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HINTERGRUND
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Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Technik eines Verfahrens zum Herstellen eines Tanks.
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Stand der Technik
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Bei einem herkömmlich bekannten Verfahren zum Herstellen eines Tanks wird eine Verstärkungsschicht vor dem Aushärten gebildet, indem eine mit einem wärmehärtbaren bzw. duroplastischen Harz imprägnierte Faser auf eine Auskleidung gewickelt wird, und eine Verstärkungsschicht wird durch Erhitzen und Aushärten des duroplastischen Harzes gebildet (siehe die japanische Patentanmeldung
JP 2018 -
179 081 A ).
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Beim Wickeln der Faser auf die Auskleidung kann ein Durchhängen in der aufgewickelten Faser verursacht werden, das z.B. auf eine Bedingung für das Wickeln oder die Form der Auskleidung zurückzuführen ist. Wenn das duroplastische Harz mit dem in der Faser vorhandenen Durchhängen ausgehärtet wird, ist das Durchhängen in der Faser in der resultierenden Verstärkungsschicht vorhanden.
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KURZFASSUNG
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Diese Erfindung ist unter den folgenden Aspekten ausführbar.
- Gemäß einem ersten Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Tanks angegeben. Das Verfahren zum Herstellen des Tanks umfasst:
- einen Wickelschritt, bei dem eine mit einem duroplastischen Harz imprägnierte Faser vor dem Aushärten auf eine Auskleidung gewickelt wird; einen Formänderungsschritt, bei dem die Form der Auskleidung größer gemacht wird als ihre Form zum Zeitpunkt des Wickelschritts, wobei der Formänderungsschritt nach dem Wickelschritt durchgeführt wird; und einen Aushärtungsschritt, bei dem das duroplastische Harz erhitzt und ausgehärtet wird, während die Form der Auskleidung durch den Formänderungsschritt vergrößert wird.
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Gemäß diesem Aspekt wird der Formänderungsschritt vor dem Aushärtungsschritt durchgeführt, um die Form der Auskleidung zu vergrößern. Dadurch kann das Ausmaß eines Durchhängens der auf die Auskleidung gewickelten Faser verringert werden, selbst wenn das Durchhängen in der gewickelten Faser auftritt. Auf diese Weise wird das duroplastische Harz mit einem reduzierten Ausmaß des Durchhängens der Faser ausgehärtet, wodurch eine Verringerung der Festigkeit des Tanks unterdrückt wird.
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(2) Im vorstehenden Aspekt kann der Formänderungsschritt einen Druckbeaufschlagungsschritt umfassen, bei dem die Form der Auskleidung durch Zuführen von Gas in die Auskleidung und Erhöhen des Innendrucks in der Auskleidung auf einen Druck, der höher als der Innendruck in der Auskleidung zum Zeitpunkt des Wickelschritts ist, vergrößert wird.
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Gemäß diesem Aspekt ermöglicht die Vergrößerung der Form der Auskleidung durch Erhöhen des Innendrucks in der Auskleidung eine Verringerung des Ausmaßes eines Durchhängens in der Faser.
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(3) Im vorstehenden Aspekt kann zwischen dem Wickelschritt und dem Formänderungsschritt ferner ein Druckreduzierungsschritt vorgesehen werden. In dem Druckreduzierungsschritt wird die Form der Auskleidung kleiner als ihre Form zum Zeitpunkt des Wickelschritts gemacht, indem der Innendruck in der Auskleidung auf einen Druck reduziert wird, der niedriger als der Innendruck in der Auskleidung zum Zeitpunkt des Wickelschritts ist.
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Gemäß diesem Aspekt ermöglicht das Entspannen der Faser einmal im Druckreduzierungsschritt, nachdem die Faser auf die Auskleidung gewickelt wurde, eine Druckreduzierung von Teilen der Faser, die einander überlappen, auf den anderen Teil der Faser. Dadurch wird eine Verringerung der Reibungskraft zwischen den sich überlappenden Teilen der Faser erreicht. Auf diese Weise wird die auf die Auskleidung gewickelte Faser leichter beweglich, wodurch es möglich wird, ein Ausmaß des Durchhängens der auf die Auskleidung gewickelten Faser im Formänderungsschritt weiter zu reduzieren.
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(4) Im vorstehenden Aspekt kann der Druckreduzierungsschritt ein Schritt zum Reduzieren des Innendrucks in der Auskleidung auf einen Druck sein, der niedriger ist als der Innendruck in der Auskleidung zum Zeitpunkt des Wickelns der Faser, um eine Schicht auf der Auskleidung in dem Wickelschritt auszubilden, wobei die Schicht eine Schicht ist, die nach der Herstellung des Tanks einer maximalen Spannung bzw. Belastung ausgesetzt werden soll.
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Gemäß diesem Aspekt wird eine vorbestimmte Faser, die die Faser ist, die die Schicht bildet, die der maximalen Spannung bzw. Belastung ausgesetzt werden soll, einmal entspannt, um die vorbestimmte Faser leicht beweglich zu machen. Auf diese Weise kann das Ausmaß des Durchhängens der Faser, die die Schicht bildet, die der maximalen Belastung ausgesetzt werden soll, verringert werden, um eine weitere Unterdrückung der Verringerung der Festigkeit des Tanks zu erreichen.
