JP3251948B2 - 与圧流体貯蔵用などに使用する中空構造体の製法と同製法によって作る構造体 - Google Patents

与圧流体貯蔵用などに使用する中空構造体の製法と同製法によって作る構造体

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、耐圧ボンベのカドルに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】耐圧気密ボンベに圧縮ガスを入れて運ぶ
ことは既知である。このボンベは大抵は鋼製であり、圧
縮ガスを一杯に入れた状態のその重量は中味の圧縮ガス
の重量の１０〜１５倍である。１つのボンベの重量は、
機械手段でアクセスすることができない場所にボンベを
置けるようにしなければならない場合は手作業で扱える
ようにしなければならないという条件によって限定され
る。機械式ハンドリング手段がある場合、あるいはまた
運搬トラックが使用場所に直接アクセスできる場合はボ
ンベを組んで「カドル cadre （枠）」と呼ばれる１
つの集合体にすることが少なくない。このカドルは非常
に重く、一例として圧力が２０ＭＰａの１８９ｍ3ＴＰ
Ｎの窒素を入れた１つのカドルの重量は２０ｋＮ余りで
ある（中味の窒素の重量は２３６ｄａＮ）。分離するこ
とができない単一集合体を構成していることカドルは、
スタンダード型単位ボンベを組むのではなく、全く別の
方法で作ることができる。長さを同じとしてボンベの直
径を大きくしてその容積を大きくした場合に生じる１つ
の問題は底であり、特定の容積に対して重量を可能な限
り小さくしようとすれば底を半円球にしなければなら
ず、扱いやすさを確保しようとすれば底（少なくとも下
底）を平形にしなければならない。扱いやすさが最重要
条件である場合は下底を平形または略平形にしなければ
ならず、その厚みは許容変形性を確保すべくボンベの直
径ではなく容積（cube）に比例して大きくする。それ故
ボンベの重量の増大率は単位容積のそれよりもはるかに
大きい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の方法によれば
同じ容積で占有スペースがほぼ同じでありながら重量が
はるかに小さいカドル、あるいはまた同じ重量で容積が
はるかに大きいカドルを作ることができる。本発明の製
法によって作る構造体は、本発明の特許請求範囲内にお
いてこれ以外にも様々な形で応用することができること
はいうまでもない。本発明の製法においては、中心芯体
そのものをスタンダード型ボンベとすることができるボ
ビン（bobine）に螺旋状に巻き付けることができる、長
さが大きく直径が小さい容器を使用するか、または新型
の軽量容器を使用する。巻き付け管に内圧を加えるとき
に生じる問題の１つとして、管が自然に真直ぐになろう
とするが、この現象は管を曲げてボビンに巻き付けると
きの管の楕円形化（ovalisation）と関係がある。内圧
の効果によって管の断面は円形に戻ろうとするが、これ
は螺旋体を開けること（ouverture des spires）によっ
てしか可能にならない。等質材製の管は楕円形化せずに
巻き付けることは不可能であり、管を与圧湾曲状態に維
持すれば非常に危険なバネができることになる。さら
に、湾曲状態で、内圧をかければ楕円形化菅の断面に相
当する楕円の短軸が大きく膨脹し、円形断面になろうと
し、ボビンとの関係における半径方向の膨脹が非常に大
きくなる。そのため２つの管層（couche de tube）の間
に大きなスペースを入れ、管に呼吸させる必要がある。
この制約がある故にボビンに巻き付けた管を与圧流体の
貯蔵手段として用いられたことはかつてなかった。フラ
ンス特許第2,553,860号（米国特許第4,811,761号）に開
示されている強化波付き管は、曲げた時に円形断面を保
持し、したがって曲げた状態で内圧をかけても直化モー
メント（couple de redressement）を生じないという特
徴を備えている。同じ理由により、ボビンの半径方向の
直径変化量は波付き管の周補強体（ren-fort circonfer
enciel）の伸び率に限定され、補強体ガラス繊維Ｅであ
る場合は１％程度であり、炭素繊維を使用する場合はも
