JP7100553B2 - 水素蓄圧器 - Google Patents

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Description

本発明は水素蓄圧器に関し、例えばシリンダの開口端に蓋をねじ止めする水素蓄圧器に関する。
例えば水素ステーションなどに用いられる高圧水素蓄圧器では、特許文献１や非特許文献１に開示されているように、シリンダ（円筒胴）の開口端に蓋をねじ止めする構造が採用されている。このような水素蓄圧器では、シリンダの内部に充填された水素ガスは、シリンダの内周面と蓋の外周面との間に設けられた樹脂製シール部材（例えばＯリング）によってシールされている。そのため、シリンダの開口端に形成された雌ねじに水素が到達し難く、応力が集中するねじ底を起点とした水素誘起割れが発生し難い。
ところで、非特許文献２には、水素ガス中に低濃度の酸素が含まれると、水素誘起割れの亀裂進展速度が低下することが開示されている。また、非特許文献３には、水素誘起割れの亀裂面に酸素が吸着し、材料中への水素の侵入を抑制することが開示されている。このように、酸素が水素誘起割れを抑制することが知られている。
特開２０１５－１５８２４３号公報
超高圧ガス設備に関する基準ＫＨＫＳ０２２０（２０１０）、平成２２年３月３１日、高圧ガス保安協会、p. 26 Fukuyama, S.、外２名、「Fracture toughness and fatigue crack growth of AISI 4340 steel in high pressure hydrogen at room temperature」、Pressure Vessel Technology、Vol. 2、1989年、p. 1181-1188 Nelson H. G.、「Testing for hydrogen environment embrittlement: primary and secondary influences」、ASTM Special Technical Publication、vol. 543、1974年、p. 152-169
発明者らは、高圧水素ガスが充填された水素蓄圧器では、微量ながら水素が樹脂製シール部材を透過することを見出した。そのため、シリンダの開口端に形成された雌ねじに水素が到達し、応力が集中するねじ底を起点として、シリンダに水素誘起割れが発生する虞があった。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
一実施形態に係る水素蓄圧器では、蓋がねじ止めされるシリンダの雌ねじ部と樹脂製シール部材との間に、シリンダの内周面と蓋の外周面とが離間した隙間部が設けられており、シリンダには隙間部内のガスをリリーフ配管に排出する第１の貫通孔に加え、酸素を含むガスを隙間部に導入する第２の貫通孔が形成されている。
前記一実施形態によれば、シリンダの水素誘起割れを抑制可能な水素蓄圧器を提供することができる。
第１の実施形態に係る水素蓄圧器の断面図である。 図１における領域ＩＩの拡大図である。 比較例に係る水素蓄圧器の断面図である。 第２の実施形態に係る水素蓄圧器の断面図である。 第３の実施形態に係る水素蓄圧器の断面図である。 第４の実施形態に係る水素蓄圧器の断面図である。
以下、具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜簡略化されている。
（第１の実施形態）
＜水素蓄圧器の構成＞
以下に、図１、図２を参照して、第１の実施形態に係る水素蓄圧器の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る水素蓄圧器の断面図である。図２は、図１における領域ＩＩの拡大図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る水素蓄圧器は、シリンダ１０、蓋２０、樹脂製シール部材３０を備えている。本実施形態に係る水素蓄圧器は、例えば水素ステーション用の高圧水素蓄圧器である。水素蓄圧器の設計圧力は、例えば８０～１２０ＭＰａ程度である。
