高压储罐及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种具有覆盖内胆的外表面的加强层的高压储罐及其制造方法。

背景技术：

2.高压储罐作为收容气体、液体等流体的容器而被广泛使用。例如，作为收容用于向燃料电池系统供给的氢气的高压储罐被搭载于燃料电池车辆。
3.作为这种高压储罐，已知有一种高压储罐(例如，参照日本发明专利公开公报特开2010-249147号)，其具有树脂制的内胆和由纤维增强树脂构成的加强层，其中，所述内胆将流体收容在中空内部，所述加强层为了加强该内胆而覆盖其外表面。加强层一般通过被称为纤维缠绕成型(filament winding)的制法而形成。在纤维缠绕成型中，将浸渍有树脂的增强纤维(frp)在内胆的外壁上缠绕多圈后，通过加热使树脂固化。

技术实现要素：

4.在现有技术中，在纤维缠绕成型中，通过向内胆开始卷绕纤维时的纤维端(始端)而与内胆之间产生台阶。在与该台阶上的部分重叠的纤维(加强层的最内层的纤维)上作用有因台阶而引起的剪切力(shear force)，从而在最内层的纤维上产生裂纹。当树脂制的内胆由于高压储罐的内压而推压纤维的裂纹时，在被推压的部位内胆会发生破损。因此，高压储罐的耐用性有可能会下降。
5.本发明的目的在于，解决上述的技术问题。
6.本发明的第1技术方案为：一种高压储罐，其具有树脂制的内胆、加强层和接口，其中，所述加强层由通过在所述内胆的外表面缠绕多圈纤维而形成的多个纤维层构成；所述接口被固定于所述内胆的轴向上的端部，且形成有用于向所述内胆供给流体和从所述内胆排出流体的供排孔，在该高压储罐中，所述纤维的卷绕开始部即始端被重叠配置于所述接口。
7.本发明的第2技术方案为：一种高压储罐的制造方法，其具有组件提供工序和加强层形成工序，其中，在所述组件提供工序中，提供用于将接口固定于树脂制的内胆的轴向上的端部的组件，其中，所述接口形成有用于向所述内胆供给流体和从所述内胆排出流体的供排孔；在所述加强层形成工序中，通过在所述组件的所述内胆的外表面缠绕多圈纤维而形成由多个纤维层构成的加强层，在该高压储罐的制造方法中，在所述加强层形成工序中，将所述纤维的卷绕开始部即始端重叠配置于所述接口。
8.根据本发明，构成加强层的纤维的卷绕开始部即始端被重叠配置于接口。因此，即使在因由始端导致的台阶而在加强层的最内层产生裂纹(破损)的情况下，内胆也不会发生破损。因此，能够通过防止因纤维的裂纹而引起的内胆的破损来实现长寿命化。
9.根据参照附图说明的以下的实施方式的说明，上述的目的、特征和优点应易于被理解。
附图说明
10.图1是沿着本发明的实施方式所涉及的高压储罐的轴向的剖视图。图2是图1所示的高压储罐的内胆和加强层的放大剖视图。图3是用于说明螺旋卷绕(helical winding)的立体图。图4是用于说明纤维的始端(卷绕开始部的端部)的位置的主要部分剖视图。图5是高压储罐的制造方法的流程图。图6a是用于说明将纤维固定于接口的方法的一方式的图，图6b是用于说明将纤维固定于接口的方法的另一方式的图。图7是表示高压储罐的第1变形例的主要部分剖视图。图8是表示高压储罐的第2变形例的主要部分剖视图。
具体实施方式
11.图1所示的本实施方式所涉及的高压储罐10例如为被搭载于燃料电池车辆的燃料储罐(氢气储罐)。在高压储罐10被搭载于燃料电池车辆的情况下，氢气在高压下被填充于高压储罐10。氢气被供给至搭载于燃料电池车辆的燃料电池(或者燃料电池堆)的阳极。
12.高压储罐10也可以是被应用于燃料电池车辆以外的储罐。高压储罐10也可以是用于储存氢气以外的燃料气体的燃料气体储罐。高压储罐10也可以是将氢气以外的燃料气体填充于燃料气体储罐的设备所使用的气体储罐。高压储罐10也可以是用于输送氢气以外的燃料气体而使用的气体储罐。高压储罐10也可以是用于储存压缩天然气、液化石油气的储罐。
13.高压储罐10具有内胆12、加强层14和接口16a、16b，其中，所述内胆12在内部形成有流体的储存腔13(填充腔)；所述加强层14用于覆盖该内胆12；所述接口16a、16b被固定于内胆12的两端部。
