氢气蓄压器的制作方法

本公开内容涉及一种氢气蓄压器，并例如涉及一种将缸盖螺入缸体的开口端的氢气蓄压器。

背景技术：

在加氢站等所用的高压氢气蓄压器中，已例如采用如专利文献1和非专利文献1中公开的将缸盖螺入缸体(筒形缸体)的开口端的结构。在该氢气蓄压器中，在将氢气充入缸体之后，通过在缸体的内周面和缸盖的外周面之间设置树脂密封件(例如，o形圈)而将缸体密封。如此，氢气难以到达形成于缸体的开口端的母螺纹，从而不容易发生自应力集中的螺纹根部开始的氢致开裂。

此外，根据非专利文献2的公开内容，当氢气内含有低浓度氧气时，将会降低氢致开裂的裂纹扩展速率。此外，根据非专利文献3的公开内容，氧气将会吸附于氢致开裂的裂纹面上，从而防止氢气进入材料内部。从这些技术可知，氧气具有防止氢致开裂的作用。

引用技术文献

专利文献

专利文献1：公开号为2015-158243的日本未审查专利申请

非专利文献

非专利文献1：超高压气体设备标准khks0220(2010)，2010年3月31日，日本高压气体安全协会，第26页

非专利文献2：fukuyama,s.及另两人，“aisi4340钢在室温高压氢气中的断裂韧性和疲劳裂纹扩展”，《压力容器技术》，第2卷，1989年，第1181～1188页

非专利文献3：nelsonh.g.，“氢环境脆化测试：主要影响和次要影响”，《astm特殊技术出版物》，第543卷，1974年，第152～169页

技术实现要素：

技术问题

本发明人发现，在充有高压氢气的氢气蓄压器中，氢气能够扩散透过树脂密封件，尽管扩散透过树脂密封件的氢气量较小。因此，氢气有可能会到达形成于缸体的开口端的母螺纹，从而可能导致缸体发生自应力集中的螺纹根部开始的氢致开裂。

根据下文的描述和附图，其他问题和新颖特征将变得明显。

解决问题的手段

在根据一种实施方式的氢气蓄压器中，在缸盖所螺入的缸体的母螺纹部分与树脂密封件之间设置将缸体的内周面与缸盖的外周面隔开的空隙部分，而且缸体包括形成于其中的将空隙部分内的气体排放至泄放管的第一通孔以及将含氧气体引入空隙部分内的第二通孔。

发明的效果

根据该实施方式，可以提供一种能够防止缸体发生氢致开裂的氢气蓄压器。

附图说明

图1为根据第一实施方式的氢气蓄压器的剖视图。

图2为图1的区域ii的放大图。

图3为根据比较例的氢气蓄压器的剖视图。

图4为根据第二实施方式的氢气蓄压器的剖视图。

图5为根据第三实施方式的氢气蓄压器的剖视图。

图6为根据第四实施方式的氢气蓄压器的剖视图。

具体实施方式

以下，参考附图，对具体实施方式进行详细描述。然而，本公开内容不限于以下实施方式。此外，出于清楚描述的目的，下文描述和附图在适当之处进行了精简。

(第一实施方式)

<氢气蓄压器的结构>

以下，参考图1和图2，对根据第一实施方式的氢气蓄压器的结构进行描述。图1为根据第一实施方式的氢气蓄压器的剖视图。图2为图1中的区域ii的放大图。如图1所示，第一实施方式的氢气蓄压器包括缸体10，缸盖20以及树脂密封件30。本实施方式的氢气蓄压器例如为加氢站的高压氢气蓄压器。该氢气蓄压器的设计压力例如约为80～120mpa。

应该注意的是，各图所示的右手xyz三维正交坐标系彼此一致，其仅出于方便描述部件之间位置关系的目的而示出。一般情况下，xy平面为水平面，z轴正方向为垂直朝上的方向。在附图所示的示例中，氢气蓄压器的长度方向平行于x轴方向。因此，该氢气蓄压器通常水平放置。

首先，参考图1，对氢气蓄压器的整体结构进行说明。

如图1所示，缸盖20通过螺入充有氢气的缸体10的相应开口端而将缸体打开和/或封闭。缸体10的内周面以及两个缸盖20的内端面所围成的空间内充有高压氢气。缸体10的内部由设于缸体10的内周面和缸盖20的外周面之间的环形树脂密封件密封。

