JP2018135970A - 圧力容器 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧力容器の内部空間からの放熱を促進すること。
【解決手段】内部空間Ｓに充填された水素が保持する熱は、露出面１２３において、金属部１２に伝導する。金属部１２に伝導した熱は、接触面１２１を介して、突起部３３に伝導する。突起部３３に伝導した熱は、円筒部３６に伝導するか、バルブ５０に伝導する。円筒部３６に伝導した熱は、円筒部３６のうち外部に露出した面から外部に放出される。バルブ５０に伝導した熱は、バルブ５０のうち、外部に露出した面から外部に放出される。上記に説明した経路は、全て金属製の部材によって構成されている。
【選択図】図２

Description

本開示は、圧力容器に関する。
特許文献１は、圧力容器にインサートリングを設ける手法を開示している。特許文献１におけるインサートリングは、口金の突起部の周囲に形成されたライナに埋め込まれている。口金の突起部とは、口金の一部であり、内部空間に形成された円筒状の部位である。
特開２０１１−０８５２３０号公報
上記先行技術文献では、圧力容器の内部空間の熱を外部に放出することについては、十分に考慮されていない。圧力容器にガスを充填する際には、ガスの温度が断熱圧縮によって上昇するので、内部空間からの放熱が促進されることが好ましい。本開示は、上記を踏まえ、圧力容器の内部空間から、圧力容器の外部への放熱の促進を解決課題とする。
本開示の一形態は、樹脂製の部位である樹脂部と、金属製の部位である金属部とを含む複合材料によって構成され、流体を貯蔵するための内部空間を形成するライナと；前記ライナの端部に取り付けられ、外部に露出した部位を含む金属製の口金とを備え；前記金属部は、前記口金に接触する部位と、前記内部空間において露出する部位とを含む圧力容器である。この形態によれば、圧力容器の内部空間から、圧力容器の外部への放熱が促進される。金属部は、金属製であるため熱伝導率が高く、内部空間から口金への効率的な伝熱経路として機能するからである。
上記形態において、前記口金が取り付けられた端部とは反対側の端部において、前記ライナに取り付けられたエンドボスを更に備え；前記口金は、前記内部空間において前記エンドボスに向かって突き出る突起部を備え；前記樹脂部は、前記突起部の外周面に接触する外周面接触部を備え；前記金属部は、前記外周面接触部に対して、径方向の外側から覆い被さり接触する被覆部を備えてもよい。この形態によれば、樹脂製の外周面接触部が、金属製の突起部と被覆部とに挟まれるので、外周面接触部の形状が安定する。
上記形態において、前記口金は、外部に向けて開口する開口部を有する円筒部と、前記円筒部に接続され、径方向に張り出すフランジとを備え；前記金属部は、前記フランジと対面する部分において、前記内部空間において露出する部位を有してもよい。この形態によれば、内部空間において露出する金属部の面積が大きくなるので、内部空間に貯蔵された流体から金属部への伝熱が促進される。ひいては、圧力容器の内部空間から、圧力容器の外部への放熱が促進される。
本開示は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、上記圧力容器の製造方法等の形態で実現できる。
圧力容器の部分断面図。 口金付近を拡大した断面図。 突起部付近を拡大した断面図。
図１は、圧力容器１００の部分断面図である。圧力容器１００は、高圧の流体を貯蔵する。本実施形態における圧力容器１００は、高圧の水素を貯蔵する。圧力容器１００は、燃料電池車に搭載される。
圧力容器１００は、ライナ１０と、補強層２０と、口金３０と、エンドボス４０と、バルブ５０と、を備える。ライナ１０、補強層２０、口金３０及びエンドボス４０のそれぞれは、概ね、軸線Ｏを中心とする回転対称に形成されている。ライナ１０は、口金３０及びエンドボス４０と共に、流体を貯蔵するための内部空間Ｓを形成する。
ライナ１０は、複合材料によって構成される。具体的には、ライナ１０は、金属と樹脂との複合材料によって形成される。詳細には、ライナ１０は、ステンレス鋼とナイロンとの複合材料によって形成される。ライナ１０を構成するステンレス鋼の部位を、金属部１２という。ライナ１０を構成するナイロンの部位を、樹脂部１４という。金属部１２と樹脂部１４とについては、図２と共に詳述する。
ライナ１０は、軸線Ｏ方向に延びる形状を有し、円筒状に形成された部位の両側に、端部に近づくほど径が小さくなる部位を備えている。ライナ１０は、上記各端部において、開口部を有する。一方の開口部には口金３０が取り付けられ、他方にはエンドボス４０が取り付けられている。以下、軸線Ｏ方向の口金３０側を先端側、エンドボス４０側を後端側という。ライナ１０及び口金３０は、圧入によって接合される。
口金３０は、金属製である。詳細には、口金３０は、アルミニウム製である。口金３０は、突起部３３と、円筒部３６と、フランジ３８と、を備える。円筒部３６は、略円筒状の部位である。円筒部３６の一部は、外部に露出している。
