CN112497721B

CN112497721B - 罐的制造方法

Info

Publication number: CN112497721B
Application number: CN202010928721.4A
Authority: CN
Inventors: 片野刚司
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: JP2021042834A; JP7226204B2; CN112497721A; DE102020122538B4; US20210078238A1; DE102020122538A1; US11285659B2

Abstract

本发明提供减小了纤维的松弛的程度的罐。罐的制造方法具备：卷绕工序，将浸渍有固化前的热固性树脂的纤维卷绕于衬里；形状变形工序，在卷绕工序后，使衬里的形状比卷绕工序时大；以及固化工序，在通过形状变形工序增大了衬里的形状的状态下，加热热固性树脂而使其固化。

Description

罐的制造方法

技术领域

本公开涉及罐的制造方法的技术。

背景技术

以往，公知有在将浸渍有热固性树脂的纤维卷绕于衬里而形成固化前加强层后，通过加热热固性树脂来使其固化，从而形成加强层的罐的制造方法(专利文献1)。

专利文献1：日本特开2018-179081号公报

在将纤维卷绕于衬里的情况下，因为卷绕条件、衬里的形状等可能产生在卷绕的纤维产生松弛的部位。当在纤维产生了松弛的状态下使热固性树脂固化的情况下，形成在纤维产生了松弛的状态的加强层。

发明内容

本公开能够作为以下的方式来实现。

(1)根据本公开的一个方式，提供罐的制造方法。该罐的制造方法具备：卷绕工序，将浸渍有固化前的热固性树脂的纤维卷绕于衬里；形状变形工序，在上述卷绕工序后，使上述衬里的形状比上述卷绕工序时大；以及固化工序，在通过上述形状变形工序增大了上述衬里的形状的状态下，加热上述热固性树脂而使其固化。

根据该方式，通过在固化工序前通过形状变形工序增大衬里的形状，从而即使当在卷绕于衬里的纤维产生了松弛的情况下，也能够减小纤维的松弛的程度。由此，在减小了纤维的松弛的程度的状态下固化热固性树脂，因此能够抑制罐的强度降低。

(2)也可以构成为：在上述方式的基础上，上述形状变形工序包括加压工序，上述加压工序通过向上述衬里的内部送入气体来使上述衬里的内压比上述卷绕工序时的上述衬里的内压上升，从而增大上述衬里的形状。

根据该方式，通过使衬里的内压上升来增大衬里的形状，从而能够减小纤维的松弛的程度。

(3)也可以构成为：在上述方式的基础上，在上述卷绕工序与上述形状变形工序之间还包含减压工序，上述减压工序通过使上述衬里的内压比上述卷绕工序时的上述衬里的内压下降，从而使上述衬里的形状比上述卷绕工序时小。

根据该方式，通过减压工序使卷绕于衬里的纤维暂时松弛，由此能够减小重叠的纤维相互施加的压力，因此能够减小重叠的纤维间的摩擦力。由此，能够使卷绕于衬里的纤维成为更容易移动的状态，因此在形状变形工序中，能够进一步减小卷绕于衬里的纤维的松弛的程度。

(4)也可以构成为：在上述方式的基础上，上述减压工序是相比在上述卷绕工序中将形成下述层的上述纤维卷绕于上述衬里时的上述衬里的内压而使上述衬里的内压下降的工序，其中，所述层是在上述罐的制造后应力成为最大的层。

根据该方式，通过使作为形成应力最大的层的纤维的规定纤维暂时松弛，从而能够使规定纤维容易移动。由此，能够减小形成应力最大的层的纤维的松弛的程度，因此能够进一步抑制罐的强度降低。

(5)也可以构成为：在上述方式的基础上，上述形状变形工序包括轴线方向变形工序，上述轴线方向变形工序通过向上述衬里施加外力，从而在沿着上述衬里的轴线的轴线方向上增大上述衬里的形状。

