JP2010236614A - 複合容器及び複合容器の製造方法 - Google Patents

複合容器及び複合容器の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ライナに巻装した繊維の端部における繊維の滑りの防止、複合容器の高耐圧化及び製造時間の短縮化が可能な複合容器及び複合容器の製造方法を提供する。
【解決手段】複合容器は、端面5cが胴部2の両端部の外周縁に位置し、かつドーム部3を覆うようにして設けられ、端面5cにおける外径D5が胴部2の外径D2よりも大きい補強部5を有する。胴部2の外周面上であってかつ各補強部5の端面5cに挟まれた領域2aに、繊維6がフープ巻きによって補強部5の外径D5と同一の巻厚になるまで巻装されている。領域2aに巻装された繊維6上及び補強部5の外周面5a上に、繊維7がさらにヘリカル巻きによって巻装されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、高圧の気体あるいは液体を収納する複合容器及び複合容器の製造方法に関する。
高圧ガスを収容する容器は、円筒形状の胴部と、この胴部の両端部に設けられた半球形状のドーム部と、これらドーム部の中央部分に設けられた口金と、を有する構成が一般的であり、その材質には、スチールやアルミニウム合金等の金属が採用されていた。金属製の高圧容器は、強度が高く、信頼性が高い利点を有するが、重量が重くなるという問題があり、自動車用として用いる場合に燃費や走行性能が犠牲になっていた。そこで、近年では、容器の軽量化を目的として、金属製や合成樹脂製の薄肉容器(ライナ)を樹脂が含浸された繊維強化層で被い、その後樹脂を硬化させる複合構造の複合容器が提案されている。
繊維強化層を形成する方法としては、ライナの外周に繊維をタンク外周に巻装するFW法(フィラメントワインディング法)が知られている。このFW法としては、ヘリカル巻き、フープ巻き等の巻き方がある。
ヘリカル巻きは、回転するライナに、それと平行に往復移動するデリバリーアイから供給される繊維を巻装する巻き方である。これにより、繊維は、ライナに対して螺旋状に巻装される。
フープ巻きは、ヘリカル巻きと同様に回転するライナに、それと平行に往復移動するデリバリーアイから供給される繊維を巻装する巻き方であるが、ライナの軸方向へのデリバリーアイの移動速度を極めて小さくしている。これにより、繊維はライナの周方向に巻装される。
複合容器を、上述の複合材料を用いて製造する場合、胴部の強度を受け持つフープ巻と、主にドーム部の強度を受け持つヘリカル巻を併用することが一般的である。
ここで、図1に従来の複合容器の製造方法を説明するための工程図を示す。
図1(a)に示すように、ライナ101は、円筒形状の胴部102と、この胴部102の両端部に設けられた半球形状のドーム部103と、これらドーム部103の中央部分に設けられた口金104と、を有する。
このライナ101の胴部102に、図1(b)に示すように、フープ巻きによって繊維105が巻装される。
その後、フープ巻きで胴部102に巻装された繊維105上、及びドーム部103上に、ヘリカル巻によって繊維106が巻装される。
しかしながら、上述した方法では、フープ巻きの端部107で段差108が生じるうえ、図1(c)に示すように、段差108と胴部102との間に三角形状の空隙109が形成されてしまうため、十分な強度を発現させることができない場合がある。また、複合容器の、耐圧性をさらに高めるためには繊維を何層にも巻きつけて繊維層を厚くする必要があり、その厚みは数十mmになる場合がある。繊維層の厚みが増すと、フープ巻で巻装した繊維のうち、胴部の端部の繊維が滑りにより、ずり落ちてしまう場合がある。
このような問題を解消するため、ヘリカル巻きとフープ巻きとを交互に繰り返す場合がある。
