JPH09112796A

JPH09112796A - 圧力容器

Info

Publication number: JPH09112796A
Application number: JP29221995A
Authority: JP
Inventors: Shingo Shimojima; 伸吾下島; Minoru Odagiri; 稔小田切; Yasuhiro Nishimura; 保宏西村
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力容器において、端壁部の樹脂化及び薄肉
化と補強層の薄肉化とを可能にし、軽量化と耐圧性の向
上とを図る。【解決手段】圧力容器１のライナー２は、合成樹脂で
円筒状に形成された周壁部３とその両端部を閉鎖する端
壁部４，５とからなる。端壁部４，５の中心部には金属
製の口金８，９が固着され、両口金８，９は金属製の連
結シャフト１９により連結されている。端壁部４，５の
外面には繊維掛止リブ２６が合成樹脂で一体形成されて
いる。端壁部４，５の外面全体にはカーボン繊維が各列
の繊維掛止リブ２６に掛止されながら軸回り方向にフー
プ巻きされている。カーボン繊維はエポキシ樹脂で含浸
固定され、フープ巻き補強層２８となっている。フープ
巻き補強層２８の外周にはヘリカル巻き補強層３１が設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＮＧ（圧縮天然
ガス）等の各種圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、Ｌ
ＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス、その他の各種
加圧物質を充填するための圧力容器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ＣＮＧを燃料とする自動車用内燃機関は
硫黄酸化物や一酸化炭素をほとんど排出しないため、最
近、開発及び実用化が精力的に進められている。その重
要な開発テーマの一つとして、軽量なＣＮＧ充填用の圧
力容器の開発がある。そこで、従来のＣＮＧ充填用の圧
力容器６０は、図６に示すように、ＣＮＧを透過させな
いライナー６１と、耐圧性を高めて６００ｋｇ／ｃｍ²
の耐圧規格を満たすヘリカル巻き補強層６５及びフープ
巻き補強層６６とで構成され、この役割分担により軽量
化が図られていた。ライナー６１は、筒状の周壁部６２
と、該周壁部６２の両端を閉鎖する湾曲面状の端壁部６
３と、該端壁部６３の中心部から突出する口部６４とを
アルミニウム合金で一体形成してなるものである。ヘリ
カル巻き補強層６５は、ライナー６１の外周にガラス繊
維を両側の端壁部６３にかかるようにして略軸方向（若
干傾斜する）にヘリカル巻きし、該ガラス繊維をエポキ
シ樹脂で含浸固定してなる。フープ巻き補強層６６は、
周壁部６２におけるヘリカル巻き補強層６５の外周にガ
ラス繊維を軸回り方向にフープ巻きし、該ガラス繊維を
エポキシ樹脂で含浸固定してなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の圧力容器６０
は、厚鋼板製の圧力容器に比べれば軽量であるが、自動
車に搭載するにはまだ重量が大きく、燃費や重量バラン
スを悪化させるという問題があった。そのため、さらな
る軽量化が求められており、具体的にはライナー６１の
樹脂化及び薄肉化と補強層６５，６６の薄肉化とが課題
である。ここで、フープ巻き補強層６６は周壁部６２に
対して大変効果的に補強作用を奏するので、周壁部６２
の樹脂化及び薄肉化は比較的容易である。

【０００４】しかし、ヘリカル巻き補強層６５は、端壁
部６３にかかる応力のうち軸方向の成分には効くが軸直
角方向の成分には効きにくいとか、端壁部６３の中心部
に固着することになる金属製の口金が邪魔をして端壁部
６３の中心を通るように巻けないとかという事情がある
ため、端壁部６３に対してあまり効果的に補強作用を奏
し得ない。なお、端壁部６３にはアールがかかっている
ため、周壁部６２で採用しているフープ巻きが不可能で
あり、ヘリカル巻きのみに頼らざるを得ない。このた
め、たとえ端壁部６３を樹脂化したとしても、その薄肉
化は困難であり、またヘリカル巻き補強層６５も厚肉の
設計になり、軽量化は難しいという問題があった。

【０００５】さらに、ヘリカル巻き補強層６５は、端壁
部６３のみならず周壁部６２の外周にもかかるが、後者
の部分は周壁部６２に対する補強作用がほとんど無いた
め、無用に長くて重量がかさむ部分だといえる。従っ
て、上記のようにヘリカル巻き補強層６５を厚肉の設計
にすると、この部分も増え、ますます重量が増加するこ
とになる。

