図面 (/)

技術 複合容器の圧力サイクル試験方法

出願人 JXTGエネルギー株式会社
発明者 小畠菜々子壱岐英
出願日 2015年3月19日 (6年10ヶ月経過) 出願番号 2015-055607
公開日 2016年10月6日 (5年4ヶ月経過) 公開番号 2016-176735
状態 特許登録済
技術分野 機械的応力負荷による材料の強さの調査 ガス貯蔵容器;ガスの充填・放出 気密性の調査・試験
主要キーワード 自家用乗用車 終了サイクル 金属製ライナ 常用圧力 電池槽 根詰まり サイクル速度 繊維束層
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年10月6日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価することができる。

解決手段

金属製ライナの外周側に強化層を備え、高圧気体保持可能な複合容器1の圧力サイクル試験方法であって、エチレングリコールを含む溶媒溶質が添加された溶液圧力媒体として複合容器1に充填する第1工程と、複合容器1に充填した圧力媒体の加圧及び減圧複数サイクル繰り返し実施する第2工程と、を含む。

概要

背景

金属製ライナの外周側に強化層を備え、高圧気体保持可能な複合容器圧力サイクル試験方法として、特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1に記載の圧力サイクル試験方法では、複合容器の内部に圧力媒体充填し、圧力媒体の加圧及び減圧(脱圧)を繰り返すことにより、複合容器の耐久性を評価する。

概要

実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価することができる。金属製ライナの外周側に強化層を備え、高圧気体を保持可能な複合容器1の圧力サイクル試験方法であって、エチレングリコールを含む溶媒溶質が添加された溶液を圧力媒体として複合容器1に充填する第1工程と、複合容器1に充填した圧力媒体の加圧及び減圧を複数サイクル繰り返し実施する第2工程と、を含む。

目的

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価できる複合容器の圧力サイクル試験方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

金属製ライナの外周側に強化層を備え、高圧気体保持可能な複合容器圧力サイクル試験方法であって、エチレングリコールを含む溶媒溶質が添加された溶液圧力媒体として前記複合容器に充填する第1工程と、前記複合容器に充填した前記圧力媒体の加圧及び減圧複数サイクル繰り返し実施する第2工程と、を含む、複合容器の圧力サイクル試験方法。

請求項2

前記第2工程における前記圧力媒体の加圧により前記複合容器の内部圧力基準圧力に到達しない場合、又は当該加圧により前記複合容器の内部圧力が基準圧力に到達するまでの時間が基準時間以上である場合、前記第2工程を終了する、請求項1記載の複合容器の圧力サイクル試験方法。

請求項3

前記エチレングリコールは、導電率が2×10−4S/cmより低く、好ましくは、1×10−5S/cmより低く、より好ましくは、5×10−6S/cmより低い、請求項1又は2に記載の複合容器の圧力サイクル試験方法。

請求項4

前記エチレングリコールは、21℃における溶存酸素量が5mg/Lより少なく、より好ましくは2mg/Lより少ない、請求項1〜3のいずれか一項に記載の複合容器の圧力サイクル試験方法。

請求項5

前記溶質は、アミン系及び有機酸系の少なくともいずれかを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の複合容器の圧力サイクル試験方法。

請求項6

前記溶質の添加量は、1〜10wt%である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の複合容器の圧力サイクル試験方法。

請求項7

前記複合容器は、水素ステーション蓄圧器である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の複合容器の圧力サイクル試験方法。

技術分野

0001

本発明は、複合容器圧力サイクル試験方法に関する。

背景技術

0002

金属製ライナの外周側に強化層を備え、高圧気体保持可能な複合容器の圧力サイクル試験方法として、特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1に記載の圧力サイクル試験方法では、複合容器の内部に圧力媒体充填し、圧力媒体の加圧及び減圧(脱圧)を繰り返すことにより、複合容器の耐久性を評価する。

先行技術

0003

特開2007−154927号公報

発明が解決しようとする課題

0004

上述したような従来の圧力サイクル試験方法では、安全性への配慮から、圧力媒体として液体を使用しなければならないところ、一般的に圧力媒体として水道水が用いられている。圧力サイクル試験に水道水を用いる場合、金属製ライナが水道水と接触することから、複合容器の耐久性が、水道水中の塩素成分等による表面反応を受け易くなる。また、圧力サイクル試験が長期化する場合、H2O等による表面反応も起こりうる。一方、実際に複合容器が使用される際には、水道水ではなく高圧気体を保持することから、当該影響はほとんどないという実情がある。このように、従来の圧力サイクル試験方法では、試験環境が複合容器の実際の使用環境に対応していない(実際よりも過酷な条件での圧力サイクル試験方法となる)ため、実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価することが困難である。

0005

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価できる複合容器の圧力サイクル試験方法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

