一种储气瓶加工方法与流程

本发明涉及高压储气瓶技术领域，具体涉及一种储气瓶加工方法。

背景技术：

储气瓶，是燃料电池中燃料气体的存储装置。储气瓶的气体容纳能力，直接决定着燃料电池的续航能力。而储气瓶的气体容纳能力，又与储气瓶加工方法直接相关。

现有的储气瓶加工方法，直接采用铝板冲拔成型，对气瓶的厚度和体积没有进行精确限制，使储气瓶的气体容纳能力始终无法增加。

为了使储气瓶的单位重量气体存储密度，使储气瓶能够存储更多的燃料气体，需要采用新的加工方法。

技术实现要素：

本发明意在提供一种能够加工出单位重量气体存储密度更大的储气瓶加工方法。

一种储气瓶加工方法，包括以下步骤：

将铝材多次冲压拉深形成一端封闭一端开口的杯形体；

将杯形体经过强旋收口后形成具有瓶口端封头、内胆筒体和尾塞端封头的内胆；

在强旋的过程中，使内胆筒体的平均厚度小于等于1.5毫米。

本方案的优点在于：

在制作内胆时，在强旋的过程中，通过监测内胆筒体的厚度，使内胆筒体的平均厚度小于等于1.5毫米，使内胆做得尽可能薄，这样才能保证内胆尽可能地轻量化，提高单位重量的气体存储密度。使在装载同样质量的气体时，整个储气瓶的重量更轻，更有利于无人机、汽车等使用设备搭载。

进一步，在拉深过程中，经过三次拉深，将杯形体的封闭端拉深形成尾塞端封头，将封闭端与开口端之间的部分拉深形成内胆筒体。

经过三次拉深，使铝材拉深形成的杯形体有足够的长度，使原先的封闭端拉深形成尾塞端封头，使在封闭端和开口端之间的部分拉深形成内胆筒体，而内胆筒体本身也具有一定的长度，够后面继续加工操作。

进一步，在拉深和强旋收口过程中，逐步使内胆筒体的壁厚由两端向中间减薄。

通过减薄内胆筒体达到减薄整个内胆的目的，使内胆在满足气体容纳要求的前提下更加轻量化，增大单位重量下燃料气体的存储密度。

进一步，在强旋收口过程中，使杯形体的开口端逐步收拢形成具有瓶口端的瓶口端封头；瓶口端封头形成连接在瓶口端和内胆筒体之间的瓶口端曲面，瓶口端曲面的深度为前封头深度。

在强旋收口过程中，通过形成瓶口端曲面，使原来杯形体的开口端能够收拢形成瓶口端，而瓶口端曲面的深度，就是瓶口端曲面两个端部之间的距离，也是瓶口端与内胆筒体彼此靠近一端之间的距离，可以用来表示瓶口端曲面的弯曲程度。

进一步，所述尾塞端封头与内胆筒体之间一体成型有尾塞端曲面；所述尾塞端曲面的深度为后封头深度；所述后封头深度与前封头深度相等。

尾塞端曲面深度就是尾塞端封头与内胆筒体彼此靠近的端部之间的距离。与瓶口端曲面深度一样，尾塞端曲面深度同样表示了尾塞端曲面的完全程度，两者相等，说明两者的弯曲度相同。

在拉深过程中形成的封头端安装尾塞端。

通过安装尾塞端，方便与强旋机等设备的连接安装，方便对杯形体和后面形成的内胆、储气瓶在固定后进行进一步的加工。

进一步，在拉深和强旋过程中，使内胆筒体的平均直径分别大于前封头深度和后封头深度。

先设计好内胆尺寸，再按照设计来进行加工，通过内胆筒体直径和前封头深度、后封头深度的大小关系，来限定加工出来的内胆的形状结构。进一步，在收口过程后，使前封头深度和后封头深度与内胆筒体平均直径的比值均小于等于0.3。

