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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochdrucktank.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Hochdrucktank, der ein Gas, wie beispielsweise ein Wasserstoffgas, unter hohem Druck speichert, muss eine hohe Druckbeständigkeit aufweisen; daher ist der Hochdrucktank üblicherweise mit einer Verstärkungsschicht versehen, die durch Wickeln von faserverstärktem Harz, wie CFK (CFRP; carbon- bzw. kohlefaserverstärkte Kunststoffe), um eine Außenfläche eines Behälterkörpers, der aus einer Harzauskleidung besteht, gebildet wird. Bei einem solchen Hochdrucktank können während des Gebrauchs Gasleckagen verursacht werden, wenn Risse in einem Behälterkörper entstehen, z.B. durch unbeabsichtigtes Fallenlassen während der Herstellung oder des Transports. Daher werden Sicherheitsstandards für einen Hochdrucktank durch das Hochdruckgassicherheitsgesetz und dergleichen definiert. Es wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, einen Behälterkörper für ein Hochdruckgas mit einem Protektor vorzusehen, um die Sicherheitsstandards zu erfüllen und den Hochdrucktank sicher zu nutzen (siehe japanische Patentanmeldung
JP 2014-74 470 A ). Tankbehälter, die mit Protektoren versehen sind, sind zudem in der
DE 600 17 256 T2 , der
DE 694 20 111 T2 sowie der nachveröffentlichten
DE 10 2017 127 912 A1 offenbart.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Durch die Bereitstellung eines Protektors kann, auch wenn ein Hochdrucktank herunterfällt und Stöße erfährt, ein Risiko, dass Risse in einem Behälterkörper des Tanks erzeugt werden, vermieden oder reduziert werden. Daher wird der Protektor oft an einem bei einem Aufprall relativ schwächeren Abschnitt im Behälterkörper vorgesehen, wie beispielsweise einem Verbindungsabschnitt zwischen einem Zylinderplattenteil und einem Endplattenteil (Dom- bzw. Kuppelteil), also einem sogenannten Schulterteil. Da ein Hochdrucktank in einem Fahrzeug eingebaut ist, wird gefordert, seine äußere Form zu minimieren. Daher wurde eine Studie über eine weitere wünschenswerte Struktur des Protektors gefordert.
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Die vorliegende Erfindung kann die folgenden Modi oder Anwendungsbeispiele realisieren.
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Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Hochdrucktank. Der Hochdrucktank beinhaltet: einen Behälterkörper mit Kuppelteilen; eine Verstärkungsschicht, die auf einer Außenfläche des Behälterkörpers angeordnet ist und faserverstärktes Harz enthält; und ein Schutzelement, das auf einer Außenfläche der Verstärkungsschicht angeordnet ist. Hier beinhaltet das Schutzelement eine erste Schicht, die an der Außenfläche der Verstärkungsschicht angeordnet ist, die zumindest einen Teil der Kuppelteile abdeckt, und eine zweite Schicht, die außerhalb der ersten Schicht angeordnet ist. Die erste Schicht des Schutzelements ist bei der gleichen Kraft stärker verformbar als die zweite Schicht, wobei zumindest eine Schicht der ersten und zweiten Schicht in eine Mehrzahl von Elementen unterteilt ist. Die Konfiguration kann zu einer Verbesserung der Aufprall- bzw. Schlagfestigkeit des Hochdrucktanks beitragen. Hierbei bedeutet, dass die „Schlagfestigkeitsleistung hoch ist“, dass es schwer ist, einen Bruch oder Risse im Behälterkörper zu erzeugen, wenn der Hochdrucktank durch Fallenlassen oder dergleichen einen Aufprall erfährt. Wenn zwei Hochdrucktanks aus der gleichen Höhe fallen und einer der Hochdrucktanks eine Bruch und Risse aufweist, der andere aber keinen Bruch und Risse hat, kann man sagen, dass der andere Hochdrucktank eine höhere Schlagfestigkeit aufweist. Unabhängig von einer solchen Fallprüfung kann in einem Fall, in dem eine Kraft in der gleichen Richtung wie die Fallrichtung des Hochdrucktanks auf den Hochdrucktank aufgebracht wird, ein solcher Hochdrucktank, der keinen Bruch oder Risse gegen eine höhere Kraft aufweist, als eine höhere Stoßfestigkeit aufweisend angesehen werden.
