JP6892562B2 - 圧力容器 - Google Patents

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Description

本発明は、圧力容器に関する。
円筒部および円筒部の両側に形成される一対のドーム部を有するライナーと、ライナーの外側に形成される繊維強化樹脂材からなる補強層と、を有する圧力容器が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
補強層は一般にフィラメントワインディング法により形成されている。フープ巻きは、図４（ａ）に示すように繊維補強材３０を圧力容器３１の軸心Ｏと略直交する方向に巻く巻き方であり、低角度ヘリカル巻きは、図４（ｂ）に示すように軸心Ｏに対して低い配向角度θ２で巻く巻き方であり、高角度ヘリカル巻きは、図４（ｃ）に示すように軸心Ｏに対して高い配向角度θ１で巻く巻き方である。一般に、フープ巻きは円筒部３２を補強する目的で、低角度ヘリカル巻きはドーム部３３の先端周りを補強する目的で行われる。高角度ヘリカル巻きは、主にフープ巻きや低角度ヘリカル巻きでは補強しきれない部位、すなわちドーム部３３のうちで円筒部３２寄りの部位である肩部３５を補強する目的で行われることが多い。
特許文献２には、肩部の補強にフープ巻きを適用した技術が記載されている。具体的には、肩部の延長面となるように、ライナーの円筒部の端部にフープ層を形成する技術が記載されている。すなわち、フープ層のフープドーム部がライナーの肩部の一部を担う構造としたものである。
特開２０１２−２４６９６２号公報 特許第５４０８３５１号公報
しかしながら、特許文献２の技術では、フープ層のフープドーム部は、肩部の延長面となるように形成されている。すなわち、フープ層のフープドーム部は、ライナーのドーム部の先端側に向かうにしたがい薄くなる構造である。したがって、肩部の補強の強度は、ライナーのドーム部の先端側に向けて徐々に低減することとなる。
本発明はこのような課題を解決するために創作されたものであり、ライナーのドーム部の強度低下の抑制を図れる圧力容器を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明は、円筒部および一対のドーム部を有するライナーと、前記ライナーの外側に形成される繊維強化樹脂材からなる補強層と、を備えた圧力容器であって、前記補強層は、前記各ドーム部に高角度ヘリカル巻きで膨出するように形成された膨出部と、一対の前記膨出部の各頂上間にわたってフープ巻きあるいは前記高角度ヘリカル巻きよりも高角度で巻かれる略フープ巻きで形成される中間部と、を備え、前記膨出部は、ストランドを周方向に重なるように巻くことによって、局所的に厚みが増すように山形状に形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、次の効果が奏される。
（１）高角度ヘリカル巻きによる厚みのある膨出部でドーム部を局所的に十分に補強できる。ライナーの形状は単純なドーム形状のままで済むため、応力集中を抑制でき、ライナーの厚肉部を特段設けないことによる内部流体の影響を抑制できる。
（２）膨出部の頂上間にわたってフープ巻きあるいは前記高角度ヘリカル巻きよりも高角度で巻かれる略フープ巻きの中間部を備えることにより、膨出部の形成によってできる段差を無くすことができる。これにより、外層のうねりを抑制でき、圧力容器の強度低下を抑制できる。
また、本発明は、前記中間部は、前記頂上から、一旦、前記膨出部の軸方向外側の傾斜面の延長面となるように曲面状に形成されたうえで、前記ライナーの軸方向と平行に形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、簡単な構造で膨出部の段差を無くすことができる。
本発明によれば、ライナーのドーム部の強度低下の抑制を図れる。
