CN111963887A - 一种高压复合容器的塑料内胆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高压复合容器的塑料内胆，至少包括两个分塑料内胆总成及纤维复合层。通过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；通过塑料壳体的开口部的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，塑料壳体的开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，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塑料内胆
技术领域
本发明涉及一种高压复合容器塑料内胆的密封结构，是一种用于盛装高压气体的高分子材料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塑料内胆，以解决现技术的塑料内胆与金属端头在高低压力或温度交变时出现连接松动，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塑料内胆，至少包括两个分塑料内胆总成及纤维复合层；
所述分塑料内胆总成包括分塑料壳体、金属内衬、金属端头及密封圈；
所述分塑料壳体包括塑料壳体本体及一端向外凸出的开口部，所述塑料壳体本体的另一端为管形结构；
所述开口部的内表面与金属内衬的外表面连接，所述金属内衬突出所述开口部的部分的外表面设置有外螺纹；
所述金属端头与所述金属内衬通过螺纹连接，在开口部的外侧与金属端头之间设置有密封圈；
两个分塑料内胆总成的管形结构的端部通过焊接形成高压容器的中空体；在所述中空体的外侧缠绕有纤维复合层。
优选的，所述金属内衬包括圆管形的金属内衬本体及在所述圆管形金属内衬本体的下端的翻边，所述分塑料壳体同时与圆管形金属内衬本体的外侧表面及所述翻边的上表面连接。
优选的，所述分塑料壳体的材质包括但不限于PA、PE、PPA、PPS、聚酯、PP、POM、EVOH中的一种或一种以上组合。
优选的，所述分塑料壳体采用由上述材质的多层结构制备，并且在多层结构之间设置有气体阻隔层。
优选的，所述金属内衬及金属端头的材质至少为耐氢气腐蚀性，包括但不限于铝合金或不锈钢。
优选的，所述密封圈的材质为具有耐氢气腐蚀性和耐低温特性，包括但不限于FKM、EPDM、FVMQ、PTFE或硅树脂。
优选的，焊接方式包括但不限于热板焊接、红外焊接、摩擦焊接或激光焊接。
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；通过塑料壳体的开口部的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，塑料壳体的开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(耐疲劳性)；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。
附图说明
图1为现有技术高压塑料复合容器结构示意图；
图2为图1的A处密封部分放大示意图；
图3为本发明高压复合容器塑料内胆示意图；
图4为塑料内胆密封结构示意图；
图5为分塑料内胆总成示意图；
图6为两个分塑料内胆总成通过焊接形成中空体的结构示意图。
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瓶口阀，2分塑料壳体，21塑料壳体本体，22开口部，3金属内衬，31金属内衬本体，32翻边，4金属端头，5密封圈，10中空体。
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的塑料内胆相关的技术方案，在塑料内胆上还设置有具有一定系统功能的瓶口阀1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。
本申请的塑料内胆由两个塑料内胆总成通过焊接形成一个中空体10，然后在中空体的外侧缠绕纤维复合层组成，其中分塑料内胆总成如图5所示，中空体结构如图6所示。
在中空体的外侧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。
在塑料内胆上设置瓶口阀1是塑料高压复合容器的必备部件，在瓶口阀与金属端头的开口部的内侧表面之间还设置有密封圈等均属于现有技术，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5和图6所示，本申请的用于高压复合容器的塑料内胆是由两个分塑料内胆总成经过焊接形成中空体，通过对中空体的外侧缠绕纤维复合层制备而成。
