(57)【要約】【課題】ガスの充填圧力を高くすることに対して十分に対応できる圧力容器およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の圧力容器１は、直胴部４と直胴部４の両端を塞ぐ半球状のドーム部５ａ，５ｂとからなる容器本体２上に、強化繊維束を有する繊維強化樹脂層３が形成されており、ドーム部５ａ，５ｂと繊維強化樹脂層３との間に、補強材７ａ，７ｂが備えられたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直胴部とこの直胴部の両端を塞ぐ半球状のドーム部とからなる容器本体上に、強化繊維束を有する繊維強化樹脂層が形成された圧力容器において、
前記ドーム部と前記繊維強化樹脂層との間に、補強材が備えられたことを特徴とする圧力容器。
【請求項２】
前記補強材が、繊維強化樹脂からな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】
前記補強材が、強化繊維を製織した織物であることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
【請求項４】
容器本体が金属からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力容器。
【請求項５】
直胴部とこの直胴部の両端を塞ぐ半球状のドーム部とからなる容器本体上に繊維強化樹脂層を形成させる圧力容器の製造方法において、
ドーム部上に補強材を取り付ける工程と、容器本体および補強材の上に樹脂を含浸した強化繊維束を巻き付ける工程と、加熱して樹脂を硬化させ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６】
直胴部とこの直胴部の両端を塞ぐ半球状のドーム部とからなる容器本体上に繊維強化樹脂層を形成させる圧力容器の製造方法において、
ドーム部上にプリプレグまたは樹脂を含浸していない強化繊維織物を付与する工程と、容器本体およびプリプレグまたは樹脂を含浸していない強化繊維織物の上に樹脂を含浸した強化繊維束を巻き付ける工程と、加熱して樹脂を硬化させ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧ガスが充填され、例えば、自動車などに搭載される圧力容器およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高圧ガスの貯蔵容器としては、鋼鉄製の容器が用いられている。しかしながら、鋼鉄製の貯蔵容器は質量が大きく、移動や輸送等に多大な労力を必要とするものであった。そのため、例えば、気体燃料を用いる自動車では、車両質量を小さくし燃料消費量を抑制するため、燃料貯蔵容器を軽量化することが求められている。
そこで、高圧ガスの貯蔵容器として、従来の鋼鉄製のものに代えて、樹脂やアルミニウム等の金属製のライナー材を強化繊維で補強した複合材料からなる圧力容器が用いられるようになってきている。この繊維強化複合材料からなる圧力容器は、充填圧力を高くでき、かつ軽量化が可能になる。
【０００３】
繊維強化複合材料からなる圧力容器として、例えば、特許文献１〜５に記載されたものが挙げられる。図７は、特許文献１に記載の圧力容器を示す部分断面図である。この圧力容器５０は、円筒状の金属製のライナー材５１（容器本体）の直胴部５２上に、樹脂被覆を施した強化材を内側から外側に向けて層状に巻き付けて、繊維強化プラスチック製の被覆層（繊維強化樹脂層）５３を形成したものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３３１０３２号公報
【特許文献２】
特開平７−５２８９７号公報
【特許文献３】
特開平８−２７０７９３号公報
【特許文献４】
特開平１０−１１９１３８号公報
【特許文献５】
特開平１１−２３０３４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の圧力容器では、直胴部５２の両側のドーム部５４ａ，５４ｂに被覆層が設けられていないので、ドーム部５４ａ，５４ｂの強度が不十分であった。しかも、このような構造の圧力容器は、破裂する際にはドーム部５４ａ，５４ｂから破壊する可能性が高く、好ましくない。そこで、ドーム部にも被覆層を設けてドーム部の強度を高めることが考えられる。
