DE102021103098A1

DE102021103098A1 - Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks und Hochdrucktank

Info

Publication number: DE102021103098A1
Application number: DE102021103098.6A
Authority: DE
Inventors: Manabu Fujii; Naoki Ueda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2021-09-23
Also published as: US20210293380A1; US11441734B2; CN113400540B; CN113400540A

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks (10), der eine Auskleidung (11) und eine Verstärkungsschicht (20) aus faserverstärktem Harz enthält, umfasst einen Prozess zum Ausbilden von zumindest einem gewölbten Element (22), das in der Verstärkungsschicht (20) enthalten ist. Der Prozess umfasst das Anordnen erster Faserbündel (F1), um einen Teil eines vorstehenden Abschnitts (22b) und einen Teil eines gewölbten Hauptkörpers (22a) zu bilden, und das Anordnen zweiter Faserbündel (F2), um die ersten Faserbündel (F1) zu bedecken. Die ersten Faserbündel (F1) werden so angeordnet, dass eine Faserrichtung der ersten Faserbündel (F1 ) in dem vorstehenden Abschnitt (22b) einer axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts (22b) folgt, und Harz, mit dem die Faserbündel (F1) imprägniert sind, wird verfestigt, während die ersten Faserbündel (F1) angeordnet werden. Die zweiten Faserbündel (F2) werden so angeordnet, dass die Faserrichtung der zweiten Faserbündel (F2) die Faserrichtung der ersten Faserbündel (F1) kreuzt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Hochdrucktank mit einer Auskleidung, die Gas enthält, und einer Verstärkungsschicht, die aus faserverstärktem Harz besteht und eine Außenfläche der Auskleidung bedeckt, sowie ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks.
Beschreibung des Standes der Technik
Als Hochdrucktank, der zur Speicherung und Versorgung mit Wasserstoff verwendet wird, ist beispielsweise ein Tank bekannt, der einen Tankhauptkörper und eine Kappe oder Kappen umfasst, die an einem offenen, länglichen Endabschnitt oder -abschnitten des Tankhauptkörpers befestigt ist. Der Tankhauptkörper umfasst eine Auskleidung, die Wasserstoffgas luftdicht aufnimmt, und eine Verstärkungsschicht, die mit Faserbündeln verstärkt ist, die mit Harz imprägniert sind, so dass die Faserbündel um eine Außenfläche der Auskleidung gewickelt sind.
Ein Beispiel für den Hochdrucktank, der die Auskleidung, die Verstärkungsschicht, die die Außenfläche der Auskleidung bedeckt, und Kappen, die an Endabschnitten der Verstärkungsschicht angeordnet sind, enthält, ist in der japanischen Patentanmeldung JP 2018- 179 201 A beschrieben. Der in der JP 2018- 179 201 A beschriebene Hochdrucktank umfasst eine Auskleidung, eine Verstärkungsschicht, die aus faserverstärktem Harz besteht und eine Außenfläche der Auskleidung bedeckt, und Kappen, die an Endabschnitten der Verstärkungsschicht angeordnet sind. Jede der Kappen hat einen zylindrischen, vorstehenden Abschnitt mit einem Gaskanal, der z.B. zum Einfüllen und Austragen von Wasserstoffgas verwendet wird.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem Versuch, das Gewicht des Hochdrucktanks unter dem Gesichtspunkt des Transports des Hochdrucktanks und der Verbesserung der Kraftstoffeinsparung eines Fahrzeugs, in dem der Hochdrucktank installiert ist, zu reduzieren, kann es in Betracht gezogen werden, einen Abschnitt, der der Kappe entspricht, aus faserverstärktem Harz zu bilden, um das Gewicht zu reduzieren.
In diesem Fall kann in Erwägung gezogen werden, mit Harz imprägnierte Faserbündel durch Filamentwicklung um die Außenfläche der Auskleidung oder dergleichen zu wickeln, die mit einem zylindrischen, vorstehenden Abschnitt mit einem Gaskanal versehen ist, um eine Verstärkungsschicht mit einem Abschnitt zu bilden, der der Kappe entspricht. Wenn jedoch der Druck innerhalb des Hochdrucktanks beträchtlich hoch wird, wirkt eine große Kraft in axialer Richtung nach außen auf ein Ventil, das an einem distalen Ende des vorstehenden Abschnitts angebracht ist, und eine große Kraft wirkt auch in axialer Richtung nach außen auf den vorstehenden Abschnitt selbst. Zu diesem Zeitpunkt ist es schwierig, eine ausreichende Zugfestigkeit in der axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts zu gewährleisten, da die Faserbündel spiralförmig auf den vorstehenden Abschnitt gewickelt sind. Dadurch kann der vorstehende Abschnitt beschädigt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Hochdrucktank und ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks, mit dem die Beschädigung eines vorstehenden Abschnitts mit einem Gaskanal eingedämmt werden kann, während gleichzeitig eine Reduzierung des Gewichts des Hochdrucktanks erreicht wird.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist das Herstellen eines Hochdrucktanks, der eine Auskleidung, die Gas enthält, und eine Verstärkungsschicht aufweist, die aus faserverstärktem Harz besteht und eine äußere Oberfläche der Auskleidung bedeckt. Die Verstärkungsschicht hat ein zylindrisches Element und zwei gewölbte Elemente, die an gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements angeordnet und integral mit dem zylindrischen Element ausgebildet sind, und eines der gewölbten Elemente umfasst einen gewölbten Hauptkörper und einen zylindrischen vorstehenden Abschnitt, der von dem gewölbten Hauptkörper vorsteht und einen Gaskanal aufweist, der zum Einfüllen und Austragen des Gases verwendet wird. Das Verfahren umfasst einen Prozess zum Ausbilden des zumindest einen der gewölbten Elemente, und der Prozess zum Ausbilden des zumindest einen der gewölbten Elemente umfasst einen Schritt zum Anordnen erster Faserbündel, die mit einem ersten Harz imprägniert sind, so dass die ersten Faserbündel einen Teil des vorstehenden Abschnitts und einen Teil des gewölbten Hauptkörpers bilden, und einen Schritt zum Anordnen zweiter Faserbündel, die mit einem zweiten Harz imprägniert sind, so dass die zweiten Faserbündel die ersten Faserbündel bedecken. Die ersten Faserbündel werden so angeordnet, dass eine Faserrichtung der ersten Faserbündel in dem vorstehenden Abschnitt einer axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts folgt, und die ersten Faserbündel sich kontinuierlich von dem vorstehenden Abschnitt zu dem gewölbten Hauptkörper erstrecken, und das erste Harz, mit dem die ersten Faserbündel imprägniert sind, wird verfestigt, während die ersten Faserbündel angeordnet werden. Die zweiten Faserbündel werden so angeordnet, dass eine Faserrichtung der zweiten Faserbündel die Faserrichtung der ersten Faserbündel kreuzt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks werden die ersten Faserbündel so angeordnet, dass die Faserrichtung in dem vorstehenden Abschnitt der axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts folgt. Dadurch kann eine ausreichende Zugfestigkeit, gemessen in axialer Richtung des vorstehenden Abschnitts, sichergestellt werden. Außerdem werden die ersten Faserbündel so angeordnet, dass sie sich kontinuierlich von dem vorstehenden Abschnitt zu dem gewölbten Hauptkörper erstrecken, und die zweiten Faserbündel werden so angeordnet, dass sie die ersten Faserbündel bedecken. Dadurch hemmen die zweiten Faserbündel die Bewegung der ersten Faserbündel, und es kann verhindert werden, dass der vorstehende Abschnitt aus dem gewölbten Hauptkörper herausgezogen wird. Außerdem werden die zweiten Faserbündel so angeordnet, dass die Faserrichtung der zweiten Faserbündel die Faserrichtung der ersten Faserbündel kreuzt bzw. schneidet. So kann nicht nur die Zugfestigkeit in axialer Richtung sondern auch die Zugfestigkeit in anderen Richtungen, wie z.B. in radialer Richtung, sichergestellt werden. Dementsprechend ist es selbst dann, wenn der Druck innerhalb des Hochdrucktanks hoch wird und eine große Kraft in axialer Richtung nach außen auf den vorstehenden Abschnitt wirkt, weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich, dass der vorstehende Abschnitt beschädigt wird. Somit besteht keine Notwendigkeit, eine Kappe vorzusehen, und das Gewicht des Hochdrucktanks kann reduziert werden.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß dem ersten Aspekt kann das erste Harz ein thermoplastisches Harz sein und das zweite Harz kann ein duroplastisches Harz sein. Während die ersten Faserbündel in einem Zustand angeordnet werden, in dem das erste Harz erweicht ist, kann das erste Harz, mit dem die ersten Faserbündel imprägniert sind, verfestigt werden. Die zweiten Faserbündel können in einem Zustand angeordnet werden, in dem das zweite Harz ungehärtet ist, und dann kann das zweite Harz erhitzt und gehärtet werden. Wenn das erste Harz, mit dem die ersten Faserbündel imprägniert sind, ein thermoplastisches Harz ist, wird, wenn die ersten Faserbündel auf einer Oberfläche einer Spindel oder einer Auskleidung angeordnet werden, beispielsweise in einem Zustand, in dem das erste Harz erweicht ist, die Wärme der ersten Faserbündel durch die Spindel oder die Auskleidung abgeführt, und das Harz, mit dem die ersten Faserbündel imprägniert sind, wird verfestigt. Dann werden die zweiten Faserbündel in dem Zustand auf den ersten Faserbündeln angeordnet, in dem das erste Harz erstarrt ist. Da die ersten Faserbündel nicht abgelenkt oder verschoben werden, wenn die zweiten Faserbündel auf den ersten Faserbündeln angeordnet werden, ist es weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich, dass die Zugfestigkeit des vorstehenden Abschnitts in axialer Richtung reduziert wird. Da es sich bei dem zweiten Harz, mit dem die zweiten Faserbündel imprägniert sind, um ein duroplastisches Harz handelt, kann auch die mechanische Festigkeit des vorstehenden Abschnitts nach dem Aushärten des zweiten Harzes leicht verbessert werden.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß dem ersten Aspekt können beim Ausbilden der beiden gewölbten Elemente die Oberflächen der gewölbten Elemente, die mit dem Gas in Berührung kommen, durch die ersten Faserbündel gebildet werden. Das thermoplastische Harz hat Gasbarriereeigenschaften; daher besteht, wenn die Oberflächen der gewölbten Elemente, die mit dem Gas in Berührung kommen, durch die ersten Faserbündel gebildet werden, die mit dem thermoplastischen Harz imprägniert sind, keine Notwendigkeit, eine Auskleidung (ihre kuppelartigen gegenüberliegenden Endabschnitte) entlang der inneren Oberflächen der gewölbten Elemente vorzusehen. Dadurch kann das Gewicht des Hochdrucktanks weiter reduziert werden.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß dem ersten Aspekt können die ersten Faserbündel an einem Außenumfang eines Einsatzes angeordnet werden, der innerhalb des vorstehenden Abschnitts angeordnet ist und ein Innengewinde an einer Innenumfangsfläche aufweist. Somit kann der Einsatz innerhalb des vorstehenden Abschnitts des gewölbten Elements angeordnet werden, und ein Ventil mit einem Außengewinde an seiner Außenumfangsfläche kann in das Innengewinde an der Innenumfangsfläche des Einsatzes geschraubt werden, so dass das Ventil an dem vorstehenden Abschnitt befestigt werden kann. Mit dieser Anordnung kann selbst dann, wenn der Druck innerhalb des Hochdrucktanks auf das Ventil wirkt und die Zugkraft in axialer Richtung des Hochdrucktanks nach außen auf den vorstehenden Abschnitt wirkt, eine Spannungskonzentration auf einen bestimmten Abschnitt oder mehrere Abschnitte vermieden und eine Beschädigung der Auskleidung kann verhindert werden. In diesem Zusammenhang können die ersten Faserbündel auf dem Außenumfang der zweiten Faserbündel angeordnet werden, die auf dem Außenumfang des Einsatzes angeordnet sind, und die zweiten Faserbündel werden weiter auf dem Außenumfang der ersten Faserbündel angeordnet, so dass eine Zwischenschicht der ersten Faserbündel zwischen den zweiten Faserbündeln angeordnet ist. In diesem Fall können die gegenüberliegenden Oberflächen der ersten Faserbündel mit den zweiten Faserbündeln verklebt werden.
