JP2011179587A - 圧力容器 - Google Patents
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Abstract
【課題】より安定した物理的強度を有する圧力容器を提供する。
【解決手段】圧力容器は、ライナ１０の外周表面に、ライナ１０を被覆する繊維強化樹脂層を備える。繊維強化樹脂層は、プリプレグを複数段積層させたプリプレグ積層体１２０をライナ１０に巻回させ、次いで、プリプレグ積層体１２０に含浸された樹脂を硬化させて形成される。プリプレグ積層体１２０を構成する複数段のプリプレグ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、それぞれ次式の関係を有する。
Ｘｎ＝（ｎ−１）ｔ／｛Ｒ＋（ｎ−１）ｔ｝×１００
（上記式において、ｎはプリプレグ積層体におけるプリプレグのライナ側からの段数、Ｘｎはライナ側からｎ段目のプリプレグの縮み率（％）、Ｒはライナ最外周の半径（ｍｍ）、ｔはプリプレグ積層体の厚み（ｍｍ）、をそれぞれ示す。）
【選択図】図３
【解決手段】圧力容器は、ライナ１０の外周表面に、ライナ１０を被覆する繊維強化樹脂層を備える。繊維強化樹脂層は、プリプレグを複数段積層させたプリプレグ積層体１２０をライナ１０に巻回させ、次いで、プリプレグ積層体１２０に含浸された樹脂を硬化させて形成される。プリプレグ積層体１２０を構成する複数段のプリプレグ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、それぞれ次式の関係を有する。
Ｘｎ＝（ｎ−１）ｔ／｛Ｒ＋（ｎ−１）ｔ｝×１００
（上記式において、ｎはプリプレグ積層体におけるプリプレグのライナ側からの段数、Ｘｎはライナ側からｎ段目のプリプレグの縮み率（％）、Ｒはライナ最外周の半径（ｍｍ）、ｔはプリプレグ積層体の厚み（ｍｍ）、をそれぞれ示す。）
【選択図】図３
Description
本発明は、圧力容器に関する。
酸素や窒素など、常温常圧状態における容積の大きな気体を高密度、小容量にて貯蔵するための容器として、所定の圧力により圧縮させて液体または気体として貯蔵する、圧力容器が使用されている。従来、耐圧性を有する鋼鉄製その他の金属製圧力容器が使用されてきたが、近年、天然ガスや水素ガスなどを貯蔵した圧力容器を車両などの移動体に搭載し、燃料として使用する技術に適用するため、圧力容器に対して要求される性能として、高密度化可能な耐圧性、耐久性はもちろんのこと、容器の軽量化も重要な課題となっていた。
一方、例えば炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）などの繊維強化樹脂（ＦＲＰ）を用いた圧力容器が知られている。ＦＲＰ製の圧力容器は一般に、金属製圧力容器よりも軽量であるため、車両などの移動体への搭載には有利であり、また、水素用圧力容器として使用する場合における、従来の鋼鉄製容器の課題であった水素脆化その他の懸念も少ないため、特に注目されている。
図７は、一般的なＦＲＰ製圧力容器の構成の概略を説明するための図である。図７に示す圧力容器１００は例えば、６−ナイロン（ナイロン６とも称する）、６，６−ナイロン（ナイロン６６とも称する）などのナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂などの熱可塑性樹脂で形成された中空形状のライナ１０と、ライナ１０の外周部分を被覆する繊維強化樹脂層（ＦＲＰ層）１２とを備え、構成されている。圧力容器１００にはまた、少なくとも一つの口金１８を有する。口金１８には、図示しないバルブが接続可能に構成されており、このバルブ操作により圧力容器１００の内外への高圧流体の流通を調節することができる。
繊維強化樹脂層１２は一般に、複数の長繊維（フィラメント）からなる繊維束に熱硬化性樹脂などの樹脂液を含浸させ、必要に応じて乾燥および／または半硬化させたいわゆるプリプレグをライナの外周表面に巻きつけ（フィラメントワインディング（ＦＷ）工程）、その後該樹脂液を硬化させる（硬化工程）ことにより形成される。圧力容器１００の設計圧力は、ライナ１０の材質および／または厚みの他、例えば、繊維強化樹脂層１２を構成する繊維の太さ、プリプレグの厚みや巻き数などを調整し、繊維強化樹脂層１２の厚みを調整することにより、制御することができる。
しかしながら、ライナ１０表面を覆うように形成される繊維強化樹脂層１２を構成する繊維が部分的に撓み、張力分布が不均一になると、作製された圧力容器の物理的強度にばらつきが生じる場合があり得た。
本発明は、より安定した物理的強度を有する圧力容器を作製することを目的とする。
