JP7307367B2 - 燃料タンク - Google Patents

Description

本発明は燃料タンクに関し、より詳細には、鋼製燃料タンクの耐圧化、軽量化に関する。
本願は、２０１９年６月１２日に、日本に出願された特願２０１９－１０９３５５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

自動車用燃料タンクには長く鋼製タンクが用いられてきたが、近年、樹脂タンクの使用例が多くなってきている。その理由として、燃料透過防止策として多層構造樹脂タンクが開発されたこと、素材の比重差において樹脂が軽量化に有利であったこと等がある。
樹脂タンクの軽量化を可能とした技術の一つとして、例えば特許文献１には、対向する樹脂タンクの上下面に形成された内部へ突出する突起同士を溶着して支柱とする技術が開示されている。

燃料タンクは車両のアンダーボディー、路面に近い場所に設置されるため、特に夏季には、路面からの照り返しで、燃料タンクおよび燃料が加温され、燃料温度が５０℃以上に昇温されることがある。このことで樹脂は軟化し、燃料の重量により樹脂が撓むことが考えられる。更には、昇温による燃料の蒸気圧の上昇でその撓みが大きくなる。支柱を設けることでその撓みが軽減され、燃料タンクの変形量が抑えられる。

近年では、ＨＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やＰＨＶ（Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の普及によりエンジンの稼動している時間が短くなる傾向にあり、燃料タンク内部に生じたガソリン蒸気がエンジンにパージされず、内圧が高まると言われている。そのため、燃料タンクの耐圧化が行われており、樹脂タンクでは内部に支柱をこれまで以上に追加することで剛性を向上させている。鋼製タンクでは板厚を上げることで対応がなされているが、板厚を上げることは燃料タンクの重量増につながり、車両走行燃費への影響も指摘されている。ＨＶやＰＨＶではバッテリーやそれを格納するケースが必要となり車両全体の重量が増加する。以上のようなことから、燃料タンクの耐圧化、軽量化を求める声はこれまで以上に強くなっている。

そこで鋼製タンクの内部に樹脂製支柱を設置し、耐圧性を向上させ、結果として燃料タンクの軽量化を図る方法が当該出願人の名前による特許文献２として開示されている。この手法は金属製の台座にねじ加工を施し、樹脂支柱を螺合させると言う方法であるが、燃料タンクのアッパー面と対向するロアー面に少なくとも台座を設置する平行な面が必要となる。

日本国特開２００６－２５６４６２号公報 日本国特許第６３５０７８１号公報 日本国特開２０１２－２４５９７４号公報

近年、ＨＶやＰＨＶのバッテリーは大容量化の傾向にある。そのため、車両フロアー下の広い面積がバッテリー搭載のために使われるようになってきている。燃料タンクはバッテリー搭載位置の周辺部に置かれるようになり、水平投影面積を極力小さくするような試みがなされている。すなわち、立方体や直方体に近い形状の燃料タンクがＨＶやＰＨＶ用に採用されつつある。更に、燃費改善により燃料タンクの満タン容量も低下することが予想される。

現在の車両の燃料供給方式はフューエルインジェクションシステムが主流となっており、燃料タンク内部に燃料ポンプが設置される。よって、アッパーパネル側にはポンプ取付けのための開口部が必要となる。この開口部の直径は通常、直径１００～１５０ｍｍであるが、開口部周辺には支柱を設置する場所が確保できず、燃料タンク内部の圧力変化により変形を受けやすい部位でもあった。そのため、樹脂タンクの場合は開口部の周縁にユニバーサルジョイント構造を持つ樹脂支柱で剛性を確保する手法が特許文献３で開示されている。

鋼製タンクでも内圧変化によるポンプ取付け部の変形防止は重要であるが、燃料タンクの水平投影面積が小さくなっていること、ポンプ取付け部は直径１００～１５０ｍｍ程度の開口部を設ける必要があることから、特許文献２による方法では支柱取付けのための金属製台座を設置する場所を確保することが困難である。ポンプ取付け部位の圧力変動によるパネルの変位防止のため、鋼製燃料タンクパネルのゲージダウンの律速となっていた。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料タンクの耐圧性を高め、かつ、軽量化を実現することを目的とする。

この発明は以下の手段を提案している。
（１）本発明の一態様に係る燃料タンクは、鋼製のロアーパネルおよび鋼製のアッパーパネルと、前記ロアーパネルと前記アッパーパネルとを対向させて形成された内部空間に配置され、第１端部が前記ロアーパネルに固定され、第２端部が、前記アッパーパネルに形成された穴内に配置された状態で前記アッパーパネルに固定された少なくとも１つの鋼製の支柱と、前記ロアーパネルの内面に固定され、前記支柱の前記第１端部が嵌め合わされた鋼製の第１ナットと、を備える。
（２）上記（１）において、前記アッパーパネルの内面に配置され、前記支柱に固定されたフランジと、前記アッパーパネルの外面に配置され、前記支柱の前記第２端部が嵌め合わされて前記フランジとの間に前記アッパーパネルを挟む鋼製の第２ナットと、を備えてよい。
（３）上記（２）において、前記支柱、前記第１ナット、および前記第２ナットの外面に、スズめっき層、もしくは、スズ亜鉛めっき層を備えてよい。
（４）上記（２）又は（３）において、前記アッパーパネルと、前記第２ナットとの間を密閉する半田を備えてよい。
（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記ロアーパネルおよび前記アッパーパネルの少なくとも一方の対向する一対の壁面に、鋼製で円柱状の梁が取り付けられていてよい。
（６）上記（５）において、前記梁に、第１バッフル板が取り付けられていてよい。
（７）上記（１）から（６）のいずれかにおいて、前記支柱に、第２バッフル板が取り付けられていてよい。

