JP6829986B2

JP6829986B2 - 耐圧容器

Info

Publication number: JP6829986B2
Application number: JP2016235411A
Authority: JP
Inventors: 香那子倉橋; 香織沼田; 英人黒川; 裕人田口
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2036-12-02
Also published as: JP2018091410A

Description

本発明は、耐圧容器に関する。

水等の液体や、水素等の各種気体を溜めておいたり、搬送するために、各種耐圧容器が従来から用いられている。

例えば特許文献１には、深絞り形状で略半球状のタンク上部と、深絞り形状で略半球状のタンク下部と、略円筒状のタンク胴部とを備え、前記タンク上部と前記タンク胴部と前記タンク下部とは、前記タンク上部、前記タンク下部が前記タンク胴部の内方となるように勘合するとともに、前記タンク胴部の上端部及び下端部の近傍には内方に突出する略円周状のリブ部を設け、前記タンク上部と前記タンク胴部とは、前記タンク上部の端部が前記タンク胴部のリブ部と接するように内方から溶接を行い、前記タンク下部と前記タンク胴部とは、前記タンク下部の端部が前記タンク胴部のリブ部と接するように外方から溶接を行うことで、密閉容器を形成することを特徴とする貯湯タンクが開示されている。

また、特許文献２には、高圧タンクであって、ライナーと、前記ライナーの外表面に形成された補強層とを備え、前記ライナーは、前記補強層と接触する領域の少なくとも一部に、前記補強層との固着を抑制する固着抑制加工が施されている高圧タンクが開示されている。

特開２０１０−１４５０６６号公報特開２０１５−０１７６４１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された貯湯タンクにおいては、ステンレス等の金属が用いられており、コストが高くなるという問題があった。

また、特許文献２に開示された高圧タンクでは、タンクの壁部分がライナー及び補強層の複数の層から構成されており、この場合もコストが高くなるという問題があった。

そこで上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明の一側面では、壁部が単層であり、樹脂で形成された耐圧容器を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、壁部が単層であり、かつ樹脂で形成されており、
前記壁部は、胴部と、
前記胴部の一方の端部、及び前記一方の端部と反対側に位置する他方の端部に、それぞれ配置され、前記胴部と接続された第１蓋部と、第２蓋部と、を有し、
前記胴部は円筒形状を有し、中心軸方向の前記胴部の長さは、前記胴部の外径の１．０倍以上であり、
前記第１蓋部、及び前記第２蓋部は、外形形状が、中心軸を通り、かつ前記中心軸と平行な断面において、前記胴部側から外部方向に向かって凸状の曲線形状を有し、
前記壁部の肉厚が、８ｍｍ以上であり、
前記樹脂が変性ポリフェニレンエーテルを含む耐圧容器を提供する。

本発明の一態様によれば、壁部が単層であり、樹脂で形成された耐圧容器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る耐圧容器の断面模式図。実験例１における耐圧容器の胴部の長さＬ／胴部の外径Ｄと、発生最大応力との関係説明図。実験例２における耐圧容器の肉厚と、発生最大応力との関係説明図。実験例３における耐圧容器の第１蓋部、第２蓋部と、媒体出入管との接続部の半径ｒ３と、発生最大応力との関係説明図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。

本実施形態の耐圧容器は、壁部が単層であり、かつ樹脂で形成されており、壁部は、胴部と、胴部の一方の端部、及び一方の端部と反対側に位置する他方の端部に、それぞれ配置され、胴部と接続された第１蓋部と、第２蓋部と、を有することができる。そして、胴部は円筒形状を有し、中心軸方向の胴部の長さは、胴部の外径の１．０倍以上とすることができる。また、第１蓋部、及び第２蓋部は、外形形状が、中心軸を通り、かつ中心軸と平行な断面において、胴部側から外部方向に向かって凸状の曲線形状を有することができる。

従来、耐圧容器においては、十分な耐圧性能を発揮させるため、耐圧容器の壁部は、ステンレス等の金属で形成したり、複数の層を積層した構造を有したりしていた。しかしながら、既述のように、ステンレス等の金属を用いたり、複数の層を積層した構造を有する場合、コストが高くなるという問題があった。

