JP2013535632A - タンクの口金部位における金属製ライナと複合材構造の間の結合 - Google Patents

Abstract

本発明が対象とするのは、タンク本体（１）と、ライナ（２）およびライナに巻回された複合材部材（３）と、少なくとも１つの口金（４）とを備えるタンクであって、口金を取り囲むタンク本体と口金との環状接合部（５）を除いて、ライナ（２）と複合材部材（３）とが互いに接着されているタンクである。

Description

本発明は、タンク本体と、ライナおよびライナに巻回された複合材部材と、少なくとも１つの口金とを備えるタンクに関し、詳細にはタンクの口金部位における金属製ライナと複合材構造の間の結合に関するものであり、とりわけ複合材料製の高性能タンク、特に高圧流体用タンクに適用される。

本発明は、流体の加圧貯蔵のための、詳細には宇宙用途向け、より詳細には極低温流体の加圧貯蔵のための高性能巻回複合材タンクの分野に関する。

高性能タンクとは、輸送産業全般、とりわけ宇宙輸送で使用されるもののように、質量に関して最適化されたタンクをいう。

加圧流体貯蔵のための高性能複合材タンクは一般に密封機能と機械的耐圧機能とを分けて設計される。

この種のタンクは、基本的に薄手の金属またはポリマー製シェルであって、流体の閉じ込めと、とりわけタンクの複合材料製隔壁の密封および／または流体に対する保護とを果たす役割を与えられた「ライナ」と呼ばれるシェルを備える。

宇宙分野で行われるような最適化された設計のもとでは、ライナによる機械的強度へのわずかな寄与が考慮されるが、通常、このシェルは機械的な構造機能を有していないために薄手であり、その質量を最小化することが目指される。

この種のタンクは、そのほか、巻回した複合材繊維を備えており、次いでそれがフィラメント巻きによってライナを被覆する。この巻回物の役割は、圧力がかかったときのタンクの機械的強度を保証することにある。

特許文献１には、巻回した複合材繊維で覆われたその種のライナを備えるタンクの一例が記載されている。

このようなタンクにおける問題の１つは、タンク使用時、とりわけ充填と排出が繰り返されて、ライナに圧縮力と引張力が交互にかかるときのライナの挙動に関する問題である。

とりわけ、排出動作は複合材によるライナの圧縮をもたらす。

ときに、ライナの臨界座屈応力はタンクの円筒形部分におけるタンクの直径の３乗に反比例する。

タンクが小型である場合には、利用可能な工学的最小限度や巻回手段としてのライナの使用という事情から、ライナは、座屈を起こすことなしにその圧縮に耐えることができるだけの厚さを持ちうる。

その場合には、ライナと複合材の間の結合に関して注意を払うべき事柄はない。

それ以外の場合、とりわけ、大型である、ライナが非常に薄手である、または剛性が非常に低いといったタンクの場合には、ライナはその圧縮に耐えることができず、ライナと複合材とを一般に接着によって結合する方法を採らざるを得なくなる。

タンクの円筒形部位においては、ライナの臨界座屈応力と直径の３乗の関係によって、ライナと巻回物の結合が必要ない場合と必要な場合とを明確に区別することができる。

問題が生じるのは、タンク端部の開口部位のライナにおいてである。

実際、この部位では、内圧の作用を受けて変形する複合材シェルと、ほとんど変形することのない金属の塊である口金との間で大きな相対的変位が生じる。

タンクを加圧状態で使用するとき、一方で複合材に、他方で口金に結合されたライナの全体的な変形はきわめて大きなものとなる可能性がある。ライナにおける変形レベルは、金属製ライナと複合材製シェルの間の熱膨張の差によってさらに強調される。こうした変形レベルは、連続した使用圧力および使用温度サイクルの過程で密封性低下の問題につながる可能性がある。

