JP2008151206A - 水素貯蔵タンクおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 カートリッジ10はカートリッジ本体部11、固定側軸部13、自由側軸部12からなり、ライナー20はライナー胴部21、ドーム状部24を介して固定側開口25aが形成される固定側端部25、ドーム状部22を介して自由側軸部12aを支持するための保持プラグ30を支持する自由側開口23aが形成される自由側端部23が継ぎ目なく一体成型され、固定側開口25aは固定側軸部13を固定支持し、封止プラグ40で封止し、自由側開口23aは保持プラグ30で封止し、自由側軸部12は軸線方向に前後移動できるように保持プラグ30に形成された凹部31で緩挿支持する。
【選択図】 図1
Description
この場合、水素ガスの充填圧を高くするほど大量の水素を貯蔵できることになるが、高圧下では、大径のフランジ部による気密性だけでは十分ではないため、リークする可能性がある。
さらに、分割式のライナーは、たとえシール性が確保できたとしても、シール部がない一体成型のライナーに比べると、シール部分からのリークに注意を払わなければならないことから、できれば一体成型のライナーを用いることが望ましい。
そして、アルミ合金(加工前タンク容器)の両端に対して絞り加工(口絞り加工)を施し、両端部の開口部を小さくして、接続口と成す。これにより両端に小さな接続口(開口)が形成されたタンク容器の形状となる。
その後、タンク容器に対して、熱処理(加熱と冷却)を施し、アルミ合金の疲労強度を向上させる処理を行う。すなわち、水素吸蔵合金への水素充填、水素放出を繰り返すことによって内部圧力が昇降するので、タンク容器の膨張、収縮が発生し、次第に金属疲労が増大するようになるので、熱処理により耐疲労性を高めるようにする。熱処理後に、タンク容器の外周に補強層を形成して水素貯蔵タンクを完成する。
以上の手順により製造された水素貯蔵タンクは、軽量で耐疲労性が強く、しかも35MPa以上の圧力の水素を貯蔵することができ、水素貯蔵容器として優れたものが形成できることが開示されている。
「ドーム状部」とは、径が大きいライナー胴部から径が小さい自由側端部または固定側端部に径を変化させるために絞り込んだ領域をいう。椀状、楕円状、半球状等が代表的な形状であるが、特に限定されない。
ライナーが「継ぎ目なく一体成型され」とは、ガスケット等のシール材で接続されたり、溶接部で接続されたりすることなく、一個の金属素材からライナー全体が形成されることをいう。
ライナーは、ライナー胴部、自由側端部、固定側端部、ライナー胴部と自由側端部との間のドーム状部、ライナー胴部と固定側端部との間のドーム状部からなるライナー全体が継ぎ目のないように、1つの金属素材から一体成型する。そしてカートリッジは、ライナーの自由側端部、固定側端部のみで支持されるようにし、ライナー胴部内面は非接触に維持するようにして、ライナーが一体成型された後に、ライナー胴部内面に接触による傷が生じない構造にして、胴部内面の検査が必要ないようにする。
そして、自由側開口を保持プラグで封止し、固定側開口を封止プラグで封止する。また、保持プラグに凹部と外部とを連通する保持プラグ流路を形成し、カートリッジに自由側軸部を貫通してカートリッジ本体部と連通するカートリッジ流路を形成し、これらの流路を利用して、水素貯蔵タンク製造の際に水素吸蔵物質をカートリッジ内に充填したり、水素貯蔵タンクを使用する際に水素ガスを充填したり放出したりする。
また、一体成型した金属ライナー内面を非接触に維持できることにより、ライナー完成後には実際上困難なライナー胴部内面の検査を行う必要がなくなる。
さらに、カートリッジを両端で支持する構造なので、バランスよく支持することができる。しかも保持プラグの凹部により、カートリッジの熱膨張・熱収縮、あるいは加圧時に発生する前後移動を吸収するようにしているので、熱歪等による不具合を防ぐことができる。
さらに、ライナー内にカートリッジを収容した構造の水素貯蔵タンクが完成してから、保持プラグ流路およびカートリッジ流路を介して水素吸蔵物質をカートリッジ内に充填することができるので、タンク製造工程中(例えば熱処理工程中)に、水素吸蔵物質が水分に触れないように注意する必要がなくなる。
上記発明において、ライナーはアルミ合金で形成され、ライナーの外側に繊維強化樹脂層が形成されるようにしてもよい。
ライナーにアルミ合金を使用することにより、容器の軽量化が図れ、また、ライナーの外側に繊維強化樹脂を形成することにより、強度を補強することができ安全性、信頼性を高めることができる。
続いて、熱処理を行う。この熱処理(加熱と水冷)により、金属の耐疲労性が改善される。
続いて、仮保持プラグを外し、凹部を有する保持プラグを用いて、その凹部に自由側軸部を緩挿支持させる。また、固定側開口は封止プラグで封止する。
