(57)【要約】【課題】圧力容器及びその製造方法において、表面に強化繊維が交差してなる強化層を容易に形成可能とする。【解決手段】中空ドーナツ形状をなす金属製のライナ１１と、このライナ１１の周方向Ｂに沿うプリプレグ３１が樹脂により硬化されてライナ１１の外側を被覆する第１強化層１２と、このライナ１１の軸方向Ａに沿う炭素繊維トウ４２が樹脂により硬化された複数のプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂとしてライナ１１（第１強化層１２）の外側を被覆する第２強化層１３とを設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空ドーナツ形状をなす金属製のライナと、
前記ライナの周方向に連続する強化繊維が樹脂により硬化されて前記ライナの外側を被覆する第１強化層と、
前記ライナの軸方向に連続する強化繊維が樹脂により硬化された複数のプリキュア部材として前記ライナの外側を被覆する第２強化層と、
を備えることを特徴とする圧力容器。
【請求項２】
強化繊維の連続する方向で交差する複数の強化層が２層以上積層されることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
【請求項３】
前記第２強化層は、前記ライナの軸方向に連続するリング形状をなすと共に、前記周方向で分割される少なくとも２つのプリキュア部材からなることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力容器。
【請求項４】
中空ドーナツ形状をなす金属製のライナの表面に該ライナの周方向に樹脂が含浸された強化繊維を連続して巻き付けた後に硬化させて第１強化層を形成する工程と、
冶具に樹脂が含浸された強化繊維を巻き付けてから硬化させることで強化繊維が前記ライナの軸方向に連続する複数のプリキュア部材を製造する工程と、
前記ライナの第１強化層の表面を前記複数のプリキュア部材により被覆してから硬化させることで第２強化層を形成する工程と、
を有することを特徴とする圧力容器の製造方法。
【請求項５】
冶具に樹脂が含浸された強化繊維を巻き付けてから硬化させることで強化繊維が前記ライナの軸方向に連続する複数のプリキュア部材を製造する工程と、
中空ドーナツ形状をなす金属製のライナの表面を前記複数のプリキュア部材により被覆してから硬化させることで第２強化層を形成する工程と、
前記ライナの第２強化層の表面に該ライナの周方向に樹脂が含浸された強化繊維を連続して巻き付けた後に硬化させて第１強化層を形成する工程と、
を有することを特徴とする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、ヘリウムや酸素など大気圧より高い圧力の流体を収容可能な圧力容器及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧流体を収容可能な圧力容器は、一般的に、口金部を有して中空形状をなす金属製のライナの外周面に、繊維強化プラスチックなどの補強層が形成されて構成されている。この場合、補強層は、フィラメントワインディング法により形成される。このフィラメントワインディング法は、樹脂を含浸させた強化繊維を、ライナの表面に張力を付与しながら交差するように巻き付け、樹脂を硬化させて成形する方法である。
【０００３】
従来の圧力容器及びその製造方法としては、例えば、下記特許文献１〜３に記載されたものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３８２５３６号公報
【特許文献２】特公平０３−０２８３０１号公報
【特許文献３】特公平０４−０３７７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、圧力容器の形状としては、従来、円筒形状が一般的である。しかし、この圧力容器を搭載する機器が円柱形状であるとき、円筒形状をなす圧力容器よりも中心部が空洞となるドーナツ形状の圧力容器の方が搭載性に有利な場合がある。しかし、ドーナツ形状の圧力容器を製造する場合、ドーナツ形状をなすライナの表面に張力を付与しながら強化繊維を交差するように巻き付けることは困難である。
【０００６】
本発明は上述した課題を解決するものであり、表面に強化繊維が交差してなる強化層を容易に形成可能な圧力容器及びその製造方法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】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の圧力容器は、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナと、前記ライナの周方向に連続する強化繊維が樹脂により硬化されて前記ライナの外側を被覆する第１強化層と、前記ライナの軸方向に連続する強化繊維が樹脂により硬化された複数のプリキュア部材として前記ライナの外側を被覆する第２強化層と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
