一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构

1.本发明涉及压力容器及高分子材料加工成型领域，具体涉及一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构。


背景技术：

2.氢气以其燃烧洁净度高、能量密度大的优势成为新能源产业的重要组成部分，其中压力储氢技术是发展氢气新能源的重要一环。压力储氢技术在新能源汽车、管束储氢车等应用最为广泛。目前，压力储氢技术正朝着高压高密度储氢方向发展，但氢气具有分子小、易泄漏的特点，必须有阻隔能力极好的内胆作为阻隔层防止气体泄漏，最前沿的储氢瓶是ⅳ型高分子复合材料储氢瓶，其内胆为高分子材料。但现有的输气、监测、分配等压力管路多为金属材料，若直接采用塑料boss结构，容易因材料性能(硬度、强度等) 不同、环境因素等导致塑料boss结构磨损失效，因此高分子复合材料储氢瓶面临的其中一个技术难点是封头金属boss结构与高分子材料高强度、高阻隔性连接技术。对此，针对50mpa以上高压大容量管束储氢瓶的需求，研制一种耐压高阻隔的塑料内胆封头结构至关重要。
3.现有的ⅳ型储氢瓶塑料内胆的封头结构各式各样，其中专利 201510440522.8使用过盈配合和迷宫密封，密封效果较好，但是瓶口处金属部件较大，轻量化效果较差，储氢密度低；专利201710086665.2使用了迷宫密封的结构，但应用于高压储氢时结构强度存在缺陷；专利201910439016.5 使用的是双重密封圈密封，具有较好的密封效果，但瓶口处未对塑料内胆进行结构增强，在遭受轴向冲击时易破坏塑料内胆封头；专利201920773836.3 采用迷宫密封与螺纹密封，并对瓶口塑料内胆结构进行了增强，具有较好的瓶口强度；专利201720862795.x采用了迷宫密封的结构，但瓶口结构复杂，不易于加工；专利2017109756818.3采用了锥面螺纹密封和迷宫密封，具有较好的密封效果，但同样存在结构复杂的问题等。挪威hexagon复合材料公司还开发了一种内翻式内胆封头，但其内翻结构为直边，在长期充放氢使用后，氢气既有可能逐渐致使接触面的塑料与金属分离，且金属发生氢脆直至大量泄漏，影响安全性。


