(57)【要約】【課題】位置ずれなく、ドーム部でのフープ巻層の横滑りを防止できる圧力容器を提供する。【解決手段】圧力容器１１は円筒部１２の両端にドーム部１３を有する形状に形成され、ガスバリア性を有するライナ１４と、その外側を覆うＦＲＰ製の外殻１５とを備えている。ライナ１４には、ドーム部１３の中心に突出部１６が形成され、突出部１６はねじ孔１６ａが形成されて口金になっている。ライナ１４の肩部２３には、フープ巻層２１が巻付けの際に突出部１６側に滑るのを規制する規制部２４が設けられている。規制部２４は、ライナ１４から突出形成されている。規制部２４は、ライナ１４の両肩部２３にそれぞれ形成されている。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒部の両端にドーム部を有する形状に形成され、ガスバリア性を有するライナと、その外側を覆う繊維強化複合材製の外殻とを有し、前記外殻はフープ巻層を備え、前記ライナは前記ドーム部の中心に突出部を備えた圧力容器であって、
前記ライナの前記ドーム部に、前記フープ巻層の巻付けの際の横滑りを規制する規制部を一体に突出形成した圧力容器。
【請求項２】
円筒部の両端にドーム部を有する形状に形成され、ガスバリア性を有するライナと、その外側を覆う繊維強化複合材製の外殻とを有し、前記外殻はフープ巻層を備え、前記ライナは前記ドーム部の中心に突出部を備えた圧力容器であって、
前記フープ巻層の巻付けの際の前記ライナの前記ドーム部における横滑りを規制する規制部材を、前記ライナと別体に形成し、前記規制部材を、前記ライナの前記突出部との係合により位置決めして前記ドーム部に取付けた圧力容器。
【請求項３】
前記外殻は、前記ドーム部及び前記円筒部を覆うヘリカル巻層を備え、前記規制部材が、前記ヘリカル巻層の外側に取付けられた請求項２に記載の圧力容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種の高圧ガスや加圧流体を収容するのに好適な圧力容器に係り、詳しくは円筒部の両端にドーム部を有する形状に形成され、ガスバリア性を有するライナと、その外側を覆う繊維強化複合材製の外殻とを有する圧力容器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）等を収容する圧力容器は、一般にスチールやアルミニウム合金等の金属製のため重量が重い。また、近年、天然ガスを燃料とする自動車が低公害車として注目されている。また、より低公害のものとして、燃料電池を動力源とする自動車も注目されており、燃料電池の燃料として水素ガスを燃料タンクに収容する自動車もあるが、燃料タンクとなる圧力容器の重量が重く燃費が悪くなる。この不都合を解消するため、ガスバリア性を有するライナ（内殻）を耐圧性の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の外殻で覆ったガスボンベが提案されている。
【０００３】
ＦＲＰ製の外殻はフィラメントワインディング法でライナ上に巻き付けられた繊維層によって形成されている。薄肉回転対称体形状の圧力容器の主応力方向は軸方向と周方向で、繊維強化複合材においては繊維を主応力方向に配列するのが最適な繊維配列である。そのため、圧力容器５０の円筒部（胴部）５１に対しては、フープ巻と、図４（ａ）に示すようなヘリカル巻との組合せで巻付け繊維Ｆが配列されている。また、圧力容器５０のドーム部５２に対しては、ヘリカル巻や、図４（ｂ）に示すように、圧力容器５０の中心軸５３とほぼ平行に近くなるように巻付け繊維Ｆをたすき掛けする所謂レーベル巻が行われて圧力容器が製造されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００４】
しかし、巻付け繊維Ｆは、レーベル巻やヘリカル巻で圧力容器５０の両端の口金５４に接して折り返しているので、口金５４近傍の肉厚が厚く、圧力容器５０は肩部（ドーム部の円筒部との境界付近）の肉厚が薄い構造となり、口金５４の近傍に余分な巻付け繊維Ｆが存在する。この傾向は円筒部径と口金径の比が大きくなるほど顕著になる。このような繊維配列構成では、口金付近に繊維が集中し、形状不良となるとともに、繊維に無駄ができてコスト高となる。また、肩部は必要最少限の繊維を配列しているため、ワインディングの構成上肉厚が他に比べて薄くなり、耐衝撃性を一番必要とする部分が一番弱くなっている。ＦＲＰ製の圧力容器の肩部の強度を高めるために、単にフープ巻するだけだと、巻付け繊維Ｆが横滑りしやすく、所望の位置に巻付けることが困難である。
【０００５】