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(5) Im vorstehenden Aspekt kann der Formänderungsschritt einen Achsenrichtungs-Verformungsschritt umfassen, bei dem die Form der Auskleidung in einer Achsenrichtung entlang einer Achse der Auskleidung durch Aufbringen einer äußeren Kraft auf die Auskleidung vergrößert wird.
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Gemäß diesem Aspekt ermöglicht die Vergrößerung der Form der Auskleidung in Achsenrichtung die Verringerung des Ausmaßes eines Durchhängens der auf die Auskleidung gewickelten Faser, insbesondere der Faser, die eine innere Schicht in der Nähe der Auskleidung bildet.
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(6) Im vorstehenden Aspekt kann das duroplastische Harz erhitzt und ausgehärtet werden, während die Form der Auskleidung vergrößert wird, indem der Innendruck in der Auskleidung auf einem Druck gehalten wird, der höher ist als der Innendruck in der Auskleidung zum Zeitpunkt des Wickelschrittes.
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Gemäß diesem Aspekt kann die Form der Auskleidung gleichmäßiger vergrößert werden, indem der Innendruck in der Auskleidung auf einem Druck gehalten wird, der höher ist als der zum Zeitpunkt des Wickelschrittes. Infolgedessen wird das Ausmaß des Durchhängens der auf die Auskleidung gewickelten Fasern beim Aushärten des duroplastischen Harzes weiter verringert.
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Diese Erfindung ist in verschiedenen Aspekten ausführbar. Zusätzlich zu dem vorgenannten Verfahren zum Herstellen des Tanks ist diese Erfindung in Aspekten wie einer Vorrichtung zum Herstellen eines Tanks, einem Brennstoffzellensystem, das mit einem Tank ausgestattet ist, usw. ausführbar.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration eines Tanks zeigt;
- 2 ist eine Ansicht zur Beschreibung einer Wickelvorrichtung zum Wickeln einer Faser;
- 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des Tanks zeigt;
- 4 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen dem Innendruck in einer Auskleidung und jedem Schritt des Herstellungsverfahrens zeigt; und
- 5 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Beispiels für einen Effekt, der durch einen Achsenrichtungs-Verformungsschritt erzielt wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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AUSFÜHRUNGSFORM
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1 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration eines Tanks zeigt, der nach einem Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung hergestellt wurde. Zum Beispiel ist ein Tank 10 ein Hochdruckgastank, der Wasserstoff in einem verdichteten bzw. komprimierten Zustand speichert, um ihn einer Brennstoffzelle zuzuführen. Der Innendruck im Tank 10, der Wasserstoff speichert, ist beispielsweise gleich oder größer als 35 MPa. Der Tank 10 umfasst einen Tankkörper 115 und eine Verstärkungsschicht 140, die den Tankkörper 115 bedeckt. Der Tankkörper 115 umfasst eine Auskleidung 110, eine erste Hülse 120 und eine zweite Hülse 130.
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Die Auskleidung 110 besteht aus Kunstharz wie Nylon oder Polyethylen. In dieser Ausführungsform besteht die Auskleidung 110 aus Nylon. Der Auskleidung 110 ist ein Hohlbehälter mit einer Auskleidungachse CX und bildet darin einen Speicherraum 114 zur Speicherung von Gas. Die Auskleidung 110 umfasst einen zylindrischen Abschnitt 111 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form und Kuppelabschnitte 112 mit im Wesentlichen halbkugelförmigen Formen, die mit gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Abschnitts 111 in einer Richtung entlang der Auskleidungsachse CX verbunden sind. In anderen Ausführungsformen kann die Auskleidung 110 aus Metall hergestellt sein.
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Die Verstärkungsschicht 140 ist so angeordnet, dass sie die Auskleidung 110 und periphere Teile der ersten Hülse 120 und der zweiten Hülse 130 mit Ausnahme von Öffnungsteilen derselben, die in Richtung der Auskleidungachse CX zeigen, abdeckt. Die Verstärkungsschicht 140 besteht aus einem faserverstärkten Harz. In dieser Ausführungsform besteht die Verstärkungsschicht 140 aus kohlefaserverstärktem Harz (CFK), das ein Verbundmaterial aus einem duroplastischen Harz und einer Kohlefaser ist. Als wärmehärtbares bzw. duroplastisches Harz wird Epoxidharz verwendet. Das duroplastische Harz ist nicht auf Epoxidharz beschränkt, sondern es können auch andere Arten von duroplastischem Harz wie ungesättigtes Polyesterharz verwendet werden.
