專利名稱：壓力容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及搭載于燃料電池機(jī)動(dòng)車等且具有用于預(yù)測壽命的功能的壓力容器。
背景技術(shù)：
燃料電池機(jī)動(dòng)車(Fuel Cell Vehicle)或壓縮天然氣機(jī)動(dòng)車(Compressd NaturalGasVehicle)上搭載有儲(chǔ)藏作為燃料的高壓氣體的壓力容器。該壓力容器成為具備套筒(liner)和加強(qiáng)層的復(fù)合容器，其中套筒在內(nèi)表面?zhèn)葎澐殖龈邏簹怏w的儲(chǔ)藏空間，加強(qiáng)層圍繞該套筒。此外，作為通常的材料，套筒采用鋁合金或樹脂，此外，加強(qiáng)層采用CFRP(CarbonFiber Reinforced Plastics :碳纖維強(qiáng)化塑料)。該壓力容器重復(fù)進(jìn)行由于高壓氣體的填充而使內(nèi)壓上升，伴隨向燃料電池等的放出而內(nèi)壓減小這樣的壓力循環(huán)。此種壓力循環(huán)的重復(fù)進(jìn)行成為壓力容器的裂紋產(chǎn)生和其成 長的原因，裂紋的成長影響壓力容器的壽命。在現(xiàn)有的壓力容器中，由于其壽命的不均大，因此賦予必要強(qiáng)度以上的強(qiáng)度，從而重量大且價(jià)格高昂。此外，壓力容器的使用狀況例如在各燃料電池機(jī)動(dòng)車中也不相同。因此，對于各壓力容器，若能夠高精度地預(yù)測其壽命，在壽命將要用盡之前更換壓力容器，則對于實(shí)現(xiàn)壓力容器的輕量化等是非常有益的。壓力容器的現(xiàn)有的壽命預(yù)測方法有(a)預(yù)先對于同型的產(chǎn)品進(jìn)行壓力循環(huán)試驗(yàn)，研究壽命，并將試驗(yàn)結(jié)果適用于同型的其他的壓力容器；(b)從與使用中的壓力容器同型的壓力容器切取試驗(yàn)片，對于該試驗(yàn)片通過疲勞試驗(yàn)來研究疲勞度，并根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測該壓力容器的壽命；(C)對于使用中的壓力容器利用超聲波器等進(jìn)行非破壞檢查，研究損傷，并根據(jù)該損傷進(jìn)行預(yù)測。專利文獻(xiàn)I公開了在原子能設(shè)備等中對具有溫度變動(dòng)的流體流過內(nèi)部的配管的熱疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)視的監(jiān)視裝置。根據(jù)該監(jiān)視裝置，在受到熱疲勞的配管的外周部加工孔，而形成配管的薄壁部，將該薄壁部作為配管中熱疲勞損傷部位的集中部位，從而與其他部位相比，先進(jìn)行熱疲勞，并測定該薄壁部的應(yīng)變，檢測熱疲勞損傷的蓄積。專利文獻(xiàn)2公開了在高溫、高壓下使用的壓力容器的壽命預(yù)測方法。根據(jù)該壽命預(yù)測方法，依據(jù)(a)壓力容器鋼的回火脆化量與雜質(zhì)的晶界偏析量成比例；及(b)若知曉溫度履歷和使用中的各溫度下的雜質(zhì)的平衡偏析量，則能夠預(yù)測包含重復(fù)加熱、冷卻的復(fù)雜的熱循環(huán)下產(chǎn)生的雜質(zhì)的晶界偏析量這兩個(gè)觀點(diǎn)，對于壓力容器的材料中包含的特定成分，將實(shí)際的溫度履歷適用到關(guān)于晶界偏析量的變化和壓力容器的溫度變化之間的關(guān)系而構(gòu)筑的關(guān)系式中，算出雜質(zhì)的晶界偏析量，預(yù)測壓力容器的壽命。專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I日本專利公開平9-324900號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本專利公開平5-18497號(hào)公報(bào)在壓力容器的現(xiàn)有的三種壽命預(yù)測方法中，對于(a)來說，試驗(yàn)產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果一概適用到各壓力容器，精度降低。對于(b)及(C)來說，壽命的預(yù)測需要大規(guī)模的準(zhǔn)備，難以馬上預(yù)測。專利文獻(xiàn)I的監(jiān)視裝置的主要目的不是壓力循環(huán)所導(dǎo)致的裂紋的成長而是熱疲勞損傷的監(jiān)視，并且在適用到壓力容器的壽命預(yù)測的情況下，在壓力容器的外表面加工孔，削弱加強(qiáng)層，使壓力容器的壽命一下子降低。專利文獻(xiàn)2的壓力容器的壽命預(yù)測方法是根據(jù)溫度履歷進(jìn)行的，難以用于壓力容器的內(nèi)壓變化作為壽命的決定要素的壓力容器的壽命預(yù)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對內(nèi)壓較大變動(dòng)的壓力容器，抑制使用狀況及個(gè)體不均的影響，而能夠高精度且立刻地預(yù)測壽命。本發(fā)明中，涉及壓力容器的結(jié)構(gòu)不完全部。該結(jié)構(gòu)不完全部是指材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)等中力學(xué)定義的結(jié)構(gòu)(包括組成和物理形狀)上的特征，與日本國法律制造物責(zé)任法第二條第二款的“缺陷”完全不同。