JP2008261414A - 圧力容器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化複合材で補強された圧力容器においてライナを透過した透過ガスによる悪影響を低減する。
【解決手段】ガスバリア性を有するライナ１０２と、ライナ１０２の外面を被覆する繊維強化複合材層３０と、を有する圧力容器１００であって、繊維強化複合材層３０の厚さ方向に、繊維強化複合材層３０の外表面からライナ１０２の外表面まで貫通する穿孔３４を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、繊維強化複合材で補強された圧力容器に関する。

天然ガスや液化ガス等を収納するための圧力容器が用いられている。圧力容器としては、例えば、アルミニウム等の軽金属やその合金、又は、強化プラスチック等で構成されたライナに、カーボン繊維やガラス繊維等にエポキシ樹脂等の熱硬化樹脂を含浸した繊維強化複合材を巻き付けて硬化させたものが知られている。

例えば、特許文献１には、繊維強化複合材を用いた圧力容器において、外殻となる繊維強化複合材層の厚さを増加させることなく、耐衝撃性を向上させる技術が開示されている。ここでは、外殻となる繊維強化複合材層の肩部に、繊維強化複合材層の厚さ方向に沿って強化用の厚さ方向糸を織り込む技術が開示されている。

特開２０００−２１３６９２号公報

ところで、外表面を繊維強化複合材層で補強した圧力容器では、ライナと繊維強化複合材層との間に僅かな隙間が生ずることがある。樹脂性のライナを用いた圧力容器にガスを高圧で封入した場合、樹脂性のライナを透過したガスがこの隙間に溜まり、ライナ内部のガスが低圧になってくるとライナを内側に押し込むように膨張させてしまうことがある。

本発明は、上記課題を鑑み、透過ガスによる問題を解決できる圧力容器を提供することを目的とする。

本発明は、ガスバリア性を有するライナと、前記ライナの外面を被覆する繊維強化複合材層と、を有する圧力容器であって、前記繊維強化複合材層の厚さ方向に、前記繊維強化複合材層の外表面から前記ライナの外表面まで貫通する孔を有することを特徴とする。

本発明の圧力容器は、前記ライナの外表面に繊維強化複合材を巻き付けて前記繊維強化複合材層を形成する第１のステップと、前記繊維強化複合材層の厚さ方向に、前記繊維強化複合材層を外表面から前記ライナの外表面まで貫通するように針を刺す第２のステップと、前記針を取り除く第３のステップと、を備える圧力容器の製造方法により製造することができる。

また、本発明は、ガスバリア性を有するライナと、前記ライナの外面を被覆する繊維強化複合材層と、を有する圧力容器であって、前記繊維強化複合材層と前記ライナとの界面にガスを透過する材質で形成された中空のチューブが配置されていることを特徴とする。

本発明の圧力容器は、前記ライナの外表面にガスを透過する材質で形成された中空のチューブを配置する第１のステップと、前記チューブが配置された前記ライナの外表面に繊維強化複合材を巻き付けて前記繊維強化複合材層を形成する第２のステップと、を備える圧力容器の製造方法により製造することができる。

本発明によれば、繊維強化複合材で補強された圧力容器においてライナを透過した透過ガスによる悪影響を低減することができる。

＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態における圧力容器１００は、図１の断面図に示すように、ライナ１０２、口金部１０４及び外殻部１０６を備える。圧力容器１００は、ライナ１０２及び口金部１０４等から構成される内殻部に繊維強化複合材を巻き付けて構成される外殻部１０６で被覆することによって耐衝撃性を高めた構造とされている。

ライナ１０２は、圧力容器１００の基本的な外形を構成する部材である。ライナ１０２は、一般的に、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）やポリイミド等のプラスチック材料を主材料として構成される。ライナ１０２は、円筒状の胴体部１０、胴体部１０の両端において口金部１０４と共にドーム部を構成する端部１２ａ，１２ｂを含んで構成される。端部１２ａ，１２ｂは、胴体部１０の両端部において胴体部１０と接続されて一体のライナ１０２を構成している。

口金部１０４は、圧力容器１００の両端部のドーム部の一部を構成する。口金部１０４は、一般的に金属を主材料として構成される。口金部１０４は、中心部に外側へ突出するボス部２０を有する。ボス部２０には、その中心軸を貫通するようにねじ孔２２が形成されている。ねじ孔２２は、ライナ１０２の内部と外部とを連通させるように設けられている。ねじ孔２２には、止栓２４やバルブ２６が取り付けられる。

