(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端部が開放された円筒状の金属製のライナー層と、
前記ライナー層の外側に設けられた炭素繊維強化樹脂層と、
を備え、
前記ライナー層は、外周面が小径の胴部と、前記胴部の両端部に連設された外周面が大径の肩部と、を有し、
前記胴部の外周面に設けられた前記炭素繊維強化樹脂層は、前記肩部に設けられた前記炭素繊維強化樹脂層よりも小径の分だけ厚く設けられており、
前記ライナー層には、
その内側に自緊処理が施されて圧縮残留応力を付与された圧縮残留応力層が形成され、
前記圧縮残留応力層の外側に、前記圧縮残留応力層よりも小さい圧縮残留応力を有する外表面層が形成されている
ことを特徴とする蓄圧器。
【請求項２】
前記炭素繊維強化樹脂層は、
ＰＡＮ系炭素繊維からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の蓄圧器。
【請求項３】
前記ライナー層の一方の端部に設けられ、一方の端部を閉塞するバルブと、
前記ライナー層の他方の端部に設けられ、他方の端部を閉塞する栓と、
をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄圧器。
【請求項４】
前記炭素繊維強化樹脂層は、前記ライナー層の円周面に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄圧器。
【請求項５】
両端部が開放された円筒状の金属製のライナー層の周囲に炭素繊維強化樹脂が設けられた蓄圧器の製造方法であって、
前記ライナー層の内周面上の中央部及び端部に歪みセンサーを設置するセンサー設置工程と、
前記ライナー層の一方の端部をガスの通し孔が予め形成されたバルブで閉塞し、前記ライナー層の他方の端部を栓で閉塞する閉塞工程と、
前記歪みセンサーで前記ライナー層の前記中央部及び前記端部の歪み量を検知しながら、前記ガスを前記ライナー層内に封入し、前記ライナー層の内周面を加圧して圧縮残留応力層を形成する自緊処理工程と、
前記ライナー層の周囲に前記炭素繊維強化樹脂を巻き付ける樹脂巻付工程と、
を備えた
ことを特徴とする蓄圧器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば水素などの高圧ガスなどが封入される蓄圧器及び蓄圧器の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素の排出問題を解決すると共に、エネルギー問題を解決可能な燃料電池自動車は、今後の新たな自動車として期待されている。この燃料電池自動車に搭載される水素を蓄えるための高圧容器については、高い強度と軽さの双方の条件を満たしつつ、水素が漏れることを防止する必要がある。このため、この車載用容器については、従来、アルミニウム等の水素脆化の恐れが少ない金属や樹脂製のライナーに炭素繊維を巻いた容器が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、蓄圧器の容器の形状としては、容器端部が縮径されたボンベ型容器のものが各種提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４２２５号公報
【特許文献２】特開２００６−０９０４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２のボンベ型の容器を採用した蓄圧器では、容器の端部が縮径されて、たとえば半球状に形成されている。たとえば、両端が開放された筒状部材（ライナー層）を加熱し、その筒状部材の端部を縮径加工していくことで、容器の端部を半球状に形成することができる。しかし、この縮径加工を施すと容器の端部にシワが形成される場合があり、容器の強度が低減してしまうという課題がある。
【０００６】
また、容器内に封入したガスで容器内面を加圧する自緊処理を実施し、容器の内側に圧縮残留応力を形成し、容器の強度を向上させる技術が知られているが、この自緊処理をボンベ型の容器に適用すると、容器の中央部は円筒状であるのに対し、容器の端部は半球状に湾曲しているので、容器の中央部と端部とで加圧ムラが生じ、均一に自緊処理をすることができないという課題がある。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、シワの形成によって強度が低減してしまうこと、及び、自緊処理の加圧ムラが発生して強度が低減してしまうことを抑制することができる蓄圧器及び蓄圧器の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の蓄圧器は、両端部が開放された筒状の金属製のライナー層と、前記ライナー層の外側に設けられた炭素繊維強化樹脂層と、を備え、前記ライナー層には、その内側に自緊処理が施されて圧縮残留応力を付与された圧縮残留応力層が形成され、前記圧縮残留応力層の外側に、前記圧縮残留応力層よりも小さい圧縮残留応力を有する外表面層が形成されていることを特徴とし、詳細には、
