JP5210432B2 - 圧力容器の構造及び製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池自動車のみならず圧縮天然ガス自動車などの車両のほか、各種移動体や定置型にも使用可能な、水素ガス、天然ガス、酸素ガスなどを貯蔵する圧力容器の構造及び製造方法に関する。
ＪＰ２００７−２９２７６１Ａには、格子状の補強層を容器本体の表面に一体形成して耐衝撃性を向上した圧力容器が開示されている。
しかしながら、前述した従来の圧力容器の構造では、内圧が非常に高くなって容器本体が膨張したときには、補強層格子ラインが当接する部分では膨張が抑えられるものの、補強層格子ラインの開口部分では容器本体表面が膨出することとなる。このようにして容器本体表面に曲げ応力が作用しては、格子状の補強層を設けても、圧力容器の破裂圧力が期待通りには向上しない可能性がある。
また、前述した従来の圧力容器に補強層を形成するときは、はじめにハンドレイアップ法によって樹脂を含浸したカーボン繊維を、容器本体外周面に軸方向に沿って設ける。次にその外側からフィラメントワインディング法によって樹脂含有繊維をフープ巻きする。そして樹脂を加熱硬化させる。このように従来は、格子状補強層を容器本体上で形成するので、樹脂含有繊維層を厚く形成することが難しく、格子状補強層を立体的に形成することが困難であった。
本発明の目的は、したがって、圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができるとともに、繊維製の補強層（グリッド層）を容器本体に立体的に形成することができる圧力容器の構造及び製造方法を提供することである。
この目的を達成するために、本発明による圧力容器の構造は、容器本体と、前記容器本体の周囲に設けられ、同じラインの上に重なる帯状の素材が交互に重なって交叉する複数のグリッドラインを含むグリッド層と、を有する。
この発明の詳細は、他の特徴及び利点と同様に、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
また、前述した従来の圧力容器に補強層を形成するときは、はじめにハンドレイアップ法によって樹脂を含浸したカーボン繊維を、容器本体外周面に軸方向に沿って設ける。次にその外側からフィラメントワインディング法によって樹脂含有繊維をフープ巻きする。そして樹脂を加熱硬化させる。このように従来は、格子状補強層を容器本体上で形成するので、樹脂含有繊維層を厚く形成することが難しく、格子状補強層を立体的に形成することが困難であった。
本発明の目的は、したがって、圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができるとともに、繊維製の補強層（グリッド層）を容器本体に立体的に形成することができる圧力容器の構造及び製造方法を提供することである。
この目的を達成するために、本発明による圧力容器の構造は、容器本体と、前記容器本体の周囲に設けられ、同じラインの上に重なる帯状の素材が交互に重なって交叉する複数のグリッドラインを含むグリッド層と、を有する。
この発明の詳細は、他の特徴及び利点と同様に、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
ＦＩＧ．１は、本発明による圧力容器構造の第１実施形態を示す図である。
ＦＩＧｓ．２Ａ−２Ｂは、圧力容器の側面及び拡大断面を示す図である。
ＦＩＧｓ．３Ａ−３Ｃは、発明者の着目について説明する図である。
ＦＩＧ．４は、本発明による圧力容器構造の第１実施形態の断面図である。
ＦＩＧｓ．５Ａ−５Ｂは、圧力容器のグリッド層の拡大図である。
ＦＩＧｓ．６Ａ−６Ｆは、本実施形態のグリッド層の具体的な製造方法について説明する図である。
ＦＩＧ．７は、本発明による圧力容器構造の第２実施形態を示す断面図である。
ＦＩＧ．８は、本発明による圧力容器構造の第３実施形態を示す断面図である。
ＦＩＧ．９は、本発明による圧力容器構造の第４実施形態を示す図である。
ＦＩＧ．１０は、本発明による圧力容器構造の第５実施形態を示す図である。
ＦＩＧ．１１は、本発明による圧力容器構造の第６実施形態を示す図である。
ＦＩＧ．１２は、本発明による圧力容器構造の第７実施形態を示す図である。
ＦＩＧｓ．１３Ａ−１３Ｂは、本発明による圧力容器構造の第８実施形態を示す図である。
ＦＩＧ．１４は、本発明による圧力容器構造の第９実施形態を示す図である。
ＦＩＧｓ．１５Ａ−１５Ｂは、本発明による圧力容器構造のその他の実施形態を示す図である。
ＦＩＧｓ．２Ａ−２Ｂは、圧力容器の側面及び拡大断面を示す図である。
ＦＩＧｓ．３Ａ−３Ｃは、発明者の着目について説明する図である。
ＦＩＧ．４は、本発明による圧力容器構造の第１実施形態の断面図である。
ＦＩＧｓ．５Ａ−５Ｂは、圧力容器のグリッド層の拡大図である。
ＦＩＧｓ．６Ａ−６Ｆは、本実施形態のグリッド層の具体的な製造方法について説明する図である。
ＦＩＧ．７は、本発明による圧力容器構造の第２実施形態を示す断面図である。
ＦＩＧ．８は、本発明による圧力容器構造の第３実施形態を示す断面図である。
ＦＩＧ．９は、本発明による圧力容器構造の第４実施形態を示す図である。
ＦＩＧ．１０は、本発明による圧力容器構造の第５実施形態を示す図である。
ＦＩＧ．１１は、本発明による圧力容器構造の第６実施形態を示す図である。
ＦＩＧ．１２は、本発明による圧力容器構造の第７実施形態を示す図である。
ＦＩＧｓ．１３Ａ−１３Ｂは、本発明による圧力容器構造の第８実施形態を示す図である。
ＦＩＧ．１４は、本発明による圧力容器構造の第９実施形態を示す図である。
ＦＩＧｓ．１５Ａ−１５Ｂは、本発明による圧力容器構造のその他の実施形態を示す図である。
以下では図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
（第１実施形態）
ＦＩＧ．１は、本発明による圧力容器構造の第１実施形態を示す図である。
圧力容器１は、容器本体１０と、グリッド層２０と、を含む。
容器本体１０は、ライナー１１と、繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ；ＦＲＰ）層１２と、を含む。
ライナー１１は、内部がガス貯蔵空間であるガス貯蔵体である。この貯蔵空間には燃料の流体を常圧で貯蔵することもできるし、燃料ガスを常圧よりも高い圧力で貯蔵することもできる。燃料電池自動車の水素ガスを貯蔵する圧力容器であれば、貯蔵空間に水素ガスをたとえば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの高圧で貯蔵する。なおライナー１１の温度は、周囲の温度、水素ガスの充填及び放出などの影響によって変動するが、変動幅は水素ガスの圧力によっても異なる。ライナー１１は、たとえば金属やポリエチレン樹脂，ポリプロピレン樹脂その他の樹脂を用いてガスバリア性に形成されている。樹脂は２層以上組合わせて複数層にしてもよい。ライナー１１には、軸方向に２つの開口１１ａ，１１ｂが形成されている。開口１１ａには、水素ガスが供給／排出されるインタンクバルブなどが接続される。開口１１ｂは、エンドプラグ１１ｃで閉塞される。なお開口１１ｂを設けることなく、半球殻状に形成してもよい。
繊維強化プラスチック層１２は、ライナー１１の外周面を所定の厚さで覆うように形成される。繊維強化プラスチック層１２は、樹脂含有繊維を、ライナー１１の外周面の全領域に、フープ巻き，ヘリカル巻き，インプレーン巻きなどして形成した繊維強化プラスチックの層である。樹脂含有繊維とは、素材繊維にたとえばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などのマトリックス樹脂を含浸したものである。素材繊維としては、たとえば金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の合成有機繊維や天然繊維などを例示できる。これらの繊維は単独又は混合して使用することができる。繊維強化プラスチック層１２の厚さは、材質、タンク形状、要求性能などに応じて設定されるが、特に限定されるものではない。
グリッド層２０は、樹脂含有繊維などの帯状の素材２１をたとえばフィラメントワインディング法でヘリカル巻き及びフープ巻きして形成する。ＦＩＧ．１では、グリッド層２０は、それぞれ６列の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃと、を含む。具体的な製造方法は後述で例示する。なお樹脂含有繊維は、繊維強化プラスチック層１２と同種の繊維を使用しても異種の繊維を使用してもよい。また同種繊維を使用する場合に同一グレードを使用しても異なるグレードを使用してもよい。
本実施形態のポイントは、グリッド層（特にヘリカル巻グリッドライン）と樹脂含有繊維との方向関係にある（なおこの樹脂含有繊維は、旧来から在る繊維強化プラスチック層１２に連続的に一体形成しても、別個に形成してもよい）。この点についてＦＩＧｓ．２Ａ−２Ｂを参照して説明する。ＦＩＧ．２Ａは圧力容器の側面図であり、ＦＩＧ．２Ｂは圧力容器の拡大断面図である。
