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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Beispielsweise wird ein Hochdrucktank, der Gasbrennstoff speichert, in Erdgas-Fahrzeugen, Brennstoffzellen-Fahrzeugen, etc. verwendet. Diese Art von Hochdrucktank weist eine erste Verstärkungsschicht, die aus einem faserverstärkten Harz gemacht ist, und eine zweite Verstärkungsschicht, die aus einem faserverstärkten Harz gemacht ist und die erste Verstärkungsschicht bedeckt, auf.
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Beispielsweise schlägt die ungeprüfte japanische Patenanmeldung mit Veröffentlichungs-Nr.
2012-149739 (
JP 2012-149739 A ) das folgende Verfahren als ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks vor. Zuerst wird eine innere Schicht an der äußeren Oberfläche eines Mantels durch Wickeln eines Faserbündels, das mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert ist, um den Mantel gebildet, und eine äußere Schicht wird an der äußeren Oberfläche der inneren Schicht durch helikales Wickeln eines Faserbündels, das mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert ist, gebildet. Als Nächstes wird das wärmehärtende Harz in den inneren und äußeren Schichten thermisch gehärtet, um eine erste Verstärkungsschicht und eine zweite Verstärkungsschicht, die die erste Verstärkungsschicht bedeckt, zu bilden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im in
JP 2012-149739 A beschriebenen Verfahren, kann die zweite Verstärkungsschicht nach dem Bilden der ersten Verstärkungsschicht gebildet werden. Konkret kann die erste Verstärkungsschicht zuerst durch thermisches Härten des wärmehärtenden Harzes in der inneren Schicht gebildet werden, und die zweite Verstärkungsschicht kann dann durch Bilden der äußeren Schicht an der äußeren peripheren Oberfläche der ersten Verstärkungsschicht und thermisches Härten des wärmehärtenden Harzes in der äußeren Schicht gebildet werden.
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In diesem Fall, beim thermischen Härten des wärmehärtenden Harzes, nimmt die Viskosität des wärmehärtenden Harzes ab, bevor das wärmehärtende Harz gehärtet ist. Dementsprechend, beispielsweise beim thermischen Härten einer solchen inneren Schicht wie in
JP 2012-149739 A beschrieben, nimmt die Viskosität des wärmehärtenden Harzes in der inneren Schicht ab, bevor das wärmehärtende Harz gehärtet ist, und das wärmehärtende Harz mit verringerter Viskosität tritt aus der Oberfläche der inneren Schicht aus. Das austretende wärmehärtende Harz kann eine Oberflächenschicht bilden, die die Oberfläche der inneren Schicht bedeckt. Folglich kann die Oberflächenschicht, die aus dem gehärteten wärmehärtenden Harz gemacht ist, an der Oberfläche der thermisch gehärteten ersten Verstärkungsschicht gebildet werden.
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Jedoch kann solch eine Oberflächenschicht die Haftkraft zwischen der ersten Verstärkungsschicht und der zweiten Verstärkungsschicht verringern. Insbesondere ist die Bindungsfläche zwischen der ersten Verstärkungsschicht und der zweiten Verstärkungsschicht größer in einem Zylinderteil (Körperteil) des Hochdrucktanks als in Kuppelteilen des Hochdrucktanks. Es ist deshalb wünschenswert, dass die Haftkraft zwischen der ersten Verstärkungsschicht und der zweiten Verstärkungsschicht groß genug im Zylinderteil des Hochdrucktanks ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Umstände gemacht und stellt ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks mit verbesserter Haftung zwischen einer ersten Verstärkungsschicht und einer zweiten Verstärkungsschicht bereit.
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Angesichts des obigen Problems, stellt ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks bereit. Das Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks ist ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks, der eine erste Verstärkungsschicht, die aus einem faserverstärkten Harz gemacht ist, und eine zweite Verstärkungsschicht, die aus einem faserverstärkten Harz gemacht ist und die erste Verstärkungsschicht bedeckt, beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet: das Zubereiten eines Zylinderelements durch Bilden eines zylindrischen Wickelkörpers durch Wickeln einer kontinuierlichen Faser, die mit einem ersten wärmehärtenden Harz imprägniert ist, in einer Umfangrichtung, und thermisches Härten des ersten wärmehärtenden Harzes im Wickelkörper; das Zubereiten eines Verbindungselements, das der ersten Verstärkungsschicht entspricht, durch Verbinden eines Paars an Kuppelelementen mit beiden Endteilen des Zylinderelements; und das Bilden der zweiten Verstärkungsschicht durch helikales Wickeln eines Faserbündels, das mit einem zweiten wärmehärtenden Harz imprägniert ist, um das Verbindungselement über die Kuppelelemente und thermisches Härten des zweiten wärmehärtenden Harzes im gewickelten Faserbündel. Ein wärmehärtendes Harz, das ein Hauptmittel und ein granulares festes Härtemittel enthält, wird als das erste wärmehärtende Harz verwendet. Das Hauptmittel beinhaltet einen Harzvorläufer des ersten wärmehärtenden Harzes und das feste Härtemittel bindet Moleküle des Harzvorläufers chemisch zusammen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird beim Zubereiten des Zylinderelements der zylindrische Wickelkörper gebildet durch Wickeln in der Umfangrichtung der kontinuierlichen Faser, die mit dem ersten wärmehärtenden Harz, das das Hauptmittel und das feste Härtemittel enthält, imprägniert ist. Beim thermischen Härten des ersten wärmehärtenden Harzes im Wickelkörper nimmt die Viskosität des Hauptmittels ab, da sich die Wärme vor dem chemischen Binden zwischen Molekülen des Harzvorläufers, die im Hauptmittel beinhaltet sind, ausbreitet. Das Hauptmittel tritt deshalb aus dem Zwischenraum der kontinuierlichen Fasern auf eine Oberfläche des Wickelkörpers aus.
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Da das feste Härtemittel ein granulares Härtemittel ist, wird das feste Härtemittel wahrscheinlicher durch die kontinuierliche Faser blockiert als das Hauptmittel mit der verringerten Viskosität. Folglich verbleibt das feste Härtemittel innerhalb des Wickelkörpers und erreicht weniger wahrscheinlich die Oberfläche des Wickelkörpers. Eine Oberflächenschicht mit einem geringeren Verhältnis des festen Härtemittels zum Hauptmittel als der verbleibende Teil des Wickelkörpers wird deshalb an der Oberfläche des Wickelkörpers gebildet. Deshalb wird, sogar wenn der Wickelkörper für das thermische Härten erwärmt wird, die Oberfläche weniger wahrscheinlich gehärtet und kann weich gehalten werden im Vergleich zum verbleibenden Teil des Wickelkörpers (Harz innerhalb des Wickelkörpers). Folglich wird die Oberflächenschicht, beim helikalen Wickeln des Faserbündels während der Bildung der zweiten Verstärkungsschicht, durch das Faserbündel zur Seite geschoben, und das Hauptmittel (unreagierter Harzvorläufer) in der Oberflächenschicht agiert als ein Haftmittel zwischen der zweiten Verstärkungsschicht und dem Zylinderelement. Die Haftkraft der zweiten Verstärkungsschicht zum Zylinderelement kann daher im hergestellten Hochdrucktank erhöht werden.
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Im obigen Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks kann eine Teilchengröße des festen Härtemittels größer als eine Lücke zwischen den kontinuierlichen Fasern sein. Gemäß diesem Aspekt wird das feste Härtemittel deshalb wahrscheinlicher innerhalb des zylindrischen Wickelkörpers zurückbehalten, da das feste Härtemittel weniger wahrscheinlich zwischen den kontinuierlichen Fasern durchkommt. Folglich kann die Haftkraft der zweiten Verstärkungsschicht zum Zylinderelement erhöht werden, da die Oberflächenschicht mit einem geringeren Verhältnis des festen Härtemittels zum Hauptmittel als der verbleibende Teil des Wickelkörpers gebildet werden kann.
