JP2007320193A - 容器およびその製造方法ならびに製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強度の高い容器を提供する。
【解決手段】容器５０の製造方法は、樹脂４を含浸する繊維５に第一の張力を加えて中空体３に巻きつける工程と、第一の張力で巻きつけた樹脂含浸繊維の樹脂４を硬化させて第一フィラメントワインディング層１０ａを形成する工程と、樹脂４を含浸する繊維５に第一の張力よりも大きい第二の張力を加えて第一フィラメントワインディング層１０ａに巻きつける工程と、第二の張力で巻きつけた樹脂含浸繊維の樹脂４を硬化させて第二フィラメントワインディング層１０ｂを形成する工程とを備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、容器およびその製造方法ならびに製造装置に関するものであり、より特定的には、樹脂含浸繊維を中空体に巻きつけて形成される容器とその製造方法ならびに製造装置に関するものである。

従来、フィラメントワインディング法に関しては、たとえば特開平９−３０８６９号公報（特許文献１）、特開平７−６７９９２号公報（特許文献２）および特開２０００−１０８２１３号公報（特許文献３）に開示されている。
特開平９−３０８６９号公報 特開平７−６７９９２号公報 特開２０００−１０８２１３号公報

特許文献１では、樹脂含浸繊維をマンドレル（タンク）に巻きつける際に加熱による溶媒除去と繊維の巻きつけを複数回繰返す技術が開示されている。

しかしながら、タンクに内圧が付加された場合に、内側の層への応力による大きな歪みが生じ、タンクの強度の低下が発生する。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、強度の大きい容器およびその製造方法ならびに製造装置を提供することを目的とする。

この発明に従った容器の製造方法は、樹脂含浸繊維に第一の張力を加えて中空体に巻きつけて第一フィラメントワインディング層を形成する工程と、第一フィラメントワインディング層の樹脂含浸繊維の樹脂を硬化させる工程と、樹脂含浸繊維に第一の張力よりも大きい第二の張力を加えて硬化後の第一フィラメントワインディング層に巻きつける工程と、第二フィラメントワインディング層の樹脂含浸繊維の樹脂を硬化させる工程とを備える。

このような工程を備えた容器の製造方法では、複数回に分けて硬化を行なうことにより、高い張力を維持したまま第一および第二フィラメントワインディング層を形成することができる。さらに、外周の第二のフィラメントワインディング層は、第一の張力よりも高い第二の張力で巻かれて形成するため、内側の第一フィラメントワインディング層に圧縮応力を付与できる。その結果中空体に高圧物質が入れられた場合であっても中空体がこの圧力を吸収することができ、容器を強化することができる。

この発明に従った容器の製造装置は、上記の容器の製造方法を実施する容器の製造装置であって、中空体を回転可能に保持する保持部と、繊維に張力を加える張力調整部とを備え、保持部が中空体を回転させ、回転している中空体には、張力調整部により張力が調整された樹脂含浸繊維が巻かれる。

このように構成された容器の製造装置では、容器を強化することができる。
この発明に従った容器は、中空体と、中空体の外周部に形成された樹脂含浸繊維の樹脂を硬化させて形成したフィラメントワインディング体とを備える。フィラメントワインディング体は、中空体上に積層された複数のフィラメントワインディング層を含む。中空体に近づくにつれてフィラメントワインディング層内の残留圧縮応力が大きくなる。

このように構成された容器では、中空体に近づくにつれてフィラメントワインディング層内の残留圧縮応力が大きくなるため中空体内に高圧の気体または液体が入れられた場合であって、容器に引張り応力が加わった場合にもこの引張り応力を残留圧縮応力で小さくすることができる。その結果、強度が高い容器を得ることができる。

この発明に従えば、高強度の容器を得ることができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態に従った容器の製造方法を説明するための図である。図１を参照して、容器５０は中空体３にフィラメントワインディング体１０が巻かれて形成されている。フィラメントワインディング体１０は樹脂強化繊維層であり、容器５０を補強する役割を果たしている。フィラメントワインディング体１０は繊維５を巻かれて構成される。繊維５は樹脂４を含んでいる。

