JP6497296B2 - タンクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タンクの製造方法に関する。

高圧の流体を貯蔵・密封するためのタンクとして、流体を貯蔵する空間を形成するライナと、ライナに取り付けられた口金と、を備えるタンクが知られている。このようなタンクでは、流体の密閉性を確保するために、ライナと口金との間の接続部において十分なシール性が確保されることが望まれる。従来、ライナと口金との間のシール性を確保するための構造として、口金の表面に設けた環状溝の内部にライナを嵌入させる構造であって、上記環状溝の形状を、ライナにおける嵌入部分が拡径方向にスライド可能になる形状にする構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような構造を採用することで、ライナが収縮膨張する場合であっても、ライナの嵌入部分が環状溝内でスライドすることによってライナの収縮膨張を吸収して、ライナと口金とが係合する状態を維持し、ライナと口金との間のシール性の確保を図っている。

特開２０００−２９１８８８号公報 特開２００４−２１１７８３号公報

しかしながら、上記のように環状溝内でライナの嵌入部分をスライドさせる場合には、ライナの嵌入部分のスライドに伴って環状溝内に空間が生じるため、この空間内に高圧の流体が入り込む可能性がある。上記空間内に流体が入り込むと、入り込んだ流体に起因して、ライナと口金との間の接触圧を低下させる力が生じるため、ライナと口金との間のシール性の低下を引き起こし得る。そのため、ライナと口金との間のシール性をさらに向上させる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、流体を密閉するための内部空間を形成するライナと、該ライナに取り付けられた口金と、を備えるタンクの製造方法が提供される。このタンクの製造方法において、前記口金は、前記内部空間に連通する中空の筒状部と、該筒状部から該筒状部の径方向外側に張り出して形成されたフランジと、を備え；前記フランジの外表面は、前記内部空間側に配置される底面と、前記内部空間から離間する側に配置される上面とを含み；前記底面は、前記筒状部の開口部を囲む環状溝と、前記底面において最も前記径方向外側に位置する外周部と、前記環状溝と前記外周部との間に形成された段差部と、を含む。そして、タンクの製造方法は、前記ライナの一部を構成する底面層であって、前記環状溝よりも前記径方向内側の位置から前記外周部まで前記フランジの前記底面を覆う底面層として、前記環状溝を塞ぐと共に前記段差部の形状に沿った折れ曲がり形状を有する底面層を形成しつつ、前記ライナを前記口金と一体形成する第１のライナ形成工程と；前記第１のライナ形成工程の後、前記ライナの収縮により、前記底面における前記環状溝よりも前記径方向内側の領域および前記外周部が前記ライナと接する状態で、前記底面の前記段差部と前記底面層との間に空間を生じさせる第２のライナ形成工程と、を備える。

この製造方法によれば、フランジの底面において、環状溝と外周部との間に段差部を設け、この段差部に沿う折れ曲がり形状を有する底面層を形成している。そのため、第１のライナ形成工程の後にライナが収縮する際に、段差部と底面層との間に空間が生じて、段差部から剥離した底面層が伸びることにより、ライナの収縮を吸収することができる。そのため、フランジの底面における環状溝よりも径方向内側の領域に接するライナの底面層において、径方向外側に向かう収縮応力が生じることを抑えて密着性を維持し、ライナとフランジとの間のシール性を向上させることができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、高圧タンク等の形態で実現することができる。

高圧タンクの概略構成を表わす説明図である。 高圧タンクの製造方法を示すフローチャートである。 口金と第３ライナとの接合部の様子を表わす断面図である。 シミュレーションによる解析結果を説明する図である。 口金と第３ライナとの接合部の様子を表わす断面図である。 シミュレーションによる解析結果を説明する図である。 接触圧を求めた領域を表わす説明図である。 口金と第３ライナとの接合部の様子を表わす断面図である。 シミュレーションによる解析結果を説明する図である。 第１の実施形態と第２実施形態とを比較する説明図である。 口金と第３ライナとの接合部の様子を表わす断面図である。 シミュレーションによる解析結果を説明する図である。 口金と第３ライナとの接合部の様子を表わす断面図である。 シミュレーションによる解析結果を説明する図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての高圧タンク１０の概略構成を表わす説明図である。図１では、高圧タンク１０の中心軸を軸線Ｏとして示しており、軸線Ｏの左半分に外観を示し、右半分に断面を示す。

高圧タンク１０は、本実施形態では圧縮水素を貯蔵し、例えば燃料電池車に搭載される。高圧タンク１０は、ライナ２０と、補強層３０と、一対の口金４０と、を備える。ライナ２０、補強層３０、および口金４０のそれぞれは、概ね、軸線Ｏを中心とする回転対称に形成されている。以下、軸線Ｏを通過して軸線Ｏに直交する方向を径方向と呼ぶ。

