-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
-
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 8. Oktober 2015 eingereichten japanischen Patentanmeldung
JP 2015-200364 sowie der am 6. April 2016 eingereichten japanischen Patentanmeldung
JP 2016-076384 , deren jeweiliger Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochdrucktank.
-
Beschreibung des Standes der Technik
-
Ein bekannter, mit einem Fluid, beispielsweise unter hohem Druck stehendem Wasserstoffgas, befüllter Hochdrucktank ist ein Hochdrucktank mit einer Auskleidung, einer Verstärkungsschicht, die auf der Oberfläche der Auskleidung aus einem faserverstärkten Harz unter Verwendung einer Karbonfaser oder dergleichen ausgebildet ist, und einer Schutzschicht, die auf der Oberfläche der Verstärkungsschicht vermittels eines faserverstärkten Harzes unter Verwendung einer Glasfaser oder dergleichen ausgestaltet ist (siehe
JP 2010-90938 A ).
-
Bei dem bekannten Hochdrucktank mit der Verstärkungsschicht und der Schutzschicht wird das gleiche Harz mit hoher Dehnung und hoher Härte für die Verstärkungsschicht sowie die Schutzschicht verwendet, um die Festigkeit des Tanks zu gewährleisten. Bei diesem Hochdrucktank jedoch kann im Harz enthaltenes Gas in Form von Blasen auf der Oberfläche des Tanks während des Aushärtens des Harzes zurückbleiben. Es ist ferner möglich, dass es zu einer Eintrübung bzw. Wolkenbildung (cloudiness) auf der Oberfläche des Tanks während der Verwendung des Hochdrucktanks kommt.
-
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Um zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, kann die Erfindung anhand der nachfolgend beschriebenen Aspekte ausgeführt werden.
- (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Hochdrucktank geschaffen. Der Hochdrucktank kann eine Auskleidung; eine Verstärkungsschicht, die auf der Auskleidung ausgebildet ist und ein wärmehärtendes erstes Harz sowie Fasern umfasst; und eine Schutzschicht aufweisend, die auf der Verstärkungsschicht ausgebildet ist und ein wärmehärtendes zweites Harz umfasst. Eine zweite Verfestigungs- bzw. Gelbildungstemperatur (gelation temperature), die eine Gelbildungstemperatur des zweiten Harzes darstellt, ist höher als eine erste Verfestigungs- bzw. Gelbildungstemperatur, die eine Gelbildungstemperatur des ersten Harzes darstellt. Eine Viskosität des zweiten Harzes bei der ersten Gelbildungstemperatur ist niedriger als eine Viskosität des ersten Harzes.
-
Die Schutzschicht kann nur aus dem zweiten Harz (das ein Additiv enthalten kann) gebildet werden, oder kann aus einem Kompositmaterial aus dem zweiten Harz und einer Faser (d. h. einem faserverstärkten Harz) gebildet werden.
-
Bei dem Hochdrucktank dieses Aspekts ist die Gelbildungstemperatur des wärmehärtenden Harzes, das zur Ausbildung der Schutzschicht verwendet wird, höher als die Gelbildungstemperatur des wärmehärtenden Harzes, das zur Ausbildung der Verstärkungsschicht verwendet wird. Wenn die Harze der Schutzschicht und der Verstärkungsschicht gleichzeitig zur Aushärtung erhitzt werden, wird die Schutzschicht mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als die Verstärkungsschicht gehärtet. Die Viskosität des in der Schutzschicht enthaltenden Harzes ist niedriger als die Viskosität des in der Verstärkungsschicht enthaltenden Harzes bei der Gelbildungstemperatur des Harzes, das in der Verstärkungsschicht enthalten ist. Diese Konfiguration führt dazu, dass innerhalb des Harzes verbleibendes Gas von der Schutzschicht während des Härtens der Verstärkungsschicht nach außen ausgegeben wird. Dies führt dazu, dass eine große Menge an Gas ausgetragen wird, bis das Aushärten abgeschlossen ist. Mit dieser Konfiguration kann somit verhindert werden, dass Blasen an der Oberfläche des Hochdrucktanks verbleiben, und die Oberflächeneigenschaften können verbessert werden.
