CN111140767A - 高压罐的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种高压罐的制造方法，包括：准备内衬；和通过对内衬以螺旋卷绕来卷绕纤维束从而形成螺旋层，构成螺旋层的多个层包括：根折回层，所述根折回层是将向内衬的外侧突出的接头的根部分作为纤维束在轴向上折回的卷绕折回位置来将纤维束卷绕而形成的；和分离折回层，所述分离折回层是将从根部分离开了的分离位置作为卷绕折回位置来将纤维束卷绕而形成的，在分离折回层中，以在相邻的纤维束之间产生间隙的方式进行螺旋卷绕。

Description

高压罐的制造方法
技术领域
本发明涉及高压罐的制造方法。
背景技术
在构成对天然气汽车、燃料电池汽车等中使用的燃料气体进行贮藏的高压罐的内衬(liner)中，存在具备对内衬的外表面进行加强的加强层的内衬(参照国际公开第2016/020972)。
发明内容
在国际公开第2016/020972中，记载了具备环向(hoop)层及螺旋(helical)层作为加强层的高压罐。在这样的高压罐中，为了高压罐的轻量化，考虑减少形成加强层的纤维量。但是，由于内衬膨胀而在加强层产生的应变，有可能会因减少纤维量而增加。为了解决这样的问题，期望能够兼顾高压罐的轻量化、和抑制由于减少纤维量而在加强层产生的应变增加的技术。
本发明能够作为以下的形态来实现。
根据本发明的一形态，提供一种高压罐的制造方法。该高压罐的制造方法包括：准备内衬，所述内衬形成构成为密封气体的空间，且具有圆筒状的筒体(cylinder)部、和设置于所述筒体部的轴向上的两端的一对拱顶部，并在各拱顶部设置有接头(日文：口金)；和通过对所述内衬以螺旋卷绕来卷绕纤维束从而形成螺旋层，构成所述螺旋层的多个层包括：根折回层，所述根折回层是将沿着所述轴向向所述内衬的外侧突出的所述接头的根部分作为所述纤维束在所述轴向上折回的卷绕折回位置来将所述纤维束卷绕而形成的；和分离折回层，所述分离折回层是将从所述根部分离开了的分离位置作为所述卷绕折回位置来将所述纤维束卷绕而形成的，在所述分离折回层中，以在相邻的所述纤维束之间产生间隙的方式进行所述螺旋卷绕。
若设为这样的形态，则能够实现高压罐的轻量化。另外，与具备仅由根折回层构成的螺旋层的高压罐相比，能够减少在加强层产生的应变。另外，在分离折回层中，由于在纤维束之间形成有间隙，因此能够使高压罐轻量化，与无间隙的情况相比，能够进一步减少在加强层产生的应变。
在上述形态中，也可以是，所述分离折回层的覆盖率为50％以上且80％以下的范围。
若设为这样的形态，则能够以不使强度过度降低的方式、兼顾减少纤维量和抑制由于减少纤维量而在加强层产生的应变的增加。
本发明并不限于高压罐的制造方法，例如，也能够应用于通过该制造方法制造的高压罐、高压罐的制造装置等各种形态。另外，本发明不受前述的形态的任何限定，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围内以各种各样的形态来实施。
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、以及技术上和工业上的意义，在这些附图中，同样的附图标记表示同样的要素，并且其中：
图1是示出高压罐的概略构成的剖视图。
图2是示出高压罐的制造方法的工序图。
图3是将接头附近放大得到的放大图。
图4是用于说明低角度螺旋卷绕的说明图。
图5是用于说明高角度螺旋卷绕的说明图。
图6是将由覆盖率80％的层覆盖的内衬的一部分放大得到的放大图。
图7是将由覆盖率100％的层覆盖的内衬的一部分放大得到的放大图。
图8是将接头附近放大得到的放大图。
图9是将接头附近放大得到的放大图。
具体实施方式
A.第1实施方式
图1是示出通过第1实施方式的制造方法制造的高压罐10的概略构成的剖视图。在图1中图示了相互正交的XYZ轴。图1的XYZ轴与其他图的XYZ轴对应。在本实施方式的高压罐10中，例如贮藏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的中心轴与高压罐10的中心轴AX共用。以下，也有时将沿着中心轴AX的方向称为中心轴AX方向。内衬20具备筒体部21、拱顶(dome)部22、23、以及接头13、14。
