JP5018100B2 - 圧力容器及び圧力容器製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力容器、特に樹脂ライナと口金が密接して装着された圧力容器に関する。

圧力容器（タンク）は、一般に、容器本体の開口部に対し、口金を装着して形成される。容器本体は、容器の内側に設けられ気体や液体が直接的に格納されるライナと、ライナの外周を覆ってライナを補強するシェルとによって作られることも多い。

下記特許文献１には、樹脂製のライナに対し、口金をシールするシール部を設けるとともに、シール部の外周にライナの拡径を規制するリング状の規制部材を設ける技術が開示されている。ここでは、具体的には、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）による規制部材を用いている。

なお、下記特許文献２には、シェルとライナ、あるいはシェルと開口部を一体形成した圧力容器についての記載がある。また、下記特許文献３には、口金と樹脂ライナがシールされたタンクにおいて、インサート成形によって、樹脂ライナの被シール箇所に高硬度のリング部材を設けることで、シールを確保する技術が開示されている。

特開２００４−２１１７８３号公報 特開２０００−３５１９６号公報 特開２００５−４８９１９号公報

上記特許文献１の技術を採用した場合、ライナの開口部が変形し、口金とのシールを確保できなくなる可能性がある。この問題について、図７を用いて説明する。図７は、タンクの開口部付近の断面を示す図である。図には、規制部材として機能する補助部材３００と、ライナ３０２のみが描かれており、ライナ３０２の内周にシールして装着される口金は省略されている。

補助部材３００は円環状の断面形状を有しており、６０度毎に計６個の貫通孔３１０，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０が設けられている。ライナ３０２は、この補助部材３００を型の中にセットした状態で、樹脂を型に流し込むインサート成形によって作られている。すなわち、成形時には、樹脂が補助部材３００の内壁に沿って円環状に流されるとともに、各貫通孔３１０〜３２０の中にも流し込まれる。これにより、特に、各貫通孔３１０〜３２０においては、ライナ３０２の樹脂と補助部材３００とが比較的強固に結合する。

樹脂は、一般に、成形後の冷却過程で収縮する。このため、結合が強固である貫通孔３１０，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０では、ライナ３０２の樹脂は補助部材３００と結合し続けるが、結合が比較的弱い貫通孔間３２２，３２４，３２６，３２８，３３０，３３２では、ライナ３０２の樹脂は直線形状に変形する傾向にある。つまり、貫通孔間３２２〜３３２では、樹脂と補助部材３００とが平面的にしか接触していなかったため、両者間の結合力よりも樹脂の収縮力が勝り、樹脂が補助部材３００から剥離して六角形に変形してしまうのである。この結果、ライナ３０２の内側に設けられた円筒形状の口金の外周と、ライナ３０２の内周との間のシール性が低下することになる。

本発明の目的は、樹脂性のライナと口金とが密接して装着された圧力容器において、両者間のシール性を向上させることにある。

本発明の別の目的は、口金が装着された付近における樹脂製ライナの変形を阻止または抑制する技術を確立することにある。

本発明の圧力容器の一態様においては、筒状の開口部を備える樹脂性のライナと、前記開口部の内壁全周に密接して装着された口金と、前記ライナとは異なる素材からなり、前記開口部の外壁全周に密接して装着された筒状の補助部材と、前記ライナと前記補助部材にそれぞれ形成され、全周に渡って周方向に連続的に相互結合される立体形状体と、を備え、前記ライナと前記補助部材とがインサート成形によって一体化される。

圧力容器とは、少なくとも大気圧より高圧の気体または液体を格納する容器を指す。ライナは、圧力容器の内筒をなす部材であり、気体または液体を出し入れするための開口部を備える。開口部は、筒形状（典型的には円筒であるが、扁平な形状でもよい）に作られている。口金は、開口部に装着される部材を指す。口金は、典型的には金属により作られるが、別の部材（例えば合成樹脂）によって作られてもよい。また、口金は、気体または液体の流れを制御する弁を備えていてもよいが、弁が別途装着されるように作られていてもよい。口金は、口金の外表面が全周にわたってライナの開口部における筒の内側に密接するように装着される。すなわち、気体や液体の流出を実用的な程度に防止するように、口金とライナは接触または近接した位置に配置される。口金またはライナの一方または両方にゴムリング等のシール部材を設けて、両者を密接させるようにしてもよい。