- (2) Der Hochdrucktank gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann einen zylindrischen Abschnitt in einer im Wesentlichen zylindrischen Gestalt aufweisen. Eine Bruchdehnung des ersten Harzes kann größer sein als eine Referenzdehnung, die eine Zugdehnung darstellt, die in eine Richtung einer Mittelachse des zylindrischen Abschnitts des Hochdrucktanks bei einem vorgegebenen Drucktest des Hochdrucktanks auftritt, und eine Bruchdehnung des zweiten Harzes kann geringer sein als die Referenzdehnung. Diese Konfiguration führt dazu, dass die Schutzschicht bei einem vorgegebenen Drucktest, der vor dem Ausliefern des Hochdrucktanks durchgeführt wird, kleine Risse bekommt. Diese Konfiguration führt daher dazu, dass das in dem Hochdrucktank enthaltene und durch die Auskleidung und die Verstärkungsschicht übertragene Gas über die kleinen Risse der Schutzschicht während der Nutzung des Hochdrucktanks vom Hochdrucktank abgeführt werden kann, wodurch eine Eintrübung bzw. Wolkenbildung auf der Oberfläche des Hochdrucktanks verhindert werden kann.
- (3) Bei dem Hochdrucktank gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt können die Fasern der Verstärkungsschicht Karbonfasern sein. In anderen Worten: die Verstärkungsschicht kann aus einem karbonfaserverstärkten Harz bestehen, das ein Verbund- bzw. Kompositmaterial aus Karbonfasern und dem ersten Harz ist. Diese Konfiguration führt dazu, dass der Hochdrucktank eine hohe Druckfestigkeit hat.
- (4) Bei dem Hochdrucktank gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann die Schutzschicht ferner Glasfasern oder Aramidfasern umfassen. In anderen Worten: die Verstärkungsschicht kann aus einem faserverstärkten Harz bestehen, das ein Verbund- bzw. Kompositmaterial aus Glasfasern oder Aramidfasern und dem zweiten Harz ist. Diese Konfiguration führt dazu, dass der Hochdrucktank eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse bzw. Anprallwiderstandsfähigkeit hat.
-
Keine der zahlreichen Komponenten, die in den vorstehend beschriebenen Aspekten der Erfindung umfasst sind, ist wesentlich; vielmehr können einige Komponenten der zahlreichen Komponenten in geeigneter Weise verändert, weggelassen oder durch andere Komponenten ersetzt werden, oder ein Teil der Beschränkungen kann entfernt werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erzielen. Um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erzielen, können ein Teil oder alle technische Merkmale, die in einem Aspekt der vorstehend beschriebenen Erfindung enthalten sind, mit einem Teil oder allen technischen Merkmalen, die in den anderen Aspekten der vorstehend beschriebenen Erfindung umfasst sind, kombiniert werden, um einen unabhängigen Aspekt der Erfindung zu schaffen.
-
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene andere Weise ausgeführt werden, beispielsweise in Form eines Brennstoffzellensystems, das mit einem Hochdrucktank ausgestaltet ist, oder einem beweglichen Körper mit einem daran montierten Brennstoffzellensystem.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
1 ist eine Schnittansicht, die den schematischen Aufbau eines Hochdrucktanks gemäß einer Ausführungsform zeigt;
-
2 ist eine Darstellung, die die Temperatur-Viskosität-Eigenschaften eines ersten Harzes und eines zweiten Harzes zeigt;
-
3 ist eine Darstellung, die das Auftreten einer Eintrübung bzw. Wolkenbildung bei einem Hochdrucktank eines Vergleichsbeispiels konzeptartig darstellt; und
-
4 ist eine Darstellung, die konzeptartig darstellt, wie die Eintrübung bzw.
-
Wolkenbildung bei dem Hochdrucktank der Ausführungsform verhindert werden kann.
-
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
A. Erste Ausführungsform
-
A1. Aufbau des Hochdrucktanks
-
1 ist eine Schnittansicht, die den schematischen Aufbau eines Hochdrucktanks 100 gemäß einer Ausführungsform zeigt. Bei dieser Ausführungsform kann der Hochdrucktank 100 beispielsweise mit verdichtetem bzw. komprimiertem Wasserstoff gefüllt sein. Der Hochdrucktank 100 kann beispielsweise an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert sein, um eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen. Der Hochdrucktank 100 muss jedoch nicht notwendigerweise an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert werden, sondern kann auch bei anderen Fahrzeugen wie beispielsweise einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug montiert werden, und kann bei anderen beweglichen Körpern wie einem Schiff oder einem Boot, einem Flugzeug oder einem Roboter montiert werden. Der Hochdrucktank 100 kann auch in einer stationären Einrichtung wie einem Haus oder einem Gebäude installiert werden.
