JP2004324857A - 多球殻型の圧力流体用高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスで代表される高圧気体や化学薬品で代表される高圧液体などの流体を収容（貯蔵）する圧力タンクにおいて、低コスト材料を用いて軽量化・コンパクト化が可能で、貯蔵容量の減少も抑制でき、特に３００〜７００気圧程度の高圧レベルにおいても充分に耐えられる耐圧構造とすることも可能な圧力流体用高圧タンクを提供する。
【解決手段】複数の球殻貯蔵室を連設してなり、隣接する球殻貯蔵室の内部を連通させたタンク胴体に流体出入口を形成して密閉したことを特徴とする多殻型の圧力流体用高圧タンクで、球殻貯蔵室間の連設部の板厚を厚くしたり、この連設部の外周部を、胴巻状（リング状）に配した高張力補強材で拘束して必要強度を確保することも考慮する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
例えば、近年、自動車に高圧気体燃料や高圧液体燃料などの高圧流体燃料が用いられるようになってきており、航続距離を延長するために、これらの流体燃料をより高圧にして大容量の貯蔵を可能にする、軽量でコンパクトであり低コストで得られる圧力流体用のタンクが要請されている。
本発明は、これら等に要請に応えるための圧力流体用高圧タンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば高圧ガスを貯蔵する高圧タンクとして、ガスボンベや酸素ボンベなど円筒状のものが広く用いられており、貯蔵能力を上げるためにガス圧力を高くする場合には、内圧に耐えるために、外殻を形成する材料の板厚を厚くする必要があり、タンクの大型化や重量増大等の問題を抱えている。
特に自動車に搭載する高圧タンクの場合には、燃費を軽減するという観点で軽量化の要請が強いことから、この高圧タンク材の強度を高め軽量化に寄与する材料および構造の開発が進められてきている。
【０００３】
例えば特許文献１、２には対策例が記載されているが、これらは特にコンパクト化、低コスト化の観点で、さらなる改善が求められるものである。
上記特許文献１、２に記載のタンクの他には、例えばアルミニウム合金を薄肉化加工して得た胴部全面にカーボンＦＲＰを巻き付け、胴部を補強した構造の圧力タンクも知られている。しかし、胴部を比較的高価なアルミニウム合金で形成し、全面にカーボンＦＲＰを用いることからコスト負担も大きくなると推定される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３３９９３２号公報
【特許文献２】
特開２０００−３１７６８９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、水素ガスで代表される高圧気体や化学薬品で代表される高圧液体などの流体を収容（貯蔵）する圧力タンクにおいて、上記従来のタンクのような問題点を有利に解決できる圧力流体用のタンクを提供する。
より具体的には、低コスト材料を用いて軽量化・コンパクト化が可能で、貯蔵容量の減少も抑制でき、特に３００〜７００気圧程度の高圧レベルにおいても充分に耐えられる耐圧構造とすることも可能な圧力流体用高圧タンクを提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため以下の（１）〜（３）を要旨とする。
（１） 複数の球殻貯蔵室を連設して連通させた構造を有し、隣接する球殻貯蔵室間の連設部に、内部の圧力流体による応力に耐えられる強度を付与し、球殻貯蔵室に圧力流体の出入口を設けたことを特徴とする多球殻型の圧力流体用高圧タンク。
（２） 前記（１）において、隣接する球殻貯蔵室間の連設部を、外部から高張力補強材で拘束して、連設部に内部の圧力流体による応力に耐えられる強度を付与したことを特徴とする多球殻型の圧力流体用高圧タンク。
（３） 前記（１）または（２）において、連設部に平行外周部を設けたことを特徴とする多球殻型の圧力流体用高圧タンク。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、球殻部を有しその内部に貯蔵空間を形成した球殻貯蔵室を２以上連設して隣接する球殻貯蔵室を連通させた、球殻貯蔵室に流体の出入口を形成して密閉した多球殻型の圧力流体用高圧タンクであり、応力が集中する球殻貯蔵室間の連設部を、外周部に胴巻状（リング状）に配した高張力補強材により、あるいは連設部の板厚を厚くすることにより、応力に耐えられる強度を付与したものである。
本発明でいう多球殻型とは、球殻貯蔵室を２以上連設した胴体を有することを意味するもので、以下「多球殻型」という。
