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CN110520667B - 纤维构造体、压力容器、以及纤维构造体的制造方法 - Google Patents

纤维构造体、压力容器、以及纤维构造体的制造方法 Download PDF

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CN110520667B CN201880025221.0A CN201880025221A CN110520667B CN 110520667 B CN110520667 B CN 110520667B CN 201880025221 A CN201880025221 A CN 201880025221A CN 110520667 B CN110520667 B CN 110520667B
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Abstract

本发明涉及纤维构造体、压力容器、以及纤维构造体的制造方法。高压罐的纤维构造体具有从外侧覆盖衬里的躯体部以及圆顶部的织物制的纤维强化基材。纤维构造体具有以纱线主轴方向沿衬里的周向延伸的方式被排列在躯体部以及圆顶部的经纱、和纬纱。在纤维构造体中，纬纱以纱线主轴方向沿躯体部的轴向延伸的方式被排列，并且以被排列在圆顶部的部分的纱线主轴方向沿圆顶部的轴向延伸的方式被排列。

Description

纤维构造体、压力容器、以及纤维构造体的制造方法
技术领域
本发明涉及纤维构造体、压力容器、以及纤维构造体的制造方法。
背景技术
收纳压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)等的压力容器(所谓、高压罐)通常是钢铁、铝合金等金属制的所以重量重。近几年，将天然气作为燃料的汽车作为低公害车而备受瞩目，作为更低公害的汽车，以燃料电池为动力源的汽车也备受瞩目。还存在将作为燃料电池的燃料的氢气收纳于燃料箱的汽车，作为燃料箱的压力容器的重量重而燃料费增加。为了解决该问题，提出了用耐压性的纤维强化复合材层覆盖具有阻气性的衬里(内壳)的压力容器(例如参照专利文献1)。
在这样的压力容器中，衬里通常是在沿圆筒状的躯体部的中心轴线延伸的方向(以下，作为轴向)的两端侧具有曲面状的圆顶部的形状。以成为数十MPa的压力的方式在压力容器内填充气体，通过纤维强化复合材层来加强衬里。
专利文献1：美国专利第8858857号专利说明书
然而，在这样的压力容器中，受到气体的压力而在衬里产生的内压应力在衬里的轴向上比径向大，在轴向加强衬里是重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在轴向加强衬里的纤维构造体、压力容器、以及纤维构造体的制造方法。
用于解决上述问题点的纤维构造体的宗旨是，具有：衬里，其具备：圆筒状的躯体部、与上述躯体部的轴向的至少一端连续的圆顶部、以及沿着上述躯体部的轴向从上述圆顶部突出的形状的帽部；以及织物制的纤维强化基材，其从外侧覆盖上述衬里的上述躯体部以及上述圆顶部，上述纤维强化基材具有：第一纱线，其以纱线主轴方向沿上述衬里的周向延伸的方式被排列在上述躯体部以及上述圆顶部；以及第二纱线，其与上述第一纱线形成上述织物，上述第二纱线以纱线主轴方向沿上述躯体部的轴向延伸的方式被排列，并且以被排列在上述圆顶部的部分的纱线主轴方向沿上述圆顶部的轴向延伸的方式被排列。
由此，第一纱线的纱线主轴方向沿衬里的周向延伸，能够在径向加强衬里。另外，第二纱线的纱线主轴方向沿衬里的躯体部以及圆顶部的轴向延伸。与第二纱线的纱线主轴方向相对于躯体部以及圆顶部的轴向倾斜地排列的情况相比，能够在轴向加强衬里。
另外，在纤维构造体，上述织物也可以是通过结合纱线将排列了上述第一纱线的第一纱线层与排列了上述第二纱线的第二纱线层结合了的多层织物。
