DE112018006614T5

DE112018006614T5 - Hochdrucktankmantel und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE112018006614T5
Application number: DE112018006614.2T
Authority: DE
Inventors: Takaharu Sato; Yuka Kishi; Yusuke Sugawara
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-09-10
Also published as: US11746956B2; JPWO2019131737A1; WO2019131737A1; US20200332960A1; CN111527339A; JP2023015079A; JP7203046B2; CN111527339B

Abstract

In der Nähe eines offenen Endes (16) eines ersten Mantelbauelements (12) und eines zweiten Mantelbauelements (14), die aus Kunststoffmaterial hergestellt sind, ist ein Flanschabschnitt (20) ausgebildet. Nachdem die Endflächen des offenen Endes (16) aneinander abgestützt und miteinander verbunden sind, wird der Flanschabschnitt (20) derart entfernt, dass ein Teil eines Bodenabschnitts (22) verbleibt. Der verbleibende Vorsprungsbetrag (L2) ist derart festgelegt, dass die Verbindungsfestigkeit an einem Verbindungabschnitt (46) nicht kleiner als die Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials oder nicht kleiner als die Kohäsions-Versagen-Festigkeit des Verbindungsabschnitts (46) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mantel für einen Hochdrucktank (Hochdrucktankmantel), der ein Basisabschnitt des Hochdrucktanks ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Technischer Hintergrund
Ein Hochdrucktank ist zum Beispiel in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen und speichert Wasserstoffgas, das Anoden zugeführt wird. Dieser Typ von Hochdrucktank enthält einen Kunststoffmantel, der aus thermoplastischen Kunststoffmaterial oder dergleichen hergestellt ist, das eine Wasserstoffbarriere-Eigenschaft hat. Dieser Typ von Kunststoffmantel wird zum Beispiel hergestellt, indem Mantelbauelemente mit zueinander im Wesentlichen gleicher Form verbunden werden.
Insbesondere sind die Mantelbauelemente jeweils aus einem halbzylindrischen Körper gebildet, dessen eines Ende ein offenes Ende ist und dessen anderes Ende ein geschlossenes Ende ist, das allmählich konvergierend gekrümmt ist. Darüber hinaus werden Endflächen der offenen Enden gegeneinander abgestützt (in Kontakt miteinander gebracht), und dann werden die Endflächen miteinander verbunden. In einer herkömmlichen Technik, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2013-119924 offenbart ist, erfolgt dieses Verbinden durch Laserschweißen.
Dann wird der auf diese Weise erhaltene Kunststoffmantel mit einer Verstärkungsschicht bedeckt, die zum Beispiel aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) hergestellt ist, worin Verstärkungsfasern mit einem Kunststoffbasismaterial imprägniert sind. Als die Verstärkungsfasern werden allgemein Karbonfasern verwendet.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Hochdrucktank wird mit einem vorbestimmten Gas wie etwa Wasserstoff oder dergleichen mit hohem Druck befüllt. Daher muss dessen Verbindung eine solche Verbindungsfestigkeit haben, dass aufgrund des Gasinnendrucks kein Bruch auftritt.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mantel für einen Hochdrucktank anzugeben, in dem dessen Verbindung eine überragende Verbindungsfestigkeit aufzeigt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mantel für einen Hochdrucktank mit ausreichender Zuverlässigkeit bereitzustellen.
Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Mantels für einen Hochdrucktank bereitzustellen, um den oben beschriebenen Mantel für den Hochdrucktank zu erhalten.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mantels für einen Hochdrucktank angegeben, um den Mantel für den Hochdrucktank durch Verbinden von zwei aus Kunststoffmaterial hergestellten Mantelbauelementen zu erhalten, wobei die Mantelbauelemente Elemente sind, die jeweils ein Flanschelement enthalten, das in der Nähe eines offenen Endes vorgesehen ist und einen Bodenabschnitt, der in diametraler Richtung auswärts vorsteht, und einen Seitenabschnitt, der von dem Bodenabschnitt zu einer Seite eines geschlossenen Endes hin gebogen ist, enthält, wobei durch den Bodenabschnitt und den Seitenabschnitt eine ringförmige Vertiefung definiert wird,
wobei das Verfahren zur Herstellung eines Mantels für den Hochdrucktank aufweist:

einen Kontaktschritt zum Anordnen von Endflächen der offenen Enden der zwei Mantelbauelemente in Kontakt miteinander;
einen Verbindungsschritt zum Verbinden der Endflächen der offenen Enden miteinander durch Schweißen, und um hierdurch eine Verbindung zu erhalten; und
einen Schneidschritt zum Schneiden der Bodenabschnitte und der Seitenabschnitte der Flanschelemente derart, dass Teile der Bodenabschnitte verbleiben,
wobei die Flanschelemente mit einem Vorsprungsbetrag verbleiben, wodurch eine Verbindungsfestigkeit der Verbindung größer als oder gleich einer Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mantel für einen Hochdrucktank angegeben, der eine Verbindung aufweist, die gebildet wird, indem offene Enden von zwei aus Kunststoffmaterial hergestellten Mantelbauelementen miteinander verbunden werden, wobei der Mantel für den Hochdrucktank ferner Flanschelemente aufweist, die in der Nähe der Verbindung in diametraler Richtung nach außen vorstehen, wobei eine Verbindungsfestigkeit der Verbindung größer als oder gleich einer Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials ist.
