JPS5838672B2 - アツリヨクヨウキセイサクホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は著しく圧縮された液状物質を貯蔵するための圧
力容器、特に、円筒部分および該円筒部分の両端のドー
ム部分からなる軽量金属製ライナと、該ライナをほぼ完
全に被覆するように巻きつけられた線材からなる多数の
被覆層とを有している携行可能な圧力容器の製作法に関
する。

本発明は樹脂加工された単ガラス繊維によって巻きつけ
られたライナに特に適用可能である。

さらに、本発明は前記の円筒部分とドーム部分との接続
個所を補強するように特別に考慮された線材巻きっけ作
業に関する。

「はぼ完全に被覆」という表現はここでは、容器の円筒
部分およびドーム部分が該ドーム部分の外端のネック部
を除いて完全に被覆されていることを意味する。

このことは公知のことよりあきらかである。

本発明の目的は圧力容器のもつとも破損しやすい個所、
例えば円筒部分とドーム部分との接続個所、ようするに
周方向で巻かれた線材がドーム部分の方へ滑落しようと
する個所、を十分に補強した圧力容器を提供することに
ある。

本発明の要旨は、円筒部分と、該円筒部分の両端のドー
ム部分とからなるライナを形成する作業ステップと、線
材の巻きつけによって前記ライナを被覆する作業ステッ
プとを有する圧力容器製作法であって、まず、線材を前
記ライナの長手方向で該ライナに巻きつけて第１の長手
方向被覆層を形成せしめ、ついで、前記第１の長手方向
被覆層上に、線材を前記ライナの周方向で巻きつけて第
１の周方向被覆層を形成せしめ、しかるのちに、線材を
前記第１の周方向被覆層の上に前記ライナの長手方向で
巻きつけ、これによって、前記ライすに対する前記第１
の周方向被覆層の相対的な移動を阻止する第２の長手方
向被覆層を形成せしめる形式のものにおいて、周方向被
覆層形成のさいに各ドーム部分と円筒部分との間の境界
部分に線材を巻付け、該線材を第２の長手方向被覆層に
より前記境界部分に不動に確保させるようにしたこであ
る。

本発明の１実施例の圧力容器では、円筒部分と該円筒部
分の両端に接続されたドーム部分とからなるアルミニウ
ム製うイチが配置されており、この円筒部分およびドー
ム部分は互いにほぼ等しい厚みを有しており、複数ワイ
ンディングのガラス繊維線材が前記ライナに長手方向お
よび周方向で交互に巻きつけられていて、円筒部分およ
びドーム部分の接続個所を被覆する少なくとも１つの周
方向被覆層を形成しており、かつ、この周方向被覆層は
長手方向で巻きつけられている別の被覆層によって容器
に対して相対的に保持されており、この周方向被覆層は
アルミニウムからなる前記ライナの外表篩に圧縮力を作
用せしめるような応力状態におかれている。

容器の作動圧力が金属製ライナの降伏強さを越えるため
、被覆層とライナとの間にプレストレス関係が導入され
、これらの被覆層とライナとの両方を、作動圧のための
ライナひずみ範囲を越えたひずみ範囲にわたって弾性的
に作動せしめる。

このような応力関係はライナの座屈強さを増大せしめる
ように作用する。

有利には圧力容器は４つの作業ステップを経て被覆され
る、まず第１ステツプではライナをほぼ完全に覆うよう
に長手方向で線材が巻きつけられ、第２ステツプでは線
材は円筒部分および、該円筒部分と各ドーム部分との接
続個所をおおうように周方向で巻きつけられ、第３ステ
ツプでは第２ステツプで巻きつけられた周方向線材のラ
イナに対する相対的な移動を阻止するために再び長手方
向で線材が巻きつけられ、第４ステツプでは付加的な線
材が容器の中央部分のまわりに周方向で巻きつけられる
。

次に図面につき本発明の実施例を具体的に説明する： 第１図および第２図には圧力容器のライナ１０の全体と
、該ライナ上に本発明の方法による２つの作業ステップ
によって巻きつけられた線材１８とが示されている。

