JP2010096297A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】突起部を備えた圧力容器において、該突起部の周辺部分の高い強度性能を且つ安定的に得る。
【解決手段】外表面に突起部３，４，５が設けられた金属製の内殻部材１の外面を繊維強化層でなる外殻部材２で覆って構成される圧力容器において、上記内殻部材１の上記突起部３，４，５の周辺部位における肉厚を他の部位の肉厚よりも大きく設定する。係る構成によれば、厚肉化による強度性能の向上によって、例え該突起部３，４，５の周辺部位における繊維強化層の強度性能が施工の困難性等の理由によって低下したとしても、この繊維強化層の強度性能の低下が厚肉化による強度性能の向上によって補償され、結果として、重量の増加を最小限に抑えつつ、上記突起部３，４，５の周辺部位における高い強度性能を安定的に得ることができる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、圧縮機のケーシングとかガスボンベ等の圧力容器に関し、さらに詳しくは繊維強化層によって強化された圧力容器に関するものである。

従来、圧縮機のケーシングとかガスボンベ等の圧力容器は、その耐圧性能の確保の意味から、鋼製とされるのが通例であった。

しかし、係る鋼製の圧力容器は、重量が嵩むことからその取扱性という点において問題があり、特に高い耐圧性能が要求される高圧用の圧力容器にあっては、素材板厚が厚くなることから殊更である。

このような事情を背景に、耐圧強度の確保と軽量化の実現が可能なものとして、繊維強化圧力容器が提案され（例えば、特許文献１〜２参照）、これが普及する傾向にある。

これら各特許文献に示される繊維強化圧力容器は、金属製（例えば、鋼製あるいはアルミ合金製）の内殻部材と、該内殻部材の外表面を覆う繊維強化層で構成される外殻部材で構成された二重構造とされる。

特開平１１−８２８８８号公報 特開２００５−３３７２７２号公報

ところで、圧縮機ケーシングもガスボンベも、その外周面から外方へ突出する突起部が存在する。例えば、圧縮機ケーシングにあってはその胴部に設けられた吸入管と吐出管の取付部（具体的には吸入側接続管とか吐出側接続管）、及び軸方向端部の鏡板部分に設けられるターミナルの固定部であり、ガスボンベにあってはガスバルブの固定部である。

このような突起部は内殻部材側に取付けられているため、この部分への繊維強化層の施工が問題となる。

係る突起部の周辺への繊維強化層の施工方法としては、例えば、特許文献１、２に示されるように、強化繊維を内殻部材の軸心回りに巻きつけるフープ巻工法と、該内殻部材の軸心方向に巻きつけるヘリカル巻工法を適宜組合せて施工する方法がとられるが、突起部が存在しない部位への施工に比して、施工性が悪い。従って、係る施工方法によって得られた圧力容器においては、上記突起部が設けられた部分における強度性能は、突起部が設けられていない部分における強度性能に比して低くなり易い。

このため、係る突起部が存在する圧力容器において、該突起部の周辺部分の強度性能を高く且つ安定して得るための技術の開発が望まれるところであるが、今のところ有効な技術は提案されていない。

そこで本願発明は、突起部を備えた圧力容器において、該突起部の周辺部分の高い強度性能を且つ安定的に得ることを目的としてなされたものである。

本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。

本願の第１の発明では、外表面に突起部３，４，５が設けられた金属製の内殻部材１の外面を繊維強化層でなる外殻部材２で覆って構成される圧力容器において、上記内殻部材１の上記突起部３，４，５の周辺部位における肉厚を他の部位の肉厚よりも大きく設定したことを特徴としている。

本願の第２の発明では、上記第１の発明に係る圧力容器において、上記突起部３，４，５の上記内殻部材１との接合部を局部的に、又は上記内殻部材１の全周に亘って、厚肉としたことを特徴としている。