-
Der Hochdrucktank 100 kann ein hohler Behälter mit einem zylindrischen Abschnitt 102, der eine im Wesentlichen zylindrische Form hat, sowie Domabschnitten 104 sein, die eine im Wesentlichen halbkugelartige Form haben und integral an beiden Enden des zylindrischen Abschnitts 102 vorgesehen sind. Grenzen bzw. Übergänge zwischen dem zylindrischen Abschnitt 102 und den Domabschnitten 104 werden durch eine gestrichelte Linie in 1 dargestellt. Der Hochdrucktank 100 kann einen Liner bzw. eine Auskleidung 10, eine Verstärkungsschicht 20, eine Schutzschicht 25, ein Mundstück 30 sowie ein Mundstück 40 umfassen. In der nachfolgenden Beschreibung wird die mit dem Mundstück 30 und dem Mundstück 40 ausgestaltete Auskleidung 10 als „Tankhauptkörper” bezeichnet.
-
Die Auskleidung 10 besteht aus einem Nylonharz und hat blockierende Eigenschaften (Gasbarriere-Eigenschaften) um zu vermeiden, dass in den Innenraum derselben eingefüllter Wasserstoff nach außen austritt. Die Auskleidung 10 kann jedoch auch aus einem anderen synthetischen Harz mit Gasbarriere-Eigenschaften ausgebildet sein, beispielsweise einem Polyethylenharz, oder einem Metall, beispielsweise Edelstahl.
-
Die Verstärkungsschicht 20 ist derart ausgestaltet, dass sie die äußere Fläche des Tankhauptkörpers bedeckt. Genauer gesagt ist die Verstärkungsschicht 20 derart ausgestaltet, dass sie die gesamte Außenfläche der Auskleidung 10 sowie einen Teil der Mundstücke 30 und 40 bedeckt. Die Verstärkungsschicht 20 besteht aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff (CFRP), der ein Kompositmaterial aus einem wärmehärtenden ersten Harz und Karbonfasern darstellt, und hat eine hohe Druckbeständigkeit. Gemäß dieser Ausführungsform ist das verwendete erste Harz ein Epoxidharz, das einen aminbasierten oder wasserfreien Aushärtungsbeschleuniger sowie ein gummibasiertes Verstärkungsmittel umfasst. Das erste Harz ist jedoch nicht unbedingt auf das Epoxidharz beschränkt sondern kann ein anderes wärmehärtendes Harz sein, beispielsweise nicht-gesättigtes Polyesterharz. Die Eigenschaften (Leistung) des ersten Harzes werden nachfolgend beschrieben.
-
Die Schutzschicht 25 ist auf der Verstärkungsschicht 20 ausgebildet. Die Schutzschicht 25 besteht aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFRP), der ein Kompositmaterial aus einem wärmehärtenden zweiten Harz und Glasfasern darstellt und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse bzw. Anprallwiderstandsfähigkeit aufweist als die Verstärkungsschicht 20. Gemäß dieser Ausführungsform ist das verwendete zweite Harz ein Epoxidharz, das einen geringeren Anteil des Aushärtungsbeschleunigers und des Verstärkungsmittels als das erste Harz umfasst, oder das keinen Aushärtebeschleuniger oder das Verstärkungsmittel umfasst, um andere Eigenschaften (Leistung) als das erste Harz zu zeigen. Das zweite Harz ist jedoch nicht unbedingt auf Epoxidharz beschränkt sondern kann ein anderes wärmehärtendes Harz, beispielsweise nicht-gesättigtes Polyesterharz sein. Die Eigenschaften (Leistung) des zweiten Harzes werden nachfolgend beschrieben.
-
Die Mundstücke 30 und 40 sind jeweils an den beiden Öffnungsenden der Auskleidung 10 angebracht. Das Mundstück 30 dient als eine Öffnung des Hochdrucktanks 100, und dient auch als Montagestruktur, die zum Montieren eines Rohres und eines Ventils am Tankhauptkörper verwendet wird. Das Mundstück 30 sowie das Mundstück 40 dienen ferner als Montagestrukturen, die zur Anbringung des Tankhauptkörpers in einer Faserwickelvorrichtung genutzt werden, um die Verstärkungsschicht 20 sowie die Schutzschicht 25 auszubilden.