0006

上記課題を解決するため、本発明の複合容器の圧力サイクル試験方法は、金属製ライナの外周側に強化層を備え、高圧気体を保持可能な複合容器の圧力サイクル試験方法であって、エチレングリコールを含む溶媒溶質が添加された溶液を圧力媒体として複合容器に充填する第1工程と、複合容器に充填した圧力媒体の加圧及び減圧を複数サイクル繰り返し実施する第2工程と、を含む。

0007

本発明では、複合容器の耐久性を評価する際に圧力媒体として複合容器に充填される液体を、エチレングリコールを含む溶媒に溶質が添加された溶液としている。このため、液体中の塩素成分等による金属製ライナの表面反応を抑制し、複合容器の耐久性に対する表面反応を抑制することができる。その結果、当該表面反応がほとんどない高圧気体を保持するという複合容器の実際の使用環境に圧力サイクル試験の試験環境が近くなる。よって、実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価することができる。

0008

また、第2工程における圧力媒体の加圧により複合容器の内部圧力基準圧力に到達しない場合、又は当該加圧により複合容器の内部圧力が基準圧力に到達するまでの時間が基準時間以上である場合、第2工程を終了する。これにより、例えば複合容器の耐久性の評価として、圧力媒体の加圧及び減圧の繰返し数であるサイクル数計測する場合、実際の使用環境において複合容器が劣化して漏れを生じるまでのサイクル数に近いサイクル数が計測できる。

0009

また、エチレングリコールは、導電率が2×10−4S/cmより低く、好ましくは、1×10−5S/cmより低く、より好ましくは、5×10−6S/cmより低くてもよい。また、エチレングリコールは、21℃における溶存酸素量が5mg/Lより少なく、より好ましくは2mg/Lより少なくてもよい。また、溶媒は、イオン交換水等を更に含んでいてもよい。また、溶質は、有機化合物の場合、アミン系及び有機酸系の少なくともいずれか1つを含んでもよく、無機化合物の場合、例えばクロム酸塩亜硝酸塩けい酸塩ポリりん酸塩の少なくともいずれか1つを含んでもよい。これにより、金属製ライナの表面反応をより抑制することができる。

0010

また、溶質の添加量は、1〜10wt%であってもよい。これにより、金属製ライナの表面反応を必要十分に抑制することができる。

0011

また、複合容器は、水素ステーション蓄圧器であってもよい。この場合、複合容器が大型化し、圧力サイクル試験の試験時間が長期化し易くなるため、金属製ライナの表面反応を抑制するという効果がより顕著に奏される。

発明の効果

0012

本発明によれば、実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価することができる。

図面の簡単な説明

0013

実施形態に係る複合容器の圧力サイクル試験方法によって評価される複合容器を示す一部断面図である。
実施形態に係る複合容器の圧力サイクル試験方法を実施する試験装置を示す概略構成図である。
実施形態に係る複合容器の圧力サイクル試験方法を示すフローチャートである。

実施例

0014

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

0015

図1は、実施形態に係る複合容器の圧力サイクル試験方法によって評価される複合容器を示す一部断面図である。図1に示すように、複合容器1は、高圧気体(乾燥気体)を保持可能であり、例えば、水素天然ガス等の燃料ガス高圧貯蔵するための容器である。この複合容器1は、例えば、長さが0.2〜6m、直径が200〜600mmである。また、常用圧力が20〜110MPa、設計圧力が50〜300MPaとされている。複合容器1は、据置き型で用いられる水素ステーション用蓄圧器であってもよいし、移動体に搭載されて用いられる車載用容器であってもよい。

0016

特に、複合容器1は、車載用容器である場合、例えば、容量が30〜160L、直径が200〜500mm、長さが200〜1000mm程度である。また、水素ステーション用蓄圧器である場合、例えば、容量が100〜1500L、直径が200〜600mm、長さが1〜6m程度である。なお、複合容器1は、その用途が限定されるものではなく、種々の用途で用いることができる。

0017

この複合容器1は、円筒状の金属製ライナ2と、金属製ライナ2の外周側に、金属製ライナ2の外周側を覆うように設けられた強化層(繊維強化プラスチック層)3と、を備えている。金属製ライナ2の端部2aの少なくとも一方はドーム状に形成されており、当該端部2aの先端には、軸方向に突出するように口金4が取り付けられている。ここでは、両端部2aがドーム状に形成されており、当該両端部2aの先端に口金4が取り付けられている。口金4の取付け高さ(突出高さ)は、口金4が強化層3から出っ張る高さとされているが、強化層3の厚みと同等とされてもよい。

0018

金属製ライナ2は、例えば、アルミニウム合金鋼鉄等からなり、パイプ形状板形状をスピニング加工等にて容器形状に形成したものに、口金4の形状を形成したものである。アルミニウム合金としては、例えば、Al−Mg−Si系合金の6061材が挙げられる。鋼鉄としては、例えば、SUS316Lが挙げられる。

