JP2019113121A

JP2019113121A - 高圧水素ガス用蓄圧器

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Publication number: JP2019113121A
Application number: JP2017247618A
Authority: JP
Inventors: 拓史岡野; Takushi Okano; 彰英長尾; Akihide Nagao; 石川　信行; Nobuyuki Ishikawa; 信行石川; 俊夫高野; Toshio Takano; 慎一郎武; Shinichiro Take
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Container Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Container Co Ltd
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: JP6725485B2

Abstract

【課題】ストレート形状の容器と前記容器の両端に設けられた蓋部材とを備えた高圧水素ガス用蓄圧器において、ネジ部における疲労き裂の発生を抑制する。【解決手段】高圧水素ガス用蓄圧器であって、蓄圧部を構成するストレート形状の容器と、前記容器の両端に設けられた蓋部材とを備え、前記蓋部材は、プラグと、ねじ込み式ナットとを備え、前記ねじ込み式ナットは外周面にネジ山を有しており、前記容器は、前記ねじ込み式ナットのネジ山と螺合するネジ山が内周面に設けられたネジ部を両端に有しており、前記ねじ込み式ナットは、前記プラグと接する側の先端に、該先端に行くにつれて該ねじ込み式ナットの外径が縮径するテーパー部を有しており、前記プラグは、前記ねじ込み式ナットと接する側の面に凹部を有しており、前記ねじ込み式ナットのテーパー部と前記プラグの凹部とが当接している、高圧水素ガス用蓄圧器。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧水素ガス用蓄圧器に関するものである。

ＣＯ₂排出問題を解決すると共に、エネルギー問題を解決可能な燃料電池自動車は、今後の新たな自動車として期待されている。この燃料電池自動車に水素を供給するための水素ステーションには、８０ＭＰａ以上の圧力で水素を蓄圧する蓄圧器と呼ばれる圧力容器が設置されている。

このような高圧水素ガス用蓄圧器には、大きく２種類の形状がある。一つは管の端部に絞り加工を施して鏡部を作製したボンベ型蓄圧器、もう一つはストレートな管の両端に蓋をしたストレート型蓄圧器である。

ボンベ型蓄圧器は、ガスの出口に向けて容器内の断面積が減少する形状となっており、口金部は径の小さなネジ構造の留め金で封止される。この場合、口金のネジ部にかかる応力は低減されるため、圧力の封止に関する問題はない。しかし、ボンベ型蓄圧器には、以下のような問題があった。

（１）絞り加工を行うことによって内面にしわが発生し、そのしわを起点に疲労破壊が発生する懸念がある。また、耐圧性能を向上させるために素材の肉厚を増加させた場合、そもそも絞り加工を行うことが困難となる。

（２）水素ステーション用などの高圧水素ガス用蓄圧器では、使用開始後に定期的に内面検査を行う必要があるが、ボンベ型蓄圧器では管の開口部が小さく蓄圧器の内面検査が困難である。

（３）鋼製容器を備える蓄圧器を作製する場合には、通常、鋼製容器に熱処理が施されるが、ボンベ型蓄圧器の場合、鋼製容器内部への冷却水の導入および排出に時間がかかるため、熱処理時の冷却速度が遅くなり、鋼組織のばらつきが大きくなる。また、熱処理によって鋼製容器の内部表面に生成するスケールや脱炭層を除去することが困難であるため、内面を熱処理ままの状態で用いることとなる。その結果、鋼製容器の疲労特性が劣化する。

そこで、上記のような問題を回避するために、ストレート型の蓄圧器を用いることが考えられる。ストレートな管の両端に蓋をした構造であれば、管の開口部が大きいため、熱処理時の冷却が容易になり、鋼材の組織を精密に制御することができる。そのため、ストレート型蓄圧器ではボンベ型蓄圧器に比べて疲労特性を向上させることができる。また、熱処理後に管の外面だけでなく内面を機械加工することができるため、熱処理時に生成する脱炭層やスケールの除去や内面粗度の管理を容易に行うことができる。さらに、検査時に蓋をあけることで内面疵の詳細な検査が可能となる。

このようなストレート型の高圧水素ガス用蓄圧器としては、例えば、特許文献１、２に記載されたものが提案されている。

特開２０１６−０８９８９１号公報特開２０１５−１５８２４３号公報

上記のようなストレート型の高圧水素ガス用蓄圧器では容器の断面積がほぼ一定であるため、内部の圧力はすべて両端部に設けられた蓋で受圧される。したがって、ストレート型の高圧水素ガス用蓄圧器の蓋構造には、極めて高い圧力がかかる。そして、前記蓋は、管の内周面に設けられたネジ山と蓋部材の外周面に設けられたネジ山とを螺合させることによって固定されるため、ストレート型蓄圧器においてはボンベ型にはないネジ部からの疲労破壊を考慮した設計が必要となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ストレート形状の容器と前記容器の両端に設けられた蓋部材とを備えた高圧水素ガス用蓄圧器において、ネジ部における疲労き裂の発生を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために検討を行った結果、本発明者等は次の設計思想を見出した。

