JP2019002506A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力容器における食い切り部起点のライナー分離を抑制する。【解決手段】圧力容器Ａは、合成樹脂製のライナー１０と、第１口金２２（請求項に記載の口金）と、第２口金２８（請求項に記載の口金）と、繊維強化樹脂層３３とを備えて構成されている。ライナー１０はブロー成形により形成されている。第１ドーム部１２の外面には、パーティングライン２１に沿った第１凸部１７が形成され、食い切り部５３は、第１凸部１７内に配されている。【選択図】図６

Description

本発明は圧力容器に関する。

特許文献１には、円筒状の直胴部の両端にドーム部が形成されたライナーと、ドーム部の中心部に取り付けた口金と、ライナーの外周に形成された繊維強化樹脂層とを備えた圧力容器が開示されている。繊維強化樹脂層を形成する際には、口金に嵌合した駆動軸を回転駆動することにより、口金とライナーを一体回転させながら、ライナーの外周に繊維束を巻き付けていく。
ここで、ライナーは多層構造であり、ブロー成形により形成されている。そして、ライナーには、パリソンが金型で食い切りされた食い切り部が存在している。食い切り部は、ライナーを削ることによって平坦に処理されている。

特開２０１２−０４５８２６号公報

しかし、食い切り部の両側でライナーが引っ張られると、食い切り部を起点としてライナーが分離してしまうことが懸念されていた。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、圧力容器における食い切り部起点のライナー分離を抑制することを目的とする。

本発明の圧力容器は、
略円筒状の胴部の端部にドーム部が連なった形態のライナーと、
前記ドーム部の外面を覆う口金と、
前記ライナーの外面に巻き付けられた繊維束を有する繊維強化樹脂層と、を備え、
前記ドーム部の前記外面には、パーティングラインに沿った凸部が形成され、
食い切り部は、前記凸部内に配されていることを特徴とする圧力容器である。

この構成によれば、以下の作用効果が奏される。
一般的に、ライナーの食い切り部は、削ることによって平坦に処理されている。この場合、食い切り部の両側のライナーが引っ張られると、その力の作用線は食い切り部を通るから、食い切り部に直接、力がかかって、食い切り部が分離しやすい。本構成では、食い切り部は、食い切り部の周囲と高さ位置の異なる凸部内に配されている。この場合、食い切り部の両側のライナーを引っ張った場合の力の作用線は、食い切り部と位置ずれしているから、食い切り部の分離が抑制される。
また、凸部は、パーティングラインに沿っているので、ブロー成形用の金型でライナーを成形する工程で、凸部を形成することが可能となる。
なお、本明細書において、食い切り部とは、パリソンが金型で食い切りされた部分のことをいう。

実施例１の圧力容器の斜視図である。 ライナーから口金を外した状態をあらわす斜視図である。 ライナーに繊維束を巻き付ける工程をあらわす断面図である。 圧力容器の断面図である。 ライナーを金型成形する工程をあらわす平面図である。 パーティングラインに沿った凸部の断面図である。 パーティングラインに沿った凸部が溝部に嵌合した状態を示す断面図である。 ライナーの層構造を示す断面図である。 従来例における食い切り部を示す断面図である。 他の実施例において、ライナーから口金を外した状態をあらわす斜視図である。

（１）本発明の圧力容器では、前記ライナーは多層構造であることが好ましい。
単層構造の場合、バリア性能とタンク剛性を兼ね備えた素材を選択する必要があったが、多層構造を採用することで、バリア性能を有する薄い層を用い、タンク剛性のためには比較的安価な素材を選択できる。よって、コスト的に有利である。

（２）本発明の圧力容器では、前記口金の前記ドーム部と接する側の面には、溝部が形成されており、前記溝部は、前記凸部と嵌合していることが好ましい。
この構成では、口金の溝部と、凸部との嵌合により、食い切り部が、分離して開くことを抑制できる。
また、この構成では、口金の溝部と、凸部との嵌合により、ライナーに対する口金の相対移転が規制されるので、口金を回転駆動しながらライナーに繊維束を巻き付ける工程で、口金が空転することを防止できる。
なお、口金の溝部の凹み量は、凸部の突出量よりも若干少なくされ、凸部が溝部に圧入されていることがより好ましい。この構成では、口金の溝部と凸部とがしっかりと係合し、両者のガタつきがなくなり、ライナーへの繊維束の巻き付けを精度よく行うことができる。

