JP2012530226A - 流体を収容するためのタンク - Google Patents

Abstract

本発明は、特に周囲に比べて高い圧力下で流体を収容するためのタンクに関する。このタンクは、壁部によって囲まれている空胴と、この空胴に対して流体を送る乃至は排出するための装置とを有している。ここで、壁部は多層構造を有している。この本発明によるタンクは、壁部の内部層が架橋されたポリエチレンを含むという特徴を有している。

Description

本発明は、特に周囲に比べて高い圧力下で流体を収容するためのタンクに関する。このタンクは、壁部によって囲まれている空胴と、この空胴に対して流体を送る乃至は排出するための装置とを有している。ここで、壁部は多層構造を有している。

また、本発明は、このようなタンクの製造方法にも関する。

さらに、本発明はこのようなタンクを少なくとも１つ備えた流体供給システムにも関する。

ガス状又は液状の媒体を収容するための、多層の壁部を備えた空胴を有するタンクは、従来技術から公知である。

このようなタンクは、タンクはガス状又は液状の可燃性物質を含み、例えば内燃機関に供給するために自動車内で用いられる。

この場合、とりわけ、ガスは、１５００ｂａｒにまで完全に達する可能性のある非常に高い圧力下でこのようなタンクに収容される。

また、従来技術から公知であるのは、タンクの壁部には、例えば金属又はポリマ材料から成る内部層と、強化層である外部層とが設けられているということである。

従来技術において不利であるのは、例えば高圧下且つ高速でガスをタンクに収容するタンク貯蔵プロセス時に熱が発生し、タンクの内壁部がポリマ材料から成る限り、場合によってこの内壁部が破損する可能性があることである。

このような従来技術から出発する本発明の１つの課題は、高速のタンク貯蔵プロセスを行う際に、生じる熱による破損をタンクが被ることなく高速のタンク貯蔵プロセスを行うことができる、流体を収容するためのタンクを提供することである。

本発明の１つの課題は、このようなタンクの製造方法を提供することである。本発明の１つの課題は、このようなタンクを少なくとも１つ備えた流体供給システムを提供することである。

前記課題は、特に周囲に比べて高い圧力下で流体を収容するためのタンクを形成することによって解決される。ここで、このタンクは壁部によって囲まれている空胴を有する。この壁部は多層構造を有する。この壁部内には空胴に対して流体を送る乃至は排出するための装置が設けられている。

流体を収容するためのタンクは、壁部の内部層が架橋されたポリエチレンを含むという特徴を有している。

本発明によれば、「ライナ」とも称される壁部の内部層のために架橋されたポリエチレンを選択することによって、高速のタンク貯蔵プロセスを行うことが許容されるタンクが提供される。ここで、その場合生じる熱によって、ライナへの破損作用が生じることはない。とりわけこの場合、ライナの熱変形は起こらず、ライナ材料が熱の作用下で流出する可能性はない。

タンクの内部層つまりライナはブロー成形で作製される。このために、それ自体公知の方法で、型枠によって取り囲まれガスを吹き込むことによって成形されるチューブが押出成形される。有利には、ライナは、長く延びた円筒部分と、その部分を区切るほぼ半球状の２つのいわゆるポールキャップとを含む形状を有している。

本発明の枠内では、有利には、ライナのポリエチレンは過酸化物又はシラン又は放射エネルギの作用によって架橋されている。この場合、ポリエチレンを過酸化物で架橋すると特に有利である。この架橋では、いわゆる過酸化物架橋ポリエチレン（ＰＥ−Ｘａ）が成形される。ここで、ポリエチレンの架橋は上昇する温度下でラジカルになる過酸化物によって行われる。

ポリエチレンの架橋では、隣接するポリマ鎖同士の化合物が作製され、これによって、高粘着性且つ特に高温耐性のあるポリマ材料が生じる。このポリマ材料は上述した使用の目的に著しく適している。

ポリエチレンの架橋度は、過酸化物の投入量を選択することによって、さらに架橋プロセスのパラメータによって調節することができる。本発明によれば、ポリエチレンの架橋度は５％から９５％、有利には１５％から９０％、特に有利には５０％から８５％にすることができる。

