JP5370908B2

JP5370908B2 - タンク

Info

Publication number: JP5370908B2
Application number: JP2008112806A
Authority: JP
Inventors: 忠司川本; 岳原田; 秀介稲木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: JP2009192078A; JP2013057401A; JP5601639B2

Description

本発明は、口金部と、当該口金部に接触したタンク本体の壁層を有するタンクに関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料ガスの供給源として高圧タンクが用いられる。この種のタンクとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。このタンクは、例えばライナー層（内壁層）の外周面を、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）層（外壁層）で補強したタンク本体と、そのタンク本体の長手方向の開口端部に取り付けられた合金からなる口金部を有している。

口金部は、例えばタンク本体の開口端部に嵌入された状態で取り付けられており、当該開口端部を構成するタンク本体の壁層は、口金部の外周面に気密に接触している。

特開２００７−１５５１１６号公報

ところで、上述のようなタンクの使用時には、口金部に過度の応力がかかることがある。このような口金部の過度の応力は、タンクの耐久性を低下させる原因となり得る。このため、口金部にかかる応力を低減することが求められているが、その具体的な方法は、未だ提案されていない。

また、タンクを長期間使用した場合には、タンク本体の壁層が劣化し、それによっても口金部に過度の応力がかかって、タンクの耐久性が低下する。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、口金部にかかる応力を低減して、高い耐久性を有するタンクを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、口金部と、当該口金部に接触したタンク本体の壁層を有するタンクであって、前記口金部とタンク本体の壁層との接触部の摩擦を低減する摩擦低減手段を有し、前記タンク本体は、内壁層と、その内壁層を覆う外壁層とを有し、前記口金部は、外表面に湾曲した凹部を有し、当該凹部に前記タンク本体の外壁層の先端部が入り込み、前記接触部は、前記口金部の凹部と前記タンク本体の外壁層の先端部との接触部であり、前記摩擦低減手段は、前記口金部の凹部の接触部の表面全面に施された固体潤滑コーティングであることを特徴とする。

本発明によれば、口金部とタンク本体の壁層との接触部の摩擦を低減して、口金部にかかる応力を低減できる。この結果、タンクの耐久性及び強度を向上できる。また、口金部の応力を低減すると共に、タンク本体の壁層の接触部の摩耗も抑制できるので、タンク本体の耐久性も向上できる。

前記タンク本体の外壁層は、樹脂繊維層であってもよい。

前記樹脂繊維層は、高結晶性の炭素繊維により構成されていてもよい。

本発明によれば、口金部にかかる応力を低減できるので、タンクの耐久性及び強度を向上できる。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るタンクを搭載した燃料電池自動車１の模式図である。

燃料電池自動車１には、例えば３つの高圧タンク２が車体のリア部に搭載されている。高圧タンク２は、燃料電池システム３の一部を構成し、ガス供給ライン４を通じて各高圧タンク２から燃料電池５に燃料ガスが供給可能になっている。高圧タンク２に貯留される燃料ガスは、可燃性の高圧ガスであり、例えば圧縮天然ガス又は水素ガスである。なお、高圧タンク２は、燃料電池自動車１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）や定置設備（住宅、ビル）にも適用できる。

図２は、高圧タンク２の要部を示す断面図である。高圧タンク２は、例えば略楕円体のタンク本体１０と、当該タンク本体１０の長手方向の一端部に取り付けられた口金部１１を有する。

タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナー２０とその外側の外壁層である樹脂繊維層としてのＦＲＰ層２１を有している。

ライナー２０は、タンク本体１０とほぼ同じ略楕円体形状を有する。ライナー２０は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている。

ライナー２０の口金部１１のある先端側には、内側に屈曲した折返し部３０が形成されている。折返し部３０は、外側のＦＲＰ層２１から離間するようにタンク本体１０の内側に向けて折り返されている。折返し部３０は、例えば折り返しの先端に近づくにつれて次第に径が小さくなる縮径部３０ａと、当該縮径部３０ａの先端に接続され径が一定の円筒部３０ｂとを有している。この円筒部３０ｂによりライナー２０の開口部が形成されている。

口金部１１は、略円筒形状を有し、ライナー２０の開口部に嵌入されている。口金部１１は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造されている。口金部１１は、例えばインサート成形によりライナー２０に取り付けられている。

口金部１１は、例えば先端側（タンク２の軸方向の外側）に鍔部１１ａが形成され、例えばその鍔部１１ａの後方側（タンク２の軸方向の内側）に、タンク２の軸に対して環状の凹み部１１ｂが形成されている。凹み部１１ｂは、軸側に凸に湾曲しＲ形状になっている。この凹み部１１ｂには、同じくＲ形状のＦＲＰ層２１の先端部付近が気密に接触している。

例えばＦＲＰ層２１と接触する凹み部１１ｂの表面には、例えばフッ素系の樹脂などの固体潤滑コーティングＡが施されている。これにより、ＦＲＰ層２１と凹み部１１ｂとの間の摩擦係数が低減されている。

