JP6969950B2

JP6969950B2 - 高圧容器

Info

Publication number: JP6969950B2
Application number: JP2017180238A
Authority: JP
Inventors: 雄基甲斐; 統澤井; 辰佳山下; 祐介加門
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: JP2019056396A

Description

本発明は、高圧容器に関する。

下記特許文献１には、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

ところで、特許文献１に開示された高圧水素タンクでは、シール性能を確保するため、ライナの両端部はタンクの口金を内側から嵌め込むように構成されている。一方、高圧水素タンクにおいて、ライナを押出し等の成形方法により筒状に形成し、口金で封止した方がコストを抑制することができるが、この場合、ライナと口金との間には水素が漏れないようにシール部材を設ける必要がある。ここで、高圧水素タンク内は水素からの内圧が作用するため、ライナを複数の補強層で補強しなければライナが拡幅する場合がある。そして、ライナが拡幅するとライナと口金との隙間が広がり、シール部材が脱落するおそれが生ずる。

本発明は上記事実を考慮し、高圧容器の内圧の上昇に伴い容器が拡幅した場合におけるシール部材の脱落を抑制す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、筒状に形成されると共に、軸方向の少なくとも一方側の端部が開口された胴体部と、前記胴体部に挿入されることで前記開口を閉塞する口金と、前記胴体部の径方向において、前記胴体部と前記口金との間を閉塞するシール部材と、前記シール部材に対して前記胴体部の前記軸方向外側に隣接して設けられたバックアップリングと、を備え、前記バックアップリングは、前記シール部材により押圧されていない状態で、前記胴体部及び前記口金に当接する本体部と、前記本体部の前記径方向外側において前記軸方向内側に向けて突出して設けられ、かつ前記シール部材により押圧された場合に前記本体部よりも前記径方向外側に変位する第１突出部と、前記本体部の前記径方向内側において前記軸方向内側に向けて突出して設けられ、かつ前記シール部材により押圧された場合に前記本体部よりも前記径方向内側に変位する第２突出部と、を備え、前記シール部材は、前記本体部に当接する平坦面と、前記平坦面の前記径方向外側に連続して設けられ、かつ前記第１突出部と当接する第１傾斜面と、前記平坦面の前記径方向内側に連続して設けられ、かつ前記第２突出部と当接する第２傾斜面と、を備えている。

請求項１に記載の発明に係る高圧容器は、容器を構成するライナとして筒状に形成された胴体部が設けられている。この胴体部の軸方向の少なくとも一方側の開口された端部には、挿入されることでこの開口を閉塞する口金が設けられている。また、胴体部の径方向における胴体部と口金との間には、シール部材が設けられており、シール部材は、胴体部と口金との間を密閉している。したがって、胴体部の内部に収容された流体が胴体部と口金との間から漏れることはない。

また、シール部材に対して胴体部の軸方向外側にはバックアップリングが設けられている。このバックアップリングのシール部材側、すなわち、胴体部の軸方向内側には、径方向外側及び径方向外側に第１突出部及び第２突出部が設けられている。ここで、高圧容器の内圧が上昇して胴体部が拡幅した場合、胴体部の径方向において胴体部と口金との隙間が広がるが、本発明に係る高圧容器は、シール部材がバックアップリングに当接することにより、第１突出部及び第２突出部は拡幅するように変位する。すなわち、胴体部と口金との隙間の広がりに合わせてバックアップリングも広がるため、シール部材がライナに相当する胴体部と口金との隙間から脱落することが抑制される。

本発明によれば、高圧容器の内圧の上昇に伴い容器が拡幅した場合におけるシール部材の脱落を抑制することができる。

本実施形態に係る高圧容器の要部を軸方向に沿って切断した状態を車両側面から見た状態を示す拡大断面図である。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。本実施形態に係る高圧容器であって、シール部材及びバックアップリングの拡大断面図である。本実施形態に係る高圧容器であって、バックアップリングの作用を説明する断面図である。

以下、図１〜図４を用いて、本発明に係る高圧容器１０の一実施形態について説明する。なお、これらの図において示される矢印ＦＲは車両前方側、矢印ＯＵＴは車幅方向外側、矢印ＵＰは車両上方側をそれぞれ示す。

（基本構成）
図２に示されるように、タンクモジュール１２は、複数の高圧容器１０を組み合わせることで構成されている。このタンクモジュール１２は、一例として、燃料電池車両のフロアパネル（不図示）の車両下方側に配置されている。本実施形態の高圧容器１０には、一例として流体である水素が収容されている。

