JP6881147B2 - 高圧容器及び胴体補強層巻き付け方法 - Google Patents

高圧容器及び胴体補強層巻き付け方法 Download PDF

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Description

本発明は、高圧容器及び胴体補強層巻き付け方法に関する。
下記特許文献1には、管状ライナに関する発明が開示されている。この管状ライナは、第1繊維強化シートと第2繊維強化シートとが一体化された繊維強化シート積層体により形成されている。第1繊維強化シートと第2繊維強化シートとは、それぞれが異なる繊維方向とされており、これによって管状ライナの剛性が向上されている。
特開2004−42277号公報
しかしながら、特許文献1に開示された管状ライナでは、繊維強化シート積層体は第1繊維強化シートと、第1繊維強化シートの全面に重ね合わされた第2繊維強化シートとで構成されていることから、コストが増大する。したがって、上記先行技術はこの点で改良の余地がある。
本発明は上記事実を考慮し、剛性を向上させると共にコストを抑制することができる高圧容器及び胴体補強層巻き付け方法を得ることを目的とする。
請求項1に記載の発明に係る高圧容器は、円筒状に形成されると共に、軸方向の少なくとも一方の端部が開口された胴体部と、前記胴体部の開口された前記端部の内部に少なくとも一部が挿入されることで前記端部を閉塞している口金と、シート状に形成されて前記胴体部の外周面に層状に巻き付けられると共に、前記胴体部の周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第1補強層と、前記胴体部の略軸方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成されると共に前記第1補強層と一体化されかつ前記第1補強層の厚さ方向における一部の範囲に設けられた第2補強層と、を有する胴体補強層と、を有している。
請求項1に記載の発明によれば、胴体部は、円筒状に形成されると共に、胴体部の軸方向(以下、単に「軸方向」と称する。)の少なくとも一方の端部が開口されており、端部の内部に口金の少なくとも一部が挿入されることで端部が閉塞されている。胴体部の外周面には、胴体部の周方向(以下、単に「周方向」と称する。)を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第1補強層と、第1補強層と一体化されかつ略軸方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第2補強層とを有する胴体補強層が層状に巻き付けられている。したがって、胴体部は、周方向及び径方向の剛性が向上される。
ここで、第2補強層は、第1補強層の厚さ方向における一部の範囲に設けられている。つまり、第2補強層の使用量は、第1補強層よりも少ない量とされている。したがって、コストを抑制することができる。
請求項2に記載の発明に係る高圧容器は、請求項1記載の発明において、前記口金は、前記胴体部の径方向外側へ押圧されることで前記胴体部の軸方向と略直交する方向にて前記胴体補強層へ食い込む突起部を有していると共に、前記第2補強層は、前記胴体補強層の厚さ方向における前記胴体部の外周面の近傍部以外の範囲に設けられている。
請求項2に記載の発明によれば、口金は、突起部を有している。この突起部は、胴体部の径方向外側へ押圧されることで胴体補強層に食い込むため、口金が軸方向に沿って移動するのが抑制される。したがって、口金が胴体部から離脱するのを抑制するための他の部材が不要となる。また、口金の突起部が軸方向と直交する方向にて胴体補強層へ食い込むため、胴体部の内部に収容された高圧の流体から口金へ伝わる荷重を胴体補強層へ効率良く伝達することができる。
一方、第2補強層は、胴体補強層の厚さ方向における胴体部の外周面の近傍部以外の範囲に設けられている。すなわち、胴体補強層のおける胴体部の外周面の近傍部には、軸方向を繊維方向とする第1補強層のみが設けられている。したがって、口金の突起部が胴体補強層に内周側から食い込む場合、突起部が第2補強層に食い込むことで軸方向を繊維方向とする繊維が突起部により切断されるのを抑制することができる。つまり、繊維が切断されることによる高圧容器の剛性の低下を抑制することができる。
