(57)【要約】【課題】口金とライナーとのシール性を確保しつつ、低温状態のライナーにガスを充填するときにライナーにガスの圧力による応力が発生するのを抑制することができる高圧タンクを得る。【解決手段】ライナー１２の側壁部１２Ｂ１と口金１４の鍔部１４Ｂとの間に金属製のウェーブスプリング２４が介在している。このウェーブスプリング２４は、側壁部１２Ｂ１によって当該側壁部１２Ｂ１から鍔部１４Ｂに向かう方向に押圧されることで当該側壁部１２Ｂ１を当該鍔部１４Ｂから当該側壁部１２Ｂ１に向かう方向に付勢するようになっている。このため、ライナー１２にガスを充填すると、当該ガスの圧力で側壁部１２Ｂ１は鍔部１４Ｂ側に押圧されるものの、ウェーブスプリング２４からの付勢力によって、当該ガスによる側壁部１２Ｂ１への押圧力が相殺される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁部と当該壁部と一体に形成された開口部とが端部に設けられた筒状とされていると共に樹脂で構成されたライナーと、
前記開口部に直接又は部材を介して摺接可能とされた状態で当該開口部から前記ライナーの内側に挿入された挿入部と、前記壁部と対向しかつ所定の間隔をあけて当該ライナーの外側に配置された鍔部と、を備え、当該ライナーの内側と外側とを連通する貫通部が形成された口金と、
前記鍔部及び前記ライナーを覆う繊維強化樹脂製の補強層と、
前記壁部と前記鍔部との間に介在し当該壁部によって当該壁部から当該鍔部に向かう方向に押圧されることで当該壁部を当該鍔部から当該壁部に向かう方向に付勢する金属製の付勢部材と、
を有する高圧タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、圧力容器に関する発明が開示されている。この圧力容器では、口金のフランジ部に、この圧力容器の内側から見て環状に形成された環状溝が設けられており、この環状溝には、圧力容器を構成するライナーの内周部が嵌入されている。そして、この環状溝は、嵌入されたライナーの内周部が、ライナーの径方向外側に向かってスライド移動可能な構成とされている。
【０００３】
このため、下記特許文献１に記載された先行技術では、温度変化等によってライナーが収縮すると、その内周部が口金に形成された環状溝から抜ける方向にスライド移動し、ライナーに温度変化等による応力がかかることが抑制される。しかも、内周部は、スライド移動後も環状溝との嵌合状態が維持されるので、口金とライナーとのシール性を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２９１８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記先行技術では、低温状態のライナーに高圧のガスが充填されると、ライナーの内周部は、環状溝で規制されるまでライナーの膨張変形によってスライド移動することとなり、ライナーの内周部にガスの圧力による応力が発生することが考えられる。つまり、上記先行技術は、口金とライナーとのシール性を確保しつつ、低温状態のライナーにガスを充填するときにライナーにガスの圧力による応力が発生するのを抑制するという点においては改善の余地がある。
【０００６】
本発明は上記事実を考慮し、口金とライナーとのシール性を確保しつつ、低温状態のライナーにガスを充填するときにライナーにガスの圧力による応力が発生するのを抑制することができる高圧タンクを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明に係る高圧タンクは、壁部と当該壁部と一体に形成された開口部とが端部に設けられた筒状とされていると共に樹脂で構成されたライナーと、前記開口部に直接又は部材を介して摺接可能とされた状態で当該開口部から前記ライナーの内側に挿入された挿入部と、前記壁部と対向しかつ所定の間隔をあけて当該ライナーの外側に配置された鍔部と、を備え、当該ライナーの内側と外側とを連通する貫通部が形成された口金と、前記鍔部及び前記ライナーを覆う繊維強化樹脂製の補強層と、前記壁部と前記鍔部との間に介在し当該壁部によって当該壁部から当該鍔部に向かう方向に押圧されることで当該壁部を当該鍔部から当該壁部に向かう方向に付勢する金属製の付勢部材と、を有している。
【０００８】
請求項１に記載の本発明によれば、樹脂で構成されたライナーと、口金と、繊維強化樹脂製の補強層と、を含んで高圧タンクが構成されている。ライナーは、壁部と当該壁部と一体に形成された開口部とが端部に設けられた筒状とされており、当該開口部には、口金の挿入部が直接又は部材を介して摺接可能とされた状態で、当該開口部からライナーの内側に挿入されている。そして、口金には、貫通部が形成されており、当該貫通部によってライナーの内側と外側とが連通されている。
