JP6136888B2

JP6136888B2 - 高圧ガスタンク

Info

Publication number: JP6136888B2
Application number: JP2013243449A
Authority: JP
Inventors: 上田　直樹; 直樹上田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: JP2015102180A

Description

本発明は、高圧ガスタンクに関する。

高圧ガスタンクは、両端にドーム部を有するライナーをコア材とし、カーボン繊維強化プラスチックや、ガラス繊維強化プラスチック（以下、これらを総称して、繊維強化樹脂層と呼ぶ）で被覆される。また、タンク内のガスの供給或いはタンク内へのガス充填のため、ライナーはドーム部頂上に口金を装着している。通常、ライナーは、軽量化の観点から、ガスバリア性を有する樹脂製の中空容器とされ、口金は、金属成形品、例えば軽量なアルミニウムまたはその合金とされている。こうした構造の高圧ガスタンクとして、特許文献１には、繊維強化樹脂層に接触する口金の表面に潤滑コーティングが施された高圧ガスタンクが開示されている。また、特許文献２には、繊維強化樹脂層に接触する口金の表面にアルマイト処理を施して金属酸化皮膜層を形成した高圧ガスタンクが開示されている。

特開２００９−１９２０７８号公報特開２００８−１４４９４３号公報

しかし、特許文献１の高圧ガスタンクでは、口金にかかる応力を低減してタンクの耐久性および強度の向上を図ることは可能であるが、燃料ガスの高圧充填の過程における異音の発生に関して何ら考慮されていない。また、特許文献２の高圧ガスタンクにおいても、口金の潤滑性をもたらして固着防止を図ることは可能であるが、同様に、燃料ガスの高圧充填の過程における異音の発生に関して何ら考慮されていない。こうした異音は、例えば高圧ガスタンクを搭載した車両の乗員に違和感を与えることが想定される。この他、異音抑制図る上での簡便化やコスト低下も要請されている。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、高圧ガスタンクが提供される。この高圧ガスタンクは、両端にドーム部を有するライナーと；フランジ部と当該フランジ部から突出した突出部とを有し、前記フランジ部が前記ドーム部で支えられた状態で前記突出部をタンク外側まで延ばす口金と；前記ライナーの外表全域を被覆すると共に、前記口金の前記フランジ部についても被覆する被覆部と；前記フランジ部と前記被覆部の間に介挿された弾性体層と；を備える。上記形態の高圧ガスタンクでは、フランジ部とこれを被覆する被覆部との間に弾性体層が介挿されることにより、フランジ部とこれを被覆する被覆部との間の摺動を弾性体層が吸収することにより、フランジ部と被覆部との界面における滑りとその停止を繰り返す現象（いわゆるスティックスリップ現象）の発生を抑制できる。この結果、燃料ガスの高圧充填の過程における異音の発生を抑制することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、高圧ガスタンクの製造方法や、高圧ガスタンクをガス消費機器としての燃料電池と共に搭載した車両等の態様で実現することができる。

本発明の一実施形態としての高圧ガスタンクの構成を断面図および要部拡大断面図にて示す説明図である。弾性体層を有する構造の特徴について示す説明図である。弾性体層のモデルを示す説明図である。

図１は本発明の一実施形態としての高圧ガスタンクの構成を断面図および要部拡大断面図にて示す説明図である。高圧ガスタンク１００は、ライナー１０を繊維強化樹脂層１６で被覆して構成され、ライナー両端から口金２０と口金３０とを突出させている。ライナー１０は、中空のタンク容器であり、タンク長手方向の中央で２分割された一対のライナーパーツの接合品である。２分割のライナーパーツは、それぞれナイロン系樹脂等の適宜な樹脂にて型成型され、その型成型品のライナーパーツを接合してその接合箇所をレーザー融着することで、ライナー１０が形成される。このパーツ接合を経て、ライナー１０は、円筒状のシリンダー部１１の両側に球面形状のドーム部１２を備えることになる。このライナー１０は、ドーム部１２の頂上箇所、即ちライナー１０の軸線に沿った長手方向端部に、口金２０或いは口金３０の装着用の陥没台座部１２ａを備え、その中央に貫通孔１２ｂを有する。この貫通孔１２ｂは、ライナー軸線ＣＸと一致して形成され、口金２０および口金３０の位置決め孔として機能する。

口金２０は、アルミニウムまたはその合金といった軽量金属で形成され、陥没台座部１２ａに入り込む口金フランジ２１と、当該フランジからドーム部頂上側に突出してタンク外部まで延びる口金本体２２と、口金フランジ２１からライナー中央に突出した凸部２３と、バルブ接続孔２４と、シール用のＯリング２６と、を備える。口金２０は、陥没台座部１２ａに口金フランジ２１を入り込ませた状態で、凸部２３を貫通孔１２ｂに嵌合させ、ライナー１０に対して位置決めされた上で装着される。バルブ接続孔２４は、口金２０の中央を貫通し、その開口側に配管接続用の高圧シール仕様のテーパネジ部を有する。口金３０にあっても、口金２０と同様、口金フランジ３１と、口金本体３２と、凸部３３と、バルブ接続孔３４と、Ｏリング３６とを備え、陥没台座部１２ａに口金フランジ３１を入り込ませた状態で、凸部３３と貫通孔１２ｂとで位置決めされてライナー１０に装着される。バルブ接続孔３４は、口金本体３２の側のバルブ接続孔３４を閉塞した有底孔として備え、ライナー中央側では、軽量化等のための有底孔が空けられている。上記した口金２０と口金３０とは、繊維強化樹脂層１６の形成のための繊維巻回の際の回転軸装着や弾性体層４０の形成のための弾性部材塗布の際の回転軸装着にも用いられる。なお、口金フランジが本発明のフランジ部に相当し、口金本体が本発明の突出部に相当する。

