CN114923121A - 一种复合材料储氢瓶瓶口结构 - Google Patents
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Abstract
本发明针对以高压IV型储氢瓶为代表高压复合材料容器的使用需求设计了一种复合材料储氢瓶瓶口结构，可解决现有金属BOSS结构与塑料内胆之间连接性差、内胆‑BOSS‑碳纤维复合材料间易发生相对位移、内胆‑BOSS成型收缩率不同而发生大变形、内胆‑碳纤维复合材料层在热循环变化下易剥离等诸多问题。本发明一种复合材料储氢瓶瓶口结构，分别为可安装瓶阀的通孔BOSS结构和密闭的闭孔BOSS结构，包括轴向密封槽、定位面、内螺纹、外螺纹、定位槽、幅板、内胆止转结构、碳纤维复合材料止转结构、碳纤维复合材料止退结构和防塑料收缩错位结构，本发明的结构简单稳定、轻量化、密封效果好，可使金属‑塑料之间的连接紧密、碳纤维缠绕表面平整，适用于车载和储运储氢瓶使用。
Description
技术领域
本发明涉及高压储氢及高分子材料加工成型领域，具体涉及一种复合材料储氢瓶瓶口结构。
背景技术
复合材料储氢瓶具备高压、耐疲劳、轻量化的特点，是一类具有代表性的高压容器。复合材料储氢瓶通常由内胆和碳纤维复合材料层组成，同时为保障储氢瓶与外部管路安全可靠的连接，通常在储氢瓶内胆端部使用金属BOSS结构。保证金属BOSS结构与塑料内胆之间的紧密连接，以防止金属-塑料和金属-碳纤维之间发生相对位移、瓶口出现大量氢泄露等问题的出现，成为了IV型储氢瓶结构设计的一项重要难题之一。
目前，已有国内外相关专利设计了多种瓶口结构，然而在结构成型难度、结构稳定性、抗氢泄露、与内胆同轴度等方面存在一种或多种问题。例如：专利201720862795.X采用了迷宫密封结构，然而瓶口结构复杂，不利于加工安装；专利US8053523B2在封头处采用了凸台结构，结构简单制造容易，然而无法避免金属BOSS结构与塑料内胆之间发生相对转动。
发明内容
针对以高压IV型储氢瓶为代表高压复合材料容器的使用需求，本发明设计了一种复合材料储氢瓶瓶口结构(金属BOSS结构)，拟解决金属BOSS结构与塑料内胆之间连接性差、内胆-BOSS-碳纤维复合材料间易发生相对位移、内胆-BOSS成型收缩率不同而发生大变形、内胆-碳纤维复合材料层在热循环变化下易剥离等诸多问题。相比于现有BOSS结构，本发明设计的BOSS结构具备结构简单、易加工和安装、同轴度高、密封性能好、连接稳定性高的优点。
本发明一种复合材料储氢瓶瓶口结构作为一种嵌件安装或镶嵌于储氢瓶内胆塑料/复合材料上，主要用作储氢瓶与外部管路连接的媒介，同时具备支撑内胆两端的作用。所述一种复合材料储氢瓶瓶口结构包括两种结构形式，分别为可安装瓶阀的通孔BOSS结构和密闭的闭孔BOSS结构。两种结构除瓶口位置处有开孔和闭孔区别外，其他设计均可以一致。
本发明所述一种复合材料储氢瓶瓶口结构，包括轴向密封槽、定位面、内螺纹、外螺纹、定位槽、幅板、内胆止转结构、碳纤维复合材料止转结构、碳纤维复合材料止退结构和防塑料收缩错位结构。从瓶口处内表面依次为轴向密封槽、定位面、内螺纹、定位槽、幅板内表面；从瓶口处外表面依次为外螺纹、碳纤维复合材料止转结构、碳纤维复合材料止退结构和防塑料收缩错位结构。
本发明所述BOSS结构与内胆同轴连接，结构方式包括两种：内胆两端分别为通孔BOSS结构和闭孔BOSS结构；两端均为通孔BOSS结构。
本发明一种复合材料储氢瓶瓶口结构，所述轴向密封槽是设计于瓶口端面位置的用于安装密封圈的结构，设计尺寸按照O形橡胶密封圈沟槽尺寸的国家标准设计。密封槽处安装的密封圈可作为气瓶瓶口位置处高压气体密封的保障。
本发明一种复合材料储氢瓶瓶口结构，所述定位面为设计于近瓶口位置处的定位圆柱面，主要用于内胆注塑成型、滚塑成型、吹塑成型后加工瓶口位置处塑料内表面，保障同轴度。所述定位面与密封槽的圆柱面可以合并，也可以分开设计。
