JP5409688B2 - 圧力容器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池自動車等に搭載され寿命を予測するための機能を備えた圧力容器に関する。

燃料電池自動車（Fuel Cell Vehicle）や圧縮天然ガス自動車（Compressd Natural Gas Vehicle）は、燃料としての高圧ガスを貯蔵する圧力容器を搭載する。該圧力容器は、高圧ガスの貯蔵空間を内面側に画成するライナと、該ライナを囲繞する補強層とを備える複合容器となっている。また、一般的な材料として、ライナにはアルミニウムや樹脂が、また、補強層にはＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチック）が採用されている。

該圧力容器は、高圧ガスの充填により内圧が上昇し、燃料電池等への放出に伴って、内圧が減少するという圧力サイクルを繰返す。このような圧力サイクルの繰返しは圧力容器のき裂の発生とその成長の原因になり、き裂の成長は圧力容器の寿命に影響する。

従来の圧力容器は、その寿命のばらつきが大きいために、必要以上の強度を付与されて、高重量でかつ高価なものになっている。また、圧力容器の使用状況は例えば個々の燃料電池自動車で相違する。このため、個々の圧力容器に対し、その寿命を高精度で予測して、寿命切れの少し前に圧力容器を交換することができれば、圧力容器の軽量化達成等に関して大変有益である。

高圧容器の従来の寿命予測方法には、（ａ）予め同型の製品について圧力サイクル試験を行って、寿命を調べておき、試験結果を同型の他の圧力容器に当て嵌めるもの、（ｂ）使用中の圧力容器から試験片を切り出して、該試験片について疲労試験により疲労度を調べ、その試験結果から該圧力容器の寿命を予測するもの、（ｃ）使用中の高圧容器に対し超音波器等を使った非破壊検査を行って、損傷を調べ、該損傷から予測するものが存在する。

特許文献１は、原子力プラント等において、温度変動のある流体が内部を流れる配管の熱疲労損傷を監視する監視装置を開示する。該監視装置によれば、熱疲労を受ける配管の外周部に孔を加工して、配管の薄肉部を形成し、該薄肉部を、配管における熱疲労損傷箇所の集中箇所にして、他の箇所より熱疲労を先行させるとともに、該薄肉部のひずみを測定して、熱疲労損傷の蓄積を検出する。

特許文献２は、高温、高圧下で使用される圧力容器の寿命予測方法を開示する。該寿命予測方法によれば、（ａ）圧力容器鋼の焼戻し脆化量は不純物の粒界偏析量に比例すること、及び（ｂ）温度履歴と使用中の各温度における不純物の平衡偏析量が分かれば、加熱、冷却の繰返しを含む複雑な熱サイクルの下で生じる不純物の粒界偏析量を予測できることの２つの知見に基づき、圧力容器の材料に含まれる特定成分に対し、粒界偏析量の変化と圧力容器の温度変化との関係について構築した関係式に、実際の温度履歴を当て嵌めて、不純物の粒界偏析量を算出して、圧力容器の寿命を予測する。

特開平９−３２４９００号公報 特開平５−１８４９７号公報

高圧容器の従来の３つの寿命予測方法の内、（ａ）は、個々の圧力容器への試験製品の試験結果の一律の適用であり、精度が低下する。（ｂ）及び（ｃ）は、寿命の予測が大掛かりとなるとともに、即座に予測することは困難である。

特許文献１の監視装置は、主目的が圧力サイクルに因るき裂の成長ではなく熱疲労損傷の監視であるとともに、圧力容器の寿命予測に適用した場合、圧力容器の外面に孔を加工すると、補強層を弱めてしまい、圧力容器の寿命が一気に低下してしまう。

特許文献２の圧力容器の寿命予測方法は、温度履歴に基づくものであり、圧力容器の内圧変化が寿命の決定要素になっている圧力容器の寿命予測には採用し難い。

本発明の目的は、内圧が大きく変動する圧力容器に対し、使用状況及び個体ばらつきの影響を抑制して高精度でかつ即座に寿命を予測できるようにすることである。

本発明では、圧力容器の構造不完全部について言及する。該構造不完全部は、材料力学及び構造力学等における力学で定義される構造（組成や物理的形状を含む）上の特徴を指し、製造物責任法第２条第２項の「欠陥」とはまったく異なるものである。き裂や凹所無しの完全構造部に対する、き裂や凹所有りの構造部は、不完全構造部の例である。

第１発明の圧力容器は、加圧された流体を内部に貯蔵するライナと、該ライナを囲繞し該ライナを補強する補強層とを備える円柱型の圧力容器であって、前記圧力容器の円筒部分において、前記ライナの内面に露出しないように、前記ライナの外面側の金属材料に形成された人工構造不完全部と、前記圧力容器への流体の出入に伴う前記圧力容器の内圧の変動の繰返しに因り前記圧力容器の周壁部の円周方向に前記人工構造不完全部から伸び出るき裂の成長から前記ライナと前記補強層との少なくとも一方に依存する寿命関連値を検出する検出部とを備えることを特徴とする。

