JP2019143721A - 高圧タンク - Google Patents

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Abstract

【課題】高圧タンクを構成する口金に疲労破壊が起こることを抑制する。【解決手段】高圧タンク１０は、樹脂製のライナ１２と、該ライナ１２の外面を覆う補強層１４と、該ライナ１２に対して流体を給排するための給排孔１６が形成された口金１８とを備える。この口金１８は、ライナ１２と補強層１４との間に介在するフランジ部３０と、補強層１４から露呈する露呈部３２とを有する。さらに、この高圧タンク１０では、フランジ部３０と補強層１４の間に保護部材５０が配設される。【選択図】図２

Description

本発明は、ライナと、補強層と、口金とを備える高圧タンクに関する。
高圧タンクは、気体や液体等の流体を収容する容器として広汎に用いられている。例えば、燃料電池車には、燃料電池システムに供給するための水素ガスを収容するものとして搭載される。
この種の高圧タンクとして、流体を中空内部に収容する樹脂製のライナと、該ライナを補強するべくその外面を覆う繊維強化樹脂製の補強層と、該ライナの中空内部に流体を給排するための給排孔が形成された口金とを備えるものが知られている。この給排孔には、例えば、バルブ等が設けられる。該バルブを操作すること等によって、給排孔を介して、ライナの内部に流体を供給したり、その逆にライナの内部に収容された流体を排出したりすることが可能である。
特許文献１には、ライナと補強層の間に介在するフランジ部と、補強層から露呈する露呈部とを有する口金を備える高圧タンクが開示されている。この場合、フランジ部がライナと補強層で挟持されることで口金の抜け止めがなされるとともに、露呈部が補強層から露呈することで、上記した流体の給排を容易に行えるようになっている。
このような構成の高圧タンクは、ライナに口金を取り付けた後、ライナと口金のフランジ部に強化繊維を巻き付け、さらに、該強化繊維に樹脂を含浸することで得られる。
特開２０１７−１６６５３５号公報
特許文献１の図１を参照して諒解されるように、口金のフランジ部の外周縁部の隅部は、鋭角なエッジ形状に形成される。これにより、該フランジ部とライナとの境界に段差が生じることや、この段差に起因してライナや強化繊維が損傷することが回避されるからである。
ところで、高圧タンクには流体が給排される。これに伴って高圧タンクの内圧が変化するので、フランジ部に対して荷重の付加と除去が繰り返される。上記したようにフランジ部の外周縁部は鋭角なエッジ形状であり、薄肉である。このため、外周縁部は、荷重の付加と除去の繰り返しに起因して疲労破壊が起こり易い部位であると考えられる。
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、口金を構成するフランジ部の周縁部に疲労破壊が起こる懸念を払拭し得る高圧タンクを提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明は、樹脂製のライナと、前記ライナの外面を覆う補強層と、前記ライナに対して流体を給排するための給排孔が形成された口金とを備える高圧タンクであって、
前記口金は、前記ライナと前記補強層との間に介在するフランジ部と、前記補強層から露呈する露呈部とを有し、
前記フランジ部と前記補強層の間に、該フランジ部と該補強層の間のクリアランスに充填される保護部材が配設されていることを特徴とする。
ライナは、流体が給排されることに伴って膨張ないし収縮する。ライナと補強層の間に、クリアランスに充填される保護部材が存在する場合、ライナが膨張するとき、保護部材にライナからの荷重が付与される。すなわち、荷重が保護部材に分散される。このため、応力が口金に集中することが回避されるので、口金の、他部位に比して薄肉な周縁部に疲労が蓄積することが抑制される。これにより、特に周縁部に疲労破壊が起こる懸念を払拭することができる。
フランジ部の周縁部は、ライナに臨む第１隅部と、補強層に臨む第２隅部と、第１隅部から第２隅部に延在する平坦側面とが設けられたものであることが好ましい。この場合、周縁部は、鋭敏なエッジ形状ではなく、ある程度の厚みを有する。このために周縁部に疲労が一層蓄積され難くなるので、疲労破壊が起こることが一層抑制される。
