JP2013142453A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 容器の肩部からの落下でも、水平姿勢での落下でも、大きな緩衝効果を発揮することができる圧力容器を提供する。
【解決手段】 金属ライナ１の外周面を、補強繊維層２で被覆した圧力容器Ａであって、補強繊維層２の外側で圧力容器Ａの上、下の肩部から胴部の一部にかけて肩部表面並びに胴部表面から突出する衝撃緩衝部材４が配置され、この衝撃緩衝部材４の表面に外部繊維材５を網目状に巻き付けることにより、衝撃緩衝部材４の一部が露出した状態で容器Ａに取り付けられた構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素等の高圧ガスを充填する圧力容器に関し、さらに詳細には金属ライナの外側に補強繊維層を設けた圧力容器に関する。

従来より高圧ガスを充填するための圧力容器の種類の一つに、複合容器と呼ばれるものがある。複合容器では、耐圧性を増強するためにアルミニウム合金等からなる金属ライナの外周面を樹脂含浸補強繊維層（繊維強化プラスチック層）で被覆してある。
補強繊維層は、例えば特許文献１に記載されるように、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等をライナ胴部の外面を周方向に巻くフープ巻層と、ライナ中心線方向に対し所定の配向角で巻くヘリカル巻層とからなる。フープ巻は周方向応力に対する耐圧強度を高め、ヘリカル巻は配向角に応じて中心軸方向に対する耐圧強度を高めている。

一方、圧力容器は、輸送中や取扱中に、誤って斜めに落下したり、水平に落下したりしてしまうことがある。そのため、安全の観点から耐圧強度とともに、耐衝撃性についても十分な強度が求められている。耐衝撃性についての具体的な検査項目として、斜め落下を想定した斜め落下試験と、水平落下を想定した水平落下試験とが行われている。

圧力容器の耐衝撃性を高めるために、圧力容器の肩部に剛性の発泡体等の衝撃緩衝部材（損傷軽減材料）を内装したものが特許文献２に提案されている。

上記特許文献２に開示された圧力容器は、容器の外周面に、補強繊維層となる均一な繊維複合材料の外殻が設けられ、この外殻の主肉厚部と、副肉厚部との間に衝撃緩衝部材が挟み込まれた構造にしてある。衝撃緩衝部材の外側にある副肉厚部は衝撃緩衝部材の全表面が覆うように形成されている。
この文献によれば、斜め落下により肩部に衝撃が加わったときでも、当該衝撃緩衝部材が物理的に変形することで衝撃が吸収されるとともに、損傷を受けたことを視覚的に検出することが容易になるようにしてある。

特開２００２−３４０２９１号公報 特許第３４９１１７５号公報

衝撃緩衝部材が外殻の主肉厚部と副肉厚部とに挟み込まれた特許文献２に開示されている圧力容器では、副肉厚部を構成する外殻はフィラメントワインディング法によって巻き付けることにより形成される。副肉厚部を衝撃緩衝部材の表面全体を覆うように巻き付けると、巻き付けた繊維素材の張力によって衝撃緩衝部材は圧縮された状態となり、その弾性反発力が損なわれることになる。

また、上記衝撃緩衝部材は容器肩部において外殻の副肉厚部の内側に組み込まれているので、容器が斜めに落下したとき肩部に受ける衝撃を吸収できるが、容器が水平落下（容器の胴部が水平になった姿勢での落下）したときには衝撃緩衝部材は役に立たず、胴部（および胴部を覆う外殻）が衝撃を受けてしまい、肩部の衝撃緩衝部材によって損傷を防ぐことができなかった。

そこで、本発明は容器の肩部からの落下でだけでなく水平姿勢での落下でも、大きな緩衝効果を発揮することができる圧力容器を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明では次のような技術的手段を講じた。
すなわち、本発明の圧力容器は、金属ライナの外周面を補強繊維層で被覆した圧力容器であって、補強繊維層の外側で圧力容器の上、下の肩部から胴部の一部にかけて肩部表面並びに胴部表面から突出する衝撃緩衝部材が配置され、この衝撃緩衝部材の表面に外部繊維材を網目状に巻き付けることにより、衝撃緩衝部材の一部が露出するようにして容器に取り付けられている構成とした。