口金部１１の凹み部１１ｂのさらに後方側は、例えばライナー２０の折返し部３０の形状に適合するように形成され、例えば凹み部１１ｂに連続して径の大きい突出部１１ｃが形成され、その突出部１１ｃから後方に一定径の口金円筒部１１ｄが形成されている。上記ライナー２０の折返し部３０の縮径部３０ａは、突出部１１ｃの表面に密着し、円筒部３０ｂは、口金円筒部１１ｄの表面に密着している。円筒部３０ｂと口金円筒部１１ｄとの間には、シール部材４０、４１が介在されている。

口金部１１の内周面には、バルブアッセンブリ５０をねじ込み接続するためのねじ４２が形成されている。バルブアッセンブリ５０は、外部のガス供給ラインと高圧タンク２の内部との間で燃料ガスの給排を制御するものである。バブルアッセンブリ５０の外周面と口金部１１の内周面との間には、シール部材６０、６１が介在されている。

ＦＲＰ層２１は、例えばフィラメントワインディング法により、ライナー２０の外周面と口金部１１の凹み部１１ｂに、樹脂の含浸した補強繊維を巻き付け、当該樹脂を硬化させることにより形成されている。ＦＲＰ層２１の樹脂には、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等が用いられる。また、補強繊維としては、炭素繊維、金属繊維などが用いられる。

かかる構成の高圧タンク２によれば、口金部１１の凹み部１１ｂの表面に、固体潤滑コーティングＡが施され、タンク本体１０のＦＲＰ層２１と凹み部１１ｂとの接触部の摩擦係数が低減されている。このため、例えば高圧タンク２内に高圧のガスが封入され、タンク本体１０に内圧がかかってＦＲＰ層２１が撓んだときに、ＦＲＰ層２１が口金部１１に対し低摩擦で動く。この結果、口金部１１に大きな応力がかからず、口金部１１への負荷が低減される。これによって、高圧タンク２の耐久性及び強度を向上できる。また、ＦＲＰ層２１の摩耗も防止できるので、タンク本体１０の耐久性も向上できる。

図３は、口金部１１とタンク本体１０のＦＲＰ層２１の接触部の摩擦係数μと、口金部１１にかかる応力との関係を示すものである。このデータは、有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いて、口金部１１とＦＲＰ層２１との摩擦係数μを変化させた場合の口金部１１の応力の最大値を算出したものである。このシュミュレーションによれば、摩擦係数μを小さくすることにより、口金部１１の応力が減少することが確認できる。

また、図４は、上記実施の形態のように口金部１１の表面に固体潤滑コーティングＡを施した場合のタンク（本発明のタンク）と、固体潤滑コーティングＡを施さない場合のタンク（従来のタンク）の口金部１１にかかる応力を比較したものである。図４に示すように、本発明の高圧タンク２は、口金部１１にかかる応力を従来のタンクの４０％程度に低減できる。

以上のデータから、口金部１１の凹み部１１ｂの表面に固体潤滑コーティングＡを施すことにより、口金部１１にかかる応力を大幅に低減できることが確認できる。

なお、上記実施の形態では、口金部１１の凹み部１１ｂの全面に固体潤滑コーティングを施していたが、その一部に施してもよい。また、固体潤滑コーティングＡは、凹み部１１ｂと接触する部分のＦＲＰ層２１の表面（表面のみ）に施してもよい。なお、この例では、固体潤滑コーティングＡが施されたＦＲＰ層２１の表面は、ＦＲＰ層２１の他の部分に比べて摩擦係数が小さくなる。

前記実施の形態では、口金部１１とタンク本体１０のＦＲＰ層２１との接触部の摩擦を低減する摩擦低減手段として、固体潤滑コーティングＡを用いていたが、例えば図５に示すように、口金部１１の凹み部１１ｂの表面Ｂの表面粗度を他の部分よりも低く設定してもよい。かかる場合も、口金部１１とＦＲＰ層２１との摩擦が低減するので、口金部１１にかかる応力が低減され、高圧タンク２の耐久性及び強度を向上できる。なお、かかる場合も、凹み部１１ｂの表面Ｂの一部の表面粗度を低くしてもよい。

さらに、上記実施の形態における摩擦低減手段が、口金部１１の接触部に高圧タンク２の長手方向に向かって形成された溝であってもよい。かかる場合、例えば図６に示すように口金部１１の凹み部１１ｂの表面に、軸方向に沿った溝７０が形成される。この溝７０は、例えば図７に示すように口金部１１の外周面の周方向に沿って複数本並べて形成される。かかる場合、口金部１１とＦＲＰ層２１との接触面積が減るので、その間の摩擦が低減される。また、タンク本体１０に内圧がかかった場合に、ＦＲＰ層２１の先端部は、軸方向に動こうとするので、溝７０を軸方向に向けて形成することにより、ＦＲＰ層２１の動きを妨げずに低摩擦でＦＲＰ層２１を動かすことができる。

