JP2017002999A - ボンベ封止プラグ及び該封止プラグを用いたボンベ封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム製のボンベ本体に対し、ガスを注入しながら同材料の封止プラグを電気溶着により封止する。
【解決手段】Ｓ１でボンベ本体の口部に封止プラグをセットし、Ｓ２でボンベ本体を上昇させることにより口部をガス供給装置内に挿入して密封し、ボンベ本体に下部電極を取り付ける。
Ｓ３で上部電極を下降して封止プラグを押し下げてボンベ本体に対し仮装着状態とする。
Ｓ４でガス供給装置内に高圧ガスを充填し、封止プラグと口部の間からボンベ本体内に高圧ガスを注入する。
Ｓ５でガス注入の終了に伴って、上部電極を下降して封止プラグを押し下げて口部に対する本装着を始め、Ｓ６で封止プラグの溶着部と口部との接続部に瞬間的に電流を流し溶着を行うと共に、上部電極を十分に押し下げて封止プラグの本装着を完了する。
Ｓ７でガスの充填が完了したボンベ本体を取り出す。
【選択図】図７

Description

本発明は、高圧ガスをガスボンベ本体の口部と封止プラグとの隙間から注入し、注入後に封止プラグをボンベ本体に溶着して封止するボンベ封止プラグ及び該封止プラグを用いたボンベ封止方法に関するものである。

従来の小型のガス容器に高圧ガスを注入し、その後に封板を溶着してガスを充填する方法は、広く知られている。このような方法は、ガス容器の材質がスチール、封板もスチールのように、電気抵抗が大きな金属材料では電気溶着が容易であるため実用化がし易い。

例えば、携帯用器具に用いる小型のガスボンベにはスチール製が多く用いられているが、安価ではある反面、重量が大きく、また海岸近くなどの環境で使用する場合にはスチール製よりもアルミニウム製が耐食性に優れている。このため、軽量で耐食性を有するアルミニウム製のボンベが求められている。

特開２００４−１７０４８号公報 特開２０１１−１７７７１５号公報

一般に、ガスを注入した後のガスボンベの封止は電気溶着により行っているが、アルミニウム製の場合は電気抵抗が小さく、ジュール熱による発熱量が小さいために電気溶着がなかなか難しい。

アルミニウムのような電気抵抗の小さな金属材料では、所要の発熱量を得るために、スチールの場合に比べて、５〜１０倍の電流を流す必要がある。このため、接触部に過大な電流が流れて、接触部の金属が溶け出してアークが発生し、また溶けた金属が吹き飛ばされる所謂爆飛が生じ易い。

特許文献１、２は必ずしもアルミニウム製のボンベ本体ではないが、ボンベ本体に高圧ガスを充填し、その後に封板をボンベ本体に溶着して製造する方法として、原理的に適用できる可能性がある。しかし、被溶着部の同軸度確保が不充分で、またガス注入通路の確保も考慮されておらず、現実的な適用はなかなか困難である。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、アルミニウム製のボンベ本体に対し、高圧ガスを注入すると共に、電気溶着によって封止プラグにより封止するボンベ封止プラグ及び該封止プラグを用いたボンベ封止方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るボンベ封止プラグは、アルミニウム製のボンベ本体の円筒状の口部に装着し該口部との間から前記ボンベ本体内にガスを注入し、前記口部に圧入すると共に電流により溶着して、前記ボンベ本体を封止するアルミニウム製のボンベ封止プラグであって、軸方向に設けた中空部と、該中空部内を閉止する薄肉の封板と、前記口部に圧入して前記口部との間の接続部を溶着する円筒状の溶着部と、該溶着部の後端側に位置し該溶着部の径よりも大きい電極接触用の円環状のフランジ部と、前記溶着部の先端側に位置しガス注入口を有する短円筒状のガス注入部と、前記溶着部の内側の前記中空部内に嵌入した別体の円筒状のスリーブとを有することを特徴とする。

また、本発明に係る封止プラグを用いたボンベ封止方法は、アルミニウム製のボンベ本体の口部に設けた口部と該口部に装着したアルミニウム製の封止プラグとの間から前記ボンベ本体内にガスを注入し、前記封止プラグを前記口部に電気溶着して封止するボンベ封止方法において、前記封止プラグは軸方向に設けた中空部と、該中空部内を閉止する薄肉の封板と、前記口部に圧入して前記口部との間の接続部を溶着する円筒状の溶着部と、該溶着部の後端側に位置し該溶着部の径よりも大きい電極接触用の円環状のフランジ部と、前記溶着部の先端側に位置しガス注入口を有する短円筒状のガス注入部と、前記溶着部の内側の前記中空部内に嵌入した別体の円筒状のスリーブとを備え、前記溶着部を前記口部の入口に当接する仮装着工程と、該仮装着した状態で前記口部、前記ガス注入部を介して高圧ガスを前記ボンベ本体内に注入するガス注入工程と、該ガス注入の直後に前記溶着部を前記口部内に圧入する本装着工程と、該本装着工程と同時に又はその後に前記溶着部と前記口部との間の接触部に電流を瞬時的に流し該接触部を溶着する電気溶着工程とを有することを特徴とする。

