CN117570356A - 一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构及制造方法，包括内胆，所述内胆外表面设置阻热层，所述阻热层外套设有阻隔层，所述阻隔层为与所述内胆外形匹配的壳体结构，所述阻隔层与内胆之间形成第一真空区，所述阻隔层为防气体渗透的非金属材质；所述阻隔层外层设置隔热层，所述隔热层外套设有外壳体，所述外壳体为非金属材质，所述外壳体和所述阻隔层之间形成第二真空区；所述第二真空区的真空度高于所述第一真空区的真空度,从而以真空绝热方式为基础优化容器壳体结构，实现液态储氢容器的轻量化设计和制造。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域，尤其是一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构及制造方法。
背景技术
液态储氢(和储氮)需采用双层或多层结构，在最内层内胆和最外层壳体之间的中间部分为真空或绝热填充物形成的隔热层。由于氢的饱和蒸汽曲线的温度区间在摄氏零下259度(-259℃)到摄氏零下240度(-240℃)；当液态储氢在摄氏-253℃左右，此时为维持氢处于液态或气-液两相饱和状态，所需的压力为一个大气压；当由于外界的热量流入导致氢的温度升高到摄氏-240℃时，氢的饱和大气压约为12.8个大气压，此时容器内的压力将相应地升高到12.8个大气压；当容器内的温度继续升高，超过摄氏-240℃以上时，即使将压力加大，氢也将完全变为气态或超临界态。液态储氢的正常温度工作范围为摄氏-253℃到摄氏-240℃，相应的压力范围在1到12.8个大气压。
液态储氢容器的结构需要保证具有良好的绝热性能，也需要具有满足具体应用场景下行业或国标要求的结构强度和刚度，储氢容器的壳体结构设计和真空绝热方式为主要技术手段，保障储氢容器的安全。目前液态储氢现已有了广泛的应用，但罐体结构主要采用奥氏体合金钢或铝合金材料制成，容器较重。近年来，随着高压气态储氢和超低温液态储氢容器在车载领域内的逐步应用，如何进行液态储氢容器的轻量化设计和制造已成为一个需突破的关键技术。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构及制造方法，从而以真空绝热方式为基础优化容器壳体结构，实现液态储氢容器的轻量化设计和制造。
本发明所采用的技术方案如下：
一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，包括内胆，所述内胆外表面设置阻热层，所述阻热层外套设有阻隔层，所述阻隔层为与所述内胆外形匹配的壳体结构，所述阻隔层与内胆之间形成第一真空区，所述阻隔层为防气体渗透的非金属材质；
所述阻隔层外层设置隔热层，所述隔热层外套设有外壳体，所述外壳体为非金属材质，所述外壳体和所述阻隔层之间形成第二真空区；
所述第二真空区的真空度高于所述第一真空区的真空度。
其进一步技术方案在于：
所述所述内胆的材质为铝合金，所述内胆的结构包括圆柱壳和设置于圆柱壳两端的弧形封头，所述圆柱壳外表面沿轴向间隔设置有多个环向加强筋，所述弧形封头为回转壳体，所述弧形封头的回转曲面线型为等张力曲线。
所述内胆和阻隔层之间设置有多个用于支撑所述阻隔层的固定构件，单个固定构件的结构为：包括块状结构的插环，所述插环的材质为金属，所述插环焊接于所述内胆外表面，所述插环的内部设置有插孔，还包括块状结构插头，所述插头的外表面为锥面，所述锥面与所述插孔的开口端为线接触；
所述插头的一端穿过所述阻隔层上的开孔后与所述插环配合，所述插头的另一端位于所述开孔处，所述开孔处的所述阻隔层外表面固定有封闭板，所述封闭板与所述插头的端部配合用于将所述插头的位置固定。
所述插头为四棱锥，所述插孔为方形孔，所述插头的四个锥面分别与所述插孔的开口端的四条边线接触。
所述阻热层为外包有聚酯薄膜的泡沫塑料填充物，泡沫塑料材质为聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料。
所述阻隔层分为依次沿内胆轴向设置于所述阻热层外部的上段壳体、中段壳体和下段壳体，所述上段壳体、中段壳体和下段壳体通过焊接方式连接，所述上段壳体、中段壳体和下段壳体的材质为超高分子量的聚乙烯，并通过滚塑或注塑的方法成型。
所述隔热层由多层绝热材料铺设在所述阻隔层表面形成。
所述外壳体的结构包括内衬壳，所述内衬壳用于防气体渗漏，所述内衬壳的结构包括为依次沿内胆轴向设置于所述隔热层外部的上段内衬、中段内衬和下段内衬，上段内衬、中段内衬和下段内衬之间通过焊接连接，所述隔热层与所述内衬壳之间的空间为所述第二真空区，所述内衬壳内壁设置有多条与所述隔热层接触的加筋件，所述上段内衬、中段内衬和下段内衬均采用滚塑或注塑的方法成型；
