(57)【要約】【課題】薄肉金属をライナーとして、安全性と軽量性と低価格性との３つの目標を同時に満足する繊維強化圧力容器を得る。【解決手段】軽量性と低価格性のために、１ｍｍから０．０５ｍｍの薄肉金属によって胴部１とドーム２とを作製し、ドーム２と口金３のフランジ３１とを１１の箇所で溶接したライナーにおいて、胴部１及びドーム２とフランジ３１上で口金３の周囲までを強化するヘリカル巻き繊維層４、及び胴部１を強化するフープ巻き繊維層５以外に、溶接ゾーンからドーム及び胴部にかけて、ヘリカル巻繊維層６を付加することにより内圧の受圧時に溶接ゾーンの不連続な変形を抑えるようにした。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形もしくは類似の形状の断面を有する胴部の両端に、口金を設けたドームを備えた金属ライナーを、合成樹脂が含浸された繊維束を用いて、胴部とドームの口金の周囲までをヘリカル巻繊維層によって強化し、胴部をフープ巻繊維層によって強化することからなる圧力容器において、前記金属ライナーの胴部及びドームが薄肉金属によって形成され、口金に設けたフランジとドームとが溶接され、フランジとドームの溶接部近傍から胴部に向かって溶接ゾーン補強用ヘリカル巻繊維層が付加されていることを特徴とする繊維強化圧力容器。
【請求項２】
口金に設けたフランジとドームの溶接部近傍から胴部に向かって付加される溶接ゾーン補強用ヘリカル巻繊維層の厚みの分布が胴部に向かってほぼ等厚に形成されることを特徴とする請求項１記載の繊維強化圧力容器。
【請求項３】
口金に設けたフランジとドームの溶接部近傍から胴部に向かって付加される溶接ゾーン補強用ヘリカル巻繊維層の厚みの分布が口金に向かって薄く、胴部に向かって厚く形成されることを特徴とする請求項１記載の繊維強化圧力容器。
【請求項４】
口金に設けたフランジとドームの溶接部近傍から胴部に向かって付加される溶接ゾーン補強用ヘリカル巻繊維層を、ドームの口金部の周囲まで巻かれるヘリカル巻繊維層の間に交互に入れ込んで形成することを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載の繊維強化圧力容器の製造方法。
【請求項５】
口金に設けたフランジとドームの溶接部近傍から胴部に向かって付加される溶接ゾーン補強用ヘリカル巻繊維層を、ドームの口金部の周囲まで巻かれるヘリカル巻繊維層を形成した後に形成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載又は請求項３の繊維強化圧力容器の製造方法。
【請求項６】
金属ライナーの薄肉金属の厚みが胴部及びドームにおいて、１ｍｍから０．０５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載の繊維強化圧力容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮天然ガスを燃料とする自動車の燃料容器、水素ガス、メタンガス等の燃料電池用の燃料容器、さらには医療用、消防用及びレジャー用空気容器等として用いられる高圧力に耐える容器で、金属ライナーに合成樹脂を含浸したガラス繊維束、炭素繊維束またはケブラー繊維束のいずれかまたは組合せを巻くことによって強化する繊維強化圧力容器およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料容器あるいは空気容器は鋼によって作製されており、重量が重いため、軽量で耐圧の高い圧力容器が望まれていた。そこで、合成樹脂を含浸した繊維束でライナーを強化する繊維強化圧力容器が開発されてきた。
【０００３】
従来の繊維強化圧力容器においては、ライナーとして、軽量なアルミニウム金属または樹脂（例えば特公平５−８８６６５）が用いられている。その際、応力集中箇所を作らないためにアルミニウム金属製ライナーは胴部、ドーム及び口金までを一体で成形し、樹脂製ライナーにおいては胴部とドーム部を一体成形し、口金を金属により作製している。ただし、樹脂ライナーにおいては長期的にはガス透過性があるため、金属ライナーの方が好ましい。
【０００４】
繊維強化圧力容器に要求される目標は、次の３つである。まず、第１は高圧に対する安全性、第２は軽量性であり、第３は低価格性である。
