JP2000035196A

JP2000035196A - 圧力容器およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000035196A
Application number: JP10310743A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Kitano; 彰彦北野; Fumiaki Noman; 文昭乃万; Kenichi Yoshioka; 健一吉岡
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-02-02

Abstract

(57)【要約】【課題】口金とシェル、ライナーとシェルの間の剥離
を防止するために、口金とシェルが一体になった容器、
および／あるいは、ライナーとシェルが一体になった、
従来のＦＲＰ製容器よりさらに軽量で、信頼性の高い繊
維強化プラスチック製の圧力容器をを提供することにあ
る。【解決手段】少なくとも１つの開口部を有する、繊維
強化樹脂製のシェルからなる圧力容器であって、該シェ
ルの内面には、樹脂製のライナーが一体化して形成され
ていることを特徴とする圧力容器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種の圧力容器、
特に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）からなる耐圧ボン
ベに関する。

【０００２】

【従来の技術】気体・ガスや液体を蓄える圧力容器、例
えば、ＣＮＧタンク（Compressed Natural Gas Tank）
と呼ばれる天然ガス自動車搭載用の圧力容器や、病院な
どで使用したり、消防士が使用する空気呼吸器などにお
いて、軽量化を図るため、繊維強化プラスチック製のも
のが開発されている。例えば、特開平３−８９０９８号
や特開平３−１１３１９９号に記載がある。

【０００３】これらＦＲＰ製圧力容器は、図１に示すよ
うに、バルブを接続するための、スチールやアルミニウ
ムなどの金属製の口金（ボスともよばれる）１と、これ
を覆うようにして設けた主としてガスバリア性を受け持
つプラスチック製のライナー（内筒ともよばれる）２
と、その外側に設けた、ガラス繊維や炭素繊維などの高
強度繊維と樹脂からなる主として耐圧性能を受け持つ繊
維強化プラスチック（以下ＦＲＰと略す）製のシェル
（または外筒という）３からなる。

【０００４】ところで、上記口金、ライナー、シェルは
異なる材料で構成されているため、口金部（金属等）と
シェル（ＦＲＰ）との間、およびライナー（プラスチッ
ク等）とシェル（ＦＲＰ）の間には線膨張係数差があ
り、シェル部分を硬化させる際の温度差や、使用中の環
境による温度差などにより、口金とシェルの間、あるい
はシェルとライナーの間が剥離し易い。

【０００５】容器には内圧が作用しているため、口金や
ライナーは常にＦＲＰシェルに押しつけられており、口
金とシェル、ライナーとシェルは単に接触しているだけ
で剥離していても構わないという考えがあるが、剥離が
あると、容器内圧が低下した場合に剥離部分に侵入した
ガスや液体が膨張してライナー、しいては容器全体を破
損したりする可能性があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明においては、口
金とシェル、ライナーとシェルの間の剥離を防止するた
めに、口金とシェルが一体になった容器、および／ある
いは、ライナーとシェルが一体になった、従来のＦＲＰ
製容器よりさらに軽量で、信頼性の高い繊維強化プラス
チック製の圧力容器を開示する。また、本発明の他の目
的は、そのような圧力容器を低コストで製造する方法を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は基本的には、以下の構成を有する。即ち、
「少なくとも１つの開口部を有する繊維強化樹脂製のシ
ェルからなる圧力容器であって、該シェルの内面には、
樹脂製のライナーが配置され、該シェルは、該ライナー
及び／又は開口部と一体化して形成されていることを特
徴とする圧力容器。」又は、その製造方法である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明を一実施態様に基づいて詳
細に説明する。

【０００９】まず、本発明のおけるシェルとライナーの
一体化について説明する。図２における本発明のＦＲＰ
製シェル５は、容器の耐圧性能、耐衝撃性能などの機械
的性能および、内容物の容器外への流出を防ぐバリア性
能（内容物がガスの場合ガスバリア性能という）を実現
するものである。

【００１０】シェルを構成する補強繊維として好ましい
のは、炭素繊維、ガラス繊維といった無機繊維、および
アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ＰＢＯ（ポリベンゾ
オキサゾール）繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維で
ある。

【００１１】軽量化という点では炭素繊維が最も好まし
く、耐衝撃製、経済性という点ではガラス繊維あるいは
ポリエチレン繊維が最も好ましい。

【００１２】また、これら繊維を複数種類用いて、それ
ら繊維の特徴をバランスさせたハイブリッド繊維（例え
ば、炭素繊維とガラス繊維を併用し、炭素繊維の軽量性
と、ガラス繊維の耐衝撃性の特徴をもたせる使い方）も
好ましい。また、これら補強繊維には、後述するマトリ
ックス樹脂との接着を向上させるために、表面処理やサ
イジング剤が付与されていると好ましい。尚、有機繊維
は、燃焼が可能であるため廃棄が容易であるという特
長、さらには比重がガラス繊維の約半分であるので容器
を極めて軽量にすることができるという特長もある。

