CN113910648B - 高压罐的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的高压罐的制造方法具备：形成包括直管部和缩径部在内的加强管部的工序；形成加强圆顶部的工序；通过将加强管部与加强圆顶部接合来形成接合体的工序；以及在接合体的外表面形成外螺旋层的工序。加强圆顶部配置成加强圆顶部的开口端位于加强管部的缩径部的外表面上。

Description

高压罐的制造方法
技术领域
本公开涉及高压罐的制造方法。
背景技术
在日本特开2012-149739中记载有包括通过长丝缠绕法在衬里的外表面卷绕树脂浸渍纤维来形成加强层的工序在内的高压罐的制造方法。
本公开的发明人设计了以下方法作为代替现有的方法的新的制造方法，即，在分开形成加强层的管部和圆顶部后将两者接合来制作接合体，在该接合体的外侧形成外螺旋层，由此形成加强层。但是，本公开的发明人在该新的制造方法中发现了存在以下课题，即，在接合体的管部与外螺旋层之间产生了相当大的缝隙，因该缝隙而导致高压罐的强度降低。
发明内容
本公开能够作为以下的方式来实现。
根据本公开的一个方式，提供一种制造高压罐的方法，该高压罐具有：衬里，具有阻气性；和加强层，配置于上述衬里的周围。该方法具备：(a)形成纤维强化树脂制的加强管部的工序，上述加强管部包括直管部、和分别设置于上述直管部的两端且外径朝向上述加强管部的端部缩小的缩径部；(b)形成具有外径从一端朝向另一端的开口端增大的形状的纤维强化树脂制的加强圆顶部的工序；(c)以上述加强圆顶部的上述开口端位于上述加强管部的上述缩径部的外表面上的方式将上述加强圆顶部分别配置于上述加强管部的两端，并将上述加强管部与上述加强圆顶部接合，由此形成接合体的工序；以及(d)通过在上述接合体的外表面螺旋缠绕树脂浸渍纤维来形成外螺旋层，由此形成包含上述加强管部、上述加强圆顶部以及上述外螺旋层的上述加强层的工序。根据该方法，配置成加强圆顶部的开口端位于加强管部的缩径部的外表面上，因此与配置成加强圆顶部的开口端位于加强管部的直管部的外表面上的情况相比，能够减少在加强管部与外螺旋层之间产生较大的缝隙的可能性，从而能够防止高压罐的强度过度地降低。
对于上述方法而言，也可以构成为：在上述工序b中，上述加强圆顶部形成为上述加强圆顶部的最大外径为上述加强管部的最大外径以下。根据该方法，使加强圆顶部的最大外径为加强管部的最大外径以下，因此能够进一步减少在加强管部与外螺旋层之间产生较大的缝隙的可能性。
也可以构成为：在上述方法的基础上，上述工序(c)包括将树脂涂覆于如下部分、即在上述工序(d)中形成于上述加强管部与上述加强圆顶部的边界形成于上述外螺旋层下的缝隙的部分的工序。根据该方法，将树脂预先涂覆于在工序(d)中成为缝隙的部分，因此能够进一步减小缝隙。
也可以构成为：在上述方法的基础上，上述工序b包括(i)在上述加强圆顶部的包含上述开口端在内的上述另一端形成厚度比上述加强圆顶部的其他部分小的薄壁部的工序。根据该方法，通过在加强圆顶部的端部形成薄壁部，能够进一步减小加强管部与外螺旋层之间的缝隙。
也可以构成为：在上述方法的基础上，上述工序(i)是通过减少上述加强圆顶部的上述另一端中的树脂来形成上述薄壁部的工序。根据该方法，通过减少加强圆顶部的端部的树脂，能够形成薄壁部。
也可以构成为，在上述方法的基础上，上述工序b包括：在芯轴卷绕树脂浸渍纤维的第1工序；和使卷绕至上述芯轴的上述树脂浸渍纤维的树脂固化的第2工序，上述工序(i)是在上述第2工序中于在成为上述加强圆顶部的上述另一端的部分将橡胶带卷绕至上述树脂浸渍纤维的外侧的状态下进行上述树脂的固化的工序。根据该方法，通过在将橡胶带卷绕至树脂浸渍纤维的外侧的状态下进行树脂的固化，能够减少加强圆顶部的端部的树脂来形成薄壁部。
此外，本公开能够通过各种方式来实现，例如能够通过高压罐的加强层的制造方法等方式来实现。
以下参考附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件
附图说明
图1是表示实施方式中的高压罐的结构的剖视图。
图2是表示实施方式中的加强管部和加强圆顶部的接合体的剖视图。
图3是表示加强圆顶部的结构的剖视图。
