JP2005106142A

JP2005106142A - 圧力容器

Info

Publication number: JP2005106142A
Application number: JP2003338978A
Authority: JP
Inventors: Hisato Kato; 久人加藤; Koji Setta; 浩司攝田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】耐圧強度が高く、安全でかつ軽量な圧力容器を安価に提供することを目的とする。
【解決手段】圧力容器１を、円筒部３の両端にドーム部４を有するライナー２と、ライナー２の表面に形成された繊維強化複合材製の外殻５とを有する構成とする。外殻５は、ライナー２の表面に対して巻付繊維Ｆが巻付けられてなる繊維部と、この繊維部に含浸されるエポキシ樹脂等の合成樹脂（図示せず）とによって構成する。繊維部を、ライナー２の表面に巻付繊維Ｆをヘリカル巻きしてなる第一ヘリカル巻部Ｈ１と、第一ヘリカル巻部Ｈ１の上にこの順番で形成される第二、第三、第四、第五ヘリカル巻部Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５によって構成する。これら第一〜第五ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ５を、それぞれ巻付繊維Ｆが異なる巻付角度θ１〜θ５で巻付けられてなる構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力容器に関するものである。

圧力容器は、各種の加圧流体を収容するための容器であって、例えば、円筒部の両端にドーム部を有するライナーと、ライナーの表面に形成された繊維強化複合材製の外殻とによって構成される。
ここで、ライナーは、少なくとも一端のドーム部の頂点に、加圧流体を出し入れするための口金が設けられている。
外殻は、ライナーの表面にフィラメントワインディング法によって巻付繊維を巻付けて、これを樹脂等によって固めたものである。

ライナーに対する巻付繊維の巻付方法としては、ライナーにおいて口金が設けられる端部に対して、口金付け根からライナー表面に対して測地線に沿って巻付繊維を巻付けてゆき、ライナーの円筒部及び他端側を含めて巻付繊維を巻付けてゆくヘリカル巻きがある。また、ライナーの円筒部に対して周方向に巻付繊維を巻付けてゆき、このようにして巻付繊維を円筒部の表面を軸線方向の一端側から他端側まで巻付けるフープ巻きがある。
ヘリカル巻きの場合、ドーム部の頂点付近では巻付繊維の繊維方向がライナーに加わる主応力方向に近いが、円筒部との接続部に近付くにつれて繊維方向が主応力方向からずれてゆくので、ドーム部において円筒部近傍の部分、及び円筒部の補強効果が低い。従来は、ヘリカル巻きした上にさらにフープ巻きを施すことで、円筒部の補強効果を得ている。
このような圧力容器としては、後記の特許文献１に記載のものがある。
特許文献１には、ライナーに対して巻付けられる巻付繊維の軌道が、口金に接する軌道と、口金に接しない軌道の２種類存在し、口金に接しない軌道を通る巻付繊維は、ドーム部から次第に配列角度が大きくなって円筒部に配列されるフープ巻きに連続するように配列されている。

特開２０００−３３７５９４号公報（段落［００１２］〜［００１５］，及び図１）

しかし、特許文献１に記載の技術では、ライナーを、口金に接する軌道を通る巻付繊維と、口金に接しない軌道を通る巻付繊維との二段によって補強しているのみであるので、ドーム部の補強が不十分となる。
また、口金に接しない軌道を通る巻付繊維は、ドーム部の測地線から次第にずれてゆくように巻きつけられているので、巻付繊維の横滑りが生じるなどして巻付繊維に緩みが生じる可能性がある。
このため、ライナーの補強が十分でなく、より高圧の充填を可能にするためには、巻付繊維の巻付量を多くするか、ライナーの肉厚を増加させる必要がある。しかし、この場合には、圧力容器の重量が増加してしまい、また、巻付作業の作業量や巻付繊維の使用量が増加するために製造コストが高くなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、耐圧強度が高く、安全でかつ軽量な圧力容器を安価に提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の圧力容器は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる圧力容器は、円筒部の両端にドーム部を有するライナーと、該ライナーの表面に形成された繊維強化複合材製の外殻とを有する圧力容器であって、前記外殻は、前記ライナーの表面に対して巻付繊維が巻付けられてなる繊維部が厚み方向に三段以上形成された構成とされており、該繊維部のうち、少なくとも二段以上は、前記巻付繊維を前記ライナーに対してヘリカル巻きしてなるヘリカル巻部によって構成されており、これらヘリカル巻部は、前記巻付繊維がそれぞれ前記ライナーの前記ドーム部の測地線に沿って巻付けられているとともに、各ヘリカル巻部で、前記ドーム部に対する巻付角度θがそれぞれ異なっていることを特徴とする。

