JP3517789B2 - フィラメント巻付け式圧力容器のための改良したボス状突起機構 - Google Patents

フィラメント巻付け式圧力容器のための改良したボス状突起機構

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術の分野】本発明は、丸い高圧容器においてフィラ
メントを巻き付けた外殻と非金属内部ライナとの間の構
造境界面を補強するための改良したボス状突起機構に関
する。
【０００２】
【背景技術】多くの環境において、構造上軽量であると
か、破砕や腐食に対して高い抵抗力を有するという属性
は、圧力容器にとって非常に望ましく、求められるべき
特徴である。これら設計上の求めは、長年の間、ガラス
繊維フィラメントあるいは種々のタイプの、熱可塑性エ
ポキシ樹脂で相互に接合されたフィラメントの積層で作
られた高圧複合容器を発達させることで対処されてき
た。エラストマー、またはその他の非金属性の弾性ライ
ナをフィラメントを巻き付けた外殻内に吊り下げて容器
をシールし、内部の流体が複合材料と接触するのを防い
でいる。
【０００３】フィラメント巻付け式の容器は多くの場
合、高圧用途で用いるために、球形あるいはほぼ球形の
端部を備える円筒形の構成である。外殻にある加圧ポー
トところで複合外殻と内部ライナとを確実に結合し、流
体がライナと外殻の間に浸透するのを防止するのにボス
状突起が用いられている。多くの用途において、たとえ
ば、航空宇宙産業において、極めて高い圧力を収容する
のには、172,375kPa（25,000 p.s.i.）で作動し、設計
上のバースト値が344,750kPa（50,000 p.s.i. ）の範囲
内にある複合圧力容器が必要である。その結果、内部圧
力が増大するにつれて、ボス状突起、ライナおよび外殻
の境界面は極度の構造上の負荷にさらされる。
【０００４】一層詳しくは、容器内の圧力が高まるにつ
れて、ボス状突起と複合外殻の間にベアリング応力が生
じ、外殻にくまなく急勾配の歪みを生じさせる。このと
き、内面の歪みの方が外面の歪みよりもかなり高くな
る。内部加圧時の不均一な荷重の結果、これに対応して
生じる変位不連続性によって、ボス状突起と内部ライナ
との間に剪断応力が生じる。加えて、ボス状突起の有す
る半径方向に延びる支持部材が、許容できないレベルの
曲げ応力にさらされ、ボス状突起が破損する可能性があ
る。
【０００５】さらに、容器の加圧中に、ライナおよび外
殻が受ける不都合な荷重にもかかわらず、ライナと外殻
がボス状突起としっかりと係合したままでいることが重
要である。本発明は、上記のフィラメント巻付け圧力容
器に用いられるボス状突起を特徴的な構造とすることに
よって上記の荷重、密封上の問題を克服することを目的
としている。
【０００６】
【発明の概要】したがって、本発明の目的は、高圧容器
の丸くなった部分においてフィラメント巻付け補強外殻
と非金属内部ライナとの間の境界面の構造を補強するた
めの新規な改良したボス状突起を提供することにある。
【０００７】本発明の一形態の実施例においては、ボス
状突起は、圧力容器の球形部分にある開口内に配置され
る。この圧力容器は、フィラメントを巻き付けた外殻と
非金属内部ライナとを有する。（明細書において「外」
とは取付フランジからみてを外殻側をいい、「内」とは
取付フランジからみて容器の内方側をいう。）ボス状突
起は、容器内部から外方に突出する管状ネックと、ネッ
クの内部端から半径方向に延び、開口付近の外殻とライ
ナの境界面の周囲を支持する環状のフランジとを有す
る。オフセットされた取付フランジは支持フランジから
半径方向に延びており、これは、ライナ上の相補形のタ
ブと係合する環状錠止溝を有する。
【０００８】本発明の開示した実施例において、錠止溝
は、取付フランジの２つの軸線方向に対向したオフセッ
ト面のそれぞれに設けてある。取付フランジの外面にあ
る錠止溝は外方に開口しており、取付フランジの内面に
ある錠止溝は内方に開いており、各錠止溝は、ライナと
の確実な係合を維持するために一対の互いに斜めの側壁
の間の底壁を有する。取付フランジのオフセット性は、
ライナがボス状突起との係合から外れて押し出され、外
殻とライナとの間に漏洩を生じさせるリスクを低減す
る。
【０００９】容器の内部加圧時にボス状突起とライナの
間の剪断応力を低減するために、非金属製の剪断応力逃
がし層を、環状のフランジの外面と外殻の内面との間に
挿設する。この挿設された層は、任意のプラスチック、
エラストマーその他の非金属材料で作ることができ、成