本発明に係る圧力容器の側断面図である。 本発明に係る膨出部周りの側断面図である。 図１におけるIII-III断面図である。 フィラメントワインディング法の概略説明図であって、（ａ）はフープ巻き、（ｂ）は低角度ヘリカル巻き、（ｃ）は高角度ヘリカル巻きを示す。
本発明の圧力容器はＬＰＧ等の低圧ガス、水素ガス等の高圧ガス、その他の流体を貯留する容器として適用できる。図１に示すように、本発明の圧力容器１は、ライナー２と、ライナー２の外側にフィラメントワインディングにより形成される繊維強化樹脂材からなる補強層６とを有する。
ライナー２は、略定断面の円筒形状の円筒部３と、円筒部３の両端に形成されるドーム部４，４とを有する。少なくとも一方のドーム部４の平面部４Ｂの中央には、ライナー２の軸心Ｏと同軸状に金属製の口金５がライナー２と一体成形されている。ライナー２は例えばポリエチレン等の合成樹脂材から構成され、インジェクション成形やブロー成形等により形成されている。
ドーム部４は、円筒部３の端部から曲面状に縮径する肩部４Ａと、肩部４Ａの先端側に形成され軸心Ｏとの略直交面をなす平面部４Ｂとを有した形状からなる。場合により、平面部４Ｂを形成することなく、円筒部３の端部から口金５にかけて全て曲面状に縮径形成してもよい。
補強層６は、強化繊維の束からなるストランドを、図示しない回転装置により軸心Ｏ回りに回転するライナー２の外面に巻き付けることで形成される。補強層６は、各ドーム部４の肩部４Ａに高角度ヘリカル巻きで膨出するように形成された膨出部７と、一対の膨出部７の各頂上７Ａ間にわたってフープ巻きあるいは前記高角度ヘリカル巻きよりも高角度で巻かれる略フープ巻きで形成される中間部８とを備えている。
フープ巻きは、図４（ａ）で説明したように圧力容器の軸心Ｏと略直交する方向に巻く巻き方であり、高角度ヘリカル巻きは、図４（ｃ）で説明したように軸心Ｏに対して高い配向角度θ１で巻く巻き方である。低角度ヘリカル巻きは、図４（ｂ）で説明したように軸心Ｏに対して低い配向角度θ２で巻く巻き方である。高角度ヘリカル巻きの配向角度θ１は、概ね軸心Ｏに対し６５°〜７５°の範囲である。低角度ヘリカル巻きの配向角度θ２は、概ね口金５に掛け回し可能な最小角度以上で１５°以下の範囲である。
「膨出部７」
本実施形態では、ライナー２の円筒部３および肩部４Ａの表面に高角度ヘリカル巻きを行っている。図３に示すように、肩部４Ａの径寸法は円筒部３の径寸法よりも小さいから、円筒部３においてストランド２０同士がぴったり隣接して巻かれる場合には、肩部４Ａにおいてはストランド２０同士が円周方向に重なるようにして巻かれる。したがって、その分、径方向の厚みが増し、肩部４Ａに山形状の膨出部７が形成される。
図２において、肩部４Ａは曲面状に傾斜しているため、ストランドの含浸樹脂材の粘度が低いと、ストランドが肩部４Ａ上で滑って巻かれてしまい、目が開いてストランドを密に巻くことができない。したがって、ストランドの含浸樹脂材は、所定粘度以上の高粘度のものを使用することが好ましい。本発明者が高粘度の含浸樹脂を使用して試験を行った結果、ライナー２の肩部の表面に対してほとんど滑ることなくストランドを密に巻けることを確認できた。ただし、次第にストランドが厚みを増していくと、その径方向外側では滑りが生じやすくなっていくため、膨出部７の形状は、頂上７Ａを最膨出点として円筒部３寄り、平面部４Ｂ寄りにそれぞれ緩曲面状の傾斜面７Ｂ，７Ｃを有する山形状を呈することとなる。本実施形態では、斜面長さは、傾斜面７Ｃの方が傾斜面７Ｂよりも長くなっている。なお、例えば、高角度ヘリカル巻きの配向角度θ１やライナー２の回転速度を変化させるなどして膨出部７を形成してもよい。
「中間部８」