なお、各図面に示した右手系ｘｙｚ３次元直交座標は、図面間において相互に対応しているが、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｘｙ平面が水平面を構成しｚ軸正方向が鉛直上向きとなる。図示した例では、水素蓄圧器の長手方向がｘ軸方向に平行である。このように、水素蓄圧器は、通常、横置きされる。
まず、図１を参照して、水素蓄圧器の全体構成について説明する。
図１に示すように、内部に水素が充填されるシリンダ１０の両開口端に、それぞれ蓋２０が開閉可能にねじ止めされている。シリンダ１０の内周面と、２つの蓋２０の内側端面とによって囲まれた空間に高圧水素ガスが充填される。シリンダ１０の内周面と蓋２０の外周面との間に設けられた円環状の樹脂製シール部材３０によって、シリンダ１０の内部がシールされている。
ここで、高圧水素ガスから応力を受けるシリンダ１０の内周面及び蓋２０の内側端面は耐圧部と呼ばれる。
また、蓋２０は、詳細には後述するように、蓋本体２１とナット２２とを備えている。
なお、図１の例は、シリンダ１０の両方の端部が開口した構成であるが、シリンダ１０の一方の端部のみが開口した構成であってもよい。また、シリンダ１０の外周面は、例えば炭素繊維強化プラスチック層（不図示）などによって補強されていてもよい。
シリンダ１０及び蓋２０（蓋本体２１及びナット２２）は、例えば、それぞれマンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼などの鋼材からなる。シリンダ１０、蓋本体２１、及びナット２２は、同種鋼材から構成されてもよいし、異種鋼材から構成されてもよい。
シリンダ１０は、例えば、鍛造加工や押し出し加工などによって製造されたシームレス管である。シリンダ１０の寸法は、例えば、内容積が５０～１０００Ｌ程度、全長が１８００～５０００ｍｍ程度、内径Ｄ（図２参照）が２００～４００ｍｍ程度、肉厚ｔ（図２参照）が２０～８０ｍｍ程度である。水素誘起割れの起点となる表面傷を減らすため、シリンダ１０の内周面を鏡面加工してもよい。例えば、深さ０．５ｍｍ以上、長さ１．６ｍｍ以上の表面傷を無くすことが好ましい。
次に、図２を参照して、シリンダ１０の開口端の詳細について説明する。ここで、図１に示すように、シリンダ１０の両開口端の構成は同様であるため、図２では、シリンダ１０のｘ軸正方向側の開口端の構成について詳細に説明する。
図２に示すように、シリンダ１０の開口端では、内径が拡径されており、内周面がねじ切られている。すなわち、シリンダ１０の開口端には、雌ねじ部１０ａが形成されている。シリンダ１０の開口端には、蓋２０のナット２２が螺合されている。
蓋本体２１及びナット２２を備えた蓋２０は、高圧ガス保安協会技術基準ＫＨＫＳ０２２０（非特許文献１）に規定された「ねじ構造」に準拠した構造を有している。
図２に示すように、蓋本体２１は、シリンダ１０と共通な中心軸Ｃを有する段付き円柱状部材である。蓋本体２１は、フランジ部２１ａを備えている。ここで、蓋本体２１において、フランジ部２１ａよりもｘ軸負方向側に位置する太径の部位を太径部、フランジ部２１ａよりもｘ軸正方向側に位置する細径の部位を細径部と呼ぶ。
フランジ部２１ａの径は、シリンダ１０の本体部（開口端以外の部位）の内径よりも大きく、シリンダ１０の開口端の内径よりも小さくなっている。そのため、蓋本体２１をシリンダ１０の開口端からシリンダ１０の内部に挿入することができる。フランジ部２１ａは、シリンダ１０の本体部と拡径された開口端との段差１０ｂに当接している。
図２に示すように、蓋本体２１の太径部は、シリンダ１０の本体部の内径と径が略等しく、シリンダ１０の本体部に嵌入されている。他方、蓋本体２１の細径部は、ナット２２の内径と軸径が略等しく、ナット２２の貫通孔に嵌入されている。ここで、蓋本体２１の細径部とナット２２とは、相対的に回転可能である。また、図２の例では、蓋本体２１の細径部の長さが、ナット２２の高さ（ｘ軸方向の長さ）と略等しくなっている。