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Die erste Hülse 120 und die zweite Hülse 130 bestehen aus einem Metall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, oder aus einem hochfesten Harz, und sind an den Kuppelabschnitten 112 der Auskleidung 110 angeordnet. Der Öffnungsteil der ersten Hülse 120 und der zweiten Hülse 130 hat jeweils eine innere Umfangsfläche mit einem Innengewinde. Ein Außengewinde als Funktionsteil, wie z.B. ein Rohr oder eine Ventilanordnung, wird mit dem Innengewinde in Gewindeeingriff gebracht, um das Funktionsteil mit der ersten Hülse 120 oder der zweiten Hülse 130 zu verbinden. In 1 ist eine Ventilbaugruppe VA, angedeutet durch Zwei-Punkt-Kettenlinien, mit der ersten Hülse 120 verbunden. In dieser Ausführungsform ist die zweite Hülse 130 so ausgebildet, dass sich der Speicherraum 114 und die Außenseite in einem nicht kommunizierenden Zustand befinden.
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Ist der Tank 10 als Element in einem Brennstoffzellensystem enthalten, so wird der Speicherraum 114 über die Ventilbaugruppe VA mit einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Gasströmungsweg verbunden. Der Speicherraum 114 wird mit Wasserstoff als Brenngas gefüllt. Der Wasserstoff wird aus dem Speicherraum 114 einer Brennstoffzelle zugeführt, die ihn zur Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle verwendet.
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2 ist eine Ansicht zur Beschreibung einer Wickelvorrichtung 200 zum Wickeln einer Faser 32. Die Wickelvorrichtung 200 umfasst eine Dreheinheit 201, eine Drehwelle 203, eine Stützwelle 205, eine Faserführungseinheit 38, einen Innendruckeinstellmechanismus 29 und einen Controller 40. Der Controller 40 steuert den Betrieb der Wickelvorrichtung 200. Die Faserführungseinheit 38 führt die mit duroplastischem Harz imprägnierte Faser 32 dem Tankkörper 115 zu. Die Faserführungseinheit 38 stellt den Wickelwinkel der Faser 32 ein.
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Die Dreheinheit 201 ist mit der Drehwelle 203 gekoppelt und wird durch einen Befehl von dem Controller 40 angetrieben, wodurch die Drehwelle 203 gedreht wird. Die Drehwelle 203 ist an der zweiten Hülse 130 befestigt und dreht den Tankkörper 115. Die Stützwelle 205 ist an der ersten Hülse 120 so befestigt, dass der Tankkörper 115 drehen kann. Die Stützwelle 205 hat eine röhrenförmige Form.
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Die Faser 32 wird auf den Tankkörper 115 gewickelt, indem die Faser 32 von der Faserführungseinheit 38 zum Tankkörper 115 geführt wird, während der Tankkörper 115 mit Hilfe der Dreheinheit 201 um die Auskleidungachse CX gedreht wird. Die Faser 32 wird durch eine Reifenwicklung oder Schraubenwicklung auf den Tankkörper 115 gewickelt. Die Reifenwicklung ist eine Art der Wicklung der Faser 32, bei der ein Winkel zwischen der Auskleidungachse CX und einer Wickelrichtung der Faser 32 zu einem im wesentlichen rechten Winkel wird. Der hier erwähnte „im wesentlichen rechte Winkel“ schließt sowohl einen Winkel von 90° als auch Winkel um 90° ein, die durch Verschiebung einer Wicklungsposition der Faser 32 mit der Absicht, eine Überlappung zwischen Teilen der Faser 32 zu vermeiden, definiert werden könnten. Die Reifenwicklung wird zum Wickeln der Faser 32 auf den zylindrischen Abschnitt 111 verwendet.
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Die Schraubenwicklung umfasst eine Schraubenwicklung mit hohem Winkel und eine Schraubenwicklung mit niedrigem Winkel. Die Schraubenwicklung mit hohem Winkel ist eine Art der Wicklung der Faser 32 auf den zylindrischen Abschnitt 111 der Auskleidung 110, bei der die Auskleidungachse CX und eine Wickelrichtung der Faser 32 einen Winkel in einem beispielhaften Bereich von 75 bis 87° (z.B. 80°) bilden. Die Schraubenwicklung mit niedrigem Winkel ist eine Art der Wicklung der Faser 32 auf den Tankkörper 115, bei der die Auskleidungachse CX und die Wickelrichtung der Faser 32 einen Winkel in einem beispielhaften Bereich von 10 bis 30° (z.B. 15°) bilden. Bei der Schraubenwicklung mit niedrigem Winkel wird die Faser 32 wiederholt in spiralförmigen Windungen so gewickelt, dass sie sich über die beiden Kuppelabschnitte 112 erstreckt.
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Der Innendruckeinstellmechanismus 29 umfasst einen Druckeinstellströmungsweg 22, einen Druckbeaufschlagungsströmungsweg 21, einen Druckreduzierungsströmungsweg 20, ein Schaltventil 16, eine Druckreduzierungspumpe 23 und eine Druckbeaufschlagungspumpe 24. Jeder der Strömungswege 20, 21 und 22 wird durch ein Rohr gebildet. Der Druckeinstellströmungsweg 22 ist ein Strömungsweg zur Kommunikation zwischen der Außenseite und dem Speicherraum 114 im Tankkörper 115 und ist teilweise in der Stützwelle 205 angeordnet. Im Druckeinstellströmungsweg 22 ist ein Drucksensor 27 angeordnet. Ein Erfassungswert vom Drucksensor 27 wird an den Controller 40 ausgegeben. In dieser Ausführungsform wird ein Erfassungswert vom Drucksensor 27 als Innendruck in der Auskleidung 110 betrachtet.
