JP7263776B2

JP7263776B2 - 高圧タンク

Info

Publication number: JP7263776B2
Application number: JP2019000693A
Authority: JP
Inventors: 大弥金井; 実小島; 文成雫; 秀介稲木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2039-01-07
Also published as: JP2020109311A

Description

本開示は、高圧タンクに関する。

従来、水素ガスなどの気体を高圧で貯蔵するために、高圧タンクが用いられる。こうした高圧タンクでは、製造や運搬の過程で、不慮の落下などによって容器本体に亀裂などが入ると、ガス漏れを起こす虞がある。例えば、特許文献１には、高圧タンクを安全に使用するために、タンク本体の衝撃に弱い部位として、ライナを構成する胴部とドーム部とのつなぎ目である肩部近傍のドーム部にプロテクタを設けることが提案されている。

特開２０１４－７４４７０号公報

ドーム部には、口金のように、高圧タンクから突出した部位が設けられる場合がある。口金は、例えば、ガスを流入するための流入口を備えるため、プロテクタで直接覆うことは難しい。しかし、中心軸が水平面に対して４５度傾いた状態で高圧タンクが落下し、口金が落下面に衝突すると、口金自体の変形を招くほか、衝突時の反発によって高圧タンクの回転を促し、高圧タンクの他の部位を落下面に衝突させる可能性がある。そこで、プロテクタには、高圧タンクの保護とともに、この突出した部位と落下面との接触を抑制させる構造の検討が求められていた。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］
本開示の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、円筒状の胴部の両端にドーム部を有するタンク本体と、前記タンク本体の中心軸上であって、少なくとも一方側の前記ドーム部に備えられる口金と、前記ドーム部の外表面を覆う保護部材と、を備える。前記保護部材は、前記高圧タンクが、前記保護部材を備える側の前記口金を重力方向側とし、前記中心軸を水平面に対して４５度とされたとき、前記口金の外側の端部を含み前記水平面と平行する平面よりも重力方向側に予め定められた距離突出する突出領域を有し、前記水平面が前記突出領域を前記重力方向に沿って前記タンク本体側に前記予め定められた距離を圧縮させるために必要な圧縮エネルギが、前記水平面に対して前記高圧タンクが予め定められた高さにあるときの前記高圧タンクの位置エネルギより大きくなる関係により決定された形態を備える。
［形態２］
本開示の第二の形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、円筒状の胴部の両端にドーム部を有するタンク本体と、前記タンク本体の中心軸上であって、少なくとも一方側の前記ドーム部に備えられる口金と、前記ドーム部の外表面を覆う保護部材と、を備える。前記保護部材は、前記高圧タンクが、前記保護部材を備える側の前記口金を重力方向側とし、前記中心軸を水平面に対して４５度とされたとき、前記口金の外側の端部を含み前記水平面と平行する平面よりも重力方向側に予め定められた距離突出する突出領域を有し、前記予め定められた距離は、前記水平面が前記予め定められた距離の前記突出領域を前記重力方向に沿って前記タンク本体側に圧縮させるために必要な圧縮エネルギが、前記水平面に対して前記高圧タンクの重心が前記高圧タンクの最大長の半分の高さにあるときの前記高圧タンクの位置エネルギより大きくなるように設定されている。

（１）本発明の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、円筒状の胴部の両端にドーム部を有するタンク本体と、前記タンク本体の中心軸上であって、少なくとも一方側の前記ドーム部に備えられる口金と、前記ドーム部の外表面を覆う保護部材と、を備える。前記保護部材は、前記高圧タンク本体が、前記保護部材を備える側の前記口金を重力方向側とし、前記中心軸を水平面に対して４５度とされたとき、前記口金の外側の端部を含み前記水平面と平行する平面よりも重力方向側に突出する突出領域を有してよい。前記水平面が前記突出領域を前記重力方向に沿って前記タンク本体側に圧縮させるために必要な圧縮エネルギが、前記水平面に対して前記高圧タンクが予め定められた高さにあるときの前記高圧タンクの位置エネルギより大きくなる関係により決定された形態を備えてよい。
この形態の高圧タンクによれば、水平面が突出領域を重力方向に沿って圧縮させるために必要な圧縮エネルギが、予め定められた高さにある高圧タンクの位置エネルギより大きくなる。高圧タンクが落下による運動エネルギが、保護部材の突出領域を圧縮するための圧縮エネルギには及ばず、水平面が口金の外側の端部まで到達しない。したがって、保護部材は、高圧タンク本体を保護するとともに、口金の外側の端部に水平面が接触することを抑制することができる。

