CN117382154B - Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置和方法，属于储氢容器缠绕固化的技术领域，包括旋转封堵机构、旋转接头、连接管Ⅱ、转换接头、顶紧管、顶尖、通气加热机构、温度压力传感器、进气管、回流管、流量调节阀、气体加热机构和旋转驱动机构。本装置可同时进行缠绕工艺和内固化工艺，可实时监测内衬中的压力和温度，并基于上述装置提出Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化方法，利用充放气对纤维缠绕张力、缠绕层压力与内衬内压进行协调控制。

Description

Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置和方法

技术领域

本发明属于储氢容器缠绕固化的技术领域，具体公开了一种Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置和方法。

背景技术

伴随着氢能走进人们的视野并得到广泛应用，储氢容器作为氢能产业链中储氢环节的主要储存载体，其多样化安全应用对容器的成型过程提出了更高的要求。近年来，储氢容器向着轻量化、高储氢密度、高强度、耐疲劳、长寿命的趋势不断发展，至今已有四类储氢容器得到大范围使用。其中Ⅰ-Ⅲ型储氢容器内衬都采用金属材料，通过在内衬外缠绕复合材料，Ⅱ、Ⅲ型储氢容器重量进一步降低、强度进一步提高，目前比较常用的复合材料为碳纤维。除选材之外，生产储氢容器的缠绕工艺和固化工艺也有不可忽视的作用。

对于Ⅳ型复合材料储氢容器，其内衬采用的是塑料，塑料内衬相比于金属内衬，其强度和刚度更低；在缠绕工艺中，由于缠绕张力的存在，碳纤维缠绕在容器内衬表面时会对内衬施加压力，使其向内塌陷、失稳，因此需要在其缠绕过程中通过充气的方法对其施加内压；外固化工艺中，由于温度从外向内传导，且随着容器的工作压力及缠绕层厚度的增加，纤维层与内衬出现一定程度的脱粘，从而使得界面结合效果较差，还会导致缠绕层内部出现孔隙，降低容器的使用寿命和整体力学性能；缠绕与固化所需的时间都较长，先缠绕后固化导致工艺的时间叠加，降低生产效率，提高生产成本。

发明内容

本发明提供一种Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，可同时进行缠绕工艺和内固化工艺，可实时监测内衬中的压力和温度，并基于上述装置提出Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化方法，利用充放气对纤维缠绕张力、缠绕层压力与内衬内压进行协调控制。

上述Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，包括旋转封堵机构、旋转接头、连接管Ⅱ、转换接头、顶紧管、顶尖、通气加热机构、温度压力传感器、进气管、回流管、流量调节阀、气体加热机构和旋转驱动机构；旋转封堵机构用于与内衬的第一端固定连接，封闭内衬的第一端；旋转接头为中空结构，用于与内衬的第二端固定连接；转换接头包括固定外壳和旋转内管；旋转内管的第二端位于固定外壳内，外壁与固定外壳的内壁转动连接；连接管Ⅱ的第一端与旋转接头固定连接，连接管Ⅱ的第二端与旋转内管的第一端固定连接；顶紧管包括中空段和实心段，中空段的端口为顶紧管的第一端，实心段的端口为顶紧管的第二端；顶紧管穿过固定外壳，与固定外壳固定连接，顶紧管的第一端与旋转内管的第二端连通，顶紧管的第二端由顶尖顶紧；通气加热机构包括固定封头和进气加热管；固定封头与内衬转动连接；或固定封头与旋转接头转动连接；或固定封头同时与内衬和旋转接头转动连接；固定封头的第一端位于内衬中，固定封头的第二端位于旋转接头中，设置有贯通固定封头第一端和固定封头第二端的进气孔和回流孔Ⅰ；进气加热管安装在内衬中，与固定封头的进气孔连通，管壁上设置有气孔；温度压力传感器安装在内衬中；进气管穿过顶紧管的中空段、旋转内管、连接管Ⅱ和旋转接头，进气管的第一端与固定封头的进气孔连通，进气管的第二端与气体加热机构的出气口连通；旋转接头、连接管Ⅱ、旋转内管、顶紧管的中空段与进气管之间的空间为气体回流空间；回流管的第一端与顶紧管的中空段连通，回流管的第二端用于排出回流气体；流量调节阀安装在进气管和/或回流管上，根据温度压力传感器的压力值调节气体流量；气体加热机构根据温度压力传感器的温度值调节气体温度；旋转驱动机构驱动旋转封堵机构、内衬、旋转接头、连接管Ⅱ、旋转内管相对通气加热机构、进气管、固定外壳、顶紧管旋转。

进一步地，旋转接头包括端盖Ⅰ、端盖Ⅱ、密封套、轴承Ⅰ、轴承固定环、气管连接套、密封锥环和固定锥环；端盖Ⅰ和端盖Ⅱ固定连接，端盖Ⅰ固定在内衬第二端的外壁上，端盖Ⅱ与连接管Ⅱ的第一端固定连接；密封套固定在端盖Ⅰ和端盖Ⅱ内，密封套和端盖Ⅰ之间以及密封套上设置有环槽，环槽内安装有轴承固定环；轴承Ⅰ的外圈通过两侧的轴承固定环固定在密封套内，内圈固定在固定封头外；端盖Ⅱ上设置有进气管接口和回流孔Ⅱ，回流孔Ⅱ上安装有单向阀；气管连接套与端盖Ⅱ的进气管接口固定连接；进气管转动穿过气管连接套；固定锥环套设在进气管外，圆环段与气管连接套的第二端相接，圆锥段与进气管的外壁相接；密封锥环位于气管连接套、进气管和固定锥环围合成的空间内。

