压力容器的制作方法

本发明涉及一种压力容器。

背景技术：

日本未审查专利申请公开第2015-017641号(jp2015-017641a)公开了一种配置成储存氢气的压力容器(高压容器)。jp2015-017641a中描述的压力容器包括衬层和加强层。所述衬层包括具有圆柱形状的主体部。所述加强层由纤维增强树脂制成。所述加强层围绕所述衬层的外表面形成。

技术实现要素：

在压力容器内的温度和压力都变低的状态下，由于衬层的收缩量和加强层的收缩量之间的差异，衬层和加强层可能彼此分离。当气体(氢气)在衬层和加强层彼此分离的情况下被填充(供应)到压力容器中时，可能发生衬层的局部伸长。

本发明提供了一种压力容器，该压力容器构造成当气体在压力容器内的温度和压力都变低的状态下填充到衬层中时抑制衬层局部伸长。

本发明的方案涉及一种包括衬层和加强层的压力容器。所述衬层包括具有圆柱形状的主体部。所述衬层构造成使得气体被填充在所述衬层中。所述加强层由具有比所述衬层的材料的线性膨胀系数低的线性膨胀系数的材料制成。所述加强层形成为与所述主体部的外表面接触。所述加强层构造成从所述衬层的外侧覆盖所述衬层。所述主体部的厚度设定成这样的值：使得当已经填充在所述衬层中的所述气体被从所述衬层排出时，所述主体部的所述外表面不与所述加强层分离。

根据本发明的方案的所述压力容器产生了当在压力容器内的温度和压力都变低的状态下气体被填充到衬层中时，限制衬层局部伸长的有益效果。

在根据该方案的所述压力容器中，所述主体部的所述厚度可设定成这样的值：使得当已经填充在所述衬层中的所述气体被从所述衬层排出时，所述主体部的所述外表面挤压所述加强层的内表面。

在根据该方案的所述压力容器中，所述加强层可以由纤维增强树脂制成。此外，所述主体部的所述厚度t可以满足以下式子，

其中t(mm)表示所述主体部的所述厚度，2r(mm)表示所述主体部的内径，e(mpa)表示所述衬层的所述材料的弹性模量，α(1/k)表示所述衬层的所述材料的所述线性膨胀系数，△t(℃)表示在当所述加强层形成于所述衬层的周围时的所述衬层的温度与所述衬层的假定最低温度之间的温度差，并且p(mpa)表示所述衬层内的最低压力。

在根据该方案的所述压力容器中，所述主体部的所述厚度t可以满足以下式子，

其中t(mm)表示所述主体部的所述厚度，2r(mm)表示所述主体部的内径，e(mpa)表示所述衬层的所述材料的弹性模量，α1(1/k)表示所述衬层的所述材料的所述线性膨胀系数，α2(1/k)表示所述加强层的所述材料的所述线性膨胀系数，△t(℃)表示在当所述加强层形成于所述衬层的周围时的所述衬层的温度与所述衬层的假定最低温度之间的温度差，并且p(mpa)表示所述衬层内的最低压力。

在根据该方案的所述压力容器中，待填充在所述衬层中的所述气体可以是氢气，在当所述加强层形成于所述衬层的周围时的所述衬层的温度可以在从20℃至30℃的范围内，并且所述衬层的所述假定最低温度可以在从-70℃至-60℃的范围内。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是根据实施例的压力容器的侧视图；以及

图2是示出沿着图1中的线ii-ii截取的压力容器的截面的放大剖视图。

具体实施方式

压力容器的构造

在下文中，将参照图1和图2描述根据本发明的示例性实施例的压力容器。

图1示出了根据本实施例的压力容器10。压力容器10是安装在例如燃料电池车辆中的罐模块的一部分。所述罐模块包括彼此连接的多个压力容器10。

如图1和图2所示，压力容器10包括衬层12和加强层14。衬层12构造成使得气态氢填充在衬层12中。加强层14构造成从衬层12的外部覆盖衬层12。

如图2所示，衬层12由诸如尼龙的树脂材料制成。衬层12具有在两端敞开的大致圆柱形的形状。下文，具有恒定内径和恒定外径的衬层12的圆柱形部将被称为主体部16。此外，衬层12在其纵向方向(箭头z的方向)上的两个侧部将被称为肩部18。每个肩部18具有在远离主体部16的方向上逐渐减小的直径。

