(57)【要約】【課題】ドーム部の内面の皺を除去する加工が可能であると共に、首部のねじ底を起点とした割れを抑制可能なガス蓄圧器を提供すること。【解決手段】一実施形態に係るガス蓄圧器では、ドーム部１２の開口の直径が９０ｍｍ以上であって、蓋２０がねじ止めされる雌ねじ部１０ａにおいて最も内側のねじ底が、ドーム部１２の外面を開口に向かって延長した仮想面Ｂよりも内側に設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒部と、前記円筒部の開口端から外側に張り出した半球状のドーム部と、前記ドーム部の頂部に設けられた開口の周縁から外側に突出した円筒状の首部と、が一体に形成された胴体部と、
前記首部の内周面に形成された雌ねじ部にねじ止めされた蓋と、を備え、
前記ドーム部の前記開口の直径が９０ｍｍ以上であって、
前記雌ねじ部において最も内側のねじ底が、前記ドーム部の外面を前記開口に向かって延長した仮想面よりも内側に設けられている、
ガス蓄圧器。
【請求項２】
前記ドーム部の肉厚が、前記開口に近付くにつれて大きくなっている、
請求項１に記載のガス蓄圧器。
【請求項３】
充填されるガスの圧力が７０ＭＰａ以上である、
請求項１又は２に記載のガス蓄圧器。
【請求項４】
前記ドーム部の前記開口の直径が１５０ｍｍ以下である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス蓄圧器。
【請求項５】
充填されるガスが水素である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス蓄圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス蓄圧器に関し、胴体部の開口端に蓋をねじ止めするガス蓄圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に開示されたガス蓄圧器は、円筒部の端部から半球状のドーム部が外側に張り出すと共に、当該ドーム部の頂部に設けられた開口から円筒状の首部が外側に突出した構造を有している。
【０００３】
他方、例えば水素ステーションなどに用いられる高圧ガス蓄圧器では、非特許文献１に開示されているように、シリンダ（円筒胴）の開口端に蓋をねじ止めする構造が採用されている。
なお、非特許文献２については、実施形態の説明において参照する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９１９８６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】超高圧ガス設備に関する基準ＫＨＫＳ０２２０（２０１０）、平成２２年３月３１日、高圧ガス保安協会、ｐ．２６
【非特許文献２】超高圧ガス設備に関する基準ＫＨＫＳ０２２０（２０１０）、平成２２年３月３１日、高圧ガス保安協会、ｐ．６３−７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者らは、特許文献１に開示されたようにドーム部の頂部から突出した首部の内周面に、非特許文献１に開示されたような蓋をねじ止めするガス蓄圧器について検討し、以下の問題点を見出した。
【０００７】
ドーム部を備えたガス蓄圧器では、ドーム部の内面に皺が発生し易く、その皺を起点とした割れが発生し、ガス蓄圧器内のガスが漏洩する虞がある。その対策として、ドーム部の内面に発生した皺を除去する加工（例えば機械加工）を行うことが考えられる。特許文献１に開示されたガス蓄圧器のように、首部（すなわちドーム部）の内径が小さいと、ドーム部の内面の加工を行うことが困難であるため、首部の内径を大きくする必要がある。
【０００８】