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Der Druckreduzierungsströmungsweg 20 ist ein Strömungsweg, der über das Schaltventil 16 mit dem Druckeinstellströmungsweg 22 in Verbindung steht, und ist ein Strömungsweg zur Druckreduzierung im Speicherraum 114, also dem Innendruck in der Auskleidung 110. Die Druckreduzierungspumpe 23 ist im Druckreduzierungsströmungsweg 20 angeordnet. Die Druckreduzierungspumpe 23 wird durch einen Befehl des Controllers 40 angetrieben, um Gas im Speicherraum 114 über den Druckeinstellströmungsweg 22 und den Druckreduzierungsströmungsweg 20 nach außen abzulassen und dadurch den Druck im Speicherraum 114 zu reduzieren.
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Der Druckbeaufschlagungsströmungsweg 21 ist ein Strömungsweg, der über das Schaltventil 16 mit dem Druckeinstellströmungsweg 22 in Verbindung steht, und ist ein Strömungsweg zur Druckerhöhung im Speicherraum 114 ist, also zur Erhöhung des Innendrucks in der Auskleidung 110. Im Druckbeaufschlagungsströmungsweg 21 ist die Druckbeaufschlagungspumpe 24 angeordnet. Die Druckbeaufschlagungspumpe 24 wird durch einen Befehl des Controllers 40 angetrieben, um Gas über den Druckeinstellströmungsweg 22 und den Druckbeaufschlagungsströmungsweg 21 in den Speicherraum 114 einzubringen und dadurch den Druck im Speicherraum 114 zu erhöhen. In dieser Ausführungsform hat der Druckreduzierungsströmungsweg 20 ein Ende, mit dem ein Gasbehälter (in den Zeichnungen nicht dargestellt) verbunden ist, der Gas speichert, das in den Speicherraum 114 eingebracht werden soll. Gas zur Druckerhöhung im Speicherraum 114 ist vorzugsweise Inertgas zur Unterdrückung der Oxidation der Auskleidung 110. In dieser Ausführungsform wird Stickstoff als Inertgas verwendet.
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Das Schaltventil 16 ändert als Reaktion auf einen Befehl des Controllers 40 einen Verbindungszustand zwischen dem Druckeinstellströmungsweg 22 und dem Druckreduzierungsströmungsweg 20 oder einen Verbindungszustand zwischen dem Druckeinstellströmungsweg 22 und dem Druckbeaufschlagungsströmungsweg 21. Jeder von dem Druckeinstellströmungsweg 22, dem Druckbeaufschlagungsströmungsweg 21 und dem Druckreduzierungsströmungsweg 20 sind mit dem Schaltventil 16 schließbar.
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des Tanks 10 zeigt. 4 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen dem Innendruck in der Auskleidung 110 und jedem Schritt des Herstellungsverfahrens zeigt. Wie in 3 dargestellt, führt der Controller 40 einen anfänglichen Druckbeaufschlagungsschritt durch (Schritt S10). Wie in 4 dargestellt, ist der anfängliche Druckbeaufschlagungsschritt ein Schritt zur Erhöhung des Innendrucks in der Auskleidung 110 auf einen ersten Druck PI, der höher als der Umgebungsdruck ist, indem der Innendruckeinstellmechanismus 29 gesteuert wird und unter Druck stehendes Gas in den Speicherraum 114 eingebracht wird. Der erste Druck P1 ist vorzugsweise auf einen solchen Wert eingestellt, dass eine große Verformung der Auskleidung 110, die durch die Belastung durch die Faser 32 während des Wickelns der Faser 32 auf die Auskleidung 110 in einem später beschriebenen Wickelschritt verursacht wird, verringert wird.
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Wenn ein Erfassungswert vom Drucksensor 27 gleich dem ersten Druck P1 wird, steuert der Controller 40 die Faserführungseinheit 38 und die Dreheinheit 201, um den Wickelschritt durchzuführen (Schritt S20 in 3). Der Wickelschritt ist ein Schritt, bei dem die mit duroplastischem Harz imprägnierte Faser 32 vor dem Aushärten auf den Tankkörper 115 einschließlich der Auskleidung 110 gewickelt wird. Zum Wickeln der Faser 32 werden die Reifenwicklung, die Schraubenwicklung mit hohem Winkel und die Schraubenwicklung mit niedrigem Winkel in Kombination verwendet. Als Ergebnis des Wickelschrittes wird auf dem Tankkörper 115 eine Mehrzahl von Schichten aus der mit dem duroplastischen Harz imprägnierten Faser 32 vor dem Aushärten gebildet.
