JPH0755096A - 非円筒形圧縮ガス貯蔵タンク - Google Patents

非円筒形圧縮ガス貯蔵タンク

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JPH0755096A
JPH0755096A JP12133694A JP12133694A JPH0755096A JP H0755096 A JPH0755096 A JP H0755096A JP 12133694 A JP12133694 A JP 12133694A JP 12133694 A JP12133694 A JP 12133694A JP H0755096 A JPH0755096 A JP H0755096A
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JP
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compressed gas
shell
tank
joined
gas tank
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JP12133694A
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Murray W Mahoney
マリー・ダブリュ・マホーニー
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Boeing North American Inc
Original Assignee
Rockwell International Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 自動車の床下などの便利な、および／または
利用可能な空間の寸法に適合するように作られる圧縮ガ
ス貯蔵タンクを提供する。 【構成】 タンク（１０）は少なくとも一部が超塑性成
形可能材料から作られるシェル（１１）を含む。超塑性
材料は内部構造支持部材（１２、１４−１６）およびシ
ェル（１１）の残りの部分に接合される。接合は溶接お
よび／または拡散接合等の公知の方法で行なわれる。内
部支持部材（１２、１４−１６）は超塑性材料を含まな
くともよく、ガス圧フープ応力に最適な抵抗を与えるよ
うに内部に置かれる。タンク（１０）は利用可能な空間
に嵌合するように不規則な形に成形され得る。かかる不
規則な形は相対的にガス格納効率が低いが、これはシェ
ル材料、内部トラス（２２、２４）および強化ビーズま
たはリブの力で補強され、圧縮ガスの生じるフープ応力
を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】本発明は圧縮されたガスを貯蔵するための
タンクに関し、より特定的には、便利な、および／また
は利用可能な空間に適合するように製造可能な軽量圧縮
ガスタンクに関する。
【０００２】
【発明の背景】天然ガスは低排気自動車に燃料を与える
ための主だったものの１つである。今後１０年間に、天
然ガス車（ＮＧＶ）を購入しかつ操作するためのコスト
は電気自動車のコストよりも大幅に少なくなるように計
画されている。現在の技術では、自動車用電力は内燃機
関とは経済的に見て比較の対象とならない。
【０００３】ＮＧＶに燃料を与えるための圧縮天然ガス
（ＣＮＧ）に関する技術の開発は、石油の必要輸入量を
低減し、エネルギーの自給性を確立し、新しい産業およ
び雇用を創出して、米国の貿易収支を改善するなどの強
力な経済的利点を有する。米国本土には２００年分の再
生可能な天然ガスの供給源があると推定され、ＣＮＧの
調達コストは無鉛ガソリンの卸売りコストと変わらな
い。さらに、ＮＧＶの１ガロン当りの走行マイル数はガ
ソリン車とほぼ同じであり、操作コストはガソリン車よ
りも低い。
【０００４】ＣＮＧはあらゆる化石燃料のうちで排気ガ
