JP6488103B2 - ボンベ封止プラグ及び該封止プラグを用いたボンベ封止方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガスをガスボンベ本体の貫通孔と封止プラグとの隙間から注入し、注入後に封止プラグをボンベ本体に溶着して封止するボンベ封止プラグ及び該封止プラグを用いたボンベ封止方法に関するものである。

従来の小型のガス容器に高圧ガスを注入し、その後に封板を溶着してガスを充填する方法は、広く知られている。このような方法は、ガス容器の材質がスチール、封板もスチールのように、電気抵抗が大きな金属材料では電気溶着が容易であるため実用化がし易い。

携帯用器具に用いる小型のガスボンベにはスチール製が多く用いられているが、安価ではある反面、重量が大きく、また海岸近くなどの環境ではスチール製よりもアルミニウム製が耐食性に優れている。このため、軽量で耐食性を有するアルミニウム製のボンベが求められている。

特開２００４−１７０４８号公報 特開２０１１−１７７１５号公報

一般に、ガスを注入した後のガスボンベの封止は電気溶着により行っているが、アルミニウム製の場合は電気抵抗が小さく、ジュール熱による発熱量が小さいために電気溶着がなかなか難しい。

アルミニウムのような電気抵抗の小さな金属材料では、所要の発熱量を得るために、スチールの場合に比べて、５〜１０倍の電流を流す必要がある。このため、接触部に過大な電流が流れて、接触部の金属が溶け出してアークが発生し、また溶けた金属が吹き飛ばされる所謂爆飛が生じ易い。

特許文献１、２はアルミニウム製のボンベ本体に高圧ガスを充填し、その後に同様の材質の封板をボンベ本体に溶着して製造する方法として、原理的に適用できる可能性があるが、被溶着部の同軸度確保が不充分で、またガス注入通路の確保も考慮されておらず、現実的な適用は極めて困難である。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、アルミニウム製のボンベ本体に対し、高圧ガスを注入すると共に、電気溶着によって封止プラグにより封止するボンベ封止プラグ及び該封止プラグを用いたボンベ封止方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るボンベ封止プラグは、アルミニウム製のボンベ本体の底部に設けた貫通孔に装着して該貫通孔との間から前記ボンベ本体内にガスを注入し、前記貫通孔に圧入すると共に電流により溶着して、前記ボンベ本体を封止するアルミニウム製の一体成型品のボンベ封止プラグであって、前記貫通孔に圧入して前記貫通孔との間の接触部を溶着する円柱状の封止部と、該封止部の後端側に配置し該封止部の径よりも大きい電極接触用の板体状の鍔部と、前記封止部の先端側に配置しガス注入口を有する短円柱状のガス注入部と、該ガス注入部の先端側に設け前記封止部よりも小径の円柱状のガイド部とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る封止プラグを用いたボンベ封止方法は、アルミニウム製のボンベ本体の底部に設けた貫通孔と該貫通孔に装着したアルミニウム製の封止プラグとの間からガスを注入し、前記封止プラグを前記貫通孔に電気溶着により封止するボンベ封止方法において、前記封止プラグは前記貫通孔の内径よりも稍々径が大きく前記貫通孔内に装着するための円柱状の封止部と、該封止部の先端側に設けたガス注入用のガス注入部と、前記封止部の後部に設け前記封止部よりも大きな板体状の鍔部と、前記貫通孔の入口側に設けたテーパ部と、前記封止部の先端に前記テーパ部に対応して設けたテーパ面とを備え、前記ガス注入部の周端部を前記貫通孔の一部に当接し、前記貫通孔のテーパ部と前記封止部のテーパ面に若干の間隙を設けた平行状態とする前記封止部の仮装着工程と、前記封止部を仮装着した状態で前記テーパ部とテーパ面間を通路とし、前記ガス注入部に設けたガス注入口を介してガスを前記ボンベ本体内に注入するガス注入工程と、該ガス注入の直後に前記封止部を前記貫通孔内に圧入する本装着工程と、該本装着工程と同時に又はその後に前記封止部と前記貫通孔との間の接触部に瞬時的に電流を流し前記接触部を溶着する電気溶着工程とを有することを特徴とする。

本発明に係るボンベ封止プラグ及び該封止プラグを用いたボンベ封止方法によれば、上述の課題を解消し、アルミニウム製のボンベ本体に対し、同材料の封止プラグを用いてガスを注入しながら電気溶着により封止する。