第１図および第２図からあきらかなように、ライナ１０
は円筒部分１２と、該円筒部分の両端に設けられている
１対の半球状ドーム部分１４とからなっている。

少なくとも１つのドーム部分１４はネック部１６を有し
ており、このネック部１６には液体注入口が設けられる
。

第１〜第３図に示す圧力容器では該圧力容器の一方の端
部に液体注入口１γが設けられており、該圧力容器の他
方の端部は符号２１で示すように適当な形状で形成され
ていて液体注入口は設けられていない。

ネック部１６の液体注入口１７をシールするために例え
ばストッパ１９のような適当なストップ部材を設けるこ
とができる。

第１図には連続したガラス繊維製線材１８のための第１
の作業ステップによる１つの巻きつけパターンが示して
あり、以下この巻きつけパターンを「長手方向巻きつけ
」と呼ぶ。

その場合、線材１Ｂはライナ１０のドーム部分１４を取
りまいていて、円筒部分１２の長手方向に対して鋭角を
なすように巻きつけられている。

第２図には連続したガラス繊維製線材１８のための第２
の作業ステップによる巻きつけパターンが示してあり、
以下この巻きつけパターンを「周方向巻きつけ」と呼ぶ
。

周方向巻きっけの場合、線材１Ｂは円筒部分１２の縦軸
線に対してほぼ直角な方向で該円筒部分１２に巻きつけ
られている。

第１図および第２図に示す線材１８は比較的に大きな直
径を有しており、かつ、長手方向巻きっけだけのあるい
は周方向巻きっけだけのそれぞれ１つの層として示され
ているが、このことは図面を簡単化する目的のために行
なわれている。

実際には線材は著しく小さな直径を有しており、かつ、
所定の方向への線材の巻きつけ時にくり返し巻きつけら
れて多数の被覆層を形式する。

もちろん、このことは公知の形式よりあきらかである。

第４図および第５図には本発明に基づく有利な別の１実
施例が示してあり、その場合、第１〜第３図に示した１
実施例とほぼ同様な個所には同一の符号を用いてあり、
実際第４図および第５図の圧力容器は第１〜３図の圧力
容器の上にさらに２つの作業ステップで線材を巻きつけ
たものである。

第４図および第５図に示すように、多層の巻きつけ層は
、ライナ１０の全表面を覆っていてかつ該ライナ１０に
係合している長手方向の線材からなる第１の被覆層２０
を有している。

さらに周方向の第１の被覆層２２がこの被覆層２０の上
に設けられており、この被覆層２２は第３、第４および
第５図かられかるように円筒部分１２とドーム部分１４
との接続個所（二重矢印２５で示す）を覆っており、か
つ、ドーム部分１４の一部も覆っている。

線材の若干の滑落が図面に示すようなネック部分１６ま
たは端部のところで生じることがある。

しかしながら、このような滑落は本発明の方法に基づく
圧力容器の性能にはほとんど無関係である。

長手方向の第２の被覆層２６が周方向の第１の被覆層２
２の上に設けられており、この第２の被覆層２６は第１
の被覆層２０とほぼ同様に巻きつけられており、その場
合、この被覆層２６はライナ１０に対する被覆層２２の
相対移動を阻止する。

（第５図に示すように、圧力容器のネック部１６の近く
の被覆層部分の形状が破線によって規定されている。

このことは簡略に図示する目的で行なわれており、実際
には圧力容器のネック部における長手方向の被覆層２６
は第３図に示すような長手方向の被覆層２０とほぼ同様
である。

）巻きっけ作業の最終的な作業ステップはライナに線材
を巻きつけて周方向の第２の被覆層２８を形成せしめる
ことによって行なわれる。

第４図および第５図に示されているように被覆層２８は
円筒部分１２とドーム部分１４との接続個所のところま
では延びていない。

本発明の方法に基づく有利な別の１実施例ではライナの
材料としてアルミニウムが用いられている。

なぜならば、アルミニウムは高い強度・密度比、低い弾
性率、卓越したねばり強さ、および融和性を有している
からである。

特別に有利なｌ実施例では、アルミニウム製のライナに
は６０００系列のアルミ合金が用いられており、さらに
特別には、６０７０−Ｔ６のアルミニウムが用いられて
いる。

