JP6319166B2 - High pressure gas tank - Google Patents
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Description
本発明は、高圧ガスタンクに関する。 The present invention relates to a high-pressure gas tank.
高圧ガスタンクは、コア材としてのライナーを、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)で被覆して、耐圧性を発揮している。また、高圧ガスタンクは、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、ライナーの端部に口金を装着して備える。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、金属成形品とされている。このため、口金の装着に際しては、口金外周壁に設けた凹溝にライナーを構成する樹脂を入り込ませることで、ライナー軸回りの口金の空回りを防止する手法が提案されている(例えば、特許文献1)。 The high-pressure gas tank exhibits pressure resistance by covering a liner as a core material with carbon fiber reinforced plastic or glass fiber reinforced plastic (hereinafter collectively referred to as a fiber reinforced resin layer). The high-pressure gas tank is provided with a base attached to the end of the liner for supplying gas in the tank or filling the tank with gas. Usually, from the viewpoint of weight reduction, the liner is a resin-made hollow container having gas barrier properties, and the base is a metal molded product. For this reason, when mounting the base, a technique for preventing the base from rotating freely around the liner shaft has been proposed by inserting a resin constituting the liner into a concave groove provided in the outer peripheral wall of the base (for example, Patent Documents). 1).
ところで、口金は、ガスの供給や充填に用いられるほか、フィラメントワインディング方法(以下、FW法)にてライナーに繊維を巻回して繊維強化樹脂層を形成する際の回転軸の軸受けとしても用いられる。FW法では、ライナーを回転させつつ繊維をライナー外周に巻回することから、回転軸の軸受けとして機能する口金に、ライナーの回転振れを防止する上で、ある程度の強度が求められる。口金の強度は、上記した空回り防止手法で用いられる口金のように、フランジ部を設けることである程度は確保できるが、ライナーの回転振れ防止の観点からは、更なる強度向上を図ることが望ましい。こうしたことから、ライナーの空回り防止と口金強度の向上とを両立可能な新たな空回り防止手法が要請されるに到った。 By the way, the base is used for gas supply and filling, and is also used as a bearing for a rotating shaft when forming a fiber reinforced resin layer by winding a fiber around a liner by a filament winding method (hereinafter referred to as FW method). . In the FW method, since the fiber is wound around the outer periphery of the liner while rotating the liner, a certain degree of strength is required for the die that functions as a bearing for the rotating shaft in order to prevent rotational runout of the liner. The strength of the base can be ensured to some extent by providing a flange as in the base used in the above-described anti-rotation method, but it is desirable to further improve the strength from the viewpoint of preventing the rotational runout of the liner. For these reasons, there has been a demand for a new anti-spinning method capable of achieving both a liner non-spinning prevention and an improvement in the base strength.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(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、筒状の中空容器であるライナーの軸方向の端部に口金を装着した高圧ガスタンクであって、前記口金は、前記ライナーの前記端部の軸方向外側からライナー内部まで、前記ライナーの軸方向に沿って延在する口金本体と、該口金本体から周方向に延び、前記ライナーの前記端部の端部表面に接触する接触面を有するフランジ部と、前記口金本体が前記ライナー内部に位置する部位であるライナー内口金本体部位の外周から前記フランジ部の前記接触面まで延在する複数筋のリブであって、前記ライナー内口金本体部位の外周回りにリブ間凹部を形成するリブとを備え、前記ライナーは、前記端部において、前記リブと前記リブ間凹部に噛み合わされている。 (1) According to one aspect of the present invention, a high-pressure gas tank is provided. The high-pressure gas tank is a high-pressure gas tank in which a base is attached to an end portion in the axial direction of a liner, which is a cylindrical hollow container, and the base is from the outside in the axial direction of the end portion of the liner to the inside of the liner. A base body extending along the axial direction of the liner, a flange portion extending in a circumferential direction from the base body, and having a contact surface contacting the end surface of the end of the liner; and the base body is the liner A plurality of ribs extending from the outer periphery of the liner inner base body part, which is a part located inside, to the contact surface of the flange portion, and an interrib recess is formed around the outer periphery of the liner inner base body part The liner is meshed with the rib and the recess between the ribs at the end.
