JP2006300140A - 高圧ガス貯蔵容器の製造方法及び高圧ガス貯蔵容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 補強層の厚みが薄くなる鏡部、特に肩部の機械的強度を高めたライナーに補強部材を巻き付けて容器全体で耐圧性にバラツキが生じない信頼性の高い高圧ガス貯蔵容器の製造方法を提供する。
【解決手段】 金属製ライナー４を所定形状に成形する成形工程と、金属製ライナー４を加熱し急冷する熱処理工程と、金属製ライナー４の周面に帯状の補強部材８を巻き付けて補強層を形成する補強層形成工程とを備える。熱処理工程では、金属製ライナー全体を加熱した後、鏡部４Ｂのみを容器６内に満たした冷却水７に浸漬し急冷することで部分的に焼き入れを行う。こうすることで、タンクの構造上、容器肩部の補強部材の巻き数が他の部位に対して少ないことによる強度不足を、焼き入れによって補うことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、各種ガスを充填し貯蔵するための高圧ガス貯蔵容器の製造方法及び高圧ガス貯蔵容器に関し、詳細には、容器肩部の強度を向上させるための技術に関する。

例えば、ガスを貯蔵するためのガス貯蔵容器としては、タンク形状とされたライナーの周面に、容器の機械的強度（耐圧性）を高める目的で帯状のカーボン繊維を巻き付けてこれを補強層とした、圧力容器が提案されている（例えば、特許文献１、２など参照）。
特開平１０−２２０６９１号公報 特開２００２−１８８７９４号公報

ところで、この種の圧力容器では、ライナーの周面にカーボン繊維を何重にも巻き付けることで当該容器の耐圧性を高めているが、円筒形状をなす胴部両端の曲率形状部分（ドーム形状部分）である鏡部の補強層厚みが胴部の補強層厚よりも薄くなり、特に、鏡部のうち胴部に近い肩部の耐圧性が他の部位よりも低くなる。

すなわち、曲率形状とされる鏡部は、その構造上、カーボン繊維を容器長手方向であって対角線上に巻き付ける（斜め巻きする）ヘリカル巻きを行うために、どうしても胴部に比べてカーボン繊維の巻き数が減ってしまい、他の部位と比較して相対的に鏡部（特に肩部）の強度が落ち、容器全体の耐圧強度を確保することができない。

そこで、本発明は、補強層の厚みが薄くなる鏡部、特に肩部の機械的強度を高めたライナーに補強部材を巻き付けて容器全体で耐圧性にバラツキが生じない信頼性の高い高圧ガス貯蔵容器の製造方法及び高圧ガス貯蔵容器を提供することを目的とする。

本発明に係る高圧ガス貯蔵容器の製造方法は、金属製ライナーを所定形状に成形する成形工程と、金属製ライナーを加熱し急冷する熱処理工程と、金属製ライナーの周面に帯状の補強部材を巻き付けて補強層を形成する補強層形成工程とを備える。

本発明の高圧ガス貯蔵容器の製造方法によれば、所定形状に成形した金属製ライナーを加熱し急冷する熱処理工程を行っているので、その熱処理によって焼き入れがなされ、該金属製ライナーの焼き入れされた部位の強度を高めることができる。したがって、補強層の厚みの薄い部位の金属製ライナーの強度を、この焼き入れで補うことができ、容器全体の耐圧性のバラツキを無くすことができる。

また、本発明方法によれば、補強部材を巻き付けることにより形成される補強層の厚みを厚くすることなく、容器の耐圧強度を高めることができ、また、容器全体を軽量化することが可能となる。

