JP2020118230A - 高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】離型剤塗布時のマスキングを行うことなくライナーの片側収縮を抑制可能な高圧タンクを提供すること。【解決手段】本発明にかかる高圧タンクは、軸方向に伸びる筒状の円筒部１ａを少なくとも備えた高圧タンク１であって、高圧タンク１の内面に配置されたライナー１１と、ライナー１１の外表面に離型剤層１２を介して形成された繊維強化プラスチック層１３と、を備え、ライナー１１の外表面のうち、円筒部１ａの軸方向の中央部の外表面には、少なくとも一組以上の凹凸形状が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は高圧タンクに関する。

高圧タンクとして、ライナーの外表面上に繊維強化プラスチック層が形成された高圧タンクが知られている。低温低圧環境下において、ライナーが収縮した状態でタンク内に水素などの流体を充填すると、ライナーが伸長し亀裂が発生する場合がある。その原因の一つとして、ライナーの収縮が片側に偏り、ライナーの局所に応力が集中することが挙げられる。特許文献１には、ライナーの外表面に離型剤を介して繊維強化プラスチック層を形成することによって、ライナーと繊維強化プラスチック層との固着を抑制できる高圧タンクが開示されている。

特開２０１５−０１７６４１号公報

ライナーと繊維強化プラスチック層との間に離型剤を介して高圧タンクを形成する場合、ライナーの、片側に偏った片側収縮を抑制するために、ライナーの軸方向に伸びる円筒部の中央部に離型剤を塗布せず、当該中央部ではライナーと繊維強化プラスチック層とが固着するようにして形成することが考えられる。しかしながら、ライナーの軸方向の中央部分に離型剤を塗布しないようにするためには、当該中央部分をマスキングする必要があり、工程数が増加するという問題があった。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、離型剤塗布時のマスキングを行うことなくライナーの片側収縮を抑制可能な高圧タンクを提供するものである。

本発明に係る高圧タンクは、
軸方向に伸びる筒状の円筒部を少なくとも備えた高圧タンクであって、
前記高圧タンクの内面に配置されたライナーと、
前記ライナーの外表面に離型剤層を介して形成された繊維強化プラスチック層と、を備え、
前記ライナーの外表面のうち、前記円筒部の軸方向の中央部の前記外表面には、少なくとも一組以上の凹凸形状が形成されている。

本発明に係る高圧タンクでは、ライナーの外表面のうち、円筒部の軸方向の中央部の外表面には、少なくとも一組以上の凹凸形状が形成されている。よって、離型剤塗布時のマスキングを行うことなくライナーの片側収縮を抑制できる。

本発明により、離型剤塗布時のマスキングを行うことなくライナーの片側収縮を抑制できる。

実施の形態にかかる高圧タンクの正面断面図である。 図１のＩＩで示す領域の拡大断面図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、図に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。特に言及の無い限りｚ軸プラス向きが鉛直上向きである。また、ｘｙ平面が水平面である。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態にかかる高圧タンクの正面断面図である。本実施の形態にかかる高圧タンクは、例えば、燃料電池自動車の水素タンクに用いられるような、高圧の気体等の流体を貯蔵できる容器である。図１に示すように、高圧タンク１は、軸方向に伸びる筒状の円筒部１ａを少なくとも備える。当該円筒部１ａの両端には、それぞれ半球状の一対のドーム部１ｂを備える。円筒部１ａ及びドーム部１ｂの内部には、高圧の流体を貯蔵する中空状の空間１ｃを備える。

各ドーム部１ｂは、空間１ｃと、高圧タンク１の外部との間を連通する、口金２０をそれぞれ備える。本実施の形態では、図１に示すように、口金２０が高圧タンク１の軸方向（ｘ軸方向）の両端にそれぞれ配設された構成であるが、いずれか一方の端部が口金を有し、他方の端部は口金を有さない構成としてもよい。

円筒部１ａ及びドーム部１ｂは、内面側、すなわち空間１ｃ側から順に、ライナー１１、離型剤層１２及び繊維強化プラスチック層１３を備える。なお、高圧タンク１の表面保護のため、繊維強化プラスチック層１３のさらに外側に、繊維強化プラスチック層１３とは別体の、ガラス繊維強化プラスチック（Glass Fiber Reinforced Plastic, ＧＦＲＰ）などの繊維強化プラスチック層を設けてもよい。