In der vorstehenden Weise wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Wanddicke der Verbindung vergrößert, indem erlaubt wird, dass die Flanschelemente verbleiben. Aus diesem Grund wird die Verbindungsfläche groß, und kann durch diesen Betrag die Verbindungsfestigkeit größer als oder gleich der Zugfestigkeit des Kunststoffmaterial gemacht werden. Dieses Merkmal impliziert, dass, wenn das Hochdruckgas in dem Mantel gefüllt wird, verhindert werden kann, dass die Verbindung zuerst bricht.
Insbesondere kann durch den oben beschriebenen Prozess eine Verbindung, die eine überragende Verbindungsfestigkeit aufzeigt, erhalten werden. Daher wird die Zuverlässigkeit des Mantels für den Hochdrucktank, und im weiteren Sinne die Zuverlässigkeit des Hochdrucktanks, in dem ein solcher Mantel verwendet wird, ausreichend gemacht.
Um die Verbindung zu erhalten, die die Verbindungsfestigkeit in der oben beschriebenen Weise aufzeigt, kann zum Beispiel ein Vorsprungsbetrag (restlicher Vorsprungsbetrag) der verbleibenden Flanschelemente so festgelegt werden, dass er dem folgenden Konditionalausdruck (1) genügt. Die Wanddicke des Verbindungsabschnitts erhält man als Summe oder anders ausgedrückt als Gesamtsumme in einer Wanddicke der Mantelbauelemente und des restlichen Vorsprungsbetrags. $\begin{array}{l} Wanddicke der Verbindung \geq (Zugfestigkeit des \\ Kunstsoffmaterials/ Brunchspannung der Verbindung) \times Wanddicke der \\ Mantelbauelemente \end{array}$
Darüber hinaus wird als das Schweißverfahren bevorzugt Vibrationsschweißen, Infrarotwärme-Schweißen oder Heizelement-Schweißen verwendet. Dies ist so, weil es in diesem Fall einfach ist, Werkzeuge in die ringförmigen Vertiefungen einzusetzen und zu pressen, und Wärme zu erzeugen oder darauf auszuüben, wodurch der Verbindungsprozess einfach und leicht durchführbar ist.
Wenn der restliche Vorsprungsbetrag der Flanschelemente zu groß ist, könnten, wenn die Verstärkungsschicht auf dem Mantel ausgebildet wird, das in der Verstärkungsschicht enthaltende Fasermaterial durch die Flanschelemente unter Zug gesetzt werden, und daher bestehen Bedenken, dass darauf lokalisierte Belastungen wirken könnten. Um solche Bedenken zu überwinden, ist es bevorzugt, den restlichen Vorsprungsbetrag so festzulegen, dass er kleiner als oder gleich einer Höhendifferenz ist, die während des Wickelns zulässig ist, wenn die Verstärkungsschicht gebildet wird.
Ferner bestehen, wenn die Ecken Winkelabschnitte sind, Bedenken, dass das Fasermaterial beschädigt werden könnte, wenn es sich an den Ecken fängt und gestreckt wird. Daher ist es bevorzugt, abgerundete Abschnitte (R-Abschnitte) oder Kehlabschnitte (C-Abschnitte) an den Eckabschnitten der verbleibenden Flanschelemente auszubilden. In diesem Fall wird verhindert, dass sich das Fasermaterial an den Ecken fängt, und wird daher verhindert, dass das Fasermaterial beschädigt wird.
