JP2004503721A - 加圧流体のためのポリマーコンテナシステム - Google Patents
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Abstract
加圧流体のためのコンテナシステムは、複数のポリマー中空室(50)から形成された圧力容器(40)を含み、これらポリマー中空室は、楕円体または球の形状を有して、連続する室の間に配置される複数の比較的狭い導管部(52)により相互接続される。圧力容器は、相互接続された室および相互接続導管部のまわりを包む強化フィラメント(46)を含み、これにより、圧力がかかった流体で満たされる際に室および導管部の径方向の膨張を制限する。コンテナシステムはさらに流体移送制御システム(76)を含み、これは圧力容器に取付けられて、圧力容器の中へおよびここからの流体の流れを制御する。
Description
【0001】
【発明の分野】
この発明は、加圧流体のためのコンテナシステムであって、軽量かつ先行技術のコンテナよりも爆発性の破裂に対しより大きな耐性を有し、このため圧力がかかった流体の歩行用供給を提供するための携帯用の応用物に適合可能である、コンテナシステムに向けられたものである。
【0002】
【発明の背景】
圧力のかかった流体の携帯式供給には多くの用途がある。たとえば、スキューバダイバおよび消防士は携帯式の加圧酸素供給を用いる。民間の航空機では、突然の予測されなかったキャビンの減圧の際に用いられる非常用酸素送出システムが採用される。軍用航空機では典型的に補給用の酸素供給システムも必要となる。このようなシステムは携帯用加圧缶によって供給される。医療分野では、呼吸関連の治療を受けている患者に酸素などの医療用ガスを施すためにガス送出システムが用意される。補給用酸素送出システムは、酸素を酸素供給源から受取って呼吸することが有益である患者により用いられて、患者が呼吸する大気酸素を補給する。このような用途には、病院、家庭介護および歩行環境を含む広範囲の状況で、コンパクトで携帯式の補給用酸素送出システムが有用である。
【0003】
高圧補給用酸素送出システムは典型的に、3000psiまでの圧力の酸素ガスを収容するシリンダまたはタンクを含む。高圧酸素送出システムにおいては、補給用酸素を呼吸する人が用いる酸素送出装置での使用に好適なより低い圧力(たとえば20psiから50psi)へ酸素ガスの圧力を「段階的に下げる」ために圧力調整器が用いられる。
【0004】
補給用酸素送出システム、および加圧ガスの携帯式供給を採用した他の応用においては、圧縮された流体特にガスを貯蔵および使用するのに用いられるコンテナは一般に円筒形の金属瓶の形を取り、これには高い流体圧に耐えるように強化材料を巻付けることがある。このような貯蔵コンテナは製造費が高くつき、本来的に重く、嵩張り、柔軟性がなく、破裂すると激しく爆発的に粉々となりやすい。
【0005】
軽量の合成材料からなるコンテナシステムが提案されている。ショリー(Scholley)による米国特許第4,932,403号、第5,036,845号および5,127,399号には、圧縮ガスのための可撓性携帯用コンテナが記載されており、これは一連の細長い、実質的に円筒形の室を含み、これら室は平行する構成で配置され、狭く曲がった導管により相互接続されて、人の着用できるベストの背中に取付けられる。コンテナはライナを含み、これはナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、テトラフルオロエチレン、またはポリエステルなどの合成材料から形成され得る。ライナは、ケブラー(Kevlar)(R)アラミド繊維などの強化材料による強度の高い編組または巻付けなどの高強度強化繊維によって覆われ、ポリウレタンなどの材料の保護コーティングが強化繊維を覆う。
【0006】
ショリーの特許に記載の設計はいくつかの欠点を抱えており、そのためこれは、スキューバ用品、消防士の酸素システム、非常用酸素システム、および医療用酸素システムなどの携帯用流体送出システムに典型的に見られる圧力レベルで貯蔵される流体のためのコンテナとして用いるには非実用的となっている。別個の貯蔵室の細長くほぼ円筒の形状では、高加圧流体を収容するための効果的な構造はもたらされない。さらに、貯蔵部の比較的大きな体積のため、システムは各室に貯蔵される加圧流体の比較的大きな体積の運動エネルギにより激しく破裂するおそれのある危険なものとなっている。
【0007】
したがって、軽量ポリマー材料からなり、丈夫で激しい破裂に対しより大きな耐性を有する、改良されたコンテナシステムが必要とされている。
【0008】
【発明の概要】
この発明の局面に従い、軽量で丈夫な圧力容器が加圧流体のためのコンテナシステムにより与えられる。コンテナシステムは、複数の中空室を有する圧力容器を含み、各々の室は実質的に球または楕円体の形状を有してポリマー材料から形成され、コンテナシステムはさらにポリマー材料から形成された複数の導管部を含み、各々の導管部は複数の中空室のうち隣接するいくつかの間に位置付けられて複数の中空室を相互接続し、導管部の内側の幅は室のそれよりも小さく、コンテナシステムはさらに、中空室および導管部のまわりを包む強化フィラメントを含む。コンテナシステムはさらに流体移送制御システムを含み、これは圧力容器に取付けられて、圧力容器の中へおよびここからの流体の流れを制御するように構成および配置される。
【0009】
圧力容器のポリマー構成は軽量で、強化フィラメントとともに強く丈夫な設計をもたらす。内側の幅が室よりも小さい狭い導管により相互接続された楕円体または球状の室は、かなりの体積の加圧流体がほぼ瞬間的に解放されることによる激しい破裂に対しより大きな耐性を有する貯蔵システムをもたらす。
【0010】
この発明の他の目的、特徴および特性は、すべてこの明細書の部分を形成する以下の説明、前掲の特許請求の範囲、および添付の図面を参照し考慮することで明らかとなるであろう。さまざまな図面において、同様の参照番号は対応する部分を示す。
【0011】
【詳細な説明】
以下、図を参照してこの発明の実施例を以下に説明する。これら実施例はこの発明の原理を例示するものであり、この発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【0012】
図1および図2に示すように、この発明の発明者であるサンダーズ(Sanders)に対する米国特許第6,047,860号(これの開示はここで引用により援用される)は、形を維持するほぼ楕円体の複数の室Cを含む加圧流体のためのコンテナシステム10を開示し、これら室は管状のコアTにより相互接続される。管状のコアは複数の室の各々を通じて延び、各々の室に固定されて封止する。複数の長手方向に隔てられた開口Aが管状のコアの長さに沿って形成され、このような開口の1つは相互接続された室の各室の内部空間20内に配置されて、充填中における内部空間20への流体の注入と、流体送出中または他のコンテナへの移送中における内部空間20からの流体の放出とを可能にする。開口のサイズは、室からの加圧流体の排出速度を制御できるようなものにされる。こうして低い流体排出速度を達成することにより、1つ以上の室に穴が開いた(すなわち外部の力により貫通された)または破裂したときの、大きくかつ危険なものとなりかねない運動エネルギの突発的な増大を避けることができる。
【0013】
開口Aのサイズは、収容される流体の体積および粘度、予想される圧力範囲、および所望の流量などのさまざまなパラメータに依存する。一般に、液体用と比べてガス用にはより小さな直径が選ばれる。したがって、開口のサイズは一般に約0.010インチから0.125インチまでで変わるであろう。図2には単一の開口Aのみを示すが、殻24の内部空間20内の管Tに2つ以上の開口Aを形成してもよい。これに加え、各々の開口Aが管Tの一方の側にのみ形成されても、または開口Aが管Tを通じて延びてもよい。
【0014】
図2を参照して、各々の室Cは、好適な合成プラスチック材料から成形され開いた前端26および後端28を有するほぼ楕円体の殻24を含む。穴26および28の直径は、管状のコアTの外径をぴったり受ける寸法にされる。管状のコアTは殻24に対し、これらの間の流体密封を形成するように取付けられる。管状のコアTは好ましくは、光エネルギ、熱エネルギまたは超音波エネルギによって殻24に接合され、これらには超音波溶接、高周波エネルギ、加硫、または継ぎ目のない円周方向の溶接を達成できる他の熱プロセスなどの技術が含まれる。殻24は、ロクタイト・コーポレイション(Loctite Corporation)から入手可能で世界中に正規の配給業者を有する3311および3341光硬化アクリル接着剤などの好適な紫外光硬化式接着剤によって、管状のコアTに接合され得る。殻24とこのような殻の間の管状のコアTの延在部(increments)との外側は、殻および管状のコアの破裂に耐えるように好適な耐圧強化フィラメント30で圧力ラッピングされる。フィラメントで包まれた殻および管状のコアTの外部には保護合成プラスチックコーティング32が与えられる。
【0015】
より具体的に、殻24は、テフロン(R)またはフッ素化エチレンプロピレンなどの合成プラスチック材料から、回転成形、吹込み成形または射出成形され得る。管状のコアTも同じ材料から形成されることが好ましい。耐圧フィラメント30は炭素繊維、ケブラー(R)またはナイロンからなることがある。保護コーティング32はウレタンからなることがあり、摩耗、紫外線、湿気、または熱要素から室および管状のコアを保護する。複数のほぼ楕円体の室Cおよびこれらを支持する管状のコアTの組立体は、所望の長さの連続的なストランドからなることがある。この開示の文脈で「ストランド」という用語は、別段の記載がなければ別個の長さの相互接続された室を指す。
【0016】
図2Aに示すように、管Tは、殻24′および管状の部分T′とともに同時押出などにより同時に形成されることがあり、これら管状の部分T′は殻24′と一体に形成され、隣接する殻24′間では管Tに直接重なる。さらに、やはり図2Aに示すように、2つ以上の開口Aが殻24′の内部20内で管Tに形成され得る。殻24′、管状の部分T′および管Tからなる同時に形成された組立体は、上述のように強化フィラメント30の層で包まれて保護コーティング32で覆われ得る。
【0017】
管状のコアTの流入部または前端には、雄ねじを備えた好適な管継手34が設けられ得る。管状のコアTの流出部または後端には雌ねじを備えた管継手36が設けられ得る。このような雄管継手および雌管継手は、管状のコアTにより相互接続された室Cの組立体の隣接するストランド間に圧力式接続を与え、さらに、相互接続された室に計器および弁などの他の構成要素を取付け可能にするための機構を与える。このような管継手を取付けるための好ましい構造については後に説明する。
【0018】
図3において、この発明の原理に従い形成された圧力容器の一部が参照番号40で一般的に表わされる。圧力容器40は、好ましい楕円形状を有し中空の内部54を有する複数の流体貯蔵室50を含む。個々の室50は、室50の隣接する対の間に配置される接続導管部52および56によって、相互に気体が流通可能に(pneumatically)相互接続される。導管部56は一般に導管部52よりも長い。導管部52と導管部56との長さを異ならせる目的については後により詳細に説明する。
【0019】
図4は、圧力容器40の単一の中空室50と、隣接する導管部52の或る部分との、長手方向の拡大断面図を示す。圧力容器40は好ましくは、殻42の対向する開いた端部から延びるポリマー接続導管44を備えたポリマー中空殻42を含む、層状の構成を有する。圧力容器40は、図2および図2Aに示す管状のコアTなどの、中空の殻42を通じて延びる管状のコアを含まない。
【0020】
ポリマーの殻42およびポリマーの接続導管44は好ましくは、テフロン(R)またはフッ素化エチレンプロピレンなどの合成プラスチック材料から形成され、押出、回転成形、連鎖的吹込み成形、または射出成形などのいくつかの公知のプラスチック形成技術のいずれで形成してもよい。
【0021】