本願の第３の発明では、上記第１の発明に係る圧力容器において、上記内殻部材１の上記突起部３，４，５との接合部を局部的に、又は上記内殻部材１の全周に亘って、厚肉としたことを特徴としている。

本願の第４の発明では、上記第１、第２又は第３の発明に係る圧力容器を、圧縮機ケーシングＺ１，Ｚ２又はガスボンベＺ３に適用したことを特徴としている。

本願発明では次のような効果が得られる。

（ａ） 本願の第１の発明に係る圧力容器においては、上記内殻部材１の上記突起部３，４，５の周辺部位における肉厚を他の部位の肉厚よりも大きく設定したので、この厚肉化による強度性能の向上によって、例え該突起部３，４，５の周辺部位における繊維強化層の強度性能が施工の困難性等の理由によって低下したとしても、この繊維強化層の強度性能の低下が厚肉化による強度性能の向上によって補償され、結果として、重量の増加を最小限に抑えつつ、上記突起部３，４，５の周辺部位における高い強度性能を安定的に得ることができ、延いては強度面における信頼性の高い圧力容器を得ることができることになる。

（ｂ） 本願の第２の発明では、上記（ａ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記突起部３，４，５の上記内殻部材１との接合部を局部的に、又は上記内殻部材１の全周に亘って、厚肉としているので、例えば、局部的に厚肉とした場合には厚肉化による重量増を可及的に抑えることができ、特に軽量化の要請の強い用途の圧力容器として好適であり、また上記内殻部材１の全周に亘って厚肉とした場合にあっては、この厚肉部分への繊維強化層の形成作業が不要とされ、あるいは軽減されることで低コスト化が促進されることになる。

（ｃ） 本願の第３の発明では、上記（ａ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記内殻部材１の上記突起部３，４，５との接合部を局部的に、又は上記内殻部材１の全周に亘って、厚肉としているので、例えば、局部的に厚肉とした場合には厚肉化による重量増を可及的に抑えることができ、特に軽量化の要請の強い用途の圧力容器として好適であり、また上記内殻部材１の全周に亘って厚肉とした場合にあっては、この厚肉部分への繊維強化層の形成作業が不要とされ、あるいは軽減されることで低コスト化が促進されることになる。

（ｄ） 本願の第４の発明では、上記（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、第１の発明、第２の発明、又は第３の発明に記載の構成を圧縮機ケーシングＺ１，Ｚ２又はガスボンベＺ３に適用したことで、繊維強化層からなる外殻部材を備えることによる軽量化という最大の利点を維持しつつ、突起部周辺の強度性能を確保することで、全体として高い強度性能をもつ信頼性の高い圧縮機ケーシング又はガスボンベを得ることができる。

以下、本願発明を好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。
Ａ： 第１の実施形態
図１には、本願発明の第１の実施形態に係る圧縮機ケーシングＺ１を示している。この圧縮機ケーシングＺ１は、空気調和機における冷媒圧縮に使用される圧縮機を構成するものであって、所定径の胴部Ｚ１ａと、該胴部Ｚ１ａの一端（上端）に接続された碗状形体をもつ上側の鏡板部Ｚ１ｂと、該胴部Ｚ１ａの他端（下端）に接続された碗状形体をもつ下側の鏡板部Ｚ１ｃを備えて構成され、その内部には圧縮機５１とモータ５２が収納される。

上記圧縮機ケーシングＺ１は、次述する内殻部材１と外殻部材２からなる二重構造とされている。

「内殻部材１」
上記内殻部材１は、金属板、例えば、鋼板とかアルミ合金板を用いて密閉容器状に形成され、上記胴部Ｚ１ａに対応する円筒部材１１の一端に上記上側の鏡板部Ｚ１ｂに対応する碗状部材１２を、他端に上記下側の鏡板部Ｚ１ｃに対応する碗状部材１３を、それぞれ溶接接合して構成される。