ライナ２０は、ナイロン（ポリアミド系合成繊維）等の樹脂製部材であり、流体を密封するための空間を、口金４０と共に形成する。ライナ２０と口金４０とによって形成された水素を充填するための空間を、以下「内部空間」と呼ぶ。ライナ２０は、円筒状の第１ライナ２１と第２ライナ２２とを溶着すると共に、その両端に、略半球状の第３ライナ２３および第４ライナ２４を溶着するによって形成されている。第３ライナ２３および第４ライナ２４は、それぞれ、後述するように口金４０と一体成形される。

補強層３０は、ライナ２０の外表面を覆うように形成されている。この補強層３０は、ライナ２０を補強して高圧タンク１０の強度を向上させるためのものであり、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によって形成されている。補強層３０は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維をライナ２０の外周に巻き付けた後に、上記含浸させた樹脂を硬化させることにより形成することができる。

口金４０は、アルミニウム等の金属製部材であり、ライナ２０の両端に配置される第３ライナ２３および第４ライナ２４の各々に取り付けられる。一方の口金４０は、高圧タンク１０への水素の供給および高圧タンク１０からの水素の放出に係る配管が接続され、他方の口金４０は、高圧タンク１０の内部空間を密閉する。双方の口金４０とライナ２０との接続に係る構造は同様であるため、以下では、上記配管が接続される口金４０と、この口金４０と一体形成される第３ライナ２３と、に係る構造について説明する。

図２は、本実施形態の高圧タンク１０の製造方法を示すフローチャートである。高圧タンク１０を製造する際には、まず、一対の口金４０と、第１ライナ２１および第２ライナ２２とを用意する（ステップＳ１００）。口金４０は、鍛造および切削により作製する。第１ライナ２１および第２ライナ２２は、射出成形により形成する。

その後、口金４０と第３ライナ２３あるいは第４ライナ２４とを一体成形する（ステップＳ１１０）。すなわち、一方の口金４０をインサートとして第３ライナ２３を射出成形すると共に、他方の口金４０をインサートとして第４ライナ２４を射出成形する。

その後、第１ライナ２１〜第４ライナ２４を溶着して、ライナ２０を完成する（ステップＳ１２０）。そして、ライナ２０の外周に補強層３０を構成する樹脂含浸炭素繊維を巻き付けた後（ステップＳ１３０）、上記樹脂を硬化させて（ステップＳ１４０）、高圧タンク１０を完成する。

本実施形態では、ステップＳ１００で用意する口金４０の形状、および、ステップＳ１１０において口金４０と第３ライナ２３および第４ライナ２４とを一体形成する工程に特徴があるため、以下に詳しく説明する。

図３は、口金４０と第３ライナ２３との接合部の様子を表わす断面図である。図３は、ステップＳ１１０において第３ライナ２３を口金４０と共に金型内でインサート成形したときの様子を表わす。ただし、図３では、金型の図示は省略している。また、図３では、高圧タンク１０の軸線Ｏを含む図１と同様の断面における、軸線Ｏよりも右側の部分であって、口金４０および第３ライナ２３の断面のみを示している。

図３に示すように、口金４０は、筒状部５０とフランジ５２とを有する。筒状部５０は、貫通孔５１を有する中空の部位である。貫通孔５１は、高圧タンク１０の外部と高圧タンク１０の内部空間とを連通させる流路を形成し、高圧タンク１０の内部空間に対して開口部５３で開口する。貫通孔５１の内周面には、配管用バルブを取り付けるための雌ねじが形成されている。

フランジ５２は、筒状部５０から径方向外側に張り出して形成された部位である。フランジ５２の外表面は、内部空間側に配置される底面４７と、内部空間から離間する側に配置される上面４８と、を含む。底面４７において最も径方向外側であって、上面４８との境界を、以下、外周部４６と呼ぶ。

フランジ５２の底面４７には、凹凸形状が形成されている。具体的には、底面４７には、貫通孔５１の開口部５３を囲んで形成された溝である第１の環状溝４１と、第１の環状溝４１よりも外周部４６寄りに設けられた第２の環状溝４２と、第１の環状溝４１と第２の環状溝４２との間に形成された段差部４４と、が形成されている。フランジ５２は、軸線Ｏに平行な方向の厚みが、径方向外側に向かって次第に薄くなっており、段差部４４は、径方向外側に向かって上記厚みが急激に薄くなるように形成されている。第１の環状溝４１および第２の環状溝４２は、フランジ５２にライナ２０が密着する力を強めるための構造である。また、第１の環状溝４１よりも径方向内側には、軸線Ｏに対して直交する平面である第１平面部４９が形成されており、第１の環状溝４１と段差部４４との間には、軸線Ｏに対して直交する平面である第２平面部４３が形成されており、段差部４４と第２の環状溝４２との間には、軸線Ｏに対して直交する平面である第３平面部４５が形成されている。なお、第１の環状溝４１が、本願の「課題を解決するための手段」における「環状溝」に相当する。

