(57)【要約】【課題】  耐圧性の確保及び設置スペースの有効利用を達成すべくより合理的に構成された圧力容器を得ること。【解決手段】  その内側に被収容物を収容する管状体１０を備え、管状体の横断面外周形状が非円形を呈する圧力容器において、管状体に生じる応力が均等化するように、管状体の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定した構成の圧力容器、及びその製造方法である。管状体に生じる応力を均等化するにあたり、管状体の横断面形状に対応する所定の壁厚計算区間を設定し、内圧によって壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力を求め、壁厚計算区間における管状体の壁厚は、外面応力と前記内面応力のうちの大きい方の値に対応する厚さとする。また、管状体の横断面外周形状が多角形を呈する圧力容器において、管状体は、多角形の角を形成する２辺の中間部位同士を直結する内部壁１２を備えた構成の圧力容器である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内側に被収容物を収容する管状体を備え、前記管状体の横断面外周形状が非円形を呈する圧力容器において、
前記管状体に生じる応力が均等化するように、前記管状体の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定したことを特徴とする圧力容器。
【請求項２】
前記管状体に生じる応力を均等化するにあたり、前記管状体の横断面形状に対応する所定の壁厚計算区間を設定し、内圧によって前記壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力を求め、前記壁厚計算区間における前記管状体の壁厚は、前記外面応力と前記内面応力のうちの大きい方の値に対応する厚さに設定したことを特徴とする請求項１記載の圧力容器。
【請求項３】
前記管状体の内部を複数に区画したことを特徴とする請求項１又は２記載の圧力容器。
【請求項４】
その内側に被収容物を収容する管状体を備え、前記管状体の横断面外周形状が多角形を呈する圧力容器において、
前記管状体は、前記多角形の角を形成する２辺の中間部位同士を直結する内部壁を備えたことを特徴とする圧力容器。
【請求項５】
前記管状体に生じる応力が均等化するように、前記管状体の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定したことを特徴とする請求項４記載の圧力容器。
【請求項６】
前記管状体に生じる応力を均等化するにあたり、前記管状体の横断面形状に対応する所定の壁厚計算区間を設定し、内圧によって前記壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力を求め、前記壁厚計算区間における前記管状体の壁厚は、前記外面応力と前記内面応力のうちの大きい方の値に対応する厚さに設定したことを特徴とする請求項５記載の圧力容器。
【請求項７】
前記管状体の外周に補強手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の圧力容器。
【請求項８】
その内側に被収容物を収容する管状体を備え、前記管状体の横断面外周形状が非円形を呈する圧力容器の設計方法において、
前記管状体に生じる応力が均等化するように、前記管状体の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定する方法であり、
前記管状体の横断面形状に対応する所定の壁厚計算区間を設定し、内圧によって前記壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力を求め、前記壁厚計算区間における前記管状体の壁厚は、前記外面応力と前記内面応力のうちの大きい方の値に対応する厚さに設定することを特徴とする圧力容器の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その内側に被収容物を収容する管状体を備えた圧力容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧の被収容物（液体、気体、粉体、水素貯蔵合金等）を充填する圧力容器としては、管状体の両端を閉鎖してなるものが知られている。被収容物は、管状体の内側に収容される。管状体の横断面形状は、一般的には円形である。管状体の壁厚は均一に設定される。特許文献１には、横断面形状が円形を呈する管状体を備えた圧力容器が記載されている。特許文献１に記載された圧力容器は、円形の管状体の外周に補強が施されたものである。
【０００３】
