CN115992928A - 高压罐及高压罐的制造方法 - Google Patents

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小林拓矢
片野刚司
石川武史
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Abstract

本发明涉及高压罐及高压罐的制造方法。高压罐包括：衬里，该衬里包括圆筒形状的本体和一对圆顶部分，所述一对圆顶部分中的每一个被设置在本体的在轴向方向上的相应的端部处；和增强层，该增强层被设置在衬里的外周面上。增强层包括：一对树脂环，所述一对树脂环中的每一个被设置成环绕本体的外周面的相应的端部部分；环向层，该环向层覆盖本体的外周面的在树脂环之间的一部分；和螺旋层，该螺旋层覆盖树脂环、环向层和圆顶部分。树脂环被配置为从本体和圆顶部分之间的边界部分起覆盖本体的一部分，并且从边界部分朝向本体的中央，树脂环的厚度增加。

Description

高压罐及高压罐的制造方法
技术领域
本发明涉及一种高压罐及一种高压罐的制造方法。
背景技术
已知一种高压罐，诸如氢气罐等，其包括具有圆筒形状的本体和设置在本体的轴向方向上的两端处的一对圆顶部分的衬里，以及设置在衬里的外周面上并且具有环向层和螺旋层的增强层。以如下方式制造具有这种结构的高压罐：使用其中纤维用树脂浸渍的纤维增强树脂，在衬里的本体的外周面上形成环向层，随后形成覆盖环向层和圆顶部分的螺旋层(例如，参见日本未审查专利申请公报No.2014-133304(JP2014-133304A))。
发明内容
在环向层中，用树脂浸渍的纤维以基本正交于衬里的轴向方向的角度沿着周向定向，即，在高压罐的周向方向上定向。在另一方面，在螺旋层中，用树脂浸渍的纤维不在高压罐的周向方向上定向，而是在与高压罐的周向方向交叉的各种方向上定向。由于环向层和螺旋层中的纤维的定向方向以此方式不同，在本体和圆顶部分之间的边界部分附近，存在分层将在环向层和螺旋层之间的界面处发生的可能性。
本发明提供一种高压罐，其中，在本体和圆顶部分之间的边界部分附近环向层和螺旋层的分层能够受到抑制，并且本发明还提供一种用于制造该高压罐的方法。
根据本发明的一个方面的一种高压罐包括：衬里，该衬里包括圆筒形状的本体和一对圆顶部分，所述一对圆顶部分中的每一个被设置在本体的在轴向方向上的相应的端部处；和增强层，该增强层被设置在衬里的外周面上。增强层包括：一对树脂部件，所述一对树脂部件中的每一个被设置成环绕本体的外周面的相应的端部部分；环向层，该环向层覆盖本体的外周面的在树脂部件之间的一部分；和螺旋层，该螺旋层覆盖树脂部件、环向层和圆顶部分。树脂部件被配置为从本体和圆顶部分之间的边界部分起覆盖本体的一部分，并且从边界部分朝向本体的中央，树脂部件的厚度增加。
在根据本发明的高压罐中，在衬里的本体和圆顶部分之间的边界部分附近使用树脂部件和螺旋层的结构，而不是环向层和螺旋层的传统结构。这消除了如在传统布置中那样在边界部分附近由具有不同定向方向的纤维构成的界面，并且因此在本体和圆顶部分之间的边界部分附近环向层和螺旋层的分层能够受到抑制。
在根据以上方面的高压罐中，树脂部件可以由环状的尼龙制成。尼龙与衬里几乎没有刚度差异，并且相应地能够填充在衬里、环向层和螺旋层之间的间隙。而且，尼龙是相对廉价的，并且相应地高压罐的制造成本能够降低。
