DE102018118383A1

DE102018118383A1 - Hochdruckbehälter

Info

Publication number: DE102018118383A1
Application number: DE102018118383.6A
Authority: DE
Inventors: Osamu SAWAI; Tomoyuki KISHIDA; Keisuke Hori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2019-02-14
Also published as: JP2022051774A; JP7371707B2; CN109386612B; US10487982B2; JP7066995B2; US20190049067A1; JP2019035441A; CN109386612A

Abstract

Ein Hochdruckbehälter (10) umfasst eine Auskleidung (16), eine Außenschicht (18), eine Muffe (14) und ein Dichtungselement (38). Die Auskleidung (16) hat eine zylindrische Form und besteht aus einem ersten Harz. Die Außenschicht (18) ist mit einer Außenumfangsfläche (16A) der Auskleidung (16) verbunden und besteht aus einem zweiten Harz, das einen Längenausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger ist als ein Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes. Die Muffe (14) besteht aus Metall, ist zumindest teilweise radial innerhalb einer Innenumfangsfläche (16B) der Auskleidung (16) angeordnet, und ist derart ausgestaltet, dass sie eine Verbindung zwischen einem Innenraum des Hochdruckbehälters (10) und einer Außenseite des Hochdruckbehälters (10) schafft. Das Dichtungselement (38) ist zwischen der Innenumfangsfläche (16B) der Auskleidung (16) und der Muffe (14) angeordnet, und ist ausgestaltet, um einen Spalt zwischen der Innenumfangsfläche (16B) der Auskleidung (16) und der Muffe (14) abzudichten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Hochdruckbehälter.
Beschreibung des Standes der Technik
Die JP 2016-102547 A beschreibt eine Technologie, die einen Hochdruckbehälter betrifft, der eine Auskleidung umfasst, die aus Harz besteht und Gasbarriereeigenschaften hat, sowie eine Außenschicht, die aus einem Faserverstärkten Harz besteht und an der Außenseite der Auskleidung angeordnet ist. In diesem Hochdruckbehälter ist ein Endabschnitt der Auskleidung nach innen umgekantet, und eine Muffe ist in den nach innen umgekanteten Abschnitt eingesetzt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei dem vorstehen beschriebenen Stand der Technik ist der Endabschnitt der Auskleidung derart ausgebildet, dass er nach innen umgekantet ist. Daher kann die Auskleidung nicht mittels eines einfachen Verfahrens, beispielsweise durch Extrusionsformen bzw. Strangpressen, hergestellt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Herstellungskosten für die Auskleidung. Wenn dagegen anstelle einer Auskleidung mit einem nach innen umgekanteten Endabschnitt eine Auskleidung mit einem Endabschnitt verwendet wird, der nicht nach innen umgekantet ist, ist es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, um eine ausreichende Abdichtung zwischen der Auskleidung und einer Muffe sicherzustellen.
Die Erfindung schafft einen Hochdruckbehälter, der derart ausgestaltet ist, dass eine Auskleidung mit einer einfachen Form verwendet werden kann, während eine ausreichende Abdichtung erhalten wird.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Hochdruckbehälter mit eine Auskleidung, einer Außenschicht, einer Muffe und einem Dichtungselement. Die Auskleidung hat eine zylindrische Form. Die Auskleidung besteht aus einem ersten Harz. Die Außenschicht ist mit einer Außenumfangsfläche der Auskleidung verbunden. Die Außenschicht besteht aus einem zweiten Harz, das einen Längenausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger ist als ein Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes. Die Muffe besteht aus Metall. Die Muffe ist zumindest teilweise radial innerhalb einer Innenumfangsfläche der Auskleidung angeordnet. Die Muffe ist derart ausgestaltet, dass sie eine Verbindung zwischen einem Innenraum des Hochdruckbehälters und einer Außenseite des Hochdruckbehälters schafft. Das Dichtungselement ist zwischen der Innenumfangsfläche der Auskleidung und der Muffe angeordnet. Das Dichtungselement ist ausgestaltet, um einen Spalt zwischen der Innenumfangsfläche der Auskleidung und der Muffe abzudichten.
Bei dem Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend genannten Aspekt der Erfindung ist die Außenschicht mit der Außenumfangsfläche der Auskleidung verbunden, die eine zylindrische Form hat und aus dem ersten Harz besteht. Die Außenschicht besteht aus dem zweiten Harz, das einen Längenausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger ist als der Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes. Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung hat die Auskleidung eine zylindrische Form, d.h. die Auskleidung hat eine einfache Form. Daher kann die Auskleidung vermittels eines einfachen Verfahrens, beispielsweise Extrusionsformen bzw. Strangpressen, hergestellt werden. Die verringert die Herstellungskosten für die Auskleidung.
