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JP3491175B2 - 損傷軽減システムを備えた圧力容器 - Google Patents

損傷軽減システムを備えた圧力容器

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JP3491175B2
JP3491175B2 JP32116794A JP32116794A JP3491175B2 JP 3491175 B2 JP3491175 B2 JP 3491175B2 JP 32116794 A JP32116794 A JP 32116794A JP 32116794 A JP32116794 A JP 32116794A JP 3491175 B2 JP3491175 B2 JP 3491175B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本発明は、一般的には圧力容器の分野に
関するものであり、特別には、耐衝撃性を改善し、容器
への潜在的な内部損傷を視覚的に観察するのを可能とす
る損傷軽減システムに関する。
【０００２】
【発明の背景】多くの用途において、軽量構造ならびに
高い耐破砕、耐腐蝕損傷についての品質は圧力容器にと
って非常に望ましい特性である。これらの設計基準は、
多年にわたって、高圧複合（繊維補強樹脂マトリック
ス）コンテナ、たとえば、ガラス繊維フィラメントを巻
き付ける、あるいは種々の他のタイプの合成フィラメン
トからなる積層を熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂に
よって相互に結合することによって作られたコンテナの
開発によって満たされてきた。エラストマーその他の非
金属弾性ライナあるいはブラダをこの複合シェル内に配
置して容器をシールすると共に内部の流体が複合材料に
触れるのを防ぐことが多い。
【０００３】このような複合容器を種々の加圧流体、た
とえば、酸素、天然ガス、窒素、ロケットその他の燃
料、プロパンなどを収容するのに用いることが普及して
きている。容器の複合構造は、種々の利点、たとえば、
軽量であること、耐腐蝕性、耐疲労性、耐壊損性を与え
る。これらの特徴は、代表的には圧力容器の構造材を配
向方向に補強する繊維あるいは補強フィラメントの高い
比強度による。
【０００４】上述したタイプの複合圧力容器は、当初
は、主として航空機、宇宙空間での用途のために開発さ
れた。これはこのような用途では必須の重量制限のため
である。これらの用途は容器への損傷が最小限であり、
事実、予期しない外部の衝突が起こるのがまれである比
較的安全な環境を与える。しかしながら、一般的な商業
用途における複合圧力容器の使用が普及するにつれて、
なんら目で見て明らかな損傷を示すことなく容器の強度
に重大な影響を与える可能性のある未制御の損傷に容器
がさらされる蓋然性がかなり高まっている。たとえば、
輸送その他の取り扱い中に、容器が落とされ、内部的な
あるいは構造状の損傷を受ける可能性があり、これは容
器の外面あるいは外殻を観察しても視覚的に検知するこ
とはできない。損傷を受けた容器は、損傷を受けたこと
を誰も知らないで意図した用途あるいは最終用途のため
に据え付けられるかも知れないのである。
【０００５】これらの問題を解決する最新の方法のいく
つかでは、容器の外面に犠牲となる材料を用い、容器に
ゴムその他のエラストマー・コーティングを施して容器
のシェル肉厚あるいは壁厚を増大させている。このよう
なシステムは、実際には、容器を製造した後に容器の表
面に或る種の保護特性を加える。この特性は、損傷が生
じたかも知れないという視覚的な証拠を与えるというよ
りも、容器への損傷を防ぐというように作用する。加え
て、容器の外面に異質の材料を付与するというこれらの
処置は容器の全体寸法および重量を増大させることにな
る。損傷を防ぐために容器の複合壁厚を増大させるとい
うことは、単に軽量構造を与えるという目的に反するこ
とである。容器の複合シェルの一体性を変えることなく
切断したり、丸く削ったり、孔をあけたりするように容
器全体にわたってガラス繊維層のような付加的な犠牲材
料を付与することも単純に容器そのものの厚みを増やす
に過ぎない。同じ欠点は容器に施すゴムその他のエラス
トマー・コーティングにも当てはまり、これらのコーテ
ィングは複合材料の同じ厚さのものよりもかなり重くな
る。これらの処置は、すべて、ここに開示し、特許請求
の範囲に定義するような本発明の概念とまったく逆に、
