CN110630897A - 非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，包括复合层、阀座、阀座适配器，阀座适配器耦接至阀座的气瓶内胆。阀座与适配器间通过螺纹密封连接，适配器与气瓶内胆间通过O型圈连接。适配器与气瓶阀门间以螺纹密封连接。该非金属复合气瓶端部密封结构的设计保证气瓶的使用安全，简化了生产工艺，解决气瓶在使用过程中出现的密封失效问题。

Description

非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构
技术领域
本发明涉及气瓶设计与制造技术领域，特别是涉及一种非金属内胆全缠绕气瓶的端部密封结构。
背景技术
气瓶通常是指可重复充气使用，用于盛装永久性气体、液化气体或溶解气体的移动式压力容器。随着复合材料成型技术的发展与轻量化的市场发展趋势，复合气瓶，尤其是非金属内胆全缠绕气瓶迅猛发展，已经成为国际上的主流。复合气瓶由复合层和内胆两部分组成。其中，气型内胆为非金属材料的气瓶。与其他气瓶产品相比，非金属内胆缠绕气瓶具有：不会产生应力腐蚀和氢脆现象、优异的抗疲劳性能、优越的耐腐蚀性能(耐酸、碱腐蚀)及优越的抗冲击性能。
气瓶内胆为非金属材料，无法直接与阀门密封连接，因此气瓶制造商设计了阀座结构以密封内胆与阀门的接口处。阀座与内胆间的密封失效会导致气瓶泄露，进而发生危险。
非金属内胆复合气瓶的失效主要发生在非金属内胆与金属阀座间的密封失效，因此气瓶端部密封结构的设计显得尤为重要。
目前常规使用的阀座结构为在阀座凸缘上设计用来加强内胆与阀座之间的连接锁槽等复杂结构的连接方式，通过增强内胆与阀座的连接强度来保证气瓶的有效密封。现有技术中国专利CN 102282409B中披露的阀座结构为例说明其中的缺陷：1、非金属内胆具有一定的气体渗透性，内胆中渗透出的可能集聚在锁槽结构中，在气瓶内压力降低时将内胆从锁槽结构中挤出，造成密封失效。2、为了改善高压下密封失效而在阀座内侧壁上设计的孔会使气瓶内胆在阀门安装过程中承受很大的扭转力，可能会使内胆局部应力集中，进而发生密封失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非金属内胆全缠绕气瓶的端部密封结构，解决气瓶在使用过程中出现的密封失效问题，且该非金属复合气瓶端部密封结构的设计，保证了气瓶的使用安全，简化了生产工艺。
为实现上述目的，本发明设计了解决气瓶在使用过程中出现的密封时效问题的技术方案，该非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，气瓶包括内胆和包裹在内胆外表面的复合层，端部密封结构包括阀座，该阀座为套筒结构，阀座具有底部凸缘和颈部，该阀座的底部凸缘的内表面套接在内胆的开口外壁上，处于内胆的开口位置的复合层端面贴紧在颈部的外表面。该种气瓶端部密封结构还包括阀座适配器，其与阀座的内圈密封配合后延伸至内胆的开口位置。
上述方案中，复合层110、阀座120，阀座适配器130，耦接至阀座的气瓶内胆140。阀座与适配器间通过螺纹密封连接，适配器与气瓶内胆间通过O型圈、O型圈加挡圈等安装在适配器上的密封结构密封。阀座与适配器原材料可为不锈钢、铝、铜等金属通过旋压、冲压、车削、3D打印等方式成型。气瓶内胆可为聚乙烯、尼龙等塑料或橡胶，成型方式可为旋转模塑、吹塑、注塑、挤出、模压等方式成型。内胆与阀座一体成型或成型后安装，然后将带有密封结构的阀座适配器拧入阀座，最后打孔并装入定位销。
优选的，阀座底部凸缘和阀座颈部一体成型。
优选的，阀座的内圈壁的底部具有内凹段，内胆的端部缩口段插入阀座的内凹段，内胆的端部缩口段的内壁与阀座的内圈壁持平。
优选的，阀座的内圈壁在内凹段的台阶处设有环形凹槽，内胆的端部缩口段具有外翻凸勾，外翻凸勾卡接在环形凹槽内。
优选的，阀座上还设置有复合层锚定结构。
优选的，环形凹槽为半圆或方形或三角形，环形凹槽与凸勾的形状相匹配。
优选的，阀座颈部内表面与阀座适配器外边面以螺纹密封连接。
优选的，复合层锚定结构为一凸起，该凸起截面为三角形或M型。
优选的，凸起结构的尖角处为倒角或圆角设计。
优选的，阀座适配器外表面设置有环形密封凹槽，用于装配O型圈及挡圈。
附图说明
图1是本发明提供的一种非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构示意图。
