JP2020063778A - ガス蓄圧器 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、非特許文献2については、実施形態の説明において参照する。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
<ガス蓄圧器の構成>
以下に、図1、図2を参照して、第1の実施形態に係るガス蓄圧器の構成について説明する。図1は、第1の実施形態に係るガス蓄圧器の断面図である。図2は、図1における領域IIの拡大図である。図1に示すように、第1の実施形態に係るガス蓄圧器は、胴体部10、蓋20、樹脂製シール部材30を備えている。本実施形態に係るガス蓄圧器は、例えば水素ステーション用の高圧水素蓄圧器である。ガス蓄圧器の設計圧力は、例えば70〜120MPa程度である。なお、ガス蓄圧器に充填されるガスは、水素に限定されるものではない。
図1に示すように、本実施形態に係るガス蓄圧器では、内部に水素が充填される胴体部10の両開口端に、それぞれ蓋20が開閉可能にねじ止めされている。ここで、胴体部10は、一体に形成された円筒部11とドーム部12と首部13とから構成されている。
ここで、高圧水素ガスから応力を受ける胴体部10の内面(円筒部11の内周面及びドーム部12の内面)及び蓋20の内側端面は耐圧部と呼ばれる。
なお、図1の例は、胴体部10の両方の端部が開口した構成であるが、胴体部10の一方の端部のみが開口した構成であってもよい。また、胴体部10の外面は、例えば炭素繊維強化プラスチック層(不図示)などによって補強されていてもよい。
なお、本明細書では、ドーム部12の開口において拡径されていない内側の部位の直径を、単に「ドーム部12の開口径」という。
なお、ドーム部12の開口径が小さい程、雌ねじ部10aのねじ底を起点とした割れの発生を抑制することができる。また、蓋20が小径化、軽量化され、ガス蓄圧器全体を軽量化することができる。
図2に示すように、蓋本体21は、胴体部10と共通な中心軸CAを有する段付き円柱状部材である。蓋本体21は、フランジ部21aを備えている。ここで、蓋本体21において、フランジ部21aよりもx軸負方向側に位置する太径の部位を太径部、フランジ部21aよりもx軸正方向側に位置する細径の部位を細径部と呼ぶ。
次に、第1の実施形態に係るガス蓄圧器の実施例及び比較例について説明する。図3に示した仮想面Bとナット22の外径線Aとの交点から第1ねじ底までのx軸負方向の距離Cを変化させ、雌ねじ部10aに加わる最大応力及び疲労寿命をシミュレーション試験によって求めた。
以下に試験条件について説明する。便宜的に、図3に示すように、仮想面Bとナット22の外径線Aとの交点を原点として、第1ねじ底がx軸負方向に位置すれば距離Cは負の値、第1ねじ底がx軸正方向に位置すれば距離Cは正の値とした。すなわち、実施例は距離Cが負の値、比較例は距離Cが0以上の値となる。
ドーム部12の開口径は、90mmと150mmの2種類とした。ここで、図4、図5を参照して、実施例及び比較例に係るガス蓄圧器の形状及び寸法について説明する。
首部13の外径は140mm、ナット22の外径は110mmである。
具体的には、首部13の外径は220mm、ナット22の外径は170mmである。
有限要素法解析ソフトであるANSYS18.0を用いて、図4、図5に示すように、二次元軸対称弾性解析を行った。要素としては、四角形8節点要素を用いた。
内圧を受ける耐圧部は図4、図5において太線で示した。具体的には、図4、図5に示すように、円筒部11の内周面、ドーム部12の内面、蓋本体21の内側端面などが耐圧部に該当する。内圧は50MPa及び82MPaとした。
蓋本体21及びナット22を構成する材料として、Ni−Cr−Mo鋼(ASME規格 SA−723M グレード3 クラス2)を想定し、胴体部10のヤング率を191GPa、ポアソン比を0.3とした。
上記材料特性はいずれも室温(20℃)における値を使用した。
まず、内圧82MPaでの応力分布を上述の有限要素法解析によって求めた。これによって、雌ねじ部10aに加わる最大応力を求めた。
次に、内圧82MPaの応力分布から、内圧50MPaにおける応力分布を線形補完によって算出した。ここで、弾性変形範囲内かつ微小変形であるので、内圧と応力分布に比例関係が成立する。
そして、高圧ガス保安協会技術基準KHKS0220の「付属書V(規定) 最適疲労曲線を用いた疲労解析」(非特許文献2)に準拠して、疲労寿命を計算した。
次に、図6、図7を参照して、シミュレーション試験結果について説明する。図6は、内圧82MPaでの雌ねじ部10aに加わる最大応力の距離Cによる変化を示すグラフである。図7は、実施例1、2の疲労寿命を比較例1、2の疲労寿命と比較して示したグラフである。
なお、実施例1は、107回において未破断である。すなわち、実施例1の疲労寿命は107回より大きい。
なお、疲労寿命は例えば3×105回以上であることが好ましい。実施例1、2はいずれも疲労寿命が3×105回を超えている。
また、実施例は、比較例に比べ、首部13が短く、全長も小さいため、ガス蓄圧器を小型化することができる。
10a 雌ねじ部
10b 段差
11 円筒部
12 ドーム部
13 首部
20 蓋
21 蓋本体
21a フランジ部
21b 環状溝
21c 貫通孔
21d 取付口
22 ナット
30 樹脂製シール部材
Claims (5)
- 円筒部と、前記円筒部の開口端から外側に張り出した半球状のドーム部と、前記ドーム部の頂部に設けられた開口の周縁から外側に突出した円筒状の首部と、が一体に形成された胴体部と、
前記首部の内周面に形成された雌ねじ部にねじ止めされた蓋と、を備え、
前記ドーム部の前記開口の直径が90mm以上であって、
前記雌ねじ部において最も内側のねじ底が、前記ドーム部の外面を前記開口に向かって延長した仮想面よりも内側に設けられている、
ガス蓄圧器。 - 前記ドーム部の肉厚が、前記開口に近付くにつれて大きくなっている、
請求項1に記載のガス蓄圧器。 - 充填されるガスの圧力が70MPa以上である、
請求項1又は2に記載のガス蓄圧器。 - 前記ドーム部の前記開口の直径が150mm以下である、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のガス蓄圧器。 - 充填されるガスが水素である、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のガス蓄圧器。
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