(57)【要約】【課題】ガスの充填時に急速充填することができる一方、ガスの払出し時に残存ガスを減少させることができる吸着材式ガス貯蔵容器を提供する。【解決手段】吸着式ガス貯蔵容器は、吸着材２０を収納し、リブ１２によって互いに平行な複数の筒状のセルに分割される胴部材８と、前記胴部材８に固定される蓋部材９ａ，９ｂと、を備える。蓋部材９ａは、ガスの出入口１０ａを有し、セルの軸線に対して実質的に直交する端板部１７と、該端板部１７の周囲からセルの軸線方向に突出し、その先端が胴部材８に接合される蓋側外枠１８とを有する。ガスの充填時又は払出時において、並列に並べられた複数のセルに同時にガスを流入又は流出できるように、セルの軸線方向におけるリブ１２の端面１３と蓋部材９ａの端板部１７との間に、隙間が空けられる。【選択図】      図１
2004270842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着材を収納し、リブによって互いに平行な複数の筒状のセルに分割される胴部材と、
前記胴部材に結合される蓋部材と、を備える吸着式ガス貯蔵容器において、
前記蓋部材は、ガスの出入口を有し、前記セルの軸線に対して実質的に直交する端板部と、該端板部の周囲から前記セルの軸線方向に突出し、その先端が前記胴部材に接合される蓋側外枠とを有し、
ガスの充填時又は払出時において、並列に並べられた複数のセルに同時にガスを流入又は流出できるように、前記セルの軸線方向における前記リブの端面と前記蓋部材の端板部との間に、隙間が空けられることを特徴とする吸着式ガス貯蔵容器。
【請求項２】
前記胴部材の周囲には、前記セルの軸線方向における前記リブの端面より外側に突出し、その先端が前記蓋部材に接合される胴側外枠が設けられ、
前記蓋部材と前記胴部材との接合面が、前記セルの軸線方向における前記リブの端面と前記端板部との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の吸着式ガス貯蔵容器。
【請求項３】
前記蓋部材と前記胴部材との接合面が、曲げモーメントが最小になる位置に配置されることを特徴とする請求項２に記載の吸着式ガス貯蔵容器。
【請求項４】
前記吸着式ガス貯蔵容器が、メタン又はメタンを主成分とする燃料ガスを吸着・貯蔵することを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の吸着式ガス貯蔵容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部にガスを吸着する吸着材が収納される吸着式ガス貯蔵容器に関し、特にメタン又はメタンを主成分とする燃料ガス（天然ガス）を貯蔵する吸着式ガス貯蔵容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンに代えて燃料として天然ガスを使用する自動車が増えてきている。このような自動車では、走行距離を長くするために、天然ガスを圧縮してガス貯蔵容器に貯蔵している。近年、比較的低圧で且つ大量の天然ガスを貯蔵するために、ガス貯蔵容器の内部に活性炭等の吸着材を収容し、該吸着材に天然ガスを吸着させる吸着式ガス貯蔵容器が知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
図１０は、従来の吸着式ガス貯蔵容器を示す。貯蔵容器の内部は、仕切壁１によって吸着材２を収納する複数のセルに分割されている。仕切壁１には、隣接するセル間でガスの流れが生じるように切欠き又は貫通孔が設けられる。貯蔵容器の上下両端には、それぞれのセルを密封するための蓋３が固定される。吸着材２はガスを吸着すると、温度が上昇し、貯蔵量が少なくなる。このため仕切壁１には、吸着材２を冷やすための冷却水通路４が設けられている。冷却水通路４は、容器の外側に設けられる冷却水タンク５まで貫通している。
【０００４】
