CN100427822C - 压力壳、具有压力壳的高压罐、高压罐制造方法以及高压罐制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供通过在中空罐基体的外表面上缠绕具有用于硬化的树脂材料的增强纤维形成的压力壳、具有压力壳的高压罐、高压罐的制造方法以及高压罐的制造装置。压力壳采用大量纤维层层叠的层叠结构，纤维层是绕着罐基体缠绕增强纤维形成的。在高压罐内部是空的状态下，内纤维层受到压应力，外纤维层受到张应力。特别是，在围绕罐基体缠绕增强纤维时，在将压力调节流体填充到罐基体内，调节施加到压力调节流体的压力，以及调节施加到增强纤维的张力的同时缠绕增强纤维。

Description

压力壳、具有压力壳的高压罐、高压罐制造方法以及高压罐制造装置

发明领域

本发明涉及在其内部装气体或液体的罐的外周边表面形成的、从而增强罐的压力密封性的压力壳，具有这种压力壳的高压罐，高压罐的制造方法，以及高压罐的制造装置。

背景技术

传统上，为了向燃料电池动力车辆提供作为燃料的氢气、或者为了在诸如宇宙空间等恶劣的使用条件下储存液氧，使用增强压力密封性的高压罐。

特别是，日本专利公开公报2002-188794披露了一种高压罐，其中罐的基体包括高密度聚乙烯制成的衬层以及诸如碳纤维的增强纤维，增强纤维上涂覆诸如环氧树脂的粘结剂并且缠绕在衬层外表面上。

在这种高压罐中，增强纤维缠绕在衬层外表面上，同时对增强纤维施加固定的缠绕张力，并且在缠绕工序结束后，将环氧树脂或类似物施加到增强纤维上，并在给定条件下通过硬化处理进行硬化，从而形成压力壳。

此外，环氧树脂硬化之后，在高压罐内部保持空的状态下，没有应力作用于压力壳。

在这种高压罐中，当高压罐内部的压力随着气体或液体填充到高压罐内部而升高，如图11所示，作用在压力壳内侧部分增强纤维的张应力大于作用在压力壳外侧部分增强纤维的张应力，因此当作用在压力壳内侧部分增强纤维的应力超过增强纤维的张力极限时，确定达到高压罐的极限压力。

在这种情况下，尽管压力壳外侧部分增强纤维没有达到张力极限，已经确定了高压罐的极限压力。因此，极限压力的值较小。

因此，具有压力壳的产品的应用范围变窄，从而产生压力壳实用性下降的缺点。特别是，当具有这种压力壳的高压罐装入气体时，由于极限压力小，气体装入量减小。

因此，本发明的发明者通过将压力壳内侧部分增强纤维达到张力极限时的高压罐内部压力值增大到压力壳外侧部分增强纤维达到极限压力时的高压罐内部压力值，尝试增大极限压力值，并已经进行了研究和开发，并且得到本发明。

发明内容

根据本发明，提供一种压力壳，压力壳采用通过层叠大量纤维层形成的层叠结构，纤维层是在基体的外表面上缠绕具有用于硬化的树脂材料的增强纤维形成，在没有外力作用在压力壳的状态下，内纤维层受到压应力，同时外纤维层受到张应力。由于这种结构，可以将压力壳的极限压力提高消除内纤维层受到的压应力所需的压力量。因此，可以扩大使用所述压力壳的产品的许用范围。

根据本发明，提供一种高压罐，在具有压力壳的高压罐中，压力壳是通过在中空罐基体的外表面上缠绕具有用于硬化的树脂材料的增强纤维形成，压力壳由通过层叠大量纤维层形成的多层结构构成，纤维层是通过绕着罐基体缠绕增强纤维形成，并且在高压罐内部是空的状态下，内纤维层受到压应力，同时外纤维层受到张应力。由于这种结构，当气体或液体充入高压罐内部时，对于内纤维层，压应力随着气体或液体的充入而消失，并且在压应力消失后开始施加张应力，因此，内纤维层达到张力极限的极限压力可以提高，从而气体或液体在高压罐中的装入量可以增加。

根据本发明，提供一种高压罐制造方法，在具有压力壳的高压罐制造方法中，所述压力壳是通过在中空罐基体的外表面上缠绕具有用于硬化的树脂材料的增强纤维形成，其中压力调节流体充入罐基体内部，并且纤维层是在对压力调节流体加压的同时，将施加缠绕张力的增强纤维缠绕在罐基体上形成，同时大量的纤维层被层叠以形成压力壳。由于这种结构，在制造的高压罐内部是空的状态下，可以将压应力施加到内纤维层。因此，当气体或液体充入高压罐内部时，对于内纤维层，压应力随着气体或液体的填充而消失，当压应力消失后，开始施加张应力，因此，内纤维层达到张力极限时的高压罐极限压力提高，从而气体或液体在高压罐中的装入量增加。

