JP6413187B2 - 圧力容器のライナーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力容器に使用する円筒形のライナーに関する。具体的には、本発明は、一方の端部は閉じられ、他方の端部は本容器にフィッティングを取り付けるためのネジ山付きネックを有する、シームレスな、アルミ合金圧力容器ライナーに関する。

本発明によるこのタイプの圧力容器は通常、流体、および、酸素や較正用ガスなどの気体を収容するよう使用し、通常の最大圧力は３００〜３８０ ｂａｒであるが、水素ガスの場合は、７００ ｂａｒとなる。医療用の携帯型酸素ボトルや自給式呼吸器など、多くの用途では、高い加圧と減圧に重大な損傷を受けることなく耐え、軽量である容器を提供することが推進されている。一つの解決方法として、アルミ合金（一般的には単にアルミと称される）や、エラストマー材料などの軽量材料から製作される、薄くて不浸透性のライナーを提供する方法がある。この材料は比較的伸張性があるが、内部圧力に耐えることができないので、炭素、アラミドおよび／またはガラス繊維にエポキシ樹脂などの樹脂を浸透させ、それを巻き付けることによって補強している。したがって、本ライナーの主目的は、流体を収容し、気体圧力を繊維に送ることである。アルミ・ライナーも、一部の負荷を引き受けることによって助力する。全体が包まれたライナーが、最も高い性能を示す。つまり、補強によって、縦方向と円周の両方のストレスを引き受ける。したがって繊維は、円筒形のライナーの周囲に、縦方向にできるだけ近づけて、らせん状に巻き付ける。

完全に包まれたアルミ・ライナーがよく知られていて、何年間も生産されている。製造方法には、いくつかのステップが含まれ、これらのステップは、何年もの間に改良され、追加され、製品の性能は向上した。初期のプロセスは、押出し、引抜き、および成形に基づいていた。アルミは、常温の下、ダイを通して押し出され、一方の端部が閉じられた中空管が得られる。次に、ライナー管の直径を短くしてアルミ材料の強度を高めるため、この管を直径が短い第二ダイを通して引き抜く。この管の長さ方向がカットされる。本容器の円形の端部を、熱成形し、材料を縦方向ネック部の半球端部に導くよう、管を回転させながら圧力を掛ける。

ネジ山付きネックの要件として、容器のネック部付近の肉厚を最小にする必要がある。つまり、ネックは、フィッティングが取り付けられるネジ山を支持できるよう、十分な量の材料を必要とする。さらに、ネック部分は仕上げられた円筒内に効果的に緩く包まれながらも、貯蔵気体からフィッティングに掛かる気体の圧力に耐える必要がある。これらのことを考慮すると、この材料のネックへの使用量は、最小限にする必要がある。初期の従来技術においては、容器管の肉厚は一定であった。したがって、ネックの肉厚の要件によって、容器の他の部分の肉厚を同一にする必要があり、その結果、ドラム部分の肉厚は必要以上に大きくする必要があった。その結果、ライナーは余分な材料を含み、コストと重量を下げることができなかった。

（特許文献１）は、押出し成型したアルミ管をフロー成形機に載置した、初期に開発された製造方法を開示する。端部領域の肉厚を維持しながら、ローラによって圧力を管に掛けて、ドラム領域の肉厚を小さくする。次に、端部領域に、回転成形を行い、縦方向に伸びたネックを有する、実質的に閉じた半球状の端部を形成する。

（特許文献２）は、壁の肉厚が小さいドラム領域を有する円筒部を製造する、３種類のプロセスを開示する。これらのプロセスは、管またはカップ形状のシェルを形成する初期段階に違いがある。たとえば、シェルはアルミ・ビレットを型に入れ、パンチとダイの間で成形する。その結果、一方の端部が閉じられた管が得られる。肉厚の大きい開いた端部領域が回転により閉じられる前に、アイロニング法により管の中央ドラム部の肉厚は小さくなる。

