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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Einige Auskleidungen, die in Hochdrucktanks zur Speicherung von Brenngas für Erdgasautos, Brennstoffzellenautos und dergleichen enthalten sind, weisen Verstärkungsschichten zur Verstärkung der Außenflächen der Auskleidungen auf (siehe die
WO 2016/020972 A1 ).
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
WO 2016/020972 A1 beschreibt einen Hochdrucktank mit einer Reifenschicht bzw. reifenförmigen Schicht und einer Schraubenschicht bzw. schraubenförmigen Schicht als Verstärkungsschicht. In einem solchen Hochdrucktank ist es denkbar, die Menge der die Verstärkungsschicht bildenden Fasern zu reduzieren, um das Gewicht des Hochdrucktanks zu reduzieren. Die durch das Anschwellen bzw. die Volumenzunahme der Auskleidung in der Verstärkungsschicht verursachte Belastung bzw. Beanspruchung oder Dehnung kann jedoch aufgrund einer Reduzierung der Fasermenge erhöht werden. Um ein solches Problem zu lösen, wurde eine Technologie gefordert, die sowohl die Gewichtsreduzierung des Hochdrucktanks als auch die Reduzierung der Erhöhung der in der Verstärkungsschicht aufgrund der Reduzierung der Fasermenge verursachten Belastung erreicht.
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Die vorliegende Erfindung kann nach den folgenden Gesichtspunkten umgesetzt werden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank vorgeschlagen. Das Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank beinhaltet: das Herstellen einer Auskleidung, die einen Raum bildet, der konfiguriert ist, um ein Gas in dem Raum abzudichten, wobei die Auskleidung einen Zylinderabschnitt in zylindrischer Form und ein Paar von Kuppelabschnitten beinhaltet, die an beiden Enden des Zylinderabschnitts in einer axialen Richtung des Zylinderabschnitts angeordnet sind, wobei Kappen den jeweiligen Kuppelabschnitten angeordnet sind; und das Ausbilden einer schraubenförmigen Schicht durch schraubenförmiges bzw. biaxiales Wickeln von Faserbündeln auf der Auskleidung, wobei eine Mehrzahl von Schichten, die in der schraubenförmigen Schicht enthalten sind, beinhaltet: Basisumkehrschichten, die durch Wickeln der Faserbündel gebildet werden, während ein Basisabschnitt jeder der Kappen, der in axialer Richtung aus dem Liner herausragt, als eine Wickelumkehrposition verwendet wird, an der die Faserbündel (FB) in axialer Richtung umgekehrt werden; und Fernumkehrschichten, die durch Wickeln der Faserbündel gebildet werden, während eine von jedem Basisabschnitt entfernte Fernposition als Wickelumkehrposition verwendet wird, und in den Fernumkehrschichten das schraubenförmige Wickeln so durchgeführt wird, dass Lücken zwischen benachbarten Faserbündeln der Faserbündel entstehen.
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Mit dem obigen Aspekt kann die Gewichtsreduzierung des Hochdrucktanks erreicht werden. Darüber hinaus kann die in der Verstärkungsschicht verursachte Belastung im Vergleich zu einem Hochdrucktank mit einer schraubenförmigen Schicht, die nur durch die Basisumkehrschichten gebildet wird, reduziert werden. Darüber hinaus ist es in den Fernumkehrschichten möglich, durch die Bildung von Lücken zwischen den Faserbündeln das Gewicht des Hochdrucktanks zu reduzieren, und es ist möglich die in der Verstärkungsschicht verursachte Belastung gegenüber dem Fall ohne Lücken weiter zu reduzieren.
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Bei dem oben beschriebenen Aspekt kann die Abdeckung mit den Fernumkehrschichten im Bereich von nicht weniger als 50% bis nicht mehr als 80% liegen.