Ein Hochdrucktank gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine Auskleidung, die so konfiguriert ist, dass sie Gas enthält, und eine Verstärkungsschicht, die aus faserverstärktem Harz besteht und so konfiguriert ist, dass sie eine Außenfläche der Auskleidung bedeckt. Die Verstärkungsschicht hat ein zylindrisches Element und zwei gewölbte Elemente, die an gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements angeordnet und integral mit dem zylindrischen Element ausgebildet sind. Eines der gewölbten Elemente umfasst einen gewölbten Hauptkörper und einen vorstehenden Abschnitt, der den dem gewölbten Hauptkörper vorsteht und einen Gaskanal aufweist, der zum Einfüllen und Austragen des Gases verwendet wird. Der gewölbte Hauptkörper und der vorstehende Abschnitt sind durch erste Faserbündel, die mit einem ersten Harz imprägniert sind, und zweite Faserbündel, die mit einem zweiten Harz imprägniert sind, gebildet. Die ersten Faserbündel bilden einen Teil des vorstehenden Abschnitts und einen Teil des gewölbten Hauptkörpers und sind kontinuierlich von dem vorstehenden Abschnitt zu dem gewölbten Hauptkörper angeordnet, so dass eine Faserrichtung der ersten Faserbündel in dem vorstehenden Abschnitt einer axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts folgt. Die zweiten Faserbündel bedecken die ersten Faserbündel und sind so angeordnet, dass eine Faserrichtung der zweiten Faserbündel die Faserrichtung der ersten Faserbündel kreuzt.
Bei dem Hochdrucktank gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sind die ersten Faserbündel so angeordnet, dass die Faserrichtung in dem vorstehenden Abschnitt der axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts folgt. Dadurch kann eine ausreichende Zugfestigkeit, gemessen in axialer Richtung des vorstehenden Abschnitts, sichergestellt werden. Außerdem sind die ersten Faserbündel so angeordnet, dass sie sich kontinuierlich von dem vorstehenden Abschnitt zu dem gewölbten Hauptkörper erstrecken, und die zweiten Faserbündel sind so angeordnet, dass sie die ersten Faserbündel bedecken. Dadurch hemmen die zweiten Faserbündel die Bewegung der ersten Faserbündel, und es kann verhindert werden, dass der vorstehende Abschnitt aus dem gewölbten Hauptkörper herausgezogen wird. Außerdem sind die zweiten Faserbündel so angeordnet, dass die Faserrichtung der zweiten Faserbündel die Faserrichtung der ersten Faserbündel kreuzt bzw. schneidet. So kann nicht nur die Zugfestigkeit in axialer Richtung, sondern auch die Zugfestigkeit in anderen Richtungen, wie z.B. in radialer Richtung, sichergestellt werden. Dementsprechend ist es selbst dann, wenn der Druck innerhalb des Hochdrucktanks hoch wird und eine große Kraft in axialer Richtung nach außen auf den vorstehenden Abschnitt wirkt, weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich, dass der vorstehende Abschnitt beschädigt wird. Somit besteht keine Notwendigkeit, eine Kappe vorzusehen, und das Gewicht des Hochdrucktanks kann reduziert werden.
Bei dem Hochdrucktank gemäß dem zweiten Aspekt kann das erste Harz ein thermoplastisches Harz sein, während das zweite Harz ein duroplastisches Harz sein kann, und die Oberflächen der gewölbten Elemente, die mit dem Gas in Berührung kommen, können durch die ersten Faserbündel gebildet sein. Das thermoplastische Harz hat Gasbarriereeigenschaften; daher besteht, wenn die Oberflächen der gewölbten Elemente, die mit dem Gas in Berührung kommen, durch die ersten Faserbündel gebildet sind, die mit dem thermoplastischen Harz imprägniert sind, keine Notwendigkeit, eine Auskleidung (ihre gewölbten Abschnitte) entlang der inneren Oberflächen der gewölbten Elemente vorzusehen. Dadurch kann das Gewicht des Hochdrucktanks weiter reduziert werden. Da es sich bei dem zweiten Harz, mit dem die zweiten Faserbündel imprägniert sind, um ein duroplastisches Harz handelt, kann auch die mechanische Festigkeit des vorstehenden Abschnitts leicht verbessert werden.
Bei dem Hochdrucktank gemäß dem zweiten Aspekt kann ein zylindrischer Einsatz innerhalb des vorstehenden Abschnitts angeordnet sein, und der Einsatz kann ein Innengewinde an einer Innenumfangsfläche aufweisen. Somit kann ein Ventil mit einem Außengewinde an seiner Außenumfangsfläche in das Innengewinde an der Innenumfangsfläche des Einsatzes geschraubt werden, so dass das Ventil an dem vorstehenden Abschnitt befestigt werden kann. Mit dieser Anordnung kann selbst dann, wenn der Druck innerhalb des Hochdrucktanks auf das Ventil wirkt und die Zugkraft in axialer Richtung des Hochdrucktanks nach außen auf den vorstehenden Abschnitt wirkt, eine Spannungskonzentration auf einen bestimmten Abschnitt oder mehrere Abschnitte vermieden und eine Beschädigung der Auskleidung verhindert werden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, den Hochdrucktank und ein Herstellungsverfahren hierfür bereitzustellen, die eine Beschädigung des vorstehenden Abschnitts mit dem Gaskanal eindämmen können, während eine Reduzierung des Gewichts des Hochdrucktanks erreicht wird.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter 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 den Aufbau eines Hochdrucktanks gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Ausbilden eines gewölbten Elements des Verfahrens zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 eine perspektivische Ansicht, die zur Beschreibung des Prozesses zum Ausbilden des gewölbten Elements bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung nützlich ist;
5 eine Querschnittsansicht, die zur Beschreibung des Prozesses zum Ausbilden des gewölbten Elements bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dient;
6 eine perspektivische Ansicht, die zur Beschreibung eines modifizierten Beispiels des Prozesses zum Ausbilden des gewölbten Elements bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dient;
7 eine perspektivische Ansicht, die zur Beschreibung des modifizierten Beispiels des Prozesses zum Ausbilden des gewölbten Elements bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dient;
8 eine perspektivische Ansicht, die zur Beschreibung eines Prozesses zum Ausbilden eines zylindrischen Elements bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dient;
9 eine perspektivische Ansicht, die zur Beschreibung eines des Fügeprozesses bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dient;
10 eine Querschnittsansicht, die zur Beschreibung des Fügeprozesses bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dient;
11 eine Ansicht, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen der Faserrichtung in einem Herstellungsabschnitt und der Zugfestigkeit in axialer Richtung dient;
12 eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Hochdrucktanks gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
13 eine perspektivische Ansicht, die zur Beschreibung eines Prozesses zum Ausbilden des gewölbten Elements bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung dient;
14 eine perspektivische Ansicht, die zur Beschreibung eines Prozesses zum Ausbilden des gewölbten Elements bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß einem modifizierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dient;
15 eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Hochdrucktanks gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
16 eine perspektivische Ansicht, die zur Beschreibung eines Prozesses zum Ausbilden des gewölbten Elements eines Verfahrens zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung dient;
17 eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für den Aufbau eines bekannten Hochdrucktanks zeigt; und
18 eine Draufsicht, die ein Beispiel für die Spannungsverteilung in dem bekannten Hochdrucktank zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Der Aufbau eines Hochdrucktanks 10 wird kurz beschrieben, bevor ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben wird. Während der Hochdrucktank 10 als ein an einem Brennstoffzellenfahrzeug installierter und mit Hochdruckwasserstoffgas gefüllter Tank beschrieben wird, kann der Tank 10 auch andere Anwendungen oder Verwendungen finden. Auch ist das Gas, mit dem der Hochdrucktank 10 befüllt werden kann, nicht auf das Hochdruckwasserstoffgas beschränkt.
Wie in 1 dargestellt, ist der Hochdrucktank 10 ein allgemein zylindrischer Hochdruck-Gasspeicherbehälter, der an seinen gegenüberliegenden Enden kuppelartig abgerundet ist. Der Hochdrucktank 10 umfasst eine Auskleidung 11 mit Gasbarriereeigenschaften und eine faserverstärkte Harzschicht 12, die aus faserverstärktem Harz besteht und eine Außenfläche der Auskleidung 11 bedeckt. Die faserverstärkte Harzschicht 12 hat einen Verstärkungskörper 20 als Verstärkungsschicht, der die Außenfläche der Auskleidung 11 bedeckt, und eine äußere Verstärkungsschicht 13, die eine Außenfläche des Verstärkungskörpers 20 bedeckt. An einem Ende des Hochdrucktanks 10 ist eine Öffnung ausgebildet. In dem Hochdrucktank 10 dieser Ausführungsform ist keine Kappe angeordnet. Auch ist am anderen Ende des Hochdrucktanks 10 keine Öffnung ausgebildet.
