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JP7578065B2 - High Pressure Tank - Google Patents
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JP7578065B2 - High Pressure Tank - Google Patents

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  • Pressure Vessels And Lids Thereof (AREA)
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Description

本発明は、ライナとライナの外表面に形成された補強層とを有する高圧タンクに関する。 The present invention relates to a high-pressure tank having a liner and a reinforcing layer formed on the outer surface of the liner.

この種の高圧タンクとして、一定の外径で形成された円筒状の胴体部と胴体部の軸方向の両端に設けられたドーム部とを有するライナと、強化繊維をフープ巻きにして形成されたフープ層と、強化繊維をヘリカル巻きにして形成されたヘリカル層とを備えたものが開示されている(特許文献1参照)。 This type of high-pressure tank has been disclosed to include a liner having a cylindrical body with a constant outer diameter and dome sections at both axial ends of the body, a hoop layer formed by winding reinforcing fibers in a hoop shape, and a helical layer formed by winding reinforcing fibers in a helical shape (see Patent Document 1).

特開2020-169656号公報JP 2020-169656 A

内燃機関およびトランスミッションを搭載した後輪駆動の車両構造を、そのまま燃料電池自動車(FCV:Fuel Cell Vehicle)の車両構造に採用した場合、トランスミッションが設置されていたフロアトンネル内に特許文献1に記載の高圧タンクを設置すると、高圧タンクの直径を比較的に大きくすることができるため合理的である。しかしながら、フロアトンネル内の空間は、運転席に着座した運転者から見て前方のスペースが大きく、後方に移行するにしたがいスペースが漸次小さくなるテーパ形状で形成されている。この空間内に特許文献1に記載の高圧タンクを設置するとフロアトンネルの前方に空きスペースが発生し、活用できない空間ができてしまうという問題がある。一方、フロアトンネル内の空間を有効に活用するために高圧タンクを軸方向に沿って移行するにしたがって漸次拡径するテーパ形状にした場合には、高圧タンクの機械的強度を確保する必要がある。 When a rear-wheel drive vehicle structure equipped with an internal combustion engine and a transmission is directly adopted in the vehicle structure of a fuel cell vehicle (FCV), it is reasonable to install the high-pressure tank described in Patent Document 1 in the floor tunnel where the transmission was installed, since the diameter of the high-pressure tank can be made relatively large. However, the space in the floor tunnel is formed in a tapered shape in which the space is large in the front as seen by the driver seated in the driver's seat, and the space gradually becomes smaller toward the rear. If the high-pressure tank described in Patent Document 1 is installed in this space, there is a problem that an empty space is generated in front of the floor tunnel, resulting in an unused space. On the other hand, if the high-pressure tank is formed in a tapered shape that gradually increases in diameter as it moves along the axial direction in order to effectively utilize the space in the floor tunnel, it is necessary to ensure the mechanical strength of the high-pressure tank.

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、車両のフロアトンネルなどの搭載スペースが小径から大径に漸次拡径するスペースの全体を有効に活用することができるとともに、機械的強度を確保することができる高圧タンクを提供することを課題とする。 The present invention was made to solve these problems, and aims to provide a high-pressure tank that can effectively utilize the entire space in a mounting space such as a vehicle floor tunnel, where the diameter gradually expands from a small diameter to a large diameter, while also ensuring mechanical strength.

(1)本発明に係る高圧タンクは、ライナと該ライナの外表面に形成された補強層とを有する高圧タンクであって、前記ライナは、円筒状で且つ軸方向に沿って移行するにしたがって漸次拡径する胴体部と、該胴体部の小径側端部を閉塞する半球状の第1ドーム部と、前記胴体部の大径側端部を閉塞する半球状の第2ドーム部とを有し、前記補強層は、強化繊維をフープ巻きにして形成されたフープ層と、前記強化繊維をヘリカル巻きにして形成されたヘリカル層と、を有し、前記フープ層は、前記第1ドーム部側よりも前記第2ドーム部側の方が厚いことを特徴とする。この構成により、高圧タンクは、胴体部が漸次拡径されているので、内燃機関およびトランスミッションを搭載した後輪駆動の車両構造で構成されている燃料電池自動車のフロアトンネル内のスペースに合わせて設置することができ、スペースの全体が有効活用される。また、フープ層は、第1ドーム部側よりも第2ドーム部側の方が厚く形成されているので、胴体部の大径側の機械的強度が確保される。 (1) The high-pressure tank according to the present invention is a high-pressure tank having a liner and a reinforcing layer formed on the outer surface of the liner, the liner having a cylindrical body portion that gradually expands in diameter as it moves along the axial direction, a hemispherical first dome portion that closes the small-diameter end of the body portion, and a hemispherical second dome portion that closes the large-diameter end of the body portion, the reinforcing layer having a hoop layer formed by hoop-wounding reinforcing fibers and a helical layer formed by helically winding the reinforcing fibers, the hoop layer being thicker on the second dome portion side than on the first dome portion side. With this configuration, the high-pressure tank can be installed in the space inside the floor tunnel of a fuel cell vehicle that is configured with a rear-wheel drive vehicle structure equipped with an internal combustion engine and a transmission, since the body portion of the high-pressure tank is gradually expanded in diameter, and the entire space is effectively utilized. In addition, the hoop layer is formed thicker on the second dome portion side than on the first dome portion side, so that the mechanical strength of the large-diameter side of the body portion is ensured.

(2)本発明に係る高圧タンクにおいて、前記フープ層の厚みは、前記胴体部の外径に比例して大きくなることを特徴とする。この構成により、胴体部の小径側端部から大径側端部まで均一な機械的強度が確保される。 (2) In the high-pressure tank according to the present invention, the thickness of the hoop layer increases in proportion to the outer diameter of the body portion. This configuration ensures uniform mechanical strength from the small diameter end to the large diameter end of the body portion.