請求項3に記載の発明に係る胴体補強層巻き付け方法は、円筒状に形成されると共に、軸方向の少なくとも一方の端部が開口された胴体部と、前記胴体部の外周面に設けられると共に前記胴体部の周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第1補強層と、前記胴体部の略軸方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成されると共に前記第1補強層と一体化されかつ前記第1補強層の厚さ方向における一部の範囲に設けられた第2補強層と、を有する胴体補強層と、を有する高圧容器に適用される胴体補強層巻き付け方法であって、シート状の前記第1補強層にシート状の前記第2補強層を貼り合わせる第1工程と、前記第2補強層が貼り合わされた前記第1補強層を、前記第1補強層の繊維方向が前記胴体部の周方向に沿うように前記胴体部の外周面に巻き付けて前記胴体補強層を形成する第2工程と、を有する、ことを特徴とする。
請求項3に記載の発明によれば、まず、第1工程によって、シート状の第1補強層にシート状の第2補強層が貼り付けられる。次いで、第2工程によって、第1補強層の繊維方向が周方向に沿うように胴体部の外周面に巻き付けて胴体部補強層が形成される。ここで、本発明では、第1工程を経ることによって第1補強層と第2補強層とが貼り合わされることから、繊維方向が異なる第1補強層と第2補強層とをそれぞれ別工程ではなく第2工程にて同時に胴体部の外周面に巻き付けることができる。したがって、組立工数を増加させることなく高圧容器の剛性を向上させることができる。
請求項1記載の本発明に係る高圧容器は、高圧容器の剛性を向上させると共にコストを抑制することができるという優れた効果を有する。
請求項2記載の本発明に係る高圧容器は、高圧容器の剛性を向上させると共によりコストを抑制することができるという優れた効果を有する。
請求項3記載の本発明に係る胴体補強層巻き付け方法は、生産性を向上させることができるという優れた効果を有する。
一実施形態に係る高圧容器を示す概略側面図である。 図1におけるA−A線に沿って切断した状態を示す拡大断面図である。 一実施形態に係る高圧容器の胴体補強層の展開状態を示す概略展開図である。 図2におけるB−B線に沿って切断した状態を示す拡大断面図である。 変形例に係る高圧容器の胴体補強層の展開状態を示す図3に対応した概略展開図である。 変形例における高圧容器を切断した状態を示す図4に対応した拡大断面図である。 その他の変形例における高圧容器を切断した状態を示す図4に対応した拡大断面図である。
以下、図1〜図4を用いて、本発明の一実施形態について説明する。
図示しない車両に設けられたタンクモジュールは、図1に示される高圧容器としての高圧タンク10を複数組み合わせることで構成されており、一例として、燃料電池車両のフロアパネル(不図示)の車両下方側に複数並べた高圧タンク10同士を連結させた構成とされている。
高圧タンク10は、一例として車両前後方向を軸方向(長手方向)とする略円柱状に形成されている。この高圧タンク10は、図2に示されるように、胴体部12と、胴体補強層14と、を含んで構成されている。胴体部12は、軸方向の一対の端部12Aが開口された円筒状に形成されかつ一例としてアルミニウム合金により構成されている。以下、一方の端部12Aのみについて説明するが、反対側の端部12Aも同様の構成とされている。
胴体補強層14は、シート状のCFRP(炭素繊維強化樹脂)とされていると共に、胴体部12の外周面16に巻き付けられている。図3に示されるように、胴体補強層14は、展開状態では矩形のシート状とされており、胴体補強層14の展開状態での短手方向の長さは、胴体部12の軸方向における長さより若干長く設定されている。また、胴体補強層14は、第1補強層14Aと第2補強層14Bとで構成されている。第1補強層14Aは、胴体部12の外周面16に巻き付けられた状態で炭素繊維20が周方向に沿って配列された炭素繊維強化樹脂により構成されている。換言すると、第1補強層14Aの繊維方向は、周方向とされている。なお、図3では、炭素繊維20の繊維方向を分かり易く図示するため、炭素繊維20を実際の本数より少なく図示している。