进一步地，固定外壳包括外壳Ⅰ和外壳Ⅱ；外壳Ⅰ包括环形外板、环形内板和环形端板，环形端板连接外环形板和内环形板的第一端；外壳Ⅱ上设置有顶紧管接口；旋转内管的第二端设置有限位凸台Ⅰ；转换接头还包括弹簧Ⅰ、铜垫片、密封圆环Ⅱ、石墨锥环、固定螺母、轴承Ⅱ、弹性挡圈和轴承垫圈；弹簧Ⅰ、铜垫片和密封圆环Ⅱ依次套设在环形内板的外壁上；石墨锥环的圆环段套设在铜垫片和密封圆环Ⅱ外，圆锥段与密封圆环Ⅱ相接；固定螺母、轴承Ⅱ、弹性挡圈、轴承垫圈依次套设在旋转内管外，固定螺母向旋转内管的第二端旋转，与弹性挡圈、轴承垫圈、限位凸台Ⅰ将轴承Ⅱ的内圈固定在旋转内管外；旋转内管穿过环形内板和石墨锥环，固定螺母将石墨锥环的圆锥段压紧，轴承Ⅱ的外圈与环形外板的内壁相接；外壳Ⅱ套设在环形外板外，压紧旋转内管的第二端，顶紧管接口对准旋转内管。

进一步地，通气加热机构还包括活塞管、弹簧Ⅱ、V形轴、固定轴、滑动轴和摆动轴；固定封头内设置有与进气孔垂直相通的活塞腔；活塞管上对称设置有径向轴，活塞管的第二端设置有限位凸台Ⅱ，限位凸台Ⅱ滑动安装在活塞腔内，活塞管从固定封头的第一端伸出；弹簧Ⅱ套设在活塞管上，两端分别通过固定封头和径向轴限位；两根V形轴的尖端分别固定套设在径向轴上，悬臂分别通过两个悬臂轴连接，悬臂与悬臂轴转动连接；两根固定轴对称设置在活塞管的两侧，固定轴的第二端固定在固定封头的第一端上，固定轴的第一端设置有滑孔，两根固定轴的间距从第一端向第二端逐渐减小；两根滑动轴分别滑动穿过两根固定轴的滑孔，滑动轴的第一端与悬臂轴固定连接，两根滑动轴的间距从第一端向第二端逐渐增大；两根摆动轴的第二端分别与悬臂轴固定连接，两根摆动轴的间距从第一端向第二端逐渐减小；活塞管、径向轴、V形轴、悬臂轴、摆动轴内设置有相通的气道；进气加热管为螺旋管，缠绕在摆动轴上，与摆动轴的气道相通。

进一步地，上述Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，还包括机架以及安装在机架上的卡盘；旋转封堵机构包括连接管Ⅰ和旋转封头；连接管Ⅰ的第一端由卡盘夹持，连接管Ⅰ的第二端通过旋转封头与内衬的第一端固定连接；连接管Ⅰ为空心管，旋转封头为实心封头；或连接管Ⅰ为实心管，旋转封头为空心封头。

进一步地，机架包括固定机架、滑动机架Ⅰ和滑动机架Ⅱ；滑动机架Ⅰ和滑动机架Ⅱ均与固定机架滑动连接，沿内衬轴向滑动；转换接头还包括接头座；接头座套设在环形外板外，通过轴向设置的螺栓Ⅱ与外壳Ⅱ连接，固定在滑动机架Ⅰ上；顶尖安装在滑动机架Ⅱ上，配有用于沿内衬轴向调节顶尖位置的调节把手。

进一步地，进气管位于顶紧管、转换接头、连接管Ⅱ和旋转接头外的管节上以及回流管上设置有补偿器；补偿器沿内衬轴向布置，用于补偿滑动机架Ⅰ和滑动机架Ⅱ沿内衬轴向滑动时进气管和回流管的变形量；补偿器包括波纹管以及设置在波纹管两端的伸缩节；伸缩节包括固定节、压盘、调节节、固定螺栓、调节螺杆和调节螺母；固定节的两端分别为法兰端Ⅰ和法兰端Ⅱ，法兰端Ⅰ与波纹管的端部连接，法兰端Ⅱ对应的端部内壁上设置有压盘槽；压盘的两端分别为插接端Ⅰ和法兰端Ⅲ，插接端Ⅰ插接在压盘槽内，法兰端Ⅲ与法兰端Ⅱ通过固定螺栓连接；调节节的两端分别为插接端Ⅱ和法兰端Ⅳ，插接端Ⅱ插接在压盘内，法兰端Ⅳ、法兰端Ⅲ和法兰端Ⅱ通过调节螺杆连接，调节螺杆的两端通过调节螺母拧紧。

进一步地，气体加热机构为电弧加热器；电弧加热器包括固定外壳、温度仪表、加热外壳、电磁圈、加热内壁、冷却套、正电极和负电极；固定外壳、加热外壳和加热内壁上均设置有进气口、出气口、回流口以及两个相对的接口；固定外壳、加热外壳和加热内壁由外到内依次设置，进气口、出气口、回流口由外到内依次连通，接口由外到内依次相接，回流口与回流管的第二端连通；温度仪表的穿过固定外壳、加热外壳和加热内壁，监测端位于加热内壁内，显示端位于固定外壳外；加热内壁的两个接口内分别安装有冷却套；正电极和负电极分别与两个冷却套插接；电磁圈铺设在加热外壳上，位于正电极和负电极之间。

