JP2005265138A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】合成樹脂製のライナーと口金との間の隙間の発生を防止し、かつ高圧の気体シールに最適な口金構造を有する圧力容器を提供する。
【解決手段】金具が合成樹脂製のライナーに対して気体を内包する内側とそれに相対する外側に存在し、ネジ締結機構により合成樹脂製のライナーを挟み込む形態をとり、内側と外側の金具部材がそれぞれ一体の部品から構成され、内側金具部材の外周面と合成樹脂製ライナーの内周面との間もしくは外側金具部材の内周面とライナー外周面との間の少なくとも１カ所にリップパッキンを用いたシール機構を有することを特徴とする圧力容器。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）、水素、酸素、空気などの気体を高圧下で貯蔵する圧力容器に関し、とくにその気体取出口部に設置される口金部の構造に関する。

従来より、圧力容器は、種々の気体の貯蔵に使用されており、気体を内包する機能を有するライナー材料には、金属を適用したものや合成樹脂を適用したものが存在する。ライナー材料に金属を用いた場合、その口金部も一体成形された金属製からなることが通例であり、一体成形であるが故に口金部からの内包気体の漏洩は問題とはならない。これに対して、ライナー材料に合成樹脂を用いた場合には、口金部は合成樹脂と金属とが種々の手法で接合されているが、現在使用されている圧力容器の貯蔵圧力のほとんどが２０ＭＰａ以下という低圧力下での使用を前提としているために、前記接合部からの内包気体の漏洩は問題にはなっていない。例えば、特許文献１には、ライナーの気体取出口部において、ライナーの内周面のコーナ部と、ライナーの内周側にライナーを貫通させて設けられる口金部材との間にシール部材を介在させて気密シール性を高めるようにした構造が記載されている。

しかしながら、近年脚光を浴びている燃料電池用高圧水素貯蔵容器等においては、気体水素充填圧力が５０〜７０ＭＰａ程度の超高圧に耐えられる高圧容器が要求されるようになってきた。さらに、安全面や環境面から容器の気密度（内包気体の密閉度）の規則がさらに厳しくなり、内包気体の漏洩防止・漏洩量低減が求められており、その基準については現在国際規格の検討が進んでおり、容器からの水素漏洩量が１．０ｃｍ³／ｈｒ・Ｌ以下となるように設定される見込みである。

このように、昨今の圧力容器に対する高耐圧要求特性、漏洩規則が厳しくなる状況に対して、特許文献１に記載されているような従来機構では、口金の外側から設置した金具が２つ以上の部材から構成されていたり、金具が一体の部材で構成されていてもカシメによる締結機構を採用しているために、合成樹脂製ライナーに対する金具の半径方向位置を正確に固定できない。そのため、合成樹脂製ライナーと金具との間に設置されたシール部材のシール能力が十分発揮できないし、かつ、シール部材にＯリングや平板状パッキンなどを適用しているため、内圧が高くなる場合にパッキンの変形代が小さいので高圧気体をシールする能力が不十分であった。
特開２０００−２９１８８７号公報

本発明の課題は、合成樹脂製のライナーと口金金具との間の隙間の発生を防止することができ、かつ、とくに高圧の気体シールに最適な口金部構造を有する圧力容器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る圧力容器は、気体を貯蔵する圧力容器の気体取出口部に設置される口金部が、次の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の要件をすべて備えていることを特徴とするものからなる。
（Ａ）口金部に設けられる金具が合成樹脂製のライナーに対し気体を内包する内側とそれに対して相対的な外側とに存在し、該内側と外側の金具部材がネジ機構により互いに締結される形態をとること。
（Ｂ）内側と外側の金具部材がそれぞれ一体の部品から構成されていること。
（Ｃ）内側金具部材の外周面と前記ライナーの内周面との間、もしくは外側金具部材の内周面と前記ライナーの外周面との間の少なくとも１カ所にリップパッキンを用いたシール機構を有すること。

