DE102020105778A1

DE102020105778A1 - Hochdrucktank und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102020105778A1
Application number: DE102020105778.4A
Authority: DE
Inventors: Naoki Ueda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-10-01
Also published as: US20200309320A1; JP7207103B2; CN111795295A; US11193630B2; CN111795295B; JP2020169656A

Abstract

Es werden ein Hochdrucktank, der in der Lage ist, gleichzeitig eine Zugfestigkeit und eine Ermüdungsfestigkeit zu bieten, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks angegeben. Der Hochdrucktank 1 umfasst eine Auskleidung 10, eine Reifenschicht 21 und eine Spiralschicht 22. Die Auskleidung 10 besteht aus einem zylindrisch geformten Rumpfabschnitt 11 und Kuppelabschnitten 12, die an beiden Enden in axialer Richtung des Rumpfabschnitts 11 angeordnet sind. In der Reifenschicht 21 ist eine mit einem Harz imprägnierte Faser in band- bzw. reifenförmiger Wicklung gewickelt und laminiert, um den Rumpfabschnitt 11 abzudecken. In der Spiralschicht 22 ist eine mit einem Harz imprägnierte Faser in spiral- bzw. schraubenförmiger Wicklung gewickelt und laminiert, um zumindest die Kuppelabschnitte 12 abzudecken. Eine Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz auf der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, hat eine niedrige Ermüdungsfestigkeit und eine hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu einer Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz auf der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochdrucktank und ein Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks.
Technischer Hintergrund
Als Hochdrucktank, wie z.B. ein Wasserstofftank, der an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist, ist ein Hochdrucktank bekannt, der eine Auskleidung und eine Verstärkungsschicht enthält. Die Auskleidung besteht aus einem zylindrisch geformten Rumpfabschnitt und Kuppelabschnitten, die an beiden Enden in axialer Richtung des Rumpfabschnitts angeordnet sind. Die Verstärkungsschicht wird durch Wickeln einer mit einem Harz imprägnierten Faser derart ausgebildet, dass sie die Auskleidung abdeckt. Die Verstärkungsschicht umfasst eine Reifenschicht, in der die mit dem Harz imprägnierte Faser in band- bzw. reifenförmiger Wicklung auf einen äußeren Umfang des Rumpfabschnitts gewickelt und laminiert ist, und eine Spiralschicht, in der die mit dem Harz imprägnierte Faser in spiral- bzw. schraubenförmiger Wicklung auf einen äußeren Umfang der Auskleidung einschließlich der Kuppelabschnitte gewickelt und laminiert ist. Ein so konfigurierter Hochdrucktank muss zur Gewährleistung der Sicherheit eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Es wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um diese Anforderungen zu erfüllen.
Als ein Beispiel wird in Patentliteratur 1 eine Technik offenbart, bei der eine um die Kuppelabschnitte einer Auskleidung gewickelte Faser mit Plasma bestrahlt wird, um die Haftung des Harzes an der Faser zu verbessern und dadurch die Ermüdungsfestigkeit eines Hochdrucktanks zu erhöhen.
Zitierliste
Patent-Literatur
Patentliteratur 1: WO 2017/149817 A
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die oben beschriebene Technik hat jedoch eine Einschränkung bei der Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit, da die Plasmabestrahlung nur eine Oberflächenschicht der mit dem Harz imprägnierten Faser erreicht und die inneren Schichten der mit dem Harz imprägnierten Faser nicht erreicht. Darüber hinaus ist es schwierig, die Zugfestigkeit des Hochdrucktanks nur mit dieser Plasmabestrahlung zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um dieses technische Problem zu lösen, und schafft einen Hochdrucktank, der in der Lage ist, gleichzeitig eine Zugfestigkeit und eine Ermüdungsfestigkeit zu gewährleisten, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks.
Lösung des Problems
Ein Hochdrucktank nach der vorliegenden Erfindung ist ein Hochdrucktank, der eine Auskleidung, eine Reifenschicht und eine Spiralschicht umfasst. Die Auskleidung besteht aus einem zylindrisch geformten Rumpfabschnitt und Kuppelabschnitten, die an beiden Enden in axialer Richtung des Rumpfabschnitts angeordnet sind. In der Reifenschicht ist eine mit Harz imprägnierte Faser in band- bzw. reifenförmiger Wicklung gewickelt und laminiert, um den Rumpfabschnitt abzudecken. In der Spiralschicht ist eine mit einem Harz imprägnierte Faser in spiral- bzw. schraubenförmiger Wicklung gewickelt und laminiert, um zumindest die Kuppelabschnitte abzudecken. Eine Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz auf der Reifenschicht, die den Rumpfabschnitt abdeckt, hat eine niedrige Ermüdungsfestigkeit und eine hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu einer Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz auf der Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt.
In dem Hochdrucktank der vorliegenden Erfindung hat die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz auf der den Rumpfabschnitt abdeckenden Reifenschicht die niedrige Ermüdungsfestigkeit und die hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu der Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz auf der Spiralschicht, die den Kuppelabschnitt abdeckt. Dementsprechend wird der Rumpfabschnitt, der einen wesentlichen Einfluss auf die Zugfestigkeit des Hochdrucktanks hat, mit der Reifenschicht verstärkt, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Zugfestigkeit hat, und die Kuppelabschnitte, die einen wesentlichen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks haben, werden mit den Spiralschichten verstärkt, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Ermüdungsfestigkeit haben. Folglich können gleichzeitig die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks gewährleistet werden.
Im Hochdrucktank der vorliegenden Erfindung können die Faser und/oder das Harz, die bzw. das für die den Rumpfabschnitt abdeckende Reifenschicht und die die Kuppelabschnitte abdeckende Spiralschicht verwendet wird bzw. werden, verschieden sein.
