JP2017122464A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】口金の空転を防止する。【解決手段】圧力容器Ａは、略円筒状の胴部１１の端部にドーム部１２，１３が連なった形態のライナー１０と、ドーム部１２，１３の外面を同心状に覆う口金２２，２８と、ライナー１０の外面に巻き付けられた形態の繊維束３４を備え、ライナー１０の外面を覆う繊維強化樹脂層３と、ドーム部１２，１３の外周のうちパーティングライン２１を含む領域に形成された回転規制凸部１７，２０と、口金２２，２８に形成され、回転規制凸部１７，２０に嵌合された回転規制凹部２７，３２とを備えている。【選択図】図１

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、円筒状の直胴部の両端にドーム部が形成されたライナーと、ドーム部の中心部に取り付けた口金と、ライナーの外周に形成された繊維強化樹脂層とを備えた圧力容器が開示されている。繊維強化樹脂層を形成する際には、口金に嵌合した駆動軸を回転駆動することにより、口金とライナーを一体回転させながら、ライナーの外周に繊維束を巻き付けていく。

特開２０１２−０４５８２６号公報

繊維束を巻き付ける工程では、駆動軸によって回転する駆動側の口金と、繊維束を引き込む従動側のライナーとの界面に、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、口金とライナーとの間で滑りが生じて口金が空転することが懸念される。

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、口金の空転を防止することを目的とする。

本発明の圧力容器は、
略円筒状の胴部の端部にドーム部が連なった形態のライナーと、
前記ドーム部の外面を同心状に覆う口金と、
前記ライナーの外面に巻き付けられた形態の繊維束を備え、前記ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂層と、
前記ドーム部の外周のうちパーティングラインを含む領域に形成された回転規制凸部と、
前記口金に形成され、前記回転規制凸部に嵌合された回転規制凹部とを備えているところに特徴を有する。

回転規制凸部と回転規制凹部との嵌合により、ライナーに対する口金の相対移転が規制されるので、口金を回転駆動しながらライナーに繊維束を巻き付ける工程で、口金が空転することを防止できる。また、回転規制凸部は、パーティングラインを含む領域に配されているので、ブロー成形用の金型でライナーを成形する工程で、回転規制凸部を形成することが可能である。

実施例１の圧力容器の斜視図 ライナーから口金を外した状態をあらわす斜視図 ライナーに繊維束を巻き付ける工程をあらわす断面図 圧力容器の断面図 ライナーを金型成形する工程をあらわす平面図

本発明は、前記回転規制凹部が前記口金の外周縁に開口するように配されていてもよい。この構成によれば、口金を回転駆動するときの回転中心から、回転規制凹部と回転規制凸部との嵌合位置までの径方向の寸法が長く確保されるので、口金からの回転力を受けたときの回転規制凸部の応力が低減される。これにより、回転規制凸部の変形を防止できる。

本発明は、前記回転規制凹部が、前記口金の外面に開口した形態であってもよい。この構成によれば、口金をライナーに組み付ける際に、目視により回転規制凸部の位置を確認することができる。

本発明は、前記回転規制凸部が、前記口金の厚さ方向全領域に亘って前記回転規制凹部に嵌合されていてもよい。この構成によれば、回転規制凹部と回転規制凸部との接触面積が広くなるので、口金からの回転力を受けたときの回転規制凸部の応力が低減される。これにより、回転規制凸部の変形を防止できる。

本発明は、前記回転規制凸部の外面と前記口金の外面とが、面一状に連続していてもよい。この構成によれば、回転規制凸部と回転規制凹部との嵌合部分では、段差や凹凸が生じないので、巻き付けられた繊維束との間に隙間が生じることはない。

＜実施例１＞
以下、本発明を具体化した実施例１を図１〜図５を参照して説明する。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２２（請求項に記載の口金）と、第２口金２８（請求項に記載の口金）と、繊維強化樹脂層３３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＞
ライナー１０は、径寸法が全長に亘ってほぼ一定の円筒状をなす胴部１１と、胴部１１の軸線方向における一方の端部に連なる第１ドーム部１２（請求項に記載のドーム部）と、胴部１１の軸線方向における他方の端部に連なる第２ドーム部１３（請求項に記載のドーム部）とを備えた単一部品である。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。ライナー１０は、ブロー成形によって所定形状に成形されている。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。