所述内衬壳的外部为复合材料外壳，所述复合材料外壳由碳纤维加树脂制备的预浸带或预浸布铺贴制备而成。
所述阻隔层和所述外壳体上分别设置有第一管路接口和第二管路接口，第一管路接口和第二管路接口与所述内胆上的功能管路对应，所述第一管路接口和第二管路接口的结构相同；
所述第二管路接口的结构为：包括帽状结构的内接头，所述内接头的开口端边沿设置第一六角形凸台，所述第一六角形凸台与所述外壳体的内表面配合，用于限制所述内接头相对于所述外壳体转动，所述内接头的底部设置有内接口，还包括管状结构的外接头，所述外接头的内部为通道，所述外接头的一端穿过所述外壳体后与所述内接头螺纹连接，所述通道与所述内接口连通，所述外接头的另一端位于所述外壳体的外侧并设置有第二六角形凸台，所述第一六角形凸台和第二六角形凸台均通过垫片与所述外壳体密封配合；
所述功能管路的末端与所述第一管路接口的内接口连接，所述第一管路接口的通道通过中间接管和所述第二管路接口的内接口连接。
一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、制作金属内胆；
步骤二、将插环焊接于相邻两个环向加强筋之间的内胆外表面，并使沿内胆轴向同一位置的多个插环在内胆外壁等间距分布；
步骤三、根据插环的位置和内胆的尺寸在内胆外表面铺贴聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料填充物后外包聚酯薄膜，形成阻热层；
步骤四、用超高分子量的聚乙烯通过滚塑或注塑的方法成型三段回旋体的塑料薄壳，分别为上段壳体、中段壳体和下段壳体，上段壳体和下段壳体对应弧形封头；
步骤五、在阻隔层上开与插环对应的开孔，在阻隔层上开与内胆上的功能管路对应的通孔，并在通孔处安装第一管路接口；
步骤六、将上段壳体、中段壳体和下段壳体套在阻热层外部并将内胆上的功能管路与第一管路接口连接，再将开孔与插环对齐，将插头穿过阻隔层上的开孔后插入插环的插孔中，用与阻隔层材料相同的封闭板通过粘接或焊接的方法将开孔封堵，此时插头的位置固定，上段壳体、中段壳体和下段壳体贴合在阻热层外部，然后通过焊接的方式连接并在阻隔层和内胆之间形成密闭的第一真空区；
步骤七、在阻隔层外表面铺设隔热层；
步骤八、用高密度聚乙烯或尼龙制作位于外壳体内侧的内衬壳，采用滚塑或注塑的方法成型三段壳体，分别为上段内衬、中段内衬和下段内衬，上段内衬和下段内衬对应弧形封头，并在中段内衬上成型加筋件；
步骤九、在内衬壳上开孔并安装第二管路接口，将上段内衬、中段内衬和下段内衬套在隔热层外后将第一管路接口和第二管路接口用中间接管连接，然后将上段内衬、中段内衬和下段内衬焊接形成一个密闭的壳体，在内衬壳和阻隔层之间形成第二真空区；
步骤十、在内衬壳外表面铺贴由碳纤维加树脂制备的预浸布或预浸带，形成复合材料外壳，然后放入烘箱中固化成型；
步骤十一、对第一真空区和第二真空区进行真空处理，第一真空区的压力在10- 3torr的量级，第二真空区的压力在10-4torr的量级及10-4torr以下的量级。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在金属内胆的外部依次设置非金属材质的阻隔层和外壳体，并隔离出两个独立且隔热的真空区，降低储氢瓶壳体重量的同时，提高了液氢储氢瓶的安全性，即使其中一个真空区失效，不会发生大量热流传入储氢瓶内部导致其中储存的液氢突然升温气化，两个独立的真空区真空度不同，这样的分配也可以降低真空处理的成本，从而以真空绝热方式为基础优化容器壳体结构，实现液态储氢容器的轻量化设计。
同时，本发明还存在如下优势：
(1)固定构件的设计采用了“最小接触面”的方式，可以有效降低热传导的效应。
(2)本实施例在选择构成两个真空区的阻隔层和内衬壳的材料时，根据温度的分布以及材料在低温条件下的工作下限，分别采用了超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)和一般的高密度聚乙烯(HDPE)或尼龙(PA6或PA66)高聚物阻隔材料。这些高聚物材料具有很好的防气体渗透性，可以有效维持所围空间的真空状态，同时，其密度又显著低于金属材料，降低储氢瓶壳体重量。
(3)在储氢瓶壳体的外层，即紧挨着外壳体的阻热结构是由高真空度的第二真空区和由表面喷涂有金属(铝)的塑料薄片(MLI)构成的多层绝热层组成。该阻热结构，由于真空空间的存在，热传输主要是热辐射加上通过加筋件(即支撑结构)的热传导，这样的由“高度真空+MLI材料”的方式可以有效降低外界的热导入。