さらに、保護部材の一部がライナと補強層の間に進入している（噛み込まれている）ことが好ましい。これにより保護部材が堅牢に位置決め固定さるからである。
保護部材は、樹脂製であることが好ましい。この場合、保護部材が弾性を示す。従って、ライナが膨張したとき、保護部材が弾性変形域内で圧潰される。この圧潰により、ライナから補強層への押圧力や、補強層からライナへの反力が緩和される。すなわち、ライナや補強層に付与される荷重が小さくなる。従って、ライナや補強層に応力が集中することが回避され、その結果、ライナや補強層に疲労が蓄積されることが抑制される。
本発明によれば、高圧タンクを構成する口金のフランジ部と補強層との間に、両者間のクリアランスに充填される保護部材を介在するようにしている。高圧タンク内に流体が供給されてライナが膨張した際、ライナの口金に対する押圧力（荷重）が保護部材に分散される。このため、口金に荷重が集中することが回避される。その結果として、口金の、他部位に比して薄肉な周縁部に疲労が蓄積することが抑制されるので、特に周縁部に疲労破壊が起こる懸念を払拭することができる。
本発明の実施の形態に係る高圧タンクの軸線方向に沿った全体概略側面断面図である。 図１の高圧タンクの口金近傍の要部拡大断面図である。 クリアランスを充填し得ない保護部材を用いた高圧タンクの口金近傍の要部拡大断面図である。
以下、本発明に係る高圧タンクにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る高圧タンク１０の軸線方向に沿った全体概略側面断面図である。この高圧タンク１０は、内層としてのライナ１２と、外層としての補強層１４と、給排孔１６が形成された口金１８とを備える。
ライナ１２は、樹脂からなる中空体であり、その内部に、例えば、水素ガス等の各種の流体を収容可能である。ライナ１２は、外面が補強層１４で覆われた本体部２０と、本体部２０の内部に向かって陥没した陥没部２２と、該陥没部２２から本体部２０の外部に向かって突出する筒状部２４とを有する。筒状部２４の外周壁には、雄ねじ２６が設けられる。
また、補強層１４は繊維強化樹脂からなる。補強層１４は、ライナ１２に強化繊維を巻き付けた後、該強化繊維に母材樹脂を含浸することで設けられる。強化繊維、母材樹脂の代表的な好適例としては、炭素繊維、エポキシ系樹脂がそれぞれ挙げられる。
口金１８は、例えば、金属からなり、ライナ１２と補強層１４との間に介在するフランジ部３０と、該フランジ部３０に一体的に連なり且つ該フランジ部３０に比して小径な露呈部３２とを有する。口金１８は、フランジ部３０がライナ１２とともに補強層１４で覆われ、露呈部３２が補強層１４の開口から露呈するように突出するように構成されている。
従って、図２に詳細を示すように、フランジ部３０は、ライナ１２の陥没部２２の外面に当接するライナ側当接端面３４と、ライナ１２とともに補強層１４で覆われる補強層被覆端面３６とを有する。フランジ部３０の外周縁部は、ライナ側当接端面３４から補強層被覆端面３６にわたり、露呈部３２の軸線方向に沿って切り欠かれたような形状をなす。このため、ライナ側当接端面３４と補強層被覆端面３６との間に、平坦側面３８が介在する。平坦側面３８は、露呈部３２の軸線方向に沿って所定の長さを有する。
ライナ側当接端面３４と平坦側面３８との交差によって第１隅部４０が形成されるとともに、平坦側面３８と補強層被覆端面３６との交差によって第２隅部４２が形成される。第１隅部４０はライナ１２に臨み、第２隅部４２は補強層１４に臨む。これら第１隅部４０及び第２隅部４２、換言すれば、ライナ側当接端面３４と平坦側面３８との交差角θ１、平坦側面３８と補強層被覆端面３６との交差角θ２は、いずれも鈍角である。
平坦側面３８が形成されることにより、該平坦側面３８と、ライナ１２と、補強層１４とで囲繞された空間として、環状クリアランス４４が画成される。後述するように、環状クリアランス４４には、保護部材５０の一部が充填される。
給排孔１６は、フランジ部３０から露呈部３２にわたって延在する。給排孔１６の内周壁には雌ねじ５２が形成されており、該雌ねじ５２には、前記雄ねじ２６が螺合される。この螺合により、口金１８が筒状部２４に外装される。
雌ねじ５２よりも流体供給方向上流側には、環状に陥没したシール溝５４が形成される。このシール溝５４の内部には、Ｏリングからなるシール部材５６が配設される。該シール部材５６により、筒状部２４の外周面と給排孔１６の内周面との間がシールされる。
