JP7384229B2 - プロテクタを有する高圧タンク - Google Patents

Description

本発明は、プロテクタを有する高圧タンクに関する。

水素ガスなどの気体を高圧で貯蔵する高圧タンクでは、高耐圧が必要なことから、樹脂ライナからなる容器本体の外表面に、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの繊維強化樹脂を巻き付けた補強層を設けることが行なわれている。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、使用中にガス漏れを起こす虞がある。このため、高圧ガス保安法などによって、高圧タンクの安全基準が規定されている。従来から、こうした安全基準を満たし、高圧タンクを安全に使用するために、高圧ガスの容器本体にプロテクタを設けることが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１４－７４４７０号公報

プロテクタを設けると、高圧タンクが落下して衝撃を受けても、容器本体に亀裂が入るといった事態の発生を回避もしくは抑制できる。このため、こうしたプロテクタは、容器本体において比較的衝撃弱い部位、例えば銅板部と鏡板部（ドーム部）とのつなぎ目、いわゆる肩部に設けられることが多い。高圧タンクは、車両に搭載されることから、その外形はできるだけ小さくしたいという要請が存在する。従って、プロテクタとして一層望ましい構造の検討が求められていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

（１）第１の実施態様として、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、容器本体と、前記容器本体の外表面に設けられた繊維強化樹脂からなら補強層と、保護部材とを備える。ここで、保護部材は、当該高圧タンクの表面のドーム部の前記補強層の肉厚が最も薄い薄肉部を少なくとも覆う位置に前記ドーム部表面に接着して配置される第１層と、前記第１層の外側に配置され、前記第１層の側端部も含む前記第１層の外表面の全域を覆うように、前記第１層に接して設けられる第２層とを備えてよい。保護部材の第１層と第２層とは、厚み方向に圧縮可能なポリウレタンの樹脂層であり、前記薄肉部に対応する部分の前記第１層および前記第２層からなる厚みが最も厚くされ、前記第１層は、前記第２層よりも、同じ荷重に対して変形しやすい材質としてよく、厚み方向に５０％圧縮したときの荷重として定義された静圧縮値を用いて、前記第１層の静圧縮値は、前記第２層の静圧縮値の１／１．９以下である。こうすることで、高圧タンクの耐衝撃性能を高めることができる。ここで耐衝撃性能が高いとは、高圧タンクが落下などにより衝撃を受けた場合に、容器本体に破断や亀裂が生じにくいことをいう。同じ高さから落下したときに、一方に破断や亀裂が生じ他方に生じない場合には、他方の高圧タンクが耐衝撃性能が高いと言える。また、こうした落下試験によらずとも、高圧タンクが落下した場合と同じ方向に荷重をかけた場合に、より高い荷重まで、破断や亀裂を生じない場合に、耐衝撃性能が高いとみなしても差し支えない。

（２）こうした高圧タンクにおいて、前記第１層の静圧縮値は、前記第２層の静圧縮値より小さいものとしてもよい。ここで静圧縮値とは、対象が同じ割合、例えば元の厚みの１／２となるのに要する単位面積当りの荷重として定義できる。第１層の静圧縮値は、前記第２層の静圧縮値より小さいものとすれば、第１層の方が同じ荷重に対して変形しやすいものとなり、高圧タンクの耐衝撃性能を高めることができる。

（３）こうした高圧タンクにおいて、前記第１層および前記第２層は、樹脂層としてよい。第１，第２層を共に樹脂層とすれば、保護部材を形成することが容易である。

（４）こうした高圧タンクにおいて、前記第１層および前記第２層は、ポリウレタンの樹脂層としてもよい。ポリウレタンは、その静圧縮値を組成により幅広くコントロール可能なので、所望の保護部材を容易に製造できる。例えば、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を変えたり、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）の種類や使用比率を変えることでも行なうことができる。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。

（５）こうした高圧タンクにおいて、前記第２層は、前記第１層の外表面の全域を覆うように設けてもよい。もとより、一部を覆う構成としてもよい。第１層の外表面全域を覆えば、外部の荷重が第１層に直接加わることがなく、２層構造とした保護部材の機能を十分に引き出すことができる。

