JP2022158156A

JP2022158156A - 高圧タンク

Info

Publication number: JP2022158156A
Application number: JP2021062859A
Authority: JP
Inventors: 秀介稲木; Shusuke Inagi; 照宜古澤; Terunobu Furusawa; 勇宜藤江; Yuki Fujie
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2022-10-17

Abstract

【課題】フィラメントワインディング時の口金のセレーション形状と樹脂ライナの接触面において、樹脂ライナの変形を抑制する。【解決手段】高圧タンクは、樹脂で形成されたライナと、ライナと接触する部分にセレーション形状部を有する口金と、ライナの外周に形成される繊維強化樹脂層と、を備え、ライナは、セレーション形状部を収納する凹部を有しており、樹脂を含浸させた繊維をライナ及びセレーション形状部に巻くときのセレーション形状部の根元におけるライナを形成する樹脂にかかる応力をσ１、セレーション形状部の先端におけるライナを形成する樹脂にかかる応力をσ２、ライナを形成する樹脂の弾性率をｅ、ライナを形成する樹脂の許容変形量をδ、セレーション形状部の側面とライナの側面と対向する前記凹部の側面との為す角をθ、としたときに、θの近似式で示されたσ１／ｅ及びσ２／ｅの値が、いずれもδ以下となるように、角θが設定されている。【選択図】図３

Description

本開示は、高圧タンクに関する。

特許文献１には、樹脂ライナと、該樹脂ライナの外周に形成される補強繊維層と、樹脂ライナに取り付けられた口金と、を有する高圧タンクが開示されている。この高圧タンクの口金は、ライナに接触する部分の形状が、ライナの周方向に沿って凹凸を繰り返すセレーション形状となっている。

特開２０１３－１６７２９８号公報

しかし、樹脂ライナの外周に、フィラメントワインディング法により樹脂を含浸させた繊維を巻き付けるときに、口金のセレーション形状部の側面は、樹脂ライナのセレーション形状部を収納する凹部の側面と接触し、圧力を受ける。このとき、セレーション形状部の内周側と外周側において、圧力が異なり、局所的に圧力が大きくなってしまい、樹脂ライナが変形するという課題があった。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、樹脂で形成されたライナと、前記ライナの端部に取り付けられる口金であって、前記ライナと接触する部分にセレーション形状部を有する口金と、前記ライナの外周に形成される繊維強化樹脂層と、を備え、前記ライナは、前記セレーション形状部を収納する凹部を有しており、樹脂を含浸させた繊維を前記ライナ及び前記口金の前記セレーション形状部に巻くときの前記セレーション形状部の根元における前記ライナを形成する樹脂にかかる応力をσ１、前記セレーション形状部の先端における前記ライナを形成する樹脂にかかる応力をσ２、前記ライナを形成する樹脂の弾性率をｅ、前記ライナを形成する樹脂の許容変形量をδ、前記セレーション形状部の第１側面と前記第１側面と対向する前記ライナの前記凹部の第２側面との為す角をθ、としたときに、θの近似式で示されたσ１／ｅ及びσ２／ｅの値が、いずれもδ以下となるように、角θが設定されている。この形態の高圧タンクによれば、σ１／ｅ及びσ２／ｅの値が、いずれもδ以下となるように、セレーション形状部の第１側面と凹部の第２側面との為す角θが設定されているので、フィラメントワインディング法により樹脂を含浸させた繊維を巻き付けるときに、口金のセレーション形状部と樹脂ライナとの接触部において、局所的に圧力が大きくなることを抑制できるので、樹脂ライナを形成する樹脂の変形を抑制できる。

本開示は、高圧タンク以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、高圧タンクの設計方法、製造方法等の形態で実現することができる。

高圧タンクの断面を示す説明図である。高圧タンクを軸に沿った方向から見た図である。図２の領域ＩＩＩを拡大して示す説明図である。高圧タンクの設計者が角を決定する工程を示す説明図である。角θと、応力σ１、σ２の関係を示すグラフである。

図１は、高圧タンク１０の断面を示す説明図である。高圧タンク１０は、ライナ２０と、ライナ２０の端部に配置された口金３０、４０と、ライナ２０及び口金３０、４０の外側に形成された繊維強化樹脂層５０を備える。ライナ２０は、ナイロン、エチレンビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の熱可塑性を有する樹脂で形成されており、円筒部２１と、円筒部２１の両端に配置された略円筒形のドーム部２２を備える。

