JP4849324B2 - High pressure tank - Google Patents
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Description
本発明は、常圧に比して圧力が高められた高圧流体を貯留するための高圧タンクに関するものである。 The present invention relates to a high-pressure tank for storing a high-pressure fluid whose pressure is increased compared to normal pressure.
近年、燃料電池システムに用いられる高圧水素タンクの開発が進んでいる。高圧水素タンクでの水素ガスの充填圧は、当初は20MPaや35MPaであったが、最近では70MPaも可能になってきた。充填圧が高くなるほど、高圧水素タンクを搭載した燃料電池自動車の走行可能距離が長くなるが、高圧水素タンクとしては、高い充填圧に耐える強度(バースト強度)が必要となる。 In recent years, development of high-pressure hydrogen tanks used in fuel cell systems has been progressing. The filling pressure of hydrogen gas in the high-pressure hydrogen tank was initially 20 MPa or 35 MPa, but recently 70 MPa has become possible. The higher the filling pressure, the longer the travelable distance of a fuel cell vehicle equipped with a high-pressure hydrogen tank. However, the high-pressure hydrogen tank needs to have a strength (burst strength) that can withstand a high filling pressure.
従来の一般的な高圧タンクは、ライナーの外周面に、樹脂を含浸した繊維を巻き付けた補強層を備えたものである(例えば、特許文献1参照。)。ライナーは、高圧タンクに貯留する高圧ガスの透過を抑制するバリア層として機能する。一方、補強層は、高圧ガスによるライナーの膨張を抑制し、高圧タンクのバースト強度を確保する。 A conventional general high-pressure tank is provided with a reinforcing layer in which fibers impregnated with a resin are wound around the outer peripheral surface of a liner (see, for example, Patent Document 1). The liner functions as a barrier layer that suppresses permeation of high-pressure gas stored in the high-pressure tank. On the other hand, the reinforcing layer suppresses the expansion of the liner due to the high-pressure gas and ensures the burst strength of the high-pressure tank.
従来、バースト強度を高めるために、ライナーの肉厚や補強層の肉厚を増加する方法が取られていた。しかし、この方法ではタンクが大型化し、積載重量が増加することもあり、好ましくなかった。そこで、特許文献1に記載の高圧タンクでは、樹脂ライナーの耐圧性を向上するべく、ライナー用の樹脂として引張破断伸びが50%以上のものを用いている。
しかし、本件発明者の実験によれば材料が有効に用いられていないことが判明した。特に、特許文献1に記載の高圧タンクでは、補強層の内側から破断するおそれがあった。
However, according to the experiments of the present inventors, it has been found that the material is not used effectively. In particular, the high-pressure tank described in
本発明は、従来のタンクで補強層の本来の強度が有効活用されていないことに着目してなされたものであり、バースト強度の向上と薄肉化とを図ることができる高圧タンクを提供することをその目的としている。 The present invention has been made paying attention to the fact that the original strength of the reinforcing layer is not effectively utilized in the conventional tank, and provides a high-pressure tank capable of improving the burst strength and reducing the thickness. Is the purpose.
上記目的を達成するべく、本発明の高圧タンクは、高圧流体の透過を抑制するバリア層と、バリア層の外側で当該バリア層の膨張を抑制する補強層と、を有する高圧タンクであって、補強層は、樹脂が繊維で補強された層を少なくとも2層有し、記少なくとも2層のうち内側に位置する層は、その外側に位置する層よりも、単位体積あたりの引張破断伸びが大きく且つ引張弾性率が小さくなるように構成され、内側に位置する層の樹脂及び繊維は、外側に位置する層の樹脂及び繊維よりも、それぞれ引張破断伸びが大きくなるように構成されているものである。 In order to achieve the above object, the high-pressure tank of the present invention is a high-pressure tank having a barrier layer that suppresses permeation of high-pressure fluid, and a reinforcing layer that suppresses expansion of the barrier layer outside the barrier layer, reinforcing layer, a resin having at least two layers reinforced with fibers, a layer located inside of the serial least two layers, than the layer located on the outside, the tensile elongation at break per unit volume a large It is configured to listen and tensile modulus is small, the resin and fiber layers located inside, rather than the resin and fiber layers located outside, tensile elongation at break respectively is configured in size Kunar so Is.
