CN111963890B - 一种高压复合容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高压复合容器，至少塑料内胆具有一个塑料壳体及由塑料壳体包胶的金属端头；本技术方案的密封结构的塑料内胆，仅有塑料壳体和金属端头组成，密封结构简洁；金属端头和瓶口阀共同压缩瓶口阀上密封圈，使密封圈形成稳定的压缩量，最终是高压气瓶具有优异的密封性能；另外，金属端头和塑料壳体不论轴向还是周向，定位良好，在高低压和温度交变情况下，金属端头和塑料壳体相对位置不发生变化，塑料壳体的密封面不发生形变和失位，最终使高压气瓶具有优异的耐高低压力和温度交变性能。

Description

一种高压复合容器
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。
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，以解决现有的塑料壳体和金属端头在高压复合容器反复的使用过程中，密封性能，耐高低压力和温度交变性能下降的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高压复合容器，具有塑料内胆，所述塑料内胆具有一个塑料壳体及由所述塑料壳体包胶的金属端头；
所述金属端头包括有两个包胶部，分别为第一包胶部和第二包胶部，所述第一包胶部设置于所述金属端头的外沿部，所述第二包胶部设置于所述金属端头瓶口阀安装孔的下部；所述第二包胶部为沿所述金属端头瓶口阀安装孔设置的多个平行的凹槽；
所述塑料壳体在所述第一包胶部的上下两面形成第一包胶层，在所述第二包胶部的内侧形成第二包胶层，所述第一包胶层与所述第二包胶层通过过渡层连接；
所述第一包胶层、所述第二包胶层及所述过渡层形成塑料壳体的端部，并与塑料壳体的本体连接为一体结构，形成塑料壳体。
优选的，在所述第一包胶部上设置有上下贯通的第一包胶孔，在包胶过程中，塑料壳体的材质在第一包胶孔内延伸，形成连接第一包胶层的上下两面的连接部。
优选的，在所述金属端头的瓶口阀安装孔的周边的下端面上，设置有第二包胶孔，所述第二包胶孔与所述凹槽连通。
优选的，所述第二包胶部的最小直径大于所述金属端头瓶口阀安装孔的直径。
优选的，在所述第二包胶层的外表面设置有两个或两个以上的密封面，且两个或两个以上的密封面不在同一平面内。
优选的，所述塑料壳体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或EVOH中的一种或多种组合。
优选的，所述塑料壳体由两层或两层以上的所述热塑性塑料层制成，且在相邻两层的热塑性塑料层之间设置有气体阻隔层。
优选的，在所述塑料内胆的外表面设置有纤维增强层。
优选的，在所述金属端头的瓶口阀安装孔内，设置有瓶口阀，在所述瓶口阀的外侧面与所述第二包胶层之间设置有密封圈。
本发明的有益效果是：
本技术方案的密封结构的塑料内胆，仅有塑料壳体和金属端头组成，密封结构简洁；金属端头和瓶口阀共同压缩瓶口阀上密封圈，使密封圈形成稳定的压缩量，最终是高压复合容器具有优异的密封性能；另外，金属端头和塑料壳体不论轴向还是周向，定位良好，在高低压和温度交变情况下，金属端头和塑料壳体相对位置不发生变化，塑料壳体的密封面不发生形变和失位，最终使高压复合容器具有优异的耐高低压力和温度交变性能。
附图说明
图1为现技术的高压塑料内胆复合容器示意图；
图2为图1的A处密封结构放大示意图；
图3为本发明的高压复合容器示意图；
图4为本发明金属端头的结构示意图；
图5为本发明金属端头的另一方向结构示意图；
图6为本发明金属端头的轴向剖视图；
图7为图6的B处放大示意图；
图8为金属端头区域包胶结构示意图；
图9为图8的C处放大示意图；
图10为在塑料内胆的外侧缠绕有纤维增强层的结构示意图；
图11为装配有带密封圈的瓶口阀的结构示意图；
图12为本发明另一金属端头结构的包胶示意图。