在收口过程中，使整个内胆是一个具有较大平均直径的扁平结构，使在保证内胆总长度不变的情况下，增大内胆的有效容积，增加对燃料气体的容纳量，增大单位重量中燃料气体的储存密度。

进一步，在强旋过程中，使内胆筒体的部分壁厚减薄至1.2毫米。

内胆筒体的部分位置厚度最小可以达到1.2毫米，相比于现在大多数最小只能做到1.5毫米厚度的储气瓶，本方案中的储气瓶进一步对内胆进行了减薄，能够在容纳相同量燃料气体的前提下，使储气瓶的整体重量更轻，提高单位重量燃料气体的存储量。

进一步，收口过程在420-450℃的温度下进行。

在此温度下，有利于铝材加热后提高延展性，更加便于收口。

进一步，强旋和收口过程在550-650转/分的转速下进行。

在此转速下，有利于内胆筒体的减薄和瓶口端的收口。

附图说明

图1为本发明实施例一加工形成的储气瓶的结构示意图。

图2为本发明实施例二加工形成的储气瓶中阀门的结构示意图。

图3为图2的仰视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：轻质壳体10、内胆11、尾塞端封头21、尾塞端211、瓶口端封头22、瓶口端221、第一直径r1、第二直径r2、第三直径r3、第一轴长d1、第二轴长d2、第三轴长d3、封头深度h1、第二深度h2、第三深度h3、阀门100、盖顶110、盖壁112、旋钮120、围罩130、密封圈132、连接腔140、膨胀口142、支撑座150、密封条152。

实施例一

实施例一基本如附图1所示：通过本实施例的加工方法生产出的储气瓶，包括内胆11和紧贴内胆11并包裹在内胆11上的轻质壳体10。其中，内胆11包括近似半球面的尾塞端封头21和瓶口端封头22。

尾塞端封头21的中心位置处焊接有向外伸出，穿过轻质壳体10的尾塞端211。尾塞端211与内胆11同轴，尾塞端211朝向外侧的方向上开有连接口，通过连接口能够使尾塞端211与其他固定结构连接，方便对整个储气瓶的固定。

瓶口端封头22的中心位置处连通有向外伸出的管状瓶口端221。瓶口端221与内胆11和尾塞端211同轴。

内胆11轴线的中心点o为内胆的重心，内胆11以过中心点o并垂直于轴线的横截面为分界面，如图1所示，分界面两侧的内胆11(除开瓶口端221)和轻质壳体10的形状大小都相对于分界面对称。其中，内胆11连接在瓶口端封头22和尾塞端封头21之间的内胆筒体可以分为至少四个圆筒状的结构，把与封头部分(包括瓶口端封头22和尾塞端封头21)连接的圆筒结构称为第二圆筒，其长度为第二深度h2，与第二圆筒连接的圆筒结构称为第三圆筒，其长度为第三深度h3，第二圆筒和第三圆筒相对于分界面对称连接有相同的圆筒结构，即尾塞端封头21、第二圆筒、第三圆筒、第三圆筒、第二圆筒和瓶口端封头22依次连接形成了内胆11。封头(包括瓶口端封头22和尾塞端封头21)到内胆筒体之间的分别连接有瓶口端曲面和尾塞端曲面，瓶口端曲面和尾塞端曲面自身两个端部的距离相同，且分别称为前封头深度和后封头深度，两个封头深度都为h1。2*(h1+h2+h3)＝d1，d1为内胆11除去瓶口端221部分的轴线长度，称之为第一轴长d1。

内胆筒体部分的内部平均直径为第一直径r1，内胆筒体部分的外部平均直径为第二直径r2，轻质壳体10与内胆筒体部分对应的结构外部的平均直径为第三直径r3，则内胆筒体部分的平均厚度为(r2-r1)/2≤1.5mm。