第2補強層14Bは、胴体部12の外周面16に巻き付けられた状態で炭素繊維21が軸方向に沿って配列された炭素繊維強化樹脂により構成されている。換言すると、第2補強層14Bの繊維方向は、軸方向とされている。また、第2補強層14Bは、胴体補強層14における一部にのみ設けられている。すなわち、第2補強層14Bは、展開状態の第1補強層14Aにおける長手方向略中央部にのみ重ね合わされている。したがって、図4に示されるように、胴体部12の外周面16に巻き付けられた状態の胴体補強層14の厚さ方向における略中央部にのみ第2補強層14B(図中斜線ハッチング部)が設けられた構成とされている。換言すると、第2補強層14Bは、胴体補強層14の厚さ方向における胴体部12の外周面16の近傍部以外の範囲に設けられている。なお、胴体補強層14の厚さ方向における胴体部12の外周面16の近傍部とは、本実施形態では、胴体補強層14において後述する口金22の突起部24の先端部が食い込む範囲をいう。
図2に示されるように、胴体部12の軸方向外方側の端部12Aには、口金22が胴体部12の開口を閉塞するように設けられている。なお、胴体部12の端部12Aと、口金22における胴体部12の端部12Aの端面12Bと対向する部位は、後述する突起部24とされており、突起部24と胴体部12の端部12Aの端面12Bとは離間されている。
口金22は、当接部26と、突起部24と、締結具30と、押圧部32と、を有している。当接部26は、略円筒状に形成された当接本体部34と、当接本体部34の外周から軸方向外方側へ突出されたパッキン収容部36とを有している。当接本体部34は、軸方向内方側の面が軸方向外方側へ向かうに連れて径方向外側へと向かう略円錐状に形成されている。また、当接本体部34には、径方向の中央部に軸方向に沿って貫通された締結孔38が形成されている。締結孔38の軸方向内方側を構成する締結孔内側部40には、径方向外側へ向かって凹形状に形成された溝部42と、この溝部42内に収容されたOリング44とが設けられている。また、締結孔38は、締結孔内側部40の軸方向外方側に締結孔内側部40から径方向外側へ拡径された拡径部46と、拡径部46の軸方向外方側に略一定の径で軸方向外方側へ延設された締結孔外側部48とを有している。締結孔外側部48には、内周面にめねじが形成されている。
パッキン収容部36は、外周面37が胴体部12の内周面に当接されており、また外周面16の一部には、溝部50が形成されている。この溝部50内に、胴体部12の径方向に沿って弾性的に変形されたOリング52が収容されている。
当接本体部34におけるパッキン収容部36より軸方向外方側部を構成する押圧部35の外周面は、軸方向外方側へ向かうに連れて当接本体部34の径方向内側へと傾けられている。この外周面の傾きの角度は、後述するテーパ部54の傾斜角度と略同一とされている。
突起部24は、略円筒状に形成されていると共に、当接本体部34におけるパッキン収容部36より軸方向外方側部及び押圧部32の外周側かつ胴体補強層14のみの部位(胴体部12の端部12Aより軸方向外方側)に設けられている。突起部24は、軸方向に沿った図示しない分割線によって軸方向視で複数に分割されており(不図示)、外周面には突起部としての複数の鋸歯部56が形成されている。この鋸歯部56は、突起部24の周方向に沿って連続的に形成されていると共に、鋸歯部56における軸方向外方側の面を構成する反力面58は、軸方向と直交するようにそれぞれ形成されている。また、鋸歯部56における軸方向内方側の面を構成する斜面60は、軸方向外方側へ向かうに連れて突起部24の径方向外側へと向かうように傾斜されており、この斜面60と反力面58とで構成される鋸歯部56の先端部の傾斜角度は、鋭角とされている。
突起部24の軸方向外方側の端部62には、鋸歯部56よりも径方向外側へ延設されたフランジ部64が形成されている。このフランジ部64の軸方向内方側面は、胴体補強層14の軸方向外方側の端面66と当接されている。
突起部24の内周面には、テーパ部54、68が形成されている。テーパ部54は、突起部24の内周面における軸方向内方側に形成されており、軸方向外方側へ向かうに連れて径方向内側へと傾けられている。また、テーパ部68は、突起部24の内周面における軸方向外方側に形成されており、軸方向内方側へ向かうに連れて径方向内側へと傾けられている。テーパ部54とテーパ部68との境界部は、突起部24の内周面における軸方向の略中央に位置されている。
押圧部32は、軸方向の長さがテーパ部68の軸方向の長さと略同一とされた略円筒状に形成されており、当接部26の内部に挿入されている。押圧部32の外周面は、テーパ部68と同一の角度で軸方向内方側へ向かうに連れて径方向内側へと傾けられている。一方、押圧部32の内側の貫通孔70は、当接本体部34の締結孔外側部48と略同一径とされている。