（３）本発明の圧力容器では、前記凸部は、突出方向に幅狭となるテーパー形状を有し、前記溝部は、凹み方向に幅狭となるテーパー形状を有することが好ましい。
この構成では、凸部と溝部の接触面積が大きくなるから、両者の密着度を上げることができる。

＜実施例１＞
以下、本発明を具体化した実施例１を図１〜図９を参照して説明する。本実施例１の圧力容器Ａは、合成樹脂製のライナー１０と、第１口金２２（請求項に記載の口金）と、第２口金２８（請求項に記載の口金）と、繊維強化樹脂層３３とを備えて構成されている。圧力容器Ａは、燃料電池自動車や天然ガス自動車に搭載され、高圧の水素ガスや天然ガスの充填容器として用いられるものである。

＜ライナー１０＞
ライナー１０は、図１〜４に示すように、径寸法が全長に亘ってほぼ一定の円筒状をなす胴部１１と、胴部１１の軸線方向における一方の端部に連なる第１ドーム部１２（請求項に記載のドーム部）と、胴部１１の軸線方向における他方の端部に連なる第２ドーム部１３（請求項に記載のドーム部）とを備えた単一部品である。ライナー１０の内部は、流体（水素ガスや天然ガス等）を貯留するための貯留空間１４となっている。ライナー１０は、ブロー成形によって所定形状に成形されている。ライナー１０の材料としては、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）とエチレン・ビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂等が用いられている。実施例１では、ライナー１０は、図８に示すように、ＨＤＰＥ層１０Ａ、変性ＰＥ層１０Ｂ、バリア層の一例としてのＥＶＯＨ層１０Ｃ、変性ＰＥ層１０Ｄ、ＨＤＰＥ層１０Ｅが外側から順に積層された構造を有する。

なお、従来は、ライナー１０には、バリア性能とタンク剛性を兼ね備えた単層素材を用いていた。この場合、バリア性能を担保するために板厚を確保する必要があるため、所定の厚さ以上は必要であった。
本実施例のように、多層構造を採用することにより、例えば、バリア性に特化したＥＶＯＨ層は１００μｍ程度で済み、タンク剛性に必要な層は主に比較的安価なＰＥとすることができる。よって、圧力容器のコストも下げることができる
また、多層構造を採用すると、バリア性能及びタンク剛性を確保しつつ、ライナー１０の全体の厚みも薄くすることができコスト的に有利である。例えば、単層の場合にポリアミド樹脂を用いた場合のライナー１０の厚みと、多層の場合にＥＶＯＨ層を有するＰＥを用いた場合のライナー１０の厚みと、を比較すると、後者の方が薄くできるため、コスト的に優れている。

第１ドーム部１２の中心部には、胴部１１の軸線と同軸の円形をなす貫通形態の筒状突出部１５が一体に形成されている。筒状突出部１５は第１ドーム部１２の外部へ突出した形態である。ライナー１０の外部空間と貯留空間１４内は、筒状突出部１５の内部空間を介して連通可能となっている。第１ドーム部１２の外面のうち筒状突出部１５よりも外周側であり、且つ第１ドーム部１２の外周縁よりも内周側の円環状領域は、胴部１１の軸線と略直角をなす第１平面部１６となっている。

第１平面部１６の外面には、第１ドーム部１２の径方向に延びた一対の第１凸部１７が形成されている。第１凸部１７は、筒状突出部１５と繋がっている。すなわち、第１凸部１７は、筒状突出部１５の外周に連なっている。一対の第１凸部１７は、筒状突出部１５に関して対称な形態である。第１凸部１７の外周側端縁は、第１平面部１６の外周縁上に位置している。第１平面部１６を基準とする第１凸部１７の突出高さは、その外周側端縁で最も低くなっている。第１凸部１７は、突出方向に幅狭となるテーパー形状を有している（図６参照）。また、パリソンが金型５０で食い切りされた食い切り部５３は、第１凸部１７内に配されている（図６参照）。

