WO2019083047A1 - 蓄圧容器 - Google Patents

蓄圧容器

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WO2019083047A1
WO2019083047A1 PCT/JP2018/040001 JP2018040001W WO2019083047A1 WO 2019083047 A1 WO2019083047 A1 WO 2019083047A1 JP 2018040001 W JP2018040001 W JP 2018040001W WO 2019083047 A1 WO2019083047 A1 WO 2019083047A1
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WO
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pressure accumulation
reinforcing ring
pressure
container
accumulation chamber
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PCT/JP2018/040001
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洋流 和田
隆史 細矢
裕一 辻
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Japan Steel Works Ltd
Tokyo Denki University
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Japan Steel Works Ltd
Tokyo Denki University
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to a pressure accumulation container provided with a pressure accumulation chamber capable of containing hydrogen gas and the like.
  • an accumulator container for storing and transporting high pressure hydrogen gas used in a hydrogen station or the like can be mentioned.
  • Accumulators are conventionally manufactured using high strength low alloy steel such as Cr-Mo steel.
  • the screw portion is caused by so-called hydrogen environment embrittlement. It is feared that the strength and ductility of a stress concentration point (e.g., a screwing portion between a male screw and a female screw) in the above may be reduced.
  • embrittlement of the pressure accumulation container is not preferable because it can be a cause of lowering the pressure accumulation performance of the pressure accumulation container.
  • one conventional pressure accumulation container has a structure in which a lid-like structure is sandwiched between the screwed portion and the pressure accumulation chamber so that the screwed portion and hydrogen are not in direct contact (so-called screwed nut lid structure ) Is adopted.
  • this conventional pressure-accumulation container is designed to suppress the occurrence of hydrogen environment embrittlement in the screwing portion (for example, the screw bottom) of the male screw and female screw of the screwed portion (for example, See Patent Document 1).
  • the lid-like structure is normally held at a predetermined position by the screw-in portion.
  • the force exerted by the gas in the pressure accumulation chamber on the lid-like structure is transmitted to the screw-in portion through the lid-like structure and finally acts on the screw-in portion of the screw-in portion. Therefore, apart from hydrogen environment embrittlement, there is a concern that fatigue cracks may occur in the screwed part due to the stress generated in the screwed part of the screwed part (in particular, near the first thread closest to the pressure accumulation chamber). Ru.
  • One of the objects of the present invention is to provide a pressure-accumulating container capable of achieving both suppression of hydrogen environment embrittlement of a screw-in portion of a pressure-accumulating container and suppression of fatigue cracks.
  • an accumulator container is A cylinder portion defining an accumulator chamber inside; A screwed portion disposed inside at least one of the both end portions of the cylinder portion, wherein the inner peripheral portion of the cylinder portion and the outer peripheral portion of the screwed portion are screwed together; A lid portion disposed at a position closer to the pressure accumulation chamber than the screwed portion and having a pressure receiving surface facing the pressure accumulation chamber; It is a reinforcing ring fitted to the outer peripheral surface of the cylinder portion, and a portion on the outer peripheral surface corresponding to a part or all of a screwing portion between the cylinder portion and the screwed portion in the axial direction of the cylinder portion And a reinforcing ring that covers along.
  • the lid is provided between the screw-in portion and the pressure accumulation chamber, so that even if hydrogen is contained in the pressure accumulation chamber, hydrogen can be in direct contact with the screw-in portion Be suppressed.
  • a reinforcing ring provided so as to cover the outer peripheral surface of the cylinder portion corresponds to a part or all of the screwing portion between the screwed portion and the cylinder portion And covers the outer peripheral surface of the cylinder portion.
  • the accumulator container is It further comprises a seal part for sealing a gap between the lid part and the cylinder part,
  • the reinforcing ring is The axial-direction end of the reinforcing ring on the pressure-accumulation chamber side is at a position on the outer peripheral surface corresponding to the seal portion, or the shaft rather than the position on the outer peripheral surface corresponding to the seal portion It is configured to be at a position on the accumulator chamber side in the direction.
  • the sealing portion further appropriately suppresses the contact of the gas in the pressure accumulation chamber with the threaded portion.
  • the “end on the pressure accumulation chamber side” of the reinforcing ring is closer to the pressure accumulation chamber than the position on the outer peripheral surface of the cylinder corresponding to the seal or the position on the outer peripheral surface of the cylinder corresponding to the seal In position.
  • the reinforcing ring is The end of the reinforcing ring on the side opposite to the pressure accumulation chamber in the axial direction is located on the outer peripheral surface corresponding to the end on the side opposite to the pressure accumulation chamber of the screwing portion, or
  • the screw connection portion is configured to be located at a position farther from the pressure accumulation chamber in the axial direction than a position on the outer peripheral surface corresponding to an end opposite to the pressure accumulation chamber.
  • the end opposite to the pressure accumulation chamber of the reinforcing ring is the pressure accumulation chamber rather than the position corresponding to the end of the screwing portion or the position corresponding to the end of the screwing portion It is located away from. According to experiments and studies conducted by the inventor, it has become clear that the occurrence of fatigue cracks in the screwed portion can be suppressed by arranging the reinforcing ring at such a position (FIG. 7 (a) and FIG. 7). 7 (b)). Therefore, the pressure-accumulation container concerning a 3rd side can control a fatigue crack of a screw-in part still more certainly.
  • the accumulator container is When the pressure in the pressure accumulation chamber fluctuates within a range of 82 MPa or less and 50 MPa or more, the difference between the maximum value and the minimum value of the stress generated in the screwing portion is 300 MPa or less.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the stress generated in the screwed portion by attaching the reinforcing ring to the cylinder portion (hereinafter referred to as “stress range” ) Can be reduced (see FIGS. 6 (a), 6 (b), 7 (a) and 7 (b)).
  • stress range in the case where the pressure in the pressure accumulation chamber fluctuates within the range of 82 MPa to 50 MPa is 300 MPa or less, even when the pressure in the pressure accumulation chamber becomes particularly high like the hydrogen storage container at the hydrogen station,
  • the pressure accumulation container of the invention can be used.
  • the cylinder portion is designed using a thin pipe satisfying this condition and having a safety factor of 2.4 or more, it can contribute to the miniaturization of the hydrogen storage container at the hydrogen station.
  • the “safety factor” is a value calculated by “tensile strength of steel material constituting thin wall pipe / maximum stress assumed in design of thin wall pipe” (for example, non-patent documents 2 to See 4).
  • the reinforcing ring is It is fitted to the cylinder portion in a state of applying a compressive stress so as to clamp the cylinder portion.
  • the effect of protecting the seal portion and the screwed portion is enhanced, and hydrogen environment embrittlement and fatigue cracking can be suppressed more reliably.
  • such a tightening can be realized by shrink-fitting the reinforcing ring to the cylinder portion.
  • the thickness of the reinforcing ring in the radial direction of the cylinder portion is 5% or more and 10% or less of the outer diameter of the cylinder portion.
  • the reinforcing ring has a thickness within such a range to protect the seal portion and the screwed portion, and the product of the pressure accumulation container. It became clear that it could be compatible with the economy and the weight.
  • the lid portion has an extending portion extending outward in the radial direction of the cylinder portion,
  • the screwing portion has a recessed portion which is recessed outward in the radial direction,
  • the elongated material portion and the depressed portion abut in the axial direction;
  • the outer peripheral edge on the pressure accumulation chamber side of the screwed portion and the lid portion are configured to be separated in the axial direction.
  • the pressure-accumulation container concerning the 7th side can control generating of a fatigue crack still more certainly.
  • the cylinder portion has a straight cylindrical and cylindrical shape.
  • the cylinder portion has a straight cylinder (that is, a non-curved cylindrical shape) and a cylindrical shape, so that the cylinder portion can be manufactured more precisely at the time of manufacturing than the case where the cylinder portion is curved. Processing is possible. Therefore, it can suppress that a process damage
  • the ninth aspect provides a pressure-accumulated container that can withstand long-term practical use as a container for storing hydrogen at a hydrogen station by having a fatigue crack life of at least 400,000 times in fatigue crack growth analysis according to the above criteria. it can.
  • 400,000 times is a value assuming that the pressure accumulation container is exposed to about 100 times of pressure increase and decrease per day for about 10 years.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a pressure accumulation container according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the pressure accumulation container shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of a pressure accumulation container according to a comparative example.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the presence or absence of the reinforcing ring and the progress of the crack depth.
  • Fig.5 (a) is a figure explaining stress distribution in the pressure accumulation container which concerns on an Example
  • FIG.5 (b) is a figure explaining the dimension of the pressure accumulation container which concerns on an Example.
