高重量储氢率的储氢罐的制作方法

1.本技术涉及高压容器领域，特别是涉及高重量储氢率的储氢罐。


背景技术：

2.随着人类社会的快速发展，煤、石油、天然气三大化石能源的消耗速度日益加快，其带来的供应短缺和环境问题也越来越受到各界的关注。氢气因其燃烧产物只生成水，且来源丰富，被誉为是本世纪最具发展潜力的清洁能源载体，而以氢气为能源的燃料电池汽车具有环保、高效、零污染、零排放的特点。
3.目前来看,高压容器是氢能最具有实用意义的存储介质。氢能的高压容器按照技术迭代可以分为：纯钢制金属瓶(ⅰ型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(ⅱ型)、铝内胆纤维缠绕瓶(ⅲ型)及塑料内胆纤维缠绕瓶(ⅳ型)。ⅰ型、ⅱ型储氢密度低、安全性能差，难以满足车载储氢密度要求。而凭借提高安全性、减轻重量、提高质量储氢密度等优势，ⅲ型瓶、ⅳ型瓶的车载应用已经较为广泛。相较ⅲ型瓶，ⅳ型瓶的塑料内胆完全颠覆了原有气瓶技术，凭借优异的抗氢脆腐蚀性、更轻的质量、更低的成本及更高的质量储氢密度与循环寿命，成为引领国际氢能汽车高压储氢容器发展方向的“新宠”。不过，由于标准法规推进难、技术工艺攻克难，长时间以来，我国ⅳ型瓶发展相对缓慢，目前还处于研发阶段，与该领域的国际水平仍有一定的差距。
4.例如公开号为cn103672387a的中国专利文献公开了一种70mpa高压车载铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶；该储氢气瓶包括铝合金内胆、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层；在铝合金内胆表面按照优化设计的铺层次序用浸渍树脂调节张力后的纤维进行缠绕，然后在该碳纤维缠绕层外表面上缠绕玻璃纤维抗冲击保护层，并在制造过程中采用“自紧”技术处理。
5.发明人发现，ⅳ型瓶的现有技术在应用于车载氢气存储的高压(一般为35mpa至70mpa)中，瓶体结构存在薄弱点，尤其是在吹塑工艺中，现有克服薄弱点的方式以及工艺对生产效率、良品率以及生产成本都造成了不小的影响。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本技术公开了高重量储氢率的储氢罐，包括用于收容介质的内胆、包裹于所述内胆的补强壳体以及联通所述内胆的内部与外界的瓶头，所述内胆通过吹塑工艺得到且所述内胆的内周面上设置通过合模挤压形成的加强筋，所述加强筋在所述内胆的轴向上延伸且朝向所述内胆的内部隆起，所述加强筋与合模线的位置对应；
7.所述内胆包括中部的等径段和位于两端的收拢段，在所述内胆的径向截面上，所述收拢段的起点和终点之间的连线为收拢母线，至少一个所述收拢段的外周面贴附于所述收拢母线实现收拢。
8.以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方
案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。
9.可选的，所述加强筋相较于所述内胆的内表面凸起的距离d1和所述内胆的平均壁厚h1之间的比值范围为0.5至1.3。
10.可选的，在所述内胆的横切面上，所述加强筋整体为贴附于所述内胆的内表面的半圆形，所述加强筋和所述内胆的内表面接触长度s1与所述内胆的平均壁厚h1之间的比值范围为1至5。
11.可选的，所述加强筋和所述内胆为相同材质且一体成型。
12.可选的，所述补强壳体包括绕设于所述内胆上的补强纤维，所述等径段上的补强壳体的厚度大于等于所述收拢段上的补强壳体的厚度。
13.可选的，所述瓶头上设有供所述补强纤维绕设的缩径部，所述缩径部的周向尺寸小于所述瓶头其他部位。
14.可选的，所述收拢母线与所述内胆的横切面之间夹角为收拢角，所述收拢角的范围为15度至60度。
15.可选的，所述内胆用于设置所述瓶头的一端包括
16.所述收拢段；
17.配合段，自所述收拢段缩径以实现与所述瓶头的密封配合。
