DE102021100879A1

DE102021100879A1 - Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank

Info

Publication number: DE102021100879A1
Application number: DE102021100879.4A
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Takami
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2021-08-12
Also published as: JP2021127775A; JP7334641B2; CN113251302A; US20210245447A1

Abstract

Bei einem Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank (1) werden ein rohrförmiges Element (31) und Kuppelelemente (32, 33) vorbereitet. Das rohrförmige Element (31) und die Kuppelelemente (32, 33) sind eine Mehrzahl von geteilten Körpern (30A), die eine Form haben, bei der eine Verstärkungsschicht (30) geteilt ist, und aus einem faserverstärkten Harz bestehen, derart dass sie Kontaktflächen (31f bis 33f) aufweisen, die in Kontakt mit einer Außenfläche einer Auskleidung (2) stehen. Dann werden die Kontaktflächen (31f bis 33f) von Harzschichten (21A bis 23A) bedeckt, die die Auskleidung (2) bilden. Als nächstes werden die Verstärkungsschicht (30) und die Auskleidung (2) gebildet, indem das rohrförmige Element (31) und die Kuppelelemente (32, 33) miteinander verbunden werden und die Harzschichten (21A bis 23A) miteinander verbunden werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein Hochdrucktank zur Speicherung von Brenngas wird z.B. in einem Erdgasfahrzeug und einem Brennstoffzellenfahrzeug usw. verwendet. Bei dieser Art von Hochdrucktank ist eine Außenfläche einer Auskleidung, die das Brenngas enthält, mit einer Verstärkungsschicht bedeckt, die aus einem faserverstärkten Harz besteht.
Zum Beispiel schlägt die japanische Patentanmeldung JP 2019 - 132 340 A ein Herstellungsverfahren für einen solchen Hochdrucktank vor. Bei dem Herstellungsverfahren wird eine Mehrzahl von Harzteilen mit Formen, in die die Auskleidung unterteilt ist, vorbereitet, und die Auskleidung wird durch Verbinden der Teile durch Wärmeschweißen gebildet. Weiterhin wird die Verstärkungsschicht durch Wickeln eines mit Harz imprägnierten Faserbündels um die wie oben beschrieben ausgebildete Auskleidung gebildet.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei dem in der JP 2019 - 132 340 A beschriebenen Verfahren ist die Steifigkeit der Harzteile jedoch oft gering. Wenn die Teile miteinander verbunden werden, um die Auskleidung zu bilden, werden daher die Endabschnitte der Teile aufgrund ihres Eigengewichts gebogen, und es braucht Zeit, um die Teile zueinander auszurichten. Folglich ist es schwierig, die Auskleidung mit einer stabilen Form auszubilden.
Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank, mit dem einfach eine formstabile Auskleidung hergestellt werden kann.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank ist ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank, bei dem eine Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Harz auf einer Außenfläche einer Auskleidung angeordnet ist, die aus Harz besteht und so konfiguriert ist, dass sie Gas enthält. Das Herstellungsverfahren umfasst zumindest: Ausbilden einer Mehrzahl von geteilten Körpern, die aus dem faserverstärkten Harz bestehen und eine Form haben, bei der die Verstärkungsschicht geteilt ist, derart, dass sie Kontaktflächen enthalten, die in Kontakt mit der Außenfläche der Auskleidung stehen; Bedecken der Kontaktflächen der geteilten Körper mit entsprechenden Harzschichten, die die Auskleidung bilden; und Ausbilden der Verstärkungsschicht mit den geteilten Körpern und der Auskleidung mit den Harzschichten durch Verbinden der geteilten Körper miteinander und Verbinden der Harzschichten, die die geteilten Körper bedecken, miteinander.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung bestehen die geteilten Körper aus faserverstärktem Harz, und die Kontaktflächen der geteilten Körper sind mit den Harzschichten bedeckt, die die Auskleidung bilden. Mit dieser Konfiguration werden, wenn die Harzschichten, die die jeweiligen geteilten Körper bedecken, miteinander verbunden werden, die Harzschichten, die die Auskleidung bilden, von den jeweiligen geteilten Körpern getragen. Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass sich die Harzschichten durch ihr eigenes Gewicht bzw. Eigengewicht verformen. Die Ausrichtung zwischen den Harzschichten wird dadurch erleichtert. Folglich kann die Auskleidung mit einer stabilen Form zusammen mit der Verstärkungsschicht leicht ausgebildet werden.
Gemäß dem obigen Aspekt können die geteilten Körper miteinander verbunden werden, und die Harzschichten, die die geteilten Körper bedecken, können miteinander verbunden werden, indem Endflächen der geteilten Körper zusammen mit den Harzschichten über ein Verbindungselement aneinander in Anlage gebracht werden.
Gemäß dem obigen Aspekt werden die geteilten Körper über das Verbindungselement miteinander verbunden. Dadurch kann ein direkter Kontakt zwischen den Endflächen der geteilten Körper vermieden werden. Mit dieser Konfiguration kann die Erzeugung von Pulverstaub, der durch den Kontakt zwischen den Endflächen der geteilten Körper verursacht wird, vermieden werden. Außerdem ist das Verbindungselement auch zwischen den Harzschichten angeordnet. Daher kann das Verbindungselement als Dichtungsmaterial dienen. Mit dieser Konfiguration kann die Luftdichtheit gegenüber dem in der Auskleidung enthaltenen Hochdruckgas verbessert werden.
Gemäß dem obigen Aspekt können ein rohrförmiges Element und zwei kuppelförmige Elemente, die die geteilten Körper sind, die mit den Harzschichten bedeckt sind, vorbereitet werden, und ein Durchgangsloch kann an zumindest einem der beiden kuppelförmigen Elemente ausgebildet werden. Die Verstärkungsschicht und die Auskleidung können durch Verbinden von Umfangskantenabschnitten an den jeweiligen Enden des rohrförmigen Elements mit Umfangskantenabschnitten der Kuppelelemente und durch Verbinden der das rohrförmige Element bedeckenden Harzschicht mit den die Kuppelelemente bedeckenden Harzschichten ausgebildet werden. Nachdem die Verstärkungsschicht und die Auskleidung ausgebildet sind, können Dichtungsschichten zumindest auf Nähten zwischen der das rohrförmige Element bedeckenden Harzschicht und den die Kuppelelemente bedeckenden Harzschichten ausgebildet werden, indem ein Harzmaterial über das Durchgangsloch auf die Nähte aufgebracht wird, so dass zumindest die Nähte von den Dichtungsschichten bedeckt sind.
Das rohrförmige Element und die beiden Kuppelelemente, die als die geteilten Körper vorbereitet sind, bestehen aus faserverstärktem Harz. Wenn die Harzschichten, die das rohrförmige Element und die Kuppelelemente bedecken, miteinander verbunden werden, werden die Harzschichten, die die Auskleidung bilden, von dem entsprechenden rohrförmigen Element und den Kuppelelementen getragen. Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass sich die Harzschichten durch ihr Eigengewicht verformen. Die Ausrichtung zwischen den Harzschichten wird dadurch erleichtert. Folglich kann die Auskleidung mit einer stabilen Form zusammen mit der Verstärkungsschicht leicht ausgebildet werden.
Weiterhin werden die Dichtungsschichten auf den Nähten zwischen der Harzschicht, die das rohrförmige Element bedeckt, und den Harzschichten, die die Kuppelelemente bedecken, gebildet, indem das Harzmaterial durch das Durchgangsloch auf die Nähte aufgebracht wird, um die Nähte zu bedecken. Dementsprechend kann die Luftdichtheit der Auskleidung verbessert werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann der Auskleidung mit einer stabilen Form leicht ausgebildet werden.