(3)本発明に係る高圧タンクにおいて、前記高圧タンクの内部と外部との間を連通する口金が前記第1ドーム部に取り付けられていることを特徴とする。この構成により、ヘリカル巻きにより形成された第1ドーム部の機械的強度が確保される。即ち、ヘリカル巻きの巻きターン数は大径側の機械的強度を確保するように決定されるので、大面積を有する第2ドーム部のヘリカル層の厚みよりも小面積の第1ドーム部のヘリカル層の厚みが厚く形成される。その結果、第1ドーム部は、第2ドーム部の機械的強度よりも高い機械的強度を有する。口金の装着部分は高い機械的強度が求められるが、口金は、より高い機械的強度を有する第1ドーム部に取り付けられる。 (3) The high-pressure tank according to the present invention is characterized in that a nozzle that communicates between the inside and outside of the high-pressure tank is attached to the first dome portion. This configuration ensures the mechanical strength of the first dome portion formed by helical winding. That is, the number of winding turns of the helical winding is determined so as to ensure the mechanical strength of the large diameter side, so the helical layer of the first dome portion, which has a smaller area, is formed to be thicker than the helical layer of the second dome portion, which has a larger area. As a result, the first dome portion has a higher mechanical strength than the second dome portion. The attachment portion of the nozzle requires high mechanical strength, but the nozzle is attached to the first dome portion, which has a higher mechanical strength.

(4)本発明に係る高圧タンクにおいて、前記口金は、前記補強層を貫通する軸部と、該軸部から拡径されて前記第1ドーム部の外壁面に当接するフランジ部と、を有することを特徴とする。この構成により、口金は、フランジ部を介して密着して第1ドーム部に装着される。 (4) In the high-pressure tank according to the present invention, the nozzle has a shaft portion that penetrates the reinforcing layer, and a flange portion that expands in diameter from the shaft portion and abuts against the outer wall surface of the first dome portion. With this configuration, the nozzle is attached to the first dome portion in close contact via the flange portion.

(5)本発明に係る高圧タンクにおいて、前記口金の軸部よりも小さい直径を有するエンドボスが前記第2ドーム部に取り付けられていることを特徴とする。この構成により、結果的に第2ドーム部の機械的強度が確保される。即ち、エンドボスは、フィラメントワインディング装置にライナをセットする際に、ライナの一端をチャックする機能を有するだけであり、口金と比較して、高い機械的強度は要求されない。また、エンドボスの軸部は、ガスを流通させる機能は必要がなく、ライナを貫通して第2ドーム部に取り付ける必要がないので、軸部の直径が比較的に小さくても良い。エンドボスの軸部を口金の軸部よりも小さい直径にすることで、エンドボスによる第2ドーム部の補強層への負荷が小さくなり、第1ドーム部よりも低い機械的強度を有する第2ドーム部にエンドボスを取り付けることができる。 (5) In the high-pressure tank according to the present invention, an end boss having a diameter smaller than that of the shaft portion of the nozzle is attached to the second dome portion. This configuration results in ensuring the mechanical strength of the second dome portion. That is, the end boss only has the function of chucking one end of the liner when the liner is set in the filament winding device, and does not require high mechanical strength compared to the nozzle. In addition, the shaft portion of the end boss does not need to have a function of circulating gas, and does not need to penetrate the liner to be attached to the second dome portion, so the diameter of the shaft portion may be relatively small. By making the shaft portion of the end boss have a smaller diameter than the shaft portion of the nozzle, the load on the reinforcing layer of the second dome portion by the end boss is reduced, and the end boss can be attached to the second dome portion, which has a lower mechanical strength than the first dome portion.

本発明によれば、車両のフロアトンネルなどの搭載スペースが小径から大径に漸次拡径するスペースの全体を有効に活用することができるとともに、機械的強度を確保することができる高圧タンクを提供することができる。 The present invention provides a high-pressure tank that can effectively utilize the entire space in a mounting space such as a vehicle floor tunnel, where the diameter gradually expands from a small diameter to a large diameter, while also ensuring mechanical strength.

本発明の実施形態に係る高圧タンクの図であり、図1(a)は、フロアトンネルに設置された高圧タンクの側面図を示し、図1(b)は、中心軸線に直交する方向で切断した高圧タンクの断面図を示す。1A and 1B are diagrams of a high-pressure tank according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A shows a side view of a high-pressure tank installed in a floor tunnel, and FIG. 1B shows a cross-sectional view of the high-pressure tank cut in a direction perpendicular to the central axis. 本発明の実施形態に係る高圧タンクの図であり、図1(b)のA-Aで切断した断面図を示す。FIG. 1(b) is a cross-sectional view of a high-pressure tank according to an embodiment of the present invention taken along line AA in FIG. 本発明の実施形態に係る高圧タンクの口金の図であり、図3(a)は、側面図を示し、図3(b)は、Bから見た正面図を示し、図3(c)は、図3(b)のC-Cで切断した断面図を示す。3A and 3B are diagrams of a nozzle of a high-pressure tank according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 3A shows a side view, FIG. 3B shows a front view from B, and FIG. 3C shows a cross-sectional view taken along CC in FIG. 3B. 本発明の実施形態に係る高圧タンクのエンドボスの図であり、図4(a)は、側面図を示し、図4(b)は、Dから見た正面図を示し、図4(c)は、図4(b)のE-Eで切断した断面図を示す。4A and 4B are diagrams of an end boss of a high-pressure tank according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 4A shows a side view, FIG. 4B shows a front view from D, and FIG. 4C shows a cross-sectional view taken along line E-E in FIG. 4B. 本発明の実施形態に係る高圧タンクの強化繊維の巻き方を説明する図であり、図5(a)は、フープ巻きの模式図を示し、図5(b)は、ヘリカル巻きの模式図を示す。5A and 5B are diagrams illustrating a method of winding reinforcing fibers in a high-pressure tank according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 5A shows a schematic diagram of hoop winding, and FIG. 5B shows a schematic diagram of helical winding.

本発明に係る高圧タンクを適用した実施形態に係る高圧タンク10について図面を参照して説明する。
実施形態に係る高圧タンク10は、図1(a)および図1(b)に示すように、ライナ11と、口金12と、エンドボス13と、補強層14とを有している。高圧タンク10は、気体を透過させ難い性質、いわゆるガスバリア性を有しており、内部には水素などの高圧のガスが供給されるように構成されている。
A high-pressure tank 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1(a) and 1(b), the high-pressure tank 10 according to the embodiment has a liner 11, a nozzle 12, an end boss 13, and a reinforcing layer 14. The high-pressure tank 10 has a property of being difficult for gas to permeate, that is, has so-called gas barrier properties, and is configured so that a high-pressure gas such as hydrogen is supplied to the inside.