Die Außenschicht besteht aus dem zweiten Harz, das einen Längenausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger ist als der Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes, und die Auskleidung sowie die Außenschicht sind integral miteinander verbunden. Die aus Metall bestehende Muffe ist zumindest teilweise radial innerhalb der Innenumfangsfläche der Auskleidung angeordnet, und die Muffe ist derart ausgestaltet, dass sie eine Verbindung zwischen einem Innenraum des Hochdruckbehälters und einer Außenseite des Hochdruckbehälters schafft. Das Dichtungselement ist zwischen der Innenumfangsfläche der Auskleidung und der Muffe angeordnet, und das Dichtungselement ist ausgestaltet, um einen Spalt zwischen der Innenumfangsfläche der Auskleidung und der Muffe abzudichten.
Das erste Harz und das zweit Harz, die sich hinsichtlich des Längenausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden, unterscheiden sich auch voneinander in der Geschwindigkeit der Ausdehnung und Schrumpfung aufgrund einer Temperaturänderung. Dies kann zu einem Unterschied im Grad der Ausdehnung und Schrumpfung (einem Abmessungsunterschied) zwischen dem ersten Harz und dem zweiten Harz führen.
Diesbezüglich gilt, dass sich die Auskleidung bezüglich der Außenschicht in axiale Richtung ausdehnt und zusammenzieht, sofern die Auskleidung und die Außenschicht, die aus dem zweiten Harz besteht, das einen Längenausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger ist als der Längenausdehnungskoeffizient der Auskleidung (d.h. der Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes), nicht integral miteinander verbunden sind. Demgegenüber sind bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung die Außenschicht und die Auskleidung integral miteinander verbunden. Hierdurch wird das Ausdehnen und Schrumpfen in axiale Richtung durch die Außenschicht unterdrückt (d.h. zumindest teilweise verhindert), da sich die Außenschicht weniger wahrscheinlich als die Auskleidung in axiale Richtung ausdehnt und schrumpft.
Bei dem vorstehend beschrieben Aspekt der Erfindung ist das Dichtungselement zwischen der Innenumfangsfläche der Auskleidung und der Muffe angeordnet. Wenn sich die Auskleidung beispielsweise in axiale Richtung ausdehnt und schrumpft, gleitet das Dichtungselement daher ansprechend auf das Ausdehnen und Schrumpfen der Auskleidung, was zu einer Abnutzung des Dichtungselements führt. Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung sind die Auskleidung und die Außenschicht jedoch miteinander integral verbunden, so dass das Ausdehnen und Schrumpfen der Ausdehnung in axiale Richtung durch die Außenschicht unterdrückt wird. Somit wird ein Gleiten des Dichtungselements verhindert.
Bei dem Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kann die Außenschicht derart mit der Auskleidung verbunden sein, dass sie die Auskleidung von einer Außenseite bedeckt, so dass die Außenumfangsfläche der Auskleidung mit einer Innenfläche der Außenschicht über eine gesamte Kontaktstelle in Kontakt steht, an welcher die Außenschicht und die Auskleidung miteinander in Kontakt stehen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist die Außenschicht mit der Außenumfangsfläche der Auskleidung verbunden, so dass die Kontaktstelle, an welcher die Außenschicht und die Auskleidung miteinander in Kontakt stehen, im Wesentlichen die gesamte Außenumfangsfläche der Auskleidung abdeckt. Da die Außenschicht mit der Auskleidung über die gesamte Kontaktstelle verbunden ist, wird ein Ausdehnen und Schrumpfen der gesamten Ausdehnung verhindert.
Bei dem Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kann die Muffe einen Einsetzabschnitt umfassen, der an einer ersten Endseite der Muffe ausgebildet ist, einen Vorsprungsabschnitt, der an einer zweiten Endseite der Muffe ausgebildet ist, wobei die zweite Endseite eine der ersten Endseite gegenüberliegende Seite der Muffe ist, sowie einen Mittelabschnitt, der zwischen dem Einsetzabschnitt und dem Vorsprungsabschnitt ausgebildet ist, wobei der Einsetzabschnitt in die Auskleidung eingesetzt ist, und ein Außendurchmesser des Einsetzabschnitts kann kleiner sein als ein Außendurchmesser des Mittelabschnittes.