(4)通过在非金属壳体上开孔处安装具有两侧接口的管路接口，实现管路接口处的壳体密封的同时，可以在壳体的内外两侧连接管路，有效防止气体在金属管路和非金属壳体两种材料连接结构处的渗透，达到保持相应区间真空度的目的，同时便于管路系统的安装。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明壳体壁的结构示意图。
图3为本发明内胆的结构示意图。
图4为本发明阻隔层的结构示意图。
图5为本发明固定构件的结构示意图。
图6为本发明固定构件的安装结构示意图。
图7为本发明第二管路接口的结构示意图。
图8为本发明第二管路接口的结构示意图(立体图)。
图9为氢的热力学相变图。
图10为弧形封头顶部等张力曲线形状。
图11为弧形封头的立体图。
其中：1、内胆；11、弧形封头；12、圆柱壳；13、环向加强筋；
2、固定构件；21、插环；211、插孔；22、插头；23、封闭板；
3、阻热层；4、阻隔层；41、上段壳体；42、中段壳体；43、下段壳体；44、开孔；5、隔热层；6、第二真空区；
7、外壳体；71、内衬壳；711、加筋件；72、复合材料外壳；
8、第二管路接口；81、外接头；811、通道；812、第二六角形凸台；82、垫片；83、内接头；831、内接口；832、第一六角形凸台。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
实施例一：
如图1-图2所示，本实施例的液氢储氢瓶壳体轻量化结构，包括内胆1，内胆1外表面设置阻热层3，阻热层3外套设有阻隔层4，阻隔层4为与内胆1外形匹配的壳体结构，阻隔层4与内胆1之间形成第一真空区，阻隔层4为防气体渗透的非金属材质；
阻隔层4外层设置隔热层5，隔热层5外套设有外壳体7，外壳体7为非金属材质，外壳体7和阻隔层4之间形成第二真空区6；
第二真空区6的真空度高于所述第一真空区的真空度。
在金属内胆1的外部依次设置非金属材质的阻隔层4和外壳体7，并隔离出两个独立且隔热的真空区，降低储氢瓶壳体重量的同时，提高了液氢储氢瓶的安全性，即使其中一个真空区失效，不会发生大量热流传入储氢瓶内部导致其中储存的液氢突然升温气化，两个独立的真空区真空度不同，这样的分配也可以降低真空处理的成本，从而以真空绝热方式为基础优化容器壳体结构，实现液态储氢容器的轻量化设计。
第一真空区为“软”真空(“soft”vacuum,压力在10-3torr的量级)；第二真空区为高真空(high-order vacuum，压力在10-4torr的量级及10-4torr以下的量级)。
具体实施时第一真空区可控制在0.5x10-3到1.0x10-3torr；第二真空区6的压力可考虑0.5x10-4torr或以下。
进一步，如图1、图3所示，内胆1的材质为铝合金，内胆1的结构包括圆柱壳12和设置于圆柱壳12两端的弧形封头11，圆柱壳12外表面沿轴向间隔设置有多个环向加强筋13，弧形封头11为回转壳体，弧形封头11的回转曲面线型为等张力曲线。
具体的，最内层的金属铝合金内胆1，起到防止氢气泄漏和承载作用，抵抗液氢在饱和状态下的压力施加在内胆内壁面上的载荷，如图9所示：液氢在-253℃时其包含蒸汽压约为一个大气压，在临界温度-240℃时，其临界饱和蒸汽压约为12.8个大气压，当内胆1的温度高于其临界温度时，液态氢将不再存在，变为气态或超临界态；选用合金铝是因为其和奥氏体合金钢一样，有较好的抗氢脆能力，但比后者更轻；内胆1的设计进一步细节如下：
i)内胆1壁厚的初步设计可以首先按下式估计：
公式(a)式中，内胆1的半径为R0,厚度为t,是氢饱和曲线上最高的饱和蒸汽压(约为1.28MPa),σS是内胆1金属的拉伸或屈服强度；
公式(a)式中给出的内胆1厚度是最小的参考厚度，实际厚度还要考虑安全系数及局部应力集中的情况；
ii)内胆1弧形部分的曲面设计：最理想的情况是将弧形设计为等张力曲线形成的回旋体(如图10所示)，可按下式(b)计算(详见：L.Zu,S.Koussios,andA.Beukers.2010.Composites:Part A.41:1312-1320)：
公式(b)适用于各向异性的复合材料壳体，公式(b)中ρ是无量纲化后的回旋体半径，ζ是无量纲化后的回旋体的高度，k是各向异性指数，α是偏转角；其详细定义参见上述引用的文献。
对于各向同性金属而言，k＝1,于是公式(b)变为：
由公式(c)可以计算内胆1的弧形封头11的等张力曲线(如图10所示)。
