(57)【要約】  複合フィラメントの巻回層によって包囲されたタンク・ライナ３０２から形成された内側タンクを有する圧力容器が提供される。内側タンク上に保護ジャケット３１０が配置され、保護ジャケット３１０は、圧力容器の積み重ねを容易にするとともに可搬性を向上させ、ハイブリッド・タンク３００と環境との間の対流熱伝達のための空気通路を画定するのに役立つ。【選択図】図１３
2014513247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧容器用のハイブリッド・タンクであって、
ａ）対向する第１端部領域および第２端部領域を有し、それらの間に中心円周領域がある金属製タンク・ライナと、
ｂ）前記タンク・ライナの外側部分に配置された外側補強層であって、前記外側補強層および前記タンク・ライナの各々が、前記タンク・ライナの外面に対して垂直な壁厚さを有し、前記外側補強層の壁厚さの前記タンク・ライナの壁厚さに対する比率が、前記タンク・ライナの前記外側部分の大部分にわたって少なくとも４．０である、外側補強層と、
を具備するハイブリッド・タンク。
【請求項２】
前記タンク・ライナの前記壁厚さが、一定である、請求項１に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項３】
前記外側補強層の前記壁厚さが、前記タンク・ライナの前記中心円周領域に近接する局所最大壁厚さから、前記タンク・ライナの前記第１端部領域および前記第２端部領域の各々に近接する最小壁厚さまで変化する、請求項１に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項４】
前記中心円周領域に近接する前記外側補強層の前記局所最大壁厚さの前記タンク・ライナの前記壁厚さに対する比率が、少なくとも５．０である、請求項３に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項５】
前記外側補強層の前記最小壁厚さを有する領域が、前記タンク・ライナの各端部領域のドーム状部分に近接している、請求項３に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項６】
前記外側補強層が、炭素繊維、玄武岩繊維、アラミド繊維およびパラ−アラミド合成繊維からなる群から選択された少なくとも１つのタイプの繊維を含む繊維−エポキシ樹脂複合材料を含む、請求項１に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項７】
前記タンク・ライナが、レーザ溶接部、ＧＭＡＷ溶接部およびサブマージ・アーク溶接部からなる群から選択されたタイプの溶接部によって互いに直接固定されている、対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップを有している、請求項１に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項８】
前記タンク・ライナが、第１リムおよび第２リムを画定する実質的に円柱状のチューブと、レーザ溶接部、ＧＭＡＷ溶接部およびサブマージ・アーク溶接部からなる群から選択されたタイプの溶接部により、前記チューブの前記第１リムおよび前記第２リムそれぞれに固定された、対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップとを有している、請求項１に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項９】
前記外側補強層を保護するように前記外側補強層の周囲に係合する保護ジャケットをさらに具備し、前記保護ジャケットが、上部支持リムと、前記上部支持リムとは反対側の下部支持リムと、前記上部支持リムを前記下部支持リムに連結するジャケット壁とを有している、請求項１に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項１０】
前記外側補強層が、繊維成分およびエポキシ樹脂成分を有する繊維−エポキシ樹脂複合物を含み、前記タンク・ライナが、前記繊維成分より弾性係数が低く、前記繊維−エポキシ樹脂複合物より弾性歪限界が高い材料を含む、請求項１に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項１１】
前記タンク・ライナが、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、プラチナおよびチタンからなる群から選択された金属を含む、請求項１に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項１２】
高圧容器用のハイブリッド・タンクであって、
ａ）対向する第１端部領域および第２端部領域を有しそれらの間に中心円周領域がある金属製タンク・ライナであって、各々が溶接部により前記タンク・ライナの前記中心円周領域に固定されている対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップを有する、タンク・ライナと、
ｂ）前記タンク・ライナの外側部分に配置された外側補強層と、
を具備するハイブリッド・タンク。
【請求項１３】
前記第１エンドキャップおよび前記第２エンドキャップが、レーザ溶接部、ＧＭＡＷ溶接部およびサブマージ・アーク溶接部からなる群から選択されたタイプの溶接部によって、前記タンク・ライナの前記中心円周領域に固定されている、請求項１２に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項１４】
