JP6733228B2 - 圧力容器 - Google Patents

Description

本発明は、圧力容器に関する。

例えば、自動車等の車輌に搭載される燃料タンクや、天然ガスや水素ガスの貯蔵や輸送に利用されるタンクとして、軽量性及び強度に優れる点から、樹脂製の容器本体（ライナー）が繊維強化樹脂層からなる外殻で補強された圧力容器が利用されている。外殻に使用される強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維等が挙げられる。なかでも、炭素繊維は、比強度が高く圧力容器を軽量化しやすいために天然ガスの貯蔵タンクに好適に使用されている。

圧力容器としては、例えば、円筒状の直胴部、及び該直胴部の両端に設けられた半球状のドーム部とを有する樹脂製の容器本体と、該容器本体の外側に形成された繊維強化樹脂層とを備える圧力容器が知られている（特許文献１）。該容器本体は、一般にダイレクトブロー成形法によって形成される。また、外殻は、長尺の強化繊維束にマトリクス樹脂が含浸された繊維強化樹脂材料がフィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法という。）により容器本体の外側に巻き回され、硬化されることで形成される。

ダイレクトブロー成形法によって形成される容器本体には、一般にパリソンの一部が一対の金型で挟み込まれることで、直胴部の軸方向に延びる筋状のピンチオフ部が形成される。ピンチオフ部では一般に樹脂の一部が金型外に除去されるため、その幅方向の中央に長さ方向に延びるピンチオフラインの部分が薄くなる傾向がある。このように、容器本体のピンチオフ部ではピンチオフラインが位置する部分が薄いため、その部分の接着強度が低くなって損傷の起点となるおそれがある。

そこで、ブロー成形法によって形成される容器におけるピンチオフ部の接着強度を高める方法として、例えば、ピンチオフ部が外側に張り出すように形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２）。該ピンチオフ部では、ピンチオフラインが位置する部分の厚みが厚く、接着強度が高いため、その部分が損傷の起点となるおそれが少ない。

特開平３−８９０９８号公報 特開平７−８８９４３号公報

しかし、容器本体の外側に繊維強化樹脂層からなる外殻を備える圧力容器においてピンチオフ部を外側に張り出させると、容器本体の形状に合わせて繊維強化樹脂材料を巻き回すことが技術的に極めて困難になる。すなわち、容器本体の外側に巻き回される繊維強化樹脂材料がピンチオフ部を乗り越える際に、繊維強化樹脂材料がピンチオフ部の近傍で容器の外周面から離間し、屈曲するため繊維強化樹脂材料に設計以外の応力が加わり、圧力容器の耐圧性が低下する。

本発明は、ダイレクトブロー成形品からなる樹脂製の容器本体の外側に繊維強化樹脂材料で形成された外殻を備える、優れた耐圧性を有する圧力容器を提供することを目的とする。

本発明は、以下の構成を有する。
［１］筒状の直胴部と、前記直胴部の両端に設けられ、前記直胴部から離れるにつれて窄む形状のドーム部とを備える圧力容器であって、前記直胴部及び前記ドーム部は、ダイレクトブロー成形品からなる樹脂製の容器本体と、前記容器本体の外側に設けられた、強化繊維とマトリクス樹脂を含有する繊維強化樹脂材料からなる外殻によって形成され、前記容器本体には、前記ドーム部のみにピンチオフ部が形成されている、圧力容器。
［２］前記ドーム部の容器本体の最小肉厚が前記直胴部の容器本体の最小肉厚よりも厚くなっている、［１］に記載の圧力容器。
［３］前記ドーム部における、前記ピンチオフ部の前記直胴部に近い側の端よりも前記直胴部から遠い領域内での前記ピンチオフ部以外の部分の容器本体の最小肉厚が、前記直胴部の容器本体の最小肉厚の１．２〜４．０倍である、［１］又は［２］に記載の圧力容器。
［４］前記ピンチオフ部には、容器内に向かって突き出る凸条の２つの肉厚部の間にピンチオフラインが形成されており、前記ピンチオフ部をその厚さ方向に切断した断面の内縁上において、ピンチオフラインが位置する地点を点Ａ、前記の２つの肉厚部の一方における最大肉厚となる部分に相当する地点を点Ｂ、前記の２つの肉厚部の他方における最大肉厚となる部分に相当する地点を点Ｃとし、点Ｂと点Ｃを結ぶ直線と、点Ａを通る厚さ方向に延びる直線との交点を点Ｄとしたとき、下式（１）を満たす、［１］〜［３］のいずれかに記載の圧力容器。
ａ／ｂ≧２ ・・・（１）
（ただし、ａは、点Ｂと点Ｃの距離であり、ｂは、点Ａと点Ｄの距離である。）