かかる構成によれば、補強層において内側が外側よりも先に破断することが抑制される。これにより、補強層における外側の部分について、補強層の強度への寄与度を向上できる。それゆえ、本来ある補強層を有効に活用することで、必要なバースト強度を得るのに、肉厚を厚くしなくて済む。また、補強層は、樹脂が繊維で補強された層を少なくとも2層有し、少なくとも2層のうち内側に位置する層は、その外側に位置する層よりも引張破断伸びが大きいため、引張破断伸びを層単位で設定できるので、補強層を構成し易くできる。更に、補強層において、内側に位置する層の樹脂及び繊維は、外側に位置する層の樹脂及び繊維よりも、それぞれ引張破断伸びが大きいため、引張破断伸びの物性値を容易に設定できる。更に、補強層において、内側に位置する層は、外側に位置する層よりも、引張弾性率が小さいため、補強層において内側の層が伸びることにより、外側の層へと応力を逃がすことができ、その応力を外側の層で受け止めることができる。これにより、補強層において内側の層も外側の層も、より均一な応力を負担することができる。 According to this configuration, the inner side of the reinforcing layer is prevented from breaking before the outer side. Thereby, the contribution to the intensity | strength of a reinforcement layer can be improved about the outer part in a reinforcement layer. Therefore, it is not necessary to increase the wall thickness in order to obtain the required burst strength by effectively utilizing the original reinforcing layer. In addition, the reinforcing layer has at least two layers in which the resin is reinforced with fibers, and the inner layer of at least two layers has a tensile elongation at break larger than that of the outer layer. Since the elongation can be set in units of layers, the reinforcing layer can be easily configured. Further, in the reinforcing layer, since the resin and fiber of the layer located on the inner side have a larger tensile break elongation than the resin and fiber of the layer located on the outer side, the physical property value of the tensile break elongation can be easily set. Furthermore, in the reinforcing layer, the inner layer is smaller in tensile modulus than the outer layer, so that the inner layer extends in the reinforcing layer, so that stress can be released to the outer layer. The stress can be received by the outer layer. Thereby, in the reinforcing layer, both the inner layer and the outer layer can bear more uniform stress.
ここで、本発明における「引張破断伸び」とは、破断点におけるひずみではなく、降伏点におけるひずみをいう。また、本発明における「引張破断伸び」は、径方向と交差する方向、より好ましくは円周の接線方向の引張破断伸びである。 Here, the “tensile elongation at break” in the present invention refers to the strain at the yield point, not the strain at the break point. Further, the “tensile breaking elongation” in the present invention is a tensile breaking elongation in a direction intersecting the radial direction, more preferably in a tangential direction of the circumference.
好ましくは、補強層は、外側から内側にかけて引張破断伸びが大きくなるように構成される。 Preferably, the reinforcing layer is configured so that the tensile elongation at break increases from the outside to the inside.
こうすることで、補強層において内側が外側よりも先に破断することを、より一層好適に抑制できる。 By carrying out like this, it can suppress further more suitably that an inner side fractures before an outside in a reinforcement layer.
好ましくは、補強層は、フィラメントワインディング法により繊維が巻きつけられた層であり、繊維の組成、繊維の巻きつけ時の張力、繊維の断面積、及び樹脂の組成の少なくとも一つについて、補強層における外側の層と内側の層とに差をつけることで、単位体積あたりの引張破断伸びについて外側より内側の方を大きくしている。 Preferably, the reinforcing layer is a layer in which fibers are wound by a filament winding method, and the reinforcing layer is at least one of the composition of the fibers, the tension when the fibers are wound, the cross-sectional area of the fibers, and the composition of the resin. By making a difference between the outer layer and the inner layer, the tensile breaking elongation per unit volume is made larger on the inner side than on the outer side.
本発明の高圧タンクによれば、バースト強度を高めることができると共に肉厚を薄くできる。 According to the high-pressure tank of the present invention, the burst strength can be increased and the wall thickness can be reduced.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る高圧タンクについて、燃料電池システムに適用した例を説明する。 Hereinafter, an example in which a high pressure tank according to a preferred embodiment of the present invention is applied to a fuel cell system will be described with reference to the accompanying drawings.