また、ヘリカル巻きを行う際には、特許文献1に開示されているようにフープ巻きを省略したり、あるいは特許文献2に開示されているように張力が変化しないように巻きつける等して容器の強度確保が図られている。
特開2000−337594号公報 特開平11−101397号公報
しかしながら、フープ巻き端部での繊維の滑りを防止するとともに複合容器の高耐圧化を図るため、フープ巻を行う工程とヘリカル巻とを行う工程とを交互に繰り返したり、あるいは巻装速度を落とすと、製造に要する時間が長くなってしまう。
そこで、本発明は、ライナに巻装した繊維の端部における繊維の滑りの防止、複合容器の高耐圧化及び製造時間の短縮化が可能な複合容器及び複合容器の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の複合容器は、円筒形状の胴部及び胴部の両端部を塞ぐように配置された曲面形状のドーム部を備えたライナを有し、ライナに繊維を巻装して形成された複合容器において、端面が胴部の両端部の外周縁に位置し、かつドーム部を覆うようにして設けられた、端面における外径が胴部の外径よりも大きい補強部を有し、胴部の外周面上であってかつ各補強部の端面に挟まれた領域に、繊維が第1の巻き方によって補強部の外径と同一の巻厚になるまで巻装されており、領域に巻装された繊維上及び補強部の外周面上に、繊維がさらに第1の巻き方とは異なる第2の巻き方によって巻装されていることを特徴とするものである。
また、本発明の複合容器の製造方法は、円筒形状の胴部及び胴部の両端部を塞ぐように配置された曲面形状のドーム部を備えたライナを有し、ライナに繊維を巻装して形成される複合容器の製造方法において、端面における外径が胴部の外径よりも大きい補強部を、端面が胴部の両端部の外周縁に位置し、かつドーム部を覆うようにして設ける工程と、胴部の外周面上であってかつ各補強部の端面に挟まれた領域に、繊維が第1の巻き方によって補強部の外径と同一の巻厚になるまで巻装する工程と、領域に巻装された繊維上及び補強部の外周面上に、繊維がさらに第1の巻き方とは異なる第2の巻き方によって巻装する工程と、を含むものである。
上記のとおり、本発明は、胴部の外周面上であってかつ各補強部の端面に挟まれた領域に繊維を巻装するため、巻装した繊維の端部は各補強部の端面で支持されることとなる。このため、巻装した繊維の端部の繊維が滑ってずれ落ちることがない。また、本発明は、胴部の外周面上であってかつ各補強部の端面に挟まれた領域に第1の巻き方で巻装される繊維は、補強部の外径と同一の巻厚になるまで巻く。このため、第1の巻き方で巻装された繊維と補強部との間には段差が生じない。このため、第1の巻き方で巻装された繊維との間に空隙を生じさせることなく第2の巻き方で繊維を巻きつけることができることとなり、よって、高耐圧の複合容器とすることができる。
また、本発明の場合、第1の巻き方のよって巻いた繊維の端部における繊維の滑りが生じないため、繊維の滑りを防止すべく第1の巻き方と第2の巻き方とを交互に行う必要もないし、また、滑りを生じさせないように繊維をゆっくり巻く必要もないので、高速で繊維を巻装することができる。
本発明によれば、ライナに巻装した繊維の端部における繊維の滑りが防止され、これによって複合容器の高耐圧化及び製造時間の短縮化が可能となる。
従来の複合容器の製造方法を説明するための製造工程図である。 本発明の一実施形態に係る複合容器の製造方法を説明するための製造工程図である。 補強材の他の構成例を示す、補強材の断面図及び平面図である。
次に、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図2に、本発明の一実施形態に係る複合容器の製造方法を説明するための製造工程図を示す。
図2(a)に示すように、本実施形態のライナ1は、円筒形状の胴部2と、この胴部2の両端部を塞ぐように配置された曲面形状のドーム部3と、これらドーム部3の中央部分に設けられた口金4を有する。なお、必要に応じ、ライナ1内には活性炭や気体吸蔵合金を加えることができる。