締結具30は、押圧部32の軸方向外方側に設けられており、締結具30の頭部72の軸方向内方側面が押圧部32の軸方向外方側面と当接すると共に、締結具30の軸部74が押圧部32の貫通孔70及び当接本体部34の締結孔38に挿入されている。軸部74には、おねじが形成されており、このおねじが当接本体部34の締結孔外側部48のめねじと螺合されることで、押圧部32、当接本体部34及び突起部24を締結している。締結具30の先端部は、締結孔内側部40と略同一径に形成されており、締結孔内側部40に締結具30の先端部を挿入することで溝部42内のOリング44を径方向外側へと弾性的に変形させている。
締結具30の頭部72には、被締結部76が形成されている。この被締結部76は、軸方向外方側へ向かって開口された有底円柱状の溝とされていると共に、被締結部76の内周面には、めねじが形成されており、コモンレール77の締結部78に螺合されている。また、頭部72の軸方向外方側面における被締結部76の径方向外側には、溝部79が形成されており、この溝部79内には、Oリング80が収容されている。なお、締結具30には、軸方向に沿って貫通された連通部としての貫通孔70が形成されている。
(口金22の締結について)
次に、口金22の締結について説明する。口金22を胴体部12の内部へと挿入する際は、当接部26に対する締結具30の締結を、当接部26の鋸歯部56における先端が胴体補強層14の内周面と当接する程度に緩めた状態にすることで、突起部24は径方向内側に配置されるため、突起部24ひいては口金22が胴体部12の内部に挿入可能となる。このとき、突起部24は、フランジ部64が胴体補強層14の端面66と当接することでそれ以上の胴体部12の内部への移動が制限される。
胴体部12の内部に口金22を挿入した後、締結具30を締結させると、当接部26が軸方向外方側へと移動すると共に、押圧部32が軸方向内方側へと移動する。したがって、当接部26の押圧部35及び押圧部32がそれぞれ突起部24をテーパ部54、68に沿って径方向外側へと変位させるため、突起部24の鋸歯部56が軸方向と直交する方向にて胴体補強層14の内周面(近傍部)に食い込む。これにより、口金22が胴体部12に固定されると共に、口金22と胴体部12との間の密閉状態が維持されている。なお、鋸歯部56の先端は、胴体補強層14の第1補強層14Aにおける炭素繊維21とこれと隣接する他の炭素繊維21との間に食い込まれている。
上述した高圧タンク10は、複数並べた状態でそれぞれの口金22がコモンレール77に締結されている。このコモンレール77は、図示しないバルブを介して燃料電池スタックや供給パイプ等に接続されている。
(胴体補強層の製造方法)
本実施形態では、まず、図3に示されるように、第1工程によって、シート状の第1補強層14Aにシート状の第2補強層14Bが貼り付けられる。次いで、第2工程によって、図4に示されるように、第1補強層14Aの繊維方向が周方向に沿うように胴体部12の外周面16に巻き付ける。その後、第1補強層14A及び第2補強層14Bの外周外側から図示しないラッピングテープを巻き付けた上で第1補強層14A及び第2補強層14Bを硬化させることで、胴体補強層14が形成される。ここで、本実施形態では、第1工程を経ることによって第1補強層14Aと第2補強層14Bとが貼り合わされることから、繊維方向が異なる第1補強層14Aと第2補強層14Bとをそれぞれ別工程ではなく第2工程にて同時に胴体部12の外周面16に巻き付けることができる。したがって、組立工数を増加させることなく高圧タンク10の剛性を向上させることができる。これにより、生産性を向上させることができる。
(作用・効果)
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。
本実施形態では、図1に示されるように、胴体部12は、円筒状に形成されると共に、軸方向の端部12Aが開口されており、端部12Aの内部に口金22の少なくとも一部が挿入されることで端部12Aが閉塞されている。胴体部12の外周面16には、周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第1補強層14Aと、第1補強層14Aと一体化されかつ略軸方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第2補強層14Bとを有する胴体補強層14が層状に巻き付けられている。したがって、高圧タンク10は、内部に高圧の流体が収容された際に、軸方向視にて径方向外側へ膨張しようとするが、周方向を繊維方向とする第1補強層14Aによってこの膨張が抑制される。同時に、高圧タンク10は、内部に高圧の流体が収容された際に、軸に対して直交する方向視にて胴体部12の板厚方向外側へ膨張しようとするが、軸方向を繊維方向とする第2補強層14Bによってこの膨張が抑制される。つまり、高圧タンク10の周方向及び径方向の剛性が向上される。