また、圧力容器の限られた設置場所における大容量化を考慮すると、横断面形状が円形を呈する管状体は、デッドスペースが生じるという不利がある。この点、特許文献２及び３には、横断面外周形状が四角形を呈する管状体を用いてなる圧力容器が記載されている。このような圧力容器によれば、デッドスペースの問題に対処することが可能である。
【特許文献１】特開平９−４２５９５号公報
【特許文献２】特許第３０３０２６９号明細書
【特許文献３】特開２００４−２２５７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さて、圧力容器は、少ないスペースにより多くの容積を確保することが重要とされ、前述した管状体にも更なる工夫が必要とされている。
【０００５】
特に近年では、排ガスの低減を目指すべく燃料電池車の実用化が推し進められており、燃料電池用の水素タンクとして利用する圧力容器についても、一層の合理化が求められている。例えば、水素タンクについては、安全性を確保すべく過度の高圧化ができないという事情がある。特に、法令で圧力の上限が定められている場合もある。この点、特許文献１のように、横断面形状が円形の管状体の外周に補強を施すことによれば、耐圧性は向上するものの、その容積には圧力の制限からくる限界がある。また、製造コストも割高となる。つまるところ、前述したデッドスペースを利用して容積を増加することが、現状における大きな課題の一つであるといえる。
【０００６】
本発明は、かかる諸事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐圧性の確保及び設置スペースの有効利用を達成すべくより合理的に構成された圧力容器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願第１請求項に記載した発明は、その内側に被収容物を収容する管状体を備え、前記管状体の横断面外周形状が非円形を呈する圧力容器において、前記管状体に生じる応力が均等化するように、前記管状体の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定した構成の圧力容器である。
【０００８】
本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、前記管状体に生じる応力を均等化するにあたり、前記管状体の横断面形状に対応する所定の壁厚計算区間を設定し、内圧によって前記壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力を求め、前記壁厚計算区間における前記管状体の壁厚は、前記外面応力と前記内面応力のうちの大きい方の値に対応する厚さに設定した構成の圧力容器である。
【０００９】
本願第３請求項に記載した発明は、請求項１又は２において、前記管状体の内部を複数に区画した構成の圧力容器である。
【００１０】
本願第４請求項に記載した発明は、その内側に被収容物を収容する管状体を備え、前記管状体の横断面外周形状が多角形を呈する圧力容器において、前記管状体は、前記多角形の角を形成する２辺の中間部位同士を直結する内部壁を備えた構成の圧力容器である。
【００１１】
本願第５請求項に記載した発明は、請求項４において、前記管状体に生じる応力が均等化するように、前記管状体の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定した構成の圧力容器である。
【００１２】
本願第６請求項に記載した発明は、請求項５において、前記管状体に生じる応力を均等化するにあたり、前記管状体の横断面形状に対応する所定の壁厚計算区間を設定し、内圧によって前記壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力を求め、前記壁厚計算区間における前記管状体の壁厚は、前記外面応力と前記内面応力のうちの大きい方の値に対応する厚さに設定した構成の圧力容器である。
【００１３】
本願第７請求項に記載した発明は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記管状体の外周に補強手段を設けた構成の圧力容器である。
【００１４】
本願第８請求項は、その内側に被収容物を収容する管状体を備え、前記管状体の横断面外周形状が非円形を呈する圧力容器の設計方法において、前記管状体に生じる応力が均等化するように、前記管状体の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定する方法であり、前記管状体の横断面形状に対応する所定の壁厚計算区間を設定し、内圧によって前記壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力を求め、前記壁厚計算区間における前記管状体の壁厚は、前記外面応力と前記内面応力のうちの大きい方の値に対応する厚さに設定する構成の圧力容器の設計方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、耐圧性を確保しつつ設置スペースを有効利用することによってその容積を増大した圧力容器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の第１実施例を図面に基づいて説明する。図１に示す本例の圧力容器１は、その内側に被収容物たる圧縮ガスを収容する管状体１０と、管状体１０の両端にそれぞれ装着された端部部材２０とを備えたものである。本例の管状体１０は、アルミニウム合金を押出し成形してなるものである。端部部材２０は、管状体１０の両端部を閉鎖するものであり、その形態は特に限定しない。圧縮ガスの出入口は、端部部材２０に設けられている。
