KR20180004273A - 고압 가스 용기 - Google Patents

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KR20180004273A
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시게타카 우에하라
신이치로 다케모토
히로시 우치다
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

내부에 고압 가스가 충전되는 내층(11)과, 내층의 적어도 1개소에 설치된 가스를 유출입시키기 위한 보스부(13-1, 13-2)와, 내층을 보강하도록 해당 내층의 외주를 덮음과 함께 내층보다 가스 배리어성이 높은 외층(12)을 구비한 고압 가스 용기(100)이며, 보스부와 외층의 사이에 가스 방출구(15-1, 15-2)를 형성하고, 내층을 투과한 가스가 상기 가스 방출구를 통하여 대기 중으로 방출되도록, 내층과 외층의 사이에 가스 통기부(14)를 형성한 고압 가스 용기이다.

Description

고압 가스 용기
본 발명은 내부에 고압 가스가 충전되는 내층과, 내층의 적어도 1개소에 설치된 가스를 유출입시키기 위한 보스부와, 내층을 보강하도록 해당 내층의 외주를 덮는 고통기성의 외층을 구비한 고압 가스 용기에 관한 것이다.
수소 등의 가스를 고압 상태에서 저장하는 고압 가스 용기이며, 수지 등으로 형성된 내층 라이너에 대하여, 보강 등을 위해 탄소 섬유로 형성된 외층을 권회시켜 이루어지는 고압 가스 용기가 알려져 있다. 이 고압 가스 용기의 일단 또는 양단에는, 가스를 유출입시키기 위한 중공의 보스부가 형성된다.
이러한 구성의 고압 가스 용기에 있어서는, 저장 가스 성분의 분자의 크기 등의 요인에 의한 투과 능력에 따라, 당해 저장 가스가 내층 라이너를 투과하는 경우가 있다. 이와 같이 내층 라이너를 투과한 가스는, 내층 라이너보다 가스 투과성이 높은 외층에서 차단되어, 내층 라이너와 외층의 사이에 체류하게 된다.
이와 같이 내층 라이너와 외층의 사이에서 가스가 계속해서 체류해 가면, 그 체류 가스의 압력에 의해 내층 라이너가 압박되어 변형되는 경우가 있다.
이러한 사태를 방지하기 위해, JP2008-190699A에는, 내층인 수지층보다 가스 투과성이 낮은 보강층(외층)에, 그 두께 방향으로 관통되는 복수의 개구가 형성되는 연료 가스 탱크가 개시되어 있다. 이 연료 가스 탱크에 따르면, 수지층과 보강층의 사이에 체류하는 가스를 상기 복수의 개구로부터 외부로 방출시키고 있다.
JP2008-190699A의 경우에는, 체류 가스를 방출시키는 개구가 외층인 보강층 전체에 걸쳐 형성되어 있기 때문에, 보강층의 강도가 저하된다고 하는 문제가 발생한다. 특히, 보강층이 탄소 섬유 등의 섬유재에 수지를 함침시켜 형성되는 경우에는, 상기 개구를 형성함으로써 섬유재와 수지의 사이의 층간 박리를 유발할 우려가 있어, 보강층의 강도 저하가 한층 더 우려된다.
이러한 종래의 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 외층의 강도 저하를 초래하지 않고 내층을 투과하는 가스를 외부로 방출시킬 수 있는 고압 가스 용기의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 내층과, 내층보다 통기성이 낮은 외층을 구비하고, 내층의 적어도 한쪽 단부에 보스부가 설치된 고압 가스 용기가 제공된다. 이 고압 가스 용기에서는, 내층과 외층의 사이에 가스를 통기시키는 가스 통기부가 형성되고, 보스부의 주위에 가스 통기부로 통하는 가스 방출구가 구성된다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 고압 가스 용기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2a는, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 고압 가스 용기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2b는, 도 2a의 A-A선을 따르는 고압 가스 용기의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서 내층 라이너에 가스 통기부를 형성하는 형태를 설명하는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 고압 가스 용기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 고압 가스 용기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 고압 가스 용기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 고압 가스 용기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 8a는, 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 고압 가스 용기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 8b는, 도 8a의 B-B선을 따르는 고압 가스 용기의 단면도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 고압 가스 용기를 설명하는 개략 종단면도이다. 이 고압 가스 용기(100)는, 내부에 35Mpa 또는 70Mpa의 고압 상태에서 가스가 저장된다. 당해 가스에 대해서는 다양한 종류의 것을 상정할 수 있지만, 본 실시 형태에서는, 특히 수소 가스가 상정되며, 이 수소 가스를 저장하는 고압 가스 용기(100)는, 예를 들어 연료 전지 차량에 탑재된다.
그리고, 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)는, 내부에 고압 가스가 충전되는 내층으로서의 내층 라이너(11)와, 내층 라이너(11)보다 통기성이 낮은 외층(12)을 구비하고 있다. 내층 라이너(11)의 길이 방향(도면의 X축을 따르는 방향)의 양단부(11a-1, 11a-2)에는, 각각 보스부(13-1)와 보스부(13-2)가 형성되어 있다. 또한, 내층 라이너(11)와 외층(12)의 사이에, 내층 라이너(11)를 투과하는 가스를 통기시키는 가스 통기부(14)가 형성되어 있다. 특히, 본 실시 형태에서는, 보스부(13-1, 13-2)와 외층(12)의 사이에 가스 통기부(14)에 연통되는 가스 방출구(15-1, 15-2)가 형성되어 있다.
