JP7314771B2 - 圧力容器及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、圧力容器及びその製造方法に関する。
金型の境界に沿ってパーティングラインが形成されたライナの外周面に、繊維束が巻き付けられて構成された繊維強化樹脂層を有する圧力容器は、従来から知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2017-122464号公報
しかしながら、上記パーティングライン又はライナを押出成形する際の真空引きによってライナの外周面にリング状に形成される複数の突起部があると、ライナの外周面に繊維束を螺旋状に巻き付けるときに、その繊維束の一部がパーティングライン又は突起部を乗り越えることになる。そのため、その乗り越えた部位において、繊維束の一部がライナの外周面から浮き上がってしまう。
繊維束の一部がライナの外周面から浮き上がってしまうと、パーティングライン又は突起部の周辺におけるライナの外周面に繊維束が充分に密着されず、その部位における繊維含有率が低下し、その部位の強度が低下するおそれがある。そのため、繊維束を増量し、その部位の強度を増加させることが考えられたが、繊維束を増量すると、圧力容器の質量及び製造コストが増加してしまう。
そこで、本発明は、質量及び製造コストの増加を抑制できる圧力容器及びその製造方法を得ることを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係るの態様の圧力容器は、中心軸の軸方向と直交する方向から見て、外周面に該中心軸に対して54.7度±10度の傾斜角度とされた螺旋状の突起部が形成された円筒状の直胴部を有する容器本体と、所定の幅を有するテープ状の繊維束を前記直胴部の外周面に前記突起部に対して平行に螺旋状に巻き付けることで該外周面を被覆した被覆部と、を備えている。
の態様の発明によれば、容器本体における円筒状の直胴部の外周面に、中心軸の軸方向と直交する方向から見て、その中心軸に対して54.7度±10度の傾斜角度とされた螺旋状の突起部が形成されている。そして、所定の幅を有するテープ状の繊維束が、その突起部に対して平行に螺旋状に巻き付けられている。そのため、繊維束が突起部を乗り越えて巻き付けられることがなく、繊維束が直胴部の外周面から浮き上がることがない。つまり、突起部の周辺における直胴部の外周面にも繊維束が充分に密着し、その部位における繊維含有率の低下が防止され、その部位における強度の低下が防止される。したがって、繊維束は必要最小限の量で足り、圧力容器の質量及び製造コストの増加が抑制される。なお、本発明における「平行」には、正確な平行及び正確な平行から若干ずれた略平行も含まれる。
また、本発明に係る第の態様の圧力容器は、の態様の圧力容器であって、前記突起部の高さが、前記繊維束の厚み以下とされている。
の態様の発明によれば、突起部の高さが、繊維束の厚み以下とされている。したがって、2層目の繊維束を巻き付けるときには、1層目で巻き付けた繊維束に対して突起部が突出することがないため、突起部に影響されずに巻き付けることができる。つまり、2層目の繊維束を巻き付けるときにも、その繊維束が突起部を乗り越えて(突起部によって浮き上がらされて)巻き付けられることがない。
また、本発明に係るの態様の圧力容器の製造方法は、円筒状の直胴部の外周面に、中心軸の軸方向と直交する方向から見て、該中心軸に対して54.7度±10度の傾斜角度とされた螺旋状の突起部が形成されるように容器本体を成形する成形工程と、前記直胴部の外周面を被覆するように所定の幅を有するテープ状の繊維束を前記突起部に対して平行に螺旋状に巻き付ける巻付工程と、を有している。
の態様の発明によれば、容器本体における円筒状の直胴部の外周面に、中心軸の軸方向と直交する方向から見て、その中心軸に対して54.7度±10度の傾斜角度とされた螺旋状の突起部を形成する。そして、所定の幅を有するテープ状の繊維束を、その突起部に対して平行に螺旋状に巻き付ける。そのため、突起部を乗り越えて繊維束を巻き付けることがなく、繊維束が直胴部の外周面から浮き上がることがない。つまり、突起部の周辺における直胴部の外周面にも繊維束が充分に密着し、その部位における繊維含有率の低下が防止され、その部位における強度の低下が防止される。したがって、繊維束は必要最小限の量で足り、圧力容器の質量及び製造コストの増加が抑制される。なお、本発明における「平行」には、正確な平行及び正確な平行から若干ずれた略平行も含まれる。
また、本発明に係る第の態様の圧力容器の製造方法は、の態様の圧力容器の製造方法であって、前記成形工程において、前記突起部の高さを前記繊維束の厚み以下にする。
