CN107990143A - 一种车用全复合高压储气瓶 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车用全复合高压储气瓶，解决现有技术价格昂贵、耐疲劳性差、以及尺寸不灵活的问题。本发明包括前端设封头及后端设封尾用于盛储高压气体的塑料内胆，与塑料内胆的前端封头螺纹连接的金属瓶口，与塑料内胆的后端封尾螺纹连接的金属瓶尾，缠绕于塑料内胆外周用于增强塑料内胆强度的碳纤维强度层组，以及缠绕于碳纤维强度层组外周用于保护碳纤维强度层组的玻璃纤维保护层组；金属瓶口的外壁上和金属瓶尾的外壁上分别设有瓶口挡槽和瓶尾挡槽。本发明结构简单，设计科学合理，制作成本低廉，耐疲劳性好，尺寸灵活，可适用大容量的容器，同时还能耐腐蚀性气体。

Description

一种车用全复合高压储气瓶
技术领域
本发明属于高压气瓶技术领域，具体涉及一种车用全复合高压储气瓶。
背景技术
随着CNG和H2汽车的发展，CNG和H2气瓶已经得到了进一步发展，但目前的车用高压气瓶主要是采用金属内胆，金属内胆具有强度高的特性，然而其价格一般比较昂贵，耐疲劳性差并且尺寸不灵活，对于大容量的容器所受限制较多，因此，提供一种车用高压复合储气瓶，以解决上述技术问题成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种车用全复合高压储气瓶，解决现有技术价格昂贵、耐疲劳性差、以及尺寸不灵活的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种车用全复合高压储气瓶，包括前端设封头及后端设封尾用于盛储高压气体的塑料内胆，与所述塑料内胆的前端封头螺纹连接的金属瓶口，与所述塑料内胆的后端封尾螺纹连接的金属瓶尾，缠绕于所述塑料内胆外周用于增强所述塑料内胆强度的碳纤维强度层组，以及缠绕于所述碳纤维强度层组外周用于保护所述碳纤维强度层组的玻璃纤维保护层组；所述金属瓶口的外壁上和所述金属瓶尾的外壁上分别设有瓶口挡槽和瓶尾挡槽，并且所述瓶口挡槽和所述瓶尾挡槽上均由内之外依次缠绕有所述碳纤维强度层组和所述玻璃纤维保护层组，以将所述塑料内胆分别与所述金属瓶口和所述金属瓶尾固定成型，在所述复合气瓶两端受到碰撞时，使碰撞力直接作用于所述金属瓶口或所述金属瓶尾以防止碰撞力直接作用于所述塑料内胆而损坏复合气瓶。
进一步地，所述碳纤维强度层组包括采用树脂基体浸渍过的碳纤维横向缠绕于所述塑料内胆上的碳纤维横向缠绕强度层、采用树脂基体浸渍过的碳纤维纵向缠绕于所述碳纤维横向缠绕强度层上的碳纤维纵向缠绕强度层、以及采用树脂基体浸渍过的碳纤维螺旋缠绕于所述碳纤维纵向缠绕强度层上的碳纤维螺旋缠绕强度层。
进一步地，所述玻璃纤维保护层组包括采用玻璃纤维螺旋缠绕于所述碳纤维螺旋缠绕强度层上的玻璃纤维螺旋缠绕保护层，以及采用玻璃纤维横向缠绕于所述玻璃纤维螺旋缠绕保护层上的玻璃纤维横向缠绕保护层。
进一步地，所述塑料内胆的内壁上设有与所述金属瓶口相配合的密封环，用于对所述塑料内胆和所述金属瓶口之间进行密封以防止所述塑料内胆内的高压气体从所述塑料内胆和所述金属瓶口之间泄漏。
进一步地，所述金属瓶口包括与所述塑料内胆前端封头螺纹连接的瓶口内连接部和与瓶口外接工装连接的瓶口外连接部，所述瓶口内连接部和所述瓶口外连接部为一体式结构；所述塑料内胆的前端封头向内凹陷有与所述瓶口内连接部相匹配的封头凹槽，所述瓶口内连接部螺纹连接于所述封头凹槽内，所述瓶口内连接部的外侧壁与所述瓶口外连接部的外壁之间形成向内凹陷的瓶口挡槽。
