DE102022121376A1

DE102022121376A1 - Verfahren zur herstellung eines tanks und herstellungsvorrichtung dafür

Info

Publication number: DE102022121376A1
Application number: DE102022121376.5A
Authority: DE
Inventors: Ken Hatta
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2023-03-02
Also published as: US20230060650A1; KR20230031152A; CN115727254A; JP2023031974A

Abstract

Es werden ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks und eine Herstellungsvorrichtung dafür zur Verfügung gestellt, die innerhalb kurzer Zeit eine Harzimprägnierung erreichen können. Das Verfahren wickelt Fasern (16) derart auf eine überlappende Weise in einer radialen Richtung um eine Außenfläche einer Auskleidung (12) herum, dass eine erste Faserschicht (17B) auf einer Außenfläche eines Kuppelabschnitts (12B) weniger dicht als eine zweite Faserschicht (17A) auf einer Außenfläche eines geraden Körperabschnitts (12A) ist und dass ein Abschnitt einer Einzelschicht der ersten Faserschicht (17B), der weniger dicht ist, von der ersten Faserschicht (17B) aus kontinuierlich teilweise zwischen Einzelschichten der zweiten Faserschicht (17A) eingefügt wird, und es imprägniert dann die Faserschicht (17), die die erste Faserschicht (17B) und die zweite Faserschicht (17A) umfasst, mit einem Harz.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Tanks und eine Herstellungsvorrichtung dafür.
Stand der Technik
Patentliteratur 1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines (im Folgenden auch als ein Hochdrucktank bezeichneten) faserverstärkten Kunststofftanks (FVK-Tanks). Dieses Herstellungsverfahren führt zunächst einen Beschichtungsschritt durch, bei dem Fasern um eine Auskleidung herumgewickelt werden, es führt dann einen Imprägnierungsschritt durch, bei dem die Fasern mit Harz imprägniert werden, und es lässt danach das Harz aushärten, indem die mit Harz imprägnierten Fasern erhitzt werden.
Patentliteratur 2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks, das ein solches Harzinjektionsverfahren („Resin Transfer Molding“-Verfahren bzw. RTM-Verfahren) verwendet. Dieses Herstellungsverfahren platziert einen Vorformling, bei dem auf einer Außenfläche einer Auskleidung, die einen Innenraum eines Hochdrucktanks bildet, eine Faserschicht ausgebildet ist, in einer Form und dreht den Vorformling in der Form in Umfangsrichtung um die Mittelachse des Vorformlings als Drehzentrum, während es aus einem Anguss Harz in Richtung des in der Form platzierten Vorformlings einspritzt.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2020 - 085 199 A
Patentliteratur 2: JP 2019 - 056 415 A

KURZDARSTELLUNG
Das obige Herstellungsverfahren, das das RTM-Verfahren verwendet, führt den Faserwickelschritt und den Harzimprägnierungsschritt separat durch, wenn ein Hochdrucktank hergestellt wird. Allerdings kann es aufgrund einer großen Fasermenge, die um den Hochdrucktank herumgewickelt ist, und aufgrund einer großen Dicke der Faserschicht (Einzelschichten), die durch Faserwicklung ausgebildet sind, lange dauern, bis der tiefe Abschnitt (die innerste Lage) der Faserschicht vollständig mit Harz imprägniert ist.
Angesichts dessen stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks und eine Herstellungsvorrichtung dafür zur Verfügung, die innerhalb kurzer Zeit eine Harzimprägnierung erreichen können.
Angesichts dessen wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks offenbart, der Folgendes umfasst: eine hohle Auskleidung, die einen zylindrischen, geraden Körperabschnitt und einen Kuppelabschnitt aufweist, der sich von einem Endabschnitt des geraden Körperabschnitts in einer axialen Richtung in einer zum geraden Körperabschnitt entgegengesetzten Richtung allmählich verengt; und eine Verstärkungsschicht, die auf einer Außenfläche der Auskleidung ausgebildet ist, indem eine Faserschicht, die Fasern aufweist, die auf eine überlappende Weise in einer radialen Richtung herumgewickelt sind, mit Harz imprägniert ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: derartiges Wickeln der Fasern auf eine überlappende Weise in einer radialen Richtung um die Außenfläche der Auskleidung herum, dass eine erste Faserschicht auf einer Außenfläche des Kuppelabschnitts weniger dicht als eine zweite Faserschicht auf einer Außenfläche des geraden Körperabschnitts ist und dass ein Abschnitt einer Einzelschicht der ersten Faserschicht, der weniger dicht ist, von der ersten Faserschicht aus kontinuierlich teilweise zwischen Einzelschichten der zweiten Faserschicht eingefügt wird; und Imprägnieren der Faserschicht, die die erste Faserschicht und die zweite Faserschicht umfasst, mit dem Harz.
In einigen Ausführungsbeispielen erfolgt die Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz separat in einer axialen Richtung und einer radialen Richtung der Auskleidung.
In einigen Ausführungsbeispielen wird das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen, um die Faserschicht mit dem Harz zu imprägnieren, und das Harz wird in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen, um die Faserschicht mit dem Harz zu imprägnieren.
In einigen Ausführungsbeispielen erfolgt eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz in sowohl der axialen Richtung als auch der radialen Richtung der Auskleidung, nachdem eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz in der axialen Richtung der Auskleidung erfolgt ist.
In einigen Ausführungsbeispielen wird das Harz in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen, während das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen wird, um die Faserschicht mit dem Harz zu imprägnieren, nachdem das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen worden ist.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren Folgendes: Wickeln von Fasern in einer abwechselnd gewebten Weise um die Außenfläche des Kuppelabschnitts herum, um die erste Faserschicht auszubilden; Wickeln von Fasern von der ersten Faserschicht aus kontinuierlich in einer Spiralform oder einer Ringform um die Außenfläche des geraden Körperabschnitts herum, um die zweite Faserschicht auszubilden; und teilweises Einfügen eines Abschnitts einer Einzelschicht der ersten Faserschicht, der weniger dicht ist, zwischen Einzelschichten der zweiten Faserschicht, indem Fasern von der ersten Faserschicht aus kontinuierlich in einer abwechselnd gewebten Weise herumgewickelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Herstellungsvorrichtung für einen Tank offenbart, wobei der Tank Folgendes umfasst: eine hohle Auskleidung, die einen zylindrischen, geraden Körperabschnitt und einen Kuppelabschnitt aufweist, der sich von einem Endabschnitt des geraden Körperabschnitts in einer axialen Richtung in einer zum geraden Körperabschnitt entgegengesetzten Richtung allmählich verengt; und eine Verstärkungsschicht, die auf einer Außenfläche der Auskleidung ausgebildet ist, indem eine Faserschicht, die Fasern aufweist, die auf eine überlappende Weise in einer radialen Richtung herumgewickelt sind, mit Harz imprägniert ist, wobei die Herstellungsvorrichtung Folgendes umfasst: eine Form, die so konfiguriert ist, dass sie einen Vorformling aufnimmt, der die Fasern aufweist, die derart auf eine überlappende Weise in einer radialen Richtung um die Außenfläche der Auskleidung herumgewickelt sind, dass eine erste Faserschicht auf einer Außenfläche des Kuppelabschnitts weniger dicht als eine zweite Faserschicht auf einer Außenfläche des geraden Körperabschnitts ist und dass ein Abschnitt einer Einzelschicht der ersten Faserschicht, der weniger dicht ist, von der ersten Faserschicht aus kontinuierlich teilweise zwischen Einzelschichten der zweiten Faserschicht eingefügt ist, und dass sie eine Imprägnierung der Faserschicht, die die erste Faserschicht und die zweite Faserschicht umfasst, mit dem Harz ermöglicht, wobei die Form mit einer Vielzahl von Angusskanälen versehen ist, die Angüsse definieren, durch die das Harz fließt und die sich derart in der Form öffnen, dass eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz separat in einer axialen Richtung und einer radialen Richtung der Auskleidung erfolgt, und mindestens einer der Vielzahl von Angusskanälen mit einem Öffnungs-/Schließmechanismus versehen ist.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Vielzahl von Angusskanälen einen ersten Angusskanal, durch den das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen wird, und einen zweiten Angusskanal, durch den das Harz in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen wird.
