DE102020135050A1

DE102020135050A1 - Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank

Info

Publication number: DE102020135050A1
Application number: DE102020135050.3A
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Takami
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-08-05
Also published as: US20210237367A1; JP7251492B2; CN113280253B; JP2021121750A; CN113280253A

Abstract

Ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank umfasst zumindest: Schrumpfen einer Auskleidung (2) durch Abkühlen der Auskleidung (2), Einsetzen der Auskleidung (2) in ein zylindrisches Element (31), um einen Körper (21) der Auskleidung (2) in einem geschrumpften Zustand durch das zylindrische Element (31) abzudecken, Ausdehnen der Auskleidung (2) in dem geschrumpften Zustand, um das zylindrische Element (31) in den Körper (21) einzupassen, durch Erhöhen der Temperatur der in das zylindrische Element (31) eingesetzten Auskleidung (2), Verbinden von Umfangskantenabschnitten (32a, 33a) von Kuppelelementen (32, 33) mit Umfangskantenabschnitten (31a) des zylindrischen Elements (31), das in den Körper (21) eingepasst ist, um Endabschnitte (22, 23) durch die Kuppelelemente (32, 33) abzudecken und eine erste Verstärkungsschicht (30) zu bilden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks.
Beschreibung des Standes der Technik
Erdgasfahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge usw. verwenden beispielsweise Hochdrucktanks zum Speichern von Brenngas. Diese Art von Hochdrucktanks hat eine Auskleidung zur luftdichten Aufbewahrung des Brenngases, die mit einer Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Harz überzogen ist.
Die japanische Patentanmeldung JP 2017 - 141 947 A schlägt beispielsweise ein Herstellungsverfahren für einen solchen Hochdrucktank vor. Bei diesem Herstellungsverfahren werden zunächst mehreren Runden einer faserverstärkten Harzfolie durch ein Folienwickelverfahren auf einen Körper der Auskleidung gewickelt, wodurch ein zylindrischer Abschnitt auf dem Körper der Auskleidung gebildet wird. Als nächstes werden mit Harz imprägnierte Faserbündel durch ein Filamentwickelverfahren auf den zylindrischen Abschnitt und kuppelförmige Endabschnitte der Auskleidung gewickelt, wodurch ein Verstärkungsabschnitt auf der Außenfläche der Auskleidung gebildet wird, der einstückig mit dem zylindrischen Abschnitt ist.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei dem in der JP 2017 - 141 947 A beschriebenen Herstellungsverfahren wird der zylindrische Abschnitt durch Wickeln mehrerer Runden einer einzelnen faserverstärkten Harzfolie auf den Körper der Auskleidung gebildet, aber beim direkten Wickeln der faserverstärkten Harzfolie auf die Auskleidung kann eine Überspannung in der faserverstärkten Harzfolie auftreten. Diese Überspannung kann zu einer unerwarteten Verformung der Auskleidung führen.
Die Erfindung schlägt ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank vor, bei dem eine faserverstärkte Harzfolie oder dergleichen nicht auf den Körper der Auskleidung gewickelt wird, wenn eine Verstärkungsschicht auf der Außenfläche der Auskleidung gebildet wird, wodurch eine unerwartete Verformung der Auskleidung aufgrund einer Überspannung zum Zeitpunkt des Wickelns vermieden werden kann.
Ein Herstellungsverfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank, bei dem eine Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Harz auf einer Außenfläche einer Auskleidung gebildet wird, die einen Körper mit einer zylindrischen Form und Endabschnitte mit einer kuppelförmigen Form aufweist, die an den jeweiligen Enden des Körpers gebildet sind. Das Verfahren umfasst zumindest: Vorbereiten der Auskleidung und eines zylindrischen Elements sowie zweier Kuppelelemente, die die Verstärkungsschicht bilden, Schrumpfen der Auskleidung durch Abkühlen der Auskleidung, Einsetzen der Auskleidung in das zylindrische Element, um den Körper der Auskleidung in einem geschrumpften Zustand durch das zylindrische Element abzudecken, Ausdehnen der Auskleidung in dem geschrumpften Zustand, um das zylindrische Element in den Körper einzupassen, durch Erhöhen der Temperatur der in das zylindrische Element eingesetzten Auskleidung auf eine Temperatur vor dem Abkühlen der Auskleidung, und Verbinden von Umfangskantenabschnitten der Kuppelelemente mit Umfangskantenabschnitten des zylindrischen Elements, das in den Körper eingepasst ist, um die Endabschnitte der Auskleidung durch die Kuppelelemente abzudecken und die Verstärkungsschicht zu bilden.
Erfindungsgemäß werden das zylindrische Element, das den Körper der Auskleidung abdeckt, und die beiden Kuppelelemente, die die Endabschnitte der Auskleidung abdecken, im Voraus vorbereitet, und eine Verstärkungsschicht wird aus dem zylindrischen Element und den beiden Kuppelelementen gebildet. Beim Ausbilden der Verstärkungsschicht wird die Auskleidung durch Abkühlen geschrumpft. Dieses Schrumpfen der Auskleidung erfolgt auch in radialer Richtung des Körpers, so dass die Auskleidung leicht in das zylindrische Element eingesetzt werden kann.
Danach wird die Temperatur der Auskleidung auf die Temperatur vor dem Abkühlen erhöht, wodurch sich die Auskleidung ausdehnt. Das Ausdehnen der Auskleidung erfolgt auch in radialer Richtung der Auskleidung, so dass das zylindrische Element in den Körper der Auskleidung eingepasst werden kann. Somit kann das zylindrische Element mit dem Körper der Auskleidung integriert werden.
Da das zylindrische Element auf diese Weise mit dem Körper der Auskleidung integriert wird, können die Umfangskantenabschnitte der Kuppelelemente leicht mit den Umfangskantenabschnitten des zylindrischen Elements verbunden werden, und die Verstärkungsschicht, die aus dem zylindrischen Element und den beiden Kuppelelementen besteht, kann leicht auf der Außenfläche der Auskleidung gebildet werden.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der Erfindung die Verstärkungsschicht auf der Außenfläche der Auskleidung gebildet, anstatt faserverstärkte Harzfolien oder dergleichen auf den Körper der Auskleidung zu wickeln. Somit wird nur eine Verformung unter Berücksichtigung des (im Voraus berechneten) Anzugsspielraums zwischen dem Körper der Auskleidung und dem zylindrischen Element in der Auskleidung erzeugt, indem das zylindrische Element am Körper angebracht wird, und dementsprechend kann eine unerwartete Verformung der Auskleidung aufgrund von Überspannungskräften usw. vermieden werden. Es sei angemerkt, dass beim Einpassen des zylindrischen Elements in den Körper die Temperatur der Auskleidung auf die Temperatur vor dem Abkühlen der Auskleidung erhöht wird, und während diese Erhöhung der Temperatur durch Erwärmung erfolgen kann, wird die Temperatur der Auskleidung vorzugsweise so erhöht, dass die Temperatur der Auskleidung die Umgebungstemperatur erreicht.
