JP7127470B2 - 圧力容器 - Google Patents

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Description

本発明は、圧力容器に関する。
下記特許文献１には、水素が貯蔵される圧力容器（高圧容器）が開示されている。この文献に記載された圧力容器は、円筒状に形成された胴体部を有するライナと、ライナの外表面に沿って形成された繊維強化樹脂製の補強層と、を含んで構成されている。
特開２０１５－０１７６４１号公報
ところで、圧力容器の内部が低温かつ低圧となる状況下では、ライナの収縮量と補強層の収縮量との差異により、ライナと補強層とが離間することが考えられる。そして、ライナと補強層とが離間した状態で、圧力容器の内部に気体（水素）を充填すると、ライナが局所的に伸ばされることが考えられる。
本発明は上記事実を考慮し、内部が低温かつ低圧となる状況下で気体が充填された際に、ライナが局所的に伸ばされることを抑制することができる圧力容器を得ることが目的である。
本発明の圧力容器は、円筒状に形成された胴体部を有し、内部に気体が充填されるライナと、前記ライナよりも線膨張係数が小さな材料を用いて前記胴体部の外表面に接した状態で形成され、前記ライナを外側から覆う補強層と、を備え、前記胴体部の厚み寸法が、前記ライナの内部に充填された気体が該ライナの外部へ排出された状態で前記胴体部の外表面が前記補強層と離間しない厚み寸法に設定されている。
本発明に係る圧力容器は、内部が低温かつ低圧となる状況下で気体が充填された際に、ライナが局所的に伸ばされることを抑制することができる、という優れた効果を有する。
本実施形態の圧力容器を示す側面図である。 図１に示された２－２線に沿って切断した圧力容器の断面を示す拡大断面図である。
（圧力容器の構成）
図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る圧力容器について説明する。
図１には、本実施形態の圧力容器１０が示されている。この圧力容器１０は、燃料電池自動車に搭載されたタンクモジュールの一部を構成している。なお、タンクモジュールは、互いに接続された複数の圧力容器１０を含んで構成されている。
図１及び図２に示されるように、圧力容器１０は、内部に気体の水素が充填されるライナ１２と、ライナ１２を外側から覆う補強層１４と、を含んで構成されている。
図２に示されるように、ライナ１２は、ナイロン等の樹脂材料を用いて形成されている。このライナ１２は、両端が開放された略円筒状に形成されている。ここで、ライナ１２において内径及び外径が一定とされた円筒状の部分を胴体部１６と呼ぶ。また、ライナ１２における長手方向（矢印Ｚ方向）の両側部分を構成し胴体部１６とは反対側に向かうにつれて次第に窄まる部分を肩部１８と呼ぶ。
補強層１４は、ライナ１２よりも線膨張係数が小さな材料である繊維強化樹脂を用いて形成されている。なお、本実施形態では、繊維強化樹脂として炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）が用いられている。そして、炭素繊維強化樹脂が、ライナ１２の外表面１２Ａの全体に巻付けられることで、ライナ１２を外側から覆う補強層１４が形成されている。
ここで、補強層１４に覆われたライナ１２の長手方向の両端部には、シール部材２０を介して口金２２が係合されている。これにより、ライナ１２の一方側の開放端が口金２２によって閉止されると共に、ライナ１２の他方側の開放端が口金２２を介して他の圧力容器１０に接続されている。なお、図２においては、補強層１４に覆われたライナ１２において口金２２によって閉止された側の端部を示している。
（圧力容器１０のライナ１２の内部が低温かつ低圧となる状況について）
ここで、以上説明した圧力容器１０を備えた（タンクモジュールを備えた）燃料電池自動車が、低温の環境下で走行していると共に燃料電池が最高出力で稼働されている状況下では、圧力容器１０のライナ１２内に充填された水素が急激に消費（排出）される。なお、「燃料電池自動車が、低温の環境下で走行していると共に燃料電池が最高出力で稼働されている状況」とは、一例として「燃料電池自動車が、－４０℃の環境下で最高速度で巡行している状況や登坂路を走行している状況」のことである。
上記の環境及び状況下で圧力容器１０のライナ１２内に充填された水素が急激に消費されると、ライナ１２の内部が低温かつ低圧となる。この場合、ライナ１２の収縮量と補強層１４の収縮量との差異により、ライナ１２と補強層１４とが離間する（ライナ１２と補強層１４との間に隙間が形成される）ことが考えられる。そして、ライナ１２と補強層１４とが離間した状態で、圧力容器１０（タンクモジュール）の内部に水素を充填すると、先ず、ライナ１２の胴体部１６と補強層１４とが再び接触し、次いで、ライナ１２の肩部１８と補強層１４とが再び接触することになる。水素の充填により、ライナ１２の胴体部１６と補強層１４とが再び接触した状態では、ライナ１２の胴体部１６と補強層１４との摩擦力により、ライナ１２の胴体部１６の当該ライナ１２の長手方向への伸び変形が拘束される。そして、ライナ１２の胴体部１６と補強層１４とが再び接触した状態からさらに水素が充填されると、胴体部１６と肩部１８との境目が局所的に伸ばされることになる。