この形態の高圧ガスタンクは、ライナーの軸方向の端部に装着された口金のフランジ部を、ライナー内口金本体部位の外周からフランジ部の接触面まで延在する複数筋のリブで補強する。その上で、この形態の高圧ガスタンクは、ライナーを端部においてリブとリブ間凹部に噛み合わせることで、ライナーの空回りを防止する。この結果、この形態の高圧ガスタンクによれば、ライナーの空回り防止と口金強度の向上とを両立できる。 The high-pressure gas tank of this configuration reinforces the flange portion of the base attached to the axial end portion of the liner with a plurality of ribs extending from the outer periphery of the liner inner base body portion to the contact surface of the flange portion. In addition, the high-pressure gas tank of this form prevents the liner from idling by engaging the liner with the rib and the recess between the ribs at the end. As a result, according to the high-pressure gas tank of this embodiment, it is possible to achieve both prevention of the liner from spinning and improvement of the base strength.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、口金を装着したライナーとしての形態の他、ライナーの製造方法や高圧ガスタンクの製造方法などの形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various modes. For example, in addition to the form as a liner equipped with a base, it can be realized in the form of a liner manufacturing method, a high-pressure gas tank manufacturing method, or the like.
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図1は本発明の実施形態としての高圧ガスタンク100の外観を概略的に示す説明図であり、図2は高圧ガスタンク100を図1における2−2線で断面視した断面端面図であり、図3は高圧ガスタンク100を図1における3−3線に沿った半断面図と正面図で示す説明図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing the appearance of a high-
図示するように、高圧ガスタンク100は、ライナー10を繊維強化樹脂層102で被覆して構成され、口金16を両端から突出させている。繊維強化樹脂層102は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂層をFW法によりライナー外周に巻回させることで形成され、後述するように、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る。繊維強化樹脂層102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102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。
As shown in the drawing, the high-
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を後述の口金16に対してインサート成形され、その成形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12の両側に球面形状のドーム部14を備えることになる。このライナー10は、ドーム部14の頂上箇所、即ちライナー10の軸線AXに沿った長手方向端部に、口金16の装着用の陥没台座部14rを備え、その中央に貫通孔14hを有する。この貫通孔14hは、ライナー軸線と一致して形成され、口金16の位置決め孔として機能する。
The
口金16は、アルミニウム等の鍛造成型品であり、口金本体16bと、口金フランジ16fと、バルブ接続孔16hと、複数筋のリブ16vを備える。口金本体16bは、ライナー10の長手方向端部の軸方向外側からライナー10の内部まで、軸線AXに沿って延在し、ライナー内部に位置する部位をライナー内口金本体部位16tとする。口金フランジ16fは、口金本体16bから周方向に延び、陥没台座部14rに入り込む。この入り込みにより、口金フランジ16fは、ライナー10の端部表面たる陥没台座部14rの底面にフランジ接触面16fsを接触させる。また、口金フランジ16fは、フランジ厚みが外側に行くほど減ずるように、フランジ外面を弧状に傾斜させ、このフランジ外面を、陥没台座部14rを取り囲むドーム部14の外表面に連続させている。