图4是表示参考例中的加强管部和加强圆顶部的接合体的剖视图。
图5是表示高压罐的制造方法的流程图。
图6是表示加强管部的形成方法的一个例子的说明图。
图7是表示加强圆顶部的形成方法的一个例子的说明图。
图8是表示减少加强圆顶部的端部的树脂的方法的一个例子的说明图。
图9是表示减少加强圆顶部的端部的树脂的方法的另一例子的说明图。
图10是表示外螺旋层的形成方法的说明图。
具体实施方式
图1是表示一个实施方式中的高压罐100的结构的剖视图。高压罐100是储藏氢气等气体的储藏容器，例如用于储藏向车辆用的燃料电池、固定用的燃料电池供给的氢。一般来说，高压罐是指在20℃下以表压200kPa以上的压力储藏气体的罐。燃料电池用的高压罐典型地使用在20℃下以表压30MPa以上的压力储藏氢的罐。
高压罐100具备：衬里20，具有阻气性；加强层30，配置于衬里20的周围；以及两个接头81、82，设置于高压罐100的两端部。第1接头81具有将衬里20内的空间与外部空间连通的连通孔81h。在该连通孔81h设置包括阀在内的连接装置。第2接头82不具有与外部空间连通的连通孔，但也可以具有连通孔。另外，也可以省略第2接头82。
衬里20由抑制气体向外部的透过的具有阻气性的树脂构成。作为形成衬里20的树脂，例如能够使用聚酰胺、聚乙烯、以及乙烯－乙烯醇共聚树脂(EVOH)、聚酯等热塑性树脂、环氧树脂等热固化性树脂。
加强层30是加强衬里20的纤维强化树脂层，具有包括加强圆顶部50和加强管部60在内的接合体40、和外螺旋层70。也能够将加强层30称为“加强体”。加强圆顶部50具有所谓的圆顶状的形状。更具体而言，加强圆顶部50具有从其一端朝向另一端的开口端51外径逐渐增大的形状。开口端51是沿着高压罐100的轴向的加强圆顶部50的两端中的靠近高压罐100的中心的一端。与开口端51相反的一侧的加强圆顶部50的端与接头81、82分别接触。在图1所示的例子中，加强圆顶部50具有将中空的大致球体的局部切断而获得的形状，但能够采用其以外的各种形状。加强管部60具有直管部62、和分别设置于直管部62的两端的缩径部64。缩径部64形成为外径朝向加强管部60的端部缩小。此外，优选直管部62的内径与缩径部64的内径相等。对于加强圆顶部50和加强管部60的形成方法进行后述。在加强管部60的两端分别配置有加强圆顶部50。加强圆顶部50配置成其内表面与加强管部60的外表面接触。另外，在本实施方式中，以加强圆顶部50的开口端51位于加强管部60的缩径部64的外表面上的方式配置加强圆顶部50。外螺旋层70是通过在包括加强圆顶部50和加强管部60在内的接合体40的外表面螺旋缠绕树脂浸渍纤维而形成的层。外螺旋层70的主要的功能在于防止在高压罐100的内压变高后加强圆顶部50从加强管部60脱落。在图1中，为了便于图示，省略了外螺旋层70和衬里20的阴影线。
作为形成加强层30的树脂，能够使用酚醛树脂、密胺树脂、尿素树脂、以及环氧树脂等热固化性树脂，特别是从机械强度等观点出发，优选使用环氧树脂。作为形成加强层30的纤维，能够使用玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、硼纤维以及碳纤维等，特别是从轻型性、机械强度等观点出发，优选使用碳纤维。
图2是表示实施方式中的接合体40的剖视图。在图2中，为了便于图示，仅示出了接合体40的左半部分。接合体40包括加强管部60、和分别配置于其两端的加强圆顶部50。在本实施方式中，接合体40还包括与加强圆顶部50接合的接头81、82。
加强圆顶部50配置成加强圆顶部50的开口端51位于缩径部64的外表面上。若采用这样的配置，则与配置成加强圆顶部50的开口端51位于直管部62的外表面上的情况相比，能够减少在加强管部60与外螺旋层70之间产生较大的缝隙的可能性，从而能够防止高压罐100的强度过度地降低。
在本实施方式中，加强圆顶部50还具有加强圆顶部50的最大外径D50max为加强管部60的最大外径D60max以下这一特征。加强圆顶部50的最大外径D50max是加强圆顶部50的包括开口端51在内的端部处的外径。若采用该特征，则能够进一步减少在加强管部60与外螺旋层70之间产生较大的缝隙的可能性。其中，加强圆顶部50的最大外径D50max也可以超过加强管部60的最大外径D60max。
