圧力容器

【課題】安定した品質が確保された圧力容器を提供する。
【解決手段】圧力容器は、ライナ１０の外周表面に、ライナ１０を被覆する繊維強化樹脂層を備える。繊維強化樹脂層は、連続する複数の繊維と、該繊維間を埋めるように含浸された樹脂とからなり、断面が平行四辺形状のテーププリプレグ３０の端部を重ね合わせながらライナ１０に巻きつけ、次いで、樹脂を硬化させることにより形成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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液体または気体として貯蔵する、圧力容器が使用されている。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樹脂（ＣＦＲＰ）などの繊維強化樹脂（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、車両などの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】
図１０は、一般的なＦＲＰ製の圧力容器の構成の概略を説明するための図である。図１０に示す圧力容器１００は例えば、６−ナイロン（ナイロン６とも称する）、６，６−ナイロン（ナイロン６６とも称する）などのナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂などの熱可塑性樹脂で形成された、流体を収容するための中空部を有するライナ１０と、ライナ１０の外周部分を被覆する繊維強化樹脂層（ＦＲＰ層）１２とを備え、構成されている。圧力容器１００にはまた、少なくとも一つの口金１８を有する。口金１８には、図示しないバルブが接続可能に構成されており、このバルブ操作により圧力容器１００の内外への高圧流体の流通を調節することができる。
【０００５】
繊維強化樹脂層１２は一般に、糸状の繊維（フィラメント）に熱硬化性樹脂などの樹脂液を含浸させ、必要に応じて乾燥および／または半硬化させたいわゆるプリプレグをライナの外周表面に巻きつけて、その後該樹脂液を硬化させることにより形成される。圧力容器１００の設計圧力は、ライナ１０の材質および／または厚みの他、例えば、繊維強化樹脂層１２を構成する繊維の太さやプリプレグの巻き数を調整し、繊維強化樹脂層１２の厚みを調整することにより、制御することができる。
【０００６】
ＦＲＰの作製に用いられるプリプレグとして、例えば、長く連続した糸状の繊維（フィラメント）を複数本束ねた繊維束に樹脂液を含浸させトウプリプレグや、ほぼ一定の所望の厚みを有するシートプリプレグ、さらには該シートプリプレグを所望する幅に切断し、帯状にしたいわゆるテーププリプレグなどが知られている（例えば、特許文献１−３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−４０１１９号公報
【特許文献２】特開２００７−２１０１０２号公報
【特許文献３】特開２００９−１６８１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図７は、一般的なトウプリプレグの構成の概略を説明するための断面拡大図である。図６に例示するように、トウプリプレグは一般に、その断面が円または楕円に近似した形状を有しており、中央部と端部との間でその厚みに差異が生じる。この不均一な厚みに伴い、ライナへの巻き付け（フィラメントワインディング（ＦＷ））工程時には、トウプリプレグの重なり部分に不可避的に隙間が生じることでボイドが発生しやすく、圧力容器の性能を精度よく作製することが困難な場合があり得た。特に、ライナに対して押圧しながらのＦＷ工程や、場合によってはＦＷ工程に先立って実施される開繊の程度に応じて、トウプリプレグの断面形状は断面積を保持しながらも変形しうる（図７（ａ），（ｂ）参照）。このため、硬化させたＦＲＰ層やフィラメントが受ける応力や張力にばらつきが生じ、圧力容器の経時的な強度低下が懸念される場合もあり得た。
【０００９】
一方、図８は、従来の一般的なテーププリプレグの構成の概略の一例を説明するための図である。図８（ａ）はテーププリプレグを上面視した図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８（ａ）に示すテーププリプレグ１３０は、連続する複数の繊維１４と、繊維１４の間を埋めるように含浸された樹脂１６とからなり、図８（ｂ）に示すその断面形状は、ほぼ一定の幅および厚みをそれぞれ有する長方形状である。
【００１０】
図９に例示するように、テーププリプレグ１３０では、ライナ１０に対する厚みが、中央部と端部との間に差異がなくほぼ均一で、かつ寸法精度が良好である。このため、ライナ１０の表面に図７に示すようなトウプリプレグを適用する場合よりも、積層方向へのテーププリプレグ１３０の重なり部分におけるボイドの発生は低減されうる。しかしながら、テーププリプレグ１３０の厚みによっては、隣接するトウプリプレグ間に空隙１３２が形成され、その端部に段差が生じる場合があり得た。そして、この空隙１３２の段差に伴い、ボイドが発生する余地が依然として残存しており、作製された圧力容器における安定した品質の確保が懸念される場合があり得た。
【００１１】
本発明は、安定した品質が確保された圧力容器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】
【００１２】
本発明は、中空部を有するライナの外周表面に、前記ライナを被覆する繊維強化樹脂層を備える圧力容器であって、前記繊維強化樹脂層が、連続する複数の繊維と、該繊維間を埋めるように含浸された樹脂とからなる、所定の幅を有するテーププリプレグであって、断面が平行四辺形状のテーププリプレグの端部を重ね合わせながら前記ライナに巻きつけ、次いで、前記樹脂を硬化させてなる、圧力容器である。
【発明の効果】
【００１３】
安定した品質が確保された圧力容器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態における圧力容器の作製に好適なテーププリプレグの構成の概略を説明するための図である。