弾性体層４０は、口金フランジ２１および口金フランジ３１の繊維強化樹脂層１６で被覆される側の表面に液状の弾性部材、例えば、ＦＩＰＧ（Formed In Place Gasket）材料やＣＩＰＧ（Cured in Place Gasket ）材料等を塗工することにより形成される。

繊維強化樹脂層１６は、熱硬化性樹脂を含浸した強化繊維をフィラメントワインディング方法（以下、ＦＷ法）によりライナー外周に巻回させることで形成される。繊維巻回の際には、フープ巻きによる繊維巻回と低角度・高角度のヘリカル巻きによる繊維巻回とが使い分けられ、こうした繊維巻回の使い分けにより、繊維強化樹脂層１６は、ライナー１０におけるシリンダー部１１およびドーム部１２の外表全域を被覆すると共に、ドーム部１２を覆うよう形成された口金側部位１６ｃにて、口金２０の口金フランジ２１の外表から口金本体２２の外表に掛けての口金被覆領域Ｇｒ、および、口金３０の口金フランジ３１の外表から口金本体３２の外表に掛けての口金被覆領域Ｇｒについても被覆する。繊維強化樹脂層１６の形成には、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いることが一般的であるが、ポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。また、ＦＷ法によりライナー外周に巻回させる補強用の繊維（スライバー繊維）としては、ガラス繊維やカーボン繊維、アラミド繊維等が用いられる他、複数種類（例えば、ガラス繊維とカーボン繊維）のＦＷ法による巻回を順次行うことで、繊維強化樹脂層１６を異なる繊維からなる樹脂層を積層させて形成することもできる。なお、繊維強化樹脂層が本発明の被覆部に相当する。

本実施形態の高圧ガスタンク１００は、口金フランジ２１と繊維強化樹脂層１６の口金側部位１６ｃとの間、および、口金フランジ３１と繊維強化樹脂層１６の口金側部位１６ｃとの間に弾性体層４０が介挿された構造に特徴を有しており、この構造によって、以下で説明する効果を得ることができる。

図２は、弾性体層を有する構造の特徴について示す説明図である。図２（Ａ）は図１の領域Ａの部分を模式的に示しており、図２（Ｂ）は比較形態として弾性体層が介挿されていない構造を模式的に示している。高圧ガスタンクへの燃料ガスの高圧充填時には、タンク内の圧力の上昇に伴ってタンク全体が膨張するが、口金２０と繊維強化樹脂層１６とでは、膨張方向や膨張速度が異なるため、口金フランジ２１側に働く変位力（実線矢印で示す）と繊維強化樹脂層１６の口金側部位１６ｃ側に働く変位力とは逆方向になる。このため、図２（Ｂ）に示すように弾性体層が介挿されていない場合、口金フランジ２１と繊維強化樹脂層１６の口金側部位１６ｃとの界面では摩擦による停止と摺動（滑り）とが繰り返すスティックスリップが発生し、摺動（スリップ）の発生による衝撃音、例えば、１００ｄＢ以上の甲高い金属衝撃音が発生し、異音となる。これに対して、図２（Ａ）に示すように弾性体層４０が介挿されている場合、口金フランジ２１に接する側の弾性体層４０は口金フランジ２１の変位に追従して変位し、繊維強化樹脂層１６の口金側部位１６ｃに接する側の弾性体層４０は口金側部位１６ｃの変位に追従して変位して、摺動を吸収する。これにより、摺動（スリップ）の発生による衝撃音を抑制することができる。なお、図２は、口金２０側を例に説明したが、口金３０側においても同様である。

なお、弾性体層４０は、＜１＞口金と弾性体層との間の界面で滑り（摺動）が生じず、繊維強化樹脂層と弾性体層との間の界面で滑りが生じないこと、＜２＞摺動の吸収のための変形によって弾性体層が破断しないこと、の２つの条件を満たすことが望ましい。

図３は、弾性体層のモデルを示す説明図である。図３（Ａ）は弾性体層４０の変形状態を模式的に示し、図３（Ｂ）は弾性体層の粘弾性のモデルの一例であるフォークト模型を示している。

