JP6223108B2 - 圧力容器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヘリウムや酸素など大気圧より高い圧力の流体を収容可能な圧力容器及びその製造方法に関するものである。

高圧流体を収容可能な圧力容器は、一般的に、口金部を有して中空形状をなす金属製のライナの外周面に、繊維強化プラスチックなどの補強層が形成されて構成されている。この場合、補強層は、フィラメントワインディング法により形成される。このフィラメントワインディング法は、樹脂を含浸させた強化繊維を、ライナの表面に張力を付与しながら交差するように巻き付け、樹脂を硬化させて成形する方法である。

従来の圧力容器及びその製造方法としては、例えば、下記特許文献１〜３に記載されたものが提案されている。

特許第４３８２５３６号公報 特公平０３−０２８３０１号公報 特公平０４−０３７７７３号公報

ところで、圧力容器の形状としては、従来、円筒形状が一般的である。しかし、この圧力容器を搭載する機器が円柱形状であるとき、円筒形状をなす圧力容器よりも中心部が空洞となるドーナツ形状の圧力容器の方が搭載性に有利な場合がある。しかし、ドーナツ形状の圧力容器を製造する場合、ドーナツ形状をなすライナの表面に張力を付与しながら強化繊維を交差するように巻き付けることは困難である。

本発明は上述した課題を解決するものであり、表面に強化繊維が交差してなる強化層を容易に形成可能な圧力容器及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の圧力容器は、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナと、前記ライナの周方向で且つ軸方向における一方側に向ってらせん状に連続する強化繊維が樹脂により硬化されて前記ライナの外側を被覆する第１強化層と、前記ライナの周方向で且つ軸方向における他方側に向ってらせん状に連続する強化繊維が樹脂により硬化されて前記ライナの外側を被覆する第２強化層と、を備えることを特徴とするものである。

従って、ライナの外周面に一方側に向ってらせん状に連続する強化繊維と、他方側に向ってらせん状に連続する強化繊維とを層状に巻き付けることで、第１強化層と第２強化層が積層に形成されることから、強化繊維が交差する２つの強化層を容易に形成することができる。

本発明の圧力容器では、前記第１強化層及び前記第２強化層を構成する強化繊維は、プリプレグにより構成されることを特徴としている。

従って、プリプレグを用いることで、強化繊維をライナの外周面に容易にらせん状に巻き付けることができる。

また、本発明の圧力容器の製造方法は、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナの表面に該ライナの周方向で且つ軸方向における一方側に向って樹脂が含浸された第１強化繊維をらせん状に巻き付ける工程と、前記第１強化繊維の表面に前記ライナの周方向で且つ軸方向における他方側に向って樹脂が含浸された第２強化繊維をらせん状に巻き付ける工程と、前記第１強化繊維と前記第２強化繊維が巻き付けられた前記ライナを硬化させることで第１強化層及び第２強化層を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。

従って、ライナの外周面に一方側に向って強化繊維をらせん状に巻き付け、その上に他方側に向って強化繊維をらせん状に巻き付け、これを硬化することで、第１強化層と第２強化層が積層して形成されることから、強化繊維が交差する２つの強化層を容易に形成することができる。

また、本発明の圧力容器の製造方法は、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナの表面全周に樹脂が含浸された強化繊維を巻回した後に硬化する圧力容器の製造方法であって、強化繊維をライナの周方向に対して軸方向に傾斜させて、所定幅らせん状に巻き付ける一部巻き付け工程を、一連の強化繊維により前記ライナの軸方向に所定間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、前記ライナの表面全周に第１強化繊維層を巻回する第１巻回工程と、強化繊維を前記第１巻回工程の傾斜方向とは逆方向に傾斜させて、所定幅らせん状に巻き付ける一部巻き付け工程を、一連の強化繊維により前記ライナの軸方向に所定間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、前記ライナの表面全周に第２強化繊維層を巻回する第２巻回工程と、を有することを特徴とするものである。

