JP6988159B2 - 高圧ホース - Google Patents

Description

本発明は、高圧ホースに関し、さらに詳しくは、内圧が作用した際のホース寸法変化を抑制しつつ、耐圧性能を効果的に向上させることができる高圧ホースに関するものである。

近年、燃料電池自動車等の開発が盛んに行なわれている。これに伴って、水素ステーションに設置されたディスペンサから燃料電池自動車等に水素ガスを充填するホースの開発も進められている。燃料電池自動車等の走行距離を長くするには、高圧で水素ガスを燃料タンクに充填する必要があるため、水素充填用ホースには、７０ＭＰａ以上の高い内圧に耐え得る実用性が必要とされている。（特許文献１参照）。

ホースに内圧が作用すると一般的に、ホース長さが縮小するとともに外径が大きくなる。この時のホース長さの縮小量が大きいと、カプラーに接続されたホースがカプラーから外れ易くなるという問題がある。特に水素充填用ホースはマイナス４０〜マイナス３３℃に冷却された高圧の水素ガスが流体として用いられ、この時のホースの拡径量が大きいとホースの内面層にクラックが発生し易く、更にそのクラックの進展速度が速くなりホース寿命が短くなるという問題がある。

ホースに埋設された補強層の編組角度を静止角度（５４．７°）程度に設定すると、ホースに内圧が作用した際にも編組角度がほとんど変化しないので、ホース寸法の変化を抑制することができる。しかしながら、複数の補強層が埋設されたホースでは、それぞれの補強層の編組角度を静止角度程度に設定すると、最内周側に埋設された補強層が過大に内圧を負担することになる。これに伴い、それぞれの補強層を十分に機能させて内圧を負担できずにホースの耐圧性能が低下する。そのため、内圧作用時のホース寸法の変化の抑制と、ホースの耐圧性能の向上とを両立させることが困難であった。

特開２０１７−３１０５号公報

本発明の目的は、内圧が作用した際のホース寸法の変化を抑制しつつ、耐圧性能を効果的に向上させることができる高圧ホースを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の高圧ホースは、同軸状の積層された内面層と外面層との間に、３層または４層の補強層が同軸状に積層されていて、前記内面層が、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０ ^-8 ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ ² ・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂から成り、ホースを流れる流体が水素ガスである高圧ホースにおいて、それぞれの前記補強層の編組角度が５０．５°以上５７°以下の範囲内に設定されていて、それぞれの前記補強層の編組角度を平均した平均編組角度が５３．５°以上５５．５°以下であり、外周側の補強層になるに連れて前記編組角度が大きく設定されていて、最内周の前記補強層を構成する補強線材の破断伸びが３．０％以上４．０％以下、破断強力が５００Ｎ以上であり、最内周の前記補強層の次に外周側に積層されている第２補強層および第２補強層の次に外周側に積層されている第３補強層を構成する補強線材の破断伸びが２．０％以上３．０％未満、破断強力が５００Ｎ以上であり、ホース内圧がゼロから破壊圧に至るまで、それぞれの前記補強層の負担内圧が、それぞれの前記補強層の負担内圧を平均した平均負担内圧の±５％の範囲内に収まることを特徴とする。

本発明によれば、補強層を３層以上にして、これら補強層の平均編組角度が５３．５°以上５５．５°以下であり、外周側の補強層になるに連れて前記編組角度が大きく設定されて、それぞれの補強層の編組角度が静止角度に近い値になっている。それ故、ホースに内圧が作用した際に、ホース寸法の変化を抑制するには有利になっている。

さらに、最内周の前記補強層、第２補強層および第３補強層を構成する補強線材の破断強力を５００Ｎ以上にするとともに、最内周の補強層を構成する補強線材の破断伸びを、第２補強層および第３補強層よりも大きくすることで、ホースに作用する内圧を最内周の補強層から最外周の補強層まで効率よく伝えることができる。そのため、最内周の補強層が過大に内圧を負担することがなく、それぞれの補強層が満遍なく内圧を負担するので、耐圧性能を効果的に向上させることができる。

