JP2005172028A

JP2005172028A - 圧力容器

Info

Publication number: JP2005172028A
Application number: JP2003409027A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Yoshimura; 雄介吉村; Tadashi Uozumi; 忠司魚住
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】ライナーに強化繊維層を形成して製造される圧力容器において、ライナー端部に強化繊維層の被覆を受けない露出部を設ける必要がある場合に、その露出部が強化繊維層に支持される他の部位に比して強度・剛性が脆弱となるため、高圧気体の充填時に塑性変形や応力集中により破壊される恐れがある。
【解決手段】中空に形成されるライナー１の外側面に、ブレイディング製法により強化繊維層２を形成して構成される圧力容器１０であって、ライナー１を端部側に向けて先細りに形成すると共に、ライナー本体４の端部４ａと強化繊維層２の端部との間で、ライナー本体４に環状の突出部５を形成し、突出部５はライナー本体４と合わせてライナー１に一体形成されるものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空に形成されるライナーの外側面に、強化繊維層を形成して構成される圧力容器の技術に関する。

従来より、高圧の圧縮ガスを充填する容器として、ライナーの外側にＦＲＰ（繊維強化プラスティック）を形成して構成される耐圧力中空容器（以下、圧力容器）が知られている。
このようなＦＲＰ圧力容器は、例えば、天然ガス自動車の燃料タンクとして利用され、この内部に２００気圧程度の圧力のＣＮＧ（圧縮天然ガス）が充填される。

ＦＲＰは、ガラス繊維、アラミド繊維、カーボン繊維等の強化繊維を樹脂で固めて構成される材料である。ＦＲＰの強度・剛性を高めるには、繊維片を樹脂で固めるのではなく、連続繊維を用いて強化繊維層を形成し、その強化繊維層を硬化させた方がよい。
連続繊維により強化繊維層を形成する製法としては、フィラメントワインディング製法、ブレイディング製法、ファイバープレースメント製法がある。
フィラメントワインディング製法による圧力容器の一例としては、特許文献１に開示される技術があり、ブレイディング製法による圧力容器の一例としては、特許文献２に開示される技術がある。
また、ファイバープレースメント製法とは、通常のテーププリプレグを細くスリット加工したもの若しくは糸状のプリグレフを、回転させながらマンドレル上に積層して、強化繊維層（ＦＲＰ層）を形成する製法である。このため、複雑な曲面形状の成形にも適している。また、薄いテープの積層であるため、繊維方向を自由に設定可能である。

特に、ブレイディング製法は、強化繊維層自体を組物で構成する製法であるため、強度・剛性の点で、フィラメントワインディング製法やファイバープレースメント製法よりも優れている。

特開２０００−２６６２８８号公報特開２０００−３３４８５３号公報

近年、水素を燃料とする燃料電池自動車が実用化されており、その水素供給源として、軽量かつ強度の高い燃料タンクが求められている。
水素ガスタンクは、現状では最高圧力が３５０気圧に制限されているため、通常の乗用車に搭載可能なサイズ（長さ１ｍ程度）のタンクでは、燃料電池自動車の航続走行距離は３００〜３５０ｋｍ程度に限られている。ガソリン車並みの航続走行距離（５００ｋｍ）を達成するには充填圧力をより高圧化して水素の搭載量を増やすことが望ましく、７００気圧対応の車両搭載型超高圧タンクの開発が検討されている。
したがって、燃料電池自動車の燃料タンクの製造において、連続繊維により繊維強化層を形成する製法が、圧力容器を軽量かつ強度・剛性に優れるものとするため適切であり、前述したように特にブレイディング製法が適切である。

ところが、圧力容器の製造において、バルブの形状や固定方法によっては、ライナーの端部に強化繊維層により被覆されない露出部が必要となる。
しかし、端部でライナーが露出した構成の圧力容器において、圧力容器内に充填された気体の圧力が前述した７００気圧といった高圧である場合は、ライナーがその圧力を受けて、端部で局部的な塑性変形を起こしたり、局部への応力集中により破壊されてしまう恐れがある。これを防止するために、端部でライナーを一律に厚肉にすると、圧力容器の重量増加に繋がってしまう。