本発明でいう「球殻貯蔵室」とは、球殻の片側または両側を切断したような形状からなり、この球殻貯蔵室を切断部で結合させたような状態を「連設」といい、この連設部分（くびれ部）を連設部という。
【０００８】
一般的に言って、高圧タンク設計においては、貯蔵する流体の内圧を高める場合、タンクの板厚を厚くすることが必要になるが、本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクでは、
（１）同一直径・同一使用圧力下においては、必要な殻の厚みは、円筒殻より球殻の方が薄くできるという自然法則を活用する。
すなわち、複数の球殻貯蔵室を連設してタンク胴体を形成することにより、板厚を薄くして、貯蔵能力を確保するとともにタンク胴体を軽量化するものである。また、板厚を若干厚めにして低コスト材料の使用も可能にしてコスト低減も可能とするものである。
（２）球殻貯蔵室間の連設部は応力が集中しやすく、構造的に弱い部位になるので、連設部の外周部に高張力補強材を配したり、あるいは連設部の板厚を厚くして、この連設部に作用する応力（圧力流体による半径方向の張り出し力）に耐えられるような強度を付与し強度を向上させる。
なお、貯蔵対象が例えば５００〜７００気圧の超高圧流体の場合には、球殻貯蔵室を、高張力に耐え加工性に優れた比較的安価に得られる鋼材で形成し、連設部に高張力補強材を配する場合には、この高張力補強材を例えば鋼材やカーボンＦＲＰで形成することを考慮する。
【０００９】
本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクでは、前記（１）、（２）に示すように、胴体を複数の球殻貯蔵室を連設して形成し、球殻貯蔵室間の連設部の外周部を高張力補強材で補強した構造にすることにより、球殻貯蔵室の板厚を薄くし、タンク全体として材料負担増を抑え軽量化することができる。例えば円筒形のタンクと同一貯蔵量に換算したときの重量で比較した場合、重量を２０〜４０％程度軽くすることができ、軽量、コンパクトで安価なタンクを得ることができる。
【００１０】
本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクは、板厚を薄くして充分な耐圧性能を確保できることから、材料と板厚の選択幅が広くなり、低圧流体用タンクはもとより、３００〜７００気圧の超高圧レベルにおいても充分に耐えられる圧力流体用高圧タンクを実現することも容易になる。
本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクを形成する、複数の球殻貯蔵室を有する胴体は、例えば管材を水圧で膨らませて成形するハイドロフォームにより一体形成することもでき、またプレス成形・溶接加工などによって成形板を張り合わせ接合して形成することもできる。
胴体を形成する球殻貯蔵室間の連設部の最小外径は、球殻効果の確保、連設部の強度確保、無駄空間の排除およびタンク長の短縮などの観点から、球殻部の外直径の１／３〜２／３程度が好ましい。
【００１１】
球殻貯蔵室間の連設部に高張力補強材を配する場合、球殻貯蔵室間の連設部の外周部に平行外周部（緩やかな曲面外周部を含む）を形成し、応力の集中を低減して高張力補強材を安定的に胴巻きできるようにすることも好ましい。
本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクは、通常の場合、上記胴体部に例えば椀形の蓋部を接合により形成して密閉する。
この蓋部の形状は胴体の端部形状に応じて決めるものであり、基本形状は椀形であるが、平板状と椀形の組み合わせた形状としてもよい。蓋部を接合して形成する場合で椀形に形成する場合にはリブで補強することも考慮することができる。
【００１２】
なお、多球殻型の圧力流体用高圧タンクにおいては、胴体は複数の球殻貯蔵室を一方向に連設して形成するのが基本であるが、胴体をプレス成形・接合加工により形成する場合には、球殻貯蔵室を複数方向（複列を含む）に連設して形成することも可能である。
また、連設して連通させる球殻貯蔵室の配置、蓋部、流体出入口の形成単位を選択することによって、例えば２つのタンク機能を持たせることも可能である。
【００１３】
胴体、蓋部を形成する材料としては、鋼、アルミ、チタン、各種合金、合成樹脂、カーボンＦＲＰ、金属同士の複合材料、金属と合成樹脂やカーボンＦＲＰとの複合材などが主体に用いられる。