Die Auskleidung 11 ist entlang einer Innenfläche des Verstärkungskörpers 20 ausgebildet. Die Auskleidung 11 besteht aus Harz und bildet einen mit Hochdruckwasserstoffgas gefüllten Aufnahmeraum 17. Vorzugsweise ist das Harz, das die Auskleidung 11 bildet, in der Lage, das eingefüllte Gas (in dieser Ausführungsform Wasserstoffgas) in dem Aufnahmeraum 17 zu halten, d.h. das Harz hat gute Gasbarriereeigenschaften. Beispiele für das Harz sind thermoplastische Harze, wie Polyamid, Polyethylen, EthylenVinylalkohol-Copolymerharz (EVOH) und Polyester, und duroplastische Harze, wie Epoxid. Das Gas, mit dem der durch die Auskleidung 11 definierte Aufnahmeraum 17 gefüllt ist, ist nicht auf das als Brenngas dienende Wasserstoffgas beschränkt, sondern kann aus verschiedenen komprimierten Gasen, wie komprimiertem Erdgas (CNG), verschiedenen verflüssigten Gasen, wie verflüssigtem Erdgas (LNG) und verflüssigtem Erdölgas (LPG), und anderen Gasen ausgewählt werden.
Der Verstärkungskörper 20 bedeckt die äußere Oberfläche der Auskleidung 11 und dient auch zur Verstärkung der Auskleidung 11 und zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit, wie z.B. Steifigkeit und Druckbeständigkeit, des Hochdrucktanks 10. Der Verstärkungskörper 20 hat ein zylindrisches Element 21 und zwei gewölbte Elemente 22, 23, die mit gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements 21 verbunden sind, wie später beschrieben wird, und das zylindrische Element 21 und die gewölbten Elemente 22, 23 sind integral ausgebildet, um eine Schicht zu bilden. In dieser Ausführungsform besteht das gewölbte Element 22 aus einer ersten Harzschicht 121 und einer zweiten Harzschicht 122, die zur Abdeckung der ersten Harzschicht 121 ausgebildet ist, und das gewölbte Element 23 besteht aus einer dritten Harzschicht 125.
In dieser Ausführungsform umfasst das gewölbte Element 22 einen gewölbten Hauptkörper 22a und einen zylindrischen vorstehenden Abschnitt 22b, der von dem gewölbten Hauptkörper 22a vorsteht. Der vorstehende Abschnitt 22b hat einen Gaskanal 22c, der z.B. zum Einfüllen und Austragen von Wasserstoffgas dient. An einer Außenumfangsfläche des vorstehenden Abschnitts 22b ist eine Ventilhalterung 14 aus Metall befestigt, und an einer Außenumfangsfläche der Ventilhalterung 14 ist ein Ventil 15 aus Metall angebracht, das zum Einfüllen und Austragen von Wasserstoffgas in den und aus dem Aufnahmeraum 17 dient. An einer Innenfläche der Ventilbefestigung 14 sind Haltevorsprünge 14a ausgebildet, und an einer Außenfläche der Ventilbefestigung 14 ist ein Gewinde 14b ausgebildet, an dem das Ventil 15 befestigt ist. Dann wird die Ventilbefestigung 14 durch Verstemmen an der äußeren Umfangsfläche des vorstehenden Abschnitts 22b befestigt. Ein Gewinde 15a, das in das Gewinde 14b der Ventilbefestigung 14 eingreift, ist an einer Innenfläche des Ventils 15 ausgebildet, und das Ventil 15 ist über die Ventilbefestigung 14 an einem Endabschnitt des vorstehenden Abschnitts 22b befestigt. Außerdem ist das Ventil 15 mit einem Einsetzabschnitt 15b ausgebildet, der in den vorstehenden Abschnitt 22b eingesetzt ist. Der Einsetzabschnitt 15b ist mit einem Dichtungselement 15c versehen, das den Aufnahmeraum 17 abdichtet, und ist mit einem Durchgang 15d ausgebildet, durch den Wasserstoffgas hindurchtritt.
Die erste Harzschicht 121 wird durch Faserbündel F1 (erste Faserbündel) gebildet, die mit einem ersten Harz imprägniert sind, das ein thermoplastisches Harz ist. Die erste Harzschicht 121 bildet einen Teil des gewölbten Hauptkörpers 22a und einen Teil des vorstehenden Abschnitts 22b und ist so positioniert, dass sich die Fasern kontinuierlich von dem vorstehenden Abschnitt 22b zu dem gewölbten Hauptkörper 22a erstrecken. In dieser Ausführungsform ist die erste Harzschicht 121 so positioniert, dass sich die Fasern kontinuierlich von dem vorstehenden Abschnitt 22b zu einem Umfangsrandabschnitt des gewölbten Hauptkörpers 22a erstrecken. Außerdem ist die erste Harzschicht 121 so ausgebildet, dass die Faserrichtung im vorstehenden Abschnitt 22b der axialen Richtung X des vorstehenden Abschnitts 22b folgt (in dieser Ausführungsform parallel zur axialen Richtung X ist). Die spezifische Faserrichtung in dem vorstehenden Abschnitt 22b der ersten Harzschicht 121 wird später beschrieben.
Die zweite Harzschicht 122 wird durch Faserbündel F2 (zweite Faserbündel) gebildet, die mit einem zweiten Harz imprägniert sind, bei dem es sich um ein duroplastisches Harz handelt. Die zweite Harzschicht 122 wird gebildet, um die erste Harzschicht 121 zu bedecken. Außerdem ist die zweite Harzschicht 122 so ausgebildet, dass die Faserrichtung der zweiten Harzschicht 122 die Faserrichtung der ersten Harzschicht 121 kreuzt.
Die äußere Verstärkungsschicht 13 ist so ausgebildet, dass sie die Außenfläche des Verstärkungskörpers 20 bedeckt. Die äußere Verstärkungsschicht 13 bedeckt die Gesamtheit der gewölbten Elemente 22, 23. Die äußere Verstärkungsschicht 13 ist aus Harz und Fasern (Endlosfasern) gebildet. In der äußeren Verstärkungsschicht 13 sind die Fasern so ausgerichtet, dass sie parallel zur axialen Richtung des zylindrischen Elements 21 verlaufen oder um 45 Grad oder weniger in Bezug auf die axiale Richtung des zylindrischen Elements 21 geneigt sind, und sie sind über das zylindrische Element 21 auch über den beiden gewölbten Elementen 22, 23 positioniert. Die Fasern verhindern, dass sich die gewölbten Elemente 22, 23 in der axialen Richtung X nach außen bewegen, und verhindern, dass die gewölbten Elemente 22, 23 aufgrund eines Gasdrucks in der axialen Richtung X nach außen von dem zylindrischen Element 21 getrennt werden.
Als nächstes wird das Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Herstellen des Hochdrucktanks 10. Wie in 2 gezeigt, umfasst das Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 10 einen Prozess S1 zum Vorbereiten der Auskleidung, einen Prozess S2 zum Ausbilden eines gewölbten Elements, einen Prozess S3 zum Ausbilden eines zylindrischen Elements, einen Fügeprozess S4 und einen Prozess S5 zum Ausbilden einer äußeren Verstärkungsschicht. Während der Prozess S1 zum Vorbereiten der Auskleidung, der Prozess S2 zum Ausbilden eines gewölbten Elements und der Prozess S3 zum Ausbilden eines zylindrischen Elements in dieser Reihenfolge in 2 beschrieben sind, können der Prozess S1 zum Vorbereiten der Auskleidung, der Prozess S2 zum Ausbilden eines gewölbten Elements und der Prozess S3 zum Ausbilden eines zylindrischen Elements, die voneinander unabhängig sind, parallel durchgeführt werden, oder einer der Prozesse kann zuerst durchgeführt werden.
Bei dem Prozess S1 zum Vorbereiten der Auskleidung wird die Auskleidung 11, wie in 1 gezeigt, vorbereitet. Die Auskleidung 11 hat einen zylindrischen Abschnitt und gewölbte Abschnitte an gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Abschnitts und ist an einem der gewölbten Abschnitte mit einem zylindrischen, vorstehenden Abschnitt ausgebildet, der einen Gaskanal aufweist, der die Innenseite mit der Außenseite der Auskleidung 11 verbindet. Das Verfahren zum Herstellen der Auskleidung 11 ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt, und die Auskleidung 11 kann mit einer bekannten Technologie hergestellt werden.
Der Prozess S2 zum Ausbilden eines gewölbten Elements umfasst einen Prozess S21 zum Ausbilden einer ersten Harzschicht, einen Prozess S22 zum Ausbilden einer zweiten Harzschicht und einen Entfernungsprozess S23, wie in 3 gezeigt. Während der Prozess S21 zum Ausbilden einer ersten Harzschicht, der Prozess S22 zum Ausbilden einer zweiten Harzschicht und der Entfernungsprozess S23 zum Ausbilden des gewölbten Elements 22 durchgeführt werden, können diese Prozesse auch gleichzeitig zum Ausbilden des gewölbten Elements 23 durchgeführt werden. Außerdem können das gewölbte Element 22 und das gewölbte Element 23 durch separate Prozesse gebildet werden. Hier wird das Verfahren zum Ausbilden des gewölbten Elements 22 und des gewölbten Elements 23 durch separate Prozesse beschrieben, und dann wird das Verfahren zum gleichzeitigen Ausbilden des gewölbten Elements 22 und des gewölbten Elements 23 beschrieben.
In dem Prozess S21 zum Ausbilden einer ersten Harzschicht wird die erste Harzschicht 121 auf einer Außenfläche einer Spindel 200 gebildet, wie in 4 gezeigt. Genauer gesagt hat die Spindel 200 einen kuppelartigen Hauptkörper 201 und einen Wellenabschnitt 202, der sich von dem Hauptkörper 201 nach außen erstreckt. Dann werden die mit dem thermoplastischen Harz imprägnierten Faserbündel F1 mit einer Andruckrolle 210 unter Druck an der Außenfläche der Spindel 200 angebracht, wobei ein Tape-Placement-Prozess verwendet wird, wie in 5 beispielhaft dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Faserbündel F1 an der Spindel 200 angebracht (angeordnet), in einem Zustand, in dem das Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert sind, mit Hilfe einer Laservorrichtung (nicht dargestellt) erwärmt und erweicht wird. Die Spindel 200 entzieht dem Harz, mit dem die angebrachten Faserbündel F1 imprägniert sind, die Wärme, und das Harz verfestigt sich schnell. Somit kann bei der Verwendung der mit dem thermoplastischen Harz imprägnierten Faserbündel F1 das Harz, mit dem die angebrachten Faserbündel F1 imprägniert sind, schnell verfestigt werden, so dass die Faserbündel F1 an der Spindel 200 angebracht werden können, während eine Zugkraft auf die Faserbündel F1 ausgeübt wird. Infolgedessen werden die Faserbündel F1 im Wesentlichen in der gleichen Faserrichtung angeordnet, und die Zugfestigkeit der ersten Harzschicht 121 wird weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich reduziert. Außerdem können die Faserbündel F1 einem Abkühlluftstrom ausgesetzt werden, so dass das thermoplastische Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert sind, schneller verfestigt wird. Während das Material der Spindel 200 nicht auf ein bestimmtes Material beschränkt ist, besteht die Spindel 200 vorzugsweise aus Metall, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten, mit der diese sich nicht verformt, wenn die Faserbündel F1 und die Faserbündel F2, die später beschrieben werden, auf ihr angeordnet werden.
