塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构的制作方法

1.本实用新型涉及高压容器，尤其涉及一种塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构。


背景技术：

2.塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶的内胆多采用改性高密度聚乙烯（改性hdpe）或改性尼龙材料，受塑料自身强度等因素限制，金属阀座则需要采用金属材料，通常多采用不锈钢或铝合金材料。
3.目前市面上常见的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构，金属阀座与内胆的封头两者之间采用径向密封方式：单纯密封圈或者密封圈和挡圈组合方式进行密封，但是由于金属和塑料两种材料的模量和热膨胀率差异较大，在不同温度、压力的变化下，二者的配合间隙也会产生很大的变化，因而极易存在氢气泄漏风险；尤其是在低温状态下，一方面由于两者材料收缩不同会产生间隙，另一方面由于密封圈硬化会造成弹性变形能力下降，更容易出现氢气泄漏问题。
4.此外，当该气瓶用于储存高压氢气时，由于氢气分子量非常小，在快速放气的时候，氢气非常容易渗透到塑料内胆与碳纤维缠绕层中间，容易造成储氢气瓶封头部位的碳纤维缠绕层与封头间的氢气压力高于储氢气瓶内部的压力，从而引起封头失稳、反向凹陷、产生发白等问题。
5.为提高封头抗屈曲能力，通常在封头1上设计一个向内凹的凹槽区11，如图1所示，凹槽区11的设计虽然能提高封头的抗屈曲能力，但是在气瓶生产制造过程中，每一只气瓶均需灌水进行水压试验，水压试验结束后倒掉水并用热风对内胆的内表面进行烘干处理，凹槽区11的存在会导致有部分水残留于凹槽区11与封头1之间的凹陷位置a处，在实际操作中很难通过吹气、烘干等方式将凹陷位置a处的残留水吹走，气瓶内水残留的风险非常高。此外凹陷位置a处也特别容易堆积气瓶内的杂质，当该气瓶用于储存高压氢气时，如果在使用过程中杂质进入燃料电堆，会影响燃料电池的性能及使用寿命。