Im Hochdrucktank der vorliegenden Erfindung können Wärmemengen zum Erwärmen der Harze der den Rumpfabschnitt abdeckenden Reifenschicht und der die Kuppelabschnitte abdeckenden Spiralschicht verschieden sein.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks, der eine Auskleidung umfasst, die einen zylindrisch geformten Rumpfabschnitt und Kuppelabschnitte, die an beiden Enden in axialer Richtung des Rumpfabschnitts angeordnet sind, aufweist, eine Reifenschicht, in der eine mit einem Harz imprägnierte Faser in reifenförmiger Wicklung gewickelt und laminiert ist, um den Rumpfabschnitt abzudecken, und eine Spiralschicht, in der eine mit einem Harz imprägnierte Faser in spiralförmiger Wicklung gewickelt und laminiert ist, um zumindest die Kuppelabschnitte abzudecken, wobei das Verfahren umfasst: einen Reifenschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Reifenschicht, die den Rumpfabschnitt abdeckt, um eine niedrige Ermüdungsfestigkeit und eine hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu der Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, für eine Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten; und einen Spiralschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, um eine hohe Ermüdungsfestigkeit und eine niedrige Zugfestigkeit im Vergleich zu der Reifenschicht, die den Rumpfabschnitt abdeckt, für eine Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten.
Das Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks der vorliegenden Erfindung umfasst den Reifenschicht-Laminierschritt zum Laminieren der die Reifenschicht, die den Rumpfabschnitt abdeckt, so dass diese in der Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz die niedrige Ermüdungsfestigkeit und die hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu der Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, aufweist, und den Spiralschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, so dass diese in der Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz die hohe Ermüdungsfestigkeit und die niedrige Zugfestigkeit im Vergleich zu der Reifenschicht, die den Rumpfabschnitt abdeckt, aufweist. Dementsprechend können die Kuppelabschnitte, die einen signifikanten Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks haben, mit der Spiralschicht verstärkt werden, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Ermüdungsfestigkeit hat, während der Rumpfabschnitt, der einen signifikanten Einfluss auf die Zugfestigkeit des Hochdrucktanks hat, mit der Reifenschicht verstärkt wird, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Zugfestigkeit hat. Folglich können die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des hergestellten Hochdrucktanks gleichzeitig bereitgestellt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks können die Faser und/oder das Harz, die bzw. das in dem Reifenschicht-Laminierschritt und dem Spiralschicht-Laminierschritt verwendet wird bzw. werden, verschieden sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks umfasst ferner einen Wärmehärtungsschritt zum thermischen Aushärten der laminierten Reifenschicht und der laminierten Spiralschicht. In dem Wärmehärtungsschritt kann eine Wärmemenge zum Erwärmen der den Rumpfabschnitt abdeckenden Reifenschicht von einer Wärmemenge zum Erwärmen der die Kuppelabschnitte abdeckenden Spiralschicht verschieden sein.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann gleichzeitig die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit bereitstellen.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Hochdrucktanks veranschaulicht;
2A ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung einer Reifenwicklung;
2B ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung einer Spiralwicklung;
3A ist eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Grenzflächenfestigkeit zwischen einer Faser und einem Harz und einer Zugfestigkeit;
3B ist eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz und einer Ermüdungsfestigkeit;
4 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Zustands, in dem eine Reifenschicht, die einen Rumpfabschnitt abdeckt, und eine Spiralschicht, die Kuppelabschnitte abdeckt, thermisch ausgehärtet werden;
5 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen Abschnitten einer Auskleidung und einer Windgeschwindigkeit;
6 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung von Temperaturänderungen des Kuppelabschnitts im Falle einer normalen thermischen Aushärtung und im Falle einer kombinierten Verwendung der normalen thermischen Aushärtung und einer Einbaufassungswärmeübertragung durch eine IH-Heizvorrichtung;
7 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Temperaturanstiegs des Kuppelabschnitts im Falle der Einbaufassungswärmeübertragung; und
8 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Ergebnisses einer Grenzflächenhaftfestigkeit und der Zugfestigkeit nach Beispiel 1.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen eines Hochdrucktanks und eines Verfahrens zur Herstellung des Hochdrucktanks der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird eine „mit einem Harz imprägnierte Faser“ als „harzimprägnierte Faser“ abgekürzt und eine „Grenzflächenfestigkeit zwischen einer Faser und einem Harz“ wird mit „Grenzflächenfestigkeit“ abgekürzt, sofern sie nicht ausdrücklich erwähnt sind.
[Hochdrucktank]
Zunächst wird ein Aufbau des Hochdrucktanks basierend auf 1 beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau des Hochdrucktanks veranschaulicht. Ein Hochdrucktank 1 ist ein Wasserstofftank, der z.B. an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist, und eine Auskleidung 10, eine Reifenschicht 21 und eine Spiralschicht 22 umfasst. Die Auskleidung 10 umfasst einen zylindrisch geformten Rumpfabschnitt 11 und Kuppelabschnitte 12, die an beiden Enden in axialer Richtung des Rumpfabschnitts 11 angeordnet sind. In der Reifenschicht 21 ist eine mit Harz imprägnierte Faser in band- bzw. reifenförmiger Wicklung gewickelt und laminiert, um den Rumpfabschnitt 11 abzudecken. In der Spiralschicht 22 ist eine mit Harz imprägnierte Faser in spiral- bzw. schraubenförmiger Wicklung gewickelt und laminiert, um die Kuppelabschnitte 12 und den Rumpfabschnitt 11 (d.h. die gesamte Auskleidung 10) abzudecken. Die Reifenschicht 21 und die Spiralschicht 22 bilden eine so genannte Verstärkungsschicht 20.