技术实现要素：

4.本发明以高压储氢瓶塑料内胆为对象，设计了一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构，解决了高压储氢瓶口处塑料-金属界面易泄漏的问题。相比于传统高压储氢瓶用塑料内胆封头结构，本发明具有结构简单、密封效果好、耐反复充放氢的优点，提升了塑料封头高低压适用能力，以及耐环境温度变化的能力。
5.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构包括金属boss结构、塑料封头、金属boss锁紧结构、瓶阀座和密封圈。所述塑料封头为主体结构，所述金属boss结构为嵌件，所述金属boss锁紧结构和瓶阀座为装配件，所述的密封圈为密封件。
6.所述金属boss结构成伞状，与封头同轴布置，其内环嵌入塑料封头中，伞状结构嵌入式覆盖于封头瓶口处，用以增大瓶口与boss结构受力面积；同时伞状结构的外端面与塑
料封头外表面重合，外缘与塑料封头接触加强了径向固定。上述金属boss结构瓶口处是一个向外延伸的圆环凸台，金属boss 结构与瓶阀座之间通过螺纹连接，boss结构与瓶阀座之间通过密封圈密封。密封圈安装完成后由于boss结构与瓶阀座间的挤压始终处于微变形状态，确保密封效果。boss结构与塑料内胆的连接端面处通过螺纹连接了一个金属 boss锁紧结构。所述金属boss锁紧结构仅与boss结构通过螺纹连接，与塑料内胆瓶口内翻面外缘通过过盈配合连接。所述金属boss锁紧结构通过在与boss结构和内胆连接的凹槽内分别加装密封圈实现提高密封性能的目的。
7.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构的成型方式为：将 boss结构作为嵌件放置于注塑机内注塑塑料内胆。然后将两个密封圈放置在 boss锁紧结构的凹槽的对应位置，将boss锁紧结构旋入boss结构中。最后在瓶阀座的对应位置上先安装好密封圈，再沿轴线从外向内与boss结构旋合。
8.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构所述塑料封头瓶口处结构为向内翻折，上述金属boss结构与封头内翻边的接触界面为沿轴向的内环锥面，所述内环锥面可在塑料-金属结合不紧密时，利用气瓶内外的压差实现塑料-金属的微滑移，进而使二者再次紧密贴合，且压差越大，界面贴合越紧密。
9.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构所述金属boss锁紧结构的凹槽内环面可用以增大气体的泄漏沿程阻力，考虑节省金属材料降低重量，增加气瓶内储氢体积，所述金属boss锁紧结构优选外环高度小于内环，呈锥面结构。
10.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构在上述金属boss锁紧结构与封头内翻结构之间沿轴线加装有环形弹性密封圈，所述密封圈即可增大气体泄漏阻力，减少塑料封头与金属boss锁紧结构间界面的氢气泄漏，同时避免塑料内胆端面与金属boss锁紧结构凹槽直接接触，导致内胆在锁紧过程中变形失效，并减小塑料内胆瓶口内翻结构与金属boss锁紧结构之间的摩擦损耗；为进一步保证装配体间密封作用，在上述金属boss锁紧结构与金属boss结构通过螺纹密封基础上，在其接触拐角处加装有弹性密封圈，所述密封圈在微变形后可防止金属boss结构端面与金属boss锁紧结构的凹槽端面直接接触，导致过定位缺陷和金属boss结构与金属boss锁紧结构之间的摩擦损耗。
11.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构在上述金属boss结构与瓶阀座沿瓶口内侧环向接触界面上加装了密封圈，所述密封圈挤压变形后可增大气体泄漏阻力，减少通过金属boss结构与瓶阀座间接触面的氢气泄漏。
12.作为备选，所述密封圈也可安装在上述金属boss结构与瓶阀座的垂直于轴线方向的端面上，利用瓶阀座与金属boss结构安装时螺纹锁紧的力使密封圈微变形提高密封性能。
13.作为优选，上述金属boss结构与瓶阀座的接触界面设置沿轴线方向的锥面，利用锥面密封，增大气体泄漏阻力，同时增加了结构的稳定性。作为备选，在上述锥面上加装密封圈，利用瓶阀座与金属boss结构安装时螺纹锁紧的力使密封圈微变形，进而避免局面加工后的配合缺陷，提高密封效果。
14.本发明所述密封圈材料优选丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、硅橡胶等与氢气具有较好相容性的橡胶材料。
15.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构充分考虑了加工工艺、储存压
力、温度和使用年限对材料形变的影响。本发明采用内翻式封头瓶口设计及塑料-金属界面增强结构，使塑料封头在快速充放气过程中具有较好的抵抗变形的能力；同时，本发明设计了锥面、凹型凸台、密封圈等结构，充分利用了储氢罐内外压差大的优势，使得塑料-金属即使因加工工艺和温度导致两者收缩不一致，也能具有较好的界面密封效果。
附图说明
