CN109955494A - 高压罐和制造高压罐的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造高压罐的方法，包括：制备衬里；形成处于衬里的外侧上的纤维增强树脂层和处于纤维增强树脂层的外表面上的树脂层，纤维增强树脂层是纤维增强树脂的层，树脂层是由热固性树脂的一部分形成的层；使纤维增强树脂层和树脂层的温度升高至预定温度，预定温度是使热固性树脂固化的温度；调节衬里中的压力至高于第一压力的第二压力，第一压力是在形成纤维增强树脂层和树脂层时衬里中的压力；以及使纤维增强树脂层和树脂层的温度保持在预定温度。

Description

高压罐和制造高压罐的方法
技术领域
本发明涉及一种高压罐和制造高压罐的方法。
背景技术
在相关技术中，已知包括中空衬里和纤维增强树脂层的高压罐，所述纤维增强树脂层是衬里周围的纤维增强树脂的层(例如，日本未审查专利申请公开第2017-096334号(JP 2017-096334 A))。在相关技术中，作为制造高压罐的方法，已知这样的技术，其包括：通过使其中纤维被未固化状态的热固性树脂所浸渍的纤维增强树脂围绕衬里缠绕来形成纤维增强树脂层的步骤、以及通过在固化炉中加热使纤维增强树脂层固化的步骤(例如，JP2017-096334 A)。
发明内容
当形成纤维增强树脂层时，纤维增强树脂层中的热固性树脂渗出到纤维增强树脂层的外表面，使得在一些情况下形成树脂层，所述树脂层是不含纤维的热固性树脂的层。发现当使热固性树脂固化时，在一些情况下在树脂层中形成具有孔结构的气体渗透路径。气体渗透路径使得作为衬里侧的内部和高压罐的外部经由树脂层彼此连通。
本发明可以以以下方面实现。
本发明的第一方面涉及一种制造高压罐的方法。所述方法包括：制备具有用于填充气体的内部空间的衬里；通过使其中纤维被热固性树脂所浸渍的纤维增强树脂围绕所述衬里的外侧缠绕，形成处于所述衬里的外侧上的纤维增强树脂层和处于所述纤维增强树脂层的外表面上的树脂层，所述纤维增强树脂层是所述纤维增强树脂的层，所述树脂层是由所述热固性树脂的一部分形成的层；使所述纤维增强树脂层和所述树脂层的温度升高至预定温度，所述预定温度是使所述热固性树脂固化的温度；在进行所述升高温度的期间的至少一个时间段内，调节所述衬里中的压力至高于第一压力的第二压力，所述第一压力是在形成所述纤维增强树脂层和所述树脂层时的所述衬里中的压力；以及在所述升高温度之后使所述纤维增强树脂层和所述树脂层的温度保持在所述预定温度。通过根据本发明的第一方面的制造高压罐的方法，通过调节衬里中的压力，在进行所述升高温度的期间的至少一个时间段内，在形成纤维增强树脂层和树脂层时，调节所述衬里中的压力至高于第一压力的第二压力。由此，在完成纤维增强树脂层和树脂层的固化之前，可以使衬里中的更大量的气体通过衬里并移动到外部。从内部通到衬里的外部的气体移动到外部，同时在固化之前在树脂层中形成孔结构。因此，可以通过在形成用于气体流动的孔结构的状态下保持温度来使热固性树脂固化。因此，可以在树脂层中更有效地形成孔结构的气体渗透路径。
在根据本发明的第一方面的方法中，调节衬里中的压力可以具有以下过程：使所述衬里中的压力从第一压力增加至第二压力，在所述增加压力之后使衬里中的压力保持在第二压力，以及在所述保持压力之后，使衬里中的压力降低至低于第二压力的第三压力；并且所述保持压力是在进行所述升高温度的期间的一个时间段内进行的。通过根据本发明的第一方面的方法，由于在进行升高温度期间的一个时间段内调节衬里中的压力为第二压力，因此进一步减小了衬里上的负荷。
在根据本发明的第一方面的方法中，调节衬里中的压力可以具有以下过程：使衬里中的压力从第一压力增加至第二压力，所述增加压力是在形成所述纤维增强树脂层和所述树脂层的步骤与升高温度的步骤之间进行，以及在进行所述升高温度的期间的整个时间段，使衬里中的压力保持在第二压力。通过根据本发明的第一方面的方法，由于在进行升高温度期间的整个时间段期间调节衬里中的压力为第二压力，因此进一步抑制了压力控制的复杂性。
在根据本发明的第一方面的方法中，在增加压力时，可以通过将不活泼气体密封在衬里中来使衬里中的压力增加至第二压力。通过根据本发明的第一方面的方法，由于通过将不活泼气体密封在衬里中来将衬里中的压力增加至第二压力，因此可以降低衬里中的氧浓度。因此，可以进一步减少由于氧化引起的衬里的劣化。
在根据本发明的第一方面的方法中，不活泼气体可以是氢气、氮气、氦气和氩气中的至少一种。通过根据本发明的第一方面的方法，由于不活泼气体的分子量小，因此与相对较大的分子量的情况相比，可以使更大量的气体从衬里的内部通到外部。因此，可以更有效地形成孔结构。
在根据本发明的第一方面的方法中，通过形成纤维增强树脂层和树脂层而形成的树脂层的断裂韧性值可以为1.7MPa·m0.5或更小。通过根据本发明的第一方面的高压罐，由于树脂层的断裂韧性值为1.7MPa·m0.5或更小，因此通过将树脂层经由树脂层从内部推到外部，气体容易移动。因此，与树脂层的断裂韧性值相对较高的情况相比，通过将树脂层经由树脂层从内部推到外部，气体移动时可以容易地形成孔结构。因此，即使在制造高压罐之后，也在树脂层中形成气体渗透路径，使得可以进一步提高气体渗透性。
本发明的第二方面涉及一种用于填充高压气体的高压罐。所述高压罐包括：具有用于填充气体的内部空间的衬里；设置在所述衬里的外侧上的纤维增强树脂层，所述纤维增强树脂层是其中纤维被热固性树脂所浸渍的纤维增强树脂的层；以及设置在所述纤维增强树脂层的外侧上的树脂层，所述树脂层是所述热固性树脂的层，所述树脂层是热固性树脂的层。所述树脂层具有气体渗透路径，所述气体渗透路径是使内部和外部通过所述树脂层彼此连通的孔结构；以及所述树脂层的断裂韧性值为1.7MPa·m0.5或更小。通过根据本发明的第二方面的高压罐，由于树脂层的断裂韧性值为1.7MPa·m0.5或更小，因此通过将树脂层经由树脂层从内部推到外部，气体容易移动。因此，与树脂层的断裂韧性值相对较高的情况相比，通过将树脂层经由树脂层从内部推到外部，气体移动时可以容易地形成孔结构。因此，即使在制造高压罐之后，也在树脂层中形成气体渗透路径，使得可以进一步提高气体渗透性。