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Wie in 4 dargestellt, erhöht der Controller 40 während des Wickelschritts der Faser 32 den Innendruck in der Auskleidung 110 weiter vom ersten Druck PI, um eine große Verformung der Auskleidung 110 zu unterdrücken, die durch die Belastung durch die auf die Auskleidung 110 gewickelte Faser 32 verursacht wird. In dieser Ausführungsform erhöht der Controller 40 den Innendruck in der Auskleidung 110 vom ersten Druck P1 auf einen zweiten Druck P2 zu einem vorbestimmten ersten Zeitpunkt, und erhöht dann den Innendruck vom zweiten Druck P2 auf einen dritten Druck P3 zu einem vorbestimmten zweiten Zeitpunkt.
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Wie in 3 dargestellt, führt der Controller 40 nach Schritt S20 einen Druckreduzierungsschritt (Schritt S30) durch. Wie in 4 dargestellt, wird der Druckreduzierungsschritt zwischen dem Wickelschritt und einem später beschriebenen Formänderungsschritt durchgeführt. In dem Druckreduzierungsschritt wird der Innendruck in der Auskleidung 110 gegenüber dem Innendruck in der Auskleidung 110 zum Zeitpunkt des Wickelschrittes reduziert, um die Form der Auskleidung 110 (insbesondere die Form in radialer Richtung) kleiner zu machen als ihre Form zum Zeitpunkt des Wickelschrittes. In dieser Ausführungsform wird beim Druckreduzierungsschritt der Innendruck in der Auskleidung 110 so reduziert, dass er niedriger ist als der dritte Druck P3 als maximaler Innendruck zum Zeitpunkt des Wickelschritts. Beim Druckreduzierungsschritt betätigt der Controller 40 das Schaltventil 16, um einen Verbindungszustand zwischen dem Druckeinstellströmungsweg 22 und dem Druckreduzierungsströmungsweg 20 herzustellen. Dann treibt der Controller 40 die Druckreduzierungspumpe 23 an, um das Gas im Speicherraum 114 nach außen abzuführen. Dadurch wird der Innendruck in der Auskleidung 110 auf einen Druck reduziert, der niedriger als der dritte Druck P3 ist. Solange der Innendruck in der Auskleidung 110 auf einen Wert reduziert ist, der niedriger als der dritte Druck P3 ist, ist ein Sollwert des Innendrucks im Druckreduzierungsschritt nicht auf den vorgenannten Wert begrenzt, sondern kann z.B. Umgebungsdruck sein. Im Druckreduzierungsschritt wird der Innendruck in der Auskleidung 110 vorzugsweise derart reduziert, dass er niedriger wird als der Innendruck in der Auskleidung 110 zum Zeitpunkt des Wickelns der Faser 32 zur Ausbildung einer vorbestimmten Schicht auf der Auskleidung 110. Eine Schicht zur Bildung der vorbestimmten Schicht ist eine Schicht, die im Wickelschritt gewickelt wird und nach der Herstellung des Tanks 10 einer maximalen Spannung bzw. Belastung ausgesetzt wird (Maximalbelastungsschicht). Die Maximalbelastungsschicht ist eine Schicht, in der die Dehnung der Faser 32 als Reaktion auf die Befüllung des Tanks 10 mit Gas, sodass der Innendruck im Tank 10 einen vordefinierten Wert (z.B. 80 MPa) über dem Atmosphären- bzw. Umgebungsdruck annimmt, maximal wird. In dieser Ausführungsform ist die Maximalbelastungsschicht eine Schicht an der innersten Position von Schichten, die durch die Schraubenwicklung mit hohem Winkel oder die Reifenwicklung gebildet werden. So ist z.B. die Maximalbelastungsschicht die innerste Schicht der unter einem Winkel nahe der Umfangsrichtung gewickelten Schichten. Der Innendruck in der Auskleidung 110 zum Zeitpunkt der Schichtbildung ist der erste Druck P1. Die Dehnung der Faser 32 kann aus einer Dehnungsrate der Faser 32 auf Basis der Zeit bewertet werden, wenn der Innendruck im Tank 10 der Umgebungsdruck ist, und wird mit zunehmender Dehnungsrate größer. Auf diese Weise wird in dieser Ausführungsform der Innendruck durch den Druckreduzierungsschritt auf einen vierten Druck P4 reduziert, der niedriger ist als der erste Druck P1.
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Wie in 3 dargestellt, führt der Controller 40 den Formänderungsschritt (Schritt S40, Schritt S50) nach Schritt S30 aus. Der Formänderungsschritt ist ein Schritt, bei dem die Form der Auskleidung 110 größer gemacht wird als ihre Form zum Zeitpunkt des Wickelschritts. In dem Formänderungsschritt wird die Form der Auskleidung 110 zumindest in einer Achsenrichtung entlang der Auskleidungachse CX der Auskleidung 110 und/oder in der radialen Richtung des zylindrischen Abschnitts 111 senkrecht zur Achsenrichtung größer als ihre Form zum Zeitpunkt des Wickelschrittes. In dieser Ausführungsform umfasst der Formänderungsschritt einen Achsenrichtungs-Verformungsschritt (Schritt S40) und einen Druckbeaufschlagungsschritt (Schritt S50).
