JP2017527747A - 複合材圧力タンク用の損傷インジケータ - Google Patents

Abstract

プラスティック製ライナーの周囲にフィラメントまたはストリップを巻回し、硬化性結合剤によって材料を結束することによって形成される複合材燃料タンク。裂傷、亀裂、切傷などによる損傷のレベルの色表示を供給するものが、ラップ材料の内部の表面から既定の深さに埋め込まれる。色インジケータは、タンクの損傷および修理の必要性の程度を決定するための目視検査方法の一部である。【選択図】図２

Description

本出願は、参照によってその内容の全体が本願に組み込まれる、２０１４年８月５日に出願された米国特許出願第１４／４５２，４３４号および２０１４年７月１０日に出願された米国特許仮出願第６２／０２３，１３０号による利益を主張するものである。

本発明は、組込み型目視検査装置および複合材加圧ガスタンクの損傷の程度を見積もる方法に関する。

自動車は、気体燃料によって燃料供給され得る。気体燃料は、従来、タンク構造物内で低圧力下またはより高圧力下でケミカルハイドライドと結合して保管される。輸送において、燃料輸送器またはタンクを含む車両の重量は、車両総重量（ＧＶＷ）に寄与する。

車両が重くなるほど、車両を推進および停止させるために多くの力が必要であり、車両が搬送できる重量は少なくなる。

トラクタまたはトレーラ内に気体燃料シリンダ／タンクを貯蔵するには、衝突安全要件を満たさなければならない。タンクシリンダは、破壊圧力について計測される。シリンダが３０００ｐｓｉのレーティングを有する場合、シリンダは、通常の３０００ｐｓｉのレーティングの２〜３倍の破壊強度（または故障レーティング）を有するだろう。

車両総重量レーティング（ＧＶＷＲ）。これは、製造元の仕様書に準拠して燃料充填および荷積みした状態での車両自体の重量を測った場合の車両の重量として製造元によって計算されるレーティングである。

車道重量。これは、車道の大きさおよび重量制限に関する法定重量である。州間システムで作動する場合、最大許容重量は単軸で２０，０００ポンド、タンデム車軸で３４，０００ポンド、および８０，０００ポンドの最大総重量である。「ブリッジフォーミュラ」は、車軸の各グループおよびそれらの間隔がフォーミュラの要件を満たす場合のみ、自動車が最大重量まで荷積みすることを許可する。各州は、各州の指定道路または国道に関してこれらの制限を使用しなければならない。大半の州は、州内の全ての道路に関して合衆国ブリッジフォーミュラを使用しており、一部の州は、他の州や郡の道路とは別の州フォーミュラを有する。

自動車における加圧燃料に関する安全性と重量との間には現行のバランスがある。タンク重量を低減する従来の方法は、繊維でラップされたプラスティックライニングタンクの使用を含んでいた。これらの複合材タンクは金属タンクよりも軽いが、切傷や亀裂などによる損傷を受けやすい。損傷の兆候に関して複合材タンクを検査することは必要不可欠であるが、コストおよび時間がかかり得る。タンクの損傷が軽度であるか重度であるかを決定するのは非常に困難な作業であり、従来、タンクの使用を中止して損傷を検査および計測することによって遂行されるものである。最初の判断は、異常があるかを決定するのに十分な経験を持ち得ない顧客によってなされる。この経験不足が危険な状況を招き得る。

また、タンクが自動車で使用されるには、例えばＮＧＶ−２認定など追加の認定を満たさなければならない。１つの要件として、タンクは探傷試験を通過する必要がある。探傷試験は、タンクにおける長さ１インチおよび深さ最小０．０５インチの傷、および別の長さ８インチおよび深さ最小０．０３インチの傷で構成される。

簡単に言うと、気体燃料貯蔵シリンダは、車両に重量を加える。重量は、荷物を搬送するための容量、運転コスト、および規制問題に影響する。

円筒型加圧フィラメントラッピング複合材シリンダは、加圧気体燃料を貯蔵するための金属タンクに代わる軽量の代替品である。そのようなシリンダは、少なくとも破壊レーティングに等しい量の、外部から加わるフープ応力および軸応力に耐えることができる。

