JP7328766B2 - 圧力容器 - Google Patents

Description

本発明は、圧力容器に関するものである。

特許文献１には、ブロー成形された合成樹脂製のライナーと、口金と、繊維強化樹脂層とを備えた圧力容器が開示されている。ライナーは、円筒形をなす胴部と、胴部の両端部から径方向内側へ延出したドーナツ状の肩部と、肩部の中心孔から軸線方向へ円筒状に突出したネック部とを有する。口金は、円形をなし、肩部とネック部の外面に密着する形態でライナーに取り付けられている。繊維強化樹脂層は、ライナーの外面と口金の外面を密着状態で包囲するように成形されている。

特開２０１３－１３７０９２号公報

ライナーをブロー成形した場合、ライナーのうち胴部より小径となる肩部とネック部に連なる部位は、一対の金型の間で密着するように挟み付けられてバリとなる。そして、金型を型締めする際に、肩部の内面のうちバリの両端部に連なる部位に、クレーター状の異形部が発生する。この異形部はライナーに変形が生じたときに応力が集中する部位である。異形部における応力の集中を回避する手段としては、肩部のうち異形部の形成部位を口金で覆い、その部位の変形を抑制することが考えられる。しかし、そうすると、口金の外径が大きくなり、その分、圧力容器の重量が大きくなる。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、重量化を回避しながら、ブロー成形により生じる異形部への応力集中を低減することを目的とする。

本発明は、
合成樹脂材料からなり、円筒形の胴部の端部に略円環状の肩部が連なった形態のブロー成形品であるライナーと、
ブロー成形により前記肩部の内面に形成され、クレーター状に屈曲した凹凸形状の異形部と、
前記肩部の外面の一部のみに当接した状態で、前記ライナーに対し同心状に取り付けられた口金と、を備え、
前記口金の外周縁部は、周方向において前記異形部と対応する部位のみを押え部として径方向外方へ突出させた形態であり、
前記肩部における前記異形部の形成部位に前記押え部が当接されていることを特徴とする。

肩部のうち異形部の形成部位は、口金の押え部により変形を抑制されるので、応力の集中が低減されている。口金の外周縁部は、周方向において異形部と対応する部位のみが部分的に押え部として径方向外方へ突出した形態なので、周方向において異形部が形成されていない領域まで覆う大きさを有する円形の口金に比べると、本発明の口金は軽量である。

実施例１の圧力容器の斜視図 ライナーから第１口金と第２口金を外した状態をあらわす斜視図 圧力容器の上端部の部分拡大正断面図 圧力容器の下端部の部分拡大正断面図 ライナーの成形工程をあらわす部分拡大正断面図 ライナーの成形工程をあらわす部分拡大側断面図

本発明は、前記肩部の外面のうち前記押え部の当接領域と周方向に隣接する位置には、軸線方向に立ち上げた形態であり前記押え部に対し周方向に当接する側壁部が形成されていてもよい。この構成によれば、押え部と側壁部との当接により、口金とライナーとの相対回転を規制することができる。

本発明は、前記肩部の外面には、前記口金の外周縁部に当接する周壁部が形成されていてもよい。この構成によれば、口金の外周縁部を周壁部に当接させることにより、ライナーに対する口金の径方向への相対変位を規制することができる。

＜実施例１＞
以下、本発明を具体化した実施例１を図１～図６を参照して説明する。尚、以下の説明において、上下の方向については、図１～６にあらわれる向きを、そのまま上方、下方と定義する。前後及び左右の方向については、図３～５にあらわれる向きを、そのまま左方、右方と定義する。

本実施例１の圧力容器Ａは、合成樹脂製のライナー１０と、第１口金２０（請求項に記載の口金）と、第２口金２３（請求項に記載の口金）と、繊維強化樹脂層２７とを備えて構成されている。圧力容器Ａは、燃料電池自動車や天然ガス自動車に搭載され、高圧の水素ガスや天然ガスの充填容器として用いられるものである。