根据本发明，优选地，压力调节流体的增压条件和施加到增强纤维的缠绕张力条件随着层叠的纤维层数被调节。由于这种结构，可以将形成高压罐以后压力壳纤维层中产生的应力控制为给定应力，因此，高压罐的可靠性增强。

根据本发明，优选地，在形成最内纤维层时，通过将施加到压力调节流体的压力设定为0.01到100MPa并且将施加到增强纤维的张力设定为1到200N形成该纤维层，在层叠新纤维层时，通过对应于层叠的层数逐渐减小施加到压力调节流体的压力、并同时对应于层叠的层数逐渐增大施加到增强纤维的张力形成新纤维层。由于这种结构，可以将高压罐形成以后压力壳纤维层中产生的应力控制为给定应力，同时，极限压力尽可能地增大。

根据本发明，优选地，纤维层是通过加热压力调节流体使施加到增强纤维的用于硬化的树脂材料加速硬化而形成。由于这种结构，可以一圈接一圈地硬化缠绕在给定位置的增强纤维，因此纤维层可以快速形成。并且，由于新纤维层可以形成在充分硬化的纤维层上表面，因此，可以在各个纤维层中以稳定方式产生应力，从而可以进一步增强高压罐的可靠性。另外，通过一圈接一圈地硬化用于硬化的树脂材料的同时形成压力壳，可以使形成最外纤维层之后将高压罐装入炉子或类似装置进行硬化处理成为不需要的过程。

根据本发明，提供一种高压罐制造装置，在高压罐的制造装置中，高压罐包括压力壳，压力壳是利用增强纤维缠绕装置在中空罐基体外表面上缠绕具有用于硬化的树脂材料的增强纤维形成，压力调节流体填充在罐基体内部，并且制造装置包括压力调节装置，用于调节作用于压力调节流体的压力，其中纤维层是在使用压力调节装置对压力调节流体加压的同时，使用增强纤维缠绕装置在罐基体外表面缠绕增强纤维形成，同时，大量纤维层被层叠以形成压力壳。由于这种结构，对于制造高压罐，可以在空的状态下对内纤维层施加压应力，因此当气体或液体充入高压罐内部时，内纤维层的压应力随着气体或液体的充入而消失，当压应力消失后，开始施加张应力，因此，最内纤维层达到张力极限时的高压罐极限压力增大，从而可以制造气体或液体装入量增大的高压罐。

根据本发明，优选地，增强纤维缠绕装置构成使得，通过将缠绕张力条件与使用压力调节装置的压力调节流体加压条件相关联，在调节施加到增强纤维的缠绕张力条件的同时，绕着罐基体缠绕增强纤维。由于这种结构，可以在形成高压罐之后容易地将内纤维层产生的压应力控制在给定应力，因此，可以进一步增强内纤维层达到张力极限时的高压罐极限压力，从而可以使用较少数量的纤维层形成给定极限压力的高压罐。因此，可以制造重量轻的高压罐。

根据本发明，优选地，其中具有加热压力调节流体的加热装置，纤维层是通过利用加热装置增加的热量使施加到增强纤维的用于硬化的树脂材料加速硬化而形成。由于这种结构，可以一圈圈地硬化缠绕在给定位置的增强纤维，纤维层可以加速形成，此时，可以使形成最外纤维层之后将高压罐装入炉子或类似装置内部进行硬化处理成为不需要的过程。并且，新纤维层可以形成在充分硬化纤维层的上表面，因此，可以按稳定方式在各个纤维层产生应力，因此，达到进一步增强高压罐的极限压力。

根据本发明，优选地，罐基体由装在供应管上的第一端板支撑体和第二端板支撑体固定地支撑，供应管插入罐基体内并供应压力调节流体。由于这种结构，可以使用具有弹性的材料作为罐基体的材料，因此罐基体的制造成本下降，由此可以低成本地制造高压罐。

附图说明

图1是表示根据本发明作用在压力壳的应力与装有该压力壳的高压罐内部压力之间的关系曲线；

图2是表示根据本发明作用在高压罐中形成的压力壳的各个纤维层的应力与纤维层的关系曲线；

图3是表示构成第一层的纤维层中应力变化线的曲线；

图4是表示构成第一层的纤维层中应力变化线的曲线；

图5是表示构成第一层的纤维层中应力变化线的曲线；

图6是表示根据本发明在高压罐中形成的压力壳各个纤维层的应力变化线的曲线；

图7是根据本发明的高压罐制造装置的示意图；

图8是表示增强纤维缠绕到罐基体的方法的示意图；

图9是表示增强纤维缠绕到罐基体的方法的示意图；

图10是用于以悬臂方式支撑罐基体的高压罐制造装置的示意图；以及

图11是表示作用在传统高压罐中形成的压力壳的应力与高压罐内压力的关系曲线。

具体实施方式

本发明压力壳设计成通过缠绕增强纤维形成纤维层，其中增强纤维具有树脂材料，用于在形成压力壳的基体外表面上硬化，并且多个纤维层层叠形成层叠结构。

特别是，对于压力壳，在外力未作用于压力壳的状态下，内纤维层受到压应力，外纤维层受到张应力。

内纤维层的压应力以及外纤维层的张应力是利用压力壳本身进入应力平衡状态的作用产生的，在该状态下压力壳不受外力。

并且，当膨胀压力作用于形成压力壳的基体时，在内纤维层中作用于纤维层的压应力随着基体的膨胀而消失，膨胀之后开始张应力作用，因此压力壳的耐压性提高了需要抵消作用于纤维层的压应力的压力值。