图2是本发明密封结构中底座的示意图。
图3是本发明提供的一种不带有复合层锚定结构的密封结构示意图。
图4为阀座颈部的内表面环形凹槽截面形状示意图。
图5凸起截面尖角处为倒角或圆角的示意图。
图6为复合层锚定结构凸起示意图。
图7为密封结构阀座适配器结构示意图。
图8为阀座适配器上表面安装定位销示意图。
图9为阀座适配器上表面的环形密封凹槽内装配O型圈及挡圈的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1至图8所示，本发明实施例提供的一种非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构。
如图1所示，气瓶端部密封结构110为复合层、120为阀座、130为适配器，140为内胆。阀座、适配器由不锈钢棒加工而成。气瓶内胆材料为高密度聚乙烯，内胆成型前将阀座先放置于模具内，通过滚塑工艺与内胆一体成型。
具体的，一种非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，非金属内胆缠绕气瓶包括内胆和包裹在内胆外表面的复合层，端部密封结构包括阀座，阀座由凸缘1、颈状部2、复合层锚定结构3三部分构成，端部密封结构如图3所示。而对于压力等级不高的气瓶，阀座结构中的复合层锚定结构3是可以省略的。
如图2、图3所示，在阀座足以承受气瓶内压力时，气瓶端部密封结构中的阀座结构中可仅由凸缘和颈部构成，110为复合层、120为阀座、130为适配器，140为内胆。阀座、适配器由铝合金棒加工而成。气瓶内胆材料为尼龙6(PA6)，内胆成型前将阀座先放置于模具内，通过吹塑工艺与内胆一体成型。之后通过钻孔等操作来除去多余的部分，最后拧入装配有密封结构的阀座适配器。
该阀座为套筒结构，所述阀座具有底部凸缘和颈部，该阀座的底部凸缘的内表面套接在所述内胆的开口外壁上，处于所述内胆的开口位置的复合层端面贴紧在所述颈部的外表面。气瓶内胆与阀座的凸缘下表面5和阀座颈部内表面的过渡段6及直线段的一部分接触。阀座颈部的内表面6处为一曲面，直线段8处为一环形凹槽，该凹槽截面可为半圆、方形、三角等形状，参考图4所示，尖角处均进行倒角或圆角处理，参考图5所示。
如图6所示，在该凹槽上方、阀座与适配器连接的螺纹间设计一斜截面。在阀座颈部的内表面10处为阀座与适配器间密封用螺纹。所述环形凹槽与凸勾的形状相匹配。复合层锚定结构3为一凸起，该凸起截面为三角形或M型。凸起结构的尖角处为倒角或圆角设计。阀座颈部外表面7处为斜面、11处为垂直于阀座端部的矩形截面,。
阀座凸缘部分上表面4承载来自复合层的载荷，与复合层锚定结构3配合可减少爆破试验时阀座飞出的失效模式并减少阀座凸缘的整体直径和厚度，有效减少气瓶的重量和制造成本。复合层下表面5为一平面，该结构有两个优点：1、可以避免水流进气瓶内2、平面结构与内胆接触可以避免试验或使用过程中内胆受到剪切力作用而引起的应力集中和损坏。
气瓶内胆与阀座的凸缘下表面5和阀座颈部内表面的过渡段6及直线段的一部分接触，以连接内胆与阀座。阀座颈部与阀座凸缘下表面之间的过渡段为曲面6，减小了滚塑的过程中熔融的塑料流动的阻力，避免阀座末端的应力集中。阀座颈部直线段8处的环形凹槽，该凹槽截面为半圆形，有效增加了气瓶内胆与阀座间的连接强度。该凹槽形状经过圆角处理，降低成型加工难度和与内胆不完全贴合的风险。在该凹槽上方、阀座与适配器连接的螺纹间设计一斜截面，以方便适配器拧入。在阀座颈部的内表面10处为阀座与适配器间密封用螺纹。阀座凸缘下表面5为一平面。复合层锚定结构3处为一凸起，该凸起截面可为三角形。阀座颈部外表面7处为斜面、11处为垂直于阀座端部的矩形截面。
阀座适配器提供了与非金属内胆的密封连接，而且可以避免在瓶阀安装和拆卸过程中对内胆造成损伤。阀座适配器与内胆间通过密封结构密封，该密封形式包括但不限于O型圈、带有挡圈的O型圈等密封结构形式。阀座适配器与阀座间通过螺纹密封连接。适配器装配好密封结构后拧入阀座。在内胆成型加工过程中，内胆与阀座一体成型，并通过钻孔等操作来除去多余的部分。在气瓶缠绕过程中，复合层锚定结构被完全覆盖。最后拧入阀座适配器。气瓶的阀座及锚定结构设计需经过有限元进行受力校核，不超过所选材料的屈服应力。
复合层锚定结构为，设计锚定结构位置时需保证其可以完全被复合层完全覆盖，该锚定结构使阀座整体承受的载荷分散部分在复合层中，可以减少爆破试验中发生阀座飞出失效的风险，并减少阀座凸缘的直径，减少了气瓶重量和成本。锚定结构设计需承受跌落试验中的轴向应力和使用过程中的端部应力，通过有限元进行受力校核，不超过所选材料的屈服应力。