【００１３】シェルを構成するマトリックス樹脂として
は、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエ
ステル樹脂、フェノール樹脂、変性エポキシ樹脂等の熱
硬化性樹脂や、ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタ
レート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポ
リフェニレンサルファイド樹脂、ポリ−４−メチルペン
テン−１樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂、
ゴム材などを用いることができる。このうち、シェルの
ガスバリア性を向上させ、機械物性を向上させるという
観点からは、補強繊維との接着が良好なエポキシ樹脂が
好ましい。また、耐衝撃性能を向上させるという観点か
らは、ナイロン等の熱可塑性樹脂が好ましい。エポキシ
樹脂を熱可塑性樹脂やゴムで変性した変性エポキシ樹脂
も好ましい。

【００１４】本シェルは、フィラメントワインド法、あ
るいは、プルワインド法などにより成形されるが、後述
するプラスチック製のライナーと一体化するために、例
えば、後述する仮マンドレルと呼ぶ完成容器には残存し
ない成形用のマンドレル上に形成した半硬化状態のライ
ナーの上、あるいは半硬化状態のライナー自体をマンド
レルとして、ライナー上に、マトリックス樹脂を含浸さ
せた補強繊維を巻き付けた後ライナーと同時硬化させた
り、補強繊維だけをライナー上に巻き付けてその後補強
繊維にマトリックスを含浸して、後硬化させて製造す
る。シェルのマトリックス樹脂を熱可塑性樹脂とする場
合には、あらかじめ熱可塑樹脂を含浸させた補強繊維を
上記したライナー上で溶融させながら巻き付けと硬化を
同時に行うことも可能である。

【００１５】次に、本発明のライナー６は、上述したシ
ェルのマトリックス樹脂と同様の樹脂製であるが、後述
するように、シェルと一体化するために、ＦＲＰシェル
を構成するマトリックス樹脂と類似、より好ましくは同
一の樹脂であることが好ましい。

【００１６】すなわち、ＦＲＰのマトリックス樹脂が熱
硬化性樹脂の場合はライナー材も熱硬化性樹脂であるこ
とが好ましい。シェルのマトリックス樹脂がエポキシの
場合、ライナー材もエポキシ樹脂及び／あるいは変性エ
ポキシ樹脂とすることで、同時成形した時にシェルとラ
イナー材を化学反応させて一体化することができる。

【００１７】さらに、類似の樹脂として、線膨張係数の
近い樹脂を選定することで、使用環境温度の変化に伴う
熱応力を抑えることができ、容器の信頼性を向上させる
ことができる。具体的には、シェルのマトリックス樹脂
とライナー材の線膨張係数の比率は５倍以下であること
が好ましい。また、線膨張係数差による破損をさらに抑
制するためには、ライナーとＦＲＰ製シェルのマトリッ
クス樹脂の伸度は３％以上であることが好ましい。（プ
ラスチックの線膨張係数と伸度はそれぞれ、ＪＩＳＫ
７１９７とＪＩＳＫ７１１３により測定する。）ライ
ナー材が熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）の場合、
熱硬化性樹脂は、仮マンドレルと呼ばれる完成した容器
には残存しない成形用のマンドレル上に、半硬化状態で
被覆形成する。

【００１８】ここで、仮マンドレルとは、所定のライナ
ー形状をしたガラス、石膏などのセラミック、低融点合
金や水溶性ポリマーなどからなり、表面にライナーを形
成してその後シェルを形成・硬化した後に、容器内部か
ら除去するものである。

【００１９】ガラスや石膏の場合にはシェルの成形後に
割って取り出し、低融点合金や水溶性ポリマーの場合に
は加熱したり水中に漬けるなどして、溶出して取り出
す。

【００２０】仮マンドレルとしては、上記の他、紙粘土
や氷等を経済性の面から使用することができる。

【００２１】中でも好ましいのは再利用が可能な低融点
合金である。具体的には、ビスマス、鉛、スズ、亜鉛、
カドミウムなどを主成分とする融点が４０℃〜２００℃
程度の合金のことで、比重が７〜１１程度のものであ
る。完成容器には耐熱性が必要であり、シェルの硬化温
度を高くするという観点から低融点合金の融点は１２５
℃以上１６０℃以下の範囲内であることが好ましい。さ
らに、作業の安全面を考慮すると、最も好ましいのは、
１２５℃〜１４０℃の範囲内である。水溶性ポリマーは
軽量であるため、成形時の作業性に優れていて好まし
い。

【００２２】また、これら仮マンドレル以外に、ＵＳＰ
５４６０６７５で開示されているような、シリコンゴム
等のエラストマーで形成されるインフレータブルマンド
レルも軽量で再利用できて好ましい。インフレータブル
マンドレルの場合は、内部に気体や液体を充填したり、
傘骨のような組立式あるいは、伸縮式の補強骨を挿入し
て剛性を向上させて、半硬化状態のライナーの形成、及
び補強繊維の巻き付けをし易くすることがより好まし
い。

【００２３】また、仮マンドレルとして、中空を有する
部材を用いることが好ましい。中空を有することにより
軽量となりハンドリング性やワインデングの駆動力の省
力化、重量や慣性の負荷の低減が図れるからである。