Bei dem Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kann der Einsetzabschnitt einen Halteabschnitt umfassen, der einen Außendurchmesser hat, der kleiner ist als ein Außendurchmesser des übrigen Abschnitts des Einsetzabschnitts, und das Dichtungselement kann am Halteabschnitt angeordnet sein.
Bei dem Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kann die Muffe einen Stufenabschnitt umfassen, der sich in eine radiale Richtung der Muffe erstreckt, wobei der Stufenabschnitt zwischen dem Mittelabschnitt und dem Einsetzabschnitt liegt, und jeweils ein Ende der Auskleidung sowie der Außenschicht in Längsrichtung der Auskleindung und der Außenschicht können mit dem Stufenabschnitt in Kontakt stehen.
Der Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kann weiter eine Verstärkungsschicht aus einem Karbonfaserverstärkten Harz aufweisen, die radial außerhalb der Außenschicht angeordnet ist.
Bei dem Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kann die Verstärkungsschicht an einer Außenumfangsfläche des Mittelabschnitts der Muffe und zumindest einem Teil einer Außenumfangsfläche des Vorsprungsabschnitts der Muffe ausgebildet sein.
Der Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kann weiter eine Halteplatte aufweisen, die eine ringförmige Form hat und an einer Endfläche des Einsetzabschnitts befestigt ist.
Bei dem Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kann der Halteabschnitt an der ersten Endseite des Einsetzabschnitts ausgebildet sein, so dass die Endfläche des Einsetzabschnitts, an welcher die Halteplatte befestigt ist, eine Endfläche des Halteabschnitts ist, und ein Außendurchmesser der Halteplatte kann größer sein als der Außendurchmesser des Halteabschnitts.
Der Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung kann zwei Muffen aufweist, wobei eine der beiden Muffen an dem einen Ende der Auskleidung und der Außenschicht in Längsrichtung angeordnet sein kann, und die andere der beiden Muffen an dem anderen Ende der Auskleidung und der Außenschicht in Längsrichtung angeordnet sein kann.
Der Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung erzielt den vorteilhaften Aspekt, dass es möglich ist, eine Auskleidung zu verwenden, die eine einfache Form hat, während eine ausreichende Abdichtung erhalten wird.
Zudem erzielt der Hochdruckbehälter gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung den vorteilhaften Aspekt, dass ein Ausdehnen und Schrumpfen der gesamten Auskleidung unterdrückt werden kann.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:

1 eine Seitenansicht, die schematisch einen Hochdruckbehälter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine vergrößerte Schnittansicht entlang einer Linie II-II in 1; und
3 eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Hochdruckbehälter gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt, wobei die Darstellung in 3 der Darstellung in 2 entspricht.

DETAILLIERTE BSCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Ein Tankmodul, das an einem (nicht dargestellten) Fahrzeug montiert ist, ist beispielsweise eine Baugruppe aus einer Mehrzahl von Hochdrucktanks 10, die in 1 gezeigt sind, wobei ein jeder als Hochdruckbehälter dient. Beispiele eines derartigen Tankmoduls umfassen eine Baugruppe aus einer Mehrzahl von Hochdrucktanks 10, die in Fahrzeughöhenrichtung unter einem Bodenpaneel (nicht dargestellt) eines Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet sind.
Konfiguration des Hochdruckbehälters
Zunächst wird die Konfiguration des Hochdrucktanks 10, der ein Beispiel eines Hochdruckbehälters der vorliegenden Ausführungsform ist, beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, hat der Hochdrucktank 10 eine im Wesentlichen zylindrische Form. Der Hochdrucktank 10 ist beispielsweise derart angeordnet, dass die axiale Richtung (d.h. Längsrichtung) des Hochdrucktanks 10 parallel zur Fahrzeugbreitenrichtung oder zur Fahrzeug-Front-Heck-Richtung ist. Der Durchmesser des Hochdrucktanks 10 ist derart gewählt, dass der Hochdrucktank 10 in einem freien Raum unter dem Bodenpaneel (nicht dargestellt) in Fahrzeughöhenrichtung aufgenommen werden kann.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst der Hochdrucktank 10 einen Körperabschnitt 12, der eine im Wesentlichen zylindrische Form hat, sowie zwei Muffen 14, die jeweils an gegenüberliegenden Endabschnitten des Körperabschnitts 12 in dessen axiale Richtung (d.h. Längsrichtung) angeordnet sind. Der Körperabschnitt 12 ist ausgestaltet, um ein Fluid (in der vorliegenden Ausführungsform Wasserstoff) zu speichern. Der Körperabschnitt 12 umfasst eine Auskleidung 16 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form, sowie eine Außenschicht 18, mit welcher der Außenumfang der Auskleidung 16 bedeckt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Auskleidung 16 beispielsweise aus einem Nylonharz mit Gasbarriereeigenschaften. Die Außenschicht 18 besteht aus einem Karbonfaserverstärkten Kunststoff (CFRP) in Bahnform. In anderen Worten: die Auskleidung 16 besteht aus einem ersten Harz mit einem Längenausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der Längenausdehnungskoeffizient der Außenschicht 18. Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform die Außenschicht 18 mit einer Außenumfangsfläche 16A der Auskleidung 16 beispielsweise durch Schweißen und Kleben verbunden, sodass die Außenumfangsfläche 16A der Auskleidung 16 durch die Außenschicht 18 bedeckt ist. Auf diese Weise ist die Außenschicht 18 integral mit der Auskleidung 16 verbunden.