架橋度のオーダはライナの高温での安定度に作用する。熱可塑性樹脂から公知であるように、ここでは材料の「クリープ」は阻止される。

空胴を作製するためにブロー成形でポリマ材料として使用されるポリエチレンは、いわゆるブロー可能なポリエチレンである。このために、相応の低ビスコースのポリエチレンが選択され、そのメルトフローレート（ＭＦｌ）は０．１から２ｇ／１０ｍｉｎ、１９０℃、荷重２．１６ｋｇである。このようなブロー可能なポリエチレンの密度は０．９３から０．９６５ｇ／ｃｍ^３、有利には０．９４８から０．９６０ｇ／ｃｍ^３である。

ブロー成形に続いて架橋するために、この場合特にいわゆる「フィリップス」式が有利である。このようなフィリップス式は、ケイ酸塩担体に基づくクロム触媒によって重合法で作製される。

ポリエチレンの他には、ブローのためにポリエチレンコポリマーを使用してもよく、有利にはこの場合、Ｃ３からＣ８の構成をベースとしたポリオレフィンのコモノマーである。

ポリエチレンを架橋可能にするために、ポリエチレンに架橋剤、この場合有機過酸化物が供給される。この有機過酸化物はポリエチレンを架橋するのに特に適している。このために本発明によれば、１７０℃又は１７０℃より高い典型的な架橋温度を有する有機過酸化物が使用される。

特に有利には、１７５℃又は１７５℃より高い架橋温度を有することである。

このようにして、ポリエチレンの均一且つ架橋度の高い架橋が達成される。

ポリエチレンには、他の要素を加えてもよい。

これには例として、例えばフェノール系の酸化防止剤のような安定剤、又は例えば離型剤のような処理補助剤、又は例えばＴＡＣ（トリアリルシアヌレート）若しくはＴＡＩＣ（トリアリルイソシアヌレート）若しくはトリメタクリル酸トリメチロールプロパン若しくはジビニルベンゼン若しくはジアリルテレフタレート若しくはトリアリルトリメリテート若しくはトリアリルホスフェートのような架橋強化剤を０．２から２．０重量％の濃度で含むことができる。

架橋するために、ポリエチレンの使用下でのブロー成形で作製された空胴は、所定の時間に亘ってより高い温度でさらされる。

例えば、１８０℃から２８０℃の温度の場合に１０分の時間とすることができる。

架橋プロセスにおいてブロー成形で作製した空胴が圧潰又は変形するのを回避するために、空胴を外形の規定された形状に押圧するブロー風（保持するための風）の超過圧力を持続することによって架橋時に空胴に圧力をかけることができる。

ポリエチレンを架橋して、シランの架橋により形成されるシラン架橋ポリエチレン（ＰＥ−Ｘｂ）を形成する際に、まずいわゆる二段プロセスを考慮する必要がある。これはＳｉｏｐｌａｓプロセスとも称される。このために、まずポリエチレンは過酸化物によってシランにグラフト重合され、このグラフト重合されたポリエチレンは触媒バッチと混合され、このようにしてポリエチレンはブロー成型法で空胴を作製するために用いることができる。

触媒バッチとして、例えばＤＯＴＬ（ジオクチル錫ラウレート）のような有機錫化合物が適している。

更なる添加剤は、グラフト重合されたポリエチレンと触媒バッチとから成る組成物としてさらに付加的に含まれていてもよい。

同様に、シランとポリエチレンとのグラフト重合をいわゆる一段法で行ってもよい。このために、ポリエチレン、シラン、過酸化物及び触媒から成る混合物が押出成型機に供給される。シラン、過酸化物及び触媒は、ポリエチレンに加える液体となる。

いわゆる反応押出によって、この場合まず、シランとポリエチレンとのグラフト重合が行われる。ここで同時に、触媒との均一な混合が行われる。

ポリエチレンの架橋はより高い温度の湿気のあるところで行われ、通常このことは、ブローすべき空胴の壁厚に応じて９０℃から１０５℃の蒸気雰囲気又は水槽中で６時間から１５時間の間に亘って行われる。

