JP2021038781A

JP2021038781A - 高圧タンク

Info

Publication number: JP2021038781A
Application number: JP2019159805A
Authority: JP
Inventors: 統澤井; Osamu Sawai; 智樹中島; Tomoki NAKASHIMA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2021-03-11

Abstract

【課題】内部に貯槽した水素の透過を抑制しつつ、製造コストの低減を図ることができる高圧タンクを得る。
【解決手段】高圧タンク１２は、筒状に形成され、内部に水素を貯槽可能なライナ部を備えている。このライナ部１６の軸方向の端部には、開口部２０が設けられており、開口部２０に環状に形成された口金２２が取り付けられている。また、口金２２には、開口部２０を覆う蓋本体部２８が接合されている。ここで、蓋本体部２８には、鍛造成形品として構成されると共に開口部２０の内側に挿入されて、開口部２０を閉塞する金属製の中栓部３６が接合されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧タンクに関する。

特許文献１には、内部に水素を貯槽することができるライナ部と、ライナ部の開口部に取り付けられた口金を備える高圧タンクが開示されている。このような高圧タンクでは、口金に蓋部材を接合させて開口部を閉塞させることがある。

特開２０１７−１４５９５９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、ライナ部の開口部を介して、蓋部材とタンク内の水素が直接接触するため、蓋部材から水素が透過されることを防ぐための工夫が必要とされる。

ところで、金属製の蓋部材の場合、材料内部の空隙を通って水素が透過されることを抑制するために、蓋部材を鍛造成形により形成して水素透過性を低減することが好ましい。しかし、蓋部材の全体を鍛造で形成する場合、成形時の工程が複雑になりコストが掛かるため、改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、内部に貯槽した水素の透過を抑制しつつ、製造コストの低減を図ることができる高圧タンクの提供を目的とする。

請求項１に記載の本発明に係る高圧タンクは、筒状に形成され、軸方向の端部に開口部を有すると共に内部に水素を貯槽可能なライナ部と、環状に形成され、前記開口部に取り付けられた口金と、前記口金に接合され、前記開口部を覆う蓋本体部と、鍛造成形品として構成されると共に前記蓋本体部に接合され、前記開口部の内側に挿入されて前記開口部を閉塞する金属製の中栓部と、を備えている。

請求項１に記載の本発明に係る高圧タンクでは、筒状に形成されたライナ部の内部に水素を貯槽可能とされている。また、ライナ部の軸方向の端部に開口部が設けられており、開口部には環状に形成された口金が取り付けられている。さらに、口金には、開口部を覆う蓋本体部が接合されている。ここで、蓋本体部には、水素透過性の低い鍛造成形品として構成された金属製の中栓部が接合されている。そして、ライナ部の開口部が中栓部を用いて閉塞されている。これにより、タンク内の水素に直接触れる中栓部を介して、タンク内の水素がタンク外へ透過されることを抑制している。一方、蓋本体部は、鍛造成形と比較して製造コストが安価となる他の方法を用いて成形することができるため、製造コストの低減を図ることができる。

以上説明したように、請求項１に係る高圧タンクは、内部に貯槽した水素の透過を抑制しつつ、製造コストの低減を図ることができるという優れた効果を有する。

第１実施形態に係る高圧タンクが搭載されたタンクモジュールを示す斜視図である。図１の２−２線に沿って切断した状態を拡大して示す、高圧タンクの拡大断面図である。図２に示すタンクキャップの拡大斜視図である。図３の４−４線に沿って切断した状態を示す、タンクキャップの拡大断面図である。第２実施形態に係るタンクキャップを示す図４に対応する拡大断面図である。

以下、図１〜図４を用いて本実施形態に係る高圧タンク１２について説明する。なお、図１に記す矢印ＦＲ、矢印ＵＰ、矢印ＩＮは、高圧容器搭載構造が適用された車両（不図示）の車両前方側、車両上方側、車両内側をそれぞれ示している。また、図２〜図４に示す矢印Ｘは、高圧タンク１２の中心軸ＣＬの軸方向で、高圧タンク１２（ライナ部１６）の中心から離れる側を示しており、その離れる側を「軸方向端部側」とする。また、それとは逆に高圧タンク１２（ライナ部１６）の中心へ近づく側を「軸方向中央部側」とする。