口金３０、４０は、金属で形成され、それぞれ、２つのドーム部２２の頂部に設けられている。口金３０は、円筒形の円筒部３１と、円筒部３１の外周に形成されたフランジ部３２を備える。円筒部３１には、軸Ｏに沿って、ライナ２０の内部と外部とを連通する貫通孔３４を備えている。口金４０は、円筒形の円筒部４１と、円筒部４１の外周に形成されたフランジ部４２を備える。口金４０は、口金３０と異なり、ライナ２０の内部と外部とを連通する貫通孔を備えていない。フランジ部３２とフランジ部４２は、セレーション形状部を有している。セレーション形状部については、後述する。

繊維強化樹脂層５０は、炭素繊維やガラス繊維などの繊維により強化された樹脂の外層である。樹脂としては、例えばエポキシなどの熱硬化性樹脂が用いられる。繊維強化樹脂層５０は、樹脂が含浸された炭素繊維やガラス繊維などの繊維をライナ２０及び口金３０、４０の外周に巻き付け、その後、樹脂を熱硬化することで、形成される。

図２は、高圧タンク１０を軸Ｏに沿った方向から見た図である。口金３０のフランジ部３２は、ライナ２０と接触する部分が、ライナ２０の周方向に沿って、凸部３３ｃと凹部３３ｒを複数有するセレーション形状部３３となっている。軸Ｏからセレーション形状部３３の凸部３３ｃの凸部外周３３ｔまでの距離を「セレーション径ｒ」と呼び、セレーション径ｒと、軸Ｏからセレーション形状部３３の凹部３３ｒの底部外周３３ｂまでの距離と、の差を「セレーション深さｄ」と呼ぶ。

図３は、図２の領域ＩＩＩを拡大して示す説明図である。ライナ２０は、口金３０のフランジ部３２のセレーション形状部３３に対応した位置に、セレーション形状部３３を収納する収納部として機能する凹部２０ｒを有している。セレーション形状部３３の第１側面３３ｓと、第１側面３３ｓと対向する面であって、凹部２０ｒの第２側面２０ｓとの為す角をθとする。第１側面３３ｓと第２側面２０ｓとは、図３に示すように、セレーション形状部３３の凸部外周３３ｔ側が広がり、底部外周３３ｂ側が狭まっている。

開示者らが検討した結果、角θを、応力σ１、σ２と、樹脂の弾性率ｅと、許容変形量δと、の関係において、以下の近似式を満たすように角θを設定すれば、セレーション形状部３３の凸部外周３３ｔに対応するライナ２０の点Ｐｔ付近においてライナ２０を形成する樹脂に掛かる応力と、セレーション形状部３３の底部外周３３ｂに対応するライナ２０の点Ｐｂ付近においてライナ２０を形成する樹脂に掛かる応力と、をほぼ等しくでき、ライナ２０を形成する樹脂の変形を発生しにくくできることがわかった。
σ１／ｅ≒ａ１×θ^２＋ｂ１θ＋ｃ１≦δ
σ２／ｅ≒ａ２×θ^２＋ｂ２θ＋ｃ２≦δ
上式において、ａ１、ｂ１、ｃ１、ａ２、ｂ２、ｃ２は近似式の係数であり、例えば、実験的に求められる。

図４は、高圧タンク１０の設計者が角θを決定する工程を示す説明図である。ステップＳ１００では、設計者は、ライナ２０の凹部２０ｒの形状を決定した上で、ライナ２０を形成する金型を設計する。このとき、設計者は、アメリカのＲｈｏｄｅＩｓｌａｎｄのＨＫＳ社により開発されたＡｂａｑｕｓを用いて、有限要素法により角θを求め、角θをθ１とする。

ステップＳ１１０では、設計者は、ステップＳ１００で設計した金型を用いて、ライナを試作する。また、設計者は、口金３０のフランジ部３２を切削することで、セレーション形状部３３を形成する。このとき、設計者は、角θがθ１となるように切削する。その後、ライナ２０に口金３０、４０を取り付けて、樹脂を含浸透した繊維をトルクＴで巻き付けるフィラメントワインディング工程を実行する。ステップＳ１２０では、設計者は、歪みゲージを用いて、樹脂の歪みを測定し、応力σ１、σ２を算出する。

ステップＳ１３０では、口金３０のフランジ部３２を切削することで、セレーション形状部３３を形成する。このとき、設計者は、角θが前回のθよりもΔθだけ大きくする。ステップＳ１４０では、角θが、設計者は、判定値θｔｈよりも大きいか否かを判定し、大きくない場合には、ステップＳ１１０に移行し、同様のステップを実行する。角θが、設計者は、判定値θｔｈよりも大きい場合には、ステップＳ１５０に移行する。

