CN111720723B - 气罐 - Google Patents

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Abstract

本发明提供气罐，抑制气体填充中的内衬的树脂的塑性变形或破损。气罐用的内衬具备：圆筒部，由第一树脂形成；及圆顶部，由第二树脂形成，配置在所述圆筒部的轴向的两端，所述第一树脂和所述第二树脂中的一方与另一方相比，线膨胀系数大且屈服应变大，所述屈服应变是在受外力作用而发生了应变时屈服而不再恢复为原来的状态的应变的界限值。

Description

气罐
本申请为2018年1月12日提交的、申请号为201810030371.2的、发明名称为“气罐用的内衬及气罐”的申请的分案申请。
本申请基于在2017年1月18日提出的申请号为2017-006290的日本申请要求优先权，将其公开的全部内容通过参照而援引于本申请。
技术领域
本发明涉及气罐。
背景技术
在日本特开2015-108399号公报中，作为搭载于燃料电池车辆的燃料罐，记载了一种具有树脂性的内衬的气罐，该内衬具有中央的圆筒部及其两端的圆顶部。在内衬的外侧设置有纤维增强树脂层。
发明内容
发明要解决的课题
在燃料电池车辆连续运转的情况下，尤其是例如在高速道路上连续运转的情况下，从燃料罐将燃料气体连续地向燃料电池供给。由于燃料罐的内部的压力高，因此在从燃料罐放出燃料气体时，燃料气体进行绝热膨胀。其结果是，燃料罐的内衬的温度下降，内衬收缩。另一方面，内衬的外侧的纤维增强树脂层与内衬相比热膨胀率小，因此即使温度下降，也不怎么收缩。其结果是，在内衬(尤其是内衬的圆顶部)与纤维增强树脂层之间产生间隙。当在该状态下向燃料罐填充气体时，由于气体的压力而导致内衬要膨胀。然而，在内衬的温度低的情况下，形成内衬的树脂变得较硬，难以膨胀。因此，在气体的填充中，内衬可能会发生塑性变形或破损。
用于解决课题的方案
本发明为了解决上述的课题而完成，能够作为以下的方式实现。
根据本发明的一方式，提供一种气罐用的内衬。该内衬具备：圆筒部，由第一树脂形成；及圆顶部，由第二树脂形成，配置在所述圆筒部的轴向的两端，所述第一树脂和所述第二树脂中的一方与另一方相比，线膨胀系数大且屈服应变大，所述屈服应变是在受外力作用而发生了应变时屈服而不再恢复为原来的状态的应变的界限值。
根据该方式，由于第一树脂和第二树脂中的一方与另一方相比线膨胀系数大且屈服应变大，因此在气体的填充中，内衬中的由线膨胀系数大且屈服应变大的一方的树脂形成的部分容易伸展。其结果是，与用相同的树脂形成整个内衬的情况相比，能够抑制内衬的塑性变形或破损。
在上述方式中，可以是，所述第二树脂与所述第一树脂相比，线膨胀系数大且屈服应变大。
在内衬具有圆筒部和圆顶部的情况下，容易在圆顶部的轴向的端部侧产生间隙，因此增大圆顶部的线膨胀系数而增大屈服应变能够更有效地抑制内衬的塑性变形或破损。
在上述方式中，可以是，所述第一树脂和所述第二树脂中的所述一方的树脂包含不是弹性体的特定树脂原料和弹性体，所述另一方的树脂不包含弹性体而由所述特定树脂原料形成。
根据该方式，能够容易地将第一树脂和第二树脂中的一方形成为线膨胀系数大且屈服应变大的树脂。
在上述方式中，可以是，所述另一方的树脂还包含纤维。
根据该方式，能够容易地将第一树脂和第二树脂中的另一方形成为线膨胀系数小且屈服应变小的树脂。
根据本发明的一方式，提供一种气罐。该气罐具备：上述方式的内衬；及在所述内衬的外周形成的纤维增强树脂层。
根据该方式，由于第一树脂和第二树脂中的一方的线膨胀系数大且屈服应变大，因此在气体的填充中，内衬中的由线膨胀系数大且屈服应变大的一方的树脂形成的部分伸展，因此与用相同的树脂形成整个内衬的情况相比，能够抑制树脂的塑性变形或破损。
