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CN108131554B - 一种高压复合容器塑料内胆的密封装置 - Google Patents

一种高压复合容器塑料内胆的密封装置 Download PDF

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CN108131554B CN201810021202.2A CN201810021202A CN108131554B CN 108131554 B CN108131554 B CN 108131554B CN 201810021202 A CN201810021202 A CN 201810021202A CN 108131554 B CN108131554 B CN 108131554B
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Abstract

本发明涉及一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，所述密封装置包括铝合金或不锈钢的金属端头、单层或多层材料的塑料内衬、纤维与树脂组成的复合层、弹性体橡胶密封圈、瓶口阀以及金属的密封衬垫，所述金属端头被塑料内衬包裹，并通过加强部件加强连接，两个密封圈分别安装在金属端头与塑料内衬上；密封衬垫与金属端头、塑料内衬挤压密封圈，复合层通过缠绕的方式进行对密封衬垫、塑料内衬进行包裹，瓶口阀与金属端头通过金属螺纹进行连接，最终形成了密封结构。为保证金属端头与塑料内衬的连接得更为可靠，在塑料内衬成型时，嵌入金属端头，通过在金属端头上孔、槽、波纹等特征使得两者可靠连接。

Description

一种高压复合容器塑料内胆的密封装置
技术领域
本发明涉及一种密封装置，具体涉及一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，属于油箱结构部件技术领域。
背景技术
大部分出租车改装压缩天然气(CNG)以代替燃油，一般CNG高压气瓶的工作压力为20MPa；部分车辆生产制造商已推广CNG或CNG与燃油混用的车辆，如奥迪、通用等。采用了氢燃料电池汽车也是当前的热点，储氢高压气瓶的工作压力一般为35MPa、70MPa，且70MPa的IV型瓶(高压塑料内衬复合容器)是当前的研发热点。除了车用，高压气瓶在其他领域也得到充分的应用，例如欧洲的部分液化石油气采用塑料内衬复合容器(工作压力2MPa)。大量的高压容器在日常生活中得到广泛使用，传统的纯金属或金属内衬复合容器存在重量偏大的问题，不易运输；且存储压力越高，金属内胆生产工艺越复杂，成本越高，还存在被高压气体腐蚀的风险。为了满足轻量化的要求，高压塑料内衬复合容器产生，因为塑料的特性，该类产品具备耐腐蚀、耐疲劳等优越性能，主要生产厂商为丰田、Hexagon(挪威)、Quantum(美国)等。相对于纯金属或金属内衬复合容器，高压塑料内衬复合容器的密封性的保证更为苛刻，主要原因是塑料内衬与金属端头的材料不同，在反复的使用过程中，塑料内衬与金属端头连接会松动，密封性能下降。