Die Auskleidung 10 ist ein Hohlbehälter, der einen Speicherraum zur Speicherung von Hochdruck-Wasserstoff enthält, und besteht aus einem Material mit einer Gasbarriereeigenschaft für Wasserstoffgas. Die Auskleidung 10 umfasst den Rumpfabschnitt 11 und ein Paar der oben beschriebenen Kuppelabschnitte 12. Die Kuppelabschnitte 12 haben halbkugelförmige Formen. Das Paar Kuppelabschnitte 12 hat jeweils eine Öffnung an der Oberseite, und eine ventilseitige Basis bzw. Einbaufassung 13 ist innen in eine dieser Öffnungen eingesetzt, während eine endseitige Basis bzw. Einbaufassung 14 innen in die andere Öffnung eingesetzt ist.
Die Auskleidung 10 wird unter Verwendung eines Harzmaterials, wie Polyethylen und Nylon, mit einem Rotationsblasformverfahren integral ausgebildet. Die Auskleidung 10 kann anstelle des Harzmaterials aus einem Leichtmetall, wie Aluminium, ausgebildet werden. Darüber hinaus kann die Auskleidung 10 durch Zusammenfügen mehrerer geteilter Elemente unter Verwendung eines Spritzgieß-/Extrusionsformverfahrens und dergleichen anstelle des Herstellungsverfahrens durch integrales Formen, wie z.B. das Rotationsblasformverfahren, ausgebildet werden.
Wie in 2A dargestellt, ist die Reifenschicht 21 eine Verstärkungsschicht, die durch Wickeln einer harzimprägnierten Faser (z.B. einer harzimprägnierten Reifenwickelfaser 15) in band- bzw. reifenförmiger Wicklung oder Reifenwicklung in einer Umfangsrichtung des Rumpfabschnitts 11 mit einem Wickelwinkel, der ungefähr senkrecht zur Mittelachse L der Auskleidung 10 steht, gebildet wird. Dabei schließt „ungefähr senkrecht“ sowohl 90° als auch einen Winkel von etwa 90° ein, der möglicherweise durch eine Verschiebung der Wicklungspositionen der harzimprägnierten Reifenwickelfaser 15 verursacht wird, um eine Überlappung der harzimprägnierten Reifenwickelfaser 15 zu vermeiden.
Die Spiralschicht 22 ist so geformt, dass sie die gesamte Auskleidung 10 abdeckt, so dass die laminierte Reifenschicht 21 und die Kuppelabschnitte 12 umwickelt werden. Wie in 2B dargestellt, wird die Spiralschicht 22 durch Wickeln einer harzimprägnierten Faser (z.B. einer harzimprägnierten Spiralwickelfaser 16) in spiral- bzw. schraubenförmiger Wicklung oder Spiralwicklung in Umfangsrichtung des Rumpfabschnitts 11 und der Kuppelabschnitte 12 mit einem Wickelwinkel von mehr als 0° und weniger als 90° zur Mittelachse L der Auskleidung 10 gebildet. Die Spiralwicklung wird in Abhängigkeit vom Wickelwinkel weiter in eine Spiralwicklung mit niedrigem Winkel und eine Spiralwicklung mit hohem Winkel unterteilt.
Die Spiralwicklung mit niedrigem Winkel ist nämlich eine Spiralwicklung mit einem kleinen Wickelwinkel (z.B. mehr als 0° und 30° oder weniger), und dieses Wickelverfahren bewirkt, dass die Wicklungsrichtung der harzimprägnierten Spiralwickelfaser 16 auf dem Kuppelabschnitt 12 umgekehrt wird, bevor die harzimprägnierte Spiralwickelfaser 16 einmal um die Mittelachse L läuft. Die Spiralwicklung mit hohem Winkel ist nämlich eine Spiralwicklung mit einem großen Wickelwinkel (z.B. mehr als 30° und weniger als 90°), und ein Wickelverfahren, bei dem die harzimprägnierte Spiralwickelfaser 16 mindestens einmal um die Mittelachse L auf dem Rumpfabschnitt 11 läuft, bevor die Wickelrichtung der harzimprägnierten Spiralwickelfaser 16 auf dem Kuppelabschnitt 12 umgekehrt wird. 2B veranschaulicht die Spiralwicklung mit niedrigem Winkel.
Die harzimprägnierte Reifenwickelfaser 15 und die harzimprägnierte Spiralwickelfaser 16 werden z.B. durch Imprägnieren eines Bündels von Einzelfasern mit Durchmessern von etwa einigen µm mit einem ungehärteten wärmehärtbaren bzw. thermoplastischen Harz gebildet. Die Einzelfaser kann eine Faser wie z.B. eine Glasfaser, eine Kohlefaser, eine Aramidfaser, eine Aluminiumoxidfaser, eine Borfaser, eine Stahlfaser, eine PBO-Faser, eine Naturfaser oder eine hochfeste Polyethylenfaser enthalten. Das wärmehärtbare Harz kann ein Epoxidharz, ein modifiziertes Epoxidharz, typisiert durch ein Vinylesterharz, ein Phenolharz, ein Melaminharz, ein Harnstoffharz, ein ungesättigtes Polyesterharz, ein Alkydharz, ein Polyurethanharz und ein wärmehärtbares Polyimidharz enthalten. Für die harzimprägnierte Reifenwickelfaser 15 und die harzimprägnierte Spiralwickelfaser 16 können das gleiche Harz und die gleiche Faser verwendet werden, oder es können unterschiedliche Harze und/oder unterschiedliche Fasern verwendet werden.