Jede Muffe 14 hat eine im Wesentlichen säulenartige Form. Die Muffe 14 umfasst einen Einsetzabschnitt 20 sowie einen Vorsprungsabschnitt 24. In der Muffe 14 ist eine Verbindungsleitung 22 ausgebildet.
Der Einsetzabschnitt 20 ist auf Seiten eines ersten Endes 14A der Muffe 14 in deren Längsrichtung ausgebildet. Der Einsetzabschnitt 20 hat einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der eines Mittelabschnitts 14B der Muffe 14 in deren Längsrichtung. Der Einsetzabschnitt 20 ist derart ausgestaltet, dass er in den Körperabschnitt 12 eingesetzt werden kann. Der Einsetzabschnitt 20 hat eine Vertiefung bzw. Ausnehmung 28, die sich in Richtung zu einem Innenraum 26 des Körperabschnitts 12 (der Auskleidung 16) öffnet.
Die Vertiefung 28 umfasst eine säulenförmige Vertiefung 30 mit einer im Wesentlichen säulenartigen Form, sowie einen kegelstumpfförmigen Abschnitt bzw. Kegelstumpfabschnitt 32, der eine kegelstumpfartige Form aufweist. Der Kegelstumpfabschnitt 32 befindet sich in der Nähe des Innenraums 26 des Körperabschnitts 12, und die säulenförmige Vertiefung 30 ist vom Innenraum 26 des Körperabschnitts 12 entfernt. Der Durchmesser des Kegelstumpfabschnitts 32 nimmt allmählich in Richtung von der säulenförmigen Vertiefung 30 zum Innenraum 26 des Körperabschnitts 12 zu.
Das Ausbilden der Vertiefung 28 in der Muffe 14 wie vorstehend beschrieben erhöht die Kapazität des Hochdrucktanks 10 im Vergleich zu dem Fall, bei welchem keine Vertiefung bzw. Ausnehmung 28 in der Muffe 14 vorgesehen ist.
Zudem hat ein Endabschnitt 20A des Einsetzabschnitts 20 einer jeden Muffe 14 einen Haltabschnitt 34. Der Halteabschnitt 34 hat einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der des übrigen Abschnitts des Einsetzabschnitts 20. In einer in 2 gezeigten Schnittansicht eines oberseitigen Abschnitts der Muffe 14 bilden der Halteabschnitt 34 und eine axiale Endfläche des restlichen Abschnitts des Einsetzabschnitts 20 eine im Wesentlichen L-förmige Gestalt. Beispielsweise werden ein Stützring 36 sowie ein O-Ring 38 (ein Beispiel eines Dichtungselements) am Halteabschnitt 34 gehalten.
Eine ringförmige Halteplatte 40 steht mit einer Endfläche 20A1 des Einsetzabschnitts 20 in Kontakt, wobei der Stützring 36 und der O-Ring 38 am Haltabschnitt 34 gehalten werden. Gewindebohrungen 42 (z.B. vier Gewindebohrungen 42 bei der vorliegenden Ausführungsform) sind im Endabschnitt 20A des Einsatzabschnitts 20 ausgebildet, sodass Schrauben 44 in die Gewindebohrungen 42 eingeschraubt werden können. Die Halteplatte 40 ist an der Muffe 14 über die Schrauben 44 befestigt, wobei die Halteplatte 40 in Kontakt mit der Endfläche 20A1 des Einsetzabschnitts 20 gehalten wird.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Halteplatte 40 an der Muffe 14 befestigt, sodass der Stützring 36 und der O-Ring 38 sich nicht vom Halteabschnitt 34 lösen können. Eine in der Haltplatte 40 vorgesehene Öffnung 40A hat einen Durchmesser, der dem größten Durchmesser des Kegelstumpfabschnitts 32 der Vertiefung 28 entspricht.
