DE102004003319B4

DE102004003319B4 - Hochdrucktank

Info

Publication number: DE102004003319B4
Application number: DE102004003319A
Authority: DE
Inventors: Hidehito Kariya Kubo; Makoto Kariya Tsuzuki; Keiji Kariya Toh; Akiko Kariya Kumano; Daigoro Toyota Mori; Masahiko Toyota Kimbara
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: US7169214B2; DE102004003319A1; KR20040068484A; US20040182869A1; KR100589450B1

Abstract

Hochdrucktank mit:
einem Mantel (3) aus Metall, der an seiner äußeren Fläche mit einer faserverstärkten Kunststoffschicht (4) bedeckt ist und einen Mantelkörper (5) mit einem Öffnungsabschnitt (6) sowie einen den Öffnungsabschnitt (6) verschließenden Deckel (7, 9) hat, wobei
der Mantelkörper (5) und der Deckel (7, 9) sich gegenüberliegende Dichtflächen (29, 29a) aufweisen, die sich jeweils um den Öffnungsabschnitt (6) herum erstrecken und zwischen denen ein Dichtungselement (26) angeordnet ist, das sich ebenfalls um den Öffnungsabschnitt (6) erstreckt; und
dadurch gekennzeichnet, dass
entweder der Mantelkörper (5) oder der Deckel einen biegbaren Abschnitt (23, 24) aufweist,
der bei einem Aufbau eines Innendrucks in dem Hochdrucktank eine größte Biegung im Bereich der Dichtflächen erfährt, derart, dass ein Abstand zwischen den Dichtflächen gleich bleibt oder kleiner wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochdrucktanks nach den Oberbegriffen des Ansprüche 1 und 13 sowie auf ein Verfahren einen Hochdrucktank mit einem Mantel herzustellen.
Das Bewusstsein der Notwendigkeit die globale Erwärmung zu beschränken ist in letzter Zeit angestiegen. Insbesondere wurden progressive Entwicklungen bei Brennstoffzellen-elektrischen Fahrzeugen und Wasserstoffangetriebenen Fahrzeugen zu dem Zweck gemacht, von den Fahrzeugen abgegebenes Kohlendioxid zu verringern. Diese Fahrzeuge induzieren Strom durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff und liefern den Strom zu Motoren, um eine Antriebskraft zu erzeugen. Ein Wasserstofftank wird als Wasserstoffquelle verwendet und ist mit Wasserstoff unter hohem Druck gefüllt.
16 ist eine Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks 51 zur Verwendung als Hochdrucktank, der in der JP 2002-181295 A offenbart ist. Der Wasserstofftank 51 hat einen Mantel 52 mit einer hohlen Fassform. Der Mantel 52 ist aus einem Werkstoff, der einen luftdichten Zustand sicherstellt (z.B. hoch dichtes Polyethylen). Eine, die aus Aluminium oder ähnlichem hergestellte obere Nabe 53 und eine Endnabe 54, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sind entsprechend an dem vorderen und rückwärtigen Ende des Mantels 52 gesichert. Die obere Nabe 53 und die Endnabe 54 sind zusammengebaut, während sie teilweise der Außenseite ausgesetzt sind. Über die obere Nabe 53 und die Endnabe 54 wird ein Wärmetausch zwischen dem Inneren des Wasserstofftanks 51 und der Außenseite durchgeführt.
Eine Hülle 55 ist auf die gesamte äußere Oberfläche des Mantels 52 beschichtet. Die Hülle 55 ist aus einem Werkstoff hergestellt, der einen Druckwiderstand sicherstellen kann (z.B. aus faserverstärkten Kunststoffen (FRP)). Der Mantel 52 nimmt eine Flossenbaugruppe 58 auf, die eine Vielzahl von Flossen 56 hat, und ein Schaftteil 57 auf, das die Flossen 56 stützt. Beide Enden des Schaftteils 57 sind entsprechend an der oberen Nabe 53 und der Endnabe 54 gesichert. Die Flossenbaugruppe 58 ist aus eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisendem Aluminium oder ähnlichem hergestellt.
Bei einem Fall, bei dem der die Flossenbaugruppe 58 aufnehmende Mantel 52 einstückig hergestellt ist, werden die Anschlussabschnitte des Mantels 52 und der Flossenbaugruppe 58 einem Vakuumlöten und Drück-Rollen ausgesetzt. Da das Drück-Rollverfahren auf den Mantel 52 Wärme ausübt, wird jedoch die Festigkeit des Mantels 52 verringert, was einen Bruch des Mantels 52 erleichtert. Dies erfordert, dass der Mantel 52 wieder einer Wärmebehandlung bei z.B. 500 Grad ausgesetzt wird. Die Wiedererwärmungsbehandlung kann jedoch eine Trennung der gelöteten Abschnitte oder ein Versagen in örtlich vorgesehenen Dichtungen verursachen. Deswegen ist es in dem Fall, beidem der Mantel in der Flossenbaugruppe 58 zusammengebaut wird, notwendig, einen teilbaren Mantel vorzubereiten.
17(a) und 17(b) sind teilweise Querschnittsansichten, die Wasserstofftanks beispielhaft und teilweise darstellen, die entsprechend teilbare Mäntel 152 und 252 verwenden. Jeder der Mantel 152 und 252 weist einen Körperabschnitt 59 auf, der eine ungefähr zylindrische Form hat, und einen Deckel 60, der den Öffnungsabschnitt des Körperabschnitts 59 bedeckt. Bei dem Fall des Mantels 152 in 17(a) ist ein O-Ring 62 auf einer Dichtungsfläche 61 vorgesehen, die sich in der radialen Richtung eines Mantels 152 auf einer der Berührungsflächen des Körperabschnitts 59 und des Deckels 60 erstreckt. Bei dem Fall des Mantels 252 in 17(b) ist andererseits der O-Ring 62 auf einer Dichtungsfläche 63 vorgesehen, die sich in der axialen Richtung des Mantels 252 erstreckt.
In einem Wasserstofftank, in dem der Innendruck hoch wird, dehnt der Gasdruck den Mantel 152, 252 in der axialen oder radialen Richtung nach außen. Bei dem Fall des Mantels 152 in 17(a) kann deswegen der O-Ring 62 nicht zwischen dem Körperabschnitt 59 und dem Deckel 60 abdichten, wenn der Deckel 60 in der axialen Richtung durch den inneren Gasdruck nach außen geschoben wird (in dem Zustand, der durch die Zwei-Punkt-Strichlinie gezeichnet ist), was ein Gasleck verursacht. In dem Fall des Mantels 252 in 17(b) kann andererseits der O-Ring nicht zwischen dem Körperabschnitt 59 und dem Deckel 60 abdichten, wenn der Körperabschnitt 59 in der radialen Richtung durch den Gasdruck nach außen geschoben wird (in dem Zustand, der durch die Zwei-Punkt-Strichlinie gezeichnet ist), was ein Gasleck verursacht.
Die Hülle des Wasserstofftanks erfährt in der axialen Richtung und der radialen Richtung des Wasserstofftanks Spannung. Das Verhältnis der in der axialen Richtung und der radialen Richtung des Wasserstofftanks wirkenden Kräfte beträgt in der axialen Richtung eins und in der radialen Richtung zwei. Deswegen ist es am bevorzugtesten, dass die Hülle bestimmende, verstärkende Fasern sowohl in der Richtung parallel zu der axialen Richtung als auch der Umfangsrichtung ausgelegt sind. Es ist deswegen schwierig, die verstärkenden Fasern in der Richtung parallel zu der axialen Richtung des Wasserstofftanks auszulegen. Bekannt werden in diesem Zustand Verstärkungsfasern entsprechend einer Wicklung in der Ebene oder einer schneckenförmigen Wicklung mit Bezug auf beide Axialrichtungsenden des Wasserstofftanks ausgelegt, und werden entsprechend einer Wicklung in der Ebene oder einer Kombination einer schneckenförmigen Wicklung und reifenförmigen Wicklung mit Bezug auf den zylindrischen Abschnitt (Körperabschnitt) ausgelegt, der nicht den Enden entspricht. Da es schwierig ist, auf jeder Endwand wiederholt reifenförmige Wicklungen durchzuführen, wird die Festigkeit in der radialen Richtung durch die schneckenförmige Wicklung sichergestellt. Da die schneckenförmige Wicklung gegen die Radialrichtungskräfte relativ zu der reifenförmigen Wicklung eine geringere Festigkeit bereitstellt, treten jedoch Gaslecks auf.
US 48 54 343 A1 offenbart einen gattungsgemäßen Hochdrucktank mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.
WO 92/10702 A1 offenbart einen Hochdrucktank, der ein Deckelelement mit einem verformbaren Abschnitt aufweist, der sich beim Aufbau eines Überdrucks verformt und bricht. Dieser Abschnitt erfährt jedoch eine maximale Verformung bei seiner Mitte und nicht im Bereich der Dichtflächen.
Ferner offenbaren EP 1 141 618 B1 und DE 22 23 852 A weitere, gattungsgemäße Hochdrucktanks.
Es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochdrucktank bereitzustellen, der in der Lage ist, die getrennten Abschnitte eines Mantels zuverlässig abzudichten.
Die Aufgabe wird mit einem Hochdrucktank gemäß Patentanspruch 1, einem Hochdrucktank gemäß Patentanspruch 13 sowie einem Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks gemäß Patentanspruch 18 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Hochdrucktank gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst einen hohlen Metallmantel, der ein Hochdruckgas speichert, und eine faserverstärkte Kunststoffschicht, die eine äußere Oberfläche des Mantels bedeckt. Der Mantel hat einen Mantelkörper, der einen Öffnungsabschnitt und einen mit dem Mantelkörper zu verbindenden Deckel auf eine Weise aufweist, um den Öffnungsabschnitt zu schließen. Der Mantelkörper und der Deckel weisen Berührungsflächen auf, die einander um den Öffnungsabschnitt gegenüberliegen. Ein Dichtteil ist sich um den Öffnungsabschnitt erstreckend und zwischen beiden Berührungsflächen bereitgestellt. Diese Abschnitte der Berührungsfläche, die in Berührung mit dem Dichtteil kommen, dienen als Dichtungsfläche. Entweder weisen der Mantelkörper oder der Deckel einen verformbaren Abschnitt auf. Der verformbare Abschnitt ist durch Druck in dem Mantel auf eine Weise verformbar, um eine der Dichtungsflächen zu der anderen Dichtungsfläche zu richten.
Ein Hochdrucktank gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst einen hohlen Mantel, der ein Hochdruckgas speichert, und eine faserverstärkte Kunststoffschicht, die eine äußere Oberfläche des Mantels bedeckt. Eine Baugruppe wird innerhalb des Mantels gehalten. Der Mantel hat einen zylindrischen Mantelkörper, der in zumindest in einer seiner axialen Richtungen einen Öffnungsabschnitt aufweist, und einen mit dem Mantelkörper auf eine Weise zu verbindenden Deckel, dass der Öffnungsabschnitt geschlossen wird. Der Baugruppe wird über den Öffnungsabschnitt in den Mantelkörper eingefügt. Der Deckel weist einen vorspringenden Abschnitt auf, der in einen Öffnungsabschnitt einzupassen ist, und einen Flansch, der im Durchmesser größer ist als der vorspringende Abschnitt.
Ein Dichtteil ist zwischen einer Umfangsfläche des vorspringenden Abschnittes und dem der Umfangsfläche gegenüberliegenden Abschnitt des Mantelkörpers bereitgestellt. Der Mantelkörper weist einen ringförmig ausgesparten Abschnitt auf, der den Öffnungsabschnitt bei einem dem Öffnungsabschnitt entsprechenden Abschnitt umgibt. Ein ringförmiger Verstärkungsabschnitt ist in dem ausgesparten Abschnitt bereitgestellt, um ein Vergrößern des Öffnungsabschnittes zu verhindern.