第５図から明らかなようにライナ１０はほぼ均一な厚さ
であり、円筒部分１２とドーム部分１４とが合致する個
所では特に均一である。

適当な線材の選択には主として２つの要素、すなわち価
格と強度とを考慮しなければならない。

有利な別の１実施例ではこの２つの条件を十分に満足す
るＯｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｓ−２のガラス繊維
が用いられている。

さらに有利な別の１実施例ではこのガラス繊維の上に該
ガラス繊維に対する融和性を有している適当な樹脂、例
えばＥｐｏｎ ８２８／ １０３１／Ｎ ＭＡ／ＢＤ
ＭＡが用いられている。

別の樹脂および線材を用いることができるのはもちろん
である。

ライナ材料および線材の適当な選択は、ライナ材料が被
覆層の材料すなわち線材に機械的に適合できるというこ
とを考慮して決定しなければならない。

この意味での適合性は、加圧時にライナに生じるひずみ
とガラス繊維層の相応のひずみとが容器の減圧時に可逆
であることを必要とする、すなわち、線材のひずみは加
圧サイクルおよび減圧サイクルの両サイクルにわたって
弾性的でなければならず、かつ、ライナのひずみも同様
のサイクルにおいて弾性的でなければならない。

しかも、ライナの機能を損なうことなしに各サイクルに
おいて可逆でなければならない。

円筒容器における機械的な適合性に関するＲ、Ｈ，Ｊｏ
ｈｎｓ氏およびＡ。

Ｋａｕｆｍａｎ氏による論文が１９６７年の７月発行の
雑誌５ｐａｃｅｃｒａｆｔ ａｎｄ Ｒｏｃｋｅｔｓの
第８７２ページにｒＦｉｌａｍｅｎｔ Ｏｖｅｒｗｒａ
ｐｐｅｄＭｅｔａｌｌｉｃＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅ ＶｅｓｓｅｌｓＪ という題で発表
されている。

この論文によれば、ライナに前負荷される圧縮応力およ
び被覆層に前負荷される引張応力は、容器が使用される
以前に得られている。

素材の応力を正しくマツチングさせることによって、ラ
イナを著しく増大したひずみ範囲にわたって弾性的に運
動せしめ、かつ被覆層を十分に効果的な応力レベルで作
用させることができる。

前負荷された状態は新しく製作されたライナを圧力成形
サイクル内におくことによって得られ、ライナはこのサ
イクル時にその比例限界を越えて２係だけ降伏させられ
る。

圧力が減小すると、所望の応力状態が達せられる、なぜ
ならば金属製ライナは弾性的に負荷軽減され、しかも弾
性的な被覆層によって圧縮せしめられるからである。

ガラス繊維によってほぼ完全に被覆された圧力容器の設
計特性はすでに公知であり、それゆえに有利にはコンピ
ュータを用いて決定される。

この目的のために適したコンピュータプログラムはｒｃ
ｏｍｐｕｔｅｒ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ ｔｈｅ Ａ
ｎａｌｙｓｉｓｏｆ Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｒｅ１ｎｆｏ
ｒｃｅｄ Ｍｅｔａｌ’−８ｈｅｌｌＰｒｅｓｓｕｒｅ
ＶｅｓｓｅｌＪという呼称で、１９６８年２月８日に
ＮＡＳＡ（アメリカ航空宇宙局）から発行された報告書
ｒｓｃｉｅｎｔｊｆｉｃ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ＲｅｐｏｒｔｓＪ の第６巻第３
号の第４１９ページに載せられているものがある。

このプログラムに投入されるパラメータとしては圧力容
器幾何学、ライナ材料特性、線材特性、巻きつけ時の線
材および長手方向の金属の応力、設計制限条件等が必要
である。

