JP2006336839A

JP2006336839A - 圧力容器

Info

Publication number: JP2006336839A
Application number: JP2005165963A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ishii; 雅博石井
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】繊維強化プラスチック層の内側に金属製ライナを備えた圧力容器において、当該金属製ライナが座屈することを抑制ないし防止し得る構造を有する圧力容器を提供すること。
【解決手段】繊維強化プラスチック層の内側に金属製ライナを備え、金属製ライナは、シリンダ部と、シリンダ部の肉厚よりも厚い肉厚を有するドーム部と、シリンダ部とドーム部との間に設けた肉厚変化部を有し、シリンダ部と肉厚変化部との境界線が波形状を成している圧力容器。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力容器に係り、更に詳細には、繊維強化プラスチック層と金属製ライナを備えた圧力容器に関する。

図３は、従来の圧力容器の一部の断面形状を示す概略図である。同図に示す圧力容器１００は、例えばヘリウムなどの気体を貯蔵するものであって、外側の繊維強化プラスチック（例えばカーボン繊維強化プラスチック）層１２０で強度を確保し、内側の金属（例えばアルミニウム合金）製ライナ１１０で気密性を得るようになっている。

図４（ａ）は、従来の圧力容器の金属製ライナ１１０を展開した平面形状を示す概略図であり、また、同図（ｂ）は同図（ａ）のＺ−Ｚにおける断面形状を示す概略図である。
同図（ａ）に示すように、金属製ライナ１１０は肉厚が薄いシリンダ部１１２と、肉厚が厚いドーム部１１６と、シリンダ部１１２とドーム部１１６との間に設けた肉厚変化部１１４とを有している。また、シリンダ部１１２及びドーム部１１６のそれぞれと肉厚変化部１１４との境界線Ｂ_５，Ｂ_６は圧力容器の周方向に全周に亘って直線状を成している。なお、ドーム部１１６は、繊維強化プラスチックを厚くすることが成形上困難である等の理由により、一般的に強度を確保するために肉厚が厚くなっている（特許文献１〜４参照。）。
特開平９−２９２０２６号公報特開平１１−１０４７６２号公報特開２０００−２０２５５２号公報特開２００２−１０６７８７号公報

このような圧力容器１００は、ガス充填による加圧（例えば２８ＭＰａ程度）で膨張し、ガス放出に伴って収縮する。
このとき、金属製ライナ１１０は、膨張には良好に追従するものの、外側の繊維強化プラスチック層１２０に比べて収縮量が少ないため、全体が収縮した際に、圧力容器１００の軸方向の圧縮力を受けることになる。
これにより、金属製ライナ１１０のシリンダ部１１２及びドーム部１１６と肉厚変化部１１４との境界線Ｂ_５，Ｂ_６ないしその近傍に応力が集中し、図５に示すように、特に肉厚が薄いシリンダ部１１２と肉厚変化部１１４との境界線Ｂ_５ないしその近傍において全周に亘って座屈が生じるおそれがあることが分かった。
なお、図５中の矢印Ｐは圧縮力の方向を示す。

本発明は、このような技術知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、繊維強化プラスチック層の内側に金属製ライナを備えた圧力容器において、当該金属製ライナが座屈することを抑制ないし防止し得る構造を有する圧力容器を提供することにある。

本発明者が、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、繊維強化プラスチック層の内側に金属製ライナを備えた圧力容器において、シリンダ部と、シリンダ部の肉厚よりも厚い肉厚を有するドーム部と、シリンダ部とドーム部との間に設けた肉厚変化部を有し、シリンダ部と肉厚変化部との境界線が波形状を成している金属製ライナとすることなどにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の圧力容器は、繊維強化プラスチック層の内側に金属製ライナを備えたものである。
そして、かかる金属製ライナは、シリンダ部と、シリンダ部の肉厚よりも厚い肉厚を有するドーム部と、シリンダ部とドーム部との間に設けた肉厚変化部を有し、シリンダ部と肉厚変化部との境界線が波形状を成しているものである。

本発明によれば、繊維強化プラスチックの内側に金属製ライナを備えた圧力容器において、当該圧力容器の膨張収縮により、内側の金属製ライナに軸方向の圧縮力が加わったとしても、当該金属製ライナが座屈することを抑制ないし防止し得る構造を有する圧力容器を提供することができる。また、金属製ライナ自体の厚みを増すことなく座屈を抑制ないし防止することができる。

以下、本発明の圧力容器について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の圧力容器は、繊維強化プラスチック層の内側に金属製ライナを備え、金属製ライナは、シリンダ部と、シリンダ部の肉厚よりも厚い肉厚を有するドーム部と、シリンダ部とドーム部との間に設けた肉厚変化部を有し、シリンダ部と肉厚変化部との境界線が波形状を成しているものである。
なお、本発明においては、ドーム部と肉厚変化部との境界線を更に波形状を成すようにしてもよい。

上述したような構造とすることにより、圧力容器の軸方向の圧縮力を受けた際、応力集中が生じ易い境界線ないしその近傍において、圧縮荷重が金属製ライナの境界線の接線方向に分散されるため、金属製ライナの座屈を抑制ないし防止することができる。また、金属製ライナ自体の厚みを増すことなく座屈を抑制ないし防止することができる。

