DE102017127571B4

DE102017127571B4 - Gastankauskleidung und Gastank

Info

Publication number: DE102017127571B4
Application number: DE102017127571.1A
Authority: DE
Inventors: Kentaroh Hioki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2022-03-10
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: CN108332040B; DE102017127571A1; CN111720723B; CN108332040A; CN111720723A; DE102017127571A9; JP6601425B2; JP2018115697A; US10753538B2; US20180202606A1

Abstract

Gastankauskleidung, die Folgendes aufweist:einen zylindrischen Abschnitt, der aus einem ersten Harz ausgebildet ist; undeinen Kuppelabschnitt, der aus einem zweiten Harz ausgebildet ist, wobei der Kuppelabschnitt jeweils an axial gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Abschnitts angeordnet ist, wobeientweder das erste Harz oder das zweite Harz einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten und eine höhere Streckdehnung aufweist als das andere, wobei die Streckdehnung der Schwellwert der Dehnung ist, bei dem, wenn er erreicht wird, das erste Harz oder das zweite Harz nicht mehr in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren kann, wenn sich das erste Harz oder das zweite Harz ansprechend auf das Aufbringen externer Kraft dehnt und nachgibt, und wobeientweder das erste Harz oder das zweite Harz ein Harzmaterial enthält und das andere Harz der beiden Harze das gleiche Harzmaterial und ein Elastomer enthält.