In dem obigen Aspekt kann das zylindrische Element zylindrisch sein. Beim Vorbereiten der Auskleidung und des zylindrischen Elements sowie der beiden Kuppelelemente können die Auskleidung und das zylindrische Element so vorbereitet werden, dass sie eine Maßbeziehung erfüllen, bei der ein Außendurchmesser des Körpers der Auskleidung größer ist als ein Innendurchmesser des zylindrischen Elements. Beim Schrumpfen der Auskleidung kann die Auskleidung auf eine Temperatur abgekühlt werden, bei der der Außendurchmesser des Körpers der Auskleidung kleiner ist als der Innendurchmesser des zylindrischen Elements. Beim Einpassen des zylindrischen Elements in den Körper kann die Temperatur der Auskleidung auf die Temperatur vor dem Abkühlen der Auskleidung erhöht werden, bei der die Maßbeziehung erfüllt ist. Es sei angemerkt, dass die „Temperatur, bei der die Maßbeziehung erfüllt ist“ in diesem Aspekt die Temperatur zum Zeitpunkt der Vorbereitung der Auskleidung, des zylindrischen Elements und der beiden Kuppelelemente ist, d.h. die Temperatur der Auskleidung unmittelbar vor dem Abkühlen der Auskleidung, die die Umgebungstemperatur der Auskleidung und des zylindrischen Elements ist.
Gemäß diesem Aspekt sind der Körper der Auskleidung und das zylindrische Element zylindrisch, und dementsprechend kann, wenn die Temperatur der Auskleidung auf die Temperatur vor dem Abkühlen erhöht wird, die die Maßbeziehung zum Zeitpunkt des Einpassens des zylindrischen Elements in den Körper erfüllt, die äußere Umfangsfläche der Auskleidung dazu gebracht werden, der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Elements gleichmäßig zu folgen. Auf diese Weise werden nicht ohne weiteres Spalten zwischen dem Körper der Auskleidung und dem zylindrischen Element gebildet.
Gemäß dem obigen Aspekt können beim Vorbereiten der Auskleidung und des zylindrischen Elements sowie der beiden Kuppelelemente der Außendurchmesser des Körpers und der Innendurchmesser des zylindrischen Elements so eingestellt werden, dass ein Druck des zylindrischen Elements, das gegen den Körper der Auskleidung drückt, nach Abschluss der Temperaturerhöhung der Auskleidung kleiner ist als eine Streck- bzw. Fließspannung eines Materials der Auskleidung.
Gemäß diesem Aspekt ist der Druck des zylindrischen Elements, das gegen den Körper der Auskleidung drückt, nach Abschluss der Temperaturerhöhung zum Einpassen des zylindrischen Elements in den Körper kleiner als die Fließspannung des Materials der Auskleidung, und dementsprechend kann die Auskleidung in einem Zustand in das zylindrische Element eingepasst werden, in dem die Auskleidung elastisch verformt ist. Somit wird die Auskleidung beim Einpassen des zylindrischen Elements in den Körper nicht durch plastische Verformung beschädigt.
Gemäß dem obigen Aspekt kann die Auskleidung aus thermoplastischem Harz hergestellt sein. Gemäß diesem Aspekt ist die Auskleidung aus einem thermoplastischen Harzmaterial hergestellt, das duktiler bzw. verformbarer als Metall ist, und dementsprechend treten selbst bei einer plastischen Verformung der Auskleidung während des Einpassens des zylindrischen Elements in den Körper nicht ohne weiteres Risse oder dergleichen in der Auskleidung auf. Da die Auskleidung aus thermoplastischem Harz besteht, folgt sie leichter der Verstärkungsschicht, wenn die Auskleidung mit Hochdruckgas gefüllt wird. Außerdem zeigt die Auskleidung selbst bei plastischer Verformung leicht eine Kriechverformung, so dass eine Beschädigung der Auskleidung verhindert werden kann.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank wird keine faserverstärkte Harzfolie oder dergleichen auf den Körper der Auskleidung gewickelt, wenn eine Verstärkungsschicht auf der Außenfläche der Auskleidung gebildet wird, wodurch eine unerwartete Verformung der Auskleidung aufgrund von Überspannung zum Zeitpunkt des Wickelns vermieden werden kann.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, hierbei zeigt:

1 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau eines Hochdrucktanks zeigt, der durch ein Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wird;
2 eine Teilquerschnittsansicht, die den Aufbau des in 1 dargestellten Hochdrucktanks zeigt;
3 ein Flussdiagramm zur Beschreibung von Prozessen des Herstellungsverfahrens für den Hochdrucktank gemäß der Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Teilquerschnittsansicht zur Beschreibung eines Verfahrens zum Ausbilden eines Kuppelelements, das in einem in 3 dargestellten Vorbereitungsprozess vorbereitet wird;
5 eine Querschnittsansicht des Kuppelelements, das in dem in 3 dargestellten Vorbereitungsprozess vorbereitet wird;
6 eine Querschnittsansicht zur Beschreibung eines Verfahrens zum Ausbilden eines zylindrischen Elements, das in dem in 3 dargestellten Vorbereitungsprozess vorbereitet wird;
7 eine Querschnittsansicht einer Auskleidung, die in dem in 3 dargestellten Vorbereitungsprozess vorbereitet wird;
8 eine schematische perspektivische Ansicht zur Beschreibung eines Schrumpfprozesses und eines Einsetzprozesses bei dem in 3 dargestellten Herstellungsverfahren;
9 eine schematische perspektivische Ansicht zur Beschreibung eines Einpassungsprozesses bei dem in 3 dargestellten Herstellungsverfahren;
10 eine schematische Querschnittsansicht der Auskleidung und des zylindrischen Elements nach dem in 9 dargestellten Einpassungsprozess;
11 eine schematische perspektivische Ansicht zur Beschreibung eines in 3 dargestellten Verbindungsprozesses; und
12 ist eine schematische Querschnittsansicht der Auskleidung und einer Verstärkungsschicht nach dem in 11 dargestellten Verbindungsprozess.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Vor der Beschreibung des Herstellungsverfahrens wird kurz eine Ausgestaltung des Hochdrucktanks 1 beschrieben. Obwohl im Folgenden beschrieben wird, dass es sich bei dem Hochdrucktank 1 um einen mit Hochdruck-Wasserstoffgas gefüllten Tank handelt, der in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut ist, kann der Hochdrucktank 1 auch für andere Verwendungszwecke eingesetzt werden. Das Gas, mit dem der Hochdrucktank 1 gefüllt werden kann, ist nicht auf Hochdruck-Wasserstoffgas beschränkt und er kann mit anderen Gasen gefüllt werden, wie z.B. verschiedenen Arten von komprimiertem Gas, wie komprimiertem Erdgas (CNG) und so weiter, verschiedenen Arten von verflüssigtem Gas, wie verflüssigtem Erdgas (LNG) und verflüssigtem Erdölgas (LPG), und so weiter.
Hochdrucktank 1
Der Hochdrucktank 1 ist ein im Wesentlichen zylindrisch geformter Hochdruck-Gasspeicherbehälter, dessen beide Enden kuppelförmig abgerundet sind, wie in den 1 und 2 dargestellt. Der Hochdrucktank 1 ist mit einer Auskleidung 2 versehen, die Gasbarriereeigenschaften aufweist, und einem Verstärkungsabschnitt 3 aus einem faserverstärkten Harz, der die Außenfläche der Auskleidung 2 bedeckt. Der Verstärkungsabschnitt 3 hat eine erste Verstärkungsschicht 30, die die Außenfläche der Auskleidung 2 bedeckt, und eine zweite Verstärkungsschicht 34, die die Außenfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 bedeckt. An einem Ende des Hochdruckbehälters 1 ist eine Öffnung ausgebildet, und am Umfang der Öffnung ist ein Stutzen 4 angebracht. Es ist zu beachten, dass die erste Verstärkungsschicht 30 der „Verstärkungsschicht“ im Sinne der Erfindung entspricht.