下面专门解释具有压力壳的高压罐。

装在高压罐上的压力壳具有层叠结构，其中具有大量纤维层，这些纤维层是通过将具有用于硬化的树脂材料的增强纤维缠绕层叠在中空罐基体外表面上形成的。如图1所示，在高压罐内部空的状态下，内纤维层受到压应力，而外纤维层受到张应力。

特别是，压力壳各个层中的最下面的纤维层受到最大压应力，而压力壳各个层中的最上面的纤维层受到最大张应力。

接着，当高压罐内装入气体或液体时，高压罐内的压力(下面称为是“内压”)升高，从而高压罐膨胀。由于高压罐的这个膨胀作用，最下面的纤维层受到的压应力逐渐消失，如图1所示。

并且，当内压达到某一给定压力时，最下面的纤维层受到的压应力消失。最下面的纤维层受到的压应力消失时的内压称为平衡压力。这里，在随着内压增大压应力消失后，张应力施加到初始受到压应力的纤维层。

另一方面，在压力壳上侧的纤维层中，由于高压罐的膨胀作用，张应力逐渐增大。

当内压进一步增大超过平衡压力，高压罐进一步膨胀。因此，压力壳最下面的纤维层受到的应力变成张应力，并且张应力随内压的升高而增大。并且，在除了高压罐最下面的纤维层以外的纤维层中，张应力随着内压升高而逐渐增大。

并且，当分别作用于压力壳的最内纤维层和最外纤维层的张应力中的至少任一张应力达到张力极限时，此时的内压成为极限压力。

当压力壳最下面的纤维层受到的张应力达到张力极限时产生的内压称为最下层极限压力。并且，当压力壳最上面的纤维层受到的张应力达到张力极限时产生的内压称为最上层极限压力。另外，当处于压力壳最下面的纤维层和最上面的纤维层之间的纤维层受到的张应力达到张力极限时产生的内压称为中间层极限压力。

按照这种方式，通过在压力壳内纤维层中产生给定的压应力，同时通过在压力壳外纤维层产生给定的张应力，并通过使压力壳中的内部应力达到平衡状态的作用，可以将最下层极限压力增大一个能消除压力壳内纤维层中所有压应力的平衡压力量，因此，高压罐的极限压力增大。

因此，可以在高压罐中装入更多的气体或液体，从而增大高压罐中气体或液体的容量。

特别是，通过调节压力壳下层一侧产生的压应力，使最下层极限压力变得到大于最上层极限压力，可以将高压罐的极限压力设定为最上层极限压力，从而大大提高了极限压力。

这里，在图1中，最下层极限压力和最上层极限压力设计成彼此基本一致，从而防止由于超过压力壳内纤维层所需产生压应力造成的效率降低。

构成压力壳的多个纤维层层叠，从而如图2所示，随着从最下第一层到最上第n层的层数增大，压应力逐渐减小，然后张应力逐渐增大。在图2中，A表示每一纤维层受到的压应力和张应力的应力变化曲线。在图2中，虽然所示的应力变化曲线A大致是直线，但应力变化曲线A可以是任何适合的曲线形状，所希望的是，调节应力变化曲线A，使中间层极限压力达到一个不小于最上层极限压力的值。

这里，当高压罐内部空时假定压力壳处于应力平衡状态。因此，当应力变化如图2所示曲线时，受到压应力的区域a1和受到张应力的区域a2变得基本相等。

为了保证在上述高压罐内部空的状态下给下层一侧纤维层施加压应力，采取如下步骤：

首先，将用于调节压力的流体(以下称为“压力调节流体”)装入空罐基体内部，并将压力调节流体增压到给定压力，使罐基体膨胀。产生罐基体膨胀的压力称为膨胀压力。这里，假定膨胀压力P1作用在罐基体上。

接着，通过围绕罐基体的外表面缠绕增强纤维形成第一层纤维层。在围绕罐基体缠绕增强纤维时，在对增强纤维施加给定的缠绕张力的同时缠绕增强纤维，从而用增强纤维覆盖罐基体。

因此，第一层纤维层受到张应力。特别是，通过对罐基体施加膨胀压力P1，可以对增强纤维施加更大的缠绕张力。

在形成第一层纤维层后，执行在第一层纤维层上表面形成第二层纤维层的增强纤维缠绕。在执行缠绕增强纤维形成第二层纤维层时，仍然对罐基体施加膨胀压力P1，同时，在对增强纤维施加给定的缠绕张力的同时缠绕增强纤维，从而用增强纤维覆盖罐基体，形成第二层纤维层。

