CN113339693A - 高压罐及其制造方法 - Google Patents

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reinforcing layer
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shrinkage
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高见昌宜
仲田好宏
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

本发明提供高压罐及其制造方法，该高压罐的衬里由通过下述公式计算的收缩量为0以下的材料形成。收缩量＝‑1.533538e‑03*x1‑3.82355406*x2‑7.81992308*x3+1.89342646e‑01*x4‑7.84558163e‑03*x5+1.15956871e‑03*x1x2+6.29564353e‑04*x1x3‑9.34550213e‑06*x1x4‑6.59253799e‑04*x1x5‑1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3‑1.85202252e‑02*x2x4‑1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2‑1.17467786e‑02*x3x4‑9.04442817e‑01*x3x5‑1.86321584e‑03*x4^2+6.62631756e‑03*x4x5+1.27572698e*x5^2。

Description

高压罐及其制造方法
技术领域
本发明涉及高压罐及其制造方法。
背景技术
作为搭载于燃料电池汽车、氢汽车的氢罐等高压罐，例如公知有一种如日本特开2019－183935所记载那样具备大致圆筒形状的衬里、覆盖衬里的外表面的由纤维强化树脂材料构成的加强层、以及与衬里的内部连通的金属口的高压罐。而且，衬里还具有圆筒部和配置于圆筒部的轴向的两端的穹顶部。
最近，为了实现高压罐的轻型化，正在研究将衬里薄壁化。然而，因反复从罐满填充时使用至空罐，而反复发生温度变化。由于衬里因该温度变化而反复膨胀和收缩，所以存在若薄壁化则会引起罐强度降低的可能性。
发明内容
本发明提供即便在使衬里薄壁化的情况下也能够确保罐强度的高压罐及其制造方法。
本发明的一个方式所涉及的高压罐具备衬里，该衬里具有圆筒部和配置于上述圆筒部的轴向的两端的穹顶部。上述衬里由通过下述公式计算的收缩量为0以下的材料形成。
公式：
收缩量
＝-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2，
其中，x1为上述高压罐的最低使用压力，x2为上述圆筒部与上述穹顶部的边界部分的半径，x3为上述衬里的厚度，x4为上述衬里的线膨胀系数，x5为上述衬里的杨氏模量。
在上述方式的高压罐中，由于衬里由通过上述公式计算的收缩量为0以下的材料形成，所以能够将因温度变化引起的衬里的收缩量抑制为0。其结果是，即便在衬里薄壁化的情况下，也能够确保罐强度。
在上述方式的高压罐中，可以还具备构成为覆盖上述衬里的外表面的加强层，上述加强层与上述衬里粘接。这样一来，能够防止加强层与衬里之间的间隙产生。
本发明的其他方式所涉及的高压罐的制造方法具备：衬里形成工序，形成具有圆筒部和配置于上述圆筒部的轴向的两端的穹顶部的衬里；以及加强层形成工序，形成覆盖上述衬里的外表面的加强层。在进行了上述衬里形成工序以及上述加强层形成工序中的任一方之后进行另一方。在上述衬里形成工序中，使用通过下述公式计算的收缩量为0以下的材料来形成上述衬里。
公式
收缩量
＝-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2，
其中，x1为上述高压罐的最低使用压力，x2为上述圆筒部与上述穹顶部的边界部分的半径，x3为上述衬里的厚度，x4为上述衬里的线膨胀系数，x5为上述衬里的杨氏模量。
在上述方式的高压罐的制造方法中，由于在衬里形成工序中使用通过上述公式计算的收缩量为0以下的材料来形成衬里，所以能够将因温度变化引起的衬里的收缩量抑制为0。其结果是，即便在衬里薄壁化的情况下，也能够确保罐强度。
在上述方式的高压罐的制造方法中，可以在上述加强层形成工序中，使用含浸于纤维的树脂，含浸于上述纤维的上述树脂与形成上述衬里的上述材料相同，在上述衬里形成工序以及上述加强层形成工序之后，使上述衬里以及上述加强层同时固化。由于能够使这样形成的衬里以及加强层同时固化，所以与因材料的不同而使所形成的衬里与加强层分别固化的情况相比，能够减少制造工序的数量。
根据本发明，即便在衬里薄壁化的情况下，也能够确保罐强度。
