JP2008014342A - タンク - Google Patents

Abstract

【課題】タンク内圧による口金の変形を抑制できるタンクを課題とする。
【解決手段】ライナー（１０）とライナー（１０）の外周側に位置する補強層（１２）とを有するタンク本体（２）と、ライナー（２）と補強層（１２）とに挟まれるように配置された鍔部を有する口金（３）と、を備えたタンク（１）において、鍔部（３４）と補強層（１２）とに挟まれるように緩衝材（９０）を設けた。緩衝材（９０）は、鍔部（３４）の先端部（３４ａ）の位置にのみ設ければよい。鍔部（３４）は、ライナー（１０）の返し部（１１）と補強層（１２）とに挟まれるように配置されればよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば燃料電池システムに搭載されるタンクであり、タンク本体と口金とを有するタンクに関するものである。

燃料電池システムに適用されるタンクには、例えば３５ＭＰａや７０ＭＰａ高圧の水素ガスが貯留される。従来、この種のタンクとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。

図５に示すように、従来のタンク１´のタンク本体２´は、ライナー１０´及び補強層１２´を有し、口金３´が取り付けられる。口金３´は、バルブアッセンブリ４´がねじ込み接続されるめねじ３１´と、Ｏリング７０´によりバルブアッセンブリ４´との間を軸シールされるシール面３２´とを有し、さらに、径方向外側に突出する鍔部３４´を有している。鍔部３４´は、ライナー１０´の返し部１１´と補強層１２´とに挟まれるように配置されており、タンク本体２´に対し口金３´の抜け止めとして機能する。
特開２００５−４８９１８号公報（図１）

しかしながら、このようなタンク１´の構造では、タンク内圧により口金３´が変形して、口金３´とバルブアッセンブリ４´とのクリアランスが小さくなるという問題があった。

具体的には、タンク内圧が口金３´の端面３９´に作用するので（図５の矢印群参照。）、口金３´は全体的に軸方向外側に押され得る。これにより、鍔部３４´が補強層１２´の内面に強く接触して圧縮応力を受け、鍔部３４´の先端部が返し部１１´側に倒れこむような変形が生じる（図５の矢印Ａ参照）。鍔部３４´の倒れこみ変形によって、シール面３２´が径方向内側に押され、シール面３２´の内径が縮径する（図５矢印Ｂ参照）。この縮径変形はタンク１´内の圧力を除荷した後も残るので、圧力除荷後において、シール面３２´とバルブアッセンブリ４´の外周面６１´とのクリアランスが小さくなる。

シール面３２´及び外周面６１´は厳しい公差で管理されるので、両者のクリアランスが小さくなると、バルブアッセンブリ４´の取外し時及び次回の取付け時に、両者が干渉してシール面３２´を傷付けるおそれがある。このため、Ｏリング７０´によるシール性が低下してしまう。特に、高圧ガスを対象とするタンク１´の場合には、ガス充填やガス放出に伴う大きな温度変化及び圧力変化にさらされるので、シール面３２´の小さな傷でも高圧ガスが漏洩する原因になる。

もっとも、上記のクリアランスを大きくすれば、シール面３２´に傷がつくことを抑制できなくもない。しかし、クリアランスが大きいと、タンク内圧によりＯリング７０´が取付け溝からはみ出し易くなってしまう。

本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、タンク内圧による口金の変形を抑制できるタンクを提供することを目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明のタンクは、ライナーとライナーの外周側に位置する補強層とを有するタンク本体と、ライナーと補強層とに挟まれるように配置された鍔部を有する口金と、を備えるものにおいて、鍔部と補強層とに挟まれるように緩衝材が設けられているものである。

かかる構成によれば、タンク内圧に起因した補強層から鍔部への圧縮応力を緩衝材によって吸収できる。これにより、鍔部が倒れこむような変形など、口金の変形を抑制できる。また、緩衝材を用いることで、例えば口金自体の重量及び体積を増加させて剛性を高めるような構成を採用しなくて済み、タンクの軽量化にも寄与し得る。

好ましくは、緩衝材は、鍔部の先端部の位置にのみ設けられる。

かかる構成によれば、鍔部の領域のうち、倒れこみ（たわみ）が最も大きくなり得る先端部に緩衝材を設けることで、鍔部の全領域に設ける場合に比べて、鍔部の変形量を効果的に抑制できる。

より好ましくは、鍔部の先端部には、鍔部の基端部側の外表面と緩衝材の外表面とが面一になるように、緩衝材を配置するための凹部又は段部が形成される。

かかる構成によれば、鍔部と緩衝材との間では外表面に段差がなくなるので、これらの両方の外表面に補強層を段差なく位置させることが可能となる。これにより、補強層の強度を維持しながら、緩衝材を設けることが可能となる。