従って、ライナに対する一部巻き付け工程における強化繊維の所定幅のらせん巻き付けは、傾斜していることから強化繊維の張力を保つことができ、また、強化繊維の緩みが生じない範囲での所定幅であり、らせん状に繊維相互が接するように密に巻き付けることができる。そのため、一部巻き付け工程を、一連の強化繊維によりライナの軸方向に間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、強化繊維を緩み無く中空ドーナツ形状のライナに巻回することができる。この場合、一部巻き付け工程での軸方向の間隔は、強化繊維の巻き付け張力を保ったまま、巻回し得る間隔位置であり、当該間隔の一連の強化繊維もライナ表面に接して張設されることとなる。また、一部巻き付け工程での強化繊維の所定幅の巻き付けは密な巻きつけであり、一部巻き付け工程相互間の巻き付けはこの密な巻き付けに比べて疎の巻き付けであり、一部巻き付け工程を、一連の強化繊維によりライナの周方向に間隔をおいて連続的に多数回繰り返すことにより、ライナの表面全周に第１強化繊維層及び第２強化繊維層を隙間無く巻回することができる。

本発明の圧力容器及びその製造方法によれば、中空ドーナツ形状をなすライナの外側に強化繊維が交差する２つの強化層を容易に形成することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る圧力容器を表す一部切欠概略図である。 図２は、本実施例の圧力容器の製造方法の手順を表すフローチャートである。 図３は、本実施例の圧力容器の製造方法を表す概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る圧力容器及びその製造方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係る圧力容器を表す一部切欠概略図、図２は、本実施例の圧力容器の製造方法の手順を表すフローチャート、図３は、本実施例の圧力容器の製造方法を表す概略図である。

本実施例の圧力容器は、流体を充填するものであり、ドーナツ形状をなしている。この場合、ドーナツ形状をなす圧力容器は、中央部が空洞となっていることから、ここに各種機器を配置することができる。また、ドーナツ形状をなす圧力容器は、複数積層すると共に各容器を連通して使用することもできる。なお、圧力容器内に充填する流体としては、作動流体や燃料などとして利用可能なヘリウム、水素、酸素などがある。

本実施例にて、図１に示すように、圧力容器１０は、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナ１１と、このライナの周方向Ｂで且つ軸方向Ａにおける一方側Ｌに向ってらせん状に連続する強化繊維が樹脂により硬化されてライナ１１の外側を被覆する第１強化層１２と、ライナ１１の周方向Ｂで且つ軸方向Ａにおける他方側Ｒに向ってらせん状に連続する強化繊維が樹脂により硬化されてライナ１１（第１強化層１２）の外側を被覆する第２強化層１３とにより構成されている。

なお、上述した軸方向Ａとは、圧力容器１０が中央部に空洞部を有し、本体が周方向に連続するドーナツ形状（リング形状）をなすことから、その円周に沿った方向である。また、周方向Ｂとは、圧力容器１０の軸方向Ａに直交（交差）する断面がほぼ円形断面（子午面）をなすことから、この円形断面にて外周方向に沿った方向である。

ライナ１１は、チタンやアルミニウムなどの金属材料から構成され、上部に２つの孔部２１，２２が形成されている。この孔部２１，２２は、内部に流体を供給する供給口、または、内部の流体を排出する排出口として利用される。なお、孔部２１，２２は、１つでも、３つ以上であってもよい。

第１強化層１２は、強化繊維としての第１プリプレグをライナ１１の外周面に周方向Ｂで、且つ、軸方向Ａにおける一方側Ｌに向ってらせん状に巻き付け、これを硬化することでこのライナ１１の外側を被覆して強化するものである。

第２強化層１３は、強化繊維としての第２プリプレグをライナ１１の外周面、ここでは、第１プリプレグの外側に周方向Ｂで、且つ、軸方向Ａにおける他方側Ｒに向ってらせん状に巻き付け、これを硬化することでこのライナ１１の外側を被覆して強化するものである。

ここで、プリプレグとは、炭素繊維（またはガラス繊維など）を同じ方向にそろえた帯状または短冊状の炭素繊維帯状物に、樹脂（エポキシ樹脂など）を含浸させ、半硬化させて成形したものである。

ここで、本実施例の圧力容器の製造方法について、図２のフローチャート及び図３の概略図を用いて説明する。

本実施例の圧力容器の製造方法は、図２に示すように、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナ１１を製造する工程（Ｓ１１）と、このライナ１１の表面にライナ１１の周方向Ｂで且つ軸方向Ａにおける一方側Ｌに向って樹脂が含浸された第１プリプレグをらせん状に巻き付ける工程（Ｓ１２〜Ｓ１３）と、第１プリプレグの表面にライナ１１の周方向Ｂで且つ軸方向Ａにおける他方側Ｒに向って樹脂が含浸された第２プリプレグをらせん状に巻き付ける工程（Ｓ１４）と、第１プリプレグと第２プリプレグが巻き付けられたライナ１１を硬化させることで第１強化層１２及び第２強化層１３を形成する工程（Ｓ１５〜Ｓ１６）とから構成されている。

