JP2021038773A - 高圧ガスタンク - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの断熱圧縮に起因した高圧ガスタンクの急激な温度上昇を抑制するとともに、温度が上昇する箇所を分散する高圧ガスタンクを提供する。
【解決手段】ガスが充填される内部空間Ｓを有するライナー１１と、ライナー１１を覆う繊維強化樹脂層１２と、内部空間Ｓに前記ガスを充填するノズル１６と、を少なくとも備えた高圧ガスタンク１０であって、ノズル１６には、ライナー１１の一方の端部から、ライナー１１の中心軸ＣＬの方向に沿った内部空間Ｓの中央まで延在した第１ガス流路１６Ａと、ライナー１１の両側の側端部１１Ｂ、１１Ｂに流れるように、第１ガス流路１６Ａから分岐して、第１ガス流路１６Ａから分流した前記ガスを噴出する少なくとも２つの第２ガス流路１６Ｂ、１６Ｂと、が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧ガスタンクに関する。

水素等のガスを高圧状態で内部に貯留するための高圧ガスタンクでは、ガスを急速充填するときに、充填ガスはタンク内で断熱圧縮を受けて熱を発生する。熱が発生すると、タンクの温度が上昇し、高圧ガスタンクを構成する部材が損傷するおそれがある。

断熱圧縮による温度上昇を抑制するために、例えば、特許文献１には、ガスが充填される内部空間を有するライナーと、ライナーを覆う繊維強化樹脂層と、内部空間にガスを充填するノズルとを少なくとも備えた高圧ガスタンクが開示されている。特許文献１に記載の高圧ガスタンクでは、一方の口金部にガスを冷却する熱交換フィンが設けられており、口金部に向かってノズルからガスを噴射して、断熱圧縮による温度上昇を抑制している。

特開２００５−２０１３４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の高圧ガスタンクでは、一方の口金部が配置された高圧ガスタンクの一端側において、ノズルから内部空間に供給されるガスが局所的に断熱圧縮されるため、たとえ冷却手段を設けたとしても急激な温度上昇を招いてしまう。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、ガスの断熱圧縮に起因した高圧ガスタンクの急激な温度上昇を抑制するとともに、温度が上昇する箇所を分散する高圧ガスタンクを提供する。

前記課題を鑑みて、本発明に係る高圧ガスタンクは、ガスが充填される内部空間を有するライナーと、前記ライナーを覆う繊維強化樹脂層と、前記内部空間に前記ガスを充填するノズルと、を少なくとも備えた高圧ガスタンクであって、前記ノズルには、前記ライナーの一方の端部から、前記ライナーの中心軸の方向に沿った前記内部空間の中央まで延在した第１ガス流路と、前記ライナーの両側の側端部に流れるように、前記第１ガス流路から分岐して、前記第１ガス流路から分流した前記ガスを噴出する少なくとも２つの第２ガス流路と、が形成されていることを特徴とする高圧ガスタンク。

本発明によれば、第２ガス流路は、第１ガス流路から分岐しており、第１ガス流路を通過した所定量のガスは、内部空間の中央で少なくとも２つの第２ガス流路により分流されて、ライナーの両側の側端部に噴出される。したがって、本発明では、ライナーの両側の側端部において、ガスが断熱圧縮されるため、ライナーの一方端のみにガスを噴出する場合に比べて、ガスの圧縮量は少ない。この結果、ガスの断熱圧縮に起因した高圧ガスタンクの急激な温度上昇を抑制することができるとともに、温度が上昇する箇所を分散することができる。

第１実施形態の高圧ガスタンクの中心軸に沿った方向の断面図である。 第２実施形態の高圧ガスタンクの中心軸に沿った方向の断面図である。 （ａ）は、従来の高圧ガスタンクに係る水素ガスの流路線を説明する図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す従来の高圧ガスタンクに係る温度分布を説明する温度コンター図である。

以下に、図１および図２を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の高圧ガスタンク１０の中心軸ＣＬに沿った方向の断面図である。本実施形態の高圧ガスタンク１０は、中心軸ＣＬを中心とする中空の容器であり、水素ガスおよびＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各種圧縮ガス、または、ＬＮＧ（液化天然ガス）およびＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス等を高圧で充填するための圧力容器である。特に、本実施形態の高圧ガスタンク１０は、車載用の高圧水素ガスタンクに好適であり、以下に、充填するガスとして水素ガスを例示して説明する。

