JP2018084249A - 圧力容器 - Google Patents
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Abstract
【課題】中央導入出部の開口が大きくても内径の変形が少なく、圧力による中央から両端への伸びが小さい実用性に秀れた圧力容器の提供。
【解決手段】繊維強化樹脂製の管体１から成る圧力容器であって、管体軸心方向中央部に液体を導入若しくは導出する中央導入出部２を設け、管体の管体軸心方向両端部には端部導入出部３を設け、管体は繊維が管体軸心方向に対して±４０°以上±５０°未満の角度で傾斜して設けたヘリカル層４と、繊維が管体軸心方向に対してヘリカル層より大きい角度で傾斜して設けた補強層８，９とシール層とで構成され、中央導入出部が設けられる位置にはシール層から周方向外方側へ離反する離反部を設け、補強層はヘリカル層の前記離反部を挟むように該ヘリカル層の内方及び外方に夫々設けられる内方補強層及び外方補強層とで構成し、中央導入出部は前記内方補強層、ヘリカル層の離反部及び外方補強層を貫通するように設けた。
【選択図】図１
【解決手段】繊維強化樹脂製の管体１から成る圧力容器であって、管体軸心方向中央部に液体を導入若しくは導出する中央導入出部２を設け、管体の管体軸心方向両端部には端部導入出部３を設け、管体は繊維が管体軸心方向に対して±４０°以上±５０°未満の角度で傾斜して設けたヘリカル層４と、繊維が管体軸心方向に対してヘリカル層より大きい角度で傾斜して設けた補強層８，９とシール層とで構成され、中央導入出部が設けられる位置にはシール層から周方向外方側へ離反する離反部を設け、補強層はヘリカル層の前記離反部を挟むように該ヘリカル層の内方及び外方に夫々設けられる内方補強層及び外方補強層とで構成し、中央導入出部は前記内方補強層、ヘリカル層の離反部及び外方補強層を貫通するように設けた。
【選択図】図１
Description
本発明は、圧力容器に関するものである。
海水から淡水を取り出す方法のひとつに逆浸透法がある。これは逆浸透膜（例えば、スパイラル膜や中空糸膜）に、８００〜１２００ＰＳＩ（５．５〜８．３ＭＰａ）という通常のコンプレッサーで発生させる圧搾空気１ＭＰａの５．５〜８．３倍の圧力をかけた海水を通して逆浸透現象を起こさせ淡水を得る方法である。
この逆浸透膜は管状の圧力容器に装填されるが、圧力容器には極めて高い耐圧力性が求められる。また、海水や濃海水に接するため、耐腐食性も求められる。そのため、圧力容器としては、耐圧力性及び耐腐食性を備えた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が用いられるのが一般的であり、多くの場合、フィラメントワインディング（ＦＷ）成形法を用いて形成されている。
ところで、圧力容器には、圧力容器の一端側の周面若しくは端面から海水を導入し、他端側の周面若しくは端面から濃海水を導出するサイドポート型（特許文献１参照）またはエンドポート型と、圧力容器の中央部の周面から海水を導入し、両端部の周面若しくは端面から濃海水を導出するセンターポート型（特許文献２参照）とがある。
センターポート型の圧力容器は、特許文献２に記載されるように、圧力容器中央部の海水の導入出部同士を連結し、圧力容器両端部の濃海水の導入出部同士を連結できるために、圧力容器同士を連結するための配管費用と設置面積を節約できる利点がある。
しかしながら、センターポート型の圧力容器には、以下のような欠点がある。
１）中央部から左右の逆浸透膜に海水を供給するため、中央部の海水の導入出部の開口
を大きくしなければならない。海水の導入出部の開口を大きくする際、穴あけ加工時
に開口部の繊維を多く切断することになるので、強度低下が発生し、圧力によって圧
力容器の内径の変形が大きくなり、逆浸透膜のシール性を損なってしまう場合がある
。この場合、折角得られた淡水に海水や濃海水が混じってしまう。
を大きくしなければならない。海水の導入出部の開口を大きくする際、穴あけ加工時
に開口部の繊維を多く切断することになるので、強度低下が発生し、圧力によって圧
力容器の内径の変形が大きくなり、逆浸透膜のシール性を損なってしまう場合がある
。この場合、折角得られた淡水に海水や濃海水が混じってしまう。
２）圧力容器には、圧力のかかった海水の導入と圧力のかかった濃海水の導出に伴って
変形（長さ方向の伸び）が生じるが、センターポート型では中央から両端に向かって
伸びが生じる。そのため、単に一端側から他端側に向かって伸びが生じるサイドポー
ト型やエンドポート型とは異なり、中央から両端に伸びることに対する設計や配慮が
必要となる。
変形（長さ方向の伸び）が生じるが、センターポート型では中央から両端に向かって
伸びが生じる。そのため、単に一端側から他端側に向かって伸びが生じるサイドポー
ト型やエンドポート型とは異なり、中央から両端に伸びることに対する設計や配慮が
必要となる。