进一步地，上述Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，还包括空气压缩机和控制箱；空气压缩机的出气口与电弧加热器的进气口连通；流量调节阀为电磁流量调节阀，与控制箱电性连接；温度压力传感器安装在固定封头上，与控制箱电性连接；正电极和负电极与控制箱电性连接。

上述一种Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化方法，包括下述步骤：

S1，将内衬安装在上述Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置上；

S2，旋转驱动机构驱动内衬旋转，进行纤维缠绕，同时通过进气管向内衬充气，每完成预设层数的铺层，纤维缠绕张力减小预设值，内衬的内压同步增加预设值。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用在中空结构的内部铺设气体管路，在保证气密性的同时也能顺利输送加热气体，实现缠绕工艺中通过加热气体的循环流动对纤维缠绕层进行内固化，减少了容器在外固化工艺中出现的缺陷，并且缠绕工艺与内固化工艺的结合还解决了生产效率低、成本较高和孔隙的问题；

2、在缠绕工艺和内固化工艺中对内衬中的压力和温度同时监测控制实现动态平衡，不仅提高了成型效率，而且更好的提高了复合材料成型质量，从而提升了容器的整体力学性能；

3、通过合理控制充放气以及良好的密封性，实现了纤维缠绕张力、缠绕层压力与内衬内压之间的实时平衡调节，纤维缠绕张力在缠绕时每完成一定数量的铺层便减小一定值，同时内衬内压便增加相应值；纤维缠绕张力由内向外虽然递减，但随着铺层的增多，其对内衬的压力会由于累积而逐渐升高，因此内衬内压需根据缠绕工艺要求实时增加，与其相匹配，进而保证缠绕工艺的顺利进行；另外，考虑到气体存在热胀冷缩的效应，在气体温度发生改变时，通过电磁流量调节阀的实时调节，保证内衬内压的合理与平衡，避免内压出现过大或过小的现象；内压与纤维缠绕张力、缠绕层压力的动态平衡能够解决纤维层松紧不一的缺陷以及容器在缠绕成型过程中缠绕张力作用下内衬产生的失稳、塌陷等问题，从而提高容器的强度和抗疲劳性；

4、利用电弧加热器加热气体，通过电磁流量调节阀控制气体的流通，有利于快速准确地改变气体温度，精准地控制内压；

5、通过单侧充放气实现压力的调节，使得本装置还可以应用于单极孔储氢容器的缠绕固化工艺中；

6、本装置部件拆卸方便，便于组装搬运。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置的结构示意图；

图2为旋转接头与内衬连接的剖视图；

图3为端盖Ⅱ的结构示意图；

图4为转换接头的结构示意图；

图5为转换接头的剖视图；

图6为通气加热机构与内衬的连接示意图；

图7为图6中A部分的放大图；

图8为通气加热机构的结构示意图；

图9为图8中B部分的剖视图；

图10为补偿器的结构示意图；

图11为伸缩节的剖视图；

图12为电弧加热器的结构示意图；

图13为固定外壳的内部示意图；

图14为电弧加热器的剖视图。

图中：1-旋转接头；1.1-端盖Ⅰ；1.2-端盖Ⅱ；1.2.1-进气管接口；1.2.2-回流孔Ⅱ；1.3-密封套；1.4-轴承Ⅰ；1.5-轴承固定环；1.6-气管连接套；1.7-密封锥环；1.8-固定锥环；1.9-螺栓Ⅰ；1.10-螺钉；1.11-密封圆环Ⅰ；

2-连接管Ⅱ；

3-转换接头；3.1-旋转内管；3.2-外壳Ⅰ；3.3-外壳Ⅱ；3.4-弹簧Ⅰ；3.5-铜垫片；3.6-密封圆环Ⅱ；3.7-石墨锥环；3.8-固定螺母；3.9-轴承Ⅱ；3.10-弹性挡圈；3.11-轴承垫圈；3.12-接头座；3.13-螺栓Ⅱ；

4-顶紧管；5-顶尖；

6-通气加热机构；6.1-固定封头；6.1.1-进气孔；6.1.2-回流孔Ⅰ；6.2-进气加热管；6.2.1-气孔；6.3-活塞管；6.3.1-径向轴；6.4-弹簧Ⅱ；6.5- V形轴；6.6-固定轴；6.7-滑动轴；6.8-摆动轴；6.9-悬臂轴；6.10-气道；

7-温度压力传感器；8-进气管；9-回流管；10-三爪卡盘；11-连接管Ⅰ；12-旋转封头；

13.1-固定机架；13.2-滑动机架Ⅰ；13.3-滑动机架Ⅱ；14-调节把手；

15-补偿器；15.1-波纹管；15.2-固定节；15.3-压盘；15.4-调节节；15.5-固定螺栓；15.6-调节螺杆；15.7-调节螺母；

16-电弧加热器；16.1-固定外壳；16.2-温度仪表；16.3-加热外壳；16.4-电磁圈；16.5-加热内壁；16.6-冷却套；16.7-正电极；16.8-负电极；16.9-进气口；16.10-出气口；16.11-回流口；