其中，第三圆筒的平均厚度(即h3长度内的内胆筒体壁平均厚度)要小于第二圆筒的平均厚度(即h2长度内的内胆筒体壁平均厚度)。其中，第三圆筒的壁厚最薄可以做到1.2mm。相比于现在储气瓶的壁厚通常在1.5mm以上，本方案生产出来的高压储氢气瓶能够在保证内胆11质量变得更轻，有效容积更大，即单位重量储氢密度更高，本实施例中的单位重量储氢密度全部在7.5％以上。

轻质壳体10，为包裹在内胆11外表面，形成的与内胆11形状相匹配的囊状结构。轻质壳体10与内胆11一样，同样具有尾塞端封头21和瓶口端封头22以及连接瓶口端封头22和尾塞端封头21之间的壳体筒体部分。本实施例中的轻质壳体10，采用按照一定规律缠绕的碳纤维-环氧体系复合材料缠绕后涂覆树脂而成。

内胆11的瓶口端封头22和尾塞端封头21外表面端部之间的距离为第二轴长d2，内胆11瓶口端封头22和尾塞端封头21的平均厚度为(d2-d1)/2。(d2-d1)/2≥1.5mm。

而轻质壳体10的瓶口端封头22和尾塞端封头21外表面端部之间的距离为第三轴长d3，轻质壳体10瓶口端封头22和尾塞端封头21的平均厚度为(d3-d2)/2。(d3-d2)/2≥1.5mm。

瓶口端封头22和尾塞端封头21距离第二圆筒的距离与即封头深度h1，为了使储气瓶能够在相同有效容积的前提下，做到质量最轻，在制作内胆11时，使h1/r1≤0.3，当h1/r1＝0.3时，内胆11在容纳相同质量氢气的情况下，整个气瓶最轻。

储气瓶的重容比大于0.28小于等于0.43。本实施例中，储气瓶的重容比为0.292。相比于现有技术，本实施例加工形成的储气瓶轻量化，重容比更小，更加有利于燃料电池的续航，有利于无人机等对燃料电池重量要求较为严格的应用环境使用。

本实施例中的储气瓶，不仅能够在无人机上使用，也能在摩托车、野外露营等应用环境中进行使用。

具体实施过程如下：

首先，制作内胆11。

本实施例中采用铝制内胆：将经过打磨后的圆柱体的铝板放置在拉深模具上，通过拉深模具将铝板冲压冷拉深成杯形体，杯形体为包括尾塞端封头21和与尾塞端封头21一体成型的内胆筒体。内胆筒体经过三次拉深形成中间薄两端厚的结构。

将杯形体放置在强旋设备上，经强旋减薄后收口，在强旋过程中使杯形体的使内胆筒体依次拉深强旋形成第二圆筒、第三圆筒、第三圆筒和第二圆筒依次连接的一体成型的筒状结构，其中，第三圆筒的壁厚要小于第二圆筒的壁厚。

在内胆筒体中各个部分的壁厚达到要求(即内胆11内胆筒体的平均厚度为(r2-r1)/2≤1.5mm)后，以旋压收口的方式，将杯形体筒状结构的开口端加工成仅留下瓶口端221安装位置的瓶口端封头22。再在尾塞端封头21的封闭端头的中心位置处安装上尾塞端211，通过安装尾塞端211方便将内胆11在后面加工过程中与其他加工设备连接。使内胆11形成两端分别为瓶口端封头22和尾塞端封头21的铝制内胆。

