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JP5168677B2 - 高圧タンク - Google Patents

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Description

本発明は、高圧タンクに関する。さらに詳述すると、本発明は、水素ガス等が充填される高圧タンクにおけるバルブ周辺の構造の改良に関する。
水素等のガス貯蔵に利用される高圧タンクとして、高圧タンク本体の開口部に設けられた口金にバルブアッセンブリ(高圧バルブ等を内蔵した部品)を取り付ける構造のものが利用されている。また、口金にバルブアッセンブリを取り付けるにあたっては、口金のめねじ部分にバルブアッセンブリのおねじ部分を螺合させるという単純なねじ構造が多く利用されている。
従来、このような高圧タンクとして、例えば口金と気圧バルブを有する高圧容器であって、口金のフランジ部のライナ向き面(フランジ部のうちタンク筐体を構成するライナの方を向いている面)において一端が開口する通気孔を有するもの等が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−082887号公報
しかしながら、上述した構造の高圧タンクの場合、口金と詰栓(メクラ栓)との間のような隙間に溜まったガスを外部に排出できない。一方で、このようにタンク内の隙間に溜まったガスをタンク外へと排出できるようにした構造の高圧タンクが提案されているが、場合によっては大きなコストを要する場合がある。
そこで、本発明は、バルブと口金の間の空間などにおけるガス溜まりを抑制しつつ低コストを実現しうる構造の高圧タンクを提供することを目的とする。
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。高圧タンク内の高圧ガスが外部等に漏れないようシールするため、バルブのタンク本体側の端部などにおいてゴムシールが多く使用されている。また、ゴムシールを透過してしまったガスが機器内に溜まらないようにするため、当該ガスの抜け孔(ガス抜き孔)が加工されている。さらにこの場合、ガス抜き孔の外側から水がタンク内へと浸入(逆浸入)するのを回避するため、防水性と通気性を備えた防水透湿性素材(例えばゴアテックス(登録商標))のシールなどがガス抜き孔に設けられる等している。しかし、このようにするとゴムシールやガス抜き孔加工などにコストを要し、さらに、ガス抜き孔やゴアテックス(登録商標)シールが複数になればその分だけ加工費や組付け手間を要してしまう。このような点に着目し、ガス溜まりを抑制しつつ低コストを実現しうる構造について検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
本発明にかかる高圧タンクは該知見に基づくもので、口金と、該口金に設けられるバルブと、を備える高圧タンクにおいて、口金とバルブとの間または当該バルブ内に形成されている空間であって、タンク側から透過したガスが溜まる可能性のある空間どうしを連通する連通孔と、空間のいずれかからタンク外へと抜けるガス抜き孔と、が形成されている、というものである。
タンク側から透過したガスが溜まる可能性のある空間(例えば口金とバルブとの間に形成されるガス溜まり空間、バルブの中心付近に形成されるガス溜まり空間など)が互いに独立した構造となっている場合、当該空間からガスを抜くためのガス抜き孔や、該ガス抜き孔の出口に設けるゴアテックス(登録商標)シールなどの部材がそれぞれの空間に対して必要となる。この点、空間どうしを連通(バイパス)させた構造の高圧タンクにおいては、ある空間に溜まったガスを、連通孔を介して他の空間からタンク外へと排出することが可能となるから、連通した複数の空間に対して少なくとも1つのガス抜き孔とゴアテックス(登録商標)シールが設けられていれば足りるようになる。したがって、従来は空間ごとに必要となっていたガス抜き孔やゴアテックス(登録商標)シールの一部を省略することが可能である。