本発明の高圧ホースを一部切開して例示する側面図である。 図１の高圧ホースを横断面視で例示する説明図である 図１の高圧ホースの使用例を示す説明図である。 図１のそれぞれの補強層の負担内圧を例示するグラフ図である。 図１のそれぞれの補強層の補強線材のモジュラスを同程度の仕様にした場合のそれぞれの補強層の負担内圧を例示するグラフ図である。 本発明の高圧ホースの別の実施形態を一部切開して例示する側面図である。 本発明の高圧ホースのさらに別の実施形態を一部切開して例示する側面図である。

以下、本発明の高圧ホースを図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図２に例示するように、本発明の高圧ホース１は、内周側から順に、内面層２、補強層３（第１補強層３ａ、第２補強層３ｂ、第３補強層３ｃ、第４補強層３ｄ）、外面層５が同軸状に積層された構造となっている。図１の一点鎖線ＣＬは、ホース軸心を示している。

内面層２の内周面には高圧ホース１を流れる流体が直接接触する。そのため、流れる流体に適した材質が用いられる。例えば、流れる流体が水素ガスＨの場合には、内面層２は、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^-8ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ²・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂により形成される。このガス透過係数は、ＪＩＳ Ｋ７１２６に準拠して測定した値である。この熱可塑性樹脂としては、ナイロン（ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１等）、ポリアセタール、エチレンビニルアルコール共重合体等を例示することができる。このように水素ガスバリア性が良好な樹脂を内面層２に用いることにより、優れた耐水素ガス透過性を得ることができる。

内面層２の内径（即ち、ホース１の内径）は特に限定されないが、例えば、４ｍｍ以上１２ｍｍ以下に設定される。内面層２の内径が大きくなる程、流体の流量を増大させるには有利になり、内径が小さくなる程、耐圧性を確保するには有利になる。

内面層２の層厚は例えば、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定される。内面層２の寸法変化を抑制するには層厚を厚くすることが好ましい。一方、高圧ホース１の柔軟性を確保するには、内面層２の層厚を薄くすることが好ましい。内面層２の耐久性および水素ガスＨの流量を確保するには、内面層２の層厚を０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、内径を５ｍｍ以上１０ｍｍ以下にするとよい。

外面層５の最外周面（ホース１の最外周面）は熱可塑性樹脂で形成される。外面層５は熱可塑性樹脂から成る単層構造にすることも、ゴムと熱可塑性樹脂との複層構造にすることもできる。外面層５を形成する熱可塑性樹脂としては、ポリウレタン、ポリエステル等を例示することができ、ゴムとしては、クロロプレンアクリロゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム等を例示することができる。

外面層５の層厚は例えば、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定される。外面層５の外径（即ち、高圧ホース１の外径）は特に限定されないが、例えば、１２ｍｍ以上１８ｍｍ以下に設定される。外面層５の層厚が大きくなる程、高圧ホース１の耐候性を確保するには有利になり、層厚を小さくする程、柔軟性を確保するには有利になる。高圧ホース１の耐候性と柔軟性を両立させるには、外面層５の層厚および外径を上述した範囲に設定することが好ましい。

本発明では、補強層３は３層以上であればよいが、この実施形態では４層の補強層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有している。それぞれの補強層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、複数本の補強線材をホース軸心ＣＬに対して所定の編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４で編組して形成されたブレード構造になっている。

それぞれの補強層３ａ〜３ｄの編組角度Ａ１〜Ａ４を平均した平均編組角度は５３．５°以上５５．５°以下に設定されている。かつ、これらの編組角度は、外周側の補強層３になるに連れて大きく設定されている（Ａ１＜Ａ２＜Ａ３＜Ａ４）。これにより、それぞれの補強層３ａ〜３ｄの編組角度Ａ１〜Ａ４は静止角度（５４．７°）の近傍の値になっている。

隣り合って積層される補強層３での編組角度の差異は小さくして、例えば１°以上３°以下に設定する。具体的に例示すると、編組角度Ａ１は４８°以上５３°以下、編組角度Ａ２は５１°以上５６°以下、編組角度Ａ３は５４°以上５９°以下、編組角度Ａ４は５５°以上６０°以下にするとよい。編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４はそれぞれ、５０．５°以上５７°以下にするとより好ましい。

