特許 6984493 高圧ガス貯蔵タンク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6984493

(24)【登録日】2021年11月29日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】高圧ガス貯蔵タンク

(51)【国際特許分類】

   F17C 1/16 20060101AFI20211213BHJP

   F17C 1/06 20060101ALI20211213BHJP

   F17C 13/00 20060101ALI20211213BHJP

【ＦＩ】

   F17C1/16

   F17C1/06

   F17C13/00 301Z

【請求項の数】1

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2018-40521(P2018-40521)

(22)【出願日】2018年3月7日

(65)【公開番号】特開2019-157873(P2019-157873A)

(43)【公開日】2019年9月19日

【審査請求日】2020年10月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内田 祐

(72)【発明者】

【氏名】松岡 克弥

(72)【発明者】

【氏名】金子 智徳

(72)【発明者】

【氏名】和田 眞禎

(72)【発明者】

【氏名】西原 寅史

【審査官】 杉田 剛謙

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１８−０１３１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５４−０８８９０９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第５２８７９８８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２９１８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１４５９５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／１５２２７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１９−１８４０２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１７Ｃ １／００−１３／１２

Ｆ１６Ｊ １２／００−１３／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バルブを装着可能な口金と前記口金が圧入される折り返し部を少なくとも一端部に有する円筒状のライナーとを少なくとも備えた高圧ガス貯蔵タンクであって、
前記ライナーの前記折り返し部の内周面と前記折り返し部に圧入された前記口金の外周面との間には周方向のシール部が形成されており、前記シール部よりも前記ライナーの中心軸方向外方における前記口金の外周面には周方向に凹部または凸部が形成されており、前記折り返し部の内周面には前記口金に形成した凹部または凸部に係合可能な凸部または凹部が形成されており、
常温常圧環境下では前記凹部と凸部とは非係合状態にあり、貯蔵したガスの放出時の断熱膨張により生じる低温低圧環境下では前記折り返し部の中心軸方向への熱収縮により前記凹部と凸部とが係合可能な状態であることを特徴とする高圧ガス貯蔵タンク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高圧ガス貯蔵タンクに関する。

【背景技術】

【0002】

水素ガスを貯蔵するための高圧ガス貯蔵タンクは、例えば燃料電池を備えた車両等において広く用いられている。高圧ガス貯蔵タンクは、通常、バルブを装着可能な口金と、高圧水素ガスの収容部となる樹脂製のライナーと、前記ライナーの外周を覆う補強層とを備えており、前記口金は前記ライナーの一方または双方の先端開口部に装着されている。一例が特許文献１に記載されている。そこでは、ブロー成形により、成形時にライナーの先端に口金を一体化するようにしている。成形の過程で、口金の外周に設けた凹溝内にライナーを成形する樹脂の一部が入り込むことで、口金がライナーの先端開口部との間で不用意に移動するのを阻止している。

【0003】

樹脂製のライナーは、低温環境下で熱収縮する。特許文献１に記載の高圧ガス貯蔵タンクでは、口金の外周に設けた凹溝内にライナーを成形する樹脂が一体に入り込んだ状態にあることから、ライナーの熱収縮時に応力が特定箇所に集中して破損等が生じる恐れがあり、そのために、設計時に、凹溝の形状や寸法等に、慎重な配慮が求められる。

【0004】

他の形態の高圧ガス貯蔵タンクが特許文献２に記載されている。そこでは、射出成形により、先端開口部に折り返し部を有する円筒状のライナーを成形する。成形後、後作業で折り返し部内に口金を圧入する。口金は外周面に周方向の凹溝を有し、該凹溝内にＯリングが挿入され、挿入したＯリングと前記ライナーの折り返し部の内周面との間で、シールラインが形成される。シールラインでのシール性を維持するために、シールラインに対応する前記折り返し部の外周面に金属製リング（インサートリング）を配置している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４−２３８１１０号公報

【特許文献2】特開２０１０−２４９２３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

射出成形によりライナーを成形し、その折り返し部内に口金を後作業で圧入する製造方法は、ブロー成形によりライナーの開口部に口金を一体に固定する製造方法と比較して、設計の自由度は大きくなる。しかし、前者の製造方法で得られた高圧ガス貯蔵タンクは、低温低圧環境下におかれたときに、ライナーの収縮に起因して、ライナーと口金との間に滑りが生じる恐れがあり、滑りが生じると、口金の姿勢が不安定になる恐れがある。極端な場合には、ライナーの先端部が口金から抜ける恐れがある。それを回避するために、シールライン位置に配置する金属製リングによる締め付け強度の設定等に慎重な配慮が求められている。

