CN110173618A - 高压罐及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及高压罐及其制造方法。高压罐(10)具备罐口(18)，该罐口(18)形成有给排孔(16)、作为流通路的一部分的罐口侧通路(62)。排斥涂层(90a、90b)夹在构成罐口(18)的凸缘部(30)的面向树脂制的内胆(12)的内胆侧端面(34)与内胆(12)的面向凸缘部(30)的凸缘部相向外表面(40)之间。排斥涂层(90a、90b)由排斥构成增强层(14)的纤维强化树脂的母材树脂的材质形成。

Description

高压罐及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具备内胆(日文：ライナ)、增强层以及罐口(日文：口金)的高压罐及其制造方法。
背景技术
高压罐作为收容气体、液体等流体的容器来被广泛使用。例如，作为收容用于供给到燃料电池系统的氢气的容器来搭载于燃料电池车。
作为这种高压罐，已知如下一种高压罐，如日本特开2009-243675号公报所公开的那样，该高压罐具备：树脂制的内胆，其将流体收容在中空内部；纤维强化树脂制的增强层(在日本特开2009-243675号公报中所说的“壳体(日文：シェル)”)，其覆盖该内胆的外表面以增强该内胆；以及罐口(在日本特开2009-243675号公报中所说的“端凸缘”)，其形成有用于向该内胆的中空内部供给流体和从该内胆的中空内部排出流体的给排孔。在该给排孔例如设置有阀等。通过对该阀进行操作等，能够经由给排孔来向内胆的内部供给流体、或者反之经由给排孔来排出在内胆的内部收容的流体。
然而，在将气体用作流体的情况下，树脂制的内胆存在相比于由铝合金等形成的金属内胆更易使气体透过的倾向。因此，设想以下情况：当高压地填充气体时，该气体透过内胆，滞留于内胆的外表面与增强层之间等。有可能出现以下情况：当在该状态下从内胆的内部排出气体时，内胆的内部的压力变得比内胆的外表面与增强层之间的压力低。当发生这样的事态时，存在以下担忧：在内胆与增强层之间产生空隙，或者，发生所谓的压曲(日文：バックリング)、即内胆的与增强层分离的部分向内部鼓出，从而内胆的耐久性下降。
为了消除该担忧，在日本特开平11-210988号公报中，提出了在罐口形成流通路(在日本特开平11-210988号公报中所说的“排气孔”)。根据该结构，能够将进入到内胆与增强层之间的气体经由该流通路排出到外部。
发明内容
为了制造高压罐，首先，在树脂制的内胆安装罐口，之后在罐口的一部分和内胆的各外表面卷绕预先浸渍了作为树脂液的母材树脂的强化纤维。与该卷绕同时地或者在该卷绕之后，使强化纤维中浸渍的母材树脂固化。通过该固化来形成由纤维强化树脂形成的增强层，从而得到高压罐。
固化前的母材树脂是低至能够流动的程度的低粘度。因此，关于强化纤维中浸渍的母材树脂，设想以下的情况：母材树脂流入到罐口与内胆之间的微小的空隙。假如发生这样的事态，若母材树脂到达流通路后堵塞该流通路的开口，则会变得不容易排出进入到内胆与增强层之间的气体。
本发明的主要目的在于提供一种能够将进入到内胆与增强层之间的气体从两者之间容易地排出的高压罐及其制造方法。
根据本发明的一个实施方式，提供一种高压罐，该高压罐具备：内胆，其由树脂形成；增强层，其由纤维强化树脂形成，覆盖所述内胆的外表面；以及罐口，其形成有用于向所述内胆供给流体和从所述内胆排出流体的给排孔，
所述罐口具有夹在所述内胆与所述增强层之间的凸缘部以及从所述增强层露出的露出部，并且，在所述凸缘部形成有从所述罐口的面向所述内胆的内胆侧端面去向所述给排孔的流通路，
