JP2019158101A - バースト試験向けの高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で高い耐リーク性を備えたバースト試験向けの高圧タンクを提供する。【解決手段】バースト試験向けの高圧タンク１は、ライナ１１、口金１２、及びカーボン繊維１３を備える。ライナ１１は、ガスを収容するための内部空間Ｓを形成する。口金１２は、内部空間Ｓに連通する筒状部１２ａと筒状部１２ａの径方向外側のフランジ部１２ｂとを有する。カーボン繊維１３は、フランジ部１２ｂ及びライナ１１を外側から覆う。ライナ１１は、スチレン・ブタジエン共重合樹脂製であり、且つ、筒状部１２ａの内側に沿って口金１２と密着している。口金１２は、筒状部１２ａの内側の一部に凹凸部を有する。高圧タンク１は、フランジ部１２ｂの一部とライナ１１との間、及び上記凹凸部を含む筒状部１２ａの内側とライナ１１との間に、シール部１５〜１７を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、バースト試験向けの高圧タンクに関する。

特許文献１には、予め定めた断面にて分割及び結合可能な分割部を有するライナが開示されている。特許文献１に記載のライナは、その外側に繊維材料が巻装されることで強化されてなる複合容器の製造試験に用いられ、上記断面にて強化層を切断して分割することで、強化層の断面を観察することができる。また、このライナは、再結合することで何度でも製造試験に使用することができる。

特開２０１１−１１２１３９号公報

ところで、高圧タンクをバースト試験で評価するに際し、バースト試験のサンプル数を増やしたい場合がある。バースト試験向けの高圧タンクは、高い耐リーク性が求められるが、特許文献１に記載の複合容器は、その点が考慮されていない。よって、簡易な構造で高い耐リーク性を備えたバースト試験向けの高圧タンクが求められる。

そこで、本発明の目的は、簡易な構造で高い耐リーク性を備えたバースト試験向けの高圧タンクを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
ガスを収容するための内部空間を形成するライナと、
前記内部空間に連通する筒状部と前記筒状部の径方向外側のフランジ部とを有する口金と、
前記フランジ部及び前記ライナを外側から覆うカーボン繊維と、
を備え、
前記ライナは、スチレン・ブタジエン共重合樹脂製であり、且つ、前記筒状部の内側に沿って前記口金と密着しており、
前記口金は、前記筒状部の内側の一部に凹凸部を有し、
前記フランジ部の一部と前記ライナとの間、及び前記凹凸部を含む前記筒状部の内側と前記ライナとの間に、シール部を備えた、
バースト試験向けの高圧タンクである。

この一態様に係るバースト試験向けの高圧タンクは、スチレン・ブタジエン共重合樹脂製のライナを備えるため、ライナを簡易に形成することができ、且つ、リーク侵入経路に凹凸部及びシール部を備えるため、耐リーク性を向上させることができる。よって、この一態様によれば、バースト試験向けの高圧タンクにおいて、簡易な構造で高い耐リーク性を備えることができる。

本発明によれば、簡易な構造で高い耐リーク性を備えたバースト試験向けの高圧タンクを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る高圧タンクの一構成例の一部を示す断面図である。 図１の高圧タンクの製造工程を説明するための断面図である。 図１の高圧タンクの製造工程を説明するための断面図である。 図１の高圧タンクの製造工程を説明するための断面図である。 流通させる高圧タンクについて評価試験を実施した結果のイメージを示す図である。 図１の高圧タンクについて評価試験を実施した結果のイメージを示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係るバースト試験向けの高圧タンクについて、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る高圧タンクの一構成例の一部を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係るバースト試験向けの高圧タンク１は、ライナ１１、口金１２、及びカーボン繊維１３を備える。なお、高圧タンク１は、図１に示す断面を、筒状部１２ａの軸中心に回転させたような形状を有する。但し、図１において高圧タンク１の下側部分は省略しているが、その形状は問わない。

