JP2010270781A - 高圧ガスタンク - Google Patents

Abstract

【課題】部材の変形、劣化をより効果的に低減でき得る高圧ガスタンクを提供する。
【解決手段】高圧ガスタンク１０は、その内部にガスが貯留される中空形状体であるライナ１２と、前記ライナ１２の外側面を覆う補強層１６と、前記ライナの端部に配置されるとともにバルブアッセンブリ１００が装着される口金１４と、を有する。口金１４は、前記ライナ１２の内外を連通する略筒状の筒部３０と、当該筒部３０の外側面から外側に張り出して前記ライナ１２と補強層１６との間に位置する鍔部３２と、を含む。高圧ガスタンク１０は、さらに、前記口金１２に連結されるとともに、その一部が前記ライナ１２の内側面に接触する応力緩和プレート１７も有している。口金１４等の突出力が、鍔部３２だけでなく、この応力緩和プレート１７にも分散されて伝達されることで、応力の集中が緩和され、部材（補強層１６など）の変形、劣化をより効果的に防止または低減できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、常圧よりも高い圧力でガス（例えば水素ガスや天然ガスなど）を貯留する高圧ガスタンクに関する。

従来から、天然ガスや水素ガスなどの燃料ガスを、常圧より高い圧力、すなわち、高圧（例えば３５ＭＰａや７０ＭＰａ）で貯留する高圧ガスタンクが広く知られている。かかる高圧ガスタンクは、これらガスを燃料とする移動体、例えば、燃料電池自動車や、ＣＮＧ車などに搭載されることが多い。

この種の高圧ガスタンクとしては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１記載の高圧ガスタンクは、合成樹脂製の内殻と、該内殻に取り付けられた口金と、内殻および口金の外面を覆うＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製の外殻（補強層）と、を有している。

特開２００８−１４３４２号公報

ここで、こうした従来の高圧ガスタンクの口金には、内殻と外殻との間に位置する鍔部（フランジ部）が延設されていることが多い。かかる鍔部は、他の部位に比して応力が集中しやすく、当該応力を受けて鍔部や当該鍔部周辺の外殻に変形が生じやすい。この鍔部等の変形は、高圧ガスタンクの性能低下や寿命低下の要因の一つになる。この鍔部等の変形を防止するために、補強層を肉厚にすることが考えられる。しかし、かかる補強層の肉厚化は、コスト増加やタンクのサイズや重量増加を招く。

こうした問題を低減するために、特許文献１には、タンク内圧により変形が生じやすい鍔部と外殻との間に、当該鍔部への圧縮応力を吸収・緩和する緩衝材を設ける技術が開示されている。かかる技術によれば、タンク内圧に起因する部材変形を多少は低減できる。しかし、この特許文献１記載の技術のように緩衝材を設けたとしても、鍔部周辺に応力が集中することに変わりはないため、当該鍔部周辺における部材の変形、劣化を効果的に防止または低減することは出来なかった。

そこで、本発明では、部材の変形、劣化をより効果的に防止または低減でき得る高圧ガスタンクを提供することを目的とする。

本発明の高圧ガスタンクは、常圧よりも高い圧力でガスを貯留する高圧ガスタンクであって、その内部にガスが貯留される中空形状体であるライナと、前記ライナの外側面を覆う補強層と、前記ライナの端部に配置されるとともにバルブアッセンブリが装着される口金であって、前記ライナの内外を連通する略筒状の筒部および当該筒部の外側面から外側に張り出して前記ライナと補強層との間に位置する鍔部を含む口金と、前記口金に連結されるとともに、その一部が前記ライナの内側面に接触する応力緩和プレートと、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記応力緩和プレートは、前記ライナの内側面に対応した形状を有し、当該ライナの内側面に面接触する接触部を有する。この場合、前記接触部は、少なくとも、前記ライナと前記補強層との間に前記鍔部が介在していない部分においても前記ライナの内側面に接触している、ことが望ましい。

他の好適な態様では、前記応力緩和プレートは、前記ライナの形状変化に追従する程度の弾性を有する。

他の好適な態様では、前記ライナは、円筒形の端部に略半球面状のライナドーム部を接続した形状であり、前記口金は、前記ライナドーム部の中央に形成された孔に挿入され、前記応力緩和プレートは、前記口金の筒部の下端面に連結される略環状の連結部と、前記連結部の周縁から立脚する略円錐台状の中間部と、前記中間部の上縁から延設されるとともに前記ライナドーム部に面接触する接触部と、を含む。