ところで、近年、ガスの充填圧力を従来よりも高くできる圧力容器が求められているが、単にドーム部に被覆層を設けただけの圧力容器では、繊維配向によっては充填圧力を高くしたときの容器ドーム部の弾性率が非線形領域となり剛性不足を生じる可能性があるために、ガスの充填圧力を高めた場合には、ドーム部が許容圧力を超えて破裂するおそれがあった。すなわち、ガスの充填圧力を高めることに対して十分に対応できないおそれがあった。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、ガスの充填圧力を高くすることに対して十分に対応できる圧力容器およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧力容器は、直胴部とこの直胴部の両端を塞ぐ半球状のドーム部とからなる容器本体上に、強化繊維束を有する繊維強化樹脂層が形成された圧力容器において、前記ドーム部と前記繊維強化樹脂層との間に、補強材が備えられたことを特徴とする。
本発明の圧力容器においては、前記補強材が、繊維強化樹脂からなることが好ましい。
または、前記補強材が、強化繊維を製織した織物であることが好ましい。
さらに、容器本体が金属からなることが好ましい。
本願請求項５の圧力容器の製造方法は、直胴部とこの直胴部の両端を塞ぐ半球状のドーム部とからなる容器本体上に繊維強化樹脂層を形成させる圧力容器の製造方法において、
ドーム部上に補強材を取り付ける工程と、容器本体および補強材の上に樹脂を含浸した強化繊維束を巻き付ける工程と、加熱して樹脂を硬化させる工程とを有することを特徴とする。
本願請求項６の圧力容器の製造方法は、直胴部とこの直胴部の両端を塞ぐ半球状のドーム部とからなる容器本体上に繊維強化樹脂層を形成させる圧力容器の製造方法において、
ドーム部上に未硬化のプリプレグまたは樹脂を含浸していない強化繊維織物を付与する工程と、容器本体および未硬化のプリプレグまたは樹脂を含浸していない強化繊維織物の上に樹脂を含浸した強化繊維束を巻き付ける工程と、加熱して樹脂を硬化させる工程とを有することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の圧力容器の一実施形態例について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態例の圧力容器を示すものである。
この圧力容器１は、円筒状の直胴部４と、直胴部４の両端を塞ぐ半球状のドーム部５ａ，５ｂとからなる容器本体２上に、強化繊維束を有する繊維強化樹脂層３が形成されたものであり、さらにドーム部５ａ，５ｂと繊維強化樹脂層３との間に補強材７ａ，７ｂが備えられたものである。  また、容器本体２の一方のドーム部５ａ先端には、ガスを導出入する導出入口６が設けられている。
【０００８】
補強材７ａ，７ｂは、繊維強化樹脂層３の形成前に予め取り付けられたものである。この補強材７ａ，７ｂの形状は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、切頭円錐体の底面１０ａに抉れ部８ａ，８ｂが形成されており、強化繊維束が容易に巻き付けられるように、円周面９と上面１０ｂとの角が滑らかにされている。ここで、抉れ部８ａ，８ｂは、この補強材をドーム部に取り付けた際に、表面がドーム部の表面に密着するように抉られている。
導出入口６が設けられたドーム部５ａに取り付けられる補強材７ａには、図２（ａ）に示すように、その抉れ部８ａが上面１０ｂとつながって、導出入部を通す開口部１１が形成されている。一方、導出入口６が設けられていないドーム部５ｂに取り付けられる補強材７ｂとしては、図２（ａ）に示す形態に加えて、図２（ｂ）に示すように、その抉れ部８ｂは上面１０ｂとつながっておらず、開口部は形成されていないものを採用することもできる。容器の強度の向上を優先させる場合は、図２（ｂ）を採用するのが好ましく、容器の軽量化を優先させる場合は図２（ａ）を採用すればよい。
【０００９】
補強材７ａ，７ｂは、強化繊維を含有する予め成形されたプリプレグ等の繊維強化樹脂からなることが好ましい。補強材７ａ，７ｂが強化繊維を含有する予め成形された繊維強化樹脂からなることで、最終的に得られる圧力容器において、補強材の形状が容器形状に合致するので、目的の強度を確実に発現させることができる。
【００１０】