Der Stützring 36 und der O-Ring 38 werden gegen eine Innenumfangsfläche 16B der Auskleidung 16 gedrückt (daran befestigt), wobei der Einsetzabschnitt 20 der Muffe 14 in den Körperabschnitt 12 eingesetzt ist (d.h. der Einsatzabschnitt 20 der Muffe 14 radial innerhalb der Innenumfangsfläche 16B der Auskleidung 16 angeordnet ist). Das bedeutet, der O-Ring 38 dichtet einen Spalt zwischen der Muffe 14 und der Innenumfangsfläche 16B der Auskleidung 16 ab, um ein Austreten des in der Auskleidung 16 gespeicherten Fluids zu verhindern.
Wie vorstehend beschrieben ist, hat der Einsetzabschnitt 20 einer jeden Muffe 14 einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Mittelabschnitts 14B der Muffe 14. Das bedeutet, ein Stufenabschnitt 46 ist zwischen dem Mittelabschnitt 14B und dem Einsetzabschnitt 20 der Muffe 14 ausgebildet. Ein Ende der Auskleidung 16 und der Außenschicht 18 in Längsrichtung derselben steht jeweils mit dem Stufenabschnitt 46 in Kontakt, wenn der Einsetzabschnitt 20 der Muffe 14 in der Auskleidung 16 angeordnet ist. In diesem Zustand sind eine Außenumfangsfläche 14B1 des Mittelabschnitts 14B der Muffe 14 sowie eine Außenumfangsfläche 18A der Außenschicht 18 im Wesentlichen bündig zueinander.
Die Verbindungsleitung 22 ist im Mittelabschnitt 14B einer jeden Muffe 14 in Längsrichtung ausgebildet. Die Verbindungsleitung 22 verläuft durch die Muffe 14 entlang einer Mittelachse P der Muffe 14. Die Verbindungsleitung 22 schafft eine Verbindung zwischen dem Innenraum 26 der Auskleidung 16 (d.h. einem Innenraum des Hochdrucktanks 10) und einer Außenseite 27 des Hochdrucktanks 10.
Der Vorsprungsabschnitt 24 ist auf Seiten des zweiten Endes 14C einer jeden Muffe 14 in deren Längsrichtung ausgebildet. Der Vorsprungsabschnitt 24 ragt entlang der Mittelachse P der Muffe 14. Der Vorsprungsabschnitt 24 hat eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt, sodass ein Innenraum des Vorsprungsabschnitts 24 mit der Verbindungsleitung 22 in Verbindung steht. Ein Innengewindeabschnitt 48 ist an der Innenumfangsfläche 24A des Vorsprungsabschnitts 24 ausgebildet.
Ein Verbindungsrohr, das mit den Verbindungsleitungen einer Mehrzahl von anderen Hochdrucktanks (nicht dargestellt) verbunden ist, kann mit dem Vorsprungsabschnitt 24 verbunden werden. Wenn das Verbindungsrohr (nicht dargestellt) mit dem Vorsprungsabschnitt 24 verbunden wird, werden die Innenräume der Körperabschnitte der Hochdrucktanks miteinander verbunden. Das Verbindungsrohr hat ein Ventil (nicht dargestellt), sodass die Menge an Fluid, welche durch das Verbindungsrohr strömt, eingestellt werden kann. Das Verbindungsrohr ist beispielsweise mit einem (nicht dargestellten) Brennstoffzellenstapel verbunden.
Wie in 1 gezeigt ist, ist eine Verstärkungsschicht 50 auf der radial äußeren Seite der Außenschicht 18 und zumindest einem Teil einer Außenfläche einer jeden der beiden Muffen 14 ausgebildet. Die Verstärkungsschicht 50 besteht aus einem Karbonfaserverstärkten Kunststoff (CFRP) mit einer Mehrzahl von Fasern 52. In 1 ist die Dicke der Fasern 52 übertrieben dargestellt, um das Erkennen der Fasern 52 zu erleichtern, und die Zahl der Fasern 52 ist geringer als die tatsächliche Zahl der Fasern 52, um das Erkennen der Faserrichtung einer jeden Faser 52 zu erleichtern.
