塑料内衬纤维增强复合材料高压气瓶多级密封结构

1.本发明涉及了一种高压气体储存设备，特别是涉及了塑料内衬纤维增强复合材料高压储氢气瓶多级密封结构。


背景技术：

2.随着气瓶压力越来越高，气瓶密封结构设计难度越来越高。高压储氢气瓶的工作压力达到70mpa，压力试验达到105mpa，其对密封结构的可靠性要求非常高。尤其对于塑料内衬高压储氢气瓶这类ⅳ型气瓶结构，其瓶口的可靠密封结构设计难度很大。
3.有关ⅳ型气瓶结构的专利有很多，如韩国复合材料研究有限公司的美国专利us7648042b2“一种用于复合材料高压储气瓶的金属气瓶端口设计”，美国沃新顿工业公司的美国专利us20170276294a1“high gas-tightened metallic nozzle-boss for a high pressure composite vessel”，us20170276294a1“boss and liner interface for a pressure vessel”，丰田公司jp2006060484“高压气瓶密封”，丰田自动车株式会社的国际专利pct/jp2009/060067“贮气罐和贮气罐的制作方法”，中材科技(成都)有限公司的实用新型专利cn201721786654.7“塑料内胆外径大于200mm高压储气瓶的瓶口瓶尾结构”，江苏国富氢能技术装备有限公司的实用新型专利zl201920758782.3“一种塑料内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶瓶口结构”等。这些专利均对气瓶的密封结构做出了相关设计，结构形式多种多样，在储气使用过程中均可实现密封。但是这些结构制造复杂，加工精度要求高，有些只适用于注塑成型，需要塑料对接焊接，难度大，成本偏高，有些结构可靠性有待提高。


