JP5904081B2 - 圧力容器およびその生産方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力容器に関する。

水素などを貯蔵する圧力容器は、例えば、ライナと補強層と保護層とを備える。ライナの内部が、貯蔵室となる。補強層は、ライナの外表面に形成された繊維強化プラスチックからなる。保護層は、補強層の外表面に形成され、ガラス繊維とガラス繊維との間に熱発泡樹脂層を介在させてなる（例えば特許文献１）。

特開２０１２−２２５７号公報

上記先行技術が有する課題は、圧力容器の質量および体積が、保護層の存在によって増大することである。その他、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）鏡板部と胴板部とを含む容器本体と；発泡すると断熱層になる未発泡の熱発泡材を含み、前記鏡板部の外表面の一部に覆い被さる保護部材と；を備える圧力容器。この形態によれば、容器本体の最も薄い部位が鏡板部に存在する場合に、熱発泡材の発泡によって、その部位を高温から保護できる。しかも、保護部材が胴板部には覆い被さらないことによって、覆い被さる領域が広くなることによる悪影響が大きくなることを避けている。その悪影響とは、例えば、圧力容器の外径が大きくなること、圧力容器の質量が増えること、圧力容器の放熱特性が悪化することの少なくとも１つが挙げられる。

（２）上記形態において、前記保護部材は、前記熱発泡材を含む層と、緩衝材を含む層とを含む。この形態によれば、衝撃から保護する機能を保護部材に持たせつつ、保護部材を安価に生産できる。衝撃からの保護機能を持たせるには、保護部材がある程度の体積を有することが好ましい。その体積全体に熱発泡材を含ませると、保護部材が高価になりがちである。そこで、熱発泡材を含む層と、緩衝材を含む層とを含むように保護部材を成形すれば、保護部材がある程度の体積を有しつつ、熱発泡材の使用量を低減できる。この結果、上記の効果を得ることができる。

（３）上記形態において、前記緩衝材を含む層は、前記熱発泡材を含む層よりも内側に配置される。この形態によれば、緩衝材を含む層が高温に弱いとしても、熱発泡材を含む層によって高温から保護できる。

（４）上記形態において、前記保護部材によって保護される鏡板部は、高温時に作動する安全栓が設置されていない方の鏡板部である。この形態によれば、安全栓の正常な作動が妨げられる可能性が低くなる。安全栓の付近に保護部材が配置されると、熱発泡材の発泡によって圧力開放が妨げられる可能性があるからである。

（５）上記形態において、前記保護部材の外径は、前記容器本体の外径以下である。この形態によれば、圧力容器の外径が大きくなることを防止できる。

（６）上記形態において、前記保護部材が覆い被さる部位は、前記鏡板部において、最も肉厚が薄い部位を含む。この形態によれば、最も肉厚が薄い部位、つまり最も高温に弱い部位を保護できる。

（７）鏡板部と胴板部とを含む容器本体を生産する工程と；発泡すると断熱層になる未発泡の熱発泡材を含む保護部材を、前記鏡板部の外表面の少なくとも一部に覆い被せて固定する工程とを含む圧力容器の生産方法。

本発明は、上記以外の種々の形態でも実現できる。例えば、上記保護部材、またはこの保護部材の生産方法として、次のように実現できる。

（Ａ）鏡板部と胴板部とを含む容器本体の外表面の少なくとも一部に覆い被さることによって、前記容器本体を保護する保護部材であって；発泡すると断熱層になる未発泡の熱発泡材を含み、前記鏡板部の外表面の少なくとも一部に覆い被さる保護部材。
（Ｂ）上記形態の保護部材は、前記熱発泡材を含む層と、緩衝材を含む層とを含む。
（Ｃ）上記形態の保護部材において、前記緩衝材を含む層は、前記熱発泡材を含む層よりも内側に配置される。
（Ｄ）上記形態の保護部材が保護する鏡板部は、高温時に作動する安全栓が設置されていない方の鏡板部である。
（Ｅ）上記形態の保護部材の外径は、前記容器本体の外径以下である。

