JPH1030797A

JPH1030797A - 圧力容器

Info

Publication number: JPH1030797A
Application number: JP8185797A
Authority: JP
Inventors: Seigo Yamashita; 清吾山下
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-07-16
Filing date: 1996-07-16
Publication date: 1998-02-03

Abstract

(57)【要約】【課題】ライナーの外面を繊維強化プラスチック（Ｆ
ＲＰ）で補強した圧力容器はＦＲＰ補強層が損傷すると
耐圧性能が低下し、危険であるので、補強層の損傷を簡
単にチェックできるようにすることである。【解決手段】ライナー１の外周に設けるＦＲＰ補強層
４に信号線５で形成される検査回路６を一体化させて含
ませる。この回路の信号線５がＦＲＰ補強層の損傷に伴
って断線するようにしておくと、回路６による信号伝送
の有無によって補強層４が健全であるか損傷したかを知
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、繊維強化プラス
チックによる補強を行って軽量化を図った圧力容器に関
する。詳しくは、容器の異常検査を短時間で簡単に行え
るようにした圧力容器である。

【０００２】

【従来の技術】液化ガスなどの高圧ガスを充填する容器
は、一般に鋼製であり、耐圧容器であることからその肉
厚も厚い。従って、必然的に重量が大きくなり、取扱の
便が悪い。

【０００３】この問題に対し、最近ではアルミやポリエ
チレン製の薄い容器状の殻（以下、ライナーと称する）
の外側を繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと称す）に
よって補強した軽量圧力容器が開発され、実用に供され
出している。ＦＲＰの補強層は、硬化性樹脂を含浸させ
た高強度、高弾性率のガラス繊維やアラミド繊維や炭素
繊維をライナーの表面にフィラメントワインティング技
術によって巻付けた後、樹脂を硬化させて作られる。

【０００４】この種の圧力容器については、“強化プラ
スチック”ＶｏＬ．３９，Ｎｏ．９に「ＦＲＰ圧力容器
開発をめぐる最近の動向」として紹介され、また、製造
方法として例えば、特開平１−１０５０９９号による提
案がある。

【０００５】このＦＲＰ補強の圧力容器は、軍事用途で
多用されているほか、その軽量特性から呼吸器用空気ボ
ンベ、圧縮天然ガスを燃料とするいわゆる天然ガス自動
車用のガスボンベ等として民需用途にも採用され出して
いる。

【０００６】この種の圧力容器は軽量で耐圧性能に優れ
ている反面、何らかの外力によってＦＲＰの強化繊維が
切れたり、ＦＲＰ内部に剥離が生じると、ＦＲＰ補強層
の耐力が低下して容器の耐圧性能が低下する。従って、
安全確保の観点から、定期検査や破損が疑われる事態が
起きたときの検査が不可欠である。

【０００７】ＦＲＰの一般的な非破壊検査方法として
は、目視検査、超音波探傷、Ｘ線探傷などが知られてい
るが、ＦＲＰで補強した圧力容器の損傷状況を簡単に検
査できる方法は、確立したものがまだ無い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】日本では高圧ガス取締
法に基づいて高圧ガス保安協会が「ＦＲＰ複合容器再検
査基準ＫＨＫ−Ｓ−０１６」を定め、目視による“すり
傷”“切り傷”“打ち傷”の検査、超音波探傷又は目視
による“層間剥離”の検査を行って耐圧検査を行うこと
になっているが、これは定期検査で行う検査であって、
圧力容器として現に使用している時に発生する損傷の度
合いを検出するものではない。

