DE102021115080A1

DE102021115080A1 - Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks

Info

Publication number: DE102021115080A1
Application number: DE102021115080.9A
Authority: DE
Inventors: Koji Katano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2022-01-13
Also published as: US11654607B2; CN113910648B; JP7351267B2; JP2022022824A; CN113910648A; US20220009150A1

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks (100) umfasst einen Schritt des Ausbildens eines Verstärkungsrohrabschnitts (60) mit einem geraden Rohrabschnitt (62) und Abschnitten (64) mit reduziertem Durchmesser, einen Schritt des Ausbildens von Verstärkungskuppelabschnitten (50), einen Schritt des Ausbildens eines Verbundkörpers (40) durch Verbinden des Verstärkungsrohrabschnitts (60) und der Verstärkungskuppelabschnitte (50) und einen Schritt des Ausbildens einer äußeren spiralförmigen Schicht (70) auf einer Außenfläche des Verbundkörpers (40). Die Verstärkungskuppelabschnitte (50) sind so angeordnet, dass Öffnungsenden (51) der Verstärkungskuppelabschnitte (50) auf den Außenflächen der Abschnitte (64) mit reduziertem Durchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts (60) positioniert sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Die japanische Patentanmeldung JP 2012- 149 739 A beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks, das einen Schritt zum Ausbilden einer Verstärkungsschicht durch Wickeln von harzimprägnierten Fasern auf eine Außenfläche einer Auskleidung durch Filamentwicklung umfasst.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Als neues Herstellungsverfahren, das das herkömmliche Verfahren ersetzen soll, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung ein Verfahren konzipiert, bei dem ein Rohrabschnitt einer Verstärkungsschicht und Kuppelabschnitte separat geformt werden, woraufhin diese zu einem Verbundkörper verbunden werden, und eine äußere spiralförmige Schicht auf der Außenseite des Verbundkörpers ausgebildet wird, um eine Verstärkungsschicht zu bilden. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat jedoch festgestellt, dass dieses neue Herstellungsverfahren insofern problematisch ist, als zwischen dem Rohrabschnitt des Verbundkörpers und der äußeren spiralförmigen Schicht ein Spalt von beträchtlicher Größe vorhanden ist, und die Festigkeit des Hochdrucktanks aufgrund dieses Spalts abnimmt.
Die vorliegende Erfindung kann gemäß dem folgenden Aspekt realisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks angegeben, der eine Auskleidung, die Gasbarriereeigenschaften aufweist, und eine um die Auskleidung herum angeordnete Verstärkungsschicht umfasst. Das Verfahren umfasst (a) einen Schritt des Ausbildens eines Verstärkungsrohrabschnitts, der aus faserverstärktem Harz besteht, wobei der Verstärkungsrohrabschnitt einen geraden Rohrabschnitt und Abschnitte mit reduziertem Durchmesser aufweist, die an jeweiligen Enden des geraden Rohrabschnitts angeordnet sind und deren Außendurchmesser zu Endabschnitten des Verstärkungsrohrabschnitts abnimmt, (b) einen Schritt des Ausbildens von Verstärkungskuppelabschnitten, die aus faserverstärktem Harz bestehen und so geformt sind, dass ein Außendurchmesser jedes der Verstärkungskuppelabschnitte von einem Ende zu einem Öffnungsende an einem anderen Ende zunimmt, (c) einen Schritt des Ausbildens eines Verbundkörpers durch Anordnen der Verstärkungskuppelabschnitte an jeweiligen Enden des Verstärkungsrohrabschnitts, so dass das Öffnungsende jedes der Verstärkungskuppelabschnitte an einer Außenfläche eines entsprechenden der Abschnitte mit reduziertem Durchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts positioniert ist, und Verbinden des Verstärkungsrohrabschnitts und der Verstärkungskuppelabschnitte, und (d) einen Schritt des Ausbildens einer äußeren spiralförmigen Schicht durch Ausführen eines spiralförmigen Wickelns einer harzimprägnierten Faser auf eine Außenfläche des Verbundkörpers, wodurch die Verstärkungsschicht gebildet wird, die den Verstärkungsrohrabschnitt, die Verstärkungskuppelabschnitte und die äußere spiralförmige Schicht enthält. Gemäß diesem Verfahren werden die Öffnungsenden der Verstärkungskuppelabschnitte so angeordnet, dass sie auf den Außenflächen der Abschnitte mit reduziertem Durchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts positioniert sind, und dementsprechend kann die Möglichkeit, dass ein großer Spalt zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt und der äußeren spiralförmigen Schicht gebildet wird, im Vergleich zu der Anordnung der Öffnungsenden der Verstärkungskuppelabschnitte so, dass sie auf der Außenfläche des geraden Rohrabschnitts des Verstärkungsrohrabschnitts positioniert sind, reduziert werden, und eine übermäßige Abnahme der Festigkeit des Hochdrucktanks kann unterdrückt werden.
Bei dem vorstehend genannten Verfahren können in Schritt (b) die Verstärkungskuppelabschnitte so ausgebildet werden, dass ein maximaler Außendurchmesser jedes der Verstärkungskuppelabschnitte gleich oder kleiner als ein maximaler Außendurchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts ist. Gemäß diesem Verfahren ist der maximale Außendurchmesser des Verstärkungskuppelabschnitts gleich oder kleiner als der maximale Außendurchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts, und dementsprechend kann die Möglichkeit, dass ein großer Spalt zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt und der äußeren spiralförmigen Schicht gebildet wird, weiter reduziert werden.
