CN115405849B - 一种ⅳ型储氢气瓶端部密封结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构及其制备方法。该密封结构主要包括金属内外瓶口、塑料内胆以及若干密封圈，其中金属内瓶口采用一体成型的方式预埋在塑料内胆中，金属外瓶口通过螺纹与金属内瓶口固定在一起并紧贴塑料内胆，密封圈套装在金属外瓶口与塑料内胆之间的环形凹槽中并被金属外瓶口压紧，由此实现气瓶内胆端部的增强和密封。此外通过在金属内瓶口特定部位设置缺口和凹槽，增强了金属内瓶口与塑料内胆之间的连接可靠性，大幅度提高了两者过渡部位的成型质量。与现有同类产品相比，本发明提供的气瓶具有结构简单、零部件少、装配容易等优点，气瓶整体安全性、可靠性、耐久性都有了显著提升，市场竞争力较好。

Description

一种Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力容器及氢能源技术领域，具体涉及一种Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构及其制备方法。

背景技术

储氢技术是发展新能源汽车的关键。传统金属内衬的III型气瓶开发、应用技术在我国日趋成熟，然而这种气瓶存在明显的氢脆效应和疲劳性能差等缺点，用作车载储氢气瓶时存在巨大阻碍。近些年来逐渐发展起来的以塑料为内衬的IV型气瓶，为提高车载气瓶储氢密度、疲劳性能和氢气阻隔性能提供了一种可行的思路。为提高整体刚度，IV型气瓶塑料内胆的两端通常使用金属瓶口技术，以满足后续缠绕工艺中的内胆固定问题。由于金属瓶口与塑料内胆的材质存在明显差异，因此两者的界面连接质量成为决定气瓶气密性的关键。此外气瓶在充放气过程中塑料封头会发生微量形变，导致其与金属瓶口之间产生缝隙，容易出现氢气泄露等问题，存在较大的安全隐患，此前这一问题并没有得到很好的解决。

检索发现，中国专利CN113464832A公开了一种气瓶瓶口结构、高密封性的储氢气瓶及其制造方法，该瓶口密封结构包括金属瓶口、塑料封头和紧固件，其中紧固件包括连接部和第一凸缘，在第一凸缘的前端面设置有带第一密封圈的密封槽；金属瓶口由颈部和第二凸缘构成，并且第二凸缘设有若干环形槽，在第二凸缘的前端设有若干缺口；通过注塑形成填充各缺口和各环形槽并包裹住第二凸缘和颈部后段的塑料封头后，紧固件旋紧于内螺纹段中。此外，此方案还公开了具备这种瓶口结构的高密封性储气气瓶及其制造方法。分析可知，该方案中气体密封主要通过紧固件上的密封圈实现，然而安装紧固件时需从气瓶内胆中旋入，无形中增加了制造和装配难度。此外该技术使用注塑工艺，后续需将两个带密封结构的塑料封头与筒体焊接在一起，不仅步骤繁琐而且焊接处易出现气泡等缺陷。

中国专利CN113188039A公开了一种塑料内胆复合气瓶接头，该接头包括接头本体和密封圈，在接头本体的一端设有环形安装槽，所述安装槽设于接头本体内、外侧壁之间，安装槽用于容置气瓶内胆的瓶口并与气瓶内胆的瓶口内外侧壁均密封接触固定连接，密封圈套设在接头本体内壁上。分析可知，该技术公开的复合气瓶接头结构较为复杂，涉及外部、中间和内部三种安装筒，且各安装头与塑料内胆之间无密封装置，存在较大的泄露风险。此外此技术并未公布具体的成型工艺，很可能存在一定的加工难度。

类似的技术还包括CN215061274U、CN214405590U、CN11377592 6A等，这些密封结构大多设置了大量密封圈、密封槽、密封台阶等结构，无论是结构复杂程度还是生产制造成本、装配难度都大幅增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述种种缺陷，提供一种全新的Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构，该结构主要包括金属外瓶口1、金属内瓶口2、塑料内胆3、密封圈4，其中金属外瓶口1包括底座1-1和气嘴1-2，金属内瓶口2包括基座2-1和中空凸起部2-2；金属内瓶口的基座2-1预埋在塑料内胆3中，中空凸起部2-2从塑料内胆3端部伸出并与外界连通，金属外瓶口的气嘴1-2套装在金属内瓶口的中空凸起部2-2 上，并且金属外瓶口的底座1-1紧贴塑料内胆3外表面，密封圈4固定在金属外瓶口1与塑料内胆3之间。

进一步的，金属内瓶口的基座2-1以及金属外瓶口的底座1-1弧面形状与塑料内胆3端面形状相匹配，并且基座2-1的上下表面完全包埋在塑料内胆3中，基座2-1的直径相当于塑料内胆直径的10％-60％。

