JP7472871B2 - tank - Google Patents
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Description
本発明は、タンクに関し、特にOリングとバックアップリングにより構成されたシール構造を有するタンクに関する。 The present invention relates to a tank, and in particular to a tank having a seal structure composed of an O-ring and a backup ring.
水素タンク等のタンクは、内部にガスを貯留する貯留空間と該貯留空間と連通する開口部とを有するライナーと、ライナーの外周に形成された補強層と、ライナーの開口部を閉塞するマニホールドとを備えている。マニホールドは、蓋状部材であり、ライナーの開口部内に挿入される挿入部を有する。このような構造を有するタンクでは、ガスがライナーの開口部とマニホールドの挿入部との隙間から漏れるのを防止するため、例えば下記特許文献1に記載されたシール構造が採用されている。
Tanks such as hydrogen tanks are equipped with a liner having a storage space for storing gas inside and an opening communicating with the storage space, a reinforcing layer formed on the outer periphery of the liner, and a manifold that closes the opening of the liner. The manifold is a lid-like member with an insertion part that is inserted into the opening of the liner. In tanks with such a structure, a sealing structure such as that described in
すなわち、挿入部の外周壁に外周溝を設け、該外周溝にOリング及びバックアップリングを密接した状態で装着することで、ライナーの開口部とマニホールドの挿入部との間のシール性を確保する。そして、バックアップリングは、長尺状のリング本体と、該リング本体の両端にそれぞれ形成されるとともにリング本体の長手方向に対して傾斜したバイアスカット面とを有する。バックアップリングは、バイアスカット面同士を突き合わせた状態で外周溝に装着されている。 That is, an outer circumferential groove is provided on the outer circumferential wall of the insertion portion, and an O-ring and backup ring are fitted in the outer circumferential groove in a tightly contacting state, thereby ensuring a seal between the opening of the liner and the insertion portion of the manifold. The backup ring has a long ring body and bias cut surfaces formed on both ends of the ring body and inclined with respect to the longitudinal direction of the ring body. The backup ring is fitted in the outer circumferential groove with the bias cut surfaces butting against each other.
しかし、このようなバックアップリングを有するシール構造では、バックアップリングの加工寸法のばらつきが大きい場合、又はガス充填によってタンクがその径方向外側に膨張する膨張量が大きい場合、突き合わせられたバイアスカット面同士が互いに引き離れる方向に位置ずれが発生してしまう。バイアスカット面が形成された部分は、リング本体と比べて厚さが比較的に薄い(言い換えれば、薄肉部である)ので、バイアスカット面同士が引き離れると、該薄肉部に応力が集中し、バックアップリングが破損し、更にOリングも破損する可能性がある。 However, in a seal structure having such a backup ring, if there is a large variation in the machining dimensions of the backup ring, or if the tank expands significantly radially outward due to gas filling, the butted bias-cut surfaces will become misaligned and pull apart. The portion where the bias-cut surfaces are formed is relatively thin compared to the ring body (in other words, it is a thin-walled portion), so when the bias-cut surfaces pull apart, stress is concentrated in the thin-walled portion, damaging the backup ring and potentially damaging the O-ring as well.
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、バックアップリングとシール部材の破損を防止できるタンクを提供することを目的とする。 The present invention was made to solve these technical problems, and aims to provide a tank that can prevent damage to the backup ring and sealing member.