ＦＩＧ．２Ａに示すように圧力容器１は、容器本体１０の表面に、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃとを含んだ格子状のグリッド層２０が形成されている。このような構造において、内圧が非常に高くなって容器本体１０が膨張した状態を考える。このときＦＩＧ．２Ｂに示すようにグリッド層２０の各ライン２１ａ〜２１ｃが当接する部分では容器本体１０の表面が膨出することが抑制される。しかしながらライン２１ａ〜２１ｃの間の開口部分では容器本体１０の表面が膨出してしまう。このようにして容器本体１０に曲げ応力が作用しては、格子状のグリッド層２０を設けても、圧力容器１の破裂圧力が期待通りには向上しない可能性がある。
そこで本件発明者らは、グリッド層２０（グリッドライン）と樹脂含有繊維との方向関係によって破裂圧力の向上代が変化することに着目したのである。これについてＦＩＧｓ．３Ａ−３Ｃを参照して説明する。ＦＩＧ．３Ａは、容器本体１０の周囲にグリッド層２０を形成した圧力容器１の破裂圧力を示した図である。またＦＩＧ．３Ｂは圧力容器の側面図である。ＦＩＧ．３Ｃは圧力容器の断面図である。
ＦＩＧ．３Ａの一点鎖線は、ライナー１１の表面に、総積層数が１０層の繊維強化プラスチック層を形成した従来から在る容器本体の周囲にさらに繊維強化プラスチック層を増層した構成である容器本体１０に、グリッド層２０を形成した圧力容器１の破裂圧力を示す。
繊維強化プラスチック層を増層することなく総積層数が１０層である基点がＡ点であり、破裂圧力はおよそ２７ＭＰａである。この基点に対して３層増やして１３層にすれば破裂圧力がおよそ４０ＭＰａになる。さらに３層増やして１６層にすれば破裂圧力がおよそ５１ＭＰａになる。さらに３層増やして１９層にすれば破裂圧力がおよそ５９ＭＰａになる。さらに３層増やして２２層にすれば破裂圧力がおよそ６８ＭＰａになる。さらに３層増やして２５層にすれば破裂圧力がおよそ８２ＭＰａになる。さらに３層増やして２８層にすれば破裂圧力がおよそ１００ＭＰａになる。
ＦＩＧ．３Ａの実線及び破線は、ＦＩＧ．３Ｃに示すように従来から在る繊維強化プラスチック層１２の内周面に、繊維強化プラスチック層１２とは繊維方向を変更した樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３−１を巻回してから、従来通り総積層数が１０層の繊維強化プラスチック層１２を形成し、さらに繊維層１３−１と同様の樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３−２を巻回した容器本体１０に、グリッド層２０を形成した圧力容器１の破裂圧力を示す。そして樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向は、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃとなす角度θ（ＦＩＧ．３Ｂに示す）を０度から９０度に振って破裂圧力をプロットした。ＦＩＧ．３Ａの実線は、樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向が、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して直交（θ＝±９０°）する場合である。ＦＩＧ．３Ａの破線は、ヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向がグリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して平行（θ＝０°）する場合である。
ＦＩＧ．３Ａを見ると、総積層数１６ｐｌｙ〜２５ｐｌｙにおいては、単に繊維強化プラスチック層１２を増層した場合（一点鎖線の場合）よりも、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｃと、を形成した場合（実線の場合）のほうが、破裂圧力が大きいことが分かる。実用域はまさに総積層数１６ｐｌｙ〜２５ｐｌｙであるので、実用域では、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して、繊維方向が直交（θ＝±９０°）するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃを形成することが、破裂圧力を高める効果が大きいことがわかる。
これについて考察すると、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａであれば、ヘリカル巻グリッドライン２１ａの間に延びる長さが最短になる。またグリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂであれば、ヘリカル巻グリッドライン２１ｂの間に延びる長さが最短になる。したがって樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３の強度が最大になると考えられる。
ＦＩＧ．４は、本発明による圧力容器構造の第１実施形態の断面図である。
以上の知見を踏まえ、この第１実施形態の圧力容器１では、ＦＩＧ．４に示すように、ライナー１１の表面に、繊維強化プラスチック層１２とは繊維方向を変更した樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３をヘリカル巻きして形成し、さらにその上に旧来からの繊維強化プラスチック層１２を形成するようにした。
なお繊維層１３は、上記知見を踏まえて、グリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ａ，ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して、繊維方向が直交（θ＝±９０°）するようにしてある。
ＦＩＧ．５Ａは、ＦＩＧ．１のＶ部を矢印方向に斜め上方から見下ろした図である。ＦＩＧ．５Ｂは、ＦＩＧ．１のＶ部を矢印方向から見たときの層構成を示す模式図である。
本実施形態のもう一つのポイントは、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃのうち２つのグリッドラインは帯状の素材が交互に重なって交叉し、残りの１つのグリッドラインは交叉しないことにある。
すなわち、ＦＩＧｓ．５Ａ−５Ｂに示されるように、交点２１１では、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａを構成する帯状の素材と、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂを構成する帯状の素材とが、交互に重なって交叉する。交点２１２では、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａを構成する帯状の素材と、フープ巻グリッドライン２１ｃを構成する帯状の素材とが、交互に重なって交叉する。交点２１３では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂを構成する帯状の素材と、フープ巻グリッドライン２１ｃを構成する帯状の素材とが、交互に重なって交叉する。なおＦＩＧ．５Ｂにおいて、フープ巻グリッドライン２１ｃを構成する帯状の素材に挟まれたドットの層は、エポキシ樹脂層である。このエポキシ樹脂層によって素材のズレが防止される。
仮に交点２１１で、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａを構成する帯状の素材だけが重なって、さらにその上に第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂを構成する帯状の素材が重なるような構造であると、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０から遠く離れてしまう。このような構造では、交点２１１の近傍では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０に接触しない。したがって、このような構造では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０に接触する面積が減ってしまい、接触部分の応力が大きくなってしまう。
これに対して本実施形態では、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃのうち２つのグリッドラインは帯状の素材が交互に重なって交叉する。したがって上層のグリッドラインの接触面積が減ってしまうことを防止でき、破裂圧力を高める効果が得られる。
