JP2023160000A - 高圧タンク - Google Patents
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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/mm2)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/mm2]>剪断力[N/mm2]の関係を満たす接着強度を有している。なお、接着強度[N/mm2]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/mm2]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 (1)
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022069984A JP2023160000A (ja) | 2022-04-21 | 2022-04-21 | 高圧タンク |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2022069984A JP2023160000A (ja) | 2022-04-21 | 2022-04-21 | 高圧タンク |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2023160000A true JP2023160000A (ja) | 2023-11-02 |
Family
ID=88516124
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022069984A Pending JP2023160000A (ja) | 2022-04-21 | 2022-04-21 | 高圧タンク |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2023160000A (ja) |
-
2022
- 2022-04-21 JP JP2022069984A patent/JP2023160000A/ja active Pending
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