（１）蓋部材をプラグとねじ込み式ナットによって構成することにより、前記プラグにシール機能を、前記ねじ込み式ナットに固定機能を分担させることができる。

（２）ネジにかかる応力は、設けられた複数のネジに均一に掛かるわけでは無く、始めの数個のネジ底に集中して負荷され、特に第一ネジ底にかかる応力が高くなる。ネジの疲労破壊は最も応力の高いネジ底から発生するため、できるだけ多くのネジ底に応力を分散することができれば、ネジの疲労破壊を抑制することができる。また、ネジ以外の構造へ荷重を分担させることができれば、ネジにかかる負担をさらに低減し、ネジの疲労破壊を一層抑制することができる。

（３）ねじ込み式ナットの一方の先端にテーパー部を設け、プラグの一方の面に凹部を設け、前記テーパー部と前記凹部とを当接させる構造とすることにより、複数のネジ底にかかる負荷を均一化し、さらにプラグにも応力を分担させることが可能となる。これにより、ネジ部における疲労き裂の発生を効果的に抑制することが可能となる。

本発明は前記設計思想に立脚するものであり、その要旨構成は次のとおりである。

１．高圧水素ガス用蓄圧器であって、
蓄圧部を構成するストレート形状の容器と、
前記容器の両端に設けられた蓋部材とを備え、
前記蓋部材は、プラグと、ねじ込み式ナットとを備え、
前記ねじ込み式ナットは外周面にネジ山を有しており、
前記容器は、前記ねじ込み式ナットのネジ山と螺合するネジ山が内周面に設けられたネジ部を両端に有しており、
前記ねじ込み式ナットは、前記プラグと接する側の先端に、該先端に行くにつれて該ねじ込み式ナットの外径が縮径するテーパー部を有しており、
前記プラグは、前記ねじ込み式ナットと接する側の面に凹部を有しており、
前記ねじ込み式ナットのテーパー部と前記プラグの凹部とが当接している、高圧水素ガス用蓄圧器。

２．前記プラグの凹部が、
前記容器の中心軸に垂直である底面と、
前記ねじ込み式ナットのテーパー部と接する斜面部とからなり、
前記ねじ込み式ナットの先端と前記底面との間に間隙が設けられている、上記１に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。

３．前記容器の中心軸に対する前記テーパー部の傾斜角が、１５°以上、７５°以下である、上記１または２に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。

４．前記容器の外周面に炭素繊維強化樹脂層を有する、上記１〜３のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。

５．前記炭素繊維強化樹脂層が、該炭素繊維強化樹脂層の厚さが一定である定常部を有しており、
前記定常部が前記容器のネジ部を覆っていない、上記４に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。

６．前記容器および前記蓋部材のいずれか一方または両方に、疲労き裂を検知するセンサーを備える、上記１〜５のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。

本発明の高圧水素ガス用蓄圧器によれば、ネジ部にかかる応力を低減し、該ネジ部における疲労き裂の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態における蓋部材の構造を示す断面模式図である。本発明の他の実施形態における蓋部材の構造を示す断面模式図である。本発明の第１の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器の構造を示す断面模式図である。本発明の第２の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器の構造を示す断面模式図である。本発明の第３の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器の構造を示す断面模式図である。発明例（Ｎｏ．６）および比較例（Ｎｏ．８）におけるネジ底応力の解析結果を示すグラフである。

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な実施態様を示すものであり、本発明は以下の説明によって何ら限定されるものではない。

［高圧水素ガス用蓄圧器］
本発明の蓄圧器は高圧水素ガス用蓄圧器であり、容器と、前記容器の両端に設けられた蓋部材とを備えている。前記高圧水素ガス用蓄圧器は、例えば、水素ステーション用蓄圧器として用いることができるが、それに限定されることなく、任意の用途で用いることができる。

本発明の高圧水素ガス用蓄圧器は、前記容器の表面の少なくとも一部に後述する炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）層を有していてもよい。より具体的には、一般的に蓄圧器は以下の４種類に大別されるが、本発明の高圧水素ガス用蓄圧器はタイプ１もしくは２のいずれかタイプとすることができる。
・タイプ１：金属製容器からなる蓄圧器。
・タイプ２：金属製容器（ライナ）＋ＣＦＲＰ（フープラップ）。
・タイプ３：金属製容器（ライナ）＋ＣＦＲＰ（フルラップ）。
・タイプ４：樹脂製容器（ライナ）＋ＣＦＲＰ（フルラップ）。