Hier sind die Faserbündel F1 so angeordnet, dass sie sich kontinuierlich vom Hauptkörper 201 der Spindel 200 zum Wellenabschnitt 202 erstrecken. In dieser Ausführungsform sind die Faserbündel F1 so angeordnet, dass sie sich kontinuierlich von einem Umfangsrandabschnitt des Hauptkörpers 201 zum Wellenabschnitt 202 erstrecken. Außerdem sind die Faserbündel F1 so angeordnet, dass die Faserrichtung im Wellenabschnitt 202 der axialen Richtung X des Wellenabschnitts 202 folgt (in dieser Ausführungsform ist sie parallel dazu). Außerdem sind die Faserbündel F1 in gegebenen Winkelintervallen in der Umfangsrichtung der Spindel 200 angeordnet. Auf diese Weise wird die erste Harzschicht 121 des gewölbten Elements 22 so gebildet, dass sie sich radial (in radialen Richtungen) vom Wellenabschnitt 202 der Spindel 200 ausbreitet.
In dem Prozess S22 zum Ausbilden einer zweiten Harzschicht wird die zweite Harzschicht 122 (siehe 7) auf der Außenfläche der Spindel 200 gebildet, um die erste Harzschicht 121 (nämlich die Faserbündel F1, die mit dem ersten Harz imprägniert sind) aus dem in 4 gezeigten Zustand zu bedecken. Ein Zustand, in dem die zweite Harzschicht 122 so ausgebildet ist, dass sie die erste Harzschicht 121 aus dem in 4 gezeigten Zustand bedeckt, ist im Wesentlichen identisch mit einem Teil des in 7 gezeigten Zustands, der später beschrieben wird; daher ist dieser Zustand in den Zeichnungen nicht dargestellt. Wenn die zweite Harzschicht 122 gebildet wird, können die Faserbündel F2, die mit nicht ausgehärtetem zweiten Harz imprägniert sind, das ein wärmehärtendes bzw. duroplastisches Harz ist, mit der Andruckrolle 210 unter Druck an der Spindel 200 angebracht werden, so dass sie die äußere Oberfläche der Spindel 200 bedecken, wobei beispielsweise das Tape-Placement-Verfahren wie in dem Fall, in dem die erste Harzschicht 121 gebildet wird, verwendet wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die Faserbündel F2 so angeordnet, dass sich die Faserrichtung der Faserbündel F2 die Faserrichtung der Faserbündel F1 schneidet bzw. kreuzt.
Anschließend wird die zweite Harzschicht 122 (d.h. das nicht ausgehärtete, duroplastische Harz, mit dem die Faserbündel F2 imprägniert sind) erhitzt und ausgehärtet. Vorzugsweise wird die Aushärtungstemperatur des duroplastischen Harzes der zweiten Harzschicht 122 auf einen niedrigeren Wert eingestellt als die Erweichungstemperatur des thermoplastischen Harzes der ersten Harzschicht 121. Die Aushärtungstemperatur des duroplastischen Harzes der zweiten Harzschicht 122 ändert sich z.B. durch Einstellen der Menge und des Typs eines im duroplastischen Harz der zweiten Harzschicht 122 enthaltenen Härters; daher kann die Aushärtungstemperatur des duroplastischen Harzes der zweiten Harzschicht 122 leicht auf einen niedrigeren Wert als die Erweichungstemperatur des thermoplastischen Harzes der ersten Harzschicht 121 eingestellt werden. Mit dieser Anordnung kann verhindert werden, dass das erste Harz der ersten Harzschicht 121 erweicht wird, wenn die zweite Harzschicht 122 ausgehärtet wird, und es kann verhindert werden, dass die in der ersten Harzschicht 121 enthaltenen Fasern abgelenkt oder verschoben werden.
In dem Entfernungsprozess S23 werden die erste Harzschicht 121 und die zweite Harzschicht 122 von der Spindel 200 entfernt. Als Ergebnis wird das gewölbte Element 22 gebildet. Somit wird die zweite Harzschicht 122 von der Spindel 200 entfernt, nachdem die zweite Harzschicht 122 erwärmt und ausgehärtet wurde, so dass die Verformung der zweiten Harzschicht 122 eingedämmt werden kann.
Wenn das gewölbte Element 23 durch einen von dem Prozess zum Ausbilden des gewölbten Elements 22 getrennten Prozess gebildet wird, wird die dritte Harzschicht 125 beispielsweise auf der Außenfläche des Hauptkörpers 201 der Spindel 200 gebildet, die nicht den Wellenabschnitt 202 aufweist. Zu diesem Zeitpunkt kann die dritte Harzschicht 125 wie die zweite Harzschicht 122 durch Anbringen von Faserbündeln, die mit einem dritten Harz, das ein duroplastisches Harz ist, imprägniert sind, auf der Spindel 200 unter Verwendung des Tape-Placement-Verfahrens gebildet werden. Dann wird die dritte Harzschicht 125 erhitzt und ausgehärtet. Danach wird die dritte Harzschicht 125 von der Spindel 200 entfernt, so dass das gewölbte Element 23 gebildet wird.
Während das in der ersten Harzschicht 121 enthaltene thermoplastische Harz nicht auf ein bestimmtes Material beschränkt ist, können Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyacrylsäureester, Polyimid, Polyamid usw. als thermoplastisches Harz verwendet werden.
Während das in der zweiten Harzschicht 122 und der dritten Harzschicht 125 enthaltene duroplastische Harz nicht auf ein bestimmtes Material beschränkt ist, wird vorzugsweise ein duroplastisches Harz, wie Phenolharz, Melaminharz, Harnstoffharz oder Epoxidharz, verwendet. Insbesondere wird im Hinblick auf die mechanische Festigkeit usw. vorzugsweise Epoxidharz verwendet. Im Allgemeinen wird das Epoxidharz durch Mischen eines Präpolymers, wie z.B. einem Copolymer aus Bisphenol A und Epichlorhydrin, mit einem Härter, wie z.B. Polyamin, und thermisches Aushärten der Mischung erhalten. Das Epoxidharz ist im ungehärteten Zustand fließfähig und bildet nach der thermischen Härtung eine stark vernetzte Struktur.
Als Fasern, die in der ersten Harzschicht 121, der zweiten Harzschicht 122 und der dritten Harzschicht 125 enthalten sind, können Glasfasern, Aramidfasern, Borfasern, Kohlenstofffasern und so weiter verwendet werden. Insbesondere werden bevorzugt Kohlenstofffasern im Hinblick auf das geringe Gewicht, die mechanische Festigkeit usw. verwendet.
Als nächstes wird der Fall beschrieben, in dem das gewölbte Element 23 zur gleichen Zeit wie (im gleichen Prozess wie) das gewölbte Element 22 gebildet wird. In diesem Verfahren wird die dritte Harzschicht 125 durch die Faserbündel F2 gebildet.
In dem Prozess S21 zum Ausbilden einer ersten Harzschicht wird die Spindel 200, wie in 6 gezeigt, verwendet. In der Spindel 200 ist der Hauptkörper 201 in einer allgemein kugelförmigen Form ausgebildet. Die erste Harzschicht 121 wird in der oben beschriebenen Weise auf der Außenfläche der Spindel 200 gebildet.
In dem Prozess S22 zum Ausbilden einer zweiten Harzschicht wird die zweite Harzschicht 122 auf der Außenfläche der Spindel 200 gebildet, um die erste Harzschicht 121 zu bedecken, wie in 7 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt kann die zweite Harzschicht 122 durch Anbringen der Faserbündel F2 an der Spindel 200 unter Verwendung des oben beschriebenen Tape-Placement-Verfahrens gebildet werden. Die zweite Harzschicht 122 kann jedoch auch durch Aufwickeln der Faserbündel F2 auf die Spindel 200 gebildet werden, z.B. mit einem Filamentwickelverfahren (FW-Verfahren). Genauer gesagt wird der Wellenabschnitt 202 der Spindel 200 an einem Rotationsmechanismus (nicht dargestellt) befestigt. Während die Spindel 200 gedreht wird, werden die Faserbündel F2 so gewickelt, dass sie die erste Harzschicht 121 und die Außenfläche der Spindel 200 bedecken. Zu diesem Zeitpunkt werden die Faserbündel F2 in einem Winkel von beispielsweise 40 Grad oder mehr in Bezug auf die axiale Richtung X des Wellenabschnitts 202 gewickelt. Anschließend wird das duroplastische Harz, mit dem die Faserbündel F2 imprägniert sind, erhitzt und ausgehärtet.
In dem Entfernungsprozess S23 wird die Wicklung (Faserbündel F2), die über die Außenfläche der Spindel 200 gelegt wurde, entlang einer Strichzweipunktlinie L von 7 in zwei Stücke geteilt, wobei ein Schneidwerkzeug (nicht gezeigt) verwendet wird.
Dann werden die Stücke, in die die Wicklung geteilt wird, von der Spindel 200 getrennt, um die beiden gewölbten Elemente 22, 23 zu bilden.
In dieser Ausführungsform wird die Ventilhalterung 14 nach dem Entfernungsprozess S23 durch Verstemmen an dem vorstehenden Abschnitt 22b befestigt. Die Ventilhalterung 14 kann jedoch an dem vorstehenden Abschnitt 22b befestigt werden, bevor das gewölbte Element 22 von der Spindel 200 entfernt wird. Außerdem kann die Ventilhalterung 14 an dem vorstehenden Abschnitt 22b befestigt werden, bevor die zweite Harzschicht 122 erhitzt und ausgehärtet wird. In diesem Fall kann die Ventilbefestigung 14 fest an dem vorstehenden Abschnitt 22b befestigt werden.
