JP2012066674A - 圧力容器およびその車両搭載構造 - Google Patents

Abstract

【課題】外部入力からの保護性能を落とすことなく当該圧力容器の位置決め性能を実現する。
【解決手段】ＦＲＰ層は、ガス圧に耐える肉厚を備えた所要肉厚層と、外部入力から当該圧力容器１を保護する肉厚を備えた外部入力保護層２１と、からなり、外部入力保護層２１の一部がタンク軸線方向に切り欠かれて凹溝１３が形成されており、該凹溝１３にタンクバンド１４を係合させて当該圧力容器１を車両に搭載する。凹溝１３は、タンクバンド１４の厚みの半分以上の深さを有する溝であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力容器およびその車両搭載構造に関する。さらに詳述すると、本発明は、水素ガス等が高圧で充填される圧力容器の構造の改良に関する。

水素等の高圧ガスの貯蔵に利用される圧力容器（タンク）として、ライナの外周にＦＲＰの補強層を備えるものが利用されている。また、車両に搭載するために、例えばタンクの外板にタンクバンド係合用の凹溝を備えた構造の圧力容器が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−２０３２８１号公報

しかしながら、タンク外板を変形させて凹溝を形成するとタンク内面に変曲部が形成されてしまうことから、外部入力に対する保護性能が落ちる場合がある。また、特に高圧ガス容器の場合、変曲部にガス圧による応力が集中するおそれもある。

そこで、本発明は、外部入力からの保護性能を落とすことなく当該圧力容器の位置決め性能を実現した圧力容器およびその車両搭載構造を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従来、ガスを燃料とし、燃料ガスの貯蔵システムとして圧力容器を用いる車両に対し、ガソリン燃料タンク同様の方式によりガス燃料圧力容器を搭載しようとした場合、搭載用バンド、ガス燃料圧力容器および車両ボデーの三者の位置合わせを一意的に決定することは困難であった。これは、圧力容器はその原理からして円筒形状が合理的であるが故、搭載バンドを宛がう位置を明確に定まることが困難なためで、位置がずれたまま取り付けた場合は、容器付属の主止弁とガス配管の継手部ないしは配管部に予歪を与えてしまうことになる。特に、繰り返しの使用が想定される自動車においては、振動等の使用環境によるストレスと内部ガスの圧力サイクルによるストレスにより疲労性能に懸念が生じる。

また、従来のように容器構成部材を変形させることで凹溝を形成しようとすると、応力が変曲部に集中することが想定され変曲部の補強のため肉厚を増すことが必要となるが、そうすると凹溝周辺以外の肉厚増は駄肉となり、圧力容器全体の質量もコストも増加してしまう。さらには、ＦＲＰ層のみで肩部の本来の強度が得られている圧力容器において、当該容器の位置ずれ防止のため当該肩部にＦＲＰを余計に巻いた圧力容器も存在するが、このような構成は、容器の体格、コスト、質量の点でやはり好ましくない。

上記の各種問題に着目してさらに検討した本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、ライナと、該ライナの外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器の構造であって、ＦＲＰ層は、ガス圧に耐える肉厚を備えた所要肉厚層と、外部入力から当該圧力容器を保護する肉厚を備えた外部入力保護層と、からなり、外部入力保護層の一部がタンク軸線方向に切り欠かれて凹溝が形成されており、該凹溝にタンクバンドを係合させて当該圧力容器を車両に搭載する構造となっている。

この圧力容器の車両搭載構造によれば、外部入力保護層の一部に形成された凹溝にタンクバンドを係合させることにより、圧力容器の位置、特にタンク軸線方向位置を一意的に決定することが可能となる。しかも、本発明にかかる圧力容器の車両搭載構造によれば、外部入力保護性能を落とすことなく圧力容器の位置決め性能を付与することができる。すなわち、溝形成のために余計にＦＲＰを巻く従来構造とは異なり、本発明では、外部入力保護層のうち、タンクバンドが配置される箇所を他の箇所よりも薄くして凹溝を形成し、当該箇所にタンクバンドを係合させた状態とするため、外部入力保護性能を落とさずに済む。なお、外部入力から圧力容器を保護する肉厚とは、ガス圧に耐える肉厚に対して余剰となる肉厚ということもできる。

