JP4602399B2 - 複合材料高圧容器に用いられる高密閉度金属性ノズルボス - Google Patents

Description

本発明は高圧容器として用いられる複合材料容器のプラスチックライナーと結合される金属性ノズルボスに関するもので、具体的には、ノズルボスとプラスチックライナーとの接合部の密閉度を改良した、密閉装置を有する金属性ノズルボスに関するものである。

近年、天然ガス自動車の燃料貯蔵容器や燃料電池自動車の水素タンクとして用いられる複合材料高圧容器を製造するのに、プラスチックライナーは、最初に高密度ポリエチレン（HDPE）のような高分子樹脂を用いて制作される。その後に、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂で含浸したカーボン繊維又はガラス繊維が前記プラスチックライナーの周りに巻き付けられ、軽い複合材料高圧容器が製造される。軽い複合材料高圧容器を製造する工程で、金属性ノズルボスはプラスチックライナーの端部に挿入され、そのライナーの端部に結合される。それによって、レギュレーターやバルブは、前記ノズルボスによって前記高圧容器の端部に結合される。
関連する技術として、重い複合材料高圧容器が提案されて用いられている。その容器は金属製ライナーとそのライナーの周りに巻き付けられた熱硬化性樹脂で含浸したカーボン繊維又はガラス繊維とで形成されている。しかしながら、近年は、前記高圧容器にガスを充填するのに必要な時間を短縮できる軽い高圧容器を製造するのに、高密度ポリエチレンプラスチックライナーが射出又は回転成形によって制作される。その後に、エポキシ樹脂又はポリエステル樹脂で含浸したカーボン繊維又はガラス繊維が前記プラスチックライナーの周りに巻き付けられ、軽い高圧容器が製造される。金属性ライナーを用いたこの従来の複合材料容器は、重く、腐食し易く、製造原価が高いという問題がある。一方、プラスチックライナーを使った複合材料容器は軽くて、腐食や容器にガスを繰り返し充填によって生じる疲労を効果的に防止でき、そして、その容器にガスを充填するのに必要な時間を効果的に短縮できる。
近年、プラスチックライナーを使った様々な複合材料容器が積極的に研究され提案されている。しかし、プラスチックライナーを使う場合、プラスチックライナーと金属性ノズルボスとの接合部での接着力が弱いという問題がある。この接着力が弱いという問題を解決するために、大韓民国特許公開公報第2003−0041002号（公開日2003．5．23）には、金属性ノズルボスを複合材料容器のプラスチックライナーと強く結合させる方法が開示されている。その結合させる方法は、前記金属性ノズルボスの平坦でない表面上にプラズマを用いて処理して微細な平坦でない表面を形成し、そのプラズマ処理を施した表面上に熱硬化性接着剤を塗布することにより行っている。その後、前記金属性ノズルボスが加熱された状態で射出成形行程を通して、プラスチックライナーがこのノズルボスと結合されて製作される。

さらに、金属性ライナーが複合材料容器で用いられる場合には、金属性ライナーと金属性ノズルボスが統合されているから、金属性ライナーと金属性ノズルボスとの接合部でのガス漏れがない。しかしながら、プラスチックライナーが複合材料容器で用いられる場合には、プラスチックライナーと金属性ノズルボスとの接合部の分裂（delamination）によって、その接合部を通してガスが漏れる可能性がある。前記金属性ライナーと従来の前記複合材料容器の金属性ノズルボスとの接合部の分裂は、プラスチックライナーの低い表面エネルギー、又は長期間にわたって繰り返し使用するときのプラスチック材料の弾性力低下によって生じるものである。先行技術では、接合部でのガス漏れを防ぐために、接合部に化学的表面処理又は接着剤処理を施し、物理的にプラスチックライナーと強く結合させる方法を使っている。
大韓民国登録特許公報第10−0247116号（号登録日99．12．9）には、金属性ノズルボスがプラスチック締め具を用いてプラスチックライナーと結合させる方法が開示されている。しかしながら、この方法では、前記ノズルボスのある位置で前記プラスチックライナー内に締め具を取り付けるという困難な行程が必要であり、前記締め付け具とプラスチックライナーとの接合部で弱い構造が形成される。そのために、前記締め付け具とプラスチックライナーとの弱い接合部を通してガス漏れが発生する。
しかしながら、この締め付け具とプラスチックライナーとの接合部は、前記複合材料容器が長時間繰り返して使用されると分裂されて、その分裂された接合部を通してガスが漏れる可能性がある。従って、複合材料高圧容器が長時間繰り返して使用された後に、該容器に用いるノズルボスが、そのノズルボスとプラスチックライナーとの接合部を通してガスが漏れるのを、防ぐことができる開発が必要となっている。