このライナ1は、不図示の支持台に、ライナ1の軸周りに回転自在に保持されている。
次に、図2(b)に示すように、このライナ1の両端部のドーム部3上に、ドーム部3を被装するようにして補強部5が装着される。補強部5は、曲面で形成された外周面5aと、ドーム部3の外周面に対応する凹面に形成された内周面5cと、外周面5aの周縁と内周面5cの周縁との間に形成された円環平面状の端面5cと、口金4を貫通させる貫通口5dとを有する。ライナ1の両端部に補強部5が装着されることで、補強部5の端面5cは胴部2の両端部の外周縁に位置する。そして、補強部5はドーム部3を覆うようにして設けられることとなる。端面5cにおける外径D5は胴部2の外径D2よりも大きいため、ライナ1の一端側の端面5cとライナ1の他端側の端面5cとが対向して配置されることとなる。後述するように、繊維6は、胴部2の外周面上であって対向した端面5c間である領域2a内にフープ巻きにより巻装される。
なお、補強部5の外周面5aは、繊維が巻装できればいかなる形状でも良いといえるが、口金4が存在する点や取り扱いの要請から、内周面5bと同様のドーム形状として補強部5の厚みも均一となるようにするのが好ましい。補強部5の厚みt、すなわち、端面5cの高さは、以下のようにして決定される。まず、胴部2で必要な強度を計算し、この計算値に基づき、胴部2におけるフープ巻の厚みが決定される。そして、補強部5の厚みtは、このフープ巻の厚みと実質的に同一の厚みとする。補強部5の厚みtは、ライナ1の大きさや使用する圧力にもよるが、10L程度の内容積で80MPa対応の複合容器の場合、一般的には5mm〜70mm、好ましくは、15mm〜60mm、さらに好ましくは20mm〜50mm程度となる。
また、図3(a)〜図3(f)に示すように、補強部5の外周面5aには、補強部5の外周面5aでの繊維の滑りを防止するための繊維保持部5eを設けるものであってもよい。この繊維保持部5eは、例えば、ライナ1の胴部2と同心円状の凹部(図3(a))や凸部(図3(b))、スパイラル状の凹部(図3(c))や凸部(図3(d))、円形の凹部(図3(e))や凸部(図3(f))であってもよい。なお、図3(a)〜図3(f)における凹部あるいは凸部については、その間隔、数等が簡略化されている。従って、各凹部あるいは凸部等の間隔などはより密なものとしてもよいし、凹部、凸部等の数もより多いものであってもよい。
これらの繊維保持部5eを補強部5に施すことはライナ1のドーム部3に繊維保持部を構成するよりも簡便という利点がある。
補強部5の材質は、樹脂製、金属製、セラミック製等いかなる材質でも良いが一般的には、補強部5上に巻装する繊維がエポキシ樹脂を含む材料であることが好ましいため、材料の相性を踏まえれば繊維強化をしたエポキシ樹脂とするのが好ましい。
補強部5の製造方法は、RIM(反応射出成形)、射出成型等、いかなる方法でも良い。例えば、ライナ1と同じ形状の型枠にライナ1に巻装させるトウプリプレグを巻装し、トウプリプレグと同じ材質の樹脂で形状を整えて補強部5を作成しても良い。この際は、フィラメントワインディングを行う際に加熱されるのと同様に、加熱しながらトウプリプレグを巻きつけても良い。この製法における加熱温度は50℃以上が好ましく、また、型枠上でエポキシを固化するのが好ましい。型枠からはずして固化させると形状が変化する可能性があるためである。
また、補強部5は、レジントランスファーモールディング法を用いても良い。この製法の場合、まず、ライナ1に巻装するトウプリプレグと同質の素材をシート状に成型する。次いで、そのシートを2層以上かつ繊維が交差するように組み入れ、該2層のシートを強化材としてドームと同じ形状を有する金型型枠にセットする。そして、型締めをして加熱し固化することで成型する。この際、必要に応じ樹脂を注入することができる。なお、本製法における成型温度はトウプリプレグの種類に依存するが、概ね100℃以上である。
