JP7044003B2 - 高圧タンク - Google Patents

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Description

本発明は、筒形の中空容器の外周を繊維強化プラスチックからなる外殻で覆った二重殻構造の高圧タンクに関する。
例えば特許文献１には、ライナーからなる中空容器の外周を繊維強化プラスチックからなる補強材層で覆うとともに、前記中空容器と前記補強材層とを接着剤により接着するということが記載されている。
例えば特許文献２には、両端に口金を取り付けたライナーの外周を繊維強化プラスチック層からなる補強層で覆い、前記ライナーと前記補強層との間の全領域に離型剤層を形成するということ（段落００１９参照）が記載されているとともに、前記ライナーと前記補強層との間の一部（ライナーのドーム部）に離型剤層を形成してもよいということ（段落０００６，００３１参照）が記載されている。
特開２００８－１６４１３１号公報 特許第５９９９０３９号（特開２０１５－０１７６４１号）公報
上記特許文献１では、前記中空容器と前記補強材層とを接着剤により接着しているので、前記ライナーには常に応力がかかった状態になる。
本発明に係る高圧タンクは、筒形の中空容器と、この中空容器の外周を覆うように巻き付けられる繊維強化プラスチックの帯からなる外殻と、この外殻の軸方向一端側および軸方向他端側の各内側にそれぞれ取り付けられる口金と、を備え、前記中空容器は、気密性に優れかつ前記外殻内において軸方向ならびに径方向に伸縮可能となる材料で形成され、前記中空容器の外周面における軸方向中間には、前記外殻の内周面に対する摩擦抵抗を前記中空容器の外周面において前記軸方向中間を除く他領域に比べて大きくするための摩擦部が設けられ、前記摩擦部は、前記中空容器の外周面の軸方向中間を軸方向に変位させないように位置決めするために多数の凹凸を前記中空容器の外周面における軸方向中間の円周方向全域に連続してドットマトリクス状に点在させるように設けられている、ことを特徴としている。
また、上記特許文献２の段落０００６，００３１に記載されているように「ライナーが有する曲面形状のドーム部の外表面に離型剤層を形成した場合には、前記ライナーの局所に応力が集中することを抑制できる」と記載されているものの、この特許文献２には「ライナーと補強層との間で離型剤層を形成しない位置」を特定する記載が無いので、前記離型剤層を形成しない位置が適当でない場合には、前記ライナーの軸方向いずれか一端側のドーム部と口金とをつなぐ領域（特許文献２の図４のＦ参照）に応力が集中することが懸念される。ここに改良の余地がある。
このような事情に鑑み、本発明は、中空容器の内圧変化等に起因して当該中空容器の軸方向いずれか一端側に応力が集中することを回避可能とする高圧タンクの提供を目的としている。
本発明に係る高圧タンクは、筒形の中空容器と、この中空容器の外周を覆うように巻き付けられる繊維強化プラスチックの帯からなる外殻と、この外殻の軸方向一端側および軸方向他端側の各内側にそれぞれ取り付けられる口金と、を備え、前記中空容器は、気密性に優れかつ前記外殻内において軸方向ならびに径方向に伸縮可能となる材料で形成され、前記中空容器の外周面における軸方向中間には、前記外殻の内周面に対する摩擦抵抗を他領域に比べて大きくするための摩擦部が設けられている、ことを特徴としている。
この構成によれば、前記中空容器の例えば内圧変化等に応じて当該中空容器が前記外殻内において軸方向に伸縮する際に、前記中空容器の摩擦部が他領域に比べて前記外殻に対して軸方向に変位しにくくなるので、当該摩擦部を起点として前記中空容器における軸方向一端側および軸方向他端側が同等に軸方向に伸縮するようになる。
これにより、前記中空容器における軸方向一端側および軸方向他端側のいずれか一方（局所）に応力が集中することを抑制または防止できるようになる。
なお、前記摩擦部という文言は、前記中空容器の外周面における軸方向中間が前記外殻の内周面に対して軸方向へ変位する量を制限する機能を有する部位であるという意味で使用している他、前記中空容器の外周面における軸方向中間を前記外殻の内周面に対して軸方向に変位させないようにする機能を有する部位であるという意味でも使用している。