このような高圧タンクにおいては、口金とバルブとの間に形成される空間から、口金とバルブとの接触面と交差する方向に連通するガス抜き孔が形成されていることが好ましい。こうした場合、面接触によってシールされている口金とバルブとの接触面を傷つけることなく、空間に溜まったガスを当該ガス抜き孔によって排出することができる。
上述の連通孔は、例えば、配線を収容するためバルブに形成された空間と、口金およびバルブの間に形成された空間とを連通するものである。この場合、ガス抜き孔が形成されていない空間に溜まったガスは、連通孔を介して他の空間からタンク外へと排出される。
また、連通孔は、バルブのねじ部よりもタンク中心寄りに設けられていることが好ましい。ねじ部を避けて連通孔を設けることとすれば、当該ねじ部に設ける場合よりも連通孔の加工が行いやすい。
また、連通孔は、タンク側から透過したガスが溜まる可能性のある3つ以上の空間のうち少なくとも2つを連通するものであることも好ましい。空間が3つ以上の場合、そのうちの2つの空間、より好ましくはすべての空間を連通孔で連通させることにより、空間ごとに必要となっていたガス抜き孔やゴアテックス(登録商標)シールをより多く省略することが可能である。
さらに、連通孔は、バルブの径方向に直線状に延びていることが好ましい。この場合、当該連通孔の長さを最短とすることができる。
また、ガス抜き孔のタンク外への開口部には、防水性と通気性を備えた防水透湿性素材が設けられている。
本発明によれば、バルブと口金の間の空間などにおけるガス溜まりを抑制しつつ低コストを実現しうる構造とすることができる。
本発明の一実施形態における高圧タンクの断面図である。 高圧タンクの要部を示す断面図である。
符号の説明
1…高圧タンク、11…口金、50…バルブアッセンブリ(バルブ)、51…連通孔、52…ガス抜き孔、52a…開口部、53…ねじ部、64…配線、66…ゴアテックスシール(防水透湿性素材)、70…筒状空間(タンク側から透過したガスが溜まる可能性のある空間)、80…配線用空間(タンク側から透過したガスが溜まる可能性のある空間)
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
図1、図2に本発明にかかる高圧タンク1の実施形態を示す。高圧タンク1は、例えば燃料電池車の燃料ガス供給用のタンク等として好適なものである。以下では、本発明にかかる高圧タンク1を燃料電池システムにおける燃料供給源としての高圧の水素タンクに適用した場合について説明する(図1等参照)。
高圧タンク1は、特に図示はしないが例えば3本のタンクが燃料電池車両のリア部に搭載される等して用いられる。高圧タンク1は燃料電池システムの一部を構成し、燃料ガス配管系を通じて燃料電池に燃料ガスを供給する。高圧タンク1に充填される燃料ガスは例えば水素ガスであるが、その他、圧縮天然ガスといった可燃性の高圧ガスなども充填されうる。本実施形態の高圧タンク1は、例えば35MPaといった圧力で水素ガスを充填可能に構成されている。特に図示してはいないが、高圧タンク1の主止弁を開くと、供給路に水素ガスが流出する。その後、水素ガスは、インジェクタにより流量及び圧力を調整された後、さらに下流において機械式の調圧弁その他の減圧弁により最終的に例えば200kPa程度まで減圧され、燃料電池に供給される。
図1に、高圧タンク1の概略構成を示す。高圧タンク1は、例えば両端が略半球状である円筒形状のタンク本体10と、当該タンク本体10の長手方向の一端部に取り付けられた口金部11,18を有する。タンク本体10は例えば二層構造の壁層を有し、内壁層である樹脂ライナ20とその外側の外壁層である樹脂繊維層(補強層)としての例えばCFRP層21を有している。タンク本体10とほぼ同じ形状に形成される樹脂ライナ20は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている。本実施形態では、タンク軸方向の略中心で分割されたのと同じ形状の2種類の分割樹脂ライナをあらかじめ成形し、これらを溶着することによって両端が略半球状である円筒形状の樹脂ライナ20を得ることとしている。
