JP2022051774A - 高圧容器 - Google Patents

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Abstract

【課題】シール性を担保した上で、簡単な形状でライナを形成することが可能な高圧容器を得る。【解決手段】高圧タンク１０は、略円筒状を成す胴体部１２と、胴体部１２の軸方向（長手方向）の両端部に設けられた口金１４と、を含んで構成されている。胴体部１２は、略円筒状を成しナイロン樹脂で形成されたライナ１６と、ライナ１６の外側に接合され繊維強化樹脂で形成された外層部１８と、を含んで構成されている。つまり、ライナ１６は、円筒状を成し、簡単な形状で形成されている。また、ライナ１６と外層部１８とが接合により一体化されることで、外層部１８を介して、ライナ１６の収縮が抑制される。これにより、Ｏリング３８の摺動は抑制され、ライナ１６の内周面１６Ｂと口金１４の挿入部２０との間のシール性能が担保される。【選択図】図２

Description

本発明は、高圧容器に関する。
下記特許文献１には、ガスバリア性を有する樹脂製ライナの外側に繊維強化樹脂から成る外層部が設けられた圧力容器に関する技術が開示されている。この圧力容器では、ライナの先端部が、内側へ折り返されており、この内側へ折り返された部位に口金が挿入されるようになっている。
特開２０１６－１０２５４７号公報
このように、上記先行技術では、ライナの先端部が内側へ折り返されるように形成されているため、ライナを押出し成形等、簡易な方法で製造することができず、ライナの製造コストが上がってしまう。その一方で、ライナの先端部の折り返し構造を変更する場合には、ライナと口金とのシール性が確保されるように配慮しなければならない。
本発明は上記事実を考慮し、シール性を担保した上で、簡単な形状でライナを形成することが可能な高圧容器を得ることを目的とする。
請求項１に記載の発明に係る高圧容器は、円筒状を成し、樹脂で形成されたライナと、前記ライナの外周面に接着されて当該ライナと一体化され、前記ライナの樹脂よりも線膨張係数が小さい樹脂で形成された外層と、前記ライナの内周面側に挿入され、当該ライナの内部と外部を連通させる金属製の口金と、前記ライナの内周面と前記口金との間に設けられ、当該ライナの内周面と当該口金との間をシールするシール部材と、前記外層の径方向外側かつ前記ライナの軸方向の両端部に設けられた一対の前記口金の外周面に設けられ、当該ライナの軸方向の伸長を抑制する補強層と、前記口金の外周面において当該口金の外周面よりも小径とされ、前記ライナの内部側に開放されて前記シール部材が収容された収容部と、前記シール部材が前記収容部内に収容された状態で前記口金に固定され、前記収容部における前記ライナの内部側を閉止する保持板と、を有している。
請求項１に記載の発明に係る高圧容器では、円筒状を成し樹脂で形成されたライナの外周面には外層が接着されている。この外層は、ライナの樹脂よりも線膨張係数が小さい樹脂で形成されている。本発明では、ライナは、円筒状を成しており、簡単な形状で形成されている。このため、押出し成形等、簡易な方法でライナを製造することができ、コストの削減を図ることができる。
また、外層は、ライナの樹脂よりも線膨張係数が小さい樹脂で形成されており、ライナと外層とは接着により一体化されている。一方、ライナの内周面側には、金属製の口金が挿入されており、当該ライナの内部と外部とを連通可能としている。また、ライナの内周面と口金との間にはシール部材が設けられており、当該ライナの内周面と口金との間をシールしている。
ここで、線膨張係数が異なる二つの樹脂を用いた場合、温度変化による伸縮率が個々に異なるため、当該二つの樹脂の間で伸縮差（寸法差）が生じる。
