JP7318578B2

JP7318578B2 - 圧力容器

Info

Publication number: JP7318578B2
Application number: JP2020053094A
Authority: JP
Inventors: 一行寺田; 忠弘西本
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: JP2020159553A

Description

本発明は、圧力容器に関する。

例えば、燃料タンクや、天然ガス、水素ガス等の貯蔵や輸送に利用されるタンクとして、樹脂製又は金属製の容器本体（ライナー）が、長尺の炭素繊維束及び硬化性樹脂を含む長尺の炭素繊維複合材の硬化物で形成された複合体部からなる外殻で補強された圧力容器が利用されている。前記圧力容器は、軽量性及び強度に優れる利点がある。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、天然ガスの貯蔵タンクに特に好適に使用されている。

圧力容器の製造方法としては、長尺の炭素繊維束に硬化性樹脂が含浸された長尺の炭素繊維複合材を用いたフィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法という。）が挙げられる。例えば、樹脂製又は金属製の容器本体の外側にＦＷ法で炭素繊維複合材を巻き付けた後、硬化性樹脂を硬化させる。ＦＷ法のなかでも、炭素繊維束に硬化性樹脂を含浸して炭素繊維複合材とする含浸操作と、前記炭素繊維複合材を容器本体に巻き付ける操作とを連続して行うウェット方式が広く用いられている。

ＦＷ法により製造された圧力容器には、複合体部内に破壊の起点となり得るボイド等の空隙が含まれやすい（例えば、特許文献１～３）。
例えば、ウェット方式のＦＷ法では、硬化性樹脂を炭素繊維に添着させる樹脂添着ロールと、樹脂添着ロールに付着した余分な硬化性樹脂を除去するスクレーパとによって炭素繊維への硬化性樹脂の付着量を調節する方法がある。しかし、この調節方法では、周囲の環境変化、運転中の振動、及びセッティングの再現性が乏しいことによるロールとスクレーパの位置関係の変化に伴い、硬化性樹脂の付着量が変化する。炭素繊維複合材の樹脂量が不充分になると、複合体部にボイド等の空隙が多く生じる。

一方、空隙を埋めるために炭素繊維複合材の樹脂量を意図的に増やすと、炭素繊維複合材の巻き付け中、又は巻き付け後において余分な硬化性樹脂が絞り出される。そのため、この場合には硬化性樹脂が絞り出されるのに伴い、特に容器本体に近い内側部分で炭素繊維が緩んで繊維の蛇行や屈曲が生じることがある。このように複合体部内で炭素繊維に蛇行や屈曲が生じると、炭素繊維の性能が充分に発揮されないため、破裂圧力の低下や、破裂圧力の再現性の低下が起こりやすい。炭素繊維複合材の巻き付け量を多くすれば、破裂圧力が十分に高い圧力容器が安定して得られるが、巻き付け量が多いと圧力容器が重くなるうえ、コストも高くなる。