加强层14由纤维增强树脂制成，该纤维增强树脂是线性膨胀系数低于衬层12的材料的线性膨胀系数的材料。在本实施例中，碳纤维增强树脂(也被称作“碳纤维增强塑料(cfrp)”)用作纤维增强树脂。碳纤维增强树脂缠绕在衬层12的整个外表面上，由此形成从衬层12外部覆盖衬层12的加强层14。

帽22经由密封构件20分别与由加强层14覆盖的衬层12的两个纵向端部接合。通过这种构造，衬层12的一个开口端由一个帽22封闭，并且衬层12的另一个开口端经由另一个帽22连接到另一个压力容器10。注意，图2示出了由加强层14覆盖的衬层12的一个端部，并且图2中所示的衬层12的端部由帽22封闭。

关于压力容器的衬层内的温度和压力都变低的状态

在配备有上述压力容器10(配备有罐模块)的燃料电池车辆在低温环境下行驶并且燃料电池以最大功率输出运行的状态下，已经填充在压力容器10的衬层12中的氢气被快速消耗(排出)。注意，“燃料电池车辆在低温环境下行驶并且燃料电池以最大功率输出运行的状态”的实例是“燃料电池车辆在-40℃的环境下以最大速度行驶或在上坡上行驶的状态”。

当已经填充在压力容器10的衬层12中的氢气在上述环境和状态下快速消耗时，衬层12内的温度和压力都变低。在这种情况下，由于衬层12的收缩量与加强层14的收缩量之间的差异，衬层12和加强层14可能彼此分离(在衬层12和加强层14之间可能形成间隙)。当氢气在衬层12和加强层14彼此分离的情况下被填充到压力容器10(罐模块)中时，首先，衬层12的主体部16和加强层14再次彼此接触，然后衬层12的肩部18和加强层14再次彼此接触。在衬层12的主体部16和加强层14由于氢气填充到压力容器10中而再次彼此接触的状态下，衬层12的主体部16在衬层12的纵向方向的伸长变形受到衬层12的主体部16和加强层14之间的摩擦力的限制。当氢气在衬层12的主体部16和加强层14已经再次彼此接触的状态下进一步填充到压力容器10中时，局部伸长发生在主体部16和每个肩部18之间的边界处。

鉴于此，在本实施例中，衬层12的主体部16的厚度t被设定为这样的厚度：使得在衬层12内的温度和压力都变低的状态下，衬层12的主体部16的外表面12a不与加强层14的内周面(内表面)14a分离。这是因为，当在衬层12内的温度和压力都变低的状态下，衬层12的主体部16的外表面12a不与加强层14的内周面14a分离时，可以防止由于将氢气填充到压力容器10中而在主体部16和每个肩部18之间的边界处发生局部伸长的上述现象的发生。

关于衬层的主体部的厚度

下文，t(mm)表示衬层12的主体部16的厚度，2r(mm)表示主体部16的内径，并且e(mpa)表示衬层12的材料的弹性模量。此外，α(1/k)表示衬层12的材料的线性膨胀系数，δt(℃)表示在当加强层14形成于衬层12周围时的衬层12的温度与衬层12的假定最低温度之间的温度差，并且p(mpa)表示衬层12内的最低压力。

注意，衬层12的主体部16的厚度t(mm)和主体部16的内径2r(mm)是在当加强层14形成于衬层12周围时的温度下的尺寸(基于绘图值的尺寸)。衬层12的材料的弹性模量e(mpa)是衬层12的假定最低温度下的值。而且，衬层12的材料的线性膨胀系数α(1/k)表示从在当加强层14形成于衬层12周围时的温度下的值至衬层12的假定最低温度下的值的范围内的值的平均值。衬层12内的最低压力例如是配备有压力容器10的燃料电池车辆的燃料电池系统中的最低系统运行压力(几乎为空的气体压力)。

当考虑上述条件时，由于衬层12内的压力p而在主体部16中生成的周向应力(图2中的箭头c的方向上的应力)由下面的式子(1)来表示。

(p·r)/t式子(1)

此外，由于衬层12的热收缩而在主体部16中生成的周向应力由下面的式子(2)来表示。

e·α·△t式子(2)

