JP2017145936A - 高圧ガスタンク - Google Patents

Abstract

【課題】高圧ガスタンクのシリンダ部の周囲を保護しようとすると、保護部材の厚みが過度に大きくなってしまい、高圧ガスタンクの配置スペースなどに関して問題が生じる可能性がある。
【解決手段】高圧ガスタンクは、中空円筒状のシリンダ部の両側に略半球状のドーム部をそれぞれ有するライナと、ライナの外周面を被覆する繊維束製の補強層と、ライナの両端の少なくとも一方において補強層の上に配置されたプロテクタと、を備える。プロテクタは、補強層の上に配置され、金属製又は繊維強化樹脂製の板状部材で形成された第１層と、第１層の上に配置され、弾性部材で形成された第２層と、を含む。第１層は、補強層のドーム部補強部からシリンダ部補強部の一部にわたる領域に配置され、第２層は、補強層のドーム部補強部に対応する位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧ガスタンクに関する。

特許文献１には、高圧ガスタンクとしての高圧水素タンクが開示されている。この高圧水素タンクは、樹脂ライナと、樹脂ライナを被覆する繊維束製の補強層とを有する。また、タンクの両端にある略半球状の部分（「ドーム部」と呼ぶ）には、外部からの衝撃に対してタンクを保護するための保護部材が設けられている。

国際公開第２０１４／０５４２５１号公報

本願の発明者は、外部からの衝撃に対して高圧ガスタンクを保護するために、タンクの両端にあるドーム部のみでなく、２つのドーム部の間にある中空円筒状の部分（「シリンダ部」と呼ぶ）の一部も保護したい場合があることを見出した。しかしながら、シリンダ部の周囲を保護しようとすると、保護部材の厚みが過度に大きくなってしまい、高圧ガスタンクの配置スペースなどに関して問題が生じる可能性がある。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

本発明の一形態によれば、高圧ガスタンクが提供される。この高圧ガスタンクは、中空円筒状のシリンダ部の両側に略半球状のドーム部をそれぞれ有するライナと；前記ドーム部を覆うドーム部補強部と、前記シリンダ部を覆うシリンダ部補強部とを含み、前記ライナの外周面を被覆する繊維束製の補強層と；前記ライナの両端の少なくとも一方において、前記補強層の上に配置されたプロテクタと；を備える。前記プロテクタは、前記補強層の上に配置され、金属製又は繊維強化樹脂製の板状部材で形成された第１層と、前記第１層の上に配置され、弾性部材で形成された第２層と、を含む。前記第１層は、前記補強層の前記ドーム部補強部から前記シリンダ部補強部の一部にわたる領域に配置され、前記第２層は、前記補強層の前記ドーム部補強部に対応する位置に配置されている。
この高圧ガスタンクによれば、補強層のドーム部補強部からシリンダ部補強部の一部にわたる領域に、金属製又は繊維強化樹脂製の板状部材で形成された第１層を設けたので、シリンダ部補強部を、厚みの小さな第１層４１を用いて保護することができる。この結果、高圧ガスタンクの配置スペースが過度に大きくなることを防止しつつ、シリンダ部を保護することが可能である。また、第１層の上であって、補強層のドーム部補強部に対応する位置に、弾性部材で形成された第２層４２を設けたので、外部からの衝撃をこの第２層で吸収して高圧ガスタンクを保護することが可能である。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、高圧ガスタンクの製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の実施形態としての高圧ガスタンクの構成を示す説明図。 プロテクタの構成を示す説明図。 タンクの製造手順を示す説明図。 高圧ガスタンクの具体的な配置例を示す説明図。

図１は、本発明の一実施形態としての高圧ガスタンク１０の構成を示す説明図である。但し、図１の上半分は断面図であり、下半分は正面図である。この高圧ガスタンク１０は、ライナ２０と、ライナ２０の外周面を被覆する補強層３０と、タンク１０の両端にそれぞれ設けられたプロテクタ４０とを備える。この高圧ガスタンク１０は、例えば、水素を貯蔵するためのタンクとして使用される。

ライナ２０は、例えば、タンク１０の長手方向の中央で２分割した形状の２つのライナパーツを接合することによって形成されている。ライナ２０の素材としては、例えば、ナイロン系樹脂が使用可能であり、型成形等で成形される。ライナ２０は、中空円筒状のシリンダ部２２と、シリンダ部２２の両側に続く略半球状の２つのドーム部２４とに区分可能である。ライナ２０の両端には、ドーム部２４の頂上の位置に口金１２，１４が配置されている。第１の口金１２は、タンク１０の内空間と連通する貫通孔１５を有する。第２の口金１４は、有底孔１６を有する。これらの口金１２，１４は、例えば、ライナーパーツの成形時に、インサート成形によってライナーパーツに接合される。