Die Verbindungsfestigkeit der Verbindung kann größer als oder gleich einer Kohäsion-Versagen-Festigkeit der Verbindung sein. Insbesondere wird gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Mantels für einen Hochdrucktank angegeben, um den Mantel für den Hochdrucktank zu erhalten, indem man zwei aus Kunststoffmaterial hergestellte Mantelbauelemente verbindet, wobei wobei die Mantelbauelemente Elemente sind, die jeweils ein Flanschelement enthalten, das in der Nähe eines offenen Endes vorgesehen ist und einen Bodenabschnitt, der in diametraler Richtung auswärts vorsteht, und einen Seitenabschnitt, der von dem Bodenabschnitt zu einer Seite eines geschlossenen Endes hin gebogen ist, enthält, wobei durch den Bodenabschnitt und den Seitenabschnitt eine ringförmige Vertiefung definiert wird,
wobei das Verfahren zur Herstellung eines Mantels für den Hochdrucktank aufweist:

einen Kontaktschritt zum Anordnen von Endflächen der offenen Enden der zwei Mantelbauelemente in Kontakt miteinander;
einen Verbindungsschritt zum Verbinden der Endflächen der offenen Enden miteinander durch Schweißen, und um hierdurch eine Verbindung zu erhalten; und
einen Schneidschritt zum Schneiden der Bodenabschnitte und der Seitenabschnitte der Flanschelemente derart, dass Teile der Bodenabschnitte verbleiben,
wobei die Flanschelemente mit einem Vorsprungsbetrag verbleiben, wodurch eine Verbindungsfestigkeit der Verbindung größer als oder gleich einer Kohäsions-Versagen-Festigkeit der Verbindung wird.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mantel für einen Hochdrucktank angegeben, der eine Verbindung aufweist, die gebildet wird, indem offene Enden von zwei aus Kunststoffmaterial hergestellten Mantelbauelementen miteinander verbunden werden, wobei der Mantel für den Hochdrucktank ferner aufweist:

Flanschelemente, die in diametraler Richtung in der Nähe der Verbindung nach außen vorstehen,
wobei eine Verbindungsfestigkeit der Verbindung größer als oder gleich einer Kohäsions-Versagen-Festigkeit der Verbindung ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Flanschelemente in der Nähe der offenen Enden der aus Kunststoffmaterial hergestellten Mantelbauelemente vorgesehen, so dass nach der Bildung der Verbindung und dem Erhalt des Mantels, Teile der Flanschelemente verbleiben. Aus diesem Grund wird, weil die Wanddicke der Verbindung größer wird und die Verbindungsfläche zunimmt, die Verbindungsfestigkeit der Verbindung größer als oder gleich der Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials, oder größer als oder gleich der Kohäsion-Versagen-Festigkeit der Verbindung. Insbesondere zeigt sich eine überragende Verbindungsfestigkeit an der Verbindung. Daher ist es möglich, einen Mantel für den Hochdrucktank anzugeben, der eine ausreichende Zuverlässigkeit aufzeigt, und darüber hinaus einen Hochdrucktank, in dem ein solcher Mantel verwendet wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Gesamtdraufsicht eines Mantels für einen Hochdrucktank gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Gesamtdraufsicht eines Mantelbauelements, das ein Teil des in 1 gezeigten Mantels für den Hochdrucktank darstellt;
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht wesentlicher Komponenten, worin die Umgebung eines in 2 gezeigten Flanschelements vergrößert ist;
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht wesentlicher Komponenten, die einen Zustand zeigt, in der Vibrationsschweißwerkzeuge in ringförmige Vertiefungen eingesetzt werden, die in Flanschelementen ausgebildet sind;
5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht wesentlicher Komponenten, die einen Zustand zeigt, in der Endflächen offener Enden von Mantelbauelementen in Kontakt miteinander gebracht sind;
6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht wesentlicher Komponenten in Fortsetzung von 5, und zeigt einen Zustand, in dem die Umgebung der offenen Enden etwas komprimiert ist;
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht wesentlicher Komponenten, die einen Zustand zeigt, in der die Vibrationsschweißwerkzeuge aus den ringförmigen Vertiefungen zusammen mit dem Erhalt einer Verbindung abgenommen sind;
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht wesentlicher Komponenten, die einen Zustand zeigt, in dem die Flanschelemente weggeschnitten sind, so dass Teile ihrer Bodenabschnitte verbleiben; und
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht wesentlicher Komponenten, die einen Zustand zeigt, in der eine Positionsverschiebung zwischen den Endflächen der offenen Enden der Mantelbauelemente erzeugt wird.

Beschreibung von Ausführungen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungen eines Mantels für einen Hochdrucktank gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf ein Verfahren zur deren Herstellung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen aufgezeigt und im Detail beschrieben.
1 ist eine schematische Gesamtdraufsicht eines Mantels für einen Hochdrucktank (nachfolgend einfach auch als „Mantel“ bezeichnet) 10 gemäß einer gegenwärtigen Ausführung. Der Mantel 10 ist aufgebaut durch Verbinden eines ersten Mantelbauelements 12 mit einem zweiten Mantelbauelement 14. Gemäß der vorliegenden Ausführung haben das erste Mantelbauelement 12 und das zweite Mantelbauelement 14 im Wesentlichen die zueinander gleiche Form.
Zunächst wird eine Beschreibung in Bezug auf das erste Mantelbauelement 12 und das zweite Mantelbauelement 14 angegeben. 2 ist eine schematische Gesamtdraufsicht des ersten Mantelbauelements 12 vor dem Verbinden. Das erste Mantelbauelement 12 ist ein halbzylindrischer Körper mit einem hohlen Innenraum, dessen eines Ende ein offenes Ende 16 ist, und dessen anderes Ende ein geschlossenes Ende 18 ist, das in einer allmählich konvergierenden Weise geschlossen ist. In der Nähe des offenen Endes 16 ist ein Flanschelement 20 so ausgebildet, dass es in diametraler Richtung auswärts vorsteht.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht wesentlicher Komponenten, worin die Umgebung eines Flanschelements 20 vergrößert ist. Darüber hinaus repräsentiert T1 in 3 eine Wanddicke einer Seitenwand des ersten Mantelbauelements 12 (Hauptkörpers).