［容器］
上記容器としては、ストレート形状のものを用いる。ここで「ストレート形状」とは、長手方向に垂直な面における断面積が、後述するネジ部を除いて略一定である、円筒状の形状を指すものとする。前記容器の両端は、後述する蓋部材により封止される。そのため、前記容器両端部の内周面には、蓋部材のネジ山と螺合するネジ山が設けられている。前記容器の両端におけるネジ山が設けられた部分を、以下、「ネジ部」という。

上記容器の材質としては、特に限定されることなく任意の材料を用いることができる。しかし、強度の観点からは、前記容器として、金属製容器を用いることが好ましい。前記金属としては、任意のものを用いることができるが、鋼またはアルミニウム合金を用いることが好ましい。

前記鋼としては、低コスト化の観点からは低合金鋼を用いることが好ましい。前記低合金鋼としては、特に、クロムモリブデン鋼ＪＩＳＳＣＭｓｔｅｅｌ、ニッケルクロムモリブデン鋼ＪＩＳＳＮＣＭｓｔｅｅｌもしくはＡＳＭＥＳＡ７２３、マンガンクロム鋼ＪＩＳＳＭｎＣｓｔｅｅｌ、マンガン鋼ＪＩＳＳＭｎｓｔｅｅｌ、およびボロン添加鋼Ｎ２８ＣＢ、Ｎ３６ＣＢ、Ｎ４６ＣＢのうちいずれか１つを用いることが好ましい。中でも、材料強度との両立の観点からは、焼き入れ性を確保しやすいクロムモリブデン鋼もしくはクロムモリブデンニッケル鋼を用いることがより好ましい。例えば、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）は、Ｃ：０．３３〜０．３８質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．２０質量％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０質量％である。

前記アルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を用いることが好ましく、中でもＡ６０６１を用いることがより好ましい。

前記容器が鋼製容器であり、かつ、蓄圧器に水素を収容する際には、素材の水素脆化を考慮する必要がある。水素脆化の観点からは、鋼製容器の引張強さＴＳを１１００ＭＰａ以下とすることが好ましく、９５０ＭＰａ以下とすることがより好ましい。

上記容器としては、特に限定されず、任意の方法で製造されたものを用いることができる。例えば、素材の内部をくり抜いて容器としたものであってもよく、管を加工したものであってもよい。また、鋼材を容器として使用する場合は、電縫溶接鋼管やシームレス鋼管など、任意のものを用いることができるが、中でもシームレス鋼管からなる鋼製容器を用いることが好ましい。シームレス鋼管からなる鋼製容器は、くり抜きによって製造される鋼製容器に比べて靭性などの特性に優れることに加え、溶接部もないため、高圧水素ガス用蓄圧器の容器として極めて好適である。

上記容器の肉厚は特に限定されず、任意の厚みとすることができる。しかし、超高圧にも耐えうる高い強度を実現するという観点からは、容器の肉厚を１０ｍｍ以上とすることが好ましく、２０ｍｍ以上とすることがより好ましい。一方、容器が過度に厚いと、熱処理による焼入れ性が低下するおそれがある。そのため、容器の肉厚は２００ｍｍ以下とすることが好ましく、１３０ｍｍ以下とすることが好ましい。

なお、容器の外周面に炭素繊維強化樹脂層を有さない場合には、容器の肉厚を３０ｍｍ以上とすることがより好ましく、４０ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。

前記容器の表面は、機械加工されていることが好ましい。例えば、鋼製容器の場合、表面を機械加工することにより、熱処理時に表面に生じた脱炭層を除去することができる。また、機械加工によって表面を所望の粗度に仕上げることができる。切削仕上げ、研磨仕上げ、または鏡面仕上げとすることが好ましく、研磨仕上げまたは鏡面仕上げとすることがより好ましい。前記機械加工は、容器の内面および外面のいずれか一方または両方に施すことができる。前記機械加工としては、例えば、切削、研削など、任意の加工方法を、単独でまたは２種以上組み合わせて用いることができる。

［蓋部材］
容器の両端は、蓋部材によって封止される。図１は、本発明の一実施形態における蓋部材の構造を示す模式図であり、容器１０の中心軸Ａを通る断面における、高圧水素ガス用蓄圧器の一方の端部の構造を示したものである。容器１０は、内部に蓄圧部１１を有するストレート形状（略円筒状）の容器であり、端部内周面にはネジ部１２を備えている。

前記容器１０の端部には、プラグ２０とねじ込み式ナット３０とを備える蓋部材４０が設けられている。このように、蓋部材４０をプラグ２０とねじ込み式ナット３０によって構成することにより、プラグ２０にシール機能を、ねじ込み式ナット３０に固定機能を、それぞれ分担させることができる。