Die Auskleidung 2 ist ein Harz- bzw. Kunststoffelement, das einen Aufnahmeraum 5 bildet, der mit Hochdruckwasserstoffgas gefüllt ist. Die Auskleidung 2 ist mit einem zylindrischen Körper 21 und kuppelförmigen Endabschnitten 22, 23 versehen, die an den jeweiligen Enden des Körpers 21 ausgebildet sind. Der Körper 21 erstreckt sich in der vorliegenden Ausführungsform über eine vorbestimmte Länge in einer axialen Richtung X des Hochdrucktanks 1 und hat eine zylindrische Form. Die Endabschnitte 22, 23 sind als Fortsetzungen von den jeweiligen Enden des Körpers 21 ausgebildet und haben eine kuppelartige Form. Die Radien der Endabschnitte 22, 23 nehmen ab, je weiter sie sich vom Körper 21 entfernen, wobei eine Öffnung 22a in der Mitte des Abschnitts des Endabschnitts 22 vorgesehen ist, wo der Radius am kleinsten ist. Ein rohrförmiger Abschnitt 22b ist in der Öffnung 22a vorgesehen.
Das Material der Auskleidung 2 ist vorzugsweise ein Harz oder Metall, das die Fähigkeit hat, in den Aufnahmeraum 5 eingefülltes Hochdruckgas zu halten, d.h. gute Gasbarriereeigenschaften. Beispiele für das Harz umfassen Polypropylenharze, Nylonharze (z. B. Nylon 6-Harz, Nylon 6,6-Harz), Polycarbonatharze, Acrylharze, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harze (ABS), Polyamidharze, Polyethylenharze, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymerharz (EVOH), Polyesterharze und ähnliche thermoplastische Harze. Beispiele für Metall umfassen Aluminiumlegierungen und Edelstahl.
Der Hals bzw. Stutzen 4 besteht aus einem Metallmaterial, wie z. B. Aluminium und einer Aluminiumlegierung, das in eine vorgegebene Form gebracht wurde. Am Stutzen 4 ist ein Ventil 6 zum Einfüllen von Wasserstoffgas in den Aufnahmeraum 5 und zum Ablassen des Wasserstoffgases aus diesem angebracht. Ein Dichtungselement 6a, das mit dem rohrförmigen Abschnitt 22b der Auskleidung 2 in Kontakt kommt und den Aufnahmeraum 5 des Hochdrucktanks 1 abdichtet, ist am Ventil 6 an einem vorstehenden Abschnitt 32b des Kuppelelements 32 vorgesehen, der später beschrieben wird.
Der Verstärkungsabschnitt 3 dient zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Hochdrucktanks 1, wie z. B. Steifigkeit, Druckbeständigkeit usw., durch Verstärkung der Auskleidung 2. Der Verstärkungsabschnitt 3 besteht aus einem faserverstärkten Harz, bei dem Verstärkungsfasern (Endlosfäden) mit Harz imprägniert sind. In der vorliegenden Ausführungsform hat der Verstärkungsabschnitt 3 die erste Verstärkungsschicht 30, die die Außenfläche der Auskleidung 2 bedeckt, und die zweite Verstärkungsschicht 34, die die Außenfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 bedeckt, wie oben beschrieben. Die erste Verstärkungsschicht 30 ist einstückig aus einem später beschriebenen zylindrischen Element 31 und Kuppelelementen 32, 33 gebildet, die mit dessen jeweiligen Enden verbunden sind.
Das zylindrische Element 31 und die Kuppelelementen 32, 33 sind Elemente, in denen eine Mehrzahl von Schichten aus faserverstärktem Harz aus mit Harz imprägnierten Verstärkungsfasern laminiert sind. Die Verstärkungsfasern des zylindrischen Elements 31 sind in Umfangsrichtung in einem Winkel ausgerichtet, der im Wesentlichen orthogonal zur axialen Richtung X des zylindrischen Elements 31 ist. Mit anderen Worten, die Verstärkungsfasern des zylindrischen Elements 31 sind in der Umfangsrichtung des zylindrischen Elements 31 ausgerichtet. Die Verstärkungsfasern der Kuppelelemente 32, 33 sind nicht in Umfangsrichtung des zylindrischen Elements 31 ausgerichtet, sondern erstrecken sich vom Scheitelpunkt in Richtung der Umfangskantenabschnitte 32a, 33a derselben in verschiedene Richtungen, die die Umfangsrichtung schneiden.
Die Verstärkungsfasern des zylindrischen Elements 31 und die Verstärkungsfasern der Kuppelelemente 32, 33 sind in der vorliegenden Ausführungsform nicht durchgehend (nicht verbunden). Der Grund dafür ist, dass die beiden Kuppelelemente 32, 33 an den jeweiligen Enden des zylindrischen Elements 31 angebracht werden, nachdem das zylindrische Element 31 und die beiden Kuppelelemente 32, 33 separat geformt wurden, was später beschrieben wird.
Die zweite Verstärkungsschicht 34 ist eine Schicht, in die eine Schicht aus faserverstärktem Harz aus mit Harz imprägnierten Verstärkungsfasern laminiert ist. Die zweite Verstärkungsschicht 34 ist als Abdeckung der Außenfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 vorgesehen. Das heißt, die zweite Verstärkungsschicht 34 ist eine Schicht, die die Außenfläche des zylindrischen Elements 31 und der Kuppelelemente 32, 33 abdeckt. Genauer gesagt ist die zweite Verstärkungsschicht 34 eine Schicht aus faserverstärktem Harz, deren Fasern so ausgerichtet sind, dass sie sich von einem der beiden Kuppelelemente 32, 33 zum anderen erstrecken. Die Verstärkungsfasern der zweiten Verstärkungsschicht 34 werden durch schraubenförmiges Wickeln von mit Harz imprägnierten Faserbündeln so ausgerichtet, dass sie in Bezug auf die axiale Richtung X des zylindrischen Elements 31 geneigt sind. Durch die Verstärkungsfasern werden die Kuppelelemente 32, 33 an das zylindrische Element 31 gepresst.
Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank 1
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank 1 gemäß der Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 3 ist ein Flussdiagramm zur Beschreibung von Prozessen des Herstellungsverfahrens für den Hochdrucktank 1. Das Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank 1 umfasst einen Vorbereitungsprozess S1, einen Schrumpfprozess S2, einen Einsetzprozess S3, einen Einpassungsprozess S4, einen Verbindungsprozess S5 und einen Prozess S6 zum Ausbilden der zweiten Verstärkungsschicht, wie in 3 dargestellt.
2-1. Vorbereitungsprozess S1
Im Vorbereitungsprozess S1 werden die Auskleidung 2, das zylindrische Element 31 und die beiden Kuppelelemente 32, 33, die die erste Verstärkungsschicht 30 bilden, vorbereitet. Man beachte, dass die Auskleidung 2 und das zylindrische Element 31, die eine Maßbeziehung erfüllen, wonach ein Außendurchmesser D1 des Körpers 21 der Auskleidung 2 größer ist als ein Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31, im Vorbereitungsprozess S1 vorbereitet werden, wie später beschrieben wird. Zunächst wird im Folgenden das Verfahren zum Ausbilden der beiden vorzubereitenden Kuppelelemente 32, 33 beschrieben.
