JP6889406B2

JP6889406B2 - 高圧タンク

Info

Publication number: JP6889406B2
Application number: JP2017239264A
Authority: JP
Inventors: 元輝前川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: JP2019105337A

Description

本発明は、高圧タンクに関する。

特許文献１には、石膏型の表面に耐熱離型フィルムを全面に巻回してその上にＦＲＰ層を設ける技術が示されている。

特開昭６３−１３９７３４号公報

この特許文献１の技術を、ライナの外側がＣＦＲＰ層で覆われた高圧タンクの製造方法に適用しようとすると、ストレート部とドーム部を有するライナの外周に耐熱離型フィルムを巻回したときに、ドーム部の位置に皺が発生するおそれがある。この皺の発生を抑制するために、ドーム部を覆う部分とストレート部を覆う部分とで離型フィルムを分けると、ドーム部用の離型フィルムがライナから外れてしまい、固定することができない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ドーム部を覆う離型材をライナに確実に固定できる高圧タンクを得ることである。

上記課題を解決する本発明の高圧タンクは、
ストレート部及び該ストレート部の両端に接続されるドーム部を有するライナと、
前記ライナのドーム部の開口部に配置された口金と、
前記ライナ及び前記口金の外周に配置されたＣＦＲＰ層と、
を備える高圧タンクであって、
前記ライナと前記口金の外周にフィルム状の離型材が配置され、該離型材の外周に前記ＣＦＲＰ層が配置されており、
前記フィルム状の離型材は、前記ライナのストレート部用とドーム部用に分けられており、
前記ドーム部用の離型材の端部は前記ライナのストレート部の領域まで延ばされ、前記ストレート部用の離型材で覆われている
ことを特徴とする。

この高圧タンクにおいては、フィルム状の離型材はライナのストレート部用とドーム部用に分割されており、ドーム部用の離型材の端部はライナのストレート部の領域まで延ばされ、当該延ばされたドーム部用の離型材の端部はストレート部用の離型材で覆われて、離型材が重ねられた状態で締め付けられる。そして、これらの離型材の外周にＣＦＲＰ層が配置される。

本発明の高圧タンクによれば、ドーム部に取り付けられる離型材の端部がストレート部の領域まで延ばされ、ドーム部に取り付けられる離型材は、その延びた端部において、ストレート部用の離型材で覆われる。離型材は、ドーム部用とストレート部用に分割されているので、分割されたいずれの部分にも皺が入るのを抑制することができる。また、ドーム部用の離型材の端部をストレート部用の離型材で締め付けているので、当該締め付け力でドーム部用の離型材の固定力を向上させることができる。このように、離型材がドーム部用とストレート部用に分割されたタイプのものでありながら、ドーム部用の離型材がライナから外れて固定されないというような事態が回避され、離型材を確実に固定することができる。

本発明による高圧タンクの一実施形態を示す縦断面図。高圧タンクに用いられるライナアッセンブリ、及びライナアッセンブリに適用される離型材の一例を示す縦断面図。図１に示す高圧タンクの特徴的な部分を拡大して示す断面図であって、（ａ）は図１に示す高圧タンクのストレート部であるＡ部を拡大して示す縦断面図、（ｂ）及び（ｃ）は図１に示す高圧タンクの口金とその周囲であるＢ部又はＣ部をそれぞれ拡大して示す縦断面、（ｄ）は図１に示す高圧タンクのストレート部とドーム部の接続部であるＤ部を拡大して示す縦断面。比較例としての高圧タンクの断面図であり、図４（ａ）は比較例としての高圧タンクのライナアッセンブリの一例を示す縦断面図、図４（ｂ）は（ａ）に示すライナアッセンブリのＥ部を拡大して示す断面図、図４（ｃ）は（ａ）に示すライナアッセンブリのＦ部を拡大して示す断面図。

例えば従来から、内部の高い圧力に耐えつつ軽量化を図ることができる圧力容器として、繊維強化複合材料製の高圧タンクが開発されている。このような高圧タンクは、一般に、タンクの外側層を構成しており繊維強化複合材料からなる繊維強化プラスチック層、タンクの内側層を構成しておりガスバリア性を有するライナ、及びライナの長手方向両端に設けられている口金を備えている。そして、ライナの外周と繊維強化プラスチック層の内側との間には、ライナと繊維強化プラスチック層との固着を抑制するために離型フィルムが配置されている。

離型フィルムが有効に機能せずライナと繊維強化プラスチック層が固着してしまうと、例えば、低温環境の場合にライナの柔軟性が低下したときには、タンクの内圧による応力がライナの局所に集中し、ライナが歪む或いは割れる可能性がある。そうした事態を回避するために、ライナの外表面に補強層を備え、ライナの補強層と接触する領域の少なくとも一部に補強層との固着を抑制する固着抑制加工（離形層）を施すことで、ライナが高圧タンクの内圧によって受ける応力の集中を避け、応力の分散を図っているものがある。