形法あるいはシート素材からの切断で製作することがで
きる。
【００１０】加圧による損傷は、ボス状突起の独特な構
造によっても減る。好ましい形態において、支持するフ
ランジは、容器が加圧されたときに外殻に与える損傷を
防ぐに充分な直径を有し、また、支持するフランジおよ
び取付フランジにおける許容できない曲げ応力レベルを
避けるに充分な厚みとなっている。ボス状突起は、アル
ミ、鋼、ニッケル、チタンの合金あるいは他の金属で作
ることができる。
【００１１】本発明の別の形態において、ライナは、吹
き込み成形の高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）で作られ
る。加圧ポートに隣接してボス状突起には軸対称インタ
フェース部材が固着してあってライナを取り付けるため
の場所を与えている。好ましくは、インタフェース部材
は、射出成形のＨＤＰＥで作られ、これは、固化したと
きに、ボス状突起と一致するように収縮し、ボス状突起
にしっかりと成形される。ライナは、たとえば、プラス
チック成形によって、インタフェース部材に直接接合さ
れる。ネジ付の保持用のナットがボス状突起のネックを
通って前進し、インタフェース部材を所定位置に錠止す
る。
【００１２】本発明の他の目的、特徴および利点は、添
付図面に関連した以下の詳しい説明から明らかとなろ
う。
【００１３】本発明は、その目的および利点と共に、添
付図面に関連した以下の説明から理解して貰えよう。な
お、図面を通じて類似した構成要素には同様の参照符号
が付けてある。
【００１４】
【好ましい実施例の説明】図１は、全体的に１０で示す
軸対称の圧力容器の丸くなった、好ましくは、ほぼ球形
の端を断片断面で示している。圧力容器１０は、繊維補
強外殻１２と非金属内部ライナ１４とからなる。本発明
によるボス状突起１６が、外殻１２に形成した、容器の
極に存する開口１８を貫いて外方に突出して加圧ポート
２０を構成しており、この加圧ポートによって高圧の流
体が圧力容器１０の内部を通じている。しかしながら、
ここで、本発明が容器の、容器の極でない部分に存する
開口、たとえば、純粋に球形の容器の開口で使用できる
ことは了解されたい。薄い剪断力吸収層２２が、外殻１
２、ボス状突起１６およびライナ１４の間に挿設してあ
り、後述するように、容器の加圧中に外殻あるいはライ
ナへの損傷を防ぐようになっている。
【００１５】外殻１２は、樹脂マトリックスと繊維補強
材料とからなる一般に知られている複合補強材からな
る。繊維は、ガラス繊維、アラミド繊維、カーボン、グ
ラファイトその他の任意の一般に知られた繊維状補強材
料である。使用する樹脂マトリックスとしては、容器を
使用しようとしている特定の用途にとって必要な、破砕
に対して高い抵抗力を有するという属性を与えることの
できるエポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、熱可
塑性その他任意の適当な樹脂性材料がある。
【００１６】内部ライナ１４は、プラスチックその他の
エラストマーで作ることができ、圧縮成形、吹き込み成
形、射出成形その他任意の一般に知られている技術によ
って製作することができる。ボス状突起１６は、好まし
くは、アルミ、鋼、ニッケル、チタンの合金からなる
が、他の金属、非金属材料、たとえば、複合材料が適し
ているということは了解されたい。薄い層２２は、プラ
スチックその他の非金属材料で作ることができ、成形法
あるいはシート素材からの切断によって製作することが
できる。
【００１７】図１に示すように、ボス状突起１６は、外
方に突出するネック２４を有し、テーパ付きのスロート
２６が外殻１２の、容器の極に存する開口１８を貫いて
延びている。スロート２６は、外殻を構成する繊維、樹
脂マトリックスを受け入れる凹面の周溝を形成するよう
にテーパが付けてある。こうして、外殻がボス状突起１
６を保持してボス状突起が容器１０内へあるいはその外
へ移動するのを防ぐようになっている。
【００１８】圧力容器１０の内側と接するように、環状
の支持するフランジ２８がネック２４から放射状に広が
っており、支持するフランジ２８の外面３０が構成され
ている。この外面によって、加圧荷重が複合外殻１２に
ある、容器の極に存する開口１８の円周長さの付近に分
配される。支持するフランジ２８は、幅Ｗ１を有し、支
持するフランジ２８の全直径は、圧力容器１０が加圧さ
れたときに外殻１２に損傷を与えるのを防ぐに充分なも
のとなっている。
【００１９】加えて、薄い層２２の一部は、支持するフ