进一步地，所述金属瓶尾包括与所述塑料内胆后端封尾螺纹连接的瓶尾内连接部和与瓶尾外接工装连接的瓶尾外连接部，所述瓶尾内连接部和所述瓶尾外连接部为一体式结构；所述塑料内胆的后端封尾向内凹陷有与所述瓶尾内连接部相匹配的封尾凹槽，所述瓶尾内连接部螺纹连接于所述封尾凹槽内，所述瓶尾内连接部的外侧壁与所述瓶尾外连接部的外壁之间形成向内凹陷的瓶尾挡槽。
进一步地，所述瓶口外连接部的外端开设有与瓶口外接工装相匹配的瓶口凹槽，并且该瓶口凹槽的内壁上设有瓶口外接内螺纹，所述瓶口外接内螺纹用于使所述金属瓶口与瓶口外接工装进行螺纹连接。
进一步地，所述瓶尾外连接部的外端开设有与瓶尾外接工装相匹配的瓶尾凹槽，并且该瓶尾凹槽的内壁上设有瓶尾外接内螺纹，所述瓶尾外接内螺纹用于使所述金属瓶尾与瓶尾外接工装进行螺纹连接。
进一步地，所述塑料内胆由塑料吹塑或滚塑成型，并且其容积为46-450L。
进一步地，所述塑料内胆的工作压力为20MPa-70MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明结构简单，设计科学合理，制作成本低廉，耐疲劳性好，尺寸灵活，可适用大容量的容器，同时还能耐腐蚀性气体。
(2)本发明采用塑料内胆，制作成本低廉，耐疲劳性好，尺寸灵活，可适用大容量的容器，同时还可耐腐蚀性及湿气，有效地增强了塑料内胆的强度，提高了瓶口的密封性能，同时增加了内胆轴向强度和环向强度，便于内胆缠绕过程中安装于缠绕设备上而不变形，有效延长了塑料内胆使用寿命。
(3)本发明在塑料内胆上缠绕碳纤维强度层组，有效增强了塑料内胆的轴向强度和环向强度；同时在碳纤维强度层组上缠绕有玻璃纤维保护层组，可有效对碳纤维强度层组起到保护作用，防止空气中的湿气以及具有腐蚀性的物质侵蚀碳纤维强度层组，有效延长了塑料内胆使用寿命。
(4)本发明设置有金属瓶口和金属瓶尾，并通过碳纤维强度层组和玻璃纤维保护层组将塑料内胆分别与金属瓶口和金属瓶尾固定成型，使得整个缠绕气瓶作为一个整体，有效地提高了气瓶的结构稳定性，耐压性和密封性。
(5)本发明通过设置密封环对塑料内胆和金属瓶口之间进行密封，以防止塑料内胆内的高压气体从塑料内胆和金属瓶口之间泄漏，密封性能良好。
(6)本发明通过设置金属瓶尾，并固定于塑料内胆尾部，增加了塑料内胆尾部的强度。有效地缓解缠绕过程中缠绕设备对塑料内胆的顶力，保护塑料内胆使其变形量减到最少。
(7)本发明在瓶口外连接部和瓶尾外连接部上分别设与瓶口外接工装相匹配的瓶口凹槽和与瓶尾外接工装相匹配的瓶尾凹槽，可以有效、简单、稳固地与瓶口外接工装或瓶尾外接工装进行连接，使本发明在使用时更加安全方便。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1的C部放大图。
图3为图1的D部放大图。
图4为本发明金属瓶口示意图。
图5为本发明金属瓶尾示意图。
图6为本发明碳纤维强度层组结构示意图。