殻42および接続導管44を形成するのに用いられる材料は、成形可能でかつ高い引っ張り強さおよび断裂耐性を示すことが好ましい。最も好ましくは、ポリマー中空殻42およびポリマー接続導管44は、ダウ・プラスチックス(Dow Plastics)によりペレタン(Pellethane)(R)2363−90AEの商品名で製造されている熱可塑性ポリウレタンエラストマ、バイエル・コーポレイション(Bayer Corporation)のプラスチック部門によりテキシン(Texin)(R)5286の商品名で製造されている熱可塑性ポリウレタンエラストマ、デュポン(Dupont)によりハイトレル(Hytrel)(R)の商品名で製造されている柔軟ポリエステル、またはテクナー・エイペックス(Teknor Apex)によるポリ塩化ビニルから形成される。
【0022】
好ましい構成では、各々の室50の中空の内部54の体積は、異なった用途のために構成可能な容量の範囲内であり、最も好ましい体積は約30ミリメートルである。各々の室の寸法または容量が同じである必要はない。後に説明する構成を有する圧力容器40は、2000psiの内圧下では7−10%の体積の膨張を被ると判断された。好ましい構成では、各々のポリマー殻42は約3.0−3.5インチの長手方向の長さを有し、ここで最も好ましい長さは3.250−3.330インチであり、最大外径は約0.800インチから1.200インチであり、ここで最も好ましい直径は0.095インチ−1.050インチである。導管44は内径D2を有し、これの範囲は好ましくは0.125−0.300インチであり、ここで最も好ましい範囲は約0.175−0.250インチである。中空の殻42の典型的な壁の厚みの範囲は0.03インチから0.05インチであり、最も好ましい典型的な厚みは約0.04インチである。接続導管44は0.03インチから0.10インチの範囲の壁の厚みを有し、好ましくは約0.040インチの典型的な壁の厚みを有するが、吹込み成形形成処理中に中空殻42と導管44とが異なった量の膨張を経験するため、導管44の実際の典型的な壁の厚みは約0.088インチであろう。
【0023】
ポリマー中空殻42およびポリマー接続導管44の外側の表面は、好適な強化フィラメント繊維46で包まれることが好ましい。フィラメント層46は巻付けまたは編組(好ましくは75°の通常の編組角度を有する三軸編組パターン)であることがあり、好ましくはケブラー(R)などの高強度アラミド繊維材料(好ましくは1420デニール繊維)、炭素繊維またはナイロンであるが、ケブラー(R)が最も好ましい。その他の好適であろうフィラメント繊維材料は、薄い金属ワイヤ、ガラス、ポリエステル、または黒鉛を含み得る。ケブラー巻付け層の好ましい厚みは約0.035インチから0.055インチであり、約0.045インチの厚みが最も好ましい。
【0024】
フィラメント繊維46の層の上には保護コーティング48が与えられ得る。保護コーティング48は摩耗、紫外線、熱要素、または湿気から殻42、導管44およびフィラメント繊維46を保護する。保護コーティング32は吹付け式合成プラスチックコーティングであることが好ましい。好適な材料はポリ塩化ビニルおよびポリウレタンを含む。保護コーティング32は圧力容器40の全体に与えられても、またはこれの特に弱い部分のみに与えられてもよい。これに代えて、圧力容器40が保護防湿ハウジングに収められる場合には保護コーティング32が全くなくてもよい。
【0025】
中空殻42の内径D1は好ましくは導管部42の内径D2よりもはるかに大きく、これにより各々のポリマー殻42の中空内部54内の比較的区別された貯蔵室が定められる。これは圧力容器40の室50のうち1つが破裂した際に解放される運動エネルギを減少させるための機構として役立つ。すなわち、室50のうち1つが破裂すると、この特定の室の中にある体積の加圧流体はすぐに逃げることになる。残りの室にある加圧流体もまた破裂したところへ向かって動くが、残りの室にある流体の逃げる運動エネルギは、破裂した室へ流体が向かう際に流れなければならない比較的狭い導管部44によって調整されることになる。したがって、圧力容器の内容全体がすぐに解放されることは避けられる。
【0026】
これに代わる圧力容器40′が図5および図5Aで示される。圧力容器40′は、導管部52′および56′により接続されるほぼ球状の複数の中空室50′を含む。図5Aに示すように、圧力容器40′に特有の1つの構成は、圧力容器を曲がりくねった態様でそれ自身の上に前後に曲げることである。圧力容器40′は細長い導管部56′で曲げられ、これら導管部は導管部52′と比べて長くされているため、これが捩れることなしに、または隣接する中空室50′が互いの邪魔となることなしに曲げることができる。したがって導管部56′の長さは、圧力容器が捩れることなく、および隣接する中空室50′が互いの邪魔となることなく、圧力容器を曲げることを可能にするようなものとして規定され得る。一般に、十分な長さの接続導管部56′は、相互接続された連続する室50′から室50′を省くことで与えられ得る。しかしながら、長い導管部56′の長さは、単一の室50′の長さと必ずしも同じ長さでなくてもよい。
【0027】
楕円体の室および球状の室は両方とも好ましいが、これは、高い内圧に耐えるためにはこのような形状が円筒形など他の形状よりも好適であるからである。しかしながら球状の室50′は図3および図4のほぼ楕円体の室50ほど好ましくはなく、これは、表面に丸みがあるほど強化フィラメント繊維の一貫した巻付けを与えることが困難になるからである。フィラメント繊維は、軸方向の張力がかかると、極度に丸みを帯びた凸状の表面上でより滑りやすい。
【0028】
上述の圧力容器40を採用した携帯用圧力パック60が図6で示される。なお圧力パック60は、ほぼ楕円体の中空室50を有する圧力容器40を含む。しかしながら、図5および図5Aで示すほぼ球状の中空室を有する種類の圧力容器40を圧力パック60に採用してもよいと理解されるべきである。圧力容器40は、曲がりくねった態様で自身の上に前後に曲げられた、相互接続された室50の連続的な直列のストランド58として配置され、ここで室はすべてほぼ共通の平面にある。一般に、相互接続された室のどのストランドの軸方向の配置が、X−Y−Zデカルト座標(cartesian)空間でのどのような角度の配向を取ってもよい。なお、図6では長くされた導管部56が設けられる。導管部56は実質的に導管部52よりも長く、導管部56が捩れることなしに、または隣接する室50が互いを邪魔することなしに、圧力容器40をそれ自身の上に曲げることを可能にするために設けられる。曲がるために十分な長さの相互接続導管56はやはり、相互接続された室のストランド58から室50を省くことで与えることができる。
【0029】
連続的なストランド58は、好適な連続プラスチック形成技術により連続的な長さで形成され得る。これに代えて、十分な長さのストランドを形成するために好適なプラスチック形成技術が利用可能でなければ、より短い別個のストランドを形成してその後にこれを互いに接続して十分な長さの連続的なストランドを形成してもよい。或る長さの相互接続されたポリマー室を接着剤により接続するための一方法は、「接着剤で接続されるポリマー圧力室およびこれを製造するための方法(Adhesively Connected Polymeric Pressure Chambers and Method for Making the Same)」(代理人事件番号2533−113)と題された、共通に譲渡された同時継続出願に記載されており、これの開示はここで引用により援用される。
【0030】
圧力容器40は保護ハウジング62の中に収められる。ハウジング62には開口部64などの取手が設けられ得る。
【0031】
流体移送制御システム76は、気体が流通可能に圧力容器40に接続され、圧力容器40内へ、またはここからの、圧力がかけられた流体の移送を制御するように動作できる。図6に示す実施例で流体移送制御システムは、ストランド58の第1の端部72に(たとえば圧着またはかしめで)気体が流通可能に接続された一方向流入弁70(充填弁としても知られる)と、圧力容器40の第2の端部74に(たとえば圧着またはかしめで)気体が流通可能に接続された一方向流出弁/調整器66とを含む。一般に流入弁70は、加圧流体充填源から流入弁70を通って圧力容器40内に流体が移送されることを許しかつ圧力容器40内の流体が流入弁70を通って逃げることを防ぐための機構を含む。当業者に周知のどの好適な一方向流入弁を用いてもよい。
【0032】
流出弁/調整器66は一般に、圧力容器40内の流体が弁66を通じ容器から逃げることを防ぐ、または圧力容器40内の流体が制御された態様で弁66を通じて容器から逃げることを許すように、流出弁/調整器が選択的に構成されることを可能にする周知の機構を含む。好ましくは、流出弁/調整器66は、圧力容器40を出る流体の圧力を「段階的に下げる」ように動作できる。たとえば歩行用酸素の典型的な医療用途では、酸素は最高3000psiでタンク内に貯蔵されることがあり、流出圧を20−50psiへ段階的に下げるための調整器が設けられる。流出弁/調整器66は、そこからの流量を手動で制御できるようにするための手動操作可能制御握り68を含み得る。当業者に周知のどの好適な調整弁を用いてもよい。
【0033】
好ましい流入弁および流出弁については後に説明する。
熱周期またはその他の原因による内圧の変動を勘案するために、圧力除去弁(図示せず)が設けられることが好ましい。
【0034】
図6では、圧力容器40、流入弁70および流出弁/制御器66がハウジング62上で露出して示される。ハウジングは、たとえば圧力容器40を収める予め成形されたフォームシェルからなる二重の半体を含むことが好ましい。しかしながら、図6の実施例の構造を例示する目的のために、ハウジング62の上半分は示さない。しかしながら、ハウジングは実質的に圧力容器40と、流出弁/制御器66および流入弁70の少なくとも或る部分とを中に収めることが理解されるべきである。
【0035】
図7は、参照番号80で一般的に表わす携帯用圧力パックの代替実施例を示す。圧力パック80は圧力容器を含み、これは、相互接続導管部96により直列に相互接続されかつ互いに対しほぼ平行に配置される、個々の室94のいくつかのストランド92から形成される。図7に示す実施例で圧力容器は6本の個々のストランド92を含むが、圧力パックが含むストランドは6本より少なくても、または6本より多くてもよい。
【0036】
ストランド92の各々は、ストランド92の室94の最端にある第1の閉じた端部98と、内部プレナムを定める結合構造に取付けられた開いた終端100とを有し、ここに示す実施例でこの内部プレナムは分配器102を含む。分配器102は、その中の内部プレナムを定める細長くほぼ中空の本体101を含む。相互接続された室のストランド92の各々は、そのそれぞれの終端100で、細長い本体101から延びる接続ニップル104によって気体が流通可能に接続されるため、相互接続された室94の各ストランド92は分配器102内の内部プレナムと、気体が流通可能に連通する。各ストランド92は、ねじ山による相互接続、圧着、かしめ、または高圧ポリマー管を硬い管継手に接続するためのその他どの好適な手段で分配器102に接続してもよい。流体移送制御システム86は、気体が流通可能に分配器102に接続される。ここに示す実施例では、流体移送制御システム86は一方向流入弁88および一方向流出/調整器90を含み、これらは分配器102の本体101のほぼ対向する端部に、気体が流通可能に接続される。
【0037】
相互接続された室94のストランド92と、分配器102と、流入弁88および流出弁/調整器90の少なくとも或る部分とはハウジング82内に収められ、ハウジングは、図7に示すように圧力パック80の持ち運びを容易にするための取手84を含み得る。
【0038】
