CN111963886A - 一种高压复合容器的密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压复合容器的密封结构，包括塑料内胆，塑料内胆由塑料壳体、金属端头、金属内衬及密封圈组成。本技术方案采用压缩密封圈的方式进行密封，保证了金属端头与塑料壳体之间的密封性能；通过塑料壳体的口部凸台，受到金属端头和金属内衬的外形限制下，和金属端头牢固地固定在一起，在高压容器内部压力和温度反复变化的情况下，塑料壳体的口部仍然能够和金属端头不脱离，不会使密封圈处的密封部位发生错位损伤而导致密封失效或衰减；另外，由于金属内衬具备一定的刚性，限制了塑料壳体密封口部材料的蠕变，避免导致密封圈压缩量变小从而导致密封性能衰减或失效的问题。

Description

一种高压复合容器的密封结构

技术领域

本发明属于高压复合容器技术领域，特别是指一种用于盛装高压气体的高分子塑料内胆高压复合容器的密封结构。

背景技术

大部分出租车改装压缩天然气(CNG)以代替燃油，一般CNG高压气瓶的工作压力为20MPa；部分车辆生产制造商已推广CNG或CNG与燃油混用的车辆，如奥迪、通用等。采用了氢介质电池汽车也是当前的热点，储氢高压气瓶的工作压力一般为35MPa、70MPa，且70MPa的IV型瓶(高压塑料内胆复合容器)是当前的研发热点。除了车用，高压气瓶在其他领域也得到充分的应用，例如欧洲的部分液化石油气采用塑料内胆复合容器(工作压力2MPa)。大量的高压容器在日常生活中得到广泛使用，传统的纯金属或金属内衬复合容器存在重量偏大的问题，不易运输；且存储压力越高，金属塑料内胆生产工艺越复杂，成本越高，还存在被高压气体腐蚀的风险。为了满足轻量化的要求，高压塑料内胆复合容器产生，因为塑料的特性，该类产品具备耐腐蚀、耐疲劳、重量轻等优越性能，主要生产厂商为丰田、Hexagon(挪威)、Quantum(美国)等。相对于纯金属或金属内衬复合容器，高压塑料内胆复合容器的密封性的保证更为苛刻，主要原因是塑料内胆壳体与金属端头的材料不同(因为塑料内胆需要和瓶口阀进行密封连接，因此塑料内胆的端头需要是金属材料)，在气瓶反复的使用过程中，塑料内胆与金属端头连接会松动，密封性能下降。因此，如何使塑料壳体和金属端头形成优异耐久的密封和耐气体渗透性能，是塑料内胆的高压复合容器突破的核心技术。

鉴于现状，金属端头与塑料内胆的连接成为了研究的热点与难点。图1所示为一个高压塑料内胆复合容器，金属端头01安装在塑料内胆02上，之后通过纤维复合材料层03进行缠绕包裹形成。图2为图1的A处放大图，为对端面的密封结构进行说明：金属端头01与塑料内胆的大面接触在工艺上是不可行的，即使可行成本也是高昂的；该结构未考虑金属端头01与塑料内胆02轴线上的限位；该结构未考虑缠绕时塑料内胆的内压不断改变的充压，会导致金属端头01及塑料内胆连接处产生缝隙引起泄漏；该结构未考虑瓶口承受安装扭矩时的限位，安装后导致金属端头01与纤维复合材料层03的结合强度降低；该结构中压缩气体的逃逸路径P较短，会增加压缩气体逃逸的风险，尤其是小分子气体CNG、氢气、氦气等。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压复合容器的密封结构，以解决现有的塑料壳体和金属端头在气瓶反复的使用过程中，塑料内胆与金属端头连接会松动，密封性能下降的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高压复合容器的密封结构，包括塑料内胆，所述塑料内胆由塑料壳体、金属端头、金属内衬及密封圈组成；

所述金属内衬与所述塑料壳体的口部一体包胶成型，所述金属内衬凸出于所述塑料壳体的上侧部分设置有外螺纹；

所述金属端头与所述外螺纹螺纹连接，密封圈被压缩设置于所述金属端头与所述塑料壳体的口部的凸出部分之间。

优选的，所述外螺纹的一部分被所述塑料壳体的口部的凸出部分包裹，包裹所述外螺纹部分的塑料壳体厚度小于外螺纹的螺纹高度。

优选的，所述塑料壳体采用两层或两层以上的热塑性塑料制备。

优选的，在所述塑料壳体的相邻两层的热塑性塑料之间设置有气体阻隔层。

优选的，所述塑料壳体根据承载的高压气体的分子量渗透特性，所述热塑性塑料包括但不限于PA、PE、PPA、PPS、聚酯、PP、POM或EVOH中的一种或一种以上的组合。

