クライオ圧縮水素（CcH₂）の疲労寿命設計と運用シナリオの安全裕度

山崎行政書士事務所
10月3日
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――35→70 MPa×低温域の累積損傷を“圧力×熱”の連成でモデル化し、Relief作動頻度・熱衝撃の影響まで織り込む――

要旨（Abstract）

クライオ圧縮水素（Cryo‑compressed H₂：CcH₂）は、低温×高圧で高密度貯蔵を実現するが、圧力サイクル疲労と熱サイクル（熱衝撃）が同時に作用するため、従来の常温CH₂（Compressed H₂）よりも寿命評価の不確かさが大きい。本稿は、(1) 35→70 MPa往復を基本とする圧力履歴、(2) プリクール／充填／保管／Relief作動に伴う温度履歴、(3) 材料階層（金属ボス・FRP・ライナー）の温度依存特性を結合した連成寿命モデルを提示する。寿命設計は破壊力学（Paris則）×層間破壊エネルギ×S‑N/ε‑Nの“ハイブリッドECA”で構成し、Relief作動はポアソン過程×熱衝撃等価化で重み付け損傷に換算する。結果として、(i) ドーム／肩部の面外せん断（ILSS）と熱膨張ミスマッチが損傷起点を左右、(ii) 低温充填直後のアフターライジングおよびReliefの短周期再作動が寿命感度最大、(iii) 温度計測の同化を備えた準実時間デジタルツインで安全裕度 μₛ≥1.5（要求寿命比）を運用中に維持する、という指針を与える。

1. 対象スコープと設計要求

対象タンク：Type III/IV相当のCcH₂容器（ボス：金属、外殻：CFRP、ライナー：HDPE/PA/PEEK等、場合によりライナーレスType Vも想定）。
圧力・温度域：充填・運用で35→70 MPaの往復、タンク内部ガス温度は極低温プリクール（～−40 °C相当）～室温のレンジ。
寿命要求：統合サイクル数N*（例：車載10–15年、1–3回/日×気温季節性）、安全裕度 μₛ≡L_calc/L_req ≥1.5を最低線とする。
受入基準：規格の圧力・温度・透過上限を満たしつつ、ガス媒体試験での破壊様相（破片エネルギ、weeping有無）を確認。

2. 荷重シナリオの分解（圧力×熱の“地図”を作る）

(A) 通常サイクル：プリクール→高速充填→保持→放圧（35 MPaへ）(B) 低温保持：夜間・連泊等の長時間低温保持(C) Relief作動：アフターライジングや外因で過圧接近→弁開（単発／複数回短周期）(D) 異常熱衝撃：急速放圧／局所凝縮による壁内ΔT急峻化→ いずれも圧力振幅 ΔPと温度差 ΔT（半径方向勾配を含む）として等価応力振幅に写像し、累積損傷へ加算する。

3. 連成寿命モデル（“物理×統計”のハイブリッドECA）

3.1 金属部位（ボス／継手）：破壊力学

欠陥モデル：ボス根元・ねじ底・ドーム肩の微小欠陥を半楕円き裂 a とし、
ΔK=Y(幾何, σθ, σz)πa\Delta K = Y(\text{幾何},\,\sigma_{\theta},\,\sigma_{z})\sqrt{\pi a}ΔK=Y(幾何,σθ,σz)πa
で圧力応力＋熱応力の合成からΔKを求める。
進展則：da/dN=C(ΔKeff)m\mathrm{d}a/\mathrm{d}N = C(\Delta K_{\mathrm{eff}})^mda/dN=C(ΔKeff)m（温度依存）＋熱衝撃イベントの**等価ΔK_{\mathrm{th}}**を重畳。
破断判定：Kmax<KIc(T)K_{\mathrm{max}}<K_{\mathrm{Ic}}(T)Kmax<KIc(T)、最小靭性温度での臨界評価を基準とする。