除了制造高压罐的方法和高压罐之外，本发明的方面可以以多种形式实现。例如，本发明的方面可以以以下形式实现：其中安装有高压罐的车辆、用于制造高压罐的装置和用于制造高压罐的加热装置。
附图说明
以下将参照附图描述本发明的示例性实施方案的特征、优点、技术意义和工业意义，在附图中相同的附图标记表示相同的构件，其中：
图1为根据第一实施方案的高压罐的截面图；
图2为示出根据第一实施方案的高压罐的截面结构的示意图；
图3为用于描述根据第一实施方案的高压罐的制造过程的流程图；
图4为第一实施方案中使用的加热装置的示意图；
图5为用于描述第一实施方案中的压力调节步骤与升温步骤之间的关系的图；
图6为用于描述根据第一实施方案的压力调节步骤的各步骤的流程图；
图7为示出第二实施方案中的树脂层的断裂韧性值与白浊现象的发生之间的关系的表；
图8为根据第二实施方案中的第一实验例的高压罐的截面结构的示意图；
图9为用于描述根据第三实施方案的高压罐的制造过程的流程图；
图10为示出第三实施方案中的压力调节步骤与升温步骤之间的关系的图；以及
图11为示出第四实施方案中的温度与热固性树脂的粘度变化之间的关系的图。
具体实施方式
A.第一实施方案
A1.高压罐的构造
图1为根据第一实施方案的高压罐100的截面图。高压罐100包括衬里20、纤维增强树脂层30、树脂层40以及两个端盖91和92。高压罐100是用于在其中储存高压气体的罐。在第一实施方案中，高压罐100用于在内部空间60中以高压(例如70MPa)气体储存气体(例如氢气或天然气)。在第一实施方案中，储存在高压罐100中的高压气体是氢气。高压罐100装载在例如移动体上，例如具有使用氢气作为燃料气体的燃料电池作为其电源的燃料电池车辆。高压罐100不限于燃料电池车辆，还可以设置在移动体(例如船舶或飞机)中，或者设置在固定设施(例如房屋或建筑物)中。
衬里20具有圆筒状部分和半球形圆顶部分，圆筒状部分具有圆筒状形状，半球形圆顶部分设置在圆筒状部分的两端。衬里20是具有内部空间60的中空容器，内部空间60是用于用气体填充内部的空间。衬里20用作高压罐100的罐构件体。衬里20由具有相对较低的气体阻挡特性，特别是氢气渗透性的树脂形成。作为形成衬里20的树脂，例如可以使用聚酰胺6、乙烯-乙烯醇和完全皂化的聚乙烯醇。在第一实施方案中，采用聚酰胺6。
纤维增强树脂层30是其中纤维被热固性树脂所浸渍的纤维增强树脂的层，形成在衬里20外部。纤维增强树脂层30可以形成为与衬里20的外表面接触，或者可以形成在衬里20外部，介于其间有脱模剂。纤维增强树脂层30具有包含碳纤维和热固性树脂的碳纤维增强树脂层31、以及包含玻璃纤维和热固性树脂的玻璃纤维增强树脂层35。作为热固性树脂，例如可以使用环氧树脂或不饱和聚酯树脂。在第一实施方案中，采用环氧树脂。通过固化促进剂来调节环氧树脂的固化速率和强度。
碳纤维增强树脂层31形成为覆盖衬里20的整个外表面、以及端盖91、92的一部分。碳纤维增强树脂层31由其中碳纤维被热固性树脂所浸渍并具有耐压性的碳纤维增强树脂(碳纤维增强塑料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP))制成。与玻璃纤维增强树脂层35和树脂层40的强度相比，碳纤维增强树脂层31的强度(例如断裂韧性度)对高压罐100的耐压性的贡献相对较大。
玻璃纤维增强树脂层35形成为覆盖碳纤维增强树脂层31的外表面。玻璃纤维增强树脂层35由其中玻璃纤维被热固性树脂所浸渍并具有比碳纤维增强树脂层31更高的耐冲击性的玻璃纤维增强树脂(玻璃纤维增强塑料(glass fiber reinforced plastics，GFRP))制成。
树脂层40形成在玻璃纤维增强树脂层35的外表面上。树脂层40由不含纤维的热固性树脂制成。树脂层40由与用于玻璃纤维增强树脂层35的热固性树脂相同的热固性树脂形成。
端盖91、92包括第一端盖91和第二端盖92。第一端盖91具有基本上圆筒状形状，其具有与衬里20的内部连通的通孔。第一端盖91用作高压罐100的开口，其还用作用于将管和阀连接到高压罐100的连接部分。第二端盖92具有基本上圆柱状形状，其不具有通孔。第二端盖92具有将高压罐100内的热量传导到外部的功能。当使用纤维增强树脂层30时，端盖91、92还用作用于将衬里20连接到长丝缠绕装置的连接部分。金属(例如不锈钢和铝)可以用于端盖91、92。
图2为示出根据第一实施方案的高压罐100的截面结构的示意图。图2为图1中虚线2包围的区域的放大图。在第一实施方案中，在高压罐100中形成复数个气体渗透路径50。气体渗透路径50具有孔结构，所述孔结构使内部(衬里20侧)和外部能够经由树脂层40彼此连通。
纤维增强树脂层30具有包含纤维的区域和仅由不含纤维的树脂形成的区域。与仅由树脂形成的区域相比，包含纤维的区域具有相对较小的密度。由于纤维增强树脂层30包含纤维，因此纤维增强树脂层30具有气体渗透性。在仅由树脂形成的区域中，形成用作气体的流动路径的空隙。
树脂层40具有气体渗透路径50。通过具有气体渗透路径50，树脂层40使得气体在内部(衬里20侧)与外部(高压罐100的外部)之间流动，树脂层40介于其间。气体渗透路径50均匀地形成在树脂层40中。
当使用填充有气体的高压罐100时，填充内部空间60的气体可以通过衬里20并流到纤维增强树脂层30侧。流到纤维增强树脂层30侧的气体可以在沿衬里20与纤维增强树脂层30之间的边界的方向上移动。当流到纤维增强树脂层30侧的气体在沿衬里20与纤维增强树脂层30之间的边界的方向上移动时，气体移动到纤维增强树脂层30中包含纤维的区域或者具有相对较高的气体渗透性的空隙。移动的气体移动到树脂层40侧。移动到树脂层40侧的气体通过形成在树脂层40中的气体渗透路径50释放到树脂层40的外部。