优选的，所述金属内衬及所述金属端头均具有耐承载气体介质的腐蚀性和耐高压性能。

优选的，所述金属内衬及所述金属端头均具有耐氢气腐蚀性。

优选的，所述金属内衬上设置有通孔，在进行包胶成型过程中，塑料壳体的半融熔材料穿过所述通孔，形成与金属内衬之间的锁合。

优选的，密封圈的材质包括但不限于FKM、EPDM、FVMQ、PTFE或硅树脂中的一种或多种混合。

本发明的有益效果是：

本技术方案采用压缩密封圈的方式进行密封，保证了金属端头与塑料壳体之间的密封性能；通过塑料壳体的口部凸台，受到金属端头和金属内衬的外形限制下，和金属端头牢固地固定在一起，在高压容器内部压力和温度反复变化的情况下，塑料壳体的口部仍然能够和金属端头不脱离，不会使密封圈处的密封部位发生错位损伤而导致密封失效或衰减，以实现较强的多次耐压力和温度变化能力；另外，由于金属内衬具备一定的刚性，限制了塑料壳体密封口部材料的蠕变，也就是限制了塑料壳体密封口部向内侧松动(直径变小)，避免导致密封圈压缩量变小从而导致密封性能衰减或失效的问题。

另一方面，高压复合容器在使用过程中，阻止了承载的高压气体介质泄漏,确保了高压复合容器使用的安全性，同时节约了能源，保护了环境；另外优异的耐疲劳性能，增加了高压复合容器的使用寿命。

附图说明

图1为现技术高压塑料内胆复合容器示意图；

图2为图1的A处密封结构及气体逃逸示意图；

图3为本发明的高压复合容器示意图；

图4为本发明密封结构示意图。

附图标记说明

01金属端头，02塑料内胆，03纤维复合材料层，1高压复合容器，2金属内衬，3塑料壳体，4密封圈，5金属端头，6密封圈，7瓶口阀。

具体实施方式

以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。

如图3所示，本申请是用于存储高压气态介质的高压复合容器相关的技术方案，该高压复合容器1包括塑料内胆，在塑料内胆外侧包括纤维缠绕增强层，以及具备一定系统功能的瓶口阀等。

用于存储高压气体的种类在本申请中不需要限制，所有需要高压存储的气体均可以适用本高压复合容器，比如氢气、CNG、氦气、氮气等压力大于1MPa,比如10MPa、20MPa、30MPa、50MPa、70MPa、80MPa或者更高的压力，前提是塑料壳体的材质能够达到相应的耐压高度。

在塑料内胆的外面缠绕纤维增强层是现高压复合容器的常规技术，在此申请人不对缠绕纤维增加层的制备方法，比如缠绕方法等进行说明或要求，也不对纤维缠绕层的材质等进行说明。

在高压复合容器上设置有瓶口阀7，通过密封圈6安装于金属端头3的瓶口阀也属于现有技术，在本申请的技术方案中并不强烈要求进行说明。

本申请的技术方案重点在塑料内胆的密封，本领域的技术人员均清楚，存储于容器内的高压气体不仅会通过容器壁的渗透，而且连接件之间的渗漏也是最主要的问题之一，本申请的技术方案正是对塑料内胆的密封进行的改进。

如图4所示，为本申请的第一种密封结构的示意图，在图4中包括常规的瓶口阀7，瓶口阀7与金属端头5之间的密封圈6。在图4中，密封结构包括金属内衬2、塑料壳体3、密封圈4及金属端头5，其中金属端头是用于安装瓶口阀，并与金属内衬及塑料壳体结合。

在本申请的技术方案中，将金属内衬通过注塑、吹塑或滚塑等工艺，嵌入模具和塑料壳体一体包胶成型，并且在金属内衬上设置有通孔，在进行包胶成型过程中，塑料壳体的半融熔材料穿过通孔，形成与金属内衬之间的锁合，保证了金属内衬与塑料壳体之间位置的稳定。