相對于沒有裂紋或凹部的完全結(jié)構(gòu)部，具有裂紋或凹部的結(jié)構(gòu)部是不完全結(jié)構(gòu)部的例子。本發(fā)明的壓力容器具備將加壓后的流體儲(chǔ)藏在內(nèi)部的套筒；圍繞該套筒來加強(qiáng)該套筒的加強(qiáng)層，檢測部，其夾設(shè)在所述套筒與所述加強(qiáng)層之間，并根據(jù)夾設(shè)部位處的物理量來檢測依賴于所述套筒和所述加強(qiáng)層中的至少一方的壽命關(guān)聯(lián)值。根據(jù)本發(fā)明，檢測部不是設(shè)在壓力容器的外表面，而是設(shè)在套筒與加強(qiáng)層之間，根據(jù)設(shè)置部位處的物理量來檢測依賴于套筒或加強(qiáng)層中的至少一方的壽命關(guān)聯(lián)值，由此能夠可靠地預(yù)測套筒和加強(qiáng)層這兩方的壽命。此外，能夠高精度且立刻地預(yù)測偏差各不相同的壓力容器的壽命。優(yōu)選本發(fā)明的第二方案的壓力容器在第一方案的壓力容器的基礎(chǔ)上，人工結(jié)構(gòu)不完全部以在所述套筒的內(nèi)表面不露出的方式形成在所述套筒的外表面?zhèn)鹊慕饘俨牧仙?，所述檢測部檢測所述人工結(jié)構(gòu)不完全部的成長來作為所述夾設(shè)部位處的物理量，所述人工結(jié)構(gòu)不完全部的成長由于伴隨流體向所述壓力容器的出入而所述壓力容器的內(nèi)壓的變動(dòng)的重復(fù)引起。據(jù)此，金屬的結(jié)構(gòu)不完全部伴隨壓力容器的內(nèi)壓的變動(dòng)的重復(fù)而逐漸成長。根據(jù)第二方案，人工結(jié)構(gòu)不完全部形成在套筒的外表面?zhèn)鹊慕饘俨牧仙?，從而將該人工結(jié)構(gòu)不完全部的成長作為壽命關(guān)聯(lián)值來檢測，由此能夠準(zhǔn)確地預(yù)測壓力容器的壽命。優(yōu)選對于該壓力容器的結(jié)構(gòu)不完全部，將該結(jié)構(gòu)不完全部向與該結(jié)構(gòu)不完全部上產(chǎn)生的應(yīng)力中的最大應(yīng)力產(chǎn)生的方向垂直的垂直面投影的投影面積作為S，所述人工結(jié)構(gòu)不完全部的M大于任一自然結(jié)構(gòu)不完全部的M，且其最大應(yīng)力方向的長度為因該人工結(jié)構(gòu)不完全部的形成而導(dǎo)致的壓力容器疲勞壽命的降低達(dá)到允許限度的尺寸以下。據(jù)此，人工結(jié)構(gòu)不完全部將由于其存在而導(dǎo)致的壓力容器疲勞壽命的降低限制在允許值內(nèi)，并同時(shí)在整個(gè)壓力容器的使用期間內(nèi)，維持壓力容器中的最大的結(jié)構(gòu)不完全部，因此，將與壽命預(yù)測相關(guān)的檢測對象僅限定在人工結(jié)構(gòu)不完全部，從而能夠預(yù)測壓力容器的使用期間的各時(shí)刻下的壽命。優(yōu)選所述檢測部為裂紋測定儀或應(yīng)變儀。隨著長時(shí)間使用壓力容器，人工結(jié)構(gòu)不完全部處的裂紋的長度增大，或者人工結(jié)構(gòu)不完全部的部位的應(yīng)變增加。據(jù)此，能夠根據(jù)伴隨壓力容器的使用的人工結(jié)構(gòu)不完全部成長而導(dǎo)致的裂紋的長度或應(yīng)變的變化來高精度且迅速地檢測壓力容器的壽命。優(yōu)選所述套筒為樹脂制，金屬膜材夾設(shè)在所述套筒與所述加強(qiáng)層之間，所述人工結(jié)構(gòu)不完全部設(shè)置在所述金屬膜材上。相對于金屬中的結(jié)構(gòu)不完全部隨著該金屬疲勞的蓄積而逐漸成長，樹脂中的結(jié)構(gòu)不完全部在壽命終結(jié)之前一下子加劇，因此難以根據(jù)結(jié)構(gòu)不完全部的觀測來預(yù)測壽命。據(jù)此，相對于具備樹脂制套筒的壓力容器，將金屬膜材夾設(shè)在樹脂制的套筒與加強(qiáng)層之間，并將人工結(jié)構(gòu)不完全部設(shè)置于該金屬膜材，由此與套筒 為金屬制的壓力容器的壽命相同，能夠根據(jù)人工結(jié)構(gòu)不完全部的成長的觀測，順利地預(yù)測壓力容器的壽命。優(yōu)選壓力容器具備預(yù)測部，其根據(jù)所述檢測部的輸出來預(yù)測所述壓力容器的剩余壽命；出入量控制部，其在該預(yù)測部預(yù)測的剩余壽命小于規(guī)定值時(shí)，與剩余壽命在規(guī)定值以上時(shí)相比，以減少壓力容器的內(nèi)壓的變動(dòng)幅度的方式來控制所述加壓后的流體向所述壓力容器內(nèi)的出入量。壓力容器的內(nèi)壓的變動(dòng)振幅越小，作用于套筒及加強(qiáng)層的載荷能夠越小。據(jù)此，當(dāng)壓力容器接近壽命終結(jié)時(shí)，控制所述加壓后的流體向壓力容器內(nèi)的出入量來抑制內(nèi)壓的變動(dòng)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)壓力容器的壽命延長。


