JP2018527534A - プラスチックライニング高圧ガスボンベの出口のための双方向シーリングシステム - Google Patents

Abstract

ポリマーライニング高圧ガスボンベの出口のシーリングシステムは、ボスの穴に延在するポリマーライナ出口を有する。インサートは穴および二次角度付きシールと係合し、インサートとライナ出口の部分との間で２つの一次シールを形成する。第１のシールは半径方向のＯリングである。第２のシールは、極性ボスとインサートとの金属部品の間で圧縮されるポリマーの角度付きシールまたは傾斜した円錐状シールである。２つの異なる方向のシールの使用により、２つの方向でポリマーライナを圧縮して、圧力下でのガス漏れおよび／またはシール押出しの恐れを防止する。角度付きシール表面は、低温中で、または、長期使用での繰り返し圧力サイクル中に起こることがある一次シールの逆方向への押出しを防止する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年７月２２日に出願された、名称を「Ｂｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｓｅａｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｏｕｔｌｅｔ ｏｆ ａ Ｐｌａｓｔｉｃ−Ｌｉｎｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｇａｓ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ」とする米国仮特許出願第６２／１９５，７４４号明細書のＳｈａｕｎ Ｈｏｇａｎに対する優先権を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、繊維被覆高圧ガスボンベのポリマーライナに、極性ボスとして知られている金属製端部取付部品を取り付ける設計に関する。より詳細には、本開示は、シーリングインタフェースにおける、漏洩を防止し、押出しを防ぎ、従来のＯリングシールの長期の永続的な圧縮クリープおよび押出しの問題を回避する双方向シーリング方法に関する。

高圧ガスのための繊維強化複合材料圧力容器は、軽量で安全なガスの封じ込めを提供するように設計および構築される。これらの複合材料ガスボンベは、空気、窒素、二酸化炭素（ＣＯ２）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、および水素などの高圧ガスを貯蔵するために使用される。

完全に被覆された複合材料ガスボンベは、金属またはポリマーから作られる不浸透性ライナを用いて、高圧ガスを収容する。ライナは、高強度構造繊維によって、それらの表面全体にわたって補強される。構造繊維は、必要な強度および靭性を提供する。ライナは、漏洩または浸透なくガスを収容するように設計される。

ポリマーライニング複合材料ボンベは、弁を接続するための極性ボスとして知られている１つまたは複数の金属製端部開口と、圧力取付部品と、ボンベにガスを充填および放出するための他の機器とによって構築される。これらの極性ボスは、複合材料ボンベの長手方向軸に中心にあるドーム状端部に配置される。通常、金属極性ボスは、構造繊維で被覆する前に、ポリマーライナ上に取り付けられ、ボスは、構造繊維で重ねて被覆された、フランジまたは部分的な肩部を有する。ボスは、ボンベ内部への開口を提供し、圧力取付部、プラグ、弁、または圧力調整器に嵌合するねじ山で構築される。

複合材料ボンベ設計による主要な課題は、ポリマーライナと金属極性ボスとの間に確実に漏洩しない圧力シールを作り出すことである。これは、シールがボンベ寿命の１５〜２０年の間、漏洩を阻止しなければならないことを考えると、特に困難である。ポリマーライナは、−５０〜８５℃にわたる温度、および、ゼロから１．５倍の作動圧まで繰り返される圧力サイクルにさらされるとき、ひび割れてはならない、または、恒久的な変形をしてはならない。最終的に、圧力シールは、高圧での、水素およびヘリウムのような小分子ガスの漏洩または浸透を許してはならない。

エンジニアリングポリマーおよび熱可塑性材料は、長期間の使用においては、よく知られているように、扱いが困難である。金属極性ボスに対する溶接は不可能である。金属およびプラスチックの熱膨張が大きく異なる場合、特に２０年の寿命に対して、接着剤は非常に難しい。結果的に、ほとんどのプラスチックライニング複合材料ボンベは、２つの金属部品の間でプラスチックライナを圧縮する圧縮シールアプローチを使用する。

歴史的に、ライナ／極性ボスインタフェースを通しての漏洩は、いくつかの問題のために発生してきた。いくつかの理由には、急速な加圧および放出の間の急加熱および急冷却による、金属とポリマーとの間の収縮率の差異が含まれる。Ｏリングシールは、圧力循環の間に、または不適切な取付けまたは整備により、押し出された。その他の場合においては、ポリマーライナが金属極性ボスから剥離し、離層した。

複合材料ガスボンベのための極性ボスの設計は、１）ポリマーライナが金属極性ボスに恒久的に接着される粘着性ボンデッドシール、および、２）ポリマーライナが恒久シールを作り出すために２つの金属部品の間で圧縮される機械式圧縮シールの２つのカテゴリに分類される。本発明は、カテゴリ２の機械式圧縮シーリングに分類される。

粘着性ボンデッドシールを有するボンベの実施例は、Ｎｅｗｈｏｕｓｅらに対する米国特許第５，５１８，１４１号明細書、および、Ｂｉｌｌ Ｗｅｓｔに対する米国特許第５，９７９，６９２号明細書に記載されている。漏洩が発生すると、ボンベは修理できず、スクラップとなる。

