JP6613224B2 - 気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器 - Google Patents

気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器 Download PDF

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Description

本発明は、気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器に係り、より詳細には、金属ノズルとプラスチックライナー層との間の気密を確保するための高圧の複合材容器に関する。
通常、天然ガスまたは水素を燃料とする自動車では、燃料ガスは高圧ガスとして圧縮されて容器内に貯蔵され、その貯蔵密度を高めるために複合材容器を適用している。複合材容器は、ガスの透過を遮断するライナー層と容器内部の圧力を支持する複合材繊維層で構成されるが、内部のライナー層には金属またはプラスチックが用いられている。特に、プラスチック材質のライナー層を適用する場合、耐久性に優れ、製造費用も低減できるため、それを使用している場合がたくさんある。複合材容器にプラスチックライナー層を適用する場合、プラスチックそのものがガスに対する十分な耐透過性を有すべきで、容器の入口にバルブを結合する部分には金属材のボス（あるいは金属ノズル）を設けることで、十分なバルブ結合強度及び気密を保持しなければならない。金属材ボスとプラスチックライナー層の接合部からガスの漏洩が発生する場合、使用条件によってはプラスチックライナー層の素材に深刻な変形を招いて破損を起こせるが、これは危険な事故の原因となることもある。
一方、図９は、従来技術による高圧の複合材容器を示す例示図である。図９に示すように、従来の高圧の複合材容器は、金属ノズル１をインサートしてプラスチックライナー層２を射出成形した後、プラスチックライナー層２と金属ノズル１の接合部にシールパッド３とシールプレート４を積層し、ロックナット５で固定する構造を有する。このような従来の高圧の複合材容器は、容器内部の圧力が高圧の場合、ロックナット５の下部の広い面積をシールパッド３が押して気密を保持することができるが、容器内部の圧力が低圧の場合は、シールパッド３の押す力が弱くなってシールパッド３とプラスチックライナー層２の接合部から微細に漏洩が発生することがあり、この漏洩部分から漏れていったガスが金属ノズル１とプラスチックライナー層２の接合部により閉ざされる場合、容器内部の圧力が低下する時にプラスチックライナー層２が変形されて破損する虞がある。
また、高圧の複合材容器は、ノズル部の大きさが大きくて構造が複雑で、容器の重量増加及び内部容積の縮小などにより容器の水素貯蔵密度が低くなるという問題がある。
一方、これと関連した従来技術として特許文献１がある。特許文献１では、プラスチックライナー層が容器入口に結合されるバルブと直接結合して気密を保持する構造を記述しているが、高圧では容器内部の圧力によってプラスチックライナー層と金属ボスの気密がある程度維持されるが、ガスを消耗して容器内部の圧力が低くなる場合はライナー層とボスの密着だけで十分な気密性能を確保しにくく、バルブの締結／分離を繰り返すと、プラスチックライナー層の形状の変形により気密性能を確保することが困難である。
特開２０１４−８４９００号公報
本発明は上述した点を考慮してなされたもので、金属ノズルとプラスチックライナー層との間の気密を確保及び保障できる高圧の複合材容器を提供することにその目的がある。
本発明による気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器は、高圧の複合材容器の内層を形成するプラスチックライナー層の入口側に金属ノズルが形成され、前記プラスチックライナー層の内側から外側方向に前記金属ノズルに密着挿入されたノズルインサートが構成され、前記ノズルインサートの上端部に固定されるナット部材が構成され、前記ノズルインサートは、その下端部にプラスチックライナー層の内周面に面接触する下側平板部が形成され、前記下側平板部は、プラスチックライナー層の内周面に形成された溝部に圧入されて嵌め込まれることを特徴とする。
本発明の実施例によれば、前記ノズルインサートとプラスチックライナー層との間には、気密を保持するために少なくとも１つのシール材が構成される。
前記下側平板部の上端面に形成された溝部には、ノズルインサートとプラスチックライナー層との間に面接触する第１シール材が嵌め込まれる。
他の実施例によれば、前記ノズルインサートの外周面とプラスチックライナー層の入口の内周面との間には、ノズルインサートとプラスチックライナー層との間に面接触する第２シール材が嵌め込まれる。
また他の実施例によれば、前記下側平板部の上端面の周縁部には、ノズルインサートとプラスチックライナー層との間に面接触する第３シール材が付着され、好ましくは前記下側平板部の上端面の周縁部には、凸状の段差部が形成され、前記段差部にノズルインサートとプラスチックライナー層との間に面接触する第３シール材が付着される。
また他の実施例によれば、前記下側平板部の上端面とプラスチックライナー層の内周面との間に面接触する第４シール材が前記ノズルインサートの外周面と金属ノズルの内周面との間まで延長形成されて面接触する。
また、前記ノズルインサートは、金属ノズルの外側に露出しているねじ山を持つように形成され、前記ねじ山にナット部材が締結されることによって金属ノズルの上端面にナット部材の一面が面接触するようになり、さらに、前記金属ノズルとナット部材との間には、金属ノズルをプラスチックライナー層側に弾力支持する弾性部材が挿入されることが好ましい。
本発明による高圧の複合材容器は、構造的に金属ノズルとプラスチックライナー層との間の気密を保障でき、ガス漏洩が発生した時、金属ノズルとプラスチックライナー層との間の界面でなく、ノズルインサートと金属ノズルとの間の界面側にガス漏洩が誘導され、それによって、ガス漏洩の判断を明確にし、プラスチックライナー層の破損を防止することができる。さらに、本発明による高圧の複合材容器は、従来に比べてノズル部を小さくて簡単な構造にすることができるため、容器重量の減少及び内部容積の増大などによって容器の水素貯蔵密度を向上することができる。