由于在形成第二层纤维层时在第二层纤维层中产生张应力，如图3所示，在第一层纤维层中产生沿着压缩方向的应力变化，并且作用在第一层纤维层的应力在压缩方向位移了一个给定的变化量Q1。

下面，按照相同的方式一层接一层地形成所需数量的纤维层，在第一层及随后各层纤维层中产生压缩方向应力变化，此变化表示为应力变化线B，如图3所示。

在形成纤维层时产生的内纤维层应力变化量Q1，可以根据围绕罐基体缠绕增强纤维时施加到增强纤维的缠绕张力进行调节。

例如，当缠绕张力进一步增大时，如图4所示，变化量Q2的数值变成大于图3中的变化量Q1的数值，因此，应力变化线B’的倾斜程度可以进一步增大。这里，施加在罐基体的膨胀压力P1设定为固定值。

并且，当与增强纤维的缠绕张力一起调节施加于罐基体的膨胀压力P1时，例如，当采用比膨胀压力P1大的膨胀压力P2时，如图5所示，可以通过沿压力轴(Y轴)方向平行移动应力变化线B获得应力变化线B”。这里，将增强纤维受到的缠绕张力设定为固定值。

即，对于应力变化线B，可以通过调节膨胀压力P1调节Y轴截距，也可以通过调节增强纤维的缠绕张力调节倾斜程度。因此，可以通过调节膨胀压力P1和增强纤维的缠绕张力得到任意的应力变化线B。

特别是，当需要进一步增大增强纤维的缠绕张力时，就可以通过增大膨胀压力P1执行缠绕，而不会在围绕罐基体缠绕增强纤维时造成增强纤维断裂。

这里，图3到图5分别表示第一纤维层中的应力变化线，其中为了表示罐基体受到的膨胀压力P1一直设定为固定值以及增强纤维受到的缠绕张力一直设定为固定值的条件下罐基体上形成的所有纤维层(第一层到第n层)的应力变化线B，它们变成图6所示。

接着通过结束形成所有纤维层完成压力壳制造之后，通过随着去除罐基体内的压力调节流体而消除膨胀压力P1，在压力壳内产生压力壳内应力达到平衡状态的作用，基于此作用，所有应力变化线平行地朝压应力一侧位移。

结果，就可以在构成压力壳的纤维层中产生表示为图2所示应力变化曲线A的应力。因此，可以对内纤维层施加压应力，同时可以对外纤维层施加张应力。

下面结合附图解释根据本发明的高压罐制造方法和高压罐制造装置的实施例。

首先，解释用于制造高压罐的罐基体。这里，虽然根据此实施例的高压罐用于装氢气，但高压罐可以用于装除了氢气以外的物质。

在此实施例中，如图7所示，罐基体1构成一个采用高密度聚乙烯制成的圆柱状压力容器。罐基体1包括具有开口部分2的上端板部分1a、以相对的方式朝向上端板部分1a的下端板部分1b、以及与上端板部分1a和下端板部分1b连接的圆柱状筒部分1c。

在此实施例中，罐基体1由一个内衬形成，其材料和结构可以使氢气充入此罐基体1制成的高压罐内部时防止氢气泄露。

这里，罐基体1可以设计成，在形成压力壳4之后，卸下圆筒部分1c，同时留下上端板部分1a和下端板部分1b。

即，在形成高压罐之后，可以使用适合的溶剂或类似物溶解和去除圆筒部分1c，或者圆筒部分1c可以由弹性材料制成并可以从上端板部分1a上形成的开口部分2取出并去除。

这里，罐基体1的材料并不限于合成树脂，金属可以用作罐基体1的材料。替代地，仅有上端板部分1a和下端板部分1b由诸如铝的金属制成。

制造高压罐D时，使得上述罐基体1装在高压罐制造装置C上，增强纤维3围绕罐基体1缠绕多层，从而形成压力壳4。

如图7所示，高压罐制造装置C包括支撑罐基体1前端的前端支撑基座5、支撑罐基体1后端的后端支撑基座6、用于进给将缠绕在支撑于前和后端支撑基座5，6的罐基体1上的增强纤维3的增强纤维进给装置7、对增强纤维3施加给定缠绕张力的缠绕张力调节部分8、以及供应填充罐基体1内部的压力调节流体的压力调节流体供应部分9。

