JP2019148325A - Pressure accumulator and method for manufacturing pressure accumulator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ガスを高圧で蓄圧することができる蓄圧器および蓄圧器の製造方法に関するものである。 The present invention relates to an accumulator capable of accumulating gas at a high pressure and a method for manufacturing the accumulator.
水素ステーションなどに用いられる高圧水素容器には、タイプ1(金属容器)、タイプ2(金属ライナーフープラップ式複合圧力容器)、タイプ3(金属ライナーフルラップ式複合圧力容器)およびタイプ4(非金属ライナーフルラップ式複合圧力容器)が知られている。 High-pressure hydrogen containers used for hydrogen stations and the like include type 1 (metal container), type 2 (metal liner hoop wrap type composite pressure vessel), type 3 (metal liner full wrap type composite pressure vessel) and type 4 (nonmetal liner). Full-wrap type composite pressure vessels) are known.
FCV(燃料電池自動車)向け水素ステーションの増加に伴い、100MPa級の高圧水素を貯蔵できる水素蓄圧器が求められている。
タイプ1では、鋼を肉厚にすることで高い疲労強度を得られるが、重量が過大となる。
タイプ3では、CFRP(炭素繊維強化プラスチック)をヘリカル巻きで施工するため、コストが増大する。また頭部のヘリカル巻きは容易でなく、ヘリカル巻きの張力を確保できない。またアルミニウム合金とCFRPのすき間を無くすために自緊が行われるが、自緊による残留応力の位置によるばらつきは大きく、疲労試験結果のばらつきに影響をおよぼしている。またネック部の強度が低下する場合もあり、破壊位置を保障できない(胴部なのか頭部なのか分からない)。
タイプ4は、タイプ3よりもさらに軽量ではあるが、タイプ3と同様ヘリカル巻きが難しい。またボス部の金属と樹脂の間における水素漏れが懸念される所である。また断熱性が高いことによるバックリングも注意しなければならない。
タイプ2は、鋼とFRPからなり、軽量化がなされることに加え、フープ巻きによりCFRPを施工するためコストの低減が期待されている。高圧の水素を貯蔵する水素蓄圧器の一つとしてタイプ2蓄圧器が用いられている。
With the increase in hydrogen stations for FCVs (fuel cell vehicles), hydrogen accumulators capable of storing 100 MPa class high-pressure hydrogen are required.
In
In Type 3, since CFRP (carbon fiber reinforced plastic) is constructed by helical winding, the cost increases. Moreover, the helical winding of the head is not easy, and the tension of the helical winding cannot be secured. In addition, self-tightening is performed to eliminate the gap between the aluminum alloy and CFRP, but the variation due to the position of the residual stress due to self-tightening is large, which affects the variation in the fatigue test results. In addition, the strength of the neck may decrease, and the destruction position cannot be guaranteed (it is not known whether it is the trunk or the head).
Type 4 is lighter than Type 3 but difficult to helically wind like Type 3. Moreover, there is a concern about hydrogen leakage between the metal of the boss portion and the resin. Also, be careful of buckling due to high thermal insulation.
タイプ2蓄圧器は鋼製ライナーとフープ巻きのFRPから構成される。
タイプ2蓄圧器は、フープラップの複合容器であり、容器の施工方法としては内側の鋼に(C)FRPをフィラメントワインディングするのが一般的である。
タイプ2容器は、繊維が周(フープ)のみのため、内圧により発生する軸方向の荷重をライナーが分担する。
ASME CC2579(非特許文献1参照)によれば、タイプ2蓄圧器は金属ライナーの直胴部を炭素繊維強化プラスチック(CFRP)ないしはガラス繊維強化プラスチック(GFRP)により周方向に施工・被覆した、ライナーの外径1.52m以下、CFRPの厚さ6mm以上の水素蓄圧器である。
The
In the
According to ASME CC2579 (see Non-Patent Document 1), the
金属ライナーには、Cr−Mo鋼を用いるのが一般的である。
特許文献1では、Cr−Mo鋼製のライナーの外周をFRPで補強した高圧水素貯蔵用FRP容器が開示されている。また、特許文献2では、フルラップ式アルミライナー複合容器が開示されている。
荷重を分担する鋼製ライナーは、荷重を分担しないアルミライナーを用いたタイプ3容器などより、ライナーとしては強度が高く、その分高価なFRP使用量を低減でき、水素ステーション建設コスト削減等に資することが期待される。高圧水素用フープラップ式複合圧力容器に関しては唯一、非特許文献1としての海外の技術基準が存在している。
It is common to use Cr—Mo steel for the metal liner.
