JP6828571B2 - 高圧容器 - Google Patents

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Description

本発明は、高圧容器に関する。
下記特許文献１には、容器としての高圧水素タンクが開示されている。この高圧水素タンクは、樽型に形成されたライナと、ライナに巻き付けられかつ繊維強化樹脂により構成された補強層とを含んで構成されている。この構成により、ライナの剛性が高められているため、内部に高圧の水素を収容可能とされている。
特開２００２−１８８７９４号公報
しかしながら、特許文献１に開示された高圧水素タンクは、樽型の大きなものであるため、この高圧水素タンクを車両へ搭載するためにキャビン空間やラゲッジ空間が減少する場合がある。つまり、車両スペースを効率的に利用できない可能性がある。この点を解決するため、車両の空いているスペースに配置できる程度の小径の円筒状タンクを複数設けることが考えられる。しかしながら、円筒状タンクの場合、軸方向の両端部を閉塞するために口金を設ける必要があるが、タンク内部の流体の圧力によって口金にはタンク本体から離脱させる方向に荷重が発生する。したがって、車両スペースを効率的に利用しながらタンクの耐圧性を向上させるためには改良の余地がある。
本発明は上記事実を考慮し、容器の耐圧性を向上させることができる高圧容器を得ることを目的とする。
請求項１に記載の発明に係る高圧容器は、円筒状に形成されると共に、軸方向の少なくとも一方の端部が開口された胴体部と、前記胴体部の開口された前記端部の内部に少なくとも一部が挿入されることで前記端部を閉塞した口金と、前記胴体部の外周面に設けられると共に前記胴体部の周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第１補強層と、前記胴体部の軸方向における一方の端部と他方の端部とに架け渡された繊維を含んだ繊維強化樹脂により構成され、かつ前記第１補強層と一体化された第２補強層と、を備え、前記口金における前記胴体部の軸方向外側端部の外周面には、前記胴体部の周方向に沿って互いに離間された複数の突起部が設けられており、前記第２補強層の繊維は、前記胴体部の軸方向視にて複数の前記突起部同士の間に配設され、かつ前記胴体部の軸方向に直交する方向視にて繊維方向が前記胴体部の軸方向に平行に配設されている。
請求項１に記載の発明によれば、胴体部は、円筒状に形成されると共に、胴体部の軸方向（以下、単に「軸方向」と称する）の少なくとも一方の端部が開口されており、端部の内部に口金の少なくとも一部が挿入されることで端部を閉塞している。胴体部の外周面には、胴体部の周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第１補強層が設けられている。したがって、胴体部は、周方向及び径方向の耐圧性が向上されている。
ここで、高圧容器には、胴体部における軸方向の一方の端部と他方の端部とに架け渡された繊維を含んだ繊維強化樹脂により構成され、かつ第１補強層と一体化された第２補強層が設けられている。したがって、胴体部における軸方向の端部に軸方向に沿って軸方向外側へ向けた荷重が入力された場合でも、一方の口金と他方の口金とに架け渡された第２補強層及びこの第２補強層と一体化された第１補強層によって軸方向外側への荷重を受け止めることができる。これにより、高圧容器自体の軸方向の耐圧性を向上させることができる。
また、口金における軸方向外側端部の外周面には、胴体部の周方向に沿って互いに離間された複数の突起部が設けられており、第２補強層の繊維は、軸方向に沿って複数の突起部同士の間に配設されている。
したがって、突起部が第２補強層の繊維の口金上の移動を制限するため、繊維が口金上を滑って口金に掛からなくなるのを防ぐことができる。これにより、軸方向に直交する方向視にて繊維を胴体部の軸方向に平行に配設させることができる。つまり、繊維の繊維方向と軸方向とが同一方向となるため、軸方向外側への荷重を第２補強層の繊維にてより確実に受け止めることができる。
請求項２に記載の発明に係る高圧容器は、請求項１に記載の発明において、前記口金における前記胴体部の軸方向外側端部の中心部には、前記胴体部の軸方向に沿って外側へ突出された突出部が設けられており、前記第２補強層の繊維は、前記胴体部の軸方向視にて前記突出部の根元部側に付勢されている。
請求項２に記載の発明によれば、口金における軸方向外側端部の中心部には、軸方向に沿って外側へ突出された突出部が設けられている。そして、第２補強層の繊維は、軸方向視にて突出部の根元部側に付勢されている。したがって、第２補強層の繊維が、口金の径方向外側へ横滑りするのを抑制することができる。