【００１７】
図２は、図１のＸ−Ｘ断面矢視図であって、管状体１０の横断面形状を示す説明図である。同図に示すように、本例の管状体１０は、その横断面外周形状が正四角形を呈するものである。図中の１１は、圧縮ガスの収容部である。即ち、圧力容器１の設置スペースに対し、デッドスペースの少ない非円形とすることにより、圧縮ガスの容積を確保する構成となっている。
【００１８】
ここで、非円形の場合に問題となるのは、耐圧性を確保した場合壁厚が厚くなり、一定の壁厚では重く、また容積が減少してしまうことである。本例では、管状体１０に生じる応力が均等化するように、管状体１０の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定することにより、内圧に対する十分な耐圧性を確保しつつ、駄肉を排して容積の増大および軽量化を果たしている。具体的には、管状体１０に生じる応力を均等化するにあたり、管状体１０の横断面形状に対応する所定の壁厚計算区間を設定し、内圧によってその壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力を求めている。そして、壁厚計算区間における管状体１０の壁厚は、外面応力と内面応力のうちの大きい方の値に対応する厚さに設定している。本願において、壁厚計算区間とは、管状体１０の内側と外側とを隔てる壁の厚さを算出するために設定する区間のことをいう。管状体１０の壁厚は、内外の差圧によって生じる荷重を想定して算出される。本例の場合、壁厚計算区間は、図中の矢印Ａで示した範囲であり、正四角形の４辺にそれぞれ対応するように設定している。
【００１９】
壁厚計算区間には、図３に示すような荷重分布が生じると想定できる。そして、これらの荷重による合応力の分布中、最大値が許容応力となるように壁厚を設定すれば耐圧性を確保できる。しかし、従来のように前記の最大応力に対応した一定の壁厚では、応力が小さく強度に余裕がある部位ができる。よって、全ての部位での合応力が許容応力に対して均等となるように管状体１０の壁厚を設定すれば、耐圧性を確保しつつ、無駄のない構成となる訳である。前記、合応力の分布は、外面から内面にかけて厚み方向で差異を生じるが、外面または内面何れかにおいて最大となるため、周方向の各部位において外面応力と内面応力を算出し、何れか大きい方の値に対応するように壁厚を設定すればよい。
【００２０】
図４は、壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力に対応する壁厚を示すグラフである。管状体１０の壁厚は、外面応力と内面応力のうちの大きい方の値に対応する厚さに設定する。すなわち、管状体１０の外周側を平坦とするのであれば、収容部１１側の断面形状は、同グラフに丸印で示した曲線形状となる。収容部１１の横断面輪郭は、かかる曲線形状を環状に連続してなる形状となっている。このような構成によれば、圧力容器１の耐圧性を確保しつつ、管状体１０の肉厚を無駄なく設定することができる。尚、管状体に生じる応力は、角部や外壁と内部壁との交差部など、形状変化の大きい部分では完全に均等になることはなく、耐圧性を優先して適宜、余裕を持たせることが望ましい。収容部１１の横断面輪郭の形状については、更にＦＥＭ解析等を行い、計算結果の確認・補正を行うとよい。
【００２１】
本例における各部の構成は、特許請求の範囲に記載した技術的範囲において適宜に設計変更が可能であり、図例説明したものに限定されないことは勿論である。また、本例の管状体１０は、押出し成形にて作成したものであるが、その製法も特に限定はしない。例えば、圧力容器１の性能・用途に応じて、射出成形された樹脂製の管状体を用いることも可能である。
【００２２】
次に、本発明の第２実施例を図５に基づいて説明する。同図に示すように、本例の管状体１０は、その収容部１１を複数に区画してなるものである。壁厚計算区間は、各収容部毎にそれぞれ設定している。その他の基本構成は、前述した実施例と同様である。このように収容部１１を区画すれば、圧力容器１の耐圧性を確保しつつ壁厚を薄く設定することができ、その結果、容積を増大し、軽量化することが可能である。
【００２３】
