DE102021103076A1

DE102021103076A1 - Hochdrucktank und Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank

Info

Publication number: DE102021103076A1
Application number: DE102021103076.5A
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Takami; Yoshihiro Nakata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2021-09-02
Also published as: JP2021139382A; US20210270419A1; CN113339693A

Abstract

Eine Auskleidung (11) eines Hochdrucktanks (10) ist aus einem Material gefertigt, das ein Schrumpfmaß aufweist, das dadurch berechnet wird, dass eine nachfolgende Gleichung kleiner gleich 0 ergibt, wobei die Rechnung lautet: Schrumpfmaß =-1,533538e - 03 * x1 - 3,82355406 * x2 - 7,81992308 * x3 + 1,89342646e - 01 * x4-7,84558163e - 03*x5 + 1,15956871e - 03 * xlx2 + 6,29564353e - 04 * xlx3 - 9,34550213e - 06 * xlx4 - 6,59253799e - 04 * xlx5 - 1,52692282e + 00 * x2 ^ 2 + 1,67290964e + 00 * x2x3 - 1,85202252e -02 * x2x4 - 1,79615713e + 00 * x2x5 + 2,37163664e + 00 * x3 ^ 2 - 1,17467786e - 02 * x3x4 - 9,04442817e - 01 * x3x5 - 1,86321584e - 03 * x4 ^ 2 + 6,62631756e - 03 * x4x5 + 1,27572698e * x5 ^ 2.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Hochdrucktank und ein Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank.
Beschreibung des Stands der Technik
Als Hochdrucktank, wie beispielsweise ein Wasserstofftank, der in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder einem Wasserstofffahrzeug montiert ist, ist ein Hochdrucktank bekannt, der eine im Wesentlichen zylindrische Auskleidung, eine Verstärkungsschicht, die aus einem faserverstärkten Harzmaterial gefertigt ist, das eine äußere Oberfläche der Auskleidung bedeckt, und einen Hals umfasst, der mit einem Abschnitt innerhalb der Auskleidung in Verbindung steht, wie beispielsweise ein Hochdrucktank, der zum Beispiel in der JP 2019-183935 A beschrieben wird. Die Auskleidung umfasst ferner einen zylindrischen Abschnitt und Kuppelabschnitte, die an jeweiligen Enden des zylindrischen Abschnitts in einer Axialrichtung angeordnet sind.
Kurzfassung der Erfindung
In jüngster Zeit wurde eine Reduzierung einer Dicke der Auskleidung in Betracht gezogen, um ein Gewicht des Hochdrucktanks zu reduzieren. Allerdings kommt es aufgrund einer wiederholten Verwendung des Hochdrucktanks ab dem Zeitpunkt, an dem der Hochdrucktank vollständig befüllt ist, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Hochdrucktank leer ist, wiederholt zu Temperaturänderungen. Die obigen Temperaturänderungen verursachen, dass die Auskleidung wiederholt expandiert und schrumpft. Daher kann eine Festigkeit des Hochdrucktanks verschlechtert sein, falls die Dicke der Auskleidung reduziert wird.
Die Erfindung schafft einen Hochdrucktank, der fähig ist, selbst dann eine Festigkeit eines Tanks sicherzustellen, wenn die Dicke der Auskleidung reduziert wird, sowie ein Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank.
Ein Hochdrucktank gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Auskleidung, die einen zylindrischen Abschnitt und Kuppelabschnitte umfasst, die an jeweiligen Enden des zylindrischen Abschnitts in einer Axialrichtung des zylindrischen Abschnitts angeordnet sind. Die Auskleidung ist aus einem Material gefertigt, das ein Schrumpfmaß aufweist, das unter Verwendung einer nachfolgenden Gleichung derart berechnet wird, dass diese kleiner gleich 0 ergibt.
Die Gleichung lautet Schrumpfmaß =-1,533538e - 03 * x1 - 3,82355406 * x2 - 7,81992308 * x3 + 1,89342646e - 01 * x4-7,84558163e - 03*x5 + 1,15956871e - 03 * xlx2 + 6,29564353e - 04 * xlx3 - 9,34550213e - 06 * xlx4 - 6,59253799e - 04 * xlx5 - 1,52692282e + 00 * x2 ^ 2 + 1,67290964e + 00 * x2x3 - 1,85202252e -02 * x2x4 - 1,79615713e + 00 * x2x5 + 2,37163664e + 00 * x3 ^ 2 - 1,17467786e - 02 * x3x4 - 9,04442817e - 01 * x3x5 - 1,86321584e - 03 * x4 ^ 2 + 6,62631756e - 03 * x4x5 + 1,27572698e * x5 ^ 2, wobei x1 einen Mindestarbeitsdruck des Hochdrucktanks bezeichnet, x2 einen Radius eines Grenzabschnitts zwischen dem zylindrischen Abschnitt und jedem der Kuppelabschnitte bezeichnet, x3 eine Dicke der Auskleidung bezeichnet, x4 einen Längenausdehnungskoeffizienten der Auskleidung bezeichnet und x5 einen Elastizitätsmodul bzw. Youngscher Modul der Auskleidung bezeichnet.
In dem Hochdrucktank gemäß dem obigen Aspekt ist die Auskleidung aus dem Harzmaterial gefertigt, welches das Schrumpfmaß aufweist, das unter Verwendung der obigen Gleichung derart berechnet wird, dass diese kleiner gleich 0 ergibt. Daher kann das Schrumpfmaß der Auskleidung aufgrund von Temperaturänderungen auf 0 reduziert werden. Folglich kann die Festigkeit des Hochdrucktanks selbst dann sichergestellt werden, wenn die Dicke der Auskleidung reduziert ist.
