一种IV型储氢瓶双向贯穿式金属瓶口结构

一种ⅳ型储氢瓶双向贯穿式金属瓶口结构
技术领域
1.本发明属于高压复合储氢容器技术领域，特别涉及一种ⅳ型储氢瓶双向贯穿式金属瓶口结构。


背景技术：

2.在“30
·
60”目标背景下，氢能被越来越多的关注并应用于国民生产生活中，并将成为我国能源体系的重要组成部分。在氢能源产业链的核心环节—储、运、用中，储氢瓶是该环节最关键也是最为薄弱的部件之一，特别是对于新一代ⅳ型储氢瓶的设计与研究还有待进一步完善。
[0003]ⅳ型储氢瓶是由塑料内胆和金属瓶口等部件组合而成的新型储氢气瓶，其具有轻量化、成本低、储氢质量比密度高、承压能力高等优异特点。但由于塑料内胆与金属瓶口不同材料之间的连接很可能不够紧密，如果设计不当，会造成氢气的泄漏，进而会对人们生命财产安全造成严重威胁。因此，设计密封可靠的瓶口结构对ⅳ型储氢瓶的安全性非常重要，也是当前ⅳ型储氢瓶研究的重点。
[0004]
目前国内外已经开展了一些储氢瓶的瓶口设计，如中国专利zl202111001227.4通过紧固连接结构和止转结构来实现金属瓶口和塑料内胆连接的可靠性，设置八角垫和o形圈保证了瓶口的密封性；中国专利zl202111001227.4利用压盖、塑料内胆和阀座配合形成的卡扣结构以及迷宫密封和锥面密封来提高瓶口的可靠性和密封性，美国专利us7731051b2通过设置螺栓和衬套与塑料内胆过盈来确保衬套与塑料内胆的连接强度和密封性能。由此可知，目前对于金属瓶口和塑料内胆连接形式和密封形式设计多样，但在苛刻的高压(70mpa)变温环境下，ⅳ型储氢瓶的瓶口结构仍暴露出塑料内胆与金属瓶口连接不稳定、密封效果差、抗压力冲击和温度交变能力差等问题。
[0005]
综上所述，亟需设计一种具有连接强度高、密封性能好、抗多变工况和动态冲击能力强的ⅳ型储氢瓶金属瓶口结构，以增强ⅳ型储氢瓶的安全性及可靠性，大大提高ⅳ型储氢瓶的使用寿命。


技术实现要素：

[0006]
为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种ⅳ型储氢瓶双向贯穿式金属瓶口结构。本发明主要采用塑料内胆沿轴、径向贯穿金属阀座的一体式结构辅以多重锥面密封的形式，通过紧密配合实现塑料内胆和金属阀座之间的三向高强度捆绑连接，提高塑料内胆和金属阀座的结合效果和密封可靠性，同时具有较好的抗交变工况及动态冲击的能力，使得塑料内胆与金属阀座之间的结合更加可靠、稳定，在多变的压力和温度工况以及动态冲击作用下具有良好的适应性。
[0007]
本发明采用的技术方案是：
[0008]
一种ⅳ型储氢瓶双向贯穿式金属瓶口结构，其特征在于，包括金属阀座、塑料内胆和纤维缠绕层；
[0009]
所述金属阀座包括环形凸缘、阀座柱段和阀座延伸部，内侧开设阀座孔；所述阀座柱段开设有l形通孔和径向贯穿孔；所述l形通孔水平段沿径向开设在阀座柱段，竖直段沿轴向开设在阀座延伸部；所述阀座延伸部沿轴向开设有轴向贯穿孔，外柱面开设周向凹槽，轴向贯穿孔与周向凹槽垂直相连通；阀座延伸部的上表面设有斜面。所述阀座延伸部上部设置缠绕锥面用于纤维缠绕过渡，下部设置自紧锥面；
[0010]
所述阀座孔为不规则通孔，从上到下依次包括阀座第一柱面、阀座第一锥面、阀座螺纹面、环形凹槽、阀座第二锥面、阀座第二柱面；所述阀座第二柱面分别与l形通孔、径向贯穿孔连通；
[0011]