（６）こうした高圧タンクにおいて、前記第１層の静圧縮値は、前記第２層の静圧縮値の１／１．９以下としてもよい。こうすれば、保護部材としての耐衝撃性能を十分に高くできる。

（７）上記高圧タンクにおいて、前記保護部材は、鉛直方向に立設した当該高圧タンクを鉛直方向から４５度に傾けた際に、当該高圧タンクが水平面に当接する位置に設けてもよい。こうすれば、４５度傾いて落下する場合の耐衝撃性能を十分なものにできる。

高圧タンクをその中心軸に沿って断面視する断面図である。 保護部材の断面を拡大して示す断面図である。 高圧タンクの落下試験を想定し、高圧タンクがどの程度の荷重に耐えるかを試験した試験装置の概要を示す説明図である。 実施形態の高圧タンクの耐衝撃性能を示すグラフである。 比較例としての高圧タンクの耐衝撃性能を示すグラフである。 補強層であるＣＦＲＰ層の上に設けられた第１層の静圧縮値が、その外側の第２層の静圧縮値よりも小さい場合の荷重の分散の程度を示す説明図である。 補強層であるＣＦＲＰ層の上に設けられた第１層の静圧縮値が、その外側の第２層の静圧縮値よりも大きい場合の荷重の分散の程度を示す説明図である。 第１，第２保護部材の他の構成例を示す拡大断面図である。 第１，第２保護部材の他の構成例を示す拡大断面図である。

図１は、高圧タンク１００を中心軸Ｏ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、自動車に搭載され、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。もとより、ＧＨＳの規定に従う高圧タンクであっても差し支えない。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、バルブ５０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、第１鏡板部９１と、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部位である。この直線の方向は、図１に示された中心軸Ｏの方向と一致する。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。つまり、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、ドーム部と呼ばれることがある。

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。図１では、図示が煩雑になることから、バルブ側口金３０は、断面視を示すハッチングを施していない。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５０は、バルブ側口金３０による水素の出入り口を開閉するために機能する。バルブ５０は、溶栓弁（図示省略）を備える。溶栓弁は、安全弁の一種であり，高圧タンク１００が所定温度以上になった場合に、貯蔵されたガスの圧力を外部に開放する機能を有する。バルブ側口金３０の内周面には雌ねじが、バルブ５０の外周面には雄ねじが形成されている。このねじを締めることによって、樹脂ライナ１０内部が密封される。

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、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。図１では、図示が煩雑になることから、エンド側口金４０についても、断面視を示すハッチングを施していない。

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（以下、この形状を「フラットマーカコーン形状」と言う）をしており、高圧タンク１００の表面を少なくとも一部を覆う。第１保護部材６１の材料には、耐衝撃性を向上させるために、後述する２層の樹脂層からなる構造が採用される。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１保護部材６１，第２保護部材６２が設けられている位置は、バルブ側口金３０を下方向または上方向にして鉛直方向に立設した高圧タンク１００を鉛直方向から４５度に傾けた際に、高圧タンク１００が水平面に当接する位置を含んでいる。

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、第１保護部材６１と同様、２層の内部構造を有する。第２保護部材６２は、型成形によって生産される。第１，第２保護部材６１，６２は、「プロテクタ」と呼ばれることがある。

