JP2021076174A - 圧力容器 - Google Patents

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Abstract

【課題】容器本体における開口端部に口金を取り付けるときに、その口金に亀裂等が発生するのを防止できる圧力容器を得る。
【解決手段】少なくとも一端側に円筒状の開口端部１４を有し、内部に気体が充填される容器本体１２と、容器本体１２の外面を被覆した繊維強化樹脂製の被覆部１６と、内面に突起部を有する複数の口金本体２２を開口端部１４の周方向に連結して構成され、開口端部１４の外周面を被覆した被覆部１６に突起部を食い込ませることで開口端部１４の外周面に取り付けられた円筒状の口金２０と、を備えた圧力容器１０であって、口金２０は、口金本体２２の周方向における端部に形成された嵌合部３０を嵌合させることで連結されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧力容器に関する。
円筒状のライナと、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）を用いて形成され、ライナを補強する補強部（補強層）と、を備え、水素が内部に貯蔵される圧力容器は、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。この圧力容器におけるライナの端部には、口金が強固に取り付けられるようになっている。すなわち、口金に設けられた突起部が補強部（補強層）に食い込むようになっている。
特開２０１８−１１２２０４号公報
口金としては、複数（例えば８個）の口金本体を、径方向が厚み方向とされた薄板状のつなぎ部によって連結し、各つなぎ部を局所的に変形させることで、容器本体としてのライナの開口端部に取り付ける構造が考えられる（図１２参照）。このような構造にすると、口金を構成する部品点数を削減できる利点がある。
しかしながら、このような構造では、各つなぎ部を局所的に変形させてライナの開口端部に口金を取り付けるときに、その変形のために加える力のばらつきなどにより、各口金本体を径方向内側へ均等に押し込むことができず、１つ又は複数のつなぎ部に亀裂等が発生してしまうおそれがある。
そこで、本発明は、容器本体における開口端部に口金を取り付けるときに、その口金に亀裂等が発生するのを防止できる圧力容器を得ることを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の圧力容器は、少なくとも一端側に円筒状の開口端部を有し、内部に気体が充填される容器本体と、前記容器本体の外面を被覆した繊維強化樹脂製の被覆部と、内面に突起部を有する複数の口金本体を前記開口端部の周方向に連結して構成され、前記開口端部の外周面を被覆した前記被覆部に前記突起部を食い込ませることで前記開口端部の外周面に取り付けられた円筒状の口金と、を備え、前記口金は、前記口金本体の前記周方向における端部に形成された嵌合部を嵌合させることで連結されている。
請求項１に記載の発明によれば、容器本体の開口端部の外周面を被覆した被覆部に突起部を食い込ませることで、その開口端部の外周面に取り付けられた円筒状の口金が、複数の口金本体を開口端部の周方向に連結することで構成されている。すなわち、この口金は、各口金本体の周方向における端部に形成された嵌合部を嵌合させることで連結されている。したがって、容器本体に口金を取り付けるときに、各口金本体を連結する部位を局所的に変形させるようなことはしない。これにより、口金における各口金本体を連結する部位に亀裂等が発生することが防止される。
また、請求項２に記載の圧力容器は、請求項１に記載の圧力容器であって、前記嵌合部は、前記口金本体の前記周方向における一端部に形成された凹部と、前記口金本体の前記周方向における他端部に形成された凸部と、で構成され、前記口金は、隣り合う一方の前記口金本体の前記凹部に、隣り合う他方の前記口金本体の前記凸部を嵌合させることで連結されている。