この、補強材７ａ，７ｂをなす繊維強化樹脂中の強化繊維の種類としては、高弾性率の繊維であれば特に制限されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ＰＢＯ繊維等が挙げられる。さらに、これらの強化繊維から複数を用いてもよい。
また、繊維強化樹脂を構成するマトリックス樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂などの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂などの熱硬化性樹脂などが挙げられる。
【００１１】
容器本体２は、金属製であることが好ましく、その金属の材料は特に限定されないが、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄などを挙げることができる。これらの中でも、特に、アルミニウム合金は、容器本体２を軽量化するには好適である。
また、容器本体２は樹脂製であってもよく、樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂などの公知の熱可塑性樹脂やフェノール樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂などの公知の熱硬化性樹脂などが挙げられる。
【００１２】
容器本体２上の繊維強化樹脂層３では、樹脂を含浸した強化繊維束が配置されている。繊維強化樹脂層３に含まれる樹脂（マトリックス樹脂）としては特に限定されず、補強材をなす繊維強化樹脂と同じものを使用できるが、中でも、圧力容器１の高温条件下での使用の際に問題となる熱変形を防止できることから、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とすることが好ましい。また、繊維強化樹脂層３に含まれる強化繊維束の種類についても特に限定されず、補強材をなす繊維強化樹脂中の強化繊維と同じものを使用できる。
【００１３】
以上説明した圧力容器１にあっては、ドーム部５ａ，５ｂと繊維強化樹脂層３との間に、補強材７ａ，７ｂが備えられているので、充填圧力を高くしたときでもドーム部５ａ，５ｂの弾性率が線形領域になり、破裂が防止される。したがって、ガスの充填圧力を高くすることに対して十分に対応できる。
しかも、補強材７ａ，７ｂは繊維強化樹脂からなるので、十分な補強効果を有する。
【００１４】
なお、本発明の圧力容器は、上述した実施形態例に限定されない。例えば、上述した実施形態例の補強材は、予め成形された繊維強化樹脂からなっていたが、繊維強化樹脂に代えて、含浸した樹脂が未硬化または半硬化（Ｂステージ状態）であるプリプレグからなるものであってもよい。このプリプレグからなるものは、繊維強化樹脂層の形成前に容器本体に付与されたプリプレグが、繊維強化樹脂層の形成と同時に硬化されて繊維強化樹脂に成形されたものである。
また、補強材としては、樹脂が含浸されていない強化繊維からなるものであってもよい。強化繊維からなるものとしては、例えば、強化繊維の織物などが挙げられる。強化繊維の織物中でも、半球状のドーム部に容易に付与でき、且つ繊維配向が理想的に配置できることから、図３に示すような、強化繊維２１が円形状（渦巻き状）に製織された円形織物２２が好ましい。
この強化繊維からなる補強材には、通常、樹脂が含浸されているが、樹脂が含浸されていなくてもよい。樹脂が含浸されていない場合であっても、この上に繊維強化樹脂層を形成した際に強化繊維の周囲に樹脂が付与されるので、実質的に繊維強化樹脂となる。
【００１５】
次に、本発明の圧力容器の製造方法について説明する。
（第１の製造方法例）
まず、図４に示すように、容器本体２のドーム部５ａ，５ｂ上に、予め成形しておいた補強材７ａ，７ｂを取り付ける。次いで、図５に示すように、貯槽１２内のマトリックス樹脂溶液１３を、強化繊維束１４に含浸させ、乾燥して溶剤を除いたものを巻き付け角度５°〜８５°で容器本体２および補強材に巻き付ける。ここで、巻き付け角度とは、容器本体２の長手方向を０°とした角度のことである。
次いで、強化繊維束を巻き付けた容器本体を加熱炉で加熱し、マトリックス樹脂を硬化させて、図１に示すように、容器本体２上に繊維強化樹脂層３を形成させる。そして、これを、自緊処理装置（図示せず）を用いて自緊処理して最終的な圧力容器１を得る。ここで、自緊処理とは、容器の内圧を高め（以下、このときの容器の内圧の最大値を自緊処理圧力という）、容器本体を永久変形させた後、容器の内圧を低下させることによって、繊維強化樹脂層３の剛性により圧縮応力を容器本体に与えることである。