高圧タンク10は、燃料電池自動車の運転席の左右方向の中央部に形成されているフロアトンネル内に設置される。この燃料自動車は、内燃機関およびトランスミッションを搭載した後輪駆動の車両構造、つまり、内燃機関を有する車両の車両構造を、そのまま燃料自動車用として用いたものである。フロアトンネルは、内燃機関を有する車両ではトランスミッションが設置されるスペースであり、一点鎖線で示すフロアトンネル上面ラインの下部に形成されている。このスペースは、前方が大径であり、後方に行くに従い小径となるテーパ形状を有している。 The high-pressure tank 10 is installed in a floor tunnel formed in the center of the driver's seat in the left-right direction of the fuel cell vehicle. This fuel cell vehicle has a rear-wheel drive vehicle structure equipped with an internal combustion engine and transmission, that is, the vehicle structure of a vehicle with an internal combustion engine is used as is for a fuel cell vehicle. The floor tunnel is the space where the transmission is installed in a vehicle with an internal combustion engine, and is formed below the floor tunnel top line indicated by the dashed line. This space has a tapered shape that is large in diameter at the front and becomes smaller in diameter toward the rear.

ライナ11は、図1(b)および図2に示すように、円筒状の中空容器からなり、軸方向に沿って移行するにしたがって小径から大径に漸次拡径する胴体部21と、第1ドーム部22と、第2ドーム部23とを有している。ライナ11は、例えば、ポリエチレン、ポリアミド樹脂(PA)、ナイロン等の高い機械的強度を有するエンジニアリングプラスチックからなり、回転成形法やブロー成形法によって一体的に形成されている。 As shown in Figs. 1(b) and 2, the liner 11 is a cylindrical hollow container, and has a body portion 21 that gradually expands in diameter from small to large along the axial direction, a first dome portion 22, and a second dome portion 23. The liner 11 is made of engineering plastics with high mechanical strength, such as polyethylene, polyamide resin (PA), and nylon, and is integrally formed by rotational molding or blow molding.

なお、ライナ11は、エンジニアリングプラスチック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。また、ライナ11は、回転成形法やブロー成形法のような一体成形の製造方法に代えて、ライナ11を2分割し、別々に射出成形、押出成形等により成形したものを、例えば、赤外線溶着、レーザ溶着、熱板溶着、振動溶着、あるいは超音波溶着等の接合方法で接合することにより形成されても良い。 In addition, the liner 11 may be formed from a light metal such as aluminum instead of engineering plastic. Also, instead of a manufacturing method for integral molding such as rotational molding or blow molding, the liner 11 may be formed by dividing the liner 11 into two parts, molding them separately by injection molding, extrusion molding, or the like, and joining them by a joining method such as infrared welding, laser welding, hot plate welding, vibration welding, or ultrasonic welding.

第1ドーム部22は、図1(a)および図2に示すように、半球状に形成され、胴体部21の小径側端部を閉塞している。第1ドーム部22は、口金装着部31を有しており、後述するように、第2ドーム部23よりも高い機械的強度を有する。高い機械的強度を有する口金装着部31に口金12が装着される。口金装着部31にはガスを流通させる貫通孔32が形成されている。第2ドーム部23は、第1ドーム部22と同様、半球状に形成され、胴体部21の大径側端部を閉塞している。第2ドーム部23は、エンドボス装着部33を有しており、エンドボス装着部33にはエンドボス13が装着される。 As shown in Figs. 1(a) and 2, the first dome section 22 is formed in a hemispherical shape and closes the small diameter end of the body section 21. The first dome section 22 has a base mounting section 31 and has a higher mechanical strength than the second dome section 23, as described below. The base mounting section 31 has a higher mechanical strength and the base 12 is mounted on it. The base mounting section 31 has a through hole 32 for allowing gas to flow. The second dome section 23 is formed in a hemispherical shape like the first dome section 22 and closes the large diameter end of the body section 21. The second dome section 23 has an end boss mounting section 33 and the end boss 13 is mounted on the end boss mounting section 33.

口金12は、図2、図3(a)、図3(b)および図3(c)に示すように、軸部41と、フランジ部42とを有しており、軸部41およびフランジ部42は金属材料で一体的に形成されている。軸部41およびフランジ部42には、軸方向に貫通する貫通孔43が形成されている。貫通孔43は口金装着部31の貫通孔32に連続しており、口金装着部31の貫通孔32を介して、高圧タンク10の内部と外部との間でガスが流通する。 As shown in Figures 2, 3(a), 3(b) and 3(c), the nozzle 12 has a shaft portion 41 and a flange portion 42, and the shaft portion 41 and the flange portion 42 are integrally formed from a metal material. A through hole 43 is formed in the shaft portion 41 and the flange portion 42, penetrating in the axial direction. The through hole 43 is connected to the through hole 32 of the nozzle mounting portion 31, and gas flows between the inside and outside of the high-pressure tank 10 via the through hole 32 of the nozzle mounting portion 31.

口金12には、シャットバルブなどの図示しない弁が装着され、弁により貫通孔43および貫通孔32が連通状態または非連通状態となる。弁は、高圧タンク10内部に高圧のガスを供給する際に開状態となり、ガスの供給が終了すると閉状態となる。また、弁は、必要に応じて、開状態となり、内部に充填されている高圧のガスが弁を介して外部に供給される。 A valve (not shown), such as a shutoff valve, is attached to the nozzle 12, and the through hole 43 and the through hole 32 are connected or disconnected by the valve. The valve opens when high-pressure gas is supplied to the inside of the high-pressure tank 10, and closes when the gas supply ends. The valve also opens as necessary, and the high-pressure gas filled inside is supplied to the outside via the valve.

軸部41は、直径D1で円筒状に形成され、補強層14を貫通し第1ドーム部22の軸方向の外側に突出している。フランジ部42は、軸部41から径方向に突出して円盤状に形成されており、第1ドーム部22の口金装着部31の外壁面に当接して第1ドーム部22に装着されている。 The shaft portion 41 is formed in a cylindrical shape with a diameter D1, penetrates the reinforcing layer 14, and protrudes outward in the axial direction of the first dome portion 22. The flange portion 42 is formed in a disk shape that protrudes radially from the shaft portion 41, and is attached to the first dome portion 22 by abutting against the outer wall surface of the base attachment portion 31 of the first dome portion 22.