防ごうとしている損傷を潜在的に覆い隠してしまうとい
う欠点も有する。換言すれば、視覚的に明らかな表面損
傷を示さない損傷防止用外側コーティングまたはカバー
は、衝撃領域の下の主複合構造が構造状の損傷を受けて
いる可能性があったとしても、損傷付与事象が生じたと
いう証拠を点検者になんら与えないのである。
【０００６】本発明は上記問題を解決することに向けた
ものであり、重大な損傷を視覚的に検出し易くすると共
に他のいかなる点でも容器の外観を変えることがないよ
うにすることによって衝撃損傷の結果を軽減するもので
ある。
【０００７】
【発明の概要】したがって、本発明の目的は、圧力容器
のような中空容器における損傷軽減システムを提供する
ことにある。本発明は、特に、フィラメントワインディ
ング法にて製造される容器のような複合圧力容器に適用
できる。
【０００８】本発明の実施例においては、開示した圧力
容器は複合材料で構成される外殻を備える。外殻内でそ
の内側にほぼ接する流体不透過性のライナを配置しても
よい。本発明は、損傷軽減材料を外殻内に組み込むこと
を意図している。開示した特別の実施例では、シェルの
主肉厚部が損傷軽減材料の内側に配置してあり、シェル
の副肉厚部が損傷軽減材料の外側に配置してある。副肉
厚部および損傷軽減材料は、シェルの主肉厚部に影響を
与えるには不充分な所与の外力によって衝撃を受けたと
きに物理的に変形できる。
【０００９】本発明の好ましい実施例では、硬質の独立
した気泡を持つ発泡体のような圧潰可能な損傷軽減材料
を使用する。容器は細長くなっており、少なくとも１つ
のドーム状の端を備え、損傷軽減材料はこのドーム状端
の領域においてのみ外殻内に組み込んである。この限ら
れた領域は、細長い容器が落とされたときに通常は一端
を下にして着地し、上下に弾むために、非常に有効であ
る。
【００１０】より一般的には、本発明のシステムは複合
材料で作ったほぼ中空の容器に対する潜在的な損傷を検
知することができる。容器は損傷軽減材料を組み込んだ
外殻を包含する。複合シェルの所与の肉厚部、たとえ
ば、フィラメントを巻き付ける積層が損傷軽減材料の外
側に配置してある。複合シェルのその所与の肉厚部およ
び損傷軽減材料は所与の外力による衝撃の際に変形でき
る。
【００１１】本発明の他の目的、特徴および利点は添付
図面に関連した以下の詳しい説明から明らかとなろう。
【００１２】新規であると考えられる本発明の特徴は、
特に、添付の請求の範囲に記載してある。本発明は、そ
の目的および利点と共に、添付図面（同様の参照符号は
同様の構成要素を示す）に関連した以下の説明を参照す
ることによって明らかとなろう。
【００１３】
【好ましい実施例の詳細な説明】図面をより詳しく参照
して、図１は流体などを保持するための代表的な圧力容
器を全体的に１０で示す。容器は、かなり細長くなって
おり、ほぼ円筒形の主体部１２と、ほぼ半球形の一対の
端部１４とを包含する。容器の一端にはボス１６が設け
てあり、容器の内部と連通する１つまたは２つのポート
を提供している。容器の外側部は全体的に１８で示す外
側複合シェルによって構成されている。ここで「複合」
なる用語は、例えば、フィラメントを巻き付け、あるい
は積層して構成する繊維強化マトリックス材料を意味す
る。
【００１４】図２は図１のほぼ２−２線に沿った圧力容
器の一方の半球形端１４を通る軸線方向断面を示す。こ
こでわかるように、図２の圧力容器は外側シェル１８と
ボス１６とを包含すると共に内側ライナ２０を包含し、
この内側ライナ２０はほぼ半球形の端部２２を有し、こ
の端部は外殻１８の開口部２６と接合した開口部２４を
有する。ボス１６は整合した開口部内に位置し、ネック
部２６と半径方向外方に突出するフランジ部３０とを包
含する。ボスはポート３２を構成しており、このポート
を貫いて高圧の流体が圧力容器１０の内部を通過でき
る。内側ライナ２０は二つの唇状の部位を包含し、これ
はライナの開口部２４と外接している。外側の唇状の部
位３４と内側の唇状の部位３６はその間に環状のくぼみ
３８を構成しており、このくぼみがボス１６のフランジ
部３０を受け入れるようになっている。あり継ぎ相互係
合する錠止手段４０がフランジ部３０と内外それぞれの
リップ・セグメント３４、３６の間に設けてあり、ボス
１６に内側ライナ２０を錠止するようになっている。
【００１５】外殻１８は、樹脂マトリックスにおける繊
維補強材料のような剛直な機械的に強い材料で作った複
合シェルである。繊維はガラス繊維、ARAMID、カーボ
ン、グラファイトその他任意の一般に公知の繊維補強材
料であり得る。樹脂マトリックスは、エポキシ、ポリエ