【0007】

図３は、従来の高圧ガス貯蔵タンクにおいて、低温低圧環境下に生じる恐れのあるシール部の滑りを示している。図３において、中心軸Ｏの左側の図は、高圧ガス貯蔵タンク１の製造時の状態、すなわち、常温常圧時での状態を示し、中心軸Ｏの右側の図は、高圧ガス貯蔵タンク１が低温低圧状態時（例えば−６７℃／０．１ＭＰａ）での状態を示している。

【0008】

図３において、２は射出成形によって形成された円周方向に軸対称である円筒状のライナーであり、中心軸Ｏは、該ライナー２の中心軸である。ライナー２は、中心軸方向の端部に折り返し部３を有し、該折り返し部３には、バルブ４を備え中心軸Ｏを共通する口金５が挿入されている。挿入された口金５の下端部は、折り返し部３の下端部内に圧入されている。ライナー２および口金５の外周面を覆うようにして、ＦＲＰ等からなる補強層６が形成され、高圧ガス貯蔵タンク１の強度を確保している。

【0009】

口金５の下端部には周方向の凹溝が形成されており、該凹溝にＯリング７が挿入されている。口金５の下端部の外周面とライナー２の折り返し部３の下端部の内周面とは全周面において面接触しており、Ｏリング７と折り返し部３の下端部の内周面との接触によって、そこにシールラインが形成されている。折り返し部３の下端部の前記シールラインに対応する外周面には金属製リング８が装着されている。

【0010】

図３の中心軸Ｏ左側の図に示すように、常温常圧時では、口金５の外周面とライナー２の折り返し部３の外側面とは密接しており、かつ、口金５の下端部の外周面と折り返し部３の下端部の内周面も密着している。この状態にある高圧ガス貯蔵タンク１が、低温低圧環境下におかれると、円周方向に軸対称である樹脂製のライナー２は、図３の中心軸Ｏ右側の図の矢印で示すように、高圧ガス貯蔵タンク１の中心部方向に向かい径方向および中心軸方向に収縮する。そして、圧入部の摩擦力、すなわち金属製リング７の径方向への締め付け力をも加味した、口金５の下端部の外周面とライナー２の折り返し部３の下端部の内周面との間の摩擦力が、ライナー２の中心軸方向の収縮力よりも小さくなったときに、両者間に滑りが発生し、図３の中心軸Ｏ右側の図に示すように、ライナー２の折り返し部３の下端部は、距離ｈだけ、常温常圧時よりも下方に滑りながら移動したようになる。このような滑りが生じると口金５の姿勢が不安定となり、ライナー２と口金５との間のシール性も低下する恐れがある。

【0011】

なお、上記したライナー２の低温低圧環境は、高圧ガス貯蔵タンク１内に例えば３５〜７０ＭＰａ程度で貯蔵された高圧水素ガスが、高圧ガス貯蔵タンク１から放出されるときに生じる水素ガスの断熱膨張によって、形成される。

【0012】

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、バルブを装着可能な口金と前記口金が圧入される折り返し部を少なくとも一端部に有する円筒状のライナーとを少なくとも備えた高圧ガス貯蔵タンクにおいて、低温低圧環境下においてライナーが収縮した場合であっても、口金との間でライナーに滑りが生じるのを回避し、口金の姿勢の安定性を確保できるようにした高圧ガス貯蔵タンクを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明による高圧ガス貯蔵タンクは、バルブを装着可能な口金と前記口金が圧入される折り返し部を少なくとも一端部に有する円筒状のライナーとを少なくとも備えた高圧ガス貯蔵タンクであって、前記ライナーの前記折り返し部の内周面と前記折り返し部に圧入された前記口金の外周面との間には周方向のシール部が形成されており、前記シール部よりも前記ライナーの中心軸方向外方における前記口金の外周面には周方向に凹部または凸部が形成されており、前記折り返し部の内周面には前記口金に形成した凹部または凸部に係合可能な凸部または凹部が形成されており、常温常圧環境下では前記凹部と凸部とは非係合状態にあり、貯蔵したガスの放出時の断熱膨張により生じる低温低圧環境下では前記折り返し部の中心軸方向へ熱収縮により前記凹部と凸部とが係合可能な状態であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明による高圧ガス貯蔵タンクでは、貯蔵したガスの放出時の断熱膨張により生じる低温低圧環境時にライナーに熱収縮が生じても、口金との間でのライナーに滑りが生じるのを阻止することができる。それにより、口金の姿勢の安定性が保持される。また、高圧ガス貯蔵タンクの製造時に口金をライナーに圧入するときの圧入作業にも格別の不都合をもたらすこともない。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】高圧ガス貯蔵タンクを構成するライナーに口金を圧入した状態での当該高圧ガス貯蔵タンクの口金近傍の断面図であり、常温常圧時での状態を示す。

