DE102022115812A1

DE102022115812A1 - Hochdrucktank und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102022115812A1
Application number: DE102022115812.8A
Authority: DE
Inventors: Hironori Nakamura; Koji Katano; Daisuke Satoya; Takuya Kobayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2023-01-12
Also published as: US20230010853A1; CN115596987A; JP2023009945A

Abstract

Ein Hochdrucktank (1) umfasst eine Baugruppe (10) aus einem Rohrteilkörper (11) mit einer Rohrauskleidung (21) und einer Rohrverstärkungsschicht (31), die eine Außenumfangsfläche der Rohrauskleidung (21) bedeckt, einem ersten Kuppelteilkörper (12) mit einer ersten Kuppelauskleidung (22) und einer ersten Kuppelverstärkungsschicht (32), die eine Außenumfangsfläche der ersten Kuppelauskleidung (22) bedeckt, und einem zweiten Kuppelteilkörper (13) mit einer zweiten Kuppelauskleidung (23) und einer zweiten Kuppelverstärkungsschicht (33), die eine Außenumfangsfläche der zweiten Kuppelauskleidung (23) bedeckt. Der Rohrteilkörper (11) und der erste Kuppelteilkörper (12) sind so zusammengesetzt, dass die erste Kuppelauskleidung (22) im äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks (1) relativ zur Rohrauskleidung (21) angeordnet ist. Der Rohrteilkörper (11) und der zweite Kuppelteilkörper (13) sind so zusammengesetzt, dass die zweite Kuppelauskleidung (23) im äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks (1) relativ zur Rohrauskleidung (21) angeordnet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Hochdrucktank und ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es ist ein Hochdrucktank bekannt, der in einem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug oder dergleichen installiert ist, der eine Auskleidung mit einem zylindrischen Rohrabschnitt und einem Paar von Kuppelabschnitten, die an axial gegenüberliegenden Enden des Rohrabschnitts ausgebildet sind, und eine Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Harz, die eine Außenumfangsfläche der Auskleidung bedeckt, aufweist. Der Hochdrucktank mit dieser Struktur wird hergestellt, indem zunächst die Auskleidung ausgebildet wird und die Verstärkungsschicht durch Wickeln von mit Harz imprägnierten Faserbündeln um die Außenumfangsfläche der Auskleidung durch ein Faserwickelverfahren (FW-Verfahren) ausgebildet wird, wobei die ausgebildete Auskleidung als Wickelkern verwendet wird (siehe z. B. die japanische Patentanmeldung JP 2012- 149 739 A ).
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In letzter Zeit wird als Alternative zu dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren ein Herstellungsverfahren in Betracht gezogen, bei dem eine Form zum Herstellen von Teilkörpern einer Verstärkungsschicht verwendet wird und die Teilkörper der Verstärkungsschicht auf der Außenseite einer separat hergestellten Auskleidung angeordnet werden. Bei diesem Herstellungsverfahren kann der Hochdrucktank jedoch nicht ohne weiteres hergestellt werden, da eine genaue Größenanpassung zwischen der Auskleidung und den Teilkörpern der Verstärkungsschicht erforderlich ist.
Die Erfindung hat zur Aufgabe einen einfach herstellbaren Hochdrucktank und ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks zu schaffen.
Ein Hochdrucktank gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Baugruppe mit einem Rohrteilkörper und zwei Kuppelteilkörpern, die zusammengesetzt sind, sowie einer außerhalb der Baugruppe ausgebildete Spiralschicht bzw. spiralförmige Schicht. Der Rohrteilkörper hat eine Rohrauskleidung und eine Rohrverstärkungsschicht, die eine Außenumfangsfläche der Rohrauskleidung bedeckt, und jeder der Kuppelteilkörper hat eine Kuppelauskleidung und eine Kuppelverstärkungsschicht, die eine Außenumfangsfläche der Kuppelauskleidung bedeckt. Der Rohrteilkörper und die beiden Kuppelteilkörper sind so zusammengesetzt, dass die Kuppelauskleidung in einem äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks relativ zur Rohrauskleidung angeordnet ist.
Bei dem Hochdrucktank gemäß dem ersten Aspekt hat der Rohrteilkörper die Rohrauskleidung und die Rohrverstärkungsschicht, die die Außenumfangsfläche der Rohrauskleidung bedeckt, und jeder der Kuppelteilkörper hat die Kuppelauskleidung und die Kuppelverstärkungsschicht, die die Außenumfangsfläche der Kuppelauskleidung bedeckt. Der Rohrteilkörper und die beiden Kuppelteilkörper werden so zusammengesetzt, dass sich die Kuppelauskleidung im äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks relativ zur Rohrauskleidung befindet. Somit kann die Auskleidung einfach durch Zusammensetzen der Kuppelteilkörper und des Rohrteilkörpers gebildet werden, was die Herstellung des Hochdrucktanks erleichtert.
Bei dem Hochdrucktank gemäß dem ersten Aspekt kann ein Endabschnitt der Rohrauskleidung ein gefalteter Endabschnitt sein, der zu einer Außenseite des Hochdrucktanks zurückgefaltet ist, und der gefaltete Endabschnitt der Rohrauskleidung kann in einem zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers und jedes der Kuppelteilkörper in Kontakt mit der Kuppelauskleidung stehen. Mit dieser Anordnung kann die Dichtungsleistung der aus der Rohrauskleidung und den Kuppelauskleidungen gebildeten Auskleidung gewährleistet werden.
Bei dem Hochdrucktank gemäß dem ersten Aspekt kann die spiralförmige Schicht eine hohe spiralförmige Schicht aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie zumindest den Rohrteilkörper bedeckt, und eine äußere spiralförmige Schicht, die außerhalb der hohen spiralförmigen Schicht ausgebildet ist, und die hohe spiralförmige Schicht kann sich über einen Teil jedes der Kuppelteilkörper über einen zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers und jedes der Kuppelteilkörper hinaus erstrecken. Mit dieser Anordnung können die Rohrauskleidung und die Kuppelauskleidung im Kontaktzustand gehalten werden, und die Verformung im zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers und des Kuppelteilkörpers kann reduziert werden. Infolgedessen wird die Dichtungsleistung des Hochdrucktanks verbessert.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist das Herstellen eines Hochdrucktanks, der eine Baugruppe mit einem Rohrteilkörper und zwei Kuppelteilkörpern, die zusammengesetzt sind, sowie eine außerhalb der Baugruppe ausgebildete spiralförmige Schicht umfasst. Das Verfahren umfasst einen Teilkörper-Ausbildungsprozess zum Ausbilden des Rohrteilkörpers mit einer Rohrauskleidung und einer Rohrverstärkungsschicht, die eine Außenumfangsfläche der Rohrauskleidung bedeckt, und der Kuppelteilkörper mit jeweils einer Kuppelauskleidung und einer Kuppelverstärkungsschicht, die eine Außenumfangsfläche der Kuppelauskleidung bedeckt, einen Montageprozess zum Ausbilden der Baugruppe durch Zusammensetzen des Rohrteilkörpers und der beiden Kuppelteilkörper, und einen Spiralschicht-Ausbildungsprozess zum Ausbilden der spiralförmigen Schicht außerhalb der Baugruppe. Bei dem Montageprozess werden der Rohrteilkörper und die beiden Kuppelteilkörper so zusammengesetzt, dass die Kuppelauskleidung in einem äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks relativ zu der Rohrauskleidung angeordnet ist.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß dem zweiten Aspekt werden bei dem Montageprozess der Rohrteilkörper und der Kuppelteilkörper so zusammengesetzt, dass sich die Kuppelauskleidung in dem äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks relativ zu der Rohrauskleidung befindet. Auf diese Weise kann die Auskleidung einfach durch Zusammensetzen der Kuppelteilkörper und des Rohrteilkörpers gebildet werden, was die Herstellung des Hochdrucktanks erleichtert.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß dem zweiten Aspekt kann der Rohrteilkörper beim Montageprozess in jeden der Kuppelteilkörper so eingepresst werden, dass die Kuppelauskleidung die Rohrverstärkungsschicht berührt, ohne die Rohrauskleidung zu berühren. In diesem Fall gibt es im Vergleich zu dem Fall, in dem der Rohrteilkörper so in den Kuppelteilkörper gepresst wird, dass die Kuppelauskleidung direkt die Rohrauskleidung berührt, kein Reiben der Auskleidungen gegeneinander während des Einpressens, und der so ausgebildete abgedichtete Abschnitt kann vor Beschädigung geschützt werden. Folglich kann die Dichtungsleistung der Auskleidung gewährleistet werden.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß dem zweiten Aspekt kann der Spiralschicht-Ausbildungsprozess einen hohen Spiralschicht-Ausbildungsprozess zum Ausbilden einer hohen spiralförmigen Schicht, die zumindest den Rohrteilkörper bedeckt, und einen äußeren Spiralschicht-Ausbildungsprozess zum Ausbilden einer äußeren spiralförmigen Schicht außerhalb der hohen spiralförmigen Schicht umfassen. Bei dem hohen Spiralschicht-Ausbildungsprozess kann die hohe spiralförmige Schicht so ausgebildet werden, dass sie den Rohrteilkörper bedeckt und sich über einen Teil jedes der Kuppelteilkörper über einen zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers und jedes der Kuppelteilkörper hinaus erstreckt. Auf diese Weise kann die Ausdehnung des Kuppelteilkörpers nach außen aufgrund der Rückstellkraft des Rohrteilkörpers eingeschränkt werden, so dass die Verformung im zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers und des Kuppelteilkörpers verringert werden kann und der Kontaktzustand zwischen der Rohrauskleidung und der Kuppelauskleidung aufrechterhalten werden kann.
