CN106979455A - 一种轻质长寿命复合材料氢气瓶及其制造方法 - Google Patents

一种轻质长寿命复合材料氢气瓶及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械技术领域。一种轻质长寿命复合材料氢气瓶，包括一氢气瓶主体，氢气瓶主体包括一瓶身，瓶身是由碳纤维构成的瓶身；瓶身的内壁设有由非金属弹性材料构成的内胆。内胆可重复更换。本发明通过优化传统的氢气瓶的结构，一方面有效提高了气瓶工作疲劳次数和使用寿命，同时也降低了气瓶重量，生产成本低、制造周期短。由于采用非金属弹性材料制成的内胆，如氢气瓶爆破，不会产品任何金属碎片，氢气瓶使用安全性非常高。

Description

一种轻质长寿命复合材料氢气瓶及其制造方法
技术领域
本发明涉及机械技术领域，具体涉及氢气瓶。
背景技术
现有技术的氢气瓶在遇到高压工作、高疲劳次数问题时，一般采用增加内胆厚度，提高气瓶爆破强度的方法，从而降低内衬的应力水平。这样气瓶的重量势必急剧增加，从而降低了氢燃料电池系统的整体性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻质长寿命复合材料氢气瓶及其制造方法，以解决上述技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种轻质长寿命复合材料氢气瓶，包括一氢气瓶主体，所述氢气瓶主体包括一瓶身，其特征在于，所述瓶身是由碳纤维构成的瓶身；
所述瓶身的内壁设有由非金属弹性材料构成的内胆。
内胆可重复更换。本发明通过优化传统的氢气瓶的结构，一方面有效提高了气瓶工作疲劳次数和使用寿命，同时也降低了气瓶重量，生产成本低、制造周期短。由于采用非金属弹性材料制成的内胆，如氢气瓶爆破，不会产品任何金属碎片，氢气瓶使用安全性非常高。
所述内胆与所述瓶身可拆卸连接。内胆有缺陷时，瓶身依然可重复利用。当内胆破裂泄漏时，可通过更换内胆后重新使用，从而显著提高气瓶的使用寿命。
所述瓶身上固定有一接管嘴，所述接管嘴与一堵头可拆卸相连，所述堵头的外壁与一外套螺母转动连接；
所述接管嘴的内壁与所述堵头的外壁之间设有一密封结构；
所述接管嘴的外壁上设有外螺纹；
所述外套螺母的内壁上设有与所述外螺纹相匹配的内螺纹。
便于实现接管嘴与堵头的连接稳定性。所述堵头上设有充气用通孔。
所述堵头的外壁与所述外套螺母的内壁之间设有一固定钢丝。
便于实现外套螺母与堵头的转动。便于控制堵头装入接管嘴的速度，实现堵头的缓慢装入接管嘴。
所述堵头与所述外套螺母的连接处设有一用于固定钢丝穿过的通孔；
所述堵头与所述外套螺母的连接处位于所述堵头的外壁与所述外套螺母的内壁之间。
所述密封结构包括O型密封圈；
所述堵头的外壁上设有用于容置所述O型密封圈的凹槽，所述凹槽设有两个，两个凹槽沿着所述堵头的中心轴线方向平行排布。
所述接管嘴的内壁与所述堵头的外壁之间还通过金属球面进行密封。实现氢气瓶的可靠密封。所述金属球面位于所述凹槽的左侧。
O形密封圈是由三元乙丙橡胶或丁腈橡胶制成的O形密封圈。三元乙丙橡胶或丁腈橡胶与氢气具有良好相容性。
所述堵头的外壁上设有一外径渐变的渐变部，所述渐变部的外径从左至右逐渐减小；
所述渐变部的右侧设有所述凹槽；
所述渐变部的左侧与所述外套螺母相连；
所述接管嘴的左端部的内壁与所述渐变部的外壁相匹配。
所述非金属材料为F46材料。
所述碳纤维为T700SC 12K碳纤维。
便于实现堵头与接管嘴的连接稳定性。
所述接管嘴与所述堵头之间还设有所述内胆。内胆通过接管嘴与所述堵头之间的密封结构，实现内胆的固定。
一种轻质长寿命复合材料氢气瓶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，制造由非金属弹性材料构成的内胆；
步骤二，制造接管嘴、堵头；
步骤三，制造由水溶性石英砂浇铸而成砂型模；
步骤四，制造由碳纤维构成的瓶身；