鉴于现状，金属端头与塑料内衬的连接成为了研究的热点与难点。图1所示为一个高压塑料内衬复合容器，金属端头1安装在塑料内衬2上，之后通过复合层3进行缠绕包裹形成。图2对端面的密封结构进行说明：金属端头1与塑料内衬的大面接触在工艺上是不可行的，即使可行成本也是高昂的；该结构未考虑金属端头1与塑料内衬2轴线上的限位；该结构未考虑缠绕时塑料内衬的内压不断改变的充压，会导致金属端头1及塑料内衬连接处产生缝隙引起泄漏；该结构未考虑瓶口承受安装扭矩时的限位，安装后导致金属端头1与复合层3的结合强度降低；该结构中压缩气体的逃逸路径P较短，会增加压缩气体逃逸的风险，尤其是小分子气体氢气、氦气；因此，迫切的需要一种新的方案解决该技术问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，该技术方案设计巧妙、结构紧凑，为保证金属端头与塑料内衬的连接得更为可靠，在塑料内衬成型时，嵌入金属端头，通过在金属端头上孔、槽、波纹等特征使得两者可靠连接，同时波纹结构在一定程度上可抑制压缩气体的逃逸；为降低压缩气体的逃逸，增长了氢气逃逸的路径P；综合考虑了金属端头、塑料内衬、瓶口阀的连接，用尽量少的密封圈实现总成的密封。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，所述密封装置由铝合金或不锈钢的金属端头、单层或多层材料的塑料内衬、纤维与树脂组成的复合层、弹性体橡胶密封圈、瓶口阀以及金属的密封衬垫组成，所述金属端头被塑料内衬包裹，并通过加强部件加强连接，两个密封圈分别安装在金属端头与塑料内衬上；密封衬垫与金属端头、塑料内衬挤压已安装的密封圈，复合层通过缠绕的方式进行对密封衬垫、塑料内衬进行包裹，瓶口阀与金属端头通过金属螺纹进行连接，最终形成了密封结构。
作为本发明的一种改进，所述加强部件是设置在金属端头上的孔、槽、波纹结构、异形结构中的一种或者多种加强部件。
作为本发明的一种改进，所述金属端头包括平直段端头即瓶口位置和弧形段端头即封头位置，所述弧形段端头从内向外的厚度逐渐变薄，所述孔、槽设置在弧形段端头，波纹结构设置在平直段端头。
作为本发明的一种改进，孔分布在弧形段端头最外侧，壁厚较薄的位置，孔的轴向与贴合面尽量垂直。成型过程中，熔融塑料通过孔被挤过最小截面且形成倒扣结构，为了满足有足够的料能被挤到；且形成倒扣结构。同时考虑等直径开孔，则对于截面(截面的法向与贴合面的法向平行)最初接触料胚的开口11a、最小截面11b、11c的面积满足如下条件。
Min(11a的截面积,11c的截面积)≥11b的截面积；
该孔结构不限于示意图中的结构，而限于上述公式可能出现的所有情形。
作为本发明的一种改进，所述槽分布在弧形段端头比较厚的位置，所述槽设置为进口小、内部大结构，成型过程中，熔融塑料通过槽形成倒扣。该方案中，为了保证料能挤压到槽中形成倒扣，进口小、内部大，主进料方向置与贴合面法向尽量平行；为了保证排气，设计通孔。
作为本发明的一种改进，所述波纹结构分布在平直段端头即瓶口位置，成型过程中，吹塑后塑料内衬形成环向限位密封波纹，每个波纹截面旋转360°后首尾相连，首尾相连的波纹沿瓶口的轴向位置进行阵列。为增强瓶口处金属端头与塑料内衬的连接强度，增长压缩气体的泄露路径，金属端头采用波纹结构在吹塑后塑料内衬形成特征。该单个波纹截面结构不限于矩形、等腰梯形，限于每个截面旋转360°后首尾相连，首尾相连的波纹沿瓶口的轴向位置进行阵列。
作为本发明的一种改进，所述异形结构分布在平直段端头即瓶口位置。为保证瓶口位置能够承受大的扭矩。金属端头上具备异形几何特征14a防止径向转动，为了保证密封圈的安装，可能在异形几何特征上面有其他特征，例如预安装槽。
一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，所述密封结构由铝合金或不锈钢的金属端头、单层或多层材料的塑料内衬、纤维与树脂组成的复合层、弹性体橡胶密封圈以及瓶口阀组成，所述金属端头被塑料内衬包裹，并通过加强部件加强连接，并通过孔、槽、波纹等加强连接，复合层通过缠绕的方式进行对塑料内衬进行包裹，密封圈预安装与塑料内衬上，金属端头、塑料内衬挤压已安装的密封圈，瓶口阀与金属端头通过金属螺纹进行连接，形成密封。该方案采用的是外螺纹连接，密封发生在塑料内衬与金属端头上，可以节约1个密封圈，同时省去了密封衬垫。