圖I是氫氣罐及其控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2是表示氫氣罐中的壓力循環(huán)的重復(fù)數(shù)與氫氣罐上形成的人工結(jié)構(gòu)不完全部處的裂紋的成長的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)圖。圖3是關(guān)于檢測人工結(jié)構(gòu)不完全部的形成部位處的裂紋的長度的裂紋測定儀的說明圖。圖4是表示人工結(jié)構(gòu)不完全部的形成部位處的裂紋的長度與裂紋測定儀的電阻值的關(guān)系的圖表。圖5是關(guān)于檢測人工結(jié)構(gòu)不完全部的形成部位處的應(yīng)變的應(yīng)變儀的說明圖。圖6是表示氫氣罐的內(nèi)壓、人工結(jié)構(gòu)不完全部的形成部位處的應(yīng)變及裂紋的長度的關(guān)系的圖表。圖7是利用并行彈簧模型來表示套筒及加強(qiáng)層相對于氫氣罐的內(nèi)壓的阻力的圖。圖8是關(guān)于檢測套筒及加強(qiáng)層這兩方的壽命關(guān)聯(lián)值的應(yīng)變儀的說明圖。圖9是將加強(qiáng)層的剛性降低作為參數(shù)而表示氫氣罐的內(nèi)壓與人工結(jié)構(gòu)不完全部的形成部位處的應(yīng)變的關(guān)系的圖表。圖10是說明氫氣罐的內(nèi)表面的裂紋的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)的圖。圖11是關(guān)于人工結(jié)構(gòu)不完全部的投影面積的說明圖。圖12是說明加強(qiáng)層為樹脂制時(shí)的裂紋測定儀的適用方法的圖。圖13是關(guān)于氫氣罐的剩余壽命和與其對應(yīng)而實(shí)施的填充壓力控制的關(guān)系的說明圖。圖14是表示與氫氣罐的剩余壽命對應(yīng)而實(shí)施的填充壓力控制中的壓力振幅的第一例的圖。
圖15是表示與氫氣罐的剩余壽命對應(yīng)而實(shí)施的填充壓力控制中的壓力振幅的第二例的圖。符號(hào)說明10氫氣罐11 套筒12加強(qiáng)層13儲(chǔ)藏空間20檢測器(檢測部)21人工結(jié)構(gòu)不完全部22、23、25 裂紋30裂紋測定儀(檢測部)40應(yīng)變儀(檢測部)45控制裝置46預(yù)測部47預(yù)測結(jié)果顯示處理部48出入量控制部50薄膜金屬板(金屬膜材)。
具體實(shí)施例方式圖I中，氫氣罐10相當(dāng)于本發(fā)明的壓力容器。氫氣罐10搭劃分出儲(chǔ)藏作為燃料電池的燃料的氫氣的規(guī)定容積的儲(chǔ)藏空間13 ;加強(qiáng)層12，其覆蓋套筒11的外表面并圍繞套筒11。套筒11由鋁合金構(gòu)成，加強(qiáng)層12以將含樹脂強(qiáng)化纖維卷繞在套筒11的外表面的形式構(gòu)成。含樹脂強(qiáng)化纖維是指例如CFRP，是在作為原料纖維的碳纖維中潰入作為基體樹脂的環(huán)氧樹脂而得到的纖維。氫氣罐10橫置,在套筒11的軸線方向的一端部具有出入口 14,閥裝置15安裝于出入口 14。燃料的氫氣經(jīng)由閥裝置15而出入儲(chǔ)藏空間13。氫氣罐10具有軸線方向兩端部的半球部分、兩端部的半球部分中間的圓筒部分，人工結(jié)構(gòu)不完全部21例如在中間的圓筒部分中的套筒11與加強(qiáng)層12的接合部處，在套筒11的外表面例如作為圓柱的孔而形成。結(jié)構(gòu)不完全部是指材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)等力學(xué)上定義的結(jié)構(gòu)(包括組成和物理形狀)上的特征，例如，包括從材料的表面去除微小部分而形成的凹部、或材料的表面存在的微小裂紋。氫氣罐10中的結(jié)構(gòu)不完全部包括自然結(jié)構(gòu)不完全部和人工結(jié)構(gòu)不完全部，自然結(jié)構(gòu)不完全部是在氫氣罐10的制造時(shí)自然產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不完全部，人工結(jié)構(gòu)不完全部21是在氫氣罐10的制造后人工形成的結(jié)構(gòu)不完全部。作為人工結(jié)構(gòu)不完全部21的孔以不在套筒11的內(nèi)表面露出的深度且該孔的部位在氫氣罐10的整個(gè)使用期間成為套筒11的最弱的部位的方式形成在套筒11的外表面。對于將人工結(jié)構(gòu)不完全部21的部位確保為套筒11的最弱部位的條件在下面敘述。檢測器20以從加強(qiáng)層12側(cè)覆蓋人工結(jié)構(gòu)不完全部21的方式，或者位于人工結(jié)構(gòu)、不完全部21附近的方式而夾設(shè)在套筒11的外表面與加強(qiáng)層12的內(nèi)表面之間。當(dāng)向氫氣罐10填充高壓的氫氣時(shí),氫氣罐10的內(nèi)壓增大。然后,伴隨燃料電池機(jī)動(dòng)車的行駛，氫氣罐10內(nèi)的氫氣被消耗，氫氣罐10的內(nèi)壓減少。這樣，氫氣罐10中,在其使用期間，由于氫氣的填充和消耗，而重復(fù)進(jìn)行內(nèi)壓變動(dòng)的壓力循環(huán)。壓力傳感器28配設(shè)在閥裝置15內(nèi)，檢測儲(chǔ)藏空間13的內(nèi)壓P?？刂蒲b置45具備預(yù)測部46、預(yù)測結(jié)果顯示處理部47及出入量控制部48?？