根据该方式，通过在轴线方向上增大衬里的形状，能够减小卷绕于衬里的纤维、特别是形成接近衬里的内侧的层的纤维的松弛的程度。

(6)也可以构成为：在上述方式的基础上，上述固化工序在通过将上述衬里的内压维持得比上述卷绕工序时高而增大了上述衬里的形状的状态下，加热上述热固性树脂而使其固化。

根据该方式，通过将衬里的内压维持得比卷绕工序时高，能够成为更加均衡地增大了衬里的形状的状态。由此，能够在进一步减小了卷绕于衬里的纤维的松弛的程度的状态下使热固性树脂固化。

本发明能够通过各种方式来实现，除了上述的罐的制造方法之外，例如，能够通过罐的制造装置、搭载有罐的燃料电池系统等方式来实现。

附图说明

图1是示意性地表示罐的结构的简要剖视图。

图2是用于说明纤维的卷绕装置的图。

图3是表示罐的制造方法的流程图。

图4是表示衬里的内压与制造方法的各工序的关系的图。

图5是用于说明轴线方向变形工序的效果的一个例子的图。

附图标记说明

10…罐；12…圆筒部；14…圆顶部；16…切换阀；20…减压用流路；21…加压用流路；22…压力调整用流路；23…减压泵；24…加压泵；27…压力传感器；29…内压调整机构；32…纤维；38…纤维引导部；40…控制部；110…衬里；111…圆筒部；112…圆顶部；114…储藏空间；115…罐主体；120…第1接头；130…第2接头；140…加强层；200…卷绕装置；201…旋转装置；203…旋转轴；205…支承轴；CX…衬里轴线；L1…最内层；P1…第1压力；P2…第2压力；P3…第3压力；P4…第4压力；P5…第5压力；VA…阀组件。

具体实施方式

A.实施方式：

图1是示意性地表示通过本公开的实施方式的制造方法制造的罐的结构的概要剖视图。罐10例如是以压缩状态容纳用于向燃料电池供给的氢的高压气罐。容纳有氢的罐10的内压例如为35MPa以上。罐10具备罐主体115、和包覆罐主体115的加强层140。罐主体115具有衬里110、第1接头120、以及第2接头130。

衬里110由尼龙、聚乙烯等合成树脂形成。在本实施方式中，衬里110由尼龙形成。衬里110是具有衬里轴线CX的中空容器，在内部形成用于储藏气体的储藏空间114。另外，衬里110具有：大致圆筒形状的圆筒部111；和大致半球状的圆顶部112，在沿着衬里轴线CX的方向上连接于圆筒部111的两端。此外，在其他的实施方式中，衬里110也可以由金属形成。

加强层140配置为覆盖衬里110、和第1接头120和第2接头130的除了朝向衬里轴线CX方向的开口部之外的周围部分。加强层140由纤维强化树脂形成。在本实施方式中，加强层140由热固性树脂和碳纤维的复合材料亦即碳纤维强化树脂(CFRP)形成。使用环氧树脂作为热固性树脂。热固性树脂并不限定于环氧树脂，也可以使用不饱和聚酯树脂等其他的热固性树脂。

第1接头120和第2接头130由铝或者其合金之类的金属、高强度的树脂形成，设置于衬里110的圆顶部112。在第1接头120和第2接头130的开口部的内周面形成有内螺纹。通过配管、阀组件等功能部件的外螺纹与该内螺纹螺合，从而将功能部件连接于第1接头120、第2接头130。此外，在图1中，在第1接头120连接有通过双点划线示出的阀组件VA。此外，在本实施方式中，第2接头130形成为储藏空间114与外部为非连通状态。

在作为燃料电池系统的要素组装有罐10的情况下，经由阀组件VA，连接储藏空间114与未图示的气体流路。在储藏空间114填充作为燃料气体的氢。另外，从储藏空间114朝向燃料电池供给氢来用于燃料电池的发电。

图2是用于说明纤维32的卷绕装置200的图。卷绕装置200具备旋转装置201、旋转轴203、支承轴205、纤维引导部38、内压调整机构29、以及控制部40。控制部40控制卷绕装置200的动作。纤维引导部38朝向罐主体115送出浸渍有热固性树脂的纤维32。通过纤维引导部38，调整纤维32的卷绕角度。

旋转装置201与旋转轴203连结，通过根据来自控制部40的指令进行驱动，从而使旋转轴203旋转。旋转轴203固定于第2接头130，使罐主体115旋转。支承轴205以将罐主体115支承为能够自由地旋转的方式安装于第1接头120。支承轴205为筒状。