スが最も少ない。その結果、ＮＧＶは本質的に無煙であ
り、本質的に微粒子を含まない目に見えない排気ガスを
作る。天然ガスの含む重い炭化水素は少ないため、ガソ
リンまたはディーゼル燃料と比べて完全に燃焼し、かつ
僅かな一酸化炭素だけを生成する。ＮＧＶの排気ガス中
の主な炭化水素はＣＨ4 であり、これは空気中で反応し
てオゾンを生成しない。テストではＮＧＶは超低排気車
に規定された排ガスレベルよりも低いレベルを達成する
ことが可能であると示された。
【０００５】無酸化燃焼ＣＮＧで動く車ではエンジン部
品の摩耗に大幅な改良が提供される。燃料の希釈が少な
く、かつ研磨すす粒子によるオイルの汚染が少ないた
め、ピストン、ピストンリング、シリンダ壁、および弁
機構部品の摩耗が少ない。無酸化燃焼ＣＮＧエンジンは
また、より低い燃焼温度で動作し、そのためオイルの酸
化を低減する。ＣＮＧはオクタンの比率が高いため（１
３０）、効率および経済性を上げるために圧縮率の高い
エンジンの設計が可能となる。これらの利点の結果、オ
イル交換、スパークプラグ交換、および点検などの日常
的なメインテナンス活動がＮＧＶではそれほど頻繁でな
くてもよい。これらの要因のために、ＮＧＶは汚染が大
幅に少なく、メインテナンスコストが低く、かつエンジ
ンの寿命が長くなる傾向がある。
【０００６】世界中を走行してきた走行距離２５０億マ
イル以上のＮＧＶを分析すると、ガソリンで走る車より
も実質的に安全であることが示される。ＮＧＶの安全性
の記録が良好であるのは、１つにはＣＮＧの特性のため
である。天然ガスは毒性がなく、空気よりも軽いため
に、ガソリン、メタノール、エタノールおよびディーゼ
ル燃料よりも安全である。これはつまり、もし漏れが発
生した場合でも、天然ガスは消散してしまうだけである
ということである。天然ガスはまた着火に必要なエネル
ギーが高いため、ガソリンと比べて遙かに爆発の可能性
が少ない。天然ガスは体積比約６−１６％の濃度におい
てのみ燃焼する。空気と天然ガスとの混合物は約１３０
０°Ｆで着火するのに対し、ガソリンの場合は８５０°
Ｆで着火する。したがって、タバコの火では天然ガスに
点火することはできない。ＣＮＧに関しての安全性の第
１の懸念は、漏れによってガレージなどの密封されたエ
リア内に濃縮ガスが作られることである。
【０００７】ＮＧＶの開発においては、低重量、低コス
ト、かつ車の中の利用可能な空間の形に適合できる形状
（たとえば典型的なガソリンまたはディーゼル燃料タン
クの形など）のＣＮＧ燃料タンクが長い間求められてき
ている。従来のＣＮＧタンクは鋼または繊維状に巻かれ
たアルミニウムからできた円筒として作られる。鋼タン
クは非常に重く、適合不可能な形状である。繊維状に巻
かれたタンクは適合不可能な形であり、かつ製造経費が
高い。車について言えば、円筒形のＣＮＧタンクは一般
にトランクに置かれ、トランクの中でかなりの容積を占
め、かつ過剰な重量を加える。残念ながら、ＣＮＧ燃料
タンクの重量、コストおよび占有容積は、自動車にＣＮ
Ｇを広く使用するうえで第１の障壁である。したがっ
て、適切な圧縮ガス貯蔵タンクがないためにＮＧＶの開
発が大幅に遅れている。受容可能なタンクを完成させる
ことにより、ＣＮＧは自動車で用いるのに好ましい燃料
となることが可能であり、簡便なガス圧縮装置を住宅の
ガス栓に接続して家に居ながら自動車に燃料を補給する
ことができるようになる。
【０００８】
【発明の概要】本発明は、自動車の床下等の都合のよ
い、および／または利用可能な空間の寸法に適合するよ
うに製作可能な圧縮ガス貯蔵タンクを含む。タンクは、
少なくとも一部が超塑性成形可能材料（たとえばチタ
ン、ニッケル、鉄およびアルミニウム合金、ならびにそ
の適切な積層物など）から作られる、シェルを含む。超
塑性成形可能材料は、シェルの残りの部分に、かつトラ
スまたは床受けはりなどの内部構造支持部材に接合され
る。接合は、たとえば溶接および／または拡散接合など
