(57)【要約】【課題】簡単な方法により、内殻、外殻を問わず、その損傷を検出できるようにした圧力容器とその製造方法ならびに圧力容器の損傷検出方法と損傷検出装置を提供すること。【解決手段】気体を収容するための金属またはプラスチック製の内殻１１と、該内殻を被覆する繊維強化プラスチックでなる外殻１２とを備える圧力容器１０であって、配置箇所周辺の応力状態が作用するように固定されることにより、周囲の応力変化を検出するようにしたセンサ１３を具備する。【選択図】図１
2006275223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を収容するための金属またはプラスチック製の内殻と、該内殻を被覆する繊維強化プラスチックでなる外殻とを備える圧力容器であって、
配置箇所周辺の応力状態が作用するように固定されることにより、周囲の応力変化を検出するようにしたセンサを具備する
ことを特徴とする圧力容器。
【請求項２】
前記内殻と前記外殻との境界、もしくは前記外殻を構成する繊維強化プラスチックの内部、もしくは前記繊維強化プラスチック表面に、周囲の応力状態を検出するための前記センサを配置したことを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
【請求項３】
前記センサが圧電材料を利用したピエゾセンサであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧力容器。
【請求項４】
前記センサを複数個互いに離間して配置したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力容器。
【請求項５】
気体を収容するための金属またはプラスチック製の内殻と、該内殻を被覆する繊維強化プラスチックでなる外殻とを備える圧力容器の損傷を検出する検出方法であって、
配置箇所周辺の応力状態が作用するように固定されることにより、周囲の応力変化を検出するようにしたセンサを用いるものであり、
前記容器に気体を充填中に前記センサからの出力信号を検出し、
該出力信号の変動パターンに基づいて、容器の損傷を検出するようにした
ことを特徴とする圧力容器の損傷検出方法。
【請求項６】
前記センサとして、圧電材料を利用したピエゾセンサを使用し、
検出信号として、前記ピエゾセンサの共振周波数または反共振周波数のシフトを検出することを特徴とする請求項５に記載の圧力容器の損傷検出方法。
【請求項７】
前記圧力容器ごとに、それぞれ前記気体充填中の検出信号の変動パターンを取得して、各変動パターンに対応した容器毎の管理データを保存し、
前記気体の充填中に検出した前記検出信号を、該当する容器の前記管理データと対比し、
該対比結果に基づいて、当該容器の損傷を判断する
ことを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の圧力容器の損傷検出方法。
【請求項８】
圧力容器の損傷を検出する検出装置であって、
配置箇所周辺の応力状態が作用するように固定されることにより、周囲の応力変化を検出するようにしたセンサから、前記容器に対する気体の充填中に、送出される出力信号を受け取る制御手段と、
前記圧力容器ごとに、それぞれ前記気体充填中の検出信号の変動パターンを取得して、各変動パターンに対応した容器毎の管理データを保存するデータ保存手段と
を備えており、
前記制御手段が、前記気体の充填中に受け取る前記検出信号と、前記データ保存手段から読み出される当該容器に対応した前記管理データとを比較して、
該比較結果に基づいて当該容器の損傷を検出する構成とした
ことを特徴とする圧力容器の損傷検出装置。
【請求項９】
気体を収容するための金属またはプラスチック製の内殻に対して、該内殻を被覆して外殻を形成するために、該内殻の周囲に強化繊維を巻き付ける繊維巻き付け工程と、
前記強化繊維の巻き付け後に、樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と
を備えており、
少なくとも、前記樹脂硬化工程より前段において、周囲の応力変化を検出するためのセンサを配置し、
該センサを強化繊維および／または前記硬化樹脂により固定するようにした
ことを特徴とする圧力容器の製造方法。
【請求項１０】
前記樹脂硬化工程の後で、前記外殻表面に前記センサを固定することを特徴とする請求項９に記載の圧力容器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器状の内殻を繊維強化プラスチックで被覆した圧力容器とその製造方法ならびに圧力容器の損傷検出方法と損傷検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液化ガスや高圧ガスなどを充填するために、比較的肉厚の薄いプラスチックや金属の内殻（ライナー）に対して、繊維強化プラスチックで形成した外殻を備えた比較的軽量の圧力容器（所謂「ＦＲＰ圧力容器」）が使用されている。