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Im vorstehend bezeichneten Hochdrucktank kann ein statischer Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul der ersten Schicht kleiner sein als ein statischer Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul der zweiten Schicht. Hierbei kann der statische Kompressionswert als eine Kraft pro Flächeneinheit definiert werden, die erforderlich ist, um eine Dickenreduzierung eines Ziels bei gleicher Geschwindigkeit zu erreichen, also beispielsweise eine Reduzierung auf die 1/2 Dicke der ursprünglichen Dicke des Ziels. Indem der statische Kompressionswert der ersten Schicht kleiner als der statische Kompressionswert der zweiten Schicht eingestellt wird, wird die erste Schicht bei der gleichen Kraft stärker verformbar als die zweite Schicht, wodurch die Schlagfestigkeit des Hochdrucktanks erhöht wird.
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Im vorstehend bezeichneten Hochdrucktank können die erste Schicht und die zweite Schicht Harzschichten sein. Durch Ausbilden der ersten und zweiten Schicht als Harzschichten können die Schutzelemente leicht geformt werden.
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Im vorstehend bezeichneten Hochdrucktank können die erste Schicht und die zweite Schicht Harzschichten mit Polyurethan sein. Der statische Kompressionswert von Polyurethan kann basierend auf der Zusammensetzung weitreichend gesteuert werden, so dass es möglich ist, ein gewünschtes Schutzelement einfach herzustellen. So kann beispielsweise die Härte von Polyurethan durch Ändern einer Kombination aus Polyol-Komponenten und Polyisocyanat-Komponenten, die zur Bildung des Polyurethans verwendet werden, oder durch Ändern der Art und des Verbrauchs von Polypropylenglykol (PPG) und Polymerpolyol (POP) in den Polyol-Komponenten eingestellt werden. Um beispielsweise die Härte von Polyurethanschaum unter Verwendung von POP zu erhöhen, kann die Menge des zu verwendenden Monomers auf Vinylbasis erhöht werden, um den Gehalt an Polymerteilchen im POP zu erhöhen. Dementsprechend kann Polyurethan härter sein und bei der gleichen Belastung bzw. Kraft weniger verformbar werden.
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Im vorstehend bezeichneten Hochdrucktank kann die zweite Schicht so angeordnet sein, dass sie eine gesamte Außenfläche der ersten Schicht abdeckt. Natürlich kann ein Teil der Außenfläche der ersten Schicht von der zweiten Schicht abgedeckt werden. Durch die vollständige Abdeckung der Außenfläche der ersten Schicht kann verhindert werden, dass eine äußere Kraft direkt auf die erste Schicht aufgebracht wird, so dass die Funktion des in einem zweischichtigen Aufbau gebildeten Schutzelements ausreichend funktionieren kann.
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Im vorstehend bezeichneten Hochdrucktank kann der statische Kompressionswert der ersten Schicht 1/1,9 oder weniger des statischen Kompressionswertes der zweiten Schicht betragen. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Schlagfestigkeit des Schutzelements ausreichend zu verbessern.
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Im vorstehend bezeichneten Hochdrucktank kann das erste Schutzelement an einer Stelle angeordnet sein, an welcher der Hochdrucktank mit einer horizontalen Ebene in Kontakt gelangt, wenn der in senkrechter Richtung aufgerichtete Hochdrucktank in einem Winkel von 45 Grad von der senkrechten Richtung geneigt ist. Diese Konfiguration ermöglicht eine ausreichende Anwendung der Schlagfestigkeit, wenn der Hochdrucktank in einem Zustand fällt, bei dem er in einem Winkel von 45 Grad geneigt ist.
