DE69530126T2

DE69530126T2 - Druckbehälter und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69530126T2
Application number: DE69530126T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Iida; Akihiko Kitano; Masanobu Kobayashi; Kenichi Noguchi; Masayoshi Yamagiwa
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1995-12-04
Filing date: 1995-12-04
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2015-12-05
Also published as: US6190481B1; KR19980701932A; US20040206762A1; CA2212244C; EP0810081B1; EP0810081A1; DE69530126D1; US7032769B2; WO1997020683A1; CA2212244A1; EP0810081A4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckgefäß für verschiedene Anwendungen, insbesondere Druckgefäße, die zum Einbau in Kraftfahrzeuge usw. geeignet sind.
In den letzten Jahren haben Kraftfahrzeuge, die Erdgas als Treibstoff verwenden, als Fahrzeuge mit geringer Verschmutzung Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Solch ein Kraftfahrzeug wird mit einem Druckgefäß, im Allgemeinen als CNG-Tank (Tank für komprimiertes Erdgas) bekannt, ausgestattet.
Herkömmliche Druckgefäße für Kraftfahrzeuge werden aus Metallen wie beispielsweise Stahl oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, doch ein Druckgefäß aus Metall ist schwer und verkürzt die Entfernung, die das Kraftfahrzeug pro aufgetankter Gewichtseinheit an Treibstoff zurücklegen kann. Da der Brennwert pro Gewichtseinheit Erdgas nur halb so hoch ist wie der von Benzin, muss ein Kraftfahrzeug außerdem eine doppelt so große Menge Erdgas wie Benzin aufnehmen, wenn die zurücklegbare Entfernung ohne neuerliches Auftanken der von Benzin entsprechen soll. Das erhöht ebenfalls das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeuges, wodurch die Entfernung, die das Kraftfahrzeug zurücklegen kann, wiederum verkürzt wird. Um also die zurücklegbare Entfernung zu verlängern, wurden Untersuchungen durchgeführt, um das Gewicht des Druckgefäßes zu verringern.
Das japanische Patent JP-B-5-88665 offenbart ein Druckgefäß, bei dem eine Innenhülle aus Kunststoff, die als Gassperre dienen kann, mit einer druckfesten Außenhülle aus FK (faserverstärktem Kunststoff) beschichtet ist. Da das Druckgefäß hauptsächlich aus Kunststoffmaterialien besteht, ist sein Gewicht im Vergleich zu Druckgefäßen aus Metall sehr niedrig, und wenn es als Druckgefäß in ein Kraftfahrzeug eingebaut wird, um Erdgas aufzunehmen, kann erwartet werden, dass die zurücklegbare Entfernung des Kraftfahrzeuges erhöht wird. Da das FK auf der anderen Seite im Vergleich zu Metall jedoch schwach ist, kann eine Kollision oder andere Ursachen das Druckgefäß leicht auf der Stelle zum Bersten bringen, und Menschen können durch Stücke davon verletzt werden oder das Fahrzeug durch austretendes Erdgas explodieren. Untersuchungen des Verlaufs der Zerstörung einer Karosserie bei einer Kollision zeigen, dass im Laufe der Zerstörung oft dieselben Bereiche einer Karosserie wiederholten Stößen ausgesetzt sind. Sogar wenn das FK-Druckgefäß also nicht beim ersten Stoß birst, kann ein zweiter Stoß im selben Bereich das FK-Druckgefäß leicht zum Bersten bringen, auch wenn die Aufprallenergie relativ niedrig ist, und es tritt dieselbe Situation ein, als ob das Druckgefäß beim ersten Stoß bersten würde. Darum sollte das Druckgefäß, insbesondere das Tank-Druckgefäß eines Kraftfahrzeugs, nicht beim ersten Stoß bersten, sondern sollte seinen Innendruck aufrecht erhalten, auch wenn es wiederholt Stößen ausgesetzt ist. Das Bersten kann natürlich verhindert und der Innendruck aufrecht erhalten werden, wenn ein höherer Sicherheitsfaktor gewählt wird. Durch einen höheren Sicherheitsfaktor wird jedoch das Gewicht erhöht, wodurch der größte Vorteil des FK, die Gewichtsreduktion, verloren geht und die Herstellungskosten steigen.
Des Weiteren offenbaren die US-Patente Nr. 5.253.778 und 4.925.044 ein Druckgefäß, in dem eine Metallbosse mit einem Kleber an der Öffnung einer Innenhülle aus Kunststoff befestigt wird, und ein Druckgefäß, in dem die Flansche einer Metallbosse mit einer Innenhülle aus einem Kunststoffmaterial verbunden und durch sie bedeckt ist, wobei diese Innenhülle durch eine druckfeste FK-Außenhülle bedeckt ist.
Diese Druckgefäße sind im Vergleich zu Metall-Druckgefäßen sehr leicht, und wenn sie als Druckgefäße in Kraftfahrzeugen verwendet werden, kann angenommen werden, dass die zurücklegbare Entfernung vergrößert werden kann. Da die Verbindung zwischen einer Metallbosse und einer Innenhülle aus einem Kunststoffmaterial jedoch nicht durch mechanisches Klemmen erzielt werden kann, kann jeder Stoß an der Metallbosse oder in ihrem Bereich den engen Kontakt zwischen der Metallbosse und der Innenhülle aus Kunststoff aufbrechen, was dazu führt, dass Gas aus dem Druckgefäß austritt.
GB-A-2134984 offenbart ein Druckgefäß mit einer Elastomer-Innenauskleidung und einer Außenhülle, das Filamente eines Glases, Graphits oder Polyamids und ein Bindemittel aus Epoxyharz, Polyester oder Polyimid umfasst.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die oben erwähnten Probleme herkömmlicher Druckgefäße zu überwinden und ein Druckgefäß bereitzustellen, das nicht nur niedriges Gewicht aufweist, sondern auch seinen Innendruck gegenüber wiederholten Stößen auf hervorragende Weise aufrecht erhalten kann und äußerst betriebssicher ist. Die vorliegende Erfindung zielt außerdem darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung des Druckgefäßes zu niedrigen Kosten bereitzustellen.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird also ein Druckgefäß bereitgestellt, umfassend eine Innenhülle, die als Gassperre dienen kann, und eine druckfeste Außenhülle aus faserverstärktem Kunststoff (FK), der aus einem Harz erhalten wurde und so angeordnet ist, dass er die Innenhülle bedeckt, wobei die Außenhülle eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von ± 5º bis ± 50º angeordnet sind, und eine Schicht aus Verstärkungsfasern umfasst, die relativ zur Axialrichtung in einem Winkel im Bereich von ± 75º bis ± 105º angeordnet sind, wobei die Außenhülle einen Zugelastizitätsmodul von 35 GPa oder mehr und eine Zugbruchlast von 1,5% oder mehr aufweist.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgefäßes bereitgestellt, welches das Formen einer druckfesten Außenhülle um eine Innenhülle, die als Gassperre dienen kann, nach dem Filament-Wickelverfahren oder Bandwickelverfahren umfasst, wobei die Außenhülle aus einem FK besteht, der Verstärkungsfasern und ein Harz umfasst, und eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von ± 5º bis ± 50º angeordnet werden, sowie eine Schicht aus Verstärkungsfasern umfasst, die relativ zur Axialrichtung in einem Winkel im Bereich von ± 75º bis ± 105º angeordnet werden, wobei die Außenhülle einen Zugelastizitätsmodul von 35 GPa oder mehr und eine Zugbruchlast von 1,5% oder mehr aufweist.
Das Druckgefäß der vorliegenden Erfindung kann auf hervorragende Weise seinen Innendruck gegenüber wiederholten Stößen aufrecht herhalten, weist hervorragende Betriebssicherheit auf und ist sehr leicht, weil eine Außenhülle, die aus FK-hältigen Verstärkungsfasern und einem Harz mit einem Zugelastizitätsmodul von 35 GPa oder mehr und einer Zugbruchlast von 1,5% oder mehr besteht, zum Abdecken der Innenhülle, die als Gassperre dienen kann, bereitgestellt wird. Darum eignet sich das Druckgefäß der vorliegenden Erfindung besonders als CNG-Tank eines Kraftfahrzeuges, von dem niedriges Gewicht und besonders hohe Betriebssicherheit erwartet wird.
Des Weiteren kann nach dem Herstellungsverfahren für Druckgefäße der vorliegenden Erfindung ein Druckgefäß, das auf hervorragende Weise seinen Innendruck aufrecht erhalten kann, hervorragende Betriebssicherheit aufweist und niedriges Gewicht hat, kostengünstig erzeugt werden.
Im Folgenden werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Beispiele und mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben:
Fig. 1 ist eine schematische, vertikale Schnittansicht einer Ausführungsform des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 2 ist eine partielle, vertikale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Längsschnitt-Ansicht des Abschnitts C des Druckgefäßes aus Fig. 2.
Fig. 4 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Beispiels eines Herstellungsverfahrens für Druckgefäße gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht eines Beispiels einer geraden Walze, die in einem Beispiel eines Herstellungsverfahrens für Druckgefäße gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird.
Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer geraden Walze, die in einem Beispiel eines Herstellungsverfahrens für Druckgefäße gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird.
Fig. 7 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines weiteren Beispiels eines Herstellungsverfahrens für Druckgefäße gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 8. ist eine Schnittansicht eines Beispiels eines Verstärkungsfaserbündels:
Fig. 9 ist eine partielle Schnittansicht einer Außenhülle einer weiteren Ausführungsform des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 10 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines weiteren Beispiels eines Herstellungsverfahrens für Druckgefäße gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 11 ist eine partielle, vertikale Schnittansicht der Schultern an einem Ende einer weiteren Ausführungsform des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 12 ist eine partielle, vertikale Schnittansicht der Schultern am anderen Ende der weiteren Ausführungsform des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 13 ist eine partielle, vertikale Schnittansicht der Schultern an einem Ende einer weiteren Ausführungsform des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung.
Die Fig. 14, 16, 17, 22 und 28 bis 35 sind partielle, vertikale Schnittansichten von verschiedenen Bossen und den sie umgebenden Bereichen in weiteren Ausführungsformen des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 15 ist eine vergrößerte, partielle, vertikale Schnittansicht eines Druckgefäßes als Beispiel einer Modifikation des in Fig. 14 gezeigten Aufbaus.
Die Fig. 18 bis 20 sind partielle Schnittansichten von Beispielen der Schnittformen von Dichtungsringen.
Fig. 21 ist eine vergrößerte, partielle, vertikale Schnittansicht eines Druckgefäßes als weiteres Beispiel einer Modifikation des in Fig. 14 gezeigten Aufbaus.
Die Fig. 23 bis 27 sind perspektivische Teilansichten verschiedener Beispiele der aufgerauten Struktur der in Fig. 22 dargestellten Bosse.
Die Symbole in den Zeichnungen stehen für Folgendes:
1: Druckgefäß, 2: Innenhülle
3: Außenhülle,
4: Bosse zur Düseninstallation
5: Düse, 6: Bosse-Endabschnitt
A: Körperabschnitt, B: gewölbter Endabschnitt, E: Verstärkungsschicht
101: Spulengatter, 102: Spule, 103: Verstärkungsfasergarn
104: Verstärkungsfaserbündel (vor Imprägnierung mit Harz), 105: Leitwalze für Verstärkungsfasern,
106a, 106b, 107a, 107b, 108: separate Walze
109: Harz-Imprägnierbar, 110: Harz,
111a, 111b, 111c: Walze
112: Harz-imprägniertes Verstärkungsfaserbündel
113,113a, 113b, 113c: Leitwalze
114, 1 14a, 114b: Zuführwalze
115: Gummikissen zum Harz auswringen, 116: Halterung
117: Beförderungsständer, 118: Zylinder, 118a: hohler Bereich
119: Innenhülle, 119a: Rotationsachse der Spindel,
120: Rotationsantrieb, 121: Außenhülle
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden basierend auf verschiedenen Ausführungsformen im Detail beschrieben. In Fig. 1 ist ein Druckgefäß 1 mit einer Innenhülle, die als Gassperre dienen kann, und einer druckfesten FK-Außenhülle 3, welche die Innenhülle 2 bedeckt, dargestellt. Das Druckgefäß 1 als Ganzes besteht aus einem Körperabschnitt A, damit verbundenen gewölbten Endabschnitten B, einer Bosse 4 zur Düseninstallation, einer darin installierten Düse 5 und einem Bosse-Endabschnitt 6 am anderen Ende.
In dieser Anordnung dient die Innenhülle dazu, das Austreten von Gas zu verhindern. Wie weiter unten beschrieben, dient sie außerdem als Kernstück zur Bildung der hitzebeständigen Außenhülle.
Die Innenhülle wird beispielsweise aus einem dünnen Metall wie etwa einer leichten Legierung, wie z. B. einer Aluminiumlegierung oder Magnesiumlegierung, oder einem Harz wie z. B. Polyethylenharz, Polypropylenharz, Polyamidharz, ABS-Harz, Polybutylenterephthalatharz, Polyacetalharz oder Polycarbonatharz, hergestellt. Um hervorragende Stoßfestigkeit zu erzielen, ist ABS-Harz zu bevorzugen. Die Innenhülle aus Harz kann beispielsweise blasgeformt werden. Außerdem kann auch eine mehrschichtige Struktur, in der eine äußerst gasdichte Schicht aus z. B. Polyamidharz zwischen äußerst harte Schichten aus z. B. Niederdruckpolyethylenharz gepackt wird, durch komplexes Blasformen geformt werden. Des Weiteren kann die Innenhülle auch aus einem FK hergestellt werden. Die aus einem FK bestehende Innenhülle kann beispielsweise durch Spritzgießen eines Harzes aus weiter unten beschriebenen Verstärkungsfasern, die nicht länger als etwa 2 bis 10 mm sind, hergestellt werden.
Damit die Innenhülle Gasaustritt besser verhindert, wird vorzugsweise auf der Innenfläche und/oder Außenfläche eine Gassperrschicht gebildet. Wenn beispielsweise Fluorhältiges Stickstoffgas als Blasegas zum Blasformen verwendet wird, kann eine Gassperrschicht aus einem Fluorharz auf der Innenfläche der Innenhülle gebildet werden. Außerdem kann ein Beschichtungsfilm aus einem Metall wie Kupfer, Nickel oder Chrom auf der Außenfläche als Gassperrschicht aufplattiert werden. Die Metallbeschichtung kann mittels Elektroplattierung oder chemischer Plattierung aufgetragen werden. Wenn die Innenhülle durch komplexes Blasformen hergestellt wird, kann eine hervorragend als Gassperre dienende Schicht, beispielsweise eine Innenschicht aus Polyamidharz als Innenschicht, gebildet werden, und es kann eine leicht plattierbare Schicht aus beispielsweise ABS-Harz als Außenschicht aufgebracht werden, um eine leichte Bindung eines Beschichtungsfilms aus Metall zu ermöglichen.
Des Weiteren kann die Innenhülle mit ringförmigen Rippen ausgestattet sein, die sich in einem Abstand von 2,5 bis 5 cm auf der Innen- oder Außenfläche in Umfangsrichtung erstrecken. Solch eine Innenhülle kann hergestellt werden, indem gerippte Hälften einer Innenhülle aus einem Kunststoffmaterial hergestellt und dann zur Vervollständigung zusammengesetzt werden. Die Rippen erhöhen die Festigkeit der Innenhülle und verhindern eine Verformung der Innenhülle, wenn die weiter unten beschriebe Außenhülle gebildet wird, wobei die Rippen auch dafür nützlich sind, eine Verminderung der Festigkeit der Außenhülle, eine Verteilung der Festigkeit und eine Abnahme der Fähigkeit, den Innendruck aufrecht zu erhalten, zu verhindern, die alle durch das Winden oder ungleichmäßige Auftreten von Verstärkungsfasern verursacht werden.
Wiederum in Bezug auf Fig. 1 hat der Körperabschnitt A der Innenhülle eine Schicht, in der weiter unten beschriebene Verstärkungsfasergarne reifenartig gewickelt oder auf eine andere Art angebracht werden, und eine Verstärkungsschicht E aus einem FK, hergestellt durch das Verbinden eines Gewebes usw. aus solchen Verstärkungsfasergarnen und eines Harzes. Die Verstärkungsschicht E kann bis in die gewölbten Endabschnitte B reichen. In der vorliegenden Erfindung ist diese Verstärkungsschicht jedoch nicht unbedingt notwendig.
Auf der anderen Seite wird die Außenhülle 3 aus einem FK hergestellt, der Verstärkungsfasern und ein Harz umfasst, und weist einen Zugelastizitätsmodul von 35 GPa oder mehr und eine Zugbruchlast von 1,5% oder mehr auf. Wenn die Außenhülle aus einem FK besteht und einen Zugelastizitätsmodul von 35 GPa oder mehr und eine Zugbruchlast von 1,5% oder mehr aufweist, besitzt das Druckgefäß hervorragende Fähigkeiten in der Beibehaltung des Innendrucks gegenüber wiederholten Stößen und weist außerdem hervorragende Betriebssicherheit auf. Der Zugelastizitätsmodul liegt vorzugsweise bei 37 GPa oder mehr, noch bevorzugter bei 40 GPa oder mehr. Wenn der Zugelastizitätsmodul unter 35 GPa liegt, ist die durch einen Stoß verursachte Verformung so groß, dass sie die Innenhülle zu beschädigen droht, wodurch Gas austreten kann, und die Außenhülle ist schwach gegenüber wiederholten Stößen. Auf der anderen Seite muss die Zugbruchlast zumindest 1,5%, vorzugsweise 1,7% oder mehr, noch bevorzugter 2,0% oder mehr sein. Wenn die Zugbruchlast unter 1,5% liegt, werden die Verstärkungsfasern durch einen Stoß beträchtlich beschädigt und zerrissen, und wenn sie wiederholte Stöße im selben Bereich erfährt, kann die Außenhülle das Austreten von Gas verursachen oder sogar bersten, auch wenn sie durch den ersten Stoß nur leicht beschädigt ist.