【０００３】
この種の圧力容器は、種々のガスを充填されて様々な用途に用いられるものであるが、軽量で耐圧性能に優れるため、例えば、消防士が業務中に使用する空気を充填して携帯する空気ボンベなどにも使用されている。
ところで、このような圧力容器が外部からの衝撃や、外部環境の変化、例えば急激な温度上昇などにより損傷した場合には、きわめて深刻な事態を引き起こすことから、その損傷を防止するための技術も開発されて来ている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３０７９７号公報
【特許文献２】特開平１１−２３０３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの技術は、いずれも信号線（電線）や導電繊維をＦＲＰ層に含ませることを内容とするもので、該ＦＲＰ層が損傷したことを信号線の断線により知ろうとするものである。
このような構成においては、信号線の存在する部位に限り、その断線によって損傷を検知するものであるから、信号線が存在しない箇所に生じたＦＲＰ層の損傷は検出できないという欠点を有する。
しかも、信号線を含ませながら、内殻に強化繊維を巻き付ける工程も必要とされ、工程が複雑になるという問題もある。
【０００６】
さらに、上記した損傷はＦＲＰ層だけでなく、内部（内殻、すなわちライナー）にも生じるものであり、従来の手法は、そのような損傷を見つけようとする場合には不十分である。
特に、内殻に生じた損傷は、外部からの目視では検出できないことから、Ｘ線や超音波を用いた大がかりな深傷検査をするしかなく、検査頻度も限られてしまう。例えば消防士用の圧力容器では、法律により３年に一度の検査が義務付けられているが、その間の使用を考慮すると、検査期間の間隔が長い場合には、事故の頻度も増し、不安も増大するという種々の問題があった。
【０００７】
この発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、簡単な方法により、内殻、外殻を問わず、その損傷を検出できるようにした圧力容器とその製造方法ならびに圧力容器の損傷検出方法と損傷検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的は、第１の発明によれば、気体を収容するための金属またはプラスチック製の内殻と、該内殻を被覆する繊維強化プラスチックでなる外殻とを備える圧力容器であって、配置箇所周辺の応力状態が作用するように固定されることにより、周囲の応力変化を検出するようにしたセンサを具備する圧力容器により、達成される。
第１の発明の構成によれば、容器には、センサが配置されるが、特に配置個所の周囲の応力状態が作用するように固定されたセンサを備えるようにされている。したがって、なんらかの損傷により、センサ配置個所周囲の応力が変化した場合には、その応力変化を該センサが検出することで、損傷を知ることができる。したがって、損傷を受けやすい外殻において、微細で見過ごしかねない損傷なども検出することができる。さらには、内殻が損傷した場合においても、外部から視認できない損傷を検出することができるようにした圧力容器を提供することができる。
ここで、センサについて「配置個所周辺の応力状態が作用する」とは、例えば内殻に固定した場合には、当該内殻と応力的に一体とされ、外殻に固定した場合には、当該外殻と応力的に一体となり、その応力変化を検出できる状態をいう。また、センサ感度やセンサの種類などにより検出される応力変化の範囲は異なり、必要な検出範囲をカバーするために複数のセンサを設けてもよい。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記内殻と前記外殻との境界、もしくは前記外殻を構成する繊維強化プラスチックの内部、もしくは前記繊維強化プラスチック表面に、周囲の応力状態を検出するための前記センサを配置したことを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、センサについて配置個所周辺の応力状態が作用するように固定する態様として、該センサを外殻の中に配置する場合、すなわち、内殻に強化繊維を巻き付け、センサを配置後、さらに強化繊維を巻き付けるようにして形成すれば、特に外殻の応力変化を検出しやすい。さらにまた、外殻の表面にセンサを固定することで、特に外殻表面に近い損傷を検出するのに有利である。また、該センサを内殻と外殻の境界に固定して配置すると、特に深部である内殻の応力状態がセンサに伝わりやすく、また、外殻を形成する強化繊維により押しつけるように内殻表面に固定することで、内殻だけでなく、外殻の下層の応力状態もセンサに伝えられやすい。