そこで、本発明の発明者らは、壁部を単層、すなわち一層で構成し、かつ樹脂で形成した耐圧容器とすることについて鋭意検討を行った。その結果、胴部の形状を所定の形状とすることで、耐圧容器内部に圧力が加わった際の発生最大応力を抑制し、耐圧性能を高められることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本実施形態の耐圧容器の構成について、図１を用いながら説明する。

図１は、本実施形態の耐圧容器１０の中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な面における、本実施形態の耐圧容器１０の断面を模式的に示した図である。

本実施形態の耐圧容器１０は、図１に示したように、液体や気体等の媒体を貯蔵する領域を画する壁部１１を有することができる。そして壁部１１は、胴部１１１と、第１蓋部１１２と、第２蓋部１１３とを有することができる。

第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３は、胴部１１１の一方の端部１１１ａ、及び一方の端部１１１ａの反対側に位置する他方の端部１１１ｂに、胴部１１１に接続して配置することができる。なお、本実施形態の耐圧容器１０は、例えばブロー法等により一体成形することができることから、胴部１１１と、第１蓋部１１２と、第２蓋部１１３とは、連続した一体の部材とすることができる。

そして、本発明の発明者らの検討によれば、胴部１１１について、円筒形状とし、中心軸Ｃ方向、すなわち図中のｚ軸方向の長さＬを、胴部１１１の外径Ｄの１．０倍以上とすることで、十分な耐圧性を有する耐圧容器とすることができることを見出した。これは、胴部１１１の中心軸Ｃ方向の長さＬを、胴部１１１の外径Ｄの１．０倍以上とすることで、耐圧容器１０内部に収容した物質等により、耐圧容器１０に加えられる圧力を、胴部１１１へと逃がすことができ耐圧容器１０全体としての耐圧性能を高めることができるからである。

胴部１１１の中心軸Ｃ方向の長さＬは、胴部１１１の外径Ｄの１．２倍以上であることがより好ましい。なお、胴部１１１の外径Ｄとは、胴部１１１の外形形状の直径を意味している。

胴部１１１の中心軸Ｃ方向の長さＬの、胴部１１１の外径Ｄに対する比の上限値は特に限定されるものではなく、設置する場所等に応じて任意に選択することができる。例えば胴部１１１の中心軸Ｃ方向の長さＬは、胴部１１１の外径Ｄの１０倍以下であることが好ましく、５倍以下であることがより好ましい。

胴部１１１の中心軸Ｃ方向の長さＬの具体的なサイズは特に限定されるものではなく、耐圧容器１０に要求される容量や、製造の容易さ等により選択することができる。胴部１１１の中心軸Ｃ方向の長さＬは、例えば１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下とすることが好ましく、３００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とすることがより好ましい。

また、胴部１１１の外径Ｄの具体的なサイズについても特に限定されるものではなく、耐圧容器１０に要求される容量や、製造の容易さ等により選択することができる。胴部１１１の外径Ｄは、例えば１００ｍｍ以上５００ｍｍ以下とすることが好ましく、１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下とすることがより好ましい。

既述のように、胴部１１１の一方の端部１１１ａ、及び一方の端部１１１ａと反対側に位置する他方の端部１１１ｂには、第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３をそれぞれ配置することができる。

第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３について以下に説明する。なお、第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３は、同様の構成を有することができるため、以下の説明では一部、例えば曲線１１２ａ、１１２ｂは、第１蓋部１１２側を例に用いて説明を行っている。

第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３の外形形状は特に限定されるものではないが、例えば、耐圧容器１０の中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面において、胴部１１１側から、外部側に向かって凸状の曲線形状を有することができる。すなわち胴部１１１側から外部側に向かって凸の略半球形状と呼ぶこともできる。

第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３は、耐圧容器１０の中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面において、その外形形状はそれぞれ単一の円弧曲線、すなわち単一の扇形形状とすることもできる。第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３は、耐圧容器１０の中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面での外形の曲線を、中心軸Ｃを回転軸として回転させた外形形状を有することができる。このため、上述の場合、第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３の形状は、球の一部の形状、すなわち球冠、もしくは球帯とすることができる。

ただし、第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３の、耐圧容器１０の中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面での外形形状を、単一の円弧曲線とすると、耐圧容器１０の高さ方向、すなわち図１中のｚ軸方向の長さが長くなる恐れがある。

