(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）繊維フイラメント３、１１；１０が巻付けられた、気密または流体密封な本体２、７、１３、１９を含む繊維強化圧力容器において、  
（ｂ）前記本体２、７、１３、１９は、薄層の熱可塑性材料から成り、
（ｂ１）円筒体と、
（ｂ２）前記円筒体の長手方向の一端部に設けられ、外に凸の円弧面を有する中空のイソテンソイド形状を有する一方の端部片と、
（ｂ３）前記円筒体の長手方向の他端部に設けられ、外に凸の円弧面を有する中空のイソテンソイド形状を有する他方の端部片８とを有し、
（ｃ）前記一方の端部片に、前記本体２、７、１３、１９の軸線方向外方に突出して設けられ、付属物が取付けられる補助手段４と、
（ｄ）前記他方の端部片８に、前記本体２、７、１３、１９の軸線方向外方に突出して設けられる補助部材１４と、
（ｅ）第１繊維フイラメント３、１１であって、
前記本体２、７、１３、１９の長手方向に延び、前記補助手段４と前記補助部材１４とに掛けられて連なり、
前記円筒体と前記一方の端部片と前記他方の端部片８との上に、完全に重ねて立方最密充填の状態に巻付けられてヘリカル、ポーラワインディング層１７を形成し、
前記本体２、７、１３、１９が内圧を受けるとき、前記第１繊維フイラメント３、１１が正確にその長手方向にだけ引張り応力負荷を受ける第１繊維フイラメント３、１１と、
（ｆ）第２繊維フイラメント１０であって、
前記円筒体の上で、前記ヘリカル、ポーラワインディング層１７の上に、前記円筒体の周方向に、完全に重ねて立方最密充填の状態に巻付けられてフープワインディング層を形成し、
前記本体２、７、１３、１９が内圧を受けるとき、前記第２繊維フイラメント１０が正確にその長手方向にだけ引張り応力負荷を受ける第２繊維フイラメント１０とを含み、
（ｇ）前記第１および第２繊維フイラメント３、１１；１０は、結び目をそれぞれ形成することによって、取付けられ、
（ｈ）前記本体２、７、１３、１９が内圧を受けるとき、一の繊維フイラメントから他の繊維フイラメントまたは前記本体２、７、１３、１９にせん断応力を伝達する樹脂材料が用いられず、
（ｉ）前記本体２、７、１３、１９は、内圧の結果として生じる機械的応力の吸収に寄与しないことを特徴とする繊維強化圧力容器。
【請求項２】
前記本体（２，７，１３，１９）は、高密度ポリエテン（ＨＤＰＥ）から成り、前記第１および第２繊維フィラメント（３、１１；１０）は炭素繊維であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化圧力容器。
【請求項３】
前記本体（２，７，１３，１９）は、高密度ポリエテン（ＨＤＰＥ）から成り、前記第１および第２繊維フィラメント（３、１１；１０）はガラス繊維であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化圧力容器。
【請求項４】
前記付属物は、閉鎖部材または圧力弁であることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の繊維強化圧力容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、繊維フィラメントが重ねて巻付けられた気密または流体密封な剛性体を含む繊維強化圧力容器に関する。
【０００２】  周知の繊維強化圧力容器は、繊維フィラメントが重ねて巻付けられた気密または流体密封な剛性体を含む。繊維強化圧力容器の製造中、繊維フィラメントは、一定のパターンで施されるので、圧力容器が内圧を受けるとき、繊維フィラメントは引張り応力を吸収することができる。巻付け前、巻付け中、または巻付け後に、結合剤または樹脂（いわゆる母材材料）が重ねて巻付けされる（べき）剛性体に、または繊維フィラメントに塗布される。巻付け後、母材材料が硬化されて、繊維フィラメントが母材（結合剤または樹脂）内に組込まれる。繊維強化圧力容器において、母材は、圧力容器が内圧を受けるとき、一方の繊維フィラメントから他方の繊維フィラメントに、あるいは気密または流体密封な剛性体にせん断応力を伝達することに役立つ。特に、せん断応力から生じる機械的負荷を吸収するために、時々、余分な巻付けが気密または流体密封な剛性体（の部分）に施される。
