JPH11512804A - ガス貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 加圧ガスを貯蔵することができ、ガス供給開口（８）を備えたガス貯蔵容器（１）、ガス供給開口に接続でき、ガスを供給することができる供給手段、およびガスの供給速度を制御する制御手段を備えたガス貯蔵／供給装置であって、ガス貯蔵器が、トロイダル形シェル上で実質上子午線方向において整列する高張力非金属繊維（４）の張力負荷担持層をその表面上に巻き付けられた金属トロイダル形シェル（２）を含むトロイダル形圧力容器であるガス貯蔵／供給装置が記載されている。上記装置を利用した人間が持ち運びできる呼吸装置が記載されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス貯蔵装置 本発明は、コンパクトなガス貯蔵／供給装置、特に人間が容易に持ち運びでき る装置に関する。 加圧ガス貯蔵容器の可搬性を高めるために、一般に強度が高く、かつ重量が比 較的軽いことが必要である。内部シェルのまわりのオーバワインディングは、銃 身やガスシリンダなど円筒形圧力容器の製造における強度ならびに重量軽減のた めの定着した技法である。そのような構造は、加圧したときに軸方向応力よりも かなり大きい円周方向応力を受け、円周方向負荷の大部分を担持するように設計 されたオーバワインディングを使用すれば、ベースシリンダを軸方向応力のみを 受けるように設計することができ、それにより重量をかなり節約することができ る。通常、そのようなワインディングは高張力金属ワイヤでできていた。複合材 料技術の最近の開発によって、樹脂マトリックス中の繊維ワインディングから構 成された複合材が使用されるようになった。 トロイダル形圧力容器は、円筒に代替の幾何形状を与える。トロイダル形容器 は、ワイヤまたは樹脂マトリックス繊維複合 材料を巻き付けられた金属または複合内部トロイダル形ケーシングから構成され たトロイダル形容器が知られており、例えば英国特許出願第２１１０５６６号に 記載されている。これらは、何も巻き付けられていないトロイダル形シェル構造 に比べてかなりの重量の軽減をもたらす。複合ワインディングの場合、従来のワ インディング装置ではワインディング中に樹脂ボンディングを適用することが容 易でないので、製造は複雑になる。マトリックス樹脂によって繊維が完全に湿る ようにすることは困難であることが分かっており、湿潤が不完全な繊維は、従来 の樹脂マトリックス繊維複合構造の弱い領域を構成する。 本発明の目的は、重量が軽減された繊維オーバワインディングを有し、かつ樹 脂マトリックス繊維複合材料を巻き付けられたトロイダル形構造において遭遇す る製造の問題を軽減するトロイダル形圧力容器に基づく軽量かつコンパクトなガ ス貯蔵／供給装置を提供することである。 本発明によれば、ガス貯蔵／供給装置は、加圧ガスを貯蔵することができ、ガ ス供給開口を備えたガス貯蔵容器、第一の端部においてガス供給開口に接続でき 、第二の端部までガスを供給することができる供給手段、およびガスの供給速度 を制御す る制御手段を含んでいる。ガス貯蔵器は、トロイダル形シェル上で実質上子午線 方向において整列する高張力非金属繊維の張力負荷担持層をその表面上に巻き付 けられた金属トロイダル形シェルを含むトロイダル形圧力容器である。 繊維ワインディングならびに金属シェルは負荷を担持するようになされている 。簡単なシリンダの場合と同様に、これらの構造は、トーラスすなわち円環面（ ｔｏｒｕｓ）のまわりの子午線「環方向」に対して直角な方向よりも子午線方向 においてかなり大きい応力を受ける。繊維は、子午線方向負荷の一部のみを担持 するようになされており、したがって英国特許出願第２１１０５６６号に記載さ れているような従来技術の複合層の場合がそうであるように、トーラスのまわり に対角線的ではなく実質上子午線方向に巻き付けられる。金属シェルは、残りの 子午線方向負荷および子午線方向に対して直角なすべての負荷を担持する。ワイ ンディングを使用して、より大きい子午線方向負荷を担持すれば、金属ケーシン グをより小さい加重パラメータの近傍で設計することができ、それにより金属構 造のみを使用して製造できるものよりも軽い容器が製造できる。 本発明は、軽量かつトロイダル形状を有するコンパクトな加 圧ガス貯蔵器を提供する。これらの特徴はどちらも可搬性の向上をもたらす。ト ロイダル形幾何形状は、等しい体積のシリンダよりも小さい内径を有するのでよ り平坦なプロファイルを有する。したがって、この形状は、平坦なプロファイル が望まれる積み込み、あるいは使用中に装着者の後にあまり突出しないので背中 に背負うのに特に適している。トロイダル形状はまた、人間の背中の湾曲により 容易に適合するので背中に背負う場合に有利である。コンパクトな形状は、作業 者がタンクを担持することができるようにある形の装置がまだ必要であるが、こ れは一般に、従来の円筒形装置に必要とされるよりも単純になり、したがってよ り軽くなることを意味し、通常、少なくとも背中に取付け可能なより大きい円筒 形ガスボトルに必要なバックプレートを省くことができる。