放射エネルギを作用させることによってポリエチレンを架橋してもよい。これは電子線照射架橋ポリエチレン（ＰＥ−Ｘｃ）と称される。

この点については、基本的に全てのポリエチレンとそのコポリマとが適している。

電子放射又はガンマ放射を作用させることによってポリエチレンの架橋が実現される。

この場合、架橋の補助にはＴＡＣ又はＴＡＩＣを供給しても良い。

さらに、例えば置換されるベンゾフェノン及び類似の物質であるいわゆる光重合開始剤をポリエチレンに添加することによって、ポリエチレンをＵＶ光によって架橋してもよい。この光重合開始剤はＵＶ光の作用下で架橋反応を開始させる。

タンクは、架橋されたポリエチレンでできている壁部の内部層の他に壁部の外部層を有する。この壁部の外部層は、線条を含むか、又は、例えば炭素若しくはアラミド若しくは金属若しくはホウ素若しくはガラス若しくはケイ酸含有材料若しくはアルミナ若しくは高粘着性且つ高温耐性のあるポリマ材料若しくは上述したものの混合物から成る線材を含む。後者はハイブリッド糸とも称される。

壁部の外部層のファイバ強化層はさらに、ポリマ材料、有利にはエポキシ樹脂を含む。

壁部の外部層に含まれている線条又は線材は空胴の壁部の内部層の周りに巻きつけられている及び／又は編み込まれている。とりわけ巻きつける際に、外部層をタンクのポールキャップにおいて一層厚く形成するように行うことができる。これによって、ポールキャップの部分で特に高い安定性が達成される。

有利には、流体を送る乃至は排出するための装置の領域又は他の箇所で巻きつけ部を厚く形成するようにしてもよい。これによって、上述した箇所においてタンクが強化される。

同様に、タンクのポールキャップ及び／又は流体を送る乃至は排出するための装置の領域又は他の箇所において、特に編み込み技術を用いる場合も有利である。この編み込み技術は、タンクの円筒部分で適用される編み込み技術とは異なる。このような特別な編み込み技術は壁部の外部層に特に高い強度を付与することができる。

本発明によれば、外部層は内部層と接していない。このことは、タンクの長期に亘る安定性という利点を伴う。

本発明の別の実施形態によれば、内部層は外部層と接していてもよい。これによって、特に長持ちするタンクを提供することができる。

また、タンクは空胴に対して流体を送る乃至は排出するための装置を有している。このいわゆる「ボス」はタンクの壁部における開口である。この「ボス」はタンクに対して収容されるべき流体を充填又は空にするために用いられる。

有利には、「ボス」とはほぼ向かい合った、タンク表面の箇所に、巻きつけ及び／又は編み込みによる外部層の取り付けを簡単にする手段が設けられている。ここで、この手段は、表面の凸部であってもよいし、又は例えば軸を挿入可能な、表面内に設けられた凹部を含んでいてもよいし、又は類似の形態を含んでいてもよい。このタンクは上述した手段によって、巻きつけ作業乃至は編み込み作業のために一層簡単に取り扱うことができる。ここで例えば、この手段を巻きつけ作業及び／又は編み込み作業の際にタンクをセンタリングするために用いてもよい。有利には、タンクを動かすために、この手段を巻きつけ収容部として用いてもよい。また、この手段を後の利用においてタンクを固定するために用いてもよい。

この結果取り付けるべき外部層の質が一層良好になる。それ故に、タンクは一層長持ちするように製造することができる。

本発明の有利な発展形態によれば、防止層は流体が壁部を通って拡散するのを低減させるために設けられている。

これによって、特に低い漏れ速度を有し且つ、とりわけ著しく長い時間の間貯蔵すべき流体を実質的に圧力損失することなく収容する能力を有するタンクを提供することが可能になる。

このために、防止層は内部層の内部表面上に配置されている。

これによって、タンク壁を通って流体が拡散することは確実に回避される。

本発明によれば、防止層は、例えばエチレンビニルアルコール（ＥＶＯＨ）のようなポリマ又は、特にシラザンベースの膜又はコーティング又は上述したものの組み合わせである。この防止層の厚さは０．１μｍと１０００μｍとの間、有利には０．５μｍと１．５μｍとの間とすることができる。

防止層の種類及び防止層のそれぞれの厚さを選択することによって、貯蔵すべき流体に応じて壁部を通る拡散の特に有利な軽減を達成することができる。

したがって例えば、シラザンの層を内部層の内部表面に塗布することによってこのようなタンクの壁部を通る水素の拡散を非常に効果的に低減することができる。この場合、防止層の厚さは０．５μｍと１．５μｍとの間である。

