JP2016164427A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性能の信頼性向上を図る。
【解決手段】圧力容器Ａは、ライナー１０のドーム部１２の外方へ円筒状に突出した筒状突出部１５と、筒状突出部１５の外周面に沿うように設けた口金２０（機能部品）と、筒状突出部１５の外周面に弾性的に密着する第１シール部材２７（シール部材）とを備える。筒状突出部１５の外周面には、第１シール部材２７と口金２０の周面における第１シール部材２７の近傍領域とに密着可能なシール用押圧領域１６が形成され、筒状突出部１５の内周面のうち法線方向においてシール用押圧領域１６と対応する領域には、筒状突出部１５の軸線Ｌに対して斜めをなすシール用受圧領域１７が形成されている。
【選択図】図２

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、胴部の両端に一対のドーム部が連なるように成形されたライナーと、ドーム部の頂部に形成した筒状突出部に外嵌される筒状の口金と、口金内に取り付けられるバルブとを備えた圧力容器が開示されている。口金の内周と筒状突出部の外周との界面には、圧力容器内の流体がリークするのを防止する手段として、シール部材が設けられている。

特開２０１３−１３７０９２号公報

筒状突出部と口金の界面は、筒状突出部の内周を介して圧力容器内の貯留空間と連通している。そのため、内周と外周の両方に流体圧が付与される。ところが、外周と内周の受圧面積（周長）の違いにより、筒状突出部には内周側への押圧力が作用する。この押圧力の向きは、筒状突出部がシール部材から遠ざかる方向なので、シール性能が低下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、シール性能の信頼性向上を図ることを目的とする。

本発明の圧力容器は、
胴部の端部にドーム部が連なるように成形され、内部が流体の貯留空間となっているライナーと、
前記ドーム部に一体に形成され、前記ドーム部の外方へ円筒状に突出した形態の筒状突出部と、
前記筒状突出部の外周面に沿うように設けた機能部品と、
前記筒状突出部の外周面に弾性的に密着するシール部材とを備え、
前記筒状突出部の外周面には、前記シール部材と前記機能部品の周面における前記シール部材の近傍領域とに密着可能なシール用押圧領域が形成され、
前記筒状突出部の内周面のうち法線方向において前記シール用押圧領域と対応する領域には、前記筒状突出部の軸線に対して斜めをなすシール用受圧領域が形成されているところに特徴を有する。

本発明において、筒状突出部の外周面のシール用押圧領域は、筒状突出部とシール部材との密着状態に影響を及ぼし得る領域と定義する。このシール用押圧領域が機能部品の周面を強く押圧するほど、筒状突出部とシール部材との密着性が高まり、シール性能が安定する。この点に鑑み、本発明は、筒状突出部の内周面のうち法線方向においてシール用押圧領域と対応するシール用受圧領域を、筒状突出部の軸線に対して斜め方向とした。

これにより、筒状突出部の軸線を含む断面において、シール用押圧領域よりもシール用受圧領域の方が長くなる。この構成によれば、筒状突出部の内周面と、筒状突出部の外周面のうちシール部材との密着位置よりも突出端側の領域に貯留空間内の流体圧が作用したときには、筒状突出部が、径方向外方、つまりシール用押圧領域を機能部品の周面に押圧する方向へ押圧される。したがって、シール性能が向上する。

実施例１の圧力容器の断面図 図１の部分拡大断面図

（ａ）本発明の圧力容器は、前記機能部品には、前記貯留空間に開口し、前記筒状突出部のうち前記シール用押圧領域及び前記シール用受圧領域の少なくとも一部を圧入させる収容溝が形成されていてもよい。
この構成によれば、収容溝には、筒状突出部の軸線に対して斜めをなすシール用受圧領域の少なくとも一部が圧入されているので、機能部品は、貯留空間内の流体圧によって筒状突出部の突出端側への押圧力を受けても、筒状突出部の突出端方向へ相対変位する虞はない。