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金属端头，21金属端头本体，22延伸部，23瓶口阀安装孔，231第一安装孔，232第二安装孔，24第一包胶部，25第一包胶孔，26第二包胶孔，27第二包胶部，271凹槽，3塑料壳体，31连接部，32第一包胶层，33第二包胶层，331第一密封面，332第二密封面，333第三密封面，34过渡层，4纤维增强层，5瓶口阀，6密封圈，200金属端头，201第一包胶部，202第二包胶部，300塑料壳体。
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，本申请的目的是提供一种用于存储高压气态介质的高压复合容器1，该高压复合容器1包括塑料内胆，塑料内胆由塑料壳体3及金属端头2通过包胶结构构成，然后在塑料内胆的外侧缠绕纤维增强层4，并在金属端头的瓶口阀安装孔23内设置具有一定系统功能的带有密封圈6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及金属端头能够达到相应的耐压程度。
在本申请的技术方案的高压复合容器1中，在塑料内胆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，只提及高压复合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说明。
在高压复合容器1上设置有瓶口阀5，瓶口阀的结构或功能根据高压复合容器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，但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，对瓶口阀及其密封圈有一定的改进以与塑料内胆配合，具体的改进将在后面进行描述。
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至图7所示，本申请的塑料内胆使用特定的金属端头2，本申请的金属端头2包括金属端头本体21，在金属端头本体的轴向设置有贯通的瓶口阀安装孔23，在金属端头本体21的外侧表面中部沿径向延伸出一圈圆环形的延伸部22，延伸部的厚度自金属端头本体向外延伸时的厚度逐渐减小。
在延伸部22的外边沿的上表面，设置有低于延伸部的一圈的第一包胶部24，即第一包胶部呈近似圆环形，在第一包胶部上设置有4-10个上下贯通的第一包胶孔25，第一包胶孔的孔径为5-10mm。
在瓶口阀安装孔23自上至下至少包括第一安装孔231、第二安装孔232及第三安装孔，在此不计算最上部的导角部分，其中，第二安装孔的孔径最小，第三安装孔的孔径最大，第三安装孔即本申请的第二包胶部，在第三安装孔内设置有多个平行的凹槽271，在本实施例中，设置有三个凹槽。
在本瓶口阀安装孔的周边设置有4-10个轴向第二包胶孔26，且每个第二包胶孔26均与凹槽271连通。
根据耐不同承载气体介质的腐蚀性和耐高压性能，金属端头优选由金属制成，如为符合耐氢气腐蚀性，使用铝合金，不锈钢等金属材料。
如图8和9所示，塑料壳体3和金属端头2通过包胶结合，形成塑料内胆，具体为将金属端头作为嵌入件，在注塑过程中，通过注塑包胶成型的塑料壳体，塑料材料充分包入金属端头的第一包胶部24和第二包胶部27。
在本申请中，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，同时塑料壳体也可以采用如上材料的多层热塑材料层，且在相邻的两层热塑材料层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的渗透。
所述塑料壳体3在所述第一包胶部24的上下两面形成第一包胶层32，在所述第二包胶部27的内侧形成第二包胶层33，所述第一包胶层32与所述第二包胶层33通过过渡层34连接。
所述第一包胶层32、所述第二包胶层33及所述过渡层34形成塑料壳体的端部，并与塑料壳体的本体连接为一体结构，形成塑料壳体。
在包胶过程中，塑料壳体的材质在第一包胶孔内延伸，形成连接第一包胶层的上下两面的连接部31。塑料壳体的材质在第二包胶孔内延伸，且同时在第二包胶部的凹槽内包胶并与第二包胶孔内的塑料壳体材质连接为一体结构，与金属端头形成锁扣结构，避免金属端头与塑料壳体之间的转动或轴向位移，造成密封部位的密封失效。
