JP6988657B2 - 高圧タンク - Google Patents

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Description

本発明は、高圧タンクに関する。
高圧タンクの構造について種々の開発がされている（例えば、特許文献１）。特許文献
１には、ライナーと繊維強化プラスチック層との間に離型剤層を介在させる技術が記載されている。
特開２０１５−１７６４１号公報
ライナーを樹脂で形成した場合に、ライナーの外周を取り囲む補強層とライナーとは温度変化に対する収縮率が異なるので、特に口金部分に収縮時の応力が集中する。従来の構造においては、口金部分に応力が集中すると、ライナーが口金から離脱して収縮する虞があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ライナーの収縮時においても口金に応力が集中することを防ぎ、ライナーが口金から離脱する虞のない高圧タンクを提供するものである。
本発明の具体的態様における高圧タンクは、２つの口金と、両端部のそれぞれで口金の外側部を覆って口金を固設する樹脂ライナーと、樹脂ライナーの外表面側に形成され、樹脂ライナーの胴部中央で樹脂ライナーに固着されているＣＦＲＰ補強層とを備え、口金の外側部を覆う樹脂ライナーの２つの先端部は、ＣＦＲＰ補強層の両端部に設けられた端部開口のそれぞれから突出している。
このように、ＣＦＲＰ補強層と樹脂ライナーが胴部中央で固着されており、樹脂ライナーが口金の外側部を覆って口金と共にＣＦＲＰ補強層の端部開口から突出する構造であれば、樹脂ライナーが収縮しても口金と共に突出部が端部開口から内側へ引っ込むので、口金近傍で応力が集中することはなく、樹脂ライナーが口金から離脱することもない。
また、上記の高圧タンクにおいて口金は、ＣＦＲＰ補強層の端部開口を貫通する円筒部と、樹脂ライナーの胴部側で円筒部に接続し、円筒部の径よりも大きな径を有する底部とを有し、底部は、外周にセレーション部を有するように構成すると良い。このようにセレーション部を設けると、樹脂ライナーと口金部の接触面積が増えるので、互いに強固に一体化することができる。すなわち、収縮時に口金が樹脂ライナーから離脱することを防ぐことができる。また、樹脂ライナーの外表面側にＣＦＲＰ補強層をフィラメントワインディング法（ＦＷ法）で形成する場合も、巻き付け工程の高速化を可能とする。
本発明により、ライナーの収縮時においても口金に応力が集中することを防ぎ、ライナーが口金から離脱する虞のない高圧タンクを提供することができる。
本実施形態に係る高圧タンクの中央断面図である。 常温時における高圧タンクの先端部の様子を示す断面図である。 低温時における高圧タンクの先端部の様子を示す断面図である。 口金の斜視図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
図１は、本実施形態に係る高圧タンク１００の中央断面図である。高圧タンク１００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。
高圧タンク１００は、２つの口金１１１、１１２と、両端部のそれぞれで口金１１１、１１２を固設する樹脂ライナー１２０と、樹脂ライナー１２０の外表面側に形成されているＣＦＲＰ補強層１３０とを備える。
口金１１１、１１２は、容器内へガスを充填したり、容器内からガスを取り出したりするためのノズルを装着する部材であり、金属素材で形成されている。樹脂ライナー１２０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を用いてブロー成型により成型されたタンクである。樹脂ライナー１２０は、中央部に位置する円筒形状の胴部と、両端部のそれぞれに位置する曲面形状のドーム部により構成される。図示するように、左端のドーム部の頂点に口金１１１が固設されており、右端のドーム部の頂点に口金１１２が固設されている。詳細な構造については後述する。
