JP2013002492A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力容器の鏡板部におけるひずみを抑える。
【解決手段】圧力容器１は、樹脂成形品からなる内殻３と、内殻３の外周側を覆うＦＲＰからなる補強層となる外殻５と、軸方向端部に位置する口金７及びボス９とを備えている。外殻５は、樹脂を含浸させたＦＲＰ繊維を巻き付けるフィラメントワインディング法により形成される。圧力容器１は、円筒形状の胴部Ａと、胴部Ａの軸方向両側の開口側に連続するドーム状の鏡板部Ｂ，Ｃとを有する。鏡板部Ｂ，Ｃは、口金７側、ボス９側の中心領域Ｂ１，Ｃ１を等張力曲面とし、中心領域Ｂ１，Ｃ１と胴部Ａとの間の連続領域Ｂ２，Ｃ２を、等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒状の胴部とこの胴部の開口側に連続するドーム状の鏡板部とを有する圧力容器に関する。

圧力容器を例えば自動車に燃料タンクとして搭載する場合には、金属に代えて樹脂を使用することで軽量化が達成され、燃費向上に寄与することができる。

このような樹脂を使用した圧力容器としては、樹脂を含浸させた連続繊維をマンドレルに巻き付けて行うフィラメントワインディング法により製造されるものが知られている（下記特許文献１参照）。このようなフィラメントワインディング法により製造される圧力容器は、繊維の材料費が全体のコストに及ぼす影響が大きく、このため強度を充分確保しつつ繊維量を少なくして材料費を低減することが課題となっている。

特許文献１に記載された圧力容器は、等張力曲面としたドーム状の鏡板部及び、円筒状の胴部に対する繊維の巻き付け角度を所定の値に設定するとともに、胴部からドーム部への移行部分に生じる角度変更域に対し円周巻き施して補強している。

特開平１１−１０１３９７号公報

ところで、上記した鏡板部の形状に採用している等張力曲面は、内圧作用時に繊維の張力が全面で等しくなるような曲面とされている。ところが、上記した従来の圧力容器では、胴部の円筒形状から鏡板部の等張力曲面形状に直接変化しており、この連続領域についての曲率半径については特に考慮していない。

このように、円筒形状から等張力曲面に直接形状を変化させて、この変化領域での等張力曲面の曲率半径を特に考慮しない場合には、内圧を受けたときの胴部と鏡板部との間の曲げ変形に起因する鏡板部のひずみが大きくなる場合があり、そのため使用する繊維量を多くする必要が生じて材料費が高くなる恐れがある。

そこで、本発明は、圧力容器の鏡板部におけるひずみを抑えることを目的としている。

本発明は、円筒状の胴部の開口側に連続するドーム状の鏡板部は、胴部の開口側に連続する連続領域を等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面とし、胴部と反対側に連続領域と連続する中心領域を等張力曲面としたことを特徴とする。

本発明によれば、ドーム状の鏡板部の中心領域を等張力曲面として繊維張力を均一に確保しつつ、胴部からドーム状の鏡板部に移行する領域を、等張力曲面よりも曲率半径が大きい曲面として、よりなだらかに連続する形状としたので、内圧を受けたときの胴部と鏡板部との間の曲げ変形を抑えて鏡板部の特に胴部から移行する領域のひずみを抑えることができ、使用する繊維量を削減して材料費の削減に寄与することができる。

本発明の一実施形態に係わる圧力容器の断面図である。 図１の圧力容器の鏡板部における内殻の曲面形状を、実線による本実施形態と二点鎖線による比較例とで、胴部を互いに同一位置に重ね合わせた状態として比較して示した断面図である。 胴部側から口金側にわたる鏡板部の曲率半径の変化を、実線による本実施形態と二点鎖線による比較例とで比較して示したグラフである。 内圧を受けたときの鏡板部における内殻のひずみ（太線）と外殻のひずみ（細線）に関し、本実施形態（実線）と比較例（二点鎖線）とで比較して示したグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係わる圧力容器１は、内殻３と、この内殻３の外側の外周部を覆うようにして設けた外殻５とを備えている。内殻３は、例えば高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）などの樹脂製であってガスバリア性を有し、例えばブロー成形によって形成する。

一方、外殻５は、例えばＦＲＰで構成することができ、補強層として機能する。この外殻５は、樹脂を含浸させたＦＲＰ繊維を巻き付けるフィラメントワインディング法により形成する。