Das Flanschelement 20 ist an einer Position ringförmig, die von der Endfläche des offenen Endes 16 zur Seite des geschlossenen Endes 18 hin etwas versetzt ist. Ferner enthält das Flanschelement 20 einen Bodenabschnitt 22, der sich entlang der diametralen Richtung erstreckt, und einen Seitenabschnitt 24, der vom Bodenabschnitt 22 weg gebogen ist, so dass er zur Seite des geschlossenen Endes 18 hin weist. Eine ringförmige Vertiefung 26 ist durch den Bodenabschnitt 22 und den Seitenabschnitt 24 definiert. Insbesondere ist die ringförmige Vertiefung 26 ein Raum, der zwischen der Hauptkörper-Seitenwand des ersten Mantelbauelements 12 und dem Seitenabschnitt 24 des Flanschelements 20 ausgebildet ist.
Falls das erste Mantelbauelement 12 und das zweite Mantelbauelement 14 durch Vibrationsschweißen miteinander verbunden werden, können eine Breite W1 und eine Tiefe D1 seiner ringförmigen Vertiefungen 26 derart festgelegt werden, dass Vibrationsschweißwerkzeuge 30 (siehe 4) dort hin eingesetzt werden können. Ferner kann eine Dicke T2 der Bodenabschnitte 22 auf ein solches Ausmaß festgelegt werden, dass die Flanschelemente 20 während des Vibrationsschweißens nicht beschädigt werden. Ein anfänglicher Vorsprungsbetrag L1 des Flanschelements 20 (der Abstand von der Außenoberfläche der Hauptkörper-Seitenwand des ersten Mantelbauelements 12 zur Außenfläche des Seitenabschnitts 24 des Flanschelements 20) kann zum Beispiel auf das 1- bis 3-fache und typischerweise etwa das 1,5-fache der Wanddicke T1 des ersten Mantelbauelements 12 gesetzt werden.
An den zur ringförmigen Vertiefung 26 weisenden Innenoberflächen des Seitenabschnitts 24 ist eine Schräge 32 ausgebildet, die mit einem vorbestimmten Winkel θ in einer Richtung von der ringförmigen Vertiefung 26 weg geneigt ist. Diese Schräge 32 dient dazu, das Ablösen der Vibrationsschweißwerkzeuge 30 zu erleichtern (siehe 4) und wird auch als so genannter Auszugwinkel bezeichnet.
Ferner sind, wie in 2 gezeigt, durch das Ausschneiden von Teilen des Seitenabschnitts 24 Ausschnitte 34 in dem Seitenabschnitt 24 ausgebildet. Zum Beispiel wird ein Drehverhinderungswerkzeug mit den Ausschnitten 34 in Eingriff gebracht.
Eine Einsenkung 40, die zur Seite des offenen Endes 16 hin vertieft ist, ist an dem geschlossenen Ende 18 an einer Oberseite ausgebildet. Am Bodenteil der Einsenkung 40 ist ein Ansatzelement 42 vorgesehen, das zu einer Seite von dem offenen Ende 16 weg vorsteht.
Wie zuvor angemerkt, ist das zweite Mantelbauelement 14 mit dem ersten Mantelbauelement 12 konform konfiguriert. Dementsprechend sind die gleichen Bauteile wie jene des ersten Mantelbauelements 12 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale weggelassen.
Nun wird eine Beschreibung in Bezug auf ein Verfahren zur Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erhalt des in 1 gezeigten Mantels 10 aus dem ersten Mantelbauelement 12 und dem zweiten Mantelbauelement 14 angegeben, die in der oben beschriebenen Weise konfiguriert sind.
Das erste Mantelbauelement 12 und das zweite Mantelbauelement 14 werden zum Beispiel durch Spritzgießen mittels eines geschmolzenen Kunststoffmaterials in eine nicht dargestellte Spritzgussvorrichtung hergestellt. Als geeignete Beispiele des Kunststoffmaterials kann man hochdichtes Polyethylen-(HDPE)-Harz nennen, das ein thermoplastischer Kunststoff mit Wasserstoffbarriere-Eigenschaften ist. Darüber hinaus versteht es sich, dass die Ansatzelemente 42 und die Flanschelemente 20 mit den Hauptkörpern einstückig geformt sind. Die Schrägen 32 und die Ausschnitte 34 werden auch gleichzeitig mit dem Formen ausgebildet.
Falls das erste Mantelbauelement 12 und das zweite Mantelbauelement 14 die gleiche Form haben, können diese beiden Elemente mit der gleichen Form hergestellt werden. Weil es nicht erforderlich ist, mehrere Formen vorzubereiten, können daher die Kosten der Form reduziert werden.
Das erste Mantelbauelement 12 und das zweite Mantelbauelement 14, die in der vorstehenden Weise erhalten sind, werden einander gegenüberliegend angeordnet, derart, dass die Endflächen der offenen Enden 16 mit einem vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind. Falls Vibrationsschweißen ausgeführt wird, werden dann, wie in 4 gezeigt, Vibrationsschweißwerkzeuge 30 in die ringförmigen Vertiefungen 36 eingesetzt. Falls erforderlich, wird ein nicht dargestelltes Drehverhinderungswerkzeug mit den Ausschnitten 34 in Eingriff gebracht, die in den Seitenabschnitten 24 der Flanschelemente 20 ausgebildet sind. Dies ist bevorzugt, weil einhergehend damit eine Drehung des ersten Mantelbauelements 12 und des zweiten Mantelbauelements 14 verhindert wird und die sich anschließenden Prozessschritte leichter werden.
