JP7313040B2

JP7313040B2 - 高圧ガス容器及びその製造方法

Info

Publication number: JP7313040B2
Application number: JP2019105953A
Authority: JP
Inventors: 健星野; 貴信嶋田; 均内藤; 睦也山本; 克己横本; 浩一米本
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2023-07-24
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: JP2020200846A

Description

本発明は、樹脂ライナーに強化繊維を巻き付けてなる高圧ガス容器及びその製造法に関する。

省エネ・低公害を旗印に、自動車の脱ガソリンエンジンが社会的に求められており、バッテリー電源を利用した電気自動車の開発及び普及が進められる一方、水素を利用した燃料電池自動車の開発が進められている。燃料電池自動車においては、これに搭載される圧縮水素自動車燃料装置用容器や水素ステーションに設けられる圧縮水素蓄圧器用複合容器など（高圧ガス容器）の開発が重要な要素になっている。かかる高圧ガス容器の開発は、自動車産業のみならず航空宇宙産業においても進められており、高圧ガス容器の耐圧性の向上、軽量化などが求められている。

高圧容器の耐圧性の向上について、特許文献１に、基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成する繊維層を多層積層させて積層構造とした耐圧シェルにおいて、この耐圧シェルに外力の作用していない状態では、下層側の繊維層に圧縮応力を作用させるとともに、上層側の繊維層に引張応力を作用させるように構成した耐圧シェルが提案されている。この耐圧シェルは、耐圧シェルの内側部分の強化繊維が引張限界に達する高圧タンク内の圧力値を、耐圧シェルの外側部分の強化繊維が引張限界に達する高圧タンク内の圧力値にまで引き上げることができるので、耐圧性が向上するとされる。

特許文献２に、両端部が開放された筒状の金属製のライナー層と、前記ライナー層の外側に設けられた炭素繊維強化樹脂層と、を備え、前記ライナー層には、その内側に自緊処理が施されて圧縮残留応力を付与された圧縮残留応力層が形成され、前記圧縮残留応力層の外側に、前記圧縮残留応力層よりも小さい圧縮残留応力を有する外表面層が形成されている蓄圧器が提案されている。この蓄圧器は、ボンベ型の容器と異なり、容器の端部でも加圧ムラがない全体的に均一な自緊処理をすることができ、目標とする耐圧性を確保することができるとされる。

国際公開第2004/070258号特開2016-89891号公報

高圧ガス容器は、その耐圧性の向上と軽量化が重要な開発目標となっており、軽量化という観点からは樹脂製ライナーに炭素繊維などの強化繊維を巻き付けて強化繊維層を形成したものが好ましい。このため、特許文献１に記載の耐圧シェルのほうが、特許文献２に記載の金属製ライナーに強化繊維層を設けた蓄圧器よりも好ましい。

また、高圧ガス容器は、注入された高圧ガスの消費と再注入による高低の繰返圧を受けるため、負荷される最高圧が高いほど耐久性が低くなり、その最高圧を低下させる方法が提案されている。例えば、特許文献１に記載された耐圧シェルの強化繊維層内部に圧縮応力層を設ける方法、特許文献２に記載された金属ライナーに自緊処理を施す方法などがある。しかしながら、高圧ガス容器用の樹脂ライナーに残留圧縮応力（残留圧縮歪み）を付与する方法、その効果について記載する先行技術は見当たらない。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、樹脂ライナーに強化繊維を巻き付けてなる高圧ガス容器において、残留圧縮歪みを有する樹脂ライナーを用いた耐久性に優れた高圧ガス容器及びその高圧ガス容器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る高圧ガス容器は、両端部に曲面状の鏡部及び肩部を介して中間部に筒状の胴部を有する樹脂ライナーと、前記鏡部の中央部分に突出する口金と、前記樹脂ライナーを覆う強化繊維層と、を有する高圧ガス容器であって、前記樹脂ライナーは、その鏡部内壁部に前記肩部と前記口金の外周部とから次第に増大して所定値に至る残留圧縮歪みを有してなる。

上記発明において、残留圧縮歪みの所定値は500～1000μSTとすることができ、樹脂ライナーの口金の外周部及び肩部の残留圧縮歪みは10～－100μSTとすることができる。

