JP2016125624A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力容器の金属製口金の、疲労による強度低下を抑制する。【解決手段】樹脂製の容器本体１と、容器本体１の外側に設けられた金属製の口金２と、口金２の外面の一部と容器本体１の外面を覆う樹脂製の外殻３とを備え、口金２の外殻３で覆われた部分には、口金の軸方向外側から内側に向かう方向に口金外径が漸次拡大する傾斜面２５ａが存在し、傾斜面２５ａの軸方向外側の端部（肩部２５ｂ）に、傾斜面の最大傾斜方向における弾性率が外殻３よりも高い補強層４が積層一体化されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ガス、液化ガス等を収容するのに好適な圧力容器に関する。

各種のガス、液化ガス等は様々な用途に用いられるが、これらのガスを使用、輸送、貯蔵するために、耐圧性能を有する圧力容器が必要となる。具体的な例としては、自動車の燃料容器や他の場所で消費するための燃料ガスを輸送するための圧力容器が挙げられる。かかる圧力容器は、移動にかかる燃費を削減するために容器が軽量であることが望まれる。

従来、圧力容器は金属製のものが主流であったが、最近は、樹脂製の容器本体（ライナーともいう。）と該ライナーの外面を覆う外殻（補強層）とを有する圧力容器が種々提案されている（例えば、特許文献１、２等）。
通常、圧力容器には金属製口金が設けられている。これらの口金はガス等の内容物の出入口を構成する目的で貫通孔があるものと、容器の支持をする目的のみで貫通孔がないものとがある。
特許文献２に記載されている口金はライナーの外側に設けられており、略円筒形状で、外周面から突出するフランジ部を備え、ライナーと外殻との間にフランジ部が挟み込まれて固定されている。

国際公開第２００４／０５１１３８号 特開２０１４−７４４７０号公報

一般に、圧力容器は内圧による応力に耐えるように強度設計がなされる。
本発明者等は、圧力容器の繰返し使用を想定した過酷試験である内圧付加サイクル試験において、外殻の強度低下よりも先に、金属製口金に疲労による強度低下が生じる場合があることを知見した。
本発明は、圧力容器の金属製口金の、疲労による強度低下を抑制することを目的とする。

本発明者等は、口金の外周面から突出するフランジ部に傾斜面があり、該傾斜面が樹脂製の外殻で覆われている構造を有する圧力容器においては、内圧付加サイクル試験で、傾斜面の基端の屈曲した部分に応力が集中しやすく、この部分で金属疲労が生じやすいことを知見した。
そして、かかる金属疲労が生じやすい部分を、弾性率が高い材料で補強することにより、金属製口金の疲労による強度低下を抑制できることを見出し、本発明に至った。

本発明の圧力容器は、樹脂製の容器本体と、該容器本体の外側に設けられた金属製の口金と、前記口金の外面の一部と前記容器本体の外面を覆う樹脂製の外殻とを備え、前記口金の前記外殻で覆われた部分には、該口金の軸方向外側から内側に向かう方向に口金外径が漸次拡大する傾斜面が存在し、該傾斜面の前記軸方向外側の端部に、前記傾斜面の最大傾斜方向における弾性率が前記外殻よりも高い補強層が積層一体化されていることを特徴とする。
前記外殻が繊維強化樹脂からなることが好ましい。
前記補強層が、前記傾斜面の傾斜方向に沿う繊維を含む繊維強化樹脂層であることが好ましい。

本発明によれば、金属製口金の疲労による強度低下が抑制された圧力容器が得られる。

本発明に係る圧力容器の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る圧力容器の一実施形態における口金付近の構造を示す断面図である。 比較例の圧力容器の口金付近の構造を示す断面図である。

