JP4950440B2 - 燃料容器のフレーム構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載する円筒形状の燃料容器を支持する燃料容器のフレーム構造に関する。

従来、車両に搭載する円筒形状の燃料容器を支持するフレーム構造としては、例えば下記特許文献１に記載されたものがある。
特開２００４−１６８２０６号公報（図６〜８，段落００４２〜００４７）

上記した特許文献１に記載のものは、フレーム部材の断面形状を多角形としているが、燃料容器の荷重を複数のフレーム部材により効率よく受けるようにするための対策が特に講じられておらず、改善が望まれている。

そこで、本発明は、複数設けた断面多角形状のフレーム部材により、燃料容器の荷重を効率よく受けるようにすることを目的としている。

本発明は、円筒形状の燃料容器を車両に搭載する際に、前記燃料容器を支持する燃料容器のフレーム構造において、前記燃料容器の下部を支持するフレーム部材を多角形の断面形状とし、このフレーム部材を、前記燃料容器の中心軸線方向に沿って延長しかつ、前記多角形の一辺が前記燃料容器の外周面に対向した状態で、前記燃料容器の荷重を前記燃料容器の外周面に対向する多角形の一辺で燃料容器の外周方向に沿って均等に分散して受けるように、燃料容器の外周方向に沿って複数配置し、前記フレーム部材を、前記車両の車体フレームに固定し、前記フレーム部材は、燃料容器の中心より下部側の側面全周を覆うように配置した側部フレームと、燃料容器の前記側部フレームより下部側に配置されて燃料容器の中心軸線方向であって車幅方向に延長される２本の底部フレームとを備え、この２本の底部フレームは、前記側部フレームの車体前後方向に延びる左フレーム、右フレームに連結され、前記側部フレームが前記車両の車体フレームに固定されているたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、断面多角形状とした複数のフレーム部材により、燃料容器の荷重をその外周方向に沿って均等に分散して受けるようにしたので、燃料容器を支持する部位の面圧を燃料容器の外周方向に沿って均等に分散させることができ、燃料容器の破損を防止して高寿命化を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料容器のフレーム構造を示す斜視図である。このフレーム構造にて支持する燃料容器は、車両の床下に搭載する円筒形状の、例えば燃料電池の燃料となる水素を貯蔵する燃料タンク１である。この燃料タンク１は、長手方向を車両の左右方向（車幅方向）に向けた状態で車両に搭載する。

上記した燃料容器のフレーム構造に適用するタンク搭載フレーム３は、燃料タンク１の下部を支持するもので、燃料タンク１の中心より下部側の側面全周を覆うように配置した側部フレーム５と、燃料タンク１の上記側部フレーム５より下部側に配置されて燃料タンク１の長手方向に延長される２本の底部前，後フレーム７，９と、これら側部フレーム５および底部前，後フレーム７，９上に連結され、燃料タンク１のほぼ下半部を抱持する左右一対のほぼ半円状の固定フレーム１１，１３とを、それぞれ備えている。

上記した一対の固定フレーム１１，１３上に燃料タンク１を載置し、燃料タンク１の上からバンド１５，１７を被せ、バンド１５，１７の両端を固定フレーム１１，１３の上端の固定部１１ａ，１３ａに、図示しないボルト・ナットなどの締結具により締結固定することで、燃料タンク１をタンク搭載フレーム３に固定する。

側部フレーム５は、底部前，後フレーム７，９と平行に車幅方向に延びる前，後フレーム１９，２１を備えている。そして、前フレーム１９の固定フレーム１１，１３との連結部付近から車両前方かつ斜め上方に向けて延びる支持ブラケット２３，２５を設け、支持ブラケット２３，２５の上端の固定部２３ａ，２５ａを、図示しない車体フレームの下面にボルト・ナットなどの締結具により締結固定する。

また、後フレーム２１の車幅方向両端から延長部２７，２９を形成し、延長部２７，２９の端部に形成した固定部２７ａ，２９ａを、図示しない車体フレームの下面にボルト・ナットなどの締結具により締結固定する。

したがって、タンク搭載フレーム３は、車両前側の固定部２３ａ，２５ａと、同後側の固定部２７ａ，２９ａとの４箇所により、車体フレームに固定することになる。

底部前，後フレーム７，９は、車幅方向両端部が上方に向けて円弧状に屈曲し、側部フレーム５の車体前後方向に延びる左，右フレーム３１，３３に連結している。

上記した側部フレーム５および底部前，後フレーム７，９は、図１のＡ−Ａ断面図である図２（ａ）に示すように、多角形の中空断面形状を呈するフレーム部材であり、押出成形した中空材料を曲げ加工している。

