CN113775926A - 一种iv型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构 - Google Patents

一种iv型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构 Download PDF

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Abstract

IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构，包括阀座、塑料内胆、压盖和缠绕层；阀座具有阀座瓶颈和阀座肩部，阀座通过内螺纹与瓶阀连接；阀座瓶颈的外柱面设有外螺纹和密封槽；阀座肩部外缘设有阀座肩部锥面；阀座通过外螺纹与压盖连接，压盖肩部与阀座肩部之间形成环形空腔；阀座肩部上表面设有阀座环形凹槽，压盖肩部下表面设有压盖环形凹槽，所述阀座环形凹槽与压盖环形凹槽沿径向错位分布；密封槽设置在阀座颈部与压盖颈部的贴合处；塑料内胆的上部以注塑方式充满环形空腔，与阀座和压盖紧固连接；压盖环形凸台嵌入塑料内胆外缘；缠绕层缠绕在塑料内胆及压盖外壁面。

Description

一种IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构
技术领域
本发明涉及一种IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构。
背景技术
氢能作为一种清洁能源得到广泛重视，氢燃料汽车上使用的高压储氢瓶已发展到IV型塑料内胆纤维缠绕瓶，压力可达70MPa以上。作为储氢瓶的关键部分，瓶口结构直接与瓶阀连接，如设计不当可能会导致高压氢气从瓶口处逸出到外部环境，造成严重后果。考虑到采用塑料作为瓶口材料强度不足，IV型储氢瓶瓶口设计常使用塑料内胆与金属瓶口连接的形式，但也暴露出塑料内胆与金属瓶口连接不够紧密，密封性较III型金属内胆储氢瓶差等问题。因此，塑料内胆与金属瓶口的连接与密封结构是IV型储氢瓶设计中的重点。
目前已有一些IV型储氢瓶塑料内胆与金属瓶口连接结构的设计，如中国专利ZL201510440522.8采用过盈配合和锥面结构实现胀紧式密封连接，中国专利ZL201910446895.4和中国专利ZL202010437023.4采用螺纹连接和密封圈组合密封型式，中国专利ZL201820469616.7和中国专利ZL202021451880.1采用内翻式塑料内胆结构等。可见，现有储氢瓶金属瓶口设计形式多样，但仍存在密封效果需加强、塑料与金属结合强度不够及抗冲击性能差等问题。
因此，为克服现有储氢瓶金属瓶口密封效果、结合强度及抗冲击性能有待提高的问题，需进一步设计一种IV型高压储氢瓶金属瓶口结构，有效阻挡高压氢气逸出，保证塑料与金属的连接强度，确保金属瓶口安全可靠使用，提高储氢瓶服役寿命。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述问题，提出一种密封效果好、塑料与金属结合强度高、抗冲击性好的IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构。
本发明所述的IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构，其特征在于：包括阀座1、塑料内胆2、压盖3和缠绕层4；所述阀座1具有垂直的阀座瓶颈和水平的阀座肩部，阀座瓶颈与阀座肩部之间以阀座颈部锥面16过渡，阀座瓶颈具有中空的内孔，将靠近该内孔中心轴线的方向定位为内，远离该中心轴线方向为外；所述阀座1内孔处设有内螺纹11；阀座1通过内螺纹11与瓶阀连接；阀座瓶颈的外柱面设有外螺纹12和密封槽13；阀座肩部外缘设有阀座肩部锥面15；