以下、本発明の圧力容器について、若干の実施例を図面に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１（ａ）は、実施例１に係る圧力容器の金属製ライナ（ドーム部の主要部を除く）を展開した平面形状を示す概略図であり、また、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ_１−Ｘ_１における断面形状を示す概略図であり、同図（ｃ）は同図（ａ）のＸ_２−Ｘ_２における断面形状を示す概略図である。
本例の金属製ライナ１０は、アルミニウム合金製であって、肉厚が薄いシリンダ部１２と、肉厚が厚いドーム部の一部であるドーム端形成部１６と、シリンダ部１２及びドーム端形成部１６の間に設けた肉厚変化部１４とを有する。
そして、金属製ライナ１０の内面において、シリンダ部１２の内面と肉厚変化部１４の内面との境界線Ｂ_１が波形状を成している（Ｂ_２は直線状である。）。

境界線を波形状とする際には、圧力容器の軸方向及び径方向の圧縮力に対する強度性能向上の観点から、波形状の周期に対して振幅を大きくする方が効果的であるが、加工上の観点から現実的な形状が取られる。また、波形状は正弦波のような滑らかな形状である必要はなく、矩形であってもよい。

金属製ライナ１０をロール加工し、波形状を成す境界線Ｂ_１が連続する状態にして金属製ライナ１０の両辺を溶接で接合し、その開放端部に別途成形したドーム状金属製ライナ（図示略）を接合して、シリンダ部１２、ドーム端形成部１６を含むドーム部及び肉厚変化部１４を有する形態を形成する。
金属製ライナ１０の外側面に、例えばフィラメントワインディング法に基づいてプリフォームを形成し、このプリフォームを硬化処理して繊維強化プラスチック（例えばカーボン繊維強化プラスチック）層とする。
これにより、繊維強化プラスチック層の内側に金属製ライナを備えた圧力容器（図３参照）が完成する。なお、圧力容器の製造方法は、上記方法に限られるものではない。

上記構成を備えた圧力容器は、ガスの充填・放出に伴って膨張・収縮することとなり、このとき、外側の繊維強化プラスチック層に比べて内側の金属製ライナの収縮量が少なく、金属製ライナに圧力容器の軸方向の圧縮力が加わることになるが、肉厚変化部の境界線Ｂ_１が周方向に波形状を成すようにすることによって、応力集中が生じ易い境界線ないしその近傍において、圧縮荷重が金属製ライナの境界線の接線方向に分散されるため、金属製ライナが座屈することを抑制ないし防止することが可能となった。

（実施例２）
図２（ａ）は、実施例２に係る圧力容器の金属製ライナ（ドーム部の主要部を除く）を展開した平面形状を示す概略図であり、また、同図（ｂ）は同図（ａ）のＹ_１−Ｙ_１における断面形状を示す概略図であり、同図（ｃ）は同図（ａ）のＹ_２−Ｙ_２における断面形状を示す概略図である。
本例の金属製ライナ１０は、アルミニウム合金製であって、肉厚が薄いシリンダ部１２と、肉厚が厚いドーム部の一部であるドーム端形成部１６と、シリンダ部１２及びドーム端形成部１６の間に設けた肉厚変化部１４とを有する。
そして、金属製ライナ１０の内面において、シリンダ部１２及びドーム端形成部１６の内面と肉厚変化部１４の内面とのそれぞれの境界線Ｂ_３及びＢ_４がともに波形状を成している。

そして、波形状を成す境界線Ｂ_３及びＢ_４が連続する状態にして金属製ライナ１０の両辺を溶接で接合した以外は、実施例１と同様の操作を繰り返すことにより、シリンダ部１２、ドーム端形成部１６を含むドーム部及び肉厚変化部１４を有する形態を形成する。

本例においては、同図に示すように、肉厚変化部の境界線Ｂ_３及びＢ_４が周方向に波形状を成すようにすることによって、境界線Ｂ_４によって境界線Ｂ_３と同様の作用効果が得られるため、金属製ライナが座屈することをより一層抑制ないし防止することができる。

なお、図示しないが、当該金属製ライナにおいてシリンダ部及びドーム部の一方又は双方と肉厚変化部とが、滑らかな曲面により連結されている場合も本発明の範囲に含まれる。
この場合、境界線自体はなくなるが、シリンダ部及びドーム部と肉厚変化部とが連結する部分において、任意の肉厚となる部分を境界線と解釈することができる。
また、境界線Ｂ_３及びＢ_４は同位相であっても、同位相でなくてもよい。
更に、上記実施例では、金属製ライナの内面側に境界線を設けた場合を示したが、境界線は金属製ライナの外面側又は両面側にあってもよい。

実施例１に係る圧力容器の金属製ライナ（ドーム部の主要部を除く）を展開した平面形状を示す概略図及びその断面形状を示す概略図である。実施例２に係る圧力容器の金属製ライナ（ドーム部の主要部を除く）を展開した平面形状を示す概略図及びその断面形状を示す概略図である。従来の圧力容器の一部の断面形状を示す概略図である。従来の圧力容器の金属製ライナ（ドーム部の主要部を除く）を展開した平面形状を示す概略図及びその断面形状を示す概略図である。従来の圧力容器の金属製ライナの座屈の様子を示す説明図である。

符号の説明

Ｂ_１，Ｂ_３，Ｂ_４境界線（波形状）
１０金属製ライナ
１２シリンダ部
１４肉厚変化部
１６ドーム端形成部（ドーム部）
１００圧力容器
１１０金属製ライナ
１１２シリンダ部
１１４肉厚変化部
１１６ドーム部
１２０繊維強化プラスチック層

Claims

繊維強化プラスチック層の内側に金属製ライナを備えた圧力容器において、
金属製ライナは、シリンダ部と、シリンダ部の肉厚よりも大きい肉厚を有するドーム部と、シリンダ部とドーム部との間に設けた肉厚変化部を有し、
シリンダ部と肉厚変化部との境界線が波形状を成していることを特徴とする圧力容器。
ドーム部と肉厚変化部との境界線が波形状を成していることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。