【０００６】本発明の目的は、上記課題を解決し、端壁
部及び補強層の薄肉化を可能にし、軽量化と耐圧性の向
上とを図ることができる圧力容器を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、筒状の周壁部と該周壁部の端部を閉鎖
する湾曲面状の端壁部とを備える圧力容器において、前
記端壁部の外面に繊維掛止リブを一体形成し、前記端壁
部の外面に繊維を前記繊維掛止リブに掛止させながら軸
回り方向にフープ巻きしたことを特徴としている。

【０００８】ここで、端壁部は合成樹脂、金属（特に軽
合金）等で形成できる。端壁部を合成樹脂で形成した場
合には、該端壁部の中心部にジョイントを接続するため
の金属製の口金を固着することが好ましい。また、端壁
部を合成樹脂で形成した場合には、同合成樹脂で繊維掛
止リブを一体形成できる。

【０００９】端壁部及び繊維掛止リブを形成する合成樹
脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＡＢＳ、
飽和ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート等、
又はこれらに強化繊維を充填したものを例示できる。繊
維掛止リブのリブ高方向は端壁部の略軸直角方向（±１
０度位傾斜してもかまわない）であることが好ましい。
繊維掛止リブのリブ長方向は端壁部の軸回り方向である
ことが好ましい。また、繊維掛止リブは、環状に１列だ
け設けられてもよいし、同心環状に少なくとも２列設け
られてもよい。後者の場合、各列の繊維掛止リブに切れ
目が形成される。

【００１０】繊維の材料は、補強性のあるものであれ
ば、特定のものに限定されず、ガラス、カーボン、ポリ
−ｐ−フェニレンテレフタルアミド、ナイロン、ポリエ
チレン、ポリエステル等を例示できる。フープ巻きした
繊維は合成樹脂で含浸固定することが好ましく、この合
成樹脂としては、エポキシ、ビニルエステル、不飽和ポ
リエステル等を例示できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明をＣＮＧ充填用の圧
力容器に実施した形態例について、図面を参照して説明
する。まず、図１〜図４は第一実施形態の圧力容器１を
示している。圧力容器１の最内層をなすライナー２は、
図１に示すように、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂
又はポリエステル樹脂で円筒状に形成された周壁部３
と、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂又はポリエステ
ル樹脂で湾曲面状に形成されて周壁部３の両端部を閉鎖
する右側及び左側の端壁部４，５とからなり、周壁部３
と各端壁部４，５とは互いに突き合わせた溶着部６，７
で全周溶着されている。ライナー２の内径は２２０ｍ
ｍ、内法長は９００ｍｍである。

【００１２】右側及び左側の端壁部４，５の中心部には
金属製の口金８，９が固着されている。右側の口金８は
外周にフランジ１０を備えた有底円筒状をなし、その筒
壁１１には複数のガス通過孔１２が貫設され、底壁１３
には挿通孔１４が貫設されている。この口金８にはＣＮ
Ｇを出し入れするための配管のジョイント（図示略）が
接続される。左側の口金９は外周にフランジ１５を備え
た略円柱状をなし、その内端面には雌ねじ孔１６が刻設
されている。そして、端壁部４，５がそれぞれ口金８，
９をインサートとして射出成形されることにより、フラ
ンジ１０，１５が端壁部４，５の内縁部１７，１８で包
み込まれており、もって端壁部４，５と口金８，９とが
固着されている。

【００１３】両口金８，９は、ライナー２内を延びる金
属製の連結シャフト１９により連結されている。連結シ
ャフト１９の左端は、該左端に切られた雄ねじ２０が口
金９の雌ねじ孔１６に螺入されるとともに、該雄ねじ２
０に螺合されたナット２１が口金９の内端面に締め付け
られることにより、該口金９に結合されている。連結シ
ャフト１９の右端は、該右端に切られた雄ねじ２２が口
金８の挿通孔１４に挿通され、該雄ねじ２２に螺合され
たナット２３がスプリングワッシャ２４を介して底壁１
３に掛止されることにより、該口金８に結合されてい
る。

【００１４】スプリングワッシャ２４は、ライナー２の
軸方向の熱膨張を吸収するためのものである。また、ナ
ット２３の底壁１３に掛止するまでの間隔を螺合調節す
ることにより、ＣＮＧの高圧充填時等に発生する口金
８，９及び端壁部４，５への集中応力による口金８，９
の適度な移動が許容されているとともに、その移動量の
上限が規制されている。

