CN111963889A - 一种高压储气装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压储气装置，包括塑料内胆，塑料内胆包括塑料壳体、金属内衬、金属端头、塑料密封件及第一密封圈；塑料密封件通过注塑包胶与金属端头结合形成注塑包胶件，注塑包胶件与塑料壳体结合，金属内衬的外壁设置有外螺纹，与金属端头的内螺纹螺纹连接，在金属内衬的外壁的下方通过压缩设置的第一密封圈与注塑包胶件密封连接。本技术方案密封结构操作工艺简洁，金属端头和塑料壳体在螺纹连接和胶结的共同作用下不论轴向还是周向，定位良好，在高低压力变化的情况下，第一密封圈、塑料壳体、金属端头和瓶口阀的相对位置不发生变化，最终使高压储气装置具有优异的密封性能、耐压力交变性能。

Description

一种高压储气装置

技术领域

本发明属于高压储气装置技术领域，特别是指一种用于盛装高压气体的高压储气装置。

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，是塑料内胆的高压储气装置突破的核心技术。

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储气装置，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：

一种高压储气装置，包括塑料内胆，所述塑料内胆包括塑料壳体、金属内衬、金属端头、塑料密封件及第一密封圈；

所述塑料密封件通过注塑包胶与所述金属端头结合形成注塑包胶件，所述注塑包胶件与所述塑料壳体结合；

所述金属内衬的外壁设置有外螺纹，与金属端头的内螺纹螺纹连接，在所述金属内衬的外壁的下方通过压缩设置的第一密封圈与所述注塑包胶件密封连接。

优选的，所述塑料壳体的材质，根据充装介质和充装条件，选择包括但不限于高密度聚乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚或聚酮中的一种或一种以上组合。

优选的，所述金属端头根据承载气体介质的腐蚀性和耐高压性能，选择铝合金或不锈钢材质。

优选的，所述塑料密封件的材质与塑料壳体的材质相同。

优选的，所述第一密封圈的材质为耐氢气腐蚀和耐低温的FKM、EPDM、FVMQ、PTFE或硅树脂中的一种或一种以上组合。

优选的，在塑料内胆外缠绕纤维增强层，所述纤维增强层的纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维中的一种或一种以上的混合物。

优选的，配合纤维的为热固性树脂或热塑性树脂，其中热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或双马来酰亚胺树脂中的一种或一种以上的混合物；热塑性树脂为聚酰胺树脂、聚丙烯树脂或聚苯硫醚树脂中的一种或一种以上的混合物。

优选的，包括设置于金属内衬内的带有第二密封圈的瓶口阀，所述第二密封圈设置于所述金属内衬的内表面与所述瓶口阀的外侧壁之间。

本发明的有益效果是：

本技术方案涉及的塑料内胆高压储气装置，其密封结构的塑料内胆，仅有塑料壳体，金属内衬、塑料密封件、密封圈和金属端头组成。密封结构、操作工艺简洁；另外，金属端头和塑料壳体在螺纹连接和胶结的共同作用下不论轴向还是周向，定位良好，在高低压力变化的情况下，密封圈、塑料壳体、金属端头和瓶口阀的相对位置不发生变化，最终使高压储气装置具有优异的密封性能、耐压力交变性能。

附图说明

图1为现高压塑料内胆复合容器结构示意图；

图2为图1的A处密封结构示意图；

图3为本发明的高压储气装置的局部外观示意图；

图4为塑料密封件与金属端头成型示意图；

图5为注塑包胶件与塑料壳体结合示意图；

图6为金属内衬与金属端头结合示意图；

图7为纤维增强层固化后示意图；

图8为瓶口阀装配后示意图。

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塑料壳体，2金属端头，3塑料密封件，4金属内衬，5瓶口阀，6第一密封圈，7纤维增强层，8第二密封圈，21第一凹槽，22包胶孔，23第二凹槽。