<第1実施形態>
図1は、本実施形態に係るタンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。
燃料電池自動車100は、燃料電池104を有する燃料電池システム200を搭載している。燃料電池システム200は、例えば3つの高圧タンク1を車体のリア部に搭載している。各高圧タンク1内の流体は、水素ガスや圧縮天然ガスなどの可燃性の燃料ガスであり、ガス供給ライン102を通じて燃料電池104に供給される。以下では、高圧タンク1が貯留する燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a view showing a fuel cell vehicle equipped with a tank according to this embodiment.
The
なお、高圧タンク1は、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型にも適用できる。
Note that the high-
図2は、高圧タンク1の断面図である。
高圧タンク1は、内部に貯留空間2が画成されるように中空状に形成されたライナー3と、ライナー3の外面を覆う複数層からなる補強層4と、からなる構造を有している。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the high-
The high-
貯留空間2は、常圧の流体を貯留することもできるし、燃料ガスを常圧よりも高い圧力(すなわち高圧)で貯留できるように構成されている。例えば35MPaあるいは70MPaの水素ガスが、貯留空間2に貯留される。高圧タンク1の温度は、水素ガスの充填及び放出に伴い変動するが、その変動幅は、水素ガスの充填圧によっても異なり、充填圧が高くなるほど、水素ガス放出時の高圧タンク1の温度はより低温となる。例えば、70MPaの高圧タンク1の使用温度帯域(変動幅)は、およそ−70℃〜100℃である。
The
ライナー3及び補強層4からなるタンク本体5は、長手方向の両端部の中心に水素ガスが供給/排出される開口部6,7を有している。開口部6,7には、図示省略したバルブアッセンブリや栓体がねじ込み接続等により直接的に接続される。あるいは、開口部6,7には図示省略した口金がインサート成形等により設けられ、この口金を介してバルブアッセンブリ等がねじ込み接続される。そして、バルブアッセンブリと外部のガス供給ライン102とが接続され、貯留空間2との間で水素ガスの給排がなされる。なお、開口部6,7の一方は省略しても良い。
The
タンク本体5の全体形状に着目すると、タンク本体5は、胴部10と、一対のドーム部11,12と、で構成されている。胴部10は、タンク本体5の軸線方向、すなわち長手方向に所定の長さ延在する略円筒状の部分であり、ほぼ一定の径を有している。一対のドーム部11,12は、胴部10の長手方向の両端部にそれぞれ連続した半球面状の曲壁部である。一対のドーム部11,12は、胴部10から遠ざかるにつれて縮径しており、最も縮径した部分の中心に上記の開口部6,7を有している。一対のドーム部11,12は、胴部10の両端を閉塞するように絞り状に形成されており、タンク本体5の長手方向の端壁部を構成している。
Focusing on the overall shape of the
ライナー3は、タンク1の内殻又は内容器とも換言される部分であり、胴部10及び一対のドーム部11,12の内壁を構成する。ライナー3は、ガスバリア性を有し、水素ガスの外部への透過を抑制する。すなわち、ライナー3は、バリア層として機能する。
The
ライナー3の材質は、特に制限されるものではなく、例えば、金属のほか、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂を挙げることができる。また、これらの樹脂を二層以上に組み合わせて、複数層から成る積層体としてライナー3を構成しても良い。ライナー3の厚さは、その材質、高圧タンク1の寸法形状、要求される耐圧等に依存するものの、特に限定されず、好ましくは0.5mm〜数十mm程度、より好ましくは1mm〜10mm程度である。
The material of the
補強層4は、タンク1の外殻、シェル又は外容器とも換言される部分であり、胴部10及び一対のドーム部11,12の外壁を構成する。補強層4は、ライナー3の外表面を被覆するように、ライナー3に巻きつけられることで形成されており、ライナー3の外側でライナー3の膨張を抑制する。
The reinforcing
補強層4は、マトリックス樹脂(プラスチック)が繊維で補強されたFRP層である。
The reinforcing
マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂、等が挙げられ、これらのなかでは、エポキシ樹脂又は不飽和ポリエステル樹脂がより好ましい。マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。 Examples of the matrix resin include an epoxy resin, a modified epoxy resin, an unsaturated polyester resin, a polypropylene resin, and the like. Among these, an epoxy resin or an unsaturated polyester resin is more preferable. A thermosetting resin is preferably used as the matrix resin.