A2.制造高压罐的方法
图3为用于描述根据第一实施方案的高压罐100的制造过程的流程图。在下文中，将参照图3描述根据第一实施方案的高压罐100的制造过程。在高压罐100的制造过程中，进行作为步骤S101的制备步骤、作为步骤S102的形成步骤、作为步骤S103的升温步骤、作为步骤S104的压力调节步骤、作为步骤S105的温度保持步骤和作为步骤S106的冷却步骤。在下文中，将使用与纤维增强树脂层30相同的附图标记来描述将通过温度保持步骤(步骤S105)变为纤维增强树脂层30的未固化的层结构。将使用与树脂层40相同的附图标记来描述将通过温度保持步骤(步骤S105)变为树脂层40的未固化的层结构。其中未固化的纤维增强树脂层30和未固化的树脂层40形成在衬里20的外侧上的状态的一种构件被描述为工件80。
制备步骤(步骤S101)是制备衬里20的步骤。在第一实施方案中，衬里20例如通过将圆顶部分和圆筒状部分焊接在一起而制备，圆顶部分和圆筒状部分通过聚酰胺6的注射成型或挤出成型单独模制。端盖91、92连接到所制备的衬里20。在第一实施方案中，端盖91、92通过压制配合连接。作为衬里20，可以制备和使用已经形成的衬里。
在制备步骤(步骤S101)之后，进行形成步骤(步骤S102)。形成步骤(步骤S102)是通过将纤维增强树脂围绕衬里20的外侧缠绕来形成未固化的纤维增强树脂层30和未固化的树脂层40的步骤。在第一实施方案中，形成步骤(步骤S102)如下进行。通过将碳纤维增强树脂围绕衬里20的外侧缠绕，形成未固化的碳纤维增强树脂层31。在形成未固化的碳纤维增强树脂层31之后，将玻璃纤维增强树脂围绕未固化的碳纤维增强树脂层31的外侧缠绕，由此形成未固化的玻璃纤维增强树脂层35。为了缠绕纤维增强树脂，使用长丝缠绕法(FW法)。在形成未固化的纤维增强树脂层30之后，形成树脂层40。树脂层40由渗出到外侧的热固性树脂的一部分形成，热固性树脂用于未固化的纤维增强树脂层30，特别是用于玻璃纤维增强树脂层35中具有相对较低的纤维密度的区域。在将脱模剂施加到衬里20的外表面的情况下，在施加的脱模剂干燥之后，将碳纤维增强树脂围绕衬里20的外侧缠绕。
在形成步骤(步骤S102)中，将衬里20中的压力调节为预先确定的第一压力。第一压力设定为在形成步骤(步骤S102)中可以进一步抑制衬里20的应变并且衬里20不被衬里20中的压力破坏的压力。在形成步骤中衬里20的应变的实例包括由于衬里20的重量和缠绕的纤维增强树脂的重量引起的衬里20的应变，以及由于在缠绕时施加到纤维增强树脂上的压力引起的应变。在第一实施方案中，第一压力的目标值为0.7MPa。在形成步骤(步骤S102)中，就实际值而言，衬里20中的压力不需要严格地调节为0.7MPa，而是可以调节为例如在0.65MPa至0.75Mpa(包括端值)的范围内。在第一实施方案中，当将作为不活泼气体的第一气体密封在衬里20中时，将衬里20中的压力增加至第一压力。不活泼气体意指与衬里20的形成构件(第一实施方案中的聚酰胺6)具有相对较低的反应性的气体。在第一实施方案中，采用氮气和氦气的混合气体作为第一气体。
图4为第一实施方案中使用的加热装置200的示意图。当完成形成步骤(步骤S102)时，将工件80设置在加热装置200中。加热装置200用于升温步骤(步骤S103)、压力调节步骤(步骤S104)和温度保持步骤(步骤S105)。
加热装置200(图4)包括加热工件80的加热机构210、调节衬里20中的压力的压力调节机构250以及控制加热机构210和压力调节机构250的控制器290。
加热机构210包括加热炉211、旋转部分212和红外(IR)加热器220。加热炉211是在其中具有设置有工件80的空间的加热装置。加热炉211通过升高内部空间的温度从外表面侧加热设置在其中的工件80。旋转部分212连接到端盖91、92，并用作将工件80固定在加热炉211中的工具。旋转部分212还用作将第一端盖91(其是工件80的开口)连接到压力调节机构250的管道。IR加热器220设置为使得可以加热旋转部分212。当通过IR加热器220加热旋转部分212时，连接到旋转部分212的端盖91、92被加热，纤维增强树脂层30(特别是端盖91、92的周边部分)通过端盖91、92从内部被加热。因此，端盖91、92的周边部分(其纤维增强树脂层30的厚度大于其它区域的纤维增强树脂层30的厚度)可以从内部被加热。旋转部分212通过驱动部分(未示出)绕旋转轴CX旋转。因此，连接到旋转部分212的工件80在加热炉211中旋转，使得可以进一步抑制工件80的不均匀加热。当旋转部分212旋转时，可以进一步抑制通过IR加热器220对旋转部分212的不均匀加热。加热机构210使用加热炉211和IR加热器220二者来加热工件80。因此，在升高工件80的温度时，可以进一步减小工件80的内侧(纤维增强树脂层30)与外侧(树脂层40)之间的温差。测量工件80的表面温度和端盖91、92的温度的温度传感器301设置在加热炉211内部。通过温度传感器301测量的温度信息被传输到控制器290。控制器290根据接收的温度信息来调节加热炉211和IR加热器220各自的输出。
