一种IV型储氢气瓶瓶口的密封结构及其密封方法

本发明涉及高压储氢气瓶，尤其涉及一种iv型储氢气瓶瓶口的密封结构及其密封方法。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、氢能源作为新型清洁能源，而氢能源的安全储运是氢能发展的关键技术。iv型储氢气瓶要求氢气储存压力为70mpa，储氢密度大于5％，为满足该要求，内胆需为塑料材质，质量相对较小，比较适用于乘用汽车应用。目前iv储氢气瓶成为全世界研究热点。

3、目前iv型储氢气瓶在工作过程中，塑料内胆与气瓶瓶口阀座的连接部位容易发生气体泄漏，这也是该储氢气瓶工程应用的主要失效模式，导致iv型气瓶的安全性和可靠性降低。由于强度和刚度的需要，储氢气瓶的内胆必须采用金属材料进行瓶口设计，而金属瓶口与塑料内胆由于热膨胀性能差异，其接合密封问题也是气瓶整体可靠性的关键技术问题。

4、目前的iv型储氢瓶的瓶口主要采用boss结构来防止泄漏，同时利用密封件(如橡胶圈、o型环等)进行密封。例如，专利cn116293434a(公开日：2023.06.23)公开了一种用于iv型储氢气瓶的boss结构瓶口密封结构，端盖轴向内外表面与boss结构内外表面均布置有螺纹设计，实现端盖、boss结构、瓶口阀和外部管板等金属连接件之间的紧固连接，同时塑料内胆上端内表面设有锥度，与端盖下锥面密封凹槽内的密封圈过盈配合承担密封功能。然而，内螺纹设计的加工难度较大，同时密封圈易发生老化，使用寿命较短，容易造成密封失效，因此密封安全性和稳定性较低。

5、因此，如何提供一种结构简单、加工难度低、密封安全性更高、密封寿命更长的iv型储氢气瓶瓶口塑料内胆与金属材料的连接和结合方式，是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种iv型储氢气瓶瓶口的密封结构及其密封方法，具有良好的气体密封性能，密封寿命长，能够保证塑料内胆与金属材料间的连接稳定性，并且加工难度低。

2、第一方面，本发明提供了一种iv型储氢气瓶瓶口的密封结构，包括铝合金阀座、铝合金锁紧装置和塑料内胆；所述铝合金阀座位于瓶口的最内侧；所述塑料内胆由下至上依次包括瓶身竖直段、瓶身肩部和瓶口段；所述塑料内胆的瓶口段位于铝合金阀座和铝合金锁紧装置之间；所述塑料内胆的瓶身肩部和瓶口段与铝合金阀座之间通过限位槽限位配合；

3、所述铝合金阀座包括垂直段和水平段，所述铝合金阀座的垂直段和水平段上设置有连续密封槽、溢流密封槽和限位槽；所述溢流密封槽内紧密填充碳纤维毡条；

4、所述铝合金锁紧装置位于铝合金阀座的垂直段外部，铝合金锁紧装置的上部与铝合金阀座垂直段的上部采用螺纹紧固连接；

5、所述塑料内胆与铝合金阀座的接触界面上设置耐高温密封胶，所述溢流密封槽和连续密封槽内过盈填充耐高温密封胶。

6、优选的，所述碳纤维毡条的体密度为0.05-0.2g/cm3。

7、优选的，所述限位槽的截面形状为矩形，用于避免塑料内胆和铝合金阀座之间发生相对移动。

8、进一步的，所述限位槽的深度为2-5cm，槽口宽度为1-5cm；所述限位槽的内表面设置直径为2-5μm的粗糙微孔，以增加塑料内胆与铝合金阀座的表面结合牢固度与摩擦力。

9、优选的，所述铝合金阀座的垂直段外侧由上至下依次设置有第一连续密封槽、第一溢流密封槽和第一限位槽；所述铝合金阀座的水平段的上部沿气瓶外侧向气瓶中轴线的方向依次设置有第二限位槽、第二溢流密封槽、第二连续密封槽、第三溢流密封槽和第三限位槽。

