CN111963892B - 一种塑料内胆高压复合容器的密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简单高效的塑料内胆高压复合容器的密封结构，在金属内衬外包裹塑料壳体；金属内衬的端部设置有外凸的带有外螺纹的开口部，塑料壳体在开口部部分包裹外螺纹；金属端头与开口部的外螺纹螺纹连接；在塑料壳体的靠近上端的外表面与金属端头之间设置有第一密封圈；在金属端头及塑料外壳的外表面缠绕有纤维增强层。本技术方案采用压缩密封圈的方式进行密封，采用胶结及螺纹连接的方式进行精准定位，不仅保证了塑料壳体与金属端头之间的密封性能，而且塑料壳体与金属端头相对位置受限，保证高压容器在内部压力反复变化的情况下，密封位置不因位移导致密封失效或衰减，以满足高压复合容器对疲劳性能的要求。

Description

一种塑料内胆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，特别中是指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因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被研发，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。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待突破的核心技术。

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

本发明目的是提供一种塑料内胆高压复合容器的密封结构，以解决现有技术的金属端头与塑料内胆之间因为长期使用出现松动，导致密封性能下降的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种塑料内胆高压复合容器的密封结构，其特征在于，包括金属内衬，在所述金属内衬外包裹塑料壳体；所述金属内衬的端部设置有外凸的开口部，

所述金属端头同时与所述金属内衬及所述塑料壳体连接；

在所述塑料壳体的靠近上端的外表面与所述金属端头之间设置有第一密封圈；

在所述金属端头及所述塑料外壳的外表面缠绕有纤维增强层。

进一步的，所述开口部的外表面设置有外螺纹，塑料壳体在开口部部分包裹所述外螺纹，所述金属端头与所述开口部的外螺纹螺纹连接。

进一步的，所述金属内衬的外表面为非平滑表面；所述非平滑表面的截面为齿状结构。

进一步的，所述金属内衬外包裹塑料壳体采用但不限于注塑、吹塑或滚塑工艺制备。

进一步的，塑料壳体的材质根据充装介质和充装条件进行选择，包括但不限于聚乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚或聚酮中和一种或一种以上组合。

进一步的，所述第一密封圈采用压缩密封圈的方式进行密封。

进一步的，在装配密封圈的过程中同步增加挡圈。

进一步的，所述纤维增强层包括但不限于碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维的一种或一种以上的纤维混合物。

进一步的，配合纤维所采用的树脂为热固性树脂，包括但不限于环氧树脂、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；

或为热塑性树脂包括但不限于聚酰胺树脂、聚丙烯树脂或聚苯硫醚树脂中的一种或一种以上的混合。

进一步的，还包括带有第二密封圈的瓶阀，设置于金属端头的开口内，在所述金属端头的开口的内侧面和所述瓶阀的外侧面共同夹持已经形成一体密封的塑料壳体层。

本发明的有益效果是：

1、本技术方案不仅工艺简单，而且金属端头与塑料壳体间的精准定位，保证了高压气瓶优异的密封性能、耐压力交变性能。

2、本技术方案采用压缩密封圈的方式进行密封，采用胶结及螺纹连接的方式进行精准定位，不仅保证了塑料壳体与金属端头之间的密封性能，而且塑料壳体与金属端头相对位置受限，保证高压容器在内部压力反复变化的情况下，密封位置不因位移导致密封失效或衰减，以满足高压复合容器对疲劳性能的要求。

附图说明

图1为现技术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为本发明高压复合容器的局部外观示意图；

图4为金属内衬与塑料壳体一体成型示意图；

图5为金属端头与塑料壳体结合示意图；

图6为纤维增强层固化后示意图；

图7为瓶阀装配后示意图。

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金属内衬，2塑料壳体，3第一密封圈，4金属端头，5第二密封圈，6瓶阀，7纤维增强层，8塑料壳体层，11开口部，12外螺纹。