従来のフィラメントラッピングタンクは、損傷検査の容易性に関して難があった（ここでは追記しない）。本開示の態様は、外部損傷に関して複合材加圧タンクを検査するための新規かつ改善された方法、システム、および装置の少なくとも１つを供給する。

本明細書において、裂傷、亀裂、切傷などによる損傷のレベルに対応する色インジケータを有する燃料タンクが開示される。色インジケータは、タンクの損傷および修理の必要性の程度を目視検査するためのシステムおよび方法の一部である。

いくつかの例において、色帯は、タンクの外面より約０．０４５インチ下に位置する。他の例において、色帯は、複合材タンクの外面から約０．０５インチの深さに位置する。いくつかの例において、第１の色帯は、タンクの表面から０．０４５インチ未満下に位置し、第２の色帯は、タンクの表面から約０．０５インチ下に位置する。色帯は層であってよく、タンクの全体にあっても局所的にあってもよい。

色帯は、製造過程において、着色材料層の特定の配置によって形成され得る。帯の色は、帯の特定の場所および／または深さと相互に関連し得る。材料は、フィラメントまたは他のラッピングであってよい。色帯は、タンクラッピングフィラメントを塗装することによって形成され得る。フィラメントの材料の非限定的なリストは、炭素繊維、ガラス、Ｋｅｖｌａｒ（商標）などであり、タンクを構成するために用いられ得る。巻回構造内の既知の位置に塗装されたフィラメントを用いることによって、色帯は、タンクの外面から既定の深さの予め選択されたエリアに位置付けられ得る。

色帯は、着色樹脂層の特定の配置によって形成され得る（樹脂は、製造過程においてフィラメントをタンク構造に結束するために用いられる）。樹脂は、顔料および染料を用いて着色され得る。巻回構造内の既知の位置に着色樹脂を配置することによって、色帯は予め選択されたエリアに位置付けられ得る。

いくつかの例において、完成したタンクの外面から約０．０４５インチ下より上にある特定の距離から表面までのエリアに対応する巻材の全部分が使用され得る。そのような例において、色「上」層が約０．０４５インチを上回る距離で引き裂かれると、より低いレベルのフィラメントの色が可視状態になる。必然的に、可視インジケータとして使用するためには対照的な色が好適である。

本明細書において、複合材加圧タンクの損傷を識別するための可視表示を有する、気体を貯蔵するためのタンクの態様が開示される。いくつかの典型的な実装において、タンクは、ラップされたライナーを備える注入口および排出口を有し、ラップされたライナーは、第１および第２のラップゾーンの間にある第１の色帯を有するタンクを形成する。タンクは、第１の色帯の下のアンダーゾーンを有してよい。第１の色帯は、タンクの外面から既定の深さ下に設けられる。いくつかの例において、第２の色帯は、第１のラップゾーンと第２のラップゾーンとの間の異なる深さに設けられてよい。色帯は、タンクラッピング色と対照的な色であってよい。いくつかの例において、第１の色帯は、タンクの外面より約０．５インチ下および約０．０４５インチ下のいずれかに位置する。

本明細書において、複合材加圧タンクの損傷を識別するための可視表示を有する、気体を貯蔵するためのタンクの態様が開示される。いくつかの典型的な実装において、タンクは、ラップされたライナーを備える注入口および排出口を有し、ラップされたライナーは、第１および第２のラップゾーンの間にある第１の色帯を有するタンクを形成する。ラップゾーンは、エポキシ、樹脂、または硬化性接着剤に包まれたフィラメントまたはストリップを含む。タンクは、第１の色帯の下のアンダーゾーンを有してよい。第１の色帯は、タンクの外面から既定の深さだけ下に設けられる。いくつかの例において、第２の色帯は、第１および第２のラップゾーンの間の異なる深さに設けられてよい。色帯は、適切なサイズの特定の範囲の波長の光を照射されると発光する化学塗料で塗装されたフィラメントで形成され得る。色帯は、タンクラッピング色と対照的な色であってよい。いくつかの例において、第１の色帯は、タンクの外面から約０．５インチ下および約０．０４５インチ下のいずれかに位置する。いくつかの例において、色帯は、損傷に関する既定の警告閾値に対応する適切な深さに染料または顔料を含むエポキシ、樹脂、または接着剤の領域である。