［プラグ］
プラグ２０は、対向する１対の面を備える略円盤状の部材である。前記プラグの一方の面は容器１０の蓄圧部１１に面しており、前記一方の面に容器内部の高圧ガスの圧力がかかる。なお、ここで「蓄圧部」とは、容器内部における、高圧水素ガスが貯蔵される空間を指すものとする。

一方、プラグ２０の他方の面、すなわち、ねじ込み式ナット３０と接する側の面には凹部２１が設けられている。凹部２１の形状は、後述するねじ込み式ナットのテーパー部と当接することができるものであれば、任意の形状とできる。図１は、凹部２１が円錐台形の場合を図示したものであり、凹部２１は傾斜部２２と底面２３とで構成されている。凹部２１の形状は例えば、図２（ａ）に示すように底面を有しない円錐形とすることもできる。また、図２（ｂ）に示すように凹部２１を曲面で構成することもできる。しかし、加工の容易さなどの観点からは、凹部２１を円錐形または円錐台形とすることが好ましい。

プラグ２０の外周面（周側面）と容器１０の内周面との間には、気密性を確保するためのシール部材（図示されない）を備えることが好ましい。前記シール部材としては、例えば、Ｏリングなどを用いることができる。プラグ２０の周側面には、前記シール部材を設置するための切り欠きまたは溝を設けることが好ましい。

プラグ２０は、その外周面にネジ山を備えてもよい。しかし、本発明の蓋部材においてはねじ込み式ナットによって前記プラグを支持、固定することができるため、前記プラグはネジ山を備えなくてもよい。

プラグの厚さは特に限定されず、任意の値とすることができる。しかし、プラグが過度に薄いと、蓄圧器内部に高圧水素ガスを充填し、プラグに圧力がかかった際に、該プラグが変形してしまうおそれがあるため、プラグの厚さは２０ｍｍ以上とすることが好ましい。一方、プラグ厚さを増せばプラグの強度は向上するが、蓄圧器の重量増加を招く。そのため、プラグの厚さは３００ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、ここでプラグの厚さとは、プラグの最大厚さ、すなわち、容器の中心軸方向における最大厚さを指すものとする。

上記凹部は、その寸法によらず応力分散効果を奏するため、特に寸法は限定されない。しかしながら、過度に凹部が浅いと、ねじ込み式ナットのテーパー部との接触面積が小さくなりすぎ、応力が集中してしまうおそれや、テーパー部と凹部との係合が不確実となるおそれがある。そのため、凹部の深さ（最大深さ）は５ｍｍ以上とすることが好ましく、１０ｍｍ以上とすることが好ましい。一方、過度に凹部が深くなると、凹部が形成されている部分におけるプラグの厚さが不十分となり、プラグの強度が低下する。そのため、凹部の深さは、プラグの厚さの０．５倍以下とすることが好ましく、０．３倍以下とすることが好ましい。

［ねじ込み式ナット］
ねじ込み式ナット３０は、プラグ２０を支持、固定するための部材であり、その外周面にネジ山を有している。前記ネジ山が、前記容器のネジ部１２に設けられたネジ山と螺合することによって蓋部材４０が容器１０に固定される。

ねじ込み式ナット３０は、図１に示すように中空の部材であってもよいが、図２（ａ）に示すように中実の部材であってもよい。例えば、ねじ込み式ナットが中空である場合、該ねじ込み式ナットを略円筒状とすることができる。また、ねじ込み式ナットが中実である場合、該ねじ込み式ナットを略円柱状とすることができる。ただし、円柱状と円筒状の何れの場合にも、ねじ込み式ナットの一方の端部には後述するようにテーパー部３１が形成される。

ねじ込み式ナット３０は、プラグ２０と接する側の先端に、該先端に行くにつれて該ねじ込み式ナット３０の外径が縮径するテーパー部３１を有している。そして、テーパー部３１が、上述したプラグ２０の凹部２１と嵌合し、その結果、ねじ込み式ナット３０のテーパー部３１と、プラグ２０の傾斜部２２とが当接する。言い換えると、ねじ込み式ナット３０のテーパー部３１とプラグ２０の凹部２１とは、互いに当接し得るように対応する形状を有している。図１に示した例では、ねじ込み式ナット３０の先端は円錐台形であるが、図２（ａ）に示すように円錐形であってもよく、また、図２（ｂ）に示すようにねじ込み式ナット３０の先端を曲面で構成することもできる。

蓋部材が上記構造を備えることにより、次のような効果が得られる。

（Ａ）プラグが凹部を有しておらず、ねじ込み式ナットがテーパー部を有していない場合、該プラグとねじ込み式ナットとは、容器の中心軸（長手方向）と垂直な平面で直接接触する。その結果、プラグが容器内のガスからプラグを介して伝わった応力はすべて、前記ねじ込み式ナットに対して容器の中心軸と平行な方向にかかる。これに対して上記構造では、前記テーパー部の傾斜面でねじ込み式ナットとプラグとが接触するため、該ねじ込み式ナットには、容器の中心軸に対して斜め方向に力がかかる。そして、前記力のうち、容器の中心軸と垂直な方向の成分に対する反力が、プラグにかかる。したがって、前記プラグを凹部の内側から外側（容器側）へ向かって反力が作用することとなり、その結果、蓋部材に係る応力の一部をプラグに分担させることが可能となる。