0019

強化層3は、金属製ライナ2の外周側に熱硬化性樹脂含浸された繊維束10を巻き付け、当該繊維束10を加熱炉で加熱し硬化させることによって形成される。熱硬化性樹脂の種類としては、フェノール樹脂尿素樹脂不飽和ポリエステル樹脂ビニルエステル樹脂ポリイミド樹脂ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂ジアリルフタレート樹脂エポキシ樹脂メラミン樹脂又はアリル樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。強化層3の厚さは、例えば、4cm程度である。

0020

また、繊維束10としては、例えば、炭素繊維ガラス繊維アラミド繊維ボロン繊維ポリエチレン繊維スチール繊維ザイロン繊維又はビニロン繊維等を用いることができ、ここでは、高強度で高弾性率且つ軽量な炭素繊維を用いている。また、本実施形態の繊維束10の繊維数(フィラメント)は、特に制限されるものではないが、1000〜50000フィラメント、好ましくは3000〜30000フィラメントの範囲とされ、ここでは、24000フィラメントとしている。

0021

以上のように構成された複合容器1を製造する場合、まず、熱硬化性樹脂が予め含浸された繊維束10を金属製ライナ2の外周側に巻き付け、複数層繊維束層(繊維強化プラスチック層)を形成し、これにより、容器中間体を得る。

0022

なお、容器中間体とは、製造過程における複合容器1を意図しており、ここでは、繊維束10の熱硬化性樹脂が熱硬化する前の状態のものを意図している(以下、同じ)。また、繊維束10の巻付け方法は特に限定されないが、例えば、FW(フィラメントワインディング)法を採用することができる。FW法としては、予め熱硬化性樹脂が含浸された繊維束(トウプリプレグ)10を用意し、これを金属製ライナ2に巻き付けて成形する方法(いわゆるDry法)が挙げられる。

0023

そして、繊維束10を巻き付けた後、容器中間体を加熱炉で加熱することにより繊維束10の熱硬化性樹脂を硬化させ、これにより、強化層3を備えた複合容器1を得る。或いは、繊維束10を巻き付けながら、熱硬化性樹脂を硬化させてもよい。

0024

以上のようにして製造された複合容器1に対して、圧力サイクル試験方法が実施される。なお、圧力サイクル試験方法は、複合容器1の製造方法の一環として一部の複合容器1に対して実施されるサンプル試験に適用されてもよい。圧力サイクル試験方法は、複合容器1の耐久性を評価するものであって、溶液を圧力媒体として複合容器1に充填する工程と、複合容器1に充填した圧力媒体の加圧及び減圧を複数サイクル繰り返し実施する工程と、を含んでいる。本実施形態の圧力サイクル試験方法は、所定の基準に従って実施される。所定の基準としては、例えば以下の3つが挙げられる。

0025

(1)ASME(海外基準)
複合容器1に対する圧力サイクル試験では、最小圧力が設計圧力の10%以下、及び最大圧力が設計圧力(常用圧力の1.1倍)の100%以上と規定されている。また、繰り返しの周波数が0.25Hz(15サイクル/分)を超えないこと、及び複合容器1の外表面温度が試験中に50℃を超えないこと、及び決められた試験サイクル数Nで行うことが規定されている。試験サイクル数Nは、試験の回数等により決定される。また、最低限サイクルの10%が最小設計温度で実施され、残りのサイクルは常温で実施される。複合容器1が破裂や漏れによる破壊を起こさずに、N回の圧力サイクルに耐え、且つ、追加的に実施されるN回の圧力サイクルにおいて、破裂による破壊を起こさなければ、合格となる。

0026

(2)一般複合容器の技術基準HKS0121(2005)
設計確認試験における常温圧力サイクル試験として、まず、複合容器1に液体を充填し、大気圧最高充填圧力(常用圧力)以上の上限圧力との間の圧力変動を毎分10回以下の割合で1万回以上繰り返すこと、及び、この場合、当該最高充填圧力の90%以上の圧力における保持時間は1.2秒間を超えることが規定されている。続いて、大気圧と耐圧試験圧力以上の上限圧力との間の圧力変動を毎分10回以上の割合で30回以上繰り返すこと、及び、この場合、当該耐圧試験圧力の90%以上の圧力における保持時間は1.2秒間を超えることが規定されている。続いて、破裂試験を行うことが規定されている。

0027

合格基準は、上記圧力変動により複合容器1に変形又は漏れがないこと、上記破裂試験において破裂圧力が最小破裂圧力の90%以上であること、及び上記破裂試験において破裂の起点は胴部であること、の全てを満足することとされている。

0028

(3)JARIS001(2004)
設計確認試験における常温圧力サイクル試験として、複合容器1に液体を充填し、2MPa以下の圧力と最高充填圧力(常用圧力)の125%以上の圧力との間を、毎分10回以下で45000回以上往復させることが規定されている。合格基準は、11250回以下で漏れがなく、且つ、破裂しないこととされている。

