Ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置和方法

本发明属于储氢容器缠绕固化的，具体公开了一种ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置和方法。

背景技术：

1、伴随着氢能走进人们的视野并得到广泛应用，储氢容器作为氢能产业链中储氢环节的主要储存载体，其多样化安全应用对容器的成型过程提出了更高的要求。近年来，储氢容器向着轻量化、高储氢密度、高强度、耐疲劳、长寿命的趋势不断发展，至今已有四类储氢容器得到大范围使用。其中ⅰ-ⅲ型储氢容器内衬都采用金属材料，通过在内衬外缠绕复合材料，ⅱ、ⅲ型储氢容器重量进一步降低、强度进一步提高，目前比较常用的复合材料为碳纤维。除选材之外，生产储氢容器的缠绕工艺和固化工艺也有不可忽视的作用。

2、对于ⅳ型复合材料储氢容器，其内衬采用的是塑料，塑料内衬相比于金属内衬，其强度和刚度更低；在缠绕工艺中，由于缠绕张力的存在，碳纤维缠绕在容器内衬表面时会对内衬施加压力，使其向内塌陷、失稳，因此需要在其缠绕过程中通过充气的方法对其施加内压；外固化工艺中，由于温度从外向内传导，且随着容器的工作压力及缠绕层厚度的增加，纤维层与内衬出现一定程度的脱粘，从而使得界面结合效果较差，还会导致缠绕层内部出现孔隙，降低容器的使用寿命和整体力学性能；缠绕与固化所需的时间都较长，先缠绕后固化导致工艺的时间叠加，降低生产效率，提高生产成本。

技术实现思路

1、本发明提供一种ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，可同时进行缠绕工艺和内固化工艺，可实时监测内衬中的压力和温度，并基于上述装置提出ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化方法，利用充放气对纤维缠绕张力、缠绕层压力与内衬内压进行协调控制。

2、上述ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，包括旋转封堵机构、旋转接头、连接管ⅱ、转换接头、顶紧管、顶尖、通气加热机构、温度压力传感器、进气管、回流管、流量调节阀、气体加热机构和旋转驱动机构；旋转封堵机构用于与内衬的第一端固定连接，封闭内衬的第一端；旋转接头为中空结构，用于与内衬的第二端固定连接；转换接头包括固定外壳和旋转内管；旋转内管的第二端位于固定外壳内，外壁与固定外壳的内壁转动连接；连接管ⅱ的第一端与旋转接头固定连接，连接管ⅱ的第二端与旋转内管的第一端固定连接；顶紧管包括中空段和实心段，中空段的端口为顶紧管的第一端，实心段的端口为顶紧管的第二端；顶紧管穿过固定外壳，与固定外壳固定连接，顶紧管的第一端与旋转内管的第二端连通，顶紧管的第二端由顶尖顶紧；通气加热机构包括固定封头和进气加热管；固定封头与内衬转动连接；或固定封头与旋转接头转动连接；或固定封头同时与内衬和旋转接头转动连接；固定封头的第一端位于内衬中，固定封头的第二端位于旋转接头中，设置有贯通固定封头第一端和固定封头第二端的进气孔和回流孔ⅰ；进气加热管安装在内衬中，与固定封头的进气孔连通，管壁上设置有气孔；温度压力传感器安装在内衬中；进气管穿过顶紧管的中空段、旋转内管、连接管ⅱ和旋转接头，进气管的第一端与固定封头的进气孔连通，进气管的第二端与气体加热机构的出气口连通；旋转接头、连接管ⅱ、旋转内管、顶紧管的中空段与进气管之间的空间为气体回流空间；回流管的第一端与顶紧管的中空段连通，回流管的第二端用于排出回流气体；流量调节阀安装在进气管和/或回流管上，根据温度压力传感器的压力值调节气体流量；气体加热机构根据温度压力传感器的温度值调节气体温度；旋转驱动机构驱动旋转封堵机构、内衬、旋转接头、连接管ⅱ、旋转内管相对通气加热机构、进气管、固定外壳、顶紧管旋转。