しかしながら、特許文献２では、１）中央の海水の導入出部の開口を大きくすることに伴いシール性が損なわれる点への対応、２）圧力による中央から両端への伸びへの対応については何ら言及されていない。
また、逆浸透法に用いられる圧力容器は、その運用（逆浸透法による海水の淡水化）の面から、
Ａ）逆浸透による海水淡水化の運転時に圧力容器両端開口の閉塞部や海水、濃海水導入
出部にあたるセンターポート、サイドポート、エンドポートからの水漏れがないこと
Ｂ）運転最中に圧力容器が破裂してはならないこと
が求められる。ＦＲＰ製圧力容器の国際的な要求規格ＡＳＭＥ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｘ（アスメ セクション テン）では、水漏れと耐圧力性について次のように規定している。
Ａ）逆浸透による海水淡水化の運転時に圧力容器両端開口の閉塞部や海水、濃海水導入
出部にあたるセンターポート、サイドポート、エンドポートからの水漏れがないこと
Ｂ）運転最中に圧力容器が破裂してはならないこと
が求められる。ＦＲＰ製圧力容器の国際的な要求規格ＡＳＭＥ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｘ（アスメ セクション テン）では、水漏れと耐圧力性について次のように規定している。
Ａ）出荷試験（Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｓｔ）において、設計圧力の１倍と１．１
倍の圧力で水漏れがないこと（全数検査）。
倍の圧力で水漏れがないこと（全数検査）。
例：設計圧力が１０００ＰＳＩ（６．９ＭＰａ）の場合、１０００ＰＳＩ（６．９
ＭＰａ）とその１．１倍の１１００ＰＳＩ（７．５９ＭＰａ）で水漏れがないこと。
ＭＰａ）とその１．１倍の１１００ＰＳＩ（７．５９ＭＰａ）で水漏れがないこと。
Ｂ）圧力容器を製造する前の認定試験（Ｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔ）にお
いて、０圧力（大気圧）と設計圧力との間で圧力印加、除加を１０万回繰り返し、そ
の間、水漏れがないこと。さらに、その圧力印加、除加を１０万回繰り返した圧力容
器を用いて設計圧力の６倍の耐圧力があること（量産前の認定検査）。
いて、０圧力（大気圧）と設計圧力との間で圧力印加、除加を１０万回繰り返し、そ
の間、水漏れがないこと。さらに、その圧力印加、除加を１０万回繰り返した圧力容
器を用いて設計圧力の６倍の耐圧力があること（量産前の認定検査）。
例：設計圧力が１０００ＰＳＩ（６．９ＭＰａ）の場合、０と１０００ＰＳＩ（６
．９ＭＰａ）との間の圧力印加、除加の間中に水漏れがないこと。その圧力印加、除
加を１０万回繰り返した圧力容器を用いて設計圧力の６倍の６０００ＰＳＩ（４１．
４ＭＰａ）の耐圧力があること。
．９ＭＰａ）との間の圧力印加、除加の間中に水漏れがないこと。その圧力印加、除
加を１０万回繰り返した圧力容器を用いて設計圧力の６倍の６０００ＰＳＩ（４１．
４ＭＰａ）の耐圧力があること。
これらの要求を満足するためには、運転圧力（設計圧力）に対して、圧力容器の変形を抑えて、圧力容器両端開口の閉塞部や海水、濃海水導入出部にあたるセンターポート、サイドポート、エンドポートからの水漏れを防ぐ必要がある。加えて、耐圧力性も必要となる。
本発明は、上述のような現状に鑑みなされたもので、センターポート型の圧力容器において、中央導入出部の開口が大きくても内径の変形が少なく、しかも、圧力による中央から両端への伸びが小さい実用性に秀れた圧力容器を提供するものである。
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
繊維強化樹脂製の管体１から成り、逆浸透膜法による海水淡水化処理若しくは純水化処理に用いられるセンターポート型の圧力容器であって、管体１の周面にして管体軸心方向中央部には、液体を導入若しくは導出する中央導入出部２が設けられ、前記管体１の管体軸心方向両端部には、流体を導入若しくは導出する端部導入出部３が設けられ、この管体１は繊維が管体軸心方向に対して±４０°以上±５０°未満の角度で傾斜して設けられるヘリカル層４と、前記繊維が管体軸心方向に対して前記ヘリカル層４より大きい角度で傾斜して設けられる補強層と、最内層となるシール層20とで構成され、前記ヘリカル層４にして前記中央導入出部２が設けられる位置には前記シール層20から周方向外方側へ離反する離反部５が設けられ、前記補強層は、前記ヘリカル層４の前記離反部５を挟むように該ヘリカル層４の内方及び外方に夫々設けられる内方補強層６及び外方補強層８とで構成され、前記中央導入出部２は前記内方補強層６、前記ヘリカル層４の離反部５及び前記外方補強層８を貫通するように設けられていることを特徴とする圧力容器に係るものである。
