JP2011501072A - 加圧流体タンク及びこのようなタンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に、高圧流体を貯蔵するための金属製タンク（１）に関し、仕切り（３）により分割された複数の隣接するコンパートメント（１０、７１、９１）が軸線（２）に沿って設けられ、各コンパートメントは円筒状の壁（７２）を有し、遷移領域（７３）が各仕切りを円筒状の壁に接続し、各コンパートメントは少なくとも一つのオリフィス（６）を介して互いに接続され、所定のコンパートメントに対して、円筒状の壁が外周の溶接（７５）を介して、隣接するコンパートメントの遷移領域に接続されている。

Description

本発明は、加圧流体の貯蔵に関する。本発明は、詳細には、自動車、例えば、高圧の予備酸素を搭載しなければならない燃料電池自動車における気体状酸素の貯蔵用に適用可能であるが、これに限定されない。

この技術分野において、これらの乗り物では、搭載されるタンクが打撃や不測の衝撃の結果を最小限にするための厳しい安全基準に適合しなければならないため、タンクの設計が、これらの乗り物を大量生産する際の障害の一つとなる。例えば、乗り物が巻き込まれた事故でタンクが破損した時、或いは、銃器から発射された弾丸がタンクを通過した時に、流体圧力が非常に急激に解放される。

貯蔵圧力が２００乃至５００気圧程度であるため、この圧力の解放によって発生する力は非常に大きく、フレームを切断することがある。このため、一つの目的は、タンクが破裂しても、タンクの内部圧力の解放によって発生する力を最小にすることである。もう一つの目的は、このようなタンクが合理的な価格、例えば、自動車に搭載可能な価格で、工業的な規模で得られるようにすることである。

このため、本発明は、高圧流体を貯蔵する金属製のタンクであって、軸線に沿って複数の仕切りにより仕切られた隣接する複数のコンパートメントであって円筒状の壁を有するコンパートメントと、各仕切りと円筒状の壁とを接続する遷移領域とを備え、コンパートメントが各仕切りに形成された少なくとも一つのオリフィスを介して互いに接続され、所定のコンパートメントでは、円筒状の壁は、隣接するコンパートメントの遷移領域に環状の溶接を介して接続されているタンクを提案する。

好ましくは、端部のコンパートメントは中央のコンパートメントと異なり、すべての中央コンパートメントは、互いに同一である。
好ましくは、タンクは、前記タンクの入口／出口端に位置する単一の入口／出口手段を有する。また、好ましくは、仕切りはドーム状であり、仕切りのくぼんだ表面がタンクの入口／出口端に面している。
好ましくは、各仕切りは、この仕切りの中央に位置する単一のオリフィスを有し、オリフィスの直径は、１乃至５ｍｍである。

また、本発明は、高圧流体を貯蔵する金属製タンクを得る方法を提案し、この方法は、以下のステップが順に含まれる。
・円形断面の円筒状の壁と、オリフィスを含み円筒状の壁の軸線に直角に設けられた仕切りと、円筒状の壁の第一端を仕切りと接合する遷移領域と、自由端を構成する円筒状の壁の第二端とを含む基礎的要素を形成するステップ
・円筒状の壁の各軸線が一致するような方法で、複数の同一の基礎的要素を配置するステップ
・基礎的要素の円筒状の壁の端部の自由端を、隣接する要素の遷移領域に溶接することにより、前記複数の基礎的要素をともに連結するステップ

好ましくは、基礎的要素は、実質的に引き延ばしにより形成される。
これに代わり、基礎的要素は、材料を除去することにより形成される。
好ましくは、複数の基礎的要素が電子ビーム溶接により連結されている。

好ましくは、端部要素は、また、前記複数の基礎的要素の両端に溶接され、端部要素は基礎的要素とは異なる。
好ましくは、各基礎的要素の遷移領域は、隣接する要素の自由端が周囲に位置する中央肩部を含む。
本発明の他の特徴及び利点は、好適な実施形態の記載から明らかになるだろう。

本発明によるタンクの一部分を破断した斜視図である。 図１のタンクの２つの基礎的要素の平面図である。 図１のタンクの要素の接合部のタンクの軸線を含む平面に沿った詳細な断面図である。 図１のタンクの２つのコンパートメントの間を結ぶオリフィスのタンクの軸線を含む平面に沿った詳細な断面図である。 本発明の第２実施形態の接合部の図４に類似する詳細な断面図である。 本発明の第３実施形態の接合部の図４及び図５に類似する詳細な断面図である。

軸線２を中心とした円筒状の全体形状を有するタンク１の部分断面を示す図１を参照する。タンクは、入口／出口手段４０を構成する開口端４と、閉鎖端５とを有する。タンクの内側には、複数のコンパートメント１０を画定する複数の仕切りが設けられている。隣接するコンパートメント同士は、対応する仕切りの中央に位置するオリフィス６を介して連通している。本実施形態では、タンクは、５つの同一の中央コンパートメント１０を画定する５つの同一の基礎的要素７により構成されている。タンクの両端部には、基礎的要素７とは異なる特別な用途の要素８、９が設けられている。

