JP5909331B2 - 高圧ガス容器及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、高圧のガスが充填される高圧ガス容器及びその製造方法に関するものである。
従来、この種の高圧ガス容器としては、容器の機械的強度（耐圧性）を高めるため、タンク形状のライナの周面に巻き付けられた強化繊維を樹脂で固めて補強層を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００６−３００１４０号公報 特開２００５−３３７３９１号公報
しかしながら、このような従来の高圧ガス容器にあっては、補強層がライナの周面に強化繊維を巻き付けて形成されるため、ライナの胴部の巻き付きに比べてその端部に設けられるドーム状のライナの胴部の巻き付きが弱くなり、ライナ肩部の機械的強度を確保することが難しいという問題点があった。
また、補強層がライナの周面に強化繊維を何重にも巻き付けて形成されるため、補強層を形成するのに手間がかかり、量産化が難しいという問題点があった。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高圧ガス容器の耐圧性が確保される高圧ガス容器、及び高圧ガス容器の量産化が可能となる高圧ガス容器の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、高圧のガスが充填される高圧ガス容器であって、高圧のガスが充填されるライナと、このライナの外面を包囲する補強スリーブとを備え、ライナは、円筒状のライナ胴部と、このライナ胴部と一体に形成されライナ胴部の端部を塞ぐライナ肩部とを有し、補強スリーブは、ライナ胴部に嵌合されるスリーブ胴部と、このスリーブ胴部から延びてライナ肩部に接するスリーブ肩部とを有し、スリーブ肩部は、中心線に対する傾斜角度がライナ肩部の傾斜角度より大きくなるように形成され、ライナ肩部に押し付けられる構成とする。
また、本発明は、高圧のガスが充填されるライナと、このライナの外面を包囲する補強スリーブと、を備える高圧ガス容器の製造方法であって、補強スリーブをライナの円筒状のライナ胴部に嵌合する嵌合工程と、ライナ胴部と一体に形成されライナ胴部の端部を塞ぐライナ肩部に押し付けられるスリーブ肩部を、中心線に対する傾斜角度がライナ肩部の傾斜角度より大きくなるように補強スリーブの端部を絞る成形加工によって形成する成形工程と、を順に行う構成とする。
本発明によると、補強スリーブがライナのライナ胴部とライナ肩部の外面を包囲することにより、高圧ガス容器に高圧のガスが充填されるときに、ライナがその径方向と軸方向について膨張することを抑えて、ライナ胴部からドーム状に延びるライナ肩部に生じる応力が有効的に低減され、高圧ガス容器の耐圧性が確保される。
また、本発明の製造方法によると、スリーブ肩部は、補強スリーブをライナに嵌合した後に、成形加工によって形成することにより、補強スリーブをライナに組み付ける時間が短くて済み、高圧ガス容器の量産化が可能となる。
本発明の実施形態を示す高圧ガス容器の断面図。 同じく図１の一部を拡大した断面図。 同じく高圧ガス容器の製造工程をそれぞれ示す概略断面図。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示す高圧ガス容器１は、例えば水素ガスを燃料とする車両に搭載され、高圧の水素ガスを貯留するものである。
ハイブリッドタイプの高圧ガス容器１は、高圧の水素ガスが充填される中空状のライナ（メインタンク）２と、このライナ２の内側に設けられる図示しない中空状のサブタンクと、このサブタンクの内側に収容される水素貯蔵物質と、この水素貯蔵物質を冷却、加熱する熱交換器とを備える。
サブタンクの内側に収容される水素貯蔵物質として、例えば粉末状の水素貯蔵合金が用いられる。この水素貯蔵合金には、大気中に比べて数１００倍以上の水素ガスが貯蔵される。
