CN114484258A - 一种ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构 - Google Patents

一种ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种Ⅳ型高阻隔塑料‑金属封头结构，包括金属BOSS结构和塑料内胆封头，金属BOSS结构为嵌件，其轴线与塑料内胆封头轴线重合，其幅板外表面与塑料内胆封头的外表面所形成的曲面重合，金属BOSS结构内部设计的结构由塑料充分填充；金属BOSS结构的近瓶口位置处设有连接内螺纹，用于和瓶阀连接，内螺纹按照相关标准设计为密封管螺纹形式；所述金属BOSS结构下端面为锥面，锥面的轴心与内胆轴线重合，锥面的锥尖朝向筒体方向。本发明所述的金属BOSS结构的幅板边缘与塑料内胆封头呈包覆夹层式结构，防止在碳纤维缠绕或工作过程中出现金属BOSS结构与塑料内胆封头剥离的问题。通过防泄漏结构和止转结构的特殊设计，实现低泄漏、高结构稳定性、保护金属BOSS的目标。

Description

一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构
技术领域
本发明涉及特种压力容器领域，具体涉及一种高压储氢容器的瓶阀座结构。
技术背景
目前，Ⅳ型气瓶因质量轻、耐疲劳、储氢密度高等特点正成为未来储氢的重要载体。然而，受限于塑料内胆的结构开发设计，高阻隔防泄漏、止转、防剥离、高连接强度的金属瓶阀座与塑料内胆封头的连接结构仍然是储氢瓶内胆设计的一大难点。当前，瓶阀座的结构仍然需要采用金属材料制造，而为了减重，内胆的主体材料已采用塑料制造。其原因是金属具有更高的模量和抗磨损能力，可在瓶阀座与瓶阀反复安装的过程中保持良好的精度；同时在高压环境中保持较低的收缩率，以提供较好的密封效果。
目前，对于金属BOSS结构(BOSS也称作瓶口凸台)与塑料内胆连接的设计方案种类很多。专利201710086665.2使用了迷宫密封的结构，满足了封头结构固定的稳定性，然而对金属BOSS结构的抗氢腐蚀保护仍然存在较大的问题；专利201510440522.8使用了沉肩和过盈配合等，使得结构的定位精确，并实现了气瓶有效的密封，但金属BOSS结构的体积较大，无法实现轻量化的效果；专利201920773836.3采用O形圈加挡圈和迷宫密封的组合方式，并对储氢瓶瓶口处的塑料内胆的结构强度进行了加强，增加了封头装置的可靠性；专利202120256563.2对金属BOSS结构和塑料内胆采用了螺纹密封连接，提高了储氢瓶的承压能力和密封性能。
针对目前存在的金属BOSS-塑料内胆结构连接强度低、成型后金属与塑料易收缩率不同而易剥离、金属与氢气长期接触易氢脆、工作过程中BOSS与塑料内胆易发生相对旋转等问题，需要设计一种可靠的Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构。
发明内容
针对上述问题，以大容量高压储氢瓶用塑料内胆为对象，本发明设计了一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，可实现结构简单、止转、易加工、适用于高压储氢、快速充放氢等要求，具有较好的密封效果和结构稳定性。
本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构包括金属BOSS结构和塑料内胆封头。所述塑料内胆封头为主体结构，其外观和壁厚按照储氢瓶塑料内胆设计要求设计。作为Ⅳ型储氢瓶内胆的一部分，主要承担气体阻隔作用。塑料内胆封头的成型方式可选择：注塑成型，反应成型，与筒体一起滚塑(旋转/旋塑)成型，或者与筒体一起吹塑成型。
所述金属BOSS结构为嵌件，其轴线与所述塑料内胆封头轴线重合，其幅板外表面与塑料内胆封头的外表面所形成的曲面重合。BOSS结构内部设计的结构由塑料充分填充。金属BOSS结构在成型前先安装于模具内，与塑料内胆封头一起成型，进而嵌入所述塑料内胆封头中。
本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，所述的金属BOSS结构的幅板边缘与塑料内胆封头呈包覆夹层式结构，塑料可包覆在幅板边缘。当塑料封头成型冷却时，由于塑料收缩率大，塑料可以紧密包覆幅板边缘，防止在碳纤维缠绕或工作过程中出现金属BOSS结构与塑料内胆封头剥离的问题。所述幅板边缘与塑料接触角均采用圆角结构，防止应力集中。
所述金属BOSS结构下端面为锥面，锥面的轴心与内胆轴线重合，锥面朝向筒体方向。作为备选，锥面上可开设环状梯形槽或方形槽等提高内胆与BOSS的结合强度。
所述金属BOSS结构的近瓶口位置处设有连接内螺纹，用于和瓶阀连接。内螺纹按照相关标准设计为密封管螺纹形式。远瓶口位置设置有迷宫密封结构，用于延长气体泄露路径。同时，塑料在该位置填充后，应形成光滑的筒体结构或锥面结构，用以与瓶阀的密封圈紧密接触而保持较高的密封效果。与此同时，该结构可使储氢瓶在使用过程中通过塑料保护金属BOSS结构，防止氢脆。BOSS结构所述密封结构与下端面通过圆角平滑过渡。
所述金属BOSS结构的近瓶口位置处还设置有外螺纹，用于碳纤维缠绕或其他固定作用。备选地，外螺纹可替换为方便夹持的外六角或其他多边形体。
所述金属BOSS结构上设有止转结构。止转结构为开设在幅板上的止转通孔，止转通孔直径按照需求设计，止转通孔数量设置为3个以上，布置方式为绕BOSS结构轴线阵列均匀布置，例如单圆环向均匀布置，双圆或多圆环向布置。止转通孔与BOSS结构幅板接触的地方采用圆角过渡。止转结构用于防止储氢瓶尤其是运输用的储氢瓶在使用过程中由于汽车转弯等原因产生的扭矩使内胆与BOSS结构发生相对旋转，保障安全性。
作为备选的，止转结构设计为开设在BOSS结构幅板下端面上的环形止转槽。与BOSS结构轴线重合的每一圈止转槽为一组。环形止转槽的数量可选择一组或多组。当选择只设计一组止转槽时，环形止转槽即为开设在下端面上具有周期性特征的间歇性圆弧槽。当选择两组以上止转槽时，止转槽同轴，其结构可设计为与一组止转槽一致的结构，仅改变圆弧槽的相对直径、槽宽、槽长、旋转角度等参数。或采用在两两相邻圆形槽之间开设通道形成止转槽。
作为备选的，止转结构设计为开设在幅板上的圆弧形止转结构，圆弧形止转结构与幅板边缘通过圆角过渡。圆弧形止转结构数量至少3个以上，在幅板边缘以中心对称方式布置。
本发明所述金属BOSS结构采用机加工方式成型，所述BOSS结构优选铝合金6061材料或不锈钢316材料。