第１発明によれば、検出部は、圧力容器の外面ではなく、ライナと補強層との間に介在し、介在部位における物理量からライナ又は補強層の少なくとも一方に依存する寿命関連値を検出することにより、ライナと補強層との両方の寿命を的確に予測することができる。また、ばらつきの大きい圧力容器の寿命を、高精度でかつ即座に予測することが可能になる。

金属の構造不完全部は、圧力容器の内圧の変動の繰返しに伴い、徐々に成長する。第１発明によれば、人工構造不完全部がライナの外面側の金属材料に形成されて、該人工構造不完全部の成長を寿命関連値として検出することにより、圧力容器の寿命を的確に予測することができる。

第２発明の圧力容器は、第１発明の圧力容器において、該圧力容器の構造不完全部について、該構造不完全部に生じる応力のうち、最大応力の生じる方向に対する垂直面への該構造不完全部の投影面積をＳとし、前記人工構造不完全部は、その√Ｓがどの自然構造不完全部の√Ｓより大きく、かつその最大応力方向の長さが、該人工構造不完全部の形成に因る圧力容器疲労寿命の低下が許容限度になる寸法以下にされていることを特徴とする。

第２発明によれば、人工構造不完全部は、その存在に因る圧力容器疲労寿命の低下を許容値内に留めつつ、圧力容器の使用期間にわたり、圧力容器における最大の構造不完全部を維持させるようになるので、寿命予測に関する検出対象を人工構造不完全部のみに絞り込んで、圧力容器の使用期間の各時点における寿命を予測することができる。

第３発明の圧力容器は、第１又は第２発明の圧力容器において、前記検出部はクラックゲージ又はひずみゲージであることを特徴とする。

圧力容器を長く使用するに連れて、人工構造不完全部におけるき裂の長さが増大し、又は人工構造不完全部の部位のひずみが増加する。第３発明によれば、圧力容器の使用に伴う人工構造不完全部の成長に因るき裂の長さやひずみの変化から圧力容器の寿命を高精度でかつ迅速に検出することができる。

第４発明の圧力容器は、加圧された流体を内部に貯蔵する樹脂製のライナと、該ライナを囲繞し該ライナを補強する補強層とを備える圧力容器であって前記ライナと前記補強層との間に介在する金属膜材と、前記金属膜材に設けられている人工構造不完全部と、前記圧力容器への流体の出入に伴う前記圧力容器の内圧の変動の繰返しに因る前記人工構造不完全部の成長を前記金属膜材の介在部位における物理量として検出するとともに、該物理量から前記ライナと前記補強層との少なくとも一方に依存する寿命関連値を検出する検出部とを備えることを特徴とする。

金属における構造不完全部は、該金属の疲労の蓄積と共に徐々に成長するのに対し、樹脂における構造不完全部は、寿命切れ直前に一気に進むので、構造不完全部の観測からの寿命予測は難しい。第４発明によれば、樹脂製のライナを備える圧力容器に対し、金属膜材が樹脂製のライナと補強層との間に介在して、人工構造不完全部が該金属膜材に設けられることにより、圧力容器の寿命を、ライナが金属製である圧力容器の寿命と同じく、人工構造不完全部の成長の観測に基づき円滑に予測することができる。

第５発明の圧力容器は、第１〜第４発明のいずれかの圧力容器において、前記検出部の出力から前記圧力容器の残り寿命を予測する予測部と、該予測部が予測する残り寿命が所定値未満であるときに、残り寿命が所定値以上にあるときよりも、圧力容器の内圧の変動幅が減少するように、前記圧力容器内への圧縮流体の入出量を制御する入出量制御部とを備えることを特徴とする。

圧力容器の内圧の変動振幅が小さいほど、ライナ及び補強層に係る負荷は小さくて済む。第５発明によれば、圧力容器が寿命切れに近付くと、内圧の変動を抑制するように、圧力容器内への圧縮流体の入出量を制御するので、圧力容器の延命を図ることができる。

