JP7230775B2 - 高圧タンク、および高圧タンクを備える車両 - Google Patents

高圧タンク、および高圧タンクを備える車両 Download PDF

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Description

本開示は、高圧タンクに関する。
高圧タンクには、ライナの表面に巻き付けられた繊維と、熱硬化されている熱硬化性樹脂と、を含む繊維層が形成されるものがある。例えば、下記特許文献1には、そうした繊維層によって構成されている補強層を有し、その補強層の上に、さらに、ガラス繊維強化樹脂によって構成される保護層が形成されている高圧タンクが開示されている。ガラス繊維強化樹脂であれば、耐衝撃性が高い保護層を形成することが可能であるため、高圧タンクの耐久性を高めることができる。また、ガラス繊維強化樹脂で構成された保護層であれば、例えば、損傷したときの変色などにより、その劣化を視認によって容易に確認できる。よって、高圧タンクの劣化に起因する交換時期の到来の判断を適切に行うことができる。
特開2018-100768号公報
上記のように、高圧タンクの繊維層を保護するための保護層をガラス繊維強化樹脂で形成する場合には、通常、繊維層を構成する繊維を巻き付けた後に、さらに、熱硬化性樹脂が含浸されたガラス繊維を巻き付ける工程が設けられる。そのため、高圧タンクの製造工程が煩雑になってしまう可能性や、製造コストが増大してしまう可能性がある。高圧タンクにおいては、繊維層の保護性を高めつつ、高圧タンクの劣化状態の確認が容易な保護層を、より簡易に形成できることが望ましい。
本開示の技術は、以下の形態として実現することが可能である。
(1)第一の形態は、高圧タンクであって、流体を貯蔵する内部空間を有するライナと、前記ライナの外表面に巻き付けられている繊維と、前記繊維の表面を覆い、硬化している熱硬化性樹脂と、を含む繊維層と、前記繊維の上に配置され、厚み方向に貫通する複数の細孔が配列されている多孔質部材を含み、前記複数の細孔に前記熱硬化性樹脂が入り込んでいる保護層と、を備える、高圧タンクとして提供される。
この形態の高圧タンクによれば、多孔質部材を用いることによって、繊維層の熱硬化性樹脂が細孔に入り込んで繊維層と一体化された簡素な構成の保護層を繊維層の上に形成でき、繊維層の耐久性を高めることができる。また、そうした保護層であれば、多孔質部材を繊維の上に配置することにより形成することができるため、熱硬化性樹脂が含浸されたガラス繊維樹脂を巻き付けて保護層を形成する場合よりも簡易に保護層を形成することができる。
(2)上記形態の高圧タンクにおいて、前記多孔質部材は、前記複数の細孔を構成する網目を有し、前記ライナの外周を囲む筒状の筒状網部材を含み、前記筒状網部材は、伸長したときに復元力が生じる伸縮性を有する部材によって構成されてよい。
この形態の高圧タンクによれば、筒状網部材が伸縮性を有することにより、高圧タンクの膨張と収縮とに保護層を追従させることができる。よって、高圧タンクの膨張と収縮の繰り返しにより、保護層が劣化してしまうことを抑制できる。また、高圧タンクの製造工程において、筒状網部材を、復元力が生じる伸長させた状態でライナの外周に装着させることにより、筒状網部材をその復元力で繊維層の繊維に密着させることができる。そのため、繊維層と保護層との密着度を高めることができ、両者の乖離を抑制することができる。加えて、高圧タンクの製造工程において、筒状網部材の配置が容易になるため、高圧タンクの製造コストを低減させることができる。
(3)上記形態の高圧タンクにおいて、前記多孔質部材は、前記細孔としての網目を有し、前記網目の変形により伸縮する板状網部材を含んでよい。
この形態の高圧タンクによれば、保護層が板状に形状保持される板状網部材を有していることにより、保護層の強度が高められている。また、板状網部材は、その網目の変形により伸縮可能であるため、高圧タンクの膨張と収縮とに保護層を追従させることができる。よって、高圧タンクの膨張と収縮の繰り返しにより、保護層が劣化してしまうことを抑制できる。さらに、板状網部材であれば、高圧タンクの所望の領域に板状網部材を配置することによって、当該領域に保護層を形成することができる。よって、保護が必要な領域にのみ保護層を形成することが容易にでき、効率的である。
(4)上記形態の高圧タンクにおいて、前記保護層は、前記高圧タンクの中心軸を挟んで対向する位置に互いに離間して配置される第1保護層と第2保護層とを含んでよい。
この形態の高圧タンクによれば、中心軸を挟んだ両側に保護層を形成することができるため、高圧タンクの保護性を高めることができる。
(5)上記形態の高圧タンクにおいて、前記板状網部材の端部には、前記高圧タンクの表面から外方に延び出ており、前記高圧タンクを支持する支持部が連結される固定部が設けられてよい。
この形態の高圧タンクによれば、保護層を構成する多孔質部材に一体的に設けられている固定部によって、高圧タンクを容易に固定することができる。
(6)第二の形態は、上記形態の高圧タンクを搭載する車両であって、前記支持部を有し、前記固定部は、前記高圧タンクの中心軸を挟んで両側に延び出ており、前記高圧タンクは、前記支持部によって、上方および下方に、前記高圧タンクの膨張・収縮を受け入れるバッファ領域が形成される状態で支持されている、車両として提供される。
この形態の車両によれば、高圧タンクの膨張・収縮にともなう高圧タンクの位置の変動が抑制される。よって、高圧タンクの膨張・収縮により、バルブなどの高圧タンクの接続機器や、高圧タンクの周辺に配置されている機器が負荷を受けることが抑制される。
(7)第三の形態は、高圧タンクの製造方法であって、流体を貯蔵する内部空間を有するライナと、厚み方向に貫通する複数の細孔が配列されている多孔質部材と、を準備する工程と、前記ライナの表面に、熱硬化性樹脂が含浸されている繊維を巻き付け、前記繊維の上に、前記多孔質部材を配置する工程と、前記多孔質部材が配置された前記ライナを加熱し、前記繊維に含浸されている前記熱硬化性樹脂を、前記多孔質部材の前記複数の細孔内に流動させつつ熱硬化させる工程と、を備える、製造方法として提供される。
この形態の製造方法によれば、多孔質部材を繊維の上に配置することによって、熱硬化性樹脂によって繊維層と一体化された保護層を簡易に設けることができる。