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，本申请的目的是提供一种用于存储高压气态介质的高压储气装置，该高压储气装置包括塑料内胆，塑料内胆由塑料壳体1、金属内衬4、第一密封圈6、金属端头2及塑料密封件3构成，然后在塑料内胆的外侧缠绕纤维增强层7，并在金属内衬的瓶口阀安装孔内设置具有一定系统功能的带有第二密封圈8的瓶口阀5。

用于存储的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于本申请的复合压力容器，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及金属端头能够达到相应的耐压程度。

本申请的技术方案高压储气装置中，在塑料内胆的外侧缠绕纤维增强层是现高压储气装置的常规技术，在此，只提及复合压力容器也需要包括纤维增加层，且缠绕在塑料内胆的外侧，具体到使用何种纤维用于纤维加强层及与纤维配合的树脂是热塑性树脂还是热固性树脂均可以根据企业生产的需要进行选用，并不影响本申请的技术方案的实现，同样纤维加强层的缠绕方式或缠绕方法也不在本申请中进行详细说明。

在高压储气装置上设置有瓶口阀，瓶口阀的结构或功能根据高压储气装置的应用场所而有所不同，其包括相应的功能性系统并不在本申请的保护范围之内，本申请的技术方案中，关键涉及到塑料内胆的密封结构技术，对瓶口阀及其第二密封圈的技术方案仅进行简单的描述。

本技术方案的重点是在塑料内胆的密封结构，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阀门泄漏，而且通过容器的容器壁、容器的两个部分的连接处在高压情况下也会产生渗漏，并且在容器内的气体的压力变化过程中，会对连接部分的密封性能产生影响，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，金属端头2与塑料密封件3通过注塑包胶工艺成型为注塑包胶件，在成型过程中，温度较高的熔融塑料密封件料胚，与金属端头直接接触形成预制件。

金属端头2包括金属端头本体，在金属端头本体设置有轴向的金属内衬安装孔，在金属端头本体的外侧面向外周延伸的延伸部，在金属端头的底面，金属内衬安装孔的外侧设置有一圈第一凹槽21，在所述金属内衬安装孔内设置有径向的包胶孔22，所述包胶孔与所述第一凹槽连通，在所述包胶孔上方的金属内衬安装孔内设置有一圈第二凹槽23，在进行注塑包胶过程中，将第一凹槽的侧面、底面、包胶孔内及第二凹槽内均通过塑料密封件包胶为一体结构，制备成注塑包胶件。

通过特定的金属端头结构，增加了和塑料密封件料胚的接触面积，同时在塑料密封件料胚冷却收缩的过程中，可有效防止两者脱落，很好的保证两者结合的强度。

本申请的金属端头根据耐不同承载气体介质的腐蚀性和耐高压性能，金属端头选用耐氢气腐蚀的铝合金或不锈钢等金属材料。

如图5所示，塑料壳体1采用注塑、吹塑或滚塑玍工艺单独成型，再将塑料密封件与塑料壳体通过旋转摩擦焊接结合，利用塑料壳体与塑料密封件接触面相互摩擦所产生的热，使两者的端面达到热塑性状态，然后迅速施加顶力，实现焊接。焊接质量稳定，焊件尺寸精度高，且生产效率高。

塑料壳体的材料根据充装介质和充装条件进行选择，例如高密度聚乙烯(HDPE)、聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚酮等；其工艺可匹配厂家现有生产设备，灵活选择吹塑工艺、注塑工艺或滚塑工艺。

如图6所示，金属内衬4的外表面上部设置有外螺纹，与金属端头的金属内衬安装孔的内螺纹螺纹配合，将金属内衬固定在金属端头上，并与塑料密封件通过第一密封圈达到密封效果，第一密封圈处于金属内衬和金属端头的双刚性结构夹持中，避免了密封圈因塑料壳体刚性不足导致的内陷，这样高压储气装置中控制密封效果最为关键的步骤做到了可控。同时，为了提高密封效果，可在装配密封圈的过程中同步增加挡圈，这样可防止密封圈在高压下的移动。此外，金属内衬和金属端头通过螺纹连接的刚性结构，对后续缠绕过程也是十分有利的，限制了整个结构在搬运、转动过程中密封圈的运动。

