JP2018025236A

JP2018025236A - ホース

Info

Publication number: JP2018025236A
Application number: JP2016157409A
Authority: JP
Inventors: 美恵大倉; Mie Okura
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2036-08-10
Also published as: JP6926413B2

Abstract

【課題】搬送するガスに対する耐透過性および耐圧性を確保しつつ、十分な可撓性を確保することができるホースを提供する。【解決手段】９０℃での乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０-8ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ2・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂製の内面層２と、熱可塑性樹脂製の外面層５との間に、少なくとも２層の補強層３を同軸状に積層し、ブレード構造の補強層３を形成する高強度繊維４の編組角度Ａを外周側の補強層３ほど大きく設定して、最内周の補強層３ａでの編組角度Ａを４５°以上５１°以下、２番目に内周側の補強層３ｂの編組角度Ａを５０°以上５６°以下にして、所定の式で算出されるそれぞれの補強層３での編組密度Ｄを１．０以上４．５以下にする。【選択図】図１

Description

本発明は、主に水素等のガスを搬送するホースに関し、さらに詳しくは、搬送するガスに対する耐透過性および耐圧性を確保しつつ、十分な可撓性を確保することができるホースに関するものである。

近年、燃料電池自動車等の開発が盛んに行なわれている。これに伴って、水素ステーションでは水素ガスを搬送するホースが使用されている。また、工業用ガスをガスボンベ、カードル、輸送トレーラ等に搬送する工業用ガス配管として、金属螺旋管や銅パイプ等の金属配管が使用されている。

これらのガス用のホースや配管では、優れた耐圧性や耐透過性が要求される。また、水素ガスを搬送する場合は、金属部材を使用していると早期に水素脆化するという問題がある。また、金属配管は可撓性が低いため配管作業性が著しく悪くなる。

水素脆化の問題を解決するために、ホースのすべての補強材をポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維を編組して形成することが提案されている（特許文献１、２参照）。ＰＢＯ繊維を編組して形成された繊維補強層を備えたホースによれば優れた耐圧性を確保することが可能である。しかしながら、搬送するガスに対する耐透過性および耐圧性を確保しつつ、十分な可撓性を確保するには、さらなる工夫をする余地がある。

特開２０１０−３１９９３号公報特開２０１１−１５８０５４号公報

本発明の目的は、搬送するガスに対する耐透過性および耐圧性を確保しつつ、十分な可撓性を確保することができるホースを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のホースは、同軸状に積層されている内面層と外面層との間に、少なくとも２層の補強層が同軸状に積層されていて、前記内面層が９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^-8ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ²・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂により形成されていて、前記補強層が高強度繊維を編組して形成されているブレード構造であり、前記外面層が熱可塑性樹脂により形成されていて、前記高強度繊維の編組角度Ａが外周側の補強層ほど大きく設定されているホースにおいて、最内周の補強層での編組角度Ａが４５°以上５１°以下、２番目に内周側の補強層の編組角度Ａが５０°以上５６°以下であり、それぞれの補強層における下記（１）式により算出される編組密度Ｄが１．０以上４．５以下であることを特徴とする。
編組密度Ｄ＝（高強度繊維の本数／２）／（高強度繊維の配置ピッチＰ×ｓｉｎＡ）・・・（１）

本発明によれば、内面層が、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^-8ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ²・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下のガスバリア性が良好な熱可塑性樹脂により形成されているので、優れた耐透過性を得ることができる。また、それぞれの補強層が高強度繊維により形成されていて、その編組角度Ａおよび編組密度Ｄを所定の範囲に設定することで、補強効率を良好にして耐圧性を確保しつつ、十分な可撓性を確保することが可能になっている。

本発明の発明者は、従来の知見と様々な試行錯誤の結果、それぞれの補強層の編組角度Ａの値と、これら編組角度Ａの相対的な関係と、編組密度Ｄとの関係が、ホースの耐圧性（寸法変化率）および可撓性に、今まで想定していたよりも大きな影響があることを知得した。本発明はこの知得した内容に基づいて創作されている。