Bei dem Prozess S3 zum Ausbilden eines zylindrischen Elements wird eine Faserbahn F3 an einer Innenfläche einer rotierenden zylindrischen Spindel 300 angebracht, um das zylindrische Element 21 durch ein sogenanntes Zentrifugalwickelverfahren (CW-Verfahren) zu bilden, wie beispielsweise in 8 gezeigt. Genauer gesagt wird die zylindrische Spindel 300 durch einen Rotationsmechanismus (nicht dargestellt) mit einer gegebenen Rotationsgeschwindigkeit gedreht.
In der zylindrischen Spindel 300 ist eine Abwickelrolle 310 einer Abwickelvorrichtung (nicht dargestellt) zum Abwickeln der Faserbahn F3 in Form einer Rolle angeordnet. Die Faserbahn F3 wird abgewickelt, während die zylindrische Spindel 300 gedreht wird, so dass die Faserbahn F3 an der Innenfläche der zylindrischen Spindel 300 angebracht wird, um das zylindrische Element 21 zu bilden.
Die Faserbahn F3 hat zumindest Fasern, die in Umfangsrichtung der Abwickelrolle 310 orientiert sind. So kann das zylindrische Element 21 erhalten werden, in dem die Fasern in Umfangsrichtung orientiert sind.
Um die Faserbahn F3 zu bilden, kann eine sogenannte UD-Bahn (Unidirektionale-Bahn) verwendet werden, in der eine Vielzahl von in einer einzigen Richtung angeordneten Faserbündeln mit Bindefäden gewebt ist, oder eine Faserbahn, in der eine Vielzahl von in einer einzigen Richtung angeordneten Faserbündeln mit einer Vielzahl von Faserbündeln gewebt ist, die sich mit den obigen Faserbündeln schneiden, beispielsweise im rechten Winkel zueinander, im Voraus mit Harz imprägniert wird.
Das dritte Harz, mit dem die Faserbahn F3 imprägniert wird, ist nicht auf einen bestimmten Harztyp beschränkt, aber als drittes Harz kann z.B. ein duroplastisches Harz verwendet werden. Als drittes Harz wird, wie bei den Faserbündeln F2, vorzugsweise ein duroplastisches Harz wie Phenolharz, Melaminharz, Harnstoffharz oder Epoxidharz, verwendet. Insbesondere wird im Hinblick auf die mechanische Festigkeit etc. vorzugsweise Epoxidharz verwendet.
Als Fasern, die die Faserbahn F3 bilden, können, wie bei den Faserbündeln F1 und F2, Glasfasern, Aramidfasern, Borfasern, Kohlefasern, etc. verwendet werden. Insbesondere werden beispielsweise bevorzugt Kohlenstofffasern im Hinblick auf das geringe Gewicht, die mechanische Festigkeit usw. verwendet.
Das zylindrische Element 21 ist an der Innenfläche der zylindrischen Spindel 300 so ausgebildet, dass seine Dicke in Richtung seiner gegenüberliegenden Enden in der axialen Richtung X allmählich abnimmt, wie in 1 gezeigt. Auch die gewölbten Elemente 22, 23 sind so ausgebildet, dass die Dicke in den Umfangsrandabschnitten allmählich abnimmt. Somit ist es in einem Zustand, in dem das zylindrische Element 21 und die beiden gewölbten Elemente 22, 23 miteinander kombiniert sind, weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich, dass eine Stufe an Verbindungsabschnitten der Außenfläche des zylindrischen Elements 21 und der Außenflächen der beiden gewölbten Elemente 22, 23 gebildet wird.
Um die Dicke des zylindrischen Elements 21 in Richtung der gegenüberliegenden Enden in der axialen Richtung X allmählich zu reduzieren, ist es bevorzugt, die Faserbündel in Endabschnitte der Faserbahn F3, gesehen in der axialen Richtung X (Breitenrichtung), zu weben, so dass die Dicke der Faserbündel allmählich reduziert wird. Die Dicke kann auch allmählich reduziert werden, indem die gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements 21, in der axialen Richtung X gesehen, mit einer Walze oder ähnlichem gepresst werden. Um die Dicke der Umfangsrandabschnitte der gewölbten Elemente 22, 23 allmählich zu reduzieren, können die Anzahl der Windungen des Faserbündels F2 und die Wickelrichtung eingestellt werden, oder die Umfangsrandabschnitte können z.B. mit einer Walze gepresst werden.
Nachdem das zylindrische Element 21 erhitzt und ausgehärtet ist, wird das zylindrische Element 21 aus dem Inneren der zylindrischen Spindel 300 entfernt. Auf diese Weise kann die Verformung des zylindrischen Elements 21 eingedämmt werden, wenn das zylindrische Element 21 aus der zylindrischen Spindel 300 entfernt wird.
Während das zylindrische Element 21 im dargestellten Beispiel an der Innenfläche der zylindrischen Spindel 300 geformt wird, kann das zylindrische Element 21 durch andere Verfahren geformt werden. Beispielsweise kann das zylindrische Element 21 durch Anbringen der Faserbahn F3 an einer Außenfläche einer zylindrischen Spindel oder durch Aufwickeln von mit dem dritten Harz imprägnierten Faserbündeln über eine Außenfläche einer zylindrischen Spindel durch das FW-Verfahren gebildet werden.
Die gewölbten Elemente 22, 23 werden unter Verwendung der Spindel 200 geformt, und das zylindrische Element 21 wird unter Verwendung der zylindrischen Spindel 300 geformt. Auf diese Weise werden das zylindrische Element 21 und die gewölbten Elemente 22, 23 geformt, ohne die Faserbündel usw. direkt über die Auskleidung 11 zu wickeln. Bei dieser Anordnung wird keine Spannkraft auf die Auskleidung 11 ausgeübt, die z.B. durch Ring- oder Spiralwicklung verursacht wird, wodurch die Notwendigkeit entfällt, die Festigkeit der Auskleidung 11 zu erhöhen, um zu verhindern, dass die Auskleidung 11 durch die Spannkraft verformt wird. Dadurch kann die Dicke der Auskleidung 11 reduziert werden, so dass das Volumen der Auskleidung 11 vergrößert und das Gewicht der Auskleidung 11 reduziert werden kann.
Im Fügeprozess S4 werden Umfangsrandabschnitte 21a an den gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements 21 und Umfangsrandabschnitte 22d, 23a der beiden gewölbten Elemente 22, 23 miteinander verbunden, wie in 9 und 10 gezeigt, um den Verstärkungskörper 20 als Verstärkungsschicht zu bilden.
Genauer gesagt wird die im Prozess zum Vorbereiten der Auskleidung S1 vorbereitete Auskleidung 11 in das zylindrische Element 21 eingesetzt, und die gegenüberliegenden Endabschnitte der Auskleidung 11 werden mit den gewölbten Elementen 22, 23 bedeckt. Zu diesem Zeitpunkt werden in dieser Ausführungsform die Umfangsrandabschnitte 21a an den gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements 21, die sich auf der Außenseite befinden, an die Umfangsrandabschnitte 22d, 23a der gewölbten Elemente 22, 23, die sich auf der Innenseite befinden, angebaut. Die erste Harzschicht 121 des gewölbten Elements 22 liegt zur Innenseite (der Seite der Auskleidung 11) frei, und die erste Harzschicht 121 enthält thermoplastisches Harz; daher hat die erste Harzschicht 121 eine höhere Adhäsion an der Auskleidung 11, verglichen mit dem Fall, in dem die erste Harzschicht 121 aus duroplastischem Harz gebildet ist. Während das gewölbte Element 23 in dieser Ausführungsform aus der dritten Harzschicht 125 gebildet wird, die ein duroplastisches Harz enthält, kann das gewölbte Element 23 wie das gewölbte Element 22 auch aus einer Harzschicht, die ein thermoplastisches Harz enthält, und einer Harzschicht, die ein duroplastisches Harz enthält, gebildet werden. In diesem Fall kann die Adhäsion des gewölbten Elements 23 an der Auskleidung 11 ebenfalls erhöht werden.
In diesem Zusammenhang können die Umfangsrandabschnitte 22d, 23a der gewölbten Elemente 22, 23, die sich auf der Außenseite befinden, an die Umfangsrandabschnitte 21a an den gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements 21, die sich auf der Innenseite befinden, angebaut werden, oder die Umfangsrandabschnitte 22d, 23a der gewölbten Elemente 22, 23 können in Anlage an die Umfangsrandabschnitte 21a an den gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements 21 gebracht und mit diesen verbunden werden. Auch kann ein Klebstoff (nicht dargestellt) zwischen dem zylindrischen Element 21 und den gewölbten Elementen 22, 23 aufgebracht werden.
In dem Prozess S5 zum Ausbilden einer äußeren Verstärkungsschicht wird die äußere Verstärkungsschicht 13, in der Fasern über den beiden gewölbten Elementen 22, 23 angeordnet sind, aus faserverstärktem Harz gebildet, um die äußere Oberfläche des Verstärkungskörpers 20 zu bedecken. Dadurch wird die faserverstärkte Harzschicht 12 mit dem Verstärkungskörper 20 und der äußeren Verstärkungsschicht 13 gebildet. Beispielsweise können mit duroplastischem Harz imprägnierte Faserbündel schraubenförmig über die Außenfläche des Verstärkungskörpers 20 gewickelt werden, um die äußere Verstärkungsschicht 13 zu bilden. Außerdem kann eine Vielzahl von Faserbündeln, die mit duroplastischem Harz imprägniert sind, an der Außenfläche des Verstärkungskörpers 20 in einem Zustand angebracht werden, in dem sich die Faserbündel in der axialen Richtung X des Verstärkungskörpers 20 erstrecken, um die äußere Verstärkungsschicht 13 zu bilden. Die äußere Verstärkungsschicht 13 kann auch durch ein sogenanntes Bahnwickelverfahren gebildet werden, indem eine mit duroplastischem Harz imprägnierte Faserbahn um die äußere Oberfläche des Verstärkungskörpers 20 gewickelt wird. Anschließend wird das in der äußeren Verstärkungsschicht 13 enthaltene duroplastische Harz erhitzt und ausgehärtet. Als duroplastisches Harz und Faserbündel, die in der äußeren Verstärkungsschicht 13 enthalten sind, können z.B. dasselbe duroplastische Harz und dieselben Faserbündel verwendet werden, die auch die gewölbten Elemente 22, 23 bilden.