压力调节机构250包括供应流动路径251和回收流动路径252，通过供应流动路径251，待密封在工件80中的第二气体流动，通过回收流动路径252，回收从工件80排出的第二气体。压力调节机构250通过密封工件80中的第二气体进行加压并通过回收密封在其中的第二气体进行减压来调节衬里20中的压力。在供应流动路径251中，设置有在朝向工件80的方向上泵送第二气体的加压泵254。开关阀255设置在供应流动路径251中的加压泵254与工件80之间。开关阀255切换到其中加压泵254侧和工件80侧彼此不连通的状态、以及其中加压泵254侧和工件80侧通过供应流动路径251中的开关阀255彼此连通的状态中的任一者。用于辅助回收密封在衬里20中的第二气体的减压泵257设置在回收流动路径252中。压力调节阀256设置在回收流动路径252中的减压泵257与工件80之间。压力调节阀256是能够分阶段调节回收流动路径252的流动路径宽度的阀机构。用于测量工件80与压力调节阀256之间的空间中的压力的压力传感器302设置在回收流动路径252中。通过压力传感器302测量的压力信息被传输到控制器290。控制器290根据接收的压力信息通过控制加压泵254、开关阀255、压力调节阀256和减压泵257来调节衬里20中的压力。压力调节机构250中使用的第二气体是与形成步骤(步骤S102)中使用的第一气体类似的不活泼气体。在这种情况下，容易使从衬里20的内部回收的气体作为第一气体和第二气体再循环。
图5为用于描述第一实施方案中的压力调节步骤(图3中的步骤S104)与升温步骤(图3中的步骤S103)之间的关系的图。升温步骤(步骤S103)是将纤维增强树脂层30和树脂层40的温度升高至预定目标温度T1的步骤。目标温度T1是使纤维增强树脂层30和树脂层40中使用的热固性树脂热固化的温度，根据所使用的热固性树脂的种类来确定。通过使用加热机构210加热纤维增强树脂层30和树脂层40来进行升温步骤(步骤S103)。在升温步骤(步骤S103)中，根据用于粘度的Andrade方程式中示出的粘度与温度之间的关系，包含在纤维增强树脂层30和树脂层40中的热固性树脂的粘度降低，直至热固化反应开始的时间t1。在热固化开始的时间t1之后，热固性树脂中的热固化反应随着时间的推移而进行，使得粘度增加。在第一实施方案中，根据从温度传感器301传输的温度信息，通过控制器290测量升温步骤(步骤S103)中的纤维增强树脂层30和树脂层40的温度。
纤维增强树脂层30和树脂层40包含在形成步骤(图3中的步骤S102)的过程中形成在纤维增强树脂层30和树脂层40中的气泡以及由已经通过衬里20并移动到纤维增强树脂层30侧的气体形成的气泡。在纤维增强树脂层30和树脂层40的热固性树脂的粘度是气泡可以移动的粘度的情况下，包含在纤维增强树脂层30和树脂层40中的气泡向外移动。气泡可以移动的事实意味着对气泡的阻力相对小于作用在气泡上的浮力。热固性树脂的粘度越高，对气泡的阻力越高。当气泡通过推动未固化的热固性树脂而移动时，在纤维增强树脂层30和树脂层40中形成孔结构。在通过热固性树脂的流动形成的孔结构被阻塞之前，纤维增强树脂层30被固化以形成空隙，树脂层40被热固化以形成气体渗透路径50。
在升温步骤(步骤S103)中，通过将端盖加热至高于目标温度T1的温度，从衬里20侧(内侧)加热纤维增强树脂层30和树脂层40。因此，与通过使用加热炉211仅从外部加热工件80来升高纤维增强树脂层30和树脂层40的温度的情况相比，进一步抑制了树脂层40与纤维增强树脂层30之间的升温速率的差异。因此，纤维增强树脂层30和树脂层40的温度升高，使得纤维增强树脂层30的粘度降低期间的时间段和树脂层40的粘度降低期间的时间段交叠。在第一实施方案中，控制IR加热器220，使得在升温步骤(步骤S103)中端盖91、92的温度达到160℃。
压力调节步骤(步骤S104)是在进行升温步骤(步骤S103)期间的时间段pe的至少一段时间pe1中使衬里20中的压力高于第一压力P1的第二压力P2的步骤，所述第一压力P1是在形成步骤(步骤S102)中衬里20中的压力。
图6为用于描述压力调节步骤(步骤S104)的各步骤的流程图。在压力调节步骤(步骤S104)中，进行加压步骤(步骤S201)、压力保持步骤(步骤S202)和减压步骤(步骤S203)。
加压步骤(步骤S201)是将衬里20中的压力从第一压力P1增加至第二压力P2的步骤。在加压步骤(步骤S201)中，通过压力调节机构250(图4)将第二气体密封在衬里20中来将衬里20中的压力加压至第二压力P2。第二压力P2是高于第一压力P1且低于衬里20被衬里20中的压力破坏的压力的压力。第二压力P2没有特别限制，但优选等于或者大于第一压力P1的1.2倍，更优选1.35倍或更大。在第一实施方案中，第二压力P2的目标值为0.95MPa。由于在加压步骤(步骤S201)中在衬里20的外侧上形成未固化的纤维增强树脂层30，因此与形成步骤(步骤S102)相比，衬里20可以承受相对较高的压力。
在加压步骤(步骤S201)之后，进行压力保持步骤(步骤S202)。压力保持步骤(步骤S202)是将衬里20中的压力保持在第二压力P2下的步骤。在压力保持步骤(步骤S202)中，衬里20中的压力不需要严格地调节为0.95MPa，而是可以调节为在例如0.90MPa至1.0MPa(包括端值)的范围内。如图5所示，由于在进行压力保持步骤(步骤S202)期间的时间段pe1内的时间t1进行升温步骤(步骤S103)，因此未固化的纤维增强树脂层30和未固化的树脂层40的热固性树脂的粘度变为最低粘度。
当压力保持步骤(步骤S202)完成时，进行减压步骤(步骤S203)。减压步骤(步骤S203)是将衬里20中的压力降低至低于第二压力P2的第三压力P3的步骤。在减压步骤(步骤S203)中，通过使用压力调节机构250回收密封在衬里20中的第一气体和第二气体来进行减压。通过将衬里20减压，由施加内部压力引起的衬里20上的负荷进一步减小。第三压力P3是可以进一步抑制设置在加热装置200中的衬里20由于其自身重量变形的压力并低于第二压力P2的压力。在第一实施方案中，第三压力P3设定为与第一压力P1相同的压力。第三压力P3不限于此。第三压力P3可以低于第一压力P1或者高于第一压力P1。