問題を軽減するため、それぞれの材料の十分な変形を通して、互いに異なる材料の変形の整合性が保証されるようにしなければならない。

ライナが複合材に接着されていない場合には、ライナを口金に結合する一方で、複合材をその口金に結合しなければよい。

その場合、複合材は自由に動くことが可能で、密封性と口金の保持はライナによって確保される。

ライナが複合材に接着されているときは、口金と複合材の間の接着結合部のきわめて高い応力に伴ってかなり大幅なライナの変形の増大を口金レベルに認める。

従来型の接着はもはや適切ではなく、剪断柔軟性によって変形の整合性を保証できる材料の層を間に挟まなければならない。「剪断層」と呼ばれるこの材料の層は、従来は粘着剤またはその柔軟性から採用されるエラストマ層である。

特許文献２および特許文献３はこの問題およびこの解決法を取り上げている。

しかし、極低温流体用タンクの場合のように、エラストマ接着が適さない場合が存在する。

実際、この種のタンクが到達する温度で十分な柔軟特性を維持するエラストマ材料は現在のところ存在しない。

そのため、その種のタンクについては別の解決法を見つけ出す必要がある。

座屈の問題を解決するためにライナの厚みを増やすという方法は、質量の問題があるために、宇宙打上げロケットの極低温タンク用としては受け入れられない。

米国特許第６４０１９６３号 米国特許第５２８７９８８号 米国特許第３８１５７７３号

そこで、本発明は、質量に関して最適化された高圧高性能タンクである場合のタンクまたは容器について、ライナと複合材の間、およびライナ、複合材、口金それぞれの間の結合を定義することを目的とする。

この結合は、タンクの複合材と口金の間でエラストマ接着を使用しないことを特徴とする。

本発明は、複合材料を使用した大型極低温タンクの設計を可能にすることを特に目的とする。

その趣旨に沿って、本発明は、疲労および損傷許容度に関するタンクの寿命要件によって規定される最低厚さを有するきわめて薄い金属製密封ライナの使用を可能にすることを目的とする。

そのため、本発明は、ライナおよびライナに巻回された複合材部材を備えるタンク本体と前記タンクの口金との接合部であって、口金を取り囲む環状部を除いてライナと複合材部材とが互いに接着されている接合部を実現することを提案する。

したがって、本発明は、タンク本体と、ライナおよびライナに巻回された複合材部材と、少なくとも１つの口金とを備えるタンクであって、口金を取り囲むタンク本体と口金との環状接合部を除いて、ライナと複合材部材とが互いに接着されているタンクに関する。

本発明は、口金部位における密封性が、極低温でない流体を確実に貯蔵する、より小型のタンクにおける従来の解決法と変わらない堅牢性および信頼性を有するようにするものである。

本発明は、また、複合材容器または複合材タンクの変形を制限するために補強材を導入することなく、部材間の変形の整合性を保証するものであり、それによってその構造の寸法設計を最適化することができる。

１つの具体的な実施形態によれば、タンクは全体が円筒形で両端部が膨らんでおり、少なくとも一方の端部に口金およびその口金を取り囲む環状接合部を備える。

好ましくは、ライナは溶接または接着によって口金に結合される。

有利には、口金はフランジを備えており、巻回された複合材部材はそのフランジとは一体化されずにそのフランジに沿って延びる。

好ましくは、複合材部材は、口金レベルでフランジに押し付けられる縁部をもってその終端をなす。

口金は、有利には、縁部の保持クランプを取り付ける筒状中心カラーを備える。

１つの具体的な実施形態によれば、クランプと縁部の間に環状パッキンが配設される。

好ましくは、フランジは周縁部に向かって厚みを減らす。

有利な実施形態によれば、環状接合部では、ライナと複合材部材の間およびフランジと複合材部材の間に低摩擦係数の材料の層が配設される。

有利には、低摩擦係数の材料は帯状のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレンの略）である。

有利には、ライナは焼鈍状態の純アルミニウム製である。

好ましくは、ライナは１０５０−Ｏまたは１１００−Ｏまたは１０５０Ｈ１１１のタイプのアルミニウム製である。

本発明は、また、ライナを口金と組み立てるステップを行い、次いでライナに複合材部材を巻回し、さらに、口金を取り囲むタンク本体と口金との環状接合部を除いて、ライナと複合材部材とを互いに接着するステップを行うタンクの製造方法に関する。