【００１０】
第３の発明は、第１または２の発明のいずれかの構成において、前記センサが圧電材料を利用したピエゾセンサであることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、センサとして、ピエゾセンサを用いることにより、センサに作用する応力の変化を電気信号に変換して出力することができる。この場合、ピエゾセンサは、好ましい温度特性などに応じた種類のものを選択することにより、安定的に、かつ簡便に損傷の検出を行うことができる。
【００１１】
第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明の構成において、前記センサを複数個互いに離間して配置したことを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、前記センサに作用する応力の範囲を想定して、該範囲に対応して複数のセンサを配置することにより、信号線などを配置して電流を検出する従来技術ではなし得なかった容器のほぼ全ての範囲にわたる損傷検出を行うことができ、また、外殻の内部や、外殻と内殻の間など、異なる位置にそれぞれセンサを配置することで、外殻と内殻の損傷を個別に、しかも両方確実に検出することができる。
【００１２】
また、上記目的は、第５の発明にあっては、気体を収容するための金属またはプラスチック製の内殻と、該内殻を被覆する繊維強化プラスチックでなる外殻とを備える圧力容器の損傷を検出する検出方法であって、配置箇所周辺の応力状態が作用するように固定されることにより、周囲の応力変化を検出するようにしたセンサを用いるものであり、前記容器に気体を充填中に前記センサからの出力信号を検出し、該出力信号の変動パターンに基づいて、容器の損傷を検出するようにした圧力容器の損傷検出方法により、達成される。
第５の発明の構成によれば、前記気体を充填する過程で容器に作用する応力のパターンは、損傷をうけていない場合と、損傷を受けている場合とで、異なることから、そのような過程で出力される出力信号の変動パターンを検討することにより、容易に容器の損傷を知ることができる。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明の構成において、前記センサとして、圧電材料を利用したピエゾセンサを使用し、検出信号として、前記ピエゾセンサの共振周波数または反共振周波数のシフトを検出することを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、ピエゾセンサを利用した前記センサを用いると、気体充填中に見られる該ピエゾセンサの共振周波数または反共振周波数が、損傷による応力変化によりシフトすることから、損傷の有無を容易かつ確実に検出することができる。なお、ピエゾセンサの出力する出力信号と前記検出信号は同じである。
【００１４】
第７の発明は、第５または６のいずれかの発明の構成において、前記圧力容器ごとに、それぞれ前記気体充填中の検出信号の変動パターンを取得して、各変動パターンに対応した容器毎の管理データを保存し、前記気体の充填中に検出した前記検出信号を、該当する容器の前記管理データと対比し、該対比結果に基づいて、当該容器の損傷を判断することを特徴とする。
第７の発明の構成によれば、検査対象となる圧力容器毎に例えば管理コードのようなものを付与し、損傷のない状態における検出信号の変動パターンを対応させた管理データを予め保存することで、検査時に得られる出力信号の変動パターンを該管理データにおける過去の変動パターンと比較することにより、圧力容器毎に精密な検査結果を得ることができ、これらを保管することで、さらに有用な管理データを作成することができる。
【００１５】
さらにまた、上記目的は、第８の発明にあっては、圧力容器の損傷を検出する検出装置であって、配置箇所周辺の応力状態が作用するように固定されることにより、周囲の応力変化を検出するようにしたセンサから、前記容器に対する気体の充填中に、送出される出力信号を受け取る制御手段と、前記圧力容器ごとに、それぞれ前記気体充填中の検出信号の変動パターンを取得して、各変動パターンに対応した容器毎の管理データを保存するデータ保存手段とを備えており、前記制御手段が、前記気体の充填中に受け取る前記検出信号と、前記データ保存手段から読み出される当該容器に対応した前記管理データとを比較して、該比較結果に基づいて当該容器の損傷を検出する構成とした圧力容器の損傷検出装置により、達成される。
