JP2013177977A - 貯蔵タンク用インナーライナの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】貯蔵タンク用の高分子インナーライナを製造する。
【解決手段】特に水素貯蔵タンクといった貯蔵タンク用の高分子インナーライナを製造する方法であって、構造層およびバリア層を含むポリマー材料製の円柱状の本体１２であって、第１の開放末端および開放末端での第１の周縁接続タブを有する円柱状の本体を提供するステップと、円柱状の本体の第１の開放末端の断面に実質的に相当する断面を備えるベースを有すると共に、その周縁末端部分で第２の周縁接続タブを有するポリマー材料製のドーム状末端キャップ１４を提供するステップと、第１および第２の周縁タブが相互に接触するよう、末端キャップ１４を、そのベースで円柱状の本体の第１の開放末端上に配置するステップと、両方の接続タブを一緒に溶接するステップとを含む方法を提供する。このようなライナを用いて形成された貯蔵タンクおよび水素を貯蔵するこのようなタンクの使用を提供する。
【選択図】図５

Description

本出願は、本明細書において参照により援用される２００６年３月２９日出願の米国仮特許出願第６０／７８６７１６号明細書に対する優先権を主張する。
本発明は、特に水素貯蔵タンクといった貯蔵タンク用高分子インナーライナの製造方法
に関する。
圧縮ガスは、輸送燃料として次第に普及しつつある選択肢である。ますます多くの車両が圧縮ガスを燃料として用いるため、このような車両の燃料系の排出をさらに重要視する必要がある。現在では、このような系からのガス透過の安全性リスクに対処する、圧縮ガス燃料系からの要件がある。しかしながら、現在は、圧縮ガス透過の環境問題に係る規制はない。このような規制が導入される場合には、現在の排出規制よりさらに厳しくなる可能性がある。
今日輸送車両で用いられている圧縮ガスタンクの圧倒的多数は、圧縮メタンガス（ＣＨ４）を貯蔵するために設計されており、タイプIIIまたはタイプIVのものである。しかしながら、環境上の理由のために、燃料として圧縮水素（Ｈ２）に移行する要望がある。圧縮水素によって燃料供給されている市販車両は、現在は存在しない。
水素と比してメタンのより大きい分子サイズのために、従来のタイプII、IIIおよびIVのタンクは、圧縮メタンガスで充填された場合に現行の透過要件を満たす。しかしながら、圧縮水素については、これらの従来のタンクは、特に、想定どおりより厳しい要件が導入された場合には、必ずしも要件を満たさない。
貯蔵タンクは、異なるカテゴリーに区分されている。タイプIIのタンクはすべてのスチールタンクに関し、これは、一般にかなり重く、従って車両に関しては好まれない。タイプIIIのタンクは、アルミニウムライナを備える複合タンクである。これらのタンクは、優れた排出結果を示すが多少高価である。タイプIVのタンクは、ポリマーライナを有する複合タンクである。また、タイプIVのタンクは、タイプIIIのタンクと比してきわめて良好な排出結果を有するが、これらのタンクは、より軽量であると共に安価であるというさらなる利点を有する。従って、タイプIVのタンクが、圧縮水素貯蔵タンク用の最も有力な候補である。
タイプIVの貯蔵タンクの一例が特許文献１に示されており、これは、プラスチックまたは他のエラストマー製の非金属製インナーライナを含み、圧縮成形、吹込成形、射出成形またはいずれかの他の一般に公知の技術によって一体的に製造される貯蔵タンクを開示する。インナーライナは、ほぼ円柱状の中心部分と、金属製の連通ボス用の接続部を備えるほぼドーム状の末端部分を有する。さらに、同様の貯蔵タンクが特許文献２に開示されており、ここで、インナーライナは、金属製の連通ボス用の接続部を備えるほぼ半球状の末端部を有する。