第２ドーム部１３の中心部には、胴部１１の軸線と同軸の円形をなす膨出部１８が一体に形成されている。膨出部１８は貫通しておらず、胴部１１の他方の端部は第２ドーム部１３によって閉塞されている。第２ドーム部１３の外面のうち膨出部１８よりも外周側であり、且つ第２ドーム部１３の外周縁よりも内周側の円環状領域は、胴部１１の軸線と略直角をなす第２平面部１９となっている。

第２平面部１９の外面には、第２ドーム部１３の径方向に延びた一対の第２凸部２０が形成されている。第２凸部２０は、膨出部１８と繋がっている。すなわち、第２凸部２０は、膨出部１８の外周に連なっている。一対の第２凸部２０は、膨出部１８に関して対称な形態である。第２凸部２０の外周側端縁は、第２平面部１９の外周縁上に位置している。第２平面部１９を基準とする第２凸部２０の突出高さは、その外周側端縁で最も低くなっている。第２凸部２０は、突出方向に幅狭となるテーパー形状を有している（図６参照）。また、パリソンが金型５０で食い切りされた食い切り部５３は、第２凸部２０内に配されている。

ライナー１０は、下記のようなブロー成形法によって成形されている。成形に際しては、ブロー成形機（図示省略）から略円筒形のパリソン（図示省略）が軸線を上下方向に向けて下向きに押し出される。押し出されたパリソン内には下方からロッド（図示省略）が収容される。そして、パリソンが一対の金型５０で挟まれるとともに、ロッドを通して供給された加圧エアが、パリソンを金型５０のキャビティ内面に密着させる（図５参照）。この後、パリソンが硬化すれば、金型５０によるライナー１０の成形工程が完了する。

金型５０によって成形されたライナー１０の外周には、一対の金型５０の境界に沿ったパーティングライン２１が形成される。一対の金型５０には、それぞれ、一対の第１凸部１７と一対の第２凸部２０を成形するための成形部５１が形成されている。したがって、パーティングライン２１は、第１凸部１７の略中央位置を通るとともに、第２凸部２０の略中央位置も通っている。すなわち、第１凸部１７、及び第２凸部２０は、パーティングライン２１を含む領域に形成されていることになる。

＜第１口金２２＞
第１口金２２は、軸線方向に貫通した円筒状をなす第１本体部２３と、第１本体部２３の軸線方向両端部のうち基端部から径方向外方へ張り出した第１フランジ部２４とを備えた単一部品である。第１本体部２３の内周の先端部には、第１雌ネジ部２５が形成されている。第１口金２２には、バルブ２６が第１雌ネジ部２５にねじ込まれることによって取り付けられる。

第１口金２２は、第１ドーム部１２の外面を覆うようにライナー１０に取り付けられている。第１口金２２を取り付けた状態では、第１本体部２３の基端部が筒状突出部１５の外周に密着し、第１フランジ部２４の内面が第１平面部１６（第１ドーム部１２）の外面に密着している。第１フランジ部２４は第１本体部２３と同心の円形をなし、第１フランジ部２４の外径は、第１平面部１６の外径とほぼ同じ寸法である。

第１フランジ部２４の第１ドーム部１２と接する側の面（内面）には、第１凸部１７に対向するように配された一対の第１溝部２７が形成されている。一対の第１溝部２７は、第１本体部２３の軸線に関して対称である。一対の第１溝部２７は、図７に示すように、凹み方向（図７の上方）に向かって幅狭となるテーパー形状を有している。

第１口金２２を第１ドーム部１２に取り付けた状態では、一対の第１溝部２７が一対の第１凸部１７に嵌合する。第１凸部１７と第１溝部２７との嵌合部分では、第１凸部１７の外面が、第１溝部２７の内面にほぼ密着している。