第８の発明の構成によれば、容器への気体を充填する作業を行いながら、前記制御手段が前記センサから、その時の容器の状態における応力に対応した検出信号を受け取る。制御手段はさらに、前記データ保存手段から前記管理データを読み出して、当該容器の過去の検出信号における変動パターンを受け取り、これらを比較して、一定以上の変化があった際には、これを容器に発生した損傷によるものと判断することができる。
したがって、容器への気体充填に際して、当該容器の損傷を容易に判断することができる容器の損傷検出装置を得ることができる。
【００１６】
また、上記目的は、第９の発明にあっては、気体を収容するための金属またはプラスチック製の内殻に対して、該内殻を被覆して外殻を形成するために、該内殻の周囲に強化繊維を巻き付ける繊維巻き付け工程と、前記強化繊維の巻き付け後に、樹脂を硬化させる樹脂硬化工程とを備えており、少なくとも、前記樹脂硬化工程より前段において、周囲の応力変化を検出するためのセンサを配置し、該センサを強化繊維および／または前記硬化樹脂により固定するようにした圧力容器の製造方法により、達成される。
第９の発明の構成によれば、圧力容器の製造工程において、少なくとも樹脂の硬化工程よりも前に該容器を構成する内殻や、外殻の中、あるいは外殻表面に前記センサを配置することで、該センサが、強化繊維により容器の内殻表面に押しつけられ、あるいは外殻を構成する強化繊維自体に押しつけられ、もしくは、外殻表面に硬化樹脂により押しつけられることで、周囲の応力変化が作用するように固定される。
これにより、容器に生じた損傷をセンサにより検出することができるようにした圧力容器を容易に製造することができる。
第１０の発明は、第９の発明の構成において、前記樹脂硬化工程の後で、前記外殻表面に前記センサを固定することを特徴とする。
第１０の発明によれば、樹脂硬化の後で外殻と一体となるように前記センサを外殻表面に接着などで固定することにより、該センサは周囲の応力変化が作用するように固定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明の好適な実施の形態を添付図面等を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００１８】
図１は本発明の圧力容器の好適な実施形態の概略構成図であり、一部を破断して、その内部構造を示すものである。
図において、圧力容器１０は、例えば天然ガスや水素、窒素、酸素、アルゴンガス、ヘリウムガス、アセチレンガスなどの気体を大気圧（１気圧）から、数百気圧の高圧で収容するものである。これにより、天然ガスボンベや水素ボンベなどとして使用することもできるが、以下の説明では、空気を充填した消防用の空気ボンベについて主として説明する。
【００１９】
圧力容器１０の内殻１１は、上記各種気体などを収容するのに好適な容器形状の内殻１１と、この内殻１１の外側を被覆する外殻１２を有している。圧力容器１０の一端もしくは両端には、ホースなどと接続する口金となる接続部１４，１４が設けられている。
内殻１１は、ライナーであり、アルミニウム、チタン、鋼鉄などの金属や高密度ポリエチレンなどの合成樹脂により形成されている。具体的には、収容するガスの種類に対応して、その透過性などを考慮するとともに、使用環境温度などの条件より選択された材料を用いて、さらに内殻１１の厚みは、充填する空気の内圧に対応して数ミリ程度の厚みが設定される。この実施形態では、内殻１１は、消防士が背負って携帯するのに適した大きさとされている。
【００２０】
外殻１２は、耐圧殻であり、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）により形成されている。使用される合成樹脂としては、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリプロピレンテレフタレート樹脂など種々のものが単体で、あるいは複合して使用でき、後述する製造工程では、熱硬化性のものが使用されている。また、合成樹脂と一体になって外殻１２を構成する強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維などが使用される。
【００２１】
図１の部分拡大図に示すように、圧力容器１０には、センサ１３が固定されている。センサ１３は、特に圧力容器１０への配置個所の周辺もしくは全体にかかる応力が作用するように固定され、この応力を検出することができるものが使用される。センサ１３としては、例えば、圧電材料を用いたピエゾセンサ、圧力センサ、歪みゲージなどを用いることができ、この実施形態ではピエゾセンサを使用している。
【００２２】
図２は、圧力容器１０にセンサとしてのピエゾセンサ１３を固定する様子を示すものである。
後述する製造工程で詳しく説明するように、内殻１１の少なくとも胴部周囲には、強化繊維１５が巻き付けられる。