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 Schnittansicht, die einen Aufbau eines Hochdrucktanks zeigt, der mit einem Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
2 eine Teilschnittansicht, die den Aufbau des in 1 gezeigten Hochdrucktanks zeigt;
3 ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Herstellungsverfahrens für den Hochdrucktank gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 eine Teilschnittansicht zur Veranschaulichung eines Formgebungsverfahrens von Kuppelelementen in einem in 3 dargestellten Formgebungsschritt;
5 eine Schnittansicht der Kuppelelemente, die in dem in 3 gezeigten Formgebungsschritt ausgebildet wurden;
6 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Formgebungsverfahrens eines rohrförmigen Elements in dem in 3 dargestellten Formgebungsschritt;
7 eine Schnittansicht der Kuppelelemente, in der die in 5 gezeigten Kuppelelemente mit Harzschichten in einem in 3 gezeigten Schritt zur Beschichtung mit einer Harzschicht bedeckt werden;
8 eine Schnittansicht des rohrförmigen Elements, in der das in 6 gezeigte rohrförmige Element mit der Harzschicht in dem in 3 gezeigten Schritt zur Beschichtung mit einer Harzschicht bedeckt ist;
9 eine schematische perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung eines in 3 gezeigten Verbindungsschritts;
10 eine Teilschnittansicht des Kuppelelements und des rohrförmigen Elements vor dem in 9 gezeigten Verbindungsschritt;
11 ist eine schematische Schnittansicht einer Auskleidung und einer Verstärkungsschicht nach dem in 10 gezeigten Verbindungsschritt;
12 eine Teilschnittansicht zur Veranschaulichung eines Formgebungsverfahrens von Dichtungsschichten auf der Auskleidung nach dem in 10 gezeigten Verbindungsschritt;
13 eine Teilschnittansicht des Kuppelelements und des rohrförmigen Elements gemäß einem modifizierten Beispiel des in 10 gezeigten Verbindungsschritts;
14 eine Teilschnittansicht des Kuppelelements und des rohrförmigen Elements gemäß einem modifizierten Beispiel vor dem in 10 gezeigten Verbindungsschritt;
15 eine Teilschnittansicht der Auskleidung und der ersten Verstärkungsschicht gemäß einem modifizierten Beispiel nach dem in 10 gezeigten Verbindungsschritt;
16A eine Teilschnittansicht zur Veranschaulichung eines Formgebungsverfahrens einer Auskleidung in einem Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank aus dem Stand der Technik; und
16B eine Teilschnittansicht zur Veranschaulichung eines Formgebungsverfahrens der Auskleidung in dem Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank aus dem Stand der Technik.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Vor der Beschreibung des Herstellungsverfahrens wird kurz eine Konfiguration des Hochdrucktanks 1 beschrieben. Der Hochdrucktank 1 wird im Folgenden als ein mit Hochdruck-Wasserstoffgas befüllter Tank beschrieben, der an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist. Der Hochdrucktank 1 kann aber auch für andere Zwecke eingesetzt werden. Das Gas, das in den Hochdrucktank 1 gefüllt werden kann, ist nicht auf Hochdruck-Wasserstoffgas beschränkt. Verschiedene komprimierte Gase, wie z.B. komprimiertes Erdgas (CNG), verschiedene verflüssigte Gase, wie z.B. verflüssigtes Erdgas (LNG) und Flüssiggas (LPG), und andere Gase können in den Hochdrucktank 1 gefüllt werden.
Hochdrucktank 1
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist der Hochdrucktank 1 ein Hochdruckgas-Speicherbehälter mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form und mit abgerundeten Enden in einer Kuppelform. Der Hochdrucktank 1 umfasst eine Auskleidung 2 mit einer Gasbarriereeigenschaft und einen Verstärkungsabschnitt 3, der aus faserverstärktem Harz besteht und eine Außenfläche der Auskleidung 2 bedeckt. Der Verstärkungsabschnitt 3 umfasst eine erste Verstärkungsschicht 30, die die Außenfläche der Auskleidung 2 bedeckt, und eine zweite Verstärkungsschicht 34, die eine Außenfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 bedeckt. An einem Ende des Hochdrucktanks 1 ist eine Öffnung vorgesehen, und um die Öffnung herum ist ein Stutzen 4 angebracht. Die erste Verstärkungsschicht 30 entspricht einer „Verstärkungsschicht“ der Erfindung.
In der Auskleidung 2 ist ein Aufnahmeraum 5 zur Aufnahme von Hochdruckwasserstoffgas definiert. Die Auskleidung 2 ist eine Harzschicht, die auf einer Innenfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 vorgesehen ist, und wird durch Verbinden der Harzschichten 21A bis 23A gebildet, die später beschrieben werden. Die Auskleidung 2 umfasst einen rohrförmigen Körperabschnitt 21 und kuppelförmige Seitenendabschnitte 22, 23, die an den jeweiligen Seiten des Körperabschnitts 21 vorgesehen sind. In der Ausführungsform erstreckt sich der Körperabschnitt 21 entlang einer axialen Richtung X des Hochdrucktanks 1 mit einer vorgegebenen Länge und hat eine zylindrische Form. Die Seitenendabschnitte 22, 23 sind durchgehend bzw. fortlaufend an den jeweiligen Seiten des Körperabschnitts 21 angeordnet und haben eine Kuppelform. Die Durchmesser der Seitenendabschnitte 22, 23 verringern sich mit zunehmendem Abstand vom Körperabschnitt 21, und ein rohrförmiger Abschnitt 22b ist am kleinsten Durchmesserabschnitt eines der Seitenendabschnitte (Seitenendabschnitt 22) vorgesehen. In dem rohrförmigen Abschnitt 22b ist ein Durchgangsloch 22c ausgebildet.
Das Harz, aus dem die Auskleidung 2 besteht, ist vorzugsweise ein Harz mit einer guten Leistung beim Zurückhalten des eingefüllten Gases im Aufnahmeraum 5, d.h. mit einer guten Gasbarriereeigenschaft. Beispiele für ein solches Harz umfassen ein thermoplastisches Harz und ein wärmehärtendes Harz, die als Harzmaterialien später beschrieben werden.
Der Stutzen 4 wird durch Bearbeiten eines Metallmaterials wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in eine vorbestimmte Form gebracht. Am Stutzen 4 ist ein Ventil 6 zum Befüllen und Entleeren des Aufnahmeraums 5 mit Wasserstoffgas angebracht. Das Ventil 6 ist mit einem Dichtungselement 6a versehen, das an einem vorstehenden Abschnitt 32b des Kuppelelements 32 in Kontakt mit einer Innenfläche der Auskleidung 2 steht und den Aufnahmeraum 5 des Hochdrucktanks 1 abdichtet.
Der Verstärkungsabschnitt 3 hat eine Funktion zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Hochdrucktanks 1, wie z.B. Steifigkeit und Druckbeständigkeit, durch Verstärkung der Auskleidung 2, und ist aus einem faserverstärkten Harz hergestellt, in dem Verstärkungsfasern (Endlosfasern) mit Harz imprägniert sind. In der oben beschriebenen Ausführungsform umfasst 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. Die erste Verstärkungsschicht 30 ist einstückig bzw. integral aus einem rohrförmigen Element 31, das später beschrieben wird, und aus Kuppelelementen 32, 33 gebildet, die mit den jeweiligen Seiten des rohrförmigen Elements 31 verbunden sind.
Die erste Verstärkungsschicht 30 wird durch Laminieren einer Mehrzahl von faserverstärkten Harzschichten gebildet, in denen die Verstärkungsfasern mit Harz imprägniert sind. Die Verstärkungsfasern des rohrförmigen Elements 31 sind in Umfangsrichtung in einem Winkel im Wesentlichen orthogonal zur axialen Richtung X des rohrförmigen Elements 31 ausgerichtet, mit anderen Worten, die Verstärkungsfasern des rohrförmigen Elements 31 sind in einer Umfangsrichtung des rohrförmigen Elements 31 ausgerichtet. Die Verstärkungsfasern der Kuppelelemente 32, 33 sind nicht in der Umfangsrichtung des rohrförmigen Elements 31 ausgerichtet und erstrecken sich von der Nähe der Scheitelpunkte der Kuppelelemente 32, 33 in Richtung der Umfangsrandabschnitte 32a, 33a in verschiedene Richtungen, die die Umfangsrichtung schneiden.
