特許 6623722 高圧タンク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6623722

(24)【登録日】2019年12月6日

(45)【発行日】2019年12月25日

(54)【発明の名称】高圧タンク

(51)【国際特許分類】

   F17C 1/06 20060101AFI20191216BHJP

   F17C 1/16 20060101ALI20191216BHJP

   F16J 12/00 20060101ALI20191216BHJP

【ＦＩ】

   F17C1/06

   F17C1/16

   F16J12/00 A

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-233161(P2015-233161)

(22)【出願日】2015年11月30日

(65)【公開番号】特開2017-48912(P2017-48912A)

(43)【公開日】2017年3月9日

【審査請求日】2018年7月4日

(31)【優先権主張番号】特願2015-173570(P2015-173570)

(32)【優先日】2015年9月3日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002044

【氏名又は名称】特許業務法人ブライタス

(72)【発明者】

【氏名】大宮 慎一

【審査官】 家城 雅美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０１７３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１３９２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭３９−０２６７７５（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２００５−０３６９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／１１１３２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−１１２８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−０７７２００（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１７Ｃ １／００−１３／１８

Ｆ１６Ｊ１２／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ライナーと、前記ライナーの外周面を覆う繊維強化樹脂層とを備え、
前記ライナーは、一方向に延びる円筒状の樹脂製円筒部材と、前記樹脂製円筒部材の両端に接続され、かつドーム状である一対の金属製ドーム部材とを有し、
前記金属製ドーム部材の内面は、前記樹脂製円筒部材の外周面の端部に接合され、かつ前記一方向に延びる円筒状である接合部を含む、高圧タンク。

【請求項2】

前記金属製ドーム部材が、３００〜１２００ＭＰａの引張強度を有する、請求項１に記載の高圧タンク。

【請求項3】

前記金属製ドーム部材が、下記（ｉ）式を満足する破断絞り値を有する、請求項１または請求項２に記載の高圧タンク。
ＲＡ_Ｈ２／ＲＡ_ＡＩＲ≧０．８ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
ＲＡ_Ｈ２：所定の水素圧かつ温度が−４０℃の水素雰囲気での低歪速度引張試験における、試験片の破断絞り値
ＲＡ_ＡＩＲ：温度が−４０℃の大気中での低歪速度引張試験における、試験片の破断絞り値
ここで、前記所定の水素圧は、前記高圧タンクの設計圧力である。

【請求項4】

前記金属製ドーム部材が、下記（ｉ）式を満足する破断絞り値を有する、請求項１または請求項２に記載の高圧タンク。
ＲＡ_Ｈ２／ＲＡ_ＡＩＲ≧０．８ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
ＲＡ_Ｈ２：所定の水素圧かつ温度が−４０℃の水素雰囲気での低歪速度引張試験における、試験片の破断絞り値
ＲＡ_ＡＩＲ：温度が−４０℃の大気中での低歪速度引張試験における、試験片の破断絞り値
ここで、前記所定の水素圧は、７０ＭＰａである。

【請求項5】

前記ライナー全体の前記一方向における長さが、前記樹脂製円筒部材の外径の２倍を超える、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の高圧タンク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は高圧タンクに係り、特に、２０ＭＰａを超える高い圧力のガスを貯蔵するための高圧タンクに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球温暖化問題への対策および石油資源の地政学的なリスクの回避等の観点から、水素または天然ガス等を使用して走行する車両の開発が進められている。これらを車両には、ガスを高圧の状態で貯留しておくことが可能な高圧タンクが搭載されているのが主流である。また、水素ステーション等で充填前に高圧にした水素を一時的に貯蔵しておく場合でも、車載用と同じような構成の高圧タンクが使用されることがある。

