(57)【要約】【課題】  高圧流体に適した高い強度を有するフランジ付き管継手とその製造方法を提供すること。【解決手段】  母材中に強化繊維２が分散した複合材料からなるフランジ付き管継手１であって、強化繊維２は、管路１ａの一端からフランジ１ｂとの交差角部１ｃまでの間は管路１ａの長手方向に沿って配向され、フランジ１ｂの張出方向先端から管路１ａとの交差角部１ｃまでの間は張出方向に沿って配向され、交差角部１ｃでは管路１ａの長手方向に沿う方向からフランジ１ｂの張出方向に沿う方向に向かって漸次配向が変化している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材中に強化材が分散した複合材料からなるフランジ付き管継手であって、
前記強化材は、前記管路の一端から前記フランジとの交差角部までの間は当該管路の長手方向に沿って配向され、前記フランジの張出方向先端から前記管路との交差角部までの間は前記張出方向に沿って配向され、前記交差角部では前記長手方向に沿う方向から前記張出方向に沿う方向に向かって漸次配向が変化している、フランジ付き管継手。
【請求項２】
管路の内部に存する流体の圧力により前記管路の外周方向へ加わる応力と、フランジの結合端面と直交する方向へ加わる応力との合力が作用するフランジ付き管継手の製造方法であって、
強化材を含む溶融母材を前記合力と直交する方向に沿って型内に流し込み、型内充填後も前記強化材がその流れ方向に配向されるまで、前記強化材を含む溶融母材を流し込み続ける、フランジ付き管継手の製造方法。
【請求項３】
強化材を含む溶融母材を型内に流し込むことにより、管路の一端にフランジを備えたフランジ付き管継手を製造する方法であって、
前記強化材を含む溶融母材を、前記管路の他端側または前記フランジの張出方向先端側のいずれか一方に対応する側から前記型内に流し込み、型内充填後も同他方に対応する側からオーバーフローさせる、フランジ付き管継手の製造方法。
【請求項４】
前記強化材を含む溶融母材を前記型の重力方向下方から前記型内に流し込んで同上方よりオーバーフローさせる、請求項３に記載のフランジ付き管継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材中に強化材が分散した複合材料からなるフランジ付き管継手とその製造方法に係り、例えば燃料電池車における高圧水素配管に用いて好適なフランジ付き管継手とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用燃料としては一般的にガソリン（石油）が用いられている。しかし、近年においては石油の枯渇化の虞から代替エネルギーの利用が検討されている。代替エネルギーとしては天然ガスの利用が検討されているが、天然ガスも化石燃料であることに変わりはなく、地球温暖化の一要因と考えられているＣＯ2を排出する。このような背景から、近年、水素と酸素で発電する燃料電池をエネルギー源として備えた燃料電池車両の開発が進められている。
【０００３】
燃料電池の水素供給源として高圧水素タンクが用いられる場合には、高圧水素ガスが取り扱われるため、高圧水素タンクと燃料電池とを接続する水素ガス供給配管のフランジ付き管継手として、より優れた強度を持つ管継手の開発が望まれている。特許文献１には、繊維強化樹脂よりなるフランジ付き短管（フランジ付き管継手）が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２０５７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このフランジ付き短管は、母材である樹脂に強化繊維を分散させたものであるから、強化繊維を何ら含まない母材だけの構成に比べれば、高い強度を有する。しかしながら、短管部とフランジとの交差角部には、短管部を流れる流体の流体圧と、フランジにボルト等で結合される他のフランジからの反力（結合端面における面圧）との合力が作用するため、その作用方向に当該交差角部が膨れて外表面に亀裂を生じるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、高圧流体に適した高い強度を有するフランジ付き管継手とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明のフランジ付き管継手は、母材中に強化材が分散した複合材料からなるフランジ付き管継手であって、前記強化材は、前記管路の一端から前記フランジとの交差角部までの間は当該管路の長手方向に沿って配向され、前記フランジの張出方向先端から前記管路との交差角部までの間は前記張出方向に沿って配向され、前記交差角部では前記長手方向に沿う方向から前記張出方向に沿う方向に向かって漸次配向が変化している。