3、进一步地，旋转接头包括端盖ⅰ、端盖ⅱ、密封套、轴承ⅰ、轴承固定环、气管连接套、密封锥环和固定锥环；端盖ⅰ和端盖ⅱ固定连接，端盖ⅰ固定在内衬第二端的外壁上，端盖ⅱ与连接管ⅱ的第一端固定连接；密封套固定在端盖ⅰ和端盖ⅱ内，密封套和端盖ⅰ之间以及密封套上设置有环槽，环槽内安装有轴承固定环；轴承ⅰ的外圈通过两侧的轴承固定环固定在密封套内，内圈固定在固定封头外；端盖ⅱ上设置有进气管接口和回流孔ⅱ，回流孔ⅱ上安装有单向阀；气管连接套与端盖ⅱ的进气管接口固定连接；进气管转动穿过气管连接套；固定锥环套设在进气管外，圆环段与气管连接套的第二端相接，圆锥段与进气管的外壁相接；密封锥环位于气管连接套、进气管和固定锥环围合成的空间内。

4、进一步地，固定外壳包括外壳ⅰ和外壳ⅱ；外壳ⅰ包括环形外板、环形内板和环形端板，环形端板连接外环形板和内环形板的第一端；外壳ⅱ上设置有顶紧管接口；旋转内管的第二端设置有限位凸台ⅰ；转换接头还包括弹簧ⅰ、铜垫片、密封圆环ⅱ、石墨锥环、固定螺母、轴承ⅱ、弹性挡圈和轴承垫圈；弹簧ⅰ、铜垫片和密封圆环ⅱ依次套设在环形内板的外壁上；石墨锥环的圆环段套设在铜垫片和密封圆环ⅱ外，圆锥段与密封圆环ⅱ相接；固定螺母、轴承ⅱ、弹性挡圈、轴承垫圈依次套设在旋转内管外，固定螺母向旋转内管的第二端旋转，与弹性挡圈、轴承垫圈、限位凸台ⅰ将轴承ⅱ的内圈固定在旋转内管外；旋转内管穿过环形内板和石墨锥环，固定螺母将石墨锥环的圆锥段压紧，轴承ⅱ的外圈与环形外板的内壁相接；外壳ⅱ套设在环形外板外，压紧旋转内管的第二端，顶紧管接口对准旋转内管。

5、进一步地，通气加热机构还包括活塞管、弹簧ⅱ、v形轴、固定轴、滑动轴和摆动轴；固定封头内设置有与进气孔垂直相通的活塞腔；活塞管上对称设置有径向轴，活塞管的第二端设置有限位凸台ⅱ，限位凸台ⅱ滑动安装在活塞腔内，活塞管从固定封头的第一端伸出；弹簧ⅱ套设在活塞管上，两端分别通过固定封头和径向轴限位；两根v形轴的尖端分别固定套设在径向轴上，悬臂分别通过两个悬臂轴连接，悬臂与悬臂轴转动连接；两根固定轴对称设置在活塞管的两侧，固定轴的第二端固定在固定封头的第一端上，固定轴的第一端设置有滑孔，两根固定轴的间距从第一端向第二端逐渐减小；两根滑动轴分别滑动穿过两根固定轴的滑孔，滑动轴的第一端与悬臂轴固定连接，两根滑动轴的间距从第一端向第二端逐渐增大；两根摆动轴的第二端分别与悬臂轴固定连接，两根摆动轴的间距从第一端向第二端逐渐减小；活塞管、径向轴、v形轴、悬臂轴、摆动轴内设置有相通的气道；进气加热管为螺旋管，缠绕在摆动轴上，与摆动轴的气道相通。

6、进一步地，上述ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，还包括机架以及安装在机架上的卡盘；旋转封堵机构包括连接管ⅰ和旋转封头；连接管ⅰ的第一端由卡盘夹持，连接管ⅰ的第二端通过旋转封头与内衬的第一端固定连接；连接管ⅰ为空心管，旋转封头为实心封头；或连接管ⅰ为实心管，旋转封头为空心封头。

7、进一步地，机架包括固定机架、滑动机架ⅰ和滑动机架ⅱ；滑动机架ⅰ和滑动机架ⅱ均与固定机架滑动连接，沿内衬轴向滑动；转换接头还包括接头座；接头座套设在环形外板外，通过轴向设置的螺栓ⅱ与外壳ⅱ连接，固定在滑动机架ⅰ上；顶尖安装在滑动机架ⅱ上，配有用于沿内衬轴向调节顶尖位置的调节把手。