In einigen Ausführungsbeispielen ist der Öffnungs-/Schließmechanismus so konfiguriert, dass er mindestens einen der Vielzahl von Angusskanälen derart öffnet und schließt, dass eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz in sowohl der axialen Richtung als auch der radialen Richtung der Auskleidung erfolgt, nachdem eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz in der axialen Richtung der Auskleidung erfolgt ist.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Vielzahl von Angusskanälen einen ersten Angusskanal, durch den das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen wird, und einen zweiten Angusskanal, durch den das Harz in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen wird, der Öffnungs-/Schließmechanismus ist zumindest in dem zweiten Angusskanal vorgesehen und das Harz wird, nachdem das Harz in einem Zustand, in dem der zweite Angusskanal durch den Öffnungs-/Schließmechanismus geschlossen worden ist, über den ersten Angusskanal in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen worden ist, in einem Zustand, in dem der zweite Angusskanal durch den Öffnungs-/Schließmechanismus geöffnet worden ist, über den zweiten Angusskanal in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen, während das Harz über den ersten Angusskanal in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen wird.
Gemäß der einen Ausgestaltung der Erfindung kann durch das Vorsehen eines Abschnitts mit weniger dichten Fasern (geringer Faserdichte) in sowohl dem Kuppelabschnitt als auch dem geraden Körperabschnitt während der Faserwicklung der Widerstand beim Harzgießen verringert werden. Dies kann die Harzimprägnierung erleichtern, wodurch innerhalb kurzer Zeit eine Beendigung der Harzimprägnierung erreicht werden kann.
Da sich die Harzgießdrücke während des Harzgießens nicht untereinander in den verschiedenen Richtungen (einer axialen Richtung und einer Einzelschichterstreckungsrichtung, einer radialen Richtung und einer Dickenrichtung) stören, ist es außerdem möglich, im inneren Teil innerhalb kurzer Zeit eine Beendigung der Harzimprägnierung zu erreichen.
Figurenliste

1 ist eine Seitenansicht, die schematisch einen Hochdrucktank (eine faserumwickelte Auskleidung) gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt;
2 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Aufbau des Hochdrucktanks (der faserumwickelten Auskleidung) gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt;
3 ist ein schematisches Schaubild, das eine Fertigungsmaschine (Flechtmaschine) zum Herumwickeln von Fasern um eine Auskleidung zeigt, die den Hochdrucktank gemäß dem Ausführungsbeispiel bildet;
4 ist ein schematisches Schaubild, das Positionen zeigt, an denen Fasern zugeführt werden, wenn die Fasern um einen Kuppelabschnitt des Hochdrucktanks gemäß dem Ausführungsbeispiel herumgewickelt werden;
5 ist ein schematisches Schaubild, das Positionen zeigt, an denen Fasern zugeführt werden, wenn die Fasern um einen geraden Körperabschnitt des Hochdrucktanks gemäß dem Ausführungsbeispiel herumgewickelt werden;
6 ist eine Seitenansicht, die schematisch einen Aufschichtungsabschnitt zeigt, in dem in dem Hochdrucktank (der faserumwickelten Auskleidung) gemäß dem Ausführungsbeispiel zwischen Einzelschichten einer spiralförmigen Schicht eine Einzelschicht einer Geflechtschicht eingefügt ist;
7 ist eine vertikale Schnittansicht, die einen Vorformlingplatzierungsschritt und einen Vakuumentgasungsschritt einer Herstellungsvorrichtung (einer Form zum Harzinjektionsformen) des Hochdrucktanks gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt;
8 ist eine vertikale Schnittansicht, die einen Harzgießschritt der Herstellungsvorrichtung (der Form zum Harzinjektionsformen) des Hochdrucktanks gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt;
9 ist eine Draufsicht auf eine untere Form, von der eine obere Form entfernt ist, die den Harzgießschritt darstellt, wenn in der Herstellungsvorrichtung (der Form zum Harzinjektionsformen) des Hochdrucktanks gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Öffnungs-/Schließmechanismus geschlossen ist; und
10 ist eine Draufsicht auf eine untere Form, von der eine obere Form entfernt ist, die den Harzgießschritt darstellt, wenn in der Herstellungsvorrichtung (der Form zum Harzinjektionsformen) des Hochdrucktanks gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Öffnungs-/Schließmechanismus geöffnet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Es folgt eine Beschreibung eines Beispiels für einen Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge, der ein Beispiel für einen Tank ist. Der Tank, bei dem die Erfindung angewandt wird, ist nicht auf den Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge beschränkt. Die Form, das Material und dergleichen der Auskleidung und des Vorformlings, die den Tank bilden, sind ebenfalls nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt.
Das RTM-Verfahren wickelt (windet) Kohlenstofffasern mehrmals (in mehreren Lagen) um eine Auskleidung herum, um einen Vorformling mit einer Faserschicht auf der Außenfläche der Auskleidung auszubilden, es imprägniert die Faserschicht des Vorformlings mit Epoxidharz und es härtet das Epoxidharz aus, um so einen Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge herzustellen, der auf dem Außenumfang der Auskleidung eine faserverstärkte Harzschicht mit den Kohlenstofffasern und dem Epoxidharz aufweist. Die Auskleidung ist ein hohler Behälter aus Harz (zum Beispiel Nylonharz), der den Innenraum des Hochdrucktanks definiert.
In einem solchen Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge sind die Kohlenstofffasern dick aufeinandergeschichtet, und deswegen dringt das Herz kaum in die Innenschicht der Kohlenstofffasern ein. Wenn zur Imprägnierung Harz mit hohem Druck in die Innenschicht der Kohlenstofffasern gegossen wird, werden sich die Qualität und das Leistungsvermögen des Tanks, etwa die Verformung des Tanks, verschlechtern. Da der Tank eine Zylinderform hat, ist es außerdem schwierig, das Harz gleichmäßig in den gesamten Tank einzubringen, was die Harzimprägnierung ungleichmäßig macht. Darüber hinaus tendiert der Druck dazu, sich in der Umgebung eines Angusses zu konzentrieren, sodass sein Angussabschnitt unter hohem Druck steht und es zwischen dem Angussabschnitt und einem Harzflussendabschnitt (d. h. einem Abschnitt gegenüber dem Angussabschnitt) eine große Druckdifferenz gibt.
Der Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge hat also die Kohlenstofffasern sehr dick (etwa zehnmal so dick wie ein typisches RTM-Formkörperbauteil) aufgeschichtet, um genügend Festigkeit zu bewahren, was es schwierig macht, die Fasern mit Harz zu imprägnieren. Eine einfache Tankdrehung wie in Patentliteratur 2 hat keine gute Wirkung auf die Harzimprägnierung in die Innenschicht der Kohlenstofffasern. Außerdem kann sich eine ungleichmäßige Druckverteilung ergeben, wenn das Harz zur Imprägnierung mit hohem Druck in die Innenschicht der Kohlenstofffasern gegossen wird, und in einem Abschnitt, der teilweise unter hohem Druck steht, werden sich die Qualität und das Leistungsvermögens des Tanks, etwa die Verformung der Harzauskleidung innerhalb des Tanks, verschlechtern. Da es weniger wahrscheinlich ist, dass Harz durch einen schmalen Spalt zwischen der Form und dem Tank zum Abschnitt gegenüber dem Angussabschnitt fließt, ist es außerdem erforderlich, den Tank, wie in Patentliteratur 2 offenbart ist, mit hoher Geschwindigkeit innerhalb der Form zu drehen, um das Harz in den gesamten Teil des Tanks fließen zu lassen, bevor es aushärtet. Allerdings kann eine solche Hochgeschwindigkeitsdrehung aufgrund des geringen Raums innerhalb der Form zu einer Beschädigung der Kohlenstofffasern führen.
Das Ausführungsbeispiel setzt daher die folgende Konfiguration ein.
- Konfiguration Hochdrucktank -
Zunächst wird beruhend auf den Zeichnungen ausführlich ein Aufbau eines Hochdrucktanks 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. 1 und 2 sind jeweils eine Seitenansicht und eine Schnittansicht, die schematisch den Hochdrucktank 10 (die faserumwickelte Auskleidung) gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigen. Es sollte beachtet werden, dass die Zeichnungen zur Erleichterung der Beschreibung, soweit zutreffend, einen Pfeil D, der eine axiale Richtung des Hochdrucktanks 10 angibt, und einen Pfeil R zeigen, der eine radiale Richtung des Hochdrucktanks 10 angibt. Außerdem wird ein Abschnitt des Hochdrucktanks 10 (der Auskleidung 12), der in der axialen Richtung entlang einer Mittelachse CL des Hochdrucktanks 10 von der Mitte entfernt liegt, als „ein Endabschnitt in der axialen Richtung“ bezeichnet. Derweil wird ein Abschnitt des Hochdrucktanks 10 (der Auskleidung 12), der näher an der Mitte liegt, als „ein mittlerer Abschnitt in der axialen Richtung“ bezeichnet. Der Hochdrucktank 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist so konfiguriert, dass er in seinem Inneren mit zum Beispiel Wasserstoff als einen Brennstoff befüllt wird und auf einem (nicht gezeigten) Brennstoffzellenfahrzeug oder dergleichen montiert wird.