技术实现要素：

4.为了克服背景技术领域中存在的问题，本发明提供塑料内衬纤维增强复合材料高压气瓶多级密封结构，实现了高压下多级密封，内衬不需要焊接，结构简单可靠、制造简单、密封可靠。
5.本发明采用的技术方案是：
6.本发明包括金属瓶口阀座、金属瓶口阀座内衬、瓶口阀o型圈、瓶口阀、垫片及塑料内衬外侧的纤维增强层；高压气瓶的瓶口端加工为塑料内衬，塑料内衬上端与金属瓶口阀座通过滚塑成型贴合在一起，金属瓶口阀座设置中心孔，中心孔内安装金属瓶口阀座内衬，瓶口阀套装在金属瓶口阀座内衬的中心通孔的上端且通过螺纹连接；金属瓶口阀座内衬的内周面与瓶口阀的外周面之间设有瓶口阀o型圈进行密封，瓶口阀的下端面与金属气瓶阀座的上端面之间还设有垫片；塑料内衬上端内侧的部分向金属瓶口阀座中心孔中心延伸并经金属瓶口阀座中心孔的下端内周面后嵌装连接于金属瓶口阀座内衬底端开设的凹槽且紧配。
7.塑料内衬为塑料材质。金属瓶口阀座采用铝合金等金属材质。金属瓶口阀座内衬采用不锈钢等金属材料。
8.所述的金属瓶口阀座内衬主要有内圈部分和外圈部分一体构成，金属瓶口阀座的
中心孔内设置台阶，金属瓶口阀座内衬置于金属瓶口阀座的中心孔内且外圈部分的底面通过平垫片支撑连接到金属瓶口阀座中心孔的台阶面上；内圈部分的底面高于外圈部分的底面，金属瓶口阀座内衬的内圈部分的底面外边缘开设环形凹槽，塑料内衬上端内侧的部分向金属瓶口阀座中心孔中心延伸并经过金属瓶口阀座中心孔的下端内周面、环形凹槽下方的外圈部分内周面后嵌入到环形凹槽中，且在位于环形凹槽下方的外圈部分的内周面开设有环形密封槽，环形密封槽内安装o型圈挡圈、金属瓶口阀座内衬o型圈，金属瓶口阀座内衬o型圈经o型圈挡圈和塑料内衬表面接触。
9.所述的塑料内衬与金属瓶口阀座构成气瓶内胆，在气瓶内胆外面缠绕纤维增强树脂基复合材料形成纤维增强层。
10.所述的瓶口阀下端或者金属瓶口阀座上端开设o型圈槽，瓶口阀o型圈位于o型圈槽内起到密封作用。
11.所述的塑料内衬上端外侧的部分延伸并包裹在金属瓶口阀座下端的外周面，使得塑料内衬上端整体包裹在金属瓶口阀座下端。
12.所述的金属瓶口阀座的下端外周面上开有环形沟槽，环形沟槽中的底部设有沿周向间隔布置的若干通孔，塑料内衬上端外侧的部分延伸经过金属瓶口阀座下端的外周面后充满环形沟槽和环形沟槽中的通孔，实现相互嵌合。
13.所述的纤维增强层是碳纤维、硼纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维等。
14.所述的金属瓶口阀座是铝合金或者其他不锈钢或者高强钢，所述金属瓶口阀座内衬采用不锈钢材质。
15.所述的塑料内衬是尼龙6、尼龙66、聚丙烯、hdpe、ldpe等的高分子聚合材料。
16.所述的瓶口阀o型圈、金属瓶口阀座内衬o型圈是丁晴橡胶、硅橡胶和聚四氟等具有耐氢腐蚀的密封材料。
17.所述的垫片和平垫片的材料是橡胶、聚四佛乙烯、pa等的非金属，或者是纯铝、纯铜等的金属材料。
18.本发明具有的有益效果是：
19.1、本发明采用高压气瓶多级密封结构，使高压气瓶的密封更加可靠。
20.高压气体无论从那一条路径泄漏，均有多个密封面结构阻止泄漏：第一级密封采用可靠成熟的o型圈密封；第二级密封为金属瓶口阀座端面的垫片密封。
21.2、本发明采用自紧式密封结构，塑料内衬与金属瓶口阀座接触面之间采用o型圈实现初始密封，随着气瓶内压的增加，气体压力对塑料内衬作用力越大，塑料内衬与金属瓶口阀座之间压得越紧，气体通过塑料内衬与金属瓶口阀座之间的间隙泄漏越困难。
附图说明
22.图1是本发明密封结构剖面图。
23.图中：1、瓶口阀，2、垫片，3、金属瓶口阀座，4、金属瓶口阀座内衬，5、瓶口阀o型圈，6、o型圈挡圈，7、金属瓶口阀座内衬o型圈，8、纤维增强层，9、塑料内衬，10、平垫片，11、通孔。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
25.如图1所示，结构包括金属瓶口阀座3、金属瓶口阀座内衬4、瓶口阀o型圈5、瓶口阀1、垫片2及塑料内衬9外侧的纤维增强层8。