また、繊維強化樹脂製の管体１から成り、逆浸透膜法による海水淡水化処理若しくは純水化処理に用いられるセンターポート型の圧力容器であって、管体１の周面にして管体軸心方向中央部には、液体を導入若しくは導出する中央導入出部２が設けられ、前記管体１の周面にして管体軸心方向両端部には、流体を導入若しくは導出する端部導入出部３が設けられ、この管体１は繊維が管体軸心方向に対して±４０°以上±５０°未満の角度で傾斜して設けられるヘリカル層４と、前記繊維が管体軸心方向に対して前記ヘリカル層４より大きい角度で傾斜して設けられる補強層と、最内層となるシール層20とで構成され、前記ヘリカル層４にして前記中央導入出部２及び前記端部導入出部３が設けられる位置には前記シール層20から周方向外方側へ離反する離反部５が設けられ、前記補強層は、前記ヘリカル層４の前記離反部５を挟むように該ヘリカル層４の内方及び外方に夫々設けられる内方補強層６，７及び外方補強層８，９とで構成され、前記中央導入出部２及び前記端部導入出部３は前記内方補強層６，７、前記ヘリカル層４の離反部５及び前記外方補強層８，９を貫通するように設けられていることを特徴とする圧力容器に係るものである。
また、請求項２記載の圧力容器において、前記中央導入出部２が貫通するように設けられる中央の前記内方補強層６若しくは前記外方補強層８の繊維は、管体軸心方向に対して±６０°以上±８０°以下の角度で傾斜していることを特徴とする圧力容器に係るものである。
また、請求項２，３いずれか１項に記載の圧力容器において、前記端部導入出部３が貫通するように設けられる両端部の前記内方補強層７若しくは前記外方補強層９の繊維は、管体軸心方向に対して±８５°以上±８９°以下の角度で傾斜していることを特徴とする圧力容器に係るものである。
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の圧力容器において、前記シール層20は、繊維配向が無作為な等方性を有する基材と、前記ヘリカル層４及び前記補強層のマトリックス樹脂と同一のマトリックス樹脂とから成ることを特徴とする圧力容器に係るものである。
また、請求項５記載の圧力容器において、前記シール層20の樹脂含有率は前記ヘリカル層４及び前記補強層の樹脂含有率より大きいことを特徴とする圧力容器に係るものである。
また、請求項６記載の圧力容器において、前記シール層20の樹脂含有率は４０質量％以上８５質量％以下に設定され、前記ヘリカル層４及び前記補強層の樹脂含有率は２０質量％以上３０質量％以下に設定されていることを特徴とする圧力容器に係るものである。
また、請求項１〜７いずれか１項に記載の圧力容器において、前記ヘリカル層４の前記離反部５以外の部分は前記シール層20と接していることを特徴とする圧力容器に係るものである。
本発明は上述のように構成したから、中央導入出部の開口が大きくても内径の変形が少なく、しかも、圧力による中央から両端への伸びが小さい実用性に秀れた圧力容器となる。
好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。
ヘリカル層４の離反部５の離反状態（うねり状態）が、この離反部５を挟む内方補強層６と外方補強層８とで保持されることで、各層間のせん断力だけでなく、ヘリカル層４の繊維を分断する力によっても強度が維持されることになる。
特に、センターポート型では、中央導入出部２の開口を径大にする必要があり、この中央導入出部２近傍の直径方向の変形が問題となるが、ヘリカル層４のうねり状態の構造により、中央導入出部２近傍の直径方向の変形を抑制できる。
また、ヘリカル層４の繊維を管体軸心方向に対して±４０°以上±５０°未満の角度で傾斜して設けることで、管体１の長さ方向の伸びを良好に抑制できる。
更に、シール層20として、繊維配向が無作為な等方性を有する基材と、ヘリカル層４及び補強層のマトリックス樹脂と同一のマトリックス樹脂とから成る構成を採用することで、最内層に堅固なシール層20を形成できる。よって、管体１胴体部における止水性が良好となる。
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
本実施例は、繊維強化樹脂製の管体１から成り、逆浸透膜法による海水淡水化処理若しくは純水化処理に用いられるセンターポート型の圧力容器であって、管体１の周面にして管体軸心方向中央部には、液体を導入若しくは導出する中央導入出部２が設けられ、前記管体１の周面にして管体軸心方向両端部には、流体を導入若しくは導出する端部導入出部３が設けられ、この管体１は繊維が管体軸心方向に対して±４０°以上±５０°未満の角度で傾斜して設けられるヘリカル層４と、前記繊維が管体軸心方向に対して前記ヘリカル層４より大きい角度で傾斜して設けられる補強層と、最内層となるシール層20とで構成され、前記ヘリカル層４にして前記中央導入出部２及び前記端部導入出部３が設けられる位置には前記シール層20から周方向外方側へ離反する離反部５が設けられ、前記補強層は、前記ヘリカル層４の前記離反部５を挟むように該ヘリカル層４の内方及び外方に夫々設けられる内方補強層６，７及び外方補強層８，９とで構成され、前記中央導入出部２及び前記端部導入出部３は前記内方補強層６，７、前記ヘリカル層４の離反部５及び前記外方補強層８，９を貫通するように設けられているものである。