-
Die Verstärkungsschicht 20 sowie die Schutzschicht 25 können beispielsweise anhand des nachfolgend beschriebenen Verfahrens ausgebildet werden. Ein Tankhauptkörper wird durch Montieren der Mundstücke 30 und 40 an der Auskleidung 10 ausgebildet (Schritt S12). Die mit dem ersten Harz imprägnierte Karbonfaser wird in einer vorgegebenen Anzahl von Wicklungen auf den als Spindel genutzten Tankhauptkörper gewickelt, und die mit dem zweiten Harz imprägnierte Glasfaser wird anschließend in einer vorgegebenen Anzahl von Wicklungen auf die Wicklungen der Karbonfaser gewickelt (Schritt S14). In der nachfolgenden Beschreibung wird das in Schritt S14 hergestellte halbfertige Produkt als „beschichteter Tankhauptkörper” bezeichnet. Der beschichtete Tankhauptkörper wird dann in einem Brennofen platziert und für etwa zwei Stunden auf eine Verfestigungs- bzw. Gelbildungstemperatur des ersten Harzes (beispielsweise 80 bis 100°C) erhitzt (Schritt S16). Die Temperatur wird anschließend auf eine Verfestigungs- bzw. Gelbildungstemperatur des zweiten Harzes (beispielsweise etwa 120 bis 140°C) erhöht, und der beschichtete Tankhauptkörper wird für weitere zwei Stunden erhitzt (Schritt S18). Dieser Prozess härtet die Epoxidharze aus, um die Verstärkungsschicht 20 sowie die Schutzschicht 25 zu bilden.
-
Bei dem Prozess zum Ausbilden der Verstärkungsschicht 20 und der Schutzschicht 25 sind Gase in der Verstärkungsschicht 20 und der Schutzschicht 25 vorhanden. Die Gase können Luft enthalten, die in den Epoxidharzen selbst enthalten ist, die Luft, die während des Wickelns der Faserbündel eingeschlossen wird, sowie Gase, die durch die Härtereaktion der Epoxidharze entstehen. Diese Gase werden durch das Epoxidharz in der flüssigen Form übertragen, um beim Prozess des Ausbildens der Verstärkungsschicht 20 und der Schutzschicht 25 nach außen abgeführt zu werden.
-
2 ist eine Darstellung, welche die Temperatur-Viskosität-Eigenschaften des ersten Harzes und des zweiten Harzes zeigt. 2 ist ein einzelner logarithmischer Graph mit einer Viskositätsachse, die durch eine logarithmische Skala dargestellt ist. Eine zweite Verfestigungs- bzw. Gelbildungstemperatur T2, welche die Gelbildungstemperatur des zweiten Harzes darstellt, ist höher als eine erste Verfestigungs- bzw. Gelbildungstemperatur T1, welche die Gelbildungstemperatur des ersten Harzes darstellt. Bei der ersten Gelbildungstemperatur T1 ist eine Viskosität η2 des zweiten Harzes niedriger als eine Viskosität η1 des ersten Harzes. Die erste Gelbildungstemperatur T1 und die zweite Gelbildungstemperatur T2 sollen dabei die Beziehung erfüllen: erste Gelbildungstemperatur T1 < zweite Gelbildungstemperatur T2. Beispielsweise kann die erste Gelbildungstemperatur T1 etwa 80 bis 100°C sein, und die zweite Gelbildungstemperatur T2 kann etwa 100 bis 120°C sein. Eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Gelbildungstemperatur T1 und der zweiten Gelbildungstemperatur T2 kann beispielsweise etwa 10 bis 30°C sein. Diese Temperaturdifferenz ΔT vereinfacht das Freigeben der im ersten Harz und im zweiten Harz enthaltenen Gase nach außen während des Prozesses zum Aushärten des ersten Harzes und des zweiten Harzes. Die Viskosität η1 des ersten Harzes und die Viskosität η2 des zweiten Harzes bei der ersten Gelbildungstemperatur T1 sollen dabei die Beziehung erfüllen: Viskosität η2 des zweiten Harzes < Viskosität η1 des ersten Harzes. Beispielsweise kann die Viskosität η1 des ersten Harzes bei der ersten Gelbildungstemperatur T1 etwa 0,2 bis 0,3 Pa s sein, und die Viskosität η2 des zweiten Harzes bei der ersten Gelbildungstemperatur T1 kann etwa 0,08 bis 0,1 Pa s sein. Die Viskositätsdifferenz Δη zwischen der Viskosität η1 des ersten Harzes und der Viskosität η2 des zweiten Harzes kann beispielsweise etwa 0,1 bis 0,3 Pa s sein. Diese Viskositätsdifferenz Δη erleichtert das Freigeben der Gase aus dem ersten Harz und dem zweiten Harz nach außen während des Aushärtens des ersten Harzes und des zweiten Harzes.