附图说明
以下，参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术及工业重要性进行说明，在附图中相同的附图标记表示相同的构成要素，其中：
图1是表示高压罐的构造的简要剖视图。
图2是表示板厚、杨氏模量以及线膨胀系数与收缩量的相关系数的图。
图3是表示线膨胀系数、杨氏模量以及收缩量的关系的等值线图(contourdiagram)。
图4是表示收缩量预测值与CAE计算值的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的高压罐及其制造方法的实施方式进行说明。
[高压罐的构造]
图1是表示高压罐的构造的简要剖视图。高压罐10是两端带圆角为穹顶状的大致圆筒形状的高压气体储藏容器，具备：衬里11，具有阻气性；第1加强层12，覆盖衬里11的外表面且由纤维强化树脂材料构成；以及第2加强层13，覆盖第1加强层12的外表面且由纤维强化树脂材料构成。在高压罐10的轴L方向的一端形成有圆形状的开口部(未图示)，在该开口部安装有大致圆筒形状的金属口14。
衬里11是形成供高压的氢气填充的收纳空间15的树脂制部件，沿着第1加强层12的内表面形成。优选构成衬里11的树脂是将被填充的气体(这里为氢气)保持在收纳空间15内的性能即阻气性良好的树脂。该衬里11具有圆筒部111和分别配置于圆筒部111的轴L方向的左右两端的大致半球状的穹顶部112。圆筒部111与穹顶部112具有大致相同的厚度，通过边界部分113连结而一体化。
金属口14是将不锈钢或铝等金属材料加工成规定形状的部件。在金属口14安装有用于对于收纳空间15填充以及排出氢气的阀(未图示)。
第1加强层12覆盖衬里11的外表面，并且具有对衬里11进行加强而使高压罐10的刚度、耐压性等机械强度提高的功能。优选该第1加强层12与衬里11粘接。这样一来，能够防止第1加强层12与衬里11之间的间隙产生。如图1所示，第1加强层12具有圆筒部件121和配置于圆筒部件121的轴向(即高压罐10的轴L方向)的两端部的2个穹顶部件122及123。
圆筒部件121是与衬里11的圆筒部111对应的部件，被配置为与圆筒部111的外表面紧贴。另一方面，穹顶部件122和穹顶部件123分别是与配置于衬里11的左右端部的穹顶部112对应的部件，被配置为与穹顶部112的外表面紧贴。而且，圆筒部件121与穹顶部件122及123接合为一体。
第1加强层12由树脂以及纤维(连续纤维)构成。在圆筒部件121中，纤维以与圆筒部件121的轴L方向大致正交的角度形成为周状。换言之，在圆筒部件121中，纤维沿圆筒部件121的周向取向。通过这样使纤维在圆筒部件121中沿周向取向，能够通过适当量的纤维强化树脂来确保第1加强层12相对于因内压(气压)而产生的环向应力(hoop stress)的强度。
另一方面，在穹顶部件122及123中，纤维没有沿圆筒部件121的周向取向，被配置为朝向与周向交叉的各种方向延伸的纤维彼此重叠。由此，穹顶部件122及123能够利用纤维通过适当量的纤维强化树脂来确保第1加强层12相对于因内压而产生的应力的强度。
在本实施方式中，圆筒部件121的纤维与穹顶部件122及123的纤维未连续(即未连结)。这是因为如后述那样在分别形成了圆筒部件121、2个穹顶部件122及123之后在圆筒部件121的两端接合2个穹顶部件122及123。
第2加强层13形成为覆盖第1加强层12的外表面。第2加强层13覆盖圆筒部件121、穹顶部件122及123的整体。该第2加强层13由树脂以及纤维(连续纤维)构成。
在本实施方式中，衬里11由通过下述式(1)计算的收缩量为0以下的树脂材料形成。
式(1)：
收缩量
＝-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2
在式(1)中，x1为高压罐10的最低使用压力，x2为圆筒部111与穹顶部112的边界部分113的半径，x3为衬里11的厚度，x4为衬里11的线膨胀系数，x5为衬里11的杨氏模量。
这里，最低使用压力x1是指高压罐10为空的状态(换言之是用尽了高压罐10内的氢气的状态)下的内压。半径x2是圆筒部111与穹顶部112的边界部分113中的穹顶部112侧的弯曲部分的曲率，是所谓的弯曲内R(bending inner radius)。该半径x2例如在常温状态下测定。
关于衬里11的厚度x3，由于衬里11整体的厚度相同，所以可以是圆筒部111的厚度或者穹顶部112的厚度，但优选为偏差少的圆筒部111的厚度。线膨胀系数x4的温度范围是高压罐10的最低使用温度(例如－48.5℃)～23℃。杨氏模量x5是高压罐10的最低使用温度时的杨氏模量。