一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，所述密封结构由铝合金或不锈钢的金属端头、带有密封特性的塑料内衬、纤维与树脂组成的复合层、弹性体橡胶密封圈以及瓶口阀组成，金属端头被塑料内衬通过加强部件加强连接，复合层通过缠绕的方式进行对塑料内衬进行包裹，密封圈预安装与塑料内衬上，金属端头、塑料内衬挤压已安装的密封圈，瓶口阀与金属端头通过金属螺纹进行连接，形成密封。
作为本发明的一种改进，所述加强部件是设置在金属端头上的孔、槽、波纹结构、卡槽、槽孔结构中的一种或者几种，所述卡槽环向布置在瓶口位置，在吹塑时，通过挤料的方式使得卡槽与塑料内衬进行连接；所述槽孔结构环向布置在瓶口位置，在吹塑时，通过挤料的方式使得槽孔结构进入。该方案在瓶口位置采用了另外一种连接结构，通过卡槽保证承受扭矩的能力，通过槽孔结构实现金属端头与塑料内衬的连接保证密封。该方案的卡槽，环向布置。在吹塑时，通过挤料的方式使得卡槽与塑料内衬进行连接，在可能的情况下，可以在金属端头上形成卡槽特征，使得瓶口位置连接得更为可靠。该方案的中的槽孔结构，该结构为环向布置。在吹塑时，通过挤料的方式使得槽孔结构沿虚线挤料方向进入。该结构形成了径向的限制连接，提高连接强度，增强密封。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)该技术方案整体结构设计紧凑、巧妙，该方案综合考虑了金属端头、塑料内衬、瓶口阀的连接，该方案中设计具有孔、槽的金属端头，在塑料内衬成型时，实现塑料内衬与金属端面的连接，增长压缩气体逃跑的路径；2)该方案采用多个首末相连的、闭合的波浪纹，增强瓶口连接强度，同时抑制压缩气体逃逸；3)该方案在瓶口位置增加异形结构、孔、槽，加强塑料内衬与金属端头的连接强度与密封；4)该方案综合考虑瓶口阀的装配，实现整个系统的密闭，减少密封圈的使用降低成本，提高系统可靠性。
附图说明
图1为现有技术压缩容器示意图；
图2为现有技术密封结构示意图；
图3为实施方案1结构示意图；
图4金属端头结构示意图；
图5为孔的结构示意图；
图6为槽的结构示意图；
图7为波纹结构示意图；
图8为瓶口异形结构示意图；
图9为实施方案2结构示意图；
图10为实施方案3结构示意图；
图11为卡槽结构示意图；
图12为槽孔结构示意图。
图中：1、金属端头，2、塑料内衬，3、复合层，4、密封圈，5、瓶口阀，6、密封衬垫，10、密封结构，11、孔，12、槽，12a、进口，12b、通孔，13、波纹结构，14、异形结构，15、法兰，15a、密封圈安装槽，16、卡槽，16a、卡槽轮廓，16b、卡槽轮廓，17、槽孔结构，21、倒扣结构，22、倒扣，23、环向限位密封波纹26卡扣、27卡扣，28密封圈安装槽。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图3,一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，所述密封装置由铝合金或不锈钢的金属端头 1、单层或多层材料的塑料内衬 2、纤维与树脂组成的复合层 3、弹性体橡胶密封圈4、瓶口阀5以及金属的密封衬垫6组成，所述金属端头1被塑料内衬2包裹，并通过加强部件加强连接，2个密封圈4分别安装在金属端头1与塑料内衬2上；密封衬垫6与金属端头1、塑料内衬2挤压已安装的密封圈4，复合层3通过缠绕的方式进行对密封衬垫6、塑料内衬2进行包裹，瓶口阀5与金属端头1通过金属螺纹进行连接，最终形成了密封结构，所述加强部件是设置在金属端头上的孔 11、槽 12、波纹结构 13、异形结构14中的一种或者多种加强部件。