JP2023160000A

JP2023160000A - 高圧タンク

Info

Publication number: JP2023160000A
Application number: JP2022069984A
Authority: JP
Inventors: 直樹上田; Naoki Ueda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-04-21
Filing date: 2022-04-21
Publication date: 2023-11-02

Abstract

【課題】補強層の機械的強度を維持しつつライナと口金との間の接着強度を担保することができる高圧タンクを提供する。【解決手段】ライナ２０と口金２１、２２とを有する高圧タンク１０は、ライナ２０の外周面に補強層２５が形成される前のライナ２０と口金２１、２２とにより構成される組立体において、ライナ２０と口金２１、２２との各界面の端部Ｔが、ライナ２０および口金２１、２２の組立体の周側面に露出し、各界面には熱可塑性樹脂層が設けられることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、ライナと口金とを有する高圧タンクに関する。

この種の高圧タンクとして、ライナと口金との界面に液状ガスケット（ＦＩＰＧ：Formed In Place Gasket、以下ＦＩＰＧという。）が塗布されたものが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０２１－８５４８４号公報

特許文献１に記載の高圧タンクは、図８（ａ）に示すように、ライナ２と口金３、４からなるライナＡＳＳＹ１のライナ２と口金３、４との各界面にＦＩＰＧ５を塗布している。ＦＩＰＧ５の塗布により、ライナ２の外側に繊維強化樹脂によって図８（ｂ）に示す補強層６を形成する際にライナ２と口金３、４との各界面に未硬化の樹脂が浸入して部分固着することを防止している。また、図８（ｂ）に示すように、ライナＡＳＳＹ１の外周面にフィラメントワインディング装置（Filament Winding Process、以下ＦＷ装置という。）により補強層６を形成しているが、ライナ２と口金３、４との間に凹凸形状のギア構造を設けて、ＦＷ装置により発生するライナ２と口金３、４との間に生ずる剪断力（Ｎ／ｍｍ^２）によりライナ２が口金３、４に対して空回りするのを防止している。しかし、図８（ｃ）、図８（ｄ）に示すように、ライナ２と口金３、４との各界面に部分固着があると、固着部分に作用する応力が増大し、ライナ２の低温割れを発生するおそれがある。また、ギア構造があると、低温環境下で使用する際に、局所的に応力が増大するので、ライナ２を厚くして機械的強度を高める必要がある。

しかしながら、ライナＡＳＳＹ１の周側面に露出するライナ２と口金３、４との各界面の端部にＦＩＰＧを塗布すると、塗布されたＦＩＰＧが界面の端部から凸状に突出して形成される。ＦＩＰＧの塗布、硬化後に、ＦＩＰＧの上にカーボン繊維（Carbon Fiber）、ガラス繊維（Glass Fiber）やアラミド繊維（Aromatic Polyamide Fiber）などの繊維をプラスチックの中に入れて強度を向上させたＣＦＲＰなどの複合材料からなる補強層６が形成される。補強層６はＦＩＰＧの凸状部分を覆うので、補強層６の凸状部分を覆う箇所は、凸転写、即ち補強層６の内面に凹みが形成される。この凹み部分は、補強層６の厚みが他の部分よりも薄くなる。その結果、補強層６の凹みにより補強層６の機械的強度が低下するという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、補強層の機械的強度を維持しつつライナと口金との間の接着強度を担保することができる高圧タンクを提供することを課題とする。

本発明に係る高圧タンクは、ライナと口金とを有する高圧タンクであって、前記ライナと前記口金との界面の端部が、前記ライナおよび前記口金の組立体の周側面に露出し、前記界面には熱可塑性樹脂層が設けられることを特徴とする。

本発明に係る高圧タンクは、ライナと口金との界面に熱可塑性樹脂が設けられるので、ライナと口金との接着強度が担保され、また、補強層の未硬化樹脂が界面に浸入してライナと口金とが互いに固着するのを防ぐこともできる。したがって、ライナと口金との界面の端部にＦＩＰＧを塗布する必要がなく、ライナと口金との界面の端部にＦＩＰＧによる凸部が形成されるのを防ぐことができる。したがって、後の工程で口金とライナとの界面の端部を覆う補強層が形成された際に、補強層は凹みのない均一な厚みで形成され、補強層の機械的強度が維持される。