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Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, sowohl die Reduzierung der Fasermenge als auch die Reduzierung der Zunahme der in der Verstärkungsschicht aufgrund der Reduzierung der Fasermenge verursachten Belastung zu erreichen, ohne die Festigkeit übermäßig zu reduzieren.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank beschränkt und kann auf verschiedene Arten eines Hochdrucktanks, der nach dem obigen Herstellungsverfahren hergestellt wird, und einer Fertigungsvorrichtung für einen Hochdrucktank und dergleichen angewendet werden. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Aspekte beschränkt, und es muss nicht erwähnt werden, dass die vorliegende Erfindung auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Figurenliste
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleichartige Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
- 1 eine Schnittansicht, die den schematischen Aufbau eines Hochdrucktanks zeigt;
- 2 ein Prozessdiagramm, das ein Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank zeigt;
- 3 eine vergrößerte Ansicht, die die Umgebung einer Kappe zeigt;
- 4 eine erläuternde Ansicht, die eine schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel erklärt;
- 5 eine erläuternde Ansicht, die eine schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel erklärt;
- 6 eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer Auskleidung, der mit Schichten mit einer Abdeckung von 80% bedeckt ist;
- 7 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Auskleidung, der mit Schichten mit einer Abdeckung von 100% bedeckt ist;
- 8 eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Kappe; und
- 9 eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Kappe.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Erste Ausführungsform
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1 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Konfiguration eines Hochdrucktanks 10 zeigt, der nach dem Herstellungsverfahren der ersten Ausführungsform hergestellt wurde. 1 zeigt XYZ-Achsen, die orthogonal zueinander sind. Die XYZ-Achsen in 1 entsprechen den XYZ-Achsen in den anderen Zeichnungen. Im Hochdrucktank 10 der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise ein Hochdruck-Wasserstoffgas mit etwa 70 MPa gespeichert. Der Hochdrucktank 10 beinhaltet eine Auskleidung 20 und eine Verstärkungsschicht 30.
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Die Auskleidung 20 ist eine hohle Auskleidung aus Harz und bildet einen Raum zum Abdichten eines Gases im Inneren. Die Auskleidung 20 besteht beispielsweise aus einem thermoplastischen Harz wie Polyethylen, Nylon, Polypropylen und Polyester. Eine Mittelachse der Auskleidung 20 ist gleich einer Mittelachse AX des Hochdrucktanks 10. Im Folgenden kann eine Richtung entlang der Mittelachse AX als eine Richtung der Mittelachse AX bezeichnet werden. Die Auskleidung 20 beinhaltet einen Zylinderabschnitt 21, Kuppelabschnitte 22, 23 und Kappen 13, 14.
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Der Zylinderabschnitt 21 hat eine zylindrische Form. Die Kuppelabschnitte 22, 23 sind als Paar an beiden Enden des Zylinderabschnitts 21 in axialer Richtung des Zylinderabschnitts 21 angeordnet und jeweils in einer gekrümmten Oberflächenform ausgebildet, die zur Außenseite der Auskleidung 20 konvex ist. An den Oberseiten der Kuppelabschnitte 22, 23 sind jeweils Kappen 13, 14 aus Metall wie Aluminium und Edelstahl angeordnet. Die Kappe 13 auf einer Seite hat eine Durchgangsbohrung 15 und dient zur Befüllung des Hochdrucktanks 10 mit dem Gas oder zur Ableitung des Gases aus dem Inneren des Hochdrucktanks 10. Die Kappe 14 auf der anderen Seite dient zum Drehen der Auskleidung während der Verstärkung der Auskleidung 20 oder dem Ausbilden der Verstärkungsschicht der Auskleidung 20.
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Die Verstärkungsschicht 30 sind Schichten, die den Außenumfang der Auskleidung 20 abdecken und zur Verstärkung der Auskleidung 20 dienen. Die Verstärkungsschicht 30 beinhaltet eine Reifenschicht bzw. reifenförmigen Schicht 32 und eine Schraubenschicht bzw. schraubenförmige Schicht 34.