補助部材は、ライナとは異なる樹脂、または、樹脂以外の素材によって作られており、開口部の筒状の外壁に全周にわたって密接（接触または近接）するように装着される。補助部材は、開口部の筒状の外壁は筒長よりも短くても長くてもよく、また、筒長方向の少なくとも一部の範囲において、周方向にわたって密接していればよい。立体形状体は、ライナと補助部材の密接状態を作り出すために形成された三次元的な形状である。立体形状体の相互結合は、物理的結合により行われても、化学的結合により行われてもよい。

この構成によれば、立体形状体の周方向に連続的な結合によって、補助部材がライナの非等方な変形を阻止または抑制するように作用するため、ライナ内に高圧の気体や液体を蓄積する能力が高い圧力容器が提供される。この観点からすれば、補助部材は、ライナに比べて、外力または温度変化による変形が生じにくい素材により作られることが望ましい。ただし、ライナに比べて変形が生じやすい素材により作られても、ライナと一体となることでライナの変形が生じにくくなるのであれば、同様の効果が得られる。

本発明の圧力容器の一態様においては、前記立体形状体は、全周にわたって周方向に連続して設けられている。この構成によれば、全周にわたって、ライナが補助部材から剥離しにくくなる。

本発明の圧力容器の一参考実施形態の態様においては、前記立体形状体は、周方向に不連続域はあるが、全周にわたって周方向に密に設けられている。ここで、周方向に密とは、多角形が円近似できる程度であると定義可能であり、具体的には、少なくとも３０度以内、望ましくは１５度以内程度であると定義してもよい。あるいは、周方向に密である状態を、立体形状体の大きさと立体形状体間隔とによっても定義可能であり、具体的には、立体形状体間隔が立体形状体の大きさの少なくとも５倍以内、望ましくは等倍以内であると定義してもよい。この構成によれば、全周にわたって、ライナが補助部材から剥離しにくくなる。

本発明の圧力容器の一態様においては、前記ライナまたは前記口金は、前記開口部の内壁全周と前記口金の外壁全周との間を密封するシール部材を備え、前記補助部材は、前記シール部材と重複する筒長方向位置に装着される。つまり、補助部材とシール部材とは、ライナの開口部の筒壁を挟んで少なくとも一部が重なる位置に設けられる。なお、立体形状体が設けられる位置は、シール部材と同じ筒長方向位置でもよいし、そうでなくてもよい。

本発明の圧力容器の一態様においては、前記補助部材に形成された立体形状体は、全周に渡って周方向に伸びる環状の凹形状体または凸形状体であり、前記ライナに形成された立体形状体は、対応する環状の凸形状体または凹形状体である。このような構成としては、下記実施形態１の構成を例示することができる。

本発明の圧力容器の一態様においては、前記補助部材に形成された立体形状体は、全周に渡って周方向に連続的にローレット加工された形状体であり、前記ライナに形成された立体形状体は、対応する形状体である。このような構成としては、下記実施形態２の構成を例示することができる。

本発明の圧力容器の一態様においては、前記補助部材は金属製である。金属の厚みなど、補助部材の大きさは、ライナに作用する変形力に応じて決定するようにしてもよい。

本発明の圧力容器製造方法の一態様においては、前記立体形状体が形成された前記補助部材を型の内部に設置する工程と、前記型を用いてインサート成形を行い、前記補助部材の前記立体形状体と相互に結合された前記立体形状体を備える前記ライナを形成する工程と、を含む。この態様によれば、補助部材の立体形状体に対応する形状をもち、補助部材の立体形状体と相互に結合する立体形状体を備えるライナを容易に製造することができる。

以下に本実施の形態および参考実施形態を例示する。

［実施形態１］ 図１は、実施形態１にかかる圧力容器１０を、その中心軸を含む面で切った部分的な断面図である。圧力容器１０は、内部に高圧の水素や天然ガスなどを蓄積する容器であり、例えば、車載用として全長（筒長）が１０００ｍｍ程度、直径が３００ｍｍ程度に作られる。圧力容器１０の本体の内表面側は、ガス透過性の低い合成樹脂製のライナ１２によって構成されている。ライナ１２を構成する合成樹脂は適宜選択することが可能であり、例えば、ポリエチレン樹脂やエポキシ樹脂などを用いることができる。ライナ１２の外表面側は、ライナ１２を補強するシェル３０によって覆われている。シェル３０は、例えば、炭素繊維やガラス繊維などを用いたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）によって作ることができる。

ライナ１２及びシェル３０は、ほぼ円筒形状に作られている。そして、円筒の一端側（図示せず）は閉じられており、他端側は半球形状部１４が作られ、その中央付近には開口部が設けられている。開口部の直径は、例えば、５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。この開口部には金属製の口金４０が取り付けられている。口金４０は、円筒形状に作られており、その内側の中空部４２には図示省略したバルブ（弁）が取り付けられる。