26.高压气瓶的瓶口端加工为塑料内衬9，不再采用金属材料制成。塑料内衬9上端与金属瓶口阀座3通过滚塑成型贴合在一起，金属瓶口阀座3设置中心孔，中心孔内安装金属瓶口阀座内衬4，瓶口阀1套装在金属瓶口阀座内衬4的中心通孔的上端且通过螺纹连接；金属瓶口阀座内衬4的内周面与瓶口阀1的外周面之间设有瓶口阀o型圈5进行密封，通过与金属瓶口阀座内衬4的内壁压紧并保持持续的压紧力，起到密封作用。瓶口阀1的下端面与金属气瓶阀座3的上端面之间还设有垫片2；当瓶口阀拧紧的时候，垫片被压紧起到密封作用；塑料内衬9上端内侧的部分向金属瓶口阀座3中心孔中心延伸并经金属瓶口阀座3中心孔的下端内周面后嵌装连接于金属瓶口阀座内衬4底端开设的凹槽且紧配；塑料内衬9上端外侧的部分向金属瓶口阀座3的下端外缘上延伸，注塑或者滚塑时，塑料充满金属瓶口阀座3的下端外缘上的沟槽，实现相互嵌合。具体实施中，高压气瓶的上下两端的密封结构相同。
27.金属瓶口阀座内衬4主要有同轴的内圈部分和外圈部分一体构成，内圈部分的顶面、外圈部分的顶面均和金属瓶口阀座3的上端面平齐，金属瓶口阀座3的中心孔内设置台阶，台阶面朝外，金属瓶口阀座内衬4置于金属瓶口阀座3的中心孔内且外圈部分的底面通过平垫片10支撑连接到金属瓶口阀座3中心孔的台阶面上；内圈部分的底面高于外圈部分的底面而形成内衬台阶，金属瓶口阀座内衬4的内圈部分的底面外边缘开设环形凹槽，即内衬台阶的外边缘开设环形凹槽，使得金属瓶口阀座内衬4整体形成“л”形，塑料内衬9的上端将扣合在“л”形开口之内。塑料内衬9上端内侧的部分向金属瓶口阀座3中心孔中心延伸并经过金属瓶口阀座3中心孔的下端内周面、环形凹槽下方的外圈部分内周面后嵌入到环形凹槽中，且在位于环形凹槽下方的外圈部分的内周面开设有环形密封槽，环形密封槽内安装o型圈挡圈6、金属瓶口阀座内衬o型圈7，金属瓶口阀座内衬o型圈7经o型圈挡圈6和塑料内衬9表面接触，形成初始密封。如果初始密封无法形成，则该通道将持续漏气，从而使自紧密封无法实现。
28.同时瓶口阀1下端在完全装入金属瓶口阀座内衬4后位于塑料内衬9上端嵌入到金属瓶口阀座内衬4的环形凹槽处，也同时使得塑料内衬9上端被径向压紧在金属瓶口阀座内衬4的环形凹槽中实现更好的密封。这样使得金属瓶口阀座内衬4的下端内周面与塑料内衬9的上端外周面通过金属瓶口阀座内衬o型圈7贴合在一起实现密封。
29.塑料内衬9与金属瓶口阀座3构成气瓶内胆，在气瓶内胆外面缠绕纤维增强树脂基复合材料形成纤维增强层8。
30.瓶口阀1下端或者金属瓶口阀座3上端开设多个o型圈槽，瓶口阀o型圈5位于o型圈槽内起到密封作用，使得瓶口阀1和金属瓶口阀座3之间紧密密封。
31.金属瓶口阀座内衬4中心开有通孔，金属瓶口阀座内衬4通孔的上端是一段圆柱内螺纹，圆柱螺纹用于和瓶口阀1的外螺纹以螺纹连接。
32.塑料内衬9上端外侧的部分延伸并包裹在金属瓶口阀座3下端的外周面，使得塑料内衬9上端整体包裹在金属瓶口阀座3下端。
33.金属瓶口阀座3的下端外周面上开有环形沟槽，环形沟槽中的底部设有沿周向间
隔布置的若干通孔11，塑料内衬9上端外侧的部分延伸经过金属瓶口阀座3下端的外周面后充满环形沟槽和环形沟槽中的通孔11，实现相互嵌合。这种结构具体通过注塑或者滚塑制备而成，注塑或者滚塑时，塑料经过通孔11和金属瓶口阀座3的下端外周面后充满进入金属瓶口阀座3的下端的环形沟槽，再进入通孔11，实现相互嵌合。
34.本发明压紧密封的原理过程是：
35.本发明通过金属瓶口阀座3与瓶口阀1之间的瓶口阀o型圈5和垫片2形成一个泄漏流道的二级密封；另一个泄漏流道通过内衬o型圈7、平垫片10形成二级密封；塑料内衬9和环形凹槽之间的接触面结合力随着气瓶内压的升高而同步增加，从而构成自紧密封，即气瓶内工作压力越高、密封越可靠。
36.这样高压气瓶内的气体，无论从那一条路径泄漏，均需要通过二个或者三个以上的多级密封面结构。
37.由此使得气瓶内的高压气体无法泄露出去，实现了有效的多级密封。
38.这样，本发明的高压气瓶密封结构设置了金属气瓶阀座与瓶口阀的密封通过o型圈密封、垫片密封的双重保障，金属瓶口阀座和塑料内衬具有随内压增加而自紧密封性能增加和弹性压紧环压紧双重保障，密封可靠。