JP6927013B2 - High pressure tank - Google Patents
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Description
本発明は、ガスを収容するライナと、ライナの外周に配置された補強層と、を備えた高圧タンクに関する。 The present invention relates to a high pressure tank provided with a liner for accommodating gas and a reinforcing layer arranged on the outer periphery of the liner.
たとえば、天然ガス自動車または燃料電池自動車などには、燃料となる高圧ガスを貯蔵する高圧タンクが利用されている。この種の高圧タンクとして、特許文献1には、ガスを収容する金属製のライナと、このライナの外周に配置された補強層と、を備えた高圧タンクが開示されている。この高圧タンクの金属製ライナは、円筒状の胴体部と、胴体部の両側に連続して形成されたドーム状の側端部と、を有している。 For example, natural gas vehicles or fuel cell vehicles use high-pressure tanks for storing high-pressure gas as fuel. As a high-pressure tank of this type, Patent Document 1 discloses a high-pressure tank including a metal liner for accommodating gas and a reinforcing layer arranged on the outer periphery of the liner. The metal liner of this high-pressure tank has a cylindrical body portion and dome-shaped side ends formed continuously on both sides of the body portion.
樹脂製のライナと比較して、特許文献1に記載のような金属製のライナは、高圧タンクの内圧に対して、膨張および収縮し難い。ここで、例えば、高圧タンク内のガスの圧力により、ライナの側端部(主に口金部近傍)に、高圧タンクの軸心方向に沿って応力が作用し、ライナの口金部近傍では、ライナと補強層との変形は追従する。しかしながら、胴体部と側端部との境界領域では、その形状が起因して、補強層に対して、ライナが追従できず、この部分に隙間が発生することがある。すなわち、この隙間が発生する部分では、ガスの充填および放出に伴いライナのみが高圧タンクのガスの圧力を繰り返し受けることになり、他の部分に比べて応力が集中し易く、これによりライナのひずみ(変形)が大きくなり、その結果、ライナの疲労強度が低下するおそれがある。 Compared with the resin liner, the metal liner as described in Patent Document 1 is less likely to expand and contract with respect to the internal pressure of the high pressure tank. Here, for example, due to the pressure of the gas in the high-pressure tank, stress acts on the side end portion of the liner (mainly near the base portion) along the axial direction of the high-pressure tank, and the liner near the base portion of the liner. And the deformation of the reinforcing layer follow. However, in the boundary region between the body portion and the side end portion, the liner cannot follow the reinforcing layer due to its shape, and a gap may be generated in this portion. That is, in the part where this gap is generated, only the liner is repeatedly subjected to the pressure of the gas in the high-pressure tank as the gas is filled and released, and the stress is more likely to be concentrated than in other parts, which causes strain of the liner. (Deformation) becomes large, and as a result, the fatigue strength of the liner may decrease.
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、本発明では、金属製のライナの疲労強度の低下を抑えることができる高圧タンクを提供する。 The present invention has been made in view of the above points, and the present invention provides a high-pressure tank capable of suppressing a decrease in fatigue strength of a metal liner.
上記課題を解決するために、本発明は、ガスを収容する金属製のライナと、前記ライナの外周に配置された補強層と、前記ライナと前記補強層との間に配置された接着層と、を備えた高圧タンクであって、前記ライナは、円筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に連続して形成されたドーム状の側端部と、を有し、前記ライナの表面のうち、前記胴体部と前記各側端部との少なくとも境界領域の表面には、前記補強層と、前記ライナとを接着する接着層とが、形成されており、前記ライナの表面のうち、前記ライナの両側の前記境界領域の間に位置する内部領域の表面には、前記接着層を介さずに、前記補強層が配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention comprises a metal liner for accommodating gas, a reinforcing layer arranged on the outer periphery of the liner, and an adhesive layer arranged between the liner and the reinforcing layer. A high-pressure tank comprising, the liner has a cylindrical body portion and dome-shaped side ends continuously formed on both sides of the body portion, and the liner has a surface of the liner. Among the surfaces of the liner, the reinforcing layer and the adhesive layer for adhering the liner are formed on the surface of at least the boundary region between the body portion and each side end portion. The reinforcing layer is arranged on the surface of the internal region located between the boundary regions on both sides of the liner without the adhesive layer.