【００２４】中空を有する部材としては、フォーム材の
ような多孔質材や中空を有するプラスチック材料が好ま
しい。

【００２５】フォーム材とは、軟質あるいは硬質のポリ
ウレタンフォーム、ビーズ発泡ポリスチレン、押出発泡
ポリスチレン、ポリエチレンフォーム、ポリプロピレン
フォーム、フェノールフォーム、ユリアフォーム、ポリ
塩化フォーム、シリコンフォーム、エポキシフォーム、
ポリイミドフォーム、メラミンフォーム、ポリエステル
フォーム、エチレン酢酸ビニルフォーム等のことで、中
でも、比重が１．０以下の軽量発泡材であることが、好
ましい。軽量であることで、ハンドリングが容易になる
とともに、フィラメントワインド成形時の駆動エネルギ
ーが少なくて済むからである。尚、耐熱性という点で
は、フォーム材のガラス転移温度は６０℃以上であるこ
とが好ましい。また、これらフォーム材中には、ガラス
繊維や炭素繊維などの補強繊維、あるいは炭化カルシウ
ム等のフィラーが混入されていても差し支えない。これ
ら補強繊維あるいはフィラーはフォーム材の剛性を向上
させるとともに、耐熱性を向上させ、かつ、フォーム材
が経時変化して寸法変化することを抑制する働きを有す
る。補強繊維やフィラーの添加量は重量との関係で、１
％以上、５０％以下、より好ましくは２％以上、３０％
以下であるとよい。フォーム材の場合、塗布する樹脂が
中空内部に含浸することの少ない、独立気泡タイプのフ
ォーム材が好ましい。また、成形面のし上がりをきれい
にするために、フォーム材表面は平滑であることが好ま
しい。

【００２６】尚、フォーム材である仮マンドレルを取り
除くには、高圧の液体あるいは気体を吹く付けることが
有効である。また、砥石や、刃物のついた工具で機械的
に除去することも他の有効な方法である。

【００２７】さらに、仮マンドレルとして、プラスチッ
ク材料を使用することもできる。この場合、中空を有す
ることが好ましく、厚みを0.2mm〜10mmの範囲とするこ
とで、成形後にプラスチック材料を抜き出すことができ
る。特に、開口部の大きさが50mm以下の場合には、抜き
出しを容易にするために、プラスチック製仮マンドレル
の厚みは0.2mm〜4mmであることがより好ましい。好まし
いプラスチック材料としては、高密度ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリフェニレンエーテル、塩化ビニル、
中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン等があげられ
る。中でも、成形時の耐熱性が必要な場合には、高密度
ポリエチレンやポリプロピレンが好ましく、その弾性率
は１．５ＧＰａ以上であることが好ましい。また、これ
らプラスチック材料にガラス繊維などの強化材を添加す
ることも、仮マンドレルの剛性を向上させ、製品の精度
向上、フィラメントワインド成形性を向上させるために
好ましい。

【００２８】尚、プラスチック製仮マンドレルの製法と
しては、ブロー成形、回転成形、押出成形等が好まし
く、中でもブロー成形した仮マンドレルは複雑形状が可
能でありかつ生産性も良好である。勿論、同一または異
なる成型法で仮マンドレルの部分部分を製造し、それら
を接合あるいは融着させて一体化させても差し支えな
い。プラスチック仮マンドレルの剛性が不十分な場合に
は、内圧を賦与して剛性を向上させ、形状を安定化させ
ることも好ましい。具体的な内圧としては、0.2気圧〜5
気圧程度が好ましい。内圧が本範囲未満では高温におけ
る剛性が不十分となる可能性があり、本範囲を超えると
仮マンドレルが破裂する可能性があるからである。

【００２９】次に、上記の半硬化状態とは、熱硬化性樹
脂の場合、硬化度が４０％以上、９０％以下の状態をい
い、仮マンドレル上で樹脂が流動しにくくなる状態をさ
す。硬化度の測定の仕方の一例としては、ＤＳＣ（ディ
ファレンシャルカロリメータ）により求める未反応樹脂
の硬化反応熱Ｈ１と被覆形成した樹脂の硬化反応熱Ｈ２
から次式により求めることができる。

【００３０】（Ｈ１−Ｈ２）／Ｈ１また、硬化度の代わりに、ＪＩＳＫ６９１１でいうバ
ーコール硬さが５０以下であっても、樹脂の流動が少な
く、仮マンドレル上にライナー材が被覆した状態として
存在する、半硬化状態と呼ぶに好ましい状態である。

【００３１】ライナー材を半硬化状態とするのは、シェ
ルを構成するマトリックス樹脂と反応させて一体化する
ためであるが、より化学反応を促進したい場合には、ラ
イナー材にゴム粒子、シリカ粒子などのフィラーを混入
して粘度を向上させ、仮マンドレル上に滞留させること
も好ましい。この場合、硬化度は上記範囲以下であって
も差し支えない。また、フィラーの代わりに、不織布、
織物、メッシュ、マット状物にライナー材を含浸させて
仮マンドレル上に滞留させることも本発明の範囲に含ま
れる。