＜第２口金２８＞
第２口金２８は、円柱状をなす第２本体部２９と、第２本体部２９の軸線方向両端部のうち基端部から径方向外方へ張り出した第２フランジ部３０とを備えた単一部品である。第２本体部２９には、その先端面を同軸状に凹ませた形態の第２雌ネジ部３１が形成されている。第２口金２８は、第２ドーム部１３の外面を覆うようにライナー１０に取り付けられている。第２口金２８を取り付けた状態では、第２本体部２９の基端部が膨出部１８の外周に密着し、第２フランジ部３０の内面が第２平面部１９（第２ドーム部１３）の外面に密着している。第２フランジ部３０は第２本体部２９と同心の円形をなし、第２フランジ部３０の外径は、第２平面部１９の外径とほぼ同じ寸法である。

第２フランジ部３０の第２ドーム部１３と接する側の面（内面）には、第２凸部２０に対向するように配された一対の第２溝部３２が形成されている。一対の第２溝部３２は、第２本体部２９の軸線に関して対称である。一対の第２溝部３２は、図７に示すように、凹み方向（図７の上方）に向かって幅狭となるテーパー形状を有している。

第２口金２８を第２ドーム部１３に取り付けた状態では、一対の第２溝部３２が一対の第２凸部２０に嵌合する。第２凸部２０と第２溝部３２との嵌合部分では、第２凸部２０の外面が、第２溝部３２の内面にほぼ密着している。

＜繊維強化樹脂層３３＞
繊維強化樹脂層３３は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスッチック等からなる。繊維強化樹脂層３３は、胴部１１の外周の全領域、第１ドーム部１２のうち第１平面部１６よりも外周側の領域、第２ドーム部１３のうち第２平面部１９よりも外周側の領域、第１口金２２の外周の領域、及び第２口金２８の外周の領域に亘って形成されている。

繊維強化樹脂層３３は、フィラメントワインディング法、即ち、胴部１１の軸線を中心として回転するライナー１０及び口金２２，２８の外面に、繊維束３４に液状の熱硬化性樹脂を含浸させたもの、又は繊維束３４に含浸した熱硬化性樹脂を半硬化状態にしたもの（プリプレグ繊維）を巻き付けることによって形成されている。繊維束３４は、炭素繊維、ガラス繊維、ケプラ繊維等からなる糸状の繊維を束ねたものである。

＜フィラメントワインディング装置及び繊維強化樹脂層３３の形成工程＞
繊維束３４をライナー１０と口金２２，２８に巻き付けるためのフィラメントワインディング装置は、ライナー１０に回転力を付与する第１軸状支持部材４１と、第１軸状支持部材４１を回転駆動するモータ（図示省略）と、第１軸状支持部材４１と同軸の第２軸状支持部材４２と、第２軸状支持部材４２を回転駆動するモータ（図示省略）と、繊維束３４を繰り出すボビン（図示省略）等を備えている。第１軸状支持部材４１の先端部は、第１雌ネジ部２５にねじ込まれることで、第１口金２２に一体回転し得るように取り付けられる。第２軸状支持部材４２は、第２雌ネジ部３１にねじ込まれることで、第２口金２８に一体回転し得るように取り付けられる。

ライナー１０に繊維強化樹脂層３３を成形する工程を説明する。まず、所定形状にブロー成形されて口金２２，２８が取り付けられたライナー１０を、所定のフィラメントワインディング位置へ搬送し、第１軸状支持部材４１と第２軸状支持部材４２を、それぞれ、第１口金２２と第２口金２８に取り付ける。この状態で、第１軸状支持部材４１と第２軸状支持部材４２を同じ周速度で駆動してライナー１０と両口金２２，２８を回転させる。回転しているライナー１０の外面には、ボビンから繰り出した繊維束３４が巻き付けられていく。

繊維束３４を巻き付ける工程では、第１軸状支持部材４１と一体に回転する駆動側の第１口金２２と、ボビンから繊維束３４を引き込む従動側のライナー１０との界面に、回転方向の剪断力が作用する。そのため、剪断力が大きくなった場合には、第１口金２２とライナー１０との間で滑りが生じて第１口金２２が空転することが懸念される。また、第２軸状支持部材４２と一体に回転する第２口金２８とライナー１０との間にも剪断力が作用するので、第２口金２８が空転することも懸念される。