本发明所述内螺纹为用于气体密封的管螺纹，主要用于连接瓶阀。
本发明所述外螺纹设计为管螺纹，可用于瓶阀连接、碳纤维缠绕固定、瓶口塑料后处理加工固定支撑等。
本发明所述定位槽为临近内螺纹的环槽，主要用于瓶口金属-塑料定位、连接。环槽数量优选设计为上下2条，且中间留出足够的容纳至少两条密封圈的轴向距离。备选地，环槽数量依据瓶口塑料处密封圈位置而设计为多条，且环槽所处位置应避开内胆瓶口塑料处密封圈密封位置所处平面。
本发明所述幅板包含内外表面。所述外表面与内胆封头外表面重合，所述内表面为锥面，且锥面的朝向为内胆中心方向。所述幅板边缘处设计有金属-塑料连接结构，幅板边缘均设计为圆角，以避免应力集中。幅板外表面与幅板边缘处设计有防塑料收缩错位的结构，以保持外表面平整。优选地，防收缩错位结构设计为截面积较小的三角形状；备选地，防收缩错位结构可设计为截面积较大的方形结构或带防变形的异形截面。所述幅板与内胆塑料通过固接凹槽结构连接。固接凹槽为设计于幅板边缘位置处，近幅板内表面的槽型结构，优选固接凹槽下壁面所处圆环直径小于固接凹槽上壁面所处圆环直径。备选地，上下壁面直径相同或下壁面直径大于上壁面直径。
本发明所述内胆止转结构设计于幅板固接凹槽结构位置处，优选固接凹槽底面通过铣削的方式做成非圆环结构，且在固接凹槽下壁面上开设与铣削平面中心位置对应的通孔，连接稳定且易于成型；备选地，通孔可开设在上壁面上。通孔截面形状优选圆形，易于加工，也可选择其他形状，但在转角位置处应设计为圆角过渡。所述内胆止转结构主要用于防止储氢瓶在碳纤维复合材料缠绕或储氢运输过程中内胆塑料与金属BOSS发生相对转动。备选地，止转结构可在固接凹槽的铣削平面与通孔中择一使用。
本发明所述碳纤维复合材料止退结构设计于幅板外表面与外螺纹之间的位置处。所述止退结构为外直径大于外螺纹所在圆柱面直径的圆柱凸台，且凸台与幅板外表面之间形成有凹槽。所述碳纤维复合材料止退结构主要用于防止储氢瓶在碳纤维复合材料缠绕后固化过程中，内胆与碳纤维复合材料层发生轴向剥离。
本发明所述碳纤维复合材料止转结构为非圆环的结构，优选在止退结构的圆柱凸台上通过切削、铣削等方式制造。所述碳纤维复合材料止转结构主要用于防止储氢瓶工作过程中碳纤维复合材料与内胆发生相对转动。备选地，止转结构和止退结构可以通过多种结构组合的方式融合，但基本功能不能改变。
备选地，针对车载储氢瓶，所述碳纤维复合材料止转结构和内胆止转结构可择一使用。
本发明所述BOSS结构为优选的结构，可依据实际成型方法进行组合式调整。
本发明一种复合材料储氢瓶瓶口结构的加工方式为：粗加工时，通过等材或减材制造方法加工出BOSS结构外形。精加工时，在轴向方向上以所述BOSS结构的碳纤维复合材料止退结构为界，通过减材制造方法加工轴向两侧结构表面，且在一侧加工时，不能替换夹具，加工完成后对表面进行强化。
本发明一种复合材料储氢瓶瓶口结构的结构简单稳定、轻量化、密封效果好，可使金属-塑料之间的连接紧密、碳纤维缠绕表面平整，适用于车载和储运储氢瓶使用。
附图说明
图1为一种复合材料储氢瓶瓶口结构在内胆上安装示意图；
图2为一种复合材料储氢瓶瓶口结构的剖视示意图；
图3为一种复合材料储氢瓶瓶口结构的外部结构示意图；
图4为一种复合材料储氢瓶瓶口结构的碳纤维复合材料止退结构位置处截面图；
图5为一种复合材料储氢瓶瓶口结构的止转结构位置处截面图；
图6为一种复合材料储氢瓶瓶口结构的备选防塑料收缩错位结构示意图；
图7为一种复合材料储氢瓶瓶口结构的备选吹塑瓶方案示意图。