图7为本发明玻璃纤维保护层组结构示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-金属瓶口、2-金属瓶尾、3-塑料内胆、4-碳纤维强度层组、5-玻璃纤维保护层组、6-密封环、7-瓶口挡槽、8-瓶尾挡槽、11-瓶口内连接部、12-瓶口外连接部、13-挡圈、21-瓶尾内连接部、22-瓶尾外连接部、41-碳纤维横向缠绕强度层、42-碳纤维纵向缠绕强度层、43-碳纤维螺旋缠绕强度层、51-玻璃纤维螺旋缠绕保护层、52-玻璃纤维横向缠绕保护层。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1-7所示，本发明提供的一种车用全复合高压储气瓶，结构简单，设计科学合理，制作成本低廉，耐疲劳性好，尺寸灵活，可适用大容量的容器，同时还能耐腐蚀性气体。本发明包括前端设封头及后端设封尾用于盛储高压气体的塑料内胆3，与所述塑料内胆3的前端封头螺纹连接的金属瓶口1，与所述塑料内胆3的后端封尾螺纹连接的金属瓶尾2，缠绕于所述塑料内胆3外周用于增强所述塑料内胆3强度的碳纤维强度层组4，以及缠绕于所述碳纤维强度层组4 外周用于保护所述碳纤维强度层组4的玻璃纤维保护层组5；所述金属瓶口1的外壁上和所述金属瓶尾2的外壁上分别设有瓶口挡槽7和瓶尾挡槽8，并且所述瓶口挡槽7和所述瓶尾挡槽8上均由内之外依次缠绕有所述碳纤维强度层组4 和所述玻璃纤维保护层组5，以将所述塑料内胆3分别与所述金属瓶口1和所述金属瓶尾2固定成型，在所述复合气瓶两端受到碰撞时，使碰撞力直接作用于所述金属瓶口1或所述金属瓶尾2以防止碰撞力直接作用于所述塑料内胆3而损坏复合气瓶。
本发明采用塑料内胆，制作成本低廉，耐疲劳性好，尺寸灵活，可适用大容量的容器，同时还可耐腐蚀性及湿气，有效地增强了塑料内胆的强度，提高了瓶口的密封性能，同时增加了内胆轴向强度和环向强度，便于内胆缠绕过程中安装于缠绕设备上而不变形，有效延长了塑料内胆使用寿命。
本发明所述碳纤维强度层组4包括采用树脂基体浸渍过的碳纤维横向缠绕于所述塑料内胆3上的碳纤维横向缠绕强度层41、采用树脂基体浸渍过的碳纤维纵向缠绕于所述碳纤维横向缠绕强度层41上的碳纤维纵向缠绕强度层42、以及采用树脂基体浸渍过的碳纤维螺旋缠绕于所述碳纤维纵向缠绕强度层42上的碳纤维螺旋缠绕强度层43。
本发明所述玻璃纤维保护层组5包括采用玻璃纤维螺旋缠绕于所述碳纤维螺旋缠绕强度层43上的玻璃纤维螺旋缠绕保护层51，以及采用玻璃纤维横向缠绕于所述玻璃纤维螺旋缠绕保护层51上的玻璃纤维横向缠绕保护层52。
本发明在塑料内胆上缠绕碳纤维强度层组，有效增强了塑料内胆的轴向强度和环向强度；同时在碳纤维强度层组上缠绕有玻璃纤维保护层组，可有效对碳纤维强度层组起到保护作用，防止空气中的湿气以及具有腐蚀性的物质侵蚀碳纤维强度层组，有效延长了塑料内胆使用寿命。
本发明所述塑料内胆3的内壁上设有与所述金属瓶口1相配合的密封环6，用于对所述塑料内胆3和所述金属瓶口1之间进行密封以防止所述塑料内胆3 内的高压气体从所述塑料内胆3和所述金属瓶口1之间泄漏。
本发明所述金属瓶口1包括与所述塑料内胆3前端封头螺纹连接的瓶口内连接部11和与瓶口外接工装连接的瓶口外连接部12，所述瓶口内连接部11和所述瓶口外连接部12为一体式结构；所述塑料内胆3的前端封头向内凹陷有与所述瓶口内连接部11相匹配的封头凹槽，所述瓶口内连接部11螺纹连接于所述封头凹槽内，所述瓶口内连接部11的外侧壁与所述瓶口外连接部12的外壁之间形成向内凹陷的瓶口挡槽7。
本发明所述金属瓶尾2包括与所述塑料内胆3后端封尾螺纹连接的瓶尾内连接部21和与瓶尾外接工装连接的瓶尾外连接部22，所述瓶尾内连接部21和所述瓶尾外连接部22为一体式结构；所述塑料内胆3的后端封尾向内凹陷有与所述瓶尾内连接部21相匹配的封尾凹槽，所述瓶尾内连接部21螺纹连接于所述封尾凹槽内，所述瓶尾内连接部21的外侧壁与所述瓶尾外连接部22的外壁之间形成向内凹陷的瓶尾挡槽8。
