JP2017075671A

JP2017075671A - 圧力容器の密封構造

Info

Publication number: JP2017075671A
Application number: JP2015204568A
Authority: JP
Inventors: 景将市川; Kagemasa Ichikawa
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2035-10-16
Also published as: JP6675169B2

Abstract

【課題】圧力容器の筒状ハウジング２における口金部２２と合成樹脂ライナー２１との変形量の差による隙間の発生に起因するシールリング１３の損傷等を防止する。【解決手段】圧力容器の筒状ハウジング２の内面が、合成樹脂ライナー２１の内面２１ａ及びその軸方向外側に位置する口金部２２の内面２２ａからなり、筒状ハウジング２の内面と挿入部材３の小径部３２との間に、第一のバックアップリング１１と、それより軸方向内側に配置された第二のバックアップリング１２と、それより軸方向内側に配置されたゴム状弾性体からなるシールリング１３を備え、第一のバックアップリング１１と第二のバックアップリング１２が軸方向外側へ向けて大径になるテーパ面１１ａ，１２ａ同士で当接し、第一のバックアップリング１１の外周面１１ｃの軸方向内側の端部が、合成樹脂ライナー２１の内周に位置する。【選択図】図１

Description

高圧のガスを貯蔵する圧力容器の筒状ハウジングとこれに挿入状態に取り付けられる挿入部材との間を密封するための密封構造に関するものである。

水素燃料自動車の開発においては、このような水素燃料自動車に搭載されて圧縮水素ガスを貯蔵する高圧水素用の圧力容器（タンク）の開発は重要である。この種の高圧水素用圧力容器としては、近年、軽量化を図るために、鋼製などの圧力容器に代わり、合成樹脂ライナーを繊維強化プラスチックで覆ったプラスチック複合容器が使用されている。

そして通常、このようなプラスチック複合容器からなる圧力容器は、その一端から外側へ突出した筒状ハウジングが、合成樹脂ライナーと、これに一体に設けられた金属製の口金部からなり、この筒状ハウジングには圧縮水素ガス等を封入あるいは排出するためのバルブがねじ込みにより取り付けられており、筒状ハウジングとバルブとの間は、Ｏリングなどのシールリングによって密封されている（例えば下記の特許文献１参照）。

図４は、この種の圧力容器の筒状ハウジングとバルブとの間を密封するための、従来技術による圧力容器の密封構造の一例を、筒状ハウジングの一部と共に示すもので、参照符号２０１は圧力容器の筒状ハウジング２００における合成樹脂ライナー、参照符号２０２は筒状ハウジング２００における軸方向外側に位置して合成樹脂ライナー２０１に設けられた金属製の口金部、参照符号３００は筒状ハウジング２００の内周に挿入状態に取り付けられたバルブ、参照符号１００は密封装置である。密封装置１００は、筒状ハウジング２００の内面とバルブ３００との間に適宜圧縮状態で介装されることによって、圧力容器に封入された圧縮水素ガス等の漏出を防止するゴム状弾性体製のＯリングからなるシールリング１０１と、このシールリング１０１を大気側から支承して大気側へのはみ出しを防止する合成樹脂製のバックアップリング１０２からなる。

特開２０１１−１０２６１４

しかしながら、圧力容器の筒状ハウジング２００における合成樹脂ライナー２０１と口金部２０２の境界２００ａが、図示のようにバックアップリング１０２の外周側に位置するような場合、圧力容器に封入された圧縮水素ガス等の圧力Ｐが高圧になると、図５に示すように、金属製の口金部２０２に比較して合成樹脂ライナー２０１の拡径変形が大きくなり、このため合成樹脂ライナー２０１の内周面と口金部２０２の内周面との境界に段差を生じて、バックアップリング１０２の外周面と合成樹脂ライナー２０１の内周面との間に隙間δを生じる懸念がある。そしてこのような隙間δは、シールリング１０１の一部１０１ａがはみ出して損傷したり、バックアップリング１０２の一部１０２ａが筒状ハウジング２００の段差との接触部１０２ｂで過大な変形力を受けて損傷したりする原因となり得るものである。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、圧力容器の筒状ハウジングにおける口金部と合成樹脂ライナーとの変形量の差による隙間の発生に起因するシールリングの損傷を防止することにある。