の公知の方法で行なわれ得る。超塑性成形可能材料の接
合は材料を所望の形に成形する前または後に達成され得
る。シェル材料よりも厚くてもよく、かつ超塑性成形可
能材料を含む必要のない内部支持部材は、ガス圧フープ
応力に対して最適な抵抗を与えるように内部に位置決め
される。内部支持部材の設置および配向は圧縮ガスタン
クの外部シェルのプラスチックの変形を防ぐうえで考慮
すべき重要な点である。この内部支持構造を用いて、本
発明のタンクは不規則な形（壁の厚い円筒の代わりに）
に形成されてもよく、利用可能な空間に適合し、かつそ
の中に入れ子にすることによって、自動車の床の広い部
分の下にタンクを嵌合することが可能となる。かかる不
規則な形ではガス封じ込め効率が相対的に低いため、圧
縮ガスによって生じるフープ応力を抑制するシェル材料
および内部支持部材の力および強靱さで補強される。
【０００９】本発明の主たる目的は、利用可能な、また
は便利な空間の不規則な形状の寸法に適合するように製
作可能な圧縮ガス貯蔵タンクである。本発明の特徴は、
ガス圧フープ応力を抑制する内部支持部材に接合される
超塑性成形可能材料を含む。本発明の利点には、従来の
圧縮ガスタンクと比較して、タンクの設計を適合可能に
し、タンクの重量を低減し、かつ全体の占有容積を少な
くするための様々な製作技術が含まれる。
【００１０】
【好ましい実施例の詳細な説明】本発明は、重量および
占有容積が重要な課題である、自動車のために特に適し
た圧縮ガス貯蔵タンクを含む。従来の圧縮ガス貯蔵タン
クは見慣れた円筒形の鋼または繊維状に巻かれたアルミ
ニウムを含む。鋼タンクは重量が非常に重いために自動
車には適さず、かつ鋼タンクおよび繊維状に巻かれた円
筒形タンクのどちらも占有容積が大きいために受容でき
ない。本発明のタンクは強力な超塑性成形可能材料から
作られ、このため都合のよい利用可能な空間に適合し、
かつその中に入る、不規則な形状にタンクを成形するこ
とが可能となる。
【００１１】超塑性とはチタン、アルミニウム、ニッケ
ル、鋼の合金、およびそれらの様々な積層物などの材料
の、非常に均一に降伏するまで引っ張られて延びる特徴
を指す。超塑性成形（ＳＰＦ）はシート状の金属をダイ
の中へ入れて成形する工程である。ＳＰＦ工程は、成形
するべき金属ブランクをガス圧が加えられる密封ベッセ
ル中に封止し、金属ブランクの温度を超塑性に適した温
度範囲に上げ、成形ガス圧を加えて、制御されたひずみ
率で形を整えられたダイの成形表面に金属ブランクを押
しつけることを含む。超塑性成形の利点は次のとおりで
ある。１）複雑かつ不規則な形の部品の製造。他のどの
ような方法でも製造不可能なものもある。２）跳ね返り
がない。このため、費用のかかる手動でのやり直しを行
なうことなく、正確な繰返し可能な形を製造することが
可能となる。３）強力なアルミニウム合金、α／βチタ
ン合金、ニッケルベースの合金、および鋼を含む様々な
金属の成形。４）半自動化によるコストの最小化。５）
複数の部分を同時に製造。６）ＳＰＦを溶接および／ま
たは拡散接合などの接合技術と組合わせることによっ
て、内部支持された複数のシート状構造を製造。多くの
複雑な部分については、ＳＰＦでは従来の製造技術より
も設計が効率的で、重量が軽く、コストが低い。
【００１２】図１は本発明の圧縮ガス貯蔵タンクの一例
の上面の平面図である。従来の円筒形の代わりに、圧縮
ガスタンク１０は典型的な自動車のガソリンタンクの形
と同じような「スーツケース」型（一例として）に形成
される。しかしながら、非常に高い圧力がかかるため、
普通のガソリンタンクの材料および構造は圧縮ガスの貯
蔵には適さない。超塑性成形の材料および製造技術によ
り、本発明の圧縮ガスタンクは例として挙げた「スーツ
ケース」型のタンク１０に加えて多数の形に形成するこ
とが可能となる。
【００１３】圧縮ガスタンク１０の構成は図２により明
確に示され、これは図１の線２−２に沿って見たタンク