前端支撑基座5装有前端连接件5a，前端连接件5a与罐基体1的上端板部分1a连接，并且相对于前端支撑基座5设置成可转动的。

前端连接件5a由装在前端支撑基座5上的第一驱动电机5b驱动旋转。标号5c表示以互锁方式连接前端连接件5a和第一驱动电机5b的连接带。

后端连接件6a装在后端支撑基座6上，后端连接件6a与罐基体1的下端板部分1b连接，并且相对于后端支撑基座6设置成可转动的。

后端连接件6a由装在后端支撑基座6上的第二驱动电机6b驱动旋转。标号6c表示以互锁方式连接后端连接件6a和第二驱动电机6b的连接带。

特别是，前端支撑基座5和后端支撑基座6以镜面对称方式布置，其中前端连接件5a的旋转轴和后端连接件6a的旋转轴布置成位于同一直线上，两端由前端支撑基座5和后端支撑基座6支撑的罐基体1设定成可按所需速度旋转。

增强纤维进给部分7装有线轴(未图示)，线轴上面缠绕增强纤维并能进给增强纤维3。

并且，虽然未图示，增强纤维进给部分7包括树脂涂覆部分，它将用于硬化的树脂材料通过涂覆施加到进给的增强纤维3上。

这里，虽然在此实施例中使用碳纤维作为增强纤维3，但除碳纤维之外，可以使用芳香尼龙纤维、玻璃纤维、PBO纤维或类似的纤维。而且还可以使用这些纤维的复合纤维。并且，虽然使用环氧树脂作为硬化的树脂材料，但也可以使用其它的粘结树脂作为硬化的树脂材料。例如，可以使用通过紫外线硬化的紫外线固化型粘结树脂。

缠绕张力调节部分8设计成对绕罐基体1缠绕的增强纤维3施加所需缠绕张力，并且响应于控制部分(未图示)的控制对增强纤维3施加所需缠绕张力。

增强纤维进给部分7和缠绕张力调节部分8构成增强纤维缠绕装置，当需要时，可以设置有效地执行增强纤维3绕罐基体1的缠绕操作的缠绕臂。

压力调节流体供应部分9包括其一端插入支撑在前端支撑基座5和后端支撑基座6上的罐基体1内部的进给管9a、以及从上游侧开始依次地装在进给管9a上的进给泵9b和加热器9c。

特别是，在此实施例中，进给管9a具有插入罐基体1内部的部分，该部分由双管构成，其中内管9a’形成进给通道，外管9a”形成排放通道，通过内管9a’进给到罐基体1内部的压力调节流体通过外管9a”排放到罐基体1外部。

通过外管9a”排放到罐基体1外部的压力调节流体设计成通过排放管9d排放，并且压力调节阀9e装在排放管9d的中间部分。

压力调节阀9e与上述控制部分连接，其中通过根据控制部分执行的控制执行排放控制时可以在罐基体1内部产生给定压力，即，上述的膨胀压力。

并且，在压力下将压力调节流体进给到进给管9a的进给泵9b也与控制部分连接，并且可以通过进给泵9b调节压力调节流体的增压进给量。压力调节阀9e和进给泵9b构成压力调节装置。

加热器9c是一种加热装置，它将在压力下进给到进给管9a内部的压力调节流体加热到给定温度。

在此实施例中，水用作压力调节流体，使用绕着进给管9a外周边缠绕的高频加热线圈作为加热器9c。

压力调节流体不限于水，可以是除水以外的液体或者诸如蒸汽的气体。并且，加热器9c不限于由高频加热线圈构成的加热器，而是可以使用能有效加热压力调节流体的任何合适的装置。

使用上述高压罐制造装置C制造高压罐D，如下所述。

首先，将罐基体1安装在高压罐制造装置C上。即，进给管9a通过罐基体1上的开口部分2插入罐基体1内部，罐基体1的上端板部分1a连接到前端支撑基座5的前端连接件5a。然后，罐基体1的下端板部分1b连接到后端支撑基座6的后端连接件6a，由此将罐基体1装到高压罐制造装置C。

接着，通过控制部分控制压力调节阀9e和进给泵9b，将压力调节流体充入罐基体1的内部，此时，使用压力调节流体对罐基体1施加膨胀压力。

所施加的膨胀压力为0到100MPa(绝对压力)是足够的。特别是，在形成构成最下层的第一层时，需要设定膨胀压力为0.01到100MPa。在此实施例中，膨胀压力设定为大约0.4MPa。

此外，这里，压力调节流体是通过加热器9c加热的，从而将罐基体1加热到预定温度。

罐基体1的加热温度可以根据施加到增强纤维3的、用于硬化的树脂材料的树脂硬化温度设定，并且通常落在60到150℃范围内。

这里，罐基体1的加热状态是通过用未图示的温度传感器测量压力调节流体的温度间接测量的，控制部分根据测量结果控制加热器9c，从而将罐基体1设定在给定温度下。

在此实施例中，水用作压力调节流体，环氧树脂用作用于硬化的树脂材料，因此压力调节流体的温度设定为70到90℃。

当罐基体1达到给定温度时，开始将增强纤维3缠绕到罐基体1上。

特别是，在此实施例中，对于第一纤维层，如图8所示，增强纤维3沿罐基体1的纵向缠绕，即，沿罐基体1的延伸方向，从而形成第一纤维层。

这里，在形成第一纤维层时，不总是需要执行沿罐基体1延伸方向缠绕增强纤维3，增强纤维3可以围绕罐基体1的圆筒部分缠绕。

当围绕罐基体1缠绕增强纤维3时，如上所述，在执行缠绕的同时，对增强纤维3施加给定的缠绕张力，从而能根据形成纤维层中所需的应力变化曲线产生所需的应力。

施加在增强纤维3的张力大致为1到15000N是足够的。在此实施例中，由于使用碳纤维作为增强纤维3，在形成第一纤维层时，施加到增强纤维3的张力设定为1到1000N，优选的是30到100N。