将接管嘴黏贴在砂型模上，
在所述砂型模的外表面采用湿法缠绕工艺制造瓶身，并固化；
步骤五，使用加热后的水溶液熔解砂型模，并进行清理和烘干；
步骤六，将内胆装入瓶身的内部，并采用堵头进行密封。
步骤一中，在模具表面均匀的喷涂F46材料，当喷涂厚度到达规定厚度后，在高温箱中进行烧结成型，烧结温度150℃±10℃，制成内胆。
对内胆的尺寸进行检测，内胆壁厚尺寸通过霍尔效应测厚仪进行精确测量。
步骤二中，接管嘴与堵头均采用机加成型；
堵头与外套螺母之间穿入固定钢丝，穿入固定钢丝后，外套螺母自由转动。
步骤四中，砂型模作为缠绕芯模。
使用三束浸胶的T700SC 12K碳纤维缠绕，缠绕时对碳纤维施加一定的张力，随着缠绕的进行，碳纤维张力由内向外逐渐递减，张力范围为25N～15N。碳纤维的体积含量达到0.67。
在缠绕成型的铺层方式上，瓶身的封头处采用了逐层扩孔的方式，保证了瓶身的封头处不产生纤维堆积，避免在轴线方向上气瓶不会出现局部的应力集中。
步骤四中，固化过程中，瓶身绕中心轴线以5～10r/min的转速作回转运动，固化过程为(1)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到50±2℃，保温2小时；(2)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到80±5℃，保温2小时；(3)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到120±5℃，保温2小时；(4)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到140±5℃，保温4小时；(5)以不超过3℃/min的速度使瓶身冷却到室温，实现固化。
所述瓶身构成气瓶的内腔。
步骤六中，将内胆均匀的折叠成伞形，从接管嘴装入瓶身的内壁，内胆充入不大于0.05MPa的氮气，使内胆充分展开并紧贴瓶身内壁。在堵头上套入2个O形密封圈后，堵头缓慢装入接管嘴，安装时应避免内胆滑入瓶身内腔。堵头与接管嘴的连接处通过一道金属球面密封，二道径向O形密封圈密封，实现气瓶的可靠密封，接管嘴与堵头螺纹的安装力矩控制在41N·m～45N·m。
附图说明
图1为本发明一种轻质长寿命复合材料氢气瓶的一种结构示意图；
图2为本发明的部分结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
参见图1、图2，一种轻质长寿命复合材料氢气瓶，包括一氢气瓶主体，氢气瓶主体包括一瓶身4，瓶身4是由碳纤维构成的瓶身4；瓶身4的内壁设有由非金属弹性材料构成的内胆1。本发明通过优化传统的氢气瓶的结构，一方面有效提高了气瓶工作疲劳次数，同时也降低了气瓶重量，生产成本低、制造周期短。由于采用非金属弹性材料制成的内胆1，如氢气瓶爆破，不会产品任何金属碎片，氢气瓶使用安全性非常高。
内胆1与瓶身4可拆卸连接。当内胆破裂泄漏时，可通过更换内胆后重新使用，从而显著提高气瓶的使用寿命。瓶身4上固定有一接管嘴2，接管嘴2与一堵头3可拆卸相连，堵头3的外壁与一外套螺母转动连接；接管嘴2的内壁与堵头3的外壁之间设有一密封结构；接管嘴2的外壁上设有外螺纹；外套螺母的内壁上设有与外螺纹相匹配的内螺纹。便于实现接管嘴2与堵头3的连接稳定性。堵头3上设有充气用通孔。
堵头3的外壁与外套螺母32的内壁之间设有一固定钢丝33。便于实现外套螺母与堵头3的转动。
堵头3与外套螺母32的连接处设有一用于固定钢丝33穿过的通孔；堵头3与外套螺母的连接处位于堵头3的外壁与外套螺母的内壁之间。堵头上设有一进气口31，一出气口，堵头的进气口位于接管嘴的外部，堵头的出气口位于接管嘴的内部。
