(57)【要約】【課題】疲労特性を向上させると共に軽量化でき、しかもシミュレーションに要する時間が短い圧力容器を提供する。【解決手段】本発明の圧力容器１は、容器本体２上に、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上の強化繊維束を有する１種類の繊維強化樹脂層３が形成されたことを特徴とする。また、この圧力容器１においては、強化繊維束の一部は、引張弾性率が２９０ＧＰａ以上のものであることが好ましい。さらには、前記強化繊維束は、破断伸度が２．２％以下のものと、破断伸度が２．２％より大きいものとからなることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器本体上に、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上の強化繊維束を有する１種類の繊維強化樹脂層が形成されたことを特徴とする圧力容器。
【請求項２】
前記強化繊維束が、引張弾性率の異なる複数種の強化繊維束からなり、その強化繊維束の少なくとも一部の引張弾性率が２９０ＧＰａ以上のもの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３】
前記強化繊維束は、破断伸度が２．２％以下のものと、破断伸度が２．２％より大きいものと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】
前記容器本体が金属製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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た。
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、かつ軽量化が可能となる。
【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４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を形成させたものである。ここで、被覆層５３に含まれる強化繊維としては、汎用的な引張弾性率（２４０ＧＰａ以下）のものが使用されている。
【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】
ところで、圧力容器は、ガスの充填・放出が繰り返されるため、疲労特性が重要になる。しかしながら、特許文献１に記載の圧力容器を含む従来の圧力容器は疲労特性が不十分であったため、ガスの充填、放出の繰り返しによって劣化しやすかった。
そこで、疲労特性を向上させるために、容器本体上に、１種類の被覆層だけでなく、高弾性率の強化繊維を含む第２の被覆層を形成させることが考えられる。
このように、容器本体上に高弾性率強化繊維を含む第２の被覆層をさらに形成させた場合には、高弾性率の強化繊維によって疲労特性を改善させることができる上に、強化繊維の全部に高価格の高弾性率強化繊維を用いないのでコストの上昇を抑えることができる。しかしながら、被覆層を複数層設けるので、軽量化することが困難であった。すなわち、疲労特性の向上と軽量化とを同時に達成できなかった。
また、圧力容器については、その性能を見積もるために、強度計算などの特性をシミュレーションするが、被覆層が２種類の場合に要する計算時間は、１種類の場合の約１０〜２０倍であった。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、疲労特性を向上させると共に軽量化でき、しかもシミュレーションに要する時間が短い圧力容器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、容器本体上に、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上の強化繊維束を有する１種類の繊維強化樹脂層が形成されたことを特徴とする。
本発明の圧力容器においては、前記強化繊維束が、引張弾性率の異なる複数種の強化繊維束からなり、その強化繊維束の少なくとも一部の引張弾性率が２９０ＧＰａ以上のものであることが好ましい。
また、前記強化繊維束は、破断伸度が２．２％以下のものと、破断伸度が２．２％より大きいものとからなることが好ましい。
また、前記容器本体が金属製であることが好ましい。
【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、容器本体２上に、強化繊維束を有する１種類の繊維強化樹脂層３が形成されたものである。
ここで、容器本体２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とからなるものであり、一方のドーム部５ａ先端には導出入口６が設けられている。この容器本体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。
【０００８】
容器本体２上の繊維強化樹脂層３では、樹脂中に強化繊維束が配置されている。
