(57)【要約】【課題】傾斜したノズルから噴出されるガスにより発生する衝撃波の偏りを抑制する。【解決手段】発明の高圧タンクは、内部にガスが貯蔵されるタンク本体と、タンク本体の開口部に取り付けられたバルブと、バルブからタンク本体の内部方向に延びるノズルと、タンク本体の内部の温度を検出するための温度センサーと、を備える。ノズルの先端側部分は、温度センサーから離れる方向に沿ってタンク本体の中心軸に対して傾いており、先端側部分の長さは先端側部分の内径の５倍よりも大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧タンクであって、
内部にガスが貯蔵されるタンク本体と、
前記タンク本体の開口部に取り付けられたバルブと、
前記バルブから前記タンク本体の内部方向に延びるノズルと、
前記タンク本体の内部の温度を検出するための温度センサーと、
を備え、
前記ノズルの先端側部分は、前記温度センサーから離れる方向に沿って前記タンク本体の中心軸に対して傾いており、
前記先端側部分の長さは前記先端側部分の内径の５倍よりも大きい、
ことを特徴とする高圧タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高圧タンクの構造として、例えば、特許文献１には、タンクの内部へガスを充填するためのノズルの先端がタンクの長手方向の中心軸に対して所定の角度に傾き、ノズルの先端からタンクの内部へ噴出するガスの方向がタンクの中心軸に対して所定の角度で傾いた方向となる構造が記載されている。タンクの内部には、温度センサーが、タンクの中心軸に対して、ノズルの先端の傾斜方向側に偏った位置に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５３２０３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高圧タンクの内部では、ガスがノズルから高速に噴出する際に衝撃波が発生する場合がある。本願の発明者は、ノズルの配置と温度センサーの配置との関係によっては、衝撃波が温度センサーを損傷させてしまう可能性があることを見出した。しかし、上記従来技術では、温度センサーの配置位置に関して、衝撃波による温度センサーに加わる影響について何ら考慮されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、内部にガスが貯蔵されるタンク本体と；前記タンク本体の開口部に取り付けられたバルブと；前記バルブから前記タンク本体の内部方向に延びるノズルと；前記タンク本体の内部の温度を検出するための温度センサーと；を備える。前記ノズルの先端側部分は、前記温度センサーから離れる方向に沿って前記タンク本体の中心軸に対して傾いている。前記先端側部分の長さは前記先端側部分の内径の５倍よりも大きい。
この形態の高圧タンクによれば、ノズルの先端側部分が温度センサーから離れる方向に傾斜しているので、衝撃波による温度センサーへの影響を抑制することができる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、高圧タンクの製造方法や、ノズル及び温度センサーを備える高圧タンク用のバルブ等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態の高圧タンクの概略断面図である。
【図２】ノズルの先端側部分と温度センサーの配置位置の関係を示す説明図である。
【図３】ノズルから射出されるガスの状態を示す説明図である。
【図４】発生する膨張波に偏りが発生する理由を示す説明図である。
【図５】第１実施形態のノズルの効果を示す説明図である。
【図６】第２実施形態のノズルを示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、第１実施形態の高圧タンク１０の概略断面図である。図１（Ａ）に示すように、高圧タンク１０は、タンク本体１００と、バルブ２００とを備えている。なお、図１は、高圧タンク１０を長手方向の中心軸ＣＸを含む面で切断した側方断面を示している。但し、バルブ２００については、タンク本体１００の内部に挿入されている部分のみを断面で示している。
【００１０】