ライナー１１は、水素ガスに対するガスバリア性を有する合成樹脂によって形成することができる。ライナー１１を構成する合成樹脂として、例えば、ナイロン系樹脂や高密度ポリエチレン等の合成樹脂等を用いることができる。図１に示すように、ライナー１１は、ドーム部１ｂにおいて、球面側の中央部に凹部を有する半球形状に形成されている。当該凹部に、口金２０が配設されている。

離型剤層１２は、離型剤によって形成された層である。図１に示すように、離型剤層１２は、ライナー１１の外表面側に沿うように形成されている。離型剤層１２は、ライナー１１と、後述する繊維強化プラスチック層１３との固着を抑制するものである。離型剤として、例えばシリコン系の離型剤を用いることができる。

繊維強化プラスチック層１３は、離型剤層１２を介して形成されている。繊維強化プラスチック層１３を構成する繊維強化プラスチックとしては、例えば、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic, ＣＦＲＰ）や、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）を用いることができる。繊維強化プラスチック層１３は、例えばフィラメントワインディング法を用いて、形成できる。より具体的には、離型剤層１２を介した状態でライナー１１に繊維強化プラスチックを巻き付けることによって、繊維強化プラスチック層１３を形成することができる。

次に、図２を用いて、ライナー１１、離型剤層１２及び繊維強化プラスチック層１３の構造の詳細について説明する。
図２は、図１のＩＩで示す領域の拡大断面図である。すなわち、図２は、円筒部１ａの軸方向の中央部の拡大断面図である。図２に示すように、円筒部１ａの軸方向の中央部において、ライナー１１の外表面には、少なくとも一組以上の凹凸形状が形成されている。凹凸形状は、より具体的には、例えば、凹部１１ａのｘ軸方向の幅が凸部１１ｂの幅に比べ大きく形成され、凹部１１ａの表面が滑らかな曲線を有する、波形の凹凸形状である。なお、凹凸形状は、例えば連続した折れ線のような、直線形状を有するものであってもよいし、折れ線と波形の凹凸形状とを組み合わせたものであってもよい。

ライナー１１の外表面に沿うように塗布された離型剤層１２は、ライナー１１の外表面に形成された凹凸形状と同様の凹凸形状を有する。そして、離型剤層１２を介してライナー１１の表面に巻き付けられた繊維強化プラスチック層１３の内面側、すなわちｚ軸負側は、結果として、ライナー１１側に凹凸形状を有した状態で形成される。換言すると、繊維強化プラスチック層１３の内表面に形成された凹凸形状は、ライナー１１の外表面の凹凸形状と一致するような形状で形成されている。

本実施の形態では、上述の通り、円筒部１ａの軸方向の中央部において、ライナー１１の外表面の凹凸形状と、繊維強化プラスチック層１３の内表面の凹凸形状とが噛み合っている。すなわち、ライナー１１の中央部は、繊維強化プラスチック層１３の中央部に固定された状態である。よって、低温低圧環境下において、ライナー１１が収縮した場合であっても、ライナー１１の片側収縮を抑制することができる。

以下、ライナー１１の片側収縮を抑制可能な条件について、（１）〜（４）に詳細を示す。記号はそれぞれ、ｔ：ライナー１１の板厚、ａ：凹凸高さ、Ｌ：凹部１１ａのｘ軸方向の幅、を示す。板厚ｔは、ライナー１１の最内面側（ｚ軸負側）から、凸部１１ｂまでのｚ軸方向の厚さを指す。凹凸高さａは、凹部１１ａの最も凹みの大きい部分、すなわち底部１１ｃから、凸部１１ｂまでのｚ軸方向の厚さを指すものとする。
（１）ｔ／８≦ａ
（２）Ｌ＜２ａ／０．１
（３）以下の数式（式１）で示す。ライナーの周方向の収縮量＜ａ