【０００９】
一方、口金は、鍔部を備えており、当該鍔部は、ライナーの壁部と対向しかつ所定の間隔をあけて当該ライナーの外側に配置されており、当該鍔部及びライナーは、補強層によって覆われている。このため、本発明では、口金の貫通部から高圧のガスを充填して、ライナーの内側に貯蔵することができる。しかも、温度変化等によってライナーが収縮しても、当該ライナーの開口部は、口金の挿入部に対して摺動するため、当該ライナーに温度変化等による応力がかかることが抑制される。さらに、ライナーの開口部には、ライナーに充填されたガスからの圧力がかかり、当該開口部は、口金の挿入部に向かって押圧されるため、口金とライナーとのシール性を確保することができる。
【００１０】
ところで、低温状態のライナーに高圧のガスが充填されると、ライナーの壁部における開口部並びにその周辺部は、口金の挿入部に沿って摺動することとなり、ライナーに当該ガスの圧力による応力が発生することが考えられる。
【００１１】
ここで、本発明では、ライナーの端部に設けられた壁部と口金の鍔部との間に金属製の付勢部材が介在している。この付勢部材は、ライナーの壁部によって当該壁部から口金の鍔部に向かう方向に押圧されることで当該壁部を当該鍔部から当該壁部に向かう方向に付勢するようになっている。このため、ライナーにガスを充填すると、当該ガスの圧力で当該ライナーの壁部は、口金の鍔部側に押圧されるものの、付勢部材からの付勢力によって、当該ガスによる壁部への押圧力が相殺される。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明に係る高圧タンクは、口金とライナーとのシール性を確保しつつ、低温状態のライナーにガスを充填するときにライナーにガスの圧力による応力が発生するのを抑制することができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る高圧タンクの構成を示す部分断面図である。
【図２】本実施形態に係る高圧タンクの要部の挙動を示す断面図であり、（Ａ）はライナーが低温でかつライナーの内側が低圧であるときの状態を示しており、（Ｂ）はライナーが低温でかつライナーの内側が高圧であるときの状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図１及び図２を用いて、本発明に係る高圧タンクの実施形態の一例について説明する。本実施形態に係る「高圧タンク１０」は、燃料電池車に搭載されていると共に、燃料電池スタックに供給される高圧の水素ガスが貯蔵されている。なお、高圧タンク１０は、その長手方向を車両幅方向とされた状態で車両に搭載されている。
【００１５】
この高圧タンク１０は、その内殻を構成する「ライナー１２」と、ライナー１２に取り付けられた一対の「口金１４」と、当該口金１４の一部及びライナー１２を覆う「補強層１６」を含んで構成されている。
【００１６】
ライナー１２は、樹脂製（一例としてポリアミド６樹脂製）とされていると共に、その主な部分を構成する円筒状の円筒部１２Ａと、当該円筒部１２Ａの長手方向両側の周縁部にそれぞれ設けられたドーム部１２Ｂと、を含んで構成されている。
【００１７】
詳しくは、ドーム部１２Ｂは、ライナー１２の端部を構成する壁部としての「側壁部１２Ｂ１」と、当該側壁部１２Ｂ１の中央部に当該側壁部１２Ｂ１と一体に設けられた「開口部１２Ｂ２」と、当該側壁部１２Ｂ１と円筒部１２Ａとを繋ぐ湾曲壁部１２Ｂ３と、を含んで構成されている。
【００１８】
側壁部１２Ｂ１は、板厚方向を高圧タンク１０の長手方向とされて配置されていると共に高圧タンク１０の長手方向から見て円板状に形成されている。一方、湾曲壁部１２Ｂ３は、側壁部１２Ｂ１の周縁部から円筒部１２Ａの径方向外側に向かって延びており、当該円筒部１２Ａの径方向から見て当該円筒部１２Ａの中央側を曲率中心とする円弧に沿うように形成されている。そして、開口部１２Ｂ２は、側壁部１２Ｂ１からライナー１２の内側に向かって延びる円筒状に形成されている。
【００１９】