【0003】

高圧タンクは、一般的に、円筒部の両側にドーム部が接続された形状となっており、その構造により、４つのタイプに大別されている。すなわち、金属容器からなるタイプ１、金属容器の円筒部のみに繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなるフープ層が形成されたタイプ２、金属容器の全体にＦＲＰヘリカル層が形成され、円筒部にＦＲＰフープ層が形成されたタイプ３、そして、樹脂製容器の全体にＦＲＰヘリカル層が形成され、円筒部にＦＲＰフープ層が形成されたタイプ４の４つである。なお、ドーム部の少なくとも一方には、ガスを出し入れするための口金が設けられる。

【0004】

水素等を使用して走行する車両において、１回の充填での走行可能距離を長くするためには、より高い圧力（例えば、燃料電池自動車では７０ＭＰａ）でガスが高圧タンクに充填されることが好ましい。上記のうち、２０ＭＰａを超える高圧力下で使用され、かつ車載されるものとしては、主としてタイプ３またはタイプ４の高圧タンクが使われている（例えば、特許文献１および２を参照）。

【0005】

タイプ３の高圧タンクでは、ＪＩＳ Ａ ６０６１等の６０００系のアルミニウム合金をライナーに用いる場合が多い。ライナーは、パイプ形状の素材を熱間で絞り加工してドーム部を成形し、さらに熱処理を施し、口金部を加工する等の複雑な加工工程を経て作られている。そのため、肉厚が部位ごとに異なる形状となる等、ライナーとして応力を一様に分担するような理想的な形状とするのは困難である。

【0006】

また、アルミニウム合金を用いる場合、素材の強度が３００ＭＰａ程度と低いことから、ライナーが担う荷重が比較的小さくなる。さらに、疲労強度を確保するために、自縛処理等を行う必要が生じる。これらのことから、ライナーの設計および製造工程が複雑になるという問題がある。

【0007】

一方、タイプ４の高圧タンクは、ガスを封入する樹脂製のライナーをＦＲＰで強化する構造であり、全ての荷重はＦＲＰが担っている。このため、タイプ３の金属ライナーよりも比強度の高いＦＲＰを用いることで、より軽量化することが可能になる。

【0008】

なお、いずれのタイプの高圧タンクにおいても、ＦＲＰとしては炭素繊維が一般的に用いられており、さらに、強度の補完および衝撃に対する保護等を目的としてガラス繊維またはアラミド繊維等が加えて用いられることもある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００５−０３６９１８号公報

【特許文献2】国際公開第２０１１／１５４９９４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

ここで、ライナーの円筒部およびドーム部における一般的な応力状態について考える。薄肉円筒に内圧が作用している場合を考えると、円筒部においては周辺部の応力集中を除いて、周方向に負荷される応力が、軸方向に比べて２倍の大きさとなることが知られている。高圧の容器では肉厚が大きくなるため、肉厚方向での応力分布が発生するが、基本的には、周方向と軸方向とで負荷される応力に上記のような違いが生じる。そのため、上記の応力の比率にあった強度を持たせるべく、円筒部の設計を行う必要がある。

【0011】

一方、ドーム部においては、半球形状と仮定すると、口金周辺および円筒部との境界付近の応力集中部を除いて、球の中心から径方向に内圧が作用し、面内に一様な２軸の応力が発生する。すなわち、円筒部とドーム部とでは、要求される強度特性が異なる。

【0012】

一般的に、ＦＲＰはライナーに樹脂を含浸させた強化用繊維などを巻きつけていく、いわゆるフィラメントワインディング（ＦＷ）法によって作製される。円筒部については、繊維を一方向に揃え、樹脂をあらかじめ含浸させたプリプレグを巻きつける、シートワインディングによっても作ることができる。しかしながら、曲率が２方向に存在するドーム部では、シートワインディング法の適用は困難である。したがって、ドーム部についてはＦＷ法によってＦＲＰの強化層を形成するのが一般的な方法となる。