第１の安全性は繊維束による強化によって保証されるが、破壊が胴部上で起こり、ドーム上で起こらないようにしなければならない。ドーム上で破壊が起こると、鉄砲玉のように飛び去る危険があるためである。
第２及び第３の軽量性と低価格性とはしばしば相反することがある。アルミニウム金属ライナーの場合、軽量であるが、アルミニウム自体が高価であるため、圧力容器も高価となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、安全性と軽量性と低価格性との３つの目標を同時に満足する繊維強化圧力容器を提供する事を目的としている。価格の点で、従来のものより安価な繊維強化圧力容器を作製する重要なポイントはライナーを安価に製作することである。そのために安価な鉄を使用すると、重量単価でアルミニウムの１／１０以下、ステンレスを使用したとしても、１／２以下の価格となる。しかし、鉄やステンレス等の鋼を使用すると、重量が重くなるため、薄くしなければならない。ただし、アルミニウム金属においても、金属の厚みを薄くすれば素材価格は安価となるので、この発明においては、アルミニウム金属についても、除外はしない。
【０００６】
薄肉金属をライナーとする場合、２つの課題がある。第１はライナー全てを一体成形することが難しいため、胴部とドームを薄肉金属で形成し、少なくともドームと口金は別に作製して溶接する必要がある。このためには、溶接箇所の強化が必要である。第２は、薄肉金属を用いた場合のライナーの製作方法である。
【０００７】
ライナーの内部にガスが充填されて、応力が掛かった場合に、一体成形の場合には、ライナーは連続的に変形するが、溶接箇所があると、そこで変形が不連続となり、溶接箇所に不均一に応力がかかり、応力集中が起こる。
【０００８】
図４は口金３に設けられたフランジ３１とドーム２が溶接されている場合のライナーの変形を示すおよそ１／４部分の説明用断面図である。実線は元の形状であり、矢印は内圧による軸方向の応力による変形の方向を示し、点線は変形後を示している。軸方向応力によって、口金３に設けられたフランジ３１の変形は小さいが、溶接箇所１１を境にしてドーム２の変形が大きくなる。そこで、変形の大きなところで破壊するか、あるいは溶接箇所１１で応力集中がおこり破壊しやすい。図５は、ドーム２が口金３に設けられたフランジ３１とドーム上で溶接されている場合のライナーの変形を示すおよそ１／４部分の説明用断面図である。この場合も実線は元の形状であり、矢印は内圧の軸方向応力による不連続な変形の方向を示し、点線は変形後を示している。ドーム２の変形に比べて、口金３からフランジ３１までは一体成形であるため変形が少なく、溶接箇所１１で異なる変形を起こすため、変形の大きなところで破壊するか、あるいは溶接箇所１１で応力集中がおこり破壊しやすい。
【０００９】
従って、薄肉金属ライナーにおいては、内部から圧力が掛かった場合に、ドームと口金の溶接部を中心とする溶接ゾーンの強化が必要であり、特に軸方向の変位をどのように押さえるかが課題である。
繊維強化圧力容器は繊維束を胴部とドームの口金部の根元まで測地線に沿ってヘリカル状に巻き、胴部にフープ層を巻くが、この他に、別に繊維層を付加して、胴部とドームの肩部を強化する出願として、繊維束を肩部に交差するように形成する特開２００１−２１０９９、またフープ層をドームの肩上まで伸ばす工夫をおこなった特開平８−２１９３３９０及び特開平１１−８２８８８がある。しかし、いずれもドームの肩部近傍の軸方向に直角な変形を抑えるが、軸方向の変形を押さえることはできない。
【００１０】
この発明は薄肉金属を用いてライナーを軽量化すると共に、軸方向の伸び抑え、ドームと口金の溶接ゾーンの不連続な変形を防止し、高圧に耐える、価格の安い繊維強化圧量容器を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明においては、ライナーの少なくとも胴部できればドームまでを薄肉金属によって作製し、ドームと口金との溶接ゾーンをヘリカル巻き層の付加によって強化するようにした。薄肉金属の厚みは、この発明では１ｍｍから０．０５ｍｍとした。その理由は、一体成型のアルミニウム製ライナーの胴部肉厚は通常３ｍｍから５ｍｍの厚みであるが、３ｍｍのアルミニウムと等価な重量の鋼の厚みは約１ｍｍである。したがって、ライナーの薄肉金属の厚みは、口金部を除くと、１ｍｍ以下でなければならない。このように、ライナー金属の厚みを１ｍｍ以下とすることによって、ライナー価格は安価となる。アルミニウム金属ライナーにおいても、厚みを１ｍｍで使用したとすると、ライナー重量が従来の１／３となり、価格も１／３となる。問題は、鋼はもちろんのこと、アルミニウムにおいても１ｍｍ以下の厚みでは従来のように胴部からドーム及び口金部まで塑性加工により一体成形することが難しいことである。