の態様の発明によれば、成形工程において、突起部の高さを繊維束の厚み以下にする。したがって、2層目の繊維束を巻き付けるときには、1層目で巻き付けた繊維束に対して突起部が突出することがないため、突起部に影響されずに巻き付けることができる。つまり、2層目の繊維束を巻き付けるときにも、突起部を乗り越えて(突起部によって浮き上がらされて)、その繊維束を巻き付けることがない。
以上のように、本発明によれば、圧力容器において、質量及び製造コストの増加を抑制することができる。
本実施形態に係る圧力容器の容器本体を示す側面図である。 本実施形態に係る圧力容器の容器本体に繊維束を巻き付けている途中の状態を示す側面図である。 本実施形態に係る圧力容器の一部を拡大して示す断面図である。 比較例に係る圧力容器の容器本体に繊維束を巻き付けている途中の状態を示す側面図である。 比較例に係る圧力容器の一部を拡大して示す断面図である。
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各図において適宜示す矢印Sを圧力容器10の軸方向、矢印Cを圧力容器10の周方向とする。また、本実施形態に係る圧力容器10は、その内部に、例えば燃料としての水素が充填されるようになっており、燃料電池自動車(図示省略)等に搭載されるようになっている。
図1に示されるように、圧力容器10は、ライナと呼ばれる容器本体12を有している。容器本体12は、一例として、ガスバリア性に優れ、かつ寸法安定性に優れる液晶樹脂材で成形されており、円筒状の直胴部14と、直胴部14の両端に一体に形成された略半球状の半球部18Aを含むドーム部18と、を有している。
また、直胴部14の外周面には、螺旋状の突起部16が一体に形成されている。この突起部16は、容器本体12を押出成形する際の真空引きによって形成されるものであり、金型(図示省略)の内周面に形成されている螺旋状のスリット部(図示省略)に液晶樹脂材が密着されることよって形成されるものである。つまり、スリット部には真空ポンプ(図示省略)が接続されており、そのスリット部へ液晶樹脂材が貼り付くような状態となって容器本体12が金型内で成形されるようになっている。
なお、突起部16の幅は、後述する繊維束20を巻き付ける上で、可能な限り狭い方が好ましい。したがって、金型において、スリット部の幅がそのように設定されている。また、突起部16の高さは、後述する繊維束20の厚み以下とされている。すなわち、図1では誇張して描かれているが、突起部16の高さは、後述する繊維束20の厚み(例えば0.5mm)と同一か、それよりも若干低くなるように(例えば0.3mmで)形成されている。また、容器本体12の中心軸Xに対する突起部16の傾斜角度αは、後述する巻付角度θと略同一(同一も含む)になっている。
図2、図3に示されるように、圧力容器10は、容器本体12の直胴部14の外周面に、所定の幅を有するテープ状の繊維束20が突起部16に対して略平行(平行も含む)に隙間無く螺旋状に巻き付けられて構成されている。なお、圧力容器10は、ドーム部18の外周面にも繊維束20が隙間無く巻き付けられて構成されるが、図2では、直胴部14のみに繊維束20が巻き付けられている途中の状態が示されている。また、図2では、繊維束20の厚みも誇張して描かれている。
繊維束20は、ガラス繊維、炭素繊維又はアラミド繊維等を含む繊維強化樹脂(FRP)製とされており、容器本体12の外周面全体を被覆する被覆部としての繊維強化樹脂層(以下「補強層」という)22を形成するようになっている。具体的に説明すると、直胴部14の外周面には、繊維束20がヘリカル状に巻き付けられるようになっており(以下「ヘリカル巻き」という)、そのヘリカル巻きされた繊維束20によって補強層22が形成されるようになっている。
ヘリカル巻きとは、繊維束20を、容器本体12の中心軸Xに対して所定の巻付角度+θで、直胴部14の外周面全体に巻き付けた後、図示は省略するが、容器本体12の軸方向一端部側で折り返して、容器本体12の中心軸Xに対して所定の巻付角度-θで、その上から(巻付角度+θで巻き付けられた繊維束20の上に交差して)巻き付けることを指す。
つまり、補強層22は、直胴部14の外周面に繊維束20が所定の巻付角度+θ及び巻付角度-θで、少なくとも2層は巻き付けられることで構成されている。なお、直胴部14の内圧及び繊維束20の繊維本数等に起因するが、繊維束20は、実際には巻付角度-θで2層目として巻き付けられた後、容器本体12の軸方向他端部側で折り返されて、巻付角度+θで、その上から3層目として巻き付けられ、これが4層目以降も順次繰り返されて(往復されて)、例えば10層~20層程度巻き付けられるようになっている。