外殻部１０６は、図２の部分拡大図に示すように、ライナ１０２及び口金部１０４等から構成される内殻部に繊維強化複合材を巻き付けた繊維強化複合材層３０及びそれを保護するガラス層３２が重ね合わされて構成される。図２は、図１における範囲Ａを拡大した図であり、理解を容易にするために繊維強化複合材層３０における繊維の径を大きく図示している。

繊維強化複合材層３０は、ガラス繊維（グラスファイバ：ＧＦ）やカーボン繊維（カーボンファイバ：ＣＦ）等の繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材を主材料として構成される。マトリックス樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂、又は、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。繊維強化複合材層３０は、繊維強化複合材をヘリカル巻層、フープ巻層、レーベル巻層等の巻き方でライナ１０２及び口金部１０４の外面を被うように巻き付けて形成される。

ガラス層３２は、繊維強化複合材層３０の外表面を被覆するように設けられる。ガラス層３２は、繊維強化複合材に含浸されているマトリックス樹脂と同じ樹脂から構成することができる。

なお、本実施の形態では、繊維強化複合材層３０を１段としたがこれに限定されるものではなく、繊維強化複合材層３０を２段以上設け、それぞれの繊維強化複合材層３０の間に耐熱性シートを挟み込む構成としてもよい。耐熱性シートは、アルミ等の金属又はそれらの合金のシート、繊維強化複合材を半硬化させたプリプレグシートにより構成される。

本実施の形態における圧力容器１００では、外殻部１０６の外表面から少なくともライナ１０２と外殻部１０６の界面、又は、ライナ１０２を貫通しない程度まで達する穿孔３４が開けられている。

このような穿孔３４を設けることによって、ライナ１０２に充填されたガスがライナ１０２の内部からライナ１０２と繊維強化複合材層３０の界面へと透過してきた場合に穿孔３４を通してその透過ガスを繊維強化複合材層３０の外部へと解放することができる。これにより、ライナ１０２を透過したガスがライナ１０２と繊維強化複合材層３０との界面の隙間に溜まってしまうことを防ぐことができ、ライナ１０２の内部のガスが低圧になった場合でもライナ１０２が界面のガスによって内側に押し込まれて変形してしまう可能性を低くすることができる。

以下、圧力容器１００の製造方法について図３を参照しつつ説明する。以下で説明する工程に入る前に、ライナ１０２と口金部１０４とは一体に形成されているものとする。

第１工程（Ｓ１）では、ライナ１０２及び口金部１０４によって構成される内殻部に繊維強化複合材を巻き付けて繊維強化複合材層３０を形成する。繊維強化複合材を巻き付ける処理には、フィラメント・ワインディング法を適用することができる。フィラメント・ワインディング法とは、繊維強化複合材の成形法の一つであり、樹脂を含浸させた強化繊維をライナ１０２及び口金部１０４からなる内殻（中空円筒形の成形型）に巻き付けて成形する方法である。ライナ１０２側を回転させる方式とクリールと呼ばれる巻き付けヘッドを回転させる方式がある。巻き付けパターンには、ヘリカル巻層、フープ巻層、レーベル巻層等があり、巻き付けパターンにより繊維強化複合材層３０の引っ張り強さなどの機械的特性を調整することができる。また、繊維強化複合材を５Ｎ以上４０Ｎ以下の張力で巻き付けて繊維強化複合材層３０を形成することが好適である。

このとき、繊維強化複合材に含浸されているマトリックス樹脂が繊維強化複合材層３０の外部に染み出してガラス層３２を形成する。もちろん、繊維強化複合材層３０の外表面に樹脂を別途塗布してガラス層３２を形成してもよい。

本実施の形態では、第１工程において繊維強化複合材を５層以上５０層以下巻き付けて３ｍｍ以上２５ｍｍ以下の層厚の繊維強化複合材層３０を形成する。

第２工程（Ｓ２）では、ガラス層３２及び繊維強化複合材層３０を貫通して少なくともライナ１０２と外殻部１０６の界面、又は、ライナ１０２を貫通しない程度まで達するように針４０を刺す。この針４０を刺した部分が穿孔３４として形成される。針４０の表面には繊維強化複合材層３０及びガラス層３２に対する剥離剤を塗布しておくことが好適である。剥離剤としては一般的な剥離剤を適用することができる。