由此，在具备多层织物制的纤维强化基材的纤维构造体中，在制造压力容器时使基体树脂浸渍在纤维强化基材时，基体树脂经由结合纱线而向纤维强化基材的层叠方向浸渍。因此，容易进行纤维构造体的层叠方向的基体树脂的浸渍，结果是，还能够提高由纤维强化基材形成的层的强度。
用于解决上述问题点的压力容器的宗旨是，是使基体树脂浸渍在具备从外侧覆盖衬里的织物制的纤维强化基材的纤维构造体的压力容器，上述纤维构造体是技术方案1或2所述的纤维构造体。
由此，第一纱线的纱线主轴方向沿衬里的周向延伸，能够提高压力容器的径向强度。另外，第二纱线的纱线主轴方向沿衬里的躯体部以及圆顶部的轴向延伸。与第二纱线的纱线主轴方向相对于躯体部以及圆顶部的轴向倾地排列的情况相比，能够在轴向加强压力容器。
用于解决上述问题点的纤维构造体的制造方法将以下内容作为宗旨，即纤维构造体具有：衬里，其具备：圆筒状的躯体部、与上述躯体部的轴向的至少一端连续的圆顶部、以及沿着上述躯体部的轴向从上述圆顶部突出的形状的帽部，并且纤维构造体具有：从外侧覆盖上述衬里的上述躯体部以及上述圆顶部的织物制的纤维强化基材，纤维构造体具有：经纱，其以纱线主轴方向沿上述衬里的周向延伸的方式被排列在上述躯体部以及上述圆顶部；以及与上述经纱形成上述织物的纬纱，在纤维构造体的制造方法中，将多个上述经纱排列在上述躯体部以及上述圆顶部的轴向，在沿着上述衬里的轴向将上述纬纱插入到被形成于在上述衬里的轴向相邻的上述经纱之间的开口之后，利用打纬动作将上述纬纱朝向上述衬里压入，织造上述经纱与上述纬纱的织物，使上述衬里以该衬里的中心轴线为旋转中心而旋转，将被织造出的上述织物卷绕于上述衬里。
由此，使经纱的纱线主轴方向沿衬里的周向延伸，能够在纬纱的纱线主轴方向沿衬里的躯体部以及圆顶部的轴向延伸的状态下织造织物。另外，一边织造织物一边将其卷绕于衬里。因此，例如与利用添纱织造筒状的织物之后、将该织物切开并卷绕于衬里的情况相比，能够提高纤维构造体的生产率。另外，与以纤维缠绕的方式一根一根地将纱线卷绕于衬里来制造纤维构造体的情况相比，也能够提高生产率。
根据本发明，能够在轴向加强衬里。
附图说明
图1是示意性表示高压罐的剖视图。
图2是示意性表示纤维构造体的主视图。
图3是表示纤维强化基材的放大图。
图4(a)是表示覆盖躯体部的纤维强化基材的放大剖视图，(b)是表示覆盖圆顶部的纤维强化基材的放大剖视图。
图5是示意性表示由织机生产的纤维构造体的制造方法的图。
图6(a)是示意性表示对纬纱进行了引纬的状态的图，(b)是示意性表示打纬动作后的状态的图，(c)是示意性表示将纤维强化基材卷绕在衬里的状态的图。
图7是表示其他例的高压罐的局部剖视图。
具体实施方式
以下，结合图1～图6(c)对将纤维构造体、压力容器、以及纤维构造体的制造方法具体化为高压罐具备的纤维构造体、高压罐、以及其制造方法的一实施方式进行说明。
如图1所示，作为压力容器的高压罐10使具有细长中空状的衬里12、和覆盖衬里12的外侧的纤维强化基材19的纤维构造体21浸渍基体树脂Ma而构成。高压罐10通过由浸渍了基体树脂Ma的纤维强化基材19构成的纤维强化复合材层11来加强衬里12，确保高压罐10的耐压性(机械强度)。
衬里12是树脂制，是细长中空状。将沿衬里12的中心轴线L延伸的方向作为轴向。衬里12具备圆筒状的躯体部13。躯体部13的中心轴线与衬里12的中心轴线L一致。衬里12在躯体部13的轴向Y两端具有圆顶部14。圆顶部14的轴向与衬里12的轴向一致。衬里12具有从各圆顶部14沿着轴向Y向外侧突出的帽部15。各帽部15是金属制(例如不锈钢制)。各帽部15具备与衬里12内的空间连通的孔部16。在衬里12的轴向Y一端侧的帽部15的孔部16安装有阀17，在衬里12的轴向Y另一端侧的帽部15的孔部16旋合有螺钉18。