  • FIGS. 6 (a) and 6 (b) are diagrams showing the relationship between the position of the end of the reinforcing ring on the side of the pressure accumulation chamber and the stress generated in the screwing portion.
  • FIGS. 7 (a) and 7 (b) are diagrams showing the relationship between the position of the end portion of the reinforcing ring opposite to the pressure accumulation chamber and the stress generated in the screwing portion.
  • pressure accumulation container 10 concerning one embodiment of the present invention is explained.
  • the pressure accumulation container 10 of the present embodiment is provided so as to close both ends of the cylindrical cylinder portion 1 made of steel that defines the pressure accumulation chamber 11 and both ends of the cylindrical cylinder portion 1.
  • the pressure receiving surface 2A of the lid 2 facing the pressure accumulation chamber 11 directly receives the pressure of the high pressure gas in the pressure accumulation chamber 11.
  • the screwed portion 3 is isolated from the gas in the pressure accumulation chamber 11 by the lid 2.
  • the pressure accumulation container 10 can be used, for example, to store hydrogen gas.
  • the cylindrical cylinder portion 1 has a straight cylindrical and cylindrical shape with both ends opened. Therefore, when manufacturing the cylindrical cylinder part 1, precise processing, such as mirror surface processing, is possible so that a flaw, a crack, etc. may not arise in the main inner surface 1A of the cylindrical cylinder part 1. For example, as described later, it is possible to perform quality control such that a processing flaw having a depth of 0.5 mm or more does not occur in the main inner surface 1A. Moreover, after manufacturing the cylindrical cylinder part 1, it is also easy to inspect the presence or absence of such a flaw etc.
  • a seamless container for example, a Mannesmann-type or Erhardt-type cylinder
  • a shape in which the cross section becomes smaller as the opening approaches which has conventionally been used as a pressure accumulation container
  • the opening is smaller than. Therefore, in such a conventional pressure accumulation container, the same inspection as that of the cylindrical cylinder portion 1 is difficult.
  • the material which comprises the cylindrical cylinder part 1, the cover part 2, the screw-in part 3, and the reinforcement ring 4 is not specifically limited.
  • manganese steel, chromium molybdenum steel, nickel chromium molybdenum steel, and other low alloy steels (except stainless steel) can be used.
  • the lid 2, the screwed portion 3 and the reinforcing ring 4 may be made of the same material as the cylindrical cylinder 1 or may be made of another material (for example, carbon fiber reinforced plastic etc.).
  • the lid 2, the threaded portion 3 and the reinforcing ring 4 may be made of different materials.
  • the method of manufacturing the cylindrical cylinder portion 1 is not particularly limited.
  • the cylindrical cylinder portion 1 is preferably integrally formed by forging or extrusion which is a processing method with few defects.
  • the main inner surface 1A defines the pressure accumulation chamber 11, and receives the pressure of the high pressure gas. Therefore, it is preferable that the main inner surface 1A of the cylindrical cylinder portion 1 is mirror-finished so as not to be damaged or the like. In particular, it is preferable to mirror-finish the main inner surface 1A so as not to have a flaw having a depth of 0.5 mm or more in the thickness direction of the cylindrical cylinder portion 1 and a length of 1.6 mm or more in the direction along the surface. Such mirror surface processing can suppress the development of flaws resulting from hydrogen environment embrittlement.
  • hole portions 1B which are recessed radially outward from the main inner surface 1A are provided.
  • a female screw portion 1C to which the screwed portion 3 is screwed is provided.
  • the internal thread portion 1C is not provided in a part of the hole portion 1B on the pressure accumulation chamber 11 side.
  • the screw-in portion 3 has a tubular shape, and has an external thread portion 30 screwed to the internal thread portion 1C at its outer peripheral portion.
  • the threaded portion 3 is attached to both ends of the cylindrical cylinder portion 1.
  • the end structure of the cylindrical cylinder 1 including the threaded portion 3 is the same at one end and the other end of the cylindrical cylinder 1.
  • the end structure of the cylindrical cylinder portion 1 may be different between one end and the other end of the cylindrical cylinder portion 1.
  • the lid portion 2 has a first shaft portion 21 on the pressure accumulation chamber 11 side and a second shaft portion 23 on the opposite side of the pressure accumulation chamber 11.
  • the lid portion 2 has a vent hole 25 D which penetrates the first shaft portion 21 and the second shaft portion 23 in the axial direction of the cylindrical cylinder portion 1.
  • the first shaft portion 21 of the lid portion 2 has a large diameter portion 20 which spreads radially outward. A portion closer to the pressure accumulation chamber 11 than the large diameter portion 20 of the first shaft portion 21 extends along the main inner surface 1A of the cylindrical cylinder portion 1. As shown in FIG. 2, a seal portion 5 such as an O-ring is provided between the first shaft portion 21 and the main inner surface 1A. The seal portion 5 is disposed slightly away from the pressure accumulation chamber 11 than the pressure receiving surface 2A. The outer peripheral edge of the first shaft portion 21 on the pressure accumulation chamber 11 side is provided with a recess for arranging the seal portion 5 in this manner.
  • the large diameter portion 20 and the boundary portion 1 D between the main inner surface 1 A of the cylindrical cylinder portion 1 and the hole portion 1 B are in contact in the axial direction of the cylindrical cylinder portion 1. As a result, the movement of the large diameter portion 20 (and hence the lid portion 2) toward the pressure accumulation chamber 11 rather than the boundary portion 1D is restricted.
  • a spread material portion 22 which is smaller in diameter than the large diameter portion 20 and which spreads outward in the radial direction of the cylindrical cylinder portion 1 is provided.
  • the extending member portion 22 has a cylindrical shape.
  • the shape of the extending member portion 22 is not particularly limited, and may have other shapes other than a cylindrical shape.
  • the spread material part 22 may be comprised from several members.
  • the spread material portion 22 may be configured integrally with the large diameter portion 20, or may be configured from a member separate from the large diameter portion 20. In the present example, the large diameter portion 20 and the extending portion 22 are integrally configured.
  • the second shaft portion 23 of the lid portion 2 is disposed radially inward of the threaded portion 3.
  • the second shaft portion 23 has a cylindrical shape.
  • the shape of the 2nd axial part 23 is not specifically limited, You may have other shapes other than a cylinder.
  • the second shaft portion 23 may be configured of a plurality of members.
  • the screw-in portion 3 has a through hole 31 in which the second shaft portion 23 is disposed, as shown in FIG.
  • the screw-in portion 3 has a recessed portion 32 recessed outward in the radial direction at an end portion on the pressure accumulation chamber 11 side.
  • the hollow portion 32 and the extension portion 22 abut in the axial direction of the cylindrical cylinder portion 1. Furthermore, with the recessed portion 32 and the extending portion 22 in this manner, the outer peripheral edge 3A (that is, the portion near the screwing portion 12) of the screwed portion 3 on the pressure accumulation chamber 11 side and the large diameter portion 20 are separated in the axial direction of the cylindrical cylinder portion 1.
  • a female screw may be formed on the inner surface of the through hole 31 of the screwed portion 3, and a male screw may be formed on the outer peripheral surface of the second shaft portion 23 of the lid 2 to screw them together.
  • the spread material portion 22 is farther from the pressure accumulation chamber 11 than the meshing portion of the second ridge from the pressure accumulation chamber 11 side of the screwing portion 12 of the female screw portion 1C and the male screw portion 30 in the axial direction of the cylindrical cylinder portion 1 It is preferable to extend to the next position. Moreover, it is preferable that the length in the axial direction of the extended material part 22 is 54% or less of the length L in the axial direction between the position where the seal part 5 is provided and the outer peripheral edge 3A of the screwed part 3 . If the extension portion 22 is too short, the effect of reducing the stress generated in the screwing portion 12 can not be sufficiently obtained. This effect increases as the length of the strip 22 increases, and saturates when the strip 22 reaches a predetermined length. Therefore, the length of the extension material portion 22 may be set to an appropriate length that can sufficiently exhibit the effect of reducing the stress generated in the screwing portion 12.
  • An outer circumferential surface 22A of the spread material portion 22 is a radial thickness T2 of the threaded portion 3 including the height (thickness) in the radial direction of the male screw portion 30 from the inner circumferential surface 31A of the through hole 31 of the threaded portion 3. It is preferable that the position is located radially outward of about 45% to 80% of.
  • the screwing portion 12 when the outer peripheral surface 22A of the spread material portion 22 is too close to the male screw portion 30 (for example, when the outer peripheral surface 22A is at a position exceeding 80% of the thickness T2 from the inner peripheral surface 31A), the screwing portion 12 The effect of reducing the stress generated on the In addition, even if the outer peripheral surface 22A of the spread material portion 22 is too far from the male screw portion 30 (for example, when the outer peripheral surface 22A is at a position less than 45% of the thickness T2 from the inner peripheral surface 31A), the screwing portion The effect of reducing the stress generated in 12 is reduced.