バルブアッセンブリ50は、外部のガス供給ライン(供給路22)と高圧タンク1の内部との間で燃料ガスの給排を制御するものである。バルブアッセンブリ50の外周面と口金部11の内周面との間には、シール部材60、61が介在されている。
樹脂ライナ20の口金11のある先端側には、内側に屈曲した折返し部30が形成されている(図2参照)。折返し部30は、外側のCFRP層21から離間するように高圧タンク本体10の内側に向けて折り返されている。折返し部30は、例えば折り返しの先端に近づくにつれて次第に径が小さくなる縮径部30aと、当該縮径部30aの先端に接続され径が一定の円筒部30bとを有している。この円筒部30bにより樹脂ライナ20の開口部が形成されている。
口金11は、略円筒形状を有し、樹脂ライナ20の開口部に嵌入されている。口金11は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造されており、例えばインサート成形により樹脂ライナ20に取り付けられている。口金11の内周面には、バルブアッセンブリ50をねじ込み接続するためのめねじ部42が形成されている。
バルブアッセンブリ50は、外部のガス供給ライン(供給路22)と高圧タンク1の内部との間で燃料ガスの給排を制御するものである。このバルブアッセンブリ50の軸部分には、口金11のめねじ部42に螺合するねじ部53が形成されている。なお、図2では、後述する筒状空間70をわかりやすく示すため、ねじ部53をめねじ部42に噛み合わせていない、実際とは異なる状態で図示している。また、バルブアッセンブリ50の外周面と口金部11の内周面との間には、シール部材60、61が介在されている。
また、口金11は、例えば先端側(高圧タンク1の軸方向の外側)に鍔部11aが形成され、例えばその鍔部11aの後方側(高圧タンク1の軸方向の内側)に凹み部11bが形成されている(図2参照)。この凹み部11bには、CFRP層21の先端部付近が気密に接触している。また、CFRP層21と接触する凹み部11bの表面には、例えばフッ素系の樹脂などの固体潤滑コーティングが施されている。これにより、CFRP層21と凹み部11bとの間の摩擦係数が低減されている。
口金11の凹み部11bのさらに後方側は、例えば樹脂ライナ20の折返し部30の形状に適合するように形成され、例えば凹み部11bに連続して径の大きい突出部11cが形成され、その突出部11cから後方に一定径の口金円筒部11dが形成されている。上記樹脂ライナ20の折返し部30の縮径部30aは、突出部11cの表面に密着し、円筒部30bは、口金円筒部11dの表面に密着している。特に図示していないが、円筒部30bと口金円筒部11dとの間には、Oリング等のシール部材が介在されている。
また、口金11の外側端面とバルブアッセンブリ50の頭部裏面とが接触する部分には、互いに気密に接触するためのメタルシール90が形成されている(図2参照)。したがって、口金11にバルブアッセンブリ50を締結させた状態とすると、互いの接触面はその間をガスが透過しないようにシールされる。例えば本実施形態の高圧タンク1の場合、少なくとも、筒状空間70よりも径方向外側の部分にメタルシール90が形成されており、該筒状空間70とタンク外との間がシールされた状態とされる。
バルブアッセンブリ(本明細書では単にバルブともいう)50は、外部のガス供給ラインと高圧タンク1の内部との間で燃料ガスの給排を制御するものである。バルブアッセンブリ50の外周面と口金11の内周面との間には、シール部材としてのOリング60が設けられている(図2参照)。
また、バルブアッセンブリ50のタンク本体寄り端部には、電磁弁62およびフィードスルー63が設けられている(図2参照)。電磁弁62は電気信号に応じて開閉するものであり、燃料電池システムに対して所定時に所定量の燃料ガスを供給するように制御される。フィードスルー63は、電磁弁62に接続される配線64をタンク外から高圧であるタンク内へと送り込むための機器である。本実施形態のフィードスルー63は、配線64の一部を気密に覆った状態で、バルブアッセンブリ50の端部に形成されている凹部内に設置されている。凹部とフィードスルー63との間には、シール部材としてのOリング61が設けられている(図2参照)。
