而襯里承受小負(fù)載時，結(jié)構(gòu)效率達(dá)到最大;因此，如果使用金屬襯里，那么襯里必須相當(dāng)薄，以便減輕重量。但是，薄的金屬襯里其疲勞壽命短，由于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里。
使用非金屬襯里的一個問題是將襯里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(jìn)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(zhuǎn)盤并在如果使用繞絲構(gòu)成殼體時提供型芯支承，從而可以在復(fù)合材料殼體的制造中起作用。當(dāng)使用金屬襯里時，此種接管通常與襯里整體制造，但是隨著非金屬襯里使用的增加，已經(jīng)需要將接管連接到襯里上的其他方法。某些將非金屬襯里連接到接管上的先有技術(shù)包括將接管膠粘結(jié)合在襯里上(如果襯里有足夠剛性)和簡單依靠壓力容器中的內(nèi)壓來提供接管一襯里密封(如果襯里為柔性的可折疊膜)。附圖中圖2和圖3舉例說明了這兩種將非金屬襯里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(chǎn)生的問題包括在疲勞循環(huán)或在金屬(接管)對非金屬(襯里)的結(jié)合暴露于某種環(huán)境下的斷裂，和由于大多數(shù)金屬與非金屬之間熱膨脹系數(shù)明顯不同而產(chǎn)生的結(jié)合的分離，以及襯里在殼體中的移動(如果只依靠內(nèi)壓)產(chǎn)生的通過接管一襯里結(jié)合部的滲漏通路。
除了需要將襯里合適地連接到接管上以外，同樣重要的是在復(fù)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(chǎn)生大的剪切應(yīng)力的傾向。過去已經(jīng)使用過橡膠復(fù)合物作為此種剪切層，但這類復(fù)合物隨著時間的推移易于分離。
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于將流體壓力容器的襯里連接到壓力容器端部接管上的新的改進(jìn)的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種系統(tǒng)，它特別適合于將非金屬襯里連接到金屬或類似的剛性接管上。
本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一種系統(tǒng)，其中壓力容器襯里和接管之間的流體滲漏的可能性減小了。
本發(fā)明的一個附加目的是提供這樣一種系統(tǒng)，其中，壓力容器襯里/接管連接結(jié)構(gòu)也起壓力容器的外殼和接管之間的剪切層的作用。
本發(fā)明的另外一個目的是提供這樣一種系統(tǒng)，其中，壓力容器中的內(nèi)部流體壓力被用來增強襯里與接管的連接。
本發(fā)明的上述和其他目的在一個用于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(xiàn)，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復(fù)合材料制成的外殼，并具有至少一個其中帶開孔的扁球形端部區(qū)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(nèi)部對著其內(nèi)表面設(shè)置了一個通常不滲透流體的內(nèi)部襯里，襯里包括至少一個端部區(qū)段，后者帶一個與外殼開孔對準(zhǔn)的開孔。內(nèi)部襯里有一個環(huán)繞襯里開孔的雙層唇形結(jié)構(gòu)，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(huán)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里的上下唇部分之間的凹口內(nèi)，凹口將法蘭部分牢固地保持在其位置上。
按照本發(fā)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(nèi)延伸，然后向上通過第一開孔并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。襯里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(jié)合部。
考慮下述與附圖一起提供的詳細(xì)說明，將會清楚本發(fā)明的上述和其他目的、特點和優(yōu)點。附圖中

圖1是一個本發(fā)明特別適用的那種類型的復(fù)合材料容器的側(cè)面立視圖;
圖2是一個按照常規(guī)先有技術(shù)方法的帶有合成橡膠襯里的復(fù)合材料容器的側(cè)視局部截面圖，襯里僅僅利用容器內(nèi)流體的內(nèi)壓連接到接管上;
