JP6526664B2 - 蓄圧器を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車において水素を貯蔵するための蓄圧器を製造する方法であって、
最初に、好ましくはプラスチックブロー成形法を用いて、当該蓄圧器の、少なくとも１つの極キャップを有するインライナを製造し、
次いで、インライナの外側に、強化繊維を有する多層の補強層を、好ましくは周囲に編組によって設ける、方法に関する。

このような方法は、例えば国際公開第２０１０／１４５７９５号に基づいて公知である。自動車において水素を貯蔵するための蓄圧器は、一方では、所与の構造空間において可能な限り大きな蓄圧器容積を提供する必要があり、かつ他方では、低燃費を保証するために僅かな重量を有する必要がある。さらに、このような蓄圧器を、市場競争可能なコストで製造できることが必要であることは自明である。

例えば金属製の水素用蓄圧器に比べて、プラスチック製インライナを備えた蓄圧器は、比較的僅かな重量の点で傑出している。しかしながら、十分に多量の水素を貯蔵する場合に必要な高い、通常約７００バールの圧力に耐えることができるようにするためには、このようなプラスチック製インライナは、通常、補強層を備える必要がある。このような補強層は例えば、編組法または巻成法において、インライナに取り付けられる。補強層を製造する場合における１つの目的は、例えばカーボンファイバおよび／またはグラスファイバとして形成されていてよい、補強層の個々の強化繊維に、運転中に可能な限り均一な負荷が加えられるようにすることである。このようにすると、強化繊維の機械的な負荷耐性を可能な限り良好に使用するということが保証される。その結果、強化繊維に対する可能な限り均一な負荷においては、繊維に対する不均一な負荷におけるよりも、補強層の総厚さを僅かにすることができる。これによって一方ではコストを節減することができ、このことは、特に、比較的高価なカーボンファイバの使用時に顕著になる。他方において、比較的薄い補強層では、所与の構造空間においても、水素のために比較的大きな利用可能な蓄圧器容積を準備することができる。

プラスチック製インライナに、強化繊維から成る補強層が設けられている場合には、通常、数百バールのインライナの普通の運転内圧において、補強層の内側層の強化繊維には、外側層に比べて、大幅に高い機械的な負荷が加えられるという問題が生じる。このことは特に、蓄圧器の製造の枠内において補強層に樹脂が含浸され、補強層が樹脂と一緒に該樹脂の硬化後に高強度の複合体を形成する場合に、言える。硬化段階中に、製造に基づく不均一な繊維応力が存在している限り、このような繊維応力は、樹脂の硬化後も持続的に残り、蓄圧器の機械的な負荷耐性を低減し、もしくは比較的厚い補強層の設計を要することになる。

このような背景に基づき、本発明の課題は、冒頭に述べた特徴を有する方法を改良して、蓄圧器の予め設定された運転圧において、補強層の可能な限り僅かな厚さを可能にする方法を提供することである。

この課題を解決するために本発明の方法では、強化繊維を取り付ける前に極キャップに、繊維ストックキャップを取り付け、該繊維ストックキャップの外側面は、極キャップの極領域から間隔をおいて位置しており、補強層を取り付けている間に、強化繊維を、インライナの本体に、かつ極領域においては対応して繊維ストックキャップの外側面に取り付け、これによって、繊維ストックキャップの外側面と極キャップの極領域との間における間隔に基づいて、極領域における前記補強層の、強化繊維によって形成された内側層に、繊維ストックを設けるようにした。

つまり本発明によれば、上に述べた方法によって、補強層の内側層の領域に、通常、円筒形の中央部分を有するインライナのジオメトリに基づいて本来必要であるよりも、多くの繊維材料が、繊維ストックとして、取り付けられる。この繊維ストックのサイズは、極キャップの極領域からの繊維ストックキャップの外側面の軸方向間隔によって確定され、これによって相応の補強層のための延長された編組路（Flechtweg）が生じる。この繊維ストックは次いで、本発明によれば、後で詳しく示すように、最終的に蓄圧器の運転中に強化繊維に対する可能な限り均一な機械的な負荷を、補強層の厚さ全体にわたって保証するために、利用される。

