DE102021104476A1

DE102021104476A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks und Hochdrucktank

Info

Publication number: DE102021104476A1
Application number: DE102021104476.6A
Authority: DE
Inventors: Ken Hatta
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: JP7322780B2; US12304160B2; DE102021104476B4; US20210299977A1; CN113446507A; JP2021154639A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks umfasst: Ausbilden eines Vorformlings (30) durch Wickeln einer Kohlenstofffaser (13a) um eine Auskleidung (11), um eine Faserschicht (13) an einem Außenumfang der Auskleidung (11) zu bilden; und Imprägnieren der Faserschicht (13) des Vorformlings (30) mit einem härtbaren Harz und Härten des härtbaren Harzes. Beim Wickeln der Kohlenstofffaser (13a) um die Auskleidung (11) wird ein Metalldraht (13b) zusammen mit der Kohlenstofffaser (13a) um die Auskleidung (11) gewickelt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Hochdrucktanks, die mit einer harzimprägnierten Faserschicht verstärkt sind, und Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks.
Beschreibung des Standes der Technik
Hochdrucktanks für Brennstoffzellenfahrzeuge haben eine Auskleidung, die den Innenraum des Hochdrucktanks bildet. Eine harzimprägnierte Faserschicht bedeckt die äußere Oberfläche der Auskleidung und dient als Verstärkungsschicht, die eine hohe Festigkeit bietet. Zum Beispiel offenbaren die japanischen Patentanmeldungen JP 2008- 132 717 A , JP 2012- 148 544 A , JP 2018- 012 235 A , JP 2019- 056 415 A und JP 2019- 059 176 A ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hochdrucktanks.
Die JP 2008- 132 717 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärktem Kunststoff. Bei diesem Verfahren wird ein Metallkern mit Fasern bedeckt und die den Metallkern bedeckenden Fasern werden mit einem Matrixharz imprägniert, oder der Metallkern wird mit Fasern bedeckt, die mit dem Matrixharz imprägniert sind. Danach wird das Matrixharz durch Erhitzen vorgehärtet und anschließend durch Erhitzen bei einer Temperatur, die höher ist als die Heiztemperatur für das Vorhärten, nachgehärtet. Der Metallkern besteht aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt, der höher als die Heiztemperatur für das Vorhärten und gleich oder niedriger als die Heiztemperatur für das Nachhärten ist.
Die JP 2012 - 148 544 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks mit einem Stapel von Faserschichten, die im Voraus mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert wurden. Bei diesem Verfahren wird eine Spule aus einem Kupferdraht usw. sowohl um die Innenseite als auch um die Außenseite der Harzschicht gewickelt, und ein Strom wird an den Kupferdraht angelegt, um ein wärmehärtendes Harz zu erhitzen.
Die JP 2018 - 012 235 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks mit einem Stapel von Faserschichten, die im Voraus mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert wurden. Bei diesem Verfahren wird eine dünne Platte aus rostfreiem Stahl oder Kupfer in der Faserschicht an einer Position am Ende der Wicklung der Harzfaser angeordnet. Diese dünne Platte wird erhitzt, um das Harz auszuhärten.
Die JP 2019 - 056 415 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks. Bei diesem Verfahren wird ein Vorformling, der aus einer Auskleidung, die den Innenraum des Hochdrucktanks definiert, und einer Faserschicht, die auf der Außenfläche der Auskleidung ausgebildet ist, besteht, in eine Form gelegt. Die Faserschicht wird mit einem Harz imprägniert, indem des Vorformlings in Umfangsrichtung um die Mittelachse des Vorformlings innerhalb der Form gedreht wird, während das Harz in Richtung des in der Form platzierten Vorformlings injiziert wird.
Die JP 2019 - 059 176 A offenbart ein Verfahren zum Imprägnieren einer geformten Faserschicht mit einem Harz. Bei dieser Technik werden Faserbündel mit unterschiedlichen Dicken verwendet, um eine Faserschicht zu bilden, so dass Hohlräume in der Faserschicht gebildet werden. Ein Harz, das durch diese Hohlräume hindurchgeht, erleichtert die Permeation des Harzes in die Faserschicht.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Beim Spritzpressen bzw. Resin Transfer Molding (RTM) wird eine Faserschicht eines Vorformlings (Bauteil, das aus einer Auskleidung und einer darauf gebildeten Faserschicht besteht) mit einer Harzzusammensetzung imprägniert und anschließend ausgehärtet, um eine Verstärkungsschicht zu bilden. Beim RTM ist eine gleichmäßige Harzimprägnierung je nach Dicke und Form der Faserschicht manchmal schwierig. Dieses Problem ist insbesondere bei Hochdrucktanks für Brennstoffzellenfahrzeuge von Bedeutung, da eine Faserschicht für solche Hochdrucktanks dick ist und eine zylindrische Form hat, die in axialer Richtung lang ist, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten.