In der Ausführungsform sind die Verstärkungsfasern des rohrförmigen Elements 31 und die Verstärkungsfasern der Kuppelelemente 32, 33 nicht kontinuierlich (nicht verbunden). Dies liegt daran, dass, wie später beschrieben wird, nachdem das rohrförmige Element 31 und die beiden Kuppelelemente 32,33 separat ausgebildet wurden, die beiden Kuppelelemente 32, 33 an den jeweiligen Enden des rohrförmigen Elements 31 befestigt werden.
Die zweite Verstärkungsschicht 34 wird durch Laminieren einer Mehrzahl der faserverstärkten Harzschichten gebildet, in denen die Verstärkungsfasern mit Harz imprägniert sind. Die zweite Verstärkungsschicht 34 ist so ausgebildet, dass sie die Außenfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 bedeckt. Das heißt, die zweite Verstärkungsschicht 34 ist eine Schicht, die eine Außenfläche des rohrförmigen Elements 31 und Außenflächen der Kuppelelemente 32, 33 bedeckt. Insbesondere ist die zweite Verstärkungsschicht 34 eine Schicht aus einem faserverstärkten Harz, in dem die Fasern über die beiden Kuppelelemente 32, 33 ausgerichtet sind. Die Verstärkungsfasern der zweiten Verstärkungsschicht 34 werden durch schraubenförmiges Wickeln eines mit Harz getränkten Faserbündels so ausgerichtet, dass sie in Bezug auf die axiale Richtung X des rohrförmigen Elements 31 geneigt sind. Die Kuppelelemente 32, 33 können durch die Verstärkungsfasern an dem rohrförmigen Element 31 gehalten werden.
Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank 1
Als nächstes wird das Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank 1 gemäß der Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 3 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Herstellungsverfahrens für den Hochdrucktank 1 zeigt. Wie in 3 gezeigt, umfasst das Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank 1 einen Formgebungsschritt S1 für ein rohrförmiges Element und ein Kuppelelement, einen Schritt S2 zur Beschichtung mit einer Harzschicht, einen Verbindungsschritt S3 und einen Schritt S4 zur Ausbildung einer zweiten Verstärkungsschicht. Es sei angemerkt, dass der Formgebungsschritt S1 für das rohrförmiges Element und das Kuppelelement und der Schritt S2 zur Beschichtung mit einer Harzschicht in einem Schritt kombiniert werden können, und dass das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 separat vorbereitet werden können.
Formgebungsschritt S1 für ein rohrförmiges Element und ein Kuppelelement
Zunächst wird der Formgebungsschritt S1 für ein rohrförmiges Element und ein Kuppelelement durchgeführt. Die Ausbildung des rohrförmigen Elements 31 und die Ausbildung der Kuppelelemente 32, 33 werden unabhängig voneinander durchgeführt. Daher können die Ausbildung des rohrförmigen Elements 31 und die Ausbildung der Kuppelelemente 32, 33 parallel durchgeführt werden, oder eine der beiden Ausbildungen kann zuerst durchgeführt werden. Im Folgenden wird zunächst ein Formgebungsverfahren für die Kuppelelemente 32, 33 beschrieben.
Das rohrförmige Element 31 und die beiden Kuppelelemente 32, 33, die in den 5 und 6 gezeigt sind, sind eine Mehrzahl von geteilten Körpern 30A. Die geteilten Körper 30A haben Formen, bei denen die erste Verstärkungsschicht 30 in drei Abschnitte unterteilt ist, um Kontaktflächen 31f bis 33f zu umfassen, die in Kontakt mit der Außenfläche der Auskleidung 2 stehen. Daher bestehen das rohrförmige Element 31 und die beiden Kuppelelemente 32, 33, die die geteilten Körper 30A der ersten Verstärkungsschicht 30 sind, aus einem faserverstärkten Harz.
In der Ausführungsform sind das rohrförmige Element 31 und die beiden Kuppelelemente 32, 33 beispielhaft als die geteilten Körper 30A mit den Formen dargestellt, in denen die erste Verstärkungsschicht 30 in drei Teile geteilt ist. Wie jedoch später beschrieben wird, sind die Anzahl der geteilten Körper 30A und eine Position, an der die erste Verstärkungsschicht 30 geteilt ist, nicht besonders begrenzt, solange die Auskleidung 2 und die erste Verstärkungsschicht 30 durch Verbinden der geteilten Körper und Verbinden der Harzschichten ausgebildet werden können.
Formgebungsverfahren für die Kuppelelemente 32, 33
Bei dem in 5 gezeigten Formgebungsverfahren für die Kuppelelemente 32, 33 wird ein mit Harz imprägniertes Faserbündel F1 um eine Außenfläche einer Spindel 100 gewickelt, beispielsweise durch ein Filament-Wickelverfahren (FW-Verfahren), wie in 4 gezeigt. Insbesondere umfasst die Spindel 100 einen Hauptkörperabschnitt 101 und einen Schaftabschnitt 102, der sich von einem Ende des Hauptkörperabschnitts 101 nach außen erstreckt.
Der Hauptkörperabschnitt 101 hat betrachtet von einer axialen Richtung des Schaftabschnitts 102 aus eine kreisförmige Form. An einer äußeren Umfangsfläche des Hauptkörperabschnitts 101 ist in der Mitte in axialer Richtung eine Nut 101a ausgebildet, die sich um den gesamten Umfang in Umfangsrichtung erstreckt. Die Außenfläche der Spindel 100 hat eine Form, in der die kuppelförmigen Seitenendabschnitte 22, 23 mit Ausnahme des Körperabschnitts 21 der Auskleidung 2 miteinander verbunden sind, und eine Nut 101a ist an einer Position vorgesehen, die einer Naht zwischen den verbundenen Seitenendabschnitten 22, 23 entspricht. Der Schaftabschnitt 102 wird durch einen Drehmechanismus (nicht dargestellt) drehbar gelagert.
Beim Ausbilden der Kuppelelemente 32, 33 wird zunächst die Spindel 100 gedreht, um das Faserbündel F1 so zu wickeln, dass es die Außenfläche der Spindel 100 bedeckt, so dass ein gewickelter Artikel 35 gebildet wird. Während dieses Vorgangs wird durch das Wickeln des Faserbündels F1 um die Außenfläche des Schaftabschnitts 102 der zylindrische, vorstehende Abschnitt 32b mit einem Durchgangsloch 32c, wie in 5 gezeigt, gebildet. Das Faserbündel F1 wird in einem Winkel gewickelt, der die axiale Richtung des Schaftabschnitts 102 schneidet, z.B. bei 30 bis 50 Grad. Das Material der Spindel 100 ist nicht besonders begrenzt. Das Material ist jedoch vorzugsweise ein Metall, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten, um eine Verformung der Spindel 100 zu vermeiden, wenn das Faserbündel F1 um diese gewickelt wird.
Das Harz, mit dem das Faserbündel F1 imprägniert ist, ist nicht besonders begrenzt. Es kann jedoch beispielsweise ein duroplastisches bzw. wärmehärtendes Harz verwendet werden. Als wärmehärtendes Harz wird vorzugsweise ein wärmehärtendes Harz wie ein Phenolharz, ein Melaminharz, ein Harnstoffharz und ein Epoxidharz verwendet. In diesem Fall wird das Faserbündel F1 in einem Zustand um die Spindel 100 gewickelt, in dem das wärmehärtende Harz nicht ausgehärtet ist. Insbesondere ist es unter dem Gesichtspunkt der mechanischen Festigkeit usw. vorzuziehen, Epoxidharz zu verwenden. Epoxidharz ist im unausgehärteten Zustand fließfähig und bildet nach dem thermischen Aushärten eine zähe, vernetzte Struktur.