刂蒲b置45從檢測器20接受與作為氫氣罐10的壽命關(guān)聯(lián)值的氫氣罐10的疲勞度或剛性降低度有關(guān)的檢測信號(hào)?？刂蒲b置45根據(jù)來自檢測器20和壓力傳感器28的檢測信號(hào)來控制閥裝置15的閥的開閉。預(yù)測部46、預(yù)測結(jié)果顯示處理部47及出入量控制部48的 作用在后述的圖13 圖15的說明時(shí)進(jìn)行詳細(xì)說明。接下來，參照圖2，對于研究了氫氣罐10中的壓力循環(huán)的重復(fù)數(shù)與氫氣罐10上形成的人工結(jié)構(gòu)不完全部21處的裂紋的成長的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說明。在圖2的圖表中，橫軸是氫氣罐10中的壓力循環(huán)的重復(fù)數(shù)、縱軸是氫氣罐10上產(chǎn)生的最大裂紋的長度。作為檢測器20使用裂紋測定儀30(圖3)，對于氫氣罐10試著進(jìn)行試驗(yàn)而得到的結(jié)果成為圖2的特性。形成初始長度為0. 5mm的裂紋作為人工結(jié)構(gòu)不完全部21，研究伴隨壓力循環(huán)的重復(fù)，該裂紋如何變化。需要說明的是，0. 5mm的人工裂紋是氫氣罐10的使用開始時(shí)唯一的人工結(jié)構(gòu)不完全部，并且比氫氣罐10的開始使用時(shí)存在的任意的自然結(jié)構(gòu)不完全部的裂紋的長度都大。在壓力循環(huán)的重復(fù)數(shù)達(dá)到規(guī)定值之前，裂紋的長度不增加，但若超過規(guī)定值，則緩慢增加，伴隨壓力循環(huán)的重復(fù)數(shù)進(jìn)一步增加，上升率提高。當(dāng)裂紋的長度稍超過IOmm時(shí)，之后盡管重復(fù)數(shù)增加，裂紋長度的增加停止，該時(shí)刻成為從氫氣罐10產(chǎn)生氫氣泄漏(滲漏)的時(shí)刻。接下來，參照圖3，對作為圖I的檢測器20的一例的裂紋測定儀30的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。裂紋測定儀30充分接近人工結(jié)構(gòu)不完全部21并粘接在套筒11的外表面。裂紋測定儀30包括兩端的端子31、32 ;相互平行且在排列方向上等間隔地在端子31-端子32之間延伸的多個(gè)電阻33。伴隨人工結(jié)構(gòu)不完全部21的成長，裂紋22向裂紋測定儀30方向伸展，將電阻33從靠近人工結(jié)構(gòu)不完全部21的一側(cè)起順次切斷。多個(gè)電阻33等間隔地并列設(shè)置，且兩端連接于端子31、32。因此，電阻33成為相互并聯(lián)的關(guān)系，伴隨裂紋22的成長，電阻33的切斷數(shù)增加，由此，裂紋測定儀30的電阻值增大。裂紋22從人工結(jié)構(gòu)不完全部21向套筒11的人工結(jié)構(gòu)不完全部21的部位處的最大應(yīng)力方向伸出。在后述的圖7(a)及圖10的圓柱形的氫氣罐10中，最大應(yīng)力方向?yàn)閳A周方向。接下來，參照圖4，對圖3中的裂紋22的長度與裂紋測定儀30的電阻值的關(guān)系進(jìn)行說明。如圖2中說明的那樣，裂紋的長度與氫氣罐10的剩余壽命存在相對關(guān)系，因此能夠根據(jù)裂紋測定儀30的電阻值來預(yù)測氫氣罐10的剩余壽命。需要說明的是，氫氣罐10的使用開始時(shí)的壽命及各時(shí)刻下的剩余壽命并不是由距壽命終結(jié)的剩余時(shí)間表示，而是由如后述的例如從當(dāng)前起至氫氣罐10的壽命終結(jié)為止能夠重復(fù)的內(nèi)壓的循環(huán)數(shù)來表示。此外，氫氣罐10的當(dāng)前預(yù)測的預(yù)測壽命是指剩余壽命。
需要說明的是，圖4中的裂紋的長度是圖3中的人工結(jié)構(gòu)不完全部21的長度與從人工結(jié)構(gòu)不完全部21向裂紋測定儀30側(cè)及其相反側(cè)伸出的兩根裂紋22的長度的總和。接下來，參照附圖5的剖視圖，對圖I的檢測器20的其他例即應(yīng)變儀40進(jìn)行說明。應(yīng)變儀40以覆蓋人工結(jié)構(gòu)不完全部21的方式粘接在套筒11的外表面。引線41從應(yīng)變儀40引出，將應(yīng)變儀40的檢測信號(hào)向控制裝置45輸入。
相對于從上方觀察圖3的裂紋22向人工結(jié)構(gòu)不完全部21的部位處的套筒11的最大應(yīng)力方向延伸的狀態(tài)的圖，圖5的裂紋23是觀察套筒11的截面而觀察到的裂紋，因此伴隨氫氣罐10的壓力循環(huán)的重復(fù)數(shù)的增加，從人工結(jié)構(gòu)不完全部21向其深度方向伸出。應(yīng)變儀40對套筒11的外表面處的人工結(jié)構(gòu)不完全部21的周圍部分的應(yīng)變進(jìn)行檢測。該應(yīng)變關(guān)系到裂紋22、23的成長(長度的增加)。接下來，參照圖6，對以裂紋23的長度作為參數(shù)的氫氣罐10的內(nèi)壓與應(yīng)變儀40檢測到的應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行說明。對于同一內(nèi)壓，隨著裂紋23的長度增加，應(yīng)變增大。