配線64は、バルブアッセンブリ50内に形成されている配線用空間80を利用して配線されている。この配線用空間80はタンク軸方向に沿ってバルブアッセンブリ50内を貫通するように形成されている細長い空間で、この配線用空間80の一端はタンク外へと繋がっている(図2参照)。この一端において、配線用空間80の内周面と配線64との間には、配線64を保護するグロメット65が設けられている。このグロメット65およびOリング61によって両端がシールされている配線用空間80は、当該シール(具体的にはOリング61)を透過した場合の水素ガスが溜まることのある空間である。
また、上述した口金11とバルブアッセンブリ50との間には、略筒状の隙間からなる筒状空間70が形成される(図2参照)。この筒状空間70は、一端側が上述したメタルシール90、他端側がOリング60によってそれぞれシールされているため、当該シール(具体的にはOリング60)を透過した場合の水素ガスが溜まることのある空間である。
ここで、本実施形態では、バルブアッセンブリ50に、上述の配線用空間80と筒状空間70とを連通する連通孔51を設けている(図2参照)。具体的には、この連通孔51は、バルブアッセンブリ50の外周面から配線用空間80へと繋がるように形成された細孔からなる。連通孔51の径は、空間70,80に溜まっているガスを排出しうるものであれば特に限られることはないが、細すぎると加工に影響が及ぶ可能性があるので諸事情を踏まえて適宜設定するのがよい。
また、本実施形態では、高圧タンク1内から透過したガスをタンク外へと排出するためのガス抜き孔52を、筒状空間70に対してのみ設けることとしている(図2参照)。このガス抜き孔52の開口部52aには、当該ガス抜き孔52の外側から水などがタンク内へと浸入(逆浸入)するのを回避するため、防水性と通気性を備えたゴアテックス(登録商標)シール66を設けている(図2参照)。
このように、タンク側から透過したガスが溜まる可能性のある空間(本実施形態の場合、口金11とバルブアッセンブリ50との間に形成される筒状空間70、バルブアッセンブリ50の中心付近に形成される配線用空間80)どうしをバイパスさせた構造の高圧タンク1においては、例えば配線用空間80に溜まったガスを、連通孔51を介して他の空間(筒状空間70)からガス抜き孔52を通じてタンク外へと排出することが可能である。したがって、本実施形態の高圧タンク1においては、従来必要であったガス抜き孔やゴアテックス(登録商標)シールの一部を省略することができる。具体的に示すと、従来は配線用空間80に対応して設けられていたガス抜き孔152およびゴアテックス(登録商標)シール166を本実施形態の高圧タンク1では省略している(図2中の2点鎖線参照)。
また、本実施形態では、上述したガス抜き孔52を、筒状空間70から、口金11とバルブアッセンブリ50との接触面を交差する方向に連通するように形成している(図2参照)。すなわち、メタルシール90が形成されている口金11とバルブアッセンブリ50の接触面に対して、ガス抜き孔52がほぼ直交するように形成されている(図2参照)。こうした場合、金属どうしの面接触によってシールされている口金11とバルブアッセンブリ50との接触面を傷つけることなく、空間70,80に溜まったガスを当該ガス抜き孔52によって排出することができる。
また、本実施形態では、上述した連通孔51を、バルブアッセンブリ50のねじ部53よりもタンク中心寄りに設けている(図2参照)。このようにねじ部53を避けて連通孔51を設ける本実施形態の場合には、当該ねじ部53に連通孔51を設ける場合よりも当該連通孔51の加工が行いやすい。さらに、本実施形態ではバルブアッセンブリ50の径方向に直線状に延びる連通孔51としている(図2参照)。こうした場合、当該連通孔51の長さを最短とすることができる(図2参照)。