ライナー１０は、胴部１１と、上下一対の肩部１２と、上下一対の首部１３を有する単一部材である。胴部１１は、径寸法が全長に亘ってほぼ一定の円筒状をなし、軸線方向をライナー１０と同じく上下方向に向けている。ライナー１０の内部は、流体（水素ガスや天然ガス等）を貯留するための貯留空間１４となっている。補強リングは、首部１３の内周に密着した形態でライナー１０と一体化されている。

上側の肩部１２は、胴部１１の上端部に連なり、胴部１１と同心状の円環形（ドーム状）をなす。上側の首部１３は、肩部１２の中心孔から軸線方向上方へ突出した形態であり、胴部１１及び肩部１２と同心の略円筒状をなす。上側の首部１３は、上端部が閉塞された非貫通形態である。

上端側の肩部１２の内面（下面）には、左右一対の異形部１５が形成されている。異形部１５は、後述するブロー成形の工程において形成されるものであり、クレーター状若しくはえくぼ状に屈曲した凹凸形状をなしている。異形部１５は、後述するブロー成形工程においてパリソンＰのうち金型３０で挟み付けられてバリＢとなる部位の左右両端部に近い位置、即ち肩部１２の外周縁に近い位置に形成される。径方向において、異形部１５は、胴部１１と首部１３との間に配されている。

上端側の肩部１２のうち周方向において異形部１５の形成部位を両側から挟む位置には、夫々、一対の側壁部１６が形成されている。異形部１５は一対形成されているので、側壁部１６は二対形成されている。対をなす側壁部１６は、肩部１２の外面（上面）から上方（ライナー１０の軸線と平行な方向）へ立ち上がった形態である。肩部１２の上面には、対をなす側壁部１６の間に区画された嵌合凹部１７（請求項に記載の肩部における異形部の形成部位）が形成されている。肩部１２をライナー１０の軸線と平行に視たときの平面視において、異形部１５は嵌合凹部１７の形成領域内に位置している。

上端側の肩部１２の外面（上面）には、首部１３を同心状に包囲するように立ち上がる一対の周壁部１８が形成されている。一対の周壁部１８は、ライナー１０と同心状の円弧形をなす。周壁部１８の周方向における端部は、側壁部１６の径方向における内側の端部に対し略直角をなすように連なっている。肩部１２の上面には、一対の周壁部１８で囲まれるように区画された円形の収容凹部１９が形成されている。収容凹部１９の外周における左右両端部には、一対の嵌合凹部１７が連なっている。換言すると、収容凹部１９の外周から一対の嵌合凹部１７が径方向外方へ突き出した形態となっている。

下側の肩部１２は、胴部１１の下端部に連なり、胴部１１と同心状の円環形（ドーム状）をなす。下側の首部１３は、肩部１２の中心孔から軸線方向下方へ突出した形態であり、胴部１１及び肩部１２と同心の略円筒状をなす。下側の首部１３は上下に貫通した形態である。この下端側の肩部１２にも、上端側の肩部１２と同様、左右一対の異形部１５と、一対の側壁部１６と、嵌合凹部１７と、周壁部１８と、収容凹部１９が形成されている。

上述したように、ライナー１０は、押出機（図示省略）と一対の金型３０を用いてブロー成形法により成形されている。ライナー１０の材料としては、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）とエチレン・ビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）の混合樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂等が用いられている。

一対の金型３０は、前後対称且つ左右対称な構造である。図５，６に示すように、各金型３０は、夫々、前後方向に移動する金型本体３１と、金型本体３１の上端部に取り付けられたスライド型３２と、金型本体３１の下端部に取り付けられたスライド型３２（図示省略）とを備えて構成されている。スライド型３２は、金型本体３１に対して相対的に上下方向（パリソンＰ及びライナー１０の軸線方向と平行な方向）へ移動し得るようになっている。スライド型３２は、肩部１２の外面（上面）のうち収容凹部１９、周壁部１８、嵌合凹部１７及び側壁部１６を含む中心側の円形領域を成形する。下側のスライド型３２も同様の機能を有する。