压盖3包括垂直的压盖颈部和水平的压盖肩部，压盖肩部外缘设有压盖环形凸台33；阀座1通过外螺纹12与压盖颈部连接，压盖肩部、压盖环形凸台33与阀座瓶颈、阀座颈部锥面16、阀座肩部之间形成环形空腔32；
所述阀座肩部上表面设有阀座环形凹槽14，所述阀座环形凹槽14横截面为矩形；
所述压盖肩部下表面设有压盖环形凹槽31，所述压盖环形凹槽31横截面为矩形；所述阀座环形凹槽14与压盖环形凹槽31沿径向错位分布；
所述密封槽13设置在阀座颈部与压盖颈部的贴合处；密封槽13内安装有橡胶O形圈131和挡圈132；挡圈132设置在橡胶O形圈131上方，防止橡胶O形圈131挤出；阀座1与压盖3压紧橡胶O形圈131和挡圈132形成密封；
塑料内胆2的上部以注塑方式充满环形空腔32，与阀座1和压盖3紧固连接；压盖环形凸台33嵌入塑料内胆2外缘；
所述缠绕层4缠绕在塑料内胆2及压盖3外壁面。
优选地，所述阀座1采用铝合金材质。
优选地，所述压盖3采用不锈钢材质。
优选地，所述缠绕层4内层为碳纤维，外层为玻璃纤维保护层。
优选地，所述阀座环形凹槽14沿径向开设1～3道。
优选地，所述压盖环形凹槽31沿径向开设1～3道。
优选地，所述密封槽13开设1～2道。
优选地，所述阀座肩部锥面15、阀座颈部锥面16和压盖环形凸台33的锥角相同，均为5～15°。
本发明的有益效果是：
IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构采用塑料内胆嵌入金属凹槽形成迷宫密封辅以锥面密封和橡塑密封的形式实现多重密封。瓶口结构简单、安装方便，密封效果好，塑料内胆与金属瓶口连接稳定可靠，抗冲击性强。
阀座及压盖肩部开设多道沿径向错位分布的环形凹槽，塑料内胆嵌入各环形凹槽中。阀座环形凹槽与压盖环形凹槽的设置既可以对氢气产生节流效应，形成内、外双重迷宫密封结构，增强密封效果，又增大了阀座、压盖和塑料内胆的接触表面积，塑料内胆紧密嵌入金属凹槽形成卡扣结构，提高了塑料内胆与金属瓶口的结合强度。
阀座与压盖开槽区的塑料内胆厚度相较主体厚度沿凹槽非对称交替增加，一方面保证了塑料内胆的拉伸强度，在受力不均时可有效分散应力集中、缓解局部变形；另一方面使得塑料内胆耐纵、横向冲击性能更好，塑料内胆与金属凹槽的卡扣结构能够有效防止储氢瓶受振动或冲击时塑料内胆滑移和脱落，保证塑料内胆与金属瓶口的紧密连接。
阀座肩部外缘、阀座瓶颈与肩部过渡段和压盖环形凸台设计为锥形结构，紧贴塑料内胆，在瓶阀拧入阀座时可进一步增加金属瓶口与塑料内胆的结合力。该结构在延长氢气泄漏通道的同时增大密封面积，阻挡气体径直进入阀座、压盖与塑料内胆之间的结合面，使气体泄漏几率大大减小。当储氢瓶内气体压力增大时，锥形密封面的接触压力随之增加，塑料内胆与阀座、压盖之间实现自紧式密封，密封性更好。
阀座瓶颈的外柱面开设密封槽放入橡胶O形圈与挡圈，在阀座与压盖颈部之间形成组合式橡塑密封，阻碍氢气沿阀座与压盖之间的微小间隙逸出。橡胶O形圈受气体挤压后变形阻挡氢气泄漏通道且不被挤出，且气体压力越高，橡胶O形圈与密封槽壁面接触越紧密，进一步强化密封效果。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的金属瓶口泄漏通道示意图。
图3为本发明的密封槽13局部放大图。
图中标记：
1阀座，11阀座内螺纹，12阀座外螺纹，13密封槽，131橡胶O形圈，132挡圈，14阀座环形凹槽，15阀座肩部锥面，16阀座颈部锥面，2塑料内胆，3压盖，31压盖环形凹槽，32环形空腔，33压盖环形凸台，4缠绕层。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
参照附图：