ちなみに、前記したように変位させないようにするには、前記外殻の内周面に前記中空容器の外周面における軸方向中間を接着することにより、前記外殻の内周面に対する前記中空容器の外周面における軸方向中間の摩擦抵抗を無限大とすることが考えられる。特に上記摩擦部であれば、前記樹脂製の中空容器に前記繊維強化プラスチックの帯からなる前記外殻を巻き付けることによって前記中空容器の前記摩擦部としての多数の凹凸が前記外殻の内周面に食い込むことになる。これにより、前記外殻の内周面に対する前記中空容器の外周面における軸方向中間の摩擦部の摩擦抵抗が可及的に大きくなるので、当該中空容器の軸方向中間が前記外殻の内周面に対して軸方向に変位することが制限されるようになる。
ところで、上記高圧タンクにおいて、前記中空容器の軸方向少なくとも一端側には通気孔が設けられており、当該通気孔が設けられる側に配置される口金には、当該通気孔内に摺動可能に嵌入される通気管が設けられている、構成とすることができる。
ここでは、前記中空容器と前記口金との関係を特定している。この特定により、前記中空容器の軸方向一端側および軸方向他端側が軸方向に伸縮する際に、前記口金に対して相対変位することが明らかになる。
また、上記高圧タンクにおいて、前記摩擦部は、径方向外向きに突出するように設けられた大径部とされている、構成とすることができる。
この構成によれば、前記中空容器に前記繊維強化プラスチックの帯からなる前記外殻を巻き付けることによって前記中空容器の前記摩擦部としての大径部が前記外殻の内周面に強く圧接されることになる。
これにより、前記外殻の内周面に対する前記中空容器の外周面における軸方向中間の摩擦部の摩擦抵抗が可及的に大きくなるので、当該中空容器の軸方向中間が前記外殻の内周面に対して軸方向に変位することが制限されるようになる。
また、上記高圧タンクにおいて、前記中空容器の外周において前記摩擦部よりも軸方向一端側の領域および軸方向他端側の領域は、それぞれ外径が端縁へ向けて漸次縮径するような円錐形状に形成されている、構成とすることができる。
この構成によれば、例えば前記中空容器に気体を充填することにより内圧が上昇したときに、当該中空容器の軸方向一端側領域および軸方向他端側領域がそれぞれ軸方向に伸張しやすくなる。
本発明によれば、中空容器の内圧変化等に起因して当該中空容器の軸方向いずれか一端側に応力が集中することを回避可能とする高圧タンクを提供することができる。
本発明に係る高圧タンクの一実施形態で、中空容器の軸方向中間を除く部分を断面にして示す側面図である。 本発明に係る高圧タンクの他の実施形態で、中空容器の軸方向中間を除く部分を断面にして示す側面図である。 本発明に係る高圧タンクのさらに他の実施形態で、中空容器の軸方向中間を除く部分を断面にして示す側面図である。 本発明に係る高圧タンクのさらに他の実施形態で、中空容器の軸方向中間を除く部分を断面にして示す側面図である。
以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１に本発明の一実施形態を示している。図中、１は高圧タンクの全体を示している。この高圧タンク１は、例えば車載用の燃料電池システムに用いる水素等を貯蔵するために利用されるものであって、中空容器２の外周を外殻３で覆った二重殻構造になっている。
中空容器２は、例えば外径寸法より軸方向寸法が大きい円筒形に形成されており、その軸方向一端側には第１ドーム部２ａが、また、軸方向他端側には第２ドーム部２ｂがそれぞれ設けられている。
この中空容器２は、気密性に優れ、かつ比較的柔軟で軸方向ならびに径方向に伸縮可能な材料で形成されている。この中空容器２は、例えばナイロンなどのポリアミド樹脂等で形成することが好ましい。前記ポリアミド樹脂は、前記水素に対するガスバリア性を有している等、気密性に優れているとともに熱膨張率が大きい性質を有している。
中空容器２の第１ドーム部２ａの中心には第１通気孔２ｃが中空容器２の中心軸線に沿って貫通するように設けられている。