また、管体１の管体軸心方向両端部には該管体１を閉塞する閉塞蓋10が設けられる。
本実施例の管体１は、公知のフィラメントワインディング法により、エポキシ樹脂とこれらの硬化剤を含む樹脂を含浸したガラス繊維を円筒状の（後述するシール層20となる層が形成された）マンドレルに該マンドレルの軸心方向（管体１の軸心方向）に対して所定の傾斜角度で連続的に必要量を巻回し、エポキシ樹脂を加熱硬化させ、続いて、マンドレルを脱型することで形成される円筒状のものであり、海水淡水化や（超）純水化処理に用いられる管体１である。
具体的には、マンドレルにして管体１の軸心方向の全域となる所定領域に、繊維配向が無作為な等方性を有するテープ状の基材を、端部が所定のラップ（１／４から３／４の範囲）で重なるようにマンドレルに連続的に巻回すると共にマトリックス樹脂を含浸せしめてシール層20となる樹脂含浸層を形成する。
続いて、シール層20となる樹脂含浸層上に、（軸心方向において）閉塞蓋10（を設ける予定位置）の外方端部から端部導入出部３（を設ける予定位置）の内方端部から所定距離離れた位置まで、マンドレルの軸心方向に対して±８５°以上±８９°以下の角度±γのフープ巻きにより両端部の内方補強層７（フープ層）となる樹脂含浸層を形成すると共に、中央導入出部２（を設ける予定位置）の周囲の所定範囲にマンドレルの軸心方向に対して±６０°以上±８０°以下の角度±βで巻回して中央の内方補強層６となる樹脂含浸層を形成する。
続いて、管体１の軸心方向の全域にわたって±４０°以上±５０°未満の角度±αのヘリカル巻きによりヘリカル層４となる樹脂含浸層を形成する。この際、ヘリカル層４となる樹脂含浸層には、内方補強層６，７に沿って設けられることでシール層20から離反した離反部５が形成される（離反部５以外の部分はシール層20と接した状態となる。）。
続いて、ヘリカル層４となる樹脂含浸層上に、管体１の管体軸心方向端部位置から両端部の内方補強層７の内方端部より内方側位置（離反していたヘリカル層４がシール層20に接した部位の内方側位置）まで±８５°以上±８９°以下の角度±γのフープ巻きにより両端部の外方補強層９（フープ層）となる樹脂含浸層を形成すると共に、中央の内方補強層６の両端部より外方側位置（離反していたヘリカル層４がシール層20に接した部位の外方側位置）まで±６０°以上±８０°以下の角度±βで巻回して中央の外方補強層８となる樹脂含浸層を形成する。
その後、各樹脂含浸層を加熱硬化させ、マンドレルを脱芯（脱型）することでヘリカル層及び補強層の繊維が軸心に対して上述の角度で傾斜した管体１を得る。
なお、エポキシ樹脂に限らず、ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂等、他の樹脂を用いても良いし、ガラス繊維に限らず、カーボン繊維等、他の繊維を用いても良い。また、シール層20のマトリックス樹脂は、ヘリカル層４及び補強層のマトリックス樹脂と同一の樹脂を採用すると密着性がより向上するため、好ましい。また、両端部の内方補強層７は、その始点を閉塞蓋10の外方端部から所定距離離れた位置としても良いし、その終点を端部導入出部３の内方端部位置としても良い（導入出部の穴加工時に穴周囲が変形しない位置に設定すれば良い。）。また、内方補強層６，７と外方補強層８，９とで繊維の角度を同一とする必要はなく、上述の範囲内であれば夫々異なる角度としても良い。
また、本実施例においては、加熱硬化後のシール層20の樹脂含有率は４０質量％以上８５質量％以下、ヘリカル層４及び補強層（内方補強層６，７及び外方補強層８，９）の樹脂含有率は２０質量％以上３０質量％以下となるように設定している。これにより、シール層20の止水性（シール性）が一層良好となる。
また、管体１の両端部は、管体１の内周面と略同径の繊維強化樹脂製（ＦＲＰ製）の閉塞蓋10を、図３に図示したように管体１の内周面に設けられた凹部に配設されるＦＲＰ製のリテイナーリング11にボルト（図示省略）で接合することで閉塞されている。図中、符号12は閉塞蓋と管体１の内周面との間を閉塞するＯリング、13は管体１の内部の逆浸透膜の淡水が通過する淡水通過路と外部の淡水取り出し管とを連通する連通管である。
なお、リテイナーリングが配設される管体１の内周面に設けた凹部は、単に管体１の内周面（内方補強層）を切削して凹溝を形成することで設けても良いし、予め繊維を巻回する際にマンドレルにリング体等を被嵌せしめておき、このリング体により内周面にリテイナーリングが配設される凹部が形成されるようにしても良い。また、切削して凹溝を形成する場合、ヘリカル層４を切削しないように内方補強層の形状を設定すると良い。