本発明に係る高圧タンクによれば、補強層の機械的強度を維持しつつライナと口金との間の接着強度を担保することができる高圧タンクを提供することができる。

本発明の実施形態に係る高圧タンクの図であり、図１（ａ）は、高圧タンクの側面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ－Ａで切断した高圧タンクの断面図を示す。本発明の実施形態に係る高圧タンクのライナおよび口金の部分断面図。本発明の実施形態の高圧タンクにおける熱可塑性接着剤の例を示す図。本発明の実施形態に係るライナと口金に形成した補強層を硬化させるための加工条件を示す図。本発明の実施形態に係るライナと口金に形成した補強層を硬化させるための硬化条件を示す図。本発明の実施形態に係る高圧タンクのライナが口金から剥離した状態を説明する説明図。本発明の実施形態に係るライナと口金の図であり、図７（ａ）は、熱可塑性接着剤の接着効果を示し、図７（ｂ）は、接着部分の収縮効果を示し、図７（ｃ）は、補強層の機械的強度の効果を示す図。従来のライナＡＳＳＡＹの図であり、図８（ａ）は、ライナＡＳＳＹへのＦＩＰＧの塗布を示し、図８（ｂ）は、ライナＡＳＳＹのギア構造を説明する図を示し、図８（ｃ）は、ＦＩＰＧへ補強層を形成した部分断面図を示し、図８（ｄ）は、ＦＩＰＧの塗布効果および課題を示す。

本発明に係る高圧タンクを適用した実施形態に係る高圧タンク１０について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る高圧タンク１０は、図１（ａ）、図１（ｂ）および図２に示すように、ライナ２０と、口金２１、２２と、熱可塑性樹脂層２３と、Ｏリング２４と、補強層２５を含んで構成されている。高圧タンク１０は、気体を透過させにくい性質、いわゆるガスバリア性を有しており内部には水素などの高圧のガスが充填される構成を有している。

本実施形態に係る高圧タンク１０は、図２に示すように、補強層２５を形成する前のライナ２０と口金２１、２２との組立体において、ライナ２０と口金２１、２２との間の界面の端部Ｔが、ライナ２０および口金２１、２２の組立体の周側面に露出している。

ライナ２０は、筒状の中空容器からなり、シリンダ部３１と、一対のドーム部３２とにより構成されており、ポリアミド樹脂（ＰＡ）などの高い機械的強度を有するエンジニアリングプラスチックで一体的に成形されている。

シリンダ部３１は、円筒状に形成され、両端部で各ドーム部３２と一体的に形成されている。各ドーム部３２は、略半球体状の中空で、ライナ２０の軸線に沿った長手方向端部に、ライナ２０の軸線を中心とする所定の深さの凹みを有する口金装着部３３が形成されている。口金装着部３３は、本実施形態では、内周の壁面に、図１（ｂ）の破線に示すように、円周方向に均等間隔の凹凸部３４が形成されており、いわゆるギア構造を有している。このギア構造は、フィラメントワインディング時にシリンダ部３１に対して口金２１が空回りするのを防止するためのものであり、高圧タンク１０の必須の構成要素ではなく、省略もしくは他の簡易的な構造とすることもできる。例えば、ギア構造を省略して口金２１のフランジ部４１と、ドーム部３２の口金装着部３３をそれぞれ円形状とした円形構造としてもよく、また、円形状の直径方向両端を平行に面取りした２面幅構造としてもよい。

また、各口金装着部３３の中央部分にはライナ２０の軸線を中心とする貫通孔３５が形成されており、各貫通孔３５には口金２１が挿入され、ライナ２０と口金２１とがそれぞれ嵌合するように構成されている。この貫通孔３５の軸線は、ライナ２０の軸線と一致しており、貫通孔３５は、口金２１をドーム部３２に装着する際の位置決め孔として機能する。

口金２１は、図２に示すように、ライナ２０の口金装着部３３に装着されるフランジ部４１と、フランジ部４１からドーム部３２の外側に突出する口金本体部４２と、口金本体部４２と軸線を同じくしフランジ部４１からドーム部３２の内側に突出する突出部４３とを有している。口金２１は、金属材料で形成されている。