こうして成型した補強部5は、ライナ1のドーム部3に被装する。この際ライナ1の口金4は補強部5の貫通口5dに挿通される。
次に、繊維をフィラメントワインディングによってライナ1に巻装する。なお、ライナ1は必要に応じて、樹脂や反応剤を塗布する等の表面処理を施しておいてもよい。
まず、図2(c)に示すように、胴部2の外周面上であって、かつ各補強部5の端面5cに挟まれた領域2aに、FW法のフープ巻きによって繊維6を巻装する。繊維6は、巻装部分の直径が補強部5の外径と実質上、同一直径となり、段差が実質上存在しなくなるまで巻装される。この際、巻装する繊維には、1N〜1500Nの張力がかけられている。
胴部2に巻装される繊維6の両端部6aは、両端に配置された補強部5の端面5cにより胴部2の軸方向への移動が規制される。すなわち、繊維6は補強部5によって胴部2の軸方向への滑りが抑制されているため、繊維6を厚く巻装しても端部6aからずれ落ちることはない。このため、胴部2とドーム部3の境界付近での強度を安定して保つことができる。
また、補強部5を用いない従来のフープ巻きは、両端部の繊維がずれ落ちてしまわないように繊維をゆっくり巻装しなければならなかったが、本実施形態の製造方法は、補強部5で両端部6aを支持しながら繊維6を巻装するので両端部6aの繊維6がずれ落ちることがない。このため、本実施形態の製造方法は、フープ巻きの巻き速度を、補強部5を用いない従来のフープ巻きの巻き速度に比べ、高速化することができる。
以上のようにして、補強部5の間の胴部2にフープ巻きによって繊維6が巻装された後、図2(d)に示すように、フープ巻きによって巻装された胴部2の繊維6上、及び補強部5上に繊維7をヘリカル巻きにより巻装する。ヘリカル巻きにより巻装する繊維7の厚みは、複合容器としての強度を確保できる厚みとする。なお、繊維7は、繊維6と同一の材質からなるが、異なる材質のものであってもよい。
本実施形態の場合、胴部2にフープ巻きによって繊維6が巻装された部分の直径は、補強部5の直径と実質上、同一直径であるため、段差が生じていない。従来、段差が生じた状態でヘリカル巻きを実施すると、段差の隅部に空隙が生じてしまい、十分な強度を確保することが困難であった。しかしながら、本実施形態の場合、段差が生じていないため、胴部2の繊維6上、及び補強部5上に繊維7を巻装しても空隙は生じず、よって、複合容器の強度を確保することができる。
ヘリカル巻きが終了した後は、繊維6,7の樹脂を硬化する。なお、繊維6の樹脂については、ヘリカル巻きで繊維7を巻装する前に硬化させておいてもよい。繊維6、7の樹脂を硬化させた後、必要に応じてさらに表面処理やコーティングを行うものであってもよい。
なお、上述した製造方法では、フープ巻きを一回実施した後、ヘリカル巻きを一回実施するだけで複合容器を製造することができるため、従来のフープ巻きとヘリカル巻きとを交互に行う製造方法に比べて、製造工程を簡略化できるとともに製造時間を短縮化することができる。
もっとも本発明は、フープ巻き及びヘリカル巻きをそれぞれ一回のみ実施する製法に限定されるものではない。例えば、フープ巻きを実施する前にヘリカル巻きを実施しておき、その後、上述したようにフープ巻き、ヘリカル巻きを順次実施するものであってもよい。あるいは、上述したようにフープ巻き、ヘリカル巻きを順次実施した後、外部からの衝撃防止のためにフープ巻をさらに実施するものであってもよい。
以上のようにして、本実施形態の複合容器が完成する。その後、複合容器内には口金4から気体等が導入される。
なお、FW法には、繊維に樹脂を付着させながら行う方法と、予め樹脂が繊維に塗布されているトウプリプレグを使用する方法があるが、特に好ましいのは後者である。トウプリプレグを使用する場合、トウプリプレグの熱硬化性樹脂の種類としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