図２の例では、ピエゾセンサ１３は、後述するピエゾ素子を露出させるようにして、内殻１１の表面に載置、ないしは接着剤などを用いて固定された後で、この上から強化繊維１５が巻回されるようになっている。ピエゾセンサ１３のコード１６ａ，１６ｂは容器外部に引き出されている。
これにより、ピエゾセンサ１３は、内殻１１と外殻１２の境界に配置され、かつ強化繊維１５により内殻１１の表面に押しつけられている。このことにより、内殻１１と応力的に一体とされ、内殻１１が損傷することで、内殻１１の特定箇所もしくは全体に関して応力変化が生じた際に、その変化した応力がピエゾセンサ１３に作用するようになっている。ピエゾセンサ１３の構造は、後で詳しく説明する。
【００２３】
ここで、ピエゾセンサ１３は、図２のように、内殻１１と外殻１２との境界に配置してもよく、そうでない場合には、外殻１２を構成する繊維強化プラスチックの内部に配置してもよく、あるいは、ピエゾセンサ１３を繊維強化プラスチック表面に配置してもよい。あるいはまた、センサ感度やセンサの種類などにより検出される応力変化の範囲が異なる場合には、必要な検出範囲をカバーするために複数のセンサないしはピエゾセンサ１３を設けてもよい。
さらには、これらの各位置から選択した複数の箇所にそれぞれピエゾセンサ１３を固定してもよい。
【００２４】
本実施形態の圧力容器１０は以上のように構成されており、この圧力容器１０には、配置個所の周囲の応力状態が作用するように固定されたピエゾセンサ１３を備えるようにされている。したがって、外殻１２がなんらかの損傷を受け、ピエゾセンサ１３の配置個所周囲の応力が変化した場合には、その応力変化をピエゾセンサ１３が検出することで、損傷を知ることができる。したがって、外殻１２の損傷であっても、微細で見過ごしかねない損傷なども検出することができ、あるいは、ピエゾセンサ１３の配置態様によっては、内殻１１が損傷した場合においても、外部から視認できない損傷を検出することができる圧力容器１０を提供することができる。
【００２５】
さらに、図２のように、ピエゾセンサ１３について配置個所周辺の応力状態が作用するように固定する態様として、該ピエゾセンサ１３を外殻１２の中に配置する場合、すなわち、内殻１１に強化繊維１５を巻き付け、ピエゾセンサ１３を配置後、さらに強化繊維１５を巻き付けるようにして形成すれば、特に外殻１２の応力変化を検出しやすい。さらにまた、外殻１２の表面にピエゾセンサ１３を固定することで、特に外殻１２表面に近い損傷を検出するのに有利である。また、該ピエゾセンサ１３を内殻１１と外殻１２の境界に固定して配置すると、特に深部である内殻１１の応力状態がセンサに伝わりやすく、また、外殻１２を形成する強化繊維１５により押しつけるように内殻１１表面に固定することで、内殻１１だけでなく、外殻１２の下層の応力状態もセンサに伝えられやすい。
【００２６】
（圧力容器の製造方法の実施形態）
次に図１の圧力容器の製造方法の一例を説明する。
（ライナーの形成工程）
図３は、合成樹脂により内殻１１を形成する一例を示している。既に説明した合成樹脂材料を用いて、円筒状の胴部１１−１を形成し、その両端に位置するドーム状の部分１１−２，１１−２をそれぞれ形成する。次いで、円筒状の部分１１−１の両側にドーム状の部分１１−２，１１−２をそれぞれ融接することにより、合成樹脂製のライナーを形成して内殻１１を得る。
なお、これに限らず、合成樹脂製のライナーは、溶融した合成樹脂材料の内部に空気を吹き込んでブロー成形する方法や、回転成形などにより形成する方法もある。
【００２７】
あるいは、既に説明した種類の金属を用いて形成する方法もある。
金属ライナーは、円盤状の金属ビレットを押しだし成形し、スピニングかスエージングすることにより形成することができる。その他、金属の円形の板材を用いたり、シームレス管を用いて形成することができるが、これらは全て公知の手法である。
【００２８】
図４は、金属ライナーによる内殻１１の周囲に外殻１２を形成した断面を示している（外殻１２の形成法は後述）。該形状を形成後に、自緊処理のため、内殻１１の内側から周方向の外方に向かって、過大な内圧をかけると、外殻１２は引っ張り弾性変形し、内殻１２は圧縮の塑性変形を起こす。その内圧を除荷すると、内殻１１には圧縮残留応力、外殻１２には引張残留応力を生じる。これにより強靱な構造を得ることができるが、この応力は圧力容器１０の形成時に固定したピエゾセンサ１３に基本的な応力場として作用することになる。したがって、内殻１１を金属で形成する場合に、このような手法を付加してもよい。
【００２９】
（外殻形成工程）
（繊維巻き付け工程）
次に、外殻１２を形成するために内殻１１の周囲に、強化繊維１５を巻回する。
図５は、強化繊維１５の巻回法の代表例を示している。
図５（ａ）は、内殻１１の円筒部の円周方向を強化するために行われるフープ巻きであり、円筒部の短手に沿って外周を周回するように巻き上げるものである。
