特開 2024-153243 圧力容器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024153243

(43)【公開日】2024-10-29

(54)【発明の名称】圧力容器

(51)【国際特許分類】

   F16J 12/00 20060101AFI20241022BHJP

   F17C 1/06 20060101ALI20241022BHJP

【ＦＩ】

F16J12/00 B

F17C1/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023067012

(22)【出願日】2023-04-17

(71)【出願人】

【識別番号】308039414

【氏名又は名称】株式会社ＦＴＳ

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 吉則

(72)【発明者】

【氏名】酒井 孝典

(72)【発明者】

【氏名】大須賀 伸浩

【テーマコード（参考）】

3E172

3J046

【Ｆターム（参考）】

3E172AA02

3E172AA05

3E172AA06

3E172BA01

3E172BB05

3E172BB12

3E172BB17

3E172BC04

3E172BC05

3E172BD03

3E172CA13

3E172CA14

3E172CA19

3E172CA20

3E172CA22

3E172DA36

3J046AA20

3J046BA02

3J046BB02

3J046BC02

3J046BC06

3J046BC15

3J046CA01

3J046CA04

3J046DA05

3J046EA02

(57)【要約】

【課題】軽量化を図る。
【解決手段】圧力容器１０は、両端が開口した筒状部材１２と、筒状部材１２の両端部に接合される一対のドーム状部材２５とを備え、ドーム状部材２５は、金属製のベース部材２６と、ベース部材２６の外面に積層された繊維強化プラスチックからなる補強層３５と備えて構成されている。繊維強化プラスチックは金属に比べると比強度が高いので、金属のみで構成されたドーム状部材に比べると、軽量化を実現することができる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

両端が開口した筒状部材と、
前記筒状部材の両端部に接合される一対のドーム状部材とを備え、
前記ドーム状部材は、金属製のベース部材と、前記ベース部材の外面に積層された繊維強化プラスチックからなる補強層と、を備えて構成されている圧力容器。

【請求項2】

前記補強層は、繊維強化プラスチックからなる複数枚の細長いテープ状補強部材を、前記ベース部材の外面に対して互いに異なる経路に沿うように貼着することによって構成されている請求項１に記載の圧力容器。

【請求項3】

前記ドーム状部材のうち前記筒状部材に臨む開口部の開口縁部が、前記ドーム状部材に対する接合部として機能し、
前記テープ状補強部材は、前記接合部の周方向に間隔を空けた２位置間を結ぶ経路で貼着され、
前記補強層は、複数枚の前記テープ状補強部材同士が部分的に重なった積層部を有している請求項２に記載の圧力容器。

【請求項4】

前記補強層は、複数枚の前記テープ状補強部材の端部の外面に対し、前記接合部に沿うように貼着された細長いテープ状連結部材を有している請求項３に記載の圧力容器。

【請求項5】

前記テープ状連結部材が、繊維強化プラスチックからなる請求項４に記載の圧力容器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧力容器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、軸方向の両端が開放された円筒状の第１ライナ構成部材と、ドーム状をなす一対の第２ライナ構成部材とを有する圧力容器が開示されている。一対の第２ライナ構成部材は、第１ライナ構成部材の両端部に接合されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－２３９９６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

高圧の流体が貯留される圧力容器においては、要求される強度が高くなるほど、第２ライナ構成部材の厚みを増す必要がある。しかし、特許文献１においては、第２ライナ構成部材の材料として金属（アルミニウム）が用いられているため、要求される強度が高くなると、第２ライナ構成部材の重量が大きくなるという問題がある。

【0005】

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、軽量化を図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の圧力容器は、
両端が開口した筒状部材と、
前記筒状部材の両端部に接合される一対のドーム状部材とを備え、
前記ドーム状部材は、金属製のベース部材と、前記ベース部材の外面に積層された繊維強化プラスチックからなる補強層と、を備えて構成されている。

【発明の効果】

【0007】

繊維強化プラスチックは金属に比べると比強度が高いので、金属のみで構成されたドーム状部材に比べると、本開示のドーム状部材は、軽量化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例１の圧力容器の断面図