そこで、本実施形態の耐圧容器１０においては、中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面において、第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３の外形形状は、円弧形状である２以上の曲線を有していることが好ましい。そして、係る２以上の曲線のうち、胴部１１１側に配置された曲線１１２ａは、胴部１１１と同一接線Ａを有し、係る２以上曲線のうち、隣接する曲線、例えば図１中の曲線１１２ａと、曲線１１２ｂとは、同一接線Ｂを有することが好ましい。

このように、第１蓋部１１２、第２蓋部１１３の外形形状について、中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面において、円弧形状である２以上の曲線を有することで、耐圧容器１０の高さ方向のサイズを短くすることができる。

また、第１蓋部１１２、第２蓋部１１３の外形形状について、上述のように中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面において、円弧形状である２以上の曲線を有する場合に、胴部１１１側に配置された曲線１１２ａは、胴部１１１と同一接線Ａを有し、係る２以上曲線のうち、隣接する曲線が、同一接線を有することで、全体として滑らかな曲線となる。このため、特に耐圧性を高める観点からも好ましい。

第１蓋部１１２、第２蓋部１１３の外形形状について、中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面において、円弧形状である２以上の曲線を有する場合において、係る２以上の曲線のうち、胴部１１１側に配置された曲線１１２ａは、中心角θが４０°以上６０°以下であることが好ましい。

係る曲線１１２ａの中心角θを６０°以下とすることで、耐圧容器内に圧力が加わった際の発生最大応力を十分に抑制でき、耐圧性能を高めることができるため好ましい。また、曲線１１２ａの中心角θを４０°以上とすることで、胴部１１１側に配置された曲線１１２ａの長さを十分な長さとすることができ、第１蓋部１１２、第２蓋部１１３をより容易に形成することができるため好ましい。

曲線１１２ａの半径ｒ１は特に限定されないが、例えば胴部１１１の半径Ｒよりも短いことが好ましく、例えば胴部１１１の半径Ｒの１／３以上２／３以下とすることができる。

曲線１１２ａの中心Ｏ_１の位置は特に限定されるものではなく、胴部１１１の一方の端部１１１ａ、他方の端部１１１ｂの面上の、曲線１１２ａの半径ｒ１に応じた位置とすることができる。

胴部１１１側に配置された曲線１１２ａ以外の曲線についても特に限定されないが、例えば胴部１１１側に配置された曲線１１２ａ以外の曲線、例えば曲線１１２ｂは、中心Ｏ_２が、中心軸Ｃ上に位置することが好ましい。これは中心軸Ｃ上とすることで、蓋部形状を左右対称とすることができ、蓋部へかかる応力を上手く胴部へ分散させることができるからである。胴部１１１側に配置された曲線１１２ａ以外の曲線、例えば曲線１１２ｂの半径ｒ２は特に限定されないが、隣接する曲線と、同一の接線を有するように設定することが好ましい。

なお、第１蓋部１１２と、第２蓋部１１３とは、同じ外形形状である必要はなく、異なっていてもよい。ただし、製造の容易さ等を考慮すると同じ外形形状を有していることが好ましい。

第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３から選択される１以上に、円筒形状の媒体出入管１２、１３を接続しておくこともできる。係る媒体出入管１２、１３を接続しておくことで、耐圧容器１０内に液体や、気体等の媒体を供給し、耐圧容器１０内から該媒体を外部へ供給することができる。

第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３から選択される１以上と、媒体出入管１２、１３との接続部１２１、１３１の形状は特に限定されないが、凹状であり、かつ半径ｒ３が４ｍｍ以上の円弧形状を有していることが好ましい。

これは、係る接続部１２１、１３１の形状が、凹状であり、かつ半径ｒ３が４ｍｍ以上の場合、特に耐圧容器内部に圧力がかかった際の発生最大応力を抑制し、耐圧性能を高めることができるからである。

半径ｒ３の上限値は特に限定されないが、例えば１０ｍｍ以下であることが好ましい。

本実施形態の耐圧容器１０の壁部１１の肉厚は特に限定されないが、８ｍｍ以上であることが好ましい。これは、耐圧容器１０の壁部１１の肉厚を８ｍｍ以上とすることで、例えば耐圧容器１０内に圧力が加わった際に、耐圧容器に生じる発生最大応力を抑制し、耐圧容器１０の耐圧性能を十分に高めることができるからである。