好ましくは、緩衝材の外表面とライナーの外表面とは、面一になるように構成される。

かかる構成によれば、上記同様に、緩衝材及びライナーの外表面に補強層を段差なく位置させることが可能となるので、補強層の強度を維持できる。

好ましくは、緩衝材は、ライナー及び補強層よりも弾力性を有する。

かかる構成によれば、タンク内圧に起因した補強層から鍔部への圧縮応力が、緩衝材によって好適に吸収される。

本発明の別の一態様では、緩衝材は、ライナーから延設された部位であることが好ましい。

こうすることで、部品点数を増やすことなく、簡易な構成で緩衝材を設けることができる。

好ましくは、鍔部は、先端部が基端部よりも薄肉に形成される。

かかる構成によれば、先端部が相対的に薄肉であるので、先端部の剛性を下げることができる。

より好ましくは、口金は、タンク本体内とタンク本体外とを連通する開口部を有する。鍔部は、開口部から外方に延在する。

かかる構成によれば、上記のように鍔部の変形を抑制できるので、開口部の変形も抑制できる。これにより、開口部の内径を維持できる。なお、鍔部及び緩衝材は、口金の軸線の周方向に亘って形成されるとよい。

より好ましくは、口金は、シール部材により軸シールされるシール部を有する。シール部は、鍔部よりもタンク本体の内側で、開口部から外方に延在する。

かかる構成によれば、上記のように開口部の内径が維持されるので、シール部の縮径を抑制できる。これにより、シール部のシール性を確保できる。

より好ましくは、ライナーは、補強層から離間するようにタンク内側に折り返された返し部を有する。鍔部は、返し部と補強層とに挟まれるように配置される。

かかる構成によれば、返し部によりライナーの強度を高めながら、返し部を有効に利用して返し部と補強層との間に鍔部を配置できる。

本発明のタンクによれば、鍔部と補強層とに挟まれるように緩衝材が設けられているので、タンク内圧による口金の変形を抑制できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るタンクとタンク部品との締結構造について説明する。ここでは、タンクとして高圧タンクを、タンク部品としてバルブアッセンブリを例に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る高圧タンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。
燃料電池自動車１００は、例えば３つの高圧タンク１を車体のリア部に搭載している。各高圧タンク１は、燃料電池システムの一部を構成し、ガス供給ライン１０２を通じて燃料電池１０４に燃料ガスを供給可能に構成されている。高圧タンク１に貯留される燃料ガスは、可燃性の高圧ガスであり、例えば圧縮天然ガス又は水素ガスである。なお、高圧タンク１は、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型にも適用できる。

図２は、高圧タンク１の要部を示す断面図である。
高圧タンク１は、タンク本体２及び口金３を有すると共に、口金３にバルブアッセンブリ４がねじ込み接続される。タンク本体２は、全体として密閉円筒状からなり、その内部は、燃料ガスを常圧よりも高い圧力（すなわち高圧）で貯留する貯留空間６を構成している。例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガス、または２０ＭＰａの圧縮天然ガスが貯留空間６内に貯留される。以下では、高圧タンク１が貯留する高圧ガスとして水素ガスを例に説明する。

タンク本体２は、例えば、ガスバリア性を有する内側の樹脂ライナー１０（内殻）と、樹脂ライナー１０の外周側に位置する補強層１２（外殻）と、の二層構造を有している。

樹脂ライナー１０は、補強層１２から離間するようにタンク本体２の内側へと折り返された返し部１１を有している。返し部１１は、タンク本体２の長手方向の一端部又は両端部に形成されている。返し部１１は、湾曲部１６と円筒部１７とを連続してなり、湾曲部１６が、樹脂ライナー１０の大部分を構成する円筒状の胴部１８と折り返し部位１９を介して連続している。

補強層１２は、例えば炭素繊維とエポキシ樹脂を含むＦＲＰからなり、樹脂ライナー１０の外表面を被覆するように、フィラメントワインディング法等により樹脂ライナー１０に巻きつけられている。補強層１２の一部は、口金３及び後述する緩衝材９０の外表面にも巻きつけられている。なお、樹脂ライナー１０をアルミニウム等の金属製としてもよい。

口金３（口金部）は、タンク本体２の半球面状をした端壁部の中心に設けられている。口金３は、例えばステンレスなどの金属で形成されており、好ましくはアルミニウムで形成されている。口金３は、タンク本体２の長手方向の一端部又は両端部に位置し、例えばインサート成形によりタンク本体２と一体成形される。