フランジ３８は、円筒部３６に接続され、径方向に張り出す鍔状の部位である。径方向は、軸線Ｏ方向と直交する方向である。突起部３３は、フランジ３８に接続され、後端側に向かって突出した略円筒状の部位である。後端側に向かって突出することは、バルブ５０から遠ざかる向きに突出すること、と言い換えてもよい。
口金３０は、内部空間Ｓの熱が外部に放出されることを促進する。この放熱を促進する機能は、口金３０の材料であるアルミニウムの熱伝導率が、樹脂部１４の材料であるナイロン、及び補強層２０の材料であるＣＦＲＰ（後述）の熱伝導率よりも高いことによって発揮される。
エンドボス４０は、金属製である。詳細には、エンドボス４０は、アルミニウム製である。エンドボス４０は、口金３０同様、内部空間Ｓの熱が外部に放出されることを促進する。
補強層２０は、繊維強化プラスチック製である。詳細には、補強層２０は、ＣＦＲＰ製である。ＣＦＲＰは、Carbon Fiber Reinforced Plasticsの頭字語である。補強層２０は、ライナ１０の外表面を覆うように形成されている。補強層２０は、ライナ１０を補強して圧力容器１００の強度を向上させる。
バルブ５０は、金属製である。詳細には、バルブ５０は、アルミニウム製である。バルブ５０は、口金３０の開口部に取り付けられる。口金３０の開口部は、円筒部３６の開口部である。バルブ５０を開くことによって、内部空間Ｓに水素を供給したり、内部空間Ｓに貯蔵された水素を外部に供給したりすることができる。バルブ５０を閉じることによって、内部空間Ｓを密閉することができる。
バルブ５０の一部は、口金３０の円筒部３６内に挿入されている。バルブ５０内の流路の一端は、内部空間Ｓにおいて開口している。
図２は、口金３０付近を拡大した断面図である。口金３０の一部は、ライナ１０に接触している。具体的には、フランジ３８の一部は樹脂部１４に接触しており、突起部３３の外周面は金属部１２及び樹脂部１４に接触している。
図２に示すように、突起部３３の外周面と、樹脂部１４との内周面との間に、Ｏリング６０及びバックアップリング６２が配置されている。Ｏリング６０及びバックアップリング６２は、ライナ１０と口金３０との間の気密性を向上させるための部材である。
突起部３３の外周面のうち、金属部１２に接触する部位は、Ｏリング６０よりも後端側に位置する。突起部３３の外周面のうち、樹脂部１４に接触する部位は、Ｏリング６０に接触する部位と、Ｏリング６０に接触する部位よりも先端側の部位とを含む。
樹脂部１４を形成するナイロンは、フランジ３８を形成するアルミニウムと密着性が良い。このため、ライナ１０との口金３０との間は、少なくともＯリング６０よりも先端側において、十分な気密性が確保されている。
金属部１２の一部は、先述したように、突起部３３の外周面に接触している。金属部１２の表面のうち、突起部３３の外周面に接触している面を接触面１２１と呼ぶ。
金属部１２の一部は、図２に示すように、内部空間Ｓにおいて露出している。このように、金属部１２の表面のうち内部空間Ｓにおいて露出している面を露出面１２３と呼ぶ。露出面１２３は、フランジ３８に対面する部位と、突起部３３に対面する部位とを含む。フランジ３８に対面する部位とは、フランジ３８の後端側の面と共に、樹脂部１４を挟む部位のことである。突起部３３に対面する部位とは、突起部３３の外周面と共に、樹脂部１４を挟む部位のことである。
なお、突起部３３とフランジ３８との境界は、明確に定まる訳ではない。このため、フランジ３８に対面する部位と、突起部３３に対面する部位との各々の境界は、明確に定まる訳ではない。但し、本実施形態においては、フランジ３８に対面する部位は、突起部３３に対面する部位と境界を有するものとする。つまり、フランジ３８に対面する部位は、突起部３３に対面する部位と連続しているものとする。
図２に示すように、バルブ５０は、口金３０の円筒部３６内に挿入されている円柱状の部分の外周面に、雄ねじが形成されている。また、口金３０の円筒部３６の内周面には、雌ねじが形成されている。これらの雄ねじと雌ねじとが螺合されることにより、バルブ５０が、口金３０の開口部に取り付けられる。
上記した構造を有することによって、内部空間Ｓから外部への放熱が促進される。本実施形態において特徴的な伝熱の経路は次の通りである。
内部空間Ｓに充填された水素が保持する熱は、露出面１２３において、金属部１２に伝導する。金属部１２に伝導した熱は、接触面１２１を介して、突起部３３に伝導する。突起部３３に伝導した熱は、円筒部３６に伝導するか、バルブ５０に伝導する。円筒部３６に伝導した熱は、円筒部３６のうち外部に露出した面から外部に放出される。バルブ５０に伝導した熱は、バルブ５０のうち、外部に露出した面から外部に放出される。
上記に説明した経路は、全て金属製の部材によって構成されている。このため、樹脂部１４や補強層２０を経路に含む放熱に比べ、効率的な放熱が実現される。このため、圧力容器１００に水素を充填する際に、充填に要する時間が短くなったり、冷却するためのエネルギーを少なくしたりすることができる。