Ein thermoplastisches Harz kann als das Harz verwendet werden, mit dem das Faserbündel F1 imprägniert wird. Als thermoplastisches Harz können zum Beispiel Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyacrylsäureester, Polyimid, Polyamid, Nylon 6, Nylon 6,6 und Polyethylenterephthalat verwendet werden. In diesem Fall wird das Faserbündel F1 um die Spindel 100 in einem Zustand gewickelt, in dem das thermoplastische Harz erhitzt und erweicht ist.
Als Faser, aus der das Faserbündel F1 besteht, können z.B. eine Glasfaser, Aramidfaser, Borfaser oder Kohlenstofffaser verwendet werden. Insbesondere ist es unter dem Gesichtspunkt des geringen Gewichts und der mechanischen Festigkeit etc. vorzuziehen, Kohlenstofffasern zu verwenden.
Als nächstes wird der gewickelte Artikel 35, der um die Außenfläche der Spindel 100 gewickelt ist, unter Verwendung einer Schneidvorrichtung 110 in zwei Teile geteilt (siehe 4). Nach dem obigen Prozess wird, wie in 5 gezeigt, der geteilte gewickelte Artikel 35 von der Spindel 100 entfernt, um ein Paar Kuppelelemente 32, 33 bereitzustellen.
Insbesondere wird der Stutzen 4 an der Außenfläche des vorstehenden Abschnitts 32b ausgehend von dem in 4 gezeigten Zustand angebracht. Wenn das Harz, mit dem das Faserbündel F1 des gewickelten Artikels 35 imprägniert ist (d.h. das Harz der Kuppelelemente 32, 33), ein wärmehärtendes Harz ist, wird der gewickelte Artikel 35 so erhitzt, dass das ungehärtete wärmehärtende Harz in einen vollständig ausgehärteten Zustand übergeht. Hier bedeutet der Begriff „vollständig ausgehärteter Zustand“ einen Zustand, in dem eine Polymerisationsreaktion des ungehärteten wärmehärtenden Harzes abgeschlossen ist und das wärmehärtende Harz nicht weiter durch Erhitzen ausgehärtet wird. Vorausgesetzt jedoch, dass die Formstabilität der Kuppelelemente 32, 33 gewährleistet ist, wird der gewickelte Artikel 35 so erhitzt, dass das ungehärtete duroplastische Harz in einen unvollständig gehärteten Zustand übergeht. Der Begriff „unvollständig ausgehärteter Zustand“ bedeutet hier, dass die Fließfähigkeit des wärmehärtenden Harzes abnimmt, um die Formstabilität in einem späteren Prozess sicherzustellen, wenn die Polymerisationsreaktion des ungehärteten wärmehärtenden Harzes durch Erhitzen fortschreitet. In der folgenden Beschreibung wird der vollständig ausgehärtete Zustand als vollständige Aushärtung bezeichnet, der unvollständig ausgehärtete Zustand wird als Vorhärtung bezeichnet, und die Zustände der vollständigen Aushärtung und der Vorhärtung werden gemeinsam als thermische Aushärtung bezeichnet. Wenn das Harz, mit dem das Faserbündel F1 des gewickelten Artikels 35 imprägniert ist, ein thermoplastisches Harz ist, wird das erweichte thermoplastische Harz außerdem so abgekühlt, dass das Harz im Faserbündel F1 verfestigt wird.
Wenn das in das Faserbündel F1 imprägnierte Harz wie oben beschrieben thermisch gehärtet oder verfestigt ist, wird eine Klinge der Schneidvorrichtung 110 in die Nut 101a auf der Spindel 100 eingeführt, während die Spindel 100 gedreht wird. Mit dem oben beschriebenen Verfahren schneidet die Schneidevorrichtung 110 das Faserbündel F1, so dass der gewickelte Artikel 35 in zwei Teile geteilt werden kann. Die beiden Kuppelelemente 32, 33 werden gebildet, indem die geteilten Wickelkörper von der Spindel 100 entfernt werden. Bei dem vorstehend beschriebenen Prozess werden an den Umfangsrandabschnitten 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 ringförmige Endflächen 32d, 33d zum Aneinanderstoßen gebildet. Die Schneidvorrichtung 110 ist nicht besonders begrenzt. Jedoch kann die Schneidevorrichtung 110 beispielsweise eine Schneidevorrichtung mit einer Klinge an einer äußeren Umfangsfläche einer rotierenden Scheibe, eine Schneidevorrichtung mit einer Klinge an einer Seitenfläche einer dünnen Platte oder eine Laserschneidevorrichtung sein, die das Faserbündel F1 mit Hilfe von Laserlicht schneidet.
Das in das Faserbündel F1 imprägnierte Harz wird von der Schneidvorrichtung 110 in einem Zustand geschnitten, in dem das Harz thermisch gehärtet oder verfestigt ist. Daher wird eine Verformung des Faserbündels F1 während des Schneidens unterdrückt, und gleichzeitig kann auch eine Verformung der beiden Kuppelelemente 32, 33 unterdrückt werden, wenn sie von der Spindel 100 entfernt werden.
Des Weiteren wurde in der Ausführungsform das Beispiel beschrieben, in dem das Harz des Faserbündels F1 von der Schneidvorrichtung 110 in einem Zustand geschnitten wird, in dem das Harz thermisch gehärtet oder verfestigt ist. Das Harz des Faserbündels F1 kann jedoch auch von der Schneidevorrichtung 110 geschnitten werden, ohne dass es thermisch gehärtet oder verfestigt ist. In diesem Fall kann das Faserbündel F1 thermisch gehärtet oder verfestigt werden, nachdem es von der Schneidvorrichtung 110 geschnitten wurde.
In der Ausführungsform wurde das Beispiel beschrieben, bei dem das mit Harz imprägnierte Faserbündel F1 um die Außenfläche der Spindel 100 gewickelt wird. Das nicht mit Harz imprägnierte Faserbündel F1 kann jedoch auch um die Außenfläche der Spindel 100 gewickelt werden, um den gewickelten Artikel zu bilden, und der gewickelte Artikel kann danach mit Harz imprägniert werden.
Weiterhin wurde in der Ausführungsform das Beispiel beschrieben, bei dem der Stutzen 4 an der Außenfläche des vorstehenden Abschnitts 32b nach dem Wickeln des Faserbündels F1 auf die Außenfläche der Spindel 100 angebracht wird. Der Stutzen kann jedoch im Voraus an einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Hauptkörperabschnitt 101 und dem Schaftabschnitt 102 der Spindel 100 befestigt werden, und das Faserbündel F1 kann um einen Teil des Stutzens zusammen mit der Außenfläche der Spindel 100 in diesem Zustand gewickelt werden. In diesem Fall wird der Teil des Stutzens durch das Faserbündel F1 bedeckt und festgehalten. Daher kann der Stutzen durch das Faserbündel F1 fest fixiert werden.
Formgebungsverfahren für das rohrförmige Element 31
Bei dem in 8 gezeigten Formgebungsverfahren für das rohrförmige Element 31 wird das rohrförmige Element 31, das einer der geteilten Körper 30A ist, beispielsweise durch Wickeln einer Faserbahn F2 um die Außenfläche einer säulenförmigen Spindel 200 ausgebildet, wie in 6 gezeigt. Ein Außendurchmesser der Spindel 200 entspricht einem Innendurchmesser des rohrförmigen Elements 31 und entspricht auch einem Durchmesser eines Innenumfangs an der äußersten Position der Umfangsrandabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33. Das Material der Spindel 200 ist nicht besonders begrenzt. Das Material ist jedoch vorzugsweise ein Metall, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten, um eine Verformung der Spindel 200 zu vermeiden, wenn die Faserbahn F2 angebracht wird.