Die vorliegenden Erfindung stellt außerdem ein Verfahren bereit, ein Hochdrucktank herzustellen. Der Hochdrucktank weist einen hohlen Mantel auf, der eine Baugruppe mit einer Wärmeaustauschfähigkeit hält, und eine faserverstärkte Kunststoffschicht, die eine äußere Oberfläche des Mantels bedeckt. Der Mantel hat einen zylindrischen Mantelkörper, der in zumindest einem seiner Enden in axialer Richtung einen Öffnungsabschnitt aufweist, und einen Deckel, der den Öffnungsabschnitt schließt. Das Verfahren umfasst einen Schritt die Baugruppe in den Öffnungsabschnitt in dem Mantelkörper einzufügen; einen Schritt, einen auf dem Deckel bereitgestellten vorspringenden Abschnitt in den Öffnungsabschnitt einzupassen, wobei ein Dichtteil zwischen einer Umfangsfläche des vorspringenden Abschnitts und einem Abschnitt des Mantelkörpers vorgesehen ist, das der Umfangsfläche gegenüberliegt; einen ersten Wickelschritt, um ein Bündel von harzgetränkten Fasern in einen in einem Abschnitt einer äußeren Fläche des Mantelkörpers ringförmigen, ausgesparten Abschnitt zu wickeln, der dem Öffnungsabschnitt entspricht; und einen zweiten Wickelschritt, um ein Bündel harzgetränkter Fasern auf der äußeren Fläche des Mantels durch ein Faser-Wickeln nach dem ersten Wickelschritt zu wickeln, wobei die faserverstärkte Kunststoffschicht auf der äußeren Fläche des Mantels ausgebildet ist, sobald ein Harz verfestigt ist.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung und dessen Vorteile sollten aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden, die ein Beispiel der Grundlage der vorliegenden Erfindung darstellen.
Die vorliegende Erfindung, zusammen mit deren Aufgabe und Vorteilen, kann mit Bezug auf die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den begleitenden Zeichnungen am besten verstanden werden.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Anschlussabschnitts eines Deckels auf der nahen Endseite des Wasserstofftanks aus 1;
3 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Anschlussabschnitts eines Deckels auf der fernen Endseite des Wasserstofftanks aus 1;
4 ist ein Diagramm zum Erklären der Betätigung des Wasserstofftanks in 2;
5 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Anschlussabschnitts eines Deckels auf der nahen Endseite eines Wasserstofftanks gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Diagramm zum Erklären der Betätigung des Wasserstofftanks in 5;
7 ist eine Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
8 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Wasserstofftanks aus 7;
9 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine Querschnittsansicht des Wasserstofftanks gemäß einer abgewandelten Ausführungsform;
11 ist eine Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks gemäß einer weiter abgeänderten Ausführungsform;
12 ist eine Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks gemäß einer weiter abgeänderten Ausführungsform;
13 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Anschlussabschnitts eines Deckels auf der nahen Endseite eines Wasserstofftanks gemäß einer noch weiter abgeänderten Ausführungsform;
14(a) ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks gemäß einer noch einmal abgeänderten Ausführungsform;
14(b) ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks gemäß einer noch einmal abgeänderten Ausführungsform;
15 ist eine Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks gemäß noch einer anderen abgeänderten Ausführungsform;
16 ist eine beispielhafte Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks gemäß Stand der Technik;
17(a) ist eine Querschnittsansicht des Anschlussabschnitts eines Deckels eines Mantels eines Wasserstofftanks gemäß Stand der Technik, der unterschiedlich von dem Tank in 16 ist; und
17(b) ist eine Querschnittsansicht des Anschlussabschnitts eines Deckels eines Mantels eines Wasserstofftanks gemäß Stand der Technik, der unterschiedlich von dem Tank in 17(a) ist.
Eine erste Ausführungsform der folgenden Erfindung ist im Folgenden mit Bezug auf 1 bis 4 beschrieben.
1 ist eine beispielhafte Querschnittsansicht eines Wasserstofftanks 1. Der Wasserstofftank 1 zur Verwendung als Hochdrucktank weist eine verlängerte zylindrische Form und weist innen einen Mantel 3 auf. Eine Haltekammer 2 ist in dem Mantel 3 definiert. Die Haltekammer 2 ist mit Wasserstoff als Hochdruckgas gefüllt. Eine Menge Wasserstoff kann innerhalb der Haltekammer 2 eingefüllt werden, wenn das Innere der Haltekammer 2 unter relativ hohen Druck gesetzt wird. Bei dem Fall, bei dem der Druck in der Haltekammer 2 auf 25 MPa eingestellt wird, kann z.B. ungefähr 250 Mal mehr Wasserstoff eingefüllt werden als in der Luft vorhanden ist. Eines der Enden des Wasserstofftanks 1, wo der Wasserstoff ein- und austritt, ist das ferne Ende (rechts in 1), wobei das gegenüber liegende Ende das nahe Ende ist (links in 1).
Der Mantel 3 des Wasserstofftanks 1 weist eine ungefähr zylindrische Form auf und eine hoch feste Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff(CFRP)-Schicht 4, die ungefähr die gesamte äußere Fläche des Mantels 3 bedeckt. Die hoch feste CFRP-Schicht 4 ist durch das Wickeln von mit einem Harz (z.B. unsaturiertes Polyesterharz, Epoxyharz oder ähnliches) getränkten Kohlenstofffasern auf den Mantel 3, auf eine Weise eine schneckenförmige Wicklungsschicht und eine reifenförmige Wicklungsschicht aufzuweisen, und thermisches Aushärten des Harzes ausgebildet. Die hoch feste CFRP-Schicht 4 stellt den Druckwiderstand (mechanische Festigkeit) des Wasserstofftanks 1 sicher.
Der Mantel 3 ist z.B. aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und wirkt um die Luftdichtheit des Wasserstofftanks 1 sicherzustellen. Der Mantel ist von einer teilbaren Bauart und weist einen Körperabschnitt bzw. Mantelkörper 5 mit ungefähr zylindrischer Form auf, einen ersten Deckelabschnitt 7 als Deckelkörper, um einen Öffnungsabschnitt 6 des Körperabschnitts 5 auf der nahen Endseite zu bedecken und einen zweiten Deckelabschnitt 9, um einen Öffnungsabschnitt des Körperabschnitts 5 auf der fernen Endseite zu bedecken. Ein Ventil 10 ist an dem fernen Ende eines Luftdurchtritts 9a des zweiten Wickelabschnitts 9 angebracht, der die Haltekammer 2 mit der Außenseite verbindet. Wenn die Öffnung des Ventils 10 geändert wird, wird der Verwendungszustand des Wasserstofftanks 1 zwischen einem Wasserstoffabgabezustand und einem Wasserstoffeinfüllzustand geschaltet.
Eine Wassrstoffaufnahmeeinheit (Wärmetauschfähigkeit aufweisende Baugruppe), 11 ist in der Halte- bzw. Aufnahmekammer 2 gehalten. Die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 nimmt ein Wärmemediumrohr 12 auf, das sich in einer axialen Richtung L des Wasserstofftanks 1 erstreckt und an der fernen Endseite zurückgefaltet ist. Erste und zweite Durchtrittsrohre 7a und 7b, die Außenseite des Wasserstofftanks 1 mit den entsprechenden Enden des Wärmemediumrohrs 12 verbinden, sind in dem ersten Deckelabschnitt 7 ausgebildet. Kühles Wasser oder heißes Wasser fließt innerhalb des Wärmemediumrohrs 12. In dieser Ausführungsform ist das erste Durchtrittsrohr 7a auf der stromaufwärtigen Seite vorgesehen und das zweite Durchtrittsrohr 7b ist auf der stromabwärtigen Seite vorgesehen.
Eine Vielzahl von Flossen 13 mit ungefährer Scheibenform sind an dem Wärmemediumrohr 12 in gleichen Abständen entlang der axialen Richtung L des Wasserstofftanks 1 befestigt. Eine pulverförmige Legierung zur Wasserstoffaufnahme ist zwischen den angrenzenden Flossen 13 in Berührung mit den Flossen 13 gehalten. Die Legierung zur Wasserstoffaufnahme weist eine Fähigkeit auf, die in den Wasserstofftank 1 eingefüllte Menge Wasserstoff zu erhöhen, und kann das Füllen des Wasserstoffs auf ungefähr 100 Mal bis 1000 Mal so viel als mit Luft sicherstellen. Ein Filter 14 (durch eine strichlierte Linie gezeigt), durch den Wasserstoff durchtreten kann, während alle Flossen 13 bedeckt sind, ist um die Flossen 13 befestigt.
Die Legierung zur Wasserstoffaufnahme erzeugt Wärme, wenn sie Wasserstoff aufnimmt und nimmt Wärme auf, wenn sie Wasserstoff abgibt. Zu der Zeit der Wasserstoffaufnahme fließt kühles Wasser sowohl in den Durchtrittsrohren 7a und 7b und dem Wärmemediumrohr 12 und unterdrückt einen Anstieg der Temperatur der Legierung zur Wasserstoffaufnahme über das Wärmemediumrohr 12 und die Flossen 13. Zu der Zeit der Wasserstoffabgabe fließt andererseits heißes Wasser sowohl in den Durchtrittsrohren 7a und 7b als auch in dem Wärmemediumrohr 12, wobei es ein Abfallen der Temperatur der Legierung zur Wasserstoffaufnahme über das Wärmemediumrohr 12 und die Flossen 13 unterdrückt.
Ein Lochabschnitt 7c, der zu der Haltekammer 2 zu öffnen ist, ist in dem ersten Deckelabschnitt 7 ausgebildet. Ein ringförmiger Vorsprung 15, der sich in Umfangsrichtung erstreckt, ist auf der inneren Fläche des Mantels 3 ausgebildet, die ein Teil der inneren Fläche des Körperabschnitts 5 ist, und ist auf der fernen Endseite des Wasserstofftanks 1 in der axialen Richtung L angeordnet. Die nahe Endseite der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 ist in den Lochabschnitt 7c eingepasst, und die ferne Endseite wird in der Haltekammer 2 gehalten, während sie durch den ringförmigen Vorsprung 15 gestützt wird.
2 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Anschlussabschnitts zwischen dem Körperabschnitt 5 und dem ersten Deckelabschnitt 7. Auf der äußeren Oberfläche des ersten Deckelabschnitts 7 ist ein Flansch 16 ausgebildet, der sich in Umfangsrichtung erstreckt. Auf der inneren Oberfläche des ersten Deckelabschnitts 7 ist ein vorspringender Abschnitt 17 ausgebildet, der eine ungefähr säulenartige Form aufweist, und sich in Bezug auf den Flansch 16 ungefähr in der vertikalen Richtung erstreckt. Der Außendurchmesser des vorspringenden Abschnitts 17 ist kleiner als der Außendurchmesser des ersten Deckelabschnitts 7 mit dem Flansch 16. Der Lochabschnitt 7c ist in dem vorspringenden Abschnitt 17 ausgebildet.