高圧タンク１は、バースト試験を評価するためのタンクであり、実際にガスを収容して使用するために流通させる高圧タンクより小型とすることができる。上記流通させる高圧タンクとしては、例えば燃料電池車に搭載されている高圧水素タンクなど、様々なものが挙げられる。

高圧タンク１の各構成要素について説明する。
ライナ１１は、ガスを収容するための内部空間Ｓを形成する樹脂製のライナである。つまり、ライナ１１は樹脂製の中空体である。

口金１２は、筒状部１２ａ及びフランジ部１２ｂを有する。口金１２は金属材で構成することができる。筒状部１２ａは、ライナ１１の内部空間Ｓに連通する部分であり、フランジ部１２ｂは、筒状部１２ａの径方向外側の部分である。筒状部１２ａ及びフランジ部１２ｂは一体に形成することができるが、別々に形成し、フランジ部１２ｂを筒状部１２ａの径方向外側に配設するようにしてもよい。

カーボン繊維１３は、フランジ部１２ｂ及びライナ１１を外側から覆うように配設される。カーボン繊維１３は、フランジ部１２ｂ及びライナ１１の外側に巻き付けることで配設（巻装）することができる。

口金１２は、筒状部１２ａの内側の一部に凹凸部を有する。つまり、筒状部１２ａの内側の一部には凹凸部が形成されている。

そして、ライナ１１は、スチレン・ブタジエン共重合樹脂（ＳＢＣ樹脂）製であり、且つ、筒状部１２ａの内側に沿って、口金１２と密着している。筒状部１２ａの内側の一部には上記凹凸部を有するため、ライナ１１は、上記凹凸部に密着していることになる。

高圧タンク１は、上記凹凸部を含む筒状部１２ａの内側とライナ１１との間に、シール部１５，１６を備える。ここで、ライナ１１と口金１２との境界部分の先端（境界部先端）１４は、図１のシール部１５の上端部分と一致する。つまり、ライナ１１と口金１２とは境界部先端１４でシールされている。シール部１６は、上記凹凸部とフランジ部１２ｂとの境界付近に設けることができる。さらに、高圧タンク１は、フランジ部１２ｂの一部とライナ１１との間にシール部１７を備える。

図１で例示する高圧タンク１は、このような３段階のシール構造を有しているが、シール部の数や位置等についてはこれに限ったものではない。シール部１５〜１７は、例えば、耐熱性の液状ガスケット材を塗布することで形成することができる。

次に、図２〜図４を参照しながら、本実施形態に係る高圧タンク１の製造工程の一例について説明する。図２〜図４は、高圧タンク１の製造工程を説明するための断面図で、高圧タンク１の製造途中の状態を示す断面図である。

ここで例示する製造工程は、ライナを粗成形する工程と、そのライナに口金１２を接合するとともにライナ１１における口金１２との境界部先端１４に位置する部分の形状を生成する工程と、を含む。

ライナを粗成形する工程では、まず例えばダイレクトブロー成形により図２に示すようなライナ１１ａを形成する。ダイレクトブロー成形により短時間で且つ低コストでライナ１１ａを形成することができる。

ブロー成形後、図２の矢印で示す方向に向けて、ライナ１１ａの先端部分を先端絞り用の型２１に押し付けて絞る。その際に、ライナ１１ａの先端部分及び型２１の少なくとも一方を事前に加熱しておく。ライナ１１ａは、このように型２１で絞ることで、図３に示すような先端部分が絞られたライナ１１ｂとなる。なお、ライナ１１ａの先端部分は、最終的に外部と連通する連通口となる部分（口元先端部分）を指す。

次に、シール性を確保するために、口金１２のシール部１５〜１７を形成する部分３１，３２に、耐熱性の液状ガスケット材（液状シール材）を塗布する。ここで、部分３１は、口金１２の上記凹凸部に相当する部分である。次いで、図３の矢印で示す方向に向けて、口金１２の部分３１にライナ１１ｂの絞られた先端部分をはめ込む。