Der Hochdrucktank gemäß dem obigen Aspekt kann ferner eine Verstärkungsschicht umfassen, die eingerichtet ist, eine Außenoberfläche der Auskleidung zu bedecken. Die Verstärkungsschicht und die Auskleidung können aneinander haften. Mit der obigen Konfiguration kann ein Entstehen eines Spalts zwischen der Verstärkungsschicht und der Auskleidung unterbunden werden.
Ein Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst: einen Auskleidungsausbildungsschritt zur Ausbildung einer Auskleidung, die einen zylindrischen Abschnitt und Kuppelabschnitte umfasst, die an jeweiligen Enden des zylindrischen Abschnitts in einer Axialrichtung des zylindrischen Abschnitts angeordnet sind; und einen Verstärkungsschichtausbildungsschritt zur Ausbildung einer Verstärkungsschicht, die eingerichtet ist, eine Außenoberfläche der Auskleidung zu bedecken. Es wird entweder der Auskleidungsausbildungsschritt oder der Verstärkungsschichtausbildungsschritt durchgeführt und dann wird von dem Auskleidungsausbildungsschritt und dem Verstärkungsschichtausbildungsschritt der andere Schritt durchgeführt. In dem Auskleidungsausbildungsschritt wird die Auskleidung aus einem Material ausgebildet, das ein Schrumpfmaß aufweist, das unter Verwendung einer nachfolgenden Gleichung derart berechnet wird, dass diese kleiner gleich 0 ergibt. Die Gleichung lautet Schrumpfmaß =-1,533538e - 03 * x1 - 3,82355406 * x2 - 7,81992308 * x3 + 1,89342646e - 01 * x4-7,84558163e - 03*x5 + 1,15956871e - 03 * xlx2 + 6,29564353e - 04 * xlx3 - 9,34550213e - 06 * xlx4 - 6,59253799e - 04 * xlx5 - 1,52692282e + 00 * x2 ^ 2 + 1,67290964e + 00 * x2x3 - 1,85202252e -02 * x2x4 - 1,79615713e + 00 * x2x5 + 2,37163664e + 00 * x3 ^ 2 - 1,17467786e - 02 * x3x4 - 9,04442817e - 01 * x3x5 - 1,86321584e - 03 * x4 ^ 2 + 6,62631756e - 03 * x4x5 + 1,27572698e * x5 ^ 2, wobei x 1 einen Mindestarbeitsdruck des Hochdrucktanks bezeichnet, x2 einen Radius eines Grenzabschnitts zwischen dem zylindrischen Abschnitt und jedem der Kuppelabschnitte bezeichnet, x3 eine Dicke der Auskleidung bezeichnet, x4 einen Längenausdehnungskoeffizienten der Auskleidung bezeichnet und x5 einen Elastizitätsmodul bzw. Youngscher Modul der Auskleidung bezeichnet.
Bei dem Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank gemäß dem obigen Aspekt wird in dem Auskleidungsausbildungsschritt die Auskleidung aus dem Harzmaterial ausgebildet, welches das Schrumpfmaß aufweist, das unter Verwendung einer nachfolgenden Gleichung derart berechnet wird, dass diese kleiner gleich 0 ergibt. Daher kann das Schrumpfmaß der Auskleidung aufgrund von Temperaturänderungen auf 0 reduziert werden. Folglich kann die Festigkeit des Hochdrucktanks selbst dann sichergestellt werden, wenn die Dicke der Auskleidung reduziert ist.
Bei dem Herstellungsverfahren des Hochdrucktanks gemäß dem obigen Aspekt kann in dem Verstärkungsschichtausbildungsschritt ein Harz verwendet werden, das in einer Faser imprägniert ist. Das Harz, das in der Faser imprägniert ist, kann das gleiche sein wie ein Material, das die Auskleidung ausbildet. Nachdem der Auskleidungsausbildungsschritt und der Verstärkungsschichtausbildungsschritt durchgeführt wurden, können die Auskleidung und die Verstärkungsschicht gleichzeitig ausgehärtet werden. Die Auskleidung und die Verstärkungsschicht, die durch das obige Verfahren ausgebildet werden, können gleichzeitig ausgehärtet werden. Daher kann die Anzahl der Herstellungsschritte im Vergleich zu dem Fall, in dem die Auskleidung aus einem anderen Harzmaterial als dem Material ausgebildet wird, das zur Ausbildung der Verstärkungsschicht verwendet wird, und die Auskleidung und die Verstärkungsschicht zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgehärtet werden, reduziert werden.
Erfindungsgemäß kann die Festigkeit des Hochdrucktanks selbst dann sichergestellt werden, wenn die Dicke der Auskleidung reduziert ist.