このように構成される圧力容器は、外殻が、三段以上の繊維部によって構成されているので、ドーム部をより確実に補強することができる。
さらに、繊維部は、それぞれ巻付繊維の巻付角度の異なる複数段のヘリカル巻部を有している。これらヘリカル巻部は、それぞれドーム部に対する巻付角度θがそれぞれ異なっていて、繊維の方向が交差している。
このため、いずれかのヘリカル巻部においてライナーを補強する効果の弱い方向（繊維方向に直交または大きな角度で交差する方向）に力が加わっても、他のヘリカル巻部では、繊維方向がこの力に対してより小さい角度で交差しているため、この力を十分に受け止めることができる。
ここで、巻付繊維の巻付角度θとは、ライナーの軸線に対する巻付繊維の傾斜角度を指している。なお、巻付繊維はライナーに対して測地線に沿って巻付けられているので、一つのヘリカル巻部に限ってみても、ドーム部では、巻付繊維の巻付角度は連続的に変化している。しかし、巻付繊維は測地線に沿って巻付けられているので、この巻付角度の変化パターンは、各ヘリカル巻部を構成する巻付繊維の巻付開始角度が決まれば、一意に定まる。言い換えれば、巻付開始角度が異なるヘリカル巻部は、巻付角度の変化パターンも異なる。すなわち、ここでいう「各ヘリカル巻部で巻付繊維の巻付角度が異なっている」ということは、「各ヘリカル巻部で巻付繊維の巻付開始角度が異なっている」ということである。

また、各ヘリカル巻部の巻付角度θは適宜選択可能であり、巻付角度θを調整することで、ライナーの補強方向を調整することができる。そして、巻付角度θの異なるヘリカル巻部の数を増やすことで、より多くの方向に対してライナーの補強を行うことができる。
これにより、ドーム部の形状によらず、繊維の方向を、ライナーに生じる主応力方向に対してより小さい角度で交差するように設定することが可能であり、ライナーの形状に合わせて、最適な補強を行うことができる。

さらに、各ヘリカル巻部では、それぞれ巻付繊維がドーム部の測地線に沿って巻付けられているので、ドーム部に巻きつけられている繊維の横滑りが生じにくい。これにより、巻付繊維に緩みが生じにくく、ライナーの補強がより確実に行われる。
また、各ヘリカル巻部は、巻付け部の頂点よりも円筒部側にのみ形成されるので、各ヘリカル巻部は、ドーム部の頂点近傍では重複しない。このため、ドーム部の頂点近傍で使用される巻付繊維の量が必要最低限で済む。

このように、本発明にかかる圧力容器は、外殻を構成する繊維部が、三段以上設けられており、また、複数の異なる方向からライナーを補強しているので、局所的な脆弱部分が生じず、耐圧性能が高い。
また、巻付繊維の使用量が従来よりも少なくて済むので軽量かつ低コストである。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１から図４を用いて説明する。
本実施形態にかかる圧力容器１は、燃料電池自動車用水素タンク、ＣＮＧタンク、医療用酸素タンク、またはスキューバダイビング用のエアタンク等、内部に高圧の加圧流体を収容するためのものである。

圧力容器１は、図１の正面図に示すように、円筒部３の両端にドーム部４を有するライナー２と、ライナー２の表面に形成された繊維強化複合材製の外殻５とを有する圧力容器である。
ライナー２は、容積３５Ｌの均一な板厚（例えば４．５ｍｍ）の金属製の容器であって、円筒部３の軸線Ｏ周りに回転対称となる形状とされている。また、ライナー２のドーム部４は、半球よりも扁平な扁平形状とされており、これらドーム部４のうち、少なくともいずれか一方の頂点には、加圧流体を出し入れするための口金６が設けられている。

外殻５は、ライナー２の表面に対して、グラスファイバーやカーボンファイバー等の巻付繊維Ｆが巻付けられてなる繊維部と、この繊維部に含浸されるエポキシ樹脂等の合成樹脂（図示せず）とによって構成されている。
繊維部は、ライナー２の表面に巻付繊維Ｆをヘリカル巻きしてなる第一ヘリカル巻部Ｈ１と、第一ヘリカル巻部Ｈ１の上にこの順番で形成される第二、第三、第四、第五ヘリカル巻部Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５と、これら五段の繊維部の上から、ライナー２の円筒部３上に巻付繊維をフープ巻きしてなるフープ巻部Ｈとの、計六段の繊維部によって構成されている。