【００１２】
この発明においては、薄肉金属ライナーを次の様にして製作する。ドームと口金を別に作製し、口金に設けたフランジとドームとを突き合せして溶接するか、または、フランジの上部でドームと重ね合わせて溶接する。また、胴部とドームとは、別に作製して溶接するか、または胴部の端部を塑性加工によって軸方向に湾曲させ、ドーム形状にする、等によって行う。
【００１３】
ドームに口金を溶接する方法は、ドームと同じ種類の金属によって作製された口金のフランジをドームの頂点側開口部に精度よく突当てて通常のアーク溶接、またはレーザ溶接する。通常のアーク溶接は、ドームの厚みが０．６ｍｍ以上でないと難しいが、レーザ溶接は、突合せ精度がよければ０．１ｍｍでも可能ある。また、ドームが０．５ｍｍ以下のように薄い場合には、ドーム開口部を口金フランジの直径より小さくし、口金をドームの内側に入れて、フランジ面上でドームとの重ね合わせ部またはドーム端部のレーザ溶接を行う。重ね合わせ溶接では、形状精度がよければ、ドームの厚みが０．０５ｍｍでも溶接可能である。従って、請求項６において薄肉金属ライナーの厚みの限界を０．０５ｍｍとした。ただし、形状の大きな圧力容器では、ライナーは繊維束の巻付け圧による座屈に耐えねばならないため、金属厚み０．１ｍｍ以下のように薄い場合は、別に工夫が必要な場合がある。
【００１４】
胴部の両端に、ドームを溶接する方法は、ドームの胴部まで延ばしたフランジ部と胴部の開口部との間で、アーク溶接、レーザ溶接またはフラッシュ溶接が適用できる。溶接棒を用いるアーク溶接は、胴部及びドームの厚み０．６ｍｍが下限である。しかし、レーザ溶接の場合は、胴部とドームのフランジ開口部の溶接面直径の正確な合わせを行い、胴部とドームのフランジ部の両開口部を接触させ、不活性ガスシールドのもとで溶接を行うことにより、０．６ｍｍ以下も可能である。薄肉金属の溶接はＣＯ２レーザでも可能であるが、ＹＡＧレーザによる溶接の方が扱いやすい。使用可能なライナー金属の厚みは、胴部とドームの突合わせ溶接では突合せ精度によって制限され、金属の厚み０．１ｍｍが限度である。ただし、胴部の内部にドームのフランジ部を挿入し、重ね合わせ溶接、あるいはカド溶接をおこなう場合には、金属の厚み０．０５ｍｍでも可能である。レーザによる突合せ溶接及びカド溶接では、胴部とドームのフランジの間を溶接ワイヤによって溶接してもよい。この場合、突合せ精度のわずかな差は溶接ワイヤが溶解して固化することによって補償してくれる。フラッシュ溶接は、胴部とドームのフランジ開口部の溶接面直径の正確な合わせを行い、胴部とドームのフランジ部の両開口部を接触させ、接点に大電流を通じて発熱させ、火花が出て飛散した分をさらに接近させて溶接部全体の温度を上げて強圧することにより溶接する。この際、溶接部温度の調節と温度分布及び溶接部に座屈が起こらないよう圧接圧力を調節することにより、胴部及びドーム金属厚みは０．５ｍｍ程度まで可能である。
【００１５】
この発明では、ドームと口金のフランジとの溶接部を境とするドームの変形を少なくするために、請求項１から５において記載したように胴部及びドーム上に巻く通常のヘリカル巻繊維層及びフープ巻繊維層以外に、溶接部近傍の溶接ゾーンをヘリカル巻繊維層を付加して補強するようにしたために、薄肉金属のライナーが利用できるようになったものである。発明者らの有限要素法を用いた解析によると、ヘリカル巻層はドーム上において頂点まで補強するよりも、強化繊維層の中ほどに穴を開けている方が応力の均一化にはよい結果を与えている。そこで、この発明では、溶接ゾーン補強用ヘリカル巻層を通常の口金周囲で厚くなるヘリカル巻繊維層以外に、胴部から溶接ゾーンまでほぼ等厚で付加するか、または胴部に近いほど厚くなるように付加して、軸方向の不連続な変形を抑え、溶接ゾーンを強化するようにした。