Hier soll ein Hintergrund der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. 3A ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Grenzflächenfestigkeit zwischen einer Faser und einem Harz und einer Zugfestigkeit veranschaulicht, und 3B ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz und einer Ermüdungsfestigkeit veranschaulicht. Wie in 3A dargestellt, nimmt die Zugfestigkeit mit zunehmender Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu, aber nach Überschreiten eines bestimmten Wertes nimmt die Zugfestigkeit ab, obwohl die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zunimmt. Währenddessen nimmt, wie in 3B dargestellt, die Ermüdungsfestigkeit zu, wenn die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zunimmt. Die Zugfestigkeit wird hier auch als Anfangsfestigkeit oder statische Festigkeit bezeichnet, und die Ermüdungsfestigkeit wird auch als interlaminare Scherfestigkeit bezeichnet. Die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz kann z.B. mit dem bereits bekannten Push-out-Verfahren oder dem Tropfenverfahren gemessen werden.
Es ist bekannt, dass die Zugfestigkeit des Hochdrucktanks 1 wesentlich von der Reifenschicht 21 beeinflusst wird, die den Rumpfabschnitt 11 der Auskleidung 10 abdeckt, und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks 1 wesentlich von der Spiralschicht 22 beeinflusst wird, die die Kuppelabschnitte 12 der Auskleidung 10 abdeckt.
Daher fand der Erfinder heraus, dass die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks 1 gleichzeitig erzielt werden können, indem jeweils die Grenzflächenfestigkeit auf der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 der Auskleidung 10 abdeckt, und die Grenzflächenfestigkeit auf der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, optimiert wird, indem die Grenzflächenfestigkeit auf der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, zu einer Grenzflächenfestigkeit gemacht wird, bei der die Zugfestigkeit so hoch wie möglich wird, während die Grenzflächenfestigkeit auf der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, zu einer Grenzflächenfestigkeit gemacht wird, bei der die Ermüdungsfestigkeit so hoch wie möglich wird (siehe die Regionen in 3A und 3B, die von gestrichelten Linien umgeben sind). In diesem Fall ist, wie in 3A und 3B dargestellt, die Grenzflächenfestigkeit auf der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, kleiner als die Grenzflächenfestigkeit auf der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt.
Darüber hinaus setzte der Erfinder seine ernsthaften Studien fort und stellte folglich fest, dass die Optimierung der Grenzflächenfestigkeit auf der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, und der Grenzflächenfestigkeit auf der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, jeweils gewährleistet wird, indem beispielsweise für die harzimprägnierte Reifenwickelfaser 15 und die harzimprägnierte Spiralwickelfaser 16 unterschiedliche Harze und/oder Fasern verwendet werden oder indem eine physikalische Eigenschaft der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, von einer physikalischen Eigenschaft der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, durch Erhitzen bzw. Erwärmen verschieden gemacht wird.
Als Verfahren zur Verwendung unterschiedlicher Harze und/oder Fasern für die harzimprägnierte Reifenwickelfaser 15 und die harzimprägnierte Spiralwickelfaser 16 wird beispielsweise für die Reifenschicht ein Material mit der Grenzflächenfestigkeit verwendet, bei der die Ermüdungsfestigkeit niedrig und die Zugfestigkeit hoch im Vergleich zur Grenzflächenfestigkeit auf der Spiralschicht ist, während für die Spiralschicht ein Material mit der Grenzflächenfestigkeit verwendet wird, bei der die Ermüdungsfestigkeit hoch und die Zugfestigkeit niedrig im Vergleich zur Grenzflächenfestigkeit auf der Reifenschicht ist.
Als das Verfahren, um die physikalische Eigenschaft der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, von der physikalischen Eigenschaft der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, durch Erwärmen verschieden zu machen, wird zum Beispiel eine Wärmemenge zum Erwärmen der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, im Vergleich zu einer Wärmemenge zum Erwärmen der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, erhöht.
Dementsprechend hat im Hochdrucktank 1 der Ausführungsform die Grenzflächenfestigkeit auf der den Rumpfabschnitt 11 abdeckenden Reifenschicht 21 die niedrige Ermüdungsfestigkeit und die hohe Zugfestigkeit im Vergleich zur Grenzflächenfestigkeit auf der die Kuppelabschnitte 12 abdeckenden Spiralschicht 22.
In dem so konfigurierten Hochdrucktank 1 hat die Grenzflächenfestigkeit auf der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, die niedrige Ermüdungsfestigkeit und die hohe Zugfestigkeit im Vergleich zur Grenzflächenfestigkeit auf der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt. Daher wird der Rumpfabschnitt 11, der einen wesentlichen Einfluss auf die Zugfestigkeit des Hochdrucktanks 1 hat, mit der Reifenschicht 21 verstärkt, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Zugfestigkeit hat, und die Kuppelabschnitte 12, die einen wesentlichen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks 1 haben, werden mit der Spiralschicht 22 verstärkt, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Ermüdungsfestigkeit hat. Somit können gleichzeitig die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks 1 gewährleistet werden.
Im Hochdrucktank 1 der Ausführungsform können für die den Rumpfabschnitt 11 abdeckende Reifenschicht 21 und die die Kuppelabschnitte 12 abdeckende Spiralschicht 22 die zu verwendende Faser und/oder das zu verwendende Harz verschieden sein, oder die Wärmemenge zum Erwärmen des in der Faser imprägnierten Harzes kann verschieden sein. Dementsprechend hat die Grenzflächenfestigkeit auf der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, die niedrige Ermüdungsfestigkeit und die hohe Zugfestigkeit im Vergleich zur Grenzflächenfestigkeit auf der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, und die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks 1 können leicht gleichzeitig bereitgestellt werden.
[Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks]
Im Folgenden werden Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung des Hochdrucktanks 1 beschrieben. In einer ersten Ausführungsform wird das Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks beschrieben, bei dem die Art der zu verwendenden harzimprägnierten Faser für die den Rumpfabschnitt 11 abdeckende Reifenschicht 21 und die die Kuppelabschnitte 12 abdeckende Spiralschicht 22 unterschiedlich ist, und in einer zweiten Ausführungsform wird das Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks beschrieben, bei dem die Wärmemenge zum Erwärmen des Harzes für die den Rumpfabschnitt 11 abdeckende Reifenschicht 21 und die die Kuppelabschnitte 12 abdeckende Spiralschicht 22 unterschiedlich ist.
[Erste Ausführungsform]
Das Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks 1 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst einen Reifenschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, um die niedrige Ermüdungsfestigkeit und die hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, für die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten; einen Spiralschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, um die hohe Ermüdungsfestigkeit und die niedrige Zugfestigkeit im Vergleich zu der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, für die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten; und einen Wärmehärtungsschritt zum thermischen Aushärten der laminierten Reifenschicht 21 und der laminierten Spiralschicht 22.
Konkret wird zunächst in dem Reifenschicht-Laminierschritt die mit Harz imprägnierte Reifenwickelfaser 15 um den Rumpfabschnitt 11 der Auskleidung 10 gewickelt, um eine Mehrzahl von Reifenschichten 21 zu laminieren. Zu diesem Zeitpunkt ist das Harz der harzimprägnierten Reifenwickelfaser 15 ein Harz, das ein Säureanhydrid als Härtungsmittel enthält, und hat eine Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz von etwa 20 MPa. Hier kann anstelle des Härtungsmittels der Hauptwirkstoff des Harzes gewechselt werden. Alternativ kann der O/C-Wert (d.h. eine Sauerstoffkonzentration der Kohlefaseroberfläche) eines Kohlefaserleimungsmittels der mit Harz imprägnierten Reifenwickelfaser 15 geändert werden, oder es kann die Faseroberflächenrauhigkeit geändert werden, oder es kann ein Leimungsmittel geändert werden, das über die Faser aufgetragen wird.
In dem auf den Reifenschicht-Laminierschritt folgenden Spiralschicht-Laminierschritt wird die mit Harz imprägnierte Spiralwickelfaser 16 um die Auskleidung 10 gewickelt, um eine Mehrzahl von Spiralschichten 22 zu laminieren, so dass die laminierten Reifenschichten 21 und die Kuppelabschnitte 12 umwickelt werden. Zu diesem Zeitpunkt enthält das Harz der harzimprägnierten Spiralwickelfaser 16 ein aromatisches Amin als Härtungsmittel und hat eine Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz von etwa 76 MPa. Hier kann anstelle des Härtungsmittels der Hauptwirkstoff des Harzes gewechselt werden. Alternativ kann der O/C-Wert (d.h. eine Sauerstoffkonzentration der Kohlefaseroberfläche) eines Kohlefaserleimungsmittels der harzimprägnierten Spiralwickelfaser 16 geändert werden, oder es kann die Faseroberflächenrauhigkeit geändert werden, oder es kann ein über die Faser aufgetragenes Leimungsmittel geändert werden.
Als nächstes werden, je nach Bedarf, der oben beschriebene Laminierschritt der Reifenschicht 21 und der Laminierschritt der Spiralschicht 22 wiederholt durchgeführt, um die nicht ausgehärtete Verstärkungsschicht 20 auf einem äußeren Umfang der Auskleidung 10 zu bilden.
In der Zwischenzeit wird beim Wärmehärtungsschritt die Auskleidung 10 mit der laminierten Reifenschicht 21 und der laminierten Spiralschicht 22 in einen Wärmehärtungsofen gegeben und auf eine Temperatur von beispielsweise etwa 85°C erhitzt, und die Harze in der harzimprägnierten Reifenwickelfaser 15 und der harzimprägnierten Spiralwickelfaser 16 werden thermisch gehärtet. Somit wird der Hochdrucktank 1 hergestellt.
Das Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks 1 der Ausführung umfasst den Reifenschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, um die niedrige Ermüdungsfestigkeit und die hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, für die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten, und den Spiralschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, um die hohe Ermüdungsfestigkeit und die niedrige Zugfestigkeit im Vergleich zu der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, für die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten. Dementsprechend können die Kuppelabschnitte 12, die einen wesentlichen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks 1 haben, mit der Spiralschicht 22 verstärkt werden, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Ermüdungsfestigkeit hat, während der Rumpfabschnitt 11, der einen wesentlichen Einfluss auf die Zugfestigkeit des Hochdrucktanks 1 hat, mit der Reifenschicht 21 verstärkt wird, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Zugfestigkeit hat. Somit können gleichzeitig die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des hergestellten Hochdrucktanks 1 erzielt werden.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks 1 gemäß der Ausführungsform wird durch die Verwendung von zwei verschiedenen Typen von harzimprägnierten Fasern, der harzimprägnierten Reifenwickelfaser 15 und der harzimprägnierten Spiralwickelfaser 16, die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks 1 leicht gleichzeitig gewährleistet.
[Zweite Ausführungsform]
Ein Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks 1 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst den Reifenschicht-Laminierschritt, den Spiralschicht-Laminierschritt und den Wärmehärtungsschritt, ähnlich wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Das Verfahren unterscheidet sich jedoch insofern von dem der ersten Ausführungsform, als die mit Harz imprägnierte Reifenwickelfaser 15 für die Reifenwicklung die gleiche ist wie die mit Harz imprägnierte Spiralwickelfaser 16 für die Spiralwicklung, und die Wärmemenge zum Erwärmen der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, sich von der Wärmemenge zum Erwärmen der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, im Wärmehärtungsschritt unterscheidet. Im Folgenden wird nur der Unterschied beschrieben.