っと小さい。したがって直径方向スペースをはるかに小
さくすることができ、芯体と第１管層との間、続いて第
１管層と第２管層の間、・・・にエラストマ層を入れる
ことによって管を正常に呼吸させることができる。強化
管に気密エラストマ スリーブ（gaine elastometrique
d'etancheite）を着せれば、同スリーブの局部変形に
より、内圧をかけない状態と内圧をかけた状態との間の
管の直径変化が補償される。しかしこの周方向／長手方
向強化波付き管の耐内圧強度は、前記フランス特許に記
載されているごとく、本発明の運搬自在貯蔵システムの
内層の場合のように直管状態で作り、強く湾曲させた状
態で使用すれば大幅に低下することが確認されている。
本発明の製法によれば、曲管の複数の螺旋体で構成され
てはいるが、耐内圧強度が非常に高く、与圧流体貯蔵手
段などとして使用することができる中空構造体を作るこ
とができる。また、本発明の製法によれば、曲率半径が
非常に小さい部分を設けても耐圧強度がごくわずかしか
低下しない与圧流体運搬管を作ることができる；たとえ
ばトレンチ（tranchee）や建設の骨組み（ossature）な
どの構造体に恒久的に設置する管の場合や、たとえば運
搬車の車体の中空スペースを利用して与圧流体を運搬車
に貯蔵する場合は該部分を前もって決めることができ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の製法は次の諸段
階から成っている： ａ）波付き構造の可撓管の外側中空部の高さの少なくと
も一部を繊維強化硬化性樹脂で補強する、 ｂ）この樹脂補強管の長さの少なくとも一部を使用時の
形状に合わせて曲げる； ｃ）この曲管の長さの少なくとも一部の硬化性樹脂を硬
化させる。そのいくつかを同時に実施することができる
本発明の様々な好適実施形態としては： ― 硬化性樹脂で補強した可撓管に該樹脂をほとんど浸
透させない材料のスリーブを着せ、該スリーブをほぼ波
付き管の該外側中空部に維持した後該管を巻き付ける、 ― 樹脂は熱硬化性樹脂であり、段階ｃ）において該集
合体を樹脂硬化温度まで加熱する。含浸時に樹脂で網状
化材（materiau de reticulation）を封じ込め、段階
ｃ）において集合体を網状化が起きる状態に維持する。 ― 段階ａ）と段階ｂ）との間において、硬化性樹脂で
補強した管（樹脂をほとんど浸透させない材料のスリー
ブの有無は問わない）に、スリーブよりも強度が高い層
を着せる。 ― 層は、強度の高い編組繊維である。 ― ドラムに巻き付けた複数の螺旋体によって使用時の
形状が設定される。 ― 螺旋体の形成時の管の曲率半径は、波が巻き付け軸
線 (axe d' enroulement) に可能な限り近付き、波が
該軸線から可能な限り遠ざかり、かつ管の圧壊によって
該軸線に対して垂直である方向の管の直径の著しい縮小
が生じないように設定する。 ― 巻き付け管に連通し、貯蔵スペースの一部を形成し
得る略円筒形容器の周囲に管を巻き付ける。 ― 外界連通システムまたは密閉システムを管の両端に
設ける； 本発明の製法においては樹脂を使用することだけに限ら
れることはなく、樹脂硬化剤を混合し、波付き管の中空
外部を補強する働きをする繊維を含浸し、管を曲げた状
態で加熱することも可能である。また、硫黄を加えたラ
テックスを前もって含浸した繊維を波に着せ、管を巻き
つけた後加熱することによって硫黄処理(vulcanisatio
n) を行うことも可能である。かくのごとく、フェノル
ホルム樹脂(resine formo‐phenolique) 、フォルムア
ルデヒド メラミン樹脂、ホルムアルデヒド尿素樹脂、
エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹
脂、アルキド樹脂を使用することができ、あるいはまた
補強繊維と、ポリアミド繊維やポリエチレン繊維などの
融解熱可塑性繊維との混合体としてのメッシュ、あるい
は融解熱可塑性樹脂粉末で強化した補強繊維メッシュを
波付き管の外側中空部に入れ、管を巻き付けた後熱処理
を行って熱可塑性材を融解させた後集合体を冷却硬化さ
せることも可能である。必要に応じて着せるスリーブ
は、プラスチックあるいはエラストマのテープ（樹脂が
硬化した後はなんの働きもしない故に厚みを小さくする