进一步的，在金属外瓶口的气嘴1-2内表面以及金属内瓶口的中空凸起部2-2外表面设置有相互配合的螺纹，金属外瓶口1与金属内瓶口 2通过螺纹实现固定和密封连接。

进一步的，在金属内瓶口的基座2-1上沿圆周设置有同轴的凹槽2-3 和缺口2-4。金属内瓶口上的凹槽和缺口等结构在注塑成型塑料内胆时会被熔融的塑料填满，从而保证了金属内瓶口2牢牢嵌入塑料内胆3中，提高了两者的结合强度和可靠性。

更进一步的，所述凹槽2-3设置在金属内瓶口基座2-1的底面，其数量为1-5个。凹槽2-3为间断式或者连续式，优选为间断式。

更进一步的，所述缺口2-4等距离间断分布在金属内瓶口基座2-1 的边缘，缺口的数量为2-10个。

进一步的，在金属外瓶口的底座1-1底面上设置有环形凹槽1-3，在塑料内胆3端部外表面设置有配套的环形凹槽，密封圈4固定在金属外瓶口1和塑料内胆3上的环形凹槽中，由此实现两者之间的密封。

更进一步的，所述密封圈的数量为1-5个。

进一步的，所述金属外瓶口1和金属内瓶口2的材质均选自铁、钢、铝或其合金中的任意一种，所述塑料内胆3的材质选自聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、尼龙(PA)及其他通用塑料或工程塑料中的任意一种，所述密封圈的材质选自丁基橡胶、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸脂橡胶、天然橡胶、聚氨脂橡胶中的任意一种，密封圈的截面形状为矩形、V形、U形、O形、Y形中的任意一种。

本发明的另一重目的在于提供上述Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构的制备方法，该方法包括以下步骤：(a)首先将金属内瓶口2固定在模具中，加工成型得到预埋金属内瓶口的塑料内胆3；(b)将密封圈4卡入塑料内胆3端部外表面的环形凹槽中，再将金属外瓶口1对准金属内瓶口2拧紧即可。

进一步的，塑料内胆3的成型工艺选自吹塑成型、注塑成型、滚塑成型、3D打印成型中的任意一种，用于成型的塑料颗粒在使用前需置于55-65℃下充分烘干，防止注塑时产生水汽导致塑料内胆出现孔洞等缺陷。

本发明的第三重目的在于提供一种搭载有上述端部密封结构的Ⅳ型储氢气瓶。

本发明对现有气瓶的端部密封结构做了一系列改进，主要包括以下几点：

(1)为了提高金属内瓶口与塑料内胆的内嵌结合强度和可靠性，发明人在金属内瓶口底面、边缘部位分别设置了若干凹槽、缺口，通过这些独特的设计确保了一体成型塑料内胆的力学性能，此外这些凹槽和缺口不仅显著增加了气体渗出路径提高了气瓶气密性，而且有效解决了缠绕过程中塑料内胆的固定问题，能够防止金属内瓶口与塑料内胆之间的相对滑动；

(2)为了提高气瓶端部的强度和可靠性，在塑料内胆端部设置有具备保护、增强、便于气体流通的金属外瓶口，并且通过简单的螺纹连接将其固定在金属内瓶口上，通过金属件之间的连接避免了对塑料内胆的破坏；

(3)为了防止充放气时由于塑料变形导致的气体泄漏，在金属外瓶口与塑料内胆的接触面间增设了环形密封圈，从而极大的提升了气瓶的安全性和可靠性。

与现有同类气瓶产品相比，按照本发明方法制得的气瓶具有结构简单、生产装配容易、效率高等优点，还避免了二次焊接引起的气泡等缺陷，极大的提高了气瓶的整体安全性、可靠性、耐久性。

附图说明

图1为本发明Ⅳ型储氢气瓶端部的剖面示意图；

图2为本发明金属外瓶口的剖视立体示意图；

图3为本发明金属内瓶口的剖视立体示意图；

图4为本发明密封圈的结构示意图；

图5为本发明塑料内胆的剖视立体示意图。

其中1、金属外瓶口，2、金属内瓶口，3、塑料内胆，4、密封圈， 1-1、底座，1-2、气嘴，1-3、环形凹槽，2-1、基座，2-2、中空凸起部， 2-3、凹槽，2-4、缺口。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。

实施例1

如图1-5所示的一种复合Ⅳ型储氢气瓶，在其两端设置有特殊的密封结构，并且左右两端的密封结构相同。在某些实施例中，也可只在气瓶一端设置这种密封结构。为了进一步说明问题，接下来以气瓶任意一端(如左端)为例进行详细介绍。

整个塑料内胆3与两个形状、结构相似的金属外瓶口1、金属内瓶口2以及若干个密封圈4连接在一起，其中金属内瓶口2提前预制成型在塑料内胆3端部，金属外瓶口1、密封圈4后期固定到塑料内胆上。在金属外瓶口的气嘴1-2内表面设置有螺纹，在金属内瓶口2类似气嘴的中空凸起部2-2外表面设置有与之配套的螺纹，金属内外瓶口通过螺纹固定连接在一起。在金属外瓶口1的圆形底座1-1底面上设置有环形凹槽1-3，在塑料内胆3端部外表面设置有同样形状、数量的环形凹槽，密封圈4就固定在环形凹槽中并被金属外瓶口1压紧。安装到位后，金属外瓶口1与塑料内胆3相交或接触部位平滑过渡，无台阶或者凹槽。

