JP7472871B2

JP7472871B2 - タンク

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Publication number: JP7472871B2
Application number: JP2021133066A
Authority: JP
Inventors: 雄基甲斐
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2024-04-23
Anticipated expiration: 2041-08-18
Also published as: CN115708237A; JP2023027799A

Description

本発明は、タンクに関し、特にＯリングとバックアップリングにより構成されたシール構造を有するタンクに関する。

水素タンク等のタンクは、内部にガスを貯留する貯留空間と該貯留空間と連通する開口部とを有するライナーと、ライナーの外周に形成された補強層と、ライナーの開口部を閉塞するマニホールドとを備えている。マニホールドは、蓋状部材であり、ライナーの開口部内に挿入される挿入部を有する。このような構造を有するタンクでは、ガスがライナーの開口部とマニホールドの挿入部との隙間から漏れるのを防止するため、例えば下記特許文献１に記載されたシール構造が採用されている。

すなわち、挿入部の外周壁に外周溝を設け、該外周溝にＯリング及びバックアップリングを密接した状態で装着することで、ライナーの開口部とマニホールドの挿入部との間のシール性を確保する。そして、バックアップリングは、長尺状のリング本体と、該リング本体の両端にそれぞれ形成されるとともにリング本体の長手方向に対して傾斜したバイアスカット面とを有する。バックアップリングは、バイアスカット面同士を突き合わせた状態で外周溝に装着されている。

特開平１１－３１５９２５号公報

しかし、このようなバックアップリングを有するシール構造では、バックアップリングの加工寸法のばらつきが大きい場合、又はガス充填によってタンクがその径方向外側に膨張する膨張量が大きい場合、突き合わせられたバイアスカット面同士が互いに引き離れる方向に位置ずれが発生してしまう。バイアスカット面が形成された部分は、リング本体と比べて厚さが比較的に薄い（言い換えれば、薄肉部である）ので、バイアスカット面同士が引き離れると、該薄肉部に応力が集中し、バックアップリングが破損し、更にＯリングも破損する可能性がある。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、バックアップリングとシール部材の破損を防止できるタンクを提供することを目的とする。

本発明に係るタンクは、筒状の開口部を有するライナーと、前記ライナーの開口部を閉塞するように前記開口部内に挿入される挿入部を有する蓋状部材と、を備えるタンクであって、前記挿入部には、外周溝が設けられ、前記外周溝には、前記挿入部と前記開口部との間をシールするシール部材と、前記シール部材よりも前記タンクの外側に配置されたバックアップリングとが装着され、前記バックアップリングは、長尺状のリング本体と、該リング本体の両端にそれぞれ形成されるとともに前記リング本体の長手方向に対して傾斜したバイアスカット面とを有し、前記タンク内にガスが充填される前の初期状態において、前記バックアップリングは、各バイアスカット面の少なくとも一部が前記リング本体の一部と重なった状態で前記外周溝に装着されていることを特徴としている。

本発明に係るタンクでは、タンク内にガスが充填される前の初期状態において、バックアップリングは、各バイアスカット面の少なくとも一部がリング本体の一部と重なった状態で外周溝に装着されているので、仮にバイアスカット面同士が引き離れる方向に位置ずれが発生した場合であっても、従来のようにバイアスカット面が形成されて厚さが比較的に薄い部分における応力集中を抑制することができる。従って、バックアップリングとシール部材の破損を防止することができる。

本発明に係るタンクにおいて、２つの前記バイアスカット面のうち、前記シール部材に隣接する前記バイアスカット面の先端部分は、面取り加工され、Ｒ加工され、又はキャップ部材に覆われていることが好ましい。バイアスカット面の先端が尖っているため、シール部材にダメージを与える可能性がある。このようにシール部材に隣接するバイアスカット面の先端部分を面取り加工し、Ｒ加工し又はキャップ部材で覆うことで、シール部材へのダメージを防止することができる。