（Ｂ）一般的なネジにおいては、ネジにかかる応力は始めの数個のネジ底に集中して負荷され、特に第一ネジ底にかかる応力が高くなる。これに対して上記構造では、ねじ込み式ナットに、容器の中心軸に対して斜め方向に力がかかるため、ねじ込み式ナットのプラグ側先端がわずかではあるが容器の中心軸へ向かって座屈する。その結果、前記先端に近いネジ底に係る応力が低減され、結果的にすべてのネジ底に応力を均等に分担させることが可能となる。

プラグ２０の凹部２１が、容器１０の中心軸Ａに垂直である底面２３を有している場合、ねじ込み式ナット３０の先端と底面２３との間に間隙４１が設けられていることが好ましい。このように間隙４１を設けることにより、ねじ込み式ナット３０の先端と底面２３とが直接接触しない構造となり、ねじ込み式ナット３０に対して、容器１０の中心軸Ａと平行な方向に直接力がかかることを防止できる。そしてその結果、ネジ底にかかる応力をさらに分散させることができる。

前記間隙の寸法は特に限定されないが、ねじ込み式ナット３０の先端と底面２３との接触を確実に防止するという観点からは、間隙の大きさ（ねじ込み式ナット３０の先端と底面２３との距離）を１ｍｍ以上とすることが好ましい。

・傾斜角θ
容器１０の中心軸Ａに対するテーパー部３１の傾斜角θは、特に限定されることなく任意の角度とすることができる。すなわち、傾斜角θは、０°超、９０°未満であればよい。傾斜角θが０°に近づくほど、プラグ２０により多くの応力を分担させることができるが、プラグ２０に過度の応力がかかるとプラグ２０が破損する場合もある。そのため、傾斜角θは１５°以上とすることが好ましく、２５°以上とすることがより好ましい。一方、傾斜角θが９０°に近づくほどネジ底にかかる応力の均一化効果が減少するため、傾斜角θは７５°以下とすることが好ましく、６０°以下とすることがより好ましい。なお、プラグ２０の凹部２１は、凹部２１がテーパー部３１と当接するように、対応する傾斜角を有している。図１に示した場合では、容器１０の中心軸Ａに対する凹部２１の傾斜部２２の傾斜角が、テーパー部３１の傾斜角θに等しい。

・ねじ込み式ナットの肉厚：ｔ₁
ねじ込み式ナット３０が、図１に示したように円筒状である場合、その肉厚：ｔ₁は特に限定されず、任意の値とすることができる。しかし、ｔ₁を小さくすれば、ねじ込み式ナット３０の剛性が低下し、その結果、ねじ込み式ナットの座屈による上記（Ｂ）の効果をより高めることができる。そのため、容器１０の肉厚：ｔ₀に対するねじ込み式ナットの肉厚：ｔ₁の比ｔ₁／ｔ₀を、２．０以下とすることが好ましく、１．５以下とすることがより好ましい。一方、ｔ１を過度に小さくすると、ねじ込み式ナットによってプラグを支えることが困難となる場合がある。そのため、ｔ₁／ｔ₀は、０．５以上とすることが好ましく、０．８以上とすることがより好ましい。

・プラグとねじ込み式ナットが接触する面積
プラグとねじ込み式ナットが接触する面積が極端に少ない場合は、そこに応力が集中し破壊起点となる懸念がある。そのため、プラグとねじ込み式ナットが接触する部分の面積は、凹部の傾斜部の面積の１０％以上とすることが好ましく、３０％以上とすることがより好ましい。

・貫通孔
容器の両端に設置されている蓋部材のうち、少なくとも一方にはガスを出し入れするための貫通孔を設けることが好ましい。前記貫通孔は、通常はプラグに設ければよい。前記貫通孔は、一方のプラグにのみ設けることもできるが、両方のプラグに設けることもできる。また、１つのプラグに２またはそれ以上の貫通孔を設けてもよい。前記貫通孔には、任意に配管やバルブを接続することができる。

［センサー］
本発明の一実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器は、き裂を検知するためのセンサーを備えることができる。センサーの設置位置は特に限定されず、任意の位置に設置することができるが、前記容器および前記蓋部材のいずれか一方または両方に設置することが好ましい。

