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CN111140766A - 高压容器 - Google Patents

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CN111140766A
CN111140766A CN201911060433.5A CN201911060433A CN111140766A CN 111140766 A CN111140766 A CN 111140766A CN 201911060433 A CN201911060433 A CN 201911060433A CN 111140766 A CN111140766 A CN 111140766A
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CN
China
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laminated
pressure vessel
spiral
laminated portion
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CN201911060433.5A
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English (en)
Inventor
梅津健太
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种高压容器。高压容器(10)具有内胆(12)，该内胆(12)包括主体部(16)和位于端部的收敛部(18a、18b)。在该内胆(12)的外壁上形成有作为纤维层的增强层(14)。该增强层(14)具有层叠低螺旋层(36)而成的内侧层叠部(30)、外侧层叠部(32)、和介设于这些内侧层叠部(30)与外侧层叠部(32)之间的中间层叠部(34)。中间层叠部(34)通过交替地形成至少一层环箍层(38)和至少一层高螺旋层(40)而构成。根据本发明，能够在实现轻量化和小型化的同时，确保耐压强度。

Description

高压容器
技术领域
本发明涉及一种在内胆(liner)的外壁上卷绕有纤维的高压容器。
背景技术
为了使燃料电池发电，需要向阳极供给氢气等燃料气体。因此，例如在搭载有燃料电池的燃料电池车中搭载用于填充氢气的高压容器。该高压容器由作为容器主体的内胆和围绕该内胆外壁的增强层构成。内胆由聚酰胺或高密度聚乙烯等树脂材料构成，增强层例如由纤维增强树脂(FRP)构成。
由FRP构成的增强层一般通过将含浸了树脂的增强纤维在内胆的外壁上多次卷绕后，利用加热使所述树脂固化而形成。在此，通过增强纤维的卷绕方向的不同，形成环箍层(hoop layer)、螺旋层(helical layer)。从充分确保内胆的耐压强度的观点出发，研究了各种应该在增强层的哪个部分形成环箍层、螺旋层的方式。例如，在日本发明专利公开公报特开2010-249147号中，提出了一种方式，即将增强层的内周侧(日本发明专利公开公报特开2010-249147号中所说的“FRP层的内侧层”)仅设为相对于高压容器的长度方向以规定的角度倾斜的螺旋层。
发明内容
对于高压容器的端部、即收敛部，无法卷绕倾斜角度大的高螺旋层。因此，在日本发明专利公开公报特开2010-249147号记载的现有技术中，构成为将高螺旋层和倾斜角度小的低螺旋层交替卷绕。但是，实际上难以交替地卷绕倾斜角度差异较大的螺旋层，需要在螺旋层之间插入被称为过渡层(transit layer)的层。由于该过渡层对耐压强度没有任何帮助，因此，即使增加增强纤维的层数(增强层的厚度)而使高压容器大型化，也无法期待确保由过渡层带来的耐压强度。
本发明的主要目的在于，提供一种能够在实现轻量化和小型化的同时，确保耐压强度的高压容器。
根据本发明的一技术方案，提供一种高压容器，其具有内胆且通过在所述内胆的外壁上卷绕多圈纤维而形成有纤维层，其中所述内胆具有主体部(壳体部)和位于端部的收敛部，其特征在于，
所述纤维层在作为卷绕起点的内周侧和作为卷绕终点的外周侧分别具有层叠低螺旋层而成的内侧层叠部和外侧层叠部，
