JP2023180534A - 高圧タンク用プロテクタおよび高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】車両搭載性が低下したり、コストが増えたりすることなく、タンク本体の保護機能を向上させることができる高圧タンクを提供する。【解決手段】高圧タンク用プロテクタであって、ドーム部の外表面に沿ってドーム部の頂からシリンダ部に向かう方向である極方向に延びて配置され、外表面を円周方向に区画する複数の区画プロテクタを備える。外表面をシリンダ部の軸方向に見たとき、円周方向に隣り合う区画プロテクタ間には、極方向に連続する線状の間隙が形成され、ドーム部の外表面をシリンダ部の軸方向に見たとき円周方向に隣り合う区画プロテクタ同士のなす角度をθ、高圧タンクの半径をＲ、区画プロテクタに予め定められた荷重がかかった際の潰れ代をｈとすると、ＣＯＳθ≧（１－ｈ）／（２×Ｒ）の関係を満たす。【選択図】図１

Description

本開示は、高圧タンク用プロテクタおよび高圧タンクに関する。

特許文献１に記載される高圧タンクは、タンク本体と、プロテクタと、を備える。タンク本体は、円筒状のシリンダ部の両端に半球面形状のドーム部を有し、流体を密封するための内部空間が形成される。プロテクタは、ドーム部の外表面に設けられる。プロテクタは、タンク取扱い時にタンクが落下したとき等の耐衝撃性を確保するために、外部からの衝撃に対してタンク本体を保護するためのものである。プロテクタは、格子状に形成された樹脂リブを有している。この樹脂リブが変形することでタンク本体への衝撃を吸収し、タンク本体に亀裂などが入らないように保護している。

特開２０２１－１５６３８２号公報

上記のような高圧タンクにおいて、タンク本体の保護機能を一層高めるために、プロテクタの厚さや体積を増大させると、車両搭載性が低下したり、コストが増えたりするという問題が生じていた。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、高圧タンク用プロテクタが提供される。この高圧タンク用プロテクタは、円筒状のシリンダ部の両端にドーム部を有し流体を密封するための内部空間が形成されるタンク本体を備える高圧タンクに用いられる、高圧タンク用プロテクタであって、前記ドーム部の外表面に沿って前記ドーム部の頂から前記シリンダ部に向かう方向である極方向に延びて配置され、前記外表面を円周方向に区画する複数の区画プロテクタを備え、前記外表面を前記シリンダ部の軸方向に見たとき、前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間には、前記極方向に連続する線状の間隙が形成され、前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たとき前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ同士のなす角度をθ、前記高圧タンクの半径をＲ、前記区画プロテクタに予め定められた荷重がかかった際の潰れ代をｈとすると、ＣＯＳθ≧（１－ｈ）／（２×Ｒ）の関係を満たす。
この形態によれば、ＣＯＳθ≧（１－ｈ）／（２×Ｒ）の関係を満たすθの間隔で、ドーム部の円周方向に区画されて設けられる複数の区画プロテクタにより、ドーム部の外表面が覆われる。そして、円周方向に隣り合う区画プロテクタ間には、線状の間隙が形成される。このように、ドーム部の外表面を覆うプロテクタは、円周全域に亘って連続して設けられておらず区画プロテクタにより円周方向に区画されて設けられている。
このため、円周全域に対応するように円環状に連続する単一のプロテクタによってドーム部の外表面の全体を覆う構成と比較して、複数の区画プロテクタにより接地することにより、タンク本体への衝撃の入力を分散させることができる。また、間隙を複数設けることで、間隙がなく同一厚みで円環状に連続した単一のプロテクタと比較して、高圧タンクを軽量化することができる。さらに、間隙を設けることにより、高圧タンクの車載時において周辺部品との干渉を抑制しやすい構成とすることができ、高圧タンクの搭載性を向上させることができる。
（２）上記形態において、複数の前記区画プロテクタは、同一形状をなし、前記円周方向に等間隔に配置されていてもよい。この形態によれば、区画プロテクタの製造が容易である。
（３）上記形態において、前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たときの、前記区画プロテクタの幅の前記極方向の最小値は、前記高圧タンクの半径の２０分の１以上であってもよい。この形態によれば、高圧タンクの半径に対して、区画プロテクタの幅が過度に狭くなることがなく、区画プロテクタによって覆われるドーム部の外表面の面積を一定量確保できる。このため、区画プロテクタの幅が過度に狭くなることによって衝撃吸収性能が低くなることを抑制できる。
（４）上記形態において、前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間に、前記区画プロテクタよりも小さな突出量で前記外表面から突出し、前記区画プロテクタ同士を接続する薄肉部を、さらに備えていてもよい。この形態によれば、区画プロテクタ同士が薄肉部によって接続されるため、強度が増すとともに、タンク本体への取付を容易にすることができる。
本開示は、高圧タンク用プロテクタの形態の他、高圧タンクの形態で実現することも可能である。

