JP2021148209A - 高圧ガスタンク - Google Patents

Abstract

【課題】破裂可能性のある部位を推定することができる高圧ガスタンクを提供する。【解決手段】筒状の胴部１１ａの軸線方向の両側にドーム部１１ｂが形成されたライナ１１を備えた高圧ガスタンク１０は、ライナ１１の外周に繊維束１４ａが巻回され、胴部１１ａの一部に巻回された繊維量が、胴部１１ａの他部に巻回された繊維量よりも多い変位量変化部１５を有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、高圧ガスタンクに関する。

特許文献１には、筒状の胴部の軸線方向の両側にドーム部が形成されたライナの外周に繊維を巻回し、最外層をヘリカル巻きにした高圧ガスタンクの構造が示されている。

特開２０１０−２３６５８７号公報

高圧ガスタンクは、厳しい昇圧試験条件の下では破裂する可能性が考えられるが、タンク外形の変位量が全体でばらついており、破裂可能性のある部位を推定することができない。したがって、高圧ガスタンクの破裂に対する対策となる構成を予め織り込むことが困難となるという課題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、破裂可能性のある部位を推定することができる高圧ガスタンクを提供することを目的とする。

本発明に係る高圧ガスタンクは、筒状の胴部の軸線方向の両側にドーム部が形成されたライナを備えた高圧ガスタンクであって、前記ライナの外周に繊維が巻回され、前記胴部の一部に巻回された繊維量が、前記胴部の他部に巻回された繊維量よりも多い変位量変化部を有することを特徴とする。

本発明によれば、胴部の一部に巻回された繊維量が、胴部の他部に巻回された繊維量よりも多いので、胴部の一部に巻回された繊維量の多い部分の強度（ＭＰａ）が高まり変位量（ｍｍ）が少なくなる。これに比べて、胴部の他部に巻回された繊維量の少ない部分の強度は、繊維量の多い部分の強度よりも低いので変位量が多くなる。その結果、変位量の少ない部分と変位量の多い部分との間に変位量が変化する変位量変化部が形成される。したがって、変位量変化部で強度の差が生じ応力の高まりによって変位量変化部を起点に破裂が起こることが推定され、予め破裂に対する対策を織り込む部分を特定することができる。

本発明によれば、破裂可能性のある部位を推定することができ、予め破裂に対する対策を織り込むことができる。

本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの図であり、図１（ａ）は、高圧ガスタンクの斜視図を示し、図１（ｂ）は、高圧ガスタンクの断面図を示す。 本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの図であり、図２（ａ）は、ライナの胴部に繊維束を巻回した状態を表す模式図を示し、図２（ｂ）は、繊維束の巻回方法を説明する図を示す。 従来の高圧ガスタンクの図であり、図３（ａ）は、繊維束を巻回したライナの側面を表す模式図を示し、図３（ｂ）は、繊維束の巻回方法を表す模式図を示す。 本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクおよび従来の高圧ガスタンクの昇圧試験時の表面の変位量を表す変位図であり、図４（ａ）は、従来の高圧ガスタンクの変位結果を示し、図４（ｂ）は、実施形態に係る高圧ガスタンクの変位結果を示す。 本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクおよび従来の高圧ガスタンクのバースト結果のグラフ。

本発明に係る高圧ガスタンクを適用した実施形態に係る高圧ガスタンク１０について図面を参照して説明する。

まず、本実施形態に係る高圧ガスタンク１０の構成について説明する。高圧ガスタンク１０は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、ライナ１１と、口金１２、１３と、ライナ１１の外周を被覆する繊維層１４と、繊維層１４に形成された変位量変化部１５とを有している。高圧ガスタンク１０は、気体を透過させ難い性質、いわゆるガスバリア性を有しており、内部には水素などの高圧のガスを充填できるようになっている。

ライナ１１は、筒状の中空容器からなり、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、いわゆるナイロン（登録商標）などの高い機械的強度を有するエンジニアリングプラスチックによって形成されている。なお、ライナ１１は、金属材料で形成されていてもよい。

ライナ１１は、筒状に形成された胴部１１ａと、軸線方向の両側に半球体状に形成されたドーム部１１ｂを有している。ドーム部１１ｂには、口金１２、１３を取り付ける図示しない口金取付部が形成されている。口金取付部には軸線を中心とする貫通孔１１ｃが形成されている。

口金１２は、図１（ａ）に示すように、円柱状の口金本体１２ａと、円錐台形状のフランジ１２ｂとにより金属材料で一体的に形成されている。口金本体１２ａおよびフランジ１２ｂには、貫通孔１２ｃが形成されている。