【００３２】尚、仮マンドレルとライナー材間の接着を
回避するために、仮マンドレルの表面には、離形処理を
施すことが好ましい。特に、ライナー材がエポキシ樹脂
等の熱硬化性樹脂の場合には、仮マンドレル表面への付
着を避けるため、シリコン系の離形剤をあらかじめ仮ラ
イナー表面に塗布しておくことが好ましい。

【００３３】以上はライナーとシェルを同時に形成した
場合であったが、シェルだけを上記の仮マンドレルなど
の上で先に成形して、その後、シェルの内面にライナー
材を塗布するあるいは、溶射する、融着するなど、熱や
電気を利用するなどして、シェルと一体化させても差し
支えない。また、室温硬化の樹脂をライナー材として硬
化したシェル内面に塗布して一体化しても差し支えな
い。

【００３４】塗布の仕方としては、シェル内部に室温硬
化エポキシ等の樹脂液を充填し、内面全体を覆うという
やり方がある。この際、厚みを均一にするために、シェ
ルは回転させることが好ましい。また、一般にゲルコー
トと呼ばれるように、ライナー材をスプレー式でシェル
内面に吹き付けても差しつかえない。

【００３５】本発明において、ライナーはシェルと化学
反応等により一体化しているが、ライナーの厚みとして
は、２０μm〜３ｍｍであることが好ましい。３ｍｍ以
下であることで、圧力容器の内容積を飛躍的に大きくす
ることができると同時に、容器を軽量化できるからであ
る。厚みが大きいとライナー材に応力が作用するように
なり強度上好ましくない場合には、２０μm〜１ｍｍが
より好ましい厚さである。厚みが２０μmより薄くて
も、容器の内容物がアルゴン等の不活性ガスの場合には
問題ないが、２０μm以上が好ましい理由は、補強繊維
を圧力容器の内容物（酸化ガスや強アルカリなどの液
体）から保護する必要があるからである。

【００３６】また、本発明におけるライナーは、単層で
ある必要はなく、部分的あるいは、全面に亘り層構造を
有していても差し支えない。具体的には、内容物により
劣化・腐食しにくい層やガスバリア性に優れる層を容器
の内面側にして、シェルを構成するマトリックス樹脂と
の接着性・化学反応性に富む樹脂層をその外面にして仮
マンドレル上などに形成することである。

【００３７】次に、本発明におけるシェルと口金の一体
化について説明する。従来の口金とシェルを一体化する
ために、本発明では、口金に相当する部分、すなわち、
開口部４を実質上ＦＲＰのみで構成する（図２、図３参
照）。ここでいう、実質上ＦＲＰのみで構成するとは、
文字通り、ＦＲＰのみで構成される場合だけでなく、セ
ンサーなどの多少の金属などを有する場合でもよい。た
だし、これらは、特にねじ部においては、ＦＰＲの表面
に露出していないことが好ましく、表面から１．０mmよ
りも深くに内蔵されていることが好ましい。

【００３８】開口部をＦＲＰとすることで、シェルとの
線膨張係数差が極めて小さくなり、両者が温度差により
剥離することを防止することができるとともに、軽量化
を図ることができる。

【００３９】すなわち、図２と図３に例を示すように、
従来の口金が果たしていたバルブとの接続を可能とする
ために、ＦＲＰでねじ山７を開口部４に形成し、従来の
金属製の口金を不要とする。

【００４０】ねじ山は、図２に示すように、めねじであ
っても、図３に示すようにおねじであっても差し支えな
い。めねじの場合は容器内部にあるため、衝撃などから
ねじ山が保護され信頼性が高いという特長があり、おね
じの場合は、ねじ山の検査がめねじより容易であるとい
う特長がある。

【００４１】図４と図５に示すように、上記したねじ山
には直接バルブ８あるいは、バルブを接続するためのア
ダプター９がねじ込まれるが、ねじ山からのガス漏れを
防止するために、ねじ山にはシールテープ１０を巻き付
けたり、接着剤１１を流し込んだりしても差し支えな
い。また、図４および図５に示すように、バルブまたは
アダプターとの間にＯリング１２を挿入することも好ま
しい。

【００４２】尚、ねじ山部の材料は、前記したシェルと
同一の材料の中から選定できるが、好ましくは、マトリ
ックス樹脂をシェルと同じにすることが成形上好まし
い。補強繊維としては、炭素繊維が最も好ましいが、バ
ルブとの電気腐食を低減するために、ガラス繊維を併用
しても差し支えない。また、ねじ山を有する開口部の補
強繊維とシェルを構成する補強繊維とは連続であること
がより好ましい。すなわち、ねじ山部分の形成とシェル
部分の形成を同時に行うことが好ましい。

