JP2005127388A - 高圧容器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高圧容器における金属製ライナと複合材製シェルの変形量をほぼ一致させて、金属製ライナと複合材製シェルの間に発生する滑りを防止すること。
【解決手段】
高圧タンク１０は、所望のタンク形状を有する金属製ライナ２０と、金属製ライナ２０の外周に形成された複合材製シェル３０とを備える。金属製ライナ２０は、円筒状の胴部２１、両端部に口金部２２、胴部２１と口金部２２とを接続するキャップ部２３を有する。胴部２１には、金属製ライナ２０の軸方向（長手方向）の全長にわたってベローズ状の伸縮許容部２１１が形成されている。伸縮許容部２１１は、その基端部２１１ｂの開閉（変形）によりもたらされる弾性作用によって、高圧タンク１０が膨張・収縮する際に金属製の胴部２１と複合材製シェル３０との間に発生する滑りを防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複合材製高圧容器および高圧容器の製造方法に関する。

主に気体を収容する高圧容器として、従来の鋼製に代えて金属製ライナに複合材料製のシェルを被せた高圧容器が実用化されている。

金属製ライナを採用した高圧容器では、気体（ガス）の充填放出に伴う容器の膨張・収縮に起因する金属製ライナの疲労が問題となる。一方、軽量化とコストダウンのために複合材料製のシェルの繊維量を減らすと、膨張・収縮量が増加し、許容充填・放出回数が制限されてしまう。

そこで、金属製ライナの一部に内圧の変動に起因して生じる軸方向の変動を緩和する湾曲形状部を有する圧力容器が提案されている（特許文献１参照）。

特開平９−４２５９４号公報

しかしながら、上記従来技術では、金属製ライナの一部にのみ大きな変形（弾性変形）を許容する湾曲形状部を有しているので、金属製ライナの変形量と複合材製シェルの変形量とが相違し、両者の間には滑りが発生する。したがって、金属製ライナおよび複合材料製シェルの間には高い面圧下で剪断力が作用し、一部の滑る部分では摩擦が生じ、滑らない部分では金属製ライナと複合材料製シェルの変形量がほぼ同じになるため、金属製ライナにおける疲労の制約を排除することができなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高圧容器における金属製ライナと複合材製シェルの変形量をほぼ一致させて、金属製ライナと複合材製シェルの間に発生する滑りを防止することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、高圧容器を提供する。本発明の第１の態様に係る高圧容器は、軸方向への弾性変形を許容する軸方向変形許容部を軸方向全長にわたって備える中空の胴部と、端部とを有する金属製ライナと、前記金属製ライナの外周を包む複合材製シェルとを備えることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る高圧容器によれば、中空の胴部に軸方向への弾性変形を許容する軸方向変形許容部が軸方向全長にわたって備えられているので、高圧容器における金属製ライナと複合材製シェルの変形量をほぼ一致させて、金属製ライナと複合材製シェルの間に発生する軸方向の滑りを防止することができる。

本発明の第１の態様に係る高圧容器において、前記軸方向変形許容部は前記胴部にベローズ状に一体成形され、前記端部と前記胴部とは一体に成形されていても良い。かかる場合には、ベローズ状の軸方向変形許容部が弾性変形することによって、複合材製シェルの軸方向の伸縮に応じた金属製ライナの胴部の軸方向の伸縮がもたらされる。

本発明の第１の態様に係る高圧容器において、前記金属製ライナは、前記軸方向変形許容部を構成すると共に前記胴部を形成する複数の胴部構成材と、前記複数の構成材を挟み込むと共に前記胴部とは別体の前記端部を形成する端部構成材とによって形成されていても良い。かかる場合には、複数の胴部構成材からなる軸方向変形許容部によって、複合材製シェルの軸方向の伸縮に応じた金属製ライナの胴部の軸方向の伸縮がもたらされる。また、胴部構成材の形状を自由に選択することができる。

本発明の第１の態様に係る高圧容器において、前記胴部は、径方向への弾性変形を許容する径方向変形許容部を周方向全周にわたって有しても良い。かかる場合には、径方向変形許容部によって、複合材製シェルの径方向（周方向）の伸縮に応じた金属製ライナの胴部の径方向の伸縮がもたらされる。したがって、金属製ライナと複合材製シェルの間に発生する径方向の滑りを防止することができる。

本発明の第２の態様は、高圧容器を提供する。本発明の第２の態様に係る高圧容器は、複合材製シェルと、前記複合材製シェルによって内包されると共に、前記複合材製シェルの軸方向の伸縮変化に合わせて軸方向全長にわたり伸縮変化する中空の胴部と、端部とを有する金属製ライナとを備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る高圧容器によれば、中空の胴部が複合材製シェルの軸方向の伸縮変化に合わせて軸方向全長にわたり伸縮変化するので、高圧容器における金属製ライナと複合材製シェルの変形量をほぼ一致させて、金属製ライナと複合材製シェルの間に発生する軸方向の滑りを防止することができる。

本発明の第２の態様に係る高圧容器において、前記胴部はベローズ状に一体成形され、前記端部と前記胴部とは一体に成形されていても良い。かかる場合には、ベローズ状に形成された胴部が弾性変形することによって、複合材製シェルの軸方向の伸縮に応じた金属製ライナの胴部の軸方向の伸縮がもたらされる。

本発明の第２の態様に係る高圧容器において、前記金属製ライナは、前記胴部を形成する複数の胴部構成材と、前記複数の構成材を挟み込むと共に前記胴部とは別体の前記端部を形成する端部構成材とによって形成されていても良い。かかる場合には、複数の胴部構成材からなる胴部によって、複合材製シェルの軸方向の伸縮に応じた金属製ライナの胴部の軸方向の伸縮がもたらされる。また、胴部構成材の形状を自由に選択することができる。