圖3是一個復(fù)合材料容器的側(cè)視局部截面圖，該復(fù)合材料容器具有一個以常規(guī)方式結(jié)合到接管上去的剛性的非金屬襯里;
圖4是一個按照本發(fā)明原理制成的流體壓力容器的側(cè)視局部截面圖;
圖5A和5B分別表示一個按照本發(fā)明原理制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(cè)視截面圖。
參考附圖，圖1表示一個可以使用本發(fā)明的典型的復(fù)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(qū)8和兩個整體結(jié)合的扁球形端部區(qū)12和16。端部區(qū)12和16包括軸向?qū)?zhǔn)的開孔20和24，開孔中分別設(shè)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制成，并且可以裝設(shè)閥門之類的附件，使得能夠?qū)⒘黧w供入壓力容器4或從容器4中取出流體。在壓力容器的制造期間，接管28和32通常也用作纖維轉(zhuǎn)盤和型芯支承。
雖然接管28和32圖示位于端部區(qū)12和16，有時被稱作極區(qū)，但接管也可以置于其他位置，并可以設(shè)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(guī)的容器形狀一樣，接管則設(shè)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里連接到端部接管上去的先有技術(shù)方法。具體地說，圖2表示一個復(fù)合材料容器的殼體40的側(cè)視局部截面圖，殼體40中設(shè)置了一個合成橡膠襯里44。襯里44的位置對著殼體40的內(nèi)表面并延伸到殼體的開孔48中。接管52設(shè)置在開孔48中，它包括一個下法蘭部分56，后者的位置對著圍繞開孔48的襯里44。采用這種先有技術(shù)構(gòu)型，容器中對著接管52的內(nèi)壓被用來幫助對著接管密封襯里44。但是，在容器內(nèi)部出現(xiàn)真空的情況下，密封多半會破壞，將污染物引入容器中，并在接管52和襯里44之間形成滲漏通路。即使對準(zhǔn)備作高壓用途的容器也常常出現(xiàn)內(nèi)部真空，比如一個容器部分地充滿流體然后冷卻而產(chǎn)生出真空。
圖3用側(cè)視局部截面圖示出一個壓力容器的殼體60，其中設(shè)置了一個剛性的非金屬襯里64。接管68設(shè)置在殼體60的開孔72中并粘結(jié)在襯里的頂壁64a上，以便在襯里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(jié)在用于接管一襯里連接時是難于維持的，它通常隨著時間和使用而變壞，導(dǎo)致接管一襯里界面上的滲漏。
圖4表示一種按照本發(fā)明制造的流體壓力容器80的側(cè)視局部截面圖。壓力容器80包括一個外殼84，后者具有一個空筒形中心區(qū)84a和兩個(僅圖示一個)與中心區(qū)整體形成的扁球形(通常為橢球形)的端部區(qū)84b。如圖4所示，端部區(qū)84b中形成軸向?qū)?zhǔn)的開孔88(僅圖示其中之一)。殼體84是以常規(guī)方式用纖維增強樹脂復(fù)合材料制成的。
在殼體84內(nèi)部設(shè)置了例如由聚乙烯、尼龍聚酰胺或?qū)Ρ蕉姿峋垡蚁?PET)之類熱塑性材料制成的不滲透流體的襯里94。襯里94對著殼體84的內(nèi)表面設(shè)置，因此具有與殼體同樣的總體形狀，并包括一對與殼體的相應(yīng)開孔88對準(zhǔn)的開孔98(只圖示了其中一個)。
端部接管104相應(yīng)地設(shè)置在殼體和襯里的相鄰開孔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制成。接管104有一個軸向圓筒形空心通道或孔108，其上部108a用于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(nèi)，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，并在法蘭下表面和空心通道108的內(nèi)側(cè)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(qū)116b是光滑和修圓的。這樣做的原因是有助于減少接管和仿照接管輪廓的襯里中的應(yīng)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，這個溝槽用于接受一部分襯里94，以有助于將襯里牢固地保持在其位置上。