例えばプレス成形加工した板を接合して胴体を形成する場合、胴体に蓋部を接合して形成する場合などの接合手段としては、材料と必要耐力に応じて選択するものであるが、金属同士の接合には溶接、ろう付けが主体になり、非金属同士を接合する場合、あるいは金属と非金属を接合する場合には、接着が主体になる。
【００１４】
球殻貯蔵室の連設部に胴巻状に配置して固着する高張力補強材は、胴体の形成条件に応じて、極力軽量でかつ薄厚にして連設部を充分に補強可能な材料を選択するものであり、例えばカーボンＦＲＰで代表される高張力軽量繊維が適性が高いと言えるが、鋼、チタン、アルミ、各種合金などの金属板（線）、金属同士の複合材料、金属と合成樹脂との複合材なども用いることができる。
これらの高張力補強材は、溶接、ろう付け、接着、巻き付け、はめ込みなどによって球殻貯蔵室の連設部に固着する。
上記の各条件は、タンクの用途、配置スペース、流体圧、タンクの各部に要求される強度、重量などの条件に応じて選択設計されるものである。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクの実施例１について、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に基づき説明する。
この実施例１の多球殻型の圧力流体用高圧タンクは、管材（鋼管）を素材としてハイドロフォームにより一体成形して、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、複数（４室）の球殻貯蔵室２を連通させて連設した胴体１を有し、球殻貯蔵室間の連設部１ａの外周部に、高張力補強材として高張力軽量繊維（ここではカーボンＦＲＰ）６を胴巻きして固着し、この胴体１の両端の開口部に、椀形の蓋部３ａ、３ｂを、溶接４により接合して密閉し、一方の蓋部３ａに流体出入口５を設けたものである。
【００１６】
この実施例１の多球殻型の圧力流体用高圧タンクは、応力が集中する球殻貯蔵室２間の連設部１ａの外周部に、高張力補強材として高張力軽量繊維６を胴巻きして固着し、この部位を強化した構造を有する。
なお、高張力補強材として、高張力軽量繊維６に代えて高張力鋼（板）リングを配して固着することにより、さらに、この部位での半径方向の張り出し力に対する強度を大きくして、貯蔵能力を減じることなく、３００気圧以上の高圧流体を貯蔵するタンクとしても適用できる。
【００１７】
（実施例２）
本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクの実施例２について、図２に基づき説明する。
この実施例２の多球殻型の圧力流体用高圧タンクは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、隣接する球殻貯蔵室間の連設部１ａの外周部を平行外周部１ｆに形成し、この平行外周部１ｆに、高張力補強材として高張力軽量繊維（ここではカーボンＦＲＰ）６ａを胴巻きして固着した点において実施例１の多球殻型の圧力流体用高圧タンクと異なるものである。その他の部分については共通する構成を有するので、詳細説明は省略する。
【００１８】
この実施例２の多球殻型の圧力流体用高圧タンクでは、連設部の急激な形状変化を低減し応力を緩和させると共に、球殻貯蔵室２間の連設部の平行外周部１ｆに、高張力補強材として高張力軽量繊維６ａを胴巻きして接着しているため、実施例１の多球殻型の圧力流体用高圧タンクの場合と同様、この部位での半径方向の張り出し力に対する強度を大きくすることができる。
【００１９】
この実施例２の多球殻型の圧力流体用高圧タンクでは、球殻貯蔵室２間の連設部１ａの外周部に平行外周部１ｆを形成しているため、実施例１の多球殻型の圧力流体用高圧タンクの場合に比較して、例えばハイドロフォームにより一体成形する場合に、より安定した成形ができるとともに、応力が集中する球殻貯蔵室２間の連設部１ａの強度低下を抑制することもできる。
【００２０】
また、連設部の外周部に平行外周部１ｆを形成しているので、実施例１の多球殻型の圧力流体用高圧タンクの場合より、高張力補強材、配置条件の選択幅が広く配置施工が容易である。
したがって、実施例１の多球殻型の圧力流体用高圧タンクの場合より、より幅広い高圧流体を貯蔵するタンクとして適用できる。
なお、高張力補強材として、高張力軽量繊維６ａに代えて高張力鋼（板）リングを配して固着することにより、３００〜７００気圧程度の高圧の流体を貯蔵するタンクとしても適用可能にできる。
【００２１】
（実施例３）
本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクの実施例３について、図３（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。