（Ｆ）容器本体の少なくとも一部の外表面に覆い被さることによって前記容器本体を保護する保護部材を生産する方法であって；前記保護部材を構成する第１層を、型成形によって形成する第１工程と；前記保護部材を構成すると共に前記第１層に積層する第２層を、型成形によって形成する第２工程とを備え；前記第１層と前記第２層との少なくとも一方は、熱発泡材を含む生産方法。この形態によれば、２層構造の保護部材を簡単に生産できる。

（Ｇ）上記形態の生産方法であって、前記熱発泡材は、前記第１及び第２層のうち、圧力容器を保護する際に外側に配置される方のみに含まれる生産方法。この形態によれば、熱発泡材の材料費の低減できる。外側に配置される方に熱発泡材が含まれるのが好ましいのは、先述した通りである。

（Ｈ）上記形態の生産方法であって、前記第２層に前記熱発泡材が含まれる生産方法。この形態によれば、第１層と第２層とを簡易に結合させることができる。この効果は、（Ｆ）（Ｇ）（Ｈ）に記載のように、熱発泡材を含まず、内側に配置される第１層を先に形成し、その後に、熱発泡材を含み、外側に配置される第２層を形成することによってもたらされる。

第１層及び第２層は、互いに結合していることが好ましい。結合の種類としては、例えば機械的な結合が挙げられる。機械的な結合の手法としては、例えば「蟻継ぎ」が挙げられる。蟻継ぎとは、継手の一種であり、蟻の頭のように根本がくびれた断面形状の「ほぞ」を用いる手法である。ほぞとは、別部材に設けられた「ほぞ穴」にはめ込まれることによって、２つの部材を結合させるための突起である。上記のようにほぞの根本がくびれていると、結合した２つの部材を引き剥がすような力が作用しても簡単には分離しない。なお、蟻継ぎは通常、木材を対象にする手法だが、本願においては木材に限らない。

（Ｆ）に記されたように型成形を用いる場合に、ほぞを有する層を第１工程によって成形し、その後、既に成形された層を型の一部として利用してほぞ穴を有する層を成形すれば、ほぞ穴から型を抜く工程が無くなる。この結果、比較的容易に保護部材を生産できる。

ほぞを有するのは、第１層（内層）でも第２層（外層）でも構わない。一方で、第２層は、第１層を高温から保護するために、第１層を包み込むように形成されるのが好ましい。第１層が第２層に包み込まれるのであれば、第１層全体がほぞとして機能するような形状にすることができる。このような形状であれば、第１層の形状も第２層の形状も単純になることによって、型成形が容易になる。このようにして、上記の通り、簡易な手法によって２つの層を結合させることができる。この結合は、第２層が発泡した際にも、その効果が発揮される。

（Ｉ）上記形態の生産方法であって、前記第１及び第２層はポリウレタンを含む生産方法。この形態によれば、２つの層の結合を簡易に強くできる。同種の高分子化合物の重合によって２つの層を成形すれば、第１層と第２層とが化学的に結合するからである。
（Ｊ）上記形態の生産方法であって、前記熱発泡材は膨張黒鉛である生産方法。

高圧水素タンクの断面図および下面図。 第２保護部材の生産工程を示す図。

図１は、高圧水素タンク１００を示す。図１（Ａ）は正面図の断面図、図１（Ｂ）は下面図である。高圧水素タンク１００は、自動車用の燃料電池に水素を供給するためのものであり、自動車に搭載される。高圧水素タンク１００は、樹脂ライナ１０と、補強層２０と、バルブ側口金３０と、エンド側口金４０と、バルブ５０と、第１保護部材６１と、第２保護部材６２とを備える。