本開示の技術は、高圧タンクやその製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、高圧タンクを備える燃料電池システムや、高圧タンクを備える車両、高圧タンクにおける保護層の形成方法、高圧タンクの製造装置、高圧タンクの保護構造等の形態で実現することができる。
また、本開示の技術は、以下の形態により実現することも可能である。
円筒状のシリンダ部と、前記シリンダ部の両端に設けられたドーム部と、を有する高圧タンクであって、流体を貯蔵する内部空間を有するライナと、前記ライナの外表面に巻き付けられている繊維と、前記繊維の表面を覆い、硬化している熱硬化性樹脂と、を含む繊維層と、前記繊維の上に配置され、厚み方向に貫通する複数の細孔が配列されている多孔質部材を含み、前記複数の細孔に前記熱硬化性樹脂が入り込んでいる保護層と、を備え、前記多孔質部材は、前記複数の細孔としての網目を有し、前記網目の変形により伸縮する板状網部材を含み、前記保護層は、前記高圧タンクの中心軸を挟んで対向する位置に互いに離間して配置される一つの第1保護層と複数の第2保護層とを含み、前記第1保護層は、前記シリンダ部の周方向における一部の領域であって2つの前記ドーム部の間の領域全体を覆っており、前記複数の第2保護層は、前記シリンダ部の中心軸に沿った方向に離間して配列されており、一方の前記ドーム部よりも他方の前記ドーム部に寄った位置に設けられているものと、他方の前記ドーム部よりも一方の前記ドーム部に寄った位置に設けられているものと、を含む、高圧タンク。
第1実施形態における高圧タンクを示す概略側面図。 第1実施形態における高圧タンクの概略断面図。 第1実施形態における高圧タンクの製造工程のフローを示す説明図。 筒状網部材をライナに装着するための装着装置を示す概略斜視図。 筒状網部材が取り付けられた状態の装着装置の概略平面図。 筒状網部材を伸長させたときの装着装置を示す概略平面図。 筒状網部材の筒内へのライナの挿入工程を示す概略斜視図。 装着装置によるライナへの筒状網部材の装着が完了した状態を示す概略斜視図。 熱硬化工程において繊維層および保護層が形成される前後の様子を示す模式図。 第2実施形態における高圧タンクを示す概略側面図。 第2実施形態における高圧タンクの概略断面図。 第2実施形態における高圧タンクの概略断面図。 第2実施形態における板状網部材を示す概略斜視図。 第2実施形態における板状網部材の一部を拡大して示す概略斜視図。 第2実施形態の熱硬化工程で用いられる保持部材を示す概略断面図。 第3実施形態における高圧タンクを示す概略側面図。 第3実施形態における板状網部材の構成を示す概略斜視図。 第3実施形態の板状網部材の製造工程を示す概略図。 第4実施形態における板状網部材の構成を示す概略斜視図。 第5実施形態における高圧タンクを示す概略側面図。 第5実施形態における高圧タンクを示す概略図。 第5実施形態の高圧タンクに設けられている固定部の概略断面図。 燃料電池車両における高圧タンクの搭載位置の一例を示す概略図。
1.第1実施形態:
図1は、第1実施形態における高圧タンク10Aを示す概略側面図である。図1には、高圧タンク10Aの中心軸CXを一点鎖線で図示してある。高圧タンク10Aは、流体を貯蔵する中空容器である。第1実施形態では、高圧タンク10Aは、燃料電池車両に搭載され、燃料電池に供給される燃料ガスの貯蔵に用いられる。第1実施形態では、高圧タンク10Aには、燃料電池の燃料ガスとして水素が高圧の状態で充填される。高圧タンク10Aは、70MPa以上の耐圧性能を有するように構成されている。
高圧タンク10Aは、略円筒状のシリンダ部11と、シリンダ部11の両端に設けられた略半球状のドーム部12a,12bと、を有する。各ドーム部12a,12bの頂部には、高圧タンク10Aの内部空間に連通する図示しない開口が設けられている。第1ドーム部12aの頂部の開口は、金属製の口金13が取り付けられることによって気密に封止されている。口金13には、高圧タンク10Aの、貯蔵流体が流通する配管が接続される。また、口金13には、高圧タンク10Aに対する貯蔵流体の流入/流出を制御する図示しない開閉弁や、ある温度以上になったときに溶解して高圧タンク10Aの外部への流体の漏洩を許容する図示しない溶栓弁が設けられている。第2ドーム部12bの頂部の開口は、金属製の栓部材14が取り付けられることによって気密に封止されている。
図2は、図1に示す2-2切断における高圧タンク10Aの概略断面図である。高圧タンク10Aは、内部にライナ20を有する。ライナ20は、高圧タンク10Aの本体部を構成する中空容器によって構成される。ライナ20は、シリンダ部11およびドーム部12a,12bを構成する壁部21と、当該壁部21によって囲まれ、流体が貯蔵される内部空間22を有する。第1実施形態では、ライナ20は樹脂製である。ライナ20は、例えば、強化プラスチックを用いた回転成形法によって作製される。他の実施形態では、ライナ20は、樹脂部材に代えて、アルミニウム合金等の軽金属によって構成されてもよい。
ライナ20の壁部21の表面には、繊維層23と、保護層27Aと、が積層されている。繊維層23は、ライナ20をマンドレルとしてフィラメントワインディング法によって、ライナ20の外表面全体を覆うように形成されている。繊維層23は、繊維24と、熱硬化性樹脂25と、を含んでいる。繊維24は、ライナ20の外表面全体にわたって巻き付けられており、積層された複数の巻層を構成している。熱硬化性樹脂25は、繊維24の表面を覆い、繊維24同士を結着する状態で熱硬化している。第1実施形態では、繊維層23は、炭素繊維強化樹脂(CFRP)によって構成されている。繊維24は、炭素繊維によって構成され、熱硬化性樹脂25はエポキシ樹脂によって構成されている。なお、熱硬化性樹脂25は、エポキシ樹脂に限定されず、不飽和ポリエステル樹脂等、他の熱硬化性樹脂が用いられてもよい。
繊維層23は、図1に示すシリンダ部11およびドーム部12a,12bを覆っている。ドーム部12a,12bでは、口金13および栓部材14が、繊維層23から突出している。口金13および栓部材14は、ライナ20のドーム部12a,12bに沿って中心の筒状部位から外方に延び出ている図示しない庇部が繊維層23に覆われることよってライナ20に固定されている。
