JP2021139382A - 高圧タンク及びその製造方法 - Google Patents

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昌宜 高見
好宏 仲田
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好宏 仲田
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Abstract

【課題】ライナーを薄肉化した場合であっても、タンク強度を確保することができる高圧タンク及びその製造方法を提供する。【解決手段】高圧タンク１０は、円筒部１１１と円筒部の軸方向の両端に配置されるドーム部１１２とを有するライナー１１を備える。ライナーは、高圧タンクの最低使用圧力、円筒部とドーム部との境界部分１１３の半径、ライナーの厚み、線膨張係数、ヤング率を用いた特定の式により算出される収縮量が０以下となる材料によって形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧タンク及びその製造方法に関する。
燃料電池自動車や水素自動車に搭載される水素タンクなどの高圧タンクとして、例えば特許文献１に記載されるように、略円筒形状のライナーと、ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂材料からなる補強層と、ライナーの内部と連通する口金と、を備えるものが知られている。そして、ライナーは、更に円筒部と円筒部の軸方向の両端に配置されるドーム部とを有する。
特開２０１９−１８３９３５号公報
最近では、高圧タンクの軽量化を図るため、ライナーを薄肉化することが検討されている。しかし、タンク満充填時から空まで繰り返し使用することに起因し、温度変化が繰り返し生じる。この温度変化によって、ライナーは膨張と収縮を繰り返すので、薄肉化するとタンク強度の低下を招く可能性がある。
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、ライナーを薄肉化した場合であっても、タンク強度を確保することができる高圧タンク及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る高圧タンクは、円筒部と前記円筒部の軸方向の両端に配置されるドーム部とを有するライナーを備える高圧タンクであって、前記ライナーは、下記式（１）により算出される収縮量が０以下となる材料によって形成されることを特徴としている。
収縮量=-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2・・・（１）
ただし、ｘ１は前記高圧タンクの最低使用圧力、ｘ２は前記円筒部と前記ドーム部との境界部分の半径、ｘ３は前記ライナーの厚み、ｘ４は前記ライナーの線膨張係数、ｘ５は前記ライナーのヤング率である。
本発明に係る高圧タンクでは、ライナーは上記式（１）により算出される収縮量が０以下となる材料によって形成されるので、温度変化に起因するライナーの収縮量を０に抑えることが可能になる。その結果、ライナーを薄肉化した場合であっても、タンク強度を確保することができる。
本発明に係る高圧タンクにおいて、前記ライナーの外面を覆う補強層を更に備え、前記補強層と前記ライナーとは、接着されていることが好ましい。このようにすれば、補強層とライナーとの間の隙間発生を防止することができる。
本発明に係る高圧タンクの製造方法は、円筒部と前記円筒部の軸方向の両端に配置されるドーム部とを有するライナーを形成するライナー形成工程、及び、前記ライナーの外面を覆う補強層を形成する補強層形成工程のいずれか一方を行った後に他方を行うことにより、高圧タンクを製造する方法であって、前記ライナー形成工程において、下記式（１）により算出される収縮量が０以下となる材料を用いて前記ライナーを形成することを特徴としている。
収縮量=-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2・・・（１）
ただし、ｘ１は前記高圧タンクの最低使用圧力、ｘ２は前記円筒部と前記ドーム部との境界部分の半径、ｘ３は前記ライナーの厚み、ｘ４は前記ライナーの線膨張係数、ｘ５は前記ライナーのヤング率である。
本発明に係る高圧タンクの製造方法では、ライナー形成工程において、上記式（１）により算出される収縮量が０以下となる材料を用いてライナーを形成するので、温度変化に起因するライナーの収縮量を０に抑えることが可能になる。その結果、ライナーを薄肉化した場合であっても、タンク強度を確保することができる。