【0013】

ＦＷ法では、ライナーの軸方向に対して所定の角度を持った方向に繊維を連続的に巻きつけていく。ＦＲＰは、繊維の方向に対して著しく大きな強度および剛性を発揮する性質を持つ。そのため、巻きつける角度が異なるいくつかのＦＲＰ層を織り交ぜて、各部位に必要な強度特性を発揮させる。前述のように、円筒部に要求される強度は、周方向が軸方向の２倍となる。したがって、軸とほぼ垂直な方向に繊維を巻きつけるフープ巻きと、軸方向にほとんど角度をつけない、低角度のヘリカル巻きとだけでＦＲＰ層を形成できるとすれば、ライナー自体が強度を分担しないタイプ４の高圧タンクの円筒部では、フープ層の層数が、低角度のヘリカル層の２倍程度になることが理想となる。

【0014】

一方、前述のようにドーム部については、径方向に内圧が作用するため、位置によってＦＲＰ層の理想的な繊維方向が異なる。すなわち、円筒部との境界付近ではフープ層に近いような高角度のヘリカル層による強化が要求される。これに対して、口金に近い位置では低角度のヘリカル層による強化が最も効率的である。しかしながら、ＦＷ法では、繊維を連続的に巻きつける方法を取るため、すべての位置で理想的な方向に繊維を巻きつけることはできない。したがって、通常は、数種類の角度のヘリカル層を組み合わせて必要な特性を持つＦＲＰ層を形成する必要がある。

【0015】

ここで、高角度のヘリカル層は、円筒部では円周方向および軸方向に対する強度への寄与が小さく、強度を分担する上で非効率的である。そのため、高角度のヘリカル層の厚さが増えると、必要な強度を確保するためのＦＲＰの使用量が増加し、コストを押し上げる要因となる。

【0016】

また、円筒部とドーム部とを滑らかに接続したとしても、その接続部ではある程度の応力集中が発生する。そのため、接続部におけるＦＲＰ層の厚さを、円筒部の応力集中がない部位に比べて増やす必要がある。しかしながら、ＦＷ法の特性上、ヘリカル巻きについては部位ごとに厚みを変えることができず、接続部のみ厚くすることができない。したがって、タイプ４の高圧タンクでは、上記の応力集中による最大の発生応力に耐え得るよう、全体のＦＲＰ層の厚さを決定することとなり、結果的に、円筒部においては必要以上にＦＲＰ層の厚さが大きくなる。

【0017】

このように、タイプ４の高圧タンクを用いる場合、高価なＦＲＰの使用量を必要最低限に抑えつつ、ＦＷ法によって円筒部およびドーム部のそれぞれに理想的な強度特性を発揮するようにＦＲＰ層を形成するのは困難である。

【0018】

本発明は、上記の問題を解決し、ＦＲＰ層、なかでも高角度のヘリカル層の量を低減させることによって、軽量化および低コスト化の両立が可能な高圧タンクを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の高圧タンクを要旨とする。

【0020】

（１）ライナーと、前記ライナーの外周面を覆う繊維強化樹脂層とを備え、
前記ライナーは、一方向に延びる円筒状の樹脂製円筒部材と、前記樹脂製円筒部材の両端に接続され、かつドーム状である一対の金属製ドーム部材とを有し、
前記金属製ドーム部材の内面は、前記樹脂製円筒部材の外周面の端部に接合され、かつ前記一方向に延びる円筒状である接合部を含む、高圧タンク。

【0021】

（２）前記金属製ドーム部材が、３００〜１２００ＭＰａの引張強度を有する、上記（１）に記載の高圧タンク。

【0022】

（３）前記金属製ドーム部材が、下記（ｉ）式を満足する破断絞り値を有する、上記（１）または（２）に記載の高圧タンク。
ＲＡ_Ｈ２／ＲＡ_ＡＩＲ≧０．８ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
ＲＡ_Ｈ２：所定の水素圧かつ温度が−４０℃の水素雰囲気での低歪速度引張試験における、試験片の破断絞り値
ＲＡ_ＡＩＲ：温度が−４０℃の大気中での低歪速度引張試験における、試験片の破断絞り値
ここで、前記所定の水素圧は、前記高圧タンクの設計圧力である。