つまり、解決しようとする問題点は、ライナーに強化繊維層を形成して製造される圧力容器において、ライナー端部に強化繊維層の被覆を受けない露出部を設ける必要がある場合に、その露出部が強化繊維層に支持される他の部位に比して強度・剛性が脆弱となるため、高圧気体の充填時に塑性変形や応力集中により破壊される恐れがある点である。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、
中空に形成されるライナーの外側面に、ブレイディング製法により強化繊維層を形成して構成される圧力容器であって、
ライナーを端部側に向けて先細りに形成すると共に、
ライナーの端部と強化繊維層の端部との間で、ライナーに環状の突出部を形成したものである。

請求項２においては、
前記突出部は、ライナーに一体形成されるものとしたものである。

請求項３においては、
前記突出部は、ライナーと別体で形成され、ライナー上に組み付けられるものとしたものである。

請求項４においては、前記強化繊維層をブレイディング製法により製造するものとしたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、ライナーにおいて、強化繊維層により直接被覆されない端部においても、その部位の剛性が高められるので、圧力気体を圧力容器内に封入しても、端部の塑性変形や破壊が防止される。

請求項２においては、端部の塑性変形や破壊が、より一層防止される。

請求項３においては、一体型のライナーを形成する場合に比して、製造が容易である。また、封入気体の圧力に応じて、適宜突出長さの異なる強度部材をライナー本体に組付けることができ、仕様変更が容易である。

請求項４においては、強化繊維層自体の剛性・強度が高められる。

本発明の圧力容器の二つの実施の形態について、図面を用いて説明する。
第一の実施の形態である圧力容器１０と、第二の実施の形態である圧力容器２０との主たる相違点は、ライナーの構成において、ライナー本体とその強度部材とを、一体で形成するか、別体で形成するか、の点である。他の点に関しては、圧力容器１０・２０で同様である。

図１を用いて、第一の実施の形態である圧力容器１０について説明する。
圧力容器１０は、中空に形成されるライナー１の外側面に、ブレイディング製法（後述）により強化繊維層２を形成して、構成される。
ライナー１は、圧力容器１０の内殻を構成するものであり、アルミニウム合金等の金属や樹脂で形成される。このライナー１自体が一つの容器に構成されており、この内部には、高圧の水素ガス等の圧力気体が充填される。
一方、強化繊維層２は、圧力容器１０の外殻に構成されており、ライナー１を外部より支持し、ライナー１の塑性変形や破壊を防止する。
そして、ライナーと強化繊維層との組合せで圧力容器を構成することにより、鉄等の金属単体で圧力容器を構成する場合に比して、肉厚を薄くして軽量としながら、高圧の圧力気体を内部に充填可能としている。

ブレイディング製法とは、繊維をマンドリル（芯金）上に巻き付けて円筒状の組物を製造する製法であり、この製法は、巻角度を変えられるなどの高い設計自由度を有している。なお、ブレイディング製法は公知技術であるので、その詳細については、本明細書では省略する。
圧力容器１００の製造においては、ライナー１がマンドリルに相当し、ライナー１上に強化繊維がブレイダー（組紐機）により巻き付けられる。強化繊維はライナー１に何層にも渡って巻き付けられて、ライナー１上に強化繊維層２が形成される。
また、強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、カーボン繊維等がある。

また、強化繊維層２を樹脂で固めることにより、ＦＲＰ（強化繊維プラスティック）層を構成してもよい。
この場合は、圧力容器の外殻を構成するＦＲＰ層の一部が破損しても、ＦＲＰ層に含まれる強化繊維自体が解れることがなく、ライナーが安定的に支持される。

ライナー１は、中心軸７に対して軸対称となる回転体であり、両方の端部が先細りに形成されて、全体形状が樽型である。
また、強化繊維層２も、ライナー１の外側面に沿って形成されるため、両方の端部で先細り形状となっている。このため、強化繊維層２によりライナー１が脱落不能かつ強固に支持される。

