JP6319166B2 - 高圧ガスタンク - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガスタンクに関する。

高圧ガスタンクは、コア材としてのライナーを、カーボン繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチック（以下、これらを総称して、繊維強化樹脂層と呼ぶ）で被覆して、耐圧性を発揮している。また、高圧ガスタンクは、タンク内のガスの供給或いはタンク内へのガス充填のため、ライナーの端部に口金を装着して備える。通常、ライナーは、軽量化の観点から、ガスバリア性を有する樹脂製の中空容器とされ、口金は、金属成形品とされている。このため、口金の装着に際しては、口金外周壁に設けた凹溝にライナーを構成する樹脂を入り込ませることで、ライナー軸回りの口金の空回りを防止する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開平９−１１９５９８号公報

ところで、口金は、ガスの供給や充填に用いられるほか、フィラメントワインディング方法（以下、ＦＷ法）にてライナーに繊維を巻回して繊維強化樹脂層を形成する際の回転軸の軸受けとしても用いられる。ＦＷ法では、ライナーを回転させつつ繊維をライナー外周に巻回することから、回転軸の軸受けとして機能する口金に、ライナーの回転振れを防止する上で、ある程度の強度が求められる。口金の強度は、上記した空回り防止手法で用いられる口金のように、フランジ部を設けることである程度は確保できるが、ライナーの回転振れ防止の観点からは、更なる強度向上を図ることが望ましい。こうしたことから、ライナーの空回り防止と口金強度の向上とを両立可能な新たな空回り防止手法が要請されるに到った。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、高圧ガスタンクが提供される。この高圧ガスタンクは、筒状の中空容器であるライナーの軸方向の端部に口金を装着した高圧ガスタンクであって、前記口金は、前記ライナーの前記端部の軸方向外側からライナー内部まで、前記ライナーの軸方向に沿って延在する口金本体と、該口金本体から周方向に延び、前記ライナーの前記端部の端部表面に接触する接触面を有するフランジ部と、前記口金本体が前記ライナー内部に位置する部位であるライナー内口金本体部位の外周から前記フランジ部の前記接触面まで延在する複数筋のリブであって、前記ライナー内口金本体部位の外周回りにリブ間凹部を形成するリブとを備え、前記ライナーは、前記端部において、前記リブと前記リブ間凹部に噛み合わされている。

この形態の高圧ガスタンクは、ライナーの軸方向の端部に装着された口金のフランジ部を、ライナー内口金本体部位の外周からフランジ部の接触面まで延在する複数筋のリブで補強する。その上で、この形態の高圧ガスタンクは、ライナーを端部においてリブとリブ間凹部に噛み合わせることで、ライナーの空回りを防止する。この結果、この形態の高圧ガスタンクによれば、ライナーの空回り防止と口金強度の向上とを両立できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、口金を装着したライナーとしての形態の他、ライナーの製造方法や高圧ガスタンクの製造方法などの形態で実現することができる。

本発明の実施形態としての高圧ガスタンク１００の外観を概略的に示す説明図である。 高圧ガスタンク１００を図１における２−２線で断面視した断面端面図である。 高圧ガスタンク１００を図１における３−３線に沿った半断面図と正面図で示す説明図である。 リブ１６ｖなどの形成の様子を図３におけるＸ方向からの口金１６の単独矢視図とライナー１０のインサート成形後の矢視図とで示す説明図である。 図４における５−５線断面図である。 図４における６−６線断面図である。 高圧ガスタンク１００の製造工程の前半を示すフローチャートである。 高圧ガスタンク１００の製造工程の後半を示すフローチャートである。 ライナー１０の空回りをリブ間凹部１６ｖｓにおいてインサート成形された陥没台座部１４ｒにて防止する変形例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての高圧ガスタンク１００の外観を概略的に示す説明図であり、図２は高圧ガスタンク１００を図１における２−２線で断面視した断面端面図であり、図３は高圧ガスタンク１００を図１における３−３線に沿った半断面図と正面図で示す説明図である。