实施例1本发明所述的IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构，包括阀座1、塑料内胆2、压盖3和缠绕层4。所述阀座1具有垂直的阀座瓶颈和水平的阀座肩部，阀座瓶颈与阀座肩部之间以阀座颈部锥面16过渡，阀座瓶颈具有中空的内孔，将靠近该内孔中心轴线的方向定位为内，远离该中心轴线方向为外；所述阀座1内孔处设有内螺纹11。阀座1通过内螺纹11与瓶阀连接。阀座瓶颈的外柱面设有外螺纹12和密封槽13。阀座肩部外缘设有阀座肩部锥面15。
压盖3包括垂直的压盖颈部和水平的压盖肩部，压盖肩部外缘设有压盖环形凸台33；阀座1通过外螺纹12与压盖颈部连接，压盖肩部、压盖环形凸台33与阀座瓶颈、阀座颈部锥面16、阀座肩部之间形成环形空腔32。
所述阀座肩部上表面设有阀座环形凹槽14，所述阀座环形凹槽14横截面为矩形。
所述压盖肩部下表面设有压盖环形凹槽31，所述压盖环形凹槽31横截面为矩形。所述阀座环形凹槽14与压盖环形凹槽31沿径向错位分布。
所述密封槽13设置在阀座颈部与压盖颈部的贴合处。密封槽13内安装有橡胶O形圈131和挡圈132。挡圈132设置在橡胶O形圈131上方，防止橡胶O形圈131挤出。阀座1与压盖3压紧橡胶O形圈131和挡圈132形成密封。
塑料内胆2的上部以注塑方式充满环形空腔32，与阀座1和压盖3紧固连接。压盖环形凸台33嵌入塑料内胆2外缘。
所述缠绕层4缠绕在塑料内胆2及压盖3外壁面。
所述阀座1与压盖3装配后放置到模腔中，所述塑料内胆2通过注塑进入阀座1与压盖3之间成为一体式结构。再将所述缠绕层4缠绕在塑料内胆2及压盖3外壁面。所述阀座环形凹槽14开设1～3道。所述压盖环形凹槽31开设1～3道。所述密封槽13开设1～2道。所述阀座1采用铝合金材质。所述压盖3采用不锈钢材质。所述缠绕层4内层为碳纤维，外层为玻璃纤维保护层。所述阀座肩部锥面15、阀座颈部锥面16和压盖环形凸台33的锥角相同，均为5～15°。
本发明的工作原理如下：
IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构主要采用塑料内胆嵌入金属凹槽形成迷宫密封辅以锥面密封和橡塑密封的形式实现多重密封。阀座1和压盖3通过螺纹结构进行连接。阀座肩部上表面及压盖肩部下表面分别开设阀座环形凹槽14和压盖环形凹槽31，沿径向呈多道错位分布状态，构成迷宫节流效应，显著阻挡氢气泄漏。阀座肩部外缘、瓶颈与肩部过渡段分别设有阀座肩部锥面15和阀座颈部锥面16，压盖肩部外缘设有压盖环形凸台33，三者锥角相同，起到延长泄漏通道、强化密封和自紧的作用。阀座瓶颈的外柱面设有密封槽13，安装有橡胶O形圈131和挡圈132，由阀座1与压盖3压紧提高密封性能。阀座1和压盖3装配后放入注塑模腔中，熔融的塑料原料注入到阀座1与压盖3围成的环形空腔32内，冷却后塑料内胆2与阀座1、压盖3成为一体式结构，阀座1和压盖3开槽区的塑料嵌入阀座环形凹槽14和压盖环形凹槽31内，增大接触表面积和厚度的同时使得金属与塑料内胆紧密结合，抗冲击性强。缠绕层4分为环向缠绕层和纵向缠绕层，内层碳纤维缠绕在压盖3和塑料内胆2的外壁面后缠绕外层玻璃纤维。瓶阀通过螺纹安装在阀座1内孔处。
结合图2本发明的金属瓶口泄漏通道示意图可知，IV型储氢瓶的氢气共有两条泄漏路径，一是经阀座1与塑料内胆2的结合面沿阀座瓶颈外柱面泄漏的路径，即①②③④⑤，二是经阀座1与塑料内胆2的结合面、压盖3与塑料内胆2的结合面沿压盖壁面泄漏的路径，即①②③⑥⑦⑧。
在泄漏路径一中，氢气首先沿泄漏通道①进入阀座1与塑料内胆2的结合面，阀座肩部锥面15的设置增大了密封面面积及长度，而且阀座肩部外缘紧贴塑料内胆2，在氢气压力升高时锥面密封具有自紧作用，阻碍氢气通过泄漏通道①，形成第一道密封。在氢气到达泄漏通道②时，多道阀座环形凹槽14大大延长了氢气的泄漏通道，产生迷宫效应及节流减压作用，进一步减少气体的泄漏量，形成第二道密封。之后氢气到达泄漏通道③，阀座颈部锥面16结构使得塑料内胆2紧贴阀座颈部，泄漏通道进一步延长，形成第三道密封。在泄漏通道④处，阀座1开设密封槽13，密封槽13内安装橡胶O形圈131和挡圈132，通过橡胶圈的弹性变形压紧阀座1、压盖3的壁面阻碍气体通过且不被挤出，形成具有自紧功能的橡塑密封，即第四道密封。最后，泄漏通道⑤处的螺纹结构具有连接阀座1、压盖3及再次密封的功能，即第五道密封。