  • the thickness of the ligament portion is preferably 180% or more of the height of the thread (the distance between the peak and the valley bottom) in the screwing portion 12 and 120% or more of the screw pitch in the screwing portion 12 preferable.
  • the main inner surface 1A of the cylindrical cylinder portion 1 may be subjected to a self-tensioning process.
  • a self-tensioning process As a result of the plastic deformation of the inner circumferential layer constituting the main inner surface 1A of the cylindrical cylinder portion 1 by the self-tensioning treatment, residual stress is generated in the inner circumferential layer. This increases the strength of the main inner surface 1A.
  • the outer peripheral layer constituting the outer peripheral surface 1F of the cylindrical cylinder portion 1 is more likely to be elastically deformed as compared with the inner peripheral layer.
  • the pressure accumulation container 10 makes precise machining of the main inner surface 1A possible by making the cylindrical cylinder part 1 cylindrical. Therefore, for example, it is preferable to manufacture the cylindrical cylinder part 1 so that the processing flaw of 0.5 mm or more in depth may not arise in the main inner surface 1A. Further, the internal inspection of the cylindrical cylinder portion 1 after manufacture can be easily and accurately performed by removing the lid portion 2 and the screwed portion 3 and the like. Thereby, the quality of pressure accumulation container 10 is further improved. Furthermore, after the internal inspection, the lid portion 2 and the screw-in portion 3 can be easily attached to the cylindrical cylinder portion 1.
  • the force exerted by the gas inside the pressure accumulation chamber 11 on the lid portion 2 is directly transmitted from the large diameter portion 20 to the outer peripheral edge 3A of the screwed portion 3 There is no.
  • the force caused by the gas inside the pressure accumulation chamber 11 does not concentrate on the portion on the pressure accumulation chamber 11 side of the screw portion 12 (that is, the first screw thread 12A and its vicinity). The power can be distributed over a wider range.
  • the reinforcing ring 4 is fitted to the outer peripheral surface 1F of both ends of the cylindrical cylinder portion 1.
  • the reinforcing ring 4 preferably has a thickness of 5% to 10% of the outer diameter of the cylindrical cylinder portion 1.
  • the reinforcing ring 4 has such a thickness, so that the protective effect of the seal portion 5 and the screwing portion 12 and the product of the pressure accumulation container 10 are obtained. It has become clear that it can be compatible with the economy and weight of
  • the reinforcing ring 4 can be fixed to the outer peripheral surface 1F of the cylindrical cylinder portion 1 by shrink fitting, for example.
  • the method of attaching the reinforcing ring 4 to the cylindrical cylinder 1 is not particularly limited.
  • the reinforcing ring 4 is divided into a plurality of parts, and the divided parts are attached to the outer peripheral surface 1F of the cylindrical cylinder 1 The parts may be joined together by welding or the like.
  • shrink fitting can realize such tightening.
  • both end portions of the cylindrical cylinder portion 1 are open, and the reinforcing ring 4 is attached to these both end portions.
  • the reinforcing ring 4 may be fitted to only this open end.
  • the reinforcing ring 4 is preferably disposed on the outer peripheral surface 1F of the cylindrical cylinder portion 1 so as to be at a position corresponding to a part or all of the screwing portion 12.
  • the position of the reinforcing ring 4 preferably includes the position corresponding to the location on the pressure storage chamber 11 side of the screwing portion 12 (that is, the first screw thread 12A and its vicinity), and corresponds to all the screwing portions 12 It is further preferable to include the following positions.
  • the reinforcing ring 4 be disposed on the outer peripheral surface 1 F of the cylindrical cylinder portion 1 so as to be located at a position corresponding to the seal portion 5.
  • the end 4A on the pressure accumulation chamber 11 side of the reinforcing ring 4 corresponds to a point separated by 0.35 L from the seal portion 5 toward the pressure accumulation chamber 11 when the distance from the seal portion 5 to the screwing portion 12 is L. It is preferable to extend to the position in terms of enhancing the sealability (see also FIG. 5 (b)).
  • the reinforcing ring 4 preferably extends to a position corresponding to the end (that is, the thread 12B in FIG. 2) on the opposite side to the pressure storage chamber 11 of the screwing portion 12.
  • the effect of protecting the screwing portion 12 is enhanced by covering the position corresponding to the end (the screw thread 12B) on the opposite side to the pressure accumulation chamber 11 of the screwing portion 12 with the reinforcing ring 4 as described above.
  • the pressure accumulation container 10 of the present embodiment can be used as a container for storing hydrogen at a hydrogen station so as to supply hydrogen to an automobile or the like equipped with a fuel cell using hydrogen as a fuel.
  • the pressure accumulation container 10 can be used to supply hydrogen at a pressure of about 70 MPa to a vehicle equipped with a fuel cell.
  • the pressure-accumulation container 10 is exposed to the repetition of pressure increase and decrease as many as 400,000 times in 15 years, for example.
  • the pressure-accumulated container 10 is lightweight and has a small number of parts while having a strength enough to withstand such severe applications.
  • the pressure accumulation container 10 is excellent also in the safety
  • the cylindrical cylinder part 1 of the pressure accumulation container 90 of the comparative example is constituted by a thin-walled pipe (inner diameter ⁇ 290 mm, outer diameter ⁇ 376 mm).
  • the cylindrical cylinder part 1 has a shape corresponding to “Fatigue crack growth analysis according to the standard KHKS 0220 (2010) concerning ultra-high pressure gas equipment specified by Japan High Pressure Gas Safety Association” (see Non-Patent Document 4) .
  • the safety factor is 2.4 when the pressure-accumulating container 90 is used in the stress range shown in Table 1 below.
  • the safety factor is a value calculated by “tensile strength of steel material constituting thin wall pipe / maximum stress occurring in thin wall pipe”.
  • the magnitude of the stress (specifically, the first principal stress) generated in each thread of the screwing portion 12 is calculated by a computer Estimated by simulation. The results of this estimation are shown in Table 1 below.
  • the “stress range” in Table 1 is the difference between the maximum value and the minimum value of the stress generated in each thread.
  • the maximum stress generated on the first thread 12A of the cylindrical cylinder portion 1 is 842 MPa.
  • the value of this maximum stress greatly exceeds the yield stress (generally 785 MPa) of high strength steels.
  • the stress range in the first thread 12A is 329 MPa, which exceeds 300 MPa, which is a standard for securing the fatigue life.
  • the fatigue crack growth life Na1 of the pressure accumulation container 90 of the comparative example is far below the 400,000 times required for a hydrogen storage container for a hydrogen station. Therefore, the accumulator container 90 of the comparative example has an insufficient fatigue crack growth life as this type of hydrogen storage container.
  • the pressure-accumulation container 10 of this embodiment has the structure which attached the reinforcement ring 4 to the cylindrical cylinder part 1, as shown to FIG.
  • the reinforcing ring 4 made of a chromium molybdenum steel material SCM 35 is used.
  • the length of the reinforcing ring 4 in the axial direction of the cylindrical cylinder portion 1 is 400 mm.
  • the thickness of the reinforcing ring 4 in the radial direction of the cylindrical cylinder portion 1 is 25 mm.
  • FIG. 5B when the distance from the seal portion 5 to the screwing portion 12 is L, the end 4A of the reinforcing ring 4 on the pressure accumulation chamber 11 side is from the seal portion 5 to the pressure accumulation chamber 11 side.
  • the end 4B opposite to the pressure accumulation chamber 11 of the reinforcing ring 4 extends to a position corresponding to the end of the screwing portion 12 (that is, the end 1E of the cylindrical portion 1).
  • the coefficient of friction between the cylindrical cylinder portion 1 and the reinforcing ring 4 is 0.3.
  • FIG. 5 (a) shows the stress generated in the pressure-accumulating container 10 when the internal pressure of the pressure-accumulating container 10 configured to have various dimensions shown in FIG. 5 (b) is varied between 50 MPa and 82 MPa (specifically These are figures which estimated distribution of 1st principal stress by computer simulation.
  • the stress occurring at the point P (in the vicinity of the zeroth screw bottom of the cylindrical cylinder 1) shown in FIG. 5A is the largest.
  • FIG. 5 (a) shows the stress generated in the pressure-accumulating container 10 when the internal pressure of the pressure-accumulating container 10 configured to have various dimensions shown in FIG. 5 (b) is varied between 50 MPa and 82 MPa (specifically These are figures which estimated distribution of 1st principal stress by computer simulation.
  • the stress occurring at the point P (in the vicinity of the zeroth screw bottom of the cylindrical cylinder 1) shown in FIG. 5A is the largest.