第１ドーム部１２の中心部には、胴部１１の軸線と同軸の円形をなす貫通形態の筒状突出部１５が一体に形成されている。筒状突出部１５は第１ドーム部１２の外部へ突出した形態である。ライナー１０の外部空間と貯留空間１４内は、筒状突出部１５の内部空間を介して連通可能となっている。第１ドーム部１２の外面のうち筒状突出部１５よりも外周側であり、且つ第１ドーム部１２の外周縁（胴部１１と第１ドーム部１２との境界）よりも内周側の円環状領域は、胴部１１の軸線と略直角をなす第１平面部１６となっている。

第１平面部１６の外面には、径方向において筒状突出部１５を挟んで対向するように配された一対の第１回転規制凸部１７が形成されている。一対の第１回転規制凸部１７は、筒状突出部１５に関して対称な形態である。第１回転規制凸部１７は、筒状突出部１５の外周には連なっておらず、筒状突出部１５の外周よりも径方向外側の位置に配されている。第１回転規制凸部１７の外周側端縁は、第１平面部１６の外周縁上に位置している。第１平面部１６を基準とする第１回転規制凸部１７の突出高さは、その外周側端縁で最も低く、筒状突出部１５に近くなるほど次第に高くなっており、内周側端縁において最大である。

第２ドーム部１３の中心部には、胴部１１の軸線と同軸の円形をなす膨出部１８が一体に形成されている。膨出部１８は貫通しておらず、胴部１１の他方の端部は第２ドーム部１３によって閉塞されている。第２ドーム部１３の外面のうち膨出部１８よりも外周側であり、且つ第２ドーム部１３の外周縁（胴部１１と第２ドーム部１３との境界）よりも内周側の円環状領域は、胴部１１の軸線と略直角をなす第２平面部１９となっている。

第２平面部１９の外面には、径方向において膨出部１８を挟んで対向するように配された一対の第２回転規制凸部２０が形成されている。一対の第２回転規制凸部２０は、膨出部１８に関して対称な形態である。第２回転規制凸部２０は、膨出部１８の外周には連なっておらず、膨出部１８の外周よりも径方向外側の位置に配されている。第２回転規制凸部２０の外周側端縁は、第２平面部１９の外周縁上に位置している。第２平面部１９を基準とする第２回転規制凸部２０の突出高さは、その外周側端縁で最も低く、膨出部１８に近くなるほど次第に高くなっており、内周側端縁において最大である。

ライナー１０は、下記のようなブロー成形法によって成形されている。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（図示省略）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内には下方からロッド（図示省略）が収容される。そして、パリソンが一対の金型５０で挟まれるとともに、ロッドを通して供給された加圧エアが、パリソンを金型５０のキャビティ内面に密着させる。この後、パリソンが硬化すれば、金型５０によるライナー１０の成形工程が完了する。

金型５０によって成形されたライナー１０の外周には、一対の金型５０の境界に沿ったパーティングライン２１が形成される。一対の金型５０には、夫々、一対の第１回転規制凸部１７と一対の第２回転規制凸部２０を成形するための成形部５１が形成されている。したがって、パーティングライン２１は、第１回転規制凸部１７の外面の周方向における中央位置を通るとともに、第２回転規制凸部２０の外面の周方向における中央位置も通っている。

＜第１口金２２＞
第１口金２２は、軸線方向に貫通した円筒状をなす第１本体部２３と、第１本体部２３の軸線方向両端部のうち基端部から径方向外方へ張り出した第１フランジ部２４とを備えた単一部品である。第１本体部２３の内周の先端部には、第１雌ネジ部２５が形成されている。第１口金２２には、バルブ２６が第１雌ネジ部２５にねじ込まれることによって取り付けられる。

第１口金２２は、第１ドーム部１２の外面を覆うようにライナー１０に取り付けられている。第１口金２２を取り付けた状態では、第１本体部２３の基端部が筒状突出部１５の外周に密着し、第１フランジ部２４の内面が第１平面部１６（第１ドーム部１２）の外面に密着している。第１フランジ部２４は第１本体部２３と同心の円形をなし、第１フランジ部２４の外径は、第１平面部１６の外径とほぼ同じ寸法である。