一方、図示は省略するが、ドーム部18の外周面には、繊維束20が互い違いに編まれるように巻き付けられるようになっており(以下「ブレーディング巻き」という)、そのブレーディング巻きされた繊維束20によって補強層22が形成されるようになっている。なお、ここで言うブレーディング巻きとは、繊維束20が、容器本体12の中心軸Xに対して所定の巻付角度+θ及び巻付角度-θで互い違いに編まれるように巻き付けられることを指す。
つまり、ヘリカル巻きもブレーディング巻きも同じ巻付角度θで巻き付けられるようになっており、その巻付角度θは、公差を含め、θ=54.7度±10度の範囲内、好ましくはθ=54.7度±5度の範囲内、更に好ましくはθ=54.7度±1度の範囲内となっている。
この巻付角度θは、所定の内圧が作用しているときの直胴部14における応力(軸方向の応力及び周方向の応力)から導出される角度であり、軸方向の応力に対して周方向の応力が2倍であることに起因する角度である。すなわち、詳細な計算式は省略するが、ネッティング理論(Netting theory)により、応力に応じた巻付角度θを計算したとき、tanθ=2となることから、θ=54.7度(平衡角)が導出されるようになっている。
また、ドーム部18は、直胴部14に比べて、内圧が作用しているときの応力が小さいため、直胴部14に比べて、補強する度合いが小さくて済む。したがって、ドーム部18では、ヘリカル巻きに比べて低強度となるブレーディング巻きとされ、直胴部14では、ブレーディング巻きに比べて高強度となるヘリカル巻きとされている。なお、繊維束20は、公知の製造装置により、容器本体12の外周面に巻き付けられるようになっている。
また、図1、図2に示されるように、ドーム部18は、その軸心部に容器本体12における中心軸Xの軸方向外側へ突出する円筒部18Bを含んでいる。一例として、一方の円筒部18Bには、封止プラグ(図示省略)が嵌合され、他方の円筒部18Bには、口金プラグ(図示省略)が嵌合されるようになっており、その口金プラグには、バルブ(図示省略)が装着されるようになっている。
以上のような構成とされた圧力容器10において、次にその作用について説明する。
まず、比較例に係る圧力容器50について説明する。図4、図5に示されるように、この圧力容器50の容器本体52における直胴部54の外周面には、周方向に沿ったリング状の突起部56が軸方向に間隔を空けて複数(図示のものは4本)形成されている。そのため、この直胴部54の外周面に繊維束20を螺旋状に隙間無く巻き付けると、その繊維束20の一部が突起部56を乗り越えて巻かれることになる(図5参照)。
つまり、その繊維束20の一部が突起部56を乗り越えた部位では、直胴部54の外周面から繊維束20の一部が浮き上がる。繊維束20の一部が直胴部54の外周面から浮き上がると、突起部56の周辺における直胴部54の外周面に繊維束20が充分に密着されず、その部位における繊維含有率が低下し、その部位における強度が低下する。だからといって、繊維束20を増量し、その部位の強度を増加させるようにすると、圧力容器50の質量及び製造コストが増加する。
これに対し、本実施形態に係る圧力容器10の容器本体12における直胴部14の外周面には、図1に示されるように、容器本体12の中心軸Xに対して所定の傾斜角度αで傾斜した螺旋状の突起部16が形成されている。つまり、直胴部14の外周面に螺旋状の突起部16が形成されるように容器本体12が成形されている(成形工程)。
したがって、図2に示されるように、その直胴部14の外周面を被覆するように繊維束20を巻き付けるときには、その突起部16に沿って螺旋状に(突起部16と略平行に、巻付角度θで)隙間無く巻き付けることができる(巻付工程)。つまり、本実施形態に係る圧力容器10の場合には、繊維束20が突起部16を乗り越えて巻き付けられることがなく、繊維束20が直胴部14の外周面から浮き上がることがない(図3参照)。
そのため、突起部16の周辺(突起部16の根元部分を含む)における直胴部14の外周面にも繊維束20が充分に密着され、その部位における繊維含有率の低下を防止することができ、その部位における強度の低下を防止することができる。したがって、繊維束20は必要最小限の量で足りる。換言すれば、圧力容器10において、必要最小限の繊維束20で所望の強度を得ることができる。その結果、圧力容器10において、質量の増加及び製造コストの増加を抑制することができる。