ガス流入口６から天然ガスを流入させると、まず天然ガスが一つ目のセルに流入し、一つ目のセルの吸着材に吸着される。一つ目のセルが充填されると、天然ガスは、仕切壁１に設けた切り欠き又は貫通孔を介して、隣接するセルに流入し、二つ目のセルの吸着材に吸着される。そして、順次この動作が繰り返され、最終的に全てのセルに天然ガスが充填される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１４６０９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の貯蔵容器の構造では、ガスの充填時と払出し時において、ガスの流れが各セル間で直列的になり、圧力損失（セル間での差圧）が増大する。このため、自動車の燃料容器として使用した場合、ガスの充填時に急速に充填することができないという問題がある。また、ガスの払出し時に全てのガスを払い出すことができず、残存ガスが増大してしまう。
【０００７】
また勿論、ガス貯蔵容器は、高圧に耐えるのに十分な強度を持つ必要がある。しかし、自動車に載せることを考慮すると、重量を低減すべくその肉厚は最小限にする必要がある。
【０００８】
そこで、本発明は上述の問題点を解消し、ガスの充填時に急速充填することができる一方、ガスの払出し時に残存ガスを減少させることができ、また肉厚の増加も抑えることができる吸着材式ガス貯蔵容器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の吸着式ガス貯蔵容器は、吸着材を収納し、リブによって互いに平行な複数の筒状のセルに分割される胴部材と、前記胴部材に結合される蓋部材と、を備える吸着式ガス貯蔵容器において、前記蓋部材は、ガスの出入口を有し、前記セルの軸線に対して実質的に直交する端板部と、該端板部の周囲から前記セルの軸線方向に突出し、その先端が前記胴部材に接合される蓋側外枠とを有し、ガスの充填時又は払出時において、並列に並べられた複数のセルに同時にガスを流入又は流出できるように、前記セルの軸線方向における前記リブの端面と前記蓋部材の端板部との間に、隙間が空けられることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、流入口からガスを流入させると、蓋部材内の隙間にガスが充満し、内圧の増加とともに、並列に並べられた複数のセルに同時に略均等にガスが流入する。このため全体の圧損が小さくなり、充填時における時間の短縮を図ることができる。また払出し時の圧損も小さくなり、残存ガス量を減少させることができる。さらに、ガスの流入口又流出口を、胴部材側ではなく、蓋部材側に設けることで、複数のセルにバランスよくガスを充填し、また払い出すことができる。
【００１１】
また、前記胴部材の周囲には、前記セルの軸線方向における前記リブの端面より外側に突出し、その先端が前記蓋部材に接合される胴側外枠が設けられ、前記蓋部材と前記胴部材との接合面が、前記セルの軸線方向における前記リブの端面と前記端板部との間に配置されるのが望ましい。
【００１２】
従来のガス貯蔵容器では、各セルに個別に蓋が設けられているので、蓋部材のスパンが短くなるが、本発明のように複数のセルに共通の蓋部材を設けると、蓋部材のスパンも長くなり、これにより内圧に耐えるためには蓋部材の肉厚が厚くなり、ひいては胴部材の肉厚も厚くなる傾向がある。本発明では、蓋部材と胴部材の内圧による変形の違いを利用し、接合部の最弱箇所を曲げモーメントの小さい位置に配置している。これにより、共通の蓋部材を設けることにより胴部材の肉厚が増加するのを抑えることができる。
【００１３】
前記蓋部材と前記胴部材との接合面が、曲げモーメントが最小になる位置に配置されるのが望ましい。
【００１４】
本発明の吸着式ガス貯蔵容器は、メタン又はメタンを主成分とする燃料ガスを吸着・貯蔵する高圧のタンクに好適に用いることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の一実施形態における吸着式ガス貯蔵容器について説明する。図１（Ａ）は吸着式ガス貯蔵容器の断面図を示し、（Ｂ）は側面図を示す。図２は図１のＩＩ−ＩＩ線矢視図を示す。貯蔵容器は、活性炭等の吸着材２０・・・が収容される胴部材８と、胴部材８の両端に溶接される一対の蓋部材９ａ，９ｂとを備える。一方の蓋部材９ａには、貯蔵容器に天然ガスを充填するための出入口１０ａが形成される。貯蔵容器の全体形状は、自動車の搭載スペース等に応じて決定され、この実施形態では偏平な直方体形状に形成される。
