一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法与流程

1.本发明涉及一种高压储氢气瓶的加工设备，尤其涉及一种针对在塑料内胆完成碳纤维全缠绕后对产品进行高温固化的工艺改良。


背景技术：

2.随着“双碳”目标的深刻变革，氢能源因其高燃烧热值、可持续性、储量丰富、零污染等优点，在诸多能源应用中成为最佳实现方式。
3.目前氢能产业最大的应用领域是交通运输中的氢燃料电池汽车，可以实现真正的零排放、零污染。作为燃料电池汽车的核心动力零部件，储氢气瓶将向高安全性、高压力、高储氢能密度方向发展。作为气瓶种类之一，塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶因其重量轻、储氢密度高、疲劳性能好、耐腐蚀性优等优势，成为车载储氢的首选。
4.塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶在其复合材料成型工艺实施过程中，也就是在缠绕成型之后，需要固化装备对其辅以一定的温度，以实现固化成型工艺，从而提高气瓶由内外层构成材质发挥的整体强度。以往的金属内胆在此过程中都经过调质处理，有较高的强度和刚度，足以支撑在此固化成型过程中复合材料层对金属内胆的压应力；但塑料内胆的强度和刚度比之金属内胆相去甚远，无法抵抗此压应力，一定程度上会形成的内胆凹陷和变形，从而影响整体气瓶性能的发挥。虽然可选对塑料内胆进行充气增压，以抵消压应力引起的内胆凹陷和变形，但通常固化炉中环境温度曲线多变，也会带来塑料内胆中内压的非规律性浮动，从而影响对压应力的抵消能力，仍难以防止所有塑料内胆发生变形的不良结果。