前記対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップが、レーザ溶接部、ＧＭＡＷ溶接部およびサブマージ・アーク溶接部からなる群から選択されたタイプの溶接部により、互いに直接固定されている、請求項１２に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項１５】
前記タンク・ライナが、第１リムおよび第２リムを画定する円柱状のチューブを有し、前記対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップが、レーザ溶接部、ＧＭＡＷ溶接部およびサブマージ・アーク溶接部からなる群から選択されたタイプの溶接部により、前記チューブの前記第１リムおよび前記第２リムに固定されている、請求項１２に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項１６】
前記外側補強層および前記タンク・ライナの各々が、前記タンク・ライナの外面に対して垂直な壁厚さを有し、前記外側補強層の前記壁厚さの前記タンク・ライナの前記壁厚さに対する比率が、前記タンク・ライナの前記外側部分の大部分にわたって少なくとも４．０である、請求項１２に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項１７】
前記タンク・ライナの前記壁厚さが、一定である、請求項１６に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項１８】
前記外側補強層を保護するように前記外側補強層の周囲に係合する保護ジャケットをさらに具備し、前記保護ジャケットが、上部支持リムと、前記上部支持リムとは反対側の下部支持リムと、前記上部支持リムを前記下部支持リムに連結するジャケット壁とを有している、請求項１２に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項１９】
前記タンク・ライナが、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、プラチナおよびチタンからなる群から選択された金属を含む、請求項１２に記載のハイブリッド・タンク。
【請求項２０】
高圧容器用のハイブリッド・タンクであって、
ａ）対向する第１端部領域および第２端部領域を有しそれらの間に中心円周領域がある金属製タンク・ライナであって、各々がレーザ溶接部により前記タンク・ライナの前記中心円周領域に固定されている対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップを有する、タンク・ライナと、
ｂ）前記タンク・ライナの外側部分に配置された外側補強層であって、前記外側補強層および前記タンク・ライナの各々が、前記タンク・ライナの外面に対して垂直な壁厚さを有し、前記外側補強層の前記壁厚さの前記タンク・ライナの前記壁厚さに対する比率が、前記タンク・ライナの前記外側部分の大部分にわたって少なくとも４．０である、外側補強層と、
ｃ）前記外側補強層を保護するように前記外側補強層の周囲に係合する保護ジャケットであって、上部支持リムと、前記上部支持リムとは反対側の下部支持リムと、前記上部支持リムを前記下部支持リムに連結するジャケット壁とを有している保護ジャケットと、
を具備するハイブリッド・タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年２月２４日に出願された米国特許出願第１３／０３４，３６２号明細書の一部継続出願である。本出願は、また、２０１０年４月１６日に出願された米国特許出願第１２／７６１，９５５号明細書の一部継続出願でもある。前記米国特許出願第１２／７６１，９５５号明細書は、２００６年５月１６日に出願された米国特許出願第２９／２５９，８３４号明細書、現在は２００８年４月１５日に登録された米国特許第Ｄ５６６，８０７号明細書と、２００４年４月２３日に出願された米国仮特許出願第６０／５６４，７７６号明細書からの優先権を主張する、２００５年４月２５日に出願された米国特許出願第１１／１１５，９９２号明細書、現在は２００７年８月１４日に登録された米国特許第７，２５５，２４５号明細書とからの優先権の利益を主張する、２００６年９月２９日に出願された米国特許出願第１１／５４０，１８９号明細書、現在は２０１０年４月２０日に登録された米国特許第７，６９９，１８８号明細書の分割出願である。上記出願および特許の各々の開示内容は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、圧力容器、特に、保護ジャケットがその上に配置されている、タンク・ライナおよび外側複合層から形成されたハイブリット・タンクを有する、圧力容器に関する。
【背景技術】
【０００３】
圧力容器は、様々なサイズおよび形状のものがあり、種々の材料で作製されている。軽量の圧力容器が、これまで必要とされてきており、かつ依然として必要とされている。流体を高圧下で長期間貯蔵し、構造的完全性を維持し、繰り返される加圧および減圧に耐え、かつ、実質的に不浸透性であり、腐食に耐性があり、製造が容易であることが可能な、軽量圧力容器を作製する多くの試みがなされてきた。
【０００４】
車両に燃料を供給する圧縮天然ガスおよび水素等、代替燃料の使用が増大し、さらに長い航続距離が必要であることにより、より容量が大きく強度が高い軽量の安全なタンクに対する必要性が高まってきた。圧力容器の容量を大きくし、強度を高くすることは、構造的支持に使用される材料の量を増加させることによって達成することができる。しかしながら、これにより、圧力容器のサイズおよび／または重量が著しく増大する結果となる可能性があり、それにより、材料コストおよびより重量のある圧力容器を搬送することに関連するコストが増大することから生じるタンクのコストが増大する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