また、管体１の中央部には、装填される逆浸透膜の内側端部の外周部が係止する位置決め係止部（図示省略）が設けられている。この位置決め係止部としては上述の閉塞蓋固定用のリテイナーリングと同様の構成を採用できる。
図１，２に図示したように、閉塞蓋の管体１の軸心方向内方側には近接状態に端部導入出部３が設けられている。具体的には、端部導入出部３は管体１の周面に穿設された導入出孔と該導入出孔に設けられ一端側に鍔部15を有する筒体14とから成り、この筒体14の鍔部15が、管体１の内周面に設けた段差部に係止されている。
従って、本実施例は、図２に図示したように、中央導入出部２の近傍及び閉塞蓋と端部導入出部３の近傍においてヘリカル層４がシール層20から周方向外方側（放射方向外方側）に離反して（逃げて）アーチ状に屈曲した（うねった）形状を呈する。
また、管体１の中央部には、中央導入出部２が設けられている。図３に図示したように、中央導入出部２も端部導入出部３と同様に、管体１の周面に穿設された導入出孔と該導入出孔に設けられ一端側に鍔部17を有する筒体16とから成り、この筒体16の鍔部17が、管体１の内周面に設けた段差部に係止されている。
本実施例の筒体14，16が設けられる導入出孔は、管体１の端面視において１２時の位置及び６時の位置に、内方補強層６，７、ヘリカル層４、外方補強層８，９を貫通するように穿設される。
図中、符号18は筒体を管体１に係止するスナップリング、19はＯリングである。
また、ヘリカル層４の両端部及び中央部は、内方補強層６，７及び外方補強層８，９により挟まれた状態（所謂サイドイッチ構造）となり、このヘリカル層４の離反部５のアーチ形状が保持されることになり、導入出部の周囲に存する２つの補強層による正円形状維持効果に加えてヘリカル層４自身も楕円変形しにくい構成となり、導入出部の穴加工によっても正円形状が良好に維持される（内方補強層６，７と外方補強層８，９がサンドイッチ構造をなすためにフープ層等の特徴である横断面の正円形状が維持される。）。よって、閉塞蓋10のＯリング12による止水効果及び後述する逆浸透膜にあるシール（ＯリングやＶリング）のシール性が良好に発揮される。また、ヘリカル層４の離反部５の両端部の立ち上がり角度は９０度以下に設定する。
また、中央導入出部２は端部導入出部３に比し径大に設定される。その理由は以下の通りである。
例えば６本の逆浸透膜を装填する場合、センターポート型の圧力容器においては、中央部の左側に３本、中央部の右側に３本を配し、中央導入出部２（センターポート）から海水を左右の逆浸透膜に送り込む。この場合は、３本＋３本の並列接合となる。並列数を多くすると、逆浸透膜に送り込む海水の導入量（供給量）を多くする必要がある。そのため、海水を導入する高圧ポンプには大きな流量を発生させるポンプが必要となる。
一方、例えば、エンドポート型、サイドポート型の場合は直列接合となる。直列数を多くすると、海水を導入する高圧ポンプには大きな流量を発生させる必要がないが（ポンプの必要能力は小さくて済むが）、圧力損失は逆浸透膜の入口側と出口側との間で発生する。例えば、サイドポート型（エンドポート型でも良い）で、逆浸透膜６本の場合、第１の逆浸透膜から第６の逆浸透膜まで（海水導入から濃海水排出まで）の直列接合の間で圧力損失が発生する。つまり、サイドポート型のように直列配列の場合は、海水導入から濃海水排出までの間の圧力損失が大きくなる。圧力損失が大きくなれば、海水の淡水化効率は低下する。
即ち、センターポート型の圧力容器において、特許文献２に記載されたような作用効果や、センターポートにより逆浸透膜を並列接合させた海水淡水化装置として有効に機能させるためには、中央導入出部２からの海水の導入量を大きくする必要があり、そのためには中央導入出部２の直径（穴径）を大きくする必要がある。
例えば、ＦＲＰ製圧力容器の周面（側部）の端面視における１２時の位置及び６時の位置に穴を開けると、１２時−６時の位置を短径、３時−９時の位置を長径とする楕円に変形してしまう（特許文献１の段落［００１８］参照）。この楕円変形現象は海水導入の穴径が大きくなればなるほど顕著になり、例えば、内径８インチの圧力容器においては、穴径が２インチより３インチの方が、３インチよりも４インチの方が楕円変形は大きくなる。センターポート型の中央に開けられた海水導入の穴（中央導入出部２）でも同様な現象は発生することになり、楕円変形が起これば、センターポート両側に配された逆浸透膜にあるシール（ＯリングやＶリング）のシール性が損なわれる（逆浸透膜外周側の形状が正円に対して、圧力容器内周側の形状が楕円であれば、逆浸透膜外周と圧力容器内周に位置するシールは、楕円の長軸側で、すき間ができてしまいシール性が損なわれる。）。若しくは、圧力容器の楕円の短軸側の長さが逆浸透膜の直径よりも小さくなり、逆浸透膜を圧力容器に装填できなくなるという不具合が生じる。