エンドボス13は、図2、図4(a)、図4(b)および図4(c)に示すように、軸部51と、フランジ部52とを有しており、軸部51およびフランジ部52は金属材料で一体的に形成されている。 As shown in Figures 2, 4(a), 4(b) and 4(c), the end boss 13 has a shaft portion 51 and a flange portion 52, and the shaft portion 51 and the flange portion 52 are integrally formed from a metal material.

軸部51は、口金12の軸部41の直径D1よりも小さい直径D2で円柱状に形成され、補強層14を貫通し第2ドーム部23の軸方向の外側に突出している。フランジ部52は、軸部51から径方向に突出して円盤状に形成されており、第2ドーム部23のエンドボス装着部33に当接して、例えば接着により第2ドーム部23に装着されている。 The shaft portion 51 is formed in a cylindrical shape with a diameter D2 smaller than the diameter D1 of the shaft portion 41 of the base 12, and protrudes through the reinforcing layer 14 to the outside in the axial direction of the second dome portion 23. The flange portion 52 is formed in a disk shape protruding radially from the shaft portion 51, abuts against the end boss attachment portion 33 of the second dome portion 23, and is attached to the second dome portion 23 by, for example, gluing.

エンドボス13は、フィラメントワインディング装置にライナ11をセットする際に、ライナ11の一端をチャックする機能を有しており、口金12と比較して、高い機械的強度は要求されない。したがって、軸部51は、口金12の軸部41の直径D1よりも小さい直径D2で形成されている。また、軸部51は、ガスを流通させる必要がないので、軸部51を貫通する貫通孔を必要とされない。エンドボス13は、フランジ部52が、第2ドーム部23のエンドボス装着部33の外壁面に密着して装着されている。 The end boss 13 has the function of chucking one end of the liner 11 when the liner 11 is set in the filament winding device, and does not require high mechanical strength compared to the nozzle 12. Therefore, the shaft portion 51 is formed with a diameter D2 smaller than the diameter D1 of the shaft portion 41 of the nozzle 12. In addition, since the shaft portion 51 does not need to pass gas, a through hole penetrating the shaft portion 51 is not required. The end boss 13 has a flange portion 52 attached in close contact with the outer wall surface of the end boss attachment portion 33 of the second dome portion 23.

口金12は、燃料の充填放出口としての穴が中心に設けられ、その穴に弁が装着されるボスを有している。ライナ11において、口金12とは反対側の箇所には、エンドボス13が配置されている。エンドボス13は、その中心部に、フィラメントワインディング(Filament Winding)時の軸支持の為のボスを有している。口金12の首部周囲における補強層14の穴径は、通常、エンドボス13の周囲における補強層14の穴径より大きい。したがって、口金12のフランジ部42と補強層14との接触面に発生する面圧は、エンドボス13のフランジ部52と補強層14との接触面に発生する面圧よりも大きい。穴面積比に応じたフランジ接触面積を確保することによって口金12側の面圧を小さくすることは可能であるが、口金12のフランジ径が大きくなり、コストの増大等の問題がある為、実用的ではない。上記が前提となって、補強層14の肉厚の大きい第1ドーム部22に口金12を設置するのが合理的である。 The nozzle 12 has a hole in the center as a fuel filling and discharging port, and a boss in which a valve is attached. In the liner 11, an end boss 13 is arranged on the opposite side to the nozzle 12. The end boss 13 has a boss in the center for supporting the shaft during filament winding. The hole diameter of the reinforcing layer 14 around the neck of the nozzle 12 is usually larger than the hole diameter of the reinforcing layer 14 around the end boss 13. Therefore, the surface pressure generated on the contact surface between the flange portion 42 of the nozzle 12 and the reinforcing layer 14 is larger than the surface pressure generated on the contact surface between the flange portion 52 of the end boss 13 and the reinforcing layer 14. It is possible to reduce the surface pressure on the nozzle 12 side by ensuring a flange contact area according to the hole area ratio, but this is not practical because the flange diameter of the nozzle 12 becomes large, which causes problems such as increased costs. Based on the above, it is reasonable to install the nozzle 12 on the first dome portion 22 where the reinforcing layer 14 has a large wall thickness.

補強層14は、図1(b)、図2、図5(a)および図5(b)に示すように、強化繊維Fをフープ巻きにしてライナ11の外表面に形成されたフープ層61と、強化繊維Fをヘリカル巻きにしてライナ11の外表面に形成されたヘリカル層62とを有している。フープ層61およびヘリカル層62は、例えば、フィラメントワインディング法(Filament Winding Process)による図示しないフィラメントワインディング装置により形成される。 As shown in Figs. 1(b), 2, 5(a) and 5(b), the reinforcing layer 14 has a hoop layer 61 formed on the outer surface of the liner 11 by hoop-winding the reinforcing fiber F, and a helical layer 62 formed on the outer surface of the liner 11 by helically winding the reinforcing fiber F. The hoop layer 61 and the helical layer 62 are formed, for example, by a filament winding device (not shown) using the filament winding process.

強化繊維Fは、例えば直径が数μm程度の単繊維を束ねて構成された繊維束に、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させることにより形成されている。強化繊維Fとして、例えば、炭素繊維強化プラスチック(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)やガラス繊維強化プラスチック(GFRP:Glass Fiber Reinforced Plastics)が挙げられる。 The reinforcing fiber F is formed by impregnating a fiber bundle made of single fibers each having a diameter of, for example, about several μm with an uncured thermosetting resin. Examples of the reinforcing fiber F include carbon fiber reinforced plastics (CFRP) and glass fiber reinforced plastics (GFRP).