Die Fasern 52 der Verstärkungsschicht 50 sind um einen Abschnitt der Muffe 14 gewickelt, der sich in der Nähe eines Basisabschnitts 24B des Vorsprungsabschnitts 24 befindet, und sind dann linear um die Außenschicht 18 des Körperabschnitts 12 gewickelt. Genauer gesagt werden die Fasern 52 um den Abschnitt einer jeden der Muffen 14 gewickelt, der sich in der Nähe des Basisabschnitts 24B des Vorsprungsabschnitts 24 befindet, und werden dann um die Außenschicht 18 des Körperabschnitts 12 (siehe 2) gewickelt, während sie in Richtung zur anderen Muffe 14 in einem vorgegebenen Winkel θ bezüglich des axialen Richtung des Körperabschnitts 12 verlaufen (sogenannte „Schraubenwicklung“).
Die Verstärkungsschicht 50 erhöht den Druckwiderstand des Hochdrucktanks 10 in axiale Richtung. Da die Fasern 52 um den Körperabschnitt 12 im vorgegebenen Winkel θ bezüglich der axialen Richtung des Körperabschnitts 12 gewickelt werden, kann ein Ablösen der Verstärkungsschicht 50 vom Körperabschnitt 12 verhindert werden. Die vorstehend beschriebene Art und Weise zum Wickeln der Fasern 52 der Verstärkungsschicht 50 ist lediglich ein Beispiel, und die Art und Weise zum Wickeln der Fasern 52 ist nicht auf die vorstehend beschriebene Art und Weise beschränkt.
Funktion und vorteilhafte Effekte des Hochdruckbehälters
Nachfolgend werden die Funktion sowie vorteilhafte Effekte des Hochdrucktanks 10, der ein Beispiel des Hochdruckbehälters der vorliegenden Ausführungsform ist, beschrieben.
Zunächst wird bezugnehmend auf 3 ein Hochdrucktank 100 gemäß eines Vergleichsbeispiels beschrieben. Im Hochdrucktank 100 ist ein Endabschnitt 102A einer Auskleidung 102 mit einem umgekanteten Abschnitt 104, der nach innen umgekantet ist, ausgebildet, und eine Muffe 106 ist in den umgekanteten Abschnitt 104 eingesetzt. Ein O-Ring 108 ist zwischen dem umgekanteten Abschnitt 104 und der Muffe 106 angeordnet. Der O-Ring 108 verhindert das Austreten eines in der Auskleidung 102 gespeicherten Fluids.
Bei diesem Vergleichsbeispiel ist der Endabschnitt 102A der Auskleidung 102 mit dem umgekanteten Abschnitt 104 ausgestaltet. Hierdurch wird die Form der Auskleidung selbst kompliziert bzw. komplex.
Demgegenüber hat die Auskleidung 16 bei der vorliegenden Ausführungsform eine zylindrische Gestalt, wie in 2 gezeigt ist. Das bedeutet, die Auskleidung 16 hat eine einfache Form. Daher kann die Auskleidung 16 anhand eines einfachen Verfahrens, beispielsweise durch Strangpressen, hergestellt werden. Dies reduziert die Herstellungskosten. Darüber hinaus ermöglicht das Herstellen der Auskleidung 16 durch das Strangpressverfahren eine dünne Ausbildung der Auskleidung 16. Daher kann der Hochdrucktank 10 leichter ausgebildet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Außenschicht 18 mit der Außenumfangsfläche 16A der Auskleidung 16 derart verbunden, dass die Auskleidung 16 und die Außenschicht 18 integral miteinander verbunden sind. Der Einsetzabschnitt 20 der Muffe 14 ist ferner zumindest teilweise radial innerhalb der Innenumfangsfläche 16B der Auskleidung 16 angeordnet. Zudem ist der O-Ring 38 zwischen der Innenumfangsfläche 16B der Auskleidung 16 und dem Einsetzabschnitt 20 der Muffe 14 angeordnet.
Die Auskleidung 16 besteht aus dem ersten Harz, das einen Längenausdehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der Längenausdehnungskoeffizient der Außenschicht 18 (d.h. ein Faserverstärktes Harz). Ein allgemein verwendetes Harz (Nylonharz in der vorliegenden Ausführungsform) sowie ein Faserverstärktes Harz unterscheiden sich deutlich im Längenausdehnungskoeffizienten voneinander. Ein Faserverstärktes Harz hat einen niedrigen Längenausdehnungskoeffizient, sodass es kaum zu einem Ausdehnen und Schrumpfen aufgrund von Temperaturveränderungen kommt, wohingegen ein allgemein verwendetes Harz sich aufgrund von Temperaturveränderungen ausdehnt und schrumpft.
