(57)【要約】【課題】圧力容器の耐久性を向上させる。【解決手段】ライナ１０と、ライナ１０の外周部分を被覆する繊維強化樹脂層１２と、を備え、ライナ１０と、繊維強化樹脂層１２との境界部分に、複数の樹脂溜り部１８を有する。かかる圧力容器１００は、面一形状の外側表面に複数の窪みを有するライナ１０を作製し、ＦＷ法により製造することが可能であり、繊維強化樹脂層１２の内側部分におけるＶｆの上昇を抑える。【選択図】図２
2008298188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空形状のライナと、
前記ライナの外周部分を被覆する繊維強化樹脂層と、
を備え、
前記ライナと、前記繊維強化樹脂層との境界部分に、複数の樹脂溜り部を有することを特徴とする圧力容器。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力容器において、
前記樹脂溜り部が、前記ライナの、面一形状の外側表面に形成された窪みからなることを特徴とする圧力容器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力容器において、
前記繊維強化樹脂層が、繊維に含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させてなることを特徴とする圧力容器。
【請求項４】
外側表面に複数の樹脂溜り部を有する、中空形状のライナを作製する工程と、
前記ライナの外周部分に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつける工程と、
前記熱硬化性樹脂を硬化させ、前記ライナを被覆する繊維強化樹脂層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、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、圧力容器に関し、特に、内側層部分を形成するライナの外周部分を繊維強化樹脂層により被覆し、耐圧性を向上させた圧力容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素や窒素など、常温常圧状態における容積の大きな気体を高密度、小容量にて貯蔵するための容器として、所定の圧力により圧縮させて貯蔵する、圧力容器が使用されている。このような圧力容器として、従来、耐圧性を有する鋼鉄製その他の金属製圧力容器が使用されてきたが、近年、天然ガスや水素ガスなどを貯蔵した圧力容器を車両などの移動体に搭載し、燃料として使用する技術に適用するため、圧力容器に対して要求される性能として、高密度化可能な耐圧性、耐久性はもちろんのこと、容器の軽量化も重要な課題となっていた。
【０００３】
一方、例えば炭素繊維強化プラスティック（ＣＦＲＰ）などの繊維強化プラスティック（ＦＲＰ）を用いた圧力容器が知られている。ＦＲＰ製の圧力容器は一般に、金属製圧力容器よりも軽量であるため移動体への搭載には有利であり、また、水素用圧力容器として使用する場合における、従来の鋼鉄製容器の課題であった水素脆化その他の懸念も少ないため、特に注目されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＣＦＲＰ層の間にフィルム状の樹脂を挿入した圧力容器について記載されている。
【０００５】
一方、図５は、従来のＦＲＰ製圧力容器の構成の概略を示す図である。図５に示す圧力容器２００は、中空形状のライナ３０と、ライナ３０の外周部分を被覆する繊維強化樹脂層３２とを備え、構成されている。
【０００６】
図６は、図５に示すＢ−Ｂ’断面の構成の概略を示す拡大図である。図６に示すように、繊維強化樹脂層３２は、複数の繊維３４の間に熱硬化性樹脂３６が挟み込まれたような構成を有しており、熱硬化性樹脂３６のみからなる被覆層と比較して、高強度化されたものである。
【０００７】
図５に示すような圧力容器２００は、例えば以下に示すような、いわゆるフィラメントワインディング法（ＦＷ法とも称する）を用いて作製される。まず、所定の容積と強度を有するライナ３０を準備する。このライナ３０に対し、熱硬化性樹脂３６を含浸させた繊維（ＣＦＲＰでは、炭素繊維３４）を複数回、層状に巻きつけ、その後、この熱硬化性樹脂３６を硬化させることにより作製することができる。このとき、例えば、ライナ３０の外周部分に対する繊維３４の巻き数を多くし、繊維強化樹脂層３２の厚みをより厚くすると、圧力容器２００の設計圧力を高くすることができることが知られている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−３３８０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述のようなＦＷ法を用いて図５に示す圧力容器２００を作製する場合には、熱硬化性樹脂３６を含浸させた繊維３４をライナに巻き取る際、この繊維３４には所定の張力がかかる。