口金３は、タンク本体２の軸線Ｙ−Ｙ上に軸心を有する開口部３０を備えている。開口部３０は、タンク本体２内とタンク本体２外とを連通するものであり、その内部にバルブアッセンブリ４が着脱自在に取り付けられる。開口部３０の内周面にはめねじ３１が形成されていると共に、めねじ３１よりもタンク本体２内側の内周面にはシール面３２が形成されている。

シール面３２は、後述するシール部材７０、７１に当接されて、バルブアッセンブリ４との間を軸シールされる部分である。シール面３２は、例えば一定の内径からなり、逆テーパ面３５を介してめねじ３１に連なっている。このため、シール面３２の内径は、めねじ３１の有効径よりも小さくなっている。シール面３２を内周面に有する円筒状のシール部３３は、めねじ３１を内周面に有する鍔部３４に連続している。鍔部３４の構成については詳細を後述する。

着座部３６は、鍔部３４に連続しており、タンク本体２外にまで延出されている。着座部３６は、バルブアッセンブリ４が着座する座面３７と、座面３７と直角に連なる円筒状の内壁面３８と、を有している。座面３７は、口金３の軸線Ｙ−Ｙ方向における一方の端面であり、環状に形成されている。なお、口金３の軸線Ｙ−Ｙ方向における他方の端面３９は、貯留空間６内に位置し、同様に環状に形成されている。内壁面３８は、めねじ３１に連なっている。

バルブアッセンブリ４は、１以上のバルブを有するものであり、バルブや継手等の配管要素を一体的に組み込んだものである。バルブアッセンブリ４に含まれるバルブとしては、例えば、ガス放出のための遮断弁、遮断弁に直列に配置された調圧弁、ガス充填のための充填弁、リリーフ弁などが挙げられる。また、バルブアッセンブリ４は、圧力センサや温度センサなどの検出要素を有してもよい。

貯留空間６内の水素ガスは、バルブアッセンブリ４の遮断弁及び調圧弁を経て外部のガス供給ライン１０２へと放出（供給）され、燃料電池１０４に供給される。一方、貯留空間６内への水素ガスの充填は、例えば水素ステーションにおける外部のガス充填ラインからバルブアッセンブリ４のガス流路や充填弁を経ることで行われる。

バルブアッセンブリ４は、例えばステンレスなどの金属、好ましくはアルミニウムで形成されたバルブボデー４０を有している。バルブボデー４０は、タンク本体２外に位置する着座部４１と、タンク本体２内に位置する本体部４２と、で一体に構成されている。着座部４１及び本体部４２の内部に、上記したガス流路や遮断弁等が形成され、もしくは設けられている。着座部４１は、ねじ込み接続完了後に、座面３７に着座するように面接触する座面４１ａを有している。

本体部４２は、全体として円柱状からなる。本体部４２の外周面には、めねじ３１に螺合するおねじ５１が形成されていると共に、おねじ５１よりもねじ込み方向の前方に二つの取付け溝５２，５３が形成されている。おねじ５１とめねじ３１との螺合態様は、例えばストレート接続である。本体部４２は、シール部３３内に挿入されて二重シールに供されるシール部５５と、シール部５５に連続して上記のおねじ５１を有するネジ部と、を備えている。

シール部５５の外周面６１は、環状の取付け溝５２、５３をねじ込み方向に離間して有している。取付け溝５２、５３には、それぞれ、シール部材７０，７１及びバックアップリング８０，８１が装着されている。バックアップリング８０，８１は、それぞれ、対応するシール部材７０、７１の低圧側（ねじ込み方向の後方側）に位置し且つ隣接している。

シール部材７０，７１は、所定のつぶししろを有するＯリングからなり、シール面３２に当接可能に構成されている。シール部材７０，７１は、口金３とバルブアッセンブリ４との間の隙間、より詳細にはシール面３２と外周面６１との間のクリアランスをふさぎ、両者の間を軸シールする。このクリアランスは、シール部材７０，７１がタンク内圧によりはみ出さないような寸法になっており、その寸法は、例えば０．０１ｍｍ以下である。なお、シール部材７０，７１として、リップパッキンやガスケットなどを用いてもよいし、一方を省略しても良い。

ここで、図３をも参照して、口金３のシール部３３及び鍔部３４まわりの構造を説明する。
シール部３３及び鍔部３４は、所定の肉厚を有する部位であり、開口部３０から外方に延在し且つ軸線Ｙ−Ｙの周方向に亘って延在している。シール部３３の外周面は、円筒部１６の内周面に面接触している。