この本発明に係る圧力容器においては、上記内側と外側の金具部材により合成樹脂製のライナーが挟み込まれている形態をとることができる。

また、本発明に係る圧力容器においては、内側と外側の金具部材を締結するネジ機構について、そのネジの有効径をＤ（ｍｍ）、ネジ締結長さをＬ（ｍｍ）とした場合、ＤとＬが以下の関係式を満足することが好ましい。
Ｌ≧０．０５×Ｄ

さらに、圧力容器を軸方向に投影した状態において、内側の金具部材のフランジ部外径をＰ（ｍｍ）、外側の金具部材の外径をＱ（ｍｍ）としたとき、ＰとＱが以下の関係式を満足することが好ましい。
５．０×Ｑ≧Ｐ≧１．０５×Ｑ

本発明に係る圧力容器によれば、金具が合成樹脂製のライナーに対して気体を内包する内側と相対する外側に存在し、ネジ締結機構により合成樹脂製のライナーを挟み込む形態をとり、内側と外側の金具部材がそれぞれ一体の部品として構成され、内側金具部材の外周面と合成樹脂製ライナーの内周面との間もしくは外側金具部材の内周面とライナー外周面との間の少なくとも１カ所にリップパッキンを用いたシール機構を有する圧力容器としたので、個々の金具部材の変形を抑制して金具全体としての合成樹脂製ライナーとの密着度を高めて耐圧性を高めることができるとともに、シール機構とライナーとの密着度を高めて気密性、ひいては耐圧性を高めることができる。したがって、昨今厳しくなりつつある圧力容器に対する高耐圧要求特性、漏洩規則に対応することができる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る、気体取出口部を有する圧力容器Ｔの一部破断斜視図、図２は、図１の圧力容器Ｔの口金部の拡大縦断面図、図３、図４はそれぞれ図１とは別の実施態様に係る圧力容器の口金部の断面図である。

図１において、圧力容器Ｔは、円筒形に形成されたライナー１と、その外周に補強のために繊維強化樹脂（ＦＲＰ）層が積層されたＦＲＰ製外殻２と、鏡板部分に貫通して設けられた気体取出口部３とで構成されている。

図２において、４は繊維強化樹脂層が積層された口金部におけるＦＲＰ製外殻、５は合成樹脂製ライナー、６、７はそれぞれ合成樹脂製ライナー５を挟み込む形態をとる、各々一体の部品から構成される外側金具部材、内側金具部材を示しており、外側金具部材６、内側金具部材７はネジ１３により締結され一体的に構成されている。

ここで、金具部材６、７により、合成樹脂製ライナー５を挟み込む形態をとる理由は、口金部分が容器内貯蔵ガスによる５０〜７０ＭＰａという高圧に耐えるために、強度が不足するライナー部材とは別に金属製の口金金具部材を製作する必要があり、合成樹脂製ライナー部材と口金金具部材という異種の材料、部材に構成されるにも関わらず圧力容器内に圧入された気体の漏洩を最小限に抑えるために、シール機構とライナーの密着度を向上させる必要があるためである。

またここで、外側と内側の金具部材６、７がそれぞれ一体の部品から構成されていない場合（例えば特許文献１の図６のような場合）、口金金具部材の左右のずれを厳密に制御することができないため、結果として、気体の漏洩を最小限にするためのシール機構と合成樹脂製ライナーの密着度が低下し、気体の漏洩を小さく抑えることができない。従って、外側と内側の金具部材６、７は、それぞれ一体の部品から構成される必要があるわけである。

さらにまた、特許文献１に記載のように、シール部材にＯリングや平板状パッキンなどを適用すると、５０〜７０ＭＰａという高圧気体を内包する圧力容器に対しては、内圧が高くなる場合にパッキンの変形代が小さいため高圧気体をシールする能力が不十分であり、よりシール性能の高いリップパッキンを適用しなければ、圧力容器からの気体漏洩量、例えば水素漏洩量を１．０ｃｍ³／ｈｒ・Ｌ以下に抑えることは困難である。図２において、８、９、１０はそれぞれサポートリング、バックアップリング、リップパッキンを示しており、サポートリング８、バックアップリング９、リップパッキン１０でシール機構部を構成しており、内側金具部材７の外周面と合成樹脂製ライナー５の内周面との間に配置されている。