この方法は、有利には、ライナと口金の組立てステップの後、複合材部材の巻回およびライナと複合材部材の接着の前に、口金を取り囲むタンク本体と口金との前記環状接合部に低摩擦係数の材料をあてがうようにするものである。

本発明のその他の特徴や利点は、図面を参照しながら本発明の実施例に関する以下の説明を読むことで明らかとなろう。

本発明によるタンクの上部断面斜視図である。 図１の詳細の断面図である。 図１のタンクの環状接合部の一部分の断面概略図である。 図１のタンクの環状接合部の一部分の断面概略図である。 図１のタンクの環状接合部の一部分の断面概略図である。 図１のタンクの環状接合部の一部分の断面概略図である。 図１のタンクの環状接合部の変形例の一部分の断面図である。 図１のタンクの接合部レベルにおける変形曲線である。 ライナの累積塑性変形に関する計算結果を、Ｚ軸沿いに原点から口金部位に向けて正の横軸をとって示したものである。

図１は、タンク本体１、ライナ２およびライナに巻回された複合材部材３を備える本発明によるタンクの上部を示している。

タンクは、全体が円筒形で両端部が膨らんでおり、少なくとも一方の端部に口金４を備える。

タンク頂部の口金４は、タンクの充填または排出のためのタンクへの接続手段を受ける等の役割を果たす。

複合材部材は、樹脂を含浸させた炭素繊維などの複合材繊維の巻回によって製作され、複合材部材はライナに巻回された上にライナに接着（１９）される。

本発明によれば、ライナ２と複合材部材３は、円筒形部分で、さらに口金を備えるタンクのドーム部を形成する曲面の一部で互いに接着１９されているが、タンク本体と口金との環状接合部５であって、口金を取り囲む環状部５では接着されていない。

環状部は、図２にタンク頂部の断面でさらに詳しく示すとおりであり、この環状部５は、口金のフランジ７、すなわち口金の周縁端のことをいう口金のフランジ、本発明の分野の用語において口金ウィングと呼ばれるフランジに対して、その上方に口金の方向に延び、巻回された複合材部材は、そのフランジとは一体化されずにそのフランジに沿って延びる。

複合材部材がライナおよび口金４のフランジ７から引き離される環状部について、タンクの使用状態に応じて図３Ａから３Ｄに、より詳細に示す。

図３Ａは、環状部を備えるタンク上部について、休止中で、圧力ゼロおよび周囲温度の状態にあるところを断面図で示したものである。

この状態では、ライナ２、複合材部材３および口金４は休止位置にあり、応力が生じていない状態である。

充填開始時点などでタンクが圧力ゼロのまま極低温にされる図３Ｂの状態に移行していくと、ライナはＡ方向に収縮し、複合材部材は複合材部材の保持クランプ１１に突き当たるようにしてせり上がる。

タンク内の圧力がその公称値に達すると、すなわち図３Ｃの状態では、ライナは内圧Ｐｉによって再び外側へと押し戻され、複合材部材はライナ２の上端部にもフランジ７にも接着されていないので、複合材部材はＣ方向に後退することができる。

周囲温度（２０℃前後）に戻ると、ライナは収縮し、複合材部材はクランプ１１とフランジ７の間の凹所にＤ方向に押し込まれて、休止位置に戻る。

圧力ゼロおよび周囲温度に戻る過程でのライナの座屈および／または膨れは、不接着長および当該部位におけるライナの厚さを最適化することで発生させないようにする。

図１に戻って、複合材部材を滑りやすくし、環状接合部において複合材部材がフランジおよびライナの上端部に張り付くことがないようにするために、ライナと複合材部材の間およびフランジと複合材部材の間に低摩擦係数の材料または付着防止材の層１３が設けられる。