如圖4中清楚地看到的，圍繞襯里94中開口98的那部分襯里94形成雙唇形配置，它包括一個上唇部分124，當(dāng)接管就位時該上唇部分124環(huán)繞接管104的頸部112，并覆蓋接管的法蘭部分116的上表面。襯里94的雙唇形結(jié)構(gòu)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(cè)沿徑向向內(nèi)延伸，然后沿空心通道的壁118向上進(jìn)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(huán)形圈128a，裝入接管104的圓周溝槽120，用于將下唇部分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(huán)形凹口132，用以容納并在實際上密封和保持接管104的法蘭部分116，如圖4中所示。
利用襯里94的雙唇形結(jié)構(gòu)和帶法蘭部分116的接管104的設(shè)計，就不需要將接管粘結(jié)到襯里上了，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(nèi)。接管104的設(shè)計也兼顧利用壓力容器中的內(nèi)部流體壓力，以增強襯里94在接管上的附著。特別是，內(nèi)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(huán)圈128a進(jìn)入圓周溝槽120。這個溝槽120和下唇部分128的環(huán)圈128a在溝槽中的鎖定用于在增壓和減壓期間防止襯里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，能夠在襯里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)，從而盡可能減少產(chǎn)生滲漏通路之類的情況。
襯里94的上唇部分124設(shè)置在接管104和殼體84之間，特別是設(shè)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和襯里94之間的扭矩傳遞，在法蘭部分116的周邊上間隔地設(shè)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(huán)形凹口132的壁相接觸，以有助于接管和襯里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(jìn)一步增強扭矩傳遞。
可以理解，上述配置僅僅舉例說明本發(fā)明原理的應(yīng)用。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以設(shè)計許多變型和替換的配置而不偏離本發(fā)明的精神和范圍，而所附的權(quán)利要求將包括這樣的變型和配置。
權(quán)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制成，并具有至少一個其中帶開孔的扁球形端部區(qū)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(zhǔn)的通常為圓筒形的空心通道；一個通常不滲透流體的內(nèi)部襯里，它設(shè)置在所述外殼內(nèi)部對著外殼的內(nèi)表面，并具有至少一個端部區(qū)段，后者帶有一個與所述外殼中的開孔對準(zhǔn)的開孔，所述內(nèi)部襯里有一個環(huán)繞所述襯里的開孔的雙層唇形結(jié)構(gòu)，該雙層唇形結(jié)構(gòu)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(huán)形凹口，用于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(nèi)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(nèi)延伸，然后沿所述空心通道的內(nèi)壁向上進(jìn)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(nèi)位置上的保持裝置。
2.一種如權(quán)利要求1所述的壓力容器，其特征是，所述外殼是用復(fù)合的纖維增強樹脂材料制成的，所述內(nèi)部襯里是用非金屬材料制成的，而所述接管裝置是用金屬或金屬合金制成的。
3.一種如權(quán)利要求1所述的壓力容器，其特征是，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，并且在該下表面和所述空心通道的內(nèi)壁之間包括修圓的邊緣。
4.一種如權(quán)利要求3所述的壓力容器，其特征是，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(jié)構(gòu)，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(quán)利要求1所述的壓力容器，其特征是，所述保持裝置包括一個在所述空心通道內(nèi)壁中形成的圓周溝槽，所述下唇部分終止于一個裝入所述空心通道的溝槽中的環(huán)形圈。