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Im obigen Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks wird die Oberflächenschicht mit einem geringeren Verhältnis des festen Härtemittels zum Hauptmittel als ein anderer Teil als die Oberfläche des Wickelkörpers durch Verursachen des Austretens des Hauptmittels aus dem Zwischenraum der kontinuierlichen Fasern auf die Oberfläche des Wickelkörpers durch Erwärmen des ersten wärmehärtenden Harzes gebildet.
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Im obigen Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks enthält das zweite wärmehärtenden Harz ein Hauptmittel und ein granulares festes Härtemittel. Das Hauptmittel beinhaltet einen Harzvorläufer des zweiten wärmehärtenden Harzes und das feste Härtemittel bindet Moleküle des Harzvorläufers des zweiten wärmehärtenden Harzes chemisch zusammen.
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Im obigen Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks reagiert das Hauptmittel in der Oberflächenschicht mit dem festen Härtemittel im zweiten wärmehärtenden Harz.
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Im obigen Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks kann das feste Härtemittel im zweiten wärmehärtenden Harz den Harzvorläufer des zweiten wärmehärtenden Harzes und den Harzvorläufer des ersten wärmehärtenden Harzes chemisch zusammenbinden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Haftkraft zwischen der ersten Verstärkungsschicht und der zweiten Verstärkungsschicht des Hochdrucktanks erhöht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale, Vorteile, und technische und industrielle Signifikanz beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden unten mit Referenz auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Zeichen gleiche Elemente bezeichnen, beschrieben und wobei:
- 1 eine Schnittansicht ist, die eine Struktur eines Hochdrucktanks erhalten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 ein Flusschart ist, der Schritte eines Verfahrens zum Herstellen des in 1 gezeigten Hochdrucktanks veranschaulicht;
- 3 eine Schnittansicht ist, die einen in 2 gezeigten Zylinderelement-Zubereitungsschritt veranschaulicht;
- 4A ein schematisches konzeptuelles Diagramm ist, das den Zustand eines in 3 gezeigten Teils A vor dem thermischen Härten veranschaulicht;
- 4B ein schematisches konzeptuelles Diagramm ist, das den Zustand eines in 3 gezeigten Teils A nach dem thermischen Härten veranschaulicht;
- 5 ein schematisches konzeptuelles Diagramm ist, das ein Beispiel der Lücke zwischen kontinuierlichen Fasern veranschaulicht;
- 6 eine Schnittansicht ist, die einen in 2 gezeigten Kuppelelement-Zubereitungsschritt veranschaulicht;
- 7 eine Schnittansicht eines Paars an Kuppelelementen ist, die im in 2 gezeigten Kuppelelement-Zubereitungsschritt zubereitet werden;
- 8 eine schematische Perspektivansicht ist, die einen in 2 gezeigten Verbindungselement-Zubereitungsschritt veranschaulicht;
- 9 eine Schnittansicht eines Verbindungselements mit einer darauf gebildeten zweiten Verstärkungsschicht in einem in 2 gezeigten zweite Verstärkungsschicht-Bildungsschritt ist;
- 10 ein schematisches konzeptuelles Diagramm ist, das den Zustand eines in 9 gezeigten Teils B nach thermischem Härten veranschaulicht;
- 11 eine Schnittansicht ist, die einen in 2 gezeigten Mantelbildungsschritt veranschaulicht;
- 12 ein Graph ist, der ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Glasübergangstemperatur des Epoxidharzes und der Harzfestigkeit gemäß einer Referenzausführungsform zeigt;
- 13 ein Graph ist, der ein Beispiel der Messergebnisse der Glasübergangstemperatur während des thermischen Härtens für ein Teststück gemäß der Referenzausführungsform zeigt;
- 14 ein Graph ist, der den Zusammenhang zwischen der Härtetemperatur und der Menge an Epoxidgruppen mit der Härtezeit während des thermischen Härtens des Teststücks gemäß der Referenzausführungsform zeigt;
- 15A ein schematisches konzeptuelles Diagramm ist, das den Zustand eines Teils, der dem in 3 gezeigten Teil A entspricht, nach thermischem Härten während der Zubereitung eines Zylinderelements in einem Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks gemäß einem Vergleichsbeispiel veranschaulicht; und
- 15B ein schematisches konzeptuelles Diagramm ist, das den Zustand eines Teils, der dem in 9 gezeigten Teil B entspricht, nach thermischem Härten während der Bildung einer zweiten Verstärkungsschicht im Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Hiernach wird eine Ausführungsform erhalten gemäß der vorliegenden Erfindung mit Referenz auf 1 bis 11, 15A, und 15B beschrieben. Zuerst wird ein Hochdrucktank 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Obwohl der Hochdrucktank 1 hierin als ein Tank beschrieben wird, der mit Hochdruck-Wasserstoffgas beladen wird und an ein Brennstoffzellen-Fahrzeug montiert wird, kann der Hochdrucktank 1 ebenfalls für andere Anwendungen verwendet werden. Das Gas, das im Hochdrucktank 1 gespeichert werden kann, ist nicht limitiert auf Hochdruck-Wasserstoffgas. Beispiele des Gases, das im Hochdrucktank 1 gespeichert werden kann, beinhalten verschiedene komprimierte Gase, wie etwa komprimiertes Erdgas (CNG), verschiedene verflüssigte Gase, wie etwa verflüssigtes Erdgas (LNG) und verflüssigtes Petroleumgas (LPG), und andere Gase.
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1. Hochdrucktank 1
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Wie in 1 gezeigt, ist der Hochdrucktank 1 ein grundsätzlich zylindrischer Hochdruck-Gasspeicherbehälter mit kuppelförmigen runden Enden. Der Hochdrucktank 1 beinhaltet einen Mantel 2 mit Gasbarriereeigenschaften und einen Verstärkungsteil 3, der aus einem faserverstärkten Harz gemacht ist und die äußere Oberfläche des Mantels 2 bedeckt. Der Hochdrucktank 1 weist eine Öffnung an einem seiner Enden auf und weist einen um die Öffnung angebrachten Vorsprung (Muffe, engl. „boss“) 4 auf.
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Der Mantel 2 bildet einen Speicherraum 5, der Hochdruck-Wasserstoffgas speichert. Der Mantel 2 ist eine Harzschicht, die an der inneren Oberfläche einer ersten Verstärkungsschicht 30 gebildet ist, und beinhaltet einen zylindrischen Körperteil 21 und kuppelförmige Seitenendteile 22, 23, die an beiden Seiten des Körperteils 21 gebildet sind. In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich der Körperteil 21 mit einer vorgegebenen Länge in der Axialrichtung X des Hochdrucktanks 1 und weist eine zylindrische Gestalt auf. Die Seitenendteile 22, 23 sind kontinuierlich mit beiden Seiten des Körperteils 21 und weisen eine Kuppelgestalt auf. Der Durchmesser eines jeden Seitenendteils 22, 23 nimmt mit zunehmender Entfernung vom Körperteil 21 ab. Ein Rohrteil ist im kleinsten Durchmesserteil von einer der Seitenendteile 22, 23, nämlich des Seitenendteils 22 bereitgestellt. Das Rohrteil weist ein Durchgangsloch auf.
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Das Harz für den Mantel 2 ist bevorzugt ein Harz fähig zum zufriedenstellenden Zurückbehalten eines gespeicherten Gases im Speicherraum 5, das heißt ein Harz mit zufriedenstellenden Barriereeigenschaften. Beispiele eines solchen Harzes beinhalten ein thermoplastisches Harz und ein wärmehärtendes Harz, die unten als Beispiele eines Harzmaterials M genannt werden.