図2に示すように、保護層27Aは、繊維層23を構成する繊維24の上に配置され、厚み方向に貫通する複数の細孔31が全体にわたって配列されている多孔質部材30を含む。多孔質部材30は、保護層27A全体に配置されている。第1実施形態では、多孔質部材30は、複数の細孔31を構成する網目を有し、ライナ20の周囲を囲む筒状の筒状網部材30Aによって構成される。図1に示すように、第1実施形態では、筒状網部材30Aは、少なくともシリンダ部11を覆い、ドーム部12a,12bの下端部を覆うように配置されている。
他の実施形態では、筒状網部材30Aおよび保護層27Aは、シリンダ部11およびドーム部12a,12bの全体を覆っていてもよいし、シリンダ部11の一部のみを覆っていてもよい。あるいは、筒状網部材30Aおよび保護層27Aは、ドーム部12a,12bの全体または一部のみを覆っていてもよい。
筒状網部材30Aは、伸長させたときに復元力が生じる伸縮性を有する。筒状網部材30Aは、伸長した状態で配置されており、その復元力によって繊維24の表層にフィットしている。筒状網部材30Aは、後述する熱硬化工程において溶融しない耐熱性を有する部材によって構成されている。筒状網部材30Aは、例えば、ナイロンなどの高い耐熱性能を有する樹脂製の繊維部材によって構成される。より具体的には、筒状網部材30Aは、ネトロン(登録商標)によって構成される。
図2に示すように、筒状網部材30Aは、細孔31内に繊維層23を構成している熱硬化性樹脂25が入り込んでいることによって、繊維層23と一体化されている。熱硬化性樹脂25は、筒状網部材30Aの全体を覆っている。
筒状網部材30Aの細孔31の大きさは、燃料電池車両での使用中に高圧タンク10Aが接触することが想定される砂利石などの異物から繊維層23を保護できるように、そうした異物の大きさより小さいことが望ましい。より具体的には、筒状網部材30Aの細孔31は、最大幅が0.1~10mm程度となる大きさで構成されてよい。
図3は、高圧タンク10Aの製造工程のフローを示す説明図である。工程P1では、ライナ20と多孔質部材30とが準備される。ライナ20のドーム部12a,12bの開口には、口金13および栓部材14が取り付けられている。工程P2では、フィラメントワインディング装置により、ライナ20に、熱硬化させる前の熱硬化性樹脂25が含浸されている繊維24がヘリカル巻きやフープ巻きによって巻き付けられる。工程P2により、ライナ20全体を覆う繊維24の巻層が積層される。続く工程P3では、工程P1で準備された多孔質部材30が繊維24の上に配置される。第1実施形態では、多孔質部材30として筒状網部材30Aが繊維24の上に配置される。
図4~図8を順に参照して、工程P3の内容を説明する。図4は、筒状網部材30Aをライナ20に装着するための装着装置100を示す概略斜視図である。装着装置100は、複数のシャフト101と、複数のシャフト101が平行に取り付けられている板状本体部105と、を備える。板状本体部105の面105sには、複数の溝部106が形成されている。各溝部106は、板状本体部105の中心から外周に向かって延びており、板状本体部105の中心を囲むように放射状に等間隔で配列されている。以下では、各溝部106の端部のうち、板状本体部105の中心側の端部を「第1端部106a」と呼び、板状本体部105の外周側の端部を「第2端部106b」と呼ぶ。
各シャフト101は、各溝部106から板状本体部105の面105sに垂直な方向に延び出ている。各シャフト101は、各溝部106の第1端部106aと第2端部106bとの間を、溝部106に沿って直線移動可能に構成されている。各シャフト101は、板状本体部105内部に設けられた図示しないギヤ機構によって移動する。
各シャフト101は、装着装置100において、筒状網部材30Aを保持する保持部を構成する。筒状網部材30Aは、各シャフト101が第1端部106aに位置している状態において、筒状網部材30Aの筒内に各シャフト101が挿入されることにより、装着装置100に取り付けられる。
図5は、筒状網部材30Aが取り付けられた状態にある装着装置100の概略平面図である。図5には、参考のため、筒状網部材30Aを板状本体部105の中心軸上にライナ20の中心軸が位置するようにライナ20を配置したときのライナ20の外周輪郭線を一点鎖線で図示してある。板状本体部105における各溝部106の第1端部106aを結ぶ図示しない仮想円の直径は、筒状網部材30Aを伸長させずに円筒状にしたときの直径よりも大きい。筒状網部材30Aは、径方向に伸長された状態で各シャフト101の周囲に巻き掛かるように取り付けられ、復元力が生じている状態で各シャフト101に保持される。
図6は、筒状網部材30Aが取り付けられた後、各シャフト101の移動により伸長された状態にあるときの装着装置100の概略平面図である。各溝部106の第1端部106aを結ぶ図示しない仮想円の直径は、ライナ20の直径よりも小さい。一方、各溝部106の第2端部106bを結ぶ図示しない仮想円の直径は、ライナ20の直径よりも大きい。これにより、筒状網部材30Aが取り付けられた後、各シャフト101を第2端部106bまで移動させて、筒状網部材30Aを伸長させて拡径することにより、筒状網部材30Aの筒内に、ライナ20を収容できる空間を形成することができる。
図7は、装着装置100のシャフト101に保持されている筒状網部材30Aの筒内にライナ20を挿入する工程を模式的に示す概略斜視図である。工程P2において繊維24が巻き付けられたライナ20は、装着装置100によって、図6に示すように拡径されている筒状網部材30Aの筒内に、装着装置100の板状本体部105の中心軸に沿って挿入される。
図8は、装着装置100によるライナ20への筒状網部材30Aの装着が完了した後の状態を示す概略斜視図である。筒状網部材30Aの筒内にライナ20が挿入された後、各シャフト101の間において、筒状網部材30Aの板状本体部105とは反対側の端部に、ライナ20の繊維24から離れないようにするための外力を加え、ライナ20に筒状網部材30Aを固定する。この状態で、ライナ20を、板状本体部105から離間するように、その中心軸CXに沿った方向に移動させ、各シャフト101を、筒状網部材30Aとライナ20との間から引き抜く。すると、筒状網部材30Aは、自身の復元力で収縮し、ライナ20に巻き付けられた繊維24の上にフィットするように配置される。なお、各シャフト101の側面には、筒状網部材30Aの筒内から円滑に引き抜くことが可能な用に、筒状網部材30Aの滑りをよくするための溝部などが設けられているとしてもよい。