  • 6 (a) and 6 (b) show the length of the reinforcing ring 4 (specifically, the end 4A) in a state in which the end 1E of the cylindrical cylinder 1 and the end 4B of the reinforcing ring 4 are aligned.
  • the stress range is reduced when the length of the reinforcing ring 4 on the side of the pressure accumulation chamber 11 is increased.
  • the value of the stress range is reduced to 180 MPa, which is much smaller than the value without the reinforcing ring 4 shown in Table 1 (329 MPa).
  • the fatigue crack growth life can be further improved by setting the length of the reinforcing ring 4 as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).
  • the optimum length of the reinforcing ring 4 is considered to be about -0.35 L from the position corresponding to the seal portion 5.
  • FIGS. 7A and 7B show the case where the position of the end 4B of the reinforcing ring 4 is changed in a state where the position of the end 4A of the reinforcing ring 4 is fixed at ⁇ 0.64 L. It represents the value of stress at point P of 5 (a).
  • the stress range is reduced as the position of the end 4B of the reinforcing ring 4 approaches the end 1E of the cylindrical cylinder 1, and after the position of the end 4B exceeds the end 1E, the position of the end 4B is 2.77L. It is clear that the stress range is further reduced until reaching.
  • the reinforcing effect of the screwing portion 12 is improved by slightly protruding the end 4B of the reinforcing ring 4 from the end 1E of the cylindrical cylinder 1 in the opposite direction slightly from the pressure accumulation chamber 11.
  • the optimal length of the reinforcing ring 4 is considered to be about 2.8 L from the position corresponding to the seal portion 5.
  • the positions of the end portions 4A and 4B of the reinforcing ring 4 are set to the above-described optimum values (that is, the end portion 4A: -0.35 L, the end portion 4B: 2.8 L), the same as the pressure storage container 90 of the comparative example
  • the fatigue crack growth life of the pressure accumulation container 10 became 680,000 times (the display on the graph in FIG. 4 is omitted). Therefore, compared with 74,000 times in the pressure accumulation container 90 of the comparative example shown in Table 1, the fatigue crack growth life was significantly improved. Furthermore, this fatigue crack growth life is well above the number of times of use 400,000, which is assumed as a hydrogen storage container for a hydrogen station.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be adopted within the scope of the present invention.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and appropriate modifications, improvements, etc. are possible.
  • the material, shape, size, number, arrangement location, and the like of each component in the embodiment described above are arbitrary and not limited as long as the present invention can be achieved.
  • the pressure accumulation container according to the present invention can suppress both the hydrogen environment embrittlement of the screwed portion when hydrogen is contained in the pressure accumulation chamber and the fatigue crack of the screwed portion caused by the internal pressure of the pressure accumulation chamber.
  • the pressure accumulation container according to the present invention having this effect can be used, for example, as a container for storing hydrogen at a hydrogen station.

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Abstract

蓄圧容器（１０）は、蓄圧室（１１）を画成するシリンダ部（１）と、シリンダ部の両端部のうちの少なくとも一方の内側に配置されるねじ込み部（３）と、ねじ込み部よりも蓄圧室に近い位置に配置されて蓄圧室に面する受圧面（２Ａ）を有する蓋部（２）と、シリンダ部の外周面に嵌め合わされる補強リング（４）と、を備える。補強リングは、シリンダ部とねじ込み部との螺合部分（１２）の一部又は全部に対応する外周面（１Ｆ）上の部分をシリンダ部の軸方向に沿って覆う。

Description

蓄圧容器
　この発明は、水素ガス等を収容可能な蓄圧室を備えた蓄圧容器に関する。
　高圧ガスを貯蔵するための機器として、例えば、水素ステーション等で用いられる高圧水素ガスの貯蔵や輸送のための蓄圧容器が挙げられる。蓄圧容器は、従来から、Ｃｒ－Ｍｏ鋼などの高強度低合金鋼などを用いて製造されている。しかし、水素を蓄圧容器に収容する場合、蓄圧容器の開口部を構成するねじ込み部と水素とが直接的に接するような構造を蓄圧容器が有すると、いわゆる水素環境脆化に起因し、ねじ込み部における応力集中箇所（例えば、雄ネジと雌ネジとの螺合部分）の強度や延性が低下することが懸念される。このような蓄圧容器の脆化は、蓄圧容器の蓄圧性能を低下させる原因となり得るため、好ましくない。