本発明によれば、高圧タンク内のガスの圧力により、ライナの側端部(主に口金部近傍)に、高圧タンクに応力が作用した場合、ライナの口金部近傍では、ライナと補強層との変形は追従する。このとき、胴体部と側端部との境界領域の表面では、補強層とライナとが接着層で接着されているので、補強層とライナとは均一に変形することになり、この部分に隙間が発生することはない。したがって、境界領域では、ライナのみでガスの圧力を繰り返し受けることがないので、ライナのひずみを低減することができる。このため、ライナの疲労強度の低下を抑えることができる。 According to the present invention, when stress acts on the side end portion of the liner (mainly near the base portion) due to the pressure of the gas in the high pressure tank, the liner and the reinforcing layer are formed in the vicinity of the base portion of the liner. The deformation of is followed. At this time, on the surface of the boundary region between the body portion and the side end portion, the reinforcing layer and the liner are adhered by an adhesive layer, so that the reinforcing layer and the liner are uniformly deformed, and a gap is formed in this portion. Will not occur. Therefore, in the boundary region, the strain of the liner can be reduced because the liner alone does not repeatedly receive the pressure of the gas. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the fatigue strength of the liner.
以下に、図1および2を参照しながら本発明に係る実施形態およびその変形例について説明する。図1(a)は、第1実施形態に係る高圧タンク1の模式的断面図であり、図1(b)は、接着層4近傍の模式的な拡大断面図である。
Hereinafter, embodiments and modifications thereof according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the high-pressure tank 1 according to the first embodiment, and FIG. 1B is a schematic enlarged cross-sectional view of the vicinity of the
本実施形態に係る高圧タンク1は、天然ガス自動車または燃料電池自動車などに用いられる。図1(a)に示すように、本実施形態の高圧タンク1は、ライナ2と、ライナ2の外周に配置された補強層3と、ライナ2と補強層3との間に配置された接着層4と、を備えている。
The high-pressure tank 1 according to the present embodiment is used for a natural gas vehicle, a fuel cell vehicle, or the like. As shown in FIG. 1A, in the high-pressure tank 1 of the present embodiment, the
ライナ2は、高圧タンク1の内殻又は内容器とも換言される部分であり、内部にガスを収容する。収容するガスとしては、燃料ガス、または、水素ガスなどを挙げることができる。
The
本実施形態では、ライナ2は、金属製ライナである。ライナ2を構成する金属としては、アルミニウム合金や鋼鉄などを挙げることができる。アルミニウム合金としては、例えば、Al−Mg−Si系合金などを挙げることができる。鋼鉄としては、例えば、ステンレス鋼などを挙げることができる。
In this embodiment, the
ライナ2は、胴体部21と、側端部22、22とを有する。胴体部21は、高圧タンク1の図1(a)に示す高圧タンク1の軸心Xに沿って、所定の長さを有して延在する円筒状の形状を有する。側端部22、22は、胴体部21の両側に連続して形成されたドーム状の形状を有する。各側端部22は、胴体部21から遠ざかるにつれて縮径しており、最も縮径した部分の中心に開口部22a、22aが形成され、この開口部22a、22aに、口金部5、5が形成されている。
The
補強層3は、胴体部21および各側端部22の外壁を構成する。補強層3は、ライナ2の外表面を被覆するように、樹脂を含浸した繊維束を、フープ巻およびヘリカル巻でライナ2に巻きつけられることで形成されている。
