JP2008535695A - 側部ポート付きのフィラメント巻き圧力容器 - Google Patents

Abstract

その側壁に大きな直径のポートを備えた円筒状圧力容器（１１）を作製する方法は、所望の直径のマンドレル（２３）とその上に巻着するフィラメントとを提供するステップを含む。１つの全体的な最内層を巻着させた後、張力下で樹脂含浸平行ストランド（３９）のバンド（６０）を使用して、環状の補強ベルト（１６）が規定された領域の上に螺旋状に巻着される。次いで、環状のベルト（１６）自体の上に、張力下でフィラメント状材料の樹脂含浸平行ストランドが螺旋状に巻き上げられて、２つの完全な外層を提供する。硬化させ、マンドレル（２３）から取り外した後、少なくとも１つの孔部（７１）が補強ベルト（１６）内で側壁に切削され、側部ポートフィッティング（７５）が孔部（７１）内に据え付けられる。

Description

本願は、２００５年４月１１日に出願された米国特許仮出願第６０／６７０３６２号明細書からの優先権を主張する。

本発明は、フィラメント巻き圧力容器に関し、より詳細には、比較的大きな側部ポートを有するフィラメント巻き圧力容器を作製する方法と、その結果得られる圧力容器とに関する。

長年にわたり、高い引張強度を有するフィラメントと組み合わせた、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂などの合成樹脂材料から、かかるフィラメントをかかる樹脂で含浸させることによって、様々な用途に有用な圧力容器およびタンクが作製されてきた。そのようなフィラメント巻き容器は、一般に、樹脂含浸繊維ストランドを回転マンドレルの周りに概ね螺旋状のパターンでいくつかの重ね合わせた層に巻着（ｗｉｎｄｉｎｇ）させることによって製作される。ある場合には、ストランドは、円筒壁もしくはシェルと一体的な容器の頭部を形成するようにマンドレル上の丸みを帯びたまたは湾曲した端部を覆って巻着され、ある場合には、片方または両方の頭部が別個に形成される。この方式で作製される圧力容器は、高い内圧、例えば１５０から１５００ｐｓｉｇ（１．０３から１０．３ＭＰａ）に耐えるのに十分な強度をもつように構築することができ、したがって、それらの圧力容器は、逆浸透、ナノ濾過、精密濾過、ならびに、供給流れが圧力下で供給され、膜濾過を受けて供給流れを透過液もしくは濾液の流れと濃縮液の流れとに分離させる、他のタイプのクロスフロー流体分離での有用性が見出されている。当業界では、そのような目的で、実質的に円筒形であり、複数の円筒状濾過カートリッジが挿入された後で適所に係止できる円形の末端閉止具を有する管状の圧力容器を提供することが、比較的標準的となってきた。そのような管状の圧力容器を作製する、そのような一方法が特許文献１に示されており、また、円形の末端閉止具を有するそのような圧力容器が特許文献２に示されている。

しかし、流体分離産業が成長し、進歩するにつれて、特に飲用水の流れを提供するための水分離にかかわる場合に、そのような圧力容器を多数使用する規則正しい配列の配管連結の数を削減するため、またさらにスペースの考慮からそのような設備の全体的な必要設置面積を縮小するための努力が継続的になされてきた。この問題に対する１つの解決策として、実質的に、そのような整列された複数の圧力容器への共通の供給および／またはそれら圧力容器からの共通の排出をもたらすために、ある圧力容器の側部ポートが、望ましくは、隣接した圧力容器の側部ポートに直接連結される。容器間の相互連結をこの方式で配置すると、各圧力容器に個々の供給流れを供給するマニホールド、ならびに各圧力容器から個々の排出流れを集めて組み合わせるマニホールドの必要をなくすことができる。圧力容器の側部の入口および出口ポートをそのように設けることによって、そのような複数の容器を非常に効率的に積み重ねて配管できることがわかっており、したがって、積重ね体の中の単一の容器に供給する、または単一の容器から回収すると、容器の積重ね体全体がそのような作業を受けられることになる。

この手法は、今では当業界でより一般的に受け入れられるようになってきており、相互連結部での過度の圧力降下なしに、さらに多数の圧力容器を容器の水平または垂直の積重ね体で１つに接合できるように、そのような側部ポート接続をより大きな直径で提供することが望まれるようになってきた。何十年もの間、この一般的なタイプのフィラメント巻き圧力容器に側部および端部ポートを設けるために様々な取り組みがなされてきた。フィラメント巻着プロセスによって製作される圧力容器の端部および／または側壁にポートを設けるために使用されている様々な方法が特許文献３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１、１３に示されている。例えば、硬化可能な熱硬化性樹脂で結合された環状の繊維パッチが、途中まで形成された容器壁に適用され、開口部が切削されるべき場所を取り囲むように慎重に設置され、その後その上に側壁の１つもしくは複数の追加の層が纏着（ｏｖｅｒｗｒａｐｐｅｄ）される（例えば、特許文献３参照）。多くの場合、周囲に巻着された追加の環状パッチは、第１のパッチと位置合わせして位置決めされ、その後、繊維材料の追加の層が第２のパッチに被せて巻着または敷設される。硬化された最終容器では、パッチは、容器の壁内に埋め込まれており、次いで、パッチが設けられた領域を貫いて開口部が切削される。より低圧の操作およびより小さな直径のポートには効果的であるが、この方法は、製作プロセスを中断するだけでなく、手作業によるパッチの慎重な設置も必要とする。