ライナ20への筒状網部材30Aの装着が完了した後、図3の工程P4が実行される。工程P4は、熱硬化性樹脂25を熱硬化させる工程である。工程P4では、筒状網部材30Aが装着されたライナ20を加熱炉において、熱硬化性樹脂25の硬化温度以上に加熱することにより、繊維24に含浸されていた熱硬化性樹脂を熱硬化させる。なお、工程P4では、溶融した熱硬化性樹脂25の流動による偏在を抑制するために、ライナ20は、回転されながら加熱される。
図9は、工程P4の熱硬化工程において繊維層23および保護層27Aが形成される前後の様子を示す模式図である。工程P4で、繊維24が巻き付けられ、筒状網部材30Aが装着されたライナ20が加熱炉で加熱されると、繊維24に含浸されていた熱硬化性樹脂25が溶融して流動し、繊維24間の隙間を埋めるとともに、筒状網部材30Aの細孔31へと入り込む。熱硬化性樹脂25は、さらに、筒状網部材30Aの全体を覆うように流動する。その後、熱硬化性樹脂25の熱硬化の完了により、熱硬化性樹脂25によって一体化された繊維層23および保護層27Aが形成される。
以上のように、第1実施形態の高圧タンク10Aによれば、熱硬化工程の前に、ライナ20に筒状網部材30Aを装着することによって、繊維層23を保護する保護層27Aを簡易に形成することができる。第1実施形態の高圧タンク10Aによれば、熱硬化性樹脂25によって筒状網部材30Aがコーティングされ、強度が高められている保護層27Aが表層に形成されているため、高圧タンク10Aの耐久性が高められている。第1実施形態の高圧タンク10Aによれば、筒状網部材30Aの細孔31に熱硬化性樹脂25が入り込むことによって、繊維層23と保護層27Aとが一体化されているため、繊維層23と保護層27Aとの剥離による高圧タンク10Aの劣化が抑制される。また、筒状網部材30Aで構成される保護層27Aであれば、筒状網部材30Aの網目を形成している繊維が切れているか否かの視認が容易である。そのため、筒状網部材30Aを構成する繊維が切れ具合から、保護層27Aの劣化の度合いを視認することができ、高圧タンク10Aの劣化による交換時期の到来を適切に判定することが容易にできる。
第1実施形態の高圧タンク10Aによれば、保護層27Aを構成する筒状網部材30Aは伸縮性を有しており、貯蔵流体の充填と排出の繰り返しによって高圧タンク10Aが膨張と収縮とを繰り返したときに、その膨張・収縮に追従して伸縮することが可能である。よって、高圧タンク10Aの膨張と収縮の繰り返しによって、保護層27Aが劣化してしまうことが抑制される。また、筒状網部材30Aが伸長可能であるため、高圧タンク10Aの膨張が保護層27Aに押さえ込まれてしまうことが抑制される。そのため、高圧タンク10Aの膨張の際に内部応力が生じることが抑制され、高圧タンク10Aの劣化が抑制される。さらに、第1実施形態では、筒状網部材30Aは、伸長したときに復元力が生じる収縮性を有しているため、高圧タンク10Aが収縮したときの保護層27Aの追従性が高められている。加えて、伸縮性を有する筒状網部材30Aであれば、ライナ20に対する装着が容易であるため、保護層27Aの形成時間の短縮が可能になる。また、筒状網部材30Aを復元力が生じる状態でライナ20に装着することにより、筒状網部材30Aをライナ20表層に形成されている繊維24の巻層の凹凸にフィットさせることができる。そのため、筒状網部材30Aのシワの発生が抑制され、筒状網部材30Aと繊維24との間に空隙が生じることが抑制される。よって、筒状網部材30Aのシワによる高圧タンク10Aの外観の劣化や、筒状網部材30Aと繊維24との間に生じた空隙による保護層27Aの耐久性の低下を抑制できる。
2.第2実施形態:
図10Aは、第2実施形態における高圧タンク10Bを示す概略側面図である。図10Bは、図10Aに示す10B-10B切断における高圧タンク10Bの概略断面図である。図10Cは、図10Bに示す10C-10C切断における高圧タンク10Bの概略断面図である。第2実施形態の高圧タンク10Bの構成は、第1実施形態で説明した保護層27Aに代えて、第2実施形態の保護層27Bを備えている点以外は、第1実施形態の高圧タンク10Aとほぼ同じである。
図10A,図10Bに示すように、第2実施形態の保護層27Bは、シリンダ部11の側面の一部を、両端のドーム部12a,12bの間にわたって覆うように形成されている。高圧タンク10Bは、保護層27Bが下方に位置する姿勢で燃料電池車両に搭載される。図10Bに示すように、第2実施形態では、保護層27Bは、シリンダ部11の周方向において、シリンダ部11の円周の1/3~1/2程度の範囲の領域を覆っている。図10Cに示すように、保護層27Bは、厚み方向に貫通する複数の細孔31が全体にわたって配列されている多孔質部材30を有する。第2実施形態では、多孔質部材30は、以下に説明する板状網部材30Bによって構成される。板状網部材30Bは、保護層27Bの全体に配置されている。
図11および図12を参照図として加えて、保護層27Bが有する板状網部材30Bの構成を説明する。図11は、板状網部材30Bを示す概略斜視図である。図12は、板状網部材30Bの一部を拡大して示す概略斜視図である。
図11を参照する。第2実施形態では、保護層27Bは、多孔質部材30として、複数の金属製の板状網部材30Bを有する。各板状網部材30Bは、シリンダ部11の側面に沿って湾曲した形状を有し、細孔31を構成する網目が全体にわたって配列されている。各板状網部材30Bは、そうした湾曲した板形状を保持できる形状保持性を有している。図10Aに示すように、複数の板状網部材30Bは、シリンダ部11の側面において高圧タンク10Bの中心軸CXに沿って一列に配列されている。このように、複数の板状網部材30Bを用いて保護層27Bを構成している理由については後述する。