Figurenliste
Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht, die eine Konfiguration des Hochdrucktanks zeigt;
2 ein Schema, das Korrelationskoeffizienten einer Dicke, dem Elastizitätsmodul sowie einem Längenausdehnungskoeffizienten und einem Schrumpfmaß zeigt;
3 ein Konturdiagramm, das eine Beziehung zwischen dem Längenausdehnungskoeffizienten, dem Elastizitätsmodul und dem Schrumpfmaß zeigt; und
4 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem geschätzten bzw. ermittelten Schrumpfmaß und einem CAE-berechneten Schrumpfmaß zeigt.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden eine Ausführungsform eines Hochdrucktanks und ein Herstellungsverfahren des Hochdrucktanks gemäß der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
Konfiguration eines Hochdrucktanks
1 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Konfiguration des Hochdrucktanks zeigt. Ein Hochdrucktank 10 ist ein im Wesentlichen zylindrischer Hochdruckgasspeicherbehälter mit kuppelförmigen, abgerundeten Enden. Der Hochdrucktank 10 umfasst eine Auskleidung 11 mit einer Gasbarriereeigenschaft und einer ersten Verstärkungsschicht 12, die aus einem faserverstärkten Harzmaterial gefertigt ist, das die Außenoberfläche der Auskleidung 11 bedeckt, und eine zweite Verstärkungsschicht 13, die aus einem faserverstärkten Harzmaterial gefertigt ist, das die Außenoberfläche der ersten Verstärkungsschicht 12 bedeckt. Eine kreisförmige Öffnung (nicht gezeigt) ist an einem Ende des Hochdrucktanks 10 in einer Axialrichtung L ausgebildet und ein im Wesentlichen zylindrischer Hals 14 ist an der Öffnung befestigt.
Die Auskleidung 11 ist ein Harzelement, das einen Speicherraum 15 definiert, der mit einem Hochdruckwasserstoffgas befüllt ist, und ist entlang der Innenoberfläche der ersten Verstärkungsschicht 12 ausgebildet. Das Harz, das die Auskleidung 11 bildet, ist vorzugsweise ein Harz mit einer guten Performance, die das befüllte Gas in dem Speicherraum 15 hält, das heißt, mit einer guten Gasbarriereeigenschaft. Die Auskleidung 11 umfasst einen zylindrischen Abschnitt 111 und im Wesentlichen halbkugelförmige Kuppelabschnitte 112, die jeweils an einem rechten und einem linken Ende des zylindrischen Abschnitts 111 in der axialen Richtung L angeordnet sind. Der zylindrische Abschnitt 111 und die Kuppelabschnitte 112 können im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen und sind an Grenzabschnitten 113 verbunden und integriert.
Der Hals 14 wird gefertigt, indem ein Metallmaterial, wie beispielsweise nichtrostender Stahl oder Aluminium zu einer vorbestimmten Form verarbeitet wird. Ein (nicht gezeigtes) Ventil zum Befüllen und Entleeren von Wasserstoffgas in und aus dem Speicherraum 15 ist an dem Hals 14 befestigt.
Die erste Verstärkungsschicht 12 weist eine Funktion auf, die Außenoberfläche der Auskleidung 11 zu bedecken und die Auskleidung 11 zu verstärken, um eine mechanische Festigkeit, wie beispielsweise eine Steifigkeit und eine Druckfestigkeit des Hochdrucktanks 10 zu verbessern. Die erste Verstärkungsschicht 12 haftet vorzugsweise an der Auskleidung 11. Mit der obigen Konfiguration kann ein Entstehen eines Spalts zwischen der ersten Verstärkungsschicht 12 und der Auskleidung 11 unterbunden werden. Wie in 1 gezeigt, umfasst die erste Verstärkungsschicht 12 ein zylindrisches Element 121 und zwei Kuppelelemente 122, 123, die an jeweiligen Enden des zylindrischen Elements 121 in einer Axialrichtung des zylindrischen Elementes 121 (das heißt, der Axialrichtung L des Hochdrucktanks 10) angeordnet sind.
Das zylindrische Element 121 ist ein Element, das dem zylindrischen Abschnitt 111 der Auskleidung 11 entspricht, und ist in engem Kontakt mit der Außenoberfläche des zylindrischen Abschnitts 111 angeordnet. Das Kuppelelement 122 und das Kuppelelement 123 sind Elemente, die den Kuppelelementen 112 entsprechen, die jeweils an dem linken und dem rechten Ende der Auskleidung 11 angeordnet sind, und sind in engem Kontakt mit den Außenoberflächen der Kuppelabschnitte 112 angeordnet. Das zylindrische Element 121 und die Kuppelelemente 122, 123 sind integral verbunden.
Die erste Verstärkungsschicht 12 besteht aus Harz und Fasern (kontinuierlichen Fasern). In dem zylindrischen Element 121 bilden die Fasern eine umlaufende Form in einem Winkel, der im Wesentlichen orthogonal zu der Axialrichtung L des zylindrischen Elements 121 ist. Mit anderen Worten, in dem zylindrischen Element 121 sind die Fasern in einer Umfangsrichtung des zylindrischen Elements 121 ausgerichtet. Mit der obigen Konfiguration, in der die Fasern derart auf dem zylindrischen Element 121 angeordnet sind, dass sie in der Umfangsrichtung des zylindrischen Elements 121 ausgerichtet sind, kann die Festigkeit der ersten Verstärkungsschicht 12 gegen eine Umfangsspannung, die durch einen internen Druck (Gasdruck) erzeugt wird, mit einer geeigneten Quantität des faserverstärkten Harzes sichergestellt werden.
In den Kuppelelementen 122, 123 sind die Fasern nicht in der Umfangsrichtung des zylindrischen Elements 121 ausgerichtet und die Fasern, die sich in verschiedenen Richtungen, welche die Umfangsrichtung kreuzen, erstrecken, sind derart angeordnet, dass sie einander überlappen. Mit der obigen Konfiguration können die Kuppelelemente 122, 123 die Festigkeit der ersten Verstärkungsschicht 12 gegen die Belastung, die durch den internen Druck der Fasern erzeugt wird, mit einer geeigneten Quantität des faserverstärkten Harzes sicherstellen.