本開示の第１実施形態における高圧タンクの全体を示す側面図である。 高圧タンクの一部を示す断面図である。 高圧タンクの一部を示す平面図である。 高圧タンクの一部を示す斜視図である。 区画プロテクタの設置形態を説明するための略図である。 斜め４５度落下試験時の区画プロテクタを示す側面図である。 本開示の第２実施形態の高圧タンクの一部を示す平面図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．高圧タンク１の全体構成：
以下、本開示の第１実施形態について、図１～図６を参照して説明する。図１は、本開示の第１実施形態における高圧タンク１の全体を示す側面図である。図１において、高圧タンク１の中心軸Ｃを、一点鎖線にて示している。本実施形態の高圧タンク１は、例えば、水素ガス等の気体を７０～８０ＭＰａ程度の高圧で貯蔵するために使用される。

図１に示すように、高圧タンク１は、タンク本体２と、高圧タンク用プロテクタ３，４（以下、単に「プロテクタ３，４」という）と、を備える。図１に示すように、タンク本体２は、中空円筒状をなすシリンダ部２１と、シリンダ部２１の両側に続く２つのドーム部２２，２３とに区分可能である。ドーム部２２，２３は、基部をシリンダ部２１の直径と同じ円形状とし、基部から側方へドーム状に膨れ上がった、略半球面形状の一部の形状をなしている。

図２は、高圧タンク１の一部を示す断面図であって、高圧タンク１を、中心軸Ｃを通る水平面で切ったときの断面図である。図２に示すように、タンク本体２は、ライナ２４と、補強層２５と、バルブ側口金２６と、エンド側口金２７（図１参照）とを備える。ライナ２４は、流体を密封するための内部空間２８を内部に形成する。ライナ２４は、例えば、高圧タンク１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２４は、例えば、ナイロン系樹脂（ポリアミド系樹脂）やポリエチレン系樹脂等の合成樹脂、あるいは、アルミニウム合金等の金属によって形成することができ、本実施形態ではナイロンによって形成している。

補強層２５は、ライナ２４の外周面を被覆する。補強層２５は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって形成される層であり、ライナ２４の外表面全体を覆っている。具体的には、樹脂を含浸させた繊維束を、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２４の表面に巻回し、その後、樹脂を硬化させた層である。典型的なＦＷ法では、ライナ２４のシリンダ部２１の外周を被覆するためのフープ巻きと、ドーム部２２，２３の外周を被覆するためのヘリカル巻きとが利用される。

補強層２５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、補強層２５を構成する繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、およびアラミド繊維等が挙げられる。補強層２５は、複数種類（例えば、ガラス繊維とカーボン繊維）の繊維を用いたＦＷ法による巻回を順次行うことで、異なる繊維を備える層を積層させて形成することもできる。本実施形態では、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から成る層とガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）から成る層とを順次積層して、補強層２５を形成している。

バルブ側口金２６は、ライナ２４の一端側（図１における左側）のドーム部２２の頂点の位置に配置されている。バルブ側口金２６は、高圧タンク１の内部空間２８と連通する貫通孔２９を有する。バルブ側口金２６は、バルブ側口金２６の開口部を開閉する図示しないバルブを備える。エンド側口金２７は、ライナ２４の他端側（図１における右側）のドーム部２３の頂点の位置に配置されている。エンド側口金２７は、図示しない有底孔を有する。これらバルブ側口金２６およびエンド側口金２７は、例えば、ライナパーツの成形時に、インサート成形によってライナパーツに接合される。

