JP2008057632A - 流体貯蔵タンク - Google Patents

Abstract

【課題】バリア層の破損を抑制することができる流体貯蔵タンクを提供すること。
【解決手段】ドーム部１bと、前記ドーム部１bに連続する胴部１aとを有すると共に、これらドーム部１bと胴部１aとが、流体の貯蔵空間を画成し該貯蔵空間からの前記流体の流出を抑制するバリア層２と、前記バリア層２の外側に配されて該バリア層２の膨張を抑制する補強層３と、を備えてなる流体貯蔵タンク１において、前記バリア層２は、当該バリア層２の他の部位よりも薄肉とされた薄肉部２ｃを有すると共に、この薄肉部２ｃが当該バリア層２における胴部２ａとドーム部２ｂとの境界部を含む構成とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば水素ガス等の燃料ガスを常圧よりも高圧で貯蔵する高圧ガスタンクとして使用可能な流体貯蔵タンクに係る。

従来より、自動車等の車両に搭載される高圧ガスタンクにおいては、きわめて高い耐圧性が要求される共に、搭載される車両の燃費向上、積載重量増のため軽量化が要求されている。そして、高圧ガスタンクを軽量化するために、ガスバリア性を有するバリア層（ライナ、内殻）を繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の補強層（外殻）で覆ったガスボンベが提案されている。

例えば特許文献１には、ガラス繊維等による外側シェル（補強層）と、プラスチック等による内側ライナ（バリア層）とを備え、さらにタンクの肩部に、衝撃により変形する損傷軽減部材（発泡材料）を備えた技術が開示されている。
特開平８−３５５９８号公報

ところで、略円筒状の胴部と該胴部の両端を閉塞する略半球状のドーム部とを備えた高圧ガスタンクにおいては、胴部とドーム部との連結部である肩部に最も応力が作用するため、当該肩部の強度向上を図るべく、内側ライナの肉厚を厚くする等の処置が施されたものがある。

しかしながら、樹脂製の内側ライナは、強化繊維製の外側シェルと比較して剛性が非常に低いため、外側シェルが変形すると、内側ライナには外側シェルの変形に追従して応力が発生することになり、特に、タンクの肩部に対応する内側ライナの肉厚が厚い場合には、外側シェルへの追従時に発生する応力が過大となり、内側ライナが破損する可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑み、内圧または外力による補強層の変形に伴うバリア層の破損を抑制することができる流体貯蔵タンクの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の流体貯蔵タンクは、ドーム部と、前記ドーム部に連続する胴部とを有すると共に、これらドーム部と胴部とが、流体の貯蔵空間を画成し該貯蔵空間からの前記流体の流出を抑制するバリア層と、前記バリア層の外側に配されて該バリア層の膨張を抑制する補強層と、を備えてなる流体貯蔵タンクにおいて、前記バリア層は、当該バリア層の他の部位よりも薄肉とされた薄肉部を有すると共に、この薄肉部が当該バリア層における前記ドーム部と前記胴部との境界部を含むものである。

この構成によれば、内圧または外力により補強層が変形した場合でも、バリア層はその薄肉部において補強層の変形に十分に追従して自身も変形することが可能であるから、補強層の変形に伴う過度の応力発生ひいては損傷が抑制される。

なお、バリア層は、可撓性を有する素材からなり、例えばポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂、あるいはこれらの樹脂を二層以上に組み合わせて構成されるものの他、金属でも良い。ただし、高圧ガスタンクの軽量化を図るには、バリア層が樹脂製であることが好ましい。

一方、補強層は、例えば、マトリックス樹脂が繊維で強化されたＦＲＰ層からなり、強化繊維としては、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維、といった無機繊維、或いは、アラミド繊維等の合成有機繊維、或いは綿等の天然有機繊維を例示できる。また、マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂、等が挙げられる。

本発明の流体貯蔵タンクにおいて、前記補強層は、前記薄肉部に対向する位置に当該補強層の剛性を徐々に低下させる徐変部を有していてもよい。

具体的には、例えば補強層を二重構造とし、バリア層の略全体を覆う内側補強層（例えば、ヘリカル層）と、胴部に相当する位置でバリア層をその外側から覆う外側補強層（例えば、フープ層）とから構成すると共に、バリア層の薄肉部に対向する補強層の徐変部として、外側補強層の末端部を縦断面テーパ形状とし、この末端部において、補強層の剛性を徐々に低下させるようにする。

この構成によれば、補強層のうちバリア層の薄肉部に対向する部分の剛性変化が小さくなるので、補強層の当該部分から受ける反力によるバリア層における薄肉部の変位も除変することとなって、過度な応力の発生が抑制される。