バックプレートを省 くことができることは、全体的な重量の軽減、ならびに装置が装着者の後ろに突 出する距離を短縮するための追加のファクタである。これらの特徴のどちらも可 搬性の向上をもたらす。トーラス形状のより平坦なプロファイルはまた、まだ必 要な機械的制約を与えるが、より大きい持ち運び易さを提供する適切なバッグま たはかばんに入れて運ぶのに有利である。 トロイダル形状から生じる追加の利点は、ある程度の保護を与え、かつトーラ スが外部衝撃によって切断される可能性を小さくする供給手段接続をトーラスの 内面上に作成できることである。このために、供給開口は、トーラスの内面上に あることが好ましい。供給手段は、シェルに永久的に接続されるが、保管が容易 なように、またガス容器を交換できるように、ガス供給開口は、供給手段の解放 可能接続を実施する手段、および供給手段を取り外した場合にガスが漏れるのを 防ぐ閉鎖弁を含んでいることが好ましい。 オーバワインディングを使用することの特定の利点は、トーラスの内面上のワ インディング繊維の厚さを増すことによってもたらされる。したがって、オーバ ワインディングは、全体的な子午線方向負荷が最大になる領域である、トーラス の内面上の子午線方向負荷のより大きい部分を受けることができる。この効果は 、より大きい負荷のかかる領域内の大きい余分の金属厚さを不要にし、したがっ て、実質上円形の子午線方向断面および実質上均一な壁厚さのトーラスを含んで いる金属シェルは、最小の余り金属重量とともに最適に近い圧力貯蔵性能をもた らす。製造のある程度の簡略化がもたらされる。しかしながら、 円形断面は、本発明の有効性にとって重要ではなく、また本発明は、そのような 形状が本発明の適用により適している円形でない子午線方向断面および／または 横方向断面を有する一定でない湾曲のトーラス形状容器に適用できることに留意 されたい。 ワインディングに適している材料には、熱硬化性マトリックスまたは熱可塑性 マトリックスの形のポリマー、ガラスおよび炭素またはセラミック繊維の複合材 がある。熱硬化性樹脂は、ワインディングの前に繊維にプリプレグとして加え、 ワインディングの後で硬化できる。熱可塑性樹脂は、ワインディング操作を可能 にするために十分な柔軟性を有する細い含浸繊維バンドルを使用して、構造繊維 と混合した熱可塑性繊維として、あるいは構造繊維に取り付けられた熱可塑性粉 末として組み込むことができる。熱可塑性樹脂を組み合わせるために使用される 方法に関わらず、複合材は、後で圧力下で高い温度において強化する必要がある 。すべての場合において、繊維は、トロイダル形容器の子午線のまわりに整列す る。 しかしながら、本発明は、子午線方向におけるオーバワインディングにおいて 繊維を使用して、子午線方向においてのみ負荷を担持するので、マトリックスを まったく不要にする追加の 可能性、あるいは少なくとも保護のために加えられた表面層のみを有する負荷担 持深さのバルクを与える。マトリックスのない本発明のこの好ましい態様では、 マトリックスがないので、従来の繊維およびマトリックス複合材料を巻き付けら れたシェルから構成される圧力容器に比較して重量を節約することができ、また プロセスが製造中に繊維マトリックス材料の一定の湿潤に適合しなければならな い要件が不要になり、したがってより簡単なワインディングプロセスが使用でき る。 本発明のこの乾燥ワインディングマトリックスなし態様の繊維選択の開始点は 、その使用が熱硬化性および熱可塑性樹脂マトリックス複合材料において知られ ているグループである。繊維ワインディングに使用される材料は、高い張力を必 要とする。材料は、ワインディング中または使用中に摩耗によって強度が失われ ることがほとんどなく、この材料が与える摩耗抵抗と保護のためにマトリックス 材料を必要としない材料でなければならない。同様に、材料の強度は、繊維長さ にのみ応じて弱くならなければならず（いわゆる長さ／強度効果）、それにより 破断したフィラメント間で負荷を移動するために必要なマトリックス材料が最小 になる。これらの要件は、本発明のこの態様に おけるガラス繊維および炭素繊維を使用した場合と比較検討される。 上述の問題は、高張力有機ポリマー繊維を使用すれば回避できる。これは、そ のような材料は表面欠陥が生じにくく、また長さ／強度依存度が小さいためであ る。したがって、そのような材料は、摩耗損傷によって強度が失われる傾向が小 さくなる。したがって、破断したフィラメント間で負荷を移動する場合のマトリ ックスの役目は、このタイプの繊維を使用した複合材においてはあまり重要でな い。したがって、張力負荷担持層は、トロイダル形シェル上で実質上子午線方向 において整列し、かつ少なくともその深さのほとんどの部分についてマトリック ス材料がない高張力ポリマー繊維の層を含んでいることが好ましい。アラミド繊 維がこの目的のためには特に好ましい。 しかしながら、圧縮応力を与えられたポリマー繊維はクリープおよび応力緩和 が起こりやすく、それにより耐用年数を過ぎると張力が失われ、位置が移動する 。従来の複合材では、そのような移動は、マトリックスを使用すれば防止できる 。