【０００９】また目視検査は例え限度見本が設定されて
いても主観的判断となるため信頼性に疑問が残る。

【００１０】この目視検査では、ＦＲＰ補強層に外部か
ら視認できる構造破壊が生じていれば損傷の度合を知る
ことができるが、ＦＲＰ補強層の内部が損傷したときに
はそれを確認できないことがある。ＦＲＰがガラス繊維
強化プラスチック（以下ガラスＦＲＰと云う）であれ
ば、強い打撃等によってＦＲＰにいわゆる「白化」が生
じるので、それを見て内部損傷を知ることができる。し
かし、アラミド繊維強化プラスチック（以下アラミドＦ
ＲＰと云う）や炭素繊維強化プラスチック（以下炭素Ｆ
ＲＰと云う）であると、「白化」を検出できない。白化
は硬化した樹脂のミクロクラックの集団であり、ガラス
ＦＲＰは透明乃至は半透明であるため、ミクロクラック
により光線が乱反射して白く不透明な状態になるが、ア
ラミドＦＲＰは黄色、炭素ＦＲＰは黒色で元々不透明な
ため白化を見ることができない。ＦＲＰの表面が塗装さ
れているとなおさら白化の確認が難しく、ガラスＦＲＰ
でも確認ができないことがある。また、目視検査では見
落しも起こる。

【００１１】一方、超音波探傷ではＦＲＰ内部の層間剥
離は判るが、繊維切断の検出が難しい。

【００１２】また、Ｘ線探傷では、炭素ＦＲＰの内部欠
陥は判り易いが、ガラスＦＲＰの内部欠陥検出が難し
く、アラミドＦＲＰでも内部欠陥の検出はし難い傾向に
ある。また、Ｘ線探傷であるので技術的には探傷できな
いことはないが、構造物を短時間で簡単に検査できる方
法とは云い難い。

【００１３】以上述べた従来の検査方法を用いると、
「白化」が生じない程度の軽微な打撃等を受けたとき
（このときにはＦＲＰは損傷していない）にも、内部が
ダメージを受けたのではないかと心配して面倒な超音波
探傷やＸ線探傷を行うことになりかねない。これは無駄
なことである。

【００１４】そこで、この発明は、ＦＲＰで補強した圧
力容器の損傷状況、損傷度合を簡単に検出できるように
して、検査に要する手間、時間を削減し、検査の信頼性
も高められるようにすることを課題としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、ライナーの外面を補強するＦ
ＲＰ補強層にその補強層の損傷に伴なって切断される信
号線を含ませ、この信号線を容器の各域に巡らせて信号
伝送の状態変化で異常を知る容器異常の検査回路を構成
したのである。

【００１６】この圧力容器は、ＦＲＰ補強層に、独立し
た検査回路を層中への埋設深さを変えて複数含ませてお
くと探傷の有無は勿論、損傷の度合も検知することがで
きる。

【００１７】また、使用する信号線はエナメル線や光フ
ァイバが好ましい。

【００１８】なお、この発明の圧力容器は、天然ガス自
動車用の燃料ボンベ（ガスボンベ）として用いると特に
大きな効果を期待できる。

【００１９】ＦＲＰで補強した軽量圧力容器を自動車の
燃料ボンベとして使用する場合には、いつでも安全チェ
ックが簡単に正確にできるようにしておくことが望まれ
る。

【００２０】この発明の圧力容器で燃料ボンベを形成
し、容器の検査回路を信号源と運転席のフロントパネル
に設ける表示盤とに接続し、前記信号源から検査回路に
流した信号の伝送状態の変化が前記表示盤に表示される
ようにしておくと、上記の要求に応えられる。

【００２１】

【作用】圧力容器に衝撃や打撃が加わってライナー外面
のＦＲＰ補強層がダメージを受けると、損傷部に配置さ
れた信号線が切れて検査回路による信号伝送が遮断され
る。それによってＦＲＰ補強層が損傷したことが判る。

【００２２】また、複数の検査回路をＦＲＰ補強層内に
深さ位置を変えて埋設しておくと、信号伝送が途絶えた
回路がいくつあるか、どの位置の回路であるかで損傷の
度合も知ることができる。

【００２３】この圧力容器は、電源、光源等の信号源か
ら検査回路に信号を流して回路断線の有無を調べるだけ
で異常の有無や度合が判るので、検査が簡単になり、そ
の検査に要する手間、時間を削減できる。容器の検査は
随時検査、常時検査のどちらで行ってもよい。例えば、
この発明の圧力容器を採用した天然ガス自動車用燃料ボ
ンベ装置は常時検査が行えるもの（必要時にだけ信号を
流して検査することも勿論可能）であって、燃料ボンベ
に異常が生じて検査回路が断線するとフロントパネルの
表示盤に異常表示がなされる。従って、異常に対する対
応を早いうちに行え、危険回避に役立つ。