Bei dem vorstehend genannten Verfahren kann der Schritt (c) einen Schritt des Auftragens von Harz auf einen Abschnitt umfassen, der ein Spalt ist, der in Schritt (d) unterhalb der äußeren spiralförmigen Schicht an einer Grenze zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt und jedem der Verstärkungskuppelabschnitte gebildet wird. Gemäß diesem Verfahren wird Harz im Voraus auf den Abschnitt aufgetragen, der in Schritt (d) einen Spalt bildet, und dementsprechend kann der Spalt noch kleiner gemacht werden.
Bei dem vorstehend genannten Verfahren kann der Schritt (b) (i) einen Schritt des Ausbildens eines dünnwandigen Abschnitts, dessen Dicke geringer ist als die anderer Abschnitte jedes der Verstärkungskuppelabschnitte, an dem anderen Ende jedes der Verstärkungskuppelabschnitte einschließlich des Öffnungsendes umfassen. Gemäß diesem Verfahren kann der Spalt zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt und der äußeren spiralförmigen Schicht noch kleiner gemacht werden, indem die dünnwandigen Abschnitte an den Endabschnitten der Verstärkungskuppelabschnitte gebildet werden.
Bei dem vorstehend genannten Verfahren kann der Schritt (i) ein Schritt des Ausbildens des dünnwandigen Abschnitts durch Reduzieren einer Harzmenge am anderen Ende jedes der Verstärkungskuppelabschnitte sein. Gemäß diesem Verfahren können die dünnwandigen Abschnitte durch Reduzierung der Harzmenge an den Endabschnitten der Verstärkungskuppelabschnitte gebildet werden.
Bei dem vorstehend genannten Verfahren kann der Schritt (b) einen ersten Schritt des Wickelns der harzimprägnierten Faser auf einen Dorn und einen zweiten Schritt des Aushärtens des Harzes der harzimprägnierten Faser, die auf den Dorn gewickelt ist, umfassen. Der Schritt (i) kann ein Schritt der Durchführung des Aushärtens des Harzes im zweiten Schritt sein, in einem Zustand, in dem ein Gummiband auf eine Außenseite der harzimprägnierten Faser an einem Abschnitt gewickelt ist, der als das andere Ende jedes der Verstärkungskuppelabschnitte dient. Gemäß diesem Verfahren können die dünnwandigen Abschnitte gebildet werden, indem die Menge an Harz an den Endabschnitten der Verstärkungskuppelabschnitte reduziert wird, indem das Aushärten des Harzes in einem Zustand durchgeführt wird, in dem das Gummiband auf die Außenseite der harzimprägnierten Faser gewickelt ist.
Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen realisiert werden kann, und beispielsweise in Form eines Verfahrens zum Herstellen einer Verstärkungsschicht eines Hochdrucktanks realisiert werden kann.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, hierbei zeigt:

1 eine Schnittansicht, die eine Konfiguration eines Hochdrucktanks gemäß einer Ausführungsform zeigt;
2 eine Schnittansicht, die einen Verbundkörper aus einem Verstärkungsrohrabschnitt und einem Verstärkungskuppelabschnitt gemäß der Ausführungsform zeigt;
3 eine Schnittansicht, die eine Konfiguration des Verstärkungskuppelabschnitts zeigt;
4 eine Schnittansicht, die einen Verbundkörper aus einem Verstärkungsrohrabschnitt und einem Verstärkungskuppelabschnitt gemäß einem Referenzbeispiel zeigt;
5 ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank zeigt;
6 eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel für ein Formgebungsverfahren des Verstärkungsrohrabschnitts zeigt;
7 eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel eines Formgebungsverfahrens des Verstärkungskuppelabschnitts zeigt;
8 eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel für ein Verfahren zum Reduzieren von Harz an einem Endabschnitt des Verstärkungskuppelabschnitts zeigt;
9 eine erläuternde Darstellung, die ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zum Reduzieren von Harz an dem Endabschnitt des Verstärkungskuppelabschnitts zeigt; und
10 eine erläuternde Darstellung, die ein Verfahren zum Ausbilden einer äußeren spiralförmigen Schicht zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Schnittansicht, die eine Konfiguration eines Hochdrucktanks 100 gemäß einer Ausführungsform zeigt. Der Hochdrucktank 100 ist ein Speicherbehälter zum Speichern eines Gases, wie z.B. Wasserstoffgas oder dergleichen, und wird zum Speichern von Wasserstoff verwendet, der z.B. einer Brennstoffzelle für ein Fahrzeug oder einer stationären Brennstoffzelle zugeführt werden soll. Im Allgemeinen sind Hochdrucktanks Tanks, die Gas mit einem Druck von 200 kPa oder höher im Manometerdruck bei 20°C speichern. Hochdrucktanks, die für Brennstoffzellen verwendet werden, speichem typischerweise Wasserstoff bei einem Druck von 30 MPa oder höher im Manometerdruck bei 20°C.
Der Hochdrucktank 100 ist mit einer Auskleidung 20 versehen, die Gasbarriereeigenschaften aufweist, einer Verstärkungsschicht 30, die um die Auskleidung 20 herum angeordnet ist, und zwei Hälsen 81, 82, die an jeweiligen Endabschnitten des Hochdrucktanks 100 angeordnet sind. Ein erster Hals 81 hat eine Verbindungsöffnung 81h für die Verbindung zwischen dem Raum innerhalb der Auskleidung 20 und dem Außenraum. In dieser Verbindungsöffnung 81h ist eine Verbindungsvorrichtung mit einem Ventil vorgesehen. Ein zweiter Hals 82 hat keine Verbindungsöffnung, die mit dem Außenraum kommuniziert, kann aber mit einer Verbindungsöffnung versehen sein. Alternativ kann der zweite Hals 82 auch weggelassen werden.