The reinforcing
補強層3の材料としては、強化繊維に熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂が含浸されたものを挙げることができる。強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、またはアラミド繊維などを挙げることができる。熱可塑性樹脂としては、ポリエステル系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、またはナイロン系樹脂などを挙げることができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ系樹脂、ビニルエステル樹脂などを挙げることができる。
Examples of the material of the reinforcing
図1(b)に示すように、本実施形態では、ライナ2の表面のうち、胴体部21と各側端部22との少なくとも境界領域23、23の表面には、補強層3とライナ2とを接着する接着層4、4が形成されている。すなわち、境界領域23の表面には、接着層4を介して、補強層3が巻回されている。
As shown in FIG. 1B, in the present embodiment, the reinforcing
接着層4が形成される各境界領域23は、図1(b)に示す境界Pを中心に、高圧タンク1の軸心Xに沿って、各口金部5および内部領域24の両側に向かって延在している。境界Pは、筒状の胴体部21からドーム状の各側端部22へ移行する位置である。各接着層4の幅dは、境界Pを中心として、高圧タンク1の全長Lに対して2.5%であることが好ましい。ここで、高圧タンク1の全長Lとは、図1(a)に示すように、高圧タンク1の軸心Xに沿って、一方の口金部5の端部から他方の口金部5の端部までの長さである。
Each
また、本実施形態では、ライナ2の表面のうち、ライナ2の両側の境界領域23の間に位置する内部領域24の表面には、接着層4を介さずに、補強層3が配置されている。すなわち、ライナ2の表面のうち内部領域24の表面には、接着層4が形成されず、補強層3が巻回されている。
Further, in the present embodiment, of the surface of the
接着層4の接着強度の範囲は、次に示す式1により、高圧タンク1の軸心Xに沿って加わる応力σzを算出し、この応力σzを考慮して、10MPa〜90GPaの範囲にあることが好ましい。
The range of the adhesive strength of the
σz=(Pr)/(2t) (式1)
ここで、Pは高圧タンクの内圧、rは、ライナの内半径、tはライナの厚みである。
σz = (Pr) / (2t) (Equation 1)
Here, P is the internal pressure of the high-pressure tank, r is the internal radius of the liner, and t is the thickness of the liner.
接着層4の材料としては、ライナ2の金属を腐食させない接着剤が好ましい。具体的には、エポキシ樹脂などを挙げることができる。また、接着層4は、補強層3を構成している樹脂とは異なる樹脂を使用してもよい。
As the material of the
ところで、ライナ2に充填されるガスにより、ライナ2の内圧が上昇すると、高圧タンク1内のガスの圧力により、ライナ2の口金部5近傍に、高圧タンク1の軸心Xに沿って応力が作用し、ライナ2の口金部5近傍では、ライナ2と補強層3との変形は追従する。
By the way, when the internal pressure of the
ここで、従来の高圧タンク(接着層4を設けていない高圧タンク)では、胴体部と側端部との境界領域において、その形状に起因して、補強層に対して、ライナが追従できず、この部分に隙間が発生することがある。この隙間が発生する部分では、ガスの充填および放出に伴いライナのみが高圧タンクのガスの圧力を繰り返し受けることになり、ライナの疲労強度が低下するおそれがあった。 Here, in the conventional high-pressure tank (high-pressure tank without the adhesive layer 4), the liner cannot follow the reinforcing layer in the boundary region between the body portion and the side end portion due to its shape. , A gap may occur in this part. In the portion where this gap is generated, only the liner is repeatedly subjected to the pressure of the gas in the high-pressure tank as the gas is filled and released, and the fatigue strength of the liner may decrease.