在所述内胆侧端面以及所述内胆的面向所述凸缘部的凸缘部相向外表面中的至少一方，形成有排斥所述纤维强化树脂的母材树脂的排斥涂层。
另外，根据本发明的另一个实施方式，提供一种高压罐的制造方法，该高压罐具备：内胆，其由树脂形成；增强层，其由纤维强化树脂形成，覆盖所述内胆的外表面；以及罐口，其形成有用于向所述内胆供给流体和从所述内胆排出流体的给排孔，
所述罐口具有夹在所述内胆与所述增强层之间的凸缘部以及从所述增强层露出的露出部，并且，在所述凸缘部形成有从所述罐口的面向所述内胆的内胆侧端面去向所述给排孔的流通路，
所述高压罐的制造方法具有以下工序：
在所述内胆侧端面以及所述内胆的面向所述凸缘部的凸缘部相向外表面中的至少一方，形成排斥所述纤维强化树脂的母材树脂的排斥涂层；
对所述内胆安装所述罐口；
利用强化纤维覆盖所述内胆的外表面以及所述凸缘部的外表面；以及
使所述强化纤维中浸渍的母材树脂固化来得到增强层。
此外，利用强化纤维进行覆盖的工序以及使母材树脂固化的工序既可以同时也可以分开。本发明包括这两方。
这样，在本发明中，在罐口的凸缘部的面向内胆的内胆侧端面或者内胆的面向凸缘部的凸缘部相向外表面中的至少一方形成有排斥涂层。排斥涂层由排斥构成增强层的纤维强化树脂的母材树脂的材质形成。因此，即使熔融后的母材树脂(树脂液)试图进入内胆侧端面与凸缘部相向外表面之间，也会被排斥涂层所排斥。由此，防止树脂液进入到内胆侧端面与凸缘部相向外表面之间、防止树脂液在流通路的开口固化。
因而，能防止流通路的开口被树脂堵塞。因此，容易使进入到内胆与增强层之间的流体经由流通路返回到给排孔。即，能够容易地排出进入到内胆与增强层之间的流体。
作为增强层(纤维强化树脂)的母材树脂的典型例，能够列举出环氧系树脂。在该情况下，作为排斥涂层的材质，只要选定排斥环氧系树脂的材质即可。作为这样的材质的优选例，能够列举出氟系树脂或者硅系树脂。
优选的是，在凸缘部与增强层之间夹装保护构件。内胆伴随流体的供给而膨胀。这时，保护构件在弹性变形范围内被压溃，由此从内胆对罐口或增强层的挤压力或从增强层对内胆的反作用力被缓解。作为其结果，防止罐口、增强层、内胆蓄积疲劳或因此引起损伤。
优选的是，在设置保护构件的情况下，在凸缘部的面向增强层的增强层侧端面或者保护构件的面向凸缘部的凸缘部相向内表面中的至少一方形成排斥母材树脂的第二排斥涂层。这是由于，由此，树脂液进一步难以到达处于保护构件的内方侧的所述内胆侧端面与所述凸缘部相向外表面之间。
根据本发明，在罐口的凸缘部的面向内胆的内胆侧端面或者内胆的面向凸缘部的凸缘部相向外表面中的至少一方形成排斥涂层。该排斥涂层排斥构成增强层的纤维强化树脂的母材树脂，因此在形成增强层时，防止熔融后的母材树脂(树脂液)进入到内胆侧端面与凸缘部相向外表面之间。
即，树脂液难以进入到罐口与内胆之间。因而，防止树脂液在开口于内胆侧端面的流通路处固化、或因此而堵塞流通路。因此，能够容易地将进入到内胆与增强层之间的流体从两者之间排出。
根据参照附图来说明的以下实施方式的说明，可以容易地理解上述的目的、特征以及优点。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的高压罐的沿着轴线方向的整体概要侧面剖视图。
图2是图1的高压罐的罐口附近的主要部分放大剖视图。
具体实施方式
下面，对于本发明所涉及的高压罐及其制造方法，列举优选的实施方式，参照附图来详细说明。
图1是本实施方式所涉及的高压罐10的沿着轴线方向的整体概要侧面剖视图。该高压罐10具备作为内层的内胆12、作为外层的增强层14以及形成有给排孔16的罐口18。