これにより、図４に示すような状態となる。但し、詳細は図示しないが、この段階では、実際には未だライナ１１と口金１２との間に隙間が残った状態である。

その後、ライナ１１及びフランジ部１２ｂにカーボン繊維１３を積層し、内圧を付与した状態で加熱硬化することで、シール部１５にライナ１１が押し付けられ形状が生成され、図１に示すような状態となる。つまり、カーボン繊維１３を巻くなどにより積層した後、加熱硬化時に内部空間Ｓに内圧を付与することによって、熱により軟化したライナ１１が口金１２の部分３１（上記凹凸部）に押し付けられ張り付くことで、シール部１５の形状（及び対応するライナ１１の部分の形状）が構築される。

このように、シール部１５の形状は、ブロー成形によりライナ１１ａを形成後、熱した型２１に押し当て先端を絞りながら粗成形し、加熱硬化時に付与された圧力により口金１２に押し当てられることで、隙間が埋められて構築される。上述のように境界部先端１４に対応する部分はリーク経路の侵入口となるが、シール部１５はこの部分を含むため、侵入口を塞ぐことができる。

そして、シール部１５は、口金１２の上記凹凸部に対応する凹凸を有するため、ライナ１１と口金１２との境界部先端１４の境界線長さを極端に短くすること、つまりリーク経路入口を小さくすることができる。また、シール部１５は、上記凹凸部により短い全長（図１の縦方向の長さ）でシール長を確保することができる。これらの理由から、シール部１５は、高い耐リーク性能を確保することができると言える。また、本実施形態のように、加熱硬化時に口金１２にライナ１１が張り付いて形状を構築できる工法を採用することで、低い精度でも高い耐リーク性能を確保することができ、低コスト化が実現できる。

以上のように、高圧タンク１は、リーク侵入経路に凹凸部及びシール部１５〜１７を備えるため、耐リーク性を向上させることができる。また、高圧タンク１は、ＳＢＣ製のライナ１１を備えるためライナ１１を簡易に形成することができ、また上述のような簡易な構造とすることができる。

上述のような高圧タンク１は、実際に流通させる実物サイズの高圧タンク（以下、実物タンク）の相似モデル（バースト試験の評価用小型タンク）として使用することができる。以下、この使用に関して具体的に説明する。

例えば、燃料電池車に搭載されている高圧水素タンクなどの高圧タンクは、樹脂製ライナにカーボン繊維を巻き重ねていくことで、タンクの重要な機能である耐バースト性能を確保している。この性能を保証するためには、カーボン繊維の巻き方が重要であるが、この巻き方を検討するに際し、実物タンクを使用したバースト評価をしていくには製造コストが高く、時間も長いため容易に多くの評価を実施することは難しい。そこで、多くの評価用小型タンクを製造して評価が実施されることになる。

一般的に評価用小型タンクを製造する場合に、実物タンクと同じ製法では耐シール性を確保することが難しく、評価用小型タンクとして専用の設計が必要となる。そこで、実物タンクでは難しい短時間で多数の実験評価をしていくために、評価用小型タンクの構造、製造方法はそれぞれ簡易、容易なものが望まれ、低コスト化も望まれる。また、評価用小型タンクは、カーボン繊維を積層後に加熱硬化するため、熱に耐え得るシール構造を備える必要がある。

このような状況に対し、本実施形態に係る高圧タンク１は、上述したように耐熱性をもつだけでなく簡易な構造で耐リーク性を向上させている。よって、このような高圧タンク１を多数準備することで、バースト試験のサンプル数を容易に増やすことができる。また、高圧タンク１は、流通させる実物タンクより小型であり、且つ上述したような簡易な耐熱シール構造を有することから、低コストで製造することができる。

ここで、図５及び図６を参照しながら、高圧タンクの評価試験（バースト試験）を実施した例について説明する。図５は、実物タンクについて評価試験を実施した結果のイメージを示す図で、図６は、図１の高圧タンク１について評価試験を実施した結果のイメージを示す図である。