交互に並ぶ織られた材料の層とランダムに配向した繊維マット材料の層とを含む、複合材補強パッチまたはパッドの適用が特許文献７に示されており、該パッチまたはパッドは、従来のフィラメント巻上げ（ｏｖｅｒｗｉｎｄｉｎｇ）操作の前に側部ポートに望ましい場所で熱可塑性容器ライナーに直接適用され、それによってこのポート周囲の補強を内部の熱可塑性ライナーと外部の巻着フィラメント容器との間に設置する。巻着作業が完了し、樹脂が硬化されたら、パッチ領域内でフィラメント巻きタンク壁を貫いて開口部が切削され、フィッティングが、それを開口部に挿入してワッシャおよびねじ山付きナットまたは他の留め具によって適所に固定することによって据え付けられる。やはりこの方法も、小さな直径のポートおよび低圧での操作には効果的であるが、内部のライナーおよび手作業による慎重な設置を必要とする。

初めに容器をその通常の方法で巻着し、次いで、容器側壁とともに硬化されることになるフィラメントの一連の補強バンド３をフィラメント巻き容器の上に慎重に巻き上げることによる、フィラメント巻き圧力容器の側壁の補強が特許文献６に示されている。これら補強バンド３の対が、目的とする側部ポートの側面に位置する場所で容器の周りに約２５°の角度で巻着され、同様に側面に位置する１対のフープ補強バンドが、補強を完了するためにこれら角度をもった補強バンドの対の上に巻き上げられる。そこに描かれているように、バンドは、側部ポートのために側壁を貫いて切削されることになる穴に隣接し、かつその穴を取り囲むように慎重に配置され、したがって手作業による精密な制御および設置が必要とされる。

米国特許第６０７４５９５号明細書 米国特許第６５５８５４４号明細書 米国特許第３１０６９４０号明細書 米国特許第３１１２２３４号明細書 米国特許第３２９３８６０号明細書 米国特許第４３９１３０１号明細書 米国特許第４６１４２７９号明細書 米国特許第４６８５５８９号明細書 米国特許第４７００８６８号明細書 米国特許第４７６５５０７号明細書 米国特許第５９００１０７号明細書 米国特許第５９７９６９２号明細書 米国特許第６１７９１５４号明細書 米国特許第５７２０４１１号明細書

圧力容器に側部ポートを据え付けるこれらの様々な方法は、限られた直径の側部ポート、例えば、直径が最大約５ｃｍまでの側部ポートには十分であったが、６．５ｃｍよりも大きい側部ポートの据付けは、特に、容器が約１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）以上の圧力にさらされることになるときには、圧力容器の耐用期間にわたる安定性の見地から厄介なものであった。しばしば、これら従来技術の側部ポート補強は、側部ポートでの故障および／または漏れをまねく、層の分離および／または移動を起こす傾向にあった。その結果、管状のフィラメント巻き容器、特に、しばしば８００〜１５００ｐｓｉｇ（５．５２〜１０．３ＭＰａ）もの高さの、比較的高い内圧に適応する圧力容器での、比較的大きな側部ポートの組込みを容易にするために、この問題の解決策が求められており、さらに、自動製作を可能にし、かつ中断および／または手作業による慎重な制御を必要としない解決策が、特別な目標であった。比較的大きな側部ポートとは、圧力容器の内径の少なくとも約３５％に等しい直径を有する側部ポートを意味する。

管状容器の本体を完全に取り巻く環状の補強ベルトを設けることによって、そのような比較的大きな側部ポートを有する圧力容器を効果的に構築できることがわかった。そのような補強ベルトが、容器の直径の少なくとも約２倍の軸方向長さにわたって延び、この軸方向領域の全表面を覆うことが好ましい。適度に高い一様な張力下で高い引張強度のフィラメントを適用することによってそのような容器を取り巻く補強ベルトを作り出し、次いで、マンドレル上のそのような１つもしくは複数の補強ベルトに比較的通常の方式でフィラメント状材料を巻き上げることによって、そのような比較的大きな側部ポートに適応する圧力容器を自動製作によって製造することができる。巻着された容器全体が硬化された後、該補強ベルトが、実質的に容器側壁構造の一体部分となり、また、そのような環状の補強ベルト内に任意の角度位置で側部ポート取付具のための１つもしくは複数の孔部（ａｐｅｒｔｕｒｅｓ）を作り出すための容器側壁の切削に適応できることがわかった。そのような容器には、これまでに比較的大きな側部ポートが、比較的高い圧力で長期間にわたって機能すると予想されるフィラメント巻き圧力容器での使用を試みられたときに故障をまねいた、潜在的な問題がないことがわかった。そのような張力下での巻着は、事実上、補強ベルト領域に予圧をかけており、最終的な容器全体にわたるそのような張力の存在は、操作全体を通して張力下に維持された後で縛着される、連続フィラメントの同一のストランドを用いて容器全体を巻着することによって得られる。製作プロセス全体が容易に自動化されるので、労働コストが節約され、また、側部ポートのための開口部が補強ベルトのどこに切削されるかにかかわらず、開口部のすぐ側面に位置し、容器内の高い内圧に耐えるのに十分な強度をもたらす、フィラメントの一体的ストランドが存在することになる。

