CN111750264A - 内翻式高阻氢塑料-金属封头结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出内翻式高阻氢塑料‑金属封头结构，包括金属BOSS结构和塑料封头。金属BOSS结构成伞状，与封头同轴布置，伞状结构上开设有多个止转槽，用以防止金属BOSS结构与内胆封头发生旋转。塑料封头瓶口处结构为向内翻折，内环锥面可在塑料‑金属结合不紧密时，利用气瓶内的压力实现塑料‑金属的微滑移使二者再次紧密贴合，且压力越大，界面贴合越紧密。金属BOSS结构上平行于轴线的内环圆柱面上开设有阻隔槽。本发明采用内翻式塑料封头瓶口设计，使塑料封头在快速充放气过程中具有较好的抵抗变形的能力；设计了锥面、阻隔槽等结构，充分利用了储氢罐内外压差大的优势，使得塑料‑金属即使因加工工艺和温度导致两者收缩不一致，也能具有较好的界面密封效果。

Description

内翻式高阻氢塑料-金属封头结构

技术领域

本发明涉及高压储氢及高分子材料加工成型领域，具体涉及内翻式高阻氢塑料-金属封头结构。

技术背景

氢气以其燃烧洁净度高、能量密度大的优势成为新能源产业的重要组成部分其中气瓶储氢技术是发展氢气新能源的重要一环。气瓶储氢技术在新能源汽车、管束储氢车等应用最为广泛。目前，气瓶储氢技术正朝着高压高密度储氢方向发展，最前沿的储氢瓶是Ⅳ型高分子复合材料储氢瓶。而氢气具有分子小、易泄露的特点，且现有的输气管路多为金属材料，若采用塑料BOSS结构，容易因硬度不同导致塑料BOSS结构磨损失效，因此高分子复合材料储氢瓶面临的其中一个技术难点是封头金属BOSS结构与高分子材料高强度、高阻隔性连接技术。针对50MPa以上高压大容量管束储氢瓶的需求，研制一种耐压高阻隔的塑料内胆封头结构迫在眉睫。BOSS结构是指带有凸台的连接结构。

现有的塑料储氢瓶封头结构各式各样，其中专利201510440522.8使用了过盈配合和迷宫密封，瓶口处金属部件较大，轻量化效果较差；专利201710086665.2使用了迷宫密封的结构，但应用于高压储氢时结构强度存在缺陷；专利201711379446.X与专利201711379426.6均对封头处的塑料内胆结构进行了结构增强；专利201910439016.5使用的是双重密封圈密封，具有较好的密封效果，但瓶口处未对塑料内胆进行结构增强，在遭受轴向冲击时易破坏塑料内胆封头；专利201920773836.3采用迷宫密封与螺纹密封，并对瓶口塑料内胆结构进行了增强，具有较好的瓶口强度；专利201720862795.X采用了迷宫密封的结构，但瓶口结构复杂，不易于加工；专利2017109756818.3采用了锥面螺纹密封和迷宫密封，具有较好的密封效果，但同样存在结构复杂的问题等。挪威Hexagon复合材料公司还开发了一种内翻式内胆封头，但其内翻结构为直边，氢气能逐渐致使接触面发生氢脆或泄露。

发明内容

本发明以大容量高压储氢瓶用塑料内胆为对象，设计了内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，解决了高压储氢易泄露和快速充放氢易变形的问题。相比于传统高压储氢瓶用塑料内胆封头结构，本发明具有结构简单、密封效果好、高低压适用能力强，提升了塑料封头防快速充放气变形能力以及耐环境温度变化能力。