本発明に係る高圧タンクの製造方法において、前記補強層形成工程において、繊維に含浸された樹脂が用いられ、繊維に含浸された樹脂は、前記ライナーを形成する材料と同じであり、前記ライナー形成工程及び前記補強層形成工程の後に、形成れた前記ライナー及び前記補強層を同時に硬化させることが好ましい。このように形成されたライナー及び補強層を同時に硬化させることができるため、材料の違いによって形成されたライナーと補強層を別々硬化させる場合と比べて、製造工程の数を減らすことができる。
本発明によれば、ライナーを薄肉化した場合であっても、タンク強度を確保することができる。
高圧タンクの構造を示す概略断面図である。 板厚、ヤング率及び線膨張係数と収縮量との相関係数を示す図である。 線膨張係数、ヤング率及び収縮量の関係を示すコンター図である。 収縮量予測値とＣＡＥ計算値との関係を示す図である。
以下、図面を参照して本発明に係る高圧タンク及びその製造方法の実施形態について説明する。
［高圧タンクの構造］
図１は高圧タンクの構造を示す概略断面図である。高圧タンク１０は、両端がドーム状に丸みを帯びた略円筒形状の高圧ガス貯蔵容器であって、ガスバリア性を有するライナー１１と、ライナー１１の外面を覆う繊維強化樹脂材料からなる第１補強層１２と、第１補強層１２の外面を覆う繊維強化樹脂材料からなる第２補強層１３とを備えている。高圧タンク１０の軸Ｌ方向の一端には、円形状の開口部（図示せず）が形成されており、該開口部には略円筒形状の口金１４が装着されている。
ライナー１１は、高圧の水素ガスが充填される収容空間１５を形成する樹脂製部材であって、第１補強層１２の内面に沿って形成されている。ライナー１１を構成する樹脂は、充填されるガス（ここでは水素ガス）を収容空間１５内に保持する性能、即ち、ガスバリア性が良好な樹脂であることが好ましい。このライナー１１は、円筒部１１１と、円筒部１１１の軸Ｌ方向の左右両端にそれぞれ配置された略半球状のドーム部１１２とを有する。円筒部１１１とドーム部１１２とは、略同じ厚みを有し、境界部分１１３で連結されて一体化されている。
口金１４は、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料を所定形状に加工したものである。口金１４には、収容空間１５に対して水素ガスを充填及び排出するためのバルブ（図示せず）が取り付けられる。
第１補強層１２は、ライナー１１の外面を覆うとともに、ライナー１１を補強して高圧タンク１０の剛性や耐圧性等の機械的強度を向上させる機能を有する。この第１補強層１２は、ライナー１１と接着されることが好ましい。このようにすれば、第１補強層１２とライナー１１との間の隙間発生を防止することができる。図１に示すように、第１補強層１２は、円筒部材１２１と、円筒部材１２１の軸方向（すなわち、高圧タンク１０の軸Ｌ方向）の両端部に配置された２つのドーム部材１２２及び１２３とを有する。
円筒部材１２１は、ライナー１１の円筒部１１１に対応する部材であり、円筒部１１１の外面と密着して配置されている。一方、ドーム部材１２２とドーム部材１２３は、それぞれライナー１１の左右端部に配置されたドーム部１１２，１１２に対応する部材であり、ドーム部１１２，１１２の外面と密着して配置されている。そして、円筒部材１２１と、ドーム部材１２２及び１２３は一体的に接合されている。
第１補強層１２は、樹脂及び繊維（連続繊維）によって構成されている。円筒部材１２１では、繊維は、円筒部材１２１の軸Ｌ方向に対して略直交する角度で周状に形成されている。言い換えれば、円筒部材１２１では、繊維は、円筒部材１２１の周方向に配向されている。このように円筒部材１２１に繊維が周方向に配向されることにより、内圧（ガス圧）により生じるフープ応力に対する第１補強層１２の強度を適切な量の繊維強化樹脂によって確保することができる。
一方、ドーム部材１２２及び１２３では、繊維は円筒部材１２１の周方向に配向されておらず、周方向と交差する様々な方向に向かって延びる繊維同士が重なるように配置されている。これにより、ドーム部材１２２及び１２３は、繊維によって内圧により生じる応力に対する第１補強層１２の強度を適切な量の繊維強化樹脂によって確保することができる。
本実施形態では、円筒部材１２１の繊維と、ドーム部材１２２及び１２３の繊維とは連続していない（すなわち、繋がっていない）。これは、後述するように、円筒部材１２１、２つのドーム部材１２２及び１２３を別々に形成した後、円筒部材１２１の両端に２つのドーム部材１２２及び１２３を接合しているためである。
第２補強層１３は、第１補強層１２の外面を覆うように形成されている。第２補強層１３は、円筒部材１２１、ドーム部材１２２及び１２３の全体を覆っている。この第２補強層１３は、樹脂及び繊維（連続繊維）から構成されている。