【0023】

（４）前記金属製ドーム部材が、下記（ｉ）式を満足する破断絞り値を有する、上記（１）または（２）に記載の高圧タンク。
ＲＡ_Ｈ２／ＲＡ_ＡＩＲ≧０．８ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
ＲＡ_Ｈ２：所定の水素圧かつ温度が−４０℃の水素雰囲気でのＳＳＲＴ試験（低歪速度引張試験）における、試験片の破断絞り値
ＲＡ_ＡＩＲ：温度が−４０℃の大気中でのＳＳＲＴ試験における、試験片の破断絞り値
ここで、前記所定の水素圧は、７０ＭＰａである。

【0024】

（５）前記ライナーの前記一方向における長さが、前記樹脂製円筒部材の外径の２倍を超える、上記（１）から（４）までのいずれかに記載の高圧タンク。

【発明の効果】

【0025】

本発明の高圧タンクによれば、高価なＦＲＰの使用量を抑えつつ、必要な強度を確保することができるため、軽量化および低コスト化の両立が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の一実施形態に係る高圧タンクを模式的に示した図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る高圧タンクが備えるライナーを模式的に示した図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る高圧タンクが備えるライナーを模式的に示した端面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る高圧タンクが備える繊維強化樹脂層の形成過程を説明するための図である。

【図5】高角度ヘリカル層および低角度ヘリカル層の区別の仕方を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

本発明の実施形態の一例を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る高圧タンク１００を模式的に示した図である。本発明の一実施形態に係る高圧タンク１００は、ライナー１と、ライナー１の外周面１ａを覆う繊維強化樹脂（ＦＲＰ）層２とを備える。各構成について、以下に詳しく説明する。

【0028】

１．ライナー
図２は、本発明の一実施形態に係る高圧タンク１００が備えるライナー１を模式的に示した図である。図２に構成を示すように、ライナー１は、一方向（図２中におけるＡ方向）に延びる円筒状の樹脂製円筒部材１１と、樹脂製円筒部材１１の両端に接続され、かつドーム状である一対の金属製ドーム部材１２とを有する。

【0029】

上述のように、高圧タンクの円筒部では、周方向と軸方向とで２対１となる応力が負荷される。そのため、円筒部に、等方的な特性を持つ金属材料のみからなる容器を用いることは理想的ではなく、ＦＲＰ層によって周方向を強化した金属製容器を用いるか、または、周方向と軸方向とが２対１の強度を持つように構成されたＦＲＰ層を備えた樹脂製容器を用いることが理想的となる。

【0030】

タイプ３の容器等で使用される金属製のライナーは、アルミニウム合金または鉄鋼材料で作られることが一般的であり、その比強度（強度／比重）は炭素繊維強化プラスチックに比べて低い。したがって、重量を下げるためには、円筒部には樹脂製の円筒部材を用い、ＦＲＰのみで強度を確保する構成とする方が有利となる。

【0031】

ドーム部については、球形を仮定すると、端部または口金等の応力集中部位を除く部位では、面内で等しい２軸の応力が発生する。そのため、強度に方向性を持ったＦＲＰ層のみで理想的な構成を作りだすのは困難である。これに対して、金属材料は、結晶組織等の分布形態によっては多少の方向性を持つものの、一般的には強度およびヤング率が等方的であるため、一様な２軸の応力を受け持つには好適な材料である。

【0032】

以上のことから、本発明の一実施形態に係る高圧タンク１００においては、ライナー１は、円筒部に樹脂製円筒部材１１を用い、ドーム部に金属製ドーム部材１２を用い、両者を接続させたものとする。このような構成とすることによって、軽量化するとともに、高価なＦＲＰの量を低減し、低コスト化が可能となる。