本発明に係るタンクは、筒状の開口部を有するライナーと、前記ライナーの開口部を閉塞するように前記開口部内に挿入される挿入部を有する蓋状部材と、を備えるタンクであって、前記挿入部には、外周溝が設けられ、前記外周溝には、前記挿入部と前記開口部との間をシールするシール部材と、前記シール部材よりも前記タンクの外側に配置されたバックアップリングとが装着され、前記バックアップリングは、長尺状のリング本体と、該リング本体の両端にそれぞれ形成されるとともに前記リング本体の長手方向に対して傾斜したバイアスカット面とを有し、前記タンク内にガスが充填される前の初期状態において、前記バックアップリングは、各バイアスカット面の少なくとも一部が前記リング本体の一部と重なった状態で前記外周溝に装着されていることを特徴としている。 The tank according to the present invention is a tank comprising a liner having a cylindrical opening, and a lid-like member having an insertion portion inserted into the opening of the liner so as to close the opening, the insertion portion being provided with an outer circumferential groove, a seal member that seals between the insertion portion and the opening, and a backup ring arranged on the outer side of the tank with respect to the seal member being attached to the outer circumferential groove, the backup ring having an elongated ring body and bias cut surfaces formed on both ends of the ring body and inclined with respect to the longitudinal direction of the ring body, and in an initial state before the tank is filled with gas, the backup ring is attached to the outer circumferential groove with at least a portion of each bias cut surface overlapping a portion of the ring body.
本発明に係るタンクでは、タンク内にガスが充填される前の初期状態において、バックアップリングは、各バイアスカット面の少なくとも一部がリング本体の一部と重なった状態で外周溝に装着されているので、仮にバイアスカット面同士が引き離れる方向に位置ずれが発生した場合であっても、従来のようにバイアスカット面が形成されて厚さが比較的に薄い部分における応力集中を抑制することができる。従って、バックアップリングとシール部材の破損を防止することができる。 In the tank according to the present invention, in the initial state before the tank is filled with gas, the backup ring is attached to the outer circumferential groove with at least a portion of each bias cut surface overlapping a portion of the ring body. Therefore, even if the bias cut surfaces are misaligned in a direction that pulls them apart, it is possible to suppress stress concentration in the relatively thin portions where the bias cut surfaces are formed, as in the conventional case. Therefore, damage to the backup ring and the seal member can be prevented.
本発明に係るタンクにおいて、2つの前記バイアスカット面のうち、前記シール部材に隣接する前記バイアスカット面の先端部分は、面取り加工され、R加工され、又はキャップ部材に覆われていることが好ましい。バイアスカット面の先端が尖っているため、シール部材にダメージを与える可能性がある。このようにシール部材に隣接するバイアスカット面の先端部分を面取り加工し、R加工し又はキャップ部材で覆うことで、シール部材へのダメージを防止することができる。 In the tank according to the present invention, of the two bias-cut surfaces, it is preferable that the tip portion of the bias-cut surface adjacent to the seal member is chamfered, rounded, or covered with a cap member. Since the tip of the bias-cut surface is sharp, there is a possibility that the seal member will be damaged. By chamfering the tip portion of the bias-cut surface adjacent to the seal member, rounding, or covering it with a cap member in this way, damage to the seal member can be prevented.
本発明に係るタンクにおいて、前記外周溝は、前記タンクの外側から内側に向って拡がるテーパ状底部を有し、前記バックアップリングは、前記外周溝の前記テーパ状底部に対応するテーパ部を有することが好ましい。タンクの内部にガスが充填されると、内圧によってシール部材及びバックアップリングをタンクの外側に押圧する押圧力が発生する。このように外周溝にタンクの外側から内側に向って拡がるテーパ状底部を設け、バックアップリングに外周溝のテーパ状底部に対応するテーパ部を設けることで、バックアップリングがライナーの開口部とマニホールドの挿入部との隙間からはみ出すことを抑制できる。その結果、バックアップリングの破損を防止する効果を更に向上することができる。 In the tank according to the present invention, it is preferable that the outer peripheral groove has a tapered bottom portion that expands from the outside to the inside of the tank, and the backup ring has a tapered portion that corresponds to the tapered bottom portion of the outer peripheral groove. When the inside of the tank is filled with gas, a pressing force is generated by the internal pressure that presses the seal member and the backup ring against the outside of the tank. By providing the outer peripheral groove with a tapered bottom portion that expands from the outside to the inside of the tank in this way, and providing the backup ring with a tapered portion that corresponds to the tapered bottom portion of the outer peripheral groove, it is possible to prevent the backup ring from protruding from the gap between the opening of the liner and the insertion portion of the manifold. As a result, the effect of preventing damage to the backup ring can be further improved.