第１保護部材６１および第１，第２保護部材６１，６２が備える２層構造について、図２を用いて説明する。図２は、第１保護部材６１の断面を拡大して示す断面図である。図示するように、第１，第２保護部材６１，６２は、内側の第１層７１と外側の第２層７２とからなる。第２層７２は、本実施形態では、第１層７１の全領域を覆っている。本実施形態では、第１層７１および第２層７２の材質は、共にポリウレタンであるが、変形のし易さは異なる。第１層７１の方が、第２層７２よりも、外部からの荷重に対して変形しやすい。実施形態では、第１層７１は、密度０．２５ｇ／ｃｍ³ 、静圧縮値５７０ｋＰａ程度の特性を有し、第２層７２は、密度０．６７ｇ／ｃｍ³ 、静圧縮値１１００ｋＰａ以上の特性を有する。ポリウレタンは、添加物や発泡の程度により、こうした物性値をコントロールすることは容易である。添加物としては、膨張黒鉛などが考えられるが、膨張黒鉛を添加してもしなくても、静圧縮値について、上記の値を実現できる。この実施形態では、静圧縮値は、厚み方向に５０％圧縮したときの荷重として定義している。従って、この実施形態では、第２層静圧縮値／第１層静圧縮値の比は、１１００／５７０≒１．９程度である。

上記構造の第１保護部材６１，第２保護部材６２を備えた高圧タンク１００の耐衝撃強度について説明する。図３は、高圧タンクの落下試験を想定し、高圧タンク１００がどの程度の荷重に耐えるかを試験した試験装置の概要を示す説明図である。落下試験としては、高圧タンク１００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３では、試験対象となる高圧タンク１００を斜め４５度にベルトＢＴ等で治具ＧＧに固定し、上方から荷重試験器２１０の加圧板２００により、第１保護部材６１に静荷重を加えるものとした。加圧板２００は、荷重試験器２１０により、下方向に向けて移動し、移動により高圧タンク１００の第１保護部材６１に加わる荷重を、ロードセルなどを利用して測定した。

その結果を図４のグラフに示した。図において、「加圧板変位量」として示した横軸は、加圧板２００が第１保護部材６１に当接した位置からの移動量である。このグラフに示したように、本実施形態の第１保護部材６１を備えた高圧タンク１００は、加圧板変位量ＸＳ１の辺りで、それまで単調増加していた荷重が変動し、高圧タンク１００の樹脂ライナ１０に何らかの破断あるいは亀裂が発生したことが窺えた。このときの荷重は、およそ２００ｋＮ（キロニュートン）弱であった。実際、試験の後で、高圧タンク１００を検査すると、第１保護部材６１の近傍で、樹脂ライナ１０に亀裂が入っているのが見い出された。

他方、図５のグラフは、比較例として示すものであり、第１保護部材６１として、第１層の材料と第２層の材料とを入替えたものを用いた場合を示す。即ち、図５のグラフは、第１保護部材６１として、内側の第１層に静圧縮値１１００の材料を、外側の第２層に静圧縮値５７０程度の材料を用いた場合の試験結果を示している。このグラフに示したように、本実施形態の第１保護部材６１とは第１層，第２層の物性を逆にした第１保護部材を備えた高圧タンク１００は、加圧板変位量ＸＳ２の辺りで、それまで単調増加していた荷重が変動し、高圧タンク１００の樹脂ライナ１０に何らかの破断あるいは亀裂が発生したことが窺えた。このときの加圧板２００の変位量ＸＳ２は、実施形態の高圧タンク１００の場合の変位量ＸＳ１と比べて２０～３０％ほど小さく、破断した際の荷重は、およそ１００ｋＮ（キロニュートン）程度であった。

上記試験結果は、高圧タンク１００を逆向きにして、第２保護部材６２に対して、加圧板２００を当接した状態から、荷重試験器２１０により荷重をかけて試験しても同様であった。また、第１保護部材が一層のものと比較しても、本実施形態の第１保護部材６１や第２保護部材６２を備えた１００は、高い耐衝撃性能を示した。特に、第１および第２層の静圧縮値の比、つまり第１層静圧縮値／第２層静圧縮値が、値１／１．９以下の場合に、耐衝撃性の改善は顕著であった。

以上説明した実施形態によれば、高圧タンク１００の肩部付近に設けられる第１保護部材６１や第２保護部材６２を、２層構造とし、内側の第１層７１の静圧縮値が、外側の第２層７２の静圧縮値よりも小さいものとしている。この結果、一層構造のものや、内側の第１層の静圧縮値が、外側の第２層の静圧縮値よりも大きいものよりも、樹脂ライナ１０が破断したり亀裂を生じたりする荷重が大きくなり、落下などの衝撃に対して、高い耐衝撃性能を実現することが分った。また、同じ耐衝撃性能を実現するのに、従来の保護部材よりも、厚みを減らして、全体を薄くできる。