（全体概要）
図１に示されるように、本実施形態の高圧タンク１２は、燃料電池自動車に搭載されたタンクモジュール１０の一部を構成しており、タンクモジュール１０を構成するケース１４の内部に収容されている。ケース１４は、平面視で略矩形状の底壁部１４Ａと、底壁部１４Ａの周縁部から車両上方側に立設された周壁部１４Ｂとを備え、車両上方側が開放された箱状に形成されている。また、ケース１４の内部に、複数の高圧タンク１２が一列（一層）に並んで設けられている。

（高圧タンク１２）
図２に示されるように、高圧タンク１２は、筒状に形成されたライナ部１６と、ライナ部１６を外側から覆う補強部１８と、を含んで構成されている。

ライナ部１６は、ナイロン等の水素透過性の低い樹脂材料を用いて形成されている。このライナ部１６は、両端が開放された略円筒状に形成されている。ここで、ライナ部１６の軸方向中央側において内径及び外径が一定とされた円筒状の部分を胴体部１６Ａと呼ぶ。また、ライナ部１６における軸方向両側に設けられ、軸方向端部側に向かうにつれて次第に縮径される部分を肩部１６Ｂと呼ぶ。さらに、ライナ部１６において軸方向の両端部を構成し、後述する中栓部３６が挿入される前の状態で、胴体部１６Ａ及び肩部１６Ｂよりも内径及び外径が小径かつ一定とされた円筒状の部分を小径端部１６Ｃと呼ぶ。この小径端部１６Ｃの軸方向端部側が、ライナ部１６の開口部２０とされている。

補強部１８は、繊維強化樹脂を用いて形成されている。なお、本実施形態では、繊維強化樹脂として炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）が用いられている。補強部１８は、炭素繊維強化樹脂をライナ部１６の外表面の全体に巻き付けることにより形成されており、ライナ部１６を外側から覆う補強層をなしている。なお、補強部１８の厚みは、ライナ部１６の胴体部１６Ａから小径端部１６Ｃ側に向かうにつれて厚くなっており、後述する口金２２がかしめられる前の小径端部１６Ｃに対応する部分の外径が略一定とされている。

補強部１８で覆われたライナ部１６の小径端部１６Ｃには、口金２２が取り付けられている。口金２２は、金属材料を用いて環状（筒状）に形成されており、補強部１８の小径端部１６Ｃに対応する部分の外表面を覆うように配置されている。口金２２の内周面には、径方向内側に突出した突起部２２Ａが形成されており、突起部２２Ａを補強部１８に食い込ませる（かしめる）ようにして、口金２２がライナ部１６に取り付けられている。また、口金２２の外周面は雄ネジが切られており、雄ネジ部２２Ｂとされている。

一方、ライナ部１６の軸方向両端部に設けられた開口部２０は、マニホールド２４とタンクキャップ２６がそれぞれ取り付けられている。

マニホールド２４は、高圧タンク１２の軸方向一方側に設けられた口金２２に取り付けられている。マニホールド２４は、高圧タンク１２の軸方向と略直交する方向に延在しており、ケース１４内において一列に並んで配置された複数の高圧タンク１２を連結している。また、マニホールド２４は、複数の高圧タンク１２の内部空間を連通させる一般流路２４Ａを有している。一般流路２４Ａの途中には、図示しない開閉弁が接続されており、開閉弁の開閉を調節することにより、高圧タンク１２内の水素を高圧タンク１２の外部へ供給可能とされている。

（本発明の要部）
図３及び図４に示されるように、高圧タンク１２の軸方向他方側に設けられた口金２２には、タンクキャップ２６が取り付けられている。タンクキャップ２６は、口金２２に接合された蓋本体部２８と、蓋本体部２８に接合された中栓部３６を含んで構成されている。なお、図３及び図４では、説明の便宜上、シール部材４４を省略して図示している。

蓋本体部２８は、アルミニウム等の金属材料を用いて形成されており、より具体的にはアルミダイカスト製とされている。蓋本体部２８は、ライナ部１６の軸方向中央側に向かって一方が開口された略円筒状に形成されており、底部３０と、筒状部３２と、フランジ部３４を含んで構成されている。なお、上記「アルミニウム」には、アルミニウム単体だけでなく、アルミニウム合金も含む。

底部３０は、ライナ部１６の軸方向を板厚方向とする円盤状に形成されており、ライナ部１６の開口部２０を覆っている。また、底部３０の中央には、後述する中栓部３６の一端が埋設（インサート）された接合部３０Ａが設けられている。