Dann werden die Vibrationsschweißwerkzeuge 30 vorgespannt, um die jeweiligen Flanschelemente 20 des ersten Mantelbauelements 12 und des zweiten Mantelbauelements 14 in den Richtungen der Pfeile X zu pressen, und werden das erste Mantelbauelement 12 und das zweite Mantelbauelement 14 einander eng angenähert. Dann werden, wie in 5 gezeigt, die Endflächen der offenen Enden 16 in Kontakt miteinander gebracht (gegeneinander abgestützt). Anders ausgedrückt, es wird ein Kontaktschritt ausgeführt und wird eine Kontaktstelle gebildet.
Dann wird ein Verbindungsschritt durchgeführt. Insbesondere wird, wie mit dem Pfeil Y in 5 angegeben, eines der Vibrationsschweißwerkzeuge 30 innerhalb der ringförmigen Vertiefungen 26, zum Beispiel jener an der Oberseite, entlang einer diametralen Richtung des ersten Mantelbauelements 12 vibriert. Demzufolge wird an der Kontaktstelle Reibungshitze erzeugt, und im Ergebnis wird die Kontaktstelle weich oder schmilzt. Da die Vibrationsschweißwerkzeuge 30 in den ringförmigen Vertiefungen 26, das erste Mantelbauelement 12, das zweite Mantelbauelement 14 in Richtungen pressen, um sie einander anzunähern, wie in 6 gezeigt, werden diese beiden Elemente 12 und 14 eng zusammengepresst. Einhergehend mit dieser Kompression tritt das Kunststoffmaterial, das weich oder geschmolzen worden ist, an der Seite der Innenumfangswand oder der Seite der Außenumfangswand aus.
Es sollte angemerkt werden, dass das Vibrationsschweißwerkzeug 30 an der Unterseite auch entlang einer diametralen Richtung des zweiten Mantelbauelements 12 vibriert werden kann. Ferner kann eine solche Aktion auch unter der Annahme durchgeführt werden, dass es möglich ist, die Vibrationsschweißwerkzeuge 30 in Umfangsrichtung des ersten Mantelbauelements 12 und des zweiten Mantelbauelements 14 zu vibrieren oder in Drehung zu versetzen.
Das Ausüben von Vibration wird gestoppt, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne abgelaufen ist. Ferner werden, nachdem eine erforderliche Zeitspanne zum Pressen abgelaufen ist, die Vibrationsschweißwerkzeuge 30 entlang der vertikalen Richtung angehoben oder abgesenkt, und werden von den ringförmigen Vertiefungen 26 weg getrennt. Da hierbei die Schrägen 32 an den Seitenabschnitten 24 ausgebildet sind, können die Vibrationsschweißwerkzeuge 30 aus den ringförmigen Vertiefungen 26 leicht getrennt werden. Dann wird das weichgemachte oder geschmolzene Kunststoffmaterial abgekühlt und verfestigt. Insbesondere wird das Verbinden an der Kontaktstelle durchgeführt, und erhält man eine Verbindung 46.
Dann wird ein Schneidschritt durchgeführt. In diesem Fall werden gemäß der herkömmlichen Technik die Flanschelemente 20 von einem Basisende weggeschnitten, und wird ein Schleifen oder Polieren ausgeführt, so dass die Stelle, wo die Flanschelemente 20 vorgesehen sind, mit der Hauptkörper-Seitenwand in Flucht gebracht wird. Anders ausgedrückt, die Flanschelemente 20 verbleiben nicht.
Im Gegensatz hierzu wird gemäß der vorliegenden Ausführung der Schneidschritt zum Schneiden entlang einer Schnittlinie CL derart ausgeführt, dass Abschnitte der Flanschelemente 20 verbleiben. In diesem Fall wird die Position der Schnittlinie CL (der Betrag, um den die Flanschelemente 20 geschnitten werden), oder in anderen Worten, der in 7 gezeigte restliche Vorsprungsbetrag L2, so festgelegt, dass die Verbindungsfestigkeit der Verbindung 46 größer als oder gleich der Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials ist. Die Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials kann aus einem Zugtest gemäß der japanischen Industrienorm (JIS) mittels eines Teststücks erhalten werden, das aus einem einzigen Element gebildet ist, das die Verbindung 46 darin nicht hat.
Um sicherzustellen, dass die Verbindungsfestigkeit der Verbindung 46 größer als die Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials ist, wird der Zugtest mittels eines Teststücks durchgeführt, das ausgeschnitten ist, so dass es die Verbindung 46 darin enthält, und kann der restliche Vorsprungsbetrag L2 der Flanschelemente 20 auf der Basis der Belastung (Bruchspannung) zu der Zeit festgelegt werden, zu der ein Bruch auftritt. Darüber hinaus können die Zugfestigkeit und die Bruchspannung Durchschnittswerte sein, die man durch mehrfaches Ausführen des Tests erhält, oder können berechnete Werte sein, die man durch Subtrahieren von Werten des vierfachen der Standardabweichung von den Durchschnittswerten erhält.