【００４３】具体的なめねじの形成法としては、マンド
レルあるいは、上記した仮マンドレル上に補強繊維を巻
き付けて硬化形成した開口部を、旋盤などにより機械加
工してめねじを形成する方法、あるいは、マンドレルあ
るいは仮マンドレルにねじ山を予め形成しておき、その
ねじ山の上にシェルと同様にして、補強繊維およびマト
リックス樹脂を巻き付けて、硬化、形成する。マンドレ
ルあるいは仮マンドレルにねじ山を形成するには、マン
ドレルあるいは仮マンドレルを旋盤などで機械加工した
りする。仮マンドレルが低融点合金や水溶性ポリマーな
どで、金型や木型等の型に流し込んだり、射出して成形
される場合には、型にあらかじめねじ山を形成しておく
ことができる。

【００４４】マンドレルあるいは仮マンドレルの開口部
が前記した低融点合金や紙粘土等の溶出性の材料の場合
は、溶出によりねじ山を得ることができるが、例えば、
インフレータブルマンドレルの開口部が金属製の場合に
は、硬化後、マンドレルを回してはずすことになる。こ
の際、ＦＲＰのねじ山を損傷せずに、インフレータブル
マンドレルの開口部の金属をはずしやすくするために、
マンドレル上に離形処理を施しておくことが好ましい。
また、マンドレルの材質として、ＦＲＰと線膨張係数の
差の大きいアルミニウム合金等などにしておくことも好
ましい。

【００４５】次に、具体的なおねじの形成方法として
は、めねじと同様に開口部を機械加工してねじ山を形成
するか、ねじ山を形成する箇所にフィラメントワインド
法あるいは、ハンドレイアップ法などにより補強繊維と
樹脂を巻き付けて、その外側から所定のねじ山形状を有
する金枠などで挟んで加圧により賦形しながら、硬化、
形成する。この際、開口部には、金枠などによりマンド
レルあるいは、仮マンドレルに圧縮力がかかるので、マ
ンドレルは中実としておくことが好ましい。

【００４６】尚、上記した、めねじの場合もおねじの場
合も、ねじ山の形状は、三角、台形、鋸歯、波形等ＪＩ
ＳＢ０１２３、ＪＩＳＢ０２０５〜ＪＩＳＢ
０２１８で定義されている形状のねじは勿論のこと、
おねじとめねじとの間で軸力のやりとりが可能である形
状ならばいずれの形状でも構わない。平行ねじ、並目ね
じ、細目ねじ、テーパねじなどの特殊ねじ、右ねじ、左
ねじをも含む。

【００４７】但し、ＦＲＰにおいては、金属とは異な
り、不均質材であるため、鋭角な箇所では繊維は不均一
分布と成りやすく、鋭角部の強度がバラツク傾向がある
ので、ねじやまおよびねじみぞに丸みを持たせたもの
（図６）が好ましい。図６の（１）は三角ねじに丸みを
もたせたもので、図６の（２）は台形ネジに丸みをもた
せたもの、図６の（３）は鋸歯ねじに丸みをもたせたも
のである。

【００４８】ＦＲＰの場合、ねじ山の角度は、補強繊維
をねじ山に確実に配列させ、かつねじ山強度を大きくす
るという点から、５０度〜１４０度の範囲が好ましい。
本範囲より小さいと補強繊維がねじ山に入り難く成形時
によけいな装置が必要となり、本範囲より大きいとねじ
の強度が低くなる可能性があるからである。さらに、ね
じ山角度が９０度〜１２０度の範囲内であると成形性と
強度がよりバランスされて、より好ましい。

【００４９】ねじ山のピッチは、ねじの径にもよるが、
接合長さを短く、コンパクトにするという点から、０．
５〜３０ｍｍの範囲内であることが好ましい。実用上
は、１〜２０ｍｍの範囲内が標準的で好ましい。

【００５０】また、ねじ山の高さは、０．５〜１０ｍｍ
程度が強度発現上好ましい。０．５〜６ｍｍの範囲内で
あると、ねじ込みに要する力がより小さくてすむ。

【００５１】また、本発明のねじ山において補強繊維
は、ねじ山内で連続していることが好ましく、さらに、
ねじの軸方向（容器の軸方向）に配列していることがよ
り好ましい。

【００５２】ねじ山におけるマトリックス樹脂に対する
補強繊維の量は、体積含有率で４０％以上８０％以下で
あることが好ましい。本範囲以下では、補強繊維をねじ
山内に均一に配列することが難しく、本範囲以上では繊
維同士が接触する確率が大きくなって、ねじ山の強度は
補強繊維の量の割には向上幅が小さいからである。

【００５３】成形のし易さからは、体積含有率は３０〜
６５％、強度の利用率の点では、４５〜７０％が好まし
い。補強繊維としてガラス繊維および／または炭素繊維
などの高強度繊維の場合は、５０〜６５％の範囲内で極
めて高い強度を発現する。尚、体積含有率はＪＩＳ−Ｋ
７０５２またはＪＩＳ−Ｋ７０７５により測定できる。

【００５４】尚、ねじ山を炭素繊維で形成する場合は、
炭素繊維は単繊維（モノフィラメント）を数千〜数十万
本単位に束ねたストランド形態で使用するが、本発明に
おいては、ねじ山へのストランドの配列を確実にするた
めに、ストランド幅の比較的小さい、１０００〜４８０
００本の範囲の単繊維からなるＣＦ束が好ましい。