好適な態様では、繊維ストックキャップおよび極キャップは、補強層を取り付けている間に共に中空室を形成する。この中空室の軸方向長さは、繊維ストックのサイズを決定的に特定する。それというのは、中空室の軸方向長さは、補強層が内側層に取り付けられるときに、極キャップの直接的な周囲における編組（Umflechtung）に比べて追加的に周囲において編組されねばならない、追加的な編組路を与えるからである。好ましくは、繊維ストックキャップを、補強層を取り付けるときに固定装置によって固定し、該固定装置は、当該作業ステップ中に極領域からの繊維ストックキャップの間隔を保証する。このようにすると、編組中に、繊維ストックを減じるおそれがある、極領域への繊維ストックキャップの早期の不所望の接近を、確実に防止することができる。

蓄圧器の予め設定された外寸において、大きな利用可能な蓄圧器容積を可能にする、極めてコンパクトな補強層を得るためには、以下に記載の方法が使用される：すなわち、好ましくは、補強層を取り付けた後に、インライナを、補強層を取り囲む工具内に装入し、インライナの内側に正圧を加え、これによって蓄圧器を押圧作用下で工具の内側面に接触させる。さらに好ましくは、固定装置を、補強層を取り付けた後に取り外し、かつインライナの内部における正圧に基づいて、繊維ストックキャップを極領域に向かって移動させて、繊維ストックを解放する。この工程は、主として２つの効果に基づく。内側における正圧に基づいて、補強層は半径方向に拡大され、それに対する補償として軸方向において収縮する。しかしながらこの効果は、補強層の半径にわたって見て異なった強さで生ぜしめられる。一方では、補強層の内側層は外側層に比べて小さな半径において延在しているので、内側層においては、外側層に比べて僅かな繊維材料しか拡大のために利用されない。しかしながら同時に他方においては、補強層の所望の半径方向の圧縮時には、内側層は外側層に比べて著しく多く拡大されねばならない。それというのは、外側層の半径方向における膨張は、工具の剛性の内側面によって制限されているからである。このことによって全体として、内側層のためには、補強層の外側層に対するよりも明らかに大きな繊維ストックが必要になる。このような事情が、繊維ストックキャップの相応の幾何学的な構成によって考慮される。これに基づいて好ましくは、補強層に樹脂、好ましくはエポキシ樹脂を含浸させ、該樹脂はその硬化後に、補強層を、インラインにおける内側の正圧によって拡大された状態において固化させる。樹脂は、浸透（負圧法）によってまたは択一的に射出（正圧法）を用いて、補強層内に挿入することができる。樹脂の完全な硬化後に、インライナに対する負荷は消滅させられ、蓄圧器は工具から取り出される。硬化した樹脂によって、補強層は、インライナに内側の正圧を加えている間に当該補強層が有していた、その半径方向に圧縮された形状で固化すること、つまりいわば「凍結」することが、保証される。従って補強層は、持続的に半径方向において圧縮されており、かつ蓄圧器の予め設定された外寸において、大きな自由な容器容積の利用を可能にする。

好ましくは、繊維ストックキャップは少なくとも部分的に、好ましくは補強層の内側層において、約５４°の中立角度に対して減じられた角度、例えば４６〜５２°、特に４８〜５０°をもって、インライナの周りに編組される。従って補強層は、この中立角度に接近しようとし、かつこの理由からインライナの内部における圧力負荷時に軸方向において収縮しようとする。これによって繊維ストックキャップは、極キャップに押し付けられる。