内胆12是由树脂形成的中空体，能够在其内部收容各种流体、例如氢气等。内胆12具有：外表面被增强层14覆盖的主体部20；朝向主体部20的内部陷入的陷入部22；以及从该陷入部22朝向主体部20的外部突出的筒状部24。在筒状部24的外周壁设置有外螺纹26。
另外，增强层14由纤维强化树脂形成。如后所述，通过在内胆12卷绕强化纤维后向该强化纤维浸渍母材树脂来设置增强层14。在本实施方式中，碳纤维被用作强化纤维，环氧系树脂被用作母材树脂。
罐口18例如由金属形成，具有凸缘部30和露出部32，该凸缘部30夹在内胆12与增强层14之间，该露出部32与该凸缘部30连为一体，并且该露出部32的直径比该凸缘部30的直径小。罐口18形成为：凸缘部30与内胆12一起被增强层14覆盖，露出部32以从增强层14的开口露出的方式突出。
因而，如图2中示出详情那样，凸缘部30具有：内胆侧端面34，其与内胆12的陷入部22的外表面抵接；以及增强层侧端面38，其与内胆12及保护构件36(后述)一起被增强层14覆盖。即，内胆12的陷入部22的外表面是与凸缘部30相向的凸缘部相向外表面40，保护构件36的内表面中的面向凸缘部30的部位是凸缘部相向内表面42。
给排孔16从凸缘部30延伸至露出部32。在给排孔16的内周壁形成有内螺纹52，所述外螺纹26与该内螺纹52螺纹结合。通过该螺纹结合，罐口18被安装在筒状部24之外。
在比内螺纹52靠流体供给方向上游侧的位置，形成有呈环状地陷入的密封槽54。在该密封槽54的内部配设有由O型圈形成的密封构件56。利用该密封构件56将筒状部24的外周面与给排孔16的内周面之间密封。
在罐口18还形成有截面形状分别呈圆形的插入孔60和罐口侧通路62。插入孔60从凸缘部30的内胆侧端面34朝向露出部32侧延伸规定的长度后，与罐口侧通路62的一端侧连通。沿罐口18的周向隔开固定的间隔地设置有多个插入孔60和罐口侧通路62。
在插入孔60插入有塞子64。塞子64例如是由与罐口18同样的金属形成的圆筒体，沿轴向贯通形成有塞子侧通路66。塞子侧通路66由小径路68和大径路70形成，该小径路68形成在塞子64的轴向一端侧，该大径路70与该小径路68相连，并且该大径路70的内径比该小径路68的内径大少许。大径路70的直径被设定成与罐口侧通路62的直径大致相同。
多个罐口侧通路62在罐口18的内部以随着从插入孔60去向露出部32而会聚的方式相对于高压罐10的轴线方向倾斜少许地延伸，之后朝向给排孔16的内周面地弯曲。
如以上那样形成的塞子侧通路66和罐口侧通路62作为将进入到内胆12与罐口18之间的流体(特别是气体)引导到给排孔16的流通路来发挥功能。
在给排孔16的内部还配设有套圈(日文：カラー)72。套圈72例如是金属制的，具有圆环状的头部74和筒状的圆筒部76，该圆筒部76与该头部74设置为一体，并且该圆筒部76的直径比该头部74的直径小。筒状部24被圆筒部76的外周面和凸缘部30的给排孔16的内周面夹住，由此被牢固地支承。另外，在套圈72，沿着圆筒部76的轴线方向贯通形成有与给排孔16连通的通过孔80。
还有，在凸缘部30与增强层14之间夹装有保护构件36。保护构件36呈顶部被切出缺口的伞形状或大致圆环形状，从凸缘部30的增强层侧端面38跨至内胆12的主体部20的外表面。即，保护构件36被夹在凸缘部30与增强层14之间、主体部20与增强层14之间，由此被牢固地定位固定，并且填充凸缘部30与增强层14之间、主体部20与增强层14之间的空隙。
例如能够通过对熔融聚乙烯进行注射成型来制作保护构件36。