本発明によれば、内圧または外力により外側の補強層が変形した場合でも、バリア層は、その薄肉部において補強層の変形に十分に追従して自身も変形することが可能であるから、補強層の変形に伴う過度の応力発生ひいては損傷が抑制される。

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る高圧ガスタンク（流体貯蔵タンク）１である。図２は、図１の高圧ガスタンク１の一方の肩部Ａを拡大した断面図である。

なお、以下においては一方の肩部Ａについてのみ説明するが、本実施形態に係る高圧ガスタンク１は、他方の肩部も同様に形成されているので、他方の肩部についての説明は省略する。また、本実施形態では、高圧ガスタンク１の両端部に後述するドーム部を備えた構成について説明するが、一端部にのみドーム部を備え、当該一端部の肩部にのみ本発明を適用してもよい。

高圧ガスタンク１は、図１に示すように、胴部１ａと、胴部１ａの両端に設けられたドーム部１ｂとを備えた構成とされている。さらに、これら胴部１ａとドーム部１ｂは、図２に示すように、例えば水素ガス（流体）の貯蔵空間を画成し該貯蔵空間からの水素ガスの流出を抑制するライナー（バリア層）２と、ライナー２の外側に配されて当該ライナー２の膨張を抑制する補強層３と、を備えてなる。

胴部１ａは、当該高圧ガスタンク１の軸線方向、すなわち長手方向に所定の長さ延在する略円筒状の部分であり、ほぼ一定の径を有している。これに対し、ドーム部１ｂは、胴部１ａの長手方向の両端部にそれぞれ連続した半球面状の曲壁部である。ドーム部１ｂは、胴部１ａから遠ざかるにつれて縮径しており、一方のドーム部１ｂにおいては最も縮径した部分の中心に開口部６を有し、この開口部６に口金１０が設けられている。

ライナー２は、高圧ガスタンク１の内殻又は内容器とも換言される部分であり、胴部１ａ及びドーム部１ｂの内壁を構成する。ライナー２は、ガスバリア性を有し、水素ガスの外部への透過（流出）を抑制する。すなわち、ライナー２は、バリア層として機能する。

ライナー２の材質は、軽量化を図る観点からは、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂であることが好ましい。また、これらの樹脂を二層以上に組み合わせて、複数層から成る積層体としてライナー２を構成しても良い。ライナー２の厚さは、その材質、高圧ガスタンク１の寸法形状、要求される耐圧等に依存するものの、特に限定されず、例えば６ｍｍ〜８ｍｍ程度とされている。

補強層３は、高圧ガスタンク１の外殻、シェル又は外容器とも換言される部分であり、胴部１ａ及びドーム部１ｂの外壁を構成する。補強層３は、ライナー２の外表面を被覆するように、ライナー２に巻きつけられることで形成されており、ライナー２の外側でライナー２の膨張を抑制する。

補強層３は、マトリックス樹脂（プラスチック）が繊維で補強されたＦＲＰ層である。マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂、等が挙げられ、熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。

強化繊維としては、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維、といった無機繊維、或いは、アラミド繊維等の合成有機繊維、或いは綿等の天然有機繊維を例示できる。これらの繊維は、単独で又は混合して（混繊として）使用することができる。

補強層３の厚さは、その材質、高圧ガスタンク１の寸法形状、要求される耐圧等に依存するものの、特に限定されず、数ｍｍ〜５０ｍｍ程度とされている。また、補強層３は、複数層からなる。本実施形態では、ライナー２側から順に、ヘリカル層３１及びフープ層３２の２層である。

ヘリカル層３１は、当該高圧ガスタンク１の胴部１ａ及びドーム部１ｂに相当する位置において、これらのほぼ全体に巻かれてなるものであり、その胴部３１ａ及びドーム部３１ｂが胴部１ａ及びドーム部１ｂの一部を構成している。このヘリカル層３１は、ライナー２の胴部２ａ及びドーム部２ｂの外表面にカーボン繊維をヘリカル巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成される。このように構成されたヘリカル層３１は、主としてドーム部１ｂの強度を確保し、高圧ガスタンク１の長手方向の強度を確保する。

フープ層３２は、当該高圧ガスタンク１の胴部１ａに相当する位置において、ヘリカル層３１における胴部３１ａの外表面にカーボン繊維をフープ巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成されるものであり、胴部１ａの一部を構成している。このように構成されたフープ層３２は、胴部１ａの周方向の強度を確保する。

