特許 7493409 一般複合容器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-23

(45)【発行日】2024-05-31

(54)【発明の名称】一般複合容器

(51)【国際特許分類】

   F17C 1/06 20060101AFI20240524BHJP

【ＦＩ】

F17C1/06

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020132436

(22)【出願日】2020-08-04

(65)【公開番号】P2022029208

(43)【公開日】2022-02-17

【審査請求日】2022-04-27

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】391018019

【氏名又は名称】ＪＦＥコンテイナー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001461

【氏名又は名称】弁理士法人きさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】六川 庄一

【審査官】矢澤 周一郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０３７９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０８５０５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２７０８７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１７Ｃ １／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

本体部分であるライナーと、
前記ライナーへ高圧ガスを充填させる供給バルブと、を備え、重心が前記ライナー側に位置する一般複合容器であって、
前記ライナーの外周には、複数のフープ層と複数のヘリカル層とを交互に形成することによって構成されている強化層と、単数または複数の繊維層からなる部分強化層とが設けられており、
前記ライナーは、円筒形状の胴部とドーム形状のドーム部とを有し、
前記部分強化層は、前記強化層よりも狭い範囲に設けられており、重心を含む前記ライナーの前記胴部の一部に設けられているものであり、
前記部分強化層は、
前記重心の位置から前記ライナーの長手方向の両側に対して同じ長さである
一般複合容器。

【請求項2】

前記部分強化層は、前記強化層の内側に設けられている
請求項１に記載の一般複合容器。

【請求項3】

前記部分強化層は、ヘリカル層で構成されている
請求項１または２に記載の一般複合容器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、酸素および水素などの高圧ガスが貯蔵される一般複合容器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、酸素および水素などの高圧ガスが貯蔵される一般複合容器が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の一般複合容器は、外部から受けた衝撃に対する耐久性（以下、耐衝撃性と称する）を向上させるため、容器の本体部分であるライナーの外周全体に強化樹脂などが巻かれている。そして、この強化樹脂は、必要な耐衝撃性を確保するため、複数層を構成するように一般複合容器のライナーの外周全体に巻かれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６１２００１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のような従来の一般複合容器では、必要な耐衝撃性を確保するため、ライナーの外周全体に複数層が構成されるように強化樹脂が巻かれている。なお、強化樹脂の巻き数を多くして層数を多くするほど強度は向上するが、その分重くなってしまう。しかしながら、このような一般複合容器は、医療用酸素容器、空気呼吸器用容器などの可搬容器、および、ドローン用の燃料タンクなど、軽量化が求められる分野でも使用されるため、必要な耐衝撃性を確保しつつ軽量化する必要があった。

【0005】

本発明では、上記課題が解決されるものであり、必要な耐衝撃性を確保しつつ軽量化することができる一般複合容器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る一般複合容器は、本体部分であるライナーと、前記ライナーへ高圧ガスを充填させる供給バルブと、を備え、重心が前記ライナー側に位置する一般複合容器であって、前記ライナーの外周には、複数のフープ層と複数のヘリカル層とを交互に形成することによって構成されている強化層と、単数または複数の繊維層からなる部分強化層とが設けられており、前記ライナーは、円筒形状の胴部とドーム形状のドーム部とを有し、前記部分強化層は、前記強化層よりも狭い範囲に設けられており、重心を含む前記ライナーの前記胴部の一部に設けられているものであり、前記部分強化層は、前記重心の位置から前記ライナーの長手方向の両側に対して同じ長さである。

【発明の効果】

【0007】

本発明に係る一般複合容器によれば、ライナーの外周において、重心を含み強化層よりも狭い範囲にのみ部分強化層が設けられている。そのため、必要な耐衝撃性を確保しつつ軽量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係る一般複合容器を示す外観図である。