Beim Ausbilden des rohrförmigen Elements 31 wird die Faserbahn F2, die von einer Faserbahnrolle abgerollt wird, mehrere Male um die Spindel 200 gewickelt, während die Spindel 200 durch einen Rotationsmechanismus (nicht gezeigt) in einer Umfangsrichtung gedreht wird. Die Faserbahn F2 ist eine Bahn, in der in einer Richtung ausgerichtete Verstärkungsfasern mit Harz imprägniert sind. Die Faserbahn F2 wird so um die Spindel 200 gewickelt, dass die Verstärkungsfasern in der Umfangsrichtung der Spindel 200 ausgerichtet sind. Mit dem obigen Verfahren wird das rohrförmige Element 31 gebildet, in dem die Verstärkungsfasern in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
Als Faserbahn F2 wird z.B. eine sogenannte unidirektionale (UD) Bahn verwendet. Die UD-Bahn ist eine Bahn, bei der eine Mehrzahl von Faserbündeln in einer Richtung ausgerichtet ist und mit einem Rückhaltefaden verwebt ist. Es kann jedoch auch eine Faserbahn verwendet werden, bei der eine Mehrzahl von Faserbündeln, die in einer einzigen Richtung ausgerichtet sind, und eine weitere Mehrzahl von Faserbündeln, die sich mit der Mehrzahl von Faserbündeln schneidet, z.B. orthogonal dazu ist, verwebt sind.
Die Verstärkungsfasern der Faserbahn F2 können aus demselben Material bestehen wie das beispielhaft genannte Material des Faserbündels F1. Das Harz, mit dem die Verstärkungsfaser imprägniert ist, kann das gleiche Harz sein wie das beispielhaft genannte des FaserbündelsF1.
Wenn das Harz der Faserbahn F2 ein wärmehärtendes Harz ist, kann die Faserbahn F2 wie im Fall des Faserbündels F1 in einem Zustand, in dem die Faserbahn F2 um die Spindel 200 gewickelt ist, unter Vorhärtungsbedingungen oder vollständigen Aushärtungsbedingungen (Heiztemperatur und Heizzeit) thermisch gehärtet werden. Wenn das Harz der Faserbahn F2 ein thermoplastisches Harz ist, kann die Faserbahn F2 wie im Fall des Faserbündels F1 durch Abkühlen in einem Zustand verfestigt werden, in dem die Faserbahn F2 um die Spindel 200 gewickelt ist. Mit dem vorstehend beschriebenen Prozess wird an jedem der Umfangskantenabschnitte 31 a des rohrförmigen Elements 31 eine Endfläche 31d zum Aneinanderstoßen gebildet.
Nachdem das Harz thermisch gehärtet oder verfestigt ist, wird das rohrförmige Element 31 von der Spindel 200 entfernt. Die Formbeständigkeit des rohrförmigen Elements 31 wird durch die thermische Aushärtung oder Verfestigung des Harzes verbessert. Daher kann das rohrförmige Element 31 leicht von der Spindel 200 entfernt werden, und eine Verformung des rohrförmigen Elements 31, wenn das rohrförmige Element 31 von der Spindel 200 entfernt wird, kann unterdrückt werden.
In der Ausführungsform wurde das Beispiel beschrieben, bei dem die Faserbahn F2 um die Außenfläche der Spindel 200 gewickelt wird, um das rohrförmige Element 31 zu bilden. Das rohrförmige Element 31 kann jedoch auch durch Wickeln eines mit Harz imprägnierten Faserbündels nach dem FW-Verfahren auf die Außenfläche der Spindel 200 gebildet werden. Alternativ kann das rohrförmige Element 31 durch ein sogenanntes Zentrifugalwickelverfahren (CW-Verfahren) gebildet werden, bei dem eine Faserbahn an einer Innenfläche der rotierenden Spindel 200 angebracht wird.
Schritt S2 zur Beschichtung mit einer Harzschicht
In diesem Schritt werden die Innenflächen des rohrförmigen Elements 31 und der beiden Kuppelelemente 32, 33, die im Formgebungsschritt S1 für das rohrförmiges Element und das Kuppelelement gebildet werden, mit den Harzschichten 21A bis 23A bedeckt. Die vorstehenden genannten Innenflächen sind die Kontaktflächen 31f bis 33f, die in Kontakt mit der Außenfläche der Auskleidung 2 stehen, und sind Flächen, die sich auf einer Innenseite des Hochdrucktanks 1 befinden. Wie insbesondere in 7 gezeigt, entsprechen die Harzschichten 22A, 23A, die die Kontaktflächen 32f, 33f der Kuppelelemente 32, 33 bedecken, den in 1 dargestellten Seitenendabschnitten 22, 23 der Auskleidung 2. Wie in 8 gezeigt, entspricht die Harzschicht 21A, die die Kontaktfläche 31f des rohrförmigen Elements 31 bedeckt, dem Körperabschnitt 21 der in 1 dargestellten Auskleidung 2.
Die Harzschichten 21A bis 23A können durch Auftragen eines flüssigen oder erweichten Harzmaterials oder beispielsweise durch Anbringen einer aus dem Harzmaterial hergestellten Folie auf den Kontaktflächen 31f bis 33f gebildet werden. Wie oben beschrieben, ist das Harzmaterial, das die Harzschichten 21A bis 23A bildet, vorzugsweise ein Harz mit einer guten Gasbarriereeigenschaft. Beispiele für ein solches Harz sind ein thermoplastisches Harz und ein duroplastisches Harz. Beispiele für thermoplastische Harze sind Harze auf Polypropylenbasis, Harze auf Nylonbasis (z.B. 6-Nylon-Harz oder 6,6-Nylon-Harz), Harze auf Polycarbonatbasis, Harze auf Acrylbasis, Harze auf Acrylnitril-Butadien-Styrol-Basis (ABS), Harze auf Polyamidbasis und Harze auf Polyethylenbasis, ein Ethylen-Vinylalkohol-Copolymerharz (EVOH) und ein Polyesterharz (z.B. Polyethylenterephthalat). Beispiele für das wärmehärtende bzw. duroplastische Harz umfassen ein Epoxidharz, ein modifiziertes Epoxidharz, typischerweise ein Vinylesterharz, ein Phenolharz, ein Melaminharz, ein Harnstoffharz, ein ungesättigtes Polyesterharz, ein Alkydharz, ein Polyurethanharz und ein wärmehärtendes Polyimidharz.
Zusätzlich zu den vorgenannten kann ein wärmehärtendes Zweikomponenten-Mischharz, wie z.B. ein Epoxidharz, auf die Kontaktflächen 31f bis 33f aufgetragen und getrocknet werden, um die jeweiligen Harzschichten 21A bis 23A zu bilden. Darüber hinaus können die Harzschichten 21A bis 23A aus einem thermoplastischen Harz, wie z.B. Nylon 6, gebildet werden, indem ein Harz, das ein thermoplastisches Harzmonomer, wie z.B. ε-Caprolactam, und einen Katalysator enthält, auf die Kontaktflächen 31f bis 33f aufgetragen und das aufgetragene Harz auf eine Temperatur erhitzt wird, die gleich oder höher ist als die Temperatur, bei der die Polymerisationsreaktion des thermoplastischen Harzmonomers beginnt.
Wenn das Harzmaterial der Harzschichten 21A bis 23A ein wärmehärtendes Harz ist, kann das wärmehärtende Harz ungehärtet sein oder so vorgehärtet sein, dass das wärmehärtende Harz in einen unvollständig gehärteten Zustand übergeht. Außerdem kann das wärmehärtende Harz durch Erhitzen vollständig ausgehärtet werden, so dass das wärmehärtende Harz in einen vollständig ausgehärteten Zustand übergeht. Wenn das Harzmaterial der Harzschichten 21A bis 23A ein thermoplastisches Harz ist, befindet sich das thermoplastische Harz in einem verfestigten Zustand.