第１通気孔２ｃは、共に、中空容器２の第１ドーム部２ａの内側に向けて突出するように設けられる円筒部の内孔とされている。
外殻３は、高圧タンク１としての強度を担保するように高強度とされるものであるので、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化プラスチックとすることが好ましい。
具体的に、外殻３は、中空容器２の外表面に離型剤４を塗布して膜状に硬化させてからフィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法とも呼ぶ）によって巻き付けられることによって形成することができる。
なお、前記熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂等が挙げられる。また、前記強化繊維としては、例えばカーボン繊維等が挙げられる。さらに、前記離型剤４としては、例えばフッ素系離型剤あるいはシリコン系離型剤等が挙げられる。
この外殻３の軸方向一端側の内側には第１口金５が取り付けられており、また、外殻３の軸方向他端側の内側には第２口金６が取り付けられている。
これら第１口金５は、中空容器２内に前記水素等を充填するための供給ノズル（図示省略）または中空容器２内に充填される前記水素等を外部に排出するための排出ノズル（図示省略）が取り付けられる。
第１口金５は、第１通気管５ａの軸方向中間に径方向外向きに延在する環状板部５ｂを一体的に設けた構成になっている。第１通気管５ａは、例えばアルミニウム合金等とされていて、中空容器２の第１通気孔２ｃ内に摺動可能に嵌入される。第２口金６は、環状板とされている。
そして、第１口金５の環状板部５ｂおよび環状板からなる第２口金６における各外側面が外殻３の軸方向一端側および軸方向他端側の各内側面にそれぞれ接着されているが、第１口金５の環状板部５ｂにおける内側面は中空容器２の第１ドーム部２ａの外側面に接着されずに離隔可能になっており、環状板からなる第２口金６における内側面は中空容器２の第２ドーム部２ｂの外側面に接着されずに離隔可能になっている。
この実施形態では、中空容器２の外周面における軸方向中間に、摩擦部７が設けられている。
この摩擦部７は、外殻３の内周面に対する中空容器２の外周面における軸方向中間の摩擦抵抗を他領域に比べて大きくすることによって外殻３に対して中空容器２の外周面の軸方向中間を軸方向に変位させないように位置決めするために設けられている。
具体的に、この実施形態の摩擦部７は、多数の凹凸とされている。具体的に、摩擦部７としての多数の凹凸は、中空容器２の外周面における軸方向中間の円周方向全域に連続してドットマトリクス状に点在させるように設けられている。
そして、中空容器２の外周面において摩擦部７のみが外殻３を構成する熱硬化性樹脂に接着されていて、中空容器２の外周面において摩擦部７を除く領域は外殻３を構成する熱硬化性樹脂に非接着とされている。そのような形態にする方法について以下で説明する。
次に、上述した高圧タンク１の製造手順について説明する。
まず、摩擦部７を設けた中空容器２を用意する。具体的に、中空容器２を射出成形により製作するが、当該射出成形に用いる金型に摩擦部７に対応する凹凸群を設けておくことにより、当該凹凸群が射出成形後の中空容器２の所定位置に転写されることになって摩擦部７が形成されることになる。
このようにして製作した中空容器２の外表面全体に離型剤４を例えばスプレーまたは刷毛等により塗布し、この離型剤４を温風等によって乾燥させることによって、中空容器２の外表面に離型剤４を膜状に形成する。
この中空容器２の軸方向両端に口金５，６を仮留めする。具体的に、第１口金５の第１通気管５ａにおける内側突出部分を中空容器２の第１通気孔２ｃ内に嵌め入れる。この状態では、中空容器２の第１、第２ドーム部２ａ，２ｂの各外側面と第１、第２口金５，６の各内側面との間および中空容器２の第１通気孔２ｃと第１口金５の第１通気管５ａにおける内側突出部分との間にそれぞれ離型剤４が介在することになるために、中空容器２と第１、第２口金５，６とが相対変位可能になっているとともに、第１口金５の第１通気管５ａにおける内側突出部分が中空容器２の第１通気孔２ｃ内において摺動可能になっている。
