CN115930101A - 一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，包括塑料内胆本体、阀芯、阀座，塑料内胆本体包括相互连接的上半内胆和下半内胆，上半内胆的顶部具有顶部开口，阀座包括与上半内胆的内表面相适配的法兰盘和设置在法兰盘中部的导管，导管内壁设置有内螺纹，阀芯具有与内螺纹配合的外螺纹，顶部开口的内环面设置有环形卡扣，法兰盘与导管连接处的外周面设置有与环形卡扣相配合的凹形槽，导管伸出顶部开口的导管上部与第一紧固构件配合，法兰盘底部设置有填充材料，填充材料底部设置有密封构件，密封构件通过与导管伸出填充材料中部的导管下部配合的第二紧固构件固定。

Description

一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构

技术领域

本发明涉及高压气瓶技术领域，特别涉及一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构。

背景技术

复合材料氢气容瓶也称为IV-型氢气瓶，主要由非金属复合材料内胆瓶体加上金属的阀座和阀芯组成。瓶的内胆是热塑性塑料(例如尼龙或高密度聚乙烯等)，仅起阻止气体泄漏的作用；内胆的外部缠绕有增强纤维(碳纤维或芳纶纤维等)层，起承担压力载荷的作用，最外层常常还缠绕有玻璃纤维，用于保护里面的增强纤维层；IV型高压氢气瓶的阀芯和阀座是金属的，前者用于充气(加载)和泄气(卸载)，后者是一个将前者固定在复合材料气瓶上并与塑料内胆中连为一体的构件装置。

金属阀座与非金属内胆是两种异型材料，两种材料无论是弹性模量和热膨胀系数都有很大的差别。高压氢气瓶一般要求工作压力在70MPa和在-40℃到85℃温度区间内使用，于是在两种材料间的连接处会出现很大的由于加-卸载和由于温度变化而产生的拉/剪应力，在长期的使用中可能导致出现微小缝隙从而发生氢气泄漏。因此，在气瓶接口处的密封技术是IV型复合高压氢气瓶的关键问题之一。特别是，氢气是尺寸最小、重量最轻的分子之一，在高压状态下气态的氢分子即使在纳米尺度上也具有一定的穿透能力。

金属阀座与非金属内胆的连接方式通常有两种，一种是一体成型，即在制作内胆(用吹塑、注塑或滚塑的方法)的同时将金属阀座与内胆一次(或二次)成型连为一体；另一种是先制成塑料内胆，然后再将阀座装配在内胆的接口处。下面对常用的IV型复合高压氢气容瓶接口处的密封结构进行简单的总结：

现有的密封结构可以大致分为如下4类：

1、阀座设置在内胆的外面

该种结构的阀座是固定在内胆的外面，阀芯通过阀座的孔腔深入到内胆的内部，在阀座和内胆接口之间，还应有相应的密封圈和紧固装置以防止氢气从连接处的缝隙中泄漏。增强纤维在气瓶的弧顶部可以将内胆首先用粘结的方式将其固定在阀座的下表面，两者之间有密封胶以阻止气体从之间的缝隙中泄漏。然后在阀座的法兰盘和内胆外面进行纤维缠绕。在进行纤维缠绕时，可在气瓶的弧顶部铺放适当的过度层使得能够在相应的地方进行局部的加强。中国专利授权公告号CN208253177U、CN215259183U和CN112833329A采用这样的结构形式。该种方式的优点是工艺装配简单易行，缺点是在内胆与阀门的相连接的部位是一个薄弱环节，容易导致气体泄漏。

2、阀座设置在内胆的里面

这种装配情况适用于无颈部内胆的两截焊接式内胆结构，即内胆仅有一个圆形接口；也可以用于内胆在接口处有一个瓶颈的情况。阀座放置在塑料内胆的内部，阀座的上弧形表面与相应的内胆里表面紧密接触，两者之间紧密粘接(通过一体成型或阀座在成型后的内胆上装配的方式)，形成阻止气体泄漏的密封层；阀座的颈部从内胆的接口处伸出。工艺上，这种阀门-内胆系统可以用一体成型的办法制成，也可以将阀座在两截焊接式的塑料内胆中进行装配，在阀座安装好后，用激光焊接的方式再将两截内胆焊成一体。中国专利授权公告号CN208253177U、CN215229183U和CN112833329A采用了这一类的装配方式。这类装配方式的缺点和前面所述的阀座设置在内胆外面的情况一样，也存在着塑料内胆与金属阀座间的密封性在长期的使用中会失效的问题。