本実施例では、ライナー１０に形成した第１凸部１７と第１口金２２に形成した第１溝部２７を嵌合し、ライナー１０に形成した第２凸部２０と第２口金２８に形成した第２溝部３２を嵌合する。これらの嵌合部分では、ライナー１０と第１口金２２と第２口金２８は、一体回転する状態に保たれる。繊維束３４の巻き付け工程が終わった後は、繊維束３４に含浸されている樹脂を硬化させる。以上の工程を経ることにより、繊維強化樹脂層３３が形成され、圧力容器Ａの製造が完了する。

＜実施例１の効果＞
実施例１の圧力容器Ａでは、ライナー１０は多層構造であり、ブロー成形により形成されており、食い切り部５３は、第１凸部１７、第２凸部２０内に配されている。
一般的に、ライナー１０の食い切り部５３は、図９（Ａ）の状態から削ることによって図９（Ｂ）に示すように、平坦に処理されている。図９において、符号１０Ｃは、上記のようにＥＶＯＨ層を示している。なお、その他の層は省略している。
図９（Ｂ）の場合に、食い切り部５３の両側でライナー１０を引っ張ると、その力の作用線（図９（Ｂ）において１点鎖線で示す線）は食い切り部５３に起因する分断しやすい部分を通るから、この部分に力がかかり分断しやすい。
一方、実施例１では、図６に示すように、食い切り部５３は、食い切り部５３の周囲と高さ位置の異なる第１凸部１７、第２凸部２０内に配されている。この場合、食い切り部５３の両側でライナー１０を引っ張った場合の力の作用線（図６において１点鎖線で示す線）は、食い切り部５３に起因する分断しやすい部分と高さ位置がずれるから、この部分での分断が抑制される。

実施例１の圧力容器Ａでは、第１凸部１７は、第１ドーム部１２のパーティングライン２１を含む領域に形成されている。同様にして、実施例１の圧力容器Ａでは、第２凸部２０は、第２ドーム部１３のパーティングライン２１を含む領域に形成されている。
第１凸部１７及び第２凸部２０は、パーティングライン２１を含む領域に配されているので、ブロー成形用の金型５０でライナー１０を成形する工程で、比較的容易に第１凸部１７及び第２凸部２０を形成することが可能である。

実施例１では、第１凸部１７が第１溝部２７に嵌合している。よって、第１凸部１７が分離する方向に引っ張られたとしても、第１凸部１７の外面が第１溝部２７の内面に当たり、第１凸部１７の部分でのライナー１０の分離が回避される。
同様に、実施例１では、第２凸部２０が第２溝部３２に嵌合している。よって、第２凸部２０が分離する方向に引っ張られたとしても、第２凸部２０の外面が第２溝部３２の内面に当たり、第２凸部２０の部分でのライナー１０の分離が回避される。

また、実施例１の圧力容器Ａでは、第１口金２２の第１ドーム部１２と接する側の面には、第１溝部２７が形成されており、第１溝部２７は、第１凸部１７と嵌合している。
この構成では、第１口金２２の第１溝部２７と、第１凸部１７との嵌合により、ライナー１０に対する第１口金２２の相対的な回転が規制されるので、第１口金２２を回転駆動しながらライナー１０に繊維束３４を巻き付ける工程で、第１口金２２が空転することを防止できる。また、第１凸部１７が、第１ドーム部１２の径方向に延びているので、第１口金２２の回転する力が、第１凸部１７全体に分散して伝わり、第１ドーム部１２の不正変形が効果的に抑制される。

また、実施例１の圧力容器Ａでは、第２口金２８の第２ドーム部１３と接する側の面には、第２溝部３２が形成されており、第２溝部３２は、第２凸部２０と嵌合している。
この構成では、第２口金２８の第２溝部３２と、第２凸部２０との嵌合により、ライナー１０に対する第２口金２８の相対的な回転が規制されるので、第２口金２８を回転駆動しながらライナー１０に繊維束３４を巻き付ける工程で、第２口金２８が空転することを防止できる。また、第２凸部２０が、第２ドーム部１３の径方向に延びているので、第２口金２８の回転する力が、第２凸部２０全体に分散して伝わり、第２ドーム部１３の不正変形が効果的に抑制される。