내층 라이너(11)는, 경량화의 관점에서, 폴리에틸렌 수지 또는 폴리프로필렌 수지 등의 비교적 가스 배리어성이 높은 재료로 형성된 대략 원기둥 형상을 갖는다. 또한, 내층 라이너(11)의 양단부(11a-1, 11a-2)에는, 보스부(13-1, 13-2)의 외주면(13a-1, 13a-2)(이하에서는, 보스 외주면(13a-1, 13a-2)이라고도 기재함)이 각각 접속되어 있다. 또한, 내층 라이너(11)와 보스부(13-1, 13-2)의 접속은, 예를 들어 내층 라이너(11)를 성형하는 금형에 미리 보스부(13-1, 13-2)를 세트하여 블로우 성형을 행하는 등의 방법에 의해 행해진다.
특히, 본 실시 형태에서는 내층 라이너(11)의 양단부(11a-1, 11a-2)는, 보스부(13-1, 13-2)와의 접속 부분을 향하여 신장되는 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 내층 라이너(11)의 양단부(11a-1, 11a-2)는, 보스 외주면(13a-1, 13a-2)에 대하여 대략 직교한다.
외층(12)은, 주로 내층 라이너(11)를 보강하는 기능을 행하는 것이며, 에폭시 수지 등의 수지를 탄소 섬유재에 함침하여 이루어지는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성된다. 특히, 외층(12)은, 수지를 함침한 띠형의 탄소 섬유재를, 필라멘트 와인딩법을 이용하여 내층 라이너(11)의 외주면(11c)(이하, 내층 외주면(11c)이라고도 기재함)에 감음으로써 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 당해 감기의 일례로서, 탄소 섬유재의 감기 각도가 비교적 큰, 소위 하이헬리컬 감기가 사용된다. 이와 같이 구성된 외층(12)은, 내층 라이너(11)보다 통기성이 낮아진다. 즉, 외층(12)은, 내층 라이너(11)보다 가스 배리어성이 높아진다.
한편, 본 실시 형태에서는, 가스 통기부(14)는, 내층 라이너(11)와 외층(12)의 사이에 있어서 형성되는 공동으로서 구성되어 있다. 또한, 이러한 공동형의 가스 통기부(14)를 구성함에 있어서는, 예를 들어 내층 라이너(11)의 외주면에 몇 개의 스페이서를 배치하고, 이 스페이스가 배치된 상태의 내층 라이너(11)에 대하여 외층(12)을 구성하는 탄소 섬유재를 권회한다.
이에 의해, 스페이서가 내층 라이너(11)와 외층(12)의 사이에 가스 통기부(14)로서의 공동을 유지할 수 있다. 특히, 외층(12)을 구성하기 위해 권회되는 탄소 섬유재의 장력을 유지할 수 있도록, 내층 라이너(11)의 외주면에 배치하는 스페이서의 수나 크기를 조정하는 것이 바람직하다.
또한, 외층(12)은, 그 길이 방향(도면의 X축을 따르는 방향)의 양단 부분에, 각각 개방부(12a-1, 12a-2)가 형성되어 있다. 개방부(12a-1, 12a-2)의 직경 R1은, 각각 보스부(13-1, 13-2)의 외경 r1보다 크다.
그리고, 상대적으로 큰 직경 R1을 갖는 개방부(12a-1, 12a-2)에, 상대적으로 작은 외경 r1을 갖는 보스부(13-1, 13-2)가, 각각의 축 중심을 맞춘 상태로 삽입 관통되어 있다. 이에 의해, 보스 외주면(13a-1, 13a-2)과 개방부(12a-1, 12a-2)의 에지부의 사이에 공간이 형성되어 있다.
이 공간은, 도면으로부터 명백한 바와 같이 가스 통기부(14)에 접하여 연통되어 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 이 보스부(13-1, 13-2)와 외층(12)의 사이의 간극이 가스 방출구(15-1, 15-2)로서 구성된다. 또한, 이 가스 방출구(15-1, 15-2)는, 용기 정면에서 보아, 즉 고압 가스 용기(100)를 도면의 X축 방향을 따라 보면, 보스 외주면(13a-1, 13a-2)과 개방부(12a-1, 12a-2)의 에지부에 의해 획정되는 대략 원환 형상을 나타내고 있다.
또한, 개방부(12a-1, 12a-2)는, 외층(12)을 구성하는 수지 함침 탄소 섬유재를 권회한 후에 가공하여 구성하도록 해도 된다. 그러나, 미리 수지 함침 탄소 섬유재를 보스부(13-1, 13-2)로부터 이격하도록 권회함으로써, 개방부(12a-1, 12a-2)를 형성하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 개방부(12a-1, 12a-2)를 형성하기 위해 외층(12)에 대하여 가공을 행하는 공정이 불필요하게 된다.
또한, 도면으로부터 이해되는 바와 같이, 외층(12)의 양단부도, 내층 라이너(11)의 양단부(11a-1, 11a-2)와 마찬가지로, 보스 외주면(13a-1, 13a-2)에 대하여 대략 직교하고 있다.