本発明は、中空部を有するライナの外周表面に、前記ライナを被覆する繊維強化樹脂層を備える圧力容器であって、前記繊維強化樹脂層が、連続する複数の繊維と、該繊維間を埋めるように含浸された樹脂とからなるプリプレグを複数段積層させたプリプレグ積層体を前記ライナに巻回させ、次いで、前記プリプレグ積層体に含浸された樹脂を硬化させて形成され、前記プリプレグ積層体を構成する複数段のプリプレグが、それぞれ次式の関係を有する、圧力容器である。
（上記式において、ｎはプリプレグ積層体におけるプリプレグのライナ側からの段数、Ｘｎはライナ側からｎ段目のプリプレグの縮み率（％）、Ｒはライナ最外周の半径（ｍｍ）、ｔはプリプレグ積層体の厚み（ｍｍ）、をそれぞれ示す。）
より安定した物理的強度を有する圧力容器を作製することができる。
以下、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、半径Ｒのライナ１０の外周部分にプリプレグ積層体１２０の先端部分を巻きつける様子を概念的に示したものであり、図２は、図１に示す領域Ａに相当する拡大図である。図１に示すように、プリプレグ積層体１２０は、ライナ１０の外周表面の形状にあわせて屈曲させながら複数回にわたり整然と巻回されていく。
図３は、図２に示すプリプレグ積層体の構成の概略を説明するための部分拡大図である。図３（ａ）は、図２に示す領域Ｂを、図３（ｂ）は、図２に示す領域Ｃを、それぞれ拡大したものに相当する。なお、ここでは一例として縮み率の異なる３段のプリプレグ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃを順に積層させた構成を有するプリプレグ積層体１２０について説明する。
図３（ａ）に示すプリプレグ積層体１２０は、ライナ１０側から順に縮み率が高くなるようにプリプレグ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃを積層させた層構造を有している。ここで「縮み率」を説明するために、図４を参照する。図４に示すように、長さ１００単位の繊維を含むプリプレグＡが、例えば３単位収縮し、Ａ’となったとき、プリプレグの縮み率が３％であると規定する。このとき、プリプレグＡ’に含まれる繊維は、プリプレグＡに含まれる繊維と比較して撓み量が大きく、いわゆる「繊維歪」が発生した状態であると称される。
図２の領域Ｃのようなライナ１０の湾曲部分では、図３（ｂ）に示すようにライナ１０の表面形状に沿うように湾曲した状態でプリプレグ積層体１２０が巻回される。このとき、図２の領域Ｂのようにライナ１０の比較的平坦な部分に巻回されたプリプレグ積層体１２０とは異なり、ライナ１０に最も近い内側に配置されるプリプレグ１２０ａと、ライナ１０から最も遠い外側に配置されるプリプレグ１２０ｃとの間では、周長が相違し、プリプレグ１２０ｃ側の方がプリプレグ１２０ａ側よりもプリプレグの長さが延伸した状態となる。このとき、プリプレグ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃの縮み率が同程度であれば、ライナ１０に最も近い内側部分に「繊維歪」が発生しやすくなり、圧力容器の強度低下が懸念される。これに対し、プリプレグ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃの縮み率がライナ１０側から順に高くなるように形成されたプリプレグ積層体１２０を用いることにより、「繊維歪」が発生しやすい傾向にあるライナ１０の湾曲部分においても、プリプレグ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃにおける繊維の張力負荷が同程度となるため、より安定した物理的強度を有する圧力容器を作製することができる。
本発明の実施の形態において、プリプレグ積層体１２０を構成する複数段のプリプレグは、それぞれ次式の関係を満たすように作製され、積層される。
上記式（１）において、ｎはプリプレグ積層体におけるプリプレグのライナ側からの段数、Ｘｎはライナ側からｎ段目のプリプレグの縮み率（％）、Ｒはライナ最外周の半径（ｍｍ）、ｔはプリプレグ積層体の厚み（ｍｍ）、をそれぞれ示す。図３において、ｎ＝３、Ｒ＝１００（ｍｍ）、ｔ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＝０．３＋０．３＋０．３＝０．９（ｍｍ）の場合を例に挙げて示すと、以下のようになる：
第１のプリプレグ１２０ａの縮み率Ｘ１＝０％、第２のプリプレグ１２０ｂの縮み率Ｘ２＝０．２９％、第３のプリプレグ１２０ｃの縮み率Ｘ３＝０．５９％。
図５は、縮み率の異なる複数のプリプレグを積層させたプリプレグ積層体を作製する方法について例示したものである。一般に、温度Ｔ（℃）、樹脂の熱膨張率（線膨張率）α（１／Ｋ）、プリプレグの縮み率Ｘ（％）との間には、次式のような関係が成立する。