請求項２に記載の発明によれば、嵌合部が、口金本体の周方向における一端部に形成された凹部と、口金本体の周方向における他端部に形成された凸部と、で構成されており、口金が、隣り合う一方の口金本体の凹部に、隣り合う他方の口金本体の凸部を嵌合させることで連結されている。したがって、各口金本体が簡単に連結される。
また、請求項３に記載の圧力容器は、請求項２に記載の圧力容器であって、前記凸部が前記凹部に圧入される構成とされている。
請求項３に記載の発明によれば、凸部が凹部に圧入される。したがって、凸部と凹部との間に隙間を有している構成に比べて、嵌合部におけるシール性が向上される。
また、請求項４に記載の圧力容器は、請求項２に記載の圧力容器であって、前記凸部の前記凹部への嵌合方向下流側の端部に、少なくとも前記開口端部の径方向へ膨出する膨出部が形成されており、前記膨出部が前記凹部に圧入される構成とされている。
請求項４に記載の発明によれば、凸部の凹部への嵌合方向下流側の端部に、少なくとも開口端部の径方向へ膨出するように形成された膨出部が凹部に圧入される。したがって、膨出部と凹部との間に隙間を有している構成に比べて、嵌合部におけるシール性が向上される。
以上のように、本発明によれば、圧力容器の容器本体における開口端部に口金を取り付けるときに、その口金に亀裂等が発生するのを防止することができる。
本実施形態に係る圧力容器の開口端部側を拡大して示す断面図である。 第１実施形態に係る口金の係止爪を圧力容器の開口端部を被覆した補強層に食い込ませる前の状態を示す斜視図である。 図２におけるＸ−Ｘ線矢視断面図である。 第１実施形態に係る口金の係止爪を圧力容器の開口端部を被覆した補強層に食い込ませた後の状態を示す斜視図である。 図４におけるＹ−Ｙ線矢視断面図である。 第１実施形態に係る口金の係止爪を拡大して示す断面図である。 第１実施形態に係る嵌合前の口金を示す正面図である。 図７における口金の一部を拡大して示す正面図である。 第１実施形態に係る嵌合後の口金を示す図８に相当する正面図である。 第２実施形態に係る嵌合前の口金の一部を拡大して示す正面図である。 第２実施形態に係る嵌合後の口金を示す図１０に相当する正面図である。 比較例に係る口金を一部拡大して示す正面図である。
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各図において適宜示す矢印Ｓを圧力容器１０の軸方向、矢印Ｒを圧力容器１０の径方向、矢印Ｃを圧力容器１０の周方向とする。したがって、以下の説明で、特記することなく軸方向、径方向、周方向と記載した場合には、それぞれ圧力容器１０（後述する開口端部１４を含む）の軸方向、径方向、周方向を示すものとする。
図１に示されるように、本実施形態に係る圧力容器１０は、燃料電池自動車（図示省略）に搭載されたタンクモジュール（図示省略）の一部を構成している。なお、タンクモジュールは、後述する締結部１８などを介して互いに接続された複数の圧力容器１０を含んで構成されている。
圧力容器１０は、内部に気体の水素が充填される容器本体としてのライナ１２と、ライナ１２の外表面を外側から被覆して補強する被覆部としての補強層１６と、ライナ１２の両端に形成された円筒状の開口端部１４の外周面に補強層１６を介して取り付けられた円筒状の口金２０と、を含んで構成されている。
ライナ１２は、ポリアミド合成樹脂等の樹脂材料を用いて略円筒状に形成されている。より具体的に説明すると、このライナ１２は、その長手方向（軸方向）の中間部において内径及び外径が一定とされた円筒状の胴体部１２Ａと、その長手方向（軸方向）の両側部分を構成し、胴体部１２Ａとは反対側（軸方向外側）に向かうに従って徐々に窄まる肩部１２Ｂと、を有している。
そして、このライナ１２は、その長手方向（軸方向）の両端部分（肩部１２Ｂよりも軸方向外側部分）を構成し、胴体部１２Ａ及び肩部１２Ｂよりも内径及び外径が、小径かつ略一定とされた円筒状の開口端部１４を有している。