17-空气压缩机；18-控制箱；19-电磁流量调节阀；20-快速接头；

100-内衬。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，包括旋转封堵机构、旋转接头1、连接管Ⅱ2、转换接头3、顶紧管4、顶尖5、通气加热机构6、温度压力传感器7、进气管8、回流管9、流量调节阀、气体加热机构和旋转驱动机构。

旋转封堵机构用于与内衬100的第一端固定连接，封闭内衬100的第一端。

旋转接头1为中空结构，用于与内衬100的第二端固定连接。

转换接头3包括固定外壳和旋转内管3.1；旋转内管3.1的第二端位于固定外壳内，外壁与固定外壳的内壁转动连接。

连接管Ⅱ2的第一端与旋转接头1固定连接，连接管Ⅱ2的第二端与旋转内管3.1的第一端固定连接。

顶紧管4包括中空段和实心段，中空段的端口为顶紧管4的第一端，实心段的端口为顶紧管4的第二端；顶紧管4穿过固定外壳，与固定外壳固定连接，顶紧管4的第一端与旋转内管3.1的第二端连通，顶紧管4的第二端由顶尖5顶紧。

通气加热机构6包括固定封头6.1和进气加热管6.2；固定封头6.1与内衬100转动连接；或固定封头6.1与旋转接头1转动连接；固定封头6.1同时与内衬100和旋转接头1转动连接；固定封头6.1的第一端位于内衬100中，固定封头6.1的第二端位于旋转接头1中，设置有贯通固定封头6.1第一端和固定封头6.1第二端的进气孔6.1.1和回流孔Ⅰ6.1.2；进气加热管6.2安装在内衬100中，与固定封头6.1的进气孔6.1.1连通，管壁上设置有气孔6.2.1。

温度压力传感器7安装在内衬100中，用于监测内衬100中的温度和压力。

进气管8穿过顶紧管4的中空段、旋转内管3.1、连接管Ⅱ2和旋转接头1，进气管8的第一端与固定封头6.1的进气孔6.1.1连通，进气管8的第二端与气体加热机构的出气口连通。

旋转接头1、连接管Ⅱ2、旋转内管3.1、顶紧管4的中空段与进气管8之间的空间为气体回流空间；回流管9的第一端与顶紧管4的中空段连通，回流管9的第二端用于排出回流气体。

流量调节阀安装在进气管8和/或回流管9上，根据温度压力传感器7的压力值调节气体流量。

气体加热机构根据温度压力传感器7的温度值调节气体温度。

旋转驱动机构驱动旋转封堵机构、内衬100、旋转接头1、连接管Ⅱ2、旋转内管3.1相对通气加热机构6、进气管8、固定外壳、顶紧管4旋转，在内衬100表面进行纤维缠绕，同时加热至预设温度的气体通过进气管8、通气加热机构6进入到内衬100中，对内衬100进行内固化，利用转换接头3的动静转换使内衬100在稳定旋转的同时进行气体的流通与控制，实现了缠绕工艺与固化工艺的同步进行，通过内衬100内部温度压力传感器7的监测值，实时控制气体加热机构与流量调节阀，实现了缠固一体化过程中温度、压力的快速调节控制。

内衬100中的气体经过回流孔Ⅰ6.1.2、气体回流空间，从回流管9的第二端排出或接入气体加热机构重复利用。

实施例2

为了使内衬100的旋转与充放气不会发生干涉，且保证整个充放气过程的密封性，本实施例提供旋转接头1和转换接头3的具体结构。

旋转接头1包括端盖Ⅰ1.1、端盖Ⅱ1.2、密封套1.3、轴承Ⅰ1.4、轴承固定环1.5、气管连接套1.6、密封锥环1.7和固定锥环1.8；端盖Ⅰ1.1和端盖Ⅱ1.2通过轴向设置的螺栓Ⅰ1.9固定连接，端盖Ⅰ1.1通过螺纹固定在内衬100第二端的外壁上，使旋转接头1与内衬100保持同频旋转且不可沿轴向移动，端盖Ⅱ1.2与连接管Ⅱ2的第一端固定插接；密封套1.3通过径向设置的螺钉1.10固定在端盖Ⅰ1.1和端盖Ⅱ1.2内，通过端盖Ⅰ1.1和端盖Ⅱ1.2内壁上的轴肩轴向定位，密封套1.3和轴肩之间通过密封圆环Ⅰ1.11密封，以保证旋转接头1在跟随内衬100旋转的过程中具有良好的密封性，密封套1.3和端盖Ⅰ1.1之间以及密封套1.3上设置有环槽，环槽内安装有轴承固定环1.5；轴承Ⅰ1.4的外圈通过两侧的轴承固定环1.5固定在密封套1.3内，内圈固定在固定封头6.1外；端盖Ⅱ1.2上设置有进气管接口1.2.1和回流孔Ⅱ1.2.2，回流孔Ⅱ1.2.2上安装有单向阀，保证内衬100内部的气体单向流出；气管连接套1.6通过螺纹与端盖Ⅱ1.2的进气管接口1.2.1固定连接；进气管8转动穿过气管连接套1.6；固定锥环1.8套设在进气管8外，圆环段与气管连接套1.6的第二端相接，圆锥段与进气管8的外壁相接；密封锥环1.7位于气管连接套1.6、进气管8和固定锥环1.8围合成的空间内，可以保证进气管8穿过进气管接口1.2.1的同时不跟随端盖Ⅱ1.2旋转。