【図2】図１に示す構成を備えた高圧ガス貯蔵タンクが貯蔵ガスの放出時の断熱膨張により生じる低温低圧環境下にあるときの口金近傍を示す断面図。

【図3】従来の高圧ガス貯蔵タンクにおいて、常温常圧時と低温低圧時との間でのライナーの姿勢変化を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の一実施の形態を、添付の図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の高圧ガス貯蔵タンク１００を構成するライナー１０に口金２０を圧入した状態での、前記口金２０の近傍を断面で示しており、高圧ガス貯蔵タンク１００が常温常圧時での状態を示している。図１の状態から、口金２０に図示しないバルブを装着し、さらに、ライナー１０と口金２０の外周面を、ＦＲＰのような補強材料で被覆することにより、高圧ガス貯蔵タンク１００とされる。なお、ここで、常温常圧時とは、高圧ガス貯蔵タンク１００が製造されるときの環境あるいは製造後に高圧ガスを貯蔵することなく大気環境にそのままおかれている環境である。

【0017】

ライナー１０は中心軸Ｏを持つ円筒体であり、その中心軸方向の一端部または両端部には、中心軸Ｏを同じくする円錐状の折り返し部１１を備えている。折り返し部１１の下端部１２は円筒状となっており、該円筒状の下端部１２の内径は、ライナー１０の本体部１３の内径よりも小さい。この例で、ライナー１０は、射出成形による成形品であり、素材としては、ポリアミド、エチレンビニルアルコール共重合体、ポリエチレン等が用いられる。

【0018】

射出成形されたライナー１０の前記した折り返し部１１内に、バルブを装着可能な口金２０が圧入される。図１では、バルブの図示は省略している。口金２０は、円筒状の本体部２１と、該本体部２１の下端部であるシール部２２と、本体部２１の上方部の大径のフランジ部２３とを有する。前記シール部２２の外径寸法は、ライナー１０の折り返し部１１における円筒状の下端部１２の内径寸法よりもわずかに大きく、また、前記フランジ部２３の外径寸法は、前記折り返し部１１とライナー１０の円筒状の本体部１３との間の繋ぎ部１４の中間部近傍に達する寸法とされている。

【0019】

成形後のライナー１０の前記折り返し部１１に、図で上方から口金２０の本体部２１を圧入する。それにより、前記シール部２２の外周面と、ライナー１０の折り返し部１１における円筒状の下端部１２の内周面とは圧着した状態となる。口金２０のフランジ部２３が、ライナー１０の前記繋ぎ部１４に乗った位置となることで、口金２０はライナー１０に対して装着された状態となる。

【0020】

口金２０のシール部２２は、その外周面に周方向の凹溝２４が形成されており、該凹溝２４内には、所要寸法のＯリング２５が嵌入されている。前記のようにライナー１０の折り返し部１１の円筒状の下端部１２の内周面は、口金２０のシール部２２の外周面に圧接しており、その圧接面とＯリング２５とで、シールラインが形成される。有効なシール性を確保するために、ライナー１０の折り返し部１１の円筒状の下端部１２の外周面またはその内部には、金属製リング（インサートリング）１５が配置されており、該金属製リング１５によってシールラインに所要の圧接力が維持される。

【0021】

ライナー１０の前記下端部１２と前記繋ぎ部１４との間である円錐状の折り返し部１１は、口金２０の前記本体部２１の外周面には接していない。より具体的には、ライナー１０に口金２０を組み付けるとき、すなわち常温常圧の状態では、ライナー１０の前記折り返し部１１の内周面は口金２０の本体部２１の外周面とは接していない。

【0022】

口金２０のシール部２２よりも、中心軸方向の外方部である本体部２１の外周面には、周方向の係合用凹溝２６が形成されている。一方、ライナー１０の折り返し部１１における、前記係合用凹溝２６に対向する部位には、係合用凸部１６が形成されている。前記したように、温常常圧の状態では、ライナー１０の折り返し部１１と口金２０の本体部２１とは接してなく、その状態で、前記係合用凸部１６と係合用凹溝２６とが相互に干渉しない位置と大きさに、前記係合用凸部１６が形成されている。そのために、ライナー１０に対して口金２０を圧入するときに、係合用凹溝２６と係合用凸部１６が互いに干渉することはなく、口金２０の圧入はスムーズに行われ、ライナー１０に予期しない塑性変形等が生じるようなことはない。