強化繊維としては、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維、といった無機繊維、或いは、アラミド繊維等の合成有機繊維、或いは綿等の天然有機繊維を例示できる。これらの繊維は、単独で又は混合して(混繊として)使用することができ、これらの中では、カーボン繊維、アラミド繊維が特に好ましい。本実施形態の補強層4では、カーボン繊維を用いている。
Examples of reinforcing fibers include inorganic fibers such as metal fibers, glass fibers, carbon fibers, and alumina fibers, synthetic organic fibers such as aramid fibers, and natural organic fibers such as cotton. These fibers can be used alone or in combination (as mixed fibers), and among these, carbon fibers and aramid fibers are particularly preferable. In the reinforcing
補強層4におけるマトリックス樹脂と繊維との含有割合としては、樹脂及び繊維の種類、繊維強化方向、厚さ等に依存するが、通常、好ましくはマトリックス樹脂:繊維=10〜80体積%:90〜20体積%、より好ましくはその比が25〜50体積%:75〜50体積%とされる。なお、補強層4は、これらの構成材料の他に適宜の添加剤を含んでいてもよい。
The content ratio of the matrix resin and the fiber in the reinforcing
また、補強層4の厚さは、その材質、タンク1の寸法形状、要求される耐圧等に依存するものの、特に限定されず、好ましくは数mm程度、より好ましくは数mm〜50mm程度とされ、胴部10の外径が300mmφ程度であるときに20mm程度とされる場合が多い。後述するように、本発明の高圧タンク1では、肉厚を厚くすることなく、バースト強度を確保できるように、補強層4が工夫されている。
The thickness of the reinforcing
補強層4(CFRP層)は、複数層からなる。補強層4を構成する層の数は、一実施態様では16個であり、本実施形態では4個である。ただし、この層の数は、タンク1の寸法形状、要求される耐圧等に依存するものであるものの、少なくとも二個であることが好ましい。そして、その少なくとも二個の層としては、フープ層及びヘリカル層が含まれることが好ましい。フープ層及びヘリカル層の積層順は任意であるが、本実施形態のように、ライナー3から順に、フープ層21、ヘリカル層31、フープ層22及びヘリカル層32と、交互に互いに隣接するように積層することが好ましい(図3参照)。
The reinforcing layer 4 (CFRP layer) is composed of a plurality of layers. The number of layers constituting the reinforcing
フープ層21,22は、胴部10の位置でその全体に巻かれてなるものである。詳細には、フープ層21は、ライナー3の胴部外表面にカーボン繊維をフープ巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成される。また、フープ層22は、胴部10に相当する位置において、ヘリカル層31の外表面にカーボン繊維をフープ巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成される。このように構成されたフープ層21,22は、胴部10の周方向の強度を確保する。
The hoop layers 21 and 22 are wound around the entire body at the position of the
ヘリカル層31,32は、胴部10及びドーム部11,12の位置で、これらのほぼ全体に巻かれてなるものである。詳細には、ヘリカル層31は、ライナー3のドーム部の外表面及びフープ層21の外表面にカーボン繊維をヘリカル巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成される。また、ヘリカル層32は、胴部10に相当する位置ではフープ層22の外表面に、またドーム部11,12に相当する位置ではヘリカル層31の外表面に、カーボン繊維をヘリカル巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成される。このように構成されたヘリカル層31,32は、主としてドーム部11,12の強度を確保し、タンク1の長手方向の強度を確保する。
The
フープ巻き及びヘリカル巻きのいずれも、例えば、フィラメントワインディング法(FW法)、ハンドレイアップ法、テープワインディング法等を用いればよく、好ましくはフィラメントワインディング法が用いられる。フィラメントワインディング法によって巻きつけられるカーボン繊維は、例えば、ボビン等に巻回されているときから樹脂を含浸されたもの(すなわち、プリプレグ状態のもの)であるか、あるいは、ボビン等から繰り出されて樹脂槽で樹脂を含浸されたものである。 For both the hoop winding and the helical winding, for example, a filament winding method (FW method), a hand layup method, a tape winding method, or the like may be used, and the filament winding method is preferably used. The carbon fiber wound by the filament winding method is, for example, one impregnated with resin since it is wound on a bobbin or the like (that is, in a prepreg state), or drawn out from the bobbin or the like to be resin. The tank is impregnated with resin.