ライナーの重量を減らす別の方法として、より強度の高い材料を、量を少なくして使用する方法がある。ライナーの製造に、広範囲のアルミ合金が使われてきた。析出硬化型アルミ合金が一般的に好適であり、それには例えば、（非特許文献１）に定義されるＡＡ２ｘｘｘ、ＡＡ６ｘｘｘ、ＡＡ７ｘｘｘ、およびＡＡ８ｘｘｘシリーズが挙げられる。しかし、ＡＡ６０６１のような強度の低い合金では好適である処理方法は、ＡＡ７０６０のような強度が高い合金には適さない。

カナダ特許第２１５１８６２号明細書 日本特許第２０００−２０２５５２号明細書

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｌｌｏｙ Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｓ ｆｏｒ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ（Ｔｈｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ出版、１９９４年６月改定）

したがって、従来の方法よりも、より広範囲の材料に応用可能である、アルミ・ライナーを製造する新たな方法の必要性が明らかにされている。したがって、本発明の目的は、硬度の高いＡＡ７ｘｘｘシリーズを含め、アルミ合金全般に渡って効果的に使用できる製造プロセスを提供することである。特に、結果的に得られるライナーは、完全に包まれた場合、従来技術の圧力容器よりも、小さく、軽量であることが望まれる。

したがって、本発明は、圧力容器に使用するライナーの製造方法を提供し、この方法は：（ａ）アルミ合金製のカップ形状のシェルを提供し、同シェルは閉じたクラウン形状の端部と開いた上部を有し、さらに、同シェルは、肉厚の小さい壁を備えたドラム領域と、開いた上部に肉厚の大きい壁を備えた端部領域と、壁の肉厚が次第に細くなる中央遷移ゾーンと、を有し；
（ｂ）パンチを使用して、シェルの略円筒形の壁と成形された上部領域に対して冷間引抜きを行い、上部領域を、引抜き作業の間に、シェルの遷移ゾーンに接触させ；
（ｃ）端部領域と遷移ゾーンを形成し、開いた上部を閉じ、そこから延伸するネックを形成し；および、
（ｄ）ネックにネジ山を切り込む。

本発明は、ＡＡ６０６１などの柔らかいアルミ合金だけでなく、以前は、冷間加工には比較的不向きであると考えられていたＡＡ７０６０およびＡＡ７０３２材料にも適するという利点がある。しかし、驚くべきことに、これらの材料に冷間加工を効果的に適用できることが発見され、特に、本明細書に記載の方法で、円筒部の遷移ゾーンを冷間引抜きにより成形する場合が、これに該当する。

好適な実施形態において、成形されたパンチの上部領域は、概ね内側に延伸し、冷間引抜きは、以下のステップを含む：（ｉ）パンチとシェルを、少なくともシェルの端部領域の外径よりも小さい径を有するダイに押し込むステップ；および、（ｉｉ）パンチの円筒形部分がシェルの遷移ゾーンをさらに形成するよう、パンチをシェルから引き抜くステップ。

この冷間引抜きプロセスの間、遷移ゾーンは内側に押し込まれ、パンチの成形された上部領域に接する。パンチを引き抜くと、下部の略円筒形部分は、成形された遷移ゾーンを後方外側に押し込み、有利にその内側表面を平らにする。このことによって、シェルの遷移ゾーンに対する成形がシェルの外側に伝えられる。この成形は、これ以降のシェルの処理ステップに有利になり得る。

特に、パンチの成形された上部領域が、凹曲率半径Ｒ２の第２内向き湾曲部分に隣接する凸曲率半径Ｒ１の第１内向き湾曲部分を含む実施形態においては、第１内向き湾曲部分は、パンチから引き出される際に、シェルをある程度保護するので、破砕の可能性は低減し、第２内向き湾曲部分は、シェルの端部領域に向かって、シェルの壁の肉厚を効果的に大きくする。後者の効果は、後続のプロセスである、上部を閉じて、ライナーのネックを形成する端部領域の処理に有利となる。