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Die reifenförmige Schicht 32 wird durch reifenförmiges Wickeln von Faserbündel um den Zylinderabschnitt 21 herum konfiguriert. Die für das reifenförmige Wickeln verwendeten Faserbündel bestehen aus Faserbündeln aus Kohlefasern, die mit einem wärmehärtenden Harz, wie beispielsweise einem Epoxidharz, imprägniert sind.
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Die schraubenförmige Schicht 34 wird durch schraubenförmiges Wickeln von Faserbündeln auf der reifenförmigen Schicht 32 und den Kuppelabschnitten 22, 23 konfiguriert. Die für das schraubenförmige Wickeln verwendeten Faserbündel bestehen, wie die für das reifenförmige Wickeln verwendeten Faserbündeln, aus Faserbündeln aus Kohlefasern, die mit einem wärmehärtenden Harz, wie beispielsweise Epoxidharz, imprägniert sind.
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Die Dicke der reifenförmigen Schicht 32 und die Dicke der schraubenförmigen Schicht 34 werden entsprechend einem Druckwiderstand und einer für den Hochdrucktank 10 erforderlichen Festigkeit eingestellt.
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2 ist ein Prozessdiagramm, das das Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank 10 zeigt. Bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform wird zunächst ein Vorbereitungsschritt zur Herstellung der Auskleidung 20 durchgeführt (Schritt P110). Die Kappen 13, 14 sind an den jeweiligen Spitzen der Kuppelabschnitte 22, 23 der zu diesem Zeitpunkt vorbereiteten Auskleidung 20 angeordnet.
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Nach dem Vorbereitungsschritt (Schritt P110) wird ein Reifenschichtbildungsschritt durchgeführt, so dass die reifenförmigen Schicht 32 durch reifenförmiges Wickeln der Faserbündel um den Zylinderabschnitt 21 (Schritt P120) gebildet wird.
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Nach dem Reifenschichtbildungsschritt (Schritt P120) wird ein Schraubenschichtbildungsschritt durchgeführt, so dass die schraubenförmigen Schicht 34 durch schraubenförmiges Wickeln der Faserbündel auf die reifenförmige Schicht 32 und die Kuppelabschnitte 22, 23 gebildet wird (Schritt P130). Nach dem Schraubenschichtbildungsschritt (Schritt P130) ist der Hochdrucktank 10 fertig gestellt (siehe 1). Die Verstärkungsschicht kann in umgekehrter Reihenfolge des Reifenschichtbildungsschritts (Schritt P120) und des Schraubenschichtbildungsschritts (Schritt P130) gebildet werden. In diesem Fall wird die reifenförmigen Schicht 32 auf der schraubenförmigen Schicht 34 gebildet, die auf dem Zylinderabschnitt 21 gebildet wurde.
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3 ist eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Kappe 14. Die schraubenförmige Schicht 34 beinhaltet eine Mehrzahl von Schichten L1 bis L10. Ein Bezugszeichen x in einer Schicht Lx (x ist eine ganze Zahl von 1 bis 10) bezeichnet eine x-te Schicht, die von der Seite des Kuppelabschnitts 23 in der schraubenförmigen Schicht 34 gebildet wird. Die Schicht L1 ist eine Schicht, die durch schraubenförmiges Wickeln der Faserbündel auf der äußeren Umfangsfläche der Auskleidung 20 gebildet wird. Die Schicht L2 ist eine Schicht, die durch schraubenförmiges Wickeln der Faserbündel auf die Schicht L1 gebildet wird. Die Schicht L1 und die Schicht L2 werden durch eine schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel gebildet.