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Der Vorsprung 4 wird durch Bearbeiten eines Metallmaterials, wie etwa Aluminium oder Aluminiumlegierung, in eine vorgegebene Gestalt gebildet. Ein Ventil 6, das den Fluss von Wasserstoffgas in den und aus dem Speicherraum 5 kontrolliert, ist an den Vorsprung 4 angebracht. Das Ventil 6 ist mit einem Abdichtelement 6a bereitgestellt. Das Abdichtelement 6a ist in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Mantels 2 in einem vorstehenden Teil 32b eines Kuppelelements 32 und dichtet den Speicherraum 5 des Hochdrucktanks 1 ab.
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Der Verstärkungsteil 3 wirkt als Verstärkung des Mantels 2 und als Verbesserung der mechanischen Festigkeit, wie etwa Steifheit und Druckbeständigkeit, des Hochdrucktanks 1 und ist aus einem faserverstärkten Harz gemacht, das aus Verstärkungsfasern (kontinuierliche Fasern) und einem Matrixharz zusammengesetzt ist. Der Verstärkungsteil 3 beinhaltet die erste Verstärkungsschicht 30 und eine zweite Verstärkungsschicht 34. Die erste Verstärkungsschicht 30 ist aus einem faserverstärkten Harz gemacht und bedeckt die äußere Oberfläche des Mantels 2. Die zweite Verstärkungsschicht 34 ist aus einem faserverstärkten Harz gemacht und bedeckt die äußere Oberfläche der ersten Verstärkungsschicht 30. Die erste Verstärkungsschicht 30 ist als ein Einzelteil durch ein Zylinderelement 31 und ein Paar von Kuppelelementen 32, 33, die mit beiden Seiten des Zylinderelements 31 verbunden sind, gebildet.
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Die erste Verstärkungsschicht 30 ist ein Laminat einer Vielzahl an Schichten eines faserverstärkten Harzes, das aus kontinuierlichen Fasern und einem wärmehärtenden Harz als ein Matrixharz zusammengesetzt ist. Die kontinuierlichen Fasern im Zylinderelement 31 sind entlang des Umfangs des Zylinderelements 31 bei einem Winkel, der im Wesentlichen senkrecht zur Axialrichtung X des Zylinderelements 31 ist, orientiert. Mit anderen Worten, die kontinuierlichen Fasern im Zylinderelement 31 sind in der Umfangrichtung des Zylinderelements 31 orientiert. Die kontinuierlichen Fasern in den Kuppelelementen 32, 33 sind nicht in der Umfangrichtung des Zylinderelements 31 orientiert, aber erstrecken sich von der Nähe der Oberseite der Kuppelelemente 32, 33 zu den peripheren Endteilen 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 in verschiedene Richtungen, die die Umfangrichtung kreuzen.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind die kontinuierlichen Fasern im Zylinderelement 31 und die kontinuierlichen Fasern in den Kuppelelementen 32, 33 nicht kontinuierlich (nicht verbunden). Wie später beschrieben wird, ist das so, weil die zwei Kuppelelemente 32, 33 an beide Enden des Zylinderelements 31 angebracht werden nachdem das Zylinderelement 31 und die Kuppelelemente 32, 33 separat gebildet werden.
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Die zweite Verstärkungsschicht 34 ist ein Laminat einer Vielzahl an Schichten eines faserverstärkten Harzes, das aus kontinuierlichen Fasern und einem wärmehärten Harz als ein Matrixharz zusammengesetzt ist. Die zweite Verstärkungsschicht 34 bedeckt die äußere Oberfläche der ersten Verstärkungsschicht 30. Das heißt, die zweite Verstärkungsschicht 34 ist eine Schicht, die die äußere Oberfläche des Zylinderelements 31 und die äußeren Oberflächen der Kuppelelemente 32, 33 bedeckt. Die kontinuierlichen Fasern in der zweiten Verstärkungsschicht 34 sind derart orientiert, um parallel zu oder geneigt um einen vorgegebenen Winkel oder weniger in Bezug auf die Axialrichtung X des Zylinderelements 31 zu sein und sind über das Zylinderelement 31 und die Kuppelelemente 32, 33 an beiden Seiten des Zylinderelements 31 orientiert. Die Kuppelelemente 32, 33 können durch die kontinuierlichen Fasern an das Zylinderelement 31 gespannt werden.
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Wie später beschrieben wird, haften im Hochdrucktank 1 der vorliegenden Ausführungsform das Zylinderelement 31 und die zweite Verstärkungsschicht 34 eng aneinander (siehe 10). Die Haftkraft zwischen den ersten und zweiten Verstärkungsschichten 30, 34 wird daher verbessert.
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2. Herstellungsverfahren des Hochdrucktanks 1
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Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 1 gemäß der Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 2 ist ein Flusschart, der die Schritte des Verfahrens zum Herstellen des Hochdrucktanks 1 veranschaulicht. Wie in 2 gezeigt, beinhaltet das Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 1 einen Zylinderelement-Zubereitungsschritt S1, einen Kuppelelement-Zubereitungsschritt S2, einen Verbindungselement-Zubereitungsschritt S3, einen zweite Verstärkungsschicht-Bildungsschritt S4, und einen Mantelbildungsschritt S5.
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Der Zylinderelement-Zubereitungsschritt S1, der Verbindungselement-Zubereitungsschritt S3, und der zweite Verstärkungsschicht-Bildungsschritt S4, entsprechen jeweils „Zubereiten eines Zylinderelements“, „Zubereiten eines Verbindungselements“, und „Bilden der zweiten Verstärkungsschicht“ in der vorliegenden Erfindung. Da der Zylinderelement-Zubereitungsschritt S1 und der Kuppelelement-Zubereitungsschritt S2 unabhängig voneinander durchgeführt werden, können diese Schritte S1, S2 parallel durchgeführt werden oder einer dieser Schritte S1, S2 kann zuerst durchgeführt werden. Zuerst wird der Zylinderelement-Zubereitungsschritt S1 beschrieben.
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2-1. Zylinderelement-Zubereitungsschritt S1
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Im in 2 gezeigten Zylinderelement-Zubereitungsschritt S1, wird wie in 3 gezeigt ein zylindrischer Wickelkörper 31A durch Wickeln von kontinuierlichen Fasern f1, die mit einem ersten wärmehärtenden Harz imprägniert sind, in der Umfangrichtung gebildet. Das Zylinderelement 31 wird durch thermisches Härten des ersten wärmehärtenden Harzes im Wickelkörper 31A zubereitet. Das dadurch zubereitete Zylinderelement 31 wird ein Teil der ersten Verstärkungsschicht 30 in einem späteren Schritt werden.
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Wie in 3 gezeigt, wird beim Bilden des Wickelkörpers 31A ein Faserbündel F1 um beispielsweise einen zylindrischen Dorn 100 durch beispielsweise Filamentwickeln (FW-Prozess) gewickelt. Das Faserbündel F1 ist ein Bündel einer Vielzahl an kontinuierlichen Fasern f1, die mit dem ersten wärmehärtenden Harz imprägniert sind.
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Der äußere Durchmesser des Dorns 100 ist ein äußerer Durchmesser gleich zum inneren Durchmesser des Zylinderelements 31, und wird bevorzugt auf solch einen Wert eingestellt, dass die Kuppelelemente 32, 33 an das Zylinderelement 31 angebracht werden können. Das Material des Dorns 100 ist insbesondere nicht limitiert, aber ist bevorzugt ein Metall. Da der Dorn 100, der aus einem Metall gemacht ist, schnell erwärmt oder gekühlt werden kann, kann ein wünschenswertes Temperaturprofil während des thermischen Härtens implementiert werden.