次にＦＩＧｓ．６Ａ−６Ｆを参照してグリッド層の具体的な製造方法について説明する。
本実施形態による圧力容器製造方法は、準備工程＃１０１と、グリッド層形成工程＃１０２と、型除去工程＃１０３と、本体挿入工程＃１０４と、を含む。以下では各工程について詳述する。
（準備工程＃１０１；ＦＩＧｓ．６Ａ−６Ｂ）
円筒形のマンドレル３０の表面３１に、所定間隔をおいて２列にピン３２を立設するとともに、２列に並んだピン３２の間に型４０を巻いて、型４０の端縁部をボルト４５で固定する。なおピン３２はたとえばマンドレル３０に形成されたネジ穴に螺入されるボルトであって脱着自在である。また型４０はシリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）製である。型４０の表面４１には溝４１ａが形成されている。なお溝４１ａは、ＦＩＧ．６Ｂに拡大されているように、フープ巻き用の溝が、ヘリカル巻き用の溝の交点に重ならないようにオフセットされて形成されている。また型４０は開いた状態では平行四辺形であり、マンドレル３０に巻き付けた状態では切れ目がヘリカル巻き用のひとつの溝になる。溝部分の底厚は略一定厚であり、本体挿入工程＃１０４で嵌合するグリッド層２０の内周面と容器本体１０の外周面とが同心になる。
（グリッド層形成工程＃１０２；ＦＩＧ．６Ｃ）
樹脂含有繊維などの帯状の素材２１を、ピン３２に係合させるとともに型４０の溝４１ａに沿ってたとえばフィラメントワインディング法でフープ巻き及びヘリカル巻きする。そしてこの状態で硬化炉に入れて素材２１を硬化させる。これによってグリッド層２０が形成される。なお上述のように型４０の表面には、フープ巻き用の溝がヘリカル巻き用の溝の交点に重ならないようにオフセットされているので、フープ巻きした素材は、ヘリカル巻きした素材の交点に重ならずにズレた位置に巻装される。また樹脂含有繊維とは、素材繊維に、たとえばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等のマトリックス樹脂を含浸したものである。素材繊維としては、たとえば金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維などの無機繊維、アラミド繊維などの合成有機繊維や天然繊維などを例示できる。
（型除去工程＃１０３；ＦＩＧ．６Ｄ）
マンドレル３０からピン３２及びボルト４５を取り外す。続いてグリッド層２０からマンドレル３０を引き抜く。そしてシリコーン製の型４０を、グリッド層２０の内部から取り出す。以上によってグリッド層２０から型４０が取り除かれる。
（本体挿入工程＃１０４；ＦＩＧ．６Ｅ）
型４０を除去したグリッド層２０に容器本体１０を挿入する。なお容器本体１０は、ライナー１１の周囲を繊維強化プラスチック層１２で覆って形成する。ライナー１１は、たとえば金属のほかポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の樹脂を用いてガスバリア性にしたガス貯蔵体である。樹脂は２層以上組合わせて複数層にして硬化させてもよい。繊維強化プラスチック層１２は、たとえばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等のマトリックス樹脂を含浸した素材繊維を、ライナー１１の胴部１０１（ライナー１１の円筒部分）の外周面にフープ巻きし、ライナーの外周面の全領域に、ヘリカル巻き、インプレーン巻きなどして形成した繊維強化プラスチック層（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ；ＦＲＰ）である。素材繊維としては、たとえば金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の合成有機繊維や天然繊維などを例示できる。繊維強化プラスチック層１２の厚さは、材質、タンク形状、要求性能などの応じて設定されるが、特に限定されるものではない。
以上によって圧力容器が完成する（＃１０５；ＦＩＧ．６Ｆ）。なおグリッド層２０に容器本体１０を挿入してから樹脂やＦＲＰなどで隙間を埋めることで、グリッド層２０及び容器本体１０を一体化させてもよい。また隙間を埋めないで残しておいてもよい。たとえば容器本体１０が大気圧以上常用使用圧以下に昇圧したら埋まるように隙間を設定したり、圧力サイクル試験圧力以上破裂試験圧力以下に昇圧したら埋まるように隙間を設定したりすればよい。
このように、マンドレル３０に固定された型４０の溝４１ａと、マンドレル３０に立設されたピン３２とを利用してグリッド層２０を形成するので、グリッド層２０の形状（特にヘリカル巻グリッドライン２１ａ，ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃの形状）を正確に形成できる。これに合わせて樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向を決めることで、グリッド層２０と容器本体１０の間で発生する容器本体１０の曲げ応力を緩和することができ、圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
また特に本実施形態では、繊維層１３を、繊維強化プラスチック層１２の内周面に追加する。このようにしたので、破裂が起こりやすい繊維強化プラスチック層１２の最内層の曲げ応力を緩和することができ、効果的に圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
さらに本実施形態では、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｃと、が繊維強化プラスチック層１２の内周面で連続する構成になる。またヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａとヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂとが圧力容器の壁面の厚み方向に連続して形成される。したがって下層側のヘリカル巻樹脂含有繊維が緩和した曲げ応力を、さらに上層のヘリカル巻樹脂含有繊維が緩和するようになるので、一層効果的に圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
また本実施形態によれば、マンドレル３０に取り付けられた型４０の溝４１ａに沿って繊維状の素材を巻回するようにしたので、造作なく繊維素材の層を厚くすることができ、容易にグリッド層を立体形成することができる。
また本実施形態では、マンドレル３０に固定された型４０の溝４１ａと、マンドレル３０に立設されたピン３２とを利用する。このため素材繊維の位置決めの精度が向上する。したがって、より容易に立体的なグリッド層を形成することができる。
さらに本実施形態ではグリッド層２０の内周面と容器本体１０の外周面とが同心に形成されている。そのため内圧が高圧なために容器本体１０が膨張した場合であっても、容器本体１０の外周面がグリッド層２０の内周面に略均等に接面することとなり、部分的に応力が集中してしまうことを緩和可能である。
さらにまた、型に形成されたフープ巻き用の溝がヘリカル巻き用の溝の交点に重ならないようにオフセットされて形成されている。そしてこの溝に素材を巻装するので、フープ巻き素材は、ヘリカル巻き素材の交点からズレるため、素材厚さが一部分に集中してしまうことが回避される。また素材に作用する応力を分散できる。
さらに本実施形態によれば、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃのうち２つのグリッドラインは帯状の素材が交互に重なって交叉するようにした。
仮に交点で、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａを構成する帯状の素材だけが重なって、さらにその上に第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂを構成する帯状の素材が重なるような構造であると、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０から遠く離れてしまう。このような構造では、その交点の近傍では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０に接触しない。したがって、このような構造では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０に接触する面積が減ってしまい、接触部分の応力が大きくなってしまう。
これに対して本実施形態では、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃのうち２つのグリッドラインは帯状の素材が交互に重なって交叉する。したがって上層のグリッドラインの接触面積が減ってしまうことを防止でき、応力を分散できるので破裂圧力を高める効果が得られる。