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4 ist eine erläuternde Darstellung zur Erklärung der schraubenförmigen Wicklung mit niedrigem Winkel. 4 zeigt, wie die Faserbündel FB durch die schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel um die Auskleidung 20 gewickelt werden. Die „schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel“ ist ein Wickelverfahren mit relativ kleinem Wickelwinkel α, bei dem das Faserbündel FB in der Wicklung der Faserbündel FB in Richtung der Mittelachse AX umgekehrt wird, bevor die Faserbündel FB um eine Runde um die Mittelachse AX im Zylinderabschnitt 21 gewickelt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Wickelwinkel α 30 Grad. In der schraubenförmigen Wicklung mit niedrigem Winkel entsprechen die Wickelumkehrpositionen, bei denen die Faserbündel FB in Richtung der Mittelachse AX umgekehrt werden, den Basisabschnitten RS (dargestellt in 1), die gekrümmte Oberflächenabschnitte CS, die fortlaufend mit den Kuppelabschnitten 22, 23 der Kappen 13, 14 ausgebildet sind, und jeweilig vorstehende Abschnitte PS der Kappen 13, 14, die entlang der Richtung der Mittelachse AX aus dem Hochdrucktank 10 herausragen, verbinden. Mit anderen Worten, die Wickelumkehrpositionen in der schraubenförmigen Wicklung mit niedrigem Winkel sind die Basisabschnitte RS der Kappen 13, 14 der Auskleidung 20, die entlang der Richtung der Mittelachse AX aus der Auskleidung 20 nach außen herausragen.
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Die Schicht L3 ist eine Schicht, die durch schraubenförmiges Wickeln der Faserbündel auf die Schicht L2 gebildet wird. Die Schicht L3 wird durch eine schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet.
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5 ist eine erläuternde Ansicht zur Erklärung der schraubenförmigen Wicklung mit hohem Winkel. 5 zeigt, wie die Faserbündel FB durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel um die Auskleidung 20 gewickelt werden. Die „schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel“ ist ein Wickelverfahren mit einem relativ großen Wickelwinkel β, bei dem die Faserbündel FB in Richtung der Mittelachse AX in der Wicklung der Faserbündel FB umgekehrt werden, nachdem die Faserbündel FB um zumindest eine Runde um die Mittelachse AX im Zylinderabschnitt 21 gewickelt wurden.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Wickelwinkel β 60 Grad. Es kann gesagt werden, dass die „schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel“ ein Wickelverfahren ist, bei dem die Faserbündel FB in der Wicklung der Faserbündel FB nicht in Richtung der Mittelachse AX zurückgedreht werden, bevor die Faserbündel FB um eine Runde um die Mittelachse AX im Zylinderabschnitt 21 gewickelt werden. In der schraubenförmigen Wicklung mit hohem Winkel entsprechen die Wickelumkehrpositionen, bei denen die Faserbündel FB in Richtung der Mittelachse AX umgekehrt werden, den Fernpositionen DS, die von den vorstehenden Abschnitten PS der Kappen 13, 14 der Kuppelabschnitte 22, 23 entfernt sind (dargestellt in 1). Mit anderen Worten, die Wickelumkehrpositionen der „schraubenförmigen Wicklung mit hohem Winkel“ sind die von den Basisabschnitten RS, d.h. den Wickelumkehrpositionen der „schraubenförmigen Wicklung mit niedrigem Winkel“, in Z-Achsrichtung entfernten Fernpositionen DS. In 1 ist die Fernposition DS auf der gekrümmten Oberfläche des Kuppelabschnitts 23 angeordnet, kann aber auch auf einem gekrümmten Oberflächenabschnitt CS der Kappe 14 liegen.
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Die Schicht L4, die Schicht L5, die Schicht L7, die Schicht L8 und die Schicht L10 werden durch die schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel gebildet, wie bei der Schicht L1 und der Schicht L2. Die Schicht L6 und die Schicht L9 werden wie bei der Schicht L3 durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die Schichten, die durch die schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel gebildet werden, den Basisumkehrschichten. In der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die Schichten, die durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet werden, den Fernumkehrschichten.