在本实施方式中，并且，在加强管部60与加强圆顶部50的边界BR，在成为形成于外螺旋层70下的缝隙的部分涂覆树脂，由此形成有树脂填充部32。作为形成树脂填充部32的树脂，优选使用与用于形成加强层30的树脂相同的树脂。若形成树脂填充部32，则能够进一步减小加强管部60与外螺旋层70之间的缝隙。
图3是表示加强圆顶部50的结构的剖视图。加强圆顶部50包括圆顶主体部52和薄壁部54。薄壁部54形成于加强圆顶部50的包括开口端51在内的端部，是厚度比作为薄壁部54以外的部分的圆顶主体部52小的部分。薄壁部54能够形成为与圆顶主体部52相比每单位表面积的树脂量或者纤维量较少的部分。若在加强圆顶部50的端部形成薄壁部54，则能够进一步减小加强管部60与外螺旋层70之间的缝隙。此外，在本实施方式中，薄壁部54具有越接近高压罐100的轴向的中心厚度越逐渐变薄的锥状的形状。通过该结构，能够进一步减小加强管部60与外螺旋层70之间的缝隙。其中，也可以省略薄壁部54而使加强圆顶部50整体为几乎均匀的厚度。
图4是表示参考例中的加强管部60和加强圆顶部50的接合体41的剖视图。在该接合体41中，加强圆顶部50配置成加强圆顶部50的开口端51位于加强管部60的直管部62的外表面上。其结果是，加强圆顶部50的最大外径D50max大于加强管部60的最大外径D60max。在该参考例中，存在在加强管部60与外螺旋层70之间产生相当大的缝隙GP的可能性。因此，如在图2中说明的那样，优选将加强圆顶部50配置成加强圆顶部50的开口端51位于加强管部60的缩径部64的外表面上。另外，特别优选使加强圆顶部50的最大外径D50max为加强管部60的最大外径D60max以下。
图5是表示高压罐100的制造方法的流程图。对于在以下的各步骤中使用的方法的例子，进行后述。在步骤S10中，形成加强管部60。在步骤S20中，形成加强圆顶部50。在步骤S30中，将接头81或者82与加强圆顶部50接合。在步骤S40中，将两个加强圆顶部50与加强管部60的两端部接合来形成接合体40。在步骤S45中，通过在加强圆顶部50与加强管部60的边界涂覆缝隙填充用的树脂，从而形成在图2中说明的树脂填充部32。步骤S45也能够认为是步骤S40的一部分。另外，能够省略步骤S45。在步骤S50中，在接合体40的外表面形成外螺旋层70。在步骤S60中，将加强层30的未固化的树脂固化。在步骤S70中，在加强层30的内表面形成衬里20。
图6是表示图5的步骤S10中的加强管部60的形成方法的一个例子的说明图。加强管部60能够通过使用长丝缠绕法来在大致圆筒状的芯轴66卷绕纤维束FB而形成。在长丝缠绕法中，使芯轴66旋转，并且使纤维束引导件210移动，由此在芯轴66卷绕纤维束FB。在图6的例子中，通过环形缠绕来卷绕纤维束FB，但也可以使用螺旋缠绕。作为长丝缠绕(FW)法，能够利用以下说明的湿式FW与干式FW的任意一个。
一般来说，作为形成纤维强化树脂制的物体的典型的方法，存在以下那样的方法。
＜湿式FW＞
湿式FW是在卷绕纤维束FB紧前使低粘度化的液状的树脂浸渍于纤维束FB并将该树脂浸渍纤维束卷绕于芯轴的方法。
＜干式FW＞
干式FW是准备预先使树脂浸渍于线维束并干燥后的预浸料并将预浸料卷绕于芯轴的方法。
＜RTM(Resin Transfer Molding-树脂传递成型)成型＞
RTM成型是在雌雄一对成型模内设置纤维并在将模具闭合后从树脂注入口注入树脂来浸渍于纤维而成型的方法。
＜CW(Centrifugal Winding-离心缠绕)＞
CW是通过在旋转的圆筒形的模具的内表面粘贴纤维片来形成筒状的部件的方法。作为纤维片，可以使用预先浸渍了树脂的纤维片，也可以使用未浸渍树脂的纤维片。在后者的情况下，在将纤维片缠卷为筒状后，使树脂流入至模具内来使树脂浸渍于纤维片。
在上述的图6的例子中，使用长丝缠绕法来形成加强管部60，但也可以使用RTM成型等其他的方法来形成加强管部60。加强管部60的树脂的固化可以在步骤S10中执行，或者也可以在步骤S60中执行。