以上説明したように本発明によれば、燃料タンクの耐圧性を高め、かつ、軽量化を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料タンクの概略を示す斜視図である。 同実施形態に係る燃料タンクの概略を示す縦断面図である。 同実施形態に係る燃料タンクを、アッパーパネルとロアーパネルとに分離した状態の概略を示す断面図である。 フランジ近傍の要部の断面図である。 ロアーパネル内面側の上面図である。 同実施形態に係る支柱の構成を示す縦断面図である。 アッパーパネルの上面図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る燃料タンクの横断面図である。 冶具の斜視図である。 梁構造の上面図である。 他の梁構造の上面図である。 支柱に取り付けた第２バッフル板の斜視図である。 同第２バッフル板の上面図である。 梁に取り付けた第１バッフル板の上面図である。 同第１バッフル板の側面図である。

以下に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詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．燃料タンクの構造＞
まず、図１から図３に基づいて、本発明の一実施形態に係る燃料タンクの概略構成について説明する。なお、図３は、本発明形態に係る燃料タンク１０を、アッパーパネル１１とロアーパネル１２とに分離した状態の概略を示す断面図である。

本実施形態に係る燃料タンク１０は、例えば自動車用の燃料タンクであり、鋼製のアッパーパネル１１と鋼製のロアーパネル１２とからなる。鋼製の燃料タンク１０は、樹脂製の燃料タンクと比較して、形状がシンプルであり、金属製であるため、ガソリン蒸気が漏れ難いと言う利点がある。アッパーパネル１１は図２に示すように、燃料を貯蔵するための内部空間Ｖを形成する凹み部１１ａと、アッパーパネル１１とロアーパネル１２とを接合するために凹み部１１ａの縁部に形成されたフランジ部１１ｂとを有する。同様にロアーパネル１２は、燃料を貯蔵するための内部空間Ｖを形成する凹み部１２ａと、アッパーパネル１１とロアーパネル１２とを接合するために凹み部１２ａの縁部に形成されたフランジ部１２ｂとを有する。アッパーパネル１１のフランジ部１１ｂとロアーパネル１２のフランジ部１２ｂとは、例えばシーム溶接により接合される。
内部空間Ｖは、アッパーパネル１１とロアーパネル１２とを対向させて形成される。
燃料タンク１０は、車両におけるバッテリー搭載位置の周辺部に置かれることが多い。このため、燃料タンク１０の容積をできるだけ大きく保ちつつ、水平投影面積を極力小さくできる直方体状であることが好ましい。なお、直方体状の燃料タンク１０を構成する６つの面における隣り合う面同士の間の角部は、丸まっていてよい。

＜２．支柱＞
［支柱構造］
本実施形態に係る燃料タンク１０は、内部空間Ｖに、アッパーパネル１１とロアーパネル１２との対向する方向に延びる支柱１００を備える。支柱１００は、燃料タンク１０の剛性を高めるために設けられる補強部材である。支柱１００は、鋼製の線材又は棒材（鋼製支柱）から成る。ここで支柱１００に鋼を選んだのは、安価でかつ高い強度を有することによる。なお、支柱１００は、炭素鋼又はステンレス鋼であってよく、適宜、めっき等の被覆処理がなされていてもよい。なお、燃料タンク１０が備える支柱１００の数に制限はなく、１つでもよいし、２つ以上でもよい。支柱１００は、３つであると、内部空間Ｖにおいて支柱によって占有される体積をできるだけ低減しつつ、燃料タンク１０の変形を効率的に抑制できる。特に、燃料タンク１０において比較的大きな変形が見込まれる箇所を変形解析計算によって求め、それらの箇所に３つの支柱１００を配置することが好ましい。このように支柱を配置することにより、アッパーパネル１１及びロアーパネル１２の変形を効率的に抑制できる。特に、ポンプ取付け用の第１穴１１ｃの周囲を囲むように支柱１００を配置することにより、アッパーパネル１１及びロアーパネル１２を備える燃料タンク１０の変形を効率的に抑制できる。
高圧タンクの場合、内圧は例えば４０ｋＰａ程度まで上昇する。図１に挙げた燃料タンク１０のアッパーパネル１１の内面およびロアーパネル１２の内面に掛かる力は、４０ｋＮ／ｍ^２となる。燃料タンク１０の内面積が１ｍ^２であると仮定すると、この内面に４０ｋＮ（４．０８トン）の力が掛かることになる。この力すべてが支柱１００に掛かるわけではないが、適正な板厚を設計し、燃料タンク１０の壁面に掛かる荷重と、支柱１００に掛かる荷重を分担するように設計を行う必要がある。

支柱１００には、正圧時には数十～数百ｋｇｆの引張力が、負圧時には同様の圧縮力が掛かることになる。例えば、１００ｋｇｆ（９８０Ｎ）の引張あるいは圧縮力が掛かり、直径６ｍｍの支柱１００が用いられる場合の支柱１００に掛かる応力は、（１００×９．８÷（３×３×３．１４））の式により、３４．６ＭＰａとなる。ＪＩＳ－Ｇ－４０５１：２０１６に規定されるＳ１０Ｃの鋼材の引張強さは、３１０ＭＰａ以上であるので、直径６ｍｍでも十分な強度を有していることが分かる。支柱１００を設置する意義は、圧力によるパネル１１，１２の変位を抑制にある。よって、支柱１００の長さが応力によって大きく変化してはならない。支柱１００に掛かる応力は弾性限界以下、望ましくは降伏点の半分以下である。降伏点は一般に０．２％耐力、すなわち引張試験時に０．２％の永久歪みが残る荷重と定義される。しかし、応力歪曲線は降伏点付近ではわずかながら、非線形となっていることから、完全な弾性域で使用すると言う意味において、降伏点の半分以下の荷重となるように支柱１００の直径を設計するとよい。
例えば、燃料タンク１０に所定の内圧が作用することを想定した場合、鋼製の支柱１００は、６ｍｍの直径で、燃料タンク１０の高さ寸法に応じて、内部空間Ｖに位置する部分となる。仮に燃料タンク１０の高さ（支柱１００のうち、内部空間Ｖに位置する部分の長さ）を２００ｍｍと仮定する。この場合、鋼製の支柱１００の内部空間Ｖに位置する部分は、５．６５ｃｍ^３の体積と４４．４ｇの質量を有している。そして、鋼製の支柱１００の降伏点強度が３００ＭＰａである場合、完全弾性域となる約１５０ＭＰａ以下を、使用時の許容応力に設定できる。これに対して、上述の所定の内圧と同じ内圧が作用し、かつ、同じ高さ寸法を有する燃料タンク１０に樹脂製の支柱を適用する場合、一般的な樹脂製（例えば、ポリアセタール等）の支柱は、引張強度、降伏強度等の強度が低く、融点が摂氏１６０度程度と低く、環境温度の変化に対するヤング率、強度、完全弾性域等の機械的性質の安定性が低いことを考慮して、使用時の許容応力を約１０ＭＰａ以下に設定して設計する必要がある。このため樹脂製の支柱を用いる場合、その大きさは、少なくとも２４ｍｍの直径で、２００ｍｍの高さ（長さ）を有するものになる。この場合、樹脂製の支柱の内部空間Ｖに位置する部分は、９０ｃｍ^３の体積と１２８ｇの質量を有するものとなり、鋼製の支柱と比べ体積、質量ともに大きい値になる。特に体積の差は非常に大きいものとなる。このように、鋼製の支柱１００は、樹脂製の支柱１００に比べて、必要な強度を保ちつつ小さい体積、小さい質量とすることができる。よって、本実施形態における燃料タンク１０は、燃料タンク１０の内部空間Ｖにおける支柱１００による占有体積をできるだけ小さくすることができる。このため、燃料タンク１０の内部空間Ｖにおける、燃料の貯留のための有効体積（容積）をできるだけ大きく確保できる。それに加え、支柱１００の強度を保ちつつ軽量化を実現できるため、支柱１００を含む燃料タンク１０を軽量にできるとともに、内圧への耐力を高めることができる。