한편, 보스부(13-1, 13-2)는, 그 축 중심을 따라 구멍부(13b-1, 13b-2)가 형성된 원통형 부재이다. 보스부(13-1, 13-2)는, 예를 들어 스테인리스강이나 알루미늄 등의 금속 재료로 형성되어 있다.
또한, 도 1에 있어서는, 보스부(13-1, 13-2)의 양쪽에 있어서, 구멍부(13b-1, 13b-2)가 형성되어 있고, 이들이 개구되어 있다. 그러나, 보스부(13-1, 13-2), 특히 구멍부(13b-1, 13b-2)의 형태는 이것에 한정되지 않는다.
예를 들어, 실제로 고압 가스 용기(100)가 사용되는 상태에 있어서, 한쪽 보스부(13-1)의 구멍부(13b-1)를 소정의 덮개 부재에 의해 폐색하고, 다른 쪽 보스부(13-2)의 구멍부(13b-1)에 메인 스톱 밸브나 용전 밸브를 설치하도록 해도 된다. 이 경우, 한쪽 보스부(13-1)를 밀폐 상태로 하여 용기 내의 기밀성을 높이면서, 다른 쪽 보스부(13-2)만이 가스의 유출입구의 기능을 발휘하게 된다. 또한, 보스부(13-1, 13-2)는, 내층 라이너(11)의 양단에 설치되는 것에 한정되지 않고, 예를 들어 내층 라이너(11)의 일단에만 설치되어도 되고, 혹은 내층 라이너(11)의 단부 이외의 부분에 설치되어도 된다.
상술한 본 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 내부에 고압 가스가 충전되는 내층인 내층 라이너(11)와, 내층 라이너(11)의 양단에 설치된 가스를 유출입시키기 위한 보스부(13-1, 13-2)와, 내층 라이너(11)를 보강하도록 해당 내층 라이너(11)의 외주면(11c)을 덮음과 함께 내층 라이너(11)보다 통기성이 높은 외층(12)을 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 보스부(13-1, 13-2)와 외층(12)의 사이에 가스 방출구(15-1, 15-2)를 형성하고, 내층 라이너(11)로부터 외층(12)으로 투과한 가스가 가스 방출구(15-1, 15-2)를 통하여 대기 중으로 방출되도록, 내층 라이너(11)와 외층(12)의 사이에 가스 통기부(14)가 형성되어 있다.
따라서, 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 내층 라이너(11)를 투과하는 가스는, 가스 배리어성이 높은 외층(12)을 투과하지 않고, 내층 라이너(11)와 외층(12)으로 유도되어 가스 통기부(14) 내를 보스부(13-1) 또는 보스부(13-2)측을 향하여 이동하게 된다. 그리고, 이와 같이 가스 통기부(14)를 이동해 온 가스는, 보스부(13-1, 13-2)와 외층(12)의 사이에 형성된 가스 방출구(15-1)(또는 가스 방출구(15-2))로부터 외부로 방출되게 된다.
이에 의해, 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 가스 통기부(14) 내에 가스를 체류시키지 않고, 적합하게 외부로 방출시킬 수 있다. 특히, 본 실시 형태에서는, 종래와 같이 외층(12) 전체에 걸쳐 가스 방출용의 개구를 복수 형성하는 등의 당해 외층(12)의 강도 저하를 초래하는 가공을 필요로 하지 않는다. 따라서, 외층(12)의 강도 저하를 초래하지 않고 내층 라이너(11)를 투과하는 가스를 외부로 방출시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 외층(12)의 양단부에 보스부(13-1, 13-2)의 외경 r1보다 큰 직경 R1의 개방부(12a-1, 12a-2)를 형성하도록, 외층(12)을 구성하는 섬유재(수지 함침 탄소 섬유재)를 권회함으로써 구성되는 것이 바람직하다.
이에 의해, 가스를 외부로 방출시키는 가스 방출구(15-1, 15-2)를 특별한 가공을 행하지 않고, 외층(12)의 양단부에 개방부(12a-1, 12a-2)를 형성하도록, 섬유재를 권회한다고 하는 용이한 프로세스로 실현할 수 있다.
바꿔 말하면, 보스부(13-1, 13-2)의 주변 영역에 외층(12)을 구성하는 섬유재를 권회하지 않도록 하는 것만으로, 개방부(12a-1, 12a-2)가 형성되게 되며, 결과로서 이것과 보스부(13-1, 13-2)에 의해 획정되는 가스 방출구(15-1, 15-2)도 용이하게 형성되게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 내층 라이너(11)의 양단부(11a-1, 11a-2)와 보스 외주면(13a-1, 13a-2)이 대략 직교하고 있고, 외층(12)의 양단부와 보스 외주면(13a-1, 13a-2)도 대략 직교하고 있다.
따라서, 가스 통기부(14) 내의 가스는, 가스 통기부(14) 내를 보스부(13-1, 13-2)측으로 이동하고, 보스 외주면(13a-1, 13a-2)에 의해 그 연장 방향(도 1의 X축을 따르는 방향)으로 유도되어 가스 방출구(15-1, 15-2)로부터 방출되게 된다. 이에 의해, 가스 통기부(14) 내의 가스를 외부로 효과적으로 배출시킬 수 있다.