本発明に係るボンベ封止プラグ及び該封止プラグを用いたボンベ封止方法によれば、上述の課題を解消し、アルミニウム製のボンベ本体の口部に対し、同材料の封止プラグを用いてガスを注入しながら電気溶着により封止する。

一部を切欠した状態のボンベ本体の側面図である。 封止プラグの斜視図である。 封止プラグを口部に仮装着した状態の拡大断面図である。 封止プラグを口部に仮装着した状態の一部の拡大断面図である。 ガス注入供給装置、溶着装置の構成図である。 電気溶着をするための電流供給用の回路構成図である。 ボンベ本体内にガスを注入し、封止プラグによる封止する封止方法の工程のフローチャート図である。 封止プラグを口部内に圧入する状態の説明図である。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は例えば高圧の炭酸ガスを内部に充填したアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製のボンベ本体１の一部を切欠した状態の側面図である。ボンベ本体１は鍛造等により造られ、その大きさは、例えば高さ１４５ｍｍ、外径４０ｍｍである。

ボンベ本体１の円筒状の口部１ａの内径は、例えば６．５ｍｍ、長さ１０ｍｍとされており、その内径は溶着機への電流負荷及び口部１ａの近傍の溶着時の加圧による変形防止の観点から、できるだけ小さい方が好ましい。一方で、十分なガス注入通路の確保の観点からは、内径はできるだけ大きい方が好ましく、両者の兼ね合いで定めることが好ましい。口部１ａの上部つまり入口側に形成され、上方に拡がるテーパ部１ｂのテーパ角は４５度であり、テーパ部１ｂの軸方向長さと径方向の大きさは例えば０．５ｍｍであるが、テーパ角は４５度に限定されることはない。

口部１ａにはボンベ封止プラグ２が挿入され、電気溶着により固定されている。この封止プラグ２は口部１ａの筒内に配置され、口部１ａを密封している。また、口部１ａの周囲には、ボンベ使用時に器具を螺合するためのねじ部１ｃが形成されており、このねじ部１ｃに器具を螺合しながら封止プラグ２の後述する封板に器具に備えたニードルを突き刺して、口部１ａからボンベ本体１内のガスを器具内に吐出させる。なお、図１は理解を容易にするために、断面図において口部１ａと封止プラグ２とは境界部を明瞭に示しているが、実際には溶着により境界部は不鮮明となっている。

図２は封止プラグ２の斜視図、図３は封止プラグを口部に仮装着した状態の拡大断面図である。この封止プラグ２の基体２ａは、複数の異径部分の円筒体等を持つ形状とされたアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の一体成型品である。基体２ａの中心に位置する基幹部は円筒状の溶着部２ｂとされており、この溶着部２ｂは例えば直径７．５ｍｍ、高さ３．５ｍｍであり、直径は口部１ａの内径よりも稍々大きい範囲であることが好ましい。なお、溶着部２ｂの直径が大き過ぎると、圧入抵抗が大きくなり過ぎて口部１ａに圧入不能となり、小さ過ぎると十分な接触圧が得られないことから良好な電気溶着が得られない。

溶着部２ｂの下部には、口部１ａのテーパ部１ｂに対応するテーパ角を有するテーパ面２ｃが形成されており、溶着部２ｂの口部１ａへの圧入を容易にしている。

図４にも示すように、溶着部２ｂの先端側つまり下方には、例えば直径６ｍｍ、高さ０．２ｍｍの短円筒状のガス注入部２ｄが設けられている。このガス注入部２ｄには、ガス注入工程におけるガス注入通路を確保するために機能する周端部２ｅが口部１ａのテーパ部１ｂの下部に当接するようにされ、複数個の切欠きから成るガス注入口２ｆがガス注入部２ｄの周囲に等間隔に設けられている。このガス注入部２ｄの直径はその周端部２ｅを口部１ａへの当接を確保する観点から口部１ａの内径よりも稍々大きく、良好な溶着の確保のために、高さはできるだけ低い方が好ましい。ガス注入口２ｆの幅は０．３ｍｍ程度が好ましく、その個数はガス注入時間の観点からは多い方が望ましく、仮装着時の位置決めの確保を考えると、できるだけ少ない方が好ましいが３〜８個程度が好適である。