Die Außenhülle kann gebildet werden, indem beispielsweise nach dem bekannten Filament-Wickelverfahren oder Bandwickelverfahren mit der Innenhülle als Spindel gewickelte Schichten aus Harz enthaltenden Verstärkungsfasergarnen gebildet werden.
Ein spezifisches Verfahren zur Herstellung der Außenhülle nach dem Filament-Wickelverfahren wird im Folgenden als Beispiel beschrieben. Eine vorher festgelegte Zahl von Verstärkungsfasergarnen 103, die von Spulen 102 auf einem Spulengatter 101 abgewickelt werden, werden zusammengeführt und so ein Verstärkungsfaserbündel 104 gebildet, das auf Leitwalzen 105 geleitet wird. Die Leitwalzen 105 in diesem Beispiel umfassen ein Paar frei rotierender Walzen 106a und 106b, die im Wesentlichen horizontal ausgerichtet sind, ein Paar frei rotierender Walzen 107a und 107b, die im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind und sich stromabwärts von den Walzen 106a und 106b befinden, und einer frei rotierenden Walze 108, die im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist. Die Leitwalzen 105 führen das Verstärkungsfaserbündel 104, das so zusammengeführt wurde, dass es in etwa eine vorbestimmte Schnittform aufweist, in ein Harz-Imprägnierbad 109.
Das Verstärkungsfaserbündel 104 wird mit einem Harz 110 im Harz-Imprägnierbad 109 imprägniert, und dann wird das mit Harz imprägnierte Verstärkungsfaserbündel 112 in einem vorbestimmten Winkel um eine rotierende Innenhülle 119 gewickelt, um so eine Außenhülle 121 zu bilden. Die Imprägnierung der Verstärkungsfaserbündel 104 mit dem Harz 110 kann durch das in Fig. 4 dargestellte Imprägnierverfahren oder unter Verwendung einer Berührungswalze durchgeführt werden. Wenn zwischen der Innen- und Außenhülle eine Verstärkungsschicht gebildet wird, sollte die Außenfläche der Innen- hülle vorzugsweise so rauh sein, dass die mittlere Höhe von etwa 10 um bis etwa 200 um reicht, da so das Abrutschen der herumgewickelten Verstärkungsfasergarne verhindert werden kann, um die Unregelmäßigkeiten in der Verteilung der Verstärkungsfasern bevorzugt zu vermindern.
Beim Filament-Wickelverfahren sind üblicherweise eine Leitvorrichtung wie etwa Leitwalzen 113, um die mit Harz imprägnierten Verstärkungsfaserbündel 112 zu leiten, und Zuführwalzen 114, um die mit Harz imprägnierten Verstärkungsfaserbündel in vorbestimmten Winkeln an vorbestimmten Stellen der Innenhülle direkt vor der Innenhülle herumzuwickeln, zwischen dem Harz-Imprägnierbad 109 und der Innenhülle 119 vorhanden.
Die Leitwalzen 105 und 113 umfassen rotierende Walzen und fixierte Walzen. Die Leitwalzen können mattierte, plattierte oder ähnliche Walzen sein. Wenn solche Walzen einen niedrigen Reibungsfaktor aufweisen, weist das Verstärkungsfaserbündel kaum Fehler auf.
Die Zuführwalzen sind üblicherweise gerade Walzen mit Kragen an beiden Enden, für den Fall dass die geleiteten Verstärkungsfaserbündel von der Walzenoberfläche abrutschen sollten. Um den Abstand der geleiteten Verstärkungsfaserbündel konstant zu halten, können in bestimmten Abständen Rillen, wie in Fig. 5 gezeigt, oder Vertiefungen mit bestimmten Breiten auf den geraden Walzen gebildet werden.
Das durch Laminieren der mit Harz imprägnierten Verstärkungsfaserbündel 112 auf die Oberfläche der Innenhülle 119 erhaltene Produkt wird für eine bestimmte Zeit zum Härten erhitzt, die je nach den Härtungsbedingungen des verwendeten Harzes variiert. Vorzugsweise sollte das geformte Produkt beim Härten horizontal plaziert und in Umfangsrichtung rotiert werden, da so ein ungleichmäßiges Härten des Harzes vermindert werden kann.
Wenn das geformte Produkt kurze Zeit bei der endgültigen Härtungstemperatur behandelt wird, wird beim Härten in der Außenhülle eine hohe Temperatur erzeugt und die Außenhülle wird von innen aufgebrochen oder das Harz wird plötzlich in großen Mengen herausgedrückt und bildet Blasen in der Außenhülle. Darum sollte die Härtungstemperatur vorzugsweise wie folgt geregelt werden. Obwohl es vom verwendeten Harz abhängt, wird im Allgemeinen vorzugsweise im Anfangsstadium des Härtens eine lange Vorbehandlung bei 50 bis 90ºC durchgeführt, um das Harz langsam herauszudrücken und so die Bildung von Blasen zu vermindern und das Brechen aufgrund der Wärmeentwicklung innerhalb der Außenhülle zu verhindern, und dann wird die Temperatur zum Härten auf die endgültige Härtungstemperatur erhöht.
Zu den Verstärkungsfasergarnen gehören Fasergarne mit hoher Festigkeit und einem hohen Zugfestigkeitsmodul wie beispielsweise Kohlefasergarne, Glasfasergarne oder organische Fasergarne wie Polyaramidfasergarne. Diese Verstärkerfasergarne sind vorzugsweise ungezwirnte Fasergarne mit hervorragender Öffnungsfähigkeit, da sie Spannungskonzentrationen vermindern können, wenn sie gebogen werden, und die Bildung von Blasen vermindern. Diese verschiedenen Arten von Fasergarnen können auch gemeinsam verwendet werden. Vor allem wenn Glasfasergarne mit niedrigem Zugelastizitätsmodul und Kohlefasergarne zusammen verwendet werden, können die Herstellungskosten gesenkt werden. In diesem Fall können die spiralförmig gewickelten Schichten der Außenhülle aus Glasfasergarnen und die reifenartig gewickelten Schichten aus Kohlefasergarnen gebildet werden. Nach einem anderen Verfahren können verbundene Fasern aus einem Glasfasergarn und einem Kohlefasergarn zum Wickeln auch mit einem Harz imprägniert werden.
Von den Verstärkungsfasergarnen sind Kohlefasergarne mit einer Strang-Zugfestigkeit von 4,5 GPa oder mehr, vorzugsweise 5,5 GPa oder mehr, und einer Strang-Zugbruchlast von 2% oder mehr, noch bevorzugter 2,2% oder mehr, bevorzugt zu verwenden, da sie eine hervorragende spezifische Festigkeit und einen spezifischen Elastizitätsmodul aufweisen, wodurch Fasern beim Wickeln kaum brechen oder fusseln, die Produktivität erhöhen können und eine Verminderung der Festigkeit und der Stoßfestigkeit verhindern können, die sonst durch die Verbindung von Fasergarnen und das Auftreten von Fusseln verursacht werden. Die "Zugfestigkeit" bezieht sich auf den Wert, der durch eine Messung gemäß JIS R 7601. erhalten wird, und die "Zugbruchlast" bezieht sich auf den Wert, der erhalten wird, indem die Zugfestigkeit durch den gemäß JIS R 7601 gemessenen Strang-Zugelastizitätsmodul dividiert wird.
Noch bevorzugter sollten Kohlefasergarne verwendet werden, die neben den oben erwähnten Werten für die Strang-Zugfestigkeit und die Zugbruchlast einen Oberflächen- Sauerstoffanteil (O/C) von 0,30 oder weniger und einen Oberflächen-Stickstoffanteil (N/C) von 0,02 oder mehr aufweisen. Der "Oberflächen-Sauerstoffanteil" und der "Oberflächen-Stickstoffanteil" beziehen sich auf Werte, die mittels der unten beschriebenen röntgenstrahlangeregten Photoelektronenspektroskopie-Analyse gemessen werden.
Um den Oberflächen-Sauerstoffanteil (O/C) zu messen, wird zuerst ein Kohlefaserbündel, das nach dem Entfernen des Schlichtemittels und ähnlichem mit Hilfe eines Lösungsmittels bleibt, geschnitten und auf ein Probengestell aus Edelstahl ausgebreitet, und MgKα1,2 wird als Röntgenquelle verwendet, wobei der Photoelektronen-Austrittswinkel bei 90 Grad gehalten wird. Die Probenkammer wird bei einer Vakuumgüte von 1 · 10&supmin;&sup8; Torr gehalten, und um den durch die Aufladung während der Messung entstandenen Peak zu korrigieren, wird zuerst die Bindungsenergie des Hauptpeaks von CIS auf 284,6 eV eingestellt. Die CIS-Peakfläche wird erhalten, indem eine gerade Grundlinie im Bereich von 282 bis 296 eV gezogen wird, und die OIS-Peakfläche wird erhalten, indem eine gerade Grundlinie im Bereich von 528 bis 540 eV gezogen wird. Der Oberflächen- Sauerstoffanteil (O/C) wird durch den Anteil der Atome ausgedrückt, die erhalten werden, indem das Verhältnis zwischen der OIS-Peakfläche und der CIS-Peakfläche durch den Empfindlichkeitskorrekturwert des Geräts dividiert wird. Der im weiter unten beschriebenen Beispiel 2 gezeigte Wert wurde unter Verwendung eines ESCA-750, hergestellt von Shimadzu Corp., erhalten, wobei der Empfindlichkeitskorrekturwert des Geräts 2,85 betrug.
Um den Oberflächen-Stickstoffanteil (N/C) zu messen, wird zuerst ein Kohlefaserbündel, das nach dem Entfernen des Schlichtemittels und ähnlichem mit Hilfe eines Lösungsmittels zurückbleibt, geschnitten und auf einer Probenhalterung aus Edelstahl ausgebreitet, und MgKα1,2 wird als Röntgenquelle verwendet, wobei der Photoelektronen- Austrittswinkel bei 90 Grad gehalten wird. Die Probenkammer wird bei einer Vakuumgüte von 1 · 10&supmin;&sup8; Torr gehalten, und um den durch die Aufladung während der Messung entstandenen Peak zu korrigieren, wird zuerst die Bindungsenergie des Hauptpeaks von CIS auf 284,6 eV eingestellt. Die CIS-Peakfläche wird erhalten, indem eine gerade Grundlinie im Bereich von 282 bis 296 eV gezogen wird, und die NIS-Peakfläche wird erhalten, indem eine gerade Grundlinie im Bereich von 398 bis 410 eV gezogen wird. Der Oberflächen-Stickstoffanteil (O/N) wird durch den Anteil an Atomen ausgedrückt, der erhalten wird, indem das Verhältnis zwischen der NIS-Peakfläche und der CIS-Peakfläche durch den Empfindlichkeitskorrekturwert des Geräts dividiert wird. Der im später beschriebenen Beispiel 2 angegebene Wert wurde unter Verwendung eines ESCA-750, hergestellt von Shimadzu Corp., erhalten, wobei der Empfindlichkeitskorrekturwert des Geräts 1, 7 betrug.
Da Kohlefasergarne mit einem Oberflächen-Sauerstoffanteil von 0,30 oder weniger und einem Oberflächen-Stickstoffanteil von 0,02 oder mehr mit dem Harz, das in der Außenhülle verwendet wird, reaktionsfähiger sind, können sie den Druck, der in der Außenhülle beibehalten wird, erhöhen. Wenn solche Kohlefasergarne also zur Bildung der Außenhülle verwendet werden, weist das Druckgefäß niedriges Gewicht, hervorragende Stoßfestigkeit und hervorragende Betriebssicherheit auf.
Die Kohlefasergarne, der Oberflächen-Sauerstoffanteil (O/C) und der Oberflächen-Stickstoffanteil (N/C), die mit Hilfe der oben erwähnten röntgenstrahlangeregten Photoelektronenspektroskopie-Analyse gemessen und in den oben beschriebenen Bereichen gehalten werden, können durch elektrolytische Oxidation oder Oxidation in der Dampfphase oder Flüssigkeitsphase usw. erhalten werden. Im Folgenden wird ein auf elektrolytischer Oxidation basierendes Herstellungsverfahren beschrieben.
In diesem Fall kann der Elektrolyt entweder eine wässrige Säurelösung oder eine wässrige Basen-Lösung sein. Die wässrige Säurelösung kann eine wässrige Lösung von Schwefelsäure, Salpetersäure, Chlorwasserstoffsäure oder ähnlichem sein. Die wässrige Basen- Lösung ist vorzugsweise eine Ammoniumionen enthaltende wässrige Lösung, z. B. Ammoniumhydrogencarbonat, Ammoniumcarbonat, Tetralkylammoniumhydroxid usw., oder ein beliebiges Gemisch davon. Besonders Ammoniumhydrogencarbonat und Ammoniumcarbonat sind bevorzugt zu verwenden, da sie den Oberflächen-Stickstoffariteil N/C erhöhen können.
Der Coulomb-Wert für die Behandlung ist vorzugsweise optimiert, um mit dem Carbonisierungsgrad der zu behandelnden Kohlefasergarne abgestimmt zu sein. Um eine Abnahme der Zugfestigkeit des Substrats der Kohlefasergarne zu verhindern und die Abnahme der Kristallinität der Oberflächenschicht voranzutreiben, sollte die elektrolytische Behandlung vorzugsweise bei einem niedrigen Coulomb-Wert einige Male wiederholt werden. Insbesondere beträgt der Coulomb-Wert pro 1 g Kohlefasergarn pro elektrolytischer Zelle vorzugsweise 1 [Coulomb/g Zelle] bis 40 [Coulomb/g·Zelle].
In Bezug auf die Anregung können die Kohlefasergarne in direkten Kontakt mit einer Rollenelektrode gebracht werden, um sie direkt anzuregen, oder sie können indirekt mit einem Elektrolyt angeregt werden, der zwischen den Kohlefasergarnen und der Elektrode angeordnet wird. Die indirekte Anregung ist zu bevorzugen, da so eine höhere Zugfestigkeit erzielt werden kann, da die Bildung von Fusseln, elektrischen Funken usw. während der elektrolytischen Behandlung verhindert werden kann.
Nach Beendigung der elektrolytischen Behandlung werden die Kohlefasergarne vorzugsweise mit Wasser gewaschen und getrocknet. In diesem Fall wird, um die Affninität zum oder das Haftvermögen am weiter unten beschriebenen Harz zu verbessern usw., das Trocknen vorzugsweise bei einer möglichst tiefen Temperatur vorgenommen, damit die funktionellen Gruppen auf den äußersten Oberflächen der Kohlefasergarne nicht wärmezersetzt werden, und insbesondere ist es wünschenswert, das Trocknen bei einer Temperatur von 250ºC oder weniger, noch bevorzugter bei 210ºC oder weniger, vorzunehmen.
Das zur Bildung der Außenhülle des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung verwendete Harz umfasst wärmehärtbare Harze wie z. B. Epoxyharze, ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze und Phenolharze, sowie thermoplastische Harze wie z. B. Polyamidharze, Polyethylenterephthalatharz, ABS-Harz, Polyetherketonharze, Polyphenylensulfidharz, Poly-4-methylpenten-1-harz und Polypropylenharz. Insbesondere, um die bei Stoß durch Deformation absorbierbare Energie zu erhöhen, sollte vorzugsweise ein Harz mit höherer Zugbruchlast, angenommen einer Zugbruchlast von 3% oder mehr, noch bevorzugter 5% oder mehr, verwendet werden.
Das Verhältnis zwischen der durch inneren Druck ausgelösten Zugspannung in Axialrichtung des Druckgefäßes und der Zugspannung in Umfangsrichtung ist fast 1 : 2. Um ein niedrigeres Gewicht, höhere Festigkeit und einen höheren Zugelastizitätsmodul zur Beibehaltung eines höheren Innendrucks zu erhalten, sollten die Verstärkungsfasern der Außenhülle noch bevorzugterweise eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die, relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes, in einem Winkel im Bereich von 0º bis ± 15º, vorzugsweise 0º bis ± 5º angeordnet sind, eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die in einem Winkel im Bereich von ± 75 bis ± 105º, vorzugsweise ± 85º bis ± 100º, angeordnet sind, und eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die in einem Winkel im Bereich von ± 30º bis ± 60º, vorzugsweise ± 40º bis ± 50º, angeordnet sind, bilden, und zwar in dieser Reihenfolge von innen nach außen. Des Weiteren sollte das Volumenverhältnis zwischen den Verstärkungsfasern der Schicht, die aus Verstärkungsfasern besteht, welche in einem Winkel im Bereich von 0º bis ± 15º angeordnet sind, und der Schicht, die aus Verstärkungsfasern besteht, welche in einem Winkel im Bereich von ± 75º bis ± 105º angeordnet sind, und der Schicht, die aus Verstärkungsfasern besteht, welche in einem Winkel im Bereich von ± 30º bis ± 60º angeordnet sind, 1 zu 1,5 bis 2,5 zu 0,1 bis 1,2 betragen. Die Schichten mit den Bereichen 0º bis ± 15º und ± 75º bis ± 105º dienen hauptsächlich der Erhöhung des Innendrucks, der erhalten werden kann, während die Schicht mit dem Bereich ± 30º bis ± 60º der Erhöhung der Druckfestigkeit dient. Um eine große Restfestigkeit nach einem Stoß zu garantieren, sollte die Schicht mit dem Bereich ± 30º bis ± 60º als äußerste Schichtangeordnet werden.
Um insbesondere ein Bersten des Druckgefäßes zu verhindern, wenn plötzlich durch einen Stoß ein Loch entsteht, bilden die Verstärkungsfasern der Außenhülle eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von ± 5º bis ± 50º, vorzugsweise ± 25º bis ± 40º, angeordnet sind, und eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die in einem Winkel im Bereich von ± 75º bis ± 105º, vorzugsweise ± 85º bis ± 100º angeordnet sind, und zwar in dieser Reihenfolge von innen nach außen, um so die Isotropie in der Ebene der Außenhülle zu verbessern. Außerdem sollte das Volumenverhältnis zwischen den Verstärkungsfasern der Schicht, die aus Verstärkungsfasern besteht, welche in einem Winkel im Bereich von ± 5º bis ± 50º angeordnet sind, und der Schicht, die aus Verstärkungsfasern besteht, welche in einem Winkel im Bereich von ± 75º bis ± 105º angeordnet sind, 1,0 zu 1,0 bis 2,0 betragen.
Vorzugsweise sollten die Ränder zwischen dem Körperabschnitt und den gewölbten Endabschnitten ein wenig dicker sein, da die durch den Innendruck ausgelöste Biegespannung dort wirkt. Wenn eine FK-Schicht, die aus einer Matte oder aus einem Vliesstoff aus den oben erwähnten Verstärkungsfasern und einem Harz besteht, zwischen den jeweiligen Schichten gebildet wird, oder wenn eine ähnliche FK-Schicht als äußerste Schicht gebildet wird, kann die Aufprallenergie zerstreut werden, um so die Stoßfestigkeit weiter zu erhöhen. Auf ähnliche Weise kann die äußerste Schicht als FK-Schicht aus Glasfasern oder organischen Fasern, die hervorragende Stoßfestigkeit aufweisen, und einem Harz oder als Harzschicht, die aus Polyethylenharz, Polyamidharz oder Urethanharz usw. besteht, gebildet werden.