本発明によれば、口金等の突出力が、鍔部だけでなく、前記口金に連結されるとともにその一部が前記ライナの内側面に接触する応力緩和プレートにも分散されて補強層に伝達されることになる。その結果、応力の集中が緩和され、部材の変形、劣化をより効果的に防止または低減できる。

本発明の実施形態である高圧ガスタンクの概略断面図である。 図１におけるＡ部拡大図である。 応力緩和プレートの断面斜視図である。 他の応力緩和プレートの上面図である。 他の応力緩和プレートの上面図である。 従来の高圧ガスタンクの口金周辺の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である高圧ガスタンク１０の概略断面図である。また、図２は、図１におけるＡ部拡大図である。

この高圧ガスタンク１０は、水素ガスや天然ガスなどの燃料ガスを常圧より高い圧力、すなわち高圧（例えば数十ＭＰａ〜１００ＭＰａなど）で貯蔵するための容器である。高圧ガスタンク１０は、据え置き型として用いられてもよいし、車両などの移動体に搭載されて用いられてもよい。例えば、燃料電池自動車に搭載されて使用される場合、この高圧ガスタンク１０には、数十Ｍｐａ〜１００Ｍｐａ程度の圧力の燃料ガス（水素ガス）が充填される。

本実施形態の高圧ガスタンク１０は、樹脂などからなるライナ１２や、当該ライナ１２の端部に装着される口金１４、ライナ１２および口金１４の外側面を覆う補強層１６、および、口金１４にかかる応力を緩和する応力緩和プレート１７などを備えている。

ライナ１２は、樹脂などからなる略円筒形部材で、ガスバリア性を有している。このライナ１２は、より正確に言えば、円筒の両端に、略半球面状のライナドーム部２２を接続したような形状となっている。そして、このライナ１２の内部が、高圧ガスが充填されるガス貯留空間１８となる。さらに、ライナ１２の一端または両端（図示例では両端）、すなわち、ライナドーム部２２の略中心は、タンクの内側に折りこまれており、口金１４が挿入される挿入筒２０を形成している。この挿入筒２０は、口金１４の外径とほぼ同じ、あるいは、若干大きい内径を有した略円筒形部位である。

なお、本実施形態のライナ１２は、応力緩和プレート１７を装着する都合上、二つのライナ片を溶接することにより形成される。ライナ片は、一端に口金１４が装着可能で、他端が完全開口された略円筒形の部材、すなわち、ライナ１２を横半分に分割したような部材である。ライナ１２を形成する場合には、まず、このライナ片の一端に口金１４を装着し、さらに、当該口金１４の後端面に応力緩和プレート１７をボルト締結する。そして、口金１４および応力緩和プレート１７が取り付けられた二つのライナ片の他端を溶接などで接続することにより、一つのライナ１２が形成される。

口金１４は、ライナ１２の端部に配置された略円筒形部材であって、ライナ１２の内外を連通する部材である。この口金１４の内部には、バルブアッセンブリが着脱されるようになっている。口金１４は、ステンレスやアルミニウムなどの金属からなり、略円筒形の筒部３０と、当該筒部３０の外側面から突出形成される鍔部３２を有している。なお、以下の説明では、口金のうち、ライナ１２に挿入される側の端部（すなわち図２において右側端部）を「後端」、ライナ１２の外側に突出する側の端部（すなわち図２において左側端部）を「先端」と呼ぶ。

筒部３０は、その内径がバルブアッセンブリの外径より僅かに小さい筒状部位である。この筒部３０の内側面には、バルブアッセンブリの着脱を許容する雌ネジが形成されている。ここで、この筒部３０の先端はタンクの外側に突出しており、筒部３０の後端はタンクの内部に突出している。この筒部３０の後端面３０ａには、後に詳説する応力緩和プレート１７を螺合連結するための連結ボルト５０が螺合される雌ネジ３４が形成されている。

鍔部３２は、筒部３０の中間高さ位置から外側に張り出した略円盤状の部位である。また、鍔部３２は、ライナドーム部２２周辺に対応した形状をしており、当該口金１４をライナ１２に装着した際、この鍔部３２とライナドーム部２２の端面とが滑らかに連続するようになっている。この鍔部３２は、筒部３０と一体成形されており、かかる鍔部３２が、ライナ１２と補強層１６との間に位置することにより、口金１４の抜けが阻害される。