Das Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß dem zweiten Aspekt kann ferner einen Dichtungsprüfungsprozess zum Prüfen der Dichtungsleistung der Baugruppe zwischen dem Montageprozess und dem Spiralschicht-Ausbildungsprozess umfassen, und bei dem Dichtungsprüfungsprozess kann ein Unterdruck auf das Innere der Baugruppe aufgebracht werden. Auf diese Weise kann bei einem Dichtungsproblem in der Baugruppe die Baugruppe demontiert werden, damit ein Teilkörper, der das Problem verursacht, durch einen anderen ersetzt werden kann. Auf diese Weise kann der problemverursachende Teilkörper verglichen mit dem Fall, in dem die Dichtungsprüfung beispielsweise durchgeführt wird, nachdem die spiralförmige Schicht außerhalb der Baugruppe gebildet und das Harz ausgehärtet oder verfestigt ist, leicht ausgetauscht werden.
Gemäß dem zweiten Aspekt kann der Hochdrucktank einfach hergestellt werden.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, hierbei zeigt:

1 eine schematische Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Hochdrucktanks gemäß einer Ausführungsform zeigt;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen in 1 mit A bezeichneten Abschnitt zeigt;
3 ein Prozessdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß der Ausführungsform zeigt;
4 eine Querschnittsansicht, die zur Beschreibung der Ausbildung von Kuppelteilkörpern in einem Teilkörper-Ausbildungsprozess dient;
5 eine Querschnittsansicht, die zur Beschreibung der Ausbildung der Kuppelteilkörper in dem Teilkörper-Ausbildungsprozess dient;
6 eine Querschnittsansicht, die zur Beschreibung der Ausbildung eines Rohrteilkörpers in dem Teilkörper-Ausbildungsprozess dient;
7 eine Querschnittsansicht, die zur Beschreibung der Ausbildung der Kuppelteilkörper in dem Teilkörper-Ausbildungsprozess dient;
8 eine Querschnittsansicht, die zur Beschreibung der Ausbildung des Rohrteilkörpers in dem Teilkörper-Ausbildungsprozess dient;
9 eine Querschnittsansicht, die zur Beschreibung eines Montageprozesses für das Zusammensetzen des Rohrteilkörpers und der Kuppelteilkörper dient;
10 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die zur Beschreibung des Einpressens des Rohrteilkörpers in den Kuppelteilkörper dient; und
11 eine Querschnittsansicht, die zur Beschreibung eines hohen Spiralschicht-Ausbildungsprozesses dient.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden ein Hochdrucktank und ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In dieser Ausführungsform wird ein Hochdrucktank 1 in ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug eingebaut, und sein Innenraum wird mit Hochdruckwasserstoffgas gefüllt. Der Hochdrucktank 1 kann jedoch auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden. Das Gas, mit dem der Hochdrucktank 1 befüllt werden kann, ist nicht auf das Hochdruckwasserstoffgas beschränkt, sondern kann aus verschiedenen komprimierten Gasen wie komprimiertem Erdgas (CNG), verschiedenen verflüssigten Gasen wie verflüssigtem Erdgas (LNG) und Flüssiggas (LPG) und anderen Gasen ausgewählt werden.
Hochdrucktank
Zunächst wird der Aufbau des Hochdrucktanks anhand von 1 und 2 beschrieben. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Aufbau des Hochdrucktanks gemäß der Ausführungsform zeigt, und 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen in 1 mit A bezeichneten Abschnitt zeigt. Der Hochdrucktank 1 dieser Ausführungsform ist ein allgemein zylindrischer Hochdruck-Gasspeicherbehälter, dessen beide Enden kuppelförmig abgerundet sind. Der Hochdrucktank 1 umfasst eine Auskleidung 2 mit Gasbarriereeigenschaften, einen Verstärkungsabschnitt 3, der die Außenumfangsfläche der Auskleidung 2 bedeckt und eine Vielzahl von Verstärkungsschichten aufweist, sowie einen an einem Endabschnitt des Hochdrucktanks 1 befestigten Ansatz 4.
Die Auskleidung 2 ist ein hohler Behälter mit einem Speicherraum 5, in dem Hochdruckwasserstoff gespeichert wird, und besteht aus einem Harzmaterial mit Gasbarriereeigenschaften gegenüber Wasserstoffgas. Die Auskleidung 2 besteht aus einer zylindrischen Rohrauskleidung 21 und einem Paar von Kuppelauskleidungen (eine erste Kuppelauskleidung 22, eine zweite Kuppelauskleidung 23), die sich auf den gegenüberliegenden Seiten der Rohrauskleidung 21 befinden. Die Rohrauskleidung 21 erstreckt sich über eine bestimmte Länge in Richtung der Achse L des Hochdrucktanks 1. Die erste Kuppelauskleidung 22 und die zweite Kuppelauskleidung 23 sind stufenlos bzw. durchgehend auf den gegenüberliegenden Seiten der Rohrauskleidung 21 ausgebildet, und der Durchmesser jeder der ersten und zweiten Kuppelauskleidungen 22, 23 nimmt in einer Richtung weg von der Rohrauskleidung 21 ab.
Von der ersten Kuppelauskleidung 22 und der zweiten Kuppelauskleidung 23 hat die erste Kuppelauskleidung 22 einen rohrförmigen Abschnitt 221, der in ihrem Abschnitt mit dem am meisten reduzierten Durchmesser ausgebildet ist. Ein dem rohrförmigen Abschnitt 221 gegenüberliegender Endabschnitt 222 der ersten Kuppelauskleidung 22 ist so geformt, dass er sich zur Außenseite des Hochdrucktanks 1 hin verformt. In ähnlicher Weise ist ein Endabschnitt 231 der zweiten Kuppelauskleidung 23 so geformt, dass er sich zur Außenseite des Hochdrucktanks 1 hin verformt.
Vorzugsweise besitzt das Harzmaterial, aus dem die Auskleidung 2 besteht, gute Gasbarriereeigenschaften, d. h. die Fähigkeit, das Füllgas im Speicherraum 5 zurückzuhalten. Zu solchen Harzmaterialien gehören thermoplastische oder duroplastische Harze, die später beschrieben werden.
Der Ansatz 4 wird durch maschinelle Bearbeitung eines Metallmaterials wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in eine vorgegebene Form gebracht. An dem Ansatz 4 ist ein Ventil 6 angebracht, das zum Befüllen und Entleeren des Speicherraums 5 mit Wasserstoffgas dient. Das Ventil 6 ist mit dem Ansatz 4 verschraubt. Das Ventil 6 hat einen Einsatzabschnitt 61, der in den rohrförmigen Abschnitt 221 der ersten Kuppelauskleidung 22 eingesetzt wird, um den rohrförmigen Abschnitt 221 zu schließen. Der Einsatzabschnitt 61 ist mit einer umlaufenden Nut bzw. Umfangsnut versehen. In die Umfangsnut ist ein O-Ring 62 eingesetzt, der die Abdichtung (mit anderen Worten: die Fluiddichtigkeit) zwischen dem Einsatzabschnitt 61 und dem rohrförmigen Abschnitt 221 aufrechterhält.