図8には、参照番号110で一般的に表わされる圧力パックのさらなる代替実施例が示される。圧力パック110は、相互接続導管部124により直列に相互接続された中空室122からなるいくつかのほぼ平行のストランド120から構成される圧力容器を含む。ストランド120の各々は、その室122の最端にある閉じた端部126と、内部プレナムを定める結合構造に取付けられた開いた終端128とを有する。ここに示す実施例では、結合構造はマニホールド118を含み、これにはストランド120のそれぞれの終端128の各々が、気体が流通可能に取付けられる。各々のストランド120は、ねじ山による相互接続、圧着、かしめ、または高圧ポリマー管を硬い管継手に接続するためのその他どの好適な手段でマニホールド118に接続してもよい。流体移送制御システム116はマニホールド118に取付けられ、ここに示す実施例では流出弁/調整器90および流入弁(図示せず)を含む。
【0039】
上述の図5A、図6、図7、および図8に示す圧力容器の中空室は、穿孔された管状の内部コアを有する図2および図2Aに示す種類であっても、または管状の内部コアがない図4に示す種類のものであってもよい。
【0040】
図9および図9Aは、圧力容器144を中に収めて携帯用圧力パックのためのハウジングを形成するためのフォームシェルの半体を示し、これを一般的に164で表わす。図9に示す圧力容器144はほぼ球状の室146の曲がりくねった構成を含み、これら室は短い相互接続導管部148と、より長く曲げることができる相互接続導管部150とによって直列に相互接続される。フォームシェル164は成形された合成発泡「卵型クレート(crate)」設計であることが好ましい。すなわちシェル164は複数の室の凹部154を含み、これら凹部は短いまっすぐな相互接続チャネル156と、長い湾曲した相互接続チャネル158とにより直列に相互接続される。室の凹部154ならびに相互接続チャネル156および158は、圧力容器144の室146ならびに相互接続導管148および150の好ましい配置で配置される。これに代えて室の凹部154および相互接続チャネル156、158は、たとえば図6、図7および図8に示す配置など他の好ましい配置で構成されてもよい。
【0041】
フォームシェル164は、ネオプレンの詰め物またはポリウレタンベースの発泡体から形成され得る。最も好ましくはフォームシェルは、液体不浸透性の保護表皮層を有する、表皮のある閉じた気泡の発泡体から形成される。好適な材料は、ポリエチレン、ポリ塩化ビニルおよびポリウレタンを含む。自ら表皮を形成する、液体不浸透性の発泡体を使用することで、保護合成プラスチックコーティング48(図4を参照)を強化フィラメント層上に直接与える必要をなくすことができる。たとえばダウ・ケミカル(Dow Chemical)から利用可能な難燃剤などの難燃剤をフォームシェルの発泡材料に加えてもよい。
【0042】
第2のフォームシェル(図示せず)は室の凹部と相互接続チャネルとを有し、これらは、フォームシェル164の室の凹部154および相互接続チャネル156、158と適合する構成で配置される。2つのフォームシェルは互いに向かい合う関係で配置されて、圧力容器144を中に収めるように互いに閉じられる。この後に嵌り合うフォームシェルは、その縁にある端縁部で互いに対し接着剤で取付けられる。
【0043】
嵌り合うフォームシェルを取付けるための好適な接着剤は感圧接着剤を含む。
図10は、ポリマー管262内の高い圧力に耐えることができる態様で機械的管継手260をポリマー管262に取付けるための好ましい配置を示す。このような管継手260は、直列に接続された中空室の連続的なストランドの端部に取付けられて、対向する端部にある流入弁および流出弁を接続することができる。たとえば図1に示す管継手34および36は記載の態様で取付けられ得る。機械的管継手260は本体部を有し、これはここに示す実施例では、弁または計器などの別の構成要素が取付けられ得るねじ山を有する端部264と、レンチなどの工具と係合できる切子面部分266とを含む。本体部は真鍮からなることが好ましい。端部264は外部にねじ山を有する雄コネクタ部として示されているが、内部にねじ山を有する雌コネクタ部であってもよい。外部にねじ山を有するカラー268が切子面部分266の右へ延びる。ねじ山を有するカラー268からは挿入突起270が延び、この上には「クリスマスツリー」または波型の種類の一連の棘272が形成されており、これら棘は図に示すように、各々の棘の角度のため、突起270がポリマー管272内に挿入されることを許すが、突起270がポリマー管262からはずれることに抵抗する。チャネル274が機械的管継手260全体を通じて延び、これにより管継手260を通じ圧力容器内に至る流体移送連通が可能となる。
【0044】
接続フェルール280は一般に中空の円筒形状を有し、その一端に内部のねじ山を有する開口部282が形成される。ねじ山を有する開口部282の右へ延びるフェルールの残りは圧着部分286となる。フェルール280は6061T6アルミニウムからなるのが好ましい。圧着部分286は、内部に形成されたリッジ288および溝284を有する。圧着されていないフェルール280内のリッジ288の内径は、好ましくはポリマー管262の外径よりも大きく、こうして圧着されていないフェルールを管262上に取付けることが可能となる。
【0045】
管262に対する管継手260の取付けは、まずねじ山を有するカラー268をフェルール280のねじ山開口部282内にねじ止めすることにより行なわれる。これに代えて、フェルール280をその他の手段で管継手260に接続してもよい。たとえばフェルール280は、捻り構成およびロック構成により、または管継手260に対するフェルール280の溶接(またははんだ付けまたは蝋付け)により、管継手260に固定され得る。次にポリマー管262が挿入突起270に亘り、圧着部分286と挿入突起270との間の空間内に挿入される。次に圧着部分286は公知の態様で径方向に内側へ圧着またはかしめられ、こうして棘272ならびにリッジ288および溝284を管262との固定変形係合へと強制する。こうして、挿入突起270の棘272と管262との摩擦係合と、フェルール280の溝284およびリッジ288と管262との摩擦係合との両方によって、管262が管継手260にしっかりと保持され、フェルール280自身もまた、たとえばねじ山開口部282とねじ山カラー268とのねじ山による係合によって、管継手260に固定される。
【0046】
図10に示す種類の接続構成は、たとえば図7に示す相互接続された室のストランド92を分配器102の接続ニップル104に取付けるために、または図8に示す相互接続された室120のストランドをマニホールド118の接続ニップル138および140に取付けるためにもまた用いられ得る。
【0047】
図11は流入弁290の好ましい実施例を示す。弁290は、米国特許第4,665,943号に一般的に記載されている種類のポペット型の流入弁の変形例であり、これの開示はここで引用により援用される。流入弁290は流入部本体292を含み、これに流出部本体294が取付けられる。流入ガスケット296が軸方向で流入部本体192と流出部本体294との間に配置される。流出部本体294の中には内部弁室302が形成される。環状の封止挿入物298が内部弁室302内に配置されてガスケット303と係合するが、これは流入部本体292の内部に形成された肩305に凭れかかる。流入部本体292内に形成された流入チャネル304は内部弁室302と連通する。流入部本体292上には、これに流体充填装置を取付けるための外部のねじ山306が形成され得る。
【0048】
ポペット弁体308が内部弁室302内にスライド可能に配置される。ポペット弁体の一端には環状の封止肩309があり、これは弁体308が図11に示す閉じた位置にあるときに環状の封止挿入物298およびOリングシール300と係合する。ポペット弁体308はほぼ円錐台の形状を有する回転体である。環状の封止肩309に対向する弁体308の端部では、内部弁室302を定める内壁に向かって複数の足310が径方向に外側へ延びる。コイルばね312が環状の肩313に凭れかかるが、これは流出部本体294内に形成されたばね座311内に形成されている。ばね312は内部弁室302内に延び、ポペット弁体308の足310に凭れることにより、環状の封止肩309を、環状の封止挿入物298およびOリングシール300との閉じた係合へ強制する。室315が流出部本体294の内部でばね312のすぐ右に形成される。流出チャネル320が室315から、外部にねじ山を備えたカラー322および挿入突起316を通じて延びる。室315内には焼結真鍮フィルタ要素314が流出チャネル320と整列して配置されて、流入弁290を通過する流体を濾過する。これに代えて、またはこれに加え、フィルタ要素317(たとえば焼結真鍮要素)が、流出チャネル320に沿った位置、たとえば図に示すようにその終端に設けられてもよい。
【0049】
ポリマー管330は、上述の図10に示す接続構成により流入弁290に取付けられ得る。すなわち、外側に突き出た棘318が、管330内に挿入される挿入部316の外部に形成される。内部にねじ山を設けた開口部326および圧着部分328を有するフェルール324が、外部にねじ山を設けた流出部本体294のカラー322にねじ止めされる。次に圧着部328が、図に示すように管330上に圧着され、管330を挿入突起316の棘318との摩擦固定係合へと挟み付ける。
【0050】
流入弁290は図11では閉じた構成として示される。閉じた構成では、ポペット弁体308の環状の封止肩309は、環状の封止挿入物298およびOリングシール300と係合する。ばね312のばね力に打ち勝つのに十分な加圧流体を流入チャネル304内に与えると、ポペット弁体308は右方向に強制され、こうして封止肩309と、封止挿入物298およびOリング300との間に隙間を生じさせる。次に加圧流体は、この隙間を通り、ポペット弁体308を巡り、径方向の足310のうち隣接するものの間の空間を通り、ばね312の開いた中央部を通り、フィルタ314を通り、流出チャネル320を通り通過して、圧力容器のポリマー管330に入ることができる。加圧流体源が流入部本体292から取外されると、ばね312の力と圧力容器内の加圧流体の力とがポペット弁体308を左へと強制し、こうして環状の封止肩309は再び環状の封止挿入物298およびOリングシール300の両方と封止接触し、こうして加圧流体が流入弁290を通じて圧力容器から出ることを防ぐ。
【0051】
流入弁290は、いくつかの工業規格高圧充填弁のうちいずれかと結合するように構成されることが好ましい。圧力容器をあまりに急速に充填することにより引起される断熱圧縮は、充填弁付近で圧力容器内の過度の温度を引起すおそれがある。このような急速充填技術はすべての既存の高圧容器に対して危険であると認識されており、このような手法を思い止まらせる手順が公知である。しかしながら多くの充填弁は手動で操作され、こうして無頓着さ、錯誤または不注意から操作員が充填弁を完全に開けてしまい、充填されたタンク内でこのような即座かつ瞬間的な加圧を生じさせることがあり得る。典型的に金属からなる現在の高圧シリンダはこのような不適切な充填技術に耐えることができるが、このようなシリンダはこのような態様で充填されると危険なほど高温になることがある。この発明に従う圧力容器は、純粋な酸素がある場合に約400°Fで自然発火し得るポリマー材料から形成される。この発明に従い形成された圧力容器の閉じた端部での温度は、急速充填加圧中に1700°Fを超え得ることが算出により示されている。
【0052】
したがって、不適切な急速充填手順からのポリマー圧力容器の自己発火を防止し得る安全措置として、流入弁290の流出チャネル320は制限的に狭くされ、こうして流出チャネル320は充填弁から圧力容器内に流れる流体の圧力を段階的に下げるための調整器として機能する。この発明の局面に従うと、流入弁290の流出チャネル320は、流入弁290が2000psigの充填源に瞬間的に晒される充填手順の5秒目の時点で、圧力容器内の内圧が500psigを超えることを防止するほど制限的なサイズであることが好ましい。しかしながら流出チャネル320は、正しい充填技術に従うときには圧力容器の適切な充填を可能にするのに十分大きくなければならない。流出チャネル320の現在好ましい直径は、直径0.003−0.010インチである。
【0053】
焼結真鍮フィルタ要素315(および/またはフィルタ要素317)が流入弁290内で用いられると、これは流路の制限物として機能し、充填圧を段階的に下げることを援助できる。