The
ライナー内口金本体部位16tを含む口金本体16bは、ドーム部14の貫通孔14hと協働して口金16をライナー10に対して位置決めする。バルブ接続孔16hは、口金16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。上記した両タンク口金は、繊維強化樹脂層102を形成するためのFW法における繊維巻回の際の回転軸装着にも用いられ、一方の口金16は、バルブ接続孔16hをタンク内部で閉塞した有底孔とし、タンク内部側にもバルブ接続孔16hと同心の有底の軸受孔16hiを有する。
The
次に、リブ16vの形成の様子と、ライナー10のドーム部14における陥没台座部14rやリブ被覆部14sの形成の様子について説明する。図4はリブ16vなどの形成の様子を図3におけるX方向からの口金16の単独矢視図とライナー10のインサート成形後の矢視図とで示す説明図であり、図5は図4における5−5線断面図であり、図6は図4における6−6線断面図である。
Next, how the
図4に示すように、リブ16vは、ライナー内口金本体部位16tの外周から等間隔で放射状に、口金フランジ16fの外周縁側に掛けて傾斜して延び、口金フランジ16fのフランジ接触面16fsから立ち上がっている。こうして立ち上がったリブ16vは、隣り合うリブ16vとの間にリブ間凹部16vsを形成し、このリブ間凹部16vsをライナー内口金本体部位16tの外周回りに等ピッチで点在させる。本実施形態の高圧ガスタンク100では、図4に示すように、リブ16vは、口金フランジ16fの外周縁側に向かうほど、図4の紙面における幅(リブ幅)が狭くなり、口金フランジ16fのフランジ接触面16fsからの立ち上がり程度も小さくなる。よって、リブ16vは、口金フランジ16fの外周縁側に向かうほど鍛造容積が連続的に小さくなる。
As shown in FIG. 4, the
ライナー10は、上記したリブ16vとリブ間凹部16vsとを有する口金16に対してインサート成形される。よって、インサート成形を行うべく注入された樹脂は、リブ間凹部16vsに重なった金型キャビティーに行き渡って陥没台座部14rを形成すると共に、リブ16vのリブ側面のみならず傾斜したリブ頂上面まで覆うリブ被覆部14s(図4〜図6参照)を、リブ16vを取り囲む金型キャビティーにより形成する。このリブ被覆部14sは、陥没台座部14rから立ち上がって、リブ16vを覆う(図6参照)。そして、陥没台座部14rとリブ被覆部14sの外側には、陥没台座部14rとリブ被覆部14sに連続してドーム部14が金型キャビティーにより形成されるので、ライナー10は、ライナー端部の側のドーム部14において、口金16のリブ16vとリブ間凹部16vsに陥没台座部14rとリブ被覆部14sを噛み合わさることになる。これにより、口金16の口金フランジ16fは、インサート成形で形成された陥没台座部14rに入り込むことになり、フランジ接触面16fsを陥没台座部14rの底面に接触させる。また、それぞれのリブ被覆部14sは、インサート成形に伴う金型キャビティーにより、図4の下段に示すように、ライナー内口金本体部位16tの外周の側において、リブ被覆部基部が連続する。
The
次に、上記した高圧ガスタンク100とライナー10の製造手法について説明する。図7は高圧ガスタンク100の製造工程の前半を示すフローチャートであり、図8は高圧ガスタンク100の製造工程の後半を示すフローチャートである。まず、口金16を鍛造成型手法にて製造する(ステップS100)。次いで、得られた口金16をインサート成形用の金型にセットして、金型キャビティーに溶融樹脂を注入し、樹脂のインサート成形品である一対のライナーパーツを得る(ステップS103)。このインサート成形により、口金16は、ドーム部14に位置決めされてドーム部14に装着され、口金16をドーム部頂上に有するライナーパーツが得られる。
Next, a method for manufacturing the high-
次いで、口金16を両端に装着済みの一対のライナーパーツを、シリンダー部12の側で接合してその接合箇所をレーザー融着して組み付ける(ステップS104)。これにより、口金16を両端に装着済みのライナー10が得られる。
Next, a pair of liner parts having the
こうしてライナー10が得られると、図8に示すように、ライナー10の外周に、FW法によって、繊維強化樹脂層102を形成する。具体的には、ステップS100によって完成されたライナー10を、その両端の口金16を用いて回転させつつ、エポキシ樹脂EPを含浸させたカーボン繊維ECFを、ライナー10の周囲に繰り返し巻回する(ステップS202)。このカーボン繊維ECFの巻回に際しては、ライナー10におけるシリンダー部12の外周範囲に亘るフープ巻きによる繊維巻回と、ドーム部14の外周範囲に亘る低角度・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、ライナー10の回転速度や繊維送り出し速度についても調整される。その後、エポキシ樹脂を含浸させたカーボン繊維ECFを、ライナー10の周囲に巻き付けたものを、加熱炉にて加熱して、エポキシ樹脂を硬化させる(ステップS204)。エポキシ樹脂が硬化すると、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics:カーボン繊維強化プラスチック)から成る繊維強化樹脂層102が形成され、高圧ガスタンク100が完成する。なお、繊維強化樹脂層102を形成する場合に、加熱炉に代わり、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて誘導加熱手法を用いることができる。この高周波誘導加熱では、速やかな熱硬化性樹脂の昇温を図ることができる。