明らかに、本技術分野において、不浸透性で耐腐食性であり、増大した容量および圧力の要求を扱うことができる、軽量の圧力容器が必要とされている。さらに、こうした圧力容器を、競争力のある価格で販売することができるように形成する方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、本技術分野において上述した必要を満たす圧力容器を提供する。特に、本発明は、タンク・ライナとタンク・ライナの上に配置された外側補強層とによって形成されたハイブリッド・タンクを備える圧力容器を提供し、外側補強層は、ハイブリッド・タンクの外面の少なくとも一部を画定する。ハイブリッド・タンクの上に、ハイブリッド・タンクと係合するように構成され、かつ寸法が決められた保護ジャケットが配置される。保護ジャケットは、内部を通って第１開口部がある上部支持リムと、内部を通って第２開口部がある下部支持リムと、上部支持リムおよび下部支持リムを連結する実質的に円柱状の壁とを有している。壁は、ハイブリッド・タンクの外面から半径方向外側に配置された内面を画定し、壁の内面およびハイブリッド・タンクの外面は協働して、第１開口部および第２開口部と流体連通する流路を画定し、そこでは、開口部および流路は、ハイブリッド・タンクと圧力容器が位置している環境との間の熱伝達を容易にするように対流が通過することができるように適合されている。保護ジャケットは、好ましくは、少なくとも２つの部分に分離可能である。
【０００７】
本発明のさらなる実施形態によれば、タンク・ライナは、外側補強層より弾性係数が高く弾性歪限界が低い材料を含むことができる。必要に応じ、外側補強層を、ガラス繊維を混合した、熱可塑性材料、好ましくはポリプロピレンから製造することができる。好ましくは、ハイブリッド・タンクは外側防食コーティングを含む。必要に応じ、外側補強層は外側ゲル・コーティングを含むことができる。
【０００８】
本発明の別の実施形態によれば、上部支持リムは少なくとも１つのハンドルを備え、下部支持リムは、複数の圧力容器を積み重ねる時に別の圧力容器の少なくとも１つのハンドルとの非永久的はめ合い係合を形成するように構成されかつ適合された基部を備えている。
【０００９】
本発明は、また、圧力容器を製造する方法も提供する。本方法は、タンク・ライナを形成するステップと、ガラス・フィラメントを加熱するステップと、フィラメントを熱可塑性材料と混合するステップと、加熱下でタンク・ライナの上に熱可塑性材料および混合フィラメントを巻回して、外面を有するハイブリッド・タンクを形成するステップとを含む。
【００１０】
本発明のさらなる態様によれば、本方法は、ハイブリッド・タンクに保護ジャケットを取り付けるステップをさらに含むことができ、保護ジャケットは、内部を通って第１開口部がある上部支持リムと、内部を通って第２開口部がある下部支持リムと、上部支持リムを下部支持リムに連結する実質的に円柱状の壁とを備える。壁は、ハイブリッド・タンクの外面から半径方向外側に配置された内面を画定し、壁の内面およびハイブリッド・タンクの外面は協働して、第１開口部および第２開口部と流体連通する流路を画定し、開口部および流路は、ハイブリッド・タンクと圧力容器が位置する環境との間の熱伝達を容易にするように、内部を対流が通過することができるように適合される。
【００１１】
本発明は、また、高圧容器用のハイブリッド・タンクも提供する。ハイブリッド・タンクは、対向する第１端部領域および第２端部領域を有しそれらの間に中心円周領域がある金属製タンク・ライナを備えている。ハイブリッド・タンクはまた、タンク・ライナの外側部分に配置された外側補強層も備えている。
【００１２】
いくつかの実施形態では、外側補強層およびタンク・ライナの各々は、タンク・ライナの外面に対して垂直な壁厚さを有し、外側補強層の壁厚さのタンク・ライナの壁厚さに対する比率は、タンク・ライナの外側部分の大部分にわたって少なくとも４．０である。タンク・ライナの壁厚さを実質的に一定にすることができることが企図される。外側補強層の壁厚さは、タンク・ライナの中心周囲領域に近接する局所最大壁厚さから、タンク・ライナの第１端部領域および第２端部領域の各々に近接する最小壁厚さまで変化することができる。中心周囲領域に近接する外側補強層の局所最大壁厚さのタンク・ライナの壁厚さに対する比率を、少なくとも５．０とすることができる。外側補強層の最小壁厚さを有する領域を、タンク・ライナの各端部領域のドーム状部分に近接させることができる。
【００１３】
外側補強層は、炭素繊維、玄武岩繊維、アラミド繊維、パラ−アラミド合成繊維および／または他の任意の好適なタイプの繊維からなる群から選択された少なくとも１つのタイプの繊維を含む繊維−エポキシ樹脂複合材料を含むことができる。ハイブリッド・タンクは、外側補強層を保護するように外側補強層の周囲に係合する保護ジャケットを備えることができる。保護ジャケットは、上部支持リムと、上部支持リムとは反対側の下部支持リムと、上部支持リムを下部支持リムに連結するジャケット壁とを有することができる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、タンク・ライナは、対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップを備え、それらは各々、レーザ溶接部、サブマージ・アーク溶接部、ＧＭＡＷ溶接部または他の任意の好適なタイプの溶接部であり得る溶接部により、タンク・ライナの中心周囲領域に固定されている。対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップを、レーザ溶接部によって互いに直接固定することができる。タンク・ライナは、第１リムおよび第２リムを画定する実質的に円柱状のチューブを有することができ、そこでは、対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップは、レーザ溶接部によりチューブの第１リムおよび第２リムに固定されることも企図される。