In der Ausführungsform sind die Fasern des zylindrischen Elements 121 und die Fasern der Kuppelelemente 122, 123 nicht kontinuierlich (nicht verbunden). Vorstehendes liegt daran, dass, wie später beschrieben wird, nachdem das zylindrische Element 121 und die zwei Kuppelelemente 122, 123 getrennt ausgebildet wurden, die zwei Kuppelelemente 122, 123 an jeweiligen Enden des zylindrischen Elements 121 befestigt werden.
Die zweite Verstärkungsschicht 13 ist derart ausgebildet, dass sie die Außenoberfläche der ersten Verstärkungsschicht 12 bedeckt. Die zweite Verstärkungsschicht 13 bedeckt das gesamte zylindrische Element 121 und die Kuppelelemente 122, 123. Die zweite Verstärkungsschicht 13 besteht aus Harz und Fasern (kontinuierlichen Fasern).
In der Ausführungsform ist die Auskleidung 11 aus einem Harzmaterial gefertigt, das ein Schrumpfmaß aufweist, das unter Verwendung einer nachfolgenden Gleichung (1) derart berechnet wird, dass diese kleiner gleich 0 ergibt. $\begin{array}{l} Schrumpfmaß = - 1,533538 e - 03 * x 1 - 3,82355406 * x 2 - 7,81992308 * x 3 \\ + 1,89342646 e - 01 * x 4 - 7,84558163 e - 03 * x 5 + 1,15956871 e - 03 * x 1 x 2 + 6,29564353 e \\ - 04 * x 1 x 3 - 9,34550213 e - 06 * x 1 x 4 - 6,59253799 e - 04 * x 1 x 5 - 1,52692282 e + 00 * \\ x 22 + 1,67290964 e + 00 * x 2 x 3 - 1,85202252 e - 02 * x 2 x 4 - 1,79615713 e + 00 * x 2 x 5 \\ + 2,37163664 e + 00 * x 32 - 1,17467786 e - 02 * x 3 x 4 - 9,04442817 e - 01 * x 3 x 5 \\ - 1,86321584 e - 03 * x 42 + 6,62631756 e - 03 * x 4 x 5 + 1,27572698 e * x 52 \end{array}$
In Gleichung (1) bezeichnet x1 den Mindestarbeitsdruck des Hochdrucktanks 10, x2 bezeichnet einen Radius der Grenzabschnitte 113 zwischen dem zylindrischen Abschnitt 111 und den Kuppelabschnitten 112, x3 bezeichnet eine Dicke der Auskleidung 11, x4 bezeichnet einen Längenausdehnungskoeffizient der Auskleidung 11 und x5 bezeichnet einen Elastizitätsmodul der Auskleidung 11.
Hier bezieht sich der Mindestarbeitsdruck x1 auf den internen Druck, wenn der Hochdrucktank 10 leer ist (mit anderen Worten, das Wasserstoffgas in dem Hochdrucktank 10 verbraucht ist). Der Radius x2 bezeichnet eine Krümmung eines gekrümmten Abschnitts von jedem der Grenzabschnitte 113 zwischen dem zylindrischen Abschnitt 111 und dem entsprechenden Kuppelabschnitt 112 auf der Seite des Kuppelabschnitts 112 und ist ein sogenannter innerer Biegeradius R. Der Radius x2 wird zum Beispiel bei Raumtemperatur gemessen.
Die Dicke x3 der Auskleidung 11 kann die Dicke des zylindrischen Abschnitts 111 oder die Dicke des Kuppelabschnitts 112 sein, da die Dicke der gesamten Auskleidung 11 die gleiche ist. Allerdings ist die Dicke x3 der Auskleidung 11 vorzugsweise die Dicke des zylindrischen Abschnitts 111, die weniger variabel ist. Der Längenausdehnungskoeffizient x4 weist einen Temperaturbereich von der Mindestbetriebstemperatur des Hochdrucktanks 10 (zum Beispiel -48,5 °C) bis 23 °C auf. Der Elastizitätsmodul x5 ist ein Elastizitätsmodul bei der Mindestbetriebstemperatur des Hochdrucktanks 10.
Beispiele für das Harzmaterial, das die Auskleidung 11 ausbildet, umfassen Silikonharz, Polyphenylensulfid, Polybutylenterephthalat, Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyethylen, Polycarbonat, Epoxidharz und Polyamidharz.
Hier wird der Hintergrund der Erfindung beschrieben.
Wie oben beschrieben, wiederholt die Auskleidung eine Expansion und Schrumpfung aufgrund von wiederholten Temperaturänderungen, die durch die wiederholte Verwendung des Hochdrucktanks ab dem Zeitpunkt, an dem der Hochdrucktank vollständig befüllt ist, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Hochdrucktank leer ist. Die Verwendungsumgebung des Hochdrucktanks bewegt sich in einem breiten Bereich (zum Beispiel bewegt sich die Temperatur zwischen -48,5 °C und 85 °C). Wenn die Auskleidung bei einer Umgebung mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck schrumpft, wird die Auskleidung gedehnt, wenn sie mit Gas wie beispielsweise Wasserstoffgas befüllt wird. Zudem schrumpft die Auskleidung nicht überall einheitlich und tendiert dazu, auf einer Seite (auf der Seite des Kuppelabschnitts) teilweise zu schrumpfen. Daher wird eine übermäßige Belastung auf der Seite des Kuppelabschnitts erzeugt, wo das Schrumpfmaß beträchtlich ist und diese übermäßige, lokale Belastung kann sich nachteilig auf die Festigkeit des Hochdrucktanks auswirken. Auf der Basis des Vorstehenden haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung als Ergebnis sogfältiger Recherche herausgefunden, dass, wenn das Schrumpfmaß der Auskleidung auf 0 eingestellt wird, ein Auftreten der übermäßigen Belastung auf der Seite des Kuppelabschnitts unterbunden werden kann, was es ermöglicht, die Festigkeit des Hochdrucktanks sicherzustellen. Dies führt zur Vollendung der Erfindung.