図１に示されるように、高圧容器１０は、一例として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。この高圧容器１０は、胴体部１４と、第１繊維強化樹脂部材１６と、補強材としての第２繊維強化樹脂部材１８と、を含んで構成されている。胴体部１４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１４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繊維強化樹脂部材１６は、シート状のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）を胴体部１４の外周面２０に巻き付けることで構成されている。この第１繊維強化樹脂部材１６の内部には、図示しない炭素繊維が胴体部１４の周方向に沿って配列されている。換言すると、第１繊維強化樹脂部材１６の繊維方向は、胴体部１４の周方向とされている。

図２に示されるように、第１繊維強化樹脂部材１６が巻き付けられた高圧容器１０の胴体部１４は、車両幅方向に隣り合って複数配設されている。これら複数の高圧容器１０の胴体部１４における軸方向一方側（車両後方側）の端部は、それぞれ車両前後方向で略同一の位置となるように配置されている。この複数の胴体部１４の軸方向一方側の端部の内部には、口金２２が挿入されている。この口金２２は、胴体部１４に対して軸方向に沿って相対的に変位可能とされている。なお、図示はしないが、複数の高圧容器１０の胴体部１４における軸方向他方側（車両前方側）の端部は、胴体部１４における軸方向一方側の端部と同様に、それぞれ車両前後方向で略同一の位置となるように配置されている。そして、胴体部１４の軸方向他方側の端部の内部には、口金２２が軸方向に沿って相対移動可能に挿入されている。

以下、車両後方側における胴体部１４と口金２２との状態について説明する。ここで、特段の説明がない限り、「軸方向」とは、胴体部１４における軸方向とし、「径方向」とは、胴体部１４における径方向として説明する。また、胴体部１４の車両後方側において、胴体部１４の軸方向外側は車両後方側、軸方向内側は車両前方側にそれぞれ対応する。

図１及び図２に示されるように、口金２２は、車両幅方向を長手方向とし、軸方向外側に曲面を有する略半円柱状に形成されている。この口金２２は、胴体部１４に挿入される胴体部挿入部２４と、口金２２の内部に形成された連通流路２６とを有している。胴体部挿入部２４は、複数の高圧容器１０の胴体部１４のそれぞれ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た略円柱状に形成されている（図２参照）。また、胴体部挿入部２４の先端部には、外縁部を切り欠くことで形成されたパッキン収容部３０が設けられており、このパッキン収容部３０の内部にはパッキン３２が収められている。なお、パッキン３２の構造については後述する。

連通流路２６は、口金２２の内部に形成されている。この連通流路２６は、胴体部挿入部２４の内部に軸方向に沿ってかつ当該軸方向内側に向かって開口された複数の第１連通流路２６Ａと、複数の第１連通流路２６Ａを車両幅方向に連結する第２連通流路２６Ｂ（図２参照）とを含んで構成されている。この連通流路２６により、複数の高圧容器１０の胴体部１４の内部は、互いに連通されている。

第２繊維強化樹脂部材１８は、第１繊維強化樹脂部材１６及び口金２２の外側面に設けられている。具体的には、第２繊維強化樹脂部材１８は、第１繊維強化樹脂部材１６と同様にシート状のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）とされており、第１繊維強化樹脂部材１６及び口金２２の外側面に、この第２繊維強化樹脂部材１８が軸方向に沿って一体的に巻き付けられている。第２繊維強化樹脂部材１８の内部には、図示しない炭素繊維が軸方向に沿って配列されている。換言すると、第２繊維強化樹脂部材１８の繊維方向は、胴体部１４の軸方向とされている。なお、第２繊維強化樹脂部材１８の繊維量は、第１繊維強化樹脂部材１６の繊維量の半分とされている。

口金２２内の連通流路２６には、バルブ４８（図２参照）が設けられており、これにより連通流路２６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、連通流路２６は、図示しない燃料電池スタックや供給パイプ等に接続されている。

（パッキン）
図３は、高圧容器１０に流体を充填する前、又は、高圧容器１０の内圧が低い場合を示す。図３に示されるように、パッキン３２は、シール部材５０と、Ｏリング３４と、バックアップリング６０と、を含んで構成されている。シール部材５０、Ｏリング３４及びバックアップリング６０はいずれも胴体部１４の軸を中心とした環状に形成されている。