（ｂ）本発明の圧力容器は、（ａ）において、前記収容溝の奥端部には、前記筒状突出部の突出端面との間に公差吸収空間が確保されていてもよい。
この構成によれば、筒状突出部を収容溝に圧入する際に、収容溝の奥行き深さと筒状突出部の突出方向の寸法との間に公差に起因する寸法差があっても、公差吸収空間を設けているので、シール用押圧領域を、シール部材と機能部品の周面に確実に密着させることができる。

（ｃ）本発明の圧力容器は、（ａ）又は（ｂ）において、前記機能部品は、バルブを前記ライナーに取り付けるための筒状の口金であり、前記バルブの外周面と前記口金の内周面との間を気密状にシールする別のシール部材を備えていてもよい。
この構成によれば、口金とバルブとの隙間は別のシール部材によって気密状にシールされる。口金とバルブは、いずれも金属製であるから、別のシール部材によるシール性能の信頼性は高い。

（ｄ）本発明の圧力容器は、前記筒状突出部の軸線を含む断面において、前記シール用押圧領域の全領域と前記シール用受圧領域の全領域が円弧からなり、前記シール用受圧領域の曲率半径が、前記シール用押圧領域の曲率半径と同じかそれより小さく設定されていてもよい。
この構成によれば、シール用受圧領域の曲率半径がシール用押圧領域の曲率半径より大きい場合に比べると、シール用受圧領域とシール用押圧領域の広さの差が大きくなるので、筒状突出部を、より強く機能部品の周面側へ押圧することができる。

＜実施例１＞
以下、本発明を具体化した実施例１を図１〜図２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、口金２０（請求項記載の機能部品）と、第１シール部材２７（請求項記載のシール部材）と、繊維強化樹脂層３０と、バルブ４０と、第２シール部材４６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Ｌ方向両端縁に連なる一対のドーム部１２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１３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。一方のドーム部１２の頂部１４には、胴部１１の軸線Ｌと同軸の円筒形をなす筒状突出部１５が一体に、且つドーム部１２の外方へ突出した形態で形成されている。筒状突出部１５の内部空間は、その突出端がライナー１０の外部へ開放されている。

筒状突出部１５の基端部は、ドーム部１２に連なっている。そして、筒状突出部１５は、ドーム部１２の頂部１４からライナー１０の外方へ突出している。筒状突出部１５をその軸線Ｌを含むように切断したときの断面形状は、概ね四半円弧状をなしている。筒状突出部１５の軸線Ｌを含む断面において、筒状突出部１５の外周面は、円弧（真円の一部）のみによって構成されている。筒状突出部１５の内周面のうち突出端部を除いた大部分の領域は、円弧によって構成されている。筒状突出部１５内周面のうち突出端部は、直線によって構成されている。

筒状突出部１５の軸線Ｌを含む断面において、筒状突出部１５の外周面を構成する円弧の曲率半径は、筒状突出部１５の内周面を構成する円弧の曲率半径よりも大きく設定されている。したがって、筒状突出部１５の径方向の厚さ寸法は、筒状突出部１５の軸線Ｌ方向における略中央部において最大となり、突出端側と基端側に向かうほど次第に厚さ寸法が小さくなっている。筒状突出部１５の内周面の突出端部を構成する直線は、筒状突出部１５の軸線Ｌと平行である。

＜口金２０＞
口金２０は、筒状突出部１５に外嵌されている。口金２０は、口金本体部２１と、治具受け部２２と、大径部２３とを一体に形成したものである。口金本体部２１は、筒状突出部１５と同軸状の円筒形をなしている。口金本体部２１の内周には、雌ネジ部２４が形成されている。治具受け部２２は、口金本体部２１の先端部の外面から、径方向外側へフランジ状に張り出した形態である。治具受け部２２の外周形状は非円形である。大径部２３は、口金本体部２１の基端部（貯留空間１３に臨む側の端部）から径方向外側へフランジ状に張り出した形態である。大径部２３は、筒状突出部１５と同軸状の円形をなす。大径部２３は、筒状突出部１５の基端側領域の外面と、ドーム部１２の外面とに密着している。