それに対して、本実施形態によれば、高圧タンク1内のガスの圧力により、ライナ2の側端部の口金部5近傍に、高圧タンク1の軸心Xに沿って応力が作用した場合、ライナ2の口金部5近傍では、ライナ2と補強層3との変形は追従する。
On the other hand, according to the present embodiment, when the pressure of the gas in the high-pressure tank 1 causes a stress to act along the axis X of the high-pressure tank 1 in the vicinity of the mouthpiece 5 at the side end of the
このとき、胴体部21と側端部22との境界領域23では、補強層3とライナ2とが接着層4で接着されているので、補強層3とライナ2とは均一に変形することになり、この部分にこれまでのように隙間が発生することはない。したがって、この部分が、ライナ2のみでガスの圧力を繰り返し受けることがないので、ライナ2のひずみを低減することができる。このような結果、ライナ2の疲労強度の低下を抑えることができる。
At this time, in the
また、本実施形態によれば、ライナ2の表面のうち、ライナ2の両側の境界領域23の間に位置する内部領域24の表面には、接着層4を介さずに、ライナ2の表面に補強層3が直接配置されている。これにより、内部領域24を含め、補強層3およびライナ2の間の全面を接着する場合と比較して、高圧タンク1のコストを低減することができる。
Further, according to the present embodiment, of the surface of the
さらに、本実施形態によれば、補強層3に金属製のライナ2を腐食(ガルバニック腐食)させやすい材料(例えば、炭素繊維)を使用している場合、ライナ2と補強層3との間に腐食に強い接着層4を設けているため、接着層4を設けていない場合と比較して、補強層3からのライナ2の腐食を低減することができる。
Further, according to the present embodiment, when a material (for example, carbon fiber) that easily corrodes (galvanic corrosion) the
以下に、本実施形態に係る高圧タンク1の製造方法を説明する。まず、本実施形態の製造方法では、ライナ2を準備する。準備工程では、胴体部21に相当する胴体部材と各側端部22に相当する2つの側端部材を用意する。各側端部材には、最も縮径した頂部に開口部22a、22aが形成され、各開口部22aに口金部5、5が形成されている。次いで、胴体部材の両端に側端部材を溶接等により接合する。このようにして準備したライナ2には、図1(a)、(b)に示すように、2つの境界領域23、23の間に内部領域24が形成されている。
The manufacturing method of the high pressure tank 1 according to the present embodiment will be described below. First, in the manufacturing method of the present embodiment, the
準備工程の次に、接着層4を形成する。接着層形成工程では、上記準備工程で準備したライナ2の表面のうち、各境界領域23、23の表面に接着層4となる熱硬化性樹脂からなる未硬化の接着剤を塗布する。
After the preparatory step, the
接着層形成工程の次に、補強層3を形成する。補強層形成工程では、補強層3となる、未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維束を用意する。この繊維束を、フィラメントワインディング法(FW法)で、ライナ2の表面に、フープ巻きおよびヘリカル巻きで層状に巻き付ける。その後、高圧タンク1を加熱することにより、補強層3の未硬化の熱硬化性樹脂と、接着層4の未硬化の熱硬化性樹脂を硬化させる。これにより、ライナ2と補強層3が、接着層4を介して接着される。このようにして、上述した図1(a)、(b)に示す高圧タンク1を製造することができる。
After the adhesive layer forming step, the reinforcing
次に、図2(a)、(b)を参照して、以下に、本実施形態の高圧タンク1の変形例について説明する。図2(a)は、第1実施形態の変形例に係る高圧タンク1の模式的断面図であり、図2(b)は、接着層4近傍の模式的な拡大断面図である。
Next, with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b), a modified example of the high-pressure tank 1 of the present embodiment will be described below. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the high-pressure tank 1 according to the modified example of the first embodiment, and FIG. 2B is a schematic enlarged cross-sectional view of the vicinity of the
図2(a)、(b)に示すように、本変形例に係る高圧タンク1が上述した実施形態のものと相違する点は、ライナ2の表面のうち、境界領域23、23の表面に加えて、側端部22、22の端部領域25、25の表面にも接着層4が形成されている点である。よって、以下に相違点について説明し、上述した実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the high-pressure tank 1 according to this modification differs from that of the above-described embodiment on the surfaces of the
この変形例では、境界領域23、23の表面に加えて、端部領域25、25の表面にも接着層4が形成されている。端部領域25は、各境界領域23の各口金部5側の端部から、各口金部5までの連続した領域であり、補強層3が覆われている領域である。したがって、この変形例では、境界領域23、23の表面から端部領域25、25までの表面に形成された接着層4により、補強層3とライナ2とが接着されていることになる。
In this modification, the
これにより、境界領域23および端部領域25までの連続した部分において、補強層3とライナ2とが一体的に変形するので、上述したように、ライナ2の疲労強度の低下をより確実に抑えることができる。
As a result, the reinforcing
<CAE解析>
発明者は、参考例としてライナの表面全体に接着層を形成した高圧タンクと、比較例として接着層が全く形成されていない高圧タンクのモデルを作成し、CAE解析を行った。このモデルでは、ライナの内径を300mmとし、ライナ2の厚みを4mmとした。
<CAE analysis>
The inventor created a model of a high-pressure tank in which an adhesive layer was formed on the entire surface of the liner as a reference example and a high-pressure tank in which no adhesive layer was formed as a comparative example, and performed CAE analysis. In this model, the inner diameter of the liner is 300 mm, and the thickness of the
ライナの物性値には、アルミニウム合金材(A6061−T6)の物性値を用い、補強層の物性値としては、炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸したCFRPの物性値を用いた。 As the physical characteristic value of the liner, the physical characteristic value of the aluminum alloy material (A6061-T6) was used, and as the physical characteristic value of the reinforcing layer, the physical characteristic value of CFRP in which carbon fiber was impregnated with an epoxy resin was used.