Ｒ１はＲ２より大きいことが好ましく、Ｒ２の２倍±２０％であることが好ましい。Ｒ１およびＲ２は、次の数式で決定される：

ここで、シェルの端部領域の引抜き後の厚さはＴｆｍであり、遷移領域は引抜き後に、くさび形部を有し、その最大肉厚はＦＴＴであり、Ａは１１から６０の間の定数である。

冷間引抜きの作業の間に、パンチとシェルが押し込まれるダイはさらに、シェルのドラム領域の外径よりも小さな径を有する。このように小さな径を有することによって、冷間加工をシェルの長さ方向に沿って実行することが可能となり、長さは延び、シェル壁の肉厚は小さくなり、全体的な材料の強度は高くなる。

冷間引抜きの前に、閉じたクラウン形状の端部と開いた上部とを有するカップ形状のシェルが、機械加工により成形され、壁の肉厚が小さいドラム領域と、壁の肉厚が大きい端部領域と、肉厚が次第に小さくなっていく遷移ゾーンが得られる。別の方法として、このように成形されたシェルは、（特許文献２）に記載の方法など、公知の従来技術によって提供可能であることが知られている。しかし、ＡＡ７０６０などの、硬度の高いアルミ合金の処理には、機械加工がより好適であることが分かっている。

カップ形状のシェルは、アルミ合金を押し出して形成するのが好ましい。別の方法として、深絞りによって形成してもよい。

この発明の方法として、シェルの上部とネックを回転させることによって形成してもよい。

アルミ合金は、ＡＡ７ｘｘｘやＡＡ２ｘｘｘシリーズなどの、強度の高い合金が好ましい。特に、ＡＡ７ｘｘｘシリーズから選択してもよく、ＡＡ７０６０および／またはＡＡ７０３２が好ましい。これらの合金は、特別に強度の高いアルミ材料であるので、その使用によって、製造されるライナーの強度は公知技術と同等でありながら、材料の使用量は少なくて済む。そのようなライナーは結果的に、先行技術と比較して、軽量で持ち運びし易くなるので、実用性が高まる。冷間引抜きステップの、シェルの冷間加工の量は１５〜３８％の間とされるが、２５〜３８％の間で行うのが好ましい。

本発明を、図を参照し、実施例を用いて説明を行う。

本発明により、ライナーを製造するプロセスのステップを示すフロー・チャートである。 本発明により、ライナーを押出し成型した後の模式断面図である。 機械加工によって形状を調整した同じライナーである。 冷間引き抜きプロセス開始時の、機械加工済みライナーの模式図である。 上記ライナーが、冷間引抜きプロセスの第１段階を受ける際の図である。 図４ｂのボックスＣの拡大図であって、冷間引抜きパンチの成形領域を示す。 冷間引抜き作業の終了時のライナーを示す図である。 冷間引抜きパンチから取り外されるライナーの模式図である。 冷間引抜き後の、延伸され、成形されたライナーの断面図である。 図５のライナーの、部位２０ｂの拡大図であり、本発明の重要な点である、肉厚の小さい壁から大きい壁へと遷移する形状を示す図である。 ネックを形成するための回転プロセスを経た、ライナーの断面図である。 バルブ・フィッティングを取り付けるためのネジ山を設けた後の、ライナーのネックを示す断面図である。 本発明に従ってライナーを製作するため、冷間引抜きパンチの成形領域の設計に関するプロセス・ステップのフロー・チャートである。

図１、および必要に応じて他の図を参照しながら、本発明の方法にしたがって製作したライナーの実施例について説明する。

第１ステップＳ１０において、ＡＡ７０６０アルミ合金の円形ビレットは、油圧プレスによって冷間後方押出しされ、シェルが形成される。図２は、この方法によって製作されるシェル１０の実施例を示す。油圧プレスは、パンチとマッチド・ダイを有し、パンチが有する径とドーム型の土台は、シェルの内径と閉じた土台に、それぞれ対応し、マッチド・ダイは、シェルの外部土台端部に対応する形状を有する。パンチは、ビレットをダイに縦方向に押し込む。ビレットは、パンチの周囲で押し戻され、カップ形状のシェル１０を形成する。シェル１０は、円形の閉じたクラウン領域１６、および、壁の肉厚が均一である管状部位１８と２０を有する。管状部位１８および２０は、さらにドラム領域１８と開いた端部領域２０を含めてもよい。