(제2 실시 형태)
이하, 제2 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 각 실시 형태에 있어서는, 앞서의 실시 형태에 있어서 설명한 요소와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여, 그 설명을 생략한다.
도 2a는, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)의 개략 종단면도이고, 도 2b는, 도 2a에 있어서의 A-A선 단면도이다. 본 실시 형태에서는, 특히 가스 통기부(14)가, 다공체인 다공질 수지 재료의 층으로서 구성되어 있다.
다공질 수지 재료로서는, 예를 들어 수㎛ 내지 수mm 정도의 직경의 구멍부가 복수 형성된 다공질 폴리에틸렌이나 다공질 폴리우레탄 등의 재료를 사용할 수 있다. 즉, 이들 재료로는, 복수의 구멍부에 의해 가스 통기부(14)로서 필요한 통기 기능이 확보되게 된다.
또한, 가스 통기부(14)의 양단부에는 보스 외주면(13a-1, 13a-2)이 접속된다. 따라서, 가스 통기부(14)는, 내층 외주면(11c)의 전역을 피복하게 된다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 외층(12)은, 이와 같이 내층 외주면(11c)의 전역을 피복한 상태의 가스 통기부(14)에 대하여, 그 외주면(14c)에 외층(12)을 구성하는 탄소 섬유재가 권회됨으로써 형성된다.
상술한 본 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 가스 통기부(14)는, 다공체로서의 다공질 재료에 의해 구성되어 있다. 이에 의해, 가스 통기부(14)에 있어서의 가스 통기성이 확보되면서도, 이 다공체인 가스 통기부(14)에 대하여 권회되는(외층(12)을 구성하는) 섬유재의 장력(권회력)을 가스 통기부(14)에 의해 서포트할 수 있다. 즉, 외층(12)의 장력 누락이 방지된다.
(제3 실시 형태)
이하, 제3 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 3은, 본 실시 형태에 있어서 내층 라이너에 가스 통기부를 형성하는 형태를 설명하는 도면이다.
본 실시 형태에서는, 다공체로서의 가스 통기부(14)가, 외층(12)을 구성하는 탄소 섬유재(P2)를 권회하는 권취수 밀도보다 낮은 권취수 밀도로, 탄소 섬유재(P1)를 내층 외주면(11c)에 권회함으로써 형성된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 「권취수 밀도」란, 내층 외주면(11c) 등의 권회 대상에 있어서의 단위 표면적당 섬유재가 권회되어 있는 수를 의미한다.
가스 통기부(14)를 구성하는 탄소 섬유재(P1)로서는, 외층(12)을 구성하는 탄소 섬유재(P2)와 동일한 재료가 사용된다. 그리고, 도 3에 도시하는 바와 같이, 탄소 섬유재(P1)는, 외층(12)을 구성하는 탄소 섬유재(P2)보다 거친 권취수 밀도로 감긴다. 또한, 도면에 있어서는, 참고를 위해, 외층(12)을 구성하는 탄소 섬유재(P2)가 권회되는 형태를 파선으로 모식적으로 도시하고 있다.
한편, 도 4는, 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)의 주요부 개략 종단면도이다. 당해 도면으로부터 이해되는 바와 같이, 상술한 바와 같이 상대적으로 거친 권취수 밀도로 권회된 탄소 섬유재(P1)의 상호 간에는, 간극(16)이 형성되게 된다.
도면에 있어서는, 탄소 섬유재(P1)가 용기 직경 방향(Y축 방향)에 있어서 2단으로 겹치고, 또한 상단의 탄소 섬유재(P1)와 하단의 탄소 섬유재(P1)의 용기 축 방향(X축 방향)의 위치가 서로 약간 오프셋되도록 권회되어 있다. 이에 의해, 상단 및 하단의 양쪽에 있어서 서로 인접하는 탄소 섬유재(P1)의 사이에 간극(16)이 형성되게 된다. 또한, 이 간극(16)의 수나 사이즈는, 탄소 섬유재(P1)의 권취수 밀도를 조정하거나 하여 임의로 설정할 수 있다.
따라서, 내층 라이너(11)를 투과하여 가스 통기부(14)로 진입해 온 가스는, 상술한 탄소 섬유재(P1) 상호 간에 형성된 간극(16)을 경로로 하여, 가스 방출구(15-1 또는 15-2)로 이동하여, 외부로 방출되게 된다(도면의 굴절 화살표(B) 참조).
한편, 본 실시 형태의 외층(12)은, 이 성기게 권회된 탄소 섬유재(P1) 상으로부터 내층 라이너(11)에 대하여 권회된다. 또한, 외층(12)에는 높은 가스 배리어성이 요구되기 때문에, 상술한 바와 같이, 외층(12)에 있어서의 탄소 섬유재(P2)의 권취수 밀도는, 가스 통기부(14)의 탄소 섬유재(P1)의 권취수 밀도보다 높게 되어 있다.