なお、従来の口金の周囲まで巻くヘリカル巻き層を少し多くするのでは口金周囲が厚くなり、圧力容器として扱いにくいものとなる。また、ライナーの中でも重くなる要因の口金部の長さを長くしなければならないため、全体の重量が重くなる、等このましくない効果が出てくる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１はこの発明の実施の形態を示す断面図で、ライナーは胴部１、ドーム２及び口金部３からなっている。口金３に設けたフランジ３１とドーム２が溶接部１１で突合せ溶接されている。この溶接ライナーは樹脂が含浸された繊維束によって、胴部１とドーム２をヘリカル巻繊維層４で強化し、ドームの溶接部１１の変形を抑えるため、溶接ゾーンからドーム及び胴部にヘリカル巻繊維層６を付加して、内圧による溶接ゾーンにおける不連続な変形を抑え、補強している。さらにライナーの軸に直角の方向の圧力に対して胴部１にフープ巻繊維層５を設ける。
【００１７】
図２はこの発明の他の実施の形態を示す断面図で、ライナーのドーム２と口金３のフランジ３１は図１と同様、１１の箇所で突合せ溶接されており、樹脂が含浸された繊維束によって、胴部１とドーム２をヘリカル巻繊維層４で強化し、溶接ゾーンのドームの変形を抑えるためのヘリカル巻き繊維層６を口金３に向けて薄く、胴部１に向けて厚く付加して補強している。さらにライナーの径方向の圧力に対して胴部１にフープ巻繊維層５を設けることによって強化している。この場合、先のヘリカル巻き繊維層４は口金周囲に厚く形成されるので、付加層としての繊維層と併せるとヘリカル層はドーム上においてほぼ同じ厚みとなる。さらに、この場合、多層にした場合の付加ヘリカル巻き繊維層の端の巻き崩れが少ない。
【００１８】
図３はこの発明の別の実施の形態を示す断面図で、口金３のフランジ３１がドーム３の内側に入ってドーム３と重ね溶接されている。重ね溶接は、フランジ３１上のドーム２の端で溶接するか、又はフランジ３１とドーム２の重なっているところで口金３に同心円状にレーザ溶接をおこなう。樹脂が含浸された繊維束による補強については、図２の場合と同じである。
【００１９】
図１の実施の形態の例では、ヘリカル巻き繊維層４を形成してから、溶接部強化用ヘリカル巻繊維層６を付加して補強している。しかし、溶接ゾーン補強用付加ヘリカル層６はヘリカル巻繊維層４の間に交互に入れ込むほうが、繊維の巻きに崩れが無くてよい。交互に入れ込む利点は図１の例において大きいが、図２の場合においても入れ込んでも同じ効果を発揮する。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２１】
繊維によって強化する圧力容器のドームと口金フランジを溶接したライナーにおいて、溶接ゾーンにヘリカル巻繊維層を付加して補強したので、内圧によってドームが膨らむ際に、溶接ゾーンにおいて不連続な変形が抑えられ、耐圧の高い圧力容器を作製できる。
【００２２】
溶接ゾーンの不連続な変形を抑えることができるようにしたので、金属の厚みを１ｍｍ以下にでき、材料を鋼にすることにより、口金部を除くライナー材料価格は、従来のアルミニウム金属ライナーより安価となる。また、材料がアルミニウムであっても、厚みを１ｍｍ以下にすることによって、従来のアルミニウムライナーのより安いライナーを製造できる効果がある。
【００２３】
ライナーを薄肉金属によって製造できるようにしたので、鋼を使用したとしても、従来の厚肉のアルミニウム金属を使用した場合と変わらないあるいはそれより軽量な圧力容器を提供できる。
【００２４】
実施例においては、ライナーを部分に分けて製作し、その接合を溶接によって行うようにしたので、加工費が安くなる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第一の実施形態を示す断面図である。
【図２】この発明の第二の実施形態例を示す断面図である。
【図３】この発明の第三の実施形態例を示す断面図である。
【図４】ドームの肉厚が薄い場合のドームと口金の溶接ゾーンの変形を示す説明図である。
【図５】ドームの肉厚が薄い場合のドームと口金の溶接ゾーンの変形を示す説明図である。
【符号の説明】
１　胴部
２　ドーム
３　口金
３１　フランジ
４　ヘリカル巻繊維層
５　フープ巻繊維層層
６　ヘリカル巻付加層
１１　溶接箇所
【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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