图中：1-通孔BOSS结构；2-塑料内胆；3-闭孔BOSS结构；101-密封槽；102-定位面；103-内螺纹；104-外螺纹；105-碳纤维复合材料止退结构；106-幅板外表面；107-幅板；；108-防塑料收缩错位结构；109-止转通孔；110-幅板内表面；111-定位槽；112-固接凹槽底；113-碳纤维复合材料止转结构；111-2-备选定位槽；105-2-备选碳纤维复合材料止退结构；113-2-备选碳纤维复合材料止转结构。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种复合材料储氢瓶瓶口结构作为一种嵌件安装或镶嵌于储氢瓶内胆塑料/复合材料上，主要用作储氢瓶与外部管路连接的媒介，同时具备支撑内胆两端的作用。所述一种复合材料储氢瓶瓶口结构包括两种结构形式，分别为可安装瓶阀的通孔BOSS结构1和密闭的闭孔BOSS结构3。两种结构除瓶口位置处有开孔和闭孔区别外，其他设计均可以一致。
如图2所示，本发明所述一种复合材料储氢瓶瓶口结构包括轴向密封槽101、定位面102、内螺纹103、外螺纹104、定位槽111、幅板107、内胆止转结构、碳纤维复合材料止转结构113、碳纤维复合材料止退结构105和防塑料收缩错位结构108。
本发明所述BOSS结构与内胆2同轴连接，结构方式包括两种：内胆两端分别为通孔BOSS结构和闭孔BOSS结构，如图1所示；两端均为通孔BOSS结构。
如图2所示，本发明所述轴向密封槽101是设计于瓶口端面位置的用于安装密封圈的结构，设计尺寸按照O形橡胶密封圈沟槽尺寸的国家标准设计。密封槽101处安装的密封圈可作为气瓶瓶口位置处高压气体密封的保障。
本发明所述定位面102为设计于近瓶口位置处的定位圆柱面，主要用于内胆2注塑成型、滚塑成型后加工瓶口位置处塑料内表面，保障同轴度。所述定位面102与密封槽101的圆柱面可以合并，也可以分开设计。
本发明所述内螺纹103为用于气体密封的管螺纹，主要用于连接瓶阀。
本发明所述外螺纹104设计为管螺纹，可用于瓶阀连接、碳纤维缠绕时的气瓶固定、瓶口塑料后处理加工固定支撑等。
本发明所述定位槽111为临近内螺纹103的环槽，主要用于瓶口金属-塑料定位、连接。定位槽111环槽数量优选设计为上下2条，且中间留出足够的容纳至少两条密封圈的轴向距离。备选地，环槽数量依据瓶口塑料处密封圈位置而设计为多条，且环槽所处位置应避开内胆瓶口塑料处密封圈密封位置所处平面。备选地，定位槽111-2设计为螺旋槽，如图7所示。
本发明所述幅板107包含内外表面。所述外表面106与内胆2封头外表面重合，所述内表面110为锥面，且锥面的朝向为内胆2中心方向，如图3所示。所述幅板107边缘处设计有金属-塑料连接结构，幅板107边缘均设计为圆角，以避免应力集中。幅板外表面106与幅板107边缘处设计有防塑料收缩错位的结构108，以保持外表面平整，如图3所示。优选地，防收缩错位结构108设计为截面积较小的三角形状，如图3所示；备选地，如图6所示，防收缩错位结构108可设计为截面积较大的方形结构或带防变形的异形截面。幅板107与内胆2塑料通过固接凹槽结构连接，如图1所示。固接凹槽为设计于幅板107边缘位置处，近幅板内表面110的槽型结构，优选固接凹槽下壁面所处圆环直径小于固接凹槽上壁面所处圆环直径，如图3局部放大图所示。备选地，上下壁面直径相同或下壁面直径大于上壁面直径。
如图2所示，本发明所述内胆止转结构设计于幅板固接凹槽结构位置处，优选固接凹槽底面112通过铣削的方式做成非圆环结构，且在固接凹槽下壁面上开设与铣削平面中心位置对应的通孔109，如图5所示，连接稳定且易于成型；备选地，通孔可开设在上壁面上。通孔109截面形状优选圆形，易于加工，也可选择其他形状，但在转角位置处应设计为圆角过渡。所述内胆止转结构主要用于防止储氢瓶在碳纤维复合材料缠绕或储氢运输过程中内胆塑料与金属BOSS发生相对转动。备选地，止转结构可在固接凹槽的铣削平面112与通孔109中择一使用。
本发明所述碳纤维复合材料止退结构105设计于幅板外表面106与外螺纹104之间的位置处。所述止退结构105为外直径大于外螺纹104所在圆柱面直径的圆柱凸台，且凸台与幅板外表面106之间形成有凹槽。所述碳纤维复合材料止退结构105主要用于防止储氢瓶在碳纤维复合材料缠绕后固化过程中，内胆2与碳纤维复合材料层发生轴向剥离。