在强旋收口时，需要在420-450℃的温度下进行，在强旋减薄的的过程中，采用550-650转/分的转速进行，其中，本实施例中采用600转/分的转速进行旋转。

铝制内胆11加工成型后，需进行热处理：将铝制内胆11放入加热炉中，加热到550℃保温时间到80分钟进行固溶，在175℃下保温300分钟进行时效处理。

在铝制内胆加工成型后，在铝制内胆上用数控车床加工出满足尺寸和精度要求的直螺纹。

铝制内胆还需进行内表面抛光处理，选用机械抛光的方式，将小颗粒磨料和研磨液混合后灌入铝制内胆的内腔，通过一定的转速在气瓶内壁旋转，进行铝制内胆内表面全面抛光。

然后，制作轻质壳体10。

先制作，缠绕层；在内胆11上缠绕碳纤维-环氧体系复合材料：将在前面步骤中制作好的铝制内胆11，沿着其外壁，通过环向缠绕和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕碳纤维-环氧体系复合材料以形成缠绕层，得到储气瓶半成品。缠绕层的平均厚度为b1。

紧接着，涂覆光固化树脂层：在储气瓶半成品的缠绕层外表面均匀涂覆光固化树脂，并将涂覆有光固化树脂的储气瓶半成品放入现有的光固化装置内经紫外线进行照射至固化完成。光固化树脂层的平均厚度为b2。

轻质壳体10的平均厚度为b1+b2，其中(r3-r2)/2≤b1+b2≤(d3-d2)/2。其中，1.2mm≤(r3-r2)/2≤1.5mm，1.5mm≤(d3-d2)/2。

其中，采用碳纤维-环氧体系复合材料缠绕的具体方式为：首先将铝制内胆11通过尾塞端211悬臂式安装于缠绕机的工装上，将碳纤维-环氧体系复合材料浸渍树脂基体后，预设一定的张力再通过环向和螺旋缠绕交叉重叠的方式缠绕在铝制内胆11的外壁上。

铝制内胆缠绕碳纤维-环氧体系复合材料后需进行固化，具体固化方式为：将缠绕有碳纤维-环氧体系复合材料的铝制内胆放入连续固化炉中并保持铝制内胆水平自转，首先升温至80℃到110℃，之后再升温22至130℃到140℃，固化4.5h至6.5h，将炉温降至60℃以下后出炉。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，储气瓶具有瓶口和用来封盖瓶口的阀门100。如图2所示，阀门100包括圆形的盖顶110以及与盖顶110一体成型成环状结构的盖壁112，在盖壁112上开孔，用来调节阀门100松紧度的旋钮120伸进到阀门100中。在盖壁112的下方一体成型连接有围罩130。在围罩130和盖壁112之间安装有盖底。盖底与盖顶110形状相同。旋钮120焊接有伸进盖顶110和盖底之间的螺杆。螺杆伸进阀门100的端部上连接有多个凸轮组成的凸轮组合，使转动旋钮120能够使盖顶110和盖底彼此靠近或者彼此远离，进而使盖底相对盖顶110上下沿着盖壁112上下移动。

盖底与盖壁112的接触位置上一体成型有向外的突起，盖壁112的内侧面上针对盖底的突起竖直开有多个与突起一一对应的凹槽，这样既方便盖底与盖壁112的连接，又方便多个突起沿着凹槽竖直滑动。

如图3所示，盖底的底面上安装有两个支撑座150，通过调节旋钮120，使盖底的支撑座150更加靠近储气瓶的瓶口，用来加强盖底与储气瓶瓶口的接触强度，起到密封瓶口的作用。同时，因为调节旋钮，可以使阀门100中盖底与储气瓶瓶口之间存在一定空间，达到调节储气瓶压力的作用。

围罩130倾斜布置，围罩130的顶端与盖壁112一体成型无缝连接，围罩130的底端密封焊接有用来与储气瓶轻质壳体粘接的密封圈132。当在使用阀门100时，将阀门100盖在储气瓶瓶口部分时，通过调节旋钮120，使盖底与瓶口接触，围罩130紧贴储气瓶的封头的曲面部分，而通过密封圈132能够使整个阀门100和储气瓶之间形成密封空间。