Das heißt, die Faser und das Harz der harzimprägnierten Reifenwickelfaser 15, die beim Reifenschicht-Laminierschritt verwendet wird, sind völlig identisch mit denen der harzimprägnierten Spiralwickelfaser 16 die beim Spiralschicht-Laminierschritt verwendet wird. Daneben wird beim Wärmehärtungsschritt die Wärmemenge für die Erwärmung der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, im Vergleich zu der Wärmemenge für die Erwärmung der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, erhöht.
Genauer gesagt wird beim Wärmehärtungsschritt, wie in 4 dargestellt, heiße Luft auf die Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, und die Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, geblasen, um das Harz der harzimprägnierten Reifenwickelfaser 15 und das Harz der harzimprägnierten Spiralwickelfaser 16 thermisch auszuhärten. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Luftstrom, der auf die Reifenschicht 21 geblasen wird, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, relativ verringert, während ein Luftstrom, der auf die Spiralschicht 22 geblasen wird, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, relativ erhöht wird.
Darüber hinaus wird zu diesem Zeitpunkt, wie in 5 dargestellt, die Wärmemenge für die Erwärmung der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, erhöht, indem die Windgeschwindigkeit, die auf die Kuppelabschnitte 12 bläst, im Vergleich zur Windgeschwindigkeit, die auf den Rumpfabschnitt 11 bläst, erhöht wird. Zum Vergleich ist in 5 auch eine Beziehung zwischen den Abschnitten der Auskleidung und der Windgeschwindigkeit bei einer normalen thermischen Aushärtung dargestellt. Aus 5 geht hervor, dass die Windgeschwindigkeit, die auf die Kuppelabschnitte 12 bläst, in der Ausführungsform im Vergleich zum Fall der normalen thermischen Aushärtung signifikant erhöht ist.
Der Wärmehärtungsschritt in der Ausführungsform ist, anders als die bei der ersten Ausführungsform beschriebene thermische Aushärtung des Harzes der harzimprägnierten Faser, die Erwärmung zur Änderung der physikalischen Eigenschaft der Spiralschicht 22 zur Verbesserung der Grenzflächenfestigkeit auf der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt.
Um die Wärmemenge zum Erwärmen der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, im Vergleich zu der Wärmemenge zum Erwärmen der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, zu erhöhen, kann anstelle des oben beschriebenen Verfahrens zur Änderung der Windgeschwindigkeit und des Luftstroms in Betracht gezogen werden, dass die Spiralschicht 22 von einer Innenseite der Kuppelabschnitte 12 unter Verwendung einer Basis- bzw. Einbaufassungswärmeübertragung erwärmt wird, während der Durchführung der normalen Wärmeaushärtung erfolgt.
Insbesondere sind Metallspannvorrichtungen jeweils mit der ventilseitigen Einbaufassung 13 und der endseitigen Einbaufassung 14 der Auskleidung 10 verbunden, und eine IH-Heizvorrichtung oder eine IR-Heizvorrichtung wird verwendet, um die Spannvorrichtungen gleichzeitig mit der normalen Wärmeaushärtung bzw. thermischen Aushärtung zu erwärmen. Auf diese Weise wird die Wärme über die Spannvorrichtungen auf die ventilseitige Einbaufassung 13 und die endseitige Einbaufassung 14 übertragen, und die Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, kann auch von der Innenseite des Kuppelabschnitts 12 beheizt werden.
6 ist eine Darstellung, die Temperaturänderungen des Kuppelabschnitts im Falle der normalen thermischen Aushärtung (Heißluft allein) und im Falle einer kombinierten Verwendung der normalen thermischen Aushärtung und der Einbaufassungswärmeübertragung durch die IH-Heizvorrichtung (Heißluft + IH) veranschaulicht. Wie in dargestellt, wird die Temperatur des Kuppelabschnitts im Falle der normalen thermischen Aushärtung durch die Heizvorrichtung allmählich erhöht, während die Temperatur des Kuppelabschnitts im Falle der kombinierten Verwendung der normalen thermischen Aushärtung und der Einbaufassungswärmeübertragung durch die IH-Heizvorrichtung schnell erhöht werden kann.
7 ist eine Darstellung, die den Temperaturanstieg des Kuppelabschnitts im Falle der Einbaufassungswärmeübertragung veranschaulicht. Wie in 7 dargestellt, ist im Falle der herkömmlichen thermischen Aushärtung, da die Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, dick ist und die Wärme auch zur ventilseitigen Einbaufassung und zur endseitigen Einbaufassung entweicht, der Temperaturanstieg des Kuppelabschnitts im Vergleich zu dem des Rumpfabschnitts langsam und die Temperatur des Kuppelabschnitts ist niedriger als die des Rumpfabschnitts. Wird jedoch die Basis- bzw. Einbaufassungswärmeübertragung durch die IH-Heizvorrichtung genutzt, beschleunigt sich der Temperaturanstieg des Kuppelabschnitts im Vergleich zu der des Rumpfabschnitts, und somit wird die Temperatur des Kuppelabschnitts höher als die des Rumpfabschnitts. Es zeigt sich, dass im Falle der Einbaufassungswärmeübertragung durch die IH-Heizvorrichtung der Temperaturanstieg mit zunehmender Heiztemperatur (160°C bis 180°C) zunimmt.
Das Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks 1 gemäß der Ausführungsform umfasst: einen Reifenschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, um die niedrige Ermüdungsfestigkeit und die hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, für die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten; einen Spiralschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, um die hohe Ermüdungsfestigkeit und die niedrige Zugfestigkeit im Vergleich zu der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, für die Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten; und einen Wärmehärtungsschritt des thermischen Aushärtens der laminierten Reifenschicht 21 und der laminierten Spiralschicht 22. Dementsprechend können die Kuppelabschnitte 12, die einen signifikanten Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks 1 haben, mit der Spiralschicht 22 verstärkt werden, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Ermüdungsfestigkeit hat, während der Rumpfabschnitt 11, der einen signifikanten Einfluss auf die Zugfestigkeit des Hochdrucktanks 1 hat, mit der Reifenschicht 21 verstärkt wird, die die Grenzflächenfestigkeit mit der hohen Zugfestigkeit hat. Somit kann gleichzeitig die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des hergestellten Hochdrucktanks 1 bereitgestellt werden.