本発明に係るタンクにおいて、前記外周溝は、前記タンクの外側から内側に向って拡がるテーパ状底部を有し、前記バックアップリングは、前記外周溝の前記テーパ状底部に対応するテーパ部を有することが好ましい。タンクの内部にガスが充填されると、内圧によってシール部材及びバックアップリングをタンクの外側に押圧する押圧力が発生する。このように外周溝にタンクの外側から内側に向って拡がるテーパ状底部を設け、バックアップリングに外周溝のテーパ状底部に対応するテーパ部を設けることで、バックアップリングがライナーの開口部とマニホールドの挿入部との隙間からはみ出すことを抑制できる。その結果、バックアップリングの破損を防止する効果を更に向上することができる。

本発明によれば、バックアップリングとシール部材の破損を防止することができる。

実施形態に係るタンクの要部を示す部分断面図である。図１のＡ部分を示す拡大断面図である。（ａ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングを示す斜視図であり、（ｂ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングのバイアスカット面同士の位置を示す正面図である。（ａ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングを示す斜視図であり、（ｂ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングのバイアスカット面同士の位置を示す正面図である。（ａ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングを示す斜視図であり、（ｂ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングのバイアスカット面同士の位置を示す正面図である。（ａ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着される従来のバックアップリングを示す斜視図であり、（ｂ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着される従来のバックアップリングのバイアスカット面同士の位置を示す正面図である。（ａ）はバイアスカット面の先端部分が面取りされた例を示す図であり、（ｂ）はバイアスカット面の先端部分がＲ加工された例を示す図であり、（ｃ）はバイアスカット面の先端部分がキャップ部材に覆われる例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係るタンクの実施形態について説明する。下記の説明において、タンクが燃料電池車両に搭載されて内部に高圧の水素ガスが充填される例を挙げるが、タンクに充填可能なガスは、水素ガスに限定されず、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス等であっても良い。

図１は実施形態に係るタンクの要部を示す部分断面図である。本実施形態のタンク１は、両端がドーム状に丸みを帯びた略円筒形状の高圧ガス貯蔵容器であって、ガスバリア性を有するライナー１０と、ライナー１０の外周を覆うように形成された補強層２０と、を備えている。

ライナー１０は、水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂材料によって形成されており、円筒状の胴体部１１と胴体部１１の軸Ｌ方向の両端に設けられた一対のドーム部１２（図１においては片側のドーム部のみを示す）とを有する。胴体部１１の軸Ｌ方向は、すなわちタンク１の軸Ｌ方向である。以下の説明では、この「タンクの軸Ｌ方向」を「軸Ｌ方向」と省略する。

ドーム部１２は、半球状を呈している。そして、ドーム部１２における胴体部１１とは反対側の端部には、円筒状の開口部１３が設けられている。開口部１３は、ドーム部１２よりも小さい外径を有し、軸Ｌ方向に沿ってドーム部１２から突出するように配置されている。この開口部１３は、タンク１内に水素ガスを充填するための充填口、あるいは、タンク１内に貯留される水素ガスを排出するための排出口として機能する。

ライナー１０は、例えば、ポリエチレンやナイロン等の樹脂を用いて回転・ブロー成形法によって一体的に形成されている。また、ライナー１０は、樹脂に代えてアルミニウム等の軽金属によって形成されても良い。更に、ライナー１０は、回転・ブロー成形法のような一体成型の製造方法に代えて、射出・押出成形等により複数に分割された部材を接合することにより形成されても良い。

補強層２０は、繊維強化樹脂によって形成されている。本実施形態では、繊維強化樹脂として炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）が用いられている。そして、この炭素繊維強化樹脂は、開口部１３を含むライナー１０の全体を覆うことにより補強層２０を形成する。補強層２０の厚さは、ライナー１０の胴体部１１側からドーム部１２側へ向うにつれて厚くなっている。補強層２０における開口部１３を覆う部分の厚さは、ほぼ同じである。

開口部１３を覆う補強層２０の外側には、口金３０が取り付けられている。口金３０は、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料により円筒状に加工されたものであって、軸Ｌ方向に沿って延びる円筒状の口金本体部３１と、該口金本体部３１の一端部に連結されて径方向に突出する鍔部３２とを有する。