【００２４】なお、検査回路を構成する信号線は、ＦＲ
Ｐ補強層の損傷に伴って切断されるものでなければなら
ない。また、信号として電流を流す場合には短絡防止の
ために絶縁された線でなければならない。さらに、容器
重量を極力増加させない線が好ましい。これ等を考える
と、電流を流す信号線は巻線（マグネットワイヤ）が適
当である。この巻線には、導体表面にエナメル樹脂を焼
付けたエナメル線とガラス糸やプラスチックテープなど
の絶縁材を横巻きした横巻き線があるが、線径の細いエ
ナメル線が特に適している。

【００２５】信号線が光ファイバであるのも好ましい。
エナメル線等の電線は半分切れかかっていても完全に切
れていなければ電流が流れるので単一回路による検査で
は異常の度合までは判らない。これに対し、光ファイバ
なら切れ具合（断面積変化）に応じて伝送光の強度が変
化するので、単一回路による検査で異常の度合もある程
度判る。また、光ファイバについては、障害点の探索、
伝送損失などを能率よく測定できる測定器が市販されて
おり、そのような測定器で検査を行えば、異常発生点も
特定できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の圧力容器の実
施形態を示す。図１は、フープラップ容器への適用例で
ある。フープラップ容器は、図１（ａ）に示すように、
ライナー１の円筒部１ａ外周にライナー軸に対してほぼ
９０°の角度で強化繊維を巻き付けて（これをフープ巻
きと称している）補強を行うものである。鏡板部１ｂの
強度はライナーだけで保持する構造であり、フープラッ
プ容器ではライナーは鉄或いはアルミで作られることが
多い。

【００２７】フープ巻きは、複数本のロービング（モノ
フィラメントを数百本単位で集束したもの）で繊維束を
形成し、これに樹脂を含浸して巻き付けるフィラメント
ワインディング技術である。

【００２８】樹脂含浸繊維束を円筒部１ａの端から端ま
で隙間なく巻き付けると一般に云う１層のフープ巻き繊
維層２（図１（ｃ）参照）ができ、フープ巻きを１往復
する（これを１プライと云う）と２層の繊維層が形成さ
れる。巻き付け時の繊維束の幅は使用するロービング本
数で異なるが、一般には幅が３ｍｍから４０ｍｍとなる
範囲でロービング本数を決定している。この場合、１層
の厚みは大体０．１ｍｍ程度となる。フープ巻きを何層
形成するかはライナーの厚みと全体の耐圧設計によって
決定される。

【００２９】図２は、フルラップ容器である。このフル
ラップ容器は図２（ａ）に示すように、ライナー１に樹
脂含浸繊維束を、ライナー軸に対してある角度を持って
巻き付けていくもので、ヘリカル巻きと言われる。ライ
ナー表面を繊維束が完全にカバーするためには当然何往
復か巻き付けする必要があり、ライナー表面が完全にカ
バーされると１プライの巻き付けが終了したとする。何
往復の巻き付けで１プライとなるかは、巻き付け角度と
繊維束の幅で決まり、最適巻き付け設計では、巻き付け
角度を決定した後、整数回の往復巻き付けで１プライが
形成されるように繊維束幅で調整する。

【００３０】ヘリカル巻きでは１プライのヘリカル巻き
繊維層３がフープ巻きの２層に相当し、基本的にはフー
プ巻き１プライと同じ厚さ（ほぼ０．２ｍｍ）となる
が、フープ巻きのように１層（１／２プライ）のみとす
ることは出来ない。

【００３１】圧力容器として、ヘリカル巻きを何プライ
とするかはライナー肉厚と耐圧設計によって異なるが、
一般論として円筒部の耐圧強度を基準としてヘリカル巻
き設計をすると両端の鏡板部分が厚肉となり安全設計に
なりすぎて軽量化効果が出てこないので、ヘリカル巻き
だけの補強圧力容器は殆どない。ヘリカル巻きの代わり
にインプレーン巻きを採ることもあるが、ここではイン
プレーン巻きの詳細説明は省略する。