支柱１００の両端には、ナットで固定するためにネジ加工を行う。図３に示すように、支柱１００の下端部（第１端部）に第１雄ネジ１０１を形成し、支柱１００の上端部（第２端部）に第２雄ネジ１０２を形成する。負圧時のパネル１１，１２の変形を防ぐため、図２および図３に示すように、燃料タンク１０の内部の高さに応じた支柱１００の位置に、円環状のフランジ１０５を固定する。フランジ１０５は、円環状のフランジ１０５を平面視した場合の中心軸が支柱１００の軸線に沿うようにして、支柱１００の外周の全周から直角方向に延びた状態で設置される。これにより、燃料タンク１０の負圧時等において、支柱１００が、フランジ１０５を介して、広い面積でアッパーパネル１１からの荷重を受けることができるので、アッパーパネル１１に形成された第２穴１１ｄの内縁を含む第２穴１１ｄの近傍の変形を抑えることができる。よって、燃料タンク１０の耐久性を高めることができる。ここで、負圧時にフランジ１０５の外周縁を支点にして、アッパーパネル１１が変位及び変形し、疲労する懸念がある。このため、目標の正負圧疲労試験を合格するように、フランジ１０５の外径を設定する。また、図４に示すように、フランジ１０５の上面に、フランジ１０５の径方向の外側に向かうに従い、下方に向かうように傾斜した若干のテーパーを設けることで、フランジ１０５の外周縁に接触するアッパーパネル１１側の歪量を軽減させることができる。

燃料タンク１０は、衝突安全性についても考慮されなければならない。すなわち、衝突時、支柱１００を取付けたパネル１１，１２が破壊され、燃料が漏れることを防止しなければならない。そこで、図２および図３に示すロアーパネル１２側のチャンバーステー２０に取り付けた第１ナット２１と支柱１００の螺合部が破壊するように、支柱１００下部のねじの直径やねじ山の高さおよび条数を調整することもできる。

支柱１００は腐食を防止する意味から、表面処理を施すとよい。電気亜鉛めっき、電気スズめっき、電気スズ亜鉛めっき、電気ニッケルめっきが推奨される。すなわち、支柱１００の外面に、亜鉛めっき層、スズめっき層、スズ亜鉛めっき層、ニッケルめっき層を備えてもよい。パネル１１，１２やバッフルステーにスズ亜鉛めっき鋼板を用いる場合は、燃料タンク１０の内部の電食を防ぐ意味合いから、電気スズ亜鉛めっきを選ぶと良い。

［取付け構造］
支柱１００の取付けは、鋼製の第１ナット２１で行う。
図５に示すように、ロアーパネル１２側の第１ナット２１の取付けには、円形のチャンバーステー２０を利用する。図５は、チャンバーステー２０に第１ナット２１を３か所取り付けた状態を示すものである。チャンバーステー２０上の第１ナット２１の取付け部には、第１ナット２１の穴径よりも１ｍｍ大きい径の穴を開ける。そこに第１ナット２１をプロジェクション溶接する。第１ナット２１側にプロジェクションを設けてもよいし、チャンバーステー２０側にプロジェクション（突起）を設けてもよい。
第１ナット２１は、支柱１００に対応して、ロアーパネル１２の内面に設ける。

第１ナット２１を取り付けたチャンバーステー２０をロアーパネル１２にスポット溶接で取り付けるが、この時、図６に示すように、ロアーパネル１２の外面側にリンフォース（補強部材）２２を取り付けると、圧力変動によるロアーパネル１２の変形を抑制できる。なお、図６中にスポット溶接で形成した溶接部を、符号２３で示す。
リンフォース２２を取り付けた場合、圧力変動時にロアーパネル１２とリンフォース２２との間に隙間が発生する可能性がある。この隙間に砂塵が入り込むと、燃料タンク１０の圧力疲労強度が低下する懸念がある。そこで、合わせ部（隙間）に砂塵が入り込まないように、リンフォース２２の周縁部に弾力性のある塗膜を施すことが有効である。あるいは、スズ亜鉛はんだを隙間に流しこむことで、隙間を塞ぐこともできる。特にはんだを用いると強度が面で確保されるので、リンフォース２２の効果が高まる。