即ち、まず、工程（Ｓ１１）にて、チタンや他の材料を用いて中空ドーナツ形状をなすライナ１１を製造し、上部に２つの孔部２１，２２を形成する。次に、図３に示すように、工程（Ｓ１２）にて、帯状の第１、第２プリプレグ３１，３２を所定の幅にカット（切断）する。そして、工程（Ｓ１３）にて、所定幅の第１プリプレグ３１をライナ１１の外周面に周方向Ｂで且つ軸方向Ａにおける一方側Ｌに向って第１プリプレグ３１をらせん状（ヘリカル状）に沿って巻き付ける。つまり、ライナ１１の外周面に第１プリプレグ３１を左回り（一方側Ｌ）でらせん状に巻き付ける。

更に、工程（Ｓ１４）にて、所定幅の第２プリプレグ３２をライナ１１の外周面に周方向Ｂで且つ軸方向Ａにおける他方側Ｒに向って第２プリプレグ３２をらせん状（ヘリカル状）に沿って巻き付ける。つまり、ライナ１１の外周面に第２プリプレグ３２を右回り（他方側Ｒ）でらせん状に巻き付ける。

即ち、第１プリプレグ３１をライナ１１の周方向Ｂに対して軸方向Ａに所定角度傾斜させて、所定幅らせん状に巻き付ける一部巻き付け工程を、一連の第１プリプレグ３１によりライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、ライナ１１の表面全周に第１強化繊維層を巻回する第１巻回工程と、第２プリプレグ３２を第１巻回工程の傾斜方向とは逆方向に傾斜させて、所定幅らせん状に巻き付ける一部巻き付け工程を、一連の強化繊維によりライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、ライナ１１の表面全周に第２強化繊維層を巻回する第２巻回工程とにより構成している。

具体的に説明すると、図３にて、第１巻回工程では、第１プリプレグ３１をテープ（図示略）によりライナ１１の表面に仮止めし、この第１プリプレグ３１をライナ１１の周方向Ｂに対して軸方向Ａに所定角度傾斜させた状態でらせん状に巻き付ける。このとき、第１プリプレグ３１をライナ１１の表面にらせん状に巻き付けると、１周目の第１プリプレグ３１ａに対して２周目の第１プリプレグ３１ｂは、ライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔だけ離れた位置となる。続いて、２周目の第１プリプレグ３１ｂに対して３周目の第１プリプレグ３１ｃは、ライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔だけ離れた位置となり、続いて、３周目の第１プリプレグ３１ｃに対して４周目の第１プリプレグ３１ｄは、ライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔だけ離れた位置となる。そして、４周目の第１プリプレグ３１ｄに対して５周目の第１プリプレグ３１ｅは、ライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔だけ離れると共に、１周目の第１プリプレグ３１ａと隙間なく密に接した位置となる。つまり、ライナ１１の表面を軸方向Ａに４つの領域に分け、各領域に対して第１プリプレグ３１を連続して巻き付けていくこととなる。

このように所定幅らせん状に巻き付ける一部巻き付け工程を、一連の第１プリプレグ３１によりライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、ライナ１１の表面全周に第１強化繊維層を巻回することができる。

一方、第２巻回工程では、第２プリプレグ３２をテープ（図示略）によりライナ１１の外側に形成された第１強化繊維層の表面に仮止めし、この第２プリプレグ３２をライナ１１の周方向Ｂに対して軸方向Ａに所定角度傾斜させた状態でらせん状に巻き付ける。この場合、第２プリプレグ３２を巻き付ける傾斜方向は、第１プリプレグ３１を巻き付ける傾斜方向と対称となる逆方向である。このとき、第２プリプレグ３２を第１強化繊維層の表面にらせん状に巻き付けると、１周目の第２プリプレグ３２ａに対して２周目の第２プリプレグ３２ｂは、ライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔だけ離れた位置となる。続いて、２周目の第２プリプレグ３２ｂに対して３周目の第２プリプレグ３２ｃは、ライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔だけ離れた位置となり、続いて、３周目の第２プリプレグ３２ｃに対して４周目の第２プリプレグ３２ｄは、ライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔だけ離れた位置となる。そして、４周目の第２プリプレグ３２ｄに対して５周目の第２プリプレグ３２ｅは、ライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔だけ離れると共に、１周目の第２プリプレグ３２ａと隙間なく密に接した位置となる。つまり、ライナ１１の表面を軸方向Ａに４つの領域に分け、各領域に対して第２プリプレグ３２を連続して巻き付けていくこととなる。