The steel liner that shares the load is stronger as a liner than the type 3 container that uses an aluminum liner that does not share the load, and the amount of expensive FRP used can be reduced by that amount, which contributes to reduction of hydrogen station construction costs. It is expected. Regarding the high-pressure hydrogen hoop wrap type compound pressure vessel, there is only an overseas technical standard as Non-Patent
FRPを施工する際は、繊維を規則的に、かつ一定の荷重、間隔で周方向に巻きつけ、炉内で内外から加熱を行うことにより樹脂を硬化させる。(フィラメントワインディング(FW))
上記の方法では、図8に示すように、CFRP(炭素繊維強化プラスチック)は、炉内にてライナーとともに加熱され、ライナーが膨張した状態でCFRPが硬化することとなる。
When FRP is applied, the resin is cured by winding the fibers regularly and at a constant load and interval in the circumferential direction, and heating from inside and outside in the furnace. (Filament winding (FW))
In the above method, as shown in FIG. 8, CFRP (carbon fiber reinforced plastic) is heated together with the liner in the furnace, and the CFRP is cured while the liner is expanded.
しかし、フィラメントワインディングによりCFRPを鋼製ライナーに巻きつける方法では十分な強度を有するCFRPを隙間無く硬化させることが困難である。
すなわち、フィラメントワインディングでは、炭素繊維などの強化繊維を樹脂に含浸させながら、鋼製ライナーにフィラメントワインディングを行い、その後、樹脂を硬化するために加熱している。そして、製造時の冷却により鋼製ライナーは収縮するが、炭素繊維+樹脂層は、熱膨張係数がライナーに比して小さいためほぼ収縮せず、加熱硬化時の内径のまま冷えて固まり、硬化終了後、室温まで冷却されると、鋼製ライナーは収縮する。このため、図8に示すように、鋼製ライナーとCFRPとの間に隙間が生じてしまう。
さらには、加熱硬化の際、樹脂が発熱するのでライナーの温度がさらに上昇し、隙間が大きくなることがある。
上記のように、タイプ2蓄圧器が複合容器として十分な強度を得るには、CFRPをできるだけ隙間なく施工することは必須であるが、FW成形によるCFRP施工では熱膨張係数差に起因するすき間を抑制できない。
However, it is difficult to harden CFRP having sufficient strength without gaps by a method of winding CFRP around a steel liner by filament winding.
That is, in filament winding, a resin liner is impregnated with a reinforcing fiber such as carbon fiber, filament winding is performed on a steel liner, and then heated to cure the resin. The steel liner shrinks due to cooling during production, but the carbon fiber + resin layer does not substantially shrink because the thermal expansion coefficient is smaller than that of the liner. When finished, the steel liner shrinks when cooled to room temperature. For this reason, as shown in FIG. 8, a gap will be generated between the steel liner and the CFRP.
Furthermore, since the resin generates heat during the heat curing, the temperature of the liner further increases, and the gap may become large.