技术实现要素：

6.本实用新型所需解决的技术问题是：提供一种结构简单、具有抗屈曲能力且金属阀座与塑料封头能可靠连接的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构。
7.为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是：所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构，包括：金属阀座和封头，在封头的外壁顶部开设有向下凹进的容纳槽，容纳槽槽底的中部向上凸起形成与封头同轴线的连接管，连接管与封头的内腔连通，在连接管的外管壁上设置有第一外螺纹段；在容纳槽槽底、沿径向间隔设置有至少一个向上凸起的环形凸块结构的卡扣，各卡扣的竖向中心线均与封头的轴线重叠，且各卡扣的两侧侧壁均由顶部向下逐渐靠拢、使卡扣外轮廓构成燕尾状结构，在容纳槽侧壁上向内开设有环状嵌入槽；金属阀座底部向外扩展延伸形成与容纳槽轮廓对应匹配的连接块，在连接块底
部向内开设有与各卡扣一一对应匹配的环状燕尾形嵌入槽，在连接块侧壁上设置有向外凸起、且能嵌入环状嵌入槽内的环状嵌入块，在金属阀座下段内孔壁上开设有与第一外螺纹段对应匹配的第一内螺纹段；金属阀座通过第一内螺纹段旋紧于连接管上时，各卡扣卡嵌于对应环状燕尾形嵌入槽中，环状嵌入块卡嵌于环状嵌入槽中，且连接块顶部轮廓与封头外轮廓光滑过渡拼接成球面结构。
8.进一步地，前述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构，其中，卡扣的任一侧壁与水平面之间的夹角α优先选择15
°
、30
°
、45
°
、60
°
、75
°
中的其中一个角度。
9.进一步地，前述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构，其中，卡扣的两侧侧壁与水平面之间的夹角，二个夹角大小相同。
10.进一步地，前述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构，其中，封头的内腔壁由顶部的圆形平面和与圆形平面四周边缘光滑过渡连接的半球形曲面构成。
11.进一步地，前述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构，其中，金属阀座由外阀座和内阀座构成，连接块位于外阀座底部、与外阀座一体成型构成，外阀座的内孔由上至下依次由同轴线的上连接孔和下连接孔构成，且上连接孔孔径大于下连接孔孔径、使上连接孔与下连接孔之间形成水平的第一台阶面，第一螺纹段位于下连接孔的孔壁上，在上连接孔的孔壁上开设有第二内螺纹段；内阀座由上至下依次由同轴线的上圆柱体和下圆柱体一体成型构成，上圆柱体直径大于下圆柱体直径、使上圆柱体与下圆柱体之间形成水平的第二台阶面，在上圆柱体上设置有与第二内螺纹段对应匹配的第二外螺纹段，内阀座通过第二外螺纹段旋于外阀座中时，下圆柱体伸入连接管的内孔中；在下圆柱体与连接管的内孔壁之间设置有径向密封结构，在第一台阶面与第二台阶面之间设置有轴向密封结构。
12.进一步地，前述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构，其中，径向密封结构为：在下圆柱体上由上至下依次间隔开设有至少一个环状的第一密封槽，在各第一密封槽中分别放置有第一密封圈和挡圈；轴向密封结构为：在第一台阶面上、沿径向间隔开设有至少一个环状的第二密封槽，在各第二密封槽中分别放置有第二密封圈。
13.进一步地，前述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构，其中，在第二台阶面上向内开设有供连接管伸入的凹槽，内阀座旋紧于外阀座上时，连接管顶部伸入凹槽中； 轴向密封结构中、位于最内侧的第二密封圈与第一台阶面、第二台阶面和连接管外管壁密封接触。
14.本实用新型的有益效果是：
①
通过金属阀座与连接管的螺纹连接，并配合卡扣与环状燕尾形嵌入槽、以及环状嵌入块与环状嵌入槽两种锁扣结构，使金属阀座与塑料封头能够紧密的结合在一起，这样设计不仅能提高塑料封头的抗屈曲能力，保证气瓶在使用过程中封头部位不易产生塌陷现象，还能保证金属阀座与塑料封头之间有足够的强度和稳定性，能够让内胆在碳纤维缠绕过程中不会发生窜动、失稳等现象；
②
将封头的内腔壁设计成由顶部的圆形平面和与圆形平面四周边缘光滑过渡连接的半球形曲面构成，这样设计能通过烘干、吹扫或者其他简单方式去除封头中的水、杂质等残留物，保证气瓶内储存气体的质量；
③
在高温或者高温高压环境下工作时，径向密封可以保证正常的密封性能；在低温或低温低压环境下工作时，由于密封圈容易硬化导致压缩张力降低，因而径向密封无法做到非常大的压缩量，存在泄漏的风险，而径向密封结合轴向密封的双重密封则可以对其进一步密封，从而降低泄漏风险，密封可靠性和稳定性更高；此外，当各第一密封圈、各第二密封圈
中任一个密封圈出现质量问题或者其他问题需要更换时，只需拧开内阀座即可更换相应密封圈，而无需因无法更换密封圈问题导致整个气瓶报废，提高气瓶的使用寿命，大大降低了使用成本。
附图说明
15.图1是背景技术中所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构的结构示意图。
16.图2是本实用新型所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构的结构示意图。
17.图3是图2中b部分的局部放大结构示意图。
18.图4是封头的局部结构示意图。
19.图5是外阀座的结构示意图。
20.图6是内阀座的结构示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图及优选实施例对本实用新型所述的技术方案作进一步详细的说明。