他方、首部の内径すなわち蓋の直径を大きくすると、蓋に加わる荷重が大きくなる。そのため、首部の内周面に形成された雌ねじ部に加わる応力も大きくなり、ねじ底を起点として、首部に割れが発生し易くなるという問題があった。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態に係るガス蓄圧器では、ドーム部の開口の直径が９０ｍｍ以上であって、蓋がねじ止めされる雌ねじ部において最も内側のねじ底が、ドーム部の外面を開口に向かって延長した仮想面よりも内側に設けられている。
【発明の効果】
【００１０】
前記一実施形態によれば、ドーム部の内面の皺を除去する加工が可能であると共に、首部のねじ底を起点とした割れを抑制可能なガス蓄圧器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係るガス蓄圧器の断面図である。
【図２】図１における領域ＩＩの拡大図である。
【図３】雌ねじ部１０ａ及びその周辺の拡大断面図である。
【図４】ドーム部１２の開口径が９０ｍｍの実施例１及び比較例１に係るガス蓄圧器の部分断面図である。
【図５】ドーム部１２の開口径が１５０ｍｍの実施例２及び比較例２に係るガス蓄圧器の部分断面図である。
【図６】内圧８２ＭＰａでの雌ねじ部１０ａに加わる最大応力の距離Ｃによる変化を示すグラフである。
【図７】実施例１、２の疲労寿命を比較例１、２と比較して示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜簡略化されている。
【００１３】
（第１の実施形態）
＜ガス蓄圧器の構成＞
以下に、図１、図２を参照して、第１の実施形態に係るガス蓄圧器の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係るガス蓄圧器の断面図である。図２は、図１における領域ＩＩの拡大図である。図１に示すように、第１の実施形態に係るガス蓄圧器は、胴体部１０、蓋２０、樹脂製シール部材３０を備えている。本実施形態に係るガス蓄圧器は、例えば水素ステーション用の高圧水素蓄圧器である。ガス蓄圧器の設計圧力は、例えば７０〜１２０ＭＰａ程度である。なお、ガス蓄圧器に充填されるガスは、水素に限定されるものではない。
【００１４】
なお、各図面に示した右手系ｘｙｚ３次元直交座標は、図面間において相互に対応しているが、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｘｙ平面が水平面を構成しｚ軸正方向が鉛直上向きとなる。図示した例では、ガス蓄圧器の長手方向がｘ軸方向に平行である。このように、ガス蓄圧器は、通常、横置きされる。
【００１５】
まず、図１を参照して、ガス蓄圧器の全体構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るガス蓄圧器では、内部に水素が充填される胴体部１０の両開口端に、それぞれ蓋２０が開閉可能にねじ止めされている。ここで、胴体部１０は、一体に形成された円筒部１１とドーム部１２と首部１３とから構成されている。
【００１６】
詳細には、ｘ軸方向に延びた円筒部１１の両開口端からそれぞれ半球状のドーム部１２が外側に張り出している。各ドーム部１２の頂部には円形の開口が設けられており、当該開口の周縁から円筒状の首部１３が外側に突出している。そして、首部１３の内周面に蓋２０がねじ止めされている。ドーム部１２は、鏡部もしくは口絞り部などとも呼ばれる。
【００１７】
胴体部１０の内面（円筒部１１の内周面及びドーム部１２の内面）と、２つの蓋２０の内側端面とによって囲まれた空間に高圧水素ガスが充填される。ドーム部１２の開口の内周面と蓋２０の外周面との間に設けられた円環状の樹脂製シール部材３０によって、胴体部１０の内部がシールされている。
ここで、高圧水素ガスから応力を受ける胴体部１０の内面（円筒部１１の内周面及びドーム部１２の内面）及び蓋２０の内側端面は耐圧部と呼ばれる。
【００１８】
