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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Tank.
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2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Ein Tank, wie zum Beispiel ein Wasserstofftank, wird zum Beispiel in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift (Übersetzung der
PCT-Anmeldung) Nr. 2019-527321 (
JP 2019-527321 A ) beschrieben. Der in
JP 2019-527321 A beschriebene Tank umfasst eine Auskleidung und eine Verstärkungsschicht. Die Auskleidung hat einen Körperabschnitt und ein Paar kuppelförmige Abschnitte. Der Körperabschnitt hat eine zylindrische Form. Die kuppelförmigen Abschnitte sind jeweils an beiden Enden des Körperabschnitts in einer axialen Richtung des Körperabschnitts vorgesehen. Die Verstärkungsschicht ist so vorgesehen, dass sie die Auskleidung bedeckt. Die Verstärkungsschicht wird durch Wickeln eines harzgetränkten Faserbündels um den Außenumfang der Auskleidung durch ein Präzionswickelverfahren (FW-Verfahren) gebildet. Genauer gesagt besteht die Verstärkungsschicht aus einem ersten Band und einem zweiten Band. Das erste Band wird so platziert, dass es durch spiralförmiges Wickeln oder Ringwickeln um die Auskleidung gewickelt wird. Das zweite Band wird in einem Bereich angeordnet, der kürzer ist als der Durchmesser des Körperabschnitts, so dass es zumindest um die kuppelförmigen Abschnitte herum verläuft.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Im Tank wird die Festigkeit jedes kuppelförmigen Abschnitts (mit anderen Worten die Festigkeit des Tanks in axialer Richtung) durch spiralförmiges Wickeln gewährleistet, und die Festigkeit des Körperabschnitts (mit anderen Worten die radiale Festigkeit des Tanks) wird durch Ringwickeln gewährleistet. Bei der spiralförmigen Wicklung wird ein Faserbündel spiralförmig um die äußeren Umfänge der kuppelförmigen Abschnitte und des Körperabschnitts gewickelt, so dass das durch die spiralförmige Wicklung gebildete Faserbündel nicht nur auf den kuppelförmigen Abschnitten, sondern auch auf dem Körperabschnitt gebildet wird. Das durch spiralförmiges Wickeln gebildete Faserbündel trägt jedoch nur in geringem Maße zur Verstärkung des Körperabschnitts bei.
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In dem in
JP 2019-527321 A beschriebenen Tank wird ein Faserbündel kontinuierlich so gewickelt, dass es zwischen den kuppelförmigen Abschnitten, die jeweils an beiden Enden der Auskleidung vorgesehen sind, durch spiralförmiges Wickeln pendelt, so dass das Faserbündel definitiv über den Körperabschnitt läuft. Daher ist es ungünstig, dass ein Teil des faserverstärkten Harzes, d. h. ein harzgetränktes Faserbündel, verschwendet wird. Aus diesem Grund wird ein Tank gewünscht, der die Festigkeit jedes kuppelförmigen Abschnitts gewährleistet und den Einsatz von faserverstärktem Harz reduziert.
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Die Erfindung stellt einen Tank zur Verfügung, der die Festigkeit jedes kuppelförmigen Abschnitts gewährleistet und den Einsatz von faserverstärktem Harz reduziert.
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Ein Gesichtspunkt der Erfindung bezieht sich auf einen Tank. Der Tank umfasst eine Auskleidung und eine Verstärkungsschicht. Die Auskleidung hat einen Körperabschnitt mit einer zylindrischen Form, und ein Paar kuppelförmige Abschnitte jeweils an beiden Seiten des Körperabschnitts in einer axialen Richtung des Körperabschnitts vorgesehen. Die Verstärkungsschicht bedeckt die Auskleidung und besteht aus einem faserverstärkten Harz, das ein harzgetränktes Faserbündel ist. Die Verstärkungsschicht umfasst eine Teilverstärkungsschicht, die von einer Spitzenseite jedes der kuppelförmigen Abschnitte über eine Grenze zwischen dem kuppelförmigen Abschnitt und dem Körperabschnitt zu einem Teil des Körperabschnitts angeordnet ist, und eine äußere Ringschicht, die außerhalb der Teilverstärkungsschicht angeordnet und so vorgesehen ist, dass sie ein an den Körperabschnitt angrenzendes Ende der Teilverstärkungsschicht drückt.
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Mit dem Tank gemäß dem Gesichtspunkt der Erfindung, da die Teilverstärkungsschicht von der Spitzenseite jedes der kuppelförmigen Abschnitte über die Grenze zwischen dem kuppelförmigen Abschnitt und dem Körperabschnitt zu einem Teil des Körperabschnitts angeordnet ist, wird jeder der kuppelförmigen Abschnitte durch die Teilverstärkungsschicht verstärkt. Aus diesem Grund wird die Menge der spiralförmigen Schicht, die zur Verstärkung der kuppelförmigen Abschnitte verwendet wird, reduziert, so dass die Menge zur Bildung einer spiralförmigen Schicht auf dem Körperabschnitt mit der Bildung der spiralförmigen Schicht ebenfalls reduziert wird. Infolgedessen wird die Festigkeit jedes der kuppelförmigen Abschnitte gewährleistet, und die Verwendung von faserverstärktem Harz wird im Vergleich zum Stand der Technik reduziert.
