CN111120853B - 高压罐 - Google Patents

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Abstract

高压罐具备：内衬，所述内衬具有用于密封气体的空间；以及加强层，所述加强层构成为覆盖所述内衬的周围。所述内衬具有圆筒状的圆柱部和设置于所述圆柱部的轴向上的两端的一对拱顶部。所述拱顶部的曲面形状在所述内衬的内压成为设定得比大气压高的设定压力时为等张力曲面形状。

Description

高压罐
技术领域
本发明涉及高压罐。
背景技术
在构成贮存用于天然气汽车、燃料电池汽车等的燃料气体的高压罐的内衬中，存在具有圆筒状的圆柱部和设置于圆柱部的轴向上的两端的一对拱顶部的内衬(参照日本特开2018-099828号公报)。
发明内容
在日本特开2018-099828中记载了将拱顶部的曲面形状在向高压罐内供给气体的状态下设为等张力曲面形状。但是，高压罐由于内部的压力而变形，因此关于在向高压罐内供给了何种程度的气体时拱顶部的曲面形状应成为等张力曲面形状，存在研究的余地。
本发明能够作为以下的形态来实现。
根据本发明的一形态，提供一种高压罐。该高压罐具备：内衬，所述内衬具有用于密封气体的空间，并具有圆筒状的圆柱部和设置于所述圆柱部的轴向上的两端的一对拱顶部；以及加强层，所述加强层构成为覆盖所述内衬的周围，所述拱顶部的曲面形状在所述内衬的内压成为设定得比大气压高的设定压力时为等张力曲面形状。
根据这样的形态，与在内衬的内压为大气压时具有等张力曲面形状的拱顶部的高压罐相比，在内衬的内压成为设定压力时，能够降低在加强层中产生的应变。因此，在这样的高压罐中，与在内衬的内压为大气压时具有等张力曲面形状的拱顶部的高压罐相比，能够将加强层设定得较薄，因此能够实现高压罐的低质量化以及高压罐的制造所花费的成本的削减。
在上述形态中，也可以是，所述设定压力是使所述内衬产生破坏的压力。
根据这样的形态，与在内衬的内压为大气压时具有等张力曲面形状的拱顶部的高压罐相比，在内衬的内压成为使内衬产生破坏的压力时，能够降低在加强层中产生的应变。
在上述形态中，也可以是，所述设定压力是所述高压罐的最高填充压力。
根据这样的形态，与在内衬的内压成为使内衬产生破坏的压力时具有等张力曲面形状的拱顶部的高压罐相比，能够将加强层设定得较薄，因此能够实现高压罐的低质量化以及高压罐的制造所花费的成本的削减。
在上述形态中，也可以是，所述圆柱部与所述拱顶部的结合部分处的所述拱顶部相对于所述圆柱部的倾斜度为0度，并且所述结合部分的曲率半径为6mm至30mm的范围内，或者，所述倾斜度为7度，并且所述结合部分的所述曲率半径为10mm至20mm的范围内。
根据这样的形态，能够减少在覆盖结合部分的加强层中产生的应变。
本发明不限于高压罐，例如也能够应用于高压罐的制造方法、高压罐的制造装置等各种形态。另外，本发明不受上述形态的任何限定，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围内以各种形态实施。
附图说明
以下将参照附图来说明本发明的示例性实施方式的特征、优点、以及技术和工业重要性，其中同样的附图标记表示同样的部件，并且附图中：
图1是示出第一实施方式的高压罐的概略结构的剖视图。
图2是对拱顶部形状进行说明的说明图。
图3是将圆柱部与拱顶部的结合部分附近放大的放大图。
图4是将各实施例的高压罐中的加强层的应变进行比较的说明图。
图5是以数值表示各实施例的形状及加强层的应变的说明图。
具体实施方式
A.第一实施方式