この場合、図２のシール機構部は便宜的にリップパッキン１０を１つしか図示していないが、一カ所のシール機構部に複数個連続して（重ねて）設置することが可能であり、気体の漏洩量をさらに小さくすることができる。通常、リップパッキンを有するシール機構のみで気体を十分シールすることは可能であるが、フェールセーフの観点から、Ｏリング１１などのスクイージパッキンによるシール機構を補助的に用いることも可能である。なお、１２はバルブ取付ネジであり、内包気体を取り出すためのバルブ（図示略）を取り付けるための機構である。

図３は、図２とは別の形態に係る圧力容器の口金部の断面図であり、内側金具部材７の外周面と合成樹脂製ライナー５の内周面との間ならびに外側金具部材６の内周面と合成樹脂製ライナー５の外周面との間にシール機構を有する形態をとったものである。このようなシール機構の配置は、特に限定されるものではないが、例えば合成樹脂製ライナー５をブロー成形にて製作する場合に有効で、さらに多層ブロー成形にて合成樹脂製ライナー５を製作する場合特に好適な形状である。ここで、１４は多層ブロー成形によって得られた合成樹脂製ライナー５の断面中央に配置された内包気体バリア層を示しており、実質的に本バリア層で内包気体をシールしている。

図４は、図２とはさらに別の形態に係る圧力容器の口金部の断面図を示しており、内側金具部材７の外周面と合成樹脂製ライナー５の内周面との間にシール機構を有する形態をとり、外側の金具部材６によってシール機構部分の圧力容器の軸方向における位置決めを行う。繊維強化樹脂層が積層されたＦＲＰ製外殻４を気体取出口部を覆うように配置した形態をとっており、気体取出口部における円周方向の変形を抑制することが可能となるために、シール機構と合成樹脂製ライナー５との密着度を向上させ、内包気体の漏洩を大幅に低減することができる。

ここで、本発明に係る圧力容器を構成する材料について詳細に説明する。
繊維強化樹脂層が積層されたＦＲＰ製外殻４は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維の少なくとも１種類以上の強化繊維と、その主材が、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、フッ素樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂の少なくとも１種類以上の樹脂から構成されるＦＲＰからなる。

合成樹脂製ライナー５は、その主材が、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ABS樹脂、ポリスチレン樹脂、AS樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂（ＰＥＴ、ＰＢＴ、ＰＣＴなど）、ＰＰＳ樹脂、フッ素樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂などを例示でき、１種類だけであっても、或いは２種類以上を混合して使用してもよい。これら熱可塑性樹脂は単独でも、混合物でも、また共重合体であってもよい。混合物の場合には相溶化剤を併用してもよい。さらにまた、難燃剤として臭素系難燃剤、シリコン系難燃剤、赤燐などを加えてもよい。また、気体封止材であるエチレンビニルアルコール（ＥＶＯＨ）などを一部に用いてもよい。このエチレンビニルアルコールを適用する場合、図３の内包気体バリア層１４のように配置されるわけであるが、そのときのＥＶＯＨの厚み「ｔ−ＥＶＯＨ（ｍｍ）」は圧力容器外表面積「Ｓｕｆ（ｍｍ²）」、容器内容積「Ｖｏｌ（litter）」を用いてｔ−ＥＶＯＨ÷（Ｓｕｆ×Ｖｏｌ）が５×１０^-8（ｍｍ／ｍｍ²・ｌｉｔｔｅｒ）以上となるように設計することが必要である。