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In dem Tank gemäß dem Gesichtspunkt der Erfindung kann das Ende der Teilverstärkungsschicht von einer Außenseite des Tanks zu einer Innenseite des Tanks geneigt sein, so dass eine Dicke des Endes abnimmt.
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Bei dieser Konfiguration ist es weniger wahrscheinlich, dass sich am Ende der Teilverstärkungsschicht eine Stufe bildet, so dass der Einfluss der Stufe auf die äußere Ringschicht reduziert wird. Daher wird ein Spalt zwischen der Teilverstärkungsschicht und der äußeren Ringschicht, die außerhalb der Teilverstärkungsschicht angeordnet ist, verringert, um die Haftung zwischen der Teilverstärkungsschicht und der äußeren Ringschicht zu verbessern, so dass ein Ablösen zwischen den Schichten unterdrückt wird. Infolgedessen wird das Ende der Teilverstärkungsschicht durch die äußere Ringschicht stabil gedrückt und die Teilverstärkungsschicht wird zuverlässig fixiert.
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In dem Tank gemäß dem Gesichtspunkt der Erfindung kann die Verstärkungsschicht ferner eine innere Ringschicht umfassen, die innerhalb der Teilverstärkungsschicht angeordnet ist, um das Ende der Teilverstärkungsschicht mit der äußeren Ringschicht einzuklemmen. Bei dieser Konfiguration wird das Ende der Teilverstärkungsschicht weiter stabilisiert, indem das Ende der Teilverstärkungsschicht mit der äußeren Ringschicht und der inneren Ringschicht eingeklemmt wird.
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Bei dem Tank gemäß dem erfindungsgemäßen Gesichtspunkt kann die innere Ringschicht aus zylinderförmigen Teilelementen bestehen, die vorgefertigt sind. Mit dieser Konfiguration lässt sich die innere Ringschicht leicht herstellen.
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In dem Tank gemäß dem Gesichtspunkt der Erfindung können beide Enden der inneren Ringschicht in der axialen Richtung jeweils ein geneigtes Ende sein, das von einer Außenseite des Tanks zu einer Innenseite des Tanks geneigt ist, so dass eine Dicke des geneigten Endes abnimmt, und das Ende der Teilverstärkungsschicht kann in der Nähe einer Mitte des Körperabschnitts in Bezug auf das geneigte Ende der inneren Ringschicht angeordnet sein.
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Da beide Enden des Körperabschnitts in axialer Richtung in der inneren Ringschicht auf diese Weise geneigte Enden sind, ist es weniger wahrscheinlich, dass sich an jedem geneigten Ende eine Stufe bildet, mit dem Ergebnis, dass der Einfluss der Stufe auf die Teilverstärkungsschicht reduziert ist. Daher wird ein Spalt zwischen der inneren Ringschicht und der Teilverstärkungsschicht, die außerhalb der inneren Ringschicht angeordnet ist, verringert, um die Haftung zwischen der inneren Ringschicht und der Teilverstärkungsschicht zu verbessern, so dass ein Ablösen zwischen den Schichten unterdrückt wird. Da das Ende der Teilverstärkungsschicht angrenzend an den Körperabschnitt in der Nähe der Mitte bezogen auf das schräge Ende der inneren Ringschicht angeordnet ist, d.h. das Ende der Teilverstärkungsschicht auf dem Körperabschnitt angeordnet ist, der relativ flach ist, wird das Drücken der äußeren Ringschicht gegen das Ende der Teilverstärkungsschicht stabilisiert.
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Gemäß dem Gesichtspunkt der Erfindung ist es möglich, einen Tank bereitzustellen, der die Festigkeit jedes kuppelförmigen Abschnitts gewährleistet und die Verwendung von faserverstärktem Harz reduziert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale, Vorteile sowie technische und gewerbliche Bedeutung von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Zeichen gleiche Elemente bezeichnen und in denen:
- 1 ist eine Schnittdarstellung eines Tanks gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht, die den Tank gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
- 3 ist eine Schnittansicht, die einen Tank gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt; und
- 4 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht, die den Tank gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Tanks unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen die gleichen Elemente in der Beschreibung der Zeichnungen, und die Beschreibung davon wird nicht wiederholt werden. In der folgenden Beschreibung wird ein Beispiel beschrieben, bei dem der Tank an einem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug montiert ist und mit Hochdruck-Wasserstoffgas gefüllt ist. Das Gas, das in den Tank gefüllt werden kann, ist nicht auf Wasserstoffgas beschränkt. Beispiele für das Gas können ein komprimiertes Gas, wie komprimiertes Erdgas (CNG), und verschiedene verflüssigte Gase, wie verflüssigtes Erdgas (LNG) und Flüssiggas (LPG), sein. Erstes Ausführungsbeispiel
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1 ist eine Schnittansicht, die einen Tank gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt. 2 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht, die den Tank gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt. Wie in 1 gezeigt, ist der Tank 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Hochdruck-Gasspeicherbehälter mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form, dessen beide Enden kuppelförmig abgerundet sind. Der Tank 1 umfasst eine Auskleidung 10, eine Verstärkungsschicht 20, ein Endstück 30 und ein Ventil 40. Die Auskleidung 10 hat Gasbarriereeigenschaften. Die Verstärkungsschicht 20 ist so geformt, dass sie den Außenumfang der Auskleidung 10 bedeckt. Das Endstück 30 ist an einem Ende des Tanks 1 angebracht. Das Ventil 40 verschließt das Endstück 30.