图1是示出第一实施方式的高压罐10的概略结构的剖视图。在图1中图示了相互正交的XYZ轴。图1的XYZ轴与其它图的XYZ轴对应。本实施方式的高压罐10贮存例如70MPa左右的高压的氢气。高压罐10具备内衬20和加强层30。
内衬20是树脂制的中空内衬，形成用于密封气体的空间。内衬20例如由聚乙烯、尼龙、聚丙烯、聚酯等热塑性树脂形成。内衬20的轴线与高压罐10的轴线AX共轴。内衬20具备圆柱部21和拱顶部22、23。
圆柱部21具有圆筒形状。拱顶部22、23设置于圆柱部21的轴向上的两端，形成为朝向内衬20的外侧凸出的曲面状。在拱顶部22、23的顶点分别设置有由铝或不锈钢等金属形成的口部件13、14。一方的口部件13具有贯通孔15，用于从高压罐10内取出气体或向高压罐10内补充气体。另一方的口部件14用于内衬20的加强或加强层形成时的内衬的旋转。口部件14也可以省略。
拱顶部22、23的曲面形状在内衬20的内压成为设定得比大气压高的设定压力时成为等张力曲面形状。在本实施方式中，设定压力是指使内衬20产生破坏的压力即破坏压力。在此所说的破坏压力是指，向未被加强层30覆盖的状态下的内衬20填充氢气，以在内衬20的任意部分确认到龟裂时的压力为基准的-5％至+5％的范围内的压力。这样的破坏压力预先通过实验或模拟来测量而得到其压力值。本实施方式的内衬20的破坏压力以180MPa为基准为171MPa至189MPa的范围内的压力。等张力曲面形状是指在被施加内压时其曲面上的张力在曲面的任意位置及朝向上都相等的曲面形状。在本实施方式中，拱顶部22、23的曲面形状在内衬20的内压成为破坏压力时成为等张力曲面形状，因此理论上不是在破坏压力时产生龟裂，而是相对于拱顶部22、23的曲面整体产生破坏。在内衬20的内压成为设定压力时，拱顶部22、23为等张力曲面形状的情况通过基于在设计内衬20时使用的CAE(ComputerAided Engineering：计算机辅助工程)的模拟来确认。拱顶部22、23的曲面形状实际采用在模拟中以在内衬20的内压成为设定压力时成为等张力曲面形状的方式进行调整之后使内衬20的内压返回到大气压时的形状。
加强层30是覆盖内衬20的周围的层，是用于加强内衬20的层。加强层30具备环层32和螺旋层34。
环层32通过将纤维束向圆柱部21环向卷绕而构成。环向卷绕所使用的纤维束通过在由碳纤维构成的纤维束中浸渍环氧树脂等热固化性树脂而构成。
螺旋层34通过将纤维束螺旋卷绕于环层32及拱顶部22、23而构成。螺旋卷绕所使用的纤维束与环向卷绕所使用的纤维束同样地通过在由碳纤维构成的纤维束中浸渍环氧树脂等热固化性树脂而构成。
环层32的厚度及螺旋层34的厚度分别根据高压罐10所要求的耐压性能、强度而适当设定。
图2是对本实施方式的内衬20和比较例的内衬的拱顶部形状进行说明的说明图。比较例的内衬的结构除了拱顶部的曲面形状为等张力曲面形状时的压力不同这一点之外与本实施方式的内衬20相同。
在图2所示的曲线图中，纵轴表示高压罐中的轴向位置。轴向位置表示距高压罐的轴线AX方向上的中心位置的距离。横轴表示高压罐中的半径方向位置。半径方向位置表示距高压罐的轴线AX的Z轴方向上的距离。
在图2所示的曲线图中，单点划线Dm表示本实施方式的内衬20的内压为大气压时的拱顶部形状。双点划线dm表示比较例的内衬的内压为大气压时的拱顶部形状。实线DM表示本实施方式的内衬20的内压为180MPa时的拱顶部形状。实线dM表示比较例的内衬的内压为180MPa时的拱顶部形状。180MPa是内衬20的破坏压力的范围内的压力。另外，单点划线Dm、双点划线dm、实线DM以及实线dM所示的拱顶部形状均表示未被加强层覆盖的状态下的内衬中的拱顶部形状。