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Beim Wickeln des Faserbündels F1, wird das Faserbündel F1 in Schichten um den Dorn 100 gewickelt durch Ringwickeln (engl. „hoop winding“) während des Rotierens des Dorns 100 in der Umfangrichtung durch einen Rotationsmechanismus (nicht gezeigt). Das Wickeln wird während des Ausübens einer vorgegebenen Wickelspannung auf das Faserbündel F1 durchgeführt, und wird derart durchgeführt, dass eine Vielzahl an Schichten des gewundenen Faserbündels F1 gebildet wird.
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Das Ringwickeln ist ein Wickelverfahren, in dem das Faserbündel F1 in der Umfangrichtung des Dorns 100 derart gewickelt wird, dass der Wickelwinkel zwischen der Zentralachse des Dorns 100 und der Wickelrichtung des Faserbündels F1 im Wesentlichen ein rechter Winkel ist. Wie hierin verwendet, beinhaltet „im Wesentlichen ein rechter Winkel“ sowohl 90° und Winkel um 90°C, die durch Wickeln des Faserbündels F1 während des Verschiebens der Wickelposition des Faserbündels F1 derart, dass die benachbarten Faserbündel F1 einander nicht überlappen, gebildet werden. Der zylindrische Wickelkörper 31A, in dem die kontinuierlichen Fasern in der Umfangrichtung orientiert sind, wird dadurch gebildet.
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Wie in 3 gezeigt, wird jedes Endteil 31a in der Axialrichtung X des Wickelkörpers 31A zum Ende in der Axialrichtung X des Wickelkörpers 31A hin graduell dünner. Mit dieser Konfiguration werden weniger wahrscheinlich Stufen an den Verbindungen zwischen der äußeren Oberfläche des Zylinderelements 31 und den äußeren Oberflächen der Kuppelelemente 32, 33 beim Verbinden der Kuppelelemente 32, 33 mit beiden Endteilen 31a des Zylinderelements 31 gebildet.
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Um beide Endteile 31a in der Axialrichtung X des Wickelkörpers 31A zu den Enden in der Axialrichtung X des Wickelkörpers 31A hin graduell dünner zu machen, kann die Wickelbreite des Faserbündels F1 graduell verringert werden. Alternativ können die Endteile 31a in der Axialrichtung X des Wickelkörpers 31A zu den Enden in der Axialrichtung X des Wickelkörpers 31A hin durch Pressen der Endteile 31a durch eine Walze etc graduell dünner gemacht werden.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks gemäß einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Ausführungsform wird mit Referenz auf 15A und 15B beschrieben. Die gleichen Elemente und Teile wie jene in der vorliegenden Ausführungsform werden durch die gleichen Zeichen bezeichnet, und auf eine detaillierte Beschreibung davon wird verzichtet. Im Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks gemäß dem Vergleichsbeispiel wird beim Zubereiten eines Zylinderelements ein zylindrischer Wickelkörper 91A durch Wickeln kontinuierlicher Fasern, die mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert sind, um den Dorn 100 gebildet.
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Beim thermischen Härten des Wickelkörpers 91A beginnt die Viskosität des wärmehärtenden Harzes im Wickelkörper 91A abzunehmen. Das wärmehärtende Harz tritt deshalb aus der Oberfläche des Wickelkörpers 91A aus, und eine Oberflächenschicht 91B wird auf dem Wickelkörper 91A gebildet. Da die Oberflächenschicht 91B ungefähr den gleichen Gehalt eines Harzvorläufers und eines flüssigen Härtemittels aufweist wie der verbleibende Teil des Wickelkörpers 91A, wird die Oberflächenschicht 91B ebenfalls thermisch gehärtet, wie das wärmehärtende Harz im verbleibenden Teil.
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Sogar wenn eine zweite Verstärkungsschicht 94 an der thermisch gehärteten Oberflächenschicht 91B gebildet wird, kann die gehärtete Oberflächenschicht 91B, die zwischen einem Zylinderelement 91 und der zweiten Verstärkungsschicht 94 vorliegt, die Haftkraft zwischen dem Zylinderelement 91 und der zweiten Verstärkungsschicht 94 verringern.
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In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 4A gezeigt, wird deshalb ein wärmehärtendes Harz, das ein Hauptmittel R und ein granulares festes Härtemittel C enthält, als das erste wärmehärtende Harz verwendet. Das Hauptmittel R beinhaltet einen Harzvorläufer und das feste Härtemittel C bindet Moleküle des Harzvorläufers chemisch zusammen.
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Der Harzvorläufer kann entweder ein Monomer oder ein Präpolymer sein, und eine Quervernetzungsreaktion oder Polymerisationsreaktion des Harzvorläufers wird durch das Härtemittel bewirkt. Moleküle des Harzvorläufers werden direkt chemisch zusammen gebunden durch die Quervernetzungsreaktion oder Polymerisationsreaktion des Harzvorläufers, oder Moleküle des Harzvorläufers werden chemisch zusammen gebunden über das Härtemittel (Quervernetzungsmittel). Das wärmehärtende Harz wird durch dieses chemische Binden gehärtet.
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Wie in 4A gezeigt, beinhaltet der Wickelkörper 31A vor dem thermischen Härten das erste wärmehärtende Harz, das ein Hauptmittel R und ein festes Härtemittel C enthält. In der Anfangsphase des thermischen Härtens des ersten wärmehärtenden Harzes im Wickelkörper 31A, nimmt die Viskosität des Hauptmittels R aufgrund der Wärme ab, bevor das chemische Binden zwischen Molekülen des Harzvorläufers, die im Hauptmittel beinhaltet sind, fortschreitet. Das Hauptmittel R tritt deshalb aus den Zwischenräumen der kontinuierlichen Fasern f1 auf die Oberfläche des Wickelkörpers 31A aus.
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Da das feste Härtemittel C ein granulares Härtemittel ist, wird das feste Härtemittel C wahrscheinlicher durch die kontinuierlichen Fasern f1 blockiert als das Hauptmittel R mit der verringerten Viskosität. Folglich verbleibt das feste Härtemittel C innerhalb des Wickelkörpers 31A und wird weniger wahrscheinlich die Oberfläche des Wickelkörpers 31A erreichen. Eine Oberflächenschicht 31B mit einem geringeren Verhältnis des festen Härtemittels C zum Hauptmittel R als der verbleibende Teil des Wickelkörpers 31A wird deshalb an der Oberfläche des Wickelkörpers 31A gebildet.
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Danach nimmt die Temperatur des ersten wärmehärtenden Harzes weiter zu. Dementsprechend wird das feste Härtemittel C gelöst, und das gelöste feste Härtemittel C und der Harzvorläufer, der im Hauptmittel R beinhaltet ist, reagieren chemisch derart miteinander, dass das erste wärmehärtende Harz gehärtet wird. Jedoch, da die Oberflächenschicht 31B, die an der Oberfläche des Wickelkörpers 31A gebildet wird, ein niedriges Verhältnis des festen Härtemittels C zum Hauptmittel R aufweist, wird die Oberflächenschicht 31B weniger wahrscheinlich gehärtet, sogar wenn der Wickelkörper 31A für thermisches Härten erwärmt wird. Dementsprechend, kann die Oberflächenschicht 31B weicher als der verbleibende Teil des Wickelkörpers 31A (Harz innerhalb des Wickelkörpers 31A) gehalten werden. Da der Harzvorläufer, der im Hauptmittel R beinhaltet ist, in der Oberflächenschicht 31B nach dem Erwärmen verbleibt, reagiert der Harzvorläufer mit einem Härtemittel, das in einem zweiten wärmehärtenden Harz in der zweiten Verstärkungsschicht 34, die später beschrieben wird, enthalten ist. Die Haftkraft der zweiten Verstärkungsschicht 34 zum Zylinderelement 31 ist daher erhöht.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Teilchengröße (mittlere Größe) des festen Härtemittels C bevorzugt größer als die in 5 gezeigte Lücke G zwischen den kontinuierlichen Fasern f1. Dies macht es schwieriger für das feste Härtemittel C zwischen den kontinuierlichen Fasern durchzukommen. Das feste Härtemittel C wird deshalb wahrscheinlicher innerhalb des Wickelkörpers 31A zurückbehalten. Die Oberflächenschicht 31B mit einem geringeren Verhältnis des festen Härtemittels C zum Hauptmittel R als der verbleibende Teil des Wickelkörpers 91A kann daher gebildet werden.