ＣＦＲＰ補強層１３０は、炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）を採用した補強層である。ＣＦＲＰ補強層１３０は、樹脂ライナー１２０の外表面に対して予め熱硬化性樹脂が含浸された炭素繊維を巻回して形成するフィラメントワインディング法（ＦＷ法）によって形成される。したがって、ＣＦＲＰ補強層３０の全体の形状は、およそ樹脂ライナー１２０の外形に沿うものとなる。すなわち、中央部に位置する円筒形状の胴部と、両端部のそれぞれに位置する曲面形状のドーム部により構成された形状を成す。
樹脂ライナー１２０とＣＦＲＰ補強層１３０とは、互いの胴部中央で固着されている。具体的には、ＦＷ法によって樹脂ライナー１２０の外表面に炭素繊維を巻回する段階において、樹脂ライナー１２０の胴部中央の外表面の一定範囲（例えば図示する網掛範囲）に接着剤を塗布しておき巻回する炭素繊維を接着させることにより、両者を固着させる。樹脂ライナー１２０とＣＦＲＰ補強層１３０は、この胴部中央の接着範囲を除き、互いに固着する箇所を設けない。
図２は、常温時における高圧タンク１００の先端部（左端側）の様子を示す断面図である。口金１１２が固設された右端側も同様であるので、左端側を例に詳細に説明する。
常温時においては、樹脂ライナー１２０の外表面がＣＦＲＰ補強層１３０の内周面とほぼ密着した状態となる。特に、内部に高圧ガスが充填された状態では、膨張しようとする樹脂ライナー１２０を耐圧性の高いＣＦＲＰ補強層１３０が抑え込んで、高圧タンク１００の外形を一定に保つ。
口金１１１は、円筒部１１１ａと、それに続く底部１１１ｂとを有する。底部１１１ｂはおよそ円形を成し、その直径は円筒部の直径よりも大きい。
口金１１１は、ブロー成型において金型に設置され、溶融した樹脂が金型と口金の間隙に回り込んで口金１１１の周囲を抱え込むことにより、樹脂ライナー１２０の成型と同時に樹脂ライナー１２０に一体化される。本実施形態においては図示するように、口金１１１の円筒部１１１ａから底部１１１ｂにかけての外側部を覆うように樹脂が回り込み、これにより樹脂ライナー１２０のドーム部頂点には、内側に口金１１１を抱え込む外側被覆部１２０ａが形成される。したがって、口金１１１の外側部は、樹脂ライナー１２０より表面に現れることがなく、ＣＦＲＰ補強層１３０と直接接触することもない。なお、後に詳述するが、口金１１１の底部１１１ｂに対し、樹脂が多く充填されるセレーション充填部１２０ｂが形成され、これにより口金１１１と樹脂ライナー１２０とがより強固に一体化されている。
ＣＦＲＰ補強層１３０は、口金１１１の円筒部１１１ａを外部へ突出させるための端部開口１３０ａが設けられている。すなわち、ＣＦＲＰ補強層１３０は、ドーム部の頂点部分に設けられた端部開口１３０ａによって内部空間が外部空間と連通する三次元形状を有する。口金１１１の外側部を覆う樹脂ライナー１２０の先端部、すなわち外側被覆部１２０ａのうち円筒部１１１ａを覆う部分の先端は、ＣＦＲＰ補強層１３０の端部開口１３０ａから突出している。このとき、端部開口１３０ａの直径は、外側被覆部１２０ａのうち円筒部１１１ａを覆う部分の直径よりも若干大きい。
図３は、低温時における高圧タンク１００の先端部（左端側）の様子を示す断面図である。口金１１２が固設された右端側も同様であるので、左端側を例に詳細に説明する。
例えば、高圧タンク１００を燃料電池車両に用いる水素ガスの充填に用いる場合には、高速走行時において多くの水素が連続的に放出される。この時、高圧タンク１００は、内部の水素が断熱膨張することにより急激に低温状態となる。樹脂ライナー１２０を形成する樹脂は、一般的に、炭素繊維強化プラスチックに比べて、温度の低下に対する収縮が激しい。すなわち、単位温度当たりの収縮率は、樹脂の方が炭素繊維強化プラスチックよりも大きい。
温度が急激に低下する状況においては、もし樹脂ライナーとＣＦＲＰ補強層が全面に亘って接着されていると、接着力に抗して互いに離間しようとする力が作用し、特に口金近傍に応力が集中してしまう。従来のライナーは、口金をその底面と密着して固定する構造であったため、ライナーが口金から離脱して収縮する虞があった。