また、成形工程において、突起部16の高さが、繊維束20の厚みと同一か、それよりも若干低くなるように形成されている。したがって、巻付角度を変えて(+θから-θへ変えて)2層目の繊維束20を巻き付けるときには(ヘリカル巻きするときには)、1層目で巻き付けた繊維束20に対して突起部16が突出することがないため、突起部16に影響されずに巻き付けることができる。
つまり、2層目の繊維束20を巻き付けるときにも、その繊維束20が突起部16を乗り越えて(突起部16によって浮き上がらされて)巻き付けられることがない(例えば図3に示されるように、2層目の繊維束20は、突起部16の頂部に接触することなく、その頂部の径方向外側を通過するようにして巻き付けられる)。
また、直胴部14では、繊維束20がブレーディング巻きではなく、ヘリカル巻きされるため、直胴部14でも、繊維束20がブレーディング巻きされる場合に比べて、強度の確保のために必要となる繊維束20の量を低減させることができる。よって、圧力容器10において、質量の増加及び製造コストの増加をより一層抑制することができる。
また、直胴部14に巻き付ける繊維束20の巻付角度θは、54.7度±10度の範囲内とされている。すなわち、この「54.7度」は、所定の内圧が作用しているときの直胴部14における応力から導出される角度(平衡角)とされている。また、「±10度」は、実際に繊維束20を巻き付けるときに許容される公差である。
したがって、直胴部14に巻き付けられる繊維束20の巻付角度θ(突起部16の傾斜角度α)が、54.7度±10度の範囲内とされていない場合(傾斜されていない場合も含む)に比べて、所定の内圧が作用しているときの直胴部14における軸方向の応力及び周方向の応力を繊維束20がバランスよく負担することができる。そして、巻付工程において、繊維束20を直胴部14に対して滑りが無いように巻き付けることができる。
なお、容器本体12(直胴部14及びドーム部18)の外周面に繊維束20が隙間無く巻き付けられたら、その繊維束20に熱硬化性樹脂を含浸させて加熱し、硬化させる。これにより、耐腐食性に優れるとともに、軽量化及び低コスト化が図れ、かつ運搬及び取り扱いが容易な圧力容器10が得られる。
以上、本実施形態に係る圧力容器10について、図面を基に説明したが、本実施形態に係る圧力容器10は、図示のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能なものである。例えば、容器本体12は、液晶樹脂製に限定されるものではなく、高密度ポリエチレン等のガスバリア性を有する他の合成樹脂製であってもよい。
また、容器本体12の中心軸Xに対する繊維束20の巻付角度θ(突起部16の傾斜角度α)は、54.7度±10度に限定されるものではない。繊維束20の巻付角度θ(突起部16の傾斜角度α)は、所定の内圧が作用しているときの直胴部14における軸方向の応力及び周方向の応力を繊維束20がバランスよく負担することができるような角度になっていればよい。更に、ドーム部18の外周面に繊維束20を巻き付けるときの巻き付け方は、ブレーディング巻きに限定されるものでもない。
10 圧力容器
12 容器本体
14 直胴部
16 突起部
20 繊維束
22 補強層(被覆部)

Claims (2)

  1. 中心軸の軸方向と直交する方向から見て、外周面に該中心軸に対して54.7度±度の傾斜角度とされた螺旋状の突起部が形成された円筒状の直胴部を有する容器本体と、
    所定の幅を有するテープ状の繊維束を前記直胴部の外周面に前記突起部に対して平行に螺旋状に少なくとも2層は巻き付けることで該外周面を被覆した被覆部と、
    を備え
    前記突起部の高さが、前記繊維束の厚みよりも低く形成されており、
    2層目の前記繊維束が、前記突起部の頂部に接触することなく、その頂部における前記容器本体の径方向外側を通過するように巻き付けられている圧力容器。
  2. 円筒状の直胴部の外周面に、中心軸の軸方向と直交する方向から見て、該中心軸に対して54.7度±5度の傾斜角度とされた螺旋状の突起部が形成されるように容器本体を成形する成形工程と、
    前記直胴部の外周面を被覆するように所定の幅を有するテープ状の繊維束を前記突起部に対して平行に螺旋状に少なくとも2層は巻き付ける巻付工程と、
    を有し、
    前記成形工程において、前記突起部の高さを前記繊維束の厚みよりも低く形成し、
    前記巻付工程において、2層目の前記繊維束を前記突起部の頂部に接触させることなく、その頂部における前記容器本体の径方向外側を通過するように巻き付ける圧力容器の製造方法
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