ランジ２８、ライナ１４および外殻１２の間に挿設され
ており、容器加圧時の損傷をさらに低下させる。特に、
容器内部の加圧は、丸い容器端の膨張によるゆがみを生
じさせ、その結果、外殻１２の内面、ライナ１４および
支持するフランジ２８の対応部分間の相対的なスリップ
が生じる可能性がある。この相対的なスリップを吸収
し、この境界面のところで生じる剪断応力を逃がすため
に、挿設された層２２は丸い容器端の全域に亘って、圧
力容器１０の円形断面の直径Ｄ１にほぼ等しい距離、延
びている。
【００２０】環状の取付フランジ３２は、支持するフラ
ンジ２８から半径方向外方へ距離Ｗ２突出している。こ
の取付フランジ３２は、距離Ｔ１だけ支持するフランジ
２８の外面３０から内方へオフセットしている外面３４
を有し、また、距離Ｔ2 だけ支持するフランジ２８の内
面３８から外方へオフセットした内面３６を有する。し
たがって、支持するフランジ２８は、容器加圧時にボス
状突起内の曲げ応力を許容レベルまで制限するに充分な
厚さＴ3 を有する。
【００２１】一対の環状の第一錠止溝４０、第二錠止溝
４２が、取付フランジ３２の外面３４に一方を、支持す
るフランジの内面３６に他方というように設けてある。
各錠止溝は、内部ライナ１４にあるそれぞれ相補形の第
一タブ４４、第二タブ４６を受け入れる。
【００２２】第一錠止溝４０は、一対の互いに斜めにな
った側壁５０の間にある底壁４８を有する外方に開いた
溝、すなわち、ありみぞである。ここで、ライナをボス
状突起に機械的に錠止するのに有効な他のアンダカット
類も本発明では考えられることは了解されたい。
【００２３】第二錠止溝４２は、取付フランジ３２の内
面３６に形成されており、一対の互いに斜めになった側
壁５４の中間にあってありみぞを構成する底壁５２を有
する。斜めの側壁５０、５４およびそれぞれのライナに
存する第一タブ４４、第二タブ４６の相補幾何学形状に
より、ボス状突起１６上に内部ライナ１４を確実に係合
させ、保持することができ、したがって、加圧流体がラ
イナと外殻１２の間から漏れるのが防止される。
【００２４】外面３４の内方のオフセットＴ１と内面３
６の外方のオフセットＴ２とによって示されるように、
取付フランジ３２にオフセットが存するという特性は、
取付フランジと共にシールを行って漏洩を防止するに充
分な表面積をライナに与えることによって、加圧時にラ
イナ１４がボス状突起１６との係合から外れて押し出さ
れるリスクを低下させる。
【００２５】図２は、本発明の別の実施例を示してお
り、内部ライナ１４は、取付フランジ３２の外面３４に
形成した環状の第一錠止溝４０とのみ係合する。図２に
示す実施例では、内部ライナ１４は、ボス状突起１６と
係合するただ１つの環状の第一タブ４４を持つだけであ
る。
【００２６】図３は、全体的に５８で示すフィラメント
巻き付け圧力容器と一緒に用いるボス状突起５６のさら
に別の実施例を示している。圧力容器５８は、繊維補強
した外殻６０と非金属内部ライナ６２とを有する。好ま
しい形態では、内部ライナは、吹き込み成形した高密度
ポリエチレン（ＨＤＰＥ）からなる。ボス状突起５６
は、外殻６０内に形成された、容器の極に存する開口６
６を貫いて軸線方向外方に延びる環状ネック６４を有す
る。その加圧ポートを通して、高圧流体が圧力容器５８
の内部と通じている段付きの加圧ポート６８を構成す
る。
【００２７】圧力容器内すぐのところで環状の支持フラ
ンジ７０がネック６４から外方に延びており、これは、
図３に示すとおり、互いに逆方向に傾斜している外面７
２と内面７４とを有する。換言すれば、表面７２、７４
はフランジ７０の周縁に向かって収束している。外面７
２は、複合外殻６０の極開口６６の周囲まわりに加圧荷
重を分布させて、圧力容器５８加圧時に外殻に損傷を与
えるのを防ぐ。内面７４は、加圧ポート６８に隣接して
くぼみ部分７５を有し、また、後述する目的のための軸
線方向内方に開いた溝７７を有する。
【００２８】外殻６０、ボス状突起５６、内部ライナ６
２間には薄い剪断力吸収層７６が挿設してあって、容器
の加圧時に外殻あるいはライナに損傷を与えるのを防ぐ
ようになっている。一層詳しくは、剪断力吸収層７６
は、一対の分岐する薄い層７８、８０を有する。薄い層
７８は、支持するフランジ７０の外面７２と外殻６０の
内面の間に設置され、薄い層８０は、支持するフランジ
７０の内面７４と内部ライナ６２の外面との間に置かれ
る。剪断力吸収層７６は、好ましくは、容器５８が加圧
されたときに支持するフランジ７０、内部ライナ６２、
外殻６０の境界面のところに生じるスリップによって引