0029

以上説明したいずれの基準においても、圧力サイクル試験では圧力媒体として液体(雰囲気液体)を使用することが求められている。これは、圧縮状態では、液体より気体の方が内在するエネルギーが大きく、試験対象の破損等に伴って圧力が解放された場合、液体は体積膨張が極めて小さく、周囲への影響が小さいのに対し、気体は急激な体積膨張が起こり、周囲への影響が大きいためである。本実施形態の圧力サイクル試験方法は、いずれの基準に従って実施してもよいし、これらに限らず、圧力媒体として液体を使用する圧力サイクル試験の全てに適用可能である。

0030

また、高圧ガス保安法に基づく容器保安規則によれば、圧力サイクル試験の合格基準として、45000回以下で破裂しないこと、且つ、所定回数以下で漏れがないことが規定されている。当該所定回数は、水素ステーション用蓄圧器、及び自家用乗用車以外のタクシートラック等の車載用容器では11250回、自家用乗用車の車載用容器では5500回とされている。

0031

ここで、本実施形態の圧力サイクル試験においては、複合容器1の圧力サイクル試験が設定されたサイクル数で実施されると共に、当該サイクル数に達する前に複合容器1に漏れが生じた場合には、圧力サイクル試験が終了され、漏れが生じるまでのサイクル数が計測される。以下の本実施形態の試験装置及び試験方法について詳細に説明する。

0032

図2は、実施形態に係る複合容器の圧力サイクル試験方法を実施する試験装置を示す概略構成図である。図2に示すように、試験装置100は、圧力サイクル試験で用いられるものであって、タンク20と、圧縮機30と、圧力センサ40と、コントローラ50と、を備えている。タンク20及び圧縮機30は、金属製の配管L1により連通可能に接続されている。また、圧縮機30には、金属製の配管L2により複合容器1が連通可能に接続されている。配管L2は、複合容器1のいずれか一方の口金4に接続されている。複合容器1のもう一方の口金4は栓がされ、閉じられている。なお、配管L1,L2は、金属製に限られず、例えば、樹脂製等であってもよい。

0033

タンク20は、溶質を添加した溶液を貯留する。タンク20は、例えば、樹脂製又は金属製である。圧縮機30は、溶質を添加した溶液を圧力媒体とし、タンク20側から複合容器1側へと溶質を添加した溶液を圧送するようにして加圧し、複合容器1の内部圧力を上昇させる。圧力センサ40は、配管L2の圧縮機30近傍に設けられ、配管L2内の圧力を検出し、当該圧力情報をコントローラ50に出力する。配管L2内は、複合容器1の内部と連通可能であるため、圧力センサ40により検出される圧力は、複合容器1の内部圧力に対応している。なお、圧力センサ40は、複合容器1の内部圧力に対応する圧力を検出できれば、これ以外の場所に設けられてもよく、例えば、複合容器1の内部に設けられてもよい。

0034

コントローラ50は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を含むコンピュータで構成されている。コントローラ50は、圧力センサ40に電気的に接続され、圧力センサ40から圧力情報を入力し、当該圧力情報に基づき、複合容器1の状態についての判定を行う。仮に、複合容器1が劣化して亀裂を有する等した場合、圧力媒体を加圧しても複合容器1から圧力媒体が漏れてしまうため、複合容器1の内部圧力が上がらなくなったり、上がり難くなったりする。したがって、コントローラ50は、当該圧力情報に基づき、複合容器1の漏れを検出することが可能となる。

0035

具体的には複合容器1の漏れを検出するため、コントローラ50は、圧力媒体の加圧により複合容器1の内部圧力が基準圧力に到達するか否か、及び当該加圧により複合容器1の内部圧力が基準圧力に到達するまでの時間が基準時間以下であるか否かについて判定を行う。基準圧力は、例えば、圧力サイクル試験の最大圧力とすることができる。基準圧力の値及び基準時間の値はそれぞれ予めコントローラ50に設定される。なお、漏れを検出することができれば、コントローラ50による判定はこれに限られない。例えば、圧力媒体の加圧により複合容器1の内部圧力が基準圧力に到達するまでの時間について判定する代わりに、当該速度について判定してもよい。

0036

コントローラ50は、圧縮機30に電気的に接続され、圧縮機30の動作を制御し、複合容器1の内部圧力を制御すると共に、圧力サイクル試験のサイクル数を計測する。また、コントローラ50は、計測したサイクル数が圧力サイクル試験の終了条件である終了サイクル数に到達したか否かについても判定を行う。終了サイクル数は、上記の基準毎に予めコントローラ50に設定される。なお、終了サイクル数を設定しない圧力サイクル試験の場合は、コントローラ50の当該判定処理を省略することができる。

0037

図3は、実施形態に係る複合容器の圧力サイクル試験方法を示すフローチャートである。ここでは、複合容器1の漏れを検出するため、コントローラ50は、圧力媒体の加圧により複合容器1の内部圧力が基準圧力に到達するか否か、及び当該加圧により複合容器1の内部圧力が基準圧力に到達するまでの時間が基準時間以下であるか否かの両方について判定を行う。なお、これらのいずれかのみについて判定を行ってもよい。通常は後者の判定の方がより小さな漏れを検出し易いが、小さな漏れはすぐに大きな漏れを生じさせるため、いずれの判定によっても漏れを検出するまでのサイクル数に大きな差異が生じ難いと考えられる。