（第２実施形態）
ＦＩＧ．７は、本発明による圧力容器構造の第２実施形態を示す断面図である。
本実施形態では、ライナー１１に旧来からの繊維強化プラスチック層１２を形成した旧来からの容器本体の表面に、繊維層１３を設けて容器本体１０を形成した。このようにすれば従来から使用されている製造ラインをほとんど変更する必要がなくなり製造コストの上昇を抑えることが可能である。
また本実施形態では、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｃと、が繊維強化プラスチック層１２の外周面で連続するようにして繊維層１３を構成する。このように構成しても下層側のヘリカル巻樹脂含有繊維が緩和した曲げ応力を、さらに上層のヘリカル巻樹脂含有繊維が緩和するようになるので、一層効果的に圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
（第３実施形態）
ＦＩＧ．８は、本発明による圧力容器構造の第３実施形態を示す断面図である。
本実施形態では、ライナー１１の表面に繊維層１３−１を形成し、さらにその上に旧来からの繊維強化プラスチック層１２を形成し、さらにその上に繊維層１３−２を形成することで、容器本体１０を製造した。なおこの構造は、破裂圧力実験に用いたＦＩＧ．３Ｃに示した構造と同様である。
容器本体１０に作用する曲げ応力は、中立面に対して最外層と最内層とで最も大きくなる。その応力を、繊維強化プラスチック層１２の最内層に設けられた繊維層１３−１と、最外層に設けられた繊維層１３−２と、で曲げ応力を緩和することができるので、更に効果的に圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
（第４実施形態）
ＦＩＧ．９は、本発明による圧力容器構造の第４実施形態を示す図である。
グリッド層２０のバリエーションとしては、たとえばＦＩＧ．９に示すように、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃとの３つのグリッドラインの帯状の素材が交互に重なって交叉するタイプであってもよい。
このような場合であっても、グリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ａ及びヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向が直交するように形成すればよい。
このような構成であると、全体的に等周期でグリッド層が容器本体１０に接触するので、応力に対するバランスがよく、圧力容器の破裂圧力が向上する。またヘリカル巻グリッドラインで、円周方向の力を補助できるので、フープ巻グリッドラインの素材量を低減できる。
（第５実施形態）
ＦＩＧ．１０は、本発明による圧力容器構造の第５実施形態を示す図である。
上述のように、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃとの３つのグリッドラインの帯状の素材が交互に重なって交叉するタイプであれば、応力に対するバランスがよく、圧力容器の破裂圧力が向上する。しかしながら、その交点の厚さが他の部分の３倍になってしまう。したがって、巻装する素材の層数が少なく素材厚さが集中しても構わない場合や、要求強度が弱く、素材に作用する応力を分散する必要性が低い場合には好適である。しかしながら、巻装する素材の層数が多い場合に、３つのグリッドラインが１箇所で重なっては、圧力容器１の大きさが大きくなってしまう。また最外のグリッドラインの容器本体１０への接触面積が少なくなってしまう。
そこで本実施形態では、３つのグリッドラインが１箇所では重ならないが、できるだけ近くで２つのグリッドラインが重なるようにした。
このようにすれば、巻装する素材の層数が多くても圧力容器１の大きさが大きくならず、またグリッド層の容器本体１０への接触面積を減らすことなく、全体的なバランスもよい。
（第６実施形態）
ＦＩＧ．１１は、本発明による圧力容器構造の第６実施形態を示す図である。
本実施形態は、第１実施形態に対して、フープ巻グリッドライン２１ｃを両端にのみ残し、他は削除する。すなわち本実施形態では、両端にフープ巻グリッドライン２１ｃを形成し、その間に第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂと、を形成する。
このような場合であっても、グリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ａ，ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向が直交するように形成すればよい。
このように構成すれば、グリッドラインを削減できるので、製造コストを低減できる。
（第７実施形態）
ＦＩＧ．１２は、本発明による圧力容器構造の第７実施形態を示す図である。
本実施形態では、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃを含むグリッド層２０が、容器本体１０の胴部１０１に加えて半球殻形状部１０２の少なくとも一部にも設けられる。なおこのようにするには、グリッド層２０を二体化して、それぞれを容器本体１０の左右から挿入して真中で合わせればよい。
高圧ガスが充填されると、容器本体は、軸方向にも伸びる可能性がある。特にライナー１１の周囲に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の外殻を形成する場合は、フィラメントワインディング法でライナー１１に巻き付けられた繊維強化プラスチック層１２は、胴部にはフープ巻き及びヘリカル巻きされるが、半球殻形状部ではヘリカル巻きのみされフープ巻きされない。このため半球殻形状部に着目すると、胴部付近はフープ巻されないことから繊維層が薄く、特に軸方向に伸びやすい。なお口金近傍はフープ巻きされなくても面積も小さいので繊維層が厚くなる。そのため、胴部付近が特に伸びやすい。
しかしながら、本実施形態によれば半球殻形状部１０２の少なくとも一部にも第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃを含むグリッド層２０が設けられる。これらによって、容器本体の軸方向に伸びる変形が抑制される。
また上述のように、繊維強化プラスチック層１２は、胴部にはフープ巻き及びヘリカル巻きされるが、半球殻形状部ではヘリカル巻きのみされフープ巻きされないため、胴部に近い半球殻形状部ではヘリカル巻層の間に、フープ巻き分の空間が生じてしまう。ライナーが樹脂製の場合には、高圧ガスがライナーを透過してこの空間に溜まる可能性がある。
しかしながら、本実施形態によれば半球殻形状部１０２の少なくとも一部にも第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃを含むグリッド層２０が設けられる。このグリッド層２０がそのような空間を押圧して、透過ガスが溜まることを防止できる。
（第８実施形態）
ＦＩＧｓ．１３Ａ−１３Ｂは、本発明による圧力容器構造の第８実施形態を示す図である。
本実施形態では、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃと、が容器本体１０の半球殻形状部分まで覆う。なおこのようにするには、グリッド層２０を二体化して、それぞれを容器本体１０の左右から挿入して真中で合わせればよい。
このような場合であっても、グリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ａ及びヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向が直交するように形成すればよい。
このような構成であれば、高圧ガスが充填されたときの変形をさらに防止できる。
また、ＦＩＧ．１３Ｂに示すように、ＦＩＧｓ．６Ａ−６Ｆの各工程を経てＦＩＧ．６Ｆのようにした圧力容器に形成したグリッド層２０に対して、さらに左右両側の半球殻形状部１０２にもグリッド層２０を挿入して合わせるようにした三体化タイプであってもよい。
（第９実施形態）
ＦＩＧ．１４は、本発明による圧力容器構造の第９実施形態を示す図である。
本実施形態は、ＦＩＧ．１３Ａに示される第８実施形態に対して、フープ巻グリッドライン２１ｃを合わせ部分にのみ残し、他は削除する。
このように構成すれば、グリッドラインを削減できるので、製造コストを低減できる。
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
たとえば、樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３は、旧来から在る繊維強化プラスチック層１２に連続的に一体形成しても、別個に形成してもよい。