参考例の場合には、接着層を設ける代わりに、ライナと補強層との境界の変形を拘束した条件で解析した。一方、比較例の場合には、接着層を設けていないので、ライナと補強層と境界の変形を拘束せず、独立して変形する条件で解析した。この解析では、高圧タンクの内圧を87.5MPaとした。 In the case of the reference example, instead of providing the adhesive layer, the analysis was performed under the condition that the deformation of the boundary between the liner and the reinforcing layer was restrained. On the other hand, in the case of the comparative example, since the adhesive layer was not provided, the analysis was performed under the condition that the deformation of the liner, the reinforcing layer and the boundary was not constrained and the deformation was independent. In this analysis, the internal pressure of the high pressure tank was set to 87.5 MPa.
参考例および比較例に係る試験体のCAE解析を行なった結果、両者はライナの肩部、すなわち、境界領域で応力が最大となり、比較例と比較して、参考例では約40%の応力が低減されていた。 As a result of CAE analysis of the test specimens related to the reference example and the comparative example, the stress was maximum in the shoulder portion of the liner, that is, the boundary region, and the stress in the reference example was about 40% as compared with the comparative example. It was reduced.
この結果より、参考例のライナの肩部では、接着層が補強層とライナとを拘束することにより、この肩部において隙間が発生せず、肩部でのひずみを低減し、ライナに加わる応力が低減さえるといえる。したがって、少なくとも、この境界領域の表面に接着層を設けることにより、ライナの疲労強度の低下を抑えることができると考えられる。 From this result, in the shoulder part of the liner of the reference example, the adhesive layer restrains the reinforcing layer and the liner, so that no gap is generated in this shoulder part, the strain in the shoulder part is reduced, and the stress applied to the liner is reduced. Can be said to be even reduced. Therefore, it is considered that at least a decrease in fatigue strength of the liner can be suppressed by providing an adhesive layer on the surface of this boundary region.
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記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精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various types are described within the scope of the claims as long as the spirit of the present invention is not deviated. It is possible to make design changes.
1:高圧タンク、2:ライナ、3:補強層、4:接着層、21:胴体部、22:側端部、23:境界領域、24:内部領域 1: High pressure tank 2: Liner 3: Reinforcing layer 4: Adhesive layer, 21: Body part, 22: Side end part, 23: Boundary area, 24: Internal area
Claims (1)
前記ライナは、円筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に連続して形成されたドーム状の側端部と、を有し、
前記ライナの表面のうち、前記胴体部と前記各側端部との境界領域の表面には、前記補強層と、前記ライナとを接着する接着層とが、形成されており、
前記ライナの表面のうち、前記ライナの両側の前記境界領域の間に位置する内部領域の表面、および、前記境界領域よりも前記ライナの外側に位置する前記側端部の端部領域の表面には、前記接着層を介さずに、前記補強層が配置されていることを特徴とする高圧タンク。 A high-pressure tank including a metal liner for accommodating gas, a reinforcing layer arranged on the outer periphery of the liner, and an adhesive layer arranged between the liner and the reinforcing layer.
The liner has a cylindrical body portion and dome-shaped side ends continuously formed on both sides of the body portion.
Of the surface of the liner, the surface of the boundary region between said body portion said each side end portion, and the reinforcing layer, and an adhesive layer for bonding said liner is formed,
On the surface of the inner region located between the boundary regions on both sides of the liner , and on the surface of the end region of the side end located outside the boundary region of the liner. Is a high-pressure tank characterized in that the reinforcing layer is arranged without passing through the adhesive layer.
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