并且，在所述内侧层叠部与所述外侧层叠部之间介设有中间层叠部，该中间层叠部通过交替地形成至少一层环箍层和至少一层高螺旋层而构成，其中，至少一层所述高螺旋层相对于所述主体部的长度方向的倾斜角度大于所述低螺旋层相对于所述主体部的长度方向的倾斜角度。
构成内侧层叠部或外侧层叠部的低螺旋层充分覆盖收敛部。因此，能够确保收敛部的耐压强度。另一方面，中间层叠部的特别是环箍层有助于确保主体部的耐压强度。
并且，由于仅由低螺旋层构成内侧层叠部和外侧层叠部，因此，不需要在这些内侧层叠部和外侧层叠部中设置过渡层。这是因为，由于在内侧层叠部内和外侧层叠部内倾斜角度没有较大差异，因此，卷绕也不会变得困难。另外，由于环箍层和高螺旋层的倾斜角度也没有较大差异，因此，在中间层叠部也不需要特别设置过渡层。
这样，在本发明中，能够减少对耐压强度没有帮助的过渡层。相应地避免了纤维层的厚度变大，因此，能够实现高压容器的小型化和轻量化。
环箍层(或高螺旋层)相对于高压容器的长度方向的交叉角度与低螺旋层相对于高压容器的长度方向的交叉角度差异较大。因此，优选随着层数增加而增大构成内侧层叠部的低螺旋层的倾斜角度。据此，能够减小内侧层叠部的最上方的低螺旋层与中间层叠部的最下方的层的角度差。因此，在卷绕纤维时，容易从内侧层叠部向中间层叠部转移。
基于同样的理由，优选随着层数增加而减小构成外侧层叠部的低螺旋层的倾斜角度。这是因为，在该情况下，能够减小中间层叠部的最上方的层与外侧层叠部的最下方的低螺旋层的角度差，因此，在卷绕纤维时，容易从中间层叠部向外侧层叠部转移。
另外，优选将构成内侧层叠部或外侧层叠部且彼此相邻的低螺旋层彼此的倾斜角度的差设为20°以下。在这样构成的情况下，即使在反复循环进行高压流体的放出和填充时、或对高压容器施加了较大的冲击时，在低螺旋层彼此之间也不容易引起层间剥离。因此，也能够在长期且在施加冲击时维持耐压强度。
并且，优选使构成内侧层叠部的低螺旋层的倾斜角度的变化和构成外侧层叠部的低螺旋层的倾斜角度的变化大致对称。通过这样设定，能够将两端的收敛部的耐压强度确保为大致相同程度。
并且，优选构成中间层叠部的环箍层的端部随着该中间层叠部的层数增加而向远离收敛部的方向移动。
如上述那样构成的高压容器例如适合作为被搭载于燃料电池车中并储存向燃料电池的阳极电极供给的氢气的容器。
根据本发明，由低螺旋层构成内侧层叠部和外侧层叠部，来确保收敛部的耐压强度，另一方面，由中间层叠部的特别是环箍层确保主体部的耐压强度。另外，由于不需要特别地在内侧层叠部、中间层叠部和外侧层叠部分别设置过渡层，因此，相应地避免了纤维层的厚度变大，因此，能够实现高压容器的小型化和轻量化。
如上所述，通过采用上述结构，能够在实现高压容器的轻量化和小型化的同时确保耐压强度。
通过参照附图对以下实施方式所做的说明，上述的目的、特征及优点应易于被理解。
附图说明
图1是沿着本发明的实施方式所涉及的高压容器的长度方向的概略整体剖视图。
图2是表示增强层的详细情况的主要部分放大剖视图。
图3是表示以低螺旋卷绕将含浸树脂卷绕于内胆的状态的概略立体图。
图4是表示以高螺旋卷绕将含浸树脂卷绕于内胆的状态的概略立体图。
图5是表示以倾斜角度比图4更大的高螺旋卷绕将含浸树脂卷绕于内胆的状态的概略立体图。
图6是表示含浸有树脂的增强纤维的倾斜角度变化的图表。
图7是从图6中摘取出内侧层叠部和外侧层叠部后所得到的图表。
具体实施方式
下面，列举本发明所涉及的高压容器的优选实施方式，参照附图详细地进行说明。
图1是延着本实施方式所涉及的高压容器10的长度方向的概略整体剖视图。该高压容器10例如与燃料电池一起被搭载在燃料电池车上，并通过高压来填充向所述燃料电池的阳极供给的氢气。
高压容器10具有内胆12和覆盖该内胆12的增强层14(纤维层)。其中的内胆12例如由表现出氢阻隔性的高密度聚乙烯(HDPE)树脂构成。在该情况下，HDPE树脂由于便宜且容易加工，因此具有能够以低成本且容易地制作内胆12的优点。另外，由于HDPE树脂的强度和刚性优异，因此，可确保内胆12具有充分的耐压性。
内胆12具有中空的主体部16、第一圆顶部18a和第二圆顶部18b，其中，中空的主体部16呈大致圆筒形状；第一圆顶部18a和第二圆顶部18b被设置于该主体部16的两端并作为逐渐收敛的收敛部。在本实施方式中，主体部16的内径和外径大致固定，但也可以使主体部16随着朝向第一圆顶部18a和第二圆顶部18b而呈锥状地缩径或扩径。