密封结构包括O型密封圈34；堵头3的外壁上设有用于容置O型密封圈34的凹槽，凹槽设有两个，两个凹槽沿着堵头3的中心轴线方向平行排布。接管嘴2的内壁与堵头3的外壁之间还通过金属球面进行密封。实现氢气瓶的可靠密封。金属球面位于凹槽的左侧。O形密封圈是由三元乙丙橡胶或丁腈橡胶制成的O形密封圈。三元乙丙橡胶或丁腈橡胶与氢气具有良好相容性。
堵头3的外壁上设有一外径渐变的渐变部，渐变部的外径从左至右逐渐减小；渐变部的右侧设有凹槽；渐变部的左侧与外套螺母相连；接管嘴2的左端部的内壁与渐变部的外壁相匹配。
非金属材料为F46材料。碳纤维为T700SC 12K碳纤维。便于实现堵头3与接管嘴2的连接稳定性。
接管嘴与堵头之间还设有内胆。内胆通过接管嘴与堵头之间的密封结构，实现内胆的固定。
氢气瓶主体通过管路连接一燃料电池的进气口，以燃料电池为无人机用燃料电池。管路上设有至少两个净化器。实现进一步空气净化。净化器内设有一过滤材质，过滤材质包括氧气清除剂。管路沿着导流方向依次设有一单向阀、一截止阀、一减压阀、一电磁阀，减压阀与电磁阀之间设有压力传感器。单向阀连接一位于地面的氢气输送装置。保证氢气瓶主体内氢气的含量。
瓶身的厚度不大于3cm，内胆的厚度不大于0.2cm。保证了质量。
一种轻质长寿命复合材料氢气瓶的制备方法，包括如下步骤：步骤一，制造由非金属弹性材料构成的内胆；步骤二，制造接管嘴、堵头；步骤三，制造由水溶性石英砂浇铸而成砂型模；步骤四，制造由碳纤维构成的瓶身；将接管嘴黏贴在砂型模上，在砂型模的外表面采用湿法缠绕工艺制造瓶身，并固化；步骤五，使用加热后的水溶液熔解砂型模，并进行清理和烘干；步骤六，将内胆装入瓶身的内部，并采用堵头进行密封。
步骤一中，在模具表面均匀的喷涂F46材料，当喷涂厚度到达规定厚度后，在高温箱中进行烧结成型，烧结温度150℃±10℃，制成内胆。对内胆的尺寸进行检测，内胆壁厚尺寸通过霍尔效应测厚仪进行精确测量。
步骤二中，接管嘴与堵头均采用机加成型。堵头与外套螺母转动连接。堵头与外套螺母之间穿入固定钢丝，穿入固定钢丝后，外套螺母自由转动。
步骤四中，砂型模作为缠绕芯模。使用三束浸胶的T700SC 12K碳纤维缠绕，缠绕时对碳纤维施加一定的张力，随着缠绕的进行，碳纤维张力由内向外逐渐递减，张力范围为25N～15N，碳纤维的体积含量达到0.67。在缠绕成型的铺层方式上，瓶身的封头处采用了逐层扩孔的方式，保证了瓶身的封头处不产生纤维堆积，避免在轴线方向上气瓶不会出现局部的应力集中。
步骤四中，固化过程中，瓶身绕中心轴线以5～10r/min的转速作回转运动，固化过程为(1)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到50±2℃，保温2小时；(2)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到80±5℃，保温2小时；(3)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到120±5℃，保温2小时；(4)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到140±5℃，保温4小时；(5)以不超过3℃/min的速度使瓶身冷却到室温，实现固化。
瓶身构成气瓶的内腔。步骤六中，将内胆均匀的折叠成伞形，从接管嘴装入瓶身的内壁，内胆充入不大于0.05MPa的氮气，使内胆充分展开并紧贴瓶身内壁。在堵头上套入2个O形密封圈后，堵头缓慢装入接管嘴，安装时应避免内胆滑入瓶身内腔。堵头与接管嘴的连接处通过一道金属球面密封，二道径向O形密封圈密封，实现气瓶的可靠密封。接管嘴与外套螺母螺纹的安装力矩控制在41N·m～45N·m。步骤六中，将内胆均匀的折叠成伞形，指的是折叠成收合状态下的伞面状。或者，步骤六中，将内胆均匀的折叠成扇形。O形密封圈采用与氢气具有良好相容性的三元乙丙橡胶或丁腈橡胶制造，通过模压成型。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种轻质长寿命复合材料氢气瓶，包括一氢气瓶主体，所述氢气瓶主体包括一瓶身，其特征在于，所述瓶身是由碳纤维构成的瓶身；