第１保護部材６１や第２保護部材６２において、内側の第１層７１の静圧縮値が、外側の第２層７２の静圧縮値よりも小さいものが、高い耐衝撃性能を実現する理由は、以下の通りであると考えられる。図６は、補強層２０であるＣＦＲＰ層の上に設けられた第１層の静圧縮値が、その上の、つまり外側の第２層の静圧縮値よりも小さい場合を示す。静圧縮値が低い層を、ここでは「低圧縮強度層」と呼び、静圧縮値がこれと比較して高い層を、「高圧縮強度層」と呼ぶ。図６に例示したように、外側から、つまり第２層である高圧縮強度層側から荷重Ｆが加わると、高圧縮強度層は変形するが、その変形の範囲は小さい。高圧縮強度層の変形が伝わった低圧縮強度層は、外側の第２層より圧縮強度が小さいので、その変形は、広範囲に及ぶ。つまり、内側の第１層から補強層２０であるＣＦＲＰ層に加わる荷重は広い範囲に分散し、単位面積当りの荷重は低く抑えられる。

他方、第１層と第２層との関係が逆になっていると、図７に示すように、外部からの荷重Ｆに対して、外側の第２層とは、低圧縮強度層であるため、容易に変形するが、その変形は、内側の第１層が高圧縮強度層であるため、あまり広がることなく、補強層２０であるＣＦＲＰ層に伝わる。このため、単位面積当りの荷重が大きくなり、樹脂ライナ１０の破断や亀裂を生じさせ易くなる、と考えられる。

第１保護部材６１や第２保護部材６２における第１層７１と第２層７２の硬さの関係は、内側の第１層が、外側の第２層よりも変形しやすければよい。変形のし易さは、第１層７１，第２層７２が共に樹脂層であれば、静圧縮値の大小として規定できる。外側の第２層７２は、樹脂に限らず、金属や木材、炭素繊維などであっても差し支えない。この場合、厚みが５０％となる場合の荷重といった定義は意味をなさないので、静圧縮値を、逆に厚みを圧縮する方向に一定の荷重を加えた場合の変形量の大小で規定しても差し支えない。その他の物性値、例えばヤング率などで変形のし易さを規定することも差し支えない。

第１層と第２層との組合せの例を以下に示す。
第１層 第２層
軟質樹脂 硬質樹脂
軟質術 金属
軟質樹脂 カーボン樹脂
発泡樹脂 硬質樹脂

ここで、軟質樹脂とは、ポリウレタンやＥＶＡ樹脂、低密度ポリエチレン（LDPEまたはPE-LD）など、静圧縮値が低い樹脂である。硬質樹脂としては、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などがあり、代表的な樹脂としては、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樹脂である。

金属には、合金も含む。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。

また、上記実施形態では、高圧タンク１００の第１鏡板部９１と第２鏡板部９２に設けられる第１保護部材６１と第２保護部材６２を異なる符号で示したが、両者は同一の部材であっても差し支えない。また、両者を異なるものとしてもよい。両者が異なるとは、第１層および第２層を構成する材料の少なくとも一部が互いに異なるもの、材料は同一だが厚みや幅などの少なくとも一部が互いに異なるもの、などが有り得る。更に、第１保護部材６１または第２保護部材６２のいずれか一方だけを備えるものとしてもよい。あるいは第１保護部材６１，第２保護部材６２に加えて、更に第３の保護部材を第１保護部材６１，第２保護部材６２に重ならない位置に設けてもよい。