マトリックスを使用しない本発明において適合性を得るために、繊維は、繊維 がすべての実際の環境露出条件下でトーラス壁上の位 置を維持するために時間が経過しても十分な張力を維持できる程度まで繊維に実 際に圧縮応力が加わるほど十分に低いクリープ特性および応力緩和特性を有しな ければならない。 ポリマー繊維も応力破断を示す。すなわち十分に大きい静的負荷がかかるとポ リマー繊維は結局破断する。そのような破断までの時間は、応力および温度によ って決まり、数十年から数百年に及ぶ。本発明に関して、繊維の応力破断特性は 、圧力加重によって生じる追加の張力とともにクリープ問題を克服することに関 して必要な圧縮応力によって生じる繊維張力が、すベての実際の環境露出条件下 で容器の寿命の間に応力破断障害を引き起こすことなしに調整できるようなもの でなければならない。 したがって、圧縮応力が応力破壊障害を引き起こすほど大きくなることなくク リープによる張力の損失によって生じる後の移動を回避するために十分な初期圧 縮応力がワインディングに加わるような「窓」が繊維特性中に存在する要件が生 じる。本発明の好ましい態様におけるマトリックスのないワインディングは、こ の窓を有する高張力ポリマー繊維を使用して、従来技術が複合オーバワインディ ングを有する圧力容器の重要な特徴 として必要とするマトリックス材料の使用を省く。 アラミド繊維はその特性中にそのような窓を有することが分かっており、した がってそのような繊維は本発明のマトリックスのない態様に特に適している。炭 素繊維、ガラス繊維およびセラミック繊維は、より大きい窓を有するが、それら の使用は、摩耗抵抗に関する上述の問題および長さ／強度効果によって妨げられ る。アラミドに加える一つまたは複数のこれらを含む混合混紡繊維、例えば混合 アラミド繊維および炭素繊維は、有用な妥協物を与える。アラミド繊維は、ワイ ンディングプロセス中に起こる多くの摩耗から炭素を保護する。使用中、応力緩 和およびクリープがアラミド繊維中に起こると、負荷が徐々に炭素繊維に移動す る。これは、アラミド繊維がその応力破壊限界に近くなる設計において重要であ る。 トロイダル形シェル内の開口はオーバワインディングされないことは明らかで ある。設計が便利なように、ガス貯蔵容器は、ガス供給開口の領域内にオーバワ インディングを有しない厚い内部ケーシングの領域を備える。しかしながら、ト ロイダル形シェルの可能な製造方法は、二つの湾曲したガターを互いに溶接する ことであり、そのような場合、厚い領域が容器中に溶接 される交差溶接によって構造上の問題が生じる。 これらの問題を克服するために、環状または一部環状のラグがオーバワインデ ィングの前にトロイダル形シェル内の開口上に取り付けられる。このラグは、子 午線方向に巻き付けられた繊維の層を受容する外面、横方向開口、およびトロイ ダル形シェル内の開口と横方向開口内との間の連絡チャネルを与える空気経路を 含んでいる。この構成では、実質上トロイダル形シェルの表面全体のまわりに繊 維をオーバワインディングすることができるので、ガス供給開口の近傍のシェル 厚さを変更する必要がない。 ラグの一部は、その縁部における不連続性を最小限に抑えるためにクレセント 形すなわち三日月形断面を有する環状であることが好ましい。ラグは、通常、潜 在的な弱さをもたらしうる環方向溶接部との交差を回避するためにトーラスの中 央平面からずれてシェルに溶接されることが好ましい。また、クレセント形先端 部におけるケブラー腐食を回避するために、例えばＰＴＦＥテープを使用して外 部潤滑を実施することが望ましい。 繊維の混合物を使用したワインディングの追加の利点は、弾 性率のより高い炭素繊維を組み込むことによって、ワインディングの剛性を高め ることができ、それによりオーバワインディングされた領域の子午線方向剛性（ すなわちヤング率と厚さとの積）がオーバワインディングされていない領域のそ れにほぼ一致し、剛性の不連続性によって生じうる応力が小さくなる。 マトリックスなしオーバワインディングは、保護コーティングで被覆されるこ とが好ましい。これは、従来の繊維複合物ワインディング中のマトリックスによ って与えられる環境保護の不在を一部補償するため、特に繊維強度に悪影響を及 ぼす可視放射および紫外放射から繊維を保護するため（特にオーバワインディン グが好ましいアラミド繊維を使用する場合）、ワインディングから水分を避ける ため、および摩耗からの保護を実施するために役立つ。コーティングは、その最 も簡単な形では、巻き付けられた繊維上におそらく塗料として加えられた保護エ ラストマー層の形をとる。あるいは、巻き付けられた繊維上に不浸透性コーティ ングを加え、そのコーティング上に繊維の他の層を巻き付け、それに適切な適合 性樹脂を加える。したがって、ワインディングは、従来の樹脂マトリックス複合 物の外部特性を示すが、ワインディングのバルク特性、したがってその 実質的な機械特性は、本明細書で詳述した付随する利点を有する本発明の乾燥ワ インディングされたマトリックスのない好ましい態様に従う。 繊維ワインディング張力は、時間が経過して繊維中に応力緩和およびクリープ が発生したときにオーバワインディングがゆるみ、滑りやすくなるのを回避する ために十分大きく、かつ繊維の応力破壊を誘導するほど大きくならないように慎 重に制御する必要がある。