ガス注入部２ｄの下方には円筒状のガイド部２ｇが設けられ、このガイド部２ｇは例えば直径５．５ｍｍ、高さ０．５ｍｍである。封止プラグ２の装着時の口部１ａに対する同軸確保と、封止プラグ２が傾斜したとき口部１ａに接触させないための観点から、ガイド部２ｇの直径は口部１ａの内径よりも小さい範囲で、できるだけ大きい方が好ましい。また、ガス注入通路の確保及び封止プラグ２の装着の容易性から、口部１ａの径よりも０．５ｍｍ程度小径であることが最適である。ガイド部２ｇの高さは封止プラグ２の装着時の口部１ａに対する同軸度確保の観点からは大きい方が好ましく、装着の容易さからはできるだけ小さい方が好ましく、０．５〜１ｍｍ程度が最適である。

また、ガイド部２ｇの下方には、例えば直径５．５ｍｍ、高さ２．６ｍｍの円筒状のガイドピン部２ｈが設けられている。封止プラグ２の仮装着工程から本装着工程までの倒れ防止と、封止プラグ２が傾斜した場合でも外周が口部１ａに接触しないようにするために、ガイドピン部２ｈの直径は口部１ａの内径よりも十分小さい範囲で、できるだけ大きい方が好ましい。また、ガス注入通路の確保及びピン装着の容易性からは、ガイドピン部２ｈの直径はできるだけ小さい方が好ましく、概ね口部１ａの内径よりも２ｍｍ程度小さいことが好適である。

これらのガイド部２ｇ、ガイドピン部２ｈは、封止プラグ２を仮装着した状態における口部１ａに挿入される部位である。封止プラグ２の仮装着時において、ガイド部２ｇ、ガイドピン部２ｈを２段に設けることにより、封止プラグ２の装着の容易性、倒れ防止、口部１ａに対する同軸度を確保できる。なお、封止プラグ２が正しく仮装着される保証があれば、ガイド部２ｇ、ガイドピン部２ｈは省略することもできる。

封止プラグ２の基体２ａの中心部は中空とされ、中間に設けた例えば厚さ０．５ｍｍの薄肉の封板２ｉにより中空部内は閉止されており、封板２ｉの上方の中空部は封板２ｉに対する傷防止用凹み２ｊとされ、下方の中空部２ｋの下部には、補強用の外径３．１ｍｍの別体の円筒状スリーブ２ｌが嵌入されている。このスリーブ２ｌは基体２ａと同材質のアルミニウム製であることが好ましく、スリーブ２ｌの内側には軸方向に径０．５ｍｍの細径のガス排出孔２ｍが設けられている。このスリーブ２ｌは、封板２ｉを形成するために中空部２ｋを穿孔した後に嵌入される。そして、ガス噴出のために封板２ｉを突き破るニードルの先端がスリーブ２ｌに届かないように、封板２ｉとスリーブ２ｌの上端とは３ｍｍ程度の空隙を設けることが好ましい。

溶着部２ｂの上端側の基体２ａの上部には電極接触用の円環状のフランジ部２ｎが設けられており、このフランジ部２ｎは例えば直径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍとされている。フランジ部２ｎの直径が小さいと、後述する上部電極との接触面で十分な接触面積と接触強さが得られず、また口部１ａの入口周囲を十分に覆うことができずに、溶着電流により溶着部が爆飛し易い。

従って、フランジ部２ｎの直径は溶着部２ｂの直径よりも十分に大きく、かつ上部電極に対する十分な接触面積と接触強度を有することが好ましい。これにより、フランジ部２ｎは溶着時に溢れ出る爆飛、つまり流動状の金属ばりを十分に押さえることができ、また後述する封止プラグ２の仮装着から本装着への移行時に十分な押圧力を与えることができる。

図５はボンベ本体１にガスを注入し、口部１ａを封止プラグ２を用いて電気溶着により密封する場合に使用するガス注入装置及び溶着装置の構成図である。ガス注入時に、溶着時状態のボンベ本体１をその底部を下方から支持し、例えば油圧シリンダにより昇降するクランプ部１１が設けられ、上方の口部１ａの周囲を例えばテフロン（登録商標）から成るパッキン１２により取り囲むガス供給装置１３が設けられている。パッキン１２は供給部本体１４に固定され、供給部本体１４には側方からガス供給管１５が接続され、ガス供給管１５はガス開閉弁１６によって図示しないガス供給源との間を開閉されるようになっている。