Insbesondere extrahierten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung zuerst Faktoren, die zu dem Schrumpfen der Auskleidung beitragen, und Faktoren, die das Schrumpfen aufhalten. Der Längenausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul der Auskleidung wurden als jene Faktoren extrahiert, die zu dem Schrumpfen beitragen, und der Mindestarbeitsdruck des Hochdrucktanks, der Radius des Grenzabschnitts zwischen dem zylindrischen Abschnitt und dem Kuppelabschnitt, sowie die Dicke der Auskleidung wurden als jene Faktoren extrahiert, die das Schrumpfen aufhalten.
Als nächstes wurde von den extrahierten Faktoren der Mindestarbeitsdruck und der Radius derart eingestellt, dass sie konstante Werte aufweisen, und unter Verwendung von rechnergestützter Entwicklung (CAE) wurden Korrelationen zwischen der Dicke der Auskleidung, dem Elastizitätsmodul sowie dem Längenausdehnungskoeffizienten und dem Schrumpfmaß untersucht, wobei die Werte der Dicke der Auskleidung, des Elastizitätsmoduls und des Längenausdehnungskoeffizientens in Tabelle 1 gezeigt sind. Die Ergebnisse werden in 2 gezeigt. Basierend auf den in 2 gezeigten Ergebnissen wurde herausgefunden, dass der Längenausdehnungskoeffizient die größte Korrelation mit dem Schrumpfmaß aufweist, gefolgt von dem Elastizitätsmodul, und die Dicke (das heißt, die Dicke der Auskleidung) die geringste aufweist. Tabelle 1

Dicke der Auskleidung (mm) (3 Werte) Elastizitätsmodul (GPa) (4 Werte) Längenausdehnungskoeffizient (10^-4/K) (4 Werte)

Wert 1,0 1,0 0,5

2,0 3,0 1,0

3,0 5,5 1,5

- 8,0 2,0
Als nächstes verwendeten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein Epoxidharz und untersuchten die Beziehungen des Längenausdehnungskoeffizienten, des Elastizitätsmoduls und des Schrumpfmaßes unter den nachfolgenden Bedingungen: Dicke der Auskleidungen: 1 Millimeter (mm) oder 2 Millimeter; Mindestarbeitsdruck des Hochdrucktanks: 0,7 MPa; Mindestarbeitstemperatur: -48,5 °C; der Radius: 20 Millimeter; Längenausdehnungskoeffizient: 0,8 × 10 ^ -4; und Elastizitätsmodul: 1800 MPa. Die Ergebnisse werden in 3 gezeigt. In 3 zeigt ein Konturdiagramm auf der linken Seite das Ergebnis für den Fall, in dem die Dicke der Auskleidung 1 Millimeter beträgt, und ein Konturdiagramm auf der rechten Seite zeigt das Ergebnis für den Fall, in dem die Dicke der Auskleidung 2 Millimeter beträgt.
Wie in 3 gezeigt, steigt das Schrumpfmaß, während der Längenausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul steigen. Ferner wurde herausgefunden, dass, wenn der Mindestarbeitsdruck, die Mindestarbeitstemperatur, der Radius, der Längenausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul gleich sind, das Schrumpfmaß sinkt, während die Dicke der Auskleidung abnimmt.
Auf Basis der oben beschriebenen Untersuchungsergebnisse haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung herausgefunden, dass die Verwendung des Harzmaterials, das die in obiger Gleichung (1) angegebene Bedingung erfüllt, es ermöglicht, das Schrumpfmaß der ausgebildeten Auskleidung zu reduzieren, sodass es kleiner gleich null (0) beträgt. Hier werden alle Fälle, bei denen das Schrumpfmaß 0 oder weniger beträgt, als 0 erachtet.
In dem Hochdrucktank 10 gemäß der Ausführungsform wird die Auskleidung 11 aus dem Harzmaterial ausgebildet, welches das Schrumpfmaß aufweist, das unter Verwendung der Gleichung (1) derart berechnet wird, dass diese kleiner gleich 0 ergibt. Daher kann das Schrumpfmaß der Auskleidung 11 aufgrund von Temperaturänderungen auf 0 reduziert werden. Folglich kann die Festigkeit des Hochdrucktanks 10 selbst dann sichergestellt werden, wenn die Dicke der Auskleidung 11 reduziert wird.