所述瓶身的内壁设有由非金属弹性材料构成的内胆。
2.根据权利要求1所述的一种轻质长寿命复合材料氢气瓶，其特征在于：所述内胆与所述瓶身可拆卸连接，内胆有缺陷时，瓶身依然可重复利用；
所述瓶身上固定有一接管嘴，所述接管嘴与一堵头可拆卸相连，所述堵头的外壁与一外套螺母转动连接；
所述接管嘴的内壁与所述堵头的外壁之间设有一密封结构；
所述接管嘴的外壁上设有外螺纹；
所述外套螺母的内壁上设有与所述外螺纹相匹配的内螺纹。
3.根据权利要求2所述的一种轻质长寿命复合材料氢气瓶，其特征在于：所述密封结构包括O型密封圈；
所述堵头的外壁上设有用于容置所述O型密封圈的凹槽，所述凹槽设有两个，两个凹槽沿着所述堵头的中心轴线方向平行排布；
O形密封圈是由三元乙丙橡胶或丁腈橡胶制成的O形密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种轻质长寿命复合材料氢气瓶，其特征在于：所述非金属材料为F46材料；
所述碳纤维为T700SC 12K碳纤维。
5.根据权利要求2所述的一种轻质长寿命复合材料氢气瓶，其特征在于：所述堵头的外壁上设有一外径渐变的渐变部，所述渐变部的外径从左至右逐渐减小；
所述渐变部的右侧设有所述凹槽；
所述渐变部的左侧与所述外套螺母相连；
所述接管嘴的左端部的内壁与所述渐变部的外壁相匹配。
6.一种轻质长寿命复合材料氢气瓶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，制造由非金属弹性材料构成的内胆；
步骤二，制造接管嘴、堵头；
步骤三，制造由水溶性石英砂浇铸而成砂型模；
步骤四，制造由碳纤维构成的瓶身；
将接管嘴黏贴在砂型模上，
在所述砂型模的外表面采用湿法缠绕工艺制造瓶身，并固化；
步骤五，使用加热后的水溶液熔解砂型模，并进行清理和烘干；
步骤六，将内胆装入瓶身的内部，并采用堵头进行密封。
7.根据权利要求6所述的一种轻质长寿命复合材料氢气瓶的制造方法，其特征在于：步骤一中，在模具表面均匀的喷涂F46材料，当喷涂厚度到达规定厚度后，在高温箱中进行烧结成型，烧结温度150℃±10℃，制成内胆。
8.根据权利要求6所述的一种轻质长寿命复合材料氢气瓶的制造方法，其特征在于：步骤四中，使用三束浸胶的T700SC 12K碳纤维缠绕，缠绕时对碳纤维施加一定的张力，随着缠绕的进行，碳纤维张力由内向外逐渐递减，张力范围为25N～15N。
9.根据权利要求6所述的一种轻质长寿命复合材料氢气瓶的制造方法，其特征在于：步骤四中，固化过程中，瓶身绕中心轴线以5～10r/min的转速作回转运动，固化过程为(1)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到50±2℃，保温2小时；(2)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到80±5℃，保温2小时；(3)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到120±5℃，保温2小时；(4)以0.5±0.1℃/min的升温速度升高到140±5℃，保温4小时；(5)以不超过3℃/min的速度使瓶身冷却到室温，实现固化。
10.根据权利要求6所述的一种轻质长寿命复合材料氢气瓶的制造方法，其特征在于：步骤六中，将内胆均匀的折叠成伞形，从接管嘴装入瓶身的内壁，内胆充入不大于0.05MPa的氮气，使内胆充分展开并紧贴瓶身内壁；
在堵头上套入2个O形密封圈后，堵头缓慢装入接管嘴，安装时应避免内胆滑入瓶身内腔；
堵头与接管嘴的连接处通过一道金属球面密封，二道径向O形密封圈密封，实现气瓶的可靠密封。
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