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Figurenliste
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
- 1 eine Schnittansicht eines Hochdrucktanks in einer Schnittansicht entlang einer Mittelachse des Hochdrucktanks;
- 2 eine Schnittansicht, die einen vergrößerten Querschnitt eines Schutzelements zeigt;
- 3 eine erläuternde Ansicht, die eine Skizze einer Prüfeinrichtung zur Simulation eines Falltests des Hochdrucktanks zeigt, um festzustellen, wie viel Kraft der Hochdrucktank aushalten kann;
- 4 einen Graph, der die Schlagfestigkeit des Hochdrucktanks der Ausführungsform zeigt;
- 5 einen Graph, der die Schlagfestigkeitsleistung eines Hochdrucktanks als Vergleichsbeispiel darstellt;
- 6 eine erläuternde Ansicht, die den Grad einer Kraftverteilung zeigt, wenn ein statischer Kompressionswert einer ersten Schicht, die auf einer CFK-Schicht angeordnet ist, die eine Verstärkungsschicht ist, kleiner ist als ein statischer Kompressionswert einer zweiten Schicht, die sich außerhalb der ersten Schicht befindet;
- 7 eine erläuternde Ansicht, die den Grad einer Kraftverteilung zeigt, wenn ein statischer Kompressionswert der ersten Schicht, die auf der CFK-Schicht angeordnet ist, die die Verstärkungsschicht ist, größer ist als ein statischer Kompressionswert der zweiten Schicht, die sich außerhalb der ersten Schicht befindet;
- 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die ein weiteres Konfigurationsbeispiel für erste und zweite Schutzelemente zeigt; und
- 9 eine vergrößerte Schnittansicht, die ein weiteres Konfigurationsbeispiel für das erste und zweite Schutzelement zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist eine Schnittansicht eines Hochdrucktanks 100 in Schnittansicht entlang einer Mittelachse O des Hochdrucktanks 100. Der Hochdrucktank 100 der vorliegenden Ausführungsform ist in einem Automobil eingebaut und speichert ein Wasserstoffgas. Hier bezeichnet der Hochdrucktank einen Hochdrucktank, der durch das Hochdruckgassicherheitsgesetz bzw. den High Pressure Gas Safety Act of Japan spezifiziert ist. Selbstverständlich kann der Hochdrucktank ein Hochdrucktank sein, der den Standards des GHS entspricht. Der Hochdrucktank 100 beinhaltet: eine Harzauskleidung 10; eine Verstärkungsschicht 20; ein ventilseitiges Mundstück 30; ein endseitiges Mundstück 40; ein Ventil 50; ein erstes Schutzelement 61; und ein zweites Schutzelement 62.
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Die Harzauskleidung 10 ist ein Element zur Definition eines Raums, der mit Wasserstoff befüllbar ist, und wird durch Harzgießen hergestellt. Die Verstärkungsschicht 20 ist ein Element zur Verstärkung der Harzauskleidung 10 und deckt den Außenumfang der Harzauskleidung 10 ab. Die Verstärkungsschicht 20 besteht aus faserverstärktem Harz, und ein Material dafür ist CFK (CFRP; carbon- bzw. kohlefaserverstärkte Kunststoffe). Die Verstärkungsschicht 20 wird nach dem FW-Verfahren (Filamentwicklung) gebildet. Die Harzauskleidung 10 bildet einen Behälterkörper des Hochdrucktanks 100.
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Wie in 1 dargestellt ist, beinhaltet der Tankkörper: ein Zylinderplattenteil 80, ein erstes Endplattenteil 91 und ein zweites Endplattenteil 92. Das Zylinderplattenteil 80 umfasst einen Teil der Harzauskleidung 10 und einen Teil der Verstärkungsschicht 20 und hat eine lineare Querschnittsform. Die Erstreckungsrichtung der Schnittform stimmt mit der Richtung der in 1 dargestellten Mittelachse O überein. Das erste Endplattenteil 91 und das zweite Endplattenteil 92 umfassen einen Teil der Harzauskleidung 10 und einen Teil der Verstärkungsschicht 20, jedoch nicht das Zylinderplattenteil 80. Das heißt, jedes dieser Teile ist ein Teil mit einer Querschnittsform, die sich nicht linear entlang der Längsrichtung des Tanks erstreckt, und insbesondere ist das Teil in einer gekrümmten Form, üblicherweise in einer halbkreisförmigen Form. Aufgrund dieser Form werden das erste Endplattenteil 91 und das zweite Endplattenteil 92 manchmal als Dom- bzw. Kuppelteile bezeichnet.
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Das ventilseitige Mundstück 30 hat eine im Allgemeinen zylindrische Form und beinhaltet einen Flansch, der von seiner äußeren Umfangsfläche vorsteht. Das ventilseitige Mundstück 30 ist in einem Zustand befestigt, in dem der Flansch zwischen der Harzauskleidung 10 und der Verstärkungsschicht 20 im ersten Endplattenteil 91 gehalten wird. In 1 wird zur Vereinfachung der Zeichnung keine Schraffur, die auf eine Schnittansicht hinweist, für das ventilseitige Mundstück 30 angewendet. Die innere Umfangsfläche des ventilseitigen Mundstücks 30 fungiert als Wasserstoffanschluss. Das Ventil 50 dient zum Öffnen und Schließen des Wasserstoffanschlusses im ventilseitigen Mundstück 30. Das Ventil 50 umfasst ein Schmelzkegelventil (nicht abgebildet). Das Schmelzkegelventil ist eine Art Sicherheitsventil und hat die Funktion, den Druck eines gespeicherten Gases nach außen abzulassen, wenn die Temperatur des Hochdrucktanks 100 eine vorbestimmte Temperatur oder mehr erreicht. Das ventilseitige Mundstück 30 ist mit einem Innengewinde an seiner inneren Umfangsfläche ausgebildet und das Ventil 50 ist mit einem Außengewinde an seiner äußeren Umfangsfläche ausgebildet. Die Gewinde werden so angezogen, dass die Innenseite der Harzauskleidung 10 abgedichtet wird.