すなわち、タンクに充填されたガスからの圧力により、口金１４および当該口金１４に装着されたバルブアッセンブリ１００が外側方向に押圧される。この押圧を受けて口金１４等が抜けようとしても、鍔部３２が、補強層１６に当接することになるため、口金１４等の抜けが確実に阻害されるようになっている。

ただし、後に詳説するように、従来、この鍔部３２の補強層１６への当接に伴い、補強層１６が変形することがあった。かかる補強層１６の変形は、種々の問題を招くことが知られている。そこで、本実施形態では、この補強層１６の変形を防止または低減するために、口金１４に連結されるとともに、その一部がライナ１２の内側面に接触する応力緩和プレート１７を設けている。この応力緩和プレート１７は、金属からなるプレートであるが、その具体的な構成や作用については後に詳説する。

補強層１６は、樹脂製のライナ１２を補強する目的設けられる層で、例えば、繊維強化複合材としての単位繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などから構成される。この補強層１６は、繊維状材料であるＣＦＲＰを、例えば、フィラメントワインディング法（以下「ＦＷ法」と略す）などにより、口金１４が装着された状態のライナ１２の外側面に巻回することで形成される。なお、図面から明らかなとおり、この補強層１６も、ライナ１２と同様に、先端の両端に略半球面が接続されたような中空体形状となる。そして、この補強層１６の端部には、口金１４の突出を許容するための開口が形成されることになる。

ここで、補強層１６には、タンク内に充填されたガスの圧力が、口金１４およびライナ１２を介して伝達される。この伝達される圧力は、均一ではなく、口金１４の鍔部３２周辺において過大になり易いことが知られている。その結果、従来の高圧ガスタンクでは、当該鍔部周辺において補強層の変形が生じる場合があった。これについて、図６を参照して詳説する。

図６は、従来の高圧ガスタンクの概略断面図であり、図６（ａ）は補強層１６の変形前を、図６（ｂ）は補強層１６の変形後を示している。従来の高圧ガスタンクも、樹脂製のライナ１２、当該ライナ１２の端部に装着される口金１４、ライナ１２および口金１４の外側面を覆う補強層１６などを備えている。ただし、本実施形態の高圧ガスタンクと異なり、従来の高圧ガスタンクには、口金１４に連結されるとともに、その一部がライナ１２の内側面に接触する応力緩和プレート１７は設けられていない。

かかる高圧ガスタンクにおいて、当該タンクに高圧ガスが充填された場合、当該高圧ガスの圧力がライナ１２および口金１４を介して補強層１６に伝達され、補強層１６が、外向きに押圧されることになる。この押圧を受けて、補強層１６の開口周辺が、当該開口が広がる方向、換言すれば、口金１４との接触面積が減少する方向に変形し、結果として、図６（ｂ）で図示するような状態になることがある。

かかる変形が生じる原因としては、まず、補強層１６のなかでも開口周辺は、他の部位に比して強度が低く、変形し易いことが挙げられる。また、もう一つの原因として、当該開口周辺には、口金１４の鍔部３２を介して、他の部位に比して過大な押圧力が伝達されやすいことが挙げられる。

すなわち、高圧ガスの圧力は、ライナ１２の内側面だけでなく、口金１４の筒部後端面３０ａや当該口金１４に螺合連結されたバルブアッセンブリ１００の底面にもかかる。この内圧を受けて、バルブアッセンブリ１００および口金１４は、外側に突出しようとする。ただし、この口金１４等の突出は、口金１４の鍔部３２が補強層１６に当接することで阻害される。別の見方をすれば、補強層１６のうち当該鍔部３２との接触部分には、当該鍔部３２に作用する内圧だけでなく、口金１４およびバルブアッセンブリ１００が外側に突出しようとする力もかかることになる。

より具体的に説明すると、高圧ガスの圧力をＰ、鍔部３２の外径をｂ、口金１４の筒部３０の外径をｒとした場合、当該鍔部３２を介して補強層１６に伝達される圧力Ｐ^*は、Ｐ^*＝（ｂ²×Ｐ）／（ｂ²−ｒ²）という数式で表される。かかる圧力Ｐ^*がかかることで補強層１６のうち開口周辺が、口金１４との接触面積が減少する方向、すなわち、外側方向に変位しやすくなる。

この開口周辺における補強層１６の変形が生じた場合、図６（ｂ）に図示するように、口金１４、ライナ１２、および、補強層１６の間に微小な間隙が形成され、ガスバリア性能が低減したり、高圧ガスタンク全体としての強度が低下したりすることもある。そして、なによりも、かかる補強層１６の変形は、口金１４と補強層１６との接触面積の更なる低減、ひいては、負荷（圧力）のさらなる集中を招き、結果として、補強層１６のさらなる変形を誘発するという悪循環を招く。