本発明によれば、バックアップリングとシール部材の破損を防止することができる。 The present invention makes it possible to prevent damage to the backup ring and the seal member.
以下、図面を参照して本発明に係るタンクの実施形態について説明する。下記の説明において、タンクが燃料電池車両に搭載されて内部に高圧の水素ガスが充填される例を挙げるが、タンクに充填可能なガスは、水素ガスに限定されず、CNG(圧縮天然ガス)等の各圧縮ガス、LNG(液化天然ガス)、LPG(液化石油ガス)等の各種液化ガス等であっても良い。 Below, an embodiment of the tank according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, an example will be given in which the tank is mounted on a fuel cell vehicle and filled with high-pressure hydrogen gas, but the gas that can be filled into the tank is not limited to hydrogen gas, and may be various compressed gases such as CNG (compressed natural gas), LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), and the like.
図1は実施形態に係るタンクの要部を示す部分断面図である。本実施形態のタンク1は、両端がドーム状に丸みを帯びた略円筒形状の高圧ガス貯蔵容器であって、ガスバリア性を有するライナー10と、ライナー10の外周を覆うように形成された補強層20と、を備えている。
Figure 1 is a partial cross-sectional view showing the main parts of a tank according to an embodiment. The
ライナー10は、水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂材料によって形成されており、円筒状の胴体部11と胴体部11の軸L方向の両端に設けられた一対のドーム部12(図1においては片側のドーム部のみを示す)とを有する。胴体部11の軸L方向は、すなわちタンク1の軸L方向である。以下の説明では、この「タンクの軸L方向」を「軸L方向」と省略する。
The
ドーム部12は、半球状を呈している。そして、ドーム部12における胴体部11とは反対側の端部には、円筒状の開口部13が設けられている。開口部13は、ドーム部12よりも小さい外径を有し、軸L方向に沿ってドーム部12から突出するように配置されている。この開口部13は、タンク1内に水素ガスを充填するための充填口、あるいは、タンク1内に貯留される水素ガスを排出するための排出口として機能する。
The
ライナー10は、例えば、ポリエチレンやナイロン等の樹脂を用いて回転・ブロー成形法によって一体的に形成されている。また、ライナー10は、樹脂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。更に、ライナー10は、回転・ブロー成形法のような一体成型の製造方法に代えて、射出・押出成形等により複数に分割された部材を接合することにより形成されても良い。
The
補強層20は、繊維強化樹脂によって形成されている。本実施形態では、繊維強化樹脂として炭素繊維強化樹脂(CFRP)が用いられている。そして、この炭素繊維強化樹脂は、開口部13を含むライナー10の全体を覆うことにより補強層20を形成する。補強層20の厚さは、ライナー10の胴体部11側からドーム部12側へ向うにつれて厚くなっている。補強層20における開口部13を覆う部分の厚さは、ほぼ同じである。
The reinforcing
開口部13を覆う補強層20の外側には、口金30が取り付けられている。口金30は、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料により円筒状に加工されたものであって、軸L方向に沿って延びる円筒状の口金本体部31と、該口金本体部31の一端部に連結されて径方向に突出する鍔部32とを有する。
A
また、口金本体部31の外周には、後述するマニホールド40と螺合する雄ネジ部33が形成されている。口金本体部31の内周には、鋸状の係止爪部34が形成されている。口金30は、その係止爪部34が補強層20の外周部に食い込むことにより、補強層20と固定されている。
The outer periphery of the
鍔部32は、口金30の強度を高める機能と、マニホールド40と螺合する際にマニホールド40の螺合深さを規制する機能とを果たすものであり、口金本体部31と一体的に形成されている。