タンク本体１００は、中心軸ＣＸを中心とする中空の容器である。タンク本体１００は、ライナー１１０に繊維強化樹脂層１４０が被覆されて構成され、その両端に口金１２０，１３０が設けられている。ライナー１１０は、ナイロン系樹脂等の適宜なガスバリア性を有する樹脂にて構成されている。ライナー１１０は、円筒状のシリンダー部１１１の中心軸ＣＸに沿った方向の両側に球面形状のドーム部１１２を備え、ガスを貯蔵するための内部空間１１４を備えている。
【００１１】
口金１２０，１３０は、アルミニウムまたはその合金等の軽量金属で形成され、ライナー１１０のドーム部１１２に設けられている。第１の口金１２０の開口部１２２は、タンク本体１００の内部空間１１４と連通しており、この開口部１２２にバルブ２００が取り付けられている。一方、第２の口金１３０の開口部１３２は内部空間１１４と遮蔽されており、第２の口金１３０は内部空間１１４を密閉する。
【００１２】
バルブ２００には、バルブ２００から内部空間１１４の方向に延びるノズル２２０と、内部空間１１４の温度を検出するための温度センサー２６０と、が設けられている。ノズル２２０は、バルブ２００内の配管を介してガス充填口２１０に接続されており、ガス充填口２１０から供給されるガスを内部空間１１４に噴出する。なお、バルブ２００には、内部空間１１４に貯蔵されているガスを外部に排出するガス排出系流路を別途設けても良い。
【００１３】
ノズル２２０は、図１（Ｂ）の拡大図に示すように、後端側部分２２１と先端側部分２２２とを有する。この例では、後端側部分２２１は、バルブ２００の端面２０２から内部空間１１４へ向かって、タンク中心軸ＣＸに沿って直線状に延びている。先端側部分２２２は、後端側部分２２１から傾斜した方向に沿って直線状に延びている。先端側部分２２２の中心軸ＮＸは、タンク中心軸ＣＸに対してゼロでない所定の角度φをなすように設定されている。所定の角度φは、例えば、１５°以上４５°以下の範囲とすることが好ましい。先端側部分２２２の長さＬ１は、その内径Ｄ１の５倍よりも大きい値（Ｌ１＞５・Ｄ１）に設定されている。なお、このノズル２２０の設定については、さらに後述する。
【００１４】
図１（Ｂ）は、ノズル２２０の先端側部分２２２の中心軸ＮＸと、温度センサー２６０とを通る平面上において、ノズル２２０と温度センサー２６０との位置関係を拡大して示す図である。温度センサー２６０は、バルブ２００の端面２０２から内部空間１１４へ向かって延びるステー２７０に設けられた取り付け台２７２に取り付けられている。図１（Ｂ）において、温度センサー２６０は、タンク中心軸ＣＸよりも下方側の領域に配置されている。
【００１５】
温度センサー２６０の中心軸ＣＸ方向に沿った位置は、ノズル２２０の噴出し口２２３よりもバルブ２００に近い位置に配置されることが好ましい。こうすれば、ノズル２２０の噴出し口２２３からのガス噴流による影響を抑制して、充填されるガスに応じて変化する温度を精度良く検出することができる。但し、噴出し口２２３よりもバルブ２００から遠い位置に配置されるようにしてもよい。また、温度センサー２６０は、噴出し口２２３から半径１００ｍｍ以内に配置されることが好ましい。こうすれば、充填されるガスに応じて変化する温度をより感度良く検出することができる。
【００１６】
図２は、ノズル２２０の先端側部分２２２と温度センサー２６０の配置位置の関係を示す説明図である。図２は、先端側部分２２２及び温度センサー２６０をタンク本体１００の第２の口金１３０（図１）側から見た概略図である。先端側部分２２２の中心軸ＮＸとタンク中心軸ＣＸとを含む第１の平面をＰｎｘとし、第１の平面Ｐｎｘに垂直でタンク中心軸ＣＸを含む第２の平面をＰｃｘとする。このとき、タンク本体１００の内部空間１１４は、第２の平面Ｐｃｘによって２つの領域Ａｎｚ，Ａｔｓに二分される。先端側部分２２２の先端の噴出し口２２３は第１の領域Ａｎｚに配置され、温度センサー２６０は第１の領域Ａｎｚとは反対側の第２の領域Ａｔｓに配置される。この例では、先端側部分２２２及び温度センサー２６０が第１の平面Ｐｎｘ上に配置されている。この配置の場合には、温度センサー２６０が第１の平面Ｐｎｘからずれた位置に配置されている場合よりも安定な温度の検出が可能である。
【００１７】
このように、ノズル２２０の先端側部分２２２は、温度センサー２６０から離れる方向に沿ってタンク本体１００の中心軸ＣＸに対して傾いている。そして、ノズル２２０の先端側部分２２２の長さＬ１をその内径Ｄ１の５倍よりも大きい値に設定している。この設定としているのは、以下で説明する理由による。
【００１８】