As mentioned above, in order to obtain sufficient strength as a composite container for
予想される隙間は、{(ライナー外表面最高温度−室温)×ライナーの熱膨張係数}によって算出することができる。
なお、特許文献1では安全性を確保するのに最も重要なFRPと鋼製ライナーに隙間を発生させない施工方法に触れられていない。また、特許文献3では、金属とCFRPの接着強度を確保しようとする手段が確保されており、隙間をなくすためには有効であるが、対象がプリプレグであり樹脂含浸方式ではない。また、接着強度だけでは40MPa以上の高圧水素には耐えることができず、物理的に隙間を低減できなければ解決には繋がらない。
The expected gap can be calculated by {(liner outer surface maximum temperature−room temperature) × liner thermal expansion coefficient}.
In addition, in
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、筒形状の容器本体と、容器本体の外周側に配置された補強筒体とを、それぞれの外周面と内周面とが互いに接した状態で配置した蓄圧器および蓄圧器の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the cylindrical container main body and the reinforcing cylindrical body arranged on the outer peripheral side of the container main body are in contact with each other. It aims at providing the manufacturing method of the accumulator arranged in the state, and an accumulator.
すなわち、本発明の蓄圧器のうち、第1の形態は、筒形状の容器本体と、前記容器本体の外周側に配置された補強筒体とを有し、前記補強筒体が繊維強化プラスチックからなり、前記容器本体は、前記補強筒体の内周面に外周面が接して配置されている。 That is, among the pressure accumulators of the present invention, the first embodiment has a cylindrical container body and a reinforcing cylinder disposed on the outer peripheral side of the container body, and the reinforcing cylinder is made of fiber reinforced plastic. The container body is arranged such that the outer peripheral surface is in contact with the inner peripheral surface of the reinforcing cylinder.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、前記容器本体は、外周側に残留圧縮応力を有している。 In another aspect of the present invention, the container body has a residual compressive stress on the outer peripheral side.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、前記繊維強化プラスチックが熱硬化性プラスチックを用いたものである。 The invention of another form of the pressure accumulator is the invention of the above form, wherein the fiber reinforced plastic uses a thermosetting plastic.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、前記容器本体は、前記補強筒体の内周面に外周面が密着して配置されている。 According to another aspect of the invention of the pressure accumulator, in the aspect of the invention, the container body is disposed such that an outer peripheral surface thereof is in close contact with an inner peripheral surface of the reinforcing cylindrical body.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、前記補強筒体は、内周面の平均層間せん断強さが、外周面の平均層間せん断強さよりも大きい。 In another form of the pressure accumulator, in the invention of the above form, the reinforcing cylinder has an average interlaminar shear strength of the inner peripheral surface larger than an average interlaminar shear strength of the outer peripheral surface.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、前記容器本体は、所定の内圧の範囲で、前記容器本体内面に、圧力の増加によって直線的に増加する応力強さを有している。 In another form of the pressure accumulator, in the above-mentioned form of the invention, the container body has a stress intensity that linearly increases as the pressure increases on the inner surface of the container body within a predetermined internal pressure range. Yes.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、前記内圧の範囲が0〜150MPaである。 In another aspect of the invention of the pressure accumulator, the range of the internal pressure is 0 to 150 MPa.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、100MPa以下の内圧範囲で蓄圧される。 In the invention of the other form of the pressure accumulator, the pressure is accumulated in the internal pressure range of 100 MPa or less.
本発明の蓄圧器の製造方法の発明のうち第1の形態は、筒形状の容器本体を冷却し、硬化した補強筒体を前記容器本体の外周側に配置し、前記容器本体の温度復帰によって前記補強筒体を前記容器本体の外周側に嵌合する。 Of the invention of the pressure accumulator manufacturing method of the present invention, the first aspect is that the cylindrical container body is cooled, the cured reinforcing cylinder is disposed on the outer peripheral side of the container body, and the temperature of the container body is restored. The reinforcing cylinder is fitted to the outer peripheral side of the container body.
