CN112833324B - 压力容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力容器。该压力容器包括：非金属内胆，所述非金属内胆具有瓶口；金属阀座，所述金属阀座设置在所述瓶口处，且所述金属阀座与所述非金属内胆为注塑一体成型件，所述金属阀座上设置有凹槽，在注塑时，所述非金属内胆的材料进入所述凹槽内，以在所述非金属内胆上形成与所述凹槽配合的凸起。根据本发明的压力容器，通过将非金属内胆的凸起嵌在金属阀座的凹槽内，并且在注塑时，非金属内胆的材料流入金属阀座上的凹坑内，凹坑边缘的勾部插入非金属内胆中，使得金属阀座可以更好地与非金属内胆进行连接，气密性较好，可以有效防止流体泄漏。

Description

压力容器

技术领域

本发明涉及器具领域，具体而言，涉及一种压力容器，尤其是氢燃料汽车车载储氢领域。

背景技术

压力容器通常用于储存各种压力下的流体，例如储存氢、氧、天然气、氮、丙烷、甲烷和其他燃料，特别是需要在高压状态下储存的气体。然而，在车辆上，用于放置压力容器的空间有限，因此，需要增加储存量或储存压力，以提升压力容器的单次储存量，提高运输效率。为了增加储存量，且为了满足较长时间的运输安全，需要压力容器强度足够大，不易损坏、不易泄漏。

目前常用的压力容器的内胆分为金属内胆和非金属内胆(例如高密度聚合物内胆)，具有金属内胆的压力容器具有相对较高的稳定性，但价格昂贵，抗疲劳性能较低。相比之下，具有非金属内胆的压力容器价格低廉，与金属内胆相比具有更好的抗疲劳性能，但可能存在诸如气体泄漏和抗渗透性能恶化等安全问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种压力容器，以改善非金属内胆的气体泄漏问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种压力容器，包括：非金属内胆，所述非金属内胆具有瓶口；金属阀座，所述金属阀座设置在所述瓶口处，且所述金属阀座与所述非金属内胆为注塑一体成型件，所述金属阀座上设置有凹槽，在注塑时，所述非金属内胆的材料进入所述凹槽内，以在所述非金属内胆上形成与所述凹槽配合的凸起，所述金属阀座上设置有凹坑和从所述凹坑边缘向外伸出的勾部，在注塑时，所述非金属内胆的材料流入所述凹坑内，所述勾部插入所述非金属内胆中。

根据本发明的一些实施例，所述压力容器还包括：端塞，所述端塞穿设所述金属阀座与所述非金属内胆，且所述端塞与所述金属阀座、所述非金属内胆的连接处密封。

具体地，所述端塞包括：端塞本体和端塞尾，所述端塞尾设置在所述端塞本体的外端，所述端塞本体具有外螺纹，所述端塞本体穿设所述金属阀座、所述非金属内胆并至少与所述金属阀座螺接，且所述端塞本体与所述非金属内胆之间设置有轴向密封圈。

进一步地，所述端塞尾与所述金属阀座之间设置有径向密封圈。

根据本发明的一些实施例，所述凹坑和所述勾部通过激光处理形成或通过酸蚀形成。

根据本发明的一些实施例，所述金属阀座的与所述非金属内胆接触的表面采用激光进行预处理。

进一步地，所述金属阀座的与所述非金属内胆接触的表面在注塑前可以用胺系化合物进行处理。

具体地，所述凹槽包括：内槽和外槽，所述外槽位于所述内槽的径向外侧，且所述外槽的槽底向内延伸，所述内槽的槽底向外延伸。

根据本发明的一些实施例，所述凹槽的槽口宽度小于所述凹槽的槽底宽度。

根据本发明的一些实施例，所述凹槽为环形设置的迷宫式凹槽。

相对于现有技术，本发明所述的压力容器具有以下优势：

本发明所述的压力容器，通过将非金属内胆的凸起嵌在金属阀座的凹槽内，并且在注塑时，非金属内胆的材料流入金属阀座上的凹坑内，凹坑边缘的勾部插入非金属内胆中，使得金属阀座可以更好地与非金属内胆进行连接，气密性较好，可以有效防止流体泄漏。同时轴向密封位于非金属内胆和端塞之间,有效阻止了气体通过以往内胆和阀座在注塑过程中形成的缝隙泄露。由于同时采用了轴向密封和径向密封，可以减少气体的泄露。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的压力容器的示意图；

图2是非金属内胆、金属阀座与端塞的装配示意图；

图3是金属阀座的一部分剖视图。

附图标记说明：

压力容器10、非金属内胆1、凸起11、金属阀座2、凹槽21、内槽211、外槽212、凹坑22、勾部23、径向槽24、端塞3、端塞本体31、端塞尾32、轴向密封圈4、径向密封圈5、缠绕层6。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考图1-图3并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明实施例的压力容器10用于储存流体，例如气体或液体等，为了描述方便，以压力容器10中储存气体为例进行说明。