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Wie in 5 gezeigt kann die Größe der Lücke G zwischen den kontinuierlichen Fasern f1 erhalten werden durch Subtrahieren des Radius D1 der benachbarten kontinuierlichen Fasern f1 von der Distanz D2 zwischen den Zentren der benachbarten kontinuierlichen Fasern f1. Die Distanz D2 zwischen den Zentren der benachbarten kontinuierlichen Fasern f1 kann erhalten werden aus der Faservolumenfraktion Vf. Die Faservolumenfraktion ist das Verhältnis des Volumens der Fasern zum Gesamtvolumen des Harzes und der Fasern.
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Die Teilchengröße des festen Härtemittels C ist bevorzugt 20 µm oder mehr, obwohl sie von den Bedingungen des Radius D1 der kontinuierlichen Faser f1 und der Faservolumenfraktion Vf abhängt. Die Teilchengröße des festen Härtemittels C stellt die mittlere Größe (D50) wie gemessen durch ein Laserdiffraktions- und Streuungsteilchengrößenverteilungsmessverfahren dar.
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Verstärkungsfasern, wie etwa Glasfasern, Aramidfasern, Borfasern, oder Kohlenstofffasern können als die kontinuierlichen Fasern f1 verwendet werden. Kohlenstofffasern sind insbesondere bevorzugt hinsichtlich der Leichtigkeit, mechanischen Festigkeit, etc.
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Beispiele des Hauptmittels R im ersten wärmehärtenden Harz beinhalten Harzvorläufer, wie etwa Phenolharzvorläufer, Melaminharzvorläufer, Harnstoffharzvorläufer, und Epoxidharzvorläufer. Der Epoxidharzvorläufer ist insbesondere bevorzugt hinsichtlich der mechanischen Festigkeit, etc. Der Epoxidharzvorläufer ist flüssig in einem ungehärteten Zustand, und wird ein Epoxidharz, das eine starke quervernetzte Struktur nach dem thermischen Härten bildet.
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Angenommen, dass der obige Zusammenhang zwischen der Teilchengröße des festen Härtemittels C und der Lücke G zwischen den kontinuierlichen Fasern f1 erfüllt ist, ist das feste Härtemittel C im ersten wärmehärtenden Harz insbesondere nicht limitiert, so lange das feste Härtemittel C das Hauptmittel R (Moleküle des Harzvorläufers) chemisch zusammenbinden kann. Beispiele des festen Härtemittels C, wenn das Hauptmittel R beispielsweise ein Epoxidharzvorläufer ist, beinhalten Amine, Säureanhydride, Dicyandiamid (DICY), und organische Säurehydrazide.
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Beispiele der Amine beinhalten aromatische Amine. Konkrete Beispiele der aromatischen Amine beinhalten meta-Phenylendiamin, Diaminodiphenylmethan, und Diaminodiphenylsulfon. Beispiele der Säureanhydride beinhalten ein aromatisches Säureanhydrid, ein zyklisches aliphatisches Säureanhydrid, ein Halogensäureanhydrid, wie etwa Chlorendisäureanhydrid, und ein aliphatisches Säureanhydrid. Beispiele der aromatischen Säureanhydride beinhalten Phthalsäureanhydrid, Trimellitsäureanhydrid, Pyromellitsäureanhydrid, Benzophenontetracarbonsäureanhydrid, Ethylenglykolbistrimellitat, und Glycerintristrimellitat. Beispiele der zyklischen aliphatischen Säureanhydride beinhalten Maleinsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Endomethylentetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Bernsteinsäureanhydrid, und Methylcyclohexendicarbonsäureanhydrid. Beispiele der aliphatischen Säureanhydride beinhalten ein Alkylstyrol-Maleinsäureanhydridcopolymer und ein Polyazelainsäureanhydrid.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird Dicyandiamid als ein Beispiel verwendet. Dicyanamid ist ein Hochschmelzpunktkristall mit einem Schmelzpunkt von 207 bis 210°C. Beim Erwärmen in einen Lösungszustand wird Dicyanamid zersetzt in Cyanamid und kann daher mit einem Epoxidharzvorläufer reagieren.
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In der vorliegenden Ausführungsform kann ein Härtebeschleuniger mit dem festen Härtemittel C verwendet werden. Der Härtebeschleuniger ist insbesondere nicht limitiert, so lange er die Härteeigenschaften des festen Härtemittels C erhöht. Konkrete Beispiele des Härtebeschleunigers beinhalten Imidazol, tertiäre Amine, und aromatische Amine. In der vorliegenden Ausführungsform wird Imidazol als ein Beispiel verwendet. Imidazol kann als ein Katalysator agieren, der den Schmelzpunkt des festen Härtemittels C während des thermischen Härtens verringert.
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Ein Beispiel, in dem das Zylinderelement 31 durch den FW-Prozess gebildet wird, ist oben beschrieben. Jedoch kann das Zylinderelement 31 durch Wickeln eines Faserblatts, das mit dem ersten wärmehärtenden Harz imprägniert ist, um den Dorn 100 durch Blattwickeln gebildet werden. Alternativ kann das Zylinderelement 31 durch sogenanntes Zentrifugalwickeln (ZW) (engl. „centrifugal winding“) gebildet werden, nämlich durch Anbringen eines Faserblatts auf die innere Oberfläche des rotierenden Dorns 100.
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2-2. Kuppelelement-Zubereitungsschritt S2
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Die Kuppelelemente 32, 33, die die erste Verstärkungsschicht 30 werden, werden im in 2 gezeigten Kuppelelement-Zubereitungsschritt S2 gebildet. Konkret, wie in 6 gezeigt, wird ein Faserbündel F2, das mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert ist, zuerst um einen Dorn 200 durch beispielweise Filamentwickeln (FW-Prozess) gewickelt.
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Der Dorn 200 beinhaltet einen Körperteil 201 und einen Schaftteil 202, der sich von einem Ende des Körperteils 201 nach außen erstreckt. Der Körperteil 201 weist eine kreisförmige Gestalt bei Ansicht in der Axialrichtung des Schaftteils 202 auf. Der Körperteil 201 weist eine Rille 201a in der Mitte in der Axialrichtung auf. Die Rille 201a wird in der äußeren peripheren Oberfläche des Körperteils 201 gebildet und erstreckt sich entlang des gesamten Umfangs des Körperteils 201. Die äußere Oberfläche des Dorns 200 weist eine Gestalt auf, die den kuppelförmigen Seitenendteilen 22, 23 des Mantels 2, die ohne das Körperteil 21 dazwischen verbunden sind, entspricht. Der Dorn 200 weist die Rille 201a an einer Position auf, die dem Verbindungsstück zwischen den Seitenendteilen 22, 23 entspricht. Der Schaftteil 202 wird rotierbar unterstützt durch einen Rotationsmechanismus (nicht gezeigt).
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Beim Wickeln des Faserbündels F2 um den Dorn 200, wird der Dorn 200 rotiert, um das Faserbündel F2 derart zu wickeln, dass das Faserbündel F2 die äußere Oberfläche des Dorns 200 bedeckt, wodurch ein sphärischer schalenartiger Wickelkörper 35, der aus dem Faserbündel F2 gemacht ist, gebildet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das Faserbündel F2 ebenfalls um den Schaftteil 202 gewickelt, um den zylindrischen vorstehenden Teil 32b mit einem Durchgangsloch 32, wie in 7 gezeigt, zu bilden. Das Faserbündel F2 wird bei einem Winkel bei beispielsweise 30 bis 50 Grad hinsichtlich der Axialrichtung des Schaftteils 202 gewickelt.