ここで、本実施形態の補強層4は、単位体積あたりの引張破断伸びが外側より内側の方が大きくなるように構成されている。「単位体積あたり引張破断伸び」とは、補強層4を仮想的に切り出したものの引張破断伸びをいう。「引張破断伸び」とは、破断点におけるひずみではなく、降伏点における周方向のひずみをいう。なお、この周方向のひずみは、円周ひずみともいう。「外側より内側」の「外側」とは、補強層4における径方向外側をいい、「内側」とは補強層4における径方向内側をいう。
Here, the reinforcing
本実施形態の好ましい一態様では、補強層4のうち、相対的に内側に位置するフープ層21及びヘリカル層31が、相対的に外側に位置するフープ層22及びヘリカル層32よりも引張破断伸びが大きく構成されている。もっとも、違う組み合わせでもよく、例えばフープ層21の引張破断伸びが、残りの3層(31,22,32)のそれよりも大きくてもよい。また、フープ層とヘリカル層とがそれぞれ3つある場合には、外側から内側にかけて引張破断伸びが大きくなるように補強層4を構成しても良い。要するに、補強層4を少なくとも2層で構成し、内側の層の引張破断伸びが外側の層のそれよりも大きければよい。
In a preferred aspect of the present embodiment, the
補強層4における引張破断伸びの上記設定は、カーボン繊維の組成、カーボン繊維の巻きつけ時の張力、カーボン繊維の断面積、及びマトリックス樹脂の組成の少なくとも一つについて、補強層4における内側の層(フープ層21及びヘリカル層31)と外側の層(フープ層22及びヘリカル層32)とに差をつけることで、実現されている。以下では、異なる材料を用いる例について図4〜図6を参照に、また同一の材料を用いる例について図7及び図8を参照に、説明する。
The above-described setting of the tensile elongation at break in the reinforcing
図4は、補強層4における内側の層の円周応力σtとひずみεとの関係を示すグラフである。
この内側の層は、降伏応力がσyであり、引張破断伸びがδである。この降伏応力σy及び引張破断伸びδを用いて、図4に示すように4つの領域(ア)〜(エ)に区分けする。この場合、補強層4における外側の層は、引張破断伸びが領域(ウ)又は(エ)に位置する材料を用いて構成すればよい。つまり、外側の層におけるカーボン繊維及びマトリックス樹脂は、それぞれ、内側の層におけるカーボン繊維及びマトリックス樹脂よりも、引張破断伸びが小さい材料(組成)で構成されればよい。なお、このように構成すれば、内側の層と外側の層との間で、降伏応力の大小は問わない。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the circumferential stress σ t and strain ε of the inner layer in the reinforcing
This inner layer has a yield stress of σ y and a tensile break elongation of δ. Using the yield stress σ y and the tensile elongation at break δ, the area is divided into four regions (A) to (D) as shown in FIG. In this case, the outer layer in the reinforcing
好ましくは、補強層4における外側の層は、内側の層よりも弾性率(ヤング率)が大きい。つまり、補強層4における外側の層は、引張破断伸びが領域(ウ)に位置する材料を用いて構成すれば、内側の層よりも、弾性率(ヤング率)が大きく且つ引張破断伸びが小さくなる。このような弾性率の設定にすることの効果について、図5及び図6を参照して説明する。なお、図5及び図6では、ライナー3は省略している。
Preferably, the outer layer of the reinforcing
図5は、比較例に係るものであり、補強層4´が厚み方向(径方向)において同一の材料で構成された場合の円周応力σt´の応力分布を示す図である。
高圧タンク1が内圧Pを受けたとき、補強層4の周方向には円周応力σt´が作用する。この円周応力σt´は、内径側で最大となり、外径側に向かって比較的急激に漸減する。
FIG. 5 relates to a comparative example, and is a diagram showing a stress distribution of the circumferential stress σ t ′ when the reinforcing
When the high-
図6は、本実施形態に係るものであり、補強層4の外側が内側よりも弾性率が大きい材料で構成された場合の円周応力σtの応力分布を示す図である。
外側の層が内側の層よりも弾性率が大きいので、円周応力σtは、内径側で最大となるものの、厚み方向において全体として略均一となる。これは、補強層4において、内側の層が伸びることにより、外側の層へと円周応力を逃がすことができる一方、外側の層は内側の層ほど伸びないので、逃げてきた円周応力を受けとめることができるからである。したがって、内圧Pにより補強層4が外側に伸びた際、全てに同一素材(マトリックス樹脂、カーボン繊維)を用いた場合と比べて、外側の層が強度に関わる寄与度を向上できる。
FIG. 6 relates to the present embodiment, and is a diagram showing the stress distribution of the circumferential stress σ t when the outer side of the reinforcing