比较例的内衬的拱顶部形状在内衬的内压为大气压时成为等张力曲面形状。即，比较例的内衬在内衬中完全未填充氢气而未对拱顶部产生由内压引起的张力的状态下具备等张力曲面形状的拱顶部。内衬的拱顶部形状在内衬的内压为大气压时成为等张力曲面形状是指，在从大气压无限接近零的变化量下内压从大气压开始增加时成为等张力曲面形状。表示此时的比较例的内衬的拱顶部形状的是双点划线dm。并且，通过对双点划线dm的状态下的比较例的内衬填充内衬的内压为180MPa的量的氢气，从而比较例的内衬成为实线dM的状态。
另一方面，本实施方式的内衬20在内衬20的内压为大气压时不成为等张力曲面形状。表示此时的本实施方式的内衬20的拱顶部形状的是单点划线Dm。并且，通过对单点划线Dm的状态下的本实施方式的内衬20填充内衬20的内压成为破坏压力即180MPa的量的氢气，从而本实施方式的内衬20成为实线DM的状态。此时，由于内衬20的内压为180MPa，因此本实施方式的内衬20的拱顶部形状为等张力曲面形状。比较例的内衬的拱顶部的曲面形状在内衬的内压为大气压时成为等张力曲面形状。与此相对，本实施方式的内衬20的拱顶部22、23的曲面形状在内衬20的内压为破坏压力时成为等张力曲面形状。
根据双点划线dm与单点划线Dm的比较可知，在内衬的内压为大气压的状态下，本实施方式的内衬20与比较例的内衬相比，拱顶部形状更靠近内衬的内侧方向。另外，根据实线dM与实线DM的比较可知，在内衬的内压为180MPa的状态下，本实施方式的内衬20与比较例的内衬相比，拱顶部形状也更靠近内衬的内侧方向。即，本实施方式的内衬20与比较例的内衬相比，能够减少在内衬的内压比大气压大的情况下由于拱顶部膨胀而在加强层中产生的应变。在此所说的应变是指加强层的一部分的任意的位移、扩张、收缩、扭转、线性应变或面应变、或者任意的其它变形。需要说明的是，在加强层中产生的应变通过基于CAE的模拟来算出。
另外，比较例的内衬的拱顶部形状在内衬的内压为大气压时成为等张力曲面形状。因此，在内衬的内压比大气压大的情况下，拱顶部形状变形为比等张力曲面形状膨胀的形状。拱顶部形状成为为了设置口部件而与半球形不同的形状，并且壁厚也不均匀。因此，在拱顶部形状为从等张力曲面形状膨胀的形状的状态下，与拱顶部形状为等张力曲面形状的状态相比，各部分的变形量不同。因此，由于拱顶部的曲面上的张力在曲面的位置及朝向上变得不规则，因此根据位置及朝向的不同，有可能使加强层产生较大的应变。作为这样的应变的对策，可列举出使加强层的厚度增加的对策，但在具备这样的加强层的高压罐中，质量增加并且成本也增加。另一方面，本实施方式的内衬20的拱顶部形状在内衬20的内压成为破坏压力时成为等张力曲面形状。因此，在内衬20的内压成为破坏压力且拱顶部22、23为等张力曲面形状的状态下，拱顶部22、23的曲面上的张力在曲面的任意位置及朝向都相等，因此与比较例的内衬相比，难以使加强层30产生较大的应变。因此，在本实施方式的高压罐10中，与比较例的高压罐相比，能够抑制由于增厚加强层而引起的质量的增加以及成本的增加。
根据以上说明的第一实施方式，与在内衬的内压为大气压时具有等张力曲面形状的拱顶部的高压罐相比，在内衬20的内压成为使内衬20产生破坏的压力时，能够降低在加强层30产生的应变。因此，在这样的高压罐10中，由于能够将加强层30设定得较薄，因此能够实现高压罐10的低质量化以及高压罐10的制造所花费的成本的削减。
另外，本实施方式的内衬20与比较例的内衬相比，拱顶部形状更靠近高压罐的内侧方向，因此例如在搭载高压罐的车辆中决定高压罐的搭载空间的大小时，起到以下这样的效果。即，在为了配置在搭载空间内而设计轴线AX方向的长度相同的本实施方式的高压罐10和比较例的高压罐的情况下，与比较例的高压罐相比，在本实施方式的高压罐10中，能够延长圆柱部21的长度，因此能够增加气体的贮存量。