なお、側部フレーム５については、前フレーム１９の両端で後方に屈曲してこの屈曲部から左，右フレーム３１，３３に連続して一体化しており、左，右フレーム３１，３３の後端を後フレーム２１の両端に連結している。

一方、ほぼ半円状の固定フレーム１１，１３は、燃料タンク１を載置してその底部外周を支持するものであり、燃料タンク１の載置面を凹曲面に形成した板材である。

前記固定フレーム１１，１３，ベルト１５，１７は、いずれも金属帯板材からなる剛体として構成してあり、燃料タンク１の外周面に当接する内側面はゴム，樹脂などの弾性材からなるクッション部を備えている。

上記した図２（ａ）に示すように、側部フレーム５の特に前，後フレーム１９，２１は、燃料タンク１に対向する内側傾斜面１９ａ，２１ａと、上面１９ｂ，２１ｂと、外側鉛直面１９ｃ，２１ｃと、外側傾斜面１９ｄ，２１ｄと、下面１９ｅ，２１ｅと、内側鉛直面１９ｆ，２１ｆとをそれぞれ備える断面六角形を呈し、これら二つの前，後フレーム１９，２１相互は、図２（ａ）中で左右対称となる状態で配置している。

同様にして底部前，後フレーム７，９は、燃料タンク１に対向する内側傾斜面７ａ，９ａと、上面７ｂ，９ｂと、外側鉛直面７ｃ，９ｃと、外側傾斜面７ｄ，９ｄと、下面７ｅ，９ｅと、内側鉛直面７ｆ，９ｆとをそれぞれ備える断面六角形を呈し、これら二つの底部前，後フレーム７，９相互は、図２（ａ）中で左右対称となる状態で配置している。

また、図２（ａ）中の底部前フレーム７の断面形状は、側部フレーム５の後フレーム２１を図２（ａ）中で反時計回り方向に９０度回転させた状態に相当し、底部後フレーム９の断面形状は、側部フレーム７の前フレーム１９を図２中で時計回り方向に９０度回転させた状態に相当する。すなわち、上記した側部フレーム５（前，後フレーム１９，２１）および底部前，後フレーム７，９は、全て断面形状が同一であり、燃料タンク１に対する相対位置（姿勢）を変化させているだけである。

このため、タンク搭載フレーム３におけるフレーム部材として使用する押出成形材は、１種類で済むうえ、六角形の内角はすべて９０度以上の鈍角としているので、押出成形性に優れ、したがって生産性が向上してコスト低下を図ることができる。

また、上記した側部フレーム５の前，後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９は、燃料タンク１の中心軸線方向（車幅方向）に沿って延長しかつ、多角形（六角形）の一辺である内側傾斜面７ａ，９ａ，１９ａ，２１ａが、燃料タンク１の外周面により接近するべく対向した状態で、燃料タンク１の荷重を、固定フレーム１１，１３を介して燃料タンク１の外周方向に沿って均等に分散して受けるように、燃料タンク１の外周方向に沿って複数（４本）配置している。

このため、タンク搭載フレーム３は、燃料タンク１を支持する部位の面圧を燃料タンク１の外周方向に沿って均等に分散させることができ、燃料タンク１は、その特に燃料の充填・放出に伴う内部圧力変化による破損が防止され、高寿命化を達成することができる。

これに対し、燃料タンク１を支持する部位の面圧が分散されず、特定部位に集中するような場合には、この面圧集中部位を起点として燃料タンクの破損や寿命短縮に繋がることになる。

上記したように、燃料タンク１の荷重を、側部フレーム５の前，後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９により均等に受けるようにしたタンク搭載フレーム３は、図２（ａ）に示すように、底部前，後フレーム７，９の下面が、燃料タンク１の下面より下方、つまり車両への搭載状態で地面３５に近い位置として、底部前，後フレーム７，９が車両における地上高Ｈを構成する。

これにより、万一なんらかの外的入力（飛石、障害物など）が存在する場合には、燃料タンク１よりも先に底部前，後フレーム７，９が保護部材としてこれら外的入力と干渉することになり、燃料タンク１に対する保護の観点で有利となる。

上記したような構造、すなわち燃料タンク１の荷重を複数のフレーム部材で均等に受けかつ、このフレーム部材の最下面を燃料タンク１より下方とする構造は、燃料タンク１の中心軸線方向（車幅方向）に延びるフレーム部材を、断面多角形でかつ、前，後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９の４本とすることで、容易に実施することができる。

