JP2004245348A

JP2004245348A - 圧力容器

Info

Publication number: JP2004245348A
Application number: JP2003036693A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Takemoto; 秀博竹本
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】許容圧力以上の内圧が負荷された際にドーム部の破裂を防止した圧力容器を提供する。
【解決手段】本発明の圧力容器１は、直胴部４と直胴部４の両端を塞ぐ半球状のドーム部５ａ，５ｂとからなる容器本体２上に、強化繊維束を有する繊維強化樹脂層３が形成されており、ドーム部５ａ，５ｂは、開口部縁から直胴部縁にかけて１０等分した際の各箇所の歪み比が開口部縁の歪み比に対して０．０８〜１２．０の範囲にある。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧ガスが充填され、例えば、自動車などに搭載される圧力容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高圧ガスの貯蔵容器としては、鋼鉄製の容器が用いられている。しかしながら、鋼鉄製の貯蔵容器は質量が大きく、移動や輸送等に多大な労力を必要とするものであった。そのため、例えば、気体燃料を用いる自動車では、車両質量を小さくし燃料消費量を抑制するため、燃料貯蔵容器を軽量化することが求められている。
そこで、高圧ガスの貯蔵容器として、従来の鋼鉄製のものに代えて、樹脂やアルミニウム等の金属製のライナー材を強化繊維で補強した複合材料からなる圧力容器が用いられるようになってきている。この繊維強化複合材料からなる圧力容器は、充填圧力を高くでき、かつ軽量化が可能になる。
【０００３】
繊維強化複合材料からなる圧力容器として、例えば、特許文献１〜５に記載されたものが挙げられる。図６は、特許文献１に記載の圧力容器を示す部分断面図である。この圧力容器５０は、円筒状の金属製のライナー材５１（容器本体）の直胴部５２上に、樹脂被覆を施した強化材を内側から外側に向けて層状に巻き付けて、繊維強化プラスチック製の被覆層（繊維強化樹脂層）５３を形成したものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３３１０３２号公報
【特許文献２】
特開平７−５２８９７号公報
【特許文献３】
特開平８−２７０７９３号公報
【特許文献４】
特開平１０−１１９１３８号公報
【特許文献５】
特開平１１−２３０３４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の圧力容器では、直胴部５２の両側のドーム部５４ａ，５４ｂに被覆層が設けられていないので、ドーム部５４ａ，５４ｂの強度が不十分であった。しかも、このような構造の圧力容器は、破裂する際にはドーム部５４ａ，５４ｂから破壊する可能性が高く、好ましくない。
そこで、ドーム部にも被覆層を設けてドーム部の強度を高めることが考えられる。しかしながら、単にドーム部に被覆層を設けただけでは、ガスを充填した際にドーム部が不均一に変形することがあった。例えば、図７（ａ）に示すような、ドーム部５５先端が尖る変形、図７（ｂ）に示すような、ドーム部５６の直胴部側の部分が先端方向に膨らむ変形、図７（ｃ）に示すような、ドーム部５７の直胴部近傍が外側に膨らむ変形などが挙げられる。このような不均一な変形を生じた場合には、ドーム部の強度が不十分になり、許容圧力以上の内圧が負荷された際にドーム部から破壊する可能性が高く、不適切であった。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、許容圧力以上の内圧が負荷された際にドーム部の破裂を防止した圧力容器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ドーム部に被覆層を設けた場合の容器本体の不均一な変形は、ドーム部の位置毎の歪み比が大きく異なることが原因であることを突き止め、以下の圧力容器を発明した。
すなわち、本発明の圧力容器は、直胴部とこの直胴部の両端を塞ぐ半球状のドーム部とからなる容器本体上に、強化繊維束を有する繊維強化樹脂層が形成された圧力容器において、
前記ドーム部は、開口部縁から直胴部縁にかけて１０等分した際の各箇所の歪み比が開口部縁の歪みに対して０．０８〜１２．０の範囲にあることを特徴とする。