第１保護部材６１や第２保護部材６２は、上記実施形態では、接着剤により、補強層２０に固定したが、両面テープなどで固定してもよく、あるいはベルトなど他の固定部材により固定するものとしてもよい。図２に示した構成では、外側の第２層７２は、第１層７１を完全に覆っており、第１層７１の外周では、直接補強層２０に接している。この部分で、第１層７１は、補強層２０に接着されていていもよいし、接着されていない状態でもよい。あるいは、図８に例示したように、第２層７２ａは、第１層７１の外周方向にははみ出さず、補強層２０に接しない構成としてもよい。

また、第１層７１，第２層７２のいずれか一方は、必ずしも単一の部材である必要はなく、複数の部材に分割されていてもよい。例えば図９に示すように、第２層７２を二つに分け、第２層７２の外側に更に第３層７３を設けて、第１保護部材６１Ａや第２保護部材６２Ａを構成としてもよい。この場合、第１～第３層の静圧縮値をＳＰ１～ＳＰ３とした場合、少なくとも
ＳＰ１＜ＳＰ２ または ＳＰ２＜ＳＰ３
のいずれか一方が満たされればよく、残りの層同士については、静圧縮値の大小は問わない。もとより、同一でも差し支えない。

また、第１層７１を積み重ね方向に分割するのでなく、これとは異なる方向に分割しても差し支えない。第１保護部材６１，第２保護部材６２等は、フラットマーカコーン形状としたが、この形状に限定するものではなく、例えば、第２鏡板部９２側であれば、エンド側口金４０を覆うお椀形状であってもよい。あるいは、中心軸Ｏの方向から見た場合、円形（ドーナッツ形状）である必要はなく、小さな保護部材を複数配置するものとしてもよい。この場合、複数の保護部材は、中心軸Ｏから等距離にある円周上に配置してもよいし、中心軸Ｏから等距離にある円周とは無関係に配置してもよい。例えば、保護部材を、ランダムに配置しもよく、あるいは千鳥配置など、何らかの規則に基づいて配置してもよい。

高圧タンクに貯蔵される流体は、水素以外、例えばメタンガスやプロパンガスでもよい。また、高圧タンクは車載のものに限られず、住宅や研究施設、医療施設などに設置されるものでもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、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、組み合わせを行なうことができる。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、削除することできる。

１０…樹脂ライナ
２０…補強層
３０…バルブ側口金
４０…エンド側口金
５０…バルブ
６１…第１保護部材
６１Ａ…第１保護部材
６２…第２保護部材
６２Ａ…第２保護部材
７１…第１層
７２…第２層
７２ａ…第２層
７３…第３層
８０…胴板部
９１…第１鏡板部
９２…第２鏡板部
１００…高圧タンク
２００…加圧板
２１０…荷重試験器
Ｆ…荷重
ＧＧ…治具
Ｏ…中心軸

Claims (2)

1. 高圧タンクであって、
   容器本体と、前記容器本体の外表面に設けられた繊維強化樹脂からなら補強層と、保護部材とを備え、
   前記保護部材は、
   当該高圧タンクの表面のドーム部の前記補強層の肉厚が最も薄い薄肉部を少なくとも覆う位置に前記ドーム部表面に接着して配置される第１層と、前記第１層の外側に配置され、前記第１層の側端部も含む前記第１層の外表面の全域を覆うように、前記第１層に接して設けられる第２層とを備え、
   前記第１層と前記第２層とは、厚み方向に圧縮可能なポリウレタンの樹脂層であり、前記薄肉部に対応する部分の前記第１層および前記第２層からなる厚みが最も厚く、
   前記第１層は、前記第２層よりも、同じ荷重に対して変形しやすい材質であり、厚み方向に５０％圧縮したときの荷重として定義された静圧縮値を用いて、前記第１層の静圧縮値は、前記第２層の静圧縮値の１／１．９以下である、
   高圧タンク。
2. 前記保護部材の角部には平坦面が設けられ、水平面に鉛直方向に立設させて置かれた当該高圧タンクを鉛直方向から４５度に傾けた際に、前記保護部材の平坦面が前記水平面に当接する位置関係になるように、前記保護部材は当該高圧タンクに設けられている、請求項１に記載の高圧タンク。

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