ステップＳ１５０では、設計者は、角θと応力σ１、角θと応力σ２との関係から、以下の近似式
σ１／ｅ≒ａ１×θ^２＋ｂ１×θ＋ｃ１
σ２／ｅ≒ａ２×θ^２＋ｂ２×θ＋ｃ２
の係数ａ１、ｂ１、ｃ２、ａ２、ｂ２、ｃ２を算出する。

ステップＳ１６０では、設計者は、σ１／ｅ≦δ、σ２／ｅ≦δを満たすθの値を決定する。

セレーション径ｒを９５ｍｍ、セレーション深さｄを１０ｍｍ、ライナ２０を形成する樹脂の弾性率ｅを１８００ＭＰａ、樹脂を含浸した繊維の張力によりかかる最大トルクＴを１７２Ｎｍとし、角θを変えてライナ２０の歪みを測定した結果、以下のσ１／ｅ、σ２／ｅの近似式
σ１／ｅ≒０．４４０×θ^２－１．５４０×θ＋０．４１［％］
σ２／ｅ≒０．９７０×θ^２－０．６２０×θ＋２．６５［％］
を得た。

図５は、角θと、応力σ１、σ２の関係を示すグラフである。樹脂の許容変形量δを３％とすると、角θが１°であれば、σ１／ｅ≦δ、σ２／ｅ≦δを満たすことがわかった。したがって、この高圧タンク１０の場合、設計者は、角θを１°とすればよい。

以上、本実施形態によれば、高圧タンク１０は、樹脂を含浸させた繊維をライナ２０及び口金３０，４０の外側にヘリカル巻きするときのセレーション形状部３３の底部外周３３ｂにおけるライナ２０を形成する樹脂にかかる応力をσ１、セレーション形状部３３の凸部外周３３ｔにおけるライナ２０を形成する樹脂にかかる応力をσ２、ライナ２０を形成する樹脂の弾性率をｅ、ライナ２０を形成する樹脂の許容変形量をδ、セレーション形状部３３の第１側面３３ｓとライナ２０の第１側面３３ｓと対向する凹部２０ｒの第２側面２０ｓとの為す角をθ、としたときに、θの近似式で示されたσ１／ｅ及びσ２／ｅの値が、いずれもδ以下となるように、セレーション形状部３３の側３３ｓ面と凹部の第２側面２０ｓとの為す角θが設定されている。その結果、高圧タンク１０を製造する際に、フィラメントワインディング法により樹脂を含浸させた繊維をヘリカル巻きするが、このとき、口金３０のセレーション形状部３３とライナ２０との接触部において、局所的に圧力が大きくなることを抑制できるので、ライナ２０を形成する樹脂の変形を抑制できる。口金４０側についても同様である。

上記実施形態において、角θは、ライナ２０の凹部２０ｒの形状を固定し、口金３０のセレーション形状部３３の第１側面３３ｓを切削することで、角θの大きさを変えているが、口金３０のセレーション形状部３３の形状を固定し、ライナ２０の凹部２０ｒの形状、特に側面２０の形状を変えることで、角θを変えてもよい。

上記実施形態では、σ１／ｅ、σ２／ｅを、角θの二次式で近似したが、３次式以上の高次の近似式で近似してもよい。

なお、上記２つの近似式の係数ａ１、ｂ１、ｃ２、ａ２、ｂ２、ｃ２は、フィラメントワインディング法により繊維をヘリカル巻きするときの張力により掛かるトルクＴ、セレーション径ｒ、セレーション深さｄが変わると、変わる。したがって、角θの適切な値も変わる。また、σ１／ｅ≦δ、σ２／ｅ≦δを満たさない場合、セレーション径ｒ、セレーション深さｄを変更する設計変更や、フィラメントワインディング法により繊維をヘリカル巻きするときの張力により掛かるトルクＴを変更することで、σ１／ｅ≦δ、σ２／ｅ≦δを満たす角θを求めることができる。