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Das endseitige Mundstück 40 ist am zweiten Endplattenteil 92 so angeordnet, dass es zur Innenseite und Außenseite des Tanks freiliegt. Durch diese Anordnung kann die Wärme im Inneren des Tanks nach außen abgegeben werden. Das endseitige Mundstück 40 wird auch zum drehbaren Halten der Harzauskleidung 10 verwendet, wenn das CFK, das das Material der Verstärkungsschicht 20 ist, um die Harzauskleidung 10 gewickelt wird. Um die Effizienz der Wärmeabstrahlung zu erhöhen, wird in der vorliegenden Ausführungsform als Material des endseitigen Mundstücks 40 Metall, wie beispielsweise Aluminium, verwendet. In 1 wird zur Vereinfachung der Zeichnung auch für das endseitige Mundstück 40 keine Schraffur angewendet, die auf eine Schnittansicht hinweist.
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Das erste Schutzelement 61 bedeckt einen dünnwandigen Abschnitt des ersten Endplattenteils 91 und die Umgebung (beide werden im Folgenden zusammen auch als „dünnwandiger Abschnitt und anderes“ bezeichnet), um den dünnwandigen Abschnitt vor Stößen zu schützen. Der dünnwandige Abschnitt des ersten Endplattenteils 91 ist ein Abschnitt, in dem die Verstärkungsschicht 20 die dünnste Wanddicke im ersten Endplattenteil 91 aufweist, und entspricht einem Zwischenabschnitt des ersten Endplattenteils 91. Der Zwischenabschnitt ist ein Abschnitt mit Ausnahme des ventilseitigen Mundstücks 30 und des Zylinderplattenteils 80. Der Grund für die Erzeugung eines solchen dünnwandigen Abschnitts liegt darin, dass die Verstärkungsschicht 20 im FW-Verfahren gebildet wird. Der dünnwandige Abschnitt ist bei Stoß und hoher Temperatur schwächer als der andere Abschnitt. Es versteht sich von selbst, dass das erste Schutzelement 61 und das zweite Schutzelement 62 angeordnet werden können, auch wenn es keinen dünnwandigen Abschnitt gibt.
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Um den dünnwandigen Abschnitt abzudecken, wird das erste Schutzelement 61 in einer Form gebildet, die auf einer konischen Form basiert, aus der ein Scheitelabschnitt entfernt wird (die Form wird im Folgenden als „flache Markierungskegelform“ bezeichnet), und das erste Schutzelement 61 bedeckt zumindest einen Teil der Oberfläche des Hochdrucktanks 100. Um die Schlagfestigkeit des ersten Schutzelements 61 zu verbessein, wird für das erste Schutzelement 61 eine Struktur mit zwei später beschriebenen Harzschichten verwendet. Das erste Schutzelement 61 wird nach der Matrizenformung bzw. dem Fließpressen (EN: die-forming) mit einem Haftmittel an der Außenfläche der Verstärkungsschicht 20 befestigt. Positionen, an denen das erste Schutzelement 61 und das zweite Schutzelement 62 angeordnet sind, umfassen Positionen, an denen der Hochdrucktank 100 mit einer horizontalen Ebene in Kontakt kommt, wenn der Hochdrucktank 100 in einem in senkrechter Richtung aufgerichteten Zustand, während das ventilseitige Mundstück 30 in Abwärts- oder Aufwärtsrichtung ausgerichtet ist, in einem Winkel von 45 Grad von der senkrechten Richtung geneigt ist.
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Das zweite Schutzelement 62 bedeckt den dünnwandigen Abschnitt und anderes des zweiten Endplattenteils 92, um den dünnwandigen Abschnitt vor einem Stoß und hohen Temperaturen zu schützen. Die äußere Form und die Struktur des zweiten Schutzelements 62 sind nahezu identisch mit der äußeren Form und der Struktur des ersten Schutzelements 61. Das zweite Schutzelement 62 wird mit dem Haftmittel an der Verstärkungsschicht 20 befestigt. Ähnlich wie das erste Schutzelement 61 weist das zweite Schutzelement 62 eine zweischichtige innere Struktur auf. Das zweite Schutzelement 62 wird durch Matrizenformung bzw. Fließpressen (EN: die-forming) hergestellt. Das erste und zweite Schutzelement 61, 62 werden in einigen Fällen auch als „Protektoren“ bezeichnet.