図１に示すように、本実施形態の高圧ガスタンク１０は、ライナー１１と、繊維強化樹脂層１２と、ノズル１６とを少なくとも備えている。

ライナー１１は、その外面に繊維強化樹脂層１２が被覆されて構成され、その両端に第１および第２口金部１３、１４が設けられている。ライナー１１は、適宜なガスバリア性を有する樹脂で構成されている。樹脂の材料としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を挙げることができる。

ライナー１１は、円筒状の筒部１１Ａと、その中心軸ＣＬに沿った方向の両側に球面形状の側端部１１Ｂ、１１Ｂ、とで形成されている。このようなライナー１１には、水素ガスが充填される内部空間Ｓが形成されている。本実施形態では、車載するために高圧ガスタンク１０の小型化を考慮すると、ライナー１１の内径は小径化していることが好ましい。具体的には、ライナー１１の長手方向の長さ（中心軸ＣＬに沿ったライナー１１の最大長さ）に対するライナー１１の内径の比率は、３％〜８％の範囲にあることが好ましい。

繊維強化樹脂層１２は、ライナー１１を覆うことにより、ライナー１１を補強して、高圧ガスタンク１０の剛性や耐圧性等の機械的強度を向上させる機能を有する。繊維強化樹脂層１２は、マトリクス樹脂および強化繊維束から構成される。マトリクス樹脂としては、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を挙げることができる。強化繊維束としては、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、または炭素繊維等を挙げることができる。繊維強化樹脂層１２を設けることにより、ライナー１１の内部空間は、断熱性の高い内部空間となる。

なお、図には示していないが、繊維強化樹脂層１２は、ライナー１１の外面とともに、第１および第２口金部１３、１４の内部空間Ｓ側付近の外面を被覆するフープ層と、フープ層の外面を被覆するヘリカル層とで構成されていてもよい。

第１および第２口金部１３、１４は、アルミニウムまたはその合金等の金属で形成され、それぞれ、ライナー１１の側端部１１Ｂ、１１Ｂに設けられている。第１口金部１３の開口部は、高圧ガスタンク１０の内部空間Ｓと連通しており、この開口部に、水素ガスの放出および流入を行うバルブ１５が取り付けられている。一方、第２口金部１４の開口部は内部空間Ｓと遮蔽されており、第２口金部１４は内部空間Ｓを密閉する。

バルブ１５は、水素ガスの放出および流入を行う電磁弁を備えている。また、バルブ１５には、バルブ１５から内部空間Ｓに向かって延びるノズル１６が設けられている。ノズル１６は、バルブ１５内の配管を介してガス充填口１７に接続されており、内部空間Ｓに水素ガスを充填するものである。ノズル１６の材料としては、ステンレス鋼、またはアルミニウム合金等を挙げることができる。

なお、ガス充填口１７は、水素ガスを内部空間Ｓから外部に放出するためのガス放出口として使用してよく、あるいはバルブ１５に水素ガスを放出するためのガス放出系流路を別途設けても良い。

本実施形態では、ノズル１６には、第１ガス流路１６Ａと、少なくとも２つの第２ガス流路（図１では、一対の第２ガス流路１６Ｂ、１６Ｂ）とが形成されている。第１ガス流路１６Ａは、ライナー１１の一方の端部から、ライナー１１の中心軸ＣＬの方向に沿って内部空間Ｓの中央まで延在している。

一対の第２ガス流路１６Ｂ、１６Ｂは、ライナー１１の両側の側端部（図１では、ライナー１１の側端部１１Ｂ、１１Ｂ）に流れるように、第１ガス流路１６Ａから分岐して、第１ガス流路１６Ａから分流した水素ガスを噴出する。各第２ガス流路１６Ｂの先端部には、水素ガスを噴出するガス噴出口１６Ｃが設けられている。具体的には、各第２ガス流路１６Ｂは、ライナー１１の中心軸ＣＬに対して傾斜しており、本実施形態では、第２ガス流路１６Ｂは、ライナー１１の中心軸ＣＬに対して上方に傾斜しており、ガス噴出口１６Ｃは、上方に開口している。