如图7所示，在装配金属内衬和第一密封圈后，进行纤维增强层的缠绕、固化。通常选用的纤维包含碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维或其混合物。根据缠绕工艺的不同，配合纤维所采用的树脂可为热固性树脂，如环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂等，或热塑性树脂，如聚酰胺树脂、聚丙烯树脂、聚苯硫醚树脂等。最后，根据所选择的树脂种类，制定合理的固化温度80-180℃和固化时间2-10h。

如图8所示，在纤维增强层7固化后，安装带有第二密封圈8的瓶口阀5，使瓶口阀通过第二密封圈直接与金属内衬密封。金属端头的内侧面与金属内衬的外侧面通过第一密封圈密封，这样，高压储气装置温度和压力变化下，即使随着时效的变化，瓶口阀上的第二密封圈的压缩量，也能保持稳定。

根据本发明涉及的塑料内胆高压储气装置，此密封结构的塑料内胆，仅有塑料壳体、金属内衬、塑料密封件、密封圈和金属端头组成，密封结构操作工艺简洁，另外金属端头和塑料壳体在螺纹连接和胶结的共同作用下不论轴向还是周向，密封良好，在高低压力变化的情况下，密封圈、塑料壳体、金属端头和瓶口阀的相对位置不发生变化，最终使高压储气装置具有优异的密封性能、耐压力交变性能。

最终，高压储气装置在使用过程中，阻止了承载的高压气体介质泄漏,确保了高压储气装置使用的安全性，同时节约了能源，保护了环境。

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 (8)

1.一种高压储气装置，其特征在于，包括塑料内胆，所述塑料内胆包括塑料壳体、金属内衬、金属端头、塑料密封件及第一密封圈；

所述塑料密封件通过注塑包胶与所述金属端头结合形成注塑包胶件，所述注塑包胶件与所述塑料壳体结合；

所述金属内衬的外壁设置有外螺纹，与金属端头的内螺纹螺纹连接，在所述金属内衬的外壁的下方通过压缩设置的第一密封圈与所述注塑包胶件密封连接。

2.根据权利要求1所述的高压储气装置，其特征在于，所述塑料壳体的材质，根据充装介质和充装条件，选择包括但不限于高密度聚乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚或聚酮中的一种或一种以上组合。

3.根据权利要求2所述的高压储气装置，其特征在于，所述塑料密封件的材质与塑料壳体的材质相同。

4.根据权利要求1所述的高压储气装置，其特征在于，所述金属端头根据承载气体介质的腐蚀性和耐高压性能，选择铝合金或不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的高压储气装置，其特征在于，所述第一密封圈的材质为耐氢气腐蚀和耐低温的FKM、EPDM、FVMQ、PTFE或硅树脂中的一种或一种以上组合。

6.根据权利要求1所述的高压储气装置，其特征在于，在塑料内胆外缠绕纤维增强层，所述纤维增强层的纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维中的一种或一种以上的混合物。

7.根据权利要求6所述的高压储气装置，其特征在于，配合纤维的为热固性树脂或热塑性树脂，其中热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或双马来酰亚胺树脂中的一种或一种以上的混合物；热塑性树脂为聚酰胺树脂、聚丙烯树脂或聚苯硫醚树脂中的一种或一种以上的混合物。

8.根据权利要求1所述的高压储气装置，其特征在于，包括设置于金属内衬内的带有第二密封圈的瓶口阀，所述第二密封圈设置于所述金属内衬的内表面与所述瓶口阀的外侧壁之间。

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