Ａ２．プロテクタ３，４の構成：
次に、プロテクタ３，４の構成について、図３～図５を参照して説明する。プロテクタ３，４は、高圧タンク１の取扱い時に、高圧タンク１が落下したときの耐衝撃性を確保するために、外部からの衝撃に対してタンク本体２を保護するためのものである。プロテクタ３，４は、例えば、弾性を有する発泡ポリウレタン等の樹脂よって形成することができる。プロテクタ３，４は、高圧タンク１の両端にそれぞれ略同様の構成によって設けられている。よって、ここでは、主にバルブ側口金２６側のプロテクタ３を例にして説明する。

図３は、高圧タンク１の一部を示す平面図であり、バルブ側口金２６側から見た図を示している。図４は、高圧タンク１の一部を示す斜視図であり、ドーム部２２側から見た図を示している。図３、図４に示すように、プロテクタ３は、ドーム部２２の円周方向に分割して設けられる複数（本実施形態では８つ）の区画プロテクタ３１により構成されている。区画プロテクタ３１は、ドーム部２２の外表面に沿って、ドーム部２２の頂からシリンダ部２１へ向かう方向である極方向に延びて配置され、外表面を円周方向に区画する。

本実施形態では、各ドーム部２２，２３に対して、同一形状をなす８つの区画プロテクタ３１が、円周方向において放射状に等間隔に均等配置されている。なお、図３，図４においては、８つの区画プロテクタ３１のうち、一部を省略して図示している。これらの８つの区画プロテクタ３１によって、ドーム部２２，２３の外表面のうち、口金２６，２７が形成されるドーム部２２，２３の頂点付近以外の大部分を補強層２５の上から覆っている。大部分とは、外周全体のうち概ね７５％以上、すなわち２７０度以上である。

８つの区画プロテクタ３１を合わせて構成されるプロテクタ３の全体は、ドーム部２２の外表面の形状に沿う略半球形状から、頂点付近を取り除いたような形状をなしている。区画プロテクタ３１は、ドーム部２２の外表面のうち、平面視において中心角が例えば約３０～４０度の範囲における扇形状に相当する部位のうち、頂点付近を除く部分に対応した形状をなしている。区画プロテクタ３１は、径方向の外側へ向かうほど徐々に幅が広くなっており、外径側の幅ｄは、内径側の幅ｂよりも大きい。この内径側の幅ｂが、区画プロテクタ３１の幅の極方向の最小値である。区画プロテクタ３１の円周方向の端部の外面には、面取り部３４が形成されている。

図２に示すように、区画プロテクタ３１においてドーム部２２の外表面に接する内側面３２は、ドーム部２２の外表面に概ね沿うように、なだらかな曲面形状をなしている。区画プロテクタ３１は、ドーム部２２の補強層２５の外表面における所定位置に対して、接着剤を介して組み付け固定される。区画プロテクタ３１は、弾性を有しているため、組み付け時にはその全体形状が若干引き伸ばされるようにして組み付けられる。

再び、図３、図４を参照する。区画プロテクタ３１間には、間隙３３が形成されている。間隙３３は、ドーム部２２の外表面を中心軸Ｃの方向に見たとき、ドーム部２２の径方向に沿って直線状に連続している。間隙３３は、径方向の外側へ向かうほど徐々に幅が広くなっており、間隙３３の外径側の幅ｗ２は、内径側の幅ｗ１よりも大きい。間隙３３は、平面視において、中心角が例えば約１０～１５度の、円環形状の一部の形状をなしている。第１実施形態において、各区画プロテクタ３１は間隙３３により完全に分離しており、細分化されている。

図５は、区画プロテクタ３１の設置形態を説明するための略図であって、ドーム部２２の外表面をシリンダ部２１の軸方向に見た図を示している。図５に示すように、円周方向に隣り合う区画プロテクタ３１同士のなす角度を区画角度θ、高圧タンク１の半径を半径Ｒ、区画プロテクタ３１の潰れ代を潰れ代ｈとすると、以下の式（１）の関係式が成り立つ。
ＣＯＳθ≧（１－ｈ）／（２×Ｒ） ・・・（１）

なお、「区画角度θ」とは、図５に示すように、シリンダ部２１の軸方向に見て、隣り合う区画プロテクタ３１間における、区画プロテクタ３１の幅方向の中心線Ｃ１同士のなす角度である。中心線Ｃ１は、高圧タンク１の中心Ｓを通る。半径Ｒは、中心Ｓから、区画プロテクタ３１の外径側の端部までの長さであり、高圧タンク１の最外径の長さである。