すなわち、特許文献３から、外側強化層と、円柱状の本体上に突合せ溶接された半球状の末端キャップを含むインナーライナとを有する圧力容器を製造することも公知である。この構造は、（すなわち、容器における圧力下での流体の導入を可能とするバルブを固定するための）金属製の接続部分は、円柱状の本体は従来の成形技術によって得ることが可能である一方で、末端キャップによって容易にオーバーモールドされることが可能であるという利点を有する。しかしながら、このようなライナは、単層ポリプロピレンのものであり、透過性の点で悪い結果をもたらす。
すなわち、特許文献４においては、透過性の点ではるかに良好な結果をもたらすＨＤＰＥおよびＥＶＯＨに基づく多層ライナを備える同様の構造（外側ガラスまたは炭素繊維複合体のインナーライナ）を用いることも提案されている。しかしながら、この文献に開示されているライナの加工方法は、ライナが多段射出成形により一体に形成されるためかなり複雑である。
両方の文献の教示の組み合わせ（すなわち、円柱状の本体を有するライナおよび溶接された末端キャップの選択であって、円柱状の本体が多層構造で形成されている）は、貯蔵タンク用のインナーライナおよび向上した貯蔵タンクを得るために向上したインナーライナを製造するための両方の向上した方法を提供するであろう。
米国特許第５４２９８４５号明細書 米国特許第５４７６１８９号明細書 国際公開第０３／０３１８６０号パンフレット 独国特許第１０３６０９５３号明細書
しかしながら、多層構造の溶接は、一般に、溶接領域における接続問題（すなわち、機械的性能および透過性の点で）をもたらす。
本発明は、この問題を解決することを目的とし、特に水素貯蔵タンクといった貯蔵タンク用の高分子インナーライナを製造する方法であって、
・ 構造層およびバリア層を含むポリマー材料製の円柱状の本体であって、第１の開放末端および前記開放末端での第１の周縁接続タブを有する円柱状の本体を提供するステップと、
・ 円柱状の本体の第１の開放末端の断面に実質的に相当する断面を備えるベースを有すると共に、その周縁末端部分で第２の周縁接続タブを有する、ポリマー材料製のドーム状末端キャップを提供するステップと、
・ 前記第１および第２の周縁タブが相互に接触するよう、末端キャップを、そのベースで円柱状の本体の第１の開放末端上に配置するステップと、
・ 両方の接続タブを一緒に溶接するステップと、
を含む方法を提供する。
本発明の一態様によれば、末端キャップの周縁末端部分に、円柱状の本体の開放末端の周縁接続タブに溶接される周縁接続タブが設けられている。このような接続部は、末端キャップと円柱状の本体との間の接続部での透過のリスクの制限を可能にし、強固な機械的接続を提供する。
「接続タブ」とは、円柱状の本体および末端キャップのそれぞれの壁の延伸部を意味し、この延伸部により、両方の部品を、それらの外表面の一方のかなりの部分で相互に溶接させることができる。好ましくは、これらのタブは、両方の部品の外表面が一緒に溶接されるよう内方に屈曲しており、その構成によって強固かつ不透過性の接続をもたらす内側への突起が得られる。
溶接タブの寸法は、好ましくは、材料の折り曲げを容易にするために外側シェルの壁厚より大きいが、溶接部の機械特性が、ライナの他の部分における機械特性と著しく異ならないことを確実とするために十分に小さく、これにより、応力集中による破壊のリスクを緩和させている。溶接タブは、壁厚の少なくとも２倍の長さを有するが、ライナの壁厚の５倍以下またはさらには４倍がこの点における妥協点である。
このような方法では、良好な排出結果を有するインナーライナを、より経済的に生産することが可能である。複雑な射出成形プロセスを用いてインナーライナ全体を生産する必要はない。通常の燃料タンクの技術分野において周知である従来の吹込成形技術を用いて、円柱状の本体を形成することが可能である。また、本方法は、異なる長さのインナーライナの製造に対する容易で、かつ効果的な解決法を提供する。実際に、ドーム状末端キャップを任意の長さの円柱状の本体に接続して、完全なインナーライナを形成することが可能である。しかも、本方法によるインナーライナは、優れた透過品質を提供すると共に、圧縮水素用の貯蔵タンクとの接続に好適である。最後に、末端キャップは、例えば、タンク機能に必要な付属品にオーバーモールドすることにより、または既存の部品を熱成形すること、および前記付属品（またはそのための接続部分）をこれらの熱成形部品上に固定することにより形成され得る。
