JP2020070836A - 高圧タンク - Google Patents

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【課題】補強層を薄く設定できることから、高圧タンクの低質量化および高圧タンクの製造にかかるコストの削減を実現できる。【解決手段】高圧タンクであって、気体を密封するための空間を形成するライナーと、前記ライナーの周囲を覆う補強層と、を備え、前記ライナーは、円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の軸方向における両端に設けられた一対のドーム部と、を有し、前記ドーム部は、前記ライナーの内圧が大気圧より高く設定された設定圧力となる際に、等張力曲面形状となる曲面形状である。【選択図】図２

Description

本発明は、高圧タンクに関する。
天然ガス自動車や燃料電池自動車などに用いられる燃料ガスを貯蔵する高圧タンクを構成するライナーには、円筒状のシリンダー部とシリンダー部の軸方向における両端に設けられた一対のドーム部とを有するものがある。（特許文献１参照）。
特開２０１８−０９９８２８号公報
特許文献１には、ドーム部の曲面形状を、高圧タンク内にガスを供給した状態において等張力曲面形状とすることが記載されている。しかし、高圧タンクは内部の圧力によって変形することから、どの程度のガスが高圧タンク内に供給された際に、ドーム部の曲面形状が等張力曲面形状となるべきかについては、検討の余地があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、気体を密封するための空間を形成するライナーと、前記ライナーの周囲を覆う補強層と、を備え、前記ライナーは、円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の軸方向における両端に設けられた一対のドーム部と、を有し、前記ドーム部は、前記ライナーの内圧が大気圧より高く設定された設定圧力となる際に、等張力曲面形状となる曲面形状である。このような形態とすれば、ライナーの内圧が大気圧である際に等張力曲面形状となるドーム部を有する高圧タンクと比べて、ライナーの内圧が設定圧力となったときに、補強層に生じる歪みを低減できる。したがって、このような高圧タンクでは、ライナーの内圧が大気圧である際に等張力曲面形状となるドーム部を有する高圧タンクと比べて、補強層を薄く設定できることから、高圧タンクの低質量化および高圧タンクの製造にかかるコストの削減を実現できる。
（２）上記形態において、前記設定圧力は、前記ライナーに破壊を生じさせる圧力であってもよい。このような形態とすれば、ライナーの内圧が大気圧である際に等張力曲面形状となるドーム部を有する高圧タンクと比べて、ライナーの内圧がライナーに破壊を生じさせる圧力となったときに、補強層に生じる歪みを低減できる。
（３）上記形態において、前記設定圧力は、前記高圧タンクの最高充填圧力であってもよい。このような形態とすれば、ライナーの内圧がライナーに破壊を生じさせる圧力となる際に等張力曲面形状となるドーム部を有する高圧タンクと比べて、補強層を薄く設定できることから、高圧タンクの低質量化および高圧タンクの製造にかかるコストの削減を実現できる。
（４）上記形態において、前記シリンダー部に対する前記ドーム部の形状は、前記シリンダー部と前記ドーム部との結合部分における前記シリンダー部に対する前記ドーム部の傾きは０度であるとともに前記結合部分の曲率半径は６ｍｍから３０ｍｍの範囲内の曲面であるか、もしくは、前記傾きは７度であるとともに前記結合部分の前記曲率半径は１０ｍｍから２０ｍｍの範囲内の曲面であってもよい。このような形態とすれば、結合部分を覆う補強層に生じる歪みを低減できる。
本発明は、高圧タンクに限るものではなく、例えば、高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