【００１５】
タンク・ライナは、弾性係数が外側補強層の繊維成分より低い材料を含むことができる。タンク・ライナ材料は、外側補強層の繊維−エポキシ樹脂複合材料より高い弾性ひずみ限界を有することができる。タンク・ライナは、鋼、ステンレス鋼または他のいずれかの好適な材料からなる群から選択された材料を含むことができる。
【００１６】
本発明は、また、高圧容器用のハイブリッド・タンクを製造する方法も提供する。本方法は、対向する第１の端部領域および第２の端部領域を有し、それらの間に中心円周領域がある、金属製タンク・ライナを形成するステップと、タンク・ライナの外側部分に配置された外側補強層を形成するステップとを含む。金属製タンク・ライナを形成するステップは、上述したようなドーム状エンドキャップ及び／又は実質的に円柱状のチューブ等、タンク・ライナ構成部品を互いに溶接することを含むことができる。溶接を、レーザ溶接または他の任意の好適なタイプの溶接によって行うことができる。外側補強層を形成するステップは、上述したような壁厚さ比率を達成するように外側補強層を形成することを含むことができる。本方法は、上述したように外側補強層の周囲に保護ジャケットを係合させるステップを含むことができることも企図される。
【００１７】
本発明の圧力容器のこれらの実施態様および他の実施態様は、図面とともに本発明の以下の詳細な説明から当業者には、より容易に明らかとなろう。
【００１８】
本発明が関係する技術分野における当業者が、本発明の圧力容器をどのようにして作製し使用するかをより容易に理解するように、本発明の実施形態について、図面を参照して以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】上述したことから分かるように本発明の好ましい実施形態によって構成された圧力容器の斜視図であり、保護ジャケットの上部支持リムの開口部とともにバルブ取付アセンブリと上部支持リムのハンドルとを示す。
【図２】後述することから分かるように、図１に示す圧力容器の斜視図であり、保護ジャケットの下部支持リムとともにその下部支持リムを通る開口部を示す。
【図３】図１に示す圧力容器の上面図であり、空気流が保護ジャケットを通るのを容易にする上部支持リムの開口部を示し、バルブ取付アセンブリへのアクセスを可能にするように適合され、かつ構成された上部支持リムのハンドルをさらに示す。
【図４】図１に示す圧力容器の底面図であり、保護ジャケットに入りかつ保護ジャケットから出る空気流のための下部支持リムの開口部を示す。
【図５】図１に示す圧力容器の組立分解斜視図である。
【図６】図５に示す圧力容器のハイブリッド・タンクの部分断面図であり、ハイブリッド・タンクの材料の層を示す。
【図７】図５に示す圧力容器の保護ジャケットの下部支持リムの部分断面図である。
【図８】図５に示す圧力容器のパッドおよび下部支持リムの部分断面図である。
【図９】図１に示す組み立てられた圧力容器の保護ジャケットおよびハイブリッド・タンクの部分断面図であり、ハイブリッド・タンクと保護ジャケットとの間の空気の流れのための流路を示す。
【図１０】図１に示す圧力容器の部分切取斜視図であり、空気の流れが、どのようにして上部支持リムの開口部を通ってハイブリッド・タンクと保護ジャケットとの間の空間内に入ることができるかを示す。
【図１１】図２に示す組み立てられた圧力容器の部分断面図であり、空気の流れが、どのようにして下部支持リムの開口部を通って、パッドを通過し、ハイブリッド・タンクと保護ジャケットとの間の空間内に入ることができるかを示す。
【図１２】図１において入れ子構造で示すように２つの圧力容器を示す側面図である。
【図１３】本発明によって構成されたハイブリッド・タンクの例示的な実施形態の部分断面立面図であり、溶接されたタンク・ライナとその上に配置された外側補強層とを示す。
【図１４】図１３に示すハイブリッド・タンクの一部の断面図であり、ハイブリッド・タンクのドーム状端部に近接するタンク・ライナおよび外側補強層の壁厚さを示す。
【図１５】図１３のハイブリッド・タンクの部分立断面図であり、上に外側補強層が配置されていないタンク・ライナを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここで、本発明の現時点での好ましい実施形態を詳細に言及し、その実施形態の例を添付図面に示す。本発明の方法および対応するステップもまた、システムの詳細な説明とともに説明する。
【００２１】
本明細書に提示する圧力容器および本明細書に提示する方法の製品を、加圧流体を貯蔵するために使用することができる。本発明は、圧力容器の積み重ねを容易にするとともに可搬性を向上させる一方で、加圧流体を貯蔵し分配するのに特に適している。本発明によって構成された圧力容器は、限定されないがプロパン、冷媒ガス、および低圧あるいは高圧の液体または気体を貯蔵することを含む用途に適している。
【００２２】
本発明によれば、内側ライナおよび外側補強層を有するハイブリッド・タンクと、ハイブリッド・タンクを包囲するように適合された保護ジャケットとを備える圧力容器が提供される。保護ジャケットは、内部を通って開口部がある上部支持リムと、内部を通って第２開口部がある下部支持リムとを備えている。保護ジャケットは、また実質的に円柱状の壁も有し、それは、ハイブリッド・タンクから間隔を空けて配置されることにより、加圧された中身の消費中の圧力損失を低減するように、圧力容器と環境との間の対流熱伝達のために保護ジャケットとハイブリッド・タンクとの間の対流を可能にする。
【００２３】
説明および例示を目的とするものであって限定を目的とするのではなく、本発明によって作製された圧力容器の例示的な実施形態を図１に示し、全体として参照数字１０によって指定する。図１に示す圧力容器の他の態様を、後述するように図１〜図１２に示す。
