具有气体阻隔金属层的V型压力容器的制作方法

本发明涉及一种v型压力容器，制造v型压力容器的方法，制造用于v型压力容器的凸头组件的方法，以及包括v型压力容器的车辆。

背景技术：

1、高压压力容器用于储存和运输任何类型的受压气体。高压压力容器通常归类成五种类型中的一种：具有全金属构造的i型容器；具有金属内衬结构、并用纤维环箍包裹进行加固的ii型；具有金属内衬结构和完整纤维增强包裹的iii型；具有塑料内衬结构和完整纤维增强包裹的iv型；以及，具有无内衬的复合构造的v型。v型压力容器是一种复合压力容器，其在无内衬工具上使用环向和螺旋纤维包裹(缠绕)，其可具有防止气体渗透的气体阻隔层。

2、v型压力容器可用于储存和运输二氢(dihydrogen，h2)在配备有这种压力容器的车辆中用于各种用途，例如用作能源。

3、us2021/0197499 a1公开了一种覆盖高压储箱的加固主体的内表面以防止气体渗透的树脂材料。然而，要使得高压储箱对气体密封，需要一定厚度的树脂材料。这不令人满意，这是因为这减小对于气体可用的储存体积，并且增大高压储箱的重量。而且，用树脂材料覆盖表面的过程是缓慢的过程。

4、us2004/0149759 a1公开了一种由金属材料制成的防扩散层，其使用等离子体支持的涂层工艺，沉积在耐压储存容器的增强的主体的内表面上，以防止气体渗透。尽管此类防扩散层的厚度可能小于树脂材料制成的层的厚度，该现有技术仅适用于具有一体制成的增强的主体的耐压储存容器。这仍不令人满意，这是因为并非所有耐压储存容器都具有一体制成的增强的主体。

5、有鉴于以上，需要一种具有气体阻隔层的气密v型压力容器，该气体阻隔层不会减小可用于气体的储存体积，不会增加压力容器的重量，其施加在压力容器的内表面上的过程不慢，并且与任何类型的压力容器结构都兼容。

技术实现思路

1、本发明提供一种v型压力容器，其包括包围或封装内部复合结构的外部复合结构，其中，内部复合结构包括：

2、-限定内部气体储存室的第一内表面；

3、-由第一金属材料制成的、使用基于等离子体的金属沉积工艺沉积在第一内表面上的第一气体阻隔金属层；

4、-圆柱形中央部分；以及

5、-通过第一耦接装置耦接到圆柱形中央部分的凸头组件，该凸头组件包括圆顶状盖和通过第二耦接装置耦接到圆顶状盖的凸头部分。

6、由于气体阻隔金属层提供比具有相同厚度的防气体渗透树脂层更好的气体密封性，本发明能够将气体阻隔层的厚度减小到5至600nm的范围，优选地5至100nm。通过减小气体阻隔层的厚度，还能够减轻压力容器的重量。

7、由于通过使用基于等离子体的金属沉积工艺，将气体阻隔金属层施加到内表面上所需的时间，比将树脂材料施加到相同内表面上所需的时间更短，本发明还能够缩短制造时间。

8、外部复合结构使得v型压力容器刚性更高且更加机械稳定。

9、将凸头组件耦接到圆柱形中央部分使得内部复合结构能够是预制的内部复合结构，具有现场耦接的分别的(单独的)元件。

10、第一耦接装置选自由结合装置(bonding means)、粘接装置、焊接装置(包括摩擦装置)、螺纹连接装置、卡扣装置、压入装置、止动装置及其组合构成的集合。

11、将凸头部分耦接到圆顶状盖使得凸头组件能够是具有现场耦接的分别的元件的预制凸头组件。

12、第二耦接装置选自由结合装置、粘接装置、焊接装置(包括摩擦装置)、螺纹连接装置、卡扣装置、压入装置、止动装置及其组合构成的集合。

13、因此，本发明与任何类型的压力容器结构兼容，而无论形成内部复合结构的零件或分别的元件的数量有多少，由此允许内部复合结构的模块化组装，同时确保良好的气体密封性。

14、术语“气体阻隔金属层”是指对于储存在内部气体储存室中的气体不可渗透且呈化学惰性(不起化学作用)的金属层。优选地，在所有条件下气体阻隔金属层应都具有比第一内表面的断裂伸长率更高的断裂伸长率。通常，气体阻隔金属层的断裂伸长率高于1％，优选地高于2％。