Description

HINTERGRUND
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Gastankauskleidung und einen Gastank.
STAND DER TECHNIK
Ein Brennstoffbehälter, der in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert wird, wird in der JP 2015 - 108 399 A beschrieben. Dieser Brennstoffbehälter ist ein Gastank mit einer Auskleidung aus Harz mit einem zylindrischen Abschnitt im Zentrum und Kuppelabschnitten, die an entgegengesetzten Enden des zylindrischen Abschnitts angeordnet sind. Eine faserverstärkte Harzschicht ist extern von der Auskleidung vorgesehen. Die DE 10 2011 012 704 A1 offenbart ein Gastankauskleidung, die einen zylindrischen Abschnitt und Kuppelabschnitte aufweist. Hierbei wird der zylindrische Abschnitt aus einem ersten Harz, wie Polyethylen, PET, Ethylenvinylalkohol oder einem Polyamid, hergestellt. Die Kuppelabschnitte werden aus einem zweiten Harz, wie Polycarbonat, Polyethylen, PET, POM, Ethylenvinylalkohol, einem Polyamid oder einem glasfaserverstärkten Thermoplasten, hergestellt. Aus der US 2015 / 0 240 993 A1 sowie der US 2003 / 0 111 473 A1 sind weitere Gastankauskleidungen mit einem zylindrischen Abschnitt und Kuppelabschnitten bekannt, die aus unterschiedlichen Harzen hergestellt sind.
Wenn ein Brennstoffzellenfahrzeug durchgehend gefahren wird, insbesondere wenn das Brennstoffzellenfahrzeug beispielsweise auf einer Schnellstraße durchgehend gefahren wird, wird Brenngas durchgehend von dem Brennstoffbehälter an eine Brennstoffzelle geliefert. Der Druck innerhalb des Brennstoffbehälters ist hoch. Daher expandiert das Brenngas adiabatisch, wenn es aus dem Brennstoffbehälter freigelassen wird. Folglich wird die Temperatur der Auskleidung des Brennstoffbehälters reduziert und sie schrumpft. Währenddessen hat die faserverstärkte Harzschicht, die sich extern von der Auskleidung befindet, einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Auskleidung. Daher schrumpft die faserverstärkte Harzschicht nicht weitgehend mit der Temperaturreduzierung. Folglich bildet sich ein Spalt zwischen der Auskleidung, insbesondere zwischen dem Kuppelabschnitt der Auskleidung, und der faserverstärkten Harzschicht. Wenn in diesem Zustand Gas in den Brennstoffbehälter injiziert wird, zwingt der Gasdruck die Auskleidung dazu, sich auszudehnen. Wenn allerdings die Temperatur der Auskleidung niedrig ist, wird das Harz, das die Auskleidung bildet, ausgehärtet und ein entsprechendes Ausdehnen desselben ist schwierig. Dies führt dazu, dass eine plastische Verformung oder eine Beschädigung der Auskleidung während der Gasbefüllung droht.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung wurde vorgenommen, um das oben beschriebene Problem zu lösen und ist in Form der folgenden Aspekte durchführbar.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Gastankauskleidung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Die Auskleidung umfasst: einen zylindrischen Abschnitt, der mittels eines ersten Harzes ausgebildet ist; und einen Kuppelabschnitt, der mittels eines zweiten Harzes ausgebildet ist. Der Kuppelabschnitt ist an jeweils axial gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Abschnitts angeordnet. Entweder das erste Harz oder das zweite Harz hat einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten und eine höhere Streckdehnung als das andere. Die Streckdehnung ist der Schwellwert der Dehnung, bei dem, wenn er erreicht wird, das erste Harz oder das zweite Harz nicht mehr in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren kann, wenn sich das erste Harz oder das zweite Harz ansprechend auf das Aufbringen externer Kraft dehnt und nachgibt. Hierbei enthält entweder das erste Harz oder das zweite Harz ein Harzmaterial und das andere Harz der beiden Harze enthält das gleiche Harzmaterial und ein Elastomer.