フランジ部４１の突出部４３側の面は、平坦に形成されており、ライナ２０と口金２１とが嵌合する際に、口金装着部３３と当接するように構成されている。フランジ部４１の口金本体部４２側の面は、フランジ部４１の外周縁に向かって外周縁に行くほどフランジ厚みが減少するように弧状に傾斜しており、フランジ部４１の外周縁がドーム部３２の外側に突出しないように構成されている。

フランジ部４１は、図１（ｂ）の破線で示すように、外周縁に均等の間隔で凹凸形状からなる凹凸部４４が形成されており、フランジ部４１がドーム部３２の口金装着部３３に装着された際に、凹凸部４４が口金装着部３３の凹凸部３４に交互にそれぞれ入り込むように構成されている。

口金本体部４２には、口金２１の軸線と一致する軸線を有するバルブ接続孔４５が貫通して形成されている。口金本体部４２は、バルブに接続されるように構成されている。このバルブ接続孔４５を介して高圧タンク１０の内部と外部との間で高圧ガスが流通するように構成されている。突出部４３は、ドーム部３２の貫通孔３５に挿入されている。

口金２２は、口金２１と同様に形成されているが、口金２１のバルブ接続孔４５のみが異なっている。口金２２は、口金２１と同様に、ライナ２０の口金装着部３３に装着されるフランジ部と、フランジ部からドーム部３２の外側に突出する口金本体部と、口金本体部と軸線を同じくし、フランジ部からドーム部３２の内側に突出する突出部とを有している。口金２２も、口金２１と同様に、金属材料で形成されている。

口金２２のフランジ部の突出部側の面は、口金２１と同様に、平坦に形成されており、ライナ２０と口金２２とが嵌合する際に、口金装着部３３と当接するように構成されている。フランジ部の口金本体部側の面は、口金２１と同様に、フランジ部の外周縁に向かって外周縁に行くほどフランジ厚みが減少するように弧状に傾斜しており、フランジ部の外周縁がドーム部３２の外側に突出しないように構成されている。

口金２２のフランジ部は、口金２１と同様に、外周縁に均等の間隔で凹凸部が形成されており、フランジ部がドーム部３２の口金装着部３３に装着された際に、凹凸部が口金装着部３３の凹凸部３４に交互にそれぞれ入り込むように構成される。

口金２２の口金本体部には、口金２１とは異なり、口金２２の軸線と一致する軸線を有する有底の穴が形成されており、ライナ２０の貫通孔３５が、口金本体部の有底の穴により閉塞されている。口金本体部は、配管とネジ結合されるように構成されている。口金本体部は、口金２１と同様に、ライナ２０が軸線を中心として回転する際に、口金本体部４２と協働してライナ２０を回転させる回転軸を支持する回転支持部として機能する。

熱可塑性樹脂層２３は、図２に示すように、口金２１のフランジ部４１とライナ２０の口金装着部３３との間に形成されている。口金２２も口金２１と同様にフランジ部とライナ２０の口金装着部３３との間に熱可塑性樹脂層２３が形成されている。

熱可塑性樹脂層２３は、補強層２５を形成する際の未硬化のエポキシ樹脂が口金２１のフランジ部４１とライナ２０の口金装着部３３との間および口金２２のフランジ部とライナ２０の口金装着部３３との間に浸入するのを阻止する機能を有している。

また、熱可塑性樹脂層２３は、口金２１のフランジ部４１とライナ２０の口金装着部３３とを接着することにより、ＦＷ装置でライナ２０の外周面に補強層２５を形成する際のＦＷトルクにより、ライナ２０が口金２１の周りを空回りすることを防止する機能を有している。口金２２のフランジ部とライナ２０の口金装着部３３との間も、口金２１のフランジ部４１とライナ２０の口金装着部３３との接着と同様の機能を有している。