鍔部３４は、シール部３３よりも径方向外側にまで延在しており、返し部１１と補強層１２との間に挟まれるように配置されている。より詳細には、鍔部３４は、返し部１１の湾曲部１７と補強層１２とによって画成される空間に位置し、且つ軸線Ｙ−Ｙ方向において湾曲部１７及び補強層１２に面接触した状態で挟まれている。

鍔部３４は、先端が折り返し部位１９に達する先端部３４ａを有しており、根元側の基端部３４ｂから先端部３４ａにかけて軸線Ｙ−Ｙ方向の肉厚が小さくなるように形成されている。すなわち、鍔部３４の先端部３４ａは、径方向内側の基端部３４ｂよりも薄肉に形成されている。これにより、先端部３４ａの剛性を下げ得る。

先端部３４ａは、補強層１２側の面に、緩衝材９０を配置するための環状の段部３４ｃを有している。段部３４ｃは、鍔部３４の先端から径方向内側に向かって形成されているが、基端部３４ｂにまでは達していない。このため、段部３４ｃの径方向の長さは、鍔部３４の先端から基端部３４ｂまでの長さをＬとすると、例えば２Ｌ／３程度となっている。こうすることで、先端部３４ａにのみ、緩衝材９０を配置するようにしている。なお、段部３４に緩衝材９０を接着しても良いし、単に緩衝材９０を隙間なく嵌め込むだけでもよい。

緩衝材９０は、軸線Ｙ−Ｙの周方向に亘って延在する環状又はドーナツ状の部材である。緩衝材９０は、樹脂ライナー１０及び補強層１２よりも弾力性を有する材料からなり、例えば軟質の樹脂やゴムからなる。好ましくは、緩衝材９０は、タンク本体２内の温度変化（水素ガスの場合には例えば−６０℃〜１００℃の範囲で変化する。）に耐え得る材料で形成されるとよく、例えば耐熱性及び耐寒性に優れたゴムで形成されるとよい。

緩衝材９０は、鍔部３４と補強層１２とに挟まれるように段部３４ｃに装着されている。緩衝材９０の厚みは、段部３４ｃの深さに対応している。このため、緩衝材９０の外表面９１は、鍔部３４における補強層１２側の外表面３４ｄと面一になると共に、樹脂ライナー１０における補強層１２側の外表面１０ａと面一になっている。これにより、補強層１２が、外表面３４ｄ、外表面９１及び外表面１０ａに段差なく位置するので、この部分において、補強層１２の強度を適切に維持できる。

なお、他の実施態様では、段部３４ｃに代えて、先端部３４ａに形成した凹部に緩衝材９０を装着するようにしてもよい。この場合にも、緩衝材の外表面９１が鍔部３４の外表面３４ｄと面一であることが好ましい。要するに、鍔部３４の先端部３４ａにのみ緩衝材９０を配置することが好ましく、しかも緩衝材９０を配置しても、緩衝材９０の外表面９１と鍔部３４の外表面３４ｄとの間で段差が生じないようにすることが好ましい。

以上説明した本実施形態の作用効果について説明する。
上述したように、図５に示す従来のタンク１´では、タンク内圧によって鍔部３４´が補強層１２´から圧縮応力を受けて返し部１１´側へと倒れこみ、シール面３２´が縮径するおそれがあった。そのため、シール面３２´と外周面６１´とのクリアランスが小さくなり、バルブアッセンブリ４´の取外し時及び次回の取付け時に、シール面３２´を傷付けるおそれがあった。

これに対し、本実施形態の高圧タンク１によれば、鍔部３４と補強層１２との間に緩衝材９０を設けている。このため、タンク内圧による補強層１２から鍔部３４への圧縮応力は緩衝材９０によって吸収、緩和される。これにより、鍔部３４が返し部１１側へと倒れこむような変形を抑制できる。

仮に先端部３４ａが補強層１２に直接接触する場合には、てこの原理により鍔部３４の倒れこみ（たわみ）が最も大きくなり得るし、また鍔部３４の全領域に緩衝材９０を設けた場合には、鍔部３４の全領域に均等に圧縮応力が作用し得る。これに対し、本実施形態では、鍔部３４の先端部３４ａに緩衝材９０を設けているので、鍔部３４の変形量を効果的に抑制できる。