【００２４】
例示を目的とするものであって限定を目的とするのではなく、本明細書に具現化するように、かつ図１〜図１２に示すように、圧力容器１０にはハイブリッド・タンク１４が設けられている。ハイブリッド・タンク１４は、略円柱状チューブ２０から形成することができるタンク・ライナ３８と、ドーム状のほぼ半球状の第１エンドキャップ２２および第２エンドキャップ２４とを有している。エンドキャップ２２および２４は、いずれのサイズまたは円錐台または平坦化等のいずれの形状であってもよく、同一であっても異なっていてもよい。第１エンドキャップ２２および第２エンドキャップ２４は、チューブ２０の第１端部リブ２６および第２端部リブ２８にそれぞれ固定され、それを、レーザ溶接等、本技術分野において既知であるいかなる従来の溶接技法によっても達成することができる。図６および図９に特に示すように、チューブ２０と第１エンドキャップ２２および第２エンドキャップ２４とは、協働して容器貯蔵キャビティ３０を画定する。
【００２５】
図示するように、第１エンドキャップ２２には、バルブ・ボス３４を受け入れる中心開口部３２が画定されており、バルブ・ボス３４は、任意の従来の溶接技法または本技術分野において既知であるような他の好適な接合技法によって開口部３２に固定されている。バルブ・ボス３４は、バルブ取付アセンブリ３６を受け入れるように構成されており、その組合せにより、流体が容器貯蔵キャビティ３０に入るかまたはそこから出るのが可能になる。
【００２６】
必要に応じ、タンク・ライナ３８を、チューブ２０なしに構成することができる。この代替実施形態によれば、エンドキャップ２２および２４は、チューブ２０にではなく互いに直接接合される。したがって、エンドキャップ２２、２４は、種々の形状をとることができ、全体として半球状である必要はなく、当業者には理解されるように、必要に応じより「カップ」状であり得る。
【００２７】
好ましくは、チューブ２０を含むタンク・ライナ３８と、第１エンドキャップ２２および第２エンドキャップ２４と、バルブ・ボス３４とは、１０００万ｐｓｉ以上等の高い弾性係数と、概して約０．０５％から約１％の範囲の低い弾性歪とを有する、不活性、不浸透性かつ非腐食性材料から構成されている。したがって、タンク・ライナ３８およびバルブ取付アセンブリ３６を、鋼から作製することができるが、限定なしに、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、プラチナ、または本発明による好適な構造的支持を提供する他のいずれかの材料等、金属から製造することも可能である。タンク・ライナ３８を高分子材料から製造することも本発明の範囲および趣旨にある。
【００２８】
さらに本発明によれば、外側補強層を備えたハイブリッド・タンクがさらに提供される。
【００２９】
例示を目的とするものであって限定を目的とするのではなく、本明細書において具現化するように、かつ図６に示すように、ハイブリッド・タンク１４の壁部分の断面が示されている。図６に示すように、タンク・ライナ３８の周囲に外側補強層４２が配置されている。補強層４２は、後にさらに詳細に説明するように、タンク・ライナ３８に使用される材料より弾性歪限界が高い材料の１つまたは複数の層から製造される。好ましくは、タンク・ライナの上に補強層４２を配置する前に、タンク・ライナ３８の外側に防食コーティング４０が施される。これは、タンク・ライナ３８が金属から製造される場合に特に有利であり得る。したがって、防食コーティング４０は、本来ハイブリッド・タンク１４を脆弱化する可能性がある、タンク・ライナ３８と補強層４２との間の腐食を防止するのに役立つ。防食コーティングを、ジンク・リッチ・プライマおよび本技術分野において既知であるような他の防食コーティングを含む、種々の材料から構成することができる。防食コーティングを、たとえば、タンク・ライナ３８に粉末コーティングを噴霧し、次いで粉末コートを定着させるように加熱することによって施すことができる。防食コーティングを施す他の方法も可能であり、本発明の範囲内にある。好ましくは、防食コーティング４０は、タンク・ライナ３８の外面全体に施される。
【００３０】
補強層４２は、特に、複合材料を含むことができ、複合材料は、複合物に高引張強さ等の望ましい機械特性を与える骨組と、複合物を結合して堅く、かつ剛性にすることができる、延性の高い材料のマトリックスとを有している。補強層４２は、ハイブリッド・タンク１４を補強して、ハイブリッド・タンク１４に耐衝撃性を与える。補強層４２の外面は、好ましくは、補強層４２を保護するように例えばゲル・コーティングまたは他の仕上げコーティングから構成された保護層４４を含む。保護層４４を形成するのに好適な材料としては、たとえば、噴霧技法および定着させるための後続する加熱によって施される変性ポリオレフィン粉末等が挙げられる。
【００３１】
好ましくは、補強層４２の複合材料は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂が混合されるかまたは含浸した繊維またはフィラメントから構成されている。含浸フィラメントとしては、限定されないが、特に、ガラス、金属、アラミド、炭素、グラファイト、ホウ素、合成物、樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリオレフィン、シリコーンおよびポリウレタンの組合せを挙げることができる。好ましくは、フィラメントは、ビニル・エポキシまたはポリプロピレン等の熱可塑性または熱硬化性樹脂とガラス繊維との複合物である。フィラメントを、Saint-Gobain Vetrotex America Inc.から市販されている、TWINTEXとして販売されている混合された熱可塑性物質およびガラス繊維のファブリックから形成することができる。好ましくは、補強層４２に使用される複合材料は、再生利用可能な材料である。