このため、例えば、ライナと、当該ライナよりも線膨張係数が小さい樹脂で形成された外層とが一体化されていない場合、外層に対してライナは軸方向に沿って伸縮することとなる。これに対して、本発明では、外層とライナが接着され一体化されている。このため、外層を介してライナの軸方向の伸縮は抑制されることとなる。
また、本発明では、ライナの内周面と口金との間には、シール部材が設けられている。このため、例えば、ライナが軸方向に沿って伸縮すると、当該ライナの伸縮に伴って、シール部材は摺動し、当該シール部材が摩耗することとなる。しかし、本発明では、前述のように、ライナと外層とが接着により一体化され、当該外層を介してライナの軸方向に沿った伸縮が抑制されるため、シール部材の摺動は抑制される。
さらに、本発明では、外層の径方向外側かつライナの軸方向の両端部に設けられた一対の口金の外周面には補強層が設けられており、当該ライナの軸方向の伸長を抑制するように設定されている。
また、本発明では、口金の外周面において当該口金の外周面よりも小径とされライナの内部側に開放された収容部が設けられており、当該収容部内にはシール部材が収容されている。このシール部材が収容部内に収容された状態で保持板が口金に固定される。これにより、収容部におけるライナの内部側が閉止される。
その結果、シール部材は抜け止めされる。つまり、本発明では、口金の外周面の径に合わせて大径となるようにシール部材を弾性変形させる必要はなく、口金に保持板を固定することによってシール部材は抜け止めされるため、口金にシール部材を装着しやすく作業性がよくなる。
請求項２に記載の発明に係る高圧容器は、請求項１に記載の発明に係る高圧容器において、前記外層は、前記ライナと接触する接触部の全体に亘って当該ライナに接着されている。
請求項２に記載の発明に係る高圧容器では、外層はライナの外周面に接着されるため、外層がライナと接触する接触部は、ライナの外周面の略全体に及ぶこととなる。したがって、本発明では、当該接触部の全体に亘って外層がライナに接着されているため、ライナは全体に亘って伸縮が抑制される。
請求項３に記載の発明に係る高圧容器は、請求項１又は請求項２に記載の発明に係る高圧容器において、前記口金の外周面と前記外層の外周面が前記ライナの軸方向に沿って略面一の状態となっている。
このため、本発明では、口金の外周面及び外層の外周面に補強層を設ける際、高圧容器の軸方向に沿った部位で補強層による強度にばらつきが生じないようにすることが可能性となる。
請求項１記載の本発明に係る高圧容器は、シール性を担保した上で、簡単な形状でライナを形成することができる、という優れた効果を有する。
請求項２記載の本発明に係る高圧容器は、ライナの全体に亘って伸縮を抑制することができる、という優れた効果を有する。
請求項３記載の本発明に係る高圧容器は、高圧容器の軸方向に沿った部位で補強層による強度にばらつきが生じないようにすることができる、という優れた効果を有する。
本実施の形態に係る高圧容器を示す概略側面図である。 図１におけるＡ－Ａ線に沿って切断した状態を示す拡大断面図である。 比較例であり、図２に対応する拡大断面図である。
以下、図面を用いて、本発明の一実施形態について説明する。
図示しない車両に設けられたタンクモジュールは、図１に示される高圧容器としての高圧タンク１０を複数組み合わせることで構成されており、一例として、燃料電池車両のフロアパネル（不図示）の車両下方側に複数並べた高圧タンク１０同士を連結させた構成とされている。
（高圧容器の構成）
まず、本実施の形態に係る高圧容器が適用された高圧タンク１０の構成について説明する。
図１に示されるように、高圧タンク１０は、略円筒状を成しており、一例として車両幅方向又は車両前後方向を軸方向（長手方向）として配置されている。この高圧タンク１０は、図示はしないが、フロアパネルの車両下方側の空いているスペース内に収容可能な径寸法とされている。