The
ライナー10の開口部13には、マニホールド40が取り付けられている。マニホールド40は、特許請求の範囲に記載の「蓋状部材」に相当するものであり、例えば複数本のタンク1を接続するための部材である。このマニホールド40は、略円板状の本体部41と、本体部41の外周縁部と連結して軸L方向に延伸する側壁部42と、本体部41の中央に配置されて側壁部42の延伸側と同じ側に突出する挿入部43と、を有する。
A manifold 40 is attached to the
本体部41は、該マニホールド40の天板に該当する部分である。本体部41の内面は、開口部13、補強層20及び口金30の端面と当接する当接面である。側壁部42の内周には、口金30の雄ネジ部33と螺合する雌ネジ部46が形成されている。
The
挿入部43は、開口部13を閉塞するように開口部13内に挿入される部分であり、略円柱状を呈している。挿入部43の外径は、開口部13の内径よりも僅かに小さく形成されている。挿入部43の中央には、軸L方向に沿って延びるスリット44が設けられている。このスリット44は、挿入部43を開口部13に挿入する際に、挿入部43を変形させて挿入しやすくするための構造である。また、挿入部43の外周壁には、外周溝45が設けられている。外周溝45には、挿入部43と開口部13との間をシールするOリング50と、Oリング50よりもタンク1の外側に配置されたバックアップリング51とが密接した状態で装着されている。
The
図2は図1のA部分を示す拡大断面図である。図2に示すように、外周溝45は、軸L方向において対向する一対の壁面(外側壁面45a,内側壁面45b)と、壁面同士の間に配置されて外周溝45の底部を形成するテーパ状底部45c及び平行底部45dとを有する。より具体的には、一対の壁面のうち、外側壁面45aはタンク1の外側、内側壁面45bはタンク1の内側にそれぞれ配置されている。テーパ状底部45cは、外側壁面45aと連結して内側壁面45b側に向って(すなわち、タンク1の外側から内側に向って)拡がるように形成されている。平行底部45dは、テーパ状底部45cと内側壁面45bとを連結するように軸L方向と平行して形成されている。
2 is an enlarged cross-sectional view of part A in FIG. 1. As shown in FIG. 2, the outer
Oリング50は、特許請求の範囲に記載の「シール部材」に相当するものであり、例えばゴム材料によって形成されている。このOリング50は、開口部13と平行底部45dによって圧縮された状態で外周溝45に装着され、開口部13と挿入部43と間のシール性を確保する。
The O-
バックアップリング51は、いわゆる有端リングであり、外周溝45のテーパ状底部45cに対応するテーパ部514を有するように断面台形状を呈している。テーパ部514は外周溝45のテーパ状底部45cと略同じ傾斜角度を有する。バックアップリング51は、例えばOリング50よりも摩擦係数が小さく、且つ弾性変形しにくいフッ素系樹脂材料又はナイロン46等によって形成されている。
The
図3(a)は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングを示す斜視図であり、図3(b)は初期状態においてマニホールドの外周溝に装着されるバックアップリングのバイアスカット面同士の位置を示す正面図である。本実施形態において、初期状態とは、タンク1の内部にガスが充填される前の状態を意味する。また、図3及び後述する図4~図6において、外周溝45に装着されるバックアップリング51の態様をより分かりやすくするため、初期状態におけるバックアップリング51のみを示す。
Figure 3(a) is a perspective view showing the backup ring attached to the outer peripheral groove of the manifold in the initial state, and Figure 3(b) is a front view showing the position of the bias cut surfaces of the backup ring attached to the outer peripheral groove of the manifold in the initial state. In this embodiment, the initial state refers to the state before the
図3に示すように、バックアップリング51は、長尺状のリング本体511と、該リング本体511の両端にそれぞれ形成されるとともにリング本体511の長手方向に対して傾斜したバイアスカット面512,513とを有する。
As shown in FIG. 3, the
ここで、本発明に至った経緯を説明する。 Here, we explain how we came to this invention.