上に記載した繊維ストックの解放によって、蓄圧器の無負荷状態において、補強層の内側層における強化繊維は、本発明に係る方法を使用しない場合に比べて僅かな予荷重下にある。これによって、運転時におけるこれらの層の機械的な負荷は減じられ、全体として、比較的薄い補強層を設計することが可能であり、このような比較的薄い補強層によって、利用可能な容器容積は増大し、かつ同時に高価な補強材料の節減が可能になる。既に述べたように、固定装置の解離後に、繊維ストックキャップは、プレス作用下での補強繊維における引張り負荷に基づいて、極キャップに接触する。本発明の枠内においてこのとき特に、繊維ストックキャップは少なくとも部分的に、極キャップの外輪郭に適合する。これによって、蓄圧器の運転中に、繊維ストックキャップが極キャップに対して移動できなくなることが保証されている。好ましくは、繊維ストックキャップは、極キャップの外輪郭への適合時に弾性変形させられ、これにより、この弾性変形状態において持続的に蓄圧器において留まる。

好ましくは、繊維ストックキャップにおいて個々の層の間における移行部の所に生じる反転ポイントが、層厚さを増大させながら軸方向でインライナに向かって移動させられるように、補強層の個々の層を取り付ける。このことは特に、既に記載した、外側に向かって低下する、繊維ストックに対する要求に関連している。これによって全体として、すべての強化繊維に対する可能な限り均一な負荷を保証する、編粗構造全体の最適な構成が生ぜしめられる。好ましくは、多数の繊維から構成された補強層は、繊維ストックの解放後または場合によっては繊維ストックの解放前にも、例えば樹脂の射出または浸透によって、樹脂を含浸され、かつ繊維ストックの解放後に硬化され、これによって繊維の間における自由空間が満たされ、これにより補強層の強度をさらに高めることができる。好ましくは、補強層は、浸透中に外側から、またはインライナへの内部正圧の負荷によっても内側から押圧され、これによって、この方法ステップ中に自由空間の容積を低減し、ひいては樹脂の硬化後に補強層の可能な限り僅かな厚さを得ることができる。例えばインライナを、樹脂浸透中もしくは樹脂射出中に、２〜１００バール、好ましくは２〜５０バールの内部正圧によって押圧することが可能である。蓄圧器のこの状態において、内部正圧によって半径方向に押圧されている補強層に、樹脂が含浸され、含浸された樹脂は、さらに内部正圧を維持している間に硬化する。このようにして補強層は、この半径方向に押圧された状態においていわば「凍結」させられ、その結果、インライナに対する負荷消滅後にも、補強層における高い繊維密度が維持される。樹脂としては、例えばエポキシ樹脂を使用することができる。

本発明の対象は、さらに請求項８記載の蓄圧器である。この蓄圧器の好適な態様は、従属請求項９〜１６に記載されている。

次に、１実施形態を示す図面を参照しながら、本発明を詳説する。

図１ａは、本発明に係る製造方法によって製造中の本発明に係る蓄圧器を示す側面図であり、図１ｂは、当該蓄圧器を示す斜視図である。 図２ａは、図１に示した蓄圧器の完成状態を示す側面図であり、図２ｂは、当該蓄圧器の斜視図である。 本発明に係る製造方法によって製造中の、図１および図２に示した蓄圧器の一部を示す横断面図である。 図４ａは、図３に示した繊維ストックキャップを単体で示す平面図、図４ｂは、繊維ストックキャップの断面図、図４ｃおよび図４ｄは繊維ストックキャップをそれぞれ異なった方向から見た斜視図である。