-
Der Hochdrucktank 100 der Ausführungsform wird durch Wickeln der mit dem flüssigen ersten Harz imprägnierten Karbonfaser auf die Auskleidung 10, anschließendes Wickeln der mit dem flüssigen zweiten Harz imprägnierten Glasfaser auf die Wicklungen der Karbonfaser und daran anschließendes Erwärmen der Auskleidung 10 mit den darauf gewickelten Faserbündeln zum Aushärten des ersten Harzes und des zweiten Harzes ausgebildet, wie vorstehend beschrieben. Die Gelbildungstemperatur T2 des zweiten Harzes ist höher als die Gelbildungstemperatur T1 des ersten Harzes, so dass das zweite Harz mit einer geringeren Geschwindigkeit als das erste Harz aushärtet. In anderen Worten: das zweite Harz ist noch nicht fest geworden, wenn das erste Harz fest geworden ist. Das in der Verstärkungsschicht 20 enthaltene Gas, beispielsweise das bei dem Aushärtungprozess der Verstärkungsschicht 20 erzeugte Gas, kann somit einfach über das flüssige zweite Harz der Schutzschicht 25 nach außen abgeführt werden. Bei der Gelbildungstemperatur T1 des ersten Harzes ist die Viskosität η2 des zweiten Harzes niedriger als die Viskosität η1 des ersten Harzes. Die niedrigere Viskosität des Harzes führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit, dass das Gas freigesetzt wird, so dass das in der Verstärkungsschicht 20 enthaltene Gas leicht durch die Schutzschicht 25 nach außen ausgegeben werden kann. Wie in 2 gezeigt ist, nehmen die Viskosität des ersten Harzes sowie die Viskosität des zweiten Harzes jeweils mit einer Zunahme der Temperatur bis zur jeweiligen Gelbildungstemperatur ab. Je niedriger die Viskosität des Harzes ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, das Gas freizugeben, jedoch ist es unwahrscheinlich, dass das Gas nach der Gelbildung des Harzes freigegeben wird. In dem Fall, bei welchem die Viskosität η2 des zweiten Harzes bei der ersten Gelbildungstemperatur T1 niedriger ist als die Viskosität η1 des ersten Harzes kann das in der Verstärkungsschicht 20 enthaltene Gas leicht von der Schutzschicht 25, die nahe an der Oberfläche ist, ausgegeben werden, bevor das erste Harz fest wird.
-
Beispielsweise werden, wenn Epoxidharz mit den gleichen Eigenschaften (der gleichen Gelbildungstemperatur und Viskosität) für die Verstärkungsschicht 20 sowie die Schutzschicht 25 verwendet wird, die Verstärkungsschicht 20 sowie die Schutzschicht 25 gleichzeitig fest. Das in der Verstärkungsschicht 20 enthaltene Gas, das an der Innenseite der Schutzschicht 25 liegt, wird somit unwahrscheinlich ausgetragen, jedoch ist es wahrscheinlich, dass sich Blasen auf der Oberfläche des Tanks bilden. Wenn die Viskosität des zweiten Harzes bei der Gelbildungstemperatur des ersten Harzes höher ist als die Viskosität des ersten Harzes, ist es wahrscheinlich, dass sich das in der Verstärkungsschicht 20 enthaltene Gas zwischen der Verstärkungsschicht 20 und der Schutzschicht 25 sammelt. Bei dem Hochdrucktank 100 der Ausführungsform dagegen sind das für die Ausbildung der Schutzschicht 25 verwendete zweite Harz sowie das für die Ausbildung der Verstärkungsschicht 20 verwendete erste Harz wie vorstehend beschrieben wärmehärtende Epoxidharze mit unterschiedlicher Gelbildungstemperatur und unterschiedlicher Viskosität. Diese Konfiguration verbessert das Entlüftungsverhalten (defoaming property) und verbessert dadurch die Oberflächeneigenschaften im Vergleich zu der Konfiguration, bei welcher Blasen auf der Oberfläche des Tanks verbleiben. Man geht davon aus, dass dies die Montage des Tanks am Fahrzeug sowie die Sichtbarkeit eines zwischen der Verstärkungsschicht 20 und der Schutzschicht 25 angeordneten Etiketts verbessert. Darüber hinaus erfordert diese Konfiguration ferner keinen Prozess zum Entfernen der Blasen, welche auf der Oberfläche des Tanks verbleiben, und verringert somit die Arbeitszeit zum Herstellen des Hochdrucktanks.