　そこで、従来の蓄圧容器の一つは、ねじ込み部と水素とが直接的に接しないように、ねじ込み部と蓄圧室との間に蓋状の構造体を挟んだ構造（いわゆる、ねじ込みナット蓋構造）を採用している。この構造により、この従来の蓄圧容器は、ねじ込み部の雄ネジと雌ネジとの螺合部分（例えば、ねじ底）に水素環境脆化が生じることを抑制するようになっている（例えば、非特許文献１を参照。）。
Ｊｏｈｎ　Ｆ．Ｈａｒｖｅｙ，　"Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ"，　ＶＡＮ　ＮＯＲＳＴＡＮＤ　ＲＥＩＮＨＯＬＤ　ＣＯＭＰＡＮＹ，（１９８０）　Ｐ．３８２－Ｐ．３８４ ＪＩＳ　Ｂ　８２６５：２０１０ ＪＩＳ　Ｂ　８２６７：２０１０ "超高圧ガス設備に関する基準　ＫＨＫＳ（０２２０）２０１０"，２０１０，　Ｐ．２６、高圧ガス保安協会発行
　ところで、上述したねじ込みナット蓋構造では、蓋状の構造体は、通常、ねじ込み部によって所定の位置に保持されるようになっている。換言すると、蓄圧室内のガスが蓋状の構造体に及ぼす力は、蓋状の構造体を介してねじ込み部に伝わり、最終的にねじ込み部の螺合部分に作用することになる。そのため、水素環境脆化とは別に、ねじ込み部の螺合部分（特に、蓄圧室に最も近い第一ネジ山の近傍）に生じる応力に起因し、螺合部分に疲労亀裂が生じることが懸念される。
　以上のような背景から、蓄圧容器について、蓄圧室に水素を収容した場合におけるねじ込み部の水素環境脆化と、蓄圧室の内圧に起因するねじ込み部の疲労亀裂と、の双方を抑制することが望まれる。
　本発明の目的の一つは、蓄圧容器が備えるねじ込み部の水素環境脆化の抑制と疲労亀裂の抑制とを両立可能な蓄圧容器の提供、である。
［１］本発明の第１の側面において、蓄圧容器は、
　内部に蓄圧室を画成するシリンダ部と、
　前記シリンダ部の両端部のうちの少なくとも一方の内側に配置されるねじ込み部であって、前記シリンダ部の内周部分と当該ねじ込み部の外周部分とが螺合される、ねじ込み部と、
　前記ねじ込み部よりも前記蓄圧室に近い位置に配置され、前記蓄圧室に面する受圧面を有する蓋部と、
　前記シリンダ部の外周面に嵌め合わされる補強リングであって、前記シリンダ部と前記ねじ込み部との螺合部分の一部又は全部に対応する前記外周面上の部分を前記シリンダ部の軸方向に沿って覆う、補強リングと、を備える。
　上記第１の側面では、ねじ込み部と蓄圧室との間に蓋部が設けられているため、蓄圧室に水素を収容した場合であっても、ねじ込み部に水素が直接的に接触することが抑制される。更に、シリンダ部の外周面を覆うように（換言すると、その外周面に嵌め合わされるように）設けられる補強リングが、ねじ込み部とシリンダ部との螺合部分の一部または全部に対応するように、シリンダ部の外周面を覆っている。発明者が行った実験および考察によれば、このような位置に補強リングを配置することにより、螺合部分における疲労亀裂の発生を抑制できることが明らかになっている（図４等を参照）。したがって、第１の側面に係る蓄圧容器は、ねじ込み部の水素環境脆化の抑制と疲労亀裂の抑制とを両立可能である。
［２］本発明の第２の側面では、第１の側面において、
　当該蓄圧容器は、
　前記蓋部と前記シリンダ部との間の隙間を封止するシール部を、更に備え、
　前記補強リングは、
　前記軸方向における当該補強リングの前記蓄圧室側の端部が、前記シール部に対応する前記外周面上の位置にある、又は、前記シール部に対応する前記外周面上の位置よりも前記軸方向において前記蓄圧室側の位置にある、ように構成される。
　上記第２の側面では、シール部により、蓄圧室内のガスがねじ込み部に接触することが更に適正に抑制される。更に、補強リングの「蓄圧室側の端部」が、シール部に対応するシリンダ部の外周面上の位置、又は、シール部に対応するシリンダ部の外周面上の位置よりも蓄圧室側の位置にある。発明者が行った実験および考察によれば、このような位置に補強リングの端部を配置することにより、シリンダ部が径方向に拡張するように変形することを補強リングが抑制し、シール部が上記隙間をより確実に封止できることが明らかになっている（図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照）。よって、第２の側面に係る蓄圧容器は、ねじ込み部の水素環境脆化を更に確実に抑制できる。
［３］本発明の第３の側面では、第１の側面または第２の側面において、
　前記補強リングは、
　前記軸方向における当該補強リングの前記蓄圧室とは逆側の端部が、前記螺合部分の前記蓄圧室とは逆側の端部に対応する前記外周面上の位置にある、又は、前記螺合部分の前記蓄圧室とは逆側の端部に対応する前記外周面上の位置よりも前記軸方向において前記蓄圧室から離れた位置にある、ように構成される。
　上記第３の側面では、補強リングの「蓄圧室とは逆側の端部」が、螺合部分の端部に対応する位置、又は、螺合部分の端部に対応する位置よりも蓄圧室から離れた位置にある。発明者が行った実験および考察によれば、このような位置に補強リングを配置することにより、螺合部分における疲労亀裂の発生を抑制できることが明らかになっている（図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照）。よって、第３の側面に係る蓄圧容器は、ねじ込み部の疲労亀裂を更に確実に抑制できる。
［４］本発明の第４の側面では、第１の側面～第３の側面の何れか一つにおいて、
　当該蓄圧容器は、
　前記蓄圧室内の圧力が８２ＭＰａ以下５０ＭＰａ以上の範囲内にて変動した場合における、前記螺合部分に生じる応力の最大値と最小値との差が３００ＭＰａ以下である、ように構成される。
　上記第４の側面について、発明者が行った実験および考察によれば、補強リングをシリンダ部に取り付けることにより、螺合部分に生じる応力の最大値と最小値との差（以下「応力範囲」という。）を低減できることが明らかになった（図６（ａ）、図６（ｂ），図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照）。特に、蓄圧室内の圧力が８２ＭＰａ～５０ＭＰａの範囲内で変動した場合における応力範囲が３００ＭＰａ以下であれば、水素ステーションでの水素貯蔵用容器のように蓄圧室が特に高圧になる場合においても、本発明の蓄圧容器を用い得る。また、特に、この条件を満たし且つ安全係数が２．４以上の薄肉パイプを用いてシリンダ部を設計すれば、水素ステーションでの水素貯蔵用容器の小型化等に貢献し得る。なお、「安全係数」は、この場合、「薄肉パイプを構成する鋼材等の引張強さ／薄肉パイプに設計上想定される最大応力」によって計算される値である（例えば、非特許文献２～４を参照）。
［５］本発明の第５の側面では、第１の側面～第４の側面の何れか一つにおいて、
　前記補強リングは、
　前記シリンダ部を締め付けるように圧縮応力を及ぼしている状態で前記シリンダ部に嵌め合わされる。
　上記第５の側面では、補強リングによってシリンダ部を締め付けることで、シール部や螺合部分を保護する効果が高まり、水素環境脆化や疲労亀裂をより確実に抑制できる。例えば、補強リングをシリンダ部に焼き嵌めすることにより、このような締め付けを実現できる。
［６］本発明の第６の側面では、第１の側面～第５の側面の何れか一つにおいて、
　前記シリンダ部の径方向における前記補強リングの厚さが、前記シリンダ部の外径の５％以上１０％以下である。
　上記第６の側面について、発明者が行った実験および考察によれば、補強リングがこのような範囲内の厚さを有することで、シール部や螺合部分の保護効果と、蓄圧容器の製品としての経済性および重量と、を両立できることが明らかになった。
［７］本発明の第７の側面では、第１の側面～第６の側面の何れか一つにおいて、
　前記蓋部は、前記シリンダ部の径方向外側に広がる延材部を有し、
　前記ねじ込み部は、前記径方向外側にくぼむ窪み部を有し、
　前記延材部と前記窪み部とが前記軸方向において当接し、
　前記ねじ込み部の前記蓄圧室側の前記外周縁と前記蓋部とが前記軸方向において離れる、ように構成される。
　上記第７の側面では、ねじ込み部の蓄圧室側の外周縁（換言すると、螺合部分の近傍）と蓋部とが離れることで、蓄圧室内のガスが蓋部に及ぼす力が、螺合部分に直接的には伝わり難くなる。これにより、第７の側面に係る蓄圧容器は、疲労亀裂の発生を更に確実に抑制できる。
［８］本発明の第８の側面では、第１の側面～第７の側面の何れか一つにおいて、
　前記シリンダ部は、直筒かつ円筒状の形状を有する。
　上記第８の側面では、シリンダ部が直筒（即ち、湾曲していない筒状）かつ円筒状の形状を有することにより、シリンダ部が湾曲している場合に比べ、シリンダ部の製造時に容易に精密な加工が可能となる。よって、シリンダ部の内壁面等に加工傷が生じることを抑制し、このような加工傷によってシリンダ部に水素環境脆化が生じることを抑制できる。また、そのような加工傷の有無を検査する作業効率を高めることもできる。
［９］本発明の第９の側面では、第１の側面～第７の側面の何れか一つにおいて、