轴承Ⅰ1.4采用深沟球轴承。

转换接头3中，固定外壳包括外壳Ⅰ3.2和外壳Ⅱ3.3；外壳Ⅰ3.2包括环形外板、环形内板和环形端板，环形端板连接外环形板和内环形板的第一端；外壳Ⅱ3.3上设置有顶紧管接口；旋转内管3.1的第二端设置有限位凸台Ⅰ；转换接头3还包括弹簧Ⅰ3.4、铜垫片3.5、密封圆环Ⅱ3.6、石墨锥环3.7、固定螺母3.8、轴承Ⅱ3.9、弹性挡圈3.10和轴承垫圈3.11；弹簧Ⅰ3.4、铜垫片3.5和密封圆环Ⅱ3.6依次套设在环形内板的外壁上；石墨锥环3.7的圆环段套设在铜垫片3.5和密封圆环Ⅱ3.6外，圆锥段与密封圆环Ⅱ3.6相接；固定螺母3.8、轴承Ⅱ3.9、弹性挡圈3.10、轴承垫圈3.11依次套设在旋转内管3.1外，固定螺母3.8向旋转内管3.1的第二端旋转，与弹性挡圈3.10、轴承垫圈3.11、限位凸台Ⅰ将轴承Ⅱ3.9的内圈固定在旋转内管3.1外；旋转内管3.1穿过环形内板和石墨锥环3.7，固定螺母3.8将石墨锥环3.7的圆锥段压紧，对弹簧Ⅰ3.4施压，将其压紧在外壳Ⅰ3.2的环形端板上，轴承Ⅱ3.9的外圈与环形外板的内壁相接；外壳Ⅱ3.3通过螺纹套设在环形外板外，压紧旋转内管3.1的第二端，顶紧管接口对准旋转内管3.1。

轴承Ⅱ3.9采用圆锥滚子轴承，用于支撑旋转内管3.1，使其平稳旋转；弹簧Ⅰ3.4、铜垫片3.5、密封圆环Ⅱ3.6、石墨锥环3.7起密封高温气体的作用，保持接头内部的气密性，防止气体泄漏；弹簧Ⅰ3.4用以提供最初的内部密封压力，转换接头3开始运作之后呈压力密封状态，通过弹簧Ⅰ3.4的弹力维持低气压或真空环境；旋转内管3.1与轴承Ⅱ3.9连接时采用碳化硅密封，保证其在长时间旋转时具有优良的耐高温性能。

实施例3

为了与内衬100的内壁保持较近的距离以及获得更广泛的加热面积，本实施例提供通气加热机构6的具体结构。

通气加热机构6还包括活塞管6.3、弹簧Ⅱ6.4、V形轴6.5、固定轴6.6、滑动轴6.7和摆动轴6.8；固定封头6.1内设置有与进气孔6.1.1垂直相通的活塞腔；活塞管6.3上对称设置有径向轴6.3.1，活塞管6.3的第二端设置有限位凸台Ⅱ，限位凸台Ⅱ滑动安装在活塞腔内，活塞管6.3从固定封头6.1的第一端伸出；弹簧Ⅱ6.4套设在活塞管6.3上，两端分别通过固定封头6.1和径向轴6.3.1限位；两根V形轴6.5的尖端分别固定套设在径向轴6.3.1上，悬臂分别通过两个悬臂轴6.9连接，悬臂与悬臂轴6.9转动连接；两根固定轴6.6对称设置在活塞管6.3的两侧，固定轴6.6的第二端固定在固定封头6.1的第一端上，固定轴6.6的第一端设置有滑孔，两根固定轴6.6的间距从第一端向第二端逐渐减小；两根滑动轴6.7分别滑动穿过两根固定轴6.6的滑孔，滑动轴6.7的第一端与悬臂轴6.9固定连接，两根滑动轴6.7的间距从第一端向第二端逐渐增大；两根摆动轴6.8的第二端分别与悬臂轴6.9固定连接，两根摆动轴6.8的间距从第一端向第二端逐渐减小；活塞管6.3、径向轴6.3.1、V形轴6.5、悬臂轴6.9、摆动轴6.8内设置有相通的气道6.10；进气加热管6.2为螺旋管，缠绕在摆动轴6.8上，与摆动轴6.8的气道6.10相通。

通过活塞管6.3挤压弹簧Ⅱ6.4，可使两根摆动轴6.8向活塞管6.3靠拢，将其插入内衬100之中后又会在弹簧Ⅱ6.4的作用下展开，从而与内衬100的内壁保持较近的距离以及获得更广泛的加热面积。由进气管8提供的气体经过进气孔6.1.1、气道6.10进入进气加热管6.2，气孔6.2.1扩散于内衬100的内部。

实施例4

本实施例中，Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置还包括机架以及安装在机架上的三爪卡盘10；旋转封堵机构包括连接管Ⅰ11和旋转封头12；连接管Ⅰ11的第一端由三爪卡盘10夹持，连接管Ⅰ11的第二端通过旋转封头12与内衬100的第一端固定连接，利用三爪卡盘10和顶尖5将内衬100轴向固定于缠绕轴线上。

旋转封堵机构有两种结构：第一种为连接管Ⅰ11为空心管，旋转封头为实心封头12；第二种为连接管Ⅰ11为实心管，旋转封头12为空心封头。两种结构均可实现与内衬100的第一端固定连接，且封闭内衬100的第一端，防止内衬100随三爪卡盘10旋转时泄露气体，造成安全问题。