また、蓋２０は、詳細には後述するように、蓋本体２１とナット２２とを備えている。
なお、図１の例は、胴体部１０の両方の端部が開口した構成であるが、胴体部１０の一方の端部のみが開口した構成であってもよい。また、胴体部１０の外面は、例えば炭素繊維強化プラスチック層（不図示）などによって補強されていてもよい。
【００１９】
胴体部１０及び蓋２０（蓋本体２１及びナット２２）は、例えば、それぞれマンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼などの鋼材からなる。胴体部１０、蓋本体２１、及びナット２２は、同種鋼材から構成されてもよいし、異種鋼材から構成されてもよい。水素誘起割れを抑制する観点から、鋼材の引張強度は９８０ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００２０】
例えば、円筒部１１を構成するシームレス管の両端部を絞り加工することによって、ドーム部１２及び首部１３を成形する。胴体部１０の寸法は、例えば、内容積が５０〜１０００Ｌ程度、全長が１８００〜８０００ｍｍ程度、円筒部１１の内径Ｄ１が２００〜４００ｍｍ程度、円筒部１１の肉厚ｔ（図２参照）が２０〜８０ｍｍ程度である。割れの起点となる表面傷を減らすため、胴体部１０の内面（特にドーム部１２の内面）を機械加工した上で検査することが好ましい。例えば、深さ０．５ｍｍ以上、長さ１．５ｍｍ以上の表面傷を無くすことが好ましい。
【００２１】
次に、図２を参照して、蓋２０の詳細について説明する。ここで、図１に示すように、２つの蓋２０の構成は同様であるため、図２では、胴体部１０のｘ軸正方向側の蓋２０の構成について詳細に説明する。
【００２２】
図２に示すように、ドーム部１２の開口における外側（ｘ軸正方向側）の部位は、内側（ｘ軸負方向側）の部位よりも拡径されている。そして、ドーム部１２の開口において拡径された外側の部位から首部１３に亘って、内周面に雌ねじ部１０ａが形成されている。雌ねじ部１０ａには、蓋２０のナット２２が螺合されている。
なお、本明細書では、ドーム部１２の開口において拡径されていない内側の部位の直径を、単に「ドーム部１２の開口径」という。
【００２３】
本実施形態に係るガス蓄圧器では、ドーム部１２の開口径Ｄ２は、９０ｍｍ以上である。ドーム部１２の開口径Ｄ２が９０ｍｍ以上と大きいため、開口から工具を挿入することができる。すなわち、ドーム部１２の内面の表面傷（例えばドーム部１２を成形する際に発生する皺）を機械加工等によって容易に除去することができる。また、ドーム部１２の内面における表面傷の有無を内視鏡などを用いて容易に検査することができる。
【００２４】
他方、ドーム部１２の開口径は１５０ｍｍ以下であることが好ましい。ドーム部１２の開口径が１５０ｍｍを超えると、ドーム部１２の内面の加工や検査の容易性が変化しなくなるためである。
なお、ドーム部１２の開口径が小さい程、雌ねじ部１０ａのねじ底を起点とした割れの発生を抑制することができる。また、蓋２０が小径化、軽量化され、ガス蓄圧器全体を軽量化することができる。
【００２５】
蓋本体２１及びナット２２を備えた蓋２０は、高圧ガス保安協会技術基準ＫＨＫＳ０２２０（非特許文献１）に規定された「ねじ構造」に準拠した構造を有している。
図２に示すように、蓋本体２１は、胴体部１０と共通な中心軸ＣＡを有する段付き円柱状部材である。蓋本体２１は、フランジ部２１ａを備えている。ここで、蓋本体２１において、フランジ部２１ａよりもｘ軸負方向側に位置する太径の部位を太径部、フランジ部２１ａよりもｘ軸正方向側に位置する細径の部位を細径部と呼ぶ。
【００２６】
フランジ部２１ａの径は、ドーム部１２の開口径よりも大きく、首部１３の内径よりも小さくなっている。そのため、蓋本体２１を首部１３からドーム部１２の開口の内部に挿入することができる。フランジ部２１ａは、ドーム部１２の開口において拡径された外側の部位と拡径されていない内側の部位との段差１０ｂに当接している。