Since the outer layer has a larger elastic modulus than the inner layer, the circumferential stress σ t is maximum on the inner diameter side, but is substantially uniform as a whole in the thickness direction. This is because, in the reinforcing
次に、図7及び図8を参照して、補強層4の全領域において材料(マトリックス樹脂及びカーボン繊維)を同じとしつつ、外側の層の引張破断伸びに対し内側の層の引張破断伸びを実質的に大きくすることができる二つの例を説明する。
Next, referring to FIG. 7 and FIG. 8, the material (matrix resin and carbon fiber) is the same in the entire region of the reinforcing
図7(B)は、高圧タンク1に内圧が作用していない状態の補強層4について、内側及び外側のカーボン繊維の状態を部分的に示している。図7(B)に示すように、補強層4の内側のカーボン繊維は縮んでいる(たるんでいる)のに対し、外側のカーボン繊維の伸びはゼロとなっている。図7(B)に示す符号40は、補強層4における微小体積を示している。なお、図7(B)では、ライナー3は省略されている。
FIG. 7B partially shows the state of the inner and outer carbon fibers in the reinforcing
図7(A)は、横軸が微小体積40の伸び量であり、縦軸が微小体積40におけるカーボン繊維に作用する円周応力である。
図7(A)に示すように、外側のカーボン繊維の特性L1では、微小体積40の伸びがゼロのとき円周応力がゼロとなる。そして特性L1では、微小体積40の伸びが大きくなるにつれて円周応力も増加し、微小体積40の伸びがδ2のとき、円周応力が降伏応力に達する。
In FIG. 7A, the horizontal axis is the amount of elongation of the
As shown in FIG. 7A, in the characteristic L1 of the outer carbon fiber, the circumferential stress becomes zero when the elongation of the
これに対し、内側のカーボン繊維の特性L2では、微小体積40の伸びがδ1に達するまで、円周応力はゼロのままである。これは、内圧が作用していないときに、内側のカーボン繊維は縮んでいるからである。そして特性L2では、微小体積40の伸びがδ1よりも大きくなるにつれて、円周応力も増加し、微小体積40の伸びがδ3(>δ2)のとき、円周応力が降伏応力に達する。
In contrast, in the characteristic L2 of the inner carbon fiber, the circumferential stress remains zero until the elongation of the
同様に、図8(B)は、高圧タンク1に内圧が作用していない状態の補強層4について、内側及び外側のカーボン繊維の状態を部分的に示している。図8(B)に示すように、補強層4の外側のカーボン繊維の伸びはゼロよりも大きいのに対し、内側のカーボン繊維の伸びはゼロとなっている。図8(B)に示す符号50は、補強層4における微小体積を示している。なお、図8(B)でも、ライナー3は省略されている。
Similarly, FIG. 8B partially shows the state of the inner and outer carbon fibers of the reinforcing
図8(A)は、横軸が微小体積50の伸び量であり、縦軸が微小体積50におけるカーボン繊維に作用する円周応力である。
図8(A)に示すように、内側のカーボン繊維の特性L4では、微小体積50の伸びがゼロのとき円周応力がゼロとなる。そして特性L4では、微小体積50の伸びが大きくなるにつれて円周応力も増加し、微小体積50の伸びがδ5のとき、円周応力が降伏応力に達する。
In FIG. 8A, the horizontal axis represents the elongation amount of the
As shown in FIG. 8A, in the characteristic L4 of the inner carbon fiber, the circumferential stress becomes zero when the elongation of the
一方、外側のカーボン繊維の特性L3では、微小体積50の伸びがゼロのときから、円周応力σ1が作用する。これは、内圧が作用していないときに、外側のカーボン繊維は伸びているからである。そして特性L3では、微小体積50の伸びが大きくなるにつれて円周応力も増加し、微小体積50の伸びがδ4(<δ5)のとき、円周応力が降伏応力に達する。
On the other hand, in the characteristic L3 of the outer carbon fiber, the circumferential stress σ 1 acts from the time when the elongation of the