在以上的结构中，在凸缘部30的内胆侧端面34和内胆12的凸缘部相向外表面40分别形成有第一排斥涂层90a、90b(排斥涂层)。另外，在凸缘部30的增强层侧端面38和保护构件36的凸缘部相向内表面42分别形成有第二排斥涂层92a、92b(第二排斥涂层)。此外，虽然在图1和图2中以夸张的方式来表示，但是在本实施方式中，第一排斥涂层90a、90b以及第二排斥涂层92a、92b是通过涂布来形成的，各自的厚度极小。保护构件36的厚度也同样非常微小。因此，不会在内胆12与罐口18之间、罐口18与增强层14之间、内胆12与保护构件36之间等形成明确的台阶。
作为第一排斥涂层90a、90b以及第二排斥涂层92a、92b的材质，选定对于增强层14的母材树脂而言不亲和的材质、即具有排斥母材树脂的性质的材质。在母材树脂是环氧系树脂的本实施方式中，作为第一排斥涂层90a、90b以及第二排斥涂层92a、92b的适当材质，能够列举出氟系树脂或者硅系树脂。进一步具体来讲，能够使用在注射成型中使用的脱模材料(日文：離型材)。
内胆侧端面34的第一排斥涂层90a只要形成在从凸缘部30的外周缘部至插入孔60的外周侧缘部的范围即足够，但是也可以进一步形成在从给排孔16的外周侧缘部至插入孔60的内周侧缘部的范围。总之，第一排斥涂层90a形成在避开作为塞子侧通路66的一部分的小径路68的区域。
凸缘部相向外表面40的第一排斥涂层90b例如形成在与第一排斥涂层90a相向的区域。此外，也可以是，在第一排斥涂层90a仅形成在从凸缘部30的外周缘部至插入孔60的外周侧缘部的范围的情况下，也在与该范围相向的区域以及与从给排孔16的外周侧缘部至插入孔60的内周侧缘部的范围相向的区域形成第一排斥涂层90b。
此外，第一排斥涂层90a、90b不是必须都形成，也可以仅形成任一方。
保护构件36的第二排斥涂层92b至少形成在凸缘部相向内表面42。此外，也可以是，在与内胆12相向的部位也形成第二排斥涂层92b。
然后，说明本实施方式所涉及的高压罐10的制造方法。此外，下面，例示形成第一排斥涂层90a、90b、第二排斥涂层92a、92b这两方的情况。
为了得到高压罐10，首先，通过使用高密度聚乙烯(HDPE)树脂等的熔融物进行的吹塑成型等来制作内胆12。
然后，对凸缘部30的内胆侧端面34以及内胆12的凸缘部相向外表面40分别形成第一排斥涂层90a、90b。为此，例如只要喷涂包含氟系树脂或者硅系树脂的脱模材料即可。溶剂干燥，从而形成由氟系树脂或者硅系树脂形成第一排斥涂层90a、90b。如上所述，第一排斥涂层90a、90b形成在避开作为塞子侧通路66的一部分的小径路68的区域。
然后，对内胆12的筒状部24安装罐口18。即，对筒状部24的外螺纹26螺纹结合形成于罐口18的给排孔16的内周壁的内螺纹52。此时，第一排斥涂层90a、90b彼此相向。此外，凸缘部30的增强层侧端面38的第二排斥涂层92a既可以在该安装前形成，也可以在安装后形成。
另一方面，对保护构件36的至少凸缘部相向内表面42形成第二排斥涂层92b。第二排斥涂层92a、92b与第一排斥涂层90a、90b同样地，例如能够通过喷涂包含氟系树脂或者硅系树脂的脱模材料来形成。此外，如上所述，也可以遍及保护构件36的整个内表面地形成第二排斥涂层92b。
使罐口18的露出部32穿过该保护构件36的贯通孔。还有，使凸缘部相向内表面42与凸缘部30的增强层侧端面38抵接。保护构件36的内表面的一部分与内胆12的主体部20的外表面抵接。
然后，在罐口18的露出部32的外周壁的大部分、保护构件36的外表面以及内胆12的主体部20的外表面卷绕浸渍了环氧系树脂的树脂液的碳纤维(强化纤维)。即，在引出缠绕于送出器的碳纤维的一端、送出到内胆12侧的中途，将碳纤维浸漬于环氧系树脂的树脂液。由此，树脂液渗透到碳纤维彼此之间的空隙。即，碳纤维浸渍有树脂液。
