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特開2023-180534高圧タンク用プロテクタおよび高圧タンク
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023180534
(43)【公開日】2023-12-21
(54)【発明の名称】高圧タンク用プロテクタおよび高圧タンク
(51)【国際特許分類】
   F17C 13/00 20060101AFI20231214BHJP
   F16J 12/00 20060101ALI20231214BHJP
【FI】
F17C13/00 301Z
F16J12/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022093911
(22)【出願日】2022-06-09
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000028
【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】仲田 好宏
(72)【発明者】
【氏名】荻原 直貴
(72)【発明者】
【氏名】金子 智徳
【テーマコード(参考)】
3E172
3J046
【Fターム(参考)】
3E172AA02
3E172AA05
3E172AB01
3E172BA01
3E172BB05
3E172BB12
3E172BB17
3E172BC01
3E172BC04
3E172BD03
3E172CA13
3E172DA31
3E172EA02
3E172EB02
3J046AA03
3J046AA09
3J046BA03
3J046BD09
3J046BD20
3J046CA01
3J046CA04
3J046DA05
(57)【要約】
【課題】車両搭載性が低下したり、コストが増えたりすることなく、タンク本体の保護機能を向上させることができる高圧タンクを提供する。
【解決手段】高圧タンク用プロテクタであって、ドーム部の外表面に沿ってドーム部の頂からシリンダ部に向かう方向である極方向に延びて配置され、外表面を円周方向に区画する複数の区画プロテクタを備える。外表面をシリンダ部の軸方向に見たとき、円周方向に隣り合う区画プロテクタ間には、極方向に連続する線状の間隙が形成され、ドーム部の外表面をシリンダ部の軸方向に見たとき円周方向に隣り合う区画プロテクタ同士のなす角度をθ、高圧タンクの半径をR、区画プロテクタに予め定められた荷重がかかった際の潰れ代をhとすると、COSθ≧(1-h)/(2×R)の関係を満たす。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
円筒状のシリンダ部の両端にドーム部を有し流体を密封するための内部空間が形成されるタンク本体を備える高圧タンクに用いられる、高圧タンク用プロテクタであって、
前記ドーム部の外表面に沿って前記ドーム部の頂から前記シリンダ部に向かう方向である極方向に延びて配置され、前記外表面を円周方向に区画する複数の区画プロテクタを備え、
前記外表面を前記シリンダ部の軸方向に見たとき、前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間には、前記極方向に連続する線状の間隙が形成され、
前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たとき前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ同士のなす角度をθ、前記高圧タンクの半径をR、前記区画プロテクタに予め定められた荷重がかかった際の潰れ代をhとすると、
COSθ≧(1-h)/(2×R)
の関係を満たす、高圧タンク用プロテクタ。
【請求項2】
複数の前記区画プロテクタは、同一形状をなし、前記円周方向に等間隔に配置されている、請求項1に記載の高圧タンク用プロテクタ。
【請求項3】
前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たときの、前記区画プロテクタの幅の前記極方向の最小値は、前記高圧タンクの半径の20分の1以上である請求項1または請求項2に記載の高圧タンク用プロテクタ。
【請求項4】
前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間に、前記区画プロテクタよりも小さな突出量で前記外表面から突出し、前記区画プロテクタ同士を接続する薄肉部を、さらに備える請求項1または請求項2に記載の高圧タンク用プロテクタ。
【請求項5】
高圧タンクであって、
円筒状のシリンダ部の両端にドーム部を有し、流体を密封するための内部空間が形成されるタンク本体と、
前記ドーム部の外表面に沿って前記ドーム部の頂から前記シリンダ部に向かう方向である極方向に延びて配置され、前記外表面を円周方向に区画する複数の区画プロテクタと、
を備え、
前記外表面を前記シリンダ部の軸方向に見たとき、前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間には、前記極方向に連続する線状の間隙が形成され、