ナット２２は、シリンダ１０と共通な中心軸Ｃを有する雄ねじナットである。すなわち、ナット２２の外周面がねじ切られている。ナット２２の貫通孔に蓋本体２１の細径部を挿入させつつ、シリンダ１０の開口端にナット２２をねじ込むことによって、シリンダ１０に蓋２０が固定される。詳細には、ナット２２をねじ込むと、ナット２２がｘ軸負方に前進する。ナット２２がフランジ部２１ａをシリンダ１０の段差１０ｂに押し付けると、ナット２２はそれ以上前進しなくなり、シリンダ１０に蓋本体２１及びナット２２が固定される。このように、フランジ部２１ａは、ナット２２をねじ込む際のストッパとして機能する。
樹脂製シール部材３０は、例えばＯリングであって、シリンダ１０と共通な中心軸Ｃを有する円環状の樹脂部材である。樹脂製シール部材３０は、図２に示すように、シリンダ１０の内周面と蓋２０の外周面との間に設けられている。より詳細には、図２に示すように、蓋本体２１の太径部の外周面に形成された環状溝２１ｂに、樹脂製シール部材３０が嵌め込まれている。すなわち、シリンダ１０の本体部の内周面と蓋本体２１の太径部の外周面との間に設けられた樹脂製シール部材３０によって、シリンダ１０の内部がシールされている。
図２に示すように、樹脂製シール部材３０とシリンダ１０の雌ねじ部１０ａとの間には、シリンダ１０の内周面と蓋２０の外周面とが離間した隙間部Ｇが設けられている。具体的には、蓋本体２１のフランジ部２１ａの外周に、帯状かつ円環状の隙間部Ｇが設けられている。
ここで、本実施形態に係る水素蓄圧器では、シリンダ１０に、隙間部Ｇ内のガスをリリーフ配管５１に排出する貫通孔（第１の貫通孔）４１に加え、酸素を含むガスを隙間部Ｇに導入する貫通孔（第２の貫通孔）４２が形成されている。酸素を含むガスは、特に限定されないが、例えば空気である。リリーフ配管５１は、シリンダ１０の内部から隙間部Ｇに漏れ出した水素ガスを、大気中に安全に放出するための配管である。例えば、樹脂製シール部材３０に不具合が発生した場合などの非常時にも、リリーフ配管５１を介して水素ガスが放出される。
上述の通り、発明者らは、高圧水素ガスが充填された水素蓄圧器では、微量ながら水素が樹脂製シール部材３０を透過することを見出した。そのような場合、隙間部Ｇを介して、シリンダ１０の雌ねじ部１０ａに水素が到達し、応力が集中するねじ底を起点として、シリンダに水素誘起割れが発生する虞がある。
このような問題に対し、本実施形態に係る水素蓄圧器では、シリンダ１０に、リリーフ配管５１に接続され貫通孔４１に加え、貫通孔４２が形成されている。貫通孔４１がリリーフ配管５１に接続されているため、例えば自然対流によって貫通孔４２から隙間部Ｇに酸素を含むガスすなわち空気を取り込むことができる。ここで、隙間部Ｇはシリンダ１０の雌ねじ部１０ａに連通しているため、水素誘起割れを効果的に抑制する酸素が、雌ねじ部１０ａのねじ底に到達する。その結果、ねじ底を起点としたシリンダ１０の水素誘起割れを抑制することができる。
貫通孔４１、４２の形成位置は、樹脂製シール部材３０とシリンダ１０の雌ねじ部１０ａとの間であれば、特に限定されない。ここで、貫通孔４１、４２が、耐圧部に近い程すなわち樹脂製シール部材３０に近い程、シリンダ１０に充填される高圧水素ガスから受ける応力の影響が大きくなる。特に、シリンダ１０の内周面における貫通孔４１、４２の角部に発生する応力が高くなる。そのため、貫通孔４１、４２の形成位置は、図２において、樹脂製シール部材３０からｘ軸正方向に遠ざかる方が好ましい。
具体的には、高圧水素ガスによる応力の影響が及ぶ範囲は、図２に示したシリンダ１０の平均半径ｒ［ｍｍ］、肉厚ｔ［ｍｍ］を用いて、耐圧部からｘ軸正方向に２．５×（ｒ×ｔ）１／２［ｍｍ］程度と考えられる。ここで、シリンダ１０の平均半径ｒは、シリンダ１０の内半径と外半径との平均値である。そのため、平均半径ｒ［ｍｍ］は、内径Ｄ［ｍｍ］及び肉厚ｔ［ｍｍ］を用いて、ｒ＝（Ｄ＋ｔ）／２と表すことができる。
他方、貫通孔４１、４２が雌ねじ部１０ａに近付き過ぎると、雌ねじ部１０ａに発生する応力が大きくなる。