また、本発明による方法において、末端キャップには、好ましくは、少なくとも１つの構造層および少なくとも１つのバリア層が設けられている。両方の部品（円柱状の本体および末端キャップ）において、バリア層は、従来の燃料タンクにおける場合と同様に、２つの構造層に挟まれていることが好ましい。本発明のライナ全体におけるバリア層の存在は、その透過性能をさらに高める。その結果として、この好ましい実施形態を用いて製造されたインナーライナを備える貯蔵タンクは、貯蔵タンクから大気への排出を低減するために用いられることが可能である。これにより、例えば水素といったより小さな分子サイズの気体の保管も可能になる。
接着性層は、これらの２つの（または３つの）層を結合するために構造層とバリア層との間に設けられることが可能である。接着性層は、以下に記載のとおり、例えばＰＥ／ＥＶＯＨ構成への接着剤変性ＬＤＰＥなどの、構造層およびバリア層の両方に接着性である任意の材料で形成されることが可能である。
好ましくは、構造層は、ポリエチレン（ＰＥ）またはポリアミド（ＰＡ）を含む。
バリア層は、好ましくは、エチレンビニルアルコールコポリマー（ＥＶＯＨ）を含み、５００μｍ未満、場合によるとさらには３００μｍ未満の厚さを有することが可能である。
円柱状の本体は、第１の開放末端の反対に第２の開放末端を有することが可能であると共に周縁接続タブを含むことも可能であり、本方法は、さらなるステップ：
・ 円柱状の本体の第２の開放末端の断面に実質的に対応する断面を備えるベースを有すると共に、周縁接続タブを有するさらなるポリマー材料製のドーム状末端キャップを提供するステップと、
・ 両方の接続タブが相互に接触するよう、さらなる末端キャップを、そのベースで円柱状の本体の第２の開放末端上に配置するステップと、
・ 両方の接続タブを一緒に溶接することにより、さらなる末端キャップを円柱状の本体の第２の開放末端上に溶接するステップと、
を含むことが可能である。
本発明は、上記の方法により製造されたインナーライナおよびこのようなインナーライナを含む貯蔵タンクにさらに関する。
この上述のインナーライナは、実際には、一般に、外側シェルと組み合わされて貯蔵タンクを提供する。外側シェルの性質は、少なくとも１０ｂａｒの圧力を内封するに好適な任意の構造である。これは、金属製の構造またはより好ましくは、ライナの外側に巻回された炭素繊維フィラメント複合体の形態を備えていることが可能であり、次いで、好ましくは、より耐衝撃性材料の層で巻回されている。好ましくは、ライナおよび外側シェルは相互に同軸方向に隣接し、インナーライナ上の外側シェルの機械的制約の他に、これらの２つは、接続されておらず、異なる速度で膨張および収縮する。
上記に既述のとおり、タンク（ライナ）の少なくとも１つの末端キャップには、付属品（例えばバルブ）の貯蔵タンクへの接続を可能にする接続部分（連通ボス）が設けられている。この部品は、好ましくは、金属製の部品である。この部品は、ライナが射出成形されている場合には、ライナの末端キャップと共にオーバーモールドされていてもよい。あるいは、この部品は、ライナの周りに炭素フィラメント複合体を巻付ける前にライナの末端キャップの頂部に配設される個別の部品であり得る。この実施形態は、末端キャップが熱成形により得られる場合に特に好ましい。この場合、ライナの末端キャップの外表面および接続部分の下方表面には、繊維複合体層を巻付ける間の接続部分の回転を防止する対応するリリーフ（例えば：溝および突条部）が設けられていることが好ましい。