在第一圆顶部18a和第二圆顶部18b上分别形成有开口20a和开口20b。在这些开口20a和开口20b的至少任一方上设置有接头22a和接头22b，该接头22a和接头22b连接用于向阳极供给氢气的配管或用于从氢补给源补给氢气的配管(未图示)。接头22a和接头22b的顶端从增强层14露出。
增强层14由在增强纤维中含浸有树脂基材的纤维增强树脂(FRP)形成。即，增强层14是通过如下方法形成的层叠体，即，该方法为：在通过公知的纤维卷绕(Filamentwinding)法将含浸有树脂的增强纤维(以下，也记作“含浸纤维”)卷绕多圈之后，例如利用加热使所述树脂固化。因此，如图2所示，增强层14具有在含浸纤维的卷绕起点形成的内周侧的内侧层叠部30、在卷绕终点形成的外周侧的外侧层叠部32、和介设于内侧层叠部30与外侧层叠部32之间的中间层叠部34。此外，图2中的单点划线表示第一圆顶部18a与主体部16的边界。
内侧层叠部30和外侧层叠部32由通过低螺旋卷绕含浸纤维而形成的低螺旋层36的层叠体构成。在此，如图3所示，螺旋卷绕是指将含浸纤维以其延伸方向相对于内胆12的主体部16的长度方向以规定的倾斜角度θ倾斜的方式进行卷绕的卷绕方法。在本说明书中，“低螺旋卷绕”是指倾斜角度θ为约40°以下的情况。在图3中，例示了倾斜角度θ为约10°的情况。另外，本说明书中的“高螺旋卷绕”是指倾斜角度超过约40°的情况。
图4和图5分别表示将倾斜角度θ设为约50°、约75°而卷绕了含浸纤维的情况。对比图3～图5可知，倾斜角度越大则第一圆顶部18a(或第二圆顶部18b)的露出面积越大，换言之，在高螺旋卷绕下，难以用含浸纤维覆盖第一圆顶部18a(或第二圆顶部18b)。
在本实施方式中，如上所述，由低螺旋层36的层叠体构成内侧层叠部30和外侧层叠部32。因此，第一圆顶部18a和第二圆顶部18b被含浸纤维覆盖，其露出面积与高螺旋卷绕时相比变得微小(参照图3)。因此，确保了第一圆顶部18a和第二圆顶部18b的耐压强度。
介设于内侧层叠部30与外侧层叠部32之间的中间层叠部34是环箍层38和高螺旋层40的混合层叠体，其中，环箍层38通过环向卷绕含浸纤维而形成；高螺旋层40通过高螺旋卷绕含浸纤维而形成。此外，环向卷绕是如下这样的卷绕方法，即，将含浸纤维以其延伸方向与内胆12的主体部16的长度方向大致正交的方式进行卷绕。通过该中间层叠部34、特别是环箍层38，确保了主体部16的耐压强度。
环箍层38和高螺旋层40交替层叠。即，例如环箍层38、高螺旋层40、环箍层38、高螺旋层40和环箍层38的反复层叠。也可以代替于此，在层叠多个环箍层38之后层叠多个高螺旋层40，然后层叠多个环箍层38。换言之，“交替”不仅包括按照每一层切换环箍层38和高螺旋层40的情况，还包括反复进行如下动作的情况，即在形成多个环箍层38之后形成多个高螺旋层40。结果，中间层叠部34通过交替地形成至少一层环箍层38和至少一层高螺旋层40而构成。
在该情况下，中间层叠部34的卷绕起点和卷绕终点为环箍层38。即，通过环箍层38的存在来识别内侧层叠部30与中间层叠部34的边界和中间层叠部34与外侧层叠部32的边界。此外，优选在内侧层的最上方的低螺旋层36与环箍层38(中间层叠部34的最下层)之间和环箍层38(中间层叠部34的最上层)与外侧层的最下方的低螺旋层36之间设置过渡层。
高螺旋层40的一部分被卷绕于第一圆顶部18a或第二圆顶部18b。因此，如图2所示，环箍层38的端部随着中间层叠部34的层数增加而向远离第一圆顶部18a或第二圆顶部18b的方向移动。
图6以层数为横轴示出了如上述那样构成的增强层14中的含浸纤维的倾斜角度θ的变化的一例。然而，这里忽略了过渡层。
由该图6可知，在本实施方式中，随着层数增加而增大构成内侧层叠部30的低螺旋层36的倾斜角度θ。即，内侧层叠部30的最上方的低螺旋层36的倾斜角度θ与中间层叠部34的最下方的高螺旋层40的倾斜角度θ的差异较小。因此，不需要在内侧层叠部30与中间层叠部34之间设置对耐压强度没有帮助的过渡层。据此，能够避免增强层14的厚度变大或由此引起的高压容器10大型化且重量变大的情况。