本发明设置有金属瓶口和金属瓶尾，并通过碳纤维强度层组和玻璃纤维保护层组将塑料内胆分别与金属瓶口和金属瓶尾固定成型，使得整个缠绕气瓶作为一个整体，有效地提高了气瓶的结构稳定性，耐压性和密封性。
本发明通过设置密封环对塑料内胆和金属瓶口之间进行密封，以防止塑料内胆内的高压气体从塑料内胆和金属瓶口之间泄漏，密封性能良好。
本发明通过设置金属瓶尾，并固定于塑料内胆尾部，增加了塑料内胆尾部的强度。有效地缓解缠绕过程中缠绕设备对塑料内胆的顶力，保护塑料内胆使其变形量减到最少。
本发明所述瓶口外连接部12的外端开设有与瓶口外接工装相匹配的瓶口凹槽，并且该瓶口凹槽的内壁上设有瓶口外接内螺纹，所述瓶口外接内螺纹用于使所述金属瓶口1与瓶口外接工装进行螺纹连接。
本发明所述瓶尾外连接部22的外端开设有与瓶尾外接工装相匹配的瓶尾凹槽，并且该瓶尾凹槽的内壁上设有瓶尾外接内螺纹，所述瓶尾外接内螺纹用于使所述金属瓶尾2与瓶尾外接工装进行螺纹连接。
本发明在瓶口外连接部和瓶尾外连接部上分别设与瓶口外接工装相匹配的瓶口凹槽和与瓶尾外接工装相匹配的瓶尾凹槽，可以有效、简单、稳固地与瓶口外接工装或瓶尾外接工装进行连接，使本发明在使用时更加安全方便。
本发明所述塑料内胆3由塑料吹塑或滚塑成型，所用的塑料可以是高密度聚乙烯HDPE或尼龙PA或多层粘接结构，并且其容积为46-450L、工作压力为 20MPa-70MPa，塑料内胆的容积和工作压力适用范围广，尺寸灵活度大。
为了使本领域技术人员更加清楚的理解本发明，以下将本发明的制作流程做一个简要阐述。
首先，采用塑料(可以是高密度聚乙烯(HDPE)或尼龙(PA)或多层粘接结构中的一种)以吹塑或滚塑的方式将塑料内胆3加工成型，为储存压缩天然气或者氢气或者其他气体提供空间，与充装介质直接接触，起密封闭气作用，不承担压力。
当塑料内胆3成型后，通过火焰法对其表面进行表面处理，达到增大塑料内胆表面的表面张力的目的，使其与胶液体系的表面张力接近，一般塑料的表面张力约30达因，通过火焰法表面处理后使其表面张力提高至40达因以上(与胶液体系固化后表面张力接近)，使两者界面能够更好的结合，方法是采用大约 1800°火焰，瞬间对塑料内胆3表面进行处理，提高其表面能。
当塑料内胆3在表面处理后，下一步就是安装金属瓶口1和金属瓶尾2，其目的是增加塑料内胆瓶尾和瓶口的强度，特别是增强塑料内胆3瓶口强度及密封性能。在车床上将金属瓶口1和金属瓶尾2按要求加工出所需螺纹，将金属瓶口1和金属瓶尾2分别装入封头凹槽和封尾凹槽，组装完成后内胆整体进行密封性检测，内胆在内压0.2Mpa下无泄漏，保证密封性，使气体在瓶内的渗透率满足要求。
当整体内胆进行密封性试验后，在塑料内胆3内部充装压缩空气，防止塑料内胆3在安装于缠绕设备和缠绕过程中发生变形。
碳纤维强度层组4缠绕在塑料内胆3的外表面，使用浸渍了树脂基体的碳纤维对塑料内胆3从内之外依次进行横向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕，分别形成碳纤维横向缠绕强度层41、碳纤维纵向缠绕强度层42、碳纤维螺旋缠绕强度层43，缠绕时浸润有树脂基体的碳纤维上施加有预设的张力。具体缠绕中，首先在塑料内胆3的两端装上与缠绕机、固化炉配套的工装，将碳纤维浸渍树脂基体后，预设一定的张力缠绕在塑料内胆3的筒体和封头封尾上，根据高压复合储气瓶的设计铺层厚度，由内之外依次进行横向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕，多层覆盖，交替缠绕，这样碳纤维能够均衡承载轴向强度和环向强度，有效保证气瓶的使用寿命。