口金４０が設けられる開口部付近では、ライナ１２は、口金４０を受けるための特殊な形状に作られている。具体的には、半球形状部１４の先端側には、ライナ１２の内部側に折れ曲がった漏斗形状部１６が設けられており、漏斗形状部１６の先端には、ライナ１２の内部側に伸びる円筒部１８が設けられている。開口部に装着された口金４０は、その先端部分が円筒形状に作られており、ライナ１２の円筒部１８の中に圧入されている。口金４０の円筒形状部分には、その外表面付近にシール構造が設けられている。シール構造は、円筒形状部分の外周を巡る溝と、この溝の中に挿入された円環状のゴム部材によって作られている。口金４０が開口部に装着された状態では、このゴム部材は、ライナ１２の円筒部１８の内壁によって圧縮されて、ライナ１２と口金４０の間をシール（封止）する。

ここで、圧力容器１０の製造方法について簡単に説明する。圧力容器１０の製造時においては、まず、型の内部に補助部材２０が設置され、続いて、樹脂が型内に流し込まれることで、補助部材２０と一体化したライナ１２がインサート成形される。そして、口金４０がライナ１２の円筒部１８内に圧入され、ライナ１２の周囲にはＦＲＰが巻かれてシェル３０が形成される。

なお、ライナ１２は、半円筒状の部材を結合して形成される場合も多い。この場合には、半環状の補助部材２０が各型の中に装着されて、半円筒状のライナがインサート成形される。そして、二つの半円筒状のライナを組み合わせて口金４０を装着した後に、溶着を行うことでライナ１２が形成される。

図２は、ライナ１２の円筒部１８付近の構造について説明する断面図であり、図１と同一の部材には同一の符号が付されている。樹脂製の円筒部１８は、比較的変形しやすいため、その外表面側に金属製の補助部材２０が設けられている。補助部材２０の金属の種類は特に限定されないが、例えば、口金４０と同程度の熱膨張率をもつように、口金４０とほぼ同じ金属によって作ることも可能である。

補助部材２０の内側には、周方向に伸びる３本の立体形状体である凹溝形状５０，５２，５４が作られている。そして、円筒部１８の外表面には、インサート成形によってこれらの凹溝形状５０，５２，５４と嵌合する立体形状体である凸山形状が形成されている。つまり、補助部材２０と円筒部１８とは、周方向に伸びる立体形状が互いに結合することで、比較的固く固定されている。このため、図７に示したように非等方的に歪まずに、ライナ１２の円筒部１８は、内側の口金４０、そしてシール部４４と均等に接触することができている。

以下の実施形態２と参考実施形態１〜３では、補助部材とライナとを結合させるためのバリエーションについて説明する。これらの実施形態および参考実施形態では、補助部材とライナの基本的な形状や製造方法は実施形態１と同様であるが、補助部材とライナとを結合させるための立体形状が異なっている。

［実施形態２］ 図３は、実施形態２について説明する図である。図３は、図２と同様の断面図であり、図２と対応する部材には同一の符号が付されている。この実施形態２では、実施形態１と同様に、ライナ１２の円筒部１８の外表面には、金属で作られた円筒状の補助部材６０が設けられている。ただし、補助部材６０の内表面は、周回する溝を設ける代わりに、ローレット加工が施されている。具体的には、全面にわたって斜交する浅い溝が切削形成され、結果的に、瘤状の細かな凹凸形状パターンが形成されている。そして、ライナ１２は、この補助部材６０を型内に設置してインサート成形されており、ライナ１２の円筒部１８の外表面には、ローレット加工されたパターンに対応する立体形状が形成されている。これにより、円筒部１８は、補助部材６０と全周的に強固に結合されるため、補助部材６０から剥離して変形することが阻止または低減される。

［参考実施形態１］ 図４は、参考実施形態１について説明する図である。図４は、図２と同様の断面図であり、図２と対応する部材には同一の符号が付されている。参考実施形態１では、ライナ１２の円筒部１８の外表面に取り付けられた補助部材７０には、先端付近に全周にわたって段差７２が設けられており、これよりも先端側では、肉厚が薄く作られている。そして、インサート成形により作られるライナ１２は、補助部材７０の段差７２に対応して、先端側の肉厚が厚めに作られている。この結果、ライナ１２は、この段差７２を利用した立体形状によって補助部材７０に強固に結合されるため、補助部材７０から剥離して変形することが阻止または低減される。