在本发明另一个较优实施例中，在塑料内瓶口的基座2-1边缘间隔一定距离均匀分布有若干个缺口2-4，在基座2-1的底面上设置有若干个间断(也可以是连续的)的凹槽2-3。这种设计能够避免成型时金属内瓶口与塑料内胆3之间的相对滑动和错位问题，提高了两者结合的可靠性，还解决了后期缠绕碳纤维时的内胆固定问题。

为了保证气瓶产品的质量，我们研发、优化后形成了以下制备工艺：

①原材料预处理：将颗粒状高密度聚乙烯树脂原料置于烘箱中，加热到60±2℃烘1±0.2小时，以便尽可能除去水份，干燥后的树脂投入料斗中备用。

②塑料内胆注塑成型：将金属外瓶口1固定在模具的对应位置，启动滚塑机，熔融塑料注入模腔并充分填充金属内瓶口2的各个凹槽、缺口以及模腔，冷却脱模后得到左半个内胆；按照同样的方法成型右半个内胆，然后将左右两个内胆焊接在一起，得到一个完整的气瓶内胆。焊接方式可以采用超声焊接、摩擦焊接、热板焊接等。

③塑料内胆装配：提前将橡胶材质的密封圈4塞入上一步制得的塑料内胆半成品端部外表面的环形凹槽中，然后将金属外瓶口1与金属内瓶口2对齐，接着转动金属外瓶口1使其旋紧于金属内瓶口2上，由此完成组装。

Claims (10)

1.一种Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构，其特征在于：该密封结构包括金属外瓶口(1)、金属内瓶口(2)、塑料内胆(3)、密封圈(4)，其中金属外瓶口(1)包括底座(1-1)和气嘴(1-2)，金属内瓶口(2)包括基座(2-1)和中空凸起部(2-2)，在基座(2-1)上沿圆周设置有同轴的凹槽(2-3)和缺口(2-4)，所述凹槽(2-3)设置在基座(2-1)的底面，所述缺口(2-4)等距离间断分布在基座(2-1)边缘；基座(2-1)、底座(1-1)的弧面形状与塑料内胆(3)端面形状相匹配，基座(2-1)预埋在塑料内胆(3)中并且其上下表面完全包埋在塑料内胆(3)中，中空凸起部(2-2)从塑料内胆(3)端部伸出并与外界连通，气嘴(1-2)套装在中空凸起部(2-2)上并且底座(1-1)紧贴塑料内胆(3)外表面，密封圈(4)固定在金属外瓶口(1)与塑料内胆(3)之间。

2.如权利要求1所述的Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构，其特征在于：基座(2-1)的直径相当于塑料内胆(3)直径的10％-60％。

3.如权利要求1所述的Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构，其特征在于：在气嘴(1-2)内表面以及中空凸起部(2-2)外表面设置有相互配合的螺纹，金属外瓶口(1)与金属内瓶口(2)通过螺纹固定连接。

4.如权利要求1所述的Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构，其特征在于：凹槽(2-3)的数量为1-5个，凹槽(2-3)为间断式或者连续式；缺口(2-4)的数量为2-10个。

5.如权利要求1所述的Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构，其特征在于：在底座(1-1)的底面设置有环形凹槽(1-3)，在塑料内胆(3)端部外表面设置有配套的环形凹槽，密封圈(4)固定在金属外瓶口(1)和塑料内胆(3)上的环形凹槽中。

6.如权利要求1所述的Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构，其特征在于：所述金属外瓶口(1)和金属内瓶口(2)的材质均选自铁、钢、铝或其合金中的任意一种，所述塑料内胆(3)的材质选自PP、PE、PA及其他通用塑料或工程塑料中的任意一种，所述密封圈的材质选自丁基橡胶、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸脂橡胶、天然橡胶、聚氨脂橡胶中的任意一种，密封圈的截面形状为矩形、V形、U形、O形、Y形中的任意一种。

7.权利要求1-6任意一项所述Ⅳ型储氢气瓶端部密封结构的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(a)首先将金属内瓶口(2)固定在模具中，加工成型得到预埋金属内瓶口的塑料内胆(3)；

(b)将密封圈(4)卡入塑料内胆(3)端部外表面的环形凹槽中，再将金属外瓶口(1)对准金属内瓶口(2)拧紧即可。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：塑料内胆(3)的成型工艺选自吹塑成型、注塑成型、滚塑成型、3D打印成型中的任意一种。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于：用于成型的塑料颗粒在使用前需置于55-65℃下充分烘干。

10.一种Ⅳ型储氢气瓶，其特征在于：该气瓶搭载有权利要求1-7中任意一项所述的端部密封结构。