Gemäß diesem Aspekt hat entweder das erste Harz oder das zweite Harz einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten als das andere und eine höhere Streckdehnung als das andere. Daher dehnt sich ein Abschnitt der Auskleidung, der mittels des Harzes mit einem hohen Längenausdehnungskoeffizienten und hoher Streckdehnung ausgebildet ist, während der Gasbefüllung leicht aus. Dies ermöglicht es, eine plastische Verformung oder eine Beschädigung der Auskleidung besser zu verhindern, als in dem Fall, in dem die Auskleidung vollständig mittels desselben Harzes ausgebildet ist.
Gemäß diesem Aspekt kann zudem entweder das erste Harz oder das zweite Harz einfach aus einem Harz mit einem hohen Längenausdehnungskoeffizienten und hoher Streckdehnung ausgebildet sein.
Bei der Auskleidung gemäß dem obigen Aspekt kann das zweite Harz einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten und eine höhere Streckdehnung haben als das erste Harz.
Wenn die Auskleidung den zylindrischen Abschnitt und den Kuppelabschnitt umfasst, ist es wahrscheinlich, dass an einer Stelle neben einem axialen Endbereichs des Kuppelabschnitts ein Spalt entsteht. Daher wird durch Erhöhen des Längenausdehnungskoeffizienten des Kuppelabschnitts, um den Kuppelabschnitt mit einer höheren Streckdehnung zu versehen, eine plastische Verformung oder Beschädigung der Auskleidung effizienter verhindert.
Bei der Auskleidung gemäß dem obigen Aspekt kann das andere Harz ferner Fasern umfassen.
Gemäß diesem Aspekt kann das andere Harz aus der Gruppe erstes Harz und zweites Harz einfach als Harz mit einem niedrigen Längenausdehnungskoeffizienten und niedriger Streckdehnung ausgebildet werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Gastank mit den Merkmalen des Anspruchs 4 vorgesehen. Der Gastank weist Folgendes auf: die Auskleidung gemäß einem der oben genannten Aspekte; und eine faserverstärkte Harzschicht, die an einer äußeren Peripherie der Auskleidung ausgebildet ist.
Gemäß diesem Aspekt hat entweder das erste Harz oder das zweite Harz einen hohen Längenausdehnungskoeffizienten und eine hohe Streckdehnung. Dies führt dazu, dass sich ein Abschnitt der Auskleidung, der mittels des Harzes mit einem hohen Längenausdehnungskoeffizienten und hoher Streckdehnung ausgebildet ist, während der Gasbefüllung ausdehnt. Dies ermöglicht es, eine plastische Verformung oder eine Beschädigung der Auskleidung besser zu verhindern, als in dem Fall, in dem die Auskleidung vollständig mittels desselben Harzes ausgebildet ist.
Der Gastank gemäß dem obigen Aspekt erfüllt die folgende Formel:
[Formel 1] $L_{s} \leq 2 L_{d} \frac{(\frac{ε_{d}}{Δ T} - α_{d} + α_{c})}{α_{s} - α_{c} - \frac{ε_{s}}{Δ T}}$
wobei ΔT eine Temperaturdifferenz zwischen einer hohen Temperatur T1 zu einem Zeitpunkt nach Abschluss der Gasbefüllung und einer niedrigen Temperatur T2 zu einem Zeitpunkt vor Beginn der Gasbefüllung ist,
Ls eine axiale Länge des zylindrischen Abschnitts ist und Ld eine axiale Länge des Kuppelabschnitts ist, die jeweils bei der hohen Temperatur T1 liegen,
αs ein durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes ist, αd ein durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient des zweiten Harzes ist und αc ein durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient der faserverstärkten Harzschicht ist, jeweils in einer Zeitspanne von der hohen Temperatur T1 zu der niedrigen Temperatur T2, und
εs die Streckdehnung des ersten Harzes ist und εd die Streckdehnung des zweiten Harzes ist, die jeweils bei der niedrigen Temperatur T2 liegen.
Wenn der Kuppelabschnitt der Auskleidung und eine faserverstärkte Harzschicht sich bei der hohen Temperatur T1 eng berühren und die Temperatur des Gastanks dann auf die niedrige Temperatur T2 reduziert wird, übersteigt der Spalt zwischen dem Kuppelabschnitt und der faserverstärkten Harzschicht gemäß diesem Aspekt nicht die Streckdehnung der Auskleidung. Dies ermöglicht es, eine plastische Verformung oder eine Beschädigung der Auskleidung zuverlässiger zu verhindern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Gastank mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgesehen. Der Gastank weist Folgendes auf:

eine Auskleidung; und
eine faserverstärkte Harzschicht, die an einer äußeren Peripherie der Auskleidung ausgebildet ist, wobei
die Auskleidung Folgendes aufweist:
- einen zylindrischen Abschnitt, der mittels eines ersten Harzes ausgebildet ist; und
einen Kuppelabschnitt, der mittels eines zweiten Harzes ausgebildet ist, wobei der Kuppelabschnitt jeweils an axial gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Abschnitts angeordnet ist, und
die folgende Formel erfüllt wird:

L_{s} \leq 2 L_{d} \frac{(\frac{ε_{d}}{Δ T} - α_{d} + α_{c})}{(α_{s} - α_{c} - \frac{ε_{s}}{Δ T})}

Wenn sich der Kuppelabschnitt der Auskleidung und eine faserverstärkte Harzschicht bei der hohen Temperatur T1 eng berühren und die Temperatur des Gastanks dann auf die niedrige Temperatur T2 reduziert wird, übersteigt der Spalt zwischen dem Kuppelabschnitt und der faserverstärkten Harzschicht gemäß diesem Aspekt nicht die Streckdehnung der Auskleidung. Dies ermöglicht es, eine plastische Verformung oder eine Beschädigung der Auskleidung zuverlässiger zu verhindern.
Bei dem Gastank gemäß dem obigen Aspekt kann die hohe Temperatur T1 etwa plus 85 °C betragen und die niedrige Temperatur T2 kann etwa minus 70 °C betragen.
Wenn begonnen wird, Gas in den leeren Gastank zu injizieren, um den Gastank vollständig mit dem injiziertem Gas zu befüllen, steigt die Temperatur des Gastanks auf etwa plus 85 °C. Wenn begonnen wird, Gas kontinuierlich aus dem vollständig befüllten Gastank abzulassen, um den Gastank zu leeren, wird die Temperatur des Gastanks auf etwa minus 70 °C gesenkt. Daher wird die hohe Temperatur T1 zweckmäßig auf plus 85 °C festlegt während die niedrige Temperatur T2 zweckmäßig auf minus 70 °C festlegt wird.
Die vorliegende Offenbarung ist in Form verschiedener Aspekte durchführbar. Zum Beispiel ist die vorliegende Offenbarung bezüglich verschiedener Aspekte durchführbar, die einen Gastank sowie eine Gastankauskleidung umfassen.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht, die einen Gastank in einem Herstellungszustand bei einer hohen Temperatur T 1 zeigt,
2 ist eine Schnittansicht, die den Gastank in einem Zustand niedriger Temperatur T2 zeigt.
3 ist ein Graph, der eine beispielhafte Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Harzes bei einer niedrigen Temperatur T2 zeigt.
4 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem sich die Auskleidung ansprechend auf Druck bei der niedrigen Temperatur T2 in der ersten Ausführungsform ausdehnt.
5 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem sich die Auskleidung ansprechend auf Druck bei der niedrigen Temperatur T2 in der zweiten Ausführungsform ausdehnt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform:
1 ist eine Schnittansicht, die einen Gastank 10 in einem Zustand zeigt, in dem er bei einer hohen Temperatur T1 (T1 = plus 85 °C) hergestellt wird. Wenn Gas komprimiert wird, steigt seine Temperatur. Wenn begonnen wird, Gas in den Gastank 10, der kein Gas enthält, zu injizieren, um den Gastank 10 vollständig mit dem injiziertem Gas zu befüllen, wird der Gastank 10 nach dem Befüllen auf eine Temperatur von etwa plus 85 °C gesetzt. Der Gastank 10 umfasst eine Auskleidung 100 und eine faserverstärkte Harzschicht 200. Die Auskleidung 100 umfasst einen zylindrischen Abschnitt 110 und zwei Kuppelabschnitte 120, die an axial entgegengesetzten Enden des zylindrischen Abschnitts 110 angeordnet sind. Jede der beiden Kuppelabschnitte 120 umfasst einen zylindrischen Teil 122 und einen im Wesentlichen sphärischen Teil 124. Der im Wesentlichen sphärische Teil 124 ist ein Teil ohne den zylindrischen Teil 122. Der im Wesentlichen sphärische Teil 124 hat einen zentralen Bereich, in dem ein Mündungselement 300 oder ein Mündungselement 310 angebracht sind. Das Mündungselement 300 hat ein Loch 305, um das Innere mit dem Äußeren der Auskleidung 100 zu verbinden. Das Mündungselement 310 weist nicht das Loch 305 auf. Alternativ kann das Mündungselement 310 ein Loch aufweisen. In diesem Fall kann das Loch in dem Mündungselement 310 von einem Blockierelement verschlossen werden.
Der zylindrische Abschnitt 110 wird mittels eines ersten Harzes ausgebildet. Der Kuppelabschnitt 120 wird mittels eines zweiten Harzes ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist das erste Harz, das den zylindrischen Abschnitt 110 ausbildet, ein thermoplastisches Harz und enthält Glasfaser. Wie das erste Harz ist das zweite Harz, das den Kuppelabschnitt 120 ausbildet, ein thermoplastisches Harz und enthält ein Elastomer anstelle von Glasfasern. Daher hat das erste Harz einen niedrigeren Längenausdehnungskoeffizienten und eine niedrigere Streckdehnung als ein Harz, das keinen Elastomer enthält. Ferner hat das zweite Harz einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten und eine höhere Streckdehnung als ein Harz, das keine Glasfaser enthält. Insbesondere hat das zweite Harz einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten und eine höhere Streckdehnung als das erste Harz. Beispiele für das thermoplastische Harz, die für das erste Harz und das zweite Harz verfügbar sind, umfassen Nylon-n, wie beispielsweise Nylon-6 und Nylon-12, Nylon-n,m, wie beispielsweise Nylon-6,6 und Harzmaterialien wie beispielsweise hochdichtes Polyethylen (HDPE) und Polypropylen. Beispiele für verfügbaren Gummi für den Elastomer sind unter anderem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM). Das erste Harz und das zweite Harz enthalten dasselbe spezifische Harzmaterial. Daher ist es dem ersten Harz und dem zweiten Harz erlaubt, im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften bezüglich der Gasbarriereneigenschaften zu haben, mit Ausnahme des Längenausdehnungskoeffizienten und der Streckdehnung.
