JP6096136B2 - 水素ガス蓄圧器 - Google Patents

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Description

この発明は、ライナーとライナー外周に配した繊維強化プラスチックとによって蓄圧した水素ガスによる荷重を分担する水素ガス蓄圧器に関するものである。
従来、水素ガス蓄圧器などの容器では、様々な構造のものが提案されている。例えば、特許文献1では、内部構造を多層にして封入する気体の増量を図った容器が提案されている。しかし、この構造では、ライナーと繊維強化プラスチックの組み合わせを活用することが難しく、品質のばらつき、圧力容器の強度確保が難しい。
また、特許文献2では、圧力容器の開口部を雄ねじと雌ねじとで螺合締結してシールするシール構造が開示されている。しかし、この構造では、ネジの一部が水素と接してしまう構造であり、ネジ部の応力集中部で疲労亀裂を発生しやすい。また水素ガスの影響で水素ガス脆性を生じやすい構造である。
さらに特許文献3では、ライナーの外周に巻き回す繊維強化プラスチックの配置構成を提案している。しかし、この繊維強化プラスチックの配置構成によっては、ライナーと繊維強化プラスチック層との間に生じる隙間を回避する方策は示されておらず、ライナーが荷重を分担するタイプの圧力容器では、隙間の影響で圧力容器本来の強度が確保できないという問題を解決することができない。
特許文献4では、繊維強化プラスチックからなる筒状部と、筒状部の軸方向端部に蓋部を備える圧力容器が開示されている。しかし、この構造は蓋部構成が複雑かつ大型化しており、重量、コストともに増大してしまう。また、ライナーの本体が繊維強化プラスチックによって構成されているため、例えば99MPaというような水素蓄圧のための高圧力に耐えることができない。また、高圧力に耐えられるものとすれば相当な繊維量が必要になり、コスト、重量ともに著しく増大し、水素ステーション等の経済性と効率が優先される用途には向かない。
また、ASME(American Society of Mechanical Engineers:アメリカ機械学会;非特許文献1参照)では、水素ガス蓄圧器に関する規格がなされている(非特許文献3参照)。例えば、ライナーに鋼材(Cr−Mo鋼)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II容器(ライナー荷重分担)では、最も強度が高く、高圧水素貯蔵用蓄圧器としても軽量化および低コスト化が期待されている。
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。
実用新案登録第第3187752号公報 特開2007−303648号公報 特開2011−144840号公報 特開2013−210775号公報
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ところで、ライナーに用いる鋼材は水素ガス環境下で一旦き裂が発生すると、水素ガス脆性により大気中より相当加速し(非特許文献6参照)、き裂の存在を製作時に見逃しあるいは放置すると、使用中に破裂事故を起こすなどのおそれがある。
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。
またこれまでのTypeII−ENのような、両端に口絞りを有する構造では、内面の検査が直接的に行えず、外部からの超音波探傷法などの方法によってしかできなかった。高圧ガス容器の規格や技術基準で定められている超音波探傷法(非特許文献10)で内部のきずを検出しようとした場合、この検査方法の精度では、表面長さが3.2m、深さ1.1mm(ライナーの肉厚が51mm以下の場合、ライナーの厚さが51mm以上の場合は表面長さが4.8mm、深さが1.6mm)のきずが初期に存在すると想定して疲労き裂進展解析を行わなければ、段落0009で述べたように、水素ガス中での安全性が確保できない(非特許文献9)。
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)。
また、上記蓄圧器では、外周面に端部にR部50Aを有していたために、円筒胴部を超えて巻きつけた場合は、繊維がR部50Aで滑ってしまう。一方、R部50Aより手前で巻きつけを終了してしまうと、巻きつけていない円筒胴部に局所的に応力が集中してしまい、水素による圧力がライナーに不均一にかかって容器が破壊する原因になってしまう問題がある。
また、上記水素蓄圧器では、製造時に繊維強化プラスチックと鋼材ライナーとを加熱して、プラスチックを硬化させているが、プラスチックと鋼材ライナーとの熱膨張係数差から両者の間に隙間が生じてしまい、本来、隙間がない前提での設計されている圧力容器の強度が確保できていないという問題がある。
口絞りを有する構造では、鏡部(Rの部分)には円筒胴部に比較すると、自緊圧による荷重が加わりにくいため、き裂の進展を抑制する圧縮歪の導入と、隙間の制御の両立が困難である。
本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、高圧力の水素に対し、水素脆化などの発生を防止して優れた耐久性を確保することができる水素ガス蓄圧器を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の水素ガス蓄圧器は、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。
第2の本発明の水素ガス蓄圧器は、前記第1の本発明において、前記円筒シリンダと前記ねじ込みナット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。
第3の本発明の水素ガス蓄圧器は、前記第1または第2の本発明において、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。
第4の本発明の水素ガス蓄圧器は、前記第1〜第3の本発明のいずれかにおいて、前記ライナーの内容積が50リットル以上で、蓄圧器の全長が5000ミリ以内であることを特徴とする。
第5の本発明の水素ガス蓄圧器は、前記第1〜第4の本発明のいずれかにおいて、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。
第6の本発明の水素ガス蓄圧器は、前記第1〜第5の本発明のいずれかにおいて、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。
第7の本発明の水素ガス蓄圧器は、前記第1〜第6の本発明のいずれかにおいて、前記蓋は、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。
第8の本発明の水素ガス蓄圧器は、前記第1〜第7の本発明のいずれかにおいて、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。
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。