本発明の圧力容器は、ダイレクトブロー成形品からなる樹脂製の容器本体の外側に繊維強化樹脂材料で形成された外殻を備えるものであり、優れた耐圧性を有している。

本発明の圧力容器の一例を示した図であり、直胴部の軸方向に沿って切断した断面図である。 図１の圧力容器におけるドーム部の拡大断面図である。 図１の圧力容器における外殻を形成する前の容器本体の口金側の側面図である。 図１の圧力容器のＡ−Ａ断面図である。 図４の圧力容器におけるピンチオフ部の拡大断面図である。

本発明の圧力容器は、筒状の直胴部と、直胴部の両端から直胴部から離れるにつれて窄むように設けられたドーム部と、を備えている。直胴部及びドーム部は、ダイレクトブロー成形品からなる樹脂製の容器本体と、該容器本体の外側に設けられた、強化繊維とマトリクス樹脂を含有する繊維強化樹脂材料からなる外殻によって形成されている。すなわち、本発明の圧力容器においては、ダイレクトブロー成形法によって形成された容器本体が、繊維強化樹脂材料で形成された外殻によって補強されている。
また、本発明の圧力容器においては、容器本体におけるドーム部のみにピンチオフ部が形成されている。

図１〜５は、本発明の圧力容器の実施形態の一例を示した図である。
本実施形態の圧力容器１は、円筒状の直胴部１０と、直胴部１０の両端に設けられ、直胴部１０から離れるにつれて窄む半球状のドーム部１２と、を備えている。直胴部１０とドーム部１２とは、ダイレクトブロー成形品からなる樹脂製の容器本体（ライナー）２と、容器本体２の外側に設けられた、強化繊維とマトリクス樹脂を含有する繊維強化樹脂材料からなる外殻３とによって形成されている。また、圧力容器１には、一方のドーム部１２の先端部に金属製の口金４が設けられている。口金４は、ドーム部１２の先端部において、容器本体２と外殻３で挟まれるようにして密着固定されている。

容器本体２は、ダイレクトブロー成形品からなる樹脂製の容器である。図３に示すように、容器本体２における口金４が設けられている側のドーム部１２には、口金４の部分から直胴部１０に向かって延びる筋状のピンチオフ部１４が形成されている。口金４が設けられていない側のドーム部１２においても同様に、先端部分から直胴部１０に向かって延びる筋状のピンチオフ部が形成されている。
ピンチオフ部１４は、ダイレクトブロー成形時においてパリソンの一部が、左右から閉じられる一対の金型に挟まれることによって形成されるため、図４に示すように、両方のドーム部１２のそれぞれにおいて対向する位置に２つ形成されている。

ピンチオフ部１４では、容器本体２内に向かって突き出る凸条の２つの肉厚部１６と肉厚部１８の間にピンチオフライン２０が形成されている。
本発明においては、ダイレクトブロー成形時においてパリソンの一部が一対の金型に挟み込まれることで形成される筋状のピンチオフラインと、該ピンチオフラインを挟むように容器の内側に突き出た２つの肉厚部とを合わせた部分をピンチオフ部という。

ダイレクトブロー成形法によって得られる容器本体には、成形時にパリソンの一部が一対の金型に挟み込まれることで、通常このようなピンチオフ部が形成される。本発明の圧力容器では、容器本体におけるドーム部のみにピンチオフ部が形成され、直胴部にはピンチオフ部が形成されないようになっている。ピンチオフ部が容器本体のドーム部のみに形成されることで、優れた耐圧性を有する圧力容器となる。このような効果が得られる要因としては、以下のことが考えられる。

外殻が形成される際には、ＦＷ法等によって長尺の帯状の繊維強化樹脂材料が容器本体に巻き付けられる。このとき、製法上、容器本体の径が小さくなるほど巻き付けられる繊維強化樹脂材料の幅が狭くなって、厚みが増す傾向がある。そのため、外殻は、通常、直胴部の厚みよりもドーム部の厚みの方が厚くなる。より具体的には、図２に示すように、外殻３は、ドーム部１２において径が小さくなるにつれて厚みが厚くなる。このことから、圧力容器のドーム部においては直胴部近傍よりも口金近傍の方がより補強効果が高くなる傾向がある。
ピンチオフ部においては、前述したように、一般に成形時にパリソンの樹脂の一部が金型外に除去されることで、ピンチオフラインが位置する部分が薄くなり、またピンチオフラインに沿った部分では厚みが増す傾向がある。