また、最内周の補強層３ａを構成する補強線材４ａの破断伸びは３．０％以上４．０％以下、破断強力は５００Ｎ以上に設定されている。最内周以外の補強層３ｂ、３ｃ、３ｄを構成する補強線材４ｂ、４ｃ、４ｄの破断伸びは２．０％以上３．０％未満、破断強力は５００Ｎ以上に設定されている。即ち、補強線材４ａは、他の補強線材４ｂ〜４ｄよりも若干伸び易い仕様になっている。この破断強力および破断伸びは、ＪＩＳ Ｌ １０１７：２００２における「８．５ 引張強さ及び伸び率」で規定されている試験条件で試験を行って得られる値である。

このようにして、最内周の補強層３ａを構成する補強線材４ａよりも、他の補強層３ｂ〜３ｄを構成する補強線材４ｂ〜４ｄのモジュラスを高く設定する。補強線材４ｂ〜４ｄについては、破断伸びおよび破断強力は同程度、或いは、外周側の補強層３を構成する補強線材になるに連れて大きく設定する。尚、ブレード構造のそれぞれの補強層３ａ〜３ｄでの補強線材４ａ〜４ｄの編組密度は７０％以上にする。編組密度とは、それぞれの補強層３ａ〜３ｄにおける補強線材４ａ〜４ｄの面積割合を百分率で示すものであり、編組された補強線材どうしのすき間がゼロの場合は１００％になる。

この実施形態では、最内周の補強層３ａ、内周側から２番目の補強層３ｂ、３番目の補強層３ｃを構成するそれぞれの補強線材４ａ、４ｂ、４ｃは高強度繊維になっている。最外周の補強層３ｄを構成する補強線材４ｄは金属線材になっている。

高強度繊維とは、引張り強度が２ＧＰａ以上の繊維である。具体的には、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ繊維）、アラミド繊維、炭素繊維等を高強度繊維として例示できる。高強度繊維の線径は例えば０．２５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下である。高強度繊維にはモノフィラメントを用いることも、複数のフィラメントを撚り合わせた撚りコードを用いることもできる。

金属線材としては、ピアノ線（ＪＩＳ Ｇ ３５０２で規定された仕様）、硬鋼線材（ＪＩＳ Ｇ ３５０６で規定された仕様）、硬鋼線（ＪＩＳ Ｇ ３５２１で規定された仕様）、ステンレス鋼線材（ＪＩＳ Ｇ ４３０８で規定された仕様）、銅及び銅合金の線（ＪＩＳ Ｈ ３２６０で規定された仕様）、アルミニウム及びアルミニウム合金の線（ＪＩＳ Ｈ ４０４０で規定された仕様）、マグネシウム合金の線（ＪＩＳ Ｈ ４２０３で規定された仕様）、チタン及びチタン合金の線（ＪＩＳ Ｈ ４６７０で規定された仕様）や、これらに伸線処理を施したものを例示できる。金属線材の線径は例えば０．２５ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下である。

図３に例示するように、この高圧ホース１が水素ステーションに設置されるディスペンサ８に装備される場合には、高圧ホース１の一方端には注入器６、他方端にはカプラー７が加締めて取付けられる。そして、高圧ホース１はカプラー７を介してディスペンサ８に接続される。高圧ホース１を通じてディスペンサ８から車両９へ低温（例えばマイナス４０°以上マイナス２０°以下）で高圧（例えば４５ＭＰａ以上８７．５ＭＰａ以下）の水素ガスＨが供給、充填される。

本発明の高圧ホース１によれば、補強層３を３層以上にして、それぞれの補強層３の編組角度Ａ１〜Ａ４が静止角度に近い値に設定されている。そのため、高圧ホース１に高い内圧が作用してもそれぞれの編組角度Ａ１〜Ａ４があまり変化しないので、高圧ホース１の寸法変化を抑制するには有利になっている。即ち、ホース内圧が作用した際の高圧ホース１の長さの変化および外径の変化を抑制するには有利になっている。