在压力调节步骤(步骤S104)之后，进行温度保持步骤(步骤S105)。在第一实施方案中，在压力调节步骤(步骤S104)开始之后开始温度保持步骤(步骤S105)。温度保持步骤(步骤S105)是将纤维增强树脂层30和树脂层40的温度保持在目标温度T1下的步骤。目标温度T1是高于所使用的热固性树脂的固化温度的温度。在第一实施方案中，目标温度T1为140℃。在温度保持步骤(图3中的步骤S105)中，通过使用加热机构210交替地停止和恢复纤维增强树脂层30和树脂层40的加热，将纤维增强树脂层30和树脂层40的温度保持在目标温度T1下。在温度保持步骤(步骤S105)中，纤维增强树脂层30和树脂层40的温度不需要严格地保持在目标温度T1下。可以将纤维增强树脂层30和树脂层40的温度调节为基本上目标温度T1，例如135℃至145℃(包括端点)的温度。通过温度保持步骤(步骤S105)，完成纤维增强树脂层30和树脂层40的固化。
如图3和图5所示，在温度保持步骤(步骤S105)之后进行冷却步骤(步骤S106)。冷却步骤(步骤S106)是将形成的高压罐100冷却至室温(例如25℃)的步骤。在冷却步骤(步骤S106)中，例如通过加热装置200的通风和自然散热来冷却高压罐100。当高压罐100的冷却完成时，将高压罐100从加热装置200移除。因此，高压罐100的制造过程完成。
根据上述第一实施方案，如图5所示，在纤维增强树脂层30和树脂层40的固化完成之前的升温步骤(步骤S103)中，进行将衬里20中的压力保持在第二压力的压力保持步骤(步骤S202)。在由于热固性树脂的固化开始而粘度增加的时间t1之后进行减压步骤(步骤S203)。具有高内部压力的衬里20的气体渗透性高于具有相对较低的内部压力的衬里20的气体渗透性。因此，通过将衬里20中的压力从第一压力增加至第二压力，可以增加通过衬里20到外部的气体的量。在衬里20的温度高于衬里20的温度相对较低的情况下的情况下，衬里20的气体渗透性更高。因此，在包括热固性树脂的粘度低期间的时间段的时间段pe1中，即气体的移动进行得最顺利，通过衬里20的气体的量增加。通过衬里20到外部的气体移动到外部，同时在树脂层40被固化之前在树脂层40中形成孔结构。因此，通过使树脂层40在形成有用于气体的流动的孔结构的状态下固化，更有效地形成气体渗透路径50。由于通过衬里20的气体的量随气体的分子量减小而增加，因此第一气体和第二气体的分子量没有特别限制，但优选是小的。具体地，虽然没有特别限制，但气体的分子量优选等于或小于40，更优选等于或小于空气的分子量(分子量29)。在第一实施方案中，使用分子量小于空气的分子量的氦气和氮气的混合气体作为第一气体和第二气体。因此，在压力保持步骤(步骤S202)中，可以增加通过衬里20到外部的气体的量。因此，更有效地形成气体渗透路径50。由于在树脂层40中更有效地形成气体渗透路径50，因此可以增加树脂层40中的气体渗透性。
根据第一实施方案，使用作为不活泼气体的氦气和氮气的混合气体作为密封在衬里20中的气体的第一气体和第二气体。在使用不活泼气体作为第一气体和第二气体的情况下，与使用不同于不活泼气体的气体的情况相比，可以相对降低密封在衬里20中的气体中的活性气体(例如氧气)的比例。因此，进一步抑制了由于衬里20与密封在衬里20中的氧气之间的氧化反应引起的衬里20的劣化，并且进一步改善了衬里20的耐久性(例如容许拉伸应力)。在根据第一实施方案的高压罐100中，即使在应力集中在衬里20上的情况下，也进一步改善了衬里20的耐久性，使得可以进一步降低衬里20被破坏的风险。例如，在-40℃或更低的外部空气温度的低温环境中(例如在高速公路上连续行驶)快速消耗高压罐100中的气体之后，高压罐100填充有气体的情况下，应力可能集中在衬里20上。这是因为衬里20中的气体随着高压罐100中的气体被快速消耗而绝热膨胀，因此衬里20中的温度降低至外部空气温度或更低，由此衬里20收缩。在衬里20收缩的情况下，可能存在于衬里20与纤维增强树脂层30之间形成间隙的情况。在高压罐100在衬里20与纤维增强树脂层30之间形成有间隙的状态下填充有气体的情况下，应力集中在衬里20上。
根据第一实施方案，在升温步骤(步骤S103)中，纤维增强树脂层30和树脂层40的温度升高，使得纤维增强树脂层30的粘度降低期间的时间段和树脂层40的粘度降低期间的时间段交叠。因此，在升温步骤(步骤S103)中，气体通过纤维增强树脂层30和树脂层40从衬里20侧向外部的移动变得容易。因此，更有效地形成更大量的气体渗透路径50。
根据第一实施方案，在压力调节步骤(步骤S104)中，在进行升温步骤(步骤S103)期间的时间段pe的时间段pe1中，使衬里20中的压力被调节为第二压力P2。因此，由于衬里20中的压力引起的衬里20上的负荷进一步减小。
B.第二实施方案
B1.根据第二实施方案的高压罐
在第二实施方案中，树脂层40的强度没有特别限制，但树脂层40的强度可以低于纤维增强树脂层30的强度。第二实施方案与第一实施方案的不同之处在于树脂层40的强度低于纤维增强树脂层30的强度。在以下描述中，与第一实施方案中相同的构件通过与第一实施方案中相同的附图标记表示，并且将省略其描述。在第二实施方案中，断裂韧性用于树脂层40的强度与纤维增强树脂层30的强度之间的比较。基于通过美国材料与测试协会(American Society for Testing and Materials，ASTM)标准E399中规定的平面应变断裂韧性测试(KIC测试)获得的断裂韧性值(在下文中，简称为“断裂韧性值”)来评估断裂韧性。
在第二实施方案中，与碳纤维增强树脂层31中使用的热固性树脂相比，玻璃纤维增强树脂层35和树脂层40中使用的热固性树脂具有相对较低的断裂韧性。因此，树脂层40的强度降低。在第二实施方案中，通过改变添加到其中的橡胶(例如改性丙烯酸树脂)的量来调节热固性树脂的断裂韧性。随着添加到热固性树脂中的橡胶的量增加，热固性树脂的断裂韧性值降低。在下文中，将形成树脂层40的热固性树脂的断裂韧性值简称为“树脂层40的断裂韧性值”。在第二实施方案中，调节添加的橡胶的量，使得树脂层40的断裂韧性值达到1.7MPa·m0.5或更小。