ところで、このような圧力容器は破裂時に大きな破壊片が飛散することを嫌うため、仮に破裂したとしても直胴部の円筒軸方向に沿った破裂になることが好ましい。そのために直胴部の周方向の補強が律速となるように設計されている。強度を設計通りに発現させるためには、容器本体の凹凸が繊維強化樹脂材料を屈曲させて強度発現を損なわせることを考慮する必要がある。ピンチオフ部においては先に述べたように容器本体の内側に凹凸ができる。ピンチオフに起因する容器本体の歪や、外部の喰い切り痕は、その表面に巻き回される繊維強化樹脂材料の屈曲につながり破裂圧に影響する。ピンチオフ部を外殻（補強層）の強度に余裕があるドーム部に留めることにより、設計通りの耐圧性が確保される。

本発明の圧力容器における容器本体は、ドーム部の最小肉厚が直胴部の最小肉厚よりも厚くなっていることが好ましい。すなわち、ドーム部の容器本体において、ピンチオフラインが位置する部分を含めた最も薄肉な部分の肉厚が、直胴部の容器本体における最も薄肉な部分の肉厚よりも厚くなっていることが好ましい。これにより、ドーム部に形成されているピンチオフラインを起点とする損傷がより抑制されやすくなる。

本発明では、ドーム部における、ピンチオフ部の直胴部に近い側の端よりも直胴部から遠い領域内でのピンチオフ部以外の部分の容器本体の最小肉厚ｄが、直胴部の容器本体の最小肉厚ｅの１．２〜４．０倍であることが好ましい。最小肉厚ｄが最小肉厚ｅの１．２倍以上であれば、ドーム部に形成されているピンチオフラインを起点とする損傷がより抑制されやすくなる。最小肉厚ｄが最小肉厚ｅの４．０倍以下であれば、無理なくブロー成形ができる。

例えば、図３に示すように、圧力容器１の場合、容器本体２のドーム部１２における、ピンチオフ部１４の直胴部１０に近い側の端を含む外周を境界線ｋとする。すなわち、ドーム部１２において、直胴部１０の軸方向に垂直な平面がピンチオフ部１４の直胴部１０に近い側の端で交差する部分を境界線ｋとする。このとき、ドーム部１２の境界線ｋよりも先端側の領域Ｘ内における、ピンチオフ部１４が形成されている部分以外の部分の最も薄肉な部分の肉厚が最小肉厚ｄである。
最小肉厚ｅに対する最小肉厚ｄの比ｄ／ｅは、１．２〜４．０が好ましく、１．２〜２．０がより好ましい。

本発明では、容器本体におけるピンチオフ部をその厚さ方向に切断した断面の内縁上において、ピンチオフラインが位置する地点を点Ａ、２つの肉厚部の一方における最大肉厚となる部分に相当する地点を点Ｂ、２つの肉厚部の他方における最大肉厚となる部分に相当する地点を点Ｃとし、点Ｂと点Ｃを結ぶ直線と、点Ａを通る厚さ方向に延びる直線との交点を点Ｄとしたとき、下式（１）を満たしていることが好ましい。これにより、ドーム部に形成されているピンチオフラインを起点とする損傷がより抑制されやすくなり、より優れた耐圧性が得られる。
ａ／ｂ≧２ ・・・（１）
ただし、式（１）中、ａは、点Ｂと点Ｃの距離であり、ｂは、点Ａと点Ｄの距離である。

具体的には、図５に示すように、圧力容器１においては、容器本体２におけるピンチオフ部１４をその厚さ方向に切断した断面の内縁２２上において、ピンチオフライン２０が位置する地点を点Ａとする。また、肉厚部１６における最大肉厚となる部分に相当する地点を点Ｂとする。また、肉厚部１８における最大肉厚となる部分に相当する地点を点Ｃとする。そして、点Ｂと点Ｃを結ぶ直線ｐと、点Ａを通る容器本体２の厚さ方向に延びる直線ｑとの交点を点Ｄとする。このとき、点Ｂと点Ｃの距離がａであり、点Ａと点Ｄの距離がｂである。
ａ／ｂは、２以上が好ましく、５以上がより好ましく、１０以上がさらに好ましい。

容器本体（ライナー）の材料としては、圧力容器に充填された高圧ガスを漏洩させないガスバリア性を有する材料が用いられ、圧力容器において公知の材料を適宜用いることができる。例えば高密度ポリエチレン系樹脂、架橋ポリエチレン、ポリプロピレン樹脂、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン樹脂；ナイロン６、ナイロン６，６、ナイロン１１、ナイロン１２等のポリアミド系樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂；アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合（ＡＢＳ）樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン樹脂、又はポリイミド樹脂等のエンジニアリングプラスチック；等が挙げられる。
容器本体を形成する樹脂としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