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Der Achsenrichtungs-Verformungsschritt ist ein Schritt zur Vergrößerung der Form der Auskleidung 110 in der Achsenrichtung durch Aufbringen einer äußeren Kraft auf die Auskleidung 110. Beim Achsenrichtungs-Verformungsschritt wird beispielsweise eine äußere Kraft mit Hilfe eines Spannwerkzeugs oder dergleichen auf die erste Hülse 120 und die zweite Hülse 130 in einer solchen Weise aufgebracht, dass die erste Hülse 120 und die zweite Hülse 130 in Achsenrichtung voneinander getrennt werden. Durch das Aufbringen der äußeren Kraft auf die Auskleidung 110 über die erste Hülse 120 und die zweite Hülse 130 auf diese Weise wird die Größe der Auskleidung 110 in Achsenrichtung größer als die Größe vor dem Formänderungsschritt. Alternativ kann die Größe der Auskleidung 110 in Achsenrichtung als Reaktion auf das Aufbringen der äußeren Kraft durch Einstellen der Position der Stützwelle 205 oder der Drehwelle 203 größer als ihre Größe vor dem Formänderungsschritt gemacht werden. Im Achsenrichtungs-Verformungsschritt wird die Form der Auskleidung 110 in Achsenrichtung in einem Bereich von z.B. etwa 1 bis 10 mm vergrößert. Der Achsenrichtungs-Verformungsschritt kann z.B. in einem Zeitraum vom Zeitpunkt t8 bis zum Zeitpunkt t9 durchgeführt werden, in dem der Druckbeaufschlagungsschritt durchgeführt wird, wie in 4 dargestellt, zwischen dem Druckreduzierungsschritt und dem Druckbeaufschlagungsschritt oder nach dem Druckbeaufschlagungsschri tt.
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Der Druckbeaufschlagungsschritt ist ein Schritt zur Vergrößerung der Form der Auskleidung 110 (insbesondere der Form in radialer Richtung). Beim Druckbeaufschlagungsschritt steuert der Controller 40 den Betrieb des Schaltventils 16, um den Druckbeaufschlagungsströmungsweg 21 und den Druckeinstellströmungsweg 22 miteinander in Verbindung zu bringen, und treibt dann die Druckbeaufschlagungspumpe 24 an, wodurch Gas (in dieser Ausführungsform Stickstoff) in die Auskleidung 110 eingebracht wird. Auf diese Weise wird im Druckbeaufschlagungsschritt der Innendruck in der Auskleidung 110 zum Zeitpunkt des Wickelschrittes beispielsweise auf einen fünften Druck P5 erhöht, der höher als der dritte Druck P3 als maximaler Druck ist. Der resultierende Innendruck in der Auskleidung 110 vergrößert die Größe der Auskleidung 110 gegenüber der Größe vor dem Druckbeaufschlagungsschritt, die hauptsächlich die in radialer Richtung definierte Form der Auskleidung 110 ist. Unter Berücksichtigung der Sicherheit kann der fünfte Druck P5 z.B. gleich oder kleiner als 1,0 MPa sein. Der Innendruck muss nur erhöht werden, um höher zu werden als der Innendruck zum Zeitpunkt des Wickelschrittes (z.B. erster Druck P1 als minimaler Innendruck). Der Innendruck in der Auskleidung 110 wird jedoch vorzugsweise erhöht, um höher zu werden als der dritte Druck P3 als maximaler Innendruck zum Zeitpunkt des Wickelschrittes, da so ein Durchhängen in der im Wickelschritt gewickelten Faser 32 weiter verringert werden kann.
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Wie in 3 dargestellt, wird ein Aushärtungsschritt das duroplastische Harz erhitzt und ausgehärtet (Schritt S60), indem der Tankkörper 115, auf den die mit dem duroplastischen Harz imprägnierte Faser 32 gewickelt wird, erhitzt wird, während die Form der Auskleidung 110 durch den Formänderungsschritt vergrößert wird. Wie in 4 dargestellt, wird zum Beispiel das duroplastische Harz erhitzt, um im Aushärtungsschritt ausgehärtet zu werden, während die Form der Auskleidung 110 vergrößert wird, indem der Innendruck in der Auskleidung 110 auf dem fünften Druck P5 gehalten wird, der höher ist als der Innendruck zum Zeitpunkt des Wickelschritts. Im Aushärtungsschritt wird der Tankkörper 115 in einem Heizofen angeordnet und die mit dem duroplastischen Harz imprägnierte Faser wird erhitzt, wodurch das duroplastische Harz ausgehärtet wird. Als Ergebnis wird der Tank 10 hergestellt. In diesem Fall sind auch die Drehwelle 203, die Stützwelle 205 und der Innendruckeinstellmechanismus 29 teilweise im Heizofen angeordnet. Der Innendruck in der Auskleidung 110 während der Durchführung des Aushärtungsschritts ist vorzugsweise gleich oder größer als der maximale Innendruck (in dieser Ausführungsform der fünfte Druck P5) in der Auskleidung 110 in einem Zeitraum vom Wickelschritt bis zu einem Zeitpunkt vor der Durchführung des Aushärtungsschritts. Dies ermöglicht es, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass die Form der Auskleidung 110 kleiner wird als ihre Form während der Beaufschlagung mit dem maximalen Innendrucks, so dass die Faser 32 während der Durchführung des Aushärtungsschritts durchhängt.