また、実施例１では、第１凸部１７は、突出方向に幅狭となるテーパー形状を有し、第１溝部２７は、凹み方向に幅狭となるテーパー形状を有している。この構成では、第１凸部１７と第１溝部２７の接触面積が大きくなるから、両者の密着度を上げることができる。
同様にして、実施例１では、第２凸部２０は、突出方向に幅狭となるテーパー形状を有し、第２溝部３２は、凹み方向に幅狭となるテーパー形状を有している。この構成では、第２凸部２０と第２溝部３２の接触面積が大きくなるから、両者の密着度を上げることができる。

＜他の実施例＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）実施例１では、第１ドーム部１２に筒状突出部１５を中心として２つの凸部を形成し、第２ドーム部１３に膨出部１８を中心として２つの凸部を形成した例を示した。本発明においては、凸部の個数は特に限定されず、圧力容器の形状、大きさ等に応じて適宜変更できる。同様に、口金のドーム部と接する側の面に形成された溝部の個数も特に限定されず、圧力容器の形状、大きさ等に応じて適宜変更できる。例えば、図１０に示すように、第１ドーム部１２に４つの補強凸部を形成し、口金に４つの溝部を形成してもよい。なお、この場合には、各凸部は、十字状をなすように配されていてもよい。
（２）実施例１では、凸部は、ドーム部の径方向に延びているリブ状としたが、その形状は特に限定されず、任意の形状とすることができる。
（３）実施例１では、第１凸部は、筒状突出部と繋がっていることとしたが、両者が繋がっていなくても良い。
（４）実施例１では、ライナー１０は、多層構造としたが、単層構造としてもよい。
（５）なお、口金の溝部の凹み量は、補強凸部の突出量よりも若干少なくされ、補強凸部が溝部に圧入されていてもよい。この構成では、口金の溝部と補強凸部とがしっかりと係合し、両者のガタつきがなくなり、ライナーへの繊維束の巻き付けを精度よく行うことができる。

１０ …ライナー
１０Ａ …ＨＤＰＥ層
１０Ｂ …変性ＰＥ層
１０Ｃ …ＥＶＯＨ層
１０Ｄ …変性ＰＥ層
１０Ｅ …ＨＤＰＥ層
１１ …胴部
１２ …第１ドーム部
１３ …第２ドーム部
１４ …貯留空間
１５ …筒状突出部
１６ …第１平面部
１７ …第１凸部
１８ …膨出部
１９ …第２平面部
２０ …第２凸部
２１ …パーティングライン
２２ …第１口金
２３ …第１本体部
２４ …第１フランジ部
２５ …第１雌ネジ部
２６ …バルブ
２７ …第１溝部
２８ …第２口金
２９ …第２本体部
３０ …第２フランジ部
３１ …第２雌ネジ部
３２ …第２溝部
３３ …繊維強化樹脂層
３４ …繊維束
４１ …第１軸状支持部材
４２ …第２軸状支持部材
５０ …金型
５１ …成形部
５３ …食い切り部
Ａ …圧力容器

Claims (4)

1. 略円筒状の胴部の端部にドーム部が連なった形態のライナーと、
   前記ドーム部の外面を覆う口金と、
   前記ライナーの外面に巻き付けられた繊維束を有する繊維強化樹脂層と、を備え、
   前記ドーム部の前記外面には、パーティングラインに沿った凸部が形成され、
   食い切り部は、前記凸部内に配されていることを特徴とする圧力容器。
2. 前記ライナーは多層構造であることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
3. 前記口金の前記ドーム部と接する側の面には、溝部が形成されており、
   前記溝部は、前記凸部と嵌合していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力容器。
4. 前記凸部は、突出方向に幅狭となるテーパー形状を有し、
   前記溝部は、凹み方向に幅狭となるテーパー形状を有することを特徴とする請求項３に記載の圧力容器。

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