本发明内翻式高阻氢塑料-金属封头结构包括金属BOSS结构和塑料封头。所述塑料封头为主体结构，所述金属BOSS结构为嵌件。所述金属BOSS结构成伞状，与封头同轴布置，其内环嵌入塑料封头中，伞状结构覆盖于封头瓶口处，用以保护封头瓶口；同时伞状结构的外端面与塑料封头外表面重合。所述伞状结构上开设有多个止转槽，用以防止金属BOSS结构与内胆封头发生旋转。所述塑料封头瓶口处结构为向内翻折，用以使塑料-金属在高压下接触更加紧密。所述金属BOSS结构与封头内翻边的接触界面含沿轴向的内环锥面，内环锥面在金属BOSS结构上由气瓶内部向外截面积逐渐增大，且内环锥面在最大截面处向外设计有一段圆柱面。所述内环锥面可在塑料-金属结合不紧密时，利用气瓶内的压力实现塑料-金属的微滑移使二者再次紧密贴合，且压力越大，界面贴合越紧密。同时，本发明金属BOSS结构上平行于轴线的内环圆柱面上开设有阻隔槽。所述阻隔槽向气瓶内部偏转，且槽深至少为1.5倍槽宽。所述阻隔槽可为斜直槽，也可设计为曲型槽。所述阻隔槽数量至少为两个，且相邻阻隔槽间距离应大于两倍槽宽。所述阻隔槽因向内偏转，且长宽比较大，弹性较好，当有气体从下界面泄露时，阻隔槽内的高分子材料可被气体推向上界面，使其与上界面紧密贴合，起到较好的阻隔作用。同时，阻隔槽结构具有迷宫密封功能。

本发明内翻式高阻氢塑料-金属封头结构的具体成型方式为：将金属BOSS结构按照设计的结构形式铸造或减材制造成型，然后将成品BOSS结构作为嵌件放置到注塑模具中，通过注塑成型在模腔内成型出塑料封头获得内翻式高阻氢塑料-金属封头结构。

作为优选，本发明金属BOSS结构与塑料封头瓶口处设计一个垂直于轴线的凸台，该凸台外环面与塑料封头瓶口处的外环面重合，所述凸台与塑料封头的瓶口平面接触形成凸台平面。所述凸台平面可用以增大气体的泄露阻力。所述凸台平面在低压时可与塑料封头瓶口紧密贴合，高压时因为塑料封头瓶口相对金属BOSS结构内环发生微滑移，可能产生脱离，但不影响总体阻隔效果。

作为优选，本发明在上述凸台平面内侧开设有平行于轴线的梯形槽，梯形槽内环面与轴线平行，外环面与上述内环锥面平行。所述梯形槽可增大气体泄露阻力，防止塑料封头的瓶口与金属BOSS结构发生垂直于轴线的脱离。

作为优选，本发明上述梯形槽和凸台平面可合并为凸台锥面，所述凸台锥面由内向外斜向上设计，该锥面与上述内环锥面优选圆角过渡；也可选用直接锐角过渡，但不利于结构强度。

作为优选，本发明金属BOSS结构的伞状结构处，可在金属BOSS结构的伞状结构平面上进行喷丸、等离子处理、电化学处理等形成微小孔隙，使得注塑塑料可与金属形成锚靶效应，防止快速放气过程中内胆封头与金属发生分离。

作为优选，伞状结构平面处可设计为中心高、外侧低的伞状结构锥面或弧面，伞状结构锥面与金属BOSS结构内环圆柱面之间采用圆角过渡。该结构不仅可以起到较好的界面密封效果，而且相比于平面，可有效分载受力，降低塑料封头瓶口处变形的可能；同时，伞状结构锥面可将金属BOSS结构中部分金属代替为塑料，减轻重量。作为第二种优选方案，伞状结构平面设计为梯形结构。

所述止转槽可开设于伞状结构边缘，也可开设于伞状结构内部。

本发明内翻式高阻氢塑料-金属封头结构充分考虑了加工工艺、储存压力、温度对材料形变的影响。本发明采用内翻式封头瓶口设计及塑料-金属界面增强结构，使塑料封头在快速充放气过程中具有较好的抵抗变形的能力；同时，本发明设计了锥面、阻隔槽等结构，充分利用了储氢罐内外压差大的优势，使得塑料-金属即使因加工工艺和温度导致两者收缩不一致，也能具有较好的界面密封效果。