压缩气体泄露路径P最有可能发生在沿金属端头1与塑料内衬2的贴合面。图1所示的设计大大增长了气体逃逸的路径。该结构采用2个密封圈，上面的密封圈4阻止气体从密封衬垫6与金属端头的间隙跑出，下面的密封圈防止气体从密封衬垫6与金属端头1的间隙、再经由复合层跑出。
如图4所示对金属端头1介绍4个基础特征的分布，整体上讲，所有特征成环向分布；孔槽分布在封头位置(圆弧段)，开口方向尽量与贴合面法向一致；波纹特征、异形几何特征分布在瓶口位置。
进一步地，如图5所示，所述金属端头包括平直段端头即瓶口位置和弧形段端头即封头位置，所述弧形段端头从内向外的厚度逐渐变薄，所述孔11、槽12设置在弧形段端头，波纹结构13、异形结构14设置在平直段端头，孔11分布在弧形段端头最外侧，壁厚较薄的位置，孔的轴向与贴合面尽量垂直。成型过程中，熔融塑料通过孔11被挤到过最小截面11b且形成倒扣结构21，为了满足有足够的料能被挤到11b；且形成倒扣结构21。同时考虑等直径开孔，则对于截面(截面的法向与贴合面的法向平行)11a(最初接触料胚的开口)、11b(最小截面)、11c的面积满足如下条件。
Min(11a的截面积,11c的截面积)≥11b的截面积；
该孔结构不限于示意图中的结构，而限于上述公式可能出现的所有情形。
进一步地，如图6所示，所述槽12分布在弧形段端头比较厚的位置，所述槽设置为进口小、内部大结构，成型过程中，熔融塑料通过槽12形成倒扣22。该方案中，为了保证料能挤压到槽12中形成倒扣22，进口12a小、内部大，主进料方向置与贴合面法向尽量平行；为了保证排气，设计通孔12b。
进一步地，如图7所示，所述波纹结构分布在平直段端头即瓶口位置，成型过程中，吹塑后塑料内衬2形成环向限位密封波纹23,23'，每个波纹截面旋转360°后首尾相连，首尾相连的波纹沿瓶口的轴向位置进行阵列。为增强瓶口处金属端头1与塑料内衬2的连接强度，增长压缩气体的泄露路径，金属端头1采用波纹结构13,13’在吹塑后塑料内衬2形成特征23,23'。该单个波纹截面结构不限于矩形(13a长度等于13b长度)、等腰梯形(13a’长度大于13b’长度)，限于每个截面旋转360°后首尾相连，首尾相连的波纹沿瓶口的轴向位置进行阵列。
进一步地，如图8所示，所述异形结构14分布在平直段端头即瓶口位置，为保证瓶口位置能够承受大的扭矩。金属端头1上具备异形几何特征14a防止径向转动，该特征不限于图中所示的示意图。为了保证密封圈的安装，可能在异形几何特征上面有其他特征，例如密封圈安装槽15a，该方案考虑了瓶口阀的装配，从整体上布置密封圈，可以减少密封圈用量。在塑料内衬在成型时，将其与金属内衬连接，通过孔、槽、波纹等结构将塑料挤入金属端头中提高了连接强度，减少工序，降低了高压容器结构、尺寸、性能、工艺等要求，减少开发制造成本。结构上增长了压缩气体逃逸的路径，且在逃逸路径上采用密封圈密封，有效降低排放，提高产品的安全性能。
实施例2：参见图9,一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，所述密封结构由铝合金或不锈钢的金属端头 1、单层或多层材料的塑料内衬 2、纤维与树脂组成的复合层 3、弹性体橡胶密封圈4以及瓶口阀5组成，所述金属端头1被塑料内衬2包裹，并通过加强部件加强连接，复合层3通过缠绕的方式进行对塑料内衬2进行包裹，密封圈4预安装与塑料内衬2上，金属端头1、塑料内衬2挤压已安装的密封圈4，瓶口阀5与金属端头1通过金属螺纹进行连接，形成密封。如图9所示的密封结构10，相对于实施方案1，该方案采用的是外螺纹连接，密封发生在塑料内衬与金属端头上，可以节约1个密封圈4，同时省去了密封衬垫6。该方案中所述的加强部件设置为孔、槽、波纹等结构中的一种或多种，其中关于孔、槽、波纹的特点叙述同实施例1。