实施例5

为了适应内衬100的轴向变化，本实施例将机架设计为分体滑动式，且在进气管8和回流管9配有补偿器15。

机架包括固定机架13.1、滑动机架Ⅰ13.2和滑动机架Ⅱ13.3；滑动机架Ⅰ13.2和滑动机架Ⅱ13.3均与固定机架13.1滑动连接，沿内衬100轴向滑动；转换接头3还包括接头座3.12；接头座3.12套设在环形外板外，通过轴向设置的螺栓Ⅱ3.13与外壳Ⅱ3.3连接，固定在滑动机架Ⅰ13.2上，可实现轴向移动，同时还可以分担径向力，确保装置运行过程的稳定；顶尖5安装在滑动机架Ⅱ13.3上，配有用于沿内衬100轴向调节顶尖5位置的调节把手14，以保证顶尖5能够确实顶紧内衬100。

进气管8位于顶紧管4、转换接头3、连接管Ⅱ2和旋转接头1外的管节上以及回流管9上设置有补偿器15；补偿器15沿内衬100轴向布置，用于补偿滑动机架Ⅰ13.2和滑动机架Ⅱ13.3沿内衬100轴向滑动时进气管8和回流管9的变形量；补偿器15包括波纹管15.1以及设置在波纹管15.1两端的伸缩节；波纹管15.1是一种由波纹薄壁金属管制成的弹性元件，通常用于在狭小空间内对管道变形进行补偿；伸缩节可根据管道伸缩变形而进行相应变形，吸收管道由于温度变化、振动或其它原因引起的伸缩变形，包括固定节15.2、压盘15.3、调节节15.4、固定螺栓15.5、调节螺杆15.6和调节螺母15.7；固定节15.2的两端分别为法兰端Ⅰ和法兰端Ⅱ，法兰端Ⅰ与波纹管15.1的端部连接，法兰端Ⅱ对应的端部内壁上设置有压盘槽；压盘15.3的两端分别为插接端Ⅰ和法兰端Ⅲ，插接端Ⅰ插接在压盘槽内，法兰端Ⅲ与法兰端Ⅱ通过固定螺栓15.5连接；调节节15.4的两端分别为插接端Ⅱ和法兰端Ⅳ，插接端Ⅱ插接在压盘15.3内，法兰端Ⅳ、法兰端Ⅲ和法兰端Ⅱ通过调节螺杆15.6连接，将调节节15.4沿调节螺杆15.6调整至合适位置后，调节螺杆15.6的两端通过调节螺母15.7拧紧。

伸缩节和波纹管15.1都是用于管道中的补偿器件，用于解决管道在不同温度、压力、振动等情况下的变形和位移问题，从而保证管道的正常运行和安全性。

实施例6

本实施例提供的Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置中气体加热机构采用电弧加热器16，还包括空气压缩机17和控制箱18。

电弧加热器16包括固定外壳16.1、温度仪表16.2、加热外壳16.3、电磁圈16.4、加热内壁16.5、冷却套16.6、正电极16.7和负电极16.8；固定外壳16.1、加热外壳16.3和加热内壁16.5上均设置有进气口16.9、出气口16.10、回流口16.11以及两个相对的接口；固定外壳16.1、加热外壳16.3和加热内壁16.5由外到内依次设置，进气口16.9、出气口16.10、回流口16.11由外到内依次连通，接口由外到内依次相接，回流口16.11与回流管9的第二端连通；温度仪表16.2的穿过固定外壳16.1、加热外壳16.3和加热内壁16.5，监测端位于加热内壁16.5内，显示端位于固定外壳16.1外，能够实时反映出加热内壁16.5内部气体的温度；加热内壁16.5的两个接口内分别安装有冷却套16.6，冷却套16.6采用绝缘材料，防止出现漏电、烫伤等安全问题；正电极16.7和负电极16.8分别与两个冷却套16.6插接；电磁圈16.4铺设在加热外壳16.3上，位于正电极16.7和负电极16.8之间，与正、负电极配合对气体进行加热。

加热外壳16.3和加热内壁16.5均采取圆筒状，两端直径较小，用于固定电极，中间直径较大，用于气体的加热与流通；加热内壁16.5铺设耐热材料与保热材料，减少热量向外流失；固定外壳16.1为中空的长方体形状，内壁铺设耐热材料，表层铺设冷却材料，确保电弧加热器16移动过程中的安全性。

空气压缩机17的出气口与电弧加热器16的进气口16.9连通。

流量调节阀为电磁流量调节阀19，与控制箱18电性连接。

温度压力传感器7安装在固定封头6.1上，与控制箱18电性连接，采用有线方式时，固定封头6.1内部还设有信号线孔，用于安装温度压力传感器7。

正、负电极与控制箱18电性连接。

进气管8位于顶紧管4中空段的管节采用90°弯管连接换向，位于转换接头3、连接管Ⅱ2和旋转接头1内的管节通过快速接头20连接。

进气管8、回流管9采用金属材质，保证其轴向具有足够的弯曲刚度。

实施例7

本实施例提供一种Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化方法，包括下述步骤：

S0，根据容器性能需求提前准备好纤维与树脂浸胶，然后设置上述Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置的缠绕参数以及相匹配的固化参数，包括内衬100转速、缠绕张力、丝嘴轴向移动速度、固化温度；

S1，将内衬100安装在上述Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置上；

S2，旋转驱动机构驱动内衬100旋转，进行纤维缠绕，同步通过进气管8向内衬100充气，每完成预设层数的铺层，纤维缠绕张力减小预设值，内衬100的内压同步增加预设值。