一方、本発明の高圧ガス貯蔵容器によれば、金属製ライナーの少なくとも肩部が焼き入れされているので、当該部分の機械的強度が高く、その部分に補強部材をより多く巻き付けなくても十分なタンク強度を確保することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は金属製ライナーを成形する成形工程図、図２は熱処理工程のうち加熱工程図、図３は熱処理工程のうち口金側を冷却する急冷工程図、図４（ａ）は熱処理工程のうち底部側を加熱する加熱工程図、図４（ｂ）は底部側を冷却する急冷工程図、図５（ａ）は金属製ライナーの周面に帯状の補強部材を巻き付けて補強層を形成する補強層形成工程図、図５（ｂ）は肩部に補強部材を巻き付ける巻き付け工程図である。

本実施の形態の高圧ガス貯蔵容器を製造するには、先ず図１に示すように、成形工程を行って金属製ライナーを形成する。すなわち、図１（ａ）に示すように、金属製ライナーの母材となる例えばアルミニウムからなる円盤形状の金属板１を用意する。次に、この金属板１をプレス成形して、図１（ｂ）に示すように、上端を開口させた円筒体２とする。次いで、この円筒体２の開口側を絞って、図１（ｃ）に示すように、口金３を有した金属製ライナー４を完成させる。

次に、この金属製ライナー４に対して、図２及び図３に示すように、熱処理工程を行う。先ず、所定形状に成形された金属製ライナー４を、図２に示すように、加熱手段であるヒータ５の中心部に入れ、固溶化状態にしてプレスや絞り加工による内部応力を除去する。次に、図３に示すように、円筒体部分である胴部４Ａは室温にて徐々に冷却し、その一方、胴部両端の曲率形状部分（ドーム形状部分）である鏡部４Ｂは、容器６内に入れた冷却水７の中に浸けて急冷させる。要するに、熱処理工程では、金属製ライナー４の鏡部４Ｂのみを急冷して焼き入れを行い、その他の部位は焼きなます、という処理を行う。

このように、加熱された金属製ライナー４のうち胴部４Ａをゆっくり冷やせば、金属組織が微細化されて柔らかくなり、これに対して鏡部４Ｂを急冷して焼き入れすれば、機械的（物理的）強度を高めることができる。

次に、図４（ａ）に示すように、金属製ライナー４の底部側における鏡部４のうち胴部４Ａに近い肩部４Ｃを、図示を省略する加熱手段によって熱を加えて加熱する。加熱する際は、金属製ライナー４を同図中矢印で示す方向に回転させる。次に、この金属製ライナー４の底部を、図４（ｂ）に示すように、容器６内の冷却水７に浸すと共に、金属製ライナー４を同図中矢印方向に回転させる。このように、金属製ライナー底部側の鏡部４Ｂを加熱後、急冷すれば、口金３側の鏡部４Ｂと同様、当該部分は、焼き入れによって機械的強度が高まる。

次に、補強層形成工程を行う。すなわち、図５（ａ）に示すように、金属製ライナー４の周面に帯状の補強部材８を巻き付ける。補強部材８としては、例えばカーボン繊維を強化繊維とした繊維強化プラスチック素材であるＦＲＰ層（Fiber Reinforced Plastics）を帯状としたものを使用する。

金属製ライナー４の胴部４Ａには、補強部材８を円周方向に巻き付けるフープ巻きを行い、その両端の鏡部４Ｂには、補強部材８を容器長手方向であって対角線上に巻き付けるヘリカル巻きを行う。これら胴部４Ａと鏡部４Ｂのそれぞれに補強部材８を巻き付けるには、帯状の補強部材８をエポキシ樹脂漕に浸漬させた後、金属製ライナー８を回転させながらその周面に巻き付けて行く。

ところで、鏡部４Ｂのうち胴部４Ａと近接する肩部４Ｃでは、図５（ｂ）に示すように、対角線上の反対側の肩部４Ｃに補強部材８が到達するとは限らないため、当該肩部４Ｃの補強層の厚みが最も薄肉となる。つまり、ヘリカル巻きでは、補強部材８を肩部４Ｃの強度が十分確保できる程度にまで巻くことができないため、どうしても肩部４Ｃが最も強度の弱い部位となる。