単繊維として、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、PBO繊維(poly p- phenylene benzobisoxazole繊維)、天然繊維、または高強度ポリエチレン繊維、などの繊維を挙げることができる。熱硬化性樹脂として、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂に代表される変性エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂などの樹脂を挙げることができる。 Examples of the single fiber include carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, alumina fiber, boron fiber, steel fiber, PBO fiber (poly p-phenylene benzobisoxazole fiber), natural fiber, and high-strength polyethylene fiber. Examples of the thermosetting resin include epoxy resin, modified epoxy resin represented by vinyl ester resin, phenol resin, melamine resin, urea resin, unsaturated polyester resin, alkyd resin, polyurethane resin, and thermosetting polyimide resin.

フープ巻きは、図5(a)に示すように、ライナ11の中心軸線Lと略垂直な巻き角度で、胴体部21の周方向に巻き付ける巻き方である。フープ巻きによりフープ層61が胴体部に形成される。ここで、「略垂直」とは、90°と、強化繊維F同士が重ならないように強化繊維Fの巻き付け位置をずらすことによって生じ得る90°前後の角度との両方を含む。 As shown in FIG. 5(a), hoop winding is a method of winding in the circumferential direction of the body portion 21 at a winding angle that is approximately perpendicular to the central axis L of the liner 11. A hoop layer 61 is formed on the body portion by hoop winding. Here, "approximately perpendicular" includes both 90° and an angle of approximately 90° that can be created by shifting the winding position of the reinforcing fibers F so that the reinforcing fibers F do not overlap each other.

フープ巻きは、径方向強度を得るための強化繊維Fの巻き付け方であり、図2に示すように、高圧タンク10の胴体部21に作用する内圧P(MPa)によって周方向に生ずる応力σθ(MPa)に対する機械的強度を得る巻き方である。胴体部21の一端T1におけるフープ層61の厚みをta1とし、胴体部21の他端T2におけるフープ層61の厚みをta2とし、一端T1から他端T2までの任意の距離をx(mm)とし、距離xにおける胴体部21の外径をDx(mm)とすると、外径Dxにおけるフープ層61の厚みtaxは、外径Dxと1次比例の関係にある。 Hoop winding is a method of winding reinforcing fibers F to obtain radial strength, and as shown in Figure 2, is a winding method that obtains mechanical strength against stress σθ (MPa) generated in the circumferential direction by internal pressure P (MPa) acting on the body portion 21 of the high-pressure tank 10. If the thickness of the hoop layer 61 at one end T1 of the body portion 21 is ta1, the thickness of the hoop layer 61 at the other end T2 of the body portion 21 is ta2, an arbitrary distance from one end T1 to the other end T2 is x (mm), and the outer diameter of the body portion 21 at the distance x is Dx (mm), the thickness tax of the hoop layer 61 at the outer diameter Dx is linearly proportional to the outer diameter Dx.

即ち、外径Dxにおけるフープ層61の厚みtaxおよび外径Dxは、tax=kDxの関係にあり、外径Dxが大きくなる程、厚みtaxは大きくなっている。なお、定数kは、正の値であり、実施形態に係る高圧タンク10の大きさ、材質、形状などの設定諸元や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。 That is, the thickness tax of the hoop layer 61 at the outer diameter Dx and the outer diameter Dx have a relationship of tax = kDx, and the larger the outer diameter Dx, the larger the thickness tax. Note that the constant k is a positive value and is appropriately selected based on the set specifications such as the size, material, and shape of the high-pressure tank 10 according to the embodiment, as well as data such as experimental values.

フープ巻きは、フィラメントワインディング装置により強化繊維Fを巻回する際に、ライナ11の回転速度(rpm)を一定とすると、以下の方法によりtax=kDxを満たすようにフープ層61を形成することができる。即ち、炭素繊維強化プラスチックなどの強化繊維Fを供給するアイクチAKにおける図5(a)に示す送り出し端OTの軸方向の位置移動速度(mm/s)を小径側では速く、大径側では遅くすることにより、tax=kDxを満たすように大径側のフープ層61を厚く形成することができる When winding the reinforcing fiber F with a filament winding device, if the rotation speed (rpm) of the liner 11 is constant, the hoop layer 61 can be formed to satisfy tax = kDx by the following method. That is, by making the axial position movement speed (mm/s) of the delivery end OT shown in Figure 5 (a) in the Aikuchi AK that supplies the reinforcing fiber F such as carbon fiber reinforced plastic faster on the small diameter side and slower on the large diameter side, the hoop layer 61 on the large diameter side can be formed thicker to satisfy tax = kDx.

ヘリカル巻きは、軸方向強度を得るための強化繊維Fの巻き付け方であり、胴体部21に形成されたフープ層61と、第1ドーム部22および第2ドーム部23の外表面を包むように、ライナ11を全体的に覆う巻き方である。ヘリカル巻きによって形成されたヘリカル層62により、高圧タンク10の胴体部21に作用する内圧P(MPa)でライナ11の軸方向に生ずる応力σz(MPa)に対する機械的強度が得られる。 Helical winding is a method of winding reinforcing fibers F to obtain axial strength, and is a winding method that covers the entire liner 11, wrapping the hoop layer 61 formed on the body portion 21 and the outer surfaces of the first dome portion 22 and the second dome portion 23. The helical layer 62 formed by helical winding provides mechanical strength against the stress σz (MPa) that occurs in the axial direction of the liner 11 due to the internal pressure P (MPa) acting on the body portion 21 of the high-pressure tank 10.

ヘリカル巻きにより、図5(b)に示すように、ライナ11の中心軸線Lと0°より大きく90°未満の巻き角度で、強化繊維Fがフープ層61および第1ドーム部22および第2ドーム部23の外表面に巻き付けられてヘリカル層62が形成される。ライナ11の胴体部21がテーパ形状を有しており、第1ドーム部22よりも第2ドーム部23の方が大径となる形状を有しているので、ヘリカル層62の厚みは、軸方向に沿って小径側に移行するにしたがって漸次厚くなるように形成される。つまり、ヘリカル層62は、図2に示すように、胴体部21の一端T1で厚みtb1、胴体部21の他端T2で厚みtb1よりも厚い厚みtb2で形成される。なお、ヘリカル層62を形成する強化繊維Fは、フープ層61と異なった繊維や含浸樹脂を用いても良い。 As shown in FIG. 5(b), the reinforcing fiber F is wound around the hoop layer 61 and the outer surfaces of the first dome portion 22 and the second dome portion 23 at a winding angle greater than 0° and less than 90° with respect to the central axis L of the liner 11, forming a helical layer 62. Since the body portion 21 of the liner 11 has a tapered shape, with the second dome portion 23 having a larger diameter than the first dome portion 22, the thickness of the helical layer 62 is formed to gradually increase as it moves toward the smaller diameter side along the axial direction. In other words, as shown in FIG. 2, the helical layer 62 is formed with a thickness tb1 at one end T1 of the body portion 21 and a thickness tb2 thicker than the thickness tb1 at the other end T2 of the body portion 21. The reinforcing fiber F forming the helical layer 62 may be made of a fiber or impregnated resin different from that of the hoop layer 61.