＜第１実施形態＞
図１、２は本発明に係る圧力容器の第１実施形態を示したもので、図１は全体を示す断面図、図２は口金付近の構造を示す断面図である。
図１、２に示す圧力容器は、樹脂製の容器本体（ライナー）１、金属製の口金２、樹脂製の外殻３、および補強層４を備える。
口金２の回転軸Ｘに平行な方向を軸方向、回転軸Ｘを中心とする回転方向を周方向とする。図２において、便宜的に、軸方向の外側（容器外方側）を上側、軸方向の内側（容器内方側）を下側とする。
容器本体１は中空で、略筒状のガス出入り部１１が外方に向かって突出するように設けられている。該ガス出入り部１１の外側に口金２が密着して設けられている。

口金２は貫通孔２１を有する略円筒状で、内面の形状は、口金２内に取り付けられるバルブ等の形状に応じて設計される。
本実施形態では、口金２の内周面の軸方向の中間部分に、内方に向かって突出する凸条２２が設けられている。該凸条２２の下面２２ａ、該凸条２２よりも下側の内周面２１ａ、および口金２の下側の端面２３は、容器本体１のガス出入り部１１およびその周囲の外面と密着している。符号２１ｂは凸条２２の内周面、符号１１ａはガス出入り部１１の内周面を示す。
貫通孔２１の凸条２２よりも上側の内周面２１ｃには、雌螺子（図示略）が形成されており、ガス供給・取出用のバルブ等をねじ込んで取り付け可能となっている。

口金２の下側の端部には外面から突出する第１のフランジ部２５が設けられ、第１のフランジ部２５と、口金２の上側の端面２４との間には、外面から突出する第２のフランジ部２７が設けられている。
第２のフランジ部２７は厚みが略均一な円環状ないし多角形環状である。第２のフランジ部２７の上側における口金２の外径は、第２のフランジ部２７の下側よりも小さい。
第１のフランジ部２５と第２のフランジ部２７との間の首部２６を、軸方向に垂直な面で切断したときの、外面の断面形状は円形でもよく、多角形でもよい。

第１のフランジ部２５は、上側から下側に向かって口金外径が漸次拡大する傾斜面２５ａを有する。傾斜面２５ａから首部２６に立ち上がる屈曲部分が傾斜面２５ａの上端部（軸方向外側の端部）であり、以下、肩部２５ｂともいう。
肩部２５ｂは曲面加工されている。肩部２５ｂにおける傾斜面２５ａと首部２６の外面とのなす角度θは９０〜１３５度が好ましく、９０〜１２０度がより好ましい。該角度θが上記範囲の下限値以上であると空隙を生じることなく第１のフランジ部２５上に外殻３を形成することができ、上限値以下であると第１のフランジ部２５が外殻３を押す力を充分に分散させることができる。

補強層４は、少なくとも肩部２５ｂを覆うように設けられ、口金２に積層一体化されている。本実施形態では、首部２６の上端から、傾斜面２５ａの下端までの外面上に補強層４が設けられている。
外殻３は、口金２の第２のフランジ部２７より下側を覆うように設けられ、容器本体１と外殻３との間に第１のフランジ部２５および補強層４を挟み込むことによって、口金２を固定している。

補強層４は、傾斜面２５ａの最大傾斜方向における弾性率が、外殻３よりも高くなるように設けられる。ここで、傾斜面２５ａの最大傾斜方向とは、口金２の軸Ｘを含む断面内で第１のフランジ部２５の傾斜面２５ａに沿った方向であり、傾斜面２５ａの形状が円錐の一部である場合はその円錐の母線に沿った方向である。

補強層４を構成する材料は、傾斜面２５ａの最大傾斜方向において所望の高弾性率が得られる材料であればよい。強度も良好な材料であることがさらに好ましい。
補強層４は、例えば樹脂を含浸した繊維（補強繊維ともいう。）を配列させた後に樹脂を硬化して形成される、繊維強化樹脂層が好ましい。特に傾斜面２５ａの傾斜方向に沿う補強繊維を含む繊維強化樹脂層が好ましい。
傾斜面２５ａの傾斜方向とは、傾斜面２５ａ内において、周方向に対して略垂直な方向を意味する。傾斜面２５ａ内において周方向と前記補強繊維とのなす角度（絶対値）は６０〜９０度の範囲内が好ましく、８５〜９０度の範囲内がより好ましい。