Verfahren zum Ausbilden der Kuppelelemente 32, 33
Bei dem in 5 dargestellten Verfahren zum Ausbilden der Kuppelelemente 32, 33 wird beispielsweise ein mit Harz imprägniertes Faserbündel F1 durch ein Filamentwickelverfahren (FW-Verfahren) auf eine Außenfläche einer Spindel 100 gewickelt, wie in 4 dargestellt. Konkret hat die Spindel 100 eine Haupteinheit 101 und einen Wellenabschnitt 102, der sich von einem Ende der Haupteinheit 101 zur Außenseite erstreckt.
Die Haupteinheit 101 ist, gesehen von der axialen Richtung des Wellenabschnitts 102, in einer kreisförmigen Form ausgebildet. An der äußeren Umfangsfläche der Haupteinheit 101 ist in der Mitte in axialer Richtung ein Nutabschnitt 101a vorgesehen, der sich über den gesamten Umfang in Umfangsrichtung erstreckt. Die Außenfläche der Spindel 100 hat eine Form, bei der die kuppelförmigen Endabschnitte 22, 23 ohne den Körper 21 der im Vorbereitungsprozess S1 vorbereiteten Auskleidung 2 verbunden sind, wobei der Nutabschnitt 101a an einer Position vorgesehen ist, die der Naht derselben entspricht. Der Wellenabschnitt 102 ist durch einen Drehmechanismus drehbar gelagert (in der Abbildung weggelassen).
Bei der Bildung der Kuppelelemente 32, 33 wird das Faserbündel F1 zunächst auf die Spindel 100 gewickelt, so dass es deren Außenfläche bedeckt, indem die Spindel 100 gedreht wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der zylindrische, vorstehende Abschnitt 32b mit einem Durchgangsloch 32c ebenfalls durch Wickeln des Faserbündels F1 auf die Außenfläche des Wellenabschnitts 102 gebildet, wie in 5 dargestellt. Auch wird hierbei das Faserbündel F1 in einem Winkel gewickelt, der die axiale Richtung des Wellenabschnitts 102 beispielsweise um 30 bis 50 Grad schneidet. Es ist zu beachten, dass das Material der Spindel 100 zwar nicht besonders beschränkt ist, dass aber Metall bevorzugt wird, um die Festigkeit zu gewährleisten, damit diese beim Wickeln des Faserbündels F1 nicht verformt wird.
Obwohl das Harz, mit dem das Faserbündel F1 imprägniert wird, nicht besonders beschränkt ist, kann beispielsweise ein wärmehärtendes Harz verwendet werden. Bevorzugte Beispiele für wärmehärtende Harze, die verwendet werden können, sind Phenolharze, Melaminharze, Harnstoff-Formaldehyd und Epoxidharze. In dieser Anordnung wird das Faserbündel F1 in einem Zustand, in dem das wärmehärtende Harz noch nicht ausgehärtet ist, auf die Spindel 100 gewickelt und anschließend erhitzt. Insbesondere werden bevorzugt Epoxidharze unter dem Gesichtspunkt der mechanischen Festigkeit etc. eingesetzt. Epoxidharze sind in nicht ausgehärtetem Zustand fließfähig und bilden, sobald sie ausgehärtet sind, eine starke vernetzte Struktur.
Es sei auch angemerkt, dass thermoplastische Harze als das Harz verwendet werden können, mit dem das Faserbündel F1 imprägniert wird. Beispiele für thermoplastische Harze, die verwendet werden können, sind Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyacrylatester, Polyimid und Polyamid. In dieser Anordnung wird das Faserbündel F1 in einem Zustand, in dem das thermoplastische Harz erwärmt und erweicht wird, auf die Spindel 100 gewickelt woraufhin das thermoplastische Harz abgekühlt und gehärtet wird. Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Beschreibung sowohl das thermische Aushärten des duroplastischen Harzes als auch das Aushärten des erweichten thermoplastischen Harzes durch Abkühlen gemeinsam als Aushärten des Harzes bezeichnet werden.
Beispiele für Fasern, die zur Bildung des Faserbündels F1 verwendet werden können, umfassen Glasfasern, Aramidfasern, Borfasern und Kohlenstofffasern. Insbesondere werden unter dem Gesichtspunkt der Leichtigkeit, der mechanischen Festigkeit usw. vorzugsweise Kohlenstofffasern verwendet.
Als nächstes wird der gewickelte Artikel (Faserbündel F1), der auf die Außenfläche der Spindel 100 gewickelt ist, mit einem Schneidwerkzeug 110 in zwei Teile geteilt (siehe 4). Danach wird der geteilte gewickelte Artikel von der Spindel 100 gelöst, wodurch die beiden Kuppelelemente 32, 33 entstehen, wie in 5 dargestellt.
Insbesondere wird der Stutzen 4 an der Außenfläche des vorstehenden Abschnitts 32b in dem in 4 dargestellten Zustand angebracht. In einem Zustand, in dem das Harz, mit dem das Faserbündel F1 des gewickelten Artikels imprägniert wurde, ausgehärtet ist, wird die Klingenspitze des Schneidwerkzeugs 110 in den Nutabschnitt 101a der Spindel 100 eingeführt, während die Spindel 100 gedreht wird. Auf diese Weise kann das Faserbündel F1 durch das Schneidwerkzeug 110 geschnitten und der gewickelte Artikel in zwei Teile geteilt werden. Danach wird der gewickelte Artikel in einem Zustand, in dem das Harz des gewickelten Artikels (Faserbündel F1) gehärtet bleibt, von der Spindel 100 gelöst, wodurch die beiden Kuppelelemente 32, 33 entstehen. Es ist zu beachten, dass das Schneidwerkzeug 110 nicht besonders beschränkt ist, und Beispiele dafür, die verwendet werden können, Anordnungen umfassen, bei denen eine Klinge an einer Umfangsfläche einer rotierenden Scheibe vorgesehen ist, Anordnungen, bei denen eine Klinge an einer Seitenfläche einer dünnen Platte ausgebildet ist, und Anordnungen, bei denen das Faserbündel F1 unter Verwendung eines Laserstrahls geschnitten wird.
Das Schneiden wird von dem Schneidwerkzeug 110 in einem Zustand durchgeführt, in dem das Harz, mit dem das Faserbündel F1 imprägniert ist, gehärtet ist. Daher kann eine Verformung des Faserbündels F1 beim Schneiden unterdrückt werden, und eine Verformung der beiden Kuppelelemente 32, 33 beim Entfernen von der Spindel 100 kann unterdrückt werden.
Wenn das Harz des Faserbündels F1 (d.h. die beiden Kuppelelemente 32, 33) aus wärmehärtendem Harz besteht, ist das Verfahren zum Härten des Faserbündels F1 nicht besonders beschränkt, und das Faserbündel F1 wird unter Härtungsbedingungen (Heiztemperatur und Heizzeit) gehärtet, die der Art des Harzes entsprechen. Andererseits wird, wenn das Harz des Faserbündels F1 aus thermoplastischem Harz besteht, das Harz des Faserbündels F1 durch Abkühlen des Faserbündels F1 aus einem Zustand, in dem das Harz fließfähig ist, gehärtet, wie bei einem Verfahren zum Härten des Faserbündels F1. Die so entstandenen Kuppelelemente 32, 33 werden zu Formen geformt, die die Außenflächen der Endabschnitte 22, 23 der Auskleidung 2 abdecken.