ＦＲＰ製の圧力容器の肩部の強度を高める方法として、特許文献１には、図５（ａ）に示すように、内殻６１と、該内殻６１を覆うＦＲＰ製の外殻６２とを有するガスボンベにおいて、外殻６２の肩部に、補強繊維のフープ巻層からなる最内層６４を設けることが提案されている。そして、肩部にフープ巻きを行っても繊維が滑らないように、内殻６１の肩部外周面を、周方向に延びかつ軸方向に段差を有する段差部６６としている。
【０００６】
また、特許文献２に開示された圧力容器は、図５（ｃ）に示すように、ライナ７１にヘリカル層７２を巻いた後に、図５（ｂ）に示す突起部７３を有する板状部材７４を複数、周方向に等間隔になるように肩部にあてがってフープ巻を行うことにより、フープ層７５を肩部まで形成することを提案している。また、特許文献２には、有限要素法による応力解析により、円筒部からドーム部に所定距離（例えば、２０ｍｍ）入り込んだ箇所までフープ巻することにより、圧力容器の強度を効果的に向上できることが示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２１９３９０号公報（第３，４頁、図２）
【特許文献２】
特開平１１−８２８８８号公報（第４頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に開示された圧力容器では、繊維の横滑りを防止するため内殻（ライナ）６１に段差部６６を形成する必要があり、加工に手間がかかる。また、段差部６６に応力集中が発生し易くなる虞がある。また、段差部６６を形成するため内殻６１の厚みを厚くする必要があり、圧力容器の重量を増加させる問題がある。また、段差部６６は、圧力容器の肩部において、径が小さくなる方向に移動しようとするフープ巻層の横滑りを規制しない。また、肩部に直に巻付けられる繊維は段差部６６に当たるが、その繊維の上に重ねて巻付けられる繊維は段差部６６に当たらないため、横滑りが防止されにくいという問題がある。
【０００９】
また、特許文献２に開示された圧力容器では、板状部材７４はフープ層７５で巻き込まれてライナ７１に対して固定されるのであり、板状部材７４自体はライナ７１に対して固定手段がないため、取付け位置を決め難いという問題がある。
かつ、フープ層７５は胴部の耐圧性を上げるように高い張力で巻き締められるため、巻付けの際に板状部材７４がズレ易い。よって、樹脂が付いた繊維の上で、安定した位置に板状部材７４をおいてフープ層を巻付けることは、実際は非常に難しい。そのため、円筒部からドーム部に所定距離入り込んだ箇所までフープ巻することも実際にはできない。
【００１０】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、位置ずれなく、ドーム部でのフープ巻層の横滑りを防止できる圧力容器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、円筒部の両端にドーム部を有する形状に形成され、ガスバリア性を有するライナと、その外側を覆う繊維強化複合材製の外殻とを有し、前記外殻はフープ巻層を備え、前記ライナは前記ドーム部の中心に突出部を備えた圧力容器である。そして、前記ライナの前記ドーム部に、前記フープ巻層の巻付けの際の横滑りを規制する規制部を一体に突出形成している。
【００１２】
この発明では、フープ巻は、ライナと一体に設けられた規制部により、ドーム部での横滑りが規制される。規制部はライナと一体であるため、ライナに対して位置ずれしない。また、規制部が突出形成されていることにより、重ねて巻付けられた繊維も規制部によって横滑りが規制されるため、ドーム部でのフープ巻層の横滑りを防止できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、円筒部の両端にドーム部を有する形状に形成され、ガスバリア性を有するライナと、その外側を覆う繊維強化複合材製の外殻とを有し、前記外殻はフープ巻層を備え、前記ライナは前記ドーム部の中心に突出部を備えた圧力容器である。そして、前記フープ巻層の巻付けの際の前記ライナの前記ドーム部における横滑りを規制する規制部材を、前記ライナと別体に形成し、前記規制部材を、前記ライナの前記突出部との係合により位置決めして前記ドーム部に取付けている。
【００１４】
この発明では、ライナには、ライナと別体に形成された規制部材が突出部により位置決めされて取付けられる。そして、フープ巻は、ライナに取付けられた規制部材により、ドーム部での横滑りが規制される。規制部材は突出部により位置決めされてライナに取付けられるため、ライナに対して位置ずれしない。また、重ねて巻付けられた繊維も規制部材によって横滑りを規制できる。また、規制部材は、既存のライナに後付けできる。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記外殻は、前記ドーム部及び前記円筒部を覆うヘリカル巻層を備え、前記規制部材が、前記ヘリカル巻層の外側に取付けられている。この発明の圧力容器を製造する場合には、ヘリカル巻の後、規制部材がドーム部に取付けられ、その後、フープ巻が行なわれる。この発明でも、規制部材は突出部により位置決めされてライナに取付けられて位置ずれせず、重ねて巻付けられた繊維も規制部材によって横滑りを規制できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１に従って説明する。図１は圧力容器の模式断面図である。