また、壁部１１の肉厚の上限値についても特に限定されないが、過度に厚くすると耐圧容器１０の重量が増加するため、例えば１０ｍｍ以下とすることが好ましい。

なお、ここまで本実施形態の耐圧容器の外形形状を中心に説明してきたが、本実施形態の耐圧容器１０は、所定の略均一な肉厚を有する壁部１１により、その領域を形成することができる。このため、耐圧容器１０の内部側の形状についても外形形状に沿った形状を有しており、外形形状に準じた形状となっている。

また、既述の媒体出入管１２、１３を接続する場合、該媒体出入管１２、１３についてもブロー法等により、壁部１１と一体に形成することができるため、その肉厚は壁部１１と同様に構成することができる。

本実施形態の壁部１１を形成する樹脂については特に限定されるものではなく、例えば
変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、及びポリエーテルイミドの樹脂群から選択される１種以上の樹脂を用いることができる。なお、上記樹脂群から選択された２種以上の樹脂を混合して用いることもできる。

また、上記樹脂群から選択された１種以上の樹脂と、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、及びポリフェニレンサルファイドの第２樹脂群から選択された１種以上の樹脂との混合物を用いることもできる。

耐圧性能、及び耐熱性能を併せて高める場合、本実施形態の耐圧容器１０の壁部を形成する樹脂は変性ポリフェニレンエーテルを含むことが好ましい。

本実施形態の壁部１１を形成する樹脂としては、さらに各種繊維を含有する繊維強化樹脂を用いることもできる。この際に用いる繊維としては、例えばガラスファイバー、カーボンナノファイバー、セルロースナノファイバー等から選択された１種以上を用いることができる。樹脂については既述の樹脂を用いることができる。

なお、既述の媒体出入管１２、１３を設ける場合、その材料は特に限定さないが、例えば壁部１１と同じ材料を用いることができる。

また、既述の媒体出入管１２、１３を設ける場合、必要に応じて該媒体出入管１２、１３に図示しないキャップを設け、密閉することもできる。キャップの構成は特に限定されるものではなく、媒体出入管１２、１３に装着でき、媒体出入管１２、１３の開口部を塞ぐことができるように構成されていればよい。

キャップを設ける場合、その材料は特に限定されるものではないが、例えば変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、及びポリエーテルイミドから選択された１種以上を用いることができる。

本実施形態の耐圧容器の用途は特に限定されるものではなく、各種液体や、気体等の各種媒体を収容するために用いることができる。

例えば、本実施形態の耐圧容器は、各種ガスを収容するガスタンクとすることができる。

また、本実施形態の耐圧容器は、各種液体を収容する液体タンクとすることができる。特に、近年では水や、加温したお湯を貯留しておき、必要に応じて供給することが求められる場合があることから、水タンクや、温水タンクとして用いることもできる。

以下に具体的な実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［実験例１］
図１に示した耐圧容器１０をモデルとし、解析ソフトウエアＬＩＳＡＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓを用いて、有限要素解析により耐圧容器内での発生最大応力を算出した。

実験例１では、耐圧容器１０は、壁部１１、及び媒体出入管１２、１３を有しており、壁部１１、及び媒体出入管１２、１３は単層であり、肉厚は８ｍｍとした。

また、第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３は、同じ形状を有しており、第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３の外形形状は、中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面において、胴部１１１側から外部方向に向かって凸状の曲線形状を有する形状とした。具体的には、中心軸Ｃを通り、かつ中心軸Ｃと平行な断面において、第１蓋部１１２、及び第２蓋部１１３は、円弧形状である２つの曲線、すなわち曲線１１２ａと、曲線１１２ｂを有する外形形状とした。そして、胴部１１１と、曲線１１２ａとはその接点で同一接線Ａを有し、曲線１１２ａと、曲線１１２ｂとはその接点で同一接線Ｂを有する構成とした。なお、内部側の形状についても外形に準じた形状となっている。

この際、曲線１１２ａの半径ｒ１は７０ｍｍとし、その中心角θは５０°とした。また、曲線１１２ｂの中心Ｏ_２は中心軸Ｃ上に位置するように形成した。

さらに、媒体出入管１２、１３の外径は１０ｍｍとし、第１蓋部１１２、第２蓋部１１３との接続部１２１、１３１は、凹状であり、かつ半径ｒ３が１０ｍｍの円弧形状とした。

係る構成の耐圧容器１０について、胴部１１１の外径Ｄを１８０ｍｍ〜３４０ｍｍの範囲内で、中心軸Ｃ方向の胴部１１１の長さＬを１７０ｍｍ〜６５０ｍｍの範囲内で、耐圧容器１０の内容積が略同一になるように変化させ、耐圧容器１０内を８５℃、内圧１．７５ＭＰａとした場合の最大発生応力の変化を算出した。