【0033】

樹脂製円筒部材１１の材質については、水素ガス等の透過を抑制できるものであれば特に制限はなく、例えば、ナイロン系樹脂、ポリエチレン系樹脂等の合成樹脂を用いることができる。

【0034】

また、金属製ドーム部材１２の材質についても特に制限はなく、例えば、アルミニウム合金またはステンレス鋼等を用いることができる。軽量化の観点からは、強度が高い材料を用いることが好ましく、３００ＭＰａ以上の引張強度を有する材料を用いることが好ましく、６９０ＭＰａを超える引張強度を有する材料を用いることがより好ましい。

【0035】

ただし、一般的に高強度な材料は破壊靱性が小さくなるため、あまりに強度の高い材料では予期せぬ小さな損傷から脆性破壊を発生する懸念があり、高圧タンクに要求されるリークビフォアブレイクを達成できない。そのため、金属製ドーム部材１２の引張強度は、１２００ＭＰａ以下とすることが好ましい。

【0036】

また、水素タンクとして使用する場合、高強度な材料ほど水素脆化と呼ばれる現象を起こしやすくなることが知られており、この観点からも金属製ドーム部材１２の引張強度は、１２００ＭＰａ以下とすることが好ましい。

【0037】

上記の水素脆化を防止する観点からは、金属製ドーム部材は、下記（ｉ）式を満足する破断絞り値を有することが好ましい。
ＲＡ_Ｈ２／ＲＡ_ＡＩＲ≧０．８ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
ＲＡ_Ｈ２：所定の水素圧かつ温度が−４０℃の水素雰囲気での低歪速度引張試験における、試験片の破断絞り値
ＲＡ_ＡＩＲ：温度が−４０℃の大気中での低歪速度引張試験における、試験片の破断絞り値
ここで、前記の所定の水素圧としては、高圧タンクの設計圧力とすることが好ましく、７０ＭＰａとすることがより好ましい。

【0038】

上記の（ｉ）式を満足する金属材料としては、ＪＡＲＩ−Ｓ００１およびＫＨＫ−Ｓ０１２８に記載される、アルミニウム合金Ａ６０６１およびＳＵＳ３１６ＬのＮｉ当量を限定した材料が挙げられる。

【0039】

また、上記の金属材料の他に、アルミニウム合金Ａ６０６６、もしくは、ＳＵＨ６６０、ＸＭ−１９（ＡＳＴＭ）などの鋼、または、ＨＲＸ１９（新日鉄住金株式会社製）、ＳＴＨシリーズ（新日鉄住金ステンレス株式会社製）、ＨＰ１６０（ＳＡＮＤＯＶＩＫ社製）などの製品を用いても良い。これらの金属材料を、必要な温度および水素の圧力に応じて使用することが好ましい。

【0040】

金属材料は、一般的にＦＲＰよりも比強度が低い。したがって、金属製ドーム部材の割合をできるだけ小さくすることが、タンク全体の重量を低減する上では有効である。このためには、ライナー１のＡ方向における長さが、樹脂製円筒部材１２の外径の２倍を超える寸法とすることが好ましい。

【0041】

後述するように、本発明に係る高圧タンクは、高角度のヘリカル層の割合を低下させることが可能である。そのため、ライナー１全体の長さに占める樹脂製円筒部材１２の長さの割合が大きくなっても、高角度ヘリカル層による円筒部における強化効率の低下が抑えられる。ただし、樹脂製円筒部材１２の外径に対するライナー１のＡ方向における長さの比が過大になると、容積効率が低下する。したがって、ライナー１のＡ方向における長さは、樹脂製円筒部材１２の外径の１０倍以下とすることが好ましい。

【0042】

図３は、本発明の一実施形態に係る高圧タンク１００が備えるライナー１を模式的に示した端面図である。図３に示すように、金属製ドーム部材１２の内面１２ｂは、樹脂製円筒部材１１の外周面１１ａの端部に接合され、かつＡ方向に延びる円筒状である接合部１２ｃを含む。