なお、「ヘリカル巻き」とは、巻付繊維Ｆをライナー２の一方のドーム部４に対してある巻付角度θで巻付けてゆき、さらに円筒部３及び他方のドーム部４に対して巻きつけて、他方のドーム部４から折り返し一方のドーム部４の巻付け開始点まで巻きつける巻き方である。ここでは、このような巻き方で図２の平面図に示すように一周ずつわずかにずらして巻いてゆき、ライナー２の周方向に一周するまで巻くことを、「ヘリカル巻きで一周させる」という。

第一〜第五ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ５自体は、ライナー２を一周ヘリカル巻きしてなる一層構造、または複数周ヘリカル巻きしてなる多層構造とされている。
本実施形態では、第一〜第四ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ４は、それぞれライナー２を二周ヘリカル巻きしてなる二層構造とされており、第五ヘリカル巻部Ｈ５は、ライナー２を三周ヘリカル巻きしてなる三層構造とされている。すなわち、繊維部において、第一〜第五ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ５によって構成される部分は、五段１１層とされている。
また、フープ巻部ｈは、フープ巻きを１８回繰り返してなる１８層構造とされている。

各ヘリカル巻部では、ドーム部４に対する巻付角度θがそれぞれ異なっている。
ここで、巻付繊維Ｆはライナー２に対して測地線に沿って巻付けられているので、一つのヘリカル巻部に限ってみても、ドーム部４では、巻付繊維Ｆの各部における巻付角度θは連続的に変化する。
具体的には、この巻付角度θは、以下の数式で表される。
円筒部３における巻付角度θ： θ＝sin^-1ρ_０
ドーム部４における巻付角度θ： θ＝tan^-1{ρ_０/√(ρ²−ρ_０ ²)}
なお、これらの式中の変数ρ_０は、各ヘリカル巻き部のドーム部４での巻付繊維Ｆの頂点Ｐにおける圧力容器１の半径Ｒｐと円筒部３の半径Ｒｃとの比である（すなわちρ_０＝Ｒｐ／Ｒｃ）。また、変数ρは、ドーム４上の任意点における圧力容器１の半径Ｒと円筒部３の半径Ｒｃとの比である（すなわちρ＝Ｒ／Ｒｃ）。
しかし、この巻付角度θの変化パターンは、各ヘリカル巻部を構成する巻付繊維Ｆの巻付開始角度が決まれば、一意に定まる。言い換えれば、巻付開始角度が異なるヘリカル巻部は、巻付角度の変化パターンも異なる。
すなわち、ここでいう「各ヘリカル巻部で巻付繊維の巻付角度θが異なっている」ということは、「各ヘリカル巻部で巻付繊維の巻付開始角度が異なっている」ということである。
以下、各ヘリカル巻部の構成について詳細に説明する。ここで、以下では、図１に示すように、ドーム部４における巻付繊維Ｆの巻付け部の頂点とライナー２の軸線Ｏとを含む平面を「基準面」と呼ぶ。
本実施形態において、各ヘリカル巻部では、基準面に直交する方向から見て、巻付け部の頂点を始点として、この頂点から円筒部３とドーム部４の境界線と軸線Ｏとの交差点Ｃに向けて巻付けが始められている。ここで、基準面に直交する方向から見て、頂点における巻付繊維Ｆの巻付方向と軸線Ｏとのなす角度（すなわち巻付開始角度）を、巻付角度θとする。
第一〜第五ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ５は、図１に示すように、それぞれドーム部４に対する巻付角度θを異ならせて、巻付繊維Ｆをライナー２のドーム部４の測地線に沿って巻付けることによって構成されている。
ここで、図１では、第一〜第五ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ５のそれぞれの巻き方をわかりやすくするために、第一〜第五ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ５の交差点Ｃがそれぞれ一致しているように図示したが、実際には、これらの交差点Ｃは必ずしも一致していない。

具体的には、第一ヘリカル巻部Ｈ１では、巻付繊維Ｆは、ライナー２においてドーム部４における巻付繊維Ｆの巻付け部の頂点Ｐ１から巻付角度θ１で巻付けられている。
同様に、第二、第三、第四、第五ヘリカル巻部Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５では、それぞれ巻付繊維Ｆが、ライナー２においてドーム部４における巻付繊維Ｆの巻付け部の頂点Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５から巻付け角度θ２，θ３，θ４，θ５で巻付けられている。
これら巻付角度θ１〜θ５の大きさは、θ１＜θ２＜θ３＜θ４＜θ５となっている。