18.可选的，所述配合段包括自与所述收拢段交界处延伸形成的平台部以及自所述平台部延伸至所述瓶头内部的密封部，所述瓶头与所述密封部密封配合。
19.可选的，所述瓶头的轴向端面与所述平台部相抵，所述瓶头的外周面的延伸趋势与对应的收拢段的延伸趋势匹配。
20.本技术公开的技术方案通过瓶体结构的优化，在保证生产效率的前提下有效提高了瓶体的耐压性能，同时为优化补强壳体的设置提供结构基础，从而实现重量降低，强度提高，实现高重量储氢率。
21.具体的有益技术效果将在具体实施方式中结合具体结构或步骤进一步阐释。
附图说明
22.图1为一实施例中储氢罐示意图；
23.图2为图1中的储氢罐的内胆和瓶头示意图；
24.图3为图1中的储氢罐的轴向切面示意图；
25.图4为现有技术中的储氢罐内胆和瓶头配合示意图；
26.图5为图4中储氢罐设置补强壳体示意图；
27.图6为本技术中的储氢罐内胆和瓶头配合示意图；
28.图7为图6中储氢罐设置补强壳体示意图；
29.图8为图3中的加强筋放大示意图；
30.图9为一实施例中吹塑设备示意图；
31.图10为一实施例中合模线处模具配合示意图；
32.图11为现有技术中合模线处模具配合示意图。
33.图中附图标记说明如下：
34.1、内胆；12、加强筋；13、合模线；14、等径段；15、收拢段；16、收拢母线；17、配合段；
171、平台部；172、密封部；
35.2、补强壳体；
36.3、瓶头；36、缩径部；
37.901、吹针；902、管胚；903、吹塑模具；9031、第一半模；9032、第二半模；9033、型腔；9034、贴靠段；9035、远离段；90351、第一空腔；9036、靠近段；90361、第二空腔；9037、平行段；9038、扩径段；9039、远离角；904、挤出机；905、挂料装置。
具体实施方式
38.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
41.参考附图1至附图8所示，本技术公开了高重量储氢率的储氢罐，包括用于收容介质的内胆1、包裹于内胆1的补强壳体2以及联通内胆1的内部与外界的瓶头3，内胆1通过吹塑工艺得到且内胆1的内周面上设置通过合模挤压形成的加强筋12，加强筋12在内胆1的轴向上延伸且朝向内胆1的内部隆起，加强筋12与合模线13的位置对应；
42.内胆1包括中部的等径段14和位于两端的收拢段15，在内胆1的径向截面上，收拢段15的起点和终点之间的连线为收拢母线16，至少一个收拢段15的外周面贴附于收拢母线16实现收拢。
43.现有技术中，为了实现更大的内部容积，内胆1的收拢段15整体形态接近于球形。本技术中，内胆1的至少一个收拢段15的延伸趋势相较于现有技术中更为“平坦”，即上文中提到的收拢段15的外周面贴附于收拢母线16实现收拢，能够更有利于补强壳体2的实现。整体上来看，本技术公开的技术方案通过瓶体结构的优化，在保证生产效率的前提下有效提高了瓶体的耐压性能，同时为优化补强壳体2的设置提供结构基础，从而实现重量降低，强度提高，实现高重量储氢率。
44.本技术中的，加强筋12和收拢段15的设置相对独立但是对于提高容器的重量储氢率具有相互协同的作用，为了更好的阐释，在下文中分别阐释。
45.首先阐述加强筋12的设置细节。在现有技术中，为了实现塑料制品的连接，常见连接方式包括热板、红外、摩擦以及激光，但是上述方案均存在焊缝强度较低(一般为本体强度的80％)，良率较低，存在缺陷风险等问题。同时上述工艺较为繁琐，对于生产效率造成了一定的影响。
46.发明人在设计过程中希望采用一体注塑的方式实现内胆1的整体制造，结合上述
问题，通过模具优化，实现了在合模过程中实现加强筋12的同步设置。相较于传统的补强结构而言，本技术的加强筋12通过模具合模过程同步实现，因此降低对于生产效率的影响。同时加强筋12设置在内胆1的内表面上，避免了对于补强壳体2以及产品整体外观的影响。通过上文不难理解的，在成型方式上，加强筋12和内胆1为相同材质且一体成型。该设置能够保证加强筋12和内胆1的结合强度。