Das Einspritzen eines Harzes in einen Vorformling für solche Hochdrucktanks unter hohem Druck kann eine Auskleidung usw. aufgrund des Drucks verformen oder erfordert eine umfangreiche Anlage. Das Imprägnieren der Faserschicht mit dem Harz in einem hochflüssigen Zustand verringert die Produktivität, da das Aushärten des Harzes Zeit in Anspruch nimmt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks bereit, mit dem eine qualitativ hochwertige Imprägnierung erreicht werden kann, während die Verringerung der Produktivität beim Imprägnieren einer Faserschicht mit einem Harz begrenzt wird. Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Hochdrucktank bereit, der durch das Herstellungsverfahren hergestellt wird.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks bereit. Das Verfahren umfasst: Ausbilden eines Vorformlings durch Wickeln einer Kohlenstofffaser um eine Auskleidung, um eine Faserschicht an einem Außenumfang der Auskleidung zu bilden; und Imprägnieren der Faserschicht des Vorformlings mit einem härtbaren Harz und Härten des härtbaren Harzes. Beim Wickeln der Kohlenstofffaser um die Auskleidung wird ein Metalldraht zusammen mit der Kohlenstofffaser um die Auskleidung gewickelt.
In dem obigen Aspekt können die Kohlenstofffaser und der Metalldraht unter Verwendung einer einzigen Mehrfachfilament- bzw. Mehrfaden-Wickelmaschine gewickelt werden.
In dem obigen Aspekt können die Kohlenstofffaser und der Metalldraht gewickelt werden, indem der Auskleidung nacheinander durch eine Mehrzahl von Mehrfachfilament- bzw. Mehrfaden-Wickelmaschinen geführt wird.
In dem obigen Aspekt kann der Metalldraht aus einem Metall mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von 5,0 µΩcm oder weniger bestehen.
In dem obigen Aspekt kann der Metalldraht aus einem Metall mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von mehr als 5,0 µΩcm bestehen.
In dem obigen Aspekt kann der Metalldraht an einer Position in der Faserschicht angeordnet werden, wobei die Position näher an der Auskleidung liegt als eine mittlere Position der Faserschicht in einer Dickenrichtung.
In dem obigen Aspekt kann ein Strom an den Metalldraht angelegt werden, nachdem die Faserschicht des Vorformlings mit dem härtbaren Harz imprägniert wurde.
In dem obigen Aspekt kann der Strom an den Metalldraht angelegt werden, wenn das härtbare Harz eine maximale exotherme Härtungstemperatur erreicht.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Hochdrucktank bereit. Der Hochdrucktank umfasst: eine hohle Auskleidung; und eine Verstärkungsschicht, die eine Faserschicht und ein Harz umfasst, mit dem die Faserschicht imprägniert worden ist, wobei die Faserschicht eine Kohlenstofffaser und einen Metalldraht umfasst, die beide um die Auskleidung gewickelt sind. Der Metalldraht ist nur an einer Position in der Faserschicht angeordnet, wobei die Position näher an der Auskleidung liegt als eine mittlere Position der Faserschicht in einer Dickenrichtung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine qualitativ hochwertige Imprägnierung erreicht, während die Verringerung der Produktivität begrenzt wird, und ein qualitativ hochwertiger Hochdrucktank kann hergestellt werden, während die Herstellungskosten reduziert werden.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, hierbei zeigt:

1 schematisch das Aussehen eines Hochdrucktanks 10;
2A eine Schnittdarstellung des Hochdrucktanks 10;
2B eine vergrößerte Teilansicht des in 2A gezeigten Schnittes des Hochdrucktanks 10;
3A eine Darstellung zur Veranschaulichung der Anordnung eines Metalldrahtes 13b;
3B eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung der Anordnung des Metalldrahtes 13b;
4 wie der Metalldraht 13b gewickelt wird;
5 ein Flussdiagramm eines Hochdrucktank-Herstellungsverfahrens S10;
6A eine Darstellung zur Veranschaulichung des Schrittes S11 des Ausbildens einer Faserschicht;
6B eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung des Schrittes S11 des Ausbildens einer Faserschicht;
7A eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Form 45;
7B eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung der Form 45;
8 den Schritt S13 des Zuführens oder Beendens des Zuführens einer Harzzusammensetzung;
9 den Schritt S14 des Anlegens eines Stroms;
10 einen Graph, der ein Beispiel für den zeitlichen Ablauf des Beginns des Anlegens des Stroms zeigt; und
11 den Schritt S21 der Ausbildung einer Faserschicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Aufbau eines Hochdrucktanks
1 zeigt schematisch das Aussehen eines Hochdrucktanks 10 gemäß einer ersten Ausführungsform, und 2A zeigt schematisch einen Schnitt durch den Hochdrucktank 10 entlang einer Achse. 2B zeigt einen Teil des Schnitts von 2A, der den Schichtaufbau des Hochdrucktanks 10 verdeutlicht. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, umfasst der Hochdrucktank 10 eine Auskleidung 11, eine Verstärkungsschicht 12, eine Schutzschicht 15 und Kappen 16. Der Aufbau dieser Komponenten wird im Folgenden beschrieben.
Auskleidung
Die Auskleidung 11 ist ein Hohlkörper, der den Innenraum des Hochdrucktanks 10 definiert. Die Auskleidung kann aus einem beliebigen Material bestehen, das den Inhalt (z.B. Wasserstoff) des Innenraums aufnehmen kann, ohne undicht zu werden, und es kann ein bekanntes Material verwendet werden. Beispiele für das Material sind Nylonharze, Polyethylen-Kunstharze und Metalle wie rostfreier Stahl und Aluminium. Die Dicke der Auskleidung 11 ist nicht besonders begrenzt, beträgt aber vorzugsweise 0,5 mm bis 1,0 mm.