金具部材６、７は特に限定されるものではないが、炭素鋼として、圧力配管用炭素鋼鋼管、高圧配管用炭素鋼鋼管、低温配管用鋼管、機械構造用炭素鋼鋼材を例示でき、マンガン鋼では、高圧ガス容器用継目無鋼管、機械構造用マンガン鋼鋼材、マンガンクロム鋼鋼材を例示でき、クロムモリブデン鋼や低合金鋼では、高圧ガス容器用継目無鋼管、機械構造用合金鋼鋼管、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材、クロムモリブデン鋼材を例示でき、ステンレス鋼では、圧力用ステンレス鋼鍛鋼品、配管用ステンレス鋼管、ステンレス鋼棒、熱間圧延ステンレス鋼板および鋼帯、冷間圧延ステンレス鋼板および鋼帯を例示できる。アルミニウム合金では、アルミニウムおよびアルミニウム合金の板、条、棒、線、継目無管、鍛造品を例示できる。ライナーは、本金属材料そのものを適用してもよいし、炭素鋼に対しては、焼きなまし、焼きならし、マンガン鋼に対しては、焼きならし、焼き入れ焼きもどし、クロムモリブデン鋼や低合金鋼に対しては、焼き入れ焼きもどし、ステンレス鋼に対しては固溶化処理、アルミニウム合金に対しては、焼き入れ焼きもどしを施した材料を適用してもよい。さらに、アルミニウム合金に対しては、溶体化処理及びＴ６時効処理を施したものを適用してもよい。特に、内包気体に水素ガスを選定する場合などは、耐水素脆性に優れるＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３４７を適用することが好ましい。

さらに、有限要素法によるコンピューターシュミレーションにより、外側金具部材６、内側金具部材７において、内側金具部材７のフランジ部外径をＰ、外側金具部材６の部材外径をＱとしたとき、ＰとＱが以下の関係式を満足することが好適であることが分かった。
５．０×Ｑ≧Ｐ≧１．０５×Ｑ

これは、内圧を受ける圧力容器の場合、金具部分にもその内圧によって圧力容器軸方向に飛び出そうとする力が加わるが、その力を繊維強化樹脂層が積層されたＦＲＰ製外殻によって支えているわけである。従って、Ｐ≧１．０５×Ｑとなるように設計しなければ、５０〜７０ＭＰａという高圧の内圧によって金具部分が圧力容器の軸方向に飛び出してしまうおそれがあるわけである。逆にＰを大きくしすぎることは、内側金具部材の重量を無意味に増加させることになり、結果として軽量化を要求される圧力容器の重量を増加させてしまう結果となり不経済である。したがって、高圧の内圧によって金具部分が圧力容器軸方向に飛び出さない程度に上限が必要で、５．０×Ｑ≧Ｐとなるように設計することが効果的である。

リップパッキン１０の材質は、スチレンゴム、クロロプレンゴム、ＩＩＲ、ニトリルゴム、天然ゴム、シリコーンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、フロロシリコーンゴム、ポリテトラフルオロエチレン、水素化ニトリルゴム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂などが好適に用いられ、使用される圧力が高い場合、これらを主成分に補強繊維を複合したものを使用してもよい。ここで用途は特に限定されるものではないが、例えば燃料電池自動車の発電に使用される高圧水素を貯蔵する圧力容器に適用する場合、耐水素特性の観点から、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ＩＩＲ、クロロスルホン化ポリエチレン、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、フロロシリコーンゴム、ポリテトラフルオロエチレン、水素化ニトリルゴム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂が好ましく適用できる。またここでリップパッキンとしては、Ｕパッキン、Ｖパッキン、Ｌパッキン、Ｊパッキンなどを例示することができる。

バックアップリング９やサポートリング８は、四フッ化エチレン樹脂やベークライト、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂の単体もしくは、補強繊維が複合されたもの、あるいは、軟鋼、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３４７，アルミ合金、銅などが好適に用いられる。

ここで、シール機構と接触する合成樹脂製ライナーの表面は、内包気体を確実にシールするために、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定される最大高さ（記号Ｒｙ）で０．０１μｍ〜２５μｍが好ましく、例えば水素のように内包気体の分子量が小さいものである場合は、０．０１μｍ〜６．３μｍがさらに好ましい。