口金１８には、断面形状がそれぞれ円形である挿入孔６０及び口金側通路６２がさらに形成されている。挿入孔６０は、フランジ部３０のライナ側当接端面３４から露呈部３２側に向かって所定の長さで延在し、口金側通路６２の一端側と連通する。挿入孔６０及び口金側通路６２は、口金１８の周方向に一定の間隔をおいて複数設けられる。
挿入孔６０には、プラグ６４が挿入されている。プラグ６４は、例えば、口金１８と同様の金属から形成された円筒体であり、軸方向に沿ってプラグ側通路６６が貫通形成されている。プラグ側通路６６は、プラグ６４の軸方向一端側に形成された小径路６８と、該小径路６８に連なり且つ内径が若干大きな大径路７０とからなる。大径路７０の径は、口金側通路６２の径と略同一に設定される。
複数個の口金側通路６２は、口金１８の内部を、挿入孔６０から露呈部３２に向かうに従って集束するように、高圧タンク１０の軸線方向に対して若干傾斜して延在した後、給排孔１６の内周面に向かうように折曲されている。
以上のように形成されるプラグ側通路６６及び口金側通路６２は、ライナ１２と口金１８の間に進入した流体を給排孔１６に導く流体誘導路として機能する。
給排孔１６の内部には、カラー７２がさらに配設される。カラー７２は、例えば、金属製であり、円環状の頭部７４と、該頭部７４と一体に設けられ且つ該頭部７４に比して小径な筒状の円筒部７６とを有する。筒状部２４は、円筒部７６の外周面と、フランジ部３０の給排孔１６の内周面とで挟まれ、これにより堅牢に支持されている。また、カラー７２には、円筒部７６の軸線方向に沿って、給排孔１６に連通する通過孔８０が貫通形成される。
さらに、フランジ部３０と補強層１４の間には、保護部材５０が配設されている。保護部材５０は、略円環形状に形成された円環本体部８４と、該円環本体部８４から突出し、断面が略三角形状をなす環状突部８６とを有する。図２から諒解されるように、環状突部８６は、円環本体部８４の、ライナ１２に臨む側の端面からライナ１２に指向して突出している。
環状突部８６は、環状クリアランス４４に進入し、口金１８の平坦側面３８とライナ１２に当接する。すなわち、環状突部８６は、該環状クリアランス４４に充填される。
一方の円環本体部８４は、環状突部８６に比して幅広である。このため、円環本体部８４は、口金１８のフランジ部３０と補強層１４との間に挟まれる第１被挟持部位８８と、ライナ１２と補強層１４との間に挟まれる第２被挟持部位９０とを有する。換言すれば、第１被挟持部位８８はフランジ部３０と補強層１４との間の僅かなクリアランスに充填され、第２被挟持部位９０はライナ１２と補強層１４との間の僅かなクリアランスに充填されている。このため、保護部材５０は、ライナ１２、補強層１４及び口金１８によって堅牢に位置決め固定される。
図２では誇張して示しているが、円環本体部８４の厚みは極めて小さい。このため、第２被挟持部位９０とライナ１２とで形成される段差は極僅かである。従って、補強層１４を形成するべく強化繊維をライナ１２に巻き付ける際、強化繊維に応力が作用することを回避することができる。
このように構成される保護部材５０は、例えば、溶融ポリエチレンを射出成形することによって作製することができる。
本実施の形態に係る高圧タンク１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき説明する。
高圧タンク１０の内部に水素等の流体を貯留するとき、該流体は、筒状部２４の給排孔１６、及びカラー７２の通過孔８０を通過してライナ１２の中空内部に供給される。このとき、ライナ１２は、その内圧が上昇するために若干膨張する。一方、貯留した流体を放出するとき、流体は、カラー７２の通過孔８０、及び筒状部２４の給排孔１６を通過してライナ１２の中空内部から排出される。ライナ１２は、これに伴って内圧が下降することで若干収縮する。
流体が供給されてライナ１２が膨張することに伴って、口金１８のフランジ部３０に荷重が付与される。この荷重は、流体が排出された際にライナ１２が収縮することで除去される。従って、高圧タンク１０に対する流体の給排の繰り返しにより、フランジ部３０に対する荷重の付与と除去が繰り返される。
ここで、本実施の形態では、図２に示すように、フランジ部３０の外周縁部に所定の長さで延在する平坦側面３８が形成されるとともに、ライナ側当接端面３４と平坦側面３８との間に鈍角の第１隅部４０が介在し、平坦側面３８と補強層被覆端面３６との間に鈍角の第２隅部４２が介在する。すなわち、フランジ部３０の外周縁部に鋭敏なエッジ形状部が存在しない。