補強層１６は、繊維強化樹脂製のテープ（図示省略）が、ライナ１２の外表面の全体に複数層に亘って巻き付けられることで形成されている。また、補強層１６の厚みは、ライナ１２の胴体部１２Ａ側から開口端部１４側へ向かうに従って厚くなる構成になっている。更に、補強層１６において、ライナ１２の開口端部１４と対応する部分の外径（後述する口金２０が取り付けられる前の外径）は略一定となっている。なお、本実施形態では、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）の一例として炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）が用いられている。
また、補強層１６に覆われたライナ１２の開口端部１４には、その補強層１６の上から口金２０が取り付けられるようになっている。そして、その口金２０に締結部１８が取り付けられるようになっている。これにより、ライナ１２の一方側の開口端部１４が締結部１８によって閉塞され、かつライナ１２の他方側の開口端部（図示省略）が締結部（図示省略）を介して他の圧力容器１０に接続されるようになっている。なお、図１には、ライナ１２において、締結部１８によって閉塞された側の開口端部１４が示されている。
＜第１実施形態＞
次に、第１実施形態に係る口金２０の構成について説明する。
図２、図４、図７に示されるように、口金２０は、金属材料を用いて円筒状に形成されている。具体的には、口金２０は、周方向に配置された複数（本実施形態では８個）の口金本体２２で構成されている。口金本体２２は、径方向を厚み方向として軸方向に延在するとともに、軸方向から見て、径方向外側へ向けて湾曲された板状に形成されている。
そして、口金本体２２の軸方向外側の端面は、開口端部１４（補強層１６）の端面と面一に配置される平坦面２３とされており、口金本体２２の軸方向内側の端部には、径方向外側へ向けて屈曲されたフランジ部２４が一体に形成されている。なお、各フランジ部２４は、軸方向から見て、頂角が鈍角とされた略二等辺三角形状に形成されている。
図１、図３、図５、図７に示されるように、各口金本体２２の内周面（内面）には、突起部としての複数の係止爪２６が形成されており、この複数の係止爪２６により、各口金本体２２の内周面がローレット形状とされている。各係止爪２６は、軸方向及び径方向に沿って切断した断面視で突出方向の先端側（径方向内側）が尖った鋸刃状に形成されている。
より詳細に説明すると、図６に示されるように、各係止爪２６におけるライナ１２の胴体部１２Ａ側を向く面は、径方向内側へ向かうに従って軸方向外側へ傾斜する傾斜面２６Ａとなっている。また、各係止爪２６におけるライナ１２の胴体部１２Ａ側を向く面とは反対側の面が、径方向に沿う垂直面２６Ｂとなっている。
そして、傾斜面２６Ａと垂直面２６Ｂとが交差する部位が、各係止爪２６の先端部２６Ｃとなっている。各係止爪２６の先端部２６Ｃが、開口端部１４の外周面を被覆している補強層１６の外周部に食い込むことにより、口金２０が開口端部１４に強固に（回転不能に）取り付けられる構成になっている。
また、図１、図３、図５、図７に示されるように、各口金本体２２の外周面（外面）には、ネジ溝２８が形成されている（図２、図４ではネジ溝２８が省略されている）。このネジ溝２８により、口金２０が開口端部１４に取り付けられたときに（各口金本体２２が連結されたときに）、周方向で、かつ軸方向に沿った螺旋状の雄ネジ部２９が形成される構成になっている。なお、後述する締結部１８の雌ネジ部１９は、この雄ネジ部２９に螺合される。
また、図７〜図９に示されるように、各口金本体２２の周方向における端部には、各口金本体２２を周方向に連結するための嵌合部３０が形成されている。嵌合部３０は、口金本体２２の周方向における一端部に形成された凹部３２と、口金本体２２の周方向における他端部に形成された凸部３４と、で構成されている。
より具体的に説明すると、凹部３２は、軸方向から見て、口金本体２２の一端部における径方向略中央部に、周方向を長手方向とする細長い略矩形状に切り欠かれて形成されている。なお、凹部３２の軸方向の長さは、フランジ部２４を除く口金本体２２の軸方向の長さと同じ長さとされている。
凸部３４は、軸方向から見て、口金本体２２の他端部における径方向略中央部に、周方向を長手方向とする細長い略矩形状に突出されて形成されている。なお、凸部３４の軸方向の長さは、フランジ部２４を除く口金本体２２の軸方向の長さと同じ長さとされている。また、凸部３４の先端面３４Ａは、円弧状に形成された円弧面とされている。