本実施形態において、ライナー１１は、下記式（１）により算出される収縮量が０以下となる樹脂材料によって形成されている。
収縮量=-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2・・・（１）
式（１）において、ｘ１は高圧タンク１０の最低使用圧力、ｘ２は円筒部１１１とドーム部１１２との境界部分１１３の半径、ｘ３はライナー１１の厚み、ｘ４はライナー１１の線膨張係数、ｘ５はライナー１１のヤング率である。
ここで、最低使用圧力ｘ１は、高圧タンク１０が空の状態（言い換えれば、高圧タンク１０内の水素ガスを使い切った状態）における内圧のことを指す。半径ｘ２は、円筒部１１１とドーム部１１２との境界部分１１３のうちドーム部１１２側の湾曲部分の曲率であって、いわゆる曲げ内Ｒのことである。この半径ｘ２は、例えば常温状態で測定される。
ライナー１１の厚みｘ３については、ライナー１１全体の厚みが同じであるため、円筒部１１１の厚み又はドーム部１１２の厚みでも良いが、ばらつきが少ない円筒部１１１の厚みであることが好ましい。線膨張係数ｘ４は、その温度範囲が高圧タンク１０の最低使用温度（例えば−４８．５℃）〜２３℃である。ヤング率ｘ５は、高圧タンク１０の最低使用温度時のヤング率である。
そして、ライナー１１を形成する樹脂材料として、シリコン樹脂、ポリフェニレンスルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂等が挙げられる。
ここで、本発明に至った経緯を説明する。
上述したように、タンク満充填時から空まで繰り返し使用することに起因し、温度変化が繰り返し生じるため、ライナーは膨張と収縮を繰り返す。高圧タンクの使用環境は幅が広く（例えば−４８．５℃〜８５℃）、低温低圧環境下でライナーが収縮した際に、水素ガス等のガスを充填すると、ライナーが引き伸ばされる。また、ライナーの収縮が全体均等に行われるものではなく、片側（ドーム部側）に寄り易い、このため、収縮量が多くなったドーム部側に過大な応力が発生し、タンク強度に影響を及ぼす可能性がある。そこで、本願発明者らは、鋭意研究を重ねった結果、ライナーの収縮量を０にすれば、ドーム部側に過大な応力が発生するのを防止でき、タンク強度を確保できることを見出し、本発明を完成するに至った。
具体的には、本願発明者らは、まず、ライナーの収縮に寄与する要因と収縮を妨げる要因とをそれぞれ抽出した。収縮に寄与する要因としては、ライナーの線膨張係数及びヤング率が抽出され、収縮を妨げる要因としては、高圧タンクの最低使用圧力、円筒部とドーム部との境界部分の半径、ライナーの厚みが抽出された。
次に、抽出されたこれらの要因のうち、最低使用圧力及び半径を一定値とし、コンピュータ支援による工業解析技術（Computer Aided Engineering：ＣＡＥ）を用いてライナーの厚み、ヤング率及び線膨張係数について表１に示す水準で収縮量との相関関係をそれぞれ調べた。その結果を図２に示す。図２に示す結果から、収縮量との相関関係が最も大きいのは線膨張係数であり、続いてヤング率であり、最も小さいのは板厚（すなわち、ライナーの厚み）であることが分かった。
Figure 2021139382
次に、本願発明者らは、エポキシ樹脂を用いて、ライナーの厚みを１ｍｍ又は２ｍｍ、高圧タンクの最低使用圧力を０．７Ｍｐａ、最低使用温度を−４８．５℃、半径を２０ｍｍ、線膨張係数を０．８×１０^−４、ヤング率を１８００ＭＰａとした条件で、線膨張係数、ヤング率及び収縮量の関係を調べた。その結果を図３に示す。図３において、左側のコンター図は板厚が１ｍｍの結果、右側のコンター図は板厚が２ｍｍの結果である。
図３に示すよう、線膨張係数及びヤング率が大きくなるにつれ、収縮量が大きくなっていく。そして、最低使用圧力、最低使用温度、半径、線膨張係数及びヤング率が同じである場合、板厚が小さくなると収縮量が小さくなることが分かった。
そして、このような調査結果等に基づき、本願発明者らは、上記式（１）に定められた条件を有する樹脂材料を使用することで、形成されるライナーの収縮量を０以下に抑えることができることを見出した。なお、ここでは、０以下となる場合を全て収縮量０とみなす。
本実施形態に係る高圧タンク１０では、ライナー１１は上記式（１）により算出される収縮量が０以下となる樹脂材料によって形成されるので、温度変化に起因するライナー１１の収縮量を０に抑えることが可能になる。その結果、ライナー１１を薄肉化した場合であっても、タンク強度を確保することができる。
［高圧タンクの製造方法］