ネジ部における疲労き裂を検知するという観点からは、容器の両端のネジ部の少なくとも一方にセンサーを設置することが好ましく、両方に設置することがより好ましい。

また、ねじ込み式ナットが中空である場合には、前記センサーをねじ込み式ナットの内周面に設置することもできる。ねじ込み式ナットの中空部分の内側にセンサーを設置することにより、蓄圧器が使用中であるか否かにかかわらず、ねじ込み式ナットに発生するき裂を検知することができる。

上述したようにストレート型蓄圧器においてはネジ部に高い圧力がかかるため、容器とねじ込み式ナットのネジ山が螺合しているネジ部の直下または直上にセンサーを設けることが好ましい。

前記センサーは、容器およびねじ込み式ナットの周方向に１つのみ設けてもよいが、２つ以上設けることもできる。複数のセンサーを用いることにより、より広い範囲におけるき裂を高い精度で検知することができる。センサーを周方向に２つ以上設ける場合には等間隔に設けることが好ましい。例えば、周方向に１８０°、１２０°、または９０°間隔でセンサーを設けることが好ましい。

前記センサーとしては、疲労によって発生するき裂を検知することができるものであれば任意のセンサーを用いることができる。前記センサーとしては、例えば、アコースティックエミッション（ＡＥ）センサーや超音波探傷センサーなどを挙げることができる。

前記センサーを蓄圧器に固定した状態で該蓄圧器を使用することにより、リアルタイムでき裂の発生をモニターすることもできる。一方、リアルタイムでのモニタリングの必要がない場合には、センサーを固定しておく代わりに、定期検査の際などにセンサーを用いてき裂の検査を行うこともできる。その場合、超音波探傷センサーを用いてき裂の有無を検査することが好ましい。なお、疲労き裂は容器の長手方向に発生、進展すると予想されるため、超音波探傷センサーとしては、斜角探触子を備える超音波探傷センサーを用いた斜角探傷や、フェーズドアレイ法による探傷が好ましい。

［炭素繊維強化樹脂層］
上記容器の表面には、炭素繊維強化樹脂層を設けることができる。炭素繊維強化樹脂層は、強化材に炭素繊維を用い、これに樹脂を含浸させて強度を向上させた複合材料であり、ＣＦＲＰ（carbon-fiber-reinforced plastic）と呼ばれている。前記炭素繊維強化樹脂層を設けることにより、蓄圧器の耐圧性および疲労特性をさらに向上させることができる。前記炭素繊維強化樹脂層は、容器の外周面の一部を覆うことができるが、低コスト化の観点からは容器の周方向のみに炭素繊維を巻き付けたタイプ２容器とすることが好ましい。また、前記炭素繊維強化樹脂層が、該炭素繊維強化樹脂層の厚さが一定である定常部を有しており、前記定常部が前記容器のネジ部を覆っていないことが好ましい。ネジ部におけるき裂の検知を行うためには、炭素繊維強化樹脂層はネジ部にかからないように設けることが好ましい。なお、炭素繊維強化樹脂層を用いる場合、前記容器は「内筒もしくはライナ」と称される。

前記炭素繊維としては、特に限定されることなく、例えば、ＰＡＮ系、ピッチ系など、任意のものを用いることができる。炭素繊維強化樹脂層における炭素繊維の体積含有率は、日本工業規格ＪＩＳＫ７０７５（１９９１）に準拠して求めることができ、通常５０％〜８０％の範囲とすることが好ましい。

［防食層］
炭素繊維強化樹脂層を設ける場合には、さらに、容器（ライナ）の外周面に電蝕防止のための防食層を設け、該防食層上に前記炭素繊維強化樹脂層を設けることが好ましい。前記防食層を設けることにより、炭素繊維強化樹脂層にクラックなどが発生して外部から水分が侵入した場合でも、水分が容器に直接接触しないため、容器の腐食を防止できる。また、水分が容器と接触したとしても、防食層によって容器と炭素繊維強化樹脂層とが隔絶しているため、電食が発生せず、したがって腐食の進行を抑制することができる。

前記防食層としては、容器とＣＦＲＰの絶縁が取れる塗料もしくは塗装であれば良い。例えば、粉体塗装による樹脂被覆や、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）層を用いることができる。前記粉体塗装には、例えば、塩化ビニル系樹脂等をベースとする熱可塑性粉体塗料や、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂およびエポキシ樹脂等をベースとする熱硬化性粉体塗料を用いることができる。水素充填時の熱等を考慮して、熱硬化性粉体塗料を用いることが好ましい。また、ガラス繊維強化樹脂は炭素繊維強化樹脂よりも軟質であるため、ガラス繊維強化樹脂層を設けることで小石などによる疵付きを防止することもできる。

次に、本発明の高圧水素ガス用蓄圧器の構造を、さらに具体例を挙げて説明する。

（第１の実施形態）
図３は、本発明の一実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器１の構造を示す模式図であり、蓄圧器の中心軸Ａを通る面における断面を表している。高圧水素ガス用蓄圧器１は、ストレート形状で断面円形の容器１０を備えており、容器１０の内部空間は蓄圧部１１を構成している。