図12を参照する。第2実施形態では、板状網部材30Bは、板状網部材30Bは、網目が変形することによって伸縮することが可能な部材によって構成されている。板状網部材30Bは、例えば、エキスパンドメタルによって構成される。板状網部材30Bの各細孔31は、板状網部材30Bの基材である金属板に千鳥状に配列されるように形成された微小な複数のスリットを、スリットの両側の部位を金属板の厚み方向に沿って互いに反対方向に押し広げて開口させることによって形成されている。図12では、スリットの内壁面を構成していた面にハッチングを付してある。第2実施形態では、図12に示すように、菱形形状に開口された細孔31が形成されている。
板状網部材30Bは、複数の線状部位33と、4つの線状部位33同士の端部同士が連結している複数の連結部34と、を有する。第2実施形態では、各線状部位33は同じ長さを有する直線状の部位として構成されており、菱形形状の細孔31の四辺を構成している。また、各連結部34は、菱形形状の細孔31における角部を構成している。
板状網部材30Bは、菱形形状を有する各細孔31の幅方向Xと長さ方向Yの寸法比率が変化することによって伸縮する。ここで、「幅方向X」とは、板状網部材30Bが高圧タンク10Bに配置されているときの高圧タンク10Bの周方向を意味する。また、「長さ方向Y」とは、高圧タンク10Bの中心軸CXに沿った方向を意味する。
板状網部材30Bは、幅方向Xに伸長するときには、各細孔31の幅方向Xにおける開口幅が大きくなり、長さ方向Yにおける開口幅が小さくなる。一方、板状網部材30Bは、幅方向Xに収縮するときには、各細孔31の幅方向Xにおける開口幅が小さくなり、長さ方向Yにおける開口幅が大きくなる。板状網部材30Bが伸縮性を有することにより、保護層27Bは、高圧タンク10Bの膨張・収縮に追従して伸縮することが可能である。
第2実施形態では、上記のように、複数の板状網部材30Bが、高圧タンク10Bの中心軸CXに沿った方向に配列されている。これによって、高圧タンク10Bの中心軸CXに沿った長さ方向Yにおける各板状網部材30Bの寸法を小さくすることができる。長さ方向Yにおける板状網部材30Bの寸法が小さいと、高圧タンク10Bが膨張して、各板状網部材30Bが幅方向Xに伸長したときに、各板状網部材30Bが長さ方向Yに収縮しやすくなる。よって、高圧タンク10Bが膨張したときに、保護層27B内に生じる応力を低減できるため、高圧タンク10Bの膨張・収縮の繰り返しによる保護層27Bの劣化が抑制される。
図13を参照して、第2実施形態の高圧タンク10Bを製造工程における熱硬化工程で用いられる保持部材200の構成を説明する。図13には、高圧タンク10Bのライナ20を保持している状態の保持部材200の中心軸に直交する切断面における概略断面を図示してある。
第2実施形態の高圧タンク10Bは、第1実施形態で説明したのと同様に、図3の製造工程のフローによって製造される。第2実施形態では、工程P3において、多孔質部材30として、上述した複数の板状網部材30Bがライナ20に巻き付けられた繊維24の上に配置される。また、工程P4の熱硬化工程において、板状網部材30Bの細孔31に熱硬化性樹脂25が入り込んで熱硬化することによって、保護層27Bが形成される。この熱硬化工程では、熱硬化性樹脂25が熱硬化する前に、ライナ20から板状網部材30Bが脱落してしまうことを抑制するために、保持部材200が用いられる。保持部材200は、ライナ20と板状網部材30Bとを互いに密着させた状態で保持する。ライナ20および板状網部材30Bは、保持部材200に保持された状態で、加熱炉において、保持部材200とともに回転されながら加熱される。
保持部材200は、円筒形状を有しており、板状網部材30Bが配置されたライナ20は、筒内に収容される。保持部材200は、その中心軸を挟んで互いに対向する半円筒状の第1側壁部201と第2側壁部202とで構成される。第1側壁部201は、その周方向の端部において、ヒンジ部204を介して、第2側壁部202の周方向における端部と連結されている。第1側壁部201は、ヒンジ部204を支点として、第2側壁部202に対して回動する。
図13において破線で示すように第1側壁部201を第2側壁部202に対して回動させて、保持部材200を開いた状態にすることにより、保持部材200の筒内に、板状網部材30Bが配置されたライナ20を収容することが可能になる。ライナ20は、保持部材200内において、板状網部材30Bが第2側壁部202の内周面に面するように配置される。
第1側壁部201と第2側壁部202のそれぞれの周方向におけるヒンジ部204とは反対側の端部には、ロック機構205が設けられている。ロック機構205は、第1側壁部201と第2側壁部202とが閉じられている状態で第1側壁部201と第2側壁部202とを連結し、第1側壁部201と第2側壁部202の回動を規制する。ライナ20が保持部材200内に収容された後に、ロック機構205によって、第1側壁部201と第2側壁部202とは固定される。
保持部材200には、筒内で板状網部材30Bとライナ20とを支持する複数の支持部材210が取り付けられている。各支持部材210は、第1側壁部201または第2側壁部202を貫通するボルトによって構成される。図13では重なっているため見えないが、各側壁部201,202には、複数の支持部材210が、保持部材200の中心軸に沿った方向に配列されている。第1側壁部201を貫通する支持部材210は、先端部においてライナ20の側面に巻き付けられている繊維24を押圧する。第2側壁部202を貫通する支持部材210は、先端において、ライナ20の周方向における板状網部材30Bの両端部を押圧する。各支持部材210の挿入深さを調整することにより、ライナ20の中心軸CXの位置を調整することが可能である。これにより、ライナ20の中心軸CXが保持部材200の中心軸からずれた位置に配置されることによる加熱温度のムラが生じることを抑制できる。
各支持部材210とライナ20に巻き付けられた繊維24または板状網部材30Bとの間には緩衝部材215が配置されている。緩衝部材215は、繊維24に含浸されているのと同種の熱硬化性樹脂25によって構成される。緩衝部材215は、熱硬化工程において溶融して、繊維層23または保護層27Bの熱硬化性樹脂25と一体化した状態で熱硬化する。熱硬化工程の後に高圧タンク10Bの表層に残っている緩衝部材215が熱硬化した塊は研磨などにより削り取られる。これによって、高圧タンク10Bの表層に、保持部材200の支持部材210に支持されていた痕跡が残ることが抑制される。