本発明の一実施例による高圧の複合材容器を示す図面である。 本発明の他の実施例による高圧の複合材容器を示す図面である。 本発明の他の実施例による高圧の複合材容器でガス漏洩が発生した時のガス流れ経路を示す図面である。 本発明のまた他の実施例による高圧の複合材容器を示す図面である。 本発明のまた他の実施例による高圧の複合材容器を示す図面である。 本発明のまた他の実施例による高圧の複合材容器を示す図面である。 本発明のまた他の実施例による高圧の複合材容器を示す図面である。 本発明のまた他の実施例による高圧の複合材容器を示す図面である。 従来技術による高圧の複合材容器を示す例示図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の実施例による高圧の複合材容器を示す図面であって、プラスチックライナー層１０の外側（あるいは外層）に複合材繊維層１００が形成されている。図１及び図２に示すように、本発明の実施例による高圧の複合材容器は、高圧の複合材容器の内層を形成するプラスチックライナー層１０の入口１２側に金属ノズル２０が一体に形成されている。プラスチックライナー層１０の射出成形時、金属ノズル２０を挿入して成形することで、プラスチックライナー層１０の入口１２の外側には金属ノズル２０が一体に形成される。
プラスチックライナー層１０の内側から外側方向に金属ノズル２０の内周面に密着して挿入されたノズルインサート３０が構成され、金属ノズル２０の上側に突出したノズルインサート３０の上端部の外周面にナット部材４０が固定されるように組み立てられる。具体的には、ノズルインサート３０は金属ノズル２０の外側に露出しているねじ山３１を有し、ねじ山３１にナット部材４０が締結されることによって、金属ノズル２０の上端面にナット部材４０の一面が気密に面接触するようになる。すなわち、ナット部材４０は、金属ノズル２０の上端面に面接触して密着積層される。
そして、ノズルインサート３０は、その下端部にプラスチックライナー層１０の内周面に面接触して密着する下側平板部３２が延長形成され、下側平板部３２の上端面に形成された溝部３４に第１シール材５０が嵌め込まれる。第１シール材５０は、ノズルインサート３０の下側平板部３２とプラスチックライナー層１０との間に面接触するように構成され、ノズルインサート３０とプラスチックライナー層１０との間の気密を安定的に維持する。第１シール材５０が面接触するプラスチックライナー層１０の入口１２の周辺は、金属ノズルが支持しているため、プラスチックライナー層１０と第１シール材５０との間を十分に圧着して気密を保持することができる。また、高圧の複合材容器の内部圧力が低い場合は、気密性能を向上するために、図２に示すように、金属ノズル２０とナット部材４０との間にバネ座金や板バネなどの弾性部材６０を挿入構成することができる。弾性部材６０は、金属ノズル２０をプラスチックライナー層１０側に弾力的に支持する役割をし、それによって、ノズルインサート３０とプラスチックライナー層１０との間の圧着力を増大できるため、低圧状態での気密性能を向上することができる。
上述した構造を有する高圧の複合材容器にガス漏洩が発生する場合、金属ノズル２０とプラスチックライナー層１０との間の界面でなく、ノズルインサート３０と金属ノズル２０との間の界面側にガス漏洩が誘導される（図３参照）。そして、図面に示していないが、ノズルインサート３０の外周面または金属ノズル２０の外周面に微細流路または表面凹凸などを形成して漏洩ガスを測定し易い側に誘導することも可能である。さらに、上述した構造を有する高圧の複合材容器は、燃料電池自動車の燃料タンクなどに適用してもよい。
一方、本発明のまた他の実施例として、上述した高圧の複合材容器とほぼ同じ水準の気密性能を確保できる構造の高圧の複合材容器を図４から図８を参照して説明する。
先ず、図４及び図５を参照すると、ノズルインサート３０の外周面とプラスチックライナー層１０の入口１２の内周面との間には、プラスチックライナー層１０とノズルインサート３０との間の気密を保持するためにシール材として第２シール材７０が構成される。第２シール材７０は、ノズルインサート３０の外周面に形成された溝部３６に嵌め込まれる形態であって、ノズルインサート３０の外周面とプラスチックライナー層１０の入口１２の内周面との間に面接触して密着することで気密を保持する。このような第２シール材７０は、ノズルインサート３０の溝部３６に圧入されるプラスチック材質のＯリングで構成されるか（図４参照）、またはゴム材質のＯリングで構成されてノズルインサート３０の溝部３６に挿入されるが（図５参照）、この際、溝部３６にはゴム材質Ｏリングの離脱防止のためのバックアップリング７２がＯリングと共に挿入された形態で嵌め込まれる。そして、図６に示すように、気密性能を強化するために、第２シール材７０は上述した第１シール材５０とともに使用可能であり、後述する第３シール材８０も第１シール材５０とともに使用可能である。具体的には、ノズルインサート３０の外周面と下側平板部３２の上端面に気密を保持するためにシール構造を同時に適用することによって、ノズルインサート３０とプラスチックライナー層１０との間に気密性能をさらに強化することができる。
次に、図７を参照すると、ノズルインサート３０とプラスチックライナー層１０との間に気密を保持するためのシール材として、下側平板部３２の上端面の周縁部にはゴム材質のガスケットからなる第３シール材８０が構成される。第３シール材８０は、下側平板部３２の上端面とプラスチックライナー層１０の内周面との間に面接触して密着することで気密を保持する。この際、気密性能を強化するために、下側平板部３２の上端面の周縁部には凸状の段差部３８が形成され、この段差部３８に第３シール材８０が気密に付着される。そして、プラスチックライナー層１０の内周面には、下側平板部３２が気密に挿入される（あるいは圧入される）溝部１４が形成され、この溝部１４に嵌め込まれる下側平板部３２の周縁部に付着される第３シール材８０によってノズルインサート３０とプラスチックライナー層１０との間に気密を保持するようになる。この際、溝部１４は、プラスチックライナー層１０の入口１２に隣り合って形成される。
図８を参照すると、ノズルインサート３０とプラスチックライナー層１０との間に気密を保持するためのシール材として、下側平板部３２の上端面とプラスチックライナー層１０の内周面との間に面接触する第４シール材９０がノズルインサート３０の外周面と金属ノズル２０の内周面との間まで延長形成されて面接触する。第４シール材９０は、ゴム材質のガスケットからなり、下側平板部３２の上端面からノズルインサート３０の外周面まで密着可能な構造で形成されることで、プラスチックライナー層１０及び金属ノズル２０に同時に接触した形態で気密を保持する。
以上、本発明の多様な実施例に関して詳細に説明したが、本発明の権利範囲は上述した実施例に限定されることはなく、様々な変形及び改良も含む。
１０ プラスチックライナー層
１２ 入口
１４ 溝部
２０ 金属ノズル
３０ ノズルインサート
３２ 下側平板部
３４、３６ 溝部
３８ 段差部
４０ ナット部材
５０ 第１シール材
６０ 弾性部材
７０ 第２シール材
７２ バックアップリング
８０ 第３シール材
９０ 第４シール材
１００ 複合材繊維層