本発明の圧力容器においては、ガス充填時の直胴部における軸方向の応力（Ａ）と周方向の応力（Ｂ）との比率（Ａ／Ｂ）が０．７〜０．９５の範囲にあることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の圧力容器の一実施形態例について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態例の圧力容器を示すものである。この圧力容器１は、容器本体２上に、強化繊維束を有する繊維強化樹脂層３が形成されたものである。
ここで、容器本体２は、円筒状の直胴部４と、直胴部４の両端を塞ぐ半球状のドーム部５ａ，５ｂとからなるものであり、一方のドーム部５ａ先端には、ガスを導出入する導出入口６が設けられている。
【０００８】
この容器本体２においては、ドーム部５ａ，５ｂは、開口部縁から直胴部縁にかけて１０等分した際の各箇所（図２のｚ_１〜ｚ_１０）の歪み比が開口部縁の歪み比に対して０．０８〜１２．０の範囲にある。ここで、開口部縁から直胴部縁にかけて１０等分した際の各箇所ｚ_１〜ｚ_１０のうち、ｚ_１の片側端部は開口部縁であり、ｚ_１０の片側端部は直胴部縁である。また、歪み比とは、ｚ_１での歪みを基準とした比のことである。
そして、各箇所の歪み比が０．０８〜１２．０の範囲にあるということは、各箇所毎の歪みの差が小さいということなので、ガス充填時のドーム部５ａ，５ｂの不均一な変形を抑えることができる。なお、前記１０箇所の歪み比が０．０８未満である場合には、ガスを充填した際に、図７（ａ）に示すようなドーム部５５先端が尖る変形を生じることがあり、１２．０を超える場合には、図７（ｂ）に示すようなドーム部５６の直胴部側が先端方向に膨らむ変形や、図７（ｃ）に示すようなドーム部５７の直胴部近傍が外側に膨らむ変形を生じることがある。
【０００９】
ここで、開口部について説明する。容器本体２上には、樹脂を含む強化繊維束が巻き付けられて繊維強化樹脂層３が形成されている。ここで、容器本体２には導出入口６が設けられているため、強化繊維束の巻き付け角度に制限がある。図３は、強化繊維束の巻き付け角度の範囲を示すグラフである。なお、巻き付け角度とは、容器本体２の長手方向を０°とした角度のことである。
図３に示すように、強化繊維束を０°で巻き付けることができないから、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ドーム部５ｂに、強化繊維束（図示例では強化繊維束の帯状体８ａ，８ｂ、８ｃ）が巻き付けられていない略円形状の部分が形成される。この強化繊維束が巻き付けられていない略円形状の部分のこと開口部９ａ，９ｂ，９ｃという。
この開口部の直径のことを開口径という。開口径は、強化繊維束の巻き付け角度によって異なり、図４（ａ）に示す圧力容器の開口部の開口径はＬ_１であり、図４（ｂ）に示す圧力容器の開口部の開口径はＬ_２であり、図４（ｃ）に示す圧力容器の開口部の開口径はＬ_３である。
また、導出入口６が設けられたドーム部５ａの場合には、導出入口６の外側にて開口部が形成される。
【００１０】
このような容器本体２は、金属製であることが好ましく、その金属の材料は特に限定されないが、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄などを挙げることができる。これらの中でも、特に、アルミニウム合金は、容器本体２を軽量化するには好適である。
また、容器本体２は樹脂製であってもよく、樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂などの公知の熱可塑性樹脂やフェノール樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂などの公知の熱硬化性樹脂などが挙げられる。
【００１１】
容器本体２上の繊維強化樹脂層３では、樹脂中に強化繊維束が配置されている。
樹脂（マトリックス樹脂）としては特に限定されないが、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、マレイミド樹脂、アクリル樹脂などを用いることができる。これらの中でも、圧力容器１の高温条件下での使用の際に問題となる熱変形を防止できることから、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とすることが好ましい。
また、強化繊維束とは、強化繊維を多数本束ねたものである。強化繊維の種類としては、高弾性率の繊維であれば特に制限されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ＰＢＯ繊維等が挙げられる。