第２ステップＳ２０において、シェル１０は、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御旋盤）に載置し、外部機械加工を施す。図３は、機械加工後のシェル１０の断面図である。機械加工ステップＳ２０の目的は、ドラム領域１８の壁を薄くすることであって、強度の要件を越えている部分の合金材料を取り除く。シェル開口部近傍の端部領域２０の部位２０ａは、機械加工をしないか、最小限に留め、元の肉厚の大きさを十分に維持する。端部領域の残りの部位２０ｂは、機械加工によって、肉厚の大きい端部２０ａと肉厚の小さいドラム領域１８の間に、遷移ゾーンとして形成される。遷移ゾーン２０ｂの壁は、２つの大きさの肉厚の間で（ドラム領域１８と端部領域２０ａの間）略直線状に次第に細くなっている。

シェル１０は、合金を冷間引抜きに備えて軟化させるため、次のＳ３０において、焼きなましされる。焼きなましは、処理される合金に応じた温度の範囲で実行する。本実施形態においては、シェル材料はＡＡ７ｘｘｘシリーズのアルミ合金であるので、３８５〜４０５℃で、３〜５時間、焼きなましを実行する。シェル１０は、室温で冷却する。

焼きなましＳ３０に続いて、冷間引抜き４０を実行する。冷間引抜きを実行することによって、シェルの材料は、大きく回復し始める温度、つまり再結晶が起こる温度よりも下がったことで変形するので、シェルを延伸させる。冷間引抜きは、常温あるいは、それに近い温度で実行することが好ましい。

冷間引抜きＳ４０の結果の詳細を、図４ａから４ｅに示す。１番目の図４ａでは、冷間引抜きプレス２２に載置したシェル１０を示す。シェル１０は、注油され、パンチ２４に載せられ、パンチ２４の径と土台部分は概ね、シェルの内径とクラウン部１６に対応している。パンチ２４は、略円筒形であり、パンチ２４の上方向に、形成領域２４ａを有する。これについての詳細を図４ｃに示す。プレス２２は、パンチ２４、ダイ２６、ボルスター２８、およびストリッパー・プレート３０を含み、パンチ２４とダイ２６は、シェル１０の加工を行い、ボルスター２８は、プロセスを制御する様々な機器（図示せず）を支持する。図４ａでは、冷間引抜きプロセスＳ４０に備えて、シェル１０とパンチ２４がガイドによって支持されていることを示す。

図４ｂは、冷間引抜き開始時における冷間引抜きプレス２２を示す。ダイ２６は、シェル１０と同じ全体形状を有するが、ダイの径は、シェルのドラム領域の外径よりも小さい。したがってシェル１０を、ダイに押し込み、シェルの壁に対して冷間加工を行って、壁を薄く引き延ばす。つまり、シェル１０の全体が延びて長くなり、シェルの壁の肉厚は小さくなる。

前記の通り、パンチ２４は、形成領域２４ａを有する。この詳細を、図４ｂのボックスＣの拡大図として図４ｃに示す。この形成領域は、緩やかな曲線を有する。下部曲線は、内側に向き（パンチの内側部分に向き）、凸曲率半径Ｒ１を有する。次にこの形状は、曲率凹半径Ｒ２を取り入れている。図４ｃからわかるように、冷間引抜きの前に、パンチ２４とシェル１０の内側表面の間に、隙間３２を設ける。冷間引抜きが続くと、シェル１０は、パンチの形成領域２４ａに隣接するくさび形の遷移ゾーン２０ｂの位置にまで延伸し、その地点から、形成領域２４ａはダイ２６の内側に押し込まれ始める。パンチ２４をダイ２６にさらに押し込むと、遷移ゾーン２０ｂがパンチの形成領域２４ａに押し付けられ、遷移ゾーン２０ｂは湾曲し、壁の肉厚は、長さに沿って変化する。