【００５５】また、特公平１−２７２８６７号公報に示
されている測定方法で得られるストランドの毛羽が３０
個／ｍ以下であることがねじ山強度を安定して得るため
に好ましい。毛羽がこれ以上であると、成形中に糸切れ
が発生する可能性があるからである。

【００５６】また、ねじ山の強度と剛性が小さいとねじ
山の変形が大きくなり、ねじの脱着を繰り返した場合に
疲労し易くなるので、炭素繊維は、強度が３．８ＧＰａ
〜１０ＧＰａ、弾性率が２３０〜６００ＧＰａの範囲内
であることが好ましい。尚、炭素繊維の弾性率と強度
は、ＪＩＳＲ７６０１により測定することができる。

【００５７】また、ねじをねじ込んだ時の剛性を確保す
るという点からは、強化繊維のねじり弾性率は５〜３０
ＧＰａの範囲内であると好ましい。繊維のねじり弾性率
は特開平１−１２４６２９により測定できる。

【００５８】また、ねじ山の熱変形を抑え、各種温度下
でも容易にねじの脱着を可能とするためには、補強繊維
の熱膨張係数は−０．１×１０^-6〜３０×１０^-6／℃の
範囲内であると好ましい。

【００５９】補強繊維の形態としては、連続繊維あるい
は長繊維状であることが好ましく、あらかじめ連続繊維
に樹脂を含浸させてヤーン状にしたヤーンプリプレグ、
連続繊維織物に樹脂を含浸させた織物プリプレグを目空
き状態にしてねじ山に通したり、ストランド、ロービン
グ、織物状の補強繊維に樹脂を含浸させながらねじ山を
形成しても差し支えない。複数の補強繊維を混用する場
合には、補強繊維同士は合糸状であっても、カバリング
糸状などであっても構わない。強度および剛性上の観点
から好ましいのは、ヤーン、ストランドあるいは、ロー
ビング形態である。

【００６０】また、シェルの補強繊維と同様、樹脂との
相性を向上させるために補強繊維には、表面処理が施さ
れていたり、サイジング剤、油剤、カップリング剤、平
滑剤などと呼ばれる表面仕上げ剤が塗布されていてもか
まわない。

【００６１】また、補強繊維には、摩擦係数を調節する
目的で、ニッケル、銀、アルミニウムなどの金属コーテ
ィング、塗装、メッキ等を施すことも本発明に含まれ
る。

【００６２】最後に、本発明の容器を成形する方法とし
ては、フィラメントワインド法、テープワインド法、プ
ルワインド法など公知のあらゆる成形法を用いることが
できる。シェル部分と開口部とで別の成形法を用いるこ
ともできる。

【００６３】

【実施例】（実施例１）図７に示す両端にねじ山１３
（ねじ山角度９０度、ねじ山高さ２ｍｍ、ピッチ５ｍ
ｍ）を形成した容器形状を有する低融点合金（大阪アサ
ヒメタル工場製のＵアロイ１２４、融点１２４℃）製の
マンドレル１４上に、ゴム変性エポキシ樹脂を厚さ１ｍ
ｍに塗布してライナーを赤外線で４０℃に加熱して半硬
化状態樹脂１５（硬化度５０％）とした後、フィラメン
トワインド法によりエポキシ樹脂（伸度３％）を含浸し
た炭素繊維束１６（フィラメント数１２０００本、強度
４．９ＭＰａ、弾性率２３５ＧＰａ、伸度２．１％、ね
じり弾性率２０ＧＰａ、エポキシ樹脂系サイジング剤１
％添加）をねじ山部で軸方向に対し、繊維束が６０度と
９０度となるように巻き付けた後、１２０℃で５時間硬
化させ、その後、１３０℃でマンドレルを回転させなが
ら後硬化およびマンドレルの溶出を行って、開口部を２
つ有するＦＲＰ製の圧力容器（径２００ｍｍ、長さ４５
０ｍｍ）を得た。

【００６４】本容器の片方の開口部を切断したところ、
容器の開口部には炭素繊維が体積含有率６０％でほぼ均
一に分散されためねじが形成されており、ボイドも観察
されなかった。

【００６５】さらに、他方の開口部のめねじに本めねじ
山と同一の形状のスチール製のおねじをねじ込んで、ね
じ山の強度を測定したところ、耐圧に必要な強度の５倍
の強度を有していた。

【００６６】また、本容器の胴部（真ん中）を切断した
ところ、厚さ１ｍｍの変性エポキシ樹脂製のライナーが
シェルと一体化して形成されていることを顕微鏡で確認
した。さらに、ライナーとシェルの剥離試験を行ったと
ころ、ＦＲＰ内部で破壊が発生し、ライナーとＦＲＰと
は完全に一体化されていることが確認できた。