図５（ｂ）はヘリカル巻きであり、内殻１１の円筒部および鏡部を強化するために、内殻１１の長手方向に沿って、斜めに傾斜した向きで周回させることにより巻き上げる方法である。
【００３０】
図６は、この強化繊維１５の巻回と同時に溶融樹脂の塗布を行うための製造装置（フィラメントワインディング成形機）２０の一例を示している。
図６において、製造装置２０の繰り出しロール２２には、炭素繊維などでなる強化繊維１５が収容されており、樹脂含浸漕２３に向かって繰り出すことができるようになっている。樹脂含浸層２３内には、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が溶融状態で収容されており、強化繊維１５は、この樹脂含浸層２３内にて熱硬化性樹脂を塗布されて、繰り出しヘッド２４に送られるようになっている。
【００３１】
繰り出しヘッド２４には、制御手段２１が接続されており、さらに、この制御手段２１は、内殻１１の回転駆動手段２５と接続されている。
制御手段２１は、例えば、コンピュータ（パソコン）と、ＮＣコントローラを含み、ＮＣ制御により繰り出しヘッド２４を矢印Ｘと、Ｙの方向にそれぞれ駆動する駆動手段を制御するとともに、回転駆動手段２５を制御して、内殻１１をその長軸に沿った中心軸周りの矢印方向に回転駆動させるようになっている。
【００３２】
かくして、内殻１１の周囲には、溶融状態の熱硬化性樹脂が塗布された強化繊維１５が、図５で説明したヘリカル巻きおよび／またはフープ巻きにより巻回される。
この工程において、例えば、図２で説明したピエゾセンサ１３が内殻１１の表面に配置され、その上から、強化繊維１５が巻回される。あるいは、例えば、内殻１１の周囲に強化繊維１５がヘリカル巻きされた後で、その上にピエゾセンサ１３が載置され、その上からさらに、強化繊維１５がフープ巻きされる。あるいはまた、強化繊維１５の巻回が終了した後で、その上にピエゾセンサ１３が載置固定される。
【００３３】
（樹脂硬化工程）
続いて、内殻１１の周囲に強化繊維１５が巻回され、ピエゾセンサ１３が上記したいずれかの態様で配置された状態で、加熱されると、熱硬化性樹脂が硬化される。この過程で、溶融樹脂は強化繊維１５と一体になって、外殻１２を形成する。
加えて、この過程で、上記したいずれかの態様で配置されたピエゾセンサ１３も固定される。
以上により、図１の圧力容器１０を完成することができる。
そして、この製造方法の実施形態によれば、少なくとも樹脂の硬化工程よりも前に内殻１１や、外殻１２の内部、あるいは外殻１２表面にピエゾセンサ１３を配置することで、該センサが、強化繊維１５により内殻１１表面に押しつけられ、あるいは外殻１２を構成する強化繊維１５自体に押しつけられ、もしくは、外殻１２表面に硬化した樹脂により押しつけられるようにして、周囲の応力場が作用するように固定される。
これにより、容器に生じた損傷をピエゾセンサ１３により検出することができるようにした圧力容器１０を、従来の製造工程を大きく変更することなく、製造装置もほぼ従来のままで、容易に製造することができる。
【００３４】
さらに、他の有効な製造方法としては、樹脂硬化工程の後で、すなわち、圧力容器１０（センサを含まない状態）を完成した後で、その外角１２の表面にピエゾセンサ１３を接着などにより固定してもよい。
この場合、あまり深い位置の損傷を検出しにくい不都合がある反面、製造がきわめて容易となる利点がある。
【００３５】
次に、図１の圧力容器１０の損傷を検出する方法の実施形態と、損傷検出装置の実施形態について、図７ないし図１１を参照しながら説明する。
最初に、図７を参照して、ピエゾセンサ１３により圧力容器１０の損傷を検出するための検出回路の構成例について説明する。
図７において、検出回路４０の発振器４６と周波数カウンタ４５とは抵抗４３，４３に並列に接続されており、さらに抵抗４３，４３を介して、電圧計４１が接続されている。抵抗４３，４３の間には、スイッチング手段４２が設けられ、ピエゾセンサ１３であるピエゾ素子４４と、衡正用の可変抵抗４７とを切り替えるようになっている。
発振器４６は、ピエゾ素子４４を駆動するための交流電圧を生成する。周波数カウンタ４５は、ピエゾ素子４４が励振されて生成される周波数を検出する。抵抗４３，４３はピエゾ素子４４へ印加される駆動電圧を一定にするためのものである。ピエゾ素子４４のインピーダンスに比べて、抵抗４３の抵抗値が十分に大きければ、電圧計４１で計測される電圧Ｖの値は、ピエゾ素子４４のインピーダンスに比例する。
【００３６】
ここで、ピエゾ素子４４は、印加される駆動電圧の周波数が、素子の弾性固有振動数に一致すると強く励振される共振周波数をもつ。図８の符号Ｆｒの位置はこの共振周波数であり、符号Ｆａの位置は反共振周波数である。