Der Verstärkungsabschnitt 3 hat die Funktion, die Auskleidung 2 zu verstärken, um die mechanische Festigkeit, wie z. B. Steifigkeit und Druckbeständigkeit, des Hochdrucktanks 1 zu verbessern, und weist eine Vielzahl von (in dieser Ausführungsform fünf) Verstärkungsschichten auf, die durch faserverstärktes Harz oder Ähnliches gebildet werden, in dem Verstärkungsfasern (Endlosfasern) mit Harz imprägniert sind. Insbesondere hat der Verstärkungsabschnitt 3 eine Rohrverstärkungsschicht 31, die die Außenumfangsfläche der Rohrauskleidung 21 bedeckt, eine erste Kuppelverstärkungsschicht 32, die die Außenumfangsfläche der ersten Kuppelauskleidung 22 bedeckt, eine zweite Kuppelverstärkungsschicht 33, die die Außenumfangsfläche der zweiten Kuppelauskleidung 23 bedeckt, eine hohe spiralförmige Schicht 34, die die gesamte Rohrverstärkungsschicht 31, einen Teil der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 und einen Teil der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33 bedeckt, und eine äußere spiralförmige Schicht 35, die die gesamte hohe spiralförmige Schicht 34, einen Teil der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 und einen Teil der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33 bedeckt. Die hohe spiralförmige Schicht 34 und die äußere spiralförmige Schicht 35 entsprechen der in den Ansprüchen genannten „spiralförmigen Schicht“.
Die Rohrverstärkungsschicht 31 ist eine Verstärkungsschicht, die der Rohrauskleidung 21 entspricht und eine zylindrische Form hat, die der Form des Rohrauskleidung 21 folgt. Die Rohrverstärkungsschicht 31 wird durch faserverstärktes Harz gebildet, in dem Verstärkungsfasern mit Harz imprägniert sind. Die Verstärkungsfasern der Rohrverstärkungsschicht 31 sind in Umfangsrichtung in einem Winkel ausgerichtet, der annähernd orthogonal zur Richtung der Achse L des Hochdrucktanks 1 ist. Mit anderen Worten, die Verstärkungsfasern der Rohrverstärkungsschicht 31 sind in der Umfangsrichtung des Hochdrucktanks 1 ausgerichtet.
Die erste Kuppelverstärkungsschicht 32 ist eine Verstärkungsschicht, die der ersten Kuppelauskleidung 22 entspricht und eine Kuppelform hat, die der Form des ersten Kuppelauskleidung 22 folgt. Wie in 1 gezeigt, hat die erste Kuppelverstärkungsschicht 32 einen vorstehenden Abschnitt 321, der die Außenumfangsfläche des rohrförmigen Abschnitts 221 bedeckt. Die erste Kuppelverstärkungsschicht 32 wird durch faserverstärktes Harz gebildet, in dem Verstärkungsfasern mit Harz imprägniert sind. Die Verstärkungsfasern der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 sind nicht in der Umfangsrichtung des Hochdrucktanks 1 ausgerichtet, sondern erstrecken sich in verschiedene Richtungen, die die Umfangsrichtung des Hochdrucktanks 1 kreuzen.
Die zweite Kuppelverstärkungsschicht 33 ist eine Verstärkungsschicht, die der zweiten Kuppelauskleidung 23 entspricht und eine Kuppelform hat, die der Form der zweiten Kuppelauskleidung 23 folgt. Die zweite Kuppelverstärkungsschicht 33 wird durch faserverstärktes Harz gebildet, in dem Verstärkungsfasern mit Harz imprägniert sind. Die Verstärkungsfasern der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33 sind nicht in Umfangsrichtung des Hochdrucktanks 1 ausgerichtet, sondern erstrecken sich in verschiedene Richtungen, die die Umfangsrichtung des Hochdrucktanks 1 kreuzen.
Dabei sind die Verstärkungsfasern der Rohrverstärkungsschicht 31 nicht durchgängig (nicht verbunden) mit den Verstärkungsfasern der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 oder der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33. Dies liegt daran, dass die Rohrverstärkungsschicht 31, die erste Kuppelverstärkungsschicht 32 und die zweite Kuppelverstärkungsschicht 33 separat ausgebildet werden, wie später beschrieben wird.
In dieser Ausführungsform bilden die Rohrauskleidung 21 und die Rohrverstärkungsschicht 31, die die Außenumfangsfläche der Rohrauskleidung 21 bedeckt, einen Rohrteilkörper 11, und die erste Kuppelauskleidung 22 und die erste Kuppelverstärkungsschicht 32, die die Außenumfangsfläche der ersten Kuppelauskleidung 22 bedeckt, bilden einen ersten Kuppelteilkörper 12. Die zweite Kuppelauskleidung 23 und die zweite Kuppelverstärkungsschicht 33, die die Außenumfangsfläche der zweiten Kuppelauskleidung 23 bedeckt, bilden einen zweiten Kuppelteilkörper 13.
In Richtung der Achse L des Hochdrucktanks 1 ist ein Endabschnitt des Rohrteilkörpers 11 mit dem ersten Kuppelteilkörper 12 zusammengesetzt, und der andere Endabschnitt des Rohrteilkörpers 11 ist mit dem zweiten Kuppelteilkörper 13 zusammengesetzt, so dass der Rohrteilkörper 11, der erste Kuppelteilkörper 12 und der zweite Kuppelteilkörper 13 eine Einheit bzw. Baugruppe 10 bilden. Der Rohrteilkörper 11 und der erste Kuppelteilkörper 12 werden so zusammengesetzt, dass die erste Kuppelauskleidung 22 im äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks 1 relativ zur Rohrauskleidung 21 angeordnet ist. In ähnlicher Weise werden der Rohrteilkörper 11 und der zweite Kuppelteilkörper 13 so zusammengesetzt, dass die zweite Kuppelauskleidung 23 im äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks 1 relativ zur Rohrauskleidung 21 angeordnet ist.
Die in Richtung der Achse L des Hochdrucktanks 1 gegenüberliegenden Endabschnitte der Rohrauskleidung 21 sind gefaltete Endabschnitte 211, die zur Außenseite des Hochdrucktanks 1 zurückgefaltet sind. Insbesondere ist der gefaltete Endabschnitt 211 zur Außenseite des Hochdrucktanks 1 zurückgefaltet, um einen Endabschnitt der Rohrverstärkungsschicht 31 zu umgeben, der sich außerhalb der Rohrauskleidung 21 befindet, und ist so geformt, dass er sich bis etwa zur Hälfte der Dicke der Rohrverstärkungsschicht 31 erstreckt. In einem zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 oder des zweiten Kuppelteilkörpers 13 ist der gefaltete Endabschnitt 211 der Rohrauskleidung 21 in Kontakt mit der ersten Kuppelauskleidung 22 oder der zweiten Kuppelauskleidung 23.
Genauer gesagt ist der gefaltete Endabschnitt 211 der Rohrauskleidung 21 im zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 in Kontakt mit einem Endabschnitt 222 der ersten Kuppelauskleidung 22. Im zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 ist der gefaltete Endabschnitt 211 der Rohrauskleidung 21 in Kontakt mit einem Endabschnitt 231 der zweiten Kuppelauskleidung 23. Der hier erwähnte „zusammengesetzte Bereich“ ist ein Bereich, in dem der Rohrteilkörper 11 den ersten Kuppelteilkörper 12 oder den zweiten Kuppelteilkörper 13 überlappt.
Vorzugsweise sind die Dicke der ersten Kuppelauskleidung 22 und die der zweiten Kuppelauskleidung 23 jeweils größer als die Dicke der Rohrauskleidung 21. In diesem Fall können Unebenheiten an der Kontaktposition zwischen der Rohrauskleidung 21 und der ersten Kuppelauskleidung 22 oder der zweiten Kuppelauskleidung 23 absorbiert werden, wodurch die Dichtungsleistung der aus der Rohrauskleidung 21, der ersten Kuppelauskleidung 22 und der zweiten Kuppelauskleidung 23 gebildeten Auskleidung 2 gewährleistet wird.