機械式圧縮シールを有するボンベの実施例は、Ｓｉｒｏｓｈｉらに対する米国特許第５，９３８２０９号明細書、Ｒａｓｃｈｅらに対する米国特許第６，２３０，９２２号明細書、およびＢｅｒｋｌｅｙらに対する米国特許第６，１８６，３５６号明細書、ならびに、Ｓｈａｒｐらによる米国特許出願公開第２０１１／０２１０５１６号明細書に記載されている。

他の先行技術による構成は、層剥離を防ぐために機械式圧縮と組み合わされる、ポリマーライナと金属極性ボスとの間の接着結合を組み合わせることを含む。これらの実施例は、Ｓｕｚｕｋｉらに対する米国特許第７，５４９，５５５号明細書、および、Ｋｗｏｎに対する米国特許出願第２００７０１６４５６１号明細書を含む。

ポリマーの特性は、持続加重の下での速いクリープ速度である。持続する引張において、ポリマーは恒久的に伸張する。持続する圧縮において、ポリマーは恒久的に収縮する。複合材料圧力容器のための極性ボスシールの場合、クリープは、ライナおよびインサートのシールインタフェースにおける恒久的な圧縮収縮として示される。シールは通常、堅固なシートに対して圧縮されるエラストマーシール要素を備える。ポリマーライナの導入により、堅固なシートはポリマー材料に置き換えられる。時間が経つにつれて、ポリマーは、同時に加圧ガスが流出可能であるとき、より小さいサイズへと恒久的にゆっくりと縮む傾向がある。

ライナ出口をボスの穴に導入することが当該技術分野において知られている。よって、ボス内のポリマーライナとインサートとの間にシールを提供することが試みられている。Ｓｉｒｏｓｈらに対する米国特許第５，９３８，２０９号明細書、および、Ｂｅｒｋｌｅｙらに対する米国特許第６，１８６，３５６号明細書では、Ｏリングが、ライナの環状端面とインサートの端面との間に軸方向にはさみ込まれている。別の形態では、Ｓａｔｏらに対して発行された米国特許第２００９／００７１９３０号明細書に記載されているように、Ｏリングは、ライナとボスとの間に配置されている。この場合もやはり、漏洩が発生すると、ボンベは修理できず、スクラップとなる。

シール漏洩の一因となる他の要因には、異なる材料の熱膨張の差異が含まれる。インサートは通常、ポリマーより低い熱膨張率を有するアルミニウムまたはステンレス鋼であり、それがインタフェースに問題を引き起こす可能性もある。

他の先行技術による構成は、層剥離を防ぐために、機械的圧縮とともに、ポリマーライナと金属極性ボスとの間の接着結合を組み合わせることによって、これらの限界を克服する。これらの実施例は、Ｓｕｚｕｋｉらに対する米国特許第７，５４９，５５５号明細書、および、Ｋｗｏｎに対する米国特許出願第２００７０１６４５６１号明細書を含む。これらの方法に関する問題は、圧力容器は、メカニカルシールにアクセスするためには開けられなければならないことである。メカニカルシールまたは接着剤に関する何らかの問題がある場合、ボンベは廃棄しなければならない。

本発明は、多くの先行技術の方法の問題を解決する。環状Ｏリングの有無にかかわらず不浸透性圧力シールを提供する新しい２方向性シーリングシステムが作り出される。

本明細書で説明される実施形態は、極性ボスとして知られている金属製取付部品の穴に延在するポリマーライナの出口の間に形成される２方向性シーリングシステムを対象とする。ライナ出口および極性ボスの穴は、輪郭付き穴、さらには、角度付き円錐状圧縮範囲を形成する。輪郭付き穴と係合可能なインサートは、２位置圧力シールシステムを形成する。

第１の圧力シールは半径方向にあり、極性ボスの輪郭付き穴に配置される。第２の圧力シールは、極性ボスの円錐状部分とインサートの一致する円錐状部分との間の角度のある圧縮を形成する。結果として得られる双方向圧縮シールシステムは、ポリマーライナと金属製極性ボスとの間に確実な長期用シールを形成する。

双方向圧縮シーリングシステムは、２つの方向でのシーリングを可能にし、そのため、シール要素の押出しを防止する。この双方向シーリングシステムは、Ｏリングシールの不具合の場合に圧力を密閉し続ける。このシーリングシステムは、恒久的な圧縮クリープの影響、上下の温度限界による熱膨張、および、ポリマーライニング複合材料圧力容器で一般に発生する他の問題を解消する。

よって、１つの広い態様において、ポリマーライニング高圧ガスボンベの出口のためのシーリングシステムが提供される。ポリマーライニングボンベは、ポリマーライナと、極性ボスとして知られている金属製端部取付部品と、圧力インサートとして知られているねじ込み式または他の係合可能な金属製インサートとを備える。

ポリマーライナは、円錐状または傾斜形状の首部に移行する環状の首部を有する。標準的な成形手順である、回転成形、ブロー成形、または射出成形により、ライナの首部領域を生成する。プラスチック製首部の円錐状傾斜部分は、熱ガス、ヒートガン、加熱金属、電気的加熱、または非加熱圧縮法などの加熱される成形後手順で生成され、プラスチックを極性ボスの傾斜した部分の形状に恒久的に形成する。圧力シールは２つの部分、つまり、円筒状穴部および円錐状端部に配置される。

極性ボスは、ポリマーライナの首部領域の外面に配置するための穴を有する。穴は、ポリマーライナの円錐状部分に適合する円錐状シーリング部分に移行する。極性ボスのより大きい穴は、圧力インサートと係合するためのねじ山を有する。