高圧タンクを中心軸に沿って断面視する断面図。第１保護部材の周辺を表す拡大断面図。高圧タンクの落下の様子を表す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、高圧タンク１００を中心軸ＡＸに沿って断面視する断面図である。本実施形態の高圧タンク１００は、燃料電池車両に搭載され、水素ガスを貯蔵するためのものである。ここで、高圧タンクとは、日本の高圧ガス保安法に定める高圧タンクである。ＧＨＳの規定に従う高圧タンクであってもよい。高圧タンク１００は、樹脂ライナ１０と、補強層２０と、バルブ側口金３０と、エンド側口金４０と、第１保護部材６１と、第２保護部材６２とを備える。

樹脂ライナ１０は、水素を充填するための空間を形成するためのものであり、樹脂成形によって生産される。補強層２０は、樹脂ライナ１０を補強するために、樹脂ライナ１０の外周を覆う。補強層２０は、繊維強化樹脂からなり、その材料は、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）である。補強層２０は、ＦＷ（Filament Winding）法によって形成される。樹脂ライナ１０と補強層２０とが、高圧タンク１００の容器本体を構成する。

図１に示されるように、タンク本体は、胴板部８０と、胴板部８０の両端に備えられる第１鏡板部９１および第２鏡板部９２とによって構成される。胴板部８０は、樹脂ライナ１０と補強層２０との一部であって、断面形状が直線である円筒状の部位である。この直線の方向は、図１に示された中心軸ＡＸの方向と平行である。この形状から、胴板部８０は、胴部とも呼ばれる。第１鏡板部９１及び第２鏡板部９２は、樹脂ライナ１０と補強層２０との一部であって、胴板部８０でない部位である。すなわち、断面形状が、タンクの長軸方向に沿った直線ではない部位であり、具体的には曲線、通常は半円形形状の部位である。この形状から、鏡板部は、ドーム部とも呼ばれる。

バルブ側口金３０は、ほぼ円筒形状であると共に、外周面から突出する鍔部を備える。バルブ側口金３０は、第１鏡板部９１において樹脂ライナ１０と補強層２０との間に上記の鍔部が挟み込まれて固定される。バルブ側口金３０の内周面は、水素の出入り口として機能する。バルブ側口金３０には図示しないバルブを嵌め合わされる。バルブ側口金３０は、このバルブを備えられることによって樹脂ライナ１０内部を密封するとともに、水素の出入り口を開閉する機能を備える。

エンド側口金４０は、タンクの内部と外部との両方に露出するように、第２鏡板部９２に配置される。このように配置することにより、タンク内部の熱を、外部に放熱できる。またエンド側口金４０は、タンクを封止するとともに、補強層２０を巻き付ける際に樹脂ライナ１０を回転可能に保持するのにも用いられる。放熱の効率を上げるために、エンド側口金４０の材料には、本実施形態では、アルミニウム等の金属が採用されている。

本実施形態の高圧タンク１００では、バルブ側口金３０とエンド側口金４０とは、外形を互いに共通なものとするが、タンク内部を封止しているか否かにおいて相違する。バルブ側口金３０は、タンク本体の中心軸ＡＸ上に位置し、高圧タンク１００の長手方向の一方側の端部を含むように配置され、エンド側口金４０は、他方側の端部を含むように配置される。図１に示す高圧タンク１００の長手方向の最大長ＤＭは、長手方向の一方側の端部であるバルブ側口金３０から、他方側の端部であるエンド側口金４０までの距離である。

第１保護部材６１は、第１鏡板部９１の薄肉部およびその周辺（以下、２つをまとめて「薄肉部等」とも言う）に覆い被さることによって、薄肉部を衝撃から保護する。第１鏡板部９１の薄肉部とは、第１鏡板部９１における補強層２０の肉厚が最も薄い部位のことであり、第１鏡板部９１における中間部である。中間部とは、バルブ側口金３０からも、胴板部８０からも離れた部位のことである。このような薄肉部が出現するのは、ＦＷ法を用いて補強層２０が形成されるからである。薄肉部は、他の部位に比べると、衝撃と高温とに対して弱い。もとより、薄肉部がない場合でも、第１保護部材６１や第２保護部材６２を設けても差し支えない。

第１保護部材６１の形状は、薄肉部に覆い被さるために、円錐面から頂点付近を取り除いたような形状（この形状を「フラットマーカコーン形状」とも呼ぶ）をしており、高圧タンク１００の表面の少なくとも一部を覆う。第１保護部材６１は、型成形によって形成された後、接着剤によって補強層２０の外表面に固定される。