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Formänderungsschritt vor dem Aushärtungsschritt durchgeführt, um die Form der Auskleidung 110 zu vergrößern, wie in 3 dargestellt. Auf diese Weise wird, selbst wenn die auf die Auskleidung 110 gewickelte Faser 32 durchhängt, die Faser 32 als Reaktion auf die Formänderung der Auskleidung 110 gedehnt, um das Ausmaß des Durchhängens zu verringern. Auf diese Weise wird das duroplastische Harz mit einem reduzierten Ausmaß des Durchhängens in der Faser 32 ausgehärtet, also während das Auftreten einer Abweichung der Wickelrichtung der Faser 32 von einer im Voraus festgelegten Richtung verringert wird, wodurch eine Verringerung der Festigkeit (z.B. Druckfestigkeit) des Tanks 10 unterdrückt wird.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst der Formänderungsschritt den Druckbeaufschlagungsschritt zum Vergrößern der Form der Auskleidung 110 durch Erhöhung des Innendrucks in der Auskleidung 110. Dadurch kann das Ausmaß eines Durchhängens der auf die Auskleidung 110 gewickelten Faser 32 verringert werden. Insbesondere wird durch die Vergrößerung der Form der Auskleidung 110 durch Erhöhen des Innendrucks in der Auskleidung 110 eine gleichmäßigere Vergrößerung der Auskleidung 110 (insbesondere des zylindrischen Abschnitts 111) erreicht, wodurch das Ausmaß eines Durchhängens in der auf die Auskleidung 110 gewickelten Faser 32 gleichmäßiger verringert werden kann. Der Formänderungsschritt umfasst den Achsenrichtungs-Verformungsschritt zum Vergrößern der Form der Auskleidung 110 in Achsenrichtung. Durch Vergrößern der Form der Auskleidung 110 in Achsenrichtung wird die auf die Auskleidung 110 gewickelte Faser 32, insbesondere die Faser 32, die eine innere Schicht in der Nähe der Auskleidung 110 bildet, durch Reibung als Reaktion auf die Verformung der Auskleidung 110 verschoben, um die durchhängende Faser 32 zu strecken. Auf diese Weise kann das Ausmaß des Durchhängens der Faser 32 verringert werden. Ferner wird durch die Vergrößerung der Form der Auskleidung 110 in Achsenrichtung durch den Achsenrichtungs-Verformungsschritt die auf die Auskleidung 110 gewickelte Faser 32 durch die Schraubenwicklung mit niedrigem Winkel so gedehnt, dass sie sich über die beiden Kuppelabschnitte 112 erstreckt, wodurch das Ausmaß des Durchhängens der Faser 32 weiter verringert werden kann.
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5 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Beispiels für den Effekt, der durch den Achsenrichtungs-Verformungsschritt erzielt wird. Wenn im Wickelschritt eine erste Schicht, die einer innersten Schicht L1 entspricht, z.B. durch die Schraubenwicklung mit niedrigem Winkel ausgebildet wird und eine zweite Schicht z.B. durch die Schraubenwicklung mit hohem Winkel oder die Reifenwicklung ausgebildet wird, und selbst wenn die Faser 32, die die innerste Schicht L1 bildet (die Faser 32 ist z.B. durch Striche gekennzeichnet), durchhängt, bewirkt eine Vergrößerung der Form der Auskleidung 110 in Achsenrichtung eine Reibung mit der Auskleidung 110, um die Faser 32 zu verschieben, wodurch eine Verringerung des Ausmaßes des Durchhängens in der Faser 32 ermöglicht wird. Auf diese Weise wird das Auftreten einer Stufe in der zweiten Schicht während der Bildung der zweiten Schicht reduziert, wodurch es möglich wird, die Festigkeitsreduzierung des Tanks 10 zu unterdrücken, die durch das Vorhandensein einer Stufe in der zweiten Schicht verursacht werden könnte, die durch die Schraubenwicklung mit hohem Winkel oder die Reifenwicklung gebildet wird. In dieser Ausführungsform entspricht diese zweite Schicht einer Schicht, die nach der Herstellung des Tanks 10 während der Druckbeaufschlagung einer maximalen Beanspruchung ausgesetzt wird.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ermöglicht das Entspannen der Faser 32 im Druckreduzierungsschritt nach dem Wickeln der Faser 32 auf die Auskleidung 110 eine Druckreduzierung von Teilen der Faser 32, die einander überlappen, auf den anderen Teil der Faser 32. Dadurch wird eine Verringerung der Reibungskraft zwischen den einander überlappenden Teilen der Faser 32 erreicht. Auf diese Weise wird die auf die Auskleidung 110 gewickelte Faser 32 leichter beweglich, wodurch es möglich wird, ein Ausmaß des Durchhängens der auf die Auskleidung 110 gewickelten Faser 32 im Formänderungsschritt weiter zu reduzieren. Insbesondere ist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Druckreduzierungsschritt ein Schritt, bei dem der Innendruck in der Auskleidung 110 auf einen Druck reduziert wird, der niedriger ist als der Innendruck in der Auskleidung 110 zum Zeitpunkt des Wickelns der Faser 32, um eine Schicht zu bilden, die nach der Herstellung des Tanks 10 einer maximalen Belastung ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird die vorbestimmte Faser, d.h. die Faser 32, die die Maximalbelastungsschicht bildet, einmal entspannt, um die vorbestimmte Faser leicht beweglich zu machen. Auf diese Weise kann das Ausmaß eines Durchhängens in der Faser 32, die die Schicht bildet, die der maximalen Belastung ausgesetzt werden soll, verringert werden, um eine weitere Unterdrückung der Festigkeitsreduzierung des Tanks 10 zu erreichen.