高圧ガス容器１への水素ガス充填時には、加圧水素ガスがライナ２内に供給されるとともに、熱交換器に低温の熱交換媒体（冷却媒体）が供給されてサブタンク内の水素貯蔵物質が冷却されることにより、サブタンクの水素貯蔵物質に水素ガスが貯蔵されることが促される。
一方、高圧ガス容器１から水素ガスが取り出される時には、熱交換器に高温の熱交換媒体が供給されることによりサブタンク内の水素貯蔵物質が加熱され、水素貯蔵物質から水素ガスが放出されることが促される。
高圧ガス容器１は、中空状のライナ２の外面を包囲する補強スリーブ４を備える。ライナ２と補強スリーブ４は、中心線Ｏについて略対称的に形成される。
ライナ２は、円筒状のライナ胴部２１と、このライナ胴部２１の両端をドーム状に塞ぐライナ端部２２とを有する。両端のライナ端部２２は、ライナ胴部２１と一体で形成される。
なお、これに限らず、一端のライナ端部がライナ胴部と一体で形成され、他端のライナ端部（タンク蓋）がライナ胴部と別体で形成される構成としてもよい。また、両端のライナ端部が共にライナ胴部と別体で形成される構成としてもよい。
ライナ端部２２は、円筒状のライナ胴部２１の両端からドーム状に延びて絞られるライナ肩部２３と、それぞれの中央部に開口するライナ開口部２４とを有する。
各ライナ開口部２４の内側には、水素ガスが出入りする通路と、熱交換媒体が出入りする通路とが設けられる。
ライナ２は、例えばアルミニウム合金を材質として形成される。これにより、ライナ２は、その内面が水素ガスに晒されても脆化することが防止され、耐食性が確保さる。
ライナ２の外面を包囲する補強スリーブ４は、ライナ２より引っ張り強度が高く、かつ熱膨張率が小さい金属として、例えば高張力鋼を材質とする。
補強スリーブ４は、円環状の断面形を有し、例えば継ぎ目の無い管として、シームレスドローチューブが用いられる。
補強スリーブ４は、ライナ胴部２１の外周面に嵌合する円筒状のスリーブ胴部４１と、このスリーブ胴部４１の端部から延びてライナ肩部２３に当接するスリーブ肩部４２とを有する。
図２は高圧ガス容器１におけるライナ肩部２３の近傍部位を拡大した断面図である。これに示すように、ライナ肩部２３の外面２３ａは、円錐面状に形成され、その断面が直線上に延びている。ライナ肩部２３の外面２３ａが中心線Ｏに対して傾斜する角度θは、要求されるライナ肩部２３の機械的強度に応じて任意に設定される。
スリーブ肩部４２は、このライナ肩部２３の外面２３ａに沿って、円錐状に形成される。スリーブ肩部４２の内面４２ａは、ライナ肩部２３の外面２３ａに対して円錐面状に接する。
高圧ガス容器１は、補強スリーブ４をライナ２に嵌合する嵌合工程と、補強スリーブ４の端部を絞る成形加工によってスリーブ肩部４２を形成する成形工程とを順に行うことによって製造される。
図３の（ａ）（ｂ）は、高圧ガス容器１の製造工程をそれぞれ示す概略断面図である。以下、この製造工程を説明する。
〔嵌合工程〕図３の（ａ）に示すように、直円筒状の補強スリーブ４をライナ２に例えば圧入によって嵌合する。これにより、スリーブ胴部４１の内面４１ａは、ライナ胴部２１の外面２１ａに隙間無く接する。
〔成形工程〕図３の（ｂ）に示すように、ライナ２に嵌合した直円筒状の補強スリーブ４の両端部を絞る成形加工を行い、円錐状のスリーブ肩部４２が形成される。この成形加工は、複数のプレス型５を補強スリーブ４の両端部に補強スリーブ４の半径方向から押し付ける冷間塑性加工（プレス加工）によって行われる。なお、成形加工は、これに限らず、プレス型を補強スリーブ４の両端部に補強スリーブ４の軸方向から押し付ける冷間塑性加工（プレス加工）によって行われる構成としてもよい。