そのため、貫通孔４１、４２は、例えば、図２に示すように、隙間部Ｇと対向するシリンダ１０の長手方向（ｘ軸方向）の中央部に形成する。
リリーフ配管５１に接続された貫通孔４１は、特に限定されないが、例えば、鉛直方向下側に配置される。このような構成によって、結露などによって隙間部Ｇに溜まった水分を、ガスと共に排出することができる。他方、酸素を導入するための貫通孔４２は、特に限定されないが、例えば、蓋２０を介して貫通孔４１と対向配置される。このような構成によって、貫通孔４２から導入された酸素が貫通孔４１に向かって流れ、酸素が隙間部Ｇ全体に行き渡り易くなる。
貫通孔４１、４２の径が大きい程、応力集中部での応力が高くなり、金属疲労による亀裂が発生し易くなる。一方、貫通孔４１、４２の径が小さ過ぎると、水素ガスの放出や酸素の導入が進行し難くなると共に、シリンダ１０の内周面における角部のＲ加工が困難となる。そのため、貫通孔４１、４２の直径は、例えば、シリンダ１０の平均半径ｒ［ｍｍ］の２～５％程度とする。一例として、貫通孔４１、４２の直径は２～１２ｍｍ程度である。
また、シリンダ１０の内周面における貫通孔４１、４２の角部が鋭利であると、金属疲労による亀裂が発生し易くなるため、例えばＲ加工を施してもよい。
貫通孔４１、４２は、それぞれ複数設けてもよい。
＜比較例に係る水素蓄圧器の構成＞
ここで、図３を参照して、比較例に係る水素蓄圧器の構成について説明する。図３は、比較例に係る水素蓄圧器の断面図である。図３は、図２に対応する図である。
図３に示すように、比較例に係る水素蓄圧器では、シリンダ１０に、隙間部Ｇ内のガスをリリーフ配管５１に排出する貫通孔４１のみが形成されており、図２に示した酸素を含むガスを隙間部Ｇに導入する貫通孔４２が形成されていない。
そのため、水素誘起割れを効果的に抑制する酸素を隙間部Ｇに導入することができない。その結果、応力が集中するねじ底を起点とした水素誘起割れがシリンダ１０に発生している。特に、隙間部Ｇに近いねじ底程、割れが発生し易い。
なお、このような水素蓄圧器における水素誘起割れは、高圧水素ガスの充填及び放出の繰り返しに伴う疲労破壊である。
上述の通り、本実施形態に係る水素蓄圧器では、シリンダ１０に、酸素を含むガスを隙間部Ｇに導入する貫通孔４２が形成されている。そのため、水素誘起割れを効果的に抑制する酸素を貫通孔４２から隙間部Ｇに導入することができる。隙間部Ｇに導入された酸素は、雌ねじ部１０ａのねじ底に到達するため、ねじ底を起点としたシリンダ１０の水素誘起割れを抑制することができる。
（第２の実施形態）
次に、図４を参照して、第２の実施形態に係る水素蓄圧器の構成について説明する。図４は、第２の実施形態に係る水素蓄圧器の断面図である。図４は、第１の実施形態に係る図２に対応する図である。
図４に示すように、第２の実施形態に係る水素蓄圧器では、酸素を含むガスを隙間部Ｇに導入する貫通孔４２が導入配管５２を介して逆止弁ＣＶに接続されている。それ以外の構成は図２に示した第１の実施形態に係る水素蓄圧器と同様である。
第２の実施形態に係る水素蓄圧器では、第１の実施形態に係る水素蓄圧器と同様に、水素誘起割れを効果的に抑制する酸素を貫通孔４２から隙間部Ｇに導入することができる。その結果、ねじ底を起点としたシリンダ１０の水素誘起割れを抑制することができる。
さらに、第２の実施形態に係る水素蓄圧器では、貫通孔４２が逆止弁ＣＶに接続されているため、隙間部Ｇ内のガスが貫通孔４２から排出されることがない。そのため、例えば、樹脂製シール部材３０に不具合が発生した場合などの非常時に、貫通孔４２から水素ガスは放出されず、貫通孔４１を介してリリーフ配管５１から大気中に安全に放出される。
これに対し、第１の実施形態に係る水素蓄圧器では、そのような場合、貫通孔４２を介して水素ガスが放出され得る。但し、第１の実施形態に係る水素蓄圧器において、貫通孔４２を介して水素ガスが放出されたとしても、少量であるため、安全上特に問題はない。
（第３の実施形態）
