JP4753259B2 - 圧力容器の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、耐圧強度を必要とし、水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金容器などに好適な筒形状の圧力容器の製造方法に関するものである。
一般的によく見られる薄肉の角筒容器は、携帯電子機器などのＬｉ−ｉｏｎ電池に使用されており、量産対応可能な薄肉容器の製法として深絞り成形などが用いられている。しかし、マイクロ燃料電池等に用いられる水素貯蔵容器では、水素吸蔵合金の合金膨張に耐えられるような耐圧強度が必要となる。特に、電池の小型化、軽量化のために容器板厚が１ｍｍ以下というような薄肉のものもあり、容器強度に対する要求はより厳しくなっている。
筒形状の容器において内圧強度を向上するためにリブを設けることは公知の技術（例えば特許文献１参照）であるが、この場合には、上記した深絞り成形法によってはリブを設けることはできない。
一般的なリブ接合方法としては、大きな容器の場合、リブを内側より溶接やロウ付けにより接合する方法がある。また、小さな容器の製造方法としては、ロストワックス、ダイキャスト、ＭＩＭなど精密鋳造あるいは射出成形により、内部リブを一体化して作る製法がある。
特開平９−４２５９５号公報
しかし上記のように、内側から容器にリブを溶接等する方法は、小さな容器の場合、作業が困難であり、また容器板厚が薄いため溶接あるいはロウ付けでは熱影響が大きく容器が変形してしまう問題がある。また、精密鋳造や射出成形では、容器板厚が１ｍｍ以下となるような薄肉で小さな容器の製造は困難であるという問題がある。
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、溶接による熱影響を小さくできる抵抗溶接（コンデンサー溶接を含む）やレーザー溶接などにより容器の外側からのリブ接合を可能にして薄肉、小型の圧力容器の製造を可能とする圧力容器の製造方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の圧力容器の製造方法のうち、請求項１記載の発明は、板厚１ｍｍ以下の扁平筒形状に深絞り成形され、水素吸蔵合金を収容する圧力容器内に該圧力容器の内寸高さに合わせた高さを有し、該圧力容器の全長よりも板長が短いリブ板を前記圧力容器の高さ方向に沿い、かつ板長方向端部で隙間を有するように前記圧力容器の前記全長方向に沿って配置し、該圧力容器の外側から内側に向けて圧力を加え、該リブ板を圧力容器壁の外部からの抵抗溶接により、該圧力容器の壁内面に立設した状態で板長方向に沿って接合することを特徴とする。
請求項２記載の圧力容器の製造方法の発明は、請求項１に記載の発明において、前記リブ板は、板面両側に連通する連通切り欠きを有していることを特徴とする。
請求項３記載の圧力容器の製造方法の発明は、請求項１または２に記載の発明において、複数の前記リブ板のうち、一部または全部は、隣接するリブ板との間に掛け渡されて隣接するリブ同士を固定する連結板を有していることを特徴とする。
請求項４記載の圧力容器の製造方法の発明は、請求項３に記載の発明において、複数の前記リブ板のうち、一部または全部は、隣接するリブ板との間に掛け渡されて隣接するリブ同士を固定する連結板を有していることを特徴とする。
本発明によれば、外部からの溶接によって圧力容器の内壁面にリブ板を接合することができ、小型の圧力容器においても接合作業を容易に行うことができる。圧力容器は、略角筒形状のもので、扁平な筒形状のものである。該圧力容器は、量産が容易な深絞り成形によって成形することができる。なお、外部からの溶接は、抵抗溶接（コンデンサ溶接を含む）により行う。抵抗溶接は、溶接による熱影響を小さくすることができ、薄肉の圧力容器においても変形などを伴うことなく良好にリブ板の溶接を行うことができる。
なお、抵抗溶接は、接合する金属同士に一定の圧力を加えながら決められた電流を流し、主に被溶接物間の接触抵抗発熱を利用して接合する技術である。したがってロウ材や溶接棒などの消耗品は不要となる。また数ボルトの電圧による溶接のため、作業者への危険はなく、熱、けむり、光などをほとんど生じないため、作業環境はいたってクリーンである。また、この抵抗溶接は、他の工法に比べ、品質の安定性、コストパフォーマンスの優位性、操作や保守の簡易さから、多くの省力化、自動化装置に有効と認められている。
また、上記抵抗溶接に含まれるコンデンサ溶接は、溶接に必要なエネルギ（電気量）を電解コンデンサに充電し、これを瞬時に溶接トランスに放電して大きな溶接電流を流すものである。電解コンデンサに充電したエネルギを瞬時に放電するため、短時間で大電流が得られ熱影響の少ない溶接が可能となる。