他の形態の蓄圧器の製造方法の発明は、前記形態の発明において、前記容器本体は、温度復帰した状態で前記補強筒体の内周面に接触している。 The invention of the manufacturing method of the pressure accumulator of another form is the invention of the said form. In the invention of the said form, the said container main body is contacting the inner peripheral surface of the said reinforcement cylinder body in the state which temperature returned.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、前記冷却前の前記容器本体におけるしめしろ比が、1000分率で、−1.07〜2.67である。 In another form of the pressure accumulator according to the present invention, the interference ratio in the container main body before cooling is −1.07 to 2.67 in 1000 fractions.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、前記冷却では、前記容器本体を常温よりも低い温度に冷却する。 In another aspect of the invention of the pressure accumulator, in the aspect of the invention, in the cooling, the container body is cooled to a temperature lower than room temperature.
他の形態の蓄圧器の発明は、前記形態の発明において、前記容器本体を、−160℃〜−190℃に冷却する。 The invention of the other form of the pressure accumulator cools the container body to -160 ° C to -190 ° C in the invention of the above form.
本発明によれば、筒形状の容器本体と、容器本体の外周側に配置された補強筒体とを、両者の内外周面が接した状態とすることができ、蓄圧容器としての性能に優れた効果が得られる。 According to the present invention, the cylindrical container main body and the reinforcing cylindrical body arranged on the outer peripheral side of the container main body can be in a state where the inner and outer peripheral surfaces of both are in contact with each other, and the performance as a pressure accumulating container is excellent. Effect.
以下に、本発明の一実施形態について説明する。
先ず、所定の繊維と熱硬化性プラスチックとにより補強筒体を形成し、プラスチックを熱硬化させる。なお、繊維の種別や熱硬化性プラスチックの種別は特に限定されるものではなく、本発明としては適宜の材料を選択することができる。この実施形態では、繊維としては好適には炭素繊維が用いられ、熱硬化性プラスチックとしては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタンなどを用いることができる。本発明としては、特定の樹脂に限定されないが、耐熱性の観点でエポキシ樹脂、フェノール樹脂が望ましい。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
First, a reinforcing cylinder is formed from predetermined fibers and thermosetting plastic, and the plastic is thermoset. The type of fiber and the type of thermosetting plastic are not particularly limited, and an appropriate material can be selected for the present invention. In this embodiment, carbon fiber is preferably used as the fiber, and epoxy resin, phenol resin, urea resin, melamine resin, polyurethane, or the like can be used as the thermosetting plastic. Although it is not limited to specific resin as this invention, an epoxy resin and a phenol resin are desirable from a heat resistant viewpoint.
図1に示すように、硬化した補強筒体2の内周側には、筒状の容器本体1が嵌合される。
As shown in FIG. 1, a
補強筒体2における硬化方法は特に限定されるものではなく、プラスチックの特性などに応じて加熱温度を定め、加熱する。この加熱によって完全に硬化した補強筒体2が得られる。
前記嵌合においては、容器本体1を冷却し、筒径が縮小した容器本体1Aを補強筒体2に嵌入する。この際に、容器本体1Aは、冷却によって筒径が縮小しており、硬化した補強筒体2内に、冷却された容器本体1Aを容易に嵌入することができる。容器本体1Aは、嵌入後に、常温に温度復帰することで拡径し、拡径した容器本体1Bの外周面が、補強筒体2の内周面に接するか密着し、さらには、しめしろによって補強筒体2に圧接する。