图3是将第一实施方式的高压罐10的结构中的圆柱部21与拱顶部23的结合部分CN附近放大的放大图。在高压罐10中，在内衬20的内压为大气压时，圆柱部21与拱顶部22、23的结合部分CN处的拱顶部22、23相对于圆柱部21的倾斜度α(以下，称为结合部分CN的倾斜度)为0度。在此所说的结合部分CN的倾斜度α如以下那样测定。即，在结合部分CN处，拱顶部23的-X轴方向侧的端点与圆柱部21的+X轴方向侧的端点重叠，将拱顶部23的-X轴方向侧的端点的切线向-X轴方向侧延伸的延长线EL相对于圆柱部21的倾斜度中小于90度的角度作为结合部分CN的倾斜度α进行测定。此外，高压罐10中的结合部分CN的倾斜度α为0度，但在图3中，为了容易理解，将倾斜度α表示为大于0度的角度。
另外，在内衬20的内压为大气压时，结合部分CN是曲率半径6mm的曲面。以下说明结合部分CN是由曲率半径规定的曲面形状的情况。在上述的倾斜度α的说明中，为了便于说明，将结合部分CN设为拱顶部23的-X轴方向侧的端点与圆柱部21的+X轴方向侧的端点重叠，但实际的内衬20中的结合部分CN为如下的形状。即，结合部分CN是在加工成曲面之前的状态下拱顶部23的-X轴方向侧的端点与圆柱部21的+X轴方向侧的端点重叠的部分，是从圆柱部21的沿着X轴方向的直线形状向拱顶部23的曲面形状移行的部分，因此是具有角的状态。通过对该角进行形成曲面的加工而成为带有由曲率半径规定的圆角的形状从而完成的结构是实际的结合部分CN。换言之，圆柱部21与拱顶部23实际上通过由曲率半径规定的曲面形状的结合部分CN而结合。用内衬20的设计工序来说是指，在基于CAE的模拟中，在决定圆柱部21与拱顶部22、23的结合部分CN处的拱顶部22、23相对于圆柱部21的倾斜度α(此时的结合部分CN为具有角的形状)之后，决定对结合部分CN(为了倒圆角)进行加工时的曲率半径，将结合部分CN从具有角的形状变更为带有圆角的形状。在实际的内衬20的制造工序中，也进行在与设计工序同样的过程中形成曲面的加工，使结合部分CN带有圆角。
图4及图5是将各实施例的高压罐中的加强层的应变进行比较的说明图。图4的纵轴表示对各实施例的高压罐填充内衬的内压成为180MPa的量的氢气时在覆盖结合部分CN的加强层30产生的应变中的最大值。图5是以数值表示规定各实施例的结合部分CN的曲面形状的曲率半径及结合部分CN的倾斜度和各实施例的高压罐中的加强层的应变(应变最大值)的说明图。在此，用于测定的加强层30的部分是螺旋层34中最初卷绕于内衬20的第一层的部分。将在加强层30未产生应变的状态设为0％，将从该状态起内衬20的内压上升而产生的应变中产生最大应变的部分的应变的比例设为应变最大值。
第一实施例是第一实施方式的高压罐10。第一实施例的结合部分CN的倾斜度α为0度，结合部分CN为曲率半径6mm的曲面。第二实施例的结合部分CN的倾斜度α为0度，结合部分CN为曲率半径10mm的曲面。第三实施例的结合部分CN的倾斜度α为0度，结合部分CN为曲率半径20mm的曲面。第四实施例的结合部分CN的倾斜度α为0度，结合部分CN为曲率半径30mm的曲面。
第五实施例的结合部分CN的倾斜度α为7度，结合部分CN为曲率半径10mm的曲面。第六实施例的结合部分CN的倾斜度α为7度，结合部分CN为曲率半径20mm的曲面。第七实施例的结合部分CN的倾斜度α为15度，结合部分CN为曲率半径10mm的曲面。第八实施例的结合部分CN的倾斜度α为15度，结合部分CN为曲率半径20mm的曲面。第一-第八实施例的高压罐的拱顶部22、23在内衬20的内压成为破坏压力时成为等张力曲面形状。另外，在上述第一-第八实施例的高压罐中，规定结合部分CN的曲面的曲率半径以及结合部分CN的倾斜度α是内衬20的内压为大气压时的值。