Das Gas, das im Druckgefäß der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann, ist nicht speziell eingeschränkt und kann das oben erwähnte Erdgas, Stickstoff, Sauerstoff, Helium-Gas oder Ähnliches sein.
Im Druckgefäß gemäß vorliegender Erfindung kann, wenn die Außenhülle eine Schichtstruktur aus 5 oder mehr Schichten am Körperabschnitt des Druckgefäßes aufweist und das Verhältnis zwischen der Gesamtdicke T (mm) aller Schichten und der Zahl N der Schichten in einem Bereich von 0,5 ≤ T/N ≤ 6 gehalten wird, der Innendruck, der durch den Körperabschnitt und die Festigkeit gegen die Stoßkraft von außen aufrecht erhalten werden kann, bedeutend erhöht werden. Im Körperabschnitt sollten vorzugsweise in Dickenrichtung der Außenhülle abwechselnd reifenartig gewickelte Schichten aus Verstärkungsfasern und spiralförmig gewickelte Schichten aus Verstärkungsfasern angeordnet sein.
Solch ein Druckgefäß kann hergestellt werden, indem eine druckfeste FK-Außenhülle nach dem Filament-Wickelverfahren um eine Innenhülle gebildet wird, die als Gassperre dienen kann, so dass die Außenhülle eine Schichtstruktur aus 5 oder mehr Schichten am Körperabschnitt des Druckgefäßes aufweist und das Verhältnis zwischen der Gesamtdicke T (mm) aller Schichten und der Zahl N der Schichten in einem Bereich von 0,5 ≤ T/N ≤ 6 gehalten wird.
In diesem Herstellungsverfahren sollte, wenn die Außenhülle beispielsweise nach dem Filament-Wickelverfahren gebildet wird, vorzugsweise ein nicht-verzwirntes Verstärkungsfaserbündel mit einem D/t-Verhältnis von 5 oder mehr, worin D die Breite des noch nicht mit Harz imprägnierten Bündels ist und t die Dicke des Bündels ist, als Verstärkungsfasern verwendet werden.
Im Druckgefäß dieser Ausführungsform ist die FK-Außenhülle 3 wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ausgebildet. Das heißt, die Außenhülle 3 ist so ausgebildet, dass sie eine Schichtstruktur aus 5 oder mehr Schichten am Körperabschnitt aufweist. In dieser Ausführungsform besteht die Außenhülle insgesamt aus 10 Schichten am Körperabschnitt. Die jeweiligen Schichten unterscheiden sich voneinander, da in den jeweiligen angrenzenden Schichten die Verstärkungsfasern in einem anderen Winkel angeordnet sind. In diesem Fall wird jede Schicht mit einem ±-Winkelbereich, z. B. jede der Schichten mit einer Faser, die in einem Winkel im Bereich von ± 30º, ± 45º, ± 75º oder ± 85º angeordnet ist, als eine Schicht mit ± betrachtet.
Die gewölbten Endabschnitte der Außenhülle 3 haben in dieser Ausführungsform 5 Schichten, müssen aber nicht notwendigerweise eine Schichtstruktur aus 5 oder mehr Schichten aufweisen. Nur der Körperabschnitt muss eine Schichtstruktur aus 5 oder mehr Schichten aufweisen.
Beim Körperabschnitt der Außenhülle 3 wird als innerste Schicht eine Schicht 7a gebildet, indem Verstärkungsfasern spiralförmig gewickelt werden, und darauf wird eine Schicht 8a gebildet, indem Verstärkungsfasern reifenartig gewickelt werden. Außerdem werden darauf abwechselnd Schichten 7b, 7c, 7d und 7e, für die Verstärkungsfasern spiralförmig gewickelt werden, und Schichten 8b, 8c, 8d und 8e, für die Verstärkungsfasern reifenartig gewickelt werden, gebildet. Bei der Anordnung der jeweiligen Schichten ist es auch möglich, dass die innerste Schicht eine durch reifenartiges Wickeln von Verstärkungsfasern gebildete Schicht ist, dass eine durch spiralförmiges Wickeln von Verstärkungsfasern gebildete Schicht darauf angeordnet ist, und dass darauf nacheinander abwechselnd Schichten, die durch reifenartiges Wickeln von Verstärkungsfasern gebildet werden, und Schichten, die durch spiralförmiges Wickeln von Verstärkungsfasern gebildet werden, angeordnet werden.
Bei einer reifenartig gewickelten Schicht werden die Verstärkungsfasern im Wesentlichen in Umfangsrichtung gewickelt und sie funktioniert nicht nur bei 90º als reifenartig gewickelte Schicht, sondern auch im Bereich von etwa ± 75º bis ± 105º, wobei die Axialrichtung des Zylinders 0º beträgt. Eine spiralförmig gewickelte Schicht unterscheidet sich von einer reifenartig gewickelten Schicht.
In dieser Ausführungsform erstrecken sich die jeweiligen reifenartig gewickelten Schichten 8a bis 8e, wie in Fig. 3 dargestellt, bis zu den Enden des Körperabschnitts der Außenhülle 3, und die gewölbten Endabschnitte der Außenhülle 3 werden von den spiralförmig gewickelten Schichten 7a bis 7e gebildet, die sich vom Körperabschnitt aus weiter erstrecken. Die reifenartig gewickelten Schichten 8a bis 8e können sich auch bis zu den gewölbten Endabschnitten erstrecken.
Für diese Ausführungsform gilt das Verhältnis 0,5 ≤ T/N ≤ 6, worin T die Gesamtdicke (mm) aller Schichten des Körperabschnitts der Außenhülle 3 und N die Gesamtzahl der Schichten 7a bis 7e und 8a bis 8e ist, welche die Außenhülle 3 am Körperabschnitt bilden. In diesem Fall kann die Dicke der einzelnen Schichten verringert werden, um die Gesamtdicke der Außenhülle 3 zu verringern, und eine vielschichtige Struktur aus 5 Schichten oder mehr kann garantiert werden.
Wenn die Außenhülle 3 eine solche vielschichtige Struktur aufweist, vor allem am Körperabschnitt, dann können die folgenden Funktionen und Wirkungen erhalten werden.
Erstens wird, wenn eine hohe Stoßkraft von außen wirkt, jeder Schaden, auch wenn er nur gering ist, die äußerste Schicht 8e oder ihr naheliegende Schichten betreffen, wodurch die inneren Schichten geschützt werden und kein Totalschaden entsteht. Das heißt, eine vielschichtige Struktur zerstreut den durch eine lokal auftretende Stoßbelastung verursachten Druck, um die inneren Schichten vor Schaden zu schützen. Da die Zerstreuung der Belastung neben der Verhinderung der Beschädigung der inneren Schichten auch dazu dient, die Aufprallenergie zu absorbieren, kann der Schaden an der äußersten Schicht im Vergleich zu einem Fall, bei dem nur eine Schicht oder eine Schichtstruktur aus wenigen Schichten verwendet wird, ebenfalls verringert werden.
Insbesondere wenn, wie in dieser Ausführungsform, viele einzelne reifenartig gewickelte Schichten 8a bis 8e angeordnet sind, ist die Wahrscheinlichkeit von Rissen zwischen den Schichten niedriger und die Festigkeit gegenüber Stößen von außen kann sehr groß sein.
Des Weiteren trägt die vielschichtige Struktur dazu bei, dass ein höherer Volumengehalt an Fasern vorhanden ist und weniger Blasen in der gesamten Außenhülle 3 auftreten. Wenn beispielsweise die Außenhülle 3 nach dem Filament-Wickelverfahren gebildet wird, ziehen die einzelnen gewickelten und laminierten Schichten die jeweils vorher gebildete Schicht zusammen, um das Harz aus den laminierten Schichten herauszupressen, wodurch der Faser-Volumsgehalt erhöht wird, und um Blasen herauszupressen und ihre Zahl zu vermindern. Der höhere Faser-Volumsgehalt und die niedrigere Zahl an Blasen tragen erheblich zur Verbesserung der Festigkeit der Außenhülle 3 als ganzes und der Qualität bei.
Die Außenhülle 3, die aus 5 oder mehr Schichten besteht und ein T/N-Verhältnis von 0,5 bis 6 aufweist, kann beispielsweise durch ein in Fig. 7 dargestelltes Verfahren gebildet werden.
Fig. 7 zeigt ein Verfahren, bei dem eine Außenhülle nach dem Filament-Wickelverfahren auf einer vorgeformten Innenhülle gebildet wird. Die Verstärkungsfasergarne 212 (z. B. Kohlefasergarne), die von den jeweiligen Spulen 211 abgewickelt werden; werden als Verstärkungsfaserbündel 213 zusammengeführt, das mit einem in einem Harzbad 214 mit Harz imprägniert, dann durch ein Paar Druckwalzen 215 flachgedrückt und schließlich um eine Innenhülle 220 gewickelt wird. Durch Regelung des Wicklungswinkels werden abwechselnd reifenartig gewickelte Schichten und spiralförmig gewickelte Schichten gebildet.
Die Außenhülle muss eine vielschichtige Struktur aufweisen, die aus wie oben beschriebenen dünnen Schichten bestehen muss, und die dünnen Schichten der vorliegenden Erfindung können beispielsweise, wie in Fig. 8 dargestellt, unter Verwendung eines nicht-verzwirnten Verstärkungsfaserbündels 216 (z. B. eines nicht-verzwirnten Kohlefaserbündels) mit einem D/t-Verhältnis von 5 oder mehr, worin D die Breite des noch nicht mit Harz imprägnierten Bündels ist und t die Dicke des Bündels ist, gebildet werden. Um das Flachdrücken zu unterstützen, weist das Verstärkungsfaserbündel vorzugsweise eine hervorragende Öffnungsfähigkeit auf, und diese hervorragende Öffnungsfähigkeit kann beispielsweise durch das in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 5- 29688 beschriebene Verfahren erhalten werden, d. h. indem das Verstärkungsfaserbündel ein Schlichtemittel mit einem Polyglycidylether, zyklischen Polyepoxidharz oder einem Gemisch davon als essentiellen Bestandteil enthält und die oben beschriebene Bedingung für D/t erfüllt. Das Schlichtemittel kann beispielsweise mit Hilfe eines in Fig. 7 dargestellten Schlichtemittel-Auftragemittels 217 aufgetragen werden und mit Hilfe eines Trocknungsmittels wie einer Heizplatte 218, einer Heizwalze oder einer Heißluft- Trockenkammer getrocknet und fixiert werden.
Das Verstärkungsfaserbündel 216 gemäß diesen Bedingungen wird mit einem Harz imprägniert und mit Hilfe der Druckwalze 215 zu einer vorbestimmte Form flachgedrückt, worauf es um die Innenhülle 220 gewickelt wird, um eine vielschichtige Struktur gemäß vorliegender Erfindung zu bilden.
Da in diesem Verfahren im Grunde ein vorhandener Filamentwickler unter Hinzufügung sehr einfacher Vorrichtungen, wie beispielsweise eines Schlichtemittel-Auftraggeräts und Druckwalzen 215, verwendet werden kann, kann die erwünschte vielschichtige Struktur der Außenhülle sehr einfach und kostengünstig erhalten werden.
Des Weiteren kann, wenn die Außenhülle als Komponenten ein Verstärkungsfaserbündel [X], ein duroplastisches Harz [Y] und ein Elastomer und/oder thermoplastisches Harz [Z] umfasst, wobei Komponente [Z] sich um Komponente [X] herum befindet, welche in einer Schnittfläche der Außenhülle zum Vorschein kommt, die Außenhülle des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung unter Beibehaltung der hohen Druckfestigkeit hart sein und sie kann die Ausbreitung eines Risses oder einer anderen Beschädigung der Verstärkungsfasern verhindern, um die Stoßfestigkeit und die Dauerfestigkeit zu erhöhen.
Das Druckgefäß dieser Ausführungsform kann hergestellt werden, indem seine Außenhülle unter Verwendung eines Garn-Prepregs gebildet wird, dass die Komponenten [X], [Y] und [Z] umfasst, wobei Komponente [X] mit Komponente [Y] imprägniert ist und Komponente [Z] nähe der Oberfläche vorhanden ist.
In dieser Ausführungsform besteht die Außenhülle, wie in Fig. 9 dargestellt, aus den Komponenten [X], [Y] und [Z].
Die Zahl der Filamente, welche das Verstärkungsfaserbündel als Komponente [X] darstellen, ist vorzugsweise 1.000 bis 500.000, noch bevorzugter 3.000 bis 50.000. Um eine dickeres Faserbündel zu erhalten, können mehrere Faserbündel kombiniert werden, und um auf der anderen Seite ein dünneres Faserbündel zu erhalten, kann ein dickes Faserbündel geteilt werden.
Das duroplastische Harz als Komponente [Y] kann insbesondere ein Epoxyharz sein, und es wird im Allgemeinen zusammen mit einem Härtungsmittel und einem Härtungsbeschleuniger verwendet. Vor allem ein Epoxyharz mit einem Amin, Phenol oder einer Verbindung mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung wird vorzugsweise als Vorläufer verwendet. Das Epoxyharz mit einem Amin als Vorläufer kann aus verschiedenen Isomeren von Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan, Triglycidyl-p-aminophenoltriglycidyl-m-aminophenol und Triglycidylaminokresol ausgewählt sein. Das Epoxyharz mit einem Phenol als Vorläufer kann ausgewählt sein aus Epoxyharzen des Bisphenol-A- Typs, Epoxyharzen des Bisphenol-F-Typs, Epoxyharzen des Bisphenol-S-Typs, Epoxyharzen des Phenolnovolak-Typs und Epoxyharzen des Kresolnovolak-Typs. Das Epoxyharz mit einer Verbindung mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung als Vorläufer kann aus alizyklischen Epoxyharzen ausgewählt sein. Das in der Erfindung verwendbare Epoxyharz ist nicht auf die oben erwähnten Epoxyharze beschränkt. Auch ein bromiertes Epoxyharz, das durch Bromieren eines dieser Epoxyharze erhalten wird, kann verwendet werden.
Das Härtungsmittel kann aus Säureanhydriden (Methylnadinsäureanhydrid usw.), Härtungsmitteln auf Aminbasis (m-Phenylendiamin, Methyldianilin, Ethylmethylimidazol, Isophorondiamin usw.), Härtungsmitteln auf Polyaminoamidbasis, Härtungsmitteln auf Phenolbasis (Bis-p-hydroxyphenylsulfon usw.), Härtungsmitteln auf Polymercaptanbasis und latenten Härtungsmitteln (Dicyandiamid usw.) ausgewählt sein, Jedes dieser Härtungsmittel kann auch zusammen mit einem Härtungsbeschleuniger wie beispielsweise einem Bortrifluorid-Amin-Komplex oder einer Imidazol-Verbindung verwendet werden. Außerdem können eine durch eine Additionsreaktion eines Isocyanats erhaltene Harnstoffverbindung und Dimethylamin zusammen verwendet werden.
Komponente [Y] kann vorzugsweise aus Maleimidharz, Harzen mit endständigem Acetylen; Harzen mit endständiger Nadinsäure; Harzen mit endständigem Cyanat, Harzen mit endständigem Vinyl und Harzen mit endständigem Allyl ausgewählt sein. Jedes dieser Harze kann auch mit einem Epoxyharz oder einem anderen Harz gemischt werden. Des Weiteren kann ein reaktives Verdünnungsmittel oder ein Modifikator wie beispielsWeise ein thermoplastisches Harz oder Elastomer verwendet werden, sofern die Hitzebeständigkeit nicht stark herabgesetzt wird.
Komponente [Y] kann auch ein in der Industrie weitgehend anerkanntes duroplastisches Harz wie beispielsweise Phenolharz, Resorcinharz, ungesättigtes Polyesterharz oder Vinylesterharz sein.
Komponente [Z] ist ein Elastomer und/oder thermoplastisches Harz.
Das thermoplastische Harz ist typischerweise ein thermoplastisches Harz mit Bindungen, die aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, Amidbindungen, Imidbindungen, Esterbindungen, Etherbindungen, Carbonatbindungen, Urethanbindungen, Thioetherbindungen, Sulfonbindungen, Imidazolbindungen und Carbonylbindungen ausgewählt sind, in der Hauptkette. Insbesondere Polyvinylacetat, Polyamide, Polycarbonate, Polyacetale, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polyallylate, Polyester, Polyamidimide, Polyimide, Polyetherimide, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetheretherketon, Polyaramid, Polybenzimidazol, Polyethylen, Polypropylen, Celluloseacetat und Cellulosebutyrat sind als thermoplastische Harze in der vorliegenden Erfindung geeignet, da sie hervorragende Stoßfestigkeit aufweisen. Davon sind Polyamide, Polyimide, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyethersulfone und Polysulfone besonders in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, da sie hohe Widerstandsfähigkeit und gute Hitzebeständigkeit aufweisen. Davon werden insbesondere Polyamide in der vorliegenden Erfindung verwendet, da sie besonders gute Widerstandsfähigkeit aufweisen.
Das Elastomer kann aus verschiedenen Elastomeren wie beispielsweise synthetischem Kautschuk ausgewählt werden, und vorzugsweise wird ein thermoplastisches Elastomer in der vorliegenden Erfindung verwendet. Das thermoplastische Harz kann beispielsweise aus thermoplastischen Elastomeren auf Polystyrenbasis, Polyolefinbasis, Polyesterbasis und Polyamidbasis ausgewählt sein.
Wenn ein Epoxyharz als Komponente [Y] verwendet wird, kann geeigneterweise ein thermoplastisches Elastomer auf Polyesterbasis oder Polyamidbasis verwendet werden, um eine ausreichend feste Bindung zwischen den Komponenten [Y] und [Z] zu garantieren, und um so einen Verbundstoff bereitzustellen, bei dem die beiden Komponenten auch unter Belastung nicht getrennt werden, da er hohe Löslichkeit im Epoxyharz aufweist, obwohl ein thermoplastisches Elastomer auf Polystyrenbasis oder Polyolefinbasis niedrige Löslichkeit im Epoxyharz aufweist.
Das thermoplastische Elastomer auf Polyesterbasis oder Polyamidbasis ist ein thermoplastisches Elastomer des Segmentpolymer-Typs, das aus einer harten Segmentkomponente mit einer Polyester- oder Polyamidstruktur und einer weichen Segmentkomponente besteht.
In dieser Ausführungsform kommen die Komponenten [X], [Y] und [Z] in einer Schnittfläche der Außenhülle, wie beispielsweise in Fig. 9, zum Vorschein.
Das heißt, um Komponente [X] herum, welche das mit Komponente [Y] verbundene Verstärkungsfaserbündel umfasst, befindet sich Komponente [Z], und zwischen den jeweiligen benachbarten Verstärkungsfasernbündeln tritt klar ein Abschnitt auf, der nur aus Harz besteht und im Wesentlichen keine Verstärkungsfasern enthält.
In dieser Schnittfläche gilt vorzugsweise das folgende Verhältnis:
1/100 ≤ L&sub2;/L&sub1; ≤ 1/2
noch bevorzugter
1/50 ≤ L&sub2;/L&sub1; ≤ 1/4