第２保護部材６２は、第２鏡板部９２の薄肉部等に覆い被さることによって、薄肉部を衝撃と高温とから保護する。第２保護部材６２の外形および構造は、第１保護部材６１の外形とほぼ同じである。第２保護部材６２は、接着剤によって補強層２０に固定される。第２保護部材６２は、型成形によって生産される。各保護部材６１，６２は、「プロテクタ」とも呼ばれることがある。本実施形態において、第１保護部材６１および第２保護部材６２の外周は、高圧タンク１００の容器本体の半径を半径Ｒ１としたとき、この半径Ｒ１よりも大きい半径Ｒ２となる位置にまで至る。これにより第１保護部材６１および第２保護部材６２が容器本体の側面側も保護している。

次に、図１とともに図２および図３を用いて、本実施形態の高圧タンク１００が備える第１保護部材６１の構成の詳細を説明する。図２は、高圧タンク１００が備える第１保護部材６１の周辺を表す拡大断面図である。図３は、高圧タンク１００の落下の様子を表す説明図である。図２および図３には、水平面ＨＺに加え、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が示されている。Ｘ方向およびＹ方向は水平面ＨＺに沿った方向であり互いに直交する。Ｚ方向は、重力方向に沿った方向である。

図２に示される高圧タンク１００は、バルブ側口金３０を備える側の端部を重力方向側に向け、中心軸ＡＸを水平面ＨＺに対して角度θ１を傾けた状態である。本実施形態において、角度θ１は４５度である。図２では、第１保護部材６１が水平面ＨＺに接触した時点の状態を模式的に表している。「高圧タンク１００の端部」とは、巨視的に見た場合の高圧タンク１００の長手方向の端部のことを表す。「バルブ側口金３０を備える側の高圧タンク１００の端部」とは、高圧タンク１００の端部に位置するバルブ側口金３０の外側の端部のことをいう。中心軸ＡＸを水平面ＨＺに対して平行にした状態の高圧タンク１００の端部は、バルブ側口金３０の外側の端部、すなわちバルブ側口金３０の端面ＥＦである。他方、図２に示したように、高圧タンク１００の中心軸ＡＸを水平面ＨＺに対して角度θ１に傾けた状態の高圧タンク１００の重力方向側に向けられた端部は、バルブ側口金３０の端面ＥＦのうち最も重力方向側に位置する部分のことを表す。この部分を、以下、「端部ＥＧ」とも呼ぶ。

本実施形態の高圧タンク１００では、端部ＥＧを含み水平面ＨＺと平行する仮想上の平面を平面ＶＰとしたとき、第１保護部材６１は、平面ＶＰよりも重力方向側に突出するようにして形成される。第１保護部材６１のうち、平面ＶＰよりも重力方向側に突出した領域を突出領域ＡＲとも呼ぶ。図２には、技術の理解を容易にするために、突出領域ＡＲにハッチングが施されている。

図２に示されるように、水平面ＨＺに対して中心軸ＡＸを４５度傾けられた状態の高圧タンク１００は、重力方向に沿って水平面ＨＺに向かって移動したとき、すなわち水平面ＨＺに向かって落下したとき、第１保護部材６１の突出領域ＡＲが水平面ＨＺと最初に接触する。突出領域ＡＲは、水平面ＨＺと接触したあと、水平面ＨＺによって重力方向とは逆向きの抗力を加えられて圧縮される。このとき、水平面ＨＺから突出領域ＡＲに与えられるエネルギは、水平面ＨＺと接触する時点での高圧タンク１００の運動エネルギであり、高圧タンク１００の落下の開始位置の位置エネルギと略同一である。

図３に示されるように、本実施形態において、高圧タンク１００の落下の開始位置は、水平面ＨＺに対して高圧タンク１００の重心ＣＧの高さで設定される。図３では、重心ＣＧの高さは、高圧タンク１００の最大長ＤＭの半分で設定された状態を表している。落下の開始位置は、第１保護部材６１と水平面ＨＺとの距離によって設定されてもよいし、第１保護部材６１と水平面ＨＺとの距離に基づいて算出された重心ＣＧの高さによって設定されてもよい。高圧タンク１００の位置エネルギは、高圧タンク１００の総重量と、重力加速度と、水平面ＨＺに対する高圧タンク１００の高さとを掛け合わせることによって算出できる。本実施形態において、この算出に空気抵抗等による誤差を考慮しないが、考慮してもよい。

