JP2017141919A - 蓄圧容器 - Google Patents
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Abstract
Description
一般的な蓄圧器で、開閉用のねじ部が直接水素と接する様な蓄圧器構造である場合は、ねじ部における応力集中部で水素環境脆性が生じ易くなり、蓄圧器の破壊安全性を著しく損なうことになる。水素以外にも内部充填物が金属を脆化させる性質である場合、同様の現象を引き起こす懸念がある。
そこで、非特許文献1、2に示されるように、ねじ部が直接内部に充填した水素と接することの無い、ねじ込みナット蓋構造とすることにより、ねじ底での水素環境脆性を避けることができ、より安全性を高めることが出来る。
例えば水素ステーション用の蓄圧器では1日100回程度の車両への充てんが想定されるため、10年使用した場合は数十万回の疲労強度を保証しなければならず、ねじ部の疲労強度が確保されていなければ、安全性が確保できず、水素ステーションでは安心して使用することができないという問題がある。
前記開閉端部の内周面に、雌ねじが形成され、該雌ねじに螺合される雄ねじを外周面に有するねじ込み部と、前記ねじ込み部の軸方向内側に位置して軸方向内側面を受圧面とする蓋部と、を有し、
前記蓋部は内周側に軸方向外側に伸びる延材部を有し、該延材部は前記ねじ込み部の軸方向内側端に当接して、前記ねじ込み部の外周側の軸方向内側面と前記蓋部の外周側の軸方向外側面とを離隔させることを特徴とする。
前記ねじ込み部は、前記突き出し部が凹入される凹部を前記雄ねじの内周側に有し、該凹部は、前記突き出し部の軸方向外側端が底面に当接した状態で、前記ねじ込み部の軸方向内側面と前記蓋部の大径部の軸方向外側面とが離隔して隙間が確保される深さを有していることを特徴とする。
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態の水素ガス蓄圧器10は、鋼製の円筒シリンダ部1と円筒シリンダ部1の両端部を開閉可能に密閉する蓋部2と蓋部2を固定するねじ込み部3を有している。水素ガス蓄圧器10は、本発明の蓄圧容器に相当する。また、この実施形態では、円筒シリンダ部1の両端部は開閉端部である。従来の水素ガス蓄圧器では、両端の口を絞ったマンネスマン式、エルハルト式の継ぎ目なし容器(いわゆるボンベ)が使用されることがあるが、開口部が小さいため、直接的に内面のき裂の検査をすることが出来ず、き裂の有無が十分に確認できず、工場出荷時ならびに運用中の安全性が確保できない。このため、円筒シリンダ部を有することで、内面のき裂検査が容易になる。
また、円筒シリンダ部1、蓋部2およびねじ込み部3の材料は特に限定されるものではないが、円筒シリンダ部1の材質として、マンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、またはその他の低合金鋼(ステンレス鋼を除く。)などを用いることができる。これら引張強さを有することで、高い容器強度をもたらす。蓋部2、ねじ込み部3の材質は、上記円筒シリンダ部1と同じ材質としてもよく、また、その他の材質により構成されるものであってもよい。さらに、蓋部2、ねじ込み部3の各部材において異なる材質のものを用いることができる。
円筒シリンダ部1は、内面1Aを鏡面加工して傷のない状態とするのが望ましい。円筒シリンダ部1の穴は、内面1Aを有する部分で直円筒形状に形成されており、鏡面加工も容易に行うことができる。内面1Aは、蓄圧された水素の圧力が負荷される部分である。
鏡面加工により、肉厚方向で深さ0.5mm、表面長さで1.6mm以上の傷を有さない表面形状に確実にして、水素脆化による亀裂進展を防止する。なお、このサイズを超える傷が円筒シリンダ部1の内面に残っていると、水素脆化による亀裂が進展しやすくなり、疲労亀裂寿命を低下させる。
大径部20が位置する軸方向の所定位置では、軸方向内側に内面1Aの外側端が位置して大径部20の内面と当接して大径部20の内側への移動を規制する。したがって内面1Aの外側端は、本発明のストッパ1Dに相当する。