worin L1 die Länge einer Geraden ist, welche die geometrischen Mittelpunkte zweier benachbarter Komponenten [X] verbindet, und L&sub2; die Länge eines Abschnitts dieser Geraden ist, welcher Komponente [Z] kreuzt, d. h. des Abschnitt, der die Komponente kreuzt, welche im Wesentlichen aus einem Harz besteht und nur zwischen den beiden benachbarten Verstärkungsfaserbündeln vorhanden ist.
Wenn L&sub2;/L&sub1; kleiner als 1/100 ist, kann die Ausbreitung eines Risses nicht verhindert werden, und wenn es größer als 1/2 ist, ist die Menge des Harzes so groß, dass das Gewicht des Druckgefäßes erhöht wird.
In Fig. 9 ist Komponente [X] an Komponente [Y], d. h. einem gehärteten, duroplastischen Harz, ausgebildet, und um die aneinander ausgebildeten Abschnitte ist Komponente [Z], d. h. ein Abschnitt, der nur aus Harz besteht, vorhanden.
In dieser Schnittstruktur ist Komponente [Z], da der Abschnitt der Komponente [Z] aus Harz besteht, das hauptsächlich ein Elastomer und/oder ein thermoplastisches Harz umfasst, widerstandsfähiger als der aneinander ausgebildete Abschnitt aus Komponente [X] und [Y]. Daher kann die Ausbreitung eines Risses oder einer anderen Beschädigung der Verstärkungsfasern an dem Abschnitt aufgefangen werden und am Ausbreiten gehindert werden. Folglich kann eine Verminderung der Druckfestigkeit und der Festigkeit der Außenhülle durch einen Riss oder eine andere Beschädigung der Verstärkungsfasern verhindert werden; und die Außenhülle als ganzes kann hervorragende Druckfestigkeit und Festigkeit bewahren.
Da der oben beschriebene harte Abschnitt selbst hervorragende Aufprallenergie-Absorptionsfähigkeit besitzt, wird die Stoßfestigkeit der Außenhülle, und folglich auch die Stoßfestigkeit des Druckgefäßes, bedeutend erhöht.
Auch wenn die Außenhülle wiederholten Stößen im selben Bereich ausgesetzt wird, entsteht kein Totalschaden, weil die Ausbreitung und Ausdehnung von Beschädigungen der Verstärkungsfasern oder von Rissen verhindert wird.
Die oben beschriebene Außenhülle 3 des Druckgefäßes kann gebildet werden, indem ein Garn-Prepreg, das die Komponenten [X], [Y] und [Z] umfasst, wobei Komponente [X] mit Komponente [Y] imprägniert ist und Komponente [Z] nahe den Oberflächen vorhanden ist, beispielsweise nach dem Filament-Wickelverfahren um eine vorgeformte Gassperre-Innenhülle, die als Gassperre dienen kann, gewickelt wird. In diesem Fall ist Komponente [Y] noch nicht fest.
Im Garn-Prepreg umfasst Komponente[Z] vorzugsweise Teilchen eines der vorher aufgezählten Materialien.
Die Form der Teilchen ist nicht auf die Kugelform beschränkt. Die Teilchen können natürlich kugelförmig sein, sie können jedoch ebenso in verschiedenen Formen verschiedener Beschaffenheiten auftreten, wie beispielsweise als feines Pulver, das durch Mahlen von Harzstücken erhalten wird, oder als feine Teilchen, die durch Sprühtrocknen oder Wiederausfällung erhalten werden. Des Weiteren können auch gemahlene Fasern, nadelförmige Teilchen und Whisker problemlos verwendet werden. Besonders wenn kugelförmige Teilchen verwendet werden können jene, die durch Suspensionspolymerisation erhalten werden, direkt eingesetzt werden.
Die Teilchengröße bezieht sich auf eine mittlere Teilchengröße, basierend auf der Menge, die durch das Fliehkraft-Absetzgeschwindigkeitsverfahren usw. erhalten wird.
Die Teilchengröße der für die vorliegende Erfindung geeigneten Teilchen ist 2 um bis 150 um, noch bevorzugter 5 um bis 100 um. Wenn die Teilchengröße geringer als 2 um ist, können die Teilchen, die um das Verstärkungsfaserbündel angeordnet werden sollen, in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern der mit Komponente [9] verbundenen Verstärkungsfasern geraten, und es kann vorkommen, dass die Teilchen nicht lokal auf den Oberflächen des Garn-Prepregs vorhanden sind. Wenn die Teilchengröße andererseits 2 um oder mehr ist, können die Teilchen aus den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Fasern der Verstärkungsfasern herausgehalten werden, wenn das Verstärkungsfaserbündel mit dem Matrixharz, das die Teilchen enthält, imprägniert werden. Das heißt, da alle Teilchen durch die Verstärkungsfasern herausgefiltert werden, sind sie lokal auf den Oberflächen des Garn-Prepregs vorhanden.
Wenn die Teilchen eine sehr anisotrope Form aufweisen, wie beispielsweise gemahlene Fasern, nadelförmige Fasern und Whiskers, ist die Wahrscheinlichkeit niedriger, das sie in die Zwischenräume zwischen Filamenten eindringen, und sie tendieren dazu, auf den Oberflächen des Garn-Prepregs zu bleiben, auch wenn sie eine geringe Teilchengröße aufweisen. Wenn Teilchen mit einer Teilchengröße von 2 um oder weniger mit Komponente [Y] gemischt werden, um sie mit Komponente [Y] aufzuquellen und so eine scheinbar größere Teilchengröße zu erreichen, trifft das oben beschriebene Konzept der Teilchengröße auf die scheinbare Teilchengröße zu.
Wenn die Teilchen eine Teilchengröße über 150 um aufweisen, können sie die Anordnung der Verstärkungsfasern beeinträchtigen und die Lücken zwischen den einzelnen Faserbündeln und die Abstände zwischen den einzelnen Schichten mehr als in der durch Formen erhaltenen FK-Außenschicht notwendig erweitern, und so die physikalischen Eigenschaften der FK-Außenhülle beeinträchtigen. Teilchen mit einer Teilchengröße über 150 um können jedoch teilweise in Komponente [Y] gelöst werden, um beim Formen eine geringere Teilchengröße aufzuweisen, oder sie können, je nach Material der Teilchen, während dem Formen mittels Erhitzen verformt werden, um die Lücken zwischen den einzelnen Filamenten und die Abstände zwischen den einzelnen Schichten der FK-Außenhülle zu verringern, in welchem Fall auch solche großen Teilchen verwendet werden können.
Die optimale Teilchengröße hängt vom Außendurchmesser der Faser der Verstärkungsfasern, der Zahl der Filamente usw. ab.
Komponente [Z] kann auch in Form von Fasern bereitgestellt werden. Diese Fasern können entweder lang oder kurz sein. "Lange Fasern" sind Fasern mit einer Länge von 5 cm oder mehr, und "kurze Fasern" sind Fasern mit einer Länge von weniger als 5 cm. Wenn Komponente [Z] in Form von Fasern bereitgestellt wird, ist die Dicke der Faser vorzugsweise 15 Denier oder weniger, noch bevorzugter 5 Denier oder weniger, denn wenn die Dicke zu groß ist, können die Lücken zwischen den einzelnen Faserbündeln und die Abschnitte zwischen den einzelnen Schichten, wo keine Faserbündel vorhanden sind, unnötigerweise dicker werden, oder die Anordnung der Faserbündel kann beeinträchtigt werden, wodurch die physikalischen Eigenschaften des geformten Produkts beeinträchtigt werden.
Wenn Komponente [Z] in Form von Fasern bereitgestellt wird, sollte die Kristallinität der Fasern vorzugsweise mittels eines Vorgangs wie Ziehen bei 40% oder mehr gehalten werden. Wenn die Kristallinität zu niedrig ist, kann die Nasshitzebeständigkeit verringert werden.
Komponente [Z] kann seine ursprüngliche Form beibehalten und erst nach Beendigung des Formens verlieren.
Das Garn-Prepreg in dieser Ausführungsform ist vorzugsweise im Schnitt in einer zur Längsrichtung senkrechten Ebene flach, und in diesem Fall kann leicht die in Fig. 9 dargestellte Schnittstruktur erhalten werden. Außerdem kann leicht eine dünnere Außenhülle gebildet werden, welche die Anforderung eines niedrigeren Gewichts erfüllt. Im Schnitt durch die flache Form beträgt die Länge der längeren Seite vorzugsweise 2 mm bis 50 mm.
In der Außenhülle des Druckgefäßes dieser Ausführungsform ist Komponente [Z] vorzugsweise im Matrixharz um einer Gruppe von Komponenten [X] angeordnet. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird, wenn beispielsweise Komponente [Z] in einer großen Menge tief in Komponente [X] vorhanden ist, kann die Energieabsorption im Grenzbereich unzureichend sein, wodurch die Wirkung der Verbesserung der Stoßfestigkeit und Bruchfestigkeit des zur Bildung der Außenhülle verwendeten FK verringert wird, und die Anordnung der Verstärkungsfasern kann beeinträchtigt werden, wodurch der Anteil des Matrixharzes nahe den Verstärkungsfasern verringert wird, was wiederum zu einer Verringerung der Festigkeit und Hitzebeständigkeit führt.
Von diesem Blickwinkel aus und aufgrund der Verteilung von Komponente [Z] im Garn- Prepreg vor dem Formen, sollte vorzugsweise der Großteil von Komponente [Z] nahe den Oberflächen des Garn-Prepregs vorhanden sein. Wenn die Außenhülle aus solch einem Garn-Prepreg gebildet wird, befindet Komponente [Z] sich im Grenzbereich zwischen jeweils benachbarten Garn-Prepregs, und der erhaltene FK kann folglich hervorragende Stoßfestigkeit aufweisen. Dass Komponente [Z] nahe den Oberflächen vorhanden ist, bedeutet, dass zumindest 90% von Komponente [Z] in Bereichen der Umfangsflächen eines Garn-Prepregs bis zu 30% der minimalen Dicke des Garn-Prepregs vorhanden sind. Wenn zumindest 90% von Komponente [Z] im Bereichen der Umfangsflächen eines Garn-Prepregs bis zu 20% der minimalen Dicke des Garn-Prepregs vorhanden sind, scheinen die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung bemerkenswerter und bevorzugter.
Die unter Verwendung solch eines Garn-Prepregs gebildete Außenhülle zur Bildung des Druckgefäßes gemäß vorliegender Erfindung wird beispielsweise gemäß dem in Fig. 10 dargestellten Verfahren geformt:
In dem in Fig. 1ß dargestellten Verfahren werden die Verstärkungsfasergarne 312 von einer Reihe von Spulen 311 abgewickelt und als Verstärkungsfaserbündel 313 zusammengeführt, das durch ein Harzbad 314 geführt wird, wo es mit einem Matrixharz 315 eines duroplastischen Harzes imprägniert wird. Das mit Harz imprägnierte Verstärkungsfaserbündel 316 wird durch ein Gefäß 318 geführt, das mit einer Teilchenähnlichen oder pulvrigen Komponente [Z] 317 befüllt ist, um Komponente [Z] 317 hauptsächlich nahe den Oberflächen des mit Harz imprägnierten Verstärkungsfaserbündels 316 abzulagern. Das Verstärkungsfaserbündel 319, auf dem Komponente [Z] 317 abgelagert ist, wird durch ein zweites Harzbad 320 geführt, um ein Matrixharz 321 eines duroplastischen Harzes auf den Oberflächen abzulagern oder um die Oberflächen damit zu imprägnieren. Das zweite Harzbad 320 ist nicht unbedingt erforderlich.
Das mit Harz imprägnierte Verstärkungsfaserbündel 322, auf dem nahe der Oberfläche Komponente [Z] abgelagert ist, wird aus dem zweiten Harzbad 320 entfernt und in einem vorbestimmten Wicklungswinkel nach dem Filament-Wickelverfahren um eine Innenhülle 2 gewickelt, um eine Außenhülle 302 auszubilden. Nach Beendigung des Wickelns wird das Harz erhitzt, um es zu härten und die erwünschte Außenhülle 302 zu bilden.
Dieses Herstellungsverfahren kann sehr einfach durchgeführt werden, indem man ein Auftragegerät für Komponente [Z] zu der herkömmlichen Filament-Wickelausrüstung hinzufügt, da das zweite Harzbad 320 nicht unbedingt erforderlich ist, und so kann die erwünschte Außenhülle mit hervorragender Druckfestigkeit einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Das Druckgefäß gemäß vorliegender Erfindung kann ausreichend hohe Druckfestigkeit an den Schulterabschnitten aufweisen, wenn die innerste Schicht an den Schulterabschnitten der Außenhülle eine aus reifenartig gewickelten Verstärkungsfasern gebildete Schicht ist.
Das Druckgefäß kann hergestellt werden, indem um die Schulterabschnitte einer Innenhülle, die als Gassperre dienen kann, eine Verstärkungsschicht gebildet wird, die Verstärkungsfasern und ein Harz umfasst und eine reifenartig gewickelte Faserschicht aufweist, und um die Verstärkungsschicht und die Innenhülle eine druckfeste FK-Außenhülle gebildet wird.
Im Druckgefäß gemäß dieser Ausführungsform wird an den Schulterabschnitten der Außenhülle als innerste Schicht eine reifenartig gewickelte Verstärkungsfaserschicht bereitgestellt, die als Verstärkungsschicht dient. Die als Verstärkungsschicht dienende innerste Schicht kann nach dem Filament-Wickelverfahren oder durch Anordnung eines unidirektionalen Prepregs gebildet werden. Wenn die innerste Schicht nach dem Filament-Wickelverfahren gebildet wird und die Umfangsfläche der Innenhülle an den Schulterabschnitten so ausgebildet ist, dass sie in Axialrichtung Stufen aufweist, die sich in Umfangsrichtung erstrecken, kann das Verstärkungsfasergarn oder mit Harz imprägnierte Verstärkungsfasergarn, das in Umfangsrichtung gewickelt ist, am Abrutschen gehindert werden.
Wie in Fig. 11 dargestellt ist die innerste Schicht 9a an den Schulterabschnitten 3a der Außenhülle 3 als Schicht mit reifenartig gewickelten Verstärkungsfasern ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist die innerste Schicht 9a eine nach dem Filament- Wickelverfahren ausgebildete FK-Schicht. Da in dieser Ausführungsform eine Verstärkungsschicht E um den Körperabschnitt der Innenhülle 2 bereitgestellt ist, beginnt die innerste Schicht 9a an den Enden der Verstärkungsschicht E und erstreckt sich bis zur Hälfte des gewölbten Endabschnitts B. Die reifenartig gewickelte innerste Schicht 9a kann als erweiterte Schicht ausgebildet sein, wenn die Verstärkungsschicht E nach dem Filament-Wickelverfahren ausgebildet ist, oder sie kann unabhängig ausgebildet werden. Die innerste Schicht 9a kann auch als Verstärkungsschicht an den Schulterabschnitten dienen, d. h. um in Umfangsrichtung hohe Zugspannung zu schaffen, und so als Verstärkungsschicht funktionieren, die hohe Druckfestigkeit gegenüber dem Innendruck in Radialrichtung bereitstellen kann.
In dieser Ausführungsform werden auf der Umfangsfläche der Innenhülle 2 an den Schulterabschnitten Stufen 10a in Axialrichtung ausgebildet, die sich in Umfangsrichtung erstrecken. Die Stufen 10a können an Stellen ausgebildet werden, die der innersten Schicht 9a entsprechen. In Bezug auf die Höhe a und die Breite b der einzelnen Stufen, sollte a angemessenerweise etwa 0,5 bis 2 mm und b etwa 1 bis 5 mm sein.
Wenn die Stufen 10a ausgebildet werden, kann das Verstärkungsfasergarn oder mit Harz imprägnierte Verstärkungsfasergarn am Abrutschen gehindert werden, wenn die innerste Schicht 9a nach dem Filament-Wickelverfahren ausgebildet wird, und die erwünschte reifenartig gewickelte Schicht kann genau an der erwünschten Stelle ausgebildet werden. Auf der innersten Schicht 9a werden die anderen Abschnitte der Außenhülle als die innerste Schicht 9a ausgebildet. Wünschenswerterweise sollte die Außenhülle 3 ebenfalls aus einem FK hergestellt werden.
In dieser Ausführungsform sind die Schulterabschnitte 3b des Bosse-Endabschnitts 6 im Wesentlichen auf dieselbe Weise aufgebaut. Wie in Fig. 12 dargestellt, wird als innerste Schicht der Außenhülle 3 eine Schicht 9b mit reifenartig gewickelten Verstärkungsfasern ausgebildet, und darauf werden die anderen Abschnitte der Außenhülle 3 ausgebildet. An den Schulterabschnitten der Innenhülle 2 werden dieselben Stufen 10a wie oben ausgebildet.
Im Herstellungsverfahren für ein Druckgefäß gemäß dieser Ausführungsform werden beispielsweise, wenn die Innenhülle 2 aus einem Kunststoffmaterial besteht, beim Blasformen der Innenhülle 2 die Innenhülle 2 und die Bosse 6 aneinander ausgebildet. Nachdem die Innenhülle 2 geformt wurde, wird die druckfeste Außenhülle 3 so geformt, dass sie die Innenhülle 2 bedeckt. Als erstes werden die innersten Schichten 9a und 9b, wie erforderlich, als Verstärkungsschicht an den Schulterabschnitten zusammen mit der Verstärkungsschicht E des Körperabschnitts ausgebildet. Die innersten Schichten 9a und 9b können nach dem Filament-Wickelverfahren oder Bandwickelverfahren mit der Innenhülle 2 als Kernstück, d. h. als Spindel, ausgebildet werden. Vor allem wenn das Filament-Wickelverfahren verwendet wird, hinter die auf der Umfangsfläche der Innenhülle 2 an den Schulterabschnitten ausgebildeten Stufen 10a und 10b das um die Innenhülle 2 gewickelte Verstärkungsfasergarn oder mit Harz imprägnierte Verstärkungsfasergarn am Abrutschen.
Nachdem die innersten Schichten 9a und 9b geformt wurden, werden die restlichen Abschnitte der Außenhülle 3 ausgebildet. Wenn die Außenhülle 3 aus einem FK besteht, können auch die restlichen Abschnitte nach dem Filament-Wickelverfahren oder Bandwickelverfahren geformt werden.
Da die auf diese Weise geformte Außenhülle 3 als innerste Schicht eine Schicht aus reifenartig gewickelten Verstärkungsfasern aufweist, kann sie in Umfangsrichtung hohe Zugspannung schaffen, die sogar an den Schulterabschnitten wirkt, und die Druckfestigkeit gegenüber dem Innendruck in Radialrichtung erhöhen.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform. Sie zeigt nur die Schulterabschnitte auf der Seite der Bosse 4, es wird jedoch auch für die Schulterabschnitte der Seite des Bosse- Endabschnitts 6 dieselbe Struktur verwendet. In dieser Ausführungsform wird die innerste Schicht 9c der Außenhülle 3 an den Schulterabschnitten durch ein unidirektionales Prepreg gebildet. Das heißt, das unidirektionale Prepreg wird an den vorbestimmten Stellen der Schulterabschnitte angeordnet, wobei das Verstärkungsfasergarn in Umfangsrichtung angeordnet ist, und wird kurzzeitig fixiert, und darauf werden die restlichen Abschnitte der Außenhülle 3 ausgebildet. Da das angeordnete unidirektionale Prepreg ein vorgeformter Bogen ist, sind die in Fig. 11 und 12 dargestellten Schritte an den Schulterabschnitten der Innenhülle nicht unbedingt notwendig. Da die innerste Schicht 9c eine Schicht aus reifenartig gewickelten Verstärkungsfasern ist, kann in dieser Anordnung die Druckfestigkeit gegenüber dem Innendruck in Radialrichtung an den Schulterabschnitten der Außenhülle, und damit an den Schulterabschnitten des Druckgefäßes, erheblich erhöht werden. Des Weiteren kann, da nur die vorgeformten unidirektionalen Prepregs an den vorbestimmten Stellen angeordnet werden müssen, die Außenhülle 3 als ganzes sehr leicht geformt werden.