［参考実施形態２］ 図５は、参考実施形態２について説明する図である。図５は、図２と同様の断面図であり、図２と対応する部材には同一の符号が付されている。図５に示した参考実施形態の態様では、ライナ１２の円筒部１８の外周に取り付けられた補助部材８０は、先端８２がライナ１２の円筒部１８の先端よりも短くなるように設定されている。そして、インサート成形によって、補助部材８０は、円筒形の内表面のみならず、両端面をライナ１２の樹脂によって覆われる。このように、３方向から補助部材８０を包み込む立体的な結合によって、ライナ１２は、補助部材８０から剥離して変形することが阻止または低減される。

［参考実施形態３］ 図６は、参考実施形態３について説明する図である。図６は、図２と同様の断面図であり、図２と対応する部材には同一の符号が付されている。図６に示した参考実施形態の態様では、補助部材９０には、円筒の筒壁を貫通する複数の孔部９２，９４，９６，９８，１００，．．．が設けられている。そして、これらの孔部には、インサート成形によって、ライナ１２の樹脂が充填され、ライナ１２の円筒部１８は、補助部材９０と立体的に強く結合されている。

孔部９２，９４，９６，９８，１００，．．．は、図７の例よりも密に設けられおり、ライナ１２が補助部材９０から剥離して変形することを防止している。孔部９２，９４，９６，９８，１００，．．．は、各孔部を結ぶ多角形の各辺が補助部材９０の内表面に十分近接し、ライナ１２の変形にともなう補助部材９０との剥離力を小さくする程度の個数以上設けられる必要がある。具体的には、孔部は全周で少なくとも１２個以上（角度にして３０度以内）を設けることが望ましく、結合を強化する観点からは、２４個以上（角度にして１５度以内）、あるいは３６個以上（角度にして１０度以内）とすることが望ましい。なお、図６の例では、半分の孔部９２，９４，９８，．．．は、円筒部１８の先端寄りに設けられ、残り半分の孔部９６，１００，．．．円筒部１８の他端寄りに設けられている。そして、互いの孔部は周方向の角度位置が異なるように互い違いに配置されており、円筒部１８と補助部材９０との間に作用する力が分散するように配慮されている。このようにして、ライナ１２が補助部材９０から剥離して変形することが阻止または低減されている。

本実施の形態にかかる圧力容器の部分断面図である。 実施形態１の圧力容器における開口部付近の断面図である。 実施形態２の圧力容器における開口部付近の部分断面図である。 参考実施形態１の圧力容器における開口部付近の部分断面図である。 参考実施形態２の圧力容器における開口部付近の部分断面図である。 参考実施形態３の圧力容器における開口部付近の部分断面図である。 参考となる圧力容器の開口部付近の断面図である。

符号の説明

１０ 圧力容器、１２，３０２ ライナ、１４ 半球形状部、１６ 漏斗形状部、１８ 円筒部、２０，６０，７０，８０，９０ 補助部材、３０ シェル、４０ 口金、４２ 中空部、４４ シール部、５０，５２，５４ 凹溝形状、３００ 補助部材。

Claims (6)

1. 筒状の開口部を備える樹脂性のライナと、
   前記開口部の内壁全周に密接して装着された口金と、
   前記ライナとは異なる素材からなり、前記開口部の外壁全周に密接して装着された筒状の補助部材と、
   前記ライナと前記補助部材にそれぞれ形成され、全周に渡って周方向に連続的に相互結合される立体形状体と、
   を備え、前記ライナと前記補助部材とがインサート成形によって一体化されることを特徴とする圧力容器。
2. 請求項１に記載の圧力容器において、
   前記ライナまたは前記口金は、前記開口部の内壁全周と前記口金の外壁全周との間を密封するシール部材を備え、
   前記補助部材は、前記シール部材と重複する筒長方向位置に装着されることを特徴とする圧力容器。
3. 請求項１に記載の圧力容器において、
   前記補助部材に形成された立体形状体は、全周に渡って周方向に伸びる環状の凹形状体または凸形状体であり、
   前記ライナに形成された立体形状体は、対応する環状の凸形状体または凹形状体であることを特徴とする圧力容器。
4. 請求項１に記載の圧力容器において、
   前記補助部材に形成された立体形状体は、全周に渡って周方向に連続的にローレット加工された形状体であり、
   前記ライナに形成された立体形状体は、対応する形状体であることを特徴とする圧力容器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力容器において、
   前記補助部材は、金属製であることを特徴とする圧力容器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧力容器を製造する方法であって、
   前記立体形状体が形成された前記補助部材を型の内部に設置する工程と、
   前記型を用いてインサート成形を行い、前記補助部材の前記立体形状体と相互に結合された前記立体形状体を備える前記ライナを形成する工程と、
   を含む圧力容器製造方法。

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