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, hat der Hochdrucktank 10 eine Auskleidung 12 als einen Behälterkörper. In einem Beispiel wird die Auskleidung 12 mit einem flüssigkristallinen Harzmaterial mit hervorragender Gassperreigenschaft und Abmessungsstabilität blasgeformt und weist einen zylindrischen, geraden Körperabschnitt 12A und einen im Wesentlichen halbkugelförmigen Kuppelabschnitt 12B auf, der einstückig mit jedem der gegenüberliegenden Enden (jeder der Endöffnungen) des geraden Körperabschnitts 12A ausgebildet ist. Genauer gesagt weist diese Auskleidung 12 in einem Zwischenabschnitt der Auskleidung 12 in der Längsrichtung (axialen Richtung) den zylindrischen, geraden Körperabschnitt 12A auf, der einen konstanten Innendurchmesser und Außendurchmesser hat, und sie weist den Kuppelabschnitt 12B auf, der jeden der gegenüberliegenden Seitenabschnitte der Auskleidung 12 in der Längsrichtung (axialen Richtung) ausbildet und sich in einer zum geraden Körperabschnitt 12A entgegengesetzten Richtung (in Richtung des Endabschnitts in der axialen Richtung) allmählich verengt (d. h. einen abnehmenden Durchmesser hat).
Der Kuppelabschnitt 12B weist in seinem axial mittleren Teil einen zylindrischen Abschnitt 12C auf, der in der axialen Richtung entlang der Mittelachse CL in Richtung des Endabschnitts der Auskleidung 12 (nach außen) vorsteht. Der zylindrische Abschnitt 12C hat einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser und Außendurchmesser, die kleiner als die des geraden Körperabschnitt 12A sind.
Der Hochdrucktank 10 wird ausgebildet, indem um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A der Auskleidung 12 und die Außenumfangsfläche des Kuppelabschnitts 12B der Auskleidung 12 (auch als Faserbündel bezeichnete) bandartige Fasern 16 mit einer vorbestimmten Breite in einer Schichtform herumgewickelt werden. Die Faser 16 besteht aus faserverstärktem Kunststoff (FVK), was zum Beispiel Glasfaser, Kohlenstofffaser oder Aramidfaser einschließt, und sie bildet auf der Außenumfangsfläche (Außenfläche) der Auskleidung 12 eine faserverstärkte Kunststoffschicht (FVK-Schicht) als eine Verstärkungsschicht aus.
Im Einzelnen werden die Fasern 16 in einer abwechselnd gewebten Weise um die Außenumfangsfläche (Außenfläche) des Kuppelabschnitts 12B herumgewickelt (nachstehend kann dies als „Geflechtwicklung“ bezeichnet werden), wobei die in einer geflochtenen Weise gewickelten Fasern 16 eine Geflechtschicht 17B als eine erste Faserschicht ausbilden. Dann wird die Geflechtschicht (erste Faserschicht) 17B mit einem wärmehärtenden Harz 18 imprägniert (8 usw.) und ausgehärtet, wodurch eine Verstärkungsschicht ausgebildet wird.
Derweil werden die Fasern 16 spiralförmig um die Außenumfangsfläche (Außenfläche) des geraden Körperabschnitts 12A herumgewickelt (nachstehend kann dies als „spiralförmige Wicklung“ bezeichnet werden), wobei die spiralförmig gewickelten Fasern 16 eine spiralförmige Schicht 17A als eine zweite Faserschicht ausbilden. Die spiralförmige Schicht (zweite Faserschicht) 17A wird dann mit einem wärmehärtenden Harz 18 imprägniert (8 usw.) und ausgehärtet, wodurch eine Verstärkungsschicht ausgebildet wird.
Die spiralförmige Wicklung bedeutet, dass die Fasern 16 zunächst in einem vorbestimmten Wickelwinkel +θ bezüglich der Mittelachse CL der Auskleidung 12 um die gesamte Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A herumgewickelt werden und sie außerdem in einem vorbestimmten Wickelwinkel -θ bezüglich der Mittelachse CL der Auskleidung 12 auf einer Oberseite davon (in einer kreuzenden Richtung auf der Oberseite der im Wickelwinkel +θ herumgewickelten Fasern 16) herumgewickelt werden. Die spiralförmige Schicht (zweite Faserschicht) 17A ist also derart konfiguriert, dass die Fasern 16 in einem vorbestimmten Wickelwinkel +θ und einem vorbestimmten Wickelwinkel -θ in mindestens zwei Lagen um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A herumgewickelt sind. Es sollte beachtet werden, dass die Fasern (Bündel) 16 in der Praxis (in einer überlappenden oder aufeinandergeschichteten Weise in der radialen Richtung) in etwa einigen bis einigen zehn Lagen herumgewickelt werden, auch wenn dies vom Innendruck des geraden Körperabschnitts 12A und der Anzahl an Fasern (Bündeln) 16 und dergleichen abhängt.
Wie oben beschrieben wurde, bedeutet die Geflechtwicklung, dass die Fasern 16 in einer abwechselnd gewebten Weise herumgewickelt werden, wobei die Geflechtwicklung hier bedeutet, dass die Fasern 16 in einem vorbestimmten Wickelwinkel +θ und einem vorbestimmten Wickelwinkel -θ bezüglich der Mittelachse CL der Auskleidung 12 um die gesamte Außenumfangsfläche des Kuppelabschnitts 12B herumgewickelt werden.
Die Fasern 16 werden hier also bei sowohl der Geflechtwicklung als auch der spiralförmigen Wicklung in dem gleichen Wickelwinkel θ herumgewickelt. Der Wickelwinkel θ kann innerhalb des Bereichs von θ = 54,7° ± 10°, was Toleranzen einschließt, insbesondere innerhalb des Bereichs von θ = 54,7° ± 5° und speziell innerhalb des Bereichs von θ = 54,7° ± 1° liegen.
Dieser Wickelwinkel θ ist ein Winkel, der sich aus Spannungen (Axialspannung und Umfangsspannung) auf dem geraden Körperabschnitt 12A ergibt, wenn ein vorbestimmter Innendruck wirkt, oder ein Winkel, der sich aus der Tatsache ergibt, dass die Umfangsspannung zweimal so groß wie die Axialspannung ist. Obwohl der genaue Berechnungsvorgang hier weggelassen wird, kann nämlich die Berechnung eines Wickelwinkels θ gemäß Spannungen, die auf der Netting-Theorie beruhen, tan² θ = 2 ergeben, woraus sich θ = 54,7° (Gleichgewichtswinkel) ergibt.
Der Kuppelabschnitt 12B unterliegt dabei verglichen mit dem geraden Abschnitt 12A einer kleineren Spannung, wenn ein Innendruck wirkt, und er erfordert somit verglichen mit dem geraden Körperabschnitt 12A ein geringeres Verstärkungsniveau. Folglich wird bei dem Kuppelabschnitt 12B als Grundaufbau die Geflechtwicklung (Geflechtschicht 17B) mit großen Faserintervallen, weniger dichten Fasern (geringer Dichte) und einer geringen Festigkeit verglichen mit der spiralförmigen Wicklung (spiralförmigen Schicht 17A) angewandt, während bei dem geraden Körperabschnitt 12A die spiralförmige Wicklung (spiralförmige Schicht 17A) mit kleinen Faserintervallen, dichten Fasern (hoher Dichte) und einer hohen Festigkeit verglichen mit der Geflechtwicklung (Geflechtschicht 17B) angewandt wird.