口金２０には、口金本体部２１の基端側の端面を凹ませた形態の収容溝２５が形成されている。収容溝２５は、口金２０（口金本体部２１）と同軸の円形をなす。収容溝２５には、筒状突出部１５のうち突出端側の領域が圧入によって収容されている。したがって、筒状突出部１５の内周面と、収容溝２５の径方向内側（径方向外向き）の周面２５ａは、殆ど隙間なく密着している。また、筒状突出部１５の外周面と、収容溝２５の径方向外側（径方向内向き）の周面２５ｂも、殆ど隙間なく密着している。また、筒状突出部１５を収容溝２５の圧入した状態において、収容溝２５の奥端部には、筒状突出部１５の突出端面１５Ｆとの間に公差吸収空間２５Ｓが確保されている。

＜筒状突出部１５と口金２０のシール構造＞
収容溝２５の径方向外側の周面２５ｂには、周方向の第１シール溝２６が形成されている。この第１シール溝２６には、第１シール部材２７（請求項記載のシール部材）が取り付けられている。第１シール部材２７は、筒状突出部１５の外周面に気密状に密着している。収容溝２５の径方向内側の周面と筒状突出部１５の内周面との界面、及び収容溝２５の径方向外側の周面と筒状突出部１５の外周面との界面は、圧力容器Ａ（貯留空間１３）内の流体（ガス）のリーク経路となり得る。しかし、この経路によるリークは、第１シール部材２７によって防止されている。

筒状突出部１５の外周面のうち、第１シール部材２７に密着する領域と、収容溝２５の径方向外側の周面２５ｂにおける第１シール部材２７の近傍領域と密着可能な領域、大径部２３の外面における第１シール部材２７の近傍領域と密着可能な領域とを含む範囲は、シール用押圧領域１６となっている。シール用押圧領域１６は、筒状突出部１５の外周面の一部である。したがって、筒状突出部１５の軸線Ｌを含む断面において、シール用押圧領域１６の全領域は、曲率が均一の円弧状をなす。

このシール用押圧領域１６は、筒状突出部１５の軸線Ｌと平行な方向（突出方向）において、第１シール部材２７が収容されている第１シール溝２６よりも突出端側の領域と、第１シール溝２６よりも基端側の領域の両方を含んでいる。したがそして、本実施例では、シール用押圧領域１６を、筒状突出部１５と第１シール部材２７との密着状態に影響を及ぼし得る領域と定義する。つまり、シール用押圧領域１６が、口金２０の周面（収容溝２５の径方向外側の周面２５ｂと、大径部２３の外面）における第１シール部材２７の近傍領域を強く押圧するほど、筒状突出部１５と第１シール部材２７との密着性が高まり、シール性能が安定する。

筒状突出部１５の内周面のうち、筒状突出部１５の内周面の法線方向においてシール用押圧領域１６と対応する領域は、シール用受圧領域１７となっている。つまり、シール用受圧領域１７内のいずれの位置においても、シール用受圧領域１７の法線１８は、必ず、シール用押圧領域１６を通る。この法線１８の方向は、シール用受圧領域１７に対し貯留空間１３内の流体の圧力が作用する方向と合致する。

このシール用受圧領域１７は、筒状突出部１５の内周面の一部であるから、シール用受圧領域１７の全領域は、筒状突出部１５の軸線Ｌを含む断面において曲率が一定の円弧状をなしている。したがって、筒状突出部１５の軸線Ｌを含む断面において、シール用受圧領域１７の全領域は、筒状突出部１５の軸線Ｌに対して斜めをなしている。また、シール用押圧領域１６及びシール用受圧領域１７における筒状突出部１５の厚さは、不均一である。