また、成形工程にて、スリーブ肩部４２の内面４２ａの中心線Ｏに対する傾斜する角度を、ライナ肩部２３の外面２３ａの中心線Ｏに対する傾斜する角度θより大きくなるように形成することが好ましい。これにより、スリーブ肩部４２の先端部がライナ肩部２３に接する面圧が十分に確保される。
円錐状に成形されるスリーブ肩部４２は、その成形後に生じる弾性復元力によってライナ肩部２３に押し付けられ、ライナ肩部２３の広い範囲に渡って隙間無く当接する。
スリーブ肩部４２は、成形工程にてプレス型５とライナ肩部２３の間で圧縮される冷間塑性加工が施されることによって、加工硬化が生じ、十分な強度が確保される構成とする。
なお、補強スリーブ４とライナ２の密着性をさらに高めるために、成形工程後に、ライナ２の内部に圧力を加えて、ライナ２を塑性させ（膨張させ）てもよい。
なお、高圧ガス容器１の製造工程は、これに限らず、補強スリーブ４の一端にスリーブ肩部４２を予め成形し、補強スリーブ４をライナ２に嵌合してスリーブ肩部４２をライナ肩部２３に当接させる嵌合工程を行った後に、補強スリーブ４の他端にスリーブ肩部４２を成形する成形工程を行う構成としてもよい。
また、スリーブ肩部４２の内面４２ａとライナ肩部２３の外面２３ａとは略全域で接しているが、これに限らず、スリーブ肩部４２の先端部がライナ肩部２３に接し、スリーブ肩部４２の基端部とライナ肩部２３の間に環状の間隙が空くように形成してもよい。
高圧ガス容器１への水素ガス充填時には、ライナ２の内部圧力が高まってライナ２が膨張するが、ライナ２を囲む補強スリーブ４によってライナ２の膨張が抑えられ、ライナ２に生じる引っ張り応力が低減される。
これについて詳述すると、ライナ２は、ライナ胴部２１の外周面に嵌合する補強スリーブ４のスリーブ胴部４１に囲まれることによって中心線Ｏに直交する径方向について膨張することが抑えられ、ライナ胴部２１に生じる径方向の内部応力が低減される。
そして、ライナ２は、ライナ肩部２３の外面２３ａに補強スリーブ４のスリーブ肩部４２が当接することによって中心線Ｏに沿う軸方向について膨張することが抑えられ、ライナ肩部２３及びライナ胴部２１に生じる軸方向の内部応力が低減される。
ライナ肩部２３は、その外面２３ａがスリーブ肩部４２の内面４２ａに対して円錐面状に接するため、これに沿って塑性加工されるスリーブ肩部４２が弾性復元力によってライナ肩部２３の外面２３ａに押し付けられ、ドーム状のライナ肩部２３と円筒状のライナ胴部２１の接続部（境界部）に生じる応力が有効的に低減される。
以下、本実施形態の要旨と作用、効果を説明する。
本実施形態では、高圧のガスが充填される高圧ガス容器１であって、高圧のガスが充填されるライナ２と、このライナ２の外面を包囲する補強スリーブ４とを備え、ライナ２は、円筒状のライナ胴部２１と、このライナ胴部２１の端部を塞ぐライナ肩部２３とを有し、補強スリーブ４は、ライナ胴部２１に嵌合されるスリーブ胴部４１と、このスリーブ胴部４１から延びてライナ肩部２３に接するスリーブ肩部４２とを有する構成とする。
上記構成に基づき、補強スリーブ４がライナ２のライナ胴部２１とライナ肩部２３の外面を包囲することにより、高圧ガス容器１に高圧のガスが充填されるときに、ライナ２がその径方向と軸方向について膨張することを抑えて、ライナ胴部２１からドーム状に延びるライナ肩部２３に生じる応力が有効的に低減され、高圧ガス容器１の耐圧性が確保される。
本実施形態では、補強スリーブ４はライナ２より引っ張り強度が高い金属を材質として形成される構成とした。
上記構成に基づき、高圧ガス容器１に高圧のガスが充填されるときに、引っ張り強度が高い補強スリーブ４がライナ２の膨張を抑えて、高圧ガス容器１の耐圧性を高められる。
本実施形態では、補強スリーブ４はライナ２より熱膨張率が小さい金属を材質として形成される構成とした。
上記構成に基づき、高圧ガス容器１に高圧のガスが充填されるときに、ライナ２と補強スリーブ４の温度が上昇するのに伴って、ライナ２が膨張しても熱膨張率の小さい補強スリーブ４がライナ２を圧縮することによって、高圧ガス容器１の耐圧性を高められる。