【００３２】図３もやはりフルラップ容器であるが、こ
れは＜ヘリカル巻き＋フープ巻き＞でライナー１を補強
する構造であって、両端の鏡板部１ｂも含めてライナー
１の全体をヘリカル巻き繊維層３で補強し、次いでライ
ナー円筒部１ａをフープ巻き繊維層２で更に補強する。
従って、ライナー１は気密保持のできる層であれば薄い
ものでもよく、材質も問わず、極めて軽量な圧力容器が
得られる構造である。

【００３３】以上は、図１〜図３の圧力容器の基本構成
を説明したものであって、周知事項である。即ち、この
発明は、図１〜図３の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、
これ等の容器のＦＲＰ補強層４に信号線５で構成される
検査回路６を含ませたところにその特徴がある。

【００３４】信号線５は、ＦＲＰ補強層４の樹脂が硬化
した後に配置することも考えられるが、これは信号線５
を補強層４に接着する工程が必要であり、容器製造の効
率が悪くなる。

【００３５】圧力容器を塗装する場合に塗装膜上に信号
線を配置する構造も同様である。また、この構造は、塗
膜だけが傷付いたとき（ＦＲＰは健在）に信号線が切れ
る恐れもある。

【００３６】これに対し、ＦＲＰ補強層４の樹脂が硬化
する前に信号線５を配置すれば、未硬化樹脂による接着
が行われ、しかもＦＲＰの樹脂中に信号線が埋没するの
で、信号線５を効率良く安定した状態にＦＲＰ補強層４
に一体化させることができる。

【００３７】この信号線５は、最外周の繊維層を巻くと
き、樹脂含浸繊維束に１本の信号線を縦添えし、これを
樹脂含浸繊維束と一緒に巻くこともできるが、この方法
を採ると信号線を縦添えするときに巻き付け装置を一旦
止める必要があり、生産性に影響する。これに対し、繊
維の巻き付けを最後まで行い、その後、樹脂が硬化する
前に単独でヘリカル巻きで巻き付けると繊維の巻き付け
を途中で止めずに済む。信号線の巻き付けは人手で行う
こともできるが、巻き付け張力、巻き付けパターンの均
一化面では、勿論巻き付け装置を用いた方が好ましい。

【００３８】この信号線を用いた検査回路６は、ＦＲＰ
補強層のどこにダメージが加わるかは予測できないの
で、補強層の全域に巡らせておくのがよい。そのため
に、信号線を密にフープ巻き、或いは密にヘリカル巻き
するのは、容器の軽量化効果を薄れさせ、巻き付け時間
も長くなるので好ましくない。

【００３９】適当な間隔をあけてヘリカル巻きを一往復
させて出来る菱形網目パターンの回路が好ましい。この
際の巻き付け角度は約６０°、巻き付けピッチは約２５
ｍｍが適当であるが、これに限定されるものではない。

【００４０】図１乃至図３の（ｂ）図の圧力容器は、い
ずれも、信号線５のヘリカル巻きを一往復させて検査回
路６を構成している。このパターンでは行きのヘリカル
巻き線と戻りのヘリカル巻き線が交差部で接触するの
で、使用する線が導電線なら絶縁された線を用いる。

【００４１】なお、信号線５は、少なくとも１組の予備
回路ができるように、数本を一括して巻くのが好まし
い。容器の製造工程で信号線のどれかが断線しても健全
な予備回路があれば、それを使用して異常検査を行える
ので、製品の不良発生率が下がる。

【００４２】また、この信号線５は、ＦＲＰの損傷に伴
って断線するものでなければならない。加えて容器使用
時のヒートサイクルによる断線は防止されるものでなけ
ればならない。エナメル線や光ファイバであればその要
求を満たせる。