ライナー１は、ライナー本体４と、ライナー本体４の両端部４ａ・４ｂにそれぞれ突出形成される突出部５・６とからなっている。説明の便宜上、ライナー本体４と突出部５・６とを区別するが、これらは一体形成されるものである。
なお、ライナー１の端部とは、ライナー本体４の端部４ａと突出部５とを合わせたものと、ライナー本体４の端部４ｂと突出部６とを合わせたものと、を意味する。
そして、ライナー本体４は、その両端部４ａ・４ｂがそれぞれドーム状に形成される中空部材とし、突出部５・６は環状部材となっている。
詳しくは後述するが、突出部５・６は、ライナー本体４に対する強度部材として機能する。

ライナー本体４には、端部４ａの中央（中心軸７上）に、内外を貫通する開口４ｃが形成されると共に、接続管８を介して、該開口４ｃと連通するバルブ３が取付けられている。なお、開口４ｃの内面と接続管８の外面とにはそれぞれ螺子が形成されており、螺子の噛合により接続管８が端部４ａに固定される。接続管８とバルブ３との固定も、螺子式である。
そして、ライナー１の内部に圧力気体を充填して、バルブ３を閉鎖することで、圧力容器１０の内部に圧力気体を封入しておくことができる。

ライナー本体４の肉厚は、ライナー本体４の外面が強化繊維層２により被覆される部位において薄く、被覆されない露出部位において厚く形成されている。露出部位とは両端部４ａ・４ｂであり、ライナー本体４のその他の部分は、強化繊維層２により被覆されている。
なお、両端部４ａ・４ｂの外面のうち、外周部はそれぞれ突出部５・６により覆われているため、実際に外面が露出するのは、中心軸７の周辺部のみである。前述で端部４ａ・４ｂの全体を露出部位としているのは、あくまで、強化繊維層２による被覆を受けない部位の意味であって、実際の露出部位を意味するわけではない。

また、ライナー本体４の内壁面は、基本的には、その外壁面と相似となるように形成されて、内容積ができるだけ広く確保されている。但し、突出部５側では、ライナー本体４の内外壁面の形状がやや異なっている。
ライナー本体４において、開口４ｃの周辺部の内外壁面は共に、中心軸７に対して垂直な平面部に形成されているが、この内壁側の平面部は内側への突出部となっており、その外周部が環状の凹部４ｅに形成されている。そして、この凹部４ｅのため、開口４ｃの周辺部に掛かる圧力の負荷が、幾分軽減される。

圧力容器１０内に圧力気体を充填した際には、ライナー本体４は、内部の圧力気体の圧力により、自らを膨張させる向き（外向き）の力を受ける。
ここで、強化繊維層２により被覆されている部位、すなわちライナー本体４の側部は、強化繊維層２に支持されることにより、外側への変位が抑止されている。
一方、強化繊維層２に被覆されない露出部位である両端部４ａ・４ｂは、間接的に強化繊維層２に支持されることにより、外側への変位が抑止されている。
以下、両端部４ａ・４ｂの変位を抑止する構成を、詳しく説明する。

突出部５・６の外側面５ａ・６ａと、ライナー本体４の外側面４ｄとは、共にライナー１の外側面の一部を構成するものであり、ライナー１の外側面に形成される強化繊維層２により、ライナー本体４だけでなく突出部５・６も支持される。
そして、前述したように、ライナー１は先細りに形成されているため、ライナー１の両端部の先端にそれぞれ位置する突出部５・６も、当然ながら、先細りに形成されている。

以上構成により、突出部５・６は、強化繊維層２により斜め内側へ向けて押さえ込まれている。つまり、突出部５・６は、強化繊維層２により、半径方向（中心軸７に対する放射方向）への変位が抑止されると共に、中心軸７方向の外側への変位も抑止されている。
また、両端部４ａ・４ｂがそれぞれ、突出部５・６を介して強化繊維層２に支持されている。このため、両端部４ａ・４ｂがそれぞれ、内部の圧力気体の圧力により、中心軸７方向の外側へ力を受けても、間接的に強化繊維層２に支持されることで、該両端部４ａ・４ｂの外側への変位が抑止される。
加えて、突出部５・６は、底辺（端部４ａ・４ｂとの接合部）に向けて末広がりに形成されているため、端部４ａ・４ｂの中央部をも支持している。このため、内部の圧力気体の圧力により、端部４ａ・４ｂの中央部が外側に変位してしまうこともない。
以上のようにして、突出部５・６が、ライナー本体４の強度部材として機能する。