特に、ライナ３０の外周部分に、複数回にわたり繊維３４を巻くことにより、ライナ３０表面に対し繊維３４が積層していくと、積層が進むにつれて繊維３４に含浸させた熱硬化性樹脂３６が、この張力による巻き締め効果により染み出す場合がある。このような場合には、ライナ３０側に近い内側部分において、樹脂含有量が小さくなり、繊維体積含有率Ｖｆが大きくなる傾向にある。特に、繊維３４の巻き数が多くなるにしたがい、繊維強化樹脂層３２の内側部分のＶｆの上昇がより顕著になり、繊維量に対する樹脂量の体積割合が低下する。繊維強化樹脂層３２の内側部分におけるＶｆの上昇に伴い、熱硬化性樹脂３６による応力緩衝機能が十分に発揮されなくなると、継続的な応力負荷により繊維３４が疲労し、機械的強度が低下してしまう場合がある。
【００１０】
これに対し、熱硬化性樹脂３６の内側部分において、繊維３４にかかる張力を緩和させるため、Ｖｆの上昇を抑えようとすると、繊維量に対する樹脂量の体積割合が大きくなり、圧力容器２００全体としての体格、特に外径が大きくなることが想定される。圧力容器２００の体格の増大は、自動車用タンクなど、特に搭載スペースに制限のある用途においては不向きである。
【００１１】
本発明は、圧力容器において、耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００１３】
（１）中空形状のライナと、前記ライナの外周部分を被覆する繊維強化樹脂層と、を備え、前記ライナと、前記繊維強化樹脂層との境界部分に、複数の樹脂溜り部を有する、圧力容器。
【００１４】
（２）上記（１）に記載の圧力容器において、前記樹脂溜り部が、前記ライナの、面一形状の外側表面に形成された窪みからなる、圧力容器。
【００１５】
（３）上記（１）または（２）に記載の圧力容器において、前記繊維強化樹脂層が、繊維に含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させてなる、圧力容器。
【００１６】
（４）外側表面に複数の樹脂溜り部を有する、中空形状のライナを作製する工程と、前記ライナの外周部分に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつける工程と、前記熱硬化性樹脂を硬化させ、前記ライナを被覆する繊維強化樹脂層を形成する工程と、を含む、圧力容器の製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、繊維強化樹脂層の劣化を抑制し、圧力容器の耐久性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について、以下、図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態における圧力容器の構成の概略を示す図である。図１に示す圧力容器１００は、中空形状のライナ１０と、ライナ１０の外周部分を被覆する繊維強化樹脂層１２とを備え、構成されている。
【００２０】
図２は、図１に示すＡ−Ａ’断面の構成の概略を示す拡大図である。図２に示すライナ１０は、その外側表面に複数の樹脂溜り部１８が設けられていることを除き、図５に示す従来の圧力容器２００におけるライナ３０とほぼ同様の構成を有している。
【００２１】
一方、繊維強化樹脂層１２は、複数の繊維１４の間に熱硬化性樹脂１６が挟み込まれたような構成を有しており、図５に示す従来の圧力容器２００における繊維強化樹脂層３２とほぼ同様の構成を有している。
【００２２】
図１に示す圧力容器１００は、例えば図３に示すような方法により作製することができる。つまり、圧力容器１００は、外側表面に複数の樹脂溜り部を有する、中空形状のライナを作製する工程（ステップＳ１０２）と、ライナの外周部分に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつける工程（ステップＳ１０４）と、熱硬化性樹脂を硬化させ、ライナを被覆する繊維強化樹脂層を形成する工程（ステップＳ１０６）と、を含む方法により製造することができる。
【００２３】
ステップＳ１０２において、図１，２に示すライナ１０の材料としては、圧力容器のライナとして用いられるものであればいかなるものであっても良いが、例えば、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）などを挙げることができる。また、ライナ１０に用いられる材料の特性に応じて、公知のいかなる方法により作製されても良く、例えば、射出成形法、ブロー成形法、押し出し成形法などが好適に用いられるが、これに限定されない。