如圖2中的說明，由于裂紋的長度與氫氣罐10的剩余壽命存在相對關(guān)系，因此能夠根據(jù)應(yīng)變儀40檢測到的應(yīng)變來預(yù)測氫氣罐10的壽命上的當(dāng)前位置(或剩余壽命)。接下來，參照圖7，對由套筒11及加強(qiáng)層12構(gòu)成的并行彈簧模型進(jìn)行說明。圖7 (a)表不氫氣罐10的橫截面,氫氣罐10具有圓形的橫截面。當(dāng)由氫氣罐10內(nèi)的氫氣產(chǎn)生的向套筒11的內(nèi)表面的內(nèi)壓P作用于套筒11的內(nèi)表面時(shí)，套筒11及加強(qiáng)層12受到向氫氣罐10的圓周方向的拉伸應(yīng)力O。圖7(b)表示套筒11及加強(qiáng)層12的并行彈簧模型。如圖7(b)的并行彈簧模型那樣，在氫氣罐10的結(jié)構(gòu)中，套筒11及加強(qiáng)層12由于同一內(nèi)壓p而受到拉伸力，并向該拉伸方向產(chǎn)生相同的應(yīng)變。作為加強(qiáng)層12的劣化現(xiàn)象考慮有(a)套筒11與加強(qiáng)層12的剝離、(b)加強(qiáng)層12內(nèi)的局部的碳纖維的斷裂、及(C)加強(qiáng)層12內(nèi)的碳纖維與環(huán)氧樹脂的剝離。(a) (C)的劣化現(xiàn)象與圖7(b)的并行彈簧模型中的加強(qiáng)層12的剛性降低有關(guān)。由該并行彈簧模型可知，由于在套筒11及加強(qiáng)層12上作用有同一應(yīng)變，因此能夠根據(jù)套筒11的應(yīng)變來檢測加強(qiáng)層12的剛性降低。接下來，參照圖8，對應(yīng)變儀40檢測套筒11及加強(qiáng)層12這兩方的壽命的情況進(jìn)行說明。圖8的應(yīng)變儀40夾設(shè)在套筒11的外表面與加強(qiáng)層12的內(nèi)表面之間，對套筒11的人工結(jié)構(gòu)不完全部21處的應(yīng)變進(jìn)行檢測。由于加強(qiáng)層12的剛性降低與套筒11的應(yīng)變有關(guān)，因此應(yīng)變儀40檢測的應(yīng)變成為包含加強(qiáng)層12的剛性降低的值。接下來，參照圖9，對以加強(qiáng)層12的剛性作為參數(shù)的氫氣罐10的內(nèi)壓與應(yīng)變儀40檢測到的應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行說明。對于同一內(nèi)壓，隨著加強(qiáng)層12的剛性降低，應(yīng)變增大。SP，根據(jù)圖8的應(yīng)變儀40檢測到的應(yīng)變，能夠預(yù)測由于加強(qiáng)層12的剛性降低所影響的氫氣罐10的剩余壽命。接下來，參照圖10，對套筒11的內(nèi)表面產(chǎn)生的裂紋25的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)進(jìn)行說明。套筒11上原本由套筒11的內(nèi)表面?zhèn)鹊膬?nèi)壓P作用有氫氣罐10的圓周方向的拉伸方向的應(yīng)力O。另一方面，在氫氣罐10中，通常不是在套筒11的外表面而是在內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋25。若裂紋25在套筒11的內(nèi)表面產(chǎn)生，則高壓氫氣進(jìn)入裂紋25內(nèi)，由于進(jìn)入的高壓氫氣所產(chǎn)生的內(nèi)壓P向使裂紋25擴(kuò)開的方向作用，并與原本的應(yīng)力O重合。
因此，氫氣罐10的裂紋處的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)K為原本的應(yīng)力O所產(chǎn)生的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)Kl與進(jìn)入到裂紋25內(nèi)的高壓氫氣所產(chǎn)生的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)K2之和K1+K2。因此，下式成立。需要說明的是，(#)是指X的平方根。此外，下式是關(guān)于應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)的公知的計(jì)算式。Kl-Fo ( V^a ) (I)K2 —Fp ( V^a ) (2)K=K1+K2=F (o+p) (V^) (3)其中，各符號(hào)的含義如下 0 :裂紋部位的標(biāo)稱應(yīng)力a :裂紋的半長F :基于裂紋 結(jié)構(gòu)物的形狀、加權(quán)的常數(shù)在通常的壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，研究與Kl對應(yīng)的材料的壽命，但對于實(shí)際的氫氣罐10的壽命需要考慮K2，比通常的壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)中的壽命降低相當(dāng)于內(nèi)壓P的壓力效果的K2的量。對人工結(jié)構(gòu)不完全部21(圖I)的尺寸進(jìn)行說明，如圖11所示，若將人工結(jié)構(gòu)不完全部21投影到與最大應(yīng)力作用的方向垂直的面時(shí)的面積定義為S (單位平方mm)，則人工結(jié)構(gòu)不完全部21的尺寸設(shè)定為)=0.1 1.0平方mm。