また、パッキン１２、供給部本体１４には挿通孔１７が上下方向に形成されており、この挿通孔１７内を上部電極１８が上下動するようにされている。更に、この状態のボンベ本体１の側部に下部電極１９が取り付けられて配置されている。

図６はボンベ本体１の口部１ａに封止プラグ２を挿入して電気溶着をするための回路構成図である。ボンベ本体１、封止プラグ２に固定した上部電極１８、下部電極１９には溶接トランス２１を介して電源装置が接続されている。単相又は三相電線が整流回路、定電圧回路、制御回路を一体とした電源装置２２に接続され、電源装置２２の出力側にはコンデンサ２３が並列に接続され、更に蓄電ダイオード２４、放電ダイオード２５を介して溶接トランス２１に接続されている。

図７はボンベ本体１にガスを注入し、口部１ａに封止プラグ２を溶着して密封するボンベ封止方法の工程のフローチャート図である。例えば、各装置は所定のプログラムに従って、次の一連の工程の動作が自動的に行われる。

［第１工程：Ｓ１］ガス注入及び溶着に際して、ボンベ本体１の口部１ａを上方に向け、口部１ａの入口に封止プラグ２をセットする。ただし、この第１工程Ｓ１では、封止プラグ２は口部１ａに当接しているだけで、口部１ａ内に挿入しているわけではない。

［第２工程：Ｓ２］ボンベ本体１の底部をクランプ部１１に取り付け、クランプ部１１を上方に押し上げることにより、口部１ａの周辺をガス供給装置１３のパッキン１２により取り囲み、ガス供給装置１３内に下方から挿入する。ガス供給装置１３はパッキン１２及び必要個所に設けられたＯリングにより、ボンベ本体１の口部１ａの周囲に対して密封した状態となる。また、ボンベ本体１の中間部に下部電極１９を取り付ける。

［第３工程：Ｓ３］ガス供給装置１３内の上部電極１８を所定距離だけ押し下げると、上部電極１８は封止プラグ２のフランジ部２ｎの上部に接し、封止プラグ２は稍々下方に押し下げられ仮装着状態となる。この仮装着状態では、図３に示すように封止プラグ２のガイドピン部２ｈ、ガイド部２ｇは口部１ａ内に押し込まれ、ガス注入部２ｄの周端部２ｅが口部１ａのテーパ部１ｂの下部に当接し、溶着部２ｂのテーパ面２ｃと口部１ａのテーパ部１ｂとの間に平行状態の間隙が形成される。なお、この仮装着及び後述する本装着は、上部電極１８に対して封止プラグ２を相対的に動かすことによっても実施可能である。

［第４工程：Ｓ４］第３工程Ｓ３の仮装着状態において、外部のガス供給源に接続したガス開閉弁１６を開いて、ガス供給装置１３内に高圧ガスを導入する。ガス供給装置１３内に導入された高圧ガスは、更にテーパ面２ｃとテーパ部１ｂとの間隙を通り、ガス注入部２ｄのガス注入口２ｆを介してボンベ本体１内に注入される。

［第５工程：Ｓ５］第４工程Ｓ４のボンベ本体１内へのガス注入の終了を見図って、その直後に上部電極１８を更に下降して封止プラグ２のフランジ部２ｎを下方に押して、図８に示すようにテーパ面２ｃをガイドとして溶着部２ｂの径を狭め、口部１ａを拡げながら溶着部２ｂを口部１ａ内に強制的な本装着の圧入を始める。このとき、スリーブ２ｌは溶着部２ｂの径が必要以上に小さくならないように補強の役割を果している。

［第６工程：Ｓ６］封止プラグ２の圧入の開始に伴って、放電ダイオード２５を作動して上部電極１８、下部電極１９間に瞬時的に電流を流す。この電流は図６に示す溶接トランス２１、電源装置２２により得られる。コンデンサ２３に蓄電された電荷を放電することにより、電圧は数ボルトではあるが数万アンペアの電流が上部電極１８、下部電極１９ａの間を流れ、溶着部２ｂと口部１ａとの接触部に集中し、接続部及びその周囲をジュール熱により加熱して溶着する。

更に、通電中に封止プラグ２が完全な本装着状態となるまで上部電極１８は押し下げる。この封止プラグ２の溶着による封止によって内部の高圧ガスが口部１ａから漏れることはなくなる。なお、このときフランジ部２ｎは封止プラグ２を口部１ａ内に入り過ぎないようにするストッパとしても機能している。この第６工程Ｓ６は、第５工程Ｓ５における封止プラグ２の圧入による本装着が終了すると同時に行ってもよい。