【００２７】
図２に示すように、蓋本体２１の太径部は、ドーム部１２の開口径と径が略等しく、ドーム部１２の開口における内側の部位に嵌入されている。蓋本体２１の太径部の外周面には、樹脂製シール部材３０を嵌め込むための環状溝２１ｂが形成されている。
【００２８】
他方、蓋本体２１の細径部は、ナット２２の内径と軸径が略等しく、ナット２２の貫通孔に嵌入されている。ここで、蓋本体２１の細径部とナット２２とは、相対的に回転可能である。また、図２の例では、蓋本体２１の細径部の長さが、ナット２２の高さ（ｘ軸方向の長さ）と略等しくなっている。
【００２９】
また、図２に示すように、蓋本体２１には中心軸ＣＡに沿った貫通孔２１ｃが形成されている。貫通孔２１ｃを介して、ガス蓄圧器の外部から内部にガスを充填したり、ガス蓄圧器の内部から外部にガスを供給したりする。蓋本体２１の外側端面の中央部には、図示しないガス配管を連結するための取付口２１ｄが形成されている。図２に示すように、貫通孔２１ｃと取付口２１ｄとは連通している。
【００３０】
ナット２２は、胴体部１０と共通な中心軸ＣＡを有する雄ねじナットである。すなわち、ナット２２の外周面がねじ切られている。ナット２２の貫通孔に蓋本体２１の細径部を挿入させつつ、首部１３からドーム部１２の開口に亘って形成された雌ねじ部１０ａにナット２２をねじ込むことによって、胴体部１０に蓋２０が固定される。
【００３１】
詳細には、ナット２２をねじ込むと、ナット２２がｘ軸負方に前進する。ナット２２がフランジ部２１ａをドーム部１２の開口に形成された段差１０ｂに押し付けると、ナット２２はそれ以上前進しなくなり、胴体部１０に蓋本体２１及びナット２２が固定される。このように、フランジ部２１ａは、ナット２２をねじ込む際のストッパとして機能する。
【００３２】
樹脂製シール部材３０は、例えばＯリングであって、胴体部１０と共通な中心軸ＣＡを有する円環状の樹脂部材である。樹脂製シール部材３０は、図２に示すように、胴体部１０の内周面と蓋２０の外周面との間に設けられている。より詳細には、図２に示すように、蓋本体２１の太径部の外周面に形成された環状溝２１ｂに、樹脂製シール部材３０が嵌め込まれている。すなわち、胴体部１０の本体部の内周面と蓋本体２１の太径部の外周面との間に設けられた樹脂製シール部材３０によって、胴体部１０の内部がシールされている。
【００３３】
次に、図３を参照して、雌ねじ部１０ａについてより詳細に説明する。図３は、雌ねじ部１０ａ及びその周辺の拡大断面図である。図３に示すように、本実施形態に係るガス蓄圧器では、雌ねじ部１０ａにおいて最も内側（ｘ軸負方向側）のねじ底（第１ねじ底）が、ドーム部１２の外面を開口に向かって延長した仮想面Ｂよりも内側に設けられている。図３において、ドーム部１２の外面を延長した仮想面Ｂは、二点鎖線によって示されている。
【００３４】
換言すると、雌ねじ部１０ａの第１ねじ底は、首部１３の内周面ではなくドーム部１２の内周面に形成されており、ドーム部１２によって補強されている。そのため、雌ねじ部１０ａに加わる最大応力が小さくなり、ねじ底を起点とした割れの発生を抑制することができる。
【００３５】
後述するシミュレーション試験の結果、仮想面Ｂとナット２２の外径線Ａとの交点から第１ねじ底までのｘ軸負方向の距離Ｃの大きさが大きい程、雌ねじ部１０ａに加わる最大応力が小さくなった。なお、通常、第１ねじ底において割れが発生し易い。
【００３６】
また、図２に示すように、ドーム部１２の肉厚は、開口に近付くにつれて大きくなっていることが好ましい。距離Ｃの大きさを大きくし、ドーム部１２によって補強された雌ねじ部１０ａの領域を拡大することができる。
【００３７】
＜実施例＞