本実施形態においては、略円盤状のプラグ２０および円筒状（円環状）のねじ込み式ナット３０からなる蓋部材が用いられる。本実施形態におけるねじ込み式ナット３０は周側面にネジ山を有する円筒状の部材であり、プラグ２０を支える働きをしている。

プラグ２０の蓄圧部１１側の面は略平坦な面である。一方、プラグ２０のねじ込み式ナット側の面には円錐台形の凹部２１が形成されており、凹部２１は傾斜部２２と底面２３とを備えている。また、ねじ込み式ナット３０のプラグ２０側先端には円錐台形のテーパー部３１が形成されている。プラグ２０の傾斜部２２との傾きと、ねじ込み式ナット３０のテーパー部３１の傾きは同一であり、ねじ込み式ナット３０の先端がプラグ２０の凹部２１に嵌合した状態で、傾斜部２２とテーパー部３１とが当接している。

容器１０の両端に設置されているプラグ２０の一方にはガスを出し入れするための貫通孔２４が設けられており、貫通孔２４には配管５０が接続されている。配管５０には図示されないバルブを任意に設けることができる。

円筒状であるねじ込み式ナット３０の内周面には、センサー６０（内側センサー６０ａ）が設けられている。このようにねじ込み式ナット３０の内側にセンサーを設置することにより、蓄圧器が使用中であるか否かにかかわらず、ねじ込み式ナット３０に発生するき裂を検知することができる。

また、容器１０のネジ部１２の外周面にもセンサー６０（外側センサー６０ｂ）が設置されている。このように容器の外部にセンサーを設置することにより、容器１０に発生するき裂の検知も可能となる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器１の構造を示す模式図である。なお、特に言及しない部分については上述した第１の実施形態と同様とすることができる。

本実施形態においては、容器１０の外周に炭素繊維強化樹脂層７０が設けられている。炭素繊維強化樹脂層７０を設けることにより、蓄圧器の耐圧性および疲労特性をさらに向上させることができる。なお、ねじ込み式ナット３０の内周面にのみセンサー（内側センサー３０ａ）を設置している。これは、容器１０のネジ部１２が炭素繊維強化樹脂層７０によって覆われているためである。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器１の構造を示す模式図である。なお、特に言及しない部分については上述した第２の実施形態と同様とすることができる。

本実施形態では、図４に示した第２の実施形態とは異なり、容器１０の端部に炭素繊維強化樹脂層７０によって覆われていない領域がある。すなわち、炭素繊維強化樹脂層７０の厚さが一定である定常部が容器１０のネジ部を覆っていない。そこで、前記領域にセンサー６０（外側センサー６０ｂ）を設置することができる。

本発明の効果を確認するために、蓋部材の構造が異なる高圧水素ガス用蓄圧器を作製し、疲労試験を行って疲労き裂の発生を評価した。具体的な手順は以下のとおりとした。

高圧水素ガス用蓄圧器としては、炭素繊維強化樹脂層を有さないタイプ１蓄圧器と、炭素繊維強化樹脂層を有するタイプ２蓄圧器の両者を作製した（表１）。いずれの蓄圧器においても、低合金鋼製の継ぎ目無し鋼管を内面研削して得た容器を使用した。タイプ２の蓄圧器は、前記容器（ライナ）の外周に、厚さ１０ｍｍとなるようにＰＡＮ系ＣＦＲＰを巻き付けて作製した。前記低合金鋼としては、ニッケルクロムモリブデン鋼であるＳＮＣＭ４３９を用い、焼き入れ焼き戻しの熱処理を施し、引張強さ（ＴＳ）が９００ＭＰａ程度となるように調整した。タイプ１、タイプ２のいずれの蓄圧器においても、容器の寸法は、水素貯蔵部長さ：７００ｍｍ、外径：３００ｍｍ、肉厚：４０ｍｍとした。

（発明例）
発明例においては、図３、５に示したように、円錐台形の凹部を有するプラグと、テーパー部を有するねじ込み式ナットとを備える蓋部材を使用して容器の両端を封止した。容器の中心軸に対する前記テーパー部の傾斜角θは、１５°、４５°、および７５°とした。また、前記ねじ込み式ナットの先端と前記プラグ凹部の底面とが接触しない構造とした。ネジ部外側および蓋部材側には、き裂検知用のセンサーを設置した。

（比較例）
比較のために、凹部を有さない円盤状のプラグと、テーパー部を有さない円筒状のねじ込み式ナットとを用いた蓋部材を使用した点以外は上記発明例と同様の条件で蓄圧器を作製した。テーパー部および凹部がないため、ねじ込み式ナットとプラグとは、容器の中心軸と垂直な平面で接触する。したがって、傾斜角θは９０°であるということができる。