【００１７】
図１に示すように、圧力容器１１は円筒部１２の両端にドーム部１３を有する形状に形成されている。圧力容器１１はガスバリア性を有するライナ１４と、その外側を覆う繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の外殻１５とを有する。ライナ１４は金属で形成されている。この実施の形態ではアルミニウムでライナ１４は形成されている。ライナ１４には、各ドーム部１３の中心に突出部１６が形成されている。各突出部１６は、ねじ孔１６ａが形成されて口金になっている。一方のねじ孔１６ａには、配管のプラグが螺合され、他方のねじ孔１６ａは、栓により塞がれるようになっている。ＦＲＰの強化繊維には炭素繊維が使用され、樹脂にはエポキシ樹脂が使用されている。
【００１８】
外殻１５は、フープ巻されて形成されたフープ巻層２１と、ヘリカル巻及び所謂レーベル巻されて形成されたヘリカル巻層２２とから構成されている。ヘリカル巻層２２は、フープ巻層２１の外側に形成され、フープ巻層２１と、ライナ１４のドーム部１３部分とを覆っている。
【００１９】
ライナ１４の肩部２３には、フープ巻層２１が巻付けの際に突出部１６側に滑るのを規制する規制部２４が設けられている。ここで、肩部２３とは、ドーム部１３の円筒部１２との境界付近のことである。規制部２４は、ライナ１４から突出形成されている。規制部２４が形成された箇所のライナ１４の外径は、ライナ１４の円筒部１２の外径より大きくなっている。規制部２４は、フープ巻層２１の厚みに対応して所定量突出形成されている。この実施の形態では、規制部２４はフープ巻層２１の厚さと同じだけ外側に突出形成されている。規制部２４は、ライナ１４の両肩部２３にそれぞれ形成されている。フープ巻層２１は、両規制部２４の間に形成されている。
【００２０】
規制部２４は、円筒部１２からドーム部１３に所定距離入り込んだ箇所に形成されている。フープ巻層２１は、所定距離だけ円筒部１２からドーム部１３に入り込んだ箇所までライナ１４をフープ巻している。この実施の形態では、１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で選択された距離だけ円筒部１２からドーム部１３に入り込んだ箇所に規制部２４は形成されている。なお、円筒部１２は、例えば、径が１００ｍｍ〜３００ｍｍの範囲で選択されて形成されている。
【００２１】
次に前記の構成の圧力容器１１の製造方法を説明する。ライナ１４をフィラメントワインディング装置のマンドレル支持部に支持し、樹脂を含浸させた状態の繊維をライナ１４の表面に順次巻き付ける。
【００２２】
先ず、フープ巻でライナ１４に巻付ける。円筒部１２からドーム部１３に入り込んだ箇所に巻付けられる繊維は、規制部２４に当たることにより、突出部１６側にずれるのが規制される。
【００２３】
フープ巻の後、ヘリカル巻する。ドーム部１３における配列軌道が、突出部１６に接する軌道と、突出部１６に接しない軌道とのうち、突出部１６に接する軌道はレーベル巻で巻付けられる。所定量の巻付けが終了した後、ライナ１４とともに成形体がフィラメントワインディング装置から取り外されて加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化される。硬化温度は樹脂により異なるが、例えばエポキシ樹脂の場合は１８０°Ｃ程度である。加熱硬化によりＦＲＰ製の外殻１５が形成され、冷却すると圧力容器１１が完成する。
【００２４】
この実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）　ライナ１４の肩部２３に、規制部２４が一体に形成されている。従って、フープ巻層２１をライナ１４に巻付ける際、肩部２３での横滑りを防止できる。規制部２４はライナ１４と一体であるため、ライナ１４に対して位置ずれせずにフープ巻層２１の横滑りを規制できる。
【００２５】
（２）　規制部２４は、ライナ１４から突出形成されている。従って、特許文献１のように細かな段差部がたくさん形成される場合と異なり、加工の手間を低減できる。また、応力集中が発生しにくくなる。
【００２６】