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Der Wickelkörper 35 kann durch eine Walze etc. nahe der Position, die dem Verbindungsstück zwischen den Seitenendteilen 22, 23 entspricht, derart gepresst werden, dass die peripheren Endteile 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 zu den offenen Enden in der Axialrichtung X der Kuppelelemente 32, 33 graduell dünner werden.
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Im in 6 gezeigten Zustand wird der Vorsprung 4 an die äußere Oberfläche des vorstehenden Teils 32b angebracht, und das wärmehärtende Harz im Wickelkörper 35, der aus dem Faserbündel F2 gemacht ist, wird thermisch gehärtet. Der Wickelkörper 35, der aus dem gehärteten Faserbündel F2 gemacht ist, wird in zwei Teile durch Verwenden einer Schneidevorrichtung 210 (siehe 6) geteilt. Beim Teilen des Wickelkörpers 35 in zwei Teile, wird eine Klinge der Schneidevorrichtung 210 in die Rille 201a des Dorns 200 während des Rotierens des Dorns 200 eingeführt. Das Faserbündel F2 wird daher durch die Schneidevorrichtung 210 geschnitten. Der Wickelkörper 35 kann auf diese Weise in zwei Teile geteilt werden. Wie in 7 gezeigt, werden die dadurch erhaltenen zwei Teile des Wickelkörpers 35 dann vom Dorn 200 entfernt. Die Kuppelelemente 32, 33 werden auf diese Weise gebildet.
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Das Faserbündel F2 kann ein Bündel aus einer Vielzahl an kontinuierlichen Fasern f2, die mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert sind, sein. Beispiele der kontinuierlichen Fasern f2 beinhalten Fasern gleich zu den Verstärkungsfasern, die oben als Beispiele der kontinuierlichen Fasern f1 genannt wurden. Kohlenstofffasern werden insbesondere bevorzugt hinsichtlich der Leichtigkeit, mechanischen Festigkeit, etc. Das wärmehärtende Harz mit dem das Faserbündel F2 imprägniert ist, kann gleich zum ersten wärmehärtenden Harz sein. In diesem Fall, da eine Oberflächenschicht gleich zur Oberflächenschicht 31B des Zylinderelements 31 an den Oberflächen der Kuppelelement 32, 33 gebildet wird, kann die Haftung zwischen den Kuppelelementen 32, 33 und der zweiten Verstärkungsschicht 34 erhöht werden. Ein Hauptmittel dieses wärmehärtenden Harzes kann ein Epoxidharzvorläufer sein, und ein Härtemittel dieses wärmehärtenden Harzes kann ein flüssiges Härtemittel sein. In diesem Fall ist das flüssige Härtemittel bevorzugt Polyamin.
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Ein Beispiel, in dem die Kuppelelemente 32, 33 durch den FW-Prozess gebildet werden, ist oben beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen limitiert, und die Kuppelelemente 32, 33 können durch Bandanordnung (engl. „tape placement“) gebildet werden. In diesem Fall kann jedes Kuppelelement 32, 33 durch Pressen und Anbringen eines Faserbündels auf die Oberfläche einer kuppelförmigen Pressform durch eine Walze gebildet werden.
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2-3. Verbindungselement-Zubereitungsschritt S3
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Als Nächstes wird der Verbindungselement-Zubereitungsschritt S3 wie in 2 gezeigt durchgeführt. In diesem Schritt, wie in 8 gezeigt, werden die Kuppelelemente 32, 33 mit den Endteilen 31a des Zylinderelements 31 verbunden. Konkret werden die peripheren Endteile 32a, 33a der Kuppelelemente 32, 33 mit den Endteilen 31a des Zylinderelements 31 verbunden. Ein Verbindungselement 30A, das der ersten Verstärkungsschicht 30 entspricht, wird auf diese Weise gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Oberflächenschicht 31B an der äußeren Oberfläche des Zylinderelements 31 des Verbindungselements 30A exponiert.
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Beim Verbinden der Kuppelelemente 32, 33 mit den Endteilen 31a des Zylinderelements 31 können die Kuppelelemente 32, 33 an das Zylinderelement 31 angepasst werden (siehe 9). Da die weiche Oberflächenschicht 31B an der Oberfläche des Zylinderelements 31 gebildet wird, kann das Verbindungsstück zwischen dem Zylinderelement 31 und den Kuppelelementen 32, 33 weiter verstärkt werden.
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Beim Anpassen der Kuppelelemente 32, 33 kann ein Haftmittel (nicht gezeigt) zwischen das Zylinderelement 31 und die Kuppelelemente 32, 33 platziert werden. Das Material des Haftmittels ist insbesondere nicht limitiert. Jedoch ist das Haftmittel beispielsweise bevorzugt ein wärmehärtendes Harz, wie etwa ein Epoxidharz. Das Haftmittel kann ein wärmehärtendes Harz sein, das die gleichen Komponenten wie das Harz des Zylinderelements 31 oder der Kuppelelemente 32, 33 enthält.
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2-4. Zweite Verstärkungsschicht-Bildungsschritt S4
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Als Nächstes wird der zweite Verstärkungsschicht-Bildungsschritt S4 durchgeführt wie in 2 gezeigt. In diesem Schritt, wie in 8 und 9 gezeigt, wird ein Faserbündel F3, das mit dem zweiten wärmehärtenden Harz imprägniert ist, helikal um das Verbindungselement 30A über die Kuppelelemente 32, 33 gewickelt. Danach wird das zweite wärmehärtende Harz im gewickelten Faserbündel F3 thermisch gehärtet, um die zweite Verstärkungsschicht 34 zu bilden. Durch Bilden der zweiten Verstärkungsschicht 34, kann der Verstärkungsteil 3, der die erste Verstärkungsschicht 30 und die zweite Verstärkungsschicht 34 beinhaltet, gebildet werden.
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Das helikale Wickeln ist ein Wickelverfahren, in dem das Faserbündel schräg (im Bereich von 10° oder mehr und 60° oder weniger) über die Kuppelelemente 32, 33 in Bezug auf die Axialrichtung X des Zylinderelements 31 gewickelt wird. Die Anzahl an Schichten des gewickelten Faserbündels F3 ist beispielsweise ungefähr 2 bis 10. Jedoch ist die Anzahl an Schichten des gewickelten Faserbündels F3 insbesondere nicht limitiert so lange die zweite Verstärkungsschicht 34 stark genug ist.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Oberflächenschicht 31B weicher als die anderen wärmehärtenden Harze im Zylinderelement 31, da die Oberflächenschicht 31B einen unreagierten Harzvorläufer beinhaltet. Deshalb wird beim helikalen Wickeln des Faserbündels F3 um das Verbindungselement 30A die Oberflächenschicht 31B durch das Faserbündel F3 zur Seite geschoben. Folglich, wie in 10 gezeigt, kann die zweite Verstärkungsschicht 34 eng an die äußere Oberfläche des Zylinderelements 31 angebracht werden. Hohlräume werden deshalb weniger wahrscheinlich zwischen der zweiten Verstärkungsschicht 34 und dem Zylinderelement 31 gebildet.