【００３２】
さらに本発明によれば、圧力容器は保護ジャケットを備えている。例示を目的とするものであって限定を目的とするものではなく、図１〜図５に示すように、保護ジャケット１２はハイブリッド・タンク１４を包囲している。保護ジャケット１２は、上部支持リム４６と、下部支持リム５０と、上部支持リム４６と下部支持リム５０との間の実質的に円柱状の壁５４とを有している。上部支持リム４６は、実質的にハイブリッド・タンク１４の上部４８の周囲に配置されており、下部支持リム５０は、実質的にハイブリッド・タンク１４の下部５２の周囲に配置されている。図１および図３は、上部支持リム４６の上部空気流開口部１６を示す。図２および図４は、下部支持リム５０の下部空気流開口部１８を示す。上部空気流開口部１６および下部空気流開口部１８は、空気が外部に、かつ外部から流れるのを可能にして、環境とハイブリッド・タンク１４の加圧された中身との間の熱伝達を容易にする（後述する）。上部支持リム４６および下部支持リム５０は、好ましくは、ハイブリッド・タンク１４と係合してハイブリッド・タンク１４の移動を保護ジャケット１２の境界内で制限するように構成されている。移動は、保護ジャケット１２とハイブリッド・タンク１４との間に配置された下部支持リム５０の衝撃吸収パッド５６によってさらに制限される。パッド５６を、特に、発泡ポリプロピレンを含む種々の材料から作製することができる。
【００３３】
保護ジャケット１２は、好ましくは、ポリプロピレンまたは高密度ポリエチレン等の硬質プラスチックまたは他の好適な材料等、剛性の軽量材料から構成されている。この構成では、保護ジャケット１２は、ハイブリッド・タンク１４を、特に、衝撃、摩耗、腐食性物質への曝露から保護することができる。
【００３４】
本技術分野では、加圧容器からのガスの消費により加圧容器の冷却がもたらされることが知られている。この冷却は、液化ガスがそれ以上適切な速度で蒸発することができない程度に達することができる。この状況では、加圧容器からの排気を妨げる圧力損失があることになる。したがって、ガス消費中の圧力容器の中身の圧力を維持するために、圧力容器が位置している周囲環境から加圧容器の中身への熱の伝達を促進するべきである。しかしながら、圧力容器に保護ジャケットを追加することにより、概して、加圧された中身と環境との間に材料が追加されることになる。したがって、保護ジャケットは、加圧された中身を断熱し、熱交換を妨げ、最終的に、ガス消費中の望ましくない圧力損失を促進する傾向がある。したがって、保護ジャケットの断熱効果を最小限にすることが望ましい。
【００３５】
本技術分野において、全体として参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，３８６，３８４号明細書におけるように、ジャケットの壁に形成された波状起伏が、対流空気流のための流路を提供する、全金属圧力タンク用のジャケットを提供することが知られている。これらの波状流路は、本技術分野において見られるように全金属タンクの場合に熱伝達を提供するのに十分に機能するが、ハイブリッド・タンク１４の繊維複合物／金属実施形態では、対流を増大させるようにさらなる進歩が必要となり、それは、複合補強層４２が、従来技術の全金属タンクに存在するより高い断熱を提供するためである。
【００３６】
したがって、保護ジャケット１２の構成により、ハイブリッド・タンク１４の周囲を実質的に包囲することができる増大した流れが可能になる。これは、熱交換が、本技術分野において既知である波状流路において可能であったより広い表面積に沿って発生するため、技術の進歩である。この対流熱交換の流れおよび表面積の増大は、従来技術の全金属タンクとは対照的に、ハイブリッド・タンク１４の増強した断熱を補償するのに役立つ。
【００３７】
この目的で、本発明は、不適切な熱交換による圧力の損失を最小限にしながら保護ジャケットの利点を得るために、保護ジャケット１２とハイブリッド・タンク１４との間の下向きの自然な対流を促進する。保護ジャケット１２の実質的に円柱状の壁５４は、ハイブリッド・タンク１４の中間部分５１の周囲に配置されている。図９に示すように、実質的に円柱状の壁５４の内面は、ハイブリッド・タンク１４の外面から間隔を空けて配置され、空気の概して下向きの垂直流がハイブリッド・タンク１４と保護ジャケット１２との間で発生するのを可能にする。したがって、圧力容器１０が位置している環境と連通して、ハイブリッド・タンク１４と保護ジャケット１２との間に画定された略環状流路５８がある。
【００３８】
図１０は、空気が、どのようにして、圧力容器１０の外側から上部開口部１６を通り、下方に環状流路５８内に入り、下部開口部１８を通って出るように伝わることができるかを示す。特に、図７、図８および図１１は、空気がどのようにして、圧力容器１０内部の実質的に環状の流路５８から、パッド５６（図５）の開口部１８（ａ）を通過して、下部開口部１８を通り、環境内に伝わることができるかを示す。空気が上部開口部１６から環状流路５８を通って下部開口部１８から出るように流れることができることにより、環状流路５８の全周囲に沿って自然な対流が発生することが可能になり、したがって、圧力容器に対しハイブリッド・タンク１４と環境との間で熱を交換する能力が強化される一方で、保護ジャケット１２によって追加の耐久性も与えられる
【００３９】
本発明の好ましい実施形態の別の態様では、図１〜図３に示すように、上部支持リム４６は、バルブ取付アセンブリ３６へのアクセスを可能にするように構成された少なくとも１つのハンドル６０を備えている。好ましくは、ハンドル６０は、圧力容器１０の搬送に役立つように人間工学的に設計されている。
【００４０】