ＹＡＧレーザなどのレーザ溶接は、小さいスポットにレーザが集中照射されるので、熱が拡散しにくく、溶け込みが縦方向に伝わる為、歪み・焼け焦げが少なくなり、溶け込みの深い溶接が可能となる。
上記リブ板は、対向する圧力容器の壁内面間に亘って配置、接合されることにより、圧力容器の耐圧強度をより大きくすることができる。なお、リブ板の枚数は特に限定されるものではなく、例えば複数枚を略等間隔で配置することで圧力容器の耐圧強度を均等に高めることができる。
また、リブ板は、水素吸蔵合金を収容した場合に通気性を良好に得るために、板面両側に連通する連通切り欠きを設けるのが望ましい。連通切り欠きの形状は特に限定されるものではないが、強度向上効果をできるだけ阻害しないように、十分な連通面積で設けるのが望ましい。なお、連通切り欠きは、中抜きや外抜きなどにより複数設け、板長方向に等間隔で設けることが望ましい。
また、外部から圧力容器内面にリブ板を溶接する場合、リブ板が容器内面に密着していることにより良好な接合がなされる。このため、溶接に際しては、通常は圧力容器の外側から内側に向けて圧力を付加してリブ板と圧力容器内面との密着を図っている。このため、リブ板は、上記加圧に耐える強度（板厚）を有する必要があり、たとえば１ｍｍ程度必要となる。しかし、板厚が厚すぎると、その分内容積が減り、水素貯蔵容器の場合には、水素の充填率が低下してしまうため、板両面側に連通する連通切り欠きを設け内容積を増やすことできる。なお、連通切り欠きは、中抜きや外抜きなどにより複数設け、板厚方向に等間隔で設けることが望ましい。なお、この板の強度は水素吸蔵容器の膨張に十分に耐える必要がある。上記加圧によってリブ板が倒れるの防止するため、隣接するリブ板間に連結板を設けることができる。該連結板の配置位置は特に限定されるものではないが、例えばリブ板の端部間を連結することで、全体で略Ｕ字形状のリブ板とすることができる。
上記連結板により、溶接時にリブが倒れる心配がないため、リブを押さえる冶具など装置が簡略できる。また、上記連結板は、折り曲げ加工により成形され、その際角部の高さが不均一となるため、リブ板よりも小さい高さにして、圧力容器内面に接触しないようにすることもできる。
なお、リブ板は、板長方向において圧力容器の全長に亘って配置すると、水素吸蔵合金などを収容する場合、通気性を阻害するので、板長方向において端部に圧力容器端部との間で隙間を有する状態で配置する。
以上説明したように、本発明の圧力容器の製造方法によれば、板厚１ｍｍ以下の扁平筒形状に深絞り成形され、水素吸蔵合金を収容する圧力容器内に該圧力容器の内寸高さに合わせた高さを有し、該圧力容器の全長よりも板長が短いリブ板を前記圧力容器の高さ方向に沿い、かつ板長方向端部で圧力容器端部と隙間を有するように前記圧力容器の前記全長方向に沿って配置し、該圧力容器の外側から内側に向けて圧力を加え、該リブ板を圧力容器壁の外部からの抵抗溶接により、該圧力容器の壁内面に立設した状態で板長方向に沿って接合するので、小型、薄肉の圧力容器においてもリブ板を内部に配置固定して圧力容器の耐圧強度を向上させることができ、水素吸蔵合金容器として合金膨張に対し、優れた強度を示す。さらに、容器製造が簡単となるため量産化が可能となる。
また、容器板厚の薄肉化およびリブ形状の最適化により内容積を大きくすることができ、水素貯蔵容器として体積効率を向上できる効果もある。
以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づき説明する。
扁平な角筒形状からなり、ブリキ、ＳＵＳ材、アルミニウム材などの材料からなる容器本体１を深絞りなどによって成形し、該容器本体１の内寸高に合わせた高さの複数のリブ板２…２を用意する。該リブ板２は、容器本体１の全長よりも短い長さで形成されている。
これらのリブ板２を容器本体１内に等間隔で配置し、各リブ板２の両端側が、容器本体１の両端から略同じ距離を隔てるように配置される。
上記のようにしてリブ板２を配した容器本体１に対し、上下から圧力を加えてリブ板２の上下端を容器本体１の壁内面に密着させる。この容器本体１に対し、抵抗溶接により、容器本体１内面と数本のリブ板２とを接合する。また、上記抵抗溶接に変えてレーザ溶接を採用してもよい。リブ板の接合は、数本のリブ板の上下面を一度に接合しても１本づつ片面のみ接合してもどちらでもよく、複数の溶接機により数本のリブ板の片面または上下面を一度に接合してもよい。
リブ板２を接合した容器本体１にリブ板２を外部から溶接することによって図２に示す圧力容器１０が得られる。図中の想像線は、溶接線１１を示すものであり、リブ板２に沿って存在している。該圧力容器１０は、水素吸蔵合金容器として用いる場合、内部に水素吸蔵合金粉末（図示しない）を収容し、容器本体１の開放端に蓋１２を被せ、溶接などによって固定する。蓋１２にはガス出入り口１３を設けて水素ガスの内外移動を可能にする。