樹脂（マトリックス樹脂）としては特に限定されないが、例えば、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、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、マレイミド樹脂、アクリル樹脂などを用いることができる。これらの中でも、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。
【０００９】
強化繊維束は、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上のものである。強化繊維束の引張弾性率が２５０ＧＰａ以上であることで、疲労特性を向上させることができる。しかも、強化繊維束の引張弾性率が２５０ＧＰａ以上という高弾性率であることで、強化繊維束が少量であっても十分に補強できる。したがって、強化繊維束の量を少なくできるので、圧力容器を軽量化できる。
ここで、強化繊維束とは、強化繊維を多数本束ねたものである。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。
【００１０】
強化繊維束は、引張弾性率が異なる複数の強化繊維束からなっていてもよい。
中でも、強化繊維束の少なくとも一部が、引張弾性率が２９０ＧＰａ以上の強化繊維束であることが好ましい。このように、引張弾性率が２９０ＧＰａ以上という特に高い弾性率を有する強化繊維束を用いれば、疲労特性をより向上させることができる上に、強化繊維束の量をより少なくできるので、圧力容器をより軽量化できる。また、引張弾性率が２９０ＧＰａ以上の強化繊維束は全強化繊維束の一部であるので、価格の高い高弾性率強化繊維束の使用量が少なく、コストの上昇を抑えることができる。
【００１１】
また、強化繊維束は、破断伸度が２．２％以下の強化繊維束と、破断伸度が２．２％より大きい強化繊維束とからなることが好ましい。破断伸度が２．２％以下の強化繊維束は、通常、引張弾性率が高いものであるから、疲労特性をより向上させることができる。その上、破断伸度が２．２％より大きい強化繊維束を使用していれば、脆性的な破壊を抑えることができる。
ここで、破断伸度が２．２％より大きい強化繊維束をなす強化繊維は、上記強化繊維の中でも、ガラス繊維、アラミド繊維、ＰＢＯ繊維等である。
【００１２】
次に、上記圧力容器１を製造する方法の一例について説明する。
図２に示すように、貯槽１１内のマトリックス樹脂１２を、引張弾性率２５０ＧＰａ以上の強化繊維束１３に含浸させ、その強化繊維束１３を容器本体２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、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１種類の繊維強化樹脂層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。
【００１３】
上述した製造方法において、複数種の強化繊維束を用いた場合に、その強化繊維束の少なくとも一部に引張弾性率が２９０ＧＰａ以上の強化繊維束を用いることもできる。例えば、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上２９０ＧＰａ未満の強化繊維束と引張弾性率が２９０ＧＰａ以上の強化繊維束とを用いた場合の給糸方法としては、例えば、図３に示すように、引張弾性率が２９０ＧＰａ以上の強化繊維束１５の１本の両側に、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上２９０ＧＰａ未満の強化繊維束１４，１４を各２本並列に配置して給糸する方法などが挙げられる。なお、このような強化繊維束の配置にすれば、補強の均一性が増す。
【００１４】
また、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、充填圧力の５／３倍以上、破壊圧力未満とするのが好ましい。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となるため、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。
【００１５】
以上説明した圧力容器１にあっては、容器本体２上に１種類の繊維強化樹脂層３が形成されているので、容器質量を増加させることなく、疲労特性を向上させることができる。さらに、計算を単純化できるから、シミュレーションに要する時間が短い（約１日程度）。しかも、その繊維強化樹脂層３は、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上の強化繊維束を有しているので、少ない強化繊維束量で十分に容器本体２を補強できる。したがって、疲労特性の向上と軽量化とを同時に達成できる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を実施例によってさらに詳しく説明する。
＜使用した強化繊維束＞
ＭＲ６０Ｈ；三菱レイヨン株式会社製、単繊維直径６μｍ、フィラメント数２４０００本、引張強度５８００ＭＰａ、引張弾性率２９０ＧＰａ、破断伸度１．９％である。