また、口金本体部３１の外周には、後述するマニホールド４０と螺合する雄ネジ部３３が形成されている。口金本体部３１の内周には、鋸状の係止爪部３４が形成されている。口金３０は、その係止爪部３４が補強層２０の外周部に食い込むことにより、補強層２０と固定されている。

鍔部３２は、口金３０の強度を高める機能と、マニホールド４０と螺合する際にマニホールド４０の螺合深さを規制する機能とを果たすものであり、口金本体部３１と一体的に形成されている。

ライナー１０の開口部１３には、マニホールド４０が取り付けられている。マニホールド４０は、特許請求の範囲に記載の「蓋状部材」に相当するものであり、例えば複数本のタンク１を接続するための部材である。このマニホールド４０は、略円板状の本体部４１と、本体部４１の外周縁部と連結して軸Ｌ方向に延伸する側壁部４２と、本体部４１の中央に配置されて側壁部４２の延伸側と同じ側に突出する挿入部４３と、を有する。

本体部４１は、該マニホールド４０の天板に該当する部分である。本体部４１の内面は、開口部１３、補強層２０及び口金３０の端面と当接する当接面である。側壁部４２の内周には、口金３０の雄ネジ部３３と螺合する雌ネジ部４６が形成されている。

挿入部４３は、開口部１３を閉塞するように開口部１３内に挿入される部分であり、略円柱状を呈している。挿入部４３の外径は、開口部１３の内径よりも僅かに小さく形成されている。挿入部４３の中央には、軸Ｌ方向に沿って延びるスリット４４が設けられている。このスリット４４は、挿入部４３を開口部１３に挿入する際に、挿入部４３を変形させて挿入しやすくするための構造である。また、挿入部４３の外周壁には、外周溝４５が設けられている。外周溝４５には、挿入部４３と開口部１３との間をシールするＯリング５０と、Ｏリング５０よりもタンク１の外側に配置されたバックアップリング５１とが密接した状態で装着されている。

図２は図１のＡ部分を示す拡大断面図である。図２に示すように、外周溝４５は、軸Ｌ方向において対向する一対の壁面（外側壁面４５ａ，内側壁面４５ｂ）と、壁面同士の間に配置されて外周溝４５の底部を形成するテーパ状底部４５ｃ及び平行底部４５ｄとを有する。より具体的には、一対の壁面のうち、外側壁面４５ａはタンク１の外側、内側壁面４５ｂはタンク１の内側にそれぞれ配置されている。テーパ状底部４５ｃは、外側壁面４５ａと連結して内側壁面４５ｂ側に向って（すなわち、タンク１の外側から内側に向って）拡がるように形成されている。平行底部４５ｄは、テーパ状底部４５ｃと内側壁面４５ｂとを連結するように軸Ｌ方向と平行して形成されている。

Ｏリング５０は、特許請求の範囲に記載の「シール部材」に相当するものであり、例えばゴム材料によって形成されている。このＯリング５０は、開口部１３と平行底部４５ｄによって圧縮された状態で外周溝４５に装着され、開口部１３と挿入部４３と間のシール性を確保する。

バックアップリング５１は、いわゆる有端リングであり、外周溝４５のテーパ状底部４５ｃに対応するテーパ部５１４を有するように断面台形状を呈している。テーパ部５１４は外周溝４５のテーパ状底部４５ｃと略同じ傾斜角度を有する。バックアップリング５１は、例えばＯリング５０よりも摩擦係数が小さく、且つ弾性変形しにくいフッ素系樹脂材料又はナイロン４６等によって形成されている。

図３（ａ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングを示す斜視図であり、図３（ｂ）は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングのバイアスカット面同士の位置を示す正面図である。本実施形態において、初期状態とは、タンク１の内部にガスが充填される前の状態を意味する。また、図３及び後述する図４～図６において、外周溝４５に装着されるバックアップリング５１の態様をより分かりやすくするため、初期状態におけるバックアップリング５１のみを示す。

図３に示すように、バックアップリング５１は、長尺状のリング本体５１１と、該リング本体５１１の両端にそれぞれ形成されるとともにリング本体５１１の長手方向に対して傾斜したバイアスカット面５１２，５１３とを有する。