纤维强化基材19在本实施方式中作为强化纤维具备碳纤维。此外，强化纤维并不局限于碳纤维，也可以使用玻璃纤维、碳化硅系陶瓷纤维、芳纶纤维，超高分子量聚乙烯纤维等一般被称为高弹性/高强度的其它纤维。
如图2或者图3所示，纤维强化基材19是层叠了平织作为第一纱线的多根经纱22、和作为第二纱线的多根纬纱23而织造出的织物24而得到的构造。经纱22与纬纱23被相互正交地排列。多根经纱22在与衬里12的轴向Y相互平行的状态下被排列在躯体部13以及各圆顶部14。各经纱22的纱线主轴方向X1在躯体部13以及圆顶部14中沿衬里12的周向Z直线地延伸。另外，衬里12的径向与经纱22的纱线主轴方向X1正交。
多根纬纱23在与衬里12的周向Z相互平行的状态下被排列。在各纬纱23中，沿着躯体部13的外周面，并沿衬里12的轴向直线地延伸的部分成为躯体用纱线部23a。在各纬纱23中，沿着圆顶部14的外周面，并沿衬里12的轴向延伸的部分成为圆顶部用纱线部23b。圆顶部用纱线部23b沿着衬里12的轴向与躯体用纱线部23a的两端连续。在纬纱23中，圆顶部用纱线部23b的纱线主轴方向X2沿衬里12的轴向延伸，另一方面沿着圆顶部14的曲面而弯曲。另外，在纬纱23中，躯体用纱线部23a的纱线主轴方向X2沿衬里12的躯体部13的轴向延伸。
经纱22与纬纱23被正交地排列，使经纱22的纱线主轴方向X1延伸的方向与衬里12的周向Z一致，从而加强衬里12的径向，使纬纱23的纱线主轴方向X2与衬里12的轴向一致，从而加强衬里12的轴向。
如图4(a)所示，在躯体部13中，纬纱23是扁平状，是厚度薄、宽度宽的形状。如图4(b)所示，在圆顶部14中，纬纱23是厚度比躯体用纱线部23a厚、宽度窄的形状，若从躯体部13朝向帽部15圆顶部14越进行缩径，则纬纱23的厚度越厚、宽度越窄。另一方面，经纱22在躯体部13以及圆顶部14中厚度以及宽度是相同的。在纤维构造体21中，衬里12的周向Z的纬纱23的根数在躯体部13与圆顶部14中是相同的。
接下来，对高压罐10的制造方法进行说明。
在制造高压罐10时，平织经纱22与纬纱23，并且将织造出的织物24卷绕于衬里12。
如图5所示，织物24的织造例如由具备使经纱22中的、被上下分开地排列的经纱22a、22b的开口的两个综框31a、31b的平织织机进行。平织织机具有上下地配置供给一方的经纱22a的经纱织轴32、和供给另一方的经纱22b的经纱织轴33的构造。从一方的经纱织轴32送出的经纱22a通过一方的综框31a而进行开口动作，从另一方的经纱织轴33送出的经纱22b通过另一方的综框31b而进行开口动作。此外，综框31a、31b的综眼在图中用黑点表示。筘34被配置于综框31a、31b与织口35之间。纬纱23通过引纬机构(未图示)而向经纱22a、22b的开口引纬(插入)。在经纱22a、22b的送出方向上，在比织口35靠前方衬里12被支承为能够旋转。衬里12以中心轴线L为旋转中心而旋转。
在由上述平织织机织造纤维强化基材19的情况下，如图6(a)所示，例如通过粘性胶带制的固定部件36将从经纱织轴32、33拉出的多根经纱22a、22b的端部固定于衬里12的外周面。经纱22a、22b沿着衬里12的轴向Y被排列在躯体部13以及圆顶部14。
在没有使衬里12旋转的状态下，使综框31a、31b交替地在上下方向移动，由此一方的综框31a与另一方的综框31b向相反方向移动。而且，经纱22a、22b邻接的彼此交替地在上下打开，针对此时形成的经纱开口37，纬纱23被引纬(插入)。被引纬的纬纱23是扁平状。
而且，纬纱23被引纬，筘34的打纬动作被进行，综框31a、31b向相反方向移动而改变开口状态，进行下一次的引纬动作。重复上述动作而平织经纱22与纬纱23而成的织物24的一部分被织造，并且在衬里12形成织物24的一部分被一体化的状态。