請求項３に記載の発明に係る高圧容器は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記口金における前記胴体部の内部に挿入された部位には、前記胴体部の内部に向かって開口し、かつ前記胴体部の軸方向外側へ向かって凹んだ凹部が形成されている。
請求項３に記載の発明によれば、口金における前記胴体部の内部に挿入された部位には、胴体部の内部に向かって開口し、かつ胴体部の軸方向外側へ向かって凹んだ凹部が形成されている。したがって、高圧容器内部の容量を凹部によってさらに増加させることができる。
請求項１記載の本発明に係る高圧容器は、容器の耐圧性を向上させることができるという優れた効果を有する。
また、請求項１記載の本発明に係る高圧容器は、軸方向の耐圧性をより向上させることができるという優れた効果を有する。
請求項２記載の本発明に係る高圧容器は、口金から第２補強層が脱落するのを抑制することができるという優れた効果を有する。
請求項３記載の本発明に係る高圧容器は、内部容量を増加させることができるという優れた効果を有する。
第１実施形態に係る高圧容器を示す概略側面図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿って切断した状態を示す拡大断面図である。 第１実施形態に係る高圧容器の口金の軸方向外側端部における第２補強層の繊維を軸方向視にて概略的に示す概略図である。 （Ａ）は第１実施形態に係る高圧容器を軸方向内側から見た状態を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に対して軸方向外側から見た状態を示す斜視図である。 第１実施形態に係る高圧容器の軸方向と第２補強層の繊維方向との関係を説明するための概略展開図である。 第２実施形態における口金を示す部分断面図である。 第２実施形態に係る高圧容器の口金の軸方向外側端部における第２補強層の繊維方向を軸方向視にて概略的に示す概略図である。 第２実施形態に係る高圧容器を示す概略側面図である。 第２実施形態に係る高圧容器の口金の軸方向外側端部における第２補強層の繊維を軸方向視にて概略的に示す概略図である。
（第１実施形態）
以下、図１〜図５を用いて、本発明の第１実施形態について説明する。
図示しない車両に設けられたタンクモジュールは、図１に示される高圧容器としての高圧タンク１０を複数組み合わせることで構成されており、一例として、燃料電池車両のフロアパネル（不図示）の車両下方側に複数並べた高圧タンク１０同士を連結させた構成とされている。
高圧タンク１０は、一例として車両幅方向又は車両前後方向を軸方向（長手方向）とする略円柱状に形成されている。この高圧タンク１０は、図２に示されるように、胴体部１２と、第１補強層１４と、第２補強層１６と、を含んで構成されている。胴体部１２は、軸方向の両端部が開口された円筒状に形成されかつ一例としてアルミニウム合金により構成されている。なお、胴体部１２は、フロアパネルの車両下方側の空いているスペース内に収容可能な径寸法とされている。
第１補強層１４は、シート状のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）とされていると共に、胴体部１２の外周面１８に巻き付けられている。この第１補強層１４の内部には、図示しない炭素繊維が胴体部１２の周方向に沿って配列されている。換言すると、第１補強層１４の繊維方向は、胴体部１２の周方向とされている。
高圧タンク１０の胴体部１２における軸方向一方側の端部と他方側の端部との内部には、一対の口金２０がそれぞれ挿入されている。口金２０は、軸方向外側に向かって凸となる略半球状に形成されている（図４（Ｂ）参照）。この口金２０は、胴体挿入部２２と、連通流路２４と、突出部３０とを有している。胴体挿入部２２は、胴体部１２に対応した位置に配置されており、軸方向内側へ向かって突出されかつ内部に向かって開口された後述する凹部３２を有する略円筒状に形成されている。胴体挿入部２２の外周面２３は、胴体部１２の内周面と対向されている。
胴体挿入部２２の内部に設けられている凹部３２は、軸方向外側へ向かって凹形状とされている。この凹部は、テーパー部３４と水平部３６とを有しており、テーパー部３４は、胴体挿入部２２の先端部における端面３８側に配設されていると共に軸方向外側へ向かって縮径するように形成されている。また、水平部３６は、凹部３２の軸方向外側に配設されていると共に軸方向に沿って有底円筒状に形成されている。さらに、水平部３６における側壁部４０と底壁部４２とは、円弧状の円弧部４４を介して接続されている。同様に、水平部３６における側壁部４０とテーパー部３４の側壁部４６とは、円弧部４８を介して接続されている。なお、水平部３６の底壁部４２には、後述する連通流路２４の開口が設けられている。