调节缠绕张力是通过缠绕张力调节部分8进行的，缠绕张力调节部分8是由控制部分控制的。缠绕张力调节部分8设计成对增强纤维3施加给定的缠绕张力，此缠绕张力与施加到罐基体1的膨胀压力相关。

特别是，由于膨胀压力施加到罐基体1上，如上所述，可以对增强纤维3施加更大的缠绕张力。更具体地，可以施加为通常缠绕张力10到100倍的缠绕张力。因此，可以使缠绕的增强纤维3难以松开。

此外，如上所述，绕罐基体1缠绕通过增强纤维进给部分7的树脂施加部分将用于硬化的树脂材料施加到其上的增强纤维3。

因此，当使用大的缠绕张力执行增强纤维3的缠绕时，可以消除用于硬化的树脂材料所含的气泡。与此同时，增强纤维3可相对于增强纤维3与用于硬化的树脂材料之间的体积比增大，由此可以提高形成的纤维层的强度。

在通过围绕罐基体1缠绕增强纤维3形成纤维层时，一个纤维层的形成不仅仅是通过围绕罐基体1缠绕仅仅一圈增强纤维3，而是在需要时可以围绕罐基体1缠绕多圈增强纤维3。

当缠绕形成第一纤维层的增强纤维3结束时，增强纤维3的缠绕再次被停止。此后，由于对罐基体1加热，促进了施加到增强纤维3的用于硬化的树脂材料硬化，从而形成硬化的第一纤维层。

这里，当使用紫外线固化型用于硬化的树脂材料作为用于硬化的树脂材料时，围绕罐基体1缠绕增强纤维3，此时，紫外线可以照射到罐基体1，从而加速树脂层硬化。

接着，当第一纤维层硬化之后，开始缠绕形成第二纤维层的增强纤维3。按照此方式，通过缠绕增强纤维3形成一个纤维层，并对缠绕的增强纤维3进行处理，以使用于硬化的树脂材料硬化。

在此实施例中，尽管在缠绕形成第一纤维层的增强纤维3结束时增强纤维3的缠绕再次被停止，但不总是需要停止增强纤维3的缠绕。即，通过降低增强纤维3的缠绕速度，可以在执行缠绕增强纤维3的同时，依次地使施加到增强纤维3的用于硬化的树脂材料硬化，从而依次地开始下一个纤维层的形成。

在执行缠绕增强纤维3形成第二纤维层时，与缠绕增强纤维3形成第一纤维层的方式相同，可以沿罐基体1的纵向执行增强纤维3的缠绕，或者如图9所示，可以在圆周方向沿罐基体1的圆筒部分执行增强纤维3的缠绕。

在围绕罐基体1缠绕增强纤维3形成第二纤维层时，由于第一纤维层已经硬化，可以防止缠绕增强纤维3形成第二纤维层时造成第一纤维层变形。

在第一纤维层硬化之前缠绕形成第二纤维层的增强纤维3时，第一纤维层变形或松驰，由于变形或松驰减小了在第一纤维层中预期产生的应力，从而可能造成不能得到所需的压应力。但是，通过在缠绕形成第二纤维层的增强纤维3之前硬化第一纤维层，可以消除这种可能性。

这里，在实际制造过程中，压力壳4是由层叠几十层到几百层纤维层形成的，因此，在缠绕形成下一纤维层的增强纤维3之前刚形成的纤维层不总是需要彻底硬化。即，从缠绕增强纤维3形成纤维层开始往前数至少两层或三层已经形成的纤维层硬化就足够了。

因此，由于调节增强纤维3的缠绕速度，施加到增强纤维3的用于硬化的树脂材料可以在执行增强纤维3缠绕的同时依次地硬化，从而纤维层连续地形成。

特别是，通过调节增强纤维3的缠绕速度与用于硬化的树脂材料的硬化速度一致，可以将缠绕速度设定为较低值，因此，可以准确地进行缠绕张力的调节，同时，可以在没有松驰的情况下可靠地缠绕增强纤维3。

按照这种方式，重复执行在硬化先前形成的纤维层的同时形成下一纤维层的操作，当达到给定数量的层叠层时结束纤维层的形成，从而形成压力壳4。

特别是，在通过依次形成纤维层层叠纤维层时，施加到调节压力的流体上的压力对应于层叠数从在形成最下层的第一纤维层时施加的压力(0.01到100MPa)逐渐减小，同时，施加到增强纤维3的张力对应于层叠数从在形成最下层的第一纤维层时施加的压力(1到1000N)逐渐减大，从而形成各个纤维层。