さらに、金属シェルに圧縮応力が加わるようにワイン ディングに過大な張力を加え、それによりシェルの降伏が起こる圧力を高くする ことができる。 ワインディング張力は、完成品中に均一な負荷分布をもたらすためにワインデ ィング中に変化させることが好ましい。多数のワインディング層が備えられてい るとき、外部層は、金属シェルにだけではなく、内部繊維層にもある程度の圧縮 負荷を加える。このため、一定のワインディング張力が維持され、かつオーバワ インディングが十分深い場合、内部層は張力を失い、それにより内部層は使用中 に加圧されたときにそれにかかる全負荷を受容することができなくなる。この解 決策は、張力加重が完全に巻き付けられた容器中のオーバワインディングされた 繊維のすべての層中に均一に分配されるように、ワインディングが進むときにワ インディング張力を小さくすることである。しかしながら、壁の薄い容器の場合 、ワインディング張力を変更する必要はあまり重要ではない。 本発明によるオーバワインディングを使用すれば、所与の圧力容器用途にとっ てより有利なモードが選択できる障害モードを選択することができる。繊維オー バワインディングが過大な場合、円周方向破壊によって、すなわち、子午線方向 に対して直角な方向に発生した応力によって生じた子午線方向クラックによって 障害が発生する。繊維オーバワインディングが不十分な場合、円周方向障害、す なわち、子午線方向応力によって生じた子午線方向に対して直角なクラックがま ず発生する。後者の場合、弱い領域を形成するためにトーラス壁厚さに変化を組 み込むことによって他の選択を与えることができる。 金属シェルの場合、軽量かつ強度が要求されるので、アルミニウムおよびその 合金、あるいは最も好ましくは、チタンおよびチタン合金を使用することが好ま しい。ただし、特に本発明のあまり重量が重要でない用途では、鋼および他の金 属も使用できる。 一定のガス供給を保証するために、制御手段は、圧力調整装器、好ましくは二 段調整器を含んでいることが好ましい。 本発明の特定の用途は、呼吸ガス（酸素、Ｏ₂／不活性ガス混合気、空気など ）容器およびガス供給開口の第二の端部に接続された呼吸マスクおよびユーザ操 作可能デマンドバルブの働きをする加圧ガス貯蔵容器を有する呼吸装置の分野で ある。トロイダル形状は持ち運びが容易であり、またこの設計はコンパクトかつ 軽量であり、これらの特徴は、本発明のこの用途にとって重要な考慮事項である 。リングの内側のサイトに供給を接続することによって与えられる保護は、明ら かに本発明のこの実施形態において特に重要である。 次に、本発明の実施形態について、例としてのみ、添付の図面に関して説明す る。 第１図は、本発明による呼吸装置用の加圧ガス貯蔵容器の透視図である。 第２図は、ガス供給開口の近傍を通る第１図の容器の横断面図である。 第３図は、第１図および第２図のガス供給開口に取り付けるための二段調整器 およびフェースピースの断面図である。 第４図は、本発明による呼吸装置用の加圧ガス貯蔵容器の代替実施形態の透視 図である。 第５図は、容器の軸に対して平行であり、かつガス供給開口の近傍を通る第４ 図の容器の断面図である。 第６図は、ガス供給開口の代替実施形態の透視図である。 第７図は、ガス供給開口の近傍を通る第６図の容器の横断面図である。 第８図は、第６図および第７図のガス供給開口とともに使用するのに適した接 続アダプタの透視図である。 第９図は、第６図および第７図のガス供給開口の近傍を通る子午線方向断面図 である。 第１０図は、ガス供給開口の近傍の負荷拡散強化プレートを通る子午線方向断 面図である。 第１図は、取外し可能供給装置を備えかつ装置を取り外した本発明による呼吸 装置用のトロイダル形ガスタンクを示す。容量９リットル、設計圧力２０７バー ル（２１．１メガパスカル）のトロイダル形内部タンク２は、６０６１アルミニ ウム合金から、通常二つの湾曲した「ガター」を互いに溶接して製造される。タ ンク２は、全直径４００ｍｍ、内部穴直径１２８ｍｍの 円形子午線方向断面および横方向断面のものである。タンク２は、例えば、互い に溶接した二つの湾曲したガターから製造される。トーラスの壁は、６．５ｍｍ の一定の基本的壁厚さを有する。タンク２は、ケブラー４９^TM繊維４をトーラス の内側から測定して２．５ｍｍのオーバワインディング層厚さまでオーバワイン ディングされる（これは、上述したトロイダル幾何形状に固有の増強効果のため にトーラスの外側の厚さがより小さくなることに対応する）。ただし、調整器接 続８のタッピング（ｔａｐｐｉｎｇ）を可能にするためにオーバワインディング しないでおいたケーシング９の小さいセクションは除く。オーバワインディング 技法は本発明に関連せず、またワインディングは、例えば、トロイダル形変換器 や加減抵抗器などコイルを巻きつけた電気部品を製造する場合に使用されるもの など、当業者によく知られているトロイダル形コアに材料を巻き付ける標準の装 置および技法を使用して、何も巻きつけていない領域９に適合するようにわずか な改変を加えれば適用できる。この設計では、容器がほぼ半分まで加圧されたと きに、子午線方向負荷がオーバワインディング４によって担持され、残りの子午 線方向負荷および子午線方向に対して直角な方向のすべての負荷がアルミニウム シェル２によって担持されるようになされる。 