本発明のホースを一部切開して補強層を模式的に例示する説明図である。図１のホースの横断面図である。可撓性試験の概要を示す説明図である。

以下、本発明のホースを図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１、図２に例示するように、本発明のホース１は、内周側から順に、内面層２、補強層３（３ａ、３ｂ、３ｃ）、外面層５が同軸状に積層された構造となっている。図１の一点鎖線ＣＬは、ホース軸心を示している。このホース１を通じてガスＧが搬送され、主に水素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等が搬送される。

搬送されるガスＧが直接接触する内面層２は、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^-8ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ²・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂により形成されている。このガス透過係数は、ＪＩＳＫ７１２６に準拠して測定した値である。この熱可塑性樹脂としては、ナイロン（ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１等）、ポリアセタール、エチレンビニルアルコール共重合体等を例示することができる。

このようにガスバリア性が良好な樹脂を内面層２に用いることにより、ホース１により搬送するガスＧに対する十分な耐透過性を確保できる。内面層２の内径（即ち、ホース１の内径）は例えば、４．５ｍｍ以上１２ｍｍ以下、より好ましくは６ｍｍ以上１１ｍｍ以下に設定される。内面層２の内径が大きくなる程、ガスＧの流量を増大させるには有利になり、内径が小さくなる程、耐圧性を確保するには有利になる。

内面層２の層厚は例えば、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定される。内面層２の寸法変化を抑制するには層厚を厚くすることが好ましい。一方、ホース１の可撓性を確保するには、内面層２の層厚を薄くすることが好ましい。内面層２の耐久性を確保しつつ、搬送するガスＧの流量を増大させるには、内面層２の層厚を０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、内径を６ｍｍ以上１１ｍｍ以下にするとよい。

外面層５は、熱可塑性樹脂により形成されている。この熱可塑性樹脂としては、ポリウレタン、ポリエステル等を例示することができる。外面層５の層厚は例えば、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に設定される。外面層５の外径（即ち、ホース１の外径）は例えば、１２ｍｍ以上１８ｍｍ以下、より好ましくは１５ｍｍ以上１７ｍｍ以下に設定される。外面層５の層厚が大きくなる程、ホース耐候性を確保するには有利になり、外径が小さくなる程、可撓性を確保するには有利になる。ホース１の耐候性と可撓性を両立させるには、外面層５の層厚および外径を上述した範囲に設定することが好ましい。

補強層３は少なくとも２層設けられ、その数は主にホース１に要求される耐圧性に応じて設定されるが、２層または３層にすることが好ましい。補強層３が１層では十分な耐圧性を確保することが難しく、４層以上にしても数の増加に見合う耐圧性の向上を得ることができず、むしろ可撓性の低下や重量の増加になるためである。実施形態では補強層３として、内周側から順に第１補強層３ａ、第２補強層３ｂ、第３補強層３ｃの３層が設けられている。

それぞれの補強層３は、高強度繊維４により形成されている。高強度繊維４とは引張り強度が２ＧＰａ以上の繊維である。高強度繊維４としては、例えばポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ繊維）、アラミド繊維、炭素繊維等を例示できる。補強層３をこのような高強度繊維４で形成することにより、鋼線等の金属を用いる場合に比して高い可撓性を確保しつつ、軽量化を図ることができる。しかも、金属ではなく、高強度繊維４を用いることで、搬送するガスＧが水素であっても脆化を回避するには有利になる。

高強度繊維４の線径は例えば０．１０ｍｍ以上０．８０ｍｍ以下にする。線径をこの範囲にすると、内圧によるホース１の寸法変化を抑えつつホース１の可撓性および高強度繊維４の耐久性を確保し易くなる。

この実施形態では、それぞれの補強層３は、高強度繊維４を所定の編組角度Ａ（Ａ１、Ａ２、Ａ３）で編組して形成されたブレード構造になっている。補強層３の構造としては、その他に、高強度繊維４をホース軸心ＣＬを中心にして螺旋状に巻回して形成されたスパイラル構造を採用することができる。

第１補強層３ａの編組角度Ａ１は４５°以上５１°以下であり、第２補強層３ｂの編組角度Ａ２は５０°以上５６°以下、第３補強層３ｃの編組角度Ａ３は５４°以上６０°以下になっている。本発明では、編組角度Ａが外周側の補強層ほど大きく設定されている（Ａ１＜Ａ２＜Ａ３）。