また、型４０の溝４１ａの形状はさまざまなバリエーションが考えられ、形成されるグリッド層２０もさまざまである。
ＦＩＧ．１５Ａに示すように容器本体１０の片方（ＦＩＧ．１５Ａでは右側）の半球殻形状部１０２にもグリッド層２０を形成してもよい。
また、ハンドレイアップ法で樹脂含有繊維素材を型４０の溝４１ａに沿わせれば、ＦＩＧ．１５Ｂに示すように、樹脂含有繊維素材を直交させて形成することも可能である。
また上記実施形態においては、１枚の型をマンドレルに巻装する場合を例示して説明したが、２枚以上の複数枚の型構成部材をマンドレルに巻装するようにしてもよい。
さらに上記実施形態においては、容器本体１０には、ライナー１１に繊維強化プラスチック層１２が形成されていたが、繊維強化プラスチック層１２を省略して、ライナー１１に直接グリッド層２０を形成してもよい。このようにすれば製造コストが非常に安価である。
以上の説明に関して、２００９年４月１日を出願日とする日本国における特願２００９−８８８７４及び特願２００９−８８８７７の内容をここに引用により組み込む。
この発明の実施形態が包含する排他的性質又は特徴は以下のようにクレームされる。
（第１実施形態）
ＦＩＧ．１は、本発明による圧力容器構造の第１実施形態を示す図である。
圧力容器１は、容器本体１０と、グリッド層２０と、を含む。
容器本体１０は、ライナー１１と、繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ；ＦＲＰ）層１２と、を含む。
ライナー１１は、内部がガス貯蔵空間であるガス貯蔵体である。この貯蔵空間には燃料の流体を常圧で貯蔵することもできるし、燃料ガスを常圧よりも高い圧力で貯蔵することもできる。燃料電池自動車の水素ガスを貯蔵する圧力容器であれば、貯蔵空間に水素ガスをたとえば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの高圧で貯蔵する。なおライナー１１の温度は、周囲の温度、水素ガスの充填及び放出などの影響によって変動するが、変動幅は水素ガスの圧力によっても異なる。ライナー１１は、たとえば金属やポリエチレン樹脂，ポリプロピレン樹脂その他の樹脂を用いてガスバリア性に形成されている。樹脂は２層以上組合わせて複数層にしてもよい。ライナー１１には、軸方向に２つの開口１１ａ，１１ｂが形成されている。開口１１ａには、水素ガスが供給／排出されるインタンクバルブなどが接続される。開口１１ｂは、エンドプラグ１１ｃで閉塞される。なお開口１１ｂを設けることなく、半球殻状に形成してもよい。
繊維強化プラスチック層１２は、ライナー１１の外周面を所定の厚さで覆うように形成される。繊維強化プラスチック層１２は、樹脂含有繊維を、ライナー１１の外周面の全領域に、フープ巻き，ヘリカル巻き，インプレーン巻きなどして形成した繊維強化プラスチックの層である。樹脂含有繊維とは、素材繊維にたとえばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などのマトリックス樹脂を含浸したものである。素材繊維としては、たとえば金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の合成有機繊維や天然繊維などを例示できる。これらの繊維は単独又は混合して使用することができる。繊維強化プラスチック層１２の厚さは、材質、タンク形状、要求性能などに応じて設定されるが、特に限定されるものではない。
グリッド層２０は、樹脂含有繊維などの帯状の素材２１をたとえばフィラメントワインディング法でヘリカル巻き及びフープ巻きして形成する。ＦＩＧ．１では、グリッド層２０は、それぞれ６列の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃと、を含む。具体的な製造方法は後述で例示する。なお樹脂含有繊維は、繊維強化プラスチック層１２と同種の繊維を使用しても異種の繊維を使用してもよい。また同種繊維を使用する場合に同一グレードを使用しても異なるグレードを使用してもよい。
本実施形態のポイントは、グリッド層（特にヘリカル巻グリッドライン）と樹脂含有繊維との方向関係にある（なおこの樹脂含有繊維は、旧来から在る繊維強化プラスチック層１２に連続的に一体形成しても、別個に形成してもよい）。この点についてＦＩＧｓ．２Ａ−２Ｂを参照して説明する。ＦＩＧ．２Ａは圧力容器の側面図であり、ＦＩＧ．２Ｂは圧力容器の拡大断面図である。
ＦＩＧ．２Ａに示すように圧力容器１は、容器本体１０の表面に、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃとを含んだ格子状のグリッド層２０が形成されている。このような構造において、内圧が非常に高くなって容器本体１０が膨張した状態を考える。このときＦＩＧ．２Ｂに示すようにグリッド層２０の各ライン２１ａ〜２１ｃが当接する部分では容器本体１０の表面が膨出することが抑制される。しかしながらライン２１ａ〜２１ｃの間の開口部分では容器本体１０の表面が膨出してしまう。このようにして容器本体１０に曲げ応力が作用しては、格子状のグリッド層２０を設けても、圧力容器１の破裂圧力が期待通りには向上しない可能性がある。
そこで本件発明者らは、グリッド層２０（グリッドライン）と樹脂含有繊維との方向関係によって破裂圧力の向上代が変化することに着目したのである。これについてＦＩＧｓ．３Ａ−３Ｃを参照して説明する。ＦＩＧ．３Ａは、容器本体１０の周囲にグリッド層２０を形成した圧力容器１の破裂圧力を示した図である。またＦＩＧ．３Ｂは圧力容器の側面図である。ＦＩＧ．３Ｃは圧力容器の断面図である。
ＦＩＧ．３Ａの一点鎖線は、ライナー１１の表面に、総積層数が１０層の繊維強化プラスチック層を形成した従来から在る容器本体の周囲にさらに繊維強化プラスチック層を増層した構成である容器本体１０に、グリッド層２０を形成した圧力容器１の破裂圧力を示す。
繊維強化プラスチック層を増層することなく総積層数が１０層である基点がＡ点であり、破裂圧力はおよそ２７ＭＰａである。この基点に対して３層増やして１３層にすれば破裂圧力がおよそ４０ＭＰａになる。さらに３層増やして１６層にすれば破裂圧力がおよそ５１ＭＰａになる。さらに３層増やして１９層にすれば破裂圧力がおよそ５９ＭＰａになる。さらに３層増やして２２層にすれば破裂圧力がおよそ６８ＭＰａになる。さらに３層増やして２５層にすれば破裂圧力がおよそ８２ＭＰａになる。さらに３層増やして２８層にすれば破裂圧力がおよそ１００ＭＰａになる。
ＦＩＧ．３Ａの実線及び破線は、ＦＩＧ．３Ｃに示すように従来から在る繊維強化プラスチック層１２の内周面に、繊維強化プラスチック層１２とは繊維方向を変更した樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３−１を巻回してから、従来通り総積層数が１０層の繊維強化プラスチック層１２を形成し、さらに繊維層１３−１と同様の樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３−２を巻回した容器本体１０に、グリッド層２０を形成した圧力容器１の破裂圧力を示す。そして樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向は、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃとなす角度θ（ＦＩＧ．３Ｂに示す）を０度から９０度に振って破裂圧力をプロットした。ＦＩＧ．３Ａの実線は、樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向が、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して直交（θ＝±９０°）する場合である。ＦＩＧ．３Ａの破線は、ヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向がグリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して平行（θ＝０°）する場合である。
ＦＩＧ．３Ａを見ると、総積層数１６ｐｌｙ〜２５ｐｌｙにおいては、単に繊維強化プラスチック層１２を増層した場合（一点鎖線の場合）よりも、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｃと、を形成した場合（実線の場合）のほうが、破裂圧力が大きいことが分かる。実用域はまさに総積層数１６ｐｌｙ〜２５ｐｌｙであるので、実用域では、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して、繊維方向が直交（θ＝±９０°）するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃを形成することが、破裂圧力を高める効果が大きいことがわかる。