中間部８は、一対の頂上７Ａ間にわたって形成されるフープ巻き、あるいは少なくとも膨出部７の高角度ヘリカル巻きの配向角度θ１よりも高角度で巻かれる略フープ巻きの層であり、円筒部３の表面に形成された高角度ヘリカル層９の外側と、膨出部７の傾斜面７Ｂの外側に形成されている。これにより、膨出部７の頂上７Ａと中間部８との間には段差が形成されることがなく、膨出部７と中間部８とは互いに滑らかに連なることとなる。
頂上７Ａに連なる中間部８の表面の形状は、図２に示すように、頂上７Ａから、一旦、膨出部７の軸心Ｏ方向外側の傾斜面、すなわち傾斜面７Ｃの延長面１０となるように曲面状に形成されたうえで、軸心Ｏ方向と平行に形成されている。これにより、膨出部７と中間部８とを滑らかに連ならせることができる。
膨出部７および中間部８の外側には、フープ巻き、低角度ヘリカル巻き、高角度ヘリカル巻きのうちの少なくとも１つで巻かれた外層１１が形成されている。一般には、外層１１は、フープ巻きと低角度ヘリカル巻きの混成層で構成することが多いが、本発明においては外層１１の巻き方法については特に限定されない。図１から判るように、一対の頂上７Ａ間における外層１１の厚みは略一定である。
以上のように、補強層６として、各ドーム部４に高角度ヘリカル巻きで膨出するように形成された膨出部７と、一対の膨出部７の各頂上７Ａ間にわたってフープ巻きあるいは前記高角度ヘリカル巻きよりも高角度で巻かれる略フープ巻きで形成される中間部８とを備える構成とすれば、次のような効果が奏される。
（１）高角度ヘリカル巻きによる厚みのある膨出部７でドーム部４を局所的に十分に補強できる。ライナー２の形状は単純なドーム形状のままで済むため、応力集中を抑制でき、ライナー２の厚肉部を特段設けないことによる内部流体の影響を抑制できる。
（２）膨出部７の頂上７Ａ間にわたってフープ巻きあるいは前記高角度ヘリカル巻きよりも高角度で巻かれる略フープ巻きの中間部８を備えることにより、膨出部７の形成によってできる段差を無くすことができる。これにより、外層１１のうねりを抑制でき、圧力容器１の強度低下を抑制できる。
中間部８を、頂上７Ａから、一旦、膨出部７の軸心Ｏ方向外側の傾斜面７Ｃの延長面１０となるように曲面状に形成したうえで、ライナー２の軸心Ｏ方向と平行に形成すれば、簡単な構造で膨出部７の段差を無くすことができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明した。説明した実施形態は、膨出部７をライナー２のドーム部４の表面に直接、つまり膨出部７を補強層６の第１内側層として形成した。しかし、例えば、補強層６の第１内側層を他の巻き層から構成し、その上に膨出部７を形成するようにしてもよい。その他、本発明は図面に記載したものに限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な設計変更が可能である。
１ 圧力容器
２ ライナー
３ 円筒部
４ ドーム部
６ 補強層
７ 膨出部
８ 中間部
９ 高角度ヘリカル層
１０ 延長面
１１ 外層

Claims (2)

  1. 円筒部および一対のドーム部を有するライナーと、前記ライナーの外側に形成される繊維強化樹脂材からなる補強層と、を備えた圧力容器であって、
    前記補強層は、
    前記各ドーム部に高角度ヘリカル巻きで膨出するように形成された膨出部と、
    一対の前記膨出部の各頂上間にわたってフープ巻きあるいは前記高角度ヘリカル巻きよりも高角度で巻かれる略フープ巻きで形成される中間部と、を備え、
    前記膨出部は、ストランドを周方向に重なるように巻くことによって、局所的に厚みが増すように山形状に形成されていることを特徴とする圧力容器。
  2. 前記中間部は、前記頂上から、一旦、前記膨出部の軸方向外側の傾斜面の延長面となるように曲面状に形成されたうえで、前記ライナーの軸方向と平行に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
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