こうした補強層１６の変形を防止するために、補強層１６を、より肉厚にすることが考えられる。補強層１６を肉厚にした場合、当該補強層１６の強度が向上し、変形しづらくなる。しかし、補強層１６の肉厚化は、高圧ガスタンクのサイズ増加や、補強層１６の材料費増加という新たな問題を招く。

本実施系形態では、補強層１６を肉厚化することなく、かかる補強層１６の変形、ひいては、応力（圧力）の集中を防止または低減するために、応力緩和プレート１７を設けている。以下、この応力緩和プレート１７について、図１〜図３を参照して説明する。図３は、応力緩和プレート１７の断面斜視図である。

既述したとおり、応力緩和プレート１７は、口金に連結されるとともに、その一部がライナ１２の内側面に接触するプレートである。この応力緩和プレート１７は、連結部４０、中間部４２、および、接触部４４に大別される。連結部４０は、口金１４の筒部後端面３０ａに螺合締結される略環状部位で、その中央には、口金筒部３０の内径よりも大きく、かつ、口金筒部３０の外径よりも小さい貫通孔４０ａが形成されている。また、この連結部４０には、複数のボルト孔４１が、周方向に均等に並んでいる。また、既述したとおり、筒部後端面３０ａのうち、このボルト孔４１に対応する位置には、複数の雌ネジ３４が形成されている。応力緩和プレート１７を口金１４に連結する場合には、このボルト孔４１に挿通させた連結ボルト５０を口金１４に形成された雌ネジ３４に螺合させればよい。

略環状の連結部４０の周縁からは、中間部４２が立脚している。この中間部４２は、接触部４４と連結部４０とを接続する部位で、連結部４０から離れるほど大径になるような略円錐台形状をしている。また、この中間部４２の高さは、筒部後端面３０ａからライナドーム部２２の内側面までの距離にほぼ等しくなっている。

中間部４２の周縁から延びる接触部４４は、ライナドーム部２２に対応した形状をしており、当該ライナドーム部２２に面接触できるようになっている。この接触部４４は、少なくとも、その外周縁が、鍔部３２の外周縁よりも外側に位置するような形状となっている。換言すれば、鍔部３２が介在することなく、ライナ１２を挟んで接触部４４と補強層１６が対向する部分が存在するような構成となっている。かかる構成とするのは、口金１４全体にかかる応力を、より分散するためである。

なお、本実施形態では、この応力をより分散するために、接触部４４を、その内周縁が鍔部３２の外周縁よりも外側に位置するような形状としている。換言すれば、本実施形態において、接触部４４と補強層１６との間には、鍔部３２が一切介在しない構成となっているが、これについても後に詳説する。

かかる応力緩和プレート１７は、口金１４にかかる応力の一部をライナドーム部２２に伝達する。そして、これにより、鍔部３２周辺への応力集中が緩和する。すなわち、既述したとおり、タンクに充填されたガスの圧力を受けて、バルブアッセンブリ１００および口金１４が、外側に突出しようとする。従来、この口金１４等の突出を阻害するべく、鍔部３２のみが補強層１６に当接していたため、当該鍔部３２周辺にのみ過大な応力が作用していた。

一方、本実施形態では、口金１４等が突出しようとした場合、当該突出を阻害するべく、鍔部３２が補強層１６に当接するだけでなく、口金１４に連結された応力緩和プレート１７の接触部４４もライナ１２の内側面に当接することになる。換言すれば、口金１４およびバルブアッセンブリ１００の後端面に作用した応力は、鍔部３２だけでなく、応力緩和プレート１７の接触部４４にも分散されたうえで、補強層１６に伝達されることになる。

ここで、既述したとおり、本実施形態の応力緩和プレート１７の接触部４４は、ライナ１２と補強層１６との間に鍔部３２が介在していない位置において、ライナ１２の内側面に接触している。換言すれば、接触部４４およびライナ１２を介して伝達される口金１４等の突出力は、補強層１６のうち鍔部３２とは接触していない部分に伝達されることになる。そのため、応力の集中が緩和され、鍔部３２周辺での補強層１６の変位が効果的に防止または低減される。