図２には、水平面ＨＺと、端部ＥＧを含む平面ＶＰとの距離ＤＴ１が示されている。上述したように、高圧タンク１００は、落下して水平面ＨＺと接触すると、水平面ＨＺは位置エネルギに相当する分の運動エネルギによって突出領域ＡＲを圧縮させる。突出領域ＡＲを圧縮する距離が距離ＤＴ１に到達したとき、水平面ＨＺはバルブ側口金３０の端部ＥＧと接触することとなる。水平面ＨＺが突出領域ＡＲを圧縮する距離は、突出領域ＡＲの形態によって調整できる。突出領域ＡＲの形態とは、例えば、突出領域ＡＲの材料、形状、厚さ、弾性係数といった突出領域ＡＲの形状の変化に影響を及ぼす種々のパラメータであり、突出領域ＡＲを構成する第１保護部材６１の形態によって調整できる。そこで、本実施形態の高圧タンク１００では、突出領域ＡＲの形態、すなわち第１保護部材６１の形態を、距離ＤＴ１分を圧縮させるために必要な圧縮エネルギと、落下の開始位置での高圧タンク１００の位置エネルギとの関係によって決定した。

本実施形態において、第１保護部材６１には、樹脂材料としてのポリウレタンを用いた。ポリウレタンは、添加物や発泡の程度により、静圧縮値を組成に応じて幅広く調整できる。第１保護部材６１は、樹脂材料に限らず、金属や木材、炭素繊維などであってもよく、これらの材料に膨張黒鉛などの添加物を加えてもよい。例えば、第１保護部材６１の硬さの調整は、ポリウレタンを成形する際のポリオール成分とポリイソシアネート成分の組み合わせの調整や、ポリオール成分中の、ポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）やポリマーポリオール（ＰＯＰ）の種類や使用比率の変更によって行うことができる。例えば、ＰＯＰを用いてポリウレタンフォームの硬さを向上させるには、ビニル系モノマの使用量を増やして、ＰＯＰ中のポリマ粒子含量を高めればよい。こうすれば、ポリウレタンは固くなり、同じ荷重に対して、変形しにくくできる。

本実施形態の高圧タンク１００は、上述した材料の調整により第１保護部材６１の強度を調整し、距離ＤＴ１分を圧縮させる圧縮エネルギ＞位置エネルギとの関係を満たすように第１保護部材６１の形態を決定した。距離ＤＴ１とは、突出領域ＡＲに相当する距離である。これにより、第１保護部材６１のうち突出領域ＡＲを圧縮させるために必要な圧縮エネルギ、すなわち第１保護部材６１の距離ＤＴ１分を圧縮させるために必要な圧縮エネルギが、高圧タンク１００の位置エネルギよりも大きくなる。

以上のように、本実施形態の高圧タンク１００によれば、第１保護部材６１の突出領域ＡＲを圧縮させる為に必要な圧縮エネルギが、高圧タンク１００の落下開始位置の位置エネルギよりも大きくなるように第１保護部材６１の形態が構成される。これにより、高圧タンク１００の落下による運動エネルギが、第１保護部材６１の距離ＤＴ１を圧縮するための圧縮エネルギには及ばず、その結果、水平面ＨＺは、バルブ側口金３０の端部ＥＧまで到達しない。したがって、第１保護部材６１は、高圧タンク１００本体を保護するとともに、高圧タンク１００の中心軸ＡＸ上の端部となる端部ＥＧに水平面ＨＺが接触することを抑制することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態の高圧タンク１００では、圧縮エネルギ＞位置エネルギとの関係を満たすように第１保護部材６１を構成する。これに対して、例えば、以下の式（１）～（３）のいずれかを満たすように第１保護部材６１の形態を構成してもよい。
圧縮エネルギ＞位置エネルギ＋α１ …（１）
α１：安全代（α１＞０）
圧縮エネルギ＞位置エネルギ ×α２ …（２）
α２：安全係数（α２＞１）
圧縮エネルギ＞位置エネルギ ×α３ …（３）
α３：高圧タンク１００の耐久性を考慮し、高圧タンク１００に損傷を与えない程度の圧縮エネルギとするための補正値（０＜α３＜１）