例えば、カーボン繊維１３の巻き条件の一つとして或る巻張力の水準を多数評価することで、耐バースト性能への寄与度を明確にできる。図５に実物タンクでの評価イメージを示すように、実物タンクについては、カーボン繊維の巻張力が増加することでタンクバースト圧力も増加しているように見える。しかし、評価実施数（評価サンプル数）が少なく、結果が製造上のばらつきなのか、条件水準を振ったこと（巻張力を変化させたこと）による影響なのかを明確にすることができない。

また、図６に高圧タンク１での評価イメージを示すように、高圧タンク１についても、巻張力が増加することでタンクバースト圧力も増加しているように見える。しかし、図６の例では、図５の例に対して、評価実施数が多く、結果に製造上のばらつきを含めたとしても、条件水準を振ったことによる影響であることが分かる。この点からも、高圧タンク１がバースト試験向けに使用できることが分かる。

＜代替例＞
次に、本実施形態における代替例について説明する。
本実施形態に係る高圧タンク１は、上述したようにバースト試験に用いることができるが、他種の試験に用いることもできる。なお、バースト試験としては、ガスバースト試験が行われるが、水圧バースト試験であってもよいし、両方の試験であってもよい。

また、本実施形態に係る高圧タンク１について説明したが、各構成部品の形状等は例示したものに限らず、それぞれの機能が果たせればよい。さらに、図１では、高圧タンク１の一部のみ図示したが、上述したように高圧タンク１における図示しない部分の形状も問わない。例えば、図１において図示しない部分は、単にライナ１１にカーボン繊維１３が巻かれたものであってもよいし、口金１２等による外部との連通部分が下側にも設けられた上下対称の形状であってもよい。また、ライナ１１は、特許文献１に記載されたような分割部を有することもできる。

以上に、本実施形態について説明したが、上記実施形態は、以下の特徴を有する。
即ち、上記実施形態に係るバースト試験向けの高圧タンク１は、ライナ１１、口金１２、及びカーボン繊維１３を備える。ライナ１１は、ガスを収容するための内部空間Ｓを形成する。口金１２は、内部空間Ｓに連通する筒状部１２ａと筒状部１２ａの径方向外側のフランジ部１２ｂとを有する。カーボン繊維１３は、フランジ部１２ｂ及びライナ１１を外側から覆う。ライナ１１は、スチレン・ブタジエン共重合樹脂製であり、且つ、筒状部１２ａの内側に沿って口金１２と密着している。口金１２は、筒状部１２ａの内側の一部に凹凸部を有する。高圧タンク１は、フランジ部１２ｂの一部とライナ１１との間、及び上記凹凸部を含む筒状部１２ａの内側とライナ１１との間に、シール部１５〜１７を備える。

以上の高圧タンク１は、スチレン・ブタジエン共重合樹脂製のライナ１１を備えるため、ライナ１１を簡易に形成することができ、且つ、リーク侵入経路に上記凹凸部及びシール部１５〜１７を備えるため、耐リーク性を向上させることができる。よって、この高圧タンク１によれば、簡易な構造で高い耐リーク性を備えることができる。そして、このような高圧タンク１を準備することで、バースト試験のサンプル数を容易に増やすことができる。

Ｓ 内部空間
１ バースト試験向けの高圧タンク
１１ ライナ
１１ａ，１１ｂ ライナ（製造途中）
１２ 口金
１２ａ 筒状部
１２ｂ フランジ部
１３ カーボン繊維
１４ 境界部先端
１５，１６，１７ シール部
２１ 型
３１，３２ シール部を形成する部分

Claims (1)

1. ガスを収容するための内部空間を形成するライナと、
   前記内部空間に連通する筒状部と前記筒状部の径方向外側のフランジ部とを有する口金と、
   前記フランジ部及び前記ライナを外側から覆うカーボン繊維と、
   を備え、
   前記ライナは、スチレン・ブタジエン共重合樹脂製であり、且つ、前記筒状部の内側に沿って前記口金と密着しており、
   前記口金は、前記筒状部の内側の一部に凹凸部を有し、
   前記フランジ部の一部と前記ライナとの間、及び前記凹凸部を含む前記筒状部の内側と前記ライナとの間に、シール部を備えた、
   バースト試験向けの高圧タンク。

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