Verstärkungsschicht
Die Verstärkungsschicht 12 umfasst eine Faserschicht 13 und ein Harz, mit dem die Faserschicht 13 imprägniert und ausgehärtet wurde. Die Faserschicht 13 besteht aus einem Faserbündel 13a, das in mehreren Lagen bis zu einer vorgegebenen Dicke um die Auskleidung 11 gewickelt ist, und einem Metalldraht 13b, der um einen Teil der Schicht des Faserbündels 13a gewickelt ist. Die Dicke der Verstärkungsschicht 12 beträgt etwa 10 mm bis 30 mm, wird jedoch durch die erforderliche Festigkeit bestimmt und ist nicht besonders begrenzt. Insbesondere bei Hochdrucktanks für Brennstoffzellenfahrzeuge ist eine dicke Verstärkungsschicht für eine ausreichende Festigkeit erforderlich. Die Hochdrucktanks für Brennstoffzellenfahrzeuge haben daher eine dicke Faserschicht, und es ist schwierig, die Faserschicht mit einem Harz zu imprägnieren. Eine Hälfte der Dicke der Faserschicht 13 auf der Seite der Auskleidung 11 wird auch als „Innenschichtseite“ bezeichnet, und die gegenüberliegende (äußere) Hälfte der Dicke der Faserschicht 13 von der Auskleidung 11 wird auch als „Außenschichtseite“ bezeichnet.
Das Faserbündel 13a der Faserschicht 13 besteht aus Kohlenstofffasern. Das Faserbündel 13a ist ein Kohlenstofffaserstreifen, der durch Bündeln von Kohlenstofffasern gebildet wird und eine vorbestimmte Querschnittsform (z.B. einen rechteckigen Querschnitt) aufweist. Insbesondere ist die Querschnittsform ein Rechteck mit einer Breite von ca. 6 mm bis 9 mm und einer Dicke von ca. 0,1 mm bis 0,15 mm, aber nicht darauf beschränkt. Die Anzahl der Kohlenstofffasern in dem Faserbündel 13a ist beispielsweise etwa 36.000, aber nicht darauf beschränkt. Ein solches Kohlenstofffaserbündel 13a wird um die Auskleidung 11 gewickelt, um die Faserschicht 13 zu bilden.
Der Metalldraht 13b der Faserschicht 13 besteht aus einem leitfähigen Metall, insbesondere einem Metall mit niedrigem elektrischem Widerstand, da in der vorliegenden Ausführungsform ein Strom an den Metalldraht 13b angelegt wird, um die Kohlenstofffasern des Faserbündels 13a induktiv zu erwärmen, wie später beschrieben wird. Insbesondere ist das Metall für den Metalldraht 13b vorzugsweise ein Material, das üblicherweise für leitende Drähte verwendet wird und das einen spezifischen Durchgangswiderstand von 5,0 µΩcm oder weniger bei 100°C hat, wie z.B. Kupfer.
Der Metalldraht 13b ist auf der Innenschichtseite der Faserschicht 13 angeordnet und wird vorzugsweise in der Schicht angeordnet, die der Auskleidung 11 am nächsten ist (die erste Schicht, eine Schicht in Kontakt mit der Auskleidung 11). 3A und 3B zeigen durch verdeckte Umrisse schematisch den Metalldraht 13b, der um die Auskleidung 11 gewickelt ist. Da der Metalldraht 13b, wie oben beschrieben, in der Innenschichtseite der Faserschicht 13 angeordnet ist, ist der Metalldraht 13b von außen nicht zu sehen. Der Metalldraht 13b ist jedoch der Einfachheit halber durch gestrichelte Linien in 3A und 3B dargestellt. 3A zeigt das Aussehen des Hochdrucktanks 10, und 3B zeigt einen Schnitt durch den Hochdrucktank 10. 4 ist eine Draufsicht auf den Metalldraht 13b, der zusammen mit dem Faserbündel 13a gewickelt ist, von außen gesehen. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, ist der Metalldraht 13b spiral- bzw. schraubenförmig um die Auskleidung 11 gewickelt. Die Kohlenstofffasern der Faserschicht 13 können daher durch Anlegen eines Stroms an diesen induktiv erwärmt werden, wie später noch beschrieben wird. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist der Metalldraht 13b so gewickelt, dass er abwechselnd über und unter benachbarten Faserbündeln 13a verläuft, wie beim Weben. Die Querschnittsform des Metalldrahtes 13b ist nicht besonders begrenzt und kann gleich oder unterschiedlich zu der des Faserbündels 13a sein. Vorzugsweise sind der Wickelwinkel des Faserbündels 13a und der Wickelwinkel des Metalldrahtes 13b gleich (in Phase). So können die Kohlenstofffasern durch den Metalldraht effektiver erwärmt werden.
Der Metalldraht 13b braucht nur zumindest auf der Innenschichtseite platziert werden. Der Metalldraht 13b kann nur in der Innenschichtseite platziert werden. Diese Konfiguration erleichtert die Aushärtung des Harzes, da die Außenschichtseite der mit dem Harz imprägnierten Faserschicht 13 durch eine Form und die Innenschichtseite davon durch Anlegen von Strom an den Metalldraht 13b effizient erwärmt wird, wie später beschrieben wird.