上記圧力容器１０では、内部に収容した水素吸蔵合金が、ガス出入り口１３を通して導入された水素を吸蔵する際に合金が膨張するが、該合金膨張に対し、優れた耐圧強度を示すことができる。
また、上記リブ板は、リブ板の両面側の通気性を高めるため、連通切り欠きを中抜きや外抜きにより設けることができる。図３（ａ）は、中抜きの連通切り欠き２０ａを設けたリブ板２０を示すものである。連通切り欠き２０ａは、板長方向に等間隔で形成されており、連通切り欠き２０ａ間の柱状部で容器本体１の耐圧強度を高めることができる。
また、図３（ｂ）は、外抜きの連通切り欠き２１ａを設けたリブ板２１を示すものである。連通切り欠き２１ａは、板長方向に等間隔で形成されており、連通切り欠き２１ａ間の柱状部で容器本体１の耐圧強度を高めることができる。なお、中抜きの連通切り欠きと外抜きの連通切り欠きとを混合させて形成したものであってもよい。
さらに、上記リブ板は、溶接時に容器本体に圧力を加えても、倒れることなく安定した姿勢を維持できるように、隣接するリブ板との間に連結板を設けることができる。
図４では、一端側に連結板３０ａが固定されて全体としてＵ字形状を有しているリブ板３０、３０が用いられている。なお、連結板３０ａは、リブ板３０、３０よりも高さが小さくなっており、容器本体１の内面には、少なくとも一方が接触しないように形成されている。これは、前述のように、リブ板をＵ字加工すると角部のリブ高さが高くなるため、曲げによる出っ張りを無視できる形状にしたためでもある。
該リブ板３０も上記と同様に、抵抗溶接やレーザ溶接によって容器本体１の内面に接合される。この際に、連結板３０ａは、容器本体１の内面との接合はなされない。
上記リブ板３０は、溶接時に容器本体１に圧力を加える際にも、倒れることなく安定した姿勢を維持し、容器本体１に十分な圧力を加えた状態で溶接を行うことができる。この結果、圧力容器内面とリブ板との密着性を高め、両者の溶接性を向上させることが可能になる。
以下に、本発明の一実施例を説明する。
ブリキ材板厚０．６ｍｍの深絞り成形による角筒容器（４０×４５×５．８ｍｍ）を用意し、図１に示したものと同様に内部リブ４本を配置し、容器側面の上下を電極で挟み、容器壁内面とリブ板がしっかりと密着するよう荷重を加えた上で、外部からのコンデンサ溶接により接合した。該溶接では、電極間に電圧電流を加えることで、瞬時に電極壁内面とリブ板との密着部分が融合して完全に接合された。これにより角筒容器の耐圧強度は６ＭＰａとなった。リブ板を接合した角筒容器は、内部に水素吸蔵合金を充填後、蓋板を溶接して水素貯蔵容器とした。該容器は、水素吸蔵合金の水素吸蔵による合金膨張に十分耐え、水素満充填時に容器が５５℃に昇温され容器内圧力が５ＭＰａを超えても容器が壊れることはなかった。
また、リブ板厚を１ｍｍとし、形状は中抜きあるいは外抜きに加工した。このとき、リブ板の引張り強度を６ＭＰａ、耐圧するため断面積を１ｍｍ厚さに対して３０％以上確保した。このように中抜きあるいは外抜きに加工したことで、リブの占有容積を５０％削減でき容器内容積を向上することができた。
本発明の一実施形態における圧力容器の製造過程を示す図であり、圧力容器の分解斜視図、平面断面図、側面断面図を示す。 同じく、実施形態で得られた圧力容器および使用状態の圧力容器を示す斜視図である。 同じく、リブ板の変更例を示す図である。 同じく、さらにリブ板の変更例を示す図である。
符号の説明
１ 容器本体
２ リブ板
１０ 圧力容器
１１ 溶接線
２０ リブ板
２０ａ 連通切り欠き
２１ リブ板
２１ａ 連通切り欠き
３０ リブ板
３０ａ 連結板

Claims (4)

  1. 板厚１ｍｍ以下の扁平筒形状に深絞り成形され、水素吸蔵合金を収容する圧力容器内に該圧力容器の内寸高さに合わせた高さを有し、該圧力容器の全長よりも板長が短いリブ板を前記圧力容器の高さ方向に沿い、かつ板長方向端部で圧力容器端部と隙間を有するように前記圧力容器の前記全長方向に沿って配置し、該圧力容器の外側から内側に向けて圧力を加え、該リブ板を圧力容器壁の外部からの抵抗溶接により、該圧力容器の壁内面に立設した状態で板長方向に沿って接合することを特徴とする水素吸蔵合金容器の製造方法。
  2. 前記リブ板は、板面両側に連通する連通切り欠きを有していることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器の製造方法。
  3. 複数の前記リブ板のうち、一部または全部は、隣接するリブ板との間に掛け渡されて隣接するリブ同士を固定する連結板を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力容器の製造方法。
  4. 前記連結板は、前記リブ板よりも高さを小さくしていることを特徴とする請求項３記載の圧力容器の製造方法。
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