Das Druckgefäß der vorliegenden Erfindung kann so aufgebaut sein, dass die Innenhülle im Halsabschnitt eine Bosse zur Düseninstallation umfasst, dass auf die Endfläche des Halsabschnitts ein Dichtungsring um die Bosse zur Düseninstallation aufgepasst ist und dass ein Pressmittel bereitgestellt ist, um den Dichtungsring an die Endfläche des Halsabschnitts anzupressen. In diesem Fall kann die Gasdichtungsfähigkeit an der Verbindung zwischen der Innenhülle und der Bosse zur Düseninstallation ausreichend erhöht werden.
Dieses Druckgefäß kann hergestellt werden, indem die Innenhülle, die als Gassperre dienen kann, und die Bosse zur Düseninstallation zusammengesetzt werden, um die Bosse herum ein Dichtungsring auf die Endfläche des Halsabschnitts der Innenhülle aufgepasst wird, bevor die druckfeste Außenhülle um die Innenhülle geformt wird, und das Pressmittel zum Anpressen des Dichtungsrings an die Endfläche des Halsabschnitts angebracht wird, um den Dichtungsring durch das Pressmittel elastisch zu verformen, wobei der verformte Dichtungsring in engem Kontakt mit zumindest der Endfläche des Halsabschnitts und der Umfangsfläche der Bosse gehalten wird.
In dieser Ausführungsform hat, wie in Fig. 14 dargestellt, die Bosse 4 einen Eingriffsabschnitt 4a, der sich an der Unterseite in Axialrichtung trompetenförmig verbreitert, und der Halsabschnitt 2a der Innenhülle 2 erstreckt sich vom Eingriffsabschnitt 4a bis zum Umfang der Bosse 4. Die Innenfläche der Innenhülle 2 in dem Bereich, einschließlich des Halsabschnitts 2a, und die Umfangsfläche der Bosse 4 sind miteinander verbunden. Wenn die Bosse 4 beispielsweise aus einem Metall besteht und die Innenhülle 2 beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, dann können die Bosse 4 und die Innenhülle 2 verbunden werden, wenn die Innenhülle 2 durch Blasformen angeformt wird. In der Bosse 4 wird ein Gewinde 4c, das für den Gewindeeingriff mit einer Düse ausgebildet ist, zusammen mit einem Gasdurchgang 4b geformt, und auf der Umfangsfläche der Bosse 4 wird eine sich ringförmig erstreckende Rippe 4d ausgebildet.
Die Verbindungsfläche 15 zwischen der Bosse 4 und der Innenhülle 2, genauer gesagt die Verbindungsfläche zwischen der Umfangsfläche des Eingriffsabschnitts 4a der Bosse 4 und der Innenfläche der Innenhülle 2, und die Verbindungsfläche zwischen der Umfangsfläche des Körperabschnitts der Bosse 4 und der Innenfläche des Halsabschnitts 2a der Innenhülle 2 weist schon eine sehr hohe Gasdichtungsfähigkeit auf, da die Grenzflächen geformt werden, indem die jeweiligen Flächen aneinander ausgebildet werden. Wenn jedoch Dichtungsfähigkeit gegenüber einem Gas mit einem hohen Druck von etwa 200 kg/cm² notwendig ist, wie beispielsweise im Falle eines CNG-Tanks, der in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden soll, kann das darin enthaltene Gas an den Verbindungsflächen austreten.
In dieser Ausführungsform wird das Austreten von Gas an diesen Abschnitten effektiv verhindert.
Auf der Endfläche der Innenhülle 2, oder genauer gesagt auf der Endfläche (oberen Endfläche) 2b des Halsabschnitts 2a der Innenhülle 2, und um die Umfangsfläche der Bosse 4, ist ein ringförmiger Dichtungsring 11 angeordnet, der durch Druck elastisch verformt werden kann. Das Material des Dichtungsrings 11 kann beispielsweise aus Naturkautschuk, synthetischen Kautschuks wie z. B. Silikonkautschuk und Fluorkautschuk und Harzen wie z. B. Tetrafluorethylen, Polyamiden, Polyethylen und Polyestern ausgewählt sein. Ein Metall wie Edelstahl, Aluminium, Kupfer und Titan kann ebenfalls verwendet werden.
Die Schnittform (die Schnittform in Dickenrichtung) des Dichtungsrings 11 kann, wie in Fig. 18 dargestellt, ein voller Kreis, wie in Fig. 19 dargestellt, ein hohler Kreis, oder wie in Fig. 20 dargestellt, eine flache Platte usw. sein. In der in Fig. 14 dargestellten Ausführungsform wird ein O-Ring aus synthetischem Kautschuk mit der in Fig. 19 dargestellten Schnittform eines hohlen Kreises als Dichtungsring 11 verwendet.
Neben dem Dichtungsring 11 ist ein Presselement 12 als Element des Pressmittels zum Anpressen des Dichtungsrings 11 an die Endfläche 2b der Innenhülle 2 angeordnet. In dieser Ausführungsform besteht das Presselement 12 aus einem zylindrischen Abschnitt 12a, der außerhalb des Dichtungsrings 11 in Radialrichtung angeordnet ist und sich entlang der Umfangsoberfläche des Halsabschnitts 2a der Innenhülle erstreckt und auf sie aufgepasst ist, und einem Kragenabschnitt 12b, der den Dichtungsring 11 direkt presst.
Auf der oberen Endfläche des Kragenabschnitts 12b des Presselements 12 ist ein Zwischenstück 13 vorhanden, und darauf ist eine Klemme (z. B. eine Klemmmutter), die im Gewindeeingriff mit der Umfangsfläche der Bosse 4 ist, so bereitgestellt, dass sie angezogen werden kann, um das Presselement 12 durch das Zwischenstück 13 in eine Richtung zu pressen, so dass der Dichtungsring gepresst wird. Das Zwischenstück 13 kann Dichtungsfähigkeit gegen das Eindringen fremder Stoffe von außen und gegen den Austritt von Gas von innen besitzen.
Beim oben beschriebenen Gasdichtungsverfahren wird, wenn die Innenhülle 2 beispielsweise aus einen Kunststoffmaterial und die Bosse 4 aus einem Metall besteht, die zu bildende Innenhülle 2 und die Bosse 4 aneinander ausgebildet, wenn die Innenhülle blasgeformt wird, um die vorbestimmte Dichtungsfähigkeit zu erhalten, bevor die Außenhülle geformt wird.
Auf der Endfläche 2b der Innenhülle 2 und um die Umfangsfläche der Bosse 4 wird der Dichtungsring 11 angeordnet und mit dem Presselement 12 bedeckt. Dann wird das Zwischenstück 13 angeordnet, und danach die Klammer 14 angezogen, um den Dichtungsring 11 durch das Zwischenstück 13 und den Kragenabschnitt 12b des Presselements 12 zu pressen, um so den Dichtungsring 11 elastisch zu verformen. Die durch Pressen ausgelöste elastische Verformung hält den Dichtungsring 11 in engen Kontakt mit der Endfläche 2b der Innenhülle 2 und der unteren Fläche des Kragenabschnitts 12b des Presselements 12. Zusätzlich zur erhaltenen Dichtung zwischen diesen Flächen und dem Dichtungsring 11 wird der Dichtungsring 11 auch in Radialrichtung verformt, um engen Kontakt mit der Umfangsfläche der Bosse 4 und dem Dichtungsring 11 aufrecht zu erhalten, um Dichtung zwischen der Umfangsfläche und dem Dichtungsring 11 zu erzielen. Nach Beendigung des vorbestimmten Klemmens wird die Außenhülle 3 aus FK nach dem bekannten Filament-Wickelverfahren oder Bandwickelverfahren so weit hinauf ausgebildet, dass sie die Umfangsfläche des Presselements 12 bedeckt.
In dieser Dichtungskonstruktion fließt austretendes Gas, auch wenn das Gas im Gefäß durch die Verbindungsfläche 15 austritt, in eine Richtung, so dass es durch den Zwischenraum zwischen dem Dichtungsring 11 und der Endfläche 2b der Innenhülle 2 tritt, und in eine Richtung, so dass es durch den Zwischenraum zwischen dem Dichtungsring 11 und der Umfangsfläche der Bosse 4 tritt. Da diese Bereiche jedoch wie oben beschrieben abgedichtet sind, kann das Austreten von Gas fast vollkommen verhindert werden.
Da die Gasdichtung besonders im Zwischenraum zwischen dem Dichtungsring 11 und der Endfläche 2b der Innenhülle 2 und im Zwischenraum zwischen dem Dichtungsring 11 und der Umfangsfläche der Bosse 4 wirksam ist, kann das Presselement 12 auch eine ringförmige, flache Platte ohne den zylindrischen Abschnitt 12a sein. Vom Standpunkt der Regelung der Verformung des Dichtungsrings 10 nach außen in Radialrichtung, um die Dichtungskraft zwischen dem Dichtungsring 11 und der Umfangsfläche der Bosse 4 weiter zu erhöhen, und vom Standpunkt der festen Fixierung des Presselements durch die Außenhülle 3 nach der Bildung der Außenhülle 3 sollte jedoch vorzugsweise das Presselement 12 wie in dieser Ausführungsform einen zylindrischen Abschnitt 12a aufweisen.
Wenn der zylindrische Abschnitt 12a eine in Fig. 21 dargestellte Stufe aufweist, kann der Dichtungsring leicht und sicher an der erwünschten Tiefe M (???) befestigt werden, wenn das Presselement 12 durch die Klammer 14 befestigt wird.
Um die Dichtungskraft an den Dichtungsflächen weiter zu erhöhen, kann beispielsweise wie in Fig. 15 dargestellt auch eine Ringnut 2c auf der Endfläche 2b des Halsabschnitts 2a der Innenhülle 2 ausgebildet werden, so dass der gepresste und verformte Dichtungsring 11 in die Nut 2c passt. Solch eine Ringnut kann auch auf der unteren Fläche des Kragenabschnitts 12b der Presselements 12 ausgebildet werden. Die Schnittform der in Fig. 15 dargestellten Nut ist nicht speziell beschränkt, aber um die Dichtungsfähigkeit zu verbessern, ist eine kreisförmige Nut, wie sie in Fig. 15 dargestellt ist, geeignet.
Fig. 16 und 17 zeigen weitere Ausführungsformen der Gasdichtungsstruktur an der Verbindung zwischen der Innenhülle und der Bosse im Druckgefäß der oben beschriebenen Ausführungsform.
In der in Fig. 16 dargestellten Ausführungsform wird die in Fig. 14 dargestellte Klemme nicht verwendet, und ein Gewinde ist auf der Innenfläche des Kragenabschnitts 21a des Druckelements 21 ausgebildet, so dass das Druckelement 21 direkt im Gewindeeingriff mit dem Gewinde um die Umfangsfläche der Bosse 22 ist, um ein Festklemmen zu ermöglichen. In dieser Anordnung kann der Dichtungsring 11 auch wie in dem in Fig. 14 dargestellten Aufbau gepresst und elastisch verformt werden, und das Gas, das aus der Verbindungsfläche 15 zwischen der Innenhülle 2 und der Bosse 22 austritt kann nicht nach außen durchdringen.
In der in Fig. 16 dargestellten Ausführungsform ist die Außenhülle 23 vorzugsweise so ausgebildet, dass sie das Presselement 21 vollkommen abdeckt. Das kann die Kraft zur Fixierung des Presselements 21 weiter erhöhen, und kann auch das Presselement 21 daran hindern, sich zudrehen.
In der in Fig. 17 dargestellten Ausführungsform ist um die Umfangsfläche des Halsabschnitts 31a der Innenhülle 31 ein Gewinde ausgebildet, und auch auf der Innenfläche des zylindrischen Abschnitts 32a des Presselements 32 ist ein Gewinde ausgebildet, so dass das Presselement 32 mit der Umfangsfläche des Halsabschnitts 31a im Gewindeeingriff ist und ein Festklemmen ermöglicht. Der Dichtungsring 11 wird zwischen dem Kragenabschnitt 32b des Presselements 32 und der Endfläche des Kragenabschnitts 31a der Innenhülle 31 gepresst und elastisch verformt. Auch in diesem Aufbau wird das Gas, das durch die Verbindungsfläche 15 zwischen der Innenhülle 31 und der Bosse 33 austritt, durch den gepressten und verformten Dichtungsring 11 vollkommen daran gehindert, nach außen auszutreten. In diesem Fall sollte die Außenhülle 34 ebenfalls vorzugsweise so ausgebildet sein, dass sie das Presselement 32 vollkommen abdeckt.
Die Gasdichtungsfähigkeit an der Verbindungsfläche zwischen der Innenhülle und der Bosse wird durch den Dichtungsmechanismus des Dichtungsrings dieser Ausführungsform ausreichend hoch gehalten. Wenn jedoch höhere Sicherheit garantiert werden muss, kann ein Kleber zwischen einzelnen Oberflächen aufgetragen werden, beispielsweise zwischen der Innenfläche des Presselements und der Umfangsfläche der Bosse der Innenhülle und zwischen dem Dichtungsring und den Flächen, auf denen der Dichtungsring aufliegt, um die Dichtungsfähigkeit zu erhöhen. Der Kleber kann beispielsweise aus Klebern auf Epoxybasis, Acrylklebern, Klebern auf Polyurethanbasis, Klebern auf Polyesterbasis und anderen duroplastischen Klebern ausgewählt werden, wobei vor allem reaktive, anaerobe Acrylkleber bevorzugt werden. Die anaeroben Kleber umfassen Kleber des Polyether-Typs und des Ester-Typs. Ein typischer anaerober Kleber des Polyether-Typs ist Tetraethylenglykoldimethacrylat, und ein typischer anaerober Kleber des Ester-Typs ist Trimethylolpropantrimethacrylat, Butandiol, 1,4-Dimethacrylat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pen.tandioldimethacrylat, Polyesteracrylat usw.
Wenn das Druckgefäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut ist, dass eine Bosse zur Düseninstallation im Halsabschnitt der Innenhülle vorhanden ist, und dass die Oberfläche der Bosse zur Düseninstallation, die mit dem Halsabschnitt verbunden wird, eine zerklüftete Struktur aufweist, kann die Gasdichtungsfähigkeit an der Verbindungsfläche zwischen der Innenhülle und der Bosse zur Düseninstallation ausreichend hoch gehalten werden.
Außerdem kann, auch wenn das Druckgefäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut ist, dass eine Bosse zur Düseninstallation im Halsabschnitt der Innenhülle vorhanden ist, und eine Rippe, die sich in Umfangsrichtung erstreckt, auf der Oberfläche der Bosse zur Düseninstallation, die mit dem Halsabschnitt verbunden wird, ausgebildet ist, die Gasdichtungsfähigkeit an der Verbindungsfläche zwischen den Innenhülle und der Bosse zur Düseninstallation ausreichend hoch gehalten werden.
Dieses Druckgefäß kann beispielsweise hergestellt werden, indem der Halsabschnitt der Innenhülle, die als Gassperre dienen kann, mit der Umfangsfläche der Bosse zur Düseninstallation mit solch einer zerklüfteten Struktur und/oder einer Rippe um sie herum, zusammengesetzt wird, wenn die Innenhülle ausgebildet wird, und indem die ausgebildete Innenhülle um die mit dem Halsabschnitt verbundene Bosse rotiert wird, um die druckfeste Außenhülle zu bilden, welche die Innenhülle bedeckt.
Wie in Fig. 22 dargestellt hat die Bosse 4 in dieser Ausführungsform einen Eingriffsabschnitt 4a, der sich an der Unterseite in Axialrichtung trompetenförmig verbreitert, und der Halsabschnitt 2a der Innenhülle 2 erstreckt sich vom Eingriffsabschnitt 4a der Bosse 4 bis zum Umfang des zylindrischen Abschnitts 4d. Die Innenfläche des Bereichs einschließlich des Halsabschnitts 2a der Innenhülle 2 und die Umfangsfläche der Bosse 4 sind miteinander verbunden. Wenn die Bosse 4 beispielsweise aus einem Metall und die Innenhülle 2 beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial besteht, dann können die Bosse 4 und die Innenhülle 2 verbunden werden, wenn die Innenhülle 2 blasgeformt wird. In der Bosse 4 kann ein Gewinde 4c, das für den Gewindeeingriff mit einer Düse ausgebildet ist, zusammen mit einem Gasdurchgang 4b geformt werden. Das Material der Bosse 4 ist nicht speziell beschränkt, doch angesichts des Gewindeeingriffs mit der Düse 7 ist es vorzugsweise ein Metall und kann beispielsweise aus Eisen, Aluminium, Edelstahl und Titan ausgewählt sein.
Die Umfangsfläche der Bosse 4 hat eine zerklüftete Struktur 41, die vollkommen um den zylindrischen Abschnitt 4d der Bosse 4 an der Verbindungsfläche 15 mit der Innenhülle 2, genauer gesagt der Innenfläche des Halsabschnitts 2a der Innenhülle, ausgebildet ist. Die zerklüftete Struktur 41 ist fast über die gesamte Länge des zylindrischen Abschnitts 4d der Bosse 4 in Axialrichtung des zylindrischen Abschnitts 4d ausgebildet, mit Ausnahme von kleinen Abschnitten an beiden Enden.
Die zerklüftete Struktur 41 dieser Ausführungsform wird durch Rändeln, wie es in Fig. 23 dargestellt ist, ausgebildet. Die zerklüftete Struktur muss jedoch nicht durch Rändeln ausgebildet werden, und es ist nur notwendig, dass die Zerklüftung zumindest in Umfangsrichtung um den zylindrischen Abschnitt 4d der Bosse ausgebildet wird, und vorzugsweise wird die Zerklüftung auch in die Richtung um das Axialzentrum ausgebildet. Folglich können, wie in Fig. 24 dargestellt, eine zerklüftete Struktur 41b mit einer Vielzahl von Nuten oder Rippen entlang dem Axialzentrum, wie in Fig. 25 dargestellt, eine zerklüftete Struktur 41c mit einer Vielzahl von Keilnuten entlang der Axialrichtung, wie in Fig. 26 dargestellt, eine zerklüftete Struktur 41d mit einer Vielzahl von vorstehenden Teilen, die an ihren Spitzen fast flach sind, oder, wie in Fig. 27 dargestellt, eine zerklüftete Struktur 41e mit einer Vielzahl von Spitzen ausgebildet werden.