【００６７】（実施例２）実施例１において、マンドレ
ルを片持ち（図８）とした以外は実施例１と同様にして
開口部が１つの容器を得た。

【００６８】本容器の開口部と反対側に旋盤によりめね
じを加工形成し、ねじ山の強度を測定したところ、耐圧
に必要な強度の５倍の強度を有していた。

【００６９】（実施例３）実施例１において、ねじ山に
目付２００ｇ／ｍ²の一方向ガラス繊維織物を繊維方向
が容器の軸方向となるようにマンドレルに１周巻き付
け、炭素繊維のねじ山部分での巻き角度を８９度とした
以外は実施例１と全く同様にして、開口部が２カ所のＦ
ＲＰ製圧力容器を得た。

【００７０】実施例１と同様に、顕微鏡観察とねじ山の
強度試験を行ったところ、ねじ山における補強繊維の体
積含有率は５２％、炭素繊維の体積含有率は３０％、ね
じ山強度は耐圧に必要な強度の３倍であった。

【００７１】（実施例４）実施例２において、マンドレ
ルにねじ山を形成せずストレートとし（図９）、半硬化
樹脂の厚みを５００μmとした以外は実施例１と全く同
様にして開口部が１つの容器をえた。

【００７２】本容器の開口部に旋盤により雄ねじを形成
し、ねじ山強度を測定したところ、耐圧に必要な強度の
４倍の強度を有していた。また、シェル内面には１５０
μmのライナーが一体化して形成されていた。

【００７３】（実施例５）ねじ山（ねじ山角度１２０
度、ねじ山高さ１．５ｍｍ、ピッチ１０ｍｍ）部以外を
ガラスで形成したマンドレル（図１０：卵形の中空ガラ
ス瓶１７の両端にねじ山を有するアルミニウム合金製の
棒１８を接着接合した）に、シリカ粒子を添加したエポ
キシ樹脂を半硬化状態で厚さ１００μm形成し（図１０
の１５、硬化度６０％）、その後、フィラメントワイン
ド法によりエポキシ樹脂（伸度６％）を含浸した炭素繊
維束（フィラメント数２４０００本、強度５．６ＭＰ
ａ、弾性率３００ＧＰａ、伸度１．９％、ねじり弾性率
２５ＧＰａ、エポキシ樹脂系サイジング剤０．５％添
加）をねじ山部で軸方向に対し、繊維束が１５度と８８
度となるように巻き付けた後、１３０℃で６時間硬化さ
せ、その後、アルミニウム製のねじ山を有する棒の部分
を回して抜き取り、ガラス瓶内部に−５℃の冷風を吹き
込んで、ガラスを割って取り出し、開口部を２つ有する
ＦＲＰ製の圧力容器（径２２０ｍｍ、長さ４００ｍｍ）
を得た。

【００７４】本容器の片方の開口部を切断したところ、
容器の開口部には炭素繊維が体積含有率４０％でほぼ均
一に分散されためねじが形成されており、ボイドも観察
されなかった。

【００７５】さらに、他方の開口部のめねじに本めねじ
山と同一の形状のスチール製のおねじをねじ込んで、ね
じ山の強度を測定したところ、耐圧に必要な強度の３倍
の強度を有していた。

【００７６】また、本容器の胴部（真ん中）を切断した
ところ、厚さ１００μmの変性エポキシ樹脂製のライナ
ーがシェルと一体化して形成されていることを顕微鏡で
確認した。さらに、ライナーとシェルの剥離試験を行っ
たところ、ＦＲＰ内部で破壊が発生し、ライナーとＦＲ
Ｐとは完全に一体化されていることが確認できた。

【００７７】（実施例６）ねじ山（ねじ山角度９０度、
ねじ山高さ２．０ｍｍ、ピッチ１０ｍｍ）部以外をポリ
プロピレンフォーム（比重０．０８、独立気泡）で形成
したマンドレル（図１０：卵形のポリプロピレンフォー
ム１７の両端にねじ山を有するアルミニウム合金製の棒
１８を接着接合した）に、シリカ粒子を添加したエポキ
シ樹脂を半硬化状態で厚さ１００μm形成し、その後、
フィラメントワインド法によりエポキシ樹脂（伸度６
％）を含浸した炭素繊維束（フィラメント数２４０００
本、強度５．６ＭＰａ、弾性率３００ＧＰａ、伸度１．
９％、ねじり弾性率２５ＧＰａ、エポキシ樹脂系サイジ
ング剤０．５％添加）をねじ山部で軸方向に対し、繊維
束が±４５度となるように巻き付けた後、１３０℃で６
時間硬化させ、その後、アルミニウム製のねじ山を有す
る棒の部分を回して抜き取り、７ｋｇ／ｃｍ²の圧空を
容器内部に吹き込んでフォーム材を除去し、開口部を２
つ有するＦＲＰ製の圧力容器（径２２０ｍｍ、長さ４０
０ｍｍ）を得た。

【００７８】本容器の片方の開口部を切断したところ、
容器の開口部には炭素繊維が体積含有率５５％でほぼ均
一に分散されためねじが形成されており、ボイドも観察
されなかった。

【００７９】さらに、他方の開口部のめねじに本めねじ
山と同一の形状のスチール製のおねじをねじ込んで、ね
じ山の強度を測定したところ、耐圧に必要な強度の３倍
の強度を有していた。