参照图1-图2所示，压力容器10包括：非金属内胆1和金属阀座2，非金属内胆1具有瓶口，金属阀座2设置在瓶口处，且金属阀座2与非金属内胆1为注塑一体成型件。

金属阀座2上设置有凹槽21，在注塑时，非金属内胆1的材料进入凹槽21内，以在非金属内胆1上形成与凹槽21配合的凸起11，金属阀座2的凹槽21与非金属内胆1的凸起11之间形成第一凹凸联锁结构，由此，金属阀座2与非金属内胆1连接紧密，金属阀座2与非金属内胆1之间密封性能较好，可以有效防止流体从金属阀座2与非金属内胆1的连接处泄漏，并且在当压力容器10内储存高压气体时，金属阀座2与非金属内胆1的连接处不易破裂，有利于提升气体的储存安全。

参照图1所示，压力容器10还包括缠绕层6，缠绕层6位于金属阀座2和非金属内胆1的外围。金属阀座2与非金属内胆1的连接处密封较好，可以防止非金属内胆1中的气体渗透到缠绕层6与非金属内胆1之间，进而可以防止当非金属内胆1内部压力减小时非金属内胆1发生屈曲或变形而引起气体泄漏。

缠绕层6可以由碳纤维和热固型树脂组成，承载载荷。当储存的气体为氢气时，金属阀座2的材料需与氢气兼容，优选的金属阀座2材料是铝合金。非金属内胆1的材料需有一定的刚度，同时也应具有相对较低的氢气渗透率，常用的如尼龙PA6、PA11、PA12等，PA6是常用的材料，对于压力较低的非金属内胆碳纤维全缠绕气瓶，非金属内胆1的材料也常选用聚乙烯，例如HDPE。为了既保证材料的刚度同时又有较低的氢气渗透率，在材料选型时也可以对既有的材料进行改性处理。碳纤维应采用连续无捻的，不准采用混合纤维。

在本发明的一些实施例中，结合图2-图3所示，金属阀座2上设置有凹坑22和从所述凹坑22边缘向外伸出的勾部23，在注塑时，非金属内胆1的材料流入凹坑22内，勾部23插入非金属内胆1中。

金属阀座2的凹坑22与非金属内胆1之间形成第二凹凸联锁结构。第二凹凸联锁结构可以限制金属阀座2与非金属内胆1的相对径向位移，勾部23可以在一定程度上限制金属阀座2与非金属内胆1的相对轴向位移。

根据本发明实施例的压力容器10，通过将非金属内胆1的凸起11嵌在金属阀座2的凹槽21内，并且在注塑时，非金属内胆1的材料流入金属阀座2上的凹坑22内，凹坑22边缘的勾部23插入非金属内胆1中，使得金属阀座2可以更好地与非金属内胆1进行连接，气密性较好，可以有效防止流体泄漏。

在本发明的一些实施例中，压力容器10还包括：端塞3，端塞3穿设金属阀座2与非金属内胆1，且端塞3与金属阀座2、非金属内胆1的连接处密封，从而将非金属内胆1中的气体密封，防止气体从瓶口逸出。当取下端塞3后，非金属内胆1的内腔可与外部的气体流通。

具体地，如图2所示，端塞3包括：端塞本体31和端塞尾32，端塞尾32设置在端塞本体31的外端，端塞本体31具有外螺纹，端塞本体31穿设金属阀座2、非金属内胆1并至少与金属阀座2螺接，也就是说，金属阀座2的内部开有内螺纹，用于与端塞本体31的外螺纹连接。

端塞本体31与非金属内胆1之间设置有轴向密封圈4，防止非金属内胆1中的气体沿轴向从瓶口逸出、泄漏。

进一步地，端塞尾32与金属阀座2之间设置有径向密封圈5，防止非金属内胆1中的气体沿径向从瓶口逸出、泄漏。金属阀座2的端部开设有径向槽24，径向密封圈5至少部分地位于径向槽24内，径向槽24可以对径向密封圈5起到限位作用，防止径向密封圈5沿径向随意移动而影响径向密封效果。

轴向密封圈4和径向密封圈5可以是O型圈或直角密封圈等软密封结构，为了增强密封效果，可以在径向或轴向采用多道密封，即轴向密封圈4和径向密封圈5的数量均可以是多个。非金属内胆1与外部接触的唯一路径被轴向密封圈4和径向密封圈5阻断。在将端塞3拧紧之后，轴向密封圈4和径向密封圈5发生一定的变形，从而有利于提升密封性能。