また、圧力容器１は、円筒形状の胴部Ａと、胴部Ａの軸方向（図１中で左右方向）両側の開口側に連続するドーム状の鏡板部Ｂ，Ｃとを有し、図１中で左側に位置する一方の鏡板部Ｂの軸心部には、口金７を設けている。

この口金７は、内殻３及び外殻５の軸心部に形成してある貫通孔３ａ，５ａに挿入される円筒部７ｂと、円筒部７ｂの圧力容器１内の端部に位置して内殻３の内面に沿って拡がるフランジ部７ｃとを備えている。口金７には、圧力容器１の内部と外部とを連通する貫通孔７ａを形成してあり、図示しないガス供給用のノズルが取り付けられる。

一方、図１中で右側に位置する他方の鏡板部Ｃの軸心部には、ボス９を設けている。このボス９は、上記した口金７に設けてあるような貫通孔はなく、圧力容器１の内部と外部とを連通していない。ボス９は、内殻３及び外殻５の軸心部に形成されている貫通孔３ｂ，５ｂに挿入される円柱部９ｂと、円柱部９ｂの圧力容器１内の端部に位置して内殻３の内面に沿って拡がるフランジ部９ｃとを備えている。

上記した口金７とボス９とは、口金７に貫通孔７ａがある点が相異しているだけで外形は同等である。これらの口金７及びボス９は、内殻３をブロー成形などの成形作業を行う際に一体化する。

そして、この口金７及びボス９を一体成形した状態の内殻３に対し、フィラメントワインディング法により外殻５を形成する。フィラメントワインディング法としては、胴部Ａ及び鏡板部Ｂ，Ｃの全体に対してヘリカル（螺旋）巻きを実施するとともに、胴部Ａについてはさらにフープ（円周）巻きを実施する。なお、本実施形態の圧力容器１では、このようなヘリカル（螺旋）巻きとフープ（円周）巻きとを合わせた巻き付け方法に限定されるものではない。

この際、本実施形態では、鏡板部Ｂ，Ｃの曲面形状を次のように設定している。すなわち、これら鏡板部Ｂ，Ｃは、胴部Ａと反対側の口金７、ボス９を備える中心部となる中心領域Ｂ１，Ｃ１（胴部Ａとは反対側に後述する連続領域と連続する領域）を等張力曲面とし、中心領域Ｂ１，Ｃ１と胴部Ａとの間の連続領域Ｂ２，Ｃ２（胴部Ａの開口側に連続する領域）を、等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面としている。

図２は、鏡板部Ｂにおける内殻３の曲面形状を、実線による本実施形態と、二点鎖線による比較例とで、胴部を互いに同一位置に重ね合わせた状態として比較して示している。二点鎖線で示す比較例は、鏡板部Ｂの全体を等張力曲面としている。このため、実線で示す本実施形態では、比較例よりも、連続領域Ｂ２の曲率半径を等張力曲面で計算される曲率半径より大きくした分、軸方向外側（図２中で左側）に若干膨らんで大きくなっている。このような鏡板部Ｂの形状は、図２では図示していない鏡板部Ｃの形状も同等である。

図３のグラフの実線は、胴部Ａ側の端部から口金７（ボス９）側の端部にわたる、鏡板部Ｂ，Ｃの曲率半径の変化を示しており、位置Ｓより口金７（ボス９）側が等張力曲面で、位置Ｓより胴部Ａ側が該等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面としている。その際、本実施形態では、等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面を、曲率半径が一定の球面で構成している。

これに対する比較例は、図３の二点鎖線で示しているが、位置Ｓより口金側は本実施形態と同様の等張力曲面とし、位置Ｓより胴部側は上記した等張力曲面に連続する等張力曲面とし、鏡板部の全体を等張力曲面としている。

なお、本実施形態では、上記した図２に示す内殻３の特に外表面の曲面形状について、鏡板部Ｂ，Ｃの中心領域Ｂ１，Ｃ１を等張力曲面とする一方、胴部Ａから鏡板部Ｂ，Ｃに移行する連続領域Ｂ２，Ｃ２を、等張力曲面で計算される曲率半径よりも大きい曲率半径の曲面としている。

すなわち、本実施形態では、少なくとも内殻３と外殻５との間の境界部分に、等張力曲面と、該等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面とを備えている。