図３は、ノズルから射出されるガスの状態を示す説明図である。図３（Ａ）は、ノズル２２０の先端側部分２２２（図１）のような傾斜部分が無いストレートノズルから噴出されるガスの状態をシュリーレン法により撮像した画像の例である。また、図３（Ｂ）は、先端側部分２２２の長さがその内径の５倍よりも小さな折れ曲がりを有するノズル（以下、「短尺ベンドノズル」と呼ぶ）から噴出されるガスの状態をシュリーレン法により撮像した画像の例である。
【００１９】
発明者の実験によれば、ノズルの噴出し口から超音速で噴出されるガスは、バレル衝撃波やマッハディスクを伴った噴流構造となり、バレル衝撃波とマッハディスクとが交差する付近から二次流れ（膨張波）が放射状に発生することが分かった。図３の画像において、黒くなっている部分がガスの圧縮性が高くなっている部分であり、バレル衝撃波やマッハディスクが発生している部分である。図３（Ａ）に示すように、ストレートノズルの場合、ノズル中心軸ＮＸの上下方向（正しくは全周方向）で均等なバレル衝撃波が発生し、膨張波も上下方向（正しくは全周方向）で均等となっていることが分かった。
【００２０】
一方、図３（Ｂ）に示すように、短尺ベンドノズルの場合、ノズル中心軸ＮＸの全周方向のうちの上方側では、ノズルの噴出し口の付近でバレス衝撃波が発生し、バレル衝撃波の発生箇所がマッハディスクから遠いため、発生する膨張波の大きさ（強さ）が小さくなる。これに対して、ノズル中心軸ＮＸの下方側では、マッハディスクに近い箇所でバレル衝撃波が発生しているので、発生する膨張波の大きさが大きくなる。すなわち、短尺ベンドノズルの場合、ノズル中心軸ＮＸの全周方向で発生する膨張波の大きさにノズル中心軸ＮＸの上下方向で偏りが発生することが分かった。
【００２１】
図４は、発生する膨張波に偏りが発生する理由を示す説明図である。図４（Ａ）に示すように、ストレートノズル２２０ｒａの内部を流れるガスには、疑似衝撃波（模式的にＸで示す）が連続的に発生し、図３（Ａ）に示すように、噴出し口から噴出したガスには、偏りの無い均等な膨張波が発生する。これに対して、図４（Ｂ）に示すように、短尺ベンドノズル２２０ｒｂの曲り部分では、ガスのような流体は急に方向を変えることはできないため、ノズル中心軸ＮＸの下方側に偏って流れる。これにより、ノズル中心軸ＮＸの下方側に偏った流速の速い部分でしか疑似衝撃波が発生しない状態となるため、図３（Ｂ）に示すように、噴出し口から噴出した超音速噴流のガスには、ノズル中心軸ＮＸの全周で発生するバレル衝撃波にノズル中心軸ＮＸの上下方向で偏りが発生し、膨張波にも偏りが発生する。従って、大きな膨張波が発生するノズル中心軸ＮＸの下方側の近傍に温度センサーを配置した場合、膨張波から温度センサーに大きなストレスが加わることになるため、温度センサーに損傷や劣化、耐久性の低下等の不具合が発生することになる。
【００２２】
そこで、第１実施形態では、ノズル２２０の先端側部分２２２の長さＬ１をその内径Ｄ１の５倍よりも長くして、先端側部分２２２を流れるガスの偏りが抑制されて均一な流れに近付く形状としている。これにより、ノズル中心軸ＮＸの全周で発生する膨張波を均等な膨張波に近付けることができ、温度センサー２６０が配置されているノズル中心軸ＮＸの下方側において大きな膨張波の発生を抑制することが可能となる。この結果、温度センサー２６０に対して大きなストレスが加わることを抑制し、温度センサー２６０に損傷や劣化、耐久性の低下等の不具合が発生することを抑制することが可能となる。
【００２３】
図５は、第１実施形態のノズル２２０の効果を示す説明図である。図５（Ａ）は、温度センサー２６０に加わる荷重を示す棒グラブである。荷重の測定は、図５（Ｂ）に示すように、ノズル２２０から噴出するガス噴流により発生する膨張波から温度センサー２６０が受ける荷重を、温度センサー２６０の取り付け台２７２の根元に設置した荷重計測用歪みゲージＳＧにより行った。図５（Ａ）のサンプルＳ２が第１実施形態のノズル２２０の場合の測定結果を示している。サンプルＳ１は比較例として先端側部分２２２の長さＬ１がその内径Ｄ１の５倍よりも小さな短尺ベンドノズル２２０ｒｂ（図４（Ｂ））の場合の測定結果を示し、サンプルＳ３は参考例としてストレートノズル２２０ｒａ（図４（Ａ））の場合の測定結果を示している。
【００２４】