【0054】
流入弁290は大気放出板組立体295などの圧力除去機構を含むことがあり、これは、気体が流通可能に圧力容器の内部と連通する内部弁室302内の過度の圧力増加を解放するよう構成および配置される。図11Aに示すように、大気放出板組立体295は板を保持するピン297を含み、これは流入弁290の流出部本体294の側壁に形成された、ピンを受ける開口部299内に挿入される。ピン297および開口部299の各々にはねじ山が形成され得る。パイロット孔319が、ピンを受ける開口部299から内部弁室302内に延びる。大気放出板321はピンを受ける開口部299の底部に位置付けられ、銅などの軟らかく破裂可能な材料から形成される。軸方向のチャネル323がピン297に形成される。軸方向のチャネル323は、ピン297を通じて形成された横断径方向チャネル325に接続する。大気放出板321は、内部弁室302での圧力が予め定められた最大しきい値圧を超えると破裂することで、パイロット孔319およびチャネル323、325を通じての圧力除去を可能にするよう構成および配置される。
【0055】
これに代わる一方向流入弁が、図12において参照番号600で一般的に示される。流入弁600はピン弁として一般に知られる種類の一方向弁である。弁600は弁本体602を含み、これはその中に内室604を定める。旋回管継手606は、弁本体602内にねじ止めされるねじ山を設けたピン保持ねじ618の径方向のフランジによって弁本体602と結合される。流れ制御ピン608が弁本体602の内室604内に配置される。ピン608のシャフト610は、ピン保持ねじ618を通じて形成される軸方向のボアを通じて延びてこれにより案内される。径方向のフランジ612はピン608のシャフト610から突き出る。軸方向のボア614がシャフト610の一端から延び、径方向の貫通孔616が軸方向のボア614と連通してシャフト610を通じ延びる。ばね622はピン608の径方向のフランジ612と係合し、ピン608をピン保持ねじ618の軸方向の端部と係合させ、Oリング620がピン608のフランジ612とピン保持ねじ618との間に配置される。ピン608をピン保持ねじ618に凭れさせることで、旋回管継手606と内部弁室604との間の空気の流れが防止される。
【0056】
流入弁600は、大気放出板組立体627などの圧力除去機構を含むことが好ましい。大気放出板627は、弁本体602内にねじ止めされる大気放出板保持器626と、銅などの破裂可能な材料から形成される大気放出板628とを含む。大気放出板628が破裂する予め定められたしきい値を内部室604内の圧力が超えると、大気放出板保持器626内に形成された軸方向および径方向のチャネルを通じて室604から圧力が解放される。
【0057】
棘を備えた突起630が弁本体602から延びる。棘を備えた突起630は、突起630が挿入されるポリマー管を部分的に貫通しおよびこれと係合する棘を含む。ねじ山を備えたカラー634が棘を備えた突起630の基部に形成され、フェルール(図示せず、たとえば図10およびこれに伴う開示のフェルール280を参照)と係合し、このフェルールはその一端にあるねじ山を備えた開口部と、ポリマー管に対して圧着されるべき圧着部分とを有し、これにより管を棘のある突起630に固定する。弁本体602と、ねじ山を備えたカラー634にねじ止めされるフェルール(図示せず)との間に追加の封止をもたらすために、外部Oリング636をねじ山のあるカラー634の基部にもうけてもよい。
【0058】
外部チャネル632は棘のある突起630を通じて延びる。外部チャネル632は、図11に示す流入弁290の流出チャネル320のように制限的に狭くすることができ、こうして流出チャネル632は、上述のように充填弁から圧力容器内に流れる流体の圧力を段階的に下げるための制御器として機能する。フィルタ要素624、たとえば焼結真鍮フィルタ要素が、流出チャネル632の口に配置され得る。
【0059】
適当な充填管継手が旋回管継手606に結合される際に、充填管継手は、ピン608と係合してピンをばね22の力に対しばね保持ねじ618との係合から外す、当該技術で周知の構造または機構を含む。この後、旋回管継手606で導入された加圧流体は軸方向のボア614内に通過し、径方向の孔616を通じて軸方向のボア614から逃げ、内部室604へ、それからフィルタ624そして流出チャネル632を通じて流れる。充填管継手が旋回管継手606から取外されると、ピン608はばね622により生じた力によってピン保持ねじ618との係合へと動いて戻り、こうして内部室604からの流体の流れを防ぐ。
【0060】
図13は流出弁/調整器組立体370の好ましい実施例を示す。組立体370は、フェルール402によりポリマー管410に取付けられた流出弁372を含む。
【0061】
流出弁372は、ねじ山のあるカラー部404および棘のある高圧突起408を備えた高圧端部374を有する。低圧端部376は、気体が流通可能に流出弁組立体372を流体送出システムに接続するための、棘のある低圧流出突起400またはその他の構造を有する。内部室378が高圧端部374と低圧端部376との間に定められる。調整器の台座380は、内部室378内で、棘のある突起408を通じて延びる通路411の終端に配置される。明瞭にするために、内部室378内に通常配置される当業者に周知の残りの内部圧力減少構成要素は示さない。
【0062】
流出弁372は大気放出板組立体382などの圧力除去機構を含むことがあり、これは内部室378の高圧の側における過度の圧力増大を解放するよう構成および配置される。図13Aに示すように、大気放出板組立体382は板を保持するピン388を含み、これは、流出弁372の高圧端部374の側壁に形成された、ピンを受ける開口部390内に挿入される。ピン388および開口部390の各々にはねじ山が設けられ得る。パイロット孔384は、ピンを受ける開口部390から内部室378の高圧の側へと延びる。大気放出板386はピンを受ける開口部390の底部に位置付けられ、銅などの軟らかい破裂可能な材料から形成される。軸方向のチャネル392はピン388内に形成される。軸方向のチャネル392はピン388を通じ形成される横断径方向チャネル394と接続する。大気放出板386は、内部室378の高圧の側での圧力が予め定められた最大しきい値圧を超えると破裂することで、パイロット孔384およびチャネル392、394を通じて圧力除去を可能にするよう構成および配置される。
【0063】
フェルール402はねじ山を備えた開口部406を備え、これはねじ山によって高圧端部374のねじ山を備えたカラー404と係合する。フェルール402はさらに圧着部分412を含み、これは(図に示すように)ポリマー管410に対して圧着されて管410を棘のある突起408に対し固定することができる。
【0064】
現在最も実用的で好ましい実施例と考えられているものとの関連でこの発明を説明したが、この発明は開示の実施例に限定されるのではなく、前掲の特許請求の範囲の意味および範囲内に含まれるさまざまな変形例および均等の構成を包含することを意図していると理解すべきである。したがって、前掲の特許請求の範囲に定められたこの発明の新規の局面から逸脱することなく、この発明を規定するのに用いられた特定のパラメータに対し変更を加えることができると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】複数の整列された、硬い、ほぼ楕円体の室であって、管状のコアにより相互接続されたものを示す部分側面図である。
【図2】図1の線2−2に沿って切って見た拡大水平断面図である。
【図2A】代替実施例を示す、図1の線2−2に沿って切って見た拡大水平断面図である。
【図3】この発明のコンテナシステムの一部を示す側面図である。
【図4】図3の線4−4に沿って長手方向に切って見た部分断面図である。
【図5】この発明のコンテナシステムの代替実施例を示す側面図である。
【図5A】曲がりくねった構成で配置された図5のコンテナシステムを示す部分図である。
【図6】この発明に従うコンテナシステムを採用した携帯用加圧流体パックを示す図である。
【図7】この発明のコンテナシステムを採用した加圧流体パックの代替実施例を示す図である。
【図8】この発明に従うコンテナシステムを採用した加圧流体パックのさらなる代替実施例を示す図である。
【図9】携帯用加圧流体パックのためのハウジングの適合するシェルの中に固定された、この発明に従うコンテナシステムを示す平面図である。
【図9A】図9の線A−Aに沿って切って見た横断面図である。
【図10】機械的管継手にポリマー管を固定するためのシステムの一部を長手方向の断面で示す分解図である。
【図11】この発明のコンテナシステムを採用した圧力パックに組込むための好ましい流入弁を長手方向の断面で示す部分図である。
【図11A】図11の円“A”内の部分を示す拡大図である。
【図12】この発明のコンテナシステムを採用した圧力パック内に組込むための流入弁の代替形を、長手方向の断面で示す部分図である。
【図13】この発明のコンテナシステムを採用した圧力パック内に組込むための好ましい流出弁/調整器を、長手方向の断面で示す部分図である。
【図13A】図13の円“A”内の部分を示す拡大図である。
【発明の分野】
この発明は、加圧流体のためのコンテナシステムであって、軽量かつ先行技術のコンテナよりも爆発性の破裂に対しより大きな耐性を有し、このため圧力がかかった流体の歩行用供給を提供するための携帯用の応用物に適合可能である、コンテナシステムに向けられたものである。
【0002】
【発明の背景】
圧力のかかった流体の携帯式供給には多くの用途がある。たとえば、スキューバダイバおよび消防士は携帯式の加圧酸素供給を用いる。民間の航空機では、突然の予測されなかったキャビンの減圧の際に用いられる非常用酸素送出システムが採用される。軍用航空機では典型的に補給用の酸素供給システムも必要となる。このようなシステムは携帯用加圧缶によって供給される。医療分野では、呼吸関連の治療を受けている患者に酸素などの医療用ガスを施すためにガス送出システムが用意される。補給用酸素送出システムは、酸素を酸素供給源から受取って呼吸することが有益である患者により用いられて、患者が呼吸する大気酸素を補給する。このような用途には、病院、家庭介護および歩行環境を含む広範囲の状況で、コンパクトで携帯式の補給用酸素送出システムが有用である。
【0003】
高圧補給用酸素送出システムは典型的に、3000psiまでの圧力の酸素ガスを収容するシリンダまたはタンクを含む。高圧酸素送出システムにおいては、補給用酸素を呼吸する人が用いる酸素送出装置での使用に好適なより低い圧力(たとえば20psiから50psi)へ酸素ガスの圧力を「段階的に下げる」ために圧力調整器が用いられる。
【0004】
補給用酸素送出システム、および加圧ガスの携帯式供給を採用した他の応用においては、圧縮された流体特にガスを貯蔵および使用するのに用いられるコンテナは一般に円筒形の金属瓶の形を取り、これには高い流体圧に耐えるように強化材料を巻付けることがある。このような貯蔵コンテナは製造費が高くつき、本来的に重く、嵩張り、柔軟性がなく、破裂すると激しく爆発的に粉々となりやすい。
【0005】
軽量の合成材料からなるコンテナシステムが提案されている。ショリー(Scholley)による米国特許第4,932,403号、第5,036,845号および5,127,399号には、圧縮ガスのための可撓性携帯用コンテナが記載されており、これは一連の細長い、実質的に円筒形の室を含み、これら室は平行する構成で配置され、狭く曲がった導管により相互接続されて、人の着用できるベストの背中に取付けられる。コンテナはライナを含み、これはナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、テトラフルオロエチレン、またはポリエステルなどの合成材料から形成され得る。ライナは、ケブラー(Kevlar)(R)アラミド繊維などの強化材料による強度の高い編組または巻付けなどの高強度強化繊維によって覆われ、ポリウレタンなどの材料の保護コーティングが強化繊維を覆う。
【0006】