特開２００８－３０４０３８号公報特開２００８－３０９２１９号公報特許第６２２８８２７号公報

本発明は、軽量で、かつ破裂圧力が高い圧力容器を提供することを目的とする。

本発明は、圧力容器において、ボイド等の空隙を抑制又は除去することよりも、炭素繊維の蛇行や屈曲を抑制し、炭素繊維の発現強度を最大化させることを重視したものである。具体的には、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、
前記直胴部及び前記ドーム部が、樹脂製又は金属製の容器本体と、前記容器本体を補強する外殻とで形成され、
前記外殻は、長尺の炭素繊維束及び硬化性樹脂を含む長尺の炭素繊維複合材の硬化物で形成された複合体部からなり、
前記直胴部において撮影されたＸ線ＣＴ画像の前記複合体部の断面における以下の特定方法Ｉによる空隙の数Ｎ_Ｂが０．２５～３．７０個／ｃｍ^２である、圧力容器。
（特定方法Ｉ）軸方向の中心の軸方向に対して垂直な面の断面積２０ｃｍ^２あたりの空隙を数え、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの個数をＮ_Ｂとする。
［２］前記Ｘ線ＣＴ画像の前記複合体部の断面における以下の特定方法ＩＩによる前記空隙の合計長さＬ_Ｂが１．０～９．０ｍｍ／ｃｍ^２である、［１］に記載の圧力容器。
（特定方法ＩＩ）軸方向の中心の軸方向に対して垂直な面の断面積２０ｃｍ^２あたりの厚み方向に対して垂直な方向の空隙の長さを測定し、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの合計長さをＬ_Ｂとする。
［３］前記圧力容器の内容量をＶ（Ｌ）、前記圧力容器の最高使用圧力をＰ_ｍａｘ（ｂａｒ）、前記圧力容器の質量をＷ（ｋｇ）、前記圧力容器の最低破裂係数をＫとしたとき、下記式（１）で表される性能値Ｑが２５００以上である、［１］又は［２］に記載の圧力容器。

［４］最低破裂係数Ｋが２．０～３．０である、［３］に記載の圧力容器。
［５］前記圧力容器の内容量Ｖが４５０Ｌ以上である、［３］又は［４］に記載の圧力容器。
［６］筒状の直胴部と、前記直胴部の両端に設けられるドーム部とを備え、
前記直胴部及び前記ドーム部が、樹脂製又は金属製の容器本体と、外殻とで形成され、
前記外殻は、炭素繊維束及び樹脂を含む炭素繊維複合材の硬化物で形成された複合体部からなり、
前記圧力容器の内容量をＶ（Ｌ）、前記圧力容器の最高使用圧力をＰ_ｍａｘ（ｂａｒ）、前記圧力容器の質量をＷ（ｋｇ）、前記圧力容器の最低破裂係数をＫとしたとき、下記式（１）で表される性能値Ｑが２５００以上である、圧力容器。

［７］前記圧力容器の内容量Ｖが４５０Ｌ以上である、［６］に記載の圧力容器。

本発明によれば、軽量で、かつ破裂圧力が高い圧力容器を提供できる。

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近傍の拡大断面図である。圧力容器の製造方法の一工程を示した概略構成図である。

本発明の圧力容器は、筒状の直胴部と、直胴部の両端に設けられ、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ている。本発明において、直胴部及びドーム部は、樹脂製又は金属製の容器本体と、容器本体を補強する外殻とで形成されている。

以下、本発明の圧力容器の一例を示して説明する。
本実施形態の圧力容器１は、図１及び図２に示すように、円筒状の直胴部１０と、直胴部１０の両端に設けられた、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、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外殻３によって形成されている。圧力容器１における一方のドーム部１２の先端部には、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で挟まれて密着固定されている。

容器本体２は、樹脂製の容器である。容器本体の形状は、この例のような円筒状の直胴部の両端に半球状のドーム部が設けられた形状には限定されない。容器本体の大きさは、圧力容器の用途等に応じて適宜設定すればよい。容器本体の厚みは、圧力容器の用途等に応じて適宜設定すればよく、例えば、１～３０ｍｍ程度とすることができる。容器本体は、例えば、ブロー成形により製造できる。

容器本体を形成する材料としては、圧力容器に用いられている公知の材料を適宜使用でき、例えば、ガスバリア性を有する材料が挙げられる。具体例としては、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；等を例示できる。容器本体を形成する樹脂は、１種でもよく、２種以上でもよい。容器本体は、単層構成であってもよく、多層構成であってもよい。

外殻３は、長尺の炭素繊維束及び硬化性樹脂を含む長尺の炭素繊維複合材の硬化物で形成された複合体部からなる。外殻３は、長尺の炭素繊維複合材が容器本体２の外側に巻き付けられた後に、硬化性樹脂が硬化されることにより形成される。外殻３においては、容器本体２の内部に形成された空洞部５の周りを炭素繊維複合材が周回している。

外殻が設けられることにより、容器本体が補強され、圧力容器の破裂圧力が高くなる。外殻は、容器本体の外側を全体的に覆うように設けられる。圧力容器が口金を備える場合、外殻は、容器本体の外側における口金が配置された部分以外を全体的に覆うように設けられる。