22.实施例一
23.如图2和图4所示，本实施例所述的塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构，包括：金属阀座和封头1，在封头1的外壁顶部开设有向下凹进的容纳槽10，容纳槽槽底16的中部向上凸起形成与封头1同轴线的连接管13，连接管13与封头1的内腔连通，在连接管13的外管壁上设置有第一外螺纹段14。在容纳槽槽底16、沿径向间隔设置有至少一个向上凸起的环形凸块结构的卡扣12，各卡扣12的竖向中心线均与封头1的轴线重叠，且各卡扣12的两侧侧壁均由顶部向下逐渐靠拢、使卡扣12的外轮廓构成燕尾状结构，此时，卡扣的任一侧壁与水平面之间的夹角α的范围为：0＜α＜90
°
。沿容纳槽侧壁一圈还向内开设有环状嵌入槽17。
24.本实施例中，卡扣的任一侧壁与水平面之间的夹角α优先选择15
°
、30
°
、45
°
、60
°
、75
°
中的其中一个角度。最佳方案中，卡扣12的两侧侧壁与水平面之间的夹角保持相同大小。
25.如图3、图4和图5所示，金属阀座底部向外扩展延伸形成与容纳槽轮廓对应匹配的连接块21，在连接块21的底部向内开设有与各卡扣12一一对应匹配的环状燕尾形嵌入槽22，沿连接块21的侧壁一圈设置有向外凸起、且能嵌入环状嵌入槽17内的环状嵌入块23，在金属阀座下段内孔壁上开设有与第一外螺纹段14对应匹配的第一内螺纹段251。金属阀座通过第一内螺纹段251旋紧于连接管13上时，各卡扣12卡嵌于对应环状燕尾形嵌入槽22中，环状嵌入块23卡嵌于环状嵌入槽17中，且连接块21的顶部轮廓27与封头1的外轮廓15光滑过渡拼接成球面结构。
26.通过金属阀座与连接管13的螺纹连接，并配合卡扣12与环状燕尾形嵌入槽22、以及环状嵌入块23与环状嵌入槽17两种锁扣结构，使金属阀座与塑料封头1能够紧密的结合在一起，无论封头哪个方向受力，均能非常稳固地固定住金属阀座，保证封头不会在快速卸压、高频率疲劳下发生失稳现象。螺纹连接结合两种锁扣结构的设计不仅能提高塑料封头
的抗屈曲能力，保证气瓶在使用过程中封头部位不易产生塌陷现象，还能保证金属阀座与塑料封头之间有足够的强度和稳定性，能够让内胆在碳纤维缠绕过程中不会发生窜动、失稳等现象。
27.实施例二
28.为了保证水压试验中的水以及气瓶在使用过程中的杂质不会残留在封头中，如图2所示，本实施例在实施例一的基础上对封头1进行设计：将封头1的内腔壁设计成由顶部的圆形平面11和与圆形平面11四周边缘光滑过渡连接的半球形曲面12构成，这样设计就能通过烘干、吹扫或者其他简单方式去除封头1中的水、杂质等残留物，保证气瓶内储存气体的质量。
29.实施例三
30.为了保证水压试验中的水以及气瓶在使用过程中的杂质不会残留在封头中，如图2所示，本实施例在实施例一的基础上对封头1进行设计：将封头1的内腔壁设计成由顶部的圆形平面11和与圆形平面11四周边缘光滑过渡连接的半球形曲面12构成，这样设计就能通过烘干、吹扫或者其他简单方式去除封头1中的水、杂质等残留物，保证气瓶内储存气体的质量。
31.除此之外，对金属阀座的具体结构进行设计：如图5和图6所示，所述的金属阀座由外阀座2和内阀座3构成，连接块21位于外阀座2的底部，此时连接块21与外阀座2一体成型构成。外阀座2的内孔由上至下依次由同轴线的上连接孔24和下连接孔25构成，且上连接孔24的孔径大于下连接孔25的孔径、使上连接孔24与下连接孔25之间形成水平的第一台阶面26。第一螺纹段251位于下连接孔25的孔壁上，在上连接孔24的孔壁上开设有第二内螺纹段241。
32.内阀座3由上至下依次由同轴线的上圆柱体31和下圆柱体32一体成型构成，上圆柱体31的直径大于下圆柱体32的直径、使上圆柱体31与下圆柱体32之间形成水平的第二台阶面33，在上圆柱体31上设置有与第二内螺纹段241对应匹配的第二外螺纹段311，内阀座3通过第二外螺纹段311旋于外阀座2中时，下圆柱体32伸入连接管13的内孔中。在下圆柱体32与连接管13的内孔壁之间设置有径向密封结构，在第一台阶面26与第二台阶面33之间设置有轴向密封结构。
33.如图3和图6所示，所述的径向密封结构为：在下圆柱体32上由上至下依次间隔开设有至少一个环状的第一密封槽321，在各第一密封槽321中分别放置有第一密封圈5和挡圈4。在高温或者高温高压环境下工作时，径向密封可以保证正常的密封性能。
34.所述的轴向密封结构为：在第一台阶面26上、沿径向间隔开设有至少一个环状的第二密封槽261，在各第二密封槽261中分别放置有第二密封圈6。在第二台阶面33上向内开设有供连接管13伸入的凹槽331，外阀座2旋紧于内阀座3上时，连接管13顶部伸入凹槽331中，且轴向密封结构中、位于最内侧的第二密封圈6与第一台阶面26、第二台阶面33和连接管13的外管壁密封接触。
35.在低温或低温低压环境下工作时，由于密封圈容易硬化导致压缩张力降低，因而径向密封无法做到非常大的压缩量，存在泄漏的风险，而径向密封结合轴向密封的双重密封则可以进行进一步密封，从而降低泄漏风险，密封可靠性和稳定性更高。此外，当各第一密封圈5、各第二密封圈6中任一个密封圈出现质量问题或者其他问题需要更换时，只需拧
开内阀座3即可更换相应密封圈，而无需因无法更换密封圈问题导致整个气瓶报废，提高气瓶的使用寿命，大大降低了使用成本。
36.以上所述仅是本实用新型的较佳实施例，并非是对本实用新型作任何其他形式的限制，而依据本实用新型的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本实用新型要求保护的范围。具有上述塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶中的瓶口结构的气瓶主要用于储氢，同样也适用于储存其他具有一定压力的气体，如cng等。