Anschließend wird das Ventil 15 an der Ventilhalterung 14 befestigt, so dass der Hochdrucktank 10 fertiggestellt ist. Während das Ventil 15 in dieser Ausführungsform über die Ventilbefestigung 14 an dem vorstehenden Abschnitt 22b befestigt ist, ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Beispielsweise kann das Ventil 15 direkt an der äußeren Umfangsfläche des vorstehenden Abschnitts 22b befestigt werden, ohne dass die Ventilbefestigung 14 zwischen dem Ventil 15 und dem vorstehenden Abschnitt 22b angeordnet ist. In diesem Fall kann das Ventil 15 durch Verstemmen an der äußeren Umfangsfläche des vorstehenden Abschnitts 22b befestigt werden.
Als nächstes wird die Beziehung zwischen der Faserrichtung im vorstehenden Abschnitt 22b der ersten Harzschicht 121 und der Zugfestigkeit, gemessen in der axialen Richtung X, beschrieben. Wie in 11 gezeigt, ist die Zugfestigkeit in der axialen Richtung X, wenn die Faserrichtung der ersten Harzschicht 121 in dem vorstehenden Abschnitt 22b parallel zur axialen Richtung X ist (90 Grad in 11), als 100 definiert, wobei die Zugfestigkeit auf etwa 90, 65 und 33 reduziert wird, wenn die Faserrichtung jeweils um 10 Grad, 20 Grad und 30 Grad (entsprechend 80 Grad, 70 Grad und 60 Grad in 11), in Bezug auf die axiale Richtung X geneigt wird. Normalerweise beträgt der durch das FW-Verfahren gebildete Winkel 0 bis 30 Grad in 11; daher wird die Zugfestigkeit etwa 8 betragen, wenn der vorstehende Abschnitt 22b durch das FW-Verfahren gebildet wird.
In dieser Ausführungsform ist die erste Harzschicht 121 so ausgebildet, dass die Faserrichtung in dem vorstehenden Abschnitt 22b der axialen Richtung X des vorstehenden Abschnitts 22b folgt, genauer gesagt so, dass der Neigungswinkel der Faserrichtung in Bezug auf die axiale Richtung X 20 Grad oder weniger, vorzugsweise 10 Grad oder weniger und noch bevorzugter 0 Grad beträgt (entsprechend 70 Grad oder mehr, 80 Grad oder mehr und 90 Grad in 11). Mit dieser Anordnung kann eine ausreichende Zugfestigkeit des vorstehenden Abschnitts 22b sichergestellt werden.
In dieser Ausführungsform sind die Faserbündel F1 so angeordnet, dass die Faserrichtung im vorstehenden Abschnitt 22b der axialen Richtung X des vorstehenden Abschnitts 22b folgt, wie oben beschrieben. So kann eine ausreichende Zugfestigkeit des vorstehenden Abschnitts 22b in axialer Richtung sichergestellt werden. Außerdem sind die Faserbündel F1 so angeordnet, dass sie sich kontinuierlich von dem vorstehenden Abschnitt 22b zu dem gewölbten Hauptkörper 22a erstrecken, und die Faserbündel F2 sind über den Faserbündeln F1 angeordnet. Dadurch halten die Faserbündel F2 die Bewegung der Faserbündel F1 zurück und können verhindern, dass der vorstehende Abschnitt 22b aus dem gewölbten Hauptkörper 22a herausgezogen wird. Da die Faserbündel F2 so angeordnet sind, dass die Faserrichtung der Faserbündel F2 die Faserrichtung der Faserbündel F1 schneidet, kann auch die Zugfestigkeit in anderen Richtungen, wie z.B. in radialen Richtungen, sowie die Zugfestigkeit in der axialen Richtung X sichergestellt werden. Dementsprechend ist es weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich, dass der vorstehende Abschnitt 22b beschädigt wird, selbst wenn der Druck innerhalb des Hochdrucktanks 10 hoch wird und eine große Kraft nach außen in der axialen Richtung X auf das Ventil 15 wirkt, das am distalen Ende des vorstehenden Abschnitts 22b angebracht ist, wodurch ebenfalls eine große Kraft nach außen in der axialen Richtung X auf den vorstehenden Abschnitt 22b wirkt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, eine Kappe vorzusehen, und das Gewicht des Hochdrucktanks 10 kann reduziert werden.
Außerdem ist, wie oben beschrieben, das erste Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert sind, ein thermoplastisches Harz, und das zweite Harz, mit dem die Faserbündel F2 imprägniert sind, ist ein duroplastisches Harz. Da das erste Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert sind, ein thermoplastisches Harz ist, wird, wenn die Faserbündel F1 auf der Oberfläche der Spindel 200 oder der Auskleidung 11 angeordnet werden, beispielsweise in einem Zustand, in dem das erste Harz erweicht ist, die Wärme der Faserbündel F1 durch die Spindel 200 oder die Auskleidung 11 abgeführt oder geht an diese verloren, und das Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert sind, wird verfestigt. Dann werden die Faserbündel F2 auf die Faserbündel F1 in einem Zustand gelegt, in dem das erste Harz erstarrt ist. Dadurch werden die Faserbündel F1 nicht abgelenkt oder verschoben, wenn die Faserbündel F2 darauf angeordnet werden, und es ist weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich, dass die Zugfestigkeit des vorstehenden Abschnitts 22b in der axialen Richtung X reduziert wird. Da das zweite Harz, mit dem die Faserbündel F2 imprägniert sind, ein duroplastisches Harz ist, kann auch die mechanische Festigkeit des vorstehenden Abschnitts 22b nach dem Aushärten des zweiten Harzes leicht verbessert werden.
Zweite Ausführungsform
Anders als bei der ersten Ausführungsform bilden in der zweiten Ausführungsform die mit thermoplastischem Harz imprägnierten Faserbündel F1 die Innenflächen (Flächen, die mit Wasserstoffgas in Berührung kommen, wie später beschrieben wird) der gewölbten Elemente 22, 23.
In dem Hochdrucktank 10 dieser Ausführungsform ist die Auskleidung 11 nur aus einem zylindrischen Abschnitt gebildet, wie in 12 gezeigt.
In dieser Ausführungsform besteht das gewölbte Element 22 aus einer ersten Harzschicht 121 und einer zweiten Harzschicht 122, die zur Abdeckung der ersten Harzschicht 121 ausgebildet ist. Anders als bei der ersten Ausführungsform ist die erste Harzschicht 121 über den gesamten Bereich der Innenfläche (Fläche, die mit Wasserstoffgas in Berührung kommt, nämlich die Innenfläche des gewölbten Hauptkörpers 22a und die Innenfläche des vorstehenden Abschnitts 22b) ausgebildet.
Außerdem besteht das gewölbte Element 23 anders als bei der ersten Ausführungsform aus einer vierten Harzschicht 126 und einer dritten Harzschicht 125, die die vierte Harzschicht 126 bedeckt. Die vierte Harzschicht 126 besteht aus Faserbündeln, die mit thermoplastischem Harz imprägniert sind, und ist über den gesamten Bereich der Innenfläche (Fläche, die mit Wasserstoffgas in Berührung kommt) ausgebildet.
Die gewölbten Elemente 22, 23 haben nämlich Gasbarriereeigenschaften über die gesamten Bereiche der Innenflächen und haben die gleichen Funktionen wie die kuppelartigen gegenüberliegenden Endabschnitte der Auskleidung 11 der ersten Ausführungsform. So ist in dieser Ausführungsform die Auskleidung 11 in einer zylindrischen Form ausgebildet, die an ihren gegenüberliegenden Enden offen ist. Dann bilden der zylindrische Auskleidung 11, die erste Harzschicht 121 und die vierte Harzschicht 126 den Aufnahmeraum 17, der mit Wasserstoffgas gefüllt ist.
Der übrige Aufbau der zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen identisch dem der ersten Ausführungsform.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 10 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In dieser Ausführungsform wird in dem Prozess S1 zum Vorbereiten der Auskleidung die zylindrische Auskleidung 11, die an ihren gegenüberliegenden Enden offen ist, hergestellt. Das Verfahren zum Herstellen der Auskleidung 11 ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt, und die Auskleidung 11 kann mit einer bekannten Technologie hergestellt werden.
Wie in der ersten Ausführungsform umfasst der Prozess S2 zum Ausbilden eines gewölbten Elements den Prozess S21 zum Ausbilden der ersten Harzschicht, den Prozess S22 zum Ausbilden der zweiten Harzschicht und den Entfernungsprozess S23, wie in 3 gezeigt.
In dem Prozess S21 zum Ausbilden der ersten Harzschicht wird die erste Harzschicht 121 so gebildet, dass sie den gesamten Bereich der Außenfläche der Spindel 200 bedeckt, wie in 13 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt können alle Faserbündel F1 so an der Spindel 200 angebracht werden, dass sie sich radial (in radialen Richtungen) von dem Wellenabschnitt 202 der Spindel 200 ausbreiten, wie in 13 gezeigt, oder die Faserbündel F1 können zusätzlich in verschiedenen Winkeln an der Spindel 200 angebracht werden, beispielsweise von dem in 4 oder 6 gezeigten Zustand aus, so dass die Faserbündel F1 sich mit den in 4 oder 6 gezeigten überschneiden. Auf diese Weise wird die erste Harzschicht 121 des gewölbten Elements 22 gebildet.
Während die vierte Harzschicht 126 des gewölbten Elements 23 im Wesentlichen auf die gleiche Weise gebildet werden kann wie die erste Harzschicht 121, braucht die vierte Harzschicht 126 nicht so angeordnet werden, dass sie sich radial vom Wellenabschnitt 202 der Spindel 200 ausbreitet, da das gewölbte Element 23 nicht den vorstehenden Abschnitt 22b aufweist. Auch kann das gewölbte Element 23 zur gleichen Zeit (im gleichen Prozess) wie das gewölbte Element 22 gebildet werden, wie in der ersten Ausführungsform.
Die anderen Prozesse im Herstellungsverfahren der zweiten Ausführungsform sind im Wesentlichen die gleichen wie die der ersten Ausführungsform.
Bei der zweiten Ausführungsform bilden die Faserbündel F1 bei der Bildung der gewölbten Elemente 22, 23 die Oberflächen der gewölbten Elemente 22, 23, die mit Wasserstoffgas in Berührung kommen. Da das thermoplastische Harz Gasbarriereeigenschaften hat, besteht keine Notwendigkeit, die Auskleidung 11 (ihre kuppelartigen gegenüberliegenden Endabschnitte) entlang der Innenflächen der gewölbten Elemente 22, 23 vorzusehen, wenn die mit thermoplastischem Harz imprägnierten Faserbündel F1 die Flächen der gewölbten Elemente 22, 23 bilden, die mit Wasserstoffgas in Berührung kommen. Dadurch kann das Gewicht des Hochdrucktanks 10 weiter reduziert werden.