本発明の発展形態によれば、タンクは壁部の外部層上に取り付けられた外部保護層を有している。この外部保護層は、熱可塑性樹脂又は共押出物又は収縮チューブ又はニット又はメリヤス生地又は網組み織物又は上述したものの組み合わせを含むことができる。

タンクのこのような外部保護層は、例えば衝突又は類似の力の作用のような機械的負荷にさらされる場合に有利である。

とりわけ、このような外部保護層は、壁部の破断を生じさせる可能性のある破損、例えば外壁部の破損が生じる可能性を防止する。

外部保護層は、タンクを火の作用から効果的に保護する防火層であるように形成されていてもよい。このために有利には、防火層はいわゆる膨張材料を含む。この膨張材料は、上昇した温度が作用する際にガス又は水が開裂し、タンクを冷却する乃至は高温ガスの作用から遮断する、及び／又は熱伝導度の小さな熱絶縁層を形成することによって所定の時間タンクを熱の作用から保護する。このような膨張材料は、例えば「炭素」供与体（例えば多価アルコール）と、「酸」供与体（例えばアンモニウムポリホスフェート）と、膨張剤（例えばメラミン）とを含む組成物である。これらは、炭化し且つ同時に発泡処理することによって多量の絶縁性の保護層を成す。別の膨張材料は、例えば水和物を含む。水和物は、冷却した蒸気を放出することによって熱の作用下で吸熱作用を発揮する。これに対する一例は水和したアルカリ金属ケイ酸塩である。また、ガス開裂膨張材料も公知である。このガス開裂膨張材料は、例えばメラミン又はメチロールメラミン又はヘキサメトキシメチルメラミン又はメラミンモノホスフェート又はメラミンジホスフェート又はメラミンポリホスフェート又はメラミンピロホスフェート又は尿素又はジメチル尿素又はジシアンジアミド又はグアニル尿素ホスフェート又はグリシン又はアミンホスフェートを含む。上述した材料は、熱の作用下で分解される場合に、ガス状窒素を放出する。熱の作用において二酸化炭素又は水蒸気を放出する化合物を同様に用いてもよい。

外部保護層は、英数字の形態で又はバーコード若しくは識別コード若しくはカラーコードとして刻印された情報を組み込むか又は表示することによってタンクを特定するのに用いてもよい。

また、外部保護層はタンクに魅力的な外観を与えるために設けられていてもよい。

本発明の発展形態によれば、金属層が設けられていてもよい。この金属層は、内部層上に配置することができる。この場合有利には、この金属層は、タンクの壁部を通る流体の拡散に抵抗するように設けられている。このために例えば、金属層は穿孔されて設けられてもよいし、又は部分的にしか配置されなくともよい。これによって、特に長持ちのするタンクを製造することに成功する。他の実施形態によれば、金属層は強化層上に設けられていてもよい。これによって、特に強度のある壁部を有するタンクが得られる。また、金属層はタンクの外部層上に配置されてもよい。このタンクは、衝突又は力の作用のような外部からの影響に対して特に保護されている。

本発明の発展形態によれば、タンクは外壁部に取り付けられた、固定するための手段を有している。この手段は、金属又はポリマ材料から成るストラップ又はバンドを含むことができる。とりわけ、タンクは、壁部の外部層に形成された固定するための手段を有することができる。有利には、外部保護層に固定するための手段が形成されていてもよい。有利にはそれに伴って、タンクは、例えば車両内の装着位置において固定することができる。

本発明の発展形態によれば、タンクは壁部の少なくとも１つの層の中に又は層の箇所にセンサ素子を有している。このセンサ素子は、例えばストレインゲージとすることができ、このストレインゲージは長さが変化した際に信号接続部を介して信号を送出する。したがって、例えばタンクが機能不全又は誤動作によって伸び、機械的に破損させられる破損ケースにおいて、タンクの更なる動作を阻止し、ひいては危険を回避する通報をトリガすることができる。