当由于工艺成型技术或成本控制适于采用上述计算得到的弧形曲面时，可通过简单的给定R-角的成型方式制备端面构件，但相应的壁厚在弧顶的过渡区需加厚；
iii)内胆1的外表面上有环向加筋结构，用于进一步增加内胆1的承载能力，加筋后的内胆1的承载能力进一步加强，可用CAE有限元软件进行仿真得到精确的强度分析结果。
进一步，如图1-图6所示，内胆1和阻隔层4之间设置有多个用于支撑阻隔层4的固定构件2，单个固定构件2的结构为：包括块状结构的插环21，插环21的材质为金属，插环21焊接于内胆1外表面，插环21的内部设置有插孔211，还包括块状结构插头22，插头22的外表面为锥面，锥面与插孔211的开口端为线接触；
插头22的一端穿过阻隔层4上的开孔44后与插环21配合，插头22的另一端位于开孔44处，开孔44处的阻隔层4外表面固定有封闭板23，封闭板23与插头22的端部配合用于将插头22的位置固定。
具体的，插环21为与内胆1同质的金属结构或者其它轻金属；多个固定构件2沿内胆外壁环向均布，固定构件2的设计采用了“最小接触面”的方式，可以有效降低热传导的效应。
在采用超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)制作的阻隔层4上加工出的开孔44，用于将插头22放置在插环21的插孔211中，在放入插头22后，在开孔44处采用封闭板23将开孔44进行密封处理，防止气体在固定构件2与阻隔层4的缝隙中的传输，装配好后的固定构件2起到对阻隔层4固定的作用。
进一步，如图5所示，插头22为四棱锥，插孔211为方形孔，插头22的四个锥面分别与插孔211的开口端的四条边线接触。该结构便于加工，节省材料。
实施例二：
本实施例在实施例一结构基础上，对两个真空区的选材和结构进行进一步的合理配置。
阻热层3为外包有聚酯薄膜的泡沫塑料填充物，泡沫塑料材质为聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料。
具体的，在紧挨着上述内胆1的外表面上，铺设分布式的聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料(PMI foam)或聚氨酯泡沫塑料(PU foam)填充物，形成一个阻热层本体；该泡沫塑料填充物可以在“软”真空(“soft”vacuum,压力在10-3torr的量级)环境下应用；理论上，在此条件下该泡沫塑料填充物的热传输指数k-值在1(mW/m-K)的量级上。
如图4所示，阻隔层4分为依次沿内胆轴1向设置于阻热层3外部的上段壳体41、中段壳体42和下段壳体43，上段壳体41、中段壳体42和下段壳体43通过焊接方式连接，上段壳体41、中段壳体42和下段壳体43的材质为超高分子量的聚乙烯，并通过滚塑或注塑的方法成型。
具体的，采用超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)，建立第一真空区域的隔层，UHMWPE可在极低温条件下如-200oC工作，没有达到内胆1壁面的-253℃的低温要求，但是由于有前面所述PMI或PU的阻热层3的作用，以及其外侧有一定的热流导入，这里的温度一般不会低于-200℃。
如图1-图2所示，隔热层5由多层绝热材料铺设在阻隔层4表面形成。
具体的，绝热材料的材质为MLI(multi-layer insulation)，MLI由多层薄片高聚物材料，例如聚酰亚胺(PI)或涤纶(PLI)组成,薄片的表面喷涂有金属(例如铝)涂层，用于反射来自外侧辐射来的热量；MLI形成的隔热层5应在高真空度(high-order vacuum，压力在10-4torr的量级及10-4torr以下的量级)环境下应用；在高真空条件下MLI的k-值可以达到0.1或更小的量级；隔热层5的外面是一个高真空度的空间，高真度空间的外边界是外壳体7。
如图1-图2所示，外壳体7的结构包括内衬壳71，内衬壳71用于防气体渗漏，内衬壳71的结构包括为依次沿内胆1轴向设置于隔热层5外部的上段内衬、中段内衬和下段内衬，上段内衬、中段内衬和下段内衬之间通过焊接连接，隔热层5与内衬壳71之间的空间为第二真空区6，内衬壳71内壁设置有多条与隔热层5接触的加筋件711，上段内衬、中段内衬和下段内衬均采用滚塑或注塑的方法成型；
内衬壳71的外部为复合材料外壳72，复合材料外壳72由碳纤维加树脂制备的预浸带或预浸布铺贴制备而成。
具体的，内衬壳71用于隔绝外部气体渗入，内衬壳的材质为高密度聚乙烯(HDPE)或尼龙(例如PA6或PA66)；加筋件711一方面可以增加壳体71的刚度和强度，一方面可以起到支撑外壳体7的作用；