図示するように、高圧ガスタンク１００は、ライナー１０を繊維強化樹脂層１０２で被覆して構成され、口金１６を両端から突出させている。繊維強化樹脂層１０２は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂層をＦＷ法によりライナー外周に巻回させることで形成され、後述するように、繊維巻回の際には、フープ巻きによる繊維巻回と低角度・高角度のヘリカル巻きによる繊維巻回とが使い分けられる。繊維強化樹脂層１０２の形成には、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いることが一般的であるが、ポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。また、ＦＷ法によりライナー外周に巻回させる補強用の繊維（スライバー繊維）としては、ガラス繊維やカーボン繊維、アラミド繊維等が用いられる他、複数種類（例えば、ガラス繊維とカーボン繊維）のＦＷ法による巻回を順次行うことで、繊維強化樹脂層１０２を異なる繊維からなる樹脂層を積層させて形成することもできる。

ライナー１０は、中空のタンク容器であり、タンク長手方向の中央で２分割された一対のライナーパーツの接合品である。２分割のライナーパーツは、それぞれナイロン系樹脂等の適宜な樹脂を後述の口金１６に対してインサート成形され、その成形品のライナーパーツを接合してその接合箇所をレーザー融着することで、ライナー１０が形成される。このパーツ接合を経て、ライナー１０は、円筒状のシリンダー部１２の両側に球面形状のドーム部１４を備えることになる。このライナー１０は、ドーム部１４の頂上箇所、即ちライナー１０の軸線ＡＸに沿った長手方向端部に、口金１６の装着用の陥没台座部１４ｒを備え、その中央に貫通孔１４ｈを有する。この貫通孔１４ｈは、ライナー軸線と一致して形成され、口金１６の位置決め孔として機能する。

口金１６は、アルミニウム等の鍛造成型品であり、口金本体１６ｂと、口金フランジ１６ｆと、バルブ接続孔１６ｈと、複数筋のリブ１６ｖを備える。口金本体１６ｂは、ライナー１０の長手方向端部の軸方向外側からライナー１０の内部まで、軸線ＡＸに沿って延在し、ライナー内部に位置する部位をライナー内口金本体部位１６ｔとする。口金フランジ１６ｆは、口金本体１６ｂから周方向に延び、陥没台座部１４ｒに入り込む。この入り込みにより、口金フランジ１６ｆは、ライナー１０の端部表面たる陥没台座部１４ｒの底面にフランジ接触面１６ｆｓを接触させる。また、口金フランジ１６ｆは、フランジ厚みが外側に行くほど減ずるように、フランジ外面を弧状に傾斜させ、このフランジ外面を、陥没台座部１４ｒを取り囲むドーム部１４の外表面に連続させている。

ライナー内口金本体部位１６ｔを含む口金本体１６ｂは、ドーム部１４の貫通孔１４ｈと協働して口金１６をライナー１０に対して位置決めする。バルブ接続孔１６ｈは、口金１６の中央を貫通し、その開口側に配管接続用の高圧シール仕様のテーパネジ部を有する。上記した両タンク口金は、繊維強化樹脂層１０２を形成するためのＦＷ法における繊維巻回の際の回転軸装着にも用いられ、一方の口金１６は、バルブ接続孔１６ｈをタンク内部で閉塞した有底孔とし、タンク内部側にもバルブ接続孔１６ｈと同心の有底の軸受孔１６ｈｉを有する。

次に、リブ１６ｖの形成の様子と、ライナー１０のドーム部１４における陥没台座部１４ｒやリブ被覆部１４ｓの形成の様子について説明する。図４はリブ１６ｖなどの形成の様子を図３におけるＸ方向からの口金１６の単独矢視図とライナー１０のインサート成形後の矢視図とで示す説明図であり、図５は図４における５−５線断面図であり、図６は図４における６−６線断面図である。

図４に示すように、リブ１６ｖは、ライナー内口金本体部位１６ｔの外周から等間隔で放射状に、口金フランジ１６ｆの外周縁側に掛けて傾斜して延び、口金フランジ１６ｆのフランジ接触面１６ｆｓから立ち上がっている。こうして立ち上がったリブ１６ｖは、隣り合うリブ１６ｖとの間にリブ間凹部１６ｖｓを形成し、このリブ間凹部１６ｖｓをライナー内口金本体部位１６ｔの外周回りに等ピッチで点在させる。本実施形態の高圧ガスタンク１００では、図４に示すように、リブ１６ｖは、口金フランジ１６ｆの外周縁側に向かうほど、図４の紙面における幅（リブ幅）が狭くなり、口金フランジ１６ｆのフランジ接触面１６ｆｓからの立ち上がり程度も小さくなる。よって、リブ１６ｖは、口金フランジ１６ｆの外周縁側に向かうほど鍛造容積が連続的に小さくなる。