繊維は、巻き付けられた繊維４上に加えられたエラストマーポリウレタン塗料 層６から構成される環境保護用の被覆を備える。第１図はスリーブ６の一部のみ を示し、残りの部分は下地のワインディング４をよりよく示すために除去されて いるが、使用中はスリーブ６は、オーバワインディング全体上に延びる。 ガス貯蔵容器は、調整器接続８にタッピングするためにオーバワインディング ９を有しない厚い内部ケーシングの領域を必要とする。これを調整器接続に近い 領域を通る横断面である第２図に示す。この領域はオーバワインディングされて いないので、最適な設計には、トロイダル形幾何形状のためにそこで受けるより 大きい加重に適合するように金属がトーラスの外側１２よりも内側１０のほうが 厚くなるようにする必要がある。これに適合するように、壁厚さを基本的な６． ５ｍｍから外壁１２上で約１０．５ｍｍ、内壁１４上で約１５ｍｍまで厚くする 。オーバワインディングのない領域は、それが圧力容器にもたらす過大な重量を 軽減するためにできるだけ小さくする必要があり、この場合、３４°のトーラス の円弧αに限定される。第２ 図に示すように、この遷移は、追加の応力を引き起こしうるケブラー^TMの比較的 小さい剛性によって生じる剛性の不連続性の効果を最小限に抑えるために遷移領 域内で段階的である。代替または追加の特徴として、ワインディングは、ワイン ディングのある領域とワインディングのない領域内の子午線方向剛性により厳密 に一致し、かつ不連続性応力を小さくするためにより堅い炭素繊維をケブラー^TM に組み込むことができる。 調整器接続部品８は、標準のＭ１８設計、長さ２５ｍｍであり、調整器および 結合される呼吸マウスピースまたはフェースピースおよび関連する装置の接続を 容易にする内部ネジ山１４を備える。この装置は取り外されており、したがって 図面には示されていない。この装置を取り外した状態で、ガス容器は、逆止め弁 １５によって閉じられているものとして示されている。代替物として、Ｍ１８ネ ジ山１４中にねじ込む分離弁も使用できる。調整器接続８をトーラスのリング内 に配置すれば、よりコンパクトな設計および取付け後および使用中の調整器への ある程度の保護が得られる。 第３図は、ガスの圧力をその保管圧力から周囲圧力へ下げるために第１図およ び第２図のガスタンク中に挿入するのに適し た取外し可能調整器を一部断面で示す。調整器をガスタンクに接続するためにＭ １８接続部品８に適合するネジ切りされたコネクタ２１が備えられる。この部品 の挿入でタンク内の閉鎖弁１５が開き、その場合、調整器室２３への供給は回転 可能制御弁２５によって制御される。調整器は、バネ付きピストンタイプ２７で ある。その場合、ガスは、供給ライン２８を介してユーザ操作可能デマンドバル ブ２９を通ってフェースピース３０に進む。 二段調整器が好ましいが、本発明は、調整器を組み込むか否かに関わらず、取 外しができないように接続された呼吸装置を有するガスタンクに適用できること に留意されたい。 第４図は、本発明による圧力容器の代替実施形態を示す。前の例と同じ外部寸 法を有するトロイダル形内部タンク３１は、チタン合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖから 製造される。タンクは、６リットル容量、動作圧力３００バール（３１．６５メ ガパスカル）用に設計されている。タンク３１は、全直径３４０ｍｍ、内直径１ １２ｍｍ、基本的壁厚さ３．２ｍｍの円形子午線方向断面および横方向断面のも のである。 タンクは、最初にドレープ可能（ｄｒａｐａｂｌｅ）炭素繊 維、すなわちエポキシプリプレグが加えられている。プリプレグは、繊維が子午 線方向に対して実質上直角になるようにタンク３１上に整列して配置されたスト リップ内に加えられ、したがって標準の強化および硬化の後で、この方向におい て負荷の一部を担持する整列複合層３２を形成する。タンクは、前の例と同じ形 でケブラー４９^TM繊維３４でオーバワインディングされる。環方向負荷の一部が 金属ではなく炭素繊維複合層３２によって担持されるので、かなりの追加の重量 節約が可能である。設計では、層３２が厚い領域に負ける応力集中を回避し、か つ遷移領域が複合層３２中への効果的な負荷移動を保証するほど十分大きくなる ように注意する必要がある。二つの代替手法を第５図に示す。（ａ）先細縁部プ リプレグ３５をタンクに加えて、先細遷移領域を得る。（ｂ）プリプレグの多数 の層３６を加えて、階段状遷移領域を得る。環境保護層３７が乾燥オーバワイン ディング３４上に加えられる。しかしながら、ドレープ可能なプリプレグの概念 はオーバワインディングされたアルミニウム合金設計またはオーバワインディン グされたチタン合金設計の重要な特徴ではないことを理解されたい。 第６図から第９図は、ガス供給開口の代替実施形態に関する。 均一壁厚さトロイダル形シェル４１は、おそらく互いに溶接された二つの湾曲 した「ガター」から製造される。ラグ４２は、シェル上に溶接され、トロイダル 形シェル壁中の開口４４との連絡を提供する空気経路４３を備える。ラグは、潜 在的な弱さをもたらしうる環方向溶接部との交差を回避するためにトーラスの中 央平面からずれていることが好ましい。