リンフォース２２の直径は、チャンバーステー２０の直径より０～２０ｍｍ程度大きくする。リンフォース２２なしでは、チャンバーステー２０とロアーパネル１２をスポット溶接した溶接部２３への応力集中が起き、ロアーパネル１２の変形が起きやすくなる。スポット溶接による溶接部２３の位置は特に指定するものではないが、圧力変動時に応力の集中し易い、第１ナット２１をプロジェクション溶接する部分の近傍が好ましい。溶接部２３の事例を、図５および図６に示す。第１ナット２１は、チャンバーステー２０を介してロアーパネル１２の内面に固定されている。
第１ナット２１に支柱１００の下端部に形成された第１雄ネジ１０１を嵌め合わせ、第１ナット２１およびチャンバーステー２０を介してロアーパネル１２と支柱１００とを接続する。これにより、ロアーパネル１２に支柱１００の下端部を固定する。
なお、支柱１００の下端部は、溶接等によりロアーパネル１２に固定されてもよい。

図６および図７に示すように、アッパーパネル１１側の支柱１００の取付けも、第２ナット１０７で行う。なお、アッパーパネル１１には、ポンプを取付けるための第１穴１１ｃが形成されている。ここでは、第１穴１１ｃは、アッパーパネル１１の平面視における中央に形成されている。アッパーパネル１１には、支柱１００取付け用の第２穴（穴）１１ｄを開口する。ロアーパネル１２側の第１ナット２１の取付け位置の直上となる部位に、第２穴１１ｄを開口させる。第２穴１１ｄの径は支柱１００の直径と同じとし、第２穴１１ｄの径よりも０．５ｍｍ大きい程度の穴広げ加工をアッパーパネル１１の外面側に向けて行うと、第２穴１１ｄにテーパーが付き、支柱１００の上端部が取り付けやすくなる。また、第１穴１１ｃから手を入れ、支柱１００の位置を調整して、支柱１００の上端部を第２穴１１ｄの中に入れてもよい。
また、アッパーパネル１１のうち第２穴１１ｄの縁部に、応力集中が起きやすくなる。穴広げ加工により第２穴１１ｄにテーパーを付けることは、加減圧時のパネル１１，１２の変形に伴う応力集中の緩和にも効果がある。
支柱１００の上端部における下方の部分は第２穴１１ｄ内に配置され、支柱１００の上端部における上方の部分は第２穴１１ｄよりも上方に突出している。すなわち、支柱１００の一部が、内部空間Ｖに配置されている。フランジ１０５は、アッパーパネル１１の内面に配置されている。

支柱１００の取付けは、外部からの第２ナット１０７の螺合による。第２ナット１０７は、アッパーパネル１１の外面に配置された状態で、支柱１００の上端部に形成された第２雄ネジ１０２に嵌め合うことで、支柱１００の上端部に固定されている。第２ナット１０７およびフランジ１０５は、アッパーパネル１１を上下方向に挟んでいる。こうして、支柱１００の上端部はアッパーパネル１１に固定されている。なお、支柱１００の上端部は、溶接等によりアッパーパネル１１に固定されてもよい。
密封性確保のため、第２ナット１０７とアッパーパネル１１の間にはパッキン（シール、ガスケット、または、オーリング、不図示）を設置する。パッキンの材質は特に規定するものではないが、長期仕様の耐久性を考慮すると、半田シートを打ち抜いたドーナッツ状のワッシャー１０８Ａ（図４参照）でもよい。第２ナット１０７で支柱１００にワッシャー１０８Ａを螺合した後、その部位に熱を加えワッシャー１０８Ａを溶融させ、さらにワッシャー１０８Ａを冷却して固化させて半田１０８とする。これにより、半田１０８がアッパーパネル１１と第２ナット１０７との間を密閉（シーリング）し、燃料タンク１０の密閉性を確保することができる。

なお、ナット２１，１０７の腐食を防止する観点から、ナット２１，１０７へのめっき処理が好ましく、電気亜鉛めっき、電気スズめっき、電気スズ亜鉛めっき、電気ニッケルめっきが推奨される。すなわち、ナット２１，１０７の外面に、亜鉛めっき層、スズめっき層、スズ亜鉛めっき層、ニッケルめっき層を備えることが好ましい。
特に、パネル１１，１２にスズ亜鉛めっき鋼板を用いる場合、電食懸念軽減の意味合いから、電気スズ亜鉛めっきが好ましい。また、支柱１００とナット２１，１０７の締結部のシーリングに半田金属を用い、熱を掛けてこの半田金属を溶融させ密閉性を確保する場合は、電気スズ亜鉛めっきは半田濡れ性に優れることから、電気スズ亜鉛めっきが好ましい。電気スズ亜鉛めっきは、密閉性確保の観点からも好ましい。

＜３．梁構造＞
［梁構造・取付け構造］
ポンプの辺縁部に支柱１００を設置すると、正負圧時のパネル１１，１２の上面、底面の変位を抑制することができるが、そのしわ寄せが燃料タンク１０のシーム溶接されたフランジ部１１ｂ，１２ｂの近傍に現れる。すなわち、パネル１１，１２の壁面の変位が大きくなる。燃料タンク１０のシーム溶接されたフランジ部１１ｂ，１２ｂをリンフォースで補強し、リンフォースを介して、ボルトで車両フレームに取り付ける場合は、車両フレームの剛性の効果で横方向（パネル１１，１２が対向する方向に直交する方向）の変位は抑えられるが、ベルトで車両フレームに取り付ける場合は、燃料タンク１０の横方向の変位を抑えることができない。

このような場合、図８に示すように、燃料タンク１０の内部に、鋼製で円柱状の梁３０を設けるとよい。パネル１１，１２をプレスしたのち、その壁面に、図８および図９に示す梁３０の取付け用の鋼製の取付具３１（attachment）をスポット溶接により取り付ける。なお、図９中に梁３０を二点鎖線で示す。
取付具３１はハット型構造となっており、梁３０の両端に設けられたフランジ３０ａがその中に嵌合する。取り付けた梁３０が外れないようにするため、ハット型構造の開口部３１ａに抜け防止用のフィン３２を取り付けるとよい。フランジ３０ａを取付具３１に嵌め入れる時は、鋼製のフィン３２が内側に折れ曲り、嵌合後は、フィン３２のスプリングバックにより、フランジ３０ａが外れないようにする。手作業で嵌合できるような強度とするように、フィン３２のサイズを設計する。また、梁３０のフランジ形状は円形でも良いし、四角形でも良い。四角形の場合は、台形とし、上底を下底よりも短くし、上端側から鋼製の取付具３１の空間に挿入すると、取付けが容易となる。