熱可塑性樹脂層２３は、接着強度[Ｎ/ｍｍ^２]＞剪断力[Ｎ/ｍｍ^２]の関係を満たす接着強度を有している。なお、接着強度[Ｎ/ｍｍ^２]は、口金２１のフランジ部４１および口金２２のフランジ部と、ライナ２０の口金装着部３３との間の各接着強度を示す。剪断力[Ｎ/ｍｍ^２]は、ＦＷ装置でライナ２０の外周面に補強層２５を形成する際のＦＷトルク[Ｎ・ｍ]によって発生する口金２１のフランジ部４１および口金２２のフランジ部と、ライナ２０の口金装着部３３との間の剪断力を示す。

熱可塑性樹脂層２３は、補強層２５の硬化温度よりも低い温度で軟化する熱可塑性接着剤で形成される。熱可塑性接着剤としては、例えば、図３に示す熱可塑性接着剤が挙げられる。即ち、熱可塑性接着剤として、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＳ）、ＡＳ樹脂（アクリロニトリルスチレン）（ＳＡＮ，ＡＳ）、ＡＢＳ樹脂（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、アクリル樹脂メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ＰＥＴ樹脂（ポリエチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ＰＶＡ樹脂（ポリビニルアルコール）（ＰＶＡＬ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、アセタール樹脂（ポリアセタール）（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などが挙げられる。

Ｏリング２４は、ゴムなどの弾性を有する密封材料からなり、断面が円形のリングで構成されている。Ｏリング２４は、図２に示すように、口金２１の突出部４３とライナ２０の貫通孔３５の内壁との間、口金２２の図示しない突出部とライナ２０の貫通孔３５の内壁との間にそれぞれ装着されている。

補強層２５は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、ライナ２０の外周面を覆う層からなり、繊維強化樹脂をライナ２０の外周面に積層することで形成されている。

繊維強化樹脂は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂からなり、内部に繊維を含有させて機械的強度を向上させたＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの複合材料からなる。繊維としては、カーボン繊維（Carbon Fiber）、ガラス繊維（Glass Fiber）やアラミド繊維（Aromatic Polyamide Fiber）などが挙げられる。補強層２５は、例えば、ライナ２０の外周面に未硬化のエポキシ樹脂を含浸させた繊維束を連続的に巻き付けるＦＷ装置によって形成され、繊維束の巻き付け後に硬化処理が行われる。

補強層２５の硬化処理は、硬化炉内に補強層２５が形成された高圧タンクを投入して行われる。硬化処理の加工条件は図５に示す条件で設定される。即ち、ａ予熱温度は１６５℃、ｂ加熱時間は１２０分、ｃ加熱温度は１６５℃、ｄ徐冷時間は、２０分、ｅタンク内圧は、０．７７ＭＰａ、但しｂ加熱時間以降は０ＭＰａ、ｆタンク回転は、３ｒｐｍで設定される。

補強層２５の硬化処理は、図５のグラフに示す硬化条件で行われる。図５は、横軸に処理時間（分）、縦軸に温度（℃）を表し、処理時間に対するタンク内圧およびタンク回転を付加して表している。さらに、処理時間に対するタンク表面温度の推定値を表示している。

図５のグラフに示すように、ｂ加熱時間の１２０分を経過した後は２０分間、ゆっくりと冷却する徐冷を行い、徐冷を行っている間は、タンクの内圧を０ＭＰａとしている。内圧を付加せずに徐冷を行うことによって、ライナ２０が収縮し、図６に示すように、口金２１、２２とライナ２０の固着部分を剥離させる。

具体的には、内圧を付加しない徐冷の結果、口金２１のフランジ部４１および口金２２のフランジ部と、ライナ２０の口金装着部３３との間およびこの間に形成された熱可塑性樹脂層２３が、互いに剥離し、固着がなくなり互いの変化に影響を受けなくなる。

以上のように構成された実施形態に係る高圧タンク１０の効果について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る高圧タンク１０は、図２、図７（ａ）に示すように、ライナ２０と口金２１、２２とを有し、ライナ２０の外周面に補強層２５が形成される前のライナ２０と口金２１、２２とにより構成される組立体において、ライナ２０と口金２１、２２との界面の端部Ｔが、ライナ２０および口金２１、２２の組立体の周側面に露出し、界面には熱可塑性樹脂層２３が設けられることを特徴とする。即ち、本実施形態に係る高圧タンク１０は、ライナ２０と口金２１、２２との界面の端部ＴにＦＩＰＧを塗布しない構造で構成されている。