在根据以上方面的高压罐中，螺旋层可以包括沿着圆顶部分的形状的弯曲部分，并且树脂部件可以设置成在本体的轴向方向上从边界部分到本体的与弯曲部分的弯曲部末端对应的部分。在环向层和螺旋层的传统结构中，从边界部分到本体的与弯曲部分的弯曲部末端对应的部分的区域是其中环向层的厚度改变的区域。通过在厚度改变的区域中设置树脂部件，能够充分地确保抑制分层的效果，并且由于设置树脂部件而对增强层的强度的影响能够受到抑制。
根据本发明的另一个方面的一种制造方法是一种高压罐的制造方法，该高压罐包括：衬里，该衬里包括圆筒形状的本体和一对圆顶部分，所述一对圆顶部分中的每一个被设置在本体的在轴向方向上的相应的端部处；和增强层，该增强层被设置在衬里的外周面上，并且包括一对树脂部件、环向层和螺旋层。该制造方法包括：树脂部件制造步骤：制造树脂部件，使得在树脂部件被设置成环绕本体的外周面的状态中，树脂部件的厚度从本体和圆顶部分之间的边界部分朝向本体的中央逐渐地增加；环向层形成步骤：在本体的外周面上形成环向层，使得外周面的一部分被覆盖；树脂部件设置步骤：将在树脂部件制造步骤中制造出来的树脂部件中的每一个设置到环向层的相应的端部部分上使得树脂部件的最厚的端部部分抵靠在环向层形成步骤中形成的环向层的端部部分；和螺旋层形成步骤：形成覆盖环向层、设置在环向层的相应的端部处的树脂部件和圆顶部分的螺旋层。
根据本发明的制造方法包括：树脂部件制造步骤：制造树脂部件使得树脂部件的厚度从在本体和圆顶部分之间的边界部分朝向本体的中央逐渐地增加；环向层形成步骤：在本体的外周面上形成环向层，使得外周面的一部分被覆盖；树脂部件设置步骤：将树脂部件中的每一个设置到环向层的相应的端部部分上使得树脂部件的最厚的端部部分抵靠环向层的端部部分；和螺旋层形成步骤：形成覆盖环向层、树脂部件和圆顶部分的螺旋层。在以此方式制造的高压罐中，没有如在传统布置中那样在边界部分附近由具有不同定向方向的纤维构成的界面，并且相应地在本体和圆顶部分之间的边界部分附近在环向层和螺旋层之间的分层能够受到抑制。
在根据以上方面的制造方法中，环向层形成步骤可以是其中衬里被插入环向层缠绕本体中的步骤，该环向层缠绕本体是圆筒形状的并且被预先制造和硬化。因此，环向层能够易于形成。
根据本发明，在本体和圆顶部分之间的边界部分附近在环向层和螺旋层之间的分层能够受到抑制。
附图说明
将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中类似的符号表示类似的元件，并且其中：
图1是根据一个实施例的高压罐的截面视图；
图2是图1中的部分II的放大视图；
图3是示出制造根据该实施例的高压罐的方法的流程图；
图4A是示意制造根据该实施例的高压罐的方法的概略视图；
图4B是示意制造根据该实施例的高压罐的方法的另一个概略视图；
图4C是示意制造根据该实施例的高压罐的方法的另一个概略视图；并且
图4D是示意制造根据该实施例的高压罐的方法的另一个概略视图。
具体实施方式
将在下面参考绘图描述根据本发明的高压罐及其制造方法的实施例。在以下描述中，将描述一个示例，其中高压罐1被安设在燃料电池电动车辆中并且在其中填充有高压氢气，但是高压罐1同样可以被应用于其它用途。而且，高压罐1能够填充的气体不限于高压氢气，并且其其它示例包括各种类型的压缩气体诸如压缩天然气(CNG)、各种液化气体诸如液化天然气(LNG)和液化石油气(LPG)和其它气体。
高压罐