Das Harz, mit dem die Faserschicht 13 in der Verstärkungsschicht 12 imprägniert und ausgehärtet wurde, ist nicht besonders begrenzt, solange das Harz zunächst die Faserschicht 13 durchdringen kann, während es sich in einem flüssigen Zustand befindet, und dann durch irgendein Verfahren ausgehärtet werden kann, um die Festigkeit der Faserschicht 13 zu erhöhen. Beispiele für das Harz umfassen wärmehärtende Harze, die durch Wärme gehärtet werden, wie Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze usw., die einen Härtungsbeschleuniger auf Amin- oder Anhydridbasis und ein Verstärkungsmittel auf Kautschukbasis enthalten. Andere Beispiele für das Harz sind Harzzusammensetzungen, die ein Epoxidharz als Basisharz enthalten und durch Zugabe eines Härtungsmittels ausgehärtet werden. In diesem Fall wird die Harzzusammensetzung automatisch gehärtet, indem das Basisharz und das Härtungsmittel gemischt werden und die Mischung, d.h. die Harzzusammensetzung, die Faserschicht erreicht und durchdringt, wenn die Mischung ausgehärtet ist.
Schutzschicht
Die Schutzschicht 15 ist auf dem äußeren Umfang der Verstärkungsschicht 12 angeordnet. Die Schutzschicht 15 ist eine Schicht, die gebildet wird, indem Glasfasern um die Verstärkungsschicht 12 gewickelt werden und die entstandene Glasfaserschicht mit einem Harz imprägniert wird. Das Harz, mit dem die Schutzschicht 15 imprägniert wird, kann das gleiche sein wie das der Verstärkungsschicht 12. Der Hochdrucktank 10 kann dadurch schlagfest sein. Die Dicke der Schutzschicht 15 ist nicht besonders begrenzt, kann aber etwa 1,0 mm bis 1,5 mm betragen.
Kappe
Die Kappen 16 sind Elemente, die an zwei offenen Enden der Auskleidung 11 angebracht sind. Eine der Kappen 16 fungiert als Öffnung für die Kommunikation zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Hochdrucktanks 10 und fungiert als Befestigungsteil zum Anbringen eines Rohrs oder eines Ventils am Hochdrucktank 10. Die Kappen 16 fungieren auch als Befestigungsabschnitte zum Anbringen der Auskleidung 11 an einem Mehrfach-Filamentwickler bzw. Mehrfadenwickler, der später beschrieben wird, wenn die Verstärkungsschicht 12 gebildet wird.
Aufbau des Vorformlings
Ein Vorformling 30 ist ein Zwischenelement, das schließlich zum Hochdrucktank 10 wird. Der Vorformling 30 besteht zumindest aus der Auskleidung 11 und der Faserschicht 13. Der Vorformling 30 ist also ein Bauteil, bevor die Faserschicht 13 der Verstärkungsschicht 12 mit dem Harz imprägniert wird. Die Konfigurationen, die in dem Vorformling 30 enthalten sind, ähneln daher denen, die oben beschrieben wurden, und ihre Beschreibung wird hier weggelassen. Obwohl der hier beschriebene Vorformling 30 die Auskleidung 11 mit der darauf angeordneten Faserschicht 13 ist, kann der Vorformling 30 die Auskleidung 11 mit den Glasfasern für die Schutzschicht 15 sein, die weiter auf der Faserschicht 13 angeordnet sind.
Erstes Herstellungsverfahren
5 ist ein Flussdiagramm eines Hochdrucktank-Herstellungsverfahrens S10 gemäß einer Ausführungsform. Wie aus 5 ersichtlich ist, umfasst das Hochdrucktank-Herstellungsverfahren S10 den Schritt S11 des Ausbildens einer Faserschicht, den Schritt S12 des Anordnens eines Vorformlings in einer Form und des Evakuierens eines Formhohlraums, den Schritt S13 des Zuführens und Beendens des Zuführens einer Harzzusammensetzung, den Schritt S14 des Anlegens eines Stroms und den Schritt S15 des Lösens des Vorformlings. Diese Schritte werden im Folgenden beschrieben.
Schritt S11 des Ausbildens einer Faserschicht
In Schritt S11 des Ausbildens einer Faserschicht (im Folgenden auch als „Schritt S11“ bezeichnet) wird die Faserschicht 13 auf dem Außenumfang der Auskleidung 11 gebildet, um den Vorformling 30 herzustellen. 6A und 6B veranschaulichen den Schritt S11. 6A zeigt schematisch, wie das Faserbündel 13a und der Metalldraht 13b gewickelt werden, um eine Schicht mit dem Metalldraht 13b zu bilden, und 6B zeigt schematisch, wie das Faserbündel 13a gewickelt wird, um eine Schicht ohne den Metalldraht 13b zu bilden.
Wie aus den 6A und 6B ersichtlich ist, wird in der vorliegenden Ausführungsform die Faserschicht 13 durch ein Filament-Wickelverfahren gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Faserschicht 13 unter Verwendung einer einzelnen Mehrfaden-Wickelmaschine (im Folgenden auch als „Mehrfach-FW-Maschine“ bezeichnet) mit einer Mehrzahl von Faserbündelspulen 40 gebildet, die um den Außenumfang der Auskleidung 11 angeordnet sind. Die Faserbündelspulen 40 sind Spulen, auf die das Faserbündel 13a aufgewickelt ist.