本発明の第２の態様に係る高圧容器において、前記胴部はさらに、前記複合材製シェルの周方向の伸縮変化に合わせて周方向全長にわたり伸縮変化しても良い。かかる場合には、胴部が複合材製シェルの周方向の伸縮変化に合わせて周方向全長にわたり伸縮変化するので、複合材製シェルの径方向（周方向）の伸縮に応じた金属製ライナの胴部の径方向の伸縮がもたらされる。したがって、金属製ライナと複合材製シェルの間に発生する径方向の滑りを防止することができる。

本発明の第１または第２の態様に係る高圧容器において、前記金属製ライナには軸方向に予荷重がかけられていても良い。かかる場合には、金属製ライナの疲労限界を高めることができる。また、胴部が複数の胴部構成材によって構成されている場合には、各胴部構成材間における気密性能を向上させることができる。

本発明の第１または第２の態様に係る高圧容器において、前記金属製ライナは、その軸方向に直交して配置される補強板を内部に有しても良い。かかる場合には、補強板によって高圧容器における径方向の変形を抑制することができる。また、補強板が熱伝導性の高い材質で形成されている場合には、複合材製シェルに対する熱伝達速度を高めることができる。

本発明の第３の態様は高圧容器を提供する。本発明の第３の態様に係る高圧容器は、径方向への弾性変形を許容する径方向変形許容部を周方向全周にわたって備える中空の胴部と、端部とを有する金属製ライナと、前記金属製ライナの外周を包む複合材製シェルとを備えることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る高圧容器によれば、中空の胴部には、径方向への弾性変形を許容する径方向変形許容部を周方向全周にわたって備えられているので、高圧容器における金属製ライナと複合材製シェルの変形量をほぼ一致させて、金属製ライナと複合材製シェルの間に発生する径方向の滑りを防止することができる。

本発明の第４の態様は高圧容器を提供する。本発明の第４の態様に係る高圧容器は、複合材製シェルと、前記複合材製シェルによって内包されると共に、前記複合材製シェルの周方向の伸縮変化に合わせて周方向全長にわたり伸縮変化する中空の胴部と、端部とを有する金属製ライナとを備えることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る高圧容器によれば、中空の胴部は、複合材製シェルの周方向の伸縮変化に合わせて周方向全長にわたり伸縮変化するので、高圧容器における金属製ライナと複合材製シェルの変形量をほぼ一致させて、金属製ライナと複合材製シェルの間に発生する径方向の滑りを防止することができる。

本発明の第１ないし第４の態様のいずれかに係る高圧容器において、前記金属製ライナの内部には水素吸蔵合金が内蔵されていてもよい。かかる場合には、充填物である水素の充填量を向上させることができる。

本発明の第５の態様は、高圧容器の製造方法を提供する。本発明の第３の態様に係る高圧容器の製造方法は、胴部を構成する複数の胴部構成材を一列に配置し、前記整列された複数の胴部構成材の両端部にそれぞれ端部を構成する端部構成材を配置し、前記各端部構成材に対して前記胴部構成材に向けた荷重を加え、荷重が加えられた状態にて、前記胴部構成材および前記端部構成部材に対して強化繊維を巻き付け、前記巻き付けた強化繊維を樹脂剤によって固定することを特徴として備える。

本発明の第５の態様に係る高圧容器の製造方法によれば、本発明の第１〜第４の態様に係る高圧容器を製造することができる。

本発明の第６の態様は、高圧容器を提供する。本発明の第６の態様に係る高圧容器は、軸方向全長または周方向全長または軸方向および周方向全長にわたって凹凸の断面形状を有し、それぞれ軸方向全長または周方向全長または軸方向および周方向に変形を与えたとき、平面で構成した場合よりも大きな弾性変化を許容することができる中空の金属製ライナ胴部と、前記金属製ライナ胴部に続く両端部と、前記金属製ライナ胴部および両端部を包む複合材製シェルとを備えることを特徴とする。

本発明の第６の態様に係る高圧容器によれば、軸方向全長または周方向全長または軸方向および周方向全長にわたって凹凸の断面形状を有し、それぞれ軸方向全長または周方向全長または軸方向および周方向に変形を与えたとき、平面で構成した場合よりも大きな弾性変化を許容することができる中空の金属製ライナ胴部を備えているので、高圧容器における金属製ライナと複合材製シェルの変形量をほぼ一致させて、金属製ライナと複合材製シェルの間に発生する軸方向、周方向の滑りを防止することができる。

本発明の第６の態様に係る高圧容器において、前記金属製ライナ胴部の外周面と前記複合材製シェルの内周面との間に樹脂またはゴムが埋められていても良い。

本発明の第６の態様に係る高圧容器において、前記金属製ライナ胴部と前記両端部とは一体に成形されていても良い。

本発明の第６の態様に係る高圧容器において、前記金属製ライナ胴部は複数の胴部構成部材から構成され、前記各胴部構成部材は、接触、シール材または溶接によって前記金属製ライナ胴部からの気体の漏れを防止するようにしても良い。

以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る高圧容器および高圧容器の製造方法について説明する。

第１の実施例：
図１〜図３を参照して第１の実施例に係る高圧タンクついて説明する。図１は第１の実施例に係る高圧タンクの内部を説明するために一部を断面にて示す説明図である。図２は第１の実施例に係る高圧タンクの外観を示す説明図である。図３は第１の実施例に係る高圧タンクの第１の変形例を示す説明図である。

第１の実施例に係る高圧タンク１０は、図２に示すように円筒形状を有しており、また、図１に示すように、所望のタンク形状を有する金属製ライナ２０と、金属製ライナ２０の外周に形成された複合材製シェル３０とを備える。金属製ライナ２０としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム等が用いられ得る。