これについて考察すると、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａであれば、ヘリカル巻グリッドライン２１ａの間に延びる長さが最短になる。またグリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂであれば、ヘリカル巻グリッドライン２１ｂの間に延びる長さが最短になる。したがって樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３の強度が最大になると考えられる。
ＦＩＧ．４は、本発明による圧力容器構造の第１実施形態の断面図である。
以上の知見を踏まえ、この第１実施形態の圧力容器１では、ＦＩＧ．４に示すように、ライナー１１の表面に、繊維強化プラスチック層１２とは繊維方向を変更した樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３をヘリカル巻きして形成し、さらにその上に旧来からの繊維強化プラスチック層１２を形成するようにした。
なお繊維層１３は、上記知見を踏まえて、グリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ａ，ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して、繊維方向が直交（θ＝±９０°）するようにしてある。
ＦＩＧ．５Ａは、ＦＩＧ．１のＶ部を矢印方向に斜め上方から見下ろした図である。ＦＩＧ．５Ｂは、ＦＩＧ．１のＶ部を矢印方向から見たときの層構成を示す模式図である。
本実施形態のもう一つのポイントは、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃのうち２つのグリッドラインは帯状の素材が交互に重なって交叉し、残りの１つのグリッドラインは交叉しないことにある。
すなわち、ＦＩＧｓ．５Ａ−５Ｂに示されるように、交点２１１では、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａを構成する帯状の素材と、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂを構成する帯状の素材とが、交互に重なって交叉する。交点２１２では、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａを構成する帯状の素材と、フープ巻グリッドライン２１ｃを構成する帯状の素材とが、交互に重なって交叉する。交点２１３では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂを構成する帯状の素材と、フープ巻グリッドライン２１ｃを構成する帯状の素材とが、交互に重なって交叉する。なおＦＩＧ．５Ｂにおいて、フープ巻グリッドライン２１ｃを構成する帯状の素材に挟まれたドットの層は、エポキシ樹脂層である。このエポキシ樹脂層によって素材のズレが防止される。
仮に交点２１１で、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａを構成する帯状の素材だけが重なって、さらにその上に第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂを構成する帯状の素材が重なるような構造であると、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０から遠く離れてしまう。このような構造では、交点２１１の近傍では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０に接触しない。したがって、このような構造では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０に接触する面積が減ってしまい、接触部分の応力が大きくなってしまう。
これに対して本実施形態では、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃのうち２つのグリッドラインは帯状の素材が交互に重なって交叉する。したがって上層のグリッドラインの接触面積が減ってしまうことを防止でき、破裂圧力を高める効果が得られる。
次にＦＩＧｓ．６Ａ−６Ｆを参照してグリッド層の具体的な製造方法について説明する。
本実施形態による圧力容器製造方法は、準備工程＃１０１と、グリッド層形成工程＃１０２と、型除去工程＃１０３と、本体挿入工程＃１０４と、を含む。以下では各工程について詳述する。
（準備工程＃１０１；ＦＩＧｓ．６Ａ−６Ｂ）
円筒形のマンドレル３０の表面３１に、所定間隔をおいて２列にピン３２を立設するとともに、２列に並んだピン３２の間に型４０を巻いて、型４０の端縁部をボルト４５で固定する。なおピン３２はたとえばマンドレル３０に形成されたネジ穴に螺入されるボルトであって脱着自在である。また型４０はシリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）製である。型４０の表面４１には溝４１ａが形成されている。なお溝４１ａは、ＦＩＧ．６Ｂに拡大されているように、フープ巻き用の溝が、ヘリカル巻き用の溝の交点に重ならないようにオフセットされて形成されている。また型４０は開いた状態では平行四辺形であり、マンドレル３０に巻き付けた状態では切れ目がヘリカル巻き用のひとつの溝になる。溝部分の底厚は略一定厚であり、本体挿入工程＃１０４で嵌合するグリッド層２０の内周面と容器本体１０の外周面とが同心になる。
（グリッド層形成工程＃１０２；ＦＩＧ．６Ｃ）
樹脂含有繊維などの帯状の素材２１を、ピン３２に係合させるとともに型４０の溝４１ａに沿ってたとえばフィラメントワインディング法でフープ巻き及びヘリカル巻きする。そしてこの状態で硬化炉に入れて素材２１を硬化させる。これによってグリッド層２０が形成される。なお上述のように型４０の表面には、フープ巻き用の溝がヘリカル巻き用の溝の交点に重ならないようにオフセットされているので、フープ巻きした素材は、ヘリカル巻きした素材の交点に重ならずにズレた位置に巻装される。また樹脂含有繊維とは、素材繊維に、たとえばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等のマトリックス樹脂を含浸したものである。素材繊維としては、たとえば金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維などの無機繊維、アラミド繊維などの合成有機繊維や天然繊維などを例示できる。
（型除去工程＃１０３；ＦＩＧ．６Ｄ）
マンドレル３０からピン３２及びボルト４５を取り外す。続いてグリッド層２０からマンドレル３０を引き抜く。そしてシリコーン製の型４０を、グリッド層２０の内部から取り出す。以上によってグリッド層２０から型４０が取り除かれる。
（本体挿入工程＃１０４；ＦＩＧ．６Ｅ）
型４０を除去したグリッド層２０に容器本体１０を挿入する。なお容器本体１０は、ライナー１１の周囲を繊維強化プラスチック層１２で覆って形成する。ライナー１１は、たとえば金属のほかポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の樹脂を用いてガスバリア性にしたガス貯蔵体である。樹脂は２層以上組合わせて複数層にして硬化させてもよい。繊維強化プラスチック層１２は、たとえばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等のマトリックス樹脂を含浸した素材繊維を、ライナー１１の胴部１０１（ライナー１１の円筒部分）の外周面にフープ巻きし、ライナーの外周面の全領域に、ヘリカル巻き、インプレーン巻きなどして形成した繊維強化プラスチック層（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ；ＦＲＰ）である。素材繊維としては、たとえば金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の合成有機繊維や天然繊維などを例示できる。繊維強化プラスチック層１２の厚さは、材質、タンク形状、要求性能などの応じて設定されるが、特に限定されるものではない。
以上によって圧力容器が完成する（＃１０５；ＦＩＧ．６Ｆ）。なおグリッド層２０に容器本体１０を挿入してから樹脂やＦＲＰなどで隙間を埋めることで、グリッド層２０及び容器本体１０を一体化させてもよい。また隙間を埋めないで残しておいてもよい。たとえば容器本体１０が大気圧以上常用使用圧以下に昇圧したら埋まるように隙間を設定したり、圧力サイクル試験圧力以上破裂試験圧力以下に昇圧したら埋まるように隙間を設定したりすればよい。