ステップＳ１１０では、ライナ２０（第３ライナ２３）は、フランジの底面４７および上面４８を覆うように金型内で口金４０と一体成形される。底面４７側では、ライナ２０は、第１の環状溝４１よりも径方向内側の領域（第１平面部４９の外周部分）から外周部４６まで、連続して形成される。図３では、ライナ２０の軸線Ｏ側の端部を、内周端２５として示している。以下では、ライナ２０において、フランジ５２の底面４７を覆う部分を底面層２６とも呼び、フランジ５２の上面４８を覆う部分を上面層２７とも呼ぶ。底面層２６は、第１の環状溝４１および第２の環状溝４２を中実な状態で完全に塞いでおり、底面層２６における内部空間側の表面は、第１の環状溝４１および第２の環状溝４２に対応する溝形状を有しない。具体的には、底面層２６における内部空間側の表面において、第１の環状溝４１を覆う部分は、第２平面部４３を覆う部分と同一平面を構成し、第２の環状溝４２を覆う部分は、第３平面部４５を覆う部分と同一平面を構成する。

これに対して、底面層２６における段差部４４を覆う部分は、段差部４４を塞ぐことなく、段差部４４に沿った形状に形成される。すなわち、底面層２６における内部空間側の表面の、段差部４４を覆う部分には、段差部４４と同様の段差が形成される。そのため、底面層２６は、第２平面部４３と第３平面部４５との間において、段差部４４に沿った折れ曲がり形状を有している。なお、本実施形態では、段差部４４を経由して第２平面部４３から第３平面部４５までの範囲にわたって、底面層２６は、ほぼ均一の厚みに形成されている。

図４は、本実施形態の高圧タンク１０について、シミュレーション・ツールを用いて解析を行なった結果を示し、その結果を説明する図である。ここでは、汎用性非線形有限要素法解析ソフトウェアであるＡｂａｑｕｓ（ダッソー・システムズ社製）を用いて、フランジ５２とライナ２０（底面層２６）との間の接触圧を算出し、ライナ２０の変形量を求めて、フランジ５２とライナ２０との間のシール性を評価した。本実施形態の高圧タンク１０におけるシール性を評価するために、本実施形態の高圧タンク１０と、比較例の高圧タンクとを比較した。

図５は、比較例の高圧タンクの構成を、図３と同様に示した説明図である。また、図６は、図５に示した比較例の高圧タンクについて、本実施形態の高圧タンク１０と同様にして評価した結果を示す説明図である。比較例の高圧タンクは、口金４０に代えて、フランジの底面４７の形状が異なる口金１４０を備えると共に、ライナ２０に代えて、ライナ１２０を備えること以外は、各部の構成材料および寸法を含めて、第１実施形態と同様の構成を有する。そのため、第１実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。

図５に示すように、比較例の高圧タンクの口金１４０の底面４７には、第１の環状溝４１および第２の環状溝４２が形成されているが、段差部４４は形成されていない。そして、底面４７において、第１の環状溝４１と第２の環状溝４２との間の領域は、軸線Ｏに対して直交する平面である第２平面部１４３を構成している。

図４および図６における「成形収縮後」の図は、口金と一体成形したライナが、収縮して変形した様子を示す。ステップＳ１１０では、口金をインサートとして配置した金型内に溶融樹脂を射出することによりライナを成形するが、ライナを構成する樹脂は、冷却されて硬化する際に収縮する。なお、上記冷却の際には金属製の口金も収縮するが、収縮率は、口金よりも硬化時の上記樹脂の方が大きい。そのため、金型内ではライナにおいて収縮応力が発生する。

射出成形の後、口金と一体成形したライナを金型から取り出すと、上記収縮応力によってライナが変形する。図４および図５における「成形収縮後」の図は、このように、口金と一体成形したライナを金型から取り出した後に変形した様子を表わす。なお、図４および図６、並びに、後述する図９、図１２、および図１４における「成形収縮後」の図は、解析結果から得られたライナの変形量を５倍にして、変形の様子を分かり易く示した模式図である。本実施形態のステップＳ１１０において、金型内で口金をインサートとしてフランジを射出成形する工程が、「課題を解決するための手段」における「第１のライナ形成工程」に相当し、金型から取り出すことによって収縮したフランジと口金とが一体形成された構造を得る工程が、「課題を解決するための手段」における「第２のライナ形成工程」に相当する。

図４の「成形収縮後」の図に示すように、本実施形態の高圧タンク１０では、成形収縮が終わった後のライナ２０の底面層２６は、内周端２５から第１の環状溝４１と重なる部分までの領域はフランジ５２と密着する状態を維持する。しかしながら、段差部４４と接していた領域は、フランジ５２から離間する結果となった。その理由は、以下のように考えられる。