When the
以上説明したように、本実施形態の高圧ガスタンク100では、ライナー10におけるライナー軸方向両端のドーム部14の頂上に装着された口金16の口金フランジ16fを、ライナー10の内部に位置するライナー内口金本体部位16t(図3,図5−6参照)の外周から口金フランジ16fのフランジ接触面16fsまで延在する複数筋のリブ16vで補強する。その上で、本実施形態の高圧ガスタンク100は、ライナー10を、端部のドーム部14に連続するようインサート成形した陥没台座部14rとリブ被覆部14sを介して、リブ16vとリブ間凹部16vsに噛み合わせることで、ライナー10の空回りを防止する。この結果、本実施形態の高圧ガスタンク100によれば、口金16の強度向上を図りつつライナー10の空回りを防止できる。この場合、ライナー10の空回りは、それぞれのリブ間凹部16vsに形成された陥没台座部14rのみならず、それぞれのリブ16vを覆うリブ被覆部14sにても防止されるため、ライナー10の空回りを高い実効性で防止できる。
As described above, in the high-
本実施形態の高圧ガスタンク100は、既述したように口金16を高強度とするので、FW法によるカーボン繊維ECFの巻回の際に、ライナー10の回転軸ブレを抑制できる。よって、本実施形態の高圧ガスタンク100によれば、カーボン繊維ECFの巻回軌跡に乱れが起きないようにして、繊維強化樹脂層102の品質(巻回品質)を高めることができる。
Since the high
本実施形態の高圧ガスタンク100は、リブ16vのリブ幅や口金フランジ16fのフランジ接触面16fsからの立ち上がり程度を、口金フランジ16fの外周縁側に向かうほど小さくして、リブ16vの鍛造容積を、口金フランジ16fの外周縁側に向かうほど連続的に小さくした。よって、本実施形態の高圧ガスタンク100によれば、口金16の鍛造成型に際しての溶融金属溶液の鍛造金型内での流動性を高めて、鍛造金型表面での溶融金属溶液の焼き付きを防止できる。
In the high-
本実施形態の高圧ガスタンク100は、ライナー10の空回りを、それぞれのリブ間凹部16vsにおいてインサート成形された陥没台座部14rと、それぞれのリブ16vを覆うようインサート成形されたリブ被覆部14sとで防止し、陥没台座部14rとリブ被覆部14sについては、凹溝等の機械加工を一切、必要としない。よって、本実施形態の高圧ガスタンク100によれば、口金16の高強度化とライナー10の空回り防止とが可能な高圧ガスタンクの製造コストを低減できる。
In the high-
本実施形態の高圧ガスタンク100は、図3の正面図に示すように、ライナー10のドーム部14から吐出している口金16の端部に、いわゆる二面幅部を設けたので、この二面幅部を、ライナー10の形成のためのインサート成形金型において位置決めできる。よって、口金16の二面幅部とリブ16vとの位相合わせが可能となる。
As shown in the front view of FIG. 3, the high-
本実施形態の高圧ガスタンク100は、図4〜図6に示すように、リブ16vを、その側面と上面を含めて、インサート成形のために注入された溶融樹脂にて覆い、口金フランジ16fのフランジ接触面16fsについても、溶融樹脂(陥没台座部14r)で覆うようにした。よって、本実施形態の高圧ガスタンク100によれば、ライナー10、詳しくはドーム部14と口金16との間の気密性の確保に有益となる。
As shown in FIGS. 4 to 6, the high-
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、上述の課題の一部また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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above-described effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
上記の実施形態では、ライナー10の空回りを、それぞれのリブ間凹部16vsにおいてインサート成形された陥没台座部14rに加え、それぞれのリブ16vを覆うようインサート成形されたリブ被覆部14sでも防止したが、リブ被覆部14sについては、これを省略できる。図9はライナー10の空回りをリブ間凹部16vsにおいてインサート成形された陥没台座部14rにて防止する変形例を示す説明図である。図示するように、この変形例の1では、ライナー10の端部においては、陥没台座部14rとこれに連続したドーム部14とをインサート成形するものの、リブ被覆部14sについては形成しない。この変形例によっても、ライナー10を、端部のドーム部14に連続するようインサート成形した陥没台座部14rを介して、リブ間凹部16vsに噛み合わせることで、ライナー10の空回りを防止できる。
In the above embodiment, the idle rotation of the