そして、隣り合う一方の口金本体２２の凹部３２に、隣り合う他方の口金本体２２の凸部３４を嵌合させることで、各口金本体２２が周方向に連結されるようになっている。つまり、円筒状の口金２０が形成されるようになっている。なお、凹部３２の周方向における深さ（長さ）は、凸部３４の周方向における突出長さよりも少し深く（長く）形成されている。換言すれば、凹部３２に凸部３４を嵌合させたときに、凹部３２の底面３２Ａと凸部３４の先端面３４Ａとの間に空隙が形成されるようになっている（図９参照）。
したがって、凹部３２に凸部３４が嵌合されたときには、隣り合う一方の口金本体２２の周方向における端面２２Ａと、隣り合う他方の口金本体２２の周方向における端面２２Ｂと、が当接される構成になっている。換言すれば、隣り合う一方の口金本体２２の周方向における端面２２Ａと、隣り合う他方の口金本体２２の周方向における端面２２Ｂと、の間に隙間が形成されない構成になっている。
更に、凹部３２の径方向における幅は、凸部３４の径方向における幅よりも若干小さく形成されている（凸部３４の径方向における幅は、凹部３２の径方向における幅よりも若干大きく形成されている）。そのため、凸部３４が凹部３２に嵌合する際には、凹部３２に対して凸部３４が圧入されるようになっている。これにより、ＲＴＭ（樹脂含浸成形）によって補強層１６に樹脂が含浸されている場合でも、その樹脂が口金２０の径方向内側から径方向外側へ漏出しないようにシールされる構成になっている。
以上のような構成とされた第１実施形態に係る口金２０を備えた圧力容器１０において、次にその作用について説明する。
まず、第１実施形態に係る口金２０をライナ１２の開口端部１４に取り付ける工程について説明する。８個の口金本体２２を、それぞれの凹部３２にそれぞれの凸部３４を仮圧入することによって仮連結し、略円筒状とされた口金２０を形成する。そして、図２、図３に示されるように、ライナ１２の開口端部１４の外周側（補強層１６の外周側）に、その略円筒状とされた口金２０を嵌めるようにして配置する（口金配置工程）。これにより、口金２０の各口金本体２２に形成された複数の係止爪２６の先端部２６Ｃが補強層１６の外周面と近接して（隙間を有して）配置される。
続いて、図４、図５に示されるように、口金２０の嵌合部３０を嵌合させ、口金２０を縮径させる（口金嵌合工程）。すなわち、各凹部３２に仮圧入されている各凸部３４をより深く圧入させる。これにより、各口金本体２２が径方向内側へ移動して（縮径して）、隣り合う一方の口金本体２２の端面２２Ａと、隣り合う他方の口金本体２２の端面２２Ｂと、が当接し、複数の係止爪２６が補強層１６に食い込む。以上により、口金２０がライナ１２の開口端部１４に補強層１６を介して取り付けられる。
ここで、図１２に示される比較例について説明する。この比較例に係る口金４０では、８個の口金本体４２が、径方向を厚み方向とする薄板状のつなぎ部４４によって連結されており、各つなぎ部４４を局所的に変形させることで、ライナ１２の開口端部１４に取り付けられる構造になっている。この構造では、その変形のために加える力のばらつきなどにより、各口金本体４２を径方向内側へ均等に押し込むことができず、１つ又は複数のつなぎ部４４に亀裂Ｋ等が発生してしまうおそれがある。
これに対し、本実施形態に係る口金２０は、８個の口金本体２２を嵌合部３０によって周方向に連結することで構成されている。すなわち、この口金２０は、各口金本体２２の周方向における端部に形成された嵌合部３０をそれぞれ嵌合させることで連結されている。したがって、ライナ１２の開口端部１４に口金２０を取り付けるときに、各口金本体２２を連結する部位を局所的に変形させるようなことはしない。これにより、口金２０における各口金本体２２を連結する部位に亀裂等が発生するのを防止することができる。
しかも、その嵌合部３０は、口金本体２２の周方向における一端部に形成された凹部３２と、口金本体２２の周方向における他端部に形成された凸部３４と、で構成されており、口金２０は、隣り合う一方の口金本体２２の凹部３２に、隣り合う他方の口金本体２２の凸部３４を嵌合させることで連結されている。したがって、各口金本体２２を簡単に連結することができる。