有利な実施例ではプログラムに投入される、容器のため
に選択された可変パラメータは、ライナの厚さ、線材設
計応力、設計応力、および成形圧力等を有している。

別の選択されたパラメータは要求される性能（容積と密
接な関係にある容器の長さおよび直径）、または材料選
択の結果（密度、弾性率、ポアソン比）によって規定す
ることができる。

これらのパラメータを投入したプログラムによるアウト
プットは以下のデータを有している、すなわち、ドーム
の形状、長手方向および周方向の被覆層の厚さ、応力の
値（成形圧力時、圧力のゼロの時、作動圧力時、保証圧
力時、ならびに最小破裂圧力時）、ならびに容器成分の
重量および容量に関するデータを有している。

すでに述べた条件、すなわち、４５００ＰＳＩＧの作動
圧力（４０００ＰＳＩＧの充填圧力）、６７５０ＰＳＩ
Ｇの保証圧力ならびに９０００ＰＳＩＧの最小破裂圧力
を満たす容器のためには、厚さが０．１３３のアルミニ
ウム製ライナと７６００ＰＳＩＧの成形圧力とが許容範
囲内の設計応力値を生じさせることがわかった。

別のライナ厚さと作動圧力とを用いることができるのは
もちろんである。

本発明による圧力容器製作法では、ライナの形成は固体
ベースを有する管状素材の衝撃押出しによって開始され
る。

ついで素材は溶体化処理されかつ形成に先立って熟成さ
せられる。

このあとで、素材の閉鎖端部が形成され、素材は２つの
ネック形成工程、すなわちまず熱間成形ダイによってつ
いで冷間酸形ダイによって加工される。

このような工程によるネック形成はネックのしわを最小
限に留める。

ライナ形成の最終ステップは熱処理および機械加工を含
んでいる。

第５図に示すように、円筒部分とドーム部分との接続個
所のライナ厚さはほぼ均一である。

ライナのネック部はエンドプラグのねじ部分を受容する
ためのねじ部分として形成されており、シール作用のた
めに、適当なシールリングおよびワッシャを、エンドプ
ラグのそう人時に用いることもできる。

ライナの形成が終了したあとで、線材の巻きつり作業ス
テップが開始される。

この線材の巻きつけに用いる装置としては、長手力向巻
きつけおよび周方向巻きっけが両方とも可能な公知のＥ
ｎｔｅｃ Ｍｏｄｅｌ ４３０フィラメント巻きつけ装
置が効果的であることがわかった。

まず第１の長手方向線材が巻きつけられ、ついで、円筒
部分とドーム部分との接続部を覆うように第２の周方向
線材が巻きつけられる。

第３図にはこれらの２つの巻きつけ作業ステップが終了
したあとこの状態が示しである。

ついで、第２の長手方向線材を、すでに巻きつけられて
いる第１の長手方向線材と同様に第１の周方向線材の上
に巻きつけて該第１の周方向線材が容器に対して相対的
に移動しないように保持せしめる。

有利な実施例ではしかるのちに、第２の周方向線材が容
器の中央部分に巻きつけられる。

はぼ完全に巻きつけられた容器の状態は第４図に示しで
ある。

もちろん、線材が、ライナのまわりに巻きつけられる際
に、該線材に樹脂コーティングを施すことは可能である
。

このことは、線材がライナに巻きつけられる直前に、該
線材を樹脂に浸たすことによって行なわれる。

容器の熱硬化は巻きつけ工程のあとに続いて行なわれ、
前に述べたような諸設計条件を満たすような容器の場合
には、熱硬化温度は３５０′Ｆを越えてはいけない。

巻きつけおよび熱硬化工程が終了したあとで圧力成形が
行なわれる。

このことはすでに述べた諸設計条件を満たす容器のため
には、まず容器圧力は毎分５００ＰＳ Ｉを越えない割
合で７６００ＰＳＩＧまで増大され、ついでこの容器圧
力は大気圧まで減少させられる。