ポリマー首部領域は、外側極性ボスと圧力インサートとの間の２つの場所で圧縮される。第１の圧縮範囲は、環に沿って半径方向である。その範囲のＯリングシールは、半径方向の圧縮を増大させる。第２の圧縮範囲は傾斜した円錐状部分にあり、ここで、ポリマー首部は、外側首部極性ボスに圧力インサートを密に螺合することによって圧縮される。Ｏリングまたはガスケットは、この範囲では必要ない。しかしながら、しまりばめを保証するために接合部シーリング材を使用してもよい。

金属圧力インサートを極性ボスに螺合することにより、シーリングシステムが完成する。インサートは、２つの位置で圧縮シールを作り出すのに十分な力で、極性ボスに係合される。ポリマーライナは、２つの金属製構成要素である、極性ボスと、圧力インサートとの間で圧縮される。第１の圧力シールは、首部の円筒状部に配置される。第２の圧力シールは、首部の円錐状シール部分に配置される。金属インサートは、圧力容器の内部へのアクセスを可能にする環状の穴を含む。金属インサートはまた、極性ボスに対するポリマーライナの正圧縮を提供するための、テーパ付外部穴を有する。

第１の態様において、ポリマーライナおよび構造的複合繊維材料を有するポリマーライニング高圧ガスボンベの出口のためのシーリングシステムが提供され、当該シーリングシステムは、ボンベの内部と連通する穴を有する極性ボスであって、ガスボンベの構造的複合材料に接触するために極性ボスの外側部分に形成されるフランジ肩部と、１つまたは複数の極性ボスの内面に形成される内側円筒状首部と、内側円筒状首部に隣接する極性ボスの内面に形成される傾斜した円錐状部分とを有する、極性ボスと、輪郭付き穴を形成するために極性ボスの穴に軸方向に延在するポリマーライナの首部出口であって、輪郭付き穴が、極性ボスの内側円筒状首部および傾斜した円錐状部分に実質的に一致する傾斜した円錐形状に対して外側に曲がる円筒状首部領域を形成する、首部出口と、１つまたは複数の極性ボス内に嵌合して、それと係合するように形づくられる圧力インサートであって、圧力インサートが極性ボスと係合されるとき、ポリマーライナの首部出口が、圧力インサートの外面と極性ボスの内側円筒状首部との間に固定され、ポリマーライナの首部出口が、圧力インサートの外面と極性ボスの傾斜した円錐状部分との間に固定される、圧力インサートとを含む。

１つの実施形態において、クリーニングシステムは、圧力インサートの外面上に形成される環状凹部と、圧力インサートとポリマーライナの首部出口との間で軸方向に位置付けられる、環状凹部に配置されるＯリングおよびバッカーリングとをさらに含む。

別の実施形態において、圧力インサートは、極性ボスに螺合される。

さらに別の実施形態において、圧力インサートは、ポリマーライナの首部出口を極性ボスに対して半径方向に圧縮するための、直円錐の截頭円錐台の形態であるテーパ付インタフェースを有する。

１つの実施形態において、圧力インサートの傾斜した円錐状シーリング表面は、ポリマーライナ首部が傾斜した円錐状領域で均一に圧縮されるように平板状である。

別の実施形態において、ポリマーライナ首部の傾斜した円錐状シーリング表面は、金属ガスケット、非金属ガスケット、または粘弾性接合部シーリング材からなる群から選択されるガスケット材料で覆われる。

さらに別の実施形態において、圧力インサートの傾斜した円錐状シーリング表面は、１つまたは複数のステップで形成され、ポリマーライナの首部出口は、各ステップで集中点荷重を受ける。

１つの実施形態において、極性ボスの傾斜した円錐状シーリング表面は、ポリマーライナ首部が各ステップで集中点荷重を受けるように、ステップまたは隆起で形成される。

別の実施形態において、ポリマーライナの外側首部表面は、ポリマーライナが極性ボスに接続する部分に沿って、雄ねじなしで実質的に平滑である。

さらに別の実施形態において、ポリマーライナの外側首部表面は、極性ボスの内部ねじ山と係合する外部ねじ山を含む。

１つの実施形態において、ライナ首部出口は、金属プラスチック用接着剤によって極性ボスの穴に固定される。

別の実施形態において、ライナは単層構造および多層構造からなる群から選択される。

さらに別の実施形態において、ライナ首部出口は、ネジ付きインタフェースによってボスの穴に連結される。

１つの実施形態において、ポリマーライニングボンベは、最大１１０ＭＰａの使用圧力で圧縮ガスを含む。

別の実施形態において、圧縮ガスは、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、水素、ヘリウム、メタン、空気、および窒素からなる群から選択される。

さらに別の実施形態において、インサートは、フロースルー型およびプラグ型インサートのうち１つから選択される。

１つの実施形態において、極性ボスおよび圧力インサートは金属から形成される。

別の実施形態において、ポリマーライナは、ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ、ＸＤＰＥポリエチレン、ポリアミド６、およびポリアミド１２からなる群から選択されるガス適合性ポリマーから作られる。