中空体３がシャフト２に取付けられており、中空体３はシャフト２とともに回転する。ボビン６に巻かれた繊維５は張力調整部８によりその張力が調整される。張力が調整された後の繊維５は樹脂槽７に浸されて樹脂が含浸する。樹脂４を含浸した繊維５が中空体３に巻かれる。所定量の繊維５が巻かれれば、中空体３に巻かれた繊維５の樹脂４を硬化させる。これにより、１つのフィラメントワインディング層を形成する。硬化が完了した後に、硬化したフィラメントワインディング層上に樹脂４を含浸した繊維５を巻き、所定量の繊維を巻いた後に繊維５に含まれる樹脂４を硬化させる。このように、繊維の巻回と樹脂の硬化とを繰返すことで複数のフィラメントワインディング層に覆われた容器５０を製造することが可能である。

内側のフィラメントワインディング層を製造するときの繊維５の張力よりも、外側のフィラメントワインディング層を巻きつけるときの張力を高くする。これにより内側のフィラメントワインディング層に対して圧縮応力を付与する。

容器の製造装置は、中空体３を回転可能に保持する保持部としてのシャフト２と、繊維５に張力を加える張力調整部８とを備え、シャフト２が中空体３を回転させ、回転している中空体３には、張力調整部８により張力が調整された、樹脂４を含浸した繊維５が巻かれる。

図２は、図１中のＩＩで示す部分を拡大した断面図である。図３は、図２中のＩＩＩで示す部分を拡大した断面図である。図２および図３を参照して、内部空間３０を取囲む容器３の外表面３ｕにフィラメントワインディング体１０が巻かれて構成されている。フィラメントワインディング体１０は内周側から第一フィラメントワインディング層１０ａ、第二フィラメントワインディング層１０ｂと続き、最外層の第ｎフィラメントワインディング層１０ｎまでにより構成される。

第一から第ｎフィラメントワインディング層１０ａから１０ｎは、繊維５と、繊維５の周りに配置される樹脂４とを有する。容器３がフィラメントワインディング体１０に取囲まれる形状とされている。第一フィラメントワインディング層１０ａを形成した後、すなわち、第一フィラメントワインディング層１０ａに含まれる樹脂４を硬化させた後に第二フィラメントワインディング層１０ｂが巻かれる。内周側のフィラメントワインディング層を形成した後に外周側のフィラメントワインディング層が形成される。

内部空間３０には高圧の気体または液体または液体と気体の混合物が封入される。高圧の流体は容器３に対して大きな引張り応力を加える。この応力に耐えるようにするために容器３がフィラメントワインディング体１０で補強されている。

図４は、この実施の形態に従った容器の製造方法を説明するためのフローチャートである。図４を参照して、まず容器に樹脂含浸繊維を巻きつける（ステップ（以下Ｓという）１−１）。これにより第一フィラメントワインディング層（ＦＷ成形１）を形成する。

次に、樹脂含浸繊維を高温条件に晒すことにより、樹脂含浸繊維の樹脂を加熱硬化する（Ｓ２−１）。

第一フィラメントワインディング層上に樹脂含浸繊維を巻きつける（Ｓ１−２）。これにより第二フィラメントワインディング層（ＦＷ成形２）を形成する。

次に、樹脂含浸繊維を高温条件に晒すことにより、樹脂含浸繊維の樹脂を加熱硬化する（Ｓ２−２）。

第二フィラメントワインディング層上に樹脂含浸繊維を巻きつける（Ｓ１−３）。これにより、第三フィラメントワインディング層（ＦＷ成形３）を形成する。

次に、樹脂含浸繊維を高温条件に晒すことにより、樹脂含浸繊維の樹脂を加熱硬化する（Ｓ２−３）。

さらに上述の巻回と加熱硬化を繰返す。
ｎ回目の樹脂含浸繊維の巻きつけを行なう（Ｓ１−ｎ）。これにより第ｎフィラメントワインディング層を形成する。

次に樹脂含浸繊維を高温条件に晒すことにより、樹脂含浸繊維の樹脂を加熱硬化する（Ｓ２−ｎ）。

このように、樹脂含浸繊維の巻回とその後の樹脂の加熱硬化を繰返して複数層のフィラメントワインディング層からなるフィラメントワインディング体を形成する。

図５は、最内周の繊維の張力とフィラメントワインディング厚みとの関係を示すグラフである。本発明ではフィラメントワインディング層を複数回形成する。各々のフィラメントワインディング層を形成する際に樹脂を加熱硬化させた後次のフィラメントワインディング層を形成する。そのためたとえば第一フィラメントワインディング層を形成する場合に巻きつけが進めば最内周の繊維の張力は低下する。しかしながら張力が低下したとしても一旦樹脂を固めて次の巻きつけ（図５中のＦＷ成形２）に入る。このとき張力を上げるため、最内周の張力が大きくなる。その結果、最内周の繊維の張力を大きく低下させることなく巻きつけを実施できる。