特に、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上の強化繊維束を用いることが好ましい。
強化繊維束の引張弾性率が２５０ＧＰａ以上であることで、疲労特性を向上させることができる。しかも、強化繊維束の引張弾性率が２５０ＧＰａ以上という高弾性率であることで、強化繊維束が少量であっても十分に補強できる。したがって、強化繊維束の量を少なくできるので、圧力容器を軽量化できる。
【００１２】
圧力容器１においては、ガス充填時の直胴部における軸方向の応力（Ａ）と周方向の応力（Ｂ）との比率（Ａ／Ｂ、以下、応力比率という）が０．７〜０．９５の範囲にあることが好ましい。この応力比率が０．７〜０．９５の範囲にあれば、許容範囲を超えた内圧が負荷されたときにドーム部で破壊する可能性がより低くなる。なお、応力比率が０．９５を超えていると、許容範囲を超えた内圧が負荷されたときにドーム部５ａ，５ｂで破壊しやすくなる傾向にある。また、応力比率が０．７未満であると、ドーム部に巻き付けられた強化繊維束の量が多くなるので、容器の質量が過大になりやすい。
ここで、応力は、歪みゲージなどの歪み測定手段によって測定した歪み値から求めることができる。また、シミュレーションによって求めることもできる。
【００１３】
次に、上記圧力容器１を製造する方法の一例について説明する。
まず、図５に示すように、貯槽１１内のマトリックス樹脂１２を、強化繊維束１３に含浸させ、その強化繊維束１３を巻き付け角度５°〜８５°で容器本体２に巻き付ける。
次いで、強化繊維束を巻き付けた容器本体を加熱炉で加熱し、マトリックス樹脂を硬化させて、図１に示すように、容器本体２上に繊維強化樹脂層３を形成させる。そして、これを、自緊処理装置（図示せず）を用いて自緊処理して最終的な圧力容器１を得る。ここで、自緊処理とは、容器の内圧を高め（以下、このときの容器の内圧の最大値を自緊処理圧力という）、容器本体を永久変形させた後、容器の内圧を低下させることによって、繊維強化樹脂層３の剛性により圧縮応力を容器本体に与えることである。
【００１４】
上述した製造方法において、マトリックス樹脂を硬化させる際の加熱温度は、２０〜１８０℃とすることが好ましい。加熱温度が２０℃未満である場合または１８０℃を越える場合には、圧力容器の疲労特性および破裂特性が劣化するおそれがある。
また、自緊処理圧力は、充填圧力の５／３倍以上、破壊圧力未満とするのが好ましい。自緊処理圧力をこの範囲とすることによって、容器本体に圧縮応力がかかり、ガスの充填放出を繰り返したときに、容器本体にかかる応力が容器本体の材料の線形特性の範囲になるため、優れた疲労特性を得ることができる。ここで、充填圧力とは、ガスを圧力容器内に充填する際の圧力のことであり、破壊圧力とは、圧力容器内の圧力を高めた際に容器が破裂したときの圧力のことである。
【００１５】
このような製造方法において、開口部縁から直胴部縁にかけて１０等分した際の各箇所の歪み比が０．０８〜１２．０の範囲にするには、上記範囲になるように強化繊維束の巻き付け量を調整する。
また、ガス充填時の直胴部における軸方向の応力（Ａ）と周方向の応力（Ｂ）との比率（Ａ／Ｂ）を０．７〜０．９５の範囲にするには、上記範囲になるように強化繊維束の巻き付け量を調整する。
【００１６】
以上説明した圧力容器１にあっては、ドーム部５ａ，５ｂは、開口部縁から直胴部縁にかけて１０等分した際の各箇所の歪み比が開口部縁の歪み比に対して０．０８〜１２．０の範囲にあり、ドーム部５ａ，５ｂの位置毎の歪み比の差が小さいので、ドーム部５ａ，５ｂの不均一な変形が防止されている。その結果、ドーム部５ａ，５ｂの強度が十分になり、許容範囲を超えた内圧が負荷されたときにドーム部５ａ，５ｂから破壊の可能性が低くなる。
【００１７】
【実施例】
前端のみに導出入口を設けた圧力容器を以下の手順で作製した。まず、エポキシ樹脂（三菱レイヨン（株）製＃７００Ｂ）を含浸させた炭素繊維ＴＲＨ５０を給糸しながら、表１に示すような巻き付け角度でラミネートＮｏ．１〜１１の順に容器本体に巻き付けた。
次いで、エポキシ樹脂を含浸した強化繊維束を巻き付けた容器本体を、加熱炉内で１３０℃、２時間加熱硬化した。次いで、自緊処理装置により、自緊処理圧力５５ＭＰａで自緊処理して最終的な圧力容器を得た。
なお、ここで用いた炭素繊維ＴＲＨ５０は、三菱レイヨン株式会社製、単繊維直径７μｍ、フィラメント数１２０００本、引張強度４９００ＭＰａ、引張弾性率２５５ＧＰａ、破断伸度１．９％である。
【００１８】
【表１】