胴体挿入部２２の先端部（軸方向内側）には、外縁部を切り欠くことで形成されたパッキン収容部２６が設けられており、このパッキン収容部２６の内部にＯリング２８が収められている。Ｏリング２８は、胴体部１２の径方向に沿って弾性的に変形することで、胴体部１２の内周面に当接されている。
胴体挿入部２２の端面３８には、複数（本実施形態では一例として４つ）の締結孔５４が形成されている（図４（Ａ）参照）。また、端面３８には、円盤状に形成された保持板５６が当接されており、この保持板５６は、軸方向視にて中心部に口金２０の凹部３２と連続する連通孔６０が形成されている。さらに、保持板５６には、端面３８の締結孔５４に対応した位置に板厚方向に貫通された貫通孔６２が形成されており、この貫通孔６２と端面３８の締結孔５４とにボルト６４をそれぞれ挿通させて締結することで、端面３８に保持板５６が取り付けられている。なお、保持板５６の径は、胴体挿入部２２の一般部（パッキン収容部２６以外の部位）と略同一に設定されている。つまり、保持板５６の外周面６８は、胴体部１２の内周面と対向されている。以上の口金２０における胴体挿入部２２によって、胴体部１２の軸方向一方側の端部と他方側の端部とがそれぞれ閉塞されている。
突出部３０は、口金２０における軸方向外側端部７２に設けられている。具体的には、突出部３０は、口金２０の軸方向外側端部７２における軸Ｃに対応した位置に設けられていると共に、軸方向外側へ向かって突出された円柱状に形成されている（図４（Ｂ）参照）。突出部３０の内部には、内周面にねじ切り部が形成されている締結孔７４が形成されており、この締結孔７４の底部７６には、連通流路２４の開口が設けられている。
連通流路２４は、口金２０の内部に形成されている。この連通流路２４は、胴体挿入部２２の内部に軸方向に沿って設けられており、口金２０の内外を連通する構成とされている。そして、連通流路２４には、他の複数の高圧タンク（不図示）の連通流路２４と連結された図示しない連結パイプが接続されている。これにより、複数の高圧タンク１０の胴体部１２の内部は、互いに連通されている。なお、連結パイプには、図示しないバルブが設けられており、これにより連通流路２４ひいては連結パイプ内を流れる流体の量をコントロール可能とされている。そして、連絡パイプは、図示しない燃料電池スタック等に接続されている。
第２補強層１６は、第１補強層１４の径方向外側かつ一対の口金２０の外側面に設けられている。この第２補強層１６は、内部に複数の繊維７８を有するＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）により構成されている（図１、図３参照）。なお、図では、繊維７８を分かり易く示すため、実際より太さを誇張して図示すると共に、繊維７８の繊維方向を分かり易く示すため本数を少なく図示している。
図３に示されるように、第２補強層１６の繊維７８は、口金２０の軸方向外側端部７２に巻き付けられている。具体的には、軸方向視にて口金２０の突出部３０の根元部８２（図１参照）に近接して直線的に巻き付けられている。換言すると、繊維７８は、口金２０の軸方向外側端部７２の測地線の近くを通って巻き付けられている。口金２０の軸方向外側端部７２に巻き付けられた繊維７８は、図１に示されるように、軸方向に直交する方向視にて軸方向に対して所定の角度θ傾けて他方の口金２０へ向かって胴体部１２の第１補強層１４上（図２参照）に巻き付けられている（所謂ヘリカル巻き）。なお、この所定の角度とは、図５に示されるように、高圧タンク１０を平面上かつ模式的に展開した状態において、径寸法Ｒとされた口金２０の軸方向外側端部７２と胴体部１２との接点Ｐと、径寸法ｒとされた突出部３０の外周面とを直線状に繋いだ繊維７８が、軸Ｃと成す角度θに設定されており、本実施形態の場合は一例として約２４°に設定されている。これにより、繊維７８は、口金２０の軸方向外側端部７２にて突出部３０の根元部８２側に付勢されている。
図１に示されるように、一方の口金２０から他方の口金２０へ向かって胴体部１２の第１補強層１４上を巻き付けられた繊維７８は、他方の口金２０の軸方向外側端部７２にて一方の口金２０と同様に測地線の近くを通って巻き付けられている。そして、繊維７８は、他方の口金２０から一方の口金２０へと上述したヘリカル巻きにて巻き付けられている。以上を複数回繰り返して層状（図中二点鎖線参照）にすることで、第２補強層１６が形成されている。そして、第２補強層１６と第１補強層１４とは、それぞれ胴体部１２及び口金２０に繊維７８を巻き付けた後に同一のタイミングで焼き固める工程を加えるため、一体化されている。なお、図２では、第１補強層１４と第２補強層１６とをそれぞれ分かり易く示すため、別部材として図示している。
（第１実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。