首先，将参考图1和图2描述高压罐。图1是根据该实施例的高压罐的截面视图，并且图2是示意图1中的部分II的放大视图。如在图1中示意地，根据本实施例的高压罐1是一种高压气体存储容器，其是基本圆筒形状，并且在两端上是圆化的圆顶形的，并且该高压罐1包括具有气体屏障性质的衬里2、覆盖衬里2的外面的增强层3和附接到高压罐1的一个端部的颈部4。
衬里2是具有用于存储高压氢气的存储空间5的中空容器，并且由相对于氢气具有气体屏障性质的树脂材料等形成。衬里2具有圆筒形状的本体21和一对圆顶部分22，圆顶部分22中的每一个被设置在本体21在轴向方向(即，高压罐1的轴线L的方向)上的相应的左侧和右侧上。本体21沿着高压罐1的轴线L的方向在预定长度之上延伸。圆顶部分22被形成为从本体21的右侧和左侧这两侧连续，并且每一个具有在远离本体21时其直径降低的半球形形状。
开口在圆顶部分22中的一个圆顶部分22(图1中的左侧上的圆顶部分22)的顶部处形成，并且前面提到的颈部4被附接到该开口。在另一个圆顶部分22中无开口形成。
例如，通过使用树脂材料诸如聚乙烯、尼龙等进行旋转吹塑，衬里2被一体地形成。可替代地，代替一体模制制造方法诸如旋转吹塑，可以通过联接通过注射或者挤出模制单独地获得的多个部件来形成衬里2。此外，衬里2可以由金属材料诸如铝而不是树脂材料制成。
通过将金属材料诸如不锈钢、铝等加工成预定形状来制成颈部4。颈部4具有基本圆筒形状的颈部本体41和被装配在衬里2和增强层3之间的凸缘部分42。用于将氢气填充到存储空间5中和从其排放的阀(省略了示意)被附接到颈部4。
增强层3是具有通过增强衬里2来改进高压罐1的机械强度诸如刚度和耐压性的功能的层。增强层3包括环绕本体21的外周面的相应的端部设置的一对树脂环31、被设置在树脂环31之间并且覆盖本体21的一部分的环向层32和覆盖树脂环31、环向层32和圆顶部分22的螺旋层33。
树脂环31对应于在权利要求中描述的“树脂部件”，并且被形成为从本体21和圆顶部分22之间的边界部分23起覆盖本体21的一部分。更加具体地，树脂环31被设置成，在高压罐1的轴线L的方向上，从边界部分23到本体21的与螺旋层33的弯曲部分332(以后描述)的弯曲部末端对应的部分。从边界部分23朝向本体21的中央，树脂环31的厚度增加。
树脂环31由如与衬里2相比刚度几乎没有差异的树脂材料制成。在本实施例中，树脂环31优选地由尼龙制成。尼龙与衬里2几乎没有刚度差异，并且相应地当在以后形成螺旋层33之后执行热固化时，在衬里2、环向层32和螺旋层33之间的间隙能够被填充。而且，尼龙是相对廉价的，并且相应地高压罐1的制造成本能够降低。而且，尼龙不包含纤维。术语“刚度”这里指的是衬里2的热膨胀系数和杨氏模量。
环向层32被形成为覆盖本体21的外周面的在左右树脂环31之间的一部分。环向层32由纤维增强树脂形成。纤维增强树脂这里是通过用树脂浸渍纤维获得的，并且例如用未固化的热固性树脂或者热塑性树脂浸渍通过捆束直径为几μm左右的单丝而制成的制品。单丝的示例包括纤维诸如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、硼纤维、钢纤维、聚对苯二苯并二恶唑(PBO)纤维、天然纤维、高强度聚乙烯纤维，等等，其中根据减轻重量、机械强度等等的观点，优选地使用碳纤维。