本発明の発展形態によれば、タンクは識別要素を含んでいてもよい。この識別要素は、タンクを一義的に特徴付け、データを記憶し提供する。この識別要素は、タンクの来歴（製造及び利用中の履歴）のデータ、タンクの動作のデータ及び他の状態のデータを含むことができる。このために、識別要素は、例えばバーコード又は英数字コード又は盛り上がった若しくは凹部の形態の要素又はホログラム又はカラー要素又はＲＦＩＤ要素（電磁波による個体識別）又は類似の要素とすることができる。それに伴い、タンクの品質管理もタンクの動作のトラッキングも実現乃至は保証することができる。

本発明によるタンクの製造方法は、内部層がブロー成形でポリエチレンを使用して作製され、成形後に架橋されるという特徴を有している。

これによって、ライナを作製することができる。このライナはその寸法に関して非常に正確に形成され、ひいてはライナに設定されている高い信頼性の要求を満たす。

また、部材が既に形状を成してから初めて架橋プロセスがスタートされるが、この利点は架橋の質の良さ及び均一さをもたらすことである。

この場合、ブロー成形で作製されたライナが、ブロー風（保持するための風）の超過圧力によって所定の形状で安定すると特に有利である。ここで、架橋は上昇する温度下で行われる。ここで、このライナは、進行する架橋プロセスによってポリエチレンが堅固な状態に変化する間、保持するための風によって圧潰から守られる。

ここで有利には、ライナを作製するブロー成形は、形態を付与する複数の型枠を設けるようにして行ってもよい。これらの型枠は、連続的なシークエンスにおいて押出成形されたチューブを膨らませて所望の空胴を形成し、部材を架橋し送出した後で直ぐに再び次の部品を作製するために用いられる。設けられている型枠の数に依存して、ライナの作製は高い循環シークエンス（Taktfolge）で実現することができる。これは、例えばカルーセル方式で実現することができる。

上述した形式のタンクを少なくとも１つ備えた本発明による流体供給システムは、有利には、自動車又は特に分散型の定置若しくは移動式のエネルギ形成装置又はエネルギ貯蔵システムにおいて使用される。

とりわけ、タンクは１５００ｂａｒまで達する圧力下で水素を収容するために用いられる。

本発明を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明によるタンクの一部分を概略的に断面で示した図。 本発明による第２のタンクの一部分を概略的に断面で示した図。

図１には、本発明によるタンクの一部分が断面図で概略的に示されている。タンク１は基本的に円筒状の中央部分１１の形態の長く延びた構造を有しており、この構造は一体に成形されたポールキャップ１２（この図面では１つしか示されていない）を両方の円筒端部に有している。ポールキャップ１２には、流体を送る乃至は排出するための装置４が形成されている。タンク１の空胴２は多層の壁部３に取り囲まれており、この壁部３は架橋されたポリエチレンを含む内部層３１を有している。内部層３１はポリエチレンを使用したブロー成形で一体に作製され、続いて架橋されている。内部層３１の全体の壁厚は実質的に同じである。壁部３の外部層３２は強化層である。この強化層は線材又はファイバを巻きつける及び／又は編み込むことによって形成される。この強化層は熱硬化性樹脂、この場合はエポキシ樹脂によって強化される。外部層３２は種々異なる部分での安定性の必要に応じて種々異なる厚さである。この図面では、外部層３２が流体を送る乃至は排出するための装置４の領域において厚く形成されていることが示されている。というのは、そこには外部層３２によって収容可能な力が生じるためである。外部層３２は内部層３１には接していない。

図２には、本発明による第２のタンクの一部分が断面図で概略的に示されている。ポールキャップ１２には、流体を送る乃至は排出するための装置４が形成されている。また、この図面では、内部層３１の内部表面に拡散防止層５が配置されていることが示されており、拡散防止層５は流体が空胴２から壁部３を通って拡散するのを効果的に低減乃至は防止する。拡散防止層５はこの例ではシラザンでできている層である。外部層３２上には、収縮チューブの形態で形成されている保護層６が配置されており、保護層６はタンクを広範囲に亘って取り囲んでいる。この実施例では、例えば中央部分１１において外部層３２に接するようにセンサ素子７が配置されている。センサ素子７はストレインゲージとして形成されている。センサ素子７はここには示されていない信号線路を介して又は代替的に非接触でタンク１の状態に関する信号を送出することができる。この信号はここには示されていない評価エレクトロニクスによって、タンク１が例えば破損しているか否かを明らかにする情報となる。