第１実施形態の高圧タンクの概略構成を示す断面図である。 ドーム部形状について説明する説明図である。 シリンダー部とドーム部との結合部分付近を拡大した拡大図である。 各実施例の高圧タンクにおける補強層の歪みを比較した説明図である。 各実施例の形状および補強層の歪みを数値で表した説明図である。
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態の高圧タンク１０の概略構成を示す断面図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。本実施形態の高圧タンク１０には、例えば、７０ＭＰａ程度の高圧の水素ガスが貯蔵される。高圧タンク１０は、ライナー２０と補強層３０とを備えている。
ライナー２０は、樹脂製の中空ライナーであって、気体を密封するための空間を形成する。ライナー２０は、例えば、ポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエステル等の熱可塑性樹脂によって形成されている。ライナー２０の軸線は、高圧タンク１０の軸線ＡＸと共通する。ライナー２０は、シリンダー部２１とドーム部２２，２３とを備えている。
シリンダー部２１は、円筒形状を有している。ドーム部２２，２３は、シリンダー部２１の両端に設けられており、ライナー２０の外側に向けて凸となる曲面状に形成されている。ドーム部２２，２３の頂点には、それぞれ、アルミニウムやステンレス鋼等の金属によって形成された口金１３，１４が設けられている。一方の口金１３は、貫通孔１５を有しており、高圧タンク１０内からのガスの取り出しまたは高圧タンク１０内へのガスの補充に用いられる。他方の口金１４は、ライナー２０の補強ないし補強層形成時におけるライナーの回転のために用いられる。口金１４は省略することも可能である。
ドーム部２２，２３は、ライナー２０の内圧が大気圧より高く設定された設定圧力となる際に、等張力曲面となる曲面形状である。本実施形態では、設定圧力とは、ライナー２０に破壊を生じさせる圧力である破壊圧力である。ここでいう破壊圧力とは、補強層３０に覆われていない状態のライナー２０に水素ガスを充填して、ライナー２０のいずれかの部分に亀裂が確認されるときの圧力を基準として−５％から＋５％の範囲内の圧力のことである。このような破壊圧力は、予め実験的に、もしくは、シミュレーションにより計測してその圧力値を得るものとする。本実施形態のライナー２０における破壊圧力は、１８０ＭＰａを基準として１７１ＭＰａから１８９ＭＰａの範囲内の圧力である。等張力曲面形状とは、内圧が加えられたときに、その曲面形状上の張力が曲面のいずれの位置および向きにおいても等しくなる曲面形状のことである。本実施形態では、ドーム部２２，２３は、ライナー２０の内圧が破壊圧力となる際に等張力曲面となる曲面形状であることから、理論的には、破壊圧力時に亀裂が生じるのではなくドーム部２２，２３の曲面形状全体に対して破壊が生じる。設定圧力となる際に、ドーム部２２，２３が等張力曲面形状となることは、ライナー２０を設計する際に用いられるＣＡＥ（Computer Aided Engineering）によるシミュレーションによって確認されているものとする。ドーム部２２，２３の形状は、シミュレーション上において、ライナー２０の内圧が設定圧力となる際に等張力曲面となるようドーム部形状を調整し、そのドーム部形状をライナー２０の内圧を大気圧に戻したときの形状を、実際に採用したものである。
補強層３０は、ライナー２０の周囲を覆う層であり、ライナー２０を補強するための層である。補強層３０は、フープ層３２とヘリカル層３４とを備えている。