Eine Vielzahl von Durchlöchern 19 ist in dem Flansch 16 in vorbestimmten Abständen um die Umfangsrichtung des Körperabschnitts 5 ausgebildet. Jedes Durchloch 19 gestattet das Einfügen einer zugeordneten Schraube 18. Eine Vielzahl von Innengewinden 21 ist auf einem nahen Ende des Körperabschnitts 5 ausgebildet. Jedes Innengewinde 21 ist an einer Position ausgebildet, die den zugeordneten Durchlöchern 19 entspricht. Mit den in die Durchlöcher 19 des Flansches 16 eingefügten Schrauben 18 sichern eingreifende Schaftabschnitte 18a der Schrauben 18 mit Bezug auf die Innengewinde 21 den ersten Deckelabschnitt 7 an dem Körperabschnitt 5.
Eine ringförmige Nut 22, die sich in der Umfangsrichtung des Körperabschnitts 5 erstreckt, ist auf der Innenfläche des ersten Deckelabschnitts 7 ausgebildet. Die ringförmige Nut 22 ist in der radialen Richtung weiter außen angeordnet als der vorspringende Abschnitt 17. die Tiefe der ringförmigen Nut 22 in der Axialrichtung L erreicht eine Position, bei der die Stärke eines Abschnitts, bei dem der Boden der Nut ausgebildet wird (dünner Abschnitt 23), kleiner wird als der des anderen Abschnitts. Ein biegbarer Abschnitt 24 wird zwischen der ringförmigen Nut 22 und dem Körperabschnitt 5 in der radialen Richtung R ausgebildet. Der dünne Abschnitt 23 weist eine Stärke W1 auf und ist entlang der axialen Richtung L verformbar, wenn der Druck in dem Wasserstofftank 1 hoch ist. Gemäß der Ausführungsform bestimmen der dünne Abschnitt 23 und der biegbare Abschnitt 24 einen verformbaren Abschnitt.
Eine sich in der Umfangsrichtung erstreckende Haltenut 25 des ersten Deckelabschnitts 7 ist in dem biegbaren Abschnitt 24 ausgebildet. Der Boden der Haltenut 25 liegt einer Dichtfläche 29 des Öffnungsabschnitts 6 des Körperabschnitts 5 gegenüber. Die Haltenut 25 ist näher an dem fernen Ende (rechts in 2) angeordnet als der Mittelpunkt einer Projektionslänge K1 des biegbaren Abschnitts 24 in der axialen Richtung L. Ein Dichtungselement O-Ring 26 ist in der Haltenut 25 als Dichtteil ausgebildet. Der O-Ring 26 dichtet zwischen dem Körperabschnitt 5 und dem ersten Deckelabschnitt 7 mittels einem Dichtabschnitt 27 ab. Der biegbare Abschnitt 24 weist in der radialen Richtung R eine Stärke W2 auf und ist verformbar, wenn der Druck in dem Wasserstofftank hoch ist. Der biegbare Abschnitt 24 weist bei einem der Haltenut 25 entsprechenden Abschnitt einen dünnen Abschnitt 24a auf. Da der dünne Abschnitt 24a eine Stärke W3 aufweist, die kleiner ist als die Stärke W2 des Abschnitts, der nicht der dünne Abschnitt 24a ist, ist der dünne Abschnitt 24a leichter zu biegen.
Mit dem an dem Körperabschnitt 5 angebrachten ersten Deckelabschnitt 7 wird der biegbare Abschnitt 24 in den nahen Endseitenöffnungsabschnitt 6 des Körperabschnitts 5 eingepasst, wobei der Flansch 16 das nahe Ende 20 des Körperabschnitts 5 berührt. Der Abschnitt, bei dem der Öffnungsabschnitt 6 und der biegbare Abschnitt 24 aneinander in Anlage sind, und der Abschnitt, bei dem das nahe Ende 20 und der Flansch 16 miteinander in Anlage sind, entsprechen der Berührungsfläche 28 des Körperabschnitts 5. Der Abschnitt des ersten Deckelabschnitts 7, der die Berührungsfläche 28 des Körperabschnitts 5 berührt, entspricht der Berührungsfläche 28a. Der Körperabschnitt 5 bzw. der erste Deckelabschnitt 7 weisen nämliche die Berührungsflächen 28 und 28a auf, die einander um den Öffnungsabschnitt 6 gegenüberliegen. Zwei Abschnitte der Berührungsfläche 28 des Körperabschnitts 5 und der Berührungsfläche 28a des ersten Deckelabschnitts 7, auf denen der Öffnungsabschnitt 6 und der biegbare Abschnitt 24 in Anlage sind, dienen als Dichtflächen 29 bzw. 29a. Da sich beide Dichtflächen 29 und 29a entlang der Axialrichtung L des Mantels 3 erstrecken, ist die Dichtkonstruktion des ersten Deckelabschnitts 7 mit den Dichtflächen 29 und 29a eine Axialdichtung. Der dünne Abschnitt 23 ist innerhalb von beiden Dichtflächen 29 und 29a (nach unten in 2) in der radialen Richtung R angeordnet.
3 ist eine Querschnittsansicht des Anschlussabschnitts des Körperabschnitts 5 und des zweiten Deckelabschnitts 9. Da die wesentlichen Abschnitte (Form, Größe usw.) des Anschlussabschnitts des Körperabschnitts 5 und des zweiten Deckelabschnitts 9 ungefähr die gleichen sind, wie die des Anschlussabschnitts des ersten Deckelabschnitts 7 und des Körperabschnitts 5 in 2, werden ihre Beschreibungen ausgelassen und die unterschiedlichen Abschnitte werden im Folgenden diskutiert.
Eine sich in der Umfangsrichtung des zweiten Deckelabschnitts 9 erstreckende, ringförmige Nut 33 ist in dem Grundabschnitt des biegbaren Abschnitts 24 in der inneren Fläche des zweiten Deckelabschnitts 9 ausgebildet, der ungefähr eine Schüsselform aufweist. Die Tiefe der ringförmigen Nut 33 in der Axialrichtung L ist geringer als die Tiefe der ringförmigen Nut 22 des ersten Deckelabschnitts in 2 in der gleichen Richtung. Mit der ausgebildeten ringförmigen Nut 33 wird ein dünner Abschnitt 23 auf dem zweiten Deckelabschnitt 9 ausgebildet, der die gleiche Stärke W1 wie der dünne, auf dem ersten Deckelabschnitt 7 ausgebildete Abschnitt 23 in 2 aufweist.
Im Folgenden wird die Betätigung des Wasserstofftanks 1 mit der oben beschriebenen Konstruktion behandelt.
Bei dem Fall, bei dem z.B. Wasserstoff in den Wasserstofftank 1 eingefüllt oder wieder eingefüllt wird, wird der Innendruck der Haltekammer 2 hoch, was bewirkt, dass der Druck auf die innere Fläche des Mantels 3 wirkt. Dementsprechend wirkt in der radialen Richtung (der Richtung der Pfeile A in 4) nach außen gerichtet der Druck auf die Innenfläche des Körperabschnitts 5, so dass der Körperabschnitt 5 in der radialen Richtung entlang der Richtung der Pfeile A nach außen gedehnt wird, wie durch eine Strich-Zweipunkt-Linie in 4 bezeichnet ist. Unter diesem Hochdruckzustand wirkt Druck in der Richtung der Pfeile B sowohl auf die Innenfläche des biegbaren Abschnitts 24, als auch auf die Innenfläche des Körperabschnitts 5.
Zu der selben Zeit, zu der sich der Körperabschnitt 5 ausdehnt, erstreckt sich der dünne Abschnitt 23 in Richtung des Pfeils C, wobei der biegbare Abschnitt 24 den durch die Strich-Zweipunkt-Linie in 4 bezeichneten Zustand einnimmt, in dem der biegbare Abschnitt 24 in Richtung des Pfeils D gebogen wird. Insbesondere wird der biegbare Abschnitt 24 bei dem dünnen Abschnitt 24a stark gebogen. Deswegen folgt der Dichtabschnitt 27 des O-Rings 26 der Ausdehnung des Körperabschnitts 5, um dabei sicher zwischen dem ersten Deckelabschnitt 7 und dem Körperabschnitt 5 abzudichten, sogar wenn der Innendruck des Wasserstofftanks 1 hoch wird. Mit Bezug auf den zweiten Deckelabschnitt 9 folgt der Dichtabschnitt 27 wegen der Ausdehnung des dünnen Abschnitts 23 und der Biegung des biegbaren Abschnitts 24 ähnlich der Ausdehnung des Körperabschnitts 5. Dies dichtet sicher zwischen dem zweiten Deckelabschnitt 9 und dem Körperabschnitt 5 ab, und stellt dabei die Luftdichtigkeit der Haltekammer 2 sicher.
Die Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf:
Die Ausbildung der ringförmigen Nut 22 in dem ersten Deckelabschnitt 7 hält den dünnen Abschnitt 23 und den biegbaren Abschnitt 24 bereit, wobei die Ausbildung der ringförmigen Nut 33 in dem zweiten Deckelabschnitt 9 den dünnen Abschnitt 23 bereitstellt. Sogar wenn der Körperabschnitt 5 sich wegen des Drucks innerhalb des Wasserstofftanks 1 in der radialen Richtung ausdehnt, folgt wegen der Ausdehnung des dünnen Abschnitts 23 und der Biegung des biegbaren Abschnitts 24 z.B. der Dichtabschnitt 27 der Ausdehnung des Körperabschnitts 5. Dies macht es möglich, den Wasserstofftank 1 der getrennten Bauart sicher abzudichten.
Da der Druck innerhalb der Haltekammer eines Wasserstofftanks ausgesprochen hoch wird, ist die Haltekammer eines Wasserstofftanks aus den Gesichtspunkten des erforderlichen Druckwiderstandes und der Konstruktion aus Metall hergestellt, wie z.B. aus Eisen oder aus rostfreiem Stahl. Die Verwendung von solch einem Metall macht jedoch den Wasserstofftank schwerer. Um das Gewicht zu verringern, setzt deswegen die erste Ausführungsform den Wasserstofftank 1 unter Verwendung der hoch festen CFRP-Schicht 4 ein. Die Verwendung der Dichtkonstruktion der Ausführungsform in dem Wasserstofftank 1 kann geeignet die getrennten Abschnitte dichten, sogar falls der Tank von einer teilbaren Bauart ist. Es ist deswegen möglich, den Wasserstofftank 1 bereitzustellen, der leichter ist, während eine ausreichende Dichtfähigkeit beibehalten wird.
Die einzelnen Dichtkonstruktionen zwischen dem ersten Deckelabschnitt 7 und dem zweiten Deckelabschnitt 9 und dem Körperabschnitt 5 sind so konstruiert, um Gaslecks abzudichten, die in der axialen Richtung des Wasserstofftanks 1 entstehen. Dies beseitigt die Notwendigkeit für eine Konstruktion, die mit der radialen Richtung des Wasserstofftank 1 entstehende Gaslecks dichtet, und kann verhindern, dass der Wasserstofftank 1 in der radialen Richtung größer wird. Bei dem Fall, bei dem der erste Deckelabschnitt 7 und der zweite Deckelabschnitt 9 mittels zugeordneter Schrauben 18 an dem Körperabschnitt 5 angeordnet sind, sind die Schrauben 18 parallel zu der axialen Richtung des Mantels 3 vorgesehen. Ein dicker Abschnitt zum Zurückhalten des Schaftabschnitts 18a der Schraube 18 ist auf jedem Endabschnitt des Körperabschnitts 5 vorhanden. Dieser Abschnitt wird für die Dichtfläche 29 verwendet, und macht es auf diese Weise unnotwendig, zusätzlich einen Abschnitt für die Bereitstellung der Dichtfläche bereitzustellen.