在泄漏路径二中，前三道密封与泄漏路径一相同，之后氢气沿压盖3与塑料内胆2的结合面到达泄漏通道⑥，多道压盖环形凹槽31与阀座环形凹槽14类似，构成迷宫节流效应，形成第四道密封，且通过与阀座环形凹槽14错位间隔布置，牢牢卡嵌塑料内胆2，使得塑料内胆2保持有较好的结合强度、应力分布状态和抗冲击性能。在氢气经过泄漏通道⑦时，压盖锥面凸台33路径较长，气体能量沿泄漏路径逐渐耗散，而且压盖锥面凸台33与阀座颈部锥面16、阀座肩部锥面15共同作用进一步增强结合力，实现自紧，形成第五道密封。最后，氢气进入泄漏通道⑧，缠绕层4通过多层纤维缠绕固定储氢瓶且具有一定的密封作用，形成第六道密封。
在多重密封结构的保障下，IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构具有良好的密封性、结合强度和抗冲击性。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构，其特征在于：包括阀座(1)、塑料内胆(2)、压盖(3)和缠绕层(4)；所述阀座(1)具有垂直的阀座瓶颈和水平的阀座肩部，阀座瓶颈与阀座肩部之间以阀座颈部锥面(16)过渡，阀座瓶颈具有中空的内孔，将靠近该内孔中心轴线的方向定位为内，远离该中心轴线方向为外；所述阀座(1)内孔处设有内螺纹(11)；阀座(1)通过内螺纹(11)与瓶阀连接；阀座瓶颈的外柱面设有外螺纹(12)和密封槽(13)；阀座肩部外缘设有阀座肩部锥面(15)；
压盖(3)包括垂直的压盖颈部和水平的压盖肩部，压盖肩部外缘设有压盖环形凸台(33)；阀座(1)通过外螺纹(12)与压盖颈部连接，压盖肩部、压盖环形凸台(33)与阀座瓶颈、阀座颈部锥面(16)、阀座肩部之间形成环形空腔(32)；
所述阀座肩部上表面设有阀座环形凹槽(14)，所述阀座环形凹槽(14)横截面为矩形；
所述压盖肩部下表面设有压盖环形凹槽(31)，所述压盖环形凹槽(31)横截面为矩形；所述阀座环形凹槽(14)与压盖环形凹槽(31)沿径向错位分布；
所述密封槽(13)设置在阀座颈部与压盖颈部的贴合处；密封槽(13)内安装有橡胶O形圈(131)和挡圈(132)；挡圈(132)设置在橡胶O形圈(131)上方，防止橡胶O形圈(131)挤出；阀座(1)与压盖(3)压紧橡胶O形圈(131)和挡圈(132)形成密封；
塑料内胆(2)的上部以注塑方式充满压盖环形空腔(32)，与阀座(1)和压盖(3)紧固连接；压盖环形凸台(33)嵌入塑料内胆(2)外缘；
所述缠绕层(4)缠绕在塑料内胆(2)及压盖(3)外壁面。
2.如权利要求1所述的IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构，其特征在于：所述阀座(1)采用铝合金材质，所述压盖(3)采用不锈钢材质，所述缠绕层(4)内层为碳纤维，外层为玻璃纤维保护层。
3.如权利要求1所述的IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构，其特征在于：所述阀座环形凹槽(14)开设1～3道，所述压盖环形凹槽(31)开设1～3道，所述密封槽(13)开设1～2道。
4.如权利要求1所述的IV型储氢瓶嵌入式金属瓶口结构，其特征在于：所述阀座肩部锥面(15)、阀座颈部锥面(16)和压盖环形凸台(33)的锥角相同，均为5～15°。
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