Wenn beispielsweise die Auskleidung 16 und die Außenschicht 18 aus dem Faserverstärkten Harz nicht integral miteinander verbunden sind, dehnt sich die Auskleidung 16, obgleich nicht dargestellt, bezüglich der Außenschicht 18 in axiale Richtung aus und schrumpft. Bei hohen Temperaturen kann die Ausdehnung der Auskleidung 16 durch die Verstärkungsschicht 50 beschränkt werden. Bei niedrigen Temperaturen jedoch schrumpft die Auskleidung 16 in axiale Richtung. Jedoch ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Außenschicht 18 mit der Auskleidung 16 integral verbunden. Somit kann das Schrumpfen der Auskleidung 16 in axiale Richtung durch die Außenschicht 18 verhindert werden. Das Schrumpfen und Ausdehnen der Auskleidung 16 in axiale Richtung kann somit durch die Außenschicht 18 eingeschränkt werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der O-Ring 38 wie vorstehend beschrieben zwischen der Innenumfangsfläche 16B der Auskleidung 16 und dem Einsetzabschnitt 20 einer jeden Muffe 14 angeordnet. Wenn sich die Auskleidung 16 ausdehnt und schrumpft, gleitet somit der O-Ring 38 beispielsweise ansprechend auf das Ausdehnen und Schrumpfen der Auskleidung 16, was zu einer Abnutzung des O-Rings 38 führt. Bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch sind die Auskleidung 16 und die Außenschicht 18 integral miteinander verbunden, sodass das Ausdehnen und Schrumpfen der Auskleidung 16 durch die Außenschicht 18 unterdrückt werden kann. Somit wird verhindert, dass der O-Ring 38 gleitet. Folglich kann die Dichtwirkung bzw. Abdichtung zwischen der Innenumfangsfläche 16B der Auskleidung 16 und dem Einsetzabschnitt 20 einer jeden Muffe 14 beibehalten werden. In anderen Worten: gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, eine Auskleidung 16 mit einer einfachen Form zu verwenden, während eine ausreichende Abdichtung erzielt werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Außenumfangsfläche 16A der Auskleidung 16 mit der Außenschicht 18 bedeckt, sodass eine Kontaktstelle 54, an welcher die Außenschicht 18 mit der Auskleidung 16 in Kontakt steht, im Wesentlichen die gesamte Außenumfangsfläche 16A der Auskleidung 16 abdeckt. Da die Außenschicht 18 bei der vorliegenden Ausführungsform über die gesamte Kontaktstelle 54 mit der Auskleidung 16 verbunden ist, kann das Ausdehnen und Schrumpfen der gesamten Auskleidung 16 verhindert werden. Es sei angemerkt, dass die Kontaktstelle 54 nicht unbedingt die gesamte Außenumfangsfläche 16A der Auskleidung 16 abdecken muss.
In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Auskleidung 16 aus Nylonharz. Das Material der Auskleidung 16 ist jedoch nicht auf Nylonharz beschränkt, solange die Auskleidung 16 aus einem Material besteht, welches das Austreten von dem im Körperabschnitt 12 gespeicherten Gas durch die Auskleidung 16 verhindern kann.
In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Außenschicht 18 aus einem Faserverstärkten Harz. Das Material der Außenschicht 18 ist jedoch nicht auf ein Faserverstärktes Harz beschränkt, solange die Außenschicht 18 aus einem Harz besteht, das einen Längenausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger ist als der Längenausdehnungskoeffizient der Auskleidung 16.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird Wasserstoff im Innenraum 26 des Hochdrucktanks 10 gespeichert. Das im Hochdrucktank 10 gespeicherte Fluid ist jedoch nicht auf Wasserstoff beschränkt, und andere Arten von Gas oder Flüssigkeiten, beispielsweise LPG (Flüssiggas), können im Hochdrucktank 10 gespeichert werden.
Obgleich vorstehend eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, ist Die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und verschiedene Abwandlungen und Veränderungen können im technischen Umfang der beigefügten Ansprüche an der vorstehend beschriebenen Ausführungsform vorgenommen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016102547 A [0002]

Claims

Hochdruckbehälter (10), aufweisend: eine Auskleidung (16), die eine zylindrische Form hat, wobei die Auskleidung (16) aus einem ersten Harz besteht; eine Außenschicht (18), die mit einer Außenumfangsfläche (16A) der Auskleidung (16) verbunden ist, wobei die Außenschicht (18) aus einem zweiten Harz besteht, das einen Längenausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger ist als ein Längenausdehnungskoeffizient des ersten Harzes; eine Muffe (14), die aus Metall besteht, wobei die Muffe (14) zumindest teilweise radial innerhalb einer Innenumfangsfläche (16B) der Auskleidung (16) angeordnet ist, und die Muffe (14) derart ausgestaltet ist, dass sie eine Verbindung zwischen einem Innenraum des Hochdruckbehälters (10) und einer Außenseite des Hochdruckbehälters (10) schafft; und ein Dichtungselement (38), das zwischen der Innenumfangsfläche (16B) der Auskleidung (16) und der Muffe (14) angeordnet ist, wobei das Dichtungselement (38) ausgestaltet ist, um einen Spalt zwischen der Innenumfangsfläche (16B) der Auskleidung (16) und der Muffe (14) abzudichten.