大韓民国特許公開公報第2003−0041002号 大韓民国特許公報第10−0247116号

したがって、本発明の目的は、複合材料容器のプラスチックライナーに挿入され、そのプラスチックライナーと結合され、そして、金属製ノズルボスとプラスチックライナーとの接合部を通してガスが漏れるのを該金属製ノズルボスが防止するように配置されている金属性ノズルボスを提供することにある。

前記課題を達成するために、本発明の請求項１に係る複合材料高圧容器に用いられる高密閉度金属性ノズルボスは、複合材料高圧容器に用いられる金属性ノズルボス（1）であって、該金属性ノズルボス（1）が複合材料高圧容器のプラスチックライナー（2）と結合されており、垂直の貫通穴（7）と該貫通穴（7）の内周面の上端部に形成された内部ネジ部（８）を持つ円筒状のノズル頭部（6）と、該ノズル頭部（6）の下端の外周面から外方に突出する円板状のノズル扁平部（9）と、該ノズル扁平部（9）の上部面上と下部面上のそれぞれに備えられた上部傾斜面（18）及び下部傾斜面（19）とからなる金属性ノズルボス（1）において、前記下部傾斜面（19）の下側の位置で前記ノズルボス（1）の外周面から外方に突出する多段支持リム（16）の下部表面に凹設されたシールリング装着部（13）と、前記シールリング装着部（13）から下方に伸びており、外周面の下端部の周りに形成された締め付け外部ネジ部（15）と該締め付け外部ネジ部（15）の上端とシールリング装着部（13）との間に形成された締め部（14）とを有しており、該締め部（14）が締め付け外部ネジ部（15）の谷径と同一直径で形成された密閉装置部（12）と、締め付け内部ネジ部を有しており、密閉装置部（12）の締め付け外部ネジ部（15）で拘束されており、締め具（17）の上面がプラスチックライナー（2）の内部表面と接触されており、金属性ノズルボス（1）とプラスチックライナー（2）との接合部に対応した位置で、前記締め具（17）の上部面上に凹設されたシールリング取り付け座（21）を有している環状の締め具（17）と、シールリング（24）の下端部がシールリング取り付け座（21）に密着して前記締め具（17）の前記取り付け座（21）に設置され、前記シールリング（24）の一方の表面が金属性ノズルボス（1）のシールリング装着部（13）に密着して、他方の表面がプラスチックライナー（2）に密着しているシールリング（24）と、を備えることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る複合材料高圧容器に用いられる高密閉度金属性ノズルボスは、前記ノズル頭部（6）の下端の外周面から外方に突出する円板状のノズル扁平部（9）の上部傾斜面（18）と下部傾斜面（19）には固定溝（10）が備えられ、該固定溝（10）の傾斜面には多数の固定用凸部（11）が形成されたことを特徴とする。
本発明の請求項３に係る複合材料高圧容器に用いられる高密閉度金属性ノズルボスは、前記シールリング（24）の断面形状は円形又は多角形であり、材質はゴム、シリコン、軟質プラスチックのいずれか1種であることを特徴とする。

本発明の密閉度の向上した金属性ノズルボスを複合材料高圧容器に適用することで、長期間使用の時、プラスチックライナーと金属性ノズルボスとの接合部で微細なガス漏れを防止することができ、ガス充填のような反復的な疲労荷重にも十分な気密を維持することができて、耐久性及び密閉性にすぐれた複合材料容器を製作することができる効果がある。