实施例3：参见图10,一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，所述密封结构由铝合金或不锈钢的金属端头 1、带有密封特性的塑料内衬 2、纤维与树脂组成的复合层 3、弹性体橡胶密封圈4以及瓶口阀5组成，金属端头1被塑料内衬2通过加强部件加强连接；复合层3通过缠绕的方式进行对塑料内衬2进行包裹，密封圈4预安装与塑料内衬2上，金属端头1、塑料内衬2挤压已安装的密封圈4，瓶口阀5与金属端头1通过金属螺纹进行连接，形成密封，所述加强部件是设置在金属端头上的孔、槽、波纹结构、卡槽、槽孔结构中的一种或者几种，所述卡槽16环向布置在瓶口位置，在吹塑时，通过挤料的方式使得卡槽16与塑料内衬2进行连接；所述槽孔结构环向布置在瓶口位置，在吹塑时，通过挤料的方式使得槽孔结构17沿虚线方向17a进入。如图10所示的密封结构，相对于实施例1，实施例2而言，在瓶口位置采用了另外一种连接结构，通过卡槽16保证承受扭矩的能力，通过槽孔结构17实现金属端头1与塑料内衬2的连接保证密封。图11所示的卡槽16，环向布置。在吹塑时，通过挤料的方式使得卡槽16与塑料内衬2进行连接，在可能的情况下，可以在金属端头1上形成特征16a、16b，使得瓶口位置连接得更为可靠。如图12所示的槽孔结构，该结构为环向布置，在吹塑时，通过挤料的方式使得槽孔结构17沿虚线方向17a进入。该结构形成了径向的限制连接，提高连接强度，增强密封。
该方案中所述的加强部件设置为孔、槽、波纹等结构中的一种或多种，其中关于孔、槽、波纹的特点叙述同实施例1。
上述方案中，塑料内衬在吹塑成型时，将金属端头放置在模具或其他支撑件上，模具闭合时，熔融塑料包裹金属端头，部分熔融塑料被挤进端头的孔、槽等，实现连接。为保证受力的一致性，孔、槽在环向对称分布。整体布置上，孔靠近边缘，槽布置在金属端头厚度比较大的地方。
孔有2种：一种金属端头与内衬贴合面(以下，简称为贴合面)为参考，开口方向与贴合面法向尽量平行，利于料的挤入；孔直径由大变小，到一定厚度后，再变大，利于可形成倒扣结构；另一种等直径通孔，一般用于无法实现前面一种的位置，例如边上薄弱地区或排气孔。
槽的特征如下：贴合面作为参考，槽开口的法向与贴合面的法向尽量平行，开口尺寸小于内部被掏空区域尺寸，利于熔融塑料形成倒扣结构；为了保证槽内塑料填充的紧实度，可在槽上开小孔用于排气。
金属端头与塑料内衬间有相连的波浪纹(一般在瓶口位置)，犬齿交错的结构有利于结合面的强度，有效增长了压缩气体泄露的路径。单个波浪纹的截面可为矩形、梯形、三角形等。波浪纹之间有在瓶口轴向位置阵列，间距考虑金属端头加工难度与塑料挤压成型工艺。在压缩气体的泄露路径上安置密封圈，阻隔从内衬中泄露的气体，消除因尺寸公差造成的间隙，针对不同的连接设计了不同的方案。
在实际的应用过程，因为存储的介质、压力的不同，不一定所有措施都需要运用。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (3)