Genauer gesagt wird, wie in 6A gezeigt, beim Bilden einer Schicht, die den Metalldraht 13b enthält, durch die Mehrfach-FW-Maschine, bei der die Faserbündelspulen 40 um die Auskleidung 11 herum angeordnet sind, mindestens eine der Faserbündelspulen 40 durch eine Metalldrahtspule 41 ersetzt, die eine Spule mit dem darauf gewickelten Metalldraht 13b ist. Das Faserbündel 13a und der Metalldraht 13b werden nacheinander von den Faserbündelspulen 40 und der Metalldrahtspule 41 zugeführt und um die Auskleidung 11 gewickelt. Das Wickelverfahren ist ein bekanntes Verfahren, aber zumindest der Metalldraht 13b wird wie oben beschrieben zu einer spiralförmigen Spulenform gewickelt. Da der Metalldraht 13b, wie oben beschrieben, in der Innenschichtseite der Faserschicht 13, die sich in der Nähe der Auskleidung 11 befindet, platziert wird, wird das Wickeln mit den Spulen einschließlich der Metalldrahtspule 41 in der frühen Phase des Wickelvorgangs durchgeführt (zu Beginn des Wickelvorgangs, wenn die innerste Schicht die Schicht ist, die den Metalldraht 13b enthält).
Wie in 6B gezeigt, sind bei der Bildung einer Lage, die den Metalldraht 13b nicht enthält, alle Spulen der Mehrfach-FW-Maschine die Faserbündelspulen 40, und das Faserbündel 13a wird nacheinander von den Faserbündelspulen 40 zugeführt und um die Auskleidung 11 gewickelt. Das Wickelverfahren ist ein bekanntes Verfahren. Die Mehrfach-FW-Maschine kann aus dem Zustand von 6A in den Zustand von 6B verändert werden, indem lediglich die Metalldrahtspule 41 durch die Faserbündelspule 40 ersetzt wird.
Die Anzahl der Spulen, die gleichzeitig an der Mehrfach-FW-Maschine angebracht werden können, ist nicht besonders begrenzt. Zum Beispiel können 48 Spulen an einer Mehrfach-FW-Maschine angebracht werden. Bei der Bildung einer Schicht mit dem Metalldraht 13b unter Verwendung einer solchen Mehrfach-FW-Maschine kann die Wicklung mit 47 Faserbündelspulen 40 und einer einzelnen Metalldrahtspule 41 durchgeführt werden, die um die Auskleidung 11 herum angeordnet sind.
Die Glasfasern für die Schutzschicht 15 können dann um die Faserschicht 13 gewickelt werden.
Schritt S12 des Anordnens des Vorformlings in einer Form und des Evakuierens eines Formhohlraums
In Schritt S12 des Anordnens des Vorformlings 30 in einer Form und des Evakuierens eines Formhohlraums (im Folgenden auch als „Schritt S12“ bezeichnet) wird der in Schritt S11 hergestellte Vorformling 30 in eine Form gelegt und ein Formhohlraum wird evakuiert. Dieses Evakuieren erleichtert das Eindringen bzw. die Permeation einer Harzzusammensetzung in die Faserschicht 13. Die Faserschicht 13 wird dadurch gleichmäßiger mit der Harzzusammensetzung imprägniert.
7A und 7B zeigen eine Form 45. 7A ist ein schematischer Explosionsschnitt der Form 45, die zusammen mit dem Vorformling 30 dargestellt ist, und 7B ist ein schematischer Schnitt durch die Form 45 mit dem darin angeordneten Vorformling 30. Die Form 45 ist eine Form zum Imprägnieren der Faserschicht 13 des Vorformlings 30 mit einem Harz. In der vorliegenden Ausführungsform hat die Form 45 eine obere Form 46 und eine untere Form 47. Durch Schließen der oberen Form 46 und der unteren Form 47 wird im Inneren der Form 45 ein Hohlraum gebildet, der der Form des Vorformlings 30 entspricht. Dieser Hohlraum kann evakuiert werden, um einen abgedichteten Raum zu bilden.
Die obere Form 46 kann sich relativ zur unteren Form 47 bewegen, wie durch einen geraden Pfeil in 7B gezeigt ist. Entsprechend kann der Vorformling 30 in die Form 45 eingelegt und aus der Form 45 entnommen (freigegeben) werden.
Die obere Form 46 hat einen Strömungsweg 46a, der sich von außen zur Faserschicht 13 des in die Form 45 eingelegten Vorformlings 30 erstreckt. Die Harzzusammensetzung wird in den Strömungsweg 46a eingeleitet, um der Faserschicht 13 die Harzzusammensetzung zuzuführen und die Faserschicht 13 mit der Harzzusammensetzung zu imprägnieren. Die Form 45 hat ferner einen nicht dargestellten Luftstromkanal zum Evakuieren des Hohlraums der Form 45.
Die Form 45 ist mit Stromanlege-Anschlussklemmen 45a versehen, so dass ein Strom an den Metalldraht 13b in der Faserschicht 13 des Vorformlings 30 angelegt werden kann.
Die Form 45 ist so konfiguriert, dass sie die Temperatur der Form 45 durch eine Temperatursteuerungsvorrichtung, die nicht dargestellt ist, auf einer gewünschten Temperatur halten kann.
Obwohl das Material für die Form 45 nicht besonders begrenzt ist, ist die Form 45 vorzugsweise aus einem Metall wie typische Formen hergestellt, und die Form 45 ist eine Metallform.
In Schritt S12 wird die Form 45 geöffnet, indem die obere Form 46 von der unteren Form 47 getrennt wird. Der Vorformling 30 wird auf die untere Form 47 gelegt, wobei seine Oberseite weitgehend freiliegt. Dann wird die obere Form 46 über der unteren Form 47 und den darauf angeordneten Vorformling 30 angeordnet, und die Form 45 wird geschlossen. Der Hohlraum der Form 45 wird dann mit einer Vakuumpumpe evakuiert. Das Evakuieren wird beendet, bevor die Harzzusammensetzung im folgenden Schritt der Faserschicht 13 zugeführt wird.