　日本国高圧ガス保安協会が定める超高圧ガス設備に関する基準ＫＨＫＳ０２２０（２０１０）に準じた疲労亀裂進展解析において、初期想定亀裂として０．１ｍｍ深さの環状亀裂を前記シリンダ部の前記螺合部分に想定した場合、４０万回以上の疲労亀裂寿命を有する、ように構成される。
　上記第９の側面では、上記基準に準じた疲労亀裂進展解析において４０万回以上の疲労亀裂寿命を有することで、水素ステーションでの水素貯蔵用容器として長期間の実用に耐えうる蓄圧容器を提供できる。なお、「４０万回」は、蓄圧容器が一日あたり１００回程度の昇圧および降圧に１０年間程度にわたって曝された場合を想定した値である。
　本発明によれば、蓄圧室に水素を収容した場合におけるねじ込み部の水素環境脆化と、蓄圧室の内圧に起因するねじ込み部の疲労亀裂と、の双方を抑制できる。
図１は、本発明の一実施形態に係る蓄圧容器を示す断面図である。 図２は、図１に示す蓄圧容器の一部を示す拡大断面図である。 図３は、比較例に係る蓄圧容器の一部を示す断面図である。 図４は、補強リングの有無と、亀裂深さの進展と、の関係を示すグラフである。 図５（ａ）は、実施例に係る蓄圧容器における応力分布を説明する図であり、図５（ｂ）は、実施例に係る蓄圧容器の寸法を説明する図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、補強リングの蓄圧室側の端部の位置と、螺合部分に生じる応力と、の関係を示す図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、補強リングの蓄圧室とは逆側の端部の位置と、螺合部分に生じる応力と、の関係を示す図である。
＜蓄圧容器の構造＞
　以下に、本発明の一実施形態に係る蓄圧容器１０について説明する。
　図１に示すように、本実施形態の蓄圧容器１０は、内部に蓄圧室１１を画成する鋼製の円筒シリンダ部１と、円筒シリンダ部１の両端部を閉じるように設けられるとともに通気穴２５Ｄを有する金属製の蓋部２と、蓋部２を円筒シリンダ部１に固定する金属製のねじ込み部３と、円筒シリンダ部１の両端部の外周面１Ｆに嵌め合わさる金属製の補強リング４と、を有している。後述するように、蓋部２の蓄圧室１１に向かう受圧面２Ａは、蓄圧室１１内の高圧ガスの圧力を直接的に受ける。一方、ねじ込み部３は、蓋部２により、蓄圧室１１内のガスから隔離されている。蓄圧容器１０は、例えば、水素ガスを貯蔵するために用いられ得る。
　円筒シリンダ部１は、両端部が開口した直筒かつ円筒状の形状を有している。そのため、円筒シリンダ部１を製造する際、円筒シリンダ部１の主内面１Ａに傷や亀裂などが生じないように、鏡面加工などの精密な加工が可能である。例えば、後述するように、主内面１Ａに０．５ｍｍ以上の深さの加工傷が生じないような品質管理が可能である。また、円筒シリンダ部１を製造した後、そのような傷などの有無を検査することも容易である。これに対し、従来から蓄圧容器として用いられているような、開口部に近付くにつれて管断面が小さくなる形状の継ぎ目なし容器（例えば、マンネスマン式やエルハルト式のボンベ）は、一般に、円筒シリンダ部１に比べて開口部が小さい。そのため、このような従来の蓄圧容器では、円筒シリンダ部１と同様の検査が困難であった。
　円筒シリンダ部１、蓋部２、ねじ込み部３及び補強リング４を構成する材料は、特に限定されない。例えば、マンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、及び、その他の低合金鋼（但し、ステンレス鋼を除く）等を用い得る。これらのように引張強さに優れた材料を用いることで、蓄圧容器１０の強度を高めることができる。蓋部２、ねじ込み部３及び補強リング４は、円筒シリンダ部１と同じ材料から構成されてもよく、他の材質（例えば、炭素繊維強化プラスチック等）から構成されてもよい。蓋部２、ねじ込み部３及び補強リング４は、それぞれ異なる材料から構成されてもよい。
　円筒シリンダ部１の製造方法は、特に限定されない。例えば、円筒シリンダ部１は、欠陥の少ない加工方法である鍛造や押し出し等によって一体的に成形されることが好ましい。主内面１Ａは、蓄圧室１１を画成するとともに、高圧ガスの圧力を受けることになる。よって、円筒シリンダ部１の主内面１Ａは、傷などがないように鏡面加工されることが好ましい。特に、円筒シリンダ部１の肉厚方向で深さ０．５ｍｍ以上かつ表面に沿う方向で長さ１．６ｍｍ以上の傷を有さないように、主内面１Ａに鏡面加工を施すことが好ましい。このような鏡面加工により、水素環境脆化に起因する傷の進展を抑制し得る。
　円筒シリンダ部１の軸方向における両端部には、主内面１Ａよりも径方向外側に向けてくぼんだ穴部１Ｂが設けられている。穴部１Ｂの内周部分には、ねじ込み部３が螺合される雌ネジ部１Ｃが設けられている。但し、穴部１Ｂの蓄圧室１１側の一部には、雌ネジ部１Ｃが設けられていない。
　ねじ込み部３は、筒形状を有し、雌ネジ部１Ｃに螺合される雄ネジ部３０をその外周部分に有している。ねじ込み部３は、円筒シリンダ部１の両端部に取り付けられている。本例において、ねじ込み部３を含む円筒シリンダ部１の端部構造は、円筒シリンダ部１の一端と他端とで同じである。但し、円筒シリンダ部１の端部構造は、円筒シリンダ部１の一端と他端とで異なってもよい。
　蓋部２は、蓄圧室１１側にある第１軸部２１と、蓄圧室１１とは逆側にある第２軸部２３と、を有する。蓋部２は、第１軸部２１及び第２軸部２３を円筒シリンダ部１の軸方向に貫通する通気穴２５Ｄを有している。
　蓋部２の第１軸部２１は、径方向外側に広がる大径部２０を有している。第１軸部２１の大径部２０よりも蓄圧室１１側の部分は、円筒シリンダ部１の主内面１Ａに沿って延びている。第１軸部２１と主内面１Ａとの間には、図２に示すように、Ｏリング等のシール部５が設けられている。シール部５は、受圧面２Ａよりも蓄圧室１１から僅かに離れた位置に配置されている。第１軸部２１の蓄圧室１１側の外周縁には、シール部５をこのように配置するための窪みが設けられている。
　大径部２０と、円筒シリンダ部１の主内面１Ａと穴部１Ｂとの境界部１Ｄと、は円筒シリンダ部１の軸方向において当接している。これにより、大径部２０（ひいては、蓋部２）が境界部１Ｄよりも蓄圧室１１へ向けて移動することが規制されている。
　大径部２０の蓄圧室１１とは逆側には、大径部２０よりも小径であり且つ円筒シリンダ部１の径方向外側に向けて広がる延材部２２が設けられている。本例では、延材部２２は、円柱状の形状を有する。但し、延材部２２の形状は特に限定されず、円柱以外の他の形状を有してもよい。延材部２２は、複数の部材から構成されてもよい。延材部２２は、大径部２０と一体的に構成されてもよく、大径部２０とは別体の部材から構成されてもよい。本例では、大径部２０と延材部２２とは、一体的に構成されている。
　蓋部２の第２軸部２３は、ねじ込み部３の径方向内側に配置されている。本例では、第２軸部２３は、円柱状の形状を有する。但し、第２軸部２３の形状は特に限定されず、円柱以外の他の形状を有してもよい。第２軸部２３は、複数の部材から構成されてもよい。
　ねじ込み部３は、図２に示すように、第２軸部２３が配置される貫通孔３１を有している。ねじ込み部３は、蓄圧室１１側の端部において、径方向外側にくぼむ窪み部３２を有している。窪み部３２と延材部２２とは、円筒シリンダ部１の軸方向において当接している。更に、窪み部３２と延材部２２とがこのように当接した状態で、ねじ込み部３の蓄圧室１１側の外周縁３Ａ（即ち、螺合部分１２の近傍の部分）と、大径部２０とは、円筒シリンダ部１の軸方向において離れている。
　ねじ込み部３が円筒シリンダ部１の端部から蓄圧室１１に近付く向きにねじ込まれると、ねじ込み部３の窪み部３２が蓋部２の延材部２２を蓄圧室１１に向けて押圧する。これにより、大径部２０が円筒シリンダ部１の境界部１Ｄに押し付けられた状態で、蓋部２の軸方向への移動が規制されることになる。このとき、ねじ込み部３の外周縁３Ａは大径部２０から離れているため、外周縁３Ａが蓋部２を直接的に押圧することはない。逆に、蓄圧室１１に高圧のガスを貯蔵した場合、蓄圧室１１内のガスが蓋部２に及ぼす力が、外周縁３Ａに直接的には伝わらない。その結果、蓄圧室１１内のガスが蓋部２に及ぼす力が螺合部分１２に対しても伝わり難くなり、螺合部分１２に生じる応力を低減できることになる。なお、ねじ込み部３の貫通孔３１の内面に雌ネジを形成し、蓋部２の第２軸部２３の外周面に雄ネジを形成し、それらを互いに螺合させてもよい。
　延材部２２は、円筒シリンダ部１の軸方向において、雌ネジ部１Ｃと雄ネジ部３０との螺合部分１２の蓄圧室１１側から２山目の噛み合い部分よりも、蓄圧室１１から離れた位置まで延びていることが好ましい。また、延材部２２の軸方向における長さは、シール部５が設けられる位置と、ねじ込み部３の外周縁３Ａと、の間の軸方向における長さＬの５４％以下であることが好ましい。延材部２２が短すぎると、螺合部分１２に生じる応力を低減する効果が十分に得られない。この効果は、延材部２２が長いほど高まり、延材部２２が所定の長さに達した際に飽和する。よって、延材部２２の長さは、螺合部分１２に生じる応力を低減する効果を十分に発揮できる程度の適正な長さに設定されればよい。