【０００７】
フランジ付き管継手においては、フランジがその結合端面より流体圧を受ける一方、管路はその内部に存する流体によって外周方向（管路の径方向外方）に流体圧を受ける。したがって、管路とフランジとの交差角部（境界部）には、これらの合力が作用する。
【０００８】
本発明の上記構成によれば、フランジに作用する前記流体圧、管路に作用する前記流体圧、および交差角部に作用する前記合力のいずれに対しても、強化材が略直交する方向に配向されているため、高い強度を得ることができる。特に、交差角部においては、前記合力を受けることによって発生し得る膨張が効果的に抑制される。
【０００９】
本発明に係るフランジ付き管継手の製造方法は、管路の内部に存する流体の圧力により前記管路の外周方向へ加わる応力と、フランジの結合端面と直交する方向へ加わる応力との合力が作用するフランジ付き管継手の製造方法であって、強化材を含む溶融母材を前記合力と直交する方向に沿って型内に流し込み、型内充填後も前記強化材がその流れ方向に配向されるまで、前記強化材を含む溶融母材を流し込み続ける。
【００１０】
このような構成によれば、少なくとも、管路とフランジとの交差角部に作用する前記合力に対して、強化材が略直交する方向に配向されるので、当該交差角部に前記合力が作用することによって起こり得る膨張、ひいてはそれに起因する亀裂の発生が抑制される。
【００１１】
本発明に係るフランジ付き管継手の製造方法は、強化材を含む溶融母材を型内に流し込むことにより、管路の一端にフランジを備えたフランジ付き管継手を製造する方法であって、前記強化材を含む溶融母材を、前記管路の他端側または前記フランジの張出方向先端側のいずれか一方に対応する側から前記型内に流し込み、型内充填後も同他方に対応する側からオーバーフローさせる。
【００１２】
このような構成によれば、強化材を含む溶融母材の流れに沿って、強化材の向きが揃えられる。すなわち、管路では前記流れに沿って当該管路の長手方向に沿う配向が得られ、また、フランジでは前記流れに沿って当該フランジの張出方向に沿う配向が得られ、さらに、管路とフランジとの交差角部では前記流れに沿って管路の長手方向からフランジの張出方向に向けて漸次変化するような配向が得られる。
【００１３】
上記フランジ付き管継手の製造方法においては、前記強化材を含む溶融母材を前記型の重力方向下方から前記型内に流し込んで同上方よりオーバーフローさせてもよい。
【００１４】
このような構成によれば、比重の軽い空気が型の上方から排出されるので、気泡混入による強化材の配向乱れが抑制される。また、気泡巻き込み（ピンホール）による強度低下も抑制される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るフランジ付き管継手とその製造方法によれば、フランジに作用する流体圧、管路に作用する流体圧、および交差角部に作用するこれら流体圧の合力のいずれに対しても、略直交する方向に強化材が配向されている、あるいは配向されるため、高い強度を得ることができる。特に、交差角部においては、前記合力の作用方向に沿う膨張、ひいてはそれに起因する亀裂の発生を防止することができる。
【００１６】
また、本発明に係るフランジ付き管継手の製造方法によれば、比重の軽い空気が型の上方から排出されるので、気泡混入による強化材の配向乱れと、ピンホールによる強度低下が共に抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るフランジ付き管継手（以下、管継手）１である。この管継手１は、母材金属中に無数の強化繊維（強化材）２が分散した複合材料より形成されている。母材としては、ステンレス又は／及びアルミニウム系のものを用いる。また、強化繊維２としては、例えばセラミックス系のものが使用可能であり、特に短繊維のものを用いる。