在上述方式中，可以是，若将气体填充完成后的温度即高温T1与开始填充所述气体前的温度即低温T2之间的温度差设为ΔT，将所述高温T1下的所述圆筒部的轴向长度设为Ls，将所述圆顶部的轴向长度设为Ld，将从所述高温T1至所述低温T2的所述第一树脂的平均线膨胀系数设为αs，将从所述高温T1至所述低温T2的所述第二树脂的平均线膨胀系数设为αd，将从所述高温T1至所述低温T2的所述纤维增强树脂层的平均线膨胀系数设为αc，将所述低温T2下的所述第一树脂的屈服应变设为εs，将所述低温T2下的所述第二树脂的屈服应变设为εd，
满足下式，
[数学式1]
Figure BDA0002496115970000031
根据该方式，在高温T1下内衬的圆顶部与纤维增强树脂层紧贴的情况下，之后即使气罐的温度下降至低温T2，圆顶部与纤维增强树脂层之间的间隙也会成为内衬的屈服应变以下，因此能够更可靠地抑制内衬的塑性变形或破损。
根据本发明的一方式，提供一种气罐。该气罐具备：内衬；及在所述内衬的外周形成的纤维增强树脂层。所述内衬具备：圆筒部，由第一树脂形成；及圆顶部，由第二树脂形成，配置在所述圆筒部的轴向的两端。若将气体填充完成后的温度即高温T1与开始填充所述气体前的温度即低温T2之间的温度差设为ΔT，将所述高温T1下的所述圆筒部的轴向长度设为Ls，将所述高温T1下的所述圆顶部的轴向长度设为Ld，将从所述高温T1至所述低温T2的所述第一树脂的平均线膨胀系数设为αs，将从所述高温T1至所述低温T2的所述第二树脂的平均线膨胀系数设为αd，将从所述高温T1至所述低温T2的所述纤维增强树脂层的平均线膨胀系数设为αc，将所述低温T2下的所述第一树脂的屈服应变设为εs，将所述低温T2下的所述第二树脂的屈服应变设为εd，则满足下式，
[数学式2]
Figure BDA0002496115970000041
根据该方式，在高温T1下内衬的圆顶部与纤维增强树脂层紧贴的情况下，之后即使气罐的温度下降至低温T2，圆顶部与纤维增强树脂层之间的间隙也会成为内衬的屈服应变以下，因此能够更可靠地抑制内衬的塑性变形或破损。
在上述方式的气罐中，可以是，所述高温T1为约+85℃，所述低温T2为约-70℃。
若从在气罐中未填充气体的状态起填充气体直至充满，则气罐的温度上升至约+85℃，若从在气罐中充满气体的状态起从气罐连续地放出气体直至未填充气体状态，则气罐的温度下降至约-70℃，因此，+85℃适合作为高温T1，-70℃适合作为低温T2。
本发明能够以各种方式实现，例如，除了气罐用的内衬之外，还能够以气罐等各种方式实现。
附图说明
图1是表示高温T1下的气罐的状态的剖视图。
图2是表示低温T2下的气罐的状态的剖视图。
图3是表示低温T2下的树脂的应力-应变曲线的一例的坐标图。
图4是表示在第一实施方式中在低温T2下由于压力而导致内衬膨胀的状态的说明图。
图5是表示在第二实施方式中在低温T2下由于压力而导致内衬膨胀的状态的说明图。
具体实施方式
·第一实施方式：
图1是表示高温T1(T1＝+85℃)下的气罐10的制造时的状态的剖视图。气体当压缩时温度上升。约+85℃是从未向气罐10填充气体的状态起填充气体直至充满状态时的填充完成后的气罐10的温度。气罐10具备内衬100和纤维增强树脂层200。内衬100具备圆筒部110和在圆筒部110的轴向的两端配置的两个圆顶部120。两个圆顶部120分别具备圆筒部分122和大致球面部分124。大致球面部分124是除了圆筒部分122之外的部分。在各个大致球面部分124的中央部安装有接口300、310。接口300具有将内衬100的内部与外部相连的孔305，但接口310不具有孔305。不过，接口310也可以是具有孔的结构。这种情况下，接口310的孔可以由闭塞构件闭塞。