以上のように、第2実施形態の高圧タンク10Bによれば、保護層27Bが板状に形状保持される板状網部材30Bによって構成されていることにより、保護層27Bの強度が高められている。また、網目が変形して伸縮する板状網部材30Bによって保護層27Bが構成されていることにより、高圧タンク10Bの膨張・収縮に保護層27Bを追従させることができるため、保護層27Bの耐久性が高められている。加えて、板状網部材30Bを、所望の領域に配置することにより、当該領域のみを被覆する保護層27Bが形成される。よって、保護の必要性が高い領域にのみ保護層27Bを形成することが容易であり、保護の必要性が低い領域にまで保護層27Bされてしまうことによる高圧タンク10Bの重量の増加や製造コストの増大が抑制される。その他に、第2実施形態の高圧タンク10Bおよびその製造方法によれば、第1実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
3.第3実施形態:
図14は、第3実施形態における高圧タンク10Cを示す概略側面図である。第3実施形態の高圧タンク10Cの構成は、第2実施形態で説明した複数の板状網部材30Bの代わりに、以下に説明する第3実施形態の板状網部材30Cが用いられている点以外は、第2実施形態の高圧タンク10Bの構成とほぼ同じである。第3実施形態の保護層27Cは、1枚の板状網部材30Cの細孔31に熱硬化性樹脂25が入り込むことによって形成されている。
図15は、板状網部材30Cの構成を示す概略斜視図である。第3実施形態の板状網部材30Cは、第2実施形態の板状網部材30Bと同様にエキスパンドメタルによって構成されているが、第2実施形態の板状網部材30Bとは細孔31の開口形状が異なっている。板状網部材30Cでは、細孔31を囲む各線状部位33が、2つの屈曲部33cを有していることによってクランク状に折れ曲がっている。板状網部材30Cでは、各連結部34に加えて、各線状部位33の2つの屈曲部33cを関節部として折れ曲がることができる。そのため、板状網部材30Cでは、細孔31の開口形状がより自由に変形することができ、板状網部材30Cは、幅方向Xと長さ方向Yへとそれぞれ独立に伸縮することができる。そのため、板状網部材30Cであれば、高圧タンク10Cの膨張・収縮に対する保護層27Cのより高い追従性を実現することができる。
図16は、板状網部材30Cの製造工程を示す概略図である。図16の紙面上段に示されている工程A,B,Cでは、搬送ローラ320に支持されている金属板300を、線状部位33の形状を象った薄板状の上型310と下型312とによって1回プレスすることにより、金属板300に細孔31の半分の領域31aが形成される。1回目のプレスの後、金属板300は、搬送ローラ320によって、上型310と下型312の厚みの分だけ搬送される。また、上型310と下型312の位置が、金属板300の搬送方向と直交する方向に、細孔31の幅方向Xにおける寸法の半分だけずらされる。続いて、紙面下段に示されている工程D,E,Fでは、上型310と下型312による2回目のプレスにより、細孔31の残り半分の領域31bが形成される。板状網部材30Cは、これらの工程A~Fの繰り返しにより、簡易に形成される。なお、第3実施形態の板状網部材30Cは、上型310および下型312を交換するのみで、第2実施形態の板状網部材30Bと共通の製造装置で製造することが可能である。
以上のように、第3実施形態によれば、第2実施形態よりも幅方向Xおよび長さ方向Yへの伸縮変形が自由な板状網部材30Bによって、高圧タンク10Cの膨張・収縮に対する保護層27Cの追従性が高められている。その他に、第3実施形態の高圧タンク10Cおよびその製造方法によれば、上記の各実施形態で説明した種々の作用効果を奏することができる。
4.第4実施形態:
図17は、第4実施形態の高圧タンクにおいて多孔質部材30として用いられる板状網部材30Dの構成を示す概略斜視図である。第4実施形態の高圧タンクの構成は、第3実施形態で説明した板状網部材30Cの代わりに、第4実施形態の板状網部材30Dが用いられている点以外は、第3実施形態の高圧タンク10Cの構成とほぼ同じである。第4実施形態の板状網部材30Dは、以下に説明するように、細孔31の開口形状が異なっている点以外は、第3実施形態の板状網部材30Cとほぼ同じである。
第4実施形態の板状網部材30Dは、第3実施形態で説明した線状部位33の屈曲部33cを湾曲部に変更した構成に相当し、各線状部位33は、三角関数の波形形状を有している。板状網部材30Dにおける各細孔31の開口形状は、長径方向に一列に並ぶ3つの楕円の端部を互いに連結した形状に相当する。
第4実施形態の板状網部材30Dによれば、細孔31の開口形状を変形させて伸縮させたときに、各線状部位33に生じる応力が分散されるため、板状網部材30Dの伸縮させたときの応力集中の発生が抑制される。よって、第4実施形態の板状網部材30Dによれば、高圧タンクの保護層の耐久性をより一層、高めることができる。また、第4実施形態の板状網部材30Dは、図16に示された上型310と下型312の形状を変更するのみで、第3実施形態の板状網部材30Cと同様に簡易に作製することができる。その他に、第4実施形態の高圧タンクおよびその製造方法によれば、上記の各実施形態で説明した種々の作用効果を奏することができる。
5.第5実施形態:
図18は、第5実施形態における高圧タンク10Eを示す概略側面図である。図19は、第5実施形態の高圧タンク10Eを中心軸CXに沿った方向に見たときの概略図である。第5実施形態の高圧タンク10Eの構成は、以下に説明する点以外は、第3実施形態の高圧タンク10Cの構成とほぼ同じである。
図18に示すように、第5実施形態の高圧タンク10Eには、第3実施形態で説明した保護層27Cの代わりに、第1保護層27Eaと、第2保護層27Ebと、が設けられている。第1保護層27Eaと第2保護層27Ebとは、シリンダ部11上において、中心軸CXを挟んで対向する位置に互いに離間して配置されている。