Insbesondere, wenn eine Gesamtsumme des restlichen Vorsprungsbetrags L2 der Flanschelemente 20 und der Wanddicke T1 der Hauptkörper-Seitenwand als Wanddicke der Verbindung 46 definiert ist, können die Werte der Zugfestigkeit und der Bruchspannung auf Werte gesetzt werden, die dem folgenden Ausdruck (1) genügen. $\begin{array}{l} Wanddicke der Verbindung 46 \geq (Zugfestigkeit des Kunstsoffmaterials/ \\ Brunchspannung der Verbindung 46) \times T 1 \end{array}$
Wenn zum Beispiel ein Wert, der durch Berechnen der rechten Seite des Ausdrucks (1) berechnet ist, 3,4mm beträgt, wird der minimale restliche Vorsprungsbetrag L2 der Flanschelemente 20 zu (3,4 - T1)mm. Insbesondere genügt es, wenn die Bodenabschnitte 22 der Flanschelemente 20 mit einem geeigneten Schneidwerkzeug weggeschnitten werden, so dass die Flanschelemente 20 um (3,4 - T1)mm von der Außenumfangswand der Hauptkörper-Seitenwand vorstehen. Darüber hinaus ist der restliche Vorsprungsbetrag L2 bevorzugt kleiner als oder gleich einer Höhendifferenz, die während des Wickelns zulässig ist, wenn die Verstärkungsschicht ausgebildet wird.
Einhergehend mit dem oben beschriebenen Schneiden werden die Seitenabschnitte 24 und der Großteil der Bodenabschnitte 22 weggeschnitten, um hierdurch den in 8 gezeigten Zustand zu erlangen, wodurch man den in 1 gezeigten Mantel 10 erhält. In diesem Fall wird, wie in 9 übertrieben gezeigt, falls die Endflächen in ihrer Position etwas voneinander verschoben sind, zum Beispiel ein restlicher Vorsprungsbetrag L2" des zweiten Mantelbauelements 14 um einen Betrag der Positionsverschiebung kleiner als jener des ersten Mantelbauelements 12. Insbesondere, wenn man den Betrag der Positionsverschiebung mit Δd angibt, ein restlicher Vorsprungsbetrag L2' des ersten Mantelbauelements 12 einen Wert, den man durch Subtrahieren von Δd von dem restlichen Vorsprungsbetrag L2" des zweiten Mantelbauelements 14 erhält. In diesem Fall wird eine Gesamtsumme der Wanddicke T1 des ersten Mantelbauelements 12 und des restlichen Vorsprungsbetrags L2' zur Wanddicke der Verbindung 46.
Es ist bevorzugt, Kehlen an den Eckabschnitten der verbleibenden Flanschelemente 20 (Bodenabschnitte 22) zu erzeugen, und hierdurch die gerundeten Abschnitte (R-Abschnitte) 50 zu bilden. Anders ausgedrückt, es ist bevorzugt, die Eckabschnitte der verbleibenden Bodenabschnitte 20 zu biegen.
Ferner ist die Verstärkungsschicht vorgesehen, die den Mantel 10 abdeckt, und sind Ventile an den Einsatzelementen 42 angebracht, wodurch der Hochdrucktank hergestellt wird. Wenn hierbei der restliche Vorsprungsbetrag L2 der Flanschelemente 20 kleiner als oder gleich der Höhendifferenz ist, werden Spannungen, die von den Flanschelementen 20 auf das in der Verstärkungsschicht enthaltene Fasermaterial (Karbonfasern oder dergleichen) wirken, kleiner als oder gleich einem zulässigen Bereich. Ferner bestehen Bedenken, dass, wenn die Ecken der Flanschelemente 20 gewinkelte Abschnitte sind, das Fasermaterial (Karbonfasern oder dergleichen) sich an den Ecken fangen könnte und hierdurch lokal gestreckt wird, und eine Beschädigung an dem Fasermaterial auftreten könnte. Falls jedoch die gerundeten Abschnitte (R-Abschnitte) 50 in der oben beschriebenen Weise ausgebildet werden, können solche Bedenken überwunden werden.
In diesem Hochdrucktank ist die Verbindungsfestigkeit der Verbindung 46 des Mantels 110 größer als oder gleich der Zugfestigkeit des Kunststoffmaterial, das das Basismaterial des ersten Mantelbauelements 12 und des zweiten Mantelbauelements 14 bildet. Dementsprechend wird, wenn das Hochdruckgas in den Mantel 10 gefüllt wird, verhindert, dass die Verbindung 46 zuerst bricht. Da andere Abschnitte als die Verbindung 46 des Mantels 10 aus einem Kunststoffmaterial mit ausreichender Druckbeständigkeit in Bezug auf den Fülldruck hergestellt sind, zeigt schließlich die Verbindung 46 auch eine ausreichende Druckbeständigkeit in Bezug auf den Fülldruck. Anders ausgedrückt, kann man einen Hochdrucktank erhalten, der eine ausreichende Zuverlässigkeit aufzeigt.