図２を用いて、強度部材としての突出部５の各部の機能について整理する。なお、突出部５・６に関して、各部の機能は同じであるので、ここでは、突出部５についてのみ説明する。
突出部５は中心軸４を含む平面で切断した断面形状が略三角形状であるが、この三角形を構成する各辺は、次のような機能を有している。
まず、突出部５・６の外側の辺部５ｂ（外側面５ａ・６ａのある部位）は、突出部５・６が強化繊維層２に直接支持されるのに役立つ。次いで、突出部５・６の底辺部５ｃ（端部４ａ・４ｂとの接合部）は、突出部５・６が端部４ａ・４ｂを支持するのに役立つ。また、突出部５・６の内側の辺部５ｄは、辺部５ｂと底辺部５ｃとを橋架して突出部５の剛性を高めるのに役立つ。特に、辺部５ｄにより底辺部５ｃの内側端部が支持され、端部４ａが、突出部５により確実に支持される。

このため、突出部５を中空としても、突出部５が端部４ａを支持する作用には、大きな変化が無い。したがって、より一層の重量軽減のため、突出部５・６を中空としても良い。

また、突出部５・６の形状としては、前記断面形状が略三角形状の環状の突出体に限定されるものではなく、前述した三つの辺部、強化繊維層２に直接支持される第一部位（辺部５ｂに相当）、突出部が端部４ａ・４ｂを支持する第二部位（底辺部５ｃに相当）、第一部位と第二部位とを橋架する部位（辺部５ｄに相当）を有するものであればよい。
例えば、前記断面形状（中心軸４を含む平面で切断した断面形状）が末広がりの円錐台
や、矩形状であってもよい。
また、肉抜きの構成も、前述したような突出部５・６を中空として環状の肉抜きを形成する構成に限定されるものではなく、中心軸４方向より見て、内歯状に肉抜きが形成されるものとしてもよい。つまり、突出部５・６自体を、内歯状の環状部分に構成するものである。

次に、図３を用いて、第二の実施の形態である圧力容器２０について説明する。
圧力容器２０に適用されるライナー１１は、ライナー本体１４に対して、前記突出部５・６に相当する強度部材１５・１６とが、別体で構成されている。そして、圧力容器２０は、この点において、強度部材である突出部５・６がライナー本体４に一体的に形成される圧力容器１０と相違している。
他の点においては、圧力容器１０・２０は同様の構成であり、同様の部分に関しては、説明を大幅に省略する。

圧力容器２０は、中空に形成されるライナー１１の外側面に、ブレイディング製法により強化繊維層１２を形成して、構成される。強化繊維層１２を樹脂で固めることにより、ＦＲＰ（強化繊維プラスティック）層を構成してもよい。

ライナー１１は、ライナー本体１４と、ライナー本体１４の両端部１４ａ・１４ｂに固設される強度部材１５・１６と、からなっている。
端部１４ａの中央（中心軸１７上）には、内外を貫通する開口１４ｃが形成されると共に、接続管１８を介して、開口１４ｃと連通するバルブ１３が、ライナー本体１４に設けられている。
また、強度部材１５・１６は、縦断面形状が略三角形状の環状部材である。

強度部材１５は、次の構成により、ライナー本体１４に対して位置決めされる。
端部１４ａの中央部には、係止用突出部１４ｆが外側へ向けて突出形成されており、該係止用突出部１４ｆに、強度部材１５の内側端部１５ｅを係合可能である。なお、内側端部１５ｅは、強度部材１５の底部で中心軸１７側の端部に位置する環状部分である。
そして、強度部材１５は、ライナー本体１４に対して、少なくとも半径方向（中心軸７に対する放射方向）で位置決めされる。
強度部材１６をライナー本体１４に対して位置決めする構成も、強度部材１５の場合と同様である。

また、強度部材１５・１６は、ライナー本体１４に対して固設されるが、必ずしも一体化してしまう必要はない。つまり、少なくとも、ブレイディングの際に、ライナー本体１４より強度部材１５・１６が脱落しなければよい。
したがって、ライナー本体１４に対して強度部材１５・１６を固定する方法としては、接着剤を用いた溶着や電気溶着であっても、溶接であってもよく、あるいは、強度部材１５・１６とライナー本体１４の熱膨張を利用した焼き嵌め方法であってもよく、固定方法を問わない。