Es sollte beachtet werden, dass hier zwar die Beschreibung des genauen Aufbaus weggelassen wird, dass der Wechsel von der Geflechtwicklung (Geflechtschicht 17B) im Kuppelabschnitt 12B zur spiralförmigen Wicklung (spiralförmigen Schicht 17A) im geraden Körperabschnitt 12A und umgekehrt der Wechsel von der spiralförmige Wicklung (spiralförmigen Schicht 17A) im geraden Körperabschnitt 12A zur Geflechtwicklung (Geflechtschicht 17B) im Kuppelabschnitt 12B in einer Richtung gesehen, die die axiale Richtung entlang der Mittelachse CL der Auskleidung 12 kreuzt, nahe am Grenzabschnitt zwischen dem geraden Körperabschnitt 12A und dem Kuppelabschnitt 12B innerhalb eines Bereichs einer vorbestimmten Länge in der axialen Richtung erfolgen.
Auch wenn dies nicht gezeigt ist, hat außerdem einer der zylindrischen Abschnitte 12C in einem Beispiel in sich einen Dichtungsstopfen eingepasst, während der andere der zylindrischen Abschnitte 12C in sich einen Mundstückstopfen eingepasst hat und auf dem Mundstückstopfen ein Ventil montiert ist.
Wie in 3 gezeigt ist, werden die Fasern 16 mit einer bekannten (auch als eine Flechtmaschine bezeichneten) Fertigungsmaschine 40 um die Außenumfangsfläche der Auskleidung 12 herumgewickelt. Wie in 4 und 5 gezeigt ist, weist die Flechtmaschine 40 eine Vielzahl von Spulen 42, 44 auf, die auf dem Umfang in zwei Reihen angeordnet sind. Die Fasern 16, die von der Vielzahl von Spulen 42, 44 in den jeweiligen Reihen zugeführt werden, werden um die Auskleidung 12 herumgewickelt, die sich in der axialen Richtung entlang der Mittelachse CL (in 3 nach links) bewegt, genauer um die Außenumfangsfläche von einem der Kuppelabschnitte 12B, um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A und dann um die Außenumfangsfläche des anderen der Kuppelabschnitte 12B in dieser Reihenfolge.
Es sollte beachtet werden, dass, wie in 4 gezeigt ist, bei der Geflechtwicklung der Fasern 16 um den einen und den anderen der Kuppelabschnitte 12B die Vielzahl von Spulen 42, die miteinander durch durchgezogene Linien verbunden sind, und die Vielzahl von Spulen 44, die miteinander durch gedachte Linien verbunden sind, so in der Umfangsrichtung angeordnet sind, dass sie auf der Innenseite in der radialen Richtung und der Außenseite in der radialen Richtung zueinander versetzt sind. Dann wird die Fertigungsmaschine 40 derart angetrieben, dass die Spulen 42, 44, während sich die Vielzahl von Spulen 42, die miteinander durch die durchgezogenen Linien verbunden sind, und die Vielzahl von Spulen 44, die miteinander durch die gedachten Linien verbunden sind, in entgegengesetzten Richtungen zueinander bewegen, nacheinander ausgetauscht werden, dass also die innere in der radialen Richtung gegen die äußere in der radialen Richtung ausgetauscht wird und die äußere in der radialen Richtung gegen die innere in der radialen Richtung ausgetauscht wird.
Derweil sind, wie in 5 gezeigt ist, bei der spiralförmigen Wicklung der Fasern 16 um den geraden Körperabschnitt 12A herum die Vielzahl von Spulen 42, die miteinander durch die durchgezogenen Linien verbunden sind, und die Vielzahl von Spulen 44, die miteinander durch die gedachten Linien verbunden sind, in der Umfangsrichtung jeweils auf der Außenseite in der radialen Richtung und der Innenseite in der radialen Richtung angeordnet. Dann wird die Fertigungsmaschine 40 derart angetrieben, dass sich die Vielzahl von Spulen 42, die miteinander durch die durchgezogenen Linien verbunden sind, und die Vielzahl von Spulen 44, die miteinander durch die gedachten Linien verbunden sind, in entgegengesetzten Richtungen zueinander bewegen.
Neben dem oben beschriebenen Grundaufbau des Kuppelabschnitts 12B durch die Geflechtwicklung (Geflechtschicht 17B) mit großen Faserintervallen, weniger dichten Fasern (geringer Dichte) und einer geringen Festigkeit und des geraden Körperabschnitts 12A durch die spiralförmige Wicklung (spiralförmige Schicht 17A) mit kleinen Faserintervallen, dichten Fasern (hoher Dichte) und einer hohen Festigkeit setzt das Ausführungsbeispiel die folgende Konfiguration ein, um die Imprägnierung eines Harzes 18 zu erleichtern, damit innerhalb kurzer Zeit eine Beendigung der Imprägnierung des Harzes 18 erreicht wird.
Und zwar werden die Fasern 16, wie in 2 gezeigt ist, so in einer Schichtform um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A der Auskleidung 12 und die Außenumfangsfläche des Kuppelabschnitts 12B der Auskleidung 12 herumgewickelt, dass ein Abschnitt (17D) einer Einzelschicht der Geflechtschicht 17B von der Geflechtschicht 17B aus kontinuierlich teilweise zwischen den Einzelschichten (was die Innenseite der innersten Lage und die Außenseite der äußersten Lage einschließt) der (aus zum Beispiel etwa einigen bis einigen zehn Lagen bestehenden) spiralförmigen Schicht 17A eingefügt wird.
Im Einzelnen werden die Fasern 16, nachdem die Fasern 16 in einer abwechselnd gewebten Weise herumgewickelt worden sind (d. h. nach der Geflechtwicklung), an einer vorbestimmten Stelle der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B auf der Außenumfangsfläche (Außenfläche) des Kuppelabschnitts 12B von ihm aus kontinuierlich (d. h. ohne von der Geflechtwicklung zur spiralförmigen Wicklung zu wechseln) in einer abwechselnd gewebten Weise auf der Oberseite der spiralförmigen Schicht 17A (der spiralförmigen Schicht 17A neben der Geflechtschicht 17B) (im Fall der innersten Lage auf der Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A) auf der Außenumfangsfläche (Außenfläche) des geraden Körperabschnitts 12A (des Abschnitts 17D in 2) herumgewickelt. Es sollte beachtet werden, dass die Fasern 16, nachdem die Fasern 16 in einer abwechselnd gewebten Weise auf der Oberseite der spiralförmigen Schicht 17A auf der Außenumfangsfläche (Außenfläche) des geraden Körperabschnitts 12A herumgewickelt worden sind, von ihm aus kontinuierlich in einer abwechselnd gewebten Weise (d. h. indem die Geflechtwicklung erfolgt) auf der Oberseite der Geflechtschicht 17B (der Geflechtschicht 17B neben der spiralförmigen Schicht 17A) auf der Außenumfangsfläche (Außenfläche) des anderen der Kuppelabschnitte 12B herumgewickelt wird, wodurch die Geflechtschicht 17B weiter auf der Außenumfangsfläche (Außenfläche) des anderen der Kuppelabschnitte 12B ausgebildet wird (siehe auch 6).
Durch das oben beschriebene Wickeln der Fasern 16 an einer Stelle (in einer Lage) oder mehreren Stellen (in mehreren Lagen) zwischen den Einzelschichten (was die Innenseite der innersten Lage und die Außenseite der äußersten Lage einschließt) der (aus zum Beispiel etwa einigen bis einigen zehn Lagen bestehenden) spiralförmigen Schicht 17A wird der Abschnitt (17D) der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B von der Geflechtschicht 17B aus kontinuierlich zwischen den Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A eingefügt. Es sollte beachtet werden, dass zwischen den Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A eine Einzelschicht der Geflechtschicht 17B eingefügt werden kann oder gemeinsam mehrere Einzelschichten der Geflechtschicht 17B eingefügt werden können. 2 zeigt ein Beispiel, in dem eine Einzelschicht der Geflechtschicht 17B eingefügt ist.
Auf diese Weise wird ein Abschnitt der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B mit großen Faserintervallen und weniger dichten Fasern (geringer Dichte) von der Geflechtschicht 17B aus kontinuierlich zwischen den Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A mit kleinen Faserintervallen und dichten Fasern (hoher Dichte) eingefügt. Dies erleichtert während des Harzgießens, das später beschrieben wird, eine Imprägnierung des Harzes 18 (insbesondere in der spiralförmigen Schicht 17A auf der Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A), was innerhalb kurzer Zeit eine Beendigung der Imprägnierung des Harzes 18 ermöglicht.