ここで、図4に示されるように、第2補強層14Bは、第1補強層14Aの厚さ方向における一部の範囲に設けられている。つまり、第2補強層14Bの使用量は、第1補強層14Aよりも少ない量とされている。したがって、コストを抑制することができる。これにより、高圧タンク10の剛性を向上させると共にコストを抑制することができる。
さらに、口金22は、突起部24を有している。この突起部24は、胴体部12の径方向外側へ押圧されることで胴体補強層14に食い込むため、口金22が軸方向に沿って移動するのが抑制される。したがって、口金22が胴体部12から離脱するのを抑制するための他の部材が不要となる。また、口金22の突起部24が軸方向と直交する方向にて胴体補強層14へ食い込むため、胴体部12の内部に収容された高圧の流体から口金22へ伝わる荷重を胴体補強層14へ効率良く伝達することができる。
一方、第2補強層14Bは、胴体補強層14の厚さ方向における胴体部12の外周面16の近傍部以外の範囲に設けられている。すなわち、胴体補強層14における胴体部12の外周面16の近傍部には、軸方向を繊維方向とする第1補強層14Aのみが設けられている。したがって、口金22の突起部24が胴体補強層14に内周側から食い込む場合、突起部24が第2補強層14Bに食い込むことで軸方向を繊維方向とする炭素繊維21が突起部24により切断されるのを抑制することができる。つまり、炭素繊維21が切断されることによる高圧タンク10の剛性の低下を抑制することができる。これにより、高圧タンク10の剛性を向上させると共によりコストを抑制することができる。
さらにまた、胴体補強層14における径方向外側部は、第1補強層14Aのみの構成とされている。つまり、胴体補強層14における径方向外側部は、周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂が設けられているため、胴体部12に胴体補強層14を巻き付ける際に皺が発生しないように周方向にテンションを掛けながら巻き付けた時に、胴体補強層14が破断するのを抑制することができる。これにより、加工時の不具合を抑制することができる。
また、胴体部12における端部12Aの端面12Bと、口金22における突起部24とは離間されていることから、胴体部12の端部12Aの位置が若干ずれていても突起部24と当接するのを抑制することができる。つまり、胴体部12の端部12Aの位置ずれをある程度許容することができるので、加工精度を高める必要がなく、また歩留まりを向上させることができる。これにより、より一層コストを抑制することができると共に、生産性を向上させることができる。
なお、上述した実施形態では、第2補強層14Bは、展開状態の第1補強層14Aにおける長手方向略中央部にのみ重ね合わされている構成とされているが、これに限らず、図5に示されるように、展開状態の第1補強層14Aにおける長手方向略中央部から長手方向一方の端部の近傍までの範囲に連続して重ね合わされた構成としてもよい。この場合、図6に示されるように、胴体部12の外周面16に巻き付けられた状態の胴体補強層82の厚さ方向における略中央部から胴体補強層82の径方向外側部の近傍の範囲にのみ第2補強層14B(図中斜線ハッチング部)が設けられた構成とされている。この胴体補強層82の場合、上述した胴体補強層14と比べて第2補強層14Bが重ね合わされた量が多くなることから、高圧タンク10の剛性をより向上させることができる。すなわち、必要とされる高圧タンク10の剛性に応じて第2補強層14Bの量を適宜変更してもよい。また、第2補強層14Bを、胴体部12の外周面16に巻き付けられた状態の胴体補強層82の厚さ方向における複数の位置に互いが離間するように設けた構成としてもよい(図7参照)。
さらに、図4、図6に示されるように、胴体補強層14における径方向外側部は、第1補強層14Aのみの構成とされているが、これに限らず、第1補強層14Aと第2補強層14Bとが重ね合わされた構成としてもよい。