-
Eine in Richtung der Mittelachse des zylindrischen Abschnitts 102 nach einem vorgegebenen Drucktest des Hochdrucktanks 100 auftretende Zugdehnung wird als Referenzdehnung es bezeichnet. Eine Bruchdehnung (Zugbruchdehnung) ε1 des ersten Harzes ist größer als die Referenzdehnung εs, während die Bruchdehnung (Zugbruchdehnung) ε2 des zweiten Harzes kleiner als die Referenzdehnung εs ist. Der vorgegebene Drucktest ist hierbei ein Test, der notwendigerweise vor dem Versand des Hochdrucktanks 100 ausgeführt wird, und stellt einen Drucktest dar, der bei einem Tank mit einem Nennbetriebspunkt von 70 MPa ausgeführt wird, um den Innendruck des Tanks auf etwa 105 MPa entsprechend dieser Ausführungsform zu erhöhen. Die Referenzdehnung εs bei diesem Drucktest ist etwa 0,34%. Die Referenzdehnung εs ist jedoch nicht unbedingt auf diesen Wert beschränkt sondern kann 0,30 bis 0,40% sein. Der vorgegebene Drucktest ist nicht unbedingt auf den gemäß dieser Ausführungsform ausgeführten Drucktest beschränkt. Die Zugdehnung nach jedem benötigten vorgegebenen Drucktest kann als Referenzdehnung εs bezeichnet werden. Beispielsweise kann der Innendruck des Tanks beim Drucktest willkürlich in einem Bereich von 70 bis 140 MPa eingestellt werden.
-
Die Bruchdehnung ε1 des ersten Harzes sowie die Bruchdehnung ε2 des zweiten Harzes können anhand des nachfolgenden Verfahrens gemessen werden. Eine Probe eines jeden einzelnen Harzes für den Zugversuch wird vorbereitet und in einem Zugversuch getestet. Die Ausdehnung bzw. Verlängerung oder Dehnung der Probe wird durch einen kontaktlosen Dehnungsmesser ermittelt, und die Zugdehnung wird anhand der gemessenen Ausdehnung berechnet. Gemäß dieser Ausführungsform kann der kontaktlose Dehnungsmesser verwendet werden, um Linien am Rand des schwächsten Bereichs der Probe mit einem Marker zu ziehen, und den Abstand der Linien mit einem Bildsensor, beispielsweise einer CCD-Kamera (Ladungskopplungselement-Kamera), zu messen. Die Zuggeschwindigkeit kann etwa 0,2 mm/min sein. Die Zugdehnung beim Brechen bzw. Reißen der Probe im Zugversuch d. h. die maximale Dehnung, welche auf die Probe beim Zugversuch wirkt, wird als Bruchdehnung bezeichnet.
-
3 ist eine Darstellung, die konzeptartig das Auftreten einer Eintrübung bzw. Wolkenbildung bei einem Hochdrucktank eines Vergleichsbeispiels zeigt. Bei dem Hochdrucktank des Vergleichsbeispiels enthalten eine Verstärkungsschicht 20p aus CFRP sowie eine Schutzschicht 25p aus GFRP jeweils Epoxidharz mit den gleichen Eigenschaften. Das für die Verstärkungsschicht 20p sowie die Schutzschicht 25p des Vergleichsbeispiels genutzte Epoxidharz hat eine hohe Bruchdehnung, um die Festigkeit des Tanks zu gewährleisten. Beispielsweise kann das im Vergleichsbeispiel genutzte Epoxidharz das gleiche Epoxidharz wie das erste Harz der Ausführungsform sein. 3 zeigt den Schnitt eines Teils der Verstärkungsschicht 20p und der Schutzschicht 20p in Nahaufnahme.
-
Eine Prüfmenge (trace amount) des Gases (beispielsweise Wasserstoff) das in den Hochdrucktank des Vergleichsbeispiels gefüllt ist, wird wahrscheinlich durch die Auskleidung 10 übertragen, und weiter durch die Verstärkungsschicht 20p übertragen. Die Schutzschicht 25p hat eine hohe Bruchdehnung, so dass die Oberflächenschicht der Schutzschicht 25p durch das übertragene Gas wie in der oberen Zeichnung von 3 dargestellt ausgedehnt wird. Durch diese Ausdehnung der Oberflächenschicht der Schutzschicht 25p wird das übertragene Gas nicht abgeführt. Eine zunehmende Ansammlung des übertragenen Gases bei der fortwährenden Verwendung des Hochdrucktanks führt zu einer weiteren Ausdehnung und eventuell zu einem Reißen bzw. Brechen der Oberfläche der Schutzschicht 20p und verursacht eine Eintrübung bzw. Wolkenbildung (wie in der unteren Zeichnung von 3 gezeigt).
