JP6927013B2 - 高圧タンク - Google Patents

Description

本発明は、ガスを収容するライナと、ライナの外周に配置された補強層と、を備えた高圧タンクに関する。

たとえば、天然ガス自動車または燃料電池自動車などには、燃料となる高圧ガスを貯蔵する高圧タンクが利用されている。この種の高圧タンクとして、特許文献１には、ガスを収容する金属製のライナと、このライナの外周に配置された補強層と、を備えた高圧タンクが開示されている。この高圧タンクの金属製ライナは、円筒状の胴体部と、胴体部の両側に連続して形成されたドーム状の側端部と、を有している。

特開２０１６−１７６７３５号公報

樹脂製のライナと比較して、特許文献１に記載のような金属製のライナは、高圧タンクの内圧に対して、膨張および収縮し難い。ここで、例えば、高圧タンク内のガスの圧力により、ライナの側端部（主に口金部近傍）に、高圧タンクの軸心方向に沿って応力が作用し、ライナの口金部近傍では、ライナと補強層との変形は追従する。しかしながら、胴体部と側端部との境界領域では、その形状が起因して、補強層に対して、ライナが追従できず、この部分に隙間が発生することがある。すなわち、この隙間が発生する部分では、ガスの充填および放出に伴いライナのみが高圧タンクのガスの圧力を繰り返し受けることになり、他の部分に比べて応力が集中し易く、これによりライナのひずみ（変形）が大きくなり、その結果、ライナの疲労強度が低下するおそれがある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、本発明では、金属製のライナの疲労強度の低下を抑えることができる高圧タンクを提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、ガスを収容する金属製のライナと、前記ライナの外周に配置された補強層と、前記ライナと前記補強層との間に配置された接着層と、を備えた高圧タンクであって、前記ライナは、円筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に連続して形成されたドーム状の側端部と、を有し、前記ライナの表面のうち、前記胴体部と前記各側端部との少なくとも境界領域の表面には、前記補強層と、前記ライナとを接着する接着層とが、形成されており、前記ライナの表面のうち、前記ライナの両側の前記境界領域の間に位置する内部領域の表面には、前記接着層を介さずに、前記補強層が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、高圧タンク内のガスの圧力により、ライナの側端部（主に口金部近傍）に、高圧タンクに応力が作用した場合、ライナの口金部近傍では、ライナと補強層との変形は追従する。このとき、胴体部と側端部との境界領域の表面では、補強層とライナとが接着層で接着されているので、補強層とライナとは均一に変形することになり、この部分に隙間が発生することはない。したがって、境界領域では、ライナのみでガスの圧力を繰り返し受けることがないので、ライナのひずみを低減することができる。このため、ライナの疲労強度の低下を抑えることができる。

（ａ）は、第１実施形態に係る高圧タンクの模式的断面図であり、（ｂ）は、接着層近傍の模式的な拡大断面図である。 （ａ）は、第１実施形態の変形例に係る高圧タンクの模式的断面図であり、（ｂ）は、接着層近傍の模式的な拡大断面図である。

以下に、図１および２を参照しながら本発明に係る実施形態およびその変形例について説明する。図１（ａ）は、第１実施形態に係る高圧タンク１の模式的断面図であり、図１（ｂ）は、接着層４近傍の模式的な拡大断面図である。

本実施形態に係る高圧タンク１は、天然ガス自動車または燃料電池自動車などに用いられる。図１（ａ）に示すように、本実施形態の高圧タンク１は、ライナ２と、ライナ２の外周に配置された補強層３と、ライナ２と補強層３との間に配置された接着層４と、を備えている。

ライナ２は、高圧タンク１の内殻又は内容器とも換言される部分であり、内部にガスを収容する。収容するガスとしては、燃料ガス、または、水素ガスなどを挙げることができる。

本実施形態では、ライナ２は、金属製ライナである。ライナ２を構成する金属としては、アルミニウム合金や鋼鉄などを挙げることができる。アルミニウム合金としては、例えば、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金などを挙げることができる。鋼鉄としては、例えば、ステンレス鋼などを挙げることができる。

ライナ２は、胴体部２１と、側端部２２、２２とを有する。胴体部２１は、高圧タンク１の図１（ａ）に示す高圧タンク１の軸心Ｘに沿って、所定の長さを有して延在する円筒状の形状を有する。側端部２２、２２は、胴体部２１の両側に連続して形成されたドーム状の形状を有する。各側端部２２は、胴体部２１から遠ざかるにつれて縮径しており、最も縮径した部分の中心に開口部２２ａ、２２ａが形成され、この開口部２２ａ、２２ａに、口金部５、５が形成されている。