【0043】

上述のように、ライナーの円筒部とドーム部との境界付近には、ある程度の応力集中が発生する。そのため、本発明の一実施形態に係る高圧タンク１００では、金属製ドーム部材１２が、樹脂製円筒部材１１の端部の応力集中発生部位まで存在することで、この応力集中を金属製ドーム部材１２に分担させることが可能となり、ＦＲＰの量をさらに低減することが可能となる。

【0044】

金属製ドーム部材１２の接合部１２ｃのＡ方向の長さａについて特に制限はないが、樹脂製円筒部材１１の長さＬとの関係において、ａ／Ｌの値が０．０２未満となると、金属製ドーム部材１２が応力集中を十分に分担できなくなり、一方、０．１５を超えると、金属材料の量が増えるため全体の重量が増加してしまう。そのため、ａ／Ｌの値は、０．０２〜０．１５とすることが好ましい。

【0045】

樹脂製円筒部材１１と金属製ドーム部材１２との接合方法については特に制限はなく、接着剤等を用いて接合させれば良い。

【0046】

なお、一対の金属製ドーム部材１２のうち、少なくとも一方には、ガスの出し入れのための口金１３を設置することとなる。図３に示すように、口金１３は金属製ドーム部材１２と一体としても良いし、別々に作製した上でガスをシールすることができるよう適切に接合した構成としても良い。

【0047】

応力集中は口金に近い部分においても発生するため、主として低角度のヘリカル巻きの量と口金近辺の金属製ドーム部材の厚さとを適切に設定することが好ましい。一方、高角度のヘリカル巻きの量を変化させても、口金近辺における金属製ドーム部材の強度にはほとんど影響しないため、高角度ヘリカル層の厚さを増加させる必要は生じない。

【0048】

２．繊維強化樹脂（ＦＲＰ）層
本発明の高圧タンクにおけるＦＲＰ層２の構造については特に制限はなく、フープ層、高角度ヘリカル層および低角度ヘリカル層を適宜組み合わせることで形成することができる。ただし、上述のように、高角度のヘリカル層は、円筒部では円周方向および軸方向に対する強度への寄与が小さく、強度を分担する上で非効率的であるため、その厚さは極力低減することが望ましい。したがって、図４ａに示すように、低角度ヘリカル層を形成した後に、図４ｂに示すように、フープ層を形成することが好ましい。

【0049】

また、円筒部はＦＲＰのみで強度を確保するため、周方向と軸方向とが２対１の強度を持つように構成されたＦＲＰ層を形成することが好ましい。上記の強度特性を満足するためには、フープ層の厚さを２とするのに対して、低角度のヘリカル層の厚さを１程度の比率とすることが望ましい。ただし、上記の構成は同じ種類の炭素繊維のみを用いることを仮定している。強度または剛性の異なる繊維を混合使用する場合は、層の比率の理想値が変化するが、全体としての周方向と軸方向とが２対１の強度を持つように構成することが望ましい。

【0050】

ここで、本発明における高角度ヘリカル層および低角度ヘリカル層の区別の仕方について説明する。図５に示すように、ライナーの外周にＦＲＰを巻きつける際のライナーの軸方向に対する巻きつけ角度をφとしたときに、φ＜１５°となるヘリカル層を低角度ヘリカル層といい、φ≧１５°となるヘリカル層を高角度ヘリカル層ということとする。

【0051】

なお、ＦＲＰは、熱硬化性樹脂を含浸した強化繊維を熱硬化させたものである。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等を用いることができる。また、強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、アルミナ繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の合成有機繊維、またはこれらの組み合わせを用いることができる。