【００１６】
胴部材８は、互いに直交する縦リブ１１・・・及び横リブ１２・・・によって、互いに平行な複数の筒状のセルに分割される。この実施形態では、図２に示されるように、例えば上下に２段左右に７列のセルが形成されている。胴部材８は、軽量化を図るためにアルミ等で製造され、またコストを抑えるために押出し成型により製造される。押出し成型で成型すると、セルの軸線方向において、胴部材８の各部の肉厚が略一定になる。
【００１７】
吸着材２０・・・は、セルの軸線方向（図中▲１▼方向）におけるリブ１１の一端面１３から他端面１４の間に収容される。胴部材８の周囲には、セルの軸線方向におけるリブ１１の端面１３，１４よりも外側に長さｈ１だけ突出する胴側外枠１５，１６が形成される。胴側外枠１５，１６の軸線方向の端面１５ａ，１６ａが、蓋部材９ａ，９ｂに溶接される溶接面になる。
【００１８】
蓋部材９ａは、セルの軸線に対して実質的に直交する端板部１７と、該端板部１７の周囲からセルの軸線方向に長さ（Ｒ＋ｈ２）突出する蓋側外枠１８とを有する。端板部１７と蓋側外枠１８との接続部には、大きな応力がかかるから、コーナ部分が大きな円弧Ｒで接続される。図中（ｂ）に示される平面図において、端板部１７の中心には、ガスの出入口１０ａが設けられる。そして、蓋側外枠１８の先端が胴部材８に接合される。このため、蓋側外枠１８と胴側外枠１５とを溶接した状態で、セルの軸線方向におけるリブ１１の端面１３と蓋部材９ａの端板部１７との間に、隙間（Ｒ＋ｈ１＋ｈ２）が空けられる。また、蓋部材９ａと胴部材８との接合面（溶接線）が、セルの軸線方向におけるリブ１１の端面１３と端板部１７との間に配置される。
【００１９】
蓋部材９ｂも、セルの軸線に対して実質的に直交する端板部１７と、該端板部１７の周囲からセルの軸線方向に長さ（Ｒ＋ｈ２）突出する蓋側外枠１８とを有する。端板部１７と蓋側外枠１８との接続部には、大きな応力がかかるから、コーナ部分が、大きな円弧Ｒで接続される。そして、蓋側外枠１８の先端が胴部材８に接合される。このため、蓋側外枠１８と胴側外枠１６とを溶接した状態で、セルの軸線方向におけるリブ１１の端面１４と蓋部材９ｂの端板部１７との間に、隙間（Ｒ＋ｈ１＋ｈ２）が空けられる。また、蓋部材９ｂと胴部材８との接合面（溶接線）が、セルの軸線方向におけるリブ１１の端面１４と端板部１７との間に配置される。
【００２０】
出入口１０ａからガスを流入させると、蓋部材９ａ内の隙間にガスが充満し、内圧の増加とともに、並列に並べられた複数のセルに同時に略均等にガスが流入し、各セルに収納された吸着材２０がガスを吸着する。このため、全体の圧損が小さくなり、充填時における時間の短縮を図ることができる。また、出入口１０ａからの払出し時の圧損も小さくなり、残存ガス量を減少させることができる。さらに、ガスの出入口１０ａを、蓋部材９ａの中心に設けることで、複数のセルにバランスよくガスを充填し、また払い出すことができる。
【００２１】
蓋部材９ａ，９ｂ及び胴部材８の各部の肉厚は、例えば有限要素法（ＦＥＭ解析）を用いて、所定の内圧に耐えられる最適値に設定される。図３は、内圧がかかったときの蓋部材９ａ，９ｂ及び胴部材８の変形模式図を示す。この図では、変形が２００倍に拡大され、内圧が１ＭＰａに設定されている。
【００２２】