補強層３０は、例えば、未硬化の樹脂を含浸した繊維束をフィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」と呼ぶ）によりライナ２０の外周面に巻回し、その後、樹脂を硬化させることによって形成される。典型的なＦＷ法では、ライナ２０のシリンダ部２２の外周を被覆するためのフープ巻きと、ドーム部２４の外周を被覆するためヘリカル巻きとが利用される。補強層３０の樹脂としては、エポキシ樹脂や、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。また、繊維束としては、カーボン繊維束や、ガラス繊維束、カーボン繊維束、アラミド繊維束等を用いることができる。補強層３０のうち、ライナ２０のシリンダ部２２を覆う部分を「シリンダ補強部３２」呼ぶ。また、ライナ２０のドーム部２４を覆う部分を「ドーム部補強部３４」と呼ぶ。

プロテクタ４０は、ライナ２０の両端のドーム部２４において補強層３０の上に配置されており、外部から受ける衝撃と、タンク１０の内圧による応力からタンク１０を保護する保護部材である。プロテクタ４０は、金属製又は繊維強化樹脂製の板状部材で形成された第１層４１と、第１層４１の上に配置され弾性部材で形成された第２層４２と、第２層４２の上に配置された耐火層としての第３層４３とを有している。第１層４１は、補強層３０のドーム部補強部３４からシリンダ部補強部３２の一部にわたる領域に配置されている。第２層４２は、補強層３０のドーム部補強部３４に対応する位置に配置されている。第３層４３は、第２層４２を覆うように配置されている。

図２（Ａ）は、プロテクタ４０をタンク１０の中心軸ＡＸ（図１）の方向から見た正面図であり、図２（Ａ）は、タンク１０の中心軸ＡＸを含む平面に沿ってプロテクタ４０を切断した断面図である。プロテクタ４０の中心には、高圧ガスタンク１０の口金１２，１４（図１）を通過させるための開口部４６が設けられている。

プロテクタ４０の第１層４１は、金属製又は繊維強化樹脂製の板状部材であり、外部からの衝撃や、タンク１０の内圧による応力からタンク１０を保護する機能を有する。第１層４１の金属としては、例えば、アルミニウムや、アルミ合金、鉄、ステンレス鋼、チタン等を使用可能である。繊維強化樹脂としては、例えば、抄造樹脂や、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）を利用可能である。「抄造樹脂」とは、紙すきの原理を応用した抄造処理（Pulp Molding Process）を用いて、繊維状の樹脂材料を絡めて成形することによって形成された樹脂を意味する。抄造樹脂は、繊維状の樹脂材料を液中で均一に分散させて抄くことによって形成されるので、繊維の配向性が高く、強度が高いという特性を有する。プロテクタ４０の第１層４１をこのような繊維強化樹脂や金属で形成すれば、第１層４１の厚みを十分に小さくしつつ、シリンダ部２２を保護することができるという利点がある。仮に、プロテクタ４０の第１層４１を、発泡樹脂で形成した場合には、繊維強化樹脂や金属を用いて形成した場合に比べて、その厚みが大きくなってしまい、タンク１０の配置スペースなどに問題が生る可能性がある。一方、繊維強化樹脂や金属の板状部材で第１層４１を形成すれば、第１層４１の厚みを十分に小さくできるので、タンク１０の配置スペース上の制約や要求を満足することが容易である。なお、抄造樹脂は金属に比べて比重が小さいので、軽量化の観点から金属よりも抄造樹脂を用いることが好ましい。

プロテクタ４０の第２層４２は、弾性部材で形成されており、外部からの衝撃を吸収する機能を有する。この弾性部材としては、例えば、発泡ポリウレタン（発泡ウレタンゴム）などの発泡樹脂や発泡ゴムを含む発泡性の弾性部材を使用可能である。発泡性の弾性部材を用いて第２層４２を形成すれば、外部からの衝撃を効率良く吸収してタンク１０を保護することが可能である。第２層４２は、図１に示したように、補強層３０のドーム部補強部３４に対応する位置に配置されている。ドーム部補強部３４には、補強層３０全体の中でその厚みが最も小さな薄肉部３５が存在する。なお、図１では、図示の便宜上、薄肉部３５の厚みが最も小さなことが明示的に描かれていないが、ＦＷ法を用いて補強層３０が形成すると、符号３５で示した位置の近傍でその厚みが最小となる。薄肉部３５は、他の部位に比べて衝撃に弱いので、この薄肉部３５の外側に相当する範囲を第２層４２で覆うことが好ましい。

プロテクタ４０の第３層４３は、主として耐火性を向上させるために設けられており、断熱性部材で形成されている。この断熱性部材としては、例えば、発泡ポリウレタン（発泡ウレタンゴム）などの発泡ゴムに膨張黒鉛を混合して成型した素材を使用可能である。このような第３層４３は、発泡ポリウレタンの原料に膨張黒鉛を混合した混合材料を型に入れて発泡させることによって得られる。膨張黒鉛は、高温に暴露されると急激に膨張して断熱作用が高まるので、断熱性部材として優れた特性を有する。但し、第３層を省略してもよい。