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Bei den in der Schicht L3, der Schicht L6 und der Schicht L9 enthaltenen Faserbündeln wird die schraubenförmige Wicklung so ausgeführt, dass ein Spalt bzw. eine Lücke zwischen benachbarten Faserbündeln der Faserbündel in jeder Schicht entsteht. Eine Abdeckung mit den Faserbündeln der Schicht L3, der Schicht L6 und der Schicht L9 beträgt 80%.
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6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Auskleidung 20, der mit Schichten mit einer Abdeckung von 80% bedeckt ist. Schraffierte Abschnitte in 6 zeigen Oberflächenabschnitte der Auskleidung 20, die nicht mit den Faserbündeln FB abgedeckt sind.
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7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Auskleidung 20, der mit Schichten mit einer Abdeckung von 100% bedeckt ist. 7 zeigt einen Zustand, in dem die Auskleidung 20 nicht sichtbar ist, da die Auskleidung 20 vollflächig mit den Faserbündeln FB bedeckt ist.
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Wie die Abdeckung bei der Ausbildung der schraubenförmigen Schicht 34 eingestellt wird, wird mit Bezug auf 6 beschrieben. In 6 ist bei zwei betrachteten, benachbarten Faserbündeln, wenn ein Abstand von einem Ende in Breitenrichtung eines Faserbündels und einem Ende in Breitenrichtung des anderen Faserbündels als Weite P definiert ist, die Abdeckung als Prozentsatz eines Abstandes L von einem Ende zum anderen Ende in Breitenrichtung des einen Faserbündels relativ zur Weite definiert.
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8 ist eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Kappe 14 eines Hochdrucktanks 10a, der nach dem Herstellungsverfahren eines Vergleichsbeispiels 1 hergestellt wurde. Die Konfiguration des Hochdrucktanks 10a des Vergleichsbeispiels 1 ist die gleiche wie die des Hochdrucktanks 10, der nach dem Herstellungsverfahren der ersten Ausführungsform hergestellt wurde, mit der Ausnahme, dass der Hochdrucktank 10a eine schraubenförmige Schicht 34a aufweist, die sich von der schraubenförmigen Schicht 34 unterscheidet.
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Die schraubenförmige Schicht 34a beinhaltet eine Mehrzahl von Schichten La1 bis La10. Ein Bezugszeichen y einer Schicht Lay (y ist eine ganze Zahl von 1 bis 10) bezeichnet eine y-te Schicht, die von der Seite des Kuppelabschnitts 23 in der schraubenförmigen Schicht 34a gebildet wird. Die Schichten La1 bis La10 werden durch eine schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel gebildet. Eine Abdeckung mit der Schicht La1 bis La10 beträgt 100%.
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Bei der schraubenförmigen Wicklung mit niedrigem Winkel liegen die Wickelumkehrpositionen der Faserbündel an den Basisabschnitten RS, so dass sich die Wicklung der Faserbündel auf die Nähe der Basisabschnitte RS konzentriert. Daher kommt es in den Abschnitten PR der schraubenförmigen Schicht 34a, die auf den Basisabschnitten RS gebildet werden, zu einem lokalen Anschwellen bzw. einer lokalen Volumenzunahme. Bei einem solchen Hochdrucktank 10a wurde bestätigt, dass eine Dehnung bzw. Belastung von 2,17% in der Verstärkungsschicht 30 auftritt, wenn der Tank mit dem Gas mit einer Menge befüllt wird, die ausreicht, dass die Auskleidung 20 einen Innendruck von 180 MPa aufweist. Die hier genannte Dehnung bzw. Belastung bezeichnet jede Verschiebung, Ausdehnung, Kontraktion, Torsion, lineare Dehnung oder Oberflächendehnung oder jede andere Verformung in einem Teil der Verstärkungsschicht. Wenn ein Zustand, in dem keine Dehnung in der Verstärkungsschicht 30 verursacht wird, als 0% definiert ist, wird von den Dehnungen, die durch den Anstieg des Innendrucks der Auskleidung 20 aus diesem Zustand verursacht werden, eine Dehnung in einem Teil, in dem eine maximale Dehnung verursacht wird, als Messwert definiert. Darüber hinaus werden die in der Verstärkungsschicht verursachten Belastungen durch Berechnungen auf der Grundlage einer Simulation mit CAE (CAE = computer aided engineering) ermittelt.