B2.使用实验例研究高压罐的性能
图7为示出树脂层的断裂韧性值与白浊现象的发生之间的关系的表。图8为根据第二实施方案中的第一实验例的高压罐400的截面结构的示意图。使用实验例进行性能研究以研究树脂层的断裂韧性值与白浊现象的发生之间的关系。基于通过用气体(氢气)填充根据第一至第四实验例的高压罐400并目视检查白浊现象的发生而获得的结果来制得图7。白浊现象是这样的现象：其中在填充高压罐400的气体通过衬里20并向纤维增强树脂层30侧移动的情况下，移动的气体停留在纤维增强树脂层30与树脂层40之间并形成气体贮存器。
在根据第二实施方案中的实验例的高压罐400的制造过程中，不进行第一实施方案中的压力调节步骤(步骤S104)。因此，与根据第一实施方案的高压罐100相比，在根据第二实施方案中的实验例的高压罐400中，在制造阶段中未能更有效地形成气体渗透路径50。根据第二实施方案中的实验例的高压罐400与根据第一实施方案的高压罐100中相同的构件通过相同的附图标记表示，并且将省略其详细描述。在实验中，根据使用第一至第四实验例的高压罐400，其是树脂层40具有不同断裂韧性值的四种高压罐。根据第一实验例的高压罐400中的树脂层40的断裂韧性值为1.9MPa·m0.5。根据第二实验例的高压罐400中的树脂层40的断裂韧性值为1.7MPa·m0.5。根据第三实验例的高压罐400中的树脂层40的断裂韧性值为1.4MPa·m0.5。根据第四实验例的高压罐400中的树脂层40的断裂韧性值为0.8MPa·m0.5。
如图7所示，在根据其中树脂层40的断裂韧性值为1.9MPa·m0.5的第一实验例的高压罐400中，确定白浊现象的发生。如图8所示，在高压罐400中，在填充内部空间60的气体通过衬里20并移动到纤维增强树脂层30侧的情况下，气体通过纤维增强树脂层30中包含纤维的区域和具有相对较高的气体渗透性的空隙移动到树脂层40侧。由于在树脂层40中未形成气体渗透路径50，因此移动到树脂层40侧的气体保留在纤维增强树脂层30与树脂层40之间。因此，在根据第一实验例的高压罐400中，与根据第一实施方案的高压罐100相比，发生白浊现象。在发生白浊现象的情况下，可能引起以下问题。例如，当高压罐填充有气体时，压力从衬里侧施加到气体贮存器，并且存在树脂层可能被施加到气体贮存器的压力破坏的可能性。在这种情况下，当树脂层破坏时产生声音，并且存在高压罐的使用者可能感到不舒服的可能性。例如，高压罐的美学外观可能受到白浊现象的影响。
如图7所示，在根据其中树脂层40的断裂韧性值为1.7MPa·m0.5或更小的第二至第四实验例的高压罐400中，未确定白浊现象的发生。在根据第二至第四实验例的高压罐400中，在填充内部空间60的气体通过衬里20并移动到纤维增强树脂层30侧的情况下，气体通过纤维增强树脂层30中包含具有相对较高的气体渗透性的纤维的区域移动到树脂层40侧。由于在树脂层40中未形成气体渗透路径50，因此移动到树脂层40侧的气体暂时保留在纤维增强树脂层30与树脂层40之间。根据第二至第四实验例的高压罐400中的树脂层40的断裂韧性值低于根据第一实验例的高压罐400的断裂韧性值。因此，在根据第二至第四实验例的高压罐400中，与根据第一实验例的高压罐400相比，气体可以通过推动树脂层40而容易地移动。因此，即使在气体暂时聚集在纤维增强树脂层30与树脂层40之间的情况下，聚集的气体也可通过推动树脂层40而被释放到外部。因此，在根据第二至第四实验例的高压罐400中，即使在未充分形成气体渗透路径50的情况下，也可以进一步抑制白浊现象的发生。当气体通过推动树脂层40而移动时，在树脂层40中形成间隙。形成在树脂层40中的间隙用作气体渗透路径50。即，在根据第二至第四实验例的高压罐400中，可以在制造高压罐400之后形成气体渗透路径50。由于根据第二至第四实验例的高压罐400的断裂韧性值低于根据第一实验例的高压罐400的断裂韧性值，因此在第二至第四实验例中当树脂层40被气体推动时产生的声音小于在第一实验例中当树脂层40被破坏时产生的声音。因此，进一步降低了高压罐的使用者感到不舒服的可能性。
根据上述第二实施方案，将树脂层40的断裂韧性值调节为1.7MPa·m0.5或更小。例如，在由于长时间使用高压罐100而阻塞气体渗透路径50的情况下，存在树脂层40的气体渗透性可能降低的可能性。即使在制造高压罐100之后树脂层40的气体渗透性降低的情况下，在高压罐100中，气体通过推动树脂层40而移动，使得暂时聚集在纤维增强树脂层30与树脂层40之间的气体可以被释放到外部。因此，在高压罐100中，即使在气体渗透路径50被阻塞并且树脂层40的气体渗透性降低的情况下，也可以进一步抑制白浊现象的发生。当气体通过推动树脂层40而移动时，即使在制造之后也可以形成新的气体渗透路径50。
根据第二实施方案，由于使用与第一实施方案中相同的制造方法制造高压罐400，因此可以在树脂层40中更有效地形成气体渗透路径50，使得可以增加树脂层40中的气体渗透性。
C.第三实施方案