筒状部３２は、底部３０の周縁からライナ部１６の軸方向中央側に立設されており、上述した口金２２の外周面を覆っている。この筒状部３２の内周面は雌ネジが切られており、雌ネジ部３２Ａとされている。そして、雌ネジ部３２Ａが口金２２の雄ネジ部２２Ｂと螺合している。これにより、蓋本体部２８が口金２２に接合されている。また、筒状部３２におけるライナ部１６の軸方向中央側端部には、ライナ部１６の径方向に向かって延びる環状のフランジ部３４が形成されている。フランジ部３４は、外形（外周部）が多角形状に形成されており、蓋本体部２８を口金２２に螺合させる際のトルクの入力面とされている。

一方、中栓部３６は、蓋本体部２８と同様、アルミニウム等の金属材料を用いて形成されている。中栓部３６は、全体として略円柱状に形成されており、蓋本体部２８の底部３０からライナ部１６の軸方向中央側へ延在し、ライナ部１６と同軸的に配置されている。中栓部３６におけるライナ部１６の軸方向端部側の一端には、被接合部３８が設けられている。被接合部３８は、先端にライナ部１６の軸方向を板厚方向とする円盤状の円盤部３８Ａが形成されている。被接合部３８は、蓋本体部２８をダイカスト工法で成形する際に、蓋本体部２８の接合部３０Ａにインサートされる。これにより、円盤部３８Ａの外表面が接合部３０Ａに被覆され、被接合部３８が接合部３０Ａに強固に保持される。このようにして、中栓部３６が蓋本体部２８と一体的に形成されている。

また、中栓部３６における被接合部３８よりもライナ部１６の軸方向中央側には、閉塞部４０が設けられている。閉塞部４０は、ライナ部１６にタンクキャップ２６を取り付けた状態で、ライナ部１６の開口部２０を通って小径端部１６Ｃの内側に挿入されている。閉塞部４０は、略円柱状に形成されており、ライナ部１６の軸方向端部側に向かって若干拡径されている。そして、蓋本体部２８を口金２２に螺合させると、閉塞部４０が小径端部１６Ｃに圧入されて、閉塞部４０の外周面が小径端部１６Ｃの内周面に密着した状態になる。これにより、閉塞部４０を用いてライナ部１６の開口部２０が閉塞されている。

また、閉塞部４０の軸方向中央部分には、閉塞部４０の外周面に環状溝４２が形成されており、樹脂材料を用いて形成された環状のシール部材４４が装着されている（図２参照）。このシール部材４４は、弾性変形された状態でライナ部１６の小径端部１６Ｃの内周面と環状溝４２の底面とに密着するように構成されており、ライナ部１６の気密性を高めている。

ここで、上述した中栓部３６は、鍛造成形により形成された鍛造成形品とされている。このため、中栓部３６は、材料（アルミニウム）内部の空隙が潰されて密度が高められている。これにより、中栓部３６は、同一の金属材料を用いて鋳造工法（ダイカスト）で形成した蓋本体部２８と比較して、材料内部の空隙の数が少なく、密度が高くなるように構成されている。

また、中栓部３６は、蓋本体部２８と比較して材料内部の空隙の数が少ないことから、材料内部の空隙を通って水素が透過されにくい構造となる。つまり、中栓部３６は、蓋本体部２８と比較して水素透過性が低くなるように構成されている。

（作用並びに効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。

本実施形態では、筒状に形成されたライナ部１６の内部に水素を貯槽可能とされている。また、ライナ部１６の軸方向の端部に開口部２０が設けられており、開口部２０には環状に形成された口金２２が取り付けられている。さらに、口金２２には、開口部２０を覆うタンクキャップ２６の蓋本体部２８が接合されている。ここで、蓋本体部２８には、水素透過性の低い鍛造成形品として構成された金属製の中栓部３６が接合されている。そして、ライナ部１６の開口部２０が中栓部３６を用いて閉塞されている。これにより、タンク内の水素に直接触れる中栓部３６を介して、タンク内の水素がタンク外へ透過されることを抑制している。一方、蓋本体部２８は、鍛造成形と比較して製造コストが安価となる他の方法を用いて成形することができるため、製造コストの低減を図ることができる。

なお、本実施形態では、蓋本体部２８は、ダイカスト工法を用いて形成されたアルミダイカスト製とされており、蓋本体部が鍛造成形される構成と比較して、製造コストを抑えることができる。また、蓋本体部２８は、蓋本体部が鍛造成形される構成と比較して、密度（比重）が低くなるため、軽量化を図ることができる。

また、本実施形態では、蓋本体部２８と中栓部３６が同一のアルミニウム材料を用いて形成されているため、部材間の線膨張係数の違いに基づく接合部の歪が生じにくく、耐久性に優れる。