かかる圧力容器の車両搭載構造において、所要肉厚層はＣＦＲＰが積層されてなり、外部入力保護層はＧＦＲＰが積層されてなることが好ましい。

また、凹溝は、タンクバンドの厚みの半分以上の深さを有する溝であることが好ましい。

さらに、凹溝は、外部入力保護層の厚みと同一の深さの溝であることも好ましい。

また、凹溝は、当該圧力容器の外周を周回する溝であることが好ましい。

さらには、凹溝の溝幅が、当該凹溝に係合するタンクバンドの幅に一致していることが好ましい。

また、本発明にかかる圧力容器は、ライナと、該ライナの外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器であって、ＦＲＰ層は、ガス圧に耐える肉厚を備えた所要肉厚層と、外部入力から当該圧力容器を保護する肉厚を備えた外部入力保護層と、からなり、外部入力保護層の一部がタンク軸線方向に切り欠かれてタンクバンド係合用の凹溝が形成されているものである。

本発明によれば、外部入力からの保護性能を落とすことなく当該圧力容器の位置決め性能を実現することができる。

高圧タンク（圧力容器）の車両搭載構造の好適例を示す斜視図である。 高圧タンクの縦断面図である。 高圧タンクにおける繊維の巻きパターンについて説明する図である。 高圧タンクのＣＦＲＰ層およびＧＦＲＰ層の一構造例を示す断面図である。 高圧タンクのＣＦＲＰ層およびＧＦＲＰ層の他の構造例を示す断面図である。 円筒形外周部の２箇所（主止弁付近、底部付近）に凹溝が形成された高圧タンクの部分拡大図である。 １箇所にのみに凹溝が形成された高圧タンクの部分拡大図である。 幅広の凹溝が形成された高圧タンクの部分拡大図である。 ストレート部（タンク胴体部分）のうち両タンクバンドの間の部分にのみＧＦＲＰ層（外部入力保護層）が形成された高圧タンクの部分拡大図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図９に本発明にかかる圧力容器およびその車両搭載構造の実施形態を示す。以下では、燃料電池車において利用される水素燃料供給源としての圧力容器（以下、高圧タンクともいう）１を挙げ、当該高圧タンク１の構造を例示しつつ説明する。

高圧タンク１は、例えば両端が略半球状である円筒形状のタンク本体１０と、当該タンク本体１０の長手方向の端部の口金（図示省略）に取り付けられた主止弁（バルブアッセンブリ）１１を有する（図１参照）。なお、本明細書では略半球状部分をドーム部、筒状胴体部分をストレート部といい、それぞれ符号１ｄ，１ｓで表す（図３参照）。

タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナ１９とその外側の外壁層である樹脂繊維層（補強層）としてのＦＲＰ層を有している。ＦＲＰ層は、例えばＣＦＲＰ層のみ、あるいは該ＣＦＲＰ層およびＧＦＲＰ層によって形成されている。例えば本実施形態のＦＲＰ層は、所要肉厚層としてのＣＦＲＰ層２０と、外部入力保護層としてのＧＦＲＰ層２１とで構成されている（図２参照）。

ライナ１９は、タンク本体１０とほぼ同じ形状に形成されている。ライナ１９は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている。あるいは、アルミニウムなどで形成された金属ライナをライナ１９とすることもできる。特に詳しい図示はしていないが、ライナ１９の長手方向端部には開口部が形成され、口金が嵌入されている。口金には、主止弁１１として機能するバルブアッセンブリが嵌め込まれている。

ＦＲＰ層２０，２１は、例えばフィラメントワインディング成形（ＦＷ成形）により、ライナ１９の外周面と口金の一部に、樹脂を含浸した繊維（補強繊維）７０を巻き付け、当該樹脂を硬化させることにより形成されている。ＦＲＰ層２０，２１の樹脂には、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等が用いられる。また、繊維７０としては、炭素繊維（ＣＦ）、金属繊維などが用いられる。フィラメントワインディング成形の際には、タンク軸１２を中心としてライナ１９を回転させながら繊維７０のガイドをタンク軸方向に沿って動かすことにより当該ライナ１９の外周面に繊維７０を巻き付けることができる。なお、実際には複数本の繊維７０が束ねられた繊維束がライナ１９に巻き付けられることが一般的であるが、本明細書では繊維束である場合を含めて単に繊維と呼ぶ。

次に、高圧タンク１における繊維７０の巻きパターンについて説明しておく（図３参照）。繊維７０の巻き付け方にはフープ巻とヘリカル巻（または、インプレーン巻）とがあり、繊維７０がフープ巻された層によってフープ層が、ヘリカル巻された層によってヘリカル層がそれぞれ形成される。

前者のフープ巻は、タンク本体１０のストレート部（タンク胴体部分）１ｓに繊維７０をタンク軸１２にほぼ垂直に、いわばコイルスプリングのように巻くことによって当該部分を巻き締め、気体圧により径方向外側へ拡がろうとする力に対抗するための力をライナ１９に作用させる。なお、コイルスプリングのように巻かれた繊維７０の弦巻（つるまき）線（ネジにおけるネジ山の線）と、当該タンク１の中心線（タンク軸１２）とのなす角度（のうちの鋭角のほう）αによって、繊維７０のタンク軸１２に対する巻角度を表すこととする。フープ巻の具体的な巻角度αは例えば８０°〜９０°である（図３参照）。