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9 ist eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Kappe 14 in einem Hochdrucktank 10b, der nach dem Herstellungsverfahren eines Vergleichsbeispiels 2 hergestellt wurde. Die Konfiguration des Hochdrucktanks 10b des Vergleichsbeispiels 2 ist die gleiche wie die des Hochdrucktanks 10, der nach dem Herstellungsverfahren der ersten Ausführungsform hergestellt wurde, mit der Ausnahme, dass der Hochdrucktank 10b eine schraubenförmige Schicht 34b aufweist, die sich von der schraubenförmigen Schicht 34 unterscheidet.
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Die schraubenförmige Schicht 34b beinhaltet eine Mehrzahl von Schichten Lb1 bis Lb10. Ein Bezugszeichen z einer Schicht Lbz (z ist eine ganze Zahl von 1 bis 10) bezeichnet eine z-te Schicht, die von der Seite des Kuppelabschnitts 23 in der schraubenförmigen Schichte 34b gebildet wird. Die Schichten Lb1, Lb2, Lb4, Lb5, Lb7, Lb8, Lb10 werden durch die schraubenförmigen Wicklung mit niedrigem Winkel gebildet. Die Schichten Lb3, Lb6, Lb9 werden durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet. Die schraubenförmige Schicht 34 der ersten Ausführungsform und die schraubenförmige Schicht 34b des Vergleichsbeispiels 2 weisen die gleichen Konfigurationen auf, wie die erste, zweite, vierte, fünfte, siebte, achte und zehnte Schicht, die von der Seite des Kuppelabschnitts 23 gebildet werden, und werden durch die schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel gebildet, und die dritte, sechste und neunte Schicht, die von der Seite des Kuppelabschnitts 23 gebildet wird, werden durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet werden. Ein Unterschied zwischen der schraubenförmigen Schicht 34 der ersten Ausführungsform und der schraubenförmigen Schicht 34b des Vergleichsbeispiels 2 besteht darin, dass im Vergleichsbeispiel 2 die Abdeckung mit den mit der schraubenförmigen Wicklung mit hohem Winkel gebildeten Schichten 100% beträgt.
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Bei dem nach dem Herstellungsverfahren des Vergleichsbeispiels 2 hergestellten Hochdrucktank 10b wird die Konzentration der Wicklung der Faserbündel in der Umgebung der Basisabschnitte RS stärker unterdrückt als bei dem nach dem Herstellungsverfahren des Vergleichsbeispiels 1 hergestellten Hochdrucktank 10a; daher kommt es in dem auf jedem Basisabschnitt RS der schraubenförmigen Schicht 34b gebildeten Abschnitt PR kaum zu einem lokalen Anschwellen bzw. einer lokalen Volumenzunahme. Es wird davon ausgegangen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Schichten Lb3, Lb6, Lb9 durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet werden. Da sich jedoch bei der schraubenförmigen Wicklung mit hohem Winkel die Wickelumkehrpositionen der Faserbündel an den von den vorstehenden Abschnitten PS der Kappen 13, 14 der Kuppelabschnitte 22, 23 entfernten Fernpositionen DS befinden, ist die Wicklung der Faserbündel in der Nähe der Fernpositionen DS konzentriert. Daher tritt bei dem nach dem Herstellungsverfahren des Vergleichsbeispiels 2 hergestellten Hochdrucktank 10b ein lokales Anschwellen im Abschnitt PD der schraubenförmigen Schicht 34b, die an jeder Fernposition DS ausgebildet ist, auf, das kleiner als der Abschnitt PR. Bei einem solchen Hochdrucktank 10b wurde bestätigt, dass, wenn der Tank mit dem Gas mit einer Menge befüllt wird, die ausreicht, dass die Auskleidung 20 einen Innendruck von 180 MPa aufweist, eine Dehnung von 1,68% in der Verstärkungsschicht 30 auftritt.