为了增加阀门100和储气瓶之间的密封性，在围罩130的内侧面上安装有与密封圈同样材质的密封条152。通过密封圈132和密封条152，能够使围罩130与储气瓶轻质壳体紧密连接。本实施例中密封圈132、密封条152以及支撑座150都采用具有一定粘黏性的软质材料，如橡胶、凝胶等。

此外，在围罩130的一侧上还焊接有连接腔140，连接腔140与围罩130之间有一个能够容纳气体的空间，连接腔140与围罩130之间通过一个气嘴连通。连接腔140的外侧开有供其他管道与气嘴连通的膨胀口142。气嘴结构为现有的，就是现在常用的储气瓶与其他用气机构连接的器件，在此不赘述。

在加工无人机专用储气瓶的时候，在完成内胆11的加工时，需要针对瓶口端221的直径确定盖顶110和盖底的直径，同时，根据内胆11瓶口端封头22的直径和曲面弯曲度确定围罩130的形状。在确定好这些参数后，制作模具，浇筑形成盖顶110、盖壁112和围罩130的连接结构。然后，制作盖底的模具，将盖底直径与盖顶110相同，同时盖底向外伸出多个均匀分布的突起，在盖壁112的内侧面上开有多个与盖底突起一一对应的凹槽。

在装盖底之前，在围罩130的侧壁上开两个对称的孔，一个用来供旋钮焊接的螺杆深入，一个上安装连通连接腔140的气嘴。在螺杆伸入到阀门100内的一端上安装好有多个凸轮组成的凸轮组，使旋钮120在朝着一个方向转动时能够逐渐使凸轮朝着边长或者变短的趋势变化。在安装好凸轮组后，将盖底通过突起卡接到盖壁112的凹槽中，然后在盖壁112和围罩130之间焊接阻止盖底滑出凹槽的环形挡片。在盖底底面靠近瓶口的位置焊接呈“u”型的两个支撑座150，使之能够将瓶口卡紧。然后在气嘴的周围焊接用来包裹气嘴的连接腔140。连接腔140，同样也是先通过模具制作出来的，在连接腔140的外侧开有膨胀口142。

实施例三

本实施例与实施例二的区别在于，在连接腔140内分割安装有密封的泄压腔，泄压腔内存储有氮气。泄压腔安装在围罩130和膨胀口142之间。若储气瓶发生泄漏的时候，打开泄压腔能够使氢气等可燃性气体在从膨胀口142漏出之前与氮气反应。泄压腔与围罩130之间的接触位置上开有用来使泄压腔与围罩130连通的气阀，气阀结构为现有的，打开这个气阀可以使泄压腔和围罩130内围起来的空间连通。直接在泄压腔内高压存储氮气，能够通过氢气和氮气的中和反应，有效减轻氢气泄露带来的不利影响，避免出现爆炸事故。在安装连接腔140之前，需要先在连接腔和围罩130的位置安装气阀，然后将预先存储有氮气的压缩包放在单独隔出来的连接腔140靠近围罩130的位置，形成泄压腔，使泄压腔和气阀能够连通。

实施例四

本实施例与实施例一的区别在于，铝制内胆的瓶口端封头22和尾塞端封头21成型后车削，通过改造旋压收口机，将原预留装旋轮位置，改为车刀，减少二次定位造成的偏差，车削轨迹和收口轨迹一致，保证前封头和后封头形状，确保内胆前封头和后封头的壁厚的一致性和稳定性。

实施例五

本实施例中，环向缠绕，与储气瓶横截面的倾斜度为1-2°；螺旋缠绕与储气瓶纵截面的倾斜度为5-35°，且螺旋缠绕的螺距为内胆11长度的百分之一以下，即螺旋缠绕的螺距≤d2/100。螺旋缠绕的倾斜方向与纵向缠绕的倾斜方向相反。储气瓶横截面，指的是穿过储气瓶中心并且轮廓呈椭圆形的截面；储气瓶纵截面，指的是穿过储气瓶中心并且轮廓呈圆形的截面。

以上说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。