この高摩擦係数の材料は、たとえば帯状のＰＴＦＥであり、これを、ライナとフランジを両者の接合線６において溶接または接着によって結合させた後、口金の全周およびライナの端部にらせん状に被覆する。

特に図２によれば、複合材部材は口金レベルでフランジ７に押し付けられてクランプ１１によって保持される縁部９をもってその終端をなす。

縁部保持クランプ１１は、口金の筒状中心カラー１０に取り付けられる。

クランプと縁部の間には環状パッキン１２が配設され、クランプが縁部に適度に押し付けられることによってその環状パッキン１２が口金の対称軸と平行をなす垂直方向に保持されるようにする。

口金のカラーとクランプに相補的なネジを切ることで、クランプをねじ込み式に取り付け、そうすることで縁部に対するクランプの押止を調整することができる。クランプは口金のカラーに１４で接着することもできる。

フランジ、すなわち口金ウィング７は、その周縁部に向かって厚みを減らす。

ライナの材料特性は、以下の特徴を備える。
− 接着終了部位に生じる応力を制限するための、低い弾性限度。
− 大きな塑性変形を生じても静力学面および疲労面の材料強度が保証されるようにするための、とりわけ極低温タンクで極低温にあるときの非常に高い延性。

このライナには、極低温の場合を含め、焼鈍状態の純アルミニウム（１０５０−Ｏまたは１１００−Ｏまたは１０５０Ｈ１１１）が候補として好ましい。

ちなみに、アルミニウム合金は、合金の化学組成を特定する４桁の数字による番号システムによって命名される。１０００系は少なくとも９９％がアルミニウムであることを意味している。２番目の数字は最初の合金の変形を示す。これはしばしば、１つまたは複数の合金元素のより小さな値域を指す。３番目と４番目の数字は、１０００系の場合、アルミニウムの最小パーセンテージを示すもので、たとえば１０５０は、少なくとも９９．５０％のアルミニウムであることを示している。加工によって得られるアルミニウム合金の部品は冶金学的状態によって分類される。標準化されている状態は５つあり、それぞれ１つの文字によって区分される。文字「Ｏ」は「焼鈍」を意味する。「冷間加工」を意味する文字「Ｈ」には、２桁または３桁の数字が続く。最初の数字は熱力学的な範疇による種類を示す。２番目の数字は冷間加工の度合を、したがって機械的性質の度合を示す。３番目の数字（もしあれば）は変形を命名する。

本発明の適用例の１つは、厚さ１ｍｍの１０５０−Ｏアルミニウム製ライナを備える直径１６００ｍｍの極低温容器である。

この容器は、４０バールの使用圧力と８０バールの破断圧力を持つように製作される。

そこで、この例による容器の頂部を図４に示す。

口金４は盲フランジ１５によって閉ざされ、その盲フランジ１５は結合部位１６によってその口金に固定される。

口金のカラー１０に固定されたクランプ１１は、複合材を傷つけないための介在物１２を介して巻回部材の縁部９に押し付けられる。

巻回部材は口金のフランジおよびライナ上部を覆うが、それらに接着されることはなく、巻回部材とフランジ／ウィングおよびライナ上部からなるアセンブリとの間には低摩擦係数の材料１３が場合によって挟み込まれる。

口金のカラーレベルでの口金の半径は約１９６ｍｍで、フランジは口金の先およそ１００〜１２０ｍｍまでの範囲で延び、不接着部位は、容器の回転軸Ｚまでの距離が当該部位での容器半径がＲ５００〜５１０ｍｍ相当となるところまで延びる。

ライナの厚さは、変形のピークが最小化されるように、不接着部位では一定に保たれる。厚さが変化する場合は、その位置はライナが容器に接着された部位に限られる。この例では、ライナは、不接着部位で１．４ｍｍの厚さｅ１を、タンクの残りの部分で１ｍｍの厚さｅ２をそれぞれ有しており、求める用途にふさわしい強度が与えられる。