ライナー１０は、上記したリブ１６ｖとリブ間凹部１６ｖｓとを有する口金１６に対してインサート成形される。よって、インサート成形を行うべく注入された樹脂は、リブ間凹部１６ｖｓに重なった金型キャビティーに行き渡って陥没台座部１４ｒを形成すると共に、リブ１６ｖのリブ側面のみならず傾斜したリブ頂上面まで覆うリブ被覆部１４ｓ（図４〜図６参照）を、リブ１６ｖを取り囲む金型キャビティーにより形成する。このリブ被覆部１４ｓは、陥没台座部１４ｒから立ち上がって、リブ１６ｖを覆う（図６参照）。そして、陥没台座部１４ｒとリブ被覆部１４ｓの外側には、陥没台座部１４ｒとリブ被覆部１４ｓに連続してドーム部１４が金型キャビティーにより形成されるので、ライナー１０は、ライナー端部の側のドーム部１４において、口金１６のリブ１６ｖとリブ間凹部１６ｖｓに陥没台座部１４ｒとリブ被覆部１４ｓを噛み合わさることになる。これにより、口金１６の口金フランジ１６ｆは、インサート成形で形成された陥没台座部１４ｒに入り込むことになり、フランジ接触面１６ｆｓを陥没台座部１４ｒの底面に接触させる。また、それぞれのリブ被覆部１４ｓは、インサート成形に伴う金型キャビティーにより、図４の下段に示すように、ライナー内口金本体部位１６ｔの外周の側において、リブ被覆部基部が連続する。

次に、上記した高圧ガスタンク１００とライナー１０の製造手法について説明する。図７は高圧ガスタンク１００の製造工程の前半を示すフローチャートであり、図８は高圧ガスタンク１００の製造工程の後半を示すフローチャートである。まず、口金１６を鍛造成型手法にて製造する(ステップＳ１００)。次いで、得られた口金１６をインサート成形用の金型にセットして、金型キャビティーに溶融樹脂を注入し、樹脂のインサート成形品である一対のライナーパーツを得る（ステップＳ１０３）。このインサート成形により、口金１６は、ドーム部１４に位置決めされてドーム部１４に装着され、口金１６をドーム部頂上に有するライナーパーツが得られる。

次いで、口金１６を両端に装着済みの一対のライナーパーツを、シリンダー部１２の側で接合してその接合箇所をレーザー融着して組み付ける（ステップＳ１０４）。これにより、口金１６を両端に装着済みのライナー１０が得られる。

こうしてライナー１０が得られると、図８に示すように、ライナー１０の外周に、ＦＷ法によって、繊維強化樹脂層１０２を形成する。具体的には、ステップＳ１００によって完成されたライナー１０を、その両端の口金１６を用いて回転させつつ、エポキシ樹脂ＥＰを含浸させたカーボン繊維ＥＣＦを、ライナー１０の周囲に繰り返し巻回する（ステップＳ２０２）。このカーボン繊維ＥＣＦの巻回に際しては、ライナー１０におけるシリンダー部１２の外周範囲に亘るフープ巻きによる繊維巻回と、ドーム部１４の外周範囲に亘る低角度・高角度のヘリカル巻きによる繊維巻回とが使い分けられ、ライナー１０の回転速度や繊維送り出し速度についても調整される。その後、エポキシ樹脂を含浸させたカーボン繊維ＥＣＦを、ライナー１０の周囲に巻き付けたものを、加熱炉にて加熱して、エポキシ樹脂を硬化させる（ステップＳ２０４）。エポキシ樹脂が硬化すると、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：カーボン繊維強化プラスチック）から成る繊維強化樹脂層１０２が形成され、高圧ガスタンク１００が完成する。なお、繊維強化樹脂層１０２を形成する場合に、加熱炉に代わり、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて誘導加熱手法を用いることができる。この高周波誘導加熱では、速やかな熱硬化性樹脂の昇温を図ることができる。