図２（ｂ）は、車幅方向（図２中で紙面に直交する方向）に延びるフレーム部材１０１，１０３を２本とした場合の、前記図２（ａ）に対する第１比較例を示している。この場合には、２本のフレーム部材１０１，１０３により、燃料タンク１の荷重を、より安定して受けるようにするには、燃料タンク１の下面が、フレーム部材１０１，１０３の下面より、地面３５に近い下方位置となり、燃料タンク１に対する保護の観点で不利な構造となる。

燃料タンク１に対する保護の観点で有利な構造とすべく、フレーム部材１０１，１０３を、互いにより接近させて燃料タンク１より下方に配置する場合には、燃料タンク１の荷重を安定して受けることができなくなる。

したがって、車幅方向に延びるフレーム部材１０１，１０３を２本とした場合では、燃料タンク１の荷重を安定して受ける点と、燃料タンク１に対する保護が有利になる点の双方を満足することができない。

一方、本実施形態では、燃料タンク１の中心軸線方向に延びるフレーム部材を、断面多角形でかつ、前，後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９の４本とすることで、上記２点の双方を満足することができるとともに、燃燃料タンク１の荷重を、料タンク１の外周方向に沿って均等に分散して受けることができる。

図３（ａ），（ｂ）は、図２（ａ），（ｂ）の各構造例における複数のフレーム部材が燃料タンク１の荷重を受ける際の応力分布を示している。これによれば、側部フレーム５の前，後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９の４本使用している本実施形態のほうが、２本のフレーム部材１０１，１０３のみ使用している第１比較例よりも、応力分布が分散していることがわかる。

図４は、断面六角形状の後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９をフレーム部材として使用している本実施形態と、断面円形の４本のフレーム部材１０５，１０７，１０９，１１１を使用している第２比較例とを、前記図３と同様の応力分布について比較して示している。

この場合、第２比較例における内側２本のフレーム部材１０７，１０９のそれぞれの下面を、本実施形態の２本の底部前，後フレーム７，９の下面と同一位置とした場合には、フレーム部材１０７，１０９は、底部前，後フレーム７，９よりも図４中で左右方向外側に位置することになる。

また、外側のフレーム部材１０５，１１１は、内側のフレーム部材１０７，１０９を外側に移動させた分内側に移動させる必要があるので、応力分布としては、例え外側のフレーム部材１０５，１１１を前，後フレーム１９，２１と同位置に設定したとしても、燃料タンク１が受ける応力の４つの位置は、本実施形態のほうが、全体としてより分散したものになる。

図５（ａ）は、前記図２（ａ）に示した本実施形態に使用する側部フレーム５の前，後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９の４本のフレーム部材における強度の高い方向を矢印Ｂで示している。

図５（ｂ）に示すように、前フレーム１９の強度は、図中で上下方向と左右方向とを比較すると、左右方向長さの短い面（上面１９ｂ，下面１９ｅ）に対向する上下方向のほうが、上下方向長さの長い面（内側傾斜面１９ａ，外側鉛直面１９ｃ）に対向する左右方向に対して強度が高くなっている。

このような強度の差は、前フレーム２１も、後フレーム１９に対して図５中で左右対称に配置しているので同様である。

一方、下部に位置する底部前，後フレーム７，９は、上記した側部フレーム５の後，前フレーム２１，１９に対して、それぞれ９０度回転した姿勢であるので、底部前，後フレーム７，９の強度は、後，前フレーム２１，１９とは逆に、図５（ａ）中で左右方向が高く、上下方向が弱くなっている。

このように、側部フレーム５の前，後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９からなる４本のフレーム部材は、六角形の一辺により燃料タンク１の荷重を受ける際の強度が、上下方向に高く、フレーム部材の延長方向に直交する水平方向すなわち左右方向に低いものと、逆に上下方向に低くフレーム部材の延長方向に直交する水平方向に高いものとが均等に混在し、その結果４本のフレーム部材全体としては、上下方向の強度と水平方向の強度とが同等となっている。

これにより、上下方向と左右方向とで強度が異なるフレーム部材を複数使用しても、全体として見れば、あたかも個々のフレーム部材の断面係数（強度）が同等であるようなバランスのとれた強度分布を持たせることができる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係わる燃料容器のフレーム構造の一部を示す断面図である。図６では、前記図２（ａ）における底部前フレーム７と側部フレーム５の前フレーム１９に対応する部位を拡大して示しており、底部前フレーム７に代わる底部前フレーム７０と、前フレーム１９に代わる前フレーム１９０を使用している。