ＨＲ４０；三菱レイヨン株式会社製、単繊維直径６μｍ、フィラメント数１２０００本、引張強度４６００ＭＰａ、同弾性率３９０ＧＰａ、破断伸度１．２％である。
ＴＲ５０Ｓ；三菱レイヨン株式会社製、単繊維直径７μｍ、フィラメント数１２０００本、引張強度４９００ＭＰａ、引張弾性率２４０ＧＰａ、破断伸度２．０％である。
Ｚｙｌｏｎ  ＨＭ；東洋紡株式会社製ＰＢＯ繊維、引張強度５６００ＭＰａ、引張弾性率２７０ＧＰａ、破断伸度２．５％である。
【００１７】
（実施例１）
図１に示すような圧力容器１を以下の手順で作製した。まず、炭素繊維ＭＲ６０にエポキシ樹脂（三菱レイヨン株式会社製＃７００Ｂ）を含浸させた強化繊維束２本と、炭素繊維ＨＲ４０にエポキシ樹脂を含浸させた強化繊維束３本とを並べて密接させた状態で同時に給糸しながら、表１に示すような巻き付け角度でラミネートＮｏ．１〜６の順に容器本体に巻き付けた。
次いで、エポキシ樹脂を含浸した強化繊維束を巻き付けた容器本体を、加熱炉内で１３５℃、２時間保持し、加熱硬化した。次いで、自緊処理装置により、自緊処理圧力５５ＭＰａで自緊処理して最終的な圧力容器を得た。この圧力容器を以下の評価方法によって評価した。そして、その評価結果を表２に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【表２】
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【００２０】
＜評価方法＞
（１）破裂圧力の測定方法（破裂特性）
三菱レイヨン社製水圧破壊試験機に圧力容器をセットし、昇圧速度１．４ＭＰａ以下で容器に水圧を負荷し、容器が破裂したときの圧力を測定した。この測定を３回行い、その平均値を算出した。なお、容器の破裂は、直胴部で生じた。
（２）疲労特性試験
三菱レイヨン社製水圧サイクル試験機に圧力容器をセットし、圧力容器の内圧を大気圧（１ＭＰａ）から充填圧力の５／４倍の圧力（３７．５ＭＰａ）まで上昇させた後、大気圧に戻す圧力変動操作を約２回／分の速度にて繰り返すことで容器を破裂させて、破裂するまでの圧力変動操作繰返し回数を測定した。この測定を３回行い、その平均値を算出した。
（３）軽量性
圧力容器の質量を測定することで評価した。
【００２１】
（実施例２）
炭素繊維ＨＲ４０にエポキシ樹脂を含浸させた強化繊維束５本と、ＺｙｌｏｎＨＭにエポキシ樹脂を含浸させた強化繊維束１本とを並べて密接させた状態で同時に給糸しながら、容器本体に巻き付けたこと以外は、実施例１と同様にして圧力容器を得た。この圧力容器の評価結果を表２に示す。
【００２２】
（比較例１）
炭素繊維ＴＲ５０Ｓにエポキシ樹脂を含浸させた強化繊維束５本を並べて密接させた状態で同時に給糸しながら、容器本体に巻き付けたこと以外は、実施例１と同様にして圧力容器を得た。この圧力容器の評価結果を表２に示す。
【００２３】
（比較例２）
炭素繊維ＴＲ５０Ｓにエポキシ樹脂を含浸させた強化繊維束４本を並べて密接させた状態で同時に給糸しながら、容器本体に巻き付け、自緊処理を４５ＭＰａで行ったこと以外は、実施例１と同様にして圧力容器を得た。この圧力容器の評価結果を表２に示す。
【００２４】
実施例１，２の圧力容器は、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上である強化繊維束を用いていたから、疲労特性に優れていた。さらに、強化繊維束の量を少なくできたから、軽量化されていた。しかも、実施例２の圧力容器は、破断伸度が２．２％以下の強化繊維束と、破断伸度が２．２％より大きい強化繊維束とを使用したので、脆性的な破壊が抑制されていた。
一方、比較例１，２の圧力容器は、引張弾性率が２５０ＧＰａ未満の強化繊維束を用いていたから、疲労特性が低かった。特に、比較例２の圧力容器は、強化繊維束の量を減らしたので、極めて疲労特性が低かった。しかも、破裂圧が低かった。また、比較例１の圧力容器は、破裂圧は実施例１とほぼ同等であったが、強化繊維束の量が増えたので圧力容器の質量は増加した。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、少ない強化繊維束量で十分に容器本体を補強できるので、疲労特性の向上と軽量化とを同時に達成できる。しかも、シミュレーションに要する時間が短い。
また、強化繊維束の少なくとも一部が、引張弾性率が２９０ＧＰａ以上のものであれば、疲労特性をより向上させることができる上に、圧力容器をより軽量化できる。
さらに、強化繊維束は、破断伸度が２．２％以下のものと、破断伸度が２．２％より大きいものとからなれば、脆性的な破壊を抑えることができる。
【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】図１に示す圧力容器の製造方法の一例を模式的に示す図である。
【図３】強化繊維束の給糸方法の一例を説明する図である。
【図４】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
１３，１４，１５  強化繊維束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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