換言すれば、フランジ部３０の外周縁部は肉厚である。このため、荷重の付与と除去が繰り返されても、疲労が蓄積され難い。従って、フランジ部３０に疲労破壊が起こることが困難となる。すなわち、フランジ部３０の外周縁部に疲労破壊が起こる懸念を払拭することができる。
図３に示すように、環状突部８６が存在しない保護部材１００を用いた場合、平坦側面３８と、ライナ１２と、補強層１４とで画成される環状クリアランス４４内では、ライナ１２に対して第１隅部４０が当接する。このため、ライナ１２の、第１隅部４０との当接箇所に応力が集中する。従って、高圧タンク１０への流体の給排を繰り返すと、前記当接箇所に疲労が蓄積される懸念がある。
これに対し、本実施の形態では、環状クリアランス４４に、保護部材５０の環状突部８６が充填されている（図２参照）。このため、ライナ１２の、第１隅部４０との当接箇所には、環状突部８６の頂部も当接する。従って、ライナ１２が膨張したとき、ライナ１２から付与される荷重が、フランジ部３０と保護部材５０に分散される。すなわち、該当接箇所に応力が集中することが回避されるので、前記当接箇所に疲労が蓄積されて疲労破壊が起こることが回避される。
このように、本実施の形態では、保護部材５０がフランジ部３０と補強層１４との間に介在して両者間のクリアランス（環状クリアランス４４を含む）に充填されているので、ライナ１２に疲労破壊が起こる懸念を払拭することができる。
また、保護部材５０は、樹脂からなるために十分な弾性を示す。このため、ライナ１２が膨張して口金１８が押圧された際、保護部材５０が若干圧潰される。この圧潰により、口金１８から補強層１４に向かう押圧力（荷重）が緩和される。このため、口金１８に作用する補強層１４からの反力が小さくなる。これにより口金１８及び補強層１４に作用する荷重が小さくなるので、該口金１８や補強層１４が損傷することが回避される。
加えて、環状突部８６も圧潰されるので、ライナ１２及び補強層１４の、環状突部８６に当接した部位では、ライナ１２からの押圧力や補強層１４からの反力も緩和される。このため、ライナ１２も保護される。
結局、環状突部８６を有する保護部材５０をフランジ部３０と補強層１４との間に介装したことにより、ライナ１２や補強層１４、口金１８が損傷し難くなる。すなわち、高圧タンク１０を、耐久性に優れるものとして構成することができる。
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、第１被挟持部位８８又は第２被挟持部位９０のいずれかを設けることなく保護部材を構成するようにしてもよい。
１０…高圧タンク １２…ライナ
１４…補強層 １６…給排孔
１８…口金 ２０…本体部
２２…陥没部 ２４…筒状部
３０…フランジ部 ３２…露呈部
３４…ライナ側当接端面 ３６…補強層被覆端面
４０…第１隅部 ４２…第２隅部
４４…環状クリアランス ５０…保護部材
６０…挿入孔 ６２…口金側通路
６４…プラグ ６６…プラグ側通路
７２…カラー ８０…通過孔
８４…円環本体部 ８６…環状突部
８８…第１被挟持部位 ９０…第２被挟持部位

Claims (4)

  1. 樹脂製のライナと、前記ライナの外面を覆う補強層と、前記ライナに対して流体を給排するための給排孔が形成された口金とを備える高圧タンクであって、
    前記口金は、前記ライナと前記補強層との間に介在するフランジ部と、前記補強層から露呈する露呈部とを有し、
    前記フランジ部と前記補強層の間に、該フランジ部と該補強層の間のクリアランスに充填される保護部材が配設されていることを特徴とする高圧タンク。
  2. 請求項１記載の高圧タンクにおいて、前記フランジ部の周縁部に、前記ライナに臨む第１隅部と、前記補強層に臨む第２隅部と、前記第１隅部から前記第２隅部に延在する平坦側面とが設けられていることを特徴とする高圧タンク。
  3. 請求項１又は２記載の高圧タンクにおいて、前記保護部材の一部が前記ライナと前記補強層の間に進入していることを特徴とする高圧タンク。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧タンクにおいて、前記保護部材が樹脂からなることを特徴とする高圧タンク。
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