図１ａ，図１ｂおよび図２ａ，図２ｂには、自動車において水素を貯蔵する蓄圧器１が示されている。この蓄圧器１は、２つの極キャップ２，２’を有しているプラスチック製のインライナ３を有しており、このインライナ３は、円筒形の中央部分４を備えている。この中央部分４には端部側に、２つの極キャップ２，２’が一体成形されている。蓄圧器１の極キャップ２は、水素の充填もしくは排出のために、追加的に、ボスとも呼ばれる、開口６を備えた管片５を有している。蓄圧器１の、反対側に位置する端部に設けられた極キャップ２’は、追加的に、いわゆるブラインドボス７を有しており、このブラインドボス７は、単に、自動車に蓄圧器１を取り付けるためにだけ働く。インライナ３には、外側に、強化繊維８を有する編組された多層の補強層９が設けられている。強化繊維８は、本実施形態ではカーボンファイバとして形成されていて、図１ａ〜図２ｂでは図面を見易くするために単に一部が略示されている。同様に、図面を分かりやすくするために、補強層９も、図１ａおよび図２ａにおいてしか示されていない。図１ａおよび図２ａから分かるように、極キャップ２，２’と補強層９との間には、各１つの繊維ストックキャップ（Faservorratskappe）１０，１０’が設けられており、この繊維ストックキャップ１０，１０’は、インライナ３への強化繊維８の取付け中に、補強層９の内側層のための繊維ストック２２（図３）を保証する。図３から分かるように、補強層９の設置中に、繊維ストックキャップ１０および極キャップ２は一緒に中空室１１を形成し、繊維ストックキャップ１０は固定装置１２によって相応のポジションにおいて固定されている。同様に繊維ストックキャップ１０’および極キャップ２’も互いに位置決めされている。繊維ストックキャップ１０，１０’はそれぞれ、５ｍｍ未満の平均壁厚さをもって薄壁に形成されていて、かつプラスチックから製造されている。特に図２ａ，図２ｂが示すように、蓄圧器１の完成状態において、繊維ストックキャップ１０，１０’の形状は、極キャップ２，２’の外輪郭に合わせられている。そのために繊維ストックキャップ１０，１０’は外側領域１３に、弾性変形可能性を有しており、この弾性変形可能性は、極キャップ２，２’の外輪郭への適合を可能にする。このことは特に、図１ａと図２ａとを比較して見ることによって分かる。

図４ａ〜図４ｄには、図３に示した繊維ストックキャップ１０を単体で、異なった方向で見た図が示されている。図４ａには、上から見た平面図が示され、図４ｂには、図４ａのＡ−Ａ線に沿った断面図が示され、図４ｃおよび図４ｄには、斜め上もしくは斜め下から見た斜視図が示されている。繊維ストックキャップ１０は、環状の材料弱化部１４を有しており、この材料弱化部１４は、極キャップ２の外輪郭への繊維ストックキャップ１０の適合中に、繊維ストックキャップ１０の外側領域１３のための回転ジョイントとして機能する。材料弱化部１４は、本実施形態では複数の環状スリット１５から形成される。これらの環状スリット１５は、全周にわたって均一に分配配置されている。そして環状スリット１５は、繊維ストックキャップ１０の材料を完全に貫通している。上において既に述べたように、外側領域１３は弾性なので、当該領域において極キャップ２の相応の輪郭を受け入れることができる。これに対して、繊維ストックキャップ１０はその軸線近傍の内側領域１６において剛性に形成されているので、固定装置１２と剛性に結合することができる。繊維ストックキャップ１０の剛性の内側領域１６のジオメトリは、本実施形態ではボス５の輪郭によって形成される、極キャップ２の軸線近傍の輪郭に合わせられている。繊維ストックキャップ１０は、さらにその外側領域１３に、外縁部に向かって延びる材料弱化部１７を有しており、これらの材料弱化部１７は、この領域１３において、極キャップ２の外輪郭への適合を容易にするように機能する。これらの材料弱化部１７は、本実施形態ではそれぞれ長手方向スリットとして形成されている。材料弱化部１７を形成する長手方向スリットは、全周にわたって均一に分配配置されている。極キャップ２のジオメトリへの繊維ストックキャップ１０の適合時に、長手方向スリット１７は拡大される（図２ａ、図２ｂ参照）。長手方向スリット１７もまた、繊維ストックキャップ１０の材料を完全に貫通している。繊維ストックキャップ１０はその軸線近傍の内側領域１６に、さらに複数の固定開口１９を有しており、これらの固定開口１９は共に、固定装置１２に繊維ストックキャップ１０を結合するための結合装置２０を形成している。