-
4 ist eine Darstellung, die konzeptartig das Verhindern der Eintrübung bzw. Wolkenbildung bei einem Hochdrucktank 100 der Ausführungsform zeigt. Der Hochdrucktank 100 der Ausführungsform erfüllt die Bedingung, wonach: Bruchdehnung ε1 des ersten Harzes > Referenzdehnung εs > Bruchdehnung ε2 des zweiten Harzes, so dass der vorgegebene Drecktest des zum Messen der Referenzdehnung εs wahrscheinlich zu einem Reißen bzw. Brechen der Schutzschicht 25 führt. Wie vorstehend beschrieben ist, wird der vorgegebene Drucktest notwendigerweise vor dem Versand des Hochdrucktanks 100 ausgeführt, so dass die Schutzschicht 25 vor der Verwendung des Hochdrucktanks 100 bereits Risse aufweist. Wenn das in den Hochdrucktank 100 gefüllte Gas während der Verwendung des Hochdrucktanks 100 durch die Auskleidung 10 sowie durch die Verstärkungsschicht 20 übertragen wird, wird das übertragene Gas durch die Risse in der Schutzschicht 25 vom Hochdrucktank 100 abgeführt. Dies führt zu einer Verhinderung der Eintrübung bzw. Wolkenbildung, die durch die Ausdehnung und einen eventuellen Bruch der Schutzschicht 25 durch das übertragene Gas verursacht wird. Da die Beziehung Referenzdehnung εs < Bruchdehnung ε1 des ersten Harzes gilt, bilden sich in der Verstärkungsschicht 20 andererseits keine Risse bei dem vorgegebenen Drucktest, der vor dem Versand ausgeführt wird. Diese Konfiguration des Hochdrucktanks 100 erzeugt beabsichtigt vor dem Versand kleine Risse in der Schutzschicht 25, um das Auftreten einer Eintrübung bzw. Wolkenbildung auf der Oberfläche des Hochdrucktanks 100 zu vermeiden, während die Gasbarriere-Eigenschaften der Auskleidung 10 und der Verstärkungsschicht 20 gewährleistet werden. Dies verringert somit die Geräusche, die durch das Auftreten der Wolkenbildung bzw. Eintrübung verursacht werden.
-
B. Abwandlungen
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Konfigurationen beschränkt sondern kann durch eine Vielzahl anderer Konfigurationen ausgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Einige Beispiele möglicher Abwandlungen werden nachfolgend beschrieben.
- (1) Das im Hochdrucktank 100 enthaltene Fluid ist nicht unbedingt auf komprimierten Wasserstoff, wie vorstehend beschrieben, begrenzt, sondern kann jedes Hochdruckfluid, beispielsweise komprimierter Stickstoff sein.
- (2) Die in der Verstärkungsschicht 20 sowie in der Schutzschicht 25 enthaltenen Fasern können jede von verschiedenen Fasern sein, die verwendet werden können, um ein faserverstärktes Harz auszubilden, beispielsweise Karbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Dyneema-Fasern (eingetragenes Markenzeichen der DSM Dyneema), Zylonfasern (eingetragenes Markeneichen der TOYOBO CO., LTD.) und Borfasern. Die Fasern können derart ausgewählt werden, dass die Verstärkungsschicht 20 eine hohe Druckbeständigkeit bildet, und die Schutzschicht 25 eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse bzw. Anprallwiderstandsfähigkeit als die Verstärkungsschicht 20 bildet. Karbonfasern können als Fasern für die Verstärkungsschicht 20 verwendet werden, und Glasfasern oder Aramidfasern können als Fasern für die Schutzschicht 25 verwendet werden. Hierdurch wird vorzugsweise eine Verstärkungsschicht 20 mit hoher Druckbeständigkeit sowie eine Schutzschicht 25 mit einer höheren Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse bzw. Anprallwiderstandsfähigkeit als die der Verstärkungsschicht 20 gebildet.