したがって、本施工では、容器本体1と補強筒体2を別々に、室温で容器本体1の外径が補強筒体2のより大きくなるよう製作する。すなわち、室温においてしめしろ(比)が正になるように製作する。なお、本発明としては、硬化した補強筒体2の内径と、容器本体1の外径との関係では、容器本体1において、1000分率で−1.07〜2.67のしめしろ比を有するのが望ましい。なお、しめしろは、(容器本体の外面径−補強筒体の内面径)で表され、しめしろ比は、(しめしろ/容器外面径×1000)で表される。
The hardening method in the
In the fitting, the container
Therefore, in this construction, the
容器本体1の冷却では、容器本体1の外径と、硬化した補強筒体2の内径の大きさを考慮して定めることができる。容器本体1の冷却では、常温未満の温度に冷却する。例えば冷却温度としては、−190℃〜−160℃の範囲が望ましい。冷却温度を−160℃以下とすることで、容器本体を十分に縮径することができる。一方、−190℃よりも低い温度とすると、冷却に時間を要し、生産性に劣るため、上記温度範囲に冷却するのが望ましい。ただし、本発明としては、冷却温度が特定の温度に限定されるものではなく、嵌合を容易に行える範囲で適宜の温度を選択することができる。
The cooling of the
完全に硬化した補強筒体2を容器本体1に嵌める方法は特に限定されるものではなく、適宜の方法で行うことができる。
嵌入工程の一例を図2に基づいて説明する。
試験には、外径約347mm、厚さ29mm、長さ約2700mmのタイプ2用鋼製ライナーを使用した。
容器本体設置筒10は、内部中心下部に設置台11を有し、設置台11上に容器本体1が建てられた状態で設置される。容器本体設置筒10の内周面には、内周側に向けてガスを噴射する噴射口を有するガス噴射部12の複数が周方向に沿い、かつ複数の高さ位置において設置されている。容器本体設置筒10の上方側には容器本体固定具を配置可能であり、容器本体1を設置した際に、容器本体固定具は、下方側において容器本体1を上部で保持して固定することができる。容器本体1の鏡部外表面に一定間隔で温度を自動計測できる温度データロガー13を取り付け、容器本体1の温度変化を例えば1分間隔で集録することができる。
The method for fitting the completely cured reinforcing
An example of an insertion process is demonstrated based on FIG.
In the test, a steel liner for
The container main
また、容器本体設置筒10の近傍には、完全に硬化した補強筒体2を立てて保持する保持台20を有しており、保持台20上に設置された補強筒体2を吊り下げる吊具21が補強筒体2の設置位置上方に位置しており、連結具22を介して、吊具21と補強筒体2との連結が可能になっている。
Further, in the vicinity of the container main
次に、施工内容について説明する。なお、容器本体設置筒10には、容器本体1が設置され、保持台20には補強筒体2が保持されており、補強筒体2は、吊具21に連結されているものとする。
容器本体設置筒10では、当初は、ガス噴射部12から窒素ガスを容器本体1に向けて照射し、容器本体1上のガスを除去する。その後、ガス噴射部12から液体窒素を噴射して容器本体1を冷却する。容器本体1の温度は温度データロガーで測定することができる。容器本体1が例えば−160℃以下に到達したことを確認後、温度データロガー13を取り付けていない側から吊具21でつり上げて補強筒体2を容器本体1に嵌合する。
その後、容器本体設置筒10内で、容器本体1と補強筒体2とを窒素雰囲気下で常温まで戻す。
容器本体1と補強筒体2とは、容器本体1の外周面が補強筒体2の内周面に接した状態になっている。しめしろの値によっては、容器本体1の外周面と補強筒体2の内周面とが密着し、容器本体1が補強筒体2に圧接することによって、容器本体1の外周面に残留圧縮応力が発生する。
Next, construction contents will be described. In addition, the container
In the container main
Then, in the container main
The container
図3は、補強筒体2に容器本体1Bが嵌合された状態を示している。容器本体1Bの両端には、蓋1C、1Cが取り付けられて容器本体1B内の密閉が可能になっている。容器本体1の外周面と補強筒体2の内周面とは、ほぼ隙間がない状態で嵌合されている。より望ましくは、隙間が全くなく、容器本体1の外周面が補強筒体2の内周面に密着している状態である。
すき間が無いことを確認する方法としては、ひずみゲージを容器本体1Bと補強筒体2の両方に取り付け、低圧においてひずみが直線性と再現性を有するか調べる。
例えば、はめあわせて得られた試験体の外表面にひずみゲージを貼り付け、縦置きにした試験体の内部に水圧を掛ける。ひずみゲージからのデータを採取し、直線性と再現性の有無を各測定位置につき確認することができる。
FIG. 3 shows a state where the container
As a method for confirming that there is no gap, a strain gauge is attached to both the
For example, a strain gauge is attached to the outer surface of the specimen obtained by fitting, and water pressure is applied to the inside of the specimen placed in a vertical position. Data from strain gauges can be collected and the presence or absence of linearity and reproducibility can be confirmed for each measurement position.