図18および図19に示すように、第1保護層27Eaは、第3実施形態で説明した保護層27Cと同様に、シリンダ部11の周方向における一部の領域を、2つのドーム部12a,12bの間の領域全体を覆っている。第1保護層27Eaは、シリンダ部11の周方向において、シリンダ部11の円周の1/3~1/2程度の範囲の領域を覆っている。
図18に示すように、高圧タンク10Eには、第2保護層27Ebが複数設けられている。複数の第2保護層27Ebは、中心軸CXに沿った方向に離間して配列されている。複数の第2保護層27Ebは、第2ドーム部12bよりも第1ドーム部12aに寄った位置に設けられているものと、第1ドーム部12aよりも第2ドーム部12bに寄った位置に設けられているものと、を含む。それら2つの第2保護層27Ebは、高圧タンク10Eの重心を挟んで対称な位置に設けられている。図19に示すように、複数の第2保護層27Ebのそれぞれは、シリンダ部11の周方向において、シリンダ部11の円周の1/3~1/2程度の範囲の領域を覆っている。他の実施形態では、前述したドーム部12a,12bに寄った位置に設けられている2つの第2保護層27Ebの間に、さらに、1以上の第2保護層27Ebが設けられてもよい。また、他の実施形態では、第2保護層27Ebは、1つのみが設けられていてもよい。
図18および図19を参照する。各保護層27Ea,27Ebは、板状網部材30Eを有している。板状網部材30Eは、以下に説明する固定部37が両端に追加されている点以外は、第3実施形態で説明した図15に示す板状網部材30Cの構成とほぼ同じである。高圧タンク10Eは、繊維24が巻き付けられたライナ20の繊維24の上に、固定部37が設けられた板状網部材30Eを配置し、熱硬化工程において、熱硬化性樹脂25、板状網部材30Eの細孔31に入り込ませて熱硬化させることによって製造される。なお、他の実施形態では、板状網部材30Eは、図12に示す第2実施形態の板状網部材30Bや図17に示す第4実施形態の板状網部材30Dに固定部37を追加した構成を有していてもよい。
各保護層27Ea,27Ebの板状網部材30Eは、シリンダ部11の周方向における両端に固定部37を有している。各固定部37は、板状網部材30Eの端部に連結され、高圧タンク10Eの表面から外方に向かって延び出ている板状部位38と、板状部位38に取り付けられたゴム製のマウント部材39と、を備える。各固定部37には、燃料電池車両が備える高圧タンク10Eを支持するための支持部SPが連結される。支持部SPは、高圧タンク10Eの両脇において、第2保護層27Eb側から第1保護層27Ea側へと延び出て対応する固定部37に連結される。
図18を参照する。第1保護層27Eaには、中心軸CXに沿った方向における両端のそれぞれに寄った位置に固定部37が設けられている。固定部37は、高圧タンク10Eの重心を挟んで対称な位置に設けられていることが望ましい。各第2保護層27Ebには、固定部37は、中心軸CXに沿った方向における中央に設けられている。第1保護層27Eaの固定部37と第2保護層27Ebの固定部37とは、図19に示す支持部SPの干渉を避けるために、中心軸CXに沿った方向に互いにオフセットされた位置に設けられている。
図20は、図19に示す20-20切断における固定部37の概略断面図である。固定部37の板状部位38には、マウント部材39を取り付けるための貫通孔38hが設けられている。マウント部材39は、板状部位38の貫通孔38hに挿通されている。マウント部材39は、その外周に設けられた溝部39gに貫通孔38hの周縁部が嵌合することによって、板状部位38に固定されている。マウント部材39には、板状部位38の厚み方向にマウント部材39を貫通するボルト孔39hが設けられている。マウント部材39のボルト孔39hに挿通されるボルトBTと中空の支持部SPの内部に配置されているナットNTとの締結により、固定部37は支持部SPに連結される。固定部37によれば、マウント部材39によって支持部SPからの振動を吸収することができる。よって、そうした振動により、固定部37の固定性が低下して、高圧タンク10Eが支持部SPから脱落してしまうことが抑制される。
図21は、燃料電池車両400における高圧タンク10Eの搭載位置の一例を示す概略図である。燃料電池車両400は、乗員が搭乗する客室401と、客室401の後方に設けられ、荷物が積載される荷室402と、客室401と荷室402の床面を構成するフロアパネル405と、を有している。高圧タンク10Eは、フロアパネル405の下方に搭載される。高圧タンク10Eの下方には、フロアパネル405に連結され、高圧タンク10Eを下方から覆う樹脂製のカバー部材407が設けられている。
上述した支持部SPは、フロアパネル405に連結されており、フロアパネル405から下方に延び出て、高圧タンク10Eの固定部37に連結されている。高圧タンク10Eは、第1保護層27Eaの固定部37が支持部SPに連結されることによって下方への移動が抑制される。また、第2保護層27Ebの固定部37が支持部SPに連結されることによって、上方への移動が規制される。
高圧タンク10Eは、第1保護層27Eaがカバー部材407に面し、第2保護層27Ebがフロアパネル405に面するように設置されている。これによって、路面干渉や、飛石などの異物の飛来により損傷しやすい高圧タンク10Eの下方の側面領域を、被覆面積が大きい第1保護層27Eaによって保護することができる。一方、そうした損傷の可能性が低い高圧タンク10Eの上方の側面領域に配置されている第2保護層27Ebについては被覆面積が小さく構成されているため、その分だけ、高圧タンク10Eの重量の増大が抑制されている。
高圧タンク10Eは、固定部37が、中心軸CXの両脇に設けられており、上方および下方に空間が形成される浮いた状態で支持部SPに支持されている。当該空間は、高圧タンク10Eの膨張・収縮を受け入れるバッファ領域BFとして機能する。これにより、高圧タンク10Eが膨張・収縮したときに、その中心軸CXの位置が変位する量が、高圧タンク10Eを床面に直に配置した場合よりも低減される。よって、高圧タンク10Eに接続されるバルブや配管などの機器や、高圧タンク10Eの周辺に配置される機器が、高圧タンク10Eが膨張・収縮したときの高圧タンク10Eの変位によって負荷を受けることが抑制される。第5実施形態では、バッファ領域BFは空間として構成されている。他の実施形態では、バッファ領域BFは、高圧タンク10Eの膨張・収縮に追従して変形する部材が配置された領域として構成されていてもよい。