Zusätzlich kann beim Wärmehärtungsschritt durch Erhöhen der Wärmemenge für die Erwärmung der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, im Vergleich zur Wärmemenge für die Erwärmung der Reifenschicht 21, die den Rumpfabschnitt 11 abdeckt, die Grenzflächenfestigkeit an der Spiralschicht 22, die die Kuppelabschnitte 12 abdeckt, verbessert werden. Dementsprechend können die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks 1 leicht gleichzeitig bereitgestellt werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Beispielen beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf den Umfang der Beispiele beschränkt ist.
[Beispiel 1]
In Beispiel 1 wurde eine Beziehung zwischen einer Grenzflächenhaftfestigkeit als Grenzflächenfestigkeit und der Zugfestigkeit für einen Fall untersucht, in dem das auf die Kohlefaser aufgetragene Leimungsmittel geändert wurde (Verfahren A), einen Fall, in dem das Hauptmittel des in die Faser imprägnierten Harzes von Bisphenol F zu Bisphenol A geändert wurde (Verfahren B1), einen Fall, in dem das Härtungsmittel des in die Faser imprägnierten Harzes von einem aromatischen Amin zu einem Säureanhydrid geändert wurde (Verfahren B2), und einen Fall, in dem die Wärmemenge geändert wurde (Verfahren C). Bei Verfahren A war nur das Leimungsmittel der Kohlefaser unterschiedlich, der O/C-Wert wurde um 75% reduziert, und die Bedingung, wie z.B. die Wärmehärtungsbedingung, war dieselbe.
8 ist eine Darstellung, die das Ergebnis der Grenzflächenhaftfestigkeit und der Zugfestigkeit gemäß Beispiel 1 veranschaulicht. Wie durch Sterne in 8 veranschaulicht, wurde im Falle von Verfahren A die Grenzflächenhaftfestigkeit von 58 MPa auf 34 MPa verringert, eine für die Ermüdungsleistung wirksame interlaminare Scherfestigkeit wurde um 10% verringert (nicht dargestellt).
Währenddessen bewirkte im Fall von Verfahren B1 ein Wechsel des Hauptbestandteils des Harzes eine Verringerung der Grenzflächenhaftfestigkeit von etwa 75 MPa auf etwa 58 MPa. Im Gegensatz dazu bewirkte im Fall von Verfahren B2 der Wechsel des Härtungsmittels des Harzes von aromatischem Amin zu Säureanhydrid eine signifikante Abnahme der Grenzflächenhaftfestigkeit von etwa 75 MPa auf etwa 22 MPa.
Verfahren C führte dazu, dass die hohe Wärmemenge die Grenzflächenhaftfestigkeit erhöhte, mit anderen Worten, die geringe Wärmemenge verringerte die Grenzflächenhaftfestigkeit.
[Beispiel 2]
In Beispiel 2 wurde der Hochdrucktank unter Verwendung eines Härtungsmittels für das Harz hergestellt, das in die Faser imprägniert wurde, das sich zwischen der Reifenschicht, die den Rumpfabschnitt abdeckt, und der Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, unterscheidet, wie in Tabelle 1 angegeben, und es wurde die Zugfestigkeit untersucht und ein Ermüdungsversuch wurde bei Normaltemperatur bei 90 MPa für den hergestellten Hochdrucktank durchgeführt.
[Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2]

Zum Vergleich wurde der Hochdrucktank unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 2 hergestellt, mit der Voraussetzung, dass das Härtungsmittel des in der Faser imprägnierten Harzes nicht verändert wurde, d.h. für die Reifenschicht und die Spiralschicht wurde das gleiche Härtungsmittel verwendet, und der Zugversuch und der Ermüdungsversuch wurden ähnlich wie in Beispiel 2 für den hergestellten Hochdrucktank durchgeführt. Der Typ des das Härtungsmittels oder des Harzes war zwischen Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 unterschiedlich. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis. [Tabelle 1]

	Härtungsmittel		Hochdrucktankfestigkeit
	Rumpfabschnitt abdeckende Reifen-schicht	Kuppelabschnitte abdeckende Spiralschicht	Zugfestigkeit	Ermüdungsversuch bei Normaltemperatur und 90 MPa
Beispiel 2	Säureanhydrid	aromatisches Amin	ausgezeichnet (200 Mpa)	ausgezeichnet (100.000 mal oder mehr)
Vergleichsbeispiel 1	Säureanhydrid	Säureanhydrid	ausgezeichnet (200 Mpa)	schlecht (22.000 mal)
Vergleichsbeispiel 2	aromatisches Amin	aromatisches Amin	gut (190 Mpa)	ausgezeichnet (100.000 mal oder mehr)

Aus Tabelle 1 ging hervor, dass im Fall von Beispiel 2 die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks gleichzeitig bereitgestellt werden konnten. In beiden Fällen des Vergleichsbeispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 2 konnten die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks nicht gleichzeitig bereitgestellt werden.
[Beispiel 3]
In Beispiel 3 wurde der Hochdrucktank, wie in Tabelle 2 angegeben, hergestellt, indem die normale thermische Aushärtung und die Basis- bzw. Einbaufassungswärmeübertragung durch die IH-Heizvorrichtung in Kombination verwendet wurden, um die Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, zu erwärmen, und die Zugfestigkeit wurde untersucht und der Ermüdungsversuch wurde bei Normaltemperatur bei 90 MPa für den hergestellten Hochdrucktank durchgeführt.