分塑料内胆总成包括分塑料壳体2、金属内衬3、金属端头4及密封圈5组成，其中分塑料壳体是通过注塑、吹塑或滚塑等工艺制成。分塑料壳体2包括塑料壳体本体21及塑料壳体本体的一端向外凸出的开口部22组成，塑料壳体本体的另一端为圆管形结构，在开口部与塑料壳体本体之间根据需要会有多种形状的变化，并不影响本申请技术方案的实现。
在本申请的技术方案中，分塑料壳体的材质，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，包括但不限于PA、PE、PPA、PPS、聚酯、PP、POM、EVOH中的一种或一种以上组合。
分塑料壳体采用由上述材质的多层结构制备，即通过对分塑料壳体的切面方向由多层的材质组成，并且在多层结构之间设置有气体阻隔层，防止氢气分子等承载气体小分子从材料部分的渗透。
金属内衬3从塑料壳体本体与开口部相对的一端插入开口部，本申请的金属内衬3由圆管形的金属内衬本体31及在所述圆管形金属内衬本体的下端的翻边32组成，当金属内衬插入到开口部后，金属内衬本体的上端穿出开口部，金属内衬本体穿出开口部的部分的外表面设置有外螺纹，用于同金属端头的内螺纹螺纹连接，所述分塑料壳体同时与圆管形金属内衬本体的外侧表面及所述翻边的上表面连接。在本申请的其它实施例中，开口部的上端包裹部分外螺纹，并且包裹外螺纹部分的开口部的厚度逐渐减小，用于对金属内衬与金属端头及塑料壳体之间的密封。
金属端头4与所述金属内衬3通过螺纹连接，在开口部的外侧与金属端头之间设置有密封圈；在本实施例中，金属端头为常规技术，在此不进行说明。
金属内衬及金属端头的材质至少为耐氢气腐蚀性，包括但不限于铝合金或不锈钢。
所述密封圈5的材质为具有耐氢气腐蚀性和耐低温特性，包括但不限于FKM、EPDM、FVMQ、PTFE或硅树脂。
金属内衬和金属端头的牢固的螺纹连接，形成金属端头和分塑料壳体两者之间轴向和横向的定位，在高压气瓶受到压力和温度变化时，特别在轴向，金属端头和塑料壳体之间的上述结构的结合力大于两者受到的分离力，因此，两者之间连接稳定性，保护了密封圈密封部位的稳定性，保证了密封性能的稳定性。
金属内衬抵住塑料壳体的密封部位内侧，避免由于塑料密封件刚性不足，受到密封圈的压缩力后，向内侧变形，导致密封圈压缩量变小，密封性能下降的问题。
在本实施例中，两个分塑料内胆总成的结构、大小及形状完全相同，在本申请的其它实施例中，也可以采用塑料壳体本体的轴向长度不同的两个分分塑料内胆总成通过焊接形成高压容器的中空体结构，其中焊接方式可以是热板焊接、红外焊接、摩擦焊接或激光焊接等方式。
本技术方案的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。
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 (7)

1.一种高压复合容器的塑料内胆，其特征在于，至少包括两个分塑料内胆总成及纤维复合层；
所述分塑料内胆总成包括分塑料壳体、金属内衬、金属端头及密封圈；
所述分塑料壳体包括塑料壳体本体及一端向外凸出的开口部，所述塑料壳体本体的另一端为管形结构；
所述开口部的内表面与金属内衬的外表面连接，所述金属内衬突出所述开口部的部分的外表面设置有外螺纹；
所述金属端头与所述金属内衬通过螺纹连接，在开口部的外侧与金属端头之间设置有密封圈；
两个分塑料内胆总成的管形结构的端部通过焊接形成高压容器的中空体；在所述中空体的外侧缠绕有纤维复合层。
2.根据权利要求1所述的高压复合容器的塑料内胆，其特征在于，所述金属内衬包括圆管形的金属内衬本体及在所述圆管形金属内衬本体的下端的翻边，所述分塑料壳体同时与圆管形金属内衬本体的外侧表面及所述翻边的上表面连接。
3.根据权利要求1所述的高压复合容器的塑料内胆，其特征在于，所述分塑料壳体的材质包括但不限于PA、PE、PPA、PPS、聚酯、PP、POM、EVOH中的一种或一种以上组合。
4.根据权利要求3所述的高压复合容器的塑料内胆，其特征在于，所述分塑料壳体采用由上述材质的多层结构制备，并且在多层结构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塑料内胆，其特征在于，所述金属内衬及金属端头的材质至少为耐氢气腐蚀性，包括但不限于铝合金或不锈钢。
6.根据权利要求1所述的高压复合容器的塑料内胆，其特征在于，所述密封圈的材质为具有耐氢气腐蚀性和耐低温特性，包括但不限于FKM、EPDM、FVMQ、PTFE或硅树脂。
7.根据权利要求1所述的高压复合容器的塑料内胆，其特征在于，焊接方式包括但不限于热板焊接、红外焊接、摩擦焊接或激光焊接。
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