Die Auskleidung 20 ist aus einem Harz mit Gasbarriereeigenschaften zur Unterdrückung der Übertragung des Gases nach außen konfiguriert. Beispiele für Harze, die zum Ausbilden der Auskleidung 20 verwendet werden können, umfassen Polyamid, Polyethylen, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymerharz (EVOH), Polyester und ähnliche thermoplastische Harze sowie Epoxid und ähnliche duroplastische Harze.
Die Verstärkungsschicht 30 ist eine faserverstärkte Harzschicht, die die Auskleidung 20 verstärkt und einen Verbundkörper 40 mit Verstärkungskuppelabschnitten 50 und einem Verstärkungsrohrabschnitt 60 sowie eine äußere spiralförmige Schicht 70 aufweist. Die Verstärkungsschicht 30 kann auch als „Verstärkungselement“ bezeichnet werden. Die Verstärkungskuppelabschnitte 50 haben eine sogenannte Kuppelform. Genauer gesagt haben die Verstärkungskuppelabschnitte 50 eine Form, bei der der Außendurchmesser von einem Ende zu einem Öffnungsende 51 am anderen Ende allmählich zunimmt. Die Öffnungsenden 51 sind, von den beiden Enden der Verstärkungskuppelabschnitte 50, die Endabschnitte, die sich in axialer Richtung des Hochdrucktanks 100 näher am Zentrum des Hochdrucktanks 100 befinden. Die Enden der Verstärkungskuppelabschnitte 50 an den den Öffnungsenden 51 gegenüberliegenden Seiten sind jeweils in Kontakt mit den Hälsen 81, 82. Obwohl die Verstärkungskuppelabschnitte 50 in dem in 1 dargestellten Beispiel Formen haben, die durch Wegschneiden eines Teils einer im Wesentlichen kugelförmigen Form, die hohl ist, erhalten werden, können auch verschiedene andere Formen verwendet werden. Der Verstärkungsrohrabschnitt 60 hat einen geraden Rohrabschnitt 62 und Abschnitte 64 mit reduziertem Durchmesser, die an den jeweiligen Enden des geraden Rohrabschnitts 62 vorgesehen sind. Die Abschnitte 64 mit reduziertem Durchmesser sind so geformt, dass der Außendurchmesser in Richtung der Endabschnitte des Verstärkungsrohrabschnitts 60 abnimmt. Es sei angemerkt, dass der Innendurchmesser des geraden Rohrabschnitts 62 und der Innendurchmesser der Abschnitte 64 mit reduziertem Durchmesser vorzugsweise gleich sind. Das Verfahren zum Herstellen der Verstärkungskuppelabschnitte 50 und des Verstärkungsrohrabschnitts 60 wird später beschrieben. Die Verstärkungskuppelabschnitte 50 sind an den jeweiligen Enden des Verstärkungsrohrabschnitts 60 angeordnet. Die Verstärkungskuppelabschnitte 50 sind so angeordnet, dass ihre Innenflächen in Kontakt mit der Außenfläche des Verstärkungsrohrabschnitts 60 kommen. Außerdem sind die Verstärkungskuppelabschnitte 50 in der vorliegenden Ausführungsform so angeordnet, dass die Öffnungsenden 51 der Verstärkungskuppelabschnitte 50 an den Außenflächen der Abschnitte 64 mit reduziertem Durchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts 60 angeordnet sind. Die äußere spiralförmige Schicht 70 ist eine Schicht, die durch spiralförmiges Wickeln von harzimprägnierten Fasern auf die Außenfläche des Verbundkörpers 40 einschließlich der Verstärkungskuppelabschnitte 50 und des Verstärkungsrohrabschnitts 60 gebildet wird. Die Hauptfunktion der äußeren spiralförmigen Schicht 70 besteht darin, zu verhindern, dass sich die Verstärkungskuppelabschnitte 50 von dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 lösen, wenn der Innendruck des Hochdrucktanks 100 erhöht wird. Die Schraffierung der äußeren spiralförmigen Schicht 70 und der Auskleidung 20 ist in 1 der Einfachheit halber weggelassen.
Beispiele für Harze, die zum Ausbilden der Verstärkungsschicht 30 verwendet werden können, umfassen wärmehärtende Harze wie Phenolharze, Melaminharze, Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Epoxidharze und so weiter, wobei insbesondere Epoxidharze unter dem Gesichtspunkt der mechanischen Festigkeit und so weiter bevorzugt verwendet werden. Beispiele für Fasern, die zum Ausbilden der Verstärkungsschicht 30 verwendet werden können, umfassen Glasfasern, Aramidfasern, Borfasern und Kohlenstofffasern. Insbesondere werden Kohlenstofffasern unter dem Gesichtspunkt der Leichtigkeit, der mechanischen Festigkeit und so weiter bevorzugt verwendet.