第１フランジ部２４には、第１本体部２３を挟んで径方向に対向するように配された一対の第１回転規制凹部２７が形成されている。一対の第１回転規制凹部２７は、第１本体部２３の軸線に関して対称である。第１回転規制凹部２７は、第１フランジ部２４の内面（第１ドーム部１２との対向面）から第１フランジ部２４の外面まで貫通した形態であり、第１フランジ部２４の外周縁に開口した形態である。

第１口金２２を第１ドーム部１２に取り付けた状態では、一対の第１回転規制凹部２７が一対の第１回転規制凸部１７に嵌合する。第１回転規制凹部２７と第１回転規制凸部１７との嵌合部分では、第１回転規制凸部１７の外面と第１フランジ部２４の外面とが、段差なく面一状に連なっている。また、第１回転規制凸部１７の外周側端縁と第１フランジ部２４の外周縁が、ほぼ同じ曲率で滑らかに連続している。

＜第２口金２８＞
第２口金２８は、円柱状をなす第２本体部２９と、第２本体部２９の軸線方向両端部のうち基端部から径方向外方へ張り出した第２フランジ部３０とを備えた単一部品である。第２本体部２９には、その先端面を同軸状に凹ませた形態の第２雌ネジ部３１が形成されている。第２口金２８は、第２ドーム部１３の外面を覆うようにライナー１０に取り付けられている。第２口金２８を取り付けた状態では、第２本体部２９の基端部が膨出部１８の外周に密着し、第２フランジ部３０の内面が第２平面部１９（第２ドーム部１３）の外面に密着している。第２フランジ部３０は第２本体部２９と同心の円形をなし、第２フランジ部３０の外径は、第２平面部１９の外径とほぼ同じ寸法である。

第２フランジ部３０には、第２本体部２９を挟んで径方向に対向するように配された一対の第２回転規制凹部３２が形成されている。一対の第２回転規制凹部３２は、第２本体部２９の軸線に関して対称である。第２回転規制凹部３２は、第２フランジ部３０の内面（第２ドーム部１３との対向面）から第２フランジ部３０の外面まで貫通した形態であり、第２フランジ部３０の外周縁に開口した形態である。

第２口金２８を第２ドーム部１３に取り付けた状態では、一対の第２回転規制凹部３２が一対の第２回転規制凸部２０に嵌合する。第２回転規制凹部３２と第２回転規制凸部２０との嵌合部分では、第２回転規制凸部２０の外面と第２フランジ部３０の外面とが、段差なく面一状に連なっている。また、第２回転規制凸部２０の外周側端縁と第２フランジ部３０の外周縁が、ほぼ同じ曲率で滑らかに連続している。

＜繊維強化樹脂層３３＞
繊維強化樹脂層３３は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスッチック等からなる。繊維強化樹脂層３３は、胴部１１の外周の全領域、第１ドーム部１２のうち第１平面部１６よりも外周側の領域、第２ドーム部１３のうち第２平面部１９よりも外周側の領域、第１回転規制凸部１７及び第２回転規制凸部２０の外周、及び第１口金２２及び第２口金２８の外周に亘って形成されている。

繊維強化樹脂層３３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及び口金２２，２８の外面に、繊維束３４に液状の熱硬化性樹脂を含浸させたもの、又は繊維束３４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３４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。

＜フィラメントワインディング装置及び繊維強化樹脂層３３の形成工程＞
繊維束３４をライナー１０と口金２２，２８に巻き付けるためのフィラメントワインディング装置は、ライナー１０に回転力を付与する第１軸状支持部材４１と、第１軸状支持部材４１を回転駆動するモータ（図示省略）と、第１軸状支持部材４１と同軸の第２軸状支持部材４２と、第２軸状支持部材４２を回転駆動するモータ（図示省略）と、繊維束３４を繰り出すボビン（図示省略）等を備えている。第１軸状支持部材４１の先端部は、第１雌ネジ部２５にねじ込まれることで、第１口金２２に一体回転し得るように取り付けられる。第２軸状支持部材４２は、第２雌ネジ部３１にねじ込まれることで、第２口金２８に一体回転し得るように取り付けられる。

ライナー１０に繊維強化樹脂層３３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口金２２，２８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軸状支持部材４１と第２軸状支持部材４２を、夫々、第１口金２２と第２口金２８に取り付ける。この状態で、第１軸状支持部材４１と第２軸状支持部材４２を同じ周速度で駆動してライナー１０と両口金２２，２８を回転させる。回転しているライナー１０の外面には、ボビンから繰り出した繊維束３４が巻き付けられていく。