したがって、図３に例示するように高圧ホース１を通じて水素ガスＨを車両９に充填する場合に、大きなホース内圧が作用しても、高圧ホース１の長さ変化が抑制される。そのため、カプラー７がディスペンサ８から外れる不具合を防止できる。また、高圧ホース１の拡径が抑制されるので、内圧に起因して内面層２が損傷する不具合を防止するには有利になっている。これに伴い、高圧ホース１の寿命を延ばすには有利になっている。特に、高圧かつ低温の水素ガスＨが流れる水素充填用の高圧ホース１では、水素ガスＨの影響により内面層２が低温脆化しているので拡径すると内面層２が損傷し易いが、本発明によれば拡径が抑制されるので、内面層２の損傷を抑えるには非常に有効である。

さらに、それぞれの補強層３ａ〜３ｄを構成する補強線材４ａ〜４ｄの破断強力を５００Ｎ以上にするとともに、最内周の補強層３ａを構成する補強線材４ａの破断伸びを、その他の補強層３ｂ〜３ｄの補強線材４ｂ〜４ｄよりも大きくしている。これより、それぞれの補強層３ａ〜３ｄの編組角度Ａ１〜Ａ４が静止角度に近い値に設定されていながらも、最内周の補強層３ａが過大に内圧を負担することがなく、それぞれの補強層３ａ〜３ｄが満遍なく内圧を負担する。その結果、高圧ホース１に作用する内圧が最内周の補強層３ａから最外周の補強層３ｄまで効率よく伝わり、耐圧性能を効果的に向上させることが可能になっている。

シミュレーションにより算出すると、本発明の高圧ホース１では図４に例示するように、ホース内圧が作用した際のそれぞれの補強層３ａ〜３ｄの負担内圧は概ね同じになっている。図４および後述する図５に記載のグラフでは、縦軸をそれぞれの補強層３ａ〜３ｄの負担内圧にして、それぞれの負担内圧を所定の基準値で除した指数で表示している。したがって、図４は任意のホース内圧でのそれぞれの補強層３ａ〜３ｄの内圧負担のばらつきを示している。本発明の高圧ホース１によれば、ホース内圧がゼロから高圧ホース１の破壊圧Ｐ１に至るまで、それぞれの補強層３ａ〜３ｄの負担内圧は、それぞれの補強層３ａ〜３ｄの負担内圧を平均した平均負担内圧の±５％の範囲内に収まる。

一方、本発明の高圧ホース１に対して、それぞれの補強層３ａ〜３ｄを構成する補強線材４ａ〜４ｄの破断伸び（モジュラス）を同程度の仕様にした高圧ホースの場合は、図５に例示するように、ホース内圧が作用した際のそれぞれの補強層３の負担内圧は大きく相違する。即ち、この仕様の高圧ホースでは、ホース内圧がゼロから高圧ホース１の破壊圧Ｐ２に至るまで、それぞれの補強層３ａ〜３ｄの負担内圧は、それぞれの補強層３ａ〜３ｄの負担内圧を平均した平均負担内圧の±５％の範囲内に収まることはなく、例えば、±３０％の範囲内に収まる程度であり、ばらつきが大きくなる。詳述すると、最内周の補強層３ａの負担内圧が補強層３ｂ、３ｃよりも大幅に大きくなり、最外周の補強層３ｄの負担内圧が最大になる。

図５に例示する高圧ホースの仕様では、作用する内圧を最内周の補強層３ａから最外周の補強層３ｄまで効率よく伝えることができない。そのため、図５に例示する高圧ホースの破壊圧Ｐ２は図４に例示する高圧ホース１の破壊圧Ｐ１よりも低下して、耐圧性能を向上させることができない。

図６に例示するように本発明の高圧ホース１では、補強層３を３層にした仕様にすることもできる。この場合も先の実施形態と同様にそれぞれの補強層３の編組角度を平均した平均編組角度は５３．５°以上５５．５°以下に設定され、外周側の補強層３になるに連れて編組角度は大きく設定される（Ａ１＜Ａ２＜Ａ３）。また、最内周の補強層３ａを構成する補強線材４ａの破断伸びを３．０％以上４．０％以下、破断強力を５００Ｎ以上にして、最内周以外の補強層３ｂ、３ｃを構成する補強線材４ｂ、４ｃの破断伸びを２．０％以上３．０％未満、破断強力を５００Ｎ以上にする。図６に記載の実施形態においても先の実施形態で説明した様々な仕様を適用することができる。