金属製ライナ２０は、円筒状の胴部２１、両端部に口金部２２、胴部２１と口金部２２とを接続するキャップ部２３を有する。本実施例に係る金属製ライナ２０は、胴部２１、口金部２２およびキャップ部２３が一体に成型されている。胴部２１には、図１に示すように、金属製ライナ２０の軸方向（長手方向）の全長にわたってベローズ状の伸縮許容部２１１が形成されている。伸縮許容部２１１の先端部２１１ａは、内圧によって塑性変形することのない、半径の小さな折り返し形状を有している。

伸縮許容部２１１は、その基端部２１１ｂの開閉（変形）によりもたらされる弾性作用によって、高圧タンク１０が膨張・収縮する際に金属製の胴部２１と複合材製シェル３０との間に発生する滑りを防止する。本実施例では、胴部２１は、その全長にわたって伸縮許容部２１１を有しているので、複合材製シェル３０の変形に応じて全長にわたって変形することができる。すなわち、胴部２１に要求される伸縮量は、伸縮許容部２１１によって、胴部２１の全長に分散される。

複合材製シェル３０は、例えば、炭素繊維、セラミック繊維といった強化繊維を金属製ライナ２０の外周にヘリカル巻きおよびフープ巻きの手法によって巻き付け、エポキシ樹脂等の樹脂によって含浸固定させることで形成される。したがって、複合材製シェル３０は、巻き方の手法により異なる層断面を表すが、本願の図面においては、層断面の詳細については省略する。金属製ライナ２０に対する強化繊維の巻き付けにあたっては、強化繊維の強化特性を有効に発揮させるように注意が払われる。

金属製ライナ２０に複合材製シェル３０が形成された後、金属製ライナ２０の口金部２２に対してＯリング２４を介して接続バルブ２５が装着されて高圧タンク１０が完成する。

伸縮許容部２１１は、胴部２１に複合材製シェル３０と同等の弾性変化をもたらすよう形成されていれば良いので、例えば、図３に示すように形成されていても良い。図３に示す高圧タンク１０は、略Ｕ字状の伸縮許容部２１２を有し、半径の小さな折り返し形状の先端部２１２ａを有し、基端部２１２ｂの開閉（変形）により弾性作用をもたらす。

以上説明したように、第１の実施例に係る高圧タンク１０によれば、胴部２１には伸縮許容部２１１がその全長にわたり形成されているので、内容物、例えば、気体の充填・放出に伴い高圧タンク１０が軸方向に膨張・収縮する場合であっても、胴部２１（金属製ライナ２０）と複合材製シェル３０との間に発生する軸方向の滑りを防止することができる。すなわち、胴部２１は、伸縮許容部２１１を胴部２１の全長にわたって備えることによって、金属製ライナ２０は、高圧タンク１０の膨張・収縮に伴い均一に軸方向に伸縮する複合材製シェル３０と同様にして均一に軸方向に伸縮することが可能となり、胴部２１と複合材製シェル３０との間に発生する軸方向の滑りを防止することができる。

胴部２１（金属製ライナ２０）と複合材製シェル３０との間に発生する滑りを防止することによって、両者２１（２０）、３０との間における摩擦の発生を防止することが可能となり、摩擦に伴う胴部２１（金属製ライナ２０）および複合材製シェル３０の摩耗を防止することができる。この結果、高圧タンク１０の寿命を向上させることができる。

さらに、金属製ライナ２０は、伸縮許容部２１１を備えることによって、弾性変化するため、金属製ライナ２０の疲労寿命を向上させることができる。

第２の実施例：
図４〜図１２を参照して第２の実施例に係る高圧タンクついて説明する。図４は第２の実施例に係る高圧タンクの内部を詳細に示す詳細図である。図５は第２の実施例に係る高圧タンクの第１の変形例を示す説明図である。図６は第２の実施例に係る高圧タンクの第２の変形例を示す説明図である。図７は第２の実施例に係る高圧タンクの第３の変形例を示す説明図である。図８は第２の実施例に係る高圧タンクの第４の変形例を示す説明図である。図９は第２の実施例に係る高圧タンクの第５の変形例を示す説明図である。図１０は第２の実施例に係る高圧タンクの製造工程を示すフローチャートである。図１１および図１２は第２の実施例に係る高圧タンクの製造工程を示す説明図である。

第２の実施例に係る高圧タンク１１は、金属製ライナ４０の胴部４１が複数の胴部構成材４２によって形成され、金属製ライナ４０の両端が胴部構成材４２とは別体の端部構成材４３によって形成されている点で第１の実施例に係る高圧タンク１０と異なる。すなわち、複数の胴部構成材４２が複合材製シェル３０の軸方向の伸縮に応じた金属製ライナ４０の伸縮を許容する伸縮許容部を形成している。一方で複合材製シェル３０、接続バルブ２５等については、第１の実施例に係る高圧タンク１０と同様であるから、同一の符号を付してその説明を省略する。また、高圧タンク１１の外観については第１の実施例に係る高圧タンク１０の外観と同一であるから図２を参照することで、図示を省略する。

第２の実施例における金属製ライナ４０の胴部４１は、上述のように複数の胴部構成材４２から構成されている。胴部構成材４２は、例えば、図４に示すように、Ｃ字状の断面を有するリンク状の部材であり、高圧タンク１１の軸方向に加えられた応力によって開放端が近接・離間する弾性変形を示す。胴部構成材４２は、高圧タンク１１の軸方向に複数配列されることによって胴部４１を構成する。各胴部構成材４２は、単に密接（接触シール）されているだけでも良く、あるいは、互いに接着剤によって接着されていても良い。

第２の実施例における金属製ライナ４０を構成する端部構成材４３は、第１の実施例における金属製ライナ２０の口金部２２に相当する第１の開口部４３１と、第１の開口部４３１よりも大きな開口面積を有し、第１の実施例における金属製ライナ２０のキャップ部２３に相当する第２の開口部４３２とを備えている。端部構成材４３は、第２の開口部４３２の周縁部４３３によって、配列されている複数の胴部構成材４２のうち両端部に位置する胴部構成材４２を支持する。