〔１〕両端部が開放された円筒状の金属製のライナー層と、
前記ライナー層の外側に設けられた炭素繊維強化樹脂層と、
を備え、
前記ライナー層は、外周面が小径の胴部と、前記胴部の両端部に連設された外周面が大径の肩部と、を有し、
前記胴部の外周面に設けられた前記炭素繊維強化樹脂層は、前記肩部に設けられた前記炭素繊維強化樹脂層よりも小径の分だけ厚く設けられており、
前記ライナー層には、
その内側に自緊処理が施されて圧縮残留応力を付与された圧縮残留応力層が形成され、
前記圧縮残留応力層の外側に、前記圧縮残留応力層よりも小さい圧縮残留応力を有する外表面層が形成されている
ことを特徴とする蓄圧器。
〔２〕前記炭素繊維強化樹脂層は、
ＰＡＮ系炭素繊維からなる
ことを特徴とする請求項〔１〕に記載の蓄圧器。
〔３〕前記ライナー層の一方の端部に設けられ、前記一方の端部を閉塞するバルブと、
前記ライナー層の他方の端部に設けられ、前記他方の端部を閉塞する栓と、
をさらに備えた
ことを特徴とする請求項〔１〕又は〔２〕に記載の蓄圧器。
〔４〕前記炭素繊維強化樹脂層は、前記ライナー層の円周面に設けられている
ことを特徴とする請求項〔１〕〜〔３〕のいずれか一項に記載の蓄圧器。
〔５〕両端部が開放された円筒状の金属製のライナー層の周囲に炭素繊維強化樹脂が設けられた蓄圧器の製造方法であって、
前記ライナー層の内周面上の中央部及び端部に歪みセンサーを設置するセンサー設置工程と、
前記ライナー層の一方の端部をガスの通し孔が予め形成されたバルブで閉塞し、前記ライナー層の他方の端部を栓で閉塞する閉塞工程と、
前記歪みセンサーで前記ライナー層の前記中央部及び前記端部の歪み量を検知しながら、前記ガスを前記ライナー層内に封入し、前記ライナー層の内周面を加圧して圧縮残留応力層を形成する自緊処理工程と、
前記ライナー層の周囲に前記炭素繊維強化樹脂を巻き付ける樹脂巻付工程と、
を備えた
ことを特徴とする蓄圧器の製造方法。
である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の蓄圧器によれば、両端部が開放された筒状の金属製のライナー層を備えているので、ライナー層を予め設定された形状にする際に形成されるシワの発生が抑制されており、強度が低減してしまうことを抑制することができる。
また、本発明の蓄圧器によれば、上記構成のライナー層に自緊処理を施しているので、ライナー層の中央部と端部とで加圧にムラが生じることを抑制し、均一に自緊処理をすることができ、強度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る蓄圧器の概要構成例図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る蓄圧器の製造方法の自緊処理工程の説明図である。
【図３】蓄圧器のライナー層に自緊処理を施している様子を説明する断面図である。
【図４】ライナー層に自緊処理を施すことで発生する残留応力について説明する図である。
【図５】充填（放出）回数Ｎに対する蓄圧器１００のライナー層１０に発生する応力を示すグラフである。
【図６】ボンベ型のライナー層にシワが形成されて強度が低下する様子を模式的に説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る蓄圧器の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の蓄圧器の好ましい実施の形態を、図面を参照して詳しく説明する。尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００１２】
図１は、本実施の形態に係る蓄圧器１００の概要構成例図である。
蓄圧器１００は、両端部が開放された筒状の金属製のライナー層１０の周囲に炭素繊維強化樹脂層１５が設けられているものであり、たとえば、燃料電池自動車などに設置される。
蓄圧器１００は、水素などが収容されるライナー層１０、及び、ライナー層１０の外周に被覆された炭素繊維強化樹脂層１５などを有しているものである。また、蓄圧器１００は、ライナー層１０の端部に設けられ、ライナー層１０の開放端部を閉塞する栓２０及びバルブ３０を有している。