ピエゾ素子４４は、圧電材料により形成される素子を用いることができ、たとえば、チタン酸バリウムや、チタン酸ジルコン酸鉛などで形成される。
すなわち、図２で説明したピエゾセンサ１３はこの回路のピエゾ素子４４と同じもので、この部分が露出されて、圧力容器１０の内殻１１や外殻１２に触れるように固定されることは言うまでもない。
圧力容器１０が損傷を受けると、これにより応力場が変化し、その応力変化がピエゾセンサ１３（ピエゾ素子４４）に作用すると、図８の共振周波数の位置Ｆｒおよび反共振周波数の位置Ｆａが横軸方向にシフトする。
【００３７】
具体的には、この実施形態で使用されるピエゾセンサ１３を構成するためのピエゾ素子として、長さ３２ｍｍ、幅２２ｍｍ、厚み０．３ｍｍのチタン酸ジルコン酸鉛によるピエゾ素子を使用して、内殻１１の周囲に、図５で説明したように、強化繊維１５をフープ巻きとヘリカル巻きを交互に繰り返して、複数、もしくは多数層巻き付け、該最外層の直下となる箇所に、該ピエゾ素子をその長手方向が容器長手方向と一致するように配置し、その上から最外層をフープ巻きとして、外殻１２を構成する強化繊維１５の層を形成した。その後、樹脂硬化工程を行った。
該ピエゾ素子の電気機械結合係数は４３パーセント、圧電歪係数は１３５、電圧出力定数は１９×１０−３Ｖ・ｍ／Ｎ、ヤング率は１１×１０１０Ｎ／ｍ２、比誘電率は８００、周波数定数２１３０Ｈｚ・ｍとしたものである。
【００３８】
図９は、上記ピエゾ素子４４を利用して、図８の周波数シフトが生じることを確認したものである。
上記ピエゾ素子４４（ピエゾセンサ１３）について図７の検出回路４０を用いて、その厚み方向の振動の共振周波数を測定した。
ピエゾセンサ１３を備える圧力容器１０の容器内に水を満たし、内部の水圧を２ＭＰａ（メガパスカル）から、上限を２０ＭＰａまで高める水圧サイクル試験を１サイクルから５０１サイクルまで実施した。この昇圧中に検出された共振周波数を図９に記録したものである。
【００３９】
このサイクル試験においては、１００回目の昇圧後と、５００回目の昇圧後に、プロパンガスバーナーを用いて、圧力容器１０の表面を各３０秒間局所加熱した。この時、圧力容器１０の表面は、熱電対にて測定したところ、摂氏７００度以上に達し、確実に熱による損傷を与えている。
図示されているように、１００サイクル目と１０１サイクル目において、さらに５００サイクル目と５０１サイクル目の各サイクル間において、顕著な共振周波数のシフトが見られ、ピエゾセンサ１３による損傷の検出が可能であることが確認された。
【００４０】
図１０は、ピエゾセンサ１３を用いて圧力容器１０の損傷検出を行うための損傷検出装置の一例であり、図１１は、損傷検出方法の実施形態の概略を示すフローチャートである。
この実施形態の前提として、応力変化により損傷を検出する場合には、以下の点が前提となる。
すなわち、圧力容器１０の残留応力は、個々の容器の製造時において、各圧力容器ごとに固有の値となることから、損傷の検出に応力変化を利用する場合には、個々の圧力容器に関して、現在の応力状態と過去の応力状態とを比較して、その間に損傷があったか否かを判断する。
また、圧力容器１０の応力状態は、同一の内圧条件で比較することになるので、この実施形態では、製造後に最初に空気を充填した際における特定の内圧の時点で、応力状態を検出し、以後、再充填する際に、その特定の内圧まで充填した時点での応力状態を測定して、変化の有無を検出するものである。
【００４１】
図１０において、圧力容器の損傷検出装置３０は、演算装置でなる制御手段３２と、メモリなどでなるデータ保存手段３３とを有している。
圧力容器１０のピエゾセンサ１３は、制御手段３２と接続されている。データ保存手段３３も制御手段３２と接続され、さらに好ましくは、モニタなどの出力手段３４も制御手段３２と接続されている。
さらに、図１０の構成においては、コンプレッサー３１が圧力容器１０に接続されており、このコンプレッサー３１から圧力容器１０へ空気が充填される過程で、圧力容器１０の応力場の変化がピエゾセンサ１３により検出されるようになっている。
【００４２】
制御手段３２は、所定の検査手順を行うためのソフトウエアを格納して、これを実行する演算機能およびその機能実行のための作業領域としての一時保存用メモリなどを有し、さらに、図７で説明した検出回路４０を含んでいる。
制御手段３２は、例えば、圧力容器１０に最初に空気を充填した際に、当該圧力容器１０宛に管理コードを付与する。管理コードは、当該容器に必ず存在する製造番号を利用することができる。そして、圧力容器１０に空気を充填中に、ピエゾセンサ１３から受け取る検出信号に関するデータを上記管理コードと関連付けて記録し、管理データとしてデータ保存手段３３に格納する。
【００４３】