【００４３】この信号線の選定に当って以下の実験を行
った。４０ｃｍ＊４０ｃｍ＊長さ１．２ｍ、肉厚５ｍｍ
のガラスＦＲＰ製鉛蓄電池用電槽を試作した。この電槽
は、重さ１ｋｇの鋼球を５０ｃｍの高さから落下させた
ときには白化が起こらず、７０ｃｍの高さから落下させ
たときには白化が生じるものである。この試作電槽に導
体径の異なる約５０ｃｍ長さのエナメル線を適当な間隔
でテープ止めし、１ｋｇの鋼球を５０ｃｍと７０ｃｍの
高さから落下させ、汎用テスタで落下後の導通を確認し
た。この結果、導体径が０．３０ｍｍ以下のエナメル線
であれば、ＦＲＰに白化が生じるときに確実に断線する
ことが判明した。なお、この線径はあくまでも参考に過
ぎない。圧力容器の耐圧設計値、ライナー強度、使用す
る線の種類、容器の使用条件等を考慮して、それぞれの
容器に合った適正な線径を選ぶ必要がある。もし、最適
な強度をもつエナメル線や光ファイバがなければ、強
度、耐衝撃性が低目の線を選んでその外周にクッション
性のある保護膜を設け、その膜によって全体の強度、耐
衝撃性を調整するのも一法である。

【００４４】以上のように構成した圧力容器は、使用中
にＦＲＰ補強層の損傷が疑われる事態が生じたら、検査
回路の端末で信号伝送の有無を検査し、その有無により
ＦＲＰ補強層が損傷したか否かを判断する。

【００４５】ここで、図１〜図３（各図とも（ｃ）を参
照）のように、最外周の繊維層上に検査回路６を設ける
と、その回路の信号伝送遮断によってＦＲＰ補強層４が
損傷したことは判るが、損傷の度合までは判らないの
で、損傷発生確認後に超音波探傷やＸ線探傷を行って容
器の補修が可能かどうかを調べる。

【００４６】超音波探傷やＸ線探傷による精密検査は、
時間と手間がかかるのでなるべく行わずに済むようにし
たい。図４、図５はその要求に応える構造である。

【００４７】ＦＲＰで補強された軽量圧力容器は使用圧
力に対して２．５倍とか３．０倍の安全率が要求されて
いる。この要求を満たすために設計肉厚（厳密な意味で
例えば、設計肉厚が５ｍｍに対して、フィラメントワイ
ンディングで肉厚を５ｍｍにコントロールすることは出
来ず、５．２ｍｍとか５．３ｍｍとなる。従って規定さ
れる安全率に対して少し大きめの安全率となる）の上に
もう１層安全余裕層を設ける考え方があるが、コスト及
び重量増の点でこの考え方は通常採られていない。従っ
て、最外周層の繊維が一部分にせよ完全に切れると規定
の安全率を満たすことが出来ず、また切断された繊維を
つないで修理することも出来ない為、このような軽量圧
力容器は使用不能となる。

【００４８】そこで、図４は、図１のフープラップ容器
において、外側から数えて３番目と２番目のフープ巻き
繊維層２ａ、２ｂ間、２番目と１番目のフープ巻き繊維
層２ｂ、２ｃ間及び最外周（１番目）のフープ巻き繊維
層２ｃ上にそれぞれ検査回路６_-1、６_-2、６_-3を形成し
ている。

【００４９】この構造であれば、回路６_-1〜６_-3が正常
なときはＦＲＰ補強層は健全であると判断できる。ま
た、回路６_-3に異常があり、６_-1、６_-2が正常なら補強
層の損傷はごく表面のみで容器の補修が可能と判断で
き、さらに、回路６_-1が異常なら容器は再使用不能のダ
メージを受けていると判る。さらに、回路６_-1は正常で
６_-2と６_-3が異常なら最外周のフープ巻き繊維層２ｃに
ダメージが加わっており、このときには超音波探傷やＸ
線探傷で詳しい検査を行って最終的な判断を下すことに
なる。

【００５０】図５は、図２のフルラップ容器に対して、
最後の１プライのヘリカル巻きを行う前に信号線５をヘ
リカル巻きして検査回路６_-4を形成し、その上に最終ヘ
リカル巻き繊維層３ｎを１プライ巻いてその層３ｎ上に
検査回路６_-5を形成している。

【００５１】この場合、回路６_-4に異常があれば容器は
ダメージが大きくて再使用不能、回路６_-5だけが異常な
らダメージは比較的軽く、最終判断を下すための超音波
探傷やＸ線探傷が必要と判断できる。