第２の態様において、ポリマーライニング高圧ガスボンベの出口のシーリングシステムを補修する方法が提供される。ボンベは、ポリマーライナおよびボスを含み、ボスは、インサートでシールされるボンベにアクセスするための穴を有する。当該方法は、ボスの穴に軸方向に延在するライナ出口の輪郭付き穴を露出させるために、ボンベの出口からインサートを取り外すことと、環状シール要素を取り替えることであって、シール要素がインサートの外面のまわりに配置され、シール要素が輪郭付き穴と密封可能に係合する、取り替えることと、シールの円錐状傾斜領域のガスケット材料を取り替えることと、輪郭付き穴に配置される少なくとも１つのシーリング表面を磨き直すこととを含む。

１つの実施形態において、磨き直すことは、通常は要素でシールする輪郭付き穴の円筒状シーリング穴部分を磨き直すことをさらに含む。

別の実施形態において、輪郭付き穴は、傾斜した円錐状部分と、円筒状シーリング穴部分と、テーパ付穴部分とを備え、磨き直すことは、ガスケットまたは他のシーリング材料でシールする傾斜円錐状部分を磨き直すことと、シール要素でシールするシーリング穴部分を磨き直すことと、インサート上のテーパ付圧縮面を係合するテーパ付穴部分を磨き直すこととをさらに含む。

本開示のさらなる特徴、態様、および利点は、以下の詳細説明、添付の特許請求の範囲、および添付図面を参照することによってよりよく理解されるであろう。要素は、より明確に詳細を示すように原寸に比例していない。同様の参照番号は、いくつかの図を通して同様の要素を示す。

１つの実施形態によるポリマーライニング、繊維被覆ボンベの部分断面図であり、両端のうちの一方の極性ボスは、ポリマーライナの首部上に嵌合し、極性ボスに対してポリマーライナを圧縮するプラグ型の金属製インサートを有する。 金属製圧力インサートで嵌合される図１ａの極性ボスの分解図であり、ボスと係合前のインサートが示され、ボスと係合前のライナ出口が示されている。ライナ出口は、直線状の首部として形作られる。傾斜した外側シーリング部分は、熱ガス、ヒートガン、加熱金属、電気的加熱、または非加熱圧縮法などの加熱される成形後作業を使用して作り出され、プラスチックを極性ボスの傾斜した部分の形状に恒久的に形成する。 金属製圧力インサート、Ｏリングシール、および任意選択の接合部シーリング材で嵌合される図１の極性ボスアセンブリの拡大図である。この場合、傾斜した円錐状シーリング部分は直線状である。 金属製圧力インサート、Ｏリングシール、および任意選択の接合部シーリング材で嵌合される図１の極性ボスアセンブリの拡大図である。この場合、傾斜した円錐状シーリング部分は、「波」または「ステップ」を有する非直線状であり、特定の点での圧縮を増加させる。 金属製圧力インサート、Ｏリングシールおよびバッキングリング、ならびに、任意選択の接合部シーリング材で嵌合される図２の極性ボスアセンブリの拡大図である。この場合、傾斜した円錐状シーリング部分は直線状である。 半径方向のシーリングを提供するＯリングおよびバッキングリングシールの拡大図である。ポリマーライナの首部、Ｏリング、およびバッキングリングは、外側極性ボスと圧力インサートとの間で半径方向に圧縮される。 傾斜した円錐状圧縮シール範囲の拡大図である。ポリマーライナの首部は、熱ガス、ヒートガン、加熱金属、電気的加熱、または非加熱圧縮法などの加熱される成形後工程によって、円錐形状に形成され、プラスチックを極性ボスの傾斜した部分の形状に恒久的に形成する。ポリマーライナの首部は、外側首部極性ボスと圧力インサートとの間で圧縮され、内部ガス圧に対する密封を形成する。本実施形態において、極性ボスおよびインサートの傾斜シール部分は平板状である（図で直線状に見える）。図５および５ｂは、接合部シーリング材などの任意選択のガスケット材料の使用を示す。図５ａは、任意選択のガスケット材料を使用していないアセンブリを示す。 傾斜した円錐状圧縮シール範囲の拡大図である。これらの２つの実施形態において、極性ボスの傾斜シール部分およびインサートは、点荷重圧縮を可能にする隆起（非直線状）を有する。 外側極性ボスの１つの実施形態の等角図である。 それぞれ、極性ボスの形態の側面図および断面図である。 図１〜６などの、ポリマーライナおよびボスと適合可能なライナ出口の部分断面図である。ライナ出口は、従来の成形工程の間に、首部の形態に形成される。出口は、熱ガス、ヒートガン、加熱金属、電気的加熱、または非加熱圧縮法などの加熱される成形後工程によって円錐状出口に形成され、プラスチックを極性ボスの傾斜した部分の形状に恒久的に形成する。 図１ｂおよび２による、流通型圧力インサートの等角図である。本実施形態において、円錐状傾斜シーリング表面は板状である（直線状断面）。 それぞれ、図８の圧力インサートの側面図および断面図である。本実施形態において、円錐状傾斜シーリング表面は板状である（直線状断面）。 図１ｂおよび２による、流通型圧力インサートの等角図である。本実施形態において、円錐状傾斜シーリング表面は、「点荷重」圧縮を増加させる隆起を有する（非直線状断面）。 それぞれ、図９の圧力インサートの側面図および断面図である。本実施形態において、円錐状傾斜シーリング表面は、「点荷重」圧縮を増加させる隆起を有する（非直線状断面）。

