(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【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。
【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。