但是，在人工結(jié)構(gòu)不完全部21的深度與長度之比為5倍以上的情況下，將結(jié)構(gòu)不完全部深度或結(jié)構(gòu)不完全部長度中較小一方的長度的(#)倍的值作為人工結(jié)構(gòu)不完全部21的尺寸。需要說明的是，在圖11中，定義了關(guān)于人工結(jié)構(gòu)不完全部21的投影面積S，但對于自然結(jié)構(gòu)不完全部的投影面積S也同樣定義。在氫氣罐10的制造過程中，通常產(chǎn)生長度為0. Imm左右的結(jié)構(gòu)不完全部(自然結(jié)構(gòu)不完全部)。因此，為了可靠地從人工結(jié)構(gòu)不完全部21進(jìn)行疲勞破損，在氫氣罐10的整個(gè)使用期間將人工結(jié)構(gòu)不完全部21維持為氫氣罐10的最大結(jié)構(gòu)不完全部，即為了在氫氣罐10的整個(gè)使用期間將人工結(jié)構(gòu)不完全部21維持為氣罐10中的最弱部，需要使人工結(jié)構(gòu)不完全部21為0. Imm以上的尺寸。需要說明的是，人工結(jié)構(gòu)不完全部21形成在套筒11的外表面?zhèn)?，因此相?dāng)于上述
(2)式的K2的內(nèi)壓P的壓力效果不起作用。為了保證將人工結(jié)構(gòu)不完全部21在氫氣罐10的整個(gè)使用期間作為氫氣罐10的最弱部，并成為氫氣罐10中的所有結(jié)構(gòu)不完全部中的最大結(jié)構(gòu)不完全部，而人工結(jié)構(gòu)不完全部21的尺寸需要適當(dāng)?shù)卦O(shè)定為比自然結(jié)構(gòu)不完全部的尺寸大。另外，將人工結(jié)構(gòu)不完全部21在氫氣罐10的整個(gè)使用期間維持為氫氣罐10的最弱部的理由是由于氫氣罐10的使用期間的各時(shí)刻下的剩余壽命由氫氣罐10的所有結(jié)構(gòu)不完全部中的最大結(jié)構(gòu)不完全部來確定，因此對于剩余壽命的預(yù)測，只要僅觀測最大結(jié)構(gòu)不完全部的大小即可，能夠省略其他的結(jié)構(gòu)不完全部的觀測。在人工結(jié)構(gòu)不完全部21的尺寸例如為自然結(jié)構(gòu)不完全部的尺寸的2倍程度(例如0.2mm)以上時(shí)，可知套筒11的內(nèi)表面?zhèn)鹊?. Imm的自然結(jié)構(gòu)不完全部所受到的疲勞減少到人工結(jié)構(gòu)不完全部21的尺寸為0. Imm時(shí)所受到的疲勞的一半左右。因此，通過將人工結(jié)構(gòu)不完全部21的尺寸對準(zhǔn)設(shè)定為自然結(jié)構(gòu)不完全部的尺寸的2倍以上，在氫氣罐10的整個(gè)使用期間中能夠?qū)⑷斯そY(jié)構(gòu)不完全部21確保為氫氣罐10的最弱部。另一方面，在Imm以上的結(jié)構(gòu)不完全部中，疲勞壽命的降低量變得顯著。因此，在將人工結(jié)構(gòu)不完全部21形成為Imm以上的情況下，需要減小設(shè)計(jì)允許應(yīng)力等措施，導(dǎo)致氫氣罐10的重量增大。因此，如上所述，人工結(jié)構(gòu)不完全部21的(VS )最大為Imm是適當(dāng)?shù)摹＝酉聛?，參照圖12，對適用于套筒11不是金屬而是樹脂制的氫氣罐10的壽命檢測器進(jìn)行說明。在套筒11為金屬的情況下，儲(chǔ)藏空間13的熱容易向外部散出，相對于此，在套筒11為樹脂的情況下，套筒11的加工變得簡單。在樹脂制的套筒11中，與金屬套筒的金屬疲勞不同，由于加強(qiáng)層的疲勞劣化等各種原因而導(dǎo)致壽命終結(jié)。因此，難以將人工結(jié)構(gòu)不完全部21加工在樹脂的套筒11上而根據(jù)該人工結(jié)構(gòu)不完全部21的成長來檢測氫氣罐10的壽命上的當(dāng)前位置(或剩余壽命)。圖12的檢測裝置用于應(yīng)對該情況。即，在圖12中，與套筒11及加強(qiáng)層12不同而另外準(zhǔn)備薄膜金屬板50。在圖12的檢測裝置中，將上述圖3的結(jié)構(gòu)不是應(yīng)用于套筒11的外表面，而 是應(yīng)用于薄膜金屬板50。薄膜金屬板50的厚度可以任意設(shè)定。人工結(jié)構(gòu)不完全部21將薄膜金屬板50貫通或使其有底而加工在薄膜金屬板50上。以與圖3中的裂紋測定儀30相對于人工結(jié)構(gòu)不完全部21的情況相同的相對位置關(guān)系，而使裂紋測定儀30相對于圖12的人工結(jié)構(gòu)不完全部21固接在薄膜金屬板50上。裂紋測定儀30的固接面既可是薄膜金屬板50的加強(qiáng)層12側(cè)的面，也可是套筒11側(cè)的面。這是由于無論裂紋測定儀30固定在薄膜金屬板50的哪個(gè)面上，都是夾設(shè)在套筒11與加強(qiáng)層12之間的緣故。如此，加工有人工結(jié)構(gòu)不完全部21且固接有裂紋測定儀30的薄膜金屬板50夾設(shè)在套筒11的外表面與加強(qiáng)層12的內(nèi)表面之間。伴隨氫氣罐10的使用增多，裂紋22的長度增加，裂紋測定儀30的電阻值如圖4所示那樣變化。如此，即使對于套筒11為樹脂制的氫氣罐10，也能夠預(yù)測氫氣罐10的各使用時(shí)刻下的剩余壽命。圖12中，裂紋測定儀30安裝于薄膜金屬板50，但也可將圖5的應(yīng)變儀40安裝于薄膜金屬板50。