取付具３１の強度は、取付具３１の板厚や材質で制御する。しかし、取付具３１の隙間に半田金属を流しこんで、面で取付具３１の強度を確保することも可能である。

図１０に示すように、梁３０は、一端をフランジ３０ａを有するフランジ構造とし、他端をネジ構造３４とする。四角形の鋼板にナット３４ａをプロジェクション溶接で取り付け、これに梁３０のネジ加工部３４ｂを螺合し、他端側のフランジ３０ａとする。螺合させるときに、その回転数で梁３０の長さ調整できるので、パネル１１，１２のプレス精度によるパネル１１，１２の内径のばらつきを吸収できる。

プレス精度のばらつきがほとんどないのであれば、梁３０の両端をフランジ構造としてもよいし、両端をネジとナットを使ったフランジ構造としてもよい。ナットとネジを使ったフランジ構造の場合は、ハット型金具である取付具３１のＵ字型の開口部３１ａの径を大きくする必要がある。

また、図１１に示すように、一端をフランジ構造とし、他端をネジ構造とした梁３０を２つ用意し、ボルト締結用に用いられる延長ナット３５で２つの梁３０のネジ構造に螺合させることもできる。この場合、２つの梁３０のネジ加工は一方を右ネジ、他方を左ネジとする必要がある。これは振動によって、ネジが回転し、延長ナット３５の締結が外れることを防止するためである。このように、２つの梁３０全体としての両端をフランジ構造にすると、取付け用の鋼製の取付具３１のＵ字型窓の径を小さくし、取付具３１の剛性を高める効果がある。

いずれの形態の梁３０を用いるかは、パネル１１，１２の形状精度、梁構造用の取付具３１のコスト、組み立て時の作業の煩雑さ等により判断すると良い。
梁３０は、アッパーパネル１１およびロアーパネル１２の少なくとも一方の対向する一対の壁面に取り付けられる。

圧力変動で燃料タンク１０の壁面が変位しようとする。これを抑制するのが梁構造であるが、梁３０を支えている取付け用の取付具３１のスポット溶接部に応力が集中することになる。応力が集中する場所は燃料タンク１０のパネル１１，１２と梁取付け用の鋼製の取付具３１の合わせ面、スポット溶接時の熱影響部である。圧力変動により徐々にパネル１１，１２の塑性変形が進み、ついには燃料タンク１０のパネル１１，１２に損傷が生じる。このことを防止する観点から、梁取付け用の鋼製の取付具３１の反対側に強度補強用リンフォース板を設置するとよい。このことで、熱影響部への応力集中を分散できる。リンフォース板はパネル１１，１２と同程度の板厚とし、そのサイズは梁取付け用の取付具３１の大きさと同じかそれよりも縦横ともに０～２０ｍｍ程度大きくすると良い。
但し、先にも記したように圧力変動時にロアーパネル１２とリンフォース２２との間に隙間が生じ、ここに外部からの砂塵類が入り込み、疲労強度を低下させる懸念がある。そこで、砂塵付着防止のため、弾性のある塗膜を隙間に付与するか、隙間部分を半田付けで塞ぐことが必要となる。

＜４．バッフル板の取付け＞
高圧タンクは前述のようにハイブリッド車（ＨＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）の燃料タンクに必要である。このような車種ではエンジンの稼動している時間が短く、車室内は静かである。よって、運転時に燃料の揺動音が聞こえやすくなる。燃料揺動抑制に、支柱あるいは梁を利用することができる。

図１２および図１３に示すように、燃料タンク１０は、シート状の第２バッフル板４０（縦パネルともいう。）を備えていてよい。第２バッフル板４０は、最も薄い板厚方向が水平方向に沿うように、すなわち、板面が鉛直方向に沿うようにして、燃料タンク１０の内部空間Ｖに配置されている。第２バッフル板４０は、支柱１００に取り付けられていてよい。例えば、円柱状（中空円筒状）に加工した樹脂製でシート状の第２バッフル板４０の側面に穴４１を開け、更にフィン４２を設け、燃料の流れを抑制する。円柱状（中空円筒状）の第２バッフル板４０の側面には、支柱１００を中に通せるような小径の中空円筒状の円柱構造物４３を取り付ける。ロアーパネル１２に支柱１００を取り付けたのち、このような第２バッフル板４０を支柱１００の上部から通し、支柱１００がバッフル板４０に嵌まった状態で、第２バッフル板４０を取り付けることができる。このことで、走行時に発生する燃料の揺動を抑制し、音の発生を抑えることができる。第２バッフル板４０は、樹脂製であると、内部空間Ｖにおいて占有する体積あたりの重量を低くできる。なお、第２バッフル板４０は、樹脂製に限らず、鋼製等の他の素材で形成されてよい。

直方体形状のＰＨＶ用燃料タンクが増える可能性について、言及した。このような形状の場合、車両走行時に旋回するとき遠心力で燃料が横方向に動き、燃料タンクの横面に当たると、波が跳ね返り、燃料タンクの上面に沿って、燃料が落ちてくる。このとき液体同士がぶつかることで音が発生する。この音は、スプラッシュ音と言われているものである。図１４および図１５に示すように、燃料タンク１０は、シート状の第１バッフル板５０（横パネルともいう。）を備えていてよい。第１バッフル板５０は、最も薄い板厚方向が鉛直方向に沿うように、すなわち、板面が水平方向に沿うようにして、燃料タンク１０の内部空間Ｖに配置されている。第１バッフル板５０は、支柱１００に取り付けられていてよい。梁３０を２本以上設置するのであれば、これらの梁３０を利用して、複数の梁３０の間に亘って横方向（水平方向）に架け渡された状態で、シートの厚み方向が上下方向（鉛直方向）に沿うようにシート状の第１バッフル板５０を設けると、落下する燃料を受け止め、スプラッシュ音を低減させることができる。すなわち、第１バッフル板５０は、複数の梁３０に跨って架け渡された状態で支持されているので、落下する燃料による衝撃に耐えつつ、液体同士がぶつかることを遮ることができ、スプラッシュ音を効果的に低減できる。このように、梁３０に、第１バッフル板５０が取り付けられているので、梁３０を、パネル１１，１２の変形抑制と第１バッフル板５０の支持とに兼用でき、燃料タンク１０の耐久性を高めることができるとともに、走行時に発生する燃料の揺動を抑制し、音の発生を抑えることができる。また、樹脂製の第１バッフル板５０の一端あるいは両端から鉛直方向に延びる板状体を形成し、第１バッフル板５０の一端あるいは両端の断面形状がＬ字形状となるようにして、縦パネルの機能を持たせることも可能である。