步骤S2中，充气过程如下所述：

打开空气压缩机17和电弧加热器16，向内衬100中输送加热至预设温度的气体，位于进气管8上的电磁流量调节阀19根据温度压力传感器7和温度仪表16.2对其开关及流量进行调节控制，位于回流管9上的电磁流量调节阀19在达到预设压力时打开，气体便可由此排出，以保证内衬100内部气体循环流通，从而控制内衬100内压使之符合工艺要求，流出的气体经回流管9进入电弧加热器16再次加热后进入内衬100形成循环；整个工艺过程中，三爪卡盘10到转换接头3以预设转速保持旋转，转换接头3到顶尖5保持静止不动，气体的进入与流出通过顶紧管4中空段上的接口实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，其特征在于，包括旋转封堵机构、旋转接头、连接管Ⅱ、转换接头、顶紧管、顶尖、通气加热机构、温度压力传感器、进气管、回流管、流量调节阀、气体加热机构和旋转驱动机构；

所述旋转封堵机构用于与内衬的第一端固定连接，封闭内衬的第一端；

所述旋转接头为中空结构，用于与内衬的第二端固定连接；

所述转换接头包括固定外壳和旋转内管；

所述旋转内管的第二端位于固定外壳内，外壁与固定外壳的内壁转动连接；

所述连接管Ⅱ的第一端与旋转接头固定连接，连接管Ⅱ的第二端与旋转内管的第一端固定连接；

所述顶紧管包括中空段和实心段，中空段的端口为顶紧管的第一端，实心段的端口为顶紧管的第二端；

所述顶紧管穿过固定外壳，与固定外壳固定连接，顶紧管的第一端与旋转内管的第二端连通，顶紧管的第二端由顶尖顶紧；

所述通气加热机构包括固定封头和进气加热管；

所述固定封头与内衬转动连接；或所述固定封头与旋转接头转动连接；或所述固定封头同时与内衬和旋转接头转动连接；

所述固定封头的第一端位于内衬中，固定封头的第二端位于旋转接头中，设置有贯通固定封头第一端和固定封头第二端的进气孔和回流孔Ⅰ；

所述进气加热管安装在内衬中，与固定封头的进气孔连通，管壁上设置有气孔；

所述温度压力传感器安装在内衬中；

所述进气管穿过顶紧管的中空段、旋转内管、连接管Ⅱ和旋转接头，进气管的第一端与固定封头的进气孔连通，进气管的第二端与气体加热机构的出气口连通；

所述旋转接头、连接管Ⅱ、旋转内管、顶紧管的中空段与进气管之间的空间为气体回流空间；

所述回流管的第一端与顶紧管的中空段连通，回流管的第二端用于排出回流气体；

所述流量调节阀安装在进气管和/或回流管上，根据温度压力传感器的压力值调节气体流量；

所述气体加热机构根据温度压力传感器的温度值调节气体温度；

所述旋转驱动机构驱动旋转封堵机构、内衬、旋转接头、连接管Ⅱ、旋转内管相对通气加热机构、进气管、固定外壳、顶紧管旋转；

所述固定外壳包括外壳Ⅰ和外壳Ⅱ；

所述外壳Ⅰ包括环形外板、环形内板和环形端板，环形端板连接外环形板和内环形板的第一端；

所述外壳Ⅱ上设置有顶紧管接口；

旋转内管的第二端设置有限位凸台Ⅰ；

转换接头还包括弹簧Ⅰ、铜垫片、密封圆环Ⅱ、石墨锥环、固定螺母、轴承Ⅱ、弹性挡圈和轴承垫圈；

所述弹簧Ⅰ、铜垫片和密封圆环Ⅱ依次套设在环形内板的外壁上；

所述石墨锥环的圆环段套设在铜垫片和密封圆环Ⅱ外，圆锥段与密封圆环Ⅱ相接；

所述固定螺母、轴承Ⅱ、弹性挡圈、轴承垫圈依次套设在旋转内管外，固定螺母向旋转内管的第二端旋转，与弹性挡圈、轴承垫圈、限位凸台Ⅰ将轴承Ⅱ的内圈固定在旋转内管外；

旋转内管穿过环形内板和石墨锥环，固定螺母将石墨锥环的圆锥段压紧，轴承Ⅱ的外圈与环形外板的内壁相接；

所述外壳Ⅱ套设在环形外板外，压紧旋转内管的第二端，顶紧管接口对准旋转内管。

2.根据权利要求1所述的Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，其特征在于，所述旋转接头包括端盖Ⅰ、端盖Ⅱ、密封套、轴承Ⅰ、轴承固定环、气管连接套、密封锥环和固定锥环；

所述端盖Ⅰ和端盖Ⅱ固定连接，端盖Ⅰ固定在内衬第二端的外壁上，端盖Ⅱ与连接管Ⅱ的第一端固定连接；

所述密封套固定在端盖Ⅰ和端盖Ⅱ内，密封套和端盖Ⅰ之间以及密封套上设置有环槽，环槽内安装有轴承固定环；

所述轴承Ⅰ的外圈通过两侧的轴承固定环固定在密封套内，内圈固定在固定封头外；

所述端盖Ⅱ上设置有进气管接口和回流孔Ⅱ，回流孔Ⅱ上安装有单向阀；

所述气管连接套与端盖Ⅱ的进气管接口固定连接；

所述进气管转动穿过气管连接套；

所述固定锥环套设在进气管外，圆环段与气管连接套的第二端相接，圆锥段与进气管的外壁相接；

所述密封锥环位于气管连接套、进气管和固定锥环围合成的空间内。

3.根据权利要求2所述的Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，其特征在于，通气加热机构还包括活塞管、弹簧Ⅱ、V形轴、固定轴、滑动轴和摆动轴；