【図2】圧力容器を筒状部材とドーム状部材に分離した状態をあらわす断面図

【図3】筒状部材とドーム状部材との接合構造をあらわす部分拡大断面図

【図4】ドーム状部材における口金の近傍領域の部分拡大断面図

【図5】ドーム状部材の側面図

【図6】ドーム状部材に対するテープ状補強部材の貼着過程における初期状態をあらわす正面図

【図7】ドーム状部材に対するテープ状補強部材の貼着過程における中盤状態をあらわす正面図

【図8】ドーム状部材に対するテープ状補強部材の貼着過程が完了した状態をあらわす正面図

【発明を実施するための形態】

【0009】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。下記の複数の形態例を、矛盾を生じない範囲で任意に組み合わせたものも、発明を実施するための形態に含まれる。
前記補強層は、繊維強化プラスチックからなる複数枚の細長いテープ状補強部材を、前記ベース部材の外面に対して互いに異なる経路に沿うように貼着することによって構成されている。シート状をなす１枚の補強部材を、ベース部材の曲面からなる外面に貼り付けた場合には、皺の寄った補強層が構成されるため、補強層の強度低下が懸念される。これに対し、複数枚の細長いテープ状補強部材を貼着した場合には、補強層に皺が寄る虞がないので、補強層による高い強度を確保することができる。

【0010】

前記ドーム状部材のうち前記筒状部材に臨む開口部の開口縁部が、前記ドーム状部材に対する接合部として機能する。前記テープ状補強部材は、前記接合部の周方向に間隔を空けた２位置間を結ぶ経路で貼着されている。前記補強層は、複数枚の前記テープ状補強部材同士が部分的に重なった積層部を有している。この構成によれば、補強層は、複数枚のテープ状補強部材同士が部分的に重なった積層部を有するので、高い強度を有する。

【0011】

前記補強層は、複数枚の前記テープ状補強部材の端部の外面に対し、前記接合部に沿うように貼着された細長いテープ状連結部材を有している。この構成によれば、複数枚のテープ状補強部材の端部同士をテープ状連結部材によって連結したので、テープ状補強部材の端部がベース部材から剥がれることを防止できる。

【0012】

前記テープ状連結部材が、繊維強化プラスチックからなる。この構成によれば、テープ状連結部材が繊維強化プラスチックからなるので、複数枚のテープ状補強部材の端部同士を確実に連結することかできる。

【0013】

＜実施例１＞
以下、本発明を具体化した実施例１を図１～図８を参照して説明する。尚、以下の説明において、前後の方向については、図１～５における左右方向を前後方向と定義する。本実施例１の圧力容器１０は、車両（図示省略）に搭載して使用される。具体的には、圧力容器１０は、車内（例えば、荷物室）又は車外（ボディの床下）に配置される。圧力容器１０の内部には、高圧流体（液化ガスと気化ガス）を貯留するための気密性を有する貯留室１１が形成されている。液化ガスは、常温・大気圧下において気相であるガスを、加圧によって液相へ相転移したものである。高圧の気化ガスは、液化ガスの蒸発によって生成された気体である。

【0014】

圧力容器１０は、筒状部材１２と、前後対称な一対のドーム状部材２５とを有するカプセル状の部材である。筒状部材１２は、軸線を前後方向（水平方向）に向けた円筒形をなす部位である。ドーム状部材２５は、略半球状（お椀形）をなす部位であり、筒状部材１２の前後両端の開口を閉塞するように配置されている。筒状部材１２と一対のドーム状部材２５は、互いに独立した異なる部品として製造された部品からなる。圧力容器１０は、１つの筒状部材１２と２つのドーム状部材２５とを締結部材（ナット１５と締結ボルト２２）によって接合して構成されている。