ここで、ヘリカル巻部は、巻付角度が小さいほど、ドーム部４の頂点近傍に近い領域を覆うものである。本実施の形態では、第一ヘリカル巻部Ｈ１は、口金６の付け根まで覆うものであり、以下、第二、第三、第四、第五ヘリカル巻部Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５は、この順にドーム部４の頂点から離間している。
具体的には、第一ヘリカル巻部Ｈ１は、図２及び図３の平面図に示すように、口金６の付け根まで覆っている。ここで、図２では、ヘリカル巻部のうち、第一、第二ヘリカル層Ｈ１，Ｈ２のみ図示しており、図３では、ヘリカル巻部のうち、第一ヘリカル層Ｈ１のみ図示している。
また、第二ヘリカル巻部Ｈ２は、図２及び図４の平面図に示すように、口金６から離間した位置を覆っている。ここで、図４では、ヘリカル巻部のうち、第二ヘリカル巻部Ｈ２のみ図示している。
そして、第三〜第五ヘリカル巻部Ｈ３〜Ｈ５は、順次口金６から離間した位置を覆っている。

以下、このように構成される圧力容器１の製造方法について説明する。
まず、ライナー２を、フィラメントワインディング装置のマンドレル支持部に装着して、軸線周りの回転可能にして支持する。
ついで、ライナー２の周面に、樹脂を含浸させた巻付繊維Ｆを、口金６の付け根に接する位置（図１に示す頂点Ｐ１）に固定し、この状態でライナー２を軸線周りに回転させながら、ライナー２にその測地線に沿って巻付繊維Ｆを巻付けてゆく。このようにして二周のヘリカル巻きを行うことで、第一ヘリカル巻部Ｈ１を形成する。
ここで、このときの巻付繊維Ｆの巻付角度はθ１であるが、巻付繊維Ｆは測地線に沿って巻付けられるので、この巻付角度は、頂点Ｐ１の位置によって一意に定まるものである。逆に言えば、頂点Ｐ１の位置（軸線Ｏ方向位置）は、巻付角度が定まると一意に定まる。本実施の形態では、巻付角度θ１は、８°である。

第一ヘリカル巻部Ｈ１を形成したのちは、図１に示す頂点Ｐ２の位置から、再び測地線に沿ってライナー２に巻付繊維Ｆを巻付けてゆき、二周のヘリカル巻きを行うことで、第二ヘリカル巻部Ｈ２を形成する。
なお、このときの巻付繊維Ｆの巻付角度はθ２であるが、これも頂点Ｐ２の位置によって一意に定まるものである。本実施の形態では、巻付角度θ２は、１０°である。

ここで、第一ヘリカル巻部Ｈ１の形成作業から第二ヘリカル巻部Ｈ２の形成作業に移行する際には、一旦巻付繊維Ｆを切断して第一ヘリカル巻部Ｈ１側の末端を第一ヘリカル巻部Ｈ１の表面に固定する。そして、巻付繊維Ｆの他方の末端を、第一ヘリカル巻部Ｈ１上の頂点Ｐ２に固定して、この頂点Ｐ２からヘリカル巻きを開始して、第二ヘリカル巻部Ｈ２を形成する。
なお、第一ヘリカル巻部Ｈ１を形成したのちは、上記のように巻付繊維Ｆを切断せずに、第一ヘリカル巻部Ｈ１上で第一ヘリカル巻部Ｈ１の終点から頂点Ｐ２まで巻付繊維Ｆを這わせて、頂点Ｐ２からヘリカル巻きを行ってもよい。

そして、第二ヘリカル巻部Ｈ２を形成したのちは、同様の手順で、第三、第四、第五ヘリカル巻部Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５を形成する。
ここで、第五ヘリカル巻部Ｈ５では、第一〜第四ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ４とは異なり、ヘリカル巻きを三周行う。
ここで、第三、第四、第五ヘリカル巻部Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５における巻付繊維Ｆの巻付角度θ３，θ４，θ５は、それぞれこの順番に、１５°、１７°、２０°とされている。

このようにして第一〜第五ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ５を形成したのち、巻付繊維Ｆに含浸させた樹脂を硬化させて巻付繊維Ｆを固定し、一体の外殻５とすることで、圧力容器１を得る。

このように構成される圧力容器１は、外殻５が、三段以上の繊維部によって構成されているので、ドーム部４をより確実に補強することができる。
さらに、外殻５を構成する繊維部は、それぞれ巻付繊維Ｆの巻付角度の異なる第一〜第五ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ５を有している。これら第一〜第五ヘリカル巻部Ｈ１〜Ｈ５は、繊維の方向が交差している。
このため、いずれかのヘリカル巻部においてライナー２を補強する効果の弱い方向（繊維方向に直交または大きな角度で交差する方向）に力が加わっても、他のヘリカル巻部では、繊維方向がこの力に対してより小さい角度で交差しているため、この力を十分に受け止めることができる。