実施例
０．３ｇ／１０ｍｉｎ、１９０℃、荷重２．１６ｋｇのメルトフローレート（ＭＦｌ）を有するブロー可能なポリエチレンはブロー成形で処理されライナとなる。このブロー可能なポリエチレンの密度は０．９５ｇ／ｃｍ^３である。このブロー可能なポリエチレンは、１７５℃の架橋温度を有する有機過酸化物を含む。成形後は、ブローされた空胴は２４０℃の温度で架橋するために５分間に亘ってさらされる。このために、この空胴はその形態を保持するための風によって場合により生じうる変形から守られる。空胴の冷却後、この空胴には、エポキシ樹脂のしみ込んだカーボンファイバがその層厚が１５ｍｍから４５ｍｍに達するまで巻きつけられる。このように製造されたタンクは、このタンクに貯蔵される流体の１０００ｂａｒの圧力に耐える。このタンクには水素を充填することができ、ここで、７００ｂａｒの圧力が３分から５分以内に形成可能である。

参照符号リスト
１ タンク、 １１ 中央部分、 １２ ポールキャップ、 ２ 空胴、 ３ 壁部、 ３１ 内部層、 ３２ 外部層、 ４ 流体を送る乃至は排出するための装置、 ５ 拡散防止層、 ６ 保護層、 ７ センサ素子

Claims (15)

1. 特に周囲に比べて高い圧力下で流体を収容するためのタンクであって、
   前記タンクは、壁部によって囲まれている空胴と、該空胴に対して流体を送る乃至は排出するための装置とを有しており、
   前記壁部は多層構造を有している、タンクにおいて、
   前記壁部の内部層は架橋されたポリエチレンを含む
   ことを特徴とするタンク。
2. 前記ポリエチレンは過酸化物又はシラン又は放射エネルギの作用によって架橋されている、請求項１記載のタンク。
3. 前記ポリエチレンの架橋度は５％から９５％である、有利には１５％から９０％である、特に有利には５０％から８５％である、請求項１又は２記載のタンク。
4. 前記壁部の外部層は強化層として形成されている、請求項１から３のいずれか１項記載のタンク。
5. 前記強化層は線条を含むか、又は、炭素若しくはアラミド若しくは金属若しくはホウ素若しくはガラス若しくはケイ酸含有材料若しくはアルミナ若しくは高粘着性且つ高温耐性のあるポリマ材料若しくは上述したものの混合物から成る線材を含む、請求項４記載のタンク。
6. 前記線条又は線材から成る強化層は巻きつけられている及び／又は編み込まれている、請求項４又は５記載のタンク。
7. 前記外部層はポリマ材料有利にはエポキシ樹脂を含む、請求項４から６のいずれか１項記載のタンク。
8. 防止層は、前記流体が壁部を通って拡散するのを低減させるために設けられている、請求項１から７のいずれか１項記載のタンク。
9. 前記防止層は前記内部層の内部表面上に設けられている、請求項８記載のタンク。
10. 前記防止層は、例えばエチレンビニルアルコール（ＥＶＯＨ）のようなポリマ又は、特にシラザンベースの膜又はコーティング又は上述したものの組み合わせである、請求項８記載のタンク。
11. 前記防止層の厚さは０．１μｍと１０００μｍとの間である、請求項８から１０のいずれか１項記載のタンク。
12. 前記壁部の外部層上に塗布された外部保護層が設けられている、請求項１から１１のいずれか１項記載のタンク。
13. 前記外部保護層は、熱可塑性樹脂又は共押出物又は収縮チューブ又はニット又はメリヤス生地又は網組み織物又は上述したものの組み合わせを含む、請求項１２記載のタンク。
14. 請求項１から１３のいずれか１項記載のタンクの製造方法において、
    内部層はブロー成形でポリエチレンを使用して作製され、成形後に架橋される
    ことを特徴とする製造方法。
15. 請求項１から１３のいずれか１項記載のタンクを少なくとも１つ備えた流体供給システムであって、
    有利には、自動車又は特に分散型の定置若しくは移動式のエネルギ形成装置又はエネルギ貯蔵システムにおいて使用される
    ことを特徴とする流体供給システム。

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