図6に示すように、従来では、外周溝45に装着されるバックアップリング51Aは、本実施形態のバックアップリング51と同様に、長尺状のリング本体511Aと、該リング本体511Aの両端にそれぞれ形成されるとともにリング本体511Aの長手方向に対して傾斜したバイアスカット面512A,513Aとを有する。バックアップリング51Aの内径は外周溝45の外径と略同じ大きさを有するように形成されている。そして、バイアスカット面512A,513Aが形成された部分は、リング本体511Aと比べて厚さが比較的に薄い薄肉部となっているが、バイアスカット面512Aの全体とバイアスカット面513Aの全体とを突き合わせた状態で外周溝45に装着されるので、バックアップリング51Aの全体にわたり、厚みが略同じとなっている。
As shown in FIG. 6, the
しかし、このようなバックアップリング51Aでは、上述したように、バックアップリング51Aの加工寸法のばらつきが大きい場合、又はガス充填によってタンク1がその径方向外側に膨張する膨張量が大きい場合、突き合わせられたバイアスカット面512A,513A同士が互いに引き離れる方向に位置ずれが生じる。バイアスカット面512A,513Aが形成された部分が薄肉部であるので、バイアスカット面512A,513A同士が引き離れると、この薄肉部に応力が集中し、バックアップリング51Aが破損し、更にOリング50も破損する問題が発生してしまう。
However, as described above, with such a
このような問題を解決するため、本実施形態では、初期状態において、バックアップリング51は、各バイアスカット面512,513の少なくとも一部がリング本体511の一部と重なった状態で外周溝45に装着されている。
To solve this problem, in this embodiment, in the initial state, the
より具体的には、本実施形態のバックアップリング51は、軸L方向から見たときに、バイアスカット面512の一部及びバイアスカット面513の一部がそれぞれリング本体511の一部と重なった状態で外周溝45に装着される(図3(a)参照)。これによって、軸L方向から見たときに、バイアスカット面513の先端からバイアスカット面512の先端にかけて、バイアスカット面513の一部とリング本体511の一部とが重なる部分、バイアスカット面513の残りの部分とバイアスカット面512の一部とが重なる部分、バイアスカット面512の残りの部分とリング本体511の一部とが重なる部分がそれぞれ形成される。これらの重なる部分により、軸L方向において、リング本体511の他の部分よりも厚い厚肉部が形成される(図3(b)参照)。なお、本実施形態では、バイアスカット面512,513の先端とは、バイアスカット面512,513の両端のうち最も尖っている端を指している。
More specifically, the
また、初期状態において、バックアップリング51は、軸L方向から見たときに、バイアスカット面512の全体及びバイアスカット面513の全体がそれぞれリング本体511の一部と重なった状態で外周溝45に装着されても良い。例えば図4に示すように、軸L方向から見たときに、バイアスカット面513の先端からバイアスカット面512の先端にかけて、バイアスカット面513の全体とリング本体511の一部とが重なる部分、リング本体511同士の一部が重なる部分、バイアスカット面512の全体とリング本体511の一部とが重なる部分がそれぞれ形成される。これらの重なる部分により、軸L方向において、リング本体511の他の部分よりも厚い厚肉部が形成される。
In the initial state, the
更に、初期状態において、バックアップリング51は、軸L方向と直交するタンク1の径方向から見たときに、バイアスカット面512の全体及びバイアスカット面513の全体がそれぞれリング本体511の一部と重なった状態で外周溝45に装着されても良い。例えば図5に示すように、タンク1の径方向から見たときに、バイアスカット面513の先端からバイアスカット面512の先端にかけて、バイアスカット面513の全体とリング本体511の一部とが重なる部分、リング本体511同士の一部が重なる部分、バイアスカット面512の全体とリング本体511の一部とが重なる部分がそれぞれ形成される。これらの重なる部分により、タンク1の径方向において、リング本体511の他の部分よりも厚い厚肉部が形成される。
Furthermore, in the initial state, the
以上のように構成されたタンク1では、初期状態において、バックアップリング51は、バイアスカット面512及びバイアスカット面513の一部又は全体がリング本体511の一部と重なった状態で外周溝45に装着されているので、軸L方向又はタンク1の径方向においてリング本体511の他の部分よりも厚い厚肉部が形成されることになる。このため、仮にバイアスカット面512,513同士が引き離れる方向に位置ずれが発生した場合であっても、従来のように薄肉部における応力集中を抑制することができるので、バックアップリング51の破損を防止し、更にOリング50の破損を防止することができる。
In the
また、タンク1の内部にガスが充填されると、内圧によってOリング50及びバックアップリング51をタンク1の外側に押圧する押圧力が発生する。本実施形態では、外周溝45にタンク1の外側から内側に向って拡がるテーパ状底部45cを設け、バックアップリング51に該テーパ状底部45cに対応するテーパ部514を設けることで、バックアップリング51がライナー10の開口部13とマニホールド40の挿入部43との隙間からはみ出すのを抑制することができる。その結果、バックアップリング51の破損を防止する効果を更に向上することができる。
When the
なお、バイアスカット面512,513の先端が尖っているので、隣接するOリング50にダメージを与える問題がある。このような問題を解決するため、例えば2つのバイアスカット面512,513のうちOリング50に隣接するバイアスカット面512の先端部分は、面取り加工され(図7(a)参照)、R加工され(図7(b)参照)、又はキャップ部材60に覆われる(図7(c)参照)ことで、バイアスカット面512の先端によるOリング50へのダメージを防止することができる。なお、キャップ部材60は、例えばバックアップリング51よりも硬い樹脂材料によって形成されている。
In addition, since the tips of the bias cut
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述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精神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.