本実施形態における高圧タンク１００は、上述のように、樹脂ライナー１２０とＣＦＲＰ補強層１３０は、互いの胴部中央で固着されており、その他の部分で固着されていない。また、樹脂ライナー１２０は、外側被覆部１２０ａが内側に口金１１１を抱え込むように固設している。さらに、端部開口１３０ａの直径は、外側被覆部１２０ａのうち円筒部１１１ａを覆う部分の直径よりも若干大きい。
このような構造により、樹脂ライナー１２０が収縮する時には、外側被覆部１２０ａの突出部が口金１１１と共に端部開口１３０ａからＣＦＲＰ補強層１３０の内側へスライドして引っ込む。したがって、口金１１１の近傍で応力が集中することがなく、樹脂ライナー１２０が口金１１１から離脱することもない。また、樹脂ライナー１２０のドーム部も、ＣＦＲＰ補強層１３０のドーム部から離間することができるので、ドーム部分においても応力が集中することはない。
しかも、樹脂ライナー１２０が外側被覆部１２０ａとして口金１１１の外側部を覆う構成であるので、外側被覆部１２０ａが収縮しようとしても口金１１１が内側からその収縮を抑制する。つまり、樹脂ライナー１２０がＣＦＲＰ補強層１３０から離間する離間量もそれ程大きくなることがない。すなわち、高圧タンク１００が低温状態に晒されても、何ら損傷することなく、その機能を維持することができる。
換言すれば、低温、低圧下でも高圧タンク１００を安全に利用することができるので、これを採用する例えば燃料電池車両のガス欠圧力を下げることができ、航続距離を伸延させることができる。また、従来技術において樹脂ライナーと補強層の間に介在させていたＦＩＰＧを廃止することができるので、コスト低減にも寄与する。
図４は、口金１１１の斜視図である。口金１１２も同様の構造であるのでその説明を省略する。
上述のように、口金１１１は、ＣＦＲＰ補強層１３０の端部開口１３０ａを貫通する円筒部１１１ａと、樹脂ライナー１２０の胴部側で円筒部１１１ａに接続し、円筒部１１１ａの径よりも大きな径を有する底部１１１ｂを有する。そして、底部１１１ｂは、図示するように、外周に一定間隔でセレーション部１１１ｃを有する。セレーション部１１１ｃは、鋸歯状の溝である。ここへ樹脂ライナー１２０の樹脂が充填されて上述のセレーション充填部１２０ｂが形成されることにより、底部１１１ｂの外周部に樹脂の肉厚部を生じさせ、接触面積を増大させて、樹脂ライナー１２０と口金１１１が強固に一体化する。
したがって、樹脂ライナー１２０の収縮時において口金１１１が乖離したり傾いたりすることがない。また、口金１１１を取り囲む外側被覆部１２０ａ近傍の剛性が向上するので、ＦＷ法において炭素繊維を巻回する速度を高めることができる。
以上本実施形態を説明したが、高圧タンク１００は、水素を充填する用途以外にも適用可能であり、例えば酸素や液体窒素を充填するタンクとして利用しても良い。また、上述のそれぞれ図示した形状は一例であり、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形状で実現することができる。
１００ 高圧タンク、１１１、１１２ 口金、１１１ａ 円筒部、１１１ｂ 底部、１１１ｃ セレーション部、１２０ 樹脂ライナー、１２０ａ 外側被覆部、１２０ｂ セレーション充填部、１３０ ＣＦＲＰ補強層

Claims (2)

  1. ２つの口金と、
    両端部のそれぞれで前記口金の外側部を覆って前記口金を固設する樹脂ライナーと、
    前記樹脂ライナーの外表面側に形成され、前記樹脂ライナーの胴部中央で前記樹脂ライナーに固着されているＣＦＲＰ補強層と
    を備え、
    前記口金の外側部を覆う前記樹脂ライナーの２つの先端部は、前記ＣＦＲＰ補強層の両端部に設けられた端部開口のそれぞれから突出している高圧タンク。
  2. 前記口金は、前記ＣＦＲＰ補強層の端部開口を貫通する円筒部と、前記樹脂ライナーの胴部側で前記円筒部に接続し、前記円筒部の径よりも大きな径を有する底部とを有し、
    前記底部は、外周にセレーション部を有する請求項１に記載の高圧タンク。
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