従って、ライナの周方向に強化繊維を巻き付けて硬化させることで第１強化層を形成する一方、ライナの軸方向に連続する強化繊維が事前に硬化されてプリキュア部材を形成し、このプリキュア部材によりライナの外側を被覆することで第２強化層を形成することから、強化繊維が交差する２つの強化層を容易に形成することができる。
【０００９】
本発明の圧力容器では、強化繊維の連続する方向で交差する複数の強化層が２層以上積層されることを特徴としている。
【００１０】
従って、強化繊維が交差する２つ以上の強化層を形成することで、圧力容器の耐圧性を向上することができる。
【００１１】
本発明の圧力容器では、前記第２強化層は、前記ライナの軸方向に連続するリング形状をなすと共に、前記周方向で分割される少なくとも２つのプリキュア部材からなることを特徴としている。
【００１２】
従って、強化繊維がライナの周方向に連続する２つのプリキュア部材によりライナの表面を適正に被覆することができ、この場合、２つのプリキュア部材を用いることで、製作性及び組付性を向上することができる。
【００１３】
また、本発明の圧力容器の製造方法は、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナの表面に該ライナの周方向に樹脂が含浸された強化繊維を連続して巻き付けた後に硬化させて第１強化層を形成する工程と、冶具に樹脂が含浸された強化繊維を巻き付けてから硬化させることで強化繊維が前記ライナの軸方向に連続する複数のプリキュア部材を製造する工程と、前記ライナの第１強化層の表面を前記複数のプリキュア部材により被覆してから硬化させることで第２強化層を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
【００１４】
従って、ライナの周方向に強化繊維を巻き付けて硬化させることで第１強化層を形成する一方、ライナの軸方向に連続する強化繊維を事前に硬化されてプリキュア部材を形成し、このプリキュア部材によりライナの外側を被覆することで第２強化層を形成することから、強化繊維が交差する２つの強化層を容易に形成することができる。
【００１５】
また、本発明の圧力容器の製造方法は、冶具に樹脂が含浸された強化繊維を巻き付けてから硬化させることで強化繊維が前記ライナの軸方向に連続する複数のプリキュア部材を製造する工程と、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナの表面を前記複数のプリキュア部材により被覆してから硬化させることで第２強化層を形成する工程と、前記ライナの第２強化層の表面に該ライナの周方向に樹脂が含浸された強化繊維を連続して巻き付けた後に硬化させて第１強化層を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
【００１６】
従って、ライナの軸方向に連続する強化繊維が事前に硬化されてプリキュア部材を形成し、このプリキュア部材によりライナの外側を被覆することで第２強化層を形成する一方、ライナの周方向に強化繊維を巻き付けて硬化させることで第１強化層を形成することから、強化繊維が交差する２つの強化層を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の圧力容器及びその製造方法によれば、中空ドーナツ形状をなすライナの外側に強化繊維が交差する２つの強化層を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る圧力容器を表す一部切欠概略図である。
【図２】図２は、本実施例の圧力容器の製造方法の手順を表すフローチャートである。
【図３】図３は、本実施例の圧力容器の製造方法を表す概略図である。
【図４】図４は、本実施例の圧力容器の製造方法を表す概略図である。
【図５】図５は、本実施例の圧力容器の製造方法を表す概略図である。
【図６】図６は、本実施例の圧力容器の製造方法を表す概略図である。
【図７】図７は、本実施例の圧力容器の製造方法を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る圧力容器及びその製造方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００２０】
図１は、本発明の一実施例に係る圧力容器を表す一部切欠概略図、図２は、本実施例の圧力容器の製造方法の手順を表すフローチャート、図３乃至図７は、本実施例の圧力容器の製造方法を表す概略図である。
【００２１】
本実施例の圧力容器は、流体を充填するものであり、ドーナツ形状をなしている。この場合、ドーナツ形状をなす圧力容器は、中央部が空洞となっていることから、ここに各種機器を配置することができる。また、ドーナツ形状をなす圧力容器は、複数積層すると共に各容器を連通して使用することもできる。なお、圧力容器内に充填する流体としては、作動流体や燃料などとして利用可能なヘリウム、水素、酸素などがある。