【００５２】図３の構造のフルラップ容器は、ヘリカル
巻き繊維層上にフープ巻き繊維層を設けるので、図４と
同様の構造にして同様の検査を行うことができる。

【００５３】次に、この発明の天然ガス自動車用燃料ボ
ンベ装置について述べる。天然ガス自動車は、２００ｋ
ｇ／ｃｍ²に加圧された天然ガスをボンベに充填して走
行している。ボンベは、軽量化のためＦＲＰで補強され
た耐圧容器であり、圧力計、緊急遮断弁、送止弁、安全
弁などが装備されているが、ボンベ自体の異常を検知し
て知らせるシステムは存在しない。

【００５４】この発明では、前述の検査回路を設けた圧
力容器を燃料ガス用のボンベとして使用し、この容器の
検査回路を信号源と自動車の運転席のフロントパネルに
設ける表示盤に接続する。表示盤は、信号伝送の有無が
判るだけの簡単なものでよい。このようにしておけば、
不幸にして装置搭載車が事故を起こし、ボンベの損傷が
疑われるとき、ボンベ損傷の有無や度合を表示盤を見て
知ることができる。外観上は異常が無くても、ＦＲＰ補
強層がダメージを受けて容器が危険な状態になっている
ことは有り得ることであって、それが判らないと非常に
危険である。事故車が走行可能であればそのまま車を走
らせてボンベ爆発による二次災害を引き起こすことにな
りかねない。この発明の燃料ボンベ装置を用いれば、ボ
ンベの損傷が即座に判るので、危険であれば残存ガスを
放出して二次災害を未然に防止でき、安全確保に関して
大きな効果を発揮する。

【００５５】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の圧力容器
は、ＦＲＰ補強層に信号線で構成される検査回路を含ま
せ、その回路の断線の有無で容器損傷の有無を検知する
ようにしたので、容器の安全チェックを定期検査時は勿
論、それ以外の時にも簡単に迅速に行うことができ、ま
た、これにより時間のかかる超音波探傷、Ｘ線探傷等も
必要最小限に回数を減らすことができ、保安面で極めて
有利になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）フープラップ圧力容器の概念図（ｂ）同上の容器に検査回路を加えた図（ｃ）検査回路設置部の拡大断面図

【図２】（ａ）フルラップ圧力容器の概念図（ｂ）同上の容器に検査回路を加えた図（ｃ）検査回路設置部の拡大断面図

【図３】（ａ）ヘリカル巻きとフープ巻きを併用したフ
ルラップ圧力容器の概念図（ｂ）同上の容器に検査回路を加えた図（ｃ）検査回路設置部の拡大断面図

【図４】フープラップ容器に検査回路を埋設深さを変え
て複数設けた状態の拡大断面図

【図５】ヘリカル巻きのフルラップ容器に検査回路を埋
設深さを変えて複数設けた状態の拡大断面図

【符号の説明】

１ライナー１ａ円筒部１ｂ鏡板部２、２ａ〜２ｃフープ巻き繊維層３、３ｎヘリカル巻き繊維層４ＦＲＰ補強層５信号線６、６_-1〜６_-5 検査回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ライナーの外面を繊維強化プラスチック
の補強層で補強した圧力容器であって、前記補強層にそ
の補強層の損傷に伴なって切断される信号線を含ませ、
この信号線を容器の各域に巡らせて信号伝送の状態変化
で異常を知る容器異常の検査回路を構成してある圧力容
器。
【請求項２】前記補強層に、独立した検査回路を層中
への埋設深さを変えて複数含ませてある請求項１記載の
圧力容器。
【請求項３】前記信号線としてエナメル線又は光ファ
イバを用いた請求項１又は２記載の圧力容器。
【請求項４】天然ガス自動車の燃料ボンベを請求項
１、２又は３記載の圧力容器で形成し、その容器の検査
回路を信号源と運転席のフロントパネルに設ける表示盤
とに接続し、前記信号源から検査回路に流した信号の伝
送状態の変化が前記表示盤に表示されるようにしてある
天然ガス自動車用燃料ボンベ装置。