図２のような構造を有するプロテクタ４０は、例えば、第１層４１をインサートとして用いたインサート成形を行うことによって作製することが可能である。この際、例えば、第１回目のインサート成形では、第１層４１のみをインサートとして第２層４２の成形を実行し、第２回目のインサート成形では、第１層４１と第２層４２とで構成される成形品をインサートとして第３層４３の成形を実行することが可能である。なお、２回目のインサート成形の代わりに、第３層４３を単独で成形した後に、第１層４１と第２層４２とで構成される成形品に第３層４３を接着剤で貼り合わせても良い。

図３は、高圧ガスタンク１０の製造手順を示す説明図である。まず、図３（Ａ）に示すように、口金１２，１４が設置されたライナ２０の外周にＦＷ法による繊維束の巻回を実施して、補強層３０を形成する。その後、補強層３０の乾燥及び樹脂の硬化を実行する。

次に、図３（Ｂ）に示すように、補強層付きのライナ２０の両端にプロテクタ４０を装着する。プロテクタ４０は、例えば、接着剤を用いて補強層３０に接着される。

以上のように、本実施形態では、プロテクタ４０が、補強層３０のドーム部補強部３４からシリンダ部補強部３２の一部にわたる領域に、金属製又は繊維強化樹脂製の板状部材で形成された第１層４１を有するので、補強層３０のシリンダ部補強部３２を厚みの小さな第１層４１を用いて保護することができる。この結果、高圧ガスタンク１０の配置スペースが過度に大きくなることを防止しつつ、タンク１０のシリンダ部２２を保護することが可能である。また、第１層４１の上であって、かつ、補強層３０のドーム部補強部３４に対応する位置に、弾性部材で形成された第２層４２を設けたので、外部からの衝撃をこの第２層４２で吸収してタンク１０を保護することが可能である。

図４は、上述した実施形態による高圧ガスタンク１０の具体的な配置例を示す説明図である。この配置例では、高圧ガスタンク１０の左斜め上方に、燃料電池スタック１００が配置されており、両者は車両（図示省略）に搭載されている。高圧ガスタンク１０に貯蔵されている水素は、燃料電池スタック１００に燃料ガスとして供給されるが、図４では配管系は省略されている。

このような配置例では、何らかの原因でタンク１０の左端のドーム部２４やシリンダ部２２の近傍に燃料電池スタック１００が接近し、ドーム部２４やシリンダ部２２が衝撃を受ける可能性がある。しかし、上述した実施形態では、ドーム部２４からシリンダ部２２の一部にわたってプロテクタ４０の第１層４１が設けられているので、このような衝撃からタンク１０を保護することが可能である。なお、このような衝撃からの保護を主として考慮する場合には、図４において、プロテクタ４０の下半分（タンク１０の中心軸ＡＸに対して燃料電池スタック１００とは反対側の部分）では、第１層４１を省略してもよい。

・変形例１：
上述した実施形態では、タンク１０の両端に同じプロテクタ４０を設けていたが、一方のプロテクタ４０を他方と異なる構成にしてもよく、また、一方のプロテクタ４０を省略してもよい。但し、タンク１０の両端の少なくとも一方には、上述したプロテクタ４０を設けることが好ましい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…高圧ガスタンク
１２…口金
１４…口金
１５…貫通孔
１６…有底孔
２０…ライナ
２２…ライナ２０のシリンダ部
２４…ライナ２０のドーム部
３０…補強層
３２…補強層３０のシリンダ部補強部
３４…補強層３０のドーム部補強部
３５…補強層３０の薄肉部
４０…プロテクタ
４１…プロテクタ４０の第１層
４２…プロテクタ４０の第２層
４３…プロテクタ４０の第３層
４６…プロテクタ４０の開口部
１００…燃料電池スタック

Claims (1)

1. 高圧ガスタンクであって、
   中空円筒状のシリンダ部の両側に略半球状のドーム部をそれぞれ有するライナと、
   前記ドーム部を覆うドーム部補強部と、前記シリンダ部を覆うシリンダ部補強部とを含み、前記ライナの外周面を被覆する繊維束製の補強層と、
   前記ライナの両端の少なくとも一方において、前記補強層の上に配置されたプロテクタと、
   を備え、
   前記プロテクタは、
   前記補強層の上に配置され、金属製又は繊維強化樹脂製の板状部材で形成された第１層と、
   前記第１層の上に配置され、弾性部材で形成された第２層と、
   を含み、
   前記第１層は、前記補強層の前記ドーム部補強部から前記シリンダ部補強部の一部にわたる領域に配置され、
   前記第２層は、前記補強層の前記ドーム部補強部に対応する位置に配置されている、高圧ガスタンク。

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