Die hohe spiralförmige Schicht 34 ist eine Verstärkungsschicht, die durch spiralförmiges Wickeln, in einem hohen Winkel, von Faserbündeln mit harzgetränkten Verstärkungsfasern auf der Außenseite der Baugruppe 10 gebildet wird. Die spiralförmige Wicklung ist eine Art, ein Faserbündel mit einem Wickelwinkel zu wickeln, der größer als 0° und kleiner als 90° in Bezug auf die Richtung der Achse L des Hochdrucktanks 1 ist. Je nach Größe des Wickelwinkels unterscheidet man zwischen einer spiralförmigen Wicklung bzw. Schrägwicklung mit kleinem Winkel und einer spiralförmigen Wicklung mit großem Winkel. Die spiralförmige Wicklung mit kleinem Winkel ist eine spiralförmige Wicklung, bei der der Wickelwinkel klein ist (zum Beispiel größer als 0° und gleich oder kleiner als 30°), und die spiralförmige Wicklung mit großem Winkel ist eine spiralförmige Wicklung, bei der der Wickelwinkel groß ist (zum Beispiel größer als 30° und kleiner als 90°).
Da die hohe spiralförmige Schicht 34 durch spiralförmiges Wickeln der Faserbündel mit harzgetränkten Verstärkungsfasern mit hohem Winkel gebildet wird, sind die Verstärkungsfasern der hohen spiralförmigen Schicht 34 so ausgerichtet, dass sie relativ zur Richtung der Achse L des Hochdrucktanks 1 geneigt sind. Wie in 1 und 2 gezeigt, ist die hohe spiralförmige Schicht 34 nicht nur über den gesamten Bereich der Rohrverstärkungsschicht 31 ausgebildet, sondern ihr einer Endabschnitt erstreckt sich über einen Teil des ersten Kuppelteilkörpers 12 über den zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 hinaus, und der andere Endabschnitt erstreckt sich über einen Teil des zweiten Kuppelteilkörpers 13 über den zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 hinaus.
Die äußere spiralförmige Schicht 35 ist eine Verstärkungsschicht, die sich im äußersten Teil des Hochdrucktanks 1 befindet und durch spiralförmiges Wickeln der Faserbündel mit harzgetränkten Verstärkungsfasern mit niedrigem Winkel auf der Außenseite der Baugruppe 10 und der hohen spiralförmigen Schicht 34 gebildet wird. Die Verstärkungsfasern der äußeren spiralförmigen Schicht 35 sind ebenfalls so ausgerichtet, dass sie relativ zur Richtung der Achse L des Hochdrucktanks 1 geneigt sind.
Bei dem Hochdrucktank 1, der wie oben beschrieben aufgebaut ist, hat der Rohrteilkörper 11 die Rohrauskleidung 21 und die Rohrverstärkungsschicht 31, die die Außenumfangsfläche der Rohrauskleidung 21 bedeckt, der erste Kuppelteilkörper 12 hat die erste Kuppelauskleidung 22 und die erste Kuppelverstärkungsschicht 32, die die Außenumfangsfläche der ersten Kuppelauskleidung 22 bedeckt, und der zweite Kuppelteilkörper 13 hat die zweite Kuppelauskleidung 23 und die zweite Kuppelverstärkungsschicht 33, die die Außenumfangsfläche der zweiten Kuppelauskleidung 23 bedeckt. Der Rohrteilkörper 11 wird mit dem ersten Kuppelteilkörper 12 oder dem zweiten Kuppelteilkörper 13 so zusammengesetzt, dass sich die erste Kuppelauskleidung 22 oder die zweite Kuppelauskleidung 23 im äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks 1 relativ zur Rohrauskleidung 21 befindet. Auf diese Weise kann der Hochdrucktank 1 leicht hergestellt werden, da die Auskleidung 2 einfach durch Zusammensetzen des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 sowie des zweiten Kuppelteilkörpers 13 gebildet werden kann.
Die gegenüberliegenden Endabschnitte der Rohrauskleidung 21 sind die gefalteten Endabschnitte 211, die zur Außenseite des Hochdrucktanks 1 zurückgefaltet werden. Der gefaltete Endabschnitt 211 steht im zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 mit der ersten Kuppelauskleidung 22 in Kontakt, und der gefaltete Endabschnitt 211 steht im zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 mit der zweiten Kuppelauskleidung 23 in Kontakt. Mit dieser Anordnung kann die Auskleidung 2, die durch die Rohrauskleidung 21, die erste Kuppelauskleidung 22 und die zweite Kuppelauskleidung 23 gebildet wird, die Dichtungsleistung sicherstellen.
Darüber hinaus ist die hohe spiralförmige Schicht 34 nicht nur über den gesamten Bereich der Rohrverstärkungsschicht 31 ausgebildet, sondern ihr einer Endabschnitt erstreckt sich über einen Teil des ersten Kuppelteilkörpers 12 über den zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 hinaus, und der andere Endabschnitt erstreckt sich über einen Teil des zweiten Kuppelteilkörpers 13 über den zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 hinaus. Bei dieser Anordnung werden der Kontaktzustand zwischen der Rohrauskleidung 21 und der ersten Kuppelauskleidung 22 sowie der Kontaktzustand zwischen der Rohrauskleidung 21 und der zweiten Kuppelauskleidung 23 durch die hohe spiralförmige Schicht 34 aufrechterhalten. Auf diese Weise können die Verformung im zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 sowie die Verformung im zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 jeweils verringert werden und die Dichtungsleistung des Hochdrucktanks 1 kann verbessert werden.
Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks
Es wird ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 1 beschrieben. 3 ist ein Prozessdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß einer Ausführungsform zeigt. Das Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks 1 umfasst einen Teilkörper-Ausbildungsprozess S1, einen Montageprozess S2, einen Dichtungsprüfungsprozess S3, einen hohe-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S4 und einen äu-ßere-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S5. Der hohe-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S4 und der äußere-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S5 bilden den in den Ansprüchen genannten „Spiralschicht-Ausbildungsprozess“.
Teilkörper-Ausbildungsprozess S1
Der Teilkörper-Ausbildungsprozess S 1 ist der Prozess zum Ausbilden des Rohrteilkörpers 11, des ersten Kuppelteilkörpers 12 sowie des zweiten Kuppelteilkörpers 13. Die Ausbildung des Rohrteilkörpers 11 und die Ausbildung des ersten Kuppelteilkörpers 12 sowie des zweiten Kuppelteilkörpers 13, die voneinander unabhängig sind, können parallel durchgeführt werden, oder einer von ihnen kann vor dem anderen durchgeführt werden. Hier wird zunächst der Prozess zum Ausbilden des ersten Kuppelteilkörpers 12 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 beschrieben, und dann wird der Prozess zum Ausbilden des Rohrteilkörpers 11 beschrieben.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des ersten Kuppelteilkörpers 12 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 werden mit Harz imprägnierte Faserbündel F1 um die Außenumfangsfläche einer Spindel 100 gewickelt, z. B. nach dem FW-Verfahren, wie in 4 gezeigt. Insbesondere hat die Spindel 100 einen Hauptkörper 101 und einen Wellenabschnitt 102, der sich von einem Ende des Hauptkörpers 101 nach außen erstreckt. Der Hauptkörper 101 ist in axialer Richtung des Wellenabschnitts 102 gesehen kreisförmig ausgebildet. Eine Nut 101a, die sich in Umfangsrichtung um den Umfang des Hauptkörpers 101 erstreckt, ist in der Außenumfangsfläche der Mitte des Hauptkörpers 101 in axialer Richtung ausgebildet. Der Wellenabschnitt 102 ist durch einen Drehmechanismus (nicht dargestellt) drehbar gelagert.
Durch Drehen der Spindel 100 wird ein gewickelter Körper bzw. Wickelkörper 30 gebildet, indem die Faserbündel F1 so gewickelt werden, dass sie die Außenumfangsfläche der Spindel 100 bedecken. Zu diesem Zeitpunkt werden die Faserbündel F1 auch um die Außenumfangsfläche des Wellenabschnitts 102 gewickelt, so dass ein zylindrischer vorstehender Abschnitt 321 mit einem Durchgangsloch 322 (siehe 5) gebildet wird. Die Faserbündel F1 werden mit einem Wickelwinkel von z. B. 30° bis 50° relativ zur axialen Richtung des Wellenabschnitts 102 gewickelt. Das Material der Spindel 100 ist nicht besonders begrenzt, besteht aber vorzugsweise aus Metall, um eine Festigkeit zu gewährleisten, die verhindert, dass die Spindel 100 verformt wird, wenn die Faserbündel F1 um diese gewickelt werden.
Das Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert bzw. getränkt werden, ist nicht besonders begrenzt, aber es kann z. B. ein wärmehärtendes Harz verwendet werden. Vorzugsweise werden wärmehärtende Harze wie Phenolharz, Melaminharz, Harnstoffharz und Epoxidharz verwendet. In diesem Fall werden die Faserbündel F1 um die Spindel 100 in einem Zustand gewickelt, in dem das wärmehärtende Harz nicht ausgehärtet ist. Insbesondere ist es aus Gründen der mechanischen Festigkeit usw. vorzuziehen, Epoxidharz zu verwenden. Das Epoxidharz ist im nicht ausgehärteten Zustand fließfähig und bildet nach dem thermischen Aushärten eine zähe, vernetzte Struktur.