フープ層３２は、シリンダー部２１に繊維束をフープ巻きすることによって構成されている。フープ巻きに用いられる繊維束は、炭素繊維から成る繊維束にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させることにより構成されている。
ヘリカル層３４は、フープ層３２およびドーム部２２，２３に繊維束をヘリカル巻きすることによって構成されている。ヘリカル巻きに用いられる繊維束は、フープ巻きに用いられる繊維束と同様、炭素繊維から成る繊維束にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させることにより構成されている。
フープ層３２の厚みおよびヘリカル層３４の厚みは、それぞれ、高圧タンク１０に求められる耐圧性能や強度に応じて適宜設定される。
図２は、本実施形態のライナー２０と、比較例のライナーと、のドーム部形状について説明する説明図である。比較例のライナーの構成は、ドーム部の曲面形状が等張力曲面形状となるときの圧力が異なる点を除き、本実施形態のライナー２０と同じである。
図２に示されたグラフにおいて、縦軸は、高圧タンクにおける軸方向位置を示す。軸方向位置とは、高圧タンクの軸線ＡＸ方向における中心位置からの距離を示す。横軸は、高圧タンクにおける半径方向位置を示す。半径方向位置とは、高圧タンクの軸線ＡＸからのＺ軸方向における距離を示す。
図２に示されたグラフにおいて、一点鎖線Ｄｍは、本実施形態のライナー２０の内圧が大気圧である際のドーム部形状について示している。二点鎖線ｄｍは、比較例のライナーの内圧が大気圧である際のドーム部形状について示している。実線ＤＭは、本実施形態のライナー２０の内圧が１８０ＭＰａである際のドーム部形状について示している。実線ｄＭは、比較例のライナーの内圧が１８０ＭＰａである際のドーム部形状について示している。１８０ＭＰａは、ライナー２０における破壊圧力の範囲内の圧力である。また、一点鎖線Ｄｍ、二点鎖線ｄｍ、実線ＤＭおよび実線ｄＭに示されたドーム部形状は、すべて補強層に覆われていない状態でのライナーにおけるドーム部形状を示している。
比較例のライナーのドーム部形状は、ライナーの内圧が大気圧である際に、等張力曲面形状となる。すなわち、比較例のライナーは、ライナーに水素ガスが全く充填されておらずドーム部に対して内圧による張力が生じていない状態において、等張力曲面形状となるドーム部を備える。ライナーの内圧が大気圧である際に等張力曲面形状になるとは、大気圧から限りなくゼロに近い変化量で内圧が大気圧から増加する際に、等張力曲面形状になるということである。このときの比較例のライナーのドーム部形状について示しているのが、二点鎖線ｄｍである。そして、二点鎖線ｄｍの状態である比較例のライナーに対して、ライナーの内圧が１８０ＭＰａとなる量の水素ガスが充填されることによって、比較例のライナーは、実線ｄＭの状態となる。
一方、本実施形態のライナー２０は、ライナー２０の内圧が大気圧である際は、等張力曲面形状とはなっていない。このときの本実施形態のライナー２０のドーム部形状について示しているのが、一点鎖線Ｄｍである。そして、一点鎖線Ｄｍの状態である本実施形態のライナー２０に対して、ライナー２０の内圧が破壊圧力である１８０ＭＰａとなる量の水素ガスが充填されることによって、本実施形態のライナー２０は、実線ＤＭの状態となる。このとき、本実施形態のライナー２０のドーム部形状は、ライナー２０の内圧が１８０ＭＰａであることから、等張力曲面形状となっている。比較例のライナーのドーム部は、ライナーの内圧が大気圧である際に、等張力曲面形状となる曲面形状であるのに対して、本実施形態のライナー２０のドーム部２２，２３は、ライナー２０の内圧が破壊圧力である際に、等張力曲面形状となる曲面形状である。