このように所定幅らせん状に巻き付ける一部巻き付け工程を、一連の第２プリプレグ３２によりライナ１１の軸方向Ｂに所定間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、ライナ１１における第１強化繊維層の表面全周に第２強化繊維層を巻回することができる。

この場合、第１巻回工程にて、ライナ１１に対する一部巻き付け工程における第１プリプレグ３１の所定幅のらせん巻き付けは、傾斜していることから第１プリプレグ３１の張力を保つことができ、また、第１プリプレグ３１の緩みが生じない範囲での所定幅であり、らせん状に繊維相互が接するように密に巻き付けることができる。そのため、一部巻き付け工程を、一連の第１プリプレグ３１によりライナ１１の軸方向Ｂに間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、第１プリプレグ３１を緩み無く中空ドーナツ形状のライナ１１に巻回することができる。この場合、一部巻き付け工程での軸方向Ｂの間隔は、第１プリプレグ３１の巻き付け張力を保ったまま、巻回し得る間隔位置であり、当該間隔の一連の第１プリプレグ３１もライナ１１の表面に接して張設されることとなる。また、一部巻き付け工程での第１プリプレグ３１の所定幅の巻き付けは密な巻き付けであり、一部巻き付け工程相互間の巻き付けはこの密な巻き付けに比べて疎の巻き付けであり、一部巻き付け工程を、一連の第１プリプレグ３１によりライナの周方向に間隔をおいて連続的に多数回繰り返すことにより、ライナ１１の表面全周に第１強化繊維層を隙間無く巻回することができる。

一方、第２巻回工程では、第１強化繊維層が形成されたライナ１１に対する一部巻き付け工程における第２プリプレグ３２の所定幅のらせん巻き付けは、第１巻回工程と逆に傾斜していることから第２プリプレグ３２の張力を保つことができ、また、第２プリプレグ３２の緩みが生じない範囲での所定幅であり、らせん状に繊維相互が接するように密に巻き付けることができる。そのため、一部巻き付け工程を、一連の第２プリプレグ３２によりライナ１１の軸方向Ｂに間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、第２プリプレグ３２を緩み無く中空ドーナツ形状のライナ１１に巻回することができる。この場合、一部巻き付け工程での軸方向Ｂの間隔は、第２プリプレグ３２の巻き付け張力を保ったまま、巻回し得る間隔位置であり、当該間隔の一連の第２プリプレグ３２もライナ１１の表面に接して張設されることとなる。また、一部巻き付け工程での第２プリプレグ３２の所定幅の巻き付けは密な巻き付けであり、一部巻き付け工程相互間の巻き付けはこの密な巻き付けに比べて疎の巻き付けであり、一部巻き付け工程を、一連の第２プリプレグ３２によりライナの周方向に間隔をおいて連続的に多数回繰り返すことにより、ライナ１１に形成された第１強化繊維層の表面全周に第２強化繊維層を隙間無く巻回することができる。

その後、工程（Ｓ１５）にて、第１プリプレグ３１と第２プリプレグ３２が巻き付けられたライナ１１にて、樹脂を硬化させることで、このライナ１１の外側を被覆する第１強化層１２と第２強化層１３を形成する。その後、工程（Ｓ１６）にて、仕上げ加工を行うことで、圧力容器１０が製造される。

このように本実施例の圧力容器にあっては、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナ１１と、このライナ１１の周方向Ｂで且つ軸方向Ａにおける一方側Ｌに向ってらせん状に連続する強化繊維が樹脂により硬化されてライナ１１の外側を被覆する第１強化層１２と、ライナ１１の周方向Ｂで且つ軸方向Ａにおける他方側Ｒに向ってらせん状に連続する強化繊維が樹脂により硬化されてライナ１１（第１強化層１２）の外側を被覆する第２強化層１３とを設けている。