ステル、ビニルエステル、サーモプラスチックあるいは
容器を使用することになっている特定の用途に必要な性
質を与えることのできる任意他の適当な繊維材料であり
得る。
【００１６】内側ライナ２０は外殻１８内にその内面に
対向して配置したほぼ流体不透過性の可撓性ライナであ
る。内側ライナはプラスチックその他のエラストマーで
作ってもよく、また、圧縮成形、ブロー成形、射出成形
その他一般に知られている技術によって製作できる。ボ
ス１６はアルミニウム、鋼、ニッケルまたはチタンの合
金で作れるが、他の金属および非金属材料、たとえば、
複合材料も適していると了解されている。
【００１７】先に記載したように、本発明は潜在的に構
造上の損傷を最小限に抑えかつ検出することができるよ
うに材料を圧力容器に組み込んだ損傷軽減システムに向
けられている。一般的に、本発明は圧力容器１０の外殻
１８の設計に損傷軽減材料または損傷軽減要素を組み込
むことを意図しており、これは局部的な衝撃の下に変形
することになる。好ましい実施例は材料または要素が容
器の複合構造に直接組み込むことを意図している。
【００１８】より詳しくは、図２でわかるように、損傷
軽減材料または要素５０は一次複合構造５２の外側と外
側構造５４の内側に組み込まれる。一次複合構造５２は
シェル１８の主肉厚部と考えることができ、外側複合構
造５４は外殻１８の副肉厚部と考えることができる。図
面のハッチングは主肉厚部５２と副肉厚部５４を個別の
構造あるいは層状の構成要素であるように示している。
しかしながら、実際には、シェル１８は損傷軽減材料５
０の端５０ａを越えるところでは均質な構造である。た
とえば、もしシェル１８がフィラメント捲回複合材料で
作られているならば、巻き線の副肉厚部は損傷軽減材料
５０の外側に副肉厚部５４を包含するが、損傷軽減材料
の端を越えるシェルは主肉厚部５２から単純に続く均質
硬化構造である。同様に、もしシェルがマトリックス内
の繊維ファブリックの層からなるならば、損傷軽減材料
の外側にある構造上の複合材のより薄い層であるが、シ
ェルは損傷軽減材料の境界を越えるところでは均質に硬
化した構造となる。もしシェルが繊維質複合材料を成形
したものである場合にも、同じ構造上の特性を得ること
ができる。
【００１９】本発明の好ましい実施例では、損傷軽減材
料または要素５０は硬質の独立した気泡を持つ発泡体で
ある。ポリウレタン構造発泡体であってもよい。しかし
ながら、損傷軽減材料または要素は広範囲にわたる材料
で作ることができ、限定するつもりはないが、サーモプ
ラスチック、サーモセット、有機、無機繊維、ゴム、金
属、紙、ガラス、開放気泡または独立気泡の発泡体、織
成またはランダムファイバ・パッド、プレハブコア構造
（たとえば、ハニカム構造）などがある。これらの材料
は、すべて、好ましい剛性を備えた発泡材料として、局
部的な荷重を受けたときに変形あるいは圧潰する特性を
有する。これらの材料は、すべて、復元可能あるいは永
久変形にかかわらず、所与の外力による衝撃を受けた際
に物理的に変形できる。
【００２０】したがって、図２の容器１０が矢印「Ａ」
の方向に所与の衝撃力を受けた場合、シェル１８の副肉
厚部５４および損傷軽減材料５０は内方へ圧潰または変
形することになる。これは容器の外面にくぼみ、孔、ひ
びまたは変色を残し、容器の内部に潜在的な構造上の損
傷があるということを視覚的に観察者に知らせることに
なる。たとえ損傷軽減材料５０がゴムまたは同様のエラ
ストマーのような「復元可能な」材料であったとして
も、外側の肉厚部５４は変形し、潜在的な損傷を視覚的
に示す。容器は廃棄してもよいし、さらに実際の損傷に
ついて点検してもよい。このことは、材料５０が損傷軽
減機能を満たしたことを示す。
【００２１】上述したように、内側の肉厚部５２は
「主」肉厚部であり、外側の肉厚部５４は「副」肉厚部
である。これら相対的な厚みは、複合シェルの主肉厚部
を実際に損傷を与えるに不充分な所与範囲の局所的荷重
または衝撃の下に容器の外面が「くぼむ」かあるいは圧
潰することが望ましい場合には好ましい。この関係は、
容器が実際に或る特定の物質で満たすことができる状況
で容器にかかった衝撃の発生が容易に検出できることを
望むときには好ましい。容器がなんらかの衝撃を受けた
かどうかを安全に確認するように容器を点検することは
非常に望ましい。しかしながら、本発明はこの相対厚さ
関係が制限を受けないことを意図している。
【００２２】さらに、損傷軽減材料または要素５０は図
２に示すように容器の一端または両端に局限するか、あ
るいは、容器の任意他の部分またはすべてを覆ってしま