前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たとき前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ同士のなす角度をθ、前記高圧タンクの半径をR、前記区画プロテクタに予め定められた荷重がかかった際の潰れ代をhとすると、
COSθ≧(1-h)/(2×R)
の関係を満たす、高圧タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、高圧タンク用プロテクタおよび高圧タンクに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1に記載される高圧タンクは、タンク本体と、プロテクタと、を備える。タンク本体は、円筒状のシリンダ部の両端に半球面形状のドーム部を有し、流体を密封するための内部空間が形成される。プロテクタは、ドーム部の外表面に設けられる。プロテクタは、タンク取扱い時にタンクが落下したとき等の耐衝撃性を確保するために、外部からの衝撃に対してタンク本体を保護するためのものである。プロテクタは、格子状に形成された樹脂リブを有している。この樹脂リブが変形することでタンク本体への衝撃を吸収し、タンク本体に亀裂などが入らないように保護している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2021-156382号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記のような高圧タンクにおいて、タンク本体の保護機能を一層高めるために、プロテクタの厚さや体積を増大させると、車両搭載性が低下したり、コストが増えたりするという問題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【0006】
(1)本開示の一形態によれば、高圧タンク用プロテクタが提供される。この高圧タンク用プロテクタは、円筒状のシリンダ部の両端にドーム部を有し流体を密封するための内部空間が形成されるタンク本体を備える高圧タンクに用いられる、高圧タンク用プロテクタであって、前記ドーム部の外表面に沿って前記ドーム部の頂から前記シリンダ部に向かう方向である極方向に延びて配置され、前記外表面を円周方向に区画する複数の区画プロテクタを備え、前記外表面を前記シリンダ部の軸方向に見たとき、前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間には、前記極方向に連続する線状の間隙が形成され、前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たとき前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ同士のなす角度をθ、前記高圧タンクの半径をR、前記区画プロテクタに予め定められた荷重がかかった際の潰れ代をhとすると、COSθ≧(1-h)/(2×R)の関係を満たす。
この形態によれば、COSθ≧(1-h)/(2×R)の関係を満たすθの間隔で、ドーム部の円周方向に区画されて設けられる複数の区画プロテクタにより、ドーム部の外表面が覆われる。そして、円周方向に隣り合う区画プロテクタ間には、線状の間隙が形成される。このように、ドーム部の外表面を覆うプロテクタは、円周全域に亘って連続して設けられておらず区画プロテクタにより円周方向に区画されて設けられている。
このため、円周全域に対応するように円環状に連続する単一のプロテクタによってドーム部の外表面の全体を覆う構成と比較して、複数の区画プロテクタにより接地することにより、タンク本体への衝撃の入力を分散させることができる。また、間隙を複数設けることで、間隙がなく同一厚みで円環状に連続した単一のプロテクタと比較して、高圧タンクを軽量化することができる。さらに、間隙を設けることにより、高圧タンクの車載時において周辺部品との干渉を抑制しやすい構成とすることができ、高圧タンクの搭載性を向上させることができる。
(2)上記形態において、複数の前記区画プロテクタは、同一形状をなし、前記円周方向に等間隔に配置されていてもよい。この形態によれば、区画プロテクタの製造が容易である。
(3)上記形態において、前記ドーム部の前記外表面を前記シリンダ部の前記軸方向に見たときの、前記区画プロテクタの幅の前記極方向の最小値は、前記高圧タンクの半径の20分の1以上であってもよい。この形態によれば、高圧タンクの半径に対して、区画プロテクタの幅が過度に狭くなることがなく、区画プロテクタによって覆われるドーム部の外表面の面積を一定量確保できる。このため、区画プロテクタの幅が過度に狭くなることによって衝撃吸収性能が低くなることを抑制できる。
(4)上記形態において、前記円周方向に隣り合う前記区画プロテクタ間に、前記区画プロテクタよりも小さな突出量で前記外表面から突出し、前記区画プロテクタ同士を接続する薄肉部を、さらに備えていてもよい。この形態によれば、区画プロテクタ同士が薄肉部によって接続されるため、強度が増すとともに、タンク本体への取付を容易にすることができる。