【００２２】
本実施例にて、図１に示すように、圧力容器１０は、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナ１１と、このライナ１１の周方向Ｂに連続する強化繊維が樹脂により硬化されてライナ１１の外側を被覆する第１強化層１２と、ライナ１１の軸方向Ａに連続する強化繊維が樹脂により硬化された複数のプリキュア部材としてライナ１１（第１強化層１２）の外側を被覆する第２強化層１３と、ライナ１１の周方向Ｂに連続する強化繊維が樹脂により硬化されてライナ１１（第２強化層１３）の外側を被覆する第３強化層１４とにより構成されている。
【００２３】
なお、上述した軸方向Ａとは、圧力容器１０が中央部に空洞部を有し、本体が周方向に連続するドーナツ形状（リング形状）をなすことから、その円周に沿った方向である。また、周方向Ｂとは、圧力容器１０の軸方向Ａに直交（交差）する断面がほぼ円形断面（子午面）をなすことから、この円形断面にて外周方向に沿った方向である。
【００２４】
ライナ１１は、チタンやアルミニウムなどの金属材料から構成され、上部に２つの孔部２１，２２が形成されている。この孔部２１，２２は、内部に流体を供給する供給口、または、内部の流体を排出する排出口として利用される。なお、孔部２１，２２は、１つでも、３つ以上であってもよい。
【００２５】
第１強化層１２は、強化繊維としてのプリプレグをライナ１１の外周面に周方向Ｂに沿って巻き付けた後、硬化することでこのライナ１１の外側を被覆して強化するものである。ここで、プリプレグとは、炭素繊維（またはガラス繊維など）を同じ方向にそろえた帯状または短冊状の炭素繊維帯状物に、樹脂（エポキシ樹脂など）を含浸させ、半硬化させて成形したものである。
【００２６】
第２強化層１３は、フィラメントワインディング法を用いて、強化繊維を所定の張力により冶具にライナ１１の軸方向Ａに沿って巻き付けた後、硬化させることで複数のプリキュア部材を形成し、各プリキュア部材により第１強化層１２の外側を被覆してライナ１１を強化するものである。本実施例にて、第２強化層１３は、ライナ１１の軸方向Ａに連続するリング形状をなすと共に、周方向Ｂで４つに分割される４つのプリキュア部材からなる。
【００２７】
ここで、フィラメントワインディング法とは、ワイヤ状の炭素繊維を１〜数十本引き揃え、樹脂（エポキシ樹脂など）を含浸させながら、回転する冶具（金型／マンドレルなど）に巻き付けた後、硬化させてから脱型する成形法である。また、プリキュア部材とは、上述したフィラメントワインディング法による成形過程で、冶具に巻き付けた炭素繊維を樹脂により硬化させたものである。
【００２８】
第３強化層１４は、強化繊維としてのプリプレグを第２強化層１３の外周面に周方向Ｂに沿って巻き付けた後、硬化することでこの第２強化層１３の外側を被覆して強化するものである。ここで、第３強化層１４は、第１強化層１２と同じ強化繊維配列となっている。
【００２９】
ここで、本実施例の圧力容器の製造方法について、図２のフローチャート及び図３乃至図７の概略図を用いて説明する。
【００３０】
本実施例の圧力容器の製造方法は、図２に示すように、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナ１１を製造する工程（Ｓ１１）と、このライナ１１の表面にライナ１１の周方向Ｂに樹脂が含浸されたプリプレグを連続して巻き付けた後に硬化させて第１強化層１２を形成する工程（Ｓ１２〜Ｓ１４）と、冶具に樹脂が含浸された強化繊維を巻き付けてから硬化させることで強化繊維がライナ１１の軸方向Ａに連続する複数のプリキュア部材を製造する工程（Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３３）と、ライナ１１の第１強化層１２の表面を複数のプリキュア部材により被覆してから硬化させることで第２強化層１３を形成する工程（Ｓ４１〜Ｓ４２）と、ライナ１１の第２強化層１３の表面にライナ１１の周方向Ｂに樹脂が含浸されたプリプレグを連続して巻き付けた後に硬化させて第３強化層１４を形成する工程（Ｓ４３〜Ｓ４５）とから構成されている。
【００３１】
即ち、まず、工程（Ｓ１１）にて、チタンや他の材料を用いて中空ドーナツ形状をなすライナ１１を製造し、上部に２つの孔部２１，２２を形成する。次に、図３に示すように、工程（Ｓ１２）にて、プリプレグ３１を所定の幅にカット（切断）し、工程（Ｓ１３）にて、所定幅のプリプレグ３１をライナ１１の外周面に周方向Ｂに沿って、実際には、隙間なくらせん方向に沿って巻き付ける。そして、工程（Ｓ１４）にて、表面に全周に渡ってプリプレグ３１の樹脂を硬化させることで、このライナ１１の外側を被覆する第１強化層１２を形成する。
【００３２】