本明細書に使用されるさまざまな用語は、特定の意味を有するように意図される。これらの用語のいくつかは、明瞭さのために以下で定義される。以下で与えられる定義は、定義されている用語のすべての形態（たとえば、単数、複数、現在時制、過去時制）を網羅するように意図される。以下の任意の用語の定義が、そのような用語の一般に理解される定義および／または辞書の定義から逸脱する場合、以下の定義が支配する。

本開示の実施形態は、圧縮ガスのためのポリマーライニングボンベまたは圧力容器の出口のシーリングシステムを対象とする。圧力容器は、ライナ出口を有するポリマーライナおよび金属製極性ボス、さらに、ライナ出口と連結される金属製圧力シーリングインサートを備える。圧力インサートは、ボンベ内部にアクセスするための穴を有する。極性ボスおよび圧力インサートは、ポリマーライナの出口を２つの方向に圧縮するように設計されており、それは、１つの領域における径方向、および、第２の領域における円錐状傾斜シールである。

圧縮ガスの貯蔵のために、ライナは、炭素繊維、アラミド、ガラス、またはバサルトなどの強化用繊維の重なり構造を使用して爆発に対して支持されている。ポリマーライナおよび極性ボスは、必要な構造的完全性を提供するために、構造繊維による完全被覆パターンで補強される。ポリマーライナ、金属製極性ボス、および圧力インサートは、繊維被覆によって複合材料圧力容器に一体化される。

複合材料ガスボンベとして知られている複合材料圧力容器は、ＬＰＧ、窒素、空気、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、ヘリウム、または水素などのガスを貯蔵するように設計されている。この種類の圧力容器の典型的な使用圧力は、１．５〜１１．０ＭＰａである。

ポリマーライナは、比較的不浸透性のポリマー材料から構成される。そのようなポリマー材料は、ＨＤＰＥ、ＸＤＰＥ、ＨＤＰＥ架橋、ＬＬＤＰＥ、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアミド６（ナイロン６）、ポリアミド１２（ナイロン１２）、ＰＥＴ、ＡＢＳ、多層ＰＥ＋ＥＶＯＨ、および類似のポリマーでもよい。

金属製極性ボスおよび圧力シーリングインサートは、６０６１−Ｔ６、７０７５−Ｔ６、または類似のアルミニウム合金、４３５１または類似の合金鋼、および／あるいは、３１６、３０３、または類似のステンレス鋼から作られてもよい。

複合材料繊維の重なり被覆は、炭素繊維、アラミド、ガラス、バサルト、またはザイロン繊維などの、無機または有機構造繊維から作られてもよい。繊維は、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ポリウレタン、またはいくつかの熱可塑性プラスチック材料などのマトリックス材料を含浸させてもよい。

ポリマーライナ首部出口は、極性ボスの穴に軸方向に延在し、角度付き円錐状部分に移行する輪郭付き穴部分を形成する。ポリマーライナの首部は、回転成形、ブロー成形、射出成形、または類似の成形などの従来の成形技術を使用して、最初に、穴首部に形成される。傾斜した円錐状シール部分は、機械加工、加熱形成、緩速圧縮、またはいくつかの他の方法でもよい成形後作業で形成される。

結果として、２つの方向および２つの位置に圧力シールを有する双方向圧力シールシステムとなる。第１の位置は、首部および極性ボスの環状穴部分である。第２の圧力シールは、角度のある円錐状部分に配置される。

金属製圧力シーリングインサートは金属極性ボスに係合し、２つの圧力シール位置の圧縮を提供する。金属製圧力インサートは、対応する輪郭付き表面を有する外側極性ボス、ポリマーライナの出口首部領域、ならびに、Ｏリングおよびバッキングリングに適合する。インサートが極性ボスと係合されると、外側極性ボスの環状開口に対してプラスチック首部、Ｏリング、およびバッキングリングを圧縮することによって、１つの環状の主要なシールが半径方向に形成される。第２の主要なシールは、極性ボスと、ポリマーライナと、圧力インサートとの傾斜した円錐状部分の間に形成される。接合部シーリング材、あるいはポリマーまたは金属製傾斜ガスケットなどの、任意選択のガスケット材料が、傾斜圧縮部分で使用されてもよい。

１つの実施形態において、極性ボスおよび圧力インサートの傾斜した円錐状圧縮部分は、平板状である（直線状断面）。ポリマーライナの傾斜した円錐状部分は、幅方向に均一に圧縮される。

別の実施形態において、圧力インサートおよび／または極性ボスの傾斜した円錐状圧縮部は、隆起で構築される（ステップまたは波形断面）。ポリマーライナの傾斜した円錐状部分は、圧縮シール範囲の局所領域で、強く圧縮される。

別の実施形態において、圧力インサートは、環状領域の外面のテーパで構築され、ポリマーライナの完全円筒状首部領域を通してきつい圧縮を作成する。この特別な圧縮は、任意の環状アセンブリの隙間を封止して、高圧でのＯリングまたは類似の圧力リングシールアセンブリの押出しを阻止する。特別な圧縮は、首部の完全円筒状部分を通してＯリングが不要になるだけ十分にきつい。

２つの位置および２つの方向の圧縮を有する、双方向２位置シールシステムは、最大１１０ＭＰａの圧力で、ヘリウムまたは水素などの小分子ガスの確実な圧力シーリングを提供する。