さらなる例として、単に例示を目的として、図１２に示すように、ハンドル６０および下部支持リム５０は、好ましくは、互いに係合して複数の圧力容器１０を搬送し積み重ねるのを容易にするように構成されている。この実施形態では、ハンドル６０は、湾曲しており、複数の圧力容器１０を積み重ねる時にハンドル６０を受け入れるように構成されている、下部支持リム５０との非永久的はめ合い係合を形成するように構成されている。
【００４１】
本発明の別の実施形態によれば、各タンクを一意に識別する手段をさらに含む圧力容器を提供することができる。単に例示を目的とするものであって限定を目的とすることなく、各圧力容器を一意に識別するために、無線周波数識別タグ、マイクロチップおよび／またはバーコード２００（図１）等の識別手段を設けることができる。製造中、製造工場を離れた後の各シリンダを一意に識別し追跡するために、データベースを維持することができる。自重、再試験日付、製造日付、バッチまたはロット番号等、製造業者によって各シリンダに対し、種々の変量を追跡することができる。
【００４２】
本発明の別の実施態様によれば、圧力容器を製造する方法が提供される。単に例示を目的とするものであって限定を目的とするのではなく、本方法は、好ましくは、タンク・ライナ（タンク・ライナ３８等）を形成するステップと、ガラス・フィラメントを加熱するステップと、フィラメントに熱可塑性材料を混合するステップと、熱可塑性材料および混合フィラメントを、加熱下でタンク・ライナ３８の上に巻回してハイブリッド・タンク１４を形成するステップと、ハイブリッド・タンク１４に保護ジャケット１２を取り付けて、本明細書に記載するような実質的に環状の流路５８を生成するステップとを含む。
【００４３】
さらなる例として、本方法は、熱可塑性材料および混合フィラメントをタンク・ライナ３８の上に巻回する前に、タンク・ライナ３８の外側に防食コーティングを施すステップをさらに含むことができる。この防食コーティング４０は、金属タンク・ライナ３８の場合に、タンク・ライナ３８と外側補強層４２との間の腐食を低減することができる。
【００４４】
巻回するステップは、本技術分野において既知であるように、フィラメントがタンク・ライナの上に巻回されている間に、タンク・ライナをマンドレルの上で回転させることを含むことができる。巻回を、単一のフィラメントがハイブリッド・タンク１４の外側補強層４２を構成するように連続して行うことができる。さらに本発明の方法によれば、フィラメントを熱可塑性材料としてポリプロピレンと混合することも可能である。本方法は、本技術分野において既知であるように、外側補強層４２の上に最終的な外側ゲル・コーティング４４を施すことをさらに含むことができる。
【００４５】
さらに本発明の方法によれば、本技術分野において既知であるように、保護ジャケットを、クリップ留めシステムによって合わせて取り付けられる少なくとも２つの部分に分離可能であるようにすることにより、保護ジャケット１２をハイブリッド・タンク１４に取り付けることが可能である。上記部分を、図５に示すように、保護ジャケット１２の略円柱状壁５４の周囲に沿って分離可能とすることができる。または、上記部分を、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、縦方向に、または斜めに分離可能とすることができる。ジャケットの上記部分を、要求に応じて、永久的な、または非永久的な係合によって互いに取り付けることができる。たとえば、ジャケット１２の上記部分を、溶接、接着剤または締結具によって互いに永久的に取り付けることができる。必要に応じ、ジャケット１２の部分間の接続は、スナップ嵌合接続による等、非永久的であり得る。
【００４６】
ここで図１３〜図１５を参照すると、本発明は、また、高圧容器用のハイブリッド・タンク３００も提供する。プロパンおよび冷媒ガス等、いくつかのガス生成物は、通常、低圧ガス・シリンダに、たとえば約３０バール〜６０バールの圧力で収容される。しかしながら、溶接用のシールド・ガス、ヘリウム、窒素、二酸化炭素等、通常、高圧ガス・シリンダに、たとえば約２００バール〜３００バールの圧力で収容されるガス生成物がある。ハイブリッド・タンク３００は、有利には、こうした高圧用途に対して構成されている。
【００４７】
ハイブリッド・タンク３００は、対向する第１端部領域３０４および第２端部領域３０６を有しそれらの間に中心円周領域３０８がある、金属製タンク・ライナ３０２を備えている。ハイブリッド・タンク３００はまた、タンク・ライナ３０２の外側部分に配置された外側補強層３１０も備えている。
【００４８】
タンク・ライナ３０２は、タンク・ライナ３０２の位置に応じて実質的に一定である、図１５に示す壁厚さｔを有し、厚さｔは、タンク・ライナ３０２の外面上のいかなる位置においてもタンク・ライナ３０２の外面に対して垂直に測定される。位置に応じて変化する外側補強層３１０は壁厚さＴを有し、厚さＴは同様に、タンク・ライナ３０２の外面に対して垂直に測定される。図１３では、外側補強層３１０の種々の位置に対して３つの例示的な壁厚さＴ１、Ｔ２およびＴ３を示す。ハイブリッド・タンク３００の任意の所与の位置における外側補強層３１０の壁厚さＴのタンク・ライナ３０２の壁厚さに対する比率も、タンク・ライナの外側部分の大部分にわたって少なくとも４．０であり、すなわちＴ／ｔ≧４．０である。外側補強層３１０の壁厚さＴは、タンク・ライナの中心円周領域３０８に近接する局所最大壁厚さＴ１から、タンク・ライナの第１端部領域３０４および第２端部領域３０６の各々に近接する最小壁厚さＴ２まで変化する。中心円周領域３０８に近接する外側補強層３１０の局所最大壁厚さＴ１のタンク・ライナの壁厚さｔに対する比率は少なくとも５．０であり、すなわちＴ１／ｔ≧５．０である。外側補強層３１０の最小壁厚さＴ２を有する領域は、図１４に示すように、タンク・ライナ３０２の各端部領域のドーム状部分に近接している。（図１３〜図１５において向けられているような）ハイブリッド・タンク３００の頂部および底部において、外側補強層３１０の壁厚さはＴ３であり、それは、バルブ・ボス３１２およびベース支持体３１４がタンク・ライナ３０２と接触するハイブリッド・タンク３００の部分を強化するために、Ｔ１よりさらに大きい。壁厚さＴ３のタンク・ライナの壁厚さｔに対する比率は、少なくとも８．５であり、すなわちＴ３／ｔ≧８．５であり、それは、外側補強層３１０の最大厚さを表している。