所述塑料内胆包括内塑料接头、外塑料接头、锥形连接段、l形连接体、径向连接体、轴向连接体和加强段，所述内塑料接头、外塑料接头通过锥形连接段相连；所述内塑料接头被夹持于金属阀座与瓶阀之间，上部的喇叭口形环状凸台紧密卡嵌于环形凹槽内部；所述喇叭形环状凸台的外锥面紧密贴合于阀座第二锥面；所述内塑料接头的上端与阀座螺纹面的下端平齐，外表面紧密贴合于阀座孔的表面，底部包覆于阀座柱段的下部；所述l形连接体卡嵌于l形通孔内部，径向连接体卡嵌于径向贯穿孔内部；所述内塑料接头下部、l形连接体和径向连接体围合成“日”字形捆绑结构，将阀座柱段下部内外包裹；所述锥形连接段紧密贴合于自紧锥面；
[0012]
所述外塑料接头包括上部的第一端部接头和下部的第二端部接头，所述第一端部接头的上端与缠绕锥面的下端平齐，紧密贴合于斜面，并向下延伸与第二端部接头相连；所述轴向连接体卡嵌于轴向贯穿孔内部，加强段卡嵌于周向凹槽内部；所述第一端部接头、第二端部接头、轴向连接体和加强段围合成捆绑结构，将阀座延伸部外侧上下包裹；
[0013]
所述纤维缠绕层缠绕在塑料内胆及金属阀座的外壁面。
[0014]
进一步的，所述阀座第一锥面与阀座第二锥面角度相同，均为15～45
°
。
[0015]
进一步的，所述斜面角度为15～30
°
。
[0016]
进一步的，所述缠绕锥面与自紧锥面角度相同，均为15～45
°
。
[0017]
进一步的，所述l形通孔开设4～8个。
[0018]
进一步的，所述径向贯穿孔开设1～3层，每层4～8个。
[0019]
进一步的，所述轴向贯穿孔开设4～8个。
[0020]
进一步的，所述金属阀座采用铝合金材质；所述纤维缠绕层内层为碳纤维，外层为玻璃纤维保护层。
[0021]
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0022]
⑴
本发明主要采用塑料内胆贯穿金属阀座的一体式结构形式，利用多维的轴向和径向贯穿孔以及l形通孔设置，形成塑料内胆和金属阀座的上、下、内、外多方位紧密捆绑结构，大大提高了塑料内胆和金属阀座的连接强度，使得塑料内胆与金属阀座之间的结合更加可靠、稳定，在多变的压力和温度工况以及动态冲击作用下具有良好的适应性；
[0023]
⑵
本发明中金属阀座内设的阀座孔中、下段采用了喇叭口型结构与径向贯穿孔-l型通孔组合式开孔的巧妙设计，塑料内胆内接头上端形成渐变环形凸台，并向下延续与阀座孔下端均布的多个“日”字形捆绑结构相连接，有效实现了瓶阀安装过程中和复杂充、放压情况下塑料内胆和金属阀座始终保持紧密贴合；
[0024]
⑶
本发明中金属阀座延伸部外侧采用轴向贯穿孔和周向凹槽的设计，塑料内胆外
接头呈多层包覆于金属阀座延伸部的上、中、下部，通过联合外径侧均布的多个捆绑结构，进一步提升金属阀座与塑料内胆的抗外界动态干扰能力，同时金属阀座内外连接段以及延伸部上表面均设置有锥面，有效延长了塑料内胆和金属阀座之间的泄漏路径，充分保证了塑料内胆和金属阀座的自紧式优良密封。
附图说明
[0025]
图1为本发明的整体结构示意图；
[0026]
图2为本发明的金属阀座结构示意图；
[0027]
图3为本发明的金属阀座三维结构示意图；
[0028]
图4为本发明的塑料内胆结构示意图；
[0029]
附图标记说明：
[0030]
金属阀座1；环形凸缘11；阀座柱段12；l形通孔121；径向贯穿孔122；阀座延伸部13；轴向贯穿孔131；周向凹槽132；斜面133；缠绕锥面134；自紧锥面135；阀座孔14；阀座第一柱面141；阀座第一锥面142；阀座螺纹面143；环形凹槽144；阀座第二锥面145；阀座第二柱面146；塑料内胆2；内塑料接头21；喇叭口环状凸台211；外塑料接头22；第一端部接头221；第二端部接头222；锥形连接段23；l形连接体24；径向连接体25；轴向连接体26；周向加强段27；纤维缠绕层3。
具体实施方式
[0031]
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