【０００３】  周知の繊維強化圧力容器の製造方法は、巻付けられた繊維フィラメントを母材内に組込むために、固化または硬化工程を含む。硬化には時間がかかり、通常６〜８時間かかる。
【０００４】  周知の圧力容器およびその製造方法の欠点は、通常６〜８時間続く固化または硬化工程を必要とするということである。他の欠点は、特にせん断応力から生じる機械的負荷を吸収するために、余分な巻付けが時々必要となるということである。
【０００５】
本発明の目的は、改良された圧力容器を提供することである。本発明の他の目的は、繊維強化圧力容器の製造コストの低減を提供することである。
【０００６】
本発明は、（ａ）繊維フイラメント３、１１；１０が巻付けられた、気密または流体密封な本体２、７、１３、１９を含む繊維強化圧力容器において、  
（ｂ）前記本体２、７、１３、１９は、薄層の熱可塑性材料から成り、
（ｂ１）円筒体と、
（ｂ２）前記円筒体の長手方向の一端部に設けられ、外に凸の円弧面を有する中空のイソテンソイド形状を有する一方の端部片（図１）と、
（ｂ３）前記円筒体の長手方向の他端部に設けられ、外に凸の円弧面を有する中空のイソテンソイド形状を有する他方の端部片８（図２、図３）とを有し、
（ｃ）前記一方の端部片に、前記本体２、７、１３、１９の軸線方向外方に突出して設けられ、付属物が取付けられる補助手段４（図１）と、
（ｄ）前記他方の端部片８に、前記本体２、７、１３、１９の軸線方向外方に突出して設けられる補助部材１４（図３）と、
（ｅ）第１繊維フイラメント３、１１であって、
前記本体２、７、１３、１９の長手方向に延び、前記補助手段４と前記補助部材１４とに掛けられて連なり、
前記円筒体と前記一方の端部片と前記他方の端部片８との上に、完全に重ねて立方最密充填の状態に巻付けられてヘリカル、ポーラワインディング層１７（図３）を形成し、
前記本体２、７、１３、１９が内圧を受けるとき、前記第１繊維フイラメント３、１１が正確にその長手方向にだけ引張り応力負荷を受ける第１繊維フイラメント３、１１と、
（ｆ）第２繊維フイラメント１０であって、
前記円筒体の上で、前記ヘリカル、ポーラワインディング層１７の上に、前記円筒体の周方向に、完全に重ねて立方最密充填の状態に巻付けられてフープワインディング層（図２）を形成し、
前記本体２、７、１３、１９が内圧を受けるとき、前記第２繊維フイラメント１０が正確にその長手方向にだけ引張り応力負荷を受ける第２繊維フイラメント１０とを含み、
（ｇ）前記第１および第２繊維フイラメント３、１１；１０は、結び目をそれぞれ形成することによって、取付けられ、
（ｈ）前記本体２、７、１３、１９が内圧を受けるとき、一の繊維フイラメントから他の繊維フイラメントまたは前記本体２、７、１３、１９にせん断応力を伝達する樹脂材料が用いられず、
（ｉ）前記本体２、７、１３、１９は、内圧の結果として生じる機械的応力の吸収に寄与しないことを特徴とする繊維強化圧力容器である。
本発明の第１の局面に従えば、繊維フィラメントが重ねて巻付けられた気密または流体密封な剛性体を含む繊維強化圧力容器であって、少なくとも複数の繊維フィラメントが相互に自由に移動可能であり、圧力容器が内圧を受けるときに繊維フィラメントが正確にその長手方向に負荷を受けるように、繊維フィラメントが巻付けられることを特徴とする繊維強化圧力容器によって、１以上の目的が達成される。
【０００７】  圧力容器が内圧を受けるときに繊維フィラメントが長手方向だけに負荷を受けるように、繊維フィラメントが巻付けられるので、繊維フィラメントは、使用中に定位置に維持され、母材が必要とされないであろう。
【０００８】  さらに、圧力容器における機械的応力（stress）を正確に吸収するために必要な繊維材料とまさに同じだけの繊維材料しか使用する必要がないということが達成される。余分な繊維フィラメントは必要とされず、これは周知の圧力容器と比較して、重量を低減し、コストを下げることを結果として生じる。
【０００９】  少なくともいくつかの繊維フィラメントが相互に自由に移動可能であり、圧力容器が内圧を受けるときに繊維フィラメントが正確にその長手方向に負荷を受けるように、繊維フィラメントが巻付けられるので、圧力容器が、たとえば損傷したとき、圧力容器のその部分の繊維フィラメントは、相互に移動するであろう。