【0015】

筒状部材１２は、金属製であり、剛性と強度の高い部材である。筒状部材１２の外周面における前後両端部には、前後一対の筒側フランジ部１３が一体に形成されている。筒側フランジ部１３は、筒状部材１２と同心の円環形をなす。図３に示すように、筒側フランジ部１３には、周方向に間隔を空けた複数の筒側取付孔１４が形成されている。筒側取付孔１４は、筒側フランジ部１３を前後方向に貫通する。筒側フランジ部１３のうち筒状部材１２の軸線方向中央側の面には、各筒側取付孔１４と同軸状に配置されたナット１５が溶接によって固着されている。

【0016】

筒状部材１２の前後両端面には、周方向のシール溝１６が形成されている。シール溝１６には、リング状のシール部材１７が取り付けられている。シール部材１７は、シール溝１６に嵌合される挟圧シール部１８と、前後一対のセルフシール部１９とを有する。一対のセルフシール部１９は、挟圧シール部１８の内周端から前後両方向へ延出した部位である。各セルフシール部１９の内周面は、貯留室１１内に臨む受圧面２０として機能する。筒状部材１２の内周面の前後両端部には、一対のセルフシール部１９のうち一方のセルフシール部１９の外周面が密着する。

【0017】

ドーム状部材２５は、筒状部材１２よりも比重（密度）が小さく、筒状部材１２と同等の強度、又は筒状部材１２よりも高い強度を有する部材である。ドーム状部材２５は、略半球形（お椀形）をなす金属製のベース部材２６と、ベース部材２６の外面に密着した補強層３５とを備えて構成された複合部材である。ベース部材２６と補強層３５とを合わせたドーム状部材２５全体の厚さは、筒状部材１２の厚さと同一の寸法である。

【0018】

ベース部材２６は、筒状部材１２と同一の金属材料でもよく、筒状部材１２とは異種の金属材料でもよい。金属の具体例としては、鉄を主成分とする各種鋼材や合金等がある。ベース部材２６は、ドーム部２７とドーム側フランジ部２８とを有する単一部品である。ドーム部２７は、筒状部材１２の開口を閉塞する略半球状の部位である。ドーム部２７の頂部には、円形の口金２９がドーム部２７を同心状に貫通した状態で取り付けられている。ドーム部２７のうち筒状部材１２に臨む開口部の開口縁部は、筒状部材１２に接合される接合部３０として機能する。

【0019】

ドーム側フランジ部２８は、接合部３０から径方向外方へ張り出している。ドーム側フランジ部２８は、ドーム部２７及び筒側フランジ部１３と同心の円環形をなす。ドーム側フランジ部２８には、周方向に間隔を空けた複数のドーム側取付孔３１が形成されている。ドーム側取付孔３１は、ドーム側フランジ部２８を前後方向に貫通する。

【0020】

ベース部材２６は、筒状部材１２よりも薄肉であるが、補強層３５によって補強されている。補強層３５は、ベース部材２６の外面のうち口金２９の取付け領域とドーム側フランジ部２８とを除いた領域に形成されている。換言すると、補強層３５は、ドーム部２７の外面のうち口金２９の取付け領域を除いた全領域に配置されている。補強層３５は、複数枚の細長いテープ状補強部材３６と、１本のテープ状連結部材３７とによって構成されている。テープ状補強部材３６とテープ状連結部材３７は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる。テープ状補強部材３６とテープ状連結部材３７は、炭素繊維の束（図示略）に液状の熱硬化性樹脂を含浸させたもの、または炭素繊維の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）である。

【0021】

複数枚のテープ状補強部材３６は、粘着性を有し、ドーム部２７の外面において互いに異なる経路に沿って一枚ずつ貼り付けられている。具体的には、図６～８に示すように、ドーム部２７の接合部３０（ドーム部２７の外面におけるドーム側フランジ部２８との境界）を周方向に等分割することによって複数の貼着用基準点Ｐを設定する。貼着用基準点Ｐの数は、接合部３０の周長をテープ状補強部材３６の幅寸法で除した値と同じ数か、それよりも多い数とする。その上で、周方向に間隔を空けた２つの貼着用基準点Ｐのうち一方の貼着用基準点Ｐを起点とし、他方の貼着用基準点Ｐを終点とする経路に沿って、テープ状補強部材３６を貼り付ける。テープ状補強部材３６の貼着経路は、口金２９の外周縁にテープ状補強部材３６の側縁が外接する経路である。