このような高圧タンクは、軽量で且つライナにおける応力集中を避けることができるものであるが、ドーム部とストレート部とを備えている高圧タンクでは、ドーム部の外周に配置された離型フィルムに皺が入り易く、皺を抑制するためにドーム部とストレート部で離型フィルムを分割するとドーム部の離型フィルムが外れて固定されないおそれがある。また、口金をライナに圧入するのに当該ライナと口金との間の圧入部位に隙間部が必要であるが、当該隙間部に起因した樹脂や異物の侵入という課題も残されている。

また、高圧タンクの製造方法として、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」という）が知られているが、ＦＷ法では、ライナの外周にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が含浸されている強化繊維（炭素繊維が使われる）を巻き付け、その熱硬化性樹脂を加熱して熱硬化させることで炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＲＰ」という）の層を形成している。ＣＦＲＰは、硬化するまでの未硬化の状態のときに、ライナアッセンブリと接触するため、ＣＦＲＰのエポキシ樹脂がライナと口金の隙間部に入り込むことがある。エポキシ樹脂が隙間部に入り込むと、その硬化時にライナと口金を固着する。その後、低温時にライナの柔軟性が低下した状態でライナが膨張収縮すると、ライナに応力集中が発生し、ライナが歪む又は割れる等の現象が生じる可能性がある。また、ライナと口金の隙間部に例えばＣＦＲＰの欠けたもの（異物）などが挟まり、その後、ガスの充填・放出や環境温度によりライナの膨張収縮が繰り返されると、異物はライナと口金との間のシール部まで落ち込み、シール部のシール性能を低下させる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、下記にその一実施形態を説明する。

図１〜図３を参照して、高圧タンクの基本的な構造について説明する。図１に示す高圧タンク１０は、例えば、車載用の燃料電池システムに用いる燃料ガスとしての水素を貯蔵するために利用されるタンクである。高圧タンク１０は、ライナ１２と、口金１４, １６と、炭素繊維強化プラスチック層（以下、「ＣＦＲＰ層」という）４０とを備えている。口金１４，１６は、内側のライナ１２の長手方向両端に取り付けられている。ライナ１２と口金１４, １６とからなる構成はライナアッセンブリ２０とも呼ぶ。図１には図示していないが、ライナアッセンブリ２０のライナ１２の外周には、タンクの外表面となるＣＦＲＰ層４０との間に、図２（ｂ）に示すような離型材３０が配置されている。

ライナ１２は、例えばナイロン系樹脂など水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂が成型されることによって構成されている。ライナ１２は、長手方向の両端近傍に形成された曲面形状部分であるドーム部２１，２２と、ドーム部２１，２２に接続されてこれらの間を繋ぐ筒状部分であるストレート部２３とを備えている。図２（ａ）において破線で示す範囲がドーム部２１，２２であり、一点鎖線で示す範囲がストレート部２３である。ドーム部２１，２２の開口部には口金１４，１６が配置されている。なお、本実施形態においては、ライナ１２は樹脂製であるとしたが、金属製であってもよい。

ＣＦＲＰ層４０は、ＦＷ法によって、予め熱硬化性樹脂を含浸された炭素繊維が巻回されて形成されている。具体的には、熱硬化性樹脂を含浸された炭素繊維は、離型材３０が適用されたライナ１２の周囲に巻回される。繊維の巻回の態様としては、フープ巻き、低角度・高角度のヘリカル巻き等を採用することができる。また、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂を採用することができる。巻回する繊維としては炭素繊維の他、ガラス繊維、アラミド繊維等を採用してもよい。ＣＦＲＰ層４０は、エポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維を巻回したライナアッセンブリ２０を加熱炉で加熱し、エポキシ樹脂を熱硬化させることで形成される。

離型材３０は、離型剤からなるフィルムによって形成されている。フィルム状の離型材３０は、ライナアッセンブリ２０とＣＦＲＰ層４０との間の全領域に形成されている。離型材３０は、ライナアッセンブリ２０とＣＦＲＰ層４０との固着を抑制している。離型材３０は、特に図２（ｂ）に示すように、ライナ１２のドーム部２１，２２とストレート部２３に対応して分割されている。即ち、離型材３０は、ドーム部２１，２２に取り付けられるドーム部用の離型材であるドーム状離型材部３１，３２（破線で囲む部分）と、ストレート部２３に取り付けられるストレート部用の離型材であるストレート状離型材部３３（一点鎖線で囲む部分）とに分けた構成とされている。

図３（ａ）に示すように、フィルム化された離型材３０は、ライナ１２が吸水した水分がＣＦＲＰ層４０に入り込むのを阻止するので、外側のＣＦＲＰ層４０の硬化が水分によって阻害されるのを防止することができる。離型材３０としては、フッ素系離型材、或いはシリコン系離型材を用いることができる。

図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、ドーム状離型材部３１は口金１４の首元１５まで延びて配置されている（図３（ｂ）に示す円で囲われた部分を参照）。それによって、ドーム状離型材部３１は、ＣＦＲＰ層４０が直接に口金１４に接しておらず、ライナ１２のドーム部２１と口金１４との間に生じる可能性のある隙間部１８を覆っている。ＣＦＲＰ層４０からエポキシ樹脂やＣＦＲＰが欠けた異物などが隙間部１８を通して内側へ入り込まないようにすることができ、それによって口金１４とライナ１２の接着に起因したライナ破壊やシール不良を防止している。なお、口金１６側においても、ドーム状離型材部３２が口金の首元１７にまで延びており、ライナ１２のドーム部２２やＣＦＲＰ層４０、ドーム部２２と口金１４との隙間部１９等との関係性は同様である。