将像这样浸渍了树脂液的碳纤维进一步送出到内胆12侧。内胆12被保持在能够移动和旋转的保持轴，连同该保持轴一起移动和旋转。伴随内胆12的移动和旋转，浸渍了树脂液的碳纤维被缠绕为螺旋状或网眼状。根据以上，罐口18的露出部32的外周壁的大部分、保护构件36的外表面以及内胆12的主体部20的外表面被碳纤维覆盖。
如上所述，即使设置第一排斥涂层90a、90b、第二排斥涂层92a、92b、保护构件36，也不会形成有意义的台阶。因此，能够避免以下情况：在将碳纤维卷绕于内胆12时，该碳纤维卡在台阶上，由此应力作用于该碳纤维。
碳纤维中浸渍的树脂液由于加热而固化。通过该固化来形成由纤维强化树脂形成的增强层14，从而得到高压罐10。此外，加热既可以与碳纤维的缠绕同时进行，也可以在缠绕碳纤维后进行。
固化前的树脂液是低至能够流动的程度的低粘度。因而，设想以下情况：树脂液从碳纤维渗出。这里，在本实施方式中，第二排斥涂层92a、92b夹在凸缘部30的增强层侧端面38与保护构件36的凸缘部相向内表面42之间。因此，即使是树脂液渗出的情况，树脂液也难以行进到比保护构件36靠内侧的位置。
另外，保护构件36从罐口18跨至内胆12，因此主体部20与陷入部22之间的边界、换言之凸缘部30的增强层侧端面38同主体部20彼此相向的对接端面被保护构件36覆盖。由此，形成了迷宫(日文：ラビリンス)结构，结合这一点来看，树脂液难以到达所述对接端面。
即使树脂液到达所述对接端面，在凸缘部30的内胆侧端面34与内胆12(陷入部22)的凸缘部相向外表面40之间也存在有第一排斥涂层90a、90b。已到达所述对接端面的树脂液被第一排斥涂层90a、90b所排斥。即，防止树脂液进入到凸缘部相向外表面40与内胆侧端面34之间。
根据如以上那样的理由，能防止树脂液到达塞子侧通路66的小径路68。因而，能避免以下情况：树脂液在小径路68的开口固化；由于该固化而小径路68堵塞。即，能够保持小径路68的开口开放的状态。
当在高压罐10的内部例如贮存氢时，氢通过筒状部24的给排孔16以及套圈72的通过孔80并被供给到内胆12的中空内部。此时，内胆12由于其内压上升而膨胀少许，挤压罐口18的凸缘部30。
夹装在凸缘部30与增强层14之间的保护构件36由树脂形成，因此呈现充分的弹性。因此，在内胆12膨胀而罐口18被挤压时，保护构件36被压溃少许。由于该压溃，从罐口18向增强层14的挤压力(载荷)被缓解。因此，作用于罐口18、内胆12的来自增强层14的反作用力变小。其结果，作用于罐口18、内胆12以及增强层14的载荷变小，因此能避免该内胆12、罐口18、增强层14损伤。即，能够将高压罐10构成为耐久性优异的高压罐。
内胆12内贮存的高压氢的一部分有时会透过内胆12，进入到内胆12与增强层14之间。该氢经由塞子侧通路66以及罐口侧通路62被引导到给排孔16，从该给排孔16返回到内胆12内、或者伴同从给排孔16放出的氢被排出。由于防止了小径路68的开口被堵塞，因此上述的氢的排出顺畅地进行。
本发明并不特别地限定于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变形。
例如，在增强层14的母材树脂是环氧系树脂以外的树脂的情况下，作为第一排斥涂层90a、90b以及第二排斥涂层92a、92b的材质，只要选定排斥该树脂的材质即可。
另外，也可以不设置保护构件36地构成高压罐10。

Claims (9)

1.一种高压罐(10)，具备：内胆(12)，其由树脂形成；增强层(14)，其由纤维强化树脂形成，覆盖所述内胆(12)的外表面；以及罐口(18)，其形成有用于向所述内胆(12)供给流体和从所述内胆(12)排出流体的给排孔(16)，所述高压罐(10)的特征在于，