すなわち、ライナ２０は筒状であるため、ライナ２０が収縮するときには、軸線Ｏ側に向かって収縮する力が働く。また、ライナ２０の底面層２６において内周端２５の近傍には、フランジ５２の第１の環状溝４１に係合する凸構造が設けられているため、内周端２５の近傍において底面層２６とフランジ５２との密着性が高められている。そのため、図４の「成形収縮後」の「変形の状態」に示すように、内周端２５の近傍では、底面層２６において軸線Ｏ側に向かって収縮力が働く。一方、ライナ２０は、フランジ５２の底面４７および上面４８の双方に沿って設けられているため、外周部４６の近傍においてライナ２０は、フランジ５２に対して強く拘束されている。したがって、図４の「成形収縮後」の「変形の状態」に示すように、外周部４６の近傍では、底面層２６において径方向外側に向かって収縮力が働く。そのため、段差部４４近傍において、底面層２６は、径方向外側と内側の両方に向かって引っ張られることによりフランジ５２から離間する。その結果、段差部４４上から離間した底面層２６の折れ曲がり形状が引き延ばされて収縮力を吸収する。そして、底面層２６は、内周端２５側および径方向外側の端部においてフランジ５２に密着しつつ、段差部４４を含む領域上が開いた（フランジ５２との間に空間が形成された）状態で安定する。

これに対して、比較例の高圧タンクでは、図５の「成形収縮後」の図に示すように、内周端２５を含む端部領域において、ライナ１２０の底面層１２６はフランジ５２から離間して脱落する。その理由は、以下のように考えられる。すなわち、比較例の高圧タンクでは、フランジ５２に段差部が形成されておらず、底面層１２６は、第１の環状溝４１と第２の環状溝４２との間において折れ曲がり形状を有していない。そのため、外周部４６近傍で拘束される底面層１２６において、径方向外側に向かって収縮する力は、特別な構造によって途中で吸収されることなく内周端２５まで働く。内周端２５近傍において底面層１２６は第１の環状溝４１に係合するものの、外周部４６近傍で拘束された状態で径方向外側に向かって収縮する力が強いために、底面層１２６における内周端２５を含む端部領域は、フランジ５２の底面４７から剥がれることになる。

なお、高圧タンク１０において、ライナ２０が硬化して金型から取り出された後に、段差部４４の近傍において底面層２６とフランジ５２との間に空間が形成されたことは、例えば、Ｘ線ＣＴによる非破壊検査を行なうことにより確認できる。このような検査は、フランジ５２と一体化した第３ライナ２３を金型から取り出した後、高圧タンク１０を完成させて水素を充填するまでの間に行なうことができる。上記空間の大きさ、具体的には、底面層２６とフランジとの間の距離の最大値は、例えば、０．５ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。

図４および図６における「成形収縮後」の「内圧付与範囲」では、「変形の状態」と同様の図において、各々の高圧タンクに水素ガスを充填したときに内部空間の圧力（タンク内圧）が直接かかるタンク内表面の領域を、太線で示している。図４から分かるように、第１実施形態の高圧タンクでは、段差部４４の近傍において底面層２６とフランジ５２との間に空間が存在するものの、内周端２５を含む領域において底面層２６とフランジ５２との間の密着性が保たれる（破線で囲んで示す領域を参照）。そのため、ライナ２０の収縮後であっても、ライナ２０とフランジ５２との間のシール性は維持される。これに対して、比較例の高圧タンクでは、底面層１２６において内周端２５を含む端部領域が脱落しており、射出成形時にはフランジ５２と接していた領域にもタンク内圧がかかる（破線で囲んで示す領域を参照）。このような領域にタンク内圧がかかると、タンク内圧は、底面層１２６をフランジ５２からさらに剥がす方向に働く。そのため、ライナ１２０とフランジ５２との間のシール性が低下すると考えられる。

ここで、図６における「成形収縮後」の図では、比較例の高圧タンクの製造時にフランジ５２と一体形成したライナ１２０を金型から取り出した後に、内周端２５を含む領域において底面層１２６がフランジ５２から離間する様子を示している。しかしながら、このような高圧タンク内に加圧水素を充填すると、タンク内圧によって底面層１２６がフランジ５２側に押圧されるため、上記離間した領域もフランジ５２に接して接触圧が発生する。ただし、上記離間した領域では、底面層１２６とフランジ５２との密着性が十分でないため、既述したように接触面内に水素が入り込んで接触圧が低下すると考えられる。

図４および図６における「シール性評価結果」は、上記した第１実施形態の高圧タンクおよび比較例の高圧タンクに充填する水素圧を変更したときに、ライナの底面層とフランジとの間に発生する接触圧を解析した結果を示す。ここでは、グラフＡとグラフＢとで、異なる領域における接触圧の解析結果を示している。