第３工程（Ｓ３）では、繊維強化複合材層３０及びガラス層３２の硬化処理を行う。繊維強化複合材層３０を硬化炉により硬化させる。硬化炉における加熱処理は、樹脂の種類に応じて１００℃以上１５０℃以下の温度範囲で１時間以上１０時間以下行うことが好適である。

第４工程（Ｓ４）では、繊維強化複合材層３０及びガラス層３２から針４０を取り除く処理を行う。針４０を取り除くことによって、ガラス層３２及び繊維強化複合材層３０を貫通して少なくともライナ１０２と外殻部１０６の界面、又は、ライナ１０２を貫通しない程度まで達する穿孔３４が形成される。針４０の表面に剥離剤を塗布しておくことによって、針４０は容易に取り除くことができる。

以上のように圧力容器１００を形成することによって、ライナ１０２に充填されたガスがライナ１０２の内部からライナ１０２と外殻部１０６の界面へと透過してきた場合に穿孔３４を通してその透過ガスを繊維強化複合材層３０の外部へと解放することができる。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態における圧力容器２００は、図４の断面図に示すように、第１の実施の形態と同様にライナ１０２、口金部１０４及び外殻部１０６を備える。圧力容器２００は、ライナ１０２及び口金部１０４等から構成される内殻部に繊維強化複合材を巻き付けて構成される外殻部１０６で被覆することによって耐衝撃性を高めた構造とされている。圧力容器２００のライナ１０２、口金部１０４及び外殻部１０６の基本的な構成については圧力容器１００と同様であるので、以下では圧力容器２００の特徴部分のみについて説明する。

本実施の形態における圧力容器２００では、圧力容器１００の穿孔３４の代わりに、又は、穿孔３４と併せて、チューブ５０が設けられている。チューブ５０は、圧力容器２００に充填されるガスは透過するが、繊維強化複合材に含浸された樹脂は透過しない材料で中空状に形成されている。チューブ５０は、図４及び図５に示すように、圧力容器２００のライナ１０２と繊維強化複合材層３０との界面付近に圧力容器２００の長手方向に沿うように延設され、その端部が口金部１０４の横から外殻部１０６の外側まで出される。なお、図５は、図４のＢ−Ｂ断面を示す図である。

このようなチューブ５０を設けることによって、ライナ１０２に充填されたガスがライナ１０２の内部からライナ１０２と外殻部１０６の界面へと透過してきた場合に、その透過ガスはチューブ５０の外表面から内部へと透過し、チューブ５０を通じて外殻部１０６の外部へと解放される。これにより、ライナ１０２を透過したガスがライナ１０２と繊維強化複合材層３０との界面の隙間に溜まってしまうことを防ぐことができ、ライナ１０２の内部のガスが低圧になった場合でもライナ１０２が界面のガスによって内側に押し込まれて変形してしまう可能性を低くすることができる。

チューブ５０の直径は０．５ｍｍφ以上１ｍｍφ以下の範囲とすることが好適である。また、チューブ５０は、ライナ１０２の外周に沿って配置することが好適である。このようなチューブ５０の直径とすることによって繊維強化複合材層３０の強度を低下させることなく透過ガスの悪影響を抑制することができる。なお、図５の例では、ライナ１０２の外周に沿って３０°毎にチューブ５０を配置している。

以下、圧力容器２００の製造方法について図６を参照しつつ説明する。以下で説明する工程に入る前に、ライナ１０２と口金部１０４とは一体に形成されているものとする。

第１工程（Ｓ５）では、ライナ１０２及び口金部１０４によって構成される内殻部の表面にチューブ５０を配置する。チューブ５０は、圧力容器２００の長手方向に沿ってその端部が口金部１０４の横まで到達するように配置される。

第２工程（Ｓ６）では、ライナ１０２及び口金部１０４によって構成される内殻部に繊維強化複合材を巻き付けて繊維強化複合材層３０を形成する。繊維強化複合材を巻き付けることによって、チューブ５０はライナ１０２と繊維強化複合材層３０との界面に挟み込まれるように配置される。