3、内胆瓶口嵌套在双层(外壳+内衬)金属接口中

该类结构的典型特点是:塑料内胆瓶口与金属瓶口相连接，金属瓶口由金属环形外壳和金属环形内衬组成，金属环形外壳紧固套装于塑料内胆瓶口上，金属环形内衬由连接段和密封段同轴连接组成，金属环形内衬的密封段插入至塑料内胆瓶口中与塑料内胆瓶口相过盈配合；为了使得内胆能与金属接口紧密贴合，还可以在金属外壳与内衬之间增加锥形构件(例如中国专利授权公告号CN212456270U、CN113669617和CN212298516)。中国专利授权公告号CN110107798A、CN212456270U、CN113669617A、CN210372854U、CN212298516U、CN212298545U、CN110848558U、CN215259171U、CN2159819676U和CN210687763U均采用了这样或类似的装配结构。此类装配结构在理论上可以较好地防止氢气从内胆与阀门的接口处泄漏，但在实际的装配中要求有很高的精度要求，工艺条件复杂，在实际应用中常常由于装配精度和密封问题不足而导致高压气体的泄漏。

4、内胆颈部放置在阀座孔腔内

这种结构的特点是金属阀座设置在塑料内胆的外面，内胆的颈部伸入到阀座的空腔内并延伸一定的距离，内胆颈部的外壁面与金属空腔内壁面紧密贴合，内胆颈部的内表面与阀芯导管的外表面紧密贴合，在阀芯导管上至少设置两个以上的环形凹槽，内置密封圈。公示的实用新型专利ZL202123366227.2是基于该种结构形式。和前面介绍的三种结构形式相比，该种结构的优点是氢气在瓶口处仅可能在阀座与阀芯之间的缝隙中泄漏。理论上讲，当塑料内胆与金属阀芯或金属阀芯与金属阀座间的密封有一处满足要求时，即可以对氢气进行有效的密封。该种方法的缺点是对内胆、阀芯和阀座间的装配精度要求很高；另外，内胆颈部在长期的加卸载条件下可能出现疲劳问题，从而导致相应密封构件失效。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足和缺陷，提供一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，包括塑料内胆本体、与塑料内胆本体的顶部开口配合的阀芯、阀座，所述塑料内胆本体包括相互连接的上半内胆和下半内胆，所述上半内胆的顶部具有所述顶部开口，所述阀座包括与所述上半内胆的内表面相适配的法兰盘和设置在所述法兰盘中部的导管，所述导管内壁设置有内螺纹，所述阀芯具有与所述内螺纹配合的外螺纹，所述顶部开口的内环面设置有环形卡扣，所述法兰盘与所述导管连接处的外周面设置有与所述环形卡扣相配合的凹形槽，所述导管伸出所述顶部开口的导管上部与第一紧固构件配合，所述法兰盘底部设置有填充材料，所述填充材料底部设置有密封构件，所述密封构件通过与所述导管伸出所述填充材料中部的导管下部配合的第二紧固构件固定。

在本发明的一个优选实施例中，所述法兰盘与所述上半内胆的内表面之间设置有中间密封层。

在本发明的一个优选实施例中，所述填充材料的底部设置为第一弧面结构，所述密封构件的顶部设置为与所述第一弧面结构配合的第二弧面结构。

在本发明的一个优选实施例中，所述第一紧固构件与所述导管上部之间通过螺纹连接。

在本发明的一个优选实施例中，所述第一紧固构件与所述上半内胆的上表面之间设置有第一密封圈。

在本发明的一个优选实施例中，所述第二紧固构件与所述导管下部之间通过螺纹连接。

在本发明的一个优选实施例中，所述密封构件与所述第二紧固构件之间设置有第二密封圈。

在本发明的一个优选实施例中，所述密封构件与所述法兰盘的接触面之间设置有第三密封圈。

在本发明的一个优选实施例中，所述填充材料为与内胆相同的塑料材料或者与内胆材料的机械和热膨胀系数相近的非金属材料，用于填补密封构件和阀座底表面之间的间隙。

在本发明的一个优选实施例中，所述上半内胆的底部外缘与所述下半内胆的顶部外缘通过插接结构对接，然后再通过焊接的方法将上半内胆和下半内胆焊接成一体。

由于采用了如上的技术方案，本发明将塑料内胆本体分为上半内胆和下半内胆，方便装配。另外，本发明增加密封构件，可以在超高压环境中有效地增加了塑料内胆和阀门之间的密封性。再者，环形卡扣与相应的在阀座上的凹形槽适配连接，可以增加阀头的抗扭能力和增强内胆与阀座间抵抗由于加载-卸载及温度变化引起的内胆与阀座间的拉/剪应力。本发明的结构在装配工艺上合理、简单和方便，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施例的塑料内胆本体的剖视结构示意图。