水素ガスタンク及びその制御装置の構成図。 水素ガスタンクにおける圧力サイクルの繰返し数と水素ガスタンクに形成した人工構造不完全部におけるき裂の成長との関係を示す実験図。 人工構造不完全部の形成部位におけるき裂の長さを検出するクラックゲージについての説明図。 人工構造不完全部の形成部位におけるき裂の長さとクラックゲージの抵抗値との関係を示すグラフ。 人工構造不完全部の形成部位におけるひずみを検出するひずみゲージについての説明図。 水素ガスタンクの内圧、人工構造不完全部の形成部位におけるひずみ及びき裂の長さの関係を示すグラフ。 水素ガスタンクの内圧に対するライナ及び補強層の抵抗力を並行バネモデルにより示す図。 ライナ及び補強層の両方の寿命関連値を検出するひずみゲージについての説明図。 補強層の剛性低下をパラメータとして水素ガスタンクの内圧と人工構造不完全部の形成部位におけるひずみとの関係を示すグラフ。 水素ガスタンクの内面のき裂について応力拡大係数を説明する図。 人工構造不完全部の投影面積についての説明図。 補強層が樹脂製であるときのクラックゲージの適用方法について説明する図。 水素ガスタンクの残り寿命とそれに対応して実施する充填圧制御との関係についての説明図。 水素ガスタンクの残り寿命に対応して実施する充填圧制御における圧力振幅の第１の例を示す図。 水素ガスタンクの残り寿命に対応して実施する充填圧制御における圧力振幅の第２の例を示す図。

図１において、水素ガスタンク１０は本発明の圧力容器に相当する。水素ガスタンク１０は、燃料電池自動車（図示せず）に搭載され、水素ガスタンク１０は、燃料電池の燃料となる水素ガスを貯蔵する所定容積の貯蔵空間１３を内面側に画成するライナ１１と、ライナ１１の外面を覆ってライナ１１を囲繞する補強層１２とを備える。

ライナ１１はアルミニウム合金から成り、補強層１２は、樹脂含有強化繊維をライナ１１の外面に巻き付けた形て構成される。樹脂含有強化繊維とは、例えばＣＦＲＰであり、素材繊維としての炭素繊維に、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を含浸させたものである。

水素ガスタンク１０は横置きされ、ライナ１１は、その軸線方向一方の端部に出入り口１４を有し、弁装置１５が出入り口１４に装着される。燃料の水素ガスは弁装置１５を介して貯蔵空間１３に出入りする。

水素ガスタンク１０は、軸線方向両端部の半球部分と、それらの中間の円筒部分とを有し、人工構造不完全部２１は、中間の円筒部分におけるライナ１１と補強層１２との接合部においてライナ１１の外面に円柱の孔として形成されている。

構造不完全部は、材料力学及び構造力学等における力学で定義される構造（組成や物理的形状を含む）上の特徴を指し、例えば、材料の表面から微小部分を取り去って形成された凹部や、材料の表面に微小に存在するき裂が含まれる。水素ガスタンク１０における構造不完全部には、自然構造不完全部と人工構造不完全部とが含まれ、自然構造不完全部は水素ガスタンク１０の製造時に自然に生じるものであり、人工構造不完全部２１は、水素ガスタンク１０の製造後に人工的に形成したものである。

人工構造不完全部２１としての孔は、ライナ１１の内面には露出しない深さでかつ該孔の部位が水素ガスタンク１０の全使用期間を通じてライナ１１における最弱の部位となるように、ライナ１１の外面に形成されている。人工構造不完全部２１の部位をライナ１１における最弱部位に保証する条件については後述する。

検出器２０は、人工構造不完全部２１を補強層１２側から覆うように、又は、人工構造不完全部２１の近傍となるように、ライナ１１の外面と補強層１２の内面との間に介在する。

水素ガスタンク１０に、高圧の水素ガスが充填されると、水素ガスタンク１０の内圧が増大する。その後、燃料電池自動車の走行に伴い、水素ガスタンク１０内の水素ガスが消費されて、水素ガスタンク１０の内圧は減少する。こうして、水素ガスタンク１０には、その使用期間、水素ガスの充填と消費とにより内圧が変動する圧力サイクルが繰り返される。

圧力センサ２８は、弁装置１５内に配設され、ライナ１１の内圧ｐを検出する。制御装置４５は、予測部４６、予測結果表示処理部４７及び入出量制御部４８を備える。制御装置４５は、検出器２０から水素ガスタンク１０の寿命関連値として水素ガスタンク１０の疲労度又は剛性低下度に関する検出信号を受ける。制御装置４５は、検出器２０と圧力センサ２８とからの検出信号に基づき弁装置１５の弁の開閉を制御する。予測部４６、予測結果表示処理部４７及び入出量制御部４８の作用は、後述の図１３〜図１５の説明の際に、詳説する。