附图说明

图1为内翻式高阻氢塑料-金属封头结构简易结构示意图；

图2为内翻式高阻氢塑料-金属封头结构止转结构示意图；

图3为内翻式高阻氢塑料-金属封头结构优选结构方案一示意图；

图4为内翻式高阻氢塑料-金属封头结构优选结构方案二示意图；

图5为内翻式高阻氢塑料-金属封头结构带凸台简易结构示意图；

图6为内翻式高阻氢塑料-金属封头结构阻隔槽结构示意图；

图7为内翻式高阻氢塑料-金属封头结构凸台结构示意图。

图中：1-金属BOSS结构；2-塑料内胆封头；1-1-内环锥面；1-2-阻隔槽；1-3-凸台锥面；1-4伞状结构锥面；1-5-梯形结构；1-6-凸台平面；1-7-梯形凹槽；1-8-伞状结构平面；1-2-1-斜直槽；1-2-2-曲型槽。

具体实施方式

本发明内翻式高阻氢塑料-金属封头结构包括金属BOSS结构1和塑料封头2，如图1所示。所述塑料封头2为主体结构，所述金属BOSS结构1为嵌件。所述金属BOSS结构1成伞状，与封头2同轴布置，其内环嵌入塑料封头2中，伞状结构覆盖于封头瓶口处；同时伞状结构的外端面与塑料封头2外表面重合。所述伞状结构上开设有多个止转槽，如图2所示，用以防止金属BOSS结构1与内胆封头2发生旋转。所述塑料封头2的瓶口处结构为向内翻折。所述金属BOSS结构1与封头2内翻边的接触界面含沿轴向的内环锥面1-1，见图3，内环锥面1-1在金属BOSS结构1上由气瓶内部向外截面积逐渐增大，且内环锥面1-1在最大截面处向外设计有一段圆柱面。同时，本发明金属BOSS结构1上平行于轴线的内环圆柱面上开设有阻隔槽1-2。所述阻隔槽1-2向气瓶内部偏转，且槽深至少为1.5倍槽宽。如图5所示，所述阻隔槽1-2可为斜直槽1-2-1，见图6(a)，也可设计为曲型槽1-2-2，见图6(b)。所述阻隔槽1-2数量至少为两个，且相邻阻隔槽间距离应大于两倍槽宽。所述阻隔槽1-2因向内偏转，且长宽比较大，弹性较好，当有气体从下界面泄露时，阻隔槽内的高分子材料可被气体推向上界面，使其与上界面紧密贴合，起到较好的阻隔作用。同时，阻隔槽1-2结构具有迷宫密封功能。

本发明内翻式高阻氢塑料-金属封头结构的具体成型方式为：将金属BOSS结构1按照设计的结构形式铸造或减材制造成型，然后将成品金属BOSS结构1作为嵌件放置到注塑模具中，通过注塑成型在模腔内成型出塑料封头2获得内翻式高阻氢塑料-金属封头结构。

作为优选，如图5所示，本发明金属BOSS结构1与塑料封头2瓶口处设计一个垂直于轴线的凸台，该凸台外环面与塑料封头2瓶口处的外环面重合，所述凸台与塑料封头2的瓶口平面接触形成凸台平面1-6。所述凸台平面1-6可用以增大气体的泄露阻力。所述凸台平面1-6在低压时可与塑料封头2瓶口紧密贴合，高压时因为塑料封头2瓶口相对金属BOSS结构1内环发生微滑移，可能产生脱离，但不影响总体阻隔效果。

作为优选，如图7所示，本发明在上述凸台平面1-6内侧开设有平行于轴线的梯形凹槽1-7，见图7(a)，梯形凹槽1-7内环面与轴线平行，外环面与上述内环锥面1-1平行。所述梯形凹槽1-7可增大气体泄露阻力，防止塑料封头2的瓶口与金属BOSS结构1发生垂直于轴线的脱离。