【0052】

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【実施例】

【0053】

表１に示す試験Ｎｏ．１〜４の高圧タンクを用いて、本発明に係る高圧タンクに必要なＦＲＰの使用量の評価を行った。試験Ｎｏ．１の高圧タンクは、従来のタイプ４のタンクである。すなわち、樹脂製ライナーに、表１に示す層数からなるフープ層、高角度ヘリカル層および低角度ヘリカル層を形成したものである。

【0054】

これに対して、試験Ｎｏ．２〜４の高圧タンクは、樹脂製円筒部材の両端に金属製ドーム部材を接続させた後に、表１に示す層数からなるフープ層、高角度ヘリカル層および低角度ヘリカル層を形成したものであり、本発明の規定を満足する高圧タンクである。金属製ドーム部材の材質として、試験Ｎｏ．２では、３２０ＭＰａの引張強度を有するアルミニウム合金Ａ６０６１−Ｔ６（ＪＩＳ規格）を用いており、試験Ｎｏ．３および４では、７４０ＭＰａの引張強度を有する高強度ステンレス鋼ＨＲＸ１９（登録商標）を用いている。

【0055】

なお、巻きつけ角度φは、高角度ヘリカル層については４０°とし、低角度ヘリカル層については５°とした。また、試験Ｎｏ．１〜４の全てにおいて、高圧タンクの長さ（一方のドーム部の端部から他方のドーム部の端部までの長さ）を９００ｍｍ、円筒部の内径を３００ｍｍとし、設計圧力を７０ＭＰａとした。円筒部の外径については、ＦＲＰの使用量によって異なるが、３５０〜３５６ｍｍとなった。

【0056】

また、試験Ｎｏ．２〜４の金属製ドーム部材について、以下のとおり、ＲＡ_Ｈ２／ＲＡ_ＡＩＲの値を求めた。各金属製ドーム部材から試験片を切り出した後、大気中および７０ＭＰａの高圧水素雰囲気での低歪速度引張試験（ＳＳＲＴ試験）に供し、破断絞り値ＲＡ_ＡＩＲおよびＲＡ_Ｈ２を測定し、ＲＡ_Ｈ２／ＲＡ_ＡＩＲの値を算出した。なお、ＳＳＲＴ試験での雰囲気温度は−４０℃、歪速度は３×１０^−６／ｓとし、上記試験片の形状は、直径３ｍｍの丸棒試験片とした。

【0057】

【表1】

【0058】

それぞれの金属製ドーム部材の厚さについては、円筒部とドーム部との境界付近における応力集中を、試験Ｎｏ．２および４では、金属製ドーム部材が半分程度分担し、試験Ｎｏ．３では、金属製ドーム部材が８０％程度分担するような厚さにしている。この時の金属製ドーム部材の厚さを表１に併せて示す。

【0059】

その結果、表１に示すように、試験Ｎｏ．２および４のタンクでは、高角度ヘリカル層の層数を半分に低減できたため、ＦＲＰの使用量を５％低減させることができた。また、試験Ｎｏ．３のタンクでは、フープ層の層数は増加したものの、高角度ヘリカル層の層数を０とすることができたため、ＦＲＰの使用量を１０％低減させることができた。

【0060】

また、試験Ｎｏ．２のアルミニウム合金ならびに試験Ｎｏ．３および４のステンレス鋼のＲＡ_Ｈ２／ＲＡ_ＡＩＲ値は、それぞれ０．９９および０．９５となった。そのため、それらを金属製ドーム部材に用いた高圧タンクは、７０ＭＰａの高圧水素を充填しても水素脆化による強度低下を防止することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0061】

本発明の高圧タンクによれば、高価なＦＲＰの使用量を抑えつつ、必要な強度を確保することができるため、軽量化および低コスト化の両立が可能となる。

【符号の説明】

【0062】

１．ライナー
１ａ．外周面
２．繊維強化樹脂（ＦＲＰ）層
１１．樹脂製円筒部材
１１ａ．外周面
１２．金属製ドーム部材
１２ｂ．内面
１２ｃ．接合部
１３．口金
１００．高圧タンク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】