筒体部21具有圆筒形状。拱顶部22、23在筒体部21的轴向上的两端设置有一对，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接头13、14。一方的接头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。另一方的接头14用于内衬20的加强或加强层形成时的内衬的旋转。
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具备环向层32和螺旋层34。
环向层32通过向筒体部21环向卷绕纤维束而构成。用于环向卷绕的纤维束通过使环氧树脂等热固性树脂含浸于由碳纤维构成的纤维束而构成。
螺旋层34通过向环向层32及拱顶部22、23螺旋卷绕纤维束而构成。用于螺旋卷绕的纤维束与用于环向卷绕的纤维束同样地，通过使环氧树脂等热固性树脂含浸于由碳纤维构成的纤维束而构成。
环向层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是示出高压罐10的制造方法的工序图。在本实施方式的制造方法中，首先，进行准备内衬20的准备工序(工序P110)。在此时准备的内衬20的拱顶部22、23的顶点安装有接头13、14。
在准备工序(工序P110)之后，进行通过向筒体部21环向卷绕纤维束而形成环向层32的环向层形成工序(工序P120)。
在环向层形成工序(工序P120)之后，进行通过向环向层32及拱顶部22、23螺旋卷绕纤维束而形成螺旋层34的螺旋层形成工序(工序P130)。经过螺旋层形成工序(工序P130)，高压罐10完成(图1所示)。此外，环向层形成工序(工序P120)与螺旋层形成工序(工序P130)也可以顺序相反地形成加强层。在该情况下，对形成于筒体部21的螺旋层34形成环向层32。
图3是将接头14附近放大得到的放大图。螺旋层34由多个层L1～L10构成。层Lx(x为1至10之间的任意整数)中的x表示螺旋层34中的从拱顶部23侧开始数形成于第x个的层。层L1是通过在内衬20的外周面上螺旋卷绕纤维束而形成的层。层L2是通过在层L1上螺旋卷绕纤维束而形成的层。层L1及层L2通过低角度螺旋卷绕而形成。
图4是用于说明低角度螺旋卷绕的说明图。图4中示出通过低角度螺旋卷绕而向内衬20卷绕纤维束FB的情况。“低角度螺旋卷绕”是指，在筒体部21中纤维束FB绕中心轴AX一周之前，在纤维束FB的卷绕中使纤维束FB在中心轴AX方向上折回的具有比较小的卷绕角度α的卷绕方法。在本实施方式中，卷绕角度α为30度。在低角度螺旋卷绕中，纤维束FB在中心轴AX方向上折回的卷绕折回位置是将接头13、14中的用于与拱顶部22、23连续的曲面部分CS、与接头13、14中的沿着中心轴AX方向向高压罐10的外侧突出的突出部分PS相连的根部分RS(图1所示)。换言之，低角度螺旋卷绕中的卷绕折回位置是内衬20中的沿着中心轴AX方向向内衬20的外侧突出的接头13、14的根部分RS。
层L3是通过在层L2上螺旋卷绕纤维束而形成的层。层L3通过高角度螺旋卷绕而形成。
图5是用于说明高角度螺旋卷绕的说明图。图5中示出通过高角度螺旋卷绕而向内衬20卷绕纤维束FB的情况。“高角度螺旋卷绕”是指，在筒体部21中纤维束FB至少绕中心轴AX一周之后，在纤维束FB的卷绕中使纤维束FB在中心轴AX方向上折回的具有比较大的卷绕角度β的卷绕方法。在本实施方式中，卷绕角度β为60度。“高角度螺旋卷绕”也可以说是在筒体部21中纤维束FB绕中心轴AX一周之前，在纤维束FB的卷绕中使纤维束FB在中心轴AX方向上不折回的卷绕方法。在高角度螺旋卷绕中，纤维束FB在中心轴AX方向上折回的卷绕折回位置是拱顶部22、23中的从接头13、14的突出部分PS离开了的分离位置DS(图1所示)。换言之，“高角度螺旋卷绕”的卷绕折回位置是从作为“低角度螺旋卷绕”的卷绕折回位置的根部分RS沿Z轴方向离开了的分离位置DS。在图1中，分离位置DS附在拱顶部23的曲面上，但也可以位于接头14的曲面部分CS的位置。
层L4、层L5、层L7、层L8、层L10与层L1及层L2同样地，通过低角度螺旋卷绕而形成。层L6及层L9与层L3同样地，通过高角度螺旋卷绕而形成。在本实施方式中，通过低角度螺旋卷绕而形成的层相当于根折回层。在本实施方式中，通过高角度螺旋卷绕而形成的层相当于分离折回层。