図１は従来の複合材料容器のノズルボス周辺部の説明図である。この図は、従来の金属性ノズルボス1と複合材料容器のプラスチックライナー2との分裂が起った接合部3を通って、ガスが漏洩４する流れを示したものである。図１において、矢印‘→’はガスの流出方向を示したものである。一般的に、プラスチックの表面は低い表面エネルギーを有するので、接着力と濡れ性が低い。特に、金属表面に関するプラスチック表面との接着力は非常に低い。溶融樹脂が金属表面と接着する時、金属表面に関するプラスチック表面との接着力は、さらに低くなる。この問題を解決するために、金属表面は、化学的な処理を施すことにより接着力を向上でき、あるいは、物理的、強力的にプラスチック表面と結合できるような適切な形状を形成できるかもしれない。しかしながら、上述した金属表面の化学的な処理又は物理的な形状は、長時間の間、容器に繰り返してガスを充填することで、金属表面とプラスチック表面との接合部の分裂によって容器からガス漏れを防止することができないので、前記接合部の分裂を緩和する付加的な手段を開発する必要がある。
本発明による前記金属性ノズルボスは、従来の複合材料容器のノズルボスとプラスチックライナーとの接合部を通してガスが漏れるのを防ぐために、シールリングと締め具を用いた密閉装置を含んでいる。詳述するならば、図２に示すように、本発明の円筒状のノズル頭部6は、垂直の貫通穴7と該貫通穴7の内周面の上端部に形成された内部ネジ部８を持つ円筒状のノズル頭部6と、該ノズル頭部6の下端の外周面から外方に突出する円板状のノズル扁平部9とから構成されている。さらに、前記金属性ノズルボスは、前記貫通穴7の内周面の下端部に備えられたシール装置１２を含んでいる。図３はシール装置１２の部分拡大図である。該シール装置１２は、シールリング24が装着されるシールリング装着部13と、締め具17を締結するための締め付け外部ネジ部１５と、締め具17を予め決められた一定の圧力で押して密閉作用をなす締め部14から構成される。シールリング装着部13は、多段支持リム16に備えられたリング形状の表面のことである。シールリング装着部13に装着されたシールリング24は、締め具17の圧縮力によって締め付けられて、ノズルボス1とライナー2との接合部を密着している。
上述したように、シールリング装着部13に装着されたシールリング24は、締め具17によって締め付けられ、締め具17のシールリング取付け座21により変形され、そして、ノズルボス1とライナー2との接合部を密着させている。これにより、前記シールリング24はガス漏れ通路を遮断している。