Obwohl hier ein Beispiel für das Wickeln des Faserbündels F1, das mit Harz imprägniert ist, auf die Außenfläche der Spindel 100 beschrieben wurde, kann eine Anordnung gewählt werden, bei der ein Faserbündel, das nicht mit Harz imprägniert ist, auf die Außenfläche der Spindel 100 gewickelt wird, um einen gewickelten Artikel zu bilden, der dann mit Harz imprägniert und gehärtet wird.
Auch kann, obwohl hier ein Beispiel für das Schneiden des Faserbündels F1 mit einem Schneidwerkzeug 110 in einem Zustand beschrieben wurde, in dem das Harz gehärtet ist, das Faserbündel F1 mit dem Schneidwerkzeug 110 geschnitten werden, ohne dass das Harz des Faserbündels F1 gehärtet wird. In dieser Anordnung kann das Faserbündel F1 nach dem Schneiden durch das Schneidwerkzeug 110 gehärtet werden.
Es sei jedoch angemerkt, dass, wenn das Harz des Faserbündels F1 nicht gehärtet ist, das Harz eine Viskosität aufweist und das Faserbündel F1 nicht leicht von der Spindel 100 entfernt werden kann (das Faserbündel F1 wird leicht verformt). Dementsprechend wird die Verformung des Faserbündels F1 vorzugsweise unterdrückt, indem beispielsweise die Oberfläche der Spindel 100 vor dem Wickeln des Faserbündels F1 mit einem Formtrennmittel beschichtet wird oder die Geschwindigkeit des Ablösens der beiden Kuppelelemente 32, 33 von der Spindel 100 verringert wird.
Obwohl hier ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem der Stutzen 4 nach dem Wickeln des Faserbündels F1 auf die Außenfläche der Spindel 100 an der Außenfläche des vorstehenden Abschnitts 32b angebracht wird, kann auch eine Anordnung gewählt werden, bei der der Stutzen im Voraus an einem Verbindungsabschnitt zwischen der Haupteinheit 101 und dem Wellenabschnitt 102 der Spindel 100 angebracht wird und ein Teil des Stutzens mit dem Faserbündel F1 zusammen mit der Außenfläche der Spindel 100 in diesem Zustand umwickelt wird. Ein Teil des Stutzens ist in dieser Anordnung durch das Faserbündel F1 bedeckt und wird festgehalten, wodurch der Stutzen durch das Faserbündel F1 stark fixiert werden kann.
Verfahren zum Ausbilden des zylindrischen Elements 31
Das zylindrische Element 31 wird beispielsweise durch Wickeln einer Faserbahn F2 auf eine Außenfläche einer zylindrischen Spindel 200 gebildet, wie in 6 dargestellt. Der Außendurchmesser der Spindel 200 ist ein Außendurchmesser, der dem Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31 entspricht. Während das Material der Spindel 200 nicht besonders beschränkt ist, ist Metall bevorzugt, um die Festigkeit zu gewährleisten, so dass diese beim Aufbringen der Faserbahn F2 nicht verformt wird.
Beim Ausbilden des zylindrischen Elements 31 wird die Faserbahn F2, die von einer Rolle usw. abgerollt wird, mehrere Male auf die Spindel 200 gewickelt, während die Spindel 200 in der Umfangsrichtung durch einen Drehmechanismus gedreht wird (in der Abbildung weggelassen). Die Faserbahn F2 ist eine Bahn bzw. Folie aus Verstärkungsfasern, die in eine Richtung gezogen und mit Harz imprägniert sind. Die Faserbahn F2 wird auf die Spindel 200 gewickelt, wobei die Verstärkungsfasern der Umfangsrichtung der Spindel 200 folgen. Dementsprechend sind die Verstärkungsfasern der Umfangsrichtung folgend ausgerichtet, und es wird das zylindrische Element 31 mit dem Innendurchmesser D2 gebildet.
Obwohl für die Faserbahn F2 eine sogenannte unidirektionale (UD) Folie bzw. Bahn verwendet wird, bei der beispielsweise eine Mehrzahl von Faserbündeln, die in der gleichen Richtung orientiert sind, durch Bindestränge eingewebt werden, kann eine Faserbahn verwendet werden, bei der eine Mehrzahl von Faserbündeln, die in der gleichen Richtung orientiert sind, und eine Mehrzahl von Faserbündeln, die die Mehrzahl von Faserbündeln beispielsweise orthogonal schneiden, gewebt werden, oder dergleichen.
Es sei angemerkt, dass Beispiele für die Verstärkungsfasern für die Faserbahn F2 die gleichen sein können wie die Materialien, die für das Faserbündel F1 beschrieben sind, und Beispiele für das Harz, mit dem die Verstärkungsfasern imprägniert sind, können die gleichen sein wie die Materialien, die für das Faserbündel F1 beschrieben sind.
Das zylindrische Element 31 ist so geformt, dass die Dicken der Umfangskantenabschnitte 31a in der axialen Richtung X zu den Enden hin allmählich dünner werden, wie in 6 dargestellt. Entsprechend dieser Form wird, wenn die Umfangskantenabschnitte 31a des zylindrischen Elements 31 und die Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 aufeinander gelegt werden, wie in den 1 und 2 dargestellt, weniger leicht ein gestufter Abschnitt an den Verbindungsabschnitten der Außenfläche des zylindrischen Elements 31 und den Außenflächen der beiden Kuppelelemente 32, 33 gebildet.
Um die Dicken an beiden Enden des zylindrischen Elements 31 in der axialen Richtung X dünner zu machen, können die Faserbündel so gewebt werden, dass die Dicke der Faserbündel an dem Endabschnitt der Faserbahn F2 in der axialen Richtung X (Breitenrichtung) allmählich kleiner wird, oder die Wickelbreite der Faserbahn F2 kann allmählich reduziert werden. Alternativ können die Dicken der beiden Enden des zylindrischen Elements 31 in der axialen Richtung X allmählich dünner werden, indem sie durch eine Walze oder ähnliches gedrückt werden. Es sei angemerkt, dass die Dicken der Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 auch im Vergleich zu anderen Abschnitten durch Pressen mit einer Walze oder dergleichen verringert werden können.
Wenn das Harz der Faserbahn F2 aus einem wärmehärtenden Harz besteht, kann die Faserbahn F2 unter vorbestimmten Härtungsbedingungen (Heiztemperatur und Heizzeit) in einem Zustand, in dem die Faserbahn F2 auf die Spindel 200 gewickelt ist, auf die gleiche Weise wie das Faserbündel F1 gehärtet werden. Andererseits kann, wenn das Harz der Faserbahn F2 aus thermoplastischem Harz besteht, das Harz der Faserbahn F2 durch Abkühlen in einem Zustand, in dem die Faserbahn F2 auf die Spindel 200 gewickelt ist, auf die gleiche Weise wie das Faserbündel F1 gehärtet werden.
Nach dem Aushärten des Harzes wird das zylindrische Element 31 von der Spindel 200 entfernt. Das Aushärten des Harzes verbessert die Formstabilität des zylindrischen Elements 31. Das zylindrische Element 31 kann dementsprechend leicht von der Spindel 200 gelöst werden, und eine Verformung des zylindrischen Elements 31 zum Zeitpunkt des Entfernens des zylindrischen Elements 31 von der Spindel 200 kann unterdrückt werden.
Es sei angemerkt, dass hier ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem die Faserbahn F2 auf die Außenfläche der Spindel 200 gewickelt wird, um das zylindrische Element 31 zu bilden. Das zylindrische Element 31 kann jedoch auch durch Wickeln von mit Harz imprägnierten Faserbündeln auf die Außenfläche der Spindel 200 durch das FW-Verfahren gebildet werden. Alternativ dazu kann das zylindrische Element 31 durch ein sogenanntes Zentrifugalwickelverfahren (CW-Verfahren) geformt werden, bei dem Faserbahnen auf die Innenfläche der sich drehenden Spindel 200 aufgebracht werden.