In der Ausführungsform werden der Formgebungsschritt S1 für das rohrförmige Element und das Kuppelelement, und der Schritt S2 zur Beschichtung mit der Harzschicht, getrennt voneinander durchgeführt. Der Formgebungsschritt S1 für das rohrförmige Element und das Kuppelelement und der Schritt S2 zur Beschichtung mit der Harzschicht können jedoch beispielsweise gleichzeitig ausgeführt werden. Insbesondere können die Kuppelelemente 32, 33 durch Ausbilden der Harzschicht auf der Oberfläche der in 4 dargestellten Spindel 100 unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens, Ausbilden eines gewickelten Artikels auf der Harzschicht und anschließendes Schneiden des gewickelten Artikels gebildet werden. In ähnlicher Weise kann das rohrförmige Element 31 auf der Harzschicht gebildet werden, nachdem die Harzschicht auf der Oberfläche der in 6 gezeigten Spindel 200 unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens gebildet wurde.
Verbindungsschritt S3
Als nächstes werden die geteilten Körper 30A miteinander verbunden, und die Harzschichten 21A bis 23A, die die geteilten Körper 30A bedecken, werden ebenfalls miteinander verbunden. Mit dem oben genannten Prozess werden die erste Verstärkungsschicht 30 mit den geteilten Körpern 30A und die Auskleidung 2 mit den Harzschichten 21A bis 23A, die die geteilten Körper 30A bedecken, gebildet. Beim Verbinden der geteilten Körper 30A und Verbinden der Harzschichten 21A bis 23A werden die geteilten Körper 30A miteinander verbunden und die Harzschichten 21A bis 23A, die die jeweiligen geteilten Körper 30A bedecken, werden miteinander verbunden, indem die Endflächen 31d bis 33d der geteilten Körper 30A zusammen mit den Harzschichten 21A bis 23A in Anlage gebracht werden.
In der Ausführungsform bestehen die geteilten Körper 30A aus dem rohrförmigen Element 31 und den beiden Kuppelelementen 32, 33. Daher sind, wie in den 9 und 10 gezeigt, die Umfangsrandabschnitte 31a an den jeweiligen Enden des rohrförmigen Elements 31 und die Umfangsrandabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 jeweils miteinander verbunden. Ferner werden die Harzschicht 21A, die das rohrförmige Element 31 bedeckt, und die Harzschichten 22A, 23A, die die Kuppelelemente 32, 33 bedecken, miteinander verbunden.
Während des obigen Verbindungsprozesses werden das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 miteinander verbunden, und die Harzschicht 21A und die Harzschichten 22A, 23A werden miteinander verbunden, indem bewirkt wird, dass die Endflächen 31d der Umfangskantenabschnitte 31 a des rohrförmigen Elements 31 jeweils an die Endflächen 32d, 33d der Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 anstoßen bzw. daran anliegen.
Mit dem oben beschriebenen Prozess können, wie in 11 gezeigt, die erste Verstärkungsschicht 30, die aus dem rohrförmigen Element 31 und den beiden Kuppelelementen 32, 33 besteht, und die Auskleidung 2, die aus den Harzschichten 21A bis 23A besteht, gleichzeitig gebildet werden. Die Harzschicht 21A dient als rohrförmiger Körperabschnitt 21 der Auskleidung 2, und die Harzschichten 22A, 23A dienen als kuppelförmige Seitenendabschnitte 22, 23 der Auskleidung 2.
Hierbei können das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 beispielsweise mit einem Klebstoff verbunden werden. Der Klebstoff ist vorzugsweise ein Klebstoff desselben Typs wie das Harz, mit dem das faserverstärkte Harz, aus dem das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 bestehen, imprägniert ist. Wenn das Harz des faserverstärkten Harzes, aus dem das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 bestehen, ein wärmehärtendes Harz ist, werden das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 miteinander verbunden, indem das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 in einem Zustand, in dem das wärmehärtende Harz vorgehärtet ist, aneinander in Anlage gebracht werden und dann das wärmehärtende Harz durch Erhitzen, wie oben beschrieben, vollständig ausgehärtet wird.
Wenn das Harz des faserverstärkten Harzes, aus dem das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 bestehen, ein thermoplastisches Harz ist, können die Endflächen 31d der Umfangskantenabschnitte 31a des rohrförmigen Elements 31 und die Endflächen 32d, 33d der Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 erwärmt und dann in einem Zustand, in dem das thermoplastische Harz geschmolzen ist, aneinander in Anlage gebracht werden, um thermisch verbunden (gefügt) zu werden.
Die Harzschicht 21A, die das rohrförmige Element 31 bedeckt, und die Harzschichten 22A, 23A, die die Kuppelelemente 32, 33 bedecken, können mit dem oben beschriebenen Klebstoff verbunden werden. Der Klebstoff ist vorzugsweise ein Klebstoff desselben Typs wie das Harz, mit dem das faserverstärkte Harz imprägniert ist, das das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 bildet. Der Klebstoff kann jedoch beispielsweise aus dem Harz desselben Typs wie das Harz der Harzschichten 21A bis 23A bestehen. Wenn es sich bei dem Harz der Harzschichten 21A bis 23A um ein wärmehärtendes Harz handelt, können die Harzschichten 21A bis 23A außerdem miteinander verbunden werden, indem die Harzschichten 21A bis 23A in einem Zustand, in dem das wärmehärtende Harz ungehärtet oder vorgehärtet ist, aneinander in Anlage gebracht werden und dann das wärmehärtende Harz durch Erhitzen vollständig ausgehärtet wird. Wenn das Harz der Harzschichten 21A bis 23A ein thermoplastisches Harz ist, können die Endabschnitte der Harzschichten 21A bis 23A erhitzt und in einem Zustand aneinander in Anlage gebracht werden, in dem das thermoplastische Harz geschmolzen ist, um thermisch verbunden (gefügt) zu werden.
Nachstehend wird ein Formgebungsverfahren einer Auskleidung in einem Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank aus dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf die 16A und 16B beschrieben. Bei dem Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank aus dem Stand der Technik werden Elemente 91, 92 aus thermoplastischem Harz oder duroplastischem Harz miteinander verbunden, um die Auskleidung zu bilden. In diesem Fall hängen, wie in 16A gezeigt, wenn die Elemente 91, 92 leicht verformt werden (eine geringe Steifigkeit haben), die Endabschnitte der Elemente 91, 92 aufgrund ihres Eigengewichts herunter. Dieses Phänomen wird bemerkenswert, wenn eine Dicke der Auskleidung dünn wird. Wenn die Endabschnitte der Elemente 91, 92 nach unten hängen, wird die Ausrichtung zwischen den Elementen 91, 92 schwierig. Wie in 16B gezeigt, werden die Endabschnitte der Elemente 91, 92, die die Auskleidung bilden, aufgrund einer Wirkung, die durch eine während des in Anlage Bringens erzeugte Drucklast verursacht wird, leicht verformt, wenn sie in Anlage gebracht und verbunden werden.
Andererseits werden bei dieser Ausführungsform, wenn die Harzschichten 21A bis 23A, die die Auskleidung 2 bilden, miteinander verbunden werden, die Harzschichten 21A bis 23A durch das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33, die den geteilten Körpern 30A entsprechen, gestützt. Bei dieser Konfiguration ist es weniger wahrscheinlich, dass die Harzschichten 21A bis 23A durch ihr eigenes Gewicht verformt werden. Daher können die Harzschichten 21A bis 23A leicht zueinander ausgerichtet werden. Folglich kann die formstabile Auskleidung 2 zusammen mit der ersten Verstärkungsschicht 30 leicht ausgebildet werden.