由于全复合高压储气瓶在使用安装后有部分暴露在空气中，因此碳纤维强度层组4需要有有效的方式来保护以防止该复合材料层表面受到腐蚀和磕碰而影响气瓶的性能。为此，全复合高压储气瓶表面设有玻璃纤维保护层组5，其采用玻璃纤维带一定张力采取螺旋缠绕和横向缠绕交替的方式包裹在碳纤维强度层组4外表面，防止空气中的湿气以及具有腐蚀性质的物质侵蚀上述复合材料层外表面。
当全复合高压储气瓶缠绕完碳纤维强度层组4和玻璃纤维保护层组5后，下一步就是进行固化，将全复合高压储气瓶放入固化炉中，并在温区内进行固化，当全复合高压储气瓶再温区中固化完成后冷却至一定温度后从固化炉内取出，该冷却温度低于固化炉内第一温区和第二温区的温度，这样能保证固化后的复合材料层逐步降温，避免直接空冷增加树脂脆性；在固化过程中瓶口和瓶尾水平支撑，使全复合高压储气瓶在固化炉内水平旋转，这样能够得到保护内胆不变形同时又可得到较好的气瓶表面质量。其中，温区的温度为90℃，总的固化时间在4.5小时至10小时之间，
全复合高压储气瓶在固化过程中，热固性树脂体系发生交联，赋予碳纤维强度层组4一定程度的抗剪切、抗腐蚀、化学稳定性和传递纤维应力等。同时使玻璃纤维保护层组5成型，以保证全复合高压储气瓶在受到冲击和腐蚀时内部的碳纤维强度层组4不受损伤，避免全复合高压储气瓶的性能受到破坏，从而延长全复合高压储气瓶的使用寿命。
当全复合高压储气瓶固化后，对其进行水压试验、以及内壁烘干处理，试验合格并且处理完毕后即可投入使用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：包括前端设封头及后端设封尾用于盛储高压气体的塑料内胆(3)，与所述塑料内胆(3)的前端封头螺纹连接的金属瓶口(1)，与所述塑料内胆(3)的后端封尾螺纹连接的金属瓶尾(2)，缠绕于所述塑料内胆(3)外周用于增强所述塑料内胆(3)强度的碳纤维强度层组(4)，以及缠绕于所述碳纤维强度层组(4)外周用于保护所述碳纤维强度层组(4)的玻璃纤维保护层组(5)；所述金属瓶口(1)的外壁上和所述金属瓶尾(2)的外壁上分别设有瓶口挡槽(7)和瓶尾挡槽(8)，并且所述瓶口挡槽(7)和所述瓶尾挡槽(8)上均由内之外依次缠绕有所述碳纤维强度层组(4)和所述玻璃纤维保护层组(5)，以将所述塑料内胆(3)分别与所述金属瓶口(1)和所述金属瓶尾(2)固定成型，在所述复合气瓶两端受到碰撞时，使碰撞力直接作用于所述金属瓶口(1)或所述金属瓶尾(2)以防止碰撞力直接作用于所述塑料内胆(3)而损坏复合气瓶。
2.根据权利要求1所述的一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：所述碳纤维强度层组(4)包括采用树脂基体浸渍过的碳纤维横向缠绕于所述塑料内胆(3)上的碳纤维横向缠绕强度层(41)、采用树脂基体浸渍过的碳纤维纵向缠绕于所述碳纤维横向缠绕强度层(41)上的碳纤维纵向缠绕强度层(42)、以及采用树脂基体浸渍过的碳纤维螺旋缠绕于所述碳纤维纵向缠绕强度层(42)上的碳纤维螺旋缠绕强度层(43)。