このように、マンドレル３０に固定された型４０の溝４１ａと、マンドレル３０に立設されたピン３２とを利用してグリッド層２０を形成するので、グリッド層２０の形状（特にヘリカル巻グリッドライン２１ａ，ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃの形状）を正確に形成できる。これに合わせて樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向を決めることで、グリッド層２０と容器本体１０の間で発生する容器本体１０の曲げ応力を緩和することができ、圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
また特に本実施形態では、繊維層１３を、繊維強化プラスチック層１２の内周面に追加する。このようにしたので、破裂が起こりやすい繊維強化プラスチック層１２の最内層の曲げ応力を緩和することができ、効果的に圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
さらに本実施形態では、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｃと、が繊維強化プラスチック層１２の内周面で連続する構成になる。またヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａとヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂとが圧力容器の壁面の厚み方向に連続して形成される。したがって下層側のヘリカル巻樹脂含有繊維が緩和した曲げ応力を、さらに上層のヘリカル巻樹脂含有繊維が緩和するようになるので、一層効果的に圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
また本実施形態によれば、マンドレル３０に取り付けられた型４０の溝４１ａに沿って繊維状の素材を巻回するようにしたので、造作なく繊維素材の層を厚くすることができ、容易にグリッド層を立体形成することができる。
また本実施形態では、マンドレル３０に固定された型４０の溝４１ａと、マンドレル３０に立設されたピン３２とを利用する。このため素材繊維の位置決めの精度が向上する。したがって、より容易に立体的なグリッド層を形成することができる。
さらに本実施形態ではグリッド層２０の内周面と容器本体１０の外周面とが同心に形成されている。そのため内圧が高圧なために容器本体１０が膨張した場合であっても、容器本体１０の外周面がグリッド層２０の内周面に略均等に接面することとなり、部分的に応力が集中してしまうことを緩和可能である。
さらにまた、型に形成されたフープ巻き用の溝がヘリカル巻き用の溝の交点に重ならないようにオフセットされて形成されている。そしてこの溝に素材を巻装するので、フープ巻き素材は、ヘリカル巻き素材の交点からズレるため、素材厚さが一部分に集中してしまうことが回避される。また素材に作用する応力を分散できる。
さらに本実施形態によれば、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃのうち２つのグリッドラインは帯状の素材が交互に重なって交叉するようにした。
仮に交点で、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａを構成する帯状の素材だけが重なって、さらにその上に第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂを構成する帯状の素材が重なるような構造であると、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０から遠く離れてしまう。このような構造では、その交点の近傍では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０に接触しない。したがって、このような構造では、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂが容器本体１０に接触する面積が減ってしまい、接触部分の応力が大きくなってしまう。
これに対して本実施形態では、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃのうち２つのグリッドラインは帯状の素材が交互に重なって交叉する。したがって上層のグリッドラインの接触面積が減ってしまうことを防止でき、応力を分散できるので破裂圧力を高める効果が得られる。
（第２実施形態）
ＦＩＧ．７は、本発明による圧力容器構造の第２実施形態を示す断面図である。
本実施形態では、ライナー１１に旧来からの繊維強化プラスチック層１２を形成した旧来からの容器本体の表面に、繊維層１３を設けて容器本体１０を形成した。このようにすれば従来から使用されている製造ラインをほとんど変更する必要がなくなり製造コストの上昇を抑えることが可能である。
また本実施形態では、グリッド層２０の第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃに対して繊維方向が直交するヘリカル巻樹脂含有繊維１３ｃと、が繊維強化プラスチック層１２の外周面で連続するようにして繊維層１３を構成する。このように構成しても下層側のヘリカル巻樹脂含有繊維が緩和した曲げ応力を、さらに上層のヘリカル巻樹脂含有繊維が緩和するようになるので、一層効果的に圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
（第３実施形態）
ＦＩＧ．８は、本発明による圧力容器構造の第３実施形態を示す断面図である。
本実施形態では、ライナー１１の表面に繊維層１３−１を形成し、さらにその上に旧来からの繊維強化プラスチック層１２を形成し、さらにその上に繊維層１３−２を形成することで、容器本体１０を製造した。なおこの構造は、破裂圧力実験に用いたＦＩＧ．３Ｃに示した構造と同様である。
容器本体１０に作用する曲げ応力は、中立面に対して最外層と最内層とで最も大きくなる。その応力を、繊維強化プラスチック層１２の最内層に設けられた繊維層１３−１と、最外層に設けられた繊維層１３−２と、で曲げ応力を緩和することができるので、更に効果的に圧力容器の破裂圧力の向上を妨げるのを防止することができる。
（第４実施形態）
ＦＩＧ．９は、本発明による圧力容器構造の第４実施形態を示す図である。
グリッド層２０のバリエーションとしては、たとえばＦＩＧ．９に示すように、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃとの３つのグリッドラインの帯状の素材が交互に重なって交叉するタイプであってもよい。
このような場合であっても、グリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ａ及びヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向が直交するように形成すればよい。
このような構成であると、全体的に等周期でグリッド層が容器本体１０に接触するので、応力に対するバランスがよく、圧力容器の破裂圧力が向上する。またヘリカル巻グリッドラインで、円周方向の力を補助できるので、フープ巻グリッドラインの素材量を低減できる。
（第５実施形態）
ＦＩＧ．１０は、本発明による圧力容器構造の第５実施形態を示す図である。
上述のように、グリッド層２０に含まれる第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂとフープ巻グリッドライン２１ｃとの３つのグリッドラインの帯状の素材が交互に重なって交叉するタイプであれば、応力に対するバランスがよく、圧力容器の破裂圧力が向上する。しかしながら、その交点の厚さが他の部分の３倍になってしまう。したがって、巻装する素材の層数が少なく素材厚さが集中しても構わない場合や、要求強度が弱く、素材に作用する応力を分散する必要性が低い場合には好適である。しかしながら、巻装する素材の層数が多い場合に、３つのグリッドラインが１箇所で重なっては、圧力容器１の大きさが大きくなってしまう。また最外のグリッドラインの容器本体１０への接触面積が少なくなってしまう。
そこで本実施形態では、３つのグリッドラインが１箇所では重ならないが、できるだけ近くで２つのグリッドラインが重なるようにした。
このようにすれば、巻装する素材の層数が多くても圧力容器１の大きさが大きくならず、またグリッド層の容器本体１０への接触面積を減らすことなく、全体的なバランスもよい。
（第６実施形態）
ＦＩＧ．１１は、本発明による圧力容器構造の第６実施形態を示す図である。
本実施形態は、第１実施形態に対して、フープ巻グリッドライン２１ｃを両端にのみ残し、他は削除する。すなわち本実施形態では、両端にフープ巻グリッドライン２１ｃを形成し、その間に第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂと、を形成する。