蓋部材９ａ，９ｂの端板部１７は、内圧によって外側に凸の曲げ変形をするが、上方にはほとんど伸びない。これに対し、胴部材８の縦リブ１１は上方に伸びる。スパンＬ部における蓋側外枠１８は、端板部１７の曲げたわみ角により、また蓋部材９ａ，９ｂの上方への伸びが縦リブ１１よりも小さいことに起因して、下に凸の曲げ変形を強要される。一方、胴側外枠１５，１６は、縦リブ１１の上方への伸びが大きいことにより、上に凸の曲げ変形を強要される。すなわち、スパンＬ内において、蓋部材９ａ，９ｂ側が下に凸の曲げ変形をし、胴部材８側が上に凸の曲げ変形をする。このため、スパンＬ内において、曲げ変形が最小（言い換えれば曲げモーメントが最小）のところが存在する。蓋部材９ａ，９ｂと胴部材８の溶接線（図中Ａの部分）は、最弱部分である。溶接線を曲げモーメントが最小になる位置に配置すれば、最弱部分の肉厚が厚くなるのを防ぎ、ひいては押出し成型される胴部材８の全体の肉厚が厚くなるのを防ぐことができる。
【００２３】
応力挙動について説明する。蓋側外枠１８のＮ点は下に凸の曲げ変形を受け、内面に引張り応力が発生する。胴側外枠１５，１６のＥ点は上に凸の曲げ変形を受け、外面に引張り応力が発生する。溶接線上のＡ点は変曲点になり、曲げ応力が小さい。
【００２４】
上記ＦＥＭ解析による最適値に基づいて、溶接線上の曲げモーメントを０にするための条件式の一例について説明する。図４に示される容器の各寸法に関して、ＦＥＭ解析によって最適値の一例を求めた。その結果を以下に示す。
【００２５】
最適値の一例（単位ｍｍ）：Ｈ＝５１．３５，Ｒ＝２４．８，Ｗ＝４５，ｔ２＝３．５，ｈ１＝８，ｈ２＝３
【００２６】
この最適値を使用して、溶接線上の曲げモーメントを０にするための条件式を作成した。以下作成過程について、式の誘導、θの誘導、ｕの誘導の順にしたがって説明する。
【００２７】
［式の誘導］
図５に示されるように、蓋部材９ａ，９ｂの蓋側外枠１８の部分を長さＬのはりにモデル化する。端板部の板厚ｔ１の最適解がわかっているので、等価長さＬを求める。上述の変形模式図に示されるように、縦リブ１１が上方に伸びるのでｕという変位を与え、蓋部材９ａ，９ｂのところでθという回転角を与える。この場合のはりのモデルは図６のようになる。
【００２８】
はりのモーメント分布は、材料力学から次式で与えられる。
【００２９】
【数１】
2004270842.tif 000003
【００３０】
［θの誘導］
ここでは、θを算出する。図７に示すように、蓋部材９ａ，９ｂを両端単純支持したはりとする。支持点の撓み角θ´は、
【００３１】
【数２】
2004270842.tif 000004
【００３２】
最適解を代入すると（ｐ＝１ＭＰａとする、Ｅ＝６．９１×１０４Ｎ／ｍｍ２）、
【数３】
2004270842.tif 000005
【００３３】
蓋部材９ａ，９ｂは単純支持ではなく、ばね支持になっているからθ´は真のθではない。変形図よりθを読み取るとθ＝３．４９×１０−４ｒａｄであり、θ´の０．３６２倍である。したがって、
【数４】
2004270842.tif 000006
とする。Ｐ＝１とする。
【００３４】
［ｕの誘導］
次にｕを算出する。図８は各セルに加わる荷重を示す。一般部のｕ´は次式で与えられる。
【００３５】
【数５】
2004270842.tif 000007
【００３６】
縦リブ１１のｕは空洞部（蓋部材９ａ，９ｂと胴部材８との間の隙間）の圧力を負担するため、これよりも大きくなる。変形図よりｕを読み取ると、０．０１６８ｍｍであり、ｕ´の１．７５倍になっている。したがって、
【数６】
2004270842.tif 000008
とする。さて（１）式のモーメント分布式において、ｘ＝ｈ１（溶接線上）でモーメントを零にすると、
【００３７】
【数７】
2004270842.tif 000009
【００３８】
最適解では、ｈ１＝８であるので、
【数８】
2004270842.tif 000010
【００３９】
これに最適形状での値、ｕ＝０．０１６８，θ＝３．４９×１０−４を代入する。
【００４０】
【数９】
2004270842.tif 000011
【００４１】
このＬを次のように表現する。
【００４２】
【数１０】
2004270842.tif 000012
【００４３】
この式を等価長さＬの計算式とする。
【００４４】
以上の式を蓋板厚ｔ１を求める式に再編成する。
【００４５】
（３）式より
【数１１】
2004270842.tif 000013