二点鎖線ｄｍと一点鎖線Ｄｍとの比較から、ライナーの内圧が大気圧である状態において、本実施形態のライナー２０の方が比較例のライナーよりも、ドーム部形状がライナーの内側方向に寄っている。また、実線ｄＭと実線ＤＭとの比較から、ライナーの内圧が１８０ＭＰａである状態においても、本実施形態のライナー２０の方が比較例のライナーよりも、ドーム部形状がライナーの内側方向に寄っている。すなわち、本実施形態のライナー２０の方が、比較例のライナーと比べて、ライナーの内圧が大気圧より上昇した場合にドーム部が膨張することによって補強層に発生する歪みを低減することができる。ここでいう歪みとは、補強層の一部の任意の変位、拡張、収縮、ねじれ、線形歪みまたは面歪み、もしくは、任意の他の変形を指す。なお、補強層に発生する歪は、ＣＡＥによるシミュレーションによって算出されるものとする。
また、比較例のライナーのドーム部形状は、ライナーの内圧が大気圧である際に、等張力曲面形状となる。このため、ライナーの内圧が大気圧より上昇した場合には、ドーム部形状は、等張力曲面形状より膨張した形状に変形する。ドーム部形状は、口金を設けるために半球形とは異なる形状となっており、また肉厚も均一でない。このため、ドーム部形状が等張力曲面形状から膨張した形状である状態では、ドーム部形状が等張力曲面形状である状態と比べて、各部の変形量は異なる。したがって、ドーム部の曲面形状上の張力が曲面の位置および向きにおいて不規則になっていることから、位置および向きによっては補強層に対して大きな歪みを発生させる虞がある。このような歪みの対策としては、補強層の厚さを増加させることが挙げられるが、そのような補強層を備える高圧タンクでは、質量が増加するとともにコストも増加する。一方、本実施形態のライナー２０のドーム部形状は、ライナー２０の内圧が破壊圧力となる際に、等張力曲面形状となる。したがって、ライナー２０の内圧が破壊圧力となりドーム部２２，２３が等張力曲面形状となる状態では、ドーム部２２，２３の曲面形状上の張力が曲面のいずれの位置および向きにおいても等しくなっていることから、比較例のライナーと比べて、補強層３０に対して大きな歪みを発生させにくい。このため、本実施形態の高圧タンク１０では、比較例の高圧タンクと比べて、補強層を厚くすることによる質量の増加およびコストの増加を抑制することができる。
以上説明した第１実施形態によれば、ライナーの内圧が大気圧である際に等張力曲面形状となるドーム部を有する高圧タンクと比べて、ライナー２０の内圧がライナー２０に破壊を生じさせる圧力となったときに、補強層３０に生じる歪みを低減できる。したがって、このような高圧タンク１０では、補強層３０を薄く設定できることから、高圧タンク１０の低質量化および高圧タンク１０の製造にかかるコストの削減を実現できる。
また、本実施形態のライナー２０の方が比較例のライナーよりもドーム部形状が高圧タンクの内側方向に寄っていることから、例えば、高圧タンクが搭載される車両において高圧タンクの搭載空間の大きさが決められているときに、以下のような効果が奏される。すなわち、搭載空間内に配置するために、軸線ＡＸ方向の長さが同じ本実施形態の高圧タンク１０と比較例の高圧タンクとを設計する場合に、比較例の高圧タンクと比べて、本実施形態の高圧タンク１０では、シリンダー部２１の長さを長くすることができるため、ガスの貯蔵量を増加させることができる。
図３は、第１実施形態の高圧タンク１０の構成のうちシリンダー部２１とドーム部２３との結合部分ＣＮ付近を拡大した拡大図である。高圧タンク１０では、ライナー２０の内圧が大気圧であるときに、シリンダー部２１とドーム部２２，２３との結合部分ＣＮにおけるシリンダー部２１に対するドーム部２２，２３の傾きα（以降、結合部分ＣＮの傾きとする）は、０度である。ここでいう結合部分ＣＮの傾きαは、以下のように測定される。すなわち、結合部分ＣＮにおいて、ドーム部２３の−Ｘ軸方向側の端点と、シリンダー部２１の＋Ｘ軸方向側の端点と、が重なっているとして、ドーム部２３の−Ｘ軸方向側の端点における接線を−Ｘ軸方向側に伸ばした延長線ＥＬの、シリンダー部２１に対する傾きのうち９０度より小さい方の角度を、結合部分ＣＮの傾きαとして測定する。なお、高圧タンク１０における結合部分ＣＮの傾きαは、０度であるが、図３では、理解を容易にするために傾きαを０度より大きい角度として示している。