Die faserverstärkte Harzschicht 200 ist an einer äußeren Peripherie der Auskleidung 100 ausgebildet und ist beispielsweise aus einem duroplastischen Harz, das Kohlenstofffaser enthält, ausgebildet. Ein Epoxidharz ist beispielsweise für das duroplastische Harz verfügbar. Die faserverstärkte Harzschicht 200 wird ausgebildet, indem das duroplastische Harz in einem geschmolzenen Zustand mit der Kohlenstofffaser verbunden wird, die Kohlenstofffaser mit dem gebundenen duroplastischen Harz um die Auskleidung 100 gewickelt wird und das durplastische Harz dann mit Wärme ausgehärtet wird.
In dieser Ausführungsform wird die Größe der Auskleidung 100 durch einen Radius Lr und eine axiale Länge Ll bestimmt. Unter der Annahme, dass der zylindrische Abschnitt 110 eine axiale Länge Ls und der Kuppelabschnitt 120 eine axiale Länge Ld hat, wird eine Beziehung von Ll = Ls + 2Ld etabliert. Die Innenoberfläche der faserverstärkten Harzschicht 200 weist eine axiale Länge Lc (= L1) auf. Es wird angenommen, dass in dem Zustand der hohen Temperatur (85 °C) die äußere Oberfläche des Kuppelabschnitts 120 der Auskleidung 100 die Innenoberfläche der faserverstärkten Harzschicht 200 eng berührt. Es wird ebenfalls angenommen, dass die Spannung in diesem Zustand zwischen dem Kuppelabschnitt 120 und der faserverstärkten Harzschicht 200 null beträgt.
2 ist eine Schnittansicht, die den Gastank 10 in einem Zustand niedriger Temperatur T2 (T2 = minus 70 °C) zeigt. Die Gastemperatur reduziert sich mit Expandieren des Gases. Wenn damit begonnen wird, Gas kontinuierlich aus dem Gastank 10, der vollständig mit dem Gas gefüllt ist, abzulassen, um das Gas aus dem Gastank 10 zu entleeren, wird der Gastank 10, aus dem das Gas geleerte wurde, auf eine Temperatur von minus 70 °C gesetzt. Diese Temperatur entspricht einer Temperatur bevor mit der Gasbefüllung begonnen wird. Mit Freisetzen des Gases aus dem Gastank 10 expandiert das Gas adiabatisch, um die Temperatur des Gases und die der Auskleidung 100 zu verringern. Diese Temperaturen werden auf niedrigste Grade reduziert, wenn damit begonnen wird, das Gas kontinuierlich aus dem Gastank 10, der vollständig mit Gas befüllt ist, freizusetzen, um das Gas beinahe vollständig aus dem Gastank 10 zu entleeren. In diesem Fall wird die Temperatur der Auskleidung 100 auf minus 70 °C reduziert. Wenn ein Automobil, das mit dem Gastank 10 als Brennstoffbehälter ausgestattet ist, beispielsweise kontinuierlich auf einer Schnellstraße gefahren wird, wird die Temperatur der Auskleidung 100 auf den niedrigsten Grad reduziert. Das Harz, das die Auskleidung 100 ausbildet, schrumpft, wenn seine Temperatur reduziert wird. Die Bezugszeichen Ll', Lr', Ls' und Ld', die in 2 gezeigt werden, bezeichnen jeweils die axiale Länge der Auskleidung 100, den Radius der Auskleidung 100, die axiale Länge des zylindrischen Abschnitts 110 und die axiale Länge des Kuppelabschnitts 120, welche jeweils bei der niedrigen Temperatur T2 liegen. In dieser Ausführungsform ist die axiale Länge LI der Auskleidung 100 ausreichend größer als der Durchmesser 2Lr und dies führt dazu, dass die Auskleidung 100 axial weitgehend schrumpft. Dies erzeugt einen sich axial erstreckenden Spalt 130 von einer Größe t zwischen dem im Wesentlichen sphärischen Teil 124 des Kuppelabschnitts 120 und der Auskleidung 100 und der faserverstärkten Harzschicht 200. Die faserverstärkte Harzschicht 200 schrumpft ebenfalls axial. Unterdessen hat die faserverstärkte Harzschicht 200 einen geringen Längenausdehnungskoeffizienten aufgrund des Einschlusses von Fasern, sodass sie nicht so viel wie die Auskleidung 100 schrumpft. Die Auskleidung 100 ist nicht vollständig frei von radialem Schrumpfen. Allerdings ist der Durchmesser 2Lr kleiner als die axiale Länge LI der Auskleidung 100, sodass die Auskleidung 100 weitgehend nicht radial schrumpft.
Wenn Gas in den Gastank 10 in Anwesenheit des Spalts 130 zwischen der Auskleidung 100 und der faserverstärkten Harzschicht 200 injiziert wird, expandiert die Auskleidung 100 ansprechend auf den Gasdruck in Richtung des Spalts 130. Im Allgemeinen, wenn eine externe Kraft auf das Harz einwirkt und das Harz bis zu einer gewissen Grenze oder weiter beansprucht, gibt das Harz nach und ist außerstande, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Diese Dehnungsgrenze (auch „Streckdehnung“ genannt) sinkt im Allgemeinen bei einer niedrigeren Temperatur.
3 ist ein Graph, der eine beispielhafte Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Harzes bei einer niedrigen Temperatur (T2 = minus 70 °C) zeigt. Wie in diesem Beispiel gezeigt, erreichen viele Harze die Streckspannung bei einer oberen Streckgrenze Yp und dann wird die Spannung reduziert, was zu einem Bruch des Harzes führt. In dieser Spezifikation wird Dehnung, die an der oberen Streckgrenze Yp auftritt, „Streckdehnung“ genannt.