而且，作为形成衬里11的树脂材料，可举出硅树脂、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、环氧树脂、聚酰胺树脂等。
这里，对获得本发明的背景进行说明。
如上所述，由于因反复从罐满填充时使用至空罐而反复发生温度变化，所以衬里反复膨胀与收缩。高压罐的使用环境的范围很广(例如－48.5℃～85℃)，当衬里在低温低压环境下收缩时，若填充氢气等气体，则衬里被拉伸。另外，衬里的收缩不能整体均衡地进行，而容易靠近一侧(穹顶部侧)，因此，在收缩量多的穹顶部侧产生过大的应力，存在对罐强度造成影响的可能性。鉴于此，本申请发明人们经过反复深入研究结果发现：若使衬里的收缩量为0，则能够防止在穹顶部侧产生过大的应力，能够确保罐强度，从而完成了本发明。
具体而言，本申请发明人们首先分别提取出有助于衬里的收缩的因素和妨碍收缩的因素。作为有助于收缩的因素，提取出衬里的线膨胀系数以及杨氏模量，作为妨碍收缩的因素，提取出高压罐的最低使用压力、圆筒部与穹顶部的边界部分的半径、以及衬里的厚度。
接下来，使提取出的这些重要因素中的最低使用压力以及半径为一定值，使用基于计算机辅助的工业分析技术(Computer Aided Engineering：CAE)针对衬里的厚度、杨氏模量以及线膨胀系数以表1所示的水平分别对与收缩量的相关关系进行了调查。其结果如图2所示。根据图2所示的结果可知，与收缩量的相关关系最大的是线膨胀系数，接下来是杨氏模量，最小的是板厚(即衬里的厚度)。
[表1]
Figure BDA0002938219190000061
接下来，本申请发明人们使用环氧树脂并在衬里的厚度为1mm或者2mm、高压罐的最低使用压力为0.7Mpa、最低使用温度为－48.5℃、半径为20mm、线膨胀系数为0.8×10^－4、杨氏模量为1800MPa的条件下对线膨胀系数、杨氏模量以及收缩量的关系进行了调查。其结果如图3所示。在图3中，左侧的等值线图是板厚为1mm的结果，右侧的等值线图是板厚为2mm的结果。
如图3所示，随着线膨胀系数以及杨氏模量变大，收缩量逐渐变大。而且，可知在最低使用压力、最低使用温度、半径、线膨胀系数以及杨氏模量相同的情况下，若板厚变小，则收缩量变小。
而且，基于这样的调查结果等，本申请发明人们发现：通过使用具有由上述式(1)决定的条件的树脂材料，能够将形成的衬里的收缩量抑制为0以下。其中，这里将0以下的情况全部视为收缩量为0。
在本实施方式所涉及的高压罐10中，由于衬里11由通过上述式(1)计算的收缩量为0以下的树脂材料形成，所以能够将因温度变化引起的衬里11的收缩量抑制为0。其结果是，即便在使衬里11薄壁化的情况下，也能够确保罐强度。
[高压罐的制造方法]
以下，对高压罐10的制造方法进行说明。高压罐10的制造方法包括：加强层形成工序，形成具有第1加强层12以及第2加强层13的加强层；衬里形成工序，在第1加强层12的内侧形成衬里11；以及固化工序，使所形成的衬里11、第1加强层12以及第2加强层13同时固化。加强层形成工序还具有形成第1加强层12的第1加强层形成步骤和在第1加强层12的外侧形成第2加强层13的第2加强层形成步骤。
首先，在第1加强层形成步骤中，例如使用纤维缠绕法(FW(filament winding)法)以覆盖规定的模的外表面的方式卷绕含浸有树脂的纤维来制成卷绕体，通过利用刀具等分割制成的卷绕体，由此形成2个穹顶部件122、123。此时，所形成的穹顶部件122、123中的一方(在本实施方式中为穹顶部件122)具有开口部。
作为含浸于纤维的树脂，并不特别限定，但优选使用例如环氧树脂等热固化性树脂。另外，作为纤维，能够使用碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维以及硼纤维等。
接着，通过例如使用CW(Centrifugal Winding)法在旋转的圆筒金属模的内表面粘贴含浸有树脂的纤维片材，来形成圆筒部件121。含浸有树脂的纤维片材例如至少具有沿圆筒金属模的周向取向的纤维。由此，可获得纤维沿周向取向了的圆筒部件121。此外，作为含浸于纤维片材的树脂，并不特别限定，但优选与穹顶部件122、123的形成同样例如使用环氧树脂等热固化性树脂。
接着，在对具有开口部的穹顶部件122安装了金属口14之后，将圆筒部件121的两端部与2个穹顶部件122及123的端部接合来形成第1加强层12。
在第2加强层形成步骤中，例如通过使用了含浸有树脂的纤维的纤维缠绕法，以覆盖第1加强层12的外表面即圆筒部件121与2个穹顶部件122及123的方式形成由纤维强化树脂材料构成的第2加强层13。这里，作为含浸于纤维的树脂，与第1加强层12的形成同样例如使用环氧树脂等热固化性树脂。另外，纤维也与第1加强层12的形成同样使用碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维以及硼纤维等。