ヘリカル巻きは、ライナ11の全周に亘り順に巻回される巻き方、いわゆる一筆書きが行われるように順を追って強化繊維Fが巻回される巻き方であり、大径側と小径側とではその巻きターン数は同一となる。ヘリカル巻は、巻きターン数が多い程、機械的強度が高まるが、小径の第1ドーム部22と大径の第2ドーム部23を有するライナ11の場合、その巻きターン数は、ライナ11の大径側を基準に決定され、つまり、ライナ11の大径側の機械的強度を確保するように決定される。したがって、小径側では必要強度以上の肉厚となり、図2に示すように、大面積を有する第2ドーム部23のヘリカル層62の厚みよりも小面積の第1ドーム部22のヘリカル層62の厚みが厚くなる。その結果、第1ドーム部22は、第2ドーム部23の機械的強度よりも高い余剰強度を有する。この余剰強度を利用すべく、本実施形態では口金12を小径の第1ドーム部22に設置している。 Helical winding is a winding method in which the reinforcing fiber F is wound in sequence around the entire circumference of the liner 11, so to speak, in a single stroke, and the number of winding turns is the same on the large diameter side and the small diameter side. The more the number of winding turns in helical winding, the higher the mechanical strength. In the case of a liner 11 having a small diameter first dome portion 22 and a large diameter second dome portion 23, the number of winding turns is determined based on the large diameter side of the liner 11, that is, so as to ensure the mechanical strength of the large diameter side of the liner 11. Therefore, the thickness on the small diameter side is greater than the necessary strength, and as shown in FIG. 2, the thickness of the helical layer 62 of the small area first dome portion 22 is thicker than the thickness of the helical layer 62 of the large area second dome portion 23. As a result, the first dome portion 22 has excess strength higher than the mechanical strength of the second dome portion 23. In order to utilize this excess strength, in this embodiment, the mouthpiece 12 is installed on the small diameter first dome portion 22.

口金12の軸部41が貫通するヘリカル層62の貫通孔の内壁周辺、いわゆるフランジドーナツエリアに作用する内圧Pの分力は、貫通孔の内壁からヘリカル層62に伝達される。この内圧Pの分力は、内圧Pがヘリカル層62に作用する力に加えて付加的に作用するので、フランジドーナツエリアに当接するヘリカル層62は、フランジドーナツエリア以外の他のエリアに比べて高い機械的強度が求められる。即ち、フランジドーナツエリアのヘリカル層62は、変形し易く応力の集中が発生するので口金12の軸部41の周囲のヘリカル層62は、より高い機械的強度が必要となる。口金12は、第2ドーム部よりもヘリカル層62の機械的強度がより高く、余剰強度を有している第1ドーム部22に設置されている。 The component force of the internal pressure P acting on the periphery of the inner wall of the through hole of the helical layer 62 through which the shank 41 of the nozzle 12 penetrates, the so-called flange donut area, is transmitted from the inner wall of the through hole to the helical layer 62. This component force of the internal pressure P acts additively in addition to the force of the internal pressure P acting on the helical layer 62, so the helical layer 62 abutting the flange donut area is required to have a higher mechanical strength than other areas other than the flange donut area. In other words, the helical layer 62 in the flange donut area is easily deformed and stress concentration occurs, so the helical layer 62 around the shank 41 of the nozzle 12 is required to have a higher mechanical strength. The nozzle 12 is installed on the first dome section 22, which has a higher mechanical strength of the helical layer 62 than the second dome section and has excess strength.

口金12のフランジドーナツエリアに対して、エンドボス13の軸部51が貫通するヘリカル層62の貫通孔の内壁周辺のフランジドーナツエリアに作用する内圧Pの分力は、口金12のフランジドーナツエリアと同様、貫通孔の内壁からヘリカル層62に伝達される。この内圧Pの分力は、口金12のフランジドーナツエリアと同様、内圧Pが補強層14に作用する力に加えて付加的に作用するが、ヘリカル層62を貫通する貫通孔の径が小さい程、小さくなる。 The component force of the internal pressure P acting on the flange donut area of the nozzle 12 around the inner wall of the through hole of the helical layer 62 through which the shaft portion 51 of the end boss 13 penetrates is transmitted from the inner wall of the through hole to the helical layer 62, similar to the flange donut area of the nozzle 12. Similar to the flange donut area of the nozzle 12, this component force of the internal pressure P acts additionally on top of the force that the internal pressure P exerts on the reinforcing layer 14, but the smaller the diameter of the through hole penetrating the helical layer 62, the smaller the component force becomes.

したがって、第2ドーム部23の機械的強度が、第1ドーム部22の機械的強度よりも小さく形成されていても、エンドボス13の軸部51の直径D2は、口金12の軸部41の直径D1よりも小さく形成されているので、エンドボス13のフランジドーナツエリアに作用する内圧Pの分力も小さくなる。その結果、第2ドーム部23に必要とされる機械的強度は確保されることになる。なお、図2の破線で示す領域は、強度上必要なヘリカル層の厚みを示しているが、第1ドーム部22のヘリカル層62の厚みは、強度上必要なヘリカル層の厚みよりも厚く形成されている。 Therefore, even if the mechanical strength of the second dome section 23 is smaller than that of the first dome section 22, the diameter D2 of the shaft section 51 of the end boss 13 is smaller than the diameter D1 of the shaft section 41 of the base 12, so the component force of the internal pressure P acting on the flange donut area of the end boss 13 is also smaller. As a result, the mechanical strength required for the second dome section 23 is ensured. Note that the area indicated by the dashed line in FIG. 2 indicates the thickness of the helical layer required for strength, but the thickness of the helical layer 62 of the first dome section 22 is formed to be thicker than the thickness of the helical layer required for strength.