また、各ヘリカル巻部の巻付角度θは、巻付開始点である頂点Ｐの位置を変更することで適宜選択可能であり、この巻付角度θを調整することで、ライナー２の補強方向を調整することができる。そして、巻付角度θの異なるヘリカル巻部の数を増やすことで、より多くの方向に対してライナー２の補強を行うことができる。
これにより、ドーム部４の形状によらず、巻付繊維Ｆの巻付方向を、ライナー２に生じる主応力方向に対してより小さい角度で交差するように設定することが可能であり、任意の形状のライナーについて最適な補強を行うことができる。

さらに、各ヘリカル巻部では、それぞれ巻付繊維Ｆがドーム部４の測地線に沿って巻付けられていて、ドーム部４に巻きつけられている繊維の横滑りが生じにくいので、ライナー２の補強がより確実に行われる。
また、各ヘリカル巻部は、巻付け部の頂点よりも円筒部３側にのみ形成されるので、各ヘリカル巻部は、ドーム部４の頂点近傍では重複しない。このため、ドーム部の頂点近傍で使用される巻付繊維の量が必要最低限で済む。

ここで、本実施形態に示す圧力容器１の試作品を実際に作成し、その性能を検証した。
この試作品では、ライナー２として、円筒部３の軸線方向長さが３８８ｍｍ、直径が３００ｍｍ、口金部６を除いた軸線方向の長さが６１３ｍｍ、肉厚が４．５ｍｍで、重量７．９ｋｇのアルミ合金製のものを用いた。また、外殻５は、巻付繊維Ｆとしてカーボンファイバーを用いて、この巻付繊維Ｆをエポキシ樹脂によって固めた構成とした。なお、外殻５を構成する繊維部は、５段１1層のヘリカル巻部と、１８層のフープ巻部ｈとによって構成した。この外殻の総重量は１０．１ｋｇであった。すなわち、容器重量は１８．０ｋｇであった。
この圧力容器１は、耐圧性能試験の結果、使用圧力が７０ＭＰａに対して、破裂圧力は１７９ＭＰａであり、従来の圧力容器に比べて高い耐圧性能を有していることがわかる。

ここで、上記実施の形態では、ライナー２を鉄製とした例を示したが、これに限られることなく、十分な漏れ防止機能を有しているものであれば、樹脂製としても構わない。
また、ライナー２として、ドーム部４が扁平形状のものを用いた例を示したが、これに限られることなく、任意形状のドーム部４を有するライナー２を用いることができる。
また、上記実施の形態では、外殻５を構成する繊維部として、五段１１層のヘリカル巻部とフープ巻部ｈとを設けた例を示したが、ヘリカル巻部のみによって十分ライナー２の補強を行うことができる場合には、フープ巻部ｈを省略してもよい。
また、ヘリカル巻部は、五段１１層に限らず、１１段１１層にしてもよい。

本発明にかかる圧力容器の構成を示す正面図である。図１の平面図であって、外殻を構成する繊維部のうち、第一、第二ヘリカル巻部のみ図示したものである。図１の平面図であって、外殻を構成する繊維部のうち、第一ヘリカル巻部のみ図示したものである。図１の平面図であって、外殻を構成する繊維部のうち、第二ヘリカル巻部のみ図示したものである。

符号の説明

１圧力容器
２ライナー
３円筒部
４ドーム部
５外殻
Ｆ巻付繊維
Ｈ１〜Ｈ５ヘリカル巻部
θ１〜θ５巻付角度

Claims

円筒部の両端にドーム部を有するライナーと、
該ライナーの表面に形成された繊維強化複合材製の外殻とを有する圧力容器であって、
前記外殻は、前記ライナーの表面に対して巻付繊維が巻付けられてなる繊維部が厚み方向に三段以上形成された構成とされており、
該繊維部のうち、少なくとも二段以上は、前記巻付繊維を前記ライナーに対してヘリカル巻きしてなるヘリカル巻部によって構成されており、
これらヘリカル巻部は、前記巻付繊維がそれぞれ前記ライナーの前記ドーム部の測地線に沿って巻付けられているとともに、各ヘリカル巻部で、前記ドーム部に対する巻付角度θがそれぞれ異なっていることを特徴とする圧力容器。