本発明によれば、圧力容器の上側肩部と下側肩部とから、それぞれ胴部の一部にかけて肩部表面並びに胴部表面から突出する衝撃緩衝部材が設けられているので、圧力容器が肩部から斜め落下した場合に、肩部表面に突出する衝撃緩衝部材によりその衝撃が緩和され、容器への衝撃を吸収することができる。ここで外部繊維材は全面にわたり巻き付けるのではなく、網目状に巻き付けるので、衝撃緩衝部材の露出部分の弾性復元力が損なわれておらず、十分な衝撃吸収力を温存させることができているので、衝撃を確実に吸収することができる。また、網目状に巻き付けることで外部繊維材の使用量を大幅に低減でき、容器の軽量化を図ることができる。さらに、衝撃緩衝部材が上下両側の胴部の側面からも外方に突出して形成されているので、圧力容器が水平姿勢で落下した場合でも、衝撃緩衝部材によりその衝撃が緩和されて容器の破損を防止することができる。

また、本発明において、衝撃緩衝部材を巻き付ける外部繊維材はガラス繊維であり、補強繊維層には炭素繊維層が形成されるようにしてもよい。
補強繊維層には、強度が強い炭素繊維層を用い、外側の外部繊維材はガラス繊維層とするようにして補強繊維層と外部繊維材とを異なる材料にすることで、耐圧性能を持たせるだけでなく、ガラス繊維層は衝撃を受けることにより白化するので、衝撃を受けた場所を特定しやすくなる。

本発明に係る圧力容器の一実施形態を一部断面で示した側面図。 本発明における衝撃緩衝部材の衝撃吸収エネルギーを説明するための図。 本発明に係る圧力容器の他の実施形態を一部断面で示した側面図。

以下において本発明の圧力容器の実施例を、図面に基づいて具体的に説明する。
図１で示すように、本発明の圧力容器Ａは、金属ライナ１（具体的にはアルミライナ）と、その外周面を被覆する補強繊維層２を備えている。なお、図示は省略するが、金属ライナ１に接する最も内側層には電食を防止する目的のための薄い樹脂層または樹脂含浸ガラス繊維層（絶縁層）が形成され、これを除いた補強繊維層２が当該絶縁層の上に後述するように複数層形成される。補強繊維層２は強度が樹脂層やガラス繊維層よりもはるかに強い炭素繊維層にしてある。

金属ライナ１は、円筒状の胴部１ａの一端部（上側）に椀状の肩部１ｂを介して小径の口部１ｃが一体に形成されており、この口部１ｃの内面にバルブなどを接続するためのネジ１ｄが形成されている。また、胴部１ａの他端部（下側）にも椀状の肩部１ｂを介して小径の口部１ｃが一体的に形成されており、この口部１ｃの内面に封止プラグ３を取り付けるためのネジ１ｄが形成されている。

金属ライナ１は、例えばＪＩＳ−Ａ６０６１等のアルミニウム合金製のブランク材から成形され、成形後に熱処理が施されている。

補強繊維層２の炭素繊維層は、高剛性の炭素繊維束に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて金属ライナ１の外周面に複数層巻き付けて、熱硬化性樹脂を硬化させることにより形成される。この補強繊維層２は、炭素繊維束をフィラメントワインディング法で金属ライナ１の胴部１ａの外面に周方向に巻くフープ巻層と、金属ライナ１の胴部１ａから肩部１ｂ、１ｂや両端の口部近傍を折返すように中心軸方向に対し所定の配向角で巻くヘリカル巻層とからなる。このフープ巻層とヘリカル巻層とを交互に複数層重ねることによって補強繊維層２が形成されている。

さらに、補強繊維層２の外側で圧力容器Ａの上、下の肩部から胴部の一部にかけて肩部表面並びに胴部表面から外方に突出する衝撃緩衝部材４が設けられている。衝撃緩衝部材４は、弾性樹脂体で形成されており、例えば発泡ウレタン樹脂が好適である。

衝撃緩衝部材４は、その表面を帯状の外部繊維材５により網目状に巻き付けることにより、衝撃緩衝部材４の一部が露出されるようにして取り付けられている。この場合、巻き付けられる外部繊維材５は衝撃緩衝部材４の表面の一部に食い込むが、衝撃緩衝部材４の他の部分は、その原形を保持して圧縮による歪みが生じないような粗い網目で巻き付けられている。したがって、衝撃緩衝部材４は本来の弾性復元力をあまり損なわない状態で取り付けられている。