次に、図２を参照して、水素ガスタンク１０における圧力サイクルの繰返し数と水素ガスタンク１０に形成した人工構造不完全部２１におけるき裂の成長との関係を調べた実験結果について説明する。図２のグラフにおいて、横軸は水素ガスタンク１０における圧力サイクルの繰返し数、縦軸は水素ガスタンク１０に生じる最大き裂の長さである。検出器２０としてひずみゲージ４０（図５）を使用して、水素ガスタンク１０に対して試験してみた結果が図２の特性になっている。初期の長さが０．５ｍｍのき裂を人工構造不完全部２１として形成し、該き裂が圧力サイクルの繰返しに伴い、どのように変化するかを調べた。なお、０．５ｍｍの人工き裂は、水素ガスタンク１０の使用開始時における人口構造不完全部として唯一であるとともに、水素ガスタンク１０の使用開始時に存在するどの自然構造不完全部としてのき裂の長さよりも大となっている。

き裂の長さは、圧力サイクルの繰返し数が所定値に達するまでは、増加しないが、所定値を超えると、緩やかに増加し、圧力サイクルのさらなる繰返し数の増加に伴い、上昇率を高めていく。き裂の長さが１０ｍｍを少し上回ると、その後、繰返し数の増加にもかかわらずき裂の長さの増加は止まり、この時点が水素ガスタンク１０からの水素ガス漏れ（リーク）が生じた時点となる。

次に、図３を参照して、図１の検出器２０の一例としてのクラックゲージ３０の構成について説明する。クラックゲージ３０は、人工構造不完全部２１に十分に近付けてライナ１１の外面に接着される。クラックゲージ３０は、両端の端子３１，３２と、相互に平行にかつ配列方向に等間隔で端子３１−端子３２間に延在する複数の抵抗３３とを有している。

人工構造不完全部２１の成長に伴い、き裂２２が、クラックゲージ３０の方へ伸びて、抵抗３３を人工構造不完全部２１に近い方から順番に切断する。複数の抵抗３３は、等間隔に並設されて、両端において端子３１，３２に接続される。したがって、抵抗３３は相互に並列接続の関係になっており、き裂２２の成長に伴い、抵抗３３の切断数が増加し、これにより、クラックゲージ３０の抵抗値は増大する。

き裂２２は、ライナ１１の人工構造不完全部２１の部位における最大応力の方向へ人工構造不完全部２１から伸び出る。最大応力の方向とは、後述の図７（ａ）及び図１０の円柱型の水素ガスタンク１０では円周方向となる。

次に、図４を参照して、図３におけるき裂２２の長さとクラックゲージ３０の抵抗値との関係について説明する。図２において説明したように、き裂の長さと水素ガスタンク１０の残り寿命とには相対関係があるので、クラックゲージ３０の抵抗値から水素ガスタンク１０の残り寿命を予測することができる。なお、水素ガスタンク１０の使用開始時の寿命及び各時点での残り寿命は、寿命切れまでの残り時間ではなく、後述するように例えば現時点から水素ガスタンク１０の寿命切れまでに繰り返すことができる内圧のサイクル数で表わすことができる。また、水素ガスタンク１０の現時点で予測する予測寿命とは残り寿命を意味するものとする。

なお、図４におけるき裂の長さは、図３における人工構造不完全部２１の長さと人工構造不完全部２１からクラックゲージ３０側及びその反対側へ伸び出る２本のき裂２２の長さとの合計である。

次に、図１の検出器２０の別の例であるひずみゲージ４０について、図５の断面図を参照して、説明する。ひずみゲージ４０は、人工構造不完全部２１を覆うように、ライナ１１の外面に接着される。リード線４１は、ひずみゲージ４０から引き出されて、ひずみゲージ４０の検知信号を制御装置４５へ入力する。

図５のき裂２３は、図３のき裂２２が人工構造不完全部２１の部位におけるライナ１１の最大応力方向へ伸びていくのに対し、水素ガスタンク１０の圧力サイクルの繰返し数の増加に伴い、人工構造不完全部２１からその深さ方向へ伸び出していく。ひずみゲージ４０は、ライナ１１の外面における人工構造不完全部２１の周囲部分のひずみを検出する。該ひずみは、き裂２２，２３の成長（長さの増加）に関係したものになる。

次に、図６を参照して、き裂２３の長さをパラメータとして水素ガスタンク１０の内圧と、ひずみゲージ４０が検出したひずみとの関係について説明する。同一の内圧に対して、き裂２３の長さが増加するに連れて、ひずみが増大する。図２において説明したように、き裂の長さと水素ガスタンク１０の残り寿命とには相対関係があるので、ひずみゲージ４０が検出したひずみから水素ガスタンク１０の寿命上の現時点位置（又は残り寿命）を予測することができる。

次に、図７を参照して、ライナ１１及び補強層１２から成る並行バネモデルについて説明する。図７（ａ）は水素ガスタンク１０の横断面を示しており、水素ガスタンク１０は円形の横断面を有している。水素ガスタンク１０内の水素ガスによるライナ１１の内面への内圧ｐがライナ１１の内面に作用すると、ライナ１１及び補強層１２は、水素ガスタンク１０の円周方向へ引っ張り応力σを受ける。