ここで、本発明に至った経緯を説明する。

図６に示すように、従来では、外周溝４５に装着されるバックアップリング５１Ａは、本実施形態のバックアップリング５１と同様に、長尺状のリング本体５１１Ａと、該リング本体５１１Ａの両端にそれぞれ形成されるとともにリング本体５１１Ａの長手方向に対して傾斜したバイアスカット面５１２Ａ，５１３Ａとを有する。バックアップリング５１Ａの内径は外周溝４５の外径と略同じ大きさを有するように形成されている。そして、バイアスカット面５１２Ａ，５１３Ａが形成された部分は、リング本体５１１Ａと比べて厚さが比較的に薄い薄肉部となっているが、バイアスカット面５１２Ａの全体とバイアスカット面５１３Ａの全体とを突き合わせた状態で外周溝４５に装着されるので、バックアップリング５１Ａの全体にわたり、厚みが略同じとなっている。

しかし、このようなバックアップリング５１Ａでは、上述したように、バックアップリング５１Ａの加工寸法のばらつきが大きい場合、又はガス充填によってタンク１がその径方向外側に膨張する膨張量が大きい場合、突き合わせられたバイアスカット面５１２Ａ，５１３Ａ同士が互いに引き離れる方向に位置ずれが生じる。バイアスカット面５１２Ａ，５１３Ａが形成された部分が薄肉部であるので、バイアスカット面５１２Ａ，５１３Ａ同士が引き離れると、この薄肉部に応力が集中し、バックアップリング５１Ａが破損し、更にＯリング５０も破損する問題が発生してしまう。

このような問題を解決するため、本実施形態では、初期状態において、バックアップリング５１は、各バイアスカット面５１２，５１３の少なくとも一部がリング本体５１１の一部と重なった状態で外周溝４５に装着されている。

より具体的には、本実施形態のバックアップリング５１は、軸Ｌ方向から見たときに、バイアスカット面５１２の一部及びバイアスカット面５１３の一部がそれぞれリング本体５１１の一部と重なった状態で外周溝４５に装着される（図３（ａ）参照）。これによって、軸Ｌ方向から見たときに、バイアスカット面５１３の先端からバイアスカット面５１２の先端にかけて、バイアスカット面５１３の一部とリング本体５１１の一部とが重なる部分、バイアスカット面５１３の残りの部分とバイアスカット面５１２の一部とが重なる部分、バイアスカット面５１２の残りの部分とリング本体５１１の一部とが重なる部分がそれぞれ形成される。これらの重なる部分により、軸Ｌ方向において、リング本体５１１の他の部分よりも厚い厚肉部が形成される（図３（ｂ）参照）。なお、本実施形態では、バイアスカット面５１２，５１３の先端とは、バイアスカット面５１２，５１３の両端のうち最も尖っている端を指している。

また、初期状態において、バックアップリング５１は、軸Ｌ方向から見たときに、バイアスカット面５１２の全体及びバイアスカット面５１３の全体がそれぞれリング本体５１１の一部と重なった状態で外周溝４５に装着されても良い。例えば図４に示すように、軸Ｌ方向から見たときに、バイアスカット面５１３の先端からバイアスカット面５１２の先端にかけて、バイアスカット面５１３の全体とリング本体５１１の一部とが重なる部分、リング本体５１１同士の一部が重なる部分、バイアスカット面５１２の全体とリング本体５１１の一部とが重なる部分がそれぞれ形成される。これらの重なる部分により、軸Ｌ方向において、リング本体５１１の他の部分よりも厚い厚肉部が形成される。

更に、初期状態において、バックアップリング５１は、軸Ｌ方向と直交するタンク１の径方向から見たときに、バイアスカット面５１２の全体及びバイアスカット面５１３の全体がそれぞれリング本体５１１の一部と重なった状態で外周溝４５に装着されても良い。例えば図５に示すように、タンク１の径方向から見たときに、バイアスカット面５１３の先端からバイアスカット面５１２の先端にかけて、バイアスカット面５１３の全体とリング本体５１１の一部とが重なる部分、リング本体５１１同士の一部が重なる部分、バイアスカット面５１２の全体とリング本体５１１の一部とが重なる部分がそれぞれ形成される。これらの重なる部分により、タンク１の径方向において、リング本体５１１の他の部分よりも厚い厚肉部が形成される。