なお、ヘリカル巻きの巻き角度、厚みta1、ta2、tb1、tb2、D1、D2は、実施形態に係る高圧タンク10の大きさ、材質、形状などの設定諸元や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。 The helical winding angle and thicknesses ta1, ta2, tb1, tb2, D1, and D2 are appropriately selected based on the set specifications such as the size, material, and shape of the high-pressure tank 10 according to the embodiment, as well as data such as experimental values.

実施形態に係る高圧タンク10の効果について説明する。
(1)実施形態に係る高圧タンク10は、ライナ11と補強層14とを有し、ライナ11は、円筒状で且つ軸方向に沿って移行するにしたがって漸次拡径する胴体部21と、胴体部21の小径側端部を閉塞する半球状の第1ドーム部22と、胴体部21の大径側端部を閉塞する半球状の第2ドーム部23とを有し、補強層14は、強化繊維Fをフープ巻きにして形成されたフープ層61と、強化繊維Fをヘリカル巻きにして形成されたヘリカル層62とを有し、フープ層61は、第1ドーム部22側よりも第2ドーム部23側の方が厚く形成されている。
The effects of the high-pressure tank 10 according to the embodiment will be described.
(1) The high-pressure tank 10 according to the embodiment has a liner 11 and a reinforcing layer 14. The liner 11 has a cylindrical body portion 21 that gradually expands in diameter as it moves along the axial direction, a hemispherical first dome portion 22 that closes the small diameter end of the body portion 21, and a hemispherical second dome portion 23 that closes the large diameter end of the body portion 21. The reinforcing layer 14 has a hoop layer 61 formed by hoop winding reinforcing fiber F, and a helical layer 62 formed by helically winding the reinforcing fiber F. The hoop layer 61 is formed thicker on the second dome portion 23 side than on the first dome portion 22 side.

この構成により、高圧タンク10は、胴体部21が漸次拡径されているので、内燃機関およびトランスミッションを搭載した後輪駆動の車両構造で構成されている燃料電池自動車のフロアトンネル内のスペースに合わせて設置することができ、スペースの全体を有効に活用することができるという効果が得られる。従来の真っ直ぐな円筒状の胴体部で形成された、いわゆるオーバルタンクをフロアトンネル内に設置するとオーバルタンクの前方の上部のスペースが空き空間になる。これに対して高圧タンク10は、前方が拡径されているので、前方の上部のスペースが空き空間がなくなり、オーバルタンクと比較して、より多くのガスを貯留することができる。その結果、燃料電池自動車の航続距離を延伸させることができる。また、フープ層61は、第1ドーム部22側よりも第2ドーム部23側の方が厚く形成されているので、胴体部21の大径側の機械的強度を確保することができるという効果が得られる。 With this configuration, the high-pressure tank 10 can be installed in the space inside the floor tunnel of a fuel cell vehicle with a rear-wheel drive vehicle structure equipped with an internal combustion engine and a transmission, since the body portion 21 is gradually enlarged in diameter, and the entire space can be effectively utilized. When a so-called oval tank formed with a conventional straight cylindrical body portion is installed in a floor tunnel, the space above the front of the oval tank becomes an empty space. In contrast, the high-pressure tank 10 has an enlarged diameter at the front, so there is no empty space at the front upper space, and more gas can be stored compared to an oval tank. As a result, the cruising distance of the fuel cell vehicle can be extended. In addition, the hoop layer 61 is formed thicker on the second dome portion 23 side than on the first dome portion 22 side, so the mechanical strength of the large diameter side of the body portion 21 can be secured.

(2)また、実施形態に係る高圧タンク10は、フープ層61の厚みが、胴体部21の外径に比例して大きく形成されている。この構成により、胴体部21の小径側端部から大径側端部まで均一な機械的強度を確保することができるという効果が得られる。 (2) In addition, in the high-pressure tank 10 according to the embodiment, the thickness of the hoop layer 61 is formed to be large in proportion to the outer diameter of the body portion 21. This configuration has the effect of ensuring uniform mechanical strength from the small diameter end to the large diameter end of the body portion 21.

(3)また、高圧タンク10は、高圧タンク10の内部と外部との間を連通する口金12が第1ドーム部22に取り付けられている。この構成により、ヘリカル巻きにより形成された第1ドーム部22の口金装着部31の機械的強度が確保される。即ち、ヘリカル巻きは、いわゆる一筆書きが行われるように順を追って強化繊維Fが巻回される巻き方であり、巻きターン数は大径側の機械的強度を確保するように決定されるので、大面積を有する第2ドーム部23のヘリカル層62の厚みよりも小面積の第1ドーム部22のヘリカル層62の厚みを厚く形成することができる。その結果、第1ドーム部22は、第2ドーム部23の機械的強度よりも高い機械的強度を得ることができる。口金12は補強層14により補強された高い機械的強度を有する第1ドーム部22に取り付けられるので、弁が装着されガスの供給路を開状態または閉状態にするという口金12の機能を有効に果たすことができる。 (3) In addition, the high-pressure tank 10 has a nozzle 12 that communicates between the inside and outside of the high-pressure tank 10 attached to the first dome portion 22. This configuration ensures the mechanical strength of the nozzle attachment portion 31 of the first dome portion 22 formed by helical winding. That is, helical winding is a winding method in which the reinforced fiber F is wound in a sequential manner as if it were a single stroke, and the number of winding turns is determined to ensure the mechanical strength of the large diameter side, so that the thickness of the helical layer 62 of the first dome portion 22, which has a small area, can be made thicker than the thickness of the helical layer 62 of the second dome portion 23, which has a large area. As a result, the first dome portion 22 can obtain a mechanical strength higher than that of the second dome portion 23. Since the nozzle 12 is attached to the first dome portion 22, which has a high mechanical strength reinforced by the reinforcing layer 14, the function of the nozzle 12, which is to open or close the gas supply path when a valve is attached, can be effectively performed.