【００１３】
（ライナー層１０）
ライナー層１０は、たとえば、低合金鋼で構成される。すなわち、ライナー層１０は、たとえばクロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、マンガンクロム鋼、マンガン鋼もしくはボロン添加鋼のうちいずれか１つを有するものとして構成される。炭素繊維強化樹脂層１５としては、蓄圧器１００の所要の耐圧性（機械的強度）を確保するための層であり、ライナー層１０の外周面の全域を覆うように巻き付けられている。
【００１４】
ライナー層１０は、ライナー層１０の胴体部分にあたる胴部１と、胴部１の端部側に形成されている肩部２とを有しており、いわゆるフランジ型の圧力容器である。ここで、胴部１及び肩部２とは一体的に形成されている。また、ライナー層１０は、胴部１よりも肩部２の方が外径が大きくなっている。すなわち、ライナー層１０には、肩部２と胴部１との接続位置に外周面がテーパー状の拡径部３が形成されている。胴部１は、水素などを収容できるように円筒状部材であり、水素などを貯留する容器内部空間１１が形成されている。胴部１の内周面Ｓ１は、後述する自緊処理が施されて加圧される。また、胴部１の外周面Ｓ２には、炭素繊維強化樹脂層１５が巻き付けられている。肩部２も、胴部１のように、円筒状部材である。一方の肩部２には、バルブ３０が取り付けられ、他方の肩部２には、栓２０が取り付けられる。本実施の形態では、胴部１だけでなく、肩部２及び拡径部３にも炭素繊維強化樹脂層１５が巻き付けられており、蓄圧器１００の高強度化が図られている。
【００１５】
（炭素繊維強化樹脂層１５）
炭素繊維強化樹脂層１５は、蓄圧器１００の所要の耐圧性（機械的強度）を確保するための層であり、ライナー層１０の外周面Ｓ２の全域を覆うように巻き付けられている。炭素繊維強化樹脂層１５は、強化材に炭素繊維を用い、これに樹脂を含浸させて強度を向上させた複合材料であり、ＣＦＲＰ（ｃａｒｂｏｎ−ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  ｐｌａｓｔｉｃ）と呼ばれている。
【００１６】
炭素繊維には、ピッチ系とＰＡＮ系があり、ＰＡＮ系炭素繊維は航空機等種々の用途に使用されており一般に普及している。ピッチ系炭素繊維は開発されて間もない炭素繊維である。ピッチ系炭素繊維は、ＰＡＮ系炭素繊維に比べて強度は小さいが弾性率は大きく高剛性であるという特徴を有している。たとえば、ピッチ系炭素繊維のヤング率は６２０ＧＰａ（もしくは７８０ＧＰａ）であるのに対し、ＰＡＮ系炭素繊維のヤング率は２３０ＧＰａであり、ピッチ系炭素繊維がＰＡＮ系炭素繊維に比べて剛性（弾性率）が優れている。一方、ピッチ系炭素繊維の引張強さＴＳは３６００ＧＰａであるのに対し、ＰＡＮ系炭素繊維の引張強さＴＳは５０００ＧＰａであり、ＰＡＮ系炭素繊維はピッチ系炭素繊維に比べて強度が優れている。
蓄圧器１００においては、炭素繊維強化樹脂層１５にＰＡＮ系炭素繊維が採用している。すなわち、蓄圧器１００は、低合金鋼からなるライナー層１０と、高い引張強さを保持するＰＡＮ系炭素繊維からなる炭素繊維強化樹脂層１５とを協働させることにより、水素を収容した際の充填圧力に耐えうる強度を確保することができるようになっている。
【００１７】
（栓２０及びバルブ３０）
栓２０は、ライナー層１０の端部に取り付けられて、ライナー層１０を閉塞するのに利用されるものである。バルブ３０も、栓２０と同様の機能を有するとともに、内容物の封入、放出に利用される。栓２０及びバルブ３０には、それぞれ通し孔２１及び通し孔３１が形成されている。
【００１８】
［蓄圧器１００の製造方法について］
図２は、実施の形態に係る蓄圧器１００の製造方法の自緊処理工程の説明図である。図２を参照して、蓄圧器１００の製造方法について説明する。
【００１９】
（センサー設置工程）
センサー設置工程では、ライナー層１０の内周面Ｓ１上の中央部に歪みセンサー４０を設置するとともに、ライナー層１０の内周面Ｓ１上の両端部に歪みセンサー４１を設置する。すなわち、蓄圧器１００の製造方法では、自緊処理中に内圧を検知することで、ライナー層１０に付与する圧縮残留応力が、ライナー層１０の軸方向にムラができないようにしている。つまり、ライナー層１０の内側の中央部よりも端部の方が、圧縮残留応力を付与しにくいという事情があるため、歪みセンサー４０及び歪みセンサー４１でライナー層１０の歪みを検知しながら加圧する。これにより、ライナー層１０の内側の中央部だけでなく、ライナー層１０の内側の端部についても、より確実に圧縮残留応力が付与される。