本発明は、上述した技術的課題を解決するため、以下の手段を採用した。すなわち請求項１の発明に係る圧力容器の密封構造は、圧力容器本体の一端から突出した筒状ハウジングの内面が、合成樹脂ライナーの内面及びこの合成樹脂ライナーの軸方向外側に位置する口金部の内面からなり、前記筒状ハウジングに挿入状態に取り付けられた挿入部材の外周面に、軸方向内側が小径となる環状段差部が形成され、前記筒状ハウジングの内面と前記挿入部材の小径部との間に、前記口金部の内面に当接可能な第一のバックアップリングと、この第一のバックアップリングより軸方向内側に配置され前記合成樹脂ライナーの内面に当接可能な第二のバックアップリングと、この第二のバックアップリングより軸方向内側に配置され前記合成樹脂ライナーの内面と前記挿入部材の小径部に密接されるゴム状弾性体からなるシールリングを備え、前記第一のバックアップリングと前記第二のバックアップリングが軸方向外側へ向けて大径になるテーパ面同士で当接し、前記第一のバックアップリングの外周面の軸方向内側の端部が、前記合成樹脂ライナーの内周に位置することを特徴とする。

また、本発明は上記技術的課題を解決するためさらに以下の手段を採用してもよい。すなわち請求項２の発明に係る圧力容器の密封構造は、請求項１に記載の構成において、第二のバックアップリングをその中心軸線を通る平面で切断した断面形状が第一のバックアップリングとの当接部を斜辺とする略直角三角形をなすことを特徴とする。

本発明に係る圧力容器の密封構造によれば、圧力容器本体に封入された流体の圧力によって軸方向へ押圧されるシールリングは、第二のバックアップリング及び第一のバックアップリングを介して挿入部材の環状段差部に支承される。そして、前記流体の圧力によって圧力容器の筒状ハウジングにおける合成樹脂ライナーの拡径変形が口金部の拡径変形より大きくなっても、第一のバックアップリングと第二のバックアップリングは、圧力容器本体と反対側へ向けて大径になるテーパ面同士で互いに滑り、第二のバックアップリングは合成樹脂ライナーの拡径変形に追随して外径側へ変位するので、第二のバックアップリングと合成樹脂ライナーとの間にシールリングのはみ出しが可能な隙間は発生せず、シールリングのはみ出しによる損傷を有効に防止することができる。

本発明に係る圧力容器の密封構造の好ましい実施の形態を、中心軸線Ｏを通る平面で切断して示す要部断面図である。本発明に係る圧力容器の密封構造の好ましい実施の形態における密封装置を、中心軸線Ｏを通る平面で切断して示す未装着状態の断面図である。本発明に係る圧力容器の密封構造の好ましい実施の形態における高圧時の動作状態を、中心軸線Ｏを通る平面で切断して示す要部断面図である。従来の技術に係る圧力容器の密封構造の一例を、中心軸線Ｏを通る平面で切断して示す部分断面図である。従来の技術に係る圧力容器の密封構造の一例における高圧時の動作状態を、中心軸線Ｏを通る平面で切断して示す部分断面図である。

以下、本発明に係る圧力容器の密封構造の好ましい実施の形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。

まず図１において、参照符号２は例えば水素燃料自動車に搭載されて圧縮水素ガスを貯蔵する圧力容器の筒状ハウジングであり、図中右側に存在する圧力容器本体（不図示）から図中左側へ向けて突出するように延びている。すなわち筒状ハウジング２における図中右側は圧力容器本体の内部空間Ｓに連通している。

筒状ハウジング２は、圧力容器本体から延びて外周が不図示の繊維強化プラスチック層で覆われた合成樹脂ライナー２１と、この合成樹脂ライナー２１及び繊維強化プラスチック層に一体的に結合された金属製の口金部２２からなり、筒状ハウジング２の内面は、圧力容器本体側（内部空間Ｓ側）の合成樹脂ライナー２１の内面２１ａ及びその軸方向外側に位置する口金部２２の内面２２ａで構成される。なお、ここでいう「軸方向」とは、円筒状である筒状ハウジング２あるいは環状である後述の第一のバックアップリング１１、第二のバックアップリング１２及びシールリング１３の中心軸線Ｏと平行な方向のことである。

筒状ハウジング２には、圧力容器本体の内部空間Ｓに圧縮水素ガス等を封入あるいは排出するためのバルブ３が挿入状態に取り付けられている。なお、このバルブ３は請求項１に記載された挿入部材に相当するものである。