图2是图1的A处放大图。

图3是本发明一种实施例的阀座的剖面结构示意图。

图4是本发明一种实施例的阀芯的剖面结构示意图。

图5是本发明一种实施例的密封构件的剖面结构示意图。

图6是本发明一种实施例的填充材料的剖面结构示意图。

图7是本发明一种实施例的第一紧固构件和第二紧固构件的结构示意图。

图8是本发明一种实施例的中间密封层的剖面结构示意图。

图9是本发明一种实施例的局部剖视图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

参见图1至图9所示，一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构包括塑料内胆本体100、与塑料内胆本体100的顶部开口101配合的阀芯200、阀座300。

塑料内胆本体100包括相互连接的上半内胆110和下半内胆120，上半内胆110的顶部具有顶部开口101，为了方便焊接，本实施例中的上半内胆110为黑色内胆，下半内胆120为透明内胆或者半透明内胆。上半内胆110的底部外缘111与下半内胆120的顶部外缘121通过插接结构对接，然后再通过激光焊接的方法将上半内胆110和下半内胆120焊接成一体。在气瓶的两端加上适当其它附件及工装后，即可将内胆放置在缠绕机上进行纤维缠绕。

阀座300包括与上半内胆110的内表面相适配的法兰盘310和设置在法兰盘310中部的导管320。导管320内壁设置有内螺纹321，阀芯200具有与内螺纹321配合的外螺纹201。阀芯200是通过阀座300的内腔深入到塑料内胆内部，阀芯200具有内孔202，在实际应用中阀芯200具体形状是由阀门制造商定义的。顶部开口101的内环面设置有环形卡扣102，法兰盘310与导管320连接处的外周面设置有与环形卡扣102相配合的凹形槽311。环形卡扣102与相应的在阀座上的凹形槽311适配连接，可以增加阀头的抗扭能力和增强内胆与阀座间抵抗由于加载-卸载及温度变化引起的内胆与阀座间的拉/剪应力。

法兰盘310的上表面312是弧形的，其形状与内胆的顶部弧形接近，法兰盘310的下表面313是平的，但在中心孔附件有一个圆台314，用于在其端面放置密封圈。导管320伸出顶部开口101的导管上部322与第一紧固构件400配合。优选的，第一紧固构件400为螺母，导管上部322外部设置有与第一紧固构件400配合的外螺纹322a，第一紧固构件400与导管上部322之间通过螺纹连接。第一紧固构件400外圆柱体上有一个六边形凸台410，用于对紧固构件加载/卸载。法兰盘310底部设置有填充材料500，填充材料500底部设置有密封构件600，密封构件600通过与导管320伸出填充材料500中部的导管下部323配合的第二紧固构件700固定。本实施例中，第二紧固构件700为螺母，导管下部323外部设置有与第二紧固构件700配合的外螺纹323a，第二紧固构件700与导管下部323之间通过螺纹连接。第二紧固构件700外圆柱体上有一个六边形凸台710，用于对紧固构件加载/卸载。填充材料500的底部设置为第一弧面结构510，密封构件600的顶部设置为与第一弧面结构510配合的第二弧面结构610。填充材料500为与内胆相同的塑料材料或者与内胆材料的机械和热膨胀系数相近的非金属材料，用于填补密封构件和阀座底表面之间的间隙。密封构件600的材料可用与内胆相同的材料(HDPE或尼龙)制成，利用激光技术或者热焊接技术将其边沿焊接在内胆的内表面上。本发明增加密封构件600，可以在超高压环境中有效地增加了塑料内胆和阀门之间的密封性。该设计使得在阀座与内胆两种异型材料间有双重的密封防护，只要其中一个不失效，就可以有效达到防止氢气泄漏的目的。

为了进一步提高本发明的密封性，第一紧固构件400与上半内胆110的上表面之间设置有第一密封圈810，密封构件600与第二紧固构件700之间设置有第二密封圈820，密封构件600与法兰盘310的接触面之间设置有第三密封圈830。法兰盘310与上半内胆110的内表面之间设置有中间密封层900，以阻止氢气在这两种异型材料表面间的缝隙中泄漏。

本发明的装配方法不同于现有技术，在装配工艺上合理、简单和方便，极易实现。本发明的装配方法，包括如下步骤：

1)首先取已经制成的两截塑料内胆中含有接口的那一截(黑色内胆)，也即上半内胆110；

2)在上半内胆110的内表面在接近接口处用激光或热焊接的方式焊上至少一个凸起的环形卡扣102，卡扣可选用与内胆相同的塑料材料，如采用激光焊接法，则卡扣的材料应是透明的，以便可以进行激光焊接；如采用其它的(如热焊接)的焊接方式，则卡扣材料不要求是透明的；也可以在环形卡扣102的外面用与上述同样的方式焊接若干个矩形卡扣102a；同样，若是采用激光焊接法，则卡扣的材料应是透明的，若是采用其它焊接方式，则材料不要求是透明；