【００２０】
なお、本実施の形態に係る蓄圧器１００の製造方法において、センサー設置工程を行う態様について説明したが、それに限定されるものではなく、センサー設置工程を行わないでもよい。すなわち、ライナー層１０の歪み量を検知する必要がないときは、歪みセンサー４０及び歪みセンサー４１を設けなくてもよい。
【００２１】
また、本実施の形態では、センサー設置工程においてライナー層１０の内周面に歪みセンサー４０及び歪みセンサー４１を設置した態様について説明したが、それに限定されるものではない。内周面に加えてライナー層１０の外周面の中央部及び端部に歪みセンサーを設置し、これらのセンサーの検知結果を見ながら、自緊処理を実施するようにしてもよい。
【００２２】
（閉塞工程）
閉塞工程では、ライナー層１０の一方の肩部２をガスの通し孔３１が予め形成されたバルブ３０で閉塞し、ライナー層１０の他方の肩部２を栓２０で閉塞する。これにより、ライナー層１０、バルブ３０及び栓２０によって閉塞された空間を形成する。また、栓２０の通し孔２１を閉塞するために通し孔閉塞部２２を取り付ける。さらに、バルブ３０の通し孔３１については、自緊処理用のガスを供給するためのガス供給部３２に接続する。
【００２３】
（自緊処理工程）
自緊処理工程では、歪みセンサー４０でライナー層１０の中央部及び歪みセンサー４１でライナー層１０の端部の歪み量を検知しながら、自緊処理用のガスをライナー層１０内に封入する。これにより、ライナー層１０の内周面Ｓ１を加圧して圧縮残留応力層１０Ｂを形成する。
【００２４】
（樹脂巻付工程）
樹脂巻付工程では、ライナー層１０の周囲に炭素繊維強化樹脂層１５を巻き付ける。なお、炭素繊維強化樹脂層１５を構成する繊維の巻き付け方法としては、ライナー層１０の胴部１の円周方向に沿って巻くフープ巻きを採用するとよい。これにより、ライナー層１０の円周方向の膨らみを防止できる。なお、ヘリカル巻きとフープ巻きを組み合わせてライナー層１０全体をＰＡＮ系炭素繊維で覆ってもよい。
【００２５】
なお、本実施の形態では、自緊処理工程を行った後に樹脂巻付工程を行う態様について説明したが、それに限定されるものではない。自緊処理工程及び樹脂巻付工程を同時に行う態様であってもよい。すなわち、炭素繊維強化樹脂層１５をライナー層１０を巻く際に自緊処理を行ってもよい。
【００２６】
また、本実施の形態では、炭素繊維強化樹脂層１５をライナー層１０の外周面Ｓ２の全域に設ける態様について説明したが、それに限定されるものではない。たとえば、胴部１は、外周面Ｓ２の全域に炭素繊維強化樹脂層１５を設けるが、肩部２は、外周面Ｓ２の一部に炭素繊維強化樹脂層１５を設けるようにしてもよい。
【００２７】
［自緊処理について］
図３は、蓄圧器１００のライナー層１０に自緊処理を施している様子を説明する断面図である。図４は、ライナー層１０に自緊処理を施すことで発生する残留応力について説明する図である。図４に示すように、ライナー層１０は、炭素繊維強化樹脂層１５により自緊処理されている。これにより、ライナー層１０には、自緊処理による加圧によって圧縮残留応力を付与された圧縮残留応力層１０Ｂが形成されている。また、ライナー層１０には、圧縮残留応力層１０Ｂの外側に外表面層１０Ａが形成されている。図４に示すように、外表面層１０Ａは、自緊処理による加圧によって圧縮残留応力を付与されていない層である。すなわち、外表面層１０Ａは、圧縮残留応力層１０Ｂよりも小さい圧縮残留応力を有する層である。
【００２８】
本実施の形態に係る蓄圧器１００は、ライナー層１０がフランジ型であるため、自緊処理を施したときに中央部と端部とでムラが生じにくく、圧縮残留応力層１０Ｂの厚みを軸方向において一定にしやすくなっている。
【００２９】
図５は、充填（放出）回数Ｎに対する蓄圧器１００のライナー層１０に発生する応力を示すグラフである。図５に示すように、自緊処理が行われていない場合、発生応力は最大値Ｐ１ｍａｘになるのに対し、自緊処理が行われている場合、発生応力は最大値Ｐｍａｘ（＜Ｐ１ｍａｘ）になり、応力振幅の最大値が下がる。このように、ライナー層１０に自緊処理を施すことにより、圧縮残留応力を発生させてライナー層１０に発生する最大応力を実質的に下げることができる。
【００３０】
［本実施の形態に係る蓄圧器１００の有する効果］