特定の一態様では、本発明は、その側壁に比較的大きな直径のポートを有し、約１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）以上の内圧で動作可能な、フィラメント巻き円筒状圧力容器を作製する方法であって、（ａ）圧力容器の所望の内径の円筒状表面を有するマンドレルを提供し、前記マンドレルをその軸の周りで回転させるステップと、（ｂ）フィラメント状材料の複数の樹脂含浸平行ストランドのバンドを、張力下で、マンドレルの直径の少なくとも約２倍の規定された軸方向長さを有する領域で前記マンドレルの周りに螺旋状に巻着させて複数の補強層を生み出すことによって、管状の補強ベルトを作り出すステップとを含んでおり、該補強層それぞれは、前記ベルトの前記規定された軸方向長さ領域の表面全体を実質的に完全に覆っており、前記方法は、さらに、（ｃ）次いで、実質的に完全な１つよりも多くの全体的な外層を提供するために、前記管状補強ベルトおよび前記マンドレルの残りの部分の上に、張力下でフィラメント状材料の樹脂含浸平行ストランドのバンドを螺旋状に巻き上げるステップを含んでおり、該外層それぞれは、目的とする圧力容器の少なくとも長さにわたって延びており、前記方法は、さらに、（ｄ）フィラメント状材料の前記ストランドが張力下で巻着されたまま、前記層状構造を硬化させて前記マンドレル上で固めるステップと、（ｅ）前記硬化された圧力容器を前記マンドレルから取り外すステップと、（ｆ）前記補強ベルト内で前記圧力容器の側壁に少なくとも１つの孔部を切削するステップと、（ｇ）前記孔部内に側部ポートを据え付けるステップとを含む方法を提供する。

他の特定の態様では、本発明は、その側壁に比較的大きな直径のポートを有し、約１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）以上の内圧で動作可能な、フィラメント巻き円筒状圧力容器を作製する方法であって、（ａ）圧力容器の所望の内径の円筒状表面を有するマンドレルを提供し、前記マンドレルをその軸の周りで回転させるステップと、（ｂ）表面全体を実質的に完全に覆い、かつ目的とする圧力容器の少なくとも長さの軸方向長さにわたって延びる最内層を作り出すために、フィラメント状材料の樹脂含浸平行ストランドのバンドを、張力下で前記マンドレルの周りに螺旋状に巻着させるステップと、（ｃ）フィラメント状材料の複数の樹脂含浸平行ストランドのバンドを、張力下で、マンドレルの直径の少なくとも約２倍の軸方向長さを有する領域で前記マンドレルの周りに螺旋状に巻着させて少なくとも５つの補強層を生み出すことによって、管状の補強ベルトを作り出すステップとを含んでおり、該補強層それぞれは、前記マンドレルの規定された環状領域の表面全体を実質的に完全に覆っており、前記方法は、さらに、（ｄ）次いで、実質的に完全な１つよりも多くの外層を提供するために、前記補強ベルトおよび前記マンドレルの残りの部分の上に、張力下でフィラメント状材料の樹脂含浸平行ストランドのバンドを螺旋状に巻き上げるステップを含んでおり、該外層それぞれは、目的とする圧力容器の少なくとも長さにわたって延びており、前記方法は、さらに、（ｅ）フィラメント状材料の前記ストランドが張力下で巻着されたまま、前記層状構造を硬化させて前記マンドレル上で固めるステップと、（ｆ）前記硬化された圧力容器を前記マンドレルから取り外すステップと、（ｇ）前記補強ベルト内で前記圧力容器の側壁に少なくとも１つの孔部を切削するステップと、（ｈ）前記孔部内に側部ポートを据え付けるステップとを含む方法を提供する。

他の特定の一態様では、本発明は、その側壁に少なくとも１つの大きなポートを有するフィラメント巻き円筒状圧力容器であって、その軸方向長さの大部分にわたって延び、かつ少なくとも約２０ｃｍの一定の内径をもつ円筒状の内部表面を有する管状の本体を含んでおり、前記管状の本体の側壁部分は、（ａ）前記管状の本体の端から端まで延びる、フィラメント状材料の樹脂含浸ストランドの螺旋状に巻着されたバンドの最内層と、（ｂ）前記最内層の外表面の軸方向部分に沿って位置する、張力下で螺旋状に巻着されたバンドの実質的に完全な複数の補強層によって形成される環状の補強ベルトとを含んでおり、前記ベルトの軸方向長さは、少なくとも約４０ｃｍであり、前記管状の本体の側壁部分は、さらに、（ｃ）フィラメント状材料の樹脂含浸ストランドの螺旋状に巻着されたバンドから形成される、少なくとも第１および第２の実質的に完全な外層を含んでおり、前記第１の層は、前記補強ベルトおよび前記最内層の外表面上に配置されており、両方の前記外層は、前記管状の本体の長さにわたって延びており、前記層は、すべて、前記ストランドを含浸させる前記樹脂の固化がほぼ同時に起こる結果として互いに一体的に接合されており、前記圧力容器の側壁を貫く少なくとも１つの孔部は、前記補強ベルト内に位置しており、直径約７ｃｍ以上の側部ポートは、前記孔部内に配置されており、前記容器は、約１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）以上の内圧で動作可能である圧力容器を提供する。

図面の図１は、高い圧力下で、例えば、少なくとも約１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）、しばしば約３００ｐｓｉｇ（約２．０７ＭＰａ）もしくは約８００ｐｓｉｇ（約５．５２ＭＰａ）、場合によっては約１５００ｐｓｉｇ（約１０．３ＭＰａ）もの高さの圧力下で流体を収容するように適合された、円筒壁容器またはタンク１１を示す。容器１１は、好ましくは類似構造である、わずかに拡張された２つのカウンターボア領域１５ａを端部に設けることを除いて、直円柱形状の連続的な内部ボア１５を含んだ、概ね管状のシェルまたはハウジング１３を含む。また、圧力容器シェルの外表面も、補強ベルトが作り出される場所である容器の各端部の近くにそれぞれ位置する２つの環状領域１６を除いて、概ね円筒状である。円筒状の内部ボア１５は、当該技術分野で周知のように、クロスフロー濾過用に設計された複数の円筒状濾過カートリッジの挿入および除去を可能にする。これらのカートリッジは、圧力容器内で受けられ、当該技術分野で周知の適当な相互連結によって直列的な形で端部間連結される。カウンターボア１５ａは、高圧動作のために圧力容器の内部を固定するために、溝１９（図６）への係止リングの挿入などによって適所で係止される円形の末端閉止具１７（その１つが図１に示されている）の据付けを可能にする。そのような構造の一例が特許文献２に示されており、その開示を参照により本願に援用する。