通过边利用旋转装置201使罐主体115以衬里轴线CX为中心进行旋转，边从纤维引导部38向罐主体115供给纤维32，从而进行纤维32向罐主体115的卷绕。纤维32通过环向卷绕、螺旋卷绕卷绕于罐主体115。环向卷绕是指以衬里轴线CX与纤维32的卷绕方向所成的角度为大致垂直的方式卷绕纤维32的方法。这里，“大致垂直”是指包含90°、与通过以纤维32彼此不重叠的方式错开纤维32的卷绕位置而产生的90°左右的角度双方。在将纤维32卷绕于圆筒部111时使用环向卷绕。

螺旋卷绕包括高角度螺旋卷绕和低角度螺旋卷绕。高角度螺旋卷绕例如是以衬里轴线CX与纤维32的卷绕方向所成的角度为75°以上87°以下的范围的任一角度(例如80°)的方式将纤维32卷绕于衬里110的圆筒部111的方法。低角度螺旋卷绕例如是以衬里轴线CX与纤维32的卷绕方向所成的角度为10°以上30°以下的范围的任一角度(例如15°)的方式将纤维32卷绕于罐主体115的方法。另外，在低角度螺旋卷绕中，纤维32以张设于两个圆顶部112之间的方式螺旋状地反复缠绕。

内压调整机构29具备压力调整用流路22、加压用流路21、减压用流路20、切换阀16、减压泵23、以及加压泵24。各流路20、21、22由配管形成。压力调整用流路22是使外部与罐主体115的储藏空间114连通的流路，局部配置于支承轴205内。在压力调整用流路22配置有压力传感器27。将压力传感器27的检测值向控制部40输出。在本实施方式中，将压力传感器27的检测值作为衬里110的内压处理。

减压用流路20是经由切换阀16与压力调整用流路22连通的流路，并且是用于使储藏空间114的压力、即衬里110的内压下降的流路。减压泵23配置于减压用流路20，通过根据控制部40的指令进行驱动，从而经由压力调整用流路22和减压用流路20向外部排出储藏空间114内的气体，由此将储藏空间114内减压。

加压用流路21是经由切换阀16与压力调整用流路22连通的流路，并且是用于使储藏空间114的压力、即衬里110的内压上升的流路。加压泵24配置于加压用流路21，通过根据控制部40的指令进行驱动，从而经由压力调整用流路22和加压用流路21向储藏空间114内送入气体，由此将储藏空间114内加压。在本实施方式中，在减压用流路20的一端连接有容纳用于向储藏空间114送入的气体的气体容器(未图示)。在用于将储藏空间114加压的气体中，为了抑制衬里110的氧化，优选使用惰性气体。在本实施方式中，使用氮气作为惰性气体。

切换阀16根据来自控制部40的指令，变更压力调整用流路22与减压用流路20的连通状态、压力调整用流路22与加压用流路21的连通状态。另外，切换阀16能够将压力调整用流路22、加压用流路21以及减压用流路20全部关闭。

图3是表示罐10的制造方法的流程图。图4是表示衬里110的内压与制造方法的各工序的关系的图。如图3所示，控制部40执行初始加压工序(步骤S10)。如图4所示，初始加压工序是控制内压调整机构29，向储藏空间114送入加压气体来使衬里110的内压上升到比大气压高的第1压力P1的工序。优选第1压力P1设定为在通过后述的卷绕工序向衬里110卷绕纤维32时，能够抑制因来自纤维32的载荷致使衬里110大幅度地变形的程度的值。

在压力传感器27的检测值变为了第1压力P1的情况下，控制部40控制纤维引导部38、旋转装置201来执行卷绕工序(图3的步骤S20)。卷绕工序是将浸渍有固化前的热固性树脂的纤维32卷绕于包括衬里110的罐主体115的工序。组合环向卷绕、高角度螺旋卷绕、以及低角度螺旋卷绕来实施纤维32的卷绕。通过卷绕工序，在罐主体115上形成由浸渍有固化前的热固性树脂的纤维32形成的多个层。