閉鎖端５は、端部キャップ要素９からなる。このように画定された端部要素９１は、中央要素と同様の容積を有する。ここで、端部キャップ要素は、可動または柔軟な中間要素を介して、車のシャーシに固定されることを意図したねじロッド５１を有する。これにより、タンクが熱的及び機械的な応力を受けて変形したとき、タンクの閉鎖端が軸線方向に動くことができる。このタンクの閉鎖端５の保持／案内機能は、適切な方法、例えば、滑りガイドの使用により達成されることがわかる。

タンク１の開口端４は、入口／出口手段４０を有する入口／出口要素８からなる。入口／出口手段４０は、流体回路への接続手段（密封のためのハウジング４１を参照）を含み、また、本実施形態では、タンクを車に取り付ける手段（スレッド孔４２を参照）を形成する。

仕切り３は、図示のように、タンクの端部に向かってドーム状に膨らむのが好ましい（凹状面が、タンク及び該当する仕切りが一部を構成する要素の開口端に面する）。

図１のタンクは、このように画定された入口／出口要素７１が、基礎的要素７に類似するが管状部分がわずかに短く、中央コンパートメント１０と等しい容積を有する要素７１をさらに備えている。しかしながら、もし、対応する要素７１が他の要素よりわずかに大きな容積を有することを許容されるならば、６つ目の基礎的要素をこの要素７１の代わりに非常に適切に用いることができる。

互いに組立てられる前の２つの基礎的要素を示す図２は、各基礎的要素７（７１）が仕切り３と、外径φの円形断面を有しタンクの円筒壁を構成する管状部７２とを備えていることを示す。各要素は、一体部材として、好ましくは、高圧酸素に適合可能なステンレススチールのような溶接可能な金属材料から形成されている。

２つの隣接する要素の連結の一実施形態を詳細に示す図３に示すように、すべての要素（基礎的要素及び端部要素）は、次いで、密封状態に連結される。図３は、一体の基礎的要素の管状部７２及び仕切り３とを結ぶ遷移領域７３を示す。隣接する要素７´の管状部７２の自由端７６が、遷移領域の心出し肩部７４の周囲に取り付けられる。次いで、溶接部７５の外周面のビードが、２つの要素を密封状態で結合する。図示されている連結は、二つの基礎的要素間のものであるが、図１から推測されるように、同じタイプの連結を端部要素８、９にも使用することができる。詳細には、入口／出口要素８は仕切りを備えず、この要素８と隣接する要素７０とは、他と同様の方法により接続が形成されているため、入口／出口要素８の遷移領域は異なっている。

図４は、図２の細部Ｂを拡大して示す。図４は、オリフィス６を有する仕切り３の中央部を示す。上述したように、オリフィスが、二つの隣接するコンパートメント１０を連通させている。タンクが満たされる間、全てのコンパートメントを流体で満たし、それらが等圧になるように、流体がオリフィスを通って図の右方向へと循環する。タンクが流体消費回路に流体を供給している際に、流体は図の左方向に、すなわち、タンクの開放端４に流れる。単一かつ中央のオリフィス６は、二つの隣接する要素の間の流量を限定する音速スロートを構成する。

仕切りの重要な役割は、タンクが破断したとき、瞬時に解放される流体の体積を減らすことである。好ましくは、仕切り及びオリフィスは、タンクが破断したとき、たとえそのようにするためにそれらに永続的な（塑性の）変形を含む変形が必要であったとしても、少なくとも１つのコンパートメントからの圧力の急激な低下に抵抗できるように、寸法を決めされる必要がある。ステンレス鋼からなり、引張強度が１１００ＭＰａ、直径がφ＝７０ｍｍ、慣用されている２００気圧の圧力で酸素が満たされたタンクにおいては、仕切りが厚さ０．８ｍｍ、オリフィスが直径３ｍｍで完全に満足する結果が得られることが立証された。タンクの寸法によって、オリフィスの直径は変わる。１乃至５ｍｍの範囲が好ましい。代わりに、結果的に全ての流量に対して同様な効果が得られる複数の小径の孔を有することも可能である。

仕切りがタンクの端部に向かってドーム状に形成されていることで、二つの連続するコンパートメント（図における左から右）の間の大きな圧力差に抵抗することができるため、仕切りを損傷することなく、目標の貯蔵圧力に関して比較的に高い充填圧力でタンクを満たすことが可能となる。これにより、より迅速に充填することが可能となる。逆に、流量が充填中に比べて非常に少ないため、タンクが供給する回路により流体が消費される際に、仕切りが受ける圧力差は、（無視できないとしても）はるかに小さい。