ことができる）を単純に螺旋状に巻き付けて形成するこ
とができる。第１図を参照して、波付き直管の外側中空
部（２ａ、２ｂ、２ｃ）に樹脂が完全に詰められている
が、底から、スリーブの波の外側部分の曲率半径がほぼ
一定になるところまで樹脂を半詰めすることも考えられ
る。逐次半円で構成された図示の形状（逐次半円）は必
須の形状ではなく、縦溝を有するものならば他のあらゆ
る任意の形状とすることもできる；たとえば図４に示す
ような「アコーデオン」構造とすることも可能である。
図４は、「アコーデオン」構造の、断面で見ればまっす
ぐな波形の、管部分を示している。この場合は、中空部
の高さのほぼ全体にわたって補強することができる。逐
次凹凸付き中空部を考えれば、同部分によって逐次円環
体を形成することができ、あるいはまた同部分を螺旋形
にすることができる。管を巻き付ける支持枠 (forme su
pport) は、半径が一定のドラムとすることができる
が、卵形ドラムやマヌカン (mannequin) とすることも
可能であり、また金属製中空枠や都市環境の掘削トレン
チなどのような直部分に続いて曲率半径の大きい部分が
あるドラムとすることも可能である。製造工程として
は、まず波付き直管１を用意し、硬化性樹脂を含浸した
少なくとも１つの補強体を該管の中空部（２ａ、２ｂ、
２ｃ）に詰める。保護層（一例として螺旋状に巻き付け
た薄いゴム テープ）（３ａ）と、長手方向補強体（一
例として編組針金）（３ｂ）を全体に着せることができ
る。図面に対し垂直な軸線が軸Ｙ’Ｙ（図３）の点Ｚ
（図２）を通っているドラムの周りに図２に示すように
管１を巻き付ける。樹脂がまだ硬化していない故に樹脂
含浸補強体はまだ可変性を有しており、はじめは図１に
示すような断面形状であったものが、図２に示すような
断面形状になる。図３に於いて、支持ドラム８とドラム
８の周りに巻かれた波付き管（４、５、６および７）に
より形成される集合体に対して硬化処理がほどこされ
る。一時的に温度を高くすることによって行う硬化処理
プロセルは、該集合体をオーブンに入れて行うことがで
きるが、たとえば硬化温度に加熱し、長手方向補強体
（一例として編組針金）だけで補強したスリーブが単独
で硬化処理中に該長手方向補強体を支持することができ
る圧力に与圧した流体を管の中へ送り込むことによって
も行うことができる。ちなみに、内径が４９ｍｍ、外径
５６ｍｍであり、厚みが０．５ｍｍのポリフッ化ビニリ
デン（polyflorure de vinulidene）波付きシートで構
成し、外部中空部のほぼ高さ全体にわたってフランス特
許第2,630,464に開示されている方法に従って含浸を行
い、在来法によって硬化処理をほどこし、エポキシ樹脂
含浸ガラス繊維Ｅで補強し、続いて編組アラミドで長手
方向補強を行い、フランス特許第2,604,768号に開示さ
れている継手を取り付けた先行技術としての管の、直管
状態で応力をかけたときの破裂圧 (pression d'eclatem
ent) は１４ＭＰａである。外側波の頂点においてポリ
フッ化ビニリデン スリーブに穴を開けて破裂を起こ
す。同じ素材で同じ方法で作った管を３５ｃｍの曲率半
径で曲げた（軸芯 (fut)の直径が７０ｃｍのボビンに巻
き付ける）管に応力をかけたときの破裂圧は７ＭＰａ以
下である。エポキシ樹脂の安定化（硬化）プロセス（オ
ーブン内で加熱して行う）を、末硬化可撓管を試験を行
う状態にし、この状態で樹脂の安定化処理を行うことに
よって行えば、同じ素材で作ったこの管を同じ湾曲状態
にした状態での破裂圧は１２ＭＰａであり、損失は５０
％ではなくわずか１５％である。厚み０．２５ｍｍの波
付きステンレス鋼スリーブと同直径の可撓管を直管とし
て製造し、安定化させ、試験した場合の破裂圧は６３Ｍ
Ｐａである。これに対して直管として製造し、安定化さ
せ、曲管（先の場合と同じ曲率半径）として試験した場
合の破裂圧は３５ＭＰａであり、低すぎるために２０〜
２１ＭＰａでは使用できない。直管として製造し、曲げ
た後安定化処理をほどこした同じ可撓管の破裂圧は６０
ＭＰａであり（損失は５％以下）、２０ＭＰａの圧縮ガ
スの貯蔵器として使用することができる。編組アラミド
と厚み１ｍｍの外側ゴム スリーブを装備した該可撓管
の重量は１２．５５Ｎ／ｍである（内容積を２．０１５