【００４９】
外側補強層３１０は、炭素繊維、玄武岩繊維、アラミド繊維、パラ−アラミド合成繊維（たとえば、Wilmington、DelawareのE.I. du Pont de Nemours and Companyから入手可能なKevlar（登録商標）繊維）、または他の任意の好適なタイプの高強度繊維からなる群から選択された、少なくとも１タイプの繊維を含む繊維−エポキシ樹脂複合材料から作製される。ハイブリッド・タンクは、上述したように、外側補強層を保護するように外側補強層の周囲に係合する保護ジャケットを備えることができる。保護ジャケットは、上部支持リムと、上部支持リムとは反対側の下部支持リムと、上部支持リムを下部支持リムに連結するジャケット壁とを有することができる。いくつかの高圧用途に対して、ハイブリッド・タンク３００に対する熱交換は重大ではない。したがって、こうした熱交換が必要ではない用途に対して、上述した保護ジャケットの流れの特徴を省くことが可能である。しかしながら、充填中の熱の放散に役立つために、永久ガス、すなわち圧力容器の動作圧力および温度下で液化しないガスで充填する場合等、ハイブリッド・タンク３００を予冷することができることが企図される。
【００５０】
ベース支持体３１４は、そのベース支持体がタンク・ライナ３０２と接触する場所で、外側補強層３１０の外側から内側まで外側補強層３１０を貫通している。ベース支持体３１４は、外側補強層３１０を閉鎖するように設けられ、それを、金属または他の任意の好適な材料から作製することができる。任意選択的に、レーザ・プロセス等によってラベルを付与するのを容易にするために、プラスチック製の外側付属品を含めることができる。
【００５１】
ここで図１５を参照すると、タンク・ライナ３０２は、対向するドーム状の第１エンドキャップ３１６および第２エンドキャップ３１８を含み、それらは各々、有利には、レーザ溶接部、サブマージ・アーク溶接部、ＧＭＡＷ（ガス金属アーク溶接）溶接部または他の任意の好適なタイプの溶接部であり得る溶接部３２０により、タンク・ライナの中心円周領域３０８に固定されている。対向するドーム状の第１エンドキャップ３１６および第２エンドキャップ３１８は、溶接部３２０によって互いに直接固定されている。対向するドーム状の第１エンドキャップ３１６および第２エンドキャップ３１８は、溶接部３２０によって互いに直接固定されている。タンク・ライナは、第１リムおよび第２リムを画定する実質的に円柱状のチューブを含むことができ、対向するドーム状の第１エンドキャップおよび第２エンドキャップが、レーザ溶接部または上述したような他の任意の好適なタイプの溶接部により、圧力容器１０に関して上述したように、チューブの第１リムおよび第２リムに固定されることも企図される。
【００５２】
タンク・ライナ３０２を、弾性係数が外側補強層の繊維成分より低いが、外側補強層の複合材料の全体的な弾性係数より高い材料から作製することができる。タンク・ライナ３０２を、弾性ひずみ限界が外側補強層の繊維材料より高く、外側補強層の複合材料の弾性ひずみ限界より高い材料から作製することができる（たとえば、鋼は、使用される鋼のタイプに応じて、概して約１０％から約３０％の範囲の相対的に高い弾性ひずみ限界を有することができ、炭素繊維の場合、相対的に低い弾性歪限界は、概して約１％と２％との間の範囲であり、炭素繊維−エポキシ樹脂複合物の場合、相対的に低い弾性歪限界は、概して約１％から約２％の範囲であり得る）。タンク・ライナ３０２に対して好適な材料としては、鋼、ステンレス鋼または他の任意の好適な材料等の材料が挙げられる。
【００５３】
ハイブリッド・タンク３００を、本発明による以下の方法によって構成／製造することができる。本方法は、対向する第１の端部領域および第２の端部領域を有しそれらの間に中心円周領域がある、金属製タンク・ライナ、たとえばタンク・ライナ３０２を形成するステップを含む。本方法はまた、タンク・ライナの外側部分に配置された、外側補強層、たとえば外側補強層３１０を形成するステップも含む。金属製タンク・ライナを形成するステップは、上述したようなドーム状エンドキャップ及び／又は実質的に円柱状のチューブ等、タンク・ライナ構成部品を互いに溶接することを含むことができる。溶接を、レーザ溶接または他の任意の好適なタイプの溶接によって行うことができる。外側補強層を形成するステップは、上述したような壁厚さ比率を達成するように外側補強層を形成することを含むことができる。本方法は、上述したように外側補強層の周囲に保護ジャケットを係合させるステップを含むことができることも企図される。
【００５４】
本発明の方法およびシステムは、上述しかつ図面に示すように、高圧力容量、製造容易性、軽量、人間工学、積み重ね可能性、腐食および衝撃に対する耐性ならびに熱伝達の向上を含む、優れた特性を有する圧力容器を提供する。当業者には、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく本発明の装置および方法に対してさまざまな変更および変形を行うことができることが明らかとなろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にある変更形態および変形形態を含むことが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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