受高压氢气应力作用的缸体10的内周面及缸盖20的内端面均称为抗压部分。

此外，缸盖20包括盖体21和螺母22，以下将对此进行详细描述。

虽然图1的示例中采用缸体10的两端均开放的结构，但是也可采用缸体10仅一端开放的结构。此外，缸体10的外周面可例如以碳纤维增强塑料层(未图示)增强。

缸体10和缸盖20(盖体21和螺母22)均例如由锰钢、铬钼钢、镍铬钼钢等钢材制成。缸体10、盖体21以及螺母22既可由同种钢材制成，也可由不同种钢材制成。

缸体10例如为通过锻造或挤压制成的无缝管筒。就缸体10的尺寸而言，例如，内部容积为约50～1000l，总长度为约1800～5000mm，内径d(见图2)为约200～400mm，厚度t(见图2)为约20～80mm。为了减少可引发氢致开裂的表面刮擦，缸体10的内周面可进行镜面抛光。例如，优选消除深度0.5mm以上且长度1.6mm以上的表面刮擦。

接下来，参考图2，对缸体10的开口端进行详细描述。如图1所示，由于缸体10的两个开口端的结构彼此类似，因此图2仅对x轴正方向一侧的缸体10开口端的结构进行详细描述。

如图2所示，在缸体10的开口端内径有所扩大，而且内周面形成螺纹。也就是说，缸体10的开口端内形成母螺纹部分10a。缸盖20的螺母22螺入缸体10的开口端。

包含盖体21和螺母22的缸盖20的结构遵从日本高压气体安全协会的标准khks0220(非专利文献1)中规定的“螺合结构”要求。

如图2所示，盖体21为具有台阶部分的筒形部件，所述台阶部分的中心轴线c与缸体10的中心轴线重合。盖体21包括凸缘部分21a。在盖体21中，直径较大且相对于凸缘部分21a位于x轴负方向的部分称为大直径部分，而直径较小且相对于凸缘部分21a位于x轴正方向的部分称为小直径部分。

凸缘部分21a的直径大于缸体10的主体部分(除开口端之外的部分)的内径，但小于缸体10的开口端的内径。因此，盖体21可自缸体10的开口端插入缸体10内。凸缘部分21a与处于缸体10的主体部分和扩大的开口端之间的台阶部分10b接触。

如图2所示，盖体21的大直径部分的直径基本上等于缸体10的主体部分的内径，而且盖体21装入缸体10的主体部分内。另一方面，盖体21的小直径部分的轴径基本上等于螺母22的内径，而且装入螺母22的通孔内。盖体21的小直径部分可与螺母22相对转动。此外，在图2的示例中，盖体21的小直径部分的长度基本上等于螺母22的高度(x轴方向上的长度)。

螺母22为中心轴线c与缸体10的中心轴线重合的外螺纹螺母。也就是说，螺母22的外周面为螺纹表面。在螺母22螺入缸体10的开口端的同时，盖体21的小直径部分插入螺母22的通孔内，从而使得缸盖20固定于缸体10上。具体而言，在螺母22螺入缸体10的开口端时，螺母22朝x轴的负方向移动。当螺母22推动凸缘部分21a抵靠在缸体10的台阶部分10b上时，螺母22无法继续向前移动，从而使得盖体21和螺母22固定在缸体10上。由此可见，凸缘部分21a在螺母22螺入缸体10开口端的过程中用作止动机构。

树脂密封件30(例如为o形圈)为中心轴线c与缸体10中心轴线重合的环形树脂部件。如图2所示，树脂密封件30设于缸体10的内周面与缸盖20的外周面之间。更具体而言，如图2所示，树脂密封件30装入形成于盖体21的大直径部分的外周面上的环形槽21b内。也就是说，缸体10的内部由设于缸体10的主体部分的内周面与盖体21的大直径部分的外周面之间的树脂密封件30密封。

如图2所示，树脂密封件30和缸体10的母螺纹部分10a之间设有将缸体10的内周面与缸盖20的外周面隔开的空隙部分g。具体而言，盖体21的凸缘部分21a的外周面上设有环状的圆形空隙部分g。