１０の断面図である。図２に示されるように、タンク１
０は、たとえば上面パネル１２、側面パネル１４および
１５、ならびに底面パネル１６などの部分を含み得るシ
ェル１１を含む。シェル１１の少なくとも一部は、一般
に、超塑性成形可能な強力な金属を含む。限定的にでは
なく一例として、シェル１１は強力なアルミニウム合
金、α／βチタン合金、ニッケルベースの合金、超塑性
鋼、またはこれらの金属の組合わせ（アルミニウム合金
とチタン合金など）を積層構造で含み得る。図２に示さ
れるように、パネル１２、１４および１５はタンク１０
が占有するべき空間の形状によって、かつ貯蔵される高
いガス圧に耐え得る能力によって決定される不規則な形
を達成するように超塑性成形される。したがって、シェ
ル１１の部分は強さを増大するために、窪んだ領域およ
び／または畝のある部分１３を含むように形成されても
よい。たとえば底面パネル１６などのシェル１１の他の
部分は超塑性成形を必要としなくてもよい。
【００１４】圧縮ガスタンク１０は支持部材１７および
／または１８などの内部支持構造を含む。構造の枠組み
の内部支持部材の形、数および配置は、貯蔵される圧縮
ガスが発生するフープ応力に耐え得るように、タンク１
０のシェル１１の形によって、かつシェル１１が構造的
に必要とするものによって決定される。典型的には、支
持部材は、重量を低減し、かつ貯蔵されるガスがタンク
１０のコンパートメント間で自由に流れることを可能に
するために排気弁を含む。支持部材は、たとえば溶接ま
たは拡散接合などによって作られる強力な接合でシェル
１１に結合される。シェル１１のパネルは支持部材へ、
かつたとえば上面パネル１２と側面パネル１５との間の
継ぎ目１９などの継ぎ目に沿って互いに接合または溶接
されてもよい。
【００１５】本発明の圧縮ガスタンクを形成する他の方
法は、サンドイッチ構造の「アコーディオン状の伸張」
によるものである。この工程の最初のサンドイッチ構造
２０は図３に概略的に示される。この工程では、２２お
よび２４等のトラスピースは、拡散接合または溶接２３
および２５によってそれぞれ超塑性材料の底面シート２
６に結合される。溶接は底面シート２６の内側からの部
分的溶け込み溶接を含んでもよく、このため外部表面は
溶接材料の落下に起因して生じる表面の粗さがなく滑ら
かなままである。上面シート２８は外部表面からトラス
ピース２２および２４の対向する端縁へそれぞれ２７お
よび２９で溶接され得る。その後、全体構造２０は毛管
ガス挿入装置を除く外周に結合され、それに続いて超塑
性成形工程の間に表面シートの内部成形ガスが適合する
ダイの中へ広がる。２２および２４等のトラスは超塑性
材料を含む必要はない。なぜならこれらの内部支持部材
は超塑性拡張工程の間に「開く」からである。拡張した
超塑性成形された構造は図２に示されるものと同様であ
る。このサンドイッチ構造を拡張する工程は、イズラエ
リ（Israeli)への米国特許第４，３６１，２６２号、お
よびバンプトン（Bampton)への米国特許第４，６０３，
０８９号に詳細に説明され、その教示はここに引用によ
り援用される。
【００１６】本発明の圧縮ガスタンクの最初のモデルを
検討すると、５０００ｐｓｉのテストに耐え得るガスタ
ンク構造を作るためには強力なチタン合金が好ましいこ
とが示される。チタン合金は、重量が軽く、破壊耐性が
あり、非常に強力であり、耐食性があり、超塑性成形で
き、かつ溶接可能であるなどの多数の利点を提供する。
現在のところ、チタンの利用を阻害する主な理由はコス
トが高いことである。鋼の合金は値段が安いが、実質的
に重量が重い。繊維状に巻かれたアルミニウム圧縮ガス
シリンダは商業的に非常に出回っているが、そのコスト
は高い。繊維状に巻かれたアルミニウムタンクは本発明
のタンクと重量およびコストがほぼ同じであるが、不規
則な形状には適合しない。大量生産をすれば適当な超塑
性チタン合金のコストを自動車産業界の既存の製品と競