技术实现要素：

5.本发明的目的旨在提出一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法，解决气瓶在固化过程中因内压失衡而导致塌缩变形、产生不良品的问题。
6.本发明实现上述目的的技术解决方案是，一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法，其特征在于包括步骤：s1、在完成缠绕的塑料内胆一端瓶口装接一个内置微型单向阀的气瓶旋转工装，并基于气瓶旋转工装对外依次对接成套的充气连接杆、旋转接头、排气阀、压力传感器和充气阀，且充气阀、排气阀的驱动端和压力传感器的信号端总线接入控制器；s2、在气瓶固化前给予塑料内胆预充气并保持恒定内压，工艺设定的压力值为p0，再将数个塑料内胆工装架接，保持每个塑料内胆在气瓶旋转工装上所装接的旋转链轮均与驱动部对接；s3、将工装架接的批量塑料内胆送入固化装备中，在封闭的炉体内各个塑料内胆受驱自转且转速可调，同时受热固化表面缠绕层，由压力传感器实时监测塑料内胆的内压变化情况，在内压超出工艺设定值上浮区间的情况下由控制器发出指令，启动排气阀将压力泄放至工艺设定值；在内压低于工艺设定值下浮区间的情况下由控制器发出指令，启动充气阀将塑料内胆增压至工艺设定值；
s4、固化完成后经炉内冷却降温后出炉转接下料。
7.进一步地，在充气阀所接入的联通管路前增设稳压阀，将充气压力调至高于工艺设定值的3%~8%。
8.进一步地，s2中所述工装架接是通过定制的框架实现数个塑料内胆按四组三层且相互之间隔空的方式一体整装，各气瓶旋转工装与驱动部的拨转齿轮相啮合并受驱同步自转。
9.进一步地，所述固化装备采用以天然气为热源的热交换方式，且通过控制器调节面向塑料内胆的加热温度、固化工艺时间。
10.进一步地，所述固化装备内设有信号接入控制器的若干温度计，并在固化装备内腔中按上、中、下分布测量，控制器自动记录存储炉温曲线并以显示故障位置的方式定点报警。
11.应用本发明的上述固化方法，具备显著的进步性，表现为：在传统固化装备的基础上，通过增加压力控制系统的集成，自动化地实现了固化过程中对气瓶内压的实时恒压控制和控温监测，有利于提升气瓶的成型性能并增加良品收率。
附图说明
12.图1是本发明塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶固化方法中所关联的设备优化集成的结构简图。
实施方式
13.以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
14.针对当前高压储氢气瓶生产过程中暴露的问题，尤其是为了产品轻质化而研发的塑料内胆碳纤维全缠绕产品，其制造工艺大体包括塑料内胆预制、表面处理、碳纤维缠绕、半成品固化等，当然各部分还包括更细化的工艺处理步骤，这里不作详细探讨。本发明着眼于其中固化工艺中塑料内胆的强度和刚度无法抵抗纤维缠绕层的压应力，会造成一定程度的内胆凹陷和变形。因此，经设备和工艺方面的改进，创新提出了一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法，解决气瓶在固化过程中因内压失衡而导致塌缩变形、产生不良品的问题。
15.结合图1所示概述来看，该固化方法主要包括如下步骤：s1、在完成缠绕的塑料内胆1的一端瓶口11装接一个内置微型单向阀22的气瓶旋转工装2，再基于气瓶旋转工装2对外依次对接成套的充气连接杆3、旋转接头31、排气阀4、压力传感器5和充气阀6，且充气阀6、排气阀4的驱动端和压力传感器5的信号端总线接入控制器（未图示）。该控制器可以是单独配置的微控制器，也可以直接使用由固化设备的控制箱进行功能拓展实现，只需满足信号接收、阈值判定和若干指令发送的能力即可。这里该微型单向阀22的单通方向主要适于充气，在外部气源压力大于塑料内胆的内压时保持导通向内充气增压，在双向均压状态下能保持气密性、有效防止内胆失压，仅当主动减弱外部气源压力时方使之对外微弱导通、缓慢排气泄压。
16.s2、在气瓶固化前给予塑料内胆预充气并保持恒定内压，工艺设定的压力值为p0，
该工艺设定值为常规批量产品固化过程中总结所得，针对不同规格、不同壁厚的塑料内胆可存在些许差异，但整体上满足抵抗纤维缠绕层向内的压应力。再将数个塑料内胆工装架接，保持每个塑料内胆在气瓶旋转工装上所装接的旋转链轮21均与驱动部对接。这里驱动部主要负责带动气瓶旋转、均匀受热，为固化工艺的常规操作，不作为请求保护的重点。
17.s3、将工装架接的批量塑料内胆送入固化装备中，在封闭的炉体内各个塑料内胆受驱自转且转速可调，同时受热固化表面缠绕层。过程中由压力传感器5实时监测塑料内胆的内压变化情况，在内压超出工艺设定值上浮区间的情况下由控制器发出指令，启动排气阀将压力泄放至工艺设定值；在内压低于工艺设定值下浮区间的情况下由控制器发出指令，启动充气阀将塑料内胆增压至工艺设定值。这里，上浮区间是一个预设的允许内压向上的波动空间，通常最高可达为p0+p1，而当系统监测及判断当前内压高于这个最大阈值后，便可启动排气阀4进行泄压，使内压跌落。而下浮区间同理，通常预设的防范塌缩内压可达p
0-p2，则当系统监测及判断当前内压低于这个最小阈值后，便可指令控制开启充气阀6进行增压，使内压回至工艺所需的范围。通过该持续的泄压和增压过程，能使得塑料内胆的内压控制在合理的范围中，从而足以抵抗压应力。
18.s4、固化完成后经炉内冷却降温后出炉转接下料。
19.为进一步防止增压过程中的压力过冲，在充气阀所接入的联通管路前增设稳压阀7，将用于增压的气源a的压力调整到略高于工艺设定值p0一定工艺范围，约3%~8%。
20.从更进一步细化特征来看，为了提高固化装备中热能的利用率，上述s2中工装架接是通过定制的框架实现数个塑料内胆按四组三层且相互之间隔空的方式一体整装，即实现批量固化作业，但每个塑料内胆的内压因受热分布的不均匀性存在略微的差异性，故恒压控制均一对一独立执行。而各气瓶旋转工装与驱动部的拨转齿轮相啮合并受驱同步自转。
21.上述固化装备采用以天然气为热源的热交换方式，且通过控制器调节面向塑料内胆的加热温度、固化工艺时间。并且，该固化装备内设有信号接入控制器的若干温度计，并在固化装备内腔中按上、中、下分布测量，通过控制器编程设置，设备具有炉温均匀，工作区域内温差≤
±
5℃，且自动记录存储炉温曲线并以显示故障位置的方式定点报警。
22.综上关于本发明塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法的技术说明及实施例详述可见，本方案具备突出的实质性特点和显著的进步性：在传统固化装备的基础上，通过增加压力控制系统的集成，自动化地实现了固化过程中对气瓶内压的实时恒压控制和控温监测，杜绝了因塑料内胆内压波动、压应力超限而造成的产品塌缩变形，有利于提升气瓶的成型性能并增加良品收率。
23.除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