4 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem sich die Auskleidung 100 ansprechend auf Druck bei der niedrigen Temperatur T2 in der ersten Ausführungsform ausdehnt. 4 zeigt das Mündungselement 300 und seine Umgebung. Wenn die Auskleidung 100 mit Gas gefüllt ist, steigt der Druck P des Gases in der Auskleidung 100 und drängt die Auskleidung 100 zum Ausdehnen. In diesem Fall haften im Wesentlichen die Auskleidung 100 und die faserverstärkte Harzschicht 200 in Radialrichtung der Auskleidung 100 aneinander. Daher erfährt die Auskleidung 100, die zu expandieren versucht, Widerstandskraft von der faserverstärkten Harzschicht 200. Daher findet im Wesentlichen keine radiale Expansion statt. Dagegen expandiert die Auskleidung 100 aufgrund der Anwesenheit des Spalts 130 axial auf lineare Art und Weise derart, dass der Spalt 130 verringert wird.
In der ersten Ausführungsform enthält das zweite Harz, das den Kuppelabschnitt 120 ausbildet, ein Elastomer, sodass ein Längenausdehnungskoeffizient höher ist und die Streckdehnung in dem Kuppelabschnitt 120 höher ist als in dem zylindrischen Abschnitt 110. Daher expandiert der Kuppelabschnitt 120, welcher mittels eines Harzes mit einem hohen Längenausdehnungskoeffizienten ausgebildet wurde, während der Ausdehnung der Auskleidung 100 linear. Folglich expandiert zum Zeitpunkt der Expansion der Auskleidung 100 die Auskleidung 100 in dem Kuppelabschnitt 120 leichter, um ein Unterdrücken plastischer Verformung oder von Schäden der Auskleidung 100 im größerem Maße zu ermöglichen als im Falle der Auskleidung 100, die vollständig mittels Harz ausgebildet ist, welches kein Elastomer enthält.
Unterdessen, wenn die Auskleidung 100 vollständig mittels eines Harzes, das Elastomer beinhaltet, ausgebildet ist, schrumpft die Auskleidung 100 ansprechend auf die Temperaturreduktion der Auskleidung 100 in größerem Ausmaß und erhöht den Spalt 130. In diesem Falle, wenn die Auskleidung 100 ansprechend auf den Gasdruck bei einer niedrigen Temperatur expandiert, kann das Harz, das die Auskleidung 100 ausbildet, plastisch verformt oder beschädigt werden, bevor die Auskleidung 100 die faserverstärkte Harzschicht 200 berührt, um Widerstandskraft von der faserverstärkten Harzschicht 200 zu erhalten. In der ersten Ausführungsform wird der zylindrische Abschnitt 110 mittels des ersten Harzes ausgebildet, das kein Elastomer enthält, und weist einen niedrigen Längenausdehnungskoeffizienten auf. Daher schrumpft der zylindrische Abschnitt 110 ansprechend auf eine Temperaturreduktion der Auskleidung 100 nicht wesentlich, um den Spalt 130 zu reduzieren. Folglich, wenn die Auskleidung 100 ansprechend auf den Gasdruck expandiert, berührt der Kuppelabschnitt 120 die faserverstärkte Harzschicht 200, um Widerstandskraft von der faserverstärkten Harzschicht 200 zu erhalten, bevor das Harz, aus dem der Kuppelabschnitt 120 ausgebildet ist, plastisch verformt oder beschädigt wird. Auf diese Art und Weise ist es unwahrscheinlich, dass die Auskleidung 100 plastisch verformt oder beschädigt wird.
Zweite Ausführungsform:
5 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem sich die Auskleidung 100 ansprechend auf Druck bei der niedrigen Temperatur T2 in einer zweiten Ausführungsform ausdehnt. In der zweiten Ausführungsform, anders als bei der ersten Ausführungsform, wird das erste Harz, das den zylindrischen Abschnitt 110 ausbildet, mittels eines Harzes ausgebildet, das einen hohen Längenausdehnungskoeffizienten und eine hohe Streckdehnung aufweist, während das zweite Harz, das den Kuppelabschnitt 120 ausbildet, mittels eines Harzes mit einem niedrigeren Längenausdehnungskoeffizienten und niedrigerer Streckdehnung als das Harz des zylindrischen Abschnitts 110 ausgebildet wird.
In der zweiten Ausführungsform, wenn die Auskleidung 100 ansprechend auf den Gasdruck innerhalb der Auskleidung 100 linear expandiert, wird der Kuppelabschnitt 120 nicht wesentlich umgeformt und der zylindrische Abschnitt 110 expandiert axial. Das erste Harz, das den zylindrischen Abschnitt 110 ausbildet, hat einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten und eine höhere Streckdehnung, sodass es unwahrscheinlich ist, dass es plastisch verformt und beschädigt wird. Wie oben beschrieben kann das erste Harz, das den zylindrischen Abschnitt 110 ausbildet, mittels eines Harzes mit einem höheren Längenausdehnungskoeffizienten und einer höheren Streckdehnung als das zweite Harz ausgebildet sein. Die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform können wie folgt zusammengefasst werden. Entweder das erste Harz, das den zylindrischen Abschnitt 110 ausbildet, oder das zweite Harz, das den Kuppelabschnitt 120 ausbildet, muss einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten und eine höhere Streckdehnung als das andere aufweisen.
Dritte Ausführungsform:
In den oben beschriebenen Ausführungsformen werden keine Werte bezüglich des Längenausdehnungskoeffizienten eines Harzes, das die Auskleidung 100 ausbildet, oder bezüglich der Größenordnung der Streckdehnung genannt. Eine Beziehung zwischen solchen Werten wird in einer dritten Ausführungsform beschrieben.
Der Wert und die Eigenschaften von jedem der in 1 gezeigten Elemente werden wie folgt definiert:

Ls: Axiale Länge des zylindrischen Abschnitts 110 der Auskleidung 100 bei der hohen Temperatur T1
Ld: Axiale Länge des Kuppelabschnitts 120 bei der hohen Temperatur T1
Lc: Axiale Länge der faserverstärkten Harzschicht 200 bei der hohen Temperatur T1
αs: Durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes, das den zylindrischen Abschnitt 110 ausbildet, in einer Phase von der hohen Temperatur T1 zu der niedrigen Temperatur T2
αd: Durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient des zweiten Harzes, das den Kuppelabschnitt 120 ausbildet, in der Phase von der hohen Temperatur T1 zu der niedrigen Temperatur T2
αc: Durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient der faserverstärkten Harzschicht 200 in der Zeitspanne von der hohen Temperatur T1 zu der niedrigen Temperatur T2
εs: Streckdehnung des ersten Harzes bei der niedrigen Temperatur T2
εd: Streckdehnung des zweiten Harzes bei der niedrigen Temperatur T2

Die axiale Größe t des Spalts 130 in dem Zustand niedriger Temperatur T2, der in 2 gezeigt wird, wird durch die folgende Gleichung definiert:
[Formel 3] $2 t = (α_{s} L_{s} + 2 α_{d} L_{d} - α_{c} L_{c}) Δ T$
In der Formel (3) zeigt der erste Term auf der rechten Seite (αsLs × ΔT), welcher aus dem Entfernen der Klammern entsteht, das Ausmaß des axialen Schrumpfens des zylindrischen Abschnitts 110. Ebenso zeigt der zweite Term auf der rechten Seite (2 × αdLd × ΔT) das Ausmaß des axialen Schrumpfens der beiden Kuppelabschnitte 120. Ebenso zeigt der dritte Term auf der rechten Seite (αcLc × ΔT) das Ausmaß des axialen Schrumpfens der faserverstärkten Harzschicht 200. Der Grund, warum der dritte Term ein Minuszeichen erhält, ist, dass das Schrumpfen der faserverstärkten Harzschicht 200 den Spalt 130 reduziert. Zum Beispiel beträgt die Temperaturdifferenz ΔT (= T1 - T2) 155 °C.
Wenn die folgende Formel erfüllt wird, kann eine plastische Verformung oder Beschädigung der Auskleidung 100 bei Befüllung der Auskleidung 100 mit expandierendem Gas verhindert werden:
[Formel 4] $2 t \leq 2 ε_{d} L_{d} + ε_{s} L_{s}$
Der erste Term (2εdLd) auf der rechten Seite der Formel (4) zeigt Dehnung, die auftritt, wenn die Kuppelabschnitte 120 ansprechend auf den Innendruck P expandieren. Der zweite Term (εsLs) auf der rechten Seite der Formel (4) zeigt Dehnung, die auftritt, wenn der zylindrische Abschnitt 110 ansprechend auf den Innendruck P expandiert.
Eine Beziehung, die durch die nachfolgende Formel ausgedrückt wird, wird zwischen der axialen Länge Ls des zylindrischen Abschnitts 110 der Auskleidung 100, der axialen Länge Ld des Kuppelabschnitts 120 der Auskleidung 100 und der axialen Länge Lc der faserverstärkten Harzschicht 200 hergestellt, welche jeweils bei der hohen Temperatur T1 liegen:
[Formel 5] $L_{c} = L_{d} + 2 L_{d}$
Die folgende Formel wird erzielt, indem die oben angegebenen Formeln (3), (4) und (5) bezüglich Ls gelöst werden:
[Formel 6] $L_{s} \leq 2 L_{d} \frac{(\frac{ε_{d}}{Δ T} - α_{d} + α_{c})}{(α_{s} - α_{c} - \frac{ε_{s}}{Δ T})}$
Solange die Länge Ls des zylindrischen Abschnitts 110 und die axiale Länge Ld des Kuppelabschnitts 120 der Auskleidung 100 so bestimmt werden, dass sie die Formel (6) erfüllen, überschreitet die axiale Größe t des Spalts 130 zwischen dem Kuppelabschnitt 120 der Auskleidung 100 und der faserverstärkten Harzschicht 200 nicht die Streckdehnung der Auskleidung 100, wenn der Kuppelabschnitt 120 und die faserverstärkte Harzschicht 200 sich bei der hohen Temperatur T1 eng berühren und die Temperatur des Gastanks 10 auf die niedrige Temperatur T2 reduziert wird. Dies ermöglicht es, eine plastische Verformung oder Beschädigung der Auskleidung 100 zuverlässiger zu reduzieren. Zudem, wenn entweder eine der Längen Ls des zylindrischen Abschnitts 110 oder die axiale Länge Ld des Kuppelabschnitts 120 der Auskleidung 100 bekannt ist, kann die andere leicht mittels der Formel (6) ausgerechnet werden. Die durchschnittlichen Längenausdehnungskoeffizienten αd, αs und αc sowie die Streckdehnungen εd und εs werden über Versuche erhalten.
Erste andere Ausführungsform:

In den oben beschriebenen Ausführungsformen werden durch den Einschluss eines Elastomers in einem Harz der Längenausdehnungskoeffizient und die Streckdehnung des Harzes erhöht. Ferner werden durch den Einschluss von Glasfasern in einem Harz der Längenausdehnungskoeffizient und die Streckdehnung des Harzes reduziert. Alternativ kann nur einer der Einschlüsse verwendet werden. Zudem ist anstelle von Kautschuk ein Ester wie beispielsweise ein Polyester als Elastomer verfügbar. Die Glasfasern können auch durch andere Fasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, ersetzt werden.

Zweite andere Ausführungsform:

In den oben-beschriebenen Ausführungsformen ist die faserverstärkte Harzschicht 200 eine einzelne Schicht. Alternativ kann die faserverstärkte Harzschicht zwei Schichten mit einer Innenschicht und einer Außenschicht aufweisen. In diesem Fall wird der Wert eines durchschnittlichen Längenausdehnungskoeffizienten an der Innenschicht als Wert des durchschnittlichen Längenausdehnungskoeffizient αc der faserverstärkten Harzschicht 200 der dritten Ausführungsform verwendet.

Claims

Gastankauskleidung, die Folgendes aufweist: einen zylindrischen Abschnitt, der aus einem ersten Harz ausgebildet ist; und einen Kuppelabschnitt, der aus einem zweiten Harz ausgebildet ist, wobei der Kuppelabschnitt jeweils an axial gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Abschnitts angeordnet ist, wobei entweder das erste Harz oder das zweite Harz einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten und eine höhere Streckdehnung aufweist als das andere, wobei die Streckdehnung der Schwellwert der Dehnung ist, bei dem, wenn er erreicht wird, das erste Harz oder das zweite Harz nicht mehr in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren kann, wenn sich das erste Harz oder das zweite Harz ansprechend auf das Aufbringen externer Kraft dehnt und nachgibt, und wobei entweder das erste Harz oder das zweite Harz ein Harzmaterial enthält und das andere Harz der beiden Harze das gleiche Harzmaterial und ein Elastomer enthält.
Auskleidung nach Anspruch 1, wobei das zweite Harz einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten und eine höhere Streckdehnung aufweist als das erste Harz.
Auskleidung nach Anspruch1 oder 2, wobei das andere Harz ferner Fasern enthält.
Gastank, der Folgendes aufweist: die Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und eine faserverstärkte Harzschicht, die an einer äußeren Peripherie der Auskleidung ausgebildet ist.
Gastank nach Anspruch 4, wobei die folgende Formel erfüllt wird: [Formel 1] $L_{s} \leq 2 L_{d} \frac{(\frac{ε_{d}}{Δ T} - α_{d} + α_{c})}{(α_{s} - α_{c} - \frac{ε_{s}}{Δ T})}$
wobei ΔT eine Temperaturdifferenz zwischen einer hohen Temperatur T1 zu einem Zeitpunkt nach Abschluss der Gasbefüllung und einer niedrigen Temperatur T2 zu einem Zeitpunkt vor Beginn der Gasbefüllung ist, Ls eine axiale Länge des zylindrischen Abschnitts ist und Ld eine axiale Länge des Kuppelabschnitts ist, die jeweils bei der hohen Temperatur T1 liegen, αs ein durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes ist, αd ein durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient des zweiten Harzes ist und αc ein durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient der faserverstärkten Harzschicht ist, jeweils in einer Zeitspanne von der hohen Temperatur T1 zu der niedrigen Temperatur T2, und εs die Streckdehnung des ersten Harzes ist und εd die Streckdehnung des zweiten Harzes ist, die jeweils bei der niedrigen Temperatur T2 liegen.
Gastank, der Folgendes aufweist: eine Auskleidung; und eine faserverstärkte Harzschicht, die an einer äußeren Peripherie der Auskleidung ausgebildet ist, wobei die Auskleidung Folgendes aufweist: einen zylindrischen Abschnitt, der aus einem ersten Harz ausgebildet ist; und einen Kuppelabschnitt, der mittels eines zweiten Harzes ausgebildet ist, wobei der Kuppelabschnitt jeweils an axial gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Abschnitts angeordnet ist, und die folgende Formel erfüllt wird: [Formel 2] $L_{s} \leq 2 L_{d} \frac{(\frac{ε_{d}}{Δ T} - α_{d} + α_{c})}{(α_{s} - α_{c} - \frac{ε_{s}}{Δ T})}$
wobei ΔT eine Temperaturdifferenz zwischen einer hohen Temperatur T1 zu einem Zeitpunkt nach Abschluss der Gasbefüllung und einer niedrigen Temperatur T2 zu einem Zeitpunkt vor Beginn der Gasbefüllung ist, Ls eine axiale Länge des zylindrischen Abschnitts ist und Ld eine axiale Länge des Kuppelabschnitts ist, die jeweils bei der hohen Temperatur T1 liegen, αs ein durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes ist, αd ein durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient des zweiten Harzes ist und αc ein durchschnittlicher Längenausdehnungskoeffizient der faserverstärkten Harzschicht ist, jeweils in einer Zeitspanne von der hohen Temperatur T1 zu der niedrigen Temperatur T2, und εs die Streckdehnung des ersten Harzes ist und εd die Streckdehnung des zweiten Harzes ist, die jeweils bei der niedrigen Temperatur T2 liegen, wobei die Streckdehnung der Schwellwert der Dehnung ist, bei dem, wenn er erreicht wird, das erste Harz oder das zweite Harz nicht mehr in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren kann, wenn sich erste Harz oder das zweite Harz ansprechend auf das Aufbringen externer Kraft dehnt und nachgibt.
Gastank nach Anspruch 5 oder 6, wobei die hohe Temperatur T1 bei etwa plus 85 °C liegt und die niedrige Temperatur T2 bei etwa minus 70 °C liegt.