15、“基于等离子体的金属沉积工艺”例如是物理气相沉积(称作pvd)工艺，其中，在高真空条件下，在反应室中点燃由惰性气体(即非反应性气体)与金属靶形成的等离子体。氩气是此类惰性气体的一个示例。pvd例如通过阴极雾化(如已知的溅射)和/或内部和外部电弧汽化、外部热和电子束汽化来进行。有利地，然后通过等离子体工艺，例如通过射频放电(其称作rf放电)，氧化金属层，以在第一内表面上形成附加的al2o3气体阻隔层。在大气压下的等离子体沉积是在高真空条件下的等离子体沉积的一种已知替代方案。

16、根据一个优选实施例，圆顶状盖包括基部部分，并且凸头组件通过基部部分耦接到圆柱形中央部分。该设置允许包括具有基部部分的圆顶状盖的内部复合结构的模块化组装。

17、根据一个特别优选的实施例，圆柱形中央部分由至少两个圆柱形部分形成，并且凸头组件包括连接到圆顶状盖的基部部分的圆柱形部分，以使得凸头组件通过圆柱形部分耦接到圆柱形中央部分。该设置允许包括具有基部部分的圆顶状盖和从基部部分轴向延伸的圆柱形部分的内部复合结构的模块化组装。在该实施例中，本发明涵盖包括由两个互补的半部制成的内部复合结构的v型压力容器，每个半部包括具有基部部分的圆顶状盖和从基部部分轴向延伸到该半部的端部部分的圆柱形部分，一个半部的端部部分耦接到另一半部的端部部分。

18、根据一个优选实施例，气体是二氢(dihydrogen)气体。这允许v型压力容器用于燃料电池电动车辆(其称作fcev)中。

19、根据一个优选实施例，外部复合结构由纤维增强复合材料层的缠绕构成。这使得外部复合结构具有相对于其重量的最佳强度和刚度比率。

20、在一个优选实施例中，纤维增强复合材料包括选自由热固性树脂和热塑性聚合物构成的集合的基质。优选地，纤维增强复合材料包括热固性树脂基质。

21、热固性树脂是通过混合形成反应性热固性前驱物的两种或多种反应性成分形成的，该反应性热固性前驱物在暴露于固化条件(例如热量、uv或其它辐射，或简单地使其相互接触等)时起反应，以形成热固性树脂。热固性树脂必须完全固化以得到高性能复合材料。一旦固化，热固性树脂是固态的，不能够被进一步加工或塑形，这是因为树脂不再能够流动。热固性树脂的示例包括不饱和聚酯、环氧树脂、乙烯基酯、聚脲、异氰脲酸酯和聚氨酯树脂。可生成由浸渍有仅部分固化以使其粘着但仍柔软的反应性树脂的纤维制成的热固性预浸渍材料。预浸渍材料可被储存，并在之后，在受压条件下，通过将加热树脂或使其暴露于uv以完成固化和加固预浸渍材料，被进一步加工。

22、热塑性聚合物可通过分别升温和降温，在固态(或不可流动状态)与液态(或可流动状态)之间转变。在半结晶聚合物的情况下，降低热塑性材料的温度导致形成晶体和热塑性材料固化。相反地，将半结晶聚合物加热到其熔融温度以上使得晶体熔融，热塑性材料能够流动。半结晶热塑性材料的示例包括：聚醚酮，例如聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮(pekk)、聚醚酮酮醚酮(pekkek)；聚酰胺，例如聚酰胺6(pa6)、聚酰胺66(pa66)、聚酰胺10(pa10)、聚酰胺11(pa11)、聚酰胺12(pa12)；聚烯烃，例如聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)等。无定形热塑性材料不形成晶体并且没有熔融温度。无定形热塑性材料根据材料温度低于还是高于其玻璃化转变温度而固化或变得可流动。无定形热塑性材料的示例包括聚醚酰亚胺(pei)、聚砜(psu)、聚醚砜(pes)、聚碳酸酯()pc)、聚苯乙烯(ps)、热塑性聚氨酯(tpu)等。因此，半结晶和无定形热塑性材料两者都可通过将其加热到其熔融或玻璃化转变温度以上而被塑形，并通过相应地降低温度而冻结成其的形状。尽管从物理学角度并非严格正确，但为了简化，本文中将半结晶和无定形热塑性材料称作“热塑性熔融体”。

23、在一个优选实施例中，纤维增强复合材料的纤维是选自由碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维构成的集合的纤维。这获得减重与纤维增强复合材料的机械强度之间良好的折中。