【0022】

先に貼り付けたテープ状補強部材３６の起点に対して、その次に貼り付けるテープ状補強部材３６の起点は、周方向に一定の間隔を空ける。貼着用基準点Ｐの設定の一例として、本実施例１では、接合部３０を周方向に３６分割し、隣り合う貼着用基準点Ｐ間のピッチを１０°に設定した。その上で、先に貼着するテープ状補強部材３６の起点と、その次に貼着するテープ状補強部材３６の起点とを、５ピッチずつずらしている。つまり、テープ状補強部材３６の貼着の起点は、図６～８における時計回り方向へ５０°ずつ順次にずれていく。尚、貼着用基準点Ｐの数や、貼着の起点をずらすピッチは、適宜変更し、設定することができる。

【0023】

複数枚のテープ状補強部材３６を貼着していく過程では、貼着済みのテープ状補強部材３６の外面に、後から貼着するテープ状補強部材３６が部分的に重ねられていく。また、先に貼り付けられたテープ状補強部材３６の貼着の起点が、後に貼り付けられるテープ状補強部材３６の貼着の終点となる。このように、補強層３５は、テープ状補強部材３６同士が部分的に重なった積層部３８を有している。

【0024】

全てのテープ状補強部材３６の貼着が完了すると、ドーム部２７の外面のうち口金２９を除いた領域の全体が、テープ状補強部材３６によって覆われる。この後、１本のテープ状連結部材３７を、テープ状補強部材３６の外面に対して周方向に巻き付けるように貼り付ける。図５に示すように、テープ状連結部材３７の貼着経路は、ドーム部２７のうちドーム側フランジ部２８との境界である接合部３０に沿った経路である。尚、図５においては、１本１本のテープ状補強部材３６の輪郭を省略している。

【0025】

テープ状連結部材３７は、少なくとも接合部３０を１周以上の長さに亘って貼着されている。テープ状連結部材３７は、その粘着力によって、テープ状補強部材３６の長さ方向の端部同士が重なり合った部分（積層部３８の一部）を外面側から径方向内側へ押さえ付けているので、テープ状補強部材３６の端部は、ドーム部２７の外面や他のテープ状補強部材３６から剥がれる虞がない。以上により、補強層３５の形成が完了すると同時に、ドーム状部材２５の製造が完了する。

【0026】

炭素繊維強化プラスチックからなる補強層３５の密度（比重）は、金属からなるベース部材２６（ドーム部２７）の密度よりも小さい。炭素繊維強化プラスチックの比強度（引っ張り強さを密度で除した値）は、金属（例えば、鉄を主とする鋼材や合金）からなるベース部材２６よりも大きい。したがって、本実施例１のドーム状部材２５（ドーム部２７）と同一の厚さであって金属のみで構成されたドーム状の部材（図示省略）に比べると、本実施例１のドーム状部材２５は軽量である。

【0027】

ドーム状部材２５と筒状部材１２を組み付ける際には、ドーム状部材２５を筒状部材１２の開口部に配置し、図３に示すように、ドーム側フランジ部２８を筒側フランジ部１３に密着させるとともに、筒側取付孔１４にドーム側取付孔３１を整合させる。そして、締結ボルト２２を、ドーム側取付孔３１と筒側取付孔１４とに貫通させ、ナット１５にねじ込んで締め付ける。この締結ボルト２２とナット１５との締付けによって一対のドーム状部材２５と筒状部材１２とが一体化され、圧力容器１０の組付けが完了する。