本実施形態では、ライナ肩部２３は、円錐面状の外面２３ａを有し、スリーブ肩部４２は、ライナ肩部２３の外面２３ａに接する円錐面状の内面４２ａを有する構成とした。
上記構成に基づき、スリーブ肩部４２がライナ肩部２３の外面２３ａに押し付けられ、ドーム状のライナ肩部２３に生じる応力が有効的に低減される。
本実施形態では、高圧のガスが充填されるライナ２と、このライナ２の外面を包囲する補強スリーブ４と、を備える高圧ガス容器１の製造方法であって、補強スリーブ４をライナ２の円筒状のライナ胴部２１に嵌合する嵌合工程と、補強スリーブ４の端部を絞る成形加工によってライナ胴部２１の端部を塞ぐライナ肩部２３に接するスリーブ肩部４２を形成する成形工程とを順に行う構成とする。
上記構成に基づき、スリーブ肩部４２は、補強スリーブ４の端部を絞る成形加工が施されることによって、加工硬化が生じ、十分な強度が確保される。
補強スリーブ４をライナ２に嵌合した後に、成形加工によってスリーブ肩部４２を形成することにより、補強スリーブ４をライナ２に組み付ける時間が短くて済み、高圧ガス容器１の量産化が可能となり、製品のコストダウンがはかれる。
本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
なお、本発明は、水素貯蔵合金を用いて水素を貯蔵するものに限らず、他のガスが充填されるタンク、ボンベ等にも適用できる。
１ 高圧ガス容器
２ ライナ
４ 補強スリーブ
２１ ライナ胴部
２１ａ ライナ胴部外面
２２ ライナ端部
２３ ライナ肩部
２３ａ 外面
２４ ライナ開口部
４１ スリーブ胴部
４２ スリーブ肩部
４２ａ スリーブ肩部内面

Claims (5)

  1. 高圧のガスが充填される高圧ガス容器であって、
    高圧のガスが充填されるライナと、
    前記ライナの外面を包囲する補強スリーブとを備え、
    前記ライナは、
    円筒状のライナ胴部と、
    前記ライナ胴部と一体に形成され前記ライナ胴部の端部を塞ぐライナ肩部と、を有し、
    前記補強スリーブは、
    前記ライナ胴部に嵌合されるスリーブ胴部と、
    前記スリーブ胴部から延びて前記ライナ肩部に接するスリーブ肩部と、を有し、
    前記スリーブ肩部は、中心線に対する傾斜角度が前記ライナ肩部の傾斜角度より大きくなるように形成され、前記ライナ肩部に押し付けられることを特徴とする高圧ガス容器。
  2. 前記補強スリーブは前記ライナより引っ張り強度が高い金属を材質として形成されることを特徴とする請求項１に記載の高圧ガス容器。
  3. 前記補強スリーブは前記ライナより熱膨張率が小さい金属を材質として形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の高圧ガス容器。
  4. 前記ライナ肩部は、円錐面状の外面を有し、
    前記スリーブ肩部は、前記ライナ肩部の外面に接する円錐面状の内面を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の高圧ガス容器。
  5. 高圧のガスが充填されるライナと、前記ライナの外面を包囲する補強スリーブと、を備える高圧ガス容器の製造方法であって、
    前記補強スリーブを前記ライナの円筒状の前記ライナ胴部に嵌合する嵌合工程と、
    前記ライナ胴部と一体に形成され前記ライナ胴部の端部を塞ぐライナ肩部に押し付けられるスリーブ肩部を、中心線に対する傾斜角度が前記ライナ肩部の傾斜角度より大きくなるように前記補強スリーブの端部を絞る成形加工によって形成する成形工程と、を順に行うことを特徴とする高圧ガス容器の製造方法。
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