そして、この円筒部材１１の上下両端部寄りの外周面には、吸入管５３が取付けられる吸入側接続管３と吐出管５４が取付けられる吐出側接続管４がそれぞれ固定される一方、上記上側の碗状部材１２の頂面中央部には、ターミナル５を固定するためのターミナル固定部７が設けられている。これら吸入側接続管３と吐出側接続管４及びターミナル固定部７は、それぞれ特許請求の範囲中の「突起部」に該当する。

なお、上記円筒部材１１と上下一対の碗状部材１２，１３は、共に、薄肉の板材（鋼板の場合、板厚２．５ｍｍ程度とされ、従来の鋼製一体型の圧縮機ケーシングにおける板厚７．５ｍｍ程度に比して、薄肉とされる）で製作されている。

上記吐出側接続管４は、図３に拡大図示するように、上記吐出管５４が嵌挿される管状の嵌挿部４ａと、該嵌挿部４ａの一端に設けられて上記円筒部材１１側の開口３３部分に溶接固定される鍔状の固定部４ｂを備えて構成される。そして、この吸入側接続管３は、本願発明を適用して、上記固定部４ｂの板厚を、上記碗状部材１２の板厚より大きな板厚（碗状部材１２の板厚の２〜２．５倍程度の板厚）に設定するとともに、その正面視形状を、横方向（上記内殻部材１の軸方向に直交する面方向）に長軸をもつ略菱形の形状としている。この固定部４ｂの略菱形の形状設定は、後述するように、強化繊維を上記吐出側接続管４の周囲を通してフープ巻きする際に生じる空隙部分をカバーするためである。

この吸入側接続管３は、上記固定部４ｂを上記碗状部材１２の上記開口３３部分に衝合させた状態で、該固定部４ｂを上記碗状部材１２側に溶接接合することで、該碗状部材１２側に固定されている。

この実施形態では、上記吸入側接続管３に、均一厚さをもつ厚板状の固定部４ｂを一体に形成したが、係る構成に限定されるものではなく、他の実施形態においては、例えば、図５に示すように、上記吐出側接続管４と一体的形成される固定部４ｂを外周側に向かって板厚が漸減する形状とし、板厚の急変を緩和した構成とすることもできる。また、図６に示すように、上記吐出側接続管４の固定部４ｂを上記嵌挿部４ａと略同径に形成する一方、上記碗状部材１２の上記開口３３の周辺部分を他の部分よりも厚肉に形成し、この厚肉部１１ａと上記吐出側接続管４の固定部４ｂを溶接接合する構成とすることもできる。

なお、上記吸入側接続管３の構成は、上記吐出側接続管４側の構成と同様であるので、ここでの説明を省略する。

上記ターミナル固定部７は、図１及び図２に拡大図示するように、上記碗状部材１２の頂部中心部分に設けられた開口３１の周辺を厚板状に形成して構成されている。

なお、この実施形態では上記ターミナル固定部７を上記碗状部材１２の一部で構成しているが、係る構成に限定されるものではなく、他の実施形態では、例えば、該ターミナル固定部７を厚板材で別個に形成し、これを上記碗状部材１２側に溶接固定する構成とすることもできる。
「外殻部材２」
上記外殻部材２は、繊維強化層で構成され、上記内殻部材１の外周面を一体的に覆って、該内殻部材１と共に上記圧縮機ケーシングＺ１を構成する。なお、強化繊維糸としては、炭素繊維糸、ガラス繊維糸、有機高弾性率繊維（例えば、ポリアミド繊維糸）等が広く適用できるが、この実施形態のように高い耐圧強度が要求される圧縮機ケーシングＺ１にあっては、特に高強度の炭素繊維糸が好適である。また、この強化繊維糸に含浸される樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂とか、ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリ−４−メチルペンテン−１樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂が好適である。