炭素繊維束を形成す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、レーヨン系等を例示できる。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い。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。炭素繊維束を形成する炭素繊維は、１種でもよく、２種以上でもよい。

１本あたりの炭素繊維束のフィラメント数は、特に限定されず、例えば、３，０００～６０，０００本とすることができる。
炭素繊維束の引張強度は、特に限定されず、例えば、４，０００～６，０００ＭＰａとすることができる。
炭素繊維束の引張弾性率は、特に限定されず、例えば、２００～３００ＧＰａとすることができる。

硬化性樹脂としては、特に限定されず、熱硬化性樹脂であってもよく、光硬化性樹脂であってもよい。硬化性樹脂の具体例としては、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を例示できる。炭素繊維複合材に用いられる硬化性樹脂は、１種でもよく、２種以上でもよい。
硬化性樹脂には、必要に応じて、反応性希釈剤、硬化剤、促進剤等の公知の添加剤を配合してもよい。

本発明において、以下の特定方法Ｉで算出される数Ｎ_Ｂは、０．２５～３．７０個／ｃｍ^２であり、０．２５～３．２５個／ｃｍ^２が好ましく、０．２５～２．７５個／ｃｍ^２がより好ましく、０．３５～２．２５個／ｃｍ^２が更に好ましく、０．５０～１．７５／ｃｍ^２個が特に好ましい。数Ｎ_Ｂが前記範囲内であれば、破裂圧力が高い圧力容器となる。

（特定方法Ｉ）
圧力容器１の直胴部１０における軸方向の中心の軸方向に対して垂直な面のＸ線ＣＴ画像を撮影する。撮影されたＸ線ＣＴ画像における複合体部（外殻３）の断面の２０ｃｍ^２あたりの空隙を数え、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの個数を算出してＮ_Ｂとする。
例えば、Ｘ線ＣＴ画像の複合体部の断面における２０ｃｍ^２の領域内の空隙の数を直接計測し、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの個数を算出してＮ_Ｂとする。なお、Ｘ線ＣＴ画像の複合体部の断面における２０ｃｍ^２でない領域内の空隙の数を計測し、計測結果を２０ｃｍ^２あたりの空隙の数に換算し、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの個数を算出してＮ_Ｂとしてもよい。数Ｎ_Ｂの算出においては、Ｘ線ＣＴ画像の複合体部の断面における１５～２５ｃｍ^２の領域内の空隙の数を計測して数Ｎ_Ｂを算出することが好ましい。

本発明において、以下の特定方法ＩＩで算出される合計長さＬ_Ｂは、１．０～９．０ｍｍ／ｃｍ^２が好ましく、１．２～７．５ｍｍ／ｃｍ^２がより好ましく、１．３～５．５ｍｍ／ｃｍ^２がさらに好ましい。合計長さＬ_Ｂが前記範囲内であれば、圧力容器の破裂圧力が向上する。

数Ｎ_Ｂの算出で説明したＸ線ＣＴ画像における複合体部（外殻３）の断面の２０ｃｍ^２あたりの複合体部の厚み方向に対して垂直方向の空隙の長さを測定し、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの合計長さをＬ_Ｂとする。
例えば、Ｘ線ＣＴ画像の複合体部の断面における２０ｃｍ^２の領域内で、複合体部の厚み方向に対して垂直方向の空隙の長さを計測し、それらを合計して合計長さを求め、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの合計長さを算出してＬ_Ｂとする。空隙の長さは、四角形、三角形、円形の場合は長辺の長さ又は長径を、複雑形状の場合は中心からもっとも遠い頂点間を結んだ直線の長さとする。なお、Ｘ線ＣＴ画像の複合体部の断面における２０ｃｍ^２でない領域内で空隙の長さを計測し、それらを合計して２０ｃｍ^２あたりの空隙の合計長さに換算し、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの合計長さを算出してＬ_Ｂとしてもよい。合計長さＬ_Ｂの算出においては、Ｘ線ＣＴ画像の複合体部の断面における１５～２５ｃｍ^２の領域内の空隙の長さを計測して合計長さＬ_Ｂを算出することが好ましい。