Als Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert bzw. getränkt werden, kann auch ein thermoplastisches Harz verwendet werden. Als thermoplastisches Harz können Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyacrylester, Polyimid, Polyamid, Nylon 6, Nylon 6,6, Polyethylenterephthalat usw. verwendet werden. In diesem Fall werden die Faserbündel F1 in einem Zustand um die Spindel 100 gewickelt, in dem das thermoplastische Harz erhitzt und erweicht ist.
Als Fasern, die die Faserbündel F1 bilden, können Glasfasern, Aramidfasern, Borfasern, Kohlenstofffasern usw. verwendet werden. Insbesondere ist es aus Gründen des geringen Gewichts und der mechanischen Festigkeit vorzuziehen, Carbon- bzw. Kohlenstofffasern zu verwenden.
Als nächstes wird der Wickelkörper 30, der um die Außenumfangsfläche der Spindel 100 gebildet wird, mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs 110 in zwei Teile geteilt (siehe 4). Dann wird der so geteilte Wickelkörper 30 von der Spindel 100 gelöst, um ein Paar Kuppelverstärkungsschichten (die erste Kuppelverstärkungsschicht 32 und die zweite Kuppelverstärkungsschicht 33) zu bilden, wie in 5 gezeigt.
Insbesondere wird der Ansatz 4 an der Außenumfangsfläche des vorstehenden Abschnitts 321 in dem in 4 gezeigten Zustand angebracht. Dann wird das Harz des Wickelkörpers 30 (d. h. das Harz der Faserbündel F1) thermisch gehärtet oder verfestigt. Wenn es sich bei dem Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert sind, um ein wärmehärtendes Harz handelt, wird der Wickelkörper 30 erhitzt, so dass das ungehärtete wärmehärtende Harz in einen vollständig ausgehärteten Zustand gebracht wird. Der „vollständig ausgehärtete Zustand“ bezieht sich hierbei auf den Zustand, in dem die Polymerisationsreaktion des ungehärteten wärmehärtenden Harzes abgeschlossen ist und keine weitere Aushärtung durch Erhitzen erfolgt. Wenn die Formen der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 und der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33 sicher beibehalten werden können, wird der Wickelkörper 30 erwärmt, so dass das ungehärtete wärmehärtende bzw. duroplastische Harz in einen unvollständig ausgehärteten Zustand gebracht wird.
Der „unvollständig ausgehärtete Zustand“ bezieht sich auf den Zustand, in dem die Polymerisationsreaktion des ungehärteten wärmehärtenden Harzes durch Erhitzen fortschreitet und die Fließfähigkeit des wärmehärtenden Harzes verringert wird, so dass seine Form im nachfolgenden Prozess sicher beibehalten werden kann. In der folgenden Beschreibung wird der vollständig ausgehärtete Zustand als „Haupthärtung“ bezeichnet, der unvollständig ausgehärtete Zustand wird als „Vorhärtung“ bezeichnet, und beide zusammen werden als „thermische Härtung“ bezeichnet. Andererseits wird, wenn das Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert sind, ein thermoplastisches Harz ist, das thermoplastische Harz im erweichten Zustand abgekühlt, und das Harz der Faserbündel F1 wird verfestigt.
In einem Zustand, in dem das Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert sind, thermisch gehärtet oder verfestigt ist, wird die Schneidkante des Schneidwerkzeugs 110 in die Nut 101a der Spindel 100 eingeführt, während die Spindel 100 gedreht wird. Auf diese Weise werden die Faserbündel F1 mit dem Schneidwerkzeug 110 durchtrennt, und der Wickelkörper 30 kann in zwei Teile geteilt werden. Der geteilte Wickelkörper 30 wird von der Spindel 100 gelöst, um ein Paar Kuppelverstärkungsschichten zu bilden. Eine der so gebildeten Kuppelverstärkungsschichten, die den vorstehenden Abschnitt 321 aufweist, wird als erste Kuppelverstärkungsschicht 32 bezeichnet, und die andere Kuppelverstärkungsschicht, die nicht den vorstehenden Abschnitt 321 aufweist, wird als zweite Kuppelverstärkungsschicht 33 bezeichnet. Die Art des Schneidwerkzeugs 110 ist nicht besonders begrenzt, aber es kann zum Beispiel eines mit einer Klinge verwendet werden, die auf der Außenumfangsfläche einer rotierenden Scheibe ausgebildet ist, eines mit einer Klinge, die auf einer Seitenfläche einer dünnen Platte ausgebildet ist, oder eines, das die Faserbündel F1 mit Laserlicht schneidet.
Die Faserbündel F1 werden mit dem Schneidwerkzeug 110 in einem Zustand geschnitten, in dem das Harz, mit dem die Faserbündel F1 imprägniert sind, thermisch gehärtet oder verfestigt ist. Daher kann die Verformung der Faserbündel F1 während des Schneidens eingeschränkt werden, und die Verformung der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 und der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33 kann eingeschränkt werden, wenn sie von der Spindel 100 abgenommen werden.
Während in dieser Ausführungsform die Faserbündel F1 mit dem Schneidwerkzeug 110 in dem Zustand geschnitten werden, in dem das Harz der Faserbündel F1 thermisch gehärtet oder verfestigt ist, können die Faserbündel F1 mit dem Schneidwerkzeug 110 auch geschnitten werden, ohne dass das Harz thermisch gehärtet oder verfestigt wird. In diesem Fall kann das Harz thermisch gehärtet oder verfestigt werden, nachdem die Faserbündel F1 mit dem Schneidwerkzeug 110 geschnitten wurden.
Andererseits wird die Rohrverstärkungsschicht 31 gebildet, indem ein Faserband F2 um die Außenfläche einer zylindrischen Spindel 200 gewickelt wird, wie beispielsweise in 6 gezeigt. Der Außendurchmesser der Spindel 200 entspricht dem Innendurchmesser der Rohrverstärkungsschicht 31. Das Material der Spindel 200 ist zwar nicht besonders begrenzt, besteht aber vorzugsweise aus Metall, um eine Festigkeit zu gewährleisten, die eine Verformung der Spindel 200 verhindert, wenn die Faserschicht F2 an dieser befestigt wird.
Um die Rohrverstärkungsschicht 31 zu bilden, wird die Faserbahn F2 abgerollt und mehrmals um die Spindel 200 gewickelt, während die Spindel 200 durch einen Drehmechanismus (nicht dargestellt) in Umfangsrichtung gedreht wird. Die Faserbahn F2 ist eine Bahn aus Verstärkungsfasern, die in einer Richtung ausgerichtet und mit Harz imprägniert sind, und die Faserbahn F2 wird so um die Spindel 200 gewickelt, dass die Verstärkungsfasern in der Umfangsrichtung der Spindel 200 ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird die Rohrverstärkungsschicht 31 mit den in Umfangsrichtung orientierten Verstärkungsfasern ausgebildet.
Als Faserbahn F2 wird z. B. eine sogenannte UD-Bahn (UD = Uni-Direction) verwendet, bei der eine Vielzahl von in einer Richtung ausgerichteten Faserbündeln mit Rückhaltefäden verwoben ist. Es kann aber auch eine Faserbahn verwendet werden, bei der eine Vielzahl von in einer Richtung ausgerichteten Faserbündeln mit einer Vielzahl von Faserbündeln verwoben wird, die sich z. B. im rechten Winkel mit den Faserbündeln kreuzen.
Die Verstärkungsfasern der Faserbahn F2 können aus Materialien ausgewählt werden, die den beispielhaft für die Faserbündel F1 aufgeführten Materialien ähnlich sind, und das Harz, mit dem die Verstärkungsfasern imprägniert sind, kann aus Harzen ausgewählt werden, die den beispielhaft für die Faserbündel F1 aufgeführten Materialien ähnlich sind.
Wenn das Harz der Faserbahn F2 ein wärmehärtendes Harz ist, kann die um die Spindel 200 gewickelte Faserbahn F2, wie im Fall der Faserbündel F1, unter Bedingungen (Heiztemperatur und Heizzeit) zur Vorhärtung oder Haupthärtung thermisch gehärtet werden. Handelt es sich bei dem Harz der Faserbahn F2 hingegen um ein thermoplastisches Harz, kann die um die Spindel 200 gewickelte Faserbahn F2, wie im Fall der Faserbündel F1, durch Abkühlen verfestigt werden.