【００８０】また、本容器の胴部（真ん中）を切断した
ところ、厚さ１００μmの変性エポキシ樹脂製のライナ
ーがシェルと一体化して形成されていることを顕微鏡で
確認した。さらに、ライナーとシェルの剥離試験を行っ
たところ、ＦＲＰ内部で破壊が発生し、ライナーとＦＲ
Ｐとは完全に一体化されていることが確認できた。

【００８１】

【発明の効果】本発明の圧力容器は、少なくとも１つの
開口部を有する、繊維強化樹脂製のシェルからなる圧力
容器であって、該シェルの内面には、樹脂製のライナー
が一体化して形成されていることを特徴とすることか
ら、ライナーとシェルの剥離が生ぜず、極めて信頼性の
高い容器と成っている。また、本発明の圧力容器は、少
なくとも１つの開口部を有する、繊維強化樹脂製のシェ
ルからなる圧力容器であって、該シェルの開口部に接合
用のねじ山が形成されていることを特徴とすることか
ら、口金が不要となっており、従来の口金とシェルの剥
離は起こるはずがなく、さらに、口金がないことから極
めて軽量の圧力容器となっており、社会から望まれる圧
力容器となっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の圧力容器の図である。

【図２】本発明にかかるめねじを有する圧力容器の概
略縦断面図である。

【図３】本発明にかかるおねじを有する圧力容器の概
略縦断面図である。

【図４】本発明にかかるシールテープを有する圧力容
器の概略縦断面図である。

【図５】本発明にかかるアダプターを付けた圧力容器
の概略縦断面図である。

【図６】本発明にかかる圧力容器のねじ山の概略断面
図である。

【図７】本発明にかかる両端にねじ山を有するマンド
レルを用いた圧力容器の製造法の概略図である。

【図８】本発明にかかる片持ちマンドレルを用いた圧
力容器の製造法の概略図である。

【図９】本発明にかかるねじ山を有しないマンドレル
を用いた圧力容器の製造法の概略図である。

【図１０】本発明にかかるガラス部分を有するマンド
レルを用いた圧力容器の製造法の概略図である。

【符号の説明】

１：口金２：ライナーまたは内筒３：シェルまたは外筒４：開口部５：ＦＲＰ製シェル６：（一体化）ライナー７：ねじ山８：バルブ９：アダプター１０：シールテープ１１：接着剤１２：Ｏリング１３：ねじ山１４：マンドレル１５：半硬化状態樹脂１６：補強繊維１７：中空ガラス瓶１８：ねじ山を有するアルミニウム製の棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２９Ｌ 22:00 Ｆターム(参考） 3E072 AA10 CA01 4F205 AA39 AD02 AD05 AD16 AG03 AG07 AH55 AJ01 AJ02 AJ03 AJ06 AJ10 HA02 HA14 HA23 HA33 HA37 HA43 HA46 HB01 HC02 HC17 HF01 HF05 HK04 HK05 HK16 HK31 HL03 HL14 HT03 HT22 HT27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの開口部を有する繊維強
化樹脂製のシェルからなる圧力容器であって、該シェル
の内面には、樹脂製のライナーが配置され、該シェル
は、該ライナー及び／又は開口部と一体化して形成され
ていることを特徴とする圧力容器。
【請求項２】該開口部に接合用のねじ山が形成されて
いることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
【請求項３】少なくとも１つの開口部を有する、繊維
強化樹脂製のシェルからなる圧力容器であって、該シェ
ルの開口部に接合用のねじ山が形成されていることを特
徴とする圧力容器。
【請求項４】該ライナーの厚みが３ｍｍ以下であるこ
とを特徴とする請求項１乃至は２のいずれかに記載の圧
力容器。
【請求項５】該ライナーの樹脂と該シェルの樹脂の線
膨張係数の比が５倍以内であることを特徴とする請求項
１乃至は４のいずれかに記載の圧力容器。
【請求項６】ねじ山がめねじであることを特徴とする
かつ請求項１乃至は５のいずれかに記載の圧力容器。
【請求項７】ねじ山がおねじであることを特徴とする
請求項１乃至は５のいずれかに記載の圧力容器。
【請求項８】補強繊維が炭素繊維であることを特徴と
する請求項１乃至は７のいずれかに記載の圧力容器。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかに記載の圧力容
器を、マンドレル上で形成した後、該マンドレルを除去
することを特徴とする圧力容器の製造方法。
【請求項１０】低融点合金または水溶性ポリマーを該
マンドレルの少なくとも一部して使用することを特徴と
する請求項９記載の圧力容器の製造方法。
【請求項１１】ガラスまたは石膏を該マンドレルの少
なくとも一部として使用する請求項９記載の圧力容器の
製造方法。
【請求項１２】中空を有する部材を該マンドレルの少
なくとも一部として使用する請求項９記載の圧力容器の
製造方法。
【請求項１３】フォーム材を該マンドレルの少なくと
も一部として使用する請求項９記載の圧力容器の製造方
法。