複合体部（外殻３）における炭素繊維の質量分率は、６５～８２質量％が好ましく、６７～７８質量％がより好ましい。炭素繊維の質量分率が前記範囲内であれば、外観が良好で、破裂圧力が高く、軽量で低コストである圧力容器が得られやすい。

複合体部（外殻３）の平均厚みは、目的の破裂圧力に応じて適宜設定でき、１～３５ｍｍが好ましく、２～２５ｍｍがより好ましい。外殻の平均厚みが前記範囲の下限値以上であれば、十分な破裂圧力が得られやすい。外殻の平均厚みが前記範囲の上限値以下であれば、圧力容器を軽量化しやすく、コスト面でも有利である。

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、ガス供給用及び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、黄銅等を例示できる。口金を構成する金属は、１種でもよく、２種以上でもよい。

圧力容器の性能を表す値として、下記式（１）で表される性能値Ｑが挙げられる。

ただし、前記式（１）において、Ｖは、圧力容器の内容量（Ｌ）である。Ｐ_ｍａｘは、圧力容器の最高使用圧力（ｂａｒ）である。Ｗは、圧力容器の質量（ｋｇ）である。Ｋは、圧力容器に採用する最低破裂係数である。

圧力容器の性能は、圧力容器の質量１ｋｇあたりのガス運搬量が一つの指数となる。ガス運搬量は、圧力容器の最大使用圧力（ｂａｒ）×内容量（Ｌ）で表すことができる。また、圧力容器を設計する際の指標となる任意の認証により定められた最低破裂係数が圧力容器の質量に及ぼす影響は大きい。そこで、純粋な圧力容器の質量ではなく、最低破裂圧力の影響を加味するために、圧力容器の質量を最低破裂圧力で割る。

最低破裂係数Ｋは、用途に応じて採用する圧力容器の認証規格等に定められており、例えば、２．０～３．０である。
例えば、ＩＳＯ１１５１５の最低破裂係数は３．０、ＥＣＥＲ１１０の最低破裂係数は２．３５となる。
圧力容器の内容量Ｖは、４５０Ｌ以上が好ましく、４５０～３０００Ｌがより好ましい。圧力容器の内容量Ｖが前記範囲の下限値以上であれば、ガスの運搬能力が高い。圧力容器の内容量Ｖが前記範囲の上限値以下であれば、安全性が確保しやすい。

性能値Ｑが高いほど、圧力容器のガスの運搬能力が高いことを示している。
圧力容器の性能値Ｑは、２５００以上が好ましく、２５５０以上がより好ましく、２６００以上がさらに好ましい。上限は特に制限されないが、製造コストの観点からは１００００以下が好ましい。

（製造方法）
本発明の圧力容器は、例えば、ＦＷ法により、長尺の炭素繊維複合材の未硬化樹脂を含む物質である中間体（炭素繊維複合材中間体）を容器本体に巻き付けて硬化させる方法で製造できる。硬化性樹脂を炭素繊維束に含浸させる方法は、特に限定されず、公知の方法を採用できる。

本発明の圧力容器の製造方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
図３に示すように、複数本の長尺の炭素繊維束を引き揃えた炭素繊維束２０を、複数のガイドローラ１０２によって、硬化性樹脂Ｐが収容された樹脂槽１００に案内する。樹脂槽１００内の硬化性樹脂Ｐに外周面が接するように配置された樹脂添着ロール１０４を回転させ、前記外周面に付着した硬化性樹脂Ｐを炭素繊維束２０に付着させ、含浸させて炭素繊維複合材中間体２２とする。このとき、樹脂添着ロール１０４の外周面における硬化性樹脂Ｐを付着させる側に、前記外周面から所定の距離だけ離間するようにスクレーパ１０６を配置し、余分な硬化性樹脂Ｐを掻き取る。次いで、炭素繊維複合材中間体２２を容器本体２の外側に巻き付け、硬化性樹脂Ｐを硬化させて外殻を形成する。