Da der dünne Abschnitt 23 und der biegbare Abschnitt 24 durch das entsprechende Ausbilden der ringförmigen Nuten 22 und 33 in dem ersten Deckelabschnitt 7 und dem zweiten Deckelabschnitt 9 bereitgestellt werden können, können der dünne Abschnitt 23 und der biegbare Abschnitt 24 durch ein einfaches Fertigen konstruiert werden. Außerdem können die ringförmigen Nuten 22 und 33 die erforderlichen Ausmaße der erleichternden Abschnitte des ersten Deckelabschnitts 7 und des zweiten Deckelabschnitts 9 relativ klein machen, und auf diese Weise eine ausreichende Festigkeit für den Mantel 3 beibehalten.
Beide Seiten des Mantels 3 sind teilbar. Dies erleichtert das Herstellen des Inneren des Mantels 3 von beiden Seiten des Mantels 3; z.B. ist es einfacher, den auf der fernen Endseite der Innenfläche des Körperabschnitts 5 bereitgestellten ringförmigen Vorsprung 15 herzustellen.
Der ringförmige Vorsprung 15 ist auf der fernen Endseite der inneren Fläche des Mantels 3 ausgebildet. Deswegen wird die nahe Endseite der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 in den Lochabschnitt 7c des ersten Deckelabschnitts 7 eingepasst, und die ferne Endseite wird in Eingriff mit dem ringförmigen Vorsprung 15 gestützt, so dass die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 in der Axialrichtung L bei vielen Stellen gestützt wird. Dies ermöglicht es, Schwingungen und Positionsabweichungen der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 in der Haltekammer 2 zu unterdrücken.
Der Mantel 3 ist von einer teilbaren Bauart, so dass der die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 haltende Mantel 3 einfacher hergestellt werden kann, als verglichen mit dem Fall, wo ein Rolldrückverfahren eingesetzt wird.
Wenn der Innendruck des Mantels 3 hoch ist, wirkt auf den ersten Deckelabschnitt 7 und den zweiten Deckelabschnitt 9 ausgeübter Druck sowohl auf den dünnen Abschnitt 23 als auch auf den biegbaren Abschnitt 24. Deswegen wird die Spannung, die angewendet wird, wenn der Mantel 3 der Ausdehnung des Körperabschnitts 5 folgt und sich verformt, auf zwei Stellen aufgeteilt, und stellt auf diese Weise die Lebensdauer des dünnen Abschnitts 23 und des biegbaren Abschnitts 24 sicher.
Die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 ist in der Haltekammer 2 des Mantels 3 aufgenommen. Diese Konstruktion kann ermöglichen, dass eine größere Menge Wasserstoff in die Haltekammer 2 des Wasserstofftanks 1 eingefüllt wird, als mit dem Fall verglichen, bei dem die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 nicht bereitgestellt ist.
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der 1 bis 4 in der Dichtkonstruktion und ist in den Konstruktionen der anderen Abschnitte identisch. Deswegen werden die gleichen Symbole für die gleichen Abschnitte vergeben, um eine Wiederholung der ausführlichen Beschreibung davon zu vermeiden und nur unterschiedliche Abschnitte werden behandelt.
5 ist eine Querschnittsansicht des Anschlussabschnitts eines Körperabschnitts 5 und eines ersten Deckelabschnitts 7. Eine sich in der Umfangsrichtung erstreckende, ringförmige Nut 36 ist in dem Öffnungsabschnitt 6 des Körperabschnitt 5 ausgebildet. Die ringförmige Nut 36 ist nahe dem Endabschnitt des Körperabschnitts 5 in der Axialrichtung L angeordnet. Das Ausbilden der ringförmigen Nut 36 bilden einen dünnen Abschnitt 5 bei dem Boden der ringförmigen Nut 36 und einen biegbaren Abschnitt zwischen der ringförmigen Nut 36 und einem Flansch 16 aus.
Mit Bezug auf die Axialrichtung L des Wasserstofftanks 1 wird eine sich in der Umfangsrichtung erstreckende Haltenut 25 in dem ersten Deckelabschnitt 7 zwischen dem ersten Deckelabschnitt 7 und dem biegbaren Abschnitt 24 ausgebildet. Die Haltenut 25 ist innerhalb von einem Durchloch 19 einer Schraube 18 in der Radialrichtung angeordnet. Ein O-Ring 26 ist an der Haltenut 25 angebracht. Der Dichtabschnitt 27 des O-Rings 26 dichtet zuverlässig zwischen dem Körperabschnitt 5 und dem ersten Deckelabschnitt 7.
Der Abschnitt, bei dem der Öffnungsabschnitt 6 des Körperabschnitts 5 in Anlage mit dem vorspringenden Abschnitt 17 ist und der Abschnitt, bei dem das nahe Ende 20 (mit dem biegbaren Abschnitt 24) auf dem Flansch 16 in Anlage ist, entsprechen der Berührungsfläche 28 des Körperabschnitts 5. Der Abschnitt des ersten Deckelabschnitts 7, der die Berührungsfläche 28 des Körperabschnitts 5 berührt, entspricht der Berührungsfläche 28a. Diese Abschnitte der Berührungsfläche 28 des Körperabschnitts 5 und der Berührungsfläche 28a des ersten Deckelabschnitts 7, bei dem nahen Ende 20 und dem Flansch 16, die im Wesentlichen parallel zu der radialen Richtung R sind, sind miteinander in Anlage und dienen als Dichtflächen 29 bzw. 29a. Da die Dichtflächen 29 und 29a sich entlang der radialen Richtung R des Mantels 3 erstrecken, ist die Dichtkonstruktion des ersten Deckelabschnitts 7 mit beiden Dichtflächen 29 und eine 29a eine Flächendichtung. Der dünne Abschnitt ist innerhalb der Dichtflächen 29 und 29a in der axialen Richtung angeordnet. Die Anschlusskonstruktion (Form, Größe, Dichtkonstruktion usw.) zwischen dem Körperabschnitt 5 und dem zweiten Deckelabschnitt 9 hat die gleiche Konstruktion wie die für den ersten Deckelabschnitt 7, obwohl sie nicht dargestellt ist.
In dem Fall, bei dem Wasserstoff in den Wasserstofftank 1 eingefüllt oder wieder eingefüllt wird, wird z.B. der Innendruck der Haltekammer 2 hoch, was bewirkt, dass Druck auf die Innenfläche des Mantels 3 wirkt. Dementsprechend wirkt in der axialen Richtung nach außen gerichteter Druck (in Richtung der Pfeile E in 6) auf die Innenfläche des ersten Deckelabschnitts 7, so dass der erste Deckelabschnitt 7 in der axialen Richtungen nach außen gedehnt wird, wie durch eine Strich-Zweipunkt-Linie in 6 bezeichnet ist. Unter diesem Hochdruckzustand wirkt der Druck in der Richtung der Pfeile F ebenfalls auf die Innenfläche des biegbaren Abschnitts 24 durch den Zwischenraum zwischen den vorspringenden Abschnitt 17 und dem ersten Deckelabschnitt 7 und dem Öffnungsabschnitt 6 des Körperabschnitts 5.
Zu dieser Zeit, zu der gleichen Zeit, bei der sich der erste Deckelabschnitt 7 in der axialen Richtung nach außen bewegt, erstreckt sich der dünne Abschnitt 23 zusammen mit der Erstreckung des Schaftabschnitts 18a der Schraube 18 parallel zu der Axialrichtung L in Richtung des Pfeils C. Deswegen folgt der Dichtabschnitt 27 des O-Rings 26 der Bewegung des ersten Deckelabschnitts 7, um dabei zuverlässig zwischen dem ersten Deckelabschnitt 7 und dem Körperabschnitt 5 abzudichten, sogar wenn der Innendruck des Wasserstofftanks 1 hoch wird. Mit Bezug auf den zweiten Deckelabschnitt 9 wird der Raum zwischen dem zweiten Deckelabschnitt 9 und dem Körperabschnitt 5 sicher versiegelt, und stellt dabei die Luftdichtigkeit der Haltekammer 2 sicher, da der Dichtabschnitt 27 ähnlich der Bewegung des zweiten Deckelabschnitts 9 wegen der Erstreckung des dünnen Abschnitts 23 folgt.
Die Ausführungsform weist zusätzlich zu den Vorteilen der Ausführungsformen der 1 bis 4 die folgenden Vorteile auf:
Sogar wenn der Innendruck des Wasserstofftanks hoch wird, und der erste Deckelabschnitt 7 (zweiter Deckelabschnitt 9) sich entlang der Axialrichtung L bewegt, folgt der Dichtabschnitt 27 wegen der Erstreckung des dünnen Abschnitts 23 der Bewegung des ersten Deckelabschnitts 7 (zweiten Deckelabschnitt 9), um dabei in der Lage zu sein, den Wasserstofftank 1 sicher abzudichten, sogar falls der Wasserstofftank 1 als teilbare Bauart konstruiert ist.
Die individuellen Dichtkonstruktionen zwischen dem ersten Deckelabschnitt 7 und dem zweiten Deckelabschnitt 9 und dem Körperabschnitt 5 sind so konstruiert, damit sie Gaslecks abdichten, die mit der radialen Richtung des Wasserstofftanks zusammenhängen. Dies beseitigt die Notwendigkeit für eine Konstruktion, die Gaslecks dichtet, die mit der axialen Richtung des Wasserstofftanks 1 zusammenhängen, und verhindert, dass der Wasserstofftank 1 in der axialen Richtung größer wird.
Ein Wasserstofftank 111 gemäß einer dritten Ausführungsform ist im Folgenden mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der 1 bis 4 in der Konstruktion eines Teils des Mantels 3 und der Dichtkonstruktion und ist identisch mit den Konstruktionen der anderen Abschnitte. Deswegen werden die gleichen Symbole für die gleichen Abschnitte vergeben, um eine wiederholte, ausführliche Beschreibung davon zu vermeiden, wobei nur die unterschiedlichen Abschnitte behandelt werden.
Wie aus 7 ersichtlich ist, weist ein Mantel 3 beide Enden als teilbare Bauart konstruiert auf und weist einen ungefähr zylindrischen Körperabschnitt 40, einen ersten Deckelabschnitt 41, der einen nahen endseitigen Öffnungsabschnitt 40a des Körperabschnitts 40 bedeckt und einen zweiten Deckelabschnitt 42, der einen fernen endseitigen Öffnungsabschnitt 40b des Körperabschnitts 40 bedeckt, auf. Der nahe endseitige Öffnungsabschnitt 40a weist einen kreisförmigen Querschnitt und einen Durchmesser auf, der groß genug eingestellt ist, um den Durchtritt der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 zu gestatten.
Wie aus 7 und 8 ersichtlich ist, weist der erste Deckelabschnitt 41 einen vorspringenden Abschnitt 43 auf, der in den Öffnungsabschnitt 40a einzufügen ist, und einen Flansch 44 dessen Durchmesser größer ist als der vorspringende Abschnitt 43. Der vorspringende Abschnitt 43 weist eine im Wesentlichen säulenartige Form auf, wobei der O-Ring 26 zwischen der Umfangsfläche des vorspringenden Abschnitts 43 und der Umfangsfläche des Öffnungsabschnitts 40a angeordnet ist. Der O-Ring 26 wird in einer ringförmigen Haltenut 43a gehalten, die in der Umfangsfläche des vorspringenden Abschnitts 43 ausgebildet ist. Durch die Unterseite der Haltenut 43a und die Umfangsfläche des Öffnungsabschnitts 40a zusammengedrückt und verformt dichtet der O-Ring 26 zwischen dem Körperabschnitt 40 und dem ersten Deckelabschnitt 41 ab, d.h. zwischen den getrennten Abschnitten des Mantels 3.