圧力容器の上流端および下流端の近くに位置する補強領域１６内でベルトによってもたらされるより大きな壁厚は、埋込み型（ｒｅｃｅｓｓｅｄ）側部ポートフィッティングの据付けに適応しており、これについては以下で詳細に説明する。側部ポートのための開口部の切削に適応する、これらのより厚い補強された側壁部分は、複数の補強層を使用してそのようなベルトを巻着させることによって作り出され、それら各補強層は、容器全体を取り巻いており、また、圧力容器を構成する、各補強領域の内部および外部の、樹脂含浸フィラメント状材料の全層間に好ましくは挟みこまれることによって、側壁の一体部分として結合される。

圧力容器側壁１３は、熱硬化性樹脂を含浸されたフィラメント状材料のストランドから形成される。フィラメント状材料は、連続ガラス繊維もしくはフィラメント、またはナイロン、ダクロン（Ｄａｃｒｏｎ）、オーロン（Ｏｒｌｏｎ）、レーヨンなどの合成繊維の形態、場合によってはスチールなどの金属フィラメントの形態さえ呈することができる。そのようなフィラメント状材料の連続的なほぼエンドレスな複数の長さまたはストランドが、バンド幅と呼ばれる所望の幅のフラットバンドの形態で、回転する円筒状マンドレルの周りに螺旋状に巻着される。

フィラメント状ストランドのバンドを概ね螺旋状のパターンで回転マンドレルの周りに巻着させて、重ね合わされた所望の数の層を敷設して所望の強度の圧力容器側壁を形成することは、当該技術分野で特許文献１および４において周知であり、それらの開示を参照により本願に援用する。丸みを帯びたまたは湾曲した一端を有するマンドレルを用いることによって、タンク頭部をタンクの中空の円筒状側壁と一体的に形成できるが、主な関心は、その両端が円形の末端閉止具に適応するように同一に形成された容器の製造にある。そのような閉止具は、そのような円筒状側壁容器の開口端内に固定される（例えば、特許文献２および１４参照）。

フィラメント状材料を含浸させるために使用される樹脂は、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ユリアホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂など、任意の従来の熱硬化性樹脂とすることができる。樹脂は、スプレー噴霧、ディッピング、ブラッシング、ドクタリング（ｄｏｃｔｏｒｉｎｇ）など、いずれか適当な方式でフィラメント状材料に適用することができ、また、樹脂は、管状の補強領域および側壁を形成するためにストランドが巻着されるときには、液状の未硬化状態にあることも、部分硬化状態にあることもできる。また、望むなら、巻着する間に樹脂の硬化を促進することも知られている。

図２に概略的に示されるタイプのフィラメント巻着装置の役割を果たすための最新機器が市販されており、図２は、全体的な機械本体の主要部を形成する、その軸周りで回転するように据え付けられた円筒状マンドレル２３を含む機械を非常に大まかに示す。概略的に示されてはいないが、マンドレル２３の一端がスピンドル内で支持され、他端が、適当な駆動モータ２９によって回転される駆動シャフト２７に連結された適当なチャック（ｃｈｕｃｋ）２５に固定されることが一般的である。機械フレームの一部分は、通常は両端を短い距離だけ越えてマンドレル２３の長さ全体に沿って延びる１つもしくは複数のレール３３に沿って前後に往復運動する、キャリッジ３１を支持する。キャリッジ３１は、モータ３５によって適切に駆動され、圧力容器の巻着全体を連続的な方式でプログラムするための命令の複雑なセットを受け入れることのできる制御システム３７によって自動化される。

図３に見られるように、巻着機器は、複数のスプール４１からフィラメント状材料の複数の連続ストランド３９を引き出す。各ストランドは、ほぼエンドレスな長さの連続フィラメントを作り出すように集めて撚り合わされたガラス繊維糸の群を含むことができる。各スプール４１には、回転マンドレルの周りに螺旋状に纏着されている個々のストランド３９に加わる所望の張力を維持する、張力制御デバイス４３を装備させることができる。ここでの目的のためには、使用されている複数のストランド３９それぞれにおいて、少なくとも約２ポンド（約０．９０７ｋｇ）、好ましくは３ポンド（約１．３６ｋｇ）から約６ポンド（約２．７２ｋｇ）の間の張力が維持されることが好ましい。ストランド３９は、クリール内のそれぞれのスプール４１から引き出され、これらのストランド３９の配列は、液体樹脂浴を保持するタンク４７の縁部でコーム（ｃｏｍｂ）４５を通り抜ける。コーム４５は、ストランドが樹脂浴の上方に位置するバー４９の上を通過し、次いで樹脂内に埋没されたバー５１の下を通過するときに、それらのストランドを互いに横方向に分離された状態に維持する。それらストランドは、埋没されたバー５１の反対側で樹脂浴から出て、過剰な樹脂を除去するためにワイパー５５が配置された高い位置にある第２のバー５３の上を通過する。ストランド３９の配列は、ワイパーから、出口コーム５７を通り抜けて、平行ストランドのフラットバンド６０として現れる。そのような巻着操作では少なくとも約２０本のストランドが使用されるが、約３０から４０本のストランドが使用されることが好ましい。バンドは、枢動可能な第２の出口コーム５９へと進み、第２のコームを選択的に転回させることによってバンドのバンド幅が設定される。別法として、バンド６０のバンド幅は、望むなら、バンドがその周りに螺旋状に巻着されるマンドレル２３へとフィラメントのストランドを届けるキャリッジ３１によって運ばれる凹形ローラ６１によって設定することもできる。