Um den Hochdrucktank 10 auszubilden, wird wie oben beschrieben eine Faserschicht 17, die die Geflechtschicht 17B und die spiralförmige Schicht 17A (mit dem Abschnitt 17D der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B zwischen den Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A) umfasst, die durch die Wicklung der Fasern 16 in einer Schichtform um die Auskleidung 12 herum ausgebildet worden ist, mit einem unausgehärteten wärmehärtenden Harz (zum Beispiel einem Gemisch aus einem Epoxidharz und einem Härter; dieses kann in dieser Beschreibung einfach als „Harz“ bezeichnet werden) 18, das Fließvermögen hat, imprägniert und dann erhitzt, um das wärmehärtende Harz aushärten zu lassen.
- Herstellungsverfahren für Hochdrucktank -
Beruhend auf den Zeichnungen wird nun ausführlich ein Verfahren zur Herstellung des Hochdrucktanks 10 mit der oben beschriebenen Konfiguration beschrieben.
- Faserwickelschritt -
Der Hochdrucktank 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel wird ausgebildet, indem zunächst die Fasern 16 um die Außenumfangsfläche der Auskleidung 12 herumgewickelt werden. Und zwar werden die Fasern 16, wie in 3 bis 5 gezeigt ist, nacheinander von der Vielzahl von Spulen 42, 44 der Fertigungsmaschine 40 zugeführt und zunächst in einer geflochtenen Weise um die Außenumfangsfläche von einem der Kuppelabschnitte 12B herumgewickelt, um die Geflechtschicht 17B auszubilden (erster Schritt). Im Einzelnen werden die Fasern 16 nacheinander in einer geflochtenen Weise von dem Endabschnitt gegenüber dem geraden Körperabschnitt 12A zum Endabschnitt nahe an dem geraden Körperabschnitt 12A um den Kuppelabschnitt 12B herumgewickelt, um die Geflechtschicht 17B auszubilden.
Nach dem Ende der Geflechtwicklung der Fasern 16 um die Außenumfangsfläche von einem der Kuppelabschnitte 12B werden die Fasern 16 dann spiralförmig um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A herumgewickelt, um die spiralförmige Schicht 17A auszubilden (zweiter Schritt). Im Einzelnen werden die Fasern nacheinander spiralförmig von dem Endabschnitt nahe an dem einen der Kuppelabschnitte 12B zum Endabschnitt nahe an dem anderen der Kuppelabschnitte 12B um den geraden Körperabschnitt 12A herumgewickelt, um die spiralförmige Schicht 17A auszubilden. Es sollte beachtet werden, dass der Wechsel von der Geflechtwicklung im Kuppelabschnitt 12B zur spiralförmigen Wicklung im geraden Körperabschnitt 12A nahe am Grenzabschnitt zwischen dem Kuppelabschnitt 12B und dem geraden Körperabschnitt 12A innerhalb eines Bereichs einer vorbestimmten Länge in der axialen Richtung erfolgt, indem die Anordnung der Vielzahl von Spulen 42, 44 der Fertigungsmaschine 40 (4 und 5) innerhalb einer vorbestimmten Zeit gewechselt wird. Dabei können die Fasern 16 innerhalb des oben genannten Bereichs problemlos im gleichen Wickelwinkel θ von der Geflechtwicklung zur spiralförmigen Wicklung gewechselt werden.
Nach dem Ende der spiralförmigen Wicklung der Fasern 16 um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A werden die Fasern 16 dann in einer geflochtenen Weise um die Außenumfangsfläche des anderen der Kuppelabschnitte 12B herumgewickelt, um die Geflechtschicht 17B auszubilden (dritter Schritt). Im Einzelnen werden die Fasern 16 nacheinander in einer geflochtenen Weise von dem Endabschnitt nahe am geraden Körperabschnitt 12A zum Endabschnitt gegenüber dem geraden Körperabschnitt 12A um den Kuppelabschnitt 12B herumgewickelt, um die Geflechtschicht 17B auszubilden. Es sollte beachtet werden, dass der Wechsel von der spiralförmigen Wicklung im geraden Körperabschnitt 12A zur Geflechtwicklung im Kuppelabschnitt 12B ebenfalls nahe am Grenzabschnitt zwischen dem geraden Körperabschnitt 12A und dem Kuppelabschnitt 12B innerhalb eines Bereichs einer vorbestimmten Länge in der axialen Richtung erfolgt, indem die Anordnung der Vielzahl von Spulen 42, 44 der Fertigungsmaschine 40 (4 und 5) innerhalb einer vorbestimmten Zeit gewechselt wird. Dabei können die Fasern 16 innerhalb des oben genannten Bereichs problemlos im gleichen Wickelwinkel θ von der spiralförmigen Wicklung zur Geflechtwicklung gewechselt werden.
Es sollte beachtet werden, dass der Wickelwinkel θ der Fasern 16, die um den einen und den anderen der Kuppelabschnitte 12B und den geraden Körperabschnitt 12A herumgewickelt werden, zum Beispiel innerhalb des Bereichs von θ = 54,7° ± 10° liegt.
In dem Ausführungsbeispiel werden die Fasern 16 nach dem Ende der Geflechtwicklung der Fasern 16, ohne den oben beschriebenen Wechsel von der Geflechtwicklung im Kuppelabschnitt 12B zur spiralförmigen Wicklung im geraden Körperabschnitt 12A durchzuführen, an einer vorbestimmten Stelle der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B von ihm aus kontinuierlich in einer geflochtenen Weise um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A (genauer die Außenumfangsfläche des Aufschichtungsabschnitts der spiralförmigen Schicht 17A auf der Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A) herumgewickelt, um die Geflechtschicht (den Abschnitt, der in 2 17D entspricht) auszubilden. Nach dem Ende der Geflechtwicklung der Fasern 16 um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A (genauer die Außenumfangsfläche des Aufschichtungsabschnitts der spiralförmigen Schicht 17A auf der Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A) werden die Fasern 16 außerdem von ihm aus kontinuierlich (ohne den oben beschriebenen Wechsel von der spiralförmigen Wicklung im geraden Körperabschnitt 12A zur Geflechtwicklung im Kuppelabschnitt 12B durchzuführen) in einer geflochtenen Weise um die Außenumfangsfläche des anderen der Kuppelabschnitte 12B herumgewickelt, um die Geflechtschicht 17B auszubilden (6).
Mit anderen Worten werden die Fasern 16 an einer vorbestimmten Stelle der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B nacheinander in einer geflochtenen Weise vom Endabschnitt des einen der Kuppelabschnitte 12B gegenüber dem geraden Körperabschnitt 12A zum Endabschnitt des anderen der Kuppelabschnitte 12B gegenüber dem geraden Körperabschnitt 12A (entlang der gesamten Länge der Auskleidung 12 in der axialen Richtung) herumgewickelt, um die Geflechtschicht (17B, 17D, 17B) auszubilden (6).
Durch die oben beschriebene Wicklung der Fasern 16 an einer Stelle (in einer Lage) oder mehreren Stellen (in mehreren Lagen) zwischen den Einzelschichten (was die Innenseite der innersten Lage und die Außenseite der äußersten Lage einschließt) der (zum Beispiel aus etwa einigen bis einigen zehn Lagen bestehenden) spiralförmigen Schicht 17A wird der Abschnitt (17D) der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B von der Geflechtschicht 17B aus kontinuierlich zwischen den Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A eingefügt.
Durch die oben beschriebenen Schritte werden die Fasern schließlich (auf eine überlappende oder aufgeschichtete Weise in der radialen Richtung) in zum Beispiel etwa einigen bis einigen zehn Lagen herumgewickelt, um einen Vorformling 11 (7 bis 10) als einen Zwischenkörper auszubilden, der auf der Außenumfangsfläche (Außenfläche) der hohlen Auskleidung 12 die durch die Wicklung der Fasern 16 ausgebildete Faserschicht 17 (d. h. die Geflechtschicht 17B und die spiralförmige Schicht 17A (mit den Abschnitt 17D der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B zwischen den Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A)) aufweist.
- Harzgießschritt (Harzinjektionsschritt) -
Der Vorformling 11 (7 bis 10), der die Faserschicht 17 aufweist, die wie oben beschrieben durch die Wicklung der Fasern 16 um die hohle Auskleidung 12 ausgebildet worden ist, wird in einer (auch als Hohlraum zwischen einer unteren Form 60 und einer oberen Form 80 bezeichneten) Form 50 zum Harzinjektionsformen als einer Herstellungsvorrichtung platziert. In die Form 50 wird das wärmehärtende Harz 18 gegossen. Die Faserschicht 17 (oder ihre Fasern 16) werden mit dem wärmehärtenden Harz 18 imprägniert und dann erhitzt, um das wärmehärtende Harz 18 aushärten zu lassen.