【0028】

圧力容器１０を組み付けた状態では、シール部材１７の挟圧シール部１８が、筒側フランジ部１３とドーム側フランジ部２８との間で前後方向に挟み付けられて弾性変形する。挟圧シール部１８の弾性変形によって筒側フランジ部１３とドーム側フランジ部２８との間が気密状にシールされる。また、セルフシール部１９が筒状部材１２の内周面とドーム状部材２５の内周面に密着するので、貯留室１１内の圧力が上昇したときには、受圧面２０に作用する圧力によって、セルフシール部１９の外周面と筒状部材１２の内周面との間、及びセルフシール部１９の外周面とドーム状部材２５の内周面との間が、気密状にシールされる。

【0029】

本実施例１の圧力容器１０は、両端が開口した筒状部材１２と、筒状部材１２の両端部に接合される一対のドーム状部材２５とを備えている。ドーム状部材２５は、金属製のベース部材２６と、ベース部材２６の外面に積層された炭素繊維強化プラスチックからなる補強層３５と備えて構成されている。炭素繊維強化プラスチックは金属に比べると比強度が高いので、金属のみで構成されたドーム状部材２５に比べると、本実施例１のドーム状部材２５は、軽量化を実現することができる。

【0030】

ドーム状部材２５の強度は、金属製のベース部材２６と、炭素繊維強化プラスチックからなる補強層３５とによって確保される。炭素繊維強化プラスチックは金属に比べると比強度（引っ張り強さを密度で除した値）が高いので、ドーム状部材２５の厚さを一定に保ち、一定の強度を確保するという条件下において、ベース部材２６に対する補強層３５の厚さの割合を増すほど、ドーム状部材２５の軽量化が進む。

【0031】

補強層３５は、炭素繊維強化プラスチックからなる複数枚の細長いテープ状補強部材３６を、ベース部材２６の外面に対して互いに異なる経路に沿うように貼着することによって構成されている。シート状をなす１枚の補強部材を、ベース部材２６の曲面からなる外面に貼り付けた場合には、皺の寄った補強層３５が構成されるため、補強層３５の強度低下が懸念される。これに対し、本実施例１では、複数枚の細長いテープ状補強部材３６を貼着しているので、補強層３５に皺が寄る虞がなく、補強層３５による高い強度を確保することができる。

【0032】

ドーム状部材２５のうち筒状部材１２に臨む開口部の開口縁部が、ドーム状部材２５に対して接合される接合部３０として機能する。テープ状補強部材３６は、接合部３０の周方向に間隔を空けた２位置（貼着用基準点Ｐ）の間を結ぶ経路で貼着されている。補強層３５は、複数枚のテープ状補強部材３６同士が部分的に重なった積層部３８を有している。補強層３５は、複数枚のテープ状補強部材３６同士が部分的に重なった積層部３８を有しているので、高い強度を有する。

【0033】

補強層３５は、複数枚のテープ状補強部材３６の端部の外面に対し、接合部３０に沿うように貼着された細長いテープ状連結部材３７を有している。複数枚のテープ状補強部材３６の端部同士をテープ状連結部材３７によって連結したので、テープ状補強部材３６の端部がベース部材２６から剥がれることを防止できる。テープ状連結部材３７は、炭素繊維強化プラスチックからなるので、複数枚のテープ状補強部材３６の端部同士を確実に連結することができる。

【0034】

＜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。
補強層は、ベース部材の外面と金型との間に、溶融した炭素繊維強化プラスチックを注入して固化させたものであってもよい。
補強層は、細長いテープ状補強部材を接合部と同心状に貼着して構成してもよい。
テープ状補強部材の材料は、炭素繊維強化プラスチックに限らず、ガラス繊維やアラミド繊維で強化した繊維強化樹脂であってもよい。
複数枚のテープ状補強部材の端部同士を、テープ状連結部材によって連結しない形態としてもよい。
テープ状連結部材の材料は、炭素繊維強化プラスチックに限らず、ガラス繊維やアラミド繊維で強化した繊維強化樹脂であってもよい。

【符号の説明】

【0035】

１０…圧力容器
１２…筒状部材
２５…ドーム状部材
２６…ベース部材
３５…補強層
３０…接合部
３６…テープ状補強部材
３７…テープ状連結部材
３８…積層部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】