0038

図3に示すように、本実施形態の圧力サイクル試験では、まず、圧力媒体として用いる溶質を添加した溶液を調製する(S1)。具体的には、エチレングリコールを含む溶媒に溶質を添加することにより、溶質を添加した溶液の調製が行われる。溶媒は、水道水、イオン交換水、浄水蒸留水、及びエチレングリコール以外の有機溶媒等を更に含む混合液であってもよい。エチレングリコールは、導電率が2×10−4S/cmより低く、好ましくは、1×10−5S/cmより低く、より好ましくは、5×10−6S/cmより低いものとされる。また、エチレングリコールは、21℃における溶存酸素量が5mg/Lより少なく、より好ましくは2mg/Lより少ないものとされる。また、金属製ライナ2がアルミニウム合金で構成される場合は、アルミニウム合金の表面反応を防ぐ目的で、溶液はpH2〜9、好ましくはpH4〜8の範囲に設定される。また、使用温度は、圧力媒体の融点〜40℃、好ましくは、1〜30℃に設定される。1℃未満では液体粘度が高くなり、配管の根詰まりサイクル速度の低下により、試験が長期化する可能性がある。30℃より高い温度は金属製ライナ2の表面反応を促進し、サイクル数が低下する可能性がある。

0039

溶質は、複合容器1の金属製ライナ2、配管L1,L2及び圧縮機30を構成する各金属に対する防食効果を有する防食剤である。なお、タンク20が金属製であれば、溶質は、タンク20を構成する金属に対する防食効果を更に有していてもよい。金属、特にアルミニウム合金の表面反応、及び溶質による反応抑制メカニズムについて以下に説明する。

0040

表面反応に関与する成分Cl−イオンによる金属の表面反応は、溶液中のH2O、溶存酸素、金属表面の電子により、O2+H2O+4e−→4OH−の反応が起こり、OH−イオンが増殖すると共に、電子を失ったAl3+が金属表面に溶出して金属表面がプラス帯電し、静電気的に引き寄せられたCl−イオンが金属表面を破壊することにより生じる。Cl−イオンが被膜侵入して金属の溶解を促進するという浸透説、及び金属表面に可溶体錯体が生成して表面を破壊するという吸着説がある。これに対する防食のメカニズムとして、溶質成分が金属表面に吸着することで、表面反応を抑制するという説がある。また、Cl−イオンを覆い、金属表面への接触確率を低減させることで、表面反応を抑制するという説もある。

0041

アルミニウム合金と圧力媒体との接触時間が長期化する場合、H2Oによる表面反応も起こりうる。表面反応に関与する成分H2Oによる金属の表面反応は、溶液中のH2O、溶存酸素、金属表面の電子により、O2+H2O+4e−→4OH−の反応が起こり、OH−イオンが増殖すると共に、電子を失ったAl3+が金属表面に溶出し、Al3++3OH−→Al(OH)3の反応で沈殿物が形成されることにより生じる。これに対する防食のメカニズムとして、溶質成分が金属表面に吸着することで、表面反応を抑制するという説がある。また、溶質成分がOH−イオン及びH+イオンを覆い、金属表面への接触確率を低減させることで、表面反応を抑制するという説もある。

0042

なお、上述の表面反応のメカニズムについては、下記の参考文献に記載されている。
参考文献:日本材料学会腐食防食部門委員会編、「実験で学ぶ 腐食防食の理論と応用」、晃洋書房、1999年9月

0043

溶質は、例えば、アミン系及び有機酸系等である。アミン系としては、例えば、ジエタノールアミン等が挙げられる。また、有機酸系としては、例えば、ヒドロキシ酸カルボン酸、及びアミノポリカルボン酸が挙げられる。その他としては、エチレングリコール、メタけい酸ナトリウムメタけい酸カリウムフェノール、りん酸エステルアミド化合物、ポリりん酸ナトリウム、メタりん酸ナトリウム、りん酸ナトリウム、及び特定の有機シラン系化合物を含有する水溶性潤滑剤組成物等が挙げられる。これらの溶質の中でも、アミン酸系または有機酸系のものは、例えばエチレングリコール(添加量:50wt%)に比べて、耐久性への影響を抑制する観点で特に好ましい。Cl−イオン、H2OによるAl合金の表面反応の抑制に対しては、特にアミン系および有機酸系が有効である。