また、凸部３４は凹部３２に圧入される。そのため、凹部３２と凸部３４との間に径方向の隙間が形成されることがない。また、凹部３２の底面３２Ａと凸部３４の先端面３４Ａとの間には、空隙が形成されている。そのため、隣り合う一方の口金本体２２の周方向における端面２２Ａと、隣り合う他方の口金本体２２の周方向における端面２２Ｂと、が強固に当接し、各端面２２Ａと各端面２２Ｂとの間にも隙間が形成されることがない。
換言すれば、凹部３２の底面３２Ａに凸部３４の先端面３４Ａが当たってしまうと、隣り合う一方の口金本体２２の周方向における端面２２Ａと、隣り合う他方の口金本体２２の周方向における端面２２Ｂと、の当接が阻害され、各端面２２Ａと各端面２２Ｂとの間に隙間が形成されるおそれがある。本実施形態における口金２０では、このような現象が発生しない。
したがって、軸方向から見て、凹部３２と凸部３４との間に径方向の隙間を有している構成及び各端面２２Ａと各端面２２Ｂとの間に隙間を有している構成に比べて、嵌合部３０におけるシール性を向上させることができる。より具体的に言えば、ＲＴＭ（樹脂含浸成形）によって補強層１６に樹脂が含浸されている場合でも、その樹脂が口金２０の径方向内側から径方向外側へ漏出しないようにシールすることができる。
また、開口端部１４に口金２０が取り付けられると、各口金本体２２の外周部に形成されているネジ溝２８によって螺旋状の雄ネジ部２９が構成される。したがって、この雄ネジ部２９に、締結部１８に形成されている螺旋状の雌ネジ部１９を螺合させることにより、締結部１８をライナ１２の開口端部１４に取り付けることができる（締結部接続工程）。
ここで、上記したように、口金２０は、隣り合う一方の口金本体２２の端面２２Ａと、隣り合う他方の口金本体２２の端面２２Ｂと、を当接させている。したがって、口金２０の内径の寸法管理がし易く、開口端部１４が縮径しても、口金２０が縮径することはない。よって、口金２０に螺合されている締結部１８が緩んで外れてしまうような不具合の発生を防止することができる。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る口金２１の構成について説明する。なお、上記第１実施形態に係る口金２０と同等の部位には同じ符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１０、図１１に示されるように、この口金２１の嵌合部３１を構成する凸部３６の先端部（凹部３２への嵌合方向下流側の端部）には、軸方向から見て、略円形状に膨出する膨出部３８が形成されている。この第２実施形態においては、膨出部３８を有する凸部３６とされている点だけが第１実施形態と異なっている。
軸方向から見て、膨出部３８の直径は、凹部３２の径方向の幅よりも若干大きく形成されている（凹部３２の径方向の幅は、膨出部３８の直径よりも若干小さく形成されている）。したがって、この膨出部３８は、凹部３２に対して圧入される構成になっている。なお、膨出部３８を除く凸部３６と凹部３２との間には、径方向に若干の隙間が形成される構成になっている。
以上のような構成とされた第２実施形態に係る口金２１を備えた圧力容器１０において、次にその作用について説明する。なお、上記第１実施形態と共通する作用については、その説明を適宜省略する。
図１０、図１１に示されるように、凸部３６の膨出部３８が凹部３２に圧入される。そのため、凹部３２と膨出部３８との間には径方向の隙間が形成されることがない。また、凹部３２の底面３２Ａと膨出部３８の先端面３８Ａとの間には、空隙が形成されている。そのため、第１実施形態と同様に、隣り合う一方の口金本体２２の周方向における端面２２Ａと、隣り合う他方の口金本体２２の周方向における端面２２Ｂと、が強固に当接し、各端面２２Ａと各端面２２Ｂとの間にも隙間が形成されることがない。
したがって、軸方向から見て、凹部３２と膨出部３８との間に径方向の隙間を有している構成及び各端面２２Ａと各端面２２Ｂとの間に隙間を有している構成に比べて、嵌合部３１におけるシール性を向上させることができる。特に、軸方向から見て、凸部３６の先端部が、略円形状に膨出した膨出部３８とされているため、凹部３２に圧入された後において、その凹部３２に対して常に径方向のシール点を確保することができる。