・・・（式１）

（４）凹凸を一組以上備える。

条件（３）の（式１）について説明する。
（式１）において、各記号の意味は以下の通りである。
Ｄ：ライナー内径（タンク内径）、α：線膨張係数、ΔＴ：変化温度、Ｐ：タンク内圧、ｔ：ライナー板厚、Ｅ：ヤング率、ａ：凹凸高さ。
また、

：収縮力、

：タンクの内圧によってライナーが拡張される力、
を示す。

（式１）の左辺は、ライナー１１の周方向への収縮量を示す。（式１）に示すように、ライナー１１の周方向の収縮量が、ライナー１１の凹凸高さａより小さい場合は、ライナー１１の外表面の凹凸形状と、繊維強化プラスチック層１３の内表面の凹凸形状とが噛み合った状態である。すなわち、（式１）の条件を満たす場合、ライナー１１の中央部は、繊維強化プラスチック層１３の中央部に固定され、ライナー１１の片側収縮が抑制される。

（式１）の左辺の値は、凹凸高さａ未満であればよく、正の値でも負の値でもよい。正の値の場合は、ライナー１１は収縮するが、ライナー１１の外表面の凹凸形状は、繊維強化プラスチック層１３の内表面の凹凸形状から外れず、噛み合った状態である。一方、負の値の場合は、ライナー１１は収縮しない。したがって、左辺の値が凹凸高さa未満であれば、正の値及び負の値のいずれであっても、ライナー１１の中央部は、繊維強化プラスチック層１３の中央部に固定され、ライナー１１の片側収縮が抑制される。

以下、上記（式１）について、具体的な数値を用いた具体例を示す。ここでは、一例としてポリアミドを用いて作製したライナーに収縮が生じない条件とした場合について説明する。すなわち、（式１）の左辺が負の値となる条件について示す。
一例として、以下の各数値を（式１）に代入したとき、
Ｄ：２６０ｍｍ、α：１．１×１０^−４、ΔＴ：６３（２３℃→−４０℃）、Ｐ：０．６ＭＰａ、ｔ：３．４ｍｍ、Ｅ：２ＧＰａ、ａ：０．９ｍｍ
高圧タンクの周方向の収縮量＜ａは、
−０．５３＜０．９
となる。
したがって、上記条件では、左辺の値が負の値となる。よって、例えば上記のように各数値の条件を設定したとき、ライナーの片側収縮が生じないものと考えられる。

従来のライナーと繊維強化プラスチック層との間に離型剤を介して高圧タンクを形成する場合、ライナーの片側収縮を抑制するために、ライナーの軸方向に伸びる円筒部の中央部に離型剤を塗布せず、当該中央部ではライナーと繊維強化プラスチック層とが固着するようにして形成することが考えられる。しかしながら、ライナーの軸方向の中央部分に離型剤を塗布しないようにするためには、当該中央部分をマスキングする必要があり、工程数が増加するという問題があった。

これに対し、本発明にかかる高圧タンクは、ライナーの外表面のうち、円筒部の軸方向の中央部の外表面に、少なくとも一組以上の凹凸形状が形成されている。円筒部の軸方向の中央部において、ライナーの外表面の凹凸形状と、繊維強化プラスチック層の内表面の凹凸形状とが噛み合っている。すなわち、ライナーの中央部は繊維強化プラスチック層の中央部に固定された状態である。よって、ライナーの片側収縮を抑制することができる。したがって、本実施の形態にかかる高圧タンクは、離型剤塗布時のマスキングを行うことなくライナーの片側収縮を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 高圧タンク
１ａ 円筒部
１ｂ ドーム部
１ｃ 空間
１１ ライナー
１１ａ 凹部
１１ｂ 凸部
１１ｃ 底部
１２ 離型剤層
１３ 繊維強化プラスチック層
２０ 口金

Claims (1)

1. 軸方向に伸びる筒状の円筒部を少なくとも備えた高圧タンクであって、
   前記高圧タンクの内面に配置されたライナーと、
   前記ライナーの外表面に離型剤層を介して形成された繊維強化プラスチック層と、を備え、
   前記ライナーの外表面のうち、前記円筒部の軸方向の中央部の前記外表面には、少なくとも一組以上の凹凸形状が形成されている、
   高圧タンク。

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