Wie in 7 und 8 gezeigt ist, ist in der Form 50 (der unteren Form 60 in dem dargestellten Beispiel) im Einzelnen ein Vakuumentgasungsrohr 62 eingebettet, das mit einer Vakuumpumpe 61 gekoppelt ist.
Außerdem ist in der Form 50 (der oberen Form 80 in dem dargestellten Beispiel) ein (auch als ein Harzeinspritzanguss bezeichnetes) Harzeinspritzrohr 82 eingebettet, das mit einer Harzeinspritzvorrichtung 81 gekoppelt ist. Wie in 9 und 10 gezeigt ist, ist die Form 50 (die untere Form 60 in dem dargestellten Beispiel) außerdem mit einer Vielzahl von Angusskanälen (72A, 72B) versehen, die mit dem Harzeinspritzrohr 82 durchgängig sind und Angüsse (Harzeinspritzöffnungen) definieren, durch die das Harz 18 fließt und die sich zum Hohlraum öffnen. In einem mittleren Abschnitt des Vorformlings 11 in der axialen Richtung (d. h. nahe am mittleren Abschnitt des geraden Körperabschnitts 12A) erstreckt sich von dem Harzeinspritzrohr 82 aus ein Angusskanal 72A in der radialen Richtung zum Vorformling 11. Im mittleren Abschnitt des Vorformlings 11 in der axialen Richtung (d. h. nahe am mittleren Abschnitt des geraden Körperabschnitts 12A) öffnet sich in der radialen Richtung des Vorformlings 11 ein Anguss 74A, der durch den Angusskanal 72A definiert wird. Folglich ist es möglich, das Harz 18 in der Form 50 (dem Hohlraum) aus dem Anguss 74A in der radialen Richtung (d. h. in einer Dickenrichtung und einer Aufschichtungsrichtung der spiralförmigen Schicht 17A) des Vorformlings 11 zur spiralförmigen Schicht (zweiten Faserschicht) 17A auf der Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A zu gießen. Derweil erstreckt sich ein Angusskanal 72B derart, dass er von dem Angusskanal 72A, der sich von dem Harzeinspritzrohr 82 aus in der radialen Richtung des Vorformlings 11 erstreckt, zu den entgegengesetzten Seiten des Vorformlings 11 in der axialen Richtung abzweigt. An den gegenüberliegenden Endabschnitten des Vorformlings 11 in der axialen Richtung (d. h. nahe am mittleren Abschnitt des Kuppelabschnitts 12B an den gegenüberliegenden Enden) öffnet sich in der axialen Richtung des Vorformlings 11 ein Anguss 74B, der durch den Angusskanal 72B definiert wird. Folglich ist es möglich, das Harz 18 in der Form 50 (dem Hohlraum) aus dem Anguss 74B in der axialen Richtung (d. h. in einer Einzelschichterstreckungsrichtung der spiralförmigen Schicht 17A) des Vorformlings 11 zur Geflechtschicht (ersten Faserschicht) 17B auf der Außenumfangsfläche des Kuppelabschnitts 12B zu gießen.
Es sollte beachtet werden, dass in dem in 9 und 10 gezeigten Beispiel die Angusskanäle 72A, die sich am mittleren Abschnitt des Vorformlings 11 in der axialen Richtung befinden, und die Angusskanäle 72B, die sich an den gegenüberliegenden Endabschnitten des Vorformlings 11 in der axialen Richtung befinden, derart ausgebildet sind, dass sich die Angusskanäle 72A und die Angusskanäle 74A bezüglich der Mittelachse CL des Vorformlings 11 einander (d. h. in Paaren auf der Vorder- und Rückseite des Vorformlings 11) gegenüberliegen.
Außerdem ist in dem Ausführungsbeispiel der Angusskanal 72A, der sich am mittleren Abschnitt des Vorformlings 11 in der axialen Richtung befindet, mit einem Öffnungs-/Schließmechanismus 76 versehen, der ein Auf-Zu-Ventil und dergleichen enthält, um den Angusskanal 72A zu einem vorbestimmten Zeitpunkt zu öffnen und zu schließen. Das Schließen des Angusskanals 72A durch den Öffnungs-/Schließmechanismus 76 kann zum Beispiel das Gießen des Harzes 18 aus dem Anguss 74A in die Form 50 (den Hohlraum) unterbrechen.
Um die Faserschicht 17 (oder ihre Fasern 16) des Vorformlings 11 mit dem wärmehärtendem Harz 18 zu imprägnieren, wird zunächst in einem Zustand, in dem der Vorformling 11 in der Form 50 (zwischen der unteren Form 60 und der oberen Form 80) mit der obigen Konfiguration, die bei einer vorbestimmten Temperatur (einer Temperatur von größer oder gleich einer Aushärtetemperatur des wärmehärtenden Harzes 18) gehalten wird, platziert ist (mit anderen Worten nach Abschluss der Formklemmung), die Vakuumpumpe 61 zur Vakuumentgasung der Form 50 gesteuert (7).
Nach dem Stopp (oder der Beendigung) des oben genannten Vakuumentgasens wird das wärmehärtende Harz 18 in die Form 50 gegossen, indem die Harzeinspritzvorrichtung 81 angetrieben wird (8). Das Gießen des wärmehärtenden Harzes 18 in die Faserschicht 17 des in der Form 50 platzierten Vorformlings 11 (das Imprägnieren der Faserschicht 17 mit dem wärmehärtenden Harz 18) erfolgt dabei separat in der axialen Richtung (der Einzelschichterstreckungsrichtung) und der radialen Richtung (der Dickenrichtung und der Aufschichtungsrichtung) des Vorformlings 11 (der Auskleidung 12).
Im Einzelnen fließt das (unausgehärtete) Harz 18 zunächst in einem Zustand, in dem der Öffnungs-/Schließmechanismus 76 geschlossen ist (d. h. in einem Zustand, in dem der Angusskanal 72A geschlossen ist und das Gießen des Harzes 18 aus dem Anguss 74A in die Form 50 unterbrochen ist), durch das Harzeinspritzrohr 82 hindurch und es wird in der axialen Richtung des Vorformlings 11 über den Angusskanal 72B aus dem Anguss 74B in die Geflechtschicht (erste Faserschicht) 17B auf der Außenumfangsfläche des Kuppelabschnitts 12B in der Form 50 (dem Hohlraum) eingegossen (eingespritzt) (9).
Dementsprechend wird das Harz in der axialen Richtung des Vorformlings 11 in die Geflechtschicht (erste Faserschicht) 17B mit großen Faserintervallen und weniger dichten Fasern (geringer Dichte) eingegossen (eingespritzt), wobei das Harz 18 in die Faserschicht 17 eindringt. Da der Abschnitt (17D) der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B von der Geflechtschicht 17B aus kontinuierlich zwischen den Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A eingefügt ist (siehe 2), dringt das Harz 18 zu diesem Zeitpunkt (durch die Geflechtschicht 17B) auch zwischen die Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A mit kleinen Faserintervallen und dichten Fasern (hoher Dichte) ein.
Danach wird der Öffnungs-/Schließmechanismus 76 so gesteuert, dass er geöffnet ist, und das (unausgehärtete) Harz 18 fließt in einem Zustand, in dem der Öffnungs-/Schließmechanismus 76 geöffnet ist (in einem Zustand, in dem der Angusskanal 72A geöffnet ist), durch das Harzeinspritzrohr 82 und es wird in der axialen Richtung des Vorformlings 11 über den Angusskanal 72B aus dem Anguss 74B in die Geflechtschicht (erste Faserschicht) 17B auf der Außenumfangsfläche des Kuppelabschnitts 12B in der Form 50 (dem Hohlraum) eingegossen (eingespritzt) und es wird auch in der radialen Richtung des Vorformlings 11 über den Angusskanal 72A aus dem Anguss 74A in die spiralförmige Lage (zweite Faserschicht) 17A auf der Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A in der Form 50 (dem Hohlraum) eingegossen (eingespritzt) (10).