以上説明したように、本実施形態の高圧ガスタンク１００では、ライナー１０におけるライナー軸方向両端のドーム部１４の頂上に装着された口金１６の口金フランジ１６ｆを、ライナー１０の内部に位置するライナー内口金本体部位１６ｔ（図３，図５−６参照）の外周から口金フランジ１６ｆのフランジ接触面１６ｆｓまで延在する複数筋のリブ１６ｖで補強する。その上で、本実施形態の高圧ガスタンク１００は、ライナー１０を、端部のドーム部１４に連続するようインサート成形した陥没台座部１４ｒとリブ被覆部１４ｓを介して、リブ１６ｖとリブ間凹部１６ｖｓに噛み合わせることで、ライナー１０の空回りを防止する。この結果、本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、口金１６の強度向上を図りつつライナー１０の空回りを防止できる。この場合、ライナー１０の空回りは、それぞれのリブ間凹部１６ｖｓに形成された陥没台座部１４ｒのみならず、それぞれのリブ１６ｖを覆うリブ被覆部１４ｓにても防止されるため、ライナー１０の空回りを高い実効性で防止できる。

本実施形態の高圧ガスタンク１００は、既述したように口金１６を高強度とするので、ＦＷ法によるカーボン繊維ＥＣＦの巻回の際に、ライナー１０の回転軸ブレを抑制できる。よって、本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、カーボン繊維ＥＣＦの巻回軌跡に乱れが起きないようにして、繊維強化樹脂層１０２の品質（巻回品質）を高めることができる。

本実施形態の高圧ガスタンク１００は、リブ１６ｖのリブ幅や口金フランジ１６ｆのフランジ接触面１６ｆｓからの立ち上がり程度を、口金フランジ１６ｆの外周縁側に向かうほど小さくして、リブ１６ｖの鍛造容積を、口金フランジ１６ｆの外周縁側に向かうほど連続的に小さくした。よって、本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、口金１６の鍛造成型に際しての溶融金属溶液の鍛造金型内での流動性を高めて、鍛造金型表面での溶融金属溶液の焼き付きを防止できる。

本実施形態の高圧ガスタンク１００は、ライナー１０の空回りを、それぞれのリブ間凹部１６ｖｓにおいてインサート成形された陥没台座部１４ｒと、それぞれのリブ１６ｖを覆うようインサート成形されたリブ被覆部１４ｓとで防止し、陥没台座部１４ｒとリブ被覆部１４ｓについては、凹溝等の機械加工を一切、必要としない。よって、本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、口金１６の高強度化とライナー１０の空回り防止とが可能な高圧ガスタンクの製造コストを低減できる。

本実施形態の高圧ガスタンク１００は、図３の正面図に示すように、ライナー１０のドーム部１４から吐出している口金１６の端部に、いわゆる二面幅部を設けたので、この二面幅部を、ライナー１０の形成のためのインサート成形金型において位置決めできる。よって、口金１６の二面幅部とリブ１６ｖとの位相合わせが可能となる。

本実施形態の高圧ガスタンク１００は、図４〜図６に示すように、リブ１６ｖを、その側面と上面を含めて、インサート成形のために注入された溶融樹脂にて覆い、口金フランジ１６ｆのフランジ接触面１６ｆｓについても、溶融樹脂（陥没台座部１４ｒ）で覆うようにした。よって、本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、ライナー１０、詳しくはドーム部１４と口金１６との間の気密性の確保に有益となる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上記の実施形態では、ライナー１０の空回りを、それぞれのリブ間凹部１６ｖｓにおいてインサート成形された陥没台座部１４ｒに加え、それぞれのリブ１６ｖを覆うようインサート成形されたリブ被覆部１４ｓでも防止したが、リブ被覆部１４ｓについては、これを省略できる。図９はライナー１０の空回りをリブ間凹部１６ｖｓにおいてインサート成形された陥没台座部１４ｒにて防止する変形例を示す説明図である。図示するように、この変形例の１では、ライナー１０の端部においては、陥没台座部１４ｒとこれに連続したドーム部１４とをインサート成形するものの、リブ被覆部１４ｓについては形成しない。この変形例によっても、ライナー１０を、端部のドーム部１４に連続するようインサート成形した陥没台座部１４ｒを介して、リブ間凹部１６ｖｓに噛み合わせることで、ライナー１０の空回りを防止できる。