以上のように構成されたタンク１では、初期状態において、バックアップリング５１は、バイアスカット面５１２及びバイアスカット面５１３の一部又は全体がリング本体５１１の一部と重なった状態で外周溝４５に装着されているので、軸Ｌ方向又はタンク１の径方向においてリング本体５１１の他の部分よりも厚い厚肉部が形成されることになる。このため、仮にバイアスカット面５１２，５１３同士が引き離れる方向に位置ずれが発生した場合であっても、従来のように薄肉部における応力集中を抑制することができるので、バックアップリング５１の破損を防止し、更にＯリング５０の破損を防止することができる。

また、タンク１の内部にガスが充填されると、内圧によってＯリング５０及びバックアップリング５１をタンク１の外側に押圧する押圧力が発生する。本実施形態では、外周溝４５にタンク１の外側から内側に向って拡がるテーパ状底部４５ｃを設け、バックアップリング５１に該テーパ状底部４５ｃに対応するテーパ部５１４を設けることで、バックアップリング５１がライナー１０の開口部１３とマニホールド４０の挿入部４３との隙間からはみ出すのを抑制することができる。その結果、バックアップリング５１の破損を防止する効果を更に向上することができる。

なお、バイアスカット面５１２，５１３の先端が尖っているので、隣接するＯリング５０にダメージを与える問題がある。このような問題を解決するため、例えば２つのバイアスカット面５１２，５１３のうちＯリング５０に隣接するバイアスカット面５１２の先端部分は、面取り加工され（図７（ａ）参照）、Ｒ加工され（図７（ｂ）参照）、又はキャップ部材６０に覆われる（図７（ｃ）参照）ことで、バイアスカット面５１２の先端によるＯリング５０へのダメージを防止することができる。なお、キャップ部材６０は、例えばバックアップリング５１よりも硬い樹脂材料によって形成されている。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述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：タンク、１０：ライナー、１１：胴体部、１２：ドーム部、１３：開口部、２０：補強層、３０：口金、３１：口金本体部、３２：鍔部、３３：雄ネジ部、３４：係止爪部、４０：マニホールド（蓋状部材）、４１：本体部、４２：側壁部、４３：挿入部、４４：スリット、４５：外周溝、４５ａ：外側壁面、４５ｂ：内側壁面、４５ｃ：テーパ状底部、４５ｄ：平行底部、４６：雌ネジ部、５０：Ｏリング（シール部材）、５１：バックアップリング、６０：キャップ部材、５１１：リング本体、５１２，５１３：バイアスカット面、５１４：テーパ部

Claims

筒状の開口部を有するライナーと、前記ライナーの開口部を閉塞するように前記開口部内に挿入される挿入部を有する蓋状部材と、を備える円筒形状のタンクであって、
前記挿入部には、外周溝が設けられ、
前記外周溝には、前記挿入部と前記開口部との間をシールするシール部材と、前記シール部材よりも前記タンクの外側に配置されたバックアップリングとが装着され、
前記バックアップリングは、長尺状のリング本体と、該リング本体の両端にそれぞれ形成されるとともに前記リング本体の長手方向に対して傾斜したバイアスカット面とを有し、
前記タンク内にガスが充填される前の初期状態において、前記バックアップリングは、前記タンクの軸方向と直交する径方向から見たときに、各バイアスカット面の全体が前記リング本体の一部と重なった状態で前記外周溝に装着されていることを特徴とするタンク。
２つの前記バイアスカット面のうち、前記シール部材に隣接する前記バイアスカット面の先端部分は、面取り加工され、Ｒ加工され、又はキャップ部材に覆われている請求項１に記載のタンク。
前記外周溝は、前記タンクの外側から内側に向って拡がるテーパ状底部を有し、
前記バックアップリングは、前記外周溝の前記テーパ状底部に対応するテーパ部を有する請求項１又は２に記載のタンク。