Dementsprechend wird das Harz 18 in der axialen Richtung des Vorformlings 11 in die Geflechtschicht (erste Faserschicht) 17B mit großen Faserintervallen und weniger dichten Fasern (geringer Dichte) und in der radialen Richtung des Vorformlings 11 in die spiralförmige Lage (zweite Faserschicht) 17A mit kleinen Faserintervallen und dichten Fasern (hoher Dichte) eingegossen (eingespritzt) (mit anderen Worten wird das Harz 18 in sowohl der axialen Richtung als auch der radialen Richtung des Vorformlings 11 eingegossen), wobei das Harz 18 in die gesamte Faserschicht 17 eindringt.
Es sollte beachtet werden, dass der Zeitpunkt zum Öffnen des Öffnungs-/Schließmechanismus 76 (d. h. der Zeitpunkt zum Eingießen des Harzes 18 über den Angusskanal 72A aus dem Anguss 74A) beruhend auf einer Messung, die durch einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks des fließenden Harzes 18 erfolgt, oder beruhend auf einem Zeitpunkt, der im Voraus durch Experimente oder dergleichen ermittelt wurde, festgelegt werden kann.
Nachdem die Einzelschichten der Faserschicht 17 vollständig mit dem Harz 18 imprägniert sind, wird das Harzgießen gestoppt und es folgen dann ein Erhitzen und Aushärten, wodurch auf dem Außenumfang der Auskleidung 12 eine faserverstärkte Harzschicht als eine Verstärkungsschicht ausgebildet wird. Dadurch ist es möglich, den Hochdrucktank 10 mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit zu erzielen, der eine Gewichtsreduzierung und geringe Kosten erreichen kann und sich auch leicht tragen und handhaben lässt.
Wenn ein Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge durch die RTM-Imprägnierungstechnologie hergestellt wird, ist es, wie oben beschrieben wurde, schwierig, an dem dick beschichteten, großen Tank (mit dick herumgewickelten Kohlenstofffasern) das Einbringen, das Imprägnieren und das Aushärten des Epoxidharzes vollständig durchzuführen, während ein gleichmäßiger Harzdruck aufgebracht wird, und es kann zu einer Verringerung der Produktivität und einer Verschlechterung des Tankleistungsvermögens kommen. Da die Kohlenstofffasern dick auf dem Tank aufgeschichtet sind, dringt das Harz außerdem kaum in die innerste Lage der Kohlenstofffasern ein, solange das Harz nicht mit hohem Druck eingefüllt wird. Dies kann zu einem übermäßig hohen Druck in dem Abschnitt unmittelbar unterhalb des Angusses oder dergleichen führen, was kritische Qualitätsprobleme ergibt, die zu einer Verringerung der Produktivität und einer Verschlechterung des Tankleistungsvermögens führen, etwa zu einer Verformung der Harzauskleidung innerhalb des Tanks oder einer Faserfehlausrichtung.
Das Ausführungsbeispiel zielt auf eine deutliche Verbesserung des Harzfließvermögens in einem Aufschichtungstank ab und stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks zur Verfügung, der Kuppelabschnitte und einen geraden Körperabschnitt aufweist. Das Verfahren umfasst das Anfertigen einer Auskleidung, die Wicklung von Fasern um die angefertigte Auskleidung herum, das Gießen von Harz in die herumgewickelten Fasern und das Aushärten des gegossenen Harzes. Beim Wickeln wickelt das Verfahren die Fasern derart um die Auskleidung herum, dass der Kuppelabschnitt weniger dicht als der gerade Körperabschnitt ist, wobei das Verfahren beim Gießen zunächst das Harz in den Kuppelabschnitt gießt und (von der Geflechtschicht aus kontinuierlich) eine weniger dichte Schicht zwischen Einzelschichten des geraden Körperabschnitts (oder seiner spiralförmigen Lage) einfügt, um die Imprägnierungseigenschaften in einer Einzelschichterstreckungsrichtung zu verbessern.
Beim Harzimprägnieren umfasst das Verfahren sowohl ein Harzgießen in der Einzelschichterstreckungsrichtung als auch ein Harzgießen in der Dickenrichtung und der Aufschichtungsrichtung und es führt das Harzgießen in der Einzelschichterstreckungsrichtung und das Harzgießen in der Dickenrichtung und der Aufschichtungsrichtung separat durch. Das Verfahren führt zunächst das Harzgießen in der Einzelschichterstreckungsrichtung durch und steuert die Imprägnierungseigenschaften, um die Imprägnierungseigenschaften im gesamten Tank zu verbessern.
Die Form 50 weist in dem Angusskanal, durch den in der RTM-Form Harz fließt, den Öffnungs-/Schließmechanismus 76 auf, wobei das Verfahren das Harz zunächst in den Kuppelabschnitt mit einem Tankaufbau weniger dichter Fasern und hervorragender Imprägnierungseigenschaften gießt, an dem das Harz in der Einzelschichterstreckungsrichtung fließt. Nach Abschluss der Harzimprägnierung in der Einzelschichterstreckungsrichtung gießt das Verfahren das Harz mit einer Zeitdifferenz in der Dickenrichtung ein, wodurch es, ohne die Imprägnierungseigenschaften in den jeweiligen Richtungen zu beeinträchtigen, möglich ist, die Imprägnierungseigenschaften zu steuern und eine Regelung des Harzfließvermögens zu erreichen, indem der Harzfließdruck und dergleichen beobachtet werden.
Da das Verfahren das Harz in der Einzelschichterstreckungsrichtung eingießen kann, kann das Harz in die Innenschicht der Kohlenstofffasern eindringen und es kann sogar noch tiefer in die Innenschicht der Kohlenstofffasern eindringen. Außerdem ist es auch dann, wenn die Form des Tanks in der axialen Richtung verlängert wird, möglich, eine gleichmäßige Harzimprägnierung zu erreichen. Da sich die Harzgießdrücke nicht untereinander in den verschiedenen Richtungen (Einzelschichterstreckungsrichtung, Dickenrichtung) stören, kann das Harz darüber hinaus noch tiefer in die Innenschicht der Kohlenstofffasern eindringen. Da das Verfahren das Harzgießen in der Einzelschichterstreckungsrichtung mit geringem Widerstand durchführt, ist es zudem möglich, die Bewegung der Fasern mit der Viskosität des Harzes zu verringern und das Auftreten einer Faserfehlausrichtung auch beim Harzgießen in der Dickenrichtung zu verringern.
Da es mit einer solchen Konfiguration bei der Epoxidharzimprägnierung durch die RTM-Imprägnierungstechnologie möglich ist, den gesamten Tank gleichmäßig und mit einem geringen Druck in sowohl der Einzelschichterstreckungsrichtung als auch der Dickenrichtung mit Epoxidharz zu imprägnieren, ist es möglich, ein verbessertes Leistungsvermögen und eine stabile Qualität des Hochdrucktanks sowie eine Hochgeschwindigkeitsharzeinbringung zu erreichen. Dadurch können deutlich kürzere Formzyklen für den Hochdrucktank erreicht werden.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß dem Ausführungsbeispiel durch das Vorsehen eines Abschnitts mit weniger dichten Fasern (geringer Faserdichte) in sowohl dem Kuppelabschnitt 12B als auch dem geraden Körperabschnitt 12A während der Faserwicklung der Widerstand beim Harzgießen verringert werden. Dies kann die Imprägnierung des Harzes 18 erleichtern, wodurch innerhalb kurzer Zeit eine Beendigung der Harzimprägnierung erreicht wird.
Da sich die Gießdrücke des Harzes 18 während des Harzgießens nicht untereinander in den verschiedenen Richtungen (der axialen Richtung und der Einzelschichterstreckungsrichtung, der radialen Richtung und der Dickenrichtung) stören, ist es außerdem möglich, innerhalb kurzer Zeit eine Beendigung der Harzimprägnierung in der Innenschicht zu erreichen.
Es sollte beachtet werden, dass in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel zwar der Abschnitt der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B auf der gesamten Oberfläche zwischen den Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A eingefügt wird (sodass er die gesamte Außenumfangsfläche der spiralförmigen Schicht 17A bedeckt) (siehe 6), doch muss nicht gesondert erwähnt werden, dass der Abschnitt der Einzelschicht der Geflechtschicht 17B nur auf einem Teil der Oberfläche zwischen den Einzelschichten der spiralförmigen Schicht 17A eingefügt werden kann.