樹脂ライナ１０は、水素を充填するための空間を形成するためのものであり、樹脂成形によって生産される。補強層２０は、樹脂ライナ１０を補強するために、樹脂ライナ１０の外周を覆う。補強層２０の材料は、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）である。補強層２０は、ＦＷ（Filament Winding）法によって形成される。樹脂ライナ１０と補強層２０とが、タンク本体を構成する。

図１に示されるように、タンク本体は、胴板部８０と、第１鏡板部９１と、第２鏡板部９２とによって構成される。胴板部８０は、樹脂ライナ１０と補強層２０との一部であって、断面形状が直線である部位である。この直線の方向は、図１に示された軸線Ｏの方向と一致する。第１鏡板部９１及び第２鏡板部９２は、樹脂ライナ１０と補強層２０との一部であって、胴板部８０でない部位である。つまり、断面形状が、タンクの長軸方向に沿った直線ではない部位であり、具体的には曲線の部位である。

バルブ側口金３０は、ほぼ円筒形状であると共に、外周面から突出する鍔部を備える。バルブ側口金３０は、第１鏡板部９１において樹脂ライナ１０と補強層２０との間に上記の鍔部が挟み込まれて固定される。バルブ側口金３０の内周面は、水素の出入り口として機能する。バルブ５０は、バルブ側口金３０による水素の出入り口を開閉するために機能する。バルブ５０は、溶栓弁（図示無し）を備える。溶栓弁は、安全弁の一種であり，高圧水素タンク１００が所定温度以上になった場合に、貯蔵されたガスの圧力を外部に開放する機能を有する。バルブ側口金３０の内周面には雌ねじが、バルブ５０の外周面には雄ねじが形成されている。このねじを締めることによって、樹脂ライナ１０内部が密封される。

エンド側口金４０は、タンクの内部と外部との両方に露出するように、第２鏡板部９２に配置される。この配置は、タンク内部の熱を、外部に放熱するためのものである。放熱の効率を上げるために、エンド側口金４０の材料には、アルミニウム等の金属が採用される。

第１保護部材６１は、第１鏡板部９１の薄肉部およびその周辺（以下、２つをまとめて「薄肉部等」とも言う）に覆い被さることによって、薄肉部を衝撃から保護する。第１鏡板部９１の薄肉部とは、第１鏡板部９１における補強層２０の肉厚が最も薄い部位のことであり、第１鏡板部９１における中間部である。中間部とは、バルブ側口金３０からも、胴板部８０からも離れた部位のことである。このような薄肉部が出現するのは、ＦＷ法を用いて補強層２０が形成されるからである。薄肉部は、他の部位に比べると、衝撃と高温とに対して弱い。

第１保護部材６１の形状は、薄肉部に覆い被さるために、円錐面から頂点付近を取り除いたような形状（以下、この形状を「フラットマーカコーン形状」と言う）をしている。つまり、第１保護部材６１の材料には、耐衝撃性を向上させるために、発泡ポリウレタンが採用される。第１保護部材６１は、型成形によって形成された後、接着剤によって補強層２０の外表面に固定される。

第２保護部材６２は、第２鏡板部９２の薄肉部等に覆い被さることによって、薄肉部を衝撃と高温とから保護する。第２保護部材６２の外形は、第１保護部材６１の外形とほぼ同じである。第２保護部材６２は、接着剤によって補強層２０に固定される。第２保護部材６２は、第１保護部材６１と異なり、２層の内部構造を有する。この内部構造は、衝撃と高温との両方からの保護機能を発揮するためのものである。第２保護部材６２は、型成形によって生産される。この２層構造について、図２を用いて説明する。

図２は、第２保護部材６２の生産工程を説明するために、型と第２保護部材６２との端面の左半分を示す。この端面は左右対称なので、右半分の端面の図示は省略する。実際の型と第２保護部材６２との形状は、軸線Ｏを中心に図２に示された形状を回転させて得られる形状である。