この楕円変形を抑えるために、本実施例ではヘリカル層４に離反部５を設け、この離反部５の内外に夫々補強層を設けている。但し、例えば、内径８インチの圧力容器に穴径が４インチの中央導入出部２を設ける場合（中央導入出部２の穴径／圧力容器（管体１）の内径：４インチ／８インチ。開口率５０％の場合）、楕円変形を抑えるために内方補強層、ヘリカル層４及び外方補強層のそれぞれの厚さを厚くする必要がある。厚さを厚くすることで、ガラス繊維と樹脂の投入量が多くなり、また、ワンディング工程のワインディング時間が長くなるため、材料費と加工費のコストアップになってしまう。
この点、本実施例においては、中央導入出部２が設けられる中央の内方補強層６と外方補強層８を±６０°以上±８０°以下の角度で巻回させてフィラメントワインディングを行う。これにより特許文献１のサンドイッチ構造による剛性維持の利点に加えてセンターポートの穴加工によって繊維が切断されることを避けることができ、それだけ各層を厚くせずとも変形を抑制することが可能となり、材料費・加工費のコストを抑制できる。
１０ｍｍ幅の帯状のガラス繊維を用いてフィラメントワインディングし、４インチ（１００ｍｍ）の海水導入用の穴をあける場合、どの程度の本数のガラス繊維が切断されるかを説明する。
例えば、図４に図示したように、ワインディング角度９０°の場合、圧力容器（管体）軸心に対して繊維の傾斜角度は９０°になっているので、１００ｍｍ／１０ｍｍ＝１０本のガラス繊維が切断されることになる。また、例えば、図５に図示したように、ワインディング角度が６５°の場合、圧力容器（管体）軸心に対して繊維の傾斜角度は６５°になっているので、ガラス繊維１０ｍｍ幅１本の導入出部の穴の１２時−６時の直径に対して交差する長さＸは、Ｘ＝１０／ｃｏｓ（９０−６５）＝１１．０３３８ｍｍとなり、１００ｍｍを覆うガラス繊維は１００ｍｍ／１１．０３８８ｍｍ＝９．０６３１本、おおむね９本のガラス繊維が切断されることになる。
同様に特許文献１のように±８９°の場合は、Ｘ＝１０／ｃｏｓ（９０−８９）＝１０．００１５ｍｍとなり、１００ｍｍを覆うガラス繊維は１００ｍｍ／１０．００１５ｍｍ＝９．９９８５１本、９０度と同様にほぼ１０本のガラス繊維が切断されることになる。９０°の場合は１０本（±８９°の場合もほぼ１０本）のガラス繊維が切断され、６５°の場合は９．０６３１本のガラス繊維が切断される。このことから６５°の場合は９０°に比べて９．３７％繊維が切断されずに済むということになる。
同じ計算を特許文献１の±８５°から±８９°の場合で行い、９０°に比べてどの程度繊維が切断されずに済むか求めると、±８５°の場合では９０°に比べて０．３８％、±８９°の場合では９０°に比べて０．０２％となる。これに比べて、本実施例の±６０°から±８０°の場合で求めると、±６０°の場合では９０°に比べて１３．４％、±８０°の場合では９０°に比べて１．５２％となる。例えば、１００ｍｍの直径の穴をあける場合、繊維が切られずに済む度合いは、特許文献１の±８５°から±８９°の場合、ワインディグ角度９０°と比べるとその度合いは、０．５％未満のレベルにとどまる。本実施例の±６０°から±８０°の場合は、１００ｍｍの直径の穴をあける場合、ワインディグ角度９０°に比べて１．５％から１３％レベルにまで繊維が切断されずに済む、ということになる。
センターポート部位のワインディング角度を±６０°以上±８０°以下にすると、一般的な所謂フープ巻きでなくなるために、理論上はこの部位の真円形状の保持力が低下することになるが（通常ＦＲＰで断面の円形状を維持するためにはフープ巻きを適用するため、フープ巻き（９０°若しくは±８５°以上±８９°以下）よりも小さくなるワンディング角度では断面の円形状を保持することが難しくなるが）、実際には、導入出部の穴を開ける際に発生する楕円変形の影響の方がはるかに大きい（繊維の切断を抑制できる繊維角度の方が好ましい）ことがわかった。実際のセンターポート型の内径８インチの圧力容器に４インチの導入出部の穴を１８０°対角の位置に２穴開ける場合、特許文献２の８５°（フープ巻）の場合の穴あけ後の１２時−６時を短径から３時−９時の位置を長径とした場合の楕円度（長径−短径）は０．６４ｍｍ、これに対して本実施例の±７０°の場合の楕円度は０．３１ｍｍと大きく改善できた。内径８インチの圧力容器の場合、楕円度が０．４ｍｍを超えるとシール性が損なわれるため、発明者らは圧力容器の出荷試験において、楕円度を０．４ｍｍ以下になるように設定している。実際に国際規格ＡＳＭＥ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｘに基づく設計圧力１０００ＰＳＩ（６．９ＭＰａ）での圧力印加水漏れ試験においては、繊維の管体軸心に対する傾斜角度が±８５°では水漏れが確認され、±６５°では水漏れが確認されずに圧力容器として良好な性能が得られた。