これに対して、従来技術ではフィラメントワインディングの巻きつけを一度に行ない、すべての繊維を巻いた後に樹脂を硬化させる。このような従来の方法では巻かれるに従って最内周の繊維の張力が小さくなる。これにより最内周では張力が維持されず容器の強度が低くなる。

すなわち、一度で巻きつける従来の方法では、外側の繊維からの圧力により、内側の繊維が緩んでしまう。この理由として、硬化前の繊維は自由度が高いことが挙げられる。これを解消するために外周において張力を低くすることも考えられるが、このような方法では全体の張力が低下し、容器を十分に補強できない。これに対し、本発明では１層ごとに硬化をさせるため、次の層を高い張力で巻いたとしても内周側が緩まない。

図６は、張力とフィラメントワインディング厚みとの関係を示すグラフである。図４のＳ１−１（ＦＷ成形１）では第一の張力Ｔ１で繊維を巻き、その後のＳ１−２では第一の張力よりも大きい第二の張力Ｔ２で繊維を巻く。さらにその後のＳ１−３では、第二の張力よりも大きい第三の張力Ｔ３で繊維を巻く。外側をより高い張力にすることにより、中空体に内圧がかかった際にも内圧へ十分な応力を付与することが可能となり、中空体を十分に補強することが可能となる。

図７は、この発明に従った容器における応力分布を示す図である。図７を参照して、中空体３の外周にフィラメントワインディング体１０が巻かれており、フィラメントワインディング体１０の内周面１１０は中空体３の外周面としての外表面３ｕと接触しており、内周面１１０から外周面２１０まで繊維が巻かれている。フィラメントワインディング体１０は第一から第ｎフィラメントワインディング層１０ａから１０ｎで構成される。中空体３の内部空間３０にガスなどの流体が充填されていない場合には、内周側へいくほど強い圧縮応力が付与されている。

図８は、高圧ガスが封入された容器の応力分布を示す図である。図８を参照して、内部空間３０に高圧ガスが封入された場合には、フィラメントワインディング層の最内側に過大な応力が発生する。そこで、最内側を無負荷状態で圧縮状態にしておくことで、内圧が加わってもフィラメントワインディング層に過大な応力が発生しない。

本発明では、複数回に分けて加熱硬化を行なうことにより、高い張力を維持したまま樹脂強化繊維層としてのフィラメントワインディング層を形成することができる。なお、硬化させる前に外側の層を形成する場合には、外側の層の圧力により内側の繊維が押し潰されて緩むため、外側の層の張力を高めることができない。しかしながら、内側の層を硬化させた後に外側の層を形成すれば、内側の層の繊維が潰れることがないため高い張力で外側の層を巻くことができる。加えて、タンクを構成する中空体３に内圧がかかった際に、内側の層にかかる応力を低減する。具体的には、中空体３が膨張しようとする応力を、外側の層の張力により押えることができる。これにより、容器５０の強度を大きくすることができる。

加熱硬化後のフィラメントワインディング層を形成するときの張力を、その前の成形時より高くして成形することで板厚の外側から内側に向かって圧縮歪みを生じさせ、高強度な容器を得ることができる。

この実施の形態に従えば、図５で示すようにそれぞれのフィラメントワインディング層の形成過程において繊維の緩みは生じるものの加熱硬化後にはこの緩みがリセットされるため緩みが増加していくことがない。また、繊維張力を積層板厚に対して可変して成形することで板厚内側の繊維張力の低下を最小限にすることができ、板厚全体において緩みのない状態を確保することができる。

さらに、加熱硬化を数回に分けることで硬化時の熱歪みが低下し、強度が向上する。
また、加熱硬化した後に次のフィラメントワインディング層を形成するため、２回目のフィラメントワインディング層の形成により中空体への内圧付加を小さくすることが可能となっている。

さらに、図７および図８で示すように加熱硬化後のフィラメントワインディング層形成時の繊維の張力を前の工程よりも高くして形成している。使用時にガスが充填され中空体３に内圧が付加されと内側に大きな引張り応力が生じる。本発明では加熱硬化後のフィラメントワインディング層の成形時の張力を段階的に大きくすることで内側に予め圧縮応力を加えることができる。そのため容器５０の強度を向上させることができる。