次に、本発明の第３実施例を図６に基づいて説明する。本例の管状体１０は、収容部１１を更に細分化したものである。その他の基本構成は、前述した実施例と同様である。このような構成によると、更に容積を増大し、軽量化することが可能である。
【００２４】
次に、本発明の第４実施例を図７及び図８に基づいて説明する。本例の管状体１０は、正四角形の角を形成する２辺の中間部位同士を直結する内部壁１２を備えたものである。図例の内部壁１２は、２辺の中間部位同士を直線的に連結している。このような内部壁１２によれば、管状体１０の横断面における内部壁の総延長を短くできるため、圧力容器１の容積を増大し、軽量化することが可能である。尚、押出し成形が困難となる場合は、図８に示すように、それぞれ押出し成形された管状体構成部材１０ａを接合して管状体１０を構成するとよい。このような構成によると、複雑な形状の管状体を比較的容易に製造することが可能となる。
【００２５】
次に、本発明の第５実施例を図９に基づいて説明する。第４実施例で示した管状体１０において、図中の矢印Ａ、Ｂ、Ｃで示した範囲を壁厚計算区間として、管状体１０に生じる応力が均等化するように、管状体１０の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定したものである。このように管状体１０の駄肉を排することで更に容積を増大し、軽量化することが可能である。
【００２６】
次に、本発明の第６実施例を図１０に基づいて説明する。本例の管状体１０は、その外周に補強手段を設けてなるものである。本例の補強手段は、管状体１０の外周面に高強度部材を装着して設けられている。高強度部材１３としては、カーボン繊維を束ねてなるものを採用している。或は、鉄板等を採用することも可能である。その他の基本構成は、前述した実施例と同様である。このような構成によると、圧力容器１の耐圧性を一層向上することができる。特に、管状体１０の壁厚をより薄型化することが可能となる。
【００２７】
本願発明者は、前述した各実施例の圧力容器１について、図１１乃至図１３に示す比較サンプルとともに性能を検証した。図１４及び図１５は、その検証データを示すグラフである。図１４は、圧力容器１のスペース効率を示すグラフである。スペース効率とは、圧力容器１が占める設置スペースにどれだけの圧縮ガスを収容できるかを表す効率である。同図の縦軸は、単位スペース当りの充填量、すなわち比スペース充填量であり、この値が大きい程、スペース効率が高く、より大きな容積を確保することが可能となる。また、図１５は、圧力容器１の重量効率を示すグラフである。重量効率とは、圧力容器１の重量に対してどれだけの圧縮ガスを収容できるかを表す効率である。同図の縦軸は、単位重量当りの充填量、すなわち比重量充填量であり、この値が大きい程、重量効率が高く、より軽量化することが可能となる。尚、かかる検証は、２００ｍｍ×２００ｍｍ×８００ｍｍの設置スペースを想定して行ったものである。すなわち、圧力容器１の設計は、所定の設置スペースに基づいて行うとよい。無論、設置スペースの大きさ・形は、これに限定されるものではない。
【００２８】
比較サンプルとする図１１の管状体１００は、横断面形状が円形のものである。その外径直径は、前述した第１実施例における正四角形の１辺の長さと等しく設定されている。収容部１０１は円形である。また、図１２の管状体１００は、外周にカーボン繊維１０２を設けてなるものである。その他の構成は図１１に示すものと同様である。更に図１３は、その横断面外周形状が正四角形を呈するものであり、且つ、管状体１００の壁厚を均一に設定してなるものである。
【００２９】
尚、各グラフにおいては、図１１に示す比較サンプルの実施例を「円形アルミ」、図１２に示す比較サンプルの実施例を「円形複合」、図１３に示す比較サンプルの実施例を「角型定肉厚」、図２に示す本願発明の第１実施例を「角型肉厚最適化」、図５に示す本願発明の第２実施例を「角型縦横リブ２分割」、図６に示す本願発明の第３実施例を「角型縦横リブ３分割」、図９に示す本願発明の第５実施例を「角型斜めリブアルミ」、図１０に示す本願発明の第６実施例を「角型斜めリブ複合」と称する。
【００３０】
図１１に示すように、アルミニウム合金のみで円形の管状体を構成すると、低圧で使用するには重量効率は良いが、高圧に耐えようとするとスペース効率及び重量効率ともに低下する。すなわち容積は少なくなり、重量がかさむことになる。
【００３１】
これに対し、図１２に示すように、カーボン繊維にて補強を施せば、スペース効率及び重量効率ともに向上し、また高圧にも適したものとなる。特に重量効率の向上は顕著であり軽量化への効果が大きい。
【００３２】
一方、図１３に示すように、円形による無駄な空間を利用すべく管状体を角型の均等な壁厚にしたところ、耐圧性を確保するためには壁厚が厚くなってしまい、スペース効率及び重量効率ともに低くなり、結果的に、円形のものよりも容積は小さく重量がかさむものとなってしまった。