本実施形態において、外殻３は、樹脂を含浸した補強繊維を配列させた後、樹脂を硬化して形成される繊維強化樹脂からなる。
補強層４と外殻３の補強繊維は同じであってもよく、異なっていてもよい。外殻３中の補強繊維は、特に強度に優れるものを用いることが好ましい。補強層４と外殻３の補強繊維が同じである場合、両者の補強繊維の方向を違えることによって、傾斜面２５ａの最大傾斜方向における弾性率が外殻３より高い補強層４を形成することができる。
補強層４と外殻３の樹脂は同じであってもよく、異なっていてもよい。

補強層４または外殻３を形成するための補強繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、有機高弾性率繊維（例えばアラミド繊維、超高強力ポリエステル繊維）、金属繊維、またはセラミック繊維などが挙げられ、これらは１種類で用いることも２種類以上を併用することもできる。
炭素繊維としては、ピッチ系、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ系）、レーヨン系等の種類が挙げられ、いずれの炭素繊維を用いてもよい。
特に高い弾性率が得られやすい点ではピッチ系が好ましく、高い強度が得られやすい点ではＰＡＮ系が好ましい。これらを組み合わせてもよい。

補強層４または外殻３を形成するための樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性又は光硬化性樹脂；ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイドなどのエンジニアリングプラスチック、ポリプロピレン、ポリ４−メチル−１−ペンテンなどのポリオレフィン樹脂等の熱可塑性樹脂；が挙げられる。

口金２を構成する金属としては公知の材料を用いることができる。例えば、アルミニウム合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、炭素鋼、合金鋼、黄銅等が挙げられる。

容器本体１の材料としては、圧力容器に充填された高圧ガスを収納して、漏洩しないガスバリア性を有する材料が用いられる。圧力容器において公知の材料を適宜用いることができる。例えば高密度ポリエチレン系樹脂、架橋ポリエチレン、ポリプロピレン樹脂、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン樹脂；ナイロン６、ナイロン６，６、ナイロン１１、ナイロン１２等のポリアミド系樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂；アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合（ＡＢＳ）樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン樹脂、またはポリイミド樹脂等のエンジニアリングプラスチック；等が挙げられる。
容器本体１は、１種の樹脂を用いた単層または複層で構成されていてもよく、２種以上の樹脂を用いた複合材料で構成されていてもよい。

＜圧力容器の製造方法＞
本実施形態の圧力容器は、例えば、ブロー成形など公知の方法で製造された容器本体１のガス出入り部１１に、口金２および補強層４を配し、フィラメントワインディング法またはテープワインディング法等の公知の方法によって外殻３を形成する方法で製造できる。
補強層４は、予め口金２に積層一体化されていてもよく、容器本体１に口金２を配した後に補強層４を積層して一体化してもよい。

補強層４が繊維強化樹脂層である場合、例えば、繊維と樹脂を含むシート状のプリプレグを、肩部２５ｂを覆うように口金２に密着させた後、樹脂を硬化させる方法で補強層４を積層一体化することができる。プリプレグの形態は、繊維が一方向に引き揃えられたＵＤプリプレグであってもよいし、繊維が製織された織物プリプレグであってもよい。
特に、繊維を伸長可能な糸でつなぎとめたノンクリンプファブリック（ＮＣＦ）を用いたプリプレグは、口金２の外面に密着させやすい点で好ましい。
肩部２５ｂを覆うプリプレグは１層でもよく、２層以上でもよい。例えば、傾斜面２５ａの傾斜方向に沿う繊維を含むプリプレグの層（下層）の上に、さらに周方向に沿う繊維を含むプリプレグをリング状に積層することにより、下層が変形して口金から外れるのを防止することができる。
プリプレグは、予め補強層４の形状に対応して成形したものを、口金２の外面上に配置してもよい。
あるいは、口金２の周囲に、繊維が一方向に引き揃えられた長尺の第１のプリプレグを、繊維方向が口金２の軸方向となるように配し、第２のフランジ部２７より下側において、該第１のプリプレグの上から、繊維方向が周方向である第２のプリプレグを巻き付けて第１のプリプレグを口金２に密着させ、硬化後に不要な部分を除去する方法でも、第１のフランジ部２５の傾斜面２５ａの傾斜方向に沿う繊維を含む補強層４を形成することができる。