根据图4的结果，在第一实施例中，在内衬20的内压成为破坏压力时，在加强层30产生1.92％的应变。与此相对，在第七实施例以及第八实施例中，在内衬20的内压成为破坏压力时，在加强层30分别产生2.47％以及2.48％的应变。另一方面，在第二-第六实施例中，在内衬20的内压成为破坏压力时在加强层30产生的应变中最小的应变为第三实施例的高压罐中的1.65％，最大的应变为第五实施例中的2.17％。
以上说明的第二-第六实施例的高压罐与第一实施方式(第一实施例)的高压罐10相同，能够减少在覆盖结合部分CN的加强层30产生的应变。因此，在第二-第六实施例的高压罐中，与第七、第八实施例的高压罐相比，能够将加强层30设定得较薄，因此能够实现高压罐的低质量化以及高压罐的制造所花费的成本的削减。
B.其它实施方式
在上述实施方式中，通过由内衬20的内压决定拱顶部22、23的曲面形状为等张力曲面形状的状态，但本发明并不限定于此。例如，拱顶部22、23的曲面形状为等张力曲面形状的状态也可以由拱顶部22、23的曲面张力或拱顶部22、23的体积决定。此时的曲面张力及体积是使内衬20产生破坏的曲面张力及体积。
在上述实施方式中，设定压力是使内衬20产生破坏的压力即破坏压力，但本发明不限于此。例如，设定压力也可以是高压罐的最高填充压力。在此所说的最高填充压力是由容器安全保障规则第二条二十五规定的、在温度35度下能够填充至该容器的气体的压力中最高的压力的数值。例如，在高压罐的最高填充压力为160MPa的情况下，设定压力为160MPa。根据这样的形态，与设定压力为破坏压力的高压罐相比，能够将加强层设定得较薄，因此能够实现高压罐的低质量化以及高压罐的制造所花费的成本的削减。
本发明不限于上述实施方式、实施例、变形例，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构实现。例如，为了解决上述课题的一部分或全部，或者为了实现上述效果的一部分或全部，与发明内容部分记载的各形态中的技术特征对应的实施方式、实施例、变形例中的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，该技术特征在本说明书中只要不是作为必须的特征进行说明，则也可以适当删除。

Claims (4)

1.一种高压罐，其特征在于，包括：
内衬，所述内衬具有用于密封气体的空间，并具有圆筒状的圆柱部和设置于所述圆柱部的轴向上的两端的一对拱顶部；以及
加强层，所述加强层构成为覆盖所述内衬的周围，其中，
所述拱顶部的曲面形状在所述内衬的内压成为设定得比大气压高的设定压力时为等张力曲面形状。
2.根据权利要求1所述的高压罐，其特征在于，
所述设定压力是使所述内衬产生破坏的压力。
3.根据权利要求1所述的高压罐，其特征在于，
所述设定压力是所述高压罐的最高填充压力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的高压罐，其特征在于，
所述圆柱部与所述拱顶部的结合部分处的所述拱顶部相对于所述圆柱部的倾斜度为0度并且所述结合部分的曲率半径为6mm至30mm的范围内，或者，所述倾斜度为7度并且所述结合部分的所述曲率半径为10mm至20mm的范围内。
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