47.经过多次试验以及反复验证，参考附图3和图8所示的实施例中，加强筋12相较于内胆1的内表面凸起的距离d1和内胆1的平均壁厚h1之间的比值范围为0.5至1.3。在内胆1的横切面上，加强筋12整体为贴附于内胆1的内表面的半圆形，加强筋12和内胆1的内表面接触长度s1与内胆1的平均壁厚h1之间的比值范围为1至5。本技术中，加强筋12与合模线13的位置对应，能够有效提高合模线13处的强度，兼顾了在保证合模过程中顺利实现以及保证强度需要，既满足了生产效率的需求，又克服了现有技术方案中内胆1薄弱点的问题。
48.在试验中，设有上述加强筋12的合模线13处的力学性能能够达到甚至超过内胆1其他部位的力学性能。在破坏试验中，内胆1的破裂位置为非合模线13处破裂，能够有效满足设计需要。
49.在加强筋12的实现方式上，可以参考附图9至附图11所示的吹塑设备以及生产工艺来实现，具体的，本技术还公开了高压容器高分子内胆的吹塑设备，包括
50.挤出机，用于将塑料颗粒加热挤出；
51.挂料装置，用于承接挤出机输送的物料并悬挂以形成管胚；
52.吹针，设置于挂料装置的下方，用于向管胚内注入流体介质；
53.模具，包括用于形成型腔的第一半模和第二半模，型腔在吹针的配合下将管胚塑形以得到预设形状的内胆；
54.第一半模和第二半模在合模处由内而外依次包括相对距离变化的贴靠段、远离段、靠近段，平行段以及扩径段。
55.参考附图11中的现有技术可知，现有技术中将多余的管胚切割以满足合模需求，但是会导致合模处强度不足的问题。本技术公开的技术方案通过生产设备以及生产方法的优化，在保证产品强度的同时提高生产效率，具有较高的推广价值。其中，于第一半模和第二半模在合模处刀口的优化设置能够在合模过程中提高密封效果，同时强化合模线部位的强度，从而在保证生产效率的同时提供性能更为优秀的高压容器内胆。在合模刀口的具体设置上，参考附图所示的实施例中，第一半模和第二半模在贴靠段中相互靠拢以封闭型腔，第一半模和第二半模自贴靠段和远离段分界线起逐渐远离以形成远离段。自贴靠段和远离段分界线起，第一半模和第二半模相对表面的夹角为远离角，远离角的范围为20度至45度。该设计主要用于实现对于切割物料的挤压，从而实现合模线的强化，例如本技术中提到的加强筋的实现。进一步的，第一半模和第二半模在远离段相互远离以形成第一空腔，第一半模和第二半模自远离段和靠近段分界线起逐渐靠近以形成靠近段；第一半模和第二半模在靠近段相互靠近以形成第二空腔，第一空腔和第二空腔相互联通。由内至外的方向上，第一空腔的等效长度为h1,第二空腔的等效长度为h2，平行段的等效长度为h3，其中(h1+h2)与h3之间的比值范围为0.8至1.2。第一半模和第二半模自靠近段和平行段分界线起平行延伸以形成平行段，平行段中，第一半模和第二半模之间的间距l1小于第一半模和第二半模位于远离段中的最大间距l2。第一半模和第二半模自平行段和扩径段分界线起扩径以形成扩
径段；扩径段中，第一半模和第二半模之间的距离l3大于等于最大间距l2。上述各参数的优化设置，能够更好将物料向型腔内部推进，从而实现对于合模线的加强。
56.贴靠段、远离段、靠近段，平行段以及扩径段在实际产品中中可以设置在本体上，也可以设置一单独的部件上。参考附图所示的实施例中，第一半模上设有第一刀口，第二半模上设有第二刀口，第一刀口和第二刀口由内而外边缘变化以形成贴靠段、远离段、靠近段，平行段以及扩径段。参考附图所示的实施例中，第一刀口和第二刀口对称设置。第一刀口和第二刀口与模具为一体化设置。
57.除了刀口的优化外，吹塑设备在设计上还优化了供料的温度管理。其中挤出机为三区螺杆，在进料方向上依次为下料段、压缩段以及计量段，并通过螺杆前室将加热后的物料提供至挂料装置内，精准控温的挤出机能够有效提高塑化质量，降低温度波动，减少材料降解以及提升材料性能。值得注意的是，本技术中的容器为大容量的高压容器，因此在挂料形成管胚过程中可能造成温度差。为了保证整体温度的稳定性，提高产品各部位的一致性，吹针上设有温度传感器以及控温组件，用于同步管胚的上下端温度。
58.基于上文公开的吹塑设备，本技术还公开了高压容器高分子内胆的生产方法，其中包括