本実施形態では、露出面１２３がフランジ３８に対面する部位を有することによって、露出面１２３が突起部３３に対面する部位のみの形態に比べ、露出面１２３の面積が広い。露出面１２３の面積が大きければ、内部空間Ｓに充填された水素から金属部１２への熱伝導が促進される。
図３は、突起部３３付近を拡大した断面図である。外周面接触部１４５は、樹脂部１４の一部である。外周面接触部１４５は、突起部３３の外周面に接触する部位である。なお、先述したように、突起部３３とフランジ３８との境界は、明確に定まる訳ではない。このため、外周面接触部１４５と、樹脂部１４のうちフランジ３８に接触する部位との境界は、明確に定まる訳ではない。図３において示された外周面接触部１４５と、樹脂部１４のうちフランジ３８に接触する部位との境界は、例示である。
被覆部１２５は、金属部１２の一部である。被覆部１２５は、外周面接触部１４５に対して径方向の外側から覆い被さり、外周面接触部１４５に接触する。
被覆部１２５は、外周面接触部１４５の形状を保持する。本実施形態では、外周面接触部１４５が、Ｏリング６０に接触する部位を含むため、上記の被覆部１２５による機能は、圧力容器１００の気密性に大きく貢献している。
さらに、先述したようにライナ１０及び口金３０が圧入によって接合されているため、外周面接触部１４５とＯリング６０との接触部位における気密性は、更に高められている。ライナ１０及び口金３０の圧入を実現するために、圧入前における突起部３３の外径は、圧入前におけるライナ１０の開口部の径よりも大きい。圧入前におけるライナ１０の開口部とは、接触面１２１と、外周面接触部１４５の内周面とによって形成される貫通孔のことである。
本実施形態においては、圧入前の状態として、接触面１２１の内径と、外周面接触部１４５の内径との何れもが、突起部３３の外径よりも小さい。圧入前の状態として外周面接触部１４５の内径が突起部３３の外径よりも小さいことは、圧入後において上記の気密性の向上に貢献する。
圧入前の状態として接触面１２１の内径が突起部３３の外径よりも小さいことは、圧入後において、接触面１２１から突起部３３への効率的な熱伝導、および、ライナ１０と口金３０との安定的な接合に貢献する。
さらに本実施形態においては、圧入前の状態として、被覆部１２５の内径が、突起部３３の外径よりも小さい。圧入前の状態として被覆部１２５の内径が突起部３３の外径よりも小さいことは、圧入後において、上記の気密性、及びライナ１０と口金３０との安定的な接合に更に貢献する。
本開示は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。
ライナを構成する樹脂部の材質は、ナイロン系樹脂（ポリアミド系樹脂）、及びポリエチレン系樹脂等の何れかの合成樹脂でもよい。
ライナを構成する金属部の材質は、ステンレス鋼でなくてもよい。例えば、アルミニウムでもよい。
金属部は、口金の何れかの部位と接触していればよい。例えば、金属部は、突起部およびフランジの両方と接触していてもよいし、フランジのみと接触していてもよい。
金属部の露出面の外端は、フランジの外端よりも径方向内側に位置してもよい。
金属部は、フランジに対面する部位を備えていなくてもよいし、突起部に対面する部位を備えていなくてもよい。
ライナと口金との接合前の状態として、接触面１２１の内径と、外周面接触部１４５の内径との少なくとも何れか一方は、突起部３３の外径より大きくてもよい。
１０…ライナ
１２…金属部
１４…樹脂部
２０…補強層
３０…口金
３３…突起部
３６…円筒部
３８…フランジ
４０…エンドボス
５０…バルブ
６０…Ｏリング
６２…バックアップリング
１００…圧力容器
１２１…接触面
１２３…露出面
１２５…被覆部
１４５…外周面接触部
Ｏ…軸線
Ｓ…内部空間

Claims (3)

  1. 樹脂製の部位である樹脂部と、金属製の部位である金属部とを含む複合材料によって構成され、流体を貯蔵するための内部空間を形成するライナと、
    前記ライナの端部に取り付けられ、外部に露出した部位を含む金属製の口金とを備え、
    前記金属部は、前記口金に接触する部位と、前記内部空間において露出する部位とを含む
    圧力容器。
  2. 前記口金が取り付けられた端部とは反対側の端部において、前記ライナに取り付けられたエンドボスを更に備え、
    前記口金は、前記内部空間において前記エンドボスに向かって突き出る突起部を備え、
    前記樹脂部は、前記突起部の外周面に接触する外周面接触部を備え、
    前記金属部は、前記外周面接触部に対して、径方向の外側から覆い被さり接触する被覆部を備える
    請求項１に記載の圧力容器。
  3. 前記口金は、外部に向けて開口する開口部を有する円筒部と、前記円筒部に接続され、径方向に張り出すフランジとを備え、
    前記金属部は、前記フランジと対面する部分において、前記内部空間において露出する部位を有する
    請求項２に記載の圧力容器。
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