Schritt S4 zur Ausbildung einer zweiten Verstärkungsschicht
Im Schritt S4 zur Ausbildung der zweiten Verstärkungsschicht, wie in 1 gezeigt, wird die zweite Verstärkungsschicht 34 aus faserverstärktem Harz so gebildet, dass sie die Außenfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 bedeckt. Mit dieser Konfiguration kann der Verstärkungsabschnitt 3 einschließlich der ersten Verstärkungsschicht 30 und der zweiten Verstärkungsschicht 34 gebildet werden.
Bei der Ausbildung der zweiten Verstärkungsschicht 34 wird das mit Harz imprägnierte Faserbündel durch schraubenförmiges Wickeln nach dem FW-Verfahren schichtweise um die Oberfläche der ersten Verstärkungsschicht 30 gewickelt. Das schraubenförmige Wickeln ist ein Wickelverfahren, bei dem das Faserbündel diagonal (in einem Bereich von 10° oder mehr und 60° oder weniger) zur Achsrichtung X des rohrförmigen Elements 31 über die Kuppelelemente 32, 33 gewickelt wird. Die Anzahl der Lagen der gewickelten Faserbündel ist nicht besonders begrenzt, solange die Festigkeit der zweiten Verstärkungsschicht 34 gewährleistet ist. Die Anzahl der Lagen des gewickelten Faserbündels beträgt jedoch beispielsweise etwa 2 bis 10.
Die Verstärkungsfaser des Faserbündels kann aus demselben Material bestehen wie das beispielhaft genannte Material des Faserbündels F1. Das Harz, mit dem die Verstärkungsfaser imprägniert ist, kann dasselbe Harz sein wie das beispielhaft genannte Harz des Faserbündels F1.
Nachdem das Wickeln des Faserbündels um die Außenfläche des rohrförmigen Elements 31 abgeschlossen ist, wird die zweite Verstärkungsschicht 34 vollständig ausgehärtet, wenn das in das Faserbündel imprägnierte Harz ein wärmehärtendes Harz ist. Wenn das Harz der ersten Verstärkungsschicht 30 und der Auskleidung 2 ein wärmehärtendes Harz ist und nicht vollständig ausgehärtet ist, wird das Harz während dieses Prozesses ebenfalls vollständig ausgehärtet. Wenn das in das Faserbündel imprägnierte Harz ein thermoplastisches Harz ist, wird die zweite Verstärkungsschicht 34 abgekühlt und verfestigt, indem man das Harz abkühlen lässt oder zwangsweise kühlt. Nach dem Ausbilden der zweiten Verstärkungsschicht 34, wie oben beschrieben, wird der Hochdrucktank 1 durch Anbringen des Ventils 6 am Stutzen 4, wie in 1 gezeigt, fertiggestellt.
Hierbei können, wie in einem in 12 gezeigten modifizierten Beispiel, nach dem Verbindungsschritt S3 Dichtungsschichten 27 auf den Nähten S zwischen der Harzschicht 21A, die das rohrförmige Element 31 bedeckt, und den Harzschichten 22A, 23A, die die Kuppelelemente 32, 33 bedecken, ausgebildet werden, um die Nähte S zu bedecken.
Insbesondere werden die Dichtungsschichten 27 auf den Nähten S gebildet, indem eine Düse 300 durch das Durchgangsloch 22c (32c) eingeführt wird und das beispielhaft für die oben beschriebenen Harzschichten 21A bis 23A genannte Harzmaterial aus der Düse 300 über die Nähte S aufgebracht wird, während die Auskleidung 2 um eine Achse gedreht wird. Bei dem aufzutragenden Harz handelt es sich um ungehärtetes duroplastisches Harz oder geschmolzenes thermoplastisches Harz, wie oben beschrieben. Die Dichtungsschichten 27 können durch vollständiges Aushärten oder Verfestigen des über die Nähte S aufgetragenen Harzmaterials gebildet werden. Wenn das aufzutragende Harz ein thermoplastisches Harzmonomer und ein Katalysator zur Polymerisation des Monomers ist, können die Dichtungsschichten 27 durch Erhitzen des Harzes auf eine Temperatur gebildet werden, die gleich oder höher ist als eine Starttemperatur der Polymerisationsreaktion.
In der Ausführungsform werden die Dichtungsschichten 27 teilweise gebildet, um die Nähte S zu bedecken. Die Dichtungsschicht 27 kann jedoch beispielsweise so gebildet werden, dass sie die gesamte Innenfläche der Auskleidung 2 bedeckt. Wie oben beschrieben, werden die Dichtungsschichten 27 auf den Nähten S ausgebildet, wodurch die Luftdichtigkeit der Auskleidung 2 verbessert werden kann.
Ferner können, wie in 13 gezeigt, die Endflächen 31d der Umfangskantenabschnitte 31a des rohrförmigen Elements 31 und die Endflächen 32d, 33d der Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 über ein ringförmiges Verbindungselement 40 zusammen mit den Harzschichten 21A bis 23A in Anlage gebracht werden. Mit dem obigen Verfahren können das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 verbunden werden, und die Harzschicht 21A und die Harzschichten 22A, 23A können verbunden werden. Das ringförmige Verbindungselement 40 hat eine Form und Größe, die den Endflächen 31d bis 33d einschließlich der Harzschichten 21A bis 23A entspricht. Außerdem kann das Verbindungselement 40 eine Form haben, die in die Umfangsrandabschnitte 31a und die Umfangsrandabschnitte 32a, 33a passt.
Das Verbindungselement 40 besteht aus Harz und ist vorzugsweise aus demselben Harz hergestellt wie das faserverstärkte Harz, aus dem das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 bestehen, oder ist vorzugsweise aus demselben Harz hergestellt wie die Harzschichten 21A bis 23A. Wenn das Harz des Verbindungselements 40 ein wärmehärtendes Harz ist, werden die Endflächen 31d des rohrförmigen Elements 31 und die Endflächen 32d, 33d der Kuppelelemente 32, 33 über das ringförmige Verbindungselement 40 in einem Zustand in Anlage gebracht, in dem sich das wärmehärtende Harz des Verbindungselements 40 in einem ungehärteten Zustand oder in einem vorgehärteten Zustand befindet, und das wärmehärtende Harz wird dann vollständig ausgehärtet.
Wenn das Harz des Verbindungselements 40 ein thermoplastisches Harz ist, werden die Endflächen 31d des rohrförmigen Elements 31 und die Endflächen 32d, 33d der Kuppelelemente 32, 33 über das ringförmige Verbindungselement 40 in einem Zustand aneinander in Anlage gebracht, in dem das thermoplastische Harz des Verbindungselements 40 geschmolzen ist, und dann wird das thermoplastische Harz verfestigt.
Im vorstehend genannten Beispiel sind das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 über das Verbindungselement 40 miteinander verbunden. Daher kann ein direkter Kontakt zwischen den Endflächen 31d des rohrförmigen Elements 31 und den Endflächen 32d, 33d der Kuppelelemente 32, 33 vermieden werden. Mit dieser Konfiguration kann die Erzeugung von Pulverstaub, der durch den Kontakt zwischen den Endflächen 31d des rohrförmigen Elements 31 und den Endflächen 32d, 33d der Kuppelelemente 32, 33 verursacht wird, vermieden werden. Ferner ist das Verbindungselement 40 auch zwischen der Harzschicht 21A und den Harzschichten 22A, 23A angeordnet. Daher kann das Verbindungselement 40 als Dichtungsmaterial dienen. Mit dieser Konfiguration kann die Luftdichtheit des in der Auskleidung 2 enthaltenen Hochdruckgases verbessert werden.
