JP6659320B2 - 圧力容器 - Google Patents
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Description
本発明は、高圧のガス等を貯蔵するに好適な圧力容器に関する。
たとえば、天然ガス自動車または燃料電池自動車などには、燃料ガスを貯蔵する圧力容器が利用されている。この種の圧力容器は、軽量化および高強度化を図るべく、圧力容器の形状に応じたライナーに口金が接着剤などで取付けられた状態で芯材とし、この芯材に繊維強化樹脂層が被覆されている。
このような圧力容器として、たとえば、特許文献１には、フィラメントワインディング法により圧力容器を製造する方法が提案されている。ここでは、芯材を被覆する繊維強化樹脂材として、フィラメント状の強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸した幅狭い繊維強化樹脂が用いられている。そして、この方法では、圧力容器の胴体部の少なくとも一部を構成するライナーに、幅狭い繊維強化樹脂が、オーバラップするように巻き付けられる。
しかしながら、特許文献１に示すフィラメントワインディング法によれば、幅の狭い繊維強化樹脂をオーバラップするように、これを芯材に巻き付けるため、巻き付け時間が多大な時間となる。
そこで、１枚の繊維強化樹脂シートを、芯材に複数回巻き付けた場合には、短時間で、繊維強化樹脂層を形成することができる。しかしながら、このような方法で製造された圧力容器は、軸心に沿った方向に圧力が作用する圧力容器の端部を補強することは難しい。したがって、圧力容器の端部を補強するには、芯材に繊維強化樹脂シートを巻き付けた後、別途、フィラメントワインディング法で補強する必要があり、手間がかかる。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シート状の繊維強化樹脂が芯材の軸心周りに複数回周回するように、芯材の周面に繊維強化樹脂層を形成したとしても、圧力容器の軸心に沿った方向に圧力が作用する圧力容器の端部の強度を高めることができる圧力容器を提供することにある。
前記課題を鑑みて、本発明に係る圧力容器は、内部空間が形成された筒状のライナーと、該ライナーの少なくとも一方の端部において前記ライナーと一体化された口金と、を備えた芯材の周面に、該芯材の両側に亘って複数回周回するように、シート状の繊維強化樹脂層が形成された圧力容器であって、前記圧力容器の軸心と垂直な断面において、前記口金を含む芯材の断面積が、前記口金が配置された前記圧力容器の端部に進むに従って連続的に減少するように、前記芯材の形状が変化している。
本発明によれば、圧力容器には、シート状の繊維強化樹脂層が芯材を複数回周回するように形成されているので、このような圧力容器は、短時間で簡単に製造し易い。さらに、繊維強化樹脂層が形成された部分の芯材の断面積が、口金が配置された端部に進むに従って、連続的に減少するように、芯材の形状が変化しているため、軸心に沿った方向に圧力が作用したとしても、ライナーから口金が抜け出すことはない。したがって、圧力容器の端部の周辺部分を、フィラメントワインディング法でさらに補強する必要がない。
以下に、本発明の実施形態に係る圧力容器（タンク）１を、以下の図１〜図３を参照しながら説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態に係る圧力容器１では、芯材２の両側に亘って芯材２を複数回周回するように、芯材２の周面にシート状の繊維強化樹脂層５が形成されている。芯材２は、筒状のライナー３と、ライナー３に一体化された一対の口金４，４とを備えている。
ライナー３には、例えば７０ＭＰａ程度の高圧水素ガスを収容（充填）する内部空間Ｓが形成されている。ライナー３の材質は、その周面に沿って繊維強化樹脂シートを巻き付けることができるものであれば、金属、樹脂等、その材質は特に限定されるものではない。
口金４は、アルミニウムまたはステンレスの金属製の口金である。本実施形態では、口金４は、楕円状に扁平し、圧力容器１の端部に向かって先すぼみの形状である。一対の口金４，４は、ライナー３の両側において、ライナー３の内壁３２に嵌合している。
これにより、圧力容器１の使用時には、口金４とライナー３は一体化し、一方の口金４に形成されたガス供給口４１から、内部空間Ｓ内に高圧水素ガスを供給することができる。
このような一体化は、例えば、ライナー３に相当する円筒パイプを準備し、円筒パイプの両側に口金４を挿入後、円筒パイプの両側を、端面が扁平するように変形させることで達成することができる。
これにより、ライナー３の軸心ＣＬ周りのすべての周長を、同じ長さにすることができる。したがって、後述する圧力容器１の製造時において、ライナー３の軸心ＣＬに直交するいずれの断面においても、繊維強化樹脂層５となるシート状の繊維強化樹脂を同じ長さ分、ライナー３（芯材２）に巻き付けることが容易にできる。