バルブ３の外周面には、圧力容器本体側（内部空間Ｓ側）が小径となる環状段差部３１が形成されており、この環状段差部３１は、筒状ハウジング２へのバルブ３の取付状態において口金部２２側の内周に位置している。

筒状ハウジング２の内面とバルブ３の小径部３２（環状段差部３１よりも内部空間Ｓ側の小径部３２）との間には、密封装置１が介装されている。この密封装置１は、外周面が筒状ハウジング２の内面に当接可能な第一のバックアップリング１１と、この第一のバックアップリング１１より軸方向内側（内部空間Ｓ側）に配置され外周面が筒状ハウジング２の内面に当接可能な第二のバックアップリング１２と、この第二のバックアップリング１２より軸方向内側（内部空間Ｓ側）に配置されて筒状ハウジング２の内面とバルブ３の小径部３２の外周面３２ａに密接されるシールリング１３を備える。

密封装置１における第一のバックアップリング１１は、シールリング１３よりも剛性の大きい硬質の合成樹脂、好ましくはナイロンからなるものであって、図２にも示すように、第二のバックアップリング１２との対向面（軸方向内側を向いた面）が軸方向外側（第二のバックアップリング１２と反対側）へ向けて大径になるテーパ面１１ａをなし、その反対側の、軸方向外側の端面１１ｂが中心軸線Ｏと直交する平面状に形成され、外周面１１ｃ及び内周面１１ｄが円筒面状に形成され、すなわち中心軸線Ｏを通る平面で切断した断面形状（図示の断面形状）が台形をなすものである。

そして、第一のバックアップリング１１の端面１１ｂがバルブ３の環状段差部３１に当接した状態では、この第一のバックアップリング１１の外周面１１ｃにおける軸方向内側すなわち第二のバックアップリング１２側の端部が、筒状ハウジング２の内面における合成樹脂ライナー２１の内面２１ａの内周に位置するように、第一のバックアップリング１１の外周面１１ｃの軸方向長さが設定されている。

密封装置１における第二のバックアップリング１２は第一のバックアップリング１１と同じくナイロン等の合成樹脂からなるものであって、図２にも示すように、第一のバックアップリング１１との対向面（軸方向外側を向いた面）が第一のバックアップリング１１のテーパ面１１ａと対応するテーパ面、すなわち軸方向外側（第一のバックアップリング１１側）へ向けて大径になるテーパ面１２ａをなし、その反対側の、シールリング１３と対向する端面（軸方向内側の端面）１２ｂが中心軸線Ｏと直交する平面状に形成され、外周面１２ｃが円筒面状に形成され、中心軸線Ｏを通る平面で切断した断面形状（図示の断面形状）が、第一のバックアップリング１１との当接部（テーパ面１２ａ）を斜辺とする略直角三角形をなすものである。

そして先に説明したように、第一のバックアップリング１１の外周面１１ｃにおける第二のバックアップリング１２側の端部が、筒状ハウジング２の内面における合成樹脂ライナー２１の内面２１ａの内周側の位置に達することから、第二のバックアップリング１２は、筒状ハウジング２の内面における合成樹脂ライナー２１の内面２１ａの内周側に配置されている。

密封装置１におけるシールリング１３はゴム状弾性体（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなるものであって、図２に示すように、中心軸線Ｏを通る平面で切断した断面形状（図示の断面形状）が円形の、いわゆるＯリングからなる。そしてこのシールリング１３は、図１に示すように、筒状ハウジング２における合成樹脂ライナー２１とバルブ３の小径部３２との間に径方向に適宜圧縮された状態で介装され、合成樹脂ライナー２１の内面２１ａ及びバルブ３の小径部３２の外周面３２ａに密接することによって、圧力容器本体の内部空間Ｓからの圧縮水素ガスの漏れを防止するものである。

上述の構成を備える圧力容器の密封構造によれば、図１に示す装着状態において、圧力容器本体の内部空間Ｓ内に封入された圧縮水素ガス等の圧力Ｐを受けて、相対的に低圧である軸方向外側へ向けて変位しようとするシールリング１３は、第二のバックアップリング１２及び第一のバックアップリング１１を介してバルブ３の環状段差部３１に支承される。

このため、圧力Ｐによりシールリング１３に与えられる軸方向圧縮に対する応力は、径方向の拡張力として、すなわち合成樹脂ライナー２１の内面２１ａ及びバルブ３の小径部３２の外周面３２ａへの密接力として作用するので、圧力Ｐが高いほど合成樹脂ライナー２１の内面２１ａ及びバルブ３の小径部３２の外周面３２ａへのシールリング１３の面圧も高くなるセルフシール機能によって、優れた密封機能を奏する。