図７（ｂ）は、ライナ１１及び補強層１２の並行バネモデルを示す。水素ガスタンク１０の構造では、ライナ１１及び補強層１２には、図７（ｂ）の並行バネモデルのように、同一の内圧ｐにより引っ張り力を受けて、その引っ張り方向へ同一のひずみが生じる。

補強層１２の劣化事象として、（ａ）ライナ１１と補強層１２との剥離、（ｂ）補強層１２内の局所的な炭素繊維の破断、及び（ｃ）補強層１２内の炭素繊維とエポキシ樹脂の剥離、が考えられる。（ａ）〜（ｃ）の劣化事象は、図７（ｂ）の並行バネモデルにおける補強層１２の剛性の低下につながる。該並行バネモデルから分かるように、ライナ１１及び補強層１２には同一のひずみが作用するので、補強層１２の剛性の低下をライナ１１のひずみから検出することができる。

次に、図８を参照して、ひずみゲージ４０がライナ１１及び補強層１２の両方の寿命を検出するものとなっていることについて説明する。図８のひずみゲージ４０は、ライナ１１の外面と補強層１２の内面との間に介在して、ライナ１１の人工構造不完全部２１におけるひずみを検出する。補強層１２の剛性低下はライナ１１のひずみにつながるので、ひずみゲージ４０が検出するひずみは補強層１２の剛性の低下を含む値になる。

次に、図９を参照して、補強層１２の剛性をパラメータとして水素ガスタンク１０の内圧と、ひずみゲージ４０が検出したひずみとの関係について説明する。同一の内圧に対して、補強層１２の剛性が低下するに連れて、ひずみが増大する。すなわち、図８のひずみゲージ４０が検出したひずみから補強層１２の剛性の低下に因る水素ガスタンク１０の残り寿命を予測することができる。

次に、図１０を参照して、ライナ１１の内面に生じたき裂２５の応力拡大係数について説明する。ライナ１１には、元々、ライナ１１の内面側の内圧ｐから水素ガスタンク１０の円周方向の引張り方向の応力σがかかる。一方、水素ガスタンク１０では、通常、ライナ１１の外面ではなく、内面にき裂２５が発生する。き裂２５がライナ１１の内面に生じると、高圧水素ガスがき裂２５内に進入し、進入した高圧水素ガスによる内圧ｐが、き裂２５を拡開する方向へ作用し、元々の応力σに重ね合わされる。

したがって、水素ガスタンク１０のき裂における応力拡大係数Ｋは、元々の応力σに因る応力拡大係数Ｋ１と、き裂２５内に進入した高圧水素ガスに因る応力拡大係数Ｋ２との和Ｋ１＋Ｋ２となる。したがって、次式が成り立つ。なお、（√Ｘ）はＸの平方根を意味するものとする。また、次式は応力拡大係数についての周知の計算式である。

Ｋ１＝Ｆσ（√πａ）・・・（１）
Ｋ２＝Ｆｐ（√πａ）・・・（２）
Ｋ＝Ｋ１＋Ｋ２＝Ｆ（σ＋ｐ）（√πａ）・・・（３）
ただし、各記号の意味は次のとおりである。
σ：き裂部位の公称応力
ａ：き裂の半長
Ｆ：き裂・構造物の形状、加重による定数

通常の寿命評価試験では、Ｋ１に対応する材料の寿命を調べるが、実際の水素ガスタンク１０の寿命は、Ｋ２を考慮する必要があり、内圧Ｐの圧力効果に相当するＫ２の分だけ、通常の寿命評価試験における寿命よりも低下する。

人工構造不完全部２１（図１）のサイズについて説明すると、図１１のように、最大応力が働く方向に垂直な面に人工構造不完全部２１を投影したときの面積をＳ（単位：平方ｍｍ）を定義すると、人工構造不完全部２１のサイズを、（√Ｓ）＝０．１〜１．０平方ｍｍとなるように設定する。ただし、人工構造不完全部２１の深さと長さの比が５倍以上ある場合には、構造不完全部深さまたは構造不完全部長さのいずれか小さい方の長さを（√１０）倍した値を人工構造不完全部２１のサイズとする。なお、図１１では、人工構造不完全部２１についての投影面積Ｓを定義しているが、自然構造不完全部についての投影面積Ｓについても同様に定義される。

水素ガスタンク１０の製造過程では、通常、長さが０．１ｍｍ程度の構造不完全部（自然構造不完全部）が生じる。そのため、人工構造不完全部２１から確実に疲労破損させて、水素ガスタンク１０の全使用期間にわたり人工構造不完全部２１を水素ガスタンク１０の最大構造不完全部に維持するためには、すなわち人工構造不完全部２１を水素ガスタンク１０の全使用期間にわたり水素ガスタンク１０における最弱部を維持するためには、人工構造不完全部２１は０．１ｍｍ以上のサイズである必要がある。