作为优选，本发明上述梯形凹槽1-7和凸台平面1-6可合并为凸台锥面1-3，见图7(b)，所述凸台锥面1-3由内向外斜向上设计，该凸台锥面1-3与上述内环锥面1-1优选圆角过渡，见图7(c)；也可选用直接锐角过渡，但不利于结构强度。

作为优选，本发明BOSS结构的伞状结构处，可在金属BOSS结构1的伞状结构平面1-8(见图5)上进行喷丸、等离子处理、电化学处理等形成微小孔隙，使得注塑塑料可与金属形成锚靶效应，防止快速放气过程中内胆封头与金属发生分离。

作为优选，如图3所示，伞状结构平面1-8处可设计为中心高、外侧低的伞状结构锥面1-4或弧面，伞状结构锥面1-4与金属BOSS结构1内环圆柱面之间采用圆角过渡。该结构伞状结构锥面1-4不仅可以起到较好的界面密封效果，而且相比于凸台平面1-6，可有效分载受力，降低塑料封头2瓶口处变形的可能；同时，伞状结构锥面1-4可将BOSS结构1中部分金属代替为塑料，减轻重量。作为第二种优选方案，伞状结构平面1-8设计为梯形结构1-5，如图4所示。

Claims (10)

1.内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，包括金属BOSS结构和塑料封头，所述塑料封头为主体结构，所述金属BOSS结构为嵌件；其特征在于：所述金属BOSS结构成伞状，与塑料封头同轴布置，其内环嵌入塑料封头中，伞状结构覆盖于塑料封头瓶口处，用以保护塑料封头瓶口；同时伞状结构的外端面与塑料封头外表面重合；所述伞状结构上开设有多个止转槽，用以防止金属BOSS结构与内胆封头发生旋转；所述塑料封头瓶口处结构为向内翻折，用以使塑料-金属在高压下接触更加紧密；所述金属BOSS结构与塑料封头内翻边的接触界面含沿轴向的内环锥面，内环锥面在金属BOSS结构上由气瓶内部向外截面积逐渐增大，且内环锥面在最大截面处向外设计有一段圆柱面。

2.根据权利要求1所述的内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，其特征在于：金属BOSS结构上平行于轴线的内环圆柱面上开设有阻隔槽，所述阻隔槽向气瓶内部偏转，且槽深至少为1.5倍槽宽。

3.根据权利要求2所述的内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，其特征在于：所述阻隔槽可为斜直槽，也可设计为曲型槽；所述阻隔槽数量至少为两个，且相邻阻隔槽间距离应大于两倍槽宽；所述阻隔槽因向内偏转，且长宽比较大，弹性较好，当有气体从下界面泄露时。

4.根据权利要求1所述的内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，其特征在于：金属BOSS结构与塑料封头瓶口处设计一个垂直于轴线的凸台，该凸台外环面与塑料封头瓶口处的外环面重合，所述凸台与塑料封头的瓶口平面接触形成凸台平面。

5.根据权利要求4所述的内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，其特征在于：凸台平面内侧开设有平行于轴线的梯形槽，梯形槽内环面与轴线平行，外环面与上述内环锥面平行。

6.根据权利要求3和权利要求5所述的内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，其特征在于：梯形槽和凸台平面合并为凸台锥面，所述凸台锥面由内向外斜向上设计，该锥面与上述内环锥面优选圆角过渡。

7.根据权利要求1所述的内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，其特征在于：在金属BOSS结构的伞状结构平面上进行喷丸、等离子处理或电化学处理形成微小孔隙，使得注塑塑料与金属形成锚靶效应。

8.根据权利要求1所述的内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，其特征在于：伞状结构平面处可设计为中心高、外侧低的伞状结构锥面或弧面，伞状结构锥面与金属BOSS结构内环圆柱面之间采用圆角过渡。

9.根据权利要求1所述的内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，其特征在于：伞状结构平面设计为梯形结构。

10.根据权利要求1所述的内翻式高阻氢塑料-金属封头结构，其特征在于：所述止转槽开设于伞状结构边缘，或开设于伞状结构内部。

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