(4)実施形態に係る高圧タンク10において、口金12は、補強層14を貫通する軸部41と、軸部41から拡径されて第1ドーム部22の外壁面に当接するフランジ部42とを有する。この構成により、口金12は、フランジ部42を介して第1ドーム部22の外壁面に密着して装着することができ、軸部41にガスの流路を開状態または閉状態にする弁を装着することができる。 (4) In the high-pressure tank 10 according to the embodiment, the nozzle 12 has a shaft portion 41 that penetrates the reinforcing layer 14, and a flange portion 42 that expands in diameter from the shaft portion 41 and abuts against the outer wall surface of the first dome portion 22. With this configuration, the nozzle 12 can be attached in close contact with the outer wall surface of the first dome portion 22 via the flange portion 42, and a valve that opens or closes the gas flow path can be attached to the shaft portion 41.

(5)実施形態に係る高圧タンク10において、口金12の軸部41よりも小さい直径D2を有するエンドボス13が第2ドーム部23に取り付けられている。この構成により、結果的に第2ドーム部23の機械的強度が確保される。即ち、エンドボス13は、フィラメントワインディング装置にライナ11をセットする際に、ライナ11の一端をチャックする機能を有するだけであり、弁が装着される口金12と比較して、エンドボス13には、高い機械的強度は要求されない。また、軸部51は、ガスを流通させる機能は必要がなく、ライナ11を貫通して第2ドーム部23にエンドボス13を取り付ける必要もないので、軸部51の直径D1が比較的に小さくても良い。エンドボス13の軸部51を口金12の軸部41の直径D1よりも小さい直径D2にすることで、エンドボス13による第2ドーム部23の補強層14への負荷が小さくなり、第1ドーム部22よりも低い機械的強度を有する第2ドーム部23にエンドボス13を取り付けることができる。 (5) In the high-pressure tank 10 according to the embodiment, the end boss 13 having a diameter D2 smaller than the shaft portion 41 of the nozzle 12 is attached to the second dome portion 23. This configuration results in ensuring the mechanical strength of the second dome portion 23. That is, the end boss 13 only has the function of chucking one end of the liner 11 when the liner 11 is set in the filament winding device, and the end boss 13 is not required to have high mechanical strength compared to the nozzle 12 to which a valve is attached. In addition, the shaft portion 51 does not need to have a function of circulating gas, and there is no need to attach the end boss 13 to the second dome portion 23 by penetrating the liner 11, so the diameter D1 of the shaft portion 51 may be relatively small. By making the shaft portion 51 of the end boss 13 have a diameter D2 smaller than the diameter D1 of the shaft portion 41 of the base 12, the load imposed by the end boss 13 on the reinforcing layer 14 of the second dome portion 23 is reduced, and the end boss 13 can be attached to the second dome portion 23, which has a lower mechanical strength than the first dome portion 22.

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記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趣旨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。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various design changes can be made without departing from the spirit of the present invention as described in the claims.

10・・・高圧タンク、11・・・ライナ、12・・・口金、13・・・エンドボス、14・・・補強層、21・・・胴体部、22・・・第1ドーム部、23・・・第2ドーム部、31・・・口金装着部、32,43・・・貫通孔、33・・・エンドボス装着部、41,51・・・軸部、42,52・・・フランジ部、61・・・フープ層、62・・・ヘリカル層、D1・・・口金の軸部の直径、D2・・・エンドボスの軸部の直径、F・・・強化繊維 10: High pressure tank, 11: Liner, 12: Cap, 13: End boss, 14: Reinforcement layer, 21: Body, 22: First dome, 23: Second dome, 31: Cap mounting part, 32, 43: Through hole, 33: End boss mounting part, 41, 51: Shaft, 42, 52: Flange, 61: Hoop layer, 62: Helical layer, D1: Diameter of cap shaft, D2: Diameter of end boss shaft, F: Reinforcement fiber

Claims (5)

ライナと該ライナの外表面に形成された補強層とを有する高圧タンクであって、
前記ライナは、円筒状で且つ軸方向に沿って移行するにしたがって漸次拡径する胴体部と、該胴体部の小径側端部を閉塞する半球状の第1ドーム部と、前記胴体部の大径側端部を閉塞する半球状の第2ドーム部とを有し、
前記補強層は、強化繊維をフープ巻きにして形成されたフープ層と、前記強化繊維をヘリカル巻きにして形成されたヘリカル層と、を有し、前記フープ層は、前記第1ドーム部側よりも前記第2ドーム部側の方が厚いことを特徴とする高圧タンク。
A high-pressure tank having a liner and a reinforcing layer formed on an outer surface of the liner,
The liner has a cylindrical body portion that gradually expands in diameter along an axial direction, a hemispherical first dome portion that closes a small diameter end of the body portion, and a hemispherical second dome portion that closes a large diameter end of the body portion,
The high-pressure tank is characterized in that the reinforcing layer has a hoop layer formed by hoop-winding reinforcing fibers and a helical layer formed by helically winding the reinforcing fibers, and the hoop layer is thicker on the second dome portion side than on the first dome portion side.
前記フープ層の厚みは、前記胴体部の外径に比例して大きくなることを特徴とする請求項1に記載の高圧タンク。 The high-pressure tank according to claim 1, characterized in that the thickness of the hoop layer increases in proportion to the outer diameter of the body portion. 前記高圧タンクの内部と外部との間を連通する口金が前記第1ドーム部に取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の高圧タンク。 The high-pressure tank according to claim 1, characterized in that a cap that connects the inside and outside of the high-pressure tank is attached to the first dome portion. 前記口金は、前記補強層を貫通する軸部と、該軸部から拡径されて前記第1ドーム部の外壁面に当接するフランジ部と、を有することを特徴とする請求項3に記載の高圧タンク。 The high-pressure tank according to claim 3, characterized in that the cap has a shaft portion that penetrates the reinforcing layer and a flange portion that expands in diameter from the shaft portion and abuts against the outer wall surface of the first dome portion. 前記口金の軸部よりも小さい直径を有するエンドボスが前記第2ドーム部に取り付けられていることを特徴とする請求項4に記載の高圧タンク。 The high-pressure tank according to claim 4, characterized in that an end boss having a diameter smaller than the shaft portion of the nozzle is attached to the second dome portion.
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