樹脂添着ロール１０４の外周面とスクレーパ１０６の先端との距離を調節することで、硬化性樹脂Ｐの付着量を調節し、炭素繊維複合材中間体における炭素繊維の質量分率を調節することができる。炭素繊維複合材における炭素繊維の質量分率を高精度に制御できる点から、樹脂添着ロール１０４の外周面に付着した硬化性樹脂の厚みを直接測定し、その測定結果に応じて樹脂添着ロール１０４の外周面とスクレーパ１０６の先端との距離を常に調節することが好ましい。

樹脂添着ロールの外周面に付着した硬化性樹脂の厚みを測定する方法としては、例えば、キーエンス社製の高速・高精度デジタル寸法測定器（ＬＳ－７０７０Ｍ）や、高速・高精度レーザ変位計（ＬＫ－Ｈ０５７Ｋ）等を用いる方法が挙げられる。例えば、予め樹脂厚みと付着量の検量線を作成し、その検量線に基づいて所定の付着量となるようスクレーパを動かす方法が挙げられる。

炭素繊維複合材中間体における炭素繊維の質量分率は、６５～８３質量％が好ましく、６７～７８質量％がより好ましい。前記質量分率が前記範囲内であれば、破裂圧力が高く、軽量である圧力容器が得られやすい。炭素繊維の質量分率は、ＦＷ法における巻き始めから巻き終わりまで一定にすることが好ましい。

炭素繊維複合材中間体における炭素繊維の質量分率と、硬化後の複合体部における炭素繊維の質量分率との差の絶対値は、４．１質量％以下が好ましく、３．５質量％以下がより好ましい。前記差の絶対値が前記上限値以下であれば、炭素繊維複合材の巻き付け中や巻き付け後において絞り出される樹脂量が少ないため、炭素繊維が緩みにくく、繊維の蛇行や屈曲が生じにくい。そのため、炭素繊維の性能が充分に発揮されて破裂圧力が高い圧力容器が得られやすい。

炭素繊維複合材の巻き付け速度は、環境温度に応じて適宜設定すればよく、０．３～６０ｍ／分が好ましく、１．０～２０ｍ／分がより好ましい。

硬化性樹脂を硬化させる方法は、硬化性樹脂の種類に応じて適宜選択すればよい。具体的には、熱硬化性樹脂を使用する場合は加熱により硬化させればよく、光硬化性樹脂を使用する場合は光照射により硬化されればよい。
硬化性樹脂の硬化温度は、使用する硬化性樹脂の種類に応じて適宜設定すればよく、８０～１５０℃が好ましく、９０～１１０℃がより好ましい。

以上説明したように、本発明の圧力容器においては、直胴部の特定の範囲における複合体部の断面の２０ｃｍ^２あたりの空隙の数Ｎ_Ｂが特定の範囲に制御されているため、破裂圧力が高くなる。このような効果が得られる要因は、以下のように考えられる。容器本体に巻き付けられた炭素繊維束の緩みがないほど空隙が形成される傾向がある。しかし、複合体部においてある程度の空隙を許容するように製造した圧力容器においては、複合体部における炭素繊維の緩みが小さく、炭素繊維の蛇行や屈曲が抑制される。これにより、本発明の圧力容器では、炭素繊維の性能が充分に発揮されるため、破裂圧力が高くなると考えられる。
また、本発明の圧力容器では、空隙を埋めるために炭素繊維複合材中間体を多量に巻き付けて複合体部を形成する必要がないため、軽量化できる。

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、本発明の圧力容器は、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、本発明の圧力容器は、円筒状の直胴部を備える圧力容器には限定されず、例えば、四角筒状の直胴部を備える圧力容器であってもよい。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
［原料］
本実施例に使用した原料を以下に示す。
（炭素繊維束）
炭素繊維束（Ａ－１）：ＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＣｈｅｍｉｃａｌＣａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄＣｏｍｐａｓｉｔｅｓ社製の商品名「Ｇｒａｆｉｌ３７－８００ＷＤ」（フィラメント数：３０，０００本、繊維繊度：１．６７５ｇ／ｍ）。