Herstellungsverfahren eines Hochdrucktanks
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank 10 beschrieben. Das Herstellungsverfahren des Hochdrucktanks 10 umfasst einen Verstärkungsschichtausbildungsschritt zur Ausbildung einer Verstärkungsschicht, welche die erste Verstärkungsschicht 12 und die zweite Verstärkungsschicht 13 aufweist, und einen Auskleidungsausbildungsschritt zur Ausbildung der Auskleidung 11 auf einer Innenseite der ersten Verstärkungsschicht 12, sowie einen Aushärtungsschritt zum gleichzeitigen Aushärten der Auskleidung 11, der ersten Verstärkungsschicht 12 und der zweiten Verstärkungsschicht 13, die in den obigen Schritten ausgebildet wurden. Der Verstärkungsschichtausbildungsschritt umfasst ferner einen ersten Verstärkungsschichtausbildungsschritt zur Ausbildung der ersten Verstärkungsschicht 12 und einen zweiten Verstärkungsschichtausbildungsschritt zur Ausbildung der zweiten Verstärkungsschicht 13 auf einer Außenseite der ersten Verstärkungsschicht 12.
Zuerst wird in dem ersten Verstärkungsschichtausbildungsschritt zum Beispiel ein Filamentwickelprozess (FW-Prozess) verwendet, um harzimprägnierte Fasern um eine vorbestimmte Form zu wickeln, um eine Außenoberfläche der Form zu bedecken, um einen gewickelten Körper vorzubereiten. Der produzierte gewickelte Körper wird unter Verwendung einer Schneideeinrichtung usw. in zwei Kuppelelemente 122, 123 geschnitten. In der Verarbeitung oben weist eines der geformten Kuppelelemente 122, 123 (das Kuppelelement 122 in der Ausführungsform) eine Öffnung auf.
Das Harz, das in den Fasern imprägniert ist, ist nicht besonders beschränkt, aber es wird vorzugsweise ein duroplastisches Harz verwendet, wie beispielsweise ein Epoxidharz. Ferner können zum Beispiel als Fasern Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und Borfasern verwendet werden.
Anschließend wird das zylindrische Element 121 ausgebildet, zum Beispiel unter Verwendung des Zentrifugalwickel(CW)prozesses, indem eine Faserbahn, die mit Harz imprägniert ist, an einer Innenoberfläche einer rotierenden zylindrischen Form befestigt wird. Die Faserbahn, die mit Harz imprägniert ist, umfasst zum Beispiel mindestens Fasein, die in einer Umfangsrichtung der zylindrischen Form ausgerichtet sind. Mit dem obigen Prozess kann das zylindrische Element 121 erhalten werden, bei dem die Fasern in der Umfangsrichtung ausgerichtet sind. Das Harz, das in der Faserbahn imprägniert ist, ist nicht besonders beschränkt, aber vorzugsweise wird ein duroplastisches Harz verwendet, wie beispielsweise ein Epoxidharz, wie in dem Fall, in dem die Kuppelelemente 122, 123 ausgebildet werden.
Anschließend, nachdem der Hals 14 an dem Kuppelelement 122, das die Öffnung aufweist, befestigt wurde, werden Endabschnitte des zylindrischen Elements 121 und Endabschnitte der zwei Kuppelelemente 122, 123 miteinander verbunden, um die erste Verstärkungsschicht 12 auszubilden.
In dem zweiten Verstärkungsschichtausbildungsschritt wird die zweite Verstärkungsschicht 13, die aus dem faserverstärkten Harzmaterial gefertigt wird, unter Verwendung von, zum Beispiel, dem Filamentwickelprozess mit Fasern, die mit Harz imprägniert sind, derart ausgebildet, dass sie die Außenoberfläche der ersten Verstärkungsschicht 12 bedeckt, das heißt, das zylindrische Element 121 und die zwei Kuppelelemente 122, 123. Hier wird als Harz, das in den Fasern imprägniert ist, ein duroplastisches Harz verwendet, wie beispielsweise ein Epoxidharz, wie in dem Fall, in dem die erste Verstärkungsschicht 12 ausgebildet wird. Ferner werden als Fasern zum Beispiel Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und Borfasern verwendet, wie in dem Fall, in dem die erste Verstärkungsschicht 12 ausgebildet wird.
In dem Auskleidungsausbildungsschritt wird das Harzmaterial über den Hals 14 in das Innere der ersten Verstärkungsschicht 12 injiziert, die in dem Verstärkungsschichtausbildungsschritt ausgebildet wird, und die erste Verstärkungsschicht 12 und die zweite Verstärkungsschicht 13, die in dem Verstärkungsschichtausbildungsschritt ausgebildet werden, werden derart gedreht, dass das injizierte Harzmaterial die Innenoberfläche der ersten Verstärkungsschicht 12 bedeckt und das Harzmaterial wird in einem gewissen Maß ausgehärtet. Die Auskleidung 11 wird in diesem Vorgang ausgebildet.
In dem Auskleidungsausbildungsschritt wird die Auskleidung 11 unter Verwendung des Harzmaterials hergestellt, welches das Schrumpfmaß aufweist, das unter Verwendung der obigen Gleichung (1) derart berechnet wird, dass diese kleiner gleich 0 ergibt. Als Harzmaterial wird ein duroplastisches Harz, wie beispielsweise ein Epoxidharz, wie in dem Fall verwendet, in dem die erste Verstärkungsschicht 12 und die zweite Verstärkungsschicht 13 ausgebildet werden.