いずれの発明例および比較例においても、容器の肉厚：ｔ₀に対するねじ込み式ナットの肉厚：ｔ₁の比（ｔ₁／ｔ₀）は１とした。

上記のようにして作製した各蓄圧器を用いて、圧力サイクル試験を行った。圧力サイクル試験は、き裂が発生する条件（水圧で最低圧力２ＭＰａ、最高圧力９３ＭＰａ）で実施し、比較例であるＮｏ．８の蓄圧器において亀裂がセンサーにより検知された時点で試験終了した。センサーを設置した蓄圧器の亀裂確認はセンサーでの検知の有無で判断し、蓋を取り外し、ねじ部での亀裂発生の有無を浸透探傷試験により確認した。

上記圧力サイクル試験の結果は、表１に示したとおりであった。すなわち、本発明の条件を満たす蓄圧器では、比較例Ｎｏ．８の蓄圧器で亀裂が検知された時点で容器側および蓋部材側の何れにおいてもき裂が発生しておらず、疲労特性に優れていた。

（応力の解析）
さらに、ネジ部にかかる応力の状態を調査するため、上記Ｎｏ．６（発明例）およびＮｏ．８（比較例）について、蓄圧器モデルを用いた有限要素法（ＦＥＭ）によりネジ底応力の解析を行った。蓄圧器モデルは、実際の蓄圧器の構造に基づいて作製した。前記低合金鋼の強度は、ＳＮＣＭ４３９鋼の応力ひずみ曲線を用い、引張強さ（ＴＳ）：８９４ＭＰａ、降伏強さ（ＹＰ）：７４０ＭＰａとした。前記ＦＥＭ解析により、各ネジ底における最大主応力値（ＭＰａ）を求めた。

以下の説明においては、容器の内周面に設けられた多数のネジ底のうち、より大きな応力がかかる最初の６つのネジ底、すなわち、容器の長手方向中心位置に最も近いネジ底（ネジ底番号１）から、第６番目のネジ底（ネジ底番号６）までの合計６つのネジ底に着目して、蓋部材の構造が応力に与える影響を議論する。

図６に、上記解析によって求めた容器側ネジのネジ底番号１〜６における最大主応力値（ＭＰａ）を示す。θが４５°のＮｏ．６（発明例）におけるネジ底の最大主応力値は７２５ＭＰａであったのに対して、θが９０°のＮｏ８（比較例）の場合は、ネジ底の最大主応力値は１０４７ＭＰａであった。この結果より、発明例では比較例よりも多数のネジ底に平均的に応力が分散していることが分かる。

以上の結果から分かるように、本発明の高圧水素ガス用蓄圧器においては、ネジ部にかかる応力を分散させ、ネジ部における疲労き裂の発生を抑制することができる。

１高圧水素ガス用蓄圧器
１０容器
１１蓄圧部
１２ネジ部
２０プラグ
２１凹部
２２傾斜部
２３底面
２４貫通孔
３０ねじ込み式ナット
３１テーパー部
４０蓋部材
５０配管
６０センサー
６０ａ内側センサー
６０ｂ外側センサー
７０炭素繊維強化樹脂層

Claims

高圧水素ガス用蓄圧器であって、
蓄圧部を構成するストレート形状の容器と、
前記容器の両端に設けられた蓋部材とを備え、
前記蓋部材は、プラグと、ねじ込み式ナットとを備え、
前記ねじ込み式ナットは外周面にネジ山を有しており、
前記容器は、前記ねじ込み式ナットのネジ山と螺合するネジ山が内周面に設けられたネジ部を両端に有しており、
前記ねじ込み式ナットは、前記プラグと接する側の先端に、該先端に行くにつれて該ねじ込み式ナットの外径が縮径するテーパー部を有しており、
前記プラグは、前記ねじ込み式ナットと接する側の面に凹部を有しており、
前記ねじ込み式ナットのテーパー部と前記プラグの凹部とが当接している、高圧水素ガス用蓄圧器。
前記プラグの凹部が、
前記容器の中心軸に垂直である底面と、
前記ねじ込み式ナットのテーパー部と接する斜面部とからなり、
前記ねじ込み式ナットの先端と前記底面との間に間隙が設けられている、請求項１に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
前記容器の中心軸に対する前記テーパー部の傾斜角が、１５°以上、７５°以下である、請求項１または２に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
前記容器の外周面に炭素繊維強化樹脂層を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
前記炭素繊維強化樹脂層が、該炭素繊維強化樹脂層の厚さが一定である定常部を有しており、
前記定常部が前記容器のネジ部を覆っていない、請求項４に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
前記容器および前記蓋部材のいずれか一方または両方に、疲労き裂を検知するセンサーを備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。