つまり、複数の繊維１４からなる繊維束への樹脂１６の含浸温度をそれぞれ変化させ、同一の温度まで冷却させることにより、プリプレグの縮み率Ｘを異ならせることができる。図５を参照すると、冷却温度を２０℃としたとき、最終温度と同一の２０℃で樹脂１６を含浸させると、縮み率Ｘ＝０の最内層のプリプレグ１３０ａが作製される。また、冷却温度よりも高温の６０℃で樹脂１６を含浸させると、縮み率Ｘが大きく、繊維歪の大きな最外層のプリプレグ１３０ｃが作製される。そして、２０℃と６０℃の中間の温度、例えば４０℃で樹脂１６を含浸させると、縮み率Ｘ、繊維歪ともにプリプレグ１３０ａとプリプレグ１３０ｃの中間である、中間層のプリプレグ１３０ｂを作製することができる。
このようにして作製されたプリプレグ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃを順に積層し、圧着など熱を加えずに接着または固定することにより、１束化されたプリプレグ積層体１３０が作製される。
一方、複数の繊維１４からなる繊維束に、熱膨張率の異なる樹脂を含浸させることによってもまた、プリプレグの縮み率Ｘを異ならせることができる。図６を参照すると、熱膨張率の小さな樹脂１６ａを、所定の温度（例えば、６０℃）で含浸させた後、最終温度（例えば２０℃）まで冷却することにより、縮み率Ｘが最小のプリプレグ１４０ａが作製される。また、熱膨張率の大きな樹脂１６ｃを、所定の温度（例えば、６０℃）で含浸させた後、最終温度（例えば２０℃）まで冷却することにより、縮み率Ｘが最大のプリプレグ１４０ｃが作製される。そして、樹脂１６ａと樹脂１６ｃの中間の熱膨張率を有する樹脂１６ｂを、所定の温度（例えば、６０℃）で含浸させた後、最終温度（例えば２０℃）まで冷却することにより、縮み率Ｘ、繊維歪ともにプリプレグ１４０ａとプリプレグ１４０ｃの中間である、中間層のプリプレグ１４０ｂを作製することができる。
このようにして作製されたプリプレグ１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃを順に積層し、熱を加えずに接着または固定することにより、１束化されたプリプレグ積層体１４０が作製される。
このように、例えば図５，６に例示したような手法を適宜選択し、必要に応じて組み合わせることにより、所望の縮み率を有するプリプレグを複数段積層させたプリプレグ積層体を作製することができる。
本発明の実施の形態において、プリプレグ積層体を構成するプリプレグの段数は、段ごとの縮み率が上記式（１）の関係を満たす限り、いかなるものであってもよいが、生産効率の観点から２〜１０段程度とすることができる。また、プリプレグの段ごとの厚みは同一であっても同一でなくてもよいが、好ましくは同一である。
本発明の実施の形態において、プリプレグ積層体に含まれる繊維としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、ケブラ繊維などを用いることが可能であり、特に比強度、比剛性の観点から炭素繊維が好適に用いられる。より具体的には、Ｔ８００繊維（東レ社製）、テナックスＩＭ６００（商品名）（東邦テナックス社製）などを挙げることができるが、これらに限定されない。また、繊維束の機械的強度として、引張り強度が１００〜３００ＧＰａ程度のものが好ましいが、これに限定されない。
一方、プリプレグ積層体を構成する各プリプレグを作製するために繊維束に含浸される樹脂液として、例えば液状の熱硬化性樹脂を用いることができ、要求される性能に応じて適宜選択することが可能である。かかる熱硬化性樹脂として、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などを使用することができるが、これに限定されない。また、要求される熱膨張率などの諸条件に応じて、複数の熱硬化性樹脂を組み合わせることも可能である。
本発明は、ＦＲＰ製の圧力容器に利用することが可能である。
１０ ライナ、１２ 繊維強化樹脂層、１４ 繊維、１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 樹脂、１８ 口金、１００ 圧力容器、１２０，１３０，１４０ プリプレグ積層体、１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ プリプレグ。
Claims (1)
- 中空部を有するライナの外周表面に、前記ライナを被覆する繊維強化樹脂層を備える圧力容器であって、
前記繊維強化樹脂層が、
連続する複数の繊維と、該繊維間を埋めるように含浸された樹脂とからなるプリプレグを複数段積層させたプリプレグ積層体を前記ライナに巻回させ、次いで、前記プリプレグ積層体に含浸された樹脂を硬化させて形成され、
前記プリプレグ積層体を構成する複数段のプリプレグが、それぞれ次式の関係を有することを特徴とする圧力容器。
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