得られた蓄圧器は、高い圧力のガスの蓄圧が可能であり、例えば水素などのガスを、100MPaまでは良好に蓄圧することができる。 The obtained pressure accumulator is capable of accumulating high-pressure gas. For example, gas such as hydrogen can be favorably accumulated up to 100 MPa.
次に、フィラメントワインディング(FW)成形により得られた蓄圧器と、本実施形態の嵌合により得られた蓄圧器について、縦置きの状態で水圧試験を実施し、得られたひずみ応答性を図4(a)、(b)にて比較した。水圧試験の圧力範囲は、FW成形では、0〜150MPaの範囲、嵌合によるものは0〜60MPaの範囲とし、サイクル数は3とした。なお、フィラメントワインディング(FW)成形によるCFRPおよび補強筒体であるCFRPの厚さは10mmとした(以下同様である)。
図4(a)、(b)には、ひずみの実測値と解析値の双方を載せており、解析値は、CFRP外表面の軸方向および周方向のひずみ値を、FW成形では0〜150MPaの範囲で、嵌合によるものは0〜50MPaまでの範囲で、それぞれ10MPa刻みにてFEM解析した。
一方、ひずみの実測値は、CFRPの両端および中央部に2軸のひずみゲージを貼り付け、昇圧/降圧時のひずみ値を採取・集録することにより得た。
Next, with respect to the accumulator obtained by filament winding (FW) molding and the accumulator obtained by the fitting of this embodiment, a water pressure test is conducted in a vertically placed state, and the obtained strain response is shown. Comparison was made in 4 (a) and (b). The pressure range of the water pressure test was 0 to 150 MPa for FW molding, 0 to 60 MPa for fitting, and 3 cycles. In addition, the thickness of CFRP by filament winding (FW) molding and CFRP which is a reinforcing cylinder was set to 10 mm (the same applies hereinafter).
4 (a) and 4 (b) show both measured values and analytical values of strain. The analytical values are the strain values in the axial direction and circumferential direction of the CFRP outer surface, and 0 to 150 MPa in FW molding. FEM analysis was carried out in increments of 10 MPa each in the range of 0 to 50 MPa.
On the other hand, the measured value of strain was obtained by attaching a biaxial strain gauge to both ends and the center of the CFRP, and collecting and collecting the strain value at the time of pressure increase / decrease.
図4(a)に示すように、FW成形により得られた蓄圧器では、内圧を掛けた際にひずみの立ち上がりが悪く、ライナーとCFRPの間に0.2mm程度の隙間を生じていることが分かる。
一方、図4(b)に示すように、嵌合で得られた蓄圧器では低圧からひずみは直線性を有しており、かつ解析値とも良い一致を示した。したがって容器本体と補強筒体の双方が荷重分担を果たすことが分かる。
As shown in FIG. 4A, in the accumulator obtained by FW molding, when the internal pressure is applied, the rise of strain is poor, and a gap of about 0.2 mm is generated between the liner and the CFRP. I understand.
On the other hand, as shown in FIG. 4B, in the accumulator obtained by fitting, the strain from the low pressure has linearity, and the analysis value shows a good agreement. Therefore, it turns out that both a container main body and a reinforcement cylinder fulfill | perform load sharing.