なお、人工構造不完全部２１は、ライナ１１の外面側に形成されるので、上述（２）式のＫ２に相当する内圧Ｐの圧力効果が働かない。人工構造不完全部２１を、水素ガスタンク１０の全使用期間にわたり水素ガスタンク１０の最弱部として、水素ガスタンク１０における全構造不完全部の内の最大構造不完全部となっていることを保証するためには、人工構造不完全部２１のサイズは、自然構造不完全部のサイズより適当に大きく設定する必要がある。

また、人工構造不完全部２１を、水素ガスタンク１０の全使用期間にわたり水素ガスタンク１０の最弱部に維持する理由は、水素ガスタンク１０の使用期間における各時点の残り寿命は、水素ガスタンク１０における全構造不完全部の内の最大構造不完全部により決定されるので、残り寿命の予測について、最大構造不完全部の大きさだけを観測すれば、その他の構造不完全部の観測を省略することができるからである。

人工構造不完全部２１のサイズは、自然構造不完全部のサイズの２倍程度（例：０．２ｍｍ）以上にすると、ライナ１１の内面側の０．１ｍｍの自然構造不完全部にかかる疲労は、人工構造不完全部２１のサイズが０．１ｍｍのときの半分程度に減少することが分かっている。したがって、人工構造不完全部２１のサイズは、自然構造不完全部のサイズの２倍以上を目安に設定することにより、人工構造不完全部２１を水素ガスタンク１０の全使用期間にわたり水素ガスタンク１０の最弱部に保証することができる。

一方、１ｍｍ以上の構造不完全部では、疲労寿命の低下量が顕著になる。そのため、人工構造不完全部２１を１ｍｍ以上にする場合には、設計許容応力を小さくする等の対応が必要であり、水素ガスタンク１０の重量増大につながってしまう。したがって、前述したように、人工構造不完全部２１の（√Ｓ）の最大は１ｍｍとするのが適切である。

次に、図１２を参照して、ライナ１１が金属ではなく樹脂製である水素ガスタンク１０に適用する寿命検出器について説明する。ライナ１１が金属である場合には、貯蔵空間１３の熱を外部へ放出し易いのに対し、ライナ１１が樹脂である場合には、ライナ１１の加工が簡単になる。

樹脂製のライナ１１では、金属のように、き裂が徐々に進まず、き裂は、一気に進んで、寿命切れにいたる。したがって、人工構造不完全部２１を樹脂のライナ１１に加工して、該人工構造不完全部２１の成長から水素ガスタンク１０の寿命上の現時点位置（又は残り寿命）を検出することは困難である。図１２の検出装置はこれに対処しようとするものである。すなわち、図１２において、薄膜金属プレート５０はライナ１１及び補強層１２とは別途用意される。図１２の検出装置では、前述した図３の構造をライナ１１の外面ではなく、薄膜金属プレート５０に適用する。

薄膜金属プレート５０は、図１の人工構造不完全部２１の深さと等寸法の厚さとされるが、それより厚くしてかまわない。人工構造不完全部２１は、薄膜金属プレート５０を貫通又は有底にして、薄膜金属プレート５０に加工される。クラックゲージ３０は、図１２の人工構造不完全部２１に対し、図３における人工構造不完全部２１に対するクラックゲージ３０の場合と同一の相対位置関係で薄膜金属プレート５０に固着される。クラックゲージ３０の固着面は、薄膜金属プレート５０の補強層１２側の面であっても、ライナ１１側の面であってもよい。なぜなら、クラックゲージ３０は、薄膜金属プレート５０のどちらの面に固着されても、ライナ１１と補強層１２との間に介在することになるからである。

このように、人工構造不完全部２１が加工され、クラックゲージ３０が固着された薄膜金属プレート５０は、ライナ１１の外面と補強層１２の内面との間に介在される。水素ガスタンク１０の使い込みに伴い、き裂２２の長さが増加し、クラックゲージ３０の抵抗値が図４のように、変化する。こうして、ライナ１１が樹脂製となっている水素ガスタンク１０に対しても、水素ガスタンク１０の各使用時点における残り寿命を予測することができる。

図１２では、クラックゲージ３０が薄膜金属プレート５０に装備されているが、図５のひずみゲージ４０を薄膜金属プレート５０に装備してもよい。

次に、図１３を参照して、図１の制御装置４５が実施する水素ガスタンク１０の充填圧制御について説明する。図１３は、制御装置４５が水素ガスタンク１０の各寿命期間において実施する充填圧制御を示している。図２で説明したように、き裂の長さから水素ガスタンク１０の寿命上の現時点位置（又は残り寿命）を予測することができる。一方、水素ガスタンク１０の負荷は、内圧の圧力サイクルにおける最大圧と最小圧との差である内圧振幅が小さいほど、低下するので、内圧の圧力サイクルにおける内圧振幅を小さくすれば、水素ガスタンク１０の延命を図ることができる。