Nach der thermischen Aushärtung oder Verfestigung des Harzes wird die Rohrverstärkungsschicht 31 von der Spindel 200 abgenommen. Durch die thermische Aushärtung oder Verfestigung des Harzes wird die Formbeständigkeit der Rohrverstärkungsschicht 31 verbessert. So kann die Rohrverstärkungsschicht 31 leicht von der Spindel 200 entformt (abgenommen) werden, und es ist weniger wahrscheinlich oder unwahrscheinlich, dass die Rohrverstärkungsschicht 31 verformt wird, wenn sie von der Spindel 200 abgenommen wird.
Während die Rohrverstärkungsschicht 31 in dieser Ausführungsform durch Wickeln der Faserbahn F2 um die äußere Oberfläche der Spindel 200 gebildet wird, kann die Rohrverstärkungsschicht 31 durch Reifenwickeln von mit Harz imprägnierten Faserbündeln um die äußere Oberfläche der Spindel 200 nach dem FW-Verfahren gebildet werden. In einem anderen Verfahren kann die Rohrverstärkungsschicht 31 durch ein sogenanntes Zentrifugalwickelverfahren (CW) gebildet werden, nämlich durch Anbringen einer Faserbahn an der Innenfläche der rotierenden Spindel 200.
Anschließend wird der erste Kuppelauskleidung 22 auf der Innenfläche der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 gebildet, um den ersten Kuppelteilkörper 12 zu bilden, und der zweite Kuppelauskleidung 23 wird auf der Innenfläche der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33 gebildet, um den zweiten Kuppelteilkörper 13 zu bilden.
Insbesondere wird die erste Kuppelauskleidung 22 zum Beispiel durch Auftragen eines flüssigen oder erweichten Harzmaterials auf die Innenfläche der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 oder durch Anbringen einer aus einem Harzmaterial hergestellten Bahn auf der Innenfläche der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 gebildet. Zu diesem Zeitpunkt wird, wie in 7 gezeigt, der Endabschnitt 222 der ersten Kuppelauskleidung 22 so geformt, dass er sich nach außen verformt.
Das Harzmaterial, aus dem die erste Kuppelverstärkungsschicht 32 besteht, hat vorzugsweise ausgezeichnete Gasbarriereeigenschaften, wie oben beschrieben, und kann beispielsweise aus thermoplastischen Harzen oder duroplastischen Harzen ausgewählt werden. Beispiele für thermoplastische Harze sind Polypropylenharze, Nylonharze (z. B. 6-Nylonharz oder 6,6-Nylonharz), Polycarbonatharze, Acrylharze, ABS-Harze, Polyamidharze, Polyethylenharze, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymerharz (EVOH) und Polyesterharze (z. B. Polyethylenterephthalat). Beispiele für wärmehärtende Harze sind Epoxidharz, modifiziertes Epoxidharz in Form von Vinylesterharz, Phenolharz, Melaminharz, Harnstoffharz, ungesättigtes Polyesterharz, Alkydharz, Polyurethanharz und wärmehärtendes Polyimidharz.
In einem anderen Beispiel kann die erste Kuppelauskleidung 22 durch Auftragen eines wärmehärtenden Zweikomponentenharzes, wie z. B. Epoxidharz, auf die Innenfläche der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 und Trocknen des aufgetragenen Harzes gebildet werden. In einem weiteren Beispiel kann die erste Kuppelauskleidung 22 aus einem thermoplastischen Harz wie Nylon 6 gebildet werden, indem ein Harz, das ein thermoplastisches Harzmonomer wie ε-Caprolactam und einen Katalysator enthält, auf die innere Oberfläche der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 aufgebracht und auf eine Temperatur erhitzt wird, die gleich oder höher ist als die Temperatur, bei der das thermoplastische Harzmonomer seine Polymerisationsreaktion beginnt.
Wenn das Harzmaterial der ersten Kuppelauskleidung 22 ein wärmehärtendes Harz ist, kann das wärmehärtende Harz ein ungehärtetes sein oder durch Erhitzen vorgehärtet werden, so dass das wärmehärtende Harz nicht vollständig ausgehärtet ist, oder es kann durch Erhitzen ausgehärtet werden, so dass das wärmehärtende Harz vollständig ausgehärtet ist. Wenn das Harzmaterial der ersten Kuppelauskleidung 22 ein thermoplastisches Harz ist, wird das thermoplastische Harz verfestigt.
Wenn das Harzmaterial thermisch gehärtet oder verfestigt ist, wird der erste Kuppelteilkörper 12 mit der ersten Kuppelauskleidung 22 und der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32, die die Außenumfangsfläche der ersten Kuppelauskleidung 22 bedeckt, gebildet.
Der Prozess zum Ausbilden des zweiten Kuppelteilkörpers 13 durch Ausbilden der zweiten Kuppelauskleidung 23 auf der Innenfläche der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33 ist dem oben beschriebenen Verfahren zum Ausbilden des ersten Kuppelteilkörpers 12 ähnlich und wird daher nicht weiter beschrieben. Die zweite Kuppelauskleidung 23 wird auf der Innenfläche der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33 ausgebildet, so dass sich der Endabschnitt 231 der zweiten Kuppelauskleidung 23 nach außen wölbt (siehe 7).
Anschließend wird die Rohrauskleidung 21 auf der Innenfläche der Rohrverstärkungsschicht 31 ausgebildet, um den Rohrteilkörper 11 zu bilden. Der Prozess zum Ausbilden des Rohrteilkörpers 11 ähnelt dem oben beschriebenen Verfahren zum Ausbilden des ersten Kuppelteilkörpers 12 und wird daher nicht weiter beschrieben. Wie in 8 gezeigt, sind die gegenüberliegenden Endabschnitte der so gebildeten Rohrauskleidung 21 jeweils die gefalteten Endabschnitte 211, die nach außen gefaltet sind.
Wenn die erste Kuppelauskleidung 22 auf der Innenfläche der ersten Kuppelverstärkungsschicht 32 ausgebildet ist, die zweite Kuppelauskleidung 23 auf der Innenfläche der zweiten Kuppelverstärkungsschicht 33 ausgebildet ist und die Rohrauskleidung 21 auf der Innenfläche der Rohrverstärkungsschicht 31 ausgebildet ist, ist es bevorzugt, dass die Dicken der ersten Kuppelauskleidung 22 und der zweiten Kuppelauskleidung 23 jeweils größer als die Dicke der Rohrauskleidung 21 sind. Mit dieser Anordnung können bei der Bildung der Baugruppe 10 im anschließenden Montageprozess S2 Unebenheiten an der Kontaktposition zwischen der Rohrauskleidung 21 und der ersten Kuppelauskleidung 22 oder der zweiten Kuppelauskleidung 23 ausgeglichen werden, so dass die aus der Rohrauskleidung 21, der ersten Kuppelauskleidung 22 und der zweiten Kuppelauskleidung 23 gebildete Auskleidung 2 die Dichtungsleistung gewährleisten kann.
Montageprozess S2
Im Montageprozess S2 werden der Rohrteilkörper 11 und das Paar von Kuppelteilkörpern (der erste Kuppelteilkörper 12 und der zweite Kuppelteilkörper 13), die im Teilkörper-Ausbildungsprozess S1 gebildet wurden, zusammengesetzt, um die Baugruppe 10 zu bilden. Wie in 9 gezeigt, wird ein Endabschnitt des Rohrteilkörpers 11 am ersten Kuppelteilkörper 12 befestigt, und der andere Endabschnitt des Rohrteilkörpers 11 wird am zweiten Kuppelteilkörper 13 befestigt. Zu diesem Zeitpunkt sind der erste Kuppelteilkörper 12 und der Rohrteilkörper 11 so zusammengesetzt, dass sich die erste Kuppelauskleidung 22 im äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks 1 relativ zur Rohrauskleidung 21 befindet, und der zweite Kuppelteilkörper 13 und der Rohrteilkörper 11 sind so zusammengesetzt, dass sich die zweite Kuppelauskleidung 23 im äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks 1 relativ zur Rohrauskleidung 21 befindet.