ここで、この外殻部材２の形成手法であるが、ここでは樹脂を含浸させた強化繊維（炭素繊維）に張力をかけながら上記内殻部材１の外周面に巻きつけていくＦＷ法（フィラメント・ワインディング法）を採用している。そして、図１に二点鎖線で示すように、上記内殻部材１の上記円筒部材１１に対応する部分には、符号９Ａ及び９Ｂで示すように、上記吐出側接続管４部分を避けながら、上記内殻部材１に対してその軸心回りに強化繊維を巻き付けるフープ巻によってフープ層が形成される。また、上記碗状部材１２部分には、符号９Ｃで示すように、上記ターミナル固定部７部分を避けながら、上記内殻部材１に対してその軸心方向回りに（即ち、上記碗状部材１２と碗状部材１３に跨るように上記内殻部材１の軸心方向に）強化繊維を巻き付けるヘリカル巻によってヘリカル層が形成される。従って、上記円筒部材１１部分には、フープ層とヘリカル層が重合状態で形成された構造となる。

「圧縮機ケーシングＺ１」
以上のように、上記内殻部材１とその外周面を覆う外殻部材２とで構成された圧縮機ケーシングＺ１は、上記外殻部材２が軽量且つ高強度という性状を有していることから、上記内殻部材１を薄肉構成としたにも拘らず、軽量性と高耐圧強度を兼ね備えることになる。

しかし、上述のようにして上記吸入側接続管３、吐出側接続管４及びターミナル固定部７の周辺に繊維強化層を形成したとしても、係る部分への強化繊維の巻き付け性は、これらのような突起物が無い部分への強化繊維の巻き付け性に比して、その信頼性が低劣になり易く、その結果、これらの部位における耐圧強度が当初予定の設計強度まで達しないことが有り得ることは既述のとおりである。

ところが、この実施形態の圧縮機ケーシングＺ１においては、上述のように、突起部である上記吸入側接続管３、吐出側接続管４及びターミナル固定部７の周囲を局部的に厚肉化してその強度向上を図っていることから、この厚肉化による強度性能の向上によって、例え上記突起部３，４，５の周辺部位における繊維強化層の強度性能が施工の困難性等の理由によって低下したとしても、この繊維強化層の強度性能の低下が、該突起部３，４，５の周辺部位の厚肉化による強度性能の向上によって補償され、結果として、重量の増加を最小限に抑えつつ、上記突起部３，４，５の周辺部位における高い強度性能を安定的に得ることができ、延いては強度面における信頼性の高い圧縮機ケーシングＺ１を得ることができることになる。

また、この実施形態の圧縮機ケーシングＺ１では、上記吸入側接続管３、吐出側接続管４及びターミナル固定部７の周囲、即ち、繊維強化層による強度確保の信頼性が損なわれ易い部分の周囲のみを局部的に厚肉として強度向上を図っているので、厚肉化による重量増を可及的に抑えることができ、特に軽量化の要請の強い用途の圧力容器として好適である。
Ｂ： 第２の実施形態
図７には、本願発明の第２の実施形態に係る圧縮機ケーシングＺ２を示している。この圧縮機ケーシングＺ２は、上記第１の実施形態に係る圧縮機ケーシングＺ１とその基本構成を同じにするものであって、これと異なる点は、上記第１の実施形態に係る圧縮機ケーシングＺ１では上記吸入側接続管３、吐出側接続管４及びターミナル固定部７の周囲のみを局部的に他の部分よりも厚肉として該部分の強度性能を高めていたのに対して、この実施形態の圧縮機ケーシングＺ２では、上記吸入側接続管３の固定部４ｂを、上記内殻部材１の円筒部材１１の外周を巻回し得るような環状体に形成し、上記吸入側接続管３を上記円筒部材１１に取付けたとき、上記固定部４ｂによって上記円筒部材１１の外周を環状に覆うようにした点である。

係る構成によれば、該吸入側接続管３の取付部位における上記円筒部材１１の強度性能が該円筒部材１１の全周において向上し、それだけ圧縮機ケーシングＺ２全体としての強度性能の向上が期待できる。