2 ist eine Schnittdarstellung, die den Verbundkörper 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Der Einfachheit halber ist in 2 nur die linke Hälfte des Verbundkörpers 40 dargestellt. Der Verbundkörper 40 enthält den Verstärkungsrohrabschnitt 60 und die Verstärkungskuppelabschnitte 50, die jeweils an einem seiner Enden angeordnet sind. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Verbundkörper 40 ferner die Hälse 81, 82, die mit den Verstärkungskuppelabschnitten 50 verbunden sind.
Die Verstärkungskuppelabschnitte 50 sind so angeordnet, dass die Öffnungsenden 51 der Verstärkungskuppelabschnitte 50 an den Außenflächen der Abschnitte 64 mit reduziertem Durchmesser positioniert sind. Die Verwendung einer solchen Anordnung ermöglicht es, die Möglichkeit der Bildung eines großen Spalts zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und der äußeren spiralförmigen Schicht 70 zu reduzieren, im Vergleich zur Anordnung der Öffnungsenden 51 der Verstärkungskuppelabschnitte 50 derart, dass sie an der Außenfläche des geraden Rohrabschnitts 62 positioniert sind, und eine übermäßige Abnahme der Festigkeit des Hochdrucktanks 100 kann unterdrückt werden.
Ein weiteres Merkmal der Verstärkungskuppelabschnitte 50 in der vorliegenden Ausführungsform ist, dass in Bezug auf jeden Verstärkungskuppelabschnitt 50 ein maximaler Außendurchmesser D50max des Verstärkungskuppelabschnitts 50 gleich oder kleiner als ein maximaler Außendurchmesser D60max des Verstärkungsrohrabschnitts 60 ist. Der maximale Außendurchmesser D50max des Verstärkungskuppelabschnitts 50 ist der Außendurchmesser des Verstärkungskuppelabschnitts 50 an dem Endabschnitt mit dem Öffnungsende 51. Durch die Verwendung dieses Merkmals kann die Möglichkeit, dass sich ein großer Spalt zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und der äußeren spiralförmigen Schicht 70 bildet, weiter reduziert werden. Es sei jedoch angemerkt, dass der maximale Außendurchmesser D50max des Verstärkungskuppelabschnitts 50 den maximalen Außendurchmesser D60max des Verstärkungsrohrabschnitts 60 übersteigen kann.
Ferner wird in der vorliegenden Ausführungsform ein harzgefüllter Abschnitt 32 durch Beschichten eines Spaltabschnitts, der unterhalb der äußeren spiralförmigen Schicht 70 an einer Grenze BR zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und dem Verstärkungskuppelabschnitt 50 ausgebildet ist, mit Harz gebildet. Das Harz, das den harzgefüllten Abschnitt 32 bildet, ist vorzugsweise das gleiche wie das Harz, das zum Ausbilden der Verstärkungsschicht 30 verwendet wird. Durch die Ausbildung des harzgefüllten Abschnitts 32 kann der Spalt zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und der äußeren spiralförmigen Schicht 70 noch kleiner gemacht werden.
3 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration des Verstärkungskuppelabschnitts 50 zeigt. Der Verstärkungskuppelabschnitt 50 umfasst einen Kuppelhaupteinheitsabschnitt 52 und einen dünnwandigen Abschnitt 54. Der dünnwandige Abschnitt 54 ist an dem Endabschnitt des Verstärkungskuppelabschnitts 50 mit dem Öffnungsende 51 ausgebildet und ist ein Abschnitt, dessen Dicke kleiner ist als die des Kuppelhaupteinheitsabschnitts 52, der ein anderer Abschnitt als der dünnwandige Abschnitt 54 ist. Der dünnwandige Abschnitt 54 kann als ein Abschnitt gebildet werden, bei dem die Menge an Harz oder die Menge an Fasern pro Oberflächeneinheit kleiner ist als bei dem Kuppelhaupteinheitsabschnitt 52. Durch die Ausbildung des dünnwandigen Abschnitts 54 am Endabschnitt des Verstärkungskuppelabschnitts 50 kann der Spalt zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und der äußeren spiralförmigen Schicht 70 noch kleiner gemacht werden. Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Ausführungsform der dünnwandige Abschnitt 54 eine konische Form hat, bei der die Dicke allmählich kleiner wird, je näher er sich in axialer Richtung dem Zentrum des Hochdrucktanks 100 nähert. Diese Konfiguration ermöglicht es, den Spalt zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und der äußeren spiralförmigen Schicht 70 noch kleiner zu machen. Es sei jedoch angemerkt, dass der dünnwandige Abschnitt 54 weggelassen werden kann und der gesamte Verstärkungskuppelabschnitt 50 mit einer annähernd gleichmäßigen Dicke ausgeführt werden kann.