【0023】

図１に示したライナー１０と口金２０との組み付け体に対して、その全外周面を覆うようにしてＦＲＰのような強化材を巻き付けることで、外周補強層３０（図２参照）が形成され、それにより、高圧ガス貯蔵タンク１００が完成する。製造された高圧ガス貯蔵タンク１００に対して、口金２０に装着したバルブを介して、ライナー１０の内部に高圧のガス（例えば、水素、ヘリウム等）が供給され、供給されたガスは、高圧ガス貯蔵タンク１００内に、例えば３５〜７０ＭＰａ程度の状態で貯蔵される。

【0024】

貯蔵した高圧ガスを高圧ガス貯蔵タンク１００から放出するときに、その放出により高圧ガス貯蔵タンク１００内の温度および圧力は低下する。温度の低下は放出ガスの断熱膨張に起因する。貯蔵するガスの種類やガスの放出環境によって異なるが、水素ガスの場合、高圧ガス貯蔵タンク１００内の温度は例えば−７０℃程度まで低下し、また、放出によって、高圧ガス貯蔵タンク１００内の圧力は、０．１ＭＰａ程度まで降下する。

【0025】

高圧ガス貯蔵タンクの内部が低温になると、樹脂製であるライナー１０が熱変形により、軸方向と径方向の双方向に収縮する。高圧ガス貯蔵タンク内が高圧状態の場合には、高圧ガス貯蔵タンク内圧力によりライナー１０の熱収縮はある程度は抑制されるが、高圧ガス貯蔵タンク内が低圧状態となると、無視できない量の熱収縮が生じる。

【0026】

図２は、高圧ガス貯蔵タンク１００において、例えば−６７℃／０．１ＭＰａの環境下で、ライナー１０に熱収縮が起こった状態を示している。前記したように、ライナー１０が熱収縮を起こすと、ライナー１０は中心軸Ｏ方向だけでなく径方向にも収縮する。図２に示すように、熱収縮により、一部において、ライナー１０と口金２０および外周補強層３０との間に剥離４０が生じるとともに、その収縮時の挙動により、常温常圧下での口金の圧入工程では互いに干渉しなかった口金２０に形成した係合用凹溝２６とライナー１０に形成した係合用凸部１６とは、口金２０に形成した係合用凹溝２６内に、ライナー１０に形成した係合用凸部１６が係合した状態となる。その係合により、ライナー１０の軸方向下方へ向けての収縮は抑制される。その結果、熱収縮によって、口金２０のシール部２２の外周面とライナー１０の折り返し部１１の下端部１２の内周面との間の摩擦力が、ライナー１０の中心軸Ｏに向けての収縮力よりも小さくなったときでも、図３に基づき説明したような、ライナー１０が軸方向へ滑る挙動は阻止される。滑りが阻止されることで、口金２０のライナー１０に対する姿勢の安定性は、良好に維持される。

【0027】

なお、本発明において、低温および低圧の具体的数値は、固定した値でなく、高圧ガス貯蔵タンクの形状および容量や、ライナーの材料の種類、所蔵するガスの種類、等によって、変化する。実際の高圧ガス貯蔵タンクに対して、実験的に、あるいは計算により、それぞれ高圧ガス貯蔵タンクごとに設定される。また、高圧ガス貯蔵タンクが実際に使用される環境で起こり得る、前記低温低圧環境を考慮して、図１に示したライナー１０と口金２０の隙間や、そこに形成する係合用凹溝２６と係合用凸部１６の大きさを設定することとなる。
なお、以上の説明では、口金２０側に係合用凹溝２６を、ライナー１０側に係合用凸部１６を、それぞれ形成するようにしたが、係合用凹溝２６と係合用凸部１６の形成部は逆であってもよい。しかし、ライナー１０に係合用凹溝２６を形成する場合には、その部位においてライナー１０の厚みが薄くなることとなり、場合によっては、機械的強度が不足することが起こり得る。したがって、図１および図２に示した形態は、より好ましい態様といえる。

【符号の説明】

【0028】

１００…高圧ガス貯蔵タンク、
Ｏ…中心軸、
１０…ライナー、
１１…折り返し部、
１２…折り返し部の下端部、
１３…ライナーの本体部、
１４…繋ぎ部、
１５…金属製リング（インサートリング）、
１６…係合用凸部、
２０…口金、
２１…口金の本体部、
２２…口金のシール部、
２３…口金のフランジ部、
２４…凹溝、
２５…Ｏリング、
２６…係合用凹溝、
３０…外周補強層、
４０…ライナーと口金および外周補強層との間に生じた剥離。

【図1】

【図2】

【図3】