上記の範囲に編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３が設定されることで、内周側の補強層３ほど耐圧負担が大きくなり、第１補強層３ａから第２補強層３ｂ、第３補強層３ｃに向かって徐々に耐圧負担が小さくなる。これにより、補強層３では内周側から外周側に内圧が効率的に伝達され、それぞれの補強層３を十分に機能させて補強層３の全体としての補強効率を向上させている。これに伴い、内面層２の寸法変化を抑えることができる。

詳述すると、ホース１に内圧が作用した際には、編組角度Ａが静止角度（５４．７°）以下に設定されている第１補強層３ａ、または、第１補強層３ａおよび第２補強層３ｂは、その編組角度が静止角度に近づこうとして拡径し、作用した内圧を第２補強層３ｂおよび第３補強層３ｃ、または、第３補強層３ｃに効率的に伝える。これにより、特定の補強層３が過度の耐圧負担をすることなく、それぞれの補強層３（３ａ、３ｂ、３ｃ）の性能をバランスよく機能させることが可能になる。これに加えて、編組角度Ａを所定の範囲に設定していることの相乗効果によってホース１の破壊圧が向上する。

隣り合って積層されている補強層３間での編組角度Ａの差は４°以上６°以下にするとよい。即ち、編組角度Ａ１とＡ２との差、編組角度Ａ２とＡ３との差をそれぞれ、４°以上６°以下にすることで、補強層３の全体としての補強効率をより向上させることができる。

それぞれの補強層３における編組密度Ｄは１．０以上４．５以下になっている。編組密度Ｄは下記（１）式により算出される。
編組密度Ｄ＝（高強度繊維４の本数／２）／（高強度繊維４の配置ピッチＰ×ｓｉｎＡ）・・・（１）
配置ピッチＰとは、１本の高強度繊維４におけるホース１の軸方向での配置間隔であり、この実施形態ではいわゆる編組ピッチである。

編組密度Ｄが１．０未満であると高強度繊維４の密度が過小であり、破壊効率が低下して十分な耐圧性が確保できない。一方、編組密度Ｄが４．５超であると高強度繊維４の密度が過大であり、耐圧性に対して十分に機能しない無駄な高強度繊維４が存在することになって破壊効率が低下する。また、編組密度Ｄが高くなるとホース１の可撓性が低下する。

編組密度Ｄはより好ましくは１．０以上２．０以下にする。これによって、高いレベルの破壊効率および可撓性を確保できる。編組密度Ｄはすべての補強層３において同じにすることもできるが、異ならせることもできる。内周側の補強層３ほど編組密度Ｄを大きくすると、破壊効率を向上させるには益々有利になる。例えば、第１補強層３ａ、第２補強層３ｂ、第３補強層３ｃにおける編組密度Ｄをそれぞれ、１．８程度（１．６以上２．０以下）、１．４程度（１．０以上１．６以下）、１．４程度（１．０以上１．６以下）にする。

このホース１によれば、内面層２が、上述したように水素ガスバリア性が良好な熱可塑性樹脂により形成されるので、優れた耐透過性を得ることができる。ホース１によって搬送されるガスＧが内面層２によって十分にバリアされるので、内面層２の外周側に透過するガスＧの量を低減させることができる。

また、高強度繊維４を用いてそれぞれの補強層３を形成して、それぞれの補強層３での編組角度Ａおよび編組密度Ｄを上述した所定の範囲に設定することで、補強効率を良好にして高い耐圧性を確保できる。加えて、十分な可撓性を有するホース１にすることが可能になっている。

工業用のガス配管（金属螺旋管や銅パイプ等）の使用内圧は２０ＭＰａ程度である。水素ガスステーションで使用される水素充填用ホースの使用内圧は３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ程度である。ただし、７０ＭＰａ程度の超高圧になると、さらなる耐圧性を考慮する余地もある。そのため、本発明のホース１の使用内圧は、例えば２０ＭＰａ以上４０MＰａ以下であることが望ましい。