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Der zweischichtige Aufbau, der bei jedem der ersten und zweiten Schutzelemente 61, 62 enthalten ist, wird mit Bezug auf 2 beschrieben. 2 ist eine Schnittansicht, die einen vergrößerten Querschnitt des ersten und zweiten Schutzelements 61, 62 zeigt. Wie in 2 dargestellt ist, wird jedes von dem ersten und zweiten Schutzelement 61, 62 durch eine innere erste Schicht 71 und eine äußere zweite Schicht 72 gebildet. Die zweite Schicht 72 deckt bei der vorliegenden Ausführungsform den gesamten Bereich der ersten Schicht 71 ab. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Material der ersten Schicht 71 und der zweiten Schicht 72 jeweils Polyurethan, aber die erste Schicht 71 und die zweite Schicht 72 sind unterschiedlich verformbar. Die erste Schicht 71 ist durch eine äußere Belastung bzw. Kraft stärker verformbar als die zweite Schicht 72. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die erste Schicht 71 folgende Eigenschaften auf: Dichte von 0,25 g/cm3; und statischer Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul von etwa 570 kPa, und die zweite Schicht 72 weist folgende Eigenschaften auf: Dichte von 0,67 g/cm3; und statischer Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul von 1100 kPa oder mehr. Die physikalischen Eigenschaftswerte von Polyurethan lassen sich durch Additive und den Aufschäumgrad leicht steuern. Als Additiv kann expandierter Graphit in Erwägung gezogen werden, aber in Bezug auf den statischen Kompressionswert können die obigen Werte ohne Zugabe von expandiertem Graphit realisiert werden. Bei dieser Ausführungsform ist der statische Kompressionswert definiert als eine Kraft im Moment des Zusammendrückens des Ziels um 50% in Dickenrichtung. Daher ist bei dieser Ausführungsform das Verhältnis: statischer Kompressionswert der zweiten Schicht / statischer Kompressionswert der ersten Schicht etwa 1100 / 570 ≈ 1,9.
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Die Schlagfestigkeit des Hochdrucktanks 100 mit dem wie vorstehend beschrieben ausgebildeten ersten Schutzelement 61 und dem zweiten Schutzelement 62 wird nun beschrieben. 3 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Skizze einer Prüfeinrichtung zur Simulation eines Falltests des Hochdrucktanks zeigt, um festzustellen, wie viel Kraft der Hochdrucktank 100 aushalten kann. Als Falltest wurde ein Falltest in einem Winkel von 45 Grad simuliert, der die härteste Bedingung für den Hochdrucktank 100 (Japan Automobile Research Institute, „Technical Standards for Compressed Hydrogen Container for Automobile Fuel System“ (JARIS001 (2004))) ist. In 3 wurde der Hochdrucktank 100 als Prüfziel an einer Vorrichtung GG in einem Winkel von 45 Grad mit einem Riemen BT oder dergleichen befestigt, und es wurde eine statische Kraft von oben auf das erste Schutzelement 61 unter Verwendung einer Druckplatte 200 einer Lastprüfvorrichtung 210 aufgebracht. Die Druckplatte 200 wurde von der Lastprüfvorrichtung 210 nach unten bewegt. Eine durch die Bewegung auf das erste Schutzelement 61 des Hochdrucktanks 100 ausgeübte Kraft wurde mit einem Kraftaufnehmer bzw. einer Load Cell oder dergleichen gemessen.
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4 zeigt ein Ergebnis des Falltests. In 4 stellt eine horizontale Achse, die als „Druckplattenverschiebung“ bezeichnet wird, den Bewegungsumfang der Druckplatte 200 aus einer Position dar, in der die Druckplatte 200 mit dem ersten Schutzelement 61 in Kontakt kommt. Wie in der Grafik dargestellt ist, variiert bei dem Hochdrucktank 100 mit dem ersten Schutzelement 61 der vorliegenden Ausführungsform die monoton ansteigende Kraft um die Druckplattenverschiebung XS1, was darauf hindeutet, dass ein Bruch oder Riss in der CFK-Schicht des Hochdrucktanks 100 verursacht wurde. Die Belastung betrug zu diesem Zeitpunkt fast 200 kN (Kilonewton). Tatsächlich wurde bei der Inspektion des Hochdrucktanks 100 nach der Prüfung festgestellt, dass die CFK-Schicht in der Nähe des ersten Schutzelements 61 Risse aufweist.