圆筒部110由第一树脂形成，圆顶部120由第二树脂形成。在本实施方式中，形成圆筒部110的第一树脂是热塑性树脂且包含玻璃纤维。形成圆顶部120的第二树脂是与第一树脂相同的热塑性树脂，但取代玻璃纤维而包含弹性体。因此，第一树脂与不包含弹性体的树脂相比，线膨胀系数小，屈服应变小。第二树脂与不包含玻璃纤维的树脂相比，线膨胀系数大，屈服应变大。即，第二树脂与第一树脂相比，线膨胀系数大，屈服应变大。作为用作第一树脂、第二树脂的热塑性树脂，例如可以使用6-尼龙、12-尼龙等n-尼龙、6,6-尼龙等n,m-尼龙、以及高密度聚苯乙烯(HDPE)、聚丙烯等树脂原料。而且，作为弹性体，可以使用三元乙丙橡胶(EPDM)、乙丙橡胶(EPM)等橡胶。由于第一树脂和第二树脂使用相同的特定树脂原料，因此能够使气体阻隔性等线膨胀系数、屈服应变以外的特性大致相同。
纤维增强树脂层200形成在内衬100的外周，例如由包含碳纤维的热固化性树脂形成。作为热固化性树脂，例如可以使用环氧树脂。纤维增强树脂层200通过以下方法来形成：使熔融的热固化性树脂附着于碳纤维，将附着有热固化性树脂的碳纤维卷缠于内衬100，然后使热固化性树脂加热固化。
在本实施方式中，内衬100的大小是半径Lr、轴向长度Ll。在此，当将圆筒部110的轴向长度设为Ls，将圆顶部120的轴向长度设为Ld时，Ll＝Ls+2Ld。而且，纤维增强树脂层200的内表面的轴向长度为Lc(＝Ll)。在该高温(85℃)的状态下，假定内衬100的圆顶部120的外表面紧贴于纤维增强树脂层200的内表面。而且，圆顶部120与纤维增强树脂层200之间的应力假定为0。
图2是表示低温(T2＝-70℃)下的气罐10的状态的剖视图。气体当膨胀时温度下降。约-70℃是从在气罐10中充满了气体的状态起使气体连续地放出直至未填充气体状态时的气罐10的温度，是气体的填充开始前的温度。当从气罐10放出气体时，由于气体的绝热膨胀而导致气体的温度及内衬100的温度下降。温度下降最多的情况是从在气罐10中充满了气体的状态起连续地放出气体直至气罐10中几乎没有气体的状态的情况，这种情况下，内衬100的温度下降至约-70℃。例如，在具备气罐10作为燃料罐的汽车在高速道路上连续运转的情况下，内衬100的温度下降最多。当温度下降时，形成内衬100的树脂收缩。图2所示的Ll’、Lr’、Ls’、Ld’分别是低温T2下的内衬100的轴向长度、半径、圆筒部110的轴向长度、圆顶部120的轴向长度。在此，在本实施方式中，内衬100的轴向长度Ll与直径2Lr相比足够大，因此轴向的收缩量大，在内衬100的圆顶部120的大致球面部分124与纤维增强树脂层200之间朝向轴向产生大小t的间隙130。需要说明的是，纤维增强树脂层200也会在轴向上收缩，但由于纤维增强树脂层200包含纤维，因此线膨胀系数小，与内衬100相比收缩量少。而且，内衬100的半径方向的收缩并非完全不产生，但由于直径2Lr比轴向长度Ll小，因此收缩量少。
如果在内衬100与纤维增强树脂层200之间存在间隙130的状态下向气罐10填充气体，则会由于气体的压力而导致内衬100朝向间隙130膨胀。通常，如果外力作用于树脂而树脂发生某界限值以上的应变，则树脂屈服，不再恢复为原来的状态。通常，温度越低，则该应变的界限值(也称为“屈服应变”)越低。
图3是表示低温(T2＝-70℃)下的树脂的应力-应变曲线的一例的坐标图。在大多数的树脂中，如该例子那样，在上屈服点Yp达到屈服应力之后应力暂且下降，然后到达断裂。在本说明书中，将该上屈服点Yp处的应变称为“屈服应变”。