Schritt S13 des Zuführens und Beendens des Zuführens einer Harzzusammensetzung
In Schritt S13 des Zuführens und Beendens des Zuführens einer Harzzusammensetzung (im Folgenden auch als „Schritt S13“ bezeichnet) wird die Harzzusammensetzung vor dem Aushärten der Faserschicht 13 des in der Form 45 angeordneten Vorformlings 30 zugeführt, und die Zuführung wird gestoppt, sobald eine erforderliche Menge der Harzzusammensetzung zugeführt wurde. Die Faserschicht 13 wird so mit der Harzzusammensetzung imprägniert.
Die Harzzusammensetzung ist nicht besonders begrenzt, solange sie die Faserschicht erreichen und durchdringen kann, während sie sich in einem flüssigen Zustand befindet, und dann durch irgendein Verfahren ausgehärtet wird, um die Festigkeit der Faserschicht zu erhöhen. Beispiele für die Harzzusammensetzung umfassen wärmehärtende Harze, die durch Wärme gehärtet werden, wie Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze usw., die einen Härtungsbeschleuniger auf Amin- oder Anhydridbasis und ein Verstärkungsmittel auf Kautschukbasis enthalten. Andere Beispiele für die Harzzusammensetzung sind Harzzusammensetzungen, die ein Epoxidharz als Basisharz enthalten und die durch Zugabe eines Härtungsmittels gehärtet werden. In diesem Fall wird die Harzzusammensetzung automatisch ausgehärtet, indem das Basisharz und das Härtungsmittel gemischt werden und die Mischung, d.h. die Harzzusammensetzung, die Faserschicht 13 erreicht und durchdringt, wenn die Mischung ausgehärtet ist.
Wie später beschrieben wird, wird in der vorliegenden Erfindung ein Strom an den Metalldraht 13b angelegt, um die Kohlenstofffasern der Faserschicht 13 induktiv zu erwärmen. Dadurch wird das Aushärten der Harzzusammensetzung beschleunigt. Dementsprechend wird in Schritt S13 die Harzzusammensetzung in einem sehr flüssigen Zustand der Faserschicht 13 zugeführt, so dass die Faserschicht 13 schneller und zuverlässiger mit der Harzzusammensetzung imprägniert werden kann (schnelles Imprägnieren bis zu der Schicht, die in Kontakt mit der Auskleidung 11 steht).
Schritt S14 des Anlegens eines Stroms
In Schritt S14 des Anlegens eines Stroms wird, wie in 9 gezeigt, ein Strom an den Metalldraht 13b in der Faserschicht 13 unter Verwendung der Stromanlege-Anschlussklemmen 45a angelegt. Dadurch erwärmt der Metalldraht 13b, der als Heizspule fungiert, durch Induktion die Kohlenstofffasern, die ein induktives Material sind, das das Faserbündel 13a bildet, wodurch das Aushärten beschleunigt wird.
Die Innenschichtseite der Faserschicht 13, die sich in der Nähe der Auskleidung 11 befindet, wird tendenziell langsam ausgehärtet, da es Zeit braucht, bis die Wärme von der Form 45 zur Innenschichtseite der Faserschicht 13 geleitet wird. Da der Metalldraht 13b jedoch in der Innenschichtseite der Faserschicht 13 angeordnet ist, wird die Innenschichtseite der Faserschicht 13 durch Anlegen eines Stroms an den Metalldraht 13b erwärmt. Das Aushärten wird dadurch beschleunigt. Obwohl die Harzzusammensetzung in einem sehr flüssigen Zustand zugeführt wird, um die Faserschicht 13 in Schritt S13 gleichmäßiger mit der Harzzusammensetzung zu imprägnieren, wird das Aushärten durch Anlegen eines Stroms in Schritt S14 erleichtert. Dementsprechend werden sowohl die Imprägnierrate als auch die Aushärterate erhöht, was die Produktivität des Hochdrucktanks verbessert. Außerdem ist die Qualität des Hochdrucktanks ausreichend hoch, da eine zuverlässigere Imprägnierung und Aushärtung erreicht wird.
Der Zeitpunkt des Anlegens eines Stroms an den Metalldraht 13b zur Erwärmung ist nicht besonders begrenzt, aber das Anlegen des Stroms kann gestartet werden, wenn die Harzzusammensetzung ihre maximale exotherme Aushärtungstemperatur erreicht. Insbesondere wird ein Temperatursensor im Voraus auf der Auskleidung 11 platziert, um die Beziehung zwischen Zeit und Temperatur zu erhalten, wie in 10 gezeigt. Die Stromzufuhr (Heizung) kann gestartet werden, wenn die Harzzusammensetzung die maximale Temperatur P in 10 erreicht. Das Aushärten kann also gestartet werden, nachdem bestätigt wurde, dass die Faserschicht 13 ausreichend mit der Harzzusammensetzung imprägniert wurde, so dass die Wärme zur Seite der Auskleidung 11 geleitet werden kann. Die Imprägnierung wird somit zuverlässiger durchgeführt.
Schritt S15 des Lösens des Vorformlings
In Schritt S14 wird die Harzzusammensetzung gehärtet. Insbesondere wird die Harzzusammensetzung, mit der die Faserschicht 13 imprägniert wurde, ausgehärtet. Im anschließenden Schritt S15 des Lösens des Vorformlings 30 (im Folgenden auch als „Schritt S15“ bezeichnet) wird der harzimprägnierte Vorformling 30 aus der Form 45 gelöst. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Vorformling 30 aus der Form 45 gelöst, indem die Form 45 durch Trennen der oberen Form 46 von der unteren Form 47 geöffnet wird.