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Daneben zeigt 5 als Vergleichsbeispiel einen Graph eines Falltestergebnisses und einen Fall, bei dem im ersten Schutzelement 61 das Material der ersten Schicht und das Material der zweiten Schicht gegeneinander ausgetauscht wurden. Das heißt, der Graph von 5 zeigt ein Falltestergebnis in einem Fall, bei dem im ersten Schutzelement 61 ein Material mit einem statischen Kompressionswert von 1100 für die innere erste Schicht und ein Material mit einem statischen Kompressionswert von etwa 570 für die äußere zweite Schicht verwendet wurde. Wie in dem Graph dargestellt ist, variiert bei dem Hochdrucktank 100 mit dem ersten Schutzelement 61, in dem die Anordnung der physikalischen Eigenschaften der ersten Schicht und der zweiten Schicht zu der des ersten Schutzelements 61 der vorliegenden Ausführungsform umgekehrt wurde, die monoton ansteigende Kraft um die Druckplattenverschiebung XS2 herum, was darauf hindeutet, dass ein Bruch oder Riss an der Harzauskleidung 10 des Hochdrucktanks 100 verursacht wurde. Die Verschiebung XS2 der Druckplatte 200 war zu diesem Zeitpunkt etwa 20 bis 30 % kleiner als die Verschiebung XS1 im Falle des Hochdrucktanks 100 der Ausführungsform, und die Belastung zum Zeitpunkt des Bruchs betrug etwa 100 kN (Kilonewton).
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Ein Prüfergebnis, bei dem der Hochdrucktank 100 auf den Kopf gestellt und eine Kraft von der Lastprüfvorrichtung 210 aus einem Zustand aufgebracht wurde, in dem die Druckplatte 200 mit dem zweiten Schutzelement 62 in Kontakt stand, war das gleiche wie oben. Auch im Vergleich zu einem Hochdrucktank mit einem ersten Schutzelement 61 mit einer einzigen Schicht zeigte der Hochdrucktank 100 mit dem ersten Schutzelement 61 und dem zweiten Schutzelement 62 der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Stoßfestigkeit. Insbesondere wurde, wenn ein Verhältnis der statischen Kompressionswerte der ersten Schicht und der zweiten Schicht, d.h. Kompressionsmodul der ersten Schicht / Kompressionsmodul der zweiten Schicht 1/1,9 oder weniger betrug, eine signifikante Verbesserung der Schlagfestigkeitsleistung festgestellt.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist jedes von dem ersten Schutzelement 61 und dem zweiten Schutzelement 62, die in der Nähe des Schulterteils des Hochdrucktanks 100 angeordnet sind, in einer zweischichtigen Struktur konfiguriert, und der statische Kompressionswert der inneren ersten Schicht 71 ist so eingestellt, dass er kleiner als der statische Kompressionswert der äußeren zweiten Schicht 72 ist. Als Ergebnis wird festgestellt, dass eine Kraft, die einen Bruch oder Risse an der Harzauskleidung 10 verursacht, erhöht wird und somit eine höhere Schlagfestigkeit gegen Stöße durch Fallenlassen oder dergleichen realisiert werden kann, verglichen mit einem Fall, bei dem eine einschichtige Struktur verwendet wird, oder einem Fall, bei dem der statische Kompressionswert der inneren ersten Schicht größer ist als der statische Kompressionswert der äußeren zweiten Schicht. Wenn die gleiche Schlagfestigkeit erreicht wird, kann die Dicke des Schutzelements dünner sein als die Dicke des herkömmlichen Schutzelements, um dadurch die gesamte Dicke zu reduzieren.
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Es kann davon ausgegangen werden, dass der Grund dafür, warum in jedem von dem ersten Schutzelement 61 und dem zweiten Schutzelement 62, bei denen der statische Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul der inneren ersten Schicht 71 kleiner ist als der statische Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul der äußeren zweiten Schicht 72, eine höhere Schlagfestigkeit erreicht werden kann, wie folgt ist. 6 zeigt einen Fall, bei dem der statische Kompressionswert der ersten Schicht, die auf der CFK-Schicht, welche die Verstärkungsschicht 20 ist, angeordnet ist, kleiner ist als der statische Kompressionswert der Schicht über der ersten Schicht, d.h. der äußeren zweiten Schicht. Die Schicht mit einem niedrigeren Kompressionsmodul wird im Folgenden als „Schicht mit niedriger Druckfestigkeit“ bezeichnet, und die Schicht mit einem höheren Kompressionsmodul als der niedrigere Kompressionsmodul wird als „Schicht mit hoher Druckfestigkeit“ bezeichnet. Wie in 6 gezeigt ist, wird bei einer Kraft F von außen, d.h. von der hochdruckfesten Schicht, die die zweite Schicht ist, die Schicht mit hoher Druckfestigkeit verformt, aber der Bereich der Verformung ist klein. Da die Schicht mit niedriger Druckfestigkeit dagegen eine geringere Druckfestigkeit aufweist als die Druckfestigkeit der äußeren zweiten Schicht, breitet sich die Verformung der Schicht mit niedriger Druckfestigkeit beim Übergang der Kraft F auf die Schicht mit niedriger Druckfestigkeit in einem weiten Bereich aus. Dadurch wird die von der inneren ersten Schicht auf die CFK-Schicht, also die Verstärkungsschicht 20, übertragene Kraft F in einem weiten Bereich verteilt, so dass eine flächenbezogene Belastung auf eine geringe Belastung reduziert werden kann.