次いで、中空容器２内に適宜の気体（例えば窒素または空気等）を充填することにより内圧を高めて膨張させた高剛性の状態にしてから、第１口金５の第１通気管５ａを閉塞する。
そして、中空容器２および第１、第２口金５，６の外周に強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化プラスチックの帯をＦＷ法によって巻き付けてから、当該熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより外殻３を形成する。
なお、前記帯の巻き付け形態としては、フープ巻き、低角度・高角度のヘリカル巻き等とすることが可能である。また、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより当該熱硬化性樹脂が第１口金５の環状板部５ｂおよび環状板からなる第２口金６における各外側面に接着されることになるが、中空容器２の外周面には離型剤４を形成しているので、当該中空容器２の外周面に対しては前記熱硬化性樹脂が非接着状態になる。
但し、中空容器２の軸方向中間に設けた多数の凹凸群からなる摩擦部７の凸部分に付着している離型剤４は、前記繊維強化プラスチックの帯を巻き付けるときの圧力によって剥離されることになるために、外殻３の内周面に対して中空容器２の摩擦部７である凹凸群が食い込んだ状態で接着されることになる。これにより、外殻３に対する中空容器２の摩擦部７の摩擦抵抗が可及的に大きくなる。
この後、中空容器２を冷却することにより当該中空容器２内に充填した気体を抜く。これにより、中空容器２の熱膨張率が外殻３の熱膨張率よりも大きいため、中空容器２が外殻３よりも大きく収縮することになり、当該中空容器２の外周面において摩擦部７を除く領域と外殻３の内周面との間に隙間が生じるとともに、第１、第２ドーム部２ａ，２ｂの各外側面と第１口金５の環状板部５ｂおよび環状板からなる第２口金６における各内側面との間に隙間が生じることになる。
このようにして製作した高圧タンク１内に水素等を充填すると、中空容器２が径方向ならびに軸方向に弾性的に伸張することになるが、その際、凹凸群からなる摩擦部７が外殻３に接着されているために、中空容器２の軸方向中間は外殻３の内周面に対して軸方向で変位不可能に位置決めされることになる。
これにより、中空容器２が軸方向に伸張する際に、中空容器２の軸方向中間の摩擦部７を起点として中空容器２の軸方向一端側および軸方向他端側がそれぞれ伸張するようになるために、中空容器２の軸方向一端側への伸張量と軸方向他端側への伸張量とが同等になる。
その結果、中空容器２における軸方向の一端側および軸方向他端側のいずれか一方（局所）に応力が集中することを抑制または防止できるようになる。
ところで、上記実施形態では、中空容器２の外周面における軸方向中間の円周方向全域に凹凸群からなる摩擦部７を連続して設けているので、局所的に荷重が入力されることを防止できるようになる。
なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。
（１）例えば図２に本発明の他の実施形態を示している。この実施形態は、図１に示す実施形態の変形例である。この実施形態では、中空容器２の第１ドーム部２ａの中心に第１通気孔２ｃが中空容器２の中心軸線に沿って貫通するように設けられており、また、中空容器２の第２ドーム部２ｂの中心に第２通気孔２ｄが中空容器２の中心軸線に沿って貫通するように設けられている。
そして、第２口金６は、第１口金５と同様、通気管６ａの軸方向中間に径方向外向きに延在する環状板部６ｂを一体的に設けた構成になっている。この第２口金６の通気管６ａが第２ドーム２ｂの第２通気孔２ｄ内に摺動可能に挿通されている。
その他の構成については、図１に示す実施形態と基本的に同様とされている。この実施形態でも上記実施形態と同様の作用、効果が得られる。
（２）上記各実施形態では、中空容器２の外周面における軸方向中間の円周方向全域に凹凸群からなる摩擦部７を連続して設けた例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではない。