以上のように、本実施形態では、Oリング(シール部材)60,61を用いて内部ガスをシールしており、これらOリング60,61を透過したガスをタンク外へ排出するための複数のガス抜き孔52が必要であり、尚かつ水等の液体の浸入を回避するためゴアテックス(登録商標)シール66をも必要とする構成の高圧タンク1において、連通孔51を利用することによってガス抜き孔(152)やゴアテックス(登録商標)シール66の一部を省略することを可能としている。一般に、口金11とバルブアッセンブリ50との間には空間(空間70)が存在し、さらに配線用空間80などの他の空間が存在する場合があり、ガス抜き孔52やゴアテックス(登録商標)シール66の数が増えればその分だけ加工や組付けのコスト、材料のコストが増す。本実施形態では、これらガス抜き孔52やゴアテックス(登録商標)シール66の一部を省略することが可能な構造とすることで、このようなコストの削減を実現させている。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した各実施形態では、配線用空間80に繋がるガス抜き孔152およびゴアテックス(登録商標)シール166を省略した場合について説明したが(図2参照)、もちろん、これとは逆に、筒状空間70に繋がるガス抜き孔52およびゴアテックス(登録商標)シール66を省略することも可能である。ただし、図2に例示した高圧タンク1のように、ガス抜き孔52よりもガス抜き孔152のほうが長くなる場合には、当該長くなるガス抜き孔152を省略するほうが、通気のしやすさという観点からは有利である。
また、上述した実施形態では、ガス抜き孔52の開口部52aにゴアテックス(登録商標)シール66を設けたが、これは防水性と通気性を備えた防水透湿性素材の好適な一例にすぎない。これ以外の部材であっても、ガス抜き孔52の外側から水がタンク内へと浸入するのを回避することができるものであれば利用することが可能である。
さらに、上述した実施形態では、タンク側から透過したガスが溜まる可能性のある空間として筒状空間70と配線用空間80の2つを例示したが、このような空間が3つ以上ある場合にも本発明を適用することは当然に可能である。この場合には、3つ以上存在する空間のうちの2つを連通孔51で連通させるだけでもよいが、ガス抜き孔52やゴアテックス(登録商標)シール66の省略という観点からすればすべての空間を連通させることがより好ましい。空間が3つ以上ある場合とは、例えば上述した電磁弁62に加えてセンサなど他の部品が併設され、配線用の空間が増えるような場合である。
また、上述した実施形態では、高圧タンク1が燃料電池システムにおける燃料供給源としての水素高圧タンクである場合について説明したが、これも本発明の好適な形態例にすぎない。要は、高圧ガスをOリング等でシールしているバルブ構造であり、該シールを透過したガスをタンク外に逃がすとともに外部からの液体の浸入を嫌うガス抜き孔を有しており、尚かつガスが溜まる可能性のある空間が2つ以上ある高圧タンクに対して本発明を適用することが可能である。
本発明は、水素ガス等が充填される高圧タンク等、バルブを口金に締結させる構造の各種高圧タンクに適用して好適なものである。

Claims (4)

  1. 口金と、該口金に設けられるバルブと、を備える高圧タンクにおいて、
    タンク側から透過したガスが溜まる可能性のある空間である、前記バルブ内に配線を収容するため当該バルブに形成された配線用空間と、 前記口金および前記バルブの間に形成された筒状空間と、を連通する連通孔と、
    前記空間のいずれかからタンク外へと抜けるガス抜き孔と、
    が形成され
    前記ガス抜き孔のタンク外への開口部に、防水性と通気性を備えた防水透湿性素材が設けられている、高圧タンク。
  2. 前記口金と前記バルブとの間に形成される前記筒状空間から、前記口金と前記バルブとの接触面と交差する方向に連通する前記ガス抜き孔が形成されている、請求項1に記載の高圧タンク。
  3. 前記連通孔は、前記バルブのねじ部よりもタンク中心寄りに設けられている、請求項1に記載の高圧タンク。
  4. 前記連通孔は、前記バルブの径方向に直線状に延びている、請求項1から3のいずれか一項に記載の高圧タンク。
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