ただし、操作上の理由で（例えばリング の内側のサイト上に接続を配置することによってもたらされる保護の利点）、圧 力タッピングを「赤道」からあまり遠くに移動しないことが望ましい。 タンクは、まずラグ４２の各側と同じ距離のところに、次いで別のワインディ ング操作においてラグ上に、前の例と同じ形でケブラー４９^TM繊維４６でオーバ ワインディングされる。したがって、タンクは、その最大限度までオーバワイン ディングされ、ガス供給開口の近傍に厚いセクションを組み込む必要はない。 繊維４６を保護するために必要に応じて表面コーティング４８を加える。 ガス調整器への接続を行うために、（第８図に示される）バンジョ（ｂａｎｊ ｏ）アタッチメント４９を使用する。突出部 ５３は、穴５０がトロイダル形シェル壁中の開口４４に整列するようにラグ４２ 中の経路４３中に挿入される。ゴムリングシール５４はガス気密接続を実施し、 ガスは経路５１を介して穴５２に進むことができる。穴５２は、調整器接続を提 供し、Ｍ１８または調整器および結合される呼吸マウスピースまたはフェースピ ースおよび関連する装置（第３図に示されるものなど）の接続を容易にする他の 標準のネジ山嵌合設計である。 この実施形態は、容器の製造を容易にし、かつ厚い領域を容器中に溶接される 溶接部に交差することによって生じる構造上の問題を回避する。穴サイズは、必 要な空気経路のサイズではなく、内部検査のためにエンドコープの挿入を可能に する必要によって決定されよう。 第９図は、オーバワインディングを適用する前のラグ４２の好ましい幾何形状 を示す。オーバワインディングが機能するためには、シェル４１に対して内側へ の圧力が働くようにすべての点において正に湾曲している必要がある。したがっ て、ラグ４２は、おそらくその外部プロファイルが楕円の一部をなす長いクレセ ント形状の形を取る必要がある。ラグの大部分は、圧縮の際に大きく加重され、 したがってケーシングまたはプラス チックモールディングにする。したがって、複雑な形状は問題を提示しない。ク レセントは、一つの部品の形で製造されるか、または上に溶接されたポストに取 り付けられた別個の部品である。 クレセントがトーラス上の環方向溶接部を横断するとき、それが連続的に溶接 されることは望ましくない。実際、拡大するシェルに取り付けられた固い溶接部 品は、疲労障害の潜在的サイトである溶接部中に大きい応力を発生する。しかし ながら、クレセントは、すべての点において固く取り付けられていない場合、シ ェルと擦れ合うのを防ぐために、例えばＰＴＦＥまたはナイロンの層５６を使用 して「潤滑」を実施する必要がある（それにより疲労障害の他の原因を回避する ）。代替例（図示せず）は、（円周方向剛性を小さくする）応力解放ノッチが組 み込まれた一連のスポット溶接部である。ただしこれは、より熱の影響を受ける 領域をもたらす潜在的な欠点を有する。 また、クレセント形端部におけるケブラー腐食を回避するために、例えばＰＴ ＦＥテープを使用して、外部潤滑を実施することが望ましく、この例ではＰＴＦ Ｅテープ５８の層によって実施する。 残りの構造上の問題は、任意のタイプの圧力容器を設計する場合に、初期障害 が容器構造の代表的な均一な部分ではなく接合部、タグなどから離れた場所で発 生するようにすることが望ましいことである。このようにすると、一定かつ予測 可能なバースト圧力が達成できる。提案の設計を使用すれば、過大なケブラーが 環方向溶接部に沿って障害を抑止することが予想される。この場合、起こりうる 障害モードは、環方向応力によって生じる子午線方向クラックである。 残念ながら、今のところ、溶接部および熱の影響を受ける領域によって囲まれ たトーラス中の（小さい）穴は、初期障害の最も考えられるサイトである。 これを回避する考えられる方法は、トーラスの内面に接着剤で結合された金属 または複合物のパッチを使用することである。これは、熱の影響を受ける領域内 の早すぎる障害を抑止するために十分な負荷（おそらく全体の１０〜１５％）を 移動するように設計される。 第６図から第９図の実施形態について説明した製造シーケンスは、最初に「ガ ター」の一つにラグを溶接するステップを含むように修正できる。その場合、ラ グに対向するガター表面の 内側にパッチを加える。二つのガターを溶接して、トーラスを形成し、ワインデ ィングを通常どおり加える。 パッチのサイズは、一部環方向溶接部への近接度を使用して接着剤が耐えられ る温度によって決定される。約１７０℃まで良好なエポキシ接着剤、またはビス マレイド（ｂｉｓｍａｌｅｉｄｅ）フィルム接着剤（約３００℃まで良好である が、それほど有効な接着剤ではない）が選択できる。 第６図から第９図のポストクレセント形バンジョ概念は、圧力接続の作成を可 能にすると同時に、トーラスの表面全体がオーバラップによって支持されること を保証する手段として開発された。第１０図に示される代替手法は、いくつかの 支持されない領域があり、それらの弱化効果を最小限に抑える試みを容認するこ とである。 裸の領域は、特に高張力金属の薄いシェルに対して問題を提示する。シェルが 局所的に厚くなることは、製造が複雑になり、また（拡大シェルに固く取り付け られた剛性部材の場合に予想されるように）応力集中および疲労障害の考えられ る原因をもたらすので望ましくない。