复合材料外壳72，由碳纤维加树脂制备的预浸带动铺带机铺放，或用预浸布手工铺贴在上述高聚物内衬壳71的外表面，制备得到复合材料外壳72；对于尺寸较小的容器，也可以采用纤维缠绕成型工艺完成，复合材料外壳72完成后，在烘箱中固化成型；复合材料外壳72的作用是承受外压的作用，同时保证壳体在要求的外力作用下不发生局部失稳现象；内衬壳71的厚度、内衬壳71内表面的加筋件711对内衬壳71的支撑作用，均预先用工业化CAE有限元分析软件(例如abaqus、ansys和nastran等)进行分析，得到满足行业标准要求的优化构型，达到轻量化的目的；复合材料外壳72的总厚度及各层的纤维角度可根据结构强度和刚度的要求，利用力学仿真计算优化。
本实施例在选择构成两个真空区的阻隔层4和内衬壳71的材料时，根据温度的分布以及材料在低温条件下的工作下限，分别采用了超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)和一般的高密度聚乙烯(HDPE)或尼龙(PA6或PA66)高聚物阻隔材料。这些高聚物材料具有很好的防气体渗透性，可以有效维持所围空间的真空状态，同时，其密度又显著低于金属材料，降低储氢瓶壳体重量。
在储氢瓶壳体的外层，即紧挨着外壳体7的阻热结构是由高真空度的第二真空区6和由表面喷涂有金属(铝)的塑料薄片(MLI)构成的多层结构的隔热层5组成。该阻热结构，由于真空空间的存在，热传输主要是热辐射加上通过加筋件711(即支撑结构)的热传导，这样的由“高度真空+MLI材料”的方式可以有效降低外界的热导入。
阻隔层4和内衬壳71通过注塑或滚塑的方法分体成型，在将各部分放置在相应的位置后，通过激光或热焊接的方式将其焊为一体，以这样的方式来实现密闭壳体的成型装配。
实施例三：
液氢储存容器通常还有复杂的各种内部和外部系统，包括支撑悬架、氢气充放管路、减压加压阀门、真空控制系统、冷却系统和温度压力监测系统等，这些可以参考现有的金属液氢瓶的设计，这里不做详细的介绍；
和金属液氢储存容器不同的是，上述实施例中采用非金属阻隔层4和外壳体7，涉及到金属管路穿过非金属壳体的异形材料间的密封和装配问题。
本实施例在上述实施例的基础上给出一个接口密封件的构型设计方案，方案如下：
如图7-图8所示，阻隔层4和外壳体7上分别设置有第一管路接口和第二管路接口8，第一管路接口和第二管路接口8与内胆1上的功能管路对应，第一管路接口和第二管路接口8的结构相同；
第二管路接口8的结构为：包括帽状结构的内接头83，内接头83的开口端边沿设置第一六角形凸台832，第一六角形凸台832与外壳体7的内表面配合，用于限制内接头83相对于外壳体7转动，内接头83的底部设置有内接口831，还包括管状结构的外接头81，外接头81的内部为通道811，外接头81的一端穿过外壳体7后与内接头83螺纹连接，通道811与内接口831连通，外接头81的另一端位于外壳体7的外侧并设置有第二六角形凸台812，第一六角形凸台832和第二六角形凸台812均通过垫片82与外壳体7密封配合；
功能管路的末端与第一管路接口的内接口831连接，第一管路接口的通道811通过中间接管和第二管路接口8的内接口831连接。
具体的，功能管路未在图1中示意；在外壳体7的内表面设置与第一六角形凸台832匹配的六角形凹槽，内接口831处为内螺纹，外接头81与管路的连接处为内螺纹，如图7所示。
通过在非金属壳体上开孔处安装具有两侧接口的管路接口，实现管路接口处的壳体密封的同时，可以在壳体的内外两侧连接管路，有效防止气体在金属管路和非金属壳体两种材料连接结构处的渗透，达到保持相应区间真空度的目的，同时便于管路系统的安装。
实施例四：
如图1-图11所示，本实施例在以上实施例的基础上介绍液氢储氢瓶壳体轻量化结构的制造方法：
包括以下步骤：
步骤一、制作金属内胆1；
步骤一中包括：
内胆1的选材：由于氢与大多数的金属均可能发生氢脆问题，因此材料可采用6061合金铝或奥氏体合金钢。考虑到钢的密度远远大于前者的密度，因此实施例采取6061合金铝；
内胆1的结构：确定金属内胆的形状和厚度：
内胆形状：本发明以图3所示的形状为例；包括圆柱壳12和两端的弧形封头11，其中：
弧形封头11的形状采用等张力曲线，其曲线形状可由公式(c)得到，如图11所示。如限于成型工艺及成本，也可以采用简单的几何形状，但应避免在过渡区有突变的角度变化；
内胆1的厚度t：内胆1的作用一是防止氢渗漏，二是承担内压载荷，因此在实际设计内胆1的厚度时，应根据液氢储氢瓶的工作压力进行计算；如选取6061合金铝做为金属内胆材料，其屈服强度约为276MPa,拉伸断裂强度约为310MPa(计算时为保守起见可采用屈服强度)，