ライナの機械的特徴は、口金部位における強度を保証するには不十分なものであることから、口金は、２２１９−Ｔ８７アルミニウム合金（記号は、主たる合金元素が銅であること、合金中の主相がＡｌ_２Ｃｕ−Ａｌ_２ＣｕＭｇであることを示し、Ｔは合金に熱処理が施されていることを意味する）など、弾性限度の高い材料で製作される。

クランプ１１の機能は、とりわけ、非加圧段階、容器製造時および／または組付け時にライナおよび接着結合に応力が生じるのを防ぐこと、低温化の際に口金が縁部と一体を保つようにすること、さらには、内圧の作用による縁部の移動を可能にすることにある。

図６は、ライナの累積塑性変形に関する計算結果を、Ｚ軸沿いに原点から口金部位に向けて正の横軸をとって示したものである。

曲線２１（ＭＥＦと呼ぶ）は、低温化の際のライナ沿いの変形を示したものであり、
− 曲線２０（４０ｂと呼ぶ）は、低温加圧時の変形を示したものであり、
− 曲線２２（復帰０ｂと呼ぶ）は、低温のまま圧力ゼロに復帰したときの変形を示したものであり、
− 曲線２３（ＲＴライナと呼ぶ）は、周囲温度復帰後の変形を示したものである。

図４のライナ／フランジ接着部６に相当する図６の点２５のライナ／口金溶接部で約８．５％という最大の変形が局所的に生じるが、これは選択した１０５０アルミニウム合金の可塑化特性を超えるものではないことがわかる。

横座標のゼロ点は、タンクの円筒形部分が底部と交わる平面（底部が始まるところ）であり、その点を「底部基準点」と呼ぶ。

負の横座標はタンクの円筒形部分に相当し、正の横座標は底部に相当する。

図６の点２４は接着部の終了部位である。点２４は点２５に接近して現れるが、これはグラフが軸方向横座標を示しているためである。

ライナの厚さが変化する横座標の点０の部位では、フェルールにおいて周方向の巻線が終了することによる複合材の屈曲が存在する。この屈曲はライナの変形となって現れる。

また、ライナ／フランジ間の接着継手における引張応力および剪断応力に関しては、到達する最大値は通常の粘着剤で対応できるものである。

本発明の解決法は、極低温タンクの場合に適用することができない従来技術水準のエラストマによる解決法を超えることを可能にするものである。

巻回複合材部材を製作するための材料は、たとえば、東レ（登録商標）株式会社のＴ８００やＨｅｘｅｌ（登録商標）社のＩＭ７のタイプの炭素繊維中間モジュールであるが、それ以外にも数多くの変形形態が可能である。

繊維を結合させ、巻回部材に密着性を与えるため、ＡＳＴＲＩＵＭ製Ｂ４１３Ｍ１５エポキシ系熱硬化性樹脂やＰＡ１２（ポリアミドの総称的な化学名）系熱可塑性樹脂を用いる。

複合材部材とライナの結合は、Ｈｙｓｏｌ（登録商標）社製エポキシ接着剤ＥＡ９３２１によって行う。

そして、不接着部位においては、３Ｍ社製３Ｍ５４９０タイプのＰＴＦＥ粘着テープを使用する。

図５は、ライナが１７で接着された２つの部分２、２’によってなり、その第２の部分がライナの第１の部分を口金４のフランジ７に結合させる環状セグメントを形成する本発明の１つの変形形態に相当するものである。

複合材部材はライナの第１の部分に接着され、複合材部材のその接着部は、ライナの２つの部分が重なり合う部位でライナの第２の部分２’に沿って延びる。

図１の例と同様、複合材部材はライナの第２の部分２’および口金のフランジ７を覆うが、それらに接着されることはない。

この実施形態は、第２の部分２’でライナに付加的な厚みを設けることを可能にし、それによってタンクの機械的強度を高める。

タンクの製造のため、ライナ２を口金４と組み立てるステップを行い、次いでライナに複合材部材３を巻回し、さらに、口金を取り囲むタンク本体と口金との環状接合部５を除いて、ライナ２と複合材部材３とを互いに接着するステップを行う。