第１０図の実施形態では、負荷拡散プレー トを使用して裸の領域をふさいでいる。第１０ａ図は入 口管６１における拡散プレートを通る断面を示し、第１０ｂ図は入口管から離れ た断面を示す。 トロイダル形シェル６４の湾曲に一致するように湾曲したプレート６２は、入 口管６１上に嵌合する穴、およびフェザー付き縁（ｆｅａｔｈｅｒｅｄ ｅｄｇ ｅ）部を有する。プレートは、オーバワインディング６６がない裸の領域内で余 分の支持を与える。プレートは、トーラスにゆるく取り付けられ、拡大したとき にトーラス上で自由に滑動すべきである。これを援助するために潤滑フィルムが 使用できる。 プレートは、大きいせん断負荷および湾曲負荷を受け、十分厚く、かつこれら を満足するために適切な材料から構成されなければならない。一般に、繊維複合 物は、平面外せん断負荷を担持するのに適していない。備品または接続に耐えら れる等方性金属が好ましい。このようにすると、低い変化率によって特徴付けら れる一定のバースト圧力が得られる可能性が高くなる。 第６図から第９図のポストクレセント形バンジョ設計または第１０図の負荷拡 散プレートを有するオーバワインディングされたトロイダル形圧力容器について 考えた場合、最初の障害が主として環方向負荷の働きによって発生することが予 想される （この設計は、過大なオーバワインディングを使用して、子午線方向負荷による 障害を抑止するようになされている）。予想される障害は、トーラスの内円周の まわりに延びる子午線方向クラックの形をとる。環方向において、最も弱い領域 は、圧力入口、すなわちポストまたは入口管のまわりの溶接部の領域および／ま たは熱の影響を受ける領域内にあると予想される。 局所的に厚くすることによってこの障害を回避することは上述の理由で望まし くない。負荷拡散プレートは、障害をもたらす膜負荷を担持するために役に立た ない。 可能な解決策は、溶接部のまわりでトーラス表面に結合された材料の薄いパッ チを使用することである。ＣＦＲＰは、このために理想的であり、そのようなパ ッチを使用する技術は、複合修理のＳＭＣ作業から定評がある。溶接部のまわり の強度損失は大きくなることが予想されないので、必要な材料の厚さは、非常に 小さく、おそらく０．５ミリ以下になる。質量の犠牲は最小になる。 強化パッチ概念は、第６図から第９図のポストクレセント形概念または第１０ 図の負荷拡散プレートに適用できる。前者の 場合、追加の厚さは、空間が貴重な領域内で小さい問題を提示する。後者の場合 、パッチは、拡大プレートの下で動作する必要があり、したがって圧縮負荷に耐 えられるように十分な厚さ中の圧縮強度を必要とする。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年７月１８日 【補正内容】 請求の範囲 １．加圧ガスを貯蔵することができ、ガス供給開口を備えたガス貯蔵容器、第一 の端部においてガス供給開口に接続でき、第二の端部までガスを供給することが できる供給手段、およびガスの供給速度を制御する制御手段を含むガス貯蔵／供 給装置であって、ガス貯蔵容器が、トロイダル形シェル上で実質上子午線方向に 整列し、かつ少なくともその深さのかなりの部分についてマトリックス材料がな い高張力ポリマー繊維の張力負荷担持層をその表面上に巻き付けられた金属トロ イダル形シェルを含むトロイダル形圧力容器であるガス貯蔵／供給装置。 ２．供給開口がトーラスの内面上にある請求の範囲第１項に記載の装置。 ３．ガス供給開口が、供給手段の解放可能接続を実施する手段、および供給手段 を取り外した場合にガスが放出されるのを防ぐ閉鎖弁を含む請求の範囲第１項ま たは第２項に記載の装置。 ４．シェルが、実質上円形の子午線方向断面および実質上均一な壁厚さのトーラ スを含む請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の装置。 ５．繊維がアラミドを含む請求の範囲第５項に記載の装置。 ６．張力負荷担持層が、炭素繊維、ガラス繊維またはセラミック繊維の少なくと も一つと結合したアラミド繊維を含む混合混紡繊維から構成された請求の範囲第 ６項に記載の装置。 ７．金属シェルに圧縮応力が加わるように繊維ワインディングに過大張力が加え られる請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載の装置。 ８．シェルが、アルミニウムおよびその合金およびチタンおよびその合金を含む グループから選択された材料から製造される請求の範囲第１項から第７項のいず れか一項に記載の装置。 ９．ガス貯蔵容器が、ガス供給開口の領域内にオーバワインディングを有しない 厚い内部ケーシングの領域を備えた請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項 に記載の装置。 １０．子午線方向に巻き付けられた繊維の層を受容する外面、横方向開口、およ びトロイダル形シェル内の開口と横方向開口内との間の連絡チャネルを与える空 気経路を含む環状または一部環状のラグが、トロイダル形シェル内の開口上のオ ーバワインディングの下に取り付けられた請求の範囲第１項から第９項のいずれ か一項に記載の装置。 １１．ラグの一部がクレセント形断面を有する環状である請求の範囲第１１項に 記載の装置。 １２．制御手段が圧力調整器を含む請求の範囲第１項から第１１項のいずれか一 項に記載の装置。 １３．持ち運びが容易なように装置を人間の背中に取り付ける手段を含むかばん の中に入れられた請求の範囲第１項から第１２項のいずれか一項に記載の装置。 １４．実質上添付の図面の第１図および第２図に関して上記で説明した装置。 １５．実質上添付の図面の第４図および第５図に関して上記で説明した装置。 １６．実質上添付の図面の第６図から第９図に関して上記で説明した装置。 １７．加圧ガス貯蔵器が呼吸ガス貯蔵器の役目をする請求の範囲第１項から第１ ６項のいずれか一項に記載の人間が持ち運びできるガス貯蔵／供給装置を含み、 かつガス供給開口の第二の端部に接続された呼吸フェースピースおよびユーザ操 作可能デマンドバルブをさらに含む呼吸装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 クツク，ジヨン イギリス国、ハンプシヤー・ジー・ユー・ 14・６・テイ・デイ、デイ・アール・エ イ・フアーンボロー、デイフエンス・イバ リユエイシヨン・アンド・リサーチ・エー ジエンシー、アール・69・ビルデイング、 インテレクチユアル・プロパテイ・デパー トメント（番地なし) (72)発明者 リチヤーズ，ブライアン・ジヨン イギリス国、サセツクス・アール・エイ チ・20・３・デイ・エヌ、ストリントン、 ローベル・ウエイ、ライフ・サポート・エ ンジニアリング・リミテツド（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．加圧ガスを貯蔵することができ、ガス供給開口を備えたガス貯蔵容器、第一 の端部においてガス供給開口に接続でき、第二の端部までガスを供給することが できる供給手段、およびガスの供給速度を制御する制御手段を含むガス貯蔵／供 給装置であって、ガス貯蔵容器が、トロイダル形シェル上で実質上子午線方向に 整列する高張力非金属繊維の張力負荷担持層をその表面上に巻き付けられた金属 トロイダル形シェルを含むトロイダル形圧力容器であるガス貯蔵／供給装置。 ２．供給開口がトーラスの内面上にある請求の範囲第１項に記載の装置。 ３．ガス供給開口が、供給手段の解放可能接続を実施する手段、および供給手段 を取り外した場合にガスが放出されるのを防ぐ閉鎖弁を含む請求の範囲第１項ま たは第２項に記載の装置。 ４．シェルが、実質上円形の子午線方向断面および実質上均一な壁厚さのトーラ スを含む請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の装置。 ５．張力負荷担持層が、トロイダル形シェル上で実質上子午線 方向において整列し、かつ少なくともその深さのかなりの部分についてマトリッ クス材料がない高張力ポリマー繊維の層を含む請求の範囲第１項から第４項のい ずれか一項に記載の装置。 ６．繊維がアラミドを含む請求の範囲第５項に記載の装置。 ７．張力負荷担持層が、炭素繊維、ガラス繊維またはセラミック繊維の少なくと も一つと結合したアラミド繊維を含む混合混紡繊維から構成された請求の範囲第 ６項に記載の装置。 ８．金属シェルに圧縮応力が加わるように繊維ワインディングに過大張力が加え られる請求の範囲第１項から第７項のいずれか一項に記載の装置。 ９．シェルが、アルミニウムおよびその合金およびチタンおよびその合金を含む グループから選択された材料から製造される請求の範囲第１項から第８項のいず れか一項に記載の装置。 １０．ガス貯蔵容器が、ガス供給開口の領域内にオーバワインディングを有しな い厚い内部ケーシングの領域を備えた請求の範囲第１項から第９項のいずれか一 項に記載の装置。 １１．子午線方向に巻き付けられた繊維の層を受容する外面、横方向開口、およ びトロイダル形シェル内の開口と横方向開口との間の連絡チャネルを与える空気 経路を含む環状または一部 環状のラグが、トロイダル形シェル内の開口上のオーバワインディングの下に取 り付けられた請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項に記載の装置。 １２．ラグの一部がクレセント形断面を有する環状である請求の範囲第１１項に 記載の装置。 １３．制御手段が圧力調整器を含む請求の範囲第１項から第１２項のいずれか一 項に記載の装置。 １４．持ち運びが容易なように装置を人間の背中に取り付ける手段を含むかばん の中に入れられた請求の範囲第１項から第１３項のいずれか一項に記載の装置。 １５．実質上添付の図面の第１図および第２図に関して上記で説明した装置。 １６．実質上添付の図面の第４図および第５図に関して上記で説明した装置。 １７．実質上添付の図面の第６図から第９図に関して上記で説明した装置。 １８．加圧ガス貯蔵器が呼吸ガス貯蔵器の役目をする請求の範囲第１項から第１ ７項のいずれか一項に記載の人間が持ち運びできるガス貯蔵／供給装置を含み、 かつガス供給開口の第二の 端部に接続された呼吸フェースピースおよびユーザ操作可能デマンドバルブをさ らに含む呼吸装置。