そこで、本実施形態では、ライナ１２の内部が低温かつ低圧となる状況下で、ライナ１２の胴体部１６の外表面１２Ａが補強層１４の内周面１４Ａから離れないように、ライナ１２の胴体部１６の厚みｔを設定している。ライナ１２の内部が低温かつ低圧となる状況下で、ライナ１２の胴体部１６の外表面１２Ａが補強層１４の内周面１４Ａから離れなければ、水素の充填により胴体部１６と肩部１８との境目が局所的に伸ばされるという上記の事象が生じないからである。
（ライナ１２の胴体部１６の厚み寸法について）
ここで、ライナ１２の胴体部１６の厚み寸法をｔ（ｍｍ）とし、胴体部１６の内径を２ｒ（ｍｍ）とし、ライナ１２を形成する材料の弾性率をＥ（ＭＰａ）とする。また、ライナ１２を形成する材料の線膨張係数をα（１／Ｋ）とし、ライナ１２のまわりに補強層１４を形成した際のライナ１２の温度と想定されるライナ１２の最低温度との温度差をΔＴ（℃）とし、ライナ１２の内部の最低圧力をＰ（ＭＰａ）とする。
なお、ライナ１２の胴体部１６の厚み寸法ｔ（ｍｍ）、胴体部１６の内径２ｒ（ｍｍ）は、ライナ１２のまわりに補強層１４を形成した際の温度における寸法（図面値の寸法）である。また、ライナ１２を形成する材料の弾性率Ｅ（ＭＰａ）は、想定されるライナ１２の最低温度における値である。さらに、ライナ１２を形成する材料の線膨張係数α（１／Ｋ）は、ライナ１２のまわりに補強層１４を形成した際のライナ１２の温度から想定されるライナ１２の最低温度の間における平均値である。
以上を考慮すると、ライナ１２の内部の圧力Ｐによって胴体部１６の生じる周方向応力（図２における矢印Ｃ方向への応力）は、以下の式１で表される。
（数１）
（Ｐ・ｒ）／ｔ 式１
また、ライナ１２の熱収縮によって胴体部１６の生じる周方向応力は、以下の式２で表される。
（数２）
Ｅ・α・ΔＴ 式２
ここで、炭素繊維強化樹脂等の繊維強化樹脂の温度変化による熱収縮量はほぼ無視できることから、補強層１４の温度変化による熱収縮量を０とする。
そして、ライナ１２の胴体部１６の外表面１２Ａが補強層１４の内周面１４Ａから離れないようにするには、上記式１で得られた値が式２で得られた値よりも大きな値となるように胴体部１６の厚み寸法ｔを設定すればよい。すなわち、以下の式３を満たすように胴体部１６の厚み寸法ｔを設定すればよい。
Figure 0007127470000001
ここで、ライナ１２の胴体部１６の厚み寸法ｔの一例について説明する。
胴体部１６の内径を８２（ｍｍ）とし、ライナ１２を形成する材料の弾性率を２．５（ＧＰａ）とする。また、ライナ１２を形成する材料の線膨張係数を１３×１０－５（１／Ｋ）とし、ライナ１２のまわりに補強層１４を形成した際のライナ１２の温度を２３℃とし、想定されるライナ１２の最低温度を－７０℃とし、ライナ１２の内部の最低圧力を０．７（ＭＰａ）とする。なお、これらの各値は、試作された圧力容器１０の設定値や製造条件、燃料電池自動車の実験で得られた値である。
上記各値と式３から、ライナ１２の胴体部１６の厚み寸法ｔを約０．９ｍｍ未満に設定すれば、ライナ１２の内部が低温かつ低圧となる状況下で、ライナ１２の胴体部１６の外表面１２Ａが補強層１４の内周面１４Ａから離れないようにすることができる。その結果、ライナ１２の内部が低温かつ低圧となる状況下で水素が充填された際に、ライナ１２の胴体部１６と肩部１８との境目が局所的に伸ばされることを抑制することができる。
また、ライナ１２の胴体部１６の厚み寸法ｔを０．９ｍｍよりもさらに薄く設定した場合、前述の式１と式２との関係より、ライナ１２の内部が低温かつ低圧となる状況下で、胴体部１６の外表面１２Ａが補強層１４の内面を押圧している状態にすることができる。一例として、胴体部１６の厚み寸法ｔを０．６５ｍｍに設定することで、胴体部１６の外表面１２Ａが補強層１４の内面を０．２ＭＰａで押圧している状態にすることができる。これにより、ライナ１２の胴体部１６と補強層１４との摩擦力を常に得られる状態にすることができる。これにより、その結果、ライナ１２の内部が低温かつ低圧となる状況下で水素が充填された際に、ライナ１２の胴体部１６と肩部１８との境目が局所的に伸ばされることをより確実に抑制することができる。
なお、ライナ１２の胴体部１６の厚み寸法ｔを薄く設定すると、耐水素透過性能が不足することが考えられるが、この場合、ライナ１２を「ナイロン－接着層－ＥＶＯＨ（エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂）－接着層－ナイロン」の多層構造とすればよい。