また、ライナー２０の内圧が大気圧であるときに、結合部分ＣＮは、曲率半径６ｍｍの曲面である。結合部分ＣＮが曲率半径で規定される曲面形状であることを以下に説明する。上述の傾きαの説明では、説明の便宜上、結合部分ＣＮは、ドーム部２３の−Ｘ軸方向側の端点とシリンダー部２１の＋Ｘ軸方向側の端点とが重なっているとしたが、実際のライナー２０における結合部分ＣＮは、以下のような形状である。すなわち、結合部分ＣＮは、曲面に加工される前の状態では、ドーム部２３の−Ｘ軸方向側の端点とシリンダー部２１の＋Ｘ軸方向側の端点とが重なっている部分であり、シリンダー部２１のＸ軸方向に沿った直線形状からドーム部２３の曲面形状に移行する部分であることから、角がある状態である。この角に対して曲面にする加工を行うことにより曲率半径で規定される丸みを帯びた形状にすることで完成されるのが、実際の結合部分ＣＮである。換言すれば、シリンダー部２１とドーム部２３とは、実際には、曲率半径で規定された曲面形状の結合部分ＣＮによって結合されている。ライナー２０の設計工程で言えば、ＣＡＥによるシミュレーション上において、シリンダー部２１とドーム部２２，２３との結合部分ＣＮにおけるシリンダー部２１に対するドーム部２２，２３の傾きαを決定（このときの結合部分ＣＮは、角がある形状）したのち、結合部分ＣＮを（丸みを出すために）加工する際の曲率半径を決定して、結合部分ＣＮを角がある形状から丸みを帯びた形状に変更するということである。実際のライナー２０の製造工程においても、設計工程と同様の過程で曲面にする加工を行って、結合部分ＣＮに丸みを帯びさせる。
図４および図５は、各実施例の高圧タンクにおける補強層の歪みを比較した説明図である。図４の縦軸は、各実施例の高圧タンクに対してライナーの内圧が１８０ＭＰａとなる量の水素ガスが充填されたときに結合部分ＣＮを覆う補強層３０に生じた歪みのうち最大値を示している。図５は、各実施例の結合部分ＣＮの曲面形状を規定する曲率半径および結合部分ＣＮの傾きと、各実施例の高圧タンクにおける補強層の歪みと、を数値で表した説明図である。ここで測定に用いられた補強層３０の部分は、ヘリカル層３４のうちライナー２０に最初に巻かれる第１層の部分である。補強層３０に歪みが生じていない状態を０％として、その状態からライナー２０の内圧が上昇して生じた歪みのうち最も大きく歪みが生じた部分の歪み割合を歪み最大値としている。
第１実施例は、第１実施形態の高圧タンク１０である。第１実施例の結合部分ＣＮの傾きαは０度であって、結合部分ＣＮは、曲率半径６ｍｍの曲面である。第２実施例の結合部分ＣＮの傾きαは０度であって、結合部分ＣＮは、曲率半径１０ｍｍの曲面である。第３実施例の結合部分ＣＮの傾きαは０度であって、結合部分ＣＮは、曲率半径２０ｍｍの曲面である。第４実施例の結合部分ＣＮの傾きαは０度であって、結合部分ＣＮは、曲率半径３０ｍｍの曲面である。
第５実施例の結合部分ＣＮの傾きαは７度であって、結合部分ＣＮは、曲率半径１０ｍｍの曲面である。第６実施例の結合部分ＣＮの傾きαは７度であって、結合部分ＣＮは、曲率半径２０ｍｍの曲面である。第７実施例の結合部分ＣＮの傾きαは１５度であって、結合部分ＣＮは、曲率半径１０ｍｍの曲面である。第８実施例の結合部分ＣＮの傾きαは１５度であって、結合部分ＣＮは、曲率半径２０ｍｍの曲面である。第１〜８実施例の高圧タンクのドーム部２２，２３は、ライナー２０の内圧が破壊圧力となる際に、等張力曲面形状である。また、上述した第１〜８実施例の高圧タンクにおいて結合部分ＣＮの曲面を規定する曲率半径および結合部分ＣＮの傾きαは、ライナー２０の内圧が大気圧であるときの値である。