冷間引抜きサイクルＳ４０が完了し、シェル全体がダイ２６に押し込まれている状態を図４ｄに示す。

図４ｅは、シェル１０がパンチ２４から取り外された状態を示す。図４ｄに示される状態の後、ストリッパー・プレート３０が内側に移動し、パンチ２４の両側とシェル１０の上で接触する。次に、パンチ２４をダイから引き出す。シェル１０は、パンチと共に引き上げられるので、シェルのエッジはストリッパー・プレート３０に引っかかる。パンチ２４をそのまま引抜き続け、シェル１０を取り出す。この引き抜き作業は、遷移ゾーン２０ｂにおいても継続する。冷間引抜きプロセスの際に、遷移ゾーン２０ｂが内側に湾曲したことが、ここで再現される。つまり、シェルのこの領域の内側表面は内側に湾曲し、径はシェル１０の残りの部分の径よりも小さく、パンチの円筒形の部位も同様である。パンチが上方にシェルから引き抜かれると、シェルの遷移ゾーン２０ｂは、内側表面に対して平滑化される。その結果、遷移ゾーン２０ｂは、さらに再成形されて、湾曲した変形箇所は外部表面に転移される。

図５は、冷間引抜き後のシェル１０自体の断面図である。図３の冷間引抜き前のシェル１０と比較すると、結果的に、長くなり、壁の肉厚は小さくなり、遷移ゾーン２０ｂは再成形される。再成形された遷移ゾーン２０ｂの断面を、図６に詳細に示す。

図６に示すライナー・シェルの内側表面３４は、実質的に平滑化された円筒形状を有する。したがって、この断面図の内部表面３４は、この円筒の縦方向軸に実質的に平行な直線となる。外部表面３６は、冷間引抜きプロセスＳ４０によって、一様に湾曲し、肉厚が大きくなる領域として成形した。シェルのドラム１８の遷移ゾーン２０ｂの肉厚が大きくなり始める部分（冷間引抜き後）の厚さＬＴを図６に示す。第１の長さＦＴＬに対し、壁は略直線的に肉厚を大きくし、断面から見ると、浅いくさび形角度αを形成する。長さＦＴＬの後、表面３６は上昇し、シェルの壁の肉厚は大きくなり、曲率半径Ｒ１が比較的大きい（凹型の）湾曲形状を形成する。その後、湾曲部分は、曲率半径Ｒ２の凹型になり、シェル壁の肉厚は厚さＴｆｍまで大きくなってシェルの端部に到達する。これらの曲率半径Ｒ１およびＲ２は、パンチ２４の形成領域２４ａによって形成される曲率半径とほぼ同等であるので、同じ記号を使用する。シェルをパンチから取り出す際に、スプリングバックなどの変形がある程度発生するので、想定される同等性は、近似的に過ぎないことに留意されたい。

冷間引抜き作業と、遷移ゾーン２０ｂを成形するための設定は両方とも、考慮するべき要素が多数ある。そのような考慮すべき要素は、本発明による方法の多くの実施形態においての中心事項であり、本明細書において、後にその対処についての詳細を記述する。ここでは、冷間引抜きがシェルの壁を強化し、肉厚を小さくし、遷移ゾーン２０ｂの形状を調整することについての理解が十分に進んだこととする。

冷間引抜きＳ４０の後、次のステップＳ５０は、シェル１０の端部領域２０ａおよび２０ｂを回転させることによって、外向きに延伸するネック４２を有する実質的に閉じたドーム形状のエンド・キャップ４０を形成する。回転による形成は、従来の、よく知られた技術であり、円筒形の容器にネック部を形成するのによく採用される。例えば、従来の技術手順は、上記の（特許文献１）および（特許文献２）の両方でも採用されている。したがって、これ以降については、これらの技術については言及しない。

