(57)【要約】【課題】口金部に過度の応力がかかることを防止して、高い耐久性と強度を有するタンクを提供する。【解決手段】筒状の口金部１１と、当該口金部１１が取り付けられたタンク本体のＦＲＰ層２１とを有する高圧タンク２において、タンク本体のＦＲＰ層２１は、一部が口金部１１の外周面に接触しており、タンク本体のＦＲＰ層２１の内層２１ａは、外層２１ｂよりも軟らかく形成されている。ＦＲＰ層２１は、樹脂含有繊維により構成され、樹脂の含有量を増やすことにより、内層２１ａが軟らかくなっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の口金部と、当該口金部が取り付けられたタンク本体の壁層とを有するタンクであって、
前記タンク本体の壁層は、一部が前記口金部の外周面に接触しており、
前記タンク本体の壁層の少なくとも前記一部を含む一の部分は、他の部分よりも軟らかく形成されていることを特徴とする、タンク。
【請求項２】
前記タンク本体の壁層の前記一部は、前記口金部の外周面において口金部の軸方向の中央部側が端部側より厚くなるように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のタンク。
【請求項３】
前記タンク本体の壁層は、前記一部のある内周面側よりも外周面側が硬くなるように形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のタンク。
【請求項４】
前記タンク本体の壁層は、内周面側から外周面側に向けて段階的に硬くなっていることを特徴とする、請求項３に記載のタンク。
【請求項５】
前記タンク本体の壁層は、樹脂含有繊維により構成され、樹脂の含有量を増やすことにより、前記一の部分が軟らかくなっていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のタンク。
【請求項６】
外周面に内側に凹んだ凹部を有する筒状の口金部と、当該口金部の凹部に一部が入り込んだタンク本体の壁層とを有するタンクであって、
前記タンク本体の壁層と前記口金部の凹部との間には、弾力性を有する部材が介在されていることを特徴とする、タンク。
【請求項７】
外周面に内側に凹んだ凹部を有する筒状の口金部と、当該口金部の凹部に一部が入り込んだタンク本体の壁層とを有するタンクであって、
前記タンク本体の壁層の全体が、柔軟性を有する材料で構成されていることを特徴とする、タンク。
【請求項８】
前記タンク本体の壁層は、樹脂含有繊維により構成され、含有樹脂に軟質樹脂が用いられていることを特徴とする、請求項７に記載のタンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、口金部と、当該口金部に接触したタンク本体の壁層を有するタンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料ガスの供給源として高圧タンクが用いられる。この種のタンクとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。このタンクは、例えばライナー層（内壁層）の外周面を、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）層（外壁層）で補強したタンク本体と、そのタンク本体の長手方向の開口端部に取り付けられた筒状の口金部を有している。
【０００３】
口金部は、例えばタンク本体の開口端部に嵌入された状態で取り付けられており、当該開口端部を構成するタンク本体の壁層は、口金部の外周面に気密に接触している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５５１１６号公報
【特許文献２】特開２０００−２６６２８９号公報
