JP6096136B2 - 水素ガス蓄圧器 - Google Patents
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Description
また、例えば、ライナーにアルミニウム合金を用い、ライナーの外周に繊維強化プラスチックを巻回したタイプIII容器(ライナー荷重分担)(非特許文献8参照)は疲労寿命を長く設計できるが、鋼製のライナーより重たくなり、且つ繊維やアルミニウム合金を余分に必要とし、コストが相当高くなるという不利な点である。
特に、図3に示すように、ライナー50の外周に繊維強化プラスチック52を配した従来のTypeII複合容器(以下、TypeII−EN)は、ライナー50の端部構造が絞り構造51を有しているため、図4に示しように、加工時に内面側にしわ51Aが寄り、そのしわ底部からき裂51Bが発生し、進展する危険性がある(非特許文献2参照)。しかも、ライナー内部の検査を容易に行うことができないという問題もある。
一方で、本発明のTypeII−JP容器は、内表面の検査が直接的に行えるので、高圧ガス容器の規格や技術基準で定められている磁粉探傷法(非特許文献10)が適用可能であり、この方法であれば、深さが0.5mm、表面長さが1.6mmのきずをとらえる精度があり、疲労き裂進展解析において、これまでより格段に設計寿命を長く設定できることになる(非特許文献9)。
前記ライナーが、鋼材からなる直胴形状の円筒シリンダ部と前記円筒シリンダ部の両端部に位置し、前記両端部を開閉可能に密閉し、前記円筒シリンダ部の端部内面にねじ込みが行われる取り外しが可能なねじ込みナット蓋とを有し、
前記円筒シリンダ部の外周面に繊維強化プラスチックがフープ巻されており、
前記繊維強化プラスチックのフープ巻きは、ナット蓋が螺合されている少なくとも一部のナット山を覆い、互いに噛み合う前記ナット山の3山目を覆う位置までの範囲で通常巻部の軸方向端部が位置していることを特徴とする。
上記本発明によれば、内表面の検査が直接的に行えるので、高圧ガス容器の規格や技術基準で定められている磁粉探傷法(非特許文献10)が適用可能であり、この方法であれば、深さが0.5mm、表面長さが1.6mm以上のきずをとらえることができる。
本実施形態の水素ガス蓄圧器10は、鋼製の円筒シリンダ部1と円筒シリンダ部1の両端部を開閉可能に密閉する蓋2とを有している。蓋2は、本発明のねじ込みナット蓋に相当する。
円筒シリンダ部1およびねじ込み蓋2の材料は特に限定されるものではないが、円筒シリンダ部1の材質として、マンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、またはその他の低合金鋼(ステンレス鋼を除く。)などを用いることができる。これら引張強さを有することで、高い容器強度をもたらす。蓋2の材質は、上記円筒シリンダ部1と同じ材質としてもよく、また、その他の材質により構成されるものであってもよい。さらに、蓋2の各部材において異なる材質のものを用いることができる。
また、円筒シリンダ部1の内径は、内容積と全長によって変化するため、特定の範囲に限定されるものではないが、例えば、200mm以上が望ましい。その理由は、内面の直接的な検査を行う際に、例えば磁粉探傷法のヨークを挿入する場合は、その程度の開口径が必要となるからである。また、円筒シリンダ部1の肉厚も特に限定されるものではない。円筒シリンダ部1で分担する荷重を考慮して定めることができる。
鏡面加工により、肉厚方向で深さ0.5mm、表面長さで1.6mm以上の傷を有さない表面形状に確実にして、水素脆化による亀裂進展を防止する。なお、このサイズを超える傷が円筒シリンダ部1の内面に残っていると、水素脆化による亀裂が進展しやすくなり、疲労亀裂寿命を低下させる。
蓋2は、外周面に前記雌ねじ部1Cに螺合される雄ねじ部20Aを有するナット部20と、ナット部20の穴20Bに嵌入されて固定される蓋部25とを有している。なお、円筒シリンダ部1におけるねじ込み構造は、両端側で同じ構造になっている。なお、両端側で異なる構造とすることも可能である。
フランジ部25Bは、外周部が穴部1Bと小隙間1B0を有しており、該小隙間1B0は外部リリーフ配管27に連結されている。
また、内側軸部25Cの外周面は、内面1Aと僅かな隙間を有している。内側軸部25の軸方向内側端の外周部では、内側軸部25Cの最外周面よりも径を小さくしてシール受け部25Aが周方向に沿って形成されており、シール受け部25Aにリング状のシール部材28を配して内側軸部25と内面1Aとの間のシールを行っている。
自緊で負荷する内圧条件は、円筒シリンダ部1の内面に圧縮歪を残し、その圧縮歪により、内表面長手方向に最大深さ0.5mm、幅1.6mmの見逃し欠陥が存在していたとしても、最大99MPa水素ガス環境中で繰り返し内圧による疲労き裂が進展しないように決定する。