14.内胆12例如由表示氢气阻隔性的高密度聚乙烯(hdpe)树脂构成。在该情况下，由于hdpe树脂低价且易于加工，因此，存在能够以低成本且容易地制作内胆12的优点。另外，由于hdpe树脂的强度和刚性优异，因此，适合于高压储罐10的内胆12。
15.内胆12具有中空的主体部18、第1圆顶部(dome)20a及第2圆顶部20b，其中，所述主体部18呈大致圆筒形状，所述第1圆顶部20a和第2圆顶部20b作为被设置于该主体部18的两端且逐渐进行收敛的收敛部。在本实施方式中，主体部18的内径和外径大致恒定。此外，主体部18的内径和外径也可以随着靠向第1圆顶部20a或第2圆顶部20b而呈锥状缩径。主体部18的内径和外径也可以随着靠向第1圆顶部20a或第2圆顶部20b而扩径。第1圆顶部20a和第2圆顶部20b构成内胆12在轴向上的两端部。
16.在第1圆顶部20a和第2圆顶部20b各自的内周部设置有环状凹部22，该环状凹部22向内胆12的轴向内侧凹进。在环状凹部22的中央部设置有筒状凸部24，该筒状凸部24向内胆12的轴向外侧突出。在筒状凸部24的外周部设置有外螺纹26。设置在接口16a、16b各自的内周部的内螺纹28旋合于筒状凸部24的外螺纹26。据此，接口16a、16b分别被固定于内胆12。
17.接口16a、16b为形成有用于向内胆12供给流体和从内胆12排出流体的供排孔17的筒状部件，且例如由金属构成。由于一方的接口16a和另一方的接口16b彼此同样地构成，因
此，以下代表性地对一方的接口16a的结构进行说明。此外，也可以不设置另一方的接口16b。
18.在接口16a的内周部设置有内螺纹28。接口16a的内螺纹28旋合于筒状凸部24的外螺纹26。据此，接口16a被固定于内胆12。接口16a具有圆环状的凸缘部30和圆筒状的筒部32，其中，所述圆环状的凸缘部30夹设于内胆12与加强层14之间；所述圆筒状的筒部32与该凸缘部30一体地相连且比该凸缘部30直径小。
19.凸缘部30被配置于内胆12的环状凹部22。凸缘部30的背面30b(靠近储存腔13的表面)抵接于内胆12(详细而言，环状凹部22)。凸缘部30的表面30a(与储存腔13相反一侧的表面)抵接于加强层14。筒部32从凸缘部30向内胆12的轴向外侧突出。筒部32的顶端从加强层14露出。
20.在接口16a连接有用于向阳极供给氢气的或者用于从氢气补给源补给氢气的配管(未图示)。
21.加强层14由在增强纤维中浸渍有树脂基材的纤维增强树脂(frp)形成。加强层14为如下那样形成的层叠体。通过纤维缠绕成型(filament winding)将浸渍有树脂的浸渍纤维36(长丝(filament))缠绕多圈。然后，例如通过加热使树脂固化。据此，形成加强层14。作为frp的例子而列举出cfrp、gfrp等。以下将浸渍纤维36简称为“纤维36”。
22.如图2所示，加强层14具有内侧层叠部40、外侧层叠部44和中间层叠部42，其中，所述内侧层叠部40作为包括纤维36的卷绕开始部的内周部；所述外侧层叠部44作为包括纤维36的卷绕结束部的外周部；所述中间层叠部42夹设于内侧层叠部40与外侧层叠部44之间。此外，图2中的点划线表示第1圆顶部20a和主体部18的边界。
23.内侧层叠部40为层叠多个低螺旋层46而成的层叠体，其中，所述低螺旋层46通过低螺旋卷绕纤维36而形成。因此，在高压储罐10中，由多个纤维层构成的加强层14的最内层为低螺旋层46。同样，外侧层叠部44为层叠多个低螺旋层46而成的层叠体，其中，所述低螺旋层46通过低螺旋卷绕纤维36而形成。
24.如图3所示，螺旋卷绕是指将纤维36以其延伸方向相对于内胆12的主体部18的长度方向(轴线a)倾斜规定的倾斜角度θ的方式进行卷绕的卷绕方式。在本说明书中，“低螺旋卷绕”是指倾斜角度θ为大约40
°
以下的情况。在图3中，例示出倾斜角度θ为大约10
°
的情况。另外，本说明书中的“高螺旋卷绕”是指倾斜角度超过大约40