【特許文献３】特開平７−３１０８９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のようなタンクに高圧のガスが封入されると、タンク本体の壁層に内圧がかかり、当該壁層に接触する口金部に過度の応力がかかることがある。口金部に過度の応力がかかると、例えば長期間の使用したときに口金部に亀裂を生させる原因となりかねない。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、口金部に過度の応力がかかることを防止して、高い耐久性と強度を有するタンクを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明は、筒状の口金部と、当該口金部が取り付けられたタンク本体の壁層とを有するタンクであって、前記タンク本体の壁層は、一部が前記口金部の外周面に接触しており、前記タンク本体の壁層の少なくとも前記一部を含む一の部分は、他の部分よりも軟らかく形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、タンク本体の壁層の前記口金部と接触する部分が軟らかく形成されているので、タンク本体の壁層を通じて口金部にかかる応力が分散し平均化して、口金部に過度の応力がかかることを防止できる。この結果、タンクの耐久性及び強度を向上できる。
【０００９】
前記タンク本体の壁層の前記一部は、前記口金部の外周面において口金部の軸方向の中央部側が端部側より厚くなるように形成されていてもよい。
【００１０】
前記タンク本体の壁層は、前記一部のある内周面側よりも外周面側が硬くなるように形成されていてもよい。
【００１１】
前記タンク本体の壁層は、内周面側から外周面側に向けて段階的に硬くなっていてもよい。
【００１２】
前記タンク本体の壁層は、樹脂含有繊維により構成され、樹脂の含有量を増やすことにより、前記一の部分が軟らかくなっていてもよい。
【００１３】
別の観点による本発明は、外周面に内側に凹んだ凹部を有する筒状の口金部と、当該口金部の凹部に一部が入り込んだタンク本体の壁層とを有するタンクであって、前記タンク本体の壁層と前記口金部の凹部との間には、弾力性を有する部材が介在されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、口金部とタンク本体の壁層との間に、弾力性を有する部材が介在されているので、タンク本体の壁層と通じて口金部にかかる応力が分散し平均化して、口金部に過度の応力がかかることを防止できる。この結果、タンクの耐久性及び強度を向上できる。
【００１５】
別の観点による本発明は、外周面に内側に凹んだ凹部を有する筒状の口金部と、当該口金部の凹部に一部が入り込んだタンク本体の壁層とを有するタンクであって、前記タンク本体の壁層の全体が、柔軟性を有する材料で構成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、タンク本体の壁層の全体が柔軟性を有する材料で構成されているので、タンク本体の壁層を通じて口金部にかかる応力が分散し平均化して、口金部に過度の応力がかかることを防止できる。この結果、タンクの耐久性及び強度を向上できる。
【００１７】
前記タンク本体の壁層は、樹脂含有繊維により構成され、含有樹脂に軟質樹脂が用いられていてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、口金部に過度の応力がかかることを防止できるので、タンクの耐久性及び強度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るタンクを搭載した燃料電池自動車１の模式図である。
【００２０】
燃料電池自動車１には、例えば３つの高圧タンク２が車体のリア部に搭載されている。高圧タンク２は、燃料電池システム３の一部を構成し、ガス供給ライン４を通じて各高圧タンク２から燃料電池５に燃料ガスが供給可能になっている。高圧タンク２に貯留される燃料ガスは、可燃性の高圧ガスであり、例えば圧縮天然ガス又は水素ガスである。なお、高圧タンク２は、燃料電池自動車１のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置設備（住宅、ビル）にも適用できる。
【００２１】
図２は、高圧タンク２の要部を示す断面図である。高圧タンク２は、例えば略楕円体のタンク本体１０と、当該タンク本体１０の長手方向の一端部に取り付けられた口金部１１を有する。なお、本実施の形態では、口金部１１が取り付けられている側を高圧タンク２の前方とする。
【００２２】
タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナー２０とその外側の外壁層である樹脂含有繊維層としてのＦＲＰ層２１を有している。
【００２３】
ライナー２０は、タンク本体１０とほぼ同じ略楕円体形状を有する。ライナー２０は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている。
【００２４】