In dem Aushärtungsschritt werden die Auskleidung 11, die erste Verstärkungsschicht 12 und die zweite Verstärkungsschicht 13, die in den oben beschriebenen Schritten ausgebildet werden, in einen Aushärtungsofen platziert und bei einer Temperatur von beispielsweise 160 °C 10 Minuten lang erhitzt, um die nicht ausgehärtete Auskleidung 11 und das duroplastische Harz, das in den Fasern imprägniert ist, die in der ersten Verstärkungsschicht 12 und der zweiten Verstärkungsschicht 13 verwendet werden, gleichzeitig auszuhärten. Mit der obigen Verarbeitung wird der Hochdrucktank 10 hergestellt.
Bei dem Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank gemäß der Ausführungsform wird in dem Auskleidungsausbildungsschritt die Auskleidung 11 aus dem Harzmaterial ausgebildet, welches das Schrumpfmaß aufweist, das unter Verwendung der obigen Gleichung (1) derart berechnet wird, dass diese kleiner gleich 0 ergibt. Daher kann das Schrumpfmaß der Auskleidung 11 aufgrund von Temperaturänderungen auf 0 reduziert werden. Folglich kann die Festigkeit des Hochdrucktanks 10 selbst dann sichergestellt werden, wenn die Dicke der Auskleidung 11 reduziert wird.
Zudem ist das in den Fasern imprägnierte Harz, das in der ersten Verstärkungsschicht 12 und der zweiten Verstärkungsschicht 13 verwendet wird, das gleiche wie das Harzmaterial, das zur Ausbildung der Auskleidung 11 (hier das Epoxidharz) verwendet wird, und die Auskleidung 11, die erste Verstärkungsschicht 12 und die zweite Verstärkungsschicht 13, die in den obigen Schritten ausgebildet werden, werden gleichzeitig ausgehärtet. Im Vergleich zu dem Fall, in dem die Auskleidung aus einem anderen Harzmaterial ausgebildet wird, als dem Material, das zur Ausbildung der ersten Verstärkungsschicht 12 und der zweiten Verstärkungsschicht 13 verwendet wird, und die Auskleidung, die erste Verstärkungsschicht 12 und die zweite Verstärkungsschicht 13 zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgehärtet werden, kann daher die Anzahl der Herstellungsschritte reduziert werden.
Modifikation
In der obigen Beschreibung ist der Fall, in dem der Hochdrucktank 10 die Auskleidung 11 umfasst, sowie die erste Verstärkungsschicht 12 und die zweite Verstärkungsschicht 13, welche die Außenoberfläche der Auskleidung 11 bedecken, als Beispiel beschrieben. Allerdings kann der Hochdrucktank der Erfindung lediglich eine einzelne Verstärkungsschicht umfassen, welche die Außenoberfläche der Auskleidung bedeckt. Wenn der die obige Konfiguration aufweisende Hochdrucktank hergestellt wird, wird die Auskleidung vorbereitend aus dem Harzmaterial ausgebildet, welches das Schrumpfmaß aufweist, das unter Verwendung von Gleichung (1) derart berechnet wird, dass diese kleiner gleich 0 ergibt. Dann wird die Verstärkungsschicht ausgebildet, indem die verstärkten Fasern, die mit einem duroplastischen Harz imprägniert sind, auf der Außenoberfläche der ausgebildeten Auskleidung durch Umfangswickeln oder biaxiales Wickeln gewickelt werden. Die Auskleidung und die Verstärkungsschicht werden danach thermisch ausgehärtet. Selbst in dem obigen Fall kann das Schrumpfmaß der Auskleidung aufgrund von Temperaturänderungen auf 0 reduziert werden. Entsprechend kann die Festigkeit des Hochdrucktanks selbst dann sichergestellt werden, wenn die Dicke der Auskleidung reduziert wird.
Zur Bestätigung der Zuverlässigkeit des Schrumpfmaßes, das unter Verwendung obiger Gleichung (1) berechnet wird, stellten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung ferner einen Vergleich zwischen dem Schrumpfmaß (ermittelten Schrumpfmaß), das unter Verwendung obiger Gleichung (1) berechnet wird, und dem Schrumpfmaß (mit CAE berechnetes Schrumpfmaß), das unter Verwendung von rechnergestützter Entwicklung (Computer-aided Engineering, CAE) unter Bedingungen auf, dass der Mindestarbeitsdruck, der Radius, die Dicke der Auskleidung, der Längenausdehnungskoeffizient, der Elastizitätsmodul und das Harzmaterial, welche verwendet werden, alle identisch sind. Die Vergleichsergebnisse werden in 4 gezeigt. 4 zeigt eine zweidimensionale lineare Regression der Vergleichsergebnisse des ermittelten Schrumpfmaßes und des mit CAE berechneten Schrumpfmaßes. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Bestimmungskoeffizient R² 0,97 betrug und ein mittlerer quadratischer Fehler E 1,26 betrug. Bei dem obigen Ergebnis ist ein Fehler zwischen dem berechneten Schrumpfmaß unter Verwendung der obigen Gleichung (1) und dem berechneten Schrumpfmaß unter Verwendung von CAE gering und es wurde bewiesen, dass die Zuverlässigkeit des Schrumpfmaßes, das unter Verwendung von Gleichung (1) berechnet wird, hoch ist.