因此，当形成高压罐后，压力壳4可以具有所需的应力变化曲线。这样可以控制压力壳4的纤维层中产生的应力达到给定应力，同时可以尽可能地增大极限压力。

并且，在通过依次形成纤维层来层叠纤维层时，为了改变施加到增强纤维3的张力，在需要时可以改变所用的增强纤维3的类型。

即，可以使用碳纤维形成内纤维层，而使用芳香尼龙纤维、PBO纤维或类似纤维形成施加大张力的外纤维层。

通过对应于施加到纤维层的张力改变增强纤维3的类型，就可以制造极限压力进一步提高的高压罐。此外，由于各种增强纤维3的功能性可以组合，因此可以达到增强功能性，例如增强密封性、减小重量等等。

在具有按此方式形成的压力壳4的高压罐D中，纤维层随着构成压力壳4的各个纤维层的形成依次固化。因此，在形成高压罐D之后利用炉子或类似方法进行加热和硬化处理不是必需的，由此可以通过省略制造高压罐D的硬化处理缩短制造步骤。

在形成压力壳4之后，通过从高压罐D内部排出调节压力的流体，可以对形成压力壳4的各个纤维层，特别是压力壳4的内纤维层施加给定的压应力。

接着，拆除罐基体1的下端板部分1b和后端支撑基座6的后端连接件6a之间的连接，然后，拆除罐基体1的上端板部分1a和前端支撑基座5的前端连接件5a之间的连接，此后，从高压罐制造装置C中取出完成的高压罐D。

在上述高压罐制造装置C中，在罐基体1两端支撑在前端支撑基座5和后端支撑基座6上的状态下执行缠绕增强纤维3。但是，如图10所示，例如，罐基体1以悬臂方式支撑。

即，在图10所示的高压罐制造装置C’中，插入罐基体1内部并供应压力调节流体到罐基体1内部的进给管19a装在前端支撑基座15上，进给管19a插入罐基体1深处，装在进给管19a上的第一端板支撑体21和第二端板支撑体22固定地支撑罐基体1。

进给管19a是双管，包括内管19a’和外管19a”，内管19a’用于将压力调节流体进给到罐基体1内部，外壳19a”将进给到罐基体1内部的压力调节流体排出。

并且，特别对于此实施例，底部支撑轴24插入内管19a’，其中底部支撑轴24形成底部接触体23，能在其末端接触罐基体1的下端板部分1b。

此外，内管19a’按往复运动方式构成，同时随着内管19a’的前进和后退，内管19a’设计成使手工装在底部支撑轴24上的往复运动圆柱轴25随底部支撑轴24一起前进或后退。

与罐基体1内表面接触的多个内表面支撑件21a装在第一端板支撑体21上。

每个内表面支撑件21a包括第一臂21b和第二臂21c，第一臂21b的一端枢转地装在内表面支撑件21a上并且另一端枢转地装在内管19a’上，第二臂21c的一端枢转地装在内表面支撑件21a上并且另一端枢转地装在外管19a”上，其中每个内表面支撑件21a由于内管19a’的往复运动而接触罐基体1的内表面。

接触罐基体1内表面的多个内表面支撑件22a装在第二端板支撑体22上。

每个内表面支撑件22a包括第一臂22b和第二臂22c，第一臂22b的一端枢转地装在内表面支撑件22a上并且另一端枢转地装在往复运动圆柱轴25上，第二臂22c的一端枢转地装在内表面支撑件22a上并且另一端枢转地装在底部接触体23上，其中往复运动圆柱轴25的往复运动是由内管19a’的往复运动操纵的，并与罐基体1内表面接触。

因此，在内管19a’的往复运动操纵下，上端板支撑体21的内表面支撑件21a以及下端板支撑体22的内表面支撑件22a可以扩张成伞形，由此可以从内部支撑罐基体1。

由于这种结构，可以使用具有弹性的材料例如橡胶、塑料或类似物制造罐基体1。并且，可以使用增强纤维3在具有弹性的罐基体1上形成多个纤维层，从而使用罐基体1作为普通内衬。

并且，在使用具有弹性的罐基体1形成高压罐D时，需要在形成高压罐D之后，对罐基体1内表面施加树脂涂层，从而防止诸如氧的装入物质泄露；或者热喷涂不导电材料，从而防止由于不同类型导体形成的腐蚀。

上述实施例涉及高压罐制造装置C，它通过在具有压力容器型的罐基体1上形成压力壳4制成高压罐D。这里，但是，利用缠绕增强纤维3形成压力壳的基体并不限于罐基体1，可以是其内部具有容纳空间的丝材(CFRP棒)、圆柱管(CFRP)或矩形体。