胴部構成材４２には、Ｃ字状の断面を有するリンク状の部材の他に、図５〜図９に示すリング状部材が用いられ得る。図５に示す第１の変形例では、Ｕ字状の断面を有するリング状の胴部構成材４２ａが用いられている。図６に示す第２の変形例では、Ｕ字状の断面を有する片つば付きリング状の胴部構成材４２ｂが用いられており、つばによって隣接する胴部構成材４２ｂの位置が互いに規制され、胴部構成材４２ｂの配列を容易化することができる。図７に示す第３の変形例では、Ｕ字状の断面を有するリング状の胴部構成材４２ａおよびＵ字状の断面を有する両つば付きリング状の胴部構成材４２ｃが用いられている。

図８に示す第４の変形例では、Ｏ字状の断面を有するリング状（パイプリング状）の胴部構成材４２ｄが用いられている。なお、胴部構成材４２ｄには、その内側に（リングの中心に向けて）複数の孔が形成されていてもよい。かかる場合には、孔から胴部構成材４２ｄの内部に内圧が加わり、各胴部構成材４２ｄ間の接圧を増大させて、密接性を向上させることができる。また、密接性が向上されることにより、各胴部構成材４２ｄ間を接合した場合における、接合部を引きはがす作用力を低減させることができる。

図９に示す第５の変形例では、Ｕ字状の断面を有するリング状の胴部構成材４２ａとゴム、テフロン樹脂といった弾性体から成るシール材４４とが用いられている。この変形例では、金属製の胴部構成材４２ａと非金属性のシール材４４とが交互に配列される。シール材４４を介在させることによって、胴部４１と複合材製シェル３０のシール性能を向上させることが可能となる。

第２の実施例に係る高圧タンク１１の製造工程について図１０〜図１２を参照して簡単に説明する。図１１に示すように、先ず、要求される高圧タンク１１長さに合わせて、複数の胴部構成材４２を配列し、複数の胴部構成材４２により形成された胴部４１の両端部に端部構成材４３をそれぞれ配置して金属製ライナ４０の組み立て（形成）が実行される（ステップＳ１０）。胴部構成材４２および端部構成材４３を配列、配置して金属製ライナ４０を形成する際には、図示するように、軸方向に所定の圧力を加えつつ治具４５を用いて位置決めが行われる。

金属製ライナ４０の形成が完了すると、図１２に示すように、軸方向への加圧状態を維持したまま治具４５を取り外し、フィラメントワインディング装置４６を用いて金属製ライナ４０に対する強化繊維３１の巻き付けが実行される（ステップＳ１１）。強化繊維３１の巻き付けにあたっては、ヘリカル巻きとフープ巻きのワインディング手法を用いられる。一般的に、フープ巻きは胴部４１に対して施され、ヘリカル巻きは胴部４１および端部（端部構成材４３）に対して施される。強化繊維３１が巻き付けられることによって胴部構成材４２と端部構成材４３とが強固に固定される。なお、図１２では、フィラメントワインディング装置４６は概念的に示されている。

巻き付けられた強化繊維３１に対してエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて、強化繊維３１を固定して複合材製シェル３０を形成する（ステップＳ１２）。最後に、接続バルブ２５等の関連部品が組み付けられて（ステップＳ１３）、高圧タンク１１が完成する。

以上説明したように第２の実施例に係る高圧タンク１１によれば、第１の実施例に係る高圧タンク１０により得られる効果に加えて次の効果を得ることができる。高圧タンク１１の金属製ライナ４０の胴部４１は複数の胴部構成材４２形成されるが、軸方向に予圧が掛けられた状態にて製造されるため、各胴部構成材４２における気密性を向上させることができる。また、胴部構成材４２と端部構成材４３とは、接触シールとされているが、予圧および内容物充填後の内圧によって、両者４２、４３のシール性が向上され気密を維持することができる。

さらに、金属製ライナ４０には、軸方向に予圧が掛けられているため、金属製ライナ４０の疲労限界を高めることができる。

第２の実施例はまた、図１３に示す態様によっても実施され得る。図１３は第２の実施例に係る高圧タンクの第６の変形例を示す説明図である。第６の変形例では、高圧タンク１１は、断面Ｕ字状の胴部構成材４２ａが接触および接着ではなく、溶接部４７として示されているように溶接によって接合されている。第２の実施例に係る高圧タンク１１は、予圧を掛けた状態にて強化繊維３１が巻き付けられて製造されると共に、胴部構成材４２ａが弾性変形をもたらすので、高圧タンク１１が膨張・収縮する場合においても、溶接部４７への応力集中を回避することができる。したがって、胴部構成材４２ａを溶接によって接合した場合であっても金属製ライナ４０の寿命限界を向上させることができる。なお、溶接は周方向全域に亘って施されていても良く、あるいは、部分的に施されていても良い。

第２の実施例において、金属製ライナ４０に対する予圧は、軸方向のみならず、周方向、または軸方向および周方向にかけられても良い。また、予圧を掛ける手段としては、機械的な加圧、流体を用いた内部の減圧または外部からの加圧のいずれを用いても良い。

第３の実施例：
図１４を参照して第３の実施例に係る高圧タンクついて説明する。図１４は第３の実施例に係る高圧タンクの内部を詳細に示す詳細図である。第３の実施例に係る高圧タンク１２の金属製ライナ５０は、伸縮許容部として機能する螺旋状の溝を有する一体に形成され胴部５１を構成する胴部構成材５２と、胴部構成材５２に対して螺合される端部構成材５３とによって形成される。なお、第３の実施例に係る高圧タンク１２の他の構成要素については、第１の実施例に係る高圧タンク１０の構成要素と同様であるから、同一の符号を付して説明を省略する。