一部を切欠した状態のボンベ本体の側面図である。 ボンベ本体の底部に封止プラグを仮装着した状態の断面図である。 ボンベ本体の底部に封止プラグを仮装着した状態の一部を拡大した断面図である。 封止プラグの斜視図である。 ガス注入供給装置、溶着装置の構成図である。 電気溶着をするための電流供給用の回路構成図である。 ボンベ本体内にガスを注入し、封止プラグによる封止する工程のフローチャート図である。 封止プラグを本装着のために貫通孔内に圧入する状態の説明図である。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は例えば高圧の炭酸ガスを内部に充填したアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製のボンベ本体１の一部を切欠した状態の側面図である。ボンベ本体１は鍛造等により造られ、その大きさは、例えば高さ１６０ｍｍ、外径４０ｍｍである。

ボンベ本体１の上部の口部２のガス抽出口には、アルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の口金３が電気溶着により固定されている。この口金３は肉厚状の円筒部３ａの中央に肉薄の被穿刺部３ｂが設けられ、口部２は密封されている。また、口部２の周囲には、使用時に器具を螺合するためのねじ部２ａが設けられており、使用時にはこのねじ部２ａに器具を螺合しながら被穿刺部３ｂに器具に備えたニードルを突き刺して、ボンベ本体１内のガスを器具内に吐出させる。また、ボンベ本体１の底部４では、ボンベ封止プラグ５が電気溶着によりボンベ本体１内を封止している。

なお、後述する高圧ガスを注入後に底部４の封止プラグ５を電気溶着することに代えて、高圧ガスの注入後に口部２に口金３を電気溶着することで、ボンベ本体１内に高圧ガスを注入することも考えられる。しかし、口金３の径は封止プラグ５の径に比べて大きいため、口部２から高圧ガスを注入すると、封止のために大きな加圧力を要し機械本体の構造も大きくなる。また、密封作業時の効率及び設備費等を考慮すると、小径で済む封止プラグ５を用いて、底部４から高圧ガスを注入する方が好ましい。

図２はボンベ本体１の底部４を封止するために底部４に封止プラグ５を仮装着した状態の断面図、図３はその一部を拡大した断面図である。底部４にはボンベ本体１側に凹んだ凹部６が設けられ、この凹部６の中央にボンベ本体１の外側から内側に通ずる貫通孔７が穿孔されている。この貫通孔７が設けられている部分のボンベ本体１の厚みは、後述する封止プラグ５の圧入に際して凹まない程度の強度を持たせるか、或いは裏面に補強材を設けている。封止プラグ５を貫通孔７に仮装着し、ガスの注入後に封止プラグ５を圧入して本装着すると共に、封止プラグ５と貫通孔７との接触部を溶着すると、図１に示すようにボンベ本体１の底部は封止される。

貫通孔７の内径は例えば６ｍｍ、長さ４ｍｍとされており、その内径は溶着機への電流負荷及び貫通孔７の近傍の溶着時の加圧による変形防止の観点から、できるだけ小さい方が好ましい。一方で、十分なガス注入通路の確保の観点からは、できるだけ大きい方が好ましく、両者の兼ね合いで定めることが好ましい。貫通孔７の上部つまり入口側には円環状の幅の狭い段部７ａが形成され、その上に外側に拡がるテーパ部７ｂが形成されている。テーパ部７ｂのテーパ角は４５度、テーパ部７ｂの軸方向長さと径方向の大きさは例えば０．５ｍｍであるが、テーパ角は４５度に限定されることはない。

図４は封止プラグ５の斜視図であり、この封止プラグ５は複数の異径部分の円柱等を持つ形状とされたアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の一体成型品である。封止プラグ５の中心に位置する基幹部は円柱状の封止部５ａとされており、この封止部５ａは例えば直径７ｍｍ、高さ４．６ｍｍであり、直径は貫通孔７の径よりも稍々大きい範囲であることが好ましい。なお、封止部５ａの直径が大き過ぎると圧入抵抗が大き過ぎて貫通孔７に圧入不能となり、小さ過ぎると十分な接触圧が得られないことから良好な溶着ができない。

封止部５ａの高さは十分な圧入長さと接合部の強度を得るために、貫通孔７の長さと同程度が好ましい。封止部５ａの下部には、貫通孔７の入口部のテーパ部７ｂと同じテーパ角を有するテーパ面５ｂが形成されており、本装着時の封止部５ａの貫通孔７への圧入を容易にしている。