このような本実施形態のノズル１６では、第１ガス流路１６Ａを通過した所定量の水素ガスは、内部空間Ｓの中央で二股構造を有した一対の第２ガス流路１６Ｂ、１６Ｂにより分流されて、各ガス噴出口１６Ｃから、ライナー１１の両側の側端部１１Ｂ、１１Ｂの側へ噴出される。

したがって、本実施形態では、ライナー１１の両側の側端部１１Ｂ、１１Ｂにおいて、水素ガスが断熱圧縮されるため、従来の構造の如く、ライナー１１の一方端のみに水素ガスを噴出する場合に比べて、水素ガスの圧縮量が少ない。この結果、水素ガスの断熱圧縮に起因した高圧ガスタンク１０の急激な温度上昇を抑制することができるとともに、温度が上昇する箇所を分散することができる。

一対の第２ガス流路１６Ｂ、１６Ｂが第１ガス流路１６Ａから分岐している分岐位置は、ライナー１１の両側の側端部１１Ｂ、１１Ｂに水素ガスが噴出可能であれば、内部空間Ｓの中央で、第１ガス流路１６Ａの外周面に沿った周方向のいずれの位置であってもよい。

しかしながら、図１に示す如く、一対の第２ガス流路１６Ｂ、１６Ｂは、ライナー１１の両側の側端部１１Ｂ、１１Ｂの上部に向かって水素ガスが流れるように、第１ガス流路１６Ａから分岐していることが好ましい。なお、本明細書では、上部は、中心軸ＣＬよりも鉛直方向の上方側（重量方向とは反対方向）に位置するライナー１１の両側の側端部１１Ｂ、１１Ｂの部分である。

これにより、ガス充填口１７を介してバルブ１５を通過する充填ガスは事前に冷却されているため、後述の如く、断熱圧縮により高温となった水素ガス（高温ガス）が滞留し易い各側端部１１Ｂの上部に向かって、事前に冷却した水素ガス（冷却ガス）を噴出することができる。この結果、噴出した冷却ガスはライナー１１の上部の内壁に沿って流れることができるため、冷却ガスを、圧縮によりライナー１１の上部に向かって対流した高温ガスに流し込むことができる。これにより、冷却ガスが高温ガスの熱を吸熱して、断熱圧縮に起因した急激な温度上昇を効果的に抑制することができる。

なお、図１に示す態様では、分岐している第２ガス流路１６Ｂの数は、２つであるが、これに限定されず、ライナー１１の両側の側端部１１Ｂ、１１Ｂに流れるように、水素ガスが噴出可能であれば、分岐している第２ガス流路１６Ｂの数は、２つ以上であってもよい。

ここで、図３を参照して、従来の高圧ガスタンク９０について説明する。なお、本実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。図３に示す従来の高圧ガスタンク９０では、水素ガスを充填するノズル９１をライナー１１の中心軸に対して斜め上方に配置して、内部空間に冷却ガスを一方向に噴出している。

このような従来の高圧ガスタンク９０を用いて、発明者は、水素ガスの充填シミュレーションを行った。シミュレーションでは、高圧ガスタンク９０として、ライナー１１の長手方向の長さに対するライナー１１の内径の比率は、約５％である。図３に結果を示す。図３（ａ）は、従来の高圧ガスタンク９０に係る水素ガスの流路線を説明する図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す従来の高圧ガスタンク９０に係る温度分布を説明する温度コンター図である。

図３（ａ）からわかるように、内径が小径化したライナー１１の場合には、水素ガスの噴出を斜め上方向にしても、ライナー１１内では、温度差のある水素ガス同士が撹拌されることは殆どなく、ノズル９１から噴出する水素ガスは、ライナー１１の第２口金部１４の側の端部に流れ込むことが明らかとなった。

また、図３（ｂ）からわかるように、図３（ａ）に示す高圧ガスタンク９０のライナー１１では、第２口金部１４側の端部の上部において、温度が１００℃となり、規格上限（８５℃）を超えることが明らかとなった。