後述するように、以後の検査時においては、制御手段３２は、コンプレッサー３１による空気充填作業を開始すると、この管理データに基づいて、その管理コードに対応した当該圧力容器１０の過去の検出信号の記憶をデータ保存手段３３から読み出して、作業中にピエゾセンサ１３から受け取る検出信号と比較する機能を有する。
出力手段としてのたとえばモニタ３４は、検査作業結果を画像化し、検査者が確認しやすいようにする。
【００４４】
損傷検出装置３０は以上のように構成されており、次に、図１１を参照しながら、損傷検出方法の実施形態について説明する。
この検査は、例えば、圧力容器１０が、消防用の空気容器である場合には、その業務に関して出動があり、当該空気容器に空気を再充填して次回の出動に備える際に行うと便利である。
図１１において、図１０で説明したコンプレッサー３１により空気の充填が開始されると（ＳＴ１１）、その充填中の圧力容器１０の応力場の変化に対応した検出信号がピエゾセンサ１３から送られるので、制御手段３２は、当該検出信号に関するデータを取得する（ＳＴ１２）。
【００４５】
次に、制御手段３２は、データ保存手段３３から、管理コードに対応した過去の検出データを読み出し、今回の検出データと比較する（ＳＴ１３）。
比較結果が、予め定めた閾値を超えて変化していなければ、検査結果に問題がないとして合格判定し（ＳＴ１４）、空気の充填を終えたら、再使用に備える。
ＳＴ１３において、今回の検出データが上記閾値を超えて変化していた場合には、損傷の疑いがあるとの判断をし、精密検査に送る決定をする。
【００４６】
精密検査においては、Ｘ線や超音波による深傷検査を含み、当該精密検査において、異常がないことが判明したら（ＳＴ１５）、ＳＴ１４と同様に再使用に備える。ＳＴ１５で再度損傷の疑いがある場合には、例えば、廃棄決定を行う（ＳＴ１６）。
この検査方法においては、ＳＴ１３における比較について、制御手段３２は、常に検出されたデータ毎にデータ保存手段に検出データを保存させておき、空気充填に際しては、必ず前回の空気充填時の検出データと比較するようにしてもよい。
【００４７】
あるいは、データ保存は前回検出分だけでなく、空気充填作業の一定回数ごとに１回の検出データを蓄積しており、ＳＴ１３の比較においては、直近の検出データだけでなく、このように蓄積された過去のデータとも比較するようにしてもよいし、製造後最初に記録されたデータを長期間もしくは永久に保持しておいて、これを基本データとして比較するようにしてもよい。
すなわち、圧力容器１０は、通常の使用においてもきわめて微少な欠陥の蓄積により経時劣化するので、このような経時劣化がＳＴ１３の判断に与える影響をできるだけ回避するために、直近の検出データだけでなく、古いデータを用いると好ましい。
【００４８】
本発明は、上述の実施の形態に限定されない。さらに、上述の実施の形態の各構成はその一部を省略してもよいし、図示しない他の構成と組み合わせて構成するようにしてもよい。
また、図７の検出回路は、損傷検出装置側ではなく、ピエゾセンサ１３側に組み込むようにしてもよい。
またその場合、ピエゾ素子の駆動電圧は、外部からの磁界の作用により、電磁誘導の原理で生成されるようにし、ピエゾ素子の検出信号は電磁波により外部に発信されるようにすることで、非接触で圧力容器の損傷検出を行うようにしてもよい。
上述の実施形態は、消防用の空気容器について説明したが、これに限らず、窒素やアルゴンガス、さらには水素など、種々の気体を充填した圧力容器に応用してもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力容器の構造を示す図。
【図２】図１の圧力容器にピエゾセンサを配置する様子を示す説明図。
【図３】図１の圧力容器の内殻を形成する一例を示す説明図。
【図４】図１の圧力容器に残留応力を作用させた例を示す説明図。
【図５】図１の圧力容器の内殻に対して、強化繊維を巻回する手法を示す説明図。
【図６】図１の圧力容器の製造装置の実施形態を示す構成図。
【図７】図１の圧力容器に備えるピエゾ素子の検出回路の構成例を示す回路図。
【図８】図１の圧力容器において、ピエゾセンサが検出する共振周波数を説明するための図。
【図９】図１の圧力容器の損傷をピエゾ素子で検出できることを示す図。
【図１０】図１の圧力容器の損傷検出装置の実施形態の構成を示す図。
【図１１】図１の圧力容器の損傷検出方法の実施形態を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００５０】
１０・・・圧力容器、１１・・・内殻、１２・・・外殻、１３・・・ピエゾセンサ、１５・・・強化繊維、２０・・・製造装置、３０・・・損傷検出装置、４０・・・検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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