Im Gegensatz zu den oben genannten Merkmalen wird auch angenommen, dass es Fälle geben könnte, in denen es schwierig ist, den restlichen Vorsprungsbetrag L2 der Flanschelemente 20 groß zu machen, wie etwa dann, wenn es erwünscht ist, während des Faserwickelns die Höhendifferenz so klein wie möglich zu machen. In diesem Fall kann der restliche Vorsprungsbetrag L2 der Flanschelemente 20 derart festgelegt werden, dass die Verbindungsfestigkeit der Verbindung 46 größer als oder gleich einer Kohäsions-Versagen-Festigkeit der Verbindung 46 ist. Weil auch in diesem Fall verhindert wird, dass die Verbindung 46 zuerst bricht, wenn das Hochdruckgas in den Mantel 10 gefüllt wird, kann man einen Hochdrucktank, der eine ausreichende Zuverlässigkeit aufzeigt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht besonders auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt, und es können daran verschiedene Modifikationen innerhalb eines Bereichs vorgenommen werden, der nicht von dem Wesen und der Idee der vorliegenden Erfindung abweicht.
Zum Beispiel können anstelle der gerundeten Abschnitte (R-Abschnitte) 50 Kehlabschnitte (C-Abschnitte) ausgebildet werden.
Ferner können das erste Mantelbauelement 12 und das zweite Mantelbauelement 14 in voneinander unterschiedlichen Formen ausgebildet werden.
Ferner kann anstelle von Vibrationsschweißen auch Infrarotwärme-Schweißen durchgeführt werden, oder können Vibrationsschweißen und Infrarotwärme-Schweißen in Kombination verwendet werden. Im Falle der Durchführung von Infrarotwärme-Schweißen können Werkzeuge zur Durchführung von Infrarot-Schweißen in die ringförmigen Vertiefungen 26 eingesetzt werden. Alternativ kann Heizelement-Schweißen durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

10: Mantel für Hochdrucktank
12, 14: Mantelbauelemente
16: offene Enden
18: geschlossene Enden
20: Flanschelemente
22: Bodenabschnitte
24: Seitenabschnitte
26: ringförmige Vertiefungen
30: Vibrationsschweißwerkzeuge
32: Schrägen
34: Ausschnitte
46: Verbindung
50: gerundete Abschnitte (R-Abschnitte)

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Mantels (10) für einen Hochdrucktank zum Erhalt des Mantels (10) für den Hochdrucktank durch Verbinden von zwei aus Kunststoffmaterial hergestellten Mantelbauelementen (12, 14), wobei die Mantelbauelemente (12, 14) Elemente sind, die jeweils ein Flanschelement (20) enthalten, das in der Nähe eines offenen Endes (16) vorgesehen ist und einen Bodenabschnitt (22), der in diametraler Richtung auswärts vorsteht, und einen Seitenabschnitt (24), der von dem Bodenabschnitt (22) zu einer Seite eines geschlossenen Endes (18) hin gebogen ist, enthält, wobei durch den Bodenabschnitt (22) und den Seitenabschnitt (24) eine ringförmige Vertiefung (26) definiert wird, wobei das Verfahren zur Herstellung eines Mantels (10) für den Hochdrucktank aufweist: einen Kontaktschritt zum Anordnen von Endflächen der offenen Enden (16) der zwei Mantelbauelemente (12, 14) in Kontakt miteinander; einen Verbindungsschritt zum Verbinden der Endflächen der offenen Enden (16) miteinander durch Schweißen, und um hierdurch eine Verbindung (46) zu erhalten; und einen Schneidschritt zum Schneiden der Bodenabschnitte (22) und der Seitenabschnitte (24) der Flanschelemente (20) derart, dass Teile der Bodenabschnitte (22) verbleiben, wobei die Flanschelemente (20) mit einem Vorsprungsbetrag verbleiben, wodurch eine Verbindungsfestigkeit der Verbindung (46) größer als oder gleich einer Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials wird.
Das Verfahren zur Herstellung des Mantels (10) für den Hochdrucktank nach Anspruch 1, wobei, wenn eine Gesamtsumme einer Wanddicke (T1) der Mantelbauelemente (12, 14) und eines Vorsprungsbetrags (L2) der verbleibenden Flanschelemente (20) als Wanddicke der Verbindung (46) definiert ist, der Vorsprungsbetrag (L2) der verbleibenden Flanschelemente (20) derart festgelegt wird, dass die Wanddicke der Verbindung (46) dem folgenden Konditionalausdruck (1) genügt: $\begin{array}{l} Wanddicke der Verbindung (46) \geq (Zugfestigkeit des \\ Kunstsoffmaterials/ Brunchspannung der Verbindung (46)) \times \\ Wanddicke (T 1) der Mantelbauelemente (12,14) \end{array}$
Das Verfahren zur Herstellung des Mantels (10) für den Hochdrucktank nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schweißen durch Vibrationsschweißen, Infrarotwärme-Schweißen oder Heizelement-Schweißen durchgeführt wird.