【００１０】  好ましくは、繊維フィラメントは、圧力容器の全体にわたって、相互に自由に移動可能である。
【００１１】  これは、母材材料（たとえば樹脂）を全く使用する必要がないという点で都合がよい。これによって硬化工程が不要になり、周知の圧力容器と比較して、コストを下げることを結果として生じる。
【００１２】  好ましくは、本発明に従う圧力容器は、イソテンソイド（isotensoid）形状を有する。すなわちその形状によって、圧力容器が内圧を受けるときに、機械的応力が繊維フィラメント間に等しく分布される。所望のイソテンソイド形状を有する圧力容器を提供するために、圧力容器を軸線方向に強化する手段が用いられてもよい。
【００１３】  イソテンソイド形状が用いられるので、圧力容器における機械的応力を吸収するために、最小の数の繊維フィラメントだけが必要とされる。
【００１４】  さらに好ましくは、本発明に従う圧力容器は、円筒形状を有する。該円筒形状には、その長手方向両端部にイソテンソイド端部片が設けられる。
【００１５】  円筒形状を有する圧力容器を提供することによって、該圧力容器はガスフラスコとしての使用に適している。
【００１６】  好ましくは、本発明に従う圧力容器には、保護層、いわゆるコーティングが設けられる。
【００１７】  合成ゴムを含むコーティングは、火および小さな衝撃に対して、また負荷に対処する保護手段として特に適している。
【００１８】  好ましくは、本発明に従う圧力容器の剛性体は、高密度ポリエテン（ＨＤＰＥ）から成り、繊維フィラメントは炭素フィラメントである。
【００１９】  この材料の組合せは、圧力容器の製造コスト、重量および強度の観点から都合がよい。
【００２０】  好ましくは、本発明に従う圧力容器の剛性体は、高密度ポリエテン（ＨＤＰＥ）から成り、繊維フィラメントは、ガラス繊維である。
【００２１】  この材料の組合せも、圧力容器の製造コスト、重量および強度の観点から都合がよい。
【００２２】  本発明に従う圧力容器は、異なる実施形態で製造可能であり、異なる最大内圧に適することも可能である。
【００２３】  本発明の第２の局面に従えば、繊維フィラメントが重ねて巻付けられた気密または流体密封な剛性体を含む繊維強化圧力容器の製造方法において、
ａ）気密または流体密封な剛性体と、繊維フィラメントと、ワインディング装置とを準備し、
ｂ）少なくとも複数の繊維フィラメントが相互に自由に移動可能であり、圧力容器が内圧を受けるときに繊維フィラメントが正確にその長手方向に負荷を受けるように、繊維フィラメントが巻付けられるように、剛性体に重ねて巻付け、
圧力容器の、繊維フィラメントが相互に自由に移動可能である部分に対して、繊維フィラメントが組込まれるような母材材料（たとえば樹脂）が与えられないことを特徴とする繊維強化圧力容器の製造方法によって、１以上の目的が達成される。
【００２４】  これによって、圧力容器における機械的応力を正確に吸収するために必要な繊維材料と同じだけの繊維材料しか使用されないということが達成される。これは、圧力容器の製造コストの低減を結果として生じる。
【００２５】  好ましくは、本発明に従う方法において母材材料が全く与えられない。圧力容器に母材材料を与えないことによって、硬化工程が不要となる。これによって、母材材料が与えられた場合には固化または硬化に通常６〜８時間を要していた製造時間に対して、製造時間の短縮が達成される。
【００２６】  本発明は、添付の図面を参照して、圧力容器の２つの実施形態と、圧力容器の製造方法の１つの実施形態によって説明される。
【００２７】
図面を参照して、本発明に従う圧力容器の２つの実施形態を説明する。
図１は、本発明に従う第１の実施の形態の圧力容器を示す。圧力容器（１）は、イソテンソイド（isotensoid）形状を有する気密または流体密封な剛性体（２）を含む。剛性体（２）のまわりに巻付けられる繊維フィラメント（３）がある。補助手段（４）もある。本実施例において、補助手段（４）は、圧力容器（１）を軸線方向に強化する手段である。補助手段（４）には、手段（５）として、本実施例ではねじ孔が設けられ、これを用いて、閉鎖部材または圧力弁などの付属物（図示せず）が圧力容器（１）に取付けられ得る。
【００２８】