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Die Auskleidung 10 ist ein hohler Behälter mit einem Speicherraum 2 zur Speicherung von Hochdruckwasserstoff. Die Auskleidung 10 besteht aus einem Harzmaterial mit Gasbarriereeigenschaften gegenüber Wasserstoffgas. Die Auskleidung 10 besteht aus einem Körperabschnitt 11 mit einer zylindrischen Form und einem Paar kuppelförmiger Abschnitte (ein erster kuppelförmiger Abschnitt 12 und ein zweiter kuppelförmiger Abschnitt 13), die jeweils an beiden Enden des Körperabschnitts 11 in axialer Richtung (d.h. in Richtung der Achse L des Tanks 1) vorgesehen sind. Der Körperabschnitt 11 erstreckt sich in Richtung der Achse L des Tanks 1 über eine vorbestimmte Länge. Zum Beispiel ist der erste kuppelförmige Abschnitt 12 auf der rechten Seite des Körperabschnitts 11 angeordnet, und der zweite kuppelförmige Abschnitt 13 ist auf der linken Seite des Körperabschnitts 11 angeordnet. Sowohl der erste kuppelförmige Abschnitt 12 als auch der zweite kuppelförmige Abschnitt 13 haben eine halbkugelförmige Form, so dass der Durchmesser mit dem Abstand zum Körperabschnitt 11 abnimmt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Grenze zwischen dem ersten kuppelförmigen Abschnitt 12, der eine halbkugelförmige Form aufweist, und dem Körperabschnitt 11, der eine zylindrische Form aufweist, durch die Bezugsziffer 14 gekennzeichnet, und eine Grenze zwischen dem zweiten kuppelförmigen Abschnitt 13, der eine halbkugelförmige Form aufweist, und dem Körperabschnitt 11, der eine zylindrische Form aufweist, ist durch die Bezugsziffer 15 gekennzeichnet.
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An der Spitze eines (im vorliegenden Ausführungsbeispiel des ersten kuppelförmigen Abschnitts 12) der kuppelförmigen Abschnitte ist eine Öffnung vorgesehen, durch die das mit der Auskleidung 10 einstückig geformte Endstück 30 eingeführt wird. Der zweite kuppelförmige Abschnitt 13 weist dagegen keine Öffnung auf. Alternativ kann der zweite kuppelförmige Abschnitt 13 wie der erste kuppelförmige Abschnitt 12 eine Öffnung aufweisen, durch die ein Endstück 30 eingeführt wird.
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Die so konfigurierte Auskleidung 10 kann durch Bilden eines Körperteilelements, eines ersten Kuppelabschnittteilelements und eines zweiten Kuppelabschnittteilelements durch Spritzgießen, Blasformen oder dergleichen unter Verwendung von beispielsweise einem Harzmaterial, wie Polyethylen und Nylon, und Verbinden dieser Teilelemente gebildet werden, oder sie kann durch Rotations- und Blasformen unter Verwendung eines Harzmaterials, wie Polyethylen und Nylon, integral gebildet werden.
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Die Verstärkungsschicht 20 hat die Aufgabe, die Auskleidung 10 zu verstärken und die mechanische Festigkeit, wie Steifigkeit und Druckbeständigkeit, des Tanks 1 zu verbessern. Die Verstärkungsschicht 20 besteht aus einer Vielzahl von Schichten aus faserverstärktem Harz. Das faserverstärkte Harz wird z. B. durch Imprägnieren eines Faserbündels mit einem duroplastischen Harz oder einem thermoplastischen Harz hergestellt. Das Faserbündel ist ein Faserbündel mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern. Beispiele für Fasern sind Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Aluminiumoxidfasern, Borfasern, Stahlfasern, PBO-Fasern, Naturfasern und verstärkte Fasern, wie hochfeste Polyethylenfasern. Insbesondere unter dem Gesichtspunkt des geringen Gewichts, der mechanischen Festigkeit und dergleichen wird vorzugsweise Kohlefaser verwendet.
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Beispiele für wärmehärtende Harze sind Epoxidharz, modifiziertes Epoxidharz, wie z. B. Vinylesterharz, Phenolharz, Melaminharz, Harnstoffharz, ungesättigtes Polyesterharz, Alkydharz, Polyurethanharz und wärmehärtendes Polyimidharz. Beispiele für thermoplastische Harze sind Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyacrylester, Polyimid und Polyamid.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst die Verstärkungsschicht 20 eine innere spiralförmige Schicht 21, eine innere Ringschicht 22, eine erste Teilverstärkungsschicht 24, eine zweite Teilverstärkungsschicht 25, eine äußere Ringschicht 26 und eine äußere spiralförmige Schicht 27. Die innere spiralförmige Schicht 21 bedeckt die gesamte Auskleidung 10. Die innere spiralförmige Ringschicht 22 ist außerhalb der inneren spiralförmigen Schicht 21 an einer Stelle angeordnet, die dem Körperabschnitt 11 der Auskleidung 10 entspricht. Die erste Teilverstärkungsschicht 24 ist außerhalb der spiralförmigen Innenschicht 21 an einer Stelle angeordnet, die dem ersten kuppelförmigen Abschnitt 12 der Auskleidung 10 entspricht. Die zweite Teilverstärkungsschicht 25 ist außerhalb der inneren spiralförmigen Schicht 21 an einer Stelle angeordnet, die dem zweiten kuppelförmigen Abschnitt 13 der Auskleidung 10 entspricht. Die äußere Ringschicht 26 ist so ausgebildet, dass sie ein Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und ein Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 drückt. Die äußere spiralförmige Schicht 27 ist außerhalb der äußeren Ringschicht 26 angeordnet und so geformt, dass sie die gesamte Auskleidung 10 bedeckt.