密閉装置部12の締め具17によって供される密閉効果は、次のようにして達成される。締め具17を締め付け外部ネジ部15に噛み合わせた後、前記締め具17を回転させると前記シールリング24が締め付けられるまで前記密閉装置部12に沿って上昇する。この状態で、前記締め具17をさらに回転させると、前記締め付け外部ネジ部１５に沿って上昇していき、その結果、前記ネジ部１５から自由になるので締め部14の周りに載置される。前記締め具17がその締め部14の周りに載置されると、前記締め具17は予め決められた一定の力で前記シールリング24を押し付けるので、押し付けられたシールリング24は、締め具17のシールリング取付け座21で変形して前記ノズルボス1とライナー2との接合部で密着することになる。従って、この押し付けられたシールリング24は、前記容器からガスが漏れるガス漏れ通路を遮断するので、前記ライナー２の密閉度を向上させる。
締め部14はシールリング装着部13と締め付け外部ネジ部15との間に備えられ、シールリング装着部13と類似の形状の円筒面である。締め部14の直径はシールリング装着部13の直径より小さいか同じでなければならなく、締め付け外部ネジ部１５のネジの谷径より小さいか同じでなければならない。上述した締め部14のサイズにより、締め部14は締め付け外部ネジ部15と協働することで、締め具17がシールリング24に一定の圧縮力を加えられるようにしている。換言すれば、締め付け外部ネジ部15と締め部14を利用してシールリング24に一定の圧縮力を与えるためのもので、シールリング24が圧縮される変位だけ締め部14を加工することで、別途の工具4なしにもシールリング24に一定の圧縮力を加えるようにしたものである。すなわち、締め具17でシールリング24を圧縮する時、圧縮力はシールリング24の材質及び変形量によって決定されるが、締め具17が締め付け外部ネジ部１５から予め決まった位置で自由になれば、シールリング24を圧縮する圧縮変形畳も一定になるので、いつも一定の圧縮力を加えることができるようになる。したがって、トルクレンチのような工具なしにも一定の力で締め具17を強固に締めることができるようになる。また、締め部14は、シールリング24の内側と外側に容器内部の圧力が同等に作用するので、シールリング24が一側に偏る現象を防止することができる。
図４は金属性ノズルボス1の部分斜視図で、ノズル扁平部9の上部傾斜面18と下部傾斜面19には、固定用凸部１１が形成された固定溝１０が位置する。逆テーパー状に形状された固定溝１０の斜面にはいくつかの固定用凸部１１を形成し、溶融プラスチック樹脂を固定用凸部１１が形成された固定溝１０に注入した後その内部で凝固させる。これにより、プラスチックライナー2と金属性ノズルボス1間の接触面積を増加させて、より堅固な決着力を得ることができる。また、ガス充填の時、ノズルボス1とライナー2間の接着面に作用する荷重の方向が分散されるようにすることで、ノズルボス1とライナー2間の接着面で発生する分裂を最小化させることができる。
密閉装置部12はシールリング装着部13の形状及び位置によって、図6に示すように、多様な形態になることができる。図６は金属性ノズルボス1の多段支持リム16の前側にライナー突出部20が設けられた場合で、二つのシールリング24がライナー突出部20とシールリング装着部13に同時にそれぞれ装着されるもので、二つのシールリング24で内部ガスの移動経路をすべて遮断した形態である。
本発明のシールリング24の断面形状は円形又は多角形であることが可能であり、材質はゴム、シリコン、軟質プラスチックなどであることが可能である。

図7は本発明の金属性ノズルボス密閉装置を適用した複合材料容器の断面図である。プラスチックライナー2は、まず金属性ノズルボス1を機械加工した後、加工されたノズルボス1をインサートにするインサート射出成形によってドーム部分22を製作し、製作されたドーム部分22の内部にシールリング24と締め具17を利用した密閉装置を提供して密閉度を向上させる。シリンダー部分23は圧出成形によって製作し、必要な大きさに切断して使用する。このように製作されたドーム部分22とシリンダー部分23を熱融着することにより、フィラメントワインディングに使われるライナーを製作する。ライナーを軸として、エポキシで含浸した炭素繊維を巻き付け、これを硬化させた複合材料層5で補強して複合材料容器を完成する。
本発明で提案した金属性ノズルボス1を利用することにより、複合材料高圧容器のライナー2を繰り返し充填して長期間使用する時、金属性ノズルボス1とプラスチックライナー2との接合部でガスが漏れする問題点を解決することができる。

図8は密閉装置を備えなかった一般の金属性ノズルボスを使った既存の複合材料容器と、シールリング24と締め具17を利用した密閉装置が装着された金属性ノズルボス1を使用した複合材料容器に対する比較試験結果を示すもので、ISO l1439に提示されている常温反復加圧試験で測定した結果である。常温反復加圧試験は、複合材料容器に水をいっぱい満たし、20bar〜260barの圧力を繰り返し加圧して試験し、加圧試験された容器に対してガス漏れ試験を行ってガス漏れ有無を判断することで、複合材料容器の耐久性を試験する。図8に示すように、密閉装置を備えた金属性ノズルボスを使用する場合、48，800回の反復加圧後にガスが漏れた。これは、既存の金属性ノズルボスを使用した複合材料容器に比べ、耐久性が2．8倍向上している。このようにして複合材料容器の密閉度を向上させることで、既存複合材料容器に比べて２倍以上長い寿命を有する複合材料容器を開発した。
このように、発明者は、一般的な金属性ノズルボスを用いて製造された従来の複合材料容器と、シールリングと環状締め具を用いた密閉装置が装着された前記金属性ノズルボスを用いた本発明の複合材料容器とに対して反復加圧の試験によって、本発明の効果を確認して完成させた。この反復加圧試験は、前記密閉装置で装着された金属性ノズルボスを備えた前記複合材料高圧容器が、長時間繰り返して使用された後でさえ、この容器からガスが漏れなくなることを実証した。
本発明の金属性ノズルボスは、ゴム又はシリコンのような弾性材料で製造されたシールリングと、複合材料容器のプラスチックライナー内部の環状締め具とを用いている。それらを用いることにより、前記複合材料高圧容器が長時間繰り返して使用された後に、前記ノズルボスとライナーとの接合部を通してガスが漏れなくなる。