4 ist eine Schnittansicht, die einen Verbundkörper 41 aus dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und dem Verstärkungskuppelabschnitt 50 gemäß einem Referenzbeispiel zeigt. An diesem Verbundkörper 41 ist der Verstärkungskuppelabschnitt 50 so angeordnet, dass das Öffnungsende 51 des Verstärkungskuppelabschnitts 50 an der Außenfläche des geraden Rohrabschnitts 62 des Verstärkungsrohrabschnitts 60 positioniert ist. Dadurch ist der maximale Außendurchmesser D50max des Verstärkungskuppelabschnitts 50 größer als der maximale Außendurchmesser D60max des Verstärkungsrohrabschnitts 60. In diesem Referenzbeispiel besteht die Möglichkeit, dass sich zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und der äußeren spiralförmigen Schicht 70 ein beträchtlicher Spalt GP bildet. Dementsprechend ist der Verstärkungskuppelabschnitt 50 vorzugsweise so angeordnet, dass das Öffnungsende 51 des Verstärkungskuppelabschnitts 50 an der Außenfläche des Abschnitts 64 mit reduziertem Durchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts 60 positioniert ist, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Außerdem ist der maximale Außendurchmesser D50max des Verstärkungskuppelabschnitts 50 besonders bevorzugt gleich oder kleiner als der maximale Außendurchmesser D60max des Verstärkungsrohrabschnitts 60.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 100 zeigt. Beispiele für Verfahren, die in den folgenden Schritten verwendet werden, werden später beschrieben. In Schritt S10 wird der Verstärkungsrohrabschnitt 60 ausgebildet. In Schritt S20 werden die Verstärkungskuppelabschnitte 50 ausgebildet. In Schritt S30 werden die Hälse 81, 82 mit den Verstärkungskuppelabschnitten 50 verbunden. In Schritt S40 werden die beiden Verstärkungskuppelabschnitte 50 mit den jeweiligen Endabschnitten des Verstärkungsrohrabschnitts 60 verbunden, um den Verbundkörper 40 zu bilden. In Schritt S45 wird Harz zum Füllen von Lücken auf die Grenzen zwischen den Verstärkungskuppelabschnitten 50 und dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 aufgetragen, wodurch die mit Harz gefüllten Abschnitte 32 gebildet werden, die mit Bezug auf 2 beschrieben sind. Schritt S45 kann als Teil von Schritt S40 betrachtet werden. Alternativ kann der Schritt S45 auch weggelassen werden. In Schritt S50 wird die äußere spiralförmige Schicht 70 auf der Außenfläche des Verbundkörpers 40 gebildet. In Schritt S60 wird das ungehärtete Harz der Verstärkungsschicht 30 gehärtet. In Schritt S70 wird die Auskleidung 20 auf der Innenseite der Verstärkungsschicht 30 ausgebildet.
6 ist eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel für ein Verfahren zum Ausbilden des Verstärkungsrohrabschnitts 60 in Schritt S10 von 5 zeigt. Der Verstärkungsrohrabschnitt 60 kann durch Filamentwickeln gebildet werden, indem ein Faserbündel FB auf einen im Wesentlichen zylindrischen Dorn 66 gewickelt wird. Beim Filamentwickeln wird das Faserbündel FB auf den Dorn 66 gewickelt, indem eine Faserbündelführung 210 bewegt wird, während der Dorn 66 rotiert. Das Beispiel in 6 zeigt, wie das Faserbündel FB durch Ringwicklung gewickelt wird, es kann aber auch eine Spiralwicklung verwendet werden. Für das Filamentwickelverfahren (FW-Verfahren) kann eines der unten beschriebenen Nass-FW-Verfahren und Trocken-FW-Verfahren verwendet werden.
Im Allgemeinen gibt es die folgenden Verfahren als typische Methoden zum Ausbilden von Objekten aus faserverstärktem Harz.
Nass-FW-Verfahren
Das Nass-FW-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem das Faserbündel FB unmittelbar vor dem Wickeln des Faserbündels FB mit verflüssigtem Harz, dessen Viskosität herabgesetzt wurde, imprägniert wird und das harzgetränkte Faserbündel auf einen Dorn gewickelt wird.
Trocken-FW-Verfahren
Das Trocken-FW-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Werg-Prepreg, das durch Imprägnieren eines Faserbündels mit Harz und anschließendes Trocknen im Voraus hergestellt wird, vorbereitet wird und das Werg-Prepreg auf einen Dorn gewickelt wird.
Resin Transfer Molding (RTM)
Das RTM-Verfahren ist ein Formgebungsverfahren, bei dem die Fasern in ein Paar von Patrizen- und Matrizenformen eingelegt werden, die Form geschlossen wird und anschließend Harz aus einem Harzeinlass eingegossen wird, wodurch die Fasern imprägniert werden.
Zentrifugalwickeln (CW-Verfahren)
Das CW-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem ein zylindrisches Element geformt wird, indem eine Faserbahn auf die Innenseite einer rotierenden zylindrischen Form aufgebracht wird. Für die Faserbahn kann eine Faserbahn verwendet werden, die zuvor mit Harz imprägniert wurde, oder eine Faserbahn, die nicht mit Harz imprägniert wurde. Im letzteren Fall wird das Harz nach dem zylindrischen Aufwickeln der Faserbahn in die Form gegossen und die Faserbahn somit mit dem Harz imprägniert.
Obwohl in dem oben beschriebenen Beispiel in 6 zum Ausbilden des Verstärkungsrohrabschnitts 60 das Faserwickeln verwendet wird, kann der Verstärkungsrohrabschnitt 60 auch mit anderen Verfahren, wie RTM oder dergleichen, ausgebildet werden. Das Aushärten des Harzes des Verstärkungsrohrabschnitts 60 kann in Schritt S10 oder in Schritt S60 durchgeführt werden.