用于纤维增强树脂的热固性树脂的示例包括酚醛树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、环氧树脂等等，其中根据机械强度等等的观点，优选地使用环氧树脂。通常，环氧树脂是通过将是双酚A和表氯醇的共聚物等的预聚物与固化剂诸如多胺等混合并且热固化树脂而获得的树脂。环氧树脂在未固化状态中具有流动性并且在热固化之后形成坚固的交联结构。在另一方面，用于纤维增强树脂的热塑性树脂的示例包括聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺，等等。
可以通过例如在本体21的外周面上直接地执行用树脂浸渍的纤维的环向缠绕来形成环向层32。环向缠绕是其中纤维在衬里2的周向方向上缠绕使得在衬里2的轴线(即，高压罐1的轴线L)和纤维的缠绕方向之间的角度(所谓的缠绕角度)基本垂直的形式。如在这里使用的术语“基本垂直”包括90°和可以通过在将缠绕位置移位使得纤维不彼此重叠的同时缠绕纤维来形成的大约90°的角度这两者。
此外，可以通过例如通过使用环向缠绕围绕圆筒模具的外周面缠绕用树脂浸渍的纤维以制造环向层缠绕本体，硬化所制造的环向层缠绕本体，并且此后将衬里插入环向层缠绕本体中来形成环向层32。
注意，环向层32的厚度优选地与树脂环31的最大厚度相同。因此，当螺旋层33在树脂环31和环向层32的外侧上形成时，由于厚度差异而引起的间隙的形成能够受到抑制。
螺旋层33由纤维增强树脂形成，从而覆盖树脂环31、环向层32和圆顶部分22。用于螺旋层33的纤维增强树脂可以与用于环向层32的纤维增强树脂相同或者不同，但是根据成本降低的观点优选地相同。
通过例如执行用树脂浸渍的纤维的螺旋缠绕从而覆盖树脂环31、环向层32和圆顶部分22来形成螺旋层33。注意，螺旋缠绕是其中纤维被螺旋地缠绕使得在衬里2的轴线和纤维的缠绕方向之间的角度(缠绕角度)大于0°并且小于90°的形式。根据缠绕角度，这种螺旋缠绕进一步被划分成低角度螺旋缠绕和高角度螺旋缠绕。
低角度螺旋缠绕是当缠绕角度小(例如，大于0°并且不大于30°)并且在纤维环绕衬里2的轴线一整圈之前在圆顶部分22处纤维的缠绕方向反转时的螺旋缠绕形式。高角度螺旋缠绕是当缠绕角度大(例如，大于30°并且小于90°)，并且纤维围绕衬里2的轴线在本体21上被缠绕至少一整圈直至在圆顶部分22处纤维的缠绕方向反转时的螺旋缠绕形式。
螺旋层33具有沿着衬里2的圆顶部分22的形式形成的左右一对弯曲部分332和连接左右弯曲部分332的笔直圆筒部分331。
在根据本实施例的高压罐1中，在本体21和圆顶部分22之间的边界部分23附近使用树脂环31和螺旋层33的结构，而不是环向层和螺旋层的传统结构。这消除了如在传统布置中那样在边界部分附近由具有不同定向方向的纤维构成的界面，并且因此在边界部分23附近环向层32和螺旋层33的分层能够受到抑制。结果，如与传统结构相比较，螺旋层33的纤维经受的应变能够减小，并且纤维磨损能够受到抑制。
注意，在本实施例中，术语“边界部分附近”并不意味着从本体21和圆顶部分22之间的边界部分23朝向圆顶部分22侧，而是实际上意味着从边界部分23朝向本体21的中央的本体21的局部区域。
而且，树脂环31被设置成在高压罐1的轴线L的方向上从边界部分23到本体21的与螺旋层33的弯曲部分332的弯曲部末端对应的部分。在环向层和螺旋层的传统结构中，从边界部分到本体的与弯曲部分的弯曲部末端对应的部分的区域是其中环向层的厚度改变的区域。通过在厚度改变的区域中设置树脂环31，能够充分地确保抑制分层的效果，并且由于设置树脂环31而对增强层3的强度的影响能够受到抑制。