筒状突出部１５の軸線Ｌを含む断面において、シール用受圧領域１７の曲率半径は、シール用押圧領域１６の曲率半径より小さく設定されている。そして、筒状突出部１５の軸線Ｌを含む断面において、シール用受圧領域１７の長さはシール用押圧領域１６よりも長くなっている。つまり、シール用受圧領域１７の面積は、シール用押圧領域１６の面積よりも広い。また、シール用受圧領域１７のうち突出端側の領域は収容溝２５内に収容されており、シール用受圧領域１７のうち基端側の領域は、収容溝２５の外部に露出して貯留空間１３に臨んでいる。

＜繊維強化樹脂層３０＞
繊維強化樹脂層３０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３０は、胴部１１の軸線Ｌを中心として回転するライナー１０の外面に、図示しない繊維束（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）に液状の熱硬化性樹脂を含浸させたもの、又は繊維束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）を巻き付けるフィラメントワインディング法によって形成されている。

繊維強化樹脂層３０は、胴部１１の外周面の全領域と、ドーム部１２の外周面のうち口金２０で覆われていない領域と、口金２０の口金本体部２１の外周面と、口金２０の大径部２３の外面とを覆い隠すように形成されている。口金２０は、大径部２３がドーム部１２（ライナー１０）と繊維強化樹脂層３０との間で挟み付けられることにより、ライナー１０及び繊維強化樹脂層３０と一体化されている。これにより、ライナー１０の筒状突出部１５が口金２０の内面に密着した状態に保たれる。

＜バルブ４０＞
バルブ４０は、圧力容器Ａ（貯留空間１３）の内部と外部との間における流体（高圧ガス等）の流動と遮断とを切り替えるものである。バルブ４０は、口金２０及び筒状突出部１５と同軸状の略円柱形なすバルブ本体部４１と、バルブ本体部４１の軸線Ｌ方向における一方の端部に形成された治具嵌合部４２とを有する単一部品である。バルブ本体部４１のうち治具嵌合部４２に近い側の領域の外周には、雄ネジ部４３が形成されている。治具嵌合部４２は、バルブ本体部４１よりもフランジ状に拡径した形態であり、外周形状は非円形である。

バルブ本体部４１のうち治具嵌合部４２とは反対側の領域は、バルブ本体部４１よりも小径の円柱形をなすシール機能部４４となっている。シール機能部４４は、口金本体部２１の基端部の内周に嵌合され、貯留空間１３に臨んでいる。シール機能部４４の外周には、第２シール溝４５が形成されている。第２シール溝４５には第２シール部材４６（請求項に記載の別のシール部材）が収容されている。第２シール部材４６は、口金２０の内周面に密着することにより、口金２０の内周とバルブ４０の外周との隙間を気密状にシールする。

＜実施例１の作用及び効果＞
圧力容器Ａを製造する際には、まず、所定形状のライナー１０を成形する。その後、筒状突出部１５を、加熱した状態で口金２０の収容溝２５内に圧入し、大径部２３を筒状突出部１５の基端部外面とドーム部１２の外面に密着させる。その後、繊維強化樹脂層３０を形成し、口金２０とライナー１０を一体化させる。この後、バルブ４０を口金２０に取り付ける。取付けの際には、手作業で雄ネジ部４３を雌ネジ部２４にねじ込んでいき、最後に、口金２０の治具受け部２２とバルブ４０の治具嵌合部４２に治具（図示省略）を嵌合してバルブ４０を締め付ける。

上述のように本実施例の圧力容器Ａは、ライナー１０と口金２０と第１シール部材２７とを有する。ライナー１０は、胴部１１の端部にドーム部１２が連なるように成形されたものであり、ライナー１０の内部は流体の貯留空間１３となっている。ライナー１０には、ドーム部１２と一体をなし、ドーム部１２の外方へ円筒状に突出した形態の筒状突出部１５が形成されている。口金２０は、筒状突出部１５の外周面に沿うように設けられている。第１シール部材２７は、筒状突出部１５の外周面に対し弾性的に且つ気密状に密着することでシール機能を発揮する。