この実施例３の多球殻型の圧力流体用高圧タンクは、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、薄鋼板をプレス成形加工した一対の成形板を張り合わせ溶接４により接合して、複数（４室）の球殻貯蔵室２を連通させて連設した胴体７を形成し、球殻貯蔵室２間の連設部７ａの外周部には、高張力補強材として高張力軽量繊維（ここではカーボンＦＲＰ）６を胴巻きして固着し、この部位の耐力を強化した構造を有するものである。
胴体７には、実施例１、２の多球殻型の圧力流体用高圧タンクと同様に椀形の蓋部３ａ、３ｂが形成される。
【００２２】
この実施例３の多球殻型の圧力流体用高圧タンクでは、複数（４室）の球殻貯蔵室２を連通させて連設した胴体７を、プレス成形加工した一対の成形板を張り合わせ溶接４して形成しており、タンクを容易にかつ低コストで製造できる点で実施例１、２と異なるが、実施例１、２の多球殻型の圧力流体用高圧タンクの場合と同様、複数の球殻貯蔵室を連設して形成しているため、半径方向の張り出し力に対する耐力が大きく、板厚を薄くして貯蔵能力を減じることなくタンクを軽量化することができる。
【００２３】
なお、高張力補強材として、高張力軽量繊維６に代えて高張力鋼（板）リングを配して固着することにより、さらに、この部位での半径方向の張り出し力に対する耐力を強化して、３００〜７００気圧の高圧の流体を貯蔵するタンクとしても適用可能にできる。
なお、球殻貯蔵室２間の連設部７ａの外周部に、実施例２の多球殻型の圧力流体用高圧タンクの場合のように、平行外周部を形成して、実施例２の多球殻型の圧力流体用高圧タンクと同様の効果を得るようにしてもよい。
【００２４】
なお、本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクは、上記の各実施例の内容にのみに限定されるものではなく、用途、配置スペース、圧力流体の圧力および貯蔵量、タンクの各部に要求される強度などの条件に応じて、構造（形状）、サイズ、材料、厚さなど、上記請求項の範囲内で設計変更されるものであり、例えば７００気圧程度までの幅広い圧力流体を貯蔵する圧力流体用タンクとして適用が可能である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の多球殻型の圧力流体用高圧タンクは、複数の球殻貯蔵室を連設してタンク胴体を形成し、応力が集中する球殻貯蔵室間の連設部に、例えば高張力補強材を配して、この連設部に作用する半径方向の張り出し力に対する強度を強化する構造を有するものであり、球殻貯蔵室とすることにより、タンク胴体の必要板厚を小さくできることから、全体として材料負担増を抑え軽量化することができる。
例えば円筒形のタンクと同一貯蔵量に換算したときの重量で比較した場合、２０〜４０％程度軽くすることができる。
したがって、単一円筒タンクや矩形単板タンクのように極端に板厚を厚くすることなく、貯蔵能力の減少を抑えながら軽量化・コンパクト化を実現可能で、かつ板厚をやや厚くすることにより、より高圧の流体の貯蔵も可能にできる圧力流体用のタンクを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）図は、本発明の多球殻型の圧力流体タンクの実施例１の構造例を示す一部切欠断面正面説明図、（ｂ）図は（ａ）図の側面説明図。
【図２】本発明の多球殻型の圧力流体タンクの実施例２の構造例を示す一部切欠断面正面説明図。
【図３】本発明の多球殻型の圧力流体タンクの実施例３の構造例を示す一部切欠断面正面説明図。
【符号の説明】
１ ：胴体
１ａ：連設部
１ｆ：連設部の平行外周部
２ ：球殻貯蔵室
３ａ、３ｂ：蓋部
４ ：溶接
５ ：流体出入口
６、６ａ：高張力軽量繊維
７ ：胴体
７ａ：連設部

Claims (3)

1. 複数の球殻貯蔵室を連設して連通させた構造を有し、隣接する球殻貯蔵室間の連設部に、内部の圧力流体による応力に耐えられる強度を付与し、球殻貯蔵室に圧力流体の出入口を設けたことを特徴とする多球殻型の圧力流体用高圧タンク。
2. 隣接する球殻貯蔵室間の連設部を、外部から高張力補強材で拘束して、連設部に内部の圧力流体による応力に耐えられる強度を付与したことを特徴とする請求項１に記載の多球殻型の圧力流体用高圧タンク。
3. 連設部に平行外周部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の多球殻型の圧力流体用高圧タンク。

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