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，本申请提供一种塑料内胆高压复合容器的密封结构，复合容器主要用于收纳高压气体，包括金属内衬1，在金属内衬外包裹塑料壳体2，塑料壳体和金属内衬一体化成型，塑料壳体采用注塑、吹塑或滚塑等工艺包裹住金属内衬。在制备过程中，金属内衬作为嵌件提前放置在塑料壳体模具内，金属内衬的外表面为非光滑表面，在本实施例中，金属内衬的外表面的轴向截面呈齿状结构，金属内衬的端部设置有外凸的带有外螺纹的开口部，在成型过程中，温度较高的熔融塑料壳体料胚与带齿的金属内衬直接接触形成预制件，该“预制件”由于金属内衬齿状结构的存在，增加了和塑料壳体料胚的接触面积，同时在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强度。

此外，如图4所示，塑料壳体料胚在金属内衬的开口部11为部分包裹金属内衬，使得部分金属内衬的外螺纹12裸露，还有部分包裹金属内衬的外螺纹，此部分的外螺纹依然凸出，用于金属端头的连接，减少了后序单独装配连接件的工序，操作上更方便、高效。

在本申请中，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)、聚酮等的一种或一种以上的混合物。塑料壳体与金属内衬的结合工艺可匹配厂家现有的生产设备，灵活选择吹塑工艺、注塑工艺或滚塑工艺。

如图5所示，金属端头4和第一密封圈3的装配通过金属内衬的开口部的外螺纹连接，金属端头4上设置有开口，用于安装瓶阀6。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4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。

在选择合适的扭矩后可以定量表征第一密封圈3的压缩量，同时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，避免了第一密封圈因塑料壳体刚性不足导致的内陷，这样高压复合容器中控制密封效果最为关键的步骤做到了可控。在金属端头拧紧后，同时与金属内衬和塑料壳体连接，塑料壳体和金属端头通过螺纹连接的刚性结构，对后续缠绕过程也十分有利，限制了整个结构在搬运、转运过程中第一密封圈的运动。

同时为了提高密封效果，在装配第一密封圈的过程中同步增加挡圈，这样可以防止第一密封圈在高压下的移动。在本申请中，第一密封圈优选材料为FKM、EPDM、FVMQ、PTFE、硅树脂等的一种或一种以上混合物，为耐氢气腐蚀和耐低温特性，优选FKM、EPDM、PTFE等。

在金属端头4的开口的内表面设置有一层塑料壳体层8，其材质与金属内衬外侧的塑料壳体的材质相同，用于实现金属端头与瓶阀之间的密封。

如图6所示，在装配好金属端头4及第一密封圈3后，进行纤维增强层7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、碳化硅纤维中的一种或一种以上的混合物。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7所示，在纤维增强层7固化后，安装带有第二密封圈5的瓶阀6，使瓶阀通过第二密封圈5直接和金属端头密封，在金属端头的内侧面和瓶阀的外侧面，共同夹持已经形成的一体密封的塑料壳体层8，这样，在高压容器温度和压力变化下，即使随着时效的变化，瓶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复合容器，此密封结构的内胆，仅有塑料壳体，金属内衬、第一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，第一密封圈、塑料壳体、金属端头和瓶阀的相对位置不发生变化，最终使高压气瓶具有优异的密封性能、耐压力交变性能。

实施例1

本申请提供一种简单高效的塑料内胆高压复合容器的密封结构，复合容器主要用于收纳高压气体，包括金属内衬，在金属内衬外通过吹塑工艺包裹高密度聚乙烯壳体，在制备过程中，金属内衬作为嵌件提前放置在塑料壳体模具内，金属内衬的外表面的轴向截面呈齿状结构，金属内衬的端部设置有外凸的带有外螺纹的开口部，在成型过程中，温度较高的熔融高密度聚乙烯料胚与带齿的金属内衬直接接触形成预制件。

高密度聚乙烯料胚在金属内衬开口为部分包裹金属内衬，使得部分金属内衬的外螺纹裸露，还有部分高密度聚乙烯包裹金属内衬的外螺纹，此部分的外螺纹依然凸出，用于金属端头的连接。