Beim Durchführen des Aushärtens des Harzes des Verstärkungsrohrabschnitts 60 in Schritt S10 kann die Haupthärtung durchgeführt werden, bei der das Aushärten vollständig durchgeführt wird, bis die Viskosität des Harzes in einem stabilen Zustand bei einem Zielwert oder höher ist. Alternativ kann auch eine Vorhärtung durchgeführt werden, bei der die Haupthärtung nicht erreicht wird. Im Allgemeinen weist ungehärtetes wärmehärtendes Harz beim Erhitzen zunächst eine niedrigere Viskosität auf, und wenn das Erhitzen danach fortgesetzt wird, steigt die Viskosität an. Wenn die Erwärmung für eine ausreichende Zeit fortgesetzt wird, befindet sich die Viskosität des Harzes in einem stabilen Zustand bei ihrem Zielwert oder höher. Unter der Annahme eines solchen Prozesses wird die Verarbeitung, bei der die Aushärtung auch dann fortgesetzt wird, wenn die Viskosität abfällt und dann wieder ansteigt und zur Anfangsviskosität zurückkehrt, und die Aushärtung an einem beliebigen Punkt vor Erreichen des Endpunkts der Haupthärtung gestoppt wird, als „Vorhärtung“ bezeichnet. Durch die Durchführung der Vorhärtung in Schritt S10 und die anschließende Durchführung der Haupthärtung in dem später beschriebenen Schritt S60 kann der Verstärkungsrohrabschnitt 60 stärker mit den Verstärkungskuppelabschnitten 50 und der äußeren spiralförmigen Schicht 70 verbunden werden.
Es sei angemerkt, dass zur Erleichterung der Trennung des Dorns 66 und des Verstärkungsrohrabschnitts 60 der Dorn 66 teilbar sein kann. Wenn die Trennung des Dorns 66 und des Verstärkungsrohrabschnitts 60 schwierig ist, obwohl der Dorn 66 teilbar ist, können zwei geteilte Elemente, in denen der gesamte Verstärkungsrohrabschnitt 60 im Wesentlichen in der Mitte in zwei Teile geteilt ist, individuell geformt werden, und die zwei geteilten Elemente können zusammengefügt werden, um den Verstärkungsrohrabschnitt 60 zu bilden.
7 ist eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel für ein Verfahren zum Ausbilden der Verstärkungskuppelabschnitte 50 in Schritt S20 in 5 zeigt. Die Verstärkungskuppelabschnitte 50 können durch Wickeln des Faserbündels FB auf einen Dorn 56 unter Verwendung durch Filamentwickeln gebildet werden. Der Dorn 56 hat vorzugsweise die äußere Form von zwei zusammengesetzten Verstärkungskuppelabschnitten 50. Beim Filamentwickeln wird das Faserbündel FB auf den Dorn 56 gewickelt, indem die Faserbündelführung 210 bewegt wird, während der Dorn 56 rotiert. Im Beispiel in 7 wird das Faserbündel FB durch spiralförmiges Wickeln gewickelt. Für das Wickeln des Faserbündels kann sowohl das oben beschriebene Nass-FW-Verfahren als auch das Trocken-FW-Verfahren verwendet werden. Nachdem das Wickeln des Faserbündels FB endet können die beiden Verstärkungskuppelteile 50 durch Schneiden entlang einer Schnittlinie CL erhalten werden. Es sei angemerkt, dass die Verstärkungskuppelabschnitte 50 auch mit anderen Methoden, wie z. B. RTM, ausgebildet werden können.
8 ist eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel für ein Verfahren zur Reduzierung der Harzmenge am Endabschnitt jedes Verstärkungskuppelabschnitts 50 zeigt. Der dünnwandige Abschnitt 54 wird vorzugsweise an dem Endabschnitt gebildet, der das Öffnungsende 51 des Verstärkungskuppelabschnitts 50 umfasst, wie mit Bezug auf 3 beschrieben. In diesem Fall kann nicht gehärtetes Harz an den Abschnitten, die der dünnwandige Abschnitt 54 werden sollen, durch Absaugen mit einer Absaugvorrichtung 220 entfernt werden, um den dünnwandigen Abschnitt 54 zu bilden. Auf diese Weise kann der dünnwandige Abschnitt 54 durch Reduzierung der Harzmenge an den Endabschnitten des Verstärkungskuppelabschnitts 50 gebildet werden. Es sei angemerkt, dass für die Werkzeuge zum Entfernen des Harzes Rollen, Rakel oder andere derartige Entfernungswerkzeuge anstelle der Absaugvorrichtung 220 verwendet werden können. Bei der Reduzierung der Harzmenge von den Abschnitten, die zum dünnwandigen Abschnitt 54 werden sollen, wird vorzugsweise das oben beschriebene Nass-FW-Verfahren verwendet. Alternativ kann bei dem oben beschriebenen Trocken-FW-Verfahren das auf den Dorn 56 gewickelte Werg-Prepreg erwärmt werden und die Entfernung des ungehärteten Harzes in einem Zustand erfolgen, in dem die Viskosität des Harzes gesenkt ist.
9 ist eine erläuternde Darstellung, die ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Reduzierung der Harzmenge am Endabschnitt des Verstärkungskuppelabschnitts 50 zeigt. Bei diesem Verfahren wird nach einem ersten Schritt des Wickelns der harzimprägnierten Faser auf den Dorn 56 ein zweiter Schritt des Aushärtens des Harzes der harzimprägnierten Faser, die auf den Dorn 56 gewickelt ist, durchgeführt. In diesem zweiten Schritt wird das Härten des Harzes in einem Zustand durchgeführt, in dem ein Gummiband 58 auf die Außenseite der harzimprägnierten Faser an dem Abschnitt gewickelt ist, der der dünnwandige Abschnitt 54 am Endabschnitt des Verstärkungskuppelabschnitts 50 werden soll, wie in 9 dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Gummiband 58 unter Spannung aufgewickelt. Bei diesem Verfahren wird das Harz unter dem Gummiband 58 herausgedrückt, und dementsprechend kann die Harzmenge am Endabschnitt des Verstärkungskuppelabschnitts 50 reduziert werden und der dünnwandige Abschnitt 54 kann gebildet werden. Bei diesem Verfahren kann entweder das oben beschriebene Nass-FW-Verfahren oder das Trocken-FW-Verfahren verwendet werden. Außerdem kann die Haupthärtung für die Aushärtung des Harzes im zweiten Schritt durchgeführt werden, oder es kann eine Vorhärtung durchgeführt werden.