3.根据权利要求1所述的一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：所述玻璃纤维保护层组(5)包括采用玻璃纤维螺旋缠绕于所述碳纤维螺旋缠绕强度层(43)上的玻璃纤维螺旋缠绕保护层(51)，以及采用玻璃纤维横向缠绕于所述玻璃纤维螺旋缠绕保护层(51)上的玻璃纤维横向缠绕保护层(52)。
4.根据权利要求1所述的一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：所述塑料内胆(3)的内壁上设有与所述金属瓶口(1)相配合的密封环(6)，用于对所述塑料内胆(3)和所述金属瓶口(1)之间进行密封以防止所述塑料内胆(3)内的高压气体从所述塑料内胆(3)和所述金属瓶口(1)之间泄漏。
5.根据权利要求4所述的一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：所述金属瓶口(1)包括与所述塑料内胆(3)前端封头螺纹连接的瓶口内连接部(11)和与瓶口外接工装连接的瓶口外连接部(12)，所述瓶口内连接部(11)和所述瓶口外连接部(12)为一体式结构；所述塑料内胆(3)的前端封头向内凹陷有与所述瓶口内连接部(11)相匹配的封头凹槽，所述瓶口内连接部(11)螺纹连接于所述封头凹槽内，所述瓶口内连接部(11)的外侧壁与所述瓶口外连接部(12)的外壁之间形成向内凹陷的瓶口挡槽(7)。
6.根据权利要求5所述的一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：所述金属瓶尾(2)包括与所述塑料内胆(3)后端封尾螺纹连接的瓶尾内连接部(21)和与瓶尾外接工装连接的瓶尾外连接部(22)，所述瓶尾内连接部(21)和所述瓶尾外连接部(22)为一体式结构；所述塑料内胆(3)的后端封尾向内凹陷有与所述瓶尾内连接部(21)相匹配的封尾凹槽，所述瓶尾内连接部(21)螺纹连接于所述封尾凹槽内，所述瓶尾内连接部(21)的外侧壁与所述瓶尾外连接部(22)的外壁之间形成向内凹陷的瓶尾挡槽(8)。
7.根据权利要求6所述的一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：所述瓶口外连接部(12)的外端开设有与瓶口外接工装相匹配的瓶口凹槽，并且该瓶口凹槽的内壁上设有瓶口外接内螺纹，所述瓶口外接内螺纹用于使所述金属瓶口(1)与瓶口外接工装进行螺纹连接。
8.根据权利要求7所述的一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：所述瓶尾外连接部(22)的外端开设有与瓶尾外接工装相匹配的瓶尾凹槽，并且该瓶尾凹槽的内壁上设有瓶尾外接内螺纹，所述瓶尾外接内螺纹用于使所述金属瓶尾(2)与瓶尾外接工装进行螺纹连接。
9.根据权利要求8所述的一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：所述塑料内胆(3)由塑料吹塑或滚塑成型，并且其容积为46-450L。
10.根据权利要求9所述的一种车用全复合高压储气瓶，其特征在于：所述塑料内胆(3)的工作压力为20MPa-70MPa。
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