続いて、保持プラグに形成された貫通孔(保持プラグ流路)および自由側軸部に形成された貫通孔(カートリッジ流路)を介して、カートリッジ内に水素吸蔵物質を充填する。
以上の工程により、継ぎ目のない一体成型された金属製ライナー内に水素吸蔵物質を充填したカートリッジを収容した構造で、しかも金属製ライナー胴部を非接触に維持するようにした構造の、安全で信頼性の高い形状の水素貯蔵タンクを製造することができる。
これにより、スピニング工程の際に、カートリッジとライナーとを容易に支持することができる。
以下、本発明の水素貯蔵タンクの構造について図面を用いて説明する。図1は本発明の一実施形態である水素貯蔵タンクの断面図である(ただし、カートリッジ部分については断面図ではなく一部破断の正面図として記載している)。
カートリッジ10は、円筒状の本体部11と、本体部11の一端側において軸線方向に沿って突設される自由側軸部12と、本体部11の他端側において軸線方向に沿って突設される固定側軸部13とからなる。本体部11は中空であり、内部に水素吸蔵合金が充填されるようにしてある。また、本体部11の外周(あるいは内部)には、水素吸蔵合金を(水素吸蔵時に)冷却したり(水素放出時に)加熱したりするための熱交換用流路配管14が形成されている。また、自由側軸部12には軸線方向に沿ってカートリッジ流路12aとなる貫通孔が形成してあり、水素吸蔵合金を充填したり、水素ガスを吸蔵・放出したりする際の流路として用いられる。また、固定側軸部13には、軸線方向に沿って流体供給用流路13aが形成してあり、本体部11の熱交換用流路配管14、および、後述する封止プラグ40の流体供給用流路42(往復)に接続されることにより冷媒あるいは熱媒が流通されるようにしてある。
ライナー胴部21の内径は、カートリッジの本体部11が接触しない寸法にしてある。自由側開口23aは、保持プラグ30が挿入された状態で螺合するためのネジ溝が螺刻されている。固定側開口25aは、カートリッジの固定側軸部13が「焼きばめ」により固定支持されるとともに、封止プラグ40の固定に用いるネジ溝が螺刻されている。
さらにライナー20の外面には、炭素繊維等が含まれる繊維強化樹脂層26が形成され、ライナーの強度を補強して、耐圧性能を向上させるようにしてある。
保持プラグ30のうち、ライナー内に挿入される側の端面には軸線に沿って凹部31が形成してある。この凹部31は、カートリッジの自由側軸部12が緩挿支持できる内径寸法にしてあり、凹部31の奥行き寸法は自由側軸部12が熱膨張により前進してきたときにも凹部31の底面に当接しない寸法にしてあり、カートリッジとライナーが相対的に前後に移動できるようにしてある。また、保持プラグ30の中心軸に沿って保持プラグ流路32が形成され、外部と凹部31とが連通するようにしてある。さらに凹部31の側面に貫通孔が形成され、ライナー内との通気性が十分に確保されるようにしてある。
次に、水素貯蔵タンク1の製造方法について説明する。図2は水素貯蔵タンク1の製造工程を説明するフローチャートである。また、図3は片側加工ライナーを形成する工程を説明する模式図、図4は両側加工ライナーを形成する工程を説明する模式図である。
最初にカートリッジ10と、ライナー20を途中まで加工した片側加工ライナー20’とを用意する。カートリッジ10は、切削加工や溶接等の一般的な機械加工で形成できるので説明を省略する。片側加工ライナー20’は、図3に示すように、アルミ合金の長尺円筒パイプAから必要な長さを切り出し、短筒状ブランク材Bを形成する(パイプカット工程、図3(a))。
続いて、短筒状ブランク材Bを図示しないマンドレルに外嵌合して取り付け、成型ローラもしくはリング状の金型で短筒状ブランク材Bの外周面を圧接させることで、短筒状ブランク材Bの外周面をしごく。これによりライナー胴部21が形成された長筒状ブランク材Cを形成する(胴部冷間加工工程、図3(b))。なお、形成されたライナー胴部21の内面傷の検査をこの時点で行い、以後、ライナー胴部21は非接触に維持することで、内面検査を行う必要がないようにする。
続いて、カートリッジ10をライナー胴部21の内側にセットした状態で片側加工ライナー20’の残りの端面を加工して、ライナー20(両側加工ライナー)を形成する。
片側加工ライナー20’の自由側端部23に、ライナー外側から仮保持プラグ50を挿入する。自由側端部23には、予めネジ溝が刻まれてあり、仮保持プラグ50が螺合され支持される。片側加工ライナー20’のライナー胴部21の外周面を、チャック装置60で保持する。自由側軸部12を先頭にして、ライナー胴部21内にカートリッジ10を挿入し、自由側軸部12を仮保持プラグ50の凹部51に緩挿する。一方、固定側軸部13を仮支持ロッド51とプレス装置61で押圧し、カートリッジ10を両端で支持する(図4(a))。