Claims (9)

  1. 高圧の複合材容器の内層を形成するプラスチックライナー層の入口側に金属ノズルが形成され、前記プラスチックライナー層の内側から外側方向に前記金属ノズルに密着挿入されたノズルインサートが構成され、前記ノズルインサートの上端部に固定されるナット部材が構成され、
    前記ノズルインサートは、その下端部にプラスチックライナー層の内周面に面接触する下側平板部が形成され、
    前記下側平板部は、プラスチックライナー層の内周面に形成された溝部に圧入されて嵌め込まれることを特徴とする気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器。
  2. 前記ノズルインサートとプラスチックライナー層との間は、気密を保持するために少なくとも１つのシール材が構成されることを特徴とする請求項１に記載の気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器。
  3. 前記下側平板部の上端面に形成された溝部には、ノズルインサートとプラスチックライナー層との間に面接触する第１シール材が嵌め込まれることを特徴とする請求項１に記載の気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器。
  4. 前記下側平板部の上端面の周縁部には、ノズルインサートとプラスチックライナー層との間に面接触する第２シール材が付着されることを特徴とする請求項１に記載の気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器。
  5. 前記下側平板部の上端面の周縁部には、凸状の段差部が形成され、前記段差部に第３シール材が付着されることを特徴とする請求項４に記載の気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器。
  6. 前記下側平板部の上端面とプラスチックライナー層の内周面との間に面接触する第４シール材が前記ノズルインサートの外周面と金属ノズルの内周面との間まで形成されて面接触するようになることを特徴とする請求項１に記載の気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器。
  7. 前記ノズルインサートの外周面とプラスチックライナー層の入口の内周面との間には、ノズルインサートとプラスチックライナー層との間に面接触する第２シール材が嵌め込まれることを特徴とする請求項１に記載の気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器。
  8. 前記ノズルインサートは、金属ノズルの外側に露出しているねじ山を有し、前記ねじ山にナット部材が締結されることによって金属ノズルの上端面にナット部材の一面が面接触するようになることを特徴とする請求項１に記載の気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器。
  9. 前記金属ノズルとナット部材との間に、前記金属ノズルをプラスチックライナー層側に弾力支持する弾性部材が挿入されることを特徴とする請求項８に記載の気密なノズル構造を有する高圧の複合材容器。
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