【図2】実施の形態に係る一般複合容器の変形例を示す外観図である。

【図3】実施の形態に係る強化層および部分強化層がライナーに設けられた一般複合容器を示す図である。

【図4】図３に示す一般複合容器のＡ－Ａ断面図である。

【図5】図３に示す一般複合容器のＢ－Ｂ断面図である。

【図6】実施の形態に係る強化層および部分強化層がライナーに設けられた一般複合容器の第一の変形例を示す図である。

【図7】図３に示す一般複合容器のライナーに設けられた部分強化層を示す図である。

【図8】図３に示す一般複合容器のライナーに設けられた部分強化層の変形例を示す図である。

【図9】実施の形態に係る強化層および部分強化層がライナーに設けられた一般複合容器の第二の変形例を示す図である。

【図10】実施の形態に係る強化層および部分強化層がライナーに設けられた一般複合容器の第三の変形例を示す図である。

【図11】実施の形態に係る衝撃監視表示部が取り付けられた一般複合容器を示す外観図である。

【図12】実施の形態に係る一般複合容器に取り付けられた衝撃監視表示部が変色した状態を示す外観図である。

【図13】実施の形態に係る一般複合容器のアングル落下試験を示す図である。

【図14】実施の形態に係る一般複合容器および従来の一般複合容器の各落下試験における破裂圧力の相関関係を示すグラフである。

【図15】実施の形態に係る一般複合容器および従来の一般複合容器の重量の相関関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下には、図面に基づいて実施の形態が説明されている。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、明細書全文に示す構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

【0010】

実施の形態．
一般複合容器１は、医療用酸素容器、空気呼吸器用容器などの可搬容器、および、ドローン用の燃料タンクなど、様々な分野で使用されるものである。この一般複合容器１には、酸素および水素などが、内部で圧縮されて貯蔵される。つまり、一般複合容器１には、高圧ガスが貯蔵される。

【0011】

図１は、実施の形態に係る一般複合容器１を示す外観図である。図２は、実施の形態に係る一般複合容器１の変形例を示す外観図である。なお、図１および図２では、一般複合容器１から後述する強化層および部分強化層が図示省略されている。

【0012】

図１に示すように、一般複合容器１は、本体部分であるライナー２と、ライナー２へ高圧ガスを充填させる供給バルブ３と、で構成されている。なお、図２に示すように、供給バルブ３は、一般複合容器１内の高圧ガスを減圧させる減圧弁３ａを一体化したものでもよい。一般複合容器１のライナー２は、円筒形状の胴部２ａとドーム形状のドーム部２ｂとを有し、例えば、アルミニウム合金またはプラスチックなどで構成されている。また、このライナー２には、少なくとも胴部２ａの外周にＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）が巻き付けられている。ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）は、一般複合容器１の耐衝撃性を向上させるために設けられている。なお、ライナー２にＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）を巻き付ける方法は特に限定されないが、例えば、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）を採用することができる。

【0013】

ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）には、強化材として炭素繊維が用いられており、これに例えばエポキシ樹脂または変性エポキシ樹脂などの樹脂を含浸させて強度を向上させた複合材料であり、例えばＰＡＮ系炭素繊維あるいはＰＩＴＣＨ系炭素繊維などが用いられる。また、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹脂）には、強化材としてガラス繊維が用いられており、これに例えばエポキシ樹脂または変性エポキシ樹脂などの樹脂を含浸させて強度を向上させた複合材料であり、例えばＥガラス繊維あるいは石英ガラス繊維などが用いられる。

【0014】

図３は、実施の形態に係る強化層４および部分強化層５がライナー２に設けられた一般複合容器１を示す図である。図４は、図３に示す一般複合容器１のＡ－Ａ断面図である。図５は、図３に示す一般複合容器１のＢ－Ｂ断面図である。図６は、実施の形態に係る強化層４および部分強化層５がライナー２に設けられた一般複合容器１の第一の変形例を示す図である。図７は、図３に示す一般複合容器１のライナー２に設けられた部分強化層５を示す図である。図８は、図３に示す一般複合容器１のライナー２に設けられた部分強化層５の変形例を示す図である。図９は、実施の形態に係る強化層４および部分強化層５がライナー２に設けられた一般複合容器１の第二の変形例を示す図である。図１０は、実施の形態に係る強化層４および部分強化層５がライナー２に設けられた一般複合容器１の第三の変形例を示す図である。

【0015】

一般複合容器１は、図３に示すように、ライナー２の少なくとも胴部２ａの外周に設けられた複数の繊維層からなる強化層４を備えている。強化層４は、複数のフープ層と複数のヘリカル層とを交互に形成することによって構成されている。なお、フープ層およびヘリカル層の形成の順序は特に限定されない。すなわち、ライナー２上にフープ層、ヘリカル層、フープ層・・・の順序で形成してもよく、ライナー２上にヘリカル層、フープ層、ヘリカル層・・・の順序で形成してもよい。