第9の本発明の水素ガス蓄圧器は、前記第1〜第8の本発明のいずれかにおいて、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。
本発明は、水素ガス蓄圧器の高強度化、軽量化を実現可能にし、高圧の水素を優れた耐久性により蓄圧することができ、さらに内部の健全性確認を容易にして信頼性を一層高めることができるという効果がある。
本発明の一実施形態の水素ガス蓄圧器を示す断面図である。 同じく、拡大した一部断面図である。 従来の水素ガス蓄圧器の概要を示す一部断面図である。 同じく、絞り部の断面形状を模した図である。
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
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。
円筒シリンダ部1は、鋼によって筒状に形成されている。その製造方法は特に限定されるものではないが、欠陥の少ない加工方法が望ましく、例えば、鍛造や押し出しなどによって一体に成形される。円筒シリンダ部1の大きさは特に限定されるものではないが、50リットル以上の内容積を有するものが望ましく、ライナーの全長が5000ミリ以内であるのが望ましい。50リットル以上の内容積を有することで、十分な量の水素を蓄圧することができる。また、ライナーの全長は、都市部などの狭小地への設置などの理由で長すぎないのが望ましく、この理由により全長を5000ミリ以内とするのが望ましい(非特許文献5)。
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。
円筒シリンダ部1は、内面1Aを鏡面加工して傷のない状態とするのが望ましい。円筒シリンダ部1の穴は、内面1Aを有する部分で直円筒形状に形成されており、鏡面加工も容易に行うことができる。内面1Aは、蓄圧された水素の圧力が負荷される部分である。
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。
円筒シリンダ部1は、その軸方向両端内面が内面1Aよりも大径とした穴部1Bが形成されており、軸方向内側の一部を除いてその内面に、蓋2が螺合される雌ねじ部1Cが形成されている。蓋2は、高圧ガス保安協会におけるKHKS0220のねじ構造(非特許文献7参照)に準ずる。
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。
蓋部25は、穴20Bに嵌入される外側軸部25Aと、ナット部20の軸方向内側面に当たるフランジ部25Bと、フランジ部25Bの軸方向内側に連続する内側軸部25Cとを有している。蓋部25の中心には、軸方向に沿って貫通して水素の通気を行う水素通気穴25Dが形成されている。
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、フランジ部25Bは、内面1Aよりも外周面が外周側に位置しており、ナット部20を円筒シリンダ部1にねじ込んだ際に、内面1Aの端部側面にフランジ部25Bの軸方向内側側面が当接することができ、ねじ込みの際のストッパとして機能する。
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。
円筒シリンダ部1には、外周側に繊維強化プラスチックがフープ巻きされる。この際の繊維の種別やプラスチックの種別は本発明としては特に限定されるものではないが、繊維は炭素繊維、プラスチックにはエポキシ樹脂などを用いることができる。繊維には、連続繊維を用いるのが望ましい。また、繊維の太さも特に限定されるものではなく、強度の兼ね合いなどから決定することができる。
繊維強化プラスチックには、熱硬化性樹脂に繊維を含浸させながら円筒状の鋼材ライナーに巻きつけていき、樹脂を硬化させるために所定の温度に加熱させる。加熱に際してはプラスチックとともに円筒シリンダ部1も加熱され、円筒シリンダ部1の膨張、収縮が生じる。この際に、円筒シリンダが鋼製であるためプラスチックよりも線膨張係数が大きく、加熱硬化後に、冷却させていくと円筒シリンダ部1と硬化した繊維強化プラスチック30との間に熱膨張係数差に起因した隙間が生じる。これをそのまま圧力容器として使用した場合、所望の強度が確保されず、また、円筒シリンダ部1の膨張、収縮が生じやすく、耐久性を損なう。
本実施形態では、円筒シリンダ部1に対し、内面側から高圧を負荷して自緊処理を行う。自緊処理では、円筒シリンダ部1が外周方向に膨張して塑性変形をすることで残留応力が残り、強度を増加させる。また、この際に円筒シリンダ部1の外周径が膨張して繊維強化プラスチック30との間の隙間をなくし、円筒シリンダ部1が繊維強化プラスチック30に密着した状態にする。これにより、所望の強度を確実に確保するとともに、水素を蓄圧する際の円筒シリンダ部1の変形を抑え、耐久性を向上させる。
自緊では、予め繊維強化プラスチックと円筒シリンダ部1間の線膨張係数から予測される隙間量(A)に見合う残膨張量が生ずるように、円筒シリンダ部1の内面が降伏する程度まで内圧を負荷する。内圧負荷は通常水圧により行う。
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。
Figure 0006096136
なお、繊維強化プラスチックは、設定量で繊維を巻き回す通常巻部が少なくとも水素の内圧を受ける内面1Aの外周側に位置するように配置すればよい。なお、繊維強化プラスチック30の通常巻部に対する軸方向外側では、繊維配置のため外側ほど次第に巻き数を小さくする終端処理を行っており、この部分での強化は設計上期待していない。
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。
上記で構成される水素ガス蓄圧器は、ライナーを円筒状とすることで、精密な機械加工が可能となり、0.5mm深さ以上の加工傷が生じないように十分な品質管理が可能である。
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。
本実施形態の水素ガス蓄圧器は、水素ステーションとして水素を使用する自動車などの用途に使用することができる。
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。
表1に各タイプ別に複合容器の比較を示す。本発明の水素ガス蓄圧器は、アルミライナー製のTypeIII複合容器(荷重非分担)に比べて強度が高く、疲労寿命が長く設計できる。一方、アルミライナーに荷重分担させたTypeIII複合容器では、疲労寿命が長く設計できるが、鋼ライナーより重たくなる。
Figure 0006096136
1 円筒シリンダ部
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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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