Hochdruckbehälter (10) nach Anspruch 1, wobei die Außenschicht (18) derart mit der Auskleidung (16) verbunden ist, dass sie die Auskleidung (16) von einer Außenseite bedeckt, so dass die Außenumfangsfläche (16A) der Auskleidung (16) mit einer Innenfläche der Außenschicht (18) über eine gesamte Kontaktstelle in Kontakt steht, an welcher die Außenschicht (18) und die Auskleidung (16) miteinander in Kontakt stehen.
Hochdruckbehälter (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die Muffe (14) einen Einsetzabschnitt (20) umfasst, der an einer ersten Endseite der Muffe (14) ausgebildet ist, einen Vorsprungsabschnitt (24), der an einer zweiten Endseite der Muffe (14) ausgebildet ist, wobei die zweite Endseite eine der ersten Endseite gegenüberliegende Seite der Muffe (14) ist, sowie einen Mittelabschnitt (14B), der zwischen dem Einsetzabschnitt (20) und dem Vorsprungsabschnitt (24) ausgebildet ist, wobei der Einsetzabschnitt (20) in die Auskleidung (16) eingesetzt ist; und ein Außendurchmesser des Einsetzabschnitts (20) kleiner ist als ein Außendurchmesser des Mittelabschnittes (14B).
Hochdruckbehälter (10) nach Anspruch 3, wobei: der Einsetzabschnitt (20) einen Halteabschnitt (34) umfasst, der einen Außendurchmesser hat, der kleiner ist als ein Außendurchmesser des übrigen Abschnitts des Einsetzabschnitts (20); und das Dichtungselement (38) am Halteabschnitt (34) angeordnet ist.
Hochdruckbehälter (10) nach Anspruch 3, wobei: die Muffe (14) einen Stufenabschnitt (46) umfasst, der sich in eine radiale Richtung der Muffe (14) erstreckt, wobei der Stufenabschnitt (46) zwischen dem Mittelabschnitt (14B) und dem Einsetzabschnitt (20) liegt; und jeweils ein Ende der Auskleidung (16) sowie der Außenschicht (18) in Längsrichtung der Auskleindung (16) und der Außenschicht (18) mit dem Stufenabschnitt (46) in Kontakt stehen.
Hochdruckbehälter (10) nach Anspruch 5, weiter aufweisend eine Verstärkungsschicht (50) aus einem Karbonfaserverstärkten Harz, wobei die Verstärkungsschicht (50) radial außerhalb der Außenschicht (18) angeordnet ist.
Hochdruckbehälter (10) nach Anspruch 6, wobei die Verstärkungsschicht (50) an einer Außenumfangsfläche des Mittelabschnitts (14B) der Muffe (14) und zumindest einem Teil einer Außenumfangsfläche des Vorsprungsabschnitts (24) der Muffe (14) ausgebildet ist.
Hochdruckbehälter (10) nach Anspruch 4, weiter aufweisend eine Halteplatte (40), die eine ringförmige Form hat, wobei die Halteplatte (40) an einer Endfläche des Einsetzabschnitts (20) befestigt ist.
Hochdruckbehälter (10) nach Anspruch 8, wobei: der Halteabschnitt (34) an der ersten Endseite des Einsetzabschnitts (20) ausgebildet ist, so dass die Endfläche des Einsetzabschnitts (20), an welcher die Halteplatte (40) befestigt ist, eine Endfläche des Halteabschnitts (34) ist; und ein Außendurchmesser der Halteplatte (40) größer ist als der Außendurchmesser des Halteabschnitts (34).
Hochdruckbehälter (10) nach Anspruch 6, wobei der Hochdruckbehälter (10) zwei Muffen (14) aufweist, wobei: eine der beiden Muffen (14) an dem einen Ende der Auskleidung (16) und der Außenschicht (18) in Längsrichtung angeordnet ist; und die andere der beiden Muffen (14) an dem anderen Ende der Auskleidung (16) und der Außenschicht (18) in Längsrichtung angeordnet ist.