在本实施方式的氢气蓄压器中，除了将空隙部分g内的气体排放至泄放管51内的通孔(第一通孔)41之外，缸体10内还形成有将含氧气体引入空隙部分g的通孔(第二通孔)42。所述含氧气体例如为但不限于空气。泄放管51为用于将从缸体10内泄露至空隙部分g的氢气安全地释放至大气中的管。当例如发生树脂密封件30中存在缺陷等紧急情况时，氢气可经泄放管51释放。

如上所述，本发明人发现，在充有高压氢气的氢气蓄压器中，氢气能够扩散透过树脂密封件30，尽管扩散透过树脂密封件的氢气量较小。在该情形中，氢气有可能会经空隙部分g到达缸体10的母螺纹部分10a，从而可能导致缸体发生自应力集中的螺纹根部开始的氢致开裂。

为了解决上述问题，在本实施方式的氢气蓄压器中，除了与泄放管51连接的通孔41之外，缸体10中还形成通孔42。由于通孔41与泄放管51相连，因此含氧气体(即空气)可例如经自然对流而自通孔42吸入空隙部分g。由于空隙部分g与缸体10的母螺纹部分10a连通，因此能够有效防止氢致开裂的氧气能够到达母螺纹部分10a的螺纹根部。如此，可以防止缸体10发生自螺纹根部开始的氢致开裂。

通孔41和42的形成位置并无具体限制，只要处于树脂密封件30和缸体10的母螺纹部分10a之间即可。通孔41和42的位置与抗压部分越近，即它们的位置离树脂密封件30越近，其受到的来自缸体10内所充的高压氢气的应力作用越大。具体而言，通孔41和42的处于缸体10的内周面上的棱角部分所受的应力越大。因此，通孔41和42的形成位置优选在图2中的x轴正方向上与树脂密封件30隔开。

具体而言，可以认为，如图2所示，在x轴正方向上，以抗压部分为起点，高压氢气所施加的应力的作用距离约为2.5×(r×t)^1/2mm，其中，r为缸体10的平均半径(mm)，t为缸体10的厚度(mm)。缸体10的平均半径r为缸体10的内半径和外半径的平均值。因此，平均半径r(mm)可表示为r＝(d+t)/2，其中，d为内径(mm)，t为厚度(mm)。

另一方面，当通孔41和42与母螺纹部分10a的距离过近时，可导致母螺纹部分10a的应力增大。

因此，如图2所示，通孔41和42例如形成于与空隙部分g相对的缸体10的长度方向(x轴方向)上的中央部分。

与泄放管51相连的通孔41例如设置为，但不特别限制于，垂直向下。通过这一结构，因凝结等原因积存在空隙部分g内的水气可随气体一起排出。另一方面，用于引入氧气的通孔42例如，但不特别限制于，经缸盖20与通孔41相对。通过这一结构，从通孔42引入的氧气将流向通孔41，从而使得氧气易于分布于整个空隙部分g内。

通孔41和42的直径越大，施加至应力集中部分上的应力越高，越容易引发金属疲劳导致的开裂。另一方面，当通孔41和42的直径过小时，将难以发生氢气的释放和氧气的引入，而且难以对通孔41和42的处于缸体10的内周面上的棱角部分进行圆角加工。因此，通孔41和42的直径均例如设置为约等于缸体10平均半径r(mm)的2～5％。举例而言，通孔41和42的直径均约为2～12mm。

此外，由于尖锐的棱角部分易于因金属疲劳开裂，因此通孔41和42处于缸体10的内周面上的棱角部分可例如进行圆角加工。

通孔41和42的数目均可以为多个。

<比较例的氢气蓄压器的结构>

以下，参考图3，描述根据比较例的氢气蓄压器的结构。图3为比较例的氢气蓄压器的剖视图。图3与图2对应。

如图3所示，在比较例的氢气蓄压器中，仅在缸体10中形成将空隙部分g内的气体排放至泄放管51的通孔41，未形成图2所示的将含氧气体引入空隙部分g内的通孔42。

如此，无法在空隙部分g内引入可有效防止氢致开裂的氧气，从而使得缸体10易于发生自应力集中的螺纹根部开始的氢致开裂。具体而言，螺纹根部与空隙部分g的距离越近，越容易发生开裂。