【００２４】
また、図２において、ライナ１０の外側表面に形成される樹脂溜り部１８は、ライナ１０全体として一体に成形しても良いし、また一旦図５，６に示すような従来のライナ３０を用意した後に加工を施しても良いが、成形が比較的容易な一体成形が好適である。なお、ライナ１０の内側表面の形状は、図１，２に示すような面一状でなくても良く、例えば圧力容器の耐圧性等、機械的強度に影響を及ぼすものでなければいかなる形状であってもよく、例えば樹脂溜り部１８の形状に応じた内側表面形状を有するものであっても良い。
【００２５】
なお、ステップＳ１０２において、図１に示す口金２０部分は、ライナ１０と一体に成形しても良く、場合によっては、所望の構成を有する口金２０とライナ１０とを個別に作製し、接合することが含まれても良い。
【００２６】
次に、ステップＳ１０４において、ライナ１０の外周部分に熱硬化性樹脂１６を含浸させた繊維１４を巻きつける、フィラメントワインディングが行なわれる（図２参照のこと）。繊維１４に対する熱硬化性樹脂１６の含浸には、例えば浸漬法など、いかなる方法を用いることも可能であり、特に限定されない。
【００２７】
本実施の形態において、図２に示す繊維１４の材料としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、ケブラ繊維などを用いることが可能であり、特に比強度、比剛性の観点から炭素繊維が好適に用いられる。より具体的には、Ｔ８００繊維（東レ社製）、テナックスＩＭ６００（商品名）（東邦テナックス社製）などを挙げることができるが、これらに限定されない。また、繊維１４の機械的強度として、引張り強度が１ＧＰａ程度のものが好ましいが、これに限定されない。
【００２８】
また、繊維１４の線径は、使用する材料の強度に応じて適宜選択することが可能である。具体的には、１０μｍ程度の線径（直径）のものが好適に用いられるが、これに限定されるものではない。
【００２９】
一方、図２に示すように、繊維１４に含浸される熱硬化性樹脂１６として、いかなる熱硬化性樹脂材料を用いることができ、要求される性能に応じて適宜選択することが可能である。具体的には、例えば、エポキシ樹脂などを使用することができるが、これに限定されない。
【００３０】
このようにして得られた、熱硬化性樹脂１６を含浸させた繊維１４をライナ１０の外周部分に巻きつける。通常、数回から数十回程度、熱硬化性樹脂１６を含浸させた繊維１４が巻きつけられて、繊維１４と熱硬化性樹脂１６とによる積層構造を有する繊維強化樹脂層１２が形成されている。本実施の形態において、繊維強化樹脂層１２は、ライナ１０の全体にわたり被覆するように形成されても良く、ライナ１０の一部、例えば、ライナ１０の断面径の大きな胴部分にのみ形成されても良い。
【００３１】
ステップＳ１０４において、この熱硬化性樹脂１６を硬化させ、ライナ１０を被覆する繊維強化樹脂層１２を形成する（図２参照のこと）。熱硬化性樹脂１６の硬化条件は、用いる熱硬化性樹脂材料に応じて、適宜設定することが可能である。また、繊維強化樹脂層１２の厚さは、概ね５〜３０ｍｍ程度が好適であるがこれに限定されるものではなく、圧力容器１００本体の体格、用い得る流体の種類、設定圧力等により適宜設定することが可能である。
【００３２】
図４は、前述のステップＳ１０２（図３参照）における、熱硬化性樹脂と繊維との積層状態を説明する概念図である。図４に示すように、図１，２に示す繊維強化樹脂層１２に相当する、繊維１４が巻きつけられている部分１２ａにおいて、ライナ１０側に近い内側部分では、繊維１４から熱硬化性樹脂が染み出すことにより、樹脂含有量が少なくなる傾向にある（つまり、Ｖｆ分布は高い）。これに対し、繊維１４が巻きつけられている部分１２ａにおいて、ライナ１０側から離れた外側部分に進むにしたがい、内側部分で見られるような染み出し現象は次第に起こりにくくなるため、樹脂含有量が多くなる傾向にある（つまり、Ｖｆ分布は低い）。
【００３３】
一方、図４において、繊維１４は、ライナ１０の外周部分に巻きつけられる際には、撓まないように所定の張力がかけられ、樹脂溜り部１８には繊維１４が入り込まないように調整されている。このとき、繊維強化樹脂層１２の内側部分において、繊維１４から染み出した熱硬化性樹脂が、樹脂溜り部１８に優先して流入することにより、内側部分におけるＶｆの上昇を抑制する。このため、特に内側部分における繊維１４に対する外力負荷を緩和させ、耐久性を向上させることが可能となる。一方、外側部分においては、Ｖｆは従来の圧力容器と比較してもほとんど変化していないため、全体として優れた耐久性を有する圧力容器を作製することができる。