°
的情况。
25.在图2中，中间层叠部42具有环箍层(hoop layer)50和高螺旋层48，其中，所述环箍层50通过环箍卷绕(hoop winding)浸渍纤维36而形成，所述高螺旋层48通过被高螺旋卷绕而形成。中间层叠部42是环箍层50和高螺旋层48的混合层叠体。环箍层50和高螺旋层48被交替地层叠。环箍卷绕是指将纤维36以其延伸方向与内胆12的主体部18的长度方向大致正交的方式进行卷绕的卷绕方式。通过该中间层叠部42，尤其通过环箍层50能够确保主体部18的耐压强度。此外，中间层叠部42也可以仅由多个环箍层50形成。即，也可以不设置高螺旋层48。
26.如图4所示，纤维缠绕成型时纤维36相对于内胆12开始卷绕的部分即始端36s与接口16a重叠而配置。具体而言，纤维36的始端36s被重叠配置于凸缘部30。纤维36的始端36s抵接于凸缘部30的表面30a。此外，在图4中为了易于理解而用假想线示出了加强层14。
27.下面，例示出高压储罐10的制造方法。
28.如图5所示，高压储罐10的制造方法具有组件提供工序s1和加强层形成工序s2。在组件提供工序s1中，提供用于将接口16a固定于树脂制的内胆12在轴向上的端部的组件58(参照图6a)，其中，所述接口16a形成有用于向内胆12供给流体和从内胆12排出流体的供排孔17。在加强层形成工序s2中，通过在组件58的内胆12的外表面缠绕多圈纤维36(实施纤维缠绕成型)而形成由多个纤维层构成的加强层14。在加强层形成工序s2中，将纤维36的卷绕开始部即始端36s重叠配置于接口16a(凸缘部30)。
29.在加强层形成工序s2中，例如能够采用以下这样的方法。
30.在图6a所示的方式中，将纤维36卷绕于接口16a(筒部32)。接着，开始纤维层的形成(低螺旋卷绕)。在该情况下，纤维36具有第1部分36a和第2部分36b，其中，所述第1部分36a被卷绕于筒部32，所述第2部分36b横穿第1部分36a的接口16a的凸缘部30的表面30a。在第2部分36b上重叠纤维36的另一部分即第3部分36c。据此，将纤维36的第2部分36b固定于接口16a。接着，在纤维36的第1部分36a(被卷绕的部分)与第2部分36b(重叠部分)之间的位置p切断纤维36，将第1部分36a从接口16a(筒部32)拆下。然后，将纤维36卷绕于内胆12(和接口16a)而形成多个纤维层(加强层14)(参照图2)。
31.在图6b所示的方式中，将纤维36呈环状地配置在接口16a的凸缘部30的表面30a上。接着，将呈环状配置的纤维36的重叠部分彼此粘接。据此，将纤维36固定于接口16a。然后，将纤维36卷绕于内胆12(和接口16a)而形成多个纤维层(加强层14)(参照图2)。
32.上述那样构成的高压储罐10发挥以下的效果。
33.如图4所示，在高压储罐10中，构成加强层14的纤维36的卷绕开始部即始端36s被重叠配置于接口16a。因此，即使在因由始端36s导致的台阶而在加强层14的最内层的纤维36产生裂纹(crack)(破损)的情况下，内胆12也不会发生破损。即，即使在因由始端36s导致的台阶而在加强层14的最内层的纤维36产生裂纹的情况下，该裂纹也存在于与接口16a重叠的位置。因此，内胆12不会由于内压被推压出而进入裂纹。因此，能够防止因裂纹而引起的内胆12的破损。因此，能够实现高压储罐10的长寿命化。
34.在高压储罐10中，纤维36的始端36s被重叠配置于接口16a的凸缘部30。如此，纤维36的始端36s被重叠配置于凸缘部30。因此，能够在纤维缠绕成型时将纤维36的始端36s容易地定位于接口16a。
35.在高压储罐10中，凸缘部30被配置于内胆12与加强层14之间。根据该结构，即使在因由纤维36的始端36s导致的台阶而在加强层14的最内层的纤维36产生裂纹的情况下，接口16a的凸缘部30也夹设于裂纹与内胆12之间。因此，内胆12不会与裂纹接触。因此，能够进一步有效地防止因裂纹引起的内胆12的破损。