さらにまた、図2に示されるように、口金22は、突起部24が設けられた構成とされているが、これに限らず、突起部24がない口金の一部を胴体部12の端部の内部に挿入してこの口金を胴体部12から離脱しないように繊維強化樹脂を胴体部12と一体的に巻き付ける構成としてもよい。この場合、第2補強層14Bは、図4に示されるように、胴体補強層14の厚さ方向における胴体部12の外周面16の近傍部に設けた構成としてもよい。
また、胴体部12は、軸方向の一対の端部12Aがそれぞれ開口された構成とされているが、これに限らず、少なくとも一方の端部12Aのみが開口された構成としてもよい。
さらに、第2補強層14Bの繊維方向は、軸方向とされているが、これに限らず、軸方向に対して多少傾けられた角度を繊維方向としてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。
10 高圧タンク(高圧容器)
12 胴体部
12A 端部
14 胴体補強層
14A 第1補強層
12B 第2補強層
16 外周面
22 口金
24 突起部
82 胴体補強層

Claims (4)

  1. 円筒状に形成されると共に、軸方向の少なくとも一方の端部が開口された胴体部と、
    前記胴体部の開口された前記端部の内部に少なくとも一部が挿入されることで前記端部を閉塞している口金と、
    シート状に形成されて前記胴体部の外周面に層状に巻き付けられると共に、前記胴体部の周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第1補強層と、前記胴体部の略軸方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成されると共に前記第1補強層と一体化されかつ前記第1補強層の厚さ方向における一部の範囲に設けられた第2補強層と、を有する胴体補強層と、
    を有する高圧容器。
  2. 前記口金は、前記胴体部の径方向外側へ押圧されることで前記胴体部の軸方向と略直交する方向にて前記胴体補強層へ食い込む突起部を有していると共に、
    前記第2補強層は、前記胴体補強層の厚さ方向における前記胴体部の外周面の近傍部以外の範囲に設けられている、
    請求項1記載の高圧容器。
  3. 円筒状に形成されると共に、軸方向の少なくとも一方の端部が開口された胴体部と、
    前記胴体部の外周面に設けられると共に前記胴体部の周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第1補強層と、前記胴体部の略軸方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成されると共に前記第1補強層と一体化されかつ前記第1補強層の厚さ方向における一部の範囲に設けられた第2補強層と、を有する胴体補強層と、
    を有する高圧容器に適用される胴体補強層巻き付け方法であって、
    シート状の前記第1補強層にシート状の前記第2補強層を貼り合わせる第1工程と、
    前記第2補強層が貼り合わされた前記第1補強層を、前記第1補強層の繊維方向が前記胴体部の周方向に沿うように前記胴体部の外周面に巻き付けて前記胴体補強層を形成する第2工程と、
    を有する、
    ことを特徴とする胴体補強層巻き付け方法。
  4. 円筒状に形成されると共に、軸方向の少なくとも一方の端部が開口された胴体部と、
    前記胴体部の開口された前記端部の内部に少なくとも一部が挿入されることで前記端部を閉塞している口金と、
    前記胴体部の外周面に層状に巻き付けられると共に、前記胴体部の周方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成された第1補強層と、前記胴体部の略軸方向を繊維方向とする繊維強化樹脂により構成されると共に前記第1補強層と一体化されかつ前記第1補強層の厚さ方向における一部の範囲に設けられた第2補強層と、を有する胴体補強層と、
    を有し、
    前記口金は、前記胴体部の径方向外側へ押圧されることで前記胴体部の軸方向と略直交する方向にて前記胴体補強層へ食い込む突起部を有していると共に、
    前記第2補強層は、前記胴体補強層の厚さ方向における前記胴体部の外周面の近傍部以外の範囲に設けられている、
    高圧容器。
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