　延材部２２の外周面２２Ａは、ねじ込み部３の貫通孔３１の内周面３１Ａから、雄ネジ部３０の径方向における高さ（厚さ）を含めたねじ込み部３の径方向厚さＴ２の４５％～８０％ほど径方向外側に向けて離れた位置にあることが好ましい。但し、延材部２２の外周面２２Ａが雄ネジ部３０に近すぎると（例えば、外周面２２Ａが、内周面３１Ａから厚さＴ２の８０％を超える位置にある場合）、螺合部分１２に生じる応力を低減する効果が低減する。また、延材部２２の外周面２２Ａが雄ネジ部３０から離れすぎても（例えば、外周面２２Ａが、内周面３１Ａから厚さＴ２の４５％未満の位置にある場合）、螺合部分１２に生じる応力を低減する効果が低減する。
　リガメント部（即ち、ねじ込み部３の雄ネジ部３０を含め、延材部２２よりも径方向外側に位置する部分）の厚さＴ３が過度に小さいと、工作物を誤ってぶつける等した際にリガメント部が変形する等の不具合が生じる可能性がある。リガメント部の厚さは、螺合部分１２におけるネジ山の高さ（山の頂と谷底の距離）の１８０％以上であることが好ましく、螺合部分１２におけるネジピッチの１２０％以上であることが好ましい。
　円筒シリンダ部１の主内面１Ａには、自緊処理を施してもよい。自緊処理により、円筒シリンダ部１の主内面１Ａを構成する内周層が塑性変形することで、その内周層に残留応力が生じる。これにより、主内面１Ａの強度が高まる。一方、自緊処理を施すと、円筒シリンダ部１の外周面１Ｆを構成する外周層は、内周層に比べて弾性変形が生じ易くなる。
　蓄圧容器１０は、円筒シリンダ部１を円筒状とすることで、主内面１Ａの精密な機械加工が可能となる。よって、例えば、主内面１Ａに深さ０．５ｍｍ以上の加工傷が生じないように、円筒シリンダ部１を製造することが好ましい。また、製造後の円筒シリンダ部１の内部検査も、蓋部２及びねじ込み部３等を取り外すことで、容易かつ正確に行うことができる。これにより、蓄圧容器１０の品質が更に向上する。更に、内部検査の後、蓋部２及びねじ込み部３等を円筒シリンダ部１に容易に取り付けることもできる。
　以上に説明したように、本実施形態の蓄圧容器１０では、蓄圧室１１の内部のガスが蓋部２に及ぼす力は、大径部２０からねじ込み部３の外周縁３Ａに直接的に伝わることはない。この結果、螺合部分１２の蓄圧室１１側の箇所（即ち、第一ネジ山１２Ａおよびその近傍）に蓄圧室１１の内部のガスに起因する力が集中することがなく、螺合部分１２のより広い範囲にその力を分散できる。
　更に、本実施形態では、円筒シリンダ部１の両端部の外周面１Ｆに補強リング４が嵌め合わされている。補強リング４は、円筒シリンダ部１の外径の５％以上１０％以下の厚みを有することが好ましい。後述するように、発明者が行った実験および考察によれば、補強リング４がこのような厚さを有することで、シール部５や螺合部分１２の保護効果と、蓄圧容器１０の製品としての経済性や重量と、を両立できることが明らかになっている。
　補強リング４は、例えば、焼き嵌めによって円筒シリンダ部１の外周面１Ｆに固定できる。但し、補強リング４を円筒シリンダ部１に取り付ける方法は特に限定されず、例えば、補強リング４を複数の部品に分割し、これら分割された部品を円筒シリンダ部１の外周面１Ｆに取り付けるとともに、部品同士を溶接などによって接合してもよい。また、補強リング４は、円筒シリンダ部１を締め付けるように圧縮応力を及ぼしている状態で円筒シリンダ部１に嵌め合わされることが好ましい。例えば、焼き嵌めにより、このような締め付けを実現できる。補強リング４が円筒シリンダ部１に圧縮応力を及ぼすことで、シール部５や螺合部分１２を保護する効果をより高めることができる。
　本実施形態では、円筒シリンダ部１の両端部が開口しており、これら両端部に補強リング４が取り付けられている。しかし、円筒シリンダ部１の一方の端部のみが開口する場合、補強リング４は、この開口している端部のみに嵌め合わされていればよい。補強リング４は、螺合部分１２の一部または全部に対応する位置にあるように、円筒シリンダ部１の外周面１Ｆに配置されていることが好ましい。但し、補強リング４の位置は、螺合部分１２の蓄圧室１１側の箇所（即ち、第一ネジ山１２Ａおよびその近傍）に対応する位置を含むことが好ましく、螺合部分１２の全部に対応する位置を含むことが更に好ましい。
　更に、補強リング４は、シール部５に対応する位置にあるように円筒シリンダ部１の外周面１Ｆに配置されることが好ましい。円筒シリンダ部１のシール部５に対応する箇所付近を補強リング４によって補強することで、シール部５におけるシール性を高められる。補強リング４の蓄圧室１１側の端部４Ａは、シール部５から螺合部分１２までの距離をＬとした場合、シール部５から蓄圧室１１側に０．３５Ｌだけ離れた箇所に対応する位置まで延びていることが、シール性を高める点で好ましい（図５（ｂ）も参照）。
　補強リング４は、螺合部分１２の蓄圧室１１とは逆側の端部（即ち、図２におけるネジ山１２Ｂ）に対応する位置まで延びていることが好ましい。このように螺合部分１２の蓄圧室１１とは逆側の端部（ネジ山１２Ｂ）に対応する位置を補強リング４で覆うことで、螺合部分１２を保護する効果が高まる。補強リング４の蓄圧室１１とは逆側の端部４Ｂは、シール部５から螺合部分１２までの距離をＬとした場合、シール部５から蓄圧室１１とは逆側に２．８Ｌだけ離れた箇所に対応する位置まで延びていることが、螺合部分１２を保護する点で好ましい（図５（ｂ）も参照）。
　本実施形態の蓄圧容器１０は、水素ステーションでの水素貯蔵用容器として、水素を燃料として使用する燃料電池を搭載した自動車などに水素を供給するように、使用できる。例えば、蓄圧容器１０は、燃料電池を搭載した自動車に７０ＭＰａ程度の圧力の水素を供給するように使用できる。この場合、蓄圧容器１０は、一例として１５年間で４０万回もの昇圧および降圧の繰り返しに曝されることになる。蓄圧容器１０は、このような過酷な用途に耐え得るだけの強度を有しながら、軽量であり、部品点数も少ない。また、蓄圧容器１０は、都市部などに設置する水素ステーションに求められる安全性や信頼性にも優れている。
＜評価＞
　本実施形態の蓄圧容器１０と、補強リング４を使用していない比較例としての蓄圧容器９０との効果を比較するための試験を行った。補強リング４を使用していない蓄圧容器９０の断面図を、図３に示す。蓄圧容器９０は、補強リング４を有していない点を除き、上述した実施形態（例えば、図２を参照）の蓄圧容器１０と同様の構成を有している。よって、蓄圧容器９０が有する各部材の説明は省略する。
　比較例の蓄圧容器９０の円筒シリンダ部１は、薄肉パイプ（内径φ２９０ｍｍ、外形φ３７６ｍｍ）によって構成されている。円筒シリンダ部１は、「日本国高圧ガス保安協会が定める超高圧ガス設備に関する基準ＫＨＫＳ０２２０（２０１０）に準じた疲労亀裂進展解析」（非特許文献４を参照）に対応した形状を有している。なお、この薄肉パイプを用いた場合、以下の表１に示す応力範囲で蓄圧容器９０を使用すると、安全係数は２．４となる。なお、安全係数は、この場合、「薄肉パイプを構成する鋼材の引張強さ／薄肉パイプに生じる最大応力」によって計算される値である。
　比較例の蓄圧容器９０の内圧を５０ＭＰａと８２ＭＰａの間で繰り返し変動させた場合における、螺合部分１２の各ネジ山に生じる応力（具体的には、第１主応力）の大きさを、計算機シミュレーションによって推定した。この推定の結果を、以下の表１に示す。なお、表１における「応力範囲」は、各ネジ山に生じた応力の最大値と最小値との差である。表１に示すように、比較例の蓄圧容器９０では、円筒シリンダ部１の第一ネジ山１２Ａに生じる最大応力は８４２ＭＰａである。この最大応力の値は、高強度鋼の降伏応力（一般に７８５ＭＰａ）を大きく超えている。また、第一ネジ山１２Ａにおける応力範囲は３２９ＭＰａであり、疲労寿命を確保する上で目安となる３００ＭＰａを超えている。
　更に、上述した基準に準じた疲労亀裂進展解析を、初期想定亀裂として０．１ｍｍ深さの環状亀裂を円筒シリンダ部１の螺合部分１２に想定し、行った。亀裂の有無は、浸透探傷検査または磁粉探傷検査にて確認した。その結果、８２ＭＰａと５０ＭＰａとの間の圧力変動を繰り返した場合、以下の表２および図４のグラフに示すように、比較例の蓄圧容器９０の疲労亀裂進展寿命Ｎａ１は７．４万回となった。疲労亀裂進展寿命は、許容繰り返し回数と同義であり、疲労亀裂が円筒シリンダ部１を貫通することになる繰り返し回数Ｎの１／２である。比較例の蓄圧容器９０の疲労亀裂進展寿命Ｎａ１は、水素ステーション用の水素貯蔵容器として求められる４０万回を大きく下回る。よって、比較例の蓄圧容器９０は、この種の水素貯蔵容器としては疲労亀裂進展寿命が不十分である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　これに対し、本実施形態の蓄圧容器１０は、図１，２に示すように円筒シリンダ部１に補強リング４を取り付けた構造を有している。本例では、クロムモリブデン鋼鋼材ＳＣＭ３５からなる補強リング４を使用した。円筒シリンダ部１の軸方向における補強リング４の長さは４００ｍｍである。円筒シリンダ部１の径方向における補強リング４の厚さは２５ｍｍである。図５（ｂ）に示すように、補強リング４の蓄圧室１１側の端部４Ａは、シール部５から螺合部分１２までの距離をＬとした場合、シール部５から蓄圧室１１側に０．６４Ｌだけ離れた箇所に対応する位置まで延びている。補強リング４の蓄圧室１１と逆側の端部４Ｂは、螺合部分１２の端部（即ち、円筒シリンダ部１の端部１Ｅ）に対応する位置まで延びている。なお、円筒シリンダ部１と補強リング４との間の摩擦係数は０．３である。