另外，随着层数增加，构成外侧层叠部32的低螺旋层36的倾斜角度θ变小。因此，中间层叠部34的最上方的高螺旋层40的倾斜角度θ与外侧层叠部32的最下方的低螺旋层36的倾斜角度θ的差异较小。因此，由于不需要在中间层叠部34与外侧层叠部32之间设置过渡层，因此，能够避免增强层14的厚度变厚、高压容器10大型化且重量变大。
另外，在内侧层叠部30和外侧层叠部32中，相邻的低螺旋层36彼此的倾斜角度θ的差被设定为20°以下。即，在内侧层叠部30和外侧层叠部32中，低螺旋层36的倾斜角度θ逐渐变化。因此，能够避免因从外部对增强层14施加负荷(载荷)而在层间发生剥离的情况。
根据以上这样的理由，如从图6中摘取出内侧层叠部30和外侧层叠部32而表示的图7所示，内侧层叠部30中的低螺旋层36的倾斜角度θ的变化和外侧层叠部32中的低螺旋层36的倾斜角度θ的变化大致对称。
在此，不需要特别地按照低螺旋层36的每一层改变倾斜角度，也可以在至少形成一层倾斜角度相同的低螺旋层36之后，至少形成一层倾斜角度不同的低螺旋层36。在该情况下，“彼此相邻的低螺旋层36彼此的倾斜角度的差异”是指彼此相邻且倾斜角度不同的低螺旋层36彼此。
并且，在如上述那样设定倾斜角度θ的差异的情况下，在反复循环进行高压氢气的放出和填充时、或对高压容器10施加了较大的冲击时，不容易引起低螺旋层36彼此之间的剥离、即层间剥离。因此，也能够长期且在施加冲击时维持由增强层14确保的耐压强度。总之，成为循环特性和耐冲击特性优异的高压容器10。
如上所述，根据本实施方式，能够在减少过渡层的层数的同时确保第一圆顶部18a和第二圆顶部18b的耐压强度，因此，能够实现高压容器10的轻量化和小型化，并且能够实现基于纤维卷绕的生产率的提高。另外，能够利用内侧层叠部30和外侧层叠部32的低螺旋层36确保第一圆顶部18a和第二圆顶部18b的耐压强度，另一方面，能够利用中间层叠部34、特别是环箍层38确保主体部16的耐压强度。结果，能够在实现高压容器10的轻量化和小型化的同时，确保该高压容器10的耐压强度。
本发明不特别限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。
例如，也可以将该高压容器10用于搭载于燃料电池车的用途以外的其他方面。

Claims (7)

1.一种高压容器(10)，其具有内胆(12)且通过在所述内胆的外壁上卷绕多圈纤维而形成有纤维层(14)，其中所述内胆具有主体部(16)和位于端部的收敛部(18a、18b)，其特征在于，
所述纤维层在作为卷绕起点的内周侧和作为卷绕终点的外周侧分别具有层叠低螺旋层而成的内侧层叠部(30)和外侧层叠部(32)，并且，在所述内侧层叠部与所述外侧层叠部之间介设有中间层叠部(34)，该中间层叠部(34)通过交替地形成至少一层的环箍层(38)和至少一层的高螺旋层(40)而构成，其中，至少一层的所述高螺旋层相对于所述主体部的长度方向的倾斜角度大于所述低螺旋层相对于所述主体部的长度方向的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，
构成所述内侧层叠部的所述低螺旋层的倾斜角度随着层数增加而变大。
3.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，
构成所述外侧层叠部的所述低螺旋层的倾斜角度随着层数增加而变小。
4.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，
构成所述内侧层叠部或所述外侧层叠部且彼此相邻的所述低螺旋层彼此的倾斜角度的差为20°以下。
5.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，
构成所述内侧层叠部的所述低螺旋层的倾斜角度的变化和构成所述外侧层叠部的所述低螺旋层的倾斜角度的变化大致对称。
6.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，
构成所述中间层叠部的所述环箍层的端部随着所述中间层叠部的层数增加而向远离所述收敛部的方向移动。
7.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，
所述高压容器被搭载于燃料电池车。
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