상술한 본 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 다공체로서의 가스 통기부(14)는, 외층(12)을 구성하는 섬유재를 권회하는 권취수 밀도보다 낮은 권취수 밀도로 내층 라이너(11)에 섬유재(P1)를 권회함으로써 형성된다. 특히, 가스 통기부(14)는, 그 가스 통기성이 확보될 정도의 수나 치수의 간극(16)이 형성되도록, 내층 라이너(11)에 대하여 섬유재(P1)를 권회함으로써 형성된다.
이에 의해, 다공체로서의 가스 통기부(14)를, 번잡한 제조 프로세스나 고비용의 재료를 사용하지 않고, 섬유재(P1)를 비교적 성기게 권회한다고 하는 간이한 방법으로 구성할 수 있다.
특히, 본 실시 형태에서는, 가스 통기부(14)를 구성하는 섬유재(P1)로서, 외층(12)을 구성하는 섬유재(P2)와 동일한 탄소 섬유 재료가 사용되고 있다. 따라서, 가스 통기부(14)를 구성하는 프로세스와 외층(12)을 구성하는 프로세스는, 섬유재를 감는 횟수를 제외하고 동등한 공정을 거치게 된다.
따라서, 가스 통기부(14)를 구성하기 위해 섬유재(P1)를 권회하는 공정으로부터 일련의 공정으로서, 외층(12)을 구성하는 섬유재(P2)를 권회하는 공정으로 이행할 수 있으므로, 가스 통기부(14)가 구성되는 고압 가스 용기(100) 전체의 제조 프로세스가 보다 간소화되게 된다.
(제4 실시 형태)
이하, 제4 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 5는, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 고압 가스 용기의 개략 구성도, 특히 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)의 주요부 개략 종단면도이다.
도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 다공체로서의 가스 통기부(14)가 중공사막에 의해 구성되어 있다. 여기서, 중공사막이란, 측벽에 복수의 미세한 구멍부(예를 들어 1㎛ 이하의 직경)가 형성된 파이프형 부재로 구성되는 고분자막이다.
본 실시 형태에서는, 도시한 바와 같이, 중공사막으로 이루어지는 가스 통기부(14)가, 제2 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 내층 외주면(11c)의 전역을 피복하는 상태로 되어 있다. 또한, 외층(12)은, 이와 같이 내층 외주면(11c)의 전역을 피복한 중공사막의 가스 통기부(14)의 외주면(14c)에 권회되어 형성되게 된다.
상술한 본 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 다공체로서의 가스 통기부(14)는 중공사막에 의해 구성된다. 이에 의해, 중공사막의 내부 및 그 측벽에 형성된 미세 구멍부를, 내층 라이너(11)를 투과하는 가스가 가스 방출구(15-1 또는 15-2)로 이동하기 위한 경로로 할 수 있다. 즉, 가스 통기부(14)에 있어서의 가스 통기 기능을 보다 확실하게 발휘시킬 수 있다.
특히, 중공사막은, 소정의 감기 장치 등을 사용하여 권회에 의해 내층 라이너(11)에 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 중공사막의 권회는, 외층(12)을 구성하는 탄소 섬유재를 권회하기 위한 설비나 방법과 마찬가지의 설비나 방법을 사용하여 실행하는 것이 가능하다.
이에 의해, 가스 통기부(14)를 구성하는 중공사막을 권회하는 공정으로부터 일련의 공정으로서, 외층(12)을 권회하는 공정으로 이행할 수 있으므로, 가스 통기부(14)가 구성되는 고압 가스 용기(100) 전체의 제조 프로세스가 보다 간소화되게 된다.
(제5 실시 형태)
이하, 제5 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 6은, 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)의 개략 구성도, 특히 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)의 주요부 개략 종단면도이다.
본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 다공체로서의 가스 통기부(14)가 발수제 수지 재료에 의해 구성되어 있다. 구체적으로, 발수제 수지 재료에 의해 구성되는 가스 통기부(14)가, 제2 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 내층 외주면(11c)의 전역을 피복하는 상태로 되어 있다. 또한, 외층(12)은, 이와 같이 내층 외주면(11c)의 전역을 피복한 가스 통기부(14)의 외주면(14c)에, 수지를 함침한 탄소 섬유(P2)를 권회함으로써 형성되게 된다.
본 실시 형태에 있어서의 발수제 수지 재료는, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 연신 가공하여 형성되는 e-PTFE 필름과, 폴리우레탄 중합체를 복합화함으로써 형성되는 재료이다. 이 재료는, 예를 들어 1.4×108개/㎠ 정도의 미세한 구멍부(예를 들어, 직경이 1㎛ 미만)를 갖고 있다.
상기 구멍부는, 본 실시 형태에 있어서 가스로서 상정되는 수소를 통과시키면서도, 액체의 수지 성분이나 물을 통과시킬 수 있는 직경으로 형성되어 있다. 이러한 재료의 일례로서는, 고어텍스(등록 상표)를 들 수 있다.
이에 의해, 가스 통기부(14)에 있어서는, 내층 라이너(11)를 투과해 온 가스를 통하여 가스 방출구(15-1 또는 15-2)로 이동시키는 기능은 확보되면서도, 수분 등의 액체는 차단된다고 하는 발수 기능이 실현되어 있다. 즉, 가스 통기부(14)는, 가스는 투과시키지만 액체를 투과시키지 않도록 구성되게 된다.