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Nachdem das Faserbündel F3 um das Verbindungselement 30A gewickelt wurde, wird das zweite wärmehärtende Harz, mit dem das Faserbündel F3 imprägniert ist, thermisch gehärtet. In der vorliegenden Ausführungsform, beim thermischen Härten des zweiten wärmehärtenden Harzes, wird das Hauptmittel R in der Oberflächenschicht 31B quervernetzt oder polymerisiert durch das Härtemittel etc., das im zweiten wärmehärtenden Harz enthalten ist. Die Oberflächenschicht 31B, die an der äußeren Oberfläche des Zylinderelements 31 gebildet ist, kann daher als ein Haftmittel zwischen dem Zylinderelement 31 und der zweiten Verstärkungsschicht 34 wirken. Folglich kann die Haftkraft zwischen der ersten Verstärkungsschicht 30 und der zweiten Verstärkungsschicht 34 erhöht werden.
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Da das Zylinderelement 31 eine größere Bindungsfläche mit der zweiten Verstärkungsschicht 34 als die Kuppelelemente 32, 33 aufweist, kann die Haftkraft zwischen der ersten Verstärkungsschicht 30 und der zweiten Verstärkungsschicht 34 durch Bilden der Oberflächenschicht 31B am Zylinderelement 31 erhöht werden.
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Das Faserbündel F3 ist ein Bündel einer Vielzahl an kontinuierlichen Fasern f3, die mit dem zweiten wärmehärtenden Harz imprägniert sind, und die kontinuierlichen Fasern f3 können Fasern gleich zu den Verstärkungsfasern sein, die oben als Beispiele der kontinuierlichen Fasern f1 genannt wurden.
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Das zweite wärmehärtende Harz, mit dem das Faserbündel F3 imprägniert ist, enthält ein Hauptmittel und ein Härtemittel. Das Hauptmittel beinhaltet einen Harzvorläufer. Beispiele des Hauptmittels des zweiten wärmehärtenden Harzes beinhalten Harzvorläufer gleich zu jenen, die oben als Beispiele des Hauptmittel R des ersten wärmehärtenden Harzes genannt wurden. Ein Epoxidharzvorläufer wird bevorzugt hinsichtlich mechanischer Festigkeit etc.
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Das Härtemittel ist insbesondere nicht limitiert, so lange es Moleküle des Harzvorläufers des zweiten wärmehärtenden Harzes chemisch zusammenbinden kann. Ein mehr bevorzugtes Härtemittel ist ein Härtemittel, das nicht nur Moleküle des Harzvorläufers des zweiten wärmehärtenden Harzes chemisch zusammenbinden kann, sondern ebenfalls den Harzvorläufer des zweiten wärmehärtenden Harzes und den Harzvorläufer des ersten wärmehärtenden Harzes chemisch binden kann. Der Harzvorläufer des ersten wärmehärtenden Harzes und der Harzvorläufer des zweiten wärmehärtenden Harzes sind deshalb bevorzugt von der gleichen Art. Beispielsweise, wenn diese Harzvorläufer Epoxidharzvorläufer sind, beinhalten Beispiele des Härtemittels aliphatische Amine, aromatische Amine, und Polyamidharze.
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2-5. Mantelbildungsschritt S5
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Als Nächstes wird der Mantelbildungsschritt S5 durchgeführt wie in 2 gezeigt. In diesem Schritt, wie in 11 und 1 gezeigt, wird der Mantel 2 im Verbindungselement 30A mit der zweiten Verstärkungsschicht 34, die darauf gebildet ist, gebildet. Der Mantel 2 wird derart gebildet, um die innere Oberfläche des Verbindungselements 30A zu bedecken.
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Der Mantel 2 wird gebildet durch Beschichten der inneren Oberfläche des Verbindungselements 30A mit einem Harzmaterial M. Das Beschichtungsverfahren ist insbesondere nicht limitiert, so lange der Mantel 2 gebildet werden kann. Beispielsweise, wie in 11 gezeigt, wird ein Stutzen 300 durch das Durchgangsloch 32c eingeführt, was die internen und externen Räume des Verbindungselements 30A miteinander in Verbindung stehen lässt, und die Flüssigkeit oder das erweichte Harzmaterial M wird aus dem Stutzen 300 in den inneren Raum des Verbindungselements 30A ausgestoßen. Der Stutzen 300 wird dann durch das Durchgangsloch 32c entfernt.
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Danach wird der innere Raum auf eine vorgegebene Temperatur oder mehr, nach Bedarf erwärmt. Während das Harzmaterial M in einem flüssigen Zustand ist, wird das Verbindungselement 30A in der Umfangrichtung rotiert und beide Enden des Verbindungselements 30A werden alternierend hoch und runter bewegt (siehe 11). Folglich, wird das Harzmaterial M in einem flüssigen Zustand hoch bewegt durch die Rotation des Verbindungselements 30A, und ein Teil des Harzmaterials M fließt die innere Oberfläche des Verbindungselements 30A aufgrund seines Eigengewichts herunter. Das Harzmaterial M ist daher in Kontakt mit und bedeckt die gesamte innere Oberfläche des Verbindungselements 30A.
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Wenn das Harzmaterial M ein wärmehärtendes Harz ist, wird der innere Raum erwärmt, um das Harzmaterial M zu härten. Der Mantel 2 wird auf diese Weise gebildet. Wenn das Harzmaterial M ein thermoplastisches Harz ist, wird der innere Raum gekühlt, um das Harzmaterial, das in Kontakt ist mit und bedeckt die innere(n) Oberfläche(n) des Verbindungselements 30A, zu verfestigen. Der Mantel 2 wird auf diese Weise gebildet. In diesem Beispiel wird der Mantel 2 gebildet durch Reaktionsspritzgießen unter Verwenden von zwei oder mehr Arten an niedermolekulargewichtigen und niederviskosen flüssigen Materialien, die bei Raumtemperatur flüssig sind, als das Harzmaterial M. In diesem Fall, wird der innere Raum erwärmt, um ein Polymer aus einem Monomer herzustellen, und der innere Raum wird dann gekühlt, um das Polymer zu verfestigen. Der Mantel 2 wird auf diese Weise gebildet.
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Das Harzmaterial M ist bevorzugt ein Harz mit zufriedenstellenden Gasbarriereeigenschaften. Beispiele eines solchen Harzes beinhalten thermoplastische Harze, wie etwa Polypropylenharze, Nylonharze (e.g. Nylon 6 Harz oder Nylon 6,6 Harz), Polycarbonatharze, Acrylharze, Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS) Harze, Polyamidharze, Polyethylenharze, EthylenVinylalkohol-Copolymerharze (EVOHs), und Polyesterharze.
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Nachdem der Mantel 2 auf diese Weise gebildet ist, wird das Ventil 6 auf den Vorsprung 4 angebracht. Der in 1 gezeigte Hochdrucktank 1 wird dadurch vollendet. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Mantel 2 gebildet nachdem das Verbindungselement 30A gebildet wird. Jedoch kann der Mantel 2 (Harzschicht, die dem Mantel 2 entspricht) im Zylinderelement 31 und den Kuppelelementen 32, 33 gebildet werden, bevor das Verbindungselement 30A gebildet wird.
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3. Kontrolltest
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Die Erfinder führten einen Test durch zum Kontrollieren der Bildung der Oberflächenschicht 31B durch Zubereiten eines Teststücks, das dem Zylinderelement 31 entspricht, gemäß dem Verfahren zum Zubereiten des Zylinderelements 31 beschrieben im Zylinderelement-Zubereitungsschritt S1.
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Konkret wurde ein zylindrischer Wickelkörper mit einer Faservolumenfraktion Vf von 67% (Harzgewichtanteil HA von 24 Gewichts-%) zubereitet durch Wickeln kontinuierlicher Fasern, die mit dem ersten wärmehärtenden Harz imprägniert sind, um einen zylindrischen Dorn durch den FW-Prozess. Ein wärmehärtendes Harz, das ein Hauptmittel, ein festes Härtemittel, und einen Härtebeschleuniger enthält, wurde als das erste wärmehärtende Harz verwendet. Konkret wurden Bisphenol A Harz und 1,4-Butandioldiglycidylether als das Hauptmittel verwendet, DICY mit einer Teilchengröße D50 von 20 µm wurde als das feste Härtemittel verwendet, und Imidazol wurde als der Härtebeschleuniger verwendet. Kohlenstofffasern mit einem Faserdurchmesser von 5 bis 7 µm wurden als die kontinuierlichen Fasern verwendet.