当在步骤S10中进行加强管部60的树脂的固化的情况下，可以进行完全固化至树脂的粘度为它们的目标值以上且变为稳定的状态的完全固化，也可以进行未达到完全固化的预固化。一般来说，对于未固化的热固化型树脂而言，若加热，则首先粘度降低，若其后还继续加热，则粘度上升，若继续加热足够的时间，则树脂的粘度为其目标值以上且变为稳定的状态。在以这样的经过为前提时，将当在粘度的降低后粘度再次上升而达到当初的粘度的时刻以后还继续固化并在达到完全固化的终点前的任一时刻结束固化的处理称为“预固化”。若在步骤S10中执行预固化并在后述的步骤S60中执行完全固化，则能够将加强管部60相对于加强圆顶部50和外螺旋层70更稳固地接合。
此外，为了使芯轴66与加强管部60的分离容易，也可以使芯轴66为分割式。在即使使芯轴66为分割式也难以将两者分离的情况下，也可以分开形成将加强管部60整体在大致中央分割为两部分的分割体，并将这两个分割体接合，由此形成加强管部60。
图7是表示图5的步骤S20中的加强圆顶部50的形成方法的一个例子的说明图。加强圆顶部50能够通过使用长丝缠绕法来在芯轴56卷绕纤维束FB而形成。优选芯轴56具有将两个加强圆顶部50合起来的外形。在该长丝缠绕法中，使芯轴56旋转，并且使纤维束引导件210移动，由此在芯轴56卷绕纤维束FB。在图7的例子中，通过螺旋缠绕卷绕纤维束FB。作为长丝缠绕法，能够利用上述的湿式FW与干式FW的任意一个。在纤维束FB的卷绕结束后，通过沿着切断线CL切断，能够获得两个加强圆顶部50。此外，也可以使用RTM成型等其他的方法来形成加强圆顶部50。
图8是表示减少加强圆顶部50的端部的树脂的方法的一个例子的说明图。如图3所示，优选在加强圆顶部50的包括开口端51在内的端部形成薄壁部54。在这种情况下，也可以通过用吸引装置220吸引并除去成为薄壁部54的部分的未固化的树脂来形成薄壁部54。这样，通过减少加强圆顶部50的端部的树脂，能够形成薄壁部54。此外，作为树脂的除去工具，也可以代替吸引装置220而使用辊、刮刀等其他的除去工具。在减少成为薄壁部54的部分的树脂的情况下，优选使用上述的湿式FW。或者也可以构成为：通过上述的干式FW，在将卷绕于芯轴56的预浸料加热来将树脂低粘度化的状态下除去未固化的树脂。
图9是表示减少加强圆顶部50的端部的树脂的方法的另一例子的说明图。在该方法中，当在芯轴56卷绕树脂浸渍纤维的第1工序后，执行使卷绕于芯轴56的树脂浸渍纤维的树脂固化的第2工序。在该第2工序中，如图9所示，当在成为加强圆顶部50的端部的薄壁部54的部分将橡胶带58卷绕至树脂浸渍纤维的外侧的状态下执行树脂的固化。此时，橡胶带58在施加了张力的状态下卷绕。根据该方法，将处于橡胶带58下的树脂向外侧挤出，因此能够减少加强圆顶部50的端部的树脂来形成薄壁部54。在采用该方法的情况下，也可以采用上述的湿式FW与干式FW的任意一个。另外，作为第2工序中的树脂的固化，可以进行完全固化，也可以进行预固化。
此外，加强圆顶部50的树脂的固化可以在步骤S20中执行，或者也可以在步骤S60中执行。当在图5的步骤S20中进行加强圆顶部50的固化的情况下，也可以从图7所示的芯轴56的中央部朝向两端依次进行固化。这样，两个加强圆顶部50的端部中的树脂的量变得少于其他的部分，因此不进行图8、图9所示的那样的树脂的除去就能够形成薄壁部54。作为此时的树脂的固化，可以进行完全固化，也可以进行预固化。若在步骤S20中执行预固化并在后述的步骤S60中执行完全固化，则能够将加强圆顶部50相对于加强管部60和外螺旋层70更稳固地接合。
在图5的步骤S30中，将加强圆顶部50与接头81或者82接合。在步骤S40中，通过还将加强管部60与在步骤S30中形成的接合体接合而形成图2所示的接合体40。步骤S30和步骤S40中的接合例如能够使用粘合剂、粘着剂来进行。在图5的步骤S45中，形成在图2中说明的树脂填充部32。
图10是表示图5的步骤S50中的外螺旋层70的形成方法的说明图。外螺旋层70能够通过使用长丝缠绕法来在接合体40的外表面卷绕纤维束FB而形成。在该长丝缠绕法中，使接合体40以中心轴AX为中心旋转，并且使纤维束引导件210移动，由此在接合体40卷绕纤维束FB。作为长丝缠绕法，能够利用湿式FW与干式FW的任意一个。如上述那样，外螺旋层70的主要的功能在于防止在高压罐100的内压变高后加强圆顶部50从加强管部60脱落。为了实现该功能，优选纤维束FB的卷绕角度α为45度以下。卷绕角度α是纤维束FB相对于接合体40的中心轴AX的角度。