Das Verfahren zur Herstellung des Mantels (10) für den Hochdrucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Flanschelemente (20) mit einem Vorsprungsbetrag (L2) verbleiben, der kleiner als oder gleich einer zulässigen Höhendifferenz während des Wickelns ist, wenn eine Verstärkungsschicht ausgebildet wird.
Das Verfahren zur Herstellung des Mantels (10) für den Hochdrucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an Eckabschnitten der verbleibenden Flanschelemente (20) ein R-Abschnitt (50) oder ein C-Abschnitt gebildet wird.
Das Verfahren zur Herstellung des Mantels (10) für den Hochdrucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mantelbauelemente (12, 14) Elemente sind, in denen an zu den ringförmigen Vertiefungen (26) weisenden Innenoberflächen der Seitenabschnitte (24) in Richtung von den ringförmigen Vertiefungen (26) weg geneigte Schrägen (32) ausgebildet werden.
Das Verfahren zur Herstellung des Mantels (10) für den Hochdrucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mantelbauelemente (12, 14) Elemente sind, in denen in den Seitenabschnitten (24) Ausschnitte (34) gebildet werden, die durch Ausschneiden von Teilen der Seitenabschnitte (24) hergestellt werden.
Mantel (10) für einen Hochdrucktank, der eine Verbindung (46) aufweist, die gebildet wird, indem offene Enden (16) von zwei aus Kunststoffmaterial hergestellten Mantelbauelementen (12, 14) miteinander verbunden werden, wobei der Mantel (10) für den Hochdrucktank ferner aufweist: Flanschelemente (20), die in der Nähe der Verbindung (46) in diametraler Richtung nach außen vorstehen, wobei eine Verbindungsfestigkeit der Verbindung (46) größer als oder gleich einer Zugfestigkeit des Kunststoffmaterials ist.
Der Mantel (10) für den Hochdrucktank nach Anspruch 8, wobei, wenn eine Gesamtsumme einer Wanddicke (T1) der Mantelbauelemente (12, 14) und eines Vorsprungsbetrags (L2) der Flanschelemente (20) als Wanddicke der Verbindung (46) definiert ist, die Wanddicke der Verbindung (46) dem folgenden Konditionalausdruck (1) genügt: $\begin{array}{l} Wanddicke der Verbindung (46) \geq (Zugfestigkeit des \\ Kunstsoffmaterials/ Brunchspannung der Verbindung (46)) \times \\ Wanddicke (T 1) der Mantelbauelemente (12,14) \end{array}$
Der Mantel (10) für den Hochdrucktank nach Anspruch 8 oder 9, wobei an Eckabschnitten der Flanschelemente (20) ein R-Abschnitt (50) oder ein C-Abschnitt gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Mantels (10) für einen Hochdrucktank zum Erhalt des Mantels (10) für den Hochdrucktank durch Verbinden von zwei aus Kunststoffmaterial hergestellten Mantelbauelementen (12, 14), wobei die Mantelbauelemente (12, 14) Elemente sind, die jeweils ein Flanschelement (20) enthalten, das in der Nähe eines offenen Endes (16) vorgesehen ist und einen Bodenabschnitt (22), der in diametraler Richtung auswärts vorsteht, und einen Seitenabschnitt (24), der von dem Bodenabschnitt (22) zu einer Seite eines geschlossenen Endes (18) hin gebogen ist, enthält, wobei durch den Bodenabschnitt (22) und den Seitenabschnitt (24) eine ringförmige Vertiefung (26) definiert wird, wobei das Verfahren zur Herstellung eines Mantels (10) für den Hochdrucktank aufweist: einen Kontaktschritt zum Anordnen von Endflächen der offenen Enden (16) der zwei Mantelbauelemente (12, 14) in Kontakt miteinander; einen Verbindungsschritt zum Verbinden der Endflächen der offenen Enden (16) miteinander durch Schweißen, und um hierdurch eine Verbindung (46) zu erhalten; und einen Schneidschritt zum Schneiden der Bodenabschnitte (22) und der Seitenabschnitte (24) der Flanschelemente (20) derart, dass Teile der Bodenabschnitte (22) verbleiben, wobei die Flanschelemente (20) mit einem Vorsprungsbetrag (L2) verbleiben, wodurch eine Verbindungsfestigkeit der Verbindung (46) größer als oder gleich einer Kohäsions-Versagen-Festigkeit der Verbindung (46) wird.
Mantel (10) für einen Hochdrucktank, der eine Verbindung (46) aufweist, die gebildet wird, indem offene Enden (16) von zwei aus Kunststoffmaterial hergestellten Mantelbauelementen (12, 14) miteinander verbunden werden, wobei der Mantel (10) für den Hochdrucktank ferner aufweist: Flanschelemente (20), die in der Nähe der Verbindung (46) in diametraler Richtung nach außen vorstehen, wobei eine Verbindungsfestigkeit der Verbindung (46) größer als oder gleich einer Kohäsions-Versagen-Festigkeit der Verbindung (46) ist.