本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构的具体成型方式为：将金属BOSS结构按照设计的样式进行铸锻成型，然后通过机加工的方式成型目标结构。将成品金属BOSS结构作为嵌件放置到注塑模具中。最后通过熔融成型或反应成型的方式在模腔内成型出塑料封头获得Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构；或与筒体一起通过一体化成型方式加工。
本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构充分考虑了塑料内胆的加工方式以及BOSS结构对储氢瓶塑料内胆气体阻隔、结构稳定性的影响，通过防泄漏结构和止转结构的特殊设计，实现了低泄漏、高结构稳定性、保护金属BOSS的目标。
附图说明
图1为本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构的截面示意图；
图2为本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构的俯视图；
图3为本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构的幅板边缘与塑料内胆封头呈包覆夹层式结构的示意图；
图4为本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构的备选瓶口外部为外六角的示意图；
图5为本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构的备选环形止转槽的截面示意图；
图6为本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构的环形止转槽的立体示意图；
图7为本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构的备选方案圆弧形止转结构的俯视图。
图中：1-金属BOSS结构；2-塑料内胆封头；1-1-金属BOSS结构幅板；1-2-金属BOSS结构下端面；1-3-迷宫密封结构；1-4-瓶口；1-5-内螺纹；1-6-外螺纹；1-7-止转通孔；1-8-外六角；1-9-环形槽；1-10-止转槽；1-11-圆弧形止转结构。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构包括金属BOSS结构1和塑料内胆封头2。
所述塑料内胆封头2为主体结构，其外观和壁厚按照储氢瓶塑料内胆设计要求设计。塑料内胆封头2的成型方式可选择：注塑成型，反应成型，与筒体一起滚塑(旋转/旋塑)成型。
所述金属BOSS结构1为嵌件，其轴线与所述塑料内胆封头2轴线重合，其金属BOSS结构幅板1-1外表面与塑料内胆封头2的外表面所形成的曲面重合。金属BOSS结构1内部设计的结构由塑料充分填充。金属BOSS结构1在成型前先安装于模具内，与塑料内胆封头2一起成型，进而嵌入所述塑料内胆封头2中。
如图3所示，本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构所述的金属BOSS结构幅板1-1边缘与塑料内胆封头2呈包覆式结构，塑料可包覆在金属BOSS结构幅板1-1边缘。当塑料内胆封头2成型冷却时，由于塑料收缩率大，塑料可以紧密包覆金属BOSS结构幅板1-1边缘，防止在碳纤维缠绕或工作过程中出现金属BOSS结构1与塑料内胆封头2剥离的问题。所述金属BOSS结构幅板1-1边缘与塑料内胆封头2接触角均采用圆角结构，防止应力集中。
如图1所示，所述金属BOSS结构下端面1-2为锥面，锥面的轴心与内胆轴线重合，锥面朝向筒体方向。作为备选，如图6所示，锥面上可开设环形槽1-9包括梯形槽或方形槽等提高塑料内胆封头2与金属BOSS结构1的结合强度。
如图1所示，所述金属BOSS结构1的近瓶口1-4位置处设有连接内螺纹1-5，用于和瓶阀连接。内螺纹1-5按照相关标准设计为密封管螺纹形式。远瓶口1-4位置设置有迷宫密封结构1-3，用于延长气体泄露路径。同时，塑料在该位置填充后，应形成光滑的圆柱面结构或锥面结构，用以与瓶阀的密封圈紧密接触而保持较高的密封效果。金属BOSS结构1的所述迷宫密封结构1-3与金属BOSS结构下端面1-2通过圆角平滑过渡。
如图1所示，所述金属BOSS结构1的近瓶口1-4位置处还设置有外螺纹1-6，用于碳纤维缠绕或其他固定作用。备选地，如图4所示，外螺纹1-6可替换为方便夹持的外六角1-8或其他多边形体。
如图2所示，所述金属BOSS结构1上设有止转结构。止转结构为开设在金属BOSS结构幅板1-1上的止转通孔1-7，止转通孔1-7直径按照需求设计，止转通孔1-7数量设置为3个以上，布置方式为绕金属BOSS结构1轴线阵列均匀布置，例如单圆环向均匀布置，双圆或多圆环向布置。如图3所示，止转通孔1-7与金属BOSS结构幅板1-1接触的地方采用圆角过渡。
作为备选的，如图5所示，止转结构设计为开设在金属BOSS结构下端面1-2上的环形槽1-9。与金属BOSS结构1轴线重合的每一圈环形槽1-9为一组。环形槽1-9的数量可选择一组或多组。当选择只设计一组环形槽1-9时，环形槽1-9即为开设在金属BOSS结构下端面1-2上具有周期性特征的间歇性圆弧槽。当选择两组以上环形槽1-9时，环形槽1-9同轴，其结构可设计为与一组环形槽1-9一致的结构，仅改变环形槽1-9的相对直径、槽宽、槽长、旋转角度等参数，或采用在两两相邻环形槽1-9之间开设卡槽形成止转槽1-10，如图6所示。
作为备选的，如图7所示，止转结构设计为开设在金属BOSS结构幅板1-1上的圆弧形止转结构1-11，圆弧形止转结构1-11与金属BOSS结构幅板1-1边缘通过圆角过渡。圆弧形止转结构1-11数量至少3个以上，在金属BOSS结构幅板1-1边缘以中心对称方式布置。
本发明所述金属BOSS结构1采用机加工方式成型，所述金属BOSS结构1优选铝合金6061材料或不锈钢316材料。
本发明一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构的具体成型方式为：将金属BOSS结构按照设计的样式进行铸锻成型，然后通过机加工的方式成型目标结构。将成品金属BOSS结构作为嵌件放置到注塑模具中。最后通过熔融成型或反应成型的方式在模腔内成型出塑料封头获得Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构；或与筒体一起通过一体化成型方式加工。