本開示は、高圧タンク用プロテクタの形態の他、高圧タンクの形態で実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1】本開示の第1実施形態における高圧タンクの全体を示す側面図である。
図2】高圧タンクの一部を示す断面図である。
図3】高圧タンクの一部を示す平面図である。
図4】高圧タンクの一部を示す斜視図である。
図5】区画プロテクタの設置形態を説明するための略図である。
図6】斜め45度落下試験時の区画プロテクタを示す側面図である。
図7】本開示の第2実施形態の高圧タンクの一部を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
A.第1実施形態:
A1.高圧タンク1の全体構成:
以下、本開示の第1実施形態について、図1図6を参照して説明する。図1は、本開示の第1実施形態における高圧タンク1の全体を示す側面図である。図1において、高圧タンク1の中心軸Cを、一点鎖線にて示している。本実施形態の高圧タンク1は、例えば、水素ガス等の気体を70~80MPa程度の高圧で貯蔵するために使用される。
【0009】
図1に示すように、高圧タンク1は、タンク本体2と、高圧タンク用プロテクタ3,4(以下、単に「プロテクタ3,4」という)と、を備える。図1に示すように、タンク本体2は、中空円筒状をなすシリンダ部21と、シリンダ部21の両側に続く2つのドーム部22,23とに区分可能である。ドーム部22,23は、基部をシリンダ部21の直径と同じ円形状とし、基部から側方へドーム状に膨れ上がった、略半球面形状の一部の形状をなしている。
【0010】
図2は、高圧タンク1の一部を示す断面図であって、高圧タンク1を、中心軸Cを通る水平面で切ったときの断面図である。図2に示すように、タンク本体2は、ライナ24と、補強層25と、バルブ側口金26と、エンド側口金27(図1参照)とを備える。ライナ24は、流体を密封するための内部空間28を内部に形成する。ライナ24は、例えば、高圧タンク1の長手方向の中央で2分割した形状の2つのライナパーツを接合することによって形成されている。ライナ24は、例えば、ナイロン系樹脂(ポリアミド系樹脂)やポリエチレン系樹脂等の合成樹脂、あるいは、アルミニウム合金等の金属によって形成することができ、本実施形態ではナイロンによって形成している。
【0011】
補強層25は、ライナ24の外周面を被覆する。補強層25は、繊維強化プラスチック(FRP)によって形成される層であり、ライナ24の外表面全体を覆っている。具体的には、樹脂を含浸させた繊維束を、フィラメントワインディング法(以下、「FW法」と呼ぶ)によりライナ24の表面に巻回し、その後、樹脂を硬化させた層である。典型的なFW法では、ライナ24のシリンダ部21の外周を被覆するためのフープ巻きと、ドーム部22,23の外周を被覆するためのヘリカル巻きとが利用される。
【0012】
補強層25の樹脂としては、エポキシ樹脂や、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。また、補強層25を構成する繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、およびアラミド繊維等が挙げられる。補強層25は、複数種類(例えば、ガラス繊維とカーボン繊維)の繊維を用いたFW法による巻回を順次行うことで、異なる繊維を備える層を積層させて形成することもできる。本実施形態では、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)から成る層とガラス繊維強化プラスチック(GFRP)から成る層とを順次積層して、補強層25を形成している。
【0013】
バルブ側口金26は、ライナ24の一端側(図1における左側)のドーム部22の頂点の位置に配置されている。バルブ側口金26は、高圧タンク1の内部空間28と連通する貫通孔29を有する。バルブ側口金26は、バルブ側口金26の開口部を開閉する図示しないバルブを備える。エンド側口金27は、ライナ24の他端側(図1における右側)のドーム部23の頂点の位置に配置されている。エンド側口金27は、図示しない有底孔を有する。これらバルブ側口金26およびエンド側口金27は、例えば、ライナパーツの成形時に、インサート成形によってライナパーツに接合される。
【0014】
A2.プロテクタ3,4の構成:
次に、プロテクタ3,4の構成について、図3図5を参照して説明する。プロテクタ3,4は、高圧タンク1の取扱い時に、高圧タンク1が落下したときの耐衝撃性を確保するために、外部からの衝撃に対してタンク本体2を保護するためのものである。プロテクタ3,4は、例えば、弾性を有する発泡ポリウレタン等の樹脂よって形成することができる。プロテクタ3,4は、高圧タンク1の両端にそれぞれ略同様の構成によって設けられている。よって、ここでは、主にバルブ側口金26側のプロテクタ3を例にして説明する。
【0015】