在本申请的其它实施例中，金属端头200包括第一包胶部201和第二包胶部202，在第一包胶部上不设置第一包胶孔，在第二包胶部处不设置有第二包胶孔，塑料壳体300直接对金属端头包胶，其最后的包胶结构见图12所示。
本申请的塑料壳体材料在第二包胶部的外表面自上而下形成三个密封面，分别为第一密封面331、第二密封面332及第三密封面333，且三个密封面不在同一平面上。在本申请的其它实施例中，密封面的具体数量根据具体制造过程和产品实际密封部位的需求而定。
如图10所示，在塑料内胆外缠绕纤维增强层4，以实现对高压复合容器增强，抵抗内部高压气体的压力。
如图11所示，为装配有带密封圈6的瓶口阀5，本技术方案中是通过密封圈直接使瓶口阀与塑料壳体密封，并且对密封圈产生一定的压缩作用，避免传统的塑料内胆结构首先由金属端头和塑料壳体密封，然后再由瓶口阀和金属端头密封的两次密封，从而形成的密封性能较差的问题。
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。
塑料壳体3在第二包胶层上形成三个密封面，可以匹配和瓶口阀轴向不同位置的两道密封圈密封的需求，使密封性能更加优异；且可以提供给高压复合容器过程密封检测时密封塞头等密封需求，可以避免过程检测中密封位置产生密封面损坏，而后续提供给瓶口阀密封，造成最终产品密封性能衰减的问题。
此密封结构的塑料内胆，仅有塑料壳体和金属端头组成，密封结构简洁；金属端头和瓶口阀共同压缩瓶阀上密封圈，使密封圈形成稳定的压缩量，最终使得高压复合容器具有优异的密封性能；另外，金属端头和塑料壳体不论轴向还是周向，定位良好，在高低压和温度交变情况下，金属端头和塑料壳体相对位置不发生变化，塑料壳体的密封面不发生形变和失位，最终使高压复合容器具有优异的耐高低压力和温度交变性能。
最终,在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 (8)

1.一种高压复合容器，其特征在于，具有塑料内胆，所述塑料内胆具有一个塑料壳体及由所述塑料壳体包胶的金属端头；
所述金属端头包括有两个包胶部，分别为第一包胶部和第二包胶部，所述第一包胶部设置于所述金属端头的外沿部，所述第二包胶部设置于所述金属端头瓶口阀安装孔的下部；所述第二包胶部为沿所述金属端头瓶口阀安装孔设置的多个平行的凹槽；
所述塑料壳体在所述第一包胶部的上下两面形成第一包胶层，在所述第二包胶部的内侧形成第二包胶层，所述第一包胶层与所述第二包胶层通过过渡层连接；
所述第一包胶层、所述第二包胶层及所述过渡层形成塑料壳体的端部，并与塑料壳体的本体连接为一体结构，形成塑料壳体；
在所述金属端头的瓶口阀安装孔的周边的下端面上，设置有第二包胶孔，所述第二包胶孔与所述凹槽连通。
2.根据权利要求1所述的高压复合容器，其特征在于，在所述第一包胶部上设置有上下贯通的第一包胶孔，在包胶过程中，塑料壳体的材质在第一包胶孔内延伸，形成连接第一包胶层的上下两面的连接部。
3.根据权利要求1所述的高压复合容器，其特征在于，所述第二包胶部的最小直径大于所述金属端头瓶口阀安装孔的直径。
4.根据权利要求1所述的高压复合容器，其特征在于，在所述第二包胶层的外表面设置有两个以上的密封面，且两个以上的密封面不在同一平面内。
5.根据权利要求1所述的高压复合容器，其特征在于，所述塑料壳体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PA、PE、PPA、PPS、聚酯、PP、POM或EVOH中的一种或多种组合。
6.根据权利要求5所述的高压复合容器，其特征在于，所述塑料壳体由两层以上的热塑性塑料层制成，且在相邻两层的热塑性塑料层之间设置有气体阻隔层。
7.根据权利要求1所述的高压复合容器，其特征在于，在所述塑料内胆的外表面设置有纤维增强层。
8.根据权利要求1所述的高压复合容器，其特征在于，在所述金属端头的瓶口阀安装孔内，设置有瓶口阀，在所述瓶口阀的外侧面与所述第二包胶层之间设置有密封圈。
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