【００３４】
本発明の実施の形態において、樹脂溜り部１８は、繊維強化樹脂層１２の内側部分から染み出した熱硬化性樹脂１６を流入させ、Ｖｆの上昇を抑えることが可能な構成であればいかなるものであっても良い。例えば、ライナ１０の外側表面に突起および／または窪みを設けることにより、ライナ１０と、繊維強化樹脂層１２との境界部分に間隙部分が形成されるため、これを樹脂溜り部１８とすることも可能である。
【００３５】
一方、樹脂溜り部１８によるＶｆ上昇の抑制を効果的に行なうためには、樹脂溜り部１８内に繊維１４が入り込まない構成とすることが好ましい。特に限定されるものではないが、例えば、図１，２に示すように、面一形状の外側表面を有する従来のライナ（図５，６参照のこと）に、複数の窪みを形成させた構成に相当するライナ１０を適用し、さらに繊維１４巻きつけ時の張力を適宜調整することにより、樹脂溜り部１８内への繊維１４の入り込みを容易に防止することが可能となる。本実施の形態によれば、ライナ１０表面に突起を設けた構成と比較して、ライナ１０表面に対し均等に繊維１４を巻きつけることが可能となるため、好適である。
【００３６】
本発明の実施の形態において、樹脂溜り部１８の断面形状は、図２に示すような楕円弧状や、円弧状、矩形状、楔形状等、いかなるものであってもよい。また、本実施の形態において、樹脂溜り部１８の深さは、例えば１〜５ｍｍ程度とすることが可能である。ただし、樹脂溜り部１８の大きさや、繊維１４から染み出す熱硬化性樹脂１６の量などに応じて適宜設定することが可能であり、特に制限されるものではなく、ライナ１０や圧力容器１００の強度に対する影響がなければいかなる深さであっても良い。
【００３７】
また、本発明の実施の形態において、樹脂溜り部１８の、繊維強化樹脂層１２に対面する形状は、ライナ１０や圧力容器１００の強度に対する影響がなければいかなる形状のものであっても良い。例えば円形、楕円形、三角形、四角形などの角形、正方形や正六角形などの正多角形などを挙げることが可能であるが、これに限定されない。また、本実施の形態において、樹脂溜り部１８の大きさは、最大の外寸（円形であれば、直径に相当）を、例えば１〜１０ｍｍ程度とすることが可能である。ただし、繊維１４から染み出す熱硬化性樹脂１６の量などに応じて適宜設定することが可能であり、特に制限されるものではなく、ライナ１０や圧力容器１００の強度に対する影響がなければいかなる大きさであっても良い。
【００３８】
また、本発明の実施の形態において、ライナ１０の、面一形状の外側表面に設けられる樹脂溜り部１８の密度については、特に制限されるものではなく、適宜設定することが可能である。ただし、ライナ１０や圧力容器１００のライナ１０と、繊維強化樹脂層１２との境界部分で染み出す熱硬化性樹脂を均等に流入させるよう、ライナ１０表面に均等に設けられることが好ましい。
【００３９】
このように、ライナ１０と、繊維強化樹脂層１２との境界部分に、適当な樹脂溜り部１８を有する圧力容器を作製することにより、繊維強化樹脂層１２の内側部分における、Ｖｆの上昇を抑え、耐久性を向上させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、移動体に搭載する圧力容器に限らず、あらゆる圧力容器において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態における圧力容器の構成の概略を示す図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ’断面の構成の概略を示す拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態における圧力容器の製造方法を例示するフローチャートである。
【図４】熱硬化性樹脂と繊維との積層状態を説明する概念図である。
【図５】従来の圧力容器の構成の概略を示す図である。
【図６】図５に示すＢ−Ｂ’断面の構成の概略を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０，３０  ライナ、１２，３２  繊維強化樹脂層、１４，３４  繊維、１６，３６  熱硬化性樹脂、１８  樹脂溜り部、２０  口金、１００，２００  圧力容器。
【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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