如图6(b)所示，纬纱23通过筘34的打纬动作而被朝向固定部件36送入。筘34是向衬里12的轴向直线状地延伸的部件。因此，在纬纱23被进行打纬动作时，圆顶部14与躯体部13相比直径小，所以被排列在圆顶部14的纬纱23从被排列在躯体部13的部分被压扁，以厚度变厚的方式变形。其结果是，即使是直径不同的躯体部13与圆顶部14，通过纬纱23的变形，纬纱23在相互平行的状态下被排列在衬里12的周向Z。
然后，如图6(c)所示，使衬里12以中心轴线L为旋转中心旋转而将织物24卷绕在衬里12，并且接着，与上述相同地进行织物24的织造。其结果是，织物24在覆盖圆顶部14以及躯体部13的整体的状态下被卷绕于衬里12。而且，卷绕到织物24所需的层叠数，从而在衬里12的外周面制造具备纤维强化基材19的纤维构造体21。
如上述那样构成的纤维构造体21浸渍并固化基体树脂Ma，由此由纤维强化基材19形成纤维强化复合材层11，制造由纤维强化复合材层11覆盖衬里12的外侧的高压罐10。基体树脂Ma的浸渍并固化例如通过RTM(树脂传递模塑)法来进行。
接下来，对高压罐10的作用进行说明。
高压罐10例如作为燃料电池汽车的燃料电池的氢源而被使用。高压罐10在未图示的配管与阀17连结的状态下被使用，在填充氢气时，氢气被从填充用的配管向高压罐10填充。例如以成为数十MPa的压力的方式，氢气被填充在高压罐10内。
若向高压罐10填充氢气则高压罐10内的压力变高，衬里12被从内侧按压。朝向轴向Y以及径向的力较大地作用于衬里12，产生内压应力。在该实施方式中，衬里12利用纬纱23来加强轴向，衬里12利用经纱22来加强径向，高压罐10的变形被抑止。
根据上述实施方式，能够得到以下那样的效果。
(1)在构成高压罐10的纤维构造体21中，纬纱23的纱线主轴方向X2沿躯体部13以及圆顶部14的轴向Y延伸。因此，能够利用纬纱23在轴向加强衬里12。
(2)纬纱23的纱线主轴方向X2沿着衬里12的圆顶部14的曲面向轴向Y延伸。因此，纬纱23在圆顶部14不相对于轴向Y倾斜，即使在圆顶部14也能够在轴向上进行加强。
(3)利用打纬动作，使被引纬的纬纱23朝向之前被引纬的纬纱23送入，从而能够沿着衬里12的周向Z以使纬纱23紧密接触的状态排列纬纱23。在与躯体部13相比小径的圆顶部14中利用打纬动作压扁纬纱23，从而即使在圆顶部14也能够平行地排列纬纱23，能够抑制褶皱的产生。因此，能够在躯体部13与圆顶部14中使纬纱23的密度相同，并且即使在圆顶部14那样的曲面部也能够抑制使纤维构造体21皱褶的情况。
(4)作为制造在衬里12的外侧具备纤维强化基材19的纤维构造体21的方法具有纤维缠绕法。然而，在该方法中，一根一根地将纱线卷绕在衬里12，所以生产率低。在本实施方式中，利用经纱22与纬纱23来织造织物24，同时将织物24卷绕于衬里12，所以与纤维缠绕法相比，能够提高生产率。
另外，作为制造在衬里12的外周面具备纤维强化基材19的纤维构造体21的方法，存在通过添纱制造与衬里12的形状一致地织造为筒状的织物，将该织物切开而设为平板状后卷绕在衬里12的方法。与此相对，在本实施方式中，利用经纱22与纬纱23织造纤维强化基材19，并且将纤维强化基材19卷绕于衬里12，所以不需要织造织物的工序、切开织物的工序以及贴附织物的工序，与使用了添纱的情况相比能够提高生产率。另外，在本实施方式中，能够使纬纱23的纱线主轴方向X2向衬里12的轴向延伸，能够在轴向加强衬里12。
此外，上述实施方式也可以如以下那样改变。
ο如图7所示，纤维强化基材40也可以是通过多层编织而织造出的多层织物。纤维强化基材40具备：经纱22被相互平行地排列的作为第一纱线层的经纱层41、42；纬纱23被相互平行排列的作为第二纱线层的纬纱层43；在层叠方向结合经纱层41、42与纬纱层43的结合纱线45。结合纱线45在构成经纱层41的经纱22的外表面折回，在层叠方向贯通之后，在构成经纱层42的经纱22的外表面折回。