操作を開始するには、キャリッジ３１が適切に位置決めされ、ストランドのバンド６０が、マンドレル２３の端部の近くの、巻着操作が始まることが望まれる場所に固定される。ストランドが初めに取り付けられるマンドレル上の場所に対するキャリッジ３１の位置は、所望の初期巻着角度を生み出すように設定される。一般に、５０°から６０°の間の巻着角度α（図２）が、圧力容器の全体的な側壁の巻着に使用される。補強ベルト領域層は、好ましくは、少なくとも約５５°、より好ましくは少なくとも約５７°の角度を使用して巻着される。制御システム３７は、フィラメント状材料のほぼエンドレスな連続ストランドの配列から完全な圧力容器の巻着を達成するように、マンドレルの回転スピード、ならびにキャリッジ３１の平行移動の方向およびスピードを調節する。ストランド３９に加わる張力は、巻着操作全体にわたって維持され、結果として得られる硬化された圧力容器内のこれら予め張力を加えられたストランドは、予め張力を加えられた管状容器をもたらす。当該技術分野では一般的であるように、巻着された管状構造の長さは、目的とする圧力容器の軸方向長さをわずかに超えており、その後、結果として得られるクリーンな製品を提供するために、端部がトリム処理される。

内径８インチ（２０．３センチ）の圧力容器の巻着の一代表例として、張力約３〜４ポンド（約１．３６ｋｇ〜１．８１ｋｇ）の繊維ガラスの約４０本のストランドが、液体エポキシ樹脂の通路（ｐａｔｈ）を通って牽引される。図３に全体的に示されるように、それらストランドは、約４インチ（約１０．２ｃｍ）のバンド幅をもつように広げられ、所望の管状構造の軸方向長さ全体にわたって延びることになる第１の最内層を作り出すように円筒状マンドレル２３の周りに巻着される。この最内層を巻着するときには、例えば、マンドレルの軸に対して約５４°を上回る巻着角度αが使用されることが好ましい場合があり、またこの角度で、実質的にマンドレルの表面全体を確実に覆うために３つのパス（ｐａｓｓｅｓ）が使用される。平行ストランドのバンドが一端から他端へと進んで戻る複数のパスが常に使用されており、本願の目的では、特定の領域の長さにわたる往復移動が、１つのパスと見なされる。

したがって、キャリッジ３１が３回その出発点から反対側の端部へと進んで戻ってきた後で、制御システム３７は、補強ベルトの第１の層の巻着を開始するために巻着方向を自動的に変更する。これは、図４に概略的に描かれている。補強ベルト領域１６のために選択される軸方向長さは、一般に、最終圧力容器に組み込まれることになる側部ポートの目的とする直径によって決定される。最も一般的には、そのような比較的大きな直径の側部ポートは、少なくとも約２０ｃｍの内径を有する圧力容器で望ましく、しばしば、側部ポートの直径は、少なくとも約７ｃｍ、しばしば７から８ｃｍとなる。補強ベルト１６の軸方向長さを、好ましくはマンドレルの直径の少なくとも約２倍にすべきであり、また好ましくは側部ポートの直径の少なくとも約３倍にすべきであることがわかっている。直径約２０ｃｍの圧力容器のための補強ベルトの軸方向長さが少なくとも約４４ｃｍから約５２ｃｍであることが、より好ましい。補強ベルトの軸方向長さは、一般に、圧力容器の内径の２倍から３倍の間になるようなサイズであるが、わずかに長い補強ベルトを使用することは、追加コストが発生する以外、有害ではないはずである。

合衆国におけるクロスフロー濾過カートリッジのための一般的なサイズの圧力容器は、８インチ（２０．３ｃｍ）の内径を有する。直径３インチ（７．６ｃｍ）の側部ポートフィッティングがそのような圧力容器に据え付けられることが企図されると考えると、約５７°の巻着角度を補強ベルトに使用することができ、拡開デバイス５９または６１が、バンド幅を、全体的な最内層を巻着させるために使用されるバンド幅よりも小さい３から４インチ（７．６ｃｍ〜１０ｃｍ）の間、例えば、約３．３インチ（約８．４ｃｍ）に変化させるように調節される。図４からわかるように、補強ベルトを巻着する間、キャリッジの前後運動は、より限られたものであり、したがって、補強ベルトを構築することになる実質的に完全な各層を敷設するために、３つではなく５つの完全なパスが使用される。一般に、補強ベルト１６を作り出すために少なくとも約５つの層が使用されており、圧力容器が操作される目的とする内圧に応じて７つ以上の補強層が使用されることが好ましい。所望の軸方向長さを上下するバンドのパスでこれらの層を巻着させる際、図４からわかるように、螺旋状に巻着されているバンドが一方向での進行を停止して反対の軸方向へと逆向きに進む、より薄い領域が存在する。さらに、補強ベルト領域１６の両端の側面に位置する滑らかな角度傾斜が存在するように、１つの層内の５つのパスそれぞれが、少しだけ短くなった距離に及ぶようにプログラムされる。例えば、約１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）の内圧で動作すると見なされる圧力容器が構築される場合、７つの補強層を使用することができる。