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Die innere spiralförmige Schicht 21 wird durch spiralförmiges Wickeln eines harzgetränkten Faserbündels um die äußeren Umfänge des Körperabschnitts 11, des ersten kuppelförmigen Abschnitts 12 und des zweiten kuppelförmigen Abschnitts 13 gebildet.
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Die innere Ringschicht 22 wird durch Umwickeln eines harzgetränkten Faserbündels an einer Stelle gebildet, die dem Körperabschnitt 11 am äußeren Umfang der inneren spiralförmigen Schicht 21 entspricht. Wie in 1 und 2 gezeigt, ist in axialer Richtung (d. h. in Richtung der Achse L des Tanks 1) des Körperabschnitts 11 ein Ende (z. B. ein Ende, das näher am ersten kuppelförmigen Abschnitt 12 liegt) der inneren Ringschicht 22 ein geneigtes Ende 221, das von der Außenseite des Tanks 1 zur Innenseite hin geneigt ist, so dass sich die Dicke verringert. Das andere Ende (z. B. ein Ende in der Nähe des zweiten kuppelförmigen Abschnitts 13) der inneren Ringschicht 22 ist ein geneigtes Ende 222, das von der Außenseite des Tanks 1 zur Innenseite hin geneigt ist, so dass sich die Dicke verringert.
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Ein Verfahren zum Ausbilden der schrägen Enden 221, 222 der inneren Ringschicht 22 umfasst beispielsweise das Ausbilden einer ersten Ringschicht durch Umwickeln eines harzgetränkten Faserbündels von einem Ende zum anderen Ende in der axialen Richtung des Körperabschnitts 11, Bilden einer Ringschicht der zweiten Lage durch Ringwickeln des Faserbündels von dem anderen Ende zu einem Ende, während das Faserbündel so verschoben wird, dass ein Startpunkt der Ringschicht der zweiten Lage in der Nähe der Mitte des Körperabschnitts 11 in Bezug auf einen Endpunkt der Ringschicht der ersten Lage angeordnet ist, und Verschieben des Faserbündels so, dass ein Endpunkt der Ringschicht der zweiten Lage in der Nähe der Mitte des Körperabschnitts 11 in Bezug auf den Startpunkt der Ringschicht der ersten Lage angeordnet ist. Danach, wenn die dritte, vierte ... N-te Ringschichten nacheinander auf die gleiche Weise verschoben und laminiert werden, wird die innere Ringschicht 22 mit den schrägen Enden 221, 222 gebildet.
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Die erste Teilverstärkungsschicht 24 ist eine Verstärkungsschicht hauptsächlich für den ersten kuppelförmigen Abschnitt 12, und die zweite Teilverstärkungsschicht 25 ist eine Verstärkungsschicht hauptsächlich für den zweiten kuppelförmigen Abschnitt 13. Die beiden Teilverstärkungsschichten haben jeweils eine kuppelförmige Form und unterscheiden sich darin, ob die Schicht eine Öffnung aufweist, durch die das Endstück 30 eingeführt wird. Mit anderen Worten, die erste Teilverstärkungsschicht 24 weist die Öffnung auf, durch die das Endstück 30 eingeführt wird, und die zweite Teilverstärkungsschicht 25 weist keine Öffnung auf. Nachfolgend wird ein Beispiel für die erste Teilverstärkungsschicht 24 beschrieben, und die Beschreibung der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 ist vereinfacht.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, ist die erste Teilverstärkungsschicht 24 von einer Spitzenseite des ersten kuppelförmigen Abschnitts 12 über die Grenze 14 zwischen dem ersten kuppelförmigen Abschnitt 12 und dem Körperabschnitt 11 zu einem Teil des Körperabschnitts 11 angeordnet. Das an den Körperabschnitt 11 angrenzende Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 ist von der Außenseite des Tanks 1 nach innen geneigt, so dass die Dicke abnimmt. Das Ende 241 ist angrenzend an den Körperabschnitt 11 in der Nähe einer Mitte angeordnet, bezogen auf das geneigte Ende 221 der inneren Ringschicht 22.
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Die erste Teilverstärkungsschicht 24 wird gebildet, indem ein harzgetränktes Faserbündel auf einen Teil der äußeren Umfänge der inneren spiralförmigen Schicht 21 und der inneren Ringschicht 22 in mehreren Lagen z.B. mit einem automatisierten Faserplatzierungsverfahren (AFP) aufgebracht wird. Die erste Teilverstärkungsschicht 24 wird z. B. durch Aufkleben von Prepreg aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) auf einen Teil der äußeren Umfänge der inneren spiralförmigen Schicht 21 und der inneren Ringschicht 22 unter Verwendung einer automatischen Faserplatzierungsmaschine gebildet.