（３）　規制部２４はライナ１４から所定量だけ突出形成されている。従って、ライナ１４に重ねて巻付けられた繊維も規制部２４によって規制して横滑りを防止できる。
【００２７】
（４）　規制部２４は、円筒部１２からドーム部１３に所定距離入り込んだ箇所に形成されている。従って、フープ巻層２１は、その所定距離だけドーム部１３に入り込んだ箇所までライナ１４をフープ巻しているため、フープ巻が円筒部１２だけでドーム部１３に入り込んでいない場合に比べて、圧力容器１１の強度を向上できる。
【００２８】
（５）　規制部２４は、１０ｍｍ〜２０ｍｍだけ円筒部１２からドーム部１３に入り込んだ箇所に形成されている。従って、フープ巻層２１は、その１０ｍｍ〜２０ｍｍドーム部１３に入り込んだ箇所までライナ１４をフープ巻して、圧力容器１１の強度を効果的に向上できる。規制部２４がライナ１４と一体であるため、確実にこの距離だけドーム部１３に入り込んだ箇所までライナ１４をフープ巻でき、確実に強度の向上を図ることができる。
【００２９】
（６）　巻付け繊維に炭素繊維が使用され、マトリックス樹脂にエポキシ樹脂が使用されているため、例えば自動車の燃料タンクとして使用される強度を確保して、軽量化及びコンパクト化を高めることができる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を図２に従って説明する。この実施の形態では、規制部がライナ１４と別体に設けられている点が主に前記実施の形態と異なっている。前記実施の形態と同様の部分については同一番号を付けている。
【００３１】
図２に示すように、この実施の形態の圧力容器３０のライナ３１は、前記規制部２４を備えず通常の形状に形成されている。圧力容器３０は、ライナ３１と別体の規制部材３２を備えている。規制部材３２はドーム状に形成され、ライナ１４のドーム部１３に密着した状態で取付け可能な形状に形成されている。規制部材３２は金属で形成されており、この実施の形態ではアルミニウムで形成されている。突出部１６の外周面には、ねじ１６ｂが形成され、規制部材３２の中央部には、ねじ１６ｂに対応するねじ孔３３が形成されている。規制部材３２は、突出部１６のねじ１６ｂにねじ孔３３が螺合されてライナ３１の突出部１６に取付けられている。規制部材３２は、ライナ３１の両方のドーム部１３にそれぞれ密着されている。
【００３２】
この実施の形態では、規制部材３２の大径側の開口側端部３４がフープ巻の規制部となっている。規制部材３２は、ドーム部１３に取付けられた状態で、開口側端部３４が、円筒部１２からドーム部１３に所定距離入り込んだ箇所に位置するように形成されている。所定距離は１０ｍｍ〜２０ｍｍである。開口側端部３４は、フープ巻層２１の厚みに対応して所定の厚さに形成されている。この実施の形態では開口側端部３４の厚みはフープ巻層２１と同じ厚さに形成されている。
【００３３】
圧力容器３０を製造する際には、まず、規制部材３２を、ねじ孔３３と突出部１６のねじ１６ｂとのねじ締めによりライナ３１に取付ける。その後、ライナ１４の円筒部１２の周面にフープ巻する。規制部材３２の開口側端部３４により、肩部２３に巻付けられる繊維の横滑りが規制される。フープ巻の後、ヘリカル巻及びレーベル巻によりヘリカル巻層２２を構成し、その後、加熱炉で樹脂を硬化して外殻１５を形成し、冷却して圧力容器３０を完成させる。
【００３４】
この実施の形態によれば、前記実施の形態の（３）〜（６）の効果の他に、以下のような効果を有する。
（７）　ライナ１４は、ドーム部１３の中心に突出部１６を備え、ライナ１４には、別体の規制部材３２が突出部１６により位置決めされて取付けられている。従って、規制部材３２はライナ１４に対して位置ずれせず、肩部２３でのフープ巻層の横滑りを防止できる。また、通常のライナに規制部材３２を取付けることで、規制部を構成して繊維の横滑りを防止できる。
【００３５】
（８）　規制部材３２は、ねじ孔３３と、突出部１６のねじ１６ｂとによるねじ締めによりライナ３１に取付けられている。従って、簡単な構成で規制部材３２を強固にライナ３１に取り付けできる。
【００３６】
（９）　ライナ３１に、別体の規制部材３２が取付けられて規制部が構成されている。従って、特許文献１のように細かな段差部がたくさん形成される場合と異なり、加工の手間を低減できる。また、応力集中が発生しにくくなる。
【００３７】
なお、実施の形態は上記各実施の形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変更してもよい。