第２バッフル板４０および第１バッフル板５０を形成する樹脂の種類は、特に限定されないが、高密度ポリエチレン、ポリアセタール、ナイロン等が考えられる。燃料タンク１０に組み立てた後で、バッフル板４０，５０の塗装焼き付けを行う場合は、焼き付け温度に対応した樹脂を選択する必要がある。樹脂の融点は焼き付け温度以上でなければならない。
樹脂製のバッフル板４０，５０は、一体成型で得る必要はない。シート状の板材をいくつかの部品に分けて成形し、それらをスナップフィット構造で繋ぎ合わせてもよい。

＜５．支柱と梁による作用＞
［支柱］
アッパーパネル１１とロアーパネル１２を対向させ、互いのフランジ部１１ｂ，１２ｂを重ね合わせるようにすると、ロアーパネル１２に取り付けられた支柱１００の上端部がアッパーパネル１１の上面に開けられた第２穴１１ｄを貫通する。この第２穴１１ｄは、ポンプ取付け用の第１穴１１ｃの周辺に設けられる。このため、支柱１００の配置精度が悪く支柱１００がアッパーパネル１１の第２穴１１ｄを貫通できなかったとしても、ポンプ取付け用の第１穴１１ｃから手を入れて支柱１００の位置を調整することで、簡単に支柱１００の上端部を第２穴１１ｄに入れることが可能である。支柱１００の上端部を第２穴１１ｄに貫通させた後は、支柱１００をアッパーパネル１１の外側からシール用パッキンを介して第２ナット１０７で固定する。このように、燃料タンク１０の内部空間Ｖに容易に支柱１００を構築することができる。

支柱１００は少なくとも、１本以上、好ましくは３本以上燃料タンク１０に設置する。１本の支柱１００では圧力によるパネル１１，１２の変位の抑制が不十分で、支柱１００を設置した個所を支点にしてパネル１１，１２が変形し、歪が支柱１００の周辺に集まる可能性がある。２本の支柱１００では２本の支柱１００の端部を結ぶ線を軸として、パネル１１，１２が回転するような変位が懸念される。３本の支柱１００を設置すれば、それら３本の支柱１００の端部を結ぶ面は完全に固定され、燃料タンク１０の剛性が確保される。４本以上の支柱１００を設置すれば、各支柱１００への負荷は軽減されるが、支柱１００の取付け作業の負荷が増えることになる。

ここで、燃料タンクは、車両に設置され、燃料としては例えばガソリンを貯蔵する部材として使用されるが、燃料タンクに貯蔵されたガソリンは、外気や構造上、燃料タンクの近くを通る排気管の影響を受けて昇温される。そのため、ガソリンの蒸気圧が上昇し、燃料タンクの内部が正圧となる。例えば、夜間の駐車中は、気温の低下により燃料の蒸気圧が低下して、燃料タンクの内部が負圧になることがある。また、運転中の燃料の消費に伴い、液量が低下して燃料タンク内部の圧力が下がることもある。更には、運転中にキャニスターを通じてエンジン側にガソリン蒸気がパージされ、燃料タンク内部の圧力が下がることも考えられる。このように、燃料タンクの内部は正圧と負圧を繰り返すことになる。この圧力変化で燃料タンクの形状が変化すると、パネルの一部で生じた歪が鋼の降伏点を超えて塑性域に入り、低サイクル疲労を起こす懸念がある。燃料タンクの変形量は板厚を上げることで抑制させることができることから、通常は低サイクル疲労を生じさせないように板厚が設計される。

また、板厚設計においては、振動疲労、すなわち、高サイクル疲労も考慮される。燃料タンクは、車両の下部にボルトあるいはベルトで取り付けられる。車両が走行するとき、路面からの振動が燃料タンクに伝わる。燃料タンクは、所定の振動固有値を持っており、板厚を下げると固有値が低下し、路面からの入力周波数に近づき、共振現象を起こし易くなる。このため、振動疲労を避けるために板厚が決定されることもある。
このように、従来、鋼製の燃料タンクでは、圧力疲労および振動疲労を回避するために板厚を薄くすることが困難であった。

更に、近年、耐圧性の高い燃料タンクも要請されつつある。これは、蒸気エミッション規制が強化される傾向にあることを受けて、燃料システム系からガソリン蒸気が大気に逸散しないように活性炭キャニスターの設置が採用されている。キャニスターに吸着されたガソリン蒸気は、エンジンの稼動中にパージされ、大気に放出されることはない。この際、キャニスターは乾燥される。しかし、発電機付きの電気自動車やプラグインハイブリッド車ではエンジンが稼動している時間が短く、キャニスターに吸着されたガソリンが乾燥し難くなる。キャニスターの負荷を軽減するには燃料タンクとの隔離弁の開放圧を上げる必要があり、その加圧量は３０～４０ｋＰａと言われている。通常、この圧力に耐える鋼製の燃料タンクを構築するには、通常の２倍前後の板厚を有するパネルを用いなければならず、燃料タンクの重量が増加することになる。

このように、従来の鋼製の燃料タンクは剛性を確保するためにパネルの板厚を薄くすることが困難であった。そこで鋼製タンクの内部に樹脂製支柱を設置し、耐圧性を向上させ、結果として燃料タンクの軽量化を図る方法が当該出願人の名前による特許文献２として開示されている。この手法は金属製の台座にねじ加工を施し、樹脂支柱を螺合させると言う方法であるが、燃料タンクのアッパー面と対向するロアー面に少なくとも台座を設置する平行な面が必要となる。そこで、燃料タンクのポンプ用開口部周縁の圧力による変形防止のため、台座に代え、ナットと言う極僅かの面積で支柱設置を可能とするのが、本発明である。