ライナー２０の口金部１１のある前方端部側には、内側に屈曲した折返し部３０が形成されている。折返し部３０は、外側のＦＲＰ層２１から離間するようにタンク本体１０の後方に向けて折り返されている。折返し部３０は、例えば内側（軸Ｙ側）に凸に湾曲する湾曲形状を有している。この折り返し部３０によりライナー２０の開口部が形成されている。
【００２５】
口金部１１は、略円筒形状を有し、ライナー２０の開口部に嵌入されている。口金部１１は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造されている。口金部１１は、例えばインサート成形によりライナー２０に取り付けられている。
【００２６】
口金部１１の例えば前方端部の外周面には、軸周りに環状の鍔部１１ａが形成されている。その鍔部１１ａの後方側には、軸周りに環状の凹み部１１ｂが形成されている。凹み部１１ｂは、軸Ｙ側（内側）に凸に湾曲しＲ形状になっている。この凹み部１１ｂには、同じくＲ形状のＦＲＰ層２１の前方端部が気密に接触している。
【００２７】
口金部１１の凹み部１１ｂのさらに後方側には、例えば凹み部１１ｂに連続して径の大きい大径部１１ｃが形成されている。その大径部１１ｃの後方側には、軸周りに環状の凹み部１１ｄが形成されている。凹み部１１ｄは、軸側に凸に湾曲しＲ形状になっている。この大径部１１ｃと凹み部１１ｄの外周面に密着するように、上記ライナー２０の折返し部３０が形成されている。
【００２８】
例えば口金部１１の軸Ｙ側の内周面には、ネジ部４０が形成され、バルブアッセンブリ５０が挿入され螺着されている。バルブアッセンブリ５０は、例えば外部のガス供給ラインと高圧タンク２の内部との間で燃料ガスの給排を制御するものである。口金部１１の内周面とバルブアッセンブリ５０の外周面との間には、シール部材６０、６１が介在されている。
【００２９】
ＦＲＰ層２１は、例えばフィラメントワインディング法により、ライナー２０の外周面と口金部１１の外周面の凹み部１１ｂに、樹脂の含浸した補強繊維を巻き付け、当該樹脂を硬化させることにより形成されている。ＦＲＰ層２１の樹脂には、例えばエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。また、補強繊維としては、炭素繊維、金属繊維などが用いられる。
【００３０】
ＦＲＰ層２１は、例えば口金部１１やライナー２０に接触する一の部分としての内層２１ａと、その外側の他の部分としての外層２１ａの２層構造を有している。内層２１ａは、その外側の外層２１ｂよりも例えば軟質樹脂の含有量が多く、外層２１ｂと比べて軟らかくなっている。これにより、ＦＲＰ層２１の内層２１ａは、クッション材として機能する。なお、本実施の形態において、内層２１ａは、口金部１１と接触するＦＲＰ層２１の一部（前方端部）を含んでいる。
【００３１】
以上の構成の高圧タンク２によれば、口金部１１と接触するＦＲＰ層２１の内層２１ａが外層２１ｂよりも軟らかくなっている。このため、例えば高圧タンク２内に高圧のガスが封入され、タンク本体１０に内圧がかかってＦＲＰ層２１から口金部１１に力が作用したときに、ＦＲＰ層２１の内層２１ａの柔軟性によりその力が分散される。それゆえ、口金部１１にかかる応力が分散し平均化され、口金部１１に過度の応力がかかることが防止される。この結果、高圧タンク２の耐久性及び強度を向上できる。
【００３２】
図３は、ＦＲＰ層２１と口金部１１との接触部にクッション性を持たせた場合の効果を実証するためのシュミュレーション結果を示す。このシュミュレーションは、有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いて、口金部１１にかかる応力を計算したもので、（ａ）がＦＲＰ層２１と口金部１１との接触部にクッション性を持たせない場合であり、（ｂ）がＦＲＰ層２１と口金部１１との接触部にクッション性を持たせた場合である。（ａ）の場合の口金部１１にかかる最大応力を１００とした場合、（ｂ）の場合の口金部１１にかかる最大応力は、６２程度であった。このように、ＦＲＰ層２１と口金部１１との接触部にクッション性を持たせることにより、口金部１１にかかる最大応力が低下することが確認できる。
【００３３】
また、以上の実施の形態では、ＦＲＰ層２１の内層２１ａの外側に、内層２１ａより硬い外層２１ｂが形成されているので、ＦＲＰ層２１の全体の弾力性が十分に確保される。  また、ＦＲＰ層２１の全体の強度も維持される。
【００３４】