この圧力成形サイクル時に、成形圧力が金属製ライナの
降伏強さを越えれば、ライナは外方に向かって塑性変形
を生じ、拡大された形状のままで保持される。

しかしながら、被覆層の弾性限界はライナの圧力成形時
および塑性変形時にも不変である。

このため、ライナの塑性変形のために、ライナが塑性的
に負荷軽減された場合にも、被覆層にはいぜんとして引
張力が作用している。

このため、この被覆層は、該被覆層が弾性的に負荷軽減
された状態に達する際に、内方へ向かった力をライナの
外表面に作用せしめる。

これらの内方へ向かった力はライナに圧縮力を作用させ
かつ該ライナを弾性的に変形せしめる。

しかしながら、これらの力はライナを塑性的に変化せし
めるのには不十分な大きさである。

このため、圧力成形サイクルのあとでは、被覆線材には
引張力が負荷され、他面においてライナには圧縮力が負
荷される。

圧力成形サイクルによって生じる、ライナの外方への塑
性変形および塑性変形を効果的にするために、ライナ内
の成形圧力を該ライナの圧縮応力に打ち勝つような十分
に大きな値まで増大せしめるのが必要であり、かつ強じ
んな被覆線材の引張応力を破るのに十分な力でライナの
外方への変形を生じさせるのが必要である。

通常の作動圧力下では、圧力はライナ内の圧縮力に打ち
勝つのに十分な大きさを有している。

しかしながら、圧力は、通常の使用時には、ライナを被
覆線材の応力に抗して塑性変形せしめるのに十分な大き
さを有していない。

容器の圧力成形時に若干の小さなひびを生じることがあ
るが、このようなひびは容器の性能にほとんど影響を及
ぼさない。

図示の有利な１実施例ではガラスからなる繊維材料を用
いているが、別の繊維材料または繊維材料の組合せ、例
えば黒鉛、はう素等を用いることもできる。

本発明の方法によって製作される圧力容器は、消防士お
よびスキューバダイバによって携行される形式の圧縮空
気容器および冷凍剤、化学製品、燃料ならびにガスの貯
蔵容器として使用することができる。

【図面の簡単な説明】 第１〜第３図は本発明に基づく１実施例の圧力容器であ
って、第１図は線材の巻きつけの第１作業ステップを示
す略示側面図、第２図は線材の巻きつけの２作業ステッ
プを示す略示側面図、第３図は第１および第２の作業ス
テップ終了後の状態を示す側面図、第４図は本発明に基
づく有利な別の１実施例の側面図、第５図は第４図の二
重矢印５の部分の拡大断面図である。 １０・・・・・・ライナ、１２・・・・・・円筒部分、
１４・・・・・・ドーム部分、１６・・・・・・ネック
部、１Ｔ・・・・・・液体注入口、１８・・・・・・線
材、１９・・・・・・ストッパ、２１・・・・・・符号
、２０，２２，２６．２８・・・・・・被覆層、２５・
・・・・・二重矢印。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 円筒部分と、該円筒部分の両端のドーム部分とから
   なるライナを形式する作業ステップと、線材の巻きつけ
   によって前記ライナを被覆する作業ステップとを有する
   圧力容器製作法であって、まず、線材を前記ライナの長
   手方向で該ライナに巻きつけて第１の長手方向被覆層を
   形式せしめ、ついで、前記第１の長手方向被覆層上に、
   線材を前記ライナの周方向で巻きつけて第１の周方向被
   覆層を形成せしめ、しかるのちに、線材を前記第１の周
   方向被覆層の土に前記ライナの長手方向で巻きつけ、こ
   れによって、前記ライナに対する前記第１の周方向被覆
   層の相対的な移動を阻止する第２の長手方向被覆層を形
   式せしめる形式のものにおいて、周方向被覆層形成のさ
   いに各ドーム部分と円筒部分との間の境界部分に線材を
   巻付け、該線材を第２の長手方向被覆層により前記境界
   部分に不動に確保させることを特徴とする圧力容器製作
   法。