由于诸如碳纤维增强树脂的纤维增强树脂的温度变化引起的热收缩的量几乎可以忽略不计。因此，由于加强层14的温度变化引起的热收缩的量被设定为零。

此外，为了防止衬层12的主体部16的外表面12a与加强层14的内周面14a分离，需要将主体部16的厚度t设定为这样的值：使得通过式子(1)获得的值大于通过式子(2)获得的值。即，需要将主体部16的厚度t设定成满足下面的式子(3)。

接下来，下面将描述衬层12的主体部16的厚度t的实例。

在本例中，主体部16的内径为82(mm)，并且衬层12的材料的弹性模量为2.5(gpa)。此外，衬层12的材料的线性膨胀系数是13×10^-5(1/k)，在加强层14形成于衬层12周围时的衬层12的温度是23℃，衬层12的假定最低温度是-70℃，并且衬层12内的最低压力是0.7(mpa)。注意，这些值是作为原型生产的压力容器10的设定值、基于制造条件的值和基于燃料电池车辆的实验获得的值。

基于前述值和式子(3)，当衬层12的主体部16的厚度t被设定为小于约0.9mm时，衬层12的主体部16的外表面12a在衬层12内的温度和压力都变低的状态下不与加强层14的内周面14a分离。结果，当在衬层12内的温度和压力都变低的状态下将氢气填充到衬层12中时，可以减少在主体部16和衬层12的每个肩部18之间的边界处发生局部伸长。

当衬层12的主体部16的厚度t设定为比0.9mm小较大量时，基于式子(1)和式子(2)之间的关系，主体部16的外表面12a在衬层12内的温度和压力都变低的状态下挤压加强层14的内周面14a。在主体部16的厚度t被设定为0.65mm的实例中，主体部16的外表面12a以0.2mpa的压力挤压加强层14的内周面14a。以这种方式，总是可以获得衬层12的主体部16和加强层14之间的摩擦力。结果，当在衬层12内的温度和压力都变低的状态下将氢气填充到衬层12中时，可以更可靠地减少在衬层12的主体部16与衬层12的每个肩部18之间的边界处发生局部伸长。

当衬层12的主体部16的厚度t被设定得小时，衬层12优选地具有“尼龙－粘合剂层－乙烯-乙烯醇-共聚物树脂(evoh)－粘合剂层－尼龙”的多层结构。以这种方式，可以确保衬层12的抗氢渗透性能。

在本实施例中，衬层12的主体部16的厚度t是在假设在当加强层14形成于衬层12周围时的衬层12的温度为23℃并且衬层12的假定最低温度是-70℃的情况下导出的。然而，在当加强层14形成于衬层12周围时的衬层12的温度和衬层12的假定最低温度不限于上述温度。考虑到制造时的环境温度和使用燃料电池车辆的环境的变化，可以适当地设定这些温度。例如，当制造时的环境温度在从20℃到30℃的范围内时，可以采用该范围内的值作为“在加强层14形成于衬层12周围时的衬层12的温度”。此外，当使用燃料电池车辆的环境下的最低温度在从-40℃至-30℃的范围内时，考虑到该范围内的值和实验值而得到的值可以被采用为“衬层12的假定最低温度”。注意，在使用燃料电池车辆的环境下的最低温度在-40℃至-30℃的范围内的情况下，当考虑到实验值时，“衬层12的假定最低温度”是在从-70℃至-60℃范围内的值。

在本实施例中描述的实例中，衬层12的主体部16的厚度t是在不考虑由于加强层14的碳纤维增强树脂的温度变化引起的热收缩的量的情况下导出的。然而，考虑厚度t的方式不限于此。当不能忽视由于加强层14的材料的温度变化引起的热收缩的量时，衬层12的主体部16的厚度t可以根据下面的式子(4)导出，其中α2(1/k)表示加强层14的材料的线性膨胀系数，并且α1(1/k)表示衬层12的材料的线性膨胀系数。

此外，考虑到要填充到压力容器10中的气体的种类和压力，可以适当地设定衬层12的材料和加强层14的材料。

尽管上面已经描述了本发明的一个示例实施例，但是本发明不限于前述实施例，并且可以在所附权利要求的技术范围内对前述实施例进行各种改变和修改。