金属内衬的上部突出于塑料壳体的上侧的部分包括有外螺纹，并且外螺纹的下方部分被塑料壳体包裹，这些包括有塑料壳体的外螺纹依然凸显出来，即包裹的塑料壳体的厚度小于外螺纹的螺纹深度，这样的结构以提高金属内衬与塑料壳体之间的密封性能。

在本申请中，塑料壳体的材质根据不同承载高压气体的分子量渗透特性，选择性采用目前工业应用的热塑性塑料，例如PA、PE、PPA,PPS,聚酯、PP、POM、EVOH等中的一种或一种以上的混合，同时塑料壳体也可以采用如上材料的多层结构，并在相邻层之间设置气体阻隔层，防止氢气分子等承载气体小分子从材料的渗透。

根据不同承载气体介质的腐蚀性和耐高压性能，金属接头和金属端头优选由金属制成，如为符合耐氢气腐蚀的铝合金、不锈钢等金属材料。

在塑料壳体的上侧外表面设置密封圈，在本申请中，密封圈优先选用的材料为FKM、EPDM、FVMQ、PTFE、硅树脂等,为耐氢气腐蚀性和耐低温特性，优先选用FKM、EPDM、PTFE等。

然后将金属端头通过螺纹和金属内衬的外螺纹螺纹连接，金属端头的内侧密封面和塑料壳体的外侧密封面通过密封圈压缩密封，具体是，金属端头和金属内衬共同挤压密封圈，构成密封圈相对金属端头和塑料壳体之间的稳定的压缩量。另外，由于金属端头和金属内衬的螺纹连接，形成了金属端头和金属内衬或塑料壳体稳定的轴向结合力，防止密封部件发生轴向错位等密封失效问题。

在本申请的技术方案中，是将塑料壳体直接制作出高压复合容器的中空形状，再在两端通过模具各一体成型一个金属内衬，再经过密封圈及金属端头的螺纹连接，制备出高压复合容器的中空体，再安装常规的瓶口阀系统，制备出高压复合容器。

在本申请的其它实施例中，由塑料壳体与金属端头构成高压复合容器的分总成，再将两个完全相同的分总成中的塑料壳体部分进行焊接，形成所需要的高压复合容器的中空体，在本申请中，焊接方式可以是热板焊接、红外焊接，摩擦焊接，激光焊接等方式。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高压复合容器的密封结构，其特征在于，包括塑料内胆，所述塑料内胆由塑料壳体、金属端头、金属内衬及密封圈组成；

所述金属内衬与所述塑料壳体的口部一体包胶成型，所述金属内衬凸出于所述塑料壳体的上侧部分设置有外螺纹；

所述金属端头与所述外螺纹螺纹连接，密封圈被压缩设置于所述金属端头与所述塑料壳体的口部的凸出部分之间。

2.根据权利要求1所述的高压复合容器的密封结构，其特征在于，所述外螺纹的一部分被所述塑料壳体的口部的凸出部分包裹，包裹所述外螺纹部分的塑料壳体厚度小于外螺纹的螺纹高度。

3.根据权利要求所述的高压复合容器的密封结构，其特征在于，所述塑料壳体采用两层或两层以上的热塑性塑料制备。

4.根据权利要求3所述的高压复合容器的密封结构，其特征在于，在所述塑料壳体的相邻两层的热塑性塑料之间设置有气体阻隔层。

5.根据权利要求1所述的高压复合容器的密封结构，其特征在于，所述塑料壳体根据承载的高压气体的分子量渗透特性，所述热塑性塑料包括但不限于PA、PE、PPA、PPS、聚酯、PP、POM或EVOH中的一种或一种以上的组合。

6.根据权利要求1所述的高压复合容器的密封结构，其特征在于，所述金属内衬及所述金属端头均具有耐承载气体介质的腐蚀性和耐高压性能。

7.根据权利要求6所述的高压复合容器的密封结构，其特征在于，所述金属内衬及所述金属端头均具有耐氢气腐蚀性。

8.根据权利要求1所述的高压复合容器的密封结构，其特征在于，所述金属内衬上设置有通孔，在进行包胶成型过程中，塑料壳体的半融熔材料穿过所述通孔，形成与金属内衬之间的锁合。

9.根据权利要求1所述的高压复合容器的密封结构，其特征在于，密封圈的材质包括但不限于FKM、EPDM、FVMQ、PTFE或硅树脂中的一种或多种混合。

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