次に、第１の実施形態に係るガス蓄圧器の実施例及び比較例について説明する。図３に示した仮想面Ｂとナット２２の外径線Ａとの交点から第１ねじ底までのｘ軸負方向の距離Ｃを変化させ、雌ねじ部１０ａに加わる最大応力及び疲労寿命をシミュレーション試験によって求めた。
【００３８】
＜試験条件＞
以下に試験条件について説明する。便宜的に、図３に示すように、仮想面Ｂとナット２２の外径線Ａとの交点を原点として、第１ねじ底がｘ軸負方向に位置すれば距離Ｃは負の値、第１ねじ底がｘ軸正方向に位置すれば距離Ｃは正の値とした。すなわち、実施例は距離Ｃが負の値、比較例は距離Ｃが０以上の値となる。
ドーム部１２の開口径は、９０ｍｍと１５０ｍｍの２種類とした。ここで、図４、図５を参照して、実施例及び比較例に係るガス蓄圧器の形状及び寸法について説明する。
【００３９】
図４は、ドーム部１２の開口径が９０ｍｍの実施例１及び比較例１に係るガス蓄圧器の部分断面図である。図４には、ドーム部１２の開口径が９０ｍｍの実施例１及び比較例１に係るガス蓄圧器について、胴体部１０（円筒部１１、ドーム部１２、首部１３）及び蓋２０の各寸法を示した。実施例１及び比較例１において、距離Ｃ以外の寸法は同じである。具体的には、比較例１の距離Ｃは３６．１８２ｍｍ、実施例１の距離Ｃは−１９．３２５ｍｍである。すなわち、実施例１は比較例１に比べ、首部１３が短く、全長も小さいため、ガス蓄圧器が小型化されている。
【００４０】
実施例１及び比較例１において共通な距離Ｃ以外の寸法について説明する。図４に示すように、円筒部１１の内径は３１６ｍｍ、外径は４０６．４ｍｍである。ドーム部１２の内面は半径１５８ｍｍの球面形状を有している。ドーム部１２の外面の断面は半径２５０ｍｍの円弧形状を有している。ドーム部１２の外面の中心は、内面の中心から円筒部１１の半径方向に４６．８ｍｍずれている。このように、ドーム部１２の肉厚は、円筒部１１との接続部位から開口に向かって徐々に大きくなっている。
首部１３の外径は１４０ｍｍ、ナット２２の外径は１１０ｍｍである。
【００４１】
また、図５は、ドーム部１２の開口径が１５０ｍｍの実施例２及び比較例２に係るガス蓄圧器の部分断面図である。図５には、ドーム部１２の開口径が１５０ｍｍの実施例２及び比較例２に係るガス蓄圧器について、胴体部１０（円筒部１１、ドーム部１２、首部１３）及び蓋２０の各寸法を示した。具体的には、比較例２の距離Ｃは１６．１８２ｍｍ、実施例２の距離Ｃは−１６．８１８ｍｍである。すなわち、実施例２は比較例２に比べ、首部１３が短く、全長も小さいため、ガス蓄圧器が小型化されている。
【００４２】
実施例２及び比較例２において共通な距離Ｃ以外の寸法について説明する。図５に示すように、首部１３の外径及びナット２２の外径以外の寸法は、図４に示した実施例１及び比較例１と同じである。実施例２及び比較例２では、実施例１及び比較例１に比べ、ドーム部１２の開口径を９０ｍｍから１５０ｍｍに拡大しているため、首部１３の外径及びナット２２の外径も拡大している。
具体的には、首部１３の外径は２２０ｍｍ、ナット２２の外径は１７０ｍｍである。
【００４３】
次に、シミュレーション試験条件について説明する。
有限要素法解析ソフトであるＡＮＳＹＳ１８．０を用いて、図４、図５に示すように、二次元軸対称弾性解析を行った。要素としては、四角形８節点要素を用いた。
内圧を受ける耐圧部は図４、図５において太線で示した。具体的には、図４、図５に示すように、円筒部１１の内周面、ドーム部１２の内面、蓋本体２１の内側端面などが耐圧部に該当する。内圧は５０ＭＰａ及び８２ＭＰａとした。
【００４４】
胴体部１０を構成する材料として、Ｃｒ−Ｍｏ鋼（ＪＩＳ規格  ＳＣＭ４３５）を想定し、胴体部１０のヤング率を２０５ＧＰａ、ポアソン比を０．３とした。また、胴体部１０の降伏応力は７８５ＭＰａ、引張強度は９３０ＭＰａとした。