本発明に係る高圧ガス容器の製造方法は、両端部に曲面状の鏡部及び肩部を介して中間部に筒状の胴部を有する樹脂ライナーと、前記鏡部の中央部分に突出する口金と、を有する高圧ガス容器素材において、前記両端の口金に圧縮力を負荷しつつ樹脂液を含浸した強化繊維を巻き付けて前記樹脂ライナーを覆う強化繊維層を形成してなる。

上記高圧ガス容器の製造方法の発明において、圧縮力は、強化繊維に所定の引張り力を負荷したときに生ずる伸びの25～50％に相当する伸びが、高圧ガス容器を形成する樹脂ライナーの鏡部に生ずるように負荷するのがよい。

所定の引張り力は、高圧ガス容器に要求される規格内圧を負荷したときに強化繊維に作用する引張り力とするのがよい。

本発明によれば、樹脂ライナーに強化繊維を巻き付けてなる高圧ガス容器において、その樹脂ライナーの亀裂を生じやすい部位に残留圧縮歪みを付与することができる。このため、本発明によれば、高圧ガス容器使用時の繰返し負荷を緩和することができ、高圧ガス容器の耐久性を向上させることができる。

本発明に係る高圧ガス容器の製造方法の説明図である。図１の製造方法において高圧ガス容器素材の口金に圧縮力を負荷したときに各部位に生じる歪みの大きさを示すグラフである。図１の製造方法において高圧ガス容器素材の口金に圧縮力を負荷したときに鏡部回りに生じる歪みの大きさを示すグラフである。高圧ガス容器の破断状況を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を基に説明する。図１は、本発明に係る高圧ガス容器の製造方法に関する説明図である。本発明に係る高圧ガス容器の製造方法は、両端部に曲面状の鏡部及び肩部を介して中間部に筒状の胴部を有する樹脂ライナーと、前記鏡部の中央部分に突出する口金と、を有する樹脂ライナーにおいて、前記両端の口金に圧縮力を負荷しつつ樹脂液を含浸した強化繊維を巻き付けて前記樹脂ライナーを覆う強化繊維層を形成してなる。すなわち、本高圧ガス容器の製造方法は、図１（ａ）に示すように、端部に口金5を有する樹脂ライナー1が強化繊維層3で強化された高圧ガス容器を対象とし、プラスチックライナー製圧縮水素自動車燃料装置用複合容器（VH4、JARI S001）として使用することができる。

本高圧ガス容器の製造方法は、図１（ｂ）に示すように、先ず両端部に曲面状の鏡部1c及び肩部1bを介して中間部に筒状の胴部1aを有する樹脂ライナー1と、鏡部1cの中央部分に突出する口金5と、を有する高圧ガス容器素材を成形する。この高圧ガス容器素材は、樹脂ライナー1に、金属製の口金本体5aに基台5bが一体になった口金5を接合することにより成形することができる。樹脂ライナー1の成形方法は問わない。しかしながら、回転成形方法は、樹脂ライナーを成形しつつ、口金が一体になった高圧ガス容器素材を成形することができるので好ましい。樹脂ライナーの材質は、例えばポリエチレン（HDPE、LLDPE）を使用することができる。なお、鏡部1cは、以下に説明する樹脂ライナー1の口金の外周部分（口金部1d）を含む。

高圧ガス容器の高圧化を図る場合に、強化繊維が破損するときは強化繊維層の強化を図ればよく、この対応は比較的容易である。しかし、樹脂ライナーが破損するときの対応は困難である。本発明においては、樹脂ライナーが所定の伸び以上に伸びないように抑制することによって樹脂ライナーの破損を防止する。すなわち、以下に説明するように、高圧ガス容器の樹脂ライナーに亀裂が生じる箇所は通常その鏡部であることから、樹脂ライナーの鏡部内壁部の伸びが所定値以下になるようにその鏡部内壁部に予め圧縮歪み（残留圧縮歪み）を付与する。その鏡部内壁部の所定伸びは、高圧ガス容器を定格圧力（高圧ガス容器に要求される規格内圧）で使用するときに強化繊維に生ずる伸びの25～50％に相当する伸びとするのがよい。このため、以下に説明するように、成形された高圧ガス容器素材の口金を押圧して樹脂ライナーを軸方向に圧縮し、鏡部内壁部に残留圧縮歪みを付与する方法を採用する。