したがって、図7(B)又は図8(B)に示すようなカーボン繊維の設定にすることで、補強層4は、外側の層の引張破断伸びに対し内側の層の引張破断伸びを実質的に大きくすることが可能となる。このようなカーボン繊維の設定は、フィラメントワインディング法におけるカーボン繊維の巻きつけ時の張力を調整することで行うことができる。具体的には、図7(B)に示す内側のカーボン繊維は、外側のカーボン繊維よりも小さい張力で巻き付けられる。また、図8に示す外側のカーボン繊維は、内側のカーボン繊維よりも大きい張力で巻き付けられる。
Therefore, by setting the carbon fiber as shown in FIG. 7B or FIG. 8B, the reinforcing
次に、図9及び図10を参照して、補強層4における内側のカーボン繊維に対する外側のカーボン繊維の設計値について簡単に説明する。ここでは、内側のカーボン繊維(以下、「内側繊維」と略記する。)と外側のカーボン繊維(以下、「外側繊維」と略記する。)が、同時に破断する場合を想定する。なお、図9及び図10は、ライナー3を省略している。
Next, with reference to FIGS. 9 and 10, the design values of the outer carbon fibers with respect to the inner carbon fibers in the reinforcing
図9は、高圧タンク1が内圧により膨張した後に、密度が小さくなったことを前提としている。つまり、図9は、膨張後も、補強層4の内側の変位と外側の変位とが同じであることを前提としている。
FIG. 9 assumes that the density has decreased after the high-
図9に示すように、補強層4の内径をR1,外径をR2,肉厚をt、内径側繊維(つまり内側繊維)の破断伸びをZとする。このとき、破断時の内側円周、破断時の内径、破断時の外径及び破断時の外側円周は、図9(B)に示すように表すことができる。そして、破断時の外側繊維の伸びは、次式(1)で定義できることから、図9(B)に示すように、表すことができる。
As shown in FIG. 9, the inner diameter of the reinforcing
破断時の外側繊維の伸び=(破断時の外側円周−初期外側円周)/初期外側円周・・(1) Elongation of outer fiber at break = (outer circumference at break-initial outer circumference) / initial outer circumference (1)
つまり、内径R1から肉厚tのところ(すなわち、外径R2の位置)では、初期からの伸びが、
R1×Z/(R1+t)
となったときに破断する状態と仮定する。
That is, at the thickness t from the inner diameter R1 (ie, the position of the outer diameter R2), the elongation from the initial stage
R1 × Z / (R1 + t)
It is assumed that it breaks when it becomes.
この場合は、図4に示したごとく、補強層4の内側と外側とで異なる繊維を用いるときには、外径R2の位置の外側繊維は、引張破断伸びが、
R1×Z/(R1+t)
となるものを用いればよい。具体的な数字は、図9(B)に示すとおりである。
In this case, as shown in FIG. 4, when different fibers are used on the inner side and the outer side of the reinforcing
R1 × Z / (R1 + t)
What should be used. Specific numbers are as shown in FIG.
一方、図8に示したごとく、補強層4の内側と外側とで同じ繊維を用いるときには、外径R2の位置の外側繊維は、
伸びの差分:Z−R1×Z/(R1+t)
だけ伸ばしたものを用いればよい。
On the other hand, as shown in FIG. 8, when the same fiber is used on the inside and outside of the reinforcing
Difference in elongation: Z−R1 × Z / (R1 + t)
It is sufficient to use a stretched one.
図10は、高圧タンク1が内圧により膨張した後も、密度が不変であることを前提としたケースである。つまり、図10は、膨張後も、補強層4の断面積が一定であることを前提としている。この場合も、図9(A)に示すように、補強層4の内径をR1,外径をR2,肉厚をtとする。また、内側繊維の破断伸びをZとする。このとき、破断時の内側円周、破断時の内径、破断時の外径及び破断時の外側円周は、図10に示すように表すことができる。
FIG. 10 is a case on the premise that the density remains unchanged even after the high-
そして、膨張前後の断面積が一定であることから、次式が成り立つ。
πR22−πR12=π√[π(R1+t)2−πR12+π{R1(1+Z)}2] 2−πR1(1+Z)}2・・・(2)
破断時の外側繊維の伸びYは、上記の式(1)で定義できることから、式(2)を代入して整理すると、次のように表すことができる。
Y=2π×√[π(R1+t)2−πR12+π{R1(1+Z)}2]
And since the cross-sectional area before and behind expansion is constant, the following equation holds.
