JP2007154927A - 高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】 金属ライナーの肉厚並びに補強繊維層の厚みや重量を増大することなく、高圧水素容器例示基準で定めたサイクル試験を克服するとが可能な高圧タンクを提供すること。
【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

本発明は、主として自動車用水素燃料タンク等に使用されるものであって、炭素繊維を用いて補強された高圧タンクに関する。

従来、この種の高圧タンクは、アルミニウム合金から成る金属製ライナー（金属製容器本体）の外周面に、補強繊維層で被覆して構成されている（特許文献１参照）。この補強繊維層は、炭素繊維からなる単一フィラメントを数百本単位で集束した繊維束に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて金属製ライナーの外周面にフィラメントワインディング法でフープ巻き（金属製ライナーの軸に対してほぼ９０度の角度で巻き付ける手段）やヘルカル巻き（金属製ライナーの軸に対してある角度で螺旋状に巻き付ける手段）により巻き付け、上記熱硬化性樹脂を硬化させることにより構成されている。
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。
特開平１０−２９２８９９号公報

水素燃料電池自動車の開発に伴って、その実用化、普及に向けた水素燃料タンクの安全性評価や経済性の標準化が要求され、その為の高圧水素容器例示基準（ＪＡＲＩＳ００１）が財団法人日本自動車研究所で検討提示された。
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。

しかし、金属製ライナーの補強繊維層（カーボンファイバー）が２％の歪みで破断すると仮定すると、サイクル試験圧力での歪みは１．１％となり、通常のアルミニウム合金６０６１では約０．４％の歪みで降伏するために、１．１％の歪みで１１２５０回のサイクル試験に合格することは非常に困難である。
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。

そこで本発明は、このような問題の解決を図るものであり、タンク肉厚や重量を増大することなく、上記した高圧水素容器例示基準で定めたサイクル試験を克服することが可能な高圧タンクを提供することを主たる目的とするものである。

上記目的を達成する為に本発明では次のような技術的手段を講じた。即ち、本発明にかかる高圧タンクにあっては、筒状の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とした。
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。

上記発明において、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が好ましい。
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。

また本発明において、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が好ましい。
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。

本発明の高圧タンクにあっては、上記のような金属材料の独特な成分比率によって形成されたアルミニウム合金製の金属ライナーにより、高圧タンクの耐疲労性を大幅に向上させることができ、これにより金属ライナーの肉厚や補強繊維層の厚みを増やすことなく強度を確保することができて、高圧水素容器例示基準で定めたサイクル試験を克服することが可能となると共に、小型軽量化を図ることができる、といった効果がある。

また、金属ライナーの椀状鏡部並びに口部を上記（１）式に記載の温度範囲の環境下でスピニング加工するようにすれば、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、耐疲労性を更に向上させることができる。

以下において、本発明にかかる高圧タンクの詳細を図面に基づき説明する。図１は本発明にかかる高圧タンクの断面図であり、図２はこの高圧タンクの口部の拡大断面図であり、図３は高圧タンクの補強繊維層の各繊維層を示す一部切欠側面図であり、図４は本発明における高圧タンクの製造工程を示す説明図であり、図５は従来のアルミニウム合金６０６１製金属ライナーの破壊試験でのクラック発生状態を示すものであり、図６は本発明に於ける金属ライナー１の破壊試験でのクラックの発生状態を示すものであり、図７は本発明に於ける金属ライナーを最適な温度条件下でスピニング加工を行った場合の椀状鏡部並び口部の断面組織を示すものであり、図８は本発明の金属ライナーを不適性な温度条件下でスピニング加工を行った場合の椀状鏡部並び口部の断面組織を示すものである。

図１並びに図２において、符号Ａは本発明にかかる高圧タンクを示す。この高圧タンクＡは、タンク本体となる金属製ライナー１と、その外周面を被覆する補強繊維層５とからなる。

上記金属製ライナー１は、円筒状の胴部２の一端に椀状鏡部３を介して小径の口部４が一体に形成されており、この口部４の内面にバルブ（図示外）を取り付けるためのネジ４ａが形成されている。また胴部２の他端にも椀状鏡部３’を介して小径の口部４’が一体に形成されており、この口部４’の内面に盲プラグ７を取り付けるためのネジ４ａ’が形成されている。

金属製ライナー１は、下記で詳述するような各種金属を特定の成分比率で含有するアルミニウム合金を原材料とする長尺パイプ材から製作される。
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。

このスピニング工程において、本発明では、次式（１）の温度範囲の環境下でスピニング加工が行われる。
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。

補強繊維層５は、炭素繊維からなる単一フィラメントを数百本単位で偏平に集束した繊維束に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて金属製ライナー１の外周面に巻き付け、上記熱硬化性樹脂を硬化させることにより形成される。この補強繊維層５は、前記金属製ライナー１の胴部２の外周面に接して該胴部２を被覆する内側繊維層５ａと、この内側繊維層５ａの外周面から口部４，４’にわたって金属製ライナー１のほぼ全域を被覆する中間繊維層５ｂと、この中間繊維層５ｂの外周面で金属製ライナーの胴部２から椀状鏡部３，３’にかけて被覆する外側繊維層５ｃとで構成されている。