（Ｂ２）上記実施形態では、落下の開始位置は、水平面ＨＺに対する高圧タンク１００の重心ＣＧの高さで設定され、重心ＣＧの高さは、高圧タンク１００の最大長ＤＭの半分で設定される。落下の開始位置は、これに限定されず、例えば、重心ＣＧの高さが１．８メートルの高さなどの任意の高さで設定されてよく、高圧タンク１００を搭載する車両の床下から地面までの距離、製造過程の高圧タンク１００の運搬中に発生する最大高さなど、高圧タンク１００の使用状況から適宜に設定してよい。この場合において、第１保護部材６１の距離ＤＴ１分を圧縮させるために必要な圧縮エネルギが、高圧タンク１００の落下の開始位置に応じた位置エネルギよりも大きくなるように、第１保護部材６１の形態が設定されればよい。

（Ｂ３）上記実施形態では、バルブ側口金３０と第１保護部材６１との関係を例に説明したが、エンド側口金４０と第２保護部材６２との関係においても同様な構成を適用してよい。

（Ｂ４）第１保護部材６１には、ポリウレタンのほか、ＥＶＡ樹脂、低密度ポリエチレンなど、静圧縮値が低い種々の軟質樹脂による樹脂材料を適用してよい。そのほか、エポキシ樹脂、尿素樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリカーボネート、ポリアセタール、ＡＢＳ樹脂、高密度ポリエチレンなど、静圧縮値が軟質樹脂より相対的に高い硬質樹脂を用いてもよい。また、アルミニウム、銅、軟鉄などの比較的柔らかい金属を採用しても良い。また、金属とセラミック、樹脂などとの複合材を採用してもよい。更に、金属繊維の集合体や金属繊維を編み込んだもの、ハニカム構造体なども採用可能である。

（Ｂ５）上記実施形態では、第１保護部材６１の距離ＤＴ１を圧縮させる為に必要な圧縮エネルギが、重心ＣＧの高さを最大長ＤＭの半分とする高さでの位置エネルギよりも大きくなるように、第１保護部材６１の材料によって調整される。このように、距離ＤＴ１に相当する圧縮エネルギから第１保護部材６１の材料強度を導くほか、第１保護部材６１の材料強度に合わせて距離ＤＴ１を導くことにより第１保護部材６１の形状を設定してもよい。例えば、重心ＣＧの高さを最大長ＤＭの半分とする高さでの位置エネルギに相当する圧縮エネルギが、第１保護部材６１の５０％を圧縮する圧縮エネルギに相当する場合には、距離ＤＴ１を第１保護部材６１の総厚さの５０％となるように第１保護部材６１の厚みや形状を設定することもできる。長さＤＴ１の調整は、バルブ側口金３０の形状の変更によって端部ＥＧの位置を変えて行ってもよい。すなわち、水平面ＨＺが端部ＥＧに至るまで突出領域ＡＲを圧縮する圧縮エネルギが、所望する高さでの高圧タンク１００の位置エネルギよりも大きくなるように第１保護部材６１の形態や、端部ＥＧの位置、距離ＤＴ１、厚さＤＴ２を適宜に調整すればよい。

（Ｂ６）上記実施形態の高圧タンク１００では、バルブ側口金３０の端面ＥＦのうち最も重力方向側に位置する部分を端部ＥＧとするが、バルブを嵌め合わされた状態のバルブ側口金の端面（例えば、嵌め合わされたバルブの端面）のうち最も重力方向側に位置する部分を端部ＥＧとして、第１保護部材６１の突出領域ＡＲを設定してもよい。

本発明は、上述の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実施形態の技術的特徴は、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。

１０…樹脂ライナ、２０…補強層、３０…バルブ側口金、４０…エンド側口金、６１…第１保護部材、６２…第２保護部材、８０…胴板部、９１…第１鏡板部、９２…第２鏡板部、１００…高圧タンク、ＡＲ…突出領域、ＨＺ…水平

Claims

高圧タンクであって、
円筒状の胴部の両端にドーム部を有するタンク本体と、
前記タンク本体の中心軸上であって、少なくとも一方側の前記ドーム部に備えられる口金と、
前記ドーム部の外表面を覆う保護部材と、を備え、
前記保護部材は、
前記高圧タンクが、前記保護部材を備える側の前記口金を重力方向側とし、前記中心軸を水平面に対して４５度とされたとき、
前記口金の外側の端部を含み前記水平面と平行する平面よりも重力方向側に予め定められた距離突出する突出領域を有し、
前記予め定められた距離は、前記水平面が前記予め定められた距離の前記突出領域を前記重力方向に沿って前記タンク本体側に圧縮させるために必要な圧縮エネルギが、前記水平面に対して前記高圧タンクの重心が前記高圧タンクの最大長の半分の高さにあるときの前記高圧タンクの位置エネルギより大きくなるように設定されている、
高圧タンク。