このように、鍔部３４の倒れこみ変形を抑制できるので、開口部３０の縮径変形も抑制できる。したがって、鍔部３４の倒れこみ方向の前方にあるシール面３２の縮径変形も抑制でき、シール面３２と外周面６１とのクリアランスを一定に維持できる。よって、バルブアッセンブリ４の取外し時及び次回の取付け時に、シール面３２を傷付ける可能性が低くなり、シール部材７０，７１によるシール性を確保でき、高圧タンク１からの水素ガスのリークを抑制できる。

また、上記のように、緩衝材９０を用いて鍔部３４の変形を抑制することで、口金３自体の重量及び体積を増加させてその剛性を高めるようにしなくて済む。これにより、高圧タンク１の軽量化を図ることができ、燃料電池車両１００の航続距離を延ばすこともできるようになる。

なお、他の実施態様では、緩衝材９０を段部３４ｃに装着するのではなく、緩衝機能を有する材料を段部３４ｃに塗布するようにしてもよい。また、緩衝材９０を鍔部３４と湾曲部１７とに挟まれるように設けてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、図４を参照して、第２実施形態について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、緩衝材９０を樹脂ライナー１０と別体とするのではなく、緩衝材２００を樹脂ライナー１０から延設したことである。なお、第２実施形態の構成について第１実施形態と共通する構成については、第１実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

緩衝材２００は、樹脂ライナー１０と一体に形成されており、段部３４ｃに嵌合している。樹脂ライナー１０は、折り返し部位１９から二股状に延在しており、樹脂ライナー１０のうち、折り返し部位１９でタンク本体２の内側に折り返された部分が返し部１１を構成し、折り返し部位１９から補強層１２に沿って延在する部分が緩衝材２００を構成している。緩衝材２００の外表面２０１は、第１実施形態と同様に、鍔部３４の外表面３４ｄと面一である。

したがって、本実施形態の構成によっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。第１実施形態に比べると、全体の部品点数は減らすことができる。なお、本実施形態の場合にも、樹脂ライナー１０の成形時に、段部３４ｃを有する口金３をインサート成形するようにすればよい。また、他の実施態様では、緩衝材２００が鍔部３４の基端部３４ｄにまで延在してもよい。

第１実施形態に係るタンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。 第１実施形態に係るタンクを示す断面図である。 図２の要部を拡大して示す断面図である。 第２実施形態に係るタンクの要部を拡大して示す断面図である。 従来のタンクを示す断面図である。

符号の説明

１：高圧タンク、２：タンク本体、３：口金、４：バルブアッセンブリ、６：貯留空間、１０：ライナー、１０ａ：外表面、１１：返し部、１２：補強層、３０：開口部、３１：めねじ、３２：シール面、３３：シール部、３４：鍔部、３４ａ：先端部、３４ｂ：基端部、３４ｃ：段部、３４ｄ：外表面、９０：緩衝材、９１：外表面、２００：緩衝材、２０１：外表面、Ｙ−Ｙ：軸線

Claims (10)

1. ライナーと当該ライナーの外周側に位置する補強層とを有するタンク本体と、
   前記ライナーと前記補強層とに挟まれるように配置された鍔部を有する口金と、を備えたタンクにおいて、
   前記鍔部と前記補強層とに挟まれるように緩衝材が設けられている、タンク。
2. 前記緩衝材は、前記鍔部の先端部の位置にのみ設けられている、請求項１に記載のタンク。
3. 前記鍔部の先端部には、当該鍔部の基端部側の外表面と前記緩衝材の外表面とが面一になるように、前記緩衝材を配置するための凹部又は段部が形成されている、請求項２に記載のタンク。
4. 前記緩衝材の外表面と前記ライナーの外表面とは、面一になるように構成されている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のタンク。
5. 前記緩衝材は、前記ライナー及び前記補強層よりも弾力性を有する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のタンク。
6. 前記緩衝材は、前記ライナーから延設された部位である、請求項１ないし４のいずれ格好に記載のタンク。
7. 前記鍔部は、先端部が基端部よりも薄肉に形成されている、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のタンク。
8. 前記口金は、前記タンク本体内と前記タンク本体外とを連通する開口部を有し、
   前記鍔部は、前記開口部から外方に延在している、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のタンク。
9. 前記口金は、シール部材により軸シールされるシール部を有し、
   前記シール部は、前記鍔部よりも前記タンク本体の内側で、前記開口部から外方に延在している、請求項８に記載のタンク。
10. 前記ライナーは、前記補強層から離間するようにタンク内側に折り返された返し部を有し、
    前記鍔部は、前記返し部と前記補強層とに挟まれるように配置されている、請求項１ないし９のいずれか一項に記載のタンク。

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