6.一種如權(quán)利要求1所述的壓力容器，其特征是，所述接管裝置的法蘭部分包括一個具有在其周邊間隔設(shè)置的多個切口的外緣，所述切口用于接觸所述雙層唇形結(jié)構(gòu)的凹口壁。
7.一種如權(quán)利要求5所述的壓力容器，其特征是，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，所述溝槽形成于所述空心通道中第一部分和入口部分之間，使得當(dāng)所述環(huán)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(huán)形圈上。
8.一種如權(quán)利要求7所述的壓力容器，其特征是，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(huán)形圈就安置在該臺階上。
9.一種壓力容器，具有一個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的外部殼體、一個不滲透流體的內(nèi)部襯里和一對端部接管，上述外部殼體有一個圓筒形側(cè)壁以及帶兩個軸向?qū)?zhǔn)的端部開孔的第一和和二圓拱形端部區(qū)段，上述內(nèi)部襯里的形狀配對著殼體的內(nèi)表面并具有兩個開孔，每個開孔分別與所述殼體的一個開孔相對準(zhǔn)并鄰接，上述一對端部接管每個安置在所述殼體和襯里的相應(yīng)的鄰接開孔中，所述壓力容器的特征在于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(huán)形法蘭盤;所述襯里的每個開孔的周邊有一個沿徑向向內(nèi)伸出的第一區(qū)段和一個從第一區(qū)段下邊沿徑向向內(nèi)伸出并沿相應(yīng)的空心通道部分的側(cè)壁向上進(jìn)入該部分的第二區(qū)段，第一區(qū)段用于覆蓋相應(yīng)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(qū)段用于襯墊相應(yīng)接管的法蘭盤底部，上述第一和第二區(qū)段在其間形成一個環(huán)形凹口，用于在其中容納和密封一個相應(yīng)的法蘭盤，使得當(dāng)所述接管安裝在所述殼體中時第一區(qū)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(qū)段上形成了用于將第二區(qū)段緊固在所述空心通道部分中的機構(gòu)。
10.一種如權(quán)利要求9中所述的壓力容器，其特征是，至少一個接管在其頸部中心形成一個洞孔，該洞孔的一端適合于在其中容納一個延伸到洞孔中預(yù)定位置的附件，上述在其內(nèi)部至少安置了一個接管的開孔周邊的下部區(qū)段在一個接管的法蘭盤下邊向內(nèi)延伸，并向上通過所述洞孔的另一端到上述預(yù)定位置，以接合所述附件。
11.一種如權(quán)利要求10所述的壓力容器，其特征是，所述法蘭盤的底部通常為凸面并形成粗糙表面，以防止襯里開孔周邊的第二區(qū)段在該表面上滑動。
12.一種如權(quán)利要求10所述的壓力容器，其特征是，上述洞孔在上述預(yù)定位置上形成一個環(huán)形溝槽，相應(yīng)的第二區(qū)段包括一個延伸到該溝槽中的環(huán)形圈，用于嚙合裝在洞孔一端中的所述附件。
13.一種如權(quán)利要求10所述的壓力容器，其特征是，上述法蘭盤向外延伸而終結(jié)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，用于嚙合所述凹口的壁。
14.一種如權(quán)利要求12所述的壓力容器，其特征是，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，上述溝槽形成于該洞孔的一端和另一端之間，以形成一個臺階，當(dāng)所述附件被裝入該洞孔的一端時，附件迫使第二區(qū)段的環(huán)形圈頂著上述臺階。
全文摘要
流體壓力容器包括有筒形側(cè)壁與帶兩個軸向開孔的第一和第二拱形端部的復(fù)合外殼。不透流體的襯里對著外殼的內(nèi)表面并有兩個開孔，每個開孔與外殼的相應(yīng)開孔對準(zhǔn)并鄰接。兩接管置于外殼和襯里的相應(yīng)開孔中。其改進(jìn)在于接管包括筒形頸部和從頸部徑向外延的法蘭盤，襯里開孔的周緣有覆蓋法蘭盤頂部的徑向內(nèi)伸的第一區(qū)段和襯墊法蘭盤底部的從第一區(qū)段下邊徑向內(nèi)伸的第二區(qū)段。第一和第二區(qū)段形成環(huán)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(yōu)先權(quán)日1992年1月28日
發(fā)明者薩丹安丹·N·西羅詩 申請人:艾多加拿大有限公司