πR2 2 −πR1 2 = π√ [π (R1 + t) 2 −πR1 2 + π {R1 (1 + Z)} 2 ] 2 −πR1 (1 + Z)} 2 (2)
Since the elongation Y of the outer fiber at break can be defined by the above formula (1), it can be expressed as follows when formula (2) is substituted and arranged.
Y = 2π × √ [π (R1 + t) 2 −πR1 2 + π {R1 (1 + Z)} 2 ]
つまり、図10の場合も図9の場合と同様に、内径R1から肉厚tのところ(すなわち、外径R2の位置)では、初期からの伸びが、上記の伸びYになったときに破断する状態と仮定する。 That is, in the case of FIG. 10 as well as in the case of FIG. 9, when the wall thickness t is from the inner diameter R1 (that is, the position of the outer diameter R2), the elongation from the initial stage is the above-described elongation Y, and the fracture Assuming that
この場合、図4に示したごとく、補強層4の内側と外側とで異なる繊維を用いるときには、外径R2の位置の外側繊維は、引張破断伸びが、上記の伸びYとなるものを用いればよい。具体的な数字は、図10に示すとおりである。
In this case, as shown in FIG. 4, when different fibers are used for the inner side and the outer side of the reinforcing
一方、図8に示したごとく、補強層4の内側と外側とで同じ繊維を用いるときには、外径R2の位置の外側繊維は、
伸びの差分:Z−Y
だけ伸ばしたものを用いればよい。
On the other hand, as shown in FIG. 8, when the same fiber is used on the inside and outside of the reinforcing
Difference in elongation: Z-Y
It is sufficient to use a stretched one.
以上説明したように、本実施形態の高圧タンク1によれば、補強層4を構成する繊維及び樹脂について、径方向外側に対し径方向内側を引張破断伸びが大きいもので構成している。このため、補強層4において、内側が外側よりも先に破断することが抑制される。これにより、補強層4における外側の部分について、降伏点までの能力を有効活用することができ、補強層4の強度への寄与度を向上できる。したがって、補強層4を有効に活用することで、必要なバースト強度を得るのに、肉厚を厚くしなくて済む。
As described above, according to the high-
1:高圧タンク、3:ライナー(バリア層)、4:補強層、21:フープ層、22:フープ層、31:ヘリカル層、32:ヘリカル層 1: High pressure tank, 3: Liner (barrier layer), 4: Reinforcement layer, 21: Hoop layer, 22: Hoop layer, 31: Helical layer, 32: Helical layer
Claims (3)
前記補強層は、樹脂が繊維で補強された層を少なくとも2層有し、
前記少なくとも2層のうち内側に位置する層は、その外側に位置する層よりも、単位体積あたりの引張破断伸びが大きく且つ引張弾性率が小さくなるように構成され、
前記内側に位置する層の樹脂及び繊維は、前記外側に位置する層の樹脂及び繊維よりも、それぞれ引張破断伸びが大きい、高圧タンク。 A high-pressure tank having a barrier layer that suppresses permeation of high-pressure fluid, and a reinforcing layer that suppresses expansion of the barrier layer outside the barrier layer,
The reinforcing layer has at least two layers in which a resin is reinforced with fibers,
Layer located inside one of the at least two layers, than the layer located on the outside, the tensile elongation at break per unit volume is configured such that greatly and tensile modulus becomes smaller,
The high-pressure tank in which the resin and fiber in the inner layer are larger in tensile breaking elongation than the resin and fiber in the outer layer .
前記繊維の組成、前記繊維の巻きつけ時の張力、前記繊維の断面積、及び前記樹脂の組成の少なくとも一つについて、前記補強層における外側の層と内側の層とに差をつけることで、前記単位体積あたりの引張破断伸びが外側より内側の方が大きくなっている、請求項1又は2に記載の高圧タンク。 The reinforcing layer is a layer in which fibers are wound by a filament winding method,
The composition of the fiber, wound upon the tension of the fibers, the cross-sectional area of the fiber, and for at least one composition of the resin, by putting the difference between the outer layer and the inner layer of the reinforcement layer, The high-pressure tank according to claim 1 or 2 , wherein the tensile breaking elongation per unit volume is larger on the inner side than on the outer side.
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