59.通过挤出机和挂料装置下垂筒胚；
60.合模并通过吹针注入流体，模具的第一半模和第二半模通过相对距离变化的贴靠段、远离段、靠经段，平行段驱使筒胚在局部堆积，使得在所述内胆的内周面上挤压形成的加强筋，所述加强筋在所述内胆的轴向上延伸且朝向所述内胆的内部隆起，所述加强筋与合模线的位置对应；
61.通过模具内的型腔将所述筒胚塑化形成中部等径、两端收拢的内胆；
62.在所述内胆上安装瓶头以及绕设补强纤维以得到高压容器。
63.不难理解的，本技术还公开了压力容器的生产方法，包括：
64.通过吹塑工艺得到储氢罐的内胆，在合模过程中在内胆的内周面上挤压形成的加强筋，加强筋在内胆的轴向上延伸且朝向内胆的内部隆起，加强筋与合模线的位置对应；
65.通过模具内的型腔形成中部等径、两端收拢的内胆，内胆包括中部的等径段和位于两端的收拢段，在内胆的径向截面上，收拢段的起点和终点之间的连线为收拢母线，至少一个收拢段的外周面贴附于收拢母线实现收拢；
66.在内胆上安装瓶头以及绕设补强纤维以得到储氢罐。
67.在实际产品中，内胆1主要起到密封的作用，压力主要通过补强壳体2来承受。参考附图7所示的实施例中，补强壳体2包括绕设于内胆1上的补强纤维，等径段14上的补强壳体2的厚度h2大于等于收拢段15上的补强壳体2的厚度h3。厚度h3能够小于等于厚度h2的设置得益于收拢段15的平坦设计，即上文中提到的收拢段15的外周面贴附于收拢母线16实现收拢。具体的，参考附图所示的实施例中，收拢母线16与内胆1的横切面之间夹角为收拢角，收拢角的范围为15度至60度。在该设置下，能够在保证强度的情况下降低位于收拢段15上的补强壳体2，从而实现厚度h3能够小于等于厚度h2的技术方案。
68.在补强壳体2的实现方式上，本实施例中采用补强纤维缠绕的方式。在本实施例中，“平坦”的收拢段15有利于补强纤维的绕设，尤其是在内胆1轴向上的环状绕设，实现补强纤维对于收拢段15的强化。在绕设细节上，环状绕设的补强纤维设置在补强壳体2的内
层，即贴靠于内胆1的外周面设置。
69.同时，瓶头3也具有协同的优化设置，参考附图所示的实施例中，瓶头3上设有供补强纤维绕设的缩径部36，缩径部36的周向尺寸小于瓶头3其他部位。缩径部36能够有利于补强纤维实现瓶头3、内胆1以及补强壳体2的嵌合装配，提高强度。
70.在内胆1和瓶头3的配合细节上，参考附图所示的实施例中，内胆1用于设置瓶头3的一端包括：
71.收拢段15；
72.配合段17，自收拢段15缩径以实现与瓶头3的密封配合。
73.配合段17主要作用用于实现与瓶头3的装配以及瓶头3的密封。在实现细节上，配合段17包括自与收拢段15交界处延伸形成的平台部171以及自平台部171延伸至瓶头3内部的密封部172，瓶头3与密封部172密封配合。其中平台部171主要实现与瓶头3的装配，密封部172主要实现与瓶头3的密封。瓶头3的轴向端面与平台部171相抵，瓶头3的外周面的延伸趋势与对应的收拢段15的延伸趋势匹配。
74.加强筋12和收拢段15的平坦设置除了原理上的相互协同外，在结构上也有相互作用。在一实施例中，加强筋12至少一部分设置在收拢段15的内侧，能够在实现上述提高内胆强度功能外，还能够提高收拢段15的刚性，从而提高整体外形的精准度，为缠绕层的精准优化提供基础。
75.综上所述，本技术公开的储氢罐能够有效提高重量储氢率，满足相同指标的前提下，其中“平坦”设置的收拢部能够减少10％以上的环状绕设的补强纤维，以及20％以上的螺旋绕设(缠绕方向与环状绕设相交)的补强纤维。在实际产品试制中，在满足70mpa的压力以及其他使用要求的前提下，现有技术中的技术方案的补强壳体2平均厚度为31毫米，容器整体重量为49公斤，重量储氢率为4.8％。本技术中的技术方案补强壳体2平均厚度为21毫米，容器整体重量为39公斤，重量储氢率为6.3％。
76.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。
77.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。