上記の第２保護部材６２の２層構造は、内層７１と外層７２とによって構成される。図２（Ａ）は、内層７１を型成形によって生産する第１工程を示す。図２（Ａ）に示されるように、第１工程には、第１上型２１１と、第２上型２１２と、第１下型３１１とが用いられる。内層７１の材料は、第１保護部材６１の材料と同じ発泡ポリウレタンである。上記の型を用いて２液混合による発泡をさせることによって、内層７１が成形される。

図２（Ｂ）は、外層７２を型成形する第２工程を示す。図２（Ｂ）に示されるように、第２工程には、第１上型２１１と、第３上型２２３と、第４上型２２４と、第２下型３２２とが用いられる。第２工程に用いられる型の準備は、第１工程の後、第１上型２１１以外を入れ替えることによって行う。外層７２の材料は、膨張黒鉛と発泡ポリウレタンとの混合物である。上記の型を用い、発泡ポリウレタンの原料となる液体に膨張黒鉛を混ぜたものを混合発泡させることによって、外層７２が成形される。内層７１及び外層７２は、両方ともポリウレタンを含むので、互いに化学的な結合をする。図２に示した型の形状は、上下に型割りできるようにした例示であり、これに限られない。

第２保護部材６２は、先述したように、衝撃と高温とから第２鏡板部９２の薄肉部を保護する。衝撃からの保護機能は、内層７１及び外層７２によって発揮される。高温からの保護機能は、外層７２によって発揮される。外層７２は、膨張黒鉛を含むので、高温に暴露されると、熱発泡性によって急激に膨張する。この結果、高温の元となる火炎等を薄肉部から遠ざけると共に、断熱作用を発揮する。この機能によって、薄肉部が高温になり難くなり、この結果、高圧水素タンク１００の耐熱性能が向上する。

第２保護部材６２は、薄肉部等を保護するので、高圧水素タンク１００の体格（質量および体積）をわずかに増大させるのみである。しかも、第２保護部材６２は、図１に示されるように外径が胴板部８０の外径よりも小さいので、高圧水素タンク１００の外径を大きくしない。

さらに、第２保護部材６２は、高圧水素タンク１００の充填速度をあまり遅くさせない。水素は、充填時において、圧縮されるので高温になる。水素があまり高温になるのは好ましくないので、一定以上の温度にならないように充填するのが好ましい。よって、高圧水素タンク１００内部から外部への放熱が遅いと、充填速度を遅くしなければならなくなる。第２保護部材６２は、覆い被さるのが薄肉部等のみなので、胴板部８０全体に保護部材が覆い被さるような手法に比べ、放熱特性を悪化させない。この結果、充填速度があまり遅くならない。

このように、第２保護部材６２は、耐熱性能を向上させる効果を奏しつつも、高圧水素タンク１００の体格をほとんど大きくせず、しかも、充填速度をあまり遅くすることもない。このような特徴は、第１鏡板部９１及び第２鏡板部９２の中央付近が薄肉部になるというＦＷ法の特性に着目し、その薄肉部を別部材としての第１保護部材６１と第２保護部材６２とによって保護することによって実現される。

第１保護部材６１は、先述したように、第１鏡板部９１に固定される。第１鏡板部９１は、溶栓弁を有するバルブ５０が配置される。第１保護部材６１は、膨張黒鉛を含まないので、高温に暴露されてもほとんど膨張しない。この結果、第１保護部材６１は、溶栓弁が作動すべき状況において、膨張によってその作動を妨げることがない。

第２保護部材６２が有する２層構造は、層同士の結合力が強い。このため、外層７２が脱落し、第２保護部材６２が高温からの保護機能を喪失することが起こりにくい。この効果は、特に外層７２の膨張時において大きな意義を持つ。この結合力は、化学的結合力と機械的結合力とを含む。化学的結合力は、内層７１と外層７２とがポリウレタンを含むことによって生じる。