補強層３は、胴体部２１および各側端部２２の外壁を構成する。補強層３は、ライナ２の外表面を被覆するように、樹脂を含浸した繊維束を、フープ巻およびヘリカル巻でライナ２に巻きつけられることで形成されている。

補強層３の材料としては、強化繊維に熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂が含浸されたものを挙げることができる。強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、またはアラミド繊維などを挙げることができる。熱可塑性樹脂としては、ポリエステル系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、またはナイロン系樹脂などを挙げることができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ系樹脂、ビニルエステル樹脂などを挙げることができる。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、ライナ２の表面のうち、胴体部２１と各側端部２２との少なくとも境界領域２３、２３の表面には、補強層３とライナ２とを接着する接着層４、４が形成されている。すなわち、境界領域２３の表面には、接着層４を介して、補強層３が巻回されている。

接着層４が形成される各境界領域２３は、図１（ｂ）に示す境界Ｐを中心に、高圧タンク１の軸心Ｘに沿って、各口金部５および内部領域２４の両側に向かって延在している。境界Ｐは、筒状の胴体部２１からドーム状の各側端部２２へ移行する位置である。各接着層４の幅ｄは、境界Ｐを中心として、高圧タンク１の全長Ｌに対して２．５％であることが好ましい。ここで、高圧タンク１の全長Ｌとは、図１（ａ）に示すように、高圧タンク１の軸心Ｘに沿って、一方の口金部５の端部から他方の口金部５の端部までの長さである。

また、本実施形態では、ライナ２の表面のうち、ライナ２の両側の境界領域２３の間に位置する内部領域２４の表面には、接着層４を介さずに、補強層３が配置されている。すなわち、ライナ２の表面のうち内部領域２４の表面には、接着層４が形成されず、補強層３が巻回されている。

接着層４の接着強度の範囲は、次に示す式１により、高圧タンク１の軸心Ｘに沿って加わる応力σｚを算出し、この応力σｚを考慮して、１０ＭＰａ〜９０ＧＰａの範囲にあることが好ましい。

σｚ＝（Ｐｒ）／（２ｔ） （式１）
ここで、Ｐは高圧タンクの内圧、ｒは、ライナの内半径、ｔはライナの厚みである。

接着層４の材料としては、ライナ２の金属を腐食させない接着剤が好ましい。具体的には、エポキシ樹脂などを挙げることができる。また、接着層４は、補強層３を構成している樹脂とは異なる樹脂を使用してもよい。

ところで、ライナ２に充填されるガスにより、ライナ２の内圧が上昇すると、高圧タンク１内のガスの圧力により、ライナ２の口金部５近傍に、高圧タンク１の軸心Ｘに沿って応力が作用し、ライナ２の口金部５近傍では、ライナ２と補強層３との変形は追従する。

ここで、従来の高圧タンク（接着層４を設けていない高圧タンク）では、胴体部と側端部との境界領域において、その形状に起因して、補強層に対して、ライナが追従できず、この部分に隙間が発生することがある。この隙間が発生する部分では、ガスの充填および放出に伴いライナのみが高圧タンクのガスの圧力を繰り返し受けることになり、ライナの疲労強度が低下するおそれがあった。

それに対して、本実施形態によれば、高圧タンク１内のガスの圧力により、ライナ２の側端部の口金部５近傍に、高圧タンク１の軸心Ｘに沿って応力が作用した場合、ライナ２の口金部５近傍では、ライナ２と補強層３との変形は追従する。

このとき、胴体部２１と側端部２２との境界領域２３では、補強層３とライナ２とが接着層４で接着されているので、補強層３とライナ２とは均一に変形することになり、この部分にこれまでのように隙間が発生することはない。したがって、この部分が、ライナ２のみでガスの圧力を繰り返し受けることがないので、ライナ２のひずみを低減することができる。このような結果、ライナ２の疲労強度の低下を抑えることができる。

また、本実施形態によれば、ライナ２の表面のうち、ライナ２の両側の境界領域２３の間に位置する内部領域２４の表面には、接着層４を介さずに、ライナ２の表面に補強層３が直接配置されている。これにより、内部領域２４を含め、補強層３およびライナ２の間の全面を接着する場合と比較して、高圧タンク１のコストを低減することができる。

さらに、本実施形態によれば、補強層３に金属製のライナ２を腐食（ガルバニック腐食）させやすい材料（例えば、炭素繊維）を使用している場合、ライナ２と補強層３との間に腐食に強い接着層４を設けているため、接着層４を設けていない場合と比較して、補強層３からのライナ２の腐食を低減することができる。