以下、高圧タンク１０の製造方法について説明する。高圧タンク１０の製造方法は、第１補強層１２及び第２補強層１３を有する補強層を形成する補強層形成工程と、第１補強層１２の内側にライナー１１を形成するライナー形成工程と、形成されたライナー１１、第１補強層１２及び第２補強層１３を同時に硬化させる硬化工程と、を含む。補強層形成工程は、更に、第１補強層１２を形成する第１補強層形成ステップと、第１補強層１２の外側に第２補強層１３を形成する第２補強層形成ステップとを有する。
まず、第１補強層形成ステップでは、例えばフィラメントワインディング法（ＦＷ法）を用いて、樹脂が含浸された繊維を所定の型の外面を覆うように巻回して巻回体を作製し、作製した巻回体をカッター等で分割することにより２つのドーム部材１２２，１２３を形成する。このとき、形成されるドーム部材１２２，１２３のうちの片方（本実施形態では、ドーム部材１２２）は開口部を有する。
繊維に含浸される樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。また、繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、及びボロン繊維等を用いることができる。
続いて、例えばＣＷ（Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｗｉｎｄｉｎｇ）法を用いて、回転する円筒金型の内面に樹脂が含浸された繊維シートを貼り付けることにより円筒部材１２１を形成する。樹脂が含浸された繊維シートは、例えば円筒金型の周方向に配向された繊維を少なくとも有している。これにより、周方向に繊維が配向された円筒部材１２１を得られる。なお、繊維シートに含浸される樹脂としては、特に限定されるものではないが、ドーム部材１２２，１２３の形成と同様に、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。
続いて、開口部を有するドーム部材１２２に口金１４を装着した後、円筒部材１２１の両端部と２つのドーム部材１２２及び１２３の端部とを接合して第１補強層１２を形成する。
第２補強層形成ステップでは、例えば樹脂が含浸された繊維を用いたフィラメントワインディング法で、第１補強層１２の外面、すなわち円筒部材１２１と２つのドーム部材１２２及び１２３とを覆うように、繊維強化樹脂材料からなる第２補強層１３を形成する。ここでは、繊維に含浸された樹脂としては、第１補強層１２の形成と同様に、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いる。また、繊維も、第１補強層１２の形成と同様に炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、及びボロン繊維等を用いる。
一方、ライナー形成工程では、補強層形成工程で形成された第１補強層１２及び第２補強層１３について、口金１４経由で第１補強層１２の内部に樹脂材料を流し込み、流し込んだ樹脂材料が第１補強層１２の内面を覆うようにこれらの補強層を回転させ、樹脂材料をある程度固化させることによりライナー１１を形成する。
そして、ライナー形成工程では、上記式（１）により算出される収縮量が０以下となる樹脂材料を用いてライナー１１を製造する。樹脂材料として、第１補強層１２及び第２補強層１３の形成と同様に、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いる。
硬化工程では、上述したように形成されたライナー１１、第１補強層１２及び第２補強層１３を熱硬化炉に入れて、例えば１６０℃の温度で１０分加熱し、未硬化のライナー１１と第１補強層及び第２補強層に用いられた繊維に含浸された熱硬化性樹脂とを同時に熱硬化させる。これによって、高圧タンク１０が製造される。
本実施形態に係る高圧タンクの製造方法では、ライナー形成工程において、上記式（１）により算出される収縮量が０以下となる樹脂材料を用いてライナー１１を形成するので、温度変化に起因するライナー１１の収縮量を０に抑えることが可能になる。その結果、ライナー１１を薄肉化した場合であっても、タンク強度を確保することができる。
加えて、第１補強層１２及び第２補強層１３に用いられる繊維に含浸された樹脂は、ライナー１１を形成する樹脂材料と同じ（ここでは、エポキシ樹脂）であり、形成されたライナー１１、第１補強層１２及び第２補強層１３を同時に硬化させるので、異なる樹脂材料を使うことによって形成されたライナーと第１、第２補強層を別々硬化させる場合と比べて、製造工程の数を減らすことができる。
［変形例］