上記内側繊維層５ａは、図３に示すように、フィラメントワインディング法でフープ巻き（金属製ライナーの中心軸に対してほぼ９０度の角度で巻き付ける手段）で巻き付けて形成されている。このフープ巻きは、繊維束を巻き始め端から終端まで隙間なく巻き付けるように形成される。したがって一往復させれば二層のフープ巻きによる繊維層が形成されることになる。これを何層形成するかは高圧タンクの耐圧設計によって決定される。

上記中間繊維層５ｂは、繊維束をヘルカル巻き（金属製ライナーの中心軸に対してある角度で螺旋状に巻き付ける手段）により巻き付けて形成されている。この場合、被覆すべきエリア全体を繊維束で覆うためには数回往復させて巻き付ける必要がある。この中間繊維層５ｂのヘルカル巻きは金属製ライナーの中心軸に対して１５度前後の比較的緩い角度で巻き付けられている。

上記外側繊維層５ｃは、繊維束を金属製ライナーの中心軸に対して７５度前後のハイアングルで巻き付けられている。この場合も被覆すべきエリア全体を繊維束で覆うために数回往復させて巻き付けられている。

上記金属製ライナー１の材料となるアルミニウム合金は、下記の成分比率による金属材料により構成される。
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％

本発明者は、アルミニウム９６．００％、マグネシウム１．４％、けい素０．８％、銅０．７５％、鉄、０．４％、バナジウム０．２％、クロム０．２％、チタン０．１％、マンガン０．０５％、亜鉛０．０５％、ストロンチウム０．０５％の成分比率でアルミニウム合金を作り、このアルミニウム合金で上記の手段により金属ライナー１を製作し、これの外周面に上記した補強繊維層５を巻き付けて補強した容量３４リットルの高圧タンクＡを作成した。タンク外径は２７６mm、ライナー全長は８３０である。

この高圧タンクＡを水素容器例示基準ＪＡＲＩＳ００１に準じて、従来のアルミニウム合金６０６１を使用した同条件の高圧タンクと対比試験を行った。尚、水素容器例示基準ＪＡＲＩＳ００１で定める試験条件は次の通りである。
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

試験結果は表１の通りであった。
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。

また、補強繊維層５を有しない本発明の金属ライナー１とアルミニウム合金６０６１製の金属ライナーについて、サイクル試験を行った。その結果を表２に示す。
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。

以上のこと結果から、本発明における金属ライナーのサイクル試験について、優秀な成果をあげることができた。

またサイクル試験でクラックが発生した場合でも、その発生の状態に両者に大きな違いが見られた。図５はアルミニウム合金６０６１製の金属ライナーのクラックを示すものであって、胴部が軸方向に大きく裂けているのに対し、本発明に於ける金属ライナーは、図６に示すように小さなピンホールの状態で発生し、その破壊が伸展していない。これにより本発明における金属ライナーはその強度において大幅に向上していることが理解できる。また破裂による不測の事故を未然に防止することができる。

また、上記したように、本発明の金属ライナーの製造過程において、上記（１）式に記載の温度範囲内で、椀状鏡部や口部のスピニング加工を行った。これにより、図７に示すように椀状鏡部や口部の断面組織を緻密な構造（図７矢印部分）に形成することができた。因みに、上記（１）式に記載の温度範囲外でスピニング加工を行った場合は、図８に示すように椀状鏡部並びに口部の断面組織が粗雑な構造（図８矢印部分）になっていた。強度については溶融温度に近い環境下でスピニング加工したものの方が優れていた。

また、本発明に於けるアルミニウム合金の材料評価試験を行ったが、その各項目においても以下に示すように良好な成果を得ることができた。
（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。

本発明は、自動車用水燃料タンクの他に各種高圧物質を収納する高圧タンク全般に利用することが可能である。

本発明にかかる高圧タンクの一実施例を示す断面図。 上記高圧タンクの口部の拡大断面図。 上記高圧タンクの補強繊維層の各繊維層を示す一部切欠側面図。 上記高圧タンクの製造工を示す説明図。 従来のアルミニウム合金６０６１製金属ライナーの破壊試験でのクラック発生状態を示す写真。 本発明に於ける金属ライナーの破壊試験でのクラックの発生状態を示す写真。 本発明に於ける金属ライナーを最適な温度条件下でスピニング加工を行った場合の椀状鏡部並び口部の断面組織を示す写真。 本発明の金属ライナーを不適性な温度条件下でスピニング加工を行った場合の椀状鏡部並び口部の断面組織を示す写真。

符号の説明

Ａ 高圧タンク
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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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