図７は、上記「シール性評価結果」においてグラフＡおよびグラフＢに示す接触圧を求めた領域を示す説明図である。グラフＡは、図７で領域Ａとして示す範囲における接触圧の最大値を表わす。すなわち、内周端２５から、第１の環状溝４１の内周側の境界までの範囲における接触圧の最大値を表わす。また、グラフＢは、図７で領域Ｂとして示す範囲における接触圧の最大値を表わす。すなわち、第１の環状溝４１の頭頂部（溝が最も深い位置）から、第２平面部（４３，１４３）における内周側端部近傍までの範囲における、接触圧の最大値を表わす。図４および図６における「シール性評価結果」では、上記領域Ａおよび領域Ｂの各々における接触圧の最大値の、タンク内圧に対する比の値によって、接触圧の解析結果を示している。

図４に示すように、第１実施形態の高圧タンクでは、領域Ａおよび領域Ｂのいずれにおいても、上記比の値は１以上であり、タンク内圧よりも大きな接触圧が発生する結果となった。特に、内周端２５を含む領域Ａでは上記比の値は大きな値を示し、ライナ２０とフランジ５２との間で高いシール性が維持できることが確認された。これに対し、比較例の高圧タンクでは、タンク内圧を広い範囲で変更したときに、領域Ａにおける上記比の値が１を大きく下回る結果となった。すなわち、タンク内圧が高まると、底面層において製造時の収縮によってフランジから剥がれた部分もフランジに押しつけられて接触圧が発生するが、この接触圧はタンク内圧よりも小さくなり、ライナ１２０とフランジ５２との間のシール性が不十分になると考えられる。

以上のように構成された本実施形態の高圧タンクによれば、フランジ５２の底面４７において、第１の環状溝４１と外周部４６との間に段差部４４を設け、この段差部４４に沿う形状の底面層２６を形成することによって、底面層２６に折れ曲がり形状を設けている。そのため、ライナ２０の作製時にライナ２０が収縮する際に、底面層２６の収縮を、上記折れ曲がり形状がフランジ５２から剥離して伸びることにより吸収可能となる。そして、底面層２６の内周端２５近傍において、底面層２６とフランジ５２との間の密着性を確保することができる。その結果、ライナ２０とフランジ５２との間のシール性を高めることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図８は、本発明の第２実施形態としての高圧タンクにおける口金と第３ライナとの接合部の様子を、図３と同様に示す断面図である。また、図９は、図８に示した第２実施形態の高圧タンクについて、図４と同様に評価した結果を示す説明図である。第２実施形態の高圧タンクは、口金４０に代えて、フランジの底面４７の形状が異なる口金２４０を備えると共に、ライナ２０に代えて、ライナ２２０を備えること以外は、各部の構成材料および寸法を含めて、第１実施形態と同様の構成を有する。そのため、第１実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。

図８に示すように、第２実施形態の高圧タンクの口金２４０の底面４７には、第１の環状溝４１および第２の環状溝４２が形成されており、さらに、第１の環状溝４１と第２の環状溝４２との間に段差部２４４が形成されている。そして、第１の環状溝４１と段差部２４４との間には、軸線Ｏに対して直交する平面である第２平面部４３が形成されており、段差部２４４と第２の環状溝４２との間には、軸線Ｏに対して直交する平面である第３平面部４５が形成されている。ここで、第２実施形態のフランジ５２では、径方向内側から外側に向けて、急激にフランジ５２の厚みが増すように段差部２４４が形成されている。また、第２実施形態では、ステップＳ１１０において、ライナ２２０の底面層２２６は、第１実施形態と同様に第１の環状溝４１および第２の環状溝４２を完全に塞ぐように形成されると共に、段差部２４４を塞ぐことなく、段差部２４４に沿った折れ曲がり形状に形成される。

図９の「成形収縮後」の「変形の状態」に示すように、第２実施形態の高圧タンクは、成形収縮後において、第１実施形態と同様に、内周端２５の近傍、および外周部４６の近傍では、底面層２２６とフランジ５２との間の密着状態を維持する。そして、底面層２２６において段差部２４４と接していた領域は、フランジ５２から離間して、折れ曲がり形状が伸びることによって収縮を吸収する。すなわち、図９の「成形収縮後」の「内圧付与範囲」に示すように、第２実施形態の高圧タンクでは、段差部２４４の近傍において底面層２２６とフランジ５２との間に空間が存在するものの、内周端２５を含む領域において底面層２２６とフランジ５２との間の密着性が保たれる（破線で囲んで示す領域を参照）。そのため、ライナ２２０の収縮後であっても、ライナ２２０とフランジ５２との間のシール性は維持される。