在图5的步骤S60中，使加强层30的未固化的树脂固化。该固化是结合图6说明的完全固化。在步骤S70中，在固化后的加强层30的内表面形成衬里20。步骤S70中的衬里的形成例如能够通过将液状的衬里材料放入于带接头的加强层30的内部，使加强层30旋转并且使衬里材料固化来进行。这样，若衬里20的形成结束，则图1所示的高压罐100完成。
此外，衬里20也可以在图5的步骤S70以外的工序中形成。例如，也可以构成为：与加强圆顶部50及加强管部60分开形成衬里20，其后，在上述的步骤S30中将衬里20、两个加强圆顶部50以及接头81、82接合。在这种情况下，衬里20的形成例如能够通过注射模塑成型来进行。此时，也可以构成为：将在大致中央将衬里20整体分割为两部分的分割体分开注射模塑成型，在从注射模塑成型模取出后将两个分割体接合，由此形成衬里20。也可以构成为：在该成型时，将接头81或者82设置于注射模塑成型模内，通过嵌件模塑成型将接头81或者82与衬里20的分割体接合。或者也可以构成为：在从模具取出衬里20的两个分割体后，将接头81、82分别与两个分割体接合。
如以上那样，在本实施方式中，配置成加强圆顶部50的开口端51位于加强管部60的缩径部64的外表面上。其结果是，与配置成加强圆顶部50的开口端51位于加强管部60的直管部62的外表面上的情况相比，能够减少在加强管部60与外螺旋层70之间产生较大的缝隙的可能性，从而能够防止高压罐100的强度过度地降低。
本公开并不局限于上述的实施方式、实施方式的变形例，在不脱离其主旨的范围内能够通过各种结构来实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或者全部，或者为了实现上述的效果的一部分或者全部，与在公开的概要栏中记载的各方式中的技术特征对应的实施方式、实施方式的变形例中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 (3)

1.一种方法，是制造高压罐的方法，该高压罐具有：衬里，具有阻气性；和加强层，配置于所述衬里的周围，其特征在于，
所述方法具备：
工序a，是形成纤维强化树脂制的加强管部的工序，所述加强管部包括直管部、和分别设置于所述直管部的两端且外径朝向所述加强管部的端部缩小的缩径部；
工序b，形成具有外径从一端朝向另一端的开口端增大的形状的纤维强化树脂制的加强圆顶部；
工序c，以所述加强圆顶部的所述开口端位于所述加强管部的所述缩径部的外表面上的方式将所述加强圆顶部分别配置于所述加强管部的两端，并将所述加强管部与所述加强圆顶部接合，由此形成接合体；以及
工序d，通过在所述接合体的外表面螺旋缠绕树脂浸渍纤维来形成外螺旋层，由此形成包含所述加强管部、所述加强圆顶部以及所述外螺旋层的所述加强层，
所述工序b包括在所述加强圆顶部的包含所述开口端的所述另一端形成厚度比所述加强圆顶部的其他部分小的薄壁部的工序i，
所述工序i是通过减少所述加强圆顶部的所述另一端的树脂来形成所述薄壁部的工序，
所述工序b包括：
在芯轴卷绕树脂浸渍纤维的第1工序；和
使卷绕至所述芯轴的所述树脂浸渍纤维的树脂固化的第2工序，
所述工序i是在所述第2工序中在成为所述加强圆顶部的所述另一端的部分将橡胶带卷绕至所述树脂浸渍纤维的外侧的状态下进行所述树脂的固化的工序。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述工序b中，所述加强圆顶部形成为所述加强圆顶部的最大外径为所述加强管部的最大外径以下。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述工序c包括将树脂涂覆于如下部分、即在所述工序d中形成于所述加强管部与所述加强圆顶部的边界处且在所述外螺旋层之下的缝隙的工序。
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