すなわち、図１（ｂ）に示すように、成形された高圧ガス容器素材の口金5に圧縮力Pを負荷して樹脂ライナー1を軸方向に圧縮する。圧縮力Pは、口金部1dが均等に押圧されるように負荷する。高圧ガス容器素材は、図１（ｂ）に示すように両端部に口金5を有する左右対称のものが好ましい。

そして、圧縮力Pを負荷しつつ樹脂液を含浸した強化繊維2を樹脂ライナー1に巻き付けて強化繊維層3を形成し、高圧ガス容器を成形する。強化繊維2を樹脂ライナー1に巻き付けて強化繊維層3を形成する方法は、特に限定されず、公知の方法を使用することができる。なお、本高圧ガス容器の成形は、高圧ガス容器素材に内圧を負荷した状態で行うのがよい。

図２は、内径400mm×長さ1050mm×肉厚10mmの高圧ガス容器素材に内圧を負荷し、両端の口金を圧縮したときの歪み測定試験の結果を示すグラフである。樹脂ライナーの材質はLLDPEである。図２において、横軸は経過時間を示し、縦軸は歪みを示す。パラメータは歪み測定位置を示す。CH7及びCH10は樹脂ライナー1の口金部1d、CH9及びCh12は樹脂ライナーの肩部1b、CH8及びCH11は樹脂ライナー1の鏡部1c（中央部分）、CH1は樹脂ライナー1の胴部1a（肩部1bに近い胴部1a）における歪みを示す。

図２によると、歪み曲線は、経過時間550～600秒において不連続部が生じており、経過時間600～700秒以降は歪み量が一定になっている。鏡部1c（CH8、CH11）の歪みは、経過時間150～250秒において急速に増大するが、それ以降は緩慢に増大し、経過時間600～700秒以降は約700μST（0.07％）で一定になっている。肩部1b（CH9、Ch12）の歪みは、０～-100μST(0～-0.01％)で一定である。口金部1d（CH7、CH10）の歪みは、経過時間約550秒までは鏡部1c（CH8、CH11）と同様に次第に大きくなり（400～500μST）、経過時間550～600秒で急速に小さくなり、その後マイナス側で安定化している。すなわち、口金部1d（CH7、CH10）の歪みは、口金部1d（CH7）が－180μST、口金部1d（CH10）が－70μSTで一定になっている。なお、樹脂ライナー1の左右の肩部1bと口金部1dの歪量を比較すると、左側が右側に比較してばらつきが多くなっている。これは、高圧ガス容器素材の形状及び負荷する圧縮力の均等性・対称性と関係しており、口金部1d（CH7）の歪みを０～-100μSTに押さえることは可能である。

図３は、口金部1d（CH7）、鏡部1c（CH8）、肩部1b（CH9）及び胴部1a（CH1）にわたる範囲（図２において左側の鏡部回り）の歪みを示すグラフである。図３によると、樹脂ライナー1の鏡部回りは、安定化した状態（700秒以降）において図１（ｂ）の一点鎖線で示す変形状態になっていることがわかる。すなわち、図２及び図３によると、鏡部回りの変形状態は、いわば口金部及び肩部を支点にして鏡部を内側から押圧した変形曲げのような状態、鏡部外面が引張り状態、鏡部内面が圧縮状態の態様になっている。かかる口金を軸方向に圧縮することにより、樹脂ライナー1の肩部1b及び口金部1dから次第に増大して所定値に至る残留圧縮歪みを鏡部内壁部に生じさせることができる。本例の場合は、樹脂ライナー1の鏡部内壁部に500～1000μSTの残留圧縮歪みを生じさせることができる。これにより、高圧ガス容器の定格圧力使用時の鏡部内壁部に生じる伸びを強化繊維に生ずる伸びの25～50％に抑えることができる。なお、経過時間600～700秒以降の歪量が一定になった状態において、胴部1aの歪みは約1500μSTであり、その歪み量は鏡部1cの歪みの約２倍である。この胴部1aの歪みは高圧ガス容器素材に負荷した内圧により胴部が膨張していることに起因しており、予め樹脂ライナーに強化繊維を巻き付けておくことによりこの膨張を阻止することができる。