封止部５ａの先端側つまり下方には、例えば直径６ｍｍ、高さ０．１ｍｍの短円柱状のガス注入部５ｃが設けられている。このガス注入部５ｃには、ガス注入工程におけるガス注入通路を確保するために機能する周端部５ｄが貫通孔７の段部７ａに当接するようにされ、複数個の切欠きから成るガス注入口５ｅがガス注入部５ｃの周囲に等間隔に設けられている。このガス注入部５ｃの直径はその周端部５ｄを貫通孔７の段部７ａへの当接を確保する観点から貫通孔７の径よりも稍々大きく、良好な溶着部の確保のために、高さはできるだけ低い方が好ましい。ガス注入口５ｅの幅は０．３ｍｍ程度が好ましく、その個数はガス注入時間の観点からは多い方が望ましく、仮装着時の位置決めの確保を考えるとできるだけ少ない方が好ましいが、３〜８個程度が好適である。

ガス注入部５ｃの下方にはガイド部５ｆが設けられ、このガイド部５ｆは例えば直径５．５ｍｍ、高さ０．５ｍｍである。封止プラグ５の装着時の貫通孔７に対する同軸確保と、封止プラグ５が傾斜したとき貫通孔７に接触させないための観点から、ガイド部５ｆの直径は貫通孔７の径よりも小さい範囲で、できるだけ大きい方が好ましい。また、ガス注入通路の確保及び封止プラグ５の装着の容易性からできるだけ直径は小さい方が好ましく、貫通孔７の径よりも０．５ｍｍ程度小径であることが最適である。ガイド部５ｆの高さは封止プラグ５の装着時のボンベ本体１に対する同軸度確保の観点からは大きい方が好ましく、装着の容易さからはできるだけ小さい方が好ましく、０．５〜１ｍｍ程度が最適である。

また、ガイド部５ｆの下方には、例えば直径４ｍｍ、高さ３．４ｍｍのガイドピン部５ｇが設けられている。封止プラグ５の仮装着工程から本装着工程までの倒れ防止と、封止プラグ５が傾斜した場合でも外周が貫通孔７に接触しないようにするために、ガイドピン部５ｇの直径は貫通孔７の内径よりも十分小さい範囲で、できるだけ大きい方が好ましい。また、ガス注入通路の確保及びピン装着の容易性からは、ガイドピン部５ｇの直径はできるだけ小さい方が好ましく、概ね貫通孔７の内径よりも２ｍｍ程度小さいことが好適である。また、ガイドピン部５ｇの高さは封止プラグ５の倒れ防止の観点から、貫通孔７の長さ程度が好ましい。

これらのガイド部５ｆ、ガイドピン部５ｇは、封止プラグ５を仮装着した状態における貫通孔７に挿入される部位である。封止プラグ５の仮装着時において、ガイド部５ｆ、ガイドピン部５ｇを２段に設けることにより、封止プラグ５の装着の容易性、倒れ防止、貫通孔７に対する同軸度を確保できる。なお、封止プラグ５が正しく仮装着される保証があれば、ガイド部５ｆ、ガイドピン部５ｇは省略することもできる。

封止部５ａの後端側つまり上方には板体状の好ましくは円板状の鍔部５ｈが設けられており、この鍔部５ｈは例えば直径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍとされている。鍔部５ｈの直径が小さいと後述する上部電極との接触面で十分な接触面積と接触強さを得ることができず、また貫通孔７の入口周囲を十分に覆うことができずに、溶着電流により溶着部が爆飛し易い。従って、鍔部５ｈの直径は封止部５ａの直径よりも十分に大きく、かつ上部電極に対する十分な接触面積と接触強さを有することが好ましい。これにより、鍔部５ｈは溶着時に溢れ出る爆飛、つまり流動状の金属ばりを十分に押さえることができ、また封止プラグ５の仮装着から本装着への移行時に十分な押圧力を与えることができる。

図５はボンベ本体１にガスを注入し、底部４を電気溶着により密封する場合に使用するガス注入装置及び溶着装置の構成図である。ガス注入時、溶着時状態のボンベ本体１をその口部２を下方から支持し、例えば油圧シリンダにより昇降するクランプ部１１が設けられ、上方の底部４の周囲を例えばテフロン（登録商標）から成るパッキン１２により取り囲むガス供給装置１３が設けられている。パッキン１２は供給部本体１４に固定され、供給部本体１４には側方からガス供給管１５が接続され、ガス供給管１５はガス開閉弁１６によって図示しないガス供給源との間を開閉されるようになっている。