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Als Nächstes wurde das erste wärmehärtende Harz im zylindrischen Wickelkörper thermisch gehärtet. Ein Teststück als ein Referenzbeispiel wurde dadurch zubereitet. Durch visuelle Beobachtung des dadurch zubereiteten Teststücks wurde eine Oberflächenschicht weicher als der verbleibende Teil des Teststücks an der Oberfläche des Teststücks beobachtet.
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Referenzausführungsform
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Eine Referenzausführungsform wird mit Referenz auf 12 bis 14 beschrieben. In der obigen Ausführungsform wird die Oberflächenschicht 31B an der Oberfläche des Zylinderelements 31 durch Verwenden des festen Härtemittels C gebildet. In der Referenzausführungsform, jedoch, wird die Oberflächenschicht 31B an der Oberfläche des Zylinderelements 31 durch Einstellen der Menge an Wärme, die während des thermischen Erwärmens des Zylinderwickelkörpers 31A angewendet wird, gebildet. Die folgende Beschreibung fokussiert sich auf die Unterschiede. Die gleichen Elemente und Teile wie jene in der obigen Ausführungsform werden durch die gleichen Zeichen bezeichnet, und auf eine detaillierte Beschreibung davon wird verzichtet.
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In der Referenzausführungsform wird ein wärmehärtendes Harz, das ein Hauptmittel R und ein Härtemittel enthält, als das erste wärmehärtende Harz verwendet. Das Härtemittel kann entweder ein festes Härtemittel oder ein flüssiges Härtemittel, wie etwa aromatisches Amin sein, so lange es Moleküle des Harzvorläufers, die im Hauptmittel R beinhaltet sind, chemisch zusammenbindet.
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In der Referenzausführungsform wird beim thermischen Härten des ersten wärmehärtenden Harzes im Wickelkörper 31A die Menge an Wärme durch Verwenden der Menge an Hauptmittel R, das verbleiben wird ohne verbraucht zu werden (die Restmenge an Hauptmittel R), als ein Richtwert eingestellt. Die Bestimmung der Restmenge an Hauptmittel R wird für den Fall beschrieben, bei dem das Hauptmittel R ein Epoxidharzvorläufer ist (e.g. Bisphenol A Harz und 1,4-Butandioldiglycidylether).
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Als Erstes wird der Grad der Härtung des Epoxidharzes zum Erzielen der gewünschten Harzfestigkeit bestimmt. Die gewünschte Harzfestigkeit ist beispielsweise die Harzfestigkeit, die erforderlich ist für den Verstärkungsteil 3 als eine Designbedingung (engl. „design condition“) für den Hochdrucktank 1. Da der Grad der Härtung als eine Glasübergangstemperatur (Tg) ausgewertet werden kann, wird die Glasübergangstemperatur, die die gewünschte Harzfestigkeit bereitstellt, aus einem in 12 gezeigten Graph bestimmt. Der Graph von 12 veranschaulicht ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Glasübergangstemperatur des Epoxidharzes und der Harzfestigkeit. Beispielsweise zeigt der Graph von 12, dass wenn die gewünschte Harzfestigkeit S1 MPA oder höher ist, die Glasübergangstemperatur Tg des Epoxidharzes T1°C oder höher sein muss.
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Die Härtezeit damit Tg T1°C erreicht wird dann bestimmt. Konkret wird ein Teststück, das dem Wickelkörper 31A entspricht, zubereitet und das erste wärmehärtende Harz im Teststück wird thermisch gehärtet. Die Glasübergangstemperatur Tg des ersten wärmehärtenden Harzes wird nach einer vorgegebenen Härtezeit gemessen. Die Glasübergangstemperatur Tg kann gemessen werden durch beispielsweise Differentialscanningkalorimetrie. 13 zeigt ein Beispiel der Messergebnisse. Der Graph von 13 zeigt, dass die Härtetemperatur auf 140°C erhöht werden muss, damit Tg T1°C erreicht. Das heißt, es kann angenommen werden, dass die Menge an Epoxidgruppen, die verbraucht werden bevor die Härtetemperatur auf 140°C steigt, die minimale Menge ist, die erforderlich ist, um die gewünschte Harzfestigkeit von S1 MPa oder höher zu erzielen.
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14 ist ein Graph, der den Zusammenhang zwischen der Härtetemperatur und der Menge an Epoxidgruppen mit der Härtezeit während des thermischen Härtens des obigen Teststücks zeigt. Die kontinuierliche Linie L1 zeigt den Temperaturverlauf während des thermischen Härtens, und die schwarzen Punkte zeigen die Menge an Epoxidgruppen. Die Menge an in 14 gezeigten Epoxidgruppen wird wie folgt erhalten. Wenn das Härtemittel ein aromatisches Amin ist, werden ein aromatischer Ring-Peak und ein Epoxidharz-Peak im gemessenen Absorptionsspektrum angenommen. Die Menge an in 14 gezeigten Epoxidgruppen ist das Verhältnis der Extinktion (engl. „absorbance“) beim angenommenen Epoxidharz-Peak zur Extinktion beim angenommenen aromatischen Ring-Peak. Das Absorptionsspektrum kann durch beispielsweise Raman-Spektroskopie gemessen werden.
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Wie aus 14 gesehen werden kann, nimmt die Menge an Epoxidgruppen mit vorübergehender Härtezeit ab. Die Menge an Epoxidgruppen nimmt um etwa 62,5% (= (4,0 - 1,5) / 4,0) × 100) von der Menge vor dem thermischen Härten ab, bevor die Härtetemperatur auf 140°C steigt. Das heißt, es kann angenommen werden, dass die Menge an Epoxidgruppen, die verbraucht wird bevor die Härtetemperatur auf 140°C steigt, etwa 62,5% ist, und wie oben beschrieben, diese Menge die minimale Menge ist, die erforderlich ist, um die gewünschte Harzfestigkeit von S1 MPa oder mehr zu erzielen.
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Dementsprechend können etwa 62,5% der Menge an Epoxidgruppen vor dem thermischen Härten als der minimale Wert der Restmenge an Epoxidgruppen im Hauptmittel R bestimmt werden. Basierend auf dem Graph von 14, ist die Härtetemperatur zum Übriglassen von etwa 62,5% oder mehr der Menge an Epoxidgruppen etwa 90°C oder weniger. Deshalb, um beispielsweise 62,5% der Menge an Epoxidgruppen während des thermischen Härtens des ersten wärmehärtenden Harzes im Wickelkörper 31A übrigzulassen, wird das thermische Härten angehalten, wenn die Härtetemperatur (e.g. die Temperatur der Oberflächenschicht 31B) auf etwa 90°C steigt.
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Die Menge an Wärme kann daher bestimmt werden unter Verwenden der Restmenge an Hauptmittel R als ein Richtwert, und die Oberflächenschicht 31B kann an der äußeren Oberfläche des Zylinderelements 31 durch Durchführen von thermischem Härten mit der bestimmten Menge an Wärme (e.g. die Bedingungen der Härtetemperatur und der Härtezeit) gebildet werden. Die gewünschte Harzfestigkeit kann erzielt werden sowie das Resthauptmittel R quervernetzt oder polymerisiert wird durch das Härtemittel etc. während des thermischen Härtens des zweiten wärmehärtenden Harzes.
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Obwohl die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail oben beschrieben ist, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform limitiert, und verschiedene Designänderungen können gemacht werden ohne vom in den Ansprüchen beschriebenen Geist der Erfindung abzuweichen.