Verfahren zum Ausbilden der Auskleidung 2
Die Auskleidung 2 wird so ausgebildet, dass der Außendurchmesser D1 des Körpers 21 der Auskleidung 2 größer ist als der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31, wie in 7 dargestellt. Konkret werden ein Körperelement (in der Abbildung weggelassen), das dem Körper 21 entspricht, und zwei Endelemente (in der Abbildung weggelassen), die den Endabschnitten 22, 23 entsprechen, vorbereitet. Die Öffnung 22a wird am Scheitelpunkt des kuppelförmigen Endabschnitts, der dem Endabschnitt 22 entspricht, gebildet, und der rohrförmige Abschnitt 22b wird in der Öffnung 22a gebildet.
Als nächstes werden die Endelemente mit den jeweiligen Enden des vorbereiteten Körperteils durch Schweißen, thermisches Verschmelzen oder dergleichen verbunden. Auf diese Weise kann die Auskleidung 2 mit dem zylindrischen Körper 21 und den kuppelförmigen Endabschnitten 22, 23, die kontinuierlich an den jeweiligen Enden des Körpers 21 ausgebildet sind, gebildet werden, wie in 7 dargestellt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Auskleidung 2 an/in das zylindrische Element 31 an-/eingepasst, wobei der später beschriebene Einpassungsprozess unter Verwendung einer Schrumpfpassung durch Abkühlen (Kompressionsschrumpfpassung) erfolgt. Dementsprechend ist im Zustand vor dem Abkühlen der Außendurchmesser D1 des Körpers 21 größer als der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31 bei gleichen Temperaturbedingungen (insbesondere bei Raumtemperatur). Dieser Zustand vor dem Abkühlen ist ein Zustand, bei dem die Innenseite der Auskleidung 2 bei der Umgebungstemperatur (insbesondere bei Raumtemperatur) der Auskleidung 2 ewig geöffnet ist.
Ferner besteht in der vorliegenden Ausführungsform das Material des Körperelements und der beiden Endelemente (d. h. das Material der Auskleidung 2) aus Harz oder Metall, wie oben beschrieben. Bei diesen Materialien handelt es sich um Materialien, die bei niedrigen Temperaturen schrumpfen, und insbesondere ist von den verschiedenen Harzarten das thermoplastische Harz ein Material, das im Vergleich zu dem faserverstärkten Harz, aus dem das zylindrische Element 31 besteht, höhere Schrumpfungseigenschaften bei niedrigen Temperaturen aufweist. Dementsprechend kann die Auskleidung 2, die auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt wird (z. B. eine Temperatur, die niedriger ist als die normale Temperatur), geschrumpft werden (thermische Kontraktion), so dass der reduzierte Außendurchmesser D1 kleiner sein kann als der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31.
2-2. Schrumpfprozess S2
Im Schrumpfprozess S2 wird die Auskleidung 2 durch Abkühlen der Auskleidung 2 geschrumpft. Insbesondere wird die Auskleidung 2 im Schrumpfprozess S2 auf eine Temperatur abgekühlt, bei der der Außendurchmesser D1 des Körpers 21 der Auskleidung 2 kleiner ist als der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31 (insbesondere eine Temperatur, die niedriger ist als die Raumtemperatur), wie in 8 dargestellt.
Das Kühlverfahren ist nicht besonders beschränkt, solange die Auskleidung 2 abgekühlt werden kann. Zum Beispiel kann die Auskleidung 2 abgekühlt werden, indem die Auskleidung 2 in einer Gefrierkammer oder Kühlkammer oder dergleichen gelagert wird, Wind, der kälter als Raumtemperatur ist, kann auf die Oberfläche der Auskleidung 2 geblasen werden, so dass diese gekühlt wird, oder die Auskleidung 2 kann gekühlt werden, indem sie mit einer Substanz in Kontakt gebracht wird, die kälter als Raumtemperatur ist (Wasser, Trockeneis usw.). Alternativ kann der Aufnahmeraum 5 durch den rohrförmigen Abschnitt 22b und die Öffnung 22a der Auskleidung 2 mit einem Kältemittel gefüllt werden, das kühler ist als die Raumtemperatur, und so gekühlt werden.
Es ist zu beachten, dass die Kühltemperatur der Auskleidung 2 nicht begrenzt ist, insbesondere solange die Temperatur niedriger ist als die Temperatur des zylindrischen Elements 31 und der Außendurchmesser D1 des Körpers 21 der Auskleidung 2 kleiner ist als der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31. Beispielsweise liegt die Kühltemperatur in einem Bereich von etwa -30°C bis 10°C, und die Auskleidung 2 wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich gekühlt, in dem das Material der Auskleidung 2 keine Tieftemperatursprödigkeit aufweist.
2-3. Einsetzprozess S3
Im Einsetzprozess S3 wird die Auskleidung 2 in das zylindrische Element 31 eingesetzt, so dass das zylindrische Element 31 den Körper 21 der Auskleidung 2 in dem im Schrumpfprozess S2 geschrumpften Zustand bedeckt, wie in 8 dargestellt. Die Auskleidung 2 wird beim Schrumpfprozess S2 so geschrumpft, dass der Außendurchmesser D1 des Körpers 21 der Auskleidung 2 kleiner ist als der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31, und dementsprechend kann die Auskleidung 2 leicht in das zylindrische Teil 31 eingesetzt werden.
2-4. Einpassungsprozess S4
Im Einpassungsprozess S4 wird die Temperatur der in das zylindrische Element 31 eingesetzten Auskleidung 2 auf die Temperatur vor dem Abkühlen im Schrumpfprozess S2 zurückgeführt, wodurch sich die geschrumpfte Auskleidung 2 ausdehnt und das zylindrische Element 31 an den Körper 21 angepasst wird, wie in den 9 und 10 dargestellt.
Nun ist die „Temperatur vor dem Abkühlen“ eine Temperatur, die die Maßbeziehung erfüllt, bei der der Außendurchmesser D1 des Körpers 21 der Auskleidung 2 größer ist als der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31. Dementsprechend bewirkt der Temperaturanstieg der Auskleidung 2 eine Ausdehnung der Auskleidung 2, und diese Ausdehnung erfolgt auch in radialer Richtung der Auskleidung 2, wodurch das zylindrische Element 31 an den Körper 21 der Auskleidung 2 angepasst werden kann. Somit kann das zylindrische Element 31 mit dem Körper 21 der Auskleidung 2 integriert werden.
Die Temperatur der Auskleidung 2 kann mit einer Heizvorrichtung oder dergleichen erhöht werden, aber in der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur der Auskleidung 2 allmählich auf die Umgebungstemperatur (Raumtemperatur) unmittelbar vor dem Abkühlen erhöht. Das heißt, die abgekühlte Auskleidung 2 wird unter sogenannten gewöhnlichen Temperatur- und Normaldruckbedingungen stehen gelassen. Die gewöhnlichen Temperatur- und Normaldruckbedingungen sind hier z. B. ein Temperaturbereich von 15°C bis 25°C für die gewöhnliche Temperatur und atmosphärischer Druck für den Normaldruck. Durch die Erhöhung der Temperatur auf diese Weise kann die Auskleidung 2 in das zylindrische Element 31 eingepasst werden, wobei die Außenfläche des Körpers 21 der Auskleidung 2 der Innenfläche des zylindrischen Elements 31 folgt, während ein Wärmeschock an der Auskleidung 2 aufgrund des Temperaturanstiegs unterdrückt wird.