36.通常，在加强层的最内层为低螺旋层的情况下，当纤维缠绕成型时，为了固定纤维的卷绕开始部即始端而至少进行1周的环箍卷绕，使角度变化到低螺旋层。在该情况下，需要在卷绕开始部的环箍卷绕部分与低螺旋层之间设置过渡层。过渡层是为了连接卷绕开始部的环箍卷绕部分与低螺旋层之间而使纤维的角度逐渐发生变化的层。但是，过渡层对耐压强度没有贡献，因此产生frp的浪费。对此，在本实施方式所涉及的高压储罐10中，纤维36的始端36被重叠配置于接口16a。因此，在纤维缠绕成型时，能够从纤维36的卷绕开始部开始，无需夹设过渡层而形成低螺旋层46。即，由于能够排除过渡层，因此能够实现高压储罐10的轻量化和低成本化。
37.在图7所示的方式(第1变形例)中，设置有横跨接口16a(凸缘部30)和内胆12的保护部件60。保护部件60是沿着凸缘部30形成为圆环状的例如树脂制的片状部件。保护部件60被配置于凸缘部30与加强层14之间。
38.在该情况下，在沿内胆12的轴向观察时，纤维36的始端36s在与凸缘部30重叠的位置被配置在保护部件60上。即，纤维36的始端36s通过保护部件60与凸缘部30重叠。如此，纤维36的始端36s不直接抵接于接口16a，从内胆12的轴向观察时始端36s被配置于与凸缘部30重叠的位置的情况也被包含在“纤维36的卷绕开始部即始端36s被重叠配置于接口16a”的结构中。
39.此外，也可以代替保护部件60，或者除保护部件60之外，与凸缘部30重叠而配置液体垫片(liquid gasket)。这样的结构也被包含在“纤维36的卷绕开始部即始端36s被重叠配置于接口16a”的结构中。
40.在图8所示的方式(第2变形例)中，接口62的凸缘部64被配置于内胆12的内侧。在这样的结构的情况下，内胆12被配置于凸缘部64的表面64a。在沿内胆12的轴向观察时，纤维36的始端36s在与凸缘部30重叠的位置被配置在内胆12上。即，纤维36的始端36s通过内胆12而与凸缘部64重叠。
41.在这样的情况下，内胆12也不会由于储存腔13的内压被裂纹推压而进入裂纹中，因此，能够防止因裂纹引起的内胆12的破损。如此，纤维36的始端36s不直接抵接于接口62，在从内胆12的轴向观察时，始端36s被配置于与凸缘部64重叠的位置的情况也被包含在“纤维36的卷绕开始部即始端36s被重叠配置于接口62”的结构中。
42.将上述的实施方式总结如下。
43.上述的实施方式公开了一种高压储罐(10)，其具有树脂制的内胆(12)、加强层(14)和接口(16a)，其中，所述加强层(14)由通过在所述内胆的外表面缠绕多圈纤维(36)而形成的多个纤维层构成；所述接口(16a)被固定于所述内胆的轴向上的端部，且形成有用于向所述内胆供给流体和从所述内胆排出流体的供排孔(17)，在该高压储罐(10)中，所述纤维的卷绕开始部即始端(36s)被重叠配置于所述接口。
44.在上述的高压储罐中，所述接口具有与所述内胆重叠的凸缘部(30)和从所述凸缘部向所述内胆的轴向外侧突出的筒部(32)，所述纤维的所述始端被重叠配置于所述凸缘部。
45.在上述的高压储罐中，所述凸缘部被配置在所述内胆与所述加强层之间。
46.在上述的高压储罐中，所述凸缘部被配置于所述内胆的内侧。
47.在上述的高压储罐中，所述多个纤维层的最内层为低螺旋层(46)。
48.另外，上述的实施方式公开了一种高压储罐(10)的制造方法，其具有组件提供工序(s1)和加强层形成工序(s2)，其中，在所述组件提供工序(s1)中，提供用于将接口(16a)固定于树脂制的内胆(12)的轴向上的端部的组件(58)，其中，所述接口(16a)形成有用于向所述内胆供给流体和从所述内胆排出流体的供排孔(17)；在所述加强层形成工序(s2)中，通过在所述组件的所述内胆的外表面缠绕多圈纤维(36)而形成由多个纤维层构成的加强层(14)，在该高压储罐的制造方法中，在所述加强层形成工序中，将所述纤维的卷绕开始部即始端(36s)重叠配置于所述接口。
49.在上述的高压储罐的制造方法中，所述接口具有与所述内胆重叠的凸缘部(30)和