接下來，參照圖13，對圖I的控制裝置45實(shí)施的氫氣罐10的填充壓力控制進(jìn)行說明。圖13表示控制裝置45在氫氣罐10的各壽命期間內(nèi)實(shí)施的填充壓力控制。如圖2中的說明，能夠根據(jù)裂紋的長度來預(yù)測氫氣罐10的壽命上的當(dāng)前位置(或剩余壽命)。另一方面，內(nèi)壓的壓力循環(huán)中的最大壓力與最小壓力之差即內(nèi)壓振幅越小，氫氣罐10的載荷越降低，因此，若減小內(nèi)壓的壓力循環(huán)中的內(nèi)壓振幅，則能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣罐10的壽命延長。預(yù)測部46接受檢測器20的檢測信號(hào)，根據(jù)圖4或圖6的特性來導(dǎo)出人工結(jié)構(gòu)不完全部21的長度，并根據(jù)導(dǎo)出的人工結(jié)構(gòu)不完全部21的長度，基于圖2的特性而算出壓力循環(huán)的重復(fù)數(shù)n。預(yù)測部46在此算出的重復(fù)數(shù)n與壽命氫氣罐10的壽命上的當(dāng)前位置對應(yīng)。預(yù)測結(jié)果顯示處理部47將預(yù)測部46算出的重復(fù)數(shù)n直接顯示在顯示器上，或者以能夠知曉氫氣罐10的壽命上的當(dāng)前位置的方式、例如以n/ne(其中，ne是氫氣罐10的壽命終結(jié)時(shí)的壓力循環(huán)數(shù)。)的方式顯示在顯示器(未圖示)上，通知?dú)錃夤?0的使用者
坐寸o
出入量控制部48根據(jù)預(yù)測部46算出的重復(fù)數(shù)n，來判斷該n對應(yīng)于氫氣罐10的壽命的哪個(gè)期間。在圖13中，關(guān)于n所屬的期間，分為0彡n < nl、nl彡n < n2、n2彡n< n3及n3 < n < ne這四個(gè)期間。在0 < n < nl的期間內(nèi)，出入量控制部48不向閥裝置15發(fā)送控制信號(hào)，不進(jìn)行氫氣罐10的填充壓力控制。即，向氫氣罐10的氫氣填充及消耗在氫氣罐10的最高填充壓力以下的范圍內(nèi)由使用者自由處置。當(dāng)n分別成為nl彡n < n2及n2彡n < n3時(shí)，出入量控制部48對于閥裝置15分別實(shí)施第一級(jí)及第二級(jí)填充壓力控制。當(dāng)n為n3 < n時(shí)，出入量控制部48判斷為氫氣罐10接近壽命終結(jié)，而封閉閥裝置15，終止向氫氣罐10內(nèi)填充氫氣，并禁止氫氣罐10的使用。在由出入量控制部48進(jìn)行的第一級(jí)填充壓力控制期間內(nèi)，閥裝置15以使氫氣罐10內(nèi)的內(nèi)壓振幅收斂在第一規(guī)定值al內(nèi)的方式來控制氫氣罐10的內(nèi)壓。 關(guān)于第一級(jí)填充控制及下面的第二級(jí)填充壓力控制中的氫氣罐10的內(nèi)壓變化，由圖14及圖15進(jìn)行說明。在由出入量控制部48進(jìn)行的第二級(jí)填充壓力控制期間內(nèi)，閥裝置15以使氫氣罐10內(nèi)的內(nèi)壓振幅收斂在第二規(guī)定值a2(其中，a2 < al)內(nèi)的方式來控制氫氣罐10的內(nèi)壓。圖14表示由控制裝置45的出入量控制部48進(jìn)行的閥裝置15的控制的結(jié)果，表示產(chǎn)生的氫氣罐10中的壓力循環(huán)的填充壓力(內(nèi)壓p)的振幅的第一例。伴隨從閥裝置15向套筒11內(nèi)填充氫氣，填充壓力上升，此外，伴隨從氫氣罐10向燃料電池供給氫氣，填充壓力減少。壓力循環(huán)C0、C1、C2表示圖14的通常填充、第一級(jí)填充壓力控制、第二級(jí)填充壓力控制的各期間中的壓力循環(huán)。壓力循環(huán)C0、C1、C2中的填充壓力的振幅分別設(shè)定為a0、al、a2 (a0 > al > a2)。壓力循環(huán)CO表示不實(shí)施填充壓力控制，氫氣向氫氣罐10內(nèi)填充到最高填充壓力，且消耗氫氣達(dá)到氫氣罐10內(nèi)成為表示氫氣的大致空狀態(tài)的最低剩余壓力PO。結(jié)果，壓力循環(huán)中的填充壓力的振幅變?yōu)閍0(=最高填充壓力-PO)。壓力循環(huán)Cl中，實(shí)施第一級(jí)填充壓力控制，填充壓力的上限設(shè)為最高填充壓力，而下限設(shè)為比最低剩余壓力PO適度高的Pl，填充壓力的振幅為al (=最高填充壓力-Pl)。在壓力循環(huán)C2中，實(shí)施第二級(jí)填充壓力控制，填充壓力的上限設(shè)為最高填充壓力，下限設(shè)為比Pl適度高的P2，填充壓力的振幅為a2(=最高填充壓力_p2)。圖15表示由控制裝置45的出入量控制部48進(jìn)行的閥裝置15的控制結(jié)果，表示產(chǎn)生的氫氣罐10中的壓力循環(huán)的填充壓力(內(nèi)壓p)的振幅的第二例。圖14中的壓力循環(huán)C0、C1、C2與圖15中的壓力循環(huán)⑶、C1、C2的不同點(diǎn)在于在壓力循環(huán)CO、Cl、C2中，為了使填充壓力的振幅分別為a0、al、a2，在圖14的壓力循環(huán)CO、C1、C2中改變下限的填充壓力，而在圖15的壓力循環(huán)C0、C1、C2中，下限固定為最低剩余壓力PO,使上限的填充壓力分別為p3、p4(p3 > p4)。