【0016】

なお、実施の形態では、図３に示すように強化層４の最も外側の繊維層である最外層がフープ層となっているが、それに限定されず、図６に示すように強化層４の最外層がヘリカル層となっていてもよい。

【0017】

フープ層は、ライナー２に対してＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）を周方向に巻き付けることによって形成される層である。このとき、図３に示すように、フープ層のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）は、ライナー２の径方向から見たときに、ライナー２の長手方向に延びた軸Ｘと略垂直（９０°）となるように巻き付けられる。

【0018】

ヘリカル層は、ライナー２に対してＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）を傾斜させた状態で周方向に取り囲むように巻き付けることによって形成される層である。このとき、図６に示すように、ヘリカル層のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）は、ライナー２の径方向から見たときに、ライナー２の軸Ｘに対して傾斜するように巻き付けられる。ライナー２の軸Ｘに対する傾斜角は、略２０°以上に設定される。

【0019】

図４に示すように、強化層４の内側、かつ、重心Ｇを含むライナー２の胴部２ａの一部（以下、胴部中央部２ａ１と称する）には、単数の繊維層からなる部分強化層５が設けられている。ここで、重心Ｇとは、ライナー２と供給バルブ３とを備えた一般複合容器１の重心である。なお、部分強化層５は複数の繊維層で構成されていてもよい。

【0020】

図４および図５に示すように、重心Ｇを含むライナー２の胴部中央部２ａ１は、重心Ｇを含まないライナー２の胴部２ａの胴部中央部２ａ１以外の部分（以下、胴部側部２ａ２と称する）よりも繊維層の層数が多くなっており、ライナー２の胴部中央部２ａ１は、ライナー２の胴部側部２ａ２よりもヘリカル層が多くなっている。例えば、ライナー２の胴部中央部２ａ１は、ヘリカル層が４層、フープ層が３層の計７層であるのに対し、ライナー２の胴部側部２ａ２は、ヘリカル層が３層、フープ層が３層の計６層である。そして、ライナー２の胴部中央部２ａ１は、ライナー２の胴部側部２ａ２よりも最も内側の繊維層である最内層が１層多くなっており、図７に示すように、部分強化層５がヘリカル層で構成されている。なお、図８に示すように、部分強化層５がフープ層で構成されていてもよい。また、図９および図１０に示すように、部分強化層５は、強化層４の外側に設けられていてもよく、その場合、ライナー２の胴部中央部２ａ１は、ライナー２の胴部側部２ａ２よりも最外層が１層多くなる。なお、図９は、強化層４の最外層がヘリカル層で構成されており、部分強化層５がフープ層で構成されている一般複合容器１を示している。また、図１０は、強化層４の最外層がフープ層で構成されており、部分強化層５がヘリカル層で構成されている一般複合容器１を示している。

【0021】

また、部分強化層５は、重心Ｇの位置からライナー２の長手方向（軸Ｘ方向）において同じ長さの幅に設けられている。つまり、部分強化層５の幅方向の中央に重心Ｇが位置している。部分強化層５の幅は、例えば１００ｍｍであり、重心Ｇの位置からライナー２の長手方向に５０ｍｍずつ設けられている。

【0022】

図１１は、実施の形態に係る衝撃監視表示部９が取り付けられた一般複合容器１を示す外観図である。図１２は、実施の形態に係る一般複合容器１に取り付けられた衝撃監視表示部９が変色した状態を示す外観図である。なお、図１１および図１２では、一般複合容器１から強化層４および部分強化層５が図示省略されている。

【0023】

図１１および図１２に示されるように、一般複合容器１のライナー２には、ライナー２に対して所定値以上の衝撃が加わった際に変化する衝撃監視表示部９が取り付けられている。ここでは、衝撃監視表示部９は、ライナー２に対して所定値以上の衝撃が加わった際に変色する。変色箇所は、衝撃監視表示部９内の中央部９ａのみである。変色箇所は、図１２のハッチングで示されている。なお、衝撃監視表示部９は、ライナー２に対して所定値以上の衝撃が加わった際に変化するものであればよく、例えばライナー２に対して所定値以上の衝撃が加わった際に変色するのではなく膨らむなどでもよい。