ライナー１０の成形に際しては、ブロー成形機（図示省略）から略円筒形のパリソンＰが軸線を上下方向に向けて下向きに押し出される。押し出されたパリソンＰ内には下方からロッド（図示省略）が収容される。そして、一対の金型３０を前後からパリソンＰを挟むように移動させて型締めし、ロッドを通して供給された加圧エアにより、パリソンＰを金型３０のキャビティ内面に密着させる。

この後、パリソンＰが固化すれば、金型３０によるライナー１０の成形工程が完了する。ライナー１０が固化した後に金型３０を型開きする際には、まず、上側の一対のスライド型３２を上方へ移動させるとともに、下側の一対のスライド型３２を下方へ移動させる。これにより、金型３０が側壁部１６及び周壁部１８と干渉することを回避する。この後、一対の金型本体３１を前後方向に離間するように移動させ、ライナー１０を取り出す。

型締めしたときには、パリソンＰのうち肩部１２の外面及び首部１３の外周面に連なる部位が、前後一対の金型３０の間で押し潰される。そのため金型３０からライナー１０を取り出しときには、金型３０で押し潰された部位が、肩部１２の外面及び首部１３の外周面に連なるバリＢとして残る。このバリＢを除去すると、除去した痕に左右一対のパーティングライン２８が形成される（図１，２を参照）。上記した異形部１５は、パリソンＰのうち金型３０で押し潰された部位と、加圧により拡径変形する肩部１２の外周縁部との境界に形成される。したがって、パーティングライン２８は、肩部１２の外面のうち異形部１５の形成部位（嵌合凹部１７）を通過する。

図２，３に示すように、第１口金２０は、軸線を上下方向に向けた円柱状をなす第１本体部２１と、第１本体部２１の軸線方向両端部のうち基端部（下端部）から径方向外方へ突出した左右一対の第１押え部２２（請求項に記載の押え部）とを備えた単一部品である。第１本体部２１の基端部の外周縁は、第１口金２０及びライナー１０と同心の円形をなす。一対の第１押え部２２は、第１本体部２１の基端部の外周縁から径方向外方へ突出した形態である。

第１口金２０は、ライナー１０の上端部に取り付けられ、上側の肩部１２の外面を密着状態で覆っている。第１口金２０をライナー１０に取り付けた状態では、第１本体部２１の基端部が収容凹部１９内に嵌合されている。第１本体部２１（第１口金２０）の外周縁は、周壁部１８に対し径方向内側から密着している。また、一対の第１押え部２２が一対の嵌合凹部１７に嵌合される。第１押え部２２の下面は、嵌合凹部１７の上面（肩部１２のうち異形部１５が形成されている内面とは反対側の外面）に当接している。また、各第１押え部２２の径方向に延びる外側面は、一対の側壁部１６に対し周方向に当接している。

図２，４に示すように、第２口金２３は、軸線を上下方向に向けた円筒状をなす第２本体部２４と、第２本体部２４の軸線方向両端部のうち上端部から径方向外方へ張り出した左右一対の第２押え部２５（請求項に記載の押え部）とを備えた単一部品である。第２本体部２４の基端部の外周縁は、第２口金２３及びライナー１０と同心の円形をなす。一対の第２押え部２５は、第２本体部２４の基端部の外周縁から径方向外方へ突出した形態である。第２本体部２４の内周には雌ネジ部２６が形成され、雄ネジ部にはバルブ（図示省略）がねじ込みにより取り付けられるようになっている。

第２口金２３は、ライナー１０の上端部に取り付けられ、下側の肩部１２の外面を密着状態で覆っている。第２口金２３をライナー１０に取り付けた状態では、第２本体部２４の基端部が収容凹部１９内に嵌合されている。第２本体部２４（第２口金２３）の外周縁は、周壁部１８に対し径方向内側から密着している。また、一対の第２押え部２５が一対の嵌合凹部１７に嵌合される。第２押え部２５の上面は、嵌合凹部１７の下面（肩部１２のうち異形部１５が形成されている内面とは反対側の外面）に当接している。また、各第２押え部２５の径方向に延びる外側面は、一対の側壁部１６に対し周方向に当接している。