本実施形態では、図１に示されるように、胴体部１２は、円筒状に形成されると共に、軸方向の両端部がそれぞれ開口されており、胴体部１２の両端部内にこの両端部を閉塞するように一対の口金２０の胴体挿入部２２がそれぞれ挿入されている。胴体部１２の外周面１８には、胴体部１２の周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第１補強層１４が設けられている。したがって、胴体部１２は、周方向及び径方向の耐圧性が向上されている。
ここで、胴体部１２における軸方向の一方の端部と他方の端部とに架け渡された繊維７８を含んだ繊維強化樹脂により構成されかつ第１補強層１４と一体化された第２補強層１６が設けられている。したがって、胴体部１２における軸方向の端部に、軸方向に沿って軸方向外側へ向けた荷重が入力された場合でも、一方の口金２０と他方の口金２０とに架け渡された第２補強層１６及びこの第２補強層１６と一体化された第１補強層１４によって軸方向外側への荷重を受け止めることができる。したがって、高圧タンク１０自体の軸方向の耐圧性を向上させることができる。これにより、容器の耐圧性を向上させることができる。
また、口金２０における軸方向外側端部７２の中心部には、軸方向に沿って外側へ突出された突出部３０が設けられている。また、第２補強層１６の繊維７８は、軸方向視にて突出部３０の根元部８２側に付勢されるように、繊維方向が胴体部１２の軸方向に直交する方向視で軸方向に対して所定の角度θにて傾けられている。したがって、第２補強層１６の繊維７８が、口金２０の径方向外側へ横滑りするのを抑制することができる。これにより、口金から第２補強層が脱落するのを抑制することができる。
さらに、口金２０における胴体部１２の内部に挿入された胴体挿入部２２には、胴体部１２の内部に向かって開口しかつ胴体部１２の軸方向外側へ向かって凹んだ凹部３２が形成されている。したがって、高圧タンク１０の内部の容量を凹部によってさらに増加させることができる。
（第２実施形態）
次に、図６〜図８を用いて、本発明の第２実施形態に係る高圧タンク９０について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。
この第２実施形態に係る高圧タンク９０は、基本的な構成は第１実施形態と同様とされ、口金２０に複数の突起部９２が設けられている点に特徴がある。
すなわち、図６、図７に示されるように、口金２０における軸方向外側端部７２の外周面８６には、口金２０の径方向外側に向かって突出された突起部９２が複数設けられている。この複数の突起部９２同士は、略同一の間隔にて離間されている。また、突起部９２の側面部９４における軸方向外側には、ガイド面９６が形成されている。このガイド面９６は、図７に示されるように、一対の傾斜壁面９８により構成されており、それぞれの傾斜壁面９８は軸方向外側へ向かうに連れて互いに近接する様に傾斜されている。
図７に示されるように、第２補強層１００は、第１補強層１４の径方向外側かつ一対の口金２０の外側面に設けられている。この第２補強層１００は、内部に複数の繊維１０２を有するＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）により構成されている。なお、図では、繊維１０２を分かり易く示すため、実際より太さを誇張して図示すると共に、繊維１０２の繊維方向を分かり易く示すため本数を少なく図示している。
第２補強層１００の繊維１０２は、突起部９２同士の間を通って口金２０の軸方向外側端部７２に間に巻き付けられている。具体的には、軸方向視にて口金２０の突出部３０の根元部８２（図１参照）に当接するように一方の突起部９２同士の間からこれと略対向する突起部９２同士の間へと巻き付けられている。口金２０の軸方向外側端部７２に巻き付けられた繊維１０２は、図８に示されるように、軸方向に直交する方向視にて一方の口金２０の軸方向外側端部７２から軸方向に沿って他方の口金２０へ向かって胴体部１２の第１補強層１４上に巻き付けられている。
一方の口金２０から他方の口金２０へ向かって胴体部１２の第１補強層１４上を巻き付けられた繊維１０２は、他方の口金２０の軸方向外側端部７２にて一方の口金２０と同様に一方の突起部９２同士の間からこれと略対向する突起部９２同士の間へと巻き付けられている。そして、繊維１０２は、他方の口金２０から一方の口金２０へと軸方向に沿って巻き付けられている。以上を複数回繰り返して層状（図８中二点鎖線参照）にすることで、第２補強層１００が形成されている。なお、第２補強層１００と第１補強層１４とは、それぞれ胴体部１２及び口金２０に繊維１０２を巻き付けた後に同一のタイミングで焼き固める工程を加えるため、一体化されている。