第３の実施例に係る高圧タンク１２によれば、胴部構成材５２に対して端部構成材５３が螺合させることによって金属製ライナ５０を形成することができるので、金属製ライナ５０を容易に形成することができる。また、胴部構成材５２は、伸縮許容部として機能する溝を有し、波状の縦断面を備えるので、第３の実施例に係る高圧タンク１２は、第１の実施例に係る高圧タンクと同様の作用効果を得ることができる。

第４の実施例：
図１５〜図２０を参照して第４の実施例に係る高圧タンクついて説明する。図１５は第４の実施例に係る高圧タンクの内部構成を示す説明図である。図１６は図１５に示す高圧タンクにおける円板と胴部構成材との接合手法を示す詳細図である。図１７は図１５に示す高圧タンクにおける円板と胴部構成材との他の接合手法を示す詳細図である。図１８は第４の実施例に係る高圧タンクの第１の変形例を示す説明図である。図１９は第４の実施例に係る高圧タンクにおける円板と胴部構成材との他の接合手法を示す詳細図である。図２０は第４の実施例に係る高圧タンクの第２の変形例を示す説明図である。

第４の実施例に係る高圧タンク１３では、第２の実施例に係る高圧タンク１１と同様に、金属製ライナ６０の胴部６１が伸縮許容部として機能する複数の胴部構成材６２によって形成され、金属製ライナ６０の両端が胴部構成材６２とは別体の端部構成材６３によって形成されている。また、各胴部構成材６２の間には円板６４が介在されている。なお、第４の実施例に係る高圧タンク１３の他の構成要素については、第１の実施例に係る高圧タンク１０または第２の実施例に係る高圧タンク１１の構成要素と同様であるから、同一の符号を付して説明を省略する。

第４の実施例における胴部構成材６２は、例えば、図１５に示すように、Ｕ字状の断面を有するリング状の部材であり、高圧タンク１３の軸方向に加えられた応力によって開放端が近接・離間する弾性変形を示す。胴部構成材６２は、各胴部構成材６２の間に円板６４を挟んだ状態にて高圧タンク１３の軸方向に複数配列されることによって胴部６１を構成する。

円板６４は、銅またはアルミニウムといった金属またはＦＲＰからなり、図１５に示すように、内容物である気体の移動を許容する複数の孔６４１を有している。円板６４を備えることによって、高圧タンク１３の径方向の変形を抑制することができる。本実施例において、胴部構成材６２は、ステンレス鋼、アルミニウム等から形成され得るが、一般的に、ステンレス鋼は強度が高いものの接合が困難である。そこで、胴部構成材６２としてステンレス鋼を用いる場合には、円板６４との接合性能を向上させるために、銅またはアルミニウムによって被覆されたクラッド材を用いても良い。

さらに、一般的に、複合材製シェル３０は気体を透過しやすいので、円板６４の表面には、内容物である気体の透過を防止するためのコーティングが施されていても良い。コーティングに用いられるコーティング材としては、フッ素樹脂等の樹脂類、アルミ、金、銅等の金属類が用いられる。

各胴部構成材６２と円板６４とは、図１６に示すように互いに接合されており、胴部６１の両端に位置する胴部構成材６２と端部構成材６３とは、接触シールとされている。あるいは、円板６４が胴部６１の両端に位置する場合には、円板６４と端部構成部材６３とは接合される。さらに、図１７に示すように円周部近傍において周縁部に向かって厚みがます形状の円板６４２が用いられる場合には、胴部構成材６２と円板６４２とは接触シールされても良い。かかる場合には、高圧タンク１３の内圧によって胴部構成材６２と円板６４２との接圧が高まるため、接触シールによって充分なシール特性を得ることができる。また、高圧タンク１３を製造する際に、金属製ライナ６０に予圧を掛けた場合には、高圧タンク１３の内圧に加えて予圧によっても接圧が高められる。

第４の実施例に係る高圧タンク１３は、図１８に示すように水素吸蔵合金ＭＨを内蔵し、中心部に大きな開口部６５１を有する円板６５を備えていても良い。円板６５の開口部６５１には、均一に分散された水素吸蔵合金ＭＨを各円板６５毎に分離するためのフィルター６６が備えられている。円板６５を備えることによって、水素吸蔵時、すなわち、水素充填時に水素吸蔵合金ＭＨにおいて発生した熱が複合材製シェル３０に伝わる速度を向上させることができる。高圧タンク１３の容器内温度が上昇すると、貯蔵可能な充填量が低下することが知られているが、本変形例によれば、高圧タンク１３の容器温度を低下させることが可能となり、高圧タンク１３に対する水素の充填量を増大させることができる。

第４の実施例に係る高圧タンク１３における胴部構成材６２と円板６４との他の接合手法について図１９を参照して説明する。図１９に示す接合手法では、胴部構成材６２に円板６４の端部を受ける円板装着部６２１を形成し、かかる円板接合部６２１において胴部構成材６２と円板６４とが接合、接着、嵌め合わされる。

さらに、図２０を参照して、第４の実施例に係る高圧タンクの第２の変形例について説明図する。第２の変形例では、円板６７に備えられた大きな開口部６７１に対して、開口部６７１への応力集中を防止するために、補強材６７２が被覆またが接合されている。補強材６７２を備えることによって、開口部６７１の強度が向上され、開口部６７１に対する応力の集中を防止することができる。

以上説明したように、第４の実施例に係る高圧タンク１３によれば、金属製ライナ６０の内部に円板６４、６５、６７が備えられているので、高圧タンク１３の膨張に伴う金属製ライナ６０（高圧タンク１３）の径方向への変形を防止することができる。また、胴部構成材６２は、Ｕ字状の断面を備えるので、第４の実施例に係る高圧タンク１３は、第１の実施例に係る高圧タンク１０と同様の作用効果を得ることができる。