상술한 본 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 가스 통기부(14)가, 발수성 재료에 의해 구성되어 있다. 이에 의해, 가스 통기부(14)에 있어서의 통기 기능은 확보되면서도, 예를 들어 외층(12)에서 함침되어 있는 수지, 또는 결로 등에 의해 발생하는 수분 등이 가스 통기부(14)로 침입하는 것을 방지할 수 있다.
특히, 본 실시 형태에 관한 발수성 재료는, 가스를 통과시키는 한편, 액체를 차단하는 크기의 직경을 갖는 미세한 구멍부가 복수 형성된 재료이므로, 상술한 수지나 수분의 침입이 차단되어, 당해 구멍부의 눈막힘이 방지되게 된다. 이와 같이, 구멍부의 눈막힘이 방지됨으로써, 가스를 통과시킨다고 하는 가스 통기부(14) 본래의 기능을 손상시키지 않고, 확실하게 발휘시킬 수 있다.
특히, 본 실시 형태에 있어서는, 수지를 함침한 탄소 섬유(P2)를 가스 통기부(14)에 권회함으로써 외층(12)을 형성하므로, 권회 작업 시에 수지 함침 탄소 섬유에 장력이 가해지고, 이것에 함침되어 있는 액체 수지가 짜내어져 가스 통기부(14)측을 향할 것이 상정된다.
그러나, 이와 같이 가스 통기부(14)측으로 액체 수지가 이동해 왔다고 해도, 상기 발수성 재료의 작용에 의해 당해 액체 수지가 가스 통기부(14)의 외주면(14c)의 부분에서 적합하게 차단되게 된다.
또한, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)가 연료 전지 차량에 탑재되는 경우에는, 당해 차량이 우천 시 등에 주행함으로써, 주행 중에 튀어오른 수분이 고압 가스 용기(100)에 도달하는 소위 스플래시라고 하는 현상이 발생하는 경우가 있다.
따라서, 고압 가스 용기(100)가 연료 전지 차량에 탑재되는 경우에는, 특히 수분이 가스 통기부(14) 내로 침입하는 것을 방지하는 요구가 높아진다. 결과로서, 상술한 본 실시 형태에 관한 구성 및 그 작용 효과는, 고압 가스 용기(100)를 연료 전지 차량에 탑재하는 경우에 특히 유효한 것이 된다.
또한, 본 실시 형태에 관한 상기 발수성 재료는 예시이며, 당해 발수성 재료 이외에도, 마찬가지의 발수 기능을 발휘하는 다른 임의의 재료를 사용할 수 있다.
(제6 실시 형태)
이하, 제6 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 7은, 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)의 개략 구성도, 특히 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)의 주요부 개략 종단면도이다.
본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 내층 라이너(11)와 외층(12)의 사이의 가스 통기부(14)가, 수지가 함침되어 있지 않은 섬유재(P1)에 의해 구성되어 있다.
구체적으로, 가스 통기부(14)를 구성하는 섬유재(P1)는, 외층(12)을 구성하는 섬유재(P2)와 동일한 종류의 탄소 섬유재이다. 그러나, 가스 통기부(14)를 구성하는 섬유재(P1)는, 외층(12)과는 달리 에폭시 수지 등의 액체 수지가 함침되어 있지 않다. 즉, 본 실시 형태에서는, 수지를 함침하지 않는 섬유재(P1)를 내층 라이너(11)에 권회함으로써 가스 통기부(14)가 구성된다.
이와 같이 수지가 함침되어 있지 않은 섬유재(P1)를 권회하여 구성된 가스 통기부(14)는, 수지가 함침된 섬유재(P2)를 권회하여 구성된 외층(12)과 비교하여 기밀성이 낮아진다. 즉, 가스 통기부(14)는, 외층(12)에 비하여 통기 성능이 높아진다.
상술한 본 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 외층(12)이, 수지가 함침된 섬유재(P2)에 의해 형성되어 있고, 가스 통기부(14)는, 수지를 함침하지 않은 섬유재(P1)에 의해 형성된다. 이에 의해, 수지를 함침시키지 않는 섬유재(P1)를 사용한다고 하는 용이한 방법으로, 번잡한 제조 프로세스나 고비용의 재료를 사용하지 않고 가스 통기부(14)의 통기 기능을 확보할 수 있다.
특히, 본 실시 형태에 있어서, 외층(12) 및 가스 통기부(14)는, 수지 함침의 유무의 상이가 있기는 하지만, 서로 동일한 종류의 탄소 섬유재로 구성되어 있다. 따라서, 외층(12)과 가스 통기부(14)를 구성하는 데 있어서 동일한 제조 프로세스(권회 작업)를 행하면 충분하므로, 제조 공정의 간소화가 도모된다.
또한, 상술한 바와 같이 본 실시 형태에서는, 가스 통기부(14)를 구성하는 섬유재(P1)에 수지가 함침되지 않음으로써, 당해 가스 통기부(14)의 통기성은 확보되어 있다. 그러나, 가스 통기부(14)의 통기 성능을 일정 이상의 수준으로 확보한다는 관점에서는, 섬유재(P1)를 권회하는 권취수 밀도에 대해서도, 지나치게 높아지지 않을 정도로 조정하는 것이 바람직하다.