所述罐口(18)具有夹在所述内胆(12)与所述增强层(14)之间的凸缘部(30)以及从所述增强层(14)露出的露出部(32)，并且，在所述凸缘部(30)形成有从所述罐口(18)的面向所述内胆(12)的内胆侧端面(34)去向所述给排孔(16)的流通路(62、66)，
在所述内胆侧端面(34)以及所述内胆(12)的面向所述凸缘部(30)的凸缘部相向外表面(40)中的至少一方，形成有排斥所述纤维强化树脂的母材树脂的排斥涂层(90a、90b)。
2.根据权利要求1所述的高压罐(10)，其特征在于，
所述母材树脂由环氧系树脂形成，所述排斥涂层(90a、90b)由氟系树脂或者硅系树脂形成。
3.根据权利要求1所述的高压罐(10)，其特征在于，
在所述凸缘部(30)与所述增强层(14)之间夹装有保护构件(36)，并且，在所述凸缘部(30)的面向所述增强层(14)的增强层侧端面(38)以及所述保护构件(36)的面向所述凸缘部(30)的凸缘部相向内表面(42)中的至少一方，形成有排斥所述母材树脂的第二排斥涂层(92a、92b)。
4.权利要求3所述的高压罐(10)，其特征在于，所述第二排斥涂层(92a、92b)由氟系树脂或者硅系树脂形成。
5.一种高压罐(10)的制造方法，该高压罐(10)具备：内胆(12)，其由树脂形成；增强层(14)，其由纤维强化树脂形成，覆盖所述内胆(12)的外表面；以及罐口(18)，其形成有用于向所述内胆(12)供给流体和从所述内胆(12)排出流体的给排孔(16)，所述高压罐(10)的制造方法的特征在于，
所述罐口(18)具有夹在所述内胆(12)与所述增强层(14)之间的凸缘部(30)以及从所述增强层(14)露出的露出部(32)，并且，在所述凸缘部(30)形成有从所述罐口(18)的面向所述内胆(12)的内胆侧端面(34)去向所述给排孔(16)的流通路(62、66)，
所述高压罐(10)的制造方法具有以下工序：
在所述内胆侧端面(34)以及所述内胆(12)的面向所述凸缘部(30)的凸缘部相向外表面(40)中的至少一方，形成排斥所述纤维强化树脂的母材树脂的排斥涂层(90a、90b)；
对所述内胆(12)安装所述罐口(18)；
利用强化纤维覆盖所述内胆(12)的外表面以及所述凸缘部(30)的外表面；以及
使所述强化纤维中浸渍的母材树脂固化来得到增强层(14)。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，
将利用强化纤维覆盖所述内胆(12)的外表面以及所述凸缘部(30)的外表面的工序与使所述强化纤维中浸渍的母材树脂固化来得到增强层(14)的工序同时进行。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，
利用氟系树脂或者硅系树脂形成所述排斥涂层(90a、90b)，并且将环氧系树脂用作所述母材树脂。
8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，
设置具有与所述凸缘部(30)抵接的凸缘部相向内表面(42)的保护构件(36)，并且，在所述凸缘部(30)的面向所述增强层(14)的增强层侧端面(38)以及所述保护构件(36)的所述凸缘部相向内表面(42)中的至少一方形成排斥所述母材树脂的第二排斥涂层(92a、92b)，
之后，利用所述强化纤维覆盖所述内胆(12)。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，
利用氟系树脂或者硅系树脂形成所述第二排斥涂层(92a、92b)。
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