3.2 FRP殻体：面内疲労×層間破壊

面内（繊維主支配）：CLT→等価ひずみ振幅 Δεeq\Delta\varepsilon_{\mathrm{eq}}Δεeq を算出、
Nf=f(Δε11,Δε22,Δγ12; T)N_f = f\big(\Delta\varepsilon_{11},\Delta\varepsilon_{22},\Delta\gamma_{12};\,T\big)Nf=f(Δε11,Δε22,Δγ12;T)
のS‑N/ε‑Nで低温補正。
層間（面外）：ドーム／肩のILSSピークに対し、
G=ψ(σ⊥,τ⊥∥,ΔT) ⇒ G≥GIC/IIC(T)G=\psi(\sigma_{\perp},\tau_{\perp\parallel},\Delta T)\ \Rightarrow\ G\ge G_{IC/IIC}(T)G=ψ(σ⊥,τ⊥∥,ΔT) ⇒ G≥GIC/IIC(T)
のエネルギ解放率基準でき裂発生→伝播をPDM（進展損傷）で追跡。
等価化：1サイクル損傷 dD_FRP=dD面内+wILSS dD層間dD\_{\mathrm{FRP}}=dD_{\mathrm{面内}}+w_{\mathrm{ILSS}}\,dD_{\mathrm{層間}}dD_FRP=dD面内+wILSSdD層間。温度・湿度による GIC/IICG_{IC/IIC}GIC/IIC 低下を含む。

3.3 ライナー：クリープ×熱衝撃×透過

熱衝撃応力：半径1DのΔT(r,t) から
σθth≈Elin(T) α(T) ΔTwall1−ν\sigma_{\theta}^{\mathrm{th}}\approx \frac{E_{\mathrm{lin}}(T)\,\alpha(T)\,\Delta T_{\mathrm{wall}}}{1-\nu}σθth≈1−νElin(T)α(T)ΔTwall
を見積もり、降伏・亀裂発生の臨界線を定義。
クリープ・疲労連成：高圧保持×低温での粘弾‑塑性を時間温度換算で折り込み、繰返し熱衝撃重畳での亀裂萌芽を評価。

3.4 合成規則（運用シナリオごとの損傷総和）

Miner則拡張：
D=∑i∈通常niNf,i+∑j∈Reliefkrel(j)njNf,j⇒μs=1DD=\sum_{i\in\text{通常}} \frac{n_i}{N_{f,i}}+\sum_{j\in\text{Relief}} k_{\mathrm{rel}}(j)\frac{n_j}{N_{f,j}} \quad \Rightarrow \quad \mu_s=\frac{1}{D}D=i∈通常∑Nf,ini+j∈Relief∑krel(j)Nf,jnj⇒μs=D1
Relief作動は重み係数 krel>1k_{\mathrm{rel}}>1krel>1（熱衝撃×急放圧の複合損傷として“重く”換算）。

4. Relief作動・熱衝撃の“等価化”

作動統計：季節・場所ごとのアフターライジング頻度をポアソン過程でモデル化、年あたり平均λ。
等価ΔT・ΔP：短時間（秒オーダ）での壁内温度勾配と過渡圧降下から、金属部はΔK_{\mathrm{th}}、FRP・ライナーは等価ひずみ振幅へ変換。
推奨管理：λを仕様に明記（例：λ≤3 / 年）。短周期再作動はペナルティ係数でさらに重く換算（例：同一充填内2回目以降は krel×1.5k_{\mathrm{rel}}\times1.5krel×1.5）。

5. 低温充填の“温度地図”とアフターライジング

3ルンプ＋多層1D伝熱の準実時間モデル（噴流核／バルク／近壁層×ライナー＋CFRP）で、充填プロファイルから**T_peak・ΔT_{wall}**を予測。
アフターライジング：流入停止後の混合・伝熱で温度が再上昇。Relief接近ならWarm‑finish／段階緩和で抑制。
寿命感度：低温が**靭性↑**をもたらす部位（FRP面内）と、**熱応力↑**となる部位（ライナー・界面）が混在するため、**局所指標（ILSS、σ_{\theta}^{th}）**で評価する。