0044

耐久性への影響を抑制する観点から、溶質としてアミン系及び有機酸系の少なくともいずれかを含むものが好ましい。溶質の添加量は、例えば、0.1〜10wt%、好ましくは、1〜10wt%である。溶質の添加量が1wt%未満では、塩素成分等の影響を抑制する効果は相対的に小さくなる。10wt%より多い場合、溶液はpHが4〜8の範囲外となり、金属の表面反応を加速する可能性がある。もしくは、溶質成分により圧力媒体の圧縮率が大きくなり、サイクル試験の速度が低下することで試験が長期化する可能性がある。

0045

続いて、溶質を添加した溶液を圧力媒体として複合容器1に容量一杯に充填し(S2)、タンク20に溶質を添加した溶液を導入する(S3)。続いて、タンク20と圧縮機30とを配管L1で連通可能に接続すると共に、圧縮機30と複合容器1とを配管L2で連通可能に接続する(S4)。これにより、複合容器1と溶質を添加した溶液を貯留するタンク20とが、連通可能に接続される。続いて、複合容器1に充填した溶質を添加した溶液に対する加圧を開始する(S5)。具体的には、圧縮機30を稼働し、タンク20側から複合容器1側へと溶質を添加した溶液を圧送するようにして溶質を添加した溶液に対する加圧を行う。

0046

続いて、圧力センサ40で検出された圧力が上昇しているか否かを判定する(S6)。ここで、溶質を添加した溶液に対する加圧が行われているにもかかわらず、圧力が上昇しなければ、複合容器1は、完全に密封された状態ではなく、劣化して亀裂を有する等して漏れがある状態であることがわかる。したがって、上記S6でNOの場合、複合容器1は漏れがあると判定され、圧力サイクル試験が終了される。なお、上記S6の判定では、圧力センサ40で検出された圧力が上昇していない場合、当該圧力が圧力サイクル試験の最大圧力に到達しないことが明らかであるから、上記S6の判定は、当該圧力が最大圧力に到達するか否かを判定していることに他ならない。

0047

上記S6でYESの場合、圧力センサ40で検出された圧力が圧力サイクル試験の最大圧力(基準圧力)に達したか否かを判定する(S7)。最大圧力は、例えば、複合容器1の設計圧力以上であって、50〜140MPaである。なお、最大圧力はこの限りではない。上記S7でNOの場合、上記S6の処理に移行される。一方、上記S7でYESの場合、圧力センサ40で検出された圧力が圧力サイクル試験の最大圧力に到達するまでの時間が基準時間以上であるか否かを判定する(S8)。

0048

当該時間が基準時間以上である場合、複合容器1は、完全に密封された状態ではなく、劣化して亀裂を有する等して漏れがある状態であることがわかる。したがって、上記S8でYESの場合、複合容器1は漏れがあると判定され、圧力サイクル試験が終了される。上記S8でNOの場合、圧力サイクル試験が続行され、複合容器1の内部の溶質を添加した溶液に対する減圧が開始される(S9)。具体的には、圧縮機30が稼働を停止する。これにより、複合容器1の内部圧力が減少される。

0049

続いて、圧力センサ40で検出された圧力が圧力サイクル試験の最小圧力に達したか否かが判定される(S10)。最小圧力は、例えば、複合容器1の設計圧力の10%以下であって、0〜14MPaである。なお、最小圧力はこの限りではない。上記S10でNOの場合、引き続き複合容器1の内部圧力が減少されると共に、上記S9の判定処理が繰り返される。一方、上記S10でYESの場合、上記S5〜上記S10の一連の処理からなる1つの圧力サイクル工程の実施回数がサイクル数として計測(カウントアップ)される(S11)。

0050

続いて、上記S11で計測されたサイクル数が予め設定された終了サイクル数に到達したか否かが判定される(S12)。上記S12でNOの場合、上記S5の処理に移行される。一方、上記S12でYESの場合、圧力サイクル試験が終了される。

0051

以上、本実施形態によれば、上記S2において、エチレングリコールを含む溶媒に溶質が添加された溶液が圧力媒体として複合容器1に充填される(第1工程)。続いて、上記S5〜上記S12において、複合容器1に充填した圧力媒体の加圧及び減圧を複数サイクル繰り返し実施する圧力サイクル工程が行われる(第2工程)。そして、上記S6において、第2工程における圧力媒体の加圧により複合容器1の内部圧力が最大圧力に到達しない場合、又は当該加圧により複合容器1の内部圧力が最大圧力に到達するまでの時間が基準時間以上である場合、第2工程が終了される(第3工程)。

0052

このように、圧力サイクル試験により複合容器1の耐久性を評価する際に、圧力媒体として複合容器1の内部に充填される液体を、エチレングリコールを含む溶媒に溶質が添加された溶液としている。このため、液体中の塩素成分等との接触による金属製ライナ2の表面反応が抑制され、表面反応がほとんど発生しない高圧気体を保持するという複合容器1の実際の使用環境に圧力サイクル試験の試験環境が近くなる。その結果、複合容器1が劣化して漏れを生じるまでに計測されるサイクル数の減少が抑制される。これにより、当該計測されるサイクル数を実際の使用環境におけるサイクル数に近づける(実際のサイクル数に対応するように増やす)ことが可能となり、実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価することができる。また、圧縮機30、配管L1,L2及びタンク20といった使用装置及び使用部品長寿命化を図ることができる。