［第７工程：Ｓ７］第５工程Ｓ５、第６工程Ｓ６が完了した後に、ガス開閉弁１６を閉止して、ガスのガス供給装置１３内への供給を停止する。同時に、上部電極１８を上昇させ、下部電極１９を取り外し、更にクランプ部１１を下降してボンベ本体１の口部１ａの周囲の密封を解除する。次いで、高圧ガスの充填が完了した図１に示すボンベ本体１をクランプ部１１から取り出す。

このようにして、高圧ガスを充填したボンベ本体１に対し、口部１ａの周囲のねじ部１ｃに使用器具を螺着しながら、封止プラグ２の封板２ｉを使用器具のニードルにより突き破ると、ボンベ本体１内の高圧ガスは封止プラグ２のスリーブ２ｌのガス排出孔２ｍを介して外部に吐出され、このガスを使用器具において使用できる。

１ ボンベ本体
１ａ 口部
１ｂ テーパ部
２ 封止プラグ
２ａ 基体
２ｂ 溶着部
２ｃ テーパ面
２ｄ ガス注入部
２ｅ 周端部
２ｆ ガス注入口
２ｇ ガイド部
２ｈ ガイドピン部
２ｉ 封板
２ｌ スリーブ
２ｍ ガス排出孔
２ｎ フランジ部
１３ ガス供給装置
１６ ガス開閉弁
１８ 上部電極
１９ 下部電極
２２ 電源装置

Claims (5)

1. アルミニウム製のボンベ本体の円筒状の口部に装着し該口部との間から前記ボンベ本体内にガスを注入し、前記口部に圧入すると共に電流により溶着して、前記ボンベ本体を封止するアルミニウム製のボンベ封止プラグであって、軸方向に設けた中空部と、該中空部内を閉止する薄肉の封板と、前記口部に圧入して前記口部との間の接続部を溶着する円筒状の溶着部と、該溶着部の後端側に位置し該溶着部の径よりも大きい電極接触用の円環状のフランジ部と、前記溶着部の先端側に位置しガス注入口を有する短円筒状のガス注入部と、前記溶着部の内側の前記中空部内に嵌入した別体の円筒状のスリーブとを有することを特徴とするボンベ封止プラグ。
2. 前記溶着部の前記ガス注入部側には前記溶着部の前記口部への装着を容易とするテーパ面を形成したことを特徴とする請求項１に記載のボンベ封止プラグ。
3. アルミニウム製のボンベ本体の口部に設けた口部と該口部に装着したアルミニウム製の封止プラグとの間から前記ボンベ本体内にガスを注入し、前記封止プラグを前記口部に電気溶着して封止するボンベ封止方法において、前記封止プラグは軸方向に設けた中空部と、該中空部内を閉止する薄肉の封板と、前記口部に圧入して前記口部との間の接続部を溶着する円筒状の溶着部と、該溶着部の後端側に位置し該溶着部の径よりも大きい電極接触用の円環状のフランジ部と、前記溶着部の先端側に位置しガス注入口を有する短円筒状のガス注入部と、前記溶着部の内側の前記中空部内に嵌入した別体の円筒状のスリーブとを備え、前記溶着部を前記口部の入口に当接する仮装着工程と、該仮装着した状態で前記口部、前記ガス注入部を介して高圧ガスを前記ボンベ本体内に注入するガス注入工程と、該ガス注入の直後に前記溶着部を前記口部内に圧入する本装着工程と、該本装着工程と同時に又はその後に前記溶着部と前記口部との間の接触部に電流を瞬時的に流し該接触部を溶着する電気溶着工程とを有することを特徴とする封止プラグを用いたボンベ封止方法。
4. 前記封止プラグの仮装着状態において、前記ガス注入部の周端部を前記口部のテーパ部に当接し、前記口部のテーパ部と前記溶着部のテーパ面に若干の間隙を設けた平行状態とし、前記テーパ部とテーパ面間を通路とし、更に前記ガス注入部に設けたガス注入口を介して高圧ガスを前記ボンベ本体内に注入することを特徴とする請求項３に記載の封止プラグを用いたボンベ封止方法。
5. 前記ボンベ本体に一方の電極と接触し、前記封止プラグのフランジ部に他方の電極を接触し、これらの電極間から前記接触部に電流を供給することを特徴とする請求項３又は４に記載の封止プラグを用いたボンベ封止方法。

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