図3は、高圧タンク1の一部を示す平面図であり、バルブ側口金26側から見た図を示している。図4は、高圧タンク1の一部を示す斜視図であり、ドーム部22側から見た図を示している。図3図4に示すように、プロテクタ3は、ドーム部22の円周方向に分割して設けられる複数(本実施形態では8つ)の区画プロテクタ31により構成されている。区画プロテクタ31は、ドーム部22の外表面に沿って、ドーム部22の頂からシリンダ部21へ向かう方向である極方向に延びて配置され、外表面を円周方向に区画する。
【0016】
本実施形態では、各ドーム部22,23に対して、同一形状をなす8つの区画プロテクタ31が、円周方向において放射状に等間隔に均等配置されている。なお、図3図4においては、8つの区画プロテクタ31のうち、一部を省略して図示している。これらの8つの区画プロテクタ31によって、ドーム部22,23の外表面のうち、口金26,27が形成されるドーム部22,23の頂点付近以外の大部分を補強層25の上から覆っている。大部分とは、外周全体のうち概ね75%以上、すなわち270度以上である。
【0017】
8つの区画プロテクタ31を合わせて構成されるプロテクタ3の全体は、ドーム部22の外表面の形状に沿う略半球形状から、頂点付近を取り除いたような形状をなしている。区画プロテクタ31は、ドーム部22の外表面のうち、平面視において中心角が例えば約30~40度の範囲における扇形状に相当する部位のうち、頂点付近を除く部分に対応した形状をなしている。区画プロテクタ31は、径方向の外側へ向かうほど徐々に幅が広くなっており、外径側の幅dは、内径側の幅bよりも大きい。この内径側の幅bが、区画プロテクタ31の幅の極方向の最小値である。区画プロテクタ31の円周方向の端部の外面には、面取り部34が形成されている。
【0018】
図2に示すように、区画プロテクタ31においてドーム部22の外表面に接する内側面32は、ドーム部22の外表面に概ね沿うように、なだらかな曲面形状をなしている。区画プロテクタ31は、ドーム部22の補強層25の外表面における所定位置に対して、接着剤を介して組み付け固定される。区画プロテクタ31は、弾性を有しているため、組み付け時にはその全体形状が若干引き伸ばされるようにして組み付けられる。
【0019】
再び、図3図4を参照する。区画プロテクタ31間には、間隙33が形成されている。間隙33は、ドーム部22の外表面を中心軸Cの方向に見たとき、ドーム部22の径方向に沿って直線状に連続している。間隙33は、径方向の外側へ向かうほど徐々に幅が広くなっており、間隙33の外径側の幅w2は、内径側の幅w1よりも大きい。間隙33は、平面視において、中心角が例えば約10~15度の、円環形状の一部の形状をなしている。第1実施形態において、各区画プロテクタ31は間隙33により完全に分離しており、細分化されている。
【0020】
図5は、区画プロテクタ31の設置形態を説明するための略図であって、ドーム部22の外表面をシリンダ部21の軸方向に見た図を示している。図5に示すように、円周方向に隣り合う区画プロテクタ31同士のなす角度を区画角度θ、高圧タンク1の半径を半径R、区画プロテクタ31の潰れ代を潰れ代hとすると、以下の式(1)の関係式が成り立つ。
COSθ≧(1-h)/(2×R) ・・・(1)
【0021】
なお、「区画角度θ」とは、図5に示すように、シリンダ部21の軸方向に見て、隣り合う区画プロテクタ31間における、区画プロテクタ31の幅方向の中心線C1同士のなす角度である。中心線C1は、高圧タンク1の中心Sを通る。半径Rは、中心Sから、区画プロテクタ31の外径側の端部までの長さであり、高圧タンク1の最外径の長さである。
【0022】
区画プロテクタ31の潰れ代hとは、予め定められた既定の荷重が区画プロテクタ31にかかった際の潰れ代である。既定の荷重とは、高圧タンク1の落下試験を想定した際にかかる荷重である。落下試験としては、高圧タンク1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6は、斜め45度落下試験時の区画プロテクタ31を示す側面図である。斜め45度落下試験とは、高圧タンク1の中心軸Cと、地面とのなす角度を45度とし、高圧タンク1の重心によって適宜定められる規定の高さから高圧タンク1を地面41へ落下させる試験である。
【0023】
図5において中央に位置する区画プロテクタ311の潰れ代hに対して、図5において左隣の区画プロテクタ312の潰れ代が少なくともh/2程度あれば、中央の区画プロテクタ311と隣の区画プロテクタ312との両方で衝撃吸収を行うことができる。上記式(1)は、高圧タンク1の落下時に、複数の区画プロテクタ31により衝撃吸収がなされるようにするための関係式である。θをある程度小さくし、区画プロテクタ31の個数を多くすることで、複数の区画プロテクタ31により接地してより効果的に衝撃を吸収できる可能性が上昇する。なお、区画プロテクタ31の幅bは、例えば高圧タンク1の半径Rの概ね1/20以上であって、かつ、隣り合う区画プロテクタ31が重ならない大きさに設定される。あまりに区画プロテクタ31の幅bが狭くなると、衝撃吸収性能が低くなることが懸念されるためである。区画角度θの具体的な数値としては、概ね15度以下である。