本発明の高圧ホース１では、図１、図６に例示するように、すべての補強層３をブレード構造にするだけでなく、図７に例示するように、すべての補強層３をホース軸心ＣＬを中心にして補強線材４ａ〜４ｂを螺旋状に巻回して構成したスパイラル構造にすることもできる。補強層３にスパイラル構造を採用した場合は、ブレード構造を採用した場合に比して、補強線材４ａ〜４ｄの編組密度を大きくできるので耐圧性能を向上させるには有利になる。スパイラル構造にした場合、それぞれの補強層３での編組密度は９０％以上にする。図７に記載の実施形態においても先の実施形態で説明した様々な仕様を適用することができる。

本発明の高圧ホース１では、ブレード構造の補強層３とスパイラル構造の補強層３とを混在させることもできる。補強層３にブレード構造を採用した場合は、スパイラル構造を採用した場合に比して高圧ホース１の曲げ剛性が低くなって柔軟性が良好になる。

図１、図２に例示する構造の高圧ホースにおいて、表１に示すようにブレード構造の補強層の仕様のみを異ならせた２種類の試験サンプル（実施例および比較例）を作成して耐圧試験を行った。表１中の第１補強層、第２補強層、第３補強層、第４補強層とはそれぞれ、内周側から１番目に配置された補強層（最内周の補強層）、２番目に配置された補強層、３番目に配置された補強層、４番目に配置された補強層（最外周の補強層）を意味している。この耐圧試験は、ＪＩＳ Ｋ６３３０−２に記載の方法に準拠して破壊圧を測定するものである。

耐圧試験で測定された破壊圧、ホース長さの最大変化率およびホースの最大膨張率（外径最大変化率）を表１に示す。ホース長さの最大変化率およびホースの最大膨張率は比較例を基準の１００として指数で示していて、数値が小さい程、変化率が小さいことを意味している。

表１の結果から、実施例は比較例に対して破壊圧が向上するとともに、ホース長さの最大変化率は同等であり、ホースの最大膨張率は小さくなることが分かる。

１ 高圧ホース
２ 内面層
３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ） 補強層
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 補強線材
５ 外面層
６ 注入器（ホース金具）
７ カプラー（ホース金具）
８ ディスペンサ
９ 車両
ＣＬ ホース軸心
Ｈ 水素ガス

Claims (7)

1. 同軸状の積層された内面層と外面層との間に、３層または４層の補強層が同軸状に積層されていて、前記内面層が、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０ ^-8 ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ ² ・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂から成り、ホースを流れる流体が水素ガスである高圧ホースにおいて、
   それぞれの前記補強層の編組角度が５０．５°以上５７°以下の範囲内に設定されていて、それぞれの前記補強層の編組角度を平均した平均編組角度が５３．５°以上５５．５°以下であり、外周側の補強層になるに連れて前記編組角度が大きく設定されていて、最内周の前記補強層を構成する補強線材の破断伸びが３．０％以上４．０％以下、破断強力が５００Ｎ以上であり、最内周の前記補強層の次に外周側に積層されている第２補強層および第２補強層の次に外周側に積層されている第３補強層を構成する補強線材の破断伸びが２．０％以上３．０％未満、破断強力が５００Ｎ以上であり、ホース内圧がゼロから破壊圧に至るまで、それぞれの前記補強層の負担内圧が、それぞれの前記補強層の負担内圧を平均した平均負担内圧の±５％の範囲内に収まることを特徴とする高圧ホース。
2. それぞれの前記補強層が編組密度を７０％以上にしたブレード構造または編組密度を９０％以上にしたスパイラル構造である請求項１に記載の高圧ホース。
3. すべての前記補強層がブレード構造である請求項２に記載の高圧ホース。
4. 最外周の補強層を構成する前記補強線材が金属線材であり、最外周以外の補強層を構成する前記補強線材が高強度繊維である請求項１〜３のいずれかに記載の高圧ホース。
5. 前記高強度繊維がポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維である請求項４に記載の高圧ホース。
6. 前記金属線材の線径が０．２５ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下、前記高強度繊維の線径が０．２５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下である請求項４または５に記載の高圧ホース。
7. 前記内面層の層厚が０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、内径が４ｍｍ以上１２ｍｍ以下である請求項１〜６のいずれかに記載の高圧ホース。

Images