【００３３】
図２に示す本願発明の第１実施例によれば、図１３に示すものよりスペース効率及び重量効率ともに向上し、高圧になると図１１に示すものよりスペース効率及び重量効率ともに向上し、容積が大きく、且つ軽量になるという利点が得られた。
【００３４】
図５に示す本願発明の第２実施例によれば、図２に示すものと比較して、スペース効率及び重量効率ともに更に向上し、容積が大きく、且つ軽量になるという利点が得られた。
【００３５】
図６に示す本発明の第３実施例によれば、図５に示すものと比較すると、スペース効率及び重量効率ともに更に向上しており、収容部１１を細分化するほど容積が大きく、且つ軽量になるという利点が得られるが、その性能向上の度合は小さい。
【００３６】
図９に示す本発明の第５実施例によれば、図６に示すものと比較して、顕著な性能向上が達成された。スペース効率では図１１に示すものを上回るのみでなく、低圧において図１２に示すものをも上回っている。重量効率では極低圧を除いて図１１に示すものを上回っている。すなわち、より容積が大きく、且つ軽量になるという利点が得られた。
【００３７】
図１０に示す本発明の第６実施例によれば、図９に示すものに対し、更なる性能向上が達成された。スペース効率では図１２に示すものを上回っており、実施例のうち最大となる。重量効率では低圧でも図１１に示すものを上回っている。また高圧でも効率の低下がなく高圧での使用に適した特性となっている。
【００３８】
管状体１０は、その使用条件を踏まえつつ、このような検証データに基づく各構成の利点を考慮して設計するとよい。その効果として、より優れた圧力容器を得ることができ、製造コストの低減も可能となる。特に、圧力容器の使用形態によっては、その放熱性も重要となる場合がある。この点、管状体１０の壁厚をその部位に応じて異なる厚さに設定したり、管状体１０の内部を区画したりすることによれば、管状体１０と被収容物との接触面積が増大するので、放熱性にも優れた圧力容器となる利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の圧力容器は、燃料電池車に搭載する水素タンクとして好適に利用することが可能である。また、ＣＮＧ車に搭載されるＣＮＧ貯蔵タンク、水素スタンドの貯蔵タンク、家庭用のＬＰＧタンク、消火器等として利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例に係り、圧力容器の縦断面を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例に係り、管状体の横断面形状を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例に係り、壁厚計算区間に生じる荷重分布を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例に係り、壁厚計算区間に生じる外面応力と内面応力に対応する壁厚を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例に係り、管状体の横断面形状を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例に係り、管状体の横断面形状を示す説明図である。
【図７】本発明の実施例に係り、管状体の横断面形状を示す説明図である。
【図８】本発明の実施例に係り、管状体構成部材の横断面形状を示す説明図である。
【図９】本発明の実施例に係り、管状体の横断面形状を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施例に係り、管状体の横断面形状を示す説明図である。
【図１１】本発明とは異なる他の実施例に係り、管状体の横断面形状を示す説明図である。
【図１２】本発明とは異なる他の実施例に係り、管状体の横断面形状を示す説明図である。
【図１３】本発明とは異なる他の実施例に係り、管状体の横断面形状を示す説明図である。
【図１４】本発明の実施例に係り、許容内圧−比スペース充填量の特性グラフである。
【図１５】本発明の実施例に係り、許容内圧−比重量充填量の特性グラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１    圧力容器
１０    管状体
１０ａ    管状体構成部材
１１    収容部
１２    内部壁
１３    高強度部材
２０    端部部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2006220284.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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