1:タンク、10:ライナー、11:胴体部、12:ドーム部、13:開口部、20:補強層、30:口金、31:口金本体部、32:鍔部、33:雄ネジ部、34:係止爪部、40:マニホールド(蓋状部材)、41:本体部、42:側壁部、43:挿入部、44:スリット、45:外周溝、45a:外側壁面、45b:内側壁面、45c:テーパ状底部、45d:平行底部、46:雌ネジ部、50:Oリング(シール部材)、51:バックアップリング、60:キャップ部材、511:リング本体、512,513:バイアスカット面、514:テーパ部 1: Tank, 10: Liner, 11: Body, 12: Dome, 13: Opening, 20: Reinforcement layer, 30: Cap, 31: Cap body, 32: Flange, 33: Male thread, 34: Locking claw, 40: Manifold (lid-like member), 41: Body, 42: Side wall, 43: Insertion, 44: Slit, 45: Outer circumferential groove, 45a: Outer wall, 45b: Inner wall, 45c: Tapered bottom, 45d: Parallel bottom, 46: Female thread, 50: O-ring (sealing member), 51: Backup ring, 60: Cap member, 511: Ring body, 512, 513: Bias cut surface, 514: Tapered portion
Claims (3)
前記挿入部には、外周溝が設けられ、
前記外周溝には、前記挿入部と前記開口部との間をシールするシール部材と、前記シール部材よりも前記タンクの外側に配置されたバックアップリングとが装着され、
前記バックアップリングは、長尺状のリング本体と、該リング本体の両端にそれぞれ形成されるとともに前記リング本体の長手方向に対して傾斜したバイアスカット面とを有し、
前記タンク内にガスが充填される前の初期状態において、前記バックアップリングは、前記タンクの軸方向と直交する径方向から見たときに、各バイアスカット面の全体が前記リング本体の一部と重なった状態で前記外周溝に装着されていることを特徴とするタンク。 A cylindrical tank comprising a liner having a cylindrical opening, and a lid-like member having an insertion portion that is inserted into the opening of the liner so as to close the opening,
The insertion portion is provided with an outer circumferential groove,
a seal member that seals between the insertion portion and the opening, and a backup ring that is disposed outside the tank relative to the seal member, the backup ring being attached to the outer circumferential groove;
The backup ring has an elongated ring body and bias cut surfaces formed on both ends of the ring body and inclined with respect to the longitudinal direction of the ring body,
a tank characterized in that, in an initial state before the tank is filled with gas, the backup ring is attached to the outer peripheral groove in a state in which each bias cut surface entirely overlaps a portion of the ring body when viewed in a radial direction perpendicular to an axial direction of the tank.
前記バックアップリングは、前記外周溝の前記テーパ状底部に対応するテーパ部を有する請求項1又は2に記載のタンク。 The outer circumferential groove has a tapered bottom portion that widens from the outside to the inside of the tank,
3. The tank according to claim 1, wherein the backup ring has a tapered portion corresponding to the tapered bottom portion of the outer circumferential groove.
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