さらに、上記吸入側接続管３の上記固定部４ｂの存在によって、この厚肉部分への繊維強化層の形成作業が不要とされ、あるいは軽減されることで、上記圧縮機ケーシングＺ２全体としての低コスト化が促進される。

なお、上記吸入側接続管３の構成は、上記吐出側接続管４側の構成と同様であるので、ここでの説明を省略する。

また、上記以外の構成及び作用効果は上記第１の実施形態における圧縮機ケーシングＺ１の場合と同様であるので、その該当説明を援用することで、ここでの説明を省略する。
Ｃ： 第３の実施形態
図８には、本願発明の第３の実施形態に係るガスボンベＺ３を示している。このガスボンベＺ３は、上記吸入側接続管３及び上記吐出側接続管４が備えられていないこと、及び上記ターミナル固定部７に代えて、ガスバルブ６を取付けるためのバルブ固定部８が設けられていることを除いて、その他の構成、即ち、ガスボンベＺ３が内殻部材１と外殻部材２からなる二重構造であること、上記外殻部材２の形成手法等は、上記第１及び第２の実施形態に係る圧縮機ケーシングＺ１、Ｚ２の場合と同様である。

従って、構造のガスボンベＺ３においても、上記バルブ固定部８の周囲を局部的に他の部分よりも厚肉に構成することで、該バルブ固定部８の周囲部分における繊維強化層の強度性能が施工の困難性等の理由によって低下したとしても、この繊維強化層の強度性能の低下が、上記バルブ固定部８の周囲の厚肉化による強度性能の向上によって補償され、結果として、重量の増加を最小限に抑えつつ、上記バルブ固定部８の周辺部位における高い強度性能を安定的に得ることができ、延いては強度面における信頼性の高いガスボンベＺ３を得ることができる。

本願発明の第１の実施の形態に係る圧縮機ケーシングの構造を示す断面図である。 図１のＩＩ部の拡大図である。 図１のＩＩＩ部の拡大図である。 図１のＩＩ部の他の構造例を示す断面図である。 図１のＩＩＩ部の他の構造例を示す断面図である。 図１のＩＩＩ部の他の構造例を示す断面図である。 本願発明の第２の実施の形態に係る圧縮機ケーシングの構造を示す断面図である。 本願発明の第３の実施の形態に係るガスボンベの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ ・・内殻部材
２ ・・外殻部材
３ ・・吸入側接続管
４ ・・吐出側接続管
５ ・・ターミナル
６ ・・ガスバルブ
７ ・・ターミナル固定部
８ ・・バルブ固定部
９Ａ〜９Ｅ ・・炭素繊維
１１ ・・円筒部材
１２ ・・碗状部材
５１ ・・圧縮機
５２ ・・モータ
５３ ・・吸入管
５４ ・・吐出管
Ｚ１ ・・圧縮機ケーシング
Ｚ２ ・・圧縮機ケーシング
Ｚ３ ・・ガスボンベ

Claims (4)

1. 外表面に突起部（３，４，５）が設けられた金属製の内殻部材（１）の外面を繊維強化層でなる外殻部材（２）で覆って構成される圧力容器であって、
   上記内殻部材（１）の上記突起部（３，４，５）の周辺部位における肉厚が他の部位の肉厚よりも大きく設定されていることを特徴とする圧力容器。
2. 請求項１において、
   上記突起部（３，４，５）の上記内殻部材（１）との接合部を局部的に、又は上記内殻部材（１）の全周に亘って、厚肉としたことを特徴とする圧力容器。
3. 請求項１において、
   上記内殻部材（１）の上記突起部（３，４，５）との接合部を局部的に、又は上記内殻部材（１）の全周に亘って、厚肉としたことを特徴とする圧力容器。
4. 請求項１、２又は３において、
   上記圧力容器が、圧縮機ケーシング（Ｚ１，Ｚ２）又はガスボンベ（Ｚ３）であることを特徴とする圧力容器。

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