繊維強化樹脂層２７は、炭素繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック等（ＧＦＲＰ）からなる。繊維強化樹脂層２７は、胴部１１の外周の全領域と、肩部１２の外面のうち第１口金２０よりも外周側の領域と、肩部１２の外面のうち第２口金２３よりも外周側の領域と、第１口金２０の外周面のうち基部側の外周面と、第２口金２３の外周面のうち基部側の領域とに亘って形成されている。

繊維強化樹脂層２７は、フィラメントワインディング法、即ち、胴部１１の軸線を中心として回転するライナー１０、第１口金２０及び第２口金２３の外面に、繊維束（図示省略）に液状の熱硬化性樹脂を含浸させたもの、又は繊維束に含浸した熱硬化性樹脂を半硬化状態にしたもの（プリプレグ繊維）を巻き付けることによって形成されている。繊維束は、炭素繊維、ガラス繊維、ケプラ繊維等からなる糸状の繊維を束ねたものである。

ライナー１０に繊維強化樹脂層２７を成形する工程を説明する。まず、所定形状にブロー成形されて第１口金２０と第２口金２３が取り付けられたライナー１０を、所定のフィラメントワインディング位置へ搬送し、第１口金２０と第２口金２３に回転駆動装置の駆動軸（図示省略）を取り付ける。この状態で、回転駆動装置を起動してライナー１０と両口金２０，２３を回転させる。回転しているライナー１０の外面には、ボビン（図示省略）から繰り出した繊維束が巻き付けられていく。

繊維束を巻き付ける工程では、駆動軸が連結された第１口金２０と、ボビンから繊維束を引き込む従動側のライナー１０の上端部との界面に、回転方向の剪断力が作用する。そのため、剪断力が大きくなった場合には、第１口金２０とライナー１０との間で滑りが生じて第１口金２０が空転することが懸念される。また、駆動側の第２口金２３とライナー１０の下端部との間にも剪断力が作用するので、第２口金２３が空転することも懸念される。

その対策として、本実施例１では、ライナー１０の側壁部１６と第１押え部２２とを周方向に当接させているとともに、ライナー１０の側壁部１６と第２押え部２５とを周方向に当接させている。これらの当接により、ライナー１０と第１口金２０と第２口金２３は、一体回転する状態に保たれる。繊維束の巻き付け工程が終わった後は、繊維束に含浸されている樹脂を硬化させる。以上の工程を経ることにより、ライナー１０と両口金２０，２３の外面に繊維強化樹脂層２７が積層状態で形成され、圧力容器Ａの製造が完了する。

また、繊維束の巻き付け工程において、第１口金２０とライナー１０との間に剪断力が作用し、第２口金２３とライナー１０との間に剪断力が作用したときには、肩部１２の内面のうち形状が複雑な異形部１５には応力が集中することが懸念される。また、繊維強化樹脂層２７の形成後において圧力容器Ａ（貯留空間１４）の内圧上昇等に起因してライナー１０が外面側へ膨らむように変形した場合にも、異形部１５に応力が集中することが懸念される。しかし、第１押え部２２と第２押え部２５が、肩部１２の外面のうち異形部１５が形成されている部位に密着状態で当接しているので、異形部１５及び異形部１５に隣接する領域の変形が抑制される。これにより、異形部１５における応力の集中が防止される。

本実施例の圧力容器Ａは、合成樹脂製のライナー１０と、第１口金２０と、第２口金２３とを備えている。ライナー１０は、円筒形の胴部１１の端部に略円環状の肩部１２が連なった形態である。肩部１２の内面には凹凸形状（クレーター状）の異形部１５が形成されている。第１口金２０は、上端側の肩部１２の外面の一部のみに当接した状態で、ライナー１０に対し同心状に取り付けられている。第２口金２３は、下端側の肩部１２の外面の一部のみに当接した状態で、ライナー１０に対し同心状に取り付けられている。