なお、媒体出入管１２、１３の端部は、キャップにより閉塞されているものとして最大発生応力の算出を行っている。

結果を表１、図２に示す。表１中、実験例１−１、実験例１−２が比較例であり、実験例１−３〜実験例１−６が実施例となる。

表１に示した結果からも明らかなように、胴部の長さＬ／胴部の外径Ｄが１．０以上となることで、大幅に発生最大応力を抑制できていることが確認できる。

例えば変性ポリフェニレンエーテルの８５℃における破断強度が２９．１ＭＰａであることから、耐圧容器１０の壁部１１、及び媒体出入管１２、１３を単層であり、かつ変性ポリフェニレンエーテルで形成した場合でも、胴部の長さＬ／胴部の外径Ｄが１．０以上であれば、８５℃に加熱した場合でも１．７５ＭＰａ以上の耐圧性能を有することを確認できた。
［実験例２］
胴部の長さＬ／胴部の外径Ｄを１．２に固定し、壁部１１、及び媒体出入管１２、１３の肉厚を７ｍｍ〜１１ｍｍの範囲で変化させた点以外は、実験例１の場合と同様にして発生最大応力を算出した。

結果を表２、図３に示す。実験例２−１〜実験例２−５はいずれも実施例になる。

表２に示した結果からも明らかなように肉厚を８ｍｍ以上とすることで、特に発生最大応力を低減できることが確認できた。
［実験例３］
胴部の長さＬ／胴部の外径Ｄを１．２に固定し、媒体出入管１２、１３と、第１蓋部１１２、第２蓋部１１３との接続部１２１、１３１の半径ｒ３を３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で変化させた点以外は、実験例１の場合と同様にして発生最大応力を算出した。

結果を表３、図４に示す。実験例３−１〜実験例３−５はいずれも実施例になる。

表３に示した結果からも明らかなように半径ｒ３を４ｍｍ以上とすることで、特に発生最大応力を低減できることが確認できた。

１０耐圧容器
１１壁部
１１１胴部
１１１ａ一方の端部
１１１ｂ他方の端部
１１２第１蓋部
１１３第２蓋部
１１４、１１５媒体取り出し口
Ｃ中心軸

Claims

壁部が単層であり、かつ樹脂で形成されており、
前記壁部は、胴部と、
前記胴部の一方の端部、及び前記一方の端部と反対側に位置する他方の端部に、それぞれ配置され、前記胴部と接続された第１蓋部と、第２蓋部と、を有し、
前記胴部は円筒形状を有し、中心軸方向の前記胴部の長さは、前記胴部の外径の１．０倍以上であり、
前記第１蓋部、及び前記第２蓋部は、外形形状が、中心軸を通り、かつ前記中心軸と平行な断面において、前記胴部側から外部方向に向かって凸状の曲線形状を有し、
前記壁部の肉厚が、８ｍｍ以上であり、
前記樹脂が変性ポリフェニレンエーテルを含む耐圧容器。
中心軸を通り、かつ前記中心軸と平行な断面において、
前記第１蓋部、及び第２蓋部の外形形状は、円弧形状である２以上の曲線を有しており、
前記２以上の曲線のうち、前記胴部側に配置された曲線は、前記胴部と同一接線を有し、
前記２以上の曲線のうち、隣接する曲線は、同一の接線を有する、請求項１に記載の耐圧容器。
前記２以上の曲線のうち、前記胴部側に配置された曲線は、中心角が４０°以上６０°以下である請求項２に記載の耐圧容器。
前記第１蓋部、及び前記第２蓋部から選択される１以上に、円筒形状の媒体出入管が接続されており、
前記第１蓋部、及び前記第２蓋部から選択される１以上と、前記媒体出入管との接続部は、凹状であり、かつ半径が４ｍｍ以上の円弧形状を有している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の耐圧容器。
ガスタンクである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の耐圧容器。
液体タンクである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の耐圧容器。