図４は、樹脂製ライナー複合容器（VH4）の繰返し加圧試験（圧縮水素自動車燃料装置用容器の技術基準、JARI S001、設計確認試験における常温圧力サイクル試験）において破損した高圧ガス容器の例を示す。図４（ａ）は亀裂が鏡部円周方向に生じている例であり、図４（ｂ）は亀裂が胴部円周方向に生じている例である。かかる高圧ガス容器の破断状況は通常的であり、この現象は高圧ガス容器使用時における樹脂ライナーの応力解析からも理解される。例えば、HDPEライナー複合容器とアルミニウム合金製のライナー複合容器のCFRP繊維応力解析（日本大学生産工学部第50回学術講演会講演概要、2017-12-2）、あるいはFEMによる異方性複合材料構造体の構造解析（第２報）（北海道立工業試験場報告、No.208 P.85～92）に示されるように、ライナーの鏡部は軸方向の引張り応力又は歪みが大きく、胴部は円周方向の引張り応力又は歪みが大きい。そして、鏡部回りの応力又は歪みは、胴部から肩部、鏡部から肩部において急激に小さくなり、その大きさは０からマイナス側に変化し、鏡部の胴部に近いところで面内変形から面外変形に変化するとされる。かかる応力又は歪みの形態によれば、ライナーの鏡部に軸方向の亀裂、胴部に円周方向の亀裂が生じることが理解される。

このような樹脂製ライナー複合容器において、上述したように胴部に生じる亀裂は強化繊維層3の強度を高くすればこれを阻止することができる。しかしながら、鏡部に生じる亀裂を阻止するための有力な手立てがなかったところであるが、上述のように、鏡部内壁部に残留圧縮歪みを有する樹脂製ライナーを用いれば高圧ガス容器使用時の繰返し平均応力又は歪量を小さすることができる。すなわち、本発明に係る樹脂ライナーの鏡部内壁部に500～1000μSTの残留圧縮歪みを有する高圧ガス容器の製造方法によれば、耐久性の高い高圧ガス容器を成形することができる。本発明によれば70MPａ圧縮水素自動車燃料装置用容器（KHKS 0128)に好適な高圧ガス容器を提供することができる。

1 樹脂ライナー
2 強化繊維
3 強化繊維層
5 口金

Claims

両端部に曲面状の鏡部及び肩部を介して中間部に筒状の胴部を有する樹脂ライナーと、前記鏡部の中央部分に突出する口金と、前記樹脂ライナーを覆う強化繊維層と、を有する高圧ガス容器であって、
前記樹脂ライナーは、その鏡部内壁部に、前記肩部と前記口金の外周部とから次第に増大して一定になり、前記鏡部の内面を圧縮状態に外面を引張状態にする残留圧縮歪みを有してなる高圧ガス容器。
残留圧縮歪みは、500～1000μSTであることを特徴とする請求項１に記載の高圧ガス容器。
樹脂ライナーの口金の外周部及び肩部は、残留圧縮歪みが10～－100μSTであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧ガス容器。
両端部に曲面状の鏡部及び肩部を介して中間部に筒状の胴部を有する樹脂ライナーと、前記鏡部の中央部分に突出する口金と、を有する高圧ガス容器素材において、内圧を負荷するとともに前記両端の口金に圧縮力を負荷しつつ樹脂液を含浸した強化繊維を巻き付けて前記樹脂ライナーを覆う強化繊維層を形成してなる高圧ガス容器の製造方法。
予め胴部にその膨張阻止用の強化繊維を巻き付けて圧縮力を付加することを特徴とする請求項４に記載の高圧ガス容器の製造方法。
圧縮力は、強化繊維に高圧ガス容器に要求される規格内圧を負荷したときの強化繊維に作用する引張り力を負荷したときに生ずる伸びの25～50％に相当する伸びが、高圧ガス容器を形成する樹脂ライナーの鏡部に生ずるように負荷することを特徴とする請求項４又は５に記載の高圧ガス容器の製造方法。