また、熱硬化性樹脂の分子構造としては、例えば、エポキシ樹脂の場合、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等が挙げられる。
また、熱硬化性樹脂に加える硬化剤としては、例えば、エチレンジアミン等の脂肪族アミン、ジエチレントリアミン等の脂肪族ポリアミン、メタフェニレンジアミンまたはジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ピペリジンまたはジアザピシクロウンデセン等の第一、第三アミン、メチルテトラヒドロ無水フタル酸等の酸無水物硬化剤等が挙げられる。
また、トウプリプレグに用いられる繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ポリエチレン繊維、スチール繊維、ザイロン繊維、ビニロン繊維等が挙げられる。特に高強度、高弾性率かつ軽量の点から炭素繊維が好ましい。
また、トウプリプレグに用いられる繊維の繊維数(フィラメント)は、特に制限されるものではないが1000フィラメント〜50000フィラメント、好ましくは3000フィラメント〜30000フィラメントの範囲である。繊維の繊維数が、1000フィラメントより低いと繊維中に含まれる熱硬化性樹脂の含有量が少なくなる場合があり、50000フィラメントを超えると繊維が太くなり、巻きつけるのが困難になる。
本実施例では、以下の条件において、本発明の複合容器の製造方法により複合容器を製造し、その破裂強度を測定した。
補強部5の材料としては、新日本石油株式会社製トウプリプレグT800S−24−RC29−SY3を用いた。このトウプリプレグを、内周面がライナ1のドーム部3と同形状の型枠に巻装し、外周面側から圧縮し、厚み15mmの補強部5を作成した。ライナ1は、内容積が10Lで直径20cmのアルミニウム製のものを用いた。
補強部5をライナ1のドーム部3に取り付け、補強部5と同じトウプリプレグでFWを実施した。胴部2のフープ巻は、その巻厚が15mmになった時点で停止し、その後、ヘリカル巻を実施した。ヘリカル巻きはその巻厚が8mmになった時点で停止した。
上述のFWが終了した容器を150℃で1hr保持し、トウプリプレグおよびプリプレグの樹脂を硬化させ、複合容器を完成させた。
上述のようにして製造された本実施例の容器の破裂圧力は150MPaであった。
本実施例では、以下の条件において、補強材を製造した。
補強部5の材料としては強化繊維織物を用いた。この強化繊維織物は、直径7μmの直線状の炭素繊維を12000本束ねた、外径2mmの強化繊維束を90°程度ずれるように交差積層させた、厚さ2.5mmの多軸の繊維構造を有するものである。
この強化繊維織物を、直径23cmの半球状曲面を有する型枠に15層積層して添わせて配置した。その後、後述する組成のエポキシ組成物を流し込み含浸させた。さらにその後、ライナ1のドーム部3と同じ形状の型枠(直径約20cm)を重ね、さらに同じエポキシ組成物を注入した。そして、室温で2hr、50kg/mm2のプレス圧で硬化させ、さらに150℃で熱処理硬化を行なうことで、補強部5を製造した。
この補強部5を用いて実施例1と同様に複合容器を作成し、破裂強度を測定したところ、破壊圧力は140MPaであった。
(エポキシ組成物)
補強部5の製造に用いたエポキシ組成物は、以下の組成のエポキシ樹脂である。
主材 :EPICLON 840(大日本インキ化学工業製)
硬化剤:EPICLON B−570(大日本インキ化学工業製)
促進剤:2E4MZ(四国化学工業製)
本実施例では、実施例1と同じ条件で補強部5を製造し、さらにこの補強部5に外周面側であって貫通口5dの軸周りに、同心円状の複数の凹部を繊維保持部5eとして形成した。
この同心円状の凹部からなる繊維保持部5eを有する補強部5を用いて実施例1と同じ条件で複合容器を製造し、破裂強度を測定したところ、破壊圧力は150MPaであった。