本明細書において、複合材加圧タンクの損傷の目視識別の方法が開示される。典型的な実装の態様は、色帯の色についてタンクの外面を目視検査すること、および、色が識別された場合、損傷の程度および損傷が閾値量を超えるか超えないかを決定することを含む。閾値レベルを超える場合、損傷が閾値を上回るとタンクの使用が中止される。閾値レベルを超えない場合、タンクの損傷を修理する。

本明細書において、複合材加圧タンクの損傷の目視識別の方法が開示される。典型的な実装の態様は、色帯の色についてタンクの外面を目視検査することを含み、目視検査は、色帯の色を決定すること、および、色と損傷の深さとを相互に関連付けることを含む。

本明細書において、複合材加圧タンクの損傷の目視識別の方法が開示される。典型的な実装の態様は、色帯の色についてタンクの外面を目視検査すること、および、任意の露出した色帯を発光させる特定の波長の光をタンクに照射することを含む。

本開示の上記特徴は、類似した参照番号が類似した要素を示す添付図面に関連して記される以下の説明を参照することでより明らかになる。

複合材燃料タンクの外観図である。 図１の直線Ａ〜Ａに沿って示す断面図である。 損傷表示を示す図１の複合材燃料タンクの外観図である。 損傷表示を示す複合材燃料タンクの外観図である。 複合材燃料タンクの外観図である。 図５の直線Ａ〜Ａに沿って示す断面図である。 損傷表示を示す図５の複合材燃料タンクの外観図である。

本明細書は、新規であると見なされる本開示の特徴を定義する特許請求の範囲で締め括られるが、本開示の教示は、類似した参照番号が繰り返される図面に関連する以下の説明を考慮することによってより一層理解される。図内の全ての記述およびコールアウトは、この参照によって本明細書に全てが記載されるものとして組み込まれる。

１つまたは複数の典型的な実装によると、図１〜７に示すように、複合材燃料タンク１０の損傷を見積もり、決定し、調査し、または位置を示す色インジケータの態様が開示される。表示システムは、切傷、ゲージ、裂傷、または他の損傷の程度の目視観察を可能にし、それによって、修理が必要な場合どのような修理が必要か、あるいはタンクの使用を中止する必要があるかに関する見積もりが行われ得る。

図示される複合材タンクは、内側ライナー１２の中の容積１１と、フープ状に巻回、螺旋状に巻回、および局所化の少なくとも１つがなされ得る複合材料および結着剤の第１のラップゾーン１４と、色帯１５と、第２のラップゾーン１８と、注入／排出端２０とを有する。ラッピング工程は巻回であり、材料の織物、組紐、または布地状フィラメントもしくはストリップが樹脂、エポキシ、または他の硬化型接着剤によって結束され、耐圧シリンダを形成する。

色帯は、タンクを形成するフィラメントまたはストリップのラップ構造内の層である。色帯または層は、ラッピングと対照的な色を有さなければならない。層は、いくつかのラップの巻材であってよい。色帯繊維またはストリップは、光の活性化波長を照射されると光または光の色（発光）を発する材料で塗装されてよい。この塗装は、発光化学物質と称され得る。層は反射するものであってよく、周囲のラッピングよりも多量の光を反射する。色帯の材料は、ＵＶ光またはブラックライトで見えやすいようにＵＶ感受性染料で塗装されてよい。

いくつかの例において、層は、タンクの外面より約０．０４５インチ下に位置する。他の例において、色帯／層は、複合材タンクの外面より約０．０５インチ下に位置する。

図３は、第１の外部損傷３０および第２の外部損傷４０を有するタンク１０を示す。第１の損傷領域３２において、第２のラップゾーン１８のうちラップ３４の一部が引き抜かれ、第１のアンダーゾーン３６が露出している。その第１のアンダーゾーンは色帯１５を示さないので、目視検査中、色帯の欠如と一致させて判断される。色帯の可視化は、タンクを現状のまま使用してよいか、現場修理できるか、または使用を中止して修理する必要があるか、あるいは使用を中止するかを決定する際の要因として、他の検査方法と合わせて用いてもよい。