シール部材５０は、周方向に直交する断面が軸方向内側に開口した略Ｃ字状の樹脂製の部材である。このシール部材５０は、シール本体部５２と、第１当接壁部５４と、第２当接壁部５６と、を含んで構成されている。このシール部材５０は、胴体部１４と口金２２との間を閉塞するものである。なお、シール部材５０の形状は、略Ｃ字状に限らず、角を有する略コ字状でも、軸方向内側に向かうにつれて開口が広がる略Ｕ字状でもよい。

シール本体部５２は、周方向に直交する断面視において、口金２２のパッキン収容部３０における側壁４６から胴体部１４の内壁４２にかけて設けられている。このシール本体部５２の軸方向外側には、径方向中央に胴体部１４の軸と直交する平坦面５２Ａが設けられている。また、平坦面５２Ａの径方向両端側には、径方向外側又は内側に向かうにつれて軸方向内側に傾斜する傾斜面５２Ｂが、それぞれ設けられている。

第１当接壁部５４は、シール本体部５２の径方向外側（胴体部１４側）において軸方向内側に向かって延設されている。また、第２当接壁部５６は、第１当接壁部５４と対向するように第１当接壁部５４に対して径方向内側に配置されると共に、シール本体部５２の径方向内側において軸方向内側に向かって延設されている。以上、シール部材５０は、周方向に直交する断面において、シール本体部５２と、第１当接壁部５４と、第２当接壁部５６により軸方向内側に向けて開口する略Ｃ字状とされている。

なお、第１当接壁部５４の径方向外側の外側面４０は、胴体部１４の内壁４２に当接されており、第２当接壁部５６の径方向内側の内側面４４は、口金２２のパッキン収容部３０における側壁４６に当接されている。ここで、シール本体部５２と、第１当接壁部５４と、第２当接壁部５６により形成された空間（軸方向内側に開いた開口の内部）は、Ｏリング３４が収容される収容部５８とされている。

Ｏリング３４は、周方向に直交する断面が円形状のゴム製のリングである。ここで、Ｏリング３４の円形状の断面の外径は、収容部５８の径方向の幅よりも大きいため、Ｏリング３４は、シール部材５０の収容部５８に対して圧入された状態とされている。すなわち、高圧容器１０に流体を充填する前、また、高圧容器１０の内圧が上昇する前は、Ｏリング３４は、第１当接壁部５４を胴体部１４の内壁４２側へと付勢すると共に、第２当接壁部５６を口金２２の側壁４６側へと付勢している。つまり、高圧容器１０内に収容される流体の圧力に関わらず、シール部材５０における第１当接壁部５４の外側面４０は、胴体部１４の内壁４２に当接された状態が維持されている。また、シール部材５０における第２当接壁部５６の内側面４４は、口金２２のパッキン収容部３０における側壁４６に当接された状態が維持されている。なお、Ｏリング３４は、シール部材５０との間で適度に摩擦がある素材であればよく、例えば、ゴムに変えて樹脂により形成されていてもよい。

バックアップリング６０は、シール部材５０に対して軸方向外側に隣接して設けられた樹脂製の部材である。このバックアップリング６０は、リング本体部６２と、突出部としての第１突出部６４と、他の突出部としての第２突出部６６と、を含んで構成されている。

リング本体部６２は、周方向に直交する断面が略矩形状であって、口金２２のパッキン収容部３０における側壁４６から胴体部１４の内壁４２にかけて設けられている。

第１突出部６４は、周方向に直交する断面が略三角形状であって、リング本体部６２の径方向外側（胴体部１４側）において軸方向内側に向かって延設されている。この第１突出部６４は、リング本体部６２の径方向外側（胴体部１４側）に変位可能に形成されている。

第２突出部６６は、第１突出部６４と対向するように第１突出部６４に対して径方向内側に配置されると共に、周方向に直交する断面が略三角形状であって、リング本体部６２の径方向内側において軸方向内側に向かって延設されている。この第２突出部６６は、リング本体部６２の径方向内側に変位可能に形成されている。

以上のように形成されたバックアップリング６０は、シール部材５０に当接している。詳しくは、リング本体部６２が平坦面５２Ａに当接し、第１突出部６４が径方向外側の傾斜面５２Ｂに当接し、第２突出部６６が径方向内側の傾斜面５２Ｂに当接している。

（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、円筒状に形成された胴体部１４の軸方向の少なくとも一方側の開口された端部において、この開口を閉塞すると共に軸方向に沿って変位可能とされた口金２２が設けられている。また、径方向において、口金２２と胴体部１４との間には、シール部材５０が設けられている。ここで、本実施形態では、シール部材５０の収容部５８にＯリング３４が圧入されている。そして、図３に示されるように、シール部材５０では、Ｏリング３４により第１当接壁部５４は胴体部１４の内壁４２に押し付けられ、第２当接壁部５６は口金２２の側壁４６に押し付けられている。これにより、第１当接壁部５４の外側面４０は胴体部１４の内壁４２に当接した状態が維持されると共に、第２当接壁部５６の内側面４４は口金２２の側壁４６に当接した状態が維持される。