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Andererseits ist, wie in 7 dargestellt ist, die äußere zweite Schicht, wenn das Verhältnis der Anordnung der ersten Schicht und der zweiten Schicht umgekehrt ist, die Schicht mit niedriger Druckfestigkeit, so dass die Schicht durch die Kraft F von außen leicht verformt wird. Da die innere erste Schicht jedoch die Schicht mit hoher Druckfestigkeit ist, wird die Kraft F auf die innere erste Schicht ohne sich weit auszubreiten auf die CFK-Schicht, also die Verstärkungsschicht 20, übertragen. Infolgedessen erhöht sich die Belastung pro Flächeneinheit, so dass ein Bruch und Risse an der Harzauskleidung 10 wahrscheinlich sind.
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Das Härteverhältnis zwischen der ersten Schicht 71 und der zweiten Schicht 72 in jedem von dem ersten Schutzelement 61 und dem zweiten Schutzelement 62 ist nicht spezifisch begrenzt, solange die innere erste Schicht verformbarer ist als die äußere zweite Schicht. Die Verformbarkeit kann durch den Grad des statischen Kompressionswertes definiert werden, wenn die erste und zweite Schicht 71, 72 jeweils Harzschichten sind. Die äußere zweite Schicht 72 ist nicht auf Harz beschränkt und kann aus Metall, Holzwerkstoff, Kohlefasern usw. gebildet werden. In diesem Fall ist es nicht sinnvoll, eine Kraft zu definieren, um die Dicke um 50% oder dergleichen zu reduzieren; daher kann der statische Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul eher als der Grad der Verformung definiert werden, wenn eine konstante Kraft in eine Richtung aufgebracht wird, in der die Dicke komprimiert wird. Die Verformbarkeit kann auch mit anderen physikalischen Eigenschaftswerten, wie z.B. dem Young-Modul, definiert werden.
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Die Kombination aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht kann eine Kombination sein, die eine erste Schicht aus einem weichen Harz und eine zweite Schicht aus einem harten Harz beinhaltet. Die Kombination kann eine Kombination sein, die eine erste Schicht aus einem weichen Harz und eine zweite Schicht aus Metall beinhaltet. Die Kombination kann eine Kombination sein, die eine erste Schicht aus einem weichen Harz und eine zweiten Schicht aus einem Kohlenstoffharz beinhaltet. Alternativ kann die Kombination auch eine Kombination sein, die eine erste Schicht aus einem geschäumtem Harz und einem zweiten Schicht aus einem harten Harz beinhaltet.
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Hierbei bezeichnet weiches Harz ein Harz mit einem niedrigen statischen Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul, wie Polyurethan, EVA-Harz und Polyethylen niedriger Dichte (LDPE oder PE-LD). Ein Beispiel für das harte Harz kann Epoxidharz, Harnstoffharz, Phenolharz, Melaminharz, ungesättigtes Polyesterharz beinhalten; und ein typisches Harz dafür ist ein solches Harz, das einen relativ höheren statischen Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul als der statische Kompressionswert bzw. Kompressionsmodul des weichen Harzes aufweist, wie beispielsweise Polycarbonat, Polyacetal bzw. Polyoxymethylen, ABS-Harz und Polyethylen hoher Dichte.