第２の損傷領域４２において、亀裂により第２のアンダーゾーン４４が露出している。その第２のアンダーゾーンは、色帯１５を示す。（特定の波長の光または他の光によって支援され得る）目視検査は、色帯が示す閾値レベルを超えるタンクの傷の可視フィードバックを供給する。閾値レベルは、製造工程において色帯の配置により調整され得る。いくつかの例において、色帯の配置（すなわち深さ）は、タンクの用法に対応してよい。例えばいくつかの例において、色帯はタンク１０の外面１９に近く配置されるほど、亀裂や裂傷に対してタンクが有する深さの許容値が低くなる。すなわち、色帯が外面１９から５ｍｍにある場合と、２５ｍｍにある場合とでは、第１の例ではより浅い亀裂や裂傷が損傷の閾値レベルを示すが、第２の例ではそうでない。色帯の配置は、複合材圧力容器の使用に関する適用コードおよびガイドラインやタンク製造元によって事前に決定される。色帯の配置は、タンクの公称作動圧を反映してもよい。より高い破壊圧力で作動するタンクは、低い破壊圧力で作動するタンクと対照的に、浅い亀裂により影響を受けやすい。図４は、色帯インジケータを有する他の複合材タンク５０を示す。メッシュまたは網５２材料が、巻回／ラッピング工程中、予め選択された位置（深さ）に配置される。例えば第２の損傷領域４２のように、タンクの外面１９において十分な深さで亀裂や切傷が生じた場合、目視検査中に網が色帯として見え得る。多くの場合タンクラッピング材料である炭素繊維の黒色背景に対し、白色が最も対照的である。ラッピングとも称される巻回工程中に樹脂が材料を通り流れることができるように、層は目の粗いメッシュ（からみ織りパターン）であってよい。網は、第１および第２のラッピングゾーンを切り離し、色帯を生成するために、巻回中にタンク周囲に設けられる。

本明細書に開示される検査方法の態様は、複合材加圧燃料タンクを表面の損傷について目視検査することを含む。１つまたは複数の色帯が目視識別された場合、任意の損傷の程度を決定する。損傷が閾値を超える場合、タンクの使用を中止するか、タンクを修理に送る。損傷が閾値を超えない場合、現場修理の１つを行うのみである。

本明細書に開示される検査方法の態様は、複合材加圧燃料タンクを表面の損傷について目視検査することを含む。複数の色帯の１つが目視識別された場合、全ての損傷の程度を決定する。いずれかの損傷が閾値を超える場合、タンクの使用を中止するか、タンクを修理に送る。全ての損傷が閾値を超えない場合、現場修理の１つを行うのみである。

当業者は、複合材タンク構造における特定のレベル（深さ）に色帯または他の可視表示帯を設けるための多数の任意選択的な材料および仕組みがあることを認識する。本開示の範囲内である選択肢は、様々な色（黒以外）の繊維が巻回に用いられる場合、色によって深さを示す様々な色の繊維材料でタンクが巻回され得る場合、塗装または未塗装のいずれかであってよい様々な種類の織物／材料層でタンクが巻回され得る場合の着色樹脂を含むがそれらに限定されない。インジケータ色で塗装された塗装済みのもの、主体繊維がこの目的のために異なる種類の色塗装および塗装とともに用いられてよく（トウプレグ）、目の粗いメッシュおよび密なメッシュ材料が用いられてよく、メッシュに用いられる材料は紙、プラスティック、ガラスなどであってよく、少なくとも一端が開いた円筒状繊維、布地またはメッシュのスリーブが製造過程においてタンク構造に被せられてよく、そのスリーブは表面にインジケータ色を有してよく、巻回工程においてトレーサの牽引によって繊維層が巻回され繊維帯幅に加えられてよい。当業者は、複数のインジケータが同一タンク内に形成され得ることが本開示の範囲内であることを認識するだろう。