Es sei auch angemerkt, dass das Aushärten des Harzes der Verstärkungskuppelabschnitte 50 in Schritt S20 oder in Schritt S60 durchgeführt werden kann. Wenn die Aushärtung der Verstärkungskuppelabschnitte 50 in Schritt S20 in 5 durchgeführt wird, kann die Aushärtung sequentiell vom mittleren Abschnitt des in 7 dargestellten Dorns 56 in Richtung beider Enden durchgeführt werden. Dementsprechend ist die Harzmenge an den Endabschnitten der beiden Verstärkungskuppelabschnitte 50 geringer als an den anderen Abschnitten, und die dünnwandigen Abschnitte 54 können ausgebildet werden, ohne dass Harz entfernt werden muss, wie in den 8 und 9 dargestellt. Für die Aushärtung des Harzes zu diesem Zeitpunkt kann eine Haupthärtung oder eine Vorhärtung durchgeführt werden. Die Durchführung der Vorhärtung in Schritt S20 und die Durchführung der Haupthärtung im später beschriebenen Schritt S60 ermöglicht eine stärkere Verbindung der Verstärkungskuppelabschnitte 50 mit dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und der äußeren spiralförmigen Schicht 70.
In Schritt S30 in 5 werden die Verstärkungskuppelabschnitte 50 und die Hälse 81, 82 verbunden. In Schritt S40 wird der Verstärkungsrohrabschnitt 60 weiter mit den in Schritt S30 gebildeten Verbundkörpern verbunden, wodurch der in 2 dargestellte Verbundkörper 40 gebildet wird. Das Verbinden in den Schritten S30 und S40 kann z. B. mit einem Haftvermittler oder Haftkleber erfolgen. Der mit Bezug auf 2 beschriebene harzgefüllte Abschnitt 32 wird in Schritt S45 in 5 gebildet.
10 ist eine erläuternde Darstellung, die ein Verfahren zum Ausbilden der äußeren spiralförmigen Schicht 70 in Schritt S50 in 5 zeigt. Die äußere spiralförmige Schicht 70 kann durch Wickeln des Faserbündels FB auf die Außenfläche des Verbundkörpers 40 durch Filamentwickeln gebildet werden. Beim Filamentwickeln wird das Faserbündel FB auf den Verbundkörper 40 gewickelt, indem die Faserbündelführung 210 bewegt wird, während der verbundene Körper 40 um eine Mittelachse AX gedreht wird. Für das Filamentwickeln kann entweder Nass-FW-Verfahren oder Trocken-FW-Verfahren verwendet werden. Wie oben beschrieben, besteht die Hauptfunktion der äußeren spiralförmigen Schicht 70 darin, zu verhindern, dass sich die Verstärkungskuppelabschnitte 50 vom Verstärkungsrohrabschnitt 60 lösen, wenn der Innendruck des Hochdrucktanks 100 erhöht wird. Um diese Funktion zu erreichen, ist ein Wickelwinkel α des Faserbündels FB vorzugsweise nicht größer als 45 Grad. Der Wickelwinkel α ist der Winkel des Faserbündels FB in Bezug auf die Mittelachse AX des Verbundkörpers 40.
In Schritt S60 in 5 wird das ungehärtete Harz der Verstärkungsschicht 30 ausgehärtet. Diese Aushärtung ist die mit Bezug auf 6 beschriebene Haupthärtung. In Schritt S70 wird nach dem Aushärten die Auskleidung 20 auf der Innenseite der Verstärkungsschicht 30 gebildet. Die Ausbildung der Auskleidung in Schritt S70 kann beispielsweise durch Einbringen eines flüssigen Auskleidungsmaterials in die mit Hälsen versehene Verstärkungsschicht 30 und Aushärten des Auskleidungsmaterials unter Rotation der Verstärkungsschicht 30 erfolgen. Wenn die Ausbildung der Auskleidung 20 endet, ist der in 1 dargestellte Hochdrucktank 100 somit fertiggestellt.
Es sei angemerkt, dass die Auskleidung 20 in einem anderen Schritt als Schritt S70 in 5 gebildet werden kann. Beispielsweise kann die Auskleidung 20 getrennt von den Verstärkungskuppelabschnitten 50 und dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 gebildet werden, wobei die Auskleidung 20 und die beiden Verstärkungskuppelabschnitte 50 und Hälse 81, 82 danach in dem oben beschriebenen Schritt S30 verbunden werden. In diesem Fall kann die Ausbildung der Auskleidung 20 beispielsweise durch Spritzgießen erfolgen. Zu diesem Zeitpunkt können zwei geteilte Elemente, bei denen die gesamte Auskleidung 20 im Wesentlichen in der Mitte in zwei Teile geteilt ist, separat durch Spritzgießen geformt werden, und die beiden geteilten Teile, die aus den Spritzgießformen entnommen werden, können verbunden werden, um die Auskleidung 20 zu bilden. Bei dieser Formgebung können die Hälse 81, 82 in die Spritzgussformen eingesetzt werden, und die Hälse 81, 82 und die geteilten Elemente der Auskleidung 20 können durch Umspritzen verbunden werden. Alternativ können die Hälse 81, 82 mit den beiden jeweiligen geteilten Elementen der Auskleidung 20 verbunden werden, nachdem die geteilten Elemente aus den Formen entfernt wurden.