［梁］
上下面を繋ぐ支柱構造を検討して行くなかで、燃料タンクにおいてシーム溶接するフランジ部近傍の横方向の膨れが問題となった。扁平型燃料タンクの場合は上下方向の膨れが大きく、横方向の膨れはそれほど問題とならなかったが、上下面の間隔が大きい、すなわち高さのある燃料タンクの場合は、上下の膨れを抑えると横方向が膨れる現象が見られた。この膨れを抑える方法としては燃料タンクをフロアーに取り付けるバンドを用いることが一般的であるが、このバンドもアッパー面をフロアーに当て、ロアー側からバンドで支える構造のため、横方向の膨れには殆ど効果がなかった。

鋼製タンクの場合はアッパーとロアーパネルを別々にプレス加工で製造し、その内部にバッフル、配管、パイプやバルブの取付けを行う。よって、梁構造を取り付けることも可能である。これまで、バッフルを梁構造用として用いる事例はあった。例えば、商用車用のドラムタンクでは、胴体を巻き、縦シーム溶接を施した後、角筒となった胴体の内部に四角形のバッフルを圧入して、バッフルの４隅のフランジをスポット溶接で固定することがあった。内部に部品の設置が少ない場合はこのようなことも可能であるが、ＰＨＶ用高圧タンクでは、圧力調整用の様々な部品が取り付けられることが予想され、バッフルと干渉することが考えられる。そのような場合、柱状の梁構造であれば、部品類への干渉が少ない。

＜６．一設計例＞
上述した本実施形態に係る燃料タンク１０は、例えば有限要素法を用いたコンピューターシミュレーションを用いて設計が可能である。具体的には、まず支柱１００を設けない状態で、燃料タンク１０の内部圧力を正圧あるいは負圧にした場合に、燃料タンクに生じるひずみ範囲の高い位置を求める。この最大ひずみ範囲位置に近く、燃料タンク１０用の第１穴１１ｃから手を入られる場所に支柱１００を取り付けるようにする。１本の支柱１００では不安定であることから、できれば支柱１００を２本設置する。次いで、支柱１００を２本設置した点を底辺とした二等辺三角形を成す頂点部に、３本目の支柱１００を設置する。アッパーパネル１１のポンプ取付け用の第１穴１１ｃの近傍に第２穴１１ｄを明けて、支柱１００を貫通させて第２ナット１０７によりネジ止めを行う。ポンプ取付けのため、図１に示すリテーナー１５と言う厚さ２～４ｍｍの金属製の台座が、アッパーパネル１１における第１穴１１ｃの開口周縁部に取り付けられるが、支柱１００の設置はその近傍が好ましい。燃料タンク１０の組み立て時に、リテーナー１５から手を入れて作業できることと、リテーナー１５の剛性を利用し、アッパーパネル１１側の支柱１００の取付け部の疲労を防ぐことができるからである。

ついでコンピューターシミュレーションにより支柱１００に加わる力を計算し、十分な引張力および座屈力を確保し得る支柱１００の直径を決定する。支柱１００の強度は、支柱１００に加わる力の２倍以上あることが好ましい。完全弾性域で支柱１００を使い、支柱１００の疲労破壊を防ぐためである。

リテーナー１５周辺に適切な支柱１００を設置し、更に圧力計算を行う。もし、横方向に膨れが増し、シーム溶接されたフランジ部１１ｂ，１２ｂ近傍にひずみの増大が見られ、疲労破壊が懸念されるようになった場合は、梁３０の設置を行う。梁３０の設置場所は、ひずみの大きな部位の近傍とする。
一具体例として、一般的な鋼製の高圧タンクの板厚として１．６ｍｍを仮定する。また、そのアッパーパネル１１とロアーパネル１２の重量の和を１６ｋｇとする。かかる燃料タンク１０に３本の支柱１００を設置すると、板厚が１．６ｍｍの場合と同等の耐圧性を確保しながら、１．２ｍｍに板厚を下げ得ることが判明した。この時のパネルの重量は、１２ｋｇである。更に板厚を１．０ｍｍとすると、シーム溶接ビード付近に疲労き裂の可能性が示された。そこで、梁３０を１本追加することで、１．０ｍｍの板厚でも耐圧性が確保されることが判明した。この時のパネルの重量が１０ｋｇである。直径６ｍｍの鋼製の支柱１００を用いると、ナットの重量を含めて支柱１００や梁３０の重量は１本当たり、１００ｇ以下である。この重量を加えても、元の重量より大幅な軽量化ができる。