不锈钢金属端头和FKM材质的第一密封圈的装配通过金属内衬的开口部的外螺纹连接，金属端头上设置有开口，用于安装瓶阀。

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，避免了第一密封圈因塑料壳体刚性不足导致的内陷，这样高压复合容器中控制密封效果最为关键的步骤做到了可控。在金属端头拧紧后，同时与金属内衬和高密度聚乙烯壳体连接高密度聚乙烯壳体和金属端头通过螺纹连接，限制了整个结构在搬运、转运过程中第一密封圈的运动。

同时为了提高密封效果，在装配第一密封圈的过程中同步增加挡圈，这样可以防止第一密封圈在高压下的移动。

在金属端头的开口的内表面设置有一层高密度聚乙烯壳体层，用于实现金属端头与瓶阀之间的密封。

在装配好金属端头及第一密封圈后，进行纤维增强层的缠绕、固化。在本实施例中，使用的是碳化硅纤维，配合碳化硅纤维所采用的树脂可为酚醛树脂，固化温度110℃和固化时间4h。

在纤维增强层固化后，安装带有第二密封圈的瓶阀，使瓶阀通过第二密封圈直接和金属端头密封，在金属端头的内侧面和瓶阀的外侧面，共同夹持已经形成的一体密封的塑料壳体层，这样，在高压容器温度和压力变化下，即使随着时效的变化，瓶阀上的第二密封圈的压缩量也能保持稳定。

实施例2

本申请提供一种简单高效的塑料内胆高压复合容器的密封结构，复合容器主要用于收纳高压气体，包括金属内衬，在金属内衬外通过吹塑工艺包裹聚苯硫醚壳体，在制备过程中，金属内衬作为嵌件提前放置在塑料壳体模具内，金属内衬的外表面的纵向截面呈齿状结构，金属内衬的端部设置有外凸的带有外螺纹的开口部，在成型过程中，温度较高的熔融聚苯硫醚料胚与带齿的金属内衬直接接触形成预制件。

聚苯硫醚料胚在金属内衬开口为部分包裹金属内衬，使得部分金属内衬的外螺纹裸露，还有部分聚苯硫醚包裹金属内衬的外螺纹，此部分的外螺纹依然凸出，一起用于金属端头的连接。

铝合金金属端头和FKM材质的第一密封圈的装配通过金属内衬的开口部的外螺纹连接，金属端头上设置有开口，用于安装瓶阀。

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，避免了第一密封圈因塑料壳体刚性不足导致的内陷，这样高压复合容器中控制密封效果最为关键的步骤做到了可控。在金属端头拧紧后，同时与金属内衬和聚苯硫醚壳体连接，限制了整个结构在搬运、转运过程中第一密封圈的运动。

同时为了提高密封效果，在装配第一密封圈的过程中同步增加挡圈，这样可以防止第一密封圈在高压下的移动。

在金属端头的开口的内表面设置有一层聚苯硫醚壳体层，用于实现金属端头与瓶阀之间的密封。

在装配好金属端头及第一密封圈后，进行纤维增强层的缠绕、固化。在本实施例中，使用的是芳纶纤维，配合芳纶纤维所采用的树脂可为聚苯硫醚树脂，固化温度130℃和固化时间6h。

在纤维增强层固化后，安装带有第二密封圈的瓶阀，使瓶阀通过第二密封圈直接和金属端头密封，在金属端头的内侧面和瓶阀的外侧面，共同夹持已经形成的一体密封的塑料壳体层，这样，在高压容器温度和压力变化下，即使随着时效的变化，瓶阀上的第二密封圈的压缩量也能保持稳定。

实施例3

本申请提供一种简单高效的塑料内胆高压复合容器的密封结构，复合容器主要用于收纳高压气体，包括金属内衬，在金属内衬外通过吹塑工艺包裹聚酰胺壳体，在制备过程中，金属内衬作为嵌件提前放置在塑料壳体模具内，金属内衬的外表面的纵向截面呈齿状结构，金属内衬的端部设置有外凸的带有外螺纹的开口部，在成型过程中，温度较高的熔融聚酰胺料胚与带齿的金属内衬直接接触形成预制件。