そして、両端部１４ａ・１４ｂがそれぞれ、強度部材１５・１６を介して強化繊維層１２に支持されることにより、ライナー本体１４の強度が向上する。
これは、圧力容器１０において、突出部５・６が、ライナー本体４の強度部材として機能する場合と同様である。

以上で説明した圧力容器１０・２０の特徴点をまとめる。
圧力容器１０・２０は、中空に形成されるライナー１・１１の外側面に、それぞれ、強化繊維層２・１２を形成して構成される圧力容器である。
そして、ライナー１・１１を端部側に向けて先細りに形成すると共に、ライナー本体４・１４の端部４ａ・１４ａと、強化繊維層２・１２の端部との間で、ライナー１・１１に環状の突出部を形成している。
ライナー１・１１において、先細りに形成されている部位を詳しく説明すると、一方側では、端部４ａと突出部５の全体からなる部位であり、他方側では、端部４ｂと突出部６の全体からなる部位である。
また、環状の突出部は、圧力容器１０の場合は、前記突出部５・６であり、圧力容器２０の場合は、前記強度部材１５・１６である。

このため、端部４ａが、この環状の突出部を介して、強化繊維層２・１２により支持される。特に、端部４ａの中央は、内部の圧力気体の圧力を受けて、中心軸７・１７方向の外向きに力を受けるが、先細りの強化繊維層２・１２により、中心軸７・１７方向の内向きに押さえ込まれて、変位が抑止されている。

したがって、ライナー本体４・１４において、強化繊維層２・１２により直接被覆されない端部４ａ・４ｂにおいても、その部位の剛性が高められるので、圧力気体を圧力容器内に封入しても、端部４ａ・４ｂの塑性変形や破壊が防止される。

ここで、圧力容器１０においては、前記突出部５・６は、ライナー１に一体形成されるものとしている。

このため、端部４ａ・４ｂの肉厚が厚くされた状態となり、端部４ａ・４ｂの中央部が、強化繊維層２・１２により直接支持される。
したがって、端部４ａ・４ｂの塑性変形や破壊が、より一層防止される。

また、圧力容器２０においては、前記突出部に相当する強度部材１５・１６は、ライナー本体１４と別体で形成され、ライナー１４上に組み付けられて、ライナー１１を構成するるものとしている。

このため、端部４ａ・４ｂが、強度部材１５・１６を介して支持され、端部４ａ・４ｂの中央部が、強化繊維層２・１２により間接的に支持される。
この場合、一体型のライナーを形成する場合に比して、製造が容易である。また、封入気体の圧力に応じて、適宜突出長さの異なる強度部材をライナー本体に組付けることができ、仕様変更が容易である。

本実施の形態である圧力容器１０・２０では、強化繊維層をブレイディング製法により製造するものとしているが、他の製法、例えば、フィラメントワインディング製法や、ファイバープレースメント製法で製造しても良い。この場合においても、前述と同様の作用・効果を期待することが出来る。

ここで、圧力容器１０・２０の製造においては、強化繊維層の形成を特に、ブレイディング製法により行っている。

このため、強化繊維層自体が組物として製造される。
したがって、強化繊維層自体の剛性・強度が高められる。

圧力容器１０の縦断面図である。突出部５の縦断面図である。圧力容器２０の縦断面図である。

符号の説明

１・１１ライナー
２・１２強化繊維層
３・１３バルブ
４・１４ライナー本体
４ａ・１４ａ端部
４ｃ・１４ｃ開口
５・６突出部
７・１７中心軸
１０・２０圧力容器
１５・１６強度部材

Claims

中空に形成されるライナーの外側面に強化繊維層を形成して構成される圧力容器であって、
ライナーを端部側に向けて先細りに形成すると共に、
ライナーの端部と強化繊維層の端部との間で、ライナーに環状の突出部を形成した、
ことを特徴とする圧力容器。
前記突出部は、ライナーに一体形成されるものとした、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
前記突出部は、ライナーと別体で形成され、ライナー上に組み付けられるものとした、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
前記強化繊維層をブレイディング製法により製造する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧力容器。