【0024】

衝撃監視表示部９は、文字、図形またはそれらの組み合わせなどの表示によって製造元を表す製造元表示部９ｂを含んでいる。衝撃監視表示部９は、一般複合容器１のライナー２に取り付けられた状態で上からコーティングを施されている。

【0025】

図１３は、実施の形態に係る一般複合容器１のアングル落下試験を示す図である。なお、図１３の（ａ）は一般複合容器１のアングル落下試験の正面を示す図であり、図１３の（ｂ）は一般複合容器１のアングル落下試験の側面を示す図である。なお、図１３では、一般複合容器１から強化層４および部分強化層５が図示省略されている。

【0026】

アングル落下試験では、図１３に示すように、ライナー２に供給バルブ３が設けられた一般複合容器１を水平状態とし、コンクリートまたはこれと同等以上の硬度を有する水平面から３ｍの高さとなる位置から尖部であるアングル１０に落下させる。ここで、アングル１０は、略Ｌ字状を有し、角部が上となるように水平面に設置される。なお、アングル１０は、例えば、一辺の長さが３８～４０ｍｍ、厚さが４．８～５．０ｍｍであるが、それに限定されない。その後、ライナー２内の圧力が上限圧力と下限圧力とを所定時間毎に所定回数繰り返すように加減圧するサイクル試験を行い、サイクル試験後、破裂するまでライナー２内に水圧をかける破裂試験を行う。そして、破裂試験においてライナー２が破裂したときの圧力、つまり破裂圧力が基準値以上であれば、試験合格となる。

【0027】

また、水平落下試験では、ライナー２に供給バルブ３が設けられた一般複合容器１を水平状態とし、コンクリートまたはこれと同等以上の硬度を有する水平面から３ｍの高さとなる位置から水平面に落下させる。その後、ライナー２内の圧力が上限圧力と下限圧力とを所定時間毎に所定回数繰り返すように加減圧するサイクル試験を行い、サイクル試験後、破裂するまでライナー２内に水圧をかける破裂試験を行う。そして、破裂試験においてライナー２が破裂したときの圧力、つまり破裂圧力が基準値以上であれば、試験合格となる。

【0028】

また、垂直落下試験では、ライナー２に供給バルブ３が設けられた一般複合容器１を鉛直状態とし、コンクリートまたはこれと同等以上の硬度を有する水平面から３ｍの高さとなる位置から水平面に落下させる。その後、ライナー２内の圧力が上限圧力と下限圧力とを所定時間毎に所定回数繰り返すように加減圧するサイクル試験を行い、サイクル試験後、破裂するまでライナー２内に水圧をかける破裂試験を行う。そして、破裂試験においてライナー２が破裂したときの圧力、つまり破裂圧力が基準値以上であれば、試験合格となる。

【0029】

図１４は、実施の形態に係る一般複合容器１および従来の一般複合容器の各落下試験における破裂圧力の相関関係を示すグラフである。図１５は、実施の形態に係る一般複合容器１および従来の一般複合容器の重量の相関関係を示すグラフである。なお、図１４および図１５では、実施の形態に係る一般複合容器１を「本願」とし、従来の一般複合容器は「従来」とする。また、各落下試験に用いる一般複合容器１の総重量は５．３ｋｇ、長手方向の長さを５００ｍｍとする。

【0030】

図１４に示すように、実施の形態に係る一般複合容器１と従来の一般複合容器とでは、各落下試験における破裂圧力が同じ値であり、破線で示す基準値以上である。なお、各落下試験での破裂圧力は、垂直落下試験での破裂圧力＞水平落下試験での破裂圧力＞アングル落下試験での破裂圧力となっている。これは、高圧ガス保安法の規制を受ける一般複合容器１において、設計上の最も大きな制約はアングル落下試験から受け、アングル落下試験での破裂圧力を規制値に適合させる必要があることを示している。

【0031】

また、図１５に示すように、実施の形態に係る一般複合容器１と従来の一般複合容器とでは、実施の形態に係る一般複合容器１の方が従来の一般複合容器よりも重量が軽い。つまり、実施の形態に係る一般複合容器１は、従来の一般複合容器と破裂圧力が同じ値であるにも関わらず、重量が軽い。