（第２実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。
上記構成によっても、口金２０に複数の突起部９２が設けられている点以外は第１実施形態の高圧タンク１０と同様に構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、口金２０における軸方向外側端部７２の外周面８６には、胴体部１２の周方向に沿って互いに離間された複数の突起部９２が設けられており、第２補強層１００の繊維１０２は、軸方向に沿って複数の突起部９２同士の間に配設されている。したがって、第２補強層１００の繊維１０２は、突起部９２によって口金２０上の移動が制限されるため、繊維１０２が口金２０上を滑って口金２０に掛からなくなるのを防ぐことができるので、軸方向に直交する方向視にて繊維１０２を胴体部１２の軸方向に平行に配設させることができる。つまり、繊維１０２の繊維方向と軸方向とが同一方向となるため、軸方向外側への荷重を第２補強層１００の繊維１０２にて、より確実に受け止めることができる。これにより、軸方向の耐圧性をより向上させることができる。
また、本実施形態では、軸方向に直交する方向視にて繊維１０２の繊維方向と軸方向とが同一方向となる。つまり、高圧タンク９０の一方の端部と他方の端部との間を最短距離にて繊維１０２が架け渡されているため、繊維１０２ひいては第２補強層１００の重量を低減することができる。
なお、上述した第１、第２実施形態では、口金２０に設けられた凹部３２は、略円筒状に形成されているが、これに限らず、半球状等のその他の形状に形成されていてもよい。
また、口金２０は、胴体部１２における軸方向一方側の端部と他方側の端部との内部にそれぞれ挿入された構成とされているが、これに限らず、胴体部１２における軸方向の少なくとも一方の端部にのみ口金２０が設けられた構成としてもよい。
さらに、上述した第２実施形態では、第２補強層１００の繊維１０２は、軸方向視にて口金２０の突出部３０の根元部８２に当接するように一方の突起部９２同士の間からこれと略対向する突起部９２同士の間へと巻き付けられているが、これに限らず、図９に示されるように、一方の突起部９２同士の間から根元部８２に沿って湾曲させて一方の突起部９２同士の間に対して略直角に位置する他方の突起部９２同士の間へと（図中実線からハッチング線、白抜き線の順のように図面時計回りに）巻き付けるのを繰り返す構成としてもよいし、その他の巻き付け方にしてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。
１０ 高圧タンク（高圧容器）
１２ 胴体部
１４ 第１補強層
１６ 第２補強層
１８ 外周面
２０ 口金
２２ 胴体挿入部（胴体部の内部に挿入された口金の一部）
３０ 突出部
３２ 凹部
７８ 繊維
８２ 根元部
８６ 外周面
９０ 高圧タンク（高圧容器）
９２ 突起部
１００ 第２補強層
１０２ 繊維

Claims (3)

  1. 円筒状に形成されると共に、軸方向の少なくとも一方の端部が開口された胴体部と、
    前記胴体部の開口された前記端部の内部に少なくとも一部が挿入されることで前記端部を閉塞した口金と、
    前記胴体部の外周面に設けられると共に前記胴体部の周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第１補強層と、
    前記胴体部の軸方向における一方の端部と他方の端部とに架け渡された繊維を含んだ繊維強化樹脂により構成され、かつ前記第１補強層と一体化された第２補強層と、
    を備え、
    前記口金における前記胴体部の軸方向外側端部の外周面には、前記胴体部の周方向に沿って互いに離間された複数の突起部が設けられており、
    前記第２補強層の繊維は、前記胴体部の軸方向視にて複数の前記突起部同士の間に配設され、かつ前記胴体部の軸方向に直交する方向視にて繊維方向が前記胴体部の軸方向に平行に配設されている、
    高圧容器。
  2. 前記口金における前記胴体部の軸方向外側端部の中心部には、前記胴体部の軸方向に沿って外側へ突出された突出部が設けられており、
    前記第２補強層の繊維は、前記胴体部の軸方向視にて前記突出部の根元部側に付勢されている、
    請求項１に記載の高圧容器。
  3. 前記口金における前記胴体部の内部に挿入された部位には、前記胴体部の内部に向かって開口し、かつ前記胴体部の軸方向外側へ向かって凹んだ凹部が形成されている、
    請求項１又は請求項２に記載の高圧容器。
JP2017082042A 2017-04-18 2017-04-18 高圧容器 Active JP6828571B2 (ja)

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