図２に示されるように、高圧タンク１０は、略円筒状を成す胴体部１２と、胴体部１２の軸方向（長手方向）の両端部に設けられた口金１４と、を含んで構成されており、胴体部１２内には、流体（本実施形態では水素）が収容可能とされている。また、胴体部１２は、略円筒状を成すライナ１６と、当該ライナ１６の外側を覆う外層部１８と、を含んで構成されている。
本実施形態では、ライナ１６は、例えば、ガスバリア性を有するナイロン樹脂によって形成されており、外層部１８は、シート状のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）によって形成されている。つまり、ライナ１６は、外層部１８よりも線膨張係数が大きい樹脂で形成されている。さらに、本実施形態では、この外層部１８が、ライナ１６の外周面１６Ａを覆った状態で、溶着や接着等によりライナ１６の外周面１６Ａに接合され、ライナ１６と一体化されている。
一方、口金１４は、略円柱状を成しており、挿入部２０と、連通流路２２と、突出部２４と、を含んで構成されている。
挿入部２０は、口金１４の長手方向の一端部１４Ａに設けられており、口金１４の長手方向の中央部１４Ｂの外径寸法よりも小径とされ、挿入部２０が胴体部１２に挿入可能とされる。当該挿入部２０は、胴体部１２（ライナ１６）の内部２６側に向かって開口される凹部２８が形成されている。
凹部２８は、奥側に略円柱状を成す円柱凹部３０と、胴体部１２の内部２６側に形成されテーパ状を成すテーパ部３２と、を含んで構成されている。テーパ部３２は、円柱凹部３０から胴体部１２の内部２６側へ向かうにつれて内径寸法が徐々に大きくなるように形成されている。
このように、口金１４において、凹部２８が形成されることにより、当該凹部２８が形成されない場合と比較して、高圧タンク１０の内部２６の容量を増やすことができる。
また、口金１４の挿入部２０の端部２０Ａには、当該挿入部２０の外径寸法よりも小径とされ、図２に示す口金１４の上側において、断面視で略Ｌ字状を成す収容部３４が形成されている。この収容部３４内には、例えば、バックアップリング３６及びＯリング（シール部材）３８が収容されている。
当該収容部３４内にバックアップリング３６及びＯリング３８が収容された状態で、挿入部２０の端面２０Ａ１には、環状の保持板４０が当接している。当該挿入部２０の端部２０Ａには、締結孔４２（本実施形態では一例として４つ）が形成されており、ボルト４４がねじ込み可能とされる。このボルト４４を介して、保持板４０は、挿入部２０の端面２０Ａ１に当接した状態で、口金１４に固定される。
このように、保持板４０が口金１４に固定された状態で、バックアップリング３６及びＯリング３８は抜け止めされる。なお、保持板４０の内側に形成された孔部４０Ａは、凹部２８のテーパ部３２の最大内径寸法に合わせて、その内径寸法が設定されている。
そして、口金１４の挿入部２０が胴体部１２内（ライナ１６の内周面１６Ｂ側）へ挿入された状態で、バックアップリング３６及びＯリング３８は、ライナ１６の内周面１６Ｂに圧接される（嵌め込まれる）。つまり、当該Ｏリング３８は、口金１４とライナ１６の内周面１６Ｂの間をシールして、ライナ１６内の流体が漏出しないようにしている。
また、前述のように、口金１４の挿入部２０は、当該口金１４の中央部１４Ｂの外径寸法よりも小径とされているが、口金１４の中央部１４Ｂと挿入部２０の間には、段差部４６が設けられている。そして、口金１４の挿入部２０がライナ１６内へ嵌め込まれた状態で、当該段差部４６には、ライナ１６及び外層部１８の長手方向の一端がそれぞれ当接している。なお、この状態で、口金１４の中央部１４Ｂの外周面１４Ｂ１と外層部１８の外周面１８Ａとが略面一の状態となっている。
一方、連通流路２２は、口金１４の長手方向の中央部１４Ｂに設けられており、当該口金１４の軸芯Ｐに沿って貫通している。この連通流路２２によって、ライナ１６の内部２６と外部２７が連通可能とされる。
また、突出部２４は、口金１４の長手方向の他端部１４Ｃに設けられており、口金１４の軸芯Ｐに沿って突出している。この突出部２４は、連通流路２２と連通し、略円筒状を成している。そして、突出部２４の内周面２４Ａには、雌ネジ部４８が形成されている。