筒状突出部１５の外周面には、シール用押圧領域１６が形成されている。シール用押圧領域１６は、第１シール部材２７と、口金２０の周面における第１シール部材２７の近傍領域とに密着するようになっている。そして、筒状突出部１５の内周面のうち法線方向においてシール用押圧領域１６と対応する領域には、筒状突出部１５の軸線Ｌに対して斜めをなすシール用受圧領域１７が形成されている。

このように、シール用受圧領域１７を筒状突出部１５の軸線Ｌに対して斜め方向としたことにより、筒状突出部１５の軸線Ｌを含む断面において、シール用押圧領域１６よりもシール用受圧領域１７の方が長くなる。つまり、シール用受圧領域１７の面積がシール用押圧領域１６の面積よりも広くなる。したがって、筒状突出部１５の内周面（シール用受圧領域１７）と、筒状突出部１５の外周面（シール用押圧領域１６）のうち第１シール部材２７との密着位置よりも突出端側の領域に貯留空間１３内の流体圧が作用したときには、筒状突出部１５が、径方向外方、つまりシール用押圧領域１６を機能部品の周面に押圧する方向へ押圧される。特に、シール用押圧領域１６のうち第１シール部材２７よりも基端側の領域に作用するのは、貯留空間１３内よりも低圧の大気圧であるから、筒状突出部１５は、確実に径方向外側へ押圧される。これにより、筒状突出部１５が第１シール部材２７に強く且つ確実に密着するので、高いシール性能が発揮される。

また、口金２０には、貯留空間１３に開口し、筒状突出部１５のうちシール用押圧領域１６及びシール用受圧領域１７の少なくとも一部を圧入させる収容溝２５が形成されている。この構成によれば、口金２０が、貯留空間１３内の流体圧によって筒状突出部１５の突出端側への押圧力を受けても、収容溝２５の径方向内側の周面２５ａと筒状突出部１５のシール用受圧領域１７が軸線Ｌ方向に係止することになる。したがって、口金２０が、筒状突出部１５の突出端方向へ相対変位する虞はない。

また、収容溝２５の奥端部には、筒状突出部１５の突出端面１５Ｆとの間に公差吸収空間２５Ｓが確保されている。この構成によれば、筒状突出部１５を収容溝２５に圧入する際に、収容溝２５の奥行き深さと筒状突出部１５の突出方向の寸法との間に公差に起因する寸法差があっても、公差吸収空間２５Ｓを設けているので、シール用押圧領域１６を、シール部材と口金２０の周面（収容溝２５の径方向外側の周面２５ｂ）に確実に密着させることができる。

また、口金２０は、バルブ４０をライナー１０に取り付けるための筒状の部品であるが、バルブ４０の外周面と口金２０の内周面との間には、両面を気密状にシールする第２シール部材４６が取り付けられている。口金２０とバルブ４０は、いずれも金属製であるから、第２シール部材４６によるシール性能の信頼性は高い。

また、筒状突出部１５の軸線Ｌを含む断面において、シール用押圧領域１６の全領域とシール用受圧領域１７の全領域が円弧からなり、シール用受圧領域１７の曲率半径が、シール用押圧領域１６の曲率半径と同じかそれより小さく設定されている。この構成によれば、シール用受圧領域１７の曲率半径がシール用押圧領域１６の曲率半径より大きい場合に比べると、シール用受圧領域１７とシール用押圧領域１６の広さの差が大きくなるので、筒状突出部１５を、より強く機能部品の周面側へ押圧することができる。