しかしながら、金属製ライナー４の肩部４Ｃは、熱処理工程で焼き入れされていることから機械的強度が十分高く強化されている。つまり、補強部材８の巻回数が多少少なくとも、その分、焼き入れによって強度が他の部位よりも高いため、容器全体として耐圧強度バランスを保つことができる。また、この高圧ガス貯蔵容器に燃料ガスを充填した場合、胴部４Ａは焼きなましされていることから充填時に容器が膨張する際も容器全体で均一に変位するため、局所的な応力集中を防ぐことができ、圧力サイクルによる寿命が向上する。

本実施の形態によれば、金属製ライナー４の肩部４Ｃに巻き付けられる補強部材８による補強層の厚みを厚くすることなく耐圧強度を向上できるため、容器全体を軽量化することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、金属製ライナー全体を加熱した後、鏡部４Ｂのみを冷却すれば、容器の構造上、どうしても補強層の厚みが薄くなる鏡部４Ｂ、特に肩部４Ｃを焼き入れして強度を高めることができ、容器全体の応力バランスを均一化でき、材料コストを低減することができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、上記した熱処理工程において、図６に示すように、加熱後の金属製ライナー４の肩部４Ｃが一番先に容器６内の冷却水７に浸漬されるようすると共に該金属製ライナー４を回転させながら徐々に浸して急冷するようにしてもよい。こうすることで、図７に示すように、肩部４Ｃでは、一番先に冷却された部位が最も強度が高くその部位から離れるに従って徐々に強度が低くなる強度分布を持つようになる。したがって、肩部４Ｃに強度分布を与えることで、当該肩部４Ｃの補強層厚のバラツキに対応でき、容器全体の応力バランスを均一化することが可能となる。

金属製ライナーを成形する成形工程図である。 熱処理工程のうち加熱工程図である。 熱処理工程のうち口金側を冷却する急冷工程図である。 図４（ａ）は熱処理工程のうち底部側を加熱する加熱工程図、図４（ｂ）は底部側を冷却する急冷工程図である。 図５（ａ）は金属製ライナーの周面に帯状の補強部材を巻き付けて補強層を形成する補強層形成工程図、図５（ｂ）は肩部に補強部材を巻き付ける巻き付け工程図である。 肩部に強度分布を持たせるための熱処理工程において、底部を徐々に冷却水に浸漬させて急冷する急冷工程図である。 肩部に強度分布が設けられた様子を示す金属製ライナー底部の要部拡大断面図である。

符号の説明

１…金属板
２…円筒体
３…口金
４…金属製ライナー
４Ａ…胴部
４Ｂ…鏡部
４Ｃ…肩部
５…ヒーター
６…容器
７…冷却水
８…補強部材

Claims (5)

1. 金属製ライナーを所定形状に成形する成形工程と、
   前記金属製ライナーを加熱し急冷する熱処理工程と、
   前記金属製ライナーの周面に帯状の補強部材を巻き付けて補強層を形成する補強層形成工程とを備えた
   ことを特徴とする高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
2. 請求項１に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法であって、
   前記熱処理工程では、前記金属製ライナー全体を加熱した後、鏡部のみを冷却する
   ことを特徴とする高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法であって、
   前記熱処理工程では、加熱後の前記金属製ライナーを回転させながら徐々に冷却水の中に浸して急冷する
   ことを特徴とする高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
4. 金属製ライナーと、この金属製ライナーの周面に帯状の補強部材を巻き付けて形成された補強層とからなる高圧ガス貯蔵容器において、
   前記金属製ライナーの少なくとも肩部が焼き入れされた
   ことを特徴とする高圧ガス貯蔵容器。
5. 請求項４に記載の高圧ガス貯蔵容器であって、
   前記肩部には、強度分布が設けられている
   ことを特徴とする高圧ガス貯蔵容器。

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