双方向２位置の圧縮法は、たとえＯリングが欠陥または他の不具合を有するとしても、高圧ガスを密封する。圧力シールの欠陥または不具合がある場合、首部極性ボスアセンブリを分解して、修理することは容易である。

ライナ首部材料の双方向圧縮は、それ以外に、支持されるシーリング要素および圧力荷重の影響を受けやすいシーリング表面のクリープを最小化する。このシステムはまた、上下の温度限界による熱膨張および熱収縮の影響を最小化する。

図１〜９は、高圧で完全に被覆されたポリマーライニング複合材料圧力容器の一部としての、シーリングシステムの実施形態を図示する。図１〜９に示される実施形態は、ＬＰＧ、空気、窒素、メタン、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、ヘリウム、および水素などの従来のガスの、最大１１０ＭＰａの使用圧力での貯蔵用に好適である。

図１および１ａを参照すると、ポリマーライニング圧縮ガスボンベのポリマーライナ１の極性ドームは、完全被覆繊維ならびにマトリックス材料２で補強されている。この種類の圧力容器は、複合材料圧力容器または複合材料ガスボンベとして知られている。ポリマーライナ１の首部領域は、ガスボンベの内部にアクセスするための穴を含む剛性金属極性ボス４および圧力シーリングインサート３が取り付けられている。ドーム領域は、保護用外側キャップ５によって、衝撃損傷から保護される。極性ボス４は、構造繊維／マトリックス材料２を被覆する前に、ポリマーライナ１に固定される。圧力インサート３は、構造繊維２を被覆する前および／または後に極性ボス４に係合される。ポリマーライナ１は、円筒状首部領域および外側傾斜円錐状部分に形成される。ポリマーライナ１の外側傾斜円錐状部分は通常、極性ボス４を取り付けた後の形状に形成される。圧力インサート３が挿入されて、極性ボス４に完全に係合されると、ポリマーライナ１は、２つの方向および２つの位置で圧縮され、それは、円筒状首部領域の半径方向圧縮、および傾斜領域の傾斜した円錐状圧縮である。２方向２位置圧縮は、高圧ガスに対して非常に安全なシールを形成する。

図１ｂおよび２に示されるように、圧力インサート３は、インサート３をボス４と可逆的に結合するためのボス４の雌ねじ部と係合する雄ねじ部を含む略円筒状本体を有する。極性ボス３は構造繊維２を被覆する前にポリマーライナ１の首部の上に挿入されて、固定される。ポリマーライナ１の首部は、従来の成形の後かつ極性ボス４への挿入後に形成されて、傾斜円錐状外側部分を形成する。この形状が、２つの方向および２つの位置での、極性ボス４と圧力インサート３との間のポリマーライナ１の圧縮を可能にする。Ｏリングシール６およびバッキングリング７、または類似のガスケットが、半径方向へのさらなる圧力シーリングを提供するために使用されてもよい。傾斜円錐状部分において、金属または非金属ガスケット材料または接合部シーリング材などのさらなるガスケット材料８が使用されてもよい（図２）。しかしながら、要素６、７、および８が任意選択でもよいことは理解されるべきである。

図２、４、４ａ、５、５ａ、および５ｂは、圧力シールインサート３が傾斜円錐状シール部分の平板状形状（直線状断面）を有する実施形態を示す。ポリマー首部傾斜部分１は、極性ボス４と圧力インサート３との板状表面の間で均等に圧縮される。任意選択のガスケット材料８が、ポリマーライナ１と圧力インサート３との間のインタフェースで使用されてもよい。

図３、５ｃ、および５ｄは、圧力シールインサート３および／または極性ボス４が傾斜円錐状シール部分の波形またはステップ形状を有する実施形態を示す。ポリマー首部傾斜部分１は、極性ボス４と圧力インサート３との錐面の間の「点」で強く圧縮される。任意選択のガスケット材料８が、ポリマーライナ１と圧力インサート３との間のインタフェースで使用されてもよい。

図２、３、４、４ａ、４ｂ、および５は、Ｏリング６およびバッキングリング７が圧力インサート３と、ポリマーライナ首部１と、極性ボス４との間で半径方向の追加圧縮シーリングを提供するために使用される実施形態を示す。Ｏリング６およびバッキングリング７は、ニトリル、ビトン、または他の一般的な圧力シーリング材料などの、エラストマーまたはポリマー材料でもよい。Ｏリング６およびバッキングリング７は任意選択であり、特定のガスまたは圧力のために取り除かれてもよい。

図１ｂ、２、３、４、４ａ、４ｂ、および５は、圧力シールインサート３の外側穴に構築されるテーパ角度を含む実施形態を図示する。テーパ角度は、ポリマーライナ１の首部を極性ボス３の穴に対して外側に押しつけるように設計される。結果として、極性ボス４と圧力インサート３との間でライナ１は強く圧縮される。この圧縮の特徴により、Ｏリング６およびバッキングリング７は多くの場合、不要になる。この領域により、たとえＯリング６および／またはバッキングリング７の不具合がある場合も、多くの場合、高圧ガスを封じ込めることができる。