Der Lochabschnitt 7c, der zu der Haltekammer 2 geöffnet ist, ist in dem ersten Deckelabschnitt 41 ausgebildet. Das nahe Ende der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 wird in den Lochabschnitt 7c eingepasst und das ferne Ende der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 wird in der Haltekammer 2 gehalten, während es durch einen fernen Endabschnitt 40d des Körperabschnitt 40 gestützt wird.
Eine ringförmige Nut 46 ist auf der Außenfläche des Mantels 3 als ringförmige Aussparung entlang der Umfangsrichtung bereitgestellt. Die ringförmige Nut 46 ist in der Radialrichtung zu der Außenseite des Körperabschnitts 40 offen. Die ringförmige Nut 46 ist außerhalb der Positionen der Innengewinde 21 in der Radialrichtung angeordnet. Ein ringförmiger Verstärkungsabschnitt 47 zum Verhindern der Vergrößerung des Öffnungsabschnitts 40a ist in der ringförmigen Nut 46 bereitgestellt. Der ringförmige Verstärkungsabschnitt 47 besteht aus dem gleichen faserverstärkten Harz, wie es für das Bündel der Verstärkungsfasern der hoch festen CFRP-Schicht 4 verwendet wird, das die Außenfläche des Mantels 3 bedeckt. Die Tiefe und Breite der ringförmigen Nut 46 ist auf Werte in dem Bereich eingestellt, in denen eine Ausdehnung (Vergrößerung) eines fernen Endabschnitts 40e des Körperabschnitts 40, der mit der Radialrichtung R zusammenhängt, so gehalten werden kann, dass der O-Ring 26 unter einem hohen Innendruck des Wasserstofftanks 111 zuverlässig zwischen dem ersten Deckelabschnitt 41 und dem Körperabschnitt 40 dichten kann. Da die auf dem zweiten Deckelabschnitt 42 ausgebildete Dichtkonstruktion und der ferne Endabschnitt 40d des Körperabschnitts 40 gleich sind wie die in dem ersten Deckelabschnitt 41 ausgebildete Dichtkonstruktion und der nahe Endabschnitt 40e des Körperabschnitts 40, wird deren Beschreibung ausgelassen.
Im Folgenden wird ein Verfahren den so beschaffenen Wasserstofftank 111 herzustellen behandelt. Zu der Zeit der Herstellung des Wasserstofftanks 111 wird zuerst die Wasserstoffaufnahme 11 an dem ersten Deckelabschnitt 41 befestigt, der durch die Schrauben 18 auf eine Weise an dem Körperabschnitt 40 angebracht ist, um den nahen endseitigen Öffnungsabschnitt 40a zu blockieren. Als nächstes wird der zweite Deckelabschnitt 42 durch die Schrauben 18 auf eine Weise an dem Körperabschnitt 40 befestigt, um den Öffnungsabschnitt 40b auf der anderen Endseite zu blockieren, wobei der die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 aufnehmende Mantel 3 vorbereitet ist. Der Mantel 3 wird auf ein nicht gezeigtes Faserwickelgerät aufgesetzt und ein Bündel harzgetränkter Fasern wird in einem voreingestellten Ausmaß in beiden ringförmigen Nuten 46 des ersten und zweiten Deckels 41 und 42 gewickelt. Dieses Wickelausmaß ist die in der ringförmigen Nut 46 haltbare Menge. Das Bündel harzgetränkter Fasern, das in jeder ringförmigen Nut 46 gewickelt ist, bestimmt den ringförmigen Verstärkungsabschnitt 47, wenn es später einem Warmaushärten ausgesetzt ist.
Nach dem Wickeln des Bündels harzgetränkter Fasern in beiden ringförmigen Nuten 46, wird durch das Faserwickelgerät ein Faserwickeln ausgeführt, bis das Bündel der Harz-verstärkten Fasern um die Außenfläche des Mantels 3 gewickelt ist, bis eine vorbestimmte Anzahl von schneckenförmigen Wicklungsschichten und reifenförmigen Wicklungsschichten ausgebildet ist. Die reifenförmigen Wicklungsschichten werden hauptsächlich auf dem zylindrischen Abschnitt (Körperabschnitt) des Mantels 3 ausgebildet. Als Nächstes wird der mit dem Bündel harzgetränkter Fasern umwickelte Mantel 3 aus dem Faserwickelgerät entfernt und in einem Wärmeofen angeordnet, um das Harz thermisch auszuhärten. Dann wird eine Abweichung oder Ähnliches entfernt, und danach das Ventil 10 an dem zweiten Deckelabschnitt 42 angebracht, und dabei der Wasserstofftank 111 vervollständigt.
Die Beschreibung der Betätigung des auf diese Weise bestimmten Wasserstofftanks 111 wird für den Fall gegeben, in dem der Wasserstofftank 111 in einem elektrischen Fahrzeug mit montierter Brennstoffzelle verwendet wird.
Wenn ein Wasserstoffgas verwendet wird, wobei die Treibstoffelektrode mit dem Ventil 10 in einem Wasserstoffabgabezustand gehalten wird, wird das Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 111 über das Ventil 10 abgegeben und zu der Brennstoffelektrode zugeführt. Wenn das Wasserstoffgas von der Innenseite des Wasserstofftanks 111 abgegeben wird, wird das Wasserstoffgas von der Legierung zur Wasserstoffaufnahme abgegeben. Da die Abgabe von Wasserstoff eine Wärmeenergie aufnehmende Reaktion ist, wird die fühlbare Wärme der Legierung zur Wasserstoffaufnahme selbst zur Wasserstoffabgabe verbraucht, wenn die für die Wasserstoffabgabe notwendige Wärme nicht durch das Wärmemedium zugeführt wird. Dies verringert die Temperatur der Wasserstoffabgabelegierung. Da die Temperatur der Wasserstoffabgabelegierung fällt, wird die Reaktionsgeschwindigkeit der Wasserstoffabgabe verringert. Zu der Zeit der Wasserstoffabgabe fließt jedoch heißes Wasser über die ersten und zweiten Durchtrittsrohre 7a und 7b durch das Wärmemediumrohr 12 und unterdrückt den Temperaturabfall der Legierung zur Wasserstoffaufnahme über das Wärmemediumrohr 12 und die Flossen 13, so dass die Reaktion der Wasserstoffabgabe gleichmäßig voranschreitet. Der von der Legierung zur Wasserstoffaufnahme abgegebene Wasserstoff wird über das Ventil 10 von dem Wasserstofftank 111 nach außen abgegeben und zu der Brennstoffelektrode zugeführt.
Bei dem Fall, bei dem Wasserstoffgas wieder in den Wasserstofftank 111 eingefüllt wird, aus dem der Wasserstoff abgegeben wurde, d.h., wenn das Wasserstoffgas in der Wasserstofflegierung absorbiert ist, wird das Ventil 10 auf den Wasserstoffeinfüllzustand geschaltet, um das Wasserstoffgas über das Ventil 10 in den Wasserstofftank 111 zu führen. Das zugeführte Wasserstoffgas reagiert mit der Legierung zur Wasserstoffaufnahme, die hydriert, und wird von der Legierung zur Wasserstoffaufnahme aufgenommen. Da die Wasserstoffaufnahmereaktion eine Wärme erzeugende Reaktion ist, kann die Wärme aufnehmende Reaktion nicht gleichmäßig voranschreiten, solange die durch die Wasserstoffaufnahmereaktion erzeugte Wärme nicht entfernt ist. Zu der Zeit des Einfüllens des Wasserstoffgases fließt jedoch kühles Wasser über beide Durchtrittsrohre 7a, 7b zu dem Wärmemediumrohr 12 und unterdrückt den Temperaturanstieg der Legierung zur Wasserstoffaufnahme über das Wärmemediumrohr 12 und die Flossen 13, und stellt dabei eine effiziente Aufnahme des Wasserstoffgases sicher.
Bei dem Fall, bei dem der Druck in dem Wasserstofftank 111 höher ist als der Außendruck, wird ein Druck auf die Innenfläche des Mantels 3 ausgeübt um den Mantel auszudehnen. Direkt nachdem das Wasserstoffgas eingefüllt oder wieder eingefüllt wurde, ist der Druck in dem Wasserstofftank 111 hoch. Die Kraft den Durchmesser der individuellen Öffnungsabschnitte 40a und 40b zu erhöhen oder die Kraft, um die Öffnungsabschnitte 40a und 40b in der radialen Richtung auszudehnen, wirkt auf den Körperabschnitt 40. Falls die hoch feste CFRP-Schicht 4 alleine gegen diese Kraft arbeitet, ist es schwierig die Ausdehnung zu unterdrücken, da nur wenige reifenförmige Wicklungsschichten in den Abschnitt der hoch festen CFRP-Schicht 4 in den Positionen entsprechend der Öffnungsabschnitte 40a und 40b vorhanden sind. Jedoch unterdrückt das Vorhandensein des ringförmigen Verstärkungsabschnitts 47 auf der äußeren Oberfläche des Körperabschnitts 40 entsprechend der Umfangsfläche von jeden Öffnungsabschnitten 40a, 40b das Ausdehnen der Öffnungsabschnitte 40a, 40b, so dass der O-Ring 26 sicher zwischen der Umfangsfläche des vorspringenden Abschnitts 43 des Deckelabschnitts 41, 42 und der Umfangsfläche des Öffnungsabschnitts 40a, 40b sichert, und auf diese Weise den luftdichten Zustand der Haltekammer 2 sicherstellt.
Die vorliegende Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf:
Der Mantel 3 des Wasserstofftanks 111 ist geteilt in den nahen Endabschnitt 40e, in dem der Öffnungsabschnitt 40a, bei dem eine Baugruppe (Wasserstoffaufnahmeeinheit 11) einfügbar ist, und den ersten Deckelabschnitt 41, der den Öffnungsabschnitt 40a deckt, ausgebildet. Der O-Ring 26 ist zwischen der Umfangsfläche des vorspringenden Abschnitts 43 des ersten Deckelabschnitts 41 und der Umfangsfläche des nahen Endabschnitts 40e angeordnet. Der ringförmige Verstärkungsabschnitt 47 zum Verhindern einer Vergrößerung des Öffnungsabschnitts 40a ist auf der Außenfläche des Mantels 3 entsprechend dem Öffnungsabschnitt 40a bereitgestellt. Die ferne Endseite des Mantels 3 ist ungefähr auf eine ähnliche Weise konstruiert. Sogar falls der Innendruck des Mantels 3 hoch wird, ist deswegen die Ausdehnung von jedem Öffnungsabschnitt 40a, 40b durch den zugeordneten Verstärkungsabschnitt 47 gehalten, wobei der O-Ring 26 sicher zwischen der Innenseite und der Außenseite des Mantels dichtet.
Der Verstärkungsabschnitt 47 ist in der ringförmigen Nut 46 bereitgestellt, die auf der Außenfläche des Mantels 3 bereitgestellt ist. Deswegen springt der Verstärkungsabschnitt 47 nicht von dem gewölbten Abschnitt des Mantels 3 vor, so dass sogar die Bereitstellung des Verstärkungsabschnitts 47 den Aufbau des Faserbündels nicht gegenteilig beeinträchtigt, das die hochfeste CFRP-Schicht 4 bestimmt, und eine ausreichende Festigkeit für die hoch feste CFRP-Schicht beibehalten kann.