Außerdem werden die Fasern zwar spiralförmig (durch spiralförmige Wicklung) um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A herumgewickelt, um eine spiralförmige Schicht auszubilden, doch können die Fasern (durch Ringwicklung) in einer Ringform um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A herumgewickelt werden, um eine Ringschicht auszubilden, indem zum Beispiel passend ein Wickelwinkel θ eingestellt wird. Außerdem muss nicht ausführlich erwähnt werden, dass die Art der Faserwicklung nicht auf das vorstehende Ausführungsbeispiel beschränkt ist, solange eine erste Faserschicht, die durch Wicklung der Fasern um die Außenumfangsfläche des Kuppelabschnitts 12B ausgebildet wird, weniger dicht als eine zweite Faserschicht, die durch Wicklung der Fasern um die Außenumfangsfläche des geraden Körperabschnitts 12A ausgebildet wird, ist (d. h. eine geringere Faserdichte hat).
Außerdem ist zum Beispiel das Material der Auskleidung 12 nicht auf flüssigkristallines Harz beschränkt. Die Auskleidung 12 kann zum Beispiel aus einem anderen Kunstharz mit Gassperreigenschaft, etwa Polyethylen hoher Dichte, oder einem Leichtmetall, etwa einer Aluminiumlegierung, bestehen. Außerdem ist die Auskleidung 12 nicht auf die Herstellung durch Blasformen beschränkt und kann durch Spritzgießen oder dergleichen hergestellt werden.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwar ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben worden, doch ist der spezifische Aufbau nicht darauf beschränkt und es können Gestaltungsänderungen vorgenommen werden, sofern sie unter den durch die Patentansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung fallen.
Bezugszeichenliste

10: Hochdrucktank (Tank)
11: Vorformling
12: Auskleidung
12A: Gerader Körperabschnitt
12B: Kuppelabschnitt
12C: Zylindrischer Abschnitt
16: Faser
17: Faserschicht
17A: Spiralförmige Lage (zweite Faserschicht)
17B: Geflechtschicht (erste Faserschicht)
18: Wärmehärtendes Harz (Harz)
50: Form
60: Untere Form
72A, 72B: Angusskanal
74A, 74B: Anguss
76: Öffnungs-/Schließmechanismus
80: Obere Form
CL: Mittelachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020085199 A [0003]
JP 2019056415 A [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Tanks, der Folgendes umfasst: eine hohle Auskleidung, die einen zylindrischen, geraden Körperabschnitt und einen Kuppelabschnitt aufweist, der sich von einem Endabschnitt des geraden Körperabschnitts in einer axialen Richtung in einer zum geraden Körperabschnitt entgegengesetzten Richtung allmählich verengt; und eine Verstärkungsschicht, die auf einer Außenfläche der Auskleidung ausgebildet ist, indem eine Faserschicht, die Fasern aufweist, die auf eine überlappende Weise in einer radialen Richtung herumgewickelt sind, mit Harz imprägniert ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: derartiges Wickeln der Fasern auf eine überlappende Weise in einer radialen Richtung um die Außenfläche der Auskleidung herum, dass eine erste Faserschicht auf einer Außenfläche des Kuppelabschnitts weniger dicht als eine zweite Faserschicht auf einer Außenfläche des geraden Körperabschnitts ist und dass ein Abschnitt einer Einzelschicht der ersten Faserschicht, der weniger dicht ist, von der ersten Faserschicht aus kontinuierlich teilweise zwischen Einzelschichten der zweiten Faserschicht eingefügt wird; und Imprägnieren der Faserschicht, die die erste Faserschicht und die zweite Faserschicht umfasst, mit dem Harz.
Verfahren zur Herstellung eines Tanks nach Anspruch 1, wobei die Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz separat in einer axialen Richtung und einer radialen Richtung der Auskleidung erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Tanks nach Anspruch 2, wobei das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen wird, um die Faserschicht mit dem Harz zu imprägnieren; und das Harz in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen wird, um die Faserschicht mit dem Harz zu imprägnieren.
Verfahren zur Herstellung eines Tanks nach Anspruch 2, wobei eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz in sowohl der axialen Richtung als auch der radialen Richtung der Auskleidung erfolgt, nachdem eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz in der axialen Richtung der Auskleidung erfolgt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Tanks nach Anspruch 2, wobei das Harz in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen wird, während das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen wird, um die Faserschicht mit dem Harz zu imprägnieren, nachdem das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen worden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Tanks nach Anspruch 1, das Folgendes umfasst: Wickeln von Fasern in einer abwechselnd gewebten Weise um die Außenfläche des Kuppelabschnitts herum, um die erste Faserschicht auszubilden; Wickeln von Fasern von der ersten Faserschicht aus kontinuierlich in einer Spiralform oder einer Ringform um die Außenfläche des geraden Körperabschnitts herum, um die zweite Faserschicht auszubilden; und teilweises Einfügen eines Abschnitts einer Einzelschicht der ersten Faserschicht, der weniger dicht ist, zwischen Einzelschichten der zweiten Faserschicht, indem Fasern von der ersten Faserschicht aus kontinuierlich in einer abwechselnd gewebten Weise herumgewickelt werden.
Herstellungsvorrichtung eines Tanks, der Folgendes umfasst: eine hohle Auskleidung, die einen zylindrischen, geraden Körperabschnitt und einen Kuppelabschnitt aufweist, der sich von einem Endabschnitt des geraden Körperabschnitts in einer axialen Richtung in einer zum geraden Körperabschnitt entgegengesetzten Richtung allmählich verengt; und eine Verstärkungsschicht, die auf einer Außenfläche der Auskleidung ausgebildet ist, indem eine Faserschicht, die Fasern aufweist, die auf eine überlappende Weise in einer radialen Richtung herumgewickelt sind, mit Harz imprägniert ist, wobei die Herstellungsvorrichtung Folgendes umfasst: eine Form, die so konfiguriert ist, dass sie einen Vorformling aufnimmt, der die Fasern aufweist, die derart auf eine überlappende Weise in einer radialen Richtung um die Außenfläche der Auskleidung herumgewickelt sind, dass eine erste Faserschicht auf einer Außenfläche des Kuppelabschnitts weniger dicht als eine zweite Faserschicht auf einer Außenfläche des geraden Körperabschnitts ist und dass ein Abschnitt einer Einzelschicht der ersten Faserschicht, der weniger dicht ist, von der ersten Faserschicht aus kontinuierlich teilweise zwischen Einzelschichten der zweiten Faserschicht eingefügt ist, und dass sie eine Imprägnierung der Faserschicht, die die erste Faserschicht und die zweiter Faserschicht umfasst, mit dem Harz ermöglicht, wobei die Form mit einer Vielzahl von Angusskanälen versehen ist, die Angüsse definieren, durch die das Harz fließt und die sich derart in der Form öffnen, dass eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz separat in einer axialen Richtung und einer radialen Richtung der Auskleidung erfolgt, und mindestens einer der Vielzahl von Angusskanälen mit einem Öffnungs-/Schließmechanismus versehen ist.
Herstellungsvorrichtung für einen Tank nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von Angusskanälen einen ersten Angusskanal, durch den das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen wird, und einen zweiten Angusskanal umfasst, durch den das Harz in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen wird.
Herstellungsvorrichtung für einen Tank nach Anspruch 7, wobei der Öffnungs-/Schließmechanismus so konfiguriert ist, dass er mindestens einen der Vielzahl von Angusskanälen derart öffnet und schließt, dass eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz in sowohl der axialen Richtung als auch der radialen Richtung der Auskleidung erfolgt, nachdem eine Imprägnierung der Faserschicht mit dem Harz in der axialen Richtung der Auskleidung erfolgt ist.
Herstellungsvorrichtung für einen Tank nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von Angusskanälen einen ersten Angusskanal, durch den das Harz in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen wird, und einen zweiten Angusskanal umfasst, durch den das Harz in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen wird, der Öffnungs-/Schließmechanismus zumindest in dem zweiten Angusskanal vorgesehen ist und das Harz, nachdem das Harz in einem Zustand, in dem der zweite Angusskanal durch den Öffnungs-/Schließmechanismus geschlossen worden ist, über den ersten Angusskanal in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen worden ist, in einem Zustand, in dem der zweite Angusskanal durch den Öffnungs-/Schließmechanismus geöffnet worden ist, über den zweiten Angusskanal in der radialen Richtung der Auskleidung in die zweite Faserschicht gegossen wird, während das Harz über den ersten Angusskanal in der axialen Richtung der Auskleidung in die erste Faserschicht gegossen wird.