最後に、本発明はまた、水素を貯蔵するための上述のタンクの使用に関する。
本発明のさらなる態様は、好ましい実施形態の詳細な説明を参照することにより明らかになり得る。
図面は、本明細書の不可欠な部分を構成し、本明細書と併せて読まれるべきである。発明の詳細な説明は、本発明の１つの好ましい実施形態の非限定的な説明である。
本発明の原理に従って製造された高分子インナーライナの上部断面の概略図である。 本発明の第１の態様によるインナーライナの切断図である。 本発明の第２の態様によるインナーライナの切断図である。 本発明の第３の態様によるインナーライナの切断図である。 本発明の好ましい実施形態による金属製の連通ボス、および本発明によるタンクに収容されている様式の詳細図である。
図１を参照すると、高分子インナーライナの上部断面の全体が１０で示されており、その一端が図１に示されている円柱状の本体１２、およびドーム状末端キャップ１４を含む。
円柱状の本体１２は、第１の開放末端１６を含むと共に第１の周縁接続タブ１８を含む。
末端キャップ１４はベースおよび頂部を有し、ここで、ベースは第２の開放末端１９を有すると共に頂部は貯蔵タンクの内側チャンバと貯蔵タンクの外部との間に接続部を形成するための接続用開口部２０を有する。末端キャップ１４は、そのベースに、第２の周縁接続タブ２２を有する。
周縁接続タブ１８、２２は、末端キャップ１４が円柱状の本体１２の一端上におかれたときに、周縁接続タブ１８、２２は位置合わせされていて溶接により接続されることが可能であるように配置されている。一旦一緒に溶接されると、円柱状の本体１２および末端キャップ１４は、圧縮ガスを貯蔵することが可能である内側チャンバ２４を形成する。
周縁接続タブ１８、２２のために、円柱状の本体１２と末端キャップ１４との間の接続でのインナーライナ１０を介するガス漏出のリスクは低減される。
図２に示されるインナーライナ１０は、第１および第２の構造層２８、２８’の間に挟まれたバリア層２６を有し、接着性層３０、３０’が、このバリア層２６と構造層２８、２８’との間に配置されている。図３に示されるインナーライナ１０は、接着性層３０を介して構造層２８に接続されているバリア層２６を含む。図４に示されるインナーライナ１０は、構造層２８に直接的に接続されたバリア層２６を含む。
構造層２８、２８’はＰＥ製であることが可能であると共に、１〜８ｍｍの範囲の厚さを有することが可能である。例えば構造層用に用いられることが可能である他の材料はＰＡである。バリア層２６はＥＶＯＨ製であることが可能であると共に、５０〜５００μｍの範囲の厚さを有することが可能である。接着性層３０、３０’は５０〜５００μｍの範囲の厚さを有することが可能である。接着性層３０、３０’は、例えば上記ＰＥ／ＥＶＯＨ構成用の接着剤変性ＬＤＰＥなどの、構造層およびバリア層の両方に接着性の任意の材料製のものであることが可能である。インナーライナ１０の全厚は、２〜１７ｍｍの範囲内である。
図１に戻ると、末端キャップ１４の頂部における接続用開口部２０は、概略的に示されおよび一般に符号３２によって示される金属製の連通ボスと一緒に、貯蔵タンクの内部とその外部との間に連通流路を形成する。一般に、バルブ（図示せず）がこの連通流路内に設置される。連通流路を通って、圧縮ガスが貯蔵タンク内に供給されると共にそこから放出されることが可能である。
図５は、ライナの末端キャップ１４上の関連する突条部（図示せず）と係合する溝４１を有する金属製の連通ボス４０を示す。これらの溝４１は、複合体繊維外側シェル４２がライナの周囲に巻かれるときに前記ボス４０が回転することを防止し、それ故、巻回中に前記ボス４０を末端キャップ１４の上部に単に載置（固定されること無く）させる。
本発明の原理を例示するために、特定の実施形態が示され、詳細に記載されてきたが、本発明は、このような原理から逸脱することなく他にも実施され得ることが理解されるであろう。例えば、当業者は、特許請求の範囲に記載の本発明の思想および範囲から逸脱することなく、上記の考察および添付の図面および特許請求の範囲から、種々の変更、改良および変形をなすことが可能であることを容易に認識するであろう。