聚酰胺料胚在金属内衬开口部处为部分包裹金属内衬，使得部分金属内衬的外螺纹裸露，还有部分聚酰料胚包裹金属内衬的外螺纹，此部分的外螺纹依然凸出，一起用于金属端头的连接。

不锈钢金属端头和EPDM材质的第一密封圈的装配通过金属内衬的开口部的外螺纹连接，金属端头上设置有开口，用于安装瓶阀。

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，避免了第一密封圈因塑料壳体刚性不足导致的内陷，这样高压复合容器中控制密封效果最为关键的步骤做到了可控。在金属端头拧紧后，同时与金属内衬和聚苯硫醚壳体连接，限制了整个结构在搬运、转运过程中第一密封圈的运动。

同时为了提高密封效果，在装配第一密封圈的过程中同步增加挡圈，这样可以防止第一密封圈在高压下的移动。

在金属端头的开口的内表面设置有一层聚酰胺壳体层，用于实现金属端头与瓶阀之间的密封。

在装配好金属端头及第一密封圈后，进行纤维增强层的缠绕、固化。在本实施例中，使用的是碳纤维，配合碳纤维所采用的树脂可为聚丙烯树脂，固化温度100℃和固化时间4h。

在纤维增强层固化后，安装带有第二密封圈的瓶阀，使瓶阀通过第二密封圈直接和金属端头密封，在金属端头的内侧面和瓶阀的外侧面，共同夹持已经形成的一体密封的聚酰胺壳体层，这样，在高压容器温度和压力变化下，即使随着时效的变化，瓶阀上的第二密封圈的压缩量也能保持稳定。

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)

1.一种塑料内胆高压复合容器的密封结构，其特征在于，包括金属内衬，在所述金属内衬外包裹塑料壳体；所述金属内衬的端部设置有外凸的开口部，

金属端头同时与所述金属内衬及所述塑料壳体连接；

在所述塑料壳体的靠近上端的外表面与所述金属端头之间设置有第一密封圈；

在所述金属端头及所述塑料壳体的外表面缠绕有纤维增强层；

所述开口部的外表面设置有外螺纹，塑料壳体在开口部部分包裹所述外螺纹，使得部分金属内衬的外螺纹裸露，被塑料壳体包裹的开口部部分的外螺纹依然凸出，用于金属端头的连接；

所述金属内衬外包裹塑料壳体采用但不限于注塑、吹塑或滚塑工艺制备。

2.根据权利要求1所述的塑料内胆高压复合容器的密封结构，其特征在于，所述金属内衬的外表面为非平滑表面; 所述非平滑表面的截面为齿状结构。

3.根据权利要求1所述的塑料内胆高压复合容器的密封结构，其特征在于，塑料壳体的材质根据充装介质和充装条件进行选择，包括聚乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚或聚酮中一种以上组合。

4.根据权利要求1所述的塑料内胆高压复合容器的密封结构，其特征在于，所述第一密封圈采用压缩密封圈的方式进行密封。

5.根据权利要求4所述的塑料内胆高压复合容器的密封结构，其特征在于，在装配密封圈的过程中同步增加挡圈。

6.根据权利要求1所述的塑料内胆高压复合容器的密封结构，其特征在于，所述纤维增强层包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维的一种以上的纤维混合物。

7.根据权利要求6所述的塑料内胆高压复合容器的密封结构，其特征在于，配合纤维所采用的树脂为热固性树脂，包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂或双马来酰亚胺树脂中的一种以上的混合；

或为热塑性树脂包括聚酰胺树脂、聚丙烯树脂或聚苯硫醚树脂中的一种以上的混合。

8.根据权利要求1所述的塑料内胆高压复合容器的密封结构，其特征在于，还包括带有第二密封圈的瓶阀，设置于金属端头的开口内，在所述金属端头的开口的内侧面和所述瓶阀的外侧面共同夹持已经形成一体密封的塑料壳体层。

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