本実施例では、実施例2と同じ条件で補強部5を製造し、さらにこの補強部5の外周面であって貫通口5dの軸周りに、1cmおきに幅2mmの同心円状に凸部を繊維保持部5eとして形成した。
この同心円状の凸部からなる繊維保持部5eを有する補強部5を用いて実施例2と同じ条件で複合容器を製造し、破裂強度を測定したところ、破壊圧力は140MPaであった。
本実施例では、実施例2と同じ条件で補強部5を製造し、さらにこの補強部5の外周面であって貫通口5dの軸周りに、幅2mmのスパイラル状の凸部を繊維保持部5eとして形成した。
このスパイラル状の凸部からなる繊維保持部5eを有する補強部5を用いて実施例2と同じ条件で複合容器を製造し、破裂強度を測定したところ、破壊圧力は140MPaであった。
比較例1
本比較例では、以下の条件において複合容器を製造し、その破裂強度を測定した。
ライナに巻装するトウプリプレグは、新日本石油株式会社製トウプリプレグT800S−24−RC29−SY3を使用した。このトウプリプレグを内容積が10Lのアルミニウム製のライナにフープ巻3mm、ヘリカル巻2mmとなるようFWを4回繰り返した。FWが終了した容器を150℃で1hr保持し、トウプリプレグの樹脂を硬化させ、複合容器を完成させた。
上述のようにして製造された本比較例の容器の破裂圧力は120MPaであった。
1 ライナ
2 胴部
2a 領域
3 ドーム部
4 口金
5 補強部
5a 外周面
5b 内周面
5c 端面
5d 貫通口
5e 繊維保持部
6、7 繊維
6a 両端部

Claims (7)

  1. 円筒形状の胴部及び前記胴部の両端部を塞ぐように配置された曲面形状のドーム部を備えたライナを有し、前記ライナに繊維を巻装して形成された複合容器において、
    端面が前記胴部の前記両端部の外周縁に位置し、かつ前記ドーム部を覆うようにして設けられた、前記端面における外径が前記胴部の外径よりも大きい補強部を有し、
    前記胴部の外周面上であってかつ前記各補強部の前記端面に挟まれた領域に、前記繊維が第1の巻き方によって前記補強部の前記外径と同一の巻厚になるまで巻装されており、
    前記領域に巻装された前記繊維上及び前記補強部の外周面上に、前記繊維がさらに第1の巻き方とは異なる第2の巻き方によって巻装されていることを特徴とする複合容器。
  2. 前記第1の巻き方はフープ巻きであり、前記第2の巻き方はヘリカル巻きである、請求項1に記載の複合容器。
  3. 前記補強部は、前記繊維と同一の材料からなる、請求項1または2に記載の複合容器。
  4. 前記補強部の外周面に、前記補強部の外周面上に巻装された前記繊維が滑るのを阻止する繊維保持部を有する、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の複合容器。
  5. 前記繊維保持部は前記補強部の外周面に形成された凸部または凹部である、請求項4に記載の複合容器。
  6. 円筒形状の胴部及び前記胴部の両端部を塞ぐように配置された曲面形状のドーム部を備えたライナを有し、前記ライナに繊維を巻装して形成される複合容器の製造方法において、
    端面における外径が前記胴部の外径よりも大きい補強部を、前記端面が前記胴部の前記両端部の外周縁に位置し、かつ前記ドーム部を覆うようにして設ける工程と、
    前記胴部の外周面上であってかつ前記各補強部の前記端面に挟まれた領域に、前記繊維が第1の巻き方によって前記補強部の前記外径と同一の巻厚になるまで巻装する工程と、
    前記領域に巻装された前記繊維上及び前記補強部の外周面上に、前記繊維がさらに第1の巻き方とは異なる第2の巻き方によって巻装する工程と、を含む複合容器の製造方法。
  7. 前記第1の巻き方はフープ巻きであり、前記第2の巻き方はヘリカル巻きである、請求項6に記載の複合容器の製造方法。
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