合できるレベルにまで下げることができると予測され
る。
【００１７】上記のように、本発明の圧縮ガス貯蔵タン
クは内部構造支持部材を有するシェルを含む。シェルの
少なくとも一部は、タンクを利用可能な空間中に入れる
ために不規則な形状に超塑性成形可能な材料を含む。特
定の実施例に関して本発明を説明しかつ例示してきた
が、当業者によって本発明の範囲を逸脱することなく様
々な変化および修正がなされ得る。このため、上に図示
しかつ説明した成形方法および形状は、適合可能な圧縮
ガス貯蔵タンクの製造に用いられ得る形状および方法の
例にすぎず、それを限定するものではない。したがっ
て、本発明は前掲の特許請求の範囲に入るかかる変化お
よび修正を包括するものと意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】「スーツケース」型に成形された本発明の圧縮
ガス貯蔵タンクの上面平面図である。
【図２】不規則な形状に成形された内部支持部材および
シェルを示す、図１に示される圧縮ガスタンクの断面図
である。
【図３】本発明の圧縮ガス貯蔵タンクを超塑性拡張する
前の溶接された成形部材の断面図である。
【符号の説明】
１０ 圧縮ガスタンク １１ シェル １２、１４、１５、１６ 内部支持部材 １９ 継ぎ目

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一部が超塑性成形可能材料か
    ら作られる外部シェルと、 前記シェルに接合される少なくとも１つの内部支持部材
    とを含み、 前記シェルはタンクを置くための利用可能な空間に適合
    する不規則な形を有するように形成され、前記接合され
    た支持部材を有する前記シェルはタンクに貯蔵される圧
    縮ガスによって作られるフープ応力に耐える、非円筒形
    圧縮ガス貯蔵タンク。
  2. 【請求項２】 前記シェルに接合される内部構造支持部
    材の枠組みをさらに含む、請求項１に記載の圧縮ガスタ
    ンク。
  3. 【請求項３】 前記シェルは複数個の部分を含み、前記
    部分はともに接合され、かつ前記内部枠組みに接合され
    てタンクを形成する、請求項２に記載の圧縮ガスタン
    ク。
  4. 【請求項４】 前記シェルの部分は溶接によって互い
    に、かつ前記内部枠組みに接合される、請求項３に記載
    の圧縮ガスタンク。
  5. 【請求項５】 前記超塑性成形可能材料の少なくとも一
    部分は、前記内部枠組みおよび前記シェルの他の部分へ
    接合する前に、前記利用可能な空間に適合するように超
    塑性成形される、請求項３に記載の圧縮ガスタンク。
  6. 【請求項６】 前記超塑性成形可能材料の少なくとも一
    部分は、前記利用可能な空間に適合するように超塑性拡
    張によって形成される前に、前記内部枠組みおよび前記
    シェルの他の部分に接合される、請求項３に記載の圧縮
    ガスタンク。
  7. 【請求項７】 前記シェルは圧縮ガス圧に抵抗するため
    に窪んだ領域を含むように形成される、請求項１に記載
    の圧縮ガスタンク。
  8. 【請求項８】 前記シェルは圧縮ガス圧に対して前記シ
    ェルを強力にするためにリブのついた領域を含むように
    形成される、請求項１に記載の圧縮ガスタンク。
  9. 【請求項９】 前記超塑性成形可能材料は、チタン合
    金、アルミニウム合金、ニッケル合金、鋼およびそれら
    の積層状の複合物からなるグループから選択される材料
    を含む、請求項１に記載の圧縮ガスタンク。
  10. 【請求項１０】 前記シェルは約５０００ｐｓｉまでの
    圧縮ガス圧に耐えるように形成される、請求項１に記載
    の圧縮ガスタンク。
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