管状構造の一端における補強ベルト１６の巻着の終わりに、制御システムは、巻着角度を約７５°から８０°の角度へと変化させ、キャリッジ３１は、バンド６０を実質的に周囲にフープ状の形で巻着させることによって、マンドレル２３の反対側の軸方向端部の近くの場所へと移動する。到着すると、装置は、回転マンドレル上に螺旋状に巻着されるバンド６０を作り上げるフィラメント状材料の４０本のストランドの連続性を維持しながら、その端部で類似の補強ベルトを巻着させ始める。今述べた巻着プロセスを繰り返して、やはり約５７°の巻着角度を使用して各層に５つのパスを実施する。したがって、７層の場合、合計３５の短いパスが使用される。第２の補強ベルト領域の巻着の終わりに、キャリッジ３１は、操作が始まったマンドレルの端部へと戻り、その場所で制御システム３７が、樹脂含浸ストランドのバンド幅を約４インチ（約１０．２ｃｍ）に、巻着角度を約５４°に再調節するが、この時点では３インチ（７．６ｃｍ）程度の小さいバンド幅を使用することができる。次いで、プログラムは、キャリッジ３１に、初めに敷設された最内層と実質的に同じ長さをそれぞれが有するさらに２つの外側の全体的な層を敷設することによって補強ベルトの両方の上に巻き上げさせるが、今回、各層は、マンドレルを上下する４つのパス、合計でさらに８つのパスの成果である。これが終わるときに、容器の製作は、実質的に完了し、制御システム３７は、一端での巻着角度を約７５°から８０°の角度へと戻し、バンド６０をフープ状の形で周囲に巻着させ、このことが、ストランドを縛着させ、それによって回転マンドレルの周りに巻着された複数の層内の張力を維持する。

樹脂含浸ストランドの巻着が終わった後、巻着の間に硬化が達成されなかったとすれば、マンドレル全体がオーブンへと運ばれ、そのオーブンにおいて当該技術分野で公知のようにフィラメント巻き管状構造が硬化される。例えば、標準的なエポキシ樹脂を使用すると、約８０℃から約１５０℃の間の温度で少なくとも４時間、例えば、４〜１０時間の硬化は、適当な硬化サイクルを構成する。

オーブンから取り出し、周囲温度まで冷却した後、圧力容器の管状シェル１３がマンドレル２３から取り外され、端部をトリム処理するために当該技術分野で一般的であるように機械加工が実施される。この時点で、補強ベルト１６の場所、好ましくはベルト１６の軸方向長さの概ね中央の場所で、側壁に１つもしくは複数の孔部７１が切削される。図６および７は、互いに対して１８０°でベルト１６の中央の側壁に切削された、そのような２つの孔部７１を示す。完全埋込み型の側部ポートフィッティング７５の孔部内への据付けを可能にするために、各孔部７１で内側カウンターボア７３が使用される。図８に描かれるように、フィッティング７５は、その内端部に、カウンターボアの内側にぴったり嵌合し、Ｏリングシール７９などによって封止される、円形フランジ７７を有することができる。圧力容器全体にわたってフルボアアクセス（ｆｕｌｌ ｂｏｒｅ ａｃｃｅｓｓ）をもたらすために、側部ポートフィッティングのフランジ７７の面が直径８インチ（２０．３センチ）の内部ボア１５の領域には及んでいないことが重要である。フィッティング７５のねじ山付き端部８３上で受けられ、圧力容器１１の外表面に接して着座する、したがって側部ポートフィッティングを孔部７１内に緊密に固定する、適当なロックナット８１などが設けられる。しばしば、それらに対して１８０°のところの、圧力容器を直径上でまたいで切削された直径上の両端に位置する孔部７１内に、例えば、垂直の積重ね体における一連の該圧力容器１１間に液体連通をもたらすために、第２の類似の側部ポートフィッティング７５が据え付けられる。今述べたような、該領域の完全な環状表面を覆う補強ベルト１６の使用の重要な利点は、補強ベルト領域内に任意の角度位置で側部ポートのための孔部７１を切削可能にするだけでなく、２つの側部ポートを管状圧力容器の一端の近くに据え付けられるようにするために追加の側壁の製作を必要としないことである。

約５２ｃｍの軸方向領域を覆うそのような７つの補強層を使用して、今述べたように製作された直径８インチ（２０．３センチ）の圧力容器１１は、漏れまたは故障の兆候を示すことなく１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）の内圧で動作させられており、また、そのような圧力で無期限に動作し続けることが可能と予想される。同様に、そのような９つの補強層と類似の３インチ（７．６ｃｍ）側部ポートとを有する直径８インチ（２０．３センチ）の圧力容器１１は、漏れまたは故障の兆しなしに約８００ｐｓｉｇ（約５．５２ＭＰａ）の内圧で動作させられており、また、同様に無期限にわたるそのような条件下での動作に適していると見なされる。

本発明について、現時点で本発明者らが知っている本発明を実施するのに最良の形態を構成する特定の好ましい諸実施形態に関して記載したが、冒頭の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者に自明の様々な変更および修正を加えることができることを理解すべきである。例えば、エポキシ樹脂およびガラス繊維ストランドが一般的に使用されており、それらが好ましいが、当該技術分野で公知の他の樹脂、ならびに類似の張力下で回転マンドレルの周りに螺旋状に巻着できる他の補強ストランドを使用することができる。現時点でかなり一様に使用される特定の直径サイズの圧力容器の構築に言及しているが、より直径の大きい／小さい圧力容器を、やはり本発明の原理を使用して製作できることを理解すべきである。本発明の特定の特徴は、冒頭の特許請求の範囲で強調される。