外側金具部材と内側金具部材を締結しているネジ１３は、内包気体の圧力が５０〜７０ＭＰａと高圧になることを想定して設計する必要がある。内圧を受けるネジの静的強度は、一般的にその有効径が大きくなると大幅に低下する傾向が知られており、経験則に基づく強度計算による設計を行っていた。しかしながら、圧力容器に見られるような充填、放圧という繰り返し荷重が負荷されるような状況では、明確な指針が認められない状況であった。そこで、本発明では、有限要素法を用いたコンピューターシュミレーションや実際のネジを用いた繰り返し荷重による耐久試験を行い、好ましい締結ネジの設計指針を導き出した。すなわち、本発明の外側金具と内側金具を締結しているネジ１３は、そのネジの有効径をＤ、ネジ締結長さをＬとしたときに、Ｌ≧０．０５×Ｄを満足するように設計する必要があることが分かった。このとき、ネジの態様としては、三角ネジ、角ネジ、台形ネジ、管用ネジが好ましく用いられる。

本発明に係る圧力容器における口金部の構造は、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）、水素、酸素、空気などの気体を高圧下で貯蔵する圧力容器に好適なものであり、特に、燃料電池自動車の発電に使用される高圧水素を貯蔵する圧力容器等に好適なものである。

本発明の一実施態様に係る圧力容器の一部破断斜視図である。 図１の圧力容器の口金部の拡大縦断面図である。 本発明の別の実施態様に係る圧力容器の口金部の断面図である。 本発明のさらに別の実施態様に係る圧力容器の口金部の断面図である。

符号の説明

１ 圧力容器のライナー
２ ＦＲＰ製外殻
３ 容器の中心部貫通穴
４ 繊維強化樹脂層が積層されたＦＲＰ製外殻
５ 合成樹脂製ライナー
６ 外側金具部材
７ 内側金具部材
８ サポートリング
９ バックアップリング
１０ リップパッキン
１１ Ｏリング
１２ バルブ取付ネジ
１３ 外側金具部材と内側金具部材を締結しているネジ
１４ 多層ブロー成形によって得られた合成樹脂製ライナーの断面中央に配置された内包気体バリア層
Ｄ 内側と外側の金具部材を締結するネジ機構のネジ有効径
Ｌ 内側と外側の金具部材を締結するネジ機構のネジ締結長さ
Ｐ 内側金具部材のフランジ部外径
Ｑ 外側金具部材の外径
Ｔ 圧力容器

Claims (5)

1. 気体を貯蔵する圧力容器の気体取出口部に設置される口金部が、次の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の要件をすべて備えていることを特徴とする圧力容器。
   （Ａ）口金部に設けられる金具が合成樹脂製のライナーに対し気体を内包する内側とそれに対して相対的な外側とに存在し、該内側と外側の金具部材がネジ機構により互いに締結される形態をとること。
   （Ｂ）内側と外側の金具部材がそれぞれ一体の部品から構成されていること。
   （Ｃ）内側金具部材の外周面と前記ライナーの内周面との間、もしくは外側金具部材の内周面と前記ライナーの外周面との間の少なくとも１カ所にリップパッキンを用いたシール機構を有すること。
2. 内側と外側の金具部材により合成樹脂製のライナーが挟み込まれていることを特徴とする，請求項１に記載の圧力容器。
3. 内側と外側の金具部材を締結するネジ機構について、そのネジの有効径をＤ（ｍｍ）、ネジ締結長さをＬ（ｍｍ）とした場合、ＤとＬが以下の関係式を満足することを特徴とする，請求項１または２に記載の圧力容器。
   Ｌ≧０．０５×Ｄ
4. 圧力容器を軸方向に投影した状態において、内側の金具部材のフランジ部外径をＰ（ｍｍ）、外側の金具部材の外径をＱ（ｍｍ）としたとき、ＰとＱが以下の関係式を満足することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の圧力容器。
   ５．０×Ｑ≧Ｐ≧１．０５×Ｑ
5. 水素を充填する、請求項１〜４のいずれかに記載の圧力容器。

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