Ferner sind der Körper 21 der Auskleidung 2 und das zylindrische Element 31 in der vorliegenden Ausführungsform zylindrisch, und dementsprechend kann, wenn die Temperatur der Auskleidung 2 im Einpassungsprozess auf die Temperatur vor dem Abkühlen der Auskleidung 2 ansteigt, die äußere Umfangsfläche der Auskleidung 2 dazu gebracht werden, gleichmäßig der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Elements 31 zu folgen. Auf diese Weise kann die Bildung eines Spalts zwischen dem Körper 21 der Auskleidung 2 und dem zylindrischen Element 31 weniger leicht erfolgen.
Nachstehend erneut Bezug nehmend auf den Vorbereitungsprozess S1, wird die Beziehung zwischen dem Körper 21 der Auskleidung 2 und dem zylindrischen Element 31 im Detail beschrieben. Für den Außendurchmesser D1 des Körpers 21 der Auskleidung 2 und den Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31 im Vorbereitungsprozess S1 gilt, dass (1) Außendurchmesser D1 < Innendurchmesser D2 bei der Abkühltemperatur im Schrumpfprozess S2 erfüllt ist, und dass (2) Außendurchmesser D1 > Innendurchmesser D2 bei der Temperatur nach der Ausdehnung im Einpassungsprozess S4 (insbesondere der Temperatur im Vorbereitungsprozess S1) erfüllt ist. Der Körper 21 der Auskleidung 2 kann durch beide der oben genannten Bedingungen (1) und (2) in das zylindrische Element 31 eingepasst werden.
Zusätzlich werden der Außendurchmesser D1 des Körpers 21 und der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31 vorzugsweise so eingestellt, dass nach Abschluss des Temperaturanstiegs der Auskleidung 2 der Druck des zylindrischen Elements 31, das gegen den Körper 21 der Auskleidung 2 drückt, kleiner ist als die Fließspannung des Materials der Auskleidung 2.
Gemäß solcher Einstellungen wird die Expansionskraft der Auskleidung 2 anhand von E × α × dT berechnet, wobei E den Elastizitätsmodul des Materials der Auskleidung 2 darstellt, α den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials darstellt und dT die Temperaturänderung vom abgekühlten Zustand bis zur vollständigen Ausdehnung darstellt. Der Druck des zylindrischen Elements 31, das gegen den Körper 21 der Auskleidung 2 drückt, kann durch normale materialmechanische Berechnungen usw. berechnet werden, wobei der Außendurchmesser D1 des Körpers 21 der Auskleidung 2 vor dem Abkühlen und der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Elements 31 zusammen mit dieser Expansionskraft berücksichtigt werden.
Durch die Durchführung der Einstellungen auf diese Weise ist der Druck des zylindrischen Elements 31, das gegen den Körper 21 der Auskleidung 2 drückt, kleiner als die Fließspannung des Materials der Auskleidung 2, und dementsprechend kann die Auskleidung 2 in einem Zustand in das zylindrische Element 31 eingepasst werden, in dem die Auskleidung 2 elastisch verformt ist. Dementsprechend wird die Auskleidung 2 durch die plastische Verformung beim Einpassungsprozess S4 nicht beschädigt.
Wie oben beschrieben, wird die erste Verstärkungsschicht 30 bei der vorliegenden Ausführungsform auf der Außenfläche der Auskleidung 2 gebildet, anstatt faserverstärkte Harzbahnen bzw. -folien oder Faserbündel oder dergleichen auf den Körper 21 der Auskleidung 2 zu wickeln. Somit wird nur eine Verformung unter Berücksichtigung des Anzugsspielraums zwischen dem Körper 21 der Auskleidung 2 und dem zylindrischen Element 31 (im Voraus berechnet) in der Auskleidung 2 durch den Einpassungsprozess S4 erzeugt, und dementsprechend kann eine unerwartete Verformung der Auskleidung 2 aufgrund von Überspannungskräften und so weiter vermieden werden.
Es ist zu beachten, dass, wenn die Auskleidung 2 aus einem thermoplastischen Harz besteht, Risse und dergleichen in der Auskleidung 2 nicht ohne weiteres auftreten, selbst wenn es zu einer plastischen Verformung der Auskleidung 2 beim Einpassungsprozess S4 kommt, da thermoplastische Harzmaterialien duktiler sind als Metall.
2-5. Verbindungsprozess S5
Im Verbindungsprozess S5 werden die Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 mit den Umfangskantenabschnitten 31a des zylindrischen Elements 31 verbunden, in das der Körper 21 eingepasst ist, so dass die Kuppelelemente 32, 33 die Endabschnitte 22, 23 der Auskleidung 2 bedecken, wie in den 11 und 12 dargestellt, wodurch die erste Verstärkungsschicht 30 gebildet wird.
Insbesondere werden die Umfangskantenabschnitte 31a des zylindrischen Elements 31 und die Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 zusammengefügt, wobei sich eines auf der Innenseite und das andere auf der Außenseite befindet. Dadurch können das zylindrische Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 stärker miteinander verbunden werden. 12 zeigt ein Beispiel für diese Passung, bei der die Umfangskantenabschnitte 31a des zylindrischen Elements 31 auf der Innenseite liegen und die Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 auf der Außenseite liegen, als ein Beispiel. Das zylindrische Element 31 wird in der vorliegenden Ausführungsform im Einpassungsprozess S4 mit dem Körper 21 der Auskleidung integriert. Dementsprechend können die Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 leicht mit den Umfangskantenabschnitten 31a des zylindrischen Elements 31 verbunden werden, und die erste Verstärkungsschicht 30, die aus dem zylindrischen Element 31 und den beiden Kuppelelementen 32, 33 besteht, kann leicht an der Außenseite der Auskleidung 2 gebildet werden.
Wenn das zylindrische Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 zusammengefügt werden, kann ein Klebstoff auf die Passflächen des zylindrischen Elements 31 und der Kuppelelemente 32, 33 aufgebracht werden. Durch diese Anordnung kann ein späteres Ablösen des zylindrischen Elements 31 und der Kuppelelemente 32, 33 noch zuverlässiger verhindert werden. Das Material des Klebestoffs ist nicht besonders eingeschränkt, aber die Verwendung eines wärmehärtenden Harzes, wie z. B. Epoxidharz oder dergleichen, ist bevorzugt. Auch ein Harz der gleichen Komponente wie das des zylindrischen Elements 31 oder der Kuppelelemente 32, 33 kann als Klebestoff verwendet werden.
Obwohl hier ein Beispiel für das Zusammenfügen der Umfangskantenabschnitte 31a des zylindrischen Elements 31 und der Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 beschrieben wurde, kann eine Anordnung gewählt werden, bei der die Umfangskantenabschnitte 31a des zylindrischen Elements 31 und die Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 aneinander stoßen und durch einen Klebestoff verbunden werden.
2-6. Prozess S6 zum Ausbilden der zweiten Verstärkungsschicht
Im Prozess S6 zum Ausbilden der zweiten Verstärkungsschicht wird die zweite Verstärkungsschicht 34 aus faserverstärktem Harz so gebildet, dass sie die Außenfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 bedeckt, wie in 1 dargestellt. So kann der Verstärkungsabschnitt 3 mit der ersten Verstärkungsschicht 30 und der zweiten Verstärkungsschicht 34 gebildet werden.