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Andererseits werden bei dem nach dem Herstellungsverfahren der ersten Ausführungsform hergestellten Hochdrucktank 10 die Schichten L1 L2, L4, L5, L7, L8, L10 durch die schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel gebildet. Die Schichten L3, L6, L9 werden durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet. Darüber hinaus beträgt die Abdeckung mit den Schichten L3, L6, L9, die durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet werden, 80%.
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Im Vergleich zu dem nach dem Herstellungsverfahren des Vergleichsbeispiels 1 hergestellten Hochdrucktank 10a mit der schraubenförmige Schicht 34a, die die durch die schraubenförmige Wicklung mit niedrigem Winkel gebildeten Schichten umfasst, wird bei dem nach dem Herstellungsverfahren der ersten Ausführungsform hergestellten Hochdrucktank 10 die Konzentration der Wicklung der Faserbündel in der Umgebung der Basisabschnitte RS unterdrückt. Daher ist es unwahrscheinlich, dass es zu einem lokalen Anschwellen bzw. einer lokalen Volumenzunahme im Abschnitt PR der schraubenförmigen Schicht 34 kommt, die auf jedem Basisabschnitt RS ausgebildet ist. Darüber hinaus ist im Vergleich zu dem nach dem Herstellungsverfahren des Vergleichsbeispiels 2 ausgebildeten Hochdrucktank 10a, der eine Abdeckung mit den Schichten, die durch die schraubenförmige Wicklung mit hohen Winkel gebildet werden, von 100% hat, bei dem Hochdrucktank 10, der nach dem Herstellungsverfahren der ersten Ausführungsform hergestellt wird, die Abdeckung mit den Schichten, die durch die schraubenförmige Wicklung mit hohen Winkel gebildet werden, 80%. Daher kommt es auch im Abschnitt PD der schraubenförmigen Schicht 34, der an jeder Fernposition DS gebildet ist, kaum zu einem lokalen Anschwellen bzw. einer lokalen Volumenzunahme. Bei einem solchen Hochdrucktank 10 wurde bestätigt, dass eine Dehnung von 1,58% in der Verstärkungsschicht 30 auftritt, wenn der Tank mit dem Gas mit einer Menge befüllt wird, die ausreicht, dass die Auskleidung 20 einen Innendruck von 180 MPa aufweist.
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Bei dem Hochdrucktank 10 sind die durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildeten Schichten in der schraubenförmigen Schicht 34 enthalten, um dadurch ein lokales Anschwellen im Abschnitt PR zu unterdrücken, das bei dem Hochdrucktank 10a des Vergleichsbeispiels 1 auftritt. Weiterhin ist bei dem Hochdrucktank 10 die Abdeckung mit den durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildeten Schichten auf 80% eingestellt, um so ein lokales Anschwellen in den Abschnitten PD zu unterdrücken, das im Hochdrucktank 10b des Vergleichsbeispiels 2 auftritt. Mit anderen Worten, bei dem Hochdrucktank 10 ist es möglich, da die Form der schraubenförmigen Schicht 34 in einer glatten Form gebildet wird, indem das Auftreten eines lokalen Anschwellens bzw. einer lokalen Volumenzunahme unterdrückt wird, das Auftreten von Biegungen in den in der schraubenförmigen Schicht 34 enthaltenen Faserbündeln zu unterdrücken und einen Unterschied in der Steifigkeit zwischen den mehreren Schichten in der schraubenförmigen Schicht 34 zu verringern. Dementsprechend ist es möglich, die in der Verstärkungsschicht 30 erzeugte Dehnung bzw. Belastung zu reduzieren.