第5実施形態では、高圧タンク10Eは、荷室402の下方領域に搭載されている。他の実施形態では、高圧タンク10Eは、客室401の下方領域に搭載されていてもよい。高圧タンク10Eは、フロアパネル405の下方に搭載されていなくてもよく、例えば、客室401の前方に位置するエンジンルーム408に搭載されていてもよい。この場合には、高圧タンク10Eの固定部37は、エンジンルーム408内の壁部に連結されている支持部SPに固定される。
以上のように、第6実施形態の高圧タンク10Eによれば、被覆面積の異なる第1保護層27Eaおよび第2保護層27Ebを有することにより、高圧タンク10Eの重量の増大を抑制しつつ、その保護性が高められている。また、各保護層27Ea,27Ebに固定部37が設けられていることにより、高圧タンク10Eを簡易に固定することが可能になっている。その他に、第6実施形態の高圧タンク10Eによれば、上記の各実施形態で説明した種々の作用効果を奏することができる。
6.他の実施形態:
上記実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記実施形態と同様に、本開示の技術を実施するための形態の一例として位置づけられる。
・他の実施形態1:
上記各実施形態の高圧タンク10A,10B ,10C,10Eの貯蔵流体は、水素に限定されることはない。他の実施形態では、高圧タンク10A,10B ,10C,10Eには、例えば、天然ガスや、液化ガスなどの流体が貯蔵されてもよい。また、高圧タンク10A,10B ,10C,10Eは、燃料電池車両に限らず、例えば、天然ガス自動車などの他の車両に搭載されてもよい。高圧タンク10A,10B ,10C,10Eは、車両の代わりに、他の移動体に搭載されてもよいし、建物などに設置されてもよい。
・他の実施形態2:
多孔質部材30は、筒状網部材30Aや、板状網部材30B,30C,30D,30Eとは異なる構成を有していてもよい。多孔質部材30は、例えば、針金を網状に編んで形成されてもよいし、金属板に貫通孔を形成したパンチングメタルによって構成されてもよい。多孔質部材30は、伸長させても復元力がほとんど生じない網状の部材を筒状にした筒状網部材によって構成されてもよい。
7.その他:
本開示の技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10A…高圧タンク、10B…高圧タンク、10C…高圧タンク、10E…高圧タンク、11…シリンダ部、12a…第1ドーム部、12b…第2ドーム部、13…口金、14…栓部材、20…ライナ、21…壁部、22…内部空間、23…繊維層、24…繊維、25…熱硬化性樹脂、27A…保護層、27B…保護層、27C…保護層、27Ea…第1保護層、27Eb…第2保護層、30…多孔質部材、30A…筒状網部材、30B…板状網部材、30C…板状網部材、30D…板状網部材、30E…板状網部材、31…細孔、31a…領域、31b…領域、33…線状部位、33c…屈曲部、34…連結部、37…固定部、38…板状部位、38h…貫通孔、39…マウント部材、39g…溝部、39h…ボルト孔、100…装着装置、101…シャフト、105…板状本体部、105s…面、106…溝部、106a…第1端部、106b…第2端部、200…保持部材、201…第1側壁部、202…第2側壁部、204…ヒンジ部、205…ロック機構、210…支持部材、215…緩衝部材、300…金属板、310…上型、312…下型、320…搬送ローラ、400…燃料電池車両、401…客室、402…荷室、405…フロアパネル、407…カバー部材、408…エンジンルーム、BF…バッファ領域、BT…ボルト、CX…中心軸、NT…ナット、SP…支持部

Claims (5)

  1. 円筒状のシリンダ部と、前記シリンダ部の両端に設けられたドーム部と、を有する高圧タンクであって、
    流体を貯蔵する内部空間を有するライナと、
    前記ライナの外表面に巻き付けられている繊維と、前記繊維の表面を覆い、硬化している熱硬化性樹脂と、を含む繊維層と、
    前記繊維の上に配置され、厚み方向に貫通する複数の細孔が配列されている多孔質部材を含み、前記複数の細孔に前記熱硬化性樹脂が入り込んでいる保護層と、
    を備え
    前記多孔質部材は、前記複数の細孔としての網目を有し、前記網目の変形により伸縮する板状網部材を含み、
    前記保護層は、前記高圧タンクの中心軸を挟んで対向する位置に互いに離間して配置される一つの第1保護層と複数の第2保護層とを含み、
    前記第1保護層は、前記シリンダ部の周方向における一部の領域であって2つの前記ドーム部の間の領域全体を覆っており、
    前記複数の第2保護層は、前記シリンダ部の中心軸に沿った方向に離間して配列されており、一方の前記ドーム部よりも他方の前記ドーム部に寄った位置に設けられているものと、他方の前記ドーム部よりも一方の前記ドーム部に寄った位置に設けられているものと、を含む、高圧タンク。
  2. 請求項1記載の高圧タンクであって、
    前記多孔質部材は、前記複数の細孔を構成する網目を有し、前記ライナの外周を囲む筒状の筒状網部材を含み、
    前記筒状網部材は、伸長したときに復元力が生じる伸縮性を有する部材によって構成されている、高圧タンク。
  3. 請求項または請求項記載の高圧タンクであって、
    前記板状網部材の端部には、前記高圧タンクの表面から外方に延び出ており、前記高圧タンクを支持する支持部が連結される固定部が設けられている、高圧タンク。
  4. 請求項1または請求項2記載の高圧タンクであって、
    前記板状網部材の前記細孔の開口形状は、径方向に一列に並ぶ3つの楕円の端部を互いに連結した形状である、高圧タンク。
  5. 請求項記載の高圧タンクを搭載する車両であって、
    前記支持部を有し、
    前記固定部は、前記高圧タンクの中心軸を挟んで両側に延び出ており、
    前記高圧タンクは、前記支持部によって、上方および下方に、前記高圧タンクの膨張・収縮を受け入れるバッファ領域が形成される状態で支持されている、車両。
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