第５の実施例：
図２１を参照して第５の実施例に係る高圧タンクついて説明する。図２１は第５の実施例に係る高圧タンクの内部を詳細に示す詳細図である。

第５の実施例に係る高圧タンク１４において、金属製ライナ７０は、胴部７１を構成する胴部構成材７２と、胴部構成材７２を両端部にて支持する端部構成材７３、胴部構成材７２によって保持される円板７４を備えている。なお、複合材製シェル３０、接続バルブ２５等については、第１の実施例に係る高圧タンク１０と同様であるから、同一の符号を付してその説明を省略する。

第５の実施例に係る高圧タンク１４では、図２１に示すように、胴部構成材７２は、円板７４の周縁部を包み込むことによって円板７４を保持している。胴部構成材７２と円板７４との係合を確実なものとするため、円板７４の周縁部７４１は厚みを持った形状とされていることが好ましい。また、胴部構成材７２は、高圧タンク１４の内圧を受けて円板７４の周縁部７４１を挟み付けるので、胴部構成材７２と円板７４との間の気密保持は、確実であること、すなわち、高圧タンク１４の内圧と胴部構成材７２と円板７４とによって区画形成される空間圧力との間に充分な圧力差が存在することが要求される。

第６の実施例：
図２２〜図２４を参照して第６の実施例に係る高圧タンクついて説明する。図２２は第６の実施例に係る高圧タンクの内部構成を示す説明図である。図２３は第６の実施例に係る高圧タンクの横断面の一部を示す端面図である。図２４は第６の実施例に係る高圧タンクの他の横断面の一部を示す端面図である。なお、図２３および図２４では、説明を容易にするため必要な構成要素のみが記載されている。

第６の実施例に係る高圧タンク１５では、金属製ライナ８０の胴部８１が直線状の複数の胴部構成材８２によって形成され、金属製ライナ８０の両端が胴部構成材８２とは別体の端部構成材８３によって形成されている。第２の実施例に係る高圧タンク１１では、複合材製シェル３０の軸方向の伸縮に応じて金属製ライナ４０を軸方向に伸縮させるために複数のリング状の胴部構成材４１が用いられたのに対して、第６の実施例に係る高圧タンク１５では、複合材製シェル３０に生じる径方向（円周方向）の伸縮に応じて金属製ライナ８０を径方向に伸縮させるために複数の直線状の胴部構成材８１が用いられる。なお、複合材製シェル３０、接続バルブ２５等については、第１の実施例に係る高圧タンク１０と同様であるから、同一の符号を付してその説明を省略する。また、高圧タンク１５の外観については第１の実施例に係る高圧タンク１０の外観と同一であるから図２を参照することで、図示を省略する。

第５の実施例における金属製ライナ８０の胴部８１は、上述のように複数の胴部構成材８２から構成されている。胴部構成材８２は、例えば、図２３の横断面図に示すように、Ｕ字状の断面を有する直線形状の部材であり、高圧タンク１５の径方向に加えられた応力によって開放端８２１が近接・離間する弾性変形を示す。胴部構成材８２は、高圧タンク１５の径方向（周方向）に複数配列されることによって胴部８１を構成する。各胴部構成材８２は、単に密接（接触シール）されているだけでも良く、あるいは、互いに接着剤によって接着されていても、溶接等で接合されていても良い。

第６の実施例における金属製ライナ８０を構成する端部構成材８３は、第１の実施例における金属製ライナ２０の口金部２２に相当する第１の開口部８３１と、第１の開口部８３１よりも大きな開口面積を有し、第１の実施例における金属製ライナ２０のキャップ部２３に相当する第２の開口部８３２とを備えている。端部構成材８３は、第２の開口部８３２の周縁部８３３によって、配列されている複数の胴部構成材８２の両端部を支持する。

第６の実施例に係る高圧タンク１５は、図２４に示す第１の変形例に従って実現されても良い。第１の変形例における胴部構成材８４は、波板状断面を有する。胴部構成材８４は、例えば、１枚の板を波板状に加工することによって得られる。かかる場合には、波板状部分が伸縮することによって、複合材製シェル３０の径方向の伸縮に応じた金属製ライナ８０の径方向の伸縮が実現される。

胴部構成材８２は、さらに、この他にも円状断面、Ｃ字状断面、Ω状断面を有していても良い。

以上説明したように、第６の実施例に係る高圧タンク１５によれば、胴部構成材８２によって伸縮許容部が金属製ライナ８０の径方向全域（全周）にわたり形成されているので、内容物、例えば、気体の充填・放出に伴い高圧タンク１５が膨張・収縮する場合であっても、胴部８１（金属製ライナ８０）と複合材製シェル３０との間に発生する径方向の滑りを防止することができる。すなわち、胴部８１は、伸縮許容部として機能する断面Ｕ字状の直線形状の胴部構成材８２によって形成されているので、より小さな応力に対応して周方向に弾性変化することができる。この結果、金属製ライナ８０は、高圧タンク１５の膨張・収縮に伴い周方向に均一に伸縮する複合材製シェル３０と同様にして周方向に均一に伸縮することが可能となり、胴部８１と複合材製シェル３０との間に発生する滑りを防止することができる。

胴部８１（金属製ライナ８０）と複合材製シェル３０との間に発生する滑りを防止することによって、両者８１、３０との間における摩擦の発生を防止することが可能となり、摩擦に伴う胴部８１および複合材製シェル３０の摩耗を防止することができる。この結果、高圧タンク１５の寿命を向上させることができる。

第７の実施例：
図２５および図２６を参照して第７の実施例に係る高圧タンクついて説明する。図２５は第７の実施例に係る高圧タンクの内部構成を示す説明図である。図２６は第７の実施例に係る高圧タンクの横断面の一部を示す端面図である。なお、図２６では、説明を容易にするため必要な構成要素のみが記載されている。