遷移ゾーン２０ｂおよび肉厚が大きくなった端部２０ａは、以下に示す通り、エンド・キャップ４０、およびネック４２に形成する。直線のくさび形ＦＴＬは、シェルの円筒形部分の上部領域を形成する。第１湾曲領域Ｒ１は、ドーム形状エンド・カップの第１ベンドを覆い、シェル材料は、中央に向かって湾曲する。第２湾曲領域Ｒ２は第２ベンドを覆い、そこからエンド・カップ４０のネックが形成される。ネック自体は、主にシェルの肉厚の大きい端部４２から形成される。

回転形成法に代わる方法として、複数ダイ形成法があり、その方法では、連続的に形成されたダイによる小さな変形の群によって、キャップとネックが形成される。

回転後、シェル１０に対して溶体化処理Ｓ６０を行う。溶体化処理は、すべて、あるいは、ほとんどの可溶成分が溶液に取り込まれる温度にまで合金を加熱し（典型的には、アルミ合金の場合４００〜５４５℃）、ほとんど、あるいは、すべての可溶性分を溶液内に保持するように十分に冷却する。溶体化処理に続いて、時効硬化を行って、合金の強度を高める。ＡＡ７０６０合金の特定の実施例では、２段階目の温度が１段階目よりも高い、２段階の時効硬化処理を実行する。液体化処理、および、時効硬化は、よく知られた処理技術であり、アルミ合金に応用するこの技術を記した文献は多くある。したがって、この処理についての詳細は、当業者には明確に理解されており、さらなる工夫は不要である。この熱処理によって、ライナーに、高圧力容器として使用するために必要な機械的特性と耐食性が付与される。

本発明によるライナーの製造方法の最終段階であるＳ７０において、シェル１０を、再度、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御旋盤）に載置して、機械加工を行う。図８では、ＣＮＣを使用して、ネック４２の内部を切り込んでネジ山付き領域４４を形成する。これは、ネジ山を切り込むには、十分に肉厚の大きい壁が必要なので、肉厚の大きいネック部分を必要とする理由の一つである。別の実施形態として、外部にネジ山を切り込んでもよい。バルブ・フィッティング４６をライナーにネジ止めして、使用できるよう、この端部を閉じる。

円筒部製造のプロセスを完了するため、ライナー１０を、エポキシ樹脂に浸み込ませた高強度炭素繊維によって、強度を高める。炭素繊維は、らせん状および環状方向などの、従来の方法で巻き付かせ、縦方向および周囲の両方に掛かるストレスに対する抵抗性を供与する。エポキシ樹脂に浸み込ませたガラス繊維の層も、円筒部に巻き付け、炭素繊維に追加して、強度を高める。これによって、繊維／エポキシの混合物による上包みは、十分に保持される。最後に、残存圧縮ストレスを誘発することによって耐久性を高めるため、上包みされた円筒部に対してオートフレッテージ操作を行う。

ここで、冷間引抜き操作Ｓ４０と遷移ゾーン２０の成形に戻り、これらの操作のパラメータの詳細を決定するのに使用した要素について詳説する。

引抜きによって円筒部内部で行う冷間加工は、この後の焼きなましプロセスの後で、十分に細かい粒子が生成されるよう、十分に行う必要がある。つまり、二次的な結晶粒の成長を避ける必要がある。この必要とされる冷間加工の量は、合金の組成と、焼きなましプロセスの内容といった要因に左右される。二次的な結晶粒の成長は、冷間加工の程度が比較的低めである場合に起こりやすい。実際に、ＡＡ７０６０合金では、２０％の冷間加工（クラウン表面領域での変化により定義）は、最低基準とされやすい。一方、冷間加工の量が多すぎると、シェル１０はプロセス中に破砕することがある。ＡＡ７ｘｘｘ合金のシリーズは、処理することが比較的困難であり、特に、冷間引抜き操作の間に破砕しやすいＡＡ７０６０の冷間加工の上限は、その領域の３８％であることが判明している。