固定封头内设置有与进气孔垂直相通的活塞腔；

所述活塞管上对称设置有径向轴，活塞管的第二端设置有限位凸台Ⅱ，限位凸台Ⅱ滑动安装在活塞腔内，活塞管从固定封头的第一端伸出；

所述弹簧Ⅱ套设在活塞管上，两端分别通过固定封头和径向轴限位；

两根V形轴的尖端分别固定套设在径向轴上，悬臂分别通过两个悬臂轴连接，悬臂与悬臂轴转动连接；

两根固定轴对称设置在活塞管的两侧，固定轴的第二端固定在固定封头的第一端上，固定轴的第一端设置有滑孔，两根固定轴的间距从第一端向第二端逐渐减小；

两根滑动轴分别滑动穿过两根固定轴的滑孔，滑动轴的第一端与悬臂轴固定连接，两根滑动轴的间距从第一端向第二端逐渐增大；

两根摆动轴的第二端分别与悬臂轴固定连接，两根摆动轴的间距从第一端向第二端逐渐减小；

所述活塞管、径向轴、V形轴、悬臂轴、摆动轴内设置有相通的气道；

进气加热管为螺旋管，缠绕在摆动轴上，与摆动轴的气道相通。

4.根据权利要求3所述的Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，其特征在于，还包括机架以及安装在机架上的卡盘；

旋转封堵机构包括连接管Ⅰ和旋转封头；

所述连接管Ⅰ的第一端由卡盘夹持，连接管Ⅰ的第二端通过旋转封头与内衬的第一端固定连接；

所述连接管Ⅰ为空心管，旋转封头为实心封头；或连接管Ⅰ为实心管，旋转封头为空心封头。

5.根据权利要求4所述的Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，其特征在于，所述机架包括固定机架、滑动机架Ⅰ和滑动机架Ⅱ；

所述滑动机架Ⅰ和滑动机架Ⅱ均与固定机架滑动连接，沿内衬轴向滑动；

转换接头还包括接头座；

所述接头座套设在环形外板外，通过轴向设置的螺栓Ⅱ与外壳Ⅱ连接，固定在滑动机架Ⅰ上；

顶尖安装在滑动机架Ⅱ上，配有用于沿内衬轴向调节顶尖位置的调节把手。

6.根据权利要求5所述的Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，其特征在于，进气管位于顶紧管、转换接头、连接管Ⅱ和旋转接头外的管节上以及回流管上设置有补偿器；

所述补偿器沿内衬轴向布置，用于补偿滑动机架Ⅰ和滑动机架Ⅱ沿内衬轴向滑动时进气管和回流管的变形量；

所述补偿器包括波纹管以及设置在波纹管两端的伸缩节；

所述伸缩节包括固定节、压盘、调节节、固定螺栓、调节螺杆和调节螺母；

所述固定节的两端分别为法兰端Ⅰ和法兰端Ⅱ，法兰端Ⅰ与波纹管的端部连接，法兰端Ⅱ对应的端部内壁上设置有压盘槽；

所述压盘的两端分别为插接端Ⅰ和法兰端Ⅲ，插接端Ⅰ插接在压盘槽内，法兰端Ⅲ与法兰端Ⅱ通过固定螺栓连接；

所述调节节的两端分别为插接端Ⅱ和法兰端Ⅳ，插接端Ⅱ插接在压盘内，法兰端Ⅳ、法兰端Ⅲ和法兰端Ⅱ通过调节螺杆连接，调节螺杆的两端通过调节螺母拧紧。

7.根据权利要求6所述的Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，其特征在于，气体加热机构为电弧加热器；

所述电弧加热器包括固定外壳、温度仪表、加热外壳、电磁圈、加热内壁、冷却套、正电极和负电极；

所述固定外壳、加热外壳和加热内壁上均设置有进气口、出气口、回流口以及两个相对的接口；

所述固定外壳、加热外壳和加热内壁由外到内依次设置，进气口、出气口、回流口由外到内依次连通，接口由外到内依次相接，回流口与回流管的第二端连通；

所述温度仪表的穿过固定外壳、加热外壳和加热内壁，监测端位于加热内壁内，显示端位于固定外壳外；

所述加热内壁的两个接口内分别安装有冷却套；

所述正电极和负电极分别与两个冷却套插接；

所述电磁圈铺设在加热外壳上，位于正电极和负电极之间。

8.根据权利要求7所述的Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，其特征在于，还包括空气压缩机和控制箱；

所述空气压缩机的出气口与电弧加热器的进气口连通；

流量调节阀为电磁流量调节阀，与控制箱电性连接；

温度压力传感器安装在固定封头上，与控制箱电性连接；

所述正电极和负电极与控制箱电性连接。

9.一种Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1，将内衬安装在权利要求1-8任一项所述Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置上；

S2，旋转驱动机构驱动内衬旋转，进行纤维缠绕，同时通过进气管向内衬充气，每完成预设层数的铺层，纤维缠绕张力减小预设值，内衬的内压同步增加预设值。