ショリーの特許に記載の設計はいくつかの欠点を抱えており、そのためこれは、スキューバ用品、消防士の酸素システム、非常用酸素システム、および医療用酸素システムなどの携帯用流体送出システムに典型的に見られる圧力レベルで貯蔵される流体のためのコンテナとして用いるには非実用的となっている。別個の貯蔵室の細長くほぼ円筒の形状では、高加圧流体を収容するための効果的な構造はもたらされない。さらに、貯蔵部の比較的大きな体積のため、システムは各室に貯蔵される加圧流体の比較的大きな体積の運動エネルギにより激しく破裂するおそれのある危険なものとなっている。
【0007】
したがって、軽量ポリマー材料からなり、丈夫で激しい破裂に対しより大きな耐性を有する、改良されたコンテナシステムが必要とされている。
【0008】
【発明の概要】
この発明の局面に従い、軽量で丈夫な圧力容器が加圧流体のためのコンテナシステムにより与えられる。コンテナシステムは、複数の中空室を有する圧力容器を含み、各々の室は実質的に球または楕円体の形状を有してポリマー材料から形成され、コンテナシステムはさらにポリマー材料から形成された複数の導管部を含み、各々の導管部は複数の中空室のうち隣接するいくつかの間に位置付けられて複数の中空室を相互接続し、導管部の内側の幅は室のそれよりも小さく、コンテナシステムはさらに、中空室および導管部のまわりを包む強化フィラメントを含む。コンテナシステムはさらに流体移送制御システムを含み、これは圧力容器に取付けられて、圧力容器の中へおよびここからの流体の流れを制御するように構成および配置される。
【0009】
圧力容器のポリマー構成は軽量で、強化フィラメントとともに強く丈夫な設計をもたらす。内側の幅が室よりも小さい狭い導管により相互接続された楕円体または球状の室は、かなりの体積の加圧流体がほぼ瞬間的に解放されることによる激しい破裂に対しより大きな耐性を有する貯蔵システムをもたらす。
【0010】
この発明の他の目的、特徴および特性は、すべてこの明細書の部分を形成する以下の説明、前掲の特許請求の範囲、および添付の図面を参照し考慮することで明らかとなるであろう。さまざまな図面において、同様の参照番号は対応する部分を示す。
【0011】
【詳細な説明】
以下、図を参照してこの発明の実施例を以下に説明する。これら実施例はこの発明の原理を例示するものであり、この発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【0012】
図1および図2に示すように、この発明の発明者であるサンダーズ(Sanders)に対する米国特許第6,047,860号(これの開示はここで引用により援用される)は、形を維持するほぼ楕円体の複数の室Cを含む加圧流体のためのコンテナシステム10を開示し、これら室は管状のコアTにより相互接続される。管状のコアは複数の室の各々を通じて延び、各々の室に固定されて封止する。複数の長手方向に隔てられた開口Aが管状のコアの長さに沿って形成され、このような開口の1つは相互接続された室の各室の内部空間20内に配置されて、充填中における内部空間20への流体の注入と、流体送出中または他のコンテナへの移送中における内部空間20からの流体の放出とを可能にする。開口のサイズは、室からの加圧流体の排出速度を制御できるようなものにされる。こうして低い流体排出速度を達成することにより、1つ以上の室に穴が開いた(すなわち外部の力により貫通された)または破裂したときの、大きくかつ危険なものとなりかねない運動エネルギの突発的な増大を避けることができる。
【0013】
開口Aのサイズは、収容される流体の体積および粘度、予想される圧力範囲、および所望の流量などのさまざまなパラメータに依存する。一般に、液体用と比べてガス用にはより小さな直径が選ばれる。したがって、開口のサイズは一般に約0.010インチから0.125インチまでで変わるであろう。図2には単一の開口Aのみを示すが、殻24の内部空間20内の管Tに2つ以上の開口Aを形成してもよい。これに加え、各々の開口Aが管Tの一方の側にのみ形成されても、または開口Aが管Tを通じて延びてもよい。
【0014】
図2を参照して、各々の室Cは、好適な合成プラスチック材料から成形され開いた前端26および後端28を有するほぼ楕円体の殻24を含む。穴26および28の直径は、管状のコアTの外径をぴったり受ける寸法にされる。管状のコアTは殻24に対し、これらの間の流体密封を形成するように取付けられる。管状のコアTは好ましくは、光エネルギ、熱エネルギまたは超音波エネルギによって殻24に接合され、これらには超音波溶接、高周波エネルギ、加硫、または継ぎ目のない円周方向の溶接を達成できる他の熱プロセスなどの技術が含まれる。殻24は、ロクタイト・コーポレイション(Loctite Corporation)から入手可能で世界中に正規の配給業者を有する3311および3341光硬化アクリル接着剤などの好適な紫外光硬化式接着剤によって、管状のコアTに接合され得る。殻24とこのような殻の間の管状のコアTの延在部(increments)との外側は、殻および管状のコアの破裂に耐えるように好適な耐圧強化フィラメント30で圧力ラッピングされる。フィラメントで包まれた殻および管状のコアTの外部には保護合成プラスチックコーティング32が与えられる。
【0015】
より具体的に、殻24は、テフロン(R)またはフッ素化エチレンプロピレンなどの合成プラスチック材料から、回転成形、吹込み成形または射出成形され得る。管状のコアTも同じ材料から形成されることが好ましい。耐圧フィラメント30は炭素繊維、ケブラー(R)またはナイロンからなることがある。保護コーティング32はウレタンからなることがあり、摩耗、紫外線、湿気、または熱要素から室および管状のコアを保護する。複数のほぼ楕円体の室Cおよびこれらを支持する管状のコアTの組立体は、所望の長さの連続的なストランドからなることがある。この開示の文脈で「ストランド」という用語は、別段の記載がなければ別個の長さの相互接続された室を指す。
【0016】
図2Aに示すように、管Tは、殻24′および管状の部分T′とともに同時押出などにより同時に形成されることがあり、これら管状の部分T′は殻24′と一体に形成され、隣接する殻24′間では管Tに直接重なる。さらに、やはり図2Aに示すように、2つ以上の開口Aが殻24′の内部20内で管Tに形成され得る。殻24′、管状の部分T′および管Tからなる同時に形成された組立体は、上述のように強化フィラメント30の層で包まれて保護コーティング32で覆われ得る。
【0017】
管状のコアTの流入部または前端には、雄ねじを備えた好適な管継手34が設けられ得る。管状のコアTの流出部または後端には雌ねじを備えた管継手36が設けられ得る。このような雄管継手および雌管継手は、管状のコアTにより相互接続された室Cの組立体の隣接するストランド間に圧力式接続を与え、さらに、相互接続された室に計器および弁などの他の構成要素を取付け可能にするための機構を与える。このような管継手を取付けるための好ましい構造については後に説明する。
【0018】
図3において、この発明の原理に従い形成された圧力容器の一部が参照番号40で一般的に表わされる。圧力容器40は、好ましい楕円形状を有し中空の内部54を有する複数の流体貯蔵室50を含む。個々の室50は、室50の隣接する対の間に配置される接続導管部52および56によって、相互に気体が流通可能に(pneumatically)相互接続される。導管部56は一般に導管部52よりも長い。導管部52と導管部56との長さを異ならせる目的については後により詳細に説明する。
【0019】
図4は、圧力容器40の単一の中空室50と、隣接する導管部52の或る部分との、長手方向の拡大断面図を示す。圧力容器40は好ましくは、殻42の対向する開いた端部から延びるポリマー接続導管44を備えたポリマー中空殻42を含む、層状の構成を有する。圧力容器40は、図2および図2Aに示す管状のコアTなどの、中空の殻42を通じて延びる管状のコアを含まない。
【0020】
ポリマーの殻42およびポリマーの接続導管44は好ましくは、テフロン(R)またはフッ素化エチレンプロピレンなどの合成プラスチック材料から形成され、押出、回転成形、連鎖的吹込み成形、または射出成形などのいくつかの公知のプラスチック形成技術のいずれで形成してもよい。
【0021】
殻42および接続導管44を形成するのに用いられる材料は、成形可能でかつ高い引っ張り強さおよび断裂耐性を示すことが好ましい。最も好ましくは、ポリマー中空殻42およびポリマー接続導管44は、ダウ・プラスチックス(Dow Plastics)によりペレタン(Pellethane)(R)2363−90AEの商品名で製造されている熱可塑性ポリウレタンエラストマ、バイエル・コーポレイション(Bayer Corporation)のプラスチック部門によりテキシン(Texin)(R)5286の商品名で製造されている熱可塑性ポリウレタンエラストマ、デュポン(Dupont)によりハイトレル(Hytrel)(R)の商品名で製造されている柔軟ポリエステル、またはテクナー・エイペックス(Teknor Apex)によるポリ塩化ビニルから形成される。
【0022】
好ましい構成では、各々の室50の中空の内部54の体積は、異なった用途のために構成可能な容量の範囲内であり、最も好ましい体積は約30ミリメートルである。各々の室の寸法または容量が同じである必要はない。後に説明する構成を有する圧力容器40は、2000psiの内圧下では7−10%の体積の膨張を被ると判断された。好ましい構成では、各々のポリマー殻42は約3.0−3.5インチの長手方向の長さを有し、ここで最も好ましい長さは3.250−3.330インチであり、最大外径は約0.800インチから1.200インチであり、ここで最も好ましい直径は0.095インチ−1.050インチである。導管44は内径D2を有し、これの範囲は好ましくは0.125−0.300インチであり、ここで最も好ましい範囲は約0.175−0.250インチである。中空の殻42の典型的な壁の厚みの範囲は0.03インチから0.05インチであり、最も好ましい典型的な厚みは約0.04インチである。接続導管44は0.03インチから0.10インチの範囲の壁の厚みを有し、好ましくは約0.040インチの典型的な壁の厚みを有するが、吹込み成形形成処理中に中空殻42と導管44とが異なった量の膨張を経験するため、導管44の実際の典型的な壁の厚みは約0.088インチであろう。
【0023】
ポリマー中空殻42およびポリマー接続導管44の外側の表面は、好適な強化フィラメント繊維46で包まれることが好ましい。フィラメント層46は巻付けまたは編組(好ましくは75°の通常の編組角度を有する三軸編組パターン)であることがあり、好ましくはケブラー(R)などの高強度アラミド繊維材料(好ましくは1420デニール繊維)、炭素繊維またはナイロンであるが、ケブラー(R)が最も好ましい。その他の好適であろうフィラメント繊維材料は、薄い金属ワイヤ、ガラス、ポリエステル、または黒鉛を含み得る。ケブラー巻付け層の好ましい厚みは約0.035インチから0.055インチであり、約0.045インチの厚みが最も好ましい。
【0024】
フィラメント繊維46の層の上には保護コーティング48が与えられ得る。保護コーティング48は摩耗、紫外線、熱要素、または湿気から殻42、導管44およびフィラメント繊維46を保護する。保護コーティング32は吹付け式合成プラスチックコーティングであることが好ましい。好適な材料はポリ塩化ビニルおよびポリウレタンを含む。保護コーティング32は圧力容器40の全体に与えられても、またはこれの特に弱い部分のみに与えられてもよい。これに代えて、圧力容器40が保護防湿ハウジングに収められる場合には保護コーティング32が全くなくてもよい。
【0025】
中空殻42の内径D1は好ましくは導管部42の内径D2よりもはるかに大きく、これにより各々のポリマー殻42の中空内部54内の比較的区別された貯蔵室が定められる。これは圧力容器40の室50のうち1つが破裂した際に解放される運動エネルギを減少させるための機構として役立つ。すなわち、室50のうち1つが破裂すると、この特定の室の中にある体積の加圧流体はすぐに逃げることになる。残りの室にある加圧流体もまた破裂したところへ向かって動くが、残りの室にある流体の逃げる運動エネルギは、破裂した室へ流体が向かう際に流れなければならない比較的狭い導管部44によって調整されることになる。したがって、圧力容器の内容全体がすぐに解放されることは避けられる。