図５〜７は、少なくとも２つの色帯レベル（異なる色または織りパターンまたは材料）を有する複合材タンク８０を示す。第１の色帯１５は、上述したものである。第２の色帯８５が追加される。色帯の間には中間ラッピングゾーン８７がある。いくつかの例において、複数の色帯の使用は、タンクにおける亀裂または破傷の深さの追加の表示を供給する。亀裂または裂傷８８において第２の色帯が可視状態である。第２の色帯は、第１の色帯１５よりもタンクの表面から遠くにある。第１の色帯が表面から「ｘ」の深さにおける損傷の可視インジケータであるとすれば、第２の色インジケータは「ｘ＋ｙ」の深さを示す。

複合材タンクは、特定のエリア８９において浅い損傷により影響を受けやすくなり得る。これらのエリアに関して、色帯材料、または色帯材料の一部の局所的配置は、タンクの表面１９の近くに設けられてよい。他の例において、色帯は、タンクの表面からほぼ同様の深さに配置されてよく、他の例において、色帯は、タンク１０の脆弱な部分および頑丈な部分に関する配置を確認するために複数の深さであってよい。損傷インジケータ材料の配置は、現行のＮＧＶ規定に対応する深さでの配置に限定されない。色帯の配置は、任意の既定のレベルであってよい。

方法および手段は、現時点で最も実用的かつ好適な実装であると考えられるものに関して説明されたが、本開示は開示された実装に限定されないことを理解すべきである。本開示は特許請求の範囲における主旨および範囲に含まれる様々な修正および類似の構成を包含することが意図されており、その範囲は、そのような修正および類似した構成の全てを包括するように最も広い解釈が付与されるべきである。本開示は、以下の特許請求の範囲の実装のいずれかおよび全てを含む。

また、本開示の本質から逸脱することなく様々な変更が為され得ることも理解すべきである。そのような変更もまた、本説明に暗示的に含まれる。それらはやはり本開示の範囲内に収まるものである。本開示は、独立しておよびシステム全体としての両方で、また方法および装置両方の様式で、本開示の数々の態様を包含する特許をもたらすことが意図されることを理解すべきである。

また、本開示および特許請求の範囲の様々な要素の各々は、様々な方法で実現されてもよい。本開示は、任意の装置の実装、方法もしくは工程の実装の変形例、または単にそれらの任意の要素の変形例であれ、そのような各変形例を包括するものであることを理解すべきである。

特に、本開示が本開示の要素に関する場合、各要素に関する語句は、機能または結果のみが同一である場合でも、同等の装置用語または方法用語によって表現されてよいことを理解すべきである。

そのような同等の、より広範な、またはより一般的な用語は、各要素または動作の説明において包括されると考えられるべきである。そのような用語は、本開示が権利を与えられる暗示的な広い範囲を明確にすることが所望される場合に代用され得る。

全ての動作は、その動作を行うための手段またはその動作をもたらす要素として表現されてよいことを理解すべきである。

同様に、開示された各物理的要素は、その物理的要素が可能にする動作の開示を包括するものとして理解すべきである。

本特許出願において言及される特許、出版物、または他の参照文献はいずれも、参照によって組み込まれる。さらに、使用される各用語に関して、本願における用途がそのような解釈と矛盾しない限り、一般的な辞書の定義が各用語に組み込まれ、例えば最新版のランダムハウスウェブスター大辞典および当業者が認識する標準的な技術辞書の少なくとも１つに含まれる全ての定義、代替語、類義語が参照によって組み込まれる。

最終的に、情報開示陳述書または本出願とともに提出された他の情報文書は、参照によって添付され、組み込まれるが、上記の各々について、参照によって組み込まれたそのような情報または文書が本開示の特許と一致しないと見なされ得る範囲では、そのような文書は明らかに、出願人によって作成されたものとは見なされない。

この点に関して、実用理由のため、および何百もの請求項を潜在的に追加することを避けるため、出願人は、最初の従属性を有する請求項のみを提示した。

１つの独立請求項または概念によって提示される様々な従属項または他の要素のいずれかを他の任意の独立請求項または概念による従属項または要素として追加することを可能にするために、米国特許法３５ ＵＳＣ １３２または他のそのような法律を含むがそれらに限定されない新規事項の法律の下で必要とされる程度までサポートが及ぶと理解すべきである。