このような場合であっても、グリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ａ，ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃに対して樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向が直交するように形成すればよい。
このように構成すれば、グリッドラインを削減できるので、製造コストを低減できる。
（第７実施形態）
ＦＩＧ．１２は、本発明による圧力容器構造の第７実施形態を示す図である。
本実施形態では、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃを含むグリッド層２０が、容器本体１０の胴部１０１に加えて半球殻形状部１０２の少なくとも一部にも設けられる。なおこのようにするには、グリッド層２０を二体化して、それぞれを容器本体１０の左右から挿入して真中で合わせればよい。
高圧ガスが充填されると、容器本体は、軸方向にも伸びる可能性がある。特にライナー１１の周囲に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の外殻を形成する場合は、フィラメントワインディング法でライナー１１に巻き付けられた繊維強化プラスチック層１２は、胴部にはフープ巻き及びヘリカル巻きされるが、半球殻形状部ではヘリカル巻きのみされフープ巻きされない。このため半球殻形状部に着目すると、胴部付近はフープ巻されないことから繊維層が薄く、特に軸方向に伸びやすい。なお口金近傍はフープ巻きされなくても面積も小さいので繊維層が厚くなる。そのため、胴部付近が特に伸びやすい。
しかしながら、本実施形態によれば半球殻形状部１０２の少なくとも一部にも第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃを含むグリッド層２０が設けられる。これらによって、容器本体の軸方向に伸びる変形が抑制される。
また上述のように、繊維強化プラスチック層１２は、胴部にはフープ巻き及びヘリカル巻きされるが、半球殻形状部ではヘリカル巻きのみされフープ巻きされないため、胴部に近い半球殻形状部ではヘリカル巻層の間に、フープ巻き分の空間が生じてしまう。ライナーが樹脂製の場合には、高圧ガスがライナーを透過してこの空間に溜まる可能性がある。
しかしながら、本実施形態によれば半球殻形状部１０２の少なくとも一部にも第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａ，第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂ及びフープ巻グリッドライン２１ｃを含むグリッド層２０が設けられる。このグリッド層２０がそのような空間を押圧して、透過ガスが溜まることを防止できる。
（第８実施形態）
ＦＩＧｓ．１３Ａ−１３Ｂは、本発明による圧力容器構造の第８実施形態を示す図である。
本実施形態では、第１ヘリカル巻グリッドライン２１ａと、第２ヘリカル巻グリッドライン２１ｂと、フープ巻グリッドライン２１ｃと、が容器本体１０の半球殻形状部分まで覆う。なおこのようにするには、グリッド層２０を二体化して、それぞれを容器本体１０の左右から挿入して真中で合わせればよい。
このような場合であっても、グリッド層２０のヘリカル巻グリッドライン２１ａ及びヘリカル巻グリッドライン２１ｂに対して樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃの繊維方向が直交するように形成すればよい。
このような構成であれば、高圧ガスが充填されたときの変形をさらに防止できる。
また、ＦＩＧ．１３Ｂに示すように、ＦＩＧｓ．６Ａ−６Ｆの各工程を経てＦＩＧ．６Ｆのようにした圧力容器に形成したグリッド層２０に対して、さらに左右両側の半球殻形状部１０２にもグリッド層２０を挿入して合わせるようにした三体化タイプであってもよい。
（第９実施形態）
ＦＩＧ．１４は、本発明による圧力容器構造の第９実施形態を示す図である。
本実施形態は、ＦＩＧ．１３Ａに示される第８実施形態に対して、フープ巻グリッドライン２１ｃを合わせ部分にのみ残し、他は削除する。
このように構成すれば、グリッドラインを削減できるので、製造コストを低減できる。
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
たとえば、樹脂含有繊維１３ａ，１３ｂ，１３ｃによる繊維層１３は、旧来から在る繊維強化プラスチック層１２に連続的に一体形成しても、別個に形成してもよい。
また、型４０の溝４１ａの形状はさまざまなバリエーションが考えられ、形成されるグリッド層２０もさまざまである。
ＦＩＧ．１５Ａに示すように容器本体１０の片方（ＦＩＧ．１５Ａでは右側）の半球殻形状部１０２にもグリッド層２０を形成してもよい。
また、ハンドレイアップ法で樹脂含有繊維素材を型４０の溝４１ａに沿わせれば、ＦＩＧ．１５Ｂに示すように、樹脂含有繊維素材を直交させて形成することも可能である。
また上記実施形態においては、１枚の型をマンドレルに巻装する場合を例示して説明したが、２枚以上の複数枚の型構成部材をマンドレルに巻装するようにしてもよい。
さらに上記実施形態においては、容器本体１０には、ライナー１１に繊維強化プラスチック層１２が形成されていたが、繊維強化プラスチック層１２を省略して、ライナー１１に直接グリッド層２０を形成してもよい。このようにすれば製造コストが非常に安価である。
以上の説明に関して、２００９年４月１日を出願日とする日本国における特願２００９−８８８７４及び特願２００９−８８８７７の内容をここに引用により組み込む。
この発明の実施形態が包含する排他的性質又は特徴は以下のようにクレームされる。
Claims (10)
- 容器本体と、
前記容器本体の周囲に設けられ、同じラインの上に重なる帯状の素材が交互に重なって交叉する複数のグリッドラインを含むグリッド層と、
を有する圧力容器構造。 - 請求項１に記載の圧力容器構造において、
前記グリッド層に含まれる第１ヘリカル巻グリッドラインと第２ヘリカル巻グリッドラインとフープ巻グリッドラインのうち２つのグリッドラインは帯状の素材が交互に重なって交叉し、残りの１つのグリッドラインは交叉しない、
ことを特徴とする圧力容器構造。 - 請求項１に記載の圧力容器構造において、
前記グリッド層に含まれる第１ヘリカル巻グリッドラインと第２ヘリカル巻グリッドラインとフープ巻グリッドラインとの３つのグリッドラインは、帯状の素材が交互に重なって交叉する、
ことを特徴とする圧力容器構造。 - 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の圧力容器構造において、
前記複数のグリッドラインを含むグリッド層は、前記容器本体の胴部に加えて半球殻形状部の少なくとも一部にも設けられる、
ことを特徴とする圧力容器構造。 - 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の圧力容器構造において、
前記容器本体は、樹脂製である、
ことを特徴とする圧力容器構造。 - 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の圧力容器構造において、
前記容器本体は、繊維方向が前記グリッド層の第１ヘリカル巻グリッドラインに略直交する第１ヘリカル巻繊維と、繊維方向が前記グリッド層の第２ヘリカル巻グリッドラインに略直交する第２ヘリカル巻繊維と、を含む繊維層を有する、
ことを特徴とする圧力容器構造。 - 表面に溝が形成された型に素材を巻いてグリッド層を形成するグリッド層形成工程と、
形成されたグリッド層から前記型を取り出す型除去工程と、
型が取り出されたグリッド層の内部に、グリッド層とは別個に形成された容器本体を挿入する本体挿入工程と、
を有する圧力容器製造方法。 - 請求項７に記載の圧力容器製造方法において、
マンドレルの表面に複数のピンを立設するとともに前記型をセットする準備工程をさらに有し、
前記グリッド層形成工程は、前記素材を、前記ピンに係合させるとともに前記型の溝に巻いてグリッド層を形成する、
ことを特徴とする圧力容器製造方法。 - 請求項７又は請求項８に記載の圧力容器製造方法において、
前記型の溝は、前記グリッド層の内周と前記容器本体の外周とを同心にするための底面を含む、
ことを特徴とする圧力容器製造方法。 - 請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の圧力容器製造方法において、
前記型の溝は、フープ巻き用の溝がヘリカル巻き用の溝の交点からズラされて形成される、
ことを特徴とする圧力容器製造方法。
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