また、FW成形にてライナーに巻きつけて得られたCFRPと、嵌合を実施する前提から完全硬化させたCFRPにつき層間せん断強さ試験を実施し、結果を比較した。試験結果は、図5に示した。
FW成形にてライナーに巻きつけて得られたCFRPと、嵌合を実施する前提から完全硬化させたCFRPの端部を小割切断し、得られたCFRPの内表面、外表面から4×8×24mmの試験片を採取した。
試験は、ASTM D 2344に基づき行うこととし、試験環境は、温度:23±2℃、相対湿度:(50±5)%RHとした。また、試験速度は1mm/minとし、圧子先端はR3、支持台先端はR1.5、支持台スパンは16mmとした。
In addition, an interlaminar shear strength test was performed on CFRP obtained by wrapping around a liner by FW molding and CFRP completely cured from the premise of fitting, and the results were compared. The test results are shown in FIG.
The CFRP obtained by wrapping around the liner by FW molding and the end portion of CFRP completely cured from the premise of fitting are cut into small pieces, and 4 × 8 from the inner surface and outer surface of the obtained CFRP. A test piece of x24 mm was collected.
The test was conducted based on ASTM D 2344, and the test environment was a temperature: 23 ± 2 ° C. and a relative humidity: (50 ± 5)% RH. The test speed was 1 mm / min, the indenter tip was R3, the support tip was R1.5, and the support span was 16 mm.
試験結果を比較すると、図5に示すように、完全硬化させたCFRPの方が明らかに内表面側の層間せん断強さが大きい。以上より、複合容器の特性を発現できて、かつ隙間の無い蓄圧器の施工方法として嵌合は極めて有効である。
また嵌合によってCFRP施工したタイプ2蓄圧器は、しめしろ比(しめしろ)が正であり、寿命増加にも寄与する。
Comparing the test results, as shown in FIG. 5, the completely cured CFRP clearly has a larger interlaminar shear strength on the inner surface side. From the above, fitting is extremely effective as a construction method of a pressure accumulator that can express the characteristics of the composite container and has no gap.
In addition, the
図6は、しめしろを−0.3〜+1.0mmとした蓄圧器に、0〜300MPaまでの範囲で内圧を掛けた際のライナー内面応力強さにつきFEM解析したもの(解析ソフト:Ansys)である。
ライナーは、外径約374mm、厚さ29mmで弾塑性体(二直線近似)、CFRP管は厚さ10mmで繊維含有率60%としている。
ライナーの内面応力強さは、しめしろを増じるほど減少する。
すなわち、ライナーに同じ内圧を掛けても、作用する応力が小さくなり、寿命が増加する。
ここで金属材料の疲労限度(σw0)と引張強さ(σB)には相関があることが知られており、σw0 = 0.5×σBである。(非特許文献2参照)
ライナー材はSCM435TKB(T.S = σB = 770 MPa)ゆえ、疲労限度であるσw0は770×0.5 = 385 と400MPa弱である。
上記の値(400MPa)は、しめしろを1mm(しめしろ比で2.67に相当)とし、内圧100MPaを付与した場合のライナー内面応力強さとほぼ一致する。
従い、しめしろ比が2.67を超えると、水素蓄圧器の使用時にライナーが疲労破壊しなくなると考えられる。
Fig. 6 shows FEM analysis of liner inner surface stress strength when applying an internal pressure in the range of 0 to 300 MPa to a pressure accumulator with an interference of -0.3 to +1.0 mm (analysis software: Ansys) It is.
The liner has an outer diameter of about 374 mm, a thickness of 29 mm, and an elastic-plastic body (two-line approximation), and the CFRP tube has a thickness of 10 mm and a fiber content of 60%.
The inner stress strength of the liner decreases as the interference increases.
That is, even if the same internal pressure is applied to the liner, the acting stress is reduced and the life is increased.
Here, it is known that there is a correlation between the fatigue limit (σw0) and the tensile strength (σB) of the metal material, and σw0 = 0.5 × σB. (See Non-Patent Document 2)
Since the liner material is SCM435 TKB (TS = σB = 770 MPa), the fatigue limit σw0 is 770 × 0.5 = 385, which is slightly less than 400 MPa.