Die ringförmige Nut 46 ist in der Radialrichtung offen und der Verstärkungsabschnitt 47 ist aus dem faserverstärkten Harz mit einem Bündel ringförmig gewickelter Verstärkungsfasern umfasst. Das Bereitstellen des Verstärkungsabschnitts 47 stellt eine Auswirkung bereit, die gleich zu der ist, die durch das Erhöhen der reifengewickelten Schichten bei den Abschnitten erhalten wird, die den Öffnungsabschnitten 40a und 40b entsprechen. Vor der Ausbildung der hochfesten CFRP-Schicht 4, die die Außenfläche des Mantels 3 durch Faserwickeln bedeckt, kann der Verstärkungsabschnitt 47 durch das Wickeln des Bündels harzgetränkter Fasern in der ringförmigen Nut 46 unter Verwendung des gleichen Faserwickelgeräts ausgebildet werden.
Der Verstärkungsabschnitt 47 ist aus dem gleichen verstärkten Harz hergestellt, wie das faserverstärkte Harz, das das Bündel der Verstärkungsfasern der hochfesten CFRP-Schicht 4 ausbildet, die die Außenfläche des Mantels 3 bedeckt. Zu der Zeit des Wickelns des harzgetränkten Faserbündels, die die hochfeste CFRP-Schicht 4 auf der Außenfläche des Mantels 3 bestimmt, der eine Baugruppe (Wasserstoffaufnahmeeinheit 11) aufnimmt, kann deswegen der Verstärkungsabschnitt 47 durch das Wickeln des gleichen harzgetränkten Faserbündels in der ringförmigen Nut 40 vor der Ausbildung der hochfesten CFRP-Schicht 4 ausgebildet werden. Dies erleichtert die Ausbildung des Verstärkungsabschnitts 47, verglichen mit dem Fall, bei dem ein Faserbündel unterschiedlich von dem Verstärkungsfaserbündel der hochfesten CFRP-Schicht als Verstärkungsfasern verwendet wird.
Die nahe Endseite der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 ist an dem ersten Deckelabschnitt 41 befestigt, der auf der nahen Endseite des Mantels 3 bereitgestellt ist, wobei die ferne Endseite der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 gestützt wird, während sie in Eingriff mit dem fernen Endabschnitt 40d des Mantels 3 ist. Sogar falls der Wasserstofftank 111 schwingt, wird deswegen die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 nicht unnötig geschüttelt oder mit Bezug auf den Mantel 3 in der Haltekammer 2 verschoben.
In dem Fall einer Konstruktion, bei der ein Öffnungsabschnitt nur auf einer Endseite des Mantels bereitgestellt und mit einem Deckel bedeckt ist, sollte z.B. ein Stützabschnitt auf der anderen Endseite des Mantels bereitgestellt sein, der das ferne Ende der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 unter Verwendung eines nicht dargestellten Schneidwerkzeugs stützt, das durch den Öffnungsabschnitt eingefügt ist. Dies ergibt eine schlechte Bearbeitbarkeit. Die Bereitstellung der Öffnungsabschnitte 40a bzw. 40b in beiden Endabschnitten des Mantels 3 erleichtert die Arbeit zum Bearbeiten der Endabschnitte des Körperabschnitts 40.
Ein Wasserstofftank 111 gemäß einer vierten Ausführungsform wird im Folgenden mit Bezug auf 9 beschrieben. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform der 7 und 8 darin, dass der Verstärkungsabschnitt 47 als von der axialen Richtung des Mantels 3 aus einpassbar konstruiert ist und in den Konstruktionen der anderen Abschnitte mit der letzten Ausführungsform identisch ist. Deswegen werden die gleichen Symbole für die Abschnitte vergeben, die mit den entsprechenden Abschnitten der Ausführungsformen in 7 und 8 ähnlich sind, um eine Wiederholung von deren genauen Beschreibungen zu vermeiden.
Wie aus 9 ersichtlich ist, ist eine ringförmige Nut 48 in einer Endfläche 40c des Körperabschnitts 40 als ringförmige Aussparung entlang der Umfangsrichtung ausgebildet. Die ringförmige Nut 48 ist außerhalb der Schrauben 18 in der radialen Richtung angeordnet. Ein Verstärkungsabschnitt 147 ist in der ringförmigen Nut 48 bereitgestellt. Der Verstärkungsabschnitt 147 ist aus einem Werkstoff hergestellt, dessen Steifigkeit höher ist als die des Werkstoffes für den Mantel 3; rostfreier Stahl wird in dieser Ausführungsform für den Verstärkungsabschnitt 147 eingesetzt. Der Verstärkungsabschnitt 147 ist durch das Ausbeulen eines rostfreien Stahlplattenwerkstoffes durch Pressen ausgebildet. Die Stärke und der Querschnittsbereich des Verstärkungsabschnitts 147 werden auf Werte innerhalb eines Bereichs eingestellt, bei dem eine Ausdehnung (Vergrößerung) des Öffnungsabschnittes 40a sicher durch den O-Ring 26 abgedichtet ist. Die Tiefe und Breite der ringförmigen Nut 48 werden auf solche Werte eingestellt, die in der Lage sind, den Verstärkungsabschnitt 147 zurückzuhalten. Der Verstärkungsabschnitt 147 wird in der ringförmigen Nut 48 gehalten, während seine Innenfläche in die ringförmige Nut 48 eingepasst ist. Die ringförmige Nut 48 ist mit dem Flansch 44 des ersten Deckelabschnitts 41 bedeckt.
Eine ringförmige Nut 48, ähnlich zu der des ersten Deckelabschnitts 41, ist in dem fernen Endabschnitt 40d des Körpers 40 entsprechend dem zweiten Deckelabschnitt 42 ausgebildet. Ein Verstärkungsabschnitt 147 wird ähnlich in der ringförmigen Nut 48 des fernen Endabschnitts 40d gehalten.
In dem Fall der Herstellung des Wasserstofftanks 111 werden beide Verstärkungsabschnitte 147 in den entsprechenden ringförmigen Nuten 48 gehalten, bevor die Deckelabschnitte 41 und 42 an dem Körperabschnitt 40 gesichert werden. Nachdem das Bündel der Harz-verstärkten Fasern durch das Faserwickelgerät um den Mantel 3 gewickelt ist, der innerhalb die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 aufnimmt, wird das Harz in einem Wärmeofen verfestigt, um die hoch feste CFRP-Schicht 4 auszubilden, und danach das Ventil 10 angebracht.
Bei dem Fall, bei dem der Verstärkungsabschnitt 47 auf der ringförmigen Nut 46 bereitgestellt ist, wie in Ausführungsform der 7 und 8 durchgeführt, sollte der Verstärkungsabschnitt 47 durch das Aushärten des Harzes nach dem Wickeln des Bündels harzgetränkter Fasern ausgebildet werden, oder das Einfüllen des Kunstharzes und Aushärten davon oder das Wickeln von Metalldrähten nachdem ein Faserbündel gewickelt wurde. Es ist nämlich das Wickeln von Drahtwerkstoffen erforderlich. Deswegen ist das Anbringen des Verstärkungsabschnitts 47 an dem Mantel 3 nicht einfach. In der aus 9 ersichtlichen Ausführungsform kann im Gegensatz der Metallverstärkungsabschnitt 147 an dem Körperabschnitt 40 einfach aus der axialen Richtung des Mantels 3 angebracht Werden, was zu einem verbesserten Arbeitswirkungsgrad führt.
Sogar falls der Innendruck des Mantels 3 in dem Wasserstofftank 111 der vierten Ausführungsform hoch wird, wird das Ausdehnen der Öffnungsabschnitte 40a und 40b durch die Verstärkungsabschnitte 147 gehalten.
Die vierte Ausführungsform weist zusätzlich zu dem Vorteilen der dritten Ausführungsform in 7 und 8 die folgenden Vorteile auf:
Die ringförmige Nut 48 ist in der axialen Richtung des Mantels 3 nach außen offen. Ungleich zu dem Fall der Ausführungsform in 7 und 8, der bereitgestellt ist, wobei die ringförmige Nut 46 in der radialen Richtung des Mantels 3 nach außen offen ist, kann der Verstärkungsabschnitt 147 einfach in der ringförmigen Nut 48 angebracht werden.
Der Verstärkungsabschnitt 147 wird durch das Auswölben einer Metallplatte durch Pressen ausgebildet. Die Herstellung des Verstärkungsabschnitts 147 ist deswegen einfacher als ein Verstärkungsabschnitt, der aus einem faserverstärkten Harz mit einem Bündel von Fasern ausgebildet ist, die ringförmig als Verstärkungsfasern gewickelt sind.
Als Werkstoff für den Verstärkungsabschnitt 147 wird rostfreier Stahl verwendet. Bei dem Fall, bei dem der Mantel 3 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, ungleich dem Fall, wo der Verstärkungsabschnitt durch Verwendung eines anderen Werkstoffes wie z.B. Kupfer oder Stahl ausgebildet wird, wird deswegen ein Verfahren zur Vermeidung von Rost unnötig.
Die Ausführungsformen sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt, sondern können z.B. auf die folgenden Weisen abgeändert werden:
Bei den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 9 ist der Mantel 3 nicht auf eine Bauart beschränkt, bei der beide Enden teilbar sind. Wie aus 10 oder 15 ersichtlich ist, kann z.B. der ferne Endabschnitt 70 des Mantels 3 als einstückiges Teil ausgebildet sein, und nur das nahe Ende 20 kann teilbar sein. Die 15 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Ausführungsform aus 7 und 8. Dieser Fall verringert die Zusammenbauschritte des Befestigens der Schrauben 18 zu der Zeit des Zusammenbaus des Mantels 3 und vereinfacht auf diese Weise die Arbeit bei dem Zusammenbau.
In der individuellen Ausführungsform der 1 bis 6 sollte der Vorsprung 15, der den fernen Endabschnitt der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 stützt, nicht notwendigerweise auf der fernen Endseite der Innenfläche des Mantels 3 bereitgestellt sein, sondern kann ausgelassen werden, wie aus 11 ersichtlich ist.
In den individuellen Ausführungsformen in 1 bis 6 ist das Schema zum Stützen der nahen Endseite der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 nicht auf das Einpassen der nahen Endseite in den Lochabschnitt 7c beschränkt, der in dem vorspringenden Abschnitt 17 bereitgestellt ist. Wie aus 12 ersichtlich ist, kann der erste Deckelabschnitt 7 verwendet werden, der eine ungefähre Schüsselform aufweist, wobei ein Vorsprung 145 kann auf der nahen Endseite der Innenfläche des Körperabschnitts 5 bereitgestellt werden kann, so dass die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 sowohl durch die Vorsprünge 15 als auch 145 gestützt ist.
In der individuellen Ausführungsform der 1 bis 6 kann der Mantel 3 durch das Befestigen der Schrauben 18 an dem ersten Deckelabschnitt 7 (zweiten Deckelabschnitt 9) in der radialen Richtung R von dem Seitenabschnitt des Körperabschnitts 5 zusammengebaut sein, wie aus 13 ersichtlich ist. In diesem Fall kann sich die Dichtfläche 29 entlang der radialen Richtung R erstrecken und die ringförmige Nut 22 kann in der Innenfläche des Körperabschnitts 5 ausgebildet sein, um den dünnen Abschnitt 23 und den biegbaren Abschnitt 24 auszubilden. In dieser Konstruktion kann die Dichtfläche 29 so angeordnet sein, dass sie sich entlang der Axialrichtung L erstreckt.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 6 kann ein Gummiteil zwischen der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 und dem ringförmigen Vorsprung 15 bereitgestellt sein.