技术特征：
1.一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法，其特征在于包括步骤：s1、在完成缠绕的塑料内胆一端瓶口装接一个内置微型单向阀的气瓶旋转工装，并基于气瓶旋转工装对外依次对接成套的充气连接杆、旋转接头、排气阀、压力传感器和充气阀，且充气阀、排气阀的驱动端和压力传感器的信号端总线接入控制器；s2、在气瓶固化前给予塑料内胆预充气并保持恒定内压，工艺设定的压力值为p0，再将数个塑料内胆工装架接，保持每个塑料内胆在气瓶旋转工装上所装接的旋转链轮均与驱动部对接；s3、将工装架接的批量塑料内胆送入固化装备中，在封闭的炉体内各个塑料内胆受驱自转且转速可调，同时受热固化表面缠绕层，由压力传感器实时监测塑料内胆的内压变化情况，在内压超出工艺设定值上浮区间的情况下由控制器发出指令，启动排气阀将压力泄放至工艺设定值；在内压低于工艺设定值下浮区间的情况下由控制器发出指令，启动充气阀将塑料内胆增压至工艺设定值；s4、固化完成后经炉内冷却降温后出炉转接下料。2.根据权利要求1所述塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法，其特征在于：在充气阀所接入的联通管路前增设稳压阀，将充气压力调至高于工艺设定值的3%~8%。3.根据权利要求1所述塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法，其特征在于：s2中所述工装架接是通过定制的框架实现数个塑料内胆按四组三层且相互之间隔空的方式一体整装，各气瓶旋转工装与驱动部的拨转齿轮相啮合并受驱同步自转。4.根据权利要求1所述塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法，其特征在于：所述固化装备采用以天然气为热源的热交换方式，且通过控制器调节面向塑料内胆的加热温度、固化工艺时间。5.根据权利要求1所述塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法，其特征在于：所述固化装备内设有信号接入控制器的若干温度计，并在固化装备内腔中按上、中、下分布测量，控制器自动记录存储炉温曲线并以显示故障位置的方式定点报警。

技术总结
本发明揭示了一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压储氢气瓶的固化方法，包括在气瓶瓶口装接一个内置微型单向阀的气瓶旋转工装，并基于气瓶旋转工装对外依次对接成套的充气连接杆、旋转接头、排气阀、压力传感器和充气阀，且充气阀、排气阀和压力传感器总线接入控制器；固化前预保压P0，再批量入炉固化，由压力传感器实时监测塑料内胆的内压变化情况，在超出或低于固化工艺允许的内压浮动范围下，对塑料内胆响应地进行充放气操作，以维持工艺设定的内压。应用本发明的上述固化方法，在传统固化装备的基础上，通过增加压力控制系统的集成，自动化地实现了固化过程中对气瓶内压的实时恒压控制和控温监测，有利于提升气瓶的成型性能并增加良品收率。加良品收率。加良品收率。


技术研发人员：吉增香 袁卓伟 宋明伟 朱伟荣 邵宝刚
受保护的技术使用者：中材科技（苏州）有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/5