図４の結果より、第１実施例では、ライナー２０の内圧が破壊圧力となる際に、補強層３０に１．９２％の歪みが生じている。これに対して、第７実施例および第８実施例では、ライナー２０の内圧が破壊圧力となる際に、補強層３０にそれぞれ２．４７％および２．４８％の歪みが生じている。一方、第２〜６実施例において、ライナー２０の内圧が破壊圧力となる際に補強層３０に生じた歪みのうち最小の歪みは、第３実施例形態の高圧タンクにおける１．６５％であり、最大の歪みは、第５実施例における２．１７％である。
以上説明した第２〜６実施例の高圧タンクは、第１実施形態（第１実施例）の高圧タンク１０と同等に、結合部分ＣＮを覆う補強層３０に生じる歪みを低減できる。したがって、第２〜６実施例の高圧タンクでは、第７，８実施例の高圧タンクと比べて、補強層３０を薄く設定できることから、高圧タンクの低質量化および高圧タンクの製造にかかるコストの削減を実現できる。
Ｂ．他の実施形態
上述した実施形態では、ドーム部２２，２３の曲面形状が等張力曲面形状となる状態を、ライナー２０の内圧によって決定していたが、本発明はこれに限られない。例えば、ドーム部２２，２３の曲面形状が等張力曲面形状となる状態は、ドーム部２２，２３における曲面張力もしくはドーム部２２，２３の体積によって決定してもよい。このときの曲面張力および体積は、ライナー２０に破壊を生じさせる曲面張力および体積のことである。
上述した実施形態では、設定圧力は、ライナー２０に破壊を生じさせる圧力である破壊圧力としていたが、本発明はこれに限られない。例えば、設定圧力は、高圧タンクの最高充填圧力であってもよい。ここでいう最高充填圧力とは、容器保安規則第二条二十五で規定されており、温度３５度においてその容器に充填することができるガスの圧力のうち最高のものの数値のことである。例えば、高圧タンクの最高充填圧力が１６０ＭＰａである場合、設定圧力は１６０ＭＰａとなる。このような形態とすれば、設定圧力が破壊圧力である高圧タンクと比べて、補強層を薄く設定できることから、高圧タンクの低質量化および高圧タンクの製造にかかるコストの削減を実現できる。
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…高圧タンク、１３，１４…口金、１５…貫通孔、２０…ライナー、２１…シリンダー部、２２…ドーム部、２３…ドーム部、３０…補強層、３２…フープ層、３４…ヘリカル層、ＡＸ…軸線、ＣＮ…結合部分

Claims (4)

  1. 高圧タンクであって、
    気体を密封するための空間を形成するライナーと、
    前記ライナーの周囲を覆う補強層と、を備え、
    前記ライナーは、
    円筒状のシリンダー部と、
    前記シリンダー部の軸方向における両端に設けられた一対のドーム部と、を有し、
    前記ドーム部は、前記ライナーの内圧が大気圧より高く設定された設定圧力となる際に、等張力曲面形状となる曲面形状である、高圧タンク。
  2. 請求項１に記載の高圧タンクであって、
    前記設定圧力は、前記ライナーに破壊を生じさせる圧力である、高圧タンク。
  3. 請求項１に記載の高圧タンクであって、
    前記設定圧力は、前記高圧タンクの最高充填圧力である、高圧タンク。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の高圧タンクであって、
    前記シリンダー部に対する前記ドーム部の形状は、前記シリンダー部と前記ドーム部との結合部分における前記シリンダー部に対する前記ドーム部の傾きは０度であるとともに前記結合部分の曲率半径は６ｍｍから３０ｍｍの範囲内の曲面であるか、もしくは、前記傾きは７度であるとともに前記結合部分の前記曲率半径は１０ｍｍから２０ｍｍの範囲内の曲面である、高圧タンク。
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