なお、以上の説明では、高圧タンク１０はライナー１１と該ライナー１１の外面を覆う第１補強層１２及び第２補強層１３とを備える例を挙げたが、本発明の高圧タンクはライナーの外面を覆う補強層が一層のみであっても良い。このような構造を有する高圧タンクを製造する際に、先に上記式（１）により算出される収縮量が０以下となる樹脂材料を用いてライナーを形成し、形成したライナーの外面に熱硬化性樹脂が含浸された強化繊維をフープ巻き又はヘリカル巻きで巻き付けることで補強層を形成し、その後、形成したライナー及び補強層を熱硬化させる。このような場合であっても、温度変化に起因するライナーの収縮量を０に抑えることが可能になるので、ライナーを薄肉化しても、タンク強度を確保することができる。
また、本願発明者らは、上記式（１）により算出される収縮量の信頼性を確認するため、最低使用圧力、半径、ライナーの厚み、線膨張係数、ヤング率及び用いられる樹脂材料が全て同じ条件下で、上記式（１）により算出される収縮量（収縮量予測値）と、コンピュータ支援による工業解析技術（ＣＡＥ）を用いて計算される収縮量（ＣＡＥ計算値）とを比較し、その結果を図４に示す。図４は収縮量予測値とＣＡＥ計算値との結果に対し、２次元線形回帰を示したものである。その結果として、決定係数Ｒ２が０．９７であり、平均二乗誤差Ｅが１．２６であった。これによって、上記式（１）により算出される収縮量とＣＡＥを用いて計算される収縮量との誤差が少なく、上記式（１）により算出される収縮量の信頼性が高いことが示された。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
１０ 高圧タンク
１１ ライナー
１２ 第１補強層
１３ 第２補強層
１４ 口金
１１１ 円筒部
１１２ ドーム部
１１３ 境界部分
１２１ 円筒部材
１２２，１２３ ドーム部材

Claims (4)

  1. 円筒部と前記円筒部の軸方向の両端に配置されるドーム部とを有するライナーを備える高圧タンクであって、
    前記ライナーは、下記式（１）により算出される収縮量が０以下となる材料によって形成されることを特徴とする高圧タンク。
    収縮量=-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2・・・（１）
    ただし、ｘ１は前記高圧タンクの最低使用圧力、ｘ２は前記円筒部と前記ドーム部との境界部分の半径、ｘ３は前記ライナーの厚み、ｘ４は前記ライナーの線膨張係数、ｘ５は前記ライナーのヤング率である。
  2. 前記ライナーの外面を覆う補強層を更に備え、
    前記補強層と前記ライナーとは、接着されている請求項１に記載の高圧タンク。
  3. 円筒部と前記円筒部の軸方向の両端に配置されるドーム部とを有するライナーを形成するライナー形成工程、及び、前記ライナーの外面を覆う補強層を形成する補強層形成工程のいずれか一方を行った後に他方を行うことにより、高圧タンクを製造する方法であって、
    前記ライナー形成工程において、下記式（１）により算出される収縮量が０以下となる材料を用いて前記ライナーを形成することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
    収縮量=-1.533538e-03*x1-3.82355406*x2-7.81992308*x3+1.89342646e-01*x4-7.84558163e-03*x5+1.15956871e-03*x1x2+6.29564353e-04*x1x3-9.34550213e-06*x1x4-6.59253799e-04*x1x5-1.52692282e+00*x2^2+1.67290964e+00*x2x3-1.85202252e-02*x2x4-1.79615713e+00*x2x5+2.37163664e+00*x3^2-1.17467786e-02*x3x4-9.04442817e-01*x3x5-1.86321584e-03*x4^2+6.62631756e-03*x4x5+1.27572698e*x5^2・・・（１）
    ただし、ｘ１は前記高圧タンクの最低使用圧力、ｘ２は前記円筒部と前記ドーム部との境界部分の半径、ｘ３は前記ライナーの厚み、ｘ４は前記ライナーの線膨張係数、ｘ５は前記ライナーのヤング率である。
  4. 前記補強層形成工程において、繊維に含浸された樹脂が用いられ、
    繊維に含浸された樹脂は、前記ライナーを形成する材料と同じであり、
    前記ライナー形成工程及び前記補強層形成工程の後に、形成された前記ライナー及び前記補強層を同時に硬化させる請求項３に記載の高圧タンクの製造方法。
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