これは、上述したように、水素ガスが流れ込む第２口金部１４側の端部では、断熱圧縮を受けた水素ガスの温度が高くなる。温度が高くなった水素ガスは、密度の低下により、周囲の水素ガスと比べて相対的に軽くなるため、鉛直方向上向きに移動する。その結果、第２口金部１４側の端部のうち、上部では、高温の水素ガスが溜り、特に高温になるといえる。

このような結果から、従来の高圧ガスタンク９０のライナー１１の端部では、水素ガスが流入し易いため、断熱圧縮が起こり易く、断熱圧縮を受けた水素ガスの温度が上昇する。これにより、温度上昇した水素ガスが上方に対流し、ライナー１１の端部の上部に高温の水素ガスが溜り易いと考えられる。

それに対して、図１に示す本実施形態の高圧ガスタンク１０の場合には、従来の高圧ガスタンク９０とは異なり、ノズル１６では、水素ガスが一対の第２ガス流路１６Ｂ、１６Ｂで分流される。分流された水素ガスは、内部空間Ｓの中央からライナー１１の両側の側端部１１Ｂ、１１Ｂに向かって、各ガス噴出口１６Ｃから噴出される。

したがって、本実施形態の場合には、各側端部１１Ｂで、断熱圧縮を受けた水素ガスの圧縮量は、従来の高圧ガスタンク９０の如く、一方向のみに向かって水素ガスを噴出した場合と比べて、少ない。よって、図１に示す高圧ガスタンク１０の如く、水素ガスの圧縮が抑えられた断熱圧縮がライナー１１の両側の側端部１１Ｂ、１１Ｂで発生する。このような結果、本実施形態の場合には、従来の場合のような、ライナー１１の一方の端部に生じる急激な温度上昇を抑えるとともに、温度上昇が生じる箇所をライナー１１の両側の側端部１１Ｂ側に分散することができると考えられる。

なお、図１の態様の如く、ライナー１１の両側の側端部１１Ｂの上部に向かって水素ガスが流れるように、第１ガス流路１６Ａから分岐した一対の第２ガス流路１６Ｂ、１６Ｂを形成する場合には、高温化により上方に対流する水素ガスに、相対的に温度の低いノズル１６からの水素ガスを流し込み撹拌することができる。この結果、断熱圧縮に起因した急激な温度上昇を効果的に抑制することができると考えられる。

＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態の高圧ガスタンク１０の中心軸ＣＬに沿った方向の断面図である。なお、第１実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図２に示すように、第２実施形態が第１実施形態とは異なる点は、高圧ガスタンク１０がノズル１６の第１ガス流路１６Ａを支持する支持部１８をさらに備えている点である。支持部１８の一端は、ライナー１１の内壁に固定され、支持部１８の他端は、第１ガス流路１６Ａに固定されている。支持部１８の材料としては、ステンレス鋼、または、アルミニウム合金を挙げることができる。

このような支持部１８により、内部空間Ｓの中央まで延在している第１ガス流路１６Ａの長さが長くても、車両走行中の上下方向の振動等に起因したノズル１６の基端のモーメントの発生を低減し、ノズル１６の損傷を防止することができる。なお、第２実施形態の高圧ガスタンク１０でも、上述した第１実施形態に係る高圧ガスタンク１０と同様に、急激な温度上昇を抑制するとともに、温度上昇の箇所を分散する効果を奏することは勿論である。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０：高圧ガスタンク、１１：ライナー、１１Ｂ：側端部、１２：繊維強化樹脂層、１６：ノズル、１６Ａ：第１ガス流路、１６Ｂ：第２ガス流路、ＣＬ：中心軸、Ｓ：内部空間

Claims (1)

1. ガスが充填される内部空間を有するライナーと、前記ライナーを覆う繊維強化樹脂層と、前記内部空間に前記ガスを充填するノズルと、を少なくとも備えた高圧ガスタンクであって、
   前記ノズルには、前記ライナーの一方の端部から、前記ライナーの中心軸の方向に沿った前記内部空間の中央まで延在した第１ガス流路と、前記ライナーの両側の側端部に流れるように、前記第１ガス流路から分岐して、前記第１ガス流路から分流した前記ガスを噴出する少なくとも２つの第２ガス流路と、が形成されていることを特徴とする高圧ガスタンク。