予測部４６は、検出器２０の検出信号を受けて、図４又は図６の特性に基づき人工構造不完全部２１の長さを導出し、導出した人工構造不完全部２１の長さから図２の特性に基づき圧力サイクルの繰返し数ｎを算出する。予測部４６が、ここで算出した繰返し数ｎは、寿命水素ガスタンク１０の寿命上の現時点位置に対応するものとなる。

予測結果表示処理部４７は、予測部４６が算出した繰返し数ｎをそのまま、又は水素ガスタンク１０の寿命上の現時点位置が分かるように、例えばｎ／ｎｅ（ただし、ｎｅは、水素ガスタンク１０の寿命切れ時の圧力サイクル数である。）でディスプレイ（図示せず）に表示して、水素ガスタンク１０の使用者等に知らせる。

入出量制御部４８は、予測部４６が算出した繰返し数ｎに基づき、該ｎが水素ガスタンク１０の寿命のどの期間に対応するかを判断する。図１３では、ｎが属する期間について、０≦ｎ＜ｎ１、ｎ１≦ｎ＜ｎ２、ｎ２≦ｎ＜ｎ３及びｎ３≦ｎ≦ｎｅの４期間に分類する。

入出量制御部４８は、０≦ｎ＜ｎ１の期間では、弁装置１５へ制御信号を送らず、水素ガスタンク１０の充填制御は行わない。すなわち、水素ガスタンク１０への水素ガス充填及び消費は、水素ガスタンク１０の最高充填圧以下の範囲内で使用者の自由に任せられる。

入出量制御部４８は、ｎがそれぞれｎ１≦ｎ＜ｎ２及びｎ２≦ｎ＜ｎ３となっているときは、弁装置１５に対しそれぞれ第１及び第２段充填制御を実施する。入出量制御部４８は、ｎがｎ３≦ｎとなっているときは、水素ガスタンク１０の寿命切れが間近と判断し、弁装置１５を閉止して、水素ガスタンク１０内への水素ガスの充填を中止して、水素ガスタンク１０の使用を禁止させる。

弁装置１５は、入出量制御部４８による第１段充填制御期間では、水素ガスタンク１０内の内圧振幅が第１所定値ａ１内に収まるように水素ガスタンク１０の内圧を制御する。第１段充填制御及び次の第２段充填制御における水素ガスタンク１０の内圧の変化については、図１４及び図１５で説明する。

弁装置１５は、入出量制御部４８による第２段充填制御期間では、水素ガスタンク１０内の内圧振幅が第２所定値ａ２（ただし、ａ２＜ａ１）内に収まるように水素ガスタンク１０の内圧を制御する。

図１４は制御装置４５の入出量制御部４８による弁装置１５の制御の結果、生じる水素ガスタンク１０における圧力サイクルの充填圧（内圧ｐ）の振幅の第１例を示している。圧力サイクルの充填圧の変化を分かり易くするため、図１４及び後述の図１５では、水素ガスタンク１０の最高充填圧（使用開始時の定格充填圧）と大気圧との平均値、充填圧の振幅の中心値を充填圧＝０としている。充填圧は、弁装置１５からのライナ１１内への水素ガスの充填に伴い、上昇し、また、水素ガスタンク１０から燃料電池への水素ガスの供給に伴い、減少する。

圧力サイクルＣ０，Ｃ１，Ｃ２は、図１４の通常充填、第１段充填圧制御、第２段充填圧制御の各期間における圧力サイクルを示している。圧力サイクルＣ０，Ｃ１，Ｃ２における充填圧の振幅はそれぞれａ０，ａ１，ａ２（ａ０＞ａ１＞ａ２）に設定されている。

圧力サイクルＣ０は、充填圧制御の非実施を示し、水素ガスは、水素ガスタンク１０内へ最高充填圧まで充填され、水素ガスタンク１０内が、水素ガスのほぼ空状態を示す大気圧になるまで、消費される。結果、圧力サイクルにおける充填圧の振幅はａ０（＝最高充填圧−大気圧）となる。

圧力サイクルＣ１では、第１段充填圧制御が実施され、充填圧の上限は最高充填圧とされるのに対し、下限は大気圧より適当に高いｐ１とされ、充填圧の振幅はａ１（＝最高充填圧−ｐ１）となる。

圧力サイクルＣ２では、第２段充填圧制御が実施され、充填圧の上限は最高充填圧とされるのに対し、下限はｐ１より適当に高いｐ２とされ、充填圧の振幅はａ２（＝最高充填圧−ｐ２）となる。