外殻３を形成するためのフィラメントワインディング法またはテープワインディング法等の捲回方法は、ヘリカル巻、フープ巻、レーベル巻などのいずれでもよく、これらを組み合わせて用いてもよい。また捲回方法としては、例えば、補強繊維（束）に対して捲回工程時に樹脂を添着させながら捲回する方法、または予め樹脂を含浸させた補強繊維（束）（プリプレグ）を捲回する方法が挙げられる。また、織物などのような連続した補強材に熱硬化性樹脂を含浸させて成形するプリプレグ法等、他の公知の方法で外殻３を形成してもよい。

＜作用効果＞
金属材料の疲労は、繰返し応力による金属材料表面の欠陥生成とその後の欠陥の進展によると考えられている。この欠陥生成には、金属表面の変位が大きく影響すると考えられる。
このため、金属材料の疲労を防止するためには、応力集中を下げるような構造が有効である。応力集中を避けると、局部的に応力が増加するのが防止され、金属表面の変位が大きくなるのが防止される。
口金２を覆う樹脂製の外殻３の弾性率は広い範囲を取りうる。例えば外殻３が繊維強化樹脂で構成される場合には、繊維の種類や構成によっても強度や弾性率が変化し得る。
口金２に密着している外殻３の弾性率が小さいほど、圧力容器に内圧が加えられたときの外殻３の変形が大きくなり、外殻３が内圧による負荷を受け持つ位置と、口金２が内圧による負荷を受け持つ位置とが異なってくる。本発明者等の研究の結果、外殻３が変形する前の状態で口金２にかかる応力より、外殻３が変形した後の方が、口金２に大きな応力が付加されることがわかった。特に第１のフランジ部２５の傾斜面２５ａの基端である肩部２５ｂに応力が集中しやすいことも判明した。
本発明では、かかる傾斜面２５ａの肩部２５ｂを、外殻３よりも剛性が高い補強層４で補強することによって、口金２に付加される応力を低減した。これによって、口金２の表面の変位を、欠陥発生が生じる変位以下に抑えることが可能であり、金属製の口金２の、疲労による強度低下を抑制することができる。

＜変形例＞
上記実施形態では、外殻３を繊維強化樹脂で形成したが、これに限らず、圧力容器において公知の樹脂材料（補強繊維を含まない）を用いることができ、その場合にも、傾斜面２５ａの肩部２５ｂに補強層４を積層一体化することにより、口金２の金属疲労を低減させる効果が得られる。高い強度が得られ易い点では、外殻３が繊維強化樹脂からなることが好ましい。
上記実施形態では、補強層４を首部２６の上端から傾斜面２５ａの下端まで設けたが、少なくとも、内圧付加時の応力が集中しやすい肩部２５ｂを覆うように設けることにより、口金２の金属疲労を低減させる効果を得ることができる。

以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
［実験例］
＜例１〜７、例１１〜１７＞
図２、３に示す構造の圧力容器において、内圧が付加された状態で口金２にかかる応力をシミュレーション解析で求めた。例１、例１１は、図３に示すように補強層が設けられていない比較例であり、例２〜７、例１２〜１７は図２に示すように補強層４が設けられた実施例である。図３において図２と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
補強層４は一方向に配列された補強繊維束を含む繊維強化複合材料を、繊維方向が傾斜面２５ａの最大傾斜方向となるように積層した。即ち、傾斜面２５ａ内において周方向と補強繊維とのなす角度は９０度である。
補強層４の厚み、補強層４の繊維方向の弾性率、口金２の材質を表１、２に示す通りに変えたときの、口金２の肩部２５ｂにかかる応力（口金肩部応力）、口金２の下側の端面２３にかかる応力（口金下部応力）、補強層４にかかる応力（補強層応力）を求めた。結果を表１、２に示す。表１は口金２がアルミ製の場合であり、表２は口金２がＳＵＳ製の場合である。
例えば、例４は厚さ１ｍｍの補強層の弾性率が３８４ＧＰａである例、例７は厚さ２ｍｍの補強層の弾性率が３８４ＧＰａである例である。