繊維強化樹脂層５は、ライナー３の両側に亘って、芯材２を複数回周回するように、芯材２の周面に連続して形成されたシート状の層である。本実施形態では、上述したように、ライナー３の軸心ＣＬに直交するいずれの断面においても、ライナー３を周回するシート状の繊維強化樹脂層５の巻き付け長さ（周回した長さ）は、同じである。したがって、図３（ａ）〜（ｃ）に示す繊維強化樹脂層５の巻き付け長さは同じである。
繊維強化樹脂層５は、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸された層である。強化繊維は、芯材２の周方向に沿って引き揃えられた連続強化繊維であり、強化繊維は、圧力容器１の軸心ＣＬと直交する方向に配向している。
さらに、本実施形態では、圧力容器１の軸心ＣＬと垂直な断面において、口金４を含む芯材２の断面積が、圧力容器１の端部１１に進むに従って連続的に減少するように、芯材２の形状が変化している。
これにより、口金４を含む芯材２にも繊維強化樹脂層５が形成されているので、軸心ＣＬに沿った方向に圧力が作用したとしても、ライナー３から口金４が抜け出すことはない。したがって、圧力容器１の端部の周辺部分を、フィラメントワインディング法でさらに補強する必要がない。また、耐圧性を考慮して口金４を厚肉化する必要がないので、圧力容器１の軽量化を図ることができる。
このような圧力容器１は、例えば以下に示すようにして製造することができる。ライナー３に相当する円筒パイプを準備し、円筒パイプの両側に口金４を挿入後、円筒パイプの両側を、端面が扁平するように変形させる。これにより、口金４をライナー３に一体化する。
次に、口金４が一体化した芯材２（具体的にはライナー３）の両端に亘って、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸された繊維強化樹脂シートをライナー３に複数回巻き付ける。本実施形態では、巻き付け時に、繊維強化樹脂シートに張力を作用させることにより、ライナー３の軸心ＣＬと交差するいずれの断面においても、繊維強化樹脂層５となる繊維強化樹脂シートを同じ長さ分、繊維強化樹脂シートをライナー３（芯材２）に巻き付けることが容易にできる。これにより、口金４が配置されたライナー３の部分にも、ライナー３の中央と同等の繊維強化樹脂層５が形成される。
ここで、マトリクス樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、繊維強化樹脂シートを加熱し、熱可塑性樹脂を軟化させた状態で、ライナー３に巻き付け、その後、放冷等により、熱可塑性樹脂を固化させる。一方、マトリクス樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維強化樹脂シートを巻き付けた後、熱硬化性樹脂を加熱により硬化させる。
このようにして、繊維強化樹脂シートをライナー３に巻き付けることにより（すなわちシートワインディング法により）、圧力容器１を短時間で製造することができる。さらに、本実施形態では、口金４をライナー３に一体化した芯材２に、繊維強化樹脂シートを巻き付けるので、口金を後加工により接着剤等で取付ける必要がない。したがって、耐圧性を高めるべく、口金４とライナー３との接着代を増やす必要がないので、圧力容器１の小型化を図ることができる。
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、製造方法において、口金とライナーとを予め一体化したが、例えば、円筒パイプに予め繊維強化樹脂シートを巻き付けて繊維強化樹脂層を形成後、これに口金を挿入して、繊維強化樹脂層が形成された円筒パイプの両側を押し潰すように変形させてもよい。
１：圧力容器（タンク）、２：芯材、３：ライナー、４：口金、ＣＬ：軸心、Ｓ：内部空間。
Claims (1)
- 内部空間が形成された筒状のライナーと、該ライナーの少なくとも一方の端部において前記ライナーと一体化された口金と、を備えた芯材の周面に、該芯材の両側に亘って複数回周回するように、シート状の繊維強化樹脂層が形成された圧力容器であって、
前記圧力容器の軸心と垂直な断面において、前記口金を含む芯材の断面積が、前記口金が配置された前記圧力容器の端部に進むに従って連続的に減少するように、前記芯材の形状が扁平した形状で変化しており、
前記芯材は、前記筒状のライナーとなる円筒パイプの両側に前記口金を挿入した状態で、その両側の部分を扁平させて、前記ライナーと前記口金を一体化したものであり、
前記シート状の繊維強化樹脂層の強化繊維が、前記芯材の周方向に引き揃えられ、前記ライナーのいずれの断面においても、前記圧力容器の軸心と直交する方向に配向するように、前記繊維強化樹脂層が前記芯材を周回していることを特徴とする圧力容器。
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