蓋本体２１及びナット２２を構成する材料として、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼（ＡＳＭＥ規格  ＳＡ−７２３Ｍ  グレード３  クラス２）を想定し、胴体部１０のヤング率を１９１ＧＰａ、ポアソン比を０．３とした。
上記材料特性はいずれも室温（２０℃）における値を使用した。
【００４５】
次に解析手順を示す。
まず、内圧８２ＭＰａでの応力分布を上述の有限要素法解析によって求めた。これによって、雌ねじ部１０ａに加わる最大応力を求めた。
次に、内圧８２ＭＰａの応力分布から、内圧５０ＭＰａにおける応力分布を線形補完によって算出した。ここで、弾性変形範囲内かつ微小変形であるので、内圧と応力分布に比例関係が成立する。
そして、高圧ガス保安協会技術基準ＫＨＫＳ０２２０の「付属書Ｖ（規定）  最適疲労曲線を用いた疲労解析」（非特許文献２）に準拠して、疲労寿命を計算した。
【００４６】
＜試験結果＞
次に、図６、図７を参照して、シミュレーション試験結果について説明する。図６は、内圧８２ＭＰａでの雌ねじ部１０ａに加わる最大応力の距離Ｃによる変化を示すグラフである。図７は、実施例１、２の疲労寿命を比較例１、２の疲労寿命と比較して示したグラフである。
【００４７】
まず、図６について説明する。図６の横軸は距離Ｃ（ｍｍ）、縦軸は雌ねじ部１０ａに加わる最大応力（ＭＰａ）を示している。図６には、ドーム部１２の開口径が９０ｍｍの場合と１５０ｍｍの場合とが並べて示されている。図６には、図４に示した比較例１及び実施例１のデータと、図５に示した比較例２及び実施例２のデータが示されている。図６に示すように、距離Ｃの大きさが負側に大きくなると、雌ねじ部１０ａに加わる最大応力が急激に小さくなった。雌ねじ部１０ａがドーム部１２によって補強される領域が拡大するためであると推察される。
【００４８】
次に、図７について説明する。図７の横軸は開口径（ｍｍ）、疲労寿命（回）を示している。図７には、図４に示した比較例１及び実施例１のデータと、図５に示した比較例２及び実施例２のデータが示されている。
なお、実施例１は、１０７回において未破断である。すなわち、実施例１の疲労寿命は１０７回より大きい。
【００４９】
ここで、図６に示すように、比較例１に比べ実施例１では、雌ねじ部１０ａに加わる最大応力が小さい。そのため、図７に示すように、比較例１に比べ実施例１は、疲労寿命が向上した。同様に、図６に示すように、比較例２に比べ実施例２では、雌ねじ部１０ａに加わる最大応力が小さい。そのため、図７に示すように、疲労寿命が向上した。
なお、疲労寿命は例えば３×１０５回以上であることが好ましい。実施例１、２はいずれも疲労寿命が３×１０５回を超えている。
【００５０】
以上に説明した通り、距離Ｃが負の値となる実施例では、雌ねじ部１０ａがドーム部１２によって補強される。そのため、図６に示すように、実施例では比較例に比べて雌ねじ部１０ａに加わる最大応力が急激に小さくなった。その結果、図６に示すように、実施例では比較例に比べて疲労寿命が向上した。
また、実施例は、比較例に比べ、首部１３が短く、全長も小さいため、ガス蓄圧器を小型化することができる。
【００５１】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５２】
１０  胴体部
１０ａ  雌ねじ部
１０ｂ  段差
１１  円筒部
１２  ドーム部
１３  首部
２０  蓋
２１  蓋本体
２１ａ  フランジ部
２１ｂ  環状溝
２１ｃ  貫通孔
２１ｄ  取付口
２２  ナット
３０  樹脂製シール部材
【図１】
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【図２】
2020063778.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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