假设容器的半径R0＝0.6m,高度H0＝1.5m,σS＝276MPa, 则由按照公式(a)可得最小的内胆厚度tmin为：
tmin≈2.8mm
上面得到的金属内胆的壁厚是理论最小值，实际的结构设计需根据行业标准考虑安全系数。当没有明确的行业标准时，可采用一些相关的高压气瓶的设计标准进行估算，例如设安全系数为2.3(国标GB/T 42612-2023),按照文献(B.W.Tew,1995.Transactions ofthe ASME.117:pp390-394)建议值,可取热衰减因子0.8，应力集中因子0.75，这样，金属的设计厚度可初步选取为：
确定内胆1上的管口位置，以便安装相应的各种管道和阀门系统，并在圆柱壳12外表面设置多道环向加强筋13，环向加强筋13和内胆1的材质相同，均为6061合金铝，环向加强筋13和具有局部开口的内胆1，用有限元CAE软件(例如ansys、abaqus、nastran或其他的工业化CAE软件)进行更精确的应力和强度分析，并进行相应的疲劳寿命预测；
利用常用的金属加工技术(例如锻件热处理、机加锻坯、旋压成形、整体热处理等)制备圆柱壳12和弧形封头11；圆柱壳12和弧形封头11成型后，在内胆1的圆柱壳12外表面通过焊接的方式安装环向加强筋13，在内胆1的管口位置安装功能管路。
步骤二、将插环21焊接于相邻两个环向加强筋13之间的内胆1外表面，并使沿内胆1轴向同一位置的多个插环21在内胆1外壁等间距分布。
步骤三、根据插环21的位置和内胆1的尺寸在内胆1外表面铺贴聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料填充物后外包聚酯薄膜，形成阻热层3；
步骤三中：铺贴时用可以耐超低温的环氧丙烷(Epon)-聚酰胺树脂(Versamid)基的胶粘剂(或者国产的用于运载火箭液氢液氧贮箱共底和绝热层粘接的NHJ-44胶、聚氨酯改性环氧胶、与聚酰亚胺和铝贮箱膨胀系数相匹配的DWJ-46胶等)将包有聚酯薄膜Mylar的聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料PMI或聚氨酯泡沫塑料PU塑料粘接在内胆1的外表面上。
步骤四、用超高分子量的聚乙烯通过滚塑或注塑的方法成型三段回旋体的塑料薄壳，分别为上段壳体41、中段壳体42和下段壳体43，上段壳体41和下段壳体43对应弧形封头11。
步骤五、在阻隔层4上开与插环21对应的开孔44，在阻隔层4上开与内胆1上的功能管路对应的通孔，并在通孔处安装第一管路接口。
步骤六、将上段壳体41、中段壳体42和下段壳体43套在阻热层3外部并将内胆1上的功能管路与第一管路接口连接，再将开孔44与插环21对齐，将插头22穿过阻隔层4上的开孔44后插入插环21的插孔211中，用与阻隔层4材料相同的封闭板23通过粘接或焊接的方法将开孔44封堵，此时插头22的位置固定，上段壳体41、中段壳体42和下段壳体43贴合在阻热层3外部，然后通过焊接的方式连接并在阻隔层4和内胆1之间形成密闭的第一真空区。
步骤七、在阻隔层4外表面铺设隔热层5；
步骤七中：隔热层5为绝热材料MLI(multi-layer insulation)，MLI由多层薄片高聚物材料，例如聚酰亚胺(PI)或涤纶(PLI)组成,薄片的表面喷涂有金属(例如铝)涂层，可以外购也可以自己制备。
步骤八、用高密度聚乙烯或尼龙制作位于外壳体7内侧的内衬壳71，采用滚塑或注塑的方法成型三段壳体，分别为上段内衬、中段内衬和下段内衬，上段内衬和下段内衬对应弧形封头11，并在中段内衬上成型加筋件711。
步骤九、在内衬壳71上开孔并安装第二管路接口8，将上段内衬、中段内衬和下段内衬套在隔热层5外后将第一管路接口和第二管路接口8用中间接管连接，然后将上段内衬、中段内衬和下段内衬焊接形成一个密闭的壳体，在内衬壳71和阻隔层4之间形成第二真空区6。
步骤十、在内衬壳71外表面铺贴碳纤维加树脂制备的预浸布或预浸带，形成复合材料外壳72，然后放入烘箱中固化成型；
复合材料外壳72的厚度和纤维铺放角度根据容器的形状及内外压差(一个大气压)的工况，利用CAE有限元软件进行结构强度设计，确保该复合材料外壳72满足使用要求。
步骤十一、对第一真空区和第二真空区6进行真空处理，第一真空区的压力在10- 3torr的量级，第二真空区6的压力在10-4torr的量级及10-4torr以下的量级。具体实施时第一真空区可控制在0.5x10-3到1.0x10-3torr；第二真空区6的压力可考虑0.5x10-4torr或以下。
以上方法不仅实现了金属内胆1和两个非金属真空壳体的装配，也实现了内胆1的功能管路穿过异种材料的密封安装，制造方法和装配方法简单，降低储氢瓶壳体重量。