口金１４は、金属製（一例としてアルミニウム合金製）とされていると共に、円筒状の本体部１４Ａと、当該本体部１４Ａの長手方向中央部においてその外周面から当該本体部１４Ａの径方向外側に延出された円盤状の「鍔部１４Ｂ」と、を含んで構成されている。そして、本体部１４Ａにおける長手方向一方側の部分には、水素供給用のバルブ等が取り付け可能とされており、（以下、この部分を取付部１４Ａ１と称する）、当該本体部１４Ａにおける長手方向他方側の部分は、ライナー１２の開口部１２Ｂ２に挿入されている（以下、この部分を「挿入部１４Ａ２」と称する）。つまり、口金１４がライナー１２に取り付けられた状態において、鍔部１４Ｂは、ライナー１２の側壁部１２Ｂ１と対向しかつ所定の間隔をあけて当該ライナー１２の外側に配置されている。
【００２０】
また、本体部１４Ａには、その軸線に沿って「貫通部１８」が形成されており、当該貫通部１８によってライナー１２の内側と外側とが連通されている。さらに、本体部１４Ａにおける挿入部１４Ａ２の先端部側（ライナー１２における開口部１２Ｂ２の先端部側）には、当該本体部１４Ａの周方向に沿って溝部２０が形成されており、当該溝部２０には、部材としての「Ｏ−リング２２（シール部材）」が嵌入されている。そして、挿入部１４Ａ２は、開口部１２Ｂ２にＯ−リング２２を介して摺接可能とされた状態となっている。なお、本実施形態では、高圧タンク１０に口金１４が二つ設けられているが、車両の構成に応じて、高圧タンク１０に口金１４が一つだけ設けられている構成であってもよい。また、挿入部１４Ａ２や開口部１２Ｂ２に表面処理等を施すことで、挿入部１４Ａ２を開口部１２Ｂ２に直接摺接可能とさせる構成としてもよい。
【００２１】
補強層１６は、繊維強化樹脂製（一例として、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）製）とされており、口金１４の鍔部１４Ｂ及びライナー１２を覆っている。具体的には、補強層１６におけるライナー１２の円筒部１２Ａを覆っている部分は、主に炭素繊維がフープ巻きされることで構成されており、当該補強層１６における鍔部１４Ｂを覆っている部分は、炭素繊維がヘリカル巻きされることで構成されている。なお、補強層１６の形成方法に関しては、詳しく後述することとする。また、補強層１６は、ガラス繊維強化プラスチックで一部又は全部が構成されていてもよい。
【００２２】
ここで、本実施形態では、ライナー１２の側壁部１２Ｂ１と口金１４の鍔部１４Ｂとの間に、付勢部材としての鋼製の「ウェーブスプリング２４」が一つ配置されている点に特徴がある。以下、本実施形態の要部を構成するウェーブスプリング２４の構成について詳細に説明していくこととする。
【００２３】
ウェーブスプリング２４は、その外形が円筒状に構成されており、その軸方向を口金１４の本体部１４Ａの長手方向とされた状態で当該本体部１４Ａにおける挿入部１４Ａ２の基端部側に装着されている。このウェーブスプリング２４は、その軸方向に弾性変形可能な弾性部材であり、口金１４がライナー１２に取り付けられた状態において、ライナー１２の側壁部１２Ｂ１に付勢力を付与することが可能となっている。
【００２４】
より詳しくは、ウェーブスプリング２４は、側壁部１２Ｂ１によって当該側壁部１２Ｂ１から鍔部１４Ｂに向かう方向に押圧されることで側壁部１２Ｂ１を鍔部１４Ｂから側壁部１２Ｂ１に向かう方向に付勢するようになっている。また、ライナー１２が低温（−６０[℃]）の状態において、側壁部１２Ｂ１に作用する水素ガスの圧力の和をＦ１[Ｎ]とし、開口部１２Ｂ２に作用する当該圧力の和と開口部１２Ｂ２及びＯ−リング２２の弾性力との和をＦ２[Ｎ]とし、Ｏ−リング２２と挿入部１４Ａ２との動摩擦係数をμ[−]とし、水素ガスに押圧されることで許容応力が発生している状態における側壁部１２Ｂ１の変位量（変形ストローク）をｄＬ[ｍｍ]とし、ウェーブスプリング２４のばね定数をＫ[Ｎ／ｍｍ]とすると、これらの間には、Ｆ１≦μＦ２＋ＫｄＬの関係が成立している。なお、μは、Ｏ−リング２２の潰れ量を変更することで調整することが可能となっている。また、ウェーブスプリング２４の代わりにコイルスプリングを用いる構成とすることも可能である。
【００２５】
また、本実施形態では、上述したように、高圧タンク１０に補強層１６が設けられているが、最初の工程でライナー１２の円筒部１２Ａに炭素繊維をフープ巻きしようとするとライナー１２と口金１４との隙間に炭素繊維が食い込むことが考えられる。このため、補強層１６の少なくとも一層目の炭素繊維を巻き付けるときには、ライナー１２と口金１４との隙間を跨ぐようにしてヘリカル巻きが行われる。そして、本実施形態では、ヘリカル巻きによる補強層１６の形成方法が、ウェーブスプリング２４のばね定数Ｋの大きさによって異なっている。以下、ばね定数Ｋに応じた補強層１６の形成方法について説明していくこととする。
【００２６】