Die anderen Effekte der zweiten Ausführungsform sind im Wesentlichen die gleichen wie die der ersten Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
In der dritten Ausführungsform ist im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ein Einsatz 16 zur Befestigung eines Ventils 18 aus Metall innerhalb des vorstehenden Abschnitts 22b des gewölbten Elements 22 angeordnet.
Bei dem Hochdrucktank 10 dieser Ausführungsform ist der Einsatz 16, der aus Metall besteht und beispielsweise eine zylindrische Form aufweist, innerhalb des vorstehenden Abschnitts 22b des gewölbten Elements 22 angeordnet, wie in 15 gezeigt. In dieser Ausführungsform besteht das gewölbte Element 22 aus der Auskleidung 11, dem Einsatz 16, der ersten Harzschicht 121, die zur Abdeckung der Auskleidung 11 und des Einsatzes 16 ausgebildet ist, und der zweiten Harzschicht 122, die zur Abdeckung der ersten Harzschicht 121 ausgebildet ist.
Der Einsatz 16 hat an seiner Innenumfangsfläche ein Innengewinde 16a. Der Einsatz 16 ist innerhalb der ersten Harzschicht 121 des gewölbten Elements 22 angeordnet, so dass er in axialer Richtung gesehen an ein distales Ende eines zylindrischen, vorstehenden Abschnitts der Auskleidung 11 angrenzt. Der Einsatz 16, der eine zylindrische Form hat, weist in axialer Richtung des Hochdrucktanks 10 gesehen einen sich verjüngenden inneren Endabschnitt auf, d.h. der Durchmesser des inneren Endabschnitts des Einsatzes 16 nimmt allmählich ab.
Das Ventil 18 ist mit einem Einsetzabschnitt 18a ausgebildet, der in den vorstehenden Abschnitt 22b eingesetzt ist. An der äußeren Umfangsfläche des Einsetzabschnitts 18a sind ein Außengewinde 18b, das in das Innengewinde 16a des Einsatzes 16 eingreift, und ein Dichtungselement 18c, das den Aufnahmeraum 17 abdichtet, angeordnet. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, ist das Ventil 18 mit einem Durchgang ausgebildet, durch den Wasserstoffgas strömt, wie der Durchgang 15d des Ventils 15 der ersten Ausführungsform, wie in 1 gezeigt.
Der übrige Aufbau der dritten Ausführungsform ist im Wesentlichen identisch dem der ersten Ausführungsform.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 10 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In dieser Ausführungsform wird in dem Prozess S21 zum Ausbilden einer ersten Harzschicht zum Aufbringen der Faserbündel F1 (erste Faserbündel) der Einsatz 16 mit dem Innengewinde 16a auf der Innenumfangsfläche durch den Außenumfang eines distalen Endabschnitts des Wellenabschnitts 202 der in 4 gezeigten Spindel 200 gehalten. Dann werden die Faserbündel F1 über den Außenumfang des Einsatzes 16 und den Außenumfang der Spindel 200 gelegt.
Die anderen Prozesse des Herstellungsverfahrens der dritten Ausführungsform sind im Wesentlichen die gleichen wie die der ersten Ausführungsform. Genauer gesagt wird in dem Prozess S21 zum Ausbilden einer ersten Harzschicht, der dem der ersten Ausführungsform ähnlich ist, die erste Harzschicht 121 auf der Außenfläche des Einsatzes 16 und der Außenfläche der Spindel 200 gebildet, wie in 4 oder 14 gezeigt. Hier sind, wie bei der ersten Ausführungsform, die Faserbündel F1, die die erste Harzschicht 121 bilden, auf dem Einsatz 16 und dem Wellenabschnitt 202 so angeordnet, dass die Faserrichtung der axialen Richtung X des Wellenabschnitts 202 folgt (die Faserrichtung ist in dieser Ausführungsform parallel zur axialen Richtung X). Somit sind in der ersten Harzschicht 121 des in 15 gezeigten vorstehenden Abschnitts 22b die Faserbündel F1 so angeordnet, dass sie sich entlang der axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts 22b erstrecken (parallel zur axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts 22b in dieser Ausführungsform).
In dem Prozess S22 zum Ausbilden einer zweiten Harzschicht, der dem der ersten Ausführungsform ähnlich ist, wird die zweite Harzschicht 122 auf der Außenfläche der Spindel 200 gebildet, um die erste Harzschicht 121 (nämlich die Faserbündel F1, die mit dem ersten Harz imprägniert sind) zu bedecken, wie in 16 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Faserbündel F2, die die zweite Harzschicht 122 bilden, zumindest auf dem Außenumfang des Einsatzes 16 und dem Außenumfang des Wellenabschnitts 202 angeordnet, so dass die Faserrichtung der Faserbündel F2 die Faserrichtung der Faserbündel F1 schneidet (im rechten Winkel oder in einem Winkel gleich oder größer als 80 Grad in dieser Ausführungsform).
Außerdem sind die Faserbündel F2, die auf den Außenumfang des Einsatzes 16 und den Außenumfang des Wellenabschnitts 202 gewickelt sind, kontinuierlich vom Außenumfang des Einsatzes 16 und dem Außenumfang des Wellenabschnitts 202 zum Außenumfang der kuppelartigen Spindel 200 gewickelt. Da die Faserbündel F2 auf diese Weise integral und kontinuierlich vom Einsatz 16 und dem Wellenabschnitt 202 zur Spindel 200 gewickelt sind, wird die zweite Harzschicht 122, die sich kontinuierlich vom vorstehenden Abschnitt 22b des in 15 gezeigten gewölbten Elements 22 zu seinem kuppelartigen Abschnitt erstreckt, integral durch Wickeln gebildet.
Wie in 17 gezeigt, umfasst ein bekannter Hochdrucktank 90 einen Tankhauptkörper 91 und eine Kappe 92, die an einem offenen, länglichen Endabschnitt des Tankhauptkörpers 91 angebracht ist. Der Tankhauptkörper 91 enthält eine Auskleidung 911 zur luftdichten Aufnahme von Wasserstoffgas und eine Verstärkungsschicht 912, die durch Wickeln von mit Harz imprägnierten Faserbündeln auf ihrer Außenfläche verstärkt ist. Die Kappe 92 hat auf der in axialer Richtung des Hochdrucktanks 900 gesehenen Innenseite einen Flanschabschnitt 921, dessen Durchmesser größer ist als der des anderen Abschnitts. Die Kappe 92 hat ein Innengewinde oder ein Außengewinde, und ein Ventil (nicht dargestellt) ist mit der Kappe 92 verschraubt und daran befestigt.
In dem bekannten Hochdrucktank 90 wirkt die Schubkraft TF in der axialen Richtung des Hochdrucktanks 90 von dem Flanschabschnitt 921 der Kappe 92, die den Innendruck des Hochdrucktanks 90 aufnimmt, nach außen auf die Verstärkungsschicht 912. Wie in 18 gezeigt, erhöht die Schubkraft TF die auf die Fasern wirkende Spannung an einem äußeren Randabschnitt 921a des Flanschabschnitts 921 der Kappe 92 und an Faserkreuzungsabschnitten 921x am Flanschabschnitt 921 der Kappe 92, und es werden im Hochdrucktank 900 spannungskonzentrierte Abschnitte SC erzeugt. Außerdem kann während des Befüllens des Hochdrucktanks 900 bei niedriger Temperatur aufgrund eines Unterschieds im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen der Verstärkungsschicht 912 und der Kappe 92 eine Zugkraft PF auf die Verstärkungsschicht 912 an einem äußeren Umfangsabschnitt des Flanschabschnitts 921 des Deckels 92 aufgebracht werden, wie in 17 gezeigt, und die Auskleidung 911 kann gedehnt und beschädigt werden.
Andererseits werden bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 10 gemäß dieser Ausführungsform bei dem Prozess zum Anordnen der Faserbündel F1 (erste Faserbündel) die Faserbündel F1 auf dem Außenumfang des Einsatzes 16 mit dem Innengewinde 16a auf der Innenumfangsfläche angeordnet. Auf diese Weise kann der Hochdrucktank 10 hergestellt werden, in dem der zylindrische Einsatz 16 innerhalb des vorstehenden Abschnitts 22b des gewölbten Elements 22 angeordnet ist und der Einsatz 16 das Innengewinde 16a auf der Innenumfangsfläche aufweist.
Somit ist das Außengewinde 18b an der Außenumfangsfläche des Ventils 18 mit dem Innengewinde 16a an der Innenumfangsfläche des Einsatzes 16 in Eingriff, so dass das Ventil 18 an dem zylindrischen Einsatz 16 befestigt werden kann, der innerhalb des vorstehenden Abschnitts 22b angeordnet ist. Mit dieser Anordnung wird die Zugkraft, die aufgrund des Innendrucks P des Hochdrucktanks 10 erzeugt wird, auf den gesamten Umfang eines Verbindungsabschnitts des gewölbten Hauptkörpers 22a und des vorstehenden Abschnitts 22b des gewölbten Elements 22 aufgebracht, und es wird verhindert, dass sich die Spannung in bestimmten Abschnitten konzentriert, wie z.B. in den Kreuzungsabschnitten der Faserbündel F1, F2.
Somit kann selbst dann, wenn der Innendruck P des Hochdrucktanks 10 auf das Ventil 18 wirkt und eine Zugkraft in axialer Richtung des Hochdrucktanks 10 nach außen auf den vorstehenden Abschnitt 22b wirkt, eine Spannungskonzentration auf bestimmte Abschnitte vermieden werden, und die Auslastungsquote der Festigkeit der Faserbündel F1, F2 kann verbessert werden. Dementsprechend kann der Verbrauch der Faserbündel F1, F2 reduziert werden, und das Gewicht des Hochdrucktanks 10 kann verringert werden. Außerdem kann durch die so vermiedene Spannungskonzentration eine Beschädigung der Auskleidung 11 verhindert werden.
Die Faserbündel F1 (erste Faserbündel) können auf dem äußeren Umfang der Faserbündel F2 (zweite Faserbündel) angeordnet sein, die auf dem äußeren Umfang des Einsatzes 16 angeordnet sind, und die Faserbündel F2 können weiter auf dem äußeren Umfang der Faserbündel F1 angeordnet sein, so dass eine Zwischenschicht zwischen den Faserbündeln F2 angeordnet sein kann. In diesem Fall können die Faserbündel F2 mit den gegenüberliegenden Oberflächen der Faserbündel F1 verklebt werden.