なお、当然ながら、応力緩和プレート１７は、タンクの内圧変動により塑性変形しない程度の剛性を有していることが望まれる。また同時に、応力緩和プレート１７、特に接触部４４は、ライナ１２に形状変形に追従できる程度の弾性を備えていることも望まれる。すなわち、樹脂からなるライナ１２は、温度変化などにより微妙に変形することが知られている。温度変化などによりライナ１２が変形したにもかかわらず、応力緩和プレート１７の接触部４４の形状が不変の場合、当該接触部とライナ１２内側面との接触面積が低減し、ひいては、応力の分散度合いが低減することになる。そこで、応力緩和プレート１７の接触部４４は、ライナの変形に追従できる程度の弾性を有していることが望ましい。かかる弾性は、応力緩和プレート１７の材質や肉厚を調整することにより持たせることができる。また、接触部４４の形状を特殊形状にすることにより弾性を持たせるようにしてもよい。例えば、図４に図示するように、接触部４４に、径方向に延びる切り込み、すなわち、スリット４６を複数形成することで、接触部４４に適度な弾性を持たせることができる。また、スリット４６を形成するのではなく、図５に図示するように、略矩形状の複数の接触部４４ａを周方向に間隔４８を空けて配置し、上面視で略歯車状になるようにしてもよい。かかる構成にしても、温度変化に伴うライナ１２の形状変化に柔軟に追従することができる。そして、結果として、応力の集中、ひいては、補強層１６の変形等をより効果的に防止または低減できる。なお、スリット４６を形成したり、略矩形状の接触部４４ａを周方向に配置したりする場合、当該スリット４６や略矩形状の接触部４４ａが、周方向に均等に並ぶようにする。これは、ライナ１２および補強層１６にかかる応力を均等に分散させるためである。

また、これまで説明した応力緩和プレート１７の構成は一例であり、少なくとも、口金１４に連結されるとともに、ライナ１２の内側面の一部に接触できるのであれば、他の構成でもよい。例えば、上述の説明では、応力緩和プレート１７は、口金１４の筒部後端面３０ａに連結されているが、他の部位、例えば、口金筒部３０の外周面などに連結されてもよい。また、応力緩和プレート１７および口金１４の連結手段、螺合に限定されず、溶接や嵌合など、他の連結手段を用いてもよい。また、本実施形態では、ライナ１２を略円筒状としているが、端部に口金１４が装着される中空体であるなら、他の形状、例えば、略球形などであってもよい。

１０ 高圧ガスタンク、１２ ライナ、１４ 口金、１６ 補強層、１７ 応力緩和プレート、１８ ガス貯留空間、２０ 挿入筒、２２ ライナドーム部、３０ 筒部、３２ 鍔部、３４ 雌ネジ、４０ 連結部、４２ 中間部、４４ 接触部、５０ 連結ボルト、１００ バルブアッセンブリ。

Claims (5)

1. 常圧よりも高い圧力でガスを貯留する高圧ガスタンクであって、
   その内部にガスが貯留される中空形状体であるライナと、
   前記ライナの外側面を覆う補強層と、
   前記ライナの端部に配置されるとともにバルブアッセンブリが装着される口金であって、前記ライナの内外を連通する略筒状の筒部および当該筒部の外側面から外側に張り出して前記ライナと補強層との間に位置する鍔部を含む口金と、
   前記口金に連結されるとともに、その一部が前記ライナの内側面に接触する応力緩和プレートと、
   を備えることを特徴とする高圧ガスタンク。
2. 請求項１に記載の高圧ガスタンクであって、
   前記応力緩和プレートは、前記ライナの内側面に対応した形状を有し、当該ライナの内側面に面接触する接触部を有する、ことを特徴とする高圧ガスタンク。
3. 請求項２に記載の高圧ガスタンクであって、
   前記接触部は、少なくとも、前記ライナと前記補強層との間に前記鍔部が介在していない部分においても前記ライナの内側面に接触している、ことを特徴とする高圧ガスタンク。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の高圧ガスタンクであって、
   前記応力緩和プレートは、前記ライナの形状変化に追従する程度の弾性を有する、ことを特徴とする高圧ガスタンク。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の高圧ガスタンクであって、
   前記ライナは、円筒形の端部に略半球面状のライナドーム部を接続した形状であり、
   前記口金は、前記ライナドーム部の中央に形成された孔に挿入され、
   前記応力緩和プレートは、前記口金の筒部の下端面に連結される略環状の連結部と、前記連結部の周縁から立脚する略円錐台状の中間部と、前記中間部の上縁から延設されるとともに前記ライナドーム部に面接触する接触部と、を含む、
   ことを特徴とする高圧ガスタンク。

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