このホース１の可撓性は従来のガス配管に比して非常に高くなっているので、配管の施工性が大幅に向上する。また、このホース１は、従来のガス配管に比して軽量化できるので、この観点からも配管の施工性が向上して取扱い易くなる。

ホース１を通じて搬送するガスＧが水素ガスの場合には、用途により非常に低温（例えばマイナス４０℃〜マイナス２０℃）の水素ガスが内面層２に接触して流れるので内面層２は低温脆化する。また、３５ＭＰａ程度の高圧の水素ガスが内面層２に作用すると、内面層２は寸法変化するが低温脆化しているので、常温では問題とならない小さな寸法変形量であっても、この使用条件では破損し易くなる。

さらには、最も小さい分子である水素は、比較的容易に内面層２に侵入することができるので、内面層２の損傷が微小であっても、そこを起点にして水素ガスが作用し損傷が進行する。ところが、本発明のホース１のように、内面層２の拡径変形を十分に抑えることができれば、水素ガス用のホース１としては極めて実用性が高くなる。

図１に例示したホース（補強層がブレード構造）と同様のホースの試験サンプルを、内面層および外面層の仕様を共通にして、表１に示すように補強層の仕様のみを異ならせて９種類を製造して下記項目の評価試験を行った。内面層の仕様は、材質がナイロン１１、層厚が１．０ｍｍ、内径が９．８ｍｍであった。このナイロン１１は、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^-8ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ²・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下である。外面層の仕様は、材質がポリエステル、層厚が０．８ｍ、外径が１６.６ｍｍであった。

[耐圧性]
耐圧性の評価試験は、ＪＩＳＫ６３３０−２に記載の方法に準拠して破壊圧を測定した。これらの評価結果を表１に示す。破壊圧の合格基準値は１９０ＭＰａである。

[内面層の拡径変化率]
ホース内圧を３５ＭＰａにした場合の内面層の内径の拡径変化率を示した。内径の拡径変化率の合格基準値は、＋１．５％以下である。

[可撓性]
図３に示すように平板の上でホースの片端を水平に固定し、固定点から基標Ｌを設定する。基標Ｌは最小曲げ半径をＲとした場合、Ｌ=π×Ｒである。ホースの他端にばね秤を取り付け、ホースに直角に力Ｆを加えて図3の破線で示す最小曲げ半径Ｒの形状にした時の力Ｆを測定した。比較例５を基準の１００として指数評価した。指数が小さい程、可撓性に優れていることを示す。

表１の結果から、実施例１〜４は破壊圧および内径の拡径変化率について合格基準値を満たし、破壊圧、内面層の拡径変化が比較例１〜５に比して、バランスよく高い性能を有していることが分かる。また、実施例１〜４は十分な可撓性を有している。

１ホース
２内面層
３補強層
３ａ第１補強層
３ｂ第２補強層
３ｃ第３補強層
４高強度繊維
５外面層
ＣＬホース軸心

Claims

同軸状に積層されている内面層と外面層との間に、少なくとも２層の補強層が同軸状に積層されていて、前記内面層が９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^-8ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ²・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂により形成されていて、前記補強層が高強度繊維を編組して形成されているブレード構造であり、前記外面層が熱可塑性樹脂により形成されていて、前記高強度繊維の編組角度Ａが外周側の補強層ほど大きく設定されているホースにおいて、
最内周の補強層での編組角度Ａが４５°以上５１°以下、２番目に内周側の補強層の編組角度Ａが５０°以上５６°以下であり、
それぞれの補強層における下記（１）式により算出される編組密度Ｄが１．０以上４．５以下であることを特徴とするホース。
編組密度Ｄ＝（高強度繊維の本数／２）／（高強度繊維の配置ピッチＰ×ｓｉｎＡ）・・・（１）
前記補強層が３層であり、最外周の補強層での編組角度Ａが５４°以上６０°以下である請求項１に記載のホース。
最内周の補強層と２番目に内周側の補強層の編組角度Ａの差が４°以上６°以下である請求項１または２に記載のホース。
ホースの使用内圧が２０ＭＰａ以上４０MＰａ以下である請求項１〜３のいずれかに記載のホース。