（硬化性樹脂組成物）
硬化性樹脂組成物（Ｂ－１）：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（Ｈｕｎｔｓｍａｎ社製、商品名「ＡｒａｌｄｉｔｅＬＹ５６４／１５６４」）１００質量部に対して、硬化剤（Ｈｕｎｔｓｍａｎ社製、商品名「Ａｒａｄｕｒ９１７」）を９８質量部、促進剤（Ｈｕｎｔｓｍａｎ社製、商品名「Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ９６０－１」）を３質量部配合した組成物。

（容器本体用樹脂）
容器本体用樹脂（Ｃ－１）：ポリエチレン樹脂（日本ポリエチレン社製、商品名「ノバテックＨＢ１１１Ｒ」）。

［炭素繊維複合材中間体１ｍあたりの炭素繊維の質量分率］
炭素繊維束１ｍの質量を天秤により測定した。また、炭素繊維束に所定の張力を付与した状態で、樹脂添着ロールによって硬化性樹脂組成物を添着させ、引き出された炭素繊維複合材中間体から１ｍの試料を切り出し、その質量を天秤により測定した。炭素繊維束１ｍの質量と、炭素繊維複合材から切り出した１ｍの試料の質量とから、炭素繊維複合材中間体１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を算出した。樹脂添着ロール上の樹脂厚みを変えて、炭素繊維複合材中間体１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を数点測定し、検量線を作成した。
各例において、樹脂添着ロール上の樹脂厚みを測定し、前記検量線を用いて炭素繊維複合材中間体１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を求めた。樹脂添着ロール上の樹脂厚みの測定には、キーエンス社製の高速・高精度デジタル寸法測定器（ＬＳ－７０７０Ｍ）を用いた。

［複合体部の炭素繊維の質量分率、圧力容器の炭素繊維含有率］
複合体部の炭素繊維の質量分率、及び圧力容器の炭素繊維含有率は、炭素繊維使用量、樹脂使用量と、完成した圧力容器重量から算出した。

［数Ｎ_Ｂ及び合計長さＬ_Ｂ］
東芝ＩＴコントロールシステム株式会社製Ｘ線ＣＴＴＯＳＣＡＮＥＲ－３４５００ｆｄを用い、各例の圧力容器における直胴部の軸方向の中心から両側にそれぞれ１００ｍｍまでの範囲についてＸ線ＣＴ画像を撮影した。Ｘ線ＣＴ画像の撮影断面は、直胴部の軸方向に垂直な断面とした。前記Ｘ線ＣＴ画像の複合体部（硬化後の炭素繊維複合材）の断面における１５～２５ｃｍ^２の範囲で空隙の数を測定し、２０ｃｍｍ^２あたりの空隙の数Ｎ_Ｂを算出した。また、前記Ｘ線ＣＴ画像の複合体部の断面における１５～２５ｃｍ^２の範囲で、各空隙における複合体部の厚み方向に対して垂直方向の長さを測定してそれらを合計し、２０ｃｍ^２あたりの合計長さＬ_Ｂを算出した。

［破裂圧力の測定］
各例の圧力容器の破裂圧力は、以下の方法で測定した。
圧縮空気増圧式水流高圧ポンプにより圧力容器を増圧し、付属の圧力ゲージで破裂圧力を測定した。