在注塑之间，先对金属阀座2进行预处理，在毛化处理的凹坑22部位采用射线束照射其金属表面，从而融化其照射区域，形成微熔池。然后采用高能脉冲射线束将熔池内部的金属迅速气化爆破。熔池内的金属遇到空气迅速冷却固化，从而在凹坑22的边缘形成斜向上的勾部23。

在一些可选的实施例中，金属阀座2的与非金属内胆1接触的表面采用激光进行预处理，从而在金属阀座2的表面形成上述凹坑22和勾部23，注塑时，勾部23可以插入非金属内胆1内部，同时非金属内胆1可以注塑到金属阀座2的凹坑22内，从而增强金属阀座2与非金属内胆1的连接强度。

金属阀座2在浇注前的预处理也可以采用酸洗，在金属阀座2的表面形成腐蚀的凹坑22及勾部23。

进一步地，注塑前，金属阀座2的与非金属内胆1接触的表面可以用胺系化合物进行处理。胺系化合物预处理后，注塑时，一旦工程塑料制成的非金属内胆1与胺系化合物接触就可以放热，可以延迟工程塑料的凝固时间，从而保证工程塑料可以完全注满金属阀座2的凹槽21和凹坑22。

换言之，为了增加金属阀座2与非金属内胆1的连接强度，可以预先对金属阀座2进行预处理，先采用激光处理，然后再采用胺系化合物处理，也可以只采用激光处理。

金属阀座2与非金属内胆1之间的注塑工艺在涂覆胺系化合物之后进行。

参照图2-图3所示，凹槽21包括：内槽211和外槽212，外槽212位于内槽211的径向外侧，且外槽212的槽底向内延伸，内槽211的槽底向外延伸。这样，第一凹凸联锁结构可以限制金属阀座2与非金属内胆1的相对轴向位移。第一凹凸联锁结构与第二凹凸联锁结构共同作用，可以限制金属阀座2与非金属内胆1的相对轴向位移以及相对径向位移。当金属阀座2与非金属内胆1发生轴向膨胀或者是径向膨胀时都可以阻止非金属内胆1的材料从凹槽21、凹坑22中脱离。

可选地，凹槽21的槽口宽度小于凹槽21的槽底宽度，由此，当凸起11进入凹槽21内后，凸起11不易从凹槽21中脱出，从而有利于提升金属阀座2与非金属内胆1的连接强度，即使压力容器10内储存高压气体，金属阀座2与非金属内胆1也不易分离。

可选地，凹槽21为燕尾形凹槽21，对应地，凸起11为燕尾形凸起11。

在本发明的一些实施例中，凹槽21为环形设置的迷宫式凹槽21，凹槽21环形设置，可以增大金属阀座2与非金属内胆1的连接长度，迷宫式凹槽21可以进一步增大金属阀座2与非金属内胆1的连接长度，从而保证金属阀座2与非金属内胆1的连接强度较高。

综上所述，本发明的压力容器10，其金属阀座2与非金属内胆1的连接采用了可以阻止非金属内胆1材料从金属阀座2的凹槽21和凹坑22内脱离的第一凹凸联锁结构和第二凹凸联锁结构，通过金属阀座2与非金属内胆1之间材料的相互交叉，进一步增加了二者的连接强度。同时，为了进一步密封气体、防止气体的泄露，金属阀座2、端塞3、非金属内胆1之间采用了轴向密封圈4、径向密封圈5等软密封结构形式。

图1所示的压力容器10的制造工艺可以包括以下几个步骤：

注塑前准备→非金属内胆1注塑→非金属内胆1内壁处理→非金属内胆1焊接→非金属内胆1固定打压→纤维缠绕→固化。其中：

注塑前准备：即在注塑之前，先对金属阀座2进行预处理，在非金属内胆1和金属阀座2接触部位采用射线束照射其金属表面，从而融化其照射区域，形成微熔池。然后采用高能脉冲射线束将熔池内部的金属迅速气化爆破。熔池内的金属遇到空气迅速冷却固化，从而在凹坑22的边缘形成斜向上的勾部23。激光毛化处理以后采用胺系化合物对金属阀座2与非金属内胆1接触的部位进行预处理。为了保证注塑质量，可以在模具上多开设几个注射口，采用气辅工艺过程。