Wie in 10 gezeigt, wird der Rohrteilkörper 11 zunächst mit einer vorbestimmten Presskraft f in den ersten Kuppelteilkörper 12 eingepresst, so dass die erste Kuppelauskleidung 22 die Rohrverstärkungsschicht 31 berührt, ohne die Rohrauskleidung 21 zu berühren. In ähnlicher Weise wird der Rohrteilkörper 11 mit der vorbestimmten Presskraft f in den zweiten Kuppelteilkörper 13 eingepresst, so dass die zweite Kuppelauskleidung 23 die Rohrverstärkungsschicht 31 berührt, ohne die Rohrauskleidung 21 zu berühren.
Wenn dann die Presskraft f aufgehoben wird, dehnt sich der Rohrteilkörper 11 unter einer Rückstellkraft aus. Infolgedessen wirkt eine Kraft von dem im Inneren befindlichen Rohrteilkörper 11 auf den ersten Kuppelteilkörper 12 oder den zweiten Kuppelteilkörper 13, um den Kuppelteilkörper nach außen zu erweitern. Dadurch verformen sich der erste Kuppelteilkörper 22 und die Rohrauskleidung 21, und der Endabschnitt 222 des ersten Kuppelteilkörpers 22 stößt an den gefalteten Endabschnitt 211 der Rohrauskleidung 21 (siehe 1). Dann wird ein abgedichteter Abschnitt der Auskleidung 2 an der Kontaktstelle zwischen dem Endabschnitt 222 der ersten Kuppelauskleidung 22 und dem gefalteten Endabschnitt 211 der Rohrauskleidung 21 gebildet. In ähnlicher Weise verformen sich auch die zweite Kuppelauskleidung 23 und die Rohrauskleidung 21, und der Endabschnitt 231 der zweiten Kuppelauskleidung 23 stößt an den gefalteten Endabschnitt 211 der Rohrauskleidung 21 (siehe 1). Dann wird ein abgedichteter Abschnitt der Auskleidung 2 an der Kontaktstelle zwischen dem Endabschnitt 231 der zweiten Kuppelauskleidung 23 und dem gefalteten Endabschnitt 211 der Rohrauskleidung 21 gebildet. Auf diese Weise wird die Baugruppe 10 gebildet.
Wenn der Rohrteilkörper 11 mit dem ersten Kuppelteilkörper 12 oder dem zweiten Kuppelteilkörper 13 zusammengesetzt wird, kann der Zusammenbau erfolgen, nachdem die Rohrauskleidung 21, die erste Kuppelauskleidung 22 und die zweite Kuppelauskleidung 23 erwärmt wurden, um die Verformung der Auskleidungen zu erleichtern. Auf diese Weise können Unebenheiten an der Kontaktposition zwischen der Rohrauskleidung 21 und der ersten Kuppelauskleidung 22 und Unebenheiten an der Kontaktposition zwischen der Rohrauskleidung 21 und der zweiten Kuppelauskleidung 23 leicht absorbiert werden, wodurch es einfacher wird, den Kontaktzustand zwischen der Rohrauskleidung 21 und der ersten Kuppelauskleidung 22 oder der zweiten Kuppelauskleidung 23 sicherzustellen. Alternativ kann von der Rohrauskleidung 21, der ersten Kuppelauskleidung 22 und der zweiten Kuppelauskleidung 23 nur die Rohrauskleidung 21 oder nur die erste Kuppelauskleidung 22 und die zweite Kuppelauskleidung 23 erwärmt werden. Wenn die erste Kuppelauskleidung 22 und die zweite Kuppelauskleidung 23 dicker sind als die Rohrauskleidung 21, ist es besser, die erste Kuppelauskleidung 22 und die zweite Kuppelauskleidung 23 zu erwärmen.
Dichtungsprüfungsprozess S3
Der Dichtungsprüfungsprozess S3 ist ein Prozess zur Prüfung der Dichtungsleistung der im Montageprozess S2 gebildeten Baugruppe 10. Bei dem Dichtungsprüfungsprozess S3 wird die Dichtungsleistung der Baugruppe 10 geprüft, indem ein Unterdruck auf das Innere der Baugruppe 10 aufgebracht wird. Wenn bei der auf diese Weise im Zustand der Baugruppe 10 durchgeführten Dichtheitsprüfung Luft in die Baugruppe 10 eindringt (d. h. wenn ein Dichtheitsproblem vorliegt), kann die Baugruppe 10 demontiert werden, damit ein Teilkörper, der das Problem verursacht, durch einen anderen ersetzt werden kann. Dementsprechend kann der das Problem verursachende Teilkörper verglichen mit dem Fall, in dem die Dichtungsprüfung beispielsweise durchgeführt wird, nachdem die hohe spiralförmige Schicht 34 und die äußere spiralförmige Schicht 35 außerhalb der Baugruppe 10 gebildet wurden und das Harz ausgehärtet oder verfestigt ist leicht ausgetauscht werden.
Hohe-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S4
In dem hohe-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S4 wird die hohe spiralförmige Schicht 34 durch Wickeln von mit Harz imprägnierten Faserbündeln auf der Außenumfangsfläche mindestens des Rohrteilkörpers 11 der Baugruppe 10, die bei der Dichtungsprüfung keine Probleme aufweist, durch spiralförmiges Wickeln mit hohem Winkel gebildet, um Schichten zu bilden. Die Anzahl der Schichten der so gewickelten Faserbündel ist nicht besonders begrenzt, vorausgesetzt, dass eine ausreichende Festigkeit der hohen spiralförmigen Schicht 34 gewährleistet ist, kann aber beispielsweise 2 bis 10 Schichten betragen.
Die Verstärkungsfasern der Faserbündel können aus Materialien ausgewählt werden, die den oben beispielhaft aufgeführten Materialien für die Faserbündel F1 ähnlich sind, und das Harzmaterial, mit dem die Verstärkungsfasern imprägniert sind, kann aus Harzen ausgewählt werden, die den beispielhaft aufgeführten Materialien für die Faserbündel F1 ähnlich sind.
Wie in 11 gezeigt, wird die hohe spiralförmige Schicht 34 nicht nur über den gesamten Bereich der Rohrverstärkungsschicht 31 gebildet, sondern wird so gebildet, dass sich ein Endabschnitt der hohen spiralförmigen Schicht 34 über einen Teil des ersten Kuppelteilkörpers 12 über den zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 hinaus erstreckt, und sich der andere Endabschnitt der hohen spiralförmigen Schicht 34 über einen Teil des zweiten Kuppelteilkörpers 13 über den zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 hinaus erstreckt.
Äußere-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S5
In dem äußere-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S5 wird die äußere spiralförmige Schicht 35 außerhalb der hohen spiralförmigen Schicht 34 gebildet. Genauer gesagt werden mit Harz imprägnierte Faserbündel spiralförmig in einem niedrigen Winkel in Schichten um die Außenumfangsfläche der im hohe-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S4 gebildeten hohen spiralförmigen Schicht 34 und die Außenumfangsflächen des ersten Kuppelteilkörpers 12 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13, die nicht mit der hohen spiralförmigen Schicht 34 bedeckt sind, gewickelt. Die Anzahl der Schichten der auf diese Weise gewickelten Faserbündel ist nicht begrenzt, sofern eine ausreichende Festigkeit der äußeren spiralförmigen Schicht 35 gewährleistet ist, kann aber beispielsweise 2 bis 10 Schichten betragen.
Die Verstärkungsfasern der Faserbündel können aus Materialien ausgewählt werden, die den oben beispielhaft aufgeführten Materialien für die Faserbündel F1 ähnlich sind, und das Harzmaterial, mit dem die Verstärkungsfasern imprägniert werden, kann aus Harzen ausgewählt werden, die den beispielhaft aufgeführten Materialien für die Faserbündel F1 ähnlich sind.
Nachdem das Wickeln der Faserbündel abgeschlossen ist, wird die äußere spiralförmige Schicht 35 einer Haupthärtung unterzogen, wenn das Harz, mit dem die Faserbündel imprägniert sind, ein duroplastisches Harz ist. Wenn das Harz der Baugruppe 10 und das Harz der hohen spiralförmige Schicht 34 wärmehärtende Harze sind und noch nicht vollständig ausgehärtet sind, werden diese Harze zu diesem Zeitpunkt ebenfalls der Haupthärtung unterzogen. Wenn das Harz, mit dem die Faserbündel imprägniert sind, ein thermoplastisches Harz ist, lässt man die äußere spiralförmige Schicht 35 abkühlen oder zwingt sie zum Abkühlen, um sie zu verfestigen.