結果として、単純かつ信頼性の高い双方向圧力シーリングシステムまたは構成が実現される。図１、１ａ、１ｂ、および７で示されるポリマーライナ１の１つの実施形態において、ライナ１は、大部分のガスに好適であるポリアミド６、ＨＤＰＥ、または架橋ＨＤＰＥの比較的不浸透性のブラダである。厚さは通常、２〜１０ｍｍである。ライナ出口首部１の円筒面は平滑でもよく、または、極性ボス４との組立てを容易にするために雄ねじを有してもよい。ライナ出口首部１の外径は直径１８〜５０ｍｍでもよい。ポリマーライナ１の傾斜した円錐状出口部分は、通常、外側極性ボス４との組立て後、かつ、圧力インサート３の挿入前に形成される。

ライナの別の実施形態において、ポリマーライナ１は、ガス浸透に対する耐性を改善するために、ＥＶＯＨ ＥＶＡＬ Ｆ１０１Ｂの補足的な層を含む可能性があり、または、コストを削減するために、ＨＤＰＥまたは他のポリエチレン材料である可能性がある。

図６、６ａ、および６ｂに示されるように、極性ボス４は通常、陽極酸化されたＡＡ６０６１−Ｔ６もしくはＡＡ７０７５−Ｔ６などのアルミニウム合金または類似物、４３４０などの合金鋼または類似物、３１６ステンレス鋼などのステンレス鋼または類似物、あるいは、黄銅から形成される。ライナ首部１の挿入後、ライナ首部は、接着結合を用いて極性ボス４に固定されてもよく、または、ねじ山により、ライナ首部１上の外部ねじ山を極性ボス４の内部ねじ山に組み合わせてもよい。

図８、８ａ、および８ｂは、平板状の傾斜した円錐状シーリング表面を有する圧力インサート３の実施形態を示す。圧力インサートは通常、陽極酸化されたＡＡ６０６１−Ｔ６もしくはＡＡ７０７５−Ｔ６などのアルミニウム合金または類似物、４３４０などの合金鋼または類似物、３１６ステンレス鋼などのステンレス鋼または類似物、あるいは、黄銅から形成される。

図９、９ａ、および９ｂは、ステップまたは隆起状の傾斜した円錐状シーリング表面を有する圧力インサート３の実施形態を示す。圧力インサートは通常、陽極酸化されたＡＡ６０６１−Ｔ６もしくはＡＡ７０７５−Ｔ６などのアルミニウム合金または類似物、４３４０などの合金鋼または類似物、３１６ステンレス鋼などのステンレス鋼または類似物、あるいは、黄銅から形成される。

出口の異なる材料による熱膨張差は最小にすることができる。ライナ首部出口１のポリマー材料がボス４および圧力インサート３の材料より高い熱膨張率（ＣＴＥ）を有するため、熱膨張差が生じる可能性がある。シーリングシステムの両方の実施形態では、ライナ出口１のライナ材料の厚さを薄くすることによって、温度変化によるライナ出口１の半径方向の膨張を最小化することができる。シーリングシステムの両方の実施形態では、Ｏリング、またはライナ出口１上の２つの主要なシーリング表面、またはインサート３上のシーリング表面の劣化により、時間が経つにつれて漏洩が生じる場合、ライナ出口またはインサートシーリング表面は、補修または修理することができる。これは、ライナ出口１がボス４の穴に延在し、修理または補修のために容易にアクセスすることができるため可能である。Ｏリングがインサート３上に配置され、インサート３をボス４から取り外すことができるので、Ｏリング６およびバッキングリング７も容易に取り替えることができる。

よって、図１〜９ｂのシーリングシステムを補修する方法が提供される。当該方法は、輪郭付きライナ穴１を露出させるために、ボス４の穴からライナ出口１と係合するインサート３を取り外すことを含む。傾斜した円錐状部分のガスケット材料８は取り替えることができる。さらに、Ｏリング６およびバッキングリング７も取り替えることができる。必要に応じて、すべての内部のシーリング表面を、検査、測定、および修理することができる。

本開示の好ましい実施形態の前述の説明は、図および説明のために提示されている。説明された好ましい実施形態は、網羅的であること、あるいは本発明の範囲を開示された厳密な形態（単数または複数）に限定することは意図していない。以上の教示を考慮すれば、自明な変更および変形が可能である。これらの実施形態は、本開示の原理およびその実際的な用途の最良の例示を提供し、それにより、当業者が本開示で明らかにされた概念を種々の実施形態の形で、特定の利用に適した種々の変更を伴って利用することを可能にするために、選定し説明する。こうした変更および変形のすべてが、特許請求の範囲を公平、適法、かつ公正に権利を与えられる幅で解釈した際に、特許請求の範囲に規定した本開示の範囲内に入る。

Claims (21)