图9为用于描述根据第三实施方案的高压罐100的制造过程的流程图。图10为示出第三实施方案中的压力调节步骤与升温步骤之间的关系的图。第三实施方案与第一实施方案的不同之处在于在形成步骤(步骤S102)与升温步骤(步骤S103)之间，将衬里20中的压力从第一压力P1增加至第二压力P2。因此，如图10所示，在进行升温步骤(步骤S103)期间的整个时间段pe期间，将衬里20中的压力保持在第二压力P2下。在第三实施方案中，在制备步骤(步骤S101)和形成步骤(步骤S102)之后并且在升温步骤(步骤S103)之前进行加压步骤(步骤S201)。在加压步骤(步骤S201)之后，开始压力保持步骤(步骤S202)。在进行压力保持步骤(步骤S202)的同时进行升温步骤(步骤S103)。因此，当升温步骤(步骤S103)开始时，衬里20中的压力达到第二压力P2。在升温步骤(步骤S103)完成并且温度保持步骤(步骤S105)开始之后，完成压力保持步骤(步骤S202)并且开始减压步骤(步骤S203)。因此，在从升温步骤(步骤S103)开始到其完成的时间段pe期间，将衬里20中的压力保持在第二压力P2下。当温度保持步骤(步骤S105)完成时，开始冷却步骤(步骤S106)。在第三实施方案中，在温度保持步骤(步骤S105)开始之后进行减压步骤(步骤S203)，但减压步骤(步骤S203)不限于此。例如，减压步骤(步骤S203)可以与温度保持步骤(步骤S105)的开始同时进行，或者在温度保持步骤(步骤S105)的完成之后进行。
根据上述第三实施方案，由于在进行升温步骤(步骤S103)期间的整个时间段pe期间使衬里20中的压力被调节为第二压力P2，因此进一步抑制了压力控制的复杂性。根据第三实施方案，与第一实施方案中一样，可以在高压罐100的制造过程中更有效地形成气体渗透路径50。
D.第四实施方案
在第一至第三实施方案中，升温步骤(步骤S103)中的升温速率没有特别限制，但升温步骤(步骤S103)中的升温速率可以是高的。高的升温速率意味着在升温步骤(步骤S103)中进行快速加热。快速加热的程度为例如加热到这样的程度：由于固化反应在高于热固化反应(其是热固性树脂与固化剂之间的聚合反应)开始的温度的温度下开始，纤维增强树脂层30的粘度增加。
图11为示出第四实施方案中的温度与热固性树脂的粘度变化之间的关系的图。图11中示出的两条曲线X1和X2示出了当纤维增强树脂层30和树脂层40在不同的升温速率条件下温度升高至目标温度T1时，温度与热固性树脂的粘度之间的关系。曲线X1中的升温速率高于曲线X2中的升温速率。如图11所示，在具有高升温速率的条件中(曲线X2)，作为粘度的最小值的最低粘度低于具有相对较低的升温速率的条件(曲线X1)。这是因为，在从热固性树脂的热固化反应开始到热固性树脂的粘度增加的时间段的诱导时间段期间，由于升高温度引起的粘度降低在具有高升温速率的条件下比在具有相对较低的升温速率的条件下进行得更加显著。因此，在升温速率高的情况下，诱导时间段期间的温度升高增加，使得升温步骤和温度保持步骤中的最低粘度低。
根据上述第四实施方案，升温步骤(步骤S103)中的升温速率高。与升温步骤(步骤S103)中的升温速率相对较低的情况相比，这使得可以相对降低热固性树脂的最低粘度。因此，促进了热固性树脂中气泡的移动，使得进一步促进了气体渗透路径50的形成。通过降低由于热固化引起的粘度增加开始时的粘度，热固性树脂的粘度是气泡可以移动的粘度期间的时间段进一步延长。因此，形成气体渗透路径50期间的时间段延长，并且可以更有效地形成气体渗透路径50。
E.其他实施方案
E1.第一另一实施方案
在实施方案中，使用氦气和氮气的混合气体作为待密封在衬里20中的气体。然而，待密封在衬里20中的气体不限于此。例如，作为分子量为40或更小的不活泼气体，可以使用氢气、氦气、氮气、氖气或氩气。由于不活泼气体的分子量为40或更小，因而衬里20的渗透性相对较高。不活泼气体可以为混合气体或者单种气体。虽然没有特别限制，但优选不活泼气体是选自氢气、氦气、氮气和氩气的气体组的多种气体中的任何一种气体或者混合气体。在这种情况下，不活泼气体具有通过衬里20的高渗透性，并且与其他不活泼气体相比可以进一步降低制造成本。密封在衬里20中的气体不限于分子量为40或更小的不活泼气体。例如，可以使用氙气。密封在衬里20中的气体可以不是不活泼气体。例如，可以使用空气。在使用空气的情况下，可以进一步降低用于制备待密封在衬里20中的气体的成本。
E2.第二另一实施方案
在实施方案中，在形成步骤(步骤S102)和加压步骤(步骤S201)中，使用相同的气体作为密封在衬里20中的气体。然而，在形成步骤(步骤S102)和加压步骤(步骤S201)中，可以使用不同的气体。
E3.第三另一实施方案
在实施方案中，减压步骤(步骤S203)与温度保持步骤(步骤S105)的开始同时进行，但减压步骤(步骤S203)不限于此。例如，减压步骤(步骤S203)可以在升温步骤(步骤S103)的完成之前进行或者在温度保持步骤(步骤S105)的开始之后进行。即使在这种情况下，在压力调节步骤(步骤S104)中，在进行升温步骤(步骤S103)期间的时间段pe的时间段pe1中，也可以使衬里20中的压力被调节为第二压力P2。
E4.第四另一实施方案
在实施方案中，在升温步骤(步骤S103)中，从内部和外部二者加热工件80。然而，加热工件80的方法不限于此。例如，可以不进行从工件80的内部加热。在实施方案中，通过用IR加热器220加热旋转部分212来进行从内部加热，但加热方法不限于此。例如，在加压步骤(步骤S201)中，可以通过将高温下的气体密封在衬里20中来进行加热。
E5.第五另一实施方案
在实施方案中，将形成步骤(步骤S102)中衬里20中的压力调节为第一压力P1，但不限于此。例如，衬里20中的压力可以响应于形成步骤(步骤S102)的进程而改变。由于在形成步骤(步骤S102)进行时形成用于保护衬里20的纤维增强树脂层30，因此衬里20可以承受更高的内部压力。纤维增强树脂越接近外部，对围绕衬里20缠绕的纤维增强树脂施加的压力越高。因此，在形成步骤(步骤S102)进行时，可以增加衬里20中的压力。在这种情况下，在形成步骤(步骤S102)中，衬里20中的压力中最高的压力对应于第一压力。
即使在第一至第五其他实施方案中，与第一至第四实施方案中一样，也可以更有效地形成气体渗透路径50。
E6.第六另一实施方案