環状不接着部を実現するため、ライナと口金の組立てステップの後、複合材部材の巻回およびライナと複合材部材の接着の前に、口金を取り囲むタンク本体と口金との前記環状接合部５に低摩擦係数の材料をあてがう。

１ タンク本体
２ ライナ
２’ 第２の部分
３ 複合材部材
４ 口金
５ 環状部
６ 接着
７ フランジ
８ 延びる
９ 縁部
１０ 筒状中心カラー
１１ クランプ
１２ 環状パッキン（介在物）
１３ 材料（の層）
１５ 盲フランジ
１６ 結合部位
１９ 接着する
２０ 曲線
２１ 曲線
２２ 曲線
２３ 曲線
２４ 点
２５ 点
Ａ 方向
Ｃ 方向
Ｄ 方向
Ｐｉ 内圧

Claims (15)

1. タンク本体（１）と、ライナ（２）および前記ライナに巻回された複合材部材（３）と、少なくとも１つの口金（４）とを備えるタンクにおいて、前記口金を取り囲む前記タンク本体と前記口金との環状接合部（５）を除いて、前記ライナ（２）と前記複合材部材（３）とが互いに接着（１９）されていることを特徴とするタンク。
2. 全体が円筒形で両端部が膨らんでおり、少なくとも一方の端部に前記口金（４）のうちの１つおよび前記口金（４）を取り囲む環状接合部（５）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のタンク。
3. 前記ライナ（２）が溶接または接着（６）によって前記口金（４）に結合されることを特徴とする、請求項１または２に記載のタンク。
4. 前記口金がフランジ（７）を備えており、巻回された前記複合材部材が前記フランジとは一体化されずにこのフランジに沿って延びる（８）ことを特徴とする、請求項１、２または３に記載のタンク。
5. 前記複合材部材が、前記口金レベルで前記フランジ（７）に押し付けられる縁部（９）をもってその終端をなすことを特徴とする、請求項４に記載のタンク。
6. 前記口金が、前記縁部の保持クランプ（１１）を取り付ける筒状中心カラー（１０）を備えることを特徴とする、請求項５に記載のタンク。
7. 前記クランプと前記縁部の間に環状パッキン（１２）が配設されることを特徴とする、請求項６に記載のタンク。
8. 前記フランジ（７）が周縁部に向かって厚みを減らすことを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載のタンク。
9. 前記環状接合部で、前記ライナと前記複合材部材の間および前記フランジと前記複合材部材の間に低摩擦係数の材料の層（１３）が配設されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のタンク。
10. 前記低摩擦係数の材料が帯状のＰＴＦＥであることを特徴とする、請求項９に記載のタンク。
11. 前記ライナが焼鈍状態の純アルミニウム製であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のタンク。
12. 前記ライナが１０５０−Ｏまたは１１００−Ｏまたは１０５０Ｈ１１１のタイプのアルミニウム製であることを特徴とする、請求項１１に記載のタンク。
13. 前記ライナが２つの部分（２、２’）によってなり、第２の部分が前記ライナの第１の部分を前記口金（４）の前記フランジ（７）に結合させる環状セグメントを形成し、前記複合材部材は前記ライナの前記第１の部分に接着され、前記複合材部材の前記接着部は、前記ライナの前記２つの部分が重なり合う部位で前記ライナの前記第２の部分（２’）に沿って延びることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のタンク。
14. 前記タンクの製造方法であって、ライナ（２）を口金（４）と組み立てるステップを行い、次いで前記ライナに複合材部材（３）を巻回し、さらに、前記口金を取り囲む前記タンク本体と前記口金との環状接合部（５）を除いて、前記ライナ（２）と前記複合材部材（３）とを互いに接着するステップを行う方法。
15. 前記ライナと前記口金の組立てステップの後、前記複合材部材の巻回および前記ライナと前記複合材部材の接着の前に、前記口金を取り囲む前記タンク本体と前記口金との前記環状接合部（５）に低摩擦係数の材料をあてがうことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。

Images