上記の実施形態では、図4に示すように、8筋のリブ16vをライナー内口金本体部位16tの外周から等間隔で放射状に延ばしたが、不等間隔でリブ16vを延ばしてもよい。また、8筋に限らず、2筋以上のリブ16vをからライナー内口金本体部位16tの外周から延ばすようにしてもよい。この場合、鍛造性を確保する上から、リブ16vを6筋以上とすることが好ましい。高圧ガスタンク100の全長や直径、耐圧性等のタンクスペックは、高圧ガスタンク100を搭載する車種によって変わることがある。こうしたことに対処すべく、タンクスペックに応じてリブ16vの本数を変えるようにしてもよい。
In the above embodiment, as shown in FIG. 4, the eight
リブ16vの延在程度も口金フランジ16fのフランジ接触面16fsまでに限られるものではなく、口金フランジ16fの半径の1/2〜1/3の範囲まで、リブ16vをライナー内口金本体部位16tの外周から延ばすようにしてもよい。この他、リブ16vを傾斜して延ばすことに代え、矩形形状でリブ16vをライナー内口金本体部位16tの外周から延ばすようにしてもよい。リブ16vのリブ幅については、溶融金属溶液の鍛造金型内での流動性が確保されて、鍛造金型表面での溶融金属溶液の焼き付きが防止或いは低減できる幅とすればよい。また、FW法による繊維巻回の際に口金16に作用する最大応力を考慮して、リブ16vのリブ幅を規定してもよい。
The extent of extension of the
上記の実施形態では、図5に示すように、口金16における口金フランジ16fの外周縁がドーム部14に覆われるよう、ドーム部14の陥没台座部14rに口金フランジ16fを入り込ませて、陥没台座部14rの底面に口金フランジ16fのフランジ接触面16fsを接触させたが、これに限らない。例えば、ドーム部14の頂上側を平面状の端部表面とし、この端部表面に口金フランジ16fのフランジ接触面16fsを接触させるようにしてもよい。この場合には、口金フランジ16fの外周面にドーム部14の頂上側外周面が連続するように、インサート成形金型の金型面を形成すればよい。
In the above embodiment, as shown in FIG. 5, the
10…ライナー
12…シリンダー部
14…ドーム部
14h…貫通孔
14r…陥没台座部
14s…リブ被覆部
16…口金
16b…口金本体
16f…口金フランジ
16fs…フランジ接触面
16h…バルブ接続孔
16hi…軸受孔
16t…ライナー内口金本体部位
16v…リブ
16vs…リブ間凹部
100…高圧ガスタンク
102…繊維強化樹脂層
AX…軸線
CF…カーボン繊維
ECF…カーボン繊維(エポキシ含浸カーボン繊維)
EP…エポキシ樹脂
DESCRIPTION OF
EP: Epoxy resin
Claims (1)
前記口金は、
前記ライナーの前記端部の軸方向外側からライナー内部まで、前記ライナーの軸方向に沿って延在する口金本体と、
該口金本体から周方向に延び、前記ライナーの前記端部の端部表面に接触する接触面を有するフランジ部と、
前記口金本体が前記ライナー内部に位置する部位であるライナー内口金本体部位の外周から前記フランジ部の前記接触面まで延在する複数筋のリブであって、前記ライナー内口金本体部位の外周回りにリブ間凹部を形成するリブとを備え、
前記ライナーは、
前記端部において、前記リブと前記リブ間凹部に噛み合わされている、高圧ガスタンク。 A high-pressure gas tank with a base attached to the axial end of a liner that is a cylindrical hollow container,
The base is
A base body extending along the axial direction of the liner from the outside in the axial direction of the end of the liner to the inside of the liner;
A flange portion having a contact surface extending in a circumferential direction from the base body and contacting an end surface of the end portion of the liner;
A plurality of ribs extending from the outer periphery of the liner inner base body part, which is a part located in the liner, to the contact surface of the flange portion, around the outer periphery of the liner inner base body part A rib for forming a recess between ribs,
The liner is
A high-pressure gas tank that is engaged with the rib and the recess between the ribs at the end.
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