在第一实施方案中，在包括时间t1的时间段pe1中，进行其中将衬里20中的压力调节为高于第一压力P1的第二压力P2的压力调节步骤(步骤S104)，时间t1是在进行升温步骤(步骤S103)期间的时间段pe中热固性树脂的粘度变为最低粘度的时间。然而，进行压力调节步骤(步骤S104)期间的时间段pe1不限于此。例如，在不包括时间段pe中的时间t1的时间段中，即，在时间段pe中的时间t1之前或之后的时间段中，可以进行其中将衬里20中的压力调节为高于第一压力P1的第二压力P2的压力调节步骤(步骤S104)。即使在这种情况下，在进行压力调节步骤(步骤S104)期间的时间段中热固性树脂的粘度低于在温度保持步骤(步骤S105)中完成固化的热固性树脂的粘度。因此，与衬里20在整个时间段pe中未被加压的情况相比，可以更有效地形成气体渗透路径50。
E7.第七另一实施方案
在第二实施方案中，通过改变添加到热固性树脂中的橡胶的量，将树脂层40调节为1.7MPa·m0.5或更小。调节树脂层40的断裂韧性的方法不限于此。例如，可以通过改变用于纤维增强树脂层30的热固性树脂或施胶剂的种类来调节断裂韧性。当将纤维增强树脂和固化剂一起搅拌时，通过不进行真空消泡处理可以降低断裂韧性值。即使在这种情况下，树脂层40的断裂韧性值也可以调节为1.7MPa·m0.5或更小。因此，与第二实施方案类似，即使在气体渗透路径50被阻塞并且树脂层40的气体渗透性降低的情况下，高压罐100也可以进一步抑制白浊现象的发生。当气体通过推动树脂层40而移动时，即使在制造之后也可以形成新的气体渗透路径50。
E8.第八另一实施方案
在第四实施方案中，通过提高升温速率来降低热固性树脂的最低粘度，但不限于此。例如，可以通过改变固化促进剂或热固性树脂的种类来降低热固性树脂的最低粘度。在热固性树脂具有气泡可以移动而不降低最低粘度的粘度的情况下，可以不降低最低粘度。
E9.第九另一实施方案
在实施方案中，衬里20可以具有另一结构。例如，衬里20可以具有这样的结构：其具有由不具有气体阻挡特性的树脂形成的罐构件体部分和由具有气体阻挡特性的树脂形成的衬在罐构件体部分的内壁表面上的膜结构的衬里部分。
E10.第十另一实施方案
在实施方案中，纤维增强树脂层30可以具有另一结构。例如，纤维增强树脂层30可以使用另一纤维增强树脂例如芳族聚酰胺纤维增强树脂形成。在形成步骤(步骤S102)中，纤维增强树脂层30可以通过使用除FW方法之外的方法(例如树脂传递模塑(resintransfer molding，RTM)法或编织法)将纤维增强树脂围绕衬里20的外侧缠绕而形成。在将热固性树脂用于纤维增强树脂层30的情况下，可以形成树脂层40，使得可以通过相同的方法有效地形成气体渗透路径50。
本发明不限于上述实施方案，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下以各种构造实现。例如，可以适当地替换或组合实施方案中的对应于“发明内容”中描述的方面中的技术特征的技术特征。除非技术特征在本说明书中被描述为必不可少的，否则可以适当地删除技术特征。

Claims (7)

1.一种制造高压罐的方法，所述方法的特征在于包括：
制备具有用于填充气体的内部空间的衬里；
通过使其中纤维被热固性树脂所浸渍的纤维增强树脂围绕所述衬里的外侧缠绕，形成处于所述衬里的外侧上的纤维增强树脂层和处于所述纤维增强树脂层的外表面上的树脂层，所述纤维增强树脂层是所述纤维增强树脂的层，所述树脂层是由所述热固性树脂的一部分形成的层；
使所述纤维增强树脂层和所述树脂层的温度升高至预定温度，所述预定温度是使所述热固性树脂固化的温度；
在进行所述升高温度的期间的至少一个时间段内，调节所述衬里中的压力至高于第一压力的第二压力，所述第一压力是在形成所述纤维增强树脂层和所述树脂层时的所述衬里中的压力；以及
在所述升高温度之后使所述纤维增强树脂层和所述树脂层的温度保持在所述预定温度。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于：
所述调节所述衬里中的压力包括：
使所述衬里中的压力从所述第一压力增加至所述第二压力，
在所述增加压力之后使所述衬里中的压力保持在所述第二压力，以及
在所述保持压力之后，使所述衬里中的压力降低至低于所述第二压力的第三压力；并且
所述保持压力是在进行所述升高温度的期间的一个时间段内进行的。
3.根据权利要求1所述的方法，特征在于，所述调节所述衬里中的压力包括：
使所述衬里中的压力从所述第一压力增加至所述第二压力，所述增加压力是在形成所述纤维增强树脂层和所述树脂层的步骤与升高温度的步骤之间进行，以及
在进行所述升高温度的期间的整个时间段，使所述衬里中的压力保持在所述第二压力。
4.根据权利要求2或3所述的方法，特征在于，在所述增加压力时，通过将不活泼气体密封在所述衬里中来使所述衬里中的压力增加至所述第二压力。
5.根据权利要求4所述的方法，特征在于，所述不活泼气体是氢气、氮气、氦气和氩气中的至少一种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，特征在于，通过形成所述纤维增强树脂层和所述树脂层而形成的所述树脂层的断裂韧性值为1.7MPa·m0.5或更小。
7.一种用于填充高压气体的高压罐，所述高压罐的特征在于包括：
具有用于填充气体的内部空间的衬里；
设置在所述衬里的外侧上的纤维增强树脂层，所述纤维增强树脂层是其中纤维被热固性树脂所浸渍的纤维增强树脂的层；以及
设置在所述纤维增强树脂层的外侧上的树脂层，所述树脂层是所述热固性树脂的层，其中：
所述树脂层具有气体渗透路径，所述气体渗透路径是使内部和外部通过所述树脂层彼此连通的孔结构；以及
所述树脂层的断裂韧性值为1.7MPa·m0.5或更小。
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