また、大径部20の軸方向外側には、突き出し部22よりも小径とした同軸で円柱形状の軸部23が軸方向外側に延伸している。なお、突き出し部22は、大径部20と一体となったものでもよく、また、大径部20と別体になったものであってもよい。ここでは一体となったものとしている。大径部20から軸部23に亘って軸方向に貫通する水素通気穴25Dが形成されている。軸部23は、本発明における第2の突き出し部に相当する。なお、この実施形態では、軸部23は円柱形状のものとして説明しているが、軸部、すなわち第2の突き出し部の形状は特に限定されるものではなく、また、複数で構成されていてもよい。
凹部32は、突き出し部22の軸方向先端面が凹部32の底面に当接した状態で、ねじ込み部3の軸方向内側先端面と大径部20の軸方向外側先端面とは接触することなく互いに離隔して隙間が形成される。なお、突き出し部22の接触幅は、図2BのT1で示される。
また、ねじ込み部3が所定の位置までねじ込まれると、大径部20の軸方向内側面とストッパ1Dに当たって大径部20の移動が規制される。
また、ねじ込み部3の内面に雌ねじを形成し、軸部23の外周面に雄ねじを形成し、互いに螺合をするようにしてもよい。
また、リガメント部(ねじ込み部の雄ねじを含め、突き出し部外側に位置する外周厚さ;T3の厚さの部分)の厚さが薄くなりすぎると工作物を誤ってぶつけるなどすると変形するなどの問題が生じるため、リガメント部の厚さ(図2B示T3)はねじ山の高さ(山の頂と谷底の距離)の180%以上、あるいは、ねじのピッチの120%以上であるのが望ましい。 一方、突き出し部の位置が内周側にあって径が小さいと、突き出し部による効果が得られにくくなる。
また、内部検査も、ナット蓋を取り外すことで容易かつ正確に行うことができ、品質精度が向上する。検査後も、ナット蓋を円筒シリンダに容易に取り付けて使用状態にすることができ、作業負担も小さい。
例えば、燃料電池水素自動車に70MPa程度の水素を供給する水素ステーション(圧縮水素スタンド)用の蓄圧器として使用することができる。例えば、1日に65台、年間20,000回、15年間で400,0000回もの繰り返し内圧を受けることになる。このような耐久性を確保するために、本実施形態の水素ガス蓄圧器は、高強度、軽量を実現し、都市部などに設置する水素ステーションにおいて、絶対的な安全性、高信頼性を提供することができる。しかも耐疲労特性向上のために、部品点数を増やさず、改善によるコスト、質量は改善前と同等に抑えられる。
したがって、内面の微小き裂検査が可能であり、蓋の開閉は定期的な内面き裂検査の際に、繰り返しの開閉が簡便に行える。
円筒シリンダ部1には、図3に示すように、外周側に繊維強化プラスチック4をフープ巻きすることができる。他の構成は、前記実施形態と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
この際の繊維の種別やプラスチックの種別は本発明としては特に限定されるものではないが、繊維は炭素繊維、プラスチックにはエポキシ樹脂などを用いることができる。繊維には、連続繊維を用いるのが望ましい。また、繊維の太さも特に限定されるものではなく、強度の兼ね合いなどから決定することができる。本発明としては、円筒シリンダ部1の外周側に繊維強化プラスチックを巻かないものであってもよい。
また、円筒シリンダ部1に対し、内面側から高圧を負荷して自緊処理を行うことができる。自緊処理では、円筒シリンダ部1が外周方向に膨張して内周側で塑性変形をすることで残留応力が残り、強度を増加させ、一方で外周側は弾性変形領域となる。この際に円筒シリンダ部1の外周径が膨張して繊維強化プラスチック4との間の隙間をなくし、円筒シリンダ部1が繊維強化プラスチック4に密着した状態にする。これにより、所望の強度を確実に確保するとともに、水素を蓄圧する際の円筒シリンダ部1の変形を抑え、耐久性を向上させる。
なお、上記実施形態1、2では、リガメント部と突き出し部22とがほぼ沿った位置にあるものとしたが、突き出し部22の外周面と、リガメント部の内周面とが明確な隙間を有するものとしてもよい。
図5のうちA図は本実施形態1による開閉端部の構造を示すものであり、B図は、突き出し部を有していない比較例を示すものである。比較例では、大径部の軸方向外側面とねじ込み部の軸方向内側先端面とが直接接触している。