また、パッキン１２、供給部本体１４には挿通孔１７が上下方向に形成されており、この挿通孔１７内を上部電極１８が上下動するようにされている。更に、下部電極１９がこの状態のボンベ本体１の側部に取り付けるために配置されている。

図６はボンベ本体１の底部４に封止プラグ５を電気溶接をするための回路構成図である。ボンベ本体１、封止プラグ５に固定した上部電極１８、下部電極１９には溶接トランス２１を介して電源装置が接続されている。単相又は三相電線が整流回路、定電圧回路、制御回路を一体とした電源装置２２に接続され、電源装置２２の出力側にはコンデンサ２３が並列に接続され、更に蓄電ダイオード２４、放電ダイオード２５を介して溶接トランス２１に接続されている。

図７はボンベ本体１にガスを注入し、底部４に封止プラグ５を溶着して密封する工程のフローチャート図である。例えば、各装置は所定のプログラムに従って一連の工程の動作が自動的に行われる。

［第１工程：Ｓ１］ガス注入及び溶着に際して、予め口金３により口部２を封止したボンベ本体１の底部４を上方に向け、底部４の貫通孔７の入口に封止プラグ５をセットする。ただし、この第１工程では、封止プラグ５は貫通孔７内に挿入しているわけではない。

［第２工程：Ｓ２］ボンベ本体１の口部２をクランプ部１１に取り付け、クランプ部１１を上方に押し上げることにより、底部４の周辺をガス供給装置１３のパッキン１２により取り囲み、ガス供給装置１３内に下方から挿入する。ガス供給装置１３はパッキン１２及び必要個所に設けられたＯリングによりボンベ本体１の底部４の凹部６周囲に対して密封状態となる。

［第３工程：Ｓ３］ガス供給装置１３内の上部電極１８を所定距離だけ押し下げると、上部電極１８は封止プラグ５の鍔部５ｈの上部に接し、封止プラグ５は稍々下方に押し下げられ仮装着状態となる。この仮装着状態では、図３に示すように封止プラグ５のガイドピン部５ｇ、ガイド部５ｆは貫通孔７内に押し込まれ、ガス注入部５ｃの周端部５ｄが貫通孔７の段部７ａに当接し、封止部５ａのテーパ面５ｂと貫通孔７のテーパ部７ｂとの間が平行状態の間隙が形成される。

なお、この仮装着及び後述する本装着は、上部電極１８に対して封止プラグ５を相対的に動かすことにより実施可能である。

［第４工程：Ｓ４］仮装着状態において、外部のガス供給源に接続したガス開閉弁１６を開いて、ガス供給装置１３内に高圧ガスを導入する。ガス供給装置１３内に導入された高圧ガスは、更にテーパ面５ｂとテーパ部７ｂとの間隙を通し、ガス注入部５ｃのガス注入口５ｅを介してボンベ本体１内に注入される。

［第５工程：Ｓ５］ボンベ本体１内へのガス注入の終了を見図って、その直後に上部電極１８を更に下降して封止プラグ５の鍔部５ｈを下方に押して、図８に示すようにテーパ面５ｂをガイドとして封止部５ａを狭め、貫通孔７を拡げながら封止部５ａを貫通孔７内に強制的な本装着の圧入を始める。

［第６工程：Ｓ６］封止プラグ５の圧入の開始に伴って、放電ダイオード２５を作動して上部電極１８、下部電極１９間に電流を瞬時的に流す。この電流は図６に示す溶接トランス２１、電源装置２２により得られる。コンデンサ２３に蓄電された電荷を放電することにより、電圧は数ボルトではあるが数万アンペアの電流が上部電極１８、下部電極１９ａの間を流れ、封止プラグ５の封止部５ａと貫通孔７との接触部に集中し、接触部及びその周囲をジュール熱により加熱して溶着する。

更に、通電中に封止プラグ５が完全な本装着状態となるまで上部電極１８は押し下げる。この封止プラグ５による封止により内部の高圧ガスが底部４から漏れることはない。なお、このとき鍔部５ｈは封止プラグ５がボンベ本体１内に入り込まないようにするストッパの役割をも果している。この第６工程は、第５工程における封止プラグ５の圧入による本装着が終了すると同時に行ってもよい。