如图4所示，本发明所述碳纤维复合材料止转结构113为非圆环的结构，优选在止退结构105的圆柱凸台上通过切削、铣削等方式制造。所述碳纤维复合材料止转结构113主要用于防止储氢瓶工作过程中碳纤维复合材料与内胆发生相对转动。备选地，如图7所示，止转结构113-2和止退结构105-2可以通过多种结构组合的方式融合，但基本功能不能改变。
备选地，针对车载储氢瓶，所述碳纤维复合材料止转结构113和内胆止转结构可择一使用。
本发明所述BOSS结构为优选的结构，可依据实际成型方法进行组合式调整。
本发明一种复合材料储氢瓶瓶口结构的加工方式为：粗加工时，通过等材或减材制造方法加工出BOSS结构外形。精加工时，在轴向方向上以所述BOSS结构的碳纤维复合材料止退结构105为界，通过减材制造方法加工轴向两侧结构表面，且在一侧加工时，不能替换夹具，加工完成后对表面进行强化。
Claims (5)
1.一种复合材料储氢瓶瓶口结构，其特征在于：包括轴向密封槽、定位面、内螺纹、外螺纹、定位槽、幅板、内胆止转结构、碳纤维复合材料止转结构、碳纤维复合材料止退结构和防塑料收缩错位结构，从瓶口处内表面依次为轴向密封槽、定位面、内螺纹、定位槽、幅板内表面；从瓶口处外表面依次为外螺纹、碳纤维复合材料止转结构、碳纤维复合材料止退结构和防塑料收缩错位结构；所述轴向密封槽是设计于瓶口端面位置的用于安装密封圈的结构，设计尺寸按照O形橡胶密封圈沟槽尺寸的国家标准设计；所述定位面为设计于近瓶口位置处的定位圆柱面，所述内螺纹为用于气体密封的管螺纹，所述外螺纹设计为管螺纹，用于瓶阀连接、碳纤维缠绕固定或瓶口塑料后处理加工固定支撑，所述定位槽为临近内螺纹的环槽，主要用于瓶口金属-塑料定位、连接；环槽数量优选设计为上下两条，且中间留出足够的容纳至少两条密封圈的轴向距离；所述幅板包含内外表面，所述外表面与内胆封头外表面重合，所述内表面为锥面，且锥面的朝向为内胆中心方向；所述幅板边缘处设计有金属-塑料连接结构，幅板边缘均设计为圆角，幅板外表面与幅板边缘处设计有防塑料收缩错位的结构；所述幅板与内胆塑料通过固接凹槽结构连接，固接凹槽为设计于幅板边缘位置处，近幅板内表面的槽型结构，固接凹槽下壁面所处圆环直径小于固接凹槽上壁面所处圆环直径；所述碳纤维复合材料止退结构设计于幅板外表面与外螺纹之间的位置处，所述止退结构为外直径大于外螺纹所在圆柱面直径的圆柱凸台，且凸台与幅板外表面之间形成有凹槽；所述碳纤维复合材料止转结构为非圆环的结构。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料储氢瓶瓶口结构，其特征在于：所述定位面与密封槽的圆柱面合并。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料储氢瓶瓶口结构，其特征在于：环槽数量依据瓶口塑料处密封圈位置而设计为多条，且环槽所处位置避开内胆瓶口塑料处密封圈密封位置所处平面。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料储氢瓶瓶口结构，其特征在于：防收缩错位结构设计为截面积较小的三角形状；或为截面积较大的方形结构或带防变形的异形截面。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料储氢瓶瓶口结构，其特征在于：所述内胆止转结构设计于幅板固接凹槽结构位置处，固接凹槽底面通过铣削的方式做成非圆环结构，且在固接凹槽下壁面上开设与铣削平面中心位置对应的通孔，在转角位置处应设计为圆角过渡。
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