次に、図５を参照して、第３の実施形態に係る水素蓄圧器の構成について説明する。図５は、第３の実施形態に係る水素蓄圧器の断面図である。図５は、第１の実施形態に係る図２に対応する図である。
図５に示すように、第３の実施形態に係る水素蓄圧器では、酸素を含むガスを隙間部Ｇに導入する貫通孔４２が導入配管５２を介してポンプＰに接続されている。それ以外の構成は図２に示した第１の実施形態に係る水素蓄圧器と同様である。
なお、第２の実施形態に係る水素蓄圧器と同様に、貫通孔４２とポンプＰとの間の導入配管５２に逆止弁ＣＶを設けてもよい。
第３の実施形態に係る水素蓄圧器は、ポンプＰを備えているため、水素誘起割れを効果的に抑制する酸素を強制的に貫通孔４２から隙間部Ｇに導入することができる。その結果、第１の実施形態に係る水素蓄圧器に比べ、ねじ底を起点としたシリンダ１０の水素誘起割れをより効果的に抑制することができる。
（第４の実施形態）
次に、図６を参照して、第４の実施形態に係る水素蓄圧器の構成について説明する。図６は、第４の実施形態に係る水素蓄圧器の断面図である。図６は、第１の実施形態に係る図２に対応する図である。
図６に示すように、第４の実施形態に係る水素蓄圧器では、リリーフ配管５１にリリーフ弁ＲＶが設けられている。リリーフ弁ＲＶは、隙間部Ｇの圧力が大気圧の場合には閉じており、隙間部Ｇの圧力が大気圧から所定の圧力まで上昇した場合に開く。それ以外の構成は図５に示した第３の実施形態に係る水素蓄圧器と同様である。
なお、第２の実施形態に係る水素蓄圧器と同様に、貫通孔４２とポンプＰとの間の導入配管５２に逆止弁ＣＶを設けてもよい。
第４の実施形態に係る水素蓄圧器は、第３の実施形態に係る水素蓄圧器と同様に、ポンプＰを備えている。そのため、水素誘起割れを効果的に抑制する酸素を強制的に貫通孔４２から隙間部Ｇに導入することができる。
さらに、第４の実施形態に係る水素蓄圧器は、リリーフ配管５１にリリーフ弁ＲＶを備えている。そのため、隙間部Ｇ内の圧力を高めることによって、樹脂製シール部材３０における水素の透過を抑制しつつ、隙間部Ｇ内の酸素分圧を高めることができる。その結果、第３の実施形態に係る水素蓄圧器に比べ、ねじ底を起点としたシリンダ１０の水素誘起割れをさらに効果的に抑制することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
１０ シリンダ
１０ａ 雌ねじ部
１０ｂ 段差
２０ 蓋
２１ 蓋本体
２１ａ フランジ部
２１ｂ 環状溝
２２ ナット
３０ 樹脂製シール部材
４１、４２ 貫通孔
５１ リリーフ配管
５２ 導入配管
ＣＶ 逆止弁
Ｇ 隙間部
Ｐ ポンプ
ＲＶ リリーフ弁

Claims (6)

  1. 内部に水素が充填されるシリンダと、
    前記シリンダの開口端に形成された雌ねじ部にねじ止めされた蓋と、
    前記シリンダの内周面と前記蓋の外周面との間に設けられた円環状の樹脂製シール部材と、を備え、
    前記シリンダの前記雌ねじ部と前記樹脂製シール部材との間に、前記シリンダの内周面と前記蓋の外周面とが離間した隙間部が設けられており、
    前記シリンダには、
    前記隙間部内のガスをリリーフ配管に排出する第１の貫通孔に加え、酸素を含むガスを前記隙間部に導入する第２の貫通孔が形成されている、
    水素蓄圧器。
  2. 前記第２の貫通孔に接続された逆止弁をさらに備える、
    請求項１に記載の水素蓄圧器。
  3. 前記第２の貫通孔に接続されたポンプをさらに備える、
    請求項１又は２に記載の水素蓄圧器。
  4. 前記リリーフ配管に設けられたリリーフ弁をさらに備える、
    請求項３に記載の水素蓄圧器。
  5. 前記第２の貫通孔は、前記隙間部と対向する前記シリンダの長手方向の中央部に設けられている、
    請求項１～４のいずれか一項に記載の水素蓄圧器。
  6. 前記シリンダの内周面における前記第２の貫通孔の角部は、Ｒ加工されている、
    請求項１～５のいずれか一項に記載の水素蓄圧器。
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