第７の実施例に係る高圧タンク１６では、金属製ライナ９０の胴部９１が凹凸部を交互に有する直線状またはリング状の複数の胴部構成材９２によって形成され、金属製ライナ９０の両端が胴部構成材９２とは別体の端部構成材９３によって形成されている。既述の実施例では、複合材製シェル３０の軸方向および径方向のいずれか一方の伸縮に応じて金属製ライナを軸方向および径方向のいずれか一方に伸縮させるための実施例が説明されたきたが、第７の実施例に係る高圧タンク１６では、複合材製シェル３０に生じる軸方向および径方向（円周方向）の伸縮に応じて金属製ライナ９０を軸方向および径方向に伸縮させる。なお、複合材製シェル３０、接続バルブ２５等については、第１の実施例に係る高圧タンク１０と同様であるから、同一の符号を付してその説明を省略する。また、高圧タンク１５の外観については第１の実施例に係る高圧タンク１０の外観と同一であるから図２を参照することで、図示を省略する。

第７の実施例に係る高圧タンク１６では、金属製ライナ９０は、複数の凹部９２ａおよび凸部９２ｂを交互に有する胴部９１を備える。胴部９１は、例えば、板状の部材に対して凹部９２ａおよび凸部９２ｂをプレス成形することによって形成される。あるいは、胴部９１が複数のリング状の胴部構成材によって形成されている場合には、複数の胴部構成材を軸方向に配列し、密接させて、予圧を掛けた状態にて強化繊維を巻き付け固定することによって形成される。

胴部９１は、図２５および図２６に示すように、横断面および縦断面の双方において、波板状の断面を示す。したがって、第７の実施例における金属製ライナ９０は、軸方向の全長および径方向の全周にわたって、複数の凹部９２ａおよび凸部９２ｂによって形成される伸縮許容部を備えている。なお、胴部９１は、この他にもＵ字・Ｃ字断面を有するリング状の部材を波板状化した胴部構成材、またはＵ字・Ｃ字断面を有する直線状の部材を波板状化した胴部構成材を配列させることによって形成されても良く、帯状材を軸方向および径方向にそれぞれ組み合わせて立体形状とすることによって形成されても良い。いずれにしても、軸方向および径方向の双方において、大きな弾性変化を許容することができればよい。

以上説明したように、第７の実施例に係る高圧タンク１６によれば、複数の凹部９２ａおよび凸部９２ｂによって形成される伸縮許容部が金属製ライナ９０の軸方向全長および径方向全周にわたり形成されているので、胴部９１（金属製ライナ９０）と複合材製シェル３０との間に発生する軸方向および径方向双方の滑りを防止することができる。すなわち、胴部９１は、伸縮許容部として機能する凹部９２ａおよび凸部９２ｂを交互に有する板状の部材、またはリング状の複数の胴部構成材によって形成されているので、より小さな応力に対応して軸方向および径方向に弾性変化することができる。この結果、金属製ライナ９０は、高圧タンク１６の膨張・収縮に伴い軸方向および径方向に均一に伸縮する複合材製シェル３０と同様にして軸方向および径方向に均一に伸縮することが可能となり、胴部９１と複合材製シェル３０との間に発生する軸方向および径方向の滑りを防止することができる。

・その他の実施例：
（１）上記各実施例では、接続バルブ２５を両端部に備えた高圧タンク１０、１１を用いて説明したが、接続バルブ２５は一端のみに備えられていても良い。

（２）上記各実施例において、金属製ライナの外周に強化繊維を巻き付ける前に、金属製ライナの外周にフィルム、テープを巻き付けても良い。また、樹脂成形品によって金属製ライナ（胴部）の外周に形成されている凹部（伸縮許容部）を埋めても良い。樹脂を用いて強化繊維を固定する際には、金属製ライナ（胴部）の外周に形成されている凹部（伸縮許容部）に樹脂が抜け落ちてしまう可能性がある。樹脂の抜け落ちは、複合材製シェルに樹脂不足部（成型不良部）の発生をもたらしてしまう。

これに対して、予めフィルム、テープ、樹脂成形品等を用いて金属製ライナ（胴部）の外周に形成されている凹部（伸縮許容部）を覆い、あるいは塞げば、複合材製シェルにおける樹脂不足部（成型不良部）の発生を防止することができる。樹脂成形品を用いる場合には、凹部が埋められるため、金属製ライナと複合材製シェルとの接触面積が拡大され、高圧タンクの内圧は広く複合材製シェル内面に伝達される。

フィルム、テープ、樹脂の材質としては、例えば、ポリエチレン、ナイロン６、エポキシ樹脂、強化繊維プラスチック（ＦＲＰ）等が用いられ得る。樹脂成形品は、既製の樹脂成形品を加工して用いても良く、樹脂材料を金属製ライナ（胴部）の外周に形成されている凹部（伸縮許容部）に流し込み、凹部に適した形状に成形することによって得られても良い。

以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る高圧容器および高圧容器の製造方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

第１の実施例に係る高圧タンクの内部を説明するために一部を断面にて示す説明図である。 第１の実施例に係る高圧タンクの外観を示す説明図である。 第１の実施例に係る高圧タンクの第１の変形例を示す説明図である。 第２の実施例に係る高圧タンクの内部を詳細に示す詳細図である。 第２の実施例に係る高圧タンクの第１の変形例を示す説明図である。 第２の実施例に係る高圧タンクの第２の変形例を示す説明図である。 第２の実施例に係る高圧タンクの第３の変形例を示す説明図である。 第２の実施例に係る高圧タンクの第４の変形例を示す説明図である。 第２の実施例に係る高圧タンクの第５の変形例を示す説明図である。 第２の実施例に係る高圧タンクの製造工程を示すフローチャートである。 第２の実施例に係る高圧タンクの製造工程を示す説明図である。 第２の実施例に係る高圧タンクの製造工程を示す説明図である。 第２の実施例に係る高圧タンクの第６の変形例を示す説明図である。 第３の実施例に係る高圧タンクの内部を詳細に示す詳細図である。 第４の実施例に係る高圧タンクの内部構成を示す説明図である。 図１５に示す高圧タンクにおける円板と胴部構成材との接合手法を示す詳細図である。 図１５に示す高圧タンクにおける円板と胴部構成材との他の接合手法を示す詳細図である。 第４の実施例に係る高圧タンクの第１の変形例を示す説明図である。 第４の実施例に係る高圧タンクにおける円板と胴部構成材との他の接合手法を示す詳細図である。 第４の実施例に係る高圧タンクの第２の変形例を示す説明図である。 第５の実施例に係る高圧タンクの内部を詳細に示す詳細図である。 第６の実施例に係る高圧タンクの内部構成を示す説明図である。 第６の実施例に係る高圧タンクの横断面の一部を示す端面図である。 第６の実施例に係る高圧タンクの他の横断面の一部を示す端面図である。 第７の実施例に係る高圧タンクの内部構成を示す説明図である。 第７の実施例に係る高圧タンクの横断面の一部を示す端面図である。