如图4所示，当在卷绕工序中进行纤维32的卷绕的期间，控制部40为了抑制因来自卷绕于衬里110的纤维32的载荷致使衬里110大幅度地变形，而使衬里110的内压从第1压力P1进一步上升。在本实施方式中，控制部40在预先决定好的第1时机使衬里110的内压从第1压力P1上升到第2压力P2，并且，在预先决定好的第2时机使其从第2压力P2上升到第3压力P3。

如图3所示，控制部40在步骤S20的之后执行减压工序(步骤S30)。如图4所示，减压工序是在卷绕工序与后述的形状变形工序之间执行，通过使衬里110的内压比卷绕工序时的衬里110的内压下降，从而使衬里110的形状(特别是径向的形状)比卷绕工序时小的工序。在本实施方式中，在减压工序中，使衬里110的内压比卷绕工序时的最高内压亦即第3压力P3下降。在减压工序中，控制部40在使切换阀16动作而使压力调整用流路22和减压用流路20成为连通状态后，使减压泵23驱动，由此使储藏空间114内的气体向外部排出。由此，衬里110的内压变得比第3压力P3低。这里，基于减压工序的衬里110的内压的目标值只要是比第3压力P3低的值，就不限定于上述，例如也可以是大气压。在减压工序中，优选使衬里110的内压比将形成规定层的纤维32卷绕于衬里110后的衬里110的内压下降。形成规定层的层是指在卷绕工序中在罐10的制造后应力最大的层(应力最大层)。应力最大层是指在以罐10的内压变为比大气压高的预先决定好的值(例如，80MPa)的方式封入了气体的情况下纤维32的形变最大的层。应力最大层在本实施方式中是在通过高角度螺旋卷绕、环向卷绕形成的层中位于最内侧的层，例如在以在圆周方向相近的角度卷绕的层中，作为最内层的层即为该应力最大层。此外，形成该层时的衬里110的内压是第1压力P1。纤维32的形变能够根据从罐10的内压为大气压时起的纤维32的拉伸的比例来评价，拉伸的比例越大则形变越大。如上述那样，在本实施方式中，通过减压工序，使内压下降到比第1压力P1低的第4压力P4。

如图3所示，控制部40在步骤S30后执行形状变形工序(步骤S40、步骤S50)。形状变形工序是使衬里110的形状比卷绕工序时变大的工序。在形状变形工序中，例如，在沿着衬里110的衬里轴线CX的轴线方向、和与轴线方向正交的圆筒部111的径向中的至少一个上，衬里110的形状变得比卷绕工序时大。在本实施方式中，形状变形工序具有轴线方向变形工序(步骤S40)和加压工序(步骤S50)。

轴线方向变形工序是通过向衬里110施加外力，从而在轴线方向上增大衬里110的形状的工序。例如，在轴线方向变形工序中，通过夹具等对第1接头120和第2接头130施加外力，使得第1接头120和第2接头130相互在轴线方向上远离。由此，通过经由第1接头120和第2接头130向衬里110施加外力，从而衬里110的轴线方向上的尺寸变得比形状变形工序前大。另外，例如，也可以通过调整支承轴205、旋转轴203的位置，从而向衬里110施加外力来使衬里110的轴线方向上的尺寸变得比形状变形工序前大。在轴线方向变形工序中，例如，在轴线方向上衬里110的形状变大1mm～10mm左右。如图4所示，轴线方向变形工序例如可以在作为加压工序的执行中的时刻t8～时刻t9之间执行，可以在减压工序与加压工序之间执行，也可以在加压工序后执行。

加压工序是增大衬里110的形状(特别是径向的形状)的工序。在加压工序中，控制部40在控制切换阀16的动作而使加压用流路21与压力调整用流路22连通后，使加压泵24驱动，由此向衬里110的内部送入气体(在本实施方式中是氮气)。由此，在加压工序中，使衬里110的内压上升到比卷绕工序时的衬里110的内压、例如作为最高压力的第3压力P3高的第5压力P5。由此，通过衬里110的内压，主要作为径向上的衬里110的形状的尺寸变得比加压工序前大。例如考虑安全性，第5压力P5也可以是1.0MPa以下。此外，在加压工序中，使内压比卷绕工序时的内压(例如，最低内压的第1压力P1)上升即可，不过优选使衬里110的内压上升到比卷绕工序时的最高内压亦即第3压力P3高的压力。由此，能够进一步减小在卷绕工序时卷绕的纤维32的松弛的程度。