【００１８】
なお、これらの材料選定は上記に限定されるものではない。例えば母材としては、金属の他、セラミックスや樹脂でもよい。強化繊維２としては、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、及びＦＲＭ補強材でもよい。いずれも既知の技術を適用することができる。
【００１９】
管継手１は、管路１ａと、該管路１ａの一端に設けられ径方向外方（張出方向）に広がるフランジ１ｂとを備えている。管路１ａとフランジ１ｂとの交差角部１ｃの外周面は、滑らかな凹曲面となっている。また、管路１ａの内部には、長さ方向に沿って流路４が形成されている。
【００２０】
フランジ１ｂにはボルト孔５が形成されており、該ボルト孔５にボルト等の締結手段６が貫通することにより、管継手１と管継手１’とが互いの結合端面１Ａ，１Ａ’を向かい合わせにして結合される。また、フランジ１ｂの管継手１’に対する結合端面１Ａには、シール７が収容されるシール溝８が形成されている。
【００２１】
強化繊維２は、図１に示すように、管路１ａではその一端からフランジ１ｂとの交差角部１ｃまでの間は当該管路１ａの長手方向に沿って、言い換えれば、流路４を流れる流体の流れ方向に沿って配向されており、フランジ１ｂでは該フランジ１ｂの張出方向先端から管路１ａとの交差角部１ｃまでの間は張出方向に沿って配向されており、交差角部１ｃでは管路１ａの長手方向に沿う方向からフランジ１ｂの張出方向に沿う方向に向かって漸次配向が変化している、言い換えれば、凹曲面をなす交差角部１ｃの外周面に沿って配向されている。
【００２２】
なお、管路１ａの他端側には、配管１０が接合されている。配管１０は、金属母材１０ａの表面にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）層１ｂが形成されてなるものである。さらに、管継手１と配管１０との接合部１ｄには、外側からＦＲＰによって形成された短管状の固定具１１が接合されている。
【００２３】
このように構成された管継手１において、フランジ１ｂには、その結合端面１Ａより図２の右側に向かう流体圧Ａが作用する。また、管路１ａには、その内部に存する流体によって流路４の外側方向（図２の上下方向）に向かう流体圧Ｂが作用する。そして、交差角部１cには、これら流体圧Ａと流体圧Ｂとの合力Ｃが図２の右上方向に向かって作用する。この合力Ｃは、交差角部１cを外側に膨張させて外表面に亀裂を発生させる原因となり得る。
【００２４】
しかしながら、本実施形態の管継手１においては、強化繊維２が上記の流体圧Ａ、流体圧Ｂ、及び合力Ｃのいずれに対しても略直交する方向に配向されているため、それらが作用する方向に対して高い強度を得ている。特に、交差角部１cにおいては、強化繊維２によって膨張ひいては亀裂の発生を抑制することができる。
【００２５】
また、本実施形態の管継手１は、軽量で高い強度を有するため、例えば燃料電池車の車載発電システムに適用される燃料電池システムにおいて、例えば高圧水素タンク等の燃料供給源から燃料電池へ燃料ガス（水素）を供給する燃料供給系に用いて好適である。もちろん、管継手１の用途は燃料電池車の高圧水素ガス用だけではなく、種々の用途に用いることが可能である。
【００２６】
次に、管継手１の製造方法について説明する。図３に示したものは管継手１を製造するための金型（型）２０である。金型２０は、管路１ａに相当する凹部２１と、フランジ１ｂに相当する凹部２２とを備える。凹部２１の端部（管路１ａの他端側に対応する側）には溶湯入口２１ａが設けられ、凹部２２の端部（フランジ１ｂの張出方向先端側に対応する側）には溶湯出口２２ａが設けられている。
【００２７】
金型２０は、同図に示すように、凹部２２を重力方向上方にして、当該金型２０の開閉方向（図面上下方向）を重力方向に一致させて配置される。下部の溶湯入口２１ａから、強化繊維２を分散させた母材溶湯（溶融母材）２５を注入する。母材溶湯２５は、金型２０内に形成されたランナーを通って上昇し、凹部２１および凹部２２に充填される。母材溶湯２５が溶湯出口２２ａからオーバーフローするまで母材溶湯２５の注入を続け、さらにその後（充填完了後）も、暫く母材溶湯２５の注入を続ける。