また、以上の実施の形態では、ＦＲＰ層２１の硬さが内層２１ａと外層２１ｂの２段階であったが、図４に示すように内側から外側に向けてＦＲＰ層２１の硬さが３段階に変わってもよい。かかる場合、ＦＲＰ層２１の内層２１ａ、中間層２１ｃ、外層２１ｂの順に炭素繊維に対する樹脂の含有比率が下げられる。こうすることにより、ＦＲＰ層２１が外側に行くにつれ、段階的に硬くなり、ＦＲＰ層２１の強度とクッション性の両方を十分に確保できる。なお、ＦＲＰ層２１は、内側から外側に向けて硬さが４段階以上変わるものであってもよい。
【００３５】
以上の実施の形態では、口金部１１と接触するＦＲＰ層２１の内層２１ａの厚みがほぼ一定であったが、図５に示すように口金部１１の凹み部１１ｂの外周面において内層２１ａが軸方向の中央部側が厚く、前後端部側が薄くなっていてもよい。例えば内層２１ａは、凹み部１１ｂの前方側から後方側に向けて、初め薄くその後次第に厚くなり、その後次第に薄くなっている。こうすることにより、口金部１１の凹み部１１ｂの中央部付近にかかる最大応力が前後方向に分散されやすくなる。したがって、口金部１１にかかる最大応力を好適に低減できる。
【００３６】
また、以上の実施の形態では、ＦＲＰ層２１の内層２１ａを外層２１ｂより軟らかくして、ＦＲＰ層２１と口金部１１との接触部のクッション性を確保していたが、口金部１１の凹み部１１ｂとＦＲＰ層２１との間に、弾力性を有する部材を介在するようにしてもよい。図６は、かかる一例を示すものであり、口金部１１の凹み部１１ｂとＦＲＰ層２１との間に、例えばゴム材７０が介在されている。こうすることにより、ＦＲＰ層２１から口金部１１の凹み部１１ｂに作用する力がゴム材７０により吸収され、口金部１１にかかる応力が分散し平均化する。この結果、口金部１１に過度の応力がかかることが防止される。
【００３７】
なお、この例において、凹み部１１ｂとＦＲＰ層２１との間に、ゴム材７０に代えて、弾力性のある樹脂等を介在してもよい。
【００３８】
さらに、図７に示すようにＦＲＰ層２１の全体が、柔軟性を有する材料により構成されていてもよい。例えばＦＲＰ層２１の炭素繊維の含有樹脂として、例えばヤング率が１０ＧＰａ（ギガパスカル）（一般的なエポキシ樹脂の硬さ）以下、好ましくは５ＧＰａ以下の軟質のエポキシ樹脂等の軟質樹脂が用いられてもよく、かかる場合、ＦＲＰ層２１が、柔軟性を有する軟質樹脂含有炭素繊維により構成される。この場合、ＦＲＰ層２１の柔軟性により、ＦＲＰ層２１から口金部１１の凹み部１１ｂに作用する応力が分散し平均化する。この結果、口金部１１に過度の応力がかかることが防止される。なお、柔軟性を有する材料としては、例えば５ＧＰａ以下の硬さを有するものが好ましい。
【００３９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４０】
例えば以上の実施の形態では、タンク本体１０の壁層の構造は、ライナー２０とＦＲＰ層２１の二重構造に限られず、他の構造であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】高圧タンクを搭載した燃料電池自動車の模式図である。
【図２】高圧タンクの要部の拡大断面図である。
【図３】ＦＲＰ層と口金部との接触部にクッション性を持たせない場合と、ＦＲＰ層と口金部との接触部にクッション性を持たせた場合の、口金部にかかる応力のシュミュレーション結果を示す説明図である。
【図４】ＦＲＰ層を３層に形成した場合の高圧タンクの要部の拡大断面図である。
【図５】ＦＲＰ層の内層の厚みを変化させた場合の高圧タンクの要部の拡大断面図である。
【図６】ＦＲＰ層と口金部の凹み部との間にゴム材を介在した場合の高圧タンクの要部の拡大断面図である。
【図７】ＦＲＰ層全体に柔軟性を持たせた場合の高圧タンクの要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
２  高圧タンク
１０  タンク本体
１１  口金部
１１ｂ  凹み部
２１  ＦＲＰ層
２１ａ  内層
２１ｂ  外層
【図１】
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【図２】
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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３】
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