Wenn solch eine zerklüftete Struktur 41 ausgebildet wird, besonders wenn eine relatives Drehmoment zwischen der Bosse 4 und der Innenhülle 2 wirkt, wird hoher Widerstand erzeugt, um eine relative Rotation zwischen ihnen zu verhindern. Das heißt, wenn solch ein Moment wirkt, kann eine Lockerung der Bosse 4 gegenüber der Innenhülle 2 in Umfangsrichtung verhindert werden.
Wenn die zerklüftete Struktur 41 des Weiteren wie in Fig. 23, 26 oder 27 aussieht, kann zusätzlich zum hohen Widerstand gegenüber dem Drehmoment auch hoher Widerstand gegenüber der Schubkraft entlang dem Axialzentrum der Bosse 4 geschaffen werden. Sogar wenn eine externe Axialkraft auf die Bosse 4 wirkt, kann also die relative Axialverschiebung der Bosse 4 gegenüber der Innenhülle 2 verhindert werden. Auch wenn beispielsweise in Fig. 22 eine Stoßkraft von oben auf die Bosse 4 wirkt, wird die Bosse 4 nicht vom Halsabschnitt 2a der Innenhülle 2 weg nach unten gepresst.
Auch wenn die zerklüftete Struktur wie in Fig. 24 oder 25 aussieht, wird, da die Verbindungsfläche mit der Innenhülle 2 größer ist, der Widerstand gegen die oben erwähnte externe Kraft in Schubrichtung dadurch erhöht.
Die so gebildete zerklüftete Struktur vergrößert auf bemerkenswerte Weise die Bindungskraft der Bosse 4 an die Innenhülle 2. Die gesteigerte Verbindungskraft führt vor allem zu einer großen Wirkung, wenn die Außenhülle 3 gebildet wird.
Das heißt, wenn beispielsweise die Innenhülle 2 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt wird, während die Bosse 4 aus einem Metall besteht, kann das Druckgefäß gemäß dieser Ausführungsform hergestellt werden, indem die zu formende Innenhülle an die Bosse 4 angeformt wird, wenn die Innenhülle 2 blasgeformt wird. Da die zerklüftete Struktur 41 auf der Umfangsfläche der Bosse 4 ausgebildet wird, weisen die miteinander verbundenen Innenhülle 2 und Bosse 4 besonders in Umfangsrichtung enorme Verbindungskraft auf, aber auch in Axialrichtung (d. h. in die Richtung, in welche auf die Bosse 4 eine Schubkraft wirkt) herrscht enorme Verbindungskraft zwischen den beiden.
An diesem Punkt wird die druckfeste Außenhülle 3 auf der Innenhülle 2 so ausgebildet, dass sie die Innenhülle 2 bedeckt. Die Außenhülle 3 kann nach dem Filament-Wickelverfahren oder Bandwickelverfahren mit der Innenhülle 2 als Kernstück, d. h. als Spindel, geformt werden. In diesem Fall werden, während die Innenhülle 2 rotiert wird, die Verstärkungsfasergarne wie weiter oben beschrieben mit einem Harz imprägniert und um die Innenhülle 2 herumgewickelt, um Schichten zu bilden, und die Bosse 4 kann als Rotationsachse zur Rotation der Innenhülle 2 verwendet werden. In einem Aufbau, wie er. in Fig. 1 abgebildet ist, ist der Bosse-Endabschnitt 6 der Unterseite beispielsweise auf einer Aufspannvorrichtung angebracht und wird rotiert, und auf der Seite der Bosse 4 ist eine Spannvorrichtung im Gewindeeingriff mit dem Gewindeloch 4c zur Düseninstallation, um so einen Aufbau zu schaffen, welche die Rotationsachse an beiden Enden der Innenhülle 2 stützt.
Bei dieser Rotationsbewegung wirkt an der Verbindungsfläche 15 zwischen der Bosse 4 und der Innenhülle 2 eine großes Drehmoment, und in einer Richtung, die es der Bosse 4 erlaubt, in das Gefäß hineinzufallen, wirkt eine Schubkraft.
Da in dieser Ausführungsform jedoch wie oben beschrieben eine zerklüftete Struktur 41 aufweist, wird die Verbindungskraft an der Verbindungsfläche zwischen der Bosse 4 und der Innenhülle 2 sowohl in die Drehmoment-Richtung als auch in die Schubrichtung auf bemerkenswerte Weise gesteigert, und eine Lockerung und das Herunterfallen (oder eine Verschiebung in die Fallrichtung) von der Innenhülle können verhindert werden.
Des Weiteren zeigt die gesteigerte Verbindungskraft auch nach Fertigstellung des Druckgefäßes weiter ihre Wirkung. Besonders wenn eine externe Kraft in Schubrichtung wirkt, insbesondere wenn eine externe Stoßkraft wirkt, können das Herunterfallen der Bosse 4 von der Innenhülle 2 und eine axiale Verschiebung der Bosse 4 von der Innenhülle 2 verhindert werden.
Fig. 28 zeigt eine Struktur um die Bosse des Druckgefäßes in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In dieser Ausführungsform besteht die Bosse 51 aus einem zylindrischen Abschnitt 51a und einen Eingriffsabschnitt 51b, der sich an der Unterseite des zylindrischen Abschnitts 51a trompetenförmig verbreitert. Die Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 51a der Bosse 51 weist eine Rippe auf, die sich an der Verbindungsfläche 53 mit der Innenhülle 52 in Umfangsrichtung um den gesamten Umfang dieser Ausführungsform erstreckt. Die Rippe 54 ist im klaren Unterschied zum flanschähnlichen Eingriffsabschnitt 51b, der an der Unterseite der Bosse 51 ausgebildet ist, um den zylindrischen Abschnitt 51a der Bosse 51 geformt.
Die Rippe 54 steigert die Verbindungskraft zwischen der Bosse 51 und der Innenhülle 52 erheblich, besonders gegen die axiale Schubkraft, die auf die Bosse 51 wirkt. Daher kann trotz der Schubkraft, die wirkt, wenn die Außenhülle 3 geformt wird, und trotz der Stoßkraft, die nach Fertigstellung des Druckgefäßes auf die Bosse 51 wirkt, eine Verschiebung und das Herunterfallen der Bosse 51 vom Gefäß verhindert werden.
Da die ausgebildete Rippe 54 die Kontaktfläche zwischen der Bosse 51 und der Innenhülle 52 vergrößert, wird auch die gegen eine Lockerung der Bosse 51 in Umfangsrichtung wirkende Verbindungskraft gesteigert.
Es können außerdem, wie in Fig. 29 dargestellt (Rippen 61a und 61b), auch zwei Umfangsrippen ausgebildet werden, und noch drei oder mehr Rippen dazu geformt werden. Wenn die Zahl der Rippen größer ist, ist die Verbindungskraft zwischen der Innenhülle 62 und der Bosse 63 in der Regel größer.
Die in Fig. 22 und 28 dargestellten Strukturen sind auch in Kombination hervorragend geeignet.
Wie beispielsweise in Fig. 30 dargestellt, kann eine Umfangsrippe 72 an einem unteren Abschnitt der Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 71a der Bosse 71 ausgebildet werden, und über der Rippe 72 kann eine zerklüftete Struktur 73 (beispielsweise wie in Fig. 23 dargestellt durch Rändeln ausgebildet) auf der Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 71a geformt werden.
Wenn die Rippe 72 und die zerklüftete Struktur 73 zusammen ausgebildet werden, bietet die Rippe 72 Widerstand gegen die Schubkraft, währen die zerklüftete Struktur 73 vor allem Widerstand gegen die Verschiebung in Umfangsrichtung bietet. So können beide große Kräfte gegen die Verschiebung und Lockerung in die Fallrichtung der Bosse 71 aufweisen. Das heißt, die Verbindungskraft zwischen der Innenhülle 74 und der Bosse 71 kann in jede Richtung bedeutend gesteigert werden.
Des Weiteren kann der Aufbau der Bosse gemäß vorliegender Erfindung, der eine zerklüftete Struktur und eine Rippe aufweist, je nach Verbindungsstruktur zwischen der Innenhülle und der Bosse noch andere Funktionen und Wirkungen aufweisen.
In dem in Fig. 31 dargestellten Aufbau ist beispielsweise ein elastisch verformbarer Dichtungsring 83 auf der Endfläche der Innenhülle 82 angeordnet, um den Austritt von Gas in der Verbindungsfläche zwischen der Bosse 81 und der Innenhülle 82 zu verhindern, und er ist mit Hilfe einer Klemme 85 (z. B. einer Klemmmutter) durch ein Presselement 84 festgeklemmt, um einen engen Kontakt zwischen der Umfangsfläche der Bosse 81 und der Endfläche der Innenhülle 82 aufrecht zu erhalten, damit in diesen Bereichen perfekt abgedichtet ist.
Da die um den zylindrischen Abschnitt der Bosse 81 ausgebildete zerklüftete Struktur 86 und/oder die Rippe 87 in diesem Aufbau die Verbindungskraft wie oben beschrieben steigern kann, kann eine Lockerung der Bosse 81 aufgrund des Zusammendrehens usw., was durch das Festziehen der Klemme 85 ausgelöst wird, verhindert werden.
In dem in Fig. 31 dargestellten Aufbau ist es außerdem möglich, einen Kleber zwischen der Innenfläche des Presselements 84 und der Umfangsfläche der Innenhülle 82 sowie auf den einzelnen Dichtungsflächen, die in engem Kontakt mit dem Dichtungsring 83 gehalten werden sollen, aufzutragen, um die Fixierkraft des Presselements 84 oder die Gasdichtungsfähigkeit zu steigern. Der verwendete Kleber kann aus den oben aufgelisteten Klebern ausgewählt sein.
Wenn das Druckgefäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut ist, dass eine Bosse zur Düseninstallation im Halsabschnitt der Innenhülle bereitgestellt ist, und dass ein zylindrisches Element, bestehend aus einem Kragenabschnitt, darauf folgend einem zylindrischen Abschnitt und einem Flanschabschnitt, der sich von der Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts in die Außenhülle erstreckt, außerhalb des Halsabschnitts vorhanden ist, kann die Gasdichtungsfähigkeit am Verbindungsabschnitt zwischen der Innenhülle und der Bosse zur Düseninstallation ausreichend hoch gehalten werden.
In dieser Ausführungsform hat, wie in Fig. 32 dargestellt, die Bosse 4 einen Eingriffsabschnitt 4a, der sich an der Unterseite in Axialrichtung trompetenförmig verbreitert, und der Halsabschnitt 92a der Innenhülle 92 erstreckt sich vom Eingriffsabschnitt 4a bis zum Umfangsabschnitt der Bosse 4. Die Innenfläche des Bereich, einschließlich des Halsabschnitts 92a der Innenhülle 92, und die Umfangsfläche der Bosse 4 sind miteinander verbunden. Wenn die Bosse 4 beispielsweise aus einem Metall besteht und die Innenhülle 92 beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, dann können die Bosse 4 und die Innenhülle 2 verbunden werden, wenn die Innenhülle 2 durch Blasformen angeformt wird. In der Bosse 4 wird ein Gewinde 4c, das für den Gewindeeingriff mit einer Düse ausgebildet ist, zusammen mit einem Gasdurchgang 4b geformt, und auf der Umfangsfläche der Bosse 4 wird eine sich ringförmig erstreckende Rippe 4d ausgebildet.
Das Material der Bosse 4 ist nicht speziell beschränkt, doch da sie zum Gewindeeingriff mit der Düse 5 ausgebildet ist, besteht sie vorzugsweise aus einem Metall wie z. B. Eisen, Aluminium, Edelstahl oder Titan.
Um den Umfang der Bosse 4 und außerhalb des Halsabschnitts 92a der Innenhülle 92 ist ein zylindrisches Element 90 bereitgestellt, das aus einem nach innen gerichteten, ringförmigen Kragenabschnitt 90a, einem zylindrischen Abschnitt 90b, der zum Bedecken des Umfangs des Halsabschnitts 92a der Innenhülle 92 ausgebildet ist, und einem ringförmigen Flanschabschnitt, der sich von der Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 90b in die Außenhülle 3 erstreckt, besteht. In dieser Ausführungsform erstreckt sich der Flanschabschnitt 90c in rechten Windel von der Umfangsfläche des zylindrischen. Abschnitts 90b aus, kann jedoch in Fig. 32 ein wenig nach oben oder unten geneigt sein. Die Spitze des Flanschabschnitts 90c kann wie in der Abbildung flach sein, oder spitz oder abgerundet usw. ausgebildet sein. Des Weiteren erstreckt sich der Flanschabschnitt 90c in dieser Ausführungsform kontinuierlich, ringförmig über den gesamten Umfang, er kann jedoch auch mit Unterbrechungen in die Umfangsrichtung angeordnet sein, das heißt, es kann eine Reihe von bogenförmigen Rippen wie Vorsprünge in die Umfangsrichtung angeordnet werden.
Außerhalb der Axialrichtung des Kragenabschnitts 90a des zylindrischen Elements 90 ist eine Klemme 91 (z. B. eine Klemmmutter) vorhanden, die für den Gewindeeingriff mit der Umfangsfläche der Bosse 4 ausgebildet ist. Das Zusammenziehen mit der Klemme 91 führt dazu, dass der Kragenabschnitt 90a des zylindrischen Elements 90 zwischen der Klemme 91 und der Endfläche des Halsabschnitts 92a der Innenhülle gehalten und fixiert wird. Folglich ist der fixierte Kragenabschnitt 90a des zylindrischen Elements 90 im Wesentlichen durch die Klemme 91, die mit der Bosse 4 im Gewindeeingriff ist, mit der Umfangsfläche der Bosse 6 im Eingriff.
Wenn bei der wie oben beschriebenen Herstellung des Druckgefäßes beispielsweise die Innenhülle 92 aus einem Kunststoffmaterial und die Bosse 4 aus einem Metall besteht, dann kann das Druckgefäß hergestellt werden, indem die zu bildende Innenhülle 92 an der Bosse 4 angebildet wird, wenn die Innenhülle 92 blasgeformt wird, der Halsabschnitt 92a der Innenhülle 92 mit dem zylindrischen Element 90 abgedeckt wird, die Klemme 91 daran festgezogen wird, um das zylindrische Element 90 in einer vorbestimmten Position zu fixieren, und die Außenhülle 3 mit der Innenhülle 92 als Kernstück ausgebildet wird, um die Innenhülle 92 abzudecken, indem der Öffnungsendabschnitt 4 zur Düseninstallation und der Bosse-Endabschnitt 6 am unteren Ende als Rotationsachse verwendet wird. Die Außenhülle 3 kann nach dem Filament-Wickelverfahren oder Bandwickelverfahren um die Innenhülle 92 gebildet werden. In diesem Fall ist die Außenhülle 3 so ausgebildet, dass zumindest der Flanschabschnitt 90c des zylindrischen Elements 90 von der Außenhülle 3 abgedeckt wird.
In dem wie oben beschrieben aufgebauten Druckgefäß wird, wenn eine Belastung wie z. B. eine Stoßkraft von außen auf die Bosse 4 wirkt, die Belastung nicht nur von der Verbindungsfläche zwischen der Bosse 4 und dem Halsabschnitt 92a der Innenhülle aufgenommen, sondern auch vom zylindrischen Element 90, das durch die Klemme 91 mit der Bosse 4 im Gewindeeingriff ist. Da der Flanschabschnitt 90c des zylindrischen Elements 90 von der Außenhülle 3 bedeckt ist, und da die Außenhülle 3 aus einem druckfesten Material besteht, wirken das zylindrische Element 90 und die Außenhülle 3 zusammen, damit das zylindrische Element 90 einen großen Teil der Belastung aufnehmen kann. Das heißt, der Flanschabschnitt 90c wirkt als Stütze. Folglich wird der Teil der Belastung, der auf die Bosse 4 selbst wirkt, stark vermindert, und das Herunterfallen der Bosse 4 vom Halsabschnitt 92a der Innenhülle 92 in das Gefäß wird verhindert. Das heißt, die Verbindungskraft zwischen der Bosse 4 und der Innenhülle 92 wird so erheblich gesteigert.
In der in Fig. 33 dargestellten Ausführungsform wird, um die Gasdichtungsfähigkeit an der Verbindungsfläche zwischen der Bosse 4 und der Innenhülle 92 zu erhöhen, der ringförmige Dichtungsring 11, der durch Pressen elastisch verformt werden kann, auf der Endfläche des Halsabschnitts 92a der Innenhülle 92 um die Bosse 4 gelegt. Da der Flanschabschnitt 90c des zylindrischen Elements 90 fixiert und durch die Außenhülle 3 gestützt ist, wird in diesem Aufbau ein großer Teil der externen Belastung, welche auf die Bosse 4 wirkt, durch die Klemme 91 vom zylindrischen Element 90 aufgenommen. Daher wird das Herunterfallen der Bosse 4 verhindert.
Fig. 34 zeigt eine weitere Ausführungsform. In dieser Ausführungsform besteht das zylindrische Element 95 aus einem Kragenabschnitt 95a, einem zylindrischen Abschnitt 95b und einem Flanschabschnitt 95c, und die Innenfläche des Kragenabschnitts 95a ist direkt mit der Umfangsfläche der Bosse 4 im Gewindeeingriff. Daher ist die in Fig. 33 dargestellte Klemme 91 nicht vorhanden. Die anderen Abschnitte sind dieselben wie in Fig. 33. In dieser Ausführungsform ist die Außenhülle 3 jedoch vorzugsweise bis zu einem Bereich ausgebildet, so dass das zylindrische Element 95 als ganzes abgedeckt wird.
Da der Flanschabschnitt 95c des zylindrischen Elements 95 fixiert und durch die Außenhülle 95 gestützt ist, wird in dieser Ausführungsform der Großteil einer externen Belastung, die auf die Bosse 4 wirkt, direkt vom zylindrischen Element 95 aufgenommen und das Herunterfallen der Bosse 4 wird verhindert. Um die Verbindungskraft zwischen der Innenhülle und dem zylindrischen Element zu steigern und so die Fixierkraft des zylindrischen Elements weiter zu erhöhen, kann außerdem ein Kleber zwischen dem zylindrischen Element und der Umfangsfläche der Bosse der Innenhülle sowie zwischen dem Dichtungsrichtung und den Flächen, auf die der Dichtungsring gepresst wird, aufgetragen werden, um die Verbindungskraft zu steigern. Der Kleber kann aus den oben aufgelisteten ausgewählt sein.
Wenn das Druckgefäß der vorliegenden Erfindung andererseits so aufgebaut ist, dass die Bosse zur Düseninstallation innerhalb des Halsabschnitts der Innenhülle bereitgestellt ist, so dass der Außendurchmesser des Flanschabschnitts der Bosse zur Düseninstallation um 20 mm bis 25 mm größer als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts der Bosse zur Düseninstallation ist, und dass der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts der Bosse zur Düseninstallation auf der Oberfläche konisch ist, um den Kontakt zum Halsabschnitt der Innenhülle aufrecht zu erhalten, dann kann die Gasdichtungsfähgkeit an der Verbindungsfläche zwischen den Innenhülle und der Bosse zur Düseninstallation ausreichend hoch gehalten werden.
Das heißt, wenn der zylindrische Abschnitt der Bosse zur Düseninstallation beispielsweise wie in Fig. 35 hergestellt wird, dient der auf die Ihnenhülle wirkende Druck dazu, die Bossen gegen die Innenhülle zu pressen und so festen, engen Kontakt zu erzeugen, um das Austreten des Gases im Druckgefäß zu verhindern.