Claims (9)

1.一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，其特征在于：包括金属BOSS结构和塑料内胆封头，金属BOSS结构为嵌件，其轴线与塑料内胆封头轴线重合，其幅板外表面与塑料内胆封头的外表面所形成的曲面重合，金属BOSS结构内部设计的结构由塑料充分填充；所述金属BOSS结构的近瓶口位置处设有连接内螺纹，用于和瓶阀连接，内螺纹按照相关标准设计为密封管螺纹形式；所述金属BOSS结构下端面为锥面，锥面的轴心与内胆轴线重合，锥面的锥尖朝向筒体方向。
2.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，其特征在于：所述的金属BOSS结构的幅板边缘与塑料内胆封头呈包覆夹层式结构，塑料包覆在幅板边缘。
3.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，其特征在于：金属BOSS结构下端面的锥面上开设环状梯形槽或方形槽。
4.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，其特征在于：所述金属BOSS结构的近瓶口位置处还设置有外螺纹，或为方便夹持的外六角或其他多边形体。
5.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，其特征在于：所述金属BOSS结构远瓶口位置设置有迷宫密封结构，塑料在该位置填充后，应形成光滑的筒体结构或锥面结构，密封结构与下端面通过圆角平滑过渡。
6.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，其特征在于：所述金属BOSS结构上设有止转结构，止转结构为开设在幅板上的通孔，通孔直径按照需求设计，通孔数量设置为3个以上，布置方式为绕BOSS结构轴线阵列均匀布置，通孔与BOSS结构幅板接触的地方采用圆角过渡。
7.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，其特征在于：止转结构设计为开设在BOSS结构幅板下端面上的环形止转槽，与BOSS结构轴线重合的每一圈止转槽为一组，环形止转槽的数量可选择一组或多组，环形止转槽即为开设在下端面上具有周期性特征的间歇性圆弧槽。
8.根据权利要求7所述的一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，其特征在于：选择两组以上止转槽，止转槽同轴，其结构设计为与一组止转槽一致的结构，仅改变圆弧槽的相对直径、槽宽、槽长、旋转角度等参数，或采用在两两相邻圆形槽之间开设通道形成止转槽。
9.根据权利要求1所述的一种Ⅳ型高阻隔塑料-金属封头结构，其特征在于：止转结构设计为开设在幅板上的圆弧形止转结构，圆弧形止转结构与幅板边缘通过圆角过渡，圆弧形止转结构数量3个以上，在幅板边缘以中心对称方式布置。
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