如图3所示，在通过形状变形工序增大了衬里110的形状的状态下，加热卷绕有浸渍了热固性树脂的纤维32的罐主体115，由此执行加热热固性树脂而使其固化的固化工序(步骤S60)。例如，如图4所示，固化工序在通过将衬里110的内压维持在比卷绕工序时高的第5压力P5而增大了衬里110的形状的状态下，加热热固性树脂，由此使热固性树脂固化。此外，在固化工序中，将罐主体115配置于加热炉内，加热浸渍有热固性树脂的纤维，由此热固性树脂固化。由此，制造罐10。在该情况下，旋转轴203、支承轴205、内压调整机构29的局部也配置于加热炉。此外，优选固化工序的执行中的衬里110的内压为从卷绕工序到固化工序前为止的期间内的衬里110的最高内压(在本实施方式中为第5压力P5)以上。由此，能够抑制在因衬里110的形状变得比最高内压时小致使纤维32松弛的状态下执行固化工序。

根据上述实施方式，通过如图3所示在固化工序前通过形状变形工序增大衬里110的形状，从而即使当在卷绕于衬里110的纤维32产生了松弛的情况下，也能够通过根据衬里110的形状的变化拉伸纤维32而减小松弛的程度。由此，在减小了纤维32的松弛的程度的状态、即抑制了纤维32的卷绕方向从预先设计好的方向偏离的状态下，将热固性树脂固化，因此能够抑制罐10的强度(例如，耐压强度)降低。

根据上述实施方式，形状变形工序包括通过使衬里110的内压上升而增大衬里110的形状的加压工序。由此，能够减小卷绕于衬里110的纤维32的松弛的程度。特别是通过使衬里110的内压上升来增大衬里110的形状，从而能够更均衡地增大衬里110(特别是圆筒部111)，因此能够更均匀地减小卷绕于衬里110的纤维32的松弛的程度。另外，形状变形工序包括在轴线方向上增大衬里110的形状的轴线方向变形工序。通过在轴线方向上增大衬里110的形状，从而对于伴随着衬里110的变形而卷绕于衬里110的纤维32、特别是形成接近衬里110的内侧的层的纤维32而言，因摩擦而位移从而松弛的纤维32被拉伸。由此，能够减小纤维32的松弛的程度。另外，通过轴线方向变形工序，在轴线方向上衬里110的形状变大，由此以张设于两个圆顶部112之间的方式卷绕于衬里110的低角度螺旋卷绕的纤维32被拉伸，因此能够进一步减小纤维32的松弛的程度。

图5是用于说明轴线方向变形工序的效果的一个例子的图。在卷绕工序中，例如，在通过低角度螺旋卷绕形成作为最内层L1的第1层，并通过高角度螺旋卷绕、环向卷绕形成第2层的情况下，在轴线方向上增大衬里110的形状，由此即使在形成最内层L1的纤维32(例如，由虚线表示的纤维32)松弛的情况下，也能够通过与衬里110的摩擦而使纤维32位移，从而减小纤维32的松弛的程度。由此，在形成第2层的情况下，能够抑制在第2层形成阶梯差，因此能够抑制因在第2层的通过高角度螺旋卷绕、环向卷绕形成的层形成阶梯差而产生的罐10的强度降低。此外，在本实施方式中，该第2层的层是在罐10的制造后的加压时应力最大的层。

另外，根据上述实施方式，通过减压工序使卷绕于衬里110的纤维32暂时松弛，由此能够减小重叠的纤维32相互施加的压力，因此能够减小重叠的纤维32间的摩擦力。由此，由于能够使卷绕于衬里110的纤维32成为更容易移动的状态，因此在形状变形工序中，能够进一步减小卷绕于衬里110的纤维32的松弛的程度。特别是在上述实施方式中，减压工序是相比对形成在罐10的制造后应力最大的层的纤维32进行卷绕后的衬里110的内压使衬里110的内压下降的工序。由此，通过使作为形成应力最大层的纤维32的规定纤维暂时松弛，从而能够容易移动规定纤维。由此，能够减小形成应力最大的层的纤维32的松弛的程度，因此能够进一步抑制罐10的强度降低。