一方、長さ方向の伸びについては、センターポート型では、中央の海水導入部から両端の濃海水排出部に向けて伸びが伸長する。特許文献１のフープ巻き±８５°以上±８９°以下、ヘリカル巻き±５０°以上±６０°以下の構成で、サイドポート型で全長が８〜１０ｍｍ延びる場合をセンターポート型で考えると、センターポート型では中央から右端側に４〜５ｍｍ、左端側に４〜５ｍｍの全長での伸び量８〜１０ｍｍが左右均等に伸びると考えがちだが、実際には左右均等の伸びが発生するわけではない。実際には左端側の逆浸透膜が先に満水になり、右端側遅れて満水になるということがあり、伸び挙動は一定しない。特許文献１、若しくは、特許文献１以外の技術をセンターポート型に適用しても、圧力容器の濃海水排出側の架台への取付部位を可動式にする等の伸び対策が必要となる。
即ち、架台に圧力容器を設置する場合、架台の２本乃至３本の梁に圧力容器を架設するが、梁と圧力容器とを全てＵバンド等で固定すると、上述の伸びが大きい場合、伸びを吸収できない。そのため、梁と圧力容器との間に、梁に固定されるレールと圧力容器を支持するブロックとからなりブロックがレールに案内されて直線往復運動するリニアガイド等を設けた可動式の取付機構を用いる必要がある等、伸びを吸収する配慮が必要となる。なお、伸びが小さい場合には、端部に設けられる淡水取り出し管をフレキシブル管にしたり、Ｕ字若しくはＪ字状とすることで、その湾曲部分で伸びを相殺する構成とすることが可能である。
可動式の取付機構には、圧力容器の据付け架台上に圧力容器の自重と内部の逆浸透膜、そして逆浸透膜に含まれた水分の重さに耐えられるような剛性をもった構造が必要で、機構上も、構造上もコスト高になってしまう。
これに対して、センターポート（中央導入出部２）の左右の圧力容器胴体部のフィラメントワインディングの繊維の巻き角度（即ち、ヘリカル層４の繊維の管体軸心に対する傾斜角度）を特許文献１の±５０°以上±６０°以下から、±４０°以上±５０°未満（管理値は中央値の±４５°）にすると、長さ方向の伸びは０．５〜１ｍｍに抑えることができ、濃海水排出側の圧力容器の架台への取付機構を可動式にしなくて良いという利点が得られる（但し、長さ方向の伸びがわずかに生ずるため（ゼロになるわけではない）、濃海水排出側にある淡水取出し管をフレシキブル管にしたり、Ｕ字形状にしたりして長さ方向への変形をキャンセルする機構を備えるのが望ましい。）。
また、圧力容器中央のセンターポートから、海水を導入する場合、その圧力によって図３のセンターポートの鍔部17に接する開口部の穴径を長さ方向に楕円変形させようとする力がはたらく。この開口の楕円変形により、Ｏリング19は開口部側壁に接することができなくなり、水漏れを生ずる。この傾向は開口が大きくなればなるほど、言い換えると、繊維を切断する量が多くなればなるほど、楕円変形の度合が大きくなる。
しかしながら、本実施例では長さ方向の伸びを抑えられ、結果として、この開口部の楕円変形も抑えられるために良好なＯリングのシール性を保つことができる。
具体的には、端部導入出部３が設けられる両端部の内方補強層７及び外方補強層９の繊維角度を±８５°以上±８９°以下にする構成を内径８インチの管体１の中央の（１８０°の対角位置２箇所に設けた）開口部に適用した場合は、最大で３インチの開口を取ることができる。また、中央の内方補強層６及び外方補強層８の繊維角度を±６０°以上±８０°以下にし、ヘリカル層４の繊維角度を±４０°以上±５０°未満に設定する構成を内径８インチの管体１の中央の（１８０°の対角位置２箇所に設けた）開口部に適用した場合は、最大で４インチの開口を取っても、ＡＳＭＥ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｘによる水漏れ試験で水漏れがないことを確認できた。
従って、本実施例に係る構成により内径８インチの管体１の中央部の開口を４インチ（開口率５０％）にまで拡大することができる。よって、本実施例に係る構成は、特に、管体１の内径に対し３７．５％より大きく５０％以下の開口率の開口を中央部に設ける場合に好適である。中央部の開口を大きくできるということは海水の導入出量を多くできることになり、水処理量を大きくできることになる。
さらに、長さ方向の伸びの絶対量が小さい（０．５〜１ｍｍ）ことで、センターポート型では中央から右端側、左端側の伸びが一定しない挙動があっても、その伸びの絶対量を抑えることができる。結果として、センターポート型の圧力容器両端のサイドポートの開口の楕円変形を抑えることができ、サイドポートからの水漏れを防ぐことができる。
以上、中央導入出部２が設けられる中央の内方補強層６及び外方補強層８の繊維角度を±６０°以上±８０°以下にし、ヘリカル層４の繊維角度を±４０°以上±５０°未満に設定すると共に、端部導入出部３が設けられる両端部の内方補強層７及び外方補強層９の繊維角度を±８５°以上±８９°以下にすることで、水漏れのない良好な圧力容器を得ることができる。