在构成层L3、层L6及层L9的纤维束中，在层内相邻的纤维束之间，以产生间隙的方式进行螺旋卷绕。层L3、层L6及层L9的纤维束的覆盖率为80％。
图6是将由覆盖率80％的层覆盖的内衬20的一部分放大得到的放大图。在图6中，施加了阴影的部分表示未由纤维束FB覆盖的内衬20的表面部分。
图7是将由覆盖率100％的层覆盖的内衬20的一部分放大得到的放大图。在图7中，示出了由于内衬20遍及整个面地由纤维束FB覆盖而看不到内衬20的状态。
使用图6对螺旋层34的形成中的覆盖率的调整进行说明。在图6中，若将在相邻的纤维束中从一方的纤维束的宽度方向上的一端到另一方的纤维束的宽度方向上的一端为止的距离设为间距P，则间距P中的从一方的纤维束的宽度方向上的一端到另一端为止的距离L所占的比例为覆盖率。
图8是将通过比较例1的制造方法制造的高压罐10a中的接头14附近放大得到的放大图。比较例1的高压罐10a的构成除了具有与螺旋层34不同的螺旋层34a这一点之外，与通过第1实施方式的制造方法制造的高压罐10相同。
螺旋层34a由多个层La1～La10构成。层Lay(y为1至10之间的任意整数)中的y表示螺旋层34a中的从拱顶部23侧开始数形成于第y个的层。层La1～La10通过低角度螺旋卷绕而形成。另外，层La1～La10的覆盖率为100％。
在低角度螺旋卷绕的情况下，由于纤维束的卷绕折回位置是根部分RS，因此纤维束的卷绕集中在根部分RS的附近。因此，在螺旋层34a中的形成于根部分RS上的部分PR产生局部鼓起。在这样的高压罐10a中，在填充有内衬20的内压成为180MPa的量的气体时，在加强层30中产生了2.17％的应变。此处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、或者任意的其他变形。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的内压上升而产生了的应变中最大程度地产生了应变的部分的应变作为测定值。此外，在加强层产生的应变通过基于CAE的模拟来算出。
图9是将通过比较例2的制造方法制造的高压罐10b中的接头14附近放大得到的放大图。比较例2的高压罐10b的构成除了具有与螺旋层34不同的螺旋层34b这一点之外，与通过第1实施方式的制造方法制造的高压罐10相同。
螺旋层34b由多个层Lb1～Lb10构成。层Lbz(z为1至10之间的任意整数)中的z表示螺旋层34b中的从拱顶部23侧开始数形成于第z个的层。层Lb1、层Lb2、层Lb4、层Lb5、层Lb7、层Lb8、层Lb10通过低角度螺旋卷绕而形成。层Lb3、层Lb6、层Lb9通过高角度螺旋卷绕而形成。从拱顶部23侧开始数形成于第1、2、4、5、7、8、10个的层通过低角度螺旋卷绕而形成并且形成于第3、6、9个的层通过高角度螺旋卷绕而形成，这一点在第1实施方式的螺旋层34和比较例2的螺旋层34b中相同。第1实施方式的螺旋层34与比较例2的螺旋层34b的不同点在于，在比较例2中，通过高角度螺旋卷绕而形成的层的覆盖率为100％。
在通过比较例2的制造方法制造的高压罐10b中，与通过比较例1的制造方法制造的高压罐10a相比，纤维束的卷绕集中在根部分RS的附近的情形受到抑制，因此，在螺旋层34b中的形成于根部分RS上的部分PR不易产生局部鼓起。这被认为是因为层Lb3、层Lb6、层Lb9通过高角度螺旋卷绕而形成。但是，在高角度螺旋卷绕中，纤维束的卷绕折回位置是拱顶部22、23中的从接头13、14的突出部分PS离开了的分离位置DS，因此纤维束的卷绕集中在分离位置DS的附近。因此，在通过比较例2的制造方法制造的高压罐10b中，在螺旋层34b中的形成于分离位置DS上的部分PD中，产生比部分PR小的局部鼓起。在这样的高压罐10b中，在填充有内衬20的内压成为180MPa的量的气体时，在加强层30中产生了1.68％的应变。
另一方面，在通过第1实施方式的制造方法制造的高压罐10中，层L1、层L2、层L4、层L5、层L7、层L8、层L10通过低角度螺旋卷绕而形成。层L3、层L6、层L9通过高角度螺旋卷绕而形成。另外，通过高角度螺旋卷绕而形成的层L3、层L6、层L9的覆盖率为80％。