另一方面，在衬里形成工序中，针对在加强层形成工序中形成的第1加强层12以及第2加强层13，经由金属口14向第1加强层12的内部流入树脂材料，并使这些加强层旋转以便流入的树脂材料覆盖第1加强层12的内表面，通过使树脂材料固化某种程度，由此形成衬里11。
而且，在衬里形成工序中，使用通过上述式(1)计算的收缩量为0以下的树脂材料来制造衬里11。作为树脂材料，与第1加强层12以及第2加强层13的形成同样例如使用环氧树脂等热固化性树脂。
在固化工序中，将如上述那样形成的衬里11、第1加强层12以及第2加强层13放入热固化炉，例如以160℃的温度加热10分钟，使未固化的衬里11与含浸于第1加强层以及第2加强层所使用的纤维的热固化性树脂同时热固化。由此，可制造高压罐10。
在本实施方式所涉及的高压罐的制造方法中，由于在衬里形成工序中使用通过上述式(1)计算的收缩量为0以下的树脂材料来形成衬里11，所以能够将因温度变化引起的衬里11的收缩量抑制为0。其结果是，即便在使衬里11薄壁化的情况下，也能够确保罐10的强度。
除此之外，由于含浸于第1加强层12以及第2加强层13所使用的纤维的树脂与形成衬里11的树脂材料相同(这里为环氧树脂)，且使所形成的衬里11、第1加强层12以及第2加强层13同时固化，所以与使通过使用不同的树脂材料而形成的衬里和第1加强层、第2加强层分别固化的情况相比，能够减少制造工序的数量。
[变形例]
此外，在以上的说明中举出了高压罐10具备衬里11和覆盖该衬里11的外表面的第1加强层12以及第2加强层13的例子，但对于本发明的高压罐而言，覆盖衬里的外表面的加强层可以仅为一层。在制造具有这样的构造的高压罐时，先使用通过上述式(1)计算的收缩量为0以下的树脂材料形成衬里，并通过利用环向缠绕或者螺旋缠绕向所形成的衬里的外表面卷绕含浸有热固化性树脂的强化纤维来形成加强层，然后，使所形成的衬里以及加强层热固化。由于即便在这样的情况下，也能够将因温度变化引起的衬里的收缩量抑制为0，所以即便使衬里薄壁化，也能够确保罐强度。
另外，本申请发明人们为了确认通过上述式(1)计算的收缩量的可靠性，在最低使用压力、半径、衬里的厚度、膨胀系数、杨氏模量以及所使用的树脂材料全部相同的条件下，对通过上述式(1)计算的收缩量(收缩量预测值)与使用基于计算机辅助的工业分析技术(CAE)而计算的收缩量(CAE计算值)进行比较，其结果如图4所示。图4是对于收缩量预测值与CAE计算值的结果表示了二维线性回归的图。作为其结果，决定系数R2为0.97，平均平方误差E为1.26。由此，通过上述式(1)计算的收缩量与使用CAE计算的收缩量的误差少，表示通过上述式(1)计算的收缩量的可靠性高。
以上，对本发明的实施方式进行了详述，但本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离技术方案所记载的本发明的精神的范围内能够进行各种设计变更。

Claims (4)

1.一种高压罐，其特征在于，
包括衬里，该衬里具有圆筒部和配置于所述圆筒部的轴向的两端的穹顶部，
其中，所述衬里由通过下述公式计算的收缩量为0以下的材料形成，
公式
收缩量
＝-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2，
其中，x1为所述高压罐的最低使用压力，x2为所述圆筒部与所述穹顶部的边界部分的半径，x3为所述衬里的厚度，x4为所述衬里的线膨胀系数，x5为所述衬里的杨氏模量。
2.根据权利要求1所述的高压罐，其特征在于，
还包括构成为覆盖所述衬里的外表面的加强层，
其中，所述加强层与所述衬里粘接。
3.一种高压罐的制造方法，其特征在于，包括：
衬里形成工序，形成具有圆筒部和配置于所述圆筒部的轴向的两端的穹顶部的衬里；和
加强层形成工序，形成构成为覆盖所述衬里的外表面的加强层，
其中，在进行了所述衬里形成工序和所述加强层形成工序中的任一方之后进行另一方，
在所述衬里形成工序中，使用通过下述公式计算的收缩量为0以下的材料来形成所述衬里，
公式
收缩量
＝-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2，
其中，x1为所述高压罐的最低使用压力，x2为所述圆筒部与所述穹顶部的边界部分的半径，x3为所述衬里的厚度，x4为所述衬里的线膨胀系数，x5为所述衬里的杨氏模量。
4.根据权利要求3所述的高压罐的制造方法，其特征在于，
在所述加强层形成工序中使用含浸于纤维的树脂，
含浸于所述纤维的所述树脂与形成所述衬里的所述材料相同，
在所述衬里形成工序以及所述加强层形成工序之后，使所述衬里以及所述加强层同时固化。
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