【００１６】
上述した製造方法において、マトリックス樹脂を硬化させる際の加熱温度は、４０〜１８０℃とすることが好ましい。加熱温度が４０℃未満である場合または１８０℃を越える場合には、圧力容器の疲労特性および破裂特性が劣化するおそれがある。
また、自緊処理圧力は、この圧力を加えて開放した時に、容器本体の降伏点応力の５０％以上、９８％未満の圧縮応力が容器本体に加わるようにすることが好ましい。自緊処理圧力をこの範囲とすることによって、容器本体に圧縮応力がかかり、ガスの充填放出を繰り返したときに、容器本体にかかる応力が容器本体の材料の線形特性の範囲になるため、優れた疲労特性を得ることができる。ここで、充填圧力とは、ガスを圧力容器内に充填する際の圧力のことであり、破壊圧力とは、圧力容器内の圧力を高めた際に容器が破裂したときの圧力のことである。
【００１７】
以上説明した第１の製造方法例にあっては、予め成形しておいた補強材をドーム部に取り付けるので、設計通りの補強材を使用できる。したがって、強化繊維束の巻き付け方法の自由度が上がることから軽量で目的の強度を発現させることができる。
【００１８】
（第２の製造方法例）
まず、図６に示すように、容器本体２のドーム部５ａ，５ｂ上に未硬化のプリプレグ１５を硬化後の形状を考慮しながら付与する。次いで、図５に示すように、貯槽１２内のマトリックス樹脂溶液１３を、強化繊維束１４に含浸させ、乾燥して溶剤を除いたものを巻き付け角度５°〜８５°で容器本体２および未硬化のプリプレグの上に巻き付ける。
次いで、強化繊維束を巻き付けた容器本体を加熱炉で加熱し、巻き付けた強化繊維束に含浸するマトリックス樹脂および未硬化のプリプレグを硬化させて、図１に示すように、容器本体２上に繊維強化樹脂層３および補強材７ａ，７ｂを形成させる。そして、これを、自緊処理装置（図示せず）を用いて自緊処理して最終的な圧力容器１を得る。
なお、この第２の製造方法における好ましい条件は、第１の製造方法と同様である。また、未硬化とは、半硬化の状態を含む。
そして、このような第２の製造方法にあっては、強化繊維束に含浸するマトリックス樹脂と未硬化のプリプレグとを同時に加熱硬化するので、補強材を別途成形する工程を省くことができる。
【００１９】
本発明の圧力容器の製造方法は、上述した実施形態例に限定されない。例えば、上記の製造方法例においては、図５に示すように、貯槽１２内のマトリックス樹脂溶液１３を、強化繊維束１４に含浸させ、乾燥して溶剤を除いたものを用いているが、これに代えて、強化繊維束に溶剤を含まないマトリックス樹脂をローラー等で直接含浸したトウプリプレグなども用いることができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の圧力容器によれば、ドーム部の強度が向上しているので、ガスの充填圧力を高くすることに対して十分に対応できる。
本願請求項５の圧力容器の製造方法によれば、最終的に得られる圧力容器において、補強材の形状が容器形状に合致するので、目的の強度を確実に発現させることができる。
また、本願請求項６の圧力容器の製造方法によれば、工程数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力容器の一実施形態例を示す部分断面図である。
【図２】補強材の一例を示す断面図である。
【図３】補強材の他の例を示す上面図である。
【図４】本発明の圧力容器の製造方法に係る第１の製造方法例における一工程を示す部分断面図である。
【図５】圧力容器の製造方法における一工程を模式的に示す図である。
【図６】本発明の圧力容器の製造方法に係る第２の製造方法例における一工程を示す部分断面図である。
【図７】従来の圧力容器の一例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１  圧力容器
２  容器本体
３  繊維強化樹脂層
４  直胴部
５ａ，５ｂ  ドーム部
７ａ，７ｂ  補強材
１５  プリプレグ
２１  強化繊維
２２  円形織物
【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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