圧力容器の製造方法

【課題】プリプレグの乗り上げやプリプレグ間の隙間の発生を抑えて圧力容器の強度を安定させる。
【解決手段】ライナ２０と、該ライナ２０の外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器を製造する際、所定の繊維数で成形された平板部を備えるプリプレグ７０を幅方向に折り畳みあるいは巻くことによってひも状にし、ライナ２０の外周に巻き付ける。プリプレグ７０をひも状にした後、その断面を四角に成形してからライナ２０の外周に巻き付けることも好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力容器の製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、ライナ外周のＦＲＰ層がプリプレグによって形成される圧力容器の製造方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素等の高圧ガスの貯蔵に利用される高圧タンクのような圧力容器として、ライナの外周にＦＲＰの補強層を備えるものが利用されている。ＦＲＰの補強層は、例えばプリプレグと呼ばれるリボン状の材料をライナの周囲にＦＷ（フィラメントワインディング）することによって形成される（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１８４２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来、ライナの周囲に巻き付けられるプリプレグの端部が隣接するプリプレグに乗り上げることにより部分的な増厚が生じたり、プリプレグ間にできる隙間により均一な断面とならなかったりすることがあり、これによってＦＲＰ層ひいては容器全体の強度が低下するおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明は、プリプレグの乗り上げやプリプレグ間の隙間の発生を抑えて強度を安定させた圧力容器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】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討をした。従来のプリプレグの一般的な断面形状は長方形であり、このような断面形状のプリプレグの側面を付き合わせるようにして隙間無く巻き付けていくことは、生産速度も求められる状況下においては困難なことである。特に、ＦＷ機の給糸口の送り速度は通常一定でありながら、従来のプリプレグのように幅が一定でないと（図１２参照）、厚い部分や薄い部分が一部に集中する結果、プリプレグの側部が隣接するプリプレグの側部に乗り上げて隙間を生じさせたり、あるいは側部と側部の間に隙間を生じさせたりすることがある（図３、図１３参照）。これらが断面均一なＦＲＰの形成を阻害し、圧力容器の強度低下の原因になっているという現状についてさらに検討を重ねた本発明者は、通常、プリプレグは一定の繊維数および樹脂量（樹脂比率）となるように成形されていることからその断面積は一様であるべき点に着目し、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づくもので、ライナと、該ライナの外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器の製造方法であって、所定の繊維数で成形された平板部を備えるプリプレグを幅方向に折り畳みあるいは巻くことによってひも状にし、ライナの外周に巻き付ける、というものである。
【０００８】
本発明においては、シート状プリプレグの厚みと幅が一定でなくても、当該プリプレグを幅方向に折り畳みあるいは巻き、均一の径のひも状としてからライナに巻き付けるので、プリプレグ等の乗り上げが生じ難く、したがって乗り上げに起因する隙間が生じ難い。また、プリプレグには引っ張りテンションが作用するため、巻き付け時に多少ずれたとしても、当該プリプレグを既に巻き付けられているプリプレグ間の谷間に収まるようにすることができる。本発明によれば、このようにプリプレグの乗り上げやプリプレグ間の隙間の発生を抑えることにより、圧力容器の強度を安定させることができる。
【０００９】
このような圧力容器の製造方法においては、プリプレグをひも状にした後、その断面を四角に成形してからライナの外周に巻き付けることが好ましい。このように断面を四角にすることにより、巻き付け時におけるプリプレグ間の隙間を減少させることができる。