第１口金２０の外周縁部は、周方向において異形部１５と対応する部位のみを第１押え部２２として径方向外方へ突出させた形態である。第２口金２３の外周縁部は、周方向において異形部１５と対応する部位のみを第２押え部２５として径方向外方へ突出させた形態である。第１押え部２２及び第２押え部２５は、肩部１２における異形部１５の形成部位（嵌合凹部１７）に当接されている。上側の肩部１２における異形部１５の形成部位は、第１押え部２２により変形を抑制されるので、応力の集中が低減されている。下側の肩部１２における異形部１５の形成部位は、第２押え部２５により変形を抑制されるので、応力の集中が低減されている。

第１口金２０の外周縁部は、周方向において異形部１５と対応する部位のみが部分的に第１押え部２２として径方向外方へ突出した形態である。第２口金２３の外周縁部も、周方向において異形部１５と対応する部位のみが部分的に第２押え部２５として径方向外方へ突出した形態である。これにより、周方向において異形部１５が形成されていない領域まで覆う大きさを有する円形の口金に比べると、本実施例１の第１口金２０と第２口金２３は軽量となっている。したがって、本実施例１の圧力容器Ａによれば、重量化を回避しながら、ブロー成形により生じる異形部１５への応力集中を抑制することができる。

また、上側の肩部１２の外面のうち第１押え部２２の当接領域（嵌合凹部１７）と周方向に隣接する位置には、一対の側壁部１６が形成されている。一対の側壁部１６は、肩部１２の外面から軸線方向に突出した形態であり、第１押え部２２に対し周方向に当接する。下側の肩部１２の外面のうち第２押え部２５の当接領域（嵌合凹部１７）と周方向に隣接する位置には、一対の側壁部１６が形成されている。一対の側壁部１６は、肩部１２の外面から軸線方向に突出した形態であり、第２押え部２５に対し周方向に当接する。第１押え部２２と側壁部１６との当接及び第２押え部２５と側壁部１６との当接により、第１口金２０とライナー１０との相対回転及び第２口金２３とライナー１０との相対回転が規制されている。

また、上側の肩部１２の外面には、第１口金２０の外周縁部のうち第１押え部２２が形成されていない領域に当接する周壁部１８が形成されている。第１口金２０の外周縁部を周壁部１８に当接させることにより、ライナー１０に対する第１口金２０の径方向への相対変位を規制することができる。また、下側の肩部１２の外面にも、第２口金２３の外周縁部のうち第２押え部２５が形成されていない領域に当接する周壁部１８が形成されている。第２口金２３の外周縁部を周壁部１８に当接させることにより、ライナー１０に対する第２口金２３の径方向への相対変位を規制することができる。

＜他の実施例＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施例では、肩部に、押え部と周方向に当接する側壁部が形成されているが、肩部は、側壁部を有しない形態であってもよい。
（２）上記実施例では、肩部に、口金の外周縁を径方向に当接される周壁部を形成したが、肩部は、周壁部を有しない形状であってもよい。

Ａ…圧力容器
１０…ライナー
１１…胴部
１２…肩部
１５…異形部
１６…側壁部
１７…嵌合凹部（肩部における異形部の形成部位）
１８…周壁部
２０…第１口金（口金）
２２…第１押え部（押え部）
２３…第２口金（口金）
２５…第２押え部（押え部）

Claims (3)

1. 合成樹脂材料からなり、円筒形の胴部の端部に略円環状の肩部が連なった形態のブロー成形品であるライナーと、
   ブロー成形により前記肩部の内面に形成され、クレーター状に屈曲した凹凸形状の異形部と、
   前記肩部の外面の一部のみに当接した状態で、前記ライナーに対し同心状に取り付けられた口金と、を備え、
   前記口金の外周縁部は、周方向において前記異形部と対応する部位のみを押え部として径方向外方へ突出させた形態であり、
   前記肩部における前記異形部の形成部位に前記押え部が当接されていることを特徴とする圧力容器。
2. 前記肩部の外面のうち前記押え部の当接領域と周方向に隣接する位置には、軸線方向に立ち上げた形態であり前記押え部に対し周方向に当接する側壁部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力容器。
3. 前記肩部の外面には、前記口金の外周縁部に当接する周壁部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧力容器。

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