ここで、胴体部１４の内部に収容された流体の圧力が上昇すると、図４に示されるように、Ｏリング３４は、流体によりシール本体部５２に対して押し付けられる。そして、Ｏリング３４は、シール部材５０の第１当接壁部５４を胴体部１４の内壁４２にさらに押し付けると共に、第２当接壁部５６を口金２２の側壁４６にさらに押し付ける。

また、本実施形態のシール部材５０は、周方向に直交する断面において、シール本体部５２と、第１当接壁部５４と、第２当接壁部５６により軸方向内側に向けて開口された略Ｃ字状とされている。ここで、胴体部１４の内部に収容された流体の圧力が上昇すると、流体はシール部材５０の第１当接壁部５４を胴体部１４の内壁４２に押し付けると共に、第２当接壁部５６を口金２２の側壁４６に押し付ける。

以上、本実施形態では、胴体部１４の内部に収容された流体の圧力が上昇すると、Ｏリング３４及び流体自体の作用により、第１当接壁部５４は内壁４２に押し付けられ、第２当接壁部５６は側壁４６に押し付けられる。これにより、胴体部１４と口金２２との間から流体が漏れることが抑制される。

ところで、本実施形態の高圧容器１０では、胴体部１４の内部に収容された流体の圧力が上昇すると、胴体部１４が径方向に膨らむ、すなわち、拡径（拡幅）する場合がある。図４に示されるように、胴体部１４が拡径した場合、胴体部１４と口金２２との隙間が広がる。上述のとおり、Ｏリング３４及び流体自体の作用により、第１当接壁部５４は内壁４２に押し付けられ、第２当接壁部５６は側壁４６に押し付けられる。すなわち、第１当接壁部５４及び第２当接壁部５６は、胴体部１４の拡径に追従して胴体部１４と口金２２との隙間を塞ぐため流体が漏れることは抑制される。

一方で、胴体部１４が拡径し、胴体部１４と口金２２との隙間が広がる場合、次の問題が生ずる。すなわち、パッキン３２にバックアップリング６０を含まない場合、シール部材５０及びＯリング３４が、流体の圧力により軸方向外側に向けて強く押されると、胴体部１４と口金２２との隙間から通り抜けてパッキン収容部３０から脱落するおそれが生ずる。

これに対して、本実施形態では、シール部材５０に対して軸方向外側に隣接してバックアップリング６０が設けられている。上述のように、本実施形態では、バックアップリング６０のリング本体部６２がシール部材５０の平坦面５２Ａに当接し、第１突出部６４が径方向外側の傾斜面５２Ｂに当接し、第２突出部６６が径方向内側の傾斜面５２Ｂに当接している。また、第１突出部６４は、リング本体部６２の径方向外側（胴体部１４側）に変位可能に、第２突出部６６は、リング本体部６２の径方向内側に変位可能に形成されている。以上のように構成されたバックアップリング６０は次の作用効果を奏する。

図４に示されるように、胴体部１４の内部に収容された流体の圧力が上昇すると、シール部材５０は、流体により直接又はＯリング３４を介して軸方向外側に押し付けられる。そして、シール部材５０は、バックアップリング６０を押し付ける。これにより、バックアップリング６０では、リング本体部６２が圧縮変形すると共に、第１突出部６４は、リング本体部６２の径方向外側（胴体部１４側）に変位し、第２突出部６６は、リング本体部６２の径方向内側に変位する。すなわち、本実施形態によれば、胴体部１４と口金２２との隙間の広がりに合わせてバックアップリング６０が径方向に広がる。そのため、胴体部１４と口金２２との隙間が塞がれるため、シール部材５０及びＯリング３４が胴体部１４と口金２２との隙間から通り抜けてパッキン収容部３０から脱落することが抑制される。

また、シール部材５０は、胴体部１４内部の圧力の変動に関わらずバックアップリング６０と当接している。そのため、シール部材５０は、略Ｃ字状の状態が保持される。つまり、シール部材５０の形状が安定することでシール性能は確保される。