Obwohl die Ausführungsform der Erfindung vorstehend im Detail beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und es können verschiedene Konstruktionsänderungen durchgeführt werden, ohne von dem Geist der in den Ansprüchen beschriebenen Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019183935 A [0002]

Claims

Hochdrucktank (10) aufweisend eine Auskleidung (11), die einen zylindrischen Abschnitt (111) und Kuppelabschnitte (112) umfasst, die an jeweiligen Enden des zylindrischen Abschnitts (111) in einer Axialrichtung des zylindrischen Abschnitts (111) angeordnet sind, wobei die Auskleidung (11) aus einem Material gefertigt ist, das ein Schrumpfmaß aufweist, das durch eine nachfolgende Gleichung berechnet wird, die kleiner gleich 0 ergibt, wobei die Gleichung lautet: $\begin{array}{l} Schrumpfmaß = - 1,533538 e - 03 * x 1 - 3,82355406 * x 2 - 7,81992308 * x 3 \\ + 1,89342646 e - 01 * x 4 - 7,84558163 e - 03 * x 5 + 1,15956871 e - 03 * x 1 x 2 \\ + 6,29564353 e - 04 * x 1 x 3 - 9,34550213 e - 06 * x 1 x 4 - 6,59253799 e - 04 * x 1 x 5 \\ - 1,52692282 e + 00 * x 22 + 1,67290964 e + 00 * x 2 x 3 - 1,85202252 e - 02 * x 2 x 4 \\ - 1,79615713 e + 00 * x 2 x 5 + 2,37163664 e + 00 * x 32 - 1,17467786 e - 02 * x 3 x 4 \\ - 9,04442817 e - 01 * x 3 x 5 - 1,86321584 e - 03 * x 42 + 6,62631756 e - 03 * x 4 x 5 \\ + 1,27572698 e * x 5 2, \end{array}$
wobei x1 einen Mindestarbeitsdruck des Hochdrucktanks (10) bezeichnet, x2 einen Radius eines Grenzabschnitts (113) zwischen dem zylindrischen Abschnitt (111) und jedem der Kuppelabschnitte (112) bezeichnet, x3 eine Dicke der Auskleidung (11) bezeichnet, x4 einen Längenausdehnungskoeffizienten der Auskleidung (11) bezeichnet und x5 einen Elastizitätsmodul der Auskleidung (11) bezeichnet.
Hochdrucktank (10) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Verstärkungsschicht (12, 13), die eingerichtet ist, eine Außenoberfläche der Auskleidung (11) zu bedecken, wobei die Verstärkungsschicht (12, 13) und die Auskleidung (11) aneinander haften.
Herstellungsverfahren für einen Hochdrucktank (10) aufweisend: einen Auskleidungsausbildungsschritt zur Ausbildung einer Auskleidung (11), die einen zylindrischen Abschnitt (111) und Kuppelabschnitte (112) umfasst, die an jeweiligen Enden des zylindrischen Abschnitts (111) in einer Axialrichtung des zylindrischen Abschnitts (111) angeordnet sind; und einen Verstärkungsschichtausbildungsschritt zur Ausbildung einer Verstärkungsschicht (12, 13), die eingerichtet ist, eine Außenoberfläche der Auskleidung (11) zu bedecken, wobei entweder der Auskleidungsausbildungsschritt oder der Verstärkungsschichtausbildungsschritt durchgeführt wird und dann der andere Schritt von dem Auskleidungsausbildungsschritt und dem Verstärkungsschichtausbildungsschritt durchgeführt wird, und wobei in dem Auskleidungsausbildungsschritt die Auskleidung (11) aus einem Material ausgebildet wird, das ein Schrumpfmaß aufweist, das dadurch berechnet wird, dass eine nachfolgende Gleichung kleiner gleich 0 ergibt, wobei die Gleichung lautet: $\begin{array}{l} Schrumpfmaß = - 1,533538 e - 03 * x 1 - 3,82355406 * x 2 - 7,81992308 * x 3 \\ + 1,89342646 e - 01 * x 4 - 7,84558163 e - 03 * x 5 + 1,15956871 e - 03 * x 1 x 2 \\ + 6,29564353 e - 04 * x 1 x 3 - 9,34550213 e - 06 * x 1 x 4 - 6,59253799 e - 04 * x 1 x 5 \\ - 1,52692282 e + 00 * x 22 + 1,67290964 e + 00 * x 2 x 3 - 1,85202252 e - 02 * x 2 x 4 \\ - 1,79615713 e + 00 * x 2 x 5 + 2,37163664 e + 00 * x 32 - 1,17467786 e - 02 * x 3 x 4 \\ - 9,04442817 e - 01 * x 3 x 5 - 1,86321584 e - 03 * x 42 + 6,62631756 e - 03 * x 4 x 5 \\ + 1,27572698 e * x 5 2, \end{array}$
wobei x1 einen Mindestarbeitsdruck des Hochdrucktanks (10) bezeichnet, x2 einen Radius eines Grenzabschnitts (113) zwischen dem zylindrischen Abschnitt (111) und jedem der Kuppelabschnitte (112) bezeichnet, x3 eine Dicke der Auskleidung (11) bezeichnet, x4 einen Längenausdehnungskoeffizienten der Auskleidung (11) bezeichnet und x5 einen Elastizitätsmodul der Auskleidung (11) bezeichnet.
Herstellungsverfahren für den Hochdrucktank (10) nach Anspruch 3, wobei: in dem Verstärkungsschichtausbildungsschritt ein Harz, das in einer Faser imprägniert ist, verwendet wird; das in der Faser imprägnierte Harz das gleiche ist, wie das Material, das die Auskleidung (11) ausbildet; und nachdem der Auskleidungsausbildungsschritt und der Verstärkungsschichtausbildungsschritt durchgeführt wurden, die Auskleidung (11) und die Verstärkungsschicht (12, 13) gleichzeitig ausgehärtet werden.