【0026】
これに代わる圧力容器40′が図5および図5Aで示される。圧力容器40′は、導管部52′および56′により接続されるほぼ球状の複数の中空室50′を含む。図5Aに示すように、圧力容器40′に特有の1つの構成は、圧力容器を曲がりくねった態様でそれ自身の上に前後に曲げることである。圧力容器40′は細長い導管部56′で曲げられ、これら導管部は導管部52′と比べて長くされているため、これが捩れることなしに、または隣接する中空室50′が互いの邪魔となることなしに曲げることができる。したがって導管部56′の長さは、圧力容器が捩れることなく、および隣接する中空室50′が互いの邪魔となることなく、圧力容器を曲げることを可能にするようなものとして規定され得る。一般に、十分な長さの接続導管部56′は、相互接続された連続する室50′から室50′を省くことで与えられ得る。しかしながら、長い導管部56′の長さは、単一の室50′の長さと必ずしも同じ長さでなくてもよい。
【0027】
楕円体の室および球状の室は両方とも好ましいが、これは、高い内圧に耐えるためにはこのような形状が円筒形など他の形状よりも好適であるからである。しかしながら球状の室50′は図3および図4のほぼ楕円体の室50ほど好ましくはなく、これは、表面に丸みがあるほど強化フィラメント繊維の一貫した巻付けを与えることが困難になるからである。フィラメント繊維は、軸方向の張力がかかると、極度に丸みを帯びた凸状の表面上でより滑りやすい。
【0028】
上述の圧力容器40を採用した携帯用圧力パック60が図6で示される。なお圧力パック60は、ほぼ楕円体の中空室50を有する圧力容器40を含む。しかしながら、図5および図5Aで示すほぼ球状の中空室を有する種類の圧力容器40を圧力パック60に採用してもよいと理解されるべきである。圧力容器40は、曲がりくねった態様で自身の上に前後に曲げられた、相互接続された室50の連続的な直列のストランド58として配置され、ここで室はすべてほぼ共通の平面にある。一般に、相互接続された室のどのストランドの軸方向の配置が、X−Y−Zデカルト座標(cartesian)空間でのどのような角度の配向を取ってもよい。なお、図6では長くされた導管部56が設けられる。導管部56は実質的に導管部52よりも長く、導管部56が捩れることなしに、または隣接する室50が互いを邪魔することなしに、圧力容器40をそれ自身の上に曲げることを可能にするために設けられる。曲がるために十分な長さの相互接続導管56はやはり、相互接続された室のストランド58から室50を省くことで与えることができる。
【0029】
連続的なストランド58は、好適な連続プラスチック形成技術により連続的な長さで形成され得る。これに代えて、十分な長さのストランドを形成するために好適なプラスチック形成技術が利用可能でなければ、より短い別個のストランドを形成してその後にこれを互いに接続して十分な長さの連続的なストランドを形成してもよい。或る長さの相互接続されたポリマー室を接着剤により接続するための一方法は、「接着剤で接続されるポリマー圧力室およびこれを製造するための方法(Adhesively Connected Polymeric Pressure Chambers and Method for Making the Same)」(代理人事件番号2533−113)と題された、共通に譲渡された同時継続出願に記載されており、これの開示はここで引用により援用される。
【0030】
圧力容器40は保護ハウジング62の中に収められる。ハウジング62には開口部64などの取手が設けられ得る。
【0031】
流体移送制御システム76は、気体が流通可能に圧力容器40に接続され、圧力容器40内へ、またはここからの、圧力がかけられた流体の移送を制御するように動作できる。図6に示す実施例で流体移送制御システムは、ストランド58の第1の端部72に(たとえば圧着またはかしめで)気体が流通可能に接続された一方向流入弁70(充填弁としても知られる)と、圧力容器40の第2の端部74に(たとえば圧着またはかしめで)気体が流通可能に接続された一方向流出弁/調整器66とを含む。一般に流入弁70は、加圧流体充填源から流入弁70を通って圧力容器40内に流体が移送されることを許しかつ圧力容器40内の流体が流入弁70を通って逃げることを防ぐための機構を含む。当業者に周知のどの好適な一方向流入弁を用いてもよい。
【0032】
流出弁/調整器66は一般に、圧力容器40内の流体が弁66を通じ容器から逃げることを防ぐ、または圧力容器40内の流体が制御された態様で弁66を通じて容器から逃げることを許すように、流出弁/調整器が選択的に構成されることを可能にする周知の機構を含む。好ましくは、流出弁/調整器66は、圧力容器40を出る流体の圧力を「段階的に下げる」ように動作できる。たとえば歩行用酸素の典型的な医療用途では、酸素は最高3000psiでタンク内に貯蔵されることがあり、流出圧を20−50psiへ段階的に下げるための調整器が設けられる。流出弁/調整器66は、そこからの流量を手動で制御できるようにするための手動操作可能制御握り68を含み得る。当業者に周知のどの好適な調整弁を用いてもよい。
【0033】
好ましい流入弁および流出弁については後に説明する。
熱周期またはその他の原因による内圧の変動を勘案するために、圧力除去弁(図示せず)が設けられることが好ましい。
【0034】
図6では、圧力容器40、流入弁70および流出弁/制御器66がハウジング62上で露出して示される。ハウジングは、たとえば圧力容器40を収める予め成形されたフォームシェルからなる二重の半体を含むことが好ましい。しかしながら、図6の実施例の構造を例示する目的のために、ハウジング62の上半分は示さない。しかしながら、ハウジングは実質的に圧力容器40と、流出弁/制御器66および流入弁70の少なくとも或る部分とを中に収めることが理解されるべきである。
【0035】
図7は、参照番号80で一般的に表わす携帯用圧力パックの代替実施例を示す。圧力パック80は圧力容器を含み、これは、相互接続導管部96により直列に相互接続されかつ互いに対しほぼ平行に配置される、個々の室94のいくつかのストランド92から形成される。図7に示す実施例で圧力容器は6本の個々のストランド92を含むが、圧力パックが含むストランドは6本より少なくても、または6本より多くてもよい。
【0036】
ストランド92の各々は、ストランド92の室94の最端にある第1の閉じた端部98と、内部プレナムを定める結合構造に取付けられた開いた終端100とを有し、ここに示す実施例でこの内部プレナムは分配器102を含む。分配器102は、その中の内部プレナムを定める細長くほぼ中空の本体101を含む。相互接続された室のストランド92の各々は、そのそれぞれの終端100で、細長い本体101から延びる接続ニップル104によって気体が流通可能に接続されるため、相互接続された室94の各ストランド92は分配器102内の内部プレナムと、気体が流通可能に連通する。各ストランド92は、ねじ山による相互接続、圧着、かしめ、または高圧ポリマー管を硬い管継手に接続するためのその他どの好適な手段で分配器102に接続してもよい。流体移送制御システム86は、気体が流通可能に分配器102に接続される。ここに示す実施例では、流体移送制御システム86は一方向流入弁88および一方向流出/調整器90を含み、これらは分配器102の本体101のほぼ対向する端部に、気体が流通可能に接続される。
【0037】
相互接続された室94のストランド92と、分配器102と、流入弁88および流出弁/調整器90の少なくとも或る部分とはハウジング82内に収められ、ハウジングは、図7に示すように圧力パック80の持ち運びを容易にするための取手84を含み得る。
【0038】
図8には、参照番号110で一般的に表わされる圧力パックのさらなる代替実施例が示される。圧力パック110は、相互接続導管部124により直列に相互接続された中空室122からなるいくつかのほぼ平行のストランド120から構成される圧力容器を含む。ストランド120の各々は、その室122の最端にある閉じた端部126と、内部プレナムを定める結合構造に取付けられた開いた終端128とを有する。ここに示す実施例では、結合構造はマニホールド118を含み、これにはストランド120のそれぞれの終端128の各々が、気体が流通可能に取付けられる。各々のストランド120は、ねじ山による相互接続、圧着、かしめ、または高圧ポリマー管を硬い管継手に接続するためのその他どの好適な手段でマニホールド118に接続してもよい。流体移送制御システム116はマニホールド118に取付けられ、ここに示す実施例では流出弁/調整器90および流入弁(図示せず)を含む。
【0039】
上述の図5A、図6、図7、および図8に示す圧力容器の中空室は、穿孔された管状の内部コアを有する図2および図2Aに示す種類であっても、または管状の内部コアがない図4に示す種類のものであってもよい。
【0040】
図9および図9Aは、圧力容器144を中に収めて携帯用圧力パックのためのハウジングを形成するためのフォームシェルの半体を示し、これを一般的に164で表わす。図9に示す圧力容器144はほぼ球状の室146の曲がりくねった構成を含み、これら室は短い相互接続導管部148と、より長く曲げることができる相互接続導管部150とによって直列に相互接続される。フォームシェル164は成形された合成発泡「卵型クレート(crate)」設計であることが好ましい。すなわちシェル164は複数の室の凹部154を含み、これら凹部は短いまっすぐな相互接続チャネル156と、長い湾曲した相互接続チャネル158とにより直列に相互接続される。室の凹部154ならびに相互接続チャネル156および158は、圧力容器144の室146ならびに相互接続導管148および150の好ましい配置で配置される。これに代えて室の凹部154および相互接続チャネル156、158は、たとえば図6、図7および図8に示す配置など他の好ましい配置で構成されてもよい。
【0041】
フォームシェル164は、ネオプレンの詰め物またはポリウレタンベースの発泡体から形成され得る。最も好ましくはフォームシェルは、液体不浸透性の保護表皮層を有する、表皮のある閉じた気泡の発泡体から形成される。好適な材料は、ポリエチレン、ポリ塩化ビニルおよびポリウレタンを含む。自ら表皮を形成する、液体不浸透性の発泡体を使用することで、保護合成プラスチックコーティング48(図4を参照)を強化フィラメント層上に直接与える必要をなくすことができる。たとえばダウ・ケミカル(Dow Chemical)から利用可能な難燃剤などの難燃剤をフォームシェルの発泡材料に加えてもよい。
【0042】
第2のフォームシェル(図示せず)は室の凹部と相互接続チャネルとを有し、これらは、フォームシェル164の室の凹部154および相互接続チャネル156、158と適合する構成で配置される。2つのフォームシェルは互いに向かい合う関係で配置されて、圧力容器144を中に収めるように互いに閉じられる。この後に嵌り合うフォームシェルは、その縁にある端縁部で互いに対し接着剤で取付けられる。
【0043】
嵌り合うフォームシェルを取付けるための好適な接着剤は感圧接着剤を含む。
図10は、ポリマー管262内の高い圧力に耐えることができる態様で機械的管継手260をポリマー管262に取付けるための好ましい配置を示す。このような管継手260は、直列に接続された中空室の連続的なストランドの端部に取付けられて、対向する端部にある流入弁および流出弁を接続することができる。たとえば図1に示す管継手34および36は記載の態様で取付けられ得る。機械的管継手260は本体部を有し、これはここに示す実施例では、弁または計器などの別の構成要素が取付けられ得るねじ山を有する端部264と、レンチなどの工具と係合できる切子面部分266とを含む。本体部は真鍮からなることが好ましい。端部264は外部にねじ山を有する雄コネクタ部として示されているが、内部にねじ山を有する雌コネクタ部であってもよい。外部にねじ山を有するカラー268が切子面部分266の右へ延びる。ねじ山を有するカラー268からは挿入突起270が延び、この上には「クリスマスツリー」または波型の種類の一連の棘272が形成されており、これら棘は図に示すように、各々の棘の角度のため、突起270がポリマー管272内に挿入されることを許すが、突起270がポリマー管262からはずれることに抵抗する。チャネル274が機械的管継手260全体を通じて延び、これにより管継手260を通じ圧力容器内に至る流体移送連通が可能となる。