-
Eine Schicht der Verstärkungsschicht 20 und die Schutzschicht 25 kann aus einem faserverstärkten Harz gebildet sein, und die andere Schicht kann nur aus Harz (das nicht faserverstärkt ist) gebildet werden. Gemäß einer Abwandlung kann die Verstärkungsschicht 20 aus einem glasfaserverstärkten Harz gebildet werden, das ein Kompositmaterial des ersten Harzes und der Glasfasern ist, während die Schutzschicht 25 nur aus dem zweiten Harz besteht. Gemäß einer anderen Abwandlung können sowohl die Verstärkungsschicht 20 als auch die Schutzschicht 25 nur aus Harzen (welche nicht faserverstärkt sind) gebildet werden. Im letzteren Fall kann ein Harz, das den gewünschten Druckwiderstand bietet, für die Verstärkungsschicht 20 gewählt werden, und ein Harz, welches die gewünschte Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse bzw. Anprallwiderstandsfähigkeit bietet, welche höher ist als die Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse bzw. Anprallwiderstandsfähigkeit der Verstärkungsschicht 20, kann für die Schutzschicht 25 gewählt werden. Wenn die Verstärkungsschicht 20 oder die Schutzschicht 25 nur aus Harz gebildet sind, können die Verstärkungsschicht 20 oder die Schutzschicht 25 durch Aufsprühen eines Harzes mittels einer bekannten Technik, beispielsweise Sprühbeschichtung, und anschließendes Aufwärmen des Harzes gebildet werden. Wenn beispielsweise die Schutzschicht 25 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform nur aus dem zweiten Harz besteht, können die Verstärkungsschicht 20 und die Schutzschicht 25 durch Wickeln der mit dem ersten Harz imprägnierten Karbonfasern auf die Auskleidung 10, Aufsprühen des zweiten Harzes auf die Karbonfaserwicklungen mittels einer bekannten Technik wie Sprühbeschichtung und anschließendes Erwärmen der mit Harz besprühten Auskleidung 10 mit der Karbonfaserwicklung zum Aushärten des ersten Harzes und zweiten Harzes gebildet werden.
- (3) Die vorstehende Ausführungsform verwendet die gleiche Art von Harz (Epoxidharze) mit unterschiedlichen Eigenschaften für das erste Harz und das zweite Harz. Gemäß einer Abwandlung können verschiedene Arten von wärmehärtenden Harzen für das erste Harz und das zweite Harz verwendet werden. Beispielsweise kann das erste Harz ein nicht-gesättigtes Polyesterharz sein, und das zweite Harz kann Epoxidharz sein oder umgekehrt. Selbst in dem Fall, bei welchem verschiedene Arten von Harzen für das erste Harz und das zweite Harz verwendet werden, verhindert das Erfüllen der Beziehung: erste Gelbildungstemperatur T1 < zweite Gelbildungstemperatur T2 sowie der Beziehung: Viskosität η1 des ersten Harzes > Viskosität η2 des zweiten Harzes bei der ersten Gelbildungstemperatur T1 das Ausbilden von Blasen auf der Oberfläche des Tanks.
- (4) Die vorstehend beschriebene Ausführungsform muss nicht unbedingt die Beziehung erfüllen, dass: Bruchdehnung ε1 des ersten Harzes > Referenzdehnung εs > Bruchdehnung ε2 des zweiten Harzes. Selbst diese Abwandlung verhindert zumindest, dass Blasen auf der Oberfläche des Hochdrucktanks 100 verbleiben und verbessert die Oberflächeneigenschaften.
- (5) Das Verfahren zum Herstellen der Verstärkungsschicht 20 sowie der Schutzschicht 25 ist nicht unbedingt auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die Aufheiztemperatur sowie Aufheizzeit können in geeigneter Weise verändert werden, beispielsweise abhängig von der Art der verwendeten Harze und des Aufbaus des Tanks. Das Temperaturanstiegsprofil kann ein stufenförmiges Profil mit drei oder mehr Stufen sein, oder kann ein über die Zeit lineares Profil sein.
-
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, Beispiele und Abwandlungen beschränkt, sondern kann in einer Vielzahl anderer Konfigurationen ausgestaltet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale einer jeden Ausführungsform, der Beispiele und Abwandlung, welche den technischen Merkmalen eines jeden in der Kurzfassung beschriebenen Aspekts entsprechen, in geeigneter Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erzielen. Jedes der technischen Merkmale kann in geeigneter Weise weggelassen werden, sofern dieses technische Merkmal hierin nicht als wesentlich beschrieben ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2015-200364 [0001]
- JP 2016-076384 [0001]
- JP 2010-90938 A [0003]