蓄圧器１を製造する本発明に係る方法について、図３を参照しながら説明する。初めに、プラスチックブロー成形法を用いて、端部側に極キャップ２，２’を備えた円筒形の中央部分４から構成された、蓄圧器１のインライナ３が製造される。極キャップ２，２’は追加的に、好ましくはそれぞれ金属から製造されたボス５もしくはブラインドボス７を有しており、このボス５もしくはブラインドボス７は、ブロー成形の後で取り付けられる。次いでインライナ３の外側は、強化繊維８を有する多層の補強層９によって編組されて取り囲まれる（図示を簡単にするために、図３には単に補強層９の最も内側の層だけが示されている）。両方の極キャップ２，２’には、強化繊維８を設ける前に各１つの繊維ストックキャップ１０，１０’が取り付けられ、この繊維ストックキャップ１０，１０’の外側面は、対応する極キャップ２，２’の極領域２１，２１’から間隔をおいて位置している。補強層９を取り付けている間に、強化繊維８は、インライナ３の本体に、かつ極領域２１，２１’内に、繊維ストックキャップ１０，１０’の外側面に対応して取り付けられる。繊維ストックキャップ１０，１０’の外側面と極キャップ２，２’の極領域２１，２１’との間における間隔に基づいて、強化繊維８によって形成された補強層９の内側層は、極領域２１，２１’において繊維ストック２２を備える。

図３に示すように、繊維ストックキャップ１０とボス５を備えた極キャップ２とは、補強層９を取り付けている間に共に中空室１１を形成する。繊維ストックキャップ１０は、補強層９を装着するときに固定装置１２によって固定され、この固定装置１２は、当該作業ステップ中に繊維ストックキャップ１０が極領域２１からの間隔をおいて位置することを保証する。

完全に補強層９を取り付けた後に、蓄圧器１は、補強層９を完全に取り囲む、補強層９の外輪郭に合わせられた浸透工具もしくは射出工具（図示せず）内に装入され、固定装置１２は取り外され、インライナ３の内側に正圧が加えられる。このとき補強層９は、プレス作用下で工具の内側面に接触する。取り付けられた強化繊維８の引張り応力に基づいて、繊維ストックキャップ１０は極領域２１に向かって矢印ｘの方向に移動して、繊維ストック２２は解放される。

繊維ストック２２の解放時に、繊維ストックキャップ１０，１０’は、部分的にそれぞれボス５もしくはブラインドボス７によって形成された、極キャップ２，２’の外輪郭に適合する（図２ａ，図２ｂも参照）。そのために、既に上において図４ａ〜図４ｅとの関連において記載したように、繊維ストックキャップ１０，１０’の外側領域１３は弾性に形成されている。本実施形態では、繊維ストックキャップ１０の剛性の内側領域１６から弾性の外側領域１３への移行部は、極キャップ２の外側面に関連して、ボス５からインライナ３のブロー成形品への移行部にほぼ相当する。すなわち繊維ストックキャップの剛性の内側領域１６は、ボス５の表面に接触し、これに対して外側領域１３は、環状の材料弱化部１４における弾性変形下で、インライナ３のブロー成形品の隣接する表面輪郭に適合する。さらに図３から分かるように、繊維ストック２２の解放前に補強層９の個々の層は、繊維ストックキャップ１０において個々の層の間における移行部の所に生じる反転ポイント２３が、層厚さを増大させながらインライナ３に向かって軸方向にずらされているように、設けられている。繊維ストックキャップ１０自体は、極キャップ２に対して予め設定された間隔ΔＸを保証し、この間隔ΔＸは、決定的に繊維ストック２２の大きさを確定する。繊維ストックキャップ１０，１０’によって、すべての層における繊維長さを正確に提供しかつ位置決めすることができる。

繊維ストックキャップ１０，１０’が極キャップ２，２’に接触した後で、補強層９には浸透工具もしくは射出工具内において樹脂（同様に図示せず）が含浸され、これによって個々の補強層９の間における自由空間を満たし、これにより補強層９の強度をさらに高めることができる。インライナ３の内部における正圧に基づいて、補強層９は半径方向において押圧され、これにより減じられた壁厚さを有する。同時に、この半径方向における押圧によって、樹脂によって満たされねばならない、繊維８の間における自由空間の総容積は低減する。インライナ３の内部における正圧を維持しながら樹脂を硬化させることによって、押圧された補強層９の形状は、完成した無負荷状態の蓄圧器１において十分に維持されたままである。すなわち補強層９はいわば「凍結」される。これによって一方では、必要な樹脂材料が僅かなことに基づいて、重量が低減され、かつ材料が節減され、他方では、同時に、蓄圧器１の予め設定された外寸において、より大きな利用可能な蓄圧器容積が保証される。