さらに、本実施形態では、胴体部１４が拡径することを許容できるため、胴体部１４の径方向の補強を少なくすることができる。すなわち、胴体部１４の外周面２０に巻き付けられる第１繊維強化樹脂部材１６を構成するＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）の量を軽減することができる。これにより、胴体部１４の径方向への補強に要する工数が削減でき、高圧容器１０の製作時の作業工数を削減することができる。

以上、本実施形態によれば、胴体部１４内部の圧力の変動に関わらず、胴体部１４と口金２２との間の密閉状態を安定して維持することができる。これにより、高圧容器１０内部の圧力の変動に関わらず胴体部１４と口金２２との間から流体が漏れることを抑制できる。

なお、本実施形態の口金２２は、胴体部１４に対して軸方向に沿って相対的に変位可能に形成されている。そのため、流体の圧力の上昇に伴い胴体部１４が拡径せず、又は拡径と共に口金２２が軸方向外側へ変位する場合であっても胴体部１４と口金２２との隙間から流体が漏れることが抑制される。これにより、本実施形態の高圧容器１０では、より高圧の流体を収容することができる。

さらに、胴体部１４は隣り合って複数配設されている。また、口金２２は、複数の胴体部１４の開口を一体に閉塞すると共に、口金２２の内部には複数の胴体部１４の内部をそれぞれ連通する連通流路２６が形成されている。つまり、本実施形態によれば、胴体部１４の内部の流体が複数の胴体部１４の内部へと移動可能となることで、胴体部１４の内部の流体の圧力が均一化される。これにより、複数の口金２２に作用する流体の圧力の偏りを抑制することができる。

（その他の構成及び作用・効果）
なお、本実施形態のバックアップリング６０では、リング本体部６２の径方向外側（胴体部１４側）に突出部としての第１突出部６４が設けられ、リング本体部６２の径方向内側に他の突出部としての第２突出部６６が設けられているが、この限りではない。すなわち、第１突出部６４により、胴体部１４と口金２２との隙間を閉塞させることができれば、必ずしも、第２突出部６６を設ける必要はない。つまり、第２突出部６６を設けずに第１突出部６４のみ設けたバックアップリングでも本実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、胴体部１４の軸方向の両端部が開口されており、この胴体部１４における軸方向の一方側（車両後方側）の端部及び他方側（車両前方側）の端部の内部にそれぞれ口金２２が挿入された構成とされているが、これに限らない。例えば、胴体部１４の軸方向のどちらか一方の端部のみが開口されており、当該開口を有する端部に口金２２が挿入された構成としてもよい。

また、本実施形態の高圧容器１０は、円筒状の胴体部１４により略円柱状を呈しているがこの限りではなく、楕円形の筒状、多角形の筒状等の胴体部により高圧容器１０を形成してもよい。

また、シール部材５０の収容部５８にＯリング３４を収容させずに、パッキン３２をシール部材５０とバックアップリング６０のみで構成してもよい。さらに、Ｏリング３４を設けない代わりにシール部材５０の内部に板状のスプリングを設けた構成としてもよい。

さらに、第２繊維強化樹脂部材１８は、ＣＦＲＰで構成されているが、これに限らず、炭素繊維以外の繊維で強化された樹脂部材で構成されていてもよいし、樹脂以外の材料で構成されてもよい。

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高圧容器
１４胴体部
２２口金
５０シール部材
６０バックアップリング
６４第１突出部（突出部）

Claims

筒状に形成されると共に、軸方向の少なくとも一方側の端部が開口された胴体部と、
前記胴体部に挿入されることで前記開口を閉塞する口金と、
前記胴体部の径方向において、前記胴体部と前記口金との間を閉塞するシール部材と、
前記シール部材に対して前記胴体部の前記軸方向外側に隣接して設けられたバックアップリングと、を備え、
前記バックアップリングは、
前記シール部材により押圧されていない状態で、前記胴体部及び前記口金に当接する本体部と、
前記本体部の前記径方向外側において前記軸方向内側に向けて突出して設けられ、かつ前記シール部材により押圧された場合に前記本体部よりも前記径方向外側に変位する第１突出部と、
前記本体部の前記径方向内側において前記軸方向内側に向けて突出して設けられ、かつ前記シール部材により押圧された場合に前記本体部よりも前記径方向内側に変位する第２突出部と、
を備え、
前記シール部材は、
前記本体部に当接する平坦面と、
前記平坦面の前記径方向外側に連続して設けられ、かつ前記第１突出部と当接する第１傾斜面と、
前記平坦面の前記径方向内側に連続して設けられ、かつ前記第２突出部と当接する第２傾斜面と、
を備える高圧容器。