3)将阀座300的法兰盘310的弧形表面上加工出和内胆弧形部分接近的形状；并在该弧形上加工出与内胆上的环形卡扣102相适配的凹形槽311；

4)将安装好的阀座300放入上半内胆110内部，将导管上部322从上半内胆110的顶部开口101中向外伸出，并将阀座弧形表面上加工的凹形槽311与上半内胆110上的环形卡扣102嵌接起来；同时，在阀座300和上半内胆110相接触的表面铺涂结构胶/密封胶，形成第一个密封层；

5)如果阀座弧形表面的曲率与相应的上半内胆110内表面曲率相差较大时，需在两表面之间增加一个非金属的中间层；上半内胆110、中间层和金属阀座三者之间用结构胶/密封胶粘结在一起；在此过程中，将环形卡扣102放入到相应的凹形槽311中，将阀座和内胆贴紧；

6)加工出密封构件600和填充材料500，密封构件600可选用与黑色内胆材料相同，但是透明的材料，以便透光使得可以采用激光焊接技术，如采用其它的焊接方法，则不需要选用透明材料；填充材料500可以是与内胆相同的塑料材料，也可以用与内胆材料的机械和热膨胀系数相近的其它非金属材料；

7)将填充材料500套在阀座300底部导管上并通过铺涂密封胶使其与金属阀座底部紧密贴合，填充材料500的上表面与法兰盘310下表面之间铺涂密封胶并紧密连接，在填充材料500的内孔壁与阀座底部台阶的外孔壁之间铺涂密封胶并紧密连接；

8)将一个第三密封圈830放置在阀座下导管的圆台314的端面，其厚度略高于相邻的填充材料500的厚度；

9)将密封构件600套在阀座底部导管上，两者之间有第三密封圈830，密封构件600上表面与填充材料500的下表面之间通过铺涂密封胶压紧贴合，同时，用激光焊接的方法将密封构件600的下边缘与塑料内胆焊在一起，形成一个新的且附加的密封层；

10)用第二紧固构件700通过螺纹连接将第二密封圈820压紧；

11)将上半内胆110和下半内胆120用激光焊接的方法焊为一体；

12)通过螺纹连接将第一密封圈810、第一紧固构件400依次套在阀座顶部导管上拧紧，并安装适当的工装，将气瓶放在缠绕机上进行纤维缠绕，在缠绕完成后的气瓶上安装适当的阀头，完成所有装配过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，包括塑料内胆本体、与塑料内胆本体的顶部开口配合的阀芯、阀座，其特征在于，所述塑料内胆本体包括相互连接的上半内胆和下半内胆，所述上半内胆的顶部具有所述顶部开口，所述阀座包括与所述上半内胆的内表面相适配的法兰盘和设置在所述法兰盘中部的导管，所述导管内壁设置有内螺纹，所述阀芯具有与所述内螺纹配合的外螺纹，所述顶部开口的内环面设置有环形卡扣，所述法兰盘与所述导管连接处的外周面设置有与所述环形卡扣相配合的凹形槽，所述导管伸出所述顶部开口的导管上部与第一紧固构件配合，所述法兰盘底部设置有填充材料，所述填充材料底部设置有密封构件，所述密封构件通过与所述导管伸出所述填充材料中部的导管下部配合的第二紧固构件固定。

2.如权利要求1所述的一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，其特征在于，所述法兰盘与所述上半内胆的内表面之间设置有中间密封层。

3.如权利要求1所述的一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，其特征在于，所述填充材料的底部设置为第一弧面结构，所述密封构件的顶部设置为与所述第一弧面结构配合的第二弧面结构。

4.如权利要求1所述的一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，其特征在于，所述第一紧固构件与所述导管上部之间通过螺纹连接。

5.如权利要求1所述的一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，其特征在于，所述第一紧固构件与所述上半内胆的上表面之间设置有第一密封圈。

6.如权利要求1所述的一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，其特征在于，所述第二紧固构件与所述导管下部之间通过螺纹连接。

7.如权利要求1所述的一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，其特征在于，所述密封构件与所述第二紧固构件之间设置有第二密封圈。

8.如权利要求1所述的一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，其特征在于，所述密封构件与所述法兰盘的接触面之间设置有第三密封圈。

9.如权利要求1所述的一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，其特征在于，所述填充材料为与内胆相同的塑料材料或者与内胆材料的机械和热膨胀系数相近的非金属材料，用于填补密封构件和阀座底表面之间的间隙。

10.如权利要求1所述的一种高压复合材料氢气瓶接口增强密封结构，其特征在于，所述上半内胆的底部外缘与所述下半内胆的顶部外缘通过插接结构对接，然后再通过焊接的方法将上半内胆和下半内胆焊接成一体。

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