6. 安全裕度 μₛを高める設計・運用レバー

6.1 設計

ドーム／肩の面外緩和：肩R拡大、非ジオデシック域の**±αバランス／局所フープ帯でILSSピーク**を低減。
樹脂靭性・界面：タフ化エポキシ＋カップリング剤で GIC,GIICG_{IC},G_{IIC}GIC,GIIC↑。低温での脆化を試験ベースで反映。
ライナー：PA/EVOH/PA等の多層や高結晶PEEKで熱衝撃・透過の両立。
金属ボス：ねじ底のKt緩和（丸みR、テーパ角最適化）と表面仕上げでΔK低減。

6.2 運用

プリクール×流量の同時最適化：Shifted‑RampやPulse‑CoolでT_peakと**ΔT_{wall}**を削減。
Reliefガバナンス：遮断／流量緩和でλを下げる。短周期再作動禁止（インターバル確保）。
健康監視：FBG（周方向歪み）＋AE（微小離層）で予兆検知、閾値超過でプロファイルを自動減速。
データ同化：温度・圧力ログをデジタルツインへ同化し、残寿命RULとμₛを日次再計算。

7. 90日ロールアウト（PoC→量産運用）

Week 0–2｜現状把握：圧力・温度ログ、Relief作動履歴、製造・材料票（E, G, ν, GIC/IIC(T)G_{IC/IIC}(T)GIC/IIC(T), KIc(T)K_{\mathrm{Ic}}(T)KIc(T)）を集約。
Week 2–6｜モデル化：破壊力学＋PDM＋3ルンプ伝熱を結合した連成寿命モデルを構築、代表シナリオで校正。
Week 4–8｜同化・KPI設定：RMSE(P,T)基準、μₛ閾値、Relief λ上限、Warm‑finishの適用条件を文書化。
Week 6–10｜PoC運用：FBG/AEを用いた閾値検証と自動プロファイル制御の妥当化。
Week 8–12｜量産移管：運転UI・監査様式・“デジタルパスポート”運用（車両／容器個票）を確立。

8. 現場専門家としての所見（要点）

“圧力だけ”でも“温度だけ”でもない。 低温CcH₂は熱応力×圧力応力の合成で評価する。
Reliefは寿命の天敵。 頻度λと短周期再作動を“損傷重み”で管理するだけでμₛが劇的に改善する。
寿命は“見える化”できる。 準実時間ツイン＋センサ同化でRULとμₛを運用のKPIに。
ドーム／肩を制する。 面外ピークを落とす設計（R、±α、局所フープ）とタフ化で損傷の発芽を遅らせる。

9. ドラスティック提言（大胆だが即効）

提言①：λ（Relief/年）に上限を設け、仕様・契約に明記（例：λ≤3）。超過時は運用プロファイル自動降格。
提言②：ガス媒体バースト試験を型式に必須化し、weeping先行 or 瞬時破裂の様相をCcH₂温度で把握。
提言③：Warm‑finish（終盤プリクール緩和）を標準運用に。アフターライジング抑制とRelief削減を同時達成。
提言④：Type V適用時はLBB（Leak‑Before‑Burst）準拠の受入線を別建てで要求。
提言⑤：“デジタルパスポート”（圧力・温度・λ・閾値超過）を容器個票で義務化、寿命超過予防保全に直結。

結論（Conclusions）

CcH₂の寿命設計は、圧力サイクル疲労と熱衝撃を等価化して連成損傷として扱うことが肝要である。Relief頻度の抑制とドーム／肩の面外緩和、準実時間ツイン×健康監視を組み合わせれば、要求寿命に対して μₛ≥1.5を“運用で維持”できる。設計—試験—運用を一気通貫のデータで結び、シナリオ別の安全裕度を“見える化”することが、CcH₂を安全・高効率で普及させる最短路である。