機械的結合力は、図２（Ｂ）に示されるように、内層７１全体が蟻継ぎのほぞとして機能し、外層７２の窪みがほぞ穴として機能することによって生じる。この機能は、図２に示されるように、内層７１と外層７２の窪みとの形状によってもたらされる。ここで言う内層７１の形状とは、第２保護部材６２の外表面として露出した部位よりも、第２保護部材６２の内部としての部位の方が広がった形状のことである。上記の窪みの形状とは、内層７１がぴたりとはまる形状のことである。内層７１がぴたりとはまる形状の窪みは、内層７１を型の一部として外層７２を成形することによって必然的にもたらされる。

図２（Ｂ）から理解できるように、ｘｙ平面に平行な向きの力を内層７１と外層７２とに加えても、内層７１及び外層７２は容易には分離しない。ｚ方向の力を加えても、内層７１及び外層７２は先述したようにフラットマーカコーン形状をしているので、内層７１及び外層７２を分離させるようには作用しない。

このような機械的結合を実現する方法は、先述したように内層７１を型成形し、その後に、内層７１を型の一部として利用して外層７２を型成形するだけであるので、簡単である。

しかも、外層７２は、窪みがほぞ穴として機能しつつ、その窪みによって内層７１の大部分を包み込んでいるので、内層７１を高温から効果的に保護できる。ここで言う内層７１の大部分とは、補強層２０に接触していない部分のことである。ポリウレタンは難燃処理を施していなければ燃えやすいので、内層７１を高温から保護できるのは効果的である。

第１保護部材６１及び第２保護部材６２は、接着剤によって固定されているので容易に交換でき、メンテナンス性に優れる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、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できる。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、削除することできる。

貯蔵される流体は、水素以外でも良い。第２保護部材の内層に膨張黒鉛を含ませても良いし、外層に膨張黒鉛を含ませなくても良い。第２保護部材を１層構造とし、その層に膨張黒鉛を含ませても良い。

１０…樹脂ライナ
２０…補強層
３０…バルブ側口金
４０…エンド側口金
５０…バルブ
６１…第１保護部材
６２…第２保護部材
７１…内層
７２…外層
８０…胴板部
９１…第１鏡板部
９２…第２鏡板部
１００…高圧水素タンク
２１１…第１上型
２１２…第２上型
２２３…第３上型
２２４…第４上型
３１１…第１下型
３２２…第２下型

Claims (5)

1. 筒状の胴板部と、前記胴板部の両端に接続される鏡板部とを含む容器本体と、
   発泡すると断熱層になる未発泡の熱発泡材を含む層と、緩衝材を含み、前記熱発泡材を含む層よりも内側に配置された層と、を備える保護部材と
   を備え、
   前記保護部材は、前記鏡板部の外表面のみに接触して固定されている
   圧力容器。
2. 前記鏡板部は、第１鏡板部と第２鏡板部とを含み、
   高温時に作動する安全栓が前記第１鏡板部に設置されており、
   前記保護部材は、前記第２鏡板部に固定される
   請求項１に記載の圧力容器。
3. 前記保護部材の外径は、前記胴板部の外径以下である
   請求項１又は請求項２に記載の圧力容器。
4. 前記保護部材が覆い被さる部位は、前記鏡板部において最も肉厚が薄い部位を含む
   請求項１から請求項３の何れか１つに記載の圧力容器。
5. 筒状の胴板部と、前記胴板部の両端に接続される鏡板部とを含む容器本体を生産する工程と、
   発泡すると断熱層になる未発泡の熱発泡材を含む層と、緩衝材を含む層とを備える保護部材を、前記鏡板部の外表面のみに覆い被せて固定する工程と
   を含み、
   前記固定する工程において、前記緩衝材を含む層を、前記熱発泡材を含む層よりも内側に配置する
   圧力容器の生産方法。

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