24、在一个优选实施例中，用于制造外部复合结构的纤维增强复合材料的纤维是具有高模量(例如250gpa)的连续纤维。这还改善纤维增强复合材料的机械强度。

25、优选地，圆柱形中央部分由纤维增强复合材料层的缠绕构成。这使得圆柱形中央部分具有相对于其重量的最佳强度和刚度比率。

26、优选地，圆顶状盖由纤维增强复合材料层的缠绕构成。这使得圆顶状盖具有相对于其重量的最佳强度和刚度比率。

27、根据一个特别有利的实施例，凸头部分是包括颈部部分的轴极凸头，该颈部部分包括轴向圆柱形中空部分，以提供用于将气体充入到内部气体储存室中和从中排出气体的气体连通端口。

28、根据本发明的一个具体实施例，圆顶状盖具有第二内表面，该第二内表面具有由第二金属材料制成的、并使用基于等离子体的金属沉积工艺沉积在第二内表面上的第二气体阻隔层。这在凸头部分与圆顶状盖之间增加薄的对于气体密封的表面。由此，通过在凸头组件区域组合第一和第二气体阻隔金属层，能够在所述区域形成具有更高的气体密封性的气体阻隔金属层。

29、优选地，第一金属材料和/或第二金属材料选自由铝(al)、铜(cu)、钢、二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、钛的氮化物(tinx)、氮化锆(zrn)、碳化锆(zrc)、碳氮化锆(zrcn)、氧化钛(tio2)、铜铝氧化物(cualo2、cual2o4)以及它们的合金构成的集合。这使得气体阻隔金属层是薄的，同时还具有良好的断裂伸长率。

30、根据本发明，还提供一种制造v型压力容器的方法，其包括以下的步骤：

31、-提供圆柱形中央部分；

32、-提供凸头组件，其包括耦接到圆顶状盖的凸头部分；

33、-将凸头组件耦接到圆柱形中央部分，以形成内部复合结构；

34、-在内部复合结构上制造外部复合结构；

35、-在内部复合结构的第一内表面上施加第一气体阻隔金属层，该第一气体阻隔金属层由第一金属材料制成，并使用基于等离子体的金属沉积工艺沉积在第一内表面。

36、根据本发明，还提供一种制造用于上述v型压力容器的气密性凸头组件的方法。该方法包括以下的步骤：

37、-提供具有第二内表面的圆顶状盖；

38、-将第二气体阻隔金属层施加到圆顶状盖的第二内表面上，该第二气体阻隔金属层由第二金属材料制成，并使用基于等离子体的金属沉积工艺沉积在第二内表面上；

39、-以气密性的方式将凸头部分耦接到圆顶状盖，以形成对于气体密封的凸头组件。

40、有利地，以气密性的方式将凸头部分耦接到圆顶状盖的步骤包括以下的步骤：

41、-提供包括颈部部分的凸头部分；

42、-将凸头部分的颈部部分穿过密封件和圆顶状盖中的轴向开口；

43、-通过第二耦接装置将凸头部分耦接到圆顶状盖，以将圆顶状盖夹置于第二耦接装置与密封件之间。

44、在一个具体示例中，第二耦接装置包括螺母和设置在颈部部分上的外部螺纹，因此将凸头部分耦接到圆顶状盖的步骤包括将螺母螺接拧紧在颈部部分的外部螺纹上以将圆顶状盖夹置于螺母与密封件之间。

45、在一个替代实施例中，以气密性的方式将凸头部分耦接到圆顶状盖的步骤包括以下的步骤：

46、-提供凸头部分；

47、-将气密性材料沉积在凸头部分上；

48、-将凸头部分穿过圆顶状盖中的轴向开口；

49、-通过第二耦接装置将凸头部分耦接到圆顶状盖，以使得圆顶状盖夹置于第二耦接装置与气密性材料之间。

50、在另一替代实施例中，以气密性的方式将凸头部分耦接到圆顶状盖的步骤包括以下的步骤：

51、-提供凸头部分；

52、-将凸头部分穿过圆顶状盖中的轴向开口；

53、-通过第二耦接装置将凸头部分耦接到圆顶状盖，以在凸头部分与圆顶状盖之间产生腔；

54、-将气密性材料注入该腔中。

55、在一个具体示例中，气密性材料通过设置在凸头部分中的孔被注入腔中。之后可通过封闭装置(例如螺钉、塞子)封闭凸头部分中的孔。

56、根据本发明，还提供一种车辆，其包括如上所述的v型压力容器。