由此，al = p3_p0、a2 = p4_p0。為了使壓力循環(huán)0)、(1、02中的填充壓力的振幅為30、&1、&2，在圖14中，改變壓力循環(huán)中的下限的填充壓力，此外，圖15中，改變壓力循環(huán)中的上限的填充壓力，但也可改變上限及下限這兩方。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，對于搭載于燃料電池機(jī)動(dòng)車的壓力容器來說明了本發(fā)明，但本發(fā)明也能適用于其以外的壓力容器。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，對于搭載于燃料電池機(jī)動(dòng)車的氫氣罐10來說明了本發(fā)明，但本發(fā)明也能夠適用于儲(chǔ)藏氫氣以外的高壓氣體的壓力容器、儲(chǔ)藏使用于機(jī)動(dòng)車燃料以外的高壓氣體的壓力容器。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，以壓力循環(huán)的重復(fù)數(shù)為單位來表現(xiàn)氫氣罐10的壽命，但也可將裂紋的長度或應(yīng)變本身作為壽 命的預(yù)測值(各使用時(shí)刻下的剩余壽命)。
權(quán)利要求
1.一種壓カ容器，其具備將加壓后的流體儲(chǔ)藏在內(nèi)部的套筒；圍繞該套筒來加強(qiáng)該套筒的加強(qiáng)層， 所述壓カ容器的特征在干， 所述壓カ容器具備檢測部，該檢測部夾設(shè)在所述套筒與所述加強(qiáng)層之間，井根據(jù)夾設(shè)部位處的物理量來檢測依賴于所述套筒和所述加強(qiáng)層中的至少一方的壽命關(guān)聯(lián)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其特征在干， 人工結(jié)構(gòu)不完全部以在所述套筒的內(nèi)表面不露出的方式形成在所述套筒的外表面?zhèn)鹊慕饘俨牧仙希? 所述檢測部檢測所述人工結(jié)構(gòu)不完全部的成長來作為所述夾設(shè)部位處的物理量，所述人工結(jié)構(gòu)不完全部的成長由于伴隨流體向所述壓カ容器的出入而所述壓カ容器的內(nèi)壓的變動(dòng)的重復(fù)引起。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力容器，其特征在干， 將該壓力容器的結(jié)構(gòu)不完全部向與該結(jié)構(gòu)不完全部上產(chǎn)生的應(yīng)カ中的最大應(yīng)カ方向垂直的垂直面投影的投影面積定義為S， 所述人工結(jié)構(gòu)不完全部的大于任一自然結(jié)構(gòu)不完全部的，且其最大應(yīng)カ方向的長度制造成因該人工結(jié)構(gòu)不完全部的形成而導(dǎo)致的壓カ容器疲勞壽命的降低達(dá)到允許限度的尺寸以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其特征在干， 所述檢測部為裂紋測定儀或應(yīng)變儀。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力容器，其特征在干， 所述套筒為樹脂制， 金屬膜材夾設(shè)在所述套筒與所述加強(qiáng)層之間， 所述人工結(jié)構(gòu)不完全部設(shè)置在所述金屬膜材上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其特征在干， 所述壓カ容器具備 預(yù)測部，其根據(jù)所述檢測部的輸出來預(yù)測所述壓カ容器的剰余壽命； 出入量控制部，其在該預(yù)測部預(yù)測的剰余壽命小于規(guī)定值時(shí)，與剰余壽命在規(guī)定值以上時(shí)相比，以減少壓カ容器的內(nèi)壓的變動(dòng)幅度的方式來控制所述加壓后的流體向所述壓カ容器內(nèi)的出入量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種壓力容器，其搭載于燃料電池機(jī)動(dòng)車等，并能夠高精度且短時(shí)間地預(yù)測由內(nèi)側(cè)的套筒和外側(cè)的加強(qiáng)層構(gòu)成的壓力容器的剩余壽命。人工結(jié)構(gòu)不完全部(21)在氫氣罐(10)的整個(gè)使用期間以維持為氫氣罐(10)的最弱部的尺寸形成在套筒(11)的外表面。檢測器(20)例如由夾設(shè)在套筒(11)與加強(qiáng)層(12)之間的裂紋測定儀(30)構(gòu)成，并在人工結(jié)構(gòu)不完全部(21)的附近固接于套筒(11)的外表面。裂紋(22)的長度伴隨由于氫氣罐(10)的使用增多而導(dǎo)致的內(nèi)壓的壓力循環(huán)的增加而增加。伴隨裂紋(22)的成長，檢測器(20)的電阻值增加。
文檔編號(hào)F17C13/02GK102734634SQ201210088658
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月6日
發(fā)明者宮川一夫, 金崎俊彥 申請人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社