また、工程（Ｓ２１）にて、図４に示すように、第１冶具４１の円弧表面に炭素繊維トウ４２を所定の張力をもってらせん状に巻き付け、工程（Ｓ２２）にて、第１冶具４１の表面に炭素繊維トウ４２が巻き付けられたものを樹脂で硬化させ、工程（Ｓ２３）にて、脱型してトリム／仕上げを行うことで、第２強化層１３を構成する２つのプリキュア部材４３ａ，４３ｂを形成する。また、工程（Ｓ３１）にて、図５に示すように、第２冶具４４の円弧表面に炭素繊維トウ４２を所定の張力をもってらせん状に巻き付け、工程（Ｓ３２）にて、第２冶具４４の表面に炭素繊維トウ４２が巻き付けられたものを樹脂で硬化させ、工程（Ｓ３３）にて、脱型してトリム／仕上げを行うことで、第２強化層１３を構成する２つのプリキュア部材４５ａ，４５ｂを形成する。
【００３３】
この場合、プリキュア部材４３ａ，４３ｂは、同形状をなすものであり、ライナ１１の内周面側に対応して形成されたものである。一方、プリキュア部材４５ａ，４５ｂは、同形状をなすものであり、ライナ１１の外周面側に対応して形成されたものである。即ち、４つのプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂは、ライナ１１の外側を被覆できるように、ライナ１１の円弧方向Ｂに４分割されている。そのため、第１冶具４１における炭素繊維トウ４２の巻き付け面は、ライナ１１の内周面と同様な湾曲面に形成され、第２冶具４４における炭素繊維トウ４２の巻き付け面は、ライナ１１の外周面と同様な湾曲面に形成されている。
【００３４】
工程（Ｓ４１）にて、図６に示すように、第１強化層１２が形成されたライナ１１の上方からプリキュア部材４３ａ，４５ａを装着する一方、下方からプリキュア部材４３ｂ，４５ｂを装着し、接着剤を用いて接着する。そして、工程（Ｓ４２）にて、表面にプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂが装着されたライナ１１を接着剤で接着硬化させることで、このライナ１１（第１強化層１２）の外側を被覆する第２強化層１３を形成する。
【００３５】
工程（Ｓ４３）にて、図７に示すように、所定幅のプリプレグ３１をライナ１１（第２強化層１３）の外周面に周方向Ｂに沿って、実際には、隙間なくらせん方向に沿って巻き付ける。そして、工程（Ｓ４４）にて、表面に全周に渡ってプリプレグ３１が巻き付けられたライナ１１を硬化させることで、このライナ１１の外側を被覆する第３強化層１４を形成する。その後、工程（Ｓ４５）にて、仕上げ加工を行うことで、圧力容器１０が製造される。
【００３６】
このように本実施例の圧力容器にあっては、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナ１１と、このライナ１１の周方向Ｂに沿うプリプレグ３１が樹脂により硬化されてライナ１１の外側を被覆する第１強化層１２と、このライナ１１の軸方向Ａに沿う炭素繊維トウ４２が樹脂により硬化された複数のプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂとしてライナ１１（第１強化層１２）の外側を被覆する第２強化層１３とを設けている。
【００３７】
従って、ライナ１１の周方向Ｂに沿ってプリプレグ３１を巻き付けて第１強化層１２を形成する一方、ライナ１１の軸方向Ａに沿って炭素繊維トウ４２が事前に硬化されてプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを形成し、このプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂによりライナ１１の外側を被覆することで第２強化層１３を形成することから、炭素繊維が交差する２つの強化層１２，１３を容易に形成することができる。
【００３８】
ライナ１１の表面に炭素繊維が交差する少なくとも２つの強化層１２，１３を形成する場合、帯状の炭素繊維は、ライナ１１の周方向Ｂに沿って巻き付けられるものの、ライナ１１の軸方向Ａに沿って巻き付けることは困難である。即ち、ライナ１１の外周側には、所定の張力で軸方向Ａに沿って炭素繊維を巻き付けることはできるものの、ライナ１１の内周側には、所定の張力で軸方向Ａに沿って炭素繊維を巻き付けることはできない。本実施例では、プリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを用いることで、ライナ１１の表面に炭素繊維が軸方向Ａと周方向Ｂとに交差する少なくとも２つの強化層１２，１３を形成することができる。
【００３９】
また、本実施例の圧力容器では、ライナ１１の表面に第１強化層１２，１３を設け、第１強化層１２の表面に第２強化層１３を設け、第２強化層１３の表面に第１強化層１２と同じ炭素繊維配列を有する第３強化層１４を設けている。従って、炭素繊維が交差する３つの強化層１２，１３，１４を形成することで、圧力容器１０の耐圧性を向上することができる。
【００４０】