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Ein Verfahren zum Ausbilden des geneigten Endes 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 umfasst beispielsweise das Ausbilden einer ersten Schicht und das anschließende Ausbilden einer zweiten Schicht auf der ersten Schicht durch Aufkleben eines harzgetränkten Faserbündels, während das Faserbündel so verschoben wird, dass ein Endpunkt der zweiten Schicht angrenzend an die Spitze des ersten kuppelförmigen Abschnitts 12 bezogen auf einen Endpunkt der ersten Schicht angeordnet ist. Wenn danach eine dritte Schicht, eine vierte Schicht ... eine N-te Schicht von Faserbündeln nacheinander auf die gleiche Weise verschoben und laminiert werden, wird die erste Teilverstärkungsschicht 24 mit dem Ende 241, das geneigt ist, gebildet.
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Die erste Teilverstärkungsschicht 24 kann unter Verwendung eines Dorns mit denselben Außendurchmessern wie die spiralförmige Innenschicht 21 und die innere Ringschicht 22 gebildet werden. In diesem Fall kann die auf dem Dorn gebildete erste Teilverstärkungsschicht 24 nach dem Aushärten vom Dorn entfernt und dann an der spiralförmigen Innenschicht 21 und der inneren Ringschicht 22 angebracht werden, oder sie kann in unausgehärtetem Zustand vom Dorn entfernt und dann an der spiralförmigen Innenschicht 21 und der inneren Ringschicht 22 angebracht werden.
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Da jedoch durch das Drücken mit einer Walze in der automatischen Faserplatzierungsmaschine kaum ein Spalt entstehen kann, wird die erste Teilverstärkungsschicht 24 vorzugsweise durch direktes Laminieren eines Faserbündels auf die äußeren Umfänge der inneren spiralförmigen Schicht 21 und der inneren Ringschicht 22 gebildet. Da auf diese Weise das Auftreten eines Spaltes unterdrückt wird, verbessert sich die Haftung zwischen der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und jeder der inneren spiralförmigen Schicht 21 und der inneren Ringschicht 22, so dass ein Ablösen der Zwischenschichten unterdrückt wird. Die Breite des harzgetränkten Faserbündels, das im AFP-Verfahren verwendet wird, kann sich von der Breite eines harzgetränkten Faserbündels, das im FW-Verfahren verwendet wird, unterscheiden.
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Wie in 1 gezeigt, ist die zweite Teilverstärkungsschicht 25 von einer Spitzenseite des zweiten kuppelförmigen Abschnitts 13 über die Grenze 15 zwischen dem zweiten kuppelförmigen Abschnitt 13 und dem Körperabschnitt 11 zu einem Teil des Körperabschnitts 11 angeordnet. Das an den Körperabschnitt 11 angrenzende Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 ist von der Außenseite des Tanks 1 zur Innenseite hin geneigt, so dass sich die Dicke verringert. Das Ende 251 ist angrenzend an den Körperabschnitt 11 in der Nähe einer Mitte angeordnet, bezogen auf das schräge Ende 222 der inneren Ringschicht 22.
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Die äußere Ringschicht 26 ist außerhalb der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 angeordnet und ist so ausgebildet, dass sie das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 drückt. Insbesondere ist die äußere Ringschicht 26, wie in 1 gezeigt, an einer Stelle angeordnet, die dem Körperabschnitt 11 der Auskleidung 10 entspricht, und zwar in einem Zustand, in dem das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 gedrückt werden. Die äußere Ringschicht 26 ist über die gesamte Länge des Körperabschnitts 11 ausgebildet. Die äußere Ringschicht 26 hat einen ersten Abschnitt 261, einen zweiten Abschnitt 262 und einen dritten Abschnitt 263. Der erste Abschnitt 261 bedeckt einen Teil der ersten Teilverstärkungsschicht 24 einschließlich des Endes 241. Der zweite Abschnitt 262 bedeckt einen Teil der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 einschließlich des Endes 251. Der dritte Abschnitt 263 bedeckt die innere Ringschicht 22 zwischen der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und der zweiten Teilverstärkungsschicht 25.
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Ein Ende des ersten Abschnitts 261 ist von der Außenseite des Tanks 1 zur Innenseite hin geneigt, so dass sich die Dicke verringert. Ebenso ist ein Ende des zweiten Abschnitts 262 von der Außenseite des Tanks 1 zur Innenseite hin geneigt, so dass die Dicke abnimmt. Bei dieser Konfiguration ist es weniger wahrscheinlich, dass sich an einem dieser Enden eine Stufe bildet. Daher wird zum Zeitpunkt der Bildung der äußeren spiralförmigen Schicht 27 außerhalb der äußeren Ringschicht 26 der Einfluss einer Stufe auf die äußere spiralförmige Schicht 27 verringert, so dass das Abschälen der Zwischenschichten reduziert wird.
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Die äußere Ringschicht 26 wird beispielsweise durch Umwickeln eines harzgetränkten Faserbündels an den äußeren Rändern der ersten Teilverstärkungsschicht 24, der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 und der inneren Ringschicht 22 zwischen der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 gebildet, um das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 zu drücken.