例えば凹凸群からなる摩擦部７を、中空容器２の外周面における軸方向中間の円周方向に所定間隔を開けて部分的に設ける形態にすることが可能であり、このような形態も本発明に含まれる。また、前記間隔は等間隔にすれば局所的な荷重の入力を防止するうえで有利になる。
（３）例えば図３に本発明の他の実施形態を示している。この実施形態は、図１に示す実施形態の変形例である。この実施形態では、摩擦部７を、径方向外向きに突出する大径部としている。
具体的に、摩擦部７としての大径部は、中空容器２の外周面において軸方向一端側領域および軸方向他端側領域の外径よりも大きくなっている部位のことであって、中空容器２の軸方向中間、特に軸方向中央に設けられている。
そして、摩擦部７から第１ドーム部２ａまでの軸方向一端側領域および摩擦部７から第２ドーム部２ｂまでの軸方向他端側領域は、摩擦部７から第１、第２ドーム部２ａ，２ｂへ向けて外径が漸次小さくなるような円錐形状に形成されている。
これにより、外殻３の内周面に対する中空容器２の摩擦部７の接触圧が、外殻３の内周面に対する中空容器２の軸方向一端側領域および軸方向他端側領域の接触圧よりも大きくなるので、外殻３の内周面に対する中空容器２の摩擦部７の摩擦抵抗が、外殻３の内周面に対する中空容器２の外周面における軸方向一端側領域および軸方向他端側領域の摩擦抵抗に比べて大きくなる。
このような実施形態の高圧タンク１の製造方法については、上述した形態と同様とされる。
この製造方法において、中空容器２の外周に前記繊維強化プラスチックの帯を巻き付ける過程では、当該巻き付け圧力によって中空容器２の軸方向中間に設けた摩擦部７としての大径部が外殻３の内周面に対して強く押圧されることになるために、当該摩擦部７に離型剤４が形成されていても、外殻３の内周面に対する摩擦部７の摩擦抵抗が、外殻３の内周面に対する摩擦部７以外の領域の摩擦抵抗に比べて大きくなる。
また、中空容器２を冷却することにより当該中空容器２内に充填した気体を抜く過程では、中空容器２の熱膨張率が外殻３の熱膨張率よりも大きいため、中空容器２が外殻３よりも大きく収縮することになり、当該中空容器２の外周面において摩擦部７を除く領域（円錐形状部分）と外殻３との間、ならびに第１、第２ドーム部２ａ，２ｂと第１、第２口金５，６との間にそれぞれ隙間ができることになる。
このようなことから、上記製造方法で製作された高圧タンク１内に水素等を充填すると、中空容器２が径方向ならびに軸方向に弾性的に伸張することになるが、その際、摩擦部７としての大径部が外殻３の内周面に強く押圧されるために、中空容器２の軸方向中間が外殻３の内周面に対して軸方向で変位不可能になる。
これにより、中空容器２が軸方向に伸張する際に、中空容器２の軸方向中間の摩擦部７を起点として中空容器２の軸方向一端側および軸方向他端側がそれぞれ伸張するようになるために、中空容器２の軸方向一端側への伸張量と軸方向他端側への伸張量とが同等になる。
その結果、中空容器２における軸方向一端側および軸方向他端側のいずれか一方（局所）に応力が集中することを抑制または防止できるようになる。
特に、この実施形態のように中空容器２の外周面において軸方向一端側領域および軸方向他端側領域を円錐形状に形成している場合には、中空容器２に気体を充填することにより内圧が上昇したときに、当該中空容器２の軸方向一端側領域および軸方向他端側領域がそれぞれ軸方向に伸張しやすくなる。
ところで、このような実施形態において、中空容器２の摩擦部７の軸方向一端側領域および軸方向他端側領域を円錐形状とせずに、外径が摩擦部７としての大径部よりも小さい円筒形状の小径部にすることも可能であり、また、摩擦部７を軸方向に幅広に形成することが可能である。
（４）例えば図４に本発明の他の実施形態を示している。この実施形態は、図３に示す実施形態の変形例である。この実施形態では、中空容器２の第１ドーム部２ａの中心に第１通気孔２ｃが中空容器２の中心軸線に沿って貫通するように設けられており、また、中空容器２の第２ドーム部２ｂの中心に第２通気孔２ｄが中空容器２の中心軸線に沿って貫通するように設けられている。