最后，具有CFRP制成的传统压力壳的高压罐与具有本发明制成的压力壳的高压罐之间的计算重量比结果，即计算的重量减小比表示在表1中。这里，为了便于对比，仅考虑了圆周方向的重量比。重量比不受高压罐内径的影响。

表1

按照这种方式，可以理解的是，采用本发明的压力壳4可以制造具有与轻重量产品的传统压力壳的耐压性相同的的产品。

这里，使用CFRP强度2000MPa和最大压力400MPa的碳纤维12k制造高压罐，压力调节流体的压力和施加在增强纤维的张力按如下方式调节以得到目标应力梯度。即，通过将压力调节流体的压力设定为0.4MPa和施加到增强纤维的张力设定为50N开始形成最内纤维层，通过将压力调节流体的压力设定为0MPa和施加到增强纤维的张力设定为150N结束形成最外纤维层。

工业适用性

根据本发明的压力壳、具有压力壳的高压罐、高压罐制造方法以及高压罐制造装置能形成耐高压的压力壳和具有这种压力壳的高压罐。因此，可以增大所装物质的装入量，由此可以提供在储存氢气、液氢、氧气或液氧方面优异的高压罐。

Claims (9)

1.一种压力壳，所述压力壳采用通过层叠大量纤维层形成的层叠结构，纤维层是通过在基体的外表面上缠绕具有用于硬化的树脂材料的增强纤维形成，在没有外力施加到压力壳的状态下，内纤维层受到压应力，同时外纤维层受到张应力。

2.一种具有压力壳的高压罐，压力壳是通过在中空罐基体的外表面上缠绕具有用于硬化的树脂材料的增强纤维形成，压力壳由通过层叠大量纤维层形成的多层结构构成，纤维层是通过绕着罐基体缠绕增强纤维形成，并且在高压罐内部是空的状态下，内纤维层受到压应力，同时外纤维层受到张应力。

3.一种具有压力壳的高压罐制造方法，所述压力壳是通过在中空罐基体的外表面上缠绕具有用于硬化的树脂材料的增强纤维形成，其中：

压力调节流体被充入罐基体内部；

在形成最内纤维层时，施加到压力调节流体的压力被设定为给定压力，并且在对增强纤维施加给定张力的同时，绕着罐基体缠绕增强纤维；

在层叠新纤维层时，在施加到压力调节流体的压力对应于层叠的层数逐渐减小、并且施加到增强纤维的张力对应于层叠的层数逐渐增大的状态下，纤维层被层叠成多层，从而形成压力壳；以及

当罐基体内部是空的时，在多层层叠的纤维层中，内纤维层受到压应力，同时外纤维层受到张应力。

4.如权利要求3所述的高压罐制造方法，其特征在于，在形成最内纤维层时，纤维层是通过对增强纤维施加1到1000N张力、并使施加到压力调节流体的压力设定为0.01到100MPa的同时绕着罐基体缠绕增强纤维而形成。

5.如权利要求3所述的高压罐制造方法，其特征在于，纤维层是通过加热压力调节流体、使施加到增强纤维的用于硬化的树脂材料加速硬化而形成。

6.一种高压罐的制造装置，所述高压罐包括压力壳，压力壳是通过利用增强纤维缠绕装置在中空罐基体外表面上缠绕具有用于硬化的树脂材料的增强纤维而形成，其中：

压力调节流体被填充在罐基体内部，同时，制造装置包括用于调节作用到压力调节流体的压力的压力调节装置；

在形成最内纤维层时，通过使用压力调节装置将施加到压力调节流体的压力设定为给定压力、并且通过使用增强纤维缠绕装置对增强纤维施加给定张力而绕着罐基体缠绕增强纤维，以形成该纤维层；

在层叠新纤维层时，通过对应于层叠的层数使用压力调节装置逐渐减小施加到压力调节流体的压力、并且同时通过对应于层叠的层数使用增强纤维缠绕装置逐渐增大施加到增强纤维的张力，纤维层被层叠成多层，以形成压力壳；以及

在罐基体内部是空的状态下，在多层层叠的纤维层中，内纤维层受到压应力，外纤维层受到张应力。

7.如权利要求6所述的高压罐制造装置，其特征在于，在形成最内纤维层时，通过使用压力调节装置将施加到压力调节流体的压力设定为0.01到100Mpa、并且同时使用增强纤维缠绕装置对增强纤维施加1到1000N的张力，绕着罐基体缠绕增强纤维以形成纤维层。

8.如权利要求6所述的高压罐制造装置，其特征在于，设置有加热压力调节流体的加热装置，并且纤维层是通过利用加热装置增加的热量使施加到增强纤维的用于硬化的树脂材料加速硬化而形成。

9.如权利要求6或8所述的高压罐制造装置，其特征在于，罐基体由装在进给管上的第一端板支撑体和第二端板支撑体固定地支撑，进给管插入罐基体内并供应压力调节流体。

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