The above value (400 MPa) is approximately equal to the liner inner surface stress intensity when the interference is 1 mm (corresponding to an interference ratio of 2.67) and an internal pressure of 100 MPa is applied.
Therefore, when the interference ratio exceeds 2.67, it is considered that the liner does not undergo fatigue failure when the hydrogen pressure accumulator is used.
一方、図7には、しめしろを−0.3〜+1.0mmとした蓄圧器に0〜300MPaまでの範囲で内圧を掛けた際のCFRP内面の繊維方向ひずみにつきFEM解析したもの(解析ソフト:Ansys)である。
ここで、炭素繊維(T710SC)は破断ひずみが1.7%であり、ASME KD−1310によれば、CFRPが破断しないひずみの上限は、上記破断ひずみに対して運転時なら0.4を、耐圧試験時なら0.67を掛けて考えなければならない(非特許文献3参照)。
On the other hand, FIG. 7 shows an FEM analysis of the strain in the fiber direction on the inner surface of the CFRP when an internal pressure is applied in the range of 0 to 300 MPa to a pressure accumulator having an interference of −0.3 to +1.0 mm (analysis software). : Ansys).
Here, the carbon fiber (T710SC) has a breaking strain of 1.7%, and according to ASME KD-1310, the upper limit of the strain at which the CFRP does not break is 0.4 when operating with respect to the breaking strain. In the case of a pressure test, it must be considered by multiplying by 0.67 (see Non-Patent Document 3).
運転時圧力を100MPa、耐圧試験時の圧力を150MPaとすると、運転時および耐圧試験時にCFRPが破断しないひずみの上限は、それぞれ0.68、1.12である。
運転時にCFRPがひずみの上限に達していなければ、すなわち、しめしろを1mm以下(しめしろ比は2.67以下)とすれば、CFRPは疲労しない。(非特許文献5および非特許文献5の図6参照)
逆に、しめしろを1mmを超える(しめしろ比は2.67超)ものとすると、CFRPが運転時に破断してしまい、蓄圧器が複合容器としての特性を失う。
以上より、しめしろ比の上限値は2.67である。
一方、しめしろ比の下限値は、定性的には運転時圧力に到達してもライナーがCFRPと接触せず、複合容器としての機能を発現しない値である。
これは図7においてNo CFRP(ライナーのみ)で得られる曲線から100MPaまで逸脱しないしめしろであり、その値は−0.4mmで、しめしろ比で−1.07に相当する。
Assuming that the operating pressure is 100 MPa and the pressure test is 150 MPa, the upper limits of the strain at which the CFRP does not break during operation and the pressure test are 0.68 and 1.12.
If the CFRP does not reach the upper limit of strain during operation, that is, if the interference is 1 mm or less (interference ratio is 2.67 or less), the CFRP will not fatigue. (Refer to FIG. 6 of Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 5)
On the other hand, if the interference exceeds 1 mm (interference ratio exceeds 2.67), the CFRP breaks during operation, and the pressure accumulator loses its characteristics as a composite container.
From the above, the upper limit value of the interference ratio is 2.67.
On the other hand, the lower limit of the interference ratio is qualitatively a value at which the liner does not come into contact with CFRP even when the operating pressure is reached, and the function as a composite container is not exhibited.
This is an interference that does not deviate to 100 MPa from the curve obtained with No CFRP (liner only) in FIG. 7, and the value is −0.4 mm, which corresponds to an interference ratio of −1.07.
以上、本発明について、上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは、本実施形態に対する適宜の変更が可能である。 As described above, the present invention has been described based on the above embodiment, but the present invention is not limited to the content of the above embodiment, and is appropriate for the present embodiment without departing from the scope of the present invention. It can be changed.
1、1A、1B 容器本体
2 補強筒体
1, 1A,
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