Ferner können das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 so ausgebildet sein, dass die Dicke der Umfangskantenabschnitte 31a, 32a, 33a in der axialen Richtung X zu den distalen Kanten hin allmählich abnimmt (siehe z.B. 14). Bei einer solchen Form, wie in 15 gezeigt, ist es weniger wahrscheinlich, dass eine Stufe in einem Verbindungsabschnitt zwischen der Außenfläche des rohrförmigen Elements 31 und den Außenflächen der Kuppelelemente 32, 33 gebildet wird, wenn die Umfangskantenabschnitte 31a des rohrförmigen Elements 31 und die Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 einander überlappen.
Um die Dicke der beiden Endabschnitte des rohrförmigen Elements 31 in der axialen Richtung X allmählich zu reduzieren, kann das Faserbündel gewebt werden oder eine Wickelbreite der Faserbahn F2 kann allmählich reduziert werden, so dass die Dicke des Faserbündels an einem Endabschnitt der Faserbahn F2 (in 6 dargestellt) in der axialen Richtung X (Breitenrichtung) allmählich reduziert wird. Darüber hinaus kann die Dicke allmählich reduziert werden, indem beide Enden des rohrförmigen Elements 31 in der axialen Richtung X mit einer Walze usw. gepresst werden. Die Dicke der Umfangsrandabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 kann auch durch Pressen der Umfangsrandabschnitte 32a, 33a mit einer Walze usw. gegenüber der Dicke der anderen Abschnitte verringert werden.
Im Verbindungsschritt S3 werden, wie in den 14 und 15 gezeigt, die Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 mit den Umfangskantenabschnitten 31a des rohrförmigen Elements 31 verbunden, um die erste Verstärkungsschicht 30 und die Auskleidung 2 gleichzeitig zu bilden.
Insbesondere werden die Umfangsrandabschnitte 31a des rohrförmigen Elements 31 und die Umfangsrandabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 zusammengefügt, wobei sich eines auf der Innenseite und das andere auf der Außenseite befindet. Mit dem obigen Verfahren können das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 weiter fest miteinander verbunden werden. 15 zeigt als ein Beispiel, dass das rohrförmige Element 31 und die Kuppelelemente 32, 33 zusammengefügt werden, wobei sich die Umfangskantenabschnitte 31a des rohrförmigen Elements 31 auf der Innenseite und die Umfangskantenabschnitte 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 auf der Außenseite befinden.
Beim Zusammenfügen kann ein Klebstoff zwischen dem rohrförmigen Element 31 und den Kuppelelementen 32, 33 aufgebracht werden. Mit dieser Ausgestaltung kann ein Ablösen der Kuppelelemente 32, 33 von dem rohrförmigen Element 31 in einem späteren Prozess zuverlässiger unterdrückt werden. Das Material des Klebstoffs ist nicht besonders beschränkt. Vorzugsweise ist der Klebstoff jedoch ein wärmehärtendes Harz, wie z.B. ein Epoxidharz. Ferner kann als Klebstoff ein Harz verwendet werden, das die gleiche Zusammensetzung aufweist wie das Harz des rohrförmigen Elements 31 oder der Kuppelelemente 32, 33.
Die hier offenbarten Ausführungsformen sollten als beispielhaft und in keiner Hinsicht beschränkend betrachtet werden. Der Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche und nicht die obigen Ausführungsformen definiert und soll alle Modifikationen innerhalb der Bedeutung und des Umfangs äquivalent zu denen der Ansprüche umfassen.
In der obigen Ausführungsform wurde beispielsweise das Beispiel beschrieben, bei dem das Durchgangsloch nur in einem der Kuppelelemente vorgesehen ist und der Stutzen nur in einem der Endabschnitte des Hochdrucktanks vorgesehen ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt, und das Durchgangsloch kann in jedem der Kuppelelemente vorgesehen sein, und der Stutzen kann an jedem von dem einen Endabschnitt und dem anderen Endabschnitt des Hochdrucktanks vorgesehen sein.
Ferner wurde in der obigen Ausführungsform das Beispiel beschrieben, in dem die beiden Kuppelelemente unter Verwendung des FW-Verfahrens gebildet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann ein Paar von Kuppelelementen gebildet werden, indem das Faserbündel auf die Oberfläche einer kuppelförmigen Form aufgebracht wird und das Faserbündel mit einer Walze unter Verwendung eines Bahn-Anordnungs-Verfahrens gepresst wird.
Weiterhin wurde in der obigen Ausführungsform das Beispiel beschrieben, bei dem die erste Verstärkungsschicht aus drei Elementen (dem rohrförmigen Element und den beiden Kuppelelementen) besteht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann die erste Verstärkungsschicht aus vier oder mehr Elementen bestehen (zwei oder mehr rohrförmige Elemente und zwei Kuppelelemente). In diesem Fall können nach dem Verbinden von zwei oder mehr rohrförmigen Elementen die Kuppelelemente mit den jeweiligen Enden der verbundenen rohrförmigen Elemente verbunden werden. Ferner können nach dem Verbinden eines rohrförmigen Elements mit je einem der Kuppelelemente die rohrförmigen Elemente mit den verbundenen Kuppelelementen zusammengefügt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019132340 A [0003, 0004]

Claims

Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank (1), bei dem eine Verstärkungsschicht (30) aus faserverstärktem Harz auf einer Außenfläche einer Auskleidung (2) angeordnet ist, die aus Harz besteht und so konfiguriert ist, dass sie Gas enthält, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden einer Mehrzahl von geteilten Körpern (30A), die aus dem faserverstärkten Harz bestehen und eine Form haben, bei der die Verstärkungsschicht (30) geteilt ist, derart, dass sie Kontaktflächen (31f bis 33f) enthalten, die in Kontakt mit der Außenfläche der Auskleidung (2) stehen; Bedecken der Kontaktflächen (31f bis 33f) der geteilten Körper (30A) mit entsprechenden Harzschichten (21A bis 23A), die die Auskleidung (2) bilden; und Ausbilden der Verstärkungsschicht (30) mit den geteilten Körpern (30A) und der Auskleidung (2) mit den Harzschichten (21A bis 23A) durch Verbinden der geteilten Körper (30A) miteinander und Verbinden der Harzschichten (21A bis 23A), die die geteilten Körper (30A) bedecken, miteinander.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die geteilten Körper (30A) miteinander verbunden werden und die Harzschichten (21A bis 23A), die die geteilten Körper (30A) bedecken, miteinander verbunden werden, indem Endflächen (31d bis 33d) der geteilten Körper (30A) zusammen mit den Harzschichten (21A bis 23A) über ein Verbindungselement (40) aneinander in Anlage gebracht werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei: ein rohrförmiges Element (31) und zwei Kuppelelemente (32, 33), die die mit den Harzschichten (21A bis 23A) bedeckten geteilten Körper (30A) sind, vorbereitet werden und ein Durchgangsloch (32c) an zumindest einem der beiden Kuppelelemente (32, 33) ausgebildet wird; die Verstärkungsschicht (30) und die Auskleidung (2) durch Verbinden von Umfangskantenabschnitten (31a) an den jeweiligen Enden des rohrförmigen Elements (31) mit Umfangskantenabschnitten (32a, 33a) der Kuppelelemente (32, 33) und Verbinden der Harzschicht (21A), die das rohrförmige Element (31) bedeckt, mit den Harzschichten (22A, 23A), die die Kuppelelemente (32, 33) bedecken, ausgebildet werden; und, nachdem die Verstärkungsschicht (30) und die Auskleidung (2) ausgebildet sind, Dichtungsschichten (27) zumindest auf Nähten (S) zwischen der Harzschicht (21A), die das rohrförmige Element (31) bedeckt, und den Harzschichten (22A, 23A), die die Kuppelelemente (32, 33) bedecken, ausgebildet werden, indem ein Harzmaterial über das Durchgangsloch (32c) auf die Nähte (S) aufgebracht wird, so dass zumindest die Nähte (S) durch die Dichtungsschichten (27) bedeckt werden.