口金１３は、図１（ａ）に示すように、口金１２と同様に形成されているが、口金本体１２ａおよびフランジ１２ｂの貫通孔１２ｃとは異なり、口金１３の口金本体には図示しない有底の穴が形成されている。口金１３も、口金１２と同様に、金属材料で形成されている。

繊維層１４は、図１（ｂ）に示すように、ライナ１１の外周を覆う層からなり、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）やガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）などのプラスチックの繊維束１４ａがライナ１１の外周に巻回されることにより形成されている。なお、実施形態に係る繊維束１４ａは、本発明に係るライナの外周に巻回される繊維に対応する。

繊維束１４ａは、数十本の単繊維を撚り合わせて１本の糸にした、いわゆるマルチフィラメントが、数千〜数万本程度束ねられた繊維束からなる。繊維束１４ａに樹脂を含浸させながら、または、あらかじめ樹脂を含侵させた繊維束１４ａがライナ１１の外周に繰り返し巻回される。繊維束１４ａに含浸させる樹脂は、例えば、エポキシ樹脂（ＥＰ）、ポリエステル樹脂（ＰＥ）やポリアミド樹脂（ＰＡ）などの熱硬化性樹脂からなる。

繊維層１４は、公知のフィラメントワインディング装置により、ライナ１１の外周にヘリカル巻きやフープ巻きにより形成される。ヘリカル巻きは、繊維束１４ａの巻回軌跡がライナ１１の軸線に対して、例えば１０°〜３０°程度の低角度θで交差する巻回方法で、繊維束１４ａがライナ１１の胴部１１ａおよびドーム部１１ｂの全体に亘って螺旋状に繰り返し巻き付けられる。フープ巻きは、繊維束１４ａの巻回軌跡がライナ１１の軸線に対して、例えば９０°程度の直角に近い角度で交差する巻き付け方で、繊維束１４ａがライナ１１の胴部１１ａに繰り返し巻き付けられる。

繊維束１４ａは、所定の幅（ｍｍ）の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる繊維束であり、フィラメントワインディング装置により、図２（ａ）に示すように、胴部１１ａの長さＬ（ｍｍ）に亘って、フープ巻きで胴部１１ａの外周に巻回される。

変位量変化部１５は、図２（ｂ）に示すように、胴部１１ａの中央部の幅Ｗの部分で繊維束１４ａの層が４層になるように、繊維束１４ａを重ねて巻回することによって形成される。例えば位置ａから繊維束１４ａを巻き始め、胴部１１ａの軸方向一方側である口金１３側に向かって巻き進み、胴部１１ａの一方側の端部Ｔ１で折り返される。そして、胴部１１ａの軸方向他方側である口金１２側に向かって巻き進み、位置ａに重なる位置ｂでさらに折り返される。そして、口金１３側に向かって巻き進み、幅Ｗだけ進んだ位置ｃで再び折り返され、口金１２側に向かって他方の端部Ｔ２まで巻き進む。そして、他方の端部Ｔ２で折り返して、口金１３側に向かって巻き進み、位置ｂに重なる位置ｄで巻き終わる。なお、繊維束１４ａを、位置ｄから巻き始め、前述の巻き方と逆の方向に巻き、位置ａで巻き終わるようにしてもよい。

この巻き方により、繊維束１４ａは、胴部１１ａの中央部の幅Ｗの部分で繊維束１４ａの層が４層になるように重ねて巻回され、中央部の幅Ｗの部分で繊維量が多くなり、幅Ｗの部分以外の部分の繊維量は幅Ｗの部分の繊維量よりも少なくなる。具体的には、中央部の幅Ｗの部分で、全体の数％の繊維量を巻き足すことで、中央部の幅Ｗの部分と幅Ｗの部分以外の部分の変位量の差を大きくすることができる。このように、胴部１１ａにおける変位量の差を大きくすることにより、幅Ｗの部分に変位量変化部１５を形成することができる。なお、変位量変化部１５を胴部１１ａの中央部の幅Ｗの部分に形成する構造で説明したが、破裂させようとする位置に応じて、中央部の幅Ｗの部分以外の部分に変位量変化部１５を形成するようにしてもよい。