【００４６】
（５）式より
【数１２】
2004270842.tif 000014
【００４７】
（４）式より
【数１３】
2004270842.tif 000015
【００４８】
（１０）式を（９）式に代入し、それを（８）式に代入すると、ヤング率Ｅが消える（すなわち最適形状はＥに依存しない）。そこで最初からＥを落としておく。
【００４９】
【数１４】
2004270842.tif 000016
【００５０】
蓋板厚ｔ１を上記（１１）〜（１４）を満足するように決定すれば、溶接線上での曲げモーメントが零になる。
【００５１】
図９は、あらかじめ、Ｈ，Ｗ，ｔ２，ｈ１，ｈ２が与えられたとき、溶接線上での曲げモーメントが零になるようなｔ１とＲの関係を示す。Ｈ，Ｗ，ｔ２，ｈ１，ｈ２，Ｒの値には、最適値を用いている。この図９からＲが大きくなるにしたがって、蓋板厚ｔ１を薄くすることができることがわかる。またＲが２２ｍｍ程度以下のとき、いくら蓋板厚ｔ１を厚くしても、溶接線上の曲げモーメントを零にすることができないことがわかる。
【００５２】
なお本発明は、上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明は、天然ガスを貯蔵するのに限られず、水素エンジンに水素を供給する水素貯蔵容器に適用してもよい。この場合、吸着材として水素ガスを吸着する水素吸蔵合金が用いられる。また貯蔵量を増やすために、冷却水通路等を設けてもよい。さらに一対の蓋部材のうち、一方に天然ガスを充填するための流入口を形成し、他方に天然ガスを払い出すための流出口を形成してもよい。本実施形態で記載した各部の寸法はあくまで一例にすぎず、寸法が異なっていても勿論よい。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、流入口からガスを流入させると、蓋部材内の隙間にガスが充満し、内圧の増加とともに、並列に並べられた複数のセルに同時に略均等にガスが流入する。このため、全体の圧損が小さくなり、充填時における時間の短縮を図ることができる。また払出し時の圧損も小さくなり、残存ガス量を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における吸着式ガス貯蔵容器を示す図（図中（Ａ）は断面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示す）。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視図。
【図３】内圧がかかったときの蓋部材及び胴部材の変形模式図。
【図４】吸着式ガス貯蔵容器の各部の寸法を示す図（図中（Ａ）はセルの軸線方向に沿った断面図を示し、図中（Ｂ）はセルの軸線を直交する断面図）。
【図５】蓋部材の蓋側外枠の部分を長さＬのはりにモデル化した図。
【図６】はりのモデル図。
【図７】蓋部材のモデル図。
【図８】セルにかかる荷重を示す図。
【図９】ｔ１とＲの関係を示すグラフ。
【図１０】従来の吸着式ガス貯蔵容器を示す図（図中（Ａ）は断面図、図中（Ｂ）はＢ矢視図）。
【符号の説明】
８・・・胴部材
９ａ，９ｂ・・・蓋部材
１０ａ・・・出入口
１１・・・縦リブ
１２・・・横リブ
１３・・・一端面
１４・・・他端面
１５，１６・・・胴側外枠
１５ａ，１６ａ・・・端面
１７・・・端板部
１８・・・蓋側外枠
２０・・・吸着材
【図１】
2004270842.tif 000017
【図２】
2004270842.tif 000018
【図３】
2004270842.tif 000019
【図４】
2004270842.tif 000020
【図５】
2004270842.tif 000021
【図６】
2004270842.tif 000022
【図７】
2004270842.tif 000023
【図８】
2004270842.tif 000024
【図９】
2004270842.tif 000025
【図１０】
2004270842.tif 000026