即，当设置树脂环31的位置是比弯曲部分332的弯曲部末端更加靠近边界部分23侧的位置时，形成了其中环向层32的厚度改变的部分，并且相应地存在分层抑制效果将不充分的可能性。在另一方面，当设置树脂环31的位置超过弯曲部分的弯曲部末端时(即，当这些位置更加靠近本体21的中央时)，树脂环31的设置可能影响增强层3的强度。对以上加以考虑地，树脂环31优选地被设置在从边界部分23到本体21中的与螺旋层33的弯曲部分332的弯曲部末端对应的部分的区域中。
高压罐的制造方法
接着，将参考图3到图4D描述根据本实施例的高压罐1的制造方法。图3是示出根据该实施例的高压罐的制造方法的流程图，并且图4A到图4D是示意根据该实施例的高压罐的制造方法的概略视图。高压罐1的制造方法包括衬里制造步骤S1、环向层缠绕本体制造步骤S2、树脂环制造步骤S3、环向层形成步骤S4、树脂环设置步骤S5和螺旋层形成步骤S6。注意，衬里制造步骤S1、环向层缠绕本体制造步骤S2和树脂环制造步骤S3是彼此独立的步骤，并且相应地可以并行地执行，并且可以首先执行这些步骤中的任何一个。
在衬里制造步骤S1中，制造衬里2，衬里2具有圆筒形状的本体21和设置在本体21的在轴向方向上的两端处的圆顶部分22。具体地，首先，使用树脂部件诸如聚乙烯、尼龙等通过旋转吹塑一体地形成衬里2。接着，颈部4被附接到所形成的衬里2的一个端部(见图4A)。
在环向层缠绕本体制造步骤S2中，首先，由纤维增强树脂制成的片材被围绕鼓形心轴的外周面缠绕，使得纤维在心轴的周向方向上定向，由此形成圆筒形状并且是环向层32的中间形式的环向层缠绕本体30。接着，已经形成的环向层缠绕本体30被从心轴移除并且硬化(见图4A)。
用于硬化环向层缠绕本体30(换言之，硬化纤维由其浸渍的树脂)的方法不受特别限制，但是当用于浸渍的树脂是热固性树脂时，树脂可以被预固化。预固化条件(温度和时间)取决于用于浸渍的树脂的类型而改变，但是树脂的粘度被设定为高于当被缠绕在预定模具上时的粘度(在预固化之前的粘度)。这里，预固化被执行直至用于浸渍的树脂失去其流动性。在另一方面，当用于浸渍的树脂是热塑性树脂时，可以通过在树脂具有流动性的状态中冷却纤维来硬化树脂。
此外，在这个环向层缠绕本体制造步骤S2中，环向层缠绕本体30可以通过离心缠绕(CW)方法来形成，其中用树脂浸渍的纤维片材被附接到旋转的圆筒模具的内面。此时使用的纤维片材例如具有在圆筒模具的周向方向上定向的纤维。
在树脂环制造步骤S3中，使用尼龙通过注射模制来制造树脂环31，使得在所制造的树脂环31在以后被设置成环绕衬里2的本体21的外周面的状态中，其厚度从本体21和圆顶部分22之间的边界部分23朝向本体21的中央逐渐增加(见图4A)。
在环向层形成步骤S4中，在衬里制造步骤S1中制造的衬里2被插入在环向层缠绕本体制造步骤S2中制造并且硬化的环向层缠绕本体30中，由此形成环向层32(见图4B)。
在树脂环设置步骤S5中，在树脂环制造步骤S3中制造的树脂环31被设置在在环向层形成步骤S4中形成的环向层32的两个端部分处。此时，树脂环31被装配到本体21的外周面上，使得树脂环31的最厚的端部分抵靠环向层32的端部分(见图4B和图4C)。此外，树脂环31的端部和环向层32的端部优选地用粘结剂固定，使得抑制树脂环31的位置偏差。