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Die äußere spiralförmige Schicht 27 ist eine Schicht, die sich an der äußersten Seite der Verstärkungsschicht 20 befindet und so ausgebildet ist, dass sie die erste Teilverstärkungsschicht 24, die zweite Teilverstärkungsschicht 25 und die äußere Ringschicht 26 bedeckt. Die äußere spiralförmige Schicht 27 wird z. B. durch schraubenförmiges Wickeln eines harzgetränkten Faserbündels an den äußeren Rändern der ersten Teilverstärkungsschicht 24, der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 und der äußeren Ringschicht 26 gebildet.
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Andererseits wird das Endstück 30 durch maschinelle Bearbeitung eines Metallmaterials, wie z.B. eines rostfreien Stahls und einer Aluminiumlegierung, in eine vorbestimmte Form gebracht. Das Endstück 30 hat einen Körperabschnitt 31 und einen Flanschabschnitt 32. Der Körperabschnitt 31 des Endstücks hat eine im Wesentlichen zylindrische Form und erstreckt sich in Richtung der Achse L des Tanks 1. Der Flanschabschnitt 32 ist einstückig mit dem Körperabschnitt 31 des Endstücks ausgebildet und erstreckt sich in einer radialen Richtung des Tanks 1. In dem Körperabschnitt 31 des Endstücks ist eine Verbindungsöffnung 33 vorgesehen. Das Verbindungsloch 33 steht in Verbindung mit dem Speicherraum 2 des Tanks 1. An einer inneren Umfangswand (d. h. einem Abschnitt, der das Verbindungsloch 33 bildet) des Körperabschnitts 31 des Endstücks ist ein Innengewindeabschnitt zum Verschrauben mit dem Ventil 40 ausgebildet.
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Das Ventil 40 ist ein Element zum Befüllen und Entleeren des Speicherraums 2 des Tanks 1 mit Wasserstoffgas. Das Ventil 40 besteht aus einem Metallmaterial, wie z.B. rostfreiem Stahl oder einer Aluminiumlegierung. Das Ventil 40 wird in die Verbindungsöffnung 33 eingesetzt, um das Endstück 30 zu schließen, und wird mit einem äußeren Gewindeabschnitt, der an der äußeren Umfangswand des Ventils 40 ausgebildet ist, an das Endstück 30 geschraubt.
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Der Tank 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die erste Teilverstärkungsschicht 24 und die zweite Teilverstärkungsschicht 25. Die erste Teilverstärkungsschicht 24 ist von der Spitzenseite des ersten kuppelförmigen Abschnitts 12 über die Grenze 14 zwischen dem ersten kuppelförmigen Abschnitt 12 und dem Körperabschnitt 11 zu einem Teil des Körperabschnitts 11 angeordnet. Die zweite Teilverstärkungsschicht 25 ist von der Spitzenseite des zweiten kuppelförmigen Abschnitts 13 über die Grenze 15 zwischen dem zweiten kuppelförmigen Abschnitt 13 und dem Körperabschnitt 11 zu einem Teil des Körperabschnitts 11 angeordnet. Daher wird der erste kuppelförmige Abschnitt 12 durch die erste Teilverstärkungsschicht 24 verstärkt, und der zweite kuppelförmige Abschnitt 13 wird durch die zweite Teilverstärkungsschicht 25 verstärkt. Aus diesem Grund wird die Menge der spiralförmigen Schicht, die zur Verstärkung der kuppelförmigen Abschnitte verwendet wird, reduziert, so dass die Menge zur Bildung einer spiralförmigen Schicht auf dem Körperabschnitt mit der Bildung der spiralförmigen Schicht ebenfalls reduziert wird. Infolgedessen ist die Festigkeit des ersten kuppelförmigen Abschnitts 12 und des zweiten kuppelförmigen Abschnitts 13 gewährleistet, und die Verwendung von faserverstärktem Harz ist im Vergleich zum Stand der Technik reduziert.
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Da das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 jeweils von der Außenseite des Tanks 1 zur Innenseite hin geneigt sind, so dass die Dicke abnimmt, ist es weniger wahrscheinlich, dass sich an einem dieser Enden eine Stufe bildet. Dadurch wird der Einfluss einer Stufe auf die äußere Ringschicht 26 verringert. Daher wird die Mäanderbildung eines Faserbündels zum Zeitpunkt der Bildung der äußeren Ringschicht 26 außerhalb des Endes 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und des Endes 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 unterdrückt. Daher wird ein Spalt zwischen der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und der äußeren Ringschicht 26, die außerhalb der ersten Teilverstärkungsschicht 24 angeordnet ist, und ein Spalt zwischen der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 und der äußeren Ringschicht 26, die außerhalb der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 angeordnet ist, unterdrückt, so dass die Haftung mit der äußeren Ringschicht 26 verbessert und das Ablösen von Zwischenschichten unterdrückt wird. Infolgedessen werden das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 jeweils stabil von der äußeren Ringschicht 26 gedrückt, so dass die erste Teilverstärkungsschicht 24 und die zweite Teilverstärkungsschicht 25 zuverlässig von der äußeren Ringschicht 26 fixiert werden.
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Die Verstärkungsschicht 20 umfasst ferner die innere Ringschicht 22, die innerhalb der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 angeordnet ist, um das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 mit der äußeren Ringschicht 26 einzuklemmen. Bei dieser Anordnung werden durch das Einklemmen des Endes 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und des Endes 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 mit der äußeren Ringschicht 26 und der inneren Ringschicht 22 das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 zuverlässig stabilisiert.