従って、ライナ１１の外周面に一方側Ｌに向って第１プリプレグ３１をらせん状に巻き付け、その上に他方側Ｒに向って第２プリプレグ３２をらせん状に巻き付け、これを硬化することで、第１強化層１２と第２強化層１３が積層して形成されることから、強化繊維が交差する２つの強化層１２，１３を容易に形成することができる。

ライナ１１の表面に炭素繊維が交差する少なくとも２つの強化層１２，１３を形成する場合、帯状の炭素繊維は、ライナ１１の周方向Ｂに沿って巻き付けられるものの、ライナ１１の軸方向Ａに沿って巻き付けることは困難である。即ち、ライナ１１の外周側には、所定の張力で軸方向Ａに沿って炭素繊維を巻き付けることはできるものの、ライナ１１の内周側には、所定の張力で軸方向Ａに沿って炭素繊維を巻き付けることはできない。本実施例では、プリプレグ３１，３２を異なる２方向へ向ってらせん状に巻き付けることで、ライナ１１の表面に炭素繊維が交差する少なくとも２つの強化層１２，１３を形成することができる。

また、本実施例の圧力容器では、第１強化層１２及び第２強化層１３を構成する強化繊維を第１プリプレグ３１と第２プリプレグ３２により構成している。従って、プリプレグ３１，３２を用いることで、強化繊維をライナ１１の外周面に容易にらせん状に巻き付けることができる。

また、本実施例の圧力容器の製造方法にあっては、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナ１１を製造する工程（Ｓ１１）と、ライナ１１の表面に一方側Ｌに向って第１プリプレグ３１をらせん状に巻き付ける工程（Ｓ１２〜Ｓ１３）と、第１プリプレグ３１の表面に他方側Ｒに向って第２プリプレグ３２をらせん状に巻き付ける工程（Ｓ１４）と、第１プリプレグ３１と第２プリプレグ３２が巻き付けられたライナ１１を硬化させることで第１強化層１２及び第２強化層１３を形成する工程（Ｓ１５〜Ｓ１６）とから構成されている。

従って、ライナ１１の外周面に一方側Ｌに向って第１プリプレグ３１をらせん状に巻き付け、その上に他方側Ｒに向って第２プリプレグ３２をらせん状に巻き付け、これを硬化することで、第１強化層１２と第２強化層１３が積層して形成されることから、強化繊維が交差する２つの強化層１２，１３を容易に形成することができ、製造工程の簡略化を可能とすることができる。

なお、上述した実施例では、ライナ１１の外側に２つの強化層１２，１３を形成したが、この数に限定されるものではなく、強化繊維が交差する方向に配列された２つの強化層があればよく、３層以上でもよいものである。また、上述した実施例では、ライナ１１の表面を軸方向Ａに４つの領域に分け、各領域に対して各プリプレグ３１，３２を連続して巻き付けていくようにしたが、領域の個数は、１つに限定されるものではなく、各プリプレグ３１，３２の巻き付け角度に応じて適宜設定すればよいものである。更に、ライナ１１に対する第１プリプレグ３１と第２プリプレグ３２との巻き付け角度は、対称な角度であることが望ましい。

本発明に係る圧力容器及びその製造方法は、ライナの外側に強化繊維が交差する方向に配列された複数の強化層を容易に設けること可能なものであり、いずれの圧力容器にも適用することができる。

１０ 圧力容器
１１ ライナ
１２ 第１強化層
１３ 第２強化層
３１ 第１プリプレグ（強化繊維）
３２ 第２プリプレグ（強化繊維）

Claims (2)

1. 中空ドーナツ形状をなす金属製のライナの表面全周に樹脂が含浸された強化繊維を巻回した後に硬化する圧力容器の製造方法であって、
   強化繊維をライナの周方向に対して軸方向に傾斜させて、所定幅らせん状に巻き付ける一部巻き付け工程を、一連の強化繊維により前記ライナの軸方向に所定間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、前記ライナの表面全周に第１強化繊維層を巻回する第１巻回工程と、
   強化繊維を前記第１巻回工程の傾斜方向とは逆方向に傾斜させて、所定幅らせん状に巻き付ける一部巻き付け工程を、一連の強化繊維により前記ライナの軸方向に所定間隔をおいて連続的に繰り返すことにより、前記ライナの表面全周に第２強化繊維層を巻回する第２巻回工程と、
   を有することを特徴とする圧力容器の製造方法。
2. 請求項１に記載の圧力容器の製造方法により製造されたことを特徴とする圧力容器。
   

Images