図5A、Bの蓄圧容器で、内圧82MPaで圧力を付加した場合の圧力分布を示している。
実施例(A図)では、軸方向内側の雌ねじに加わる負荷を低減することができ、比較例(B図)に対し、ねじ底に発生する最大応力を2割程度軽減することができ、疲労亀裂が発生しにくくなる。
その結果を表1に示す。表に示されるように、かみ合い長さに対し、突き出し部を有する実施例は、いずれも突き出し部を設けない場合よりも応力が低減された。そして、ねじ山の加重分担は均一になり、はめ合いの第一ねじ山の最大荷重が顕著に軽減された。
1A 内面
1B 穴部
1C 雌ねじ部
1D ストッパ
2 蓋部
3 ねじ込み部
10 水素ガス蓄圧器
20 大径部
22 突き出し部
23 軸部
30 雄ねじ部
31 貫通穴
32 凹部
Claims (13)
- 両端部が密閉されるシリンダ部を有し、前記シリンダ部の前記両端部のうち少なくとも一方が開閉可能に密閉される開閉端部となる蓄圧容器であって、
前記開閉端部の内周面に、雌ねじが形成され、該雌ねじに螺合される雄ねじを外周面に有するねじ込み部と、前記ねじ込み部の軸方向内側に位置して軸方向内側面を受圧面とする蓋部と、を有し、
前記蓋部は内周側に軸方向外側に伸びる延材部を有し、該延材部は前記ねじ込み部の軸方向内側端側に当接して、前記ねじ込み部の外周側の軸方向内側面と前記蓋部の外周側の軸方向外側面とを離隔させることを特徴とする蓄圧容器。 - 前記シリンダ部に設けられ前記蓋部の軸方向内側への移動を所定位置で規制するストッパを有することを特徴とする請求項1記載の蓄圧容器。
- 前記蓋部は、前記開閉端部の内周面に沿った大径部と、前記延材部として前記大径部の外周面よりも内周側に位置して前記大径部の軸方向外側に突き出す突き出し部とを有し、
前記ねじ込み部は、前記突き出し部が凹入される凹部を前記雄ねじの内周側に有し、該凹部は、前記突き出し部の軸方向外側端が底面に当接した状態で、前記ねじ込み部の軸方向内側面と前記蓋部の大径部の軸方向外側面とが離隔して隙間が確保される深さを有していることを特徴とする請求項1または2に記載の蓄圧容器。 - 前記突き出し部が小径部からなることを特徴とする請求項3に記載の蓄圧容器。
- 前記大径部と前記延材部とが別体または一体になっていることを特徴とする請求項3または4に記載の蓄圧容器。
- 前記突き出し部の外周面よりも内周側位置に、前記突き出し部よりも軸方向外側に伸びる第2の突き出し部を有し、前記ねじ込み部には、前記第2の突き出し部が凹入される第2の凹部を有することを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の蓄圧容器。
- 前記第2の凹部が前記ねじ込み部を貫通していることを特徴とする請求項6に記載の蓄圧容器。
- 前記第2の凹部の内周面に雌ねじが形成され、前記突き出し部の外周面に前記第2の凹部の雌ねじに螺合する雄ねじを有することを特徴とする請求項6または7に記載の蓄圧容器。
- 前記第2の突き出し部は、前記大径部と一体になっていることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の蓄圧容器。
- 前記突き出し部の長さは、前記開閉端部の雌ねじと前記ねじ込み部の雄ねじとの間のかみ合いにおいて、かみ合いの内側2山目以上であり、かつ前記かみ合いの長さの54%以下であることを特徴とする請求項3〜9のいずれか1項に記載の蓄圧容器。
- 前記突き出し部の外周側の位置が、前記ねじ込み部の雄ねじの高さを含めた径方向厚さ(T1)に対し、内周側から45%〜80%の位置にあり、かつ、T3がねじ山の高さ(山の頂と谷底の距離)の180%以上、あるいは、ねじのピッチの120%以上であることを特徴とする請求項3〜10のいずれか1項に記載の蓄圧容器。
- 前記シリンダ部が直筒の円筒シリンダからなることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の蓄圧容器。
- 前記シリンダ部の外周面に繊維強化プラスチックがフープ巻されていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の蓄圧容器。
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