この実施形態による底部前フレーム７０は、内側傾斜面７０ａと、外側傾斜面７０ｂと、内側鉛直面７０ｃと、外側鉛直面７０ｄと、上面７０ｅと、下面７０ｆとをそれぞれ備えて断面中空の六角形を呈している。そして、燃料タンク１の外周面に対向する位置にある内側傾斜面７０ａおよび外側傾斜面７０ｂの閉断面周方向の長さが、内側鉛直面７０ｃおよび外側鉛直面７０ｄの同長さに比較して長くしている。

同様にして、前フレーム１９０は、内側傾斜面１９０ａと、外側傾斜面１９０ｂと、内側鉛直面１９０ｃと、外側鉛直面１９０ｄと、上面１９０ｅと、下面１９０ｆとをそれぞれ備えて断面中空の六角形を呈している。そして、燃料タンク１に対向する位置にある内側傾斜面１９０ａおよび外側傾斜面１９０ｂの閉断面周方向の長さが、上面１９０ｅおよび下面１９０ｆの同長さに比較して長くしている。

これにより、上記した燃料タンク１の外周面に対向する底部前フレーム７０および前フレーム１９０の強度は、内側，外側各傾斜面７０ａ，７０ｂおよび内側，外側各傾斜面１９０ａ，１９０ｂにそれぞれ対向する方向である図６中で矢印Ｃで示す方向が、これに交差する矢印Ｄで示す方向に対して低くなっている。

このように、底部前フレーム７０および前フレーム１９０などのフレーム部材は、燃料タンク１の外周面に対向する方向の面の強度を低くしているので、燃料供給時での燃料タンク１の膨張変形や、燃料放出時での燃料タンク１の収縮変形を、効率よく吸収して対応することができる。この結果、燃料タンク１のフレーム部材に対する接触部に高い面圧がかかったり、あるいは非接触部に歪みが発生することを抑制して、燃料タンク１のいびつな変形を防止し、燃料タンク１の高寿命化を達成することができる。

図７は、前記図２（ａ）に示してある、断面六角形状の前，後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９をフレーム部材として使用している本実施形態と、断面円形の４本のフレーム部材１０５，１０７，１０９，１１１を使用している第２比較例とにおいて、隣接するフレーム部材相互間のスペースＳ１，Ｓ２に付属品３５，３７を設置している状態を示している。

ここで、図７中で右側が第２比較例におけるフレーム部材１０５，１０７相互間のスペースＳ１に、付属品３５を配置し、同左側が本実施形態における底部後フレーム９，後フレーム２１相互間のスペースＳ２に、付属品３７を配置している。

本実施形態の場合、フレーム部材を多角形とした上に、４本使用して、付属品設置スペースにおける相互の間隔を広くできるので、付属品３５に比較して大きい付属品３７を設置することが可能であり、フレーム部材相互間のスペースを有効利用することができる。

図８に示すように、本実施形態で設置可能な付属品３７と、第２比較例で設置可能な付属品３５とを比較すると、斜線部３９で示す分だけ設置スペースを広く確保することができる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係わる燃料容器のフレーム構造の一部を示す断面図である。この実施形態は、フレーム部材の周囲に他部品４１，４３を設置固定する際の構造例を、前記図２（ａ）に示してある、断面六角形状の前，後フレーム１９，２１および底部前，後フレーム７，９をフレーム部材として使用している本実施形態と、断面円形の４本のフレーム部材１０５，１０７，１０９，１１１を使用している第２比較例とで、比較して示している。

円形断面のフレーム部材１０５，１０７，１０９，１１１の場合は、他部品４１，４３をそのまま直接取り付けることは困難であり、平面状の取付面を確保するためにブラケット４５，４７が必要となる。これに対して多角形断面のフレーム部材を使用している本実施形態では、多角形の一辺（ここでは外側鉛直面７ｃ，１９ｃ）に直接取り付けることが容易にできる。

この結果、第２比較例において、上部の他部品４１を取り付ける場合には、ブラケット４５の長さｂに相当する寸法Ｗ１が、また下部の他部品４３を取り付ける場合には、ブラケット４５の長さｂとフレーム部材の外側への突出量ｓとの和に相当する寸法Ｗ２が、それぞれ本実施形態に対して外側へ突出することとなり、本実施形態のほうが第２比較例よりも、システム全体の小型化を達成することができる。