＜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、筒状突出部の軸線を含む断面において、シール用受圧領域の曲率半径をシール用押圧領域の曲率半径より小さく設定したが、シール用受圧領域の曲率半径は、シール用押圧領域の曲率半径より大きくてもよく、シール用押圧領域の曲率半径と同じであってもよい。
（２）上記実施例では、筒状突出部の軸線を含む断面において、シール用受圧領域を曲率が均一の円弧状としたが、シール用受圧領域は、曲率が不均一の曲線であってもよい。
（３）上記実施例では、筒状突出部の軸線を含む断面において、シール用押圧領域を曲率が均一の円弧状としたが、シール用押圧領域は曲率が不均一の曲線であってもよい。
（４）上記実施例では、シール用押圧領域及びシール用受圧領域における筒状突出部の厚さを不均一としたが、シール用押圧領域及びシール用受圧領域における筒状突出部の厚さは均一であってもよい。
（５）上記実施例では、筒状突出部の軸線を含む断面において、シール用押圧領域の全領域が曲線状をなすが、シール用押圧領域は、その全領域が直線状であってもよく、直線状領域と曲線状領域とが混在する形態であってもよい。
（６）上記実施例では、筒状突出部の軸線を含む断面において、シール用受圧領域の全領域が曲線状をなしているが、受圧領域は、曲線状領域と直線状領域とが混在する形態であってもよい。
（７）上記実施例では、シール用受圧領域の一部だけが貯留空間に臨んでいるが、シール用受圧領域の全領域が貯留空間に臨んでいてもよい。
（８）上記実施例では、機能部品が口金であるが、本発明は、口金が筒状突出部の内周に取り付けられ、機能部品が、口金との間で筒状突出部を挟んで固定するためのリテーナである場合にも適用できる。
（９）上記実施例では、筒状突出部が口金に形成した収容溝内に収容されるようにしたが、口金に収容溝を形成せず、筒状突出部の内周にバルブが、直接、嵌合されるようにしてもよい。

Ａ…圧力容器
Ｌ…筒状突出部の軸線
１０…ライナー
１１…胴部
１２…ドーム部
１３…貯留空間
１５…筒状突出部
１５Ｆ…筒状突出部の突出端面
１６…シール用押圧領域
１７…シール用受圧領域
２０…口金（機能部品）
２５…収容溝
２５Ｓ…公差吸収空間
２７…第１シール部材（シール部材）
４０…バルブ
４６…第２シール部材（別のシール部材）

Claims (5)

1. 胴部の端部にドーム部が連なるように成形され、内部が流体の貯留空間となっているライナーと、
   前記ドーム部に一体に形成され、前記ドーム部の外方へ円筒状に突出した形態の筒状突出部と、
   前記筒状突出部の外周面に沿うように設けた機能部品と、
   前記筒状突出部の外周面に弾性的に密着するシール部材とを備え、
   前記筒状突出部の外周面には、前記シール部材と前記機能部品の周面における前記シール部材の近傍領域とに密着可能なシール用押圧領域が形成され、
   前記筒状突出部の内周面のうち法線方向において前記シール用押圧領域と対応する領域には、前記筒状突出部の軸線に対して斜めをなすシール用受圧領域が形成されていることを特徴とする圧力容器。
2. 前記機能部品には、前記貯留空間に開口し、前記筒状突出部のうち前記シール用押圧領域及び前記シール用受圧領域の少なくとも一部を圧入させる収容溝が形成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. 前記収容溝の奥端部には、前記筒状突出部の突出端面との間に公差吸収空間が確保されていることを特徴とする請求項２記載の圧力容器。
4. 前記機能部品は、バルブを前記ライナーに取り付けるための筒状の口金であり、
   前記バルブの外周面と前記口金の内周面との間を気密状にシールする別のシール部材を備えていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の圧力容器。
5. 前記筒状突出部の軸線を含む断面において、前記シール用押圧領域の全領域と前記シール用受圧領域の全領域が円弧からなり、
   前記シール用受圧領域の曲率半径が、前記シール用押圧領域の曲率半径と同じかそれより小さく設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の圧力容器。

Images