【００１５】各端壁部４，５の外面には繊維掛止リブ２
６が端壁部４，５と同一樹脂で一体形成されている。各
端壁部４，５の繊維掛止リブ２６は同心環状に５列設け
られ、図４に示すように、各列の繊維掛止リブ２６は相
互間に切れ目をおいた複数本で形成されている。繊維掛
止リブ２６のリブ高方向は端壁部４，５の軸直角方向で
あり、繊維掛止リブ２６のリブ長方向は端壁部４，５の
軸回り方向である。

【００１６】各端壁部４，５の外面全体にはカーボン繊
維２７（フィラメント）が各列の繊維掛止リブ２６に掛
止されながら軸回り方向にフープ巻きされている。カー
ボン繊維２７は連続しており、ある列から隣列の繊維掛
止リブ２６に移るときには、繊維掛止リブ２６の相互間
の切れ目を通されている。このようにして、カーボン繊
維２７は繊維掛止リブ２６間を略埋めるように巻かれ、
外面に段差が生じないようになっている。また、端壁部
４の外面にフープ巻きされたカーボン繊維２７は、続い
て周壁部３の外周にもフープ巻きされ、次いで端壁部５
の外面にフープ巻きされている。フープ巻きされたカー
ボン繊維２７はエポキシ樹脂で含浸固定され、フープ巻
き補強層２８となっている。この補強層２８の厚さは３
〜７ｍｍである。

【００１７】フープ巻き補強層２８の外周には、カーボ
ン繊維３０（フィラメント）が両側の端壁部４，５にか
かるようにして略軸方向（若干傾斜する）にヘリカル巻
きされ、該カーボン繊維３０がエポキシ樹脂で含浸固定
されてなるヘリカル巻き補強層３１が設けられている。
この補強層３１の厚さは３〜７ｍｍである。

【００１８】上記圧力容器１の製造手順の一例を、次に
挙げる。周壁部３と右側の端壁部４と左側の端壁部５とを、
別々に射出成形する。端壁部４，５は口金８，９をイン
サートとして一体化するように射出成形する。周壁部３と左側の端壁部５とを溶着部７で全周溶着
する。連結シャフト１９の左端を口金９に結合する。周壁部３と右側の端壁部４とを溶着部６で全周溶着
する。このとき、連結シャフト１９の右端が口金８の挿
通孔１４に挿通するが、挿通しやすいようにシャフト先
端に案内部材（図示略）を取り付ける等の工夫をすると
よい。連結シャフト１９の右端を口金８に結合する。フープ巻き補強層２８を形成する。この形成は、口
金８，９を支持してライナー２を軸回り方向に回転させ
ながら、該ライナー２の外周に、エポキシ樹脂を付着さ
せたカーボン繊維２７を巻き付けて行なう。ヘリカル巻き補強層３１を形成する。この形成は、
口金８，９を支持してライナー２を必要方向に回転させ
ながら、フープ巻き補強層２８の外周に、エポキシ樹脂
を付着させたカーボン繊維３０を、均一に且つカーボン
繊維の強度特性を有効に発揮できる角度に巻き付けて行
なう。

【００１９】本実施形態の圧力容器１によれば、各端壁
部４，５の外面に繊維掛止リブ２６を形成したので、従
来は不可能であった軸回り方向のフープ巻きが可能にな
り、端壁部４，５にかかる応力のうち軸直角方向の成分
にはフープ巻き補強層２８が効き、軸方向の成分にはヘ
リカル巻き補強層３１が効く。従って、各補強層２８，
３１は端壁部４，５に対して大変効果的に補強作用を奏
し、ヘリカル巻きのみに頼る場合と比べて、端壁部４，
５の耐圧性が向上するとともに、端壁部４，５と各補強
層２８，３１の厚さを減少させることができる。また、
繊維掛止リブ２６にも端壁部４，５の補強効果があるの
で、この点からも端壁部４，５の薄肉化が可能になる。
これにより、圧力容器１の軽量化を図ることができ、自
動車に搭載したときの燃費や重量バランスを向上させる
ことができる。