比較的大きな側部ポートに適応するための孔部を有し、本発明の様々な特徴を具体化する、クロスフロー濾過圧力容器の斜視図である。 本発明の様々な特徴を具体化する繊維強化ポリマー圧力容器の製作を実施するために使用できるフィラメント巻着方法を示す略図である。 フィラメントの複数のストランドが樹脂浴内に送り込まれ、次いで、図２に描かれた螺旋状巻着操作で利用するために所望のバンド幅を作り出すように調節されたバンドとして集められる様子を示す、代表的な巻着装置の概略側面図である。 回転マンドレル上の補強ベルトの巻着を概略的に示す部分図である。 補強ベルトの上に全体的な側壁層を巻き上げる様子を示す略図である。 全体的な圧力容器側壁を構成する１つの最内層と２つの外層との間に挟まれた補強ベルトを概略的に示す、その端部閉止具がない図１のフィラメント巻き容器の一端の長手方向部分断面図であり、２つの側部ポートフィッティングに適応するために、直径上の両端に位置する１対の孔部がベルト領域内に一端の近くで切削された後の容器を示す図である。 図６の線７−７に概ね沿った横断面図である。 下側の孔部内に据え付けられた側部ポートフィッティングを部分立面で示す、図７の構造の部分断面図である。

Claims (19)