なお、膨出部３８を除く凸部３６と凹部３２との間には、径方向に若干の隙間が形成される。しかしながら、その凹部３２と凸部３６とで迷路構造が構成されているため、シール性の低減が抑制される。また、凸部３６の先端部が、略円形状に膨出した膨出部３８とされていると、凹部３２に対して凸部３６が傾いて挿入されたときでも、その膨出部３８が凹部３２に入り易くなる利点がある。
以上、本実施形態に係る圧力容器１０について、図面を基に説明したが、本実施形態に係る圧力容器１０は、図示のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能なものである。例えば、ライナ１２は、少なくとも一端側に円筒状の開口端部１４を有していればよい。
また、第１実施形態において、凸部３４の先端面３４Ａは、軸方向から見て、円弧状に形成された円弧面とされていなくてもよい。但し、凸部３４の先端面３４Ａを円弧面にすると、凹部３２に対して凸部３４を入れ易くなる利点がある。
また、第２実施形態において、凸部３６の膨出部３８は、軸方向から見て、略円形状に形成される構成に限定されるものではない。膨出部３８は、充分なシール性を確保できるように、少なくとも径方向へ膨出されていればよく、例えば、膨出部３８の先端面３８Ａが平坦面とされていてもよい。
また、口金２０を構成する口金本体２２の数量は、図示の８個に限定されるものではない。口金２０を構成する口金本体２２の数量は、開口端部１４の外径（補強層１６の厚みも含む）及び口金本体２２の周方向における長さなどによって適宜設計変更される。
また、ライナ１２に充填される気体は、水素に限定されるものではない。例えば、ヘリウム、窒素などの気体も、ライナ１２には充填可能になっている。また、補強層１６も、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製であればよく、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）製に限定されるものではない。
また、隣り合う一方の口金本体２２の周方向における端面２２Ａと、隣り合う他方の口金本体２２の周方向における端面２２Ｂと、が強固に当接される構成になっていれば、凹部３２の底面３２Ａと、凸部３４の先端面３４Ａ又は膨出部３８の先端面３８Ａと、の間に空隙が形成されていなくてもよい。
１０ 圧力容器
１２ ライナ（容器本体）
１４ 開口端部
１６ 補強層（被覆部）
２０ 口金
２２ 口金本体
２６ 係止爪（突起部）
３０ 嵌合部
３１ 嵌合部
３２ 凹部
３４ 凸部
３６ 凸部
３８ 膨出部

Claims (4)

  1. 少なくとも一端側に円筒状の開口端部を有し、内部に気体が充填される容器本体と、
    前記容器本体の外面を被覆した繊維強化樹脂製の被覆部と、
    内面に突起部を有する複数の口金本体を前記開口端部の周方向に連結して構成され、前記開口端部の外周面を被覆した前記被覆部に前記突起部を食い込ませることで前記開口端部の外周面に取り付けられた円筒状の口金と、
    を備え、
    前記口金は、前記口金本体の前記周方向における端部に形成された嵌合部を嵌合させることで連結されている圧力容器。
  2. 前記嵌合部は、前記口金本体の前記周方向における一端部に形成された凹部と、前記口金本体の前記周方向における他端部に形成された凸部と、で構成され、
    前記口金は、隣り合う一方の前記口金本体の前記凹部に、隣り合う他方の前記口金本体の前記凸部を嵌合させることで連結されている請求項１に記載の圧力容器。
  3. 前記凸部が前記凹部に圧入される構成とされている請求項２に記載の圧力容器。
  4. 前記凸部の前記凹部への嵌合方向下流側の端部に、少なくとも前記開口端部の径方向へ膨出する膨出部が形成されており、前記膨出部が前記凹部に圧入される構成とされている請求項２に記載の圧力容器。
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