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Das obige Metall umfasst auch eine Legierung. Relativ weiches Metall, wie Aluminium, Kupfer und Weicheisen, kann verwendet werden. Verbundwerkstoffe aus Metall, Keramik, Harz und anderen Materialien können verwendet werden. Darüber hinaus kann auch Material aus einem Bündel von Metallfasern, Material aus gewebten Metallfasern oder eine Wabenstruktur verwendet werden.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform werden das erste Schutzelement 61 und das zweite Schutzelement 62, die jeweils dem ersten Endplattenteil 91 und dem zweiten Endplattenteil 92 des Hochdrucktanks 100 zugeordnet sind, durch verschiedene Bezugszeichen angezeigt, aber beide können aus demselben Element gebildet sein. Alternativ können beide verschiedene Elemente sein. Die Bedeutung, dass „beide verschieden sind“, kann einen Fall einschließen, bei dem sich die Materialien, die die erste Schicht und die zweite Schicht bilden, zumindest teilweise voneinander unterscheiden, oder einen Fall, bei dem die Materialien gleich sind, aber beide zumindest in Dicke oder Breite teilweise unterschiedlich sind. Darüber hinaus kann nur eines von dem ersten Schutzelement 61 und dem zweiten Schutzelement 62 angeordnet werden. Alternativ kann zusätzlich zu dem ersten Schutzelement 61 und dem zweiten Schutzelement 62 auch ein drittes Schutzelement an einer Stelle angeordnet werden, an der das dritte Schutzelement das erste Schutzelement 61 und das zweite Schutzelement 62 nicht überlappt.
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind das erste Schutzelement 61 und das zweite Schutzelement 62 mit einem Haftmittel an der Verstärkungsschicht 20 befestigt, aber das erste Schutzelement 61 und das zweite Schutzelement 62 können mit einem doppelseitigen Klebeband befestigt werden oder können mit einem anderen Befestigungselement, wie beispielsweise einem Riemen, befestigt werden. Bei der in 2 dargestellten Konfiguration deckt die äußere zweite Schicht 72 die erste Schicht 71 vollständig ab und steht in direktem Kontakt mit der Verstärkungsschicht 20 am Außenumfang der ersten Schicht 71. Im Kontaktbereich kann die erste Schicht 71 mit der Verstärkungsschicht 20 verbunden sein oder auch nicht. Alternativ kann, wie in 8 gezeigt ist, eine Konfiguration gewählt werden, dass sich eine zweite Schicht 72a von der ersten Schicht 71 nicht in der Außenumfangsrichtung der ersten Schicht 71 ausbreitet, um außerhalb des Kontakts mit der Verstärkungsschicht 20 zu sein.
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Darüber hinaus ist es nicht immer notwendig, dass die erste Schicht 71 oder die zweite Schicht 72 ein einzelnes Element ist, und sie kann in eine Mehrzahl von Elementen unterteilt werden. So können beispielsweise, wie in 9 dargestellt ist, ein erstes Schutzelement 6 1 A und ein zweites Schutzelement 62A jeweils so konfiguriert werden, dass, um die zweite Schicht 72 in zwei Teile zu teilen, eine dritte Schicht 73 weiter außerhalb der zweiten Schicht 72 angeordnet ist. Wenn in diesem Fall die jeweiligen statischen Kompressionswerte der ersten bis dritten Schichten als SP1 bis SP3 definiert sind, kann eines von SP1 < SP2 und SP2 < SP3 erfüllt sein, und die beiden anderen Schichten können unabhängig vom Grad der statischen Kompressionswerte konfiguriert werden. Die statischen Kompressionswerte bzw. Kompressionsmodul der ersten bis dritten Schicht können natürlich den gleichen statischen Kompressionswert aufweisen.
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Die erste Schicht 71 braucht nicht in Stapelrichtung unterteilt sein, sondern kann in eine andere Richtung als die Stapelrichtung unterteilt werden. Das erste Schutzelement 61, das zweite Schutzelement 62 und dergleichen sind jeweils in einer flachen Markierungskegelform ausgebildet, aber die Form ist nicht auf diese Form beschränkt; und beispielsweise kann die Form im Falle der Seite des zweiten Endplattenteils 92 eine schalenartige Form sein, die das endseitige Mundstück 40 abdeckt. Alternativ braucht, aus der Richtung der Mittelachse O gesehen, die Form nicht immer eine kreisförmige Form (donutartige Form) sein, sondern kann durch Anordnen einer Mehrzahl von kleinen Schutzelementen gebildet werden. In diesem Fall kann die Mehrzahl von Schutzelementen in gleichem Abstand von der Mittelachse O am Umfang angeordnet sein, oder kann unabhängig vom Umfang in gleichem Abstand von der Mittelachse O angeordnet sein. So können beispielsweise die Schutzelemente zufällig oder nach einer bestimmten Regelmäßigkeit, wie beispielsweise einer versetzten Anordnung, angeordnet sein.
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Das im Hochdrucktank gespeicherte Fluid kann eine anderes Fluid als Wasserstoff sein, beispielsweise ein Methangas und ein Propangas. Der Hochdrucktank ist nicht auf einen Tank im Fahrzeug beschränkt, sondern kann ein Tank sein, der in einem Haus, einer Forschungseinrichtung oder einer medizinischen Einrichtung installiert ist.