図２は、本発明に従う第２の実施形態の圧力容器を示す。圧力容器（６）は、円筒形状を有する気密または流体密封な剛性体（７）を含む。円筒体（７）には、イソテンソイド形状を有する端部片（８）が設けられる。円筒剛性体（７）は、剛性体（７）のまわりに繊維フィラメントを巻付けるために用いられる回転軸（９）に取付けられる。剛性体（７）は、剛性体（７）の周方向に巻付けられる（フープワインディング）複数のフィラメント（１０）と、剛性体（７）の長手方向に巻付けられる（ヘリカル、ポーラワインディング）複数のフィラメント（１１）とを有する。
【００２９】  剛性体は、薄層の金属、熱可塑性材料または熱硬化性材料を含んでいてもよく、圧力容器に格納される物質に適用可能な安全仕様を満たす材料であればよい。
【００３０】  繊維材料は、炭素繊維が好ましいが、Ｅ型、Ｒ型、もしくはＳ型ガラス繊維、ｐ−アラミド繊維、炭素繊維、またはポリエテン、ポリエステルもしくはポリアミドなどのポリマから成る繊維などの、引張り応力を受けることができる、他の繊維のタイプであってもよい。
【００３１】  図３は、図２に従う圧力容器（６）の端部の軸線方向断面図を示す。図３には、気密または流体密封な円筒状剛性体（１３）の端部（１２）と、該剛性体（１３）に隣接する補助部材（１４）とが示される。本実施例において、補助部材（１４）と剛性体（１３）は、ともにイソテンソイド形状を有する端部（１２）を備える。本実施例において、圧力容器（６）の軸線方向には、開口（１５）および開口（１６）がある。本実施形態は、どのようにして剛性体（１３）と補助部材（１４）とがともに繊維フィラメントの層（１７）（大略的に示される）で重ねて巻付けられるのかを示す。
【００３２】
図４Ａは、本発明に従う圧力容器の剛性体（１９）に寄りかかる（当接する）繊維フィラメント（１８）の配置の一例の断面図を示す。本実施例において、繊維フィラメント（１８）は、立方最密充填の状態にある。図４Ｂは、参考例として、繊維フィラメントに塗布されるコーティング（２０）も示す。
【００３３】  図５は、圧力容器が内圧（ｆ）とその結果として生じる反力（Ｆ）とを受けるときの、繊維フィラメントの円弧（ＡＤ）に対する負荷を示す。Ｒは剛性体の半径を示し、ｄｖは円弧の角度を示す。もちろん、繊維フィラメントは、剛性体に垂直な力を作用させる。
【００３４】  以下に、繊維フィラメントが重ねて巻付けられた気密または流体密封な剛性体を含む、本発明に従う繊維強化圧力容器の製造方法の一例を説明する。
【００３５】
まず、圧力容器の機能が決定され、圧力容器に用いられる材料が選択される。次に、設計、すなわち容器の寸法、最大許容内圧、安全係数、圧力容器の流出口の寸法などのパラメータを含む装置の形状が決定される。適切な製造工程も選択される。本発明に従えば、この工程は、繊維を巻付けること（「フィラメントワインディング」）である。この工程のために、圧力容器の形状に関して適切な巻付けパターンが決定され、該巻付けパターンにおいて、少なくとも複数の繊維フィラメントが相互に自由に移動可能であり、圧力容器が内圧を受けるときに繊維フィラメントが正確にその長手方向に負荷を受けるように、繊維フィラメントが巻付けられる。これによって、剛性体は、内圧の結果として生じる機械的応力の吸収に寄与することがない。剛性体は任意の周知の方法、たとえば金型を用いた方法、ブロー成形、スプレー成形または回転成形に従って製造可能である。次に、剛性体がワインディング装置（「フィラメントワインディング機」）に取付けられる。ワインディング装置の制御を設定した後、巻付けられるべきフィラメントの先端部が剛性体に取付けられ、剛性体に重ねて巻付けられ、巻付けられたフィラメントの端部が、後述のように結び目を形成することによって取付けられて固定される。時々、巻付けパターンは、複数の段階で施される。たとえば円筒状剛性体の場合、周方向に重ねて巻付けられた（フープワインディング）フィラメント１０と、長手方向に重ねて巻付けられた（ヘリカル、ポーラワインディング）フィラメント３、１１とが別々に施される。フィラメント３、１１を長手方向に施す（ヘリカル、ポーラワインディング）とき、まず補助部材１４が剛性体に接触して位置付けられ、次いで、補助部材１４も繊維フィラメント３、１１で重ねて巻付けられる。剛性体が完全に重ねて巻付けられた後、圧力容器には、随意に、好ましくは合成ゴムからなるコーティングが設けられる。圧力容器には、随意に、付属物が設けられる。