片側加工ライナー20’とカートリッジ10とが支持された状態で、成型ローラ62により、ライナー胴部21の加工されていない側の端部を絞り、ドーム状部24および固定側端部25を形成される(スピニング工程、図4(b))。これにより、固定側端部25では固定側軸部13が密接するようになり、ライナー20(両側加工ライナー)の外形ができ上がる。
仮保持プラグ50を付けた状態で、加熱し、その後、急冷することにより、アルミ合金の耐疲労強度を向上させる。
仮保持プラグ50を取り外し、保持プラグ30を螺合して取り付ける。このとき保持プラグ30に図示しないガスケットを取り付けて封止する。
また、固定側軸部25の外側に、環状部材41を取付け、封止プラグ40を螺合して取り付ける。このとき環状部材の内周面、外周面に図示しないガスケットを取り付けて封止する(図1参照)。
保持プラグ30に形成された保持プラグ流路32、カートリッジの軸部12に形成されたカートリッジ流路12aを介してカートリッジの本体部11に水素吸蔵合金を充填する。
10 カートリッジ
11 本体部
12 自由側軸部
12a カートリッジ流路
13 固定側軸部
13a 流体供給流路
20 ライナー(両側加工ライナー)
20’半加工ライナー
21 ライナー胴部
22、24 ドーム状部
23 自由側端部
23a 自由側開口
25 固定側端部
25a 固定側開口
30 保持プラグ
31 凹部
32 保持プラグ流路
40 封止プラグ
41 環状部材
42 流体供給流路
50 仮保持プラグ
Claims (4)
- 水素吸蔵物質が充填されたカートリッジが金属製ライナー内に収容された水素貯蔵タンクであって、
カートリッジは水素吸蔵物質が充填される筒状のカートリッジ本体部と、カートリッジ本体部の軸線に沿って一端側に設けられる固定側軸部と、カートリッジ本体部の軸線に沿って他端側に設けられる自由側軸部とからなり、
ライナーはカートリッジ本体部を収容するための空間を有するライナー胴部と、ライナー胴部の一端側にドーム状部を介して突設され、カートリッジの固定側軸部を支持するための固定側開口が形成される固定側端部と、ライナー胴部の他端側にドーム状部を介して突設され、カートリッジの自由側軸部を支持するための保持プラグの外周を支持する自由側開口が形成される自由側端部とが継ぎ目なく一体成型され、
ライナーの固定側開口はカートリッジの固定側軸部を固定支持するとともに封止プラグにより封止され、
ライナーの自由側開口は保持プラグで封止され、
カートリッジの自由側軸部は軸線方向に前後移動できるように保持プラグに形成された凹部に緩挿支持され、
保持プラグには凹部と外部とを連通する保持プラグ流路が形成され、
カートリッジには自由側軸部を貫通してカートリッジ本体部と連通するカートリッジ流路が形成されることを特徴とする水素貯蔵タンク。 - ライナーはアルミ合金で形成され、ライナーの外側に繊維強化樹脂層が形成されることを特徴とする請求項1に記載の水素貯蔵タンク。
- 水素吸蔵物質充填用のカートリッジが継ぎ目のない一体成型の金属ライナー内に収容された構造の水素貯蔵タンクの製造方法であって、
(a)筒状のカートリッジ本体部、カートリッジ本体部の軸線に沿って一端側に形成される固定側軸部、カートリッジ本体部の軸線に沿って他端側に形成される自由側軸部とからなるカートリッジと、
カートリッジ本体部が収容可能なライナー胴部の一端側にドーム状部を介して自由側開口を有する自由側端部が一体成型された片側加工ライナーとを用意する主要部品形成工程と、
(b)自由側開口で支持される仮保持プラグを自由側開口に挿入してカートリッジの自由側軸部を仮保持プラグで支持するとともに、カートリッジの固定側軸部を支持してカートリッジを両端で支持し、さらに片側加工ライナーのライナー胴部の外周面を支持した上で、片側加工ライナーの自由側端部が形成された側と反対側のライナー胴部に絞り加工を施すことによりドーム状部を形成するとともにカートリッジの固定側軸部を支持するための固定側開口が形成される固定側端部をドーム状部から突設するように形成して両側加工ライナーに成型するスピニング工程と、
(c)カートリッジが収容された両側加工ライナーに熱処理を行う熱処理工程と、
(d)カートリッジの自由側軸部を軸線方向に移動可能に緩挿するための凹部を有する保持プラグで自由側軸部を支持した上で自由側端部を封止するとともに、固定側端部を封止する封止工程と、
(e)保持プラグに形成された貫通孔および自由側軸部に形成された貫通孔を介して、カートリッジ内に水素吸蔵物質を充填する充填工程とを備えたことを特徴とする水素貯蔵タンクの製造方法。 - (b)のスピニング工程でのカートリッジの支持は、仮保持プラグを自由側開口の外側から自由側端部に挿入し、カートリッジの自由側軸部が仮保持プラグに形成された凹部に緩挿支持されるようにし、さらに仮支持ロッドでカートリッジの固定側軸部を軸線方向に押圧してカートリッジを両端で支持することを特徴とする請求項3に記載の水素貯蔵タンクの製造方法。
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