また、本実施形態では、ライナ１２のまわりに補強層１４を形成した際のライナ１２の温度を２３℃とし、想定されるライナ１２の最低温度を－７０℃としてライナ１２の胴体部１６の厚み寸法ｔを検討したが、本発明はこれに限定されない。この温度は製造時の外気温のばらつきや燃料電池車が使用される環境を考慮して適宜設定すればよい。例えば、製造時の外気温が２０～３０℃であればこの範囲の値を「ライナ１２のまわりに補強層１４を形成した際のライナ１２の温度」として採用すればよい。また、燃料電池車が使用される環境の最低温度が－４０℃～－３０℃であればこの範囲の値と実験値を考慮した値を「想定されるライナ１２の最低温度」として採用すればよい。なお、燃料電池車が使用される環境の最低温度が－４０℃～－３０℃の場合、実験値を考慮すると、「想定されるライナ１２の最低温度」は－７０℃～－６０℃となる。
また、本実施形態では、補強層１４を構成する炭素繊維強化樹脂の温度変化による熱収縮量を無視してライナ１２の胴体部１６の厚み寸法ｔを検討した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。補強層１４を構成する材料の温度変化による熱収縮量が無視できない場合には、補強層１４を構成する材料の線膨張係数をα２（１／Ｋ）とすると共にライナ１２を形成する材料の線膨張係数をα１（１／Ｋ）として、以下の式４によってライナ１２の胴体部１６の厚み寸法ｔを検討すればよい。
Figure 0007127470000002
また、ライナ１２を形成する材料や補強層１４を形成する材料は、圧力容器１０内に充填されるガスの種類や圧力を考慮して適宜設定すればよい。
以上、本発明の一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 圧力容器
１２ ライナ
１２Ａ 外表面
１４ 補強層
１４Ａ 内周面
１６ 胴体部
２ｒ 胴体部の内径
ｔ 胴体部の厚み寸法

Claims (4)

  1. 円筒状に形成された胴体部を有し、内部に気体が充填されるライナと、
    前記ライナよりも線膨張係数が小さな材料を用いて前記胴体部の外表面に接した状態で形成され、前記ライナを外側から覆う補強層と、
    を備え、
    前記胴体部の厚み寸法が、前記ライナの内部に充填された気体が該ライナの外部へ排出された状態で前記胴体部の外表面が前記補強層と離間しない厚み寸法に設定された圧力容器であって、
    前記補強層は、繊維強化樹脂製とされ、
    前記胴体部の厚み寸法をｔ（ｍｍ）とし、
    前記胴体部の内径を２ｒ（ｍｍ）とし、
    前記ライナを形成する材料の弾性率をＥ（ＭＰａ）とし、
    前記ライナを形成する材料の線膨張係数をα（１／Ｋ）とし、
    前記ライナのまわりに前記補強層を形成した際の前記ライナの温度と想定される前記ライナの最低温度との温度差をΔＴ（℃）とし、
    前記ライナの内部の最低圧力をＰ（ＭＰａ）としたときに、
    前記胴体部の厚み寸法ｔが以下の数１の式を満たす圧力容器。
    Figure 0007127470000003
  2. 円筒状に形成された胴体部を有し、内部に気体が充填されるライナと、
    前記ライナよりも線膨張係数が小さな材料を用いて前記胴体部の外表面に接した状態で形成され、前記ライナを外側から覆う補強層と、
    を備え、
    前記胴体部の厚み寸法が、前記ライナの内部に充填された気体が該ライナの外部へ排出された状態で前記胴体部の外表面が前記補強層と離間しない厚み寸法に設定された圧力容器であって、
    前記胴体部の厚み寸法をｔ（ｍｍ）とし、
    前記胴体部の内径を２ｒ（ｍｍ）とし、
    前記ライナを形成する材料の弾性率をＥ（ＭＰａ）とし、
    前記ライナを形成する材料の線膨張係数をα１（１／Ｋ）とし、
    前記補強層を形成する材料の線膨張係数をα２（１／Ｋ）とし、
    前記ライナのまわりに前記補強層を形成した際の前記ライナの温度と想定される前記ライナの最低温度との温度差をΔＴ（℃）とし、
    前記ライナの内部の最低圧力をＰ（ＭＰａ）としたときに、
    前記胴体部の厚み寸法ｔが以下の数２の式を満たす圧力容器。
    Figure 0007127470000004
  3. 前記胴体部の厚み寸法が、前記ライナの内部に充填された気体が該ライナの外部へ排出された状態で前記胴体部の外表面が前記補強層の内面を押圧している寸法に設定された請求項１又は請求項２に記載の圧力容器。
  4. 前記ライナの内部に充填される気体は水素とされ、
    前記ライナのまわりに前記補強層を形成した際の前記ライナの温度の範囲が２０～３０℃の範囲とされ、
    想定される前記ライナの最低温度が－６０～－７０℃の範囲とされた請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の圧力容器。
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