0053

また、エチレングリコールは、導電率が2×10−4S/cmより低く、好ましくは、1×10−5S/cmより低く、より好ましくは、5×10−6S/cmより低いものとされる。また、エチレングリコールは、21℃における溶存酸素量が5mg/Lより少なく、より好ましくは2mg/Lより少ないものとされる。このようにエチレングリコールは、塩素イオン硝酸イオン硫酸イオン等といった不純物が少なく、導電率が低く且つ溶存酸素量が少ないものとすることにより、金属製ライナの表面反応をより抑制することができる。溶質は、耐久性への影響を抑制する観点からアミン系及び有機酸系の少なくともいずれか1つを含む溶質がより好ましい。これにより、金属製ライナの表面反応をより抑制することができる。また、溶質の添加量は、1〜10wt%である。これにより、金属製ライナの表面反応を必要十分に抑制することができる。

0054

ここで、実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価することができるという上記作用効果について、実施例と比較例とを用いて具体的に説明する。

0055

実施例では、本実施形態の複合容器の圧力サイクル試験方法に従い、エチレングリコール水に溶質を添加して調製した溶液を圧力媒体として圧力サイクル試験を行った場合に、漏れが生じるまでのサイクル数をシミュレーションにより求めた。ここで、エチレングリコール水とは、エチレングリコール80wt%及びイオン交換水20wt%の混合液である。なお、エチレングリコールを希釈せずに80wt%よりも高い濃度で用いる場合は、危険物として取り扱う必要がある。当該サイクル数は、車載用容器である複合容器A、及び水素ステーション用蓄圧器である複合容器Bに対してそれぞれ求めた。複合容器Aは、容量が150Lであり、設計圧力が90MPaである。複合容器Bは、容量が300Lであり、設計圧力が90MPaである。

0056

ここで、圧力サイクル試験の最大圧力σmaxは90MPa、最小圧力σminは8MPa、振幅圧力((σmax−σmin)/2)は41MPaとし、試験速度(加圧及び減圧の繰返し周波数)は、複合容器Aは10サイクル/分とし、複合容器Bは4サイクル/分とした。また、溶質は、アミン系及び有機酸系の両成分を含む日本メカケミカル社製メガヒビター#23(商品名)を用い、当該溶質の添加量は3wt%とした。

0057

比較例では、従来の複合容器の圧力サイクル試験方法に従い、エチレングリコールに溶質を添加した溶液の代わりに水道水を用いた以外は実施例と同様にして、サイクル数をシミュレーションにより求めた。

0058

目標値は、実際のサイクル数に対応する値である。即ち、目標値は、水素ガス雰囲気気体として用い、最大圧力、最小圧力及び振幅圧力を実施例と同様にして圧力サイクル試験を行った場合のサイクル数として想定される値である。当該目標値は、乾燥大気中でのアルミニウム合金の疲労試験結果に基づき計算して求めた。

0059

実施例及び比較例の結果を表1に示す。サイクル数は、複合容器Aの比較例を200としたときの相対比で示す。

0060

ここでのシミュレーションは、金属製ライナに用いられる代表的なアルミニウム合金材である6061−T6材の表面反応試験及び該当溶液中での疲労試験の試験結果に基づき行った。即ち、表面反応試験においてアルミニウム合金材の表面反応が生じるまでの時間、及び該当溶液中での疲労試験においてアルミニウム合金材が破断に至るまでの時間からサイクル数を算出した。6061材の組成を表2に示す。なお、T6は、加工処理の方式であり、溶体化処理後、積極的に冷間加工を行わないで、人工時効処理をしたものを示す。

0061

表1に示すように、まず複合容器Aについて、実施例では、実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価するという作用効果を確認することができる。具体的には、サイクル数は、実施例では比較例の5倍となり、目標値の91%にまで達した。

0062

上述のように、比較例では、水道水の塩素成分等により金属製ライナの表面反応が生じることに起因し、サイクル数が減少したと考えられる。これに対して、実施例では、エチレングリコールを含む溶媒に溶質が添加された溶液を用いるため、金属製ライナの表面反応によるサイクル数の減少が抑制されたと考えられる。

0063

また、表1に示すように、複合容器Bについて、実施例では、実際の使用環境に対応した適正な耐久性を評価するという作用効果を確認することができる。具体的には、サイクル数は、実施例では比較例の10倍を超え、目標値の95%にまで達した。