後者のヘリカル巻はドーム部１ｄを巻き締め方向（タンク軸方向の内側向き）に巻き締めることを主目的とした巻き方であり、当該ドーム部１ｄに引っ掛かるようにして繊維７０をタンク１に対し全体的に巻き付けることにより、主として当該ドーム部１ｄの強度向上に寄与する。ヘリカル巻は、ドーム部１ｄにも繊維７０を巻き付ける巻き方であり、タンク軸１２に対する巻角度αがフープ巻の場合よりも小さい。ヘリカル巻を大きく２つに分ければ高角度ヘリカル巻と低角度ヘリカル巻の２種類があり、そのうち高角度ヘリカル巻はタンク軸１２に対する巻角度αが比較的大きいもので、その具体例は７０°〜８０°である。一方、低角度ヘリカル巻は、タンク軸１２に対する巻角度αが比較的小さいもので、その具体例は５°〜３０°である（図３参照）。

なお、ここで、高圧タンク１の内圧に対する強度を実現する複合材の肉厚の求める理論式に言及しておく。かかる複合材の肉厚は、以下の５つの式の組み合わせにより理論的に決定することができる。
１．複合則：強化繊維と母材樹脂の体積含有率より任意層の弾性率が求まる。

２．積層角度より、発生応力方向の弾性係数を算出する。
３．積層板理論：任意の積層構成の胴体部の等価弾性係数Ｅ_z、Ｅθを算出する。
４．内圧を受ける厚肉円筒、薄肉円筒の発生応力σ_z、σθを算出する。
・最大周方向応力σθ

・軸方向応力σ_z

５．直交異方性板のフックの法則

６．発生歪と材料物性より積層構成および肉厚を決定する。

続いて、本実施形態におけるＣＦＲＰ層２０およびＧＦＲＰ層２１の構造について説明する（図４等参照）。

本実施形態の高圧タンク１において、ＣＦＲＰ層２０は、ガス圧に耐える肉厚を備えた層（所要肉厚層）として形成されている。ＣＦＲＰ層２０は、上述したフープ巻とヘリカル巻とを組み合わせて形成することができる（図４、図５参照）。

ＧＦＲＰ層２１は、外部入力から当該高圧タンク１を保護する外部入力保護層として形成されている。本実施形態では、このＧＦＲＰ層２１を、フープ巻のみ、あるいはフープ巻とヘリカル巻の組み合わせで形成するとともに、その一部をタンク軸１２の軸線方向に切り欠かれた形状として凹溝１３を形成する。

凹溝１３は、例えば以下のようにして形成することができる。すなわち、ＦＷ工法による成形の際、ＦＷ装置のプログラムを制御し、繊維７０のワインディング（フープ巻）をある領域スキップさせることで、当該スキップ領域に凹溝１３を形成することができる。これによれば、高圧タンク１の表面部に、タンクバンド１４を係合させるための一つないし複数の凹溝１３を容易に形成することが可能である。

凹溝１３の深さは、適宜設定することができる。例えば、凹溝１３を、タンクバンド１４の厚みの半分以上の深さとすれば、当該凹溝１３にタンクバンド１４とより確実に係合させうる点で好ましい（図４参照）。

あるいは、凹溝１３を、ＧＦＲＰ層（外部入力保護層）２１の厚みと同一の深さの溝とすることもできる。この場合の高圧タンク１は、当該凹溝１３の領域に外部入力保護層を備えていない構造となる（図５参照）。

また、凹溝１３の溝幅も適宜設定することができるが、当該溝幅は、当該凹溝１３に係合するタンクバンド１４の幅に一致していることが好ましい。これにより、凹溝１３とタンクバンド１４とのタンク軸方向の隙間をなくし、凹溝１３にタンクバンド１４が嵌合した状態として、高圧タンク１をさらに精度よく位置決めすることが可能となる。また、幅が同等のタンクバンド１４で凹溝１３を覆うことで、タンクバンド１４の脇から凹溝１３の表面が露出するのを避けることができる。