○　第２の実施の形態において、まずヘリカル巻層２２を形成し、その外側にフープ巻層２１を形成してもよい。例えば図３に示すように、ライナ１４にヘリカル巻層２２を形成した後に、ヘリカル巻層２２の外側に規制部材３２を取付ける。その後、フープ巻層２１を設ける。この場合でも、規制部材３２はねじ締めにより突出部１６に位置決めされてライナ３１に取付けられ位置ずれせず、重ねて巻付けられた繊維も規制部材３２によって横滑りを規制できる。
【００３８】
○　ライナ１４，３１や規制部材３２は、アルミニウム製に限らず、例えばアルミニウム合金等の他の軽い金属製としてもよい。
○　第１の実施の形態において、用途によりライナ１４を樹脂製としてもよい。この場合、金属製のライナに比較して軽量化をより高めることができる。口金は、突出部１６をボス部にして、その内側に金属製の口金部材を備え、ボス部と口金部材とにより口金を構成する。
【００３９】
○　規制部材３２は、ねじ締めによりライナ３１に取付ける構成に限らず、例えば接着剤によりライナ３１に取付けてもよい。この場合でも、巻付け繊維の横滑りを規制することに支障ない強さで、規制部材３２をライナ３１に固定できる。
【００４０】
○　規制部材３２は、樹脂製にしてもよい。この場合、規制部材３２は接着剤によりライナ３１に取付ける。この構成では、規制部材３２が金属製の場合に比べて、圧力容器の肩部の衝撃吸収性を向上できる。また、軽量化をより高めることができる。
【００４１】
○　ライナ３１を樹脂製にしてもよい。この場合も、規制部材３２は接着剤によりライナ３１に取付ける。
○　ライナの両突出部１６のうち一方にのみ配管が接続されるねじ孔１６ａを形成し、他方の突出部１６は、ねじ孔１６ａを形成せず充実体としてもよい。
【００４２】
○　マトリックス樹脂として、圧力容器に要求される性能に合わせて、エポキシ樹脂に限らず他の熱硬化性樹脂（例えば、ポリイミド樹脂）や、曲げ弾性率の高い熱可塑性樹脂（例えばポリエーテルエーテルケトン）等を使用してもよい。
また、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の他の樹脂を使用してもよい。この場合樹脂の価格がエポキシ樹脂より安いのでコスト低減を図れる。
【００４３】
○　巻付け繊維の材質は炭素繊維に限らず、圧力容器に要求される性能に合わせて、ガラス繊維等の他の無機繊維やポリアラミド繊維等の高強度、高弾性率の有機繊維を使用してもよい。
【００４４】
○　マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂に代えて紫外線硬化樹脂を使用してもよい。
○　ドーム部１３において規制部を設ける位置は、繊維の材料、巻付け時の引張り強さ、ライナ１４表面の摩擦抵抗等に影響される繊維の滑りやすさ等に対応して適宜変更してもよい。
【００４５】
○　第１及び第２の実施の形態において、圧力容器の設計要求によりヘリカル巻層２２は形成しなくてもよいが、ヘリカル巻層２２を形成する方が強度確保の点から望ましい。
【００４６】
上記各実施の形態から把握できる発明（技術的思想）について、以下に追記する。
（１）　請求項１に記載の発明において、前記規制部は、前記円筒部から前記ドーム部に所定距離入り込んだ箇所に形成されている。
【００４７】
（２）　請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記規制部材は、前記ドーム部に取付けられた状態で、前記規制部材の端部が、前記円筒部から前記ドーム部に所定距離入り込んだ箇所に位置する。
【００４８】
（３）　請求項１〜請求項３、前記技術的思想（１）及び（２）のいずれか一項に記載の発明において、前記ライナを樹脂製とし、前記繊維強化複合材の前記巻付け繊維に炭素繊維、マトリックス樹脂にエポキシ樹脂が使用されている。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１〜請求項３に記載の発明によれば、位置ずれなく、ドーム部でのフープ巻層の横滑りを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の圧力容器の模式断面図。
【図２】（ａ）は第２の実施の形態の模式断面図、（ｂ）は規制部材の模式斜視図。
【図３】別例の模式断面図。
【図４】（ａ）はヘリカル巻を示す模式図、（ｂ）はレーベル巻を示す模式図。
【図５】（ａ）は従来の圧力容器のライナの肩部の形状を示す模式図、（ｂ）、（ｃ）は他の従来技術を示す模式図。
【符号の説明】
１１，３０…圧力容器、１２…円筒部、１３…ドーム部、１４，３１…ライナ、１５…外殻、１６…突出部、２１…フープ巻層、２２…ヘリカル巻層、２４…規制部、３２…規制部材。
【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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