图4是表示在第一实施方式中在低温T2下由于压力而导致内衬100膨胀的状态的说明图。图4示出了接口300的附近。当向内衬100填充气体时，内衬100内部的气体的压力P增大，内衬100要膨胀。这种情况下，在内衬100的半径方向上，由于内衬100与纤维增强树脂层200大致紧贴，因此即使内衬100要膨胀，也会从纤维增强树脂层200受到抗力。因此，在半径方向上几乎不会膨胀。另一方面，在内衬100的轴向上，由于存在间隙130，因此以缩窄间隙130的方式进行线膨胀。
在第一实施方式中，由于形成圆顶部120的第二树脂包含弹性体，因此与圆筒部110相比线膨胀系数大，屈服应变也大。因此，在内衬100膨胀时，由线膨胀系数大的树脂形成的圆顶部120发生线膨胀。其结果是，在内衬100膨胀的情况下，与用不包含弹性体的树脂形成整个内衬100的情况相比，在圆顶部120处容易膨胀，能够抑制内衬100的塑性变形或破损。
另一方面，在用包含弹性体的树脂形成整个内衬100的情况下，内衬100的温度下降时的收缩量变大，间隙130变大。这种情况下，在低温下内衬100因气体的压力而膨胀时，在内衬100与纤维增强树脂层200接触而受到来自纤维增强树脂层200的抗力之前，形成内衬100的树脂就可能会发生塑性变形或破损。在第一实施方式中，由于圆筒部110由不包含弹性体的第一树脂形成，线膨胀系数也小，因此内衬100的温度下降时的收缩量变小，间隙130变小。因此，在内衬100因气体的压力而膨胀时，圆顶部120的树脂发生塑性变形，或者，在破损之前圆顶部120与纤维增强树脂层200接触而从纤维增强树脂层200受到抗力。因此，内衬100难以发生塑性变形或破损。
·第二实施方式：
图5是表示在第二实施方式中在低温T2下由于压力而导致内衬100膨胀的状态的说明图。在第二实施方式中，与第一实施方式相反，形成圆筒部110的第一树脂由线膨胀系数大且屈服应变大的树脂形成，形成圆顶部120的第二树脂由与形成圆筒部110的树脂相比线膨胀系数小且屈服应变小的树脂形成。
在第二实施方式中，在由于内部的气体的压力而导致内衬100发生线膨胀的情况下，圆顶部120不怎么变形，圆筒部110在轴向上伸展。形成圆筒部110的第一树脂由于线膨胀系数大且屈服应变大，因此难以发生塑性变形，也难以破损。这样，也可以将形成圆筒部110的第一树脂设为与形成圆顶部120的第二树脂相比线膨胀系数大且屈服应变大的树脂。而且，若对第一实施方式和第二实施方式进行总结，则可以说只要形成圆筒部110的第一树脂和形成圆顶部120的第二树脂中的一方与另一方相比线膨胀系数大且屈服应变大即可。
·第三实施方式：
在上述实施方式中，虽然没有提及构成内衬100的树脂的线膨胀系数或屈服应变的大小，但在第三实施方式中，对它们的值的关系进行说明。
在图1中，如以下这样定义各构件的大小和性质。
·Ls：高温T1下的内衬100的圆筒部110的轴向长度
·Ld：高温T1下的圆顶部120的轴向长度
·Lc：高温T1下的纤维增强树脂层200的轴向长度
·αs：形成圆筒部110的第一树脂的从高温T1至低温T2的平均线膨胀系数
·αd：形成圆顶部120的第二树脂的从高温T1至低温T2的平均线膨胀系数
·αc：纤维增强树脂层200的从高温T1至低温T2的平均线膨胀系数
·εs：低温T2下的第一树脂的屈服应变
·εd：低温T2下的第二树脂的屈服应变
图2的低温T2的状态下的间隙130的轴向的大小t通过下式来定义。
[数学式3]
2t＝(αsLs+2αdLd-αcLc)ΔT…(3)
在上式中，将括弧展开时的右边第一项(αsLs×ΔT)是圆筒部110的轴向的收缩量，右边第二项(2×αdLd×ΔT)是两个圆顶部120的轴向的收缩量，右边第三项(αcLc×ΔT)是纤维增强树脂层200的轴向的收缩量。第三项的符号为负的原因在于，如果纤维增强树脂层200收缩，则间隙130变小。例如，温度差ΔT(＝T1-T2)的大小为155℃。