繊維束３４を巻き付ける工程では、第１軸状支持部材４１と一体に回転する駆動側の第１口金２２と、ボビンから繊維束３４を引き込む従動側のライナー１０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２２とライナー１０との間で滑りが生じて第１口金２２が空転することが懸念される。また、第２軸状支持部材４２と一体に回転する第２口金２８とライナー１０との間にも剪断力が作用するので、第２口金２８が空転することも懸念される。

その対策として、本実施例では、ライナー１０に形成した第１回転規制凸部１７と第１口金２２に形成した第１回転規制凹部２７を嵌合し、ライナー１０に形成した第２回転規制凸部２０と第２口金２８に形成した第２回転規制凹部３２を嵌合した。これらの嵌合部分では、ライナー１０と第１口金２２が周方向に当接するとともに、ライナー１０と第２口金２８が周方向に当接するので、ライナー１０と第１口金２２と第２口金２８は、一体回転する状態に保たれる。繊維束３４の巻き付け工程が終わった後は、繊維束３４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、繊維強化樹脂層３３が形成され、圧力容器Ａの製造が完了する。

＜実施例１の効果＞
上述のように、本実施例の圧力容器Ａは、略円筒状の胴部１１の端部に第１ドーム部１２と第２ドーム部１３が連なった形態のライナー１０と、第１ドーム部１２の外面を同心状に覆う第１口金２２と、第２ドーム部１３の外面を同心状に覆う第２口金２８と、ライナー１０の外面に巻き付けられた形態の繊維束３４を備え、ライナー１０の外面を覆う繊維強化樹脂層３３とを備えている。そして、第１ドーム部１２の外周のうちパーティングライン２１を含む領域には第１回転規制凸部１７が形成され、この第１回転規制凸部１７には、第１口金２２に形成した第１回転規制凹部２７が嵌合している。また、第２ドーム部１３の外周のうちパーティングライン２１を含む領域には第２回転規制凸部２０が形成され、この第２回転規制凸部２０には、第２口金２８に形成した第２回転規制凹部３２が嵌合している。

この構成によれば、第１回転規制凸部１７と第１回転規制凹部２７との嵌合、及び第２回転規制凸部２０と第２回転規制凹部３２との嵌合により、ライナー１０に対する第１口金２２及び第２口金２８の相対移転が規制される。したがって、第１口金２２と第２口金２８を回転駆動しながらライナー１０に繊維束３４を巻き付ける工程で、第１口金２２と第２口金２８が、ライナー１０を回転させずに空転するという事態を防止できる。また、第１回転規制凸部１７と第２回転規制凸部２０は、パーティングライン２１を含む領域に配されているので、ブロー成形用の金型５０でライナー１０を成形する工程で、第１回転規制凸部１７と第２回転規制凸部２０を形成することが可能である。

また、第１回転規制凹部２７は第１口金２２（第１フランジ部２４）の外周縁に開口するように配されているので、第１口金２２を回転駆動するときの回転中心から、第１回転規制凹部２７と第１回転規制凸部１７との嵌合位置までの径方向の寸法が長く確保される。したがって、第１口金２２からの回転力を受けたときの第１回転規制凸部１７の応力が低減される。同様に、第２回転規制凹部３２も第２口金２８（第１フランジ部２４）の外周縁に開口するように配されているので、第２口金２８を回転駆動するときの回転中心から、第２回転規制凹部３２と第２回転規制凸部２０との嵌合位置までの径方向の寸法が長く確保される。したがって、第２口金２８からの回転力を受けたときの第２回転規制凸部２０の応力が低減される。これにより、第１回転規制凸部１７と第２回転規制凸部２０の変形を防止できる。

また、第１回転規制凹部２７は第１口金２２の外面に開口した形態であるから、第１口金２２をライナー１０に組み付ける際に、目視により第１回転規制凸部１７の位置を確認することができる。同様に、第２回転規制凹部３２も第２口金２８の外面に開口した形態であるから、第２口金２８をライナー１０に組み付ける際に、目視により第２回転規制凸部２０の位置を確認することができる。よって、作業性に優れている。