上記実施形態では、口金３０のセレーション形状部３３の側面を切削することでθを少しずつ大きくしていったが、有限要素法により、θ１からθｔｎの間で、大きさの異なる複数の角θを求めておき、角θの大きさが異なる複数の口金３０を予め作成し、それぞれの口金３０を用いて試作、及び歪みの測定を行うことで、近似式の係数ａ１、ｂ１、ｃ２、ａ２、ｂ２、ｃ２を求めてもよい。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、樹脂で形成されたライナと、前記ライナの端部に取り付けられる口金であって、前記ライナと接触する部分にセレーション形状部を有する口金と、前記ライナの外周に形成される繊維強化樹脂層と、を備え、前記ライナは、前記セレーション形状部を収納する凹部を有しており、樹脂を含浸させた繊維を前記ライナ及び前記口金の外側に巻くときの前記セレーション形状部の根元における前記ライナを形成する樹脂にかかる応力をσ１、前記セレーション形状部の先端における前記ライナを形成する樹脂にかかる応力をσ２、前記ライナを形成する樹脂の弾性率をｅ、前記ライナを形成する樹脂の許容変形量をδ、前記セレーション形状部の第１側面と前記第１側面と対向する前記ライナの前記凹部の第２側面との為す角をθ、としたときに、θの近似式で示されたσ１／ｅ及びσ２／ｅの値が、いずれもδ以下となるように、角θが設定されている。この形態の高圧タンクによれば、σ１／ｅ及びσ２／ｅの値が、いずれもδ以下となるように、セレーション形状部の第１側面と凹部の第２側面との為す角θが設定されているので、フィラメントワインディング法により樹脂を含浸させた繊維を巻き付けるときに、口金のセレーション形状部と樹脂ライナとの接触部において、局所的に圧力が大きくなることを抑制できるので、樹脂が変形することが生じ難くできる。

（２）本開示の一形態によれば、樹脂で形成されたライナと、前記ライナの端部に取り付けられる口金であって、前記ライナと接触する部分にセレーション形状部を有する口金と、前記ライナの外周に形成される繊維強化樹脂層と、を備え、前記ライナは、前記セレーション形状部を収納する凹部を有する高圧タンクの設計方法が提供される。この設計方法は、前記セレーション形状部の第１側面と前記第１側面と対向する前記ライナの前記凹部の第２側面との為す角θを変更し、複数の角θにおける、前記セレーション形状部の根元における前記ライナを形成する樹脂にかかる応力をσ１と、前記セレーション形状部の先端における前記ライナを形成する樹脂にかかる応力σ２を測定する工程と、前記ライナを形成する樹脂の弾性率をｅとしたときのσ１／ｅとσ２／ｅを、角θを用いて表す近似式を求める工程と、前記ライナを形成する樹脂の許容変形率をδとしたときに、前記近似式を用いて、σ１／ｅ≦δ及びσ２／ｅ≦δの両方を同時に満たす角θを求める工程と、を備える。この設計方法で角θを求めて高圧タンクを設計すると、フィラメントワインディング法により樹脂を含浸させた繊維をヘリカル巻きするときに、口金のセレーション形状部と樹脂ライナとの接触部において、局所的に圧力が大きくなることを抑制できるので、樹脂ライナを形成する樹脂の変形を抑制できる。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…高圧タンク、２０…ライナ、２０ｒ…凹部、２０ｓ…側面、２１…円筒部、２２…ドーム部、３０…口金、３１…円筒部、３２…フランジ部、３３…セレーション形状部、３３ｂ…底部外周、３３ｃ…凸部、３３ｒ…凹部、３３ｓ…側面、３３ｔ…凸部外周、３４…貫通孔、４０…口金、４１…円筒部、４２…フランジ部、５０…繊維強化樹脂層、Ｐｔ…セレーション部の凸部外周に対応する点、Ｐｂ…セレーション部の底部外周に対応する点

Claims

高圧タンクであって、
樹脂で形成されたライナと、
前記ライナの端部に取り付けられる口金であって、前記ライナと接触する部分にセレーション形状部を有する口金と、
前記ライナの外周に形成される繊維強化樹脂層と、
を備え、
前記ライナは、前記セレーション形状部を収納する凹部を有しており、
樹脂を含浸させた繊維を前記ライナ及び前記口金の前記セレーション形状部に巻くときの前記セレーション形状部の根元における前記ライナを形成する樹脂にかかる応力をσ１、前記セレーション形状部の先端における前記ライナを形成する樹脂にかかる応力をσ２、前記ライナを形成する樹脂の弾性率をｅ、前記ライナを形成する樹脂の許容変形量をδ、前記セレーション形状部の第１側面と前記第１側面と対向する前記ライナの前記凹部の第２側面との為す角をθ、としたときに、θの近似式で示されたσ１／ｅ及びσ２／ｅの値が、いずれもδ以下となるように、角θが設定されている、高圧タンク。