1. その側壁に比較的大きな直径のポートを有し、約１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）以上の内圧で動作可能な、フィラメント巻き円筒状圧力容器を作製する方法であって、
   （ａ）前記圧力容器の所望の内径の円筒状表面を有するマンドレルを提供し、前記マンドレルをその軸の周りで回転させるステップと、
   （ｂ）フィラメント状材料の複数の樹脂含浸平行ストランドのバンドを、張力下で、前記マンドレルの直径の少なくとも約２倍の規定された軸方向長さを有する領域で前記マンドレルの周りに螺旋状に巻着させて複数の補強層を生み出すことによって、管状の補強ベルトを作り出すステップとを含んでおり、前記補強層それぞれは、前記ベルトの前記規定された軸方向長さ領域の表面全体を実質的に完全に覆っており、前記方法は、さらに、
   （ｃ）次いで、実質的に完全な１つよりも多くの全体的な外層を提供するために、前記管状補強ベルトおよび前記マンドレルの残りの部分の上に、張力下でフィラメント状材料の樹脂含浸平行ストランドのバンドを螺旋状に巻き上げるステップを含んでおり、前記外層それぞれは、目的とする圧力容器の少なくとも長さにわたって延びており、前記方法は、さらに、
   （ｄ）フィラメント状材料の前記ストランドが張力下で巻着されたまま、前記層状構造を硬化させて前記マンドレル上で固めるステップと、
   （ｅ）前記硬化された圧力容器を前記マンドレルから取り外すステップと、
   （ｆ）前記補強ベルト内で前記圧力容器の側壁に少なくとも１つの孔部を切削するステップと、
   （ｇ）前記孔部内に側部ポートを据え付けるステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 前記バンドは、前記補強ベルトおよび前記巻き上げられた全体的な層それぞれの前記螺旋状巻着中に樹脂浴内を牽引される、フィラメント状材料の前記ストランド少なくとも約２０本を含んでおり、前記ストランドは、前記層それぞれを巻着させる際には少なくとも約８ｃｍの幅を有するバンドとして前記回転マンドレルに適用され、前記ストランドは、前記補強ベルトを巻着させる際には前記外層よりも幅が狭いバンドとして適用され、前記補強ベルトの各層は、その表面を実質的に完全に覆うように前記マンドレルの前記規定された軸方向長さに沿って複数のパスを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. フィラメント状材料の前記平行ストランドは、前記外層の場合には約５０°から６０°の間の巻着角度で回転マンドレル上に牽引され、前記巻き上げるステップは、少なくとも２つの前記外層を作り出すように実施されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ストランドは、前記補強ベルトの実質的に完全な層それぞれを作り出すために、合計少なくとも５つのパスについて少なくとも約５５°の巻着角度で牽引されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記補強ベルトは、それぞれが前の層よりも短い軸方向長さを有する少なくとも７つの実質的に完全な層を使用して構築され、前記ストランドは、約５７°の角度で牽引されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記マンドレルは、少なくとも約２０ｃｍの外径を有しており、前記補強ベルトは、少なくとも約４４ｃｍの軸方向長さを有しており、前記孔部は、直径が約７ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. ２つの前記孔部は、互いに対して１８０°で前記圧力容器の前記補強ベルト内で前記側壁に切削されることを特徴とする請求項１または６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記樹脂は、エポキシ樹脂であり、前記硬化は、約８０℃から約１５０℃の間の温度で少なくとも約４時間にわたってフィラメントが巻着された前記マンドレルを加熱することによって実施され、前記樹脂および巻き上げられたフィラメント状材料の前記いくつかの層は、その中で８００ｐｓｉｇ（約５．５２ＭＰａ）を保持するのに容認可能な評価を有する圧力容器を提供するのに十分であることを特徴とする請求項１または６のいずれか一項に記載の方法。
9. 最も内側の実質的に完全な層が前記マンドレルの周りに巻着された後で、それらの上に前記補強ベルトが巻着されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記ストランドは、前記外層、前記補強ベルト、および前記最内層の全体を通じて連続的であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記ストランドは、少なくとも約２ｌｂ（約０．９０７ｋｇ）の張力で前記マンドレル上に牽引され、前記纏着させるステップの終わりに、少なくとも約７５°の角度で少なくとも１つの円周フープラップ（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｈｏｏｐ ｗｒａｐ）を使用して縛着されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. その側壁に比較的大きな直径のポートを有し、約１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）以上の内圧で動作可能な、フィラメント巻き円筒状圧力容器を作製する方法であって、
    （ａ）前記圧力容器の所望の内径の円筒状表面を有するマンドレルを提供し、前記マンドレルをその軸の周りで回転させるステップと、
    （ｂ）表面全体を実質的に完全に覆い、かつ目的とする圧力容器の少なくとも長さの軸方向長さにわたって延びる最内層を作り出すために、フィラメント状材料の樹脂含浸平行ストランドのバンドを、張力下で前記マンドレルの周りに螺旋状に巻着させるステップと、
    （ｃ）フィラメント状材料の複数の樹脂含浸平行ストランドのバンドを、張力下で、前記マンドレルの直径の少なくとも約２倍の軸方向長さを有する領域で前記マンドレルの周りに螺旋状に巻着させて少なくとも５つの補強層を生み出すことによって、管状の補強ベルトを作り出すステップとを含んでおり、前記補強層それぞれは、前記マンドレルの規定された環状領域の表面全体を実質的に完全に覆っており、前記方法は、さらに、
    （ｄ）次いで、実質的に完全な１つよりも多くの外層を提供するために、前記補強ベルトおよび前記マンドレルの残りの部分の上に、張力下でフィラメント状材料の樹脂含浸平行ストランドのバンドを螺旋状に巻き上げるステップを含んでおり、前記外層それぞれは、目的とする圧力容器の少なくとも長さにわたって延びており、前記方法は、さらに、
    （ｅ）フィラメント状材料の前記ストランドが張力下で巻着されたまま、前記層状構造を硬化させて前記マンドレル上で固めるステップと、
    （ｆ）前記硬化された圧力容器を前記マンドレルから取り外すステップと、
    （ｇ）前記補強ベルト内で前記圧力容器の側壁に少なくとも１つの孔部を切削するステップと、
    （ｈ）前記孔部内に側部ポートを据え付けるステップとを含むことを特徴とする方法。
13. 前記ストランドは、前記外層、前記補強ベルト、および前記最内層の全体を通じて連続的であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記ストランドは、少なくとも約２ｌｂ（約０．９０７ｋｇ）の張力で前記マンドレル上に牽引され、前記纏着させるステップの終わりに、少なくとも約７５°の角度で少なくとも１つの円周フープラップを使用して縛着されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. その側壁に少なくとも１つの大きなポートを有するフィラメント巻き円筒状圧力容器であって、その軸方向長さの大部分にわたって延び、かつ少なくとも約２０ｃｍの一定の内径をもつ円筒状の内部表面を有する管状の本体を含んでおり、
    前記管状の本体の側壁部分は、（ａ）前記管状の本体の端から端まで延びる、フィラメント状材料の樹脂含浸ストランドの螺旋状に巻着されたバンドの最内層と、（ｂ）前記最内層の外表面の軸方向部分に沿って位置する、張力下で螺旋状に巻着されたバンドの実質的に完全な複数の補強層によって形成される環状の補強ベルトとを含んでおり、前記ベルトの軸方向長さは、少なくとも約４０ｃｍであり、前記管状の本体の側壁部分は、さらに、（ｃ）フィラメント状材料の樹脂含浸ストランドの螺旋状に巻着されたバンドから形成される、少なくとも第１および第２の実質的に完全な外層を含んでおり、前記第１の層は、前記補強ベルトおよび前記最内層の外表面上に配置されており、両方の前記外層は、前記管状の本体の長さにわたって延びており、
    前記層は、すべて、前記ストランドを含浸させる前記樹脂の固化がほぼ同時に起こる結果として互いに一体的に接合されており、
    前記圧力容器の側壁を貫く少なくとも１つの孔部は、前記補強ベルト内に位置しており、
    直径約７ｃｍ以上の側部ポートは、前記孔部内に配置されており、前記容器は、約１５０ｐｓｉｇ（約１．０３ＭＰａ）以上の内圧で動作可能であることを特徴とする圧力容器。
16. 前記補強層を構成する前記バンドそれぞれは、フィラメント状材料の前記ストランド少なくとも約２０本を含み、少なくとも７．６ｃｍの幅を有しており、前記補強ベルトは、少なくとも約７つの実質的に完全な補強層を含むことを特徴とする請求項１５に記載の圧力容器。
17. １つの前記補強ベルトは、前記圧力容器の各端部の近くに位置しており、前記補強ベルトそれぞれは、少なくとも約４４ｃｍにわたって延びることを特徴とする請求項１６に記載の圧力容器。
18. 互いに対して１８０°で前記補強ベルト内で前記側壁を貫く前記孔部２つが存在することを特徴とする請求項１５から１７のいずれか一項に記載の圧力容器。
19. フィラメント状材料の前記ストランドは、前記外層、前記補強層、および前記最内層の全体を通じて連続的であり、少なくとも約２ｌｂ（約０．９０７ｋｇ）の張力が加えられており、少なくとも約７５°の角度で少なくとも１つの円周フープラップによって前記管状の本体の一端に縛着されることを特徴とする請求項１５から１７のいずれか一項に記載の圧力容器。

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