既存複合材料容器の金属性ノズルボスとプラスチックライナーとの接合部を通してガス漏れを示す説明図である。 本発明の金属性ノズルボスが装着されたライナーの断面図である。 図２で密閉装置部であるA−A部分の部分拡大図である。 密閉装置部が備えられた金属性ノズルボスの一部に対する斜視図である。 密閉装置部に締結される締め具の斜視図である。 ライナー突出部とシールリング装着部にシールリングが同時に装着された密閉装置部の他の断面図である。 本発明の金属性ノズルボスを適用した複合材料容器の断面図である。 本発明の金属性ノズルボスを使った場合、複合材料容器の耐久性を比較試験したグラフである。

Claims (3)

1. 複合材料高圧容器に用いられる金属性ノズルボス（1）であって、該金属性ノズルボス（1）が複合材料高圧容器のプラスチックライナー（2）と結合されており、垂直の貫通穴（7）と該貫通穴（7）の内周面の上端部に形成された内部ネジ部（８）を持つ円筒状のノズル頭部（6）と、該ノズル頭部（6）の下端の外周面から外方に突出する円板状のノズル扁平部（9）と、該ノズル扁平部（9）の上部面上と下部面上のそれぞれに備えられた上部傾斜面（18）及び下部傾斜面（19）とからなる金属性ノズルボス（1）において、
   前記下部傾斜面（19）の下側の位置で前記ノズルボス（1）の外周面から外方に突出する多段支持リム（16）の下部表面に凹設されたシールリング装着部（13）と、
   前記シールリング装着部（13）から下方に伸びており、外周面の下端部の周りに形成された締め付け外部ネジ部（15）と該締め付け外部ネジ部（15）の上端とシールリング装着部（13）との間に形成された締め部（14）とを有しており、該締め部（14）が締め付け外部ネジ部（15）の谷径と同一直径で形成された密閉装置部（12）と、
   締め付け内部ネジ部を有しており、密閉装置部（12）の締め付け外部ネジ部（15）で拘束されており、締め具（17）の上面がプラスチックライナー（2）の内部表面と接触されており、金属性ノズルボス（1）とプラスチックライナー（2）との接合部に対応した位置で、前記締め具（17）の上部面上に凹設されたシールリング取り付け座（21）を有している環状の締め具（17）と、
   シールリング（24）の下端部がシールリング取り付け座（21）に密着して前記締め具（17）の前記取り付け座（21）に設置され、前記シールリング（24）の一方の表面が金属性ノズルボス（1）のシールリング装着部（13）に密着して、他方の表面がプラスチックライナー（2）に密着しているシールリング（24）と、
   を備えることを特徴とする複合材料高圧容器に用いられる高密閉度金属性ノズルボス。
2. 前記ノズル頭部（6）の下端の外周面から外方に突出する円板状のノズル扁平部（9）の上部傾斜面（18）と下部傾斜面（19）には固定溝（10）が備えられ、該固定溝（10）の傾斜面には多数の固定用凸部（11）が形成されたことを特徴とする請求項1に記載の複合材料高圧容器に用いられる高密閉度金属性ノズルボス。
3. 前記シールリング（24）の断面形状は円形又は多角形であり、材質はゴム、シリコン、軟質プラスチックのいずれか1種であることを特徴とする請求項1に記載の複合材料高圧容器に用いられる高密閉度金属性ノズルボス。