［実施例１～６］
容器本体用樹脂（Ｃ－１）を用いたブロー成形により、図１に例示した内容量９Ｌの容器本体２を作製した。
図３に例示した態様のフィラメントワインディング装置（ＲｏｔｈＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｃｈｉｎａｒｙ社製）を用い、設計破裂圧力を７０．０ＭＰａとして炭素繊維複合材の巻き付け量を決定し、ＦＷ法によって圧力容器を作製した。具体的には、樹脂添着ロール１０４を用いて長尺の炭素繊維束（Ａ－１）に硬化性樹脂組成物（Ｂ－１）を添着し、容器本体２の外側に巻き付けた後、硬化炉に導いて９５℃で加熱し、硬化して圧力容器を得た。硬化炉における加熱時間（硬化時間）は、炭素繊維複合材中間体の巻き付け量に応じて３～８時間の範囲で決定した。
製造中は、樹脂添着ロール１０４の外周面上の硬化性樹脂組成物（Ｂ－１）の厚みをキーエンス社製の高速・高精度デジタル寸法測定器（ＬＳ－７０７０Ｍ）によって測定した。そして、前記検量線を用い、その測定値に応じて樹脂添着ロールの外周面とスクレーパの先端との距離を調節して硬化性樹脂組成物（Ｂ－１）の厚みを調節し、炭素繊維複合材１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を制御した。炭素繊維複合材の巻き付け開始後は、常に樹脂添着ロール１０４の外周面上の硬化性樹脂組成物（Ｂ－１）の厚みが±１０μｍ以内になるように巻終わりまで調整し続けた。各例における炭素繊維複合材中間体１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を表１に示す。

［比較例１～３］
容器本体用樹脂（Ｃ－１）を用いたブロー成形により、図１に例示した内容量９Ｌの容器本体２を作製した。
図３に例示した態様のフィラメントワインディング装置（ＲｏｔｈＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｃｈｉｎａｒｙ社製）を用い、設計破裂圧力を７０．０ＭＰａとして炭素繊維複合材の巻き付け量を決定し、ＦＷ法によって圧力容器を作製した。具体的には、樹脂添着ロール１０４を用いて長尺の炭素繊維束（Ａ－１）に硬化性樹脂組成物（Ｂ－１）を添着し、容器本体２の外側に巻き付けた後、硬化炉に導いて９５℃で加熱し、硬化して圧力容器を得た。硬化炉における加熱時間（硬化時間）は、炭素繊維複合材中間体の巻き付け量に応じて３～８時間の範囲で決定した。
製造前に、樹脂添着ロール１０４の外周面上の硬化性樹脂組成物（Ｂ－１）の厚みを隙間ゲージにて測定し、その測定値に応じて樹脂添着ロールの外周面とスクレーパの先端との距離を調節して硬化性樹脂組成物（Ｂ－１）の厚みを調節し、炭素繊維複合材１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を制御した。炭素繊維複合材の巻き付け開始後は、表面の樹脂にじみを確認し、にじみ量に応じてゲージを調整した。各例における炭素繊維複合材中間体１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を表１に示す。

各例における、複合体部の断面の２０ｃｍ^２あたりの空隙の数Ｎ_Ｂ及び合計長さＬ_Ｂ、最短空隙長さ、炭素繊維複合材中間体１ｍあたりの炭素繊維の質量分率、複合体部の炭素繊維の質量分率、圧力容器の炭素繊維体積含有率、圧力容器の破裂圧力を表１に示す。

表１に示すように、数Ｎ_Ｂが０．２５～３．７０個の範囲である実施例１～６の圧力容器は、数Ｎ_Ｂが前記範囲外の比較例１～３の圧力容器に比べ、破裂圧力が高かった。

数Ｎ_Ｂが０．２５個／ｃｍ^２未満である比較例１、２は、実施例と比べ、炭素繊維複合材中間体（１ｍ）の炭素繊維の質量分率と圧力容器の複合体部の炭素繊維の質量分率の差が大きく、巻上後に巻き絞られて、炭素繊維の直線性が失われて、破裂圧力が低下した。

数Ｎ_Ｂが３．７０より大きい値である比較例３は、炭素繊維複合材中間体（１ｍ）の炭素繊維の質量分率と圧力容器の複合体部の炭素繊維の質量分率の差は実施例と同程度であるが、炭素繊維複合材中間体（１ｍ）の炭素繊維の質量分率、圧力容器の複合体部の炭素繊維の質量分率ともに実施例より高く、熱硬化性樹脂の量が不足しているため、複合材の機能をなしておらず、破裂圧力が低かった。