衝撃緩衝部材４を巻き付ける外部繊維材５としてガラス繊維が使用され、図１に示すように、ヘリカル巻で胴部外周面とともに巻き付けられている。なお、図１の左半分に示す側面図は、外部繊維材５のヘリカル巻の様相を側面視で正確に写実的に表示するものでなく、便宜上その概要を示したものである。

上記のごとく構成された圧力容器Ａは、上部、下部の肩部から胴部の一部にかけてそれぞれ肩部表面並びに胴部表面から突出する衝撃緩衝部材４が設けられているので、圧力容器Ａが誤って肩部から落下した場合に、肩部表面に突出する衝撃緩衝部材４によりその衝撃が緩和され、容器Ａへの衝撃を吸収して破損を防止することができる。また、上下両側の衝撃緩衝部材４は胴部の側面からも外方に突出して形成されているので、圧力容器Ａが水平姿勢で落下した場合でも、衝撃緩衝部材４によりその衝撃が緩和されて容器の破損を防止することができる。
この場合、特に本発明では、外部繊維材５は、衝撃緩衝部材４に対して圧縮による歪みが生じないような粗い網目で巻き付けられているので、衝撃緩衝部材４はその弾性復元力、すなわち衝撃吸収エネルギーをほとんど損なわない状態で取り付けられており、これにより弾性復元力を最大限に発揮して落下時の衝撃を緩和することができる。また、網目状に巻き付けることで外部繊維材の使用量を大幅に低減でき容器の軽量化が図られているため、落下時の衝撃エネルギー自体を低減することもできる。
さらに、衝撃を受けた部分は衝撃緩衝部材４の凹みやガラス繊維からなる外部繊維材５の白化として視認でき、損傷場所を特定することができる。

図２は衝撃緩衝部材４の応力−歪曲線であり、図２（ａ）は、外部繊維材５によって衝撃緩衝部材４を２０％（０．２）まで歪ませた（圧縮させた）状態になるように巻き付けた後、容器落下により６０％まで歪んだときの衝撃緩衝部材４の吸収エネルギーを示すものである。また、図２（ｂ）は、衝撃緩衝部材４が露出している部分（ひずみが０％の部分）について、容器落下により同様に６０％まで歪んだときの衝撃緩衝部材４の吸収エネルギーを示すものである。それぞれの図において、ハッチングされた部分が衝撃吸収エネルギーを示す。
この図２（ａ）、（ｂ）の対比によって、衝撃緩衝部材４の一部を歪まないように巻き付けた場合の方が衝撃に対する吸収エネルギーを大きく利用できることがわかる。

また上記実施例では、圧力容器Ａの両端部に口部１ｃ、１ｃを形成した形態を示したが、図３に示すように、容器の下部側を底壁（底部）で閉じた形態の圧力容器であってもよいことは勿論である。この場合、容器Ａの下部側のコーナー部分が先の実施例における下部肩部に相当する。

以上本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に特定されるものでない。例えば、圧力容器の胴部が長い場合は、胴部の中間部分に胴部側方に突出する衝撃緩衝部材を増設してもよい。その他本発明ではその目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、高圧ガスを充填する圧力容器に利用することができる。

Ａ 圧力容器
１ 金属ライナ
２ 補強繊維層
４ 衝撃緩衝部材
５ 外部繊維材

Claims (3)

1. 金属製ライナの外周面を補強繊維層で被覆した圧力容器であって、
   前記補強繊維層の外側で圧力容器の上、下の肩部から胴部の一部にかけて肩部表面並びに胴部表面から突出する衝撃緩衝部材が配置され、この衝撃緩衝部材の表面に外部繊維材を網目状に巻き付けることにより、衝撃緩衝部材の一部が露出するようにして容器に取り付けられていることを特徴とする圧力容器。
2. 前記衝撃緩衝部材を巻き付ける外部繊維材はガラス繊維であり、前記補強繊維層は炭素繊維層が形成される請求項１に記載の圧力容器。
3. 前記衝撃緩衝部材が発泡ウレタンである請求項１または請求項２のいずれかに記載の圧力容器。

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