き起こされる剪断応力を逃がすに適した材料で形成す
る。剪断力吸収層に適切な特性を与えるに適した材料と
しては、射出成形の熱可塑性エラストマー、たとえば、
熱可塑性ゴムがあることがわかっている。
【００２９】内部ライナ６２は、軸対称のインタフェー
ス部材８２によってボス状突起５６に取り付けられる。
このインタフェース部材は、好ましくは、射出成形した
高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）からなり、これは、冷
却時に、収縮して図３に示すようにボス状突起５６と合
体する。さらに詳しくは、ＨＤＰＥは、固化すると、加
圧ポート６８に配置された細長いハブ８４と、支持する
フランジ７０の内面７４のくぼみ部分７５内に着座した
半径方向のつば８６とを形成する。ＨＤＰＥは、溝７７
に流入し、インタフェース部材と極に存するボス状突起
５６を相互錠止するための相補形タブ８８を形成する。
インタフェース部材８２を極に存するボス状突起により
堅固に結合したい用途では、接着剤コーティングをボス
状突起に施してからＨＤＰＥを射出する。ひとたびイン
タフェース部材８２がボス状突起５６に堅固に固着され
たならば、ライナ６２は共通の継ぎ目９０に沿ってイン
タフェース部材に結合される。ＨＤＰＥライナ６２およ
びインタフェース部材８２を確実に結合するには、普通
のプラスチック溶接技術、たとえば、電熱器による溶接
が有効である。
【００３０】インタフェース部材８２の固着は、ねじの
ついている保持用のナット９２によって強化される。こ
のナットは、ボス状突起にある加圧ポート６８から挿入
されて進み、細長いハブ８４の末端をネック６４の段付
き内側壁面９３に対して錠止する。保持用のナット９２
とインタフェース部材８２の間には、Ｏリング・シール
９４が保持されている。
【００３１】図３に示すボス状突起構造は、主要漏洩経
路、すなわちインタフェース部材８２上のハブ８４の末
端がボス状突起５６と接合する接合点を、圧力容器のネ
ックの内方に動かし保持用のナット９２の上流側に移動
させることによって、ライナ６２からの漏洩のリスクを
より有効に減らす。その結果、この結合部は、容器内に
収容された圧力を受けず、漏洩の可能性が減る。加え
て、図３の実施例は、ボス状突起５６を容器５８内の流
体から隔離し、それによって、１）圧力容器の流体の汚
染と、２）ボス状突起の腐蝕を防ぐことができる。
【００３２】ここで、本発明がその思想または本質から
逸脱することなく他の形態で具体化できることは了解さ
れたい。したがって、本説明および実施例は、あらゆる
点で、説明のためのものであり、限定するものではな
く、本発明はここに開示した詳細に制限されるものでは
ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボス状突起を有する軸対称圧力容器の
丸い端の断片断面図である。
【図２】図１に類似した断片断面図であるが、ボス状突
起が圧力容器にボス状突起の片側に沿ってのみ結合さ
れ、内部ライナが半径方向のフランジの錠止溝のうちの
一方とのみ係合している状態を示す図である。
【図３】ボス状突起構造のさらに別の実施例を有する軸
対称圧力容器の丸い端の断片断面図である。
【符号の説明】
１０・・・圧力容器 １２・・・外殻 １４・・・内部ライナ １６・・・ボス状突起 １８・・・容器の極に存する開口 ２０・・・加圧ポート ２２・・・剪断力吸収層 ２４・・・ネック ２６・・・スロート ２８・・・フランジ ３０・・・外面 ３２・・・取付フランジ ３４・・・外面 ３６・・・内面 ３８・・・内面 ４０・・・第一錠止溝 ４２・・・第二錠止溝 ４４・・・第一タブ ４６・・・第二タブ ４８・・・底壁 ５０・・・側壁 ５２・・・底壁 ５４・・・側壁 ５６・・・ボス状突起 ５８・・・圧力容器 ６０・・・外殻 ６２・・・内部ライナ ６４・・・ネック ６６・・・容器の極に存する開口 ６８・・・加圧ポート ７０・・・フランジ ７６・・・剪断力吸収層 ７８・・・薄い層 ８０・・・薄い層 ８２・・・インタフェース部材 ８４・・・細長いハブ ８６・・・つば ８８・・・タブ ９０・・・共通の継ぎ目 ９２・・・保持用のナット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロナルド ビー ベイズ アメリカ合衆国 68506 ネブラスカ州、 リンカンウィロウ ウッド サークル 3320 (72)発明者 デイル ビー ティラー アメリカ合衆国 68521 ネブラスカ州、 リンカンエヌ．フォーティーンス 6200 (56)参考文献 特開 平３−89098（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−13913（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−28837（ＪＰ，Ａ) 米国特許3319658（ＵＳ，Ａ)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フィラメントを巻きつけた外殻（１２）と