与通过具有由通过低角度螺旋卷绕而形成的层构成的螺旋层34a的比较例1的制造方法制造的高压罐10a相比，在通过第1实施方式的制造方法制造的高压罐10中，纤维束的卷绕集中在根部分RS的附近的情形受到抑制。因此，在螺旋层34中的形成于根部分RS上的部分PR不易产生局部鼓起。另外，与利用通过高角度螺旋卷绕而形成的层的覆盖率为100％的比较例2的制造方法制造的高压罐10b相比，在通过第1实施方式的制造方法制造的高压罐10中，通过高角度螺旋卷绕而形成的层的覆盖率为80％。因此，在螺旋层34中的形成于分离位置DS上的部分PD也不易产生局部鼓起。在这样的高压罐10中，在填充有内衬20的内压成为180MPa的量的气体时，在加强层30中产生了1.58％的应变。
在高压罐10中，通过使通过高角度螺旋卷绕而形成的层包含于螺旋层34，从而抑制了在比较例1的高压罐10a中产生的部分PR处的局部鼓起。另外，在高压罐10中，通过将通过高角度螺旋卷绕而形成的层的覆盖率设为80％，从而也抑制了在比较例2的高压罐10b中产生的部分PD处的局部鼓起。换言之，在高压罐10中，由于抑制在螺旋层34的形状产生局部鼓起的情形而成为平滑的形状，因此，能够减少在构成螺旋层34的纤维束产生弯折的情况以及在构成螺旋层34的多个层之间在刚性上产生差异的情况。因此，能够减少在加强层30产生的应变。
根据以上说明了的实施方式，能够实现高压罐10的轻量化。另外，与通过比较例1的制造方法制造的高压罐10a相比，能够减少关于加强层的应变。另外，与通过比较例2的制造方法制造的高压罐10b相比，由于覆盖率低，所以在纤维束之间形成间隙，因此能够使高压罐10轻量化。另外，与通过比较例2的制造方法制造的具备无间隙的螺旋层34a的高压罐10b相比，能够进一步减少在加强层30产生的应变。
另外，在高压罐10中，由于使通过高角度螺旋卷绕而形成的层的覆盖率为80％，因此，能够以不使强度过度降低的方式、兼顾减少纤维量和抑制由于减少纤维量而在加强层产生的应变的增加。
B.其他实施方式
在上述的实施方式中，通过高角度螺旋卷绕而形成的层的覆盖率为80％，但本发明不限于此。若使覆盖率低于80％，则能够进一步实现高压罐10的轻量化及减少关于加强层的应变。若使覆盖率过度下降，则有可能在加强内衬20的加强层30中无法得到足够的强度。考虑到这些方面，通过高角度螺旋卷绕而形成的层的覆盖率只要能够兼顾内衬20的加强和在加强层30产生的应变的减少，则覆盖率也可以从50％以上且80％以下的范围中任意地选择。
在上述的实施方式中，构成螺旋层34的多个层中的3成是通过高角度螺旋卷绕而形成的层，但本发明不限于此。构成螺旋层34的多个层中的通过高角度螺旋卷绕而形成的层的比例只要能够兼顾内衬20的加强和在加强层30产生的应变的减少，则也可以任意地选择。
本发明不限于上述的实施方式、实施例、变形例，能够在不脱离其主旨的范围内以各种构成实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现上述的效果的一部分或全部，与发明内容一栏中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要素进行说明，则可以适当删除。

Claims (2)

1.一种高压罐的制造方法，其特征在于，包括：
准备内衬，所述内衬形成构成为密封气体的空间，且具有圆筒状的筒体部、和设置于所述筒体部的轴向上的两端的一对拱顶部，并在各拱顶部设置有接头；和
通过对所述内衬以螺旋卷绕来卷绕纤维束从而形成螺旋层，
构成所述螺旋层的多个层包括：根折回层，所述根折回层是将沿着所述轴向向所述内衬的外侧突出的所述接头的根部分作为所述纤维束在所述轴向上折回的卷绕折回位置来将所述纤维束卷绕而形成的；和分离折回层，所述分离折回层是将从所述根部分离开了的分离位置作为所述卷绕折回位置来将所述纤维束卷绕而形成的，
在所述分离折回层中，以在相邻的所述纤维束之间产生间隙的方式进行所述螺旋卷绕。
2.根据权利要求1所述的高压罐的制造方法，其特征在于，
所述分离折回层的所述纤维束的覆盖率为50％以上且80％以下的范围。
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