内圧負荷設定方法については、予め最大99MPa水素ガス環境中で疲労き裂進展速度を測定しておき、内表面長手方向に深さ0.5mm、幅1.6mmのき裂にかかる最大応力拡大係数KImaxと最小応力拡大係数KIminから、疲労き裂進展寿命を求める応力拡大係数幅ΔKI、および応力比Rを次式により求める。詳細については、例えば、非特許文献4の手順により求めることができる。
また、水素の内圧によってナット蓋2および雌ねじ部1Cにかかる軸方向の負荷を補助するために、少なくとも一部のねじ山を覆う位置まで通常巻部を配置するのが望ましく、さらには、少なくとも互いに噛み合う雌ねじ部1Cの前記ナット山の3以上の頂点を覆う位置まで通常巻部の軸方向端部が位置しているのが望ましい。また、通常巻部の軸方向端部を円筒シリンダ部1の軸方向端部にまで伸ばすと、繊維が無駄になるばかりだけでなく、ナット蓋2の開閉がしづらくなるため、通常巻部の外側位置は、噛み合っているネジ部の範囲で、内側(ナット蓋2)の3山目を覆う位置に制限すれば、ネジ疲労強度の確保が可能となる。
また、内部検査も、ナット蓋を取り外すことで容易かつ正確に行うことができ、品質精度が向上する。検査後も、ナット蓋を円筒シリンダに容易に取り付けて使用状態にすることができ、作業負担も小さい。
例えば、燃料電池水素自動車に70MPa程度の水素を供給する水素ステーション(圧縮水素スタンド)用の蓄圧器は、1日に65台、年間20,000回、15年間で400,0000回もの繰り返し内圧を受けることになる。このような耐久性を確保するために、本実施形態の水素ガス蓄圧器は、高強度、軽量を実現し、都市部などに設置する水素ステーションにおいて、絶対的な安全性、高信頼性を提供することができる。
1A 内面
1C 雌ねじ部
2 蓋
10 水素ガス蓄圧器
20 ナット部
25 蓋部
25A シール受け部
28 シール部
Claims (9)
- ライナーが荷重を分担する水素ガス蓄圧器において、
前記ライナーが、鋼材からなる直胴形状の円筒シリンダ部と前記円筒シリンダ部の両端部に位置し、前記両端部を開閉可能に密閉し、前記円筒シリンダ部の端部内面にねじ込みが行われる取り外しが可能なねじ込みナット蓋とを有し、
前記円筒シリンダ部の外周面に繊維強化プラスチックがフープ巻されており、
前記繊維強化プラスチックのフープ巻きは、ナット蓋が螺合されている少なくとも一部のナット山を覆い、互いに噛み合う前記ナット山の3山目を覆う位置までの範囲で通常巻部の軸方向端部が位置していることを特徴とする水素ガス蓄圧器。 - 前記円筒シリンダと前記蓋との隙間をシールするシール部を有することを特徴とする請求項1記載の水素ガス蓄圧器。
- 水素ガス内圧の限界値が0.1〜99MPaであることを特徴とする請求項1または2に記載の水素ガス蓄圧器。
- 前記ライナーの内容積が50リットル以上で、ライナーの全長が5000ミリ以内であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素ガス蓄圧器。
- 前記ライナーの鋼材は、マンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、またはその他の低合金鋼(ステンレス鋼を除く。)であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の水素ガス蓄圧器。
- 前記ねじ込みナット蓋が、前記円筒シリンダの端部内面にねじ込みが行われるナット部の軸方向内側に、前記ナット部で支持される内側軸部を有し、前記内側軸部の軸方向内面に蓄圧水素の受圧面を有し、かつ前記内側軸部の内側外周面に蓄圧水素に対するシールがされていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の水素ガス蓄圧器。
- 前記ナット蓋は、前記円筒シリンダ部内面の健全性確認のため、前記円筒シリンダ部からの取り外しが可能になっていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の水素ガス蓄圧器。
- 前記ライナーは、内面に、肉厚方向で深さ0.5mm、表面長さで1.6mm以上の傷を有さないことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の水素ガス蓄圧器。
- 前記ライナーは、内面側に残留圧縮応力を有し、円筒シリンダ部外周面と繊維強化プラスチック内周面との間に隙間を生じない構造を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の水素ガス蓄圧器。
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