　上述したように準備した蓄圧容器１０に対し、比較例の蓄圧容器９０と同様の疲労亀裂進展解析を行った。その結果、図４のグラフに示すように、疲労亀裂進展寿命Ｎａ２は２０万回まで向上した。このように、補強リング４を用いることで、疲労亀裂進展寿命を向上させる効果が得られることが明らかになった。
　次いで、螺合部分１２における応力範囲と、補強リング４の長さ及び配置と、の関係について検討した。
　図５（ａ）は、図５（ｂ）に示す各種寸法を有するように構成した蓄圧容器１０の内圧を５０ＭＰａと８２ＭＰａの間で変動させた場合における、蓄圧容器１０に生じる応力（具体的には、第１主応力）の分布を、計算機シミュレーションによって推定した図である。本例では、図５（ａ）に示す点Ｐの箇所（円筒シリンダ部１の第０ネジ底の近傍）に生じる応力が、最大となっていた。図５（ｂ）に示すように、シール部５の位置から螺合部分１２までの長さを基準距離Ｌとしたとき、受圧面２Ａから螺合部分１２の蓄圧室１１とは逆側の端部４Ｂまでの長さが２．５４Ｌであり、シール部５から螺合部分１２の端部４Ｂまでの長さが２．４６Ｌであり、螺合部分１２の長さが１．４６Ｌであり、補強リング４の外径が３．２６Ｌであり、補強リング４の長さが３．１０Ｌである。
　図６（ａ）及び図６（ｂ）は、円筒シリンダ部１の端部１Ｅと補強リング４の端部４Ｂを揃えた状態で、補強リング４の長さ（具体的には、端部４Ａの位置）を変動させた場合における、図５（ａ）の点Ｐでの応力の値を表している。図６（ｂ）の表に示すように、蓄圧室１１側における補強リング４の長さが長くなると、応力範囲が低減することが明らかになった。具体的には、応力範囲の値は、１８０ＭＰａまで低減しており、表１に示した補強リング４を有さない場合の値（３２９ＭＰａ）に比べて非常に小さい。よって、補強リング４の長さを図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように設定することで、更に疲労亀裂進展寿命を向上させられることが明らかになった。但し、補強リング４の蓄圧室１１側の端部４Ａの位置を－０．３３Ｌから－０．６４Ｌに変化させても、応力範囲の値は実質的に変化しない。したがって、最適な補強リング４の長さは、シール部５に対応した位置から－０．３５Ｌ程度であると考えられる。
　図７（ａ）及び図７（ｂ）は、補強リング４の端部４Ａの位置を－０．６４Ｌに固定した状態で、補強リング４の端部４Ｂの位置を変動させた場合における、図５（ａ）の点Ｐでの応力の値を表している。補強リング４の端部４Ｂの位置が円筒シリンダ部１の端部１Ｅに近づくほど応力範囲が低減し、端部４Ｂの位置が端部１Ｅを越えた後、端部４Ｂの位置が２．７７Ｌに達するまで更に応力範囲が低減することが明らかになった。よって、補強リング４の端部４Ｂを円筒シリンダ部１の端部１Ｅから蓄圧室１１から逆向きに少し突き出すことで、螺合部分１２の補強効果が向上することが明らかになった。但し、補強リング４の端部４Ｂの位置を２．７７Ｌから３．３９Ｌに変化させても、応力範囲の値は実質的に変化しない。したがって、最適な補強リング４の長さは、シール部５に対応した位置から２．８Ｌ程度であると考えられる。
　補強リング４の端部４Ａ，４Ｂの位置を上述した最適な値（即ち、端部４Ａ：－０．３５Ｌ、端部４Ｂ：２．８Ｌ）に設定した場合、比較例の蓄圧容器９０と同様の疲労亀裂進展解析を行うと、蓄圧容器１０の疲労亀裂進展寿命は６８万回となった（図４のグラフへの表示は省略）。よって、表１に示す比較例の蓄圧容器９０における７．４万回に比べ、疲労亀裂進展寿命が大幅に向上した。更に、この疲労亀裂進展寿命は、水素ステーション用の水素貯蔵容器として想定される使用回数である４０万回を十分上回っている。
　以上に説明したように、補強リング４の両端部４Ａ，４Ｂの位置を適切に定めることで、円筒シリンダ部１の疲労亀裂進展寿命を著しく向上できることが明らかになった。
　本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用できる。例えば、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
　本出願は、２０１７年１０月２７日出願の日本特許出願（特願２０１７－２０８５９０）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明による蓄圧容器は、蓄圧室に水素を収容した場合におけるねじ込み部の水素環境脆化と、蓄圧室の内圧に起因するねじ込み部の疲労亀裂と、の双方を抑制できる。この効果を有する本発明に係る蓄圧容器は、例えば、水素ステーションでの水素貯蔵用容器に利用され得る。
　１　　円筒シリンダ部
　１Ａ　主内面
　１Ｂ　穴部
　１Ｃ　雌ネジ部
　１Ｄ　境界部
　２　　蓋部
　２Ａ　受圧面
　３　　ねじ込み部
　４　　補強リング
　５　　シール部
１０　　蓄圧容器
１１　　蓄圧室
１２　　螺合部分
２０　　大径部
２２　　延材部
２３　　第２軸部
３０　　雄ネジ部
３１　　貫通孔
３２　　窪み部

Claims (9)

  1. 　内部に蓄圧室を画成するシリンダ部と、
    　前記シリンダ部の両端部のうちの少なくとも一方の内側に配置されるねじ込み部であって、前記シリンダ部の内周部分と当該ねじ込み部の外周部分とが螺合される、ねじ込み部と、
    　前記ねじ込み部よりも前記蓄圧室に近い位置に配置され、前記蓄圧室に面する受圧面を有する蓋部と、
    　前記シリンダ部の外周面に嵌め合わされる補強リングであって、前記シリンダ部と前記ねじ込み部との螺合部分の一部又は全部に対応する前記外周面上の部分を前記シリンダ部の軸方向に沿って覆う、補強リングと、を備える、
    　蓄圧容器。
  2. 　請求項１に記載の蓄圧容器であって、
    　前記蓋部と前記シリンダ部との間の隙間を封止するシール部を、更に備え、
    　前記補強リングは、
    　前記軸方向における当該補強リングの前記蓄圧室側の端部が、前記シール部に対応する前記外周面上の位置にある、又は、前記シール部に対応する前記外周面上の位置よりも前記軸方向において前記蓄圧室側の位置にある、ように構成される、
    　蓄圧容器。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の蓄圧容器において、
    　前記補強リングは、
    　前記軸方向における当該補強リングの前記蓄圧室とは逆側の端部が、前記螺合部分の前記蓄圧室とは逆側の端部に対応する前記外周面上の位置にある、又は、前記螺合部分の前記蓄圧室とは逆側の端部に対応する前記外周面上の位置よりも前記軸方向において前記蓄圧室から離れた位置にある、ように構成される、
    　蓄圧容器。
  4. 　請求項１～請求項３の何れか一項に記載の蓄圧容器において、
    　前記蓄圧室内の圧力が８２ＭＰａ以下５０ＭＰａ以上の範囲内にて変動した場合における、前記螺合部分に生じる応力の最大値と最小値との差が３００ＭＰａ以下である、ように構成される、
    　蓄圧容器。
  5. 　請求項１～請求項４の何れか一項に記載の蓄圧容器において、
    　前記補強リングは、
    　前記シリンダ部を締め付けるように圧縮応力を及ぼしている状態で前記シリンダ部に嵌め合わされる、
    　蓄圧容器。
  6. 　請求項１～請求項５の何れか一項に記載の蓄圧容器において、
    　前記シリンダ部の径方向における前記補強リングの厚さが、前記シリンダ部の外径の５％以上１０％以下である、
    　蓄圧容器。
  7. 　請求項１～請求項６の何れか一項に記載の蓄圧容器において、
    　前記蓋部は、前記シリンダ部の径方向外側に広がる延材部を有し、
    　前記ねじ込み部は、前記径方向外側にくぼむ窪み部を有し、
    　前記延材部と前記窪み部とが前記軸方向において当接し、
    　前記ねじ込み部の前記蓄圧室側の前記外周縁と前記蓋部とが前記軸方向において離れる、ように構成される、
    　蓄圧容器。
  8. 　請求項１～請求項７の何れか一項に記載の蓄圧容器において、
    　前記シリンダ部は、直筒かつ円筒状の形状を有する、
    　蓄圧容器。
  9. 　請求項１～請求項８の何れか一項に記載の蓄圧容器において、
    　日本国高圧ガス保安協会が定める超高圧ガス設備に関する基準ＫＨＫＳ０２２０（２０１０）に準じた疲労亀裂進展解析において、初期想定亀裂として０．１ｍｍ深さの環状亀裂を前記シリンダ部の前記螺合部分に想定した場合、４０万回以上の疲労亀裂寿命を有する、ように構成される、
    　蓄圧容器。
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