次に、燃料タンクの形状と、支柱１００及び梁３０との関係について説明する。
鋼製の燃料タンク１０は、フランジ付きのアッパーパネル１１とロアーパネル１２とを別々にプレス加工し、内部の部品類を取り付けた後、フランジ部１１ｂ，１２ｂを重ねてシーム溶接することより、一体の部品に加工される。燃料タンク１０の側面はそのシーム溶接部により剛性が高められていることから、上下面の剛性が相対的に低くなる。そのため、燃料タンク１０の上下面を支柱１００で繋ぐことで、燃料タンク１０の全体の剛性、すなわち、耐圧性を高めることができる。
燃料タンク１０の内圧は、燃料タンク１０の内面に均等に掛かる。よって、剛性の低い面の変形が大きくなり、それが起因して圧力疲労破壊が発生する。上下面に支柱１００を設置することで上下面の剛性を高めて変化量を低減すると、側面のシーム溶接ビード部に疲労破壊が生じる現象が見られた。すなわち、上下面が支柱１００で支持されていない場合、上下面の剛性は側面の剛性より低いが、上下面を支柱１００で支持すると、この剛性の高低の関係は逆転し、側面の剛性は上下面の剛性より低くなる。
そして、支柱１００を設置することで上下面の剛性が側面の剛性を上回った時にこの側面の疲労き裂が見られるという知見が得られた。このような場合には梁構造（ロアーパネル１２及びアッパーパネル１１の少なくとも一方に、鋼製で円柱状の梁３０が取り付けられている構造）を採用することで更なる耐圧性改善の得られることが分かった。梁構造を用いるべき燃料タンク１０の形状を補足説明する。
以下、直方体状の燃料タンク１０の寸法を、幅Ｗ、長さＬ及び高さＨとし、幅Ｗと長さＬで囲まれる面（上下面）をＷＬ面とし、ＷＬ面に掛かる圧力をＰＷＬとする。同様に、幅Ｗと高さＨで囲まれる面（側面）をＷＨ面とし、ＷＨ面に掛かる圧力をＰＷＨとし、長さＬと高さＨで囲まれる面（側面）をＬＨ面とし、ＬＨ面に掛かる圧力をＰＬＨとする。燃料タンク１０の側面となるＷＨ面及びＬＨ面には、シーム溶接ライン（溶接ビード）が、燃料タンク１０を周回するように、連続的に設けられている。
燃料タンク１０の形状は、立方体タンク、扁平タンク及び直方体タンクの３つに大別することができる。立方体タンクは、幅Ｗ、長さＬ及び高さＨが実質的に等しい形状である。扁平タンクは、幅Ｗと長さＬとが実質的に等しく、高さＨが幅Ｗ及び長さＬより小さい形状である。直方体タンクは、幅Ｗ又は高さＨを大きくとり、長さＬを小さくとった形状である。
燃料タンク１０の形状が、立方体タンク、扁平タンク及び直方体タンクのそれぞれの場合における、支柱１００と梁３０の考え方を以下に説明する。
（１）立方体タンクの場合
ＰＨＶでは後部座席の下にバッテリーあるいはバッテリーを制御する装置が設置され、燃料タンクがその横に設置されることがある。その形状は立方体に近い形状となる。燃料タンクの容量をＶｏとし、表面積をＳとする時、容積効率Ｖｏ／Ｓを最大化する６面体は立方体であり、理にかなった形状とも言える。
立方体であるので、ＰＷＬ＝ＰＷＨ＝ＰＬＨとなる。ここで相対する面に掛かる圧力は同じである。側面はシーム溶接のフランジ構造により剛性が上下面より高いので、相対的に剛性の低い上下面に支柱１００を設けることで、燃料タンク１０の全体の剛性を均等化することが可能であり、梁３０の設置は不要である。
（２）扁平タンクの場合
車内空間を広く取るために燃料タンク１０の高さＨを１００～２００ｍｍ程度とすることがある。このような燃料タンク１０では上下面の面積が広がるため、圧力負荷は側面に掛かる負荷よりも相対的に大きくなる。すなわち、ＰＷＬ＞ＰＷＨ（ＰＬＨ）であることから、支柱１００の設置で上下面の剛性を上げても、側面の剛性を上回ることはない。よって、梁３０の設置は不要である。
（３）直方体タンクの場合
バッテリーの後方に燃料タンク１０を設置することがある。このような場合、車両の左右方向に沿う燃料タンク１０の幅Ｗ又は高さＨを大きくとり、車両の前後方向に沿う長さＬを小さくとった直方体タンクが採用されることとなる。このような燃料タンク１０に掛かる内圧は次のようになる。
（長さＬ＝高さＨの時）ＰＷＬ＝ＰＷＨ あるいは
（長さL＜高さＨの時）ＰＷＬ＜ＰＷＨ
上下面に支柱１００を設置すると上下面の剛性が上がるため、ＷＨ面の剛性が最も低くなる。これを補うために梁３０が必要となる。
Ｌ＜Ｈの場合で梁３０の設置を検討すると、幅Ｗと高さＨの比が１．５を超える場合において、梁３０を設置することが好ましい。ＷＨ面の圧力による変形を抑えている（支持している）のは、その両側面にあるＬＨ面であるので、幅Ｗが大きくなると、それに連れてＷＨ面のたわみも大きくなり、ＷＨ面の中央部の変形が大きくなる。このため、ＷＨ面の圧力変動による疲労破壊が懸念されるようになる。そこで、好ましくは、Ｗ／Ｈ＞１．５の時に梁３０を１本以上設置することで、変形を抑え、圧力剛性及び疲労耐性を高めることができる。燃料タンク１０には燃料を吸い上げるためのポンプが設置されるので、それを避ける位置に設置するとよい。梁３０を設置する位置と本数は、コンピューターシミュレーションにより決定する。

燃料タンクの耐圧性を高め、かつ、軽量化を実現することができる。

１０ 燃料タンク
１１ アッパーパネル
１２ ロアーパネル
３０ 梁
４０ 第２バッフル板
５０ 第１バッフル板
１００ 支柱
１０８ 半田
Ｖ 内部空間

Claims (7)

1. 鋼製のロアーパネルおよび鋼製のアッパーパネルと、
   前記ロアーパネルと前記アッパーパネルとを対向させて形成された内部空間に配置され、第１端部が前記ロアーパネルに固定され、第２端部が、前記アッパーパネルに形成された穴内に配置された状態で前記アッパーパネルに固定された少なくとも１つの鋼製の支柱と、
   前記ロアーパネルの内面に固定され、前記支柱の前記第１端部が嵌め合わされた鋼製の第１ナットと、
   を備える燃料タンク。
2. 前記アッパーパネルの内面に配置され、前記支柱に固定されたフランジと、
   前記アッパーパネルの外面に配置され、前記支柱の前記第２端部が嵌め合わされて前記フランジとの間に前記アッパーパネルを挟む鋼製の第２ナットと、
   を備える請求項１に記載の燃料タンク。
3. 前記支柱、前記第１ナット、および前記第２ナットの外面に、スズめっき層、もしくは、スズ亜鉛めっき層を備える請求項２に記載の燃料タンク。
4. 前記アッパーパネルと、前記第２ナットとの間を密閉する半田を備える請求項２または３に記載の燃料タンク。
5. 前記ロアーパネルおよび前記アッパーパネルの少なくとも一方の対向する一対の壁面に、鋼製で円柱状の梁が取り付けられている請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料タンク。
6. 前記梁に、第１バッフル板が取り付けられている請求項５に記載の燃料タンク。
7. 前記支柱に、第２バッフル板が取り付けられている請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料タンク。

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