【００１０】
また、この製造方法において、ひも状プリプレグをローラに通してその断面を四角形に成形することができる。
【００１１】
さらに、ひも状プリプレグの断面を菱形または平行四辺形に成形することも好ましい。
【００１２】
また、本発明にかかるプリプレグは、ライナと、該ライナの外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器の製造に用いられるプリプレグであって、所定の繊維数で平板状に成形された後、幅方向に折り畳まれあるいは巻かれることによってひも状とされたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、プリプレグの乗り上げやプリプレグ間の隙間の発生を抑えて圧力容器の強度を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】高圧タンク（圧力容器）の断面構造の簡略を示す図である。
【図２】ＦＷ機によりタンク本体にプリプレグを巻き付ける様子を示す図である。
【図３】プリプレグの平板部の形状例を示す図で、（Ａ）幅小で厚みが大きい例、（Ｂ）幅大で厚みが小さい例である。
【図４】平板部を幅方向に巻いてひも状に成形したプリプレグを示す図で、（Ａ）平板部が幅小で厚みが大きい場合のひも状プリプレグ、（Ｂ）平板部が幅大で厚みが小さい場合のひも状プリプレグである。
【図５】ライナの周囲に巻き付けられたひも状プリプレグを示す断面図である。
【図６】引張テンションを作用させながらひも状プリプレグをライナの外周に巻き付ける様子を示す図である。
【図７】引張テンションが作用したひも状プリプレグに拘束力が発生している様子を示す図である。
【図８】ライナの周囲に隙間なく巻き付けられた断面菱形のプリプレグを示す断面図である。
【図９】ライナの外周に巻き付けられる際におけるプリプレグの内外周のテンション差を説明する図である。
【図１０】二対のローラ間にひも状プリプレグを順次通過させて断面四角に成形する様子を示す図である。
【図１１】ひも状プリプレグの他の例として断面が楕円状であるものを示す断面図である。
【図１２】幅が一定でない従来のプリプレグを参考として示す図である。
【図１３】プリプレグを巻き付ける際に乗り上げや隙間を生じさせていた従来技術を参考として示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１〜図７に本発明にかかる圧力容器の製造方法の実施形態を示す。以下では、例えば燃料電池車において利用される水素燃料供給源としての圧力容器（以下、高圧タンクともいう）１を例に挙げ、当該高圧タンク１の構造を例示しつつ説明する。
【００１７】
高圧タンク１は、例えば両端が略半球状である円筒形状のタンク本体１０、当該タンク本体１０の長手方向端部に配置される口金１１、該口金１１に取り付けられる主止弁（図示省略）等によって構成される（図１参照）。なお、図１では、高圧タンク１の略半球状部分であるドーム部を符号１ｄ、筒状胴体部分であるストレート部を符号１ｓでそれぞれ表している。
【００１８】
タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナ２０とその外側の外壁層である樹脂繊維層（補強層）としてのＦＲＰ層２１を有している。ＦＲＰ層２１は、例えばＣＦＲＰ層のみにより、あるいは該ＣＦＲＰ層およびＧＦＲＰ層の組み合わせにより形成することができる。
【００１９】
ライナ２０は、タンク本体１０とほぼ同じ形状に形成されている。ライナ２０は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている。あるいは、アルミニウムなどで形成された金属ライナをライナ２０とすることもできる。ライナ２０の長手方向端部には開口部が形成され、口金１１が嵌入されている。口金１１には、主止弁として機能するバルブアッセンブリが嵌め込まれる。
【００２０】
口金１１は、略円筒形状を有し、ライナ２０の開口部に嵌入されているもので、アルミニウムやアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造されている。また、口金１１は射出成形された分割ライナに嵌め込まれているが、例えばインサート成形によりライナ２０に取り付けられてもよい。
【００２１】