Auswirkungen usw.
Der harzimprägnierte Vorformling 30 wird durch das Herstellungsverfahren mit den oben beschriebenen Schritten hergestellt. Ein Hochdrucktank wird durch weiteres Ausbilden einer harzimprägnierten Glasfaserschicht auf dem harzimprägnierten Vorformling 30 hergestellt usw.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Imprägnierung der Faserschicht mit einem Harz durch das RTM-Imprägnierverfahren der Metalldraht, wie z.B. ein Kupferdraht, durch die Mehrfach-FW-Maschine um einen Teil der Kohlenstofffaserschicht in der Innenschichtseite der Faserschicht gewickelt, um eine Heizspule zu bilden. Dementsprechend kann die Faserschicht während der Imprägnierung mit dem Harz auch von der Innenschichtseite her erwärmt werden. So kann sowohl eine schnelle Imprägnierung als auch eine schnelle Aushärtung erreicht werden. Das heißt, die Faserschicht wird mit dem Harz imprägniert, indem die Harzzusammensetzung bei niedriger Temperatur (niedriger Viskosität) in die Faserschicht fließt, und die Harzzusammensetzung auf der Außenschichtseite wird durch die Wärme aus der Form gehärtet, und die Harzzusammensetzung auf der Innenschichtseite wird durch die Wärme aus der induktiv beheizten Faserschicht gehärtet. Auf diese Weise wird sowohl eine schnelle Aushärtung als auch eine zuverlässige Imprägnierung erreicht, und es kann ein leistungsstarker, hochwertiger Hochdrucktank mit reduzierten Kosten hergestellt werden.
Da in der vorliegenden Ausführungsform die durch den Metalldraht gebildete Heizspule eine Spule zur Induktionserwärmung ist, kann die gesamte Faserschicht erwärmt werden.
Zweites Herstellungsverfahren
Es wird ein Hochdrucktank-Herstellungsverfahren S20 gemäß einer weiteren Ausführungsform beschrieben. Das Hochdrucktank-Herstellungsverfahren S20 unterscheidet sich von dem oben unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Hochdrucktank-Herstellungsverfahren S10 dadurch, dass das Hochdrucktank-Herstellungsverfahren S20 den Schritt des Ausbildens einer Faserschicht (hier der Einfachheit halber als „Schritt S21 des Ausbildens einer Faserschicht“ bezeichnet) enthält, der sich von Schritt S11 unterscheidet. Da die nachfolgenden Schritte S12 bis S15 mit dem Hochdrucktank-Herstellungsverfahren S10 identisch sind, wird deren Beschreibung weggelassen. Es wird der Schritt S21 beschrieben.
Schritt S21 des Ausbildens einer Faserschicht
In Schritt S21 des Ausbildens einer Faserschicht (im Folgenden auch als „Schritt S21“ bezeichnet) wird die Faserschicht 13 auf dem Außenumfang der Auskleidung 11 gebildet, um den Vorformling 30 herzustellen. 11 zeigt den Schritt S21.
Obwohl die Faserschicht 13 auch in der vorliegenden Ausführungsform durch das Filament-Wickelverfahren gebildet wird, wird die Faserschicht 13 in der vorliegenden Ausführungsform mit einer Sukzessiv-Mehrfach-FW-Maschine gebildet, in der eine Mehrzahl von Mehrfach-FW-Maschinen angeordnet sind. In der vorliegenden Ausführungsform sind mehrere Mehrfach-FW-Maschinen 50a bis 50f wie in 11 dargestellt angeordnet. Die einzelnen Mehrfach-FW-Maschinen sind die gleichen wie die Mehrfach-FW-Maschine, die mit Bezug auf 6A und 6B beschrieben ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Mehrzahl von Mehrfach-FW-Maschinen so angeordnet, dass jede Mehrfach-FW-Maschine eine entsprechende Schicht der Faserschicht 13 aufwickelt. Dementsprechend werden, wie in 11 gezeigt, während sich die Auskleidung 11 in der Figur von rechts nach links bewegt und die Mehrfach-FW-Maschinen 50a bis 50f durchläuft, die erste Schicht, die zweite Schicht, die dritte Schicht usw. der Faserschicht 13 nacheinander von der Mehrfach-FW-Maschine 50a, der Mehrfach-FW-Maschine 50b, der Mehrfach-FW-Maschine 50c usw. aufgewickelt. Alle Schichten der Faserschicht 13 werden also von den Mehrfach-FW-Maschinen 50a bis 50f gewickelt.
Gemäß einer solchen Sukzessiv-Mehrfach-FW-Maschine kann die Mehrfach-FW-Maschine, die den Metalldraht 13b verwendet, fixiert werden, und es ist nicht notwendig, die Spule während des Wickelns zu wechseln. Die Faserschicht 13, die das Faserbündel 13a und den Metalldraht 13b enthält, kann somit effizient gebildet werden. Wenn beispielsweise die erste Schicht (Schicht in Kontakt mit der Auskleidung 11) eine Schicht sein soll, die den Metalldraht 13b enthält, enthält die Mehrfach-FW-Maschine 50a von 11 die Metalldrahtspule 41, wie in 6A gezeigt, und alle Spulen der Mehrfach-FW-Maschinen 50b bis 50f sind die Faserbündelspulen 40, wie in 6B gezeigt. In diesem Fall ist es nicht notwendig, den Spulentyp zu ändern, und das Faserbündel 13a und der Metalldraht 13b können effizient gewickelt werden.