另外，根据上述实施方式，步骤S60的固化工序在通过将衬里110的内压维持在比卷绕工序时高的第5压力P5而增大了衬里110的形状的状态下，加热热固性树脂而使其固化。由此，通过将衬里110的内压维持得比卷绕工序时高，从而与使用夹具等来增大衬里110的形状的情况相比，能够更均衡地增大衬里110的形状。由此，能够在进一步减小卷绕于衬里110的纤维32的松弛的程度的状态下使热固性树脂固化。特别是作为热塑性树脂的环氧树脂伴随着升温，在液化后固化。另外，衬里110通过升温而软化，从而衬里110的形状通过内压而变得更大。由此，当在环氧树脂液化时纤维32变得容易移动的状态下，衬里110软化，从而衬里110的形状变得更大，因此能够成为进一步减小了内层侧等的纤维32的松弛的程度的状态。在该状态下，通过环氧树脂固化，从而制造更进一步减少了纤维32的松弛的程度的罐10。

B.其他的实施方式：

B-1.第1个其他的实施方式：

在上述实施方式中，也可以在卷绕工序与加压工序之间执行使衬里110的内压比卷绕工序时上升的预备加压工序。特别是在省略了减压工序的情况下优选执行预备加压工序。由此，即使在因作为气体的惰性气体从衬里110漏出、由于衬里110的温度上升而衬里110的容积变大致使衬里110的内压降低的情况下，也能够减少衬里110的内压变为负压的可能性。由此，能够减少空气流入至衬里110的储藏空间114的可能性，因此能够抑制衬里110氧化。

B-2.第2个其他的实施方式：

在上述实施方式中，执行了减压工序，但也可以省略。另外，形状变形工序也可以仅是轴线方向变形工序与加压工序中的任意一个。即使这样，通过在固化工序前通过形状变形工序增大衬里110的形状，也能够通过根据衬里110的形状的变化来拉伸纤维32来减小松弛的程度。

本公开并不局限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够通过各种结构实现。例如，为了解决上述课题的一部分或者全部，或者为了达成上述效果的一部分或者全部，与在发明的概要栏中记载的各方式中的技术特征对应的实施方式的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，只要未说明为其技术特征在本说明书中是必须的，就能够适当地删除。

Claims

1.一种罐的制造方法，其中，

所述罐的制造方法具备：

卷绕工序，将浸渍有固化前的热固性树脂的纤维卷绕于衬里；

形状变形工序，在所述卷绕工序后，使所述衬里的形状比所述卷绕工序时大；以及

固化工序，在通过所述形状变形工序增大了所述衬里的形状的状态下，加热所述热固性树脂而使其固化，

所述形状变形工序包括加压工序，所述加压工序通过向所述衬里的内部送入气体来使所述衬里的内压比所述卷绕工序时的所述衬里的内压上升，从而增大所述衬里的形状，

在所述卷绕工序与所述形状变形工序之间还包括减压工序，所述减压工序通过使所述衬里的内压比所述卷绕工序时的所述衬里的内压下降，从而使所述衬里的形状比所述卷绕工序时小。

2.根据权利要求1所述的罐的制造方法，其中，

所述减压工序是相比在所述卷绕工序中将形成下述层的所述纤维卷绕于所述衬里时的所述衬里的内压而使所述衬里的内压下降的工序，其中，所述层是在所述罐的制造后应力成为最大的层。

3.根据权利要求1所述的罐的制造方法，其中，

所述形状变形工序包括轴线方向变形工序，所述轴线方向变形工序通过向所述衬里施加外力，从而在沿着所述衬里的轴线的轴线方向上增大所述衬里的形状。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的罐的制造方法，其中，

所述固化工序在通过将所述衬里的内压维持得比所述卷绕工序时高而增大了所述衬里的形状的状态下，加热所述热固性树脂而使其固化。