ここで、圧力容器本体の内部空間Ｓからの圧縮水素ガスの高い圧力Ｐによって、筒状ハウジング２における合成樹脂ライナー２１の拡径変形量が口金部２２の拡径変形量より大きくなると、これによって、図３に示すように、筒状ハウジング２の内面には合成樹脂ライナー２１の内面２１ａが口金部２２の内面２２ａより大径となる段差２ａを生じる。

しかしこのとき、第二のバックアップリング１２は、圧縮水素ガスの圧力Ｐによるシールリング１３の軸方向押圧力Ｆを受けることによって、テーパ面１２ａが第一のバックアップリング１１のテーパ面１１ａに対して外径側へ滑る。そして、第一のバックアップリング１１と第二のバックアップリング１２の境界が合成樹脂ライナー２１の内面２１ａの内周に位置していることから、第二のバックアップリング１２は、合成樹脂ライナー２１の拡径変形に追随して外径側へ変位する。このため、第二のバックアップリング１２の外周面１２ｃと合成樹脂ライナー２１の内面２１ａとの間にシールリング１３のはみ出しが可能な隙間は発生せず、シールリング１３の外径部の損傷を有効に防止することができる。

一方、第一のバックアップリング１１は、その端面１１ｂがバルブ３の環状段差部３１に当接することによって支承されると共に、第二のバックアップリング１２を介して軸方向押圧力Ｆを受けることによって、テーパ面１１ａが第二のバックアップリング１２のテーパ面１２ａに対して内径側へ滑り、第一のバックアップリング１１の内周面１１ｄがバルブ３の小径部３２の外周面３２ａと当接する。このため、第一のバックアップリング１１の内周面１１ｄとバルブ３の小径部３２の外周面３２ａとの間にシールリング１３のはみ出しが可能な隙間は発生せず、シールリング１３の内径部の損傷を有効に防止することができる。

また、第二のバックアップリング１２の断面形状が略直角三角形をなすものであって、内径部１２ｄが鋭角をなしているため、外径側への第一のバックアップリング１１の変位によって、シールリング１３が圧接される第二のバックアップリング１２の端面１２ｂと第一のバックアップリング１１のテーパ面１１ａの内径部との間に、シールリング１３のはみ出しが可能な段差を生じることもない。

さらに、第一のバックアップリング１１は、上述のように内径側へ変位することから、その外径部は、筒状ハウジング２の内面における合成樹脂ライナー２１と口金部２２との段差２ａに圧接することはなく、したがって第一のバックアップリング１１が筒状ハウジング２の段差２ａとの接触部を起点とする損傷を受けることもない。

１密封装置
１１第一のバックアップリング
１１ａテーパ面
１２第二のバックアップリング
１２ａテーパ面
１３シールリング
２筒状ハウジング
２１合成樹脂ライナー
２２口金部
３バルブ（挿入部材）
３１環状段差部
３２小径部
Ｓ内部空間

Claims

圧力容器本体の一端から突出した筒状ハウジングの内面が、合成樹脂ライナーの内面及びこの合成樹脂ライナーの軸方向外側に位置する口金部の内面からなり、前記筒状ハウジングに挿入状態に取り付けられた挿入部材の外周面に、軸方向内側が小径となる環状段差部が形成され、前記筒状ハウジングの内面と前記挿入部材の小径部との間に、前記口金部の内面に当接可能な第一のバックアップリングと、この第一のバックアップリングより軸方向内側に配置され前記合成樹脂ライナーの内面に当接可能な第二のバックアップリングと、この第二のバックアップリングより軸方向内側に配置され前記合成樹脂ライナーの内面と前記挿入部材の小径部に密接されるゴム状弾性体からなるシールリングを備え、前記第一のバックアップリングと前記第二のバックアップリングが軸方向外側へ向けて大径になるテーパ面同士で当接し、前記第一のバックアップリングの外周面の軸方向内側の端部が、前記合成樹脂ライナーの内周に位置することを特徴とする圧力容器の密封構造。
第二のバックアップリングをその中心軸線を通る平面で切断した断面形状が第一のバックアップリングとの当接部を斜辺とする略直角三角形をなすことを特徴とする請求項１に記載の圧力容器の密封構造。