ｄｍ3／ｍ）。１ｍ3の内容積を確保するためにはこの管
を４９６ｍ必要とし、重量は６２３ｄａＮになる。軸芯
直径０．５ｍ、軸芯長さ１．８５ｍのボビンに巻き付け
たこの管は、６つの層から成っており、外径は１．２ｍ
弱である。軸芯と側板 (joue) が厚み５ｍｍの鋼板であ
るこのボビンの重量は１８６ｄａＮである。スチフナ
(raidisseur) とハンドリング フック (crochet de ma
nutention) を合わせたこの担持体 (dispositif porteu
r) の重量は２３５ｄａＮであり、これを加えると総重
量は８５８ｄａＮになり、自重が１７８４ｄａＮである
在来「カドル」（容積が小さい）に比べて有利である。
前記フランス特許第2.604.768号に開示されている継手
によって管の全長にわたって直径を一定にし、流体の正
常流通を損なう恐れがある圧力降下 (perte decharge)
を防ぐことができる。流体輸送を目的として管を使用す
る場合はこの継手を使用することが望ましい。本発明の
構造体を圧縮ガス貯蔵手段として使用する場合は、本発
明の特許請求範囲内において、前記継手よりも安価であ
り、流通断面が管の断面よりも小さいが、圧縮ガス供給
管路の断面と同程度である他の継手を使用することがで
きる。外側中空部に硬化性物質を詰めて補強した管を巻
きつけて本発明の構造体を作る場合は、硬化処理の前あ
るいは後に膨張性物質を巻き付けた管の周囲に着せ、こ
の膨張性物質を発砲させることができる。この発砲物質
としてフェノール樹脂あるいは耐火性が優れている他の
樹脂を使用すれば、火災時に少なくとも一時的に防熱を
確保することができる。次に本発明の代表的実施例を紹
介する。既知の方法により、周波の諸元が次表のとおり
である波付き管を作る： ― 内側波の内径ｒ１＝１．２５ｍｍ ― 外側波の内径ｒ２＝１．２５ｍｍ ― 管の内径ｒ３＝２４．５ｍｍ ― 波付きスリーブの厚みａ＝０．２３ｍｍ ― 波付きスリーブの素材＝ステンレス鋼 ― 波付きスリーブの弾性係数＝２１０，０００Ｐａ ― 波付きスリーブの破壊応力＝４５０ＭＰａ ― スリーブの比重＝７，８００ｋｇ／ｍ3 ― 波ピッチｂ＝５．５ｍｍ 心なし手段 (dispositif sans centre) を用いて、digl
ycidylether de bisphenol A １００部にanhydride met
hylendomethylenetetrahydrophtalique ９０部とベンジ
ルジメチルアミン２部を加えたエポキシ樹脂を真空含浸
したガラス繊維メッシュを波の中空部内に連続巻き付け
する (bobiner en continu)。出来上がった集合体 (pre
impregne) を−１８℃の冷凍機で保存し、使用する１時
間前に気温で加熱する。各波の周囲に各波を完全に埋め
る回数だけ巻き付けた後次の波へ移る。波に補強材を詰
め終われば波付き管をテープ巻き付け機 (rubaneuse)
へ移し、薄いＥＰＤＭ型加硫エラストマ テープを管に
巻き付ける。このように樹脂を流れないようにした管を
編組加工機 (tresseuse) へ移し、編組アラミドを管に
着せ、続いてテープ巻き付け機へ移して厚み１ｍｍのニ
トリル ゴム型の加硫ゴム テープを巻き付ける。出来
上がった管の第１端部に栓詰め継手 (raccord bouche)
を取り付け、外径１．２ｍの円形側板を取り付けた内径
０．５ｍ、長さ１．８５ｍの鋼製ドラムに巻き付け。長
さ約５００ｍ、総内容積１０００ｄｍ3の管を６層にし
て巻き付ける。第２の端部に取り付けたねじ穴付き継手
に弁をセットし、あとでねじ穴に容易にアクセスできる
ように位置決めした後集合体を十分な寸法のオーブンに
入れ、毎分２℃のレートで１４０℃まで加熱する。１４
０℃の温度を１時間維持した後オーブンから取り出し、
ねじ付き栓を継手のねじ穴にはめる。この集合体に厚み
２ｍ、直径１．３ｍのポリエチレン管を巻き付け、ドラ
ムとポリエチレン管との間に膨張性フェノール樹脂を注
入し、リザーバとしての働きをする管とポリエチレン管
との間のスペースと、管の螺旋体間のスペースに詰め
る。続いて捩子穴の栓を抜き、弁をセットし、水道に接
続して水を入れ、３０ＭＰａで内圧試験を行う。集合体
の見掛け寸法変化が生じなければ合格とする。水を可能