8、进一步地，进气管位于顶紧管、转换接头、连接管ⅱ和旋转接头外的管节上以及回流管上设置有补偿器；补偿器沿内衬轴向布置，用于补偿滑动机架ⅰ和滑动机架ⅱ沿内衬轴向滑动时进气管和回流管的变形量；补偿器包括波纹管以及设置在波纹管两端的伸缩节；伸缩节包括固定节、压盘、调节节、固定螺栓、调节螺杆和调节螺母；固定节的两端分别为法兰端ⅰ和法兰端ⅱ，法兰端ⅰ与波纹管的端部连接，法兰端ⅱ对应的端部内壁上设置有压盘槽；压盘的两端分别为插接端ⅰ和法兰端ⅲ，插接端ⅰ插接在压盘槽内，法兰端ⅲ与法兰端ⅱ通过固定螺栓连接；调节节的两端分别为插接端ⅱ和法兰端ⅳ，插接端ⅱ插接在压盘内，法兰端ⅳ、法兰端ⅲ和法兰端ⅱ通过调节螺杆连接，调节螺杆的两端通过调节螺母拧紧。

9、进一步地，气体加热机构为电弧加热器；电弧加热器包括固定外壳、温度仪表、加热外壳、电磁圈、加热内壁、冷却套、正电极和负电极；固定外壳、加热外壳和加热内壁上均设置有进气口、出气口、回流口以及两个相对的接口；固定外壳、加热外壳和加热内壁由外到内依次设置，进气口、出气口、回流口由外到内依次连通，接口由外到内依次相接，回流口与回流管的第二端连通；温度仪表的穿过固定外壳、加热外壳和加热内壁，监测端位于加热内壁内，显示端位于固定外壳外；加热内壁的两个接口内分别安装有冷却套；正电极和负电极分别与两个冷却套插接；电磁圈铺设在加热外壳上，位于正电极和负电极之间。

10、进一步地，上述ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置，还包括空气压缩机和控制箱；空气压缩机的出气口与电弧加热器的进气口连通；流量调节阀为电磁流量调节阀，与控制箱电性连接；温度压力传感器安装在固定封头上，与控制箱电性连接；正电极和负电极与控制箱电性连接。

11、上述一种ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化方法，包括下述步骤：

12、s1，将内衬安装在上述ⅳ型储氢容器可调式充放气缠固一体化装置上；

13、s2，旋转驱动机构驱动内衬旋转，进行纤维缠绕，同时通过进气管向内衬充气，每完成预设层数的铺层，纤维缠绕张力减小预设值，内衬的内压同步增加预设值。

14、本发明具有以下有益效果：

15、1、本发明利用在中空结构的内部铺设气体管路，在保证气密性的同时也能顺利输送加热气体，实现缠绕工艺中通过加热气体的循环流动对纤维缠绕层进行内固化，减少了容器在外固化工艺中出现的缺陷，并且缠绕工艺与内固化工艺的结合还解决了生产效率低、成本较高和孔隙的问题；

16、2、在缠绕工艺和内固化工艺中对内衬中的压力和温度同时监测控制实现动态平衡，不仅提高了成型效率，而且更好的提高了复合材料成型质量，从而提升了容器的整体力学性能；

17、3、通过合理控制充放气以及良好的密封性，实现了纤维缠绕张力、缠绕层压力与内衬内压之间的实时平衡调节，纤维缠绕张力在缠绕时每完成一定数量的铺层便减小一定值，同时内衬内压便增加相应值；纤维缠绕张力由内向外虽然递减，但随着铺层的增多，其对内衬的压力会由于累积而逐渐升高，因此内衬内压需根据缠绕工艺要求实时增加，与其相匹配，进而保证缠绕工艺的顺利进行；另外，考虑到气体存在热胀冷缩的效应，在气体温度发生改变时，通过电磁流量调节阀的实时调节，保证内衬内压的合理与平衡，避免内压出现过大或过小的现象；内压与纤维缠绕张力、缠绕层压力的动态平衡能够解决纤维层松紧不一的缺陷以及容器在缠绕成型过程中缠绕张力作用下内衬产生的失稳、塌陷等问题，从而提高容器的强度和抗疲劳性；

18、4、利用电弧加热器加热气体，通过电磁流量调节阀控制气体的流通，有利于快速准确地改变气体温度，精准地控制内压；

19、5、通过单侧充放气实现压力的调节，使得本装置还可以应用于单极孔储氢容器的缠绕固化工艺中；

20、6、本装置部件拆卸方便，便于组装搬运。