특히, 제3 실시 형태와 같이, 가스 통기부(14)를 구성하는 섬유재(P1)의 권취수 밀도를, 외층(12)을 구성하는 섬유재(P2)의 권취수 밀도보다 낮게 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 가스 통기부(14)를 구성하는 섬유재(P1)에 수지가 함침되지 않는 것과 아울러, 보다 양호하게 가스 통기부(14)의 통기 성능을 확보할 수 있다.
한편으로, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 섬유재(P1)에 수지를 함침시키지 않음으로써 가스 통기부(14)의 통기성을 확보하고 있기 때문에, 권취수 밀도는 어느 정도 높게 하는 것도 가능하다. 이와 같이, 섬유재(P1)의 권취수 밀도를 어느 정도 높게 하여, 내층 라이너(11)와 외층(12)의 사이에 가능한 한 간극을 형성하지 않도록 하여, 외층(12)의 장력을 지지하는 기능을 보다 높이도록 해도 된다.
(제7 실시 형태)
이하, 제7 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 8a는, 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)의 개략 평면도이고, 도 8b는, 고압 가스 용기(100)의 한쪽 보스부(13)의 근방에 있어서의 도 8a의 B-B선 개략 종단면도이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제1 내지 제6 실시 형태에 있어서 사용한 「보스부(13-1, 13-2)」 등의 가지 부호는 생략하고, 이들을 구별하지 않고 「보스부(13)」 등의 부호로 통일한다.
도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 내층 라이너(11), 외층(12) 및 가스 통기부(14)로 이루어지는 용기 본체의 기본 구성은, 상기 제2 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)와 마찬가지이다.
본 실시 형태에서는 특히, 보스부(13)가, 그 기단측 부분에 원환부(13c)를 갖고 있으며, 이 원환부(13c)의 상면에 있어서 보스부(13)의 둘레 방향으로 방사상으로 복수(도면에서는 8개) 배치된 리브부(13d)가 설치되어 있다.
그리고, 내층 라이너(11)의 보스부(13)측의 단부(11d), 및 가스 통기부(14)의 보스부(13)측의 단부(14d)가, 리브부(13d)의 선단부에 맞닿아 있다. 또한, 외층(12)은, 리브부(13d)의 상면의 일부 영역, 본 실시 형태에서는 약 3/4 정도의 영역을 덮는 상태로 형성되어 있다.
이에 의해, 외층(12)의 개방부(12a)의 에지부(외층(12)의 단부면)와 보스 외주면(13a)의 사이에 간극이 구성된다. 또한, 이 간극은, 복수 배치된 리브부(13d)의 사이의 공간(20)과 연통된다.
따라서, 내층 라이너(11)를 투과하여 가스 통기부(14)를 통하여 보스부(13)측으로 이동해 오는 가스는, 복수 배치된 리브부(13d)의 상호 간의 공간(20)으로 도입되어, 이것과 연통되는 상기 간극으로 진행하고, 최종적으로 용기 외부로 방출되게 된다. 즉, 상기 간극과 공간(20)에 의해 가스 방출구(15)가 형성되어 있게 된다.
또한, 외층(12)이 리브부(13d)의 상면 영역을 덮는 비율은, 개방부(12a)가 확보되는 한 임의로 조정이 가능하다. 예를 들어, 외층(12)이 리브부(13d)의 상면 영역을 덮는 비율을, 당해 상면 영역 전체에 대하여 0 내지 95％로 할 수 있다. 특히, 50％를 초과하는 것이 바람직하다.
또한, 보스부(13)의 선단측 부분에는, 상대적으로 두꺼운 후육부(13e)가 형성되어 있다. 이에 의해, 외층(12)의 개방부(12a)의 에지부, 보스 외주면(13a) 및 후육부(13e)에 둘러싸여 가스의 통과 영역이 협착되어 있다. 이에 의해, 소위 벤투리 효과로, 가스 방출구(15)로부터의 가스의 방출이 촉진되게 된다.
상술한 본 실시 형태에 관한 고압 가스 용기(100)에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 보스부(13)에, 해당 보스부(13)의 둘레 방향을 따라 소정 간격마다 배치되는 리브부(13d)가 형성되어 있다. 이에 의해, 보스부(13) 주변의 강도의 향상이 도모된다. 특히, 리브부(13d)는, 보스부(13)의 둘레 방향을 따라 소정 간격마다 배치되므로, 당해 둘레 방향에 있어서 인접하는 리브부(13d)의 사이에 형성되는 공간(20)을 가스 방출구(15)의 일부로서 이용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 고압 가스 용기(100)에서는, 외층(12)은, 리브부(13d)의 상면 영역의 일부를 피복하도록 형성된다. 이에 의해, 내층 라이너(11)의 보강 기능을 다하는 외층(12)을, 리브부(13d)의 상면 영역의 일부에 걸치도록 신장시켜 당해 보강 기능을 보다 적합하게 발휘시킬 수 있다.