非金属内胆1注塑时只注塑非金属内胆1的一半，非金属内胆1注塑过程主要包括以下几个步骤：

1)选料：选取符合注塑和产品要求的材料；

2)原材料预处理：利用烘箱等对材料进行干燥处理；

3)注塑系统和注塑模具预处理：预处理主要是预加热处理，防止在注塑过程中材料预冷固化，导致缺料等缺陷；

4)塑化：将非金属材料加热至熔融状态；

5)注射：将熔融后非金属材料喷射到预加热后的模具中；

6)保压：通过均匀注射保压，也可以通过气辅保压；

7)冷却成型；

8)脱模。

非金属内胆1内壁处理：为了降低氢气的渗透率，可通过在非金属内胆1的内壁喷射涂层，涂层的材料为PVDF(偏聚乙烯)、PVDC(聚偏二氯乙烯)、EVOH(乙烯-乙烯醇共聚物)等，优选的是EVOH(乙烯-乙烯醇共聚物)，也可以对内壁采用氟化或璜化处理。通过对非金属内胆1内壁的预处理，可以降低氢气的渗透率，从而降低由于氢气渗透造成的内胆屈曲和内胆起泡的影响。

非金属内胆1焊接：非金属内胆1注塑完成后，将两块相同尺寸的非金属内胆1在A处进行焊接，可以采用超声波焊接、热气焊接、热板焊接等。

非金属内胆1固定打压：非金属内胆1焊接完成后，将非金属内胆1固定在缠绕机上，为了防止在缠绕过程中非金属内胆1产生塌陷，需在缠绕过程中使非金属内胆1处于充压状态。

纤维缠绕主要包括以下步骤：

1)胶液配置：将环氧树脂与固化剂按照一定的比例混合，搅拌均匀；

2)碳纤维缠绕：在数控缠绕机上按照预先设定的缠绕程序缠绕内胆，通过电子张力控制装置控制缠绕张力，缠绕张力随着缠绕层6数的增加而递减，碳纤维的含胶量通过工艺方法控制。

通过纤维梯度张力的设计，使气瓶全部缠绕层6具有相同的初应力，克服了恒等缠绕张力造成的内松外紧的情况，提高了气瓶的强度和抗疲劳性能。

为了保护碳纤维缠绕层6，可在碳纤维缠绕层6外增加玻璃纤维缠绕层6。

固化：在固化炉中按照预先编制的固化程序固化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压力容器，其特征在于，包括：

非金属内胆(1)，所述非金属内胆(1)具有瓶口；

金属阀座(2)，所述金属阀座(2)设置在所述瓶口处，且所述金属阀座(2)与所述非金属内胆(1)为注塑一体成型件，所述金属阀座(2)上设置有凹槽(21)，在注塑时，所述非金属内胆(1)的材料进入所述凹槽(21)内，以在所述非金属内胆(1)上形成与所述凹槽(21)配合的凸起(11)，所述金属阀座(2)上设置有凹坑(22)和从所述凹坑(22)边缘向外伸出的勾部(23)，在注塑时，所述非金属内胆(1)的材料流入所述凹坑(22)内，所述勾部(23)插入所述非金属内胆(1)中，所述勾部(23)具有开口，在所述凹坑(22)的上边缘形成斜向下的所述勾部(23)，在所述凹坑(22)的下边缘形成斜向上的所述勾部(23)，所述凹坑(22)和所述勾部(23)的数量为多个，多个所述凹坑(22)和所述勾部(23)在所述金属阀座(2)上间隔设置；

所述凹槽(21)的槽口宽度小于所述凹槽(21)的槽底宽度；

所述凹槽(21)为环形设置的迷宫式凹槽(21)。

2.根据权利要求1所述的压力容器，其特征在于，还包括：端塞(3)，所述端塞(3)穿设所述金属阀座(2)与所述非金属内胆(1)，且所述端塞(3)与所述金属阀座(2)、所述非金属内胆(1)的连接处密封。

3.根据权利要求2所述的压力容器，其特征在于，所述端塞(3)包括：端塞本体(31)和端塞尾(32)，所述端塞尾(32)设置在所述端塞本体(31)的外端，所述端塞本体(31)具有外螺纹，所述端塞本体(31)穿设所述金属阀座(2)、所述非金属内胆(1)并至少与所述金属阀座(2)螺接，且所述端塞本体(31)与所述非金属内胆(1)之间设置有轴向密封圈(4)。

4.根据权利要求3所述的压力容器，其特征在于，所述端塞尾(32)与所述金属阀座(2)之间设置有径向密封圈(5)。

5.根据权利要求1所述的压力容器，其特征在于，所述凹坑(22)和所述勾部(23)通过激光处理形成或通过酸蚀形成。

6.根据权利要求1所述的压力容器，其特征在于，所述金属阀座(2)的与所述非金属内胆(1)接触的表面采用激光进行预处理。

7.根据权利要求1或6所述的压力容器，其特征在于，所述金属阀座(2)的与所述非金属内胆(1)接触的表面需用胺系化合物进行处理。

8.根据权利要求1所述的压力容器，其特征在于，所述凹槽(21)包括：内槽(211)和外槽(212)，所述外槽(212)位于所述内槽(211)的径向外侧，且所述外槽(212)的槽底向内延伸，所述内槽(211)的槽底向外延伸。