本実施例は上述のように構成したから、ヘリカル層４の離反部５の離反状態（うねり状態）が、この離反部５を挟む内方補強層６，７と外方補強層８，９とで保持されることで、各層間のせん断力だけでなく、ヘリカル層４の繊維を分断する力によっても強度が維持されることになる。
特に、センターポート型では、中央導入出部２の開口を径大にする必要があり、この中央導入出部２近傍の直径方向の変形が問題となるが、この中央導入出部２近傍の直径方向の変形を抑制できる。
また、ヘリカル層４の繊維を管体軸心方向に対して±４０°以上±５０°未満の角度で傾斜して設けることで、管体１の長さ方向の伸びを良好に抑制できる。
更に、シール層20として、繊維配向が無作為な等方性を有する基材と、ヘリカル層４及び補強層のマトリックス樹脂と同一のマトリックス樹脂とから成る構成を採用することで、最内層に堅固なシール層20を形成できる。よって、管体１胴体部における止水性が良好となる。
よって、本実施例は、中央導入出部の開口が大きくても内径の変形が少なく、しかも、圧力による中央から両端への伸びが小さい実用性に秀れたものとなる。
１ 管体
２ 中央導入出部
３ 端部導入出部
４ ヘリカル層
５ 離反部
６，７ 内方補強層
８，９ 外方補強層
20 シール層
２ 中央導入出部
３ 端部導入出部
４ ヘリカル層
５ 離反部
６，７ 内方補強層
８，９ 外方補強層
20 シール層
Claims (8)
- 繊維強化樹脂製の管体から成り、逆浸透膜法による海水淡水化処理若しくは純水化処理に用いられるセンターポート型の圧力容器であって、管体の周面にして管体軸心方向中央部には、液体を導入若しくは導出する中央導入出部が設けられ、前記管体の管体軸心方向両端部には、流体を導入若しくは導出する端部導入出部が設けられ、この管体は繊維が管体軸心方向に対して±４０°以上±５０°未満の角度で傾斜して設けられるヘリカル層と、前記繊維が管体軸心方向に対して前記ヘリカル層より大きい角度で傾斜して設けられる補強層と、最内層となるシール層とで構成され、前記ヘリカル層にして前記中央導入出部が設けられる位置には前記シール層から周方向外方側へ離反する離反部が設けられ、前記補強層は、前記ヘリカル層の前記離反部を挟むように該ヘリカル層の内方及び外方に夫々設けられる内方補強層及び外方補強層とで構成され、前記中央導入出部は前記内方補強層、前記ヘリカル層の離反部及び前記外方補強層を貫通するように設けられていることを特徴とする圧力容器。
- 繊維強化樹脂製の管体から成り、逆浸透膜法による海水淡水化処理若しくは純水化処理に用いられるセンターポート型の圧力容器であって、管体の周面にして管体軸心方向中央部には、液体を導入若しくは導出する中央導入出部が設けられ、前記管体の周面にして管体軸心方向両端部には、流体を導入若しくは導出する端部導入出部が設けられ、この管体は繊維が管体軸心方向に対して±４０°以上±５０°未満の角度で傾斜して設けられるヘリカル層と、前記繊維が管体軸心方向に対して前記ヘリカル層より大きい角度で傾斜して設けられる補強層と、最内層となるシール層とで構成され、前記ヘリカル層にして前記中央導入出部及び前記端部導入出部が設けられる位置には前記シール層から周方向外方側へ離反する離反部が設けられ、前記補強層は、前記ヘリカル層の前記離反部を挟むように該ヘリカル層の内方及び外方に夫々設けられる内方補強層及び外方補強層とで構成され、前記中央導入出部及び前記端部導入出部は前記内方補強層、前記ヘリカル層の離反部及び前記外方補強層を貫通するように設けられていることを特徴とする圧力容器。
- 請求項２記載の圧力容器において、前記中央導入出部が貫通するように設けられる中央の前記内方補強層若しくは前記外方補強層の繊維は、管体軸心方向に対して±６０°以上±８０°以下の角度で傾斜していることを特徴とする圧力容器。
- 請求項２，３いずれか１項に記載の圧力容器において、前記端部導入出部が貫通するように設けられる両端部の前記内方補強層若しくは前記外方補強層の繊維は、管体軸心方向に対して±８５°以上±８９°以下の角度で傾斜していることを特徴とする圧力容器。
- 請求項１〜４いずれか１項に記載の圧力容器において、前記シール層は、繊維配向が無作為な等方性を有する基材と、前記ヘリカル層及び前記補強層のマトリックス樹脂と同一のマトリックス樹脂とから成ることを特徴とする圧力容器。
- 請求項５記載の圧力容器において、前記シール層の樹脂含有率は前記ヘリカル層及び前記補強層の樹脂含有率より大きいことを特徴とする圧力容器。
- 請求項６記載の圧力容器において、前記シール層の樹脂含有率は４０質量％以上８５質量％以下に設定され、前記ヘリカル層及び前記補強層の樹脂含有率は２０質量％以上３０質量％以下に設定されていることを特徴とする圧力容器。
- 請求項１〜７いずれか１項に記載の圧力容器において、前記ヘリカル層の前記離反部以外の部分は前記シール層と接していることを特徴とする圧力容器。
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