また、図９の「シール性評価結果」に示すように、第２実施形態の高圧タンクでは、領域Ａおよび領域Ｂ（図７参照）のいずれにおいても、各々の領域における接触圧の最大値のタンク内圧に対する比の値は１以上であり、タンク内圧よりも大きな接触圧が発生する結果となった。特に、内周端２５を含む領域Ａにおいて、第１実施形態と同様に、上記比の値は大きな値を示し、ライナ２２０とフランジ５２との間で高いシール性が維持できることが確認された。

図１０は、第１実施形態と第２実施形態とを比較する説明図である。図１０（Ａ）は第１実施形態を示し、図１０（Ｂ）は第２実施形態を示す。第１実施形態と第２実施形態とは、既述したようにシール性向上に係る同様の効果を奏するが、段差部の形状の違いにより、以下の点で異なる。

第１に、第１および第２実施形態では、口金の耐久性に違いが生じる。第１および第２の実施形態の高圧タンクでは、口金の上面４８側のＲ部（表面が凹方向の曲面となっている部位）において、比較的強い応力が生じる。表面が曲面となっている部位の中でも、応力解析（ミーゼス応力コンター）の結果、特に大きな応力が発生することが確認された箇所を、図１０（Ａ）の第１実施形態では領域Ｒ_１として示し、図１０（Ｂ）の第２実施形態では領域Ｒ_２として示す。このように特に大きな応力が発生する領域Ｒ_１と領域Ｒ_２とを比較すると、第２実施形態の方が、より大きな応力が発生することが確認された（ミーゼス応力コンターの図示は省略する）。その理由は、以下のように考えられる。

すなわち、領域Ｒ_１および領域Ｒ_２は、軸線Ｏ方向に平行に投影すると第１の環状溝４１と重なる位置にあり、他の領域に比べて軸線Ｏ方向の厚みが薄く、タンク内圧が伝わりやすい部位といえる。図１０では、第１実施形態の口金４０の領域Ｒ_１における軸線Ｏ方向の厚みを、厚みＴＨ_１として示しており、第２実施形態の口金２４０の領域Ｒ_２における軸線Ｏ方向の厚みを、厚みＴＨ_２として示している。そして、第１実施形態の口金４０では、段差部４４において径方向外側の厚みが急激に薄くなるのに対し、第２実施形態の口金２４０では、段差部２４４において径方向内側（第１の環状溝４１を含む部位）の厚みが急激に薄くなる。そのため、第２実施形態の口金２４０では、第１の環状溝４１と軸線Ｏ方向に重なる領域Ｒ_２における軸線Ｏ方向の厚みＴＨ_２が特に薄くなる。その結果、領域Ｒ_２ではタンク内圧がより伝わりやすくなり、より大きな応力が発生すると考えられる。Ｒ部に生じる応力が小さい方が、口金の耐久性が向上すると考えられるため、口金の耐久性の観点からは、第１実施形態の方が第２実施形態よりも好ましいと考えられる。

また、第２に、第１および第２実施形態では、口金の加工コストに違いが生じる。第１および第２実施形態において、口金に段差部を形成する際には、口金に対して旋盤等による切削加工を行なう。切削加工においては、概ね、加工すべき部位の体積が大きいほどコストが掛かると考えることができる。図１０に示すように、段差部４４あるいは段差部２４４を形成するには、断面が略矩形となるような円環状の溝構造を、口金に形成すればよいと考えられる。その際に、断面における上記矩形部分の面積（径方向の長さＷおよび軸線Ｏ方向の高さＨ）が同じである場合には、より軸線Ｏに近い部位を切削し、上記円環形状の半径が短い第２実施形態の方が、切削すべき部分の体積が小さいといえる。そのため、口金の加工コストの観点からは、第２実施形態の方が第１実施形態よりも好ましいと考えられる。

Ｃ．第３実施形態：
図１１は、本発明の第３実施形態としての高圧タンクにおける口金と第３ライナとの接合部の様子を、図３と同様に示す断面図である。また、図１２は、図１１に示した第３実施形態の高圧タンクについて、図４と同様に評価した結果を示す説明図である。第３実施形態の高圧タンクは、口金４０に代えて、フランジの底面４７の形状が異なる口金３４０を備えると共に、ライナ２０に代えて、ライナ３２０を備えること以外は、各部の構成材料および寸法を含めて、第１実施形態と同様の構成を有する。そのため、第１実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。