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird in dem Aushärtungsschritt, der dem Schritt S60 entspricht, das duroplastische Harz erhitzt und gehärtet, während die Form der Auskleidung 110 vergrößert wird, indem der Innendruck in der Auskleidung 110 beim fünften Druck P5 gehalten wird, der höher ist als der Innendruck zum Zeitpunkt des Wickelschritts. Im Vergleich zur Vergrößerung der Form der Auskleidung 110 unter Verwendung einer Spannvorrichtung oder ähnlichem wird durch das Halten des Innendrucks in der Auskleidung 110 bei einem höheren Druck als demjenigen zum Zeitpunkt des Wickelschritts eine gleichmäßigere Vergrößerung der Form der Auskleidung 110 erreicht. Infolgedessen wird das Ausmaß eines Durchhängens der auf die Auskleidung 110 gewickelten Faser 32 beim Aushärten des duroplastischen Harzes weiter verringert. Insbesondere verflüssigt sich Epoxidharz als das duroplastische Harz und wird dann als Reaktion auf die Temperaturerhöhung ausgehärtet. Außerdem wird die Auskleidung 110 durch Temperaturerhöhung aufgeweicht, um die Form der Auskleidung 110 durch die Wirkung des Innendrucks weiter zu vergrößern. Auf diese Weise wird die Auskleidung 110 aufgeweicht, um die Form der Auskleidung 110 weiter zu vergrößern, während die Faser 32 während der Verflüssigung des Epoxidharzes leicht beweglich gemacht wird, so dass ein Zustand hergestellt werden kann, in dem das Ausmaß des Durchhängens der Faser 32, die eine Schicht wie eine Innenschicht bildet, weiter verringert wird. Durch Aushärten des Epoxidharzes in diesem Zustand wird das Ausmaß des Durchhängens in der Faser 32 im hergestellten Tank 10 weiter verringert.
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Andere Ausführungsformen
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B-1. Erste andere Ausführungsform
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann zwischen dem Wickelschritt und dem Druckbeaufschlagungsschritt ein einleitender Druckbeaufschlagungsschritt zur Erhöhung des Innendrucks in der Auskleidung 110 auf einen höheren Druck als zum Zeitpunkt des Wickelschritts durchgeführt werden. Die Durchführung des einleitenden Druckbeaufschlagungsschritts ist insbesondere bevorzugt, wenn der Druckreduzierungsschritt weggelassen wird. Selbst wenn der Innendruck in der Auskleidung 110 durch das Austreten des Inertgases als Gas aus der Auskleidung 110 oder durch die Zunahme des Volumens der Auskleidung 110 aufgrund der Temperaturerhöhung der Auskleidung 110 verringert wird, ist es unwahrscheinlich, dass der Innendruck in der Auskleidung 110 zu einem Unterdruck wird. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass Luft in den Speicherraum 114 in der Auskleidung 110 strömt, wodurch das Auftreten einer Oxidation der Auskleidung 110 verringert werden kann.
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B-2. Zweite andere Ausführungsform
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Der in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durchgeführte Druckreduzierungsschritt kann weggelassen werden. Der Formänderungsschritt braucht nur den Achsenrichtungs-Verformungsschritt oder den Druckbeaufschlagungsschritt umfassen. Selbst in solchen Fällen wird durch das Vergrößern der Form der Auskleidung 110 durch den Formänderungsschritt vor dem Aushärtungsschritt die Faser 32 als Reaktion auf die Formänderung der Auskleidung 110 gedehnt wird, wodurch das Ausmaß des Durchhängens verringert werden kann.
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Diese Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern ist in Form verschiedener Konfigurationen innerhalb eines Bereichs ausführbar, der nicht vom Wesentlichen der Erfindung abweicht. Zum Beispiel können technische Merkmale in der Ausführungsform, die denen in jedem der in der KURZFASSUNG beschriebenen Aspekte entsprechen, gegebenenfalls ersetzt oder kombiniert werden, mit der Absicht, einige oder alle der oben genannten Probleme zu lösen oder einige oder alle der oben genannten Effekte zu erzielen. Diese technischen Merkmale können gegebenenfalls gestrichen werden, es sei denn, sie werden in dieser Beschreibung als absolut notwendig beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2018 [0002]
- JP 179081 A [0002]