Bei der Bildung der zweiten Verstärkungsschicht 34 wird ein mit Harz imprägniertes Faserbündel durch schraubenförmiges Wickeln auf der Oberfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 durch das FW-Verfahren in Schichten gewickelt. Das schraubenförmige Wickeln ist eine Wickelart, bei der das Wickeln über die Kuppelelemente 32, 33 schräg (in einem Bereich von nicht weniger als 10° und nicht mehr als 60°) zur axialen Richtung X des zylindrischen Elements 31 verläuft. Die Anzahl der Lagen des zu wickelnden Faserbündels ist nicht besonders begrenzt, solange die Festigkeit der zweiten Verstärkungsschicht 34 gewährleistet ist, liegt aber z.B. bei zwei bis zehn Lagen.
Es sei angemerkt, dass Beispiele für das Material der Verstärkungsfasern für das Faserbündel die gleichen sein können wie die Materialien, die beispielhaft in Bezug auf das Faserbündel F1 beschrieben sind, und Beispiele für das Harz, mit dem die Verstärkungsfasern imprägniert sind, können die gleichen sein wie die Harzmaterialien, die beispielhaft in Bezug auf das Faserbündel F1 beschrieben sind.
Nach Abschluss des Wickelns des Faserbündels auf die Außenfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 wird die zweite Verstärkungsschicht 34 thermisch ausgehärtet, wenn das Harz, mit dem das Faserbündel imprägniert ist, ein duroplastisches Harz ist. Wenn das Harz, mit dem das Faserbündel imprägniert ist, ein thermoplastisches Harz ist, wird die zweite Verstärkungsschicht 34 durch Abkühlen gehärtet, entweder durch Abkühlen an ruhender Luft oder durch forciertes Abkühlen. Nach dem Ausbilden der zweiten Verstärkungsschicht 34 auf diese Weise wird das Ventil 6 am Stutzen 4 befestigt, wodurch der Hochdrucktank 1, wie in 1 dargestellt, fertiggestellt wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird keine faserverstärkte Harzbahn bzw. -folie oder ähnliches auf den Körper 21 der Auskleidung 2 gewickelt, wenn die erste Verstärkungsschicht 30 auf der Außenfläche der Auskleidung 2 gebildet wird, wodurch eine unerwartete Verformung der Auskleidung 2 aufgrund von Überspannung zum Zeitpunkt des Wickelns vermieden werden kann.
Die hier offenbarte Ausführungsform ist in allen Punkten als beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Der Umfang der Erfindung ist nicht in der oben beschriebenen Ausführungsform, sondern in den Ansprüchen festgelegt und soll alle Äquivalente der Ansprüche sowie alle Modifikationen, die gemacht werden können, ohne von deren Umfang abzuweichen, umfassen.
Zum Beispiel wurde in der vorliegenden Ausführungsform die Form des Körpers der Auskleidung als zylindrisch beschrieben, und auch die Form des zylindrischen Elements wurde als zylindrisch beschrieben. Die Form ist jedoch nicht besonders begrenzt, solange das zylindrische Element an den Körper der Auskleidung angepasst werden kann, und kann eine abgeflachte Form (elliptische Form), eine polygonale Form oder dergleichen sein.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde auch ein Beispiel für das Ausbilden der beiden Kuppelelemente mit dem FW-Verfahren beschrieben, aber die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise können die beiden Kuppelelemente durch Aufbringen von Faserbündeln auf die Oberfläche von kuppelförmigen Formen unter Druck durch eine Walze unter Verwendung eines Band-Anordnungs-Prozesses gebildet werden.
Auch wenn in der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel für die Ausbildung der ersten Verstärkungsschicht aus drei Elementen (zylindrisches Element und Kuppelelemente) beschrieben wurde, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise kann die erste Verstärkungsschicht aus vier oder mehr Elementen (zwei oder mehr zylindrische Elemente und Kuppelelemente) gebildet werden. In dieser Anordnung können die zwei oder mehr zylindrischen Elemente miteinander verbunden werden, und danach können die Kuppelelemente mit deren Enden verbunden werden. Alternativ können jeweils ein Kuppelelement und ein zylindrisches Element miteinander verbunden werden, und danach können diese miteinander verbunden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017141947 A [0003, 0004]

Claims

Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank, bei dem eine Verstärkungsschicht (30) aus faserverstärktem Harz auf einer Außenfläche einer Auskleidung (2) gebildet wird, die einen Körper (21) mit einer zylindrischen Form und Endabschnitte (22, 23) mit einer kuppelförmigen Form aufweist, die an den jeweiligen Enden des Körpers (21) gebildet sind, wobei das Verfahren aufweist: Vorbereiten der Auskleidung (2) und eines zylindrischen Elements (31) sowie zweier Kuppelelemente (32, 33), die die Verstärkungsschicht (30) bilden; Schrumpfen der Auskleidung (2) durch Abkühlen der Auskleidung (2); Einsetzen der Auskleidung (2) in das zylindrische Element (31), um den Körper (21) der Auskleidung (2) in einem geschrumpften Zustand durch das zylindrische Element (31) abzudecken; Ausdehnen der Auskleidung (2) in dem geschrumpften Zustand, um das zylindrische Element (31) in den Körper (21) einzupassen, durch Erhöhen der Temperatur der in das zylindrische Element (31) eingesetzten Auskleidung (2) auf eine Temperatur vor dem Abkühlen der Auskleidung (2); und Verbinden von Umfangskantenabschnitten (32a, 33a) der Kuppelelemente (32, 33) mit Umfangskantenabschnitten (31a) des zylindrischen Elements (31), das in den Körper (21) eingepasst ist, um die Endabschnitte (22, 23) der Auskleidung (2) durch die Kuppelelemente (32, 33) abzudecken und die Verstärkungsschicht (30) zu bilden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei: das zylindrische Element (31) zylindrisch ist; beim Vorbereiten der Auskleidung (2) und des zylindrischen Elements (31) sowie der beiden Kuppelelemente (32, 33) die Auskleidung (2) und das zylindrische Element (31) so vorbereitet werden, dass sie eine Maßbeziehung erfüllen, bei der ein Außendurchmesser des Körpers (21) der Auskleidung (2) größer ist als ein Innendurchmesser des zylindrischen Elements (31); beim Schrumpfen der Auskleidung (2) die Auskleidung (2) auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der der Außendurchmesser des Körpers (21) der Auskleidung (2) kleiner ist als der Innendurchmesser des zylindrischen Elements (31); und beim Einpassen des zylindrischen Elements (31) in den Körper (21) die Temperatur der Auskleidung (2) auf die Temperatur vor dem Abkühlen der Auskleidung (2) erhöht wird, bei der die Maßbeziehung erfüllt ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei beim Vorbereiten der Auskleidung (2) und des zylindrischen Elements (31) sowie der beiden Kuppelelemente (32, 33) der Außendurchmesser des Körpers (21) und der Innendurchmesser des zylindrischen Elements (31) so eingestellt werden, dass ein Druck des zylindrischen Elements (31), das gegen den Körper (21) der Auskleidung (2) drückt, nach Abschluss der Erhöhung der Temperatur der Auskleidung (2) kleiner ist als eine Fließspannung eines Materials der Auskleidung (2).
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auskleidung (2) aus thermoplastischem Harz hergestellt ist.