［第７工程：Ｓ７］この本装着状態及び溶着が完了した後に、ガス開閉弁１６を閉止して、ガスのガス供給装置１３内への供給を停止する。同時に、上部電極１８を上昇させ、下部電極１９を取り外し、更にクランプ部１１を下降してボンベ本体１の底部４の密封を解除する。次いで、高圧ガスの充填が完了した図１に示すボンベ本体１をクランプ部１１から取り出す。完成したボンベ本体１では、鍔部５ｈは底部４の凹部６内に入り込み、鍔部５ｈがボンベ本体１の外側に突出して邪魔になることはない。

このようにして、高圧ガスを充填したボンベ本体１に対し、口部２の周囲のねじ部２ａに使用器具を螺着し、口金３の被穿刺部３ｂにニードルを突き刺すと、ボンベ本体１から内部のガスが吐出し、このガスを使用器具において使用できる。

１ ボンベ本体
２ 口部
３ 口金
４ 底部
５ 封止プラグ
５ａ 封止部
５ｂ テーパ面
５ｃ ガス注入部
５ｅ ガス注入口
５ｄ 周端部
５ｆ ガイド部
５ｇ ガイドピン部
５ｈ 鍔部
６ 凹部
７ 貫通孔
７ａ 段部
７ｂ テーパ部
１３ ガス供給装置
１６ ガス開閉弁
１８ 上部電極
１９ 下部電極
２２ 電源装置

Claims (8)

1. アルミニウム製のボンベ本体の底部に設けた貫通孔に装着して該貫通孔との間から前記ボンベ本体内にガスを注入し、前記貫通孔に圧入すると共に電流により溶着して、前記ボンベ本体を封止するアルミニウム製の一体成型品のボンベ封止プラグであって、前記貫通孔に圧入して前記貫通孔との間の接触部を溶着する円柱状の封止部と、該封止部の後端側に配置し該封止部の径よりも大きい電極接触用の板体状の鍔部と、前記封止部の先端側に配置しガス注入口を有する短円柱状のガス注入部と、該ガス注入部の先端側に設け前記封止部よりも小径の円柱状のガイド部とを有することを特徴とするボンベ封止プラグ。
2. 前記ガス注入口は前記ガス注入部の周囲に設けた複数個の切欠きであることを特徴とする請求項１に記載のボンベ封止プラグ。
3. 前記封止部の前記ガス注入部側には前記封止部の装着を容易とするテーパ面を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のボンベ封止プラグ。
4. 前記ガイド部の先端に、前記封止部の長さと同程度の高さを有し、前記ガイド部の径よりも小径の円柱状のガイドピン部を設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のボンベ封止プラグ。
5. アルミニウム製のボンベ本体の底部に設けた貫通孔と該貫通孔に装着したアルミニウム製の封止プラグとの間からガスを注入し、前記封止プラグを前記貫通孔に電気溶着により封止するボンベ封止方法において、前記封止プラグは前記貫通孔の内径よりも稍々径が大きく前記貫通孔内に装着するための円柱状の封止部と、該封止部の先端側に設けたガス注入用のガス注入部と、前記封止部の後部に設け前記封止部よりも大きな板体状の鍔部と、前記貫通孔の入口側に設けたテーパ部と、前記封止部の先端に前記テーパ部に対応して設けたテーパ面とを備え、前記ガス注入部の周端部を前記貫通孔の一部に当接し、前記貫通孔のテーパ部と前記封止部のテーパ面に若干の間隙を設けた平行状態とする前記封止部の仮装着工程と、前記封止部を仮装着した状態で前記テーパ部とテーパ面間を通路とし、前記ガス注入部に設けたガス注入口を介してガスを前記ボンベ本体内に注入するガス注入工程と、該ガス注入の直後に前記封止部を前記貫通孔内に圧入する本装着工程と、該本装着工程と同時に又はその後に前記封止部と前記貫通孔との間の接触部に瞬時的に電流を流し前記接触部を溶着する電気溶着工程とを有することを特徴とする封止プラグを用いたボンベ封止方法。
6. 前記ガス注入工程においては、前記ボンベ本体の底部周囲をガス供給装置により密閉し、該ガス供給装置内のガスを前記ボンベ本体内に注入することを特徴とする請求項５に記載の封止プラグを用いたボンベ封止方法。
7. 前記ボンベ本体に一方の電極を接触し、前記封止プラグの鍔部に他方の電極を接触し、これらの電極間から前記接触部に電流を供給することを特徴とする請求項５又は６に記載の封止プラグを用いたボンベ封止方法。
8. 前記封止プラグの前記貫通孔に対する装着は、前記ボンベ本体に接触する一方の電極を相対的に動かして行うことを特徴とする請求項７に記載の封止プラグを用いたボンベ封止方法。

Images