Zweite Ausführungsform
Ein Hochdrucktank und ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks gemäß einer zweiten Ausführungsform unterscheiden sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein Metalldraht (hier der Einfachheit halber als „Metalldraht 63b“ bezeichnet), der sich von dem Metalldraht 13b der ersten Ausführungsform unterscheidet, anstelle des Metalldrahtes 13b verwendet wird. Da die anderen Konfigurationen und das Herstellungsverfahren die gleichen sind wie bei der ersten Ausführungsform, wird nur der Metalldraht 63b beschrieben.
Wie oben beschrieben, ist der Metalldraht 13b der ersten Ausführungsform ein Metalldraht, an den ein Strom angelegt wird, um die Kohlenstofffasern des Faserbündels 13a induktiv zu erwärmen. Andererseits ist der Metalldraht 63b der zweiten Ausführungsform ein Metalldraht, der Wärme erzeugt und seine Umgebung erwärmt, wenn ein Strom an ihn angelegt wird. Der Metalldraht 63b besteht daher aus einem leitfähigen Metall, insbesondere aus einem Metall mit hohem elektrischen Widerstand. Insbesondere ist das Metall für den Metalldraht 63b vorzugsweise ein Material, das üblicherweise für Heizdrähte für Heizgeräte usw. verwendet wird und das einen spezifischen Durchgangswiderstand von mehr als 5,0 µΩcm bei 100°C aufweist, wie z.B. Eisen oder Edelstahl.
Die Querschnittsform und die Lage des Metalldrahtes 63b können die gleichen sein wie die des Metalldrahtes 13b. Da der Metalldraht 63b jedoch Wärme erzeugt und seine Umgebung erwärmt, muss der Metalldraht 63b nicht unbedingt eine schraubenförmige Form (Spulenform) haben und kann je nach Bedarf eine andere Form haben. Zum Beispiel ermöglicht der Metalldraht 63b eine lokale Erwärmung im Vergleich zum Metalldraht 13b, der eine Induktionserwärmung durchführt. Dementsprechend kann die Position des Metalldrahtes 63b nach Bedarf gewählt werden. Beispielsweise wird in dem Fall, in dem eine Erwärmung um die Kappen 16 herum vermieden werden soll, der Metalldraht 63b nicht in den Bereichen platziert, in denen eine Erwärmung vermieden werden soll. Da die Metalldrähte 63b so angeordnet werden können, dass sie sich gegenseitig kreuzen, kann die Menge der Wärmeerzeugung leicht eingestellt werden.
Der Hochdrucktank und dessen Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform haben ähnliche Effekte wie die der ersten Ausführungsform.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008132717 A [0002]
JP 2012 A [0002]
JP 2018 A [0002]
JP 2019 A [0002]
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JP 2018 [0005]
JP 012235 A [0005]
JP 2019 [0006, 0007]
JP 056415 A [0006]
JP 059176 A [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks, aufweisend: Ausbilden eines Vorformlings (30) durch Wickeln einer Kohlenstofffaser (13a) um eine Auskleidung (11), um eine Faserschicht (13) an einem Außenumfang der Auskleidung (11) zu bilden; und Imprägnieren der Faserschicht (13) des Vorformlings (30) mit einem härtbaren Harz und Härten des härtbaren Harzes, wobei beim Wickeln der Kohlenstofffaser (13a) um die Auskleidung (11) ein Metalldraht (13b) zusammen mit der Kohlenstofffaser (13a) um die Auskleidung (11) gewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstofffaser (13a) und der Metalldraht (13b) unter Verwendung einer einzelnen Mehrfaden-Wickelmaschine gewickelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstofffaser (13a) und der Metalldraht (13b) gewickelt werden, indem die Auskleidung (11) nacheinander durch eine Mehrzahl von Mehrfaden-Wickelmaschinen geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Metalldraht (13b) aus einem Metall mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von 5,0 µΩcm oder weniger besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Metalldraht (13b) aus einem Metall mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von mehr als 5,0 µΩcm besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Metalldraht (13b) an einer Position in der Faserschicht (13) angeordnet wird, wobei die Position näher an der Auskleidung (11) liegt als eine mittlere Position der Faserschicht (13) in einer Dickenrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Strom an den Metalldraht (13b) angelegt wird, nachdem die Faserschicht (13) des Vorformlings (30) mit dem härtbaren Harz imprägniert wurde.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Strom an den Metalldraht (13b) angelegt wird, wenn das härtbare Harz eine maximale exotherme Härtungstemperatur erreicht.
Hochdrucktank (10), aufweisend: eine hohle Auskleidung (11); und eine Verstärkungsschicht (12), die eine Faserschicht (13) und ein Harz umfasst, mit dem die Faserschicht (13) imprägniert worden ist, wobei die Faserschicht (13) eine Kohlenstofffaser (13a) und einen Metalldraht (13b) umfasst, die beide um die Auskleidung (11) gewickelt sind, wobei der Metalldraht (13b) nur an einer Position in der Faserschicht (13) angeordnet ist, wobei die Position näher an der Auskleidung (11) liegt als eine mittlere Position der Faserschicht (13) in einer Dickenrichtung.