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Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform kann die Gewichtsreduzierung des Hochdrucktanks 10 erreicht werden. Darüber hinaus wird im Vergleich zu dem nach dem Herstellungsverfahren des Vergleichsbeispiels 1 hergestellten Hochdrucktank 10a die in der Verstärkungsschicht verursachte Belastung stärker unterdrückt. Darüber hinaus ist es im Vergleich zu dem nach dem Herstellungsverfahren des Vergleichsbeispiels 2 hergestellten Hochdrucktank 10b möglich, eine Gewichtsreduzierung des Hochdrucktanks 10 zu erreichen, da die Abdeckung kleiner ist und Lücken zwischen den Faserbündeln gebildet werden. Weiterhin kann die in der Verstärkungsschicht 30 verursachte Beanspruchung gegenüber dem Hochdrucktank 10b mit der spaltfreien schraubenförmige Schicht 34a, die nach dem Herstellungsverfahren des Vergleichsbeispiels 2 hergestellt wird, weiter reduziert werden.
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Darüber hinaus ist es bei dem Hochdrucktank 10 möglich, da die Abdeckung mit den Schichten, die durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet werden, 80% beträgt, sowohl die Reduzierung der Fasermenge als auch die Reduzierung der Zunahme der in der Verstärkungsschicht aufgrund der Reduzierung der Fasermenge verursachten Belastung zu erreichen, ohne die Festigkeit übermäßig zu reduzieren.
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Andere Ausführungsformen
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beträgt die Abdeckung mit den durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildeten Schichten 80%, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Durch die Reduzierung der Abdeckung auf weniger als 80% ist es möglich, eine weitere Reduzierung des Gewichts des Hochdrucktanks 10 und Verringerung der Belastung der Verstärkungsschicht zu erreichen. Wenn die Abdeckungsrate zu stark reduziert wird, kann in der Verstärkungsschicht 30, die die Auskleidung 20 verstärkt, keine ausreichende Festigkeit erreicht werden. Unter Berücksichtigung dieser Punkte kann die Abdeckung mit den durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildeten Schichten auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden, der aus einem Bereich von mindestens 50 % bis höchstens 80 % ausgewählt wird, soweit die Verstärkung der Auskleidung 20 und die Reduzierung der in der Verstärkungsschicht 30 verursachten Dehnung kompatibel sind.
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden 30% der Mehrzahl der in der schraubenförmigen Schicht 34 enthaltenen Schichten durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet, aber die vorliegende Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. Das Verhältnis der Schichten, die durch die schraubenförmige Wicklung mit hohem Winkel gebildet werden, zu der Mehrzahl der in der schraubenförmigen Schicht 34 enthaltenen Schichten, kann in geeigneter Weise gewählt werden, soweit die Verstärkung der Auskleidung 20 und die Reduzierung der in der Verstärkungsschicht 30 verursachten Dehnung kompatibel sind.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, Beispiele und Modifikationen beschränkt und kann mit verschiedenen Konfigurationen umgesetzt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. So können beispielsweise die technischen Merkmale in den Ausführungsformen, Beispielen und Modifikationen, die den technischen Merkmalen in den im Abschnitt „Kurzfassung der Erfindung“ beschriebenen Aspekten entsprechen, ersetzt oder entsprechend kombiniert werden, um einige oder alle der oben beschriebenen Probleme zu lösen oder einen Teil oder alle der oben genannten Effekte zu erzielen. Wenn die technischen Merkmale in der vorliegenden Spezifikation nicht als wesentlich beschrieben werden, können sie gegebenenfalls weggelassen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/020972 A1 [0002, 0003]