【0032】

アングル落下試験時、アングル１０が一般複合容器１の重心Ｇに衝撃が加わった場合は、位置エネルギーが衝撃点である重心Ｇに集中し、一般複合容器１への損傷が最大となる。一方、アングル１０が一般複合容器１の重心Ｇから外れた位置に衝撃が加わった場合は、位置エネルギーの一部は重心Ｇを中心とした一般複合容器１の回転方向への仕事量に消費され、一般複合容器１の損傷は一部緩和される。そのため、一般複合容器１の重心Ｇ付近を強化することで、一般複合容器１全体の耐衝撃性を向上させることができる。

【0033】

従来では、一般複合容器１のライナー２の外周全体の繊維層の層数を増やして外周全体の繊維強化をすることで耐衝撃性を強化していた。そのため、繊維層の層数の増加に伴って重量が増加してしまっていた。

【0034】

そこで、実施の形態では、一般複合容器１の重心Ｇ付近の外周のみの繊維層の層数を増やして重心Ｇ付近を集中的に繊維強化することで耐衝撃性を強化するとともに、繊維層の層数の増加に伴う重量の増加を、繊維層の層数が増加する範囲を狭めることで最大限抑制する。

【0035】

落下試験より、重心Ｇとアングル１０の衝撃点とのオフセットが５０ｍｍであれば衝撃エネルギーは１５％程度低減した。そこで、部分強化層５の幅を１００ｍｍとし、部分強化層５を、重心Ｇの位置からライナー２の長手方向の両側に対して５０ｍｍずつ設けるのがよい。

【0036】

以上、実施の形態に係る一般複合容器１は、本体部分であるライナー２と、ライナー２へ高圧ガスを充填させる供給バルブ３と、を備え、重心Ｇがライナー２上に位置する一般複合容器１であって、ライナー２の外周には、複数の繊維層からなる強化層４と、単数または複数の繊維層からなる部分強化層５とが設けられており、部分強化層５は、重心Ｇを含み強化層４よりも狭い範囲に設けられている。

【0037】

実施の形態に係る一般複合容器１によれば、ライナー２の外周において、重心Ｇを含み強化層４よりも狭い範囲にのみ部分強化層５が設けられている。そのため、必要な耐衝撃性を確保しつつ軽量化することができる。

【0038】

また、実施の形態に係る一般複合容器１において、部分強化層５は、重心Ｇの位置からライナー２の長手方向の両側に対して同じ長さである。

【0039】

実施の形態に係る一般複合容器１によれば、部分強化層５が重心Ｇの位置からライナー２の長手方向の両側に対して同じ長さであるため、重心Ｇ付近の耐衝撃性を効率よく強化させることができる。

【0040】

また、実施の形態に係る一般複合容器１において、部分強化層５は、強化層４の内側に設けられている。

【0041】

実施の形態に係る一般複合容器１によれば、部分強化層５を強化層４の内側に設け、衝撃を受けても壊れにくい最内層の繊維層を多くしているため、重心Ｇ付近の耐衝撃性を効率よく強化させることができる。

【0042】

また、実施の形態に係る一般複合容器１において、部分強化層５は、ヘリカル層で構成されている。

【0043】

アングル落下試験時にアングル１０によってライナー２の周方向に損傷を受け、周方向と垂直の長手方向に働く力によって破裂に至ることが多い。そこで、実施の形態に係る一般複合容器１によれば、部分強化層５をヘリカル層で構成することで、前記力に対して垂直方向に巻かれるフープ層よりも破裂する際に働く力に対する抵抗力を大きくすることができ、重心Ｇ付近の耐衝撃性を効率よく強化させることができる。

【0044】

なお、ヘリカル層のライナー２の軸Ｘに対する傾斜角が略２０°未満となると、ライナー２の外周全体に巻き付ける必要が生じるため、ライナー２の外周の一部にのみヘリカル層を設けることができない。そのため、上記のように、ライナー２の外周の一部にのみヘリカル層を設ける場合は、ヘリカル層のライナー２の軸Ｘに対する傾斜角を略２０°以上とするのがよい。

【符号の説明】

【0045】

１ 一般複合容器、２ ライナー、２ａ 胴部、２ａ１ 胴部中央部、２ａ２ 胴部側部、２ｂ ドーム部、３ 供給バルブ、３ａ 減圧弁、４ 強化層、５ 部分強化層、９ 衝撃監視表示部、９ａ 中央部、９ｂ 製造元表示部、１０ アングル。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】