１０ 高分子インナーライナ
１２ 円柱状の本体
１４ ドーム状末端キャップ
１６ 第１の開放末端
１８ 第１の周縁接続タブ
１９ 第２の開放末端
２０ 接続用開口部
２２ 第２の周縁接続タブ
２４ 内側チャンバ
２６ バリア層
２８ 第１の構造層
２８’ 第２の構造層
３０，３０’ 接着性層
３２ 金属製の連通ボスの概略図
４０ 金属製の連通ボスの詳細
４１ 前記ボス上の溝
４２ 外側シェル
本発明の好ましい実施形態による金属製の連通ボス、および本発明によるタ ンクに収容されている様式の詳細図である。

Claims (10)

  1. 特に水素貯蔵タンクといった貯蔵タンク用の高分子インナーライナを製造する方法であって、
    ・ 構造層およびバリア層を含むポリマー材料製の円柱状の本体であって、第１の開放末端および前記開放末端での第１の周縁接続タブを有する円柱状の本体を提供するステップと、
    ・ 前記円柱状の本体の第１の開放末端の断面に実質的に相当する断面を備えるベースを有すると共に、その周縁末端部分で第２の周縁接続タブを有する、ポリマー材料製のドーム状末端キャップを提供するステップと、
    ・ 前記第１および第２の周縁タブが相互に接触するよう、前記末端キャップを、そのベースで前記円柱状の本体の第１の開放末端上に配置するステップと、
    ・ 両方の接続タブを一緒に溶接するステップと、
    を含む方法。
  2. 前記溶接タブが、前記円柱状の本体の外表面および前記末端キャップの外表面が一緒に溶接されるよう、内方に屈曲している、請求項１に記載の方法。
  3. 前記溶接タブが、前記ライナの壁厚を超えるが前記ライナの壁厚の５倍以下の長さを有する、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記円柱状の本体が吹込成形によって形成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記末端キャップが、タンク機能に必要な付属品上に成形され、または既存の部品を熱成形すること、およびこのような付属品（またはそのための接続部分）をこれらの熱成形部品上に固定することにより得られる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記バリア層が、エチレンビニルアルコールコポリマー（ＥＶＯＨ）を含み、５００μｍ未満の厚さを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法により得られるライナを用いて貯蔵タンクを製造する方法であって、炭素繊維フィラメント複合体が、前記ライナの外側の周りに巻回されて、外側シェルの少なくとも一部が形成される方法。
  8. 前記ライナおよび前記外側シェルは、相互に同軸方向に隣接し、これらの２つは、異なる速度で膨張および収縮可能であるよう接続されていない、請求項７に記載の方法。
  9. 前記タンクには付属品（例えばバルブ）の前記タンクへの接続を可能にする接続部分が設けられており、
    この接続部分は、その周りに前記炭素フィラメント複合体を巻付ける前に前記ライナの末端キャップの頂部に配設される個別の部品であり、かつ前記ライナの末端キャップの外表面および前記接続部分の下方表面に、前記繊維複合体を巻付ける間の前記接続部分の回転を防止する対応するリリーフが設けられている、請求項７または８に記載の方法。
  10. 請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法により得られる貯蔵タンクの、水素を貯蔵するための使用。
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