该种气瓶端部密封结构还包括阀座适配器，其与所述阀座的内圈密封配合后延伸至所述内胆的开口位置。阀座底部凸缘和阀座颈部一体成型。
阀座适配器外表面设置有环形密封凹槽，用于装配O型圈9及挡圈8。阀座凸缘下表面5为一平面。阀座的内圈壁的底部具有内凹段，所述内胆的端部缩口段插入所述阀座的内凹段，所述内胆的端部缩口段的内壁与所述阀座的内圈壁持平。阀座的内圈壁在所述内凹段的台阶处设有环形凹槽，所述内胆的端部缩口段具有外翻凸勾，所述外翻凸勾卡接在所述环形凹槽内。
如图7所示，阀座适配器结构，包括适配器本体和密封结构，适配器16处为一斜面，12处为一环形凹槽，用于装配O型圈、带有O型圈的挡圈或其他形式的密封结构，密封方式为径向密封。装配有O型圈及挡圈的环形凹槽，见图9。阀座适配器13及14处均为用于密封的螺纹，13处螺纹用于适配器与阀座间的密封连接，14处的螺纹用于适配器与气瓶阀门间的密封连接。阀座适配器的15处在安装后与阀座颈部上表面接触，并在安装后的17处打孔，安装定位销，如图8所示。
阀座适配器的设计可以使瓶阀正常拆卸和安装而不伤害内胆。在瓶阀直接与阀座相连的结构设计中，拆卸与安装过程中带来的扭转力可能对内胆造成损伤，造成密封失效。这种通过阀座适配器与气瓶内胆间通过O型圈等密封结构密封的方式与直接通过阀座密封相比，更便于阀座与内胆一体成型，简化工序。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
以上所述仅为本发明的示例实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，非金属内胆缠绕气瓶包括内胆和包裹在内胆外表面的复合层，其特征在于，所述端部密封结构包括：
阀座，该阀座为套筒结构，所述阀座具有底部凸缘和颈部，该阀座的底部凸缘的内表面套接在所述内胆的开口外壁上，处于所述内胆的开口位置的复合层端面贴紧在所述颈部的外表面；以及
阀座适配器，其与所述阀座的内圈密封配合后延伸至所述内胆的开口位置。
2.根据权利要求1所述的非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，其特征在于，所述阀座凸缘和所述颈部一体成型。
3.根据权利要求1所述的非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，其特征在于，所述阀座的内圈壁的底部具有内凹段，所述内胆的端部缩口段插入所述阀座的内凹段，所述内胆的端部缩口段的内壁与所述阀座的内圈壁持平。
4.根据权利要求3所述的非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，其特征在于，所述阀座的内圈壁在所述内凹段的台阶处设有环形凹槽，所述内胆的端部缩口段具有外翻凸勾，所述外翻凸勾卡接在所述环形凹槽内。
5.根据权利要求4所述的非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，其特征在于，所述阀座上还设置有复合层锚定结构。
6.根据权利要求5所述的非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，其特征在于，所述环形凹槽为半圆或方形或三角形，所述环形凹槽与凸勾的形状相匹配。
7.根据权利要求1所述的非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，其特征在于，所述阀座颈部内表面与阀座适配器外边面以螺纹密封连接。
8.根据权利要求5所述的非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，其特征在于，所述复合层锚定结构为一凸起，该凸起截面为三角形或M型。
9.根据权利要求8所述的非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，其特征在于，所述凸起结构的尖角处为倒角或圆角设计。
10.根据权利要求1所述的非金属内胆缠绕气瓶的端部密封结构，其特征在于，所述阀座适配器外表面设置有环形密封凹槽，用于装配O型圈及挡圈。
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