また、本実施形態のタンクキャップ２６では、中栓部３６は、蓋本体部２８をダイカスト工法で成形する際にインサートされることにより、蓋本体部２８に接合されている。これにより、蓋本体部２８と中栓部３６の組み立て工程を省略することができるため生産性が高められる。また、ネジ固定等の機械的接合と比較して蓋本体部２８と中栓部３６の接触部分の接合強度が高いため、耐久性に優れる。

また、本実施形態では、中栓部３６の外周面に形成された環状溝４２に環状のシール部材が装着されることにより、ライナ部１６の気密性が高められている。

また、本実施形態では、蓋本体部２８は、口金２２の外周面と螺合された筒状部３２を備えている。また、筒状部３２の一端からライナ部１６の径方向外側に延設された環状のフランジ部３４が形成されており、当該フランジ部３４をトルク入力面にして蓋本体部２８を口金２２に螺合させるように構成されている。これにより、トルク入力面を蓋本体部の周壁部に形成する構成と比較して、工具等との接触によりタンクキャップ２６や口金２２に与える負担を軽減させることができる。

〔第２実施形態〕
以下、図５を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。この第２実施形態では、タンクキャップ２６の蓋本体部２８と中栓部３６がネジ固定により接合されている点において上述した第１実施形態と異なる。

この図に示されるように、蓋本体部２８の底部３０に一体形成された接合部３０Ａには略円柱形状のネジ穴５０が形成されており、内周面に雄ネジが切られている。一方、中栓部３６の被接合部５２は、略円柱状に形成されており、外周面に雌ネジが切られている。そして、接合部３０Ａのネジ穴５０に被接合部５２が挿入され、螺合されている。これにより、タンクキャップ２６の蓋本体部２８と中栓部３６が接合されている。

また、中栓部３６におけるライナ部１６の軸方向中央側端部（閉塞部４０の先端）には、組付け時に使用される嵌合穴５４が形成されている。嵌合穴５４は、一例として、高圧タンク１２の中心軸と同軸的に配置された六角穴とされている。中栓部３６は、この嵌合穴５４に六角ドライバ等の工具を嵌合し、工具を回転させることにより中栓部３６の被接合部５２を蓋本体部２８のネジ穴５０に螺合させる。これにより、工具が中栓部３６の外周面（ライナ部１６と当接する部位）と干渉することなく蓋本体部２８と中栓部３６の接合作業を完了させることができる。また、この嵌合穴５４は、中栓部３６の締付トルク等の品質検査時にも使用することができる。

（作用・効果）
上記第２実施形態の構成は、基本的には第１実施形態に係る高圧タンク１２の構成を踏襲しているため、同様の作用及び効果を得ることができる。

また、本実施形態では、蓋本体部２８と中栓部３６とがネジ固定により接合されているため、蓋本体部２８と中栓部３６を分解することができる。これにより、蓋本体部２８や中栓部３６の点検や交換が可能とされ、メンテナンス性に優れる。

また、本実施形態では、蓋本体部２８と中栓部３６がネジ固定により機械的に接合されている。このため、中栓部を蓋本体部にインサート成形する構成と比較して、射出成型機等の大型設備を要しないため、設備の小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、嵌合穴５４を用いて中栓部３６を蓋本体部２８に接合（締結）させている。これにより、製造時に作業用の工具が中栓部３６の外周面（ライナ部１６と当接する部位）と干渉しないため、製造時の品質向上に寄与することができる。
[補足説明]

上記各実施形態では、蓋本体部２８をアルミダイカスト製としたが、本発明はこれに限らない。鉄等の異種金属材料を用いて鋳造工法により形成するように構成してもよい。

また、上記各実施形態では、中栓部３６がアルミニウム材料を用いて形成された鍛造成形品とされている、本発明はこれに限らない。例えば、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼や、その他の金属材料を用いて形成される鍛造成形品で中栓部を構成してもよい。

１２高圧タンク
１６ライナ部
２０開口部
２２口金
２８蓋本体部
３６中栓部

Claims

筒状に形成され、軸方向の端部に開口部を有すると共に内部に水素を貯槽可能なライナ部と、
環状に形成され、前記開口部に取り付けられた口金と、
前記口金に接合され、前記開口部を覆う蓋本体部と、
鍛造成形品として構成されると共に前記蓋本体部に接合され、前記開口部の内側に挿入されて前記開口部を閉塞する金属製の中栓部と、
を備える高圧タンク。