从所述凸缘部向所述内胆的轴向外侧突出的筒部(32)，在所述加强层形成工序中，将所述纤维的所述始端重叠配置于所述凸缘部。
50.在上述的高压储罐的制造方法中，所述加强层形成工序具有以下工序：将所述纤维卷绕于所述筒部的工序；从所述纤维中被卷绕于所述筒部的第1部分(36a)横穿所述凸缘部的表面(30a)的第2部分(36b)上重叠所述纤维的另一部分即第3部分(36c)，据此将所述纤维的第2部分固定于所述接口的工序；和在所述第1部分与所述第2部分之间的位置切断所述纤维，将所述第1部分从所述接口拆下的工序。
51.在上述的高压储罐的制造方法中，所述加强层形成工序具有以下工序：将所述纤维呈环状地配置在所述凸缘部上的工序，和将呈环状配置的所述纤维的重叠部分彼此粘接的工序。
52.此外，本发明并不局限于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的情况下，可以采用各种结构。

技术特征：

1.一种高压储罐，其具有树脂制的内胆、加强层和接口，其中，所述加强层由通过在所述内胆的外表面缠绕多圈纤维而形成的多个纤维层构成；所述接口被固定于所述内胆的轴向上的端部，且形成有用于向所述内胆供给流体和从所述内胆排出流体的供排孔，该高压储罐的特征在于，所述纤维的卷绕开始部即始端被重叠配置于所述接口。2.根据权利要求1所述的高压储罐，其特征在于，所述接口具有与所述内胆重叠的凸缘部和从所述凸缘部向所述内胆的轴向外侧突出的筒部，所述纤维的所述始端被重叠配置于所述凸缘部。3.根据权利要求2所述的高压储罐，其特征在于，所述凸缘部被配置在所述内胆与所述加强层之间。4.根据权利要求2所述的高压储罐，其特征在于，所述凸缘部被配置于所述内胆的内侧。5.根据权利要求1至4中任一项所述的高压储罐，其特征在于，所述多个纤维层的最内层为低螺旋层。6.一种高压储罐的制造方法，其具有组件提供工序和加强层形成工序，其中，在所述组件提供工序中，提供用于将接口固定于树脂制的内胆的轴向上的端部的组件，其中，所述接口形成有用于向所述内胆供给流体和从所述内胆排出流体的供排孔；在所述加强层形成工序中，通过在所述组件的所述内胆的外表面缠绕多圈纤维而形成由多个纤维层构成的加强层，该高压储罐的制造方法的特征在于，在所述加强层形成工序中，将所述纤维的卷绕开始部即始端重叠配置于所述接口。7.根据权利要求6所述的高压储罐的制造方法，其特征在于，所述接口具有与所述内胆重叠的凸缘部和从所述凸缘部向所述内胆的轴向外侧突出的筒部，在所述加强层形成工序中，将所述纤维的所述始端重叠配置于所述凸缘部。8.根据权利要求7所述的高压储罐的制造方法，其特征在于，所述加强层形成工序具有以下工序：将所述纤维卷绕于所述筒部的工序；从所述纤维中被卷绕于所述筒部的第1部分横穿所述凸缘部的表面的第2部分上重叠所述纤维的另一部分即第3部分，据此将所述纤维的第2部分固定于所述接口的工序；和在所述第1部分与所述第2部分之间的位置切断所述纤维，将所述第1部分从所述接口拆下的工序。9.根据权利要求7所述的高压储罐的制造方法，其特征在于，所述加强层形成工序具有以下工序：将所述纤维呈环状地配置在所述凸缘部上的工序，和将呈环状配置的所述纤维的重叠部分彼此粘接的工序。

技术总结

本发明提供一种高压储罐及其制造方法。高压储罐(10)具有树脂制的内胆(12)、加强层(14)和接口(16a)，其中，所述加强层(14)由通过在内胆(12)的外表面缠绕多圈纤维(36)而形成的多个纤维层构成；所述接口(16a)被固定于内胆(12)的轴向上的端部，且形成有用于向内胆(12)供给流体和从内胆(12)排出流体的供排孔(17)。纤维(36)的卷绕开始部即始端(36s)被重叠配置于接口(16a)。据此，即使在因由始端导致的台阶而在加强层的最内层产生裂纹(破损)的情况下，内胆也不会发生破损。因此，能够通过防止因纤维的裂纹而引起的内胆的破损来实现长寿命化。维的裂纹而引起的内胆的破损来实现长寿命化。维的裂纹而引起的内胆的破损来实现长寿命化。