BEISPIELE

Beispiel 1

Eine blasgeformte Innenhülle (Außendurchmesser 200 mm, Gesamtlänge ausgenommen Düseninstallationsabschnitt 1.000 mm, Wanddicke 2 mm) aus Polyethylenharz hoher Dichte wurde als Spule verwendet, um eine Außenhülle nach dem Filament-Wickelverfahren auf einer Innenhülle zu bilden. Für das Filamentwickeln wurde ein Kohlefasergarn (12.000 Filamente aus Fasern mit einem Durchmesser von 7 um, Zugfestigkeit 4,6 GPa, Zugbruchlast 2, 2%), das mit Epoxyharz imprägniert wurde (Zugbruchlast 4%), gewickelt, um in dieser Reihenfolge eine ± 3º-Schicht, 88º-Schicht und ± 45º-Schicht (die Winkel beziehen sich auf die Axialrichtung des Druckgefäßes) zu bilden, wobei das Volumsverhältnis des Kohlefasergarns in der ± 3º-Schicht zu dem in der 88º-Schicht zu dem in der ± 45º-Schicht 1 : 2 : 2 betrug, und die mit dem Kohlefasergarn umwickelte Innenhülle wurde in einem Ofen 6 Stundenlang auf 130ºC erhitzt, um den Hauptkörper des Druckgefäßes zu formen. Die so erhaltene Außenhülle wurde nach dem NOL- Ringtestverfahren gemessen. Der Zugelastizitätsmodul lag bei 47 GPa und die Zugbruchlast bei 2,0%. Der Hauptkörper hatte einen Außendurchmesser von 216 mm und ein Fassungsvermögen von 30 Liter. Um den Zugelastizitätsmodul und die Zugbruchlast zu messen, wurden Proben, die erhalten wurden, indem der zylindrische Abschnitt des Druckgefäßes in runde Scheiben geschnitten wurde, nach dem NOL-Ringtestverfahren gemessen.
Dann wurde ein Nasenzapfen mit einem Krümmungsradius von 8 mm an der Spitze und einem Gewicht von 2 kg mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s auf die Mitte des Hauptkörpers fallen gelassen und der Vorgang 50 Mal im selben Bereich wiederholt, wobei ein Aufschlagprüfer verwendet wurde. Die von einem Ultraschallprüfgerät gemessene beschädigte Fläche (Pressfläche in senkrechter Richtung) war 1,0 cm² groß. Vor und nach der Schlagprüfung wurden Druckprüfungen mit Wasser als Druckquelle wurden durchgeführt. Das Verhältnis der Drucke, denen er standhielt, war 1,00, und es wurde kein Rückgang des Innendrucks, der aufrecht erhalten werden konnte, aufgrund der wiederholten Stöße beobachtet.

Vergleichsbeispiel 1

Ein Hauptkörper wurde wie in Beispiel 1 beschrieben erhalten, mit der Ausnahme, dass das verwendete Kohlefasergarn 12.000 Filamente aus Einzelfasern mit einem Durchmesser von 7 um, eine Zugfestigkeit von 3,0 GPa und eine Zugbruchlast von 1,3% aufwies. Die Außenhülle wies einen Zugelastizitätsmodul von 51 GPa und eine Zugbruchlast von 1, 2% auf.
Der Hauptkörper wurde wie in Beispiel 1 geprüft und die beschädigte Fläche war 7,2 m² groß und das Verhältnis der Drucke, denen er vor und nach der Stoßprüfung standhielt, war 0,55.

Vergleichsbeispiel 2

Ein Hauptkörper eines Druckgefäßes wurde wie in Beispiel 1 ausgebildet, mit der Ausnahme dass das verwendete Kohlefasergarn 12.000 Filamente aus Einzelfasern mit einem Durchmesser von 7 um, eine Zugfestigkeit von 2,4 GPa und eine Zugbruchlast von 1,6% aufwies, dass ein E Glasfasergarn aus einzelnen Fasern mit einem Durchmesser von 9 um, einer Zugfestigkeit von 3,5 GPa und eine Zugbruchlast von 4,8% verwendet wurde, und dass eine ± 3º-Schicht aus Kohlefasergarn, eine 88º-Schicht aus mit E Glasfasergarn gemischtem Kohlefasergarn und eine ± 45º-Schicht aus Kohlefasergarn (die Winkel beziehen sich auf die Axialrichtung des Druckgefäßes) in dieser Reihenfolge ausgebildet wurden, wobei das Volumsverhältnis der Faser in der + 3º-Schicht zu dem in der 88º-Schicht zu dem in der ± 45º-Schicht, also das Verhältnis Kohlefasergarn {Kohlefasergarn: E Glasfasergarn}: Kohlefasergarn = 1: {1 : 1}: 2 ist. Die so erhaltene Außenhülle wurde nach dem NOL-Ringtestverfahren gemessen und ergab ein Zugelastizitätsmodul von 30 GPa und eine Zugbruchlast von 1,6%.
Der Hauptkörper wurde wie in Beispiel 1 geprüft. Die beschädigte Fläche war 6,5 cm² groß und das Verhältnis der Drucke, denen er vor und nach der Stoßprüfung standhielt, war 0,62.

Beispiel 2

Eine Dimethylsulfoxid-Lösung, die 20% eines Acryl-Copolymers aus 99,5. Gew.-% Acrylnitril und 0,5 Gew.-% Itaconsäure enthielt (das Polymer war 600 Poise in der Viskosität der Lösung bei 45ºC auf), wurde auf ein Mal durch eine Düsenplatte in einen 3 mm-Luftraum entladen und in ein stationäres Koagulationsbad gegeben, das 5ºC auf 3 0/0 Dimethylsulfoxid aufwies, um koagulierte Fasern zu erhalten. Diese wurden mit Wasser gewaschen, dann in heißes Wasser gezogen, mit einem Amino-modifizierten Silikonöl-Schmiermittel behandelt, getrocknet, komprimiert, 10 Mal in Druckdampf gezogen und gewickelt, um einen Vorläufer aus 12.000 Filamenten aus Einzelfasern mit 1,0 Denier (mit 1,55 Gew.-% des Schmiermittels) zu erhalten. Dieser wurde behandelt, um in Luft mit einem Temperaturverlauf von 230/260ºC flammtest zu sein, und in einen Carbonisierofen mit einer Höchsttemperatur von 1.300ºC gegeben, wo er in Stickstoffgasatmosphäre bei einer Aufheizgeschwindigkeit von etwa 300ºC/min im Temperaturbereich von 300 bis 700ºC und einer Aufheizgeschwindigkeit von etwa 400ºC/min im Temperaturbereich von 1.000 bis 1.200ºC carbonisiert wurde, um ein Kohlefasergarn zu erhalten. Die oben erwähnte Flammschutzbehandlung und Carbonisierungsbehandlung wurden in einer Atmosphäre durchgeführt, aus der Staub herausgefiltert wurde. Es wurde dann in einer elektrolytischen Zelle, die 0,05 Mol/Liter wässrige Schwefelsäure als Elektrolyt enthielt, bei 5 Coulomb/Gramm (1,25 Coulomb(g·Zelle) 1 Minute lang elektrolytisch behandelt, mit Wasser gewaschen und bei 150ºC getrocknet, um ein Kohlefasergarn mit 12.000 Filamente aus Einzelfasern mit einem Durchmesser von 7 um, einer Zugfestigkeit von 5,8 GPa, einem Zugelastizitätsmodul von 245 GPa, einem spezifischen Gewicht von 1,80, einem Oberflächen-Sauerstoffanteil O/C von 0,18 und einem Oberflächen-Stickstoffanteil N/C von 0,04 zu erhalten. Das Garn wurde mit einem Epoxyharz (Epoxyharz des Bisphenol-F-Typs mit einem Härtungsmittel auf Säureanhydrid-Basis und einem Beschleuniger auf 2E4MZ-Basis) imprägniert, indem es durch einen Harzbehälter und auf Führungsrollen geleitet wurde, und es wurde nach dem Filament-Wickelverfahren um eine blasgeformte Innenhülle (Außendurchmesser 300 mm, Gesamtlänge einschließlich Düseninstallationsabschnitt, Wanddicke 5 mm) aus HD-Polyethylenharz gewickelt, wobei die Innenhülle als Spindel verwendet wurde, und wobei das Verhältnis der Menge der Fasern in Axialrichtung der Außenhülle zur Menge der Fasern in Umfangsrichtung (genau θ = ±3º und 90º) bei 1 : 2 gehalten wird, und schließlich wurde es 6 Stunden lang bei 130ºC in einen Ofen gegeben, um den Hauptkörper eines Druckgefäßes zu bilden. Die so erhaltene Außenhülle wurde nach dem NOL- Ringtestverfahren gemessen und ergab einen Zugelastizitätsmodul von 80 GPa und eine Zugbruchlast von 2, 3%. Der Hauptkörper wies einen Außendurchmesser von 310 mm und ein Gewicht von 9 kg auf.
Dann wurde ein Nasenzapfen mit einem Krümmungsradius von 8 mm an der Spitze und einem Gewicht von 2 kg mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s auf die Mitte des Hauptkörpers fallen gelassen und der Vorgang 50 Mal im selben Bereich wiederholt, wobei ein Aufschlagprüfer verwendet wurde. Die von einem Ultraschallprüfgerät gemessene beschädigte Fläche (Pressfläche in senkrechter Richtung) war 1,0 cm² groß. Vor und nach der Schlagprüfung wurden Druckprüfungen mit Wasser als Druckquelle wurden durchgeführt. Das Verhältnis der Drucke, denen er standhielt, war 1,00, und es wurde kein Rückgang des Innendrucks, der aufrecht erhalten werden konnte, aufgrund der wiederholten Stöße beobachtet.

Beispiel 3

Ein wie in Fig. 1 und 14 aufgebautes Druckgefäß wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Das Druckgefäß wurde bis zu einen Innendruck von 20 MPa mit Helium-Gas gefüllt und 1 Stunde lang in einen dichten Behälter gegeben. Die Menge des Helium-Gases im dichten Behälter wurde durch eine Gaschromatographie gemessen und betrug 0. Das heißt, der Austritt von Gas aus dem Druckgefäß war 0.

Beispiel 4

Ein wie in Fig. 1 und 32 aufgebautes Druckgefäß wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Das zylindrische Element 90 mit dem Flanschabschnitt 90c wurde verwendet. Auf die Bosse 4 wurde in Axialrichtung eine statische externe Belastung angewandt und allmählich erhöht. Das Druckgefäß hielt einer Belastung von bis zu 1 Tonne stand.