［例１～１０］
容器本体（圧力容器）の内容量を表２に示すとおりに変更し、また炭素繊維複合材１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を３０．３質量％に調節する以外は、実施例１～６及び比較例１～３と同様にして、最高使用圧力Ｐ_ｍａｘが表２に示す値となる圧力容器を製造することができる。例１、３、５、７、９は実施例１～６と同様にして炭素繊維複合材１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を制御し、例２、４、６、８、１０は比較例１～３と同様にして炭素繊維複合材１ｍあたりの炭素繊維の質量分率を制御する。
各例の圧力容器について、性能値Ｑを算出した結果を表２に示す。

表２に示すように、例１、３、５、７、９の圧力容器は、例２、４、６、８、１０の圧力容器に比べ、性能値Ｑが高く、軽量となる。

［実施例７］
容器本体（圧力容器）の内容量を７１０Ｌに変更し、炭素繊維複合材中間体（１ｍ）の炭素繊維の質量分率を３０．３質量％に変更した以外は、実施例１～６と同様にして圧力容器を製造した。

［実施例８］
容器本体（圧力容器）の内容量を１０２０Ｌに変更し、炭素繊維複合材中間体（１ｍ）の炭素繊維の質量分率を３１．０質量％に変更した以外は、実施例１～６と同様にして圧力容器を製造した。

［比較例４］
容器本体（圧力容器）の内容量を７１０Ｌに変更し、炭素繊維複合材中間体（１ｍ）の炭素繊維の質量分率を３７．５質量％に変更した以外は、比較例１～３と同様にして圧力容器を製造した。
各例の圧力容器について、性能値Ｑを算出した結果を表３に示す。

表３に示すように、数Ｎ_Ｂが０．２５～３．７０個の範囲である実施例７の圧力容器は、比較例４の圧力容器に比べ、破裂圧力が高かった。数Ｎ_Ｂが０．２５～３．７０個の範囲である実施例８の圧力容器も、破裂圧力が高かった。

１…圧力容器、２…容器本体、３…外殻、４…口金、１０…直胴部、１２…ドーム部。

Claims

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、
前記直胴部及び前記ドーム部が、樹脂製又は金属製の容器本体と、前記容器本体を補強する外殻とで形成され、
前記外殻は、長尺の炭素繊維束及び硬化性樹脂を含む長尺の炭素繊維複合材の硬化物で形成された複合体部からなり、
前記直胴部において撮影されたＸ線ＣＴ画像の前記複合体部の断面における以下の特定方法Ｉによる空隙の数Ｎ_Ｂが０．２５～３．７０個／ｃｍ^２である、圧力容器。
（特定方法Ｉ）軸方向の中心の軸方向に対して垂直な面の断面積２０ｃｍ^２あたりの空隙を数え、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの個数をＮ_Ｂとする。
前記Ｘ線ＣＴ画像の前記複合体部の断面における以下の特定方法ＩＩによる前記空隙の合計長さＬ_Ｂが１．０～９．０ｍｍ／ｃｍ^２である、請求項１に記載の圧力容器。
（特定方法ＩＩ）軸方向の中心の軸方向に対して垂直な面の断面積２０ｃｍ^２あたりの厚み方向に対して垂直な方向の空隙の長さを測定し、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの合計長さをＬ_Ｂとする。
前記圧力容器の内容量をＶ（Ｌ）、前記圧力容器の最高使用圧力をＰ_ｍａｘ（ｂａｒ）、前記圧力容器の質量をＷ（ｋｇ）、前記圧力容器の最低破裂係数をＫとしたとき、下記式（１）で表される性能値Ｑが２５００以上である、請求項１又は２に記載の圧力容器。
最低破裂係数Ｋが２．０～３．０である、請求項３に記載の圧力容器。
前記圧力容器の内容量Ｖが４５０Ｌ以上である、請求項３又は４に記載の圧力容器。