【００３６】
繊維は、巻付け、いわゆるフィラメントワインディングによって施される。圧力容器が内圧を受けるとき繊維フィラメントがその長手方向にだけ負荷を受けるように、繊維フィラメントが重ねて巻付けられるので、繊維フィラメントは使用中に移動せず、母材を必要としないであろう。母材（たとえば樹脂）は全く与えられない。
【００３７】  繊維は、もちろん、重ねて巻付けられるべき一番最初の繊維フィラメントの先端部を除いては、剛性体に含浸されず、接着されず、固定されない。繊維フィラメントの取付けは、繊維フィラメントに結び目を形成することによって行うことができる。含浸は、繊維フィラメント内または間への部分的な、または完全な浸透を含むと通常理解される。したがって、本発明に従う圧力容器では、母材材料は繊維フィラメント内または間に浸透しない。なぜなら母材材料が用いられていないからである。母材材料は、通常、樹脂、合成樹脂またはエラストマである。さらに、剛性体は、繊維フィラメントに対して自由に移動可能である。
【００３８】  本発明に従う方法において、固化または硬化工程は全くなく、したがって、巻付け前、巻付け中または巻付け後にもない。
【００３９】  随意に、可撓性または剛性を有する保護層、いわゆるコーティングが最表面の繊維フィラメント上に設けられてもよい。このコーティングは、耐火性を有するが、構造的に支持してはおらず、切断または研磨行為、薬品などの外部の影響に対して、また湿気または光の影響に対して繊維フィラメントを保護するだけである。このコーティングを設けることは、圧力容器の主要な機能、すなわち圧力下における物質の安全な格納を果たすためには必須ではない。
【００４０】  コーティングは、設けられるのであれば、エラストマで形成可能であり、金属、あるいは熱可塑性材料または熱硬化性材料から成る剛性殻を含んでいてもよい。好ましくは、コーティングは合成ゴムから成る。
【００４１】
本発明に従う圧力容器は、特に、プロパン、ブタン、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）、空気、水などの圧力下の物質、および液体窒素または液体酸素などの低温物質を格納または輸送するために使用可能である。格納または輸送されるべき物質によって、本発明に従う圧力容器は、０〜５ｂａｒ（０〜５×１０５Ｐａ）（たとえば膨張容器における温水用）、０〜１０ｂａｒ（０〜１０×１０５Ｐａ）（たとえば液体酸素または液体窒素用、あるいは室温における家庭での使用に向けられたガスフラスコ（gas flask）におけるプロパンガス、ブタンガスまたはその混合物用）、０〜３５ｂａｒ（０〜３５×１０５Ｐａ）（たとえば高温におけるプロパンガスまたはブタンガス用）、０〜１００ｂａｒ（０〜１００×１０５Ｐａ）（たとえば自動車での使用に向けられた燃料タンクにおけるＬＰＧ用）、０〜３００ｂａｒ（０〜３００×１０５Ｐａ）（たとえばＣＮＧ用または圧縮空気）、および宇宙技術応用での低温ガスシステム用の０〜６００ｂａｒ（０〜６００×１０５Ｐａ）の作動圧力に対して製造可能である。
【００４２】  上述の本発明は、特に、樹脂などの母材材料の使用が繊維強化圧力容器に対して不可欠であるという技術的偏見を解消することによって、巻付け技術の分野の進歩に影響を与える。したがって、本発明は、広い範囲を有し、上述の実施形態だけに限定されるべきではないと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従う第１の実施形態のイソテンソイド形状を有する圧力容器を示す。
【図２】  本発明に従う第２の実施形態の円筒形状を有する圧力容器を示す。
【図３】  図２の圧力容器の端部の軸線方向断面図である。
【図４】  図４Ａは、本発明に従う剛性体に当接する繊維フィラメントを有する圧力容器の剛性体の一例の断面図を示し、図４Ｂは参考例の断面図を示す。
【図５】  本発明に従う繊維フィラメントのその長手方向にかかる機械的負荷を大略的に示す。
【図１】
0005426806.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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