以下に、本実施形態に係る高圧タンク１の製造方法を説明する。まず、本実施形態の製造方法では、ライナ２を準備する。準備工程では、胴体部２１に相当する胴体部材と各側端部２２に相当する２つの側端部材を用意する。各側端部材には、最も縮径した頂部に開口部２２ａ、２２ａが形成され、各開口部２２ａに口金部５、５が形成されている。次いで、胴体部材の両端に側端部材を溶接等により接合する。このようにして準備したライナ２には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、２つの境界領域２３、２３の間に内部領域２４が形成されている。

準備工程の次に、接着層４を形成する。接着層形成工程では、上記準備工程で準備したライナ２の表面のうち、各境界領域２３、２３の表面に接着層４となる熱硬化性樹脂からなる未硬化の接着剤を塗布する。

接着層形成工程の次に、補強層３を形成する。補強層形成工程では、補強層３となる、未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維束を用意する。この繊維束を、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）で、ライナ２の表面に、フープ巻きおよびヘリカル巻きで層状に巻き付ける。その後、高圧タンク１を加熱することにより、補強層３の未硬化の熱硬化性樹脂と、接着層４の未硬化の熱硬化性樹脂を硬化させる。これにより、ライナ２と補強層３が、接着層４を介して接着される。このようにして、上述した図１（ａ）、（ｂ）に示す高圧タンク１を製造することができる。

次に、図２（ａ）、（ｂ）を参照して、以下に、本実施形態の高圧タンク１の変形例について説明する。図２（ａ）は、第１実施形態の変形例に係る高圧タンク１の模式的断面図であり、図２（ｂ）は、接着層４近傍の模式的な拡大断面図である。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本変形例に係る高圧タンク１が上述した実施形態のものと相違する点は、ライナ２の表面のうち、境界領域２３、２３の表面に加えて、側端部２２、２２の端部領域２５、２５の表面にも接着層４が形成されている点である。よって、以下に相違点について説明し、上述した実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

この変形例では、境界領域２３、２３の表面に加えて、端部領域２５、２５の表面にも接着層４が形成されている。端部領域２５は、各境界領域２３の各口金部５側の端部から、各口金部５までの連続した領域であり、補強層３が覆われている領域である。したがって、この変形例では、境界領域２３、２３の表面から端部領域２５、２５までの表面に形成された接着層４により、補強層３とライナ２とが接着されていることになる。

これにより、境界領域２３および端部領域２５までの連続した部分において、補強層３とライナ２とが一体的に変形するので、上述したように、ライナ２の疲労強度の低下をより確実に抑えることができる。

＜ＣＡＥ解析＞
発明者は、参考例としてライナの表面全体に接着層を形成した高圧タンクと、比較例として接着層が全く形成されていない高圧タンクのモデルを作成し、ＣＡＥ解析を行った。このモデルでは、ライナの内径を３００ｍｍとし、ライナ２の厚みを４ｍｍとした。

ライナの物性値には、アルミニウム合金材（Ａ６０６１−Ｔ６）の物性値を用い、補強層の物性値としては、炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸したＣＦＲＰの物性値を用いた。

参考例の場合には、接着層を設ける代わりに、ライナと補強層との境界の変形を拘束した条件で解析した。一方、比較例の場合には、接着層を設けていないので、ライナと補強層と境界の変形を拘束せず、独立して変形する条件で解析した。この解析では、高圧タンクの内圧を８７．５ＭＰａとした。

参考例および比較例に係る試験体のＣＡＥ解析を行なった結果、両者はライナの肩部、すなわち、境界領域で応力が最大となり、比較例と比較して、参考例では約４０％の応力が低減されていた。

この結果より、参考例のライナの肩部では、接着層が補強層とライナとを拘束することにより、この肩部において隙間が発生せず、肩部でのひずみを低減し、ライナに加わる応力が低減さえるといえる。したがって、少なくとも、この境界領域の表面に接着層を設けることにより、ライナの疲労強度の低下を抑えることができると考えられる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：高圧タンク、２：ライナ、３：補強層、４：接着層、２１：胴体部、２２：側端部、２３：境界領域、２４：内部領域

Claims (1)

1. ガスを収容する金属製のライナと、前記ライナの外周に配置された補強層と、前記ライナと前記補強層との間に配置された接着層と、を備えた高圧タンクであって、
   前記ライナは、円筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に連続して形成されたドーム状の側端部と、を有し、
   前記ライナの表面のうち、前記胴体部と前記各側端部との境界領域の表面には、前記補強層と、前記ライナとを接着する接着層とが、形成されており、
   前記ライナの表面のうち、前記ライナの両側の前記境界領域の間に位置する内部領域の表面、および、前記境界領域よりも前記ライナの外側に位置する前記側端部の端部領域の表面には、前記接着層を介さずに、前記補強層が配置されていることを特徴とする高圧タンク。

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