【0044】
接続フェルール280は一般に中空の円筒形状を有し、その一端に内部のねじ山を有する開口部282が形成される。ねじ山を有する開口部282の右へ延びるフェルールの残りは圧着部分286となる。フェルール280は6061T6アルミニウムからなるのが好ましい。圧着部分286は、内部に形成されたリッジ288および溝284を有する。圧着されていないフェルール280内のリッジ288の内径は、好ましくはポリマー管262の外径よりも大きく、こうして圧着されていないフェルールを管262上に取付けることが可能となる。
【0045】
管262に対する管継手260の取付けは、まずねじ山を有するカラー268をフェルール280のねじ山開口部282内にねじ止めすることにより行なわれる。これに代えて、フェルール280をその他の手段で管継手260に接続してもよい。たとえばフェルール280は、捻り構成およびロック構成により、または管継手260に対するフェルール280の溶接(またははんだ付けまたは蝋付け)により、管継手260に固定され得る。次にポリマー管262が挿入突起270に亘り、圧着部分286と挿入突起270との間の空間内に挿入される。次に圧着部分286は公知の態様で径方向に内側へ圧着またはかしめられ、こうして棘272ならびにリッジ288および溝284を管262との固定変形係合へと強制する。こうして、挿入突起270の棘272と管262との摩擦係合と、フェルール280の溝284およびリッジ288と管262との摩擦係合との両方によって、管262が管継手260にしっかりと保持され、フェルール280自身もまた、たとえばねじ山開口部282とねじ山カラー268とのねじ山による係合によって、管継手260に固定される。
【0046】
図10に示す種類の接続構成は、たとえば図7に示す相互接続された室のストランド92を分配器102の接続ニップル104に取付けるために、または図8に示す相互接続された室120のストランドをマニホールド118の接続ニップル138および140に取付けるためにもまた用いられ得る。
【0047】
図11は流入弁290の好ましい実施例を示す。弁290は、米国特許第4,665,943号に一般的に記載されている種類のポペット型の流入弁の変形例であり、これの開示はここで引用により援用される。流入弁290は流入部本体292を含み、これに流出部本体294が取付けられる。流入ガスケット296が軸方向で流入部本体192と流出部本体294との間に配置される。流出部本体294の中には内部弁室302が形成される。環状の封止挿入物298が内部弁室302内に配置されてガスケット303と係合するが、これは流入部本体292の内部に形成された肩305に凭れかかる。流入部本体292内に形成された流入チャネル304は内部弁室302と連通する。流入部本体292上には、これに流体充填装置を取付けるための外部のねじ山306が形成され得る。
【0048】
ポペット弁体308が内部弁室302内にスライド可能に配置される。ポペット弁体の一端には環状の封止肩309があり、これは弁体308が図11に示す閉じた位置にあるときに環状の封止挿入物298およびOリングシール300と係合する。ポペット弁体308はほぼ円錐台の形状を有する回転体である。環状の封止肩309に対向する弁体308の端部では、内部弁室302を定める内壁に向かって複数の足310が径方向に外側へ延びる。コイルばね312が環状の肩313に凭れかかるが、これは流出部本体294内に形成されたばね座311内に形成されている。ばね312は内部弁室302内に延び、ポペット弁体308の足310に凭れることにより、環状の封止肩309を、環状の封止挿入物298およびOリングシール300との閉じた係合へ強制する。室315が流出部本体294の内部でばね312のすぐ右に形成される。流出チャネル320が室315から、外部にねじ山を備えたカラー322および挿入突起316を通じて延びる。室315内には焼結真鍮フィルタ要素314が流出チャネル320と整列して配置されて、流入弁290を通過する流体を濾過する。これに代えて、またはこれに加え、フィルタ要素317(たとえば焼結真鍮要素)が、流出チャネル320に沿った位置、たとえば図に示すようにその終端に設けられてもよい。
【0049】
ポリマー管330は、上述の図10に示す接続構成により流入弁290に取付けられ得る。すなわち、外側に突き出た棘318が、管330内に挿入される挿入部316の外部に形成される。内部にねじ山を設けた開口部326および圧着部分328を有するフェルール324が、外部にねじ山を設けた流出部本体294のカラー322にねじ止めされる。次に圧着部328が、図に示すように管330上に圧着され、管330を挿入突起316の棘318との摩擦固定係合へと挟み付ける。
【0050】
流入弁290は図11では閉じた構成として示される。閉じた構成では、ポペット弁体308の環状の封止肩309は、環状の封止挿入物298およびOリングシール300と係合する。ばね312のばね力に打ち勝つのに十分な加圧流体を流入チャネル304内に与えると、ポペット弁体308は右方向に強制され、こうして封止肩309と、封止挿入物298およびOリング300との間に隙間を生じさせる。次に加圧流体は、この隙間を通り、ポペット弁体308を巡り、径方向の足310のうち隣接するものの間の空間を通り、ばね312の開いた中央部を通り、フィルタ314を通り、流出チャネル320を通り通過して、圧力容器のポリマー管330に入ることができる。加圧流体源が流入部本体292から取外されると、ばね312の力と圧力容器内の加圧流体の力とがポペット弁体308を左へと強制し、こうして環状の封止肩309は再び環状の封止挿入物298およびOリングシール300の両方と封止接触し、こうして加圧流体が流入弁290を通じて圧力容器から出ることを防ぐ。
【0051】
流入弁290は、いくつかの工業規格高圧充填弁のうちいずれかと結合するように構成されることが好ましい。圧力容器をあまりに急速に充填することにより引起される断熱圧縮は、充填弁付近で圧力容器内の過度の温度を引起すおそれがある。このような急速充填技術はすべての既存の高圧容器に対して危険であると認識されており、このような手法を思い止まらせる手順が公知である。しかしながら多くの充填弁は手動で操作され、こうして無頓着さ、錯誤または不注意から操作員が充填弁を完全に開けてしまい、充填されたタンク内でこのような即座かつ瞬間的な加圧を生じさせることがあり得る。典型的に金属からなる現在の高圧シリンダはこのような不適切な充填技術に耐えることができるが、このようなシリンダはこのような態様で充填されると危険なほど高温になることがある。この発明に従う圧力容器は、純粋な酸素がある場合に約400°Fで自然発火し得るポリマー材料から形成される。この発明に従い形成された圧力容器の閉じた端部での温度は、急速充填加圧中に1700°Fを超え得ることが算出により示されている。
【0052】
したがって、不適切な急速充填手順からのポリマー圧力容器の自己発火を防止し得る安全措置として、流入弁290の流出チャネル320は制限的に狭くされ、こうして流出チャネル320は充填弁から圧力容器内に流れる流体の圧力を段階的に下げるための調整器として機能する。この発明の局面に従うと、流入弁290の流出チャネル320は、流入弁290が2000psigの充填源に瞬間的に晒される充填手順の5秒目の時点で、圧力容器内の内圧が500psigを超えることを防止するほど制限的なサイズであることが好ましい。しかしながら流出チャネル320は、正しい充填技術に従うときには圧力容器の適切な充填を可能にするのに十分大きくなければならない。流出チャネル320の現在好ましい直径は、直径0.003−0.010インチである。
【0053】
焼結真鍮フィルタ要素315(および/またはフィルタ要素317)が流入弁290内で用いられると、これは流路の制限物として機能し、充填圧を段階的に下げることを援助できる。
【0054】
流入弁290は大気放出板組立体295などの圧力除去機構を含むことがあり、これは、気体が流通可能に圧力容器の内部と連通する内部弁室302内の過度の圧力増加を解放するよう構成および配置される。図11Aに示すように、大気放出板組立体295は板を保持するピン297を含み、これは流入弁290の流出部本体294の側壁に形成された、ピンを受ける開口部299内に挿入される。ピン297および開口部299の各々にはねじ山が形成され得る。パイロット孔319が、ピンを受ける開口部299から内部弁室302内に延びる。大気放出板321はピンを受ける開口部299の底部に位置付けられ、銅などの軟らかく破裂可能な材料から形成される。軸方向のチャネル323がピン297に形成される。軸方向のチャネル323は、ピン297を通じて形成された横断径方向チャネル325に接続する。大気放出板321は、内部弁室302での圧力が予め定められた最大しきい値圧を超えると破裂することで、パイロット孔319およびチャネル323、325を通じての圧力除去を可能にするよう構成および配置される。
【0055】
これに代わる一方向流入弁が、図12において参照番号600で一般的に示される。流入弁600はピン弁として一般に知られる種類の一方向弁である。弁600は弁本体602を含み、これはその中に内室604を定める。旋回管継手606は、弁本体602内にねじ止めされるねじ山を設けたピン保持ねじ618の径方向のフランジによって弁本体602と結合される。流れ制御ピン608が弁本体602の内室604内に配置される。ピン608のシャフト610は、ピン保持ねじ618を通じて形成される軸方向のボアを通じて延びてこれにより案内される。径方向のフランジ612はピン608のシャフト610から突き出る。軸方向のボア614がシャフト610の一端から延び、径方向の貫通孔616が軸方向のボア614と連通してシャフト610を通じ延びる。ばね622はピン608の径方向のフランジ612と係合し、ピン608をピン保持ねじ618の軸方向の端部と係合させ、Oリング620がピン608のフランジ612とピン保持ねじ618との間に配置される。ピン608をピン保持ねじ618に凭れさせることで、旋回管継手606と内部弁室604との間の空気の流れが防止される。
【0056】
流入弁600は、大気放出板組立体627などの圧力除去機構を含むことが好ましい。大気放出板627は、弁本体602内にねじ止めされる大気放出板保持器626と、銅などの破裂可能な材料から形成される大気放出板628とを含む。大気放出板628が破裂する予め定められたしきい値を内部室604内の圧力が超えると、大気放出板保持器626内に形成された軸方向および径方向のチャネルを通じて室604から圧力が解放される。
【0057】
棘を備えた突起630が弁本体602から延びる。棘を備えた突起630は、突起630が挿入されるポリマー管を部分的に貫通しおよびこれと係合する棘を含む。ねじ山を備えたカラー634が棘を備えた突起630の基部に形成され、フェルール(図示せず、たとえば図10およびこれに伴う開示のフェルール280を参照)と係合し、このフェルールはその一端にあるねじ山を備えた開口部と、ポリマー管に対して圧着されるべき圧着部分とを有し、これにより管を棘のある突起630に固定する。弁本体602と、ねじ山を備えたカラー634にねじ止めされるフェルール(図示せず)との間に追加の封止をもたらすために、外部Oリング636をねじ山のあるカラー634の基部にもうけてもよい。
【0058】
外部チャネル632は棘のある突起630を通じて延びる。外部チャネル632は、図11に示す流入弁290の流出チャネル320のように制限的に狭くすることができ、こうして流出チャネル632は、上述のように充填弁から圧力容器内に流れる流体の圧力を段階的に下げるための制御器として機能する。フィルタ要素624、たとえば焼結真鍮フィルタ要素が、流出チャネル632の口に配置され得る。