条件＜１＞を満たすためには、下式（１）に示すように、図３（Ａ）の摩擦抵抗μＮ（μ：静摩擦係数，Ｎ：面圧）が応力σ以上となることが好ましい。
μＮ≧σ …（１）
ここで、応力σは、図３（Ｂ）のフォークト模型により、下式（２）示される。
σ＝σ１+σ２＝εＧ＋η・ｄε／ｄｔ …（２）
Ｇは図３（Ｂ）のバネの横弾性係数（「剛性率」とも呼ぶ）であり、ηは図３（Ｂ）のダッシュポットの粘性係数であり、εは図３（Ａ）の変位量である。なお、変位速度ｄε／ｄｔは燃料ガスの充填時の充填速度に基づいて決まる。
従って、条件＜１＞を満たすために弾性体層４０に要求される条件は、式（１）に式（２）を代入して得られる下式（３）を満たすことである。
μＮ−（εＧ＋η・ｄε／ｄｔ）≧０ …（３）

また、条件＜２＞を満たすためには、破断歪量Ｈ［％］が下式（４）を満たすことが好ましい。
Ｈ＞（ｈ’／ｈ）・１００ …（４）
ｈは図３（Ａ）の弾性体層の厚みであり、ｈ’は変位後の弾性体層の距離である。
ここで、ｈ’は厚みｈと変位量εを用いて下式（５）で表される。
ｈ’＝（ｈ²＋ε²）^1/2 …（５）
従って、条件＜２＞を満たすために弾性体層４０に要求される条件は、式（４）に式（５）を代入して得られる下式（６）を満たすことである。
Ｈ＞［（ｈ²＋ε²）^1/2／ｈ］・１００ …（６）

上記２つの条件を満たすことにより、弾性体層４０が破断することなく口金と繊維強化樹脂層の変位差に追従して変形し、スティックスリップによる衝撃音の発生を抑制することができる。ただし、条件＜２＞は満たさなくても良いが、満たした方が耐久性の点で好ましい。

なお、弾性部材としてＦＩＰＧを用い、上記２つの条件を満たすように弾性体層４０を塗工形成した高圧ガスタンク１００を作製した。形成された弾性体層４０の物性は、剛性(ＪＩＳＡ硬度)が３５、厚み（ｈ）が１ｍｍ、破断歪み（Ｈ）が４８０％であった。高圧ガスタンク１００の耐圧は７０ＭＰａである。この高圧ガスタンク１００に対して、タンク残圧がほぼゼロの状態から高圧満充填の状態（７０ＭＰａ）まで、充填速度を２ＭＰａ／１０ｓｅｃとして、燃料ガスの充填を行い、その過程において、口金２０，３０の周辺で発生する音をマイクロホンで集音し、騒音測定装置にて測定した。この結果、異音が発生しないことを確認した。

以上説明したように、本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、弾性体層４０が口金２０，３０と繊維強化樹脂層１６との変位差に追従して変形し、スティックスリップによる衝撃音の発生を抑制することができる。特に、上記２つの条件を満たすことにより、弾性体層４０が破断することなく口金２０，３０と繊維強化樹脂層１６の変位差に追従して変形し、スティックスリップによる衝撃音の発生を抑制することができる。

また、口金２０，３０と繊維強化樹脂層１６との間に弾性体層４０が介挿入されていることにより、繊維強化樹脂層１６を形成する熱硬化性樹脂が陥没台座部１２ａ側に侵入することを抑制する効果がある。また、繊維強化樹脂層１６を形成するための繊維巻きズレを抑制することにより、繊維の巻き精度の向上および巻時間の短縮に効果がある。また、口金２０，３の端部の凹凸を吸収することが可能であり、繊維強化樹脂層１６への応力集中を抑制し、ドーム部の耐圧強度を向上させることが可能である。

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することができる。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、上述の効果の一部また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可能である。また、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、削除することが可能である。

１０…ライナー
１１…シリンダー部
１２…ドーム部
１２ａ…陥没台座部
１２ｂ…貫通孔
１６…繊維強化樹脂層
１６ｃ…口金側部位
２０…口金
２１…口金フランジ
２２…口金本体
２３…凸部
２４…バルブ接続孔
２６…Ｏリング
３０…口金
３１…口金フランジ
３２…口金本体
３３…凸部
３４…バルブ接続孔
３６…Ｏリング
４０…弾性体層
１００…高圧ガスタンク
ＣＸ…ライナー軸線
Ｇｒ…口金被覆領域

Claims

高圧ガスタンクであって、
両端にドーム部を有するライナーと、
前記ドーム部に設けられ、フランジ部と当該フランジ部から突出して外部まで延びる口金本体とを有する口金と、
前記ライナーの外表面全域を被覆すると共に、前記口金の前記フランジ部についても被覆する繊維強化樹脂層と、
前記フランジ部と前記繊維強化樹脂層の間に介挿され、前記ライナーと前記繊維強化樹脂層の間に介挿されない粘弾性の弾性体層と、
を備え、
前記弾性体層は、下式の条件を満たす、高圧ガスタンク。
μＮ−（εＧ＋η・ｄε／ｄｔ）≧０
μは前記弾性体層の静摩擦係数、Ｎは前記弾性体層に掛かる面圧、εは前記弾性体層の変位量、Ｇ及びηは前記弾性体層の粘弾性のモデルであるフォーク模型におけるバネの横弾性係数及びダッシュポットの粘性係数である。