JP2007154927A - 高圧タンク - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 金属製ライナーの外周面に樹脂を含浸させた高剛性の繊維束を巻き付けることにより補強繊維層が形成されている高圧タンクであって、前記金属製ライナーが、アルミニウム94.8〜97.5%、マグネシウム1.2〜1.6%、けい素0.6〜1.2%、銅0.5〜1.0%の成分比率で構成されたアルミニウム合金製の短筒状ブランク材を塑性変形させて成形されている構成。
【選択図】 図1
Description
また、金属製ライナーは、JISA6061のアルミニウム合金製の短筒状ブランク材から塑性変形させて成形され、成形後に熱処理を施こして構成されている。
これによれば、破壊試験圧力が最高充填圧力の225%(及び応力比2.25以上)、サイクル試験圧力が最高充填圧力の125%で11250回以上のサイクル試験に合格することが要求されている。
従って、サイクル試験に合格するためには、多くのカーボンファイバーを用いて、補強繊維層をより厚くすることが必要となり、その為、タンク重量が増加すると共に、経済性にも問題があった。
すなわち、Al−Mg−Si系合金(いわゆる6000系合金)であって、従来、圧力容器には加工性等の問題で用いられていなかった成分比率で構成されたアルミニウム合金を用いて成形するようにしている。
具体的には、例えば、6000系アルミニウム合金であって、A.A(Aluminum Association)管理の下に、米国のNorth West Aluminum Company が登録した登録番号6069アルミ合金が上記組成に含まれる。
M−130℃<X<M ・・・・(1)
ここで、Mは、金属ライナー溶融温度(℃)であり、例えば、上述した登録番号6069アルミ合金では、溶融温度M=581〜641℃である。具体的には溶融温度Mが581℃であるとすると、X=451℃〜581℃となる。
即ち、図4に示すように、パイプカット工程でパイプ材Pを所定寸法に切断して両端が開口した短筒状ブランク材Bを形成する。次いでフローフォーミング工程でブランク材Bを回転させながら外周面から成形ローラーを圧接させて軸芯方向にしごき、長筒状のブランク材B'に塑性変形させる。この段階で、開口端から所定領域を除いた長筒状のブランク材B'の厚みが、完成品としての高圧タンクAの厚みと等しくなっている。その後、スピニング工程で開口端から所定の領域を口絞りし、椀状鏡部3、3'と口部4,4'とを成形する。この段階で、椀状鏡部3,3’、口部4,4’は胴部2の3倍以上の厚みをもたせて形成され、また椀状鏡部3,3’は、胴部2から口部4,4’に近づくにしたがって漸次厚みが増大するように形成されており、これにより、応力が集中しやすい椀状鏡部を強化している。
M−130℃<X<M・・・・(1)
ここで、Mは金属ライナー1の溶融温度をいう。
尚、本発明に於ける金属ライナー1の材料は、後述するように、各種金属材料を特殊な成分比率で含有させたアルミニウム合金で構成されている。具体的には、例えば、米国のNorth West Aluminum Company が登録した登録番号6069アルミ合金を用いている。このアルミ合金の溶融温度はM=581〜641℃である。これにより、椀状鏡部や口部の断面組織を緻密な構造にすることができ、強度を更に向上させることができる。
アルミニウム(Al) : 94.8〜97.5%
マグネシウム(Mg) : 1.2〜1.6%
けい素(Si) : 0.6〜1.2%
銅(Cu) : 0.55ないし1.0%
鉄(Fe) : 0.4%
バナジウム(V) : 0.1〜0.3%
クロム(Cr) : 0.05〜0.3%
チタン(Ti) : 0.1%
マンガン(Mn) : 0.05%
亜鉛(Zn) : 0.05%
ストロンチウム(Sr): 0.05%
破裂試験 : 破裂圧力が最高充填圧力の225%以上であること
(応力比2.25以上であること)
35MPaサイクル試験 : サイクル試験圧力 35MPa×125%
サイクル回数 11250回以上
45MPaサイクル試験 : サイクル試験圧力 45MPa×125%
サイクル回数 11250回以上
この試験結果に示すように、本発明に於ける高圧タンクAでは、アルミニウム合金6061を使用した従来の高圧タンクと比較して、耐疲労性を大幅に向上させることができ、より多くの水素を貯蔵することが可能となった。具体的には、45MPa容器としてのサイクル試験に合格することができ、その結果、35MPa容器では水素圧縮比が283であったものを、45MPa容器にすることで水素圧縮比を343まで増大することができるようになり、水素重量効率を飛躍的に向上させることができた。尚、水素重量効率とは、水素重量と容器重量の和を水素重量で割った数値である。
6061合金と本発明の合金とに対して、周方向応力(C)/降伏点(A)(あるいは周方向応力(C)/引張強さ(B))がほぼ同等になるような周方向応力(C)を加えた条件下でサイクル寿命を比較すると、6061合金の場合は6997回、本発明の合金の場合は10852回であった。
また、6061合金に加える周方向応力(266MPa)よりわずかに大きい周方向応力(290MPa)を加えた条件下でサイクル寿命を比較すると、6061合金の場合は6997回であるのに対し、本発明の合金の場合は21744回であった。もしも6061合金と同等の周方向応力(266MPa)でサイクル寿命を比較すれば、さらに大きなサイクル回数になったと推測される。
(A) 耐食性。
JISZ2371による塩水噴霧試験を実施。 既存のアルミニウム合金6061と同 等の耐食性が得られた。
(B) 水素脆性。
ISO11114−4,Method Cによる試験を実施。 試験片に疲労クラックを作成 した後、ピンで負荷した状態で、105MPaの水素環境下で1000時間晒した結果 、脆化は見られなかった。
(C) 塩化物環境下における応力腐蝕割れ性。
ISO7539−6による試験を実施。 腐蝕や荷重によるクラックは見られなかった。
1 金属製ライナー
2 金属製ライナーの胴部
3,3’ 椀状鏡部
4,4’ 口部
5 補強繊維層
5a 内側繊維層
5b 中間繊維層
5c 外側繊維層
Claims (3)
- 金属製ライナーの外周面に補強繊維層が形成されている高圧タンクであって、前記金属製ライナーが、アルミニウム94.8〜97.5%、マグネシウム1.2〜1.6%、けい素0.6〜1.2%、銅0.5〜1.0%の成分比率で構成されたアルミニウム合金製の短筒状ブランク材を塑性変形させて成形されていることを特徴とする高圧タンク。
- 前記アルミニウム合金が、更に、鉄0.0%〜0.4%、クロム0.05〜0.3%、バナジウム0.1〜0.3%、チタン0.0%〜0.1%、マンガン0.0%〜0.05%、亜鉛0.0%〜0.05%、ストロンチウム0.0%〜0.05%の成分比率で含有されていることを特徴とする請求項1に記載の高圧タンク。
- 金属ライナーの椀状鏡部および口部は、成形温度Xが次式(1)の温度範囲の環境下でスピニング加工により成形されることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の高圧タンク。
M−130℃<X<M ・・・・(1)
ここでM:金属ライナー溶融温度(℃)
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