Wie oben beschrieben, sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Öffnungsenden 51 der Verstärkungskuppelabschnitte 50 so angeordnet, dass sie auf den Außenflächen der Abschnitte 64 mit reduziertem Durchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts 60 platziert sind. Infolgedessen kann die Möglichkeit der Bildung eines großen Spalts zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt 60 und der äußeren spiralförmigen Schicht 70 im Vergleich zur Anordnung der Öffnungsenden 51 der Verstärkungskuppelabschnitte 50 an der Außenfläche des geraden Rohrabschnitts 62 des Verstärkungsrohrabschnitts 60 verringert werden, und eine übermäßige Abnahme der Festigkeit des Hochdrucktanks 100 kann unterdrückt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform und deren Modifikationen beschränkt und kann durch verschiedene Konfigurationen realisiert werden, ohne vom Wesen derselben abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale der Ausführungsform und deren Modifikationen, die den technischen Merkmalen der in der KURZFASSUNG DER ERFINDUNG beschriebenen Aspekten entsprechen, in geeigneter Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der oben beschriebenen Probleme zu lösen oder einen Teil oder alle der oben beschriebenen Vorteile zu erzielen. Die technischen Merkmale können gegebenenfalls auch weggelassen werden, solange sie in der vorliegenden Beschreibung nicht als wesentlich beschrieben sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012149739 A [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks (100) mit einer Auskleidung (20), die Gasbarriereeigenschaften aufweist, und einer Verstärkungsschicht (30), die um die Auskleidung (20) herum angeordnet ist, wobei das Verfahren aufweist: (a) einen Schritt des Ausbildens eines Verstärkungsrohrabschnitts (60), der aus faserverstärktem Harz besteht, wobei der Verstärkungsrohrabschnitt (60) einen geraden Rohrabschnitt (62) und Abschnitte (64) mit reduziertem Durchmesser aufweist, die an jeweiligen Enden des geraden Rohrabschnitts (62) angeordnet sind und deren Außendurchmesser zu Endabschnitten des Verstärkungsrohrabschnitts (60) abnimmt; (b) einen Schritt des Ausbildens von Verstärkungskuppelabschnitten (50), die aus faserverstärktem Harz bestehen und so geformt sind, dass ein Außendurchmesser jedes der Verstärkungskuppelabschnitte (50) von einem Ende zu einem Öffnungsende (51) an einem anderen Ende zunimmt; (c) einen Schritt des Ausbildens eines Verbundkörpers (40) durch Anordnen der Verstärkungskuppelabschnitte (50) an jeweiligen Enden des Verstärkungsrohrabschnitts (60), so dass das Öffnungsende (51) jedes der Verstärkungskuppelabschnitte (50) an einer Außenfläche eines entsprechenden der Abschnitte (64) mit reduziertem Durchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts (60) positioniert ist, und Verbinden des Verstärkungsrohrabschnitts (60) und der Verstärkungskuppelabschnitte (50); und (d) einen Schritt des Ausbildens einer äußeren spiralförmigen Schicht (70) durch Ausführen eines spiralförmigen Wickelns einer harzimprägnierten Faser auf eine Außenfläche des Verbundkörpers (40), wodurch die Verstärkungsschicht (30) gebildet wird, die den Verstärkungsrohrabschnitt (60), die Verstärkungskuppelabschnitte (50) und die äußere spiralförmige Schicht (70) enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt (b) die Verstärkungskuppelabschnitte (50) so ausgebildet werden, dass ein maximaler Außendurchmesser jedes der Verstärkungskuppelabschnitte (50) gleich oder kleiner als ein maximaler Außendurchmesser des Verstärkungsrohrabschnitts (60) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt (c) einen Schritt des Auftragens von Harz auf einen Abschnitt umfasst, der ein Spalt ist, der in Schritt (d) unterhalb der äußeren spiralförmigen Schicht (70) an einer Grenze zwischen dem Verstärkungsrohrabschnitt (60) und jedem der Verstärkungskuppelabschnitte (50) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt (b) (i) einen Schritt des Ausbildens eines dünnwandigen Abschnitts, dessen Dicke geringer ist als die anderer Abschnitte jedes der Verstärkungskuppelabschnitte (50), an dem anderen Ende jedes der Verstärkungskuppelabschnitte (50) einschließlich des Öffnungsendes (51) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt (i) ein Schritt des Ausbildens des dünnwandigen Abschnitts durch Reduzieren einer Harzmenge am anderen Ende jedes der Verstärkungskuppelabschnitte (50) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei: der Schritt (b) umfasst einen ersten Schritt des Wickelns der harzimprägnierten Faser auf einen Dorn (56), und einen zweiten Schritt des Aushärtens des Harzes der harzimprägnierten Faser, die auf den Dorn (56) gewickelt ist; und der Schritt (i) ein Schritt des Durchführens des Aushärtens des Harzes in dem zweiten Schritt ist, in einem Zustand, in dem ein Gummiband (58) auf eine Außenseite der harzimprägnierten Faser an einem Abschnitt gewickelt ist, der als das andere Ende jedes der Verstärkungskuppelabschnitte (50) dient.