ＦＲＰ層２１は、例えばフィラメントワインディング成形（ＦＷ成形）により、ライナ２０の外周面と口金１１の一部に、樹脂を含浸した繊維（補強繊維）を含むプリプレグ７０を巻き付け、当該プリプレグ７０を硬化させることにより形成されている。ＦＲＰ層２１の樹脂には、例えばエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。また、プリプレグ７０としては、炭素繊維（ＣＦ）、金属繊維を含むものなどが用いられる。フィラメントワインディング成形の際には、タンク本体１０の中心軸を中心としてライナ２０を回転させながらプリプレグ７０のガイド（ＦＷ機給糸口７１）をタンク軸方向に沿って（送り速度一定で）動かすことにより当該ライナ２０の外周面にプリプレグ７０を巻き付けることができる（図２参照）。
【００２２】
次に、ＦＷ時におけるプリプレグ７０の乗り上げやプリプレグ７０間の隙間の発生を抑えて強度を安定させるようにした高圧タンク１の製造方法の一例を説明する（図８等参照）。本実施形態では、平板部を備えるプリプレグ７０を巻くことによってひも状にし、該ひも状プリプレグ７０をライナ２０の外周に巻き付けることとしている。
【００２３】
ライナ２０に巻き付けられるプリプレグ７０は、平板部（図３において符号７０ａを付して示す）を備えるように所定の繊維数によって成形されているが、例えば幅狭（幅小）で厚みが大きかったり逆に幅広（幅大）で厚みが小さかったり（薄かったり）というように、部位によって厚みや幅が異なることがある（図３参照）。本実施形態では、このようなプリプレグ７０を幅方向に丸めるように巻き込むことにより、換言すれば板状のプリプレグ７０を長手方向と垂直な方向に巻き回して断面渦巻き状とすることにより、ひも状プリプレグ（図４等において符号７０ｂを付して示す）としている。プリプレグ７０が所定の繊維数によって成形されている場合、当該プリプレグ７０を中実となるように隙間なく螺旋状に巻き回せば、平板部７０ａの厚みや幅の大小にかかわらず、略円形となったひも状プリプレグ７０ｂの断面積は略同じとなる（図４参照）。このように、ライナ２０に巻き付ける前にプリプレグ７０の断面積を略同じとし、また外形を均一（略円形）とすれば、プリプレグ７０の乗り上げが生じること、該乗り上げに起因する隙間が生じることを抑制することができる（図５参照）。
【００２４】
プリプレグ７０を巻き付ける際には、一層目を巻く際のテンションを最も高くして巻き付ける。また、このようにしてひも状のプリプレグ７０ｂを巻き付ける場合、時間的に後から巻き付けられたプリプレグ７０が、隣り合うプリプレグ７０間の隙間（プリプレグ境界部分の谷）に自然と落ち込みやすい。また、隣り合うプリプレグ７０間（プリプレグ境界部分）の内周側の隙間は、該隙間よりも内層側に巻かれたプリプレグ７０の一部が入り込んだ状態となる。以上から、プリプレグ７０どうしが重なっても互いに乗り上げることがなく、乗り上げによる隙間を生じさせない（図５参照）。
【００２５】
しかも、断面略円形のプリプレグ７０を用いた場合には、多少ずれたとしても、巻き付け時の引張テンションが、当該ずれをなくすように作用するという利点もある。すなわち、引張テンションが作用している場合、巻き付けられているプリプレグ７０には、プリプレグ境界部分の外周面に沿って下側（内周側）に向かおうとする分力が作用する（図６、図７参照）。このような分力は、巻き付け時のプリプレグ７０が多少ずれて巻き付けられたとしても当該プリプレグ７０をプリプレグ境界部分に向かわせて隙間を少なくするように作用する。要は、タンク本体１０の回転と引張テンションとがプリプレグ７０間の谷間へ当該プリプレグ７０を拘束する方向に作用する。
【００２６】
以上のごとき製造方法によると、プリプレグ７０の巻き付け時に生じうる隙間を減少させ、より均一な断面を有するＦＲＰ層２１を形成することが可能となる。したがって、これによれば高圧タンク１の強度をより安定したものとすることができる。
【００２７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では断面略円形のひも状に成形されたプリプレグ７０ｂをライナ２０に巻き付けたが、ひも状に成形したプリプレグ７０をさらに断面四角に成形してからライナ２０に巻き付けることも好ましい。このようにプリプレグ７０の断面を四角にすることにより、巻き付け時におけるプリプレグ７０間の隙間をさらに減少させることができる（図８参照）。より具体的には、プリプレグ７０の断面形状は菱形や平行四辺形であることが好ましい。例えば断面菱形のプリプレグ７０を用いた場合には、プリプレグ７０どうしが重なっても互いに乗り上げることがなく、乗り上げによる隙間を生じさせ難い。また、隣り合うプリプレグ７０間の隙間を、該隙間よりも内層側に巻かれたプリプレグ７０と外層側に巻かれたプリプレグ７０とにより埋めることができる。これによれば、均一な断面を形成することが可能となるため、圧力容器の強度の一層の安定化を図ることができる。