実際には、タンクは以下の方法を用いて製造される。
・例えば、材料の除去（施削、フライス削り）、圧伸成形、又は、選択された材料に適合する技術の使用により、基礎的要素及び特別の目的の端部要素が形成される。
・タンクを構成する要素が軸線に沿って組み立てられる。
・各要素の円筒状の壁７２の自由端７６と、隣接する要素の遷移領域７３との結合が、例えば、電子ビーム溶接（電子衝撃としても知られる）、レーザ溶接、又は摩擦溶接により、成し遂げられる。

要素が本質的に圧伸成形により得られるとの記載は、たとえ、接合の型に応じた組立精度により、遷移領域や自由端にさらなる機械的工程が必要であっても、圧伸成形工程が要素の全体形状を付与するということを意味する。例えば、電子ビーム溶接による接合は、比較的に高い精度を必要とすることが知られている。

図５は、本発明の第２実施形態のタンクを示し、このタンクでは、隣接する要素を互いに接続するという上記方法と類似した方法で、管状部７２１が仕切り３の肩部７８に溶接（溶接ビード７７を参照）される。

図６は、本発明の第３実施形態のタンクを示す。このタンクは、管状部７２１の自由端７６１と遷移領域７３２とが、単一の溶接ビード７５を用いて組立及び接続が行われる方法により形成されている点で、第２実施形態のタンクと異なる。この例では、自由端は４５°に面取りされ、仕切り３は環状の隆起７９を有し、その側面の斜面は４５°で傾斜している。

本発明を乗り物のタンクへの特定用途において説明してきたが、本発明は、容量がより大きい、又は小さい固定タンクの場合にも適用できる。

自動車用途で認識される慣用圧力は２００気圧である。これは、現在の有効な基準により、３００気圧の保証耐圧力及び４５０気圧を超える引張強度に対応する。

本発明の有利な点の一つは、タンクの長さが、用いられる基礎的要素の数のみに依存する点である。

Claims (11)

1. 高圧流体を貯蔵する金属タンク（１）であって、
   軸線（２）に沿って設けられ、仕切り（３）により分割された隣接する複数のコンパートメント（１０、７１、９１）であって、円筒状の壁（７２）を有するコンパートメントと、
   各仕切りを前記円筒状の壁に接続する遷移領域（７３）と、備え、
   前記コンパートメントは、各仕切りに形成された一つのオリフィス（６）を介して互いに連通し、
   所定のコンパートメントでは、前記円筒状の壁が、外周の溶接部（７５）を介して、隣接するコンパートメントの前記遷移領域に接続されている、
   ことを特徴とするタンク。
2. 端部のコンパートメント（７１、９１）は、中央のコンパートメント（１０）と異なり、前記中央のコンパートメントは互いに全て同一である、
   請求項１に記載のタンク。
3. 前記タンクの入口／出口端（４）に設けられた単一の入口／出口手段（４０）を備えている、
   請求項１又は２記載のタンク。
4. 前記仕切りはドーム状であり、前記仕切りのくぼんだ面が前記タンクの前記入口／出口端に面する、
   請求項３記載のタンク。
5. 各仕切りは、前記仕切りの中央に配置された単一のオリフィス（６）を有し、
   前記オリフィスの直径（φ）は、１乃至５ｍｍの範囲である、
   請求項１乃至４のうち何れか１項に記載のタンク。
6. 高圧流体を貯蔵する金属タンクの製造方法であって、順に、
   円形断面の円筒状の壁（７２）と、オリフィス（６）を有し前記円筒状の壁の軸線（２）に垂直な仕切り（３）と、前記円筒状の壁の第１の端部を前記仕切りに接続する遷移領域（７３）と、自由端（７６）を構成する前記円筒状の壁の第２の端部とを含む基礎的要素（７２）を形成するステップと、
   前記円筒状の壁のそれぞれの軸線が一致するように、複数の同一な基礎的要素を並べるステップと
   各基礎的要素の前記円筒状の壁の前記自由端を、隣接する要素の前記遷移領域に溶接して、前記複数の基礎的要素を一緒に接続するステップと、を備えている、
   ことを特徴とする方法。
7. 前記基礎的要素が、実質的に圧伸成形により形成されている、
   請求項６記載の方法。
8. 前記基礎的要素が、実質的に材料の除去により形成されている、
   請求項６記載の方法。
9. 複数の基礎的要素は、電子ビーム溶接により互いに接続されている、
   請求項６から８の何れか１項に記載の方法。
10. 端部要素（８、９）は、前記複数の基礎的要素（７）の両端に溶接されており、端部の要素は前記基礎的要素と異なっている、
    請求項６から９のうち何れか１項に記載の方法。
11. 各基礎的要素（７）の遷移領域（７３）は、隣接する要素（７´）の自由端（７６）の周囲に位置する中央肩部（７４）を有している、
    請求項６から１０のうち何れか１項に記載の方法。

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