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Da beide Enden der inneren Ringschicht 22 die schrägen Enden 221, 222 sind, ist es weniger wahrscheinlich, dass sich an einem dieser schrägen Enden 221, 222 eine Stufe bildet, so dass der Einfluss einer Stufe auf die erste Teilverstärkungsschicht 24 und die zweite Teilverstärkungsschicht 25 reduziert wird. Daher wird ein Spalt zwischen der inneren Ringschicht 22 und der ersten Teilverstärkungsschicht 24, die außerhalb der inneren Ringschicht 22 angeordnet ist, und ein Spalt zwischen der inneren Ringschicht 22 und der zweiten Teilverstärkungsschicht 25, die außerhalb der inneren Ringschicht 22 angeordnet ist, verringert, um die Haftung zwischen der inneren Ringschicht 22 und der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und die Haftung zwischen der inneren Ringschicht 22 und der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 zu verbessern, so dass ein Ablösen der Zwischenschicht unterdrückt wird.
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Darüber hinaus ist das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 angrenzend an die Mitte des Körperabschnitts 11 in Bezug auf das schräge Ende 221 der inneren Ringschicht 22 angeordnet, und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 ist angrenzend an die Mitte des Körperabschnitts 11 in Bezug auf das schräge Ende 222 der inneren Ringschicht 22 angeordnet. Bei dieser Konfiguration sind das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 auf dem Körperabschnitt 11 angeordnet, der relativ flach ist, so dass die Enden 241, 251 von der äußeren Ringschicht 26 stabil gedrückt werden.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend wird ein zweites Ausführungsbeispiel eines Tanks unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben. Der Tank 1A gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass die innere spiralförmige Schicht 21 nicht vorgesehen ist und anstelle der inneren Ringschicht 22 eine innere Ringschicht 23 vorgesehen ist, die aus im Voraus hergestellten Teilelementen besteht. Nachfolgend wird nur der Unterschied beschrieben.
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Im Einzelnen umfasst eine Verstärkungsschicht 20A die innere Ringschicht 23, die erste Teilverstärkungsschicht 24, die zweite Teilverstärkungsschicht 25, die äußere Ringschicht 26 und die äußere spiralförmige Schicht 27. Die innere Ringschicht 23 bedeckt den Körperabschnitt 11 der Auskleidung 10. Die erste Teilverstärkungsschicht 24 ist außerhalb der inneren Ringschicht 23 angeordnet und bedeckt den ersten kuppelförmigen Abschnitt 12 und einen Teil der inneren Ringschicht 23. Die zweite Teilverstärkungsschicht 25 ist außerhalb der inneren Ringschicht 23 angeordnet und bedeckt den zweiten kuppelförmigen Abschnitt 13 und einen Teil der inneren Ringschicht 23. Die äußere Ringschicht 26 ist so ausgebildet, dass sie das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 drückt. Die äußere spiralförmige Schicht 27 befindet sich außerhalb der äußeren Ringschicht 26 und ist so geformt, dass sie die gesamte Auskleidung 10 bedeckt.
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Die innere Ringschicht 23 ist so geformt, dass sie den äußeren Umfang des Körperabschnitts 11 direkt bedeckt. Die innere Ringschicht 23 besteht aus Teilelementen, die eine zylindrische Form haben und im Voraus hergestellt werden, und wird an den Körperabschnitt 11 der Auskleidung 10 angepasst. In axialer Richtung (d. h. in Richtung der Achse L des Tanks 1A) des Körperabschnitts 11 ist ein Ende (z. B. ein Ende in der Nähe des ersten kuppelförmigen Abschnitts 12) der inneren Ringschicht 23 ein geneigtes Ende 231, das von der Außenseite des Tanks 1A zur Innenseite hin geneigt ist, so dass sich die Dicke verringert. Das andere Ende (z. B. ein Ende nahe dem zweiten kuppelförmigen Abschnitt 13) der inneren Ringschicht 23 ist ein geneigtes Ende 232, das von der Außenseite des Tanks 1A zur Innenseite hin geneigt ist, so dass die Dicke abnimmt.
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Die innere Ringschicht 23 wird beispielsweise durch Aufwickeln eines harzgetränkten Faserbündels in mehreren Lagen auf den Außenumfang eines zylinderförmigen Dorns und anschließendes Entfernen der Schicht vom Dorn nach dem Aushärten gebildet. Der Dorn besteht beispielsweise aus einem Metall und hat den gleichen Außendurchmesser wie der Körperabschnitt 11 der Auskleidung 10.
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Ein Verfahren zum Bilden der schrägen Enden 231, 232 der inneren Ringschicht 23 umfasst beispielsweise das Bilden einer ersten Ringschicht durch Umwickeln eines harzgetränkten Faserbündels von einem Ende zum anderen Ende in axialer Richtung des Dorns, Bilden einer zweiten Ringschicht durch Umwickeln des Faserbündels von dem anderen Ende des Dorns zu einem Ende, während das Faserbündel so verschoben wird, dass ein Startpunkt der zweiten Ringschicht in der Nähe der Mitte des Dorns in Bezug auf einen Endpunkt der ersten Ringschicht angeordnet ist, und Verschieben des Faserbündels so, dass ein Endpunkt der zweiten Ringschicht in der Nähe der Mitte des Dorns in Bezug auf den Startpunkt der ersten Ringschicht angeordnet ist. Danach, wenn die dritte, vierte ... N-te Ringschicht nacheinander auf die gleiche Weise verschoben und laminiert werden, wird die innere Ringschicht 23 mit den schrägen Enden 231, 232 gebildet.