应该注意的是，上述氢气蓄压器的氢致开裂为高压氢气的反复充放导致的疲劳失效。

如上所述，在本实施方式的氢气蓄压器中，由于在缸体10中形成将含氧气体引入空隙部分g的通孔42，因此可经通孔42在空隙部分g内引入能够有效防止氢致开裂的氧气。由于引入空隙部分g内的氧气可到达母螺纹部分10a的螺纹根部，因此可以减少缸体10自螺纹根部开始的氢致开裂。

(第二实施方式)

以下，参考图4，描述第二实施方式的氢气蓄压器的结构。图4为第二实施方式的氢气蓄压器的剖视图。图4与第一实施方式的图2对应。

如图4所示，在第二实施方式的氢气蓄压器中，将含氧气体引入空隙部分g的通孔42经引入管2与止回阀cv相连，其余结构与图2所示的第一实施方式的氢气蓄压器类似。

与第一实施方式的氢气蓄压器一样，在第二实施方式的氢气蓄压器中，有效防止氢致开裂的氧气可经通孔42引入空隙部分g，从而减少缸体10自螺纹根部开始的氢致开裂。

此外，在第二实施方式的氢气蓄压器中，由于通孔42与止回阀cv相连，因此空隙部分g内的气体不会自通孔42排出。如此，当例如发生树脂密封件30中存在缺陷等紧急情况时，氢气经通孔41安全地自泄放管51释放至大气中，而不经通孔42释放。

另一方面，在第一实施方式的氢气蓄压器中，在上述情况下，虽然氢气可经通孔42释放。然而，即使在氢气经第一实施方式的氢气蓄压器的通孔42释放时，所释放的氢气量也极小，因此并不存在特别的安全方面考量。

(第三实施方式)

以下，参考图5，描述第三实施方式的氢气蓄压器的结构。图5为第三实施方式的氢气蓄压器的剖视图。图5与第一实施方式的图2对应。

如图5所示，在第三实施方式的氢气蓄压器中，将含氧气体引入空隙部分g的通孔42经引入管52与泵p相连，其余结构与图2所示的第一实施方式的氢气蓄压器类似。

与第二实施方式的氢气蓄压器一样，设于通孔42和泵p之间的引入管2内可设置止回阀cv。

由于第三实施方式的氢气蓄压器包括泵p，其可经通孔42将能够有效防止氢致开裂的氧气强制性地引入空隙部分g中。如此，与第一实施方式的氢气蓄压器相比，能够更为有效地减少缸体10自螺纹根部开始的氢致开裂。

(第四实施方式)

以下，参考图6，描述第四实施方式的氢气蓄压器的结构。图6为第四实施方式的氢气蓄压器的剖视图。图6与第一实施方式的图2对应。

如图6所示，在第四实施方式的氢气蓄压器中，泄放管51内设置泄放阀rv。泄放阀rv在空隙部分g内的压力为大气压时关闭，并且在空隙部分g内的压力从大气压升至预设压力时打开。其余结构与图5所示的第三实施方式的氢气蓄压器类似。

与第二实施方式的氢气蓄压器一样，设于通孔42和泵p之间的引入管2内可设置止回阀cv。

与第三实施方式的氢气蓄压器一样，第四实施方式的氢气蓄压器包括泵p。因此，其可经通孔42将能够有效防止氢致开裂的氧气强制性地引入空隙部分g中。

第四实施方式的氢气蓄压器进一步包括设于泄放管51内的泄放阀rv。如此，通过增大空隙部分g内的压力，可在提高空隙部分g内的氧气分压的同时防止氢气在树脂密封件30内的扩散，，从而与第三实施方式的氢气蓄压器相比，能够更为有效地防止缸体10自螺纹根部开始的氢致开裂。

虽然以上已根据实施方式具体描述了本发明人公开的本公开内容，但是毋庸赘言，本公开内容并不限制于这些实施方式，而且可在不脱离本公开内容精神的情况下按照各种方式变化。

本申请基于申请号为2018-187193且申请日为2018年10月2日的日本专利申请，并要求其优先权，该文的全部公开内容合并于此。

附图标记一览

10缸体

10a母螺纹部分

10b台阶部分

20缸盖

21盖体

21a凸缘部分

21b环形槽

22螺母

30树脂密封件

41，42通孔

51泄放管

52引入管

cv止回阀

g空隙部分

p泵

rv泄放阀