    非金属製内部ライナ（１４）とを有する圧力容器（１
    ０）のボス状突起機構であって、 前記機構が、外殻内の開口部（１８）を通して外方に突
    出する管状のネック（２４）を持つボス状突起と容器
    （１０）内のネック（２４）の端から半径方向に延びる
    環状のフランジ（２８）とを包含し、 環状のフランジ（２８）が、前記外殻（１２）内の開口
    部（１８）の境界を補強するための外面（３０）を有
    し、環状のフランジ（２８）の外面（３０）内のほぼあ
    りつぎ形の第一錠止溝（４０）と、環状のフランジ（２
    ８）の内面（３８）内のほぼありつぎ形の第二錠止溝
    （４２）とを有し、ライナ（１４）が、環状のフランジ
    （２８）のところで環状のフランジ（２８）の外側と環
    状のフランジ（２８）の内側を分離するようになってお
    り、環状のフランジ（２８）の外面（３０）内の第一錠
    止溝（４２）に錠止するためのライナ（１４）の外側の
    ほぼありつぎ形の第一タブ（４４）と、環状のフランジ
    （２８）の内面（３８）内の第二錠止溝（４２）に錠止
    するためのライナ（１４）の内側のほぼありつぎ形の第
    二タブ（４６）とを有することを特徴とするボス状突起
    機構。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のボス状突起機構であっ
    て、 そこにおいて、ライナ（１４）から独立した剪断力吸収
    層（２２）が、環状のフランジ（２８）の外面（３０）
    と外殻（１２）の内面との間に、容器（１０）の加圧時
    にそれらの間に発生するスリップを吸収するために、挿
    設されていることを特徴とするボス状突起機構。
  3. 【請求項３】請求項１に記載のボス状突起機構であっ
    て、 環状のフランジ（２８）の外面（３０）と外殻（１２）
    の内面との間に挿設され た剪断力吸収層（２２）が、容
    器（１０）の加圧時にそれらの間に発生するスリップを
    吸収するために、包含されているボス状突起機構。
  4. 【請求項４】請求項２または請求項３に記載のボス状突
    起機構であって、剪断力吸収層（２２）が熱可塑性のエ
    ラストマーから作られていることを特徴とするボス状突
    起機構。
  5. 【請求項５】請求項１から請求項４のいずれかに記載の
    ボス状突起機構であって、環状のフランジ（２８）から
    半径方向に延びる取付フランジ（３２）を包含し、外殻
    （１２）の内側に間隔をもって配置された外面（３４）
    を持ち、ほぼありつぎ形の第一錠止溝（４０）が取付フ
    ランジ（３２）の外面（３４）にあることを特徴とする
    ボス状突起機構。
  6. 【請求項６】請求項５記載のボス状突起機構であって、
    取付フランジ（３２）が、環状のフランジ（２８）の内
    面（３８）からオフセットする内面（３６）を持つこと
    を特徴とするボス状突起機構。
  7. 【請求項７】請求項６記載のボス状突起機構であって、
    ほぼありつぎ形の第二錠止溝（４２）が、取付フランジ
    の内面（３６）内にあることを特徴とするボス状突起機
    構。
  8. 【請求項８】請求項５から請求項７のいずれか記載のボ
    ス状突起機構であって、取付フランジ（３２）の外面
    （３４）が、環状のフランジ（２８）の外面（３０）か
    らオフセットしていることを特徴とするボス状突起機
    構。
  9. 【請求項９】請求項１から請求項８のいずれかに記載の
    ボス状突起機構であって、ボス状突起（１６）が、アル
    ミ、鋼、ニッケル、およびチタンの合金あるいは、複合
    材料からなるグループから選択された材料からなること
    を特徴とするボス状突起機構。
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