また、本実施例の圧力容器では、第２強化層１３として、ライナ１１の軸方向Ａに連続するリング形状をなすと共に、周方向Ｂで分割される４つのプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを設けている。従って、炭素繊維がライナ１１の軸方向Ａに連続する４つのプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂによりライナ１１の表面を適正に被覆することができ、この４つのプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを用いることで、製作性及び組付性を向上することができる。
【００４１】
また、本実施例の圧力容器の製造方法にあっては、中空ドーナツ形状をなす金属製のライナ１１を製造する工程（Ｓ１１）と、ライナ１１の表面に周方向Ｂにプリプレグ３１を連続して巻き付けた後に硬化させて第１強化層１２を形成する工程（Ｓ１２〜Ｓ１４）と、第１冶具４１に炭素繊維トウ４２を巻き付けてから硬化させることでこの炭素繊維トウ４２が軸方向Ａに連続する複数のプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを製造する工程（Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３３）と、ライナ１１の第１強化層１２の表面を複数のプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂにより被覆してから硬化させることで第２強化層１３を形成する工程（Ｓ４１〜Ｓ４２）と、ライナ１１の第２強化層１３の表面に周方向Ｂにプリプレグ３１を連続して巻き付けた後に硬化させて第３強化層１４を形成する工程（Ｓ４３〜Ｓ４５）とから構成している。
【００４２】
従って、ライナ１１の周方向Ｂに炭素繊維トウ４２を巻き付けて硬化させることで第１強化層１２を形成する一方、ライナ１１の軸方向Ａに炭素繊維トウ４２を事前に硬化してプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを形成し、このプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂによりライナ１１の外側を被覆することで第２強化層１３を形成することから、炭素繊維が交差する２つの強化層１２，１３を容易に形成することができ、製造工程の簡略化を可能とすることができる。
【００４３】
なお、上述した実施例では、ライナ１１の外側に３つの強化層１２，１３，１４を形成したが、この数に限定されるものではなく、強化繊維が交差する方向に配列された２つの強化層があればよく、２層でも、４層以上でもよいものである。
【００４４】
また、上述した実施例では、第２強化層１３として、ライナ１１の軸方向Ａに連続するリング形状をなすと共に、周方向Ｂで分割される４つのプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを設けたが、各プリキュア部材の分割位置、分割数は実施例に限定されるものではない。また、成形型を用いてライナ１１の外側を被覆可能な同形状をなすプリキュア部材を一体形成し、その後分割して分割してもよい。
【００４５】
また、上述した実施例では、ライナ１１の表面に周方向Ｂにプリプレグ３１を巻き付けてから硬化させて第１強化層１２を形成し、その外側に４つのプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを装着してから硬化させて第２強化層１３を形成し、その外側に周方向Ｂにプリプレグ３１を巻き付けてから硬化させて第３強化層１４を形成したが、この順番に限定されるものではない。例えば、ライナ１１の表面に４つのプリキュア部材４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを装着してから硬化させて第２強化層を形成し、外側に周方向Ｂにプリプレグ３１を巻き付けてから硬化させて第１強化層を形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る圧力容器及びその製造方法は、ライナの外側に強化繊維が交差する方向に配列された複数の強化層を容易に設けることが可能なものであり、いずれの圧力容器にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  圧力容器
１１  ライナ
１２  第１強化層
１３  第２強化層
１４  第３強化層
３１  プリプレグ（強化繊維）
４２  炭素繊維トウ（強化繊維）
４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂ  プリキュア部材
【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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