本実施の形態に係る蓄圧器１００は、両端部が開放された筒状の金属製のライナー層１０を備えたフランジ型の圧力容器であるため、ライナー層１０を予め設定された形状にする際に形成されるシワの発生が抑制されており、強度が低減してしまうことを抑制することができる。図６は、ボンベ型のライナー層２０１にシワが形成されて強度が低下する様子を模式的に説明する図である。なお、図６（ａ）はボンベ型のライナー層２０１の概要構成例図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の点線円で示す箇所の拡大断面図である。図６に示すように、たとえば、ボンベ型のライナー層２０１を有する蓄圧器２００においては、ライナー層２０１のうちの口絞り部２０２側の部分に構造上、シワが形成されやすい。すなわち、ライナー層２０１の製造工程において、肩部２０３を半球状に形成していく過程で、その外周面部Ｆにシワが形成されてしまいやすい。一方、本実施の形態に係る蓄圧器１００は、ライナー層１０が円筒状のフランジ型であるため、このようなシワが形成されてしまうことを回避することができ、強度が低減してしまうことを抑制することができる。
【００３１】
本実施の形態に係る蓄圧器１００は、ライナー層１０が円筒状のフランジ型であるため、半球状の肩部２０３を有する蓄圧器２００と比較すると、自緊処理で内圧をかけているときに、ライナー層１０の中央部と端部との加圧ムラが発生しにくくなっている。このため、ライナー層１０により均一な自緊処理を施すことができ、ライナー層１０の強度が低下してしまうことを抑制することができる。
【００３２】
本実施の形態に係る蓄圧器１００は、ライナー層１０の内側に自緊処理が施されて圧縮残留応力を付与された圧縮残留応力層１０Ｂが形成されるとともに、ライナー層１０の外周に炭素繊維強化樹脂層１５が設けられている。これにより、低合金鋼からなるライナー層１０と、高い引張強さを保持するＰＡＮ系炭素繊維からなる炭素繊維強化樹脂層１５とを協働させることにより、水素を収容した際の充填圧力に耐えうる強度を確保することができるようになっている。
【００３３】
本実施の形態に係る蓄圧器１００は、ライナー層１０が円筒状のフランジ型であるため、栓２０を開放することでライナー層１０の内周面Ｓ１が露出するため、ライナー層１０の内面検査を実施しやすい。
【００３４】
本実施の形態に係る蓄圧器１００は、ライナー層１０が円筒状のフランジ型であるため、ライナー層１０の胴部１及び肩部２に、炭素繊維強化樹脂層１５を構成する繊維をフープ巻きしやすい。
【００３５】
また、上述のように、ライナー層１０の端部側については、中央部よりも圧縮残留応力層１０Ｂが形成されにくい。そこで、ライナー層１０の端部側については、ライナー層１０の中央部よりも薄肉になるように形成してもよい。これにより、ライナー層１０により均一な自緊処理を施すことができ、ライナー層１０の強度が低下してしまうことを抑制することができる。
【００３６】
［蓄圧器１００の変形例］
図７は、本実施の形態に係る蓄圧器１００の変形例である。本実施の形態では、ライナー層１０の形状が、肩部２側において拡径している態様について説明したが、それに限定されるものではない。ライナー層１０は、一方の端部側及び他方の端部側のうちの少なくとも一方が縮径しているものであってもよい。図７では、ライナー層１０ｂの両方の端部側が縮径している態様を一例として示している。ライナー層１０ｂの端部側が縮径されて形成された肩部２ｂは、ボンベ型のライナー層２０１の肩部２０３のように半球状まで縮径した態様ではない。このため、ライナー層１０ｂは、その製造にあたり、ライナー層２０１と比較するとシワの発生を抑制することができ、強度が低減してしまうことを抑制することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  胴部、２  肩部、２ｂ  肩部、３  拡径部、１０  ライナー層、１０Ａ  外表面層、１０Ｂ  圧縮残留応力層、１０ｂ  ライナー層、１１  容器内部空間、１５  炭素繊維強化樹脂層、２０  栓、２１  通し孔、２２  通し孔閉塞部、３０  バルブ、３１  通し孔、３２  ガス供給部、４０  歪みセンサー、４１  歪みセンサー、１００  蓄圧器、２００  蓄圧器、２０１  ライナー層、２０２  口絞り部、２０３  肩部、Ｆ  外周面部、Ｎ  回数、Ｐ１ｍａｘ  最大値、Ｐｍａｘ  最大値、Ｓ１  内周面、Ｓ２  外周面。
【図１】
0006388524.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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