以上实施例选材的技术要点在于：
根据非金属材料(包括隔热材料、气体阻隔层、支撑元件和粘结剂等)的最低工作温度、阻热性能、密度和机械性能等进行材料选型，并根据液氢储存容器壳体内的温度分布、真空区间的设置以及结构强度和刚度的要求对绝热材料进行合理排布，以防止材料在其工作温度区间之外的低温环境下失效。
内胆1外部有两个由高聚物制成的阻隔层(内衬壳71和阻隔层4)，用于保持相应的真空区的真空度，形成两个独立的真空区，两个真空区内的隔热材料与两个真空区的真空度相适应。
液氢储氢瓶壳体设计和制造方案，在相应构件的设计、材料的选取以及对应的工艺成型技术方面均进行了完善及优化，实现液态储氢容器的轻量化设计和制造。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (10)
1.一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，其特征在于：包括内胆(1)，所述内胆(1)外表面设置阻热层(3)，所述阻热层(3)外套设有阻隔层(4)，所述阻隔层(4)为与所述内胆(1)外形匹配的壳体结构，所述阻隔层(4)与内胆(1)之间形成第一真空区，所述阻隔层(4)为防气体渗透的非金属材质；
所述阻隔层(4)外层设置隔热层(5)，所述隔热层(5)外套设有外壳体(7)，所述外壳体(7)为非金属材质，所述外壳体(7)和所述阻隔层(4)之间形成第二真空区(6)；
所述第二真空区(6)的真空度高于所述第一真空区的真空度。
2.如权利要求1所述的一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，其特征在于：所述所述内胆(1)的材质为铝合金，所述内胆(1)的结构包括圆柱壳(12)和设置于圆柱壳(12)两端的弧形封头(11)，所述圆柱壳(12)外表面沿轴向间隔设置有多个环向加强筋(13)，所述弧形封头(11)为回转壳体，所述弧形封头(11)的回转曲面线型为等张力曲线。
3.如权利要求1所述的一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，其特征在于：所述内胆(1)和阻隔层(4)之间设置有多个用于支撑所述阻隔层(4)的固定构件(2)，单个固定构件(2)的结构为：包括块状结构的插环(21)，所述插环(21)的材质为金属，所述插环(21)焊接于所述内胆(1)外表面，所述插环(21)的内部设置有插孔(211)，还包括块状结构插头(22)，所述插头(22)的外表面为锥面，所述锥面与所述插孔(211)的开口端为线接触；
所述插头(22)的一端穿过所述阻隔层(4)上的开孔(44)后与所述插环(21)配合，所述插头(22)的另一端位于所述开孔(44)处，所述开孔(44)处的所述阻隔层(4)外表面固定有封闭板(23)，所述封闭板(23)与所述插头(22)的端部配合用于将所述插头(22)的位置固定。
4.如权利要求3所述的一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，其特征在于：所述插头(22)为四棱锥，所述插孔(211)为方形孔，所述插头(22)的四个锥面分别与所述插孔(211)的开口端的四条边线接触。
5.如权利要求1所述的一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，其特征在于：所述阻热层(3)为外包有聚酯薄膜的泡沫塑料填充物，泡沫塑料材质为聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料。
6.如权利要求1所述的一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，其特征在于：所述阻隔层(4)分为依次沿内胆轴(1)向设置于所述阻热层(3)外部的上段壳体(41)、中段壳体(42)和下段壳体(43)，所述上段壳体(41)、中段壳体(42)和下段壳体(43)通过焊接方式连接，所述上段壳体(41)、中段壳体(42)和下段壳体(43)的材质为超高分子量的聚乙烯，并通过滚塑或注塑的方法成型。
7.如权利要求1所述的一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，其特征在于：所述隔热层(5)由多层绝热材料铺设在所述阻隔层(4)表面形成。