【００２０】また、口金８にジョイント（図示略）を接
続して、圧力容器１にＣＮＧを高圧充填した時、口金
８，９及び端壁部４，５に応力が集中するが、前記の通
り連結シャフト１９によって連結されている口金８，９
は、適度に移動した後、それ以上の移動が規制される。
従って、応力が口金８，９のみに集中しないで端壁部
４，５全体に分散し、口金８，９の過度な移動（突き出
し）が防止される。

【００２１】次に、図５は第二実施形態の圧力容器の要
部断面を示し、端壁部４，５の外面の途中部に切れ目の
無い繊維掛止リブ２６が環状に１列だけ設けられ、端壁
部４，５のうち繊維掛止リブ２６より外周の部分にだ
け、カーボン繊維２７がフープ巻きされてフープ巻き補
強層２８が形成されている点においてのみ、第一実施形
態と相違している。

【００２２】この相違は、端壁部４，５の湾曲の仕方に
よって、端壁部４，５の各部分にかかる応力分布が異な
り、特に軸直角（子午線）方向の応力成分が高い部分に
フープ巻き補強層２８を形成することが好ましい、とい
う理由に基づく。つまり、第一実施形態では端壁部４，
５の応力分布がほぼ均一であったため、端壁部４，５の
外面全体にフープ巻き補強層２８を形成したが、第二実
施形態では端壁部４，５の特に外周部分の応力成分が高
いため、この部分にだけフープ巻き補強層２８を形成し
たのである。

【００２３】なお、本発明は前記実施形態の構成に限定
されず、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しな
い範囲で適宜変更して具体化することもできる。（１）各部の寸法・形状を変更すること。（２）端壁部を金属（特に軽合金）で形成し、その端壁
部に繊維掛止リブを形成した場合にも、軸回り方向のフ
ープ巻きが可能になるので、端壁部及び補強層の薄肉化
を図ることができる。（３）スプリングワッシャ２４を、皿ばね、コイルばね
等の各種ばねに置き換えること。

【００２４】（４）製造方法及び製造手順を変えるこ
と。例えば、端壁部４，５に固着される前の口金８，９
を連結シャフト１９で連結した後、その外周にライナー
２を回転成形法、ブロー成形法等により形成すること。（５）連結シャフト１９を連結ワイヤに代えること。こ
の場合、設定したライナー２等の熱膨張に対する連結ワ
イヤのたるみをあらかじめ見込んでおくことで、前記ナ
ット２３によるクリアランスの調整は不要となる。（６）ＣＮＧ以外の各種加圧物質の充填用の圧力容器と
して実施すること。例えば、ＬＮＧの場合、内圧は５０
ｋｇ／ｃｍ² 程度であり、ＬＰＧの場合、内圧は３５ｋ
ｇ／ｃｍ² 程度であるから、前記実施形態より強度設計
は楽になり、容易に実施できる。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の圧力容器に
よれば、端壁部及び補強層の薄肉化を可能にし、軽量化
と耐圧性の向上とを図ることができるという優れた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態の圧力容器を途中省略し
て示す断面図である。

【図２】同圧力容器の正面図である。

【図３】同圧力容器の要部断面図である。

【図４】同圧力容器のライナーの側面図である。

【図５】第二実施形態の圧力容器の要部断面図である。

【図６】検討されている圧力容器の一部破断正面図であ
る。

【符号の説明】

１圧力容器２ライナー３周壁部４（右側の）端壁部５（左側の）端壁部８（右側の）口金９（左側の）口金２６繊維掛止リブ２７カーボン繊維２８フープ巻き補強層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状の周壁部と該周壁部の端部を閉鎖す
る湾曲面状の端壁部とを備える圧力容器において、前記
端壁部の外面に繊維掛止リブを形成し、前記端壁部の外
面に繊維を前記繊維掛止リブに掛止させながら軸回り方
向にフープ巻きしたことを特徴とする圧力容器。
【請求項２】前記端壁部が合成樹脂で形成され、前記
端壁部の中心部に金属製の口金が固着された請求項１記
載の圧力容器。
【請求項３】前記繊維掛止リブのリブ高方向が端壁部
の略軸直角方向である請求項１又は２記載の圧力容器。
【請求項４】前記繊維掛止リブのリブ長方向が端壁部
の軸回り方向である請求項１又は２記載の圧力容器。
【請求項５】前記繊維掛止リブが同心環状に少なくと
も２列設けられ、各列の繊維掛止リブに切れ目が形成さ
れた請求項４記載の圧力容器。