図１０は、（ａ）として前記図２（ａ）の燃料タンク１を示し、（ｂ）として（ａ）の燃料タンク１よりも小さい燃料タンク１ｓを示している。小さい燃料タンク１ｓを示す図１０（ｂ）で使用するフレーム部材は、図１０（ａ）のフレーム部材と断面形状が同等であって相対的に小さくなっているだけで、図１０（ａ）に対応する位置にあるフレーム部材には、それぞれアルファベットの「ｓ」を付けている。

図１０（ｂ）のように、小さい燃料タンク１ｓを車両に搭載すると、上端面の上下方向位置を燃料タンク１と同等とした場合、地面３５からの高さ（地上高）Ｈｓが、燃料タンク１を搭載した場合の同高さ（地上高）Ｈに比較して高くなり、燃料タンク１ｓに対する保護の観点で、大きい燃料タンク１を搭載する場合に比較して有利な構造となる。

したがって、燃料タンク１が大きくなるほど、燃料タンク１が地面３５に近付くことになるので、上記した本実施形態のように、底部前，後フレーム７，９の下面を燃料タンク１の下面より下方にすることで、底部前，後フレーム７，９による燃料タンク１の保護効果がより有効なものとなる。

本発明の第１の実施形態に係わる燃料容器のフレーム構造を示す斜視図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は（ａ）に対する第１比較例を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、図２（ａ），（ｂ）の各構造例における複数のフレーム部材が燃料タンクの荷重を受ける際の応力分布図である。 断面六角形状のフレーム部材を使用している本実施形態と、断面円形のフレーム部材を使用している第２比較例とを比較して示した応力分布図である。 （ａ）は、図２（ａ）に示した本実施形態に使用する４本のフレーム部材における強度の高い方向を示す説明図、（ｂ）は４本のフレーム部材のうちの１本のフレーム部材の強度を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係わる燃料容器のフレーム構造の一部を示す断面図である。 図２（ａ）に示してある断面六角形状のフレーム部材を使用している本実施形態と、断面円形のフレーム部材を使用している第２比較例とにおいて、隣接するフレーム部材相互間のスペースに付属品を設置した状態を示す断面図である。 図７における本実施形態と第２比較例との付属品の設置スペースの違いを示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係わる燃料容器のフレーム構造の一部を示す断面図である。 （ａ）は図２（ａ）と同様な燃料タンクを車両に搭載した場合の地上高を示し、（ｂ）は（ａ）よりも小さい燃料タンクを車両に搭載した場合の地上高を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料タンク（燃料容器）
７，７ｓ，７０ 底部前フレーム（フレーム部材）
９，９ｓ 底部後フレーム（フレーム部材）
１９，１９ｓ，１９０ 側部フレームの前フレーム（フレーム部材）
２１，２１ｓ 側部フレームの後フレーム（フレーム部材）

Claims (5)

1. 円筒形状の燃料容器を車両に搭載する際に、前記燃料容器を支持する燃料容器のフレーム構造において、前記燃料容器の下部を支持するフレーム部材を多角形の断面形状とし、このフレーム部材を、前記燃料容器の中心軸線方向に沿って延長しかつ、前記多角形の一辺が前記燃料容器の外周面に対向した状態で、前記燃料容器の荷重を前記燃料容器の外周面に対向する多角形の一辺で燃料容器の外周方向に沿って均等に分散して受けるように、燃料容器の外周方向に沿って複数配置し、前記フレーム部材を、前記車両の車体フレームに固定し、
   前記フレーム部材は、前記燃料容器の中心より下部側の側面全周を覆うように配置した側部フレームと、燃料容器の前記側部フレームより下部側に配置されて燃料容器の中心軸線方向であって車幅方向に延長される２本の底部フレームとを備え、この２本の底部フレームは、前記側部フレームの車体前後方向に延びる左フレーム、右フレームに連結され、前記側部フレームが前記車両の車体フレームに固定されていることを特徴とする燃料容器のフレーム構造。
2. 前記複数のフレーム部材のうち最下部に位置するものの下面を、前記燃料容器の下面より下方に配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料容器のフレーム構造。
3. 前記複数のフレーム部材は、前記多角形の一辺が前記燃料容器の外周面に対向した状態で、この対向する方向が、他の方向よりも、前記燃料容器の荷重を受ける際の強度が低いことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料容器のフレーム構造。
4. 前記複数のフレーム部材は、前記燃料容器の中心より下部の外周面に沿って４本分散して設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料容器のフレーム構造。
5. 前記フレーム部材の多角形における少なくとも一辺に、他部品を直接固定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料容器のフレーム構造。

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