8.如权利要求1所述的一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，其特征在于：所述外壳体(7)的结构包括内衬壳(71)，所述内衬壳(71)用于防气体渗漏，所述内衬壳(71)的结构包括为依次沿内胆(1)轴向设置于所述隔热层(5)外部的上段内衬、中段内衬和下段内衬，上段内衬、中段内衬和下段内衬之间通过焊接连接，所述隔热层(5)与所述内衬壳(71)之间的空间为所述第二真空区(6)，所述内衬壳(71)内壁设置有多条与所述隔热层(5)接触的加筋件(711)，所述上段内衬、中段内衬和下段内衬均采用滚塑或注塑的方法成型；
所述内衬壳(71)的外部为复合材料外壳(72)，所述复合材料外壳(72)由碳纤维加树脂制备的预浸带或预浸布铺贴制备而成。
9.如权利要求1所述的一种液氢储氢瓶壳体轻量化结构，其特征在于：所述阻隔层(4)和所述外壳体(7)上分别设置有第一管路接口和第二管路接口(8)，第一管路接口和第二管路接口(8)与所述内胆(1)上的功能管路对应，所述第一管路接口和第二管路接口(8)的结构相同；
所述第二管路接口(8)的结构为：包括帽状结构的内接头(83)，所述内接头(83)的开口端边沿设置第一六角形凸台(832)，所述第一六角形凸台(832)与所述外壳体(7)的内表面配合，用于限制所述内接头(83)相对于所述外壳体(7)转动，所述内接头(83)的底部设置有内接口(831)，还包括管状结构的外接头(81)，所述外接头(81)的内部为通道(811)，所述外接头(81)的一端穿过所述外壳体(7)后与所述内接头(83)螺纹连接，所述通道(811)与所述内接口(831)连通，所述外接头(81)的另一端位于所述外壳体(7)的外侧并设置有第二六角形凸台(812)，所述第一六角形凸台(832)和第二六角形凸台(812)均通过垫片(82)与所述外壳体(7)密封配合；
所述功能管路的末端与所述第一管路接口的内接口(831)连接，所述第一管路接口的通道(811)通过中间接管和所述第二管路接口(8)的内接口(831)连接。
10.一种如权利要求3所述的液氢储氢瓶壳体轻量化结构的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、制作金属内胆(1)；
步骤二、将插环(21)焊接于相邻两个环向加强筋(13)之间的内胆(1)外表面，并使沿内胆(1)轴向同一位置的多个插环(21)在内胆(1)外壁等间距分布；
步骤三、根据插环(21)的位置和内胆(1)的尺寸在内胆(1)外表面铺贴聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料填充物后外包聚酯薄膜，形成阻热层(3)；
步骤四、用超高分子量的聚乙烯通过滚塑或注塑的方法成型三段回旋体的塑料薄壳，分别为上段壳体(41)、中段壳体(42)和下段壳体(43)，上段壳体(41)和下段壳体(43)对应弧形封头(11)；
步骤五、在阻隔层(4)上开与插环(21)对应的开孔(44)，在阻隔层(4)上开与内胆(1)上的功能管路对应的通孔，并在通孔处安装第一管路接口；
步骤六、将上段壳体(41)、中段壳体(42)和下段壳体(43)套在阻热层(3)外部并将内胆(1)上的功能管路与第一管路接口连接，再将开孔(44)与插环(21)对齐，将插头(22)穿过阻隔层(4)上的开孔(44)后插入插环(21)的插孔(211)中，用与阻隔层(4)材料相同的封闭板(23)通过粘接或焊接的方法将开孔(44)封堵，此时插头(22)的位置固定，上段壳体(41)、中段壳体(42)和下段壳体(43)贴合在阻热层(3)外部，然后通过焊接的方式连接并在阻隔层(4)和内胆(1)之间形成密闭的第一真空区；
步骤七、在阻隔层(4)外表面铺设隔热层(5)；
步骤八、用高密度聚乙烯或尼龙制作位于外壳体(7)内侧的内衬壳(71)，采用滚塑或注塑的方法成型三段壳体，分别为上段内衬、中段内衬和下段内衬，上段内衬和下段内衬对应弧形封头(11)，并在中段内衬上成型加筋件(711)；
步骤九、在内衬壳(71)上开孔并安装第二管路接口(8)，将上段内衬、中段内衬和下段内衬套在隔热层(5)外后将第一管路接口和第二管路接口(8)用中间接管连接，然后将上段内衬、中段内衬和下段内衬焊接形成一个密闭的壳体，在内衬壳(71)和阻隔层(4)之间形成第二真空区(6)；
步骤十、在内衬壳(71)外表面铺贴由碳纤维加树脂制备的预浸布或预浸带，形成复合材料外壳(72)，然后放入烘箱中固化成型；
步骤十一、对第一真空区和第二真空区(6)进行真空处理，第一真空区的压力在10- 3torr的量级，第二真空区(6)的压力在10-4torr的量级及10-4torr以下的量级。
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