【0059】
適当な充填管継手が旋回管継手606に結合される際に、充填管継手は、ピン608と係合してピンをばね22の力に対しばね保持ねじ618との係合から外す、当該技術で周知の構造または機構を含む。この後、旋回管継手606で導入された加圧流体は軸方向のボア614内に通過し、径方向の孔616を通じて軸方向のボア614から逃げ、内部室604へ、それからフィルタ624そして流出チャネル632を通じて流れる。充填管継手が旋回管継手606から取外されると、ピン608はばね622により生じた力によってピン保持ねじ618との係合へと動いて戻り、こうして内部室604からの流体の流れを防ぐ。
【0060】
図13は流出弁/調整器組立体370の好ましい実施例を示す。組立体370は、フェルール402によりポリマー管410に取付けられた流出弁372を含む。
【0061】
流出弁372は、ねじ山のあるカラー部404および棘のある高圧突起408を備えた高圧端部374を有する。低圧端部376は、気体が流通可能に流出弁組立体372を流体送出システムに接続するための、棘のある低圧流出突起400またはその他の構造を有する。内部室378が高圧端部374と低圧端部376との間に定められる。調整器の台座380は、内部室378内で、棘のある突起408を通じて延びる通路411の終端に配置される。明瞭にするために、内部室378内に通常配置される当業者に周知の残りの内部圧力減少構成要素は示さない。
【0062】
流出弁372は大気放出板組立体382などの圧力除去機構を含むことがあり、これは内部室378の高圧の側における過度の圧力増大を解放するよう構成および配置される。図13Aに示すように、大気放出板組立体382は板を保持するピン388を含み、これは、流出弁372の高圧端部374の側壁に形成された、ピンを受ける開口部390内に挿入される。ピン388および開口部390の各々にはねじ山が設けられ得る。パイロット孔384は、ピンを受ける開口部390から内部室378の高圧の側へと延びる。大気放出板386はピンを受ける開口部390の底部に位置付けられ、銅などの軟らかい破裂可能な材料から形成される。軸方向のチャネル392はピン388内に形成される。軸方向のチャネル392はピン388を通じ形成される横断径方向チャネル394と接続する。大気放出板386は、内部室378の高圧の側での圧力が予め定められた最大しきい値圧を超えると破裂することで、パイロット孔384およびチャネル392、394を通じて圧力除去を可能にするよう構成および配置される。
【0063】
フェルール402はねじ山を備えた開口部406を備え、これはねじ山によって高圧端部374のねじ山を備えたカラー404と係合する。フェルール402はさらに圧着部分412を含み、これは(図に示すように)ポリマー管410に対して圧着されて管410を棘のある突起408に対し固定することができる。
【0064】
現在最も実用的で好ましい実施例と考えられているものとの関連でこの発明を説明したが、この発明は開示の実施例に限定されるのではなく、前掲の特許請求の範囲の意味および範囲内に含まれるさまざまな変形例および均等の構成を包含することを意図していると理解すべきである。したがって、前掲の特許請求の範囲に定められたこの発明の新規の局面から逸脱することなく、この発明を規定するのに用いられた特定のパラメータに対し変更を加えることができると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】複数の整列された、硬い、ほぼ楕円体の室であって、管状のコアにより相互接続されたものを示す部分側面図である。
【図2】図1の線2−2に沿って切って見た拡大水平断面図である。
【図2A】代替実施例を示す、図1の線2−2に沿って切って見た拡大水平断面図である。
【図3】この発明のコンテナシステムの一部を示す側面図である。
【図4】図3の線4−4に沿って長手方向に切って見た部分断面図である。
【図5】この発明のコンテナシステムの代替実施例を示す側面図である。
【図5A】曲がりくねった構成で配置された図5のコンテナシステムを示す部分図である。
【図6】この発明に従うコンテナシステムを採用した携帯用加圧流体パックを示す図である。
【図7】この発明のコンテナシステムを採用した加圧流体パックの代替実施例を示す図である。
【図8】この発明に従うコンテナシステムを採用した加圧流体パックのさらなる代替実施例を示す図である。
【図9】携帯用加圧流体パックのためのハウジングの適合するシェルの中に固定された、この発明に従うコンテナシステムを示す平面図である。
【図9A】図9の線A−Aに沿って切って見た横断面図である。
【図10】機械的管継手にポリマー管を固定するためのシステムの一部を長手方向の断面で示す分解図である。
【図11】この発明のコンテナシステムを採用した圧力パックに組込むための好ましい流入弁を長手方向の断面で示す部分図である。
【図11A】図11の円“A”内の部分を示す拡大図である。
【図12】この発明のコンテナシステムを採用した圧力パック内に組込むための流入弁の代替形を、長手方向の断面で示す部分図である。
【図13】この発明のコンテナシステムを採用した圧力パック内に組込むための好ましい流出弁/調整器を、長手方向の断面で示す部分図である。
【図13A】図13の円“A”内の部分を示す拡大図である。
Claims (12)
- 加圧流体のためのコンテナシステムであって、
圧力容器を含み、前記圧力容器は、
複数の中空室を含み、各々の中空室は実質的に球または楕円体の形状を有してポリマー材料から形成され、前記圧力容器はさらに、
ポリマー材料から形成された複数の導管部を含み、各々の導管部は、前記複数の中空室を相互接続するように前記複数の中空室の隣接する室の間に位置付けられ、前記導管部の各々は、前記中空室の各室の最大内部横断寸法よりも小さい最大内部横断寸法を有し、前記圧力容器はさらに、
前記中空室および前記導管部のまわりを包む強化フィラメントを含み、前記コンテナシステムはさらに、
前記圧力容器に取付けられて、前記圧力容器の中へおよびここからの流体の流れを制御するように構成および配置された流体移送制御システムを含む、コンテナシステム。 - 前記圧力容器はさらに、前記強化フィラメント上に形成された液体不浸透性の保護コーティング層を含む、請求項1に記載のコンテナシステム。
- 前記強化フィラメントはアラミド繊維を含む、請求項1に記載のコンテナシステム。
- 前記中空室および前記導管部は、熱可塑性ポリウレタンエラストマから形成される、請求項1に記載のコンテナシステム。
- 前記導管部とほぼ同軸に整列されて前記複数の室の各々を通じて延びる内部の管状のコアをさらに含み、各々の内部の管状のコアには少なくとも1つの開口が形成され、前記開口は前記室の各室の内部に配置される、請求項1に記載のコンテナシステム。
- 前記圧力容器は、前記複数の導管部のいくつかにより隔てられた前記複数の室のうち相互接続された室の1本の連続的なストランドを含み、前記連続的なストランドは、前記ストランド自身の上に交互に前後に曲がる曲がりくねった構成で配置され、前記ストランドの連続した長さ部分は互いに対しほぼ平行である、請求項1に記載のコンテナシステム。
- 前記圧力容器はさらに、
前記複数の導管部のいくつかにより隔てられた前記複数の室のうち相互接続された室の2本以上の連続的なストランドを含み、前記2本以上の連続的なストランドの部分は互いに対しほぼ平行に配置され、前記圧力容器はさらに、
内部プレナムを定める結合構造を含み、
前記2本以上の連続的なストランドのうち各ストランドの第1の端部は封止され、前記2本以上の連続的なストランドのうち各ストランドの第2の端部は、前記プレナムと流体流れ連通するように前記結合構造に接続され、前記流体移送制御システムは前記結合構造に取付けられる、請求項1に記載のコンテナシステム。 - 前記2本以上のストランドおよび前記結合構造は、形を維持するハウジングに収められ、前記ハウジングは、前記2本以上のストランドおよび前記結合構造の相対的な位置を維持するように構成および配置され、前記流体移送制御システムの或る部分は、接近され得るように前記ハウジングから突き出る、請求項7に記載のコンテナシステム。
- 前記結合構造は分配器を含み、前記分配器は、細長い形状を有して、前記2本以上のストランドの平行の部分に対し横断するように配置され、前記2本以上のストランドの各々は、前記分配器の長さに沿って異なった位置で前記分配器に接続され、前記流体移送制御システムは
一方向流入弁を含み、前記一方向流入弁は、前記分配器に対し、前記分配器の一端付近で取付けられて、圧力をかけられた流体が、前記2本以上のストランドの各々への分配のために、前記内部プレナム内に注入されることを許し、かつ前記内部プレナム内の流体が前記一方向流入弁を通じて逃げることを防ぐように構成および配置され、前記流体移送制御システムはさらに
調整流出弁を含み、前記調整流出弁は、前記分配器に対し、対向する前記分配器の端部付近で取付けられて、前記圧力容器内の流体が前記調整流入弁を通じて逃げることを防ぐ、または前記圧力容器内の流体が前記圧力容器内の流体の圧力とは異なる流出圧で逃げることを許すように、選択的に構成されるように構成および配置される、請求項7に記載のコンテナシステム。 - 前記結合構造はマニホールドを含み、前記2本以上のストランドの各々は前記マニホールドに接続され、前記流体移送制御機構は流出弁を含み、前記流出弁は、前記マニホールドに取付けられて、前記圧力容器内の流体が前記調整流出弁を通じて逃げることを防ぐ、または、前記内部プレナムおよび前記2本以上のストランド内の前記流体の圧力とは異なる流出圧で、前記圧力容器内の流体が前記調整流出弁を通じて逃げることを許すように、選択的に構成されるように構成および配置される、請求項7に記載のコンテナシステム。
- 或る数の窪みが中に形成された第1のフォームシェルを含み、前記窪みは、前記圧力容器を構成する、前記数の中空室に対応し、前記窪みの各々は、前記中空室の各室のおよそ半分に対応する形状およびサイズを有し、前記窪みのうち隣接する窪みは相互接続チャネルによって接続され、前記チャネルの各々は、前記導管部の各々のおよそ半分に対応するサイズおよび形状を有し、前記窪みおよび相互接続チャネルは、前記複数の室および導管部の好ましい構成で配置され、前記コンテナシステムはさらに、
或る数の窪みが中に形成された第2のフォームシェルを含み、前記窪みは、前記圧力容器を構成する、前記数の中空室に対応し、前記窪みの各々は、前記中空室の各室のおよそ半分に対応する形状およびサイズを有し、前記窪みのうち隣接する窪みは相互接続チャネルにより接続され、前記チャネルの各々は、前記導管部の各々のおよそ半分に対応するサイズおよび形状を有し、前記窪みおよび相互接続チャネルは、前記複数の室および導管部の好ましい構成で配置され、
前記第1のフォームシェルは、自身の前記窪みおよび相互接続チャネルが前記第2のフォームシェルの対応する窪みおよび相互接続チャネルに関し対向して向き合う関係にあるように構成され、前記圧力容器は前記第1のフォームシェルと前記第2のフォームシェルとの間に配置され、前記複数の中空室および導管部は、前記第1および第2のフォームシェルのそれぞれ嵌り合う窪みおよび相互接続チャネル内に収められる、請求項1に記載のコンテナシステム。 - 前記流体移送制御システムは
一方向流入弁を含み、前記一方向流入弁は、前記圧力容器に取付けられて、圧力をかけられた流体が前記流入弁を通じて前記圧力容器内に移送されることを許しかつ前記圧力容器内の流体が前記流入弁を通じて前記圧力容器から逃げることを防ぐように構成および配置され、前記流体移送制御システムはさらに
調整流出弁を含み、前記調整流出弁は、前記圧力容器に取付けられて、前記圧力容器内の流体が前記調整流出弁を通じ前記圧力容器から逃げることを防ぐ、または、前記圧力容器内の流体の圧力とは異なる流出圧で前記圧力容器内の流体が前記調整流出弁を通じ前記圧力容器から逃げることを許すように、選択的に構成されるように構成および配置される、請求項1に記載のコンテナシステム。
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