Claims (6)

1. インライナ（３）の外側に、強化繊維（８）を有する多層の補強層（９）が設けられた蓄圧器（１）を製造する方法であって、
   少なくとも１つの極キャップ（２，２’）を有するプラスチック製のインライナ（３）を製造し、
   前記極キャップ（２，２’）に、繊維ストックキャップ（１０，１０’）を取り付け、該繊維ストックキャップ（１０，１０’）の外側面は、前記極キャップ（２，２’）の極領域（２１，２１’）から間隔をおいて位置しており、前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）は、外側領域（１３）において、前記極キャップ（２，２’）の外輪郭への適合を可能にする変形可能性を有し、
   繊維ストックキャップ（１０，１０’）を、固定装置（１２）によって固定し、
   前記強化繊維（８）を、前記インライナ（３）の本体に、かつ前記極領域（２１，２１’）においては前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）の前記外側面に取り付け、これによって、前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）の前記外側面と前記極キャップ（２，２’）の前記極領域（２１，２１’）との間における間隔に基づいて、前記極領域（２１，２１’）における前記補強層（９）の、前記強化繊維（８）によって形成された内側層に、繊維ストック（２２）を設け、
   前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）および前記極キャップ（２，２’）は、前記インライナ（３）へ前記強化繊維（８）を取り付けている間に、共に中空室（１１）を形成し、該繊維ストックキャップ（１０，１０’）は、前記インライナ（３）へ前記強化繊維（８）を取り付けている間に、前記補強層（９）の内側層のための繊維ストック（２２）を確保し、前記固定装置（１２）は、前記インライナ（３）へ前記強化繊維（８）を取り付けている間に、前記極領域（２１，２１’）からの前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）の間隔を保証し、
   前記補強層（９）を取り囲む工具内に前記インライナ（３）を装入し、前記補強層（９）の内側層に前記繊維ストック（２２）が設けられた後に前記固定装置（１２）を前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）から取り外し、かつ前記インライナ（３）の内側に正圧を加えて、当該蓄圧器（１）を押圧作用下で前記工具の内側面に接触させ、前記インライナ（３）の内側における正圧に基づいて、前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）を前記極領域（２１，２１’）に向かって移動させて、前記繊維ストック（２２）を前記固定装置（１２）から解放し、これにより、前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）が少なくとも部分的に前記極キャップ（２，２’）の外輪郭に適合し、
   前記補強層（９）に樹脂を含浸させ、該樹脂はその硬化後に、前記補強層（９）を、前記内側の正圧によって拡大された状態において固化させる、ことを特徴とする、方法。
2. 前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）において前記補強層（９）の個々の層の間における移行部の所に生じる反転ポイント（２３）が、層厚さを増大させながら軸方向で前記インライナ（３）に向かって移動させられるように、前記個々の層を取り付ける、請求項１記載の方法。
3. 前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）は、１０ｍｍ未満の平均壁厚さで形成されている、請求項１または２記載の方法。
4. 前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）は、環状の材料弱化部（１４）を有していて、該材料弱化部（１４）は、前記極キャップ（２，２’）の外輪郭への前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）の適合中に、前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）の外側領域（１３）のための回転ジョイントとして機能する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）は、その軸線近傍の内側領域（１６）において剛性に形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記繊維ストックキャップ（１０，１０’）はその外側領域（１３）に、外縁部に向かって延びる材料弱化部（１７）を有しており、該材料弱化部（１７）は前記外側領域（１３）において、前記極キャップ（２，２’）の外輪郭への適合を容易にするように機能する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

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