この限度は主に、シェルのドラム１８、および、クラウン１６部分に適用される。肉厚の大きい端部２０は一般的に、引抜き段階Ｓ４０において冷間加工されることは少ないが、ネックが形成されるその後のプロセスにおいて、合金の微細構造を変えるので、それまでのプロセスの効果の重要性は低減する。

再度、図４ｃ〜４ｅを参照すると、パンチ２４からシェル１０を取り出す際に、パンチから内側に向かう遷移ゾーン２０ａに力が掛かるので、遷移ゾーンが外向きに押される。この力の効果は、第１曲率Ｒ１の開始点で最も強く感知される。つまり、最初のくさび形は、距離ＦＴＬの後、内向きに湾曲し始める。したがって、この力をシェルの長さ方向に沿って配分するため、曲率半径は比較的大きく維持され、それによって、材料の破砕の可能性が低減される。

図７によると、ネック領域、つまり、遷移ゾーン２０ａの肉厚の大きい端部は、ネジ山を支持するために、より多くのシェル材料を有することが望ましいことがわかる。図６を再び参照すると、最初の機械加工ステップＳ２０の結果であるくさび形から遷移ゾーン２０ｂを再成形した効果は、くさび形の中央部から材料の一部分を取り除き、それを肉厚の大きい部分に移動させたことが理解されよう。材料が減ったことと、第一非直線部分の曲率半径が大きいことは、冷間引抜き、および、シェルを冷間引抜きのパンチから取り出すことに寄与する。上部に材料が増えたことは、回転手順と、他のネック形成手順に寄与する。Ｒ１の値は、Ｒ２の値の２倍程度が好ましい。

図９は、特定のライナーを構築するため、その遷移ゾーンを設計するステップについて詳説する。これは冷間引抜きプロセスに関して作成され、実質的に、製造プロセスを通じた要件を支える作業である。Ｓ８０の最初の、シェルのネック部分およびドラム部分の引抜き後の肉厚は、例えば、設計規格に基づいた圧力抵抗や、円筒部の重量など、最終的な円筒部の設計目的を達成できるよう選択される。次に、引抜き率の許容値によって、ドラムおよび端部領域のＳ８２引抜き前の肉厚が決定される。冷間引抜き後の、ＡＡ７０６０合金のくさび形角度αは、経験則に基づくと、１．５°〜３°の間が好ましい。Ｒ１およびＲ２（パンチ向け）は、以下に示す数式によって決定される（Ｓ８４）：

ここで、Ｔｆｍはシェル端部領域２０ａの肉厚であり、ＦＴＴは、遷移ゾーンの直線状くさび形部分の端部の肉厚であり、Ａは定数である。Ａの値は、１１から６０である。

ＦＴＬ、Ｒ１、およびＲ２の値から、遷移ゾーン２０ｂの長さが決定される（Ｓ８６）。これは、冷間引抜き前の長さを決定する（Ｓ８８）のに使用可能であり、したがって、最初にシェル内部に機械加工される必要があるくさび形の形状およびサイズにも適用可能である。

図３および５に基づいた実施例では、冷間引抜きはシェル１０に対して、均一に配分されていない。シェル１０の長さは、２３５ ｍｍから、２９０ ｍｍに増えている。つまり、２３％延伸している。ドラム領域１８は、１．７５から１．３ ｍｍに減り、端部領域２０ａは、４．４から４．０ ｍｍに減っている。つまり、それぞれ２６％、９．１％減少している。この引抜き段階Ｓ４０において、シェル１０に対して実行する冷間加工の量を測定する有益な手段として、引抜き前後のクラウン部位１６の表面エリアの割合がある。

ライナーは、ＡＡ７０６０アルミ合金を使用して製造し、従来技術の典型であるＡＡ６０６１合金ライナーの性能と比較した。ＡＡ７０６０ライナーの降伏応力および最大抗張力とも、増加したことが分かった。

Claims (14)