本実施形態では、口金２１、２２の各フランジ部分に凹凸を設けるとともに、この凹凸に噛み合う凹凸をライナ２０の口金装着部分に設けるギア構造とすることで、ＦＷ装置で補強層２５を形成する際のＦＷトルクを起因としてライナ２０が口金２１、２２の周りを空回りすることを防止する構造となっている。しかしながら、例えばギア構造を設けなくても、熱可塑性樹脂層２３を形成することにより、ライナ２０と口金２１、２２との接着強度が担保され、ＦＷ装置で補強層２５を形成する際のＦＷトルクを起因としてライナ２０が口金２１、２２の周りを空回りすることを防止することができるという効果が得られる。

また、本実施形態に係る高圧タンク１０は、図７（ｂ）に示すように、ライナ２０に内圧を付加してライナ２０と口金２１、２２との間に熱可塑性樹脂層２３を貼り付け、即ち熱可塑性樹脂層２３を形成している。その後、内圧を抜いて（０ＭＰａ）２０分の徐冷を行ってライナ２０を収縮させている。即ち、ΔＴで収縮させ、熱可塑性樹脂層２３を剥離させている。その結果、図７（ｃ）に示すように、ＣＦＲＰ凹なく強度の低下なしという効果が得られる。

従来の高圧タンクの構造では、ライナ２０の周側面に露出するライナ２０と口金２１、２２との各界面の端部にＦＩＰＧを塗布すると、塗布されたＦＩＰＧが界面の端部から凸状に突出して形成される。ＦＩＰＧの塗布、硬化後に、ＣＦＲＰなどの複合材料からなる補強層２５が形成される。補強層２５はＦＩＰＧの凸状部分を覆うので、補強層２５の凸状部分を覆う箇所は、凸転写、即ち補強層２５の内面に凹みが形成される。この凹み部分は、補強層２５の厚みが他の部分よりも薄くなる。その結果、補強層２５の凹みにより補強層２５の機械的強度が低下するという問題があり、この問題が解消されるという効果が得られる。

図７（ｃ）に示すように、エポキシ浸入なし、低温割れ防止という効果が得られる。即ち、ライナ２０に繊維強化樹脂で補強層２５を形成する際にライナ２０と口金２１、２２との各界面に未硬化のエポキシ樹脂が浸入して部分固着するという問題があった。ライナ２０と口金２１、２２との各界面に部分固着があると、固着部分に応力が発生し低温割れを発生するおそれがある。本実施形態に係る高圧タンク１０は、熱可塑性樹脂層２３を設けることにより、未硬化のエポキシ樹脂の浸入を防ぎ、低温割れの発生を防止することができるという効果が得られる。

また、本実施形態に係る高圧タンク１０は、未硬化のエポキシ樹脂が浸入して部分固着するという問題が解消されているので、低温割れが発生せず、補強層２５の機械的強度が増大するので、補強層２５の薄肉化を図ることが可能となるという効果が得られる。本実施形態に係る高圧タンク１０は、ＦＷ装置で補強層２５を形成する際のＦＷトルクを起因としてライナ２０が口金２１、２２の周りを空回りすることの防止、補強層２５の硬化時のエポキシ樹脂の浸入防止、および補強層２５の強度低下の防止という課題を全て解決することができた。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記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趣旨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、２０・・・ライナ、２１、２２・・・口金、２３・・・熱可塑性樹脂層、２４・・・Ｏリング、２５・・・補強層、３１・・・シリンダ部、３２・・・ドーム部、３３・・・口金装着部、３４、４４・・・凹凸部、３５・・・貫通孔、４１・・・フランジ部、４２・・・口金本体部、４３・・・突出部、４５・・・バルブ接続孔、Ｔ・・・端部

Claims

ライナと口金とを有する高圧タンクであって、
前記ライナと前記口金との界面の端部が、前記ライナおよび前記口金の組立体の周側面に露出し、
前記界面には熱可塑性樹脂層が設けられることを特徴とする高圧タンク。