【0024】
(1)上記第1実施形態の高圧タンク1では、ドーム部22,23の外表面の全体を、円環状に連続した単一のプロテクタで覆うのではなく、円周方向に所定角度ごとに略均等に分割された複数の区画プロテクタ31によって覆っている。高圧タンク1が落下した際に、間隙33近傍から接地したときには、例えば隣り合う二つの区画プロテクタ31により衝撃を吸収できる。このため、単一のプロテクタにより接地する場合と比較して、タンク本体2への衝撃の入力を分散させることができる。したがって、落下時のタンク本体2の歪みを抑制できる。
【0025】
上記式(1)を満たした高圧タンク1であって、試験例として、全長L=2000mm、半径R=340mm、プロテクタ3の厚さt=78mm、プロテクタの幅b=30mm、区画角度θ=12度、タンク重量235kgの上記第1実施形態の高圧タンク1を用いて落下試験を行った。本出願人による、タンク落下時における解析試験結果によれば、一体構造のプロテクタを有するタンクと比較して、上記第1実施形態の高圧タンク1では、落下時の衝撃によってタンク本体2に作用する圧縮歪が約1/2程度に減少することが確認できた。
【0026】
(2)また、間隙33を複数設けることで、円環状に連続した単一のプロテクタと比較して、高圧タンク1の車載時において周辺部品との干渉を抑制しやすい構成とすることができる。また、高圧タンク1を軽量化することもでき、高圧タンク1の搭載性を向上させることができる。さらに、プロテクタ3の材料費や、高圧タンク1へ組み付ける際の接着剤を削減することができる。すなわち、上記第1実施形態の高圧タンク1によれば、衝撃に対する十分な強度を担保しつつ、プロテクタ3,4の体積の増大を抑え、車両搭載性の向上やコスト減の効果を奏することができる。
【0027】
(3)上記第1実施形態の高圧タンク1では、複数の区画プロテクタ31は同一構成であるため、区画プロテクタ31の製造が容易である。また、複数の区画プロテクタ31をタンク本体2に容易に組み付けることができる。
【0028】
B.第2実施形態:
次に、第2実施形態について、図7を参照して説明する。なお、第2実施形態において、上記第1実施形態と実質同様の構成については、同一の符号を付すとともに説明は省略する。図7は、第2実施形態の高圧タンク1の一部を示す平面図であり、バルブ側口金26側から見た図を示している。
【0029】
第2実施形態の高圧タンク1は、プロテクタ3において、薄肉部35が形成されている点、および間隙33の深さが小さい点が上記第1実施形態とは異なっている。上記第1実施形態では、各区画プロテクタ31は間隙33により完全に分離して形成されていたが、第2実施形態では、各区画プロテクタ31は、薄肉部35により区画されつつ、薄肉部35を介在させて周状に連続して形成されている。
【0030】
薄肉部35の、ドーム部22,23の外表面からの突出量は、区画プロテクタ31の突出量よりも小さい。この、薄肉部35と区画プロテクタ31との段差によって、間隙33が形成されている。区画プロテクタ31の突出量の一例としては、例えば、面取り部34が形成される最も厚い部位の厚さt(図6参照)である。厚さtは、斜め45度落下試験において、高圧タンク1が接地した際の接地点からタンク本体2までの距離に相当する。
【0031】
第2実施形態においても、上記第1実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、区画プロテクタ31同士が薄肉部35によって接続されるため、プロテクタ3の強度が増すとともに、タンク本体2への区画プロテクタ31の取付を容易にすることができる。
【0032】
C.他の実施形態:
(C1)上記第1実施形態の高圧タンク1が備えるプロテクタ3,4は、8つの区画プロテクタ31で構成されるものとしたが、区画プロテクタ31の数は8つでなくてもよい。区画プロテクタ31の数は、例えば、2つ~8つ、または9つ以上等、2つ以上の任意の整数でもよい。
【0033】
(C2)また、区画プロテクタ31および間隙33の形状についても上記形態に限られない。例えば、複数の区画プロテクタ31は、同一の形状でなくても良い。また、区画プロテクタ31および間隙33の幅は径方向に亘って一定でもよい。
【0034】
本開示は、上記各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各実施形態中の技術的特徴は、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。
【符号の説明】
【0035】
1…高圧タンク、2…タンク本体、3,4…プロテクタ、21…シリンダ部、22,23…ドーム部、24…ライナ、25…補強層、26…バルブ側口金、27…エンド側口金、28…内部空間、29…貫通孔、31,311,312…区画プロテクタ、32…内側面、33…間隙、34・・・面取り部、35・・・薄肉部、41・・・地面
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7