図１１に示すように、第３実施形態の高圧タンクの口金３４０の底面４７には、第１の環状溝４１および第２の環状溝４２が形成されており、さらに、第１の環状溝４１と第２の環状溝４２との間に、第３の環状溝３４４が形成されている。そして、第１の環状溝４１と第３の環状溝３４４との間には、軸線Ｏに対して直交する平面である第２平面部４３が形成されており、第３の環状溝３４４と第２の環状溝４２との間には、軸線Ｏに対して直交する平面である第３平面部４５が形成されている。第３実施形態のステップＳ１１０において、ライナ３２０の底面層３２６は、第１の環状溝４１および第２の環状溝４２を完全に塞ぐように形成されると共に、第３の環状溝３４４を塞ぐことなく、第３の環状溝３４４に沿った折れ曲がり形状に形成される。本実施形態では、第３の環状溝３４４が、「課題を解決するための手段」における「段差部」に相当する。

図１２の「成形収縮後」の「変形の状態」に示すように、第３実施形態の高圧タンクは、成形収縮後において、第１実施形態と同様に、内周端２５の近傍、および外周部４６の近傍では、底面層３２６とフランジ５２との間の密着状態を維持する。そして、底面層３２６において第３の環状溝３４４と接していた領域は、フランジ５２から離間して、折れ曲がり形状が伸びることによって収縮を吸収する。すなわち、図１２の「成形収縮後」の「内圧付与範囲」に示すように、第３実施形態の高圧タンクでは、第３の環状溝３４４の近傍において底面層３２６とフランジ５２との間に空間が存在するものの、内周端２５を含む領域において底面層３２６とフランジ５２との間の密着性が保たれる（破線で囲んで示す領域を参照）。そのため、ライナ３２０の収縮後であっても、ライナ３２０とフランジ５２との間のシール性は維持される。

また、図１２の「シール性評価結果」に示すように、第３実施形態の高圧タンクでは、領域Ａおよび領域Ｂ（図７参照）のいずれにおいても、水素充填後の各々の領域における接触圧の最大値のタンク内圧に対する比の値は１以上であり、タンク内圧よりも大きな接触圧が発生する結果となった。特に、内周端２５を含む領域Ａにおいて、第１実施形態と同様に、上記比の値は大きな値を示し、ライナ３２０とフランジ５２との間で高いシール性が維持できることが確認された。

Ｄ．第４実施形態：
図１３は、本発明の第４実施形態としての高圧タンクにおける口金と第３ライナとの接合部の様子を、図３と同様に示す断面図である。また、図１４は、図１３に示した第４実施形態の高圧タンクについて、図４と同様に評価した結果を示す説明図である。第４実施形態の高圧タンクは、口金４０に代えて、フランジの底面４７の形状が異なる口金４４０を備えると共に、ライナ２０に代えて、ライナ４２０を備えること以外は、各部の構成材料および寸法を含めて、第１実施形態と同様の構成を有する。そのため、第１実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。

図１３に示すように、第４実施形態の高圧タンクの口金４４０の底面４７には、第１の環状溝４１および第２の環状溝４２が形成されており、さらに、第１の環状溝４１と第２の環状溝４２との間に、内部空間側に突出する環状凸部４４４が形成されている。そして、第１の環状溝４１と環状凸部４４４との間には、軸線Ｏに対して直交する平面である第２平面部４３が形成されており、環状凸部４４４と第２の環状溝４２との間には、軸線Ｏに対して直交する平面である第３平面部４５が形成されている。第４実施形態のステップＳ１１０において、ライナ４２０の底面層４２６は、第１の環状溝４１および第２の環状溝４２を完全に塞ぐように形成されると共に、環状凸部４４４を塞ぐことなく、環状凸部４４４に沿った折れ曲がり形状に形成される。本実施形態では、環状凸部４４４が、「課題を解決するための手段」における「段差部」に相当する。

図１４の「成形収縮後」の「変形の状態」に示すように、第４実施形態の高圧タンクは、成形収縮後において、第１実施形態と同様に、内周端２５の近傍、および外周部４６の近傍では、底面層４２６とフランジ５２との間の密着状態を維持する。そして、底面層４２６において環状凸部４４４と接していた領域は、フランジ５２から離間して、折れ曲がり形状が伸びることによって収縮を吸収する。すなわち、図１４の「成形収縮後」の「内圧付与範囲」に示すように、第４実施形態の高圧タンクでは、環状凸部４４４の近傍において底面層４２６とフランジ５２との間に空間が存在するものの、内周端２５を含む領域において底面層４２６とフランジ５２との間の密着性が保たれる（破線で囲んで示す領域を参照）。そのため、ライナ４２０の収縮後であっても、ライナ４２０とフランジ５２との間のシール性は維持される。

また、図１４の「シール性評価結果」に示すように、第４実施形態の高圧タンクでは、領域Ａおよび領域Ｂ（図７参照）のいずれにおいても、水素充填後の各々の領域における接触圧の最大値のタンク内圧に対する比の値は１以上であり、タンク内圧よりも大きな接触圧が発生する結果となった。特に、内周端２５を含む領域Ａにおいて、第１実施形態と同様に、上記比の値は大きな値を示し、ライナ４２０とフランジ５２との間で高いシール性が維持できることが確認された。