この際、内殻３の内表面の曲面形状についても、内殻３の肉厚を全体として均一化することで、外表面と同様の曲面形状とする。

また、内殻３の外表面に繊維を巻き付けて形成する外殻５の内表面は、内殻３の外表面に対応して該内殻３の外表面と同様の曲面形状となる。さらに、外殻５の外表面も、外殻５の肉厚を均一化することで、内殻３の外表面と同様の曲面形状となる。

このように、本実施形態では、鏡板部Ｂ，Ｃの中心領域Ｂ１，Ｃ１を等張力曲面として繊維張力を均一に確保しつつ、胴部Ａから鏡板部Ｂ，Ｃに移行する連続領域Ｂ２，Ｃ２を、等張力曲面で計算される曲率半径よりも大きい曲率半径の曲面としている。これにより胴部Ａと鏡板部Ｂ，Ｃとは、連続領域Ｂ２，Ｃ２によって、よりなだらかに連続する形状となる。

このため、従来のように円筒形状から等張力曲面に直接形状を変化させて、この変化領域での等張力曲面の曲率半径を考慮しない場合に比較して、上記なだらかに連続させて応力の集中を抑えるようにした分、内圧を受けたときの胴部Ａと鏡板部Ｂ，Ｃとの間の曲げ変形を抑えて鏡板部Ｂ，Ｃのひずみを抑えることができる。すなわち、本実施形態では、胴部Ａのひずみと鏡板部Ｂ，Ｃのひずみとが大きく変化しないような曲率半径の連続領域Ｂ２，Ｃ２によって、胴部Ａと鏡板部Ｂ，Ｃとを連続するようにして繋いでいる。

このような鏡板部Ｂ，Ｃのひずみを抑えて圧力容器１全体の剛性向上を図り強度を充分確保することにより、外殻５を形成するときの使用する繊維量を少なくして材料費を削減することができ、コスト低下に寄与することができる。

図４は、圧力容器１が内圧を受けたときの鏡板部Ｂ，Ｃにおける外殻５の内表面と外表面のひずみに関し、本実施形態（実線）と比較例（二点鎖線）とを比較して示している。これによれば、細い実線及び細い二点鎖線で示す外殻５の外表面のひずみについては、特に大きな差は見られない。

これに対し、太い実線及び太い二点鎖線で示す外殻５の内表面のひずみについては、太い実線で示す本実施形態のほうが、太い二点鎖線で示す比較例に対して小さくなっていることがわかる。特に、本実施形態では、外殻５の内表面のひずみのピーク値（最大ひずみ量）が比較例に対して抑えられているので、強度を充分確保しているといえる。

また、本実施形態では、等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面は、一定の曲率半径を備える球面としている。これは、特に外殻５のような繊維で構成しておらず等方性材料で構成した場合の内殻３側を球面とすることで、曲げ変形をより一層抑えることができて、ひずみをより一層抑えることができ、強度確保に有効となっている。

また、本実施形態では、内殻３とこの内殻３の外側を覆うようにして設けた外殻５とを備え、この外殻５がフィラメントワインディング法により形成されている。この場合、フィラメントワインディング法によって形成する外殻５に使用する繊維の量を少なくして材料費を削減することができる。

なお、本実施形態では、中心領域Ｂ１，Ｃ１は口金７、ボス９を備える中心部を含むように構成したが、口金７、ボス９を備える中心部を除いた領域に設定しても構わない。

１ 圧力容器
３ 内殻
５ 外殻
Ａ 胴部
Ｂ．Ｃ 鏡板部
Ｂ１，Ｃ１ 鏡板部の中心領域（等張力曲面とした中心部）
Ｂ２，Ｃ２ 中心領域と胴部との間の連続領域（等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面を有する領域）

Claims (3)

1. 円筒状の胴部とこの胴部の開口側に連続するドーム状の鏡板部とを有する圧力容器であって、前記鏡板部は、前記胴部の開口側に連続する連続領域を等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面とし、前記胴部と反対側に前記連続領域と連続する中心領域を等張力曲面としたことを特徴とする圧力容器。
2. 前記等張力曲面で計算される曲率半径より大きい曲率半径の曲面は、一定の曲率半径を備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
3. 内殻とこの内殻の外側を覆うようにして設けた外殻とを備え、この外殻がフィラメントワインディング法により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力容器。

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