また、上記実施の形態における摩擦低減手段は、図８に示すように口金部１１とＦＲＰ層２１との間に介在された潤滑油などの潤滑剤Ｃであってもよい。かかる場合も、口金部１１とＦＲＰ層２１との摩擦が低減されるので、口金部１１にかかる応力が低減され、高圧タンク２の耐久性及び強度を向上できる。また、ＦＲＰ層２１の摩耗も防止できるので、タンク本体１０の耐久性も向上できる。

ここで、本発明の別の実施の形態について説明する。本実施の形態における高圧タンク２は、例えば図９に示すように口金部１１の突出部１１ｃの後方側に、高圧タンク２の中心軸に対して環状の凹み部１１ｅが形成されている。凹み部１１ｅは、中心軸側に凸に湾曲した（凹んだ）Ｒ形状になっている。ライナー２０の折返し部３０は、口金部１１側の突出部１１ｃ、凹み部１１ｅの外周面に沿って形成されている。

ＦＲＰ層２１は、口金部１１側の先端が口金部１１の凹み部１１ｂに入り込んで接触している。ＦＲＰ層２１は、全体が樹脂繊維層であって、高結晶性の炭素繊維により構成されている。なお、高圧タンク２の他の部分の構成は、上記実施の形態と同様であり、説明を省略する。

本実施の形態によれば、ＦＲＰ層２１が、強度特性、摺動性等に優れた高結晶性の炭素繊維により構成されているので、高圧タンク２を長期間使用しても、ＦＲＰ層２１の劣化が抑えられ口金部１１とＦＲＰ層２１との間の接触部の摩擦係数の増加を抑制できる。この結果、長時間使用による口金部１１にかかる応力の増加が抑えられ、口金部１１に過度の応力がかからないので、高圧タンク２の耐久性を向上できる。

なお、本実施の形態における高圧タンク２に、上述の実施の形態の摩擦低減手段（固体潤滑コーティングＡ、溝７０及び潤滑剤Ｃ）を設けてもよい。かかる場合、摩擦低減手段により口金部１１にかかる応力を低減できるうえ、長期使用によるその応力の増加も防止できる。したがって、高圧タンク２の耐久性をさらに上げることができる。

また、本実施の形態では、口金部１１に２つの凹み部１１ｂ、１１ｅが形成されている。この口金部１１の形状は、各種摩擦低減手段を備えた上述の実施の形態の口金部１１に適用してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態では、口金部１１とタンク本体１０のＦＲＰ層２１との接触部の摩擦を低減していたが、口金部１１とタンク本体１０のライナー２０との接触部の摩擦を低減してもよい。かかる場合も、ＦＲＰ層２１の場合と同様に口金部１１にかかる応力を低減できるので、高圧タンク２の耐久性及び強度を向上できる。また、以上の実施の形態で記載したタンク本体１０の壁層の構造は、ライナー２０とＦＲＰ層２１の二重構造に限られず、他の構造であってもよい。

タンクを搭載した燃料電池自動車の模式図である。高圧タンクの要部の縦断面図である。口金部とＦＲＰ層の間の摩擦係数と、口金部の応力のとの関係を示すグラフである。本発明のタンクと従来のタンクの口金部の発生応力を比較したグラフである。口金部の凹み部の表面の表面粗度を低くした場合の高圧タンクの要部の拡大図である。口金部の凹み部に溝を形成した場合の高圧タンクの要部の拡大図である。溝を形成した口金部の側面図である。口金部の凹み部とＦＲＰ層との間に潤滑剤を介在した場合の高圧タンクの要部の拡大図である。ＦＲＰ層を高結晶性の炭素繊維で構成した場合の高圧タンクの要部の縦断面図である。

符号の説明

２タンク
１０タンク本体
１１口金部
１１ｂ凹み部
２０ライナー
２１ＦＲＰ層
Ａ固体潤滑コーティング

Claims

口金部と、当該口金部に接触したタンク本体の壁層を有するタンクであって、
前記口金部とタンク本体の壁層との接触部の摩擦を低減する摩擦低減手段を有し、
前記タンク本体は、内壁層と、その内壁層を覆う外壁層とを有し、
前記口金部は、外表面に湾曲した凹部を有し、当該凹部に前記タンク本体の外壁層の先端部が入り込み、
前記接触部は、前記口金部の凹部と前記タンク本体の外壁層の先端部との接触部であり、
前記摩擦低減手段は、前記口金部の凹部の接触部の表面全面に施された固体潤滑コーティングである、タンク。
前記タンク本体の外壁層は、樹脂繊維層であることを特徴とする、請求項１に記載のタンク。
前記樹脂繊維層は、高結晶性の炭素繊維により構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のタンク。