シミュレーション解析条件は以下の通りとした。
肩部における傾斜面と首部の外面とのなす角度θ：１１４．７度。
容器本体の内圧：２０ＭＰａ。
アルミ製口金の弾性率：７０ＧＰａ（等方性）。
ＳＵＳ製口金の弾性率：２１０ＧＰａ（等方性）。
ポリエチレン製容器本体の弾性率：１ＧＰａ（等方性）。
繊維強化樹脂からなる外殻の弾性率：７０ＧＰａ（便宜的に等方性とした）。
繊維強化樹脂からなる補強層の弾性率：異方性を有し、周方向おける弾性率（ＥＸ）を５ＧＰａとし、層内でかつ周方向に垂直な方向、即ち、傾斜面２５ａ上においてはその最大傾斜方向及び首部２６上においては口金の軸方向における弾性率（ＥＹ）を表１、２に示す通りに変更した。
口金２と補強層４との接触面は一体化された状態であり、それ以外の部材どうしの接触面は密着しているが一体化されていない状態とした。

表１、２の結果に示されるように、補強層を設けない例１、例１１において、内圧付加時に口金にかかる応力は、口金の下部より肩部の方が大きい。これは、内圧付加サイクル試験において肩部に金属疲労が生じやすかったという試験結果と一致する。
補強層を設けた例２〜７、例１２〜１７は、補強層が無い例１、例１１と比べて、口金の肩部にかかる応力が効果的に低減され、肩部の金属疲労による強度低下を抑制できることがわかる。
なお、例１〜７または例１１〜１７において、口金の下部にかかる応力はあまり変化せず、例２〜７、例１２〜１７では、内圧付加時に口金にかかる応力は、口金の下部より肩部の方が小さくなった。

例２〜４を比べると、補強層の厚さが同じである場合、補強層の弾性率（ＥＹ）が高い方が口金の肩部にかかる応力を低減する効果が大きい。一方、補強層の弾性率（ＥＹ）が高くなるほど、補強層にかかる応力は大きくなる傾向がある。例５〜７、例１２〜１４、または例１５〜１７においても同様である。
例２と例５、例３と例６、例４と例７とをそれぞれ比べると、補強層の弾性率（ＥＹ）が同じである場合、補強層の厚さが大きい方が口金の肩部にかかる応力を低減する効果が大きい。

１ 容器本体（ライナー）
２ 口金
３ 外殻
４ 補強層
１１ ガス出入り部
２１ 貫通孔
２２ 凸条
２３ 口金の下側（軸方向内側）の端面
２４ 口金の上側（軸方向外側）の端面
２５ 第１のフランジ部
２５ａ 傾斜面
２５ｂ 肩部（傾斜面の軸方向外側の端部）
２６ 首部
２７ 第２のフランジ部

Claims (3)

1. 樹脂製の容器本体と、
   該容器本体の外側に設けられた金属製の口金と、
   前記口金の外面の一部と前記容器本体の外面を覆う樹脂製の外殻とを備え、
   前記口金の前記外殻で覆われた部分には、該口金の軸方向外側から内側に向かう方向に口金外径が漸次拡大する傾斜面が存在し、
   該傾斜面の前記軸方向外側の端部に、前記傾斜面の最大傾斜方向における弾性率が前記外殻よりも高い補強層が積層一体化されていることを特徴とする圧力容器。
2. 前記外殻が繊維強化樹脂からなる、請求項１記載の圧力容器。
3. 前記補強層が、前記傾斜面の傾斜方向に沿う繊維を含む繊維強化樹脂層である、請求項１または２に記載の圧力容器。

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