まず、ばね定数Ｋが所定の値より大きい場合について説明する。この場合には、炭素繊維をヘリカル巻きするときの張力に対してウェーブスプリング２４の反力を十分に確保することが可能であるため、ライナー１２と口金１４との隙間を確保しつつ炭素繊維を巻き付けることができる。したがって、ウェーブスプリング２４が装着された状態の口金１４をライナー１２に取り付け、この状態で炭素繊維がヘリカル巻きされるようになっている。
【００２７】
一方、ばね定数Ｋが所定の値以下である場合には、炭素繊維をヘリカル巻きするときの張力に対してウェーブスプリング２４の反力を十分に確保することが困難であるため、棒状の治具が用いられる。詳しくは、ウェーブスプリング２４が装着された口金１４、ライナー１２に治具を挿通させ、当該治具とライナー１２の両端部に配置された口金１４とを締結する。そして、ライナー１２と口金１４との隙間に、一例としてパンタグラフ構造とされた可変機構を有する支持具を挿入する。そして、この状態で炭素繊維がヘリカル巻きされるようになっている。
【００２８】
（本実施形態の作用及び効果）
次に、本実施形態の作用及び効果を説明する。
【００２９】
本実施形態では、樹脂で構成されたライナー１２と、口金１４と、繊維強化樹脂製の補強層１６と、を含んで高圧タンク１０が構成されている。ライナー１２は、側壁部１２Ｂ１と当該側壁部１２Ｂ１と一体に形成された開口部１２Ｂ２とが端部に設けられた筒状とされており、開口部１２Ｂ２には、口金１４の挿入部１４Ａ２がＯ−リング２２を介して摺接可能とされた状態で、開口部１２Ｂ２からライナー１２の内側に挿入されている。そして、口金１４には、貫通部１８が形成されており、当該貫通部１８によってライナー１２の内側と外側とが連通されている。
【００３０】
一方、口金１４は、鍔部１４Ｂを備えており、当該鍔部１４Ｂは、ライナー１２の側壁部１２Ｂ１と対向しかつ所定の間隔をあけて当該ライナー１２の外側に配置されており、鍔部１４Ｂ及びライナー１２は、補強層１６によって覆われている。このため、本実施形態では、口金１４の取付部１４Ａ１に取り付けられた水素供給用のバルブ等から貫通部１８を介して高圧のガスを充填して、ライナー１２の内側に貯蔵することができる。しかも、温度変化等によってライナー１２が収縮しても、ライナー１２の開口部１２Ｂ２は、口金１４の挿入部１４Ａ２に対して摺動するため、ライナー１２に温度変化等による応力がかかることが抑制される。さらに、ライナー１２の開口部１２Ｂ２には、ライナー１２に充填されたガスからの圧力がかかり、開口部１２Ｂ２は、口金１４の挿入部１４Ａ２に向かって押圧されるため、口金１４とライナー１２とのシール性を確保することができる。
【００３１】
ところで、図２に示されるように、低温低圧状態のライナー１２（図２（Ａ）参照）に高圧のガスが充填されると、ライナー１２の側壁部１２Ｂ１における開口部１２Ｂ２並びにその周辺部は、口金１４の挿入部１４Ａ２に沿って摺動する（図２（Ｂ）参照）。その結果、ライナー１２にガスの圧力による応力が発生することが考えられる。なお、図２（Ｂ）では、低温低圧状態のライナー１２における側壁部１２Ｂ１を二点鎖線で示している。
【００３２】
ここで、本実施形態では、ライナー１２の側壁部１２Ｂ１と口金１４の鍔部１４Ｂとの間に金属製のウェーブスプリング２４が介在している。このウェーブスプリング２４は、側壁部１２Ｂ１によって当該側壁部１２Ｂ１から鍔部１４Ｂに向かう方向に押圧されることで当該側壁部１２Ｂ１を当該鍔部１４Ｂから当該側壁部１２Ｂ１に向かう方向に付勢するようになっている。このため、ライナー１２にガスを充填すると、当該ガスの圧力で側壁部１２Ｂ１は鍔部１４Ｂ側に押圧されるものの、ウェーブスプリング２４からの付勢力によって、当該ガスによる側壁部１２Ｂ１への押圧力が相殺される。
【００３３】
したがって、本実施形態では、口金１４とライナー１２とのシール性を確保しつつ、低温状態のライナー１２にガスを充填するときにライナー１２にガスの圧力による応力が発生するのを抑制することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０      高圧タンク
１２      ライナー
１２Ｂ１  側壁部（壁部）
１２Ｂ２  開口部
１４      口金
１４Ａ２  挿入部
１４Ｂ    鍔部
１６      補強層
１８      貫通部
２２      Ｏ−リング（部材）
２４      ウェーブスプリング（付勢部材）
【図１】
2018105338.tif 000003
【図２】
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