In diesem Fall kann die Positionsabweichung der Wasserstoffaufnahmeeinheit 11, der in der Haltekammer 2 angeordnet ist, schwieriger gemacht werden.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 6 können die Stärke W1 des dünnen Abschnitts 23 und die Stärken W2 und W3, usw. des biegbaren Abschnitts 24 geändert und wie benötigt eingestellt werden. Außerdem können die Werte der Stärken W1 bis W3 eingestellt werden, zwischen der fernen Endseite und der nahen Endseite unterschiedlich zu sein.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 6 sollte die Haltenut 25 des O-Rings 26 nicht notwendigerweise in dem ersten Deckelabschnitt 7 ausgebildet sein (zweiten Deckelabschnitt 9), sondern kann z.B. in dem Körperabschnitt 5 ausgebildet sein.
In den individuellen Ausführungsformen in 1 bis 6 müssen der dünne Abschnitt 23 und der biegbare Abschnitt 24 nur ausgebildet werden, um den Mantel 3 zu erleichtern. Z.B. können der dünne Abschnitt 23 und der biegbare Abschnitt 24 durch das alleinige Übriglassen des Abschnittes von dem vorspringenden Abschnitt 17 des ersten Deckelabschnitt 7, der nahe dem Ort des O-Rings 26 liegt und Abtragen des anderen einstückigen Abschnitt ausgebildet werden.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 6 ist der Vorsprung, der auf der Innenfläche des Körperabschnitts 5 ausgebildet ist, nicht auf den ringförmigen Vorsprung 15 beschränkt, der die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 stützt, sondern kann ein Vorsprung mit anderen Fähigkeiten sein. Das Bearbeiten der Innenfläche des Körperabschnitts 5 ist nicht auf das Bereitstellen des ringförmigen Vorsprungs 15 beschränkt, sondern kann ebenfalls das Verarbeiten haben, um eine Aussparung bereitzustellen.
In den Ausführungsformen der 7 und 8 kann der Verstärkungsabschnitt 47 aus einem faserverstärkten Harz bestehen, der als Verstärkungsfaser ein Faserbündel verwendet, das eine höhere Festigkeit aufweist, als das Bündel Verstärkungsfasern der hochfesten CFRP-Schicht 4, das die Außenfläche des Mantels 3 bedeckt. In diesem Fall kann die gleiche Festigkeit erreicht werden, sogar falls die Anzahl von Wicklungen des Faserbündels verringert wird, wenn mit dem Fall verglichen wird, bei dem das Faserbündel, das den Verstärkungsabschnitt 47 bestimmt, die gleiche Festigkeit aufweist, wie das Bündel Verstärkungsfasern der hochfesten CFRP-Schicht 4, das die Außenfläche des Mantels 3 bedeckt. Auf diese Weise kann das Faserbündel verringert werden, das zum Unterdrücken der Ausdehnung von jedem Abschnitt 40a, 40b, notwendig ist. Dies macht es einfacher, einen Raum zu schaffen, um das Innengewinde 21 auszubilden, das mit den entsprechenden Schrauben 18 in Eingriff ist, die beide Deckelabschnitte 41 und 42 an den Körperabschnitt 40 koppeln.
In der Ausführungsform in 7 und 8 kann die Tiefe der ringförmigen Nut 46 kleiner gemacht werden als ihre Breite. Der Boden der ringförmigen Nut 46 kann parallel zu dem offenen Ende der ringförmigen Nut 46 ausgebildet sein. Die ringförmige Nut 46 kann einen V-förmigen Querschnitt oder einen U-förmigen Querschnitt aufweisen.
In der Ausführungsform in 7 und 8 muss das harzgetränkte Faserbündel, das den Verstärkungsabschnitt 47 bestimmt, nicht in die gesamte ringförmige Nut 46 eingefüllt sein; z.B. kann das harzgetränkte Faserbündel auf der Bodenseite der ringförmigen Nut 46 mit einem Zwischenraum eingefüllt sein, der auf der offenen Seite der ringförmigen Nut 46 bereitgestellt ist, oder es kann dort ein Harz eingefüllt sein.
In der Ausführungsform der 7 und 8 ist das Ausbilden des Verstärkungsabschnitts 47 nicht beschränkt auf das Wickeln des Bündels harzgetränkter Fasern durch ein nicht gezeigtes Faserwickelgerät direkt vor der Ausbildung der hochfesten CFRP-Schicht 4, sondern der Körperabschnitt 40, der den Verstärkungsabschnitt 47 in der ringförmigen Nut 46 aufweist, kann davor hergestellt und beibehalten werden. Bei dem Fall, bei dem das Faserbündel, das den Verstärkungsabschnitt 47 bestimmt, sich von dem Faserbündel unterscheidet, dass die hochfeste CFRP-Schicht 4 bestimmt, ist es insbesondere bevorzugt, dass der Verstärkungsabschnitt 47 zuvor ausgebildet wird.
In der Ausführungsform in 7 und 8 ist der Werkstoff für den Verstärkungsabschnitt 47 nicht auf das faserverstärkte Harz beschränkt. Z.B. kann der Verstärkungsabschnitt 47 durch das Wickeln von Metalldrahtwerkstoffen ausgebildet werden. Es ist bevorzugt, dass beide Enden des Metalldrahtwerkstoffes aneinander gekoppelt sind, um dafür zu sorgen, dass der Wickelzustand schwer lösbar ist.
Bei dem Fall, bei dem der Verstärkungsabschnitt 47 durch das Faserwickelgerät vor der Ausbildung der hochfesten CFRP-Schicht 4 gewickelt wird, kann eine Seite der ringförmigen Nut 46 durch den Flansch 44 des ersten Deckelabschnitts 41 bestimmt werden, wie aus 14(a) ersichtlich ist. Der erstreckende Abschnitt des Körperabschnitts 40 nämlich, der sich in der radialen Richtung zwischen der ringförmigen Nut 46 und dem Flansch 44 erstreckt, kann ausgelassen werden. In diesem Fall kann die Axialrichtungsbreite der ringförmigen Nut 46 größer eingestellt werden.
In der Ausführungsform in 9 kann anstelle des Haltens des Verstärkungsabschnitts 147 in der ringförmigen Nut 48 ein ringförmiger Ausschnitt 131 als ringförmige Aussparung in dem Endabschnitt des Körperabschnitts 40 so bereitgestellt sein, dass der Verstärkungsabschnitt 147 in dem ringförmigen Ausschnitt 131 gehalten wird, wie aus 14(b) ersichtlich ist. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Außenfläche des Verstärkungsabschnittes 147 entlang der gekrümmten Oberflächen der hoch festen CFRP-Schicht 4 ausgebildet ist.
Bei dem Fall, bei dem der Verstärkungsabschnitt 147 eingepasst ist in die ringförmigen Nut 48 oder in den ringförmigen Ausschnitt 131 von der axialen Richtung des Mantels 3, wie in der Ausführungsform in 9 oder der Ausführungsform in 14(b), ist der Werkstoff für den Verstärkungsabschnitt 147 nicht auf rostfreien Stahl beschränkt, sondern kann aus anderen Metallen als rostfreier Stahl hergestellt werden. Außerdem ist der Werkstoff nicht auf ein Metall beschränkt, sondern kann ein faserverstärktes Harz oder Metallmatrixverbund (MMC) sein. Falls der MMC mit einer Aluminiumlegierung in Form einer Matrix und Silikoncarbid als Verstärkungswerkstoff verwendet wird, wird die Steifigkeit des Verstärkungsabschnittes 147 gleich oder größer als die Steifigkeit von gegossenem Eisen, weist aber nur das gleiche Gewicht wie die Aluminiumlegierung auf.
In den individuellen Ausführungsformen der 7 bis 9 und 14(a) bis 15 kann anstelle des Ausbildens der haltenden Nut 43a in dem vorspringenden Abschnitt 43 die haltende Nut 43a in der Umfangsfläche von jeder Öffnungsfläche 40a, 40b ausgebildet sein.
In den individuellen Ausführungsformen in 7 bis 9 sind die vorspringenden Abschnitte 43 von beiden Deckelabschnitten 41 und 42 nicht beschränkt eine säulenförmige Form aufzuweisen, die sich parallel zu der Axialrichtung des Mantels 3 erstreckt, sondern können eine Kegelform aufweisen, die zu der fernen Endseite enger wird.
Anstelle die Haltenut zum Zurückhalten des O-Rings 26 in dem vorspringenden Abschnitt 43 oder in der Umfangsfläche des den Öffnungsabschnitt 40a, 40b ausbildenden Abschnittes auszubilden, kann ein abgeschrägter Abschnitt oder ein ausgeschnittener Abschnitt aus dem Umfang des Endabschnittes des Öffnungsabschnittes 40a, 40b bereitgestellt sein, der auf der Seite des Deckelabschnitts 41, 42 liegt. Der O-Ring 26 kann in dem Raum angeordnet sein, der von dem abgeschrägten Abschnitt oder dem ausgeschnittenen Abschnitt und der Endfläche des Flansches 44 des Deckelabschnitts 41, 42 und der Umfangsfläche des nahen Endes des vorspringenden Abschnitts 43 umgeben ist.
Das Wärmemediumrohr 12 kann eine Form aufweisen, die anstelle einer U-Form vielmals gebogen ist.
Der Werkstoff für die faserverstärkte Kunststoffschicht ist nicht auf Kohlenstofffasern beschränkt, sondern es können ebenfalls andere Fasern verwendet werden, die im Allgemeinen eine hohe Elastizität und hohe Festigkeit aufweisen, wie z.B. Glasfasern, Silikoncarbidkeramikfasern oder Aramidfasern.
Der Werkstoff für den Mantel 3 ist nicht auf eine Aluminiumlegierung beschränkt, sondern es können ebenfalls andere Metalle verwendet werden, solange der luftdichte Zustand der Haltekammer 2 erhalten werden kann. Der Werkstoff für den Mantel 3 ist nicht auf ein Metall beschränkt, sondern kann ein synthetisches Kunstharz wie z.B. Polyamid oder hoch dichtes Polyethylen sein.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 15 ist das Dichtteil, das zwischen dem Deckelabschnitt und dem zugeordneten Körperabschnitten 5, 40 abdichtet, nicht darauf beschränkt, einen kreisförmigen Querschnitt in einem offenen Zustand aufzuweisen, bei dem das Dichtteil nicht bei dem Dichtabschnitt ausgelegt ist, sondern kann eine unterschiedliche Form aufweisen.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 15 ist der Wasserstofftank 1, 111 nicht darauf beschränkt, solch eine Konstruktion aufzuweisen, um die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 als Baugruppe mit einer Wärmeaustauschfähigkeit aufzunehmen. Gemäß dem Wasserstofftank 51 in 16 nach dem Stand der Technik kann der Tank eine Wärmeaustausch-Flossenbaugruppe aufweisen, in der die Legierung zur Wasserstoffaufnahme nicht aufgenommen ist, aber den Wasserstoff darin gespeichert (eingefüllt) aufweist, wobei Druck angewendet wird und Wärme mit dem darin eingefüllten Wasserstoff austauscht. Die Konstruktion der Wärmeaustausch-Flossenbaugruppe ist nicht auf die aus 16 ersichtliche beschränkt, sondern kann eine Vielzahl von Flossen 13 aufweisen, die auf dem Wärmemediumrohr 12 bereitgestellt sind, wie in der Einheit zur Wasserstoffaufnahme 11 der oben beschriebenen Ausführungsformen. Ein Halteteil, das in der Lage ist, eine Legierung zur Wasserstoffaufnahme als Baugruppe zu halten, aber nicht in der Lage ist, ein Wärmemedium fließen zu lassen, kann in dem Wasserstofftank 1, 111 vorhanden sein.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 15 ist ein in der Haltekammer 2 des Wasserstofftanks 1, 111 zu haltendes Objekt nicht auf die Einheit zur Wasserstoffaufnahme 11 beschränkt, sondern kann eine Flossenbaugruppe sein, die als Wärmetauscher dient.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 15 kann der Wasserstofftank 1, 111 so konstruiert sein, dass er die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 nicht aufnimmt.