Ｅ．変形例：
・変形例１：
フランジの底面に設ける段差部は、上記各実施形態の段差部４４，２４４、第３の環状溝３４４、および環状凸部４４４の他、種々の変形が可能である。段差部は、軸線Ｏを含む断面において、軸線Ｏ方向のフランジの厚みが急激に変化する段差を、第１および第２実施形態のように１箇所有していてもよく、第３および第４実施例のように２箇所以上有していてもよい。フランジの底面が、軸線Ｏを含む断面において折れ曲がり形状を有する線として表われる段差部を有し、ライナの底面層において、上記折れ曲がり形状に沿った折れ曲がり形状を有する折れ曲がり部が形成されていればよい。これにより、ライナを製造する際のライナ収縮時に、ライナの底面層が内周端２５側と外周部４６側とが固定された状態で段差部から離間して、上記折れ曲がり部が伸びることによってフランジの収縮を吸収することができる。

・変形例２：
上記各実施形態では、ライナとフランジとの間の密着性を高めるために、段差部以外の構成として第１の環状溝４１および第２の環状溝４２を設けたが、異なる構成としてもよい。例えば、第２の環状溝４２は設けないこととしてもよく、また、第１の環状溝４１の他に、第１の環状溝４１よりも外周側に２以上の環状溝を設けてもよい。フランジにおいて、ライナの底面層の内周端２５の近傍に第１の環状溝４１を設け、内周端２５の近傍における底面層とフランジとの密着性が高められていれば、第１の環状溝４１よりも外周側に設けた段差部に沿った折れ曲がり形状を底面層に設けることで、各実施形態と同様の効果が得られる。

・変形例３：
上記各実施形態では、第１の環状溝４１は、高圧タンクの軸線Ｏを含む断面において半円形となる形状に形成したが異なる構成としてもよい。第１の環状溝４１は、底面層の一部が入り込むことによって、内周端２５の近傍における底面層とフランジとの密着性を高めることができればよく、その結果、ライナ形成時に段差部において底面層とフランジとが離間する際に、内周端２５近傍における底面層とフランジとの密着性が維持可能であればよい。

・変形例４：
上記各実施形態では、ライナは、フランジの底面４７を覆う底面層と共に、フランジの上面４８を覆う上面層２７を備えることとしたが、上面層２７は設けないこととしてもよい。このような場合であっても、ライナの底面層が、フランジの外周部４６近傍で拘束されていれば、フランジの底面に第１の環状溝４１および段差部を設け、ライナの底面層に段差部に沿った折れ曲がり形状を設けることで、各実施形態と同様の効果が得られる。

・変形例５：
上記各実施形態では、高圧タンクは加圧水素の貯蔵に用いたが、水素以外の他の加圧流体の貯蔵に用いてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…高圧タンク
２０，１２０，２２０，３２０，４２０…ライナ
２１…第１ライナ
２２…第２ライナ
２３…第３ライナ
２４…第４ライナ
２５…内周端
２６，１２６，２２６，３２６，４２６…底面層
２７…上面層
３０…補強層
４０，１４０，２４０，３４０，４４０…口金
４１…第１の環状溝
４２…第２の環状溝
４３，１４３…第２平面部
４４，２４４…段差部
４５…第３平面部
４６…外周部
４７…底面
４８…上面
４９…第１平面部
５０…筒状部
５１…貫通孔
５２…フランジ
５３…開口部
３４４…第３の環状溝
４４４…環状凸部

Claims (1)

1. 流体を密閉するための内部空間を形成するライナと、該ライナに取り付けられた口金と、を備えるタンクの製造方法であって、
   前記口金は、前記内部空間に連通する中空の筒状部と、該筒状部から該筒状部の径方向外側に張り出して形成されたフランジと、を備え、
   前記フランジの外表面は、前記内部空間側に配置される底面と、前記内部空間から離間する側に配置される上面とを含み、
   前記底面は、前記筒状部の開口部を囲む環状溝と、前記底面において最も前記径方向外側に位置する外周部と、前記環状溝と前記外周部との間に形成された段差部と、を含み、
   前記製造方法は、
   前記ライナの一部を構成する底面層であって、前記環状溝よりも前記径方向内側の位置から前記外周部まで前記フランジの前記底面を覆う底面層として、前記環状溝を塞ぐと共に前記段差部の形状に沿った折れ曲がり形状を有する底面層を形成しつつ、前記ライナを前記口金と一体形成する第１のライナ形成工程と、
   前記第１のライナ形成工程の後、前記ライナの収縮により、前記底面における前記環状溝よりも前記径方向内側の領域および前記外周部が前記ライナと接する状態で、前記底面の前記段差部と前記底面層との間に空間を生じさせる第２のライナ形成工程と、
   を備えるタンクの製造方法。

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