図９は、比較例に従った容器における応力分布を示す図である。図１０は、高圧ガスが封入された比較例に従った容器の応力分布を示す図である。図９を参照して、比較例に従った容器では、無負荷状態において、最内側に圧縮応力が付与されてない。図１０を参照して、高圧のガスが容器内に封入された場合には、最内側に大きな引張り応力が付与される。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまなに変形することが可能である。まず、この実施の形態ではフィラメントワインディング体１０を構成するフィラメントワインディング層をｎ層構成したが、これに限られるものではなく、少なくとも２つのフィラメントワインディング層が設けられていればよい。

また、各々のフィラメントワインディング層の厚みは適宜変更することが可能である。
さらに、図６で示したように、各々のフィラメントワインディング層を形成するときの巻きつけの張力は一定としたが、一定とする必要はなく、それぞれのフィラメントワインディング層を形成する際の張力は一定でなく変化していてもよい。

すなわち、この発明に従った容器の製造方法は、樹脂４を含浸した繊維５に第一の張力を加えて中空体３に巻きつけて第一フィラメントワインディング層１０ａを形成する工程と、第一の張力Ｔ１で巻きつけられた樹脂含浸繊維の樹脂４を硬化させる工程と、樹脂４を含浸した繊維５に第一の張力Ｔ１よりも大きい第二の張力Ｔ２を加えて第一フィラメントワインディング層１０ａに巻きつけて第二フィラメントワインディング層１０ｂを形成する工程と、第二の張力Ｔ２で巻きつけた樹脂含浸繊維の樹脂４を硬化させる工程とを備える。

容器５０は、中空体３と、中空体３の外周部に形成された樹脂４を含浸する繊維５の樹脂４を硬化させて形成したフィラメントワインディング体１０とを備える。フィラメントワインディング体１０は、中空体３上に積層された複数のフィラメントワインディング層を含み、中空体３に近づくにつれてフィラメントワインディング層内の残留圧縮応力が大きくなる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に従った容器の製造方法を説明するための図である。 図１中のＩＩで示す部分を拡大した断面図である。 図２中のＩＩＩで示す部分を拡大した断面図である。 この実施の形態に従った容器の製造方法を説明するためのフローチャートである。 最内周の繊維の張力とフィラメントワインディング厚みとの関係を示すグラフである。 張力とフィラメントワインディング厚みとの関係を示すグラフである。 この発明に従った容器における応力分布を示す図である。 高圧ガスが封入された容器の応力分布を示す図である。 比較例に従った容器における応力分布を示す図である。 高圧ガスが封入された比較例に従った容器の応力分布を示す図である。

符号の説明

２ シャフト、４ 樹脂、５ 繊維、６ ボビン、７ 樹脂槽、１０ フィラメントワインディング体、１０ａ 第一フィラメントワインディング層、１０ｂ 第二フィラメントワインディング層、１０ｎ 第ｎフィラメントワインディング層、３０ 内部空間、５０ 容器。

Claims (3)

1. 樹脂含浸繊維に第一の張力を加えて中空体に巻きつけて第一フィラメントワインディング層を形成する工程と、
   前記第一フィラメントワインディング層の樹脂含浸繊維の樹脂を硬化させる工程と、
   樹脂含浸繊維に第一の張力よりも大きい第二の張力を加えて硬化後の第一フィラメントワインディング層に巻きつけて第二フィラメントワインディング層を形成する工程と、
   前記第二フィラメントワインディング層の樹脂含浸繊維の樹脂を硬化させる工程とを備えた、容器の製造方法。
2. 請求項１に記載の容器の製造方法を実施する容器の製造装置であって、
   中空体を回転可能に保持する保持部と、
   繊維に張力を加える張力調整部とを備え、
   前記保持部が中空体を回転させ、回転している中空体には、前記張力調整部により張力が調整された前記樹脂含浸繊維が巻かれる、容器の製造装置。
3. 中空体と、
   前記中空体の外周部に形成された、樹脂含浸繊維の樹脂を硬化させて形成したフィラメントワインディング体とを備え、
   前記フィラメントワインディング体は、
   前記中空体上に積層された複数のフィラメントワインディング層を含み、
   前記中空体に近づくにつれて前記フィラメントワインディング層内の残留圧縮応力が大きくなる、容器。

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