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Die so hergestellte innere Ringschicht 23 wird an dem Körperabschnitt 11 der Auskleidung 10 in einem Zustand angebracht, in dem die Auskleidung 10 nach innen eingesetzt ist. Zur Unterdrückung von Fluchtungsfehlern wird vorzugsweise ein Klebstoff oder ähnliches zwischen dem Körperabschnitt 11 und der inneren Ringschicht 23 eingefüllt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Teilverstärkungsschicht 24 so ausgebildet, dass sie den ersten kuppelförmigen Abschnitt 12 der Auskleidung 10 direkt bedeckt, und die zweite Teilverstärkungsschicht 25 ist so ausgebildet, dass sie den zweiten kuppelförmigen Abschnitt 13 der Auskleidung 10 direkt bedeckt. Das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 werden von der äußeren Ringschicht 26 und der inneren Ringschicht 23 eingeklemmt.
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Mit dem Tank 1A gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden ein Betrieb und vorteilhafte Effekte erzielt, die denen des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich sind. Da die innere Ringschicht 23 aus zylindrisch geformten Teilelementen besteht und im Voraus hergestellt wird, ist die innere Ringschicht 23 außerdem einfacher herzustellen als wenn eine innere Ringschicht durch direktes Aufwickeln eines Faserbündels auf den Körperabschnitt 11 gebildet wird.
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Da beide Enden der inneren Ringschicht 23 die geneigten Enden 231, 232 sind, ist es weniger wahrscheinlich, dass eine Stufe an einem dieser geneigten Enden 231, 232 gebildet wird, so dass der Einfluss einer Stufe auf die erste Teilverstärkungsschicht 24 und die zweite Teilverstärkungsschicht 25 reduziert wird. Daher wird ein Spalt zwischen der inneren Ringschicht 23 und der ersten Teilverstärkungsschicht 24, die außerhalb der inneren Ringschicht 23 angeordnet ist, und ein Spalt zwischen der inneren Ringschicht 22 und der zweiten Teilverstärkungsschicht 25, die außerhalb der inneren Ringschicht 23 angeordnet ist, verringert, um die Haftung zwischen der inneren Ringschicht 23 und der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und die Haftung zwischen der inneren Ringschicht 23 und der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 zu verbessern, so dass ein Ablösen der Zwischenschicht unterdrückt wird.
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Darüber hinaus ist das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 angrenzend an die Mitte des Körperabschnitts 11 bezogen auf das schräge Ende 231 der inneren Ringschicht 23 angeordnet, und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 ist angrenzend an die Nähe der Mitte des Körperabschnitts 11 bezogen auf das schräge Ende 232 der inneren Ringschicht 23 angeordnet. Auf diese Weise werden die Enden 241, 251 von der äußeren Ringschicht 26 stabil gedrückt, wenn das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 auf dem Körperabschnitt 11 angeordnet sind, der relativ flach ist.
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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden im Detail beschrieben; die Erfindung ist jedoch nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Verschiedene Ausführungsformen sind anwendbar, ohne vom Grundgedanken der in den beigefügten Ansprüchen beschriebenen Erfindung abzuweichen.
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In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde beispielsweise ein Beispiel beschrieben, bei dem das Ende 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und das Ende 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 durch die äußere Ringschicht 26 und die innere Ringschicht 22 oder die innere Ringschicht 23 eingeklemmt sind, d.h. ein Beispiel, bei dem die Enden der Teilverstärkungsschichten durch zwei Ringschichten eingeklemmt sind; die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann eine Ringschicht außerhalb des Endes 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und des Endes 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 angeordnet sein, und eine spiralförmige Schicht kann innerhalb des Endes 241 der ersten Teilverstärkungsschicht 24 und des Endes 251 der zweiten Teilverstärkungsschicht 25 angeordnet sein.
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Ein Tank (1; 1A) umfasst eine Auskleidung (10) und eine Verstärkungsschicht (20). Die Auskleidung (10) hat einen Körperabschnitt (11) mit einer zylindrischen Form und ein Paar kuppelförmiger Abschnitte (12, 13), die jeweils an beiden Enden des Körperabschnitts (11) in einer axialen Richtung des Körperabschnitts (11) vorgesehen sind. Die Verstärkungsschicht (20; 20A) bedeckt die Auskleidung (10) und besteht aus einem faserverstärkten Harz, das ein harzgetränktes Faserbündel ist. Die Verstärkungsschicht (20; 20A) umfasst eine Teilverstärkungsschicht (24, 25), die von einer Spitzenseite jedes der kuppelförmigen Abschnitte (12, 13) über eine Grenze (14, 15) zwischen dem kuppelförmigen Abschnitt (12, 13) und dem Körperabschnitt (11) zu einem Teil des Körperabschnitts (11) angeordnet ist, und eine äußere Ringschicht (26), die außerhalb der Teilverstärkungsschicht (24, 25) angeordnet und so vorgesehen ist, dass sie ein an den Körperabschnitt angrenzendes Ende (241, 251) der Teilverstärkungsschicht (24, 25) drückt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2019527321 PCT [0002]
- JP 2019527321 A [0002, 0004]