ドーム状離型材部３１，３２は、フィルム状の形態ではあるが、ある程度剛性を持たせることで、ドームの形状を保ったものとされている。こうした形状保持性によって、皺が入ることが元来、抑制されている。また、形状保持性は、ライナ１２と口金１４，１６との間にフィルム状の離型材が入り込まないようにする機能も備える。ドーム状離型材部３１，３２は、形状を保ったものとされているので、ライナ１２のドーム部２１，２２に対して、外側から嵌め込み式に取り付けられる。

一方、ストレート状離型材部３３は、ライナ１２のストレート部２３にフィルムを巻回して形成される。ライナ１２の円筒状のストレート部２３にフィルムを巻回させて貼り付けるので、ドーム表面のような立体的な曲面部分に貼り付けるのとは異なり、ストレート状離型材部３３に皺が発生するのを防止することができる。

図２（ｂ）にも示されているように、ドーム状離型材部３１，３２の端部３５，３６はライナ１２のストレート部２３の領域まで延ばされている。図３（ｄ）に示すように、ドーム状離型材部３１，３２は、その延ばされた端部３５，３６において、巻回されるストレート状離型材部３３によって重ねられ且つ覆われた状態で締め付けられる。即ち、ドーム状離型材部３１，３２は、ストレート状離型材部３３で締め付けて巻くことで固定される。分割された離型材３０の固定力を当該締め付け力で向上させることができるので、離型材３０がドーム状離型材部３１，３２とストレート状離型材部３３とに分割されたタイプのものでありながら、ドーム状離型材部３１，３２がライナ５２に固定されないというような事態が回避され、離型材を確実に固定することができる。ＣＦＲＰ層４０は、分割されるが重ねられた状態のフィルム状の離型材の外周に配置される。

図４には、高圧タンクの比較例が断面で示されている。
高圧タンクのライナアッセンブリ５０は、内側のライナ５２、ライナ５２の両端に配置された口金５４, ５６を備えている。口金５４, ５６をライナ５２に圧入するのに当該ライナ５２と口金５４, ５６との間の圧入部位に、必要な隙間部５８（図４（ｂ）において円で囲まれた部分）が設けられている。ライナアッセンブリ５０の外側にＣＦＲＰ層（図示せず）がＦＷ法で適用される。ＣＦＲＰ層は、硬化するまでの未硬化の状態のときに、ライナアッセンブリ５０のライナ５２と口金５４, ５６に接触するため、ＣＦＲＰのエポキシ樹脂が隙間部５８に入り込むことがある。エポキシ樹脂が隙間部５８に入り込むと、その硬化時にライナ５２と口金５４（５６）を固着する。比較例は、そうした固着が生じた場合、その後、低温時にライナ５２の柔軟性が低下した状態でライナ５２が膨張収縮すると、ライナ５２に応力集中が発生し、ライナ５２が歪む又は割れる等の現象が生じる可能性があるという課題を示している。

比較例はまた、ライナ５２と口金５４，５６の隙間部５８に例えばＣＦＲＰの欠けたもの（異物）などが挟まり、その後、ガスの充填・放出や環境温度によりライナ５２の膨張収縮が繰り返されると、異物が隙間部５８からライナ５２と口金１４（１６）との間のシール部５９（図４（ｃ）において円で囲まれた部分）まで落ち込み、シール部５９のシール性能を低下させる可能性があるという課題を示している。更にまた、ライナ５２とその外側のＣＦＲＰ層との間に接着を防止するフィルム状の離型材を適用する場合も、離型材に皺が入り易いという課題も示している。

以上、本発明による高圧タンクに関して、好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能であることは明らかである。

１０高圧タンク１２ライナ
１４, １６口金１５，１７首元
１８，１９隙間部
２０ライナアッセンブリ
２１，２２ドーム部２３ストレート部
３０離型材３１，３２ドーム状離型材部
３３ストレート状離型材部３５，３６ドーム状離型材部の端部
４０ＣＦＲＰ層
５０ライナアッセンブリ５２ライナ
５４, ５６口金
５８隙間部５９シール部

Claims

ストレート部及び該ストレート部の両端に接続されるドーム部を有するライナと、
前記ライナのドーム部の開口部に配置された口金と、
前記ライナ及び前記口金の外周に配置されたＣＦＲＰ層と、
を備える高圧タンクであって、
前記ライナと前記口金の外周にフィルム状の離型材が配置され、該離型材の外周に前記ＣＦＲＰ層が配置されており、
前記フィルム状の離型材は、前記ライナのストレート部用とドーム部用に分けられており、
前記ドーム部用の離型材の端部は前記ライナのストレート部の領域まで延ばされ、前記ストレート部用の離型材で覆われている
ことを特徴とする高圧タンク。