10、优选的，所述溢流密封槽的截面为圆心角为220-320°、半径为0.5-2cm的圆弧。

11、优选的，所述连续密封槽为多个并列连通的弧形槽，所述弧形槽的数量为2-5个，所述弧形槽的截面为圆心角为60-180°、半径为0.5-2cm的圆弧。

12、优选的，所述塑料内胆的瓶身竖直段和瓶身肩部外表面由内向外依次设置碳纤维复合材料保护层和混杂纤维保护层；所述碳纤维复合材料保护层包括碳纤维和树脂，所述碳纤维选自t300、t700、t800、t1000中的任意一种，所述树脂选自环氧树脂或酚醛树脂；所述混杂纤维保护层的混杂纤维采用高模量碳纤维与高韧性纤维进行混杂；所述高模量碳纤维选自m40、m55、m60、m40j、m55j或m60j中的任意一种，所述高韧性纤维选自芳纶纤维或uhmwpe纤维中的任意一种。

13、优选的，所述塑料内胆的瓶口段与铝合金锁紧装置之间呈梯度连接；所述铝合金锁紧装置的内侧下部设置为圆角过渡结构。

14、第二方面，本发明提供了基于上述iv型储氢气瓶瓶口的密封结构的密封方法，包括如下步骤：

15、在铝合金阀座外表面与塑料内胆的接触位置涂覆耐高温密封胶，在溢流密封槽和连续密封槽内过盈填充耐高温密封胶，然后经注塑成型制备塑料内胆，所述塑料内胆与铝合金阀座通过限位槽限位配合；

16、在铝合金锁紧装置的螺纹拧紧作用下，连续密封槽内的密封胶发生溢流并存储于溢流密封槽内的碳纤维毡条中，加热固化成型，实现界面密封。

17、优选的，所述在铝合金阀座与塑料内胆的接触界面涂覆耐高温密封胶的涂覆厚度为0.5-2mm；所述耐高温密封胶选自耐热改性乙烯基硅橡胶或低苯硅橡胶；所述耐高温密封胶的耐热温度为150-350℃，拉伸强度为5-9.5mpa，断裂伸长率为500-1000％，撕裂强度为25-50kn/m；所述加热固化成型的温度为100-200℃。

18、优选的，在塑料内胆与铝合金阀座通过限位槽限位配合步骤之后，还包括在所述塑料内胆的瓶身竖直段和瓶身肩部外表面由内向外依次缠绕碳纤维复合材料和混杂纤维，形成碳纤维复合材料保护层和混杂纤维保护层。

19、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

20、(1)本发明通过铝合金阀座的垂直段和水平段的多组限位槽的开设，保证塑料内胆与铝合金阀座的配合连接；并在溢流密封槽内填充碳纤维毡条，通过连续密封槽内耐高温密封胶体的预紧溢流作用，有效填充溢流密封槽内的毡条，碳纤维毡条和密封胶的结合使用，提高了界面的连接强度，保证了界面的密封效果。

21、(2)本发明利用铝合金锁紧装置与铝合金阀座的内外装配夹紧力，通过连续密封槽、溢流密封槽以及多组限位槽的联合密封结构设计，有效保证塑料内胆与铝合金阀座特定位置之间的耐高温密封层的密封效果，发挥密封胶的抗撕裂、耐摩擦以及抗拉压等综合力学特性，在气瓶封头受复杂应力作用下，保证多材质部件的受力协同性，相比于现有的密封橡胶圈、o型环等密封件而言具有更长的密封寿命，实现稳定密封效果。

22、(3)本发明的螺纹设计仅位于铝合金锁紧装置和铝合金阀座之间，而且螺纹连接范围较小，主要起到的是紧固作用，同时无需在螺纹槽内放置密封圈，因此工艺操作简单、加工难度较低。

23、(4)本发明在铝合金阀座表面开设多组连续密封槽，在储氢气瓶装配过程中涂覆耐高温密封层胶体，在气瓶装配固化过程中同步完成高温密封胶体的固化密封，有效保证储氢气瓶瓶口的密封效果。

24、(5)本发明在限位槽内表面通过粗糙化处理，增加塑料内胆与铝合金阀座的表面结合牢固度与摩擦力。