【００２８】
また、プリプレグ７０を、その厚みが少なくなるように成形することも好ましい。一般に、プリプレグ７０などのＦＷ対象物においては、プリプレグ７０の厚みに対するライナ２０の中心径が細くなるほど内外周のテンション差が大きくなることから、繊維破断する可能性が高まる（図９参照）。したがって、上述のように断面四角とする場合には、例えば幅広の菱形として厚みを少なくすれば、内外周のテンション差が大きくなるのを抑えることが可能である。
【００２９】
上述のようにひも状プリプレグ７０ｂを断面四角に成形するための手法の一例としては、二対のローラの間を順次通過させることによって成形することが挙げられる。具体例を示せば、ひも状プリプレグ７０ｂをまずは上下一対のローラ８１の間を通す工程によって上下を平坦にし、次に左右一対のローラ８２の間を通す工程によって左右を平坦にして断面四角に成形することができる（図１０参照）。
【００３０】
また、ここまで説明した実施形態においては、平板状のプリプレグ７０を幅方向に巻き回すことによってひも状に成形したが（図４等参照）、これは、プリプレグ７０の断面を均一（一様）にするための好適例にすぎない。要は、プリプレグ７０の断面を均一にすることができればその具体的手段は限定されることはなく、例えば平板状プリプレグ７０を折り畳むことによって断面を均一にしても構わない。また、その際の断面形状は、均一であれば円形等には限られない。
【００３１】
また、ＦＷ時におけるプリプレグ７０どうしの乗り上げを抑止するという観点からすれば、プリプレグ７０の断面形状を楕円状などとすることもできる。こうした場合、断面が菱形の場合と同様、回転と引張テンションとがプリプレグ７０間の谷間へ当該プリプレグ７０を拘束する方向に作用する（図１１参照）。
【００３２】
なお、上述の実施形態では断面が菱形である場合を例示して説明したが、ここでいう菱形は幾何学上の厳密な意味での菱形には限られない。要は、上述の実施形態において断面菱形のプリプレグ７０を用いることとした趣旨が、プリプレグ７０どうしが重なっても互いに乗り上げることのないようにして隙間をなくす点にあることからすれば、同様の作用を奏しうる限り、厳密には菱形でない菱形状の断面形状（菱形に準じる形状で、厳密には各辺が直線でないもの、各辺の長さが均等でないもの（例えば平行四辺形状のもの）等を含む）のプリプレグは本発明の好適な適用範囲内に含まれると解釈すべきである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、ライナ外周のＦＲＰ層がプリプレグによって形成される圧力容器の製造に適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００３４】
１…高圧タンク（圧力容器）、２０…ライナ、２１…ＦＲＰ層、７０…プリプレグ、７０ａ…平板部、７０ｂ…ひも状プリプレグ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナと、該ライナの外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器の製造方法であって、
所定の繊維数で成形された平板部を備えるプリプレグを幅方向に折り畳みあるいは巻くことによってひも状にし、前記ライナの外周に巻き付ける、
圧力容器の製造方法。
【請求項２】
前記プリプレグをひも状にした後、その断面を四角に成形してから前記ライナの外周に巻き付ける、請求項１に記載の圧力容器の製造方法。
【請求項３】
前記ひも状プリプレグをローラに通してその断面を四角形に成形する、請求項２に記載の圧力容器の製造方法。
【請求項４】
前記ひも状プリプレグの断面を菱形または平行四辺形に成形する、請求項３に記載の圧力容器の製造方法。
【請求項５】
ライナと、該ライナの外周を包むＦＲＰ層とを有する圧力容器の製造に用いられるプリプレグであって、
所定の繊維数で平板状に成形された後、幅方向に折り畳まれあるいは巻かれることによってひも状とされた、プリプレグ。

【図１】