さらに、凹溝１３の個数も適宜設定することができる。例えば図１等では、高圧タンク１の円筒形外周部の２箇所（主止弁１１付近、底部付近）に凹溝１３を形成した高圧タンク１を例示しているが（図１、図２、図６参照）、凹溝１３を１箇所にのみ形成することもできる。凹溝１３が１箇所にのみ形成された高圧タンク１を２本のタンクバンド１４で支持する場合、一方のタンクバンド１４は凹溝１３に係合した状態とはならないが、それでも、他方のタンクバンド１４が凹溝１３に係合することによって、当該高圧タンク１の位置決め性能を実現することができる（図７参照）。

あるいは、幅広の凹溝１３を形成し、この凹溝１３のタンク軸方向の両端（両壁）近傍に２本のタンクバンド１４のそれぞれを配置することもできる（図８参照）。この高圧タンク１は、ストレート部（タンク胴体部分）１ｓのうち両タンクバンド１４の間の部分にＧＦＲＰ層（外部入力保護層）２１が形成されていない構造であり、２本のタンクバンド１４のそれぞれが凹溝１３の端部壁に係合することによって当該高圧タンク１の位置決め性能を実現することができる。

または、上述した形態（図８参照）とは逆に、ストレート部（タンク胴体部分）１ｓのうち両タンクバンド１４の間の部分にのみＧＦＲＰ層（外部入力保護層）２１を形成し、このＧＦＲＰ層２１の両端（両壁）近傍に２本のタンクバンド１４のそれぞれを配置することもできる（図９参照）。この高圧タンク１は、ドーム部１ｄなど、両タンクバンド１４の外側（タンク軸方向両端寄り）にＧＦＲＰ層（外部入力保護層）２１が形成されていない構造であり、２本のタンクバンド１４のそれぞれがＧＦＲＰ層２１の端部壁に係合した状態となることによって当該高圧タンク１の位置決め性能を実現することができる。

本実施形態の高圧タンク（圧力容器）１およびその車両搭載構造によれば、ＧＦＲＰ層（外部入力保護層）２１の一部に形成された凹溝１３にタンクバンド１４を係合させることにより、高圧タンク１の位置、特にタンク軸線方向位置を一意的に決定することが可能となる。しかも、本実施形態においては、外部入力保護性能を確保しつつ高圧タンク１の位置決め性能を実現することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態ではＣＦＲＰ層２０により所要肉厚層を構成し、ＧＦＲＰ層２１により外部入力保護層を構成した形態を説明したが、これ以外の形態とすること、例示すればＣＦＲＰ層により外部入力保護層を構成すること等も可能である。

また、上述した実施形態では、高圧タンク１の外周を周回する形態の凹溝１３を例示したがこれも好適例にすぎない。凹溝１３は常に周回している必要はなく、少なくともタンクバンド１４が係合する箇所にだけ凹溝１３を形成し、それ以外の箇所は凹溝が形成されていない外部入力保護層とすることも可能である。

本発明は、ライナと、該ライナの外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器およびその車両搭載構造に適用して好適なものである。

１…高圧タンク（圧力容器）、１１…主止弁、１２…タンク軸、１３…凹溝、１４…タンクバンド、１９…ライナ、２０…ＣＦＲＰ層（所要肉厚層）、２１…ＧＦＲＰ層（外部入力保護層）

Claims (7)

1. ライナと、該ライナの外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器の構造であって、
   前記ＦＲＰ層は、ガス圧に耐える肉厚を備えた所要肉厚層と、外部入力から当該圧力容器を保護する肉厚を備えた外部入力保護層と、からなり、
   前記外部入力保護層の一部がタンク軸線方向に切り欠かれて凹溝が形成されており、
   該凹溝にタンクバンドを係合させて当該圧力容器を車両に搭載する、圧力容器の車両搭載構造。
2. 前記所要肉厚層はＣＦＲＰが積層されてなり、前記外部入力保護層はＧＦＲＰが積層されてなる、請求項１に記載の圧力容器の車両搭載構造。
3. 前記凹溝は、前記タンクバンドの厚みの半分以上の深さを有する溝である、請求項１または２に記載の圧力容器の車両搭載構造。
4. 前記凹溝は、前記外部入力保護層の厚みと同一の深さの溝である、請求項１または２に記載の圧力容器の車両搭載構造。
5. 前記凹溝は、当該圧力容器の外周を周回する溝である、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧力容器の車両搭載構造。
6. 前記凹溝の溝幅が、当該凹溝に係合するタンクバンドの幅に一致している、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧力容器の車両搭載構造。
7. ライナと、該ライナの外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器であって、
   前記ＦＲＰ層は、ガス圧に耐える肉厚を備えた所要肉厚層と、外部入力から当該圧力容器を保護する肉厚を備えた外部入力保護層と、からなり、
   前記外部入力保護層の一部がタンク軸線方向に切り欠かれてタンクバンド係合用の凹溝が形成されている、圧力容器。

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