当該突出部２４には、図示はしないが、他の複数の高圧タンクの連通流路と連結された連結パイプが接続可能とされる。当該突出部２４に図示しない連結パイプが連結されると、複数の高圧タンクの胴体部の内部が、互いに連通されることとなる。また、当該連結パイプには、図示しないバルブが設けられており、これにより、連結パイプ内を流れる流体の量がコントロール可能とされる。なお、連結パイプは、図示しない燃料電池スタック等に接続されている。
ところで、図１に示されるように、外層部１８の径方向外側かつ一対の口金１４の外側面には、補強層５０が設けられている。この補強層５０は、内部に複数の繊維５２を有するＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）により構成されている。なお、図１では、繊維５２を分かり易く示すため、実際より太さを誇張して図示すると共に、繊維５２の繊維方向を分かり易く示すため本数を少なく図示している。
当該補強層５０の繊維５２は、口金１４の突出部２４の根元部２４Ｂに近接して直線的に巻き付けられている。具体的に説明すると、口金１４の根元部２４Ｂの近傍に巻き付けられた繊維５２は、胴体部１２の軸方向に対して所定の角度θ傾けて他方の口金１４へ向かって、胴体部１２の外層部１８上（図２参照）に巻き付けられている（所謂ヘリカル巻き）。
この補強層５０によって、高圧タンク１０自体の軸方向の耐圧性を向上させている。また、繊維５２が、軸方向に対して所定の角度θ傾いた状態で胴体部１２に巻き付けられることにより、補強層５０が胴体部１２から脱落するのを抑制している。なお、この補強層５０の巻き方は一例であり、これに限るものではない。
（高圧容器の作用及び効果）
次に、本実施の形態に係る高圧容器が適用された高圧タンク１０の作用及び効果について説明する。
まず、比較例として、例えば、図３に示される高圧タンク１００では、ライナ１０２の先端部１０２Ａに、内側へ折り返された折り返し部１０４が設けられており、当該折り返し部１０４に口金１０６が挿入されるようになっている。この折り返し部１０４と口金１０６の間には、Ｏリング１０８が設けられており、当該Ｏリング１０８によってライナ１０２内の流体が漏出しないようにしている。
しかしながら、この比較例では、ライナ１０２の先端部１０２Ａに折り返し部１０４が形成されており、ライナ１０２自体の形状が複雑化している。
これに対して、本実施形態では、図２に示されるように、ライナ１６が円筒状を成している。つまり、ライナ１６は、簡単な形状で形成されている。このため、当該ライナ１６を押出し成形等、簡易な方法で製造することができ、製造コストを削減することができる。また、ライナ１６を押出し成形で形成することで、当該ライナ１６を薄肉で形成することができる。したがって、高圧タンク１０の軽量化を図ることができる。
一方、本実施形態では、ライナ１６の外周面１６Ａには、外層部１８が接合されており、ライナ１６と外層部１８とは一体化されている。さらに、ライナ１６の内周面１６Ｂ側には、口金１４の挿入部２０が挿入されている。そして、ライナ１６の内周面１６Ｂと口金１４の挿入部２０との間には、Ｏリング３８が設けられている。
ここで、ライナ１６は、外層部１８（繊維強化樹脂）よりも線膨張係数が大きい樹脂で形成されている。一般的な樹脂（ここではナイロン樹脂）と繊維強化樹脂とでは、線膨張係数が大きく異なる。繊維強化樹脂は、線膨張係数が小さいため、温度変化による伸縮は殆ど見られないが、一般的な樹脂では、温度変化により伸縮してしまう。
例えば、図示はしないが、当該ライナ１６と、繊維強化樹脂で形成された外層部１８とが一体化されていない場合、外層部１８に対してライナ１６は軸方向に沿って伸縮することとなる。高温時は、補強層５０によってライナ１６の伸長が抑制され得るが、低温時においては、ライナ１６は軸方向に沿って収縮する。これに対して、本実施形態では、外層部１８がライナ１６に接合され一体化されている。そのため、外層部１８によりライナ１６の軸方向の収縮を抑制することができる。よって、当該外層部１８によりライナ１６の軸方向の伸縮が抑制されることとなる。