1. ボンベの内部と連通する穴を有する極性ボスであって、
   前記ガスボンベの構造的複合材料に接触するために前記極性ボスの外側部分に形成されるフランジ肩部と、
   前記１つまたは複数の極性ボスの内面に形成される内側円筒状首部と、
   前記内側円筒状首部に隣接する前記極性ボスの内面に形成される傾斜した円錐状部分と
   を有する、極性ボスと、
   輪郭付き穴を形成するために前記極性ボスの前記穴に軸方向に延在するポリマーライナの首部出口であって、前記輪郭付き穴が、前記極性ボスの前記内側円筒状首部および傾斜した円錐状部分に実質的に一致する傾斜した円錐形状に対して外側に曲がる円筒状首部領域を形成する、首部出口と、
   前記１つまたは複数の極性ボス内に嵌合して、それと係合するように形づくられる圧力インサートであって、前記圧力インサートが前記極性ボスと係合されるとき、前記ポリマーライナの前記首部出口が、前記圧力インサートの外面と前記極性ボスの内側円筒状首部との間に固定され、前記ポリマーライナの前記首部出口が、前記圧力インサートの外面と前記極性ボスの前記傾斜した円錐状部分との間に固定される、圧力インサートと
   を備える、
   ポリマーライナおよび構造的複合繊維材料を有するポリマーライニング高圧ガスボンベの出口のためのシーリングシステム。
2. 前記圧力インサートの外面上に形成される環状凹部と、前記圧力インサートと前記ポリマーライナの前記首部出口との間で軸方向に位置付けられる、前記環状凹部に配置されるＯリングおよびバッカーリングとをさらに備える、
   請求項１に記載のシーリングシステム。
3. 前記圧力インサートが、前記極性ボスに螺合される、
   請求項１に記載のシーリングシステム。
4. 前記圧力インサートが、前記ポリマーライナの前記首部出口を前記極性ボスに対して半径方向に圧縮するための、直円錐の截頭円錐台の形態であるテーパ付インタフェースを有する、
   請求項１に記載のシーリングシステム。
5. 前記圧力インサートの傾斜した前記円錐状シーリング表面が、前記ポリマーライナ首部が傾斜した円錐状領域で均一に圧縮されるように平板状である、
   請求項１に記載のシーリングシステム。
6. 前記ポリマーライナ首部の前記傾斜した円錐状シーリング表面が、金属ガスケット、非金属ガスケット、または粘弾性接合部シーリング材からなる群から選択されるガスケット材料で覆われる、
   請求項１に記載のシーリングシステム。
7. 前記圧力インサートの前記傾斜した円錐状シーリング表面が、１つまたは複数のステップで形成され、前記ポリマーライナの前記首部出口が、各ステップで集中点荷重を受ける、
   請求項１に記載のシーリングシステム。
8. 前記極性ボスの前記傾斜した円錐状シーリング表面が、前記ポリマーライナ首部が各ステップで集中点荷重を受けるように、ステップまたは隆起で形成される、
   請求項１に記載のシーリングシステム。
9. 前記ポリマーライナの前記外側首部表面が、前記ポリマーライナが前記極性ボスに接続する部分に沿って、雄ねじなしで実質的に平滑である、
   請求項１に記載のシーリングシステム。
10. 前記ポリマーライナの前記外側首部表面が、前記極性ボスの内部ねじ山と係合する外部ねじ山を含む、
    請求項１に記載のシーリングシステム。
11. 前記ライナ首部出口が、金属プラスチック用接着剤によって前記極性ボスの前記穴に固定される、
    請求項１に記載のシーリングシステム。
12. 前記ライナが、単層構造および多層構造からなる群から選択される、
    請求項１に記載のシーリングシステム。
13. ライナ首部出口が、ネジ付きインタフェースによって前記ボスの前記穴に連結される、請求項１に記載のシーリングシステム。
14. 前記ポリマーライニングボンベが、最大１１０ＭＰａの使用圧力で圧縮ガスを含む、
    請求項１に記載のシーリングシステム。
15. 前記圧縮ガスが、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、水素、ヘリウム、メタン、空気、および窒素からなる群から選択される、
    請求項１に記載のシーリングシステム。
16. 前記インサートが、フロースルー型およびプラグ型インサートのうち１つから選択される、請求項１に記載のシーリングシステム。
17. 前記極性ボスおよび前記圧力インサートが金属から形成される、
    請求項１に記載のシーリングシステム。
18. 前記ポリマーライナが、ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ、ＸＤＰＥポリエチレン、ポリアミド６、およびポリアミド１２からなる群から選択されるガス適合性ポリマーから作られる、
    請求項１に記載のシーリングシステム。
19. ポリマーライニング高圧ガスボンベの出口のシーリングシステムを補修する方法において、前記ボンベはポリマーライナおよびボスを備え、前記ボスはインサートでシールされる前記ボンベにアクセスするための穴を有しており、
    前記ボスの前記穴に軸方向に延在するライナ出口の輪郭付き穴を露出させるために、前記ボンベの前記出口から前記インサートを取り外すことと、
    環状シール要素を取り替えることであって、前記シール要素が前記インサートの外面のまわりに配置され、前記シール要素が前記輪郭付き穴と密封可能に係合する、取り替えることと、
    前記シールの円錐状傾斜領域のガスケット材料を取り替えることと、
    前記輪郭付き穴に配置される少なくとも１つのシーリング表面を磨き直すことと
    を含む方法。
20. 前記磨き直すことが、通常は前記要素でシールする前記輪郭付き穴の円筒状シーリング穴部分を磨き直すことをさらに含む、
    請求項２０に記載の方法。
21. 前記輪郭付き穴が、傾斜した円錐状部分と、円筒状シーリング穴部分と、テーパ付穴部分とを備え、前記磨き直すことが、
    ガスケットまたは他のシーリング材料でシールする前記傾斜円錐状部分を磨き直すことと、
    前記シール要素でシールする前記シーリング穴部分を磨き直すことと、
    前記インサート上の前記テーパ付圧縮面を係合する前記テーパ付穴部分を磨き直すことと
    をさらに含む、
    請求項２０に記載の方法。

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