比較例のサンプルＳ１は参考例のサンプルＳ３に比べて６０％程度の荷重の増加が発生しているのに対して、第１実施形態のサンプルＳ２は参考例のサンプルＳ３に比べて１０％以下の荷重の増加に抑制されている。この結果から、第１実施形態の場合には、温度センサー２６０に対して大きなストレスが加わることを抑制し、温度センサー２６０に損傷や劣化、耐久性の低下等の不具合が発生することを抑制可能であることを確認した。
【００２５】
なお、先端側部分２２２の角度φが大きい程、ガスの流れの偏りの影響が大きくなるので、これを緩和して均一な流れに近付けるためには、角度φが大きい程、長さＬ１を長くすることが好ましい。
【００２６】
図６は、第２実施形態のノズル２２０ｍを示す概略断面図である。このノズル２２０ｍは、先端側部分２２２ｍの内径Ｄ２が後端側部分２２１の内径Ｄ３よりも小さい。この例では、先端側部分２２２ｍのノズル中心軸ＮＸよりも上方側の部分の肉厚を下方側の部分の肉厚よりも大きくすることにより、内径Ｄ３を減少させている。この場合、ノズル中心軸ＮＸの上方側の流れが悪くなる部分を構造的に減らすことができ、噴出し口２２３から噴出されるガス噴流の偏りを抑制することができる。これにより、ノズル中心軸ＮＸの全周で発生する膨張波を均等な膨張波に近付けることができる。なお、先端側部分２２２ｍの内径Ｄ３を小さくする方法は、これに限定されるものではなく、先端側部分２２２ｍの全体の肉厚を厚くするようにしてもよい。また、先端側部分２２２ｍの上流側（折れ曲がり部分）の端面２２４から噴出し口２２３へ向かってテーパー状に肉厚を厚くするようにしてもよい。要するに、先端側部分を流れるガスの偏りを解消するように肉厚を厚くし、内径を小さくする構造であればよい。
【００２７】
・変形例
上記実施形態のノズル２２０，２２０ｍでは、後端側部分２２１の中心軸がタンク中心軸ＣＸと一致するように配置されている（図１，図６）。しかしながら、これに限定されるものではなく、後端側部分２２１の中心軸がタンク中心軸ＣＸとずれた位置でタンク中心軸ＣＸに沿って配置されてもよい。
【００２８】
また、上記実施形態のノズル２２０，２２０ｍでは、ノズル全体のうちの先端側部分２２２，２２２ｍのみがタンク中心軸ＣＸから傾斜している。しかしながら、これに限定されるものではなく、バルブ２００の端面２０２から延びるノズルの全部が先端側部分となっていても良い。
【００２９】
また、上記実施形態のノズル２２０，２２０ｍでは、先端側部分２２２，２２２ｍ及び後端側部分２２１が直線状に延びた形状となっている。しかしながら、これに限定されるものではなく、先端側部分が曲線状に延びた形状であってもよい。また、先端側部分及び後端側部分が曲線状に延びた形状であってもよい。
【００３０】
これらの変形例の場合において、タンク本体１００の内部空間１１４を二分する第２の平面Ｐｃｘ（図２）は、第１の平面Ｐｎｘに垂直で、かつ、先端側部分の噴出し口とは反対の先端側部分の上流側の端面の中心を通りタンク中心軸ＣＸに平行な軸を含む平面としてもよい。なお、実施形態のノズル２２０，２２０ｍの先端側部分２２２，２２２ｍ（図１，図６）は、先端側部分２２２，２２２ｍの上流側の端面２２４の中心Ｐｃがタンク中心軸ＣＸ上の点であり、平行な軸がタンク中心軸ＣＸと一致している例を示している。
【００３１】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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】
【００３２】
１０…高圧タンク
１００…タンク本体
１１０…ライナー
１１１…シリンダー部
１１２…ドーム部
１１４…内部空間
１２０…口金
１２２…開口部
１３０…口金
１３２…開口部
１４０…繊維強化樹脂層
２００…バルブ
２０２…端面
２１０…ガス充填口
２２０，２２０ｍ…ノズル
２２０ｒａ…ストレートノズル
２２０ｒｂ…短尺ベンドノズル
２２１…後端側部分
２２２，２２２ｍ…先端側部分
２２３…噴出し口
２２４…端面
２６０…温度センサー
２７０…ステー
２７２…取り付け台
Ａｎｚ…第１の領域
Ａｔｓ…第２の領域
ＣＸ…中心軸（タンク中心軸）
ＮＸ…中心軸（ノズル中心軸）
Ｐｃｘ…第２の平面
Ｐｎｘ…第１の平面
ＳＧ…歪みゲージ
【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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