Nachdem die äußere spiralförmige Schicht 35 auf diese Weise ausgebildet wurde, wird das Ventil 6 an dem Ansatz 4 befestigt, wie in 1 gezeigt, so dass die Herstellung des Hochdrucktanks 1 abgeschlossen ist.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks gemäß dieser Ausführungsform werden bei dem Montageprozess S2 der erste Kuppelteilkörper 12 und der Rohrteilkörper 11 so zusammengesetzt, dass die erste Kuppelauskleidung 22 relativ zu der rohrförmigen Auskleidung 21 in dem äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks 1 angeordnet ist, und der zweite Kuppelteilkörper 13 und der Rohrteilkörper 11 werden so zusammengesetzt, dass die zweite Kuppelauskleidung 23 relativ zu der rohrförmigen Auskleidung 21 in dem äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks 1 angeordnet ist. Mit dieser Anordnung kann die Auskleidung 2 lediglich durch Zusammensetzen des Rohrteilkörpers 11, des ersten Kuppelteilkörpers 12 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 gebildet werden, wodurch die Herstellung des Hochdrucktanks 1 erleichtert wird.
Außerdem wird beim Montageprozess S2 der Rohrteilkörper 11 so in den ersten Kuppelteilkörper 12 eingepresst, dass die erste Kuppelauskleidung 22 die Rohrverstärkungsschicht 31 berührt, ohne die Rohrauskleidung 21 zu berühren, und der Rohrteilkörper 11 wird so in den zweiten Kuppelteilkörper 13 eingepresst, dass die zweite Kuppelauskleidung 23 die Rohrverstärkungsschicht 31 berührt, ohne die Rohrauskleidung 21 zu berühren. Auf diese Weise kommt es im Vergleich zu dem Fall, in dem das Einpressen dieser Teilkörper so durchgeführt wird, dass die erste Kuppelauskleidung 22 oder die zweite Kuppelauskleidung 23 die Rohrauskleidung 21 direkt berührt, nicht zu einem Reiben der Auskleidungen aneinander während dem Einpressen, und es kann verhindert werden, dass die so gebildeten Dichtungsabschnitte beschädigt werden. Folglich kann die Dichtungsleistung der Auskleidung 2 gewährleistet werden.
In dem hohe-Spiralschicht-Ausbildungsprozess S4 wird die hohe spiralförmige Schicht 34 nicht nur über den gesamten Bereich der Rohrverstärkungsschicht 31 gebildet, sondern so gebildet, dass ein Endabschnitt der hohen spiralförmigen Schicht 34 sich über einen Teil des ersten Kuppelteilkörpers 12 über den zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 hinaus erstreckt, und der andere Endabschnitt der hohen spiralförmigen Schicht 34 sich über einen Teil des zweiten Kuppelteilkörpers 13 über den zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des zweiten Kuppelteilkörpers 13 hinaus erstreckt. Auf diese Weise kann die Ausdehnung des ersten Kuppelteilkörpers 12 oder die Ausdehnung des zweiten Kuppelteilkörpers 13 nach außen aufgrund der Rückstellkraft des Rohrteilkörpers 11 eingeschränkt werden, so dass die Verformung im zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers 11 und des ersten Kuppelteilkörpers 12 oder des zweiten Kuppelteilkörpers 13 verringert werden kann und der Kontaktzustand zwischen der Rohrauskleidung 21 und der ersten Kuppelauskleidung 22 oder der zweiten Kuppelauskleidung 23 aufrechterhalten werden kann.
Während eine Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt, und es können verschiedene Konstruktionsänderungen vorgenommen werden, ohne von dem in den Ansprüchen beschriebenen Prinzip der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012149739 A [0002]

Claims

Hochdrucktank (1), aufweisend: eine Baugruppe (10) mit einem Rohrteilkörper (11) und zwei Kuppelteilkörpern (12, 13), die zusammengesetzt sind; und eine spiralförmige Schicht, die außerhalb der Baugruppe (10) ausgebildet ist, wobei der Rohrteilkörper (11) eine Rohrauskleidung (21) und eine Rohrverstärkungsschicht (31) hat, die eine Außenumfangsfläche der Rohrauskleidung (21) bedeckt, wobei jeder der Kuppelteilkörper (12, 13) eine Kuppelauskleidung (22, 23) und eine Kuppelverstärkungsschicht (32, 33) hat, die eine Außenumfangsfläche der Kuppelauskleidung (22, 23) bedeckt, und wobei der Rohrteilkörper (11) und die beiden Kuppelteilkörper (12, 13) so zusammengesetzt sind, dass die Kuppelauskleidung (22, 23) in einem äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks (1) relativ zur Rohrauskleidung (21) angeordnet ist.
Hochdrucktank (1) nach Anspruch 1, wobei: ein Endabschnitt der Rohrauskleidung (21) ein gefalteter Endabschnitt (211) ist, der zu einer Außenseite des Hochdrucktanks (1) zurückgefaltet ist; und der gefaltete Endabschnitt (211) der Rohrauskleidung (21) in einem zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers (11) und jedes der Kuppelteilkörper (12, 13) mit der Kuppelauskleidung (22, 23) in Kontakt steht.
Hochdrucktank (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die spiralförmige Schicht eine hohe spiralförmige Schicht (34) hat, die so gestaltet ist, dass sie zumindest den Rohrteilkörper (11) bedeckt, und eine äußere spiralförmige Schicht (35), die außerhalb der hohen spiralförmigen Schicht (34) ausgebildet ist; und die hohe spiralförmige Schicht (34) sich über einen Teil jedes der Kuppelteilkörper (12, 13) über einen zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers (11) und jedes der Kuppelteilkörper (12, 13) hinaus erstreckt.
Verfahren zum Herstellen eines Hochdrucktanks (1), der eine Baugruppe (10) mit einem Rohrteilkörper (11) und zwei Kuppelteilkörpern (12, 13), die zusammengesetzt sind, sowie eine außerhalb der Baugruppe (10) ausgebildete spiralförmige Schicht umfasst, wobei das Verfahren aufweist: einen Teilkörper-Ausbildungsprozess zum Ausbilden des Rohrteilkörpers (11) mit einer Rohrauskleidung (21) und einer Rohrverstärkungsschicht (31), die eine Au-ßenumfangsfläche der Rohrauskleidung (21) bedeckt, und der Kuppelteilkörper (12, 13) mit jeweils einer Kuppelauskleidung (22, 23) und einer Kuppelverstärkungsschicht (32, 33), die eine Außenumfangsfläche der Kuppelauskleidung (22, 23) bedeckt; einen Montageprozess zum Ausbilden der Baugruppe (10) durch Zusammensetzen des Rohrteilkörpers (11) und der beiden Kuppelteilkörper (12, 13); und einen Spiralschicht-Ausbildungsprozess zum Ausbilden der spiralförmigen Schicht außerhalb der Baugruppe (10), wobei bei dem Montageprozess der Rohrteilkörper (11) und die beiden Kuppelteilkörper (12, 13) so zusammengesetzt werden, dass die Kuppelauskleidung (22, 23) in einem äußeren Abschnitt des Hochdrucktanks (1) relativ zu der Rohrauskleidung (21) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei beim Montageprozess der Rohrteilkörper (11) in jeden der Kuppelteilkörper (12, 13) so eingepresst wird, dass die Kuppelauskleidung (22, 23) die Rohrverstärkungsschicht (31) berührt, ohne die Rohrauskleidung (21) zu berühren.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei: der Spiralschicht-Ausbildungsprozess einen hohe-Spiralschicht-Ausbildungsprozess zum Ausbilden einer hohen spiralförmigen Schicht (34), die zumindest den Rohrteilkörper (11) bedeckt, und einen äußere-Spiralschicht-Ausbildungsprozess zum Ausbilden einer äußeren spiralförmigen Schicht (35) außerhalb der hohen spiralförmigen Schicht (34) aufweist; und in dem hohe-Spiralschicht-Ausbildungsprozess die hohe spiralförmige Schicht (34) so ausgebildet wird, dass sie den Rohrteilkörper (11) bedeckt und sich über einen Teil jedes der Kuppelteilkörper (12, 13) über einen zusammengesetzten Bereich des Rohrteilkörpers (11) und jedes der Kuppelteilkörper (12, 13) hinaus erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner aufweisend einen Dichtungsprüfungsprozess zum Prüfen der Dichtungsleistung der Baugruppe (10) zwischen dem Montageprozess und dem Spiralschicht-Ausbildungsprozess, wobei während des Dichtungsprüfungsprozesses ein Unterdruck auf das Innere der Baugruppe (10) aufgebracht wird.