[Vergleichsbeispiel 3 und Vergleichsbeispiel 4]

Zum Vergleich wurde der Hochdrucktank hergestellt, indem die Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, nur mit der normalen thermischen Aushärtung erhitzt wurde, und die Zugfestigkeit wurde untersucht und der Ermüdungsversuch wurde ähnlich wie in Beispiel 3 für den hergestellten Hochdrucktank durchgeführt. Die Ofentemperatur des Wärmehärtungsofens war zwischen Vergleichsbeispiel 3 und Vergleichsbeispiel 4 unterschiedlich. Tabelle 2 zeigt das Ergebnis. [Tabelle 2]

	Heizverfahren		Hochdrucktankfestigkeit
	Ofen-temperartur	IH - Erwärmen P oder N/P	Zugfestigkeit	Ermüdungsversuch bei Normaltemperatur und 90 MPa
Beispiel 3	140°C	P	ausgezeichnet (200 Mpa)	ausgezeichnet
Vergleichsbeispiel 3	165°C	N/P	gut (190 Mpa)	ausgezeichnet
Vergleichsbeispiel 4	140°C	N/P	ausgezeichnet (200 Mpa)	schlecht
P: IH-Erwärmen erfolgt
N/P IH-Erwärmen nicht erfolgt

Aus Tabelle 2 ging hervor, dass im Fall von Beispiel 3 die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks gleichzeitig bereitgestellt werden konnten. In beiden Fällen des Vergleichsbeispiels 3 und des Vergleichsbeispiels 4 konnten Zugfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit des Hochdrucktanks nicht gleichzeitig bereitgestellt werden.
Während die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorstehend ausführlich beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und kann verschiedenen Arten von Konstruktionsänderungen unterzogen werden, ohne von der Idee und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den Ansprüchen beschrieben ist.
Bezugszeichenliste

1: Hochdrucktank
10: Auskleidung
11: Rumpfabschnitt
12: Kuppelabschnitt
13: Ventilseitige Einbaufassung
14: Endseitige Einbaufassung
15: harzimprägnierte Reifenwickelfaser
16: harzimprägnierte Spiralwickelfaser
20: Verstärkungsschicht
21: Reifenschicht
22: Spiralschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017/149817 A [0004]

Claims

Hochdrucktank, aufweisend: eine Auskleidung, die einen zylindrisch geformten Rumpfabschnitt und Kuppelabschnitte, die an beiden Enden in axialer Richtung des Rumpfabschnitts angeordnet sind, aufweist; eine Reifenschicht, in der eine mit einem Harz imprägnierte Faser in reifenförmiger Wicklung gewickelt und laminiert ist, um den Rumpfabschnitt abzudecken; und eine Spiralschicht, in der eine mit einem Harz imprägnierte Faser in spiralförmiger Wicklung gewickelt und laminiert ist, um zumindest die Kuppelabschnitte abzudecken, wobei eine Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz auf der Reifenschicht, die den Rumpfabschnitt abdeckt, eine niedrige Ermüdungsfestigkeit und eine hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu einer Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz auf der Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, aufweist.
Hochdrucktank nach Anspruch 1, wobei die Faser und/oder das Harz, die bzw. das für die den Rumpfabschnitt abdeckende Reifenschicht und die die Kuppelabschnitte abdeckende Spiralschicht verwendet wird bzw. werden, verschieden sind.
Hochdrucktank nach Anspruch 1, wobei Wärmemengen zum Erwärmen der Harze der den Rumpfabschnitt abdeckenden Reifenschicht und der die Kuppelabschnitte abdeckenden Spiralschicht verschieden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks, wobei der Hochdrucktank eine Auskleidung umfasst, die einen zylindrisch geformten Rumpfabschnitt und Kuppelabschnitte, die an beiden Enden in axialer Richtung des Rumpfabschnitts angeordnet sind, aufweist, eine Reifenschicht, in der eine mit einem Harz imprägnierte Faser in reifenförmiger Wicklung gewickelt und laminiert ist, um den Rumpfabschnitt abzudecken, und eine Spiralschicht, in der eine mit einem Harz imprägnierte Faser in spiralförmiger Wicklung gewickelt und laminiert ist, um zumindest die Kuppelabschnitte abzudecken, wobei das Verfahren aufweist: einen Reifenschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Reifenschicht, die den Rumpfabschnitt abdeckt, um eine niedrige Ermüdungsfestigkeit und eine hohe Zugfestigkeit im Vergleich zu der Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, für eine Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten; und einen Spiralschicht-Laminierschritt zum Laminieren der Spiralschicht, die die Kuppelabschnitte abdeckt, um eine hohe Ermüdungsfestigkeit und eine niedrige Zugfestigkeit im Vergleich zu der Reifenschicht, die den Rumpfabschnitt abdeckt, für eine Grenzflächenfestigkeit zwischen der Faser und dem Harz zu erhalten.
Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks nach Anspruch 4, wobei die Faser und/oder das Harz, die bzw. das in dem Reifenschicht-Laminierschritt und dem Spiralschicht-Laminierschritt verwendet wird bzw. werden, verschieden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks nach Anspruch 4, weiter aufweisend einen Wärmehärtungsschritt zum thermischen Aushärten der laminierten Reifenschicht und der laminierten Spiralschicht, wobei in dem Wärmehärtungsschritt eine Wärmemenge zum Erwärmen der den Rumpfabschnitt abdeckenden Reifenschicht von einer Wärmemenge zum Erwärmen der die Kuppelabschnitte abdeckenden Spiralschicht verschieden ist.