在具备这样的纤维强化基材40的纤维构造体46中，在浸渍基体树脂(未图示)时，基体树脂经由结合纱线45而向纤维强化基材40的层叠方向浸渍。因此，也能够提高纤维构造体46的层叠方向的强度。此外，经纱层以及纬纱层的数量也可以适当地改变。
ο在实施方式中，纤维强化基材19虽层叠了平织地织造出的织物24而构成，但并不限于此。例如，纤维强化基材19也可是层叠了缎纹编织或斜纹编织作为第一纱线的多根经纱22、与作为第二纱线的多根纬纱23而织造出的织物的构造。
ο在实施方式中，虽将第一纱线作为经纱22，将第二纱线作为纬纱23，但也可以将第一纱线作为纬纱23，将第二纱线作为经纱22。
ο衬里12也可是在躯体部13的轴向Y的一端侧连续了圆顶部14，并在躯体部13的轴向Y的另一端侧连续了平坦面的底壁的形状。在该情况下，帽部15仅存在于圆顶部14所处的轴向Y一端侧。
ο也可以将衬里12整体设为铝制，设为铝合金制，或也可以由与不锈钢不同的金属形成帽部15的材质。
ο衬里12也可以是焊接作为独立个体的躯体部13与圆顶部14而一体化的部件。
ο高压罐10并不限于作为搭载燃料电池的电动车的氢源而被搭载地使用，例如，也可以应用于氢发动机的氢源、热泵等。另外，也可以作为家庭用电源的燃料电池的氢源而被使用。
ο作为压力容器并不局限于储藏氢的高压罐，例如，也可以应用于储藏氮气、压缩天然气等其它气体的压力容器。
附图标记的说明
L…中心轴线、、Y…轴向、Z…周向、Ma…基体树脂、X1、X2…纱线主轴方向、10…压力容器的高压罐、12…衬里、13…躯体部、14…圆顶部、15…帽部、19、40…纤维强化基材、21、46…纤维构造体、22…第一纱线的经纱、23…第二纱线的纬纱、24…织物、41、42…第一纱线层的经纱层、43…第二纱线层的纬纱层、45…结合纱线。

Claims (4)

1.一种纤维构造体，具有：
衬里，其具备：圆筒状的躯体部、与上述躯体部的轴向的至少一端连续的圆顶部、以及沿着上述躯体部的轴向从上述圆顶部突出的形状的帽部；以及
织物制的纤维强化基材，其从外侧覆盖上述衬里的上述躯体部以及上述圆顶部，
所述纤维构造体的特征在于，
上述纤维强化基材具有：
第一纱线，其以纱线主轴方向沿上述衬里的周向直线地延伸的方式被排列在上述躯体部以及上述圆顶部；以及
与上述第一纱线形成上述织物的第二纱线，
上述第二纱线以纱线主轴方向沿上述躯体部的轴向延伸的方式被排列，并且以被排列在上述圆顶部的部分的纱线主轴方向沿上述圆顶部的轴向延伸的方式被排列。
2.根据权利要求1所述的纤维构造体，其特征在于，
上述织物是通过结合纱线将排列了上述第一纱线的第一纱线层与排列了上述第二纱线的第二纱线层结合了的多层织物。
3.一种压力容器，包括一种浸渍有基体树脂的纤维构造体，所述纤维构造体包括一种由织物形成的纤维强化基材，所述纤维强化基材从外侧覆盖衬里，其特征在于，
上述纤维构造体是权利要求1或2所述的纤维构造体。
4.一种纤维构造体的制造方法，所述纤维构造体具有衬里，所述衬里具备：圆筒状的躯体部、与上述躯体部的轴向的至少一端连续的圆顶部、以及沿着上述躯体部的轴向从上述圆顶部突出的形状的帽部，
并且所述纤维构造体具有：从外侧覆盖上述衬里的上述躯体部以及上述圆顶部的织物制的纤维强化基材，
所述纤维构造体具有：经纱，其以纱线主轴方向沿上述衬里的周向直线地延伸的方式被排列在上述躯体部以及上述圆顶部；以及与上述经纱形成上述织物的纬纱，
所述纤维构造体的制造方法，其特征在于，
将多个上述经纱排列在上述躯体部以及上述圆顶部的轴向，在沿着上述衬里的轴向将上述纬纱插入到被形成于在上述衬里的轴向相邻的上述经纱之间的开口之后，利用打纬动作将上述纬纱朝向上述衬里压入，织造上述经纱与上述纬纱的织物，使上述衬里以该衬里的中心轴线为旋转中心而旋转，将被织造出的上述织物卷绕于上述衬里。
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