う。容器１０がかなり細長く、落とされたときに常に容
器が端で衝撃を受けることになるために、損傷軽減材料
を容器の端に局限している。また、損傷軽減要素が可変
であり、あるいは、厚み、密度で均一であり、要素が容
器の表面にわたって均一あるいは変化する特性を持ち得
る。
【００２３】またさらに、好ましい実施例では、損傷軽
減要素５０は複合層で覆われており、この複合層は上述
したように損傷軽減要素を覆う外側シェルまたは外側肉
厚部５４を与える。これは容器の構造シェル内に損傷軽
減要素を完全に組み込み、こうしてできた容器構造は普
通に設計された複合圧力容器の外観を持つ。外側シェル
は低レベル衝撃、切断、摩擦、化学的暴露、局部加熱、
天候、紫外線による劣化からの保護を与える。
【００２４】要するに、本発明の損傷軽減システムは容
器の耐損傷性を向上させ、環境を含む損傷への容器の露
出を示す手段を提供する。局部的な衝撃（たとえば、容
器を落としたりどこかにぶつけたりした場合に生じる可
能性がある）は容器の外側シェル５４または外面の局部
的な変形を生じさせることになる。損傷軽減要素５０は
衝撃点の下で変形あるいは圧潰して衝撃エネルギを吸収
し、ピーク荷重を軽減し、生じた荷重を広い面積にわた
って分布させることになる。こうして、損傷軽減要素
は、特に剛性発泡体またはハニカム構造のような材料で
保護機能を与える。シェルの外面への衝撃の視覚的に検
知可能な永久的な影響がくぼみ、孔、ひび、変色を生じ
させることができる。外側肉厚部５４は種々のレベルの
衝撃に対する証拠を与えるように設計してもよい。シェ
ルの主肉厚部への重大な損傷を含まない衝撃は外側副肉
厚部に永久的なしるしを生じさせることがない。主構造
肉厚部へ損傷を与えるより重大な損傷は外面または副肉
厚部に視覚的に検知できる永久的なしるしを生じさせる
ことになる。
【００２５】本発明をその精神すなわち中心的な特徴か
ら逸脱することなく他の特殊な形態でも実施できること
は了解されたい。したがって、本実施例はあらゆる点で
説明のためのものであり、制限的なものではなく、本発
明はここに開示した詳細に限られないということも了解
されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は本発明を適用できる代表的な細長い圧
力容器の側断面図である。
【図２】この図は本発明の一実施例を含む圧力容器の一
端を通る断片軸線方向断面図である。
【符号の説明】
１０・・・圧力容器 １２・・・主体部 １４・・・端部 １６・・・ボス １８・・・外殻 ２０・・・内側ライナ ２２・・・半球形端部 ２４・・・開口部 ２６・・・開口部 ２８・・・ネック部 ３０・・・フランジ部 ３２・・・ポート ３４・・・外側の唇状の部位 ３６・・・内側の唇状の部位 ３８・・・環状くぼみ ４０・・・錠止手段 ５０・・・損傷軽減材料 ５２・・・一次複合構造すなわち主肉厚部 ５４・・・外側構造すなわち副肉厚部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アヨデジ ジェイ アヨリンデ アメリカ合衆国 ネブラスカ州 68516 リンカーン フィフティファースト ストリート 6818 サウス (72)発明者 アルビン アール シダバーグ アメリカ合衆国 ネブラスカ州 68507 リンカーン セブンティフォース ス トリート 2823 ノース (56)参考文献 特開 平１−105099（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−115698（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−113688（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F17C 1/00

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流体などを保持するための圧力容器であっ
    て、均一な繊維複合材料からなる外殻と、 前記外殻の 内面にほぼ接する、流体不透過性の内部ライ
    ナと、前記外殻 に組み込んだ損傷軽減材料とを包含し、均一な繊維外殻 の主肉厚部が損傷軽減材料の内側に配置
    されており、 均一な繊維外殻 の副肉厚部が損傷軽減材料の外側に配置
    されており、損傷軽減材料が、均一な繊維複合材料によって閉じこめ
    られ、 副肉厚部および損傷軽減材料が外殻の主肉厚部に影響を
    与えるには不充分な外力によって衝撃を受けた際に物理