また、第１回転規制凸部１７は、第１口金２２の厚さ方向（ライナー１０の軸線方向）の全領域に亘って第１回転規制凹部２７に嵌合されている。この構成によれば、第１回転規制凹部２７の内側面と第１回転規制凸部１７の外側面との接触面積が広くなるので、第１口金２２からの回転力を受けたときの第１回転規制凸部１７の応力が低減される。これにより、第１回転規制凸部１７の変形を防止できる。同じく、第２回転規制凸部２０も、第２口金２８の厚さ方向の全領域に亘って第２回転規制凹部３２に嵌合されているので、第２回転規制凹部３２の内側面と第２回転規制凸部２０の外側面との接触面積が広くなる。これより、第２口金２８からの回転力を受けたときの第２回転規制凸部２０の応力が低減されるので、第２回転規制凸部２０の変形を防止できる。

また、第１回転規制凸部１７の外面と第１口金２２の外面とが面一状に連続している。この構成によれば、第１回転規制凸部１７と第１回転規制凹部２７との嵌合部分では、段差や凹凸が生じないので、巻き付けられた繊維束３４との間に隙間が生じることはない。同様に、第２回転規制凸部２０の外面と第２口金２８の外面も、面一状に連続している。この構成によれば、第２回転規制凸部２０と第２回転規制凹部３２との嵌合部分では、段差や凹凸が生じないので、巻き付けられた繊維束３４との間に隙間が生じることはない。

＜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、回転規制凸部と回転規制凹部が胴部の軸線を挟んで対応するように一対形成されているが、回転規制凸部と回転規制凹部の数は、１つずつだけであってもよい。
（２）上記実施例では、回転規制凸部の径方向における形成領域が、ライナーの筒部よりも外周側の範囲だけであったが、回転規制凸部は筒部に連なった形態であってもよい。
（３）上記実施例では、回転規制凹部が口金の外周縁に開口しているが、回転規制凹部は、口金の外周縁よりも中央寄りの位置に配されていてもよい。
（４）上記実施例では、回転規制凹部が口金の外面に開口しているが、回転規制凸部は、口金の外面に開口せず、ドーム部と対向する内面のみに開口する形態であってもよい。
（５）上記実施例では、回転規制凸部の外面と口金の外面が面一状に連続しているが、回転規制凸部と回転規制凹部との嵌合部分で段差や凹凸が生じるような形態であってもよい。
（６）上記実施例では、第１ドーム部と第２ドーム部の両方に回転規制凸部を形成したが、回転規制凸部は、第１ドーム部と第２ドーム部のうちいずれか一方のドーム部のみに形成してもよい。これに合わせて、回転規制凹部も、第１口金と第２口金のうちいずれか一方の口金のみに形成してもよい。
（７）一対のドーム部のうち一方を閉塞形態としたが、一対のドーム部の両方に貫通形態の筒部が形成されている場合にも適用できる。
（８）上記実施例では、繊維束を巻き付ける工程で第１軸状支持部材と第２軸状支持部材を同じ周速度で駆動したが、第２軸状支持部材を、第１軸状支持部材及びライナーと一緒に連れ回りするようにしてもよい。

Ａ…圧力容器
１０…ライナー
１１…胴部
１２…第１ドーム部（ドーム部）
１３…第２ドーム部（ドーム部）
１７…第１回転規制凸部（回転規制凸部）
２０…第２回転規制凸部（回転規制凸部）
２１…パーティングライン
２２…第１口金（口金）
２７…第１回転規制凹部（回転規制凹部）
２８…第２口金（口金）
３２…第２回転規制凹部（回転規制凹部）
３３…繊維強化樹脂層
３４…繊維束

Claims (5)

1. 略円筒状の胴部の端部にドーム部が連なった形態のライナーと、
   前記ドーム部の外面を同心状に覆う口金と、
   前記ライナーの外面に巻き付けられた形態の繊維束を備え、前記ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂層と、
   前記ドーム部の外周のうちパーティングラインを含む領域に形成された回転規制凸部と、
   前記口金に形成され、前記回転規制凸部に嵌合された回転規制凹部とを備えていることを特徴とする圧力容器。
2. 前記回転規制凹部が前記口金の外周縁に開口するように配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. 前記回転規制凹部が、前記口金の外面に開口した形態であ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。
4. 前記回転規制凸部が、前記口金の厚さ方向全領域に亘って前記回転規制凹部に嵌合されていることを特徴とする請求項３記載の圧力容器。
5. 前記回転規制凸部の外面と前記口金の外面とが、面一状に連続していることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の圧力容器。

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