本実施形態に係る高圧ガスタンク１０の効果について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る高圧ガスタンク１０は、筒状の胴部１１ａの軸線方向の両側にドーム部１１ｂが形成されたライナ１１を備え、ライナ１１は外周を繊維束１４ａで巻回され、胴部１１ａの一部に巻回された繊維量が、胴部１１ａの他部に巻回された繊維量よりも多い変位量変化部１５を有する。

この構成により、胴部１１ａの一部に巻回された繊維量が、胴部１１ａの他部に巻回された繊維量よりも多いので、胴部１１ａの一部に巻回された繊維量の多い部分の強度（ＭＰａ）が高まり、昇圧試験時の表面の変位量（ｍｍ）が少なくなる。これに比べて、胴部１１ａの他部に巻回された繊維量の少ない部分の強度は、繊維量の多い部分の強度よりも低いので昇圧試験時の表面の変位量が多くなる。その結果、変位量の少ない部分と変位量の多い部分が明確に生じる変位量変化部１５が形成される。変位量変化部１５では、変位量差によって強度差が生じ、応力の高まりによって起点となって破裂が起こることが推定される。これにより、高圧ガスタンク１０の破裂に対する対策となる構成を予め織り込むことが可能となる。

また、本実施形態に係る高圧ガスタンク１０は、従来の高圧ガスタンクにおける問題を解決することができるという効果が得られる。即ち、従来の高圧ガスタンク１は、図３（ａ）に示すように、胴部２ａとドーム部２ｂとを有するライナ２と、口金３、４と、ライナ２の外周を被覆する繊維層５とにより構成されている。繊維層５は、繊維束５ａがフープ巻きで胴部２ａの外周に巻回されて形成されている。繊維束５ａは、図３（ｂ）に示すように、胴部２ａ全体が２層になるように重ねて巻回されている。繊維束５ａは、例えば、位置ａから巻き始め、一方の端部Ｔ１に向かって進み、Ｔ１で折り返し、他方の端部Ｔ２向かって進み、Ｔ２で折り返して、位置ａに重なる位置ｂで巻き終わるように巻回される。

この構成により、従来の高圧ガスタンク１は、図４（ａ）に示すように、昇圧試験時の表面の変位量が、胴部１１ａの全体に亘って少なく変位量の差が小さくなっている。なお、図４（ａ）、図４（ｂ）は、高圧ガスタンクの昇圧試験時の高圧タンクの表面の変位量を表す図であり、グレーで表される領域のうち、薄いグレーは変位量が少ない領域を表し、濃いグレーは変位量が多い領域を表している。図４（ａ）、図４（ｂ）において、高圧ガスタンクの軸線方向の両側のドーム部の変位量は示されていないが、ドーム部は、径方向だけでなく、軸線方向にも圧力が加わるため径方向の変位量は小さくなっている。

また、従来の高圧ガスタンク１は、図５に示すように、昇圧試験時のバースト結果において、バースト圧（ＭＰａ）が低圧から高圧に亘ってばらついている。その結果、高圧ガスタンクの昇圧試験時に、胴部２ａのいずれの部位が破裂部位になるのかを推定することは困難となっており、破裂部位にばらつきが生じる。したがって、予め破裂に対する対策を織り込む部分を特定することができないという課題があった。

これに対し、本実施形態に係る高圧ガスタンク１０は、図４（ｂ）に示すように、昇圧試験時の表面の変位量は、胴部１１ａの中央部、即ち変位量変化部１５で少なくなっており、胴部１１ａの変位量変化部１５以外の部分の変位量が多くなっている。したがって、胴部１１ａの変位量変化部１５と変位量変化部１５以外の部分との変位量の差が大きくなっている。その結果、変位量変化部１５と変位量変化部１５以外の部分で強度の差が生じ、応力の高まりによって変位量変化部１５を起点に破裂が起こることが推定される。したがって、予め破裂に対する対策を織り込む部分を特定することができ、従来の問題を解消することができるという効果が得られる。

以上、本発明の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趣旨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
１１ａ・・・胴部
１１ｂ・・・ドーム部
１１ｃ、１２ｃ・・・貫通孔
１２、１３・・・口金
１２ａ・・・口金本体
１２ｂ・・・フランジ
１４・・・繊維層
１４ａ・・・繊維束（繊維）
１５・・・変位量変化部

Claims (1)

1. 筒状の胴部の軸線方向の両側にドーム部が形成されたライナを備えた高圧ガスタンクであって、
   前記ライナの外周に繊維が巻回され、
   前記胴部の一部に巻回された繊維量が、前記胴部の他部に巻回された繊維量よりも多い変位量変化部を有することを特徴とする高圧ガスタンク。

Images