非本質的な代替手段が行われる限りにおいて、出願人が実際にはいかなる特定の実装を字句通り含むように如何なる請求項をも作成していない限りにおいて、さらに、そうでない場合に適用可能である限りにおいて、出願人が単に全ての可能性を予期することができなかったものとして出願人が実際にそのような適用範囲を放棄したか多少なりとも放棄を意図したと理解されるべきではなく、当業者がそのような代替的な実装を字句通り含む請求項を作成したと当然予想されるべきではない。

また、移行句「備える」の使用は、従来の請求項の解釈に従って、本明細書における「非限定」請求項を維持するために用いられる。したがって、文脈が例外を必要としない限り、「譲歩する」または例えば「備える」や「備えている」などの変形例は、記載された要素やステップ、または要素やステップのグループの包含を暗示することが意図され、他の任意の要素やステップ、または要素やステップのグループの除外を暗示することは意図されないことを理解すべきである。

そのような用語は、法的に許可される最も広い範囲を出願人に与えるような最も包括的な形式で解釈すべきである。

Claims (20)

1. 加圧燃料を貯蔵するための複合材燃料タンクであって、
   タンク（１０）、
   注入口および排出口（２０）、
   ライナー（１２）、
   第１のラップゾーン（１４）、
   第１の色帯（１５）、および
   第２のラップゾーン（１８）
   を備えるタンク。
2. 前記第１のラップゾーンは前記色帯の下側のアンダーゾーン（３６）を含む、請求項１に記載のタンク。
3. 第２の色帯（８５）と、前記第１および第２の色帯の間の中間ラップゾーン（８７）とをさらに備える、請求項１に記載のタンク。
4. 前記第１の色帯は前記ラップゾーンと対照的な色である、請求項１に記載のタンク。
5. 前記第２の色帯は前記ラップゾーンと対照的な色である、請求項３に記載のタンク。
6. 前記ラップゾーンは、硬化性接着剤、エポキシ、および樹脂の少なくとも１つに包まれたフィラメントまたはストリップの少なくとも１つであるラッピング材料をさらに備える、請求項１に記載のタンク。
7. 前記フィラメントまたはストリップは、織物、組紐、または布地の少なくとも１つである、請求項５に記載のタンク。
8. 前記フィラメントまたはストリップは、メッシュおよび網の少なくとも１つである、請求項５に記載のタンク。
9. 前記フィラメントは塗装されており、前記塗装は活性化波長を照射されると発光する、請求項５に記載のタンク。
10. 前記塗装は発光性化学物質である、請求項９に記載のタンク。
11. 前記第１の色帯は、前記タンクの外面（１９）より０．０４５インチ下またはそれより上に位置する、請求項１に記載のタンク。
12. 前記第１の色帯は、前記タンクの外面（１９）より約０．０５インチ下に位置する、請求項１に記載のタンク。
13. 前記第２の色帯は、前記タンクの使用を中止することが必要である損傷量に対応する深さに位置する、請求項３に記載のタンク。
14. 前記色帯は、０．０４５の深さまたはそれより上に染料または顔料を含むエポキシ、樹脂、または接着剤の領域である、請求項１１に記載のタンク。
15. 前記色帯は、約０．０５の深さに染料または顔料を含むエポキシ、樹脂、または接着剤の領域である、請求項１２に記載のタンク。
16. 複合材燃料タンクの損傷を目視で識別する方法であって、色帯の色についてタンクの外面（１９）を目視検査すること、および、色が識別された場合、前記損傷の程度、閾値量を決定することを備える方法。
17. 前記方法は、損傷が閾値を超える場合、前記タンクの使用を中止することをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
18. 前記方法は、損傷が閾値を下回る場合、前記タンクの損傷を修理することをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
19. 前記目視検査は、前記色帯の前記色を決定すること、および前記色と前記損傷の深さとを互いに関連付けることを含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記方法は、任意の露出している色帯を発光させる特定の波長の光を前記タンクに照射することをさらに備える、請求項１６に記載の方法。

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