在螺旋层形成步骤S6中，形成了螺旋层，该螺旋层覆盖环向层32、设置在环向层32的两端处的树脂环31和衬里2的圆顶部分22。具体地，首先，通过螺旋缠绕来缠绕用树脂浸渍的纤维使得覆盖整个环向层32、树脂环31和圆顶部分22，由此形成用于螺旋层的缠绕本体。接着，用于螺旋层的缠绕本体、环向层32和树脂环31被形成在其上的衬里2被输送到热固性熔炉中，并且例如通过在160℃下在热固性熔炉中加热10分钟，用树脂浸渍的纤维被热固化。因此，制造了高压罐1。
在通过以上制造方法制造的高压罐1中，不存在如在传统布置中那样在边界部分附近由具有不同定向方向的纤维构成的界面，并且相应地在本体21和圆顶部分22之间的边界部分23附近在环向层32和螺旋层33之间的分层能够受到抑制。
虽然以上已经详细描述了本发明的实施例，但是本发明不限于以上描述的实施例，并且能够在不偏离在权利要求书中描述的本发明的精神的情况下做出各种设计改变。
例如，在以上实施例中，树脂部件已经被描述为树脂环，但是除了树脂环之外，例如，还可以使用C形树脂部件或者多个圆弧形树脂部件的组合。

Claims (5)

1.一种高压罐，其特征在于包括：
衬里，所述衬里包括圆筒形状的本体和一对圆顶部分，所述一对圆顶部分中的每一个圆顶部分被设置在所述本体的在轴向方向上的相应的端部处；和
增强层，所述增强层被设置在所述衬里的外周面上，其中：
所述增强层包括：
一对树脂部件，所述一对树脂部件中的每一个树脂部件被设置成环绕所述本体的外周面的相应的端部部分，
环向层，所述环向层覆盖所述本体的外周面的在所述树脂部件之间的一部分，和
螺旋层，所述螺旋层覆盖所述树脂部件、所述环向层和所述圆顶部分；并且
所述树脂部件被配置成从所述本体和所述圆顶部分之间的边界部分起覆盖所述本体的一部分，并且从所述边界部分朝向所述本体的中央，所述树脂部件的厚度增加。
2.根据权利要求1所述的高压罐，其特征在于，所述树脂部件由尼龙以环状制成。
3.根据权利要求1或2所述的高压罐，其特征在于：
所述螺旋层包括沿着所述圆顶部分的形状的弯曲部分，并且
所述树脂部件被设置成在所述本体的所述轴向方向上从所述边界部分到所述本体的与所述弯曲部分的弯曲部末端对应的部分。
4.一种高压罐的制造方法，所述高压罐包括：衬里，所述衬里包括圆筒形状的本体和一对圆顶部分，所述一对圆顶部分中的每一个圆顶部分被设置在所述本体的在轴向方向上的相应的端部处；和增强层，所述增强层被设置在所述衬里的外周面上，并且所述增强层包括一对树脂部件、环向层和螺旋层，所述制造方法的特征在于包括：
树脂部件制造步骤：制造所述树脂部件，使得在所述树脂部件被设置成环绕所述本体的外周面的状态中，所述树脂部件的厚度从所述本体和所述圆顶部分之间的边界部分朝向所述本体的中央逐渐增加；
环向层形成步骤：在所述本体的外周面上形成所述环向层，使得所述外周面的一部分被覆盖；
树脂部件设置步骤：将在所述树脂部件制造步骤中制造出来的各所述树脂部件设置到所述环向层的相应的端部部分上，使得所述树脂部件的最厚的端部部分抵靠在所述环向层形成步骤中形成的所述环向层的端部部分；和
螺旋层形成步骤：形成所述螺旋层，所述螺旋层覆盖所述环向层、设置在所述环向层的相应的端部处的所述树脂部件和所述圆顶部分。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述环向层形成步骤是所述衬里被插入到环向层缠绕本体中的步骤，所述环向层缠绕本体是圆筒形状的并且被预先制造和硬化。
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