Die anderen Effekte der dritten Ausführungsform sind im Wesentlichen die gleichen wie die der ersten Ausführungsform.
Die hier offenbarten Ausführungsformen sollen als nicht einschränkend sondern als in jeder Hinsicht beispielhaft angesehen werden. Der Umfang der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert, und nicht durch die obige Beschreibung der Ausführungsformen, und umfasst alle Änderungen innerhalb der Bedeutung und des Bereichs der Ansprüche und deren Äquivalente.
In den gezeigten Ausführungsformen werden die beiden gewölbten Elemente und das zylindrische Element separat ausgebildet und dann miteinander verbunden, um den Verstärkungskörper als Verstärkungsschicht zu bilden. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise können die ersten Faserbündel und die zweiten Faserbündel auf eine Oberfläche einer Auskleidung aus Harz angeordnet und durch ein bekanntes Herstellungsverfahren geformt werden, so dass das zylindrische Element und zwei gewölbte Elemente der Verstärkungsschicht gleichzeitig gebildet werden. In diesem Fall ist der Prozess zum Verbinden des zylindrischen Elements und der beiden gewölbten Elemente nicht erforderlich.
Während die ersten Faserbündel in den dargestellten Ausführungsformen mit thermoplastischem Harz imprägniert sind, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt, und die ersten Faserbündel können mit duroplastischem Harz imprägniert sein. In diesem Fall kann während dem Anordnen der ersten Faserbündel Heißluft auf die ersten Faserbündel aufgebracht werden, so dass das duroplastische Harz, mit dem die ersten Faserbündel imprägniert sind, ausgehärtet und verfestigt wird. Da es jedoch einfacher ist, thermoplastisches Harz zu verfestigen, werden die ersten Faserbündel vorzugsweise mit dem thermoplastischen Harz imprägniert.
In den dargestellten Ausführungsformen sind die zweiten Faserbündel mit duroplastischem Harz imprägniert. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, und die zweiten Faserbündel können auch mit thermoplastischem Harz imprägniert sein. Im Hinblick auf die mechanische Festigkeit ist es jedoch bevorzugt, die zweiten Faserbündel mit duroplastischem Harz zu imprägnieren.
In den dargestellten Ausführungsformen ist die erste Harzschicht 121 so angeordnet, dass sie sich von dem vorstehenden Abschnitt 22b bis zum Umfangsrandabschnitt des gewölbten Hauptkörpers 22a erstreckt. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, und die erste Harzschicht 121 braucht sich nicht bis zu dem Umfangsrandabschnitt des gewölbten Hauptkörpers 22a zu erstrecken, vorausgesetzt, dass diese derart angeordnet ist, dass sie sich von dem vorstehenden Abschnitt 22b zu dem gewölbten Hauptkörper 22a erstreckt. Wie beispielsweise in 14 gezeigt, ist es nicht erforderlich, dass sich die Faserbündel F1 bis zum Umfangsrandabschnitt des Hauptkörpers 201 der Spindel 200 erstrecken, vorausgesetzt, dass sie so angeordnet sind, dass sie sich vom Wellenabschnitt 202 zum Hauptkörper 201 erstrecken.
Während das zylindrische Element durch ein einzelnes Element in den dargestellten Ausführungsformen gebildet wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das zylindrische Element durch zwei oder mehr Elemente gebildet werden. In diesem Fall können, nachdem die zwei oder mehr zylindrischen Elemente miteinander verbunden sind, gewölbte Elemente an den gegenüberliegenden Enden der Baugruppe angebracht werden. Auch können, nachdem eines der zylindrischen Elemente mit jedem der gewölbten Elemente verbunden ist, die zylindrischen Elemente mit den gewölbten Elementen zusammengefügt werden.
In den dargestellten Ausführungsformen werden, nachdem die Auskleidung vorbereitet ist, das zylindrische Element und die gewölbten Elemente über die Auskleidung gelegt und miteinander verbunden. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Nachdem das zylindrische Element und die gewölbten Elemente miteinander verbunden sind, um den Verstärkungskörper zu bilden, kann die Auskleidung beispielsweise innerhalb des Verstärkungskörpers geformt werden. In diesem Fall kann die Auskleidung durch Reaktionsspritzgießen gebildet werden, wobei zwei oder mehr Arten von flüssigen Materialien mit niedrigem Molekulargewicht und niedriger Viskosität, die bei normalen Temperaturen fließfähig sind, als Harzmaterial verwendet werden. Der Auskleidung kann auch durch Blasformen gebildet werden, z.B. durch Extrudieren eines Harzmaterials, das erwärmt und erweicht ist, in den Verstärkungskörper in einer zylindrischen Form, und durch Zuführen von Druckluft in das Innere des zylindrischen Harzmaterials. Die Auskleidung kann auch durch thermisches Spritzen ausgebildet werden, z.B. durch Spritzen eines verflüssigten oder erweichten Harzmaterials auf die Innenfläche des Verstärkungskörpers.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018179201 A [0003]
JP 2018 A [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks, wobei der Hochdrucktank eine Auskleidung (11), die Gas enthält, und eine Verstärkungsschicht (20) aufweist, die aus faserverstärktem Harz besteht und eine Außenfläche der Auskleidung (11) bedeckt, wobei die Verstärkungsschicht (20) ein zylindrisches Element (21) und zwei gewölbte Elemente (22, 23) aufweist, die an gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements (21) angeordnet und integral mit dem zylindrischen Element (21) ausgebildet sind, wobei eines der gewölbten Elemente (22) einen gewölbten Hauptkörper (22a) und einen zylindrischen vorstehenden Abschnitt (22b) umfasst, der von dem gewölbten Hauptkörper (22a) vorsteht, und einen Gaskanal (22c) hat, der zum Einfüllen und Austragen des Gases verwendet wird, wobei das Verfahren umfasst: einen Prozess zum Ausbilden des zumindest einen der gewölbten Elemente (22), wobei der Prozess zum Ausbilden des zumindest einen der gewölbten Elemente (22) umfasst Anordnen erster Faserbündel (F1), die mit einem ersten Harz imprägniert sind, so dass die ersten Faserbündel (F1) einen Teil des vorstehenden Abschnitts (22b) und einen Teil des gewölbten Hauptkörpers (22a) bilden, und Anordnen zweiter Faserbündel (F2), die mit einem zweiten Harz imprägniert sind, so dass die zweiten Faserbündel (F2) die ersten Faserbündel (F1) bedecken, wobei die ersten Faserbündel (F1) so angeordnet werden, dass eine Faserrichtung der ersten Faserbündel (F1) in dem vorstehenden Abschnitt (22b) einer axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts (22b) folgt, und die ersten Faserbündel (F1) sich kontinuierlich von dem vorstehenden Abschnitt (22b) zu dem gewölbten Hauptkörper (22a) erstrecken, und das erste Harz, mit dem die ersten Faserbündel (F1) imprägniert sind, verfestigt wird, während die ersten Faserbündel (F1) angeordnet werden, und wobei die zweiten Faserbündel (F2) so angeordnet werden, dass eine Faserrichtung der zweiten Faserbündel (F2) die Faserrichtung der ersten Faserbündel (F1) kreuzt.
Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks nach Anspruch 1, wobei das erste Harz ein thermoplastisches Harz ist; das zweite Harz ein duroplastisches Harz ist; während die ersten Faserbündel (F1) in einem Zustand angeordnet werden, in dem das erste Harz erweicht ist, das erste Harz, mit dem die ersten Faserbündel (F1) imprägniert sind, verfestigt wird; und die zweiten Faserbündel (F2) in einem Zustand angeordnet werden, in dem das zweite Harz ungehärtet ist, und dann das zweite Harz erhitzt und gehärtet wird.
Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks nach Anspruch 2, wobei beim Ausbilden der beiden gewölbten Elemente (22, 23) Oberflächen der gewölbten Elemente (22, 23), die mit dem Gas in Berührung kommen, durch die ersten Faserbündel (F1) gebildet werden.
Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten Faserbündel (F1) an einem Außenumfang eines Einsatzes (16) angeordnet werden, der innerhalb des vorstehenden Abschnitts (22b) angeordnet ist und ein Innengewinde an einer Innenumfangsfläche aufweist.
Hochdrucktank (10), aufweisend: eine Auskleidung (11), die so konfiguriert ist, dass sie Gas enthält; und eine Verstärkungsschicht (20), die aus faserverstärktem Harz besteht und so konfiguriert ist, dass sie eine Außenfläche der Auskleidung (11) bedeckt, wobei die Verstärkungsschicht (20) ein zylindrisches Element (21) und zwei gewölbte Elemente (22, 23) aufweist, die an gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Elements (21) angeordnet und integral mit dem zylindrischen Element (21) ausgebildet sind, wobei eines der gewölbten Elemente (22) einen gewölbten Hauptkörper (22a) und einen vorstehenden Abschnitt (22b) umfasst, der von dem gewölbten Hauptkörper (22a) vorsteht, und einen Gaskanal (22c) hat, der zum Einfüllen und Austragen des Gases verwendet wird, wobei der gewölbte Hauptkörper (22a) und der vorstehende Abschnitt (22b) durch erste Faserbündel (F1), die mit einem ersten Harz imprägniert sind, und zweite Faserbündel (F2), die mit einem zweiten Harz imprägniert sind, gebildet sind, wobei die ersten Faserbündel (F1) einen Teil des vorstehenden Abschnitts (22b) und einen Teil des gewölbten Hauptkörpers (22a) bilden und kontinuierlich von dem vorstehenden Abschnitt (22b) zu dem gewölbten Hauptkörper (22a) angeordnet sind, so dass eine Faserrichtung der ersten Faserbündel (F1) in dem vorstehenden Abschnitt (22b) einer axialen Richtung des vorstehenden Abschnitts (22b) folgt, und wobei die zweiten Faserbündel (F2) die ersten Faserbündel (F1) bedecken und so angeordnet sind, dass eine Faserrichtung der zweiten Faserbündel (F2) die Faserrichtung der ersten Faserbündel (F1) kreuzt.
Hochdrucktank (10) nach Anspruch 5, wobei: das erste Harz ein thermoplastisches Harz ist; das zweite Harz ein duroplastisches Harz ist; und Oberflächen der gewölbten Elemente (22, 23), die mit dem Gas in Berührung kommen, durch die ersten Faserbündel (F1) gebildet sind.
Hochdrucktank (10) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei: ein zylindrischer Einsatz (16) innerhalb des vorstehenden Abschnitts (22b) angeordnet ist; und der Einsatz (16) ein Innengewinde an einer Innenumfangsfläche aufweist.