な限り抜いた後このリザーバを加熱硬化処理用に使用し
たオーブンに入れ、真空供給源に接続し、流路を完全に
乾燥させた後２０ＭＰａ圧縮ガス貯蔵手段として使用す
る。ガラス／エポキシ複合材を巻き付けて作った円環体
(anneau) は、間を折り曲げるところでは形状が一定で
ない。該円環体は、断面はほぼ一定であるが、管の中で
方向のその幅と管の半径方向のその高さは互いにほぼ逆
比例して変化する；曲線の中心に向いている管部分に位
置している円環体の領域の断面の高さが最大で幅が最小
であり、管の外側に向いている領域の幅が最大で、高さ
が最小である。螺旋波の場合は幅と高さの変化はほぼ周
期的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】断面で見ればまっすぐな波付きの、この管の縦
方向軸線ＸＸ'に沿った管部分を示す図である。
【図２】軸線Ｚの周囲に巻き付けた後の同じ波付き管の
部分の断面図である。
【図３】本発明の方法を用いて得られるような流体貯蔵
体の構造を示す。
【図４】「アコ−デオン」構造の、断面で見ればまっす
ぐな波形の、管部分を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−113227（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−105099（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F17C 1/00 - 13/12

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 与圧流体のリザ−バとして使用する中空
    構造体の製造方法であって、該方法が下記ステップ： ａ）波付き構造の可撓管の外側中空部の高さの少なくと
    も一部を繊維強化硬化性樹脂で補強するステップ、 ｂ）該樹脂補強管の長さの少なくとも一部を使用時の形
    状に合わせて曲げるステップ、 ｃ）該曲管の長さの少なくとも一部の硬化性樹脂を硬化
    させるステップよりなることを特徴とする、中空構造体
    の製造方法。
  2. 【請求項２】 硬化性樹脂で補強した可撓管に該樹脂を
    浸透させないプラスチックまたはゴムのスリ−ブを着
    せ、該スリ−ブをほぼ波付き管の該外側中空部に維持し
    た後該管を巻き付ける請求項１記載の中空構造体の製造
    方法。
  3. 【請求項３】 樹脂が熱硬化性樹脂であり、ステップ
    ｃ）において該集合体を樹脂硬化温度まで加熱すること
    を特徴とする請求項１または２記載の中空構造体の製造
    方法。
  4. 【請求項４】 含浸時に樹脂で網状化材を封じ込め、ス
    テップｃ）において集合体を網状化が起きる状態に維持
    することを特徴とする請求項１または２記載の中空構造
    体の製造方法。
  5. 【請求項５】 硬化性樹脂で補強した管に、スリ−ブよ
    りも強度が高い層を着せることを特徴とする請求項１乃
    至４のいずれか１項記載の中空構造体の製造方法。
  6. 【請求項６】 層が編組針金であることを特徴とする請
    求項５記載の中空構造体の製造方法。
  7. 【請求項７】 ドラムに巻き付けた複数の螺旋体によっ
    て使用時の形状を設定することを特徴とする請求項１乃
    至６のいずれか１項記載の中空構造体の製造方法。
  8. 【請求項８】 巻き付け管に連通し、貯蔵スペ−スの一
    部を形成し得る略円筒形容器の周囲に管を巻き付けるこ
    とを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の中
    空構造体の製造方法。
  9. 【請求項９】 外界連通システムまたは密閉システムを
    管の両端に設けることを特徴とする請求項１乃至７のい
    ずれか１項記載の中空構造体の製造方法。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれか１項記載の
    製造方法により製造した中空構造体。
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