外殻を形成する繊維強化複合材料としては、例えば、強化繊維を配列させた強化繊維基材とマトリクス樹脂を含有する繊維強化複合材料が挙げられる。
強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、有機高弾性率繊維（アラミド繊維、超高強力ポリエステル繊維等）、金属繊維、セラミック繊維等が挙げられる。炭素繊維としては、ピッチ系、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ系）、レーヨン系等が挙げられる。なかでも、特に高い弾性率が得られやすい点ではピッチ系炭素繊維が好ましく、高い強度が得られやすい点ではＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。
強化繊維としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

マトリクス樹脂としては、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を用いてもよく、熱可塑性樹脂を用いてもよい。熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド等のエンジニアリングプラスチック、ポリプロピレン、ポリ４−メチル−１−ペンテン等のポリオレフィン樹脂等が挙げられる。
マトリクス樹脂としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

口金の形態は、圧力容器に用いられる公知の形態とすることができる。圧力容器１における口金４は、貫通孔を有する略円筒状になっている。口金の内面の形状は、口金内に取り付けられるバルブ等の形状に応じて設計される。例えば、口金の貫通孔における上端寄りの内周面に雌螺子を形成し、ガス供給・取出用のバルブ等をねじ込みにより取り付け可能にすることができる。

口金を構成する金属としては、特に限定されず、公知の金属を用いることができる。例えば、アルミニウム合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、炭素鋼、合金鋼、黄銅等が挙げられる。

（圧力容器の製造方法）
本発明の圧力容器における容器本体の製造方法としては、ダイレクトブロー成形法が採用される。ピンチオフ部を容器本体のドーム部のみに形成する方法は、特に限定されず、例えば、パリソンを押し出すダイスを小さくする方法、パリソンを一対の金型の上下でピンチし、パリソンの幅を金型の幅に比べてより小さくする方法等が挙げられる。口金は、ブロー成形時において、一対の金型によってパリソンを挟み込む際にその上部又は下部に口金を配置することによって設けることができる。

外殻を形成する際には、ＦＷ法、テープワインディング法等を採用することができる。本発明では、ＦＷ法を用いて外殻を形成することが好ましい。ＦＷ法、テープワインディング法等における捲回方法は、特に限定されず、ヘリカル巻、フープ巻、レーベル巻等が挙げられ、これらを組み合わせてもよい。

以上説明した本発明の圧力容器では、ダイレクトブロー成形によって形成される容器本体において、直胴部よりも厚みの厚い外殻で補強されるドーム部のみにピンチオフ部が形成されることで、優れた耐圧性が得られる。

なお、本発明の圧力容器は、前記した圧力容器１には限定されない。例えば、両方のドーム部に口金が備えられた圧力容器であってもよい。また、直胴部は円筒状には限定されず、例えば、四角筒状であってもよい。

１ 圧力容器
２ 容器本体（ライナー）
３ 外殻
４ 口金
１０ 直胴部
１２ ドーム部
１４ ピンチオフ部
１６、１８ 肉厚部
２０ ピンチオフライン
２２ 内縁

Claims (3)

1. 筒状の直胴部と、前記直胴部の両端に設けられ、前記直胴部から離れるにつれて窄む形状のドーム部とを備える圧力容器であって、
   前記直胴部及び前記ドーム部は、ダイレクトブロー成形品からなる樹脂製の容器本体と、前記容器本体の外側に設けられた、強化繊維とマトリクス樹脂を含有する繊維強化樹脂材料からなる外殻によって形成され、
   前記容器本体には、前記ドーム部のみにピンチオフ部が前記外殻より容器内側に形成されており、
   前記ピンチオフ部には、容器内に向かって突き出る凸条の２つの肉厚部の間にピンチオフラインが形成されており、
   前記ピンチオフ部をその厚さ方向に切断した断面の内縁上において、ピンチオフラインが位置する地点を点Ａ、前記の２つの肉厚部の一方における最大肉厚となる部分に相当する地点を点Ｂ、前記の２つの肉厚部の他方における最大肉厚となる部分に相当する地点を点Ｃとし、
   点Ｂと点Ｃを結ぶ直線と、点Ａを通る厚さ方向に延びる直線との交点を点Ｄとしたとき、下式（１）を満たす、圧力容器。
   ａ／ｂ≧２ ・・・（１）
   （ただし、ａは、点Ｂと点Ｃの距離であり、ｂは、点Ａと点Ｄの距離である。）
2. 前記ドーム部の容器本体の最小肉厚が前記直胴部の容器本体の最小肉厚よりも厚くなっている、請求項１に記載の圧力容器。
3. 前記ドーム部における、前記ピンチオフ部の前記直胴部に近い側の端よりも前記直胴部から遠い領域内での前記ピンチオフ部以外の部分の容器本体の最小肉厚が、前記直胴部の容器本体の最小肉厚の１．２〜４．０倍である、請求項１又は２に記載の圧力容器。

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