上記の実施形態では、図４に示すように、８筋のリブ１６ｖをライナー内口金本体部位１６ｔの外周から等間隔で放射状に延ばしたが、不等間隔でリブ１６ｖを延ばしてもよい。また、８筋に限らず、２筋以上のリブ１６ｖをからライナー内口金本体部位１６ｔの外周から延ばすようにしてもよい。この場合、鍛造性を確保する上から、リブ１６ｖを６筋以上とすることが好ましい。高圧ガスタンク１００の全長や直径、耐圧性等のタンクスペックは、高圧ガスタンク１００を搭載する車種によって変わることがある。こうしたことに対処すべく、タンクスペックに応じてリブ１６ｖの本数を変えるようにしてもよい。

リブ１６ｖの延在程度も口金フランジ１６ｆのフランジ接触面１６ｆｓまでに限られるものではなく、口金フランジ１６ｆの半径の１／２〜１／３の範囲まで、リブ１６ｖをライナー内口金本体部位１６ｔの外周から延ばすようにしてもよい。この他、リブ１６ｖを傾斜して延ばすことに代え、矩形形状でリブ１６ｖをライナー内口金本体部位１６ｔの外周から延ばすようにしてもよい。リブ１６ｖのリブ幅については、溶融金属溶液の鍛造金型内での流動性が確保されて、鍛造金型表面での溶融金属溶液の焼き付きが防止或いは低減できる幅とすればよい。また、ＦＷ法による繊維巻回の際に口金１６に作用する最大応力を考慮して、リブ１６ｖのリブ幅を規定してもよい。

上記の実施形態では、図５に示すように、口金１６における口金フランジ１６ｆの外周縁がドーム部１４に覆われるよう、ドーム部１４の陥没台座部１４ｒに口金フランジ１６ｆを入り込ませて、陥没台座部１４ｒの底面に口金フランジ１６ｆのフランジ接触面１６ｆｓを接触させたが、これに限らない。例えば、ドーム部１４の頂上側を平面状の端部表面とし、この端部表面に口金フランジ１６ｆのフランジ接触面１６ｆｓを接触させるようにしてもよい。この場合には、口金フランジ１６ｆの外周面にドーム部１４の頂上側外周面が連続するように、インサート成形金型の金型面を形成すればよい。

１０…ライナー
１２…シリンダー部
１４…ドーム部
１４ｈ…貫通孔
１４ｒ…陥没台座部
１４ｓ…リブ被覆部
１６…口金
１６ｂ…口金本体
１６ｆ…口金フランジ
１６ｆｓ…フランジ接触面
１６ｈ…バルブ接続孔
１６ｈｉ…軸受孔
１６ｔ…ライナー内口金本体部位
１６ｖ…リブ
１６ｖｓ…リブ間凹部
１００…高圧ガスタンク
１０２…繊維強化樹脂層
ＡＸ…軸線
ＣＦ…カーボン繊維
ＥＣＦ…カーボン繊維（エポキシ含浸カーボン繊維）
ＥＰ…エポキシ樹脂

Claims (1)

1. 筒状の中空容器であるライナーの軸方向の端部に口金を装着した高圧ガスタンクであって、
   前記口金は、
   前記ライナーの前記端部の軸方向外側からライナー内部まで、前記ライナーの軸方向に沿って延在する口金本体と、
   該口金本体から周方向に延び、前記ライナーの前記端部の端部表面に接触する接触面を有するフランジ部と、
   前記口金本体が前記ライナー内部に位置する部位であるライナー内口金本体部位の外周から前記フランジ部の前記接触面まで延在する複数筋のリブであって、前記ライナー内口金本体部位の外周回りにリブ間凹部を形成するリブとを備え、
   前記ライナーは、
   前記端部において、前記リブと前記リブ間凹部に噛み合わされている、高圧ガスタンク。

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