    的に変形可能であることを特徴とする圧力容器。
  2. 【請求項２】前記損傷軽減材料が圧潰可能材料でなるこ
    とを特徴とする請求項１記載の圧力容器。
  3. 【請求項３】前記損傷軽減材料が剛性発泡材料でなるこ
    とを特徴とする請求項２記載の圧力容器。
  4. 【請求項４】少なくとも１つのドーム状の端を備えた細
    長いものであり、 前記損傷軽減材料が前記ドーム状端の領域においてのみ
    外殻内に組み込んであることを特徴とする請求項１記載
    の圧力容器。
  5. 【請求項５】流体などを保持するためのほぼ中空の容器
    であって、 フィラメントワインディング法により成形される複合材
    料からなる外殻と、 前記外殻内に組み込んだ損傷軽減材料とを包含し、 外殻の主肉厚部が損傷軽減材料の内側に配置されてお
    り、 外殻の副肉厚部が損傷軽減材料の外側に配置されてお
    り、 副肉厚部および損傷軽減材料が外殻の主肉厚部に影響を
    与えるには不充分な所与の外力によって衝撃を受けた際
    に物理的に変形可能であることを特徴とする容器。
  6. 【請求項６】前記損傷軽減材料が圧潰可能材料からなる
    ことを特徴とする請求項５記載の容器。
  7. 【請求項７】前記損傷軽減材料が剛性発泡材料からなる
    ことを特徴とする請求項６記載の容器。
  8. 【請求項８】少なくとも１つのドーム状の端を備えた細
    長いものであり、 前記損傷軽減材料が前記ドーム状端の領域においてのみ
    外殻内に組み込んであることを特徴とする請求項５記載
    の容器。
  9. 【請求項９】複合材料で構成されるほぼ中空の圧力容器
    に対する潜在的な損傷を軽減するシステムであって、 容器が、その中に損傷軽減材料が閉じこめられている均
    一な繊維複合材料からなる１つの外殻を包含し、 均一な繊維複合外殻の所与の肉厚部が損傷軽減材料の外
    側に配置され、 複合外殻の前記所与の肉厚部と損傷軽減材料が、所与の
    外力により損傷を受けた際に、変形可能であることを特
    徴とするシステム。
  10. 【請求項１０】前記損傷軽減材料が圧潰可能材料からな
    ることを特徴とする請求項９記載のシステム。
  11. 【請求項１１】前記損傷軽減材料が剛性発泡材料からな
    ることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
  12. 【請求項１２】前記容器が少なくとも１つのドーム状の
    端を備えた細長いものであり、 前記損傷軽減材料が前記ドーム状端の領域においてのみ
    外殻内に組み込んであることを特 徴とする請求項９記載
    のシステム。
  13. 【請求項１３】流体などを保持するための圧力容器であ
    って、 フィラメントワインディング法により成形される複合材
    料から成る外殻と、 前記外殻の内面にほぼ接する、流体に対してほぼ不透過
    な内部ライナと、 損傷軽減材料が外殻内に組み込まれており、 外殻の主肉厚部が、損傷軽減材料の内側に配置されてお
    り、 外殻の副肉厚部が、損傷軽減材料の外側に配置されてお
    り、 副肉厚部と損傷軽減材料が、外殻の主肉厚部に影響を与
    えるには不十分な所与の外力によって衝撃を受けた際
    に、物理的に変形可能であることを特徴とする圧力容
    器。
  14. 【請求項１４】前記損傷軽減材料が圧潰可能材料からな
    ることを特徴とする請求項１３記載の圧力容器。
  15. 【請求項１５】前記損傷軽減材料が剛性発泡材料からな
    ることを特徴とする請求項１３記載の圧力容器。
  16. 【請求項１６】フィラメントワインディング法により成
    型される複合材料からなるほぼ中空の容器に対する潜在
    的な損傷を軽減するシステムであって、 前記容器が、その中に損傷軽減材料が閉じこめられてい
    る外殻を包含し、 前記複合外殻の所与の肉厚部が、損傷軽減材料の外側に
    配置され、 前記複合外殻の所与の肉厚部と損傷軽減材料が、所与の
    外力によって損傷を受けた際に変形可能であることを特
    徴とするシステム。
  17. 【請求項１７】前記損傷軽減材料が圧潰可能な材料であ
    ることを特徴とする請求項１６記載のシステム。
  18. 【請求項１８】前記損傷軽減材料が硬質発泡材料である
    ことを特徴とする請求項１７記載のシステム。
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