区画プロテクタ３１の潰れ代ｈとは、予め定められた既定の荷重が区画プロテクタ３１にかかった際の潰れ代である。既定の荷重とは、高圧タンク１の落下試験を想定した際にかかる荷重である。落下試験としては、高圧タンク１にとって最も厳しい条件である斜め４５度落下試験（財団法人日本自動車研究所、圧縮水素自動車燃料装置用容器の技術基準ＪＡＲＩＳ００１（２００４））を想定した。図６は、斜め４５度落下試験時の区画プロテクタ３１を示す側面図である。斜め４５度落下試験とは、高圧タンク１の中心軸Ｃと、地面とのなす角度を４５度とし、高圧タンク１の重心によって適宜定められる規定の高さから高圧タンク１を地面４１へ落下させる試験である。

図５において中央に位置する区画プロテクタ３１１の潰れ代ｈに対して、図５において左隣の区画プロテクタ３１２の潰れ代が少なくともｈ／２程度あれば、中央の区画プロテクタ３１１と隣の区画プロテクタ３１２との両方で衝撃吸収を行うことができる。上記式（１）は、高圧タンク１の落下時に、複数の区画プロテクタ３１により衝撃吸収がなされるようにするための関係式である。θをある程度小さくし、区画プロテクタ３１の個数を多くすることで、複数の区画プロテクタ３１により接地してより効果的に衝撃を吸収できる可能性が上昇する。なお、区画プロテクタ３１の幅ｂは、例えば高圧タンク１の半径Ｒの概ね１／２０以上であって、かつ、隣り合う区画プロテクタ３１が重ならない大きさに設定される。あまりに区画プロテクタ３１の幅ｂが狭くなると、衝撃吸収性能が低くなることが懸念されるためである。区画角度θの具体的な数値としては、概ね１５度以下である。

（１）上記第１実施形態の高圧タンク１では、ドーム部２２，２３の外表面の全体を、円環状に連続した単一のプロテクタで覆うのではなく、円周方向に所定角度ごとに略均等に分割された複数の区画プロテクタ３１によって覆っている。高圧タンク１が落下した際に、間隙３３近傍から接地したときには、例えば隣り合う二つの区画プロテクタ３１により衝撃を吸収できる。このため、単一のプロテクタにより接地する場合と比較して、タンク本体２への衝撃の入力を分散させることができる。したがって、落下時のタンク本体２の歪みを抑制できる。

上記式（１）を満たした高圧タンク１であって、試験例として、全長Ｌ＝２０００ｍｍ、半径Ｒ＝３４０ｍｍ、プロテクタ３の厚さｔ＝７８ｍｍ、プロテクタの幅ｂ＝３０ｍｍ、区画角度θ＝１２度、タンク重量２３５ｋｇの上記第１実施形態の高圧タンク１を用いて落下試験を行った。本出願人による、タンク落下時における解析試験結果によれば、一体構造のプロテクタを有するタンクと比較して、上記第１実施形態の高圧タンク１では、落下時の衝撃によってタンク本体２に作用する圧縮歪が約１／２程度に減少することが確認できた。

（２）また、間隙３３を複数設けることで、円環状に連続した単一のプロテクタと比較して、高圧タンク１の車載時において周辺部品との干渉を抑制しやすい構成とすることができる。また、高圧タンク１を軽量化することもでき、高圧タンク１の搭載性を向上させることができる。さらに、プロテクタ３の材料費や、高圧タンク１へ組み付ける際の接着剤を削減することができる。すなわち、上記第１実施形態の高圧タンク１によれば、衝撃に対する十分な強度を担保しつつ、プロテクタ３，４の体積の増大を抑え、車両搭載性の向上やコスト減の効果を奏することができる。

（３）上記第１実施形態の高圧タンク１では、複数の区画プロテクタ３１は同一構成であるため、区画プロテクタ３１の製造が容易である。また、複数の区画プロテクタ３１をタンク本体２に容易に組み付けることができる。

Ｂ．第２実施形態：
次に、第２実施形態について、図７を参照して説明する。なお、第２実施形態において、上記第１実施形態と実質同様の構成については、同一の符号を付すとともに説明は省略する。図７は、第２実施形態の高圧タンク１の一部を示す平面図であり、バルブ側口金２６側から見た図を示している。