【００２８】
このように、母材溶湯２５を金型２０の溶湯入口２１ａから流し込みつつ、余剰分を溶湯出口２２ａからオーバーフローさせることにより、矢印で示した流れに沿って強化繊維２の向きが揃えられる。したがって、完成した管継手１は、図１に示したように、管路１ａではその一端からフランジ１ｂとの交差角部１ｃまで当該管路１ａの長手方向に沿って強化繊維２が配向されることになる。
【００２９】
また、フランジ１ｂでは該フランジ１ｂの張出方向先端から管路１ａとの交差角部１ｃまでの間は張出方向に沿って強化繊維２が配向されることになる。さらに、交差角部１ｃでは凹曲面をなす交差角部１ｃの外周面に沿って配向されることになる。よって、上記構成からなる管継手１を容易に製造することができる。
【００３０】
また、重力方向下方から上方に母材溶湯２５を充填することで、比重の軽い空気が溶湯出口２２ａから排出されるので、母材溶湯２５に気泡が混入することによる強化繊維２の配向乱れや、気泡巻き込み（ピンホール）による強度低下を抑制することもできる。さらに、充填が完了した後も暫く母材溶湯２５の注入を続けることにより、強化繊維２が流れ方向に沿って確実に配向されることになる。
【００３１】
充填完了後も母材溶湯２５の注入を続ける時間は、少なくとも、強化繊維２が交差角部１ｃにおける母材溶湯２５の流れ方向に沿って配向されるのに十分な時間が必要である。この時間は、例えば、強化繊維２の含有率や、母材溶湯２５の粘度等、鋳造条件に応じて適宜設定される。
【００３２】
なお、強化繊維２は予め母材溶湯２５中に分散させておかなくても、母材溶湯２５の供給源（図示せず）から金型２０に至るまでの流路途中で混ぜるようにしてもよい。この場合には、交差角部１ｃの溶湯流れが安定するまでの間は母材溶湯２５のみを金型２０に供給し、金型２０内での溶湯流れが安定した後に、強化繊維２を母材溶湯２５に混ぜる。これにより、強化繊維２の無駄を防止することができる。
【００３３】
以上のようにして形成された管継手１の加工、例えばシール溝８等の加工は、放電加工やウォータージェット加工、あるいはこれらの加工法を適宜組み合わせて行う。そうすることにより、通常の切削工具で加工した場合に生じ得る切刃の損傷・磨耗を避け、容易に加工を行うことができる。
【００３４】
管継手１の加工後は、上記のように配管１０と管路１ａの端面同士を接合する。接合方法としては、例えば溶着、溶接により行う。特に拡散溶着、摩擦溶接が好ましい。これにより、高い接合力を得ることができる。さらに、接合部に外側から固定具１１を巻いて接合することにより、さらに良好な接合力を得ることができる。
【００３５】
管継手１は、図１に示したように他の管継手１’と固定されるだけでなく、図４に示したように、分岐部３０に対して結合されてもよい。この分岐部３０は、三方に分岐する分岐流路３１を備え、各分岐流路３１の開口に面して管継手１が固定されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態として示したフランジ付き管継手の断面図である。
【図２】同フランジ付き管継手に作用する流体圧とその合力について示した模式図である。
【図３】同フランジ付き管継手の一製造方法について示した図であり、金型に対して母材溶湯を流し入れる状態を示した断面図である。
【図４】同フランジ付き管継手の他の使用例について示した図であり、（ａ）は平断面図、（ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…フランジ付き管継手、１ａ…管路、１ｂ…フランジ、１ｃ…交差角部、２…強化繊維（強化材）、４…流路、１０…配管、２０…金型（型）、２５…母材溶湯（溶融母材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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