図１５は制御装置４５の入出量制御部４８による弁装置１５の制御の結果、生じる水素ガスタンク１０における圧力サイクルの充填圧（内圧ｐ）の振幅の第２例を示している。

図１４における圧力サイクルＣ０，Ｃ１，Ｃ２と図１５における圧力サイクルＣ０，Ｃ１，Ｃ２との相違点は、圧力サイクルＣ０，Ｃ１，Ｃ２では、充填圧の振幅をそれぞれａ０，ａ１，ａ２とするために、図１４における圧力サイクルＣ０，Ｃ１，Ｃ２では下限の充填圧を変更したのに対し、図１５における圧力サイクルＣ０，Ｃ１，Ｃ２では、下限は大気圧に固定して、上限の充填圧をそれぞれｐ３，ｐ４（ｐ３＞ｐ４）としたことである。これにより、ａ１＝ｐ３−大気圧、ａ２＝ｐ４−大気圧となる。

圧力サイクルＣ０，Ｃ１，Ｃ２における充填圧の振幅をａ０，ａ１，ａ２とするために、図１４では、圧力サイクルにおける上限の充填圧を、また、図１５では、圧力サイクルにおける下限の充填圧を、それぞれ変更したが、上限及び下限の両方を変更することも可能である。

発明の実施の形態では、本発明を燃料電池自動車に搭載される圧力容器について説明したが、本発明は、それ以外の圧力容器にも適用することができる。

発明の実施の形態では、本発明を燃料電池自動車に搭載される水素ガスタンク１０について説明したが、本発明は、水素ガス以外の高圧ガスを貯蔵する圧力容器や、自動車の燃料以外に使用される高圧ガスを貯蔵する圧力容器にも適用可能である。

発明の実施の形態では、水素ガスタンク１０の寿命を圧力サイクルの繰返し数を単位にして表現しているが、き裂の長さやひずみそのものを寿命の予測値（各使用時点における残り寿命）とすることもできる。

１０・・・水素ガスタンク、１１・・・ライナ、１２・・・補強層、１３・・・貯蔵空間、２０・・・検出器（検出部）、２１・・・人工構造不完全部、２２，２３，２５・・・き裂、３０・・・クラックゲージ（検出部）、４０・・・ひずみゲージ（検出部）、４５・・・制御装置、４６・・・予測部、４７・・・予測結果表示処理部、４８・・・入出量制御部、５０・・・薄膜金属プレート（金属膜材）。

Claims (5)

1. 加圧された流体を内部に貯蔵するライナと、
   該ライナを囲繞し該ライナを補強する補強層とを備える円柱型の圧力容器であって、
   前記圧力容器の円筒部分において、前記ライナの内面に露出しないように、前記ライナの外面側の金属材料に形成された人工構造不完全部と、
   前記圧力容器への流体の出入に伴う前記圧力容器の内圧の変動の繰返しに因り前記圧力容器の周壁部の円周方向に前記人工構造不完全部から伸び出るき裂の成長から前記ライナと前記補強層との少なくとも一方に依存する寿命関連値を検出する検出部とを備えることを特徴とする圧力容器。
2. 請求項１記載の圧力容器において、
   該圧力容器の構造不完全部について、該構造不完全部に生じる応力のうち、最大応力の生じる方向に対する垂直面への該構造不完全部の投影面積をＳとし、
   前記人工構造不完全部は、その√Ｓがどの自然構造不完全部の√Ｓより大きく、かつその最大応力方向の長さが、該人工構造不完全部の形成に因る圧力容器疲労寿命の低下が許容限度となる寸法以下にされていることを特徴とする圧力容器。
3. 請求項１又は２記載の圧力容器において、
   前記検出部はクラックゲージ又はひずみゲージであることを特徴とする圧力容器。
4. 加圧された流体を内部に貯蔵する樹脂製のライナと、
   該ライナを囲繞し該ライナを補強する補強層とを備える圧力容器であって、
   前記ライナと前記補強層との間に介在する金属膜材と、
   前記金属膜材に設けられている人工構造不完全部と、
   前記圧力容器への流体の出入に伴う前記圧力容器の内圧の変動の繰返しに因る前記人工構造不完全部の成長を前記金属膜材の介在部位における物理量として検出するとともに、該物理量から前記ライナと前記補強層との少なくとも一方に依存する寿命関連値を検出する検出部とを備えることを特徴とする圧力容器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力容器において、
   前記検出部の出力から前記圧力容器の残り寿命を予測する予測部と、
   該予測部が予測する残り寿命が所定値未満であるときに、残り寿命が所定値以上にあるときよりも、圧力容器の内圧の変動幅が減少するように、前記圧力容器内への圧縮流体の入出量を制御する入出量制御部とを備えることを特徴とする圧力容器。