1. 圧力容器内で使用するライナーの製造方法であって：
   前記方法は以下のステップ；
   （ａ）閉じたクラウン形状の端部（１６）と開いた上部を有するアルミ合金のカップ形状のシェル（１０）を提供するステップであって、前記シェルは、肉厚の小さい壁を有するドラム領域（１８）と、肉厚の大きい壁を有する上部開き口に備えられた端部領域（２０ａ）と、肉厚が次第に細くなる中間遷移ゾーン（２０ｂ）と、を有し；
   （ｂ）パンチ（２４）を使用してシェル（１０）を冷間引抜きするステップであって、
   前記パンチ（２４）は、軸、略円筒形部、および、上部領域（２４ａ）を有し、
   前記上部領域（２４ａ）の半径は、略円筒形部の半径より小さく、
   凹曲率半径Ｒ２を有する軸方向に延びる第二湾曲曲面と、隣接する凸曲率半径Ｒ１を有する第一湾曲曲面を画定するために、前記上部領域（２４ａ）の半径は軸に沿って変化しており、
   前記略円筒形部の半径は軸に沿って変化せず、一定であり、
   前記冷間引抜きは；
   （ｉ）シェルのドラム領域（１８）が、パンチ（２４）の略円筒形部に重なるようにパンチ（２４）にシェル（１０）を取り付け、パンチ（２４）とシェル（１０）を、少なくともシェルの端部領域（２０ａ）の外径よりも小さい径を有するダイに押し込み、シェル（１０）の遷移ゾーン（２０ｂ）をパンチの上部領域（２４ａ）と接触させるステップ；および、
   （ｉｉ）パンチ（２４）の略円筒形部がさらに、シェルの遷移ゾーン（２０ｂ）の形を変化させるように、パンチ（２４）をシェル（１０）から引き抜くステップ、を含み；
   （ｃ）端部領域（２０ａ）と遷移ゾーン（２０ｂ）を塑性加工して、シェル（１０）の開いた上部を閉じ、そこから延伸するネック部（３２）を提供するステップ；および、
   （ｄ）ネジ山をネック（３２）に切り込むステップ、
   を備えることを特徴とする、圧力容器内で使用するライナーの製造方法。
2. ステップ（ｂ）（ｉｉ）は、シェルの遷移ゾーン（２０ｂ）の内側表面を平らにする、請求項１に記載の方法。
3. Ｒ１はＲ２よりも大きい、請求項１に記載の方法。
4. 「Ｒ１＝２ ｘ Ｒ２ ± ２０％」である、請求項３に記載の方法。
5. Ｒ１およびＲ２は、以下の方程式で求められる方法であって：
   シェルの端部領域（２０ａ）の引抜き後の肉厚はＴｆｍであり、遷移領域のくさび形部分の引抜き後の最大肉厚はＦＴＴであり、Ａは１１から６０の定数である、請求項４に記載の方法。
6. ダイの径は、シェルのドラム領域（１８）の径よりも小さい、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. カップ形状のシェルを提供するステップであるステップ（ａ）は：
   （ｉ）閉じたクラウン形状の端部（１６）と、開いた上部を有するカップ形状のシェルを提供するステップ；および、
   （ｉｉ）カップ形状のシェルを機械加工して、肉厚の小さい壁を有するドラム領域（１８）と、肉厚の大きい壁を有する端部領域（２０ａ）と、肉厚が次第に小さくなる遷移ゾーン（２０ｂ）を有するシェル（１０）を提供するステップと、を有する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. ステップ（ａ）（ｉ）で提供されるカップ形状のシェルは、アルミ合金のビレットを押し出すことによって、形成する、請求項７に記載の方法。
9. ステップ（ｃ）は、シェルをスピニング加工することによって実行する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. アルミ合金は、ＡＡ７ｘｘｘやＡＡ２ｘｘｘシリーズなどから選択された一種類の高強度の合金である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. アルミ合金は、ＡＡ７ｘｘｘシリーズから選択される請求項１０に記載の方法。
12. アルミ合金は、ＡＡ７０６０である、請求項１１に記載の方法。
13. 冷間引抜きのステップは、１５〜３８％の間の量で、シェルの冷間加工が含まれる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 冷間加工の量は、２５〜３８％である、請求項１３に記載の方法。