なお、フープ巻き及びヘリカル巻きのいずれも、例えば、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）が用いられる。このフィラメントワインディング法によって巻きつけられるカーボン繊維は、例えば、ボビン等に巻回されているときから樹脂を含浸されたもの（すなわち、プリプレグ状態のもの）であるか、あるいは、ボビン等から繰り出されて樹脂槽で樹脂を含浸されたものである。

さらに、上記ライナー２においては、その胴部２ａとドーム部２ｂとの境界部を含むように、換言すれば、補強層３のヘリカル層３１における胴部３１ａとドーム部３１ｂとの境界部を含む一定の領域に面して、当該ライナー２の他の部位よりも相対的に薄肉とされた薄肉部２ｃが形成されている。本実施形態では、ライナー２の外周面がヘリカル層３１の内周面に沿って延在する一方で、ライナー２の内周面にはその周方向に沿ってリング状に延在する溝４が形成されており、この溝４によって薄肉部２ｃが構成されている。

なお、本実施形態においては、ライナー２の胴部２ａ及びドーム部２ｂの厚さは上記したとおり６〜８ｍｍであり、薄肉部２ｃの厚さはこれらの半分の３〜４ｍｍとされる。これらの厚さは、ライナー２の材料、高圧ガスタンク１の寸法等、種々の条件に基づいて定めることができるが、当該薄肉部２ｃの肉厚は、水素ガスの透過を十分に抑制しつつ、後述するように、補強層３の変形に十分に追従して変形することによって自身の破損が抑制される薄さとされる。

上記補強層３におけるフープ層３２は、ヘリカル層３１における胴部３１ａとドーム部３１ｂの境界部、つまり、ライナー２の薄肉部２ｃと対向する位置に、当該高圧ガスタンク１の軸線方向外側に向かうに従い漸次厚さが薄くなるような傾斜断面を持つ末端部（徐変部）５を有している。この末端部５は、例えばフープ巻きの巻き数を除減させることによって形成可能である。

以上説明したように、本実施形態の高圧ガスタンク１において、軽量化を図るべく樹脂により形成されたライナー２は、高圧ガスタンク１の胴部１ａとドーム部１ｂとの境界部（肩部Ａ）を含む一定の領域に対応して薄肉部２ｃを持つ。これにより、高圧ガスタンク１の肩部Ａに、外部からの衝撃または内圧が作用した場合であっても、薄肉部２ｃにてライナー２が補強層３の変形に十分に追従して変形し、これにより、ライナー２の損傷を抑制することができる。

さらに、補強層３には、ヘリカル層３１における胴部３１ａとドーム部３１ｂ、および、ライナー２における胴部２ａとドーム部２ｂとの境界部を含む薄肉部２ｃと対向する位置に、傾斜断面を持つ末端部５を有しているため、補強層３の剛性が当該高圧ガスタンク１の胴部１ａからドーム部１ｂに向かって緩やかに低下する。このため、補強層３から受ける反力によるライナー２の変位を除変させることが可能となって、過度な応力の発生がより抑制される結果、ライナー２の損傷をより一層効果的に抑制することができる。

以上のように、本実施形態の高圧ガスタンク１は、内圧または外力により外側の補強層３が変形した場合であっても、ライナー２の損傷を抑制することができ、軽量化と耐圧性向上との両立を図ることができる。

本発明の液体貯蔵タンクの一実施形態に係る高圧ガスタンクの一部を破断して示す側面図である。 同高圧ガスタンクの肩部を拡大した要部断面図である。

符号の説明

１…高圧ガスタンク（流体貯蔵タンク）、２…ライナー（バリア層）、１ａ…胴部、１ｂ…ドーム部、３…補強層、２ａ…胴部、２ｂ…ドーム部、２ｃ…薄肉部、５…傾斜面（徐変部）、３１ａ…胴部、３１ｂ…ドーム部

Claims (3)

1. ドーム部と、前記ドーム部に連続する胴部とを有すると共に、
   これらドーム部と胴部とが、流体の貯蔵空間を画成し該貯蔵空間からの前記流体の流出を抑制するバリア層と、前記バリア層の外側に配されて該バリア層の膨張を抑制する補強層と、を備えてなる流体貯蔵タンクにおいて、
   前記バリア層は、当該バリア層の他の部位よりも薄肉とされた薄肉部を有すると共に、この薄肉部が当該バリア層における前記ドーム部と前記胴部との境界部を含む流体貯蔵タンク。
2. 前記補強層は、前記薄肉部に対向する位置に当該補強層の剛性を徐々に低下させる徐変部を有する請求項１に記載の流体貯蔵タンク。
3. 前記バリア層は、樹脂からなる請求項１又は２に記載に流体貯蔵タンク。

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