【００１９】
この圧力容器の、導出入口が設けられていないドーム部について、開口部縁から直胴部縁にかけて１０等分した際の各箇所の歪み比を測定した。その測定では、各箇所に歪みゲージを取り付けて、各箇所の歪みを測定し、次いで、開口部縁ｘ_１の歪みを１として、各箇所の歪み比を求めた。その結果を表２に示す。なお、開口部は、巻き付け角度が小さいラミネート２，８によって形成されていた。
表２に示されるように、この圧力容器では、各箇所の歪み比が０．０８〜１２．０の範囲にあった。
また、歪ゲージにより直胴部での軸方向と周方向の歪比率を測定し、応力値に換算して、ガス充填時の直胴部における軸方向の応力と周方向の応力との比率を求めたところ、０．８２であった。
【００２０】
【表２】

【００２１】
次いで、この圧力容器の破裂圧力を次のようにして測定した。まず、三菱レイヨン社製水圧破壊試験機に圧力容器をセットし、昇圧速度１．４ＭＰａ以下で容器に水圧を負荷し、容器が破裂したときの圧力を測定した。この測定を３回行い、その平均値を算出した。その結果、破裂圧力は１８５ＭＰａであった。なお、容器の破裂は、直胴部で生じた。
すなわち、この圧力容器は破裂圧力が高く、しかも、ドーム部での破裂が防止されていた。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の圧力容器は、ドーム部の不均一な変形が防止されているので、ドーム部の強度が十分になり、許容範囲を超えた内圧が負荷されたときにおいてもドーム部での破裂が防止されている。
また、ガス充填時の直胴部における軸方向の応力と周方向の応力との応力比率が０．７〜０．９５の範囲にあれば、許容範囲を超えた内圧が負荷されたときにもドーム部で破壊する可能性がより低くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力容器の一実施形態例を示す部分断面図である。
【図２】開口部縁から直胴部縁にかけて１０等分したときの各箇所を説明する図であって、ドーム部を拡大した図である。
【図３】巻き付け角度のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図４】ドーム部の開口部を示す図である。
【図５】図１に示す圧力容器の製造方法の一例を模式的に示す図である。
【図６】従来の圧力容器の一例を示す部分断面図である。
【図７】ガス充填時のドーム部の不均一な変形例を誇張して示す斜視図である。
【符号の説明】
１圧力容器
２容器本体
３繊維強化樹脂層
４直胴部
５ａ，５ｂドーム部

Claims

直胴部とこの直胴部の両端を塞ぐ半球状のドーム部とからなる容器本体上に、強化繊維束を有する繊維強化樹脂層が形成された圧力容器において、
前記ドーム部は、開口部縁から直胴部縁にかけて１０等分した際の各箇所の歪み比が開口部縁の歪み比に対して０．０８〜１２．０の範囲にあることを特徴とする圧力容器。
ガス充填時の直胴部における軸方向の応力（Ａ）と周方向の応力（Ｂ）との比率（Ａ／Ｂ）が０．７〜０．９５の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
繊維強化樹脂層を形成する強化繊維束が、２５０ＧＰａ以上の引張弾性率を有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力容器。
前記容器本体が金属製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力容器。