繊維強化複合材を巻き付ける処理には、フィラメント・ワインディング法を適用することができる。フィラメント・ワインディング法とは、繊維強化複合材の成形法の一つであり、樹脂を含浸させた強化繊維をライナ１０２及び口金部１０４からなる内殻（中空円筒形の成形型）に巻き付けて成形する方法である。ライナ１０２側を回転させる方式とクリールと呼ばれる巻き付けヘッドを回転させる方式がある。巻き付けパターンには、ヘリカル巻層、フープ巻層、レーベル巻層等があり、巻き付けパターンにより繊維強化複合材層３０の引っ張り強さなどの機械的特性を調整することができる。また、繊維強化複合材を５Ｎ以上４０Ｎ以下の張力で巻き付けて繊維強化複合材層３０を形成することが好適である。

このとき、繊維強化複合材に含浸されているマトリックス樹脂が繊維強化複合材層３０の外部に染み出してガラス層３２を形成する。もちろん、繊維強化複合材層３０の外表面に樹脂を別途塗布してガラス層３２を形成してもよい。

本実施の形態では、第２工程において繊維強化複合材を５層以上５０層以下巻き付けて３ｍｍ以上３５ｍｍ以下の層厚の繊維強化複合材層３０を形成する。

第３工程（Ｓ７）では、繊維強化複合材層３０及びガラス層３２の硬化処理を行う。繊維強化複合材層３０を硬化炉により硬化させる。硬化炉における加熱処理は、樹脂の種類に応じて１００℃以上１５０℃以下の温度範囲で１時間以上１０時間以下行うことが好適である。

以上のように圧力容器２００を形成することによって、ライナ１０２に充填されたガスがライナ１０２の内部からライナ１０２と外殻部１０６の界面へと透過してきた場合にチューブ５０を通してその透過ガスを繊維強化複合材層３０の外部へと解放することができる。

第１の実施の形態における圧力容器の構成を示す断面図である。 第１の実施の形態における圧力容器の外殻部の構成を示す拡大断面図である。 第１の実施の形態における圧力容器の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における圧力容器の構成を示す断面図である。 第２の実施の形態における圧力容器の外殻部の構成を示す拡大断面図である。 第２の実施の形態における圧力容器の製造方法を示す図である。

符号の説明

１０ 胴体部、１２ａ，１２ｂ 端部、２０ ボス部、２２ ねじ孔、２４ 止栓、２６ バルブ、３０ 繊維強化複合材層、３２ ガラス層、３４ 穿孔、４０ 針、５０ チューブ、１００，２００ 圧力容器、１０２ ライナ、１０４ 口金部、１０６ 外殻部。

Claims (4)

1. ガスバリア性を有するライナと、前記ライナの外面を被覆する繊維強化複合材層と、を有する圧力容器であって、
   前記繊維強化複合材層の厚さ方向に、前記繊維強化複合材層の外表面から前記ライナの外表面まで貫通する孔を有することを特徴とする圧力容器。
2. ガスバリア性を有するライナと、前記ライナの外面を被覆する繊維強化複合材層と、を有する圧力容器の製造方法であって、
   前記ライナの外表面に繊維強化複合材を巻き付けて前記繊維強化複合材層を形成する第１のステップと、
   前記繊維強化複合材層の厚さ方向に、前記繊維強化複合材層を外表面から前記ライナの外表面まで貫通するように針を刺す第２のステップと、
   前記針を取り除く第３のステップと、
   を備えることを特徴とする圧力容器の製造方法。
3. ガスバリア性を有するライナと、前記ライナの外面を被覆する繊維強化複合材層と、を有する圧力容器であって、
   前記繊維強化複合材層と前記ライナとの界面にガスを透過する材質で形成された中空のチューブが配置されていることを特徴とする圧力容器。
4. ガスバリア性を有するライナと、前記ライナの外面を被覆する繊維強化複合材層と、を有する圧力容器の製造方法であって、
   前記ライナの外表面にガスを透過する材質で形成された中空のチューブを配置する第１のステップと、
   前記チューブが配置された前記ライナの外表面に繊維強化複合材を巻き付けて前記繊維強化複合材層を形成する第２のステップと、
   を備えることを特徴とする圧力容器の製造方法。

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