Beispiel 5

Eine blasgeformte Innenhülle (Außendurchmesser 100 mm, Gesamtlänge ausgenommen Düseninstallationsabschnitt 300 mm, Wanddicke 1 mm) aus HD-Polyethylenharz wurde als Spule verwendet, um eine Außenhülle nach dem Filament-Wickelverfahren zu bilden. Für das Filamentwickeln wurde ein Kohlefasergarn (12.000 Filamente aus Fasern mit einem Durchmesser von 7 um, Zugfestigkeit 5,0 GPa, Zugbruchlast 2, 2%) gewickelt, um in dieser Reihenfolge eine ± 30º-Schicht und eine 88º-Schicht (die Winkel beziehen sich auf die Axialrichtung des Druckgefäßes) zu bilden, wobei das Volumsverhältnis des Kohlefasergarns in der ± 30º-Schicht zu dem in der 88º-Schicht bei 1 : 1,5 gehalten wurde, und die mit dem Kohlefasergarn umwickelte Innenhülle wurde in einem Ofen 6 Stunden lang auf 130ºC erhitzt, um den Hauptkörper des Druckgefäßes zu formen. Die so erhaltene Außenhülle wies einen Zugelastizitätsmodul von 73 GPa und eine Zugbruchlast von 2,0% auf, und der Außendurchmesser des Hauptkörpers war 104 mm. Um den Zugelastizitätsmodul und die Zugbruchlast zu messen, wurden Proben, die erhalten wurden, indem der zylindrische Abschnitt des Druckgefäßes in runde Scheiben geschnitten wurde, nach dem NOL-Ringtestverfahren gemessen.
Der Hauptkörper wurde unter Verwendung eines Druckprüfers einem hydraulischen Druck von 30 MPa ausgesetzt, und dann wurde ein Aufschlagprüfer verwendet, um einen Nasenzapfen mit einem Krümmungsradius von 3 mm an der Spitze und einem Gewicht von 20 kg mit einer Geschwindigkeit von 7 m/s auf die Mitte des Hauptkörpers fallen zu lassen. Nur in dem Abschnitt, in dem der Zapfhahn auftraf, entstand ein Loch, und das Druckgefäß als Ganzes wurde nicht zerstört.
Das Druckgefäß der vorliegenden Erfindung kann für verschiedene Anwendungen verwendet werden, doch ist es besonders als CNG-Tank für Kraftfahrzeuge geeignet, von dem niedriges Gewicht und hohe Betriebssicherheit erwartet wird.

Claims

1. Druckgefäß, umfassend: eine Innenhülle (2), die als Gassperre dienen kann, und eine druckfeste Außenhülle (3) aus faserverstärktem Kunststoff (FK), der aus einem Harz und Verstärkungsfasern erhalten wurde und so angeordnet ist, dass er die Innenhülle bedeckt, wobei die Außenhülle eine Schicht (7) aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von ±5º bis ± 50º angeordnet sind, und eine Schicht (8) aus Verstärkungsfasern umfasst, die relativ zur Axialrichtung in einem Winkel im Bereich von ±75º bis ±105º angeordnet sind, wobei die Außenhülle einen Zugelastizitätsmodul von 35 GPa oder mehr und eine Zugbruchlast von 1, 5% oder mehr aufweist.

2. Druckgefäß nach Anspruch 1, bei dem die Innenhülle (2) aus einem Metall, Harz oder FK besteht.

3. Druckgefäß nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Innenhülle (2) eine an der Innenfläche und/oder der Außenfläche ausgebildete Gassperrschicht aufweist.

4. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Innenhülle (2) einen Körperabschnitt (A) aufweist, auf dem eine Verstärkungsschicht (E) aus einem FK ausgebildet ist.

5. Druckgefäß nach Anspruch 1, bei dem die Außenhülle (3) eine Zugbruchlast von 1, 7% oder mehr aufweist.

6. Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (3) eine Zugbruchlast von 2,0% oder mehr aufweist.

7. Druckgefäß nach Anspruch 1, bei dem Verstärkungsfasern in der Außenhülle (3) Kohlefasergarne mit einer Strang-Zugfestigkeit von 4,5 GPa oder mehr und einer Strang- Zugbruchlast von 2,0% oder mehr umfassen.

8. Druckgefäß nach Anspruch 7, bei dem die Verstärkungsfasern Kohlefasergarne mit einer Strang-Zugfestigkeit von 5,5 GPa oder mehr umfassen.

9. Druckgefäß nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Verstärkungsfasern Kohlefaser- Garne mit einem Oberflächen-Sauerstoffanteil von 0,30 oder weniger und einem Oberflächen-Stickstoffanteil von 0,02 oder mehr umfassen.

10. Druckgefäß nach Anspruch 1, bei dem die Außenhülle (3) eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von ±0º bis ±15º angeordnet sind, eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die in einem Winkel zur Axialrichtung im Bereich von ±75º bis ±105º angeordnet sind, sowie eine Schicht aus Verstärkungsfasern umfasst, die in einem Winkel zur Axialrichtung im Bereich von ±30º bis ±60º angeordnet sind.

11. Druckgefäß nach Anspruch 1, bei dem das Volumsverhältnis zwischen jenen Verstärkungsfasern in den Schichten aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von ±5º bis ±50º angeordnet sind, und jenen in der Schicht aus Verstärkungsfasern, die in einem Winkel im Bereich von ±75º bis ±105º angeordnet sind, im Bereich von 1,0 : 1,0-2,0 liegt.

12. Druckgefäß nach Anspruch 10, bei dem das Volumsverhältnis zwischen jenen Verstärkungsfasern in den Schichten aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von ±0º bis ±15º angeordnet sind, jenen in der Schicht aus Verstärkungsfasern, die in einem Winkel im Bereich von ±75º bis ±105º angeordnet sind, sowie jenen in der Schicht aus Verstärkungsfasern, die in einem Winkel im Bereich von ±30º bis ±60º angeordnet sind, im Bereich von 1 : 1,5- 2, 5 : 0,2-1, 2 liegt.

13. Druckgefäß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, das einen Körperabschnitt (A) aufweist, wobei die Außenhülle (3) eine Schichtstruktur aus 5 oder mehr Schichten um den Körperabschnitt (A) herum aufweist, wobei für die Beziehung zwischen der Gesamtdicke T (mm) aller Schichten und der Anzahl N der Schichten gilt:

0,5 ≤ T/N ≤ 6.

14. Druckgefäß nach Anspruch 13, bei dem im Körperabschnitt (A) in Dickenrichtung der Außenhülle abwechselnd Schichten (8) mit reifenartig gewickelten Verstärkungsfasern und Schichten (7) mit spiralförmig gewickelten Verstärkungsfasern angeordnet sind.

15. Druckgefäß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Außenhülle (3) die folgenden Komponenten [X], 159 und [Z] umfasst und die Komponente [Z] um die im Querschnitt der Außenhülle sichtbare Komponente [X] herum angeordnet ist:

(X) : Verstärkungsfaserbündel;

[Y]: duroplastisches Harz;

[Z]: Elastomer und/oder thermoplastisches Harz.

16. Druckgefäß nach Anspruch 15, bei dem für das Verhältnis L2/L1 gilt:

1/100 ≤ L&sub2;/L&sub1; ≤ 1/2,

worin L&sub1; die Länge einer Geraden ist, die die geometrischen Mittelpunkte zweier benachbarter Komponenten [X] verbindet, und L&sub2; die Länge jenes Abschnitts dieser Geraden ist, der die zwischen den beiden benachbarten Komponenten [X] vorhandene Komponente [Z] kreuzt.

17. Druckgefäß nach Anspruch 15, bei dem die Komponente [Z] zumindest eine aus der aus Polyvinylacetat, Polyamiden, Polycarbonaten, Polyacetalen, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polyallylaten, Polyestern, Polyamidimiden, Polyimiden, Polyetherimiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyetheretherketon, Polyaramid, Polybenzimidazol, Polyethylen, Polypropylen, Celluloseacetat, Cellulosebutyrat, thermoplastischen Elastomeren auf Polyesterbasis und thermoplastischen Elastomeren auf Polyamidbasis bestehenden Gruppe ausgewählte umfasst.

18. Druckgefäß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Außenhülle (3) einen Schulterabschnitt (3a) umfasst und die innerste Schicht (9a) des Schulterabschnitts (3a) eine Schicht mit reifenartig gewickelten Verstärkungsfasern umfasst.

19. Druckgefäß nach Anspruch 18, bei dem die innerste Schicht (9a) nach dem Filament-Wickelverfahren ausgebildet ist.

20. Druckgefäß nach Anspruch 18, bei dem die Innenhülle (2) einen Schulterabschnitt umfasst und die Umfangsflächen des Schulterabschnitts der Innenhülle (2) so ausgebildet sind, dass sie in Axialrichtung Stufen (10a, 10b) aufweisen, die jeweils in Umfangsrichtung verlaufen.

21. Druckgefäß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Innenhülle (2) einen Halsabschnitt (2a) umfasst, in dem eine Bosse (4) zur Düseninstallation vorgesehen ist, wobei um die Bosse (4) für die Düseninstallation herum ein Dichtungsring (11) auf die Endfläche des Halsabschnitts (2a) aufgepasst ist und ein Pressmittel (12) vorgesehen ist, um den Dichtungsring (11) an die Endfläche des Halsabschnitts (2a) anzupressen.

22. Druckgefäß nach Anspruch 21, bei dem das Pressmittel (12) ein Dichtungsring- Presselement (12b) und eine Klemme (14) des Presselements umfasst.

23. Druckgefäß nach Anspruch 21, bei dem das Pressmittel (12) ein Presselement. (12b) umfasst, das in Gewindeeingriff mit der Bosse (4) zur Düseninstallation steht.

24. Druckgefäß nach Anspruch 21, bei dem das Pressmittel (12) ein Presselement umfasst, das einen mit dem Halsabschnitt in Gewindeeingriff stehenden zylindrischen Abschnitt (12a) und einen mit dem Dichtungsring (13) in Kontakt gehaltenen Kragenabschnitt (12b) umfasst.

25. Druckgefäß nach Anspruch 21, bei dem die Bosse (4) zur Düseninstallation einen Flanschabschnitt (4a) umfasst und der Außendurchmesser des Pressmittels (12) um 1 bis 10 mm kleiner ist als der Außendurchmesser des Flanschabschnitts.

26. Druckgefäß nach Anspruch 21, bei dem die Endfläche (2b) des Halsabschnitts (2a) der Innenhülle (2) eine Ringnut (2c) umfasst, die vorgesehen ist, um den Dichtungsring (11) darin einzupassen.

27. Druckgefäß nach Anspruch 23, bei dem sich die Außenhülle (23) bis zu einer solchen Position hinauf erstreckt, dass sie das Presselement (21) abdeckt.

28. Druckgefäß nach Anspruch 24, bei dem der zylindrische Abschnitt (12a) des Presselements (12) eine Stufe umfasst.

29. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem die Innenhülle (2) einen Halsabschnitt (2a) umfasst, eine Bosse (4) für die Düseninstallation innerhalb des Halsabschnitts (2a) vorgesehen ist; und die Oberfläche der Bosse (4) zur Düseninstallation, die mit dem Halsabschnitt (2a) zu verbinden ist, eine zerklüftete Form (41) aufweist.

30. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem die Innenhülle (52) einen Halsabschnitt umfasst; in dem eine Bosse (51) zur Düseninstallation vorgesehen ist, und die Oberfläche der Bosse (51) zur Düseninstallation, die mit dem Halsabschnitt zu verbinden ist, eine sich den Umfang entlang erstreckende Rippe aufweist (54).

31. Druckgefäß nach Anspruch 30, bei dem die zu verbindende Oberfläche zusätzlich eine zerklüftete Form (73) aufweist.

32. Druckgefäß nach Anspruch 29 oder 30, in dem um die Bosse (81) zur Düseninstallation herum ein Dichtungsrichtung (83) auf die Endfläche des Halsabschnitts aufgepasst ist und ein Mittel (85) zum Anpressen des Dichtungsrings an die Endfläche des Halsabschnitts vorgesehen ist.

33. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem die Innenhülle (92) einen Halsabschnitt (92a) umfasst, in dem eine Bosse (4) zur Düseninstallation vorgesehen ist, und außerhalb des Halsabschnitts (92a) der Innenhülle (92) ein zylindrisches Element (90) vorgesehen ist, wobei das zylindrische Element einen Kragenabschnitt (90a), einen zylindrischen Abschnitt (90b), der auf den Kragenabschnitt folgt, und einen Flanschabschnitt (90c) aufweist, der sich von der Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts (90b) in die Außenhülle (3) erstreckt.

34. Druckgefäß nach Anspruch 33, bei dem der Flanschabschnitt (90c) ringförmig verläuft.

35. Druckgefäß nach Anspruch 33, bei dem um die Bosse (4) zur Düseninstallation herum ein Dichtungsring (11) auf die Endfläche des Halsabschnitts (92a) der Innenhülle (92) aufgepasst ist und der Kragenabschnitt (90a) des zylindrischen Elements (90) den Dichtungsring (11) an die Endfläche des Halsabschnitts (92a) anpresst.

36. Druckgefäß nach Anspruch 33, bei dem eine Klemme (91) des zylindrischen Elements, die in Gewindeeingriff mit der Bosse (4) zur Düseninstallation steht, außerhalb des Kragenabschnitts (90a) des zylindrischen Elements (90) liegt.

37. Druckgefäß nach Anspruch 33, bei dem der Kragenabschnitt (90a) in Gewindeeingriff mit der Bosse (4) zur Düseninstallation steht.

38. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem die Innenhülle (2) einen Halsabschnitt (2a) aufweist, in dem eine Bosse (4) zur Düseninstallation mit einem Flanschabschnitt (4a) und einem Körperabschnitt (4d) vorgesehen ist, wobei der Außendurchmesser des Flanschabschnitts (4a) um 20 mm bis 25 mm größer ist als der Außendurchmesser des Körperabschnitts (4d), und der Körperabschnitt (4d) eine konische Oberfläche aufweist, die mit dem Halsabschnitt (2a) in Kontakt gehalten wird.

39. Verfahren zur Herstellung eines Druckgefäßes, wobei das Verfahren das Formen einer druckbeständigen Außenhülle (3) um eine Innenhülle (2), die als Gassperre dienen kann, durch ein Filament-Wickelverfahren oder ein Bandwickelverfahren umfasst, wobei die Außenhülle (3) aus einem FK besteht, der Verstärkungsfasern und ein Harz umfasst, und eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von ±5º bis ±50º angeordnet werden, sowie eine Schicht aus Verstärkungsfasern umfasst, die relativ zur Axialrichtung in einem Winkel im Bereich von ±75º bis ±105º angeordnet werden, wobei die Außenhülle einen Zugelastizitätsmodul von 35 GPa oder mehr und eine Zugbruchlast von 1, 5% oder mehr aufweist.

40. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die Außenfläche der Innenhülle (2) vor dem Filament-Wickelverfahren oder dem Band-Wickelverfahren aufgeraut wird.

41. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die Außenhülle (3) eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von ±0º bis ±15º angeordnet werden, eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die in einem Winkel zur Axialrichtung im Bereich von ±75º bis ±105º angeordnet werden, und eine Schicht aus Verstärkungsfasern umfasst, die in einem Winkel zur Axialrichtung im Bereich von ±30º bis ±60º angeordnet werden.

42. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem das Volumsverhältnis zwischen jenen Verstärkungsfasern in der Schicht aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des

49. Verfahren nach Anspruch 48, bei dem Schichten mit reifenartig gewickelten Verstärkungsfasern und Schichten mit spiralförmig gewickelten Verstärkungsfasern in Dickenrichtung der Außenhülle (3) abwechselnd angeordnet werden.

50. Verfahren nach Anspruch 48, bei dem als Verstärkungsfasern ein nicht-verzwirntes Verstärkungsfaserbündel mit einem D/t-Verhältnis von 5 oder mehr verwendet wird, worin D die Breite des noch nicht mit Harz imprägnierten Bündels ist und t die Dicke des Bündels ist.

51. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die druckbeständige Außenhülle (3) gebildet wird, indem ein Garn-Prepreg verwendet wird, dass die folgenden Komponenten [X], [Y] und [Z] umfasst, wobei Komponente [X] mit Komponente [Y] imprägniert ist und Komponente [Z] an den Oberflächen vorhanden ist:

[X]: Verstärkungsfaserbündel;

[Y]: duroplastisches Harz;

[Z]: Elastomer und/oder thermoplastisches Harz.

52. Verfahren nach Anspruch 51, bei dem das verwendete Garn-Prepreg auf den Oberflächen der mit Komponente [Y] imprägnierten Komponente [X] abgelagerte Teilchen von Komponente [Z] aufweist.

53. Verfahren nach Anspruch 39, welches das Bereitstellen einer Verstärkungsschicht (E) aus Verstärkungsfasern mit einer reifenartig gewickelten Schicht aus Verstärkungsfasern und einem Harz auf der Umfangsfläche des Schulterabschnitts der Innenhülle (2), die einen Körperabschnitt (A) und einen Schulterabschnitt aufweist, sowie das Ausbilden der druckbeständigen Außenhülle (3) um die Verstärkungsschicht und die Innenhülle (2) herum umfasst.

54. Verfahren nach Anspruch 53, bei dem die Verstärkungsschicht (E) nach dem Filament-Wickelverfahren ausgebildet wird.

55. Verfahren nach Anspruch 53, bei dem die Verstärkungsschicht nach dem Filament-Wickelverfahren als verlängerte Schicht der innersten Schicht der Außenhülle ausgebildet wird, die auf der Umfangsfläche des Körperabschnitts der Innenhülle ausgebildet wird.