第２実施形態の高圧タンク１は、プロテクタ３において、薄肉部３５が形成されている点、および間隙３３の深さが小さい点が上記第１実施形態とは異なっている。上記第１実施形態では、各区画プロテクタ３１は間隙３３により完全に分離して形成されていたが、第２実施形態では、各区画プロテクタ３１は、薄肉部３５により区画されつつ、薄肉部３５を介在させて周状に連続して形成されている。

薄肉部３５の、ドーム部２２，２３の外表面からの突出量は、区画プロテクタ３１の突出量よりも小さい。この、薄肉部３５と区画プロテクタ３１との段差によって、間隙３３が形成されている。区画プロテクタ３１の突出量の一例としては、例えば、面取り部３４が形成される最も厚い部位の厚さｔ（図６参照）である。厚さｔは、斜め４５度落下試験において、高圧タンク１が接地した際の接地点からタンク本体２までの距離に相当する。

第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、区画プロテクタ３１同士が薄肉部３５によって接続されるため、プロテクタ３の強度が増すとともに、タンク本体２への区画プロテクタ３１の取付を容易にすることができる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上記第１実施形態の高圧タンク１が備えるプロテクタ３，４は、８つの区画プロテクタ３１で構成されるものとしたが、区画プロテクタ３１の数は８つでなくてもよい。区画プロテクタ３１の数は、例えば、２つ～８つ、または９つ以上等、２つ以上の任意の整数でもよい。

（Ｃ２）また、区画プロテクタ３１および間隙３３の形状についても上記形態に限られない。例えば、複数の区画プロテクタ３１は、同一の形状でなくても良い。また、区画プロテクタ３１および間隙３３の幅は径方向に亘って一定でもよい。

本開示は、上記各実施形態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各実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又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。

１…高圧タンク、２…タンク本体、３，４…プロテクタ、２１…シリンダ部、２２，２３…ドーム部、２４…ライナ、２５…補強層、２６…バルブ側口金、２７…エンド側口金、２８…内部空間、２９…貫通孔、３１，３１１，３１２…区画プロテクタ、３２…内側面、３３…間隙、３４・・・面取り部、３５・・・薄肉部、４１・・・地面

Claims (5)

1. 円筒状のシリンダ部の両端にドーム部を有し流体を密封するための内部空間が形成されるタンク本体を備える高圧タンクに用いられる、高圧タンク用プロテクタであって、
   前記ドーム部の外表面に沿って前記ドーム部の頂から前記シリンダ部に向かう方向である極方向に延びて配置され、前記外表面を円周方向に区画する複数の区画プロテクタを備え、
   前記外表面を前記シリンダ部の軸方向に見たとき、前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間には、前記極方向に連続する線状の間隙が形成され、
   前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たとき前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ同士のなす角度をθ、前記高圧タンクの半径をＲ、前記区画プロテクタに予め定められた荷重がかかった際の潰れ代をｈとすると、
   ＣＯＳθ≧（１－ｈ）／（２×Ｒ）
   の関係を満たす、高圧タンク用プロテクタ。
2. 複数の前記区画プロテクタは、同一形状をなし、前記円周方向に等間隔に配置されている、請求項１に記載の高圧タンク用プロテクタ。
3. 前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たときの、前記区画プロテクタの幅の前記極方向の最小値は、前記高圧タンクの半径の２０分の１以上である請求項１または請求項２に記載の高圧タンク用プロテクタ。
4. 前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間に、前記区画プロテクタよりも小さな突出量で前記外表面から突出し、前記区画プロテクタ同士を接続する薄肉部を、さらに備える請求項１または請求項２に記載の高圧タンク用プロテクタ。
5. 高圧タンクであって、
   円筒状のシリンダ部の両端にドーム部を有し、流体を密封するための内部空間が形成されるタンク本体と、
   前記ドーム部の外表面に沿って前記ドーム部の頂から前記シリンダ部に向かう方向である極方向に延びて配置され、前記外表面を円周方向に区画する複数の区画プロテクタと、
   を備え、
   前記外表面を前記シリンダ部の軸方向に見たとき、前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間には、前記極方向に連続する線状の間隙が形成され、
   前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たとき前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ同士のなす角度をθ、前記高圧タンクの半径をＲ、前記区画プロテクタに予め定められた荷重がかかった際の潰れ代をｈとすると、
   ＣＯＳθ≧（１－ｈ）／（２×Ｒ）
   の関係を満たす、高圧タンク。

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