또한, 이와 같이 외층(12)을 리브부(13d)의 상면 영역의 일부를 피복하도록 형성해도, 상술한 리브부(13d)의 사이에 형성되는 공간(20)은, 막히지 않고 확보되어 있다(도 8a 참조). 따라서, 상술한 바와 같이 내층 라이너(11)의 보강 기능을 향상시키면서도, 가스 방출구(15)에 있어서의 가스 방출 능력도 손상시키지 않고 유지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 외층(12)이 리브부(13d)의 상면 영역을 덮고 있는 경우를 설명하였다. 그러나, 예를 들어 외층(12)의 개방부(12a)의 에지부와, 내층 라이너(11)의 보스부측 단부(11d), 및 가스 통기부(14)의 보스부측 단부(14d)를 동일 높이의 면으로 형성하거나 하여, 외층(12)이 리브부(13d)의 상면 영역을 완전히 덮지 않도록 구성해도 된다. 이에 의해, 외층(12)을 구성하는 탄소 섬유의 권회수를 감소시킬 수 있다.
이 경우, 외층(12)의 개방부(12a)의 에지부와 보스 외주면(13a)의 간극이 커지므로, 결과로서 가스 방출구(15)의 면적이 커진다. 따라서, 상술한 보스부(13)의 후육부(13e)의 두께나 축 방향(X축 방향) 길이를 보다 크게 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 가스 방출구(15) 자체의 면적이 커져도, 개방부(12a)의 에지부, 보스 외주면(13a) 및 후육부(13e)에 둘러싸이는 영역을 작게 하여 상술한 벤투리 효과를 적합하게 발휘시키고, 가스 방출 기능을 손상시키지 않고 확보할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 배치되는 리브부(13d)의 개수가 8개인 경우를 도시하여 설명하고 있지만, 이 리브부(13d)의 개수는 8개에 한정되는 것은 아니며, 가스 방출구(15)에 있어서의 가스 방출 성능이나 리브부(13d)에 의한 보강 기능의 높이를 고려하여 적절히 조정하는 것이 가능하다. 또한, 리브부(13d)의 폭의 크기를 조정할 수도 있다.
이상, 본 발명의 제1 실시 형태 내지 제7 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 상기 각 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않으며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정한다는 취지는 아니다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 고압 가스 용기(100)로서, 수소 가스를 저장하는 용기이며, 연료 전지 차량에 탑재될 것이 상정되고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 종류의 가스를 저장하는 고압 가스 용기나 연료 전지 차량 이외의 용도로 사용되는 고압 가스 용기에 본 발명의 구성을 적용하도록 해도 된다.
또한, 가스 통기부(14)의 구성은, 상기 제1 실시 형태 내지 제7 실시 형태의 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 가스 통기부(14)를, 내층 라이너(11)의 외주면(11c) 상에 있어서 소정 간격마다 돌기부를 설치하여 구성해도 된다. 이 경우, 당해 돌기부에 의해 외층(12)의 장력을 유지하면서도, 이 돌기부 상호 간의 간극에 의해 가스 통기 기능이 확보되게 된다. 또한, 내층 라이너(11)를, 상기 돌기부를 일체적으로 구비하는 형상으로 성형하도록 해도 된다.
또한, 상기 제1 내지 제7 실시 형태의 요소는, 당업자가 상정할 수 있는 범위에서 임의로 조합하는 것이 가능하다.

Claims (10)

  1. 내부에 고압 가스가 충전되는 내층과, 상기 내층의 적어도 1개소에 설치된 가스를 유출입시키기 위한 보스부와, 상기 내층을 보강하도록 해당 내층의 외주를 덮음과 함께 해당 내층보다 통기성이 높은 외층을 구비한 고압 가스 용기이며,
    상기 보스부와 상기 외층의 사이에 가스 방출구를 형성하고, 상기 내층으로부터 상기 외층으로 투과한 가스가 상기 가스 방출구를 통하여 대기 중으로 방출되도록, 상기 내층과 상기 외층의 사이에 가스 통기부가 형성된, 고압 가스 용기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 방출구는, 상기 외층의 적어도 한쪽 단부에 상기 보스부의 외경보다 큰 직경의 개방부를 형성하도록, 해당 외층을 구성하는 섬유재를 권회함으로써 구성되는, 고압 가스 용기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 통기부는 다공체로서 구성되는, 고압 가스 용기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다공체는, 상기 외층을 구성하는 섬유재의 권취수 밀도보다 낮은 권취수 밀도로 상기 내층에 섬유재를 권회함으로써 형성되는, 고압 가스 용기.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 외층이, 수지가 함침된 섬유재에 의해 형성되고,
    상기 다공체는, 수지를 함침하지 않은 섬유재에 의해 형성되는, 고압 가스 용기.
  6. 제3항에 있어서, 상기 다공체는 중공사막에 의해 구성되는, 고압 가스 용기.
  7. 제3항에 있어서, 상기 다공체는 발수성 재료에 의해 구성되는, 고압 가스 용기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 발수성 재료는, 가스를 통과시키는 한편, 액체를 차단하는 크기의 직경을 갖는 미세한 구멍부가 복수 형성된 재료인, 고압 가스 용기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보스부에, 해당 보스부의 둘레 방향을 따라 소정 간격마다 리브부가 형성되고,
    상기 둘레 방향에 있어서 인접하는 상기 리브부의 사이가 상기 가스 방출구의 일부를 형성하는, 고압 가스 용기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 외층은, 상기 리브부의 상면 영역의 일부를 피복하도록 형성되는, 고압 가스 용기.
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