在向内衬100填充气体而内衬发生了膨胀时，为了避免内衬100发生塑性变形或破损，只要满足下式即可。
[数学式4]
2t≤2εdLd+εsLs…(4)
式(4)的右边第一项(2εdLd)是由于内部压力P而导致圆顶部120发生膨胀时的应变，第二项(εsLs)是由于内部压力P而导致圆筒部110发生膨胀时的应变。
另外，在高温T1下的内衬100的圆筒部110的轴向长度Ls、圆顶部120的轴向长度Ld及纤维增强树脂层200的轴向长度Lc之间，存在下式所示的关系。
[数学式5]
Lc＝Ls+2Ld…(5)
若关于Ls对上述式(3)、式(4)、式(5)进行求解，则得到下式。
[数学式6]
Figure BDA0002496115970000101
以上，如果以满足式(6)的方式设定内衬100的圆筒部110的长度Ls和圆顶部120的轴向长度Ld，则在高温T1下内衬100的圆顶部120与纤维增强树脂层200紧贴的情况下，之后即使气罐10的温度下降至低温T2，圆顶部120与纤维增强树脂层200之间的间隙130的轴向的大小t也会成为内衬100的屈服应变以下，因此能够更可靠地抑制内衬100的塑性变形或破损。而且，根据式(6)，只要知道内衬100的圆筒部110的长度Ls和圆顶部120的轴向长度Ld中的一方，就能够容易地算出另一方。需要说明的是，平均线膨胀系数αd、αs、αc及屈服应变εd、εs通过实验而求出。
·其他的实施方式1：
在上述实施方式中，通过使树脂包含弹性体而增大树脂的线膨胀系数并增大屈服应变，通过使树脂包含玻璃纤维而减小树脂的线膨胀系数并减小屈服应变，但也可以仅采用任一方。而且，也可以使用橡胶以外的聚酯等酯作为弹性体。而且，也可以取代玻璃纤维而使用碳纤维等其他的纤维。
·其他的实施方式2：
在上述实施方式中，纤维增强树脂层200为单层，但也可以是具有内层和外层这两个层的纤维增强树脂层。这种情况下，第三实施方式中的纤维增强树脂层200的平均线膨胀系数αc的值采用内层的值。
本发明并不局限于上述的实施方式或变形例，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构实现。例如，与发明内容一栏记载的各方式中的技术特征对应的实施方式、变形例中的技术特征能够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而适当进行置换、组合。而且，只要该技术特征在本说明书中不是作为必要技术特征来说明，就可以适当删除。

Claims (2)

1.一种气罐，其中，具备：
内衬；及
在所述内衬的外周形成的纤维增强树脂层，
所述内衬具备：
圆筒部，由第一树脂形成；及
圆顶部，由第二树脂形成，配置在所述圆筒部的轴向的两端，
若将气体填充完成后的温度即高温T1与开始填充所述气体前的温度即低温T2之间的温度差设为ΔT，
将所述高温T1下的所述圆筒部的轴向长度设为Ls，将所述高温T1下的每端的所述圆顶部的轴向长度设为Ld，
将从所述高温T1至所述低温T2的所述第一树脂的平均线膨胀系数设为αs，将从所述高温T1至所述低温T2的所述第二树脂的平均线膨胀系数设为αd，将从所述高温T1至所述低温T2的所述纤维增强树脂层的平均线膨胀系数设为αc，
将所述低温T2下的所述第一树脂的屈服应变设为εs，将所述低温T2下的所述第二树脂的屈服应变设为εd，
则满足下式：
Figure FDA0003191854690000011
所述屈服应变是在受外力作用而发生了应变时屈服而不再恢复为原来的状态的应变的界限值。
2.根据权利要求1所述的气罐，
所述高温T1为+85℃，所述低温T2为-70℃。
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