[0032]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]
下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
[0034]
参考图1至图4，本发明的一种ⅳ型储氢瓶双向贯穿式金属瓶口结构，包括金属阀座1、塑料内胆2和纤维缠绕层3；所述金属阀座1包括环形凸缘11、阀座柱段12和阀座延伸部13，内侧开设阀座孔14；所述阀座柱段12开设有l形通孔121和径向贯穿孔122；所述l形通孔121水平段沿径向开设在阀座柱段12，竖直段沿轴向开设在阀座延伸部13；所述阀座延伸部13沿轴向开设有轴向贯穿孔131，外柱面开设周向凹槽132，轴向贯穿孔131与周向凹槽132垂直相连通；阀座延伸部13的上表面设有斜面133。所述阀座延伸部13上部设置缠绕锥面134用于纤维缠绕过渡，下部设置自紧锥面135。
[0035]
所述阀座孔14为不规则通孔，从上到下依次包括阀座第一柱面141、阀座第一锥面142、阀座螺纹面143、环形凹槽144、阀座第二锥面145、阀座第二柱面146；所述阀座第二柱面146分别与l形通孔121、径向贯穿孔122连通。
[0036]
所述塑料内胆2包括内塑料接头21、外塑料接头22、锥形连接段23、l形连接体24、径向连接体25、轴向连接体26和加强段27，所述内塑料接头21、外塑料接头22通过锥形连接段23相连。所述内塑料接头21被夹持于金属阀座1与瓶阀之间，上部的喇叭形环状凸台211紧密卡嵌于环形凹槽144内部。所述喇叭形环状凸台211的外锥面紧密贴合于阀座第二锥面145。所述内塑料接头21的上端与阀座螺纹面143的下端平齐，外柱面紧密贴合于阀座孔14
的表面，底部包覆于阀座柱段12的下部。所述l形连接体24卡嵌于l形通孔121内部，径向连接体25卡嵌于径向贯穿孔122内部。所述内塑料接头21下部、l形连接体24和径向连接体25围合成“日”字形捆绑结构，将阀座柱段12下部内外包裹。所述锥形连接段23紧密贴合于自紧锥面135。
[0037]
所述外塑料接头22包括上部的第一端部接头221和下部的第二端部接头222，所述第一端部接头221的上端与缠绕锥面134的下端平齐，紧密贴合于斜面133，并向下延伸与第二端部接头222相连。所述轴向连接体26卡嵌于轴向贯穿孔131内部，加强段27卡嵌于周向凹槽132内部。所述第一端部接头221、第二端部接头222、轴向连接体26和加强段27围合成捆绑结构，将阀座延伸部13外侧上下包裹。
[0038]
所述纤维缠绕层3缠绕在塑料内胆2及金属阀座1的外壁面。
[0039]
所述金属阀座1与模具装配后放置到模腔中，所述塑料内胆2通过注塑进入金属阀座1与模具之间的间隙以及l形通孔121、径向贯穿孔122、轴向贯穿孔131和周向凹槽132内部形成一体式双向贯穿结构，而后将模具拔模。将所述纤维缠绕层3缠绕在塑料内胆2及金属阀座1的外壁面。
[0040]
所述阀座第一锥面142与阀座第二锥面245角度相同，均为15～45
°
。
[0041]
所述斜面133角度为15～30
°
。
[0042]
所述缠绕锥面134与自紧锥面135角度相同，均为15～45
°
。
[0043]
所述l形通孔121开设4～8个。
[0044]
所述径向贯穿孔122开设1～3层，每层4～8个。
[0045]
所述轴向贯穿孔131开设4～8个。
[0046]
所述金属阀座2采用铝合金材质。
[0047]
所述纤维缠绕层4内层为碳纤维，外层为玻璃纤维保护层。
[0048]
本发明的工作原理如下：
[0049]