0064

複合容器Aの場合と同様に、複合容器Bの比較例では、水道水の塩素成分等により金属製ライナの表面反応が生じることに起因し、サイクル数が減少したと考えられる。これに対して、実施例では、エチレングリコールを含む溶媒に溶質が添加された溶液を用いるため、金属製ライナの表面反応によるサイクル数の減少が抑制されたと考えられる。また、複合容器Bの場合は、複合容器Aの場合よりも、実施例及び比較例のサイクル数の差が大きくなった原因として、圧力サイクル試験の試験時間の違いが考えられる。即ち、複合容器Bでは、圧力サイクル試験の試験時間が長期化したため、エチレングリコールを含む溶媒に溶質が添加された溶液より水道水の方が金属製ライナの表面反応を生じさせ易いという事実が顕著になったと考えられる。

0065

また、実施例の溶媒の主成分であるエチレングリコールの導電率を以下のようにして求めた。まず、エチレングリコール(100%)に一対の通電用電極を備える導電率セルを浸漬した。続いて、電極間に一定電圧をかけ、導電率計を使用して比抵抗電気抵抗率)を測定した。セル定数は、校正用標準液として水酸化カリウムを用いて決定した。電極間での抵抗をR(Ω)、距離をL(cm)、断面積をA(cm2)、及び比抵抗をρ(Ω・cm)とすると、
R=ρ(L/A)
という関係が成り立つ。導電率Kは、ρの逆数であり、
K=1/ρ=L/(A×R)
で表される。この式を用いて、エチレングリコール(100%)の導電率を求めた。導電率は、3.7×10−6S/cmであった。このように、エチレングリコール(100%)は、導電率が2×10−4S/cmより低かった。導電率が低いのは、金属表面での反応に関与する塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオン等の含有量が低いためである。なお、実施例の溶媒であるエチレングリコール水の導電率は3.2×10−6S/cmであった。また、イオン交換水の導電率は1.4×10−6S/cmであった。

0066

また、実施例の溶媒の主成分であるエチレングリコールの溶存酸素量をガルバニ式酸素センサにより測定した。ガルバニ式酸素センサは、アノードに鉛、カソードに金又は白金を使用している。ガルバニ式酸素センサでは、ガス透過性隔膜を透過した酸素がカソードで還元されることにより、両極間に酸素量に比例した還元電流が流れる。ここでは、エチレングリコール(100%)で酸素電池槽を構成して還元電流を測定し、溶存酸素量を算出した。21℃における溶存酸素量は、1.5mg/Lであった。このように、エチレングリコール(100%)は、21℃における溶存酸素量が5mg/Lより少なく、且つ2mg/Lより少なかった。酸素が金属表面での反応に関与することから、溶存酸素量が少ない圧力媒体は、圧力サイクル試験に適しているといえる。なお、実施例の溶媒であるエチレングリコール水の溶存酸素量は2.1mg/Lであった。また、イオン交換水の溶存酸素量は4.3mg/Lであった。

0067

圧力サイクル試験では、金属製ライナの表面反応といった複合容器の耐久性への影響を考慮すると、基準で定められた範囲内における最大値にまで試験速度を高めて、試験時間を短くすることが望ましい。上述のように、試験速度の最大値は、(1)ASME(海外基準)では、15回/分(4秒に1回)であり、(2)一般複合容器の技術基準KHKS0121(2005)及び(3)JARIS001(2004)では、10回/分(6秒に1回)である。

0068

しかしながら、複合容器Bのような大型複合容器の場合、ポンプ能力電力不足により、このような高い試験速度で圧力サイクル試験を実施することが困難であり、通常の試験速度は4回/分(15秒に1回)程度である。更に、大型複合容器の圧力サイクル試験は、小型複合容器の圧力サイクル試験よりもサイクル数が多いため、試験時間が膨大となる。このような事情から、エチレングリコールを含む溶媒に溶質が添加された溶液を圧力媒体として用いるという本実施形態の圧力サイクル試験方法は、例えば水素ステーション用蓄圧器等の大型複合容器の圧力サイクル試験に対してより有効である。

0069

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

0070

例えば、上述の実施形態では、複合容器1に溶質を添加した溶液を充填し(S2)、タンク20に溶質を添加した溶液を導入してから(S3)、タンク20、圧縮機30及び複合容器1を配管L1,L2で接続するが(S4)、これに限られない。例えば、上記S2の処理と上記S3の処理とは同時に行われてもよいし、上記S3の処理を先に行った後に上記S2の処理を行ってもよい。また、例えば、上記S3の処理を上記S4の処理の後に行ってもよい。また、上記S2の処理を上記S4の処理の後に行ってもよい。即ち、圧縮機30によりタンク20から複合容器1に溶質を添加した溶液を圧送して、複合容器1を充填する。この場合は、上記S3の処理において、タンク20に複合容器1の内容積以上の溶質を添加した溶液を導入する必要がある。

0071

また、溶質を添加した溶液の調製は、タンク20又は複合容器1で行ってもよい。即ち、タンク20又は複合容器1に、溶媒と溶質とを別々に導入して溶質を添加した溶液としてもよい。また、上記S1の処理を省略し、予め調製された溶質を添加した溶液を用いてもよい。

0072

1…複合容器、2…金属製ライナ、3…強化層。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