1.一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，其特征在于，所述密封装置由铝合金或不锈钢的金属端头、单层或多层材料的塑料内衬、纤维与树脂组成的复合层、弹性体橡胶密封圈、瓶口阀以及金属的密封衬垫组成，所述金属端头被塑料内衬包裹，并通过加强部件加强连接，两个密封圈分别安装在金属端头与塑料内衬上；密封衬垫与金属端头、塑料内衬挤压密封圈，复合层通过缠绕的方式进行对密封衬垫、塑料内衬进行包裹，瓶口阀与金属端头通过金属螺纹进行连接，最终形成了密封结构，所述加强部件是设置在金属端头上的孔、槽、波纹结构、异形结构；所述金属端头包括平直段和弧形段，所述金属端头的弧形段从内向外的厚度逐渐变薄，所述孔、槽设置在弧形段端头，波纹结构设置在平直段端头；
所述孔(11)分布在弧形段端头最外侧，壁厚较薄的位置，成型过程中，熔融塑料通过孔(11)被挤到过最小截面(11b)且形成倒扣结构(21)；
所述槽(12)分布在弧形段端头比较厚的位置，所述槽设置为进口小、内部大结构，成型过程中，熔融塑料通过槽(12)形成倒扣(22)；
所述波纹结构分布在平直段端头即瓶口位置，成型过程中，吹塑后塑料内衬(2)形成环向限位密封波纹(23,23')；
所述异形结构(14)分布在平直段端头即瓶口位置。
2.一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，其特征在于，所述密封装置由铝合金或不锈钢的金属端头、单层或多层材料的塑料内衬、纤维与树脂组成的复合层、弹性体橡胶密封圈以及瓶口阀组成，所述金属端头被塑料内衬包裹，并通过加强部件加强连接，复合层通过缠绕的方式进行对塑料内衬进行包裹，密封圈预安装与塑料内衬上，金属端头、塑料内衬挤压密封圈，瓶口阀与金属端头通过金属螺纹进行连接，形成密封，所述加强部件是设置在金属端头上的孔、槽、波纹结构、异形结构；
所述金属端头包括平直段和弧形段，所述金属端头的弧形段从内向外的厚度逐渐变薄，所述孔、槽设置在弧形段端头，波纹结构设置在平直段端头；
所述孔(11)分布在弧形段端头最外侧，壁厚较薄的位置，成型过程中，熔融塑料通过孔(11)被挤到过最小截面(11b)且形成倒扣结构(21)；
所述槽(12)分布在弧形段端头比较厚的位置，所述槽设置为进口小、内部大结构，成型过程中，熔融塑料通过槽(12)形成倒扣(22)；
所述波纹结构分布在平直段端头即瓶口位置，成型过程中，吹塑后塑料内衬(2)形成环向限位密封波纹(23,23')；
所述异形结构(14)分布在平直段端头即瓶口位置。
3.一种高压复合容器塑料内胆的密封装置，其特征在于，所述密封装置由铝合金或不锈钢的金属端头、带有密封特性的塑料内衬、纤维与树脂组成的复合层、弹性体橡胶密封圈以及瓶口阀组成，金属端头被塑料内衬通过加强部件加强连接，复合层通过缠绕的方式进行对塑料内衬进行包裹，密封圈预安装与塑料内衬上，金属端头、塑料内衬挤压密封圈，瓶口阀与金属端头通过金属螺纹进行连接，形成密封，所述加强部件是设置在金属端头上的孔、槽、波纹结构、异形结构；所述金属端头包括平直段和弧形段，所述金属端头的弧形段从内向外的厚度逐渐变薄，所述孔、槽设置在弧形段端头，波纹结构设置在平直段端头；
所述孔(11)分布在弧形段端头最外侧，壁厚较薄的位置，成型过程中，熔融塑料通过孔(11)被挤到过最小截面(11b)且形成倒扣结构(21)；
所述槽(12)分布在弧形段端头比较厚的位置，所述槽设置为进口小、内部大结构，成型过程中，熔融塑料通过槽(12)形成倒扣(22)；
所述波纹结构分布在平直段端头即瓶口位置，成型过程中，吹塑后塑料内衬(2)形成环向限位密封波纹(23,23')；
所述异形结构(14)分布在平直段端头即瓶口位置。
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