一种ⅳ型储氢瓶双向贯穿式金属瓶口结构，主要采用塑料内胆沿轴、径向贯穿金属阀座的一体式结构辅以多重锥面密封的形式，巧妙实现金属阀座与塑料内胆之间的三向高强度捆绑连接与紧密配合，提高塑料内胆和金属阀座的结合效果和密封可靠性，同时具有较好的抗交变工况及动态冲击的能力。
[0050]
塑料内胆2由内塑料接头21、外塑料接头22以及各连接体组成。内塑料接头21被夹持在金属阀座1与瓶阀之间。内塑料接头21借由l形连接体24和径向连接体25多方位双向贯穿于阀座柱段12内部开设的l形通孔121和径向贯穿孔122，围合在阀座柱段12下部形成“日”字形捆绑结构。外塑料接头22沿轴向包括上部的第一端部接头221和下部的第二端部接头222，第一端部接头221和第二端部接头222借由轴向连接体26和加强段27多方位双向贯穿于阀座延伸部13外侧开设的轴向贯穿孔131和周向凹槽132，围合在阀座延伸部13外侧形成捆绑结构。最终使得塑料内胆2不仅可以紧密包覆于金属阀座1的外侧，而且与金属阀座内、外两侧之间形成径向、轴向和周向捆绑，提高了金属阀座1和塑料内胆2的结合强度，在三向稳定约束下，瓶口结构对压力或温度突变的适应性大大增强。
[0051]
另外，金属阀座1、塑料内胆2和瓶阀之间设置了多重的锥面密封、螺纹连接以及包裹卡嵌的配合形式，用来延长内部氢气的泄漏路径、提高金属阀座和塑料内胆连接的可靠性，以确保储氢瓶具有良好的密封性，大大提升储氢瓶的使用寿命。金属阀座1通过上部的
阀座螺纹面143与瓶阀配合连接，内塑料接头21上部的喇叭形环状凸台211卡嵌于环形凹槽144内部，并紧密贴合于阀座第二锥面145，在保证注塑过程顺利进行的同时增强塑料内胆2与金属阀座1之间的卡嵌与密封效果。所述内塑料接头21、外塑料接头22通过锥形连接段23相连，紧密贴合阀座延伸部13下部的自紧锥面135，联合阀座延伸部13的上部的斜面133和缠绕锥面134来共同保证金属阀座1与塑料内胆2的贴合程度，强化密封效果。
[0052]
纤维缠绕层3一般分为环向缠绕层和纵向缠绕层，内层的碳纤维缠绕在金属阀座1和塑料内胆2的外壁面，而后在碳纤维上缠绕外层玻璃纤维。
[0053]
储氢瓶中的气体泄漏一般有两种路径，一种是通过瓶阀泄漏，另一种是金属阀座与塑料内胆的连接间隙泄漏。储氢瓶往往会面临压力变化和温度交变的工作环境，甚至承受动态冲击的影响，在这种复杂工况下，容易造成塑料内胆和金属阀座连接不稳定，造成氢气的泄漏，本发明正是对金属阀座与塑料内胆的连接和密封形式做出的改进。对于金属阀座1与塑料内胆2连接处的泄漏：本发明采用一体式双向贯穿式包裹结构，分别在阀座柱段和延伸部形成多位点捆绑结构，不仅保证了塑料内胆和金属阀座的连接强度，避免了两种材料之间容易出现的脱嵌剥离等情况，而且有效延长了氢气泄漏路径，再辅以多处锥面密封，确保金属阀座1与塑料内胆2之间的密封可靠性和动态稳定性。
[0054]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0055]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0056]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0057]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0058]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0059]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。