16.图1为本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构简易结构示意图；
17.图2为图1所示i放大图，显示封头、金属boss结构、金属boss锁紧结构交汇处密封圈安装示意图；
18.图3为本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构金属boss锁紧结构示意图；
19.图4为本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构的优选结构示意图，在图1基础上增加了2-1结构；
20.图5为图4中所示ii放大图；
21.图6为本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构密封圈安装在垂直于轴线方向接触界面上的结构示意图；
22.图7为本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构密封圈安装于锥面上的结构示意图。
23.图中：1-塑料封头；2-金属boss结构；1-1-内环锥面；2-1-内环锥面； 3-密封圈；4-金属boss锁紧结构；5-密封圈；6-瓶阀座；7-密封圈。
具体实施方式
24.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构，如图1所示，包括塑料封头1、金属boss结构2、密封圈3、金属boss锁紧结构4、密封圈5 和瓶阀座6。所述塑料封头1为主体结构，所述金属boss结构2为嵌件，所述金属boss锁紧结构4和瓶阀座6为装配件，所述密封圈3、密封圈5为密封件。所述金属boss结构2成伞状，与封头1同轴布置，其内环嵌入塑料封头1中，伞状结构嵌入覆盖于封头瓶口处；同时伞状结构的外端面与塑料封头1外表面重合。如图1所示，上述金属boss结构瓶口处是一个向外延伸的圆环凸台，在金属boss结构瓶口处自上而下加装了一个瓶阀座6，所述瓶阀座为一个凹型凸台，金属boss结构2与瓶阀座6之间通过螺纹连接， boss结构与瓶阀座之间通过密封圈密封。
25.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构，所述塑料封头瓶口处结构1为向内翻折，如图2所示，上述金属boss结构2与封头1内翻边的接触界面为沿轴向的内环锥面1-1，所述内环锥面1-1可在塑料-金属结合不紧密时，利用气瓶内外的压差实现塑料-金属的微滑移，进而使二者再次紧密贴合，且压差越大，界面贴合越紧密。
26.本发明自下而上加装了一个金属boss锁紧结构4，如图2所示，所述金属boss锁紧结构4将塑料封头内翻结构1及金属boss结构2锁紧在凹型凸台内；所述金属boss锁紧结构4仅与boss结构2通过螺纹连接，与塑料内胆1瓶口内翻面外缘通过过盈配合连接；考虑节省金属材料降低重量，增加气瓶内储氢体积，所述金属boss锁紧结构优选外环高度小于内环，呈锥面结构；金属boss锁紧结构4示意图如图3所示。
27.本发明在上述金属boss锁紧结构4与塑料封头内翻结构1沿轴线加装有环形弹性密封圈3，如图2所示，所述密封圈3即可增大气体泄漏阻力，减少塑料封头1与金属boss锁紧结构4间界面的氢气泄漏，同时避免塑料内胆1端面与金属boss锁紧结构4凹槽直接接触，导致内胆1在锁紧过程中变形失效，并减小塑料内胆1瓶口内翻结构与金属boss锁紧结构4之间的摩擦损耗。
28.为进一步保证装配体间密封作用，在上述金属boss锁紧结构4与金属 boss结构2通过螺纹密封基础上，在其接触拐角处加装有弹性密封圈5，如图2所示，所述密封圈5在微变形后可防止金属boss结构2端面与金属boss 锁紧结构4的凹槽端面直接接触，导致过定位缺陷和金属boss结构2与金属boss锁紧结构4之间的摩擦损耗。
29.本发明在上述金属boss结构2与瓶阀座6沿瓶口内侧环向接触界面上加装了密封圈7，如图1所示，所述密封圈7挤压变形后可增大气体泄漏阻力，减少通过金属boss结构2与瓶阀座7间接触面的氢气泄漏。
30.作为优选，如图4和图5所示，上述金属boss结构2与瓶阀座6的接触界面为沿轴线方向的内环锥面2-1，利用锥面密封，增大气体泄漏阻力，同时增加了结构的稳定性。
31.作为备选，如图6所示，在上述金属boss结构瓶口处结构的上端面与瓶阀座6之间沿垂直于轴线方向加装了密封圈7，利用瓶阀座6与金属boss 结构2安装时螺纹锁紧的力使密封圈微变形提高密封性能。
32.作为优选，如图7所示，增大上述金属boss结构2与瓶阀座6之间沿轴向方向的内环锥面2-1的坡度，在上述内环锥面2-1上加装密封圈7，所述密封圈7可增大气体泄漏阻力，其中利用瓶阀座6与金属boss结构2安装时螺纹锁紧的力使密封圈微变形，进而避免局面加工后的配合缺陷，提高密封效果。
33.本发明一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构的具体成型方式为：将金属boss结构2按照设计的结构形式铸造或减材制造成型，然后将成品 boss结构2作为嵌件放置到注塑模具中，通过注塑成型在模腔内成型出塑料封头1，再通过密封圈3、密封圈5和密封圈7密封加装金属boss锁紧结构 4以及瓶阀座6获得一种内翻式高阻氢塑料-金属封头密封结构。