符号の説明

１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６…高圧タンク
２０、４０、５０、６０、７０、８０、９０…金属製ライナ
３０…複合材製シェル
３１…強化繊維
２１、４１、５１、６１、７１、８１、９１…胴部
２１１…伸縮許容部
２２…口金部
２３…キャップ部
２４…Ｏリング
２５…接続バルブ
４２、５２、６２、７２、８２、９２…胴部構成材
４３、５３、６３、７３、８３、９３…端部構成材
６４、６５、６７、７４…円板

Claims (18)

1. 高圧容器であって、
   軸方向への弾性変形を許容する軸方向変形許容部を軸方向全長にわたって備える中空の胴部と、端部とを有する金属製ライナと、
   前記金属製ライナの外周を包む複合材製シェルとを備える高圧容器。
2. 請求項１に記載の高圧容器において、
   前記軸方向変形許容部は前記胴部にベローズ状に一体成形され、前記端部と前記胴部とは一体に成形されている高圧容器。
3. 請求項１に記載の高圧容器において、
   前記金属製ライナは、前記軸方向変形許容部を構成すると共に前記胴部を形成する複数の胴部構成材と、前記複数の構成材を挟み込むと共に前記胴部とは別体の前記端部を形成する端部構成材とによって形成されている高圧容器。
4. 高圧容器であって、
   軸方向への弾性変形を許容する軸方向変形許容部を軸方向全長にわたって有すると共に、径方向への弾性変形を許容する径方向変形許容部を周方向全周にわたって有する中空の胴部と、端部とを有する金属製ライナと、
   前記金属製ライナの外周を包む複合材製シェルとを備える高圧容器。
5. 高圧容器であって、
   複合材製シェルと、
   前記複合材製シェルによって内包されると共に、前記複合材製シェルの軸方向の伸縮変化に合わせて軸方向全長にわたり伸縮変化する中空の胴部と、端部とを有する金属製ライナとを備える高圧容器。
6. 請求項５に記載の高圧容器において、
   前記胴部はベローズ状に一体成形され、前記端部と前記胴部とは一体に成形されている高圧容器。
7. 請求項５に記載の高圧容器において、
   前記金属製ライナは、前記胴部を形成する複数の胴部構成材と、前記複数の構成材を挟み込むと共に前記胴部とは別体の前記端部を形成する端部構成材とによって形成されている高圧容器。
8. 請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の高圧容器において、
   前記胴部はさらに、前記複合材製シェルの周方向の伸縮変化に合わせて周方向全長にわたり伸縮変化する高圧容器。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の高圧容器において、
   前記金属製ライナには軸方向に予荷重がかけられている高圧容器。
10. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の高圧容器において、
    前記金属製ライナは、その軸方向に直交して配置される補強板を内部に有する高圧容器。
11. 高圧容器であって、
    径方向への弾性変形を許容する径方向変形許容部を周方向全周にわたって備える中空の胴部と、端部とを有する金属製ライナと、
    前記金属製ライナの外周を包む複合材製シェルとを備える高圧容器。
12. 高圧容器であって、
    複合材製シェルと、
    前記複合材製シェルによって内包されると共に、前記複合材製シェルの周方向の伸縮変化に合わせて周方向全長にわたり伸縮変化する中空の胴部と、端部とを有する金属製ライナとを備える高圧容器。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の高圧容器において、
    前記金属製ライナの内部には水素吸蔵合金が内蔵されている高圧容器。
14. 高圧容器の製造方法であって、
    胴部を構成する複数の胴部構成材を一列に配置し、
    前記整列された複数の胴部構成材の両端部にそれぞれ端部を構成する端部構成材を配置し、
    前記各端部構成材に対して前記胴部構成材に向けた荷重を加え、
    荷重が加えられた状態にて、前記胴部構成材および前記端部構成部材に対して強化繊維を巻き付け、
    前記巻き付けた強化繊維を樹脂剤によって固定する
    高圧容器の製造方法。
15. 高圧容器であって、
    軸方向全長または周方向全長または軸方向および周方向全長にわたって凹凸の断面形状を有し、それぞれ軸方向全長または周方向全長または軸方向および周方向に変形を与えたとき、平面で構成した場合よりも大きな弾性変化を許容することができる中空の金属製ライナ胴部と、
    前記金属製ライナ胴部に続く両端部と、
    前記金属製ライナ胴部および両端部を包む複合材製シェルとを備える高圧容器。
16. 請求項１５に記載の高圧容器において、
    前記金属製ライナ胴部の外周面と前記複合材製シェルの内周面との間に樹脂またはゴムが埋められている高圧容器。
17. 請求項１５または請求項１６に記載の高圧容器において、
    前記金属製ライナ胴部と前記両端部とは一体に成形されてなる高圧容器。
18. 請求項１５または請求項１６に記載の高圧容器において、
    前記金属製ライナ胴部は複数の胴部構成部材から構成され、
    前記各胴部構成部材は、接触、シール材または溶接によって前記金属製ライナ胴部からの気体の漏れを防止する高圧容器。

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