ところで、本実施形態では、前述のように、ライナ１６の内周面１６Ｂと口金１４の挿入部２０との間には、Ｏリング３８が設けられている。このため、例えば、ライナ１６が伸縮すると、当該ライナ１６の伸縮に伴って、Ｏリング３８が摺動し、Ｏリング３８が摩耗することとなる。しかし、本実施形態では、ライナ１６と外層部１８とが一体化され、外層部１８を介して、ライナ１６の収縮が抑制されるため、Ｏリング３８の摺動は抑制される。これにより、ライナ１６の内周面１６Ｂと口金１４の挿入部２０との間のシール性能を維持することができる。つまり、本実施形態によれば、シール性を担保した上で、簡単な形状でライナ１６を形成することができる。
また、本実施形態では、外層部１８はライナ１６の外周面１６Ａを覆っているため、外層部１８がライナ１６と接触する接触部５４は、ライナ１６の外周面１６Ａの略全体に及ぶこととなる。したがって、本実施形態では、当該接触部５４の全体に亘って外層部１８がライナ１６に接合されているため、ライナ１６は全体に亘って伸縮が抑制される。なお、当該接触部５４は、必ずしもライナ１６の外周面１６Ａの略全体に及ばなければならないということはない。
また、本実施形態では、ライナ１６はナイロン樹脂によって形成されているが、胴体部１２内に収容されるガスの透過を抑制する材料であればよいため、必ずしもナイロン樹脂である必要はない。
さらに、本実施形態では、外層部１８は繊維強化樹脂で形成されているが、ライナ１６よりも線膨張係数が小さい樹脂で形成されていればよい。このため、必ずしも繊維強化樹脂である必要はない。
さらに、本実施形態における高圧タンク１０は、内部２６に水素が収容された構成とされているが、これに限らず、その他の気体やＬＰＧ等の液体等が収容されてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。
１０ 高圧タンク（高圧容器）
１４ 口金
１４Ｂ１ 外周面（口金の外周面）
１６ ライナ
１６Ａ 外周面（ライナの外周面）
１６Ｂ 内周面（ライナの内周面）
１８ 外層部（外層）
１８Ａ 外周面（外層の外周面）
２６ 内部（ライナの内部）
２７ 外部（ライナの外部）
３４ 収容部
３８ Ｏリング（シール部材）
４０ 保持板
５４ 接触部

Claims (3)

  1. 円筒状を成し、樹脂で形成されたライナと、
    前記ライナの外周面に接着されて当該ライナと一体化され、前記ライナの樹脂よりも線膨張係数が小さい樹脂で形成された外層と、
    前記ライナの内周面側に挿入され、当該ライナの内部と外部を連通させる金属製の口金と、
    前記ライナの内周面と前記口金との間に設けられ、当該ライナの内周面と当該口金との間をシールするシール部材と、
    前記外層の径方向外側かつ前記ライナの軸方向の両端部に設けられた一対の前記口金の外周面に設けられ、当該ライナの軸方向の伸長を抑制する補強層と、
    前記口金の外周面において当該口金の外周面よりも小径とされ、前記ライナの内部側に開放されて前記シール部材が収容された収容部と、
    前記シール部材が前記収容部内に収容された状態で前記口金に固定され、前記収容部における前記ライナの内部側を閉止する保持板と、
    を有する高圧容器。
  2. 前記外層は、前記ライナと接触する接触部の全体に亘って当該ライナに接着されている請求項１に記載の高圧容器。
  3. 前記口金の外周面と前記外層の外周面が前記ライナの軸方向に沿って略面一の状態となっている請求項１又は請求項２に記載の高圧容器。
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