そして、第２口金６は、第１口金５と同様、通気管６ａの軸方向中間に径方向外向きに延在する環状板部６ｂを一体的に設けた構成とされている。この第２口金６の通気管６ａが第２ドーム２ｂの第２通気孔２ｄ内に摺動可能に挿通されている。
その他の構成については、図３に示す実施形態と基本的に同様とされている。この実施形態でも上記実施形態と同様の作用、効果が得られる。
（５）上記各実施形態では、中空容器２の外周面における軸方向中間に設ける摩擦部７を多数の凹凸群や大径部とする例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではない。
例えば図示していないが、例えば中空容器２の外周面における軸方向中間に離型剤４を形成しないようにし、この離型剤４を形成しない部位に外殻３である繊維強化プラスチックの熱硬化性樹脂を接着させる形態にすることができる。
この場合、前記軸方向中間において離型剤４を形成せずに外殻３に接着される部位（離型剤非形成部と言う）が、中空容器２の外周面において離型剤４を形成する軸方向一端側領域および軸方向他端側領域に比べて摩擦抵抗が格段に大きくなっている。このことから、中空容器２の外周面における軸方向中間の前記離型剤非形成部が、特許請求の範囲の摩擦部７に相当するものになっていると言える。
具体的に、中空容器２の外周面に離型剤４を形成する過程において、中空容器２の外周面における軸方向中間に軸方向所定幅でかつ円周方向に連続する帯状に例えばマスキングを施しておいて、当該中空容器２の外周面全体に離型剤４を塗布して硬化させ、この後で前記マスキングを除去すると、中空容器２の外周面における軸方向中間には帯状の離型剤非形成部が確保されることになる。
このようにすると、中空容器２の外周面に繊維強化プラスチックの帯を巻き付けて外殻３を形成する過程において、中空容器２の外周面における軸方向中間の摩擦部７となる離型剤非形成部に、外殻３を構成する繊維強化プラスチックの熱硬化性樹脂が接着されることになる。
このような実施形態の場合も、上記実施形態と同様の作用、効果が得られる。
（６）上記各実施形態では、中空容器２を外径寸法より軸方向寸法が大きいものとした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではない。例えば中空容器２の外径寸法を軸方向寸法と同一または大きくする形態にすることが可能であり、このような形態も本発明に含まれる。
本発明は、伸縮可能な中空容器の外周を前記中空容器に比べて伸縮率が小さい外殻で覆った高圧タンクに好適に利用することが可能である。
１ 高圧タンク
２ 中空容器
２ａ 第１ドーム部
２ｂ 第２ドーム部
２ｃ 第１通気孔
３ 外殻
４ 離型剤
５ 第１口金
５ａ 通気管
５ｂ 環状板部
６ 第２口金
７ 摩擦部

Claims (2)

  1. 筒形の中空容器と、この中空容器の外周を覆うように巻き付けられる繊維強化プラスチックの帯からなる外殻と、この外殻の軸方向一端側および軸方向他端側の各内側にそれぞれ取り付けられる口金と、を備え、
    前記中空容器は、気密性に優れかつ前記外殻内において軸方向ならびに径方向に伸縮可能となる材料で形成され、
    前記中空容器の外周面における軸方向中間には、前記外殻の内周面に対する摩擦抵抗を前記中空容器の外周面において前記軸方向中間を除く他領域に比べて大きくするための摩擦部が設けられ、
    前記摩擦部は、前記中空容器の外周面の軸方向中間を軸方向に変位させないように位置決めするために多数の凹凸を前記中空容器の外周面における軸方向中間の円周方向全域に連続してドットマトリクス状に点在させるように設けられている、ことを特徴とする高圧タンク。
  2. 請求項１に記載の高圧タンクにおいて、
    前記中空容器の軸方向少なくとも一端側には通気孔が設けられており、
    当該通気孔が設けられる側に配置される口金には、当該通気孔内に摺動可能に嵌入される通気管が設けられている、ことを特徴とする高圧タンク。
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