Die Wasserstoffaufnahmeeinheit 11 ist nicht auf die Konstruktion beschränkt, die an beiden Endabschnitten durch den Mantel 3 gestützt wird, sondern kann auf eine Weise konstruiert sein, dass sie auf der nahen Seite in einer freitragenden Weise gestützt ist.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 15 ist der Gegenstand, der den Wasserstofftank 1, 111 laden soll, nicht auf Brennstoffzellen-elektrische Fahrzeuge oder auf Wasserstofffahrzeuge beschränkt, sondern der Wasserstofftank kann z.B. als Brennstoffzelle für eine Haushaltsstromquelle verwendet werden. Auf diese Weise ist das Subjekt, das den Wasserstofftank lädt, nicht begrenzt.
In den individuellen Ausführungsformen in 1 bis 15 können die Durchtritte für den Fluss eines Gases in dem Wasserstofftank 1, 111 auf dem nahen, endseitigen, ersten Deckelabschnitt 7, 41 des Mantels 3 anstelle auf dem fernen endseitigen, zweiten Deckelabschnitts 9, 42 bereitgestellt sein. In diesem Fall ist es nicht notwendig, den Durchtritt für das Wasserstoffgas auf der fernen Endseite des Mantels 3 bereitzustellen, wobei auf diese Weise die Herstellung des Mantels 3 einfacher wird.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 15, ist die Anzahl der zwischen dem Körperabschnitt 5 und dem ersten Deckelabschnitt 7 (zweiten Deckelabschnitt 9) anzuordnenden O-Ringe 26 oder zwischen der Umfangsfläche des Öffnungsabschnitts 40a, 40b und der Umfangsfläche des vorspringenden Abschnitts 43 des zugeordneten Deckelabschnitts 41, 42 nicht auf einen beschränkt, sondern eine Vielzahl O-Ringe können angeordnet sein.
In den individuellen Ausführungsformen der 1 bis 15 kann der O-Ring 26 z.B. aus Nitrilgummi, Polystyrengummi, Silikongummi, Acrylgummi, Fluoridgummi oder ähnlichem hergestellt sein, wobei der Werkstoff nicht besonders eingeschränkt ist. Nicht nur der aus Gummi hergestellte O-Ring 26, sondern ein anderes Teil, wie z.B. eine Metalldichtung, können als Dichtteil verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen Wasserstofftank beschränkt, der Wasserstoff speichert, sondern kann auf einen Hochdrucktank angepasst werden, der andere Arten von Gas speichert, wie z.B. Stickstoff oder komprimiertes Erdgas.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann mit den Gegenständen und deren Äquivalenten ersetzt werden, wie in den angehängten Ansprüchen zitiert ist.
Ein Hochdrucktank weist einen zylindrischen Mantel und eine die äußere Fläche das Mantels bedeckende, faserverstärkte Kunststoffschicht auf. Mindestens ein Ende des Mantels ist teilbar. Der Mantel hat einen zylindrischen Mantelkörper und einen Deckel. Ein O-Ring ist zwischen den Berührungsflächen und dem Deckel in Umfangsrichtung angeordnet. Jede Berührungsfläche hat eine den O-Ring berührende Dichtfläche. Entweder der Mantelkörper oder der Deckel weisen einen verformbaren Abschnitt auf, der sich zu der Dichtfläche verformt. Die Konstruktion kann die geteilten Abschnitte des Mantels zuverlässig abdichten, wenn der Hochdrucktank sich in einem Hochdruck-Zustand befindet.

Claims

Hochdrucktank mit: einem Mantel (3) aus Metall, der an seiner äußeren Fläche mit einer faserverstärkten Kunststoffschicht (4) bedeckt ist und einen Mantelkörper (5) mit einem Öffnungsabschnitt (6) sowie einen den Öffnungsabschnitt (6) verschließenden Deckel (7, 9) hat, wobei der Mantelkörper (5) und der Deckel (7, 9) sich gegenüberliegende Dichtflächen (29, 29a) aufweisen, die sich jeweils um den Öffnungsabschnitt (6) herum erstrecken und zwischen denen ein Dichtungselement (26) angeordnet ist, das sich ebenfalls um den Öffnungsabschnitt (6) erstreckt; und dadurch gekennzeichnet, dass entweder der Mantelkörper (5) oder der Deckel einen biegbaren Abschnitt (23, 24) aufweist, der bei einem Aufbau eines Innendrucks in dem Hochdrucktank eine größte Biegung im Bereich der Dichtflächen erfährt, derart, dass ein Abstand zwischen den Dichtflächen gleich bleibt oder kleiner wird.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 1, wobei der verformbare Abschnitt (23, 24) eine der Dichtflächen (29a) aufweist.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 2, wobei der Mantelkörper (5) zylindrisch ist und einen Öffnungsabschnitt (6) in zumindest einem seiner Enden in axialer Richtung aufweist, wobei beide Dichtflächen (29, 29a) sich in einer axialen Richtung des Mantelkörpers (5) erstrecken und der verformbare Abschnitt (23, 24) in einer radialen Richtung des Mantelkörpers (5) durch Innendruck in dem Hochdrucktank verformbar ist.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 3, wobei der verformbare Abschnitt (23, 24) eine Dichtfläche (29a) bei einem äußeren Abschnitt mit Bezug auf die radiale Richtung des Mantelkörpers (5) aufweist, und der verformbare Abschnitt (23, 24) einen dünnen Abschnitt (23) hat, der durch Innendruck im Hochdrucktank streckbar ist, und der mit Bezug auf die radiale Richtung des Mantelkörpers (5) weiter innen angeordnet ist als die Dichtfläche (29a).
Hochdrucktank gemäß Anspruch 2, wobei der Mantelkörper (5) zylindrisch ist und den Öffnungsabschnitt (6) in zumindest einem seiner Enden in axialer Richtung aufweist, wobei beide Dichtflächen (29, 29a) sich in einer radialen Richtung des Mantelkörpers (5) erstrecken und der verformbare Abschnitt (23, 24) in einer axialen Richtung des Mantelkörpers (5) durch Innendruck in dem Hochdrucktank verformbar ist.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 5, wobei der verformbare Abschnitt (23, 24) eine Dichtfläche (29a) an einem äußeren Abschnitt mit Bezug auf die axiale Richtung des Mantelkörpers (5) aufweist, und der verformbare Abschnitt (23, 24) einen dünnen Abschnitt (23) hat, der durch Innendruck in dem Hochdrucktank streckbar ist, und der mit Bezug auf die axiale Richtung des Mantelkörpers (5) weiter innen angeordnet ist als die Dichtfläche (29a).
Hochdrucktank gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 6, wobei der verformbare Abschnitt (23, 24) durch ein Leichtermachen eines Teils einer inneren Oberfläche des Mantelkörpers (5) oder des Deckels (7, 9) ausgebildet ist.
Hochdrucktank gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 6, wobei der verformbare Abschnitt (23, 24) einen biegbaren Abschnitt (24) hat, der durch Innendruck in dem Hochdrucktank biegbar ist, und der durch das Ausbilden einer Haltenut (25) zum Halten des Dichtteils (26) in dem verformbaren Abschnitt (23, 24) ausgebildet ist.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Mantelkörper (5) zylindrisch ist, und der Öffnungsabschnitt (6) einer von zwei Öffnungsabschnitten ist, die entsprechend in beiden Enden in axialer Richtung des Mantelkörpers (5) ausgebildet sind, und der Deckel (7) einer von zwei Deckeln (7, 9) ist, die entsprechend den Öffnungsabschnitten entsprechen.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 9, wobei in dem Mantel eine Gasaufnahmeeinheit (11) gehalten wird.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 10, wobei der Mantelkörper (5) einen Vorsprung (15) auf einer inneren Oberfläche von zumindest einem Ende in axialer Richtung des Mantelkörpers (5) hat und der Vorsprung die Gasaufnahmeeinheit (11) innerhalb des Mantels stützt.
Hochdrucktank gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 6, wobei eine Gasaufnahmeeinheit (11) in dem Mantel (3) gehalten wird.
Hochdrucktank gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelkörper (40) einen den Öffnungsabschnitt (40a) ringförmig umgebenden ausgesparten Abschnitt (46) aufweist, in den ein ringförmiger Verstärkungsabschnitt (47) eingesetzt ist, um beim Aufbau eines Innendrucks in dem Hochdrucktank ein radiales Aufweiten des Öffnungsabschnitts (40a) zu verhindern.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 13, wobei der ringförmig ausgesparte Abschnitt (46) zumindest in einer radialen Richtung des Mantelkörpers (40) nach außen offen ist, und der Verstärkungsabschnitt (47) aus einem faserverstärkten Kunststoff mit einem ringförmig gewickelten Faserbündel hergestellt ist.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 13, wobei der ringförmig ausgesparte Abschnitt (46) zumindest in einer axialen Richtung des Mantelkörpers offen ist und der Verstärkungsabschnitt (47) aus der axialen Richtung des Mantelkörpers (40) in den ringförmig ausgesparten Abschnitt (40) eingepasst wird.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 13, wobei der Mantelkörper (40) aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist und der Verstärkungsabschnitt (47) aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
Hochdrucktank gemäß Anspruch 13, wobei der Verstärkungsabschnitt (47) aus faserverstärktem Kunststoff mit einem Faserbündel hergestellt ist, das eine höhere Festigkeit aufweist, als ein Faserbündel der faserverstärkten Kunststoffschicht, welches die äußere Oberfläche des Mantels bedeckt.
Verfahren einen Hochdrucktank mit einem Mantel (3) herzustellen, der eine Wärmetauschfähigkeit aufweisende Baugruppe hält, und einer faserverstärkten Kunststoffschicht (4), die eine äußere Fläche des Mantels bedeckt, wobei der Mantel (3) einen zylindrischen Mantelkörper (40) hat, der einen Öffnungsabschnitt (40a) in zumindest einem seiner Enden in axialer Richtung aufweist, und einen Deckel (41, 42), der der den Öffnungsabschnitt (40a) schließt, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt die Baugruppe über den Öffnungsabschnitt (40a) in den Mantelkörper (40) einzufügen; einen Schritt einen auf dem Deckel (41) bereitgestellten vorspringenden Abschnitt (43) in den Öffnungsabschnitt (40a) einzupassen, wobei ein Dichtungselement (26) zwischen einer Umfangsfläche des vorspringenden Abschnitts (43) und einem Abschnitt des Mantelkörpers (40) vorgesehen ist, der der Umfangsfläche gegenüberliegt; einen ersten Wickelschritt ein harzgetränktes Faserbündel in einen ringförmig ausgesparten Abschnitt (46) zu wickeln, der in einem Abschnitt einer äußeren Fläche des Mantelkörpers (40) ausgebildet ist, die dem Öffnungsabschnitt (40a) entspricht, wobei das harzgetränkte Faserbündel nach einem Aushärten einen ringförmigen Verstärkungsabschnitt (47) ausbildet, um ein Aufweiten des Öffnungsabschnitts (40a) beim Aufbau eines Innendrucks in dem Hochdrucktank zu verhindern; und einen zweiten Wickelschritt ein harzgetränktes Faserbündel auf der äußeren Fläche des Mantels (3) nach dem ersten Wickelschritt durch Faserwickeln zu wickeln, wobei die faserverstärkte Kunststoffschicht auf der äußeren Oberfläche des Mantels ausgebildet ist, wenn das Harz ausgehärtet ist.