【図２】図１に示すテーププリプレグをライナに巻きつけた様子を概念的に示した図である。
【図３】図１に示すテーププリプレグの作製に用いられるシートプリプレグの一例を説明するための図である。
【図４】図３に示すシートプリプレグを切断するカッタ刃の一例を説明するための図である。
【図５】図３に示すシートプリプレグを切断する様子を説明するための上面図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるテーププリプレグの寸法例を説明するための断面拡大図である。
【図７】従来のトウプリプレグの断面形状を例示するための拡大図である。
【図８】従来のテーププリプレグの構成の概略を例示する図である。
【図９】図８に示すテーププリプレグをライナに巻きつけた様子を概念的に示した図である。
【図１０】圧力容器の構成の概略を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用いて詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態における圧力容器に好適に用いうるテーププリプレグの構成の概略の一例を説明するための図である。図１（ａ）はテーププリプレグを上面視した図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図１に示すテーププリプレグ３０は、その断面形状が、並行四辺形状であることを除き、図７に示すテーププリプレグ１３０とほぼ同様の構成を有している。
【００１７】
図２は、図１に示すテーププリプレグ３０をライナ１０に巻きつけた様子を概念的に示したものである。テーププリプレグ３０の端部が直角ではない所定の鋭角を有することにより、隣り合うテーププリプレグ３０の端部が互いに重なり合うように巻きつけられる。このため、ライナ１０へのテーププリプレグ３０の巻きつけに伴う表面段差が、図８に示すテーププリプレグ１３０と比較して小さくなり、ボイドの発生も抑制することができる。
【００１８】
図３（ａ）は、図１に示すテーププリプレグ３０の作製に好適なシートプリプレグを上面視した図である。図３（ａ）に示すシートプリプレグ２０は、ほぼ同一方向となるように整然と並べられた、連続する複数の繊維１４と、繊維１４の間を埋めるように含浸された樹脂１６とからなる。一方、図３（ｂ）は図３（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。繊維１４方向にほぼ垂直に切断したシートプリプレグ２０の断面形状は、全体にわたりほぼ一定の幅および厚みをそれぞれ有する長方形状である。本実施の形態において、シートプリグレグ２０を作製する方法として、例えばラミネート法、ホットメルト法のほか、公知のあらゆる手法を適用することができる。
【００１９】
図４（ａ）は、図３に示すシートプリプレグ２０を加工してテーププリプレグ３０を作製するのに好適なカッタ刃の一例について説明するための側面図である。カッタ刃４０は、図１（ｂ）に示すテーププリプレグ３０の断面形状に対応するよう、ほぼ平行四辺形状の複数のスリットまたは格子を一列に並べるように形成されている。図４（ｂ）に示すように、１つのテーププリプレグ３０に対応するカッタ刃４０の幅Ｗおよび角度θは、テーププリプレグ３０の幅ｗおよび角度θ（図６参照）にほぼ対応している。一方、カッタ刃４０の高さＨは、テーププリプレグ３０の厚みｈ（図６参照）よりもやや高いことが好ましい。
【００２０】
図５（ａ）は、図４（ｂ）に示すように配置したカッタ刃４０による、シートプリプレグ２０の切断の様子を説明するための上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。図４に示すカッタ刃４０は、繊維１４方向にほぼ並行なライン４１を切断部として、複数のテーププリプレグ３０を作製することができる。本実施の形態においては、テーププリプレグ３０を作製するにあたり、シートプリプレグ２０を無駄なく利用することができるため、好適である。
【００２１】
本発明の実施の形態において、図６に示す繊維１４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、繊維束の機械的強度として、引張り強度が１００〜３００ＧＰａ程度のものが好ましいが、これに限定されない。
【００２２】
一方、図６に示す樹脂１６の材料である樹脂液として、例えば液状の熱硬化性樹脂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。かかる熱硬化性樹脂として、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル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。
【００２３】
また、テーププリプレグ３０の厚みｈは、例えば、１００〜１０００μｍに設定することができる。テーププリプレグ３０の厚みｈが１００μｍ未満だと、ＦＷ工程での生産性が低下する場合があり得る一方、１０００μｍを超えると、ライナに円筒状に巻く場合において、同一束内の内側と外側とで繊維歪が変わるため、作製されたＦＲＰの強度が低下する場合があり得る。
【００２４】
また、テーププリプレグ３０の幅ｗは、例えば、４〜１００ｍｍ程度に設定することができる。テーププリプレグ３０の幅ｗが４ｍｍ未満だと、ＦＷ工程での生産性が低下する場合があり得る一方、１００ｍｍを超えると、容器の特にドーム部でのＦＷが困難となる場合があり得る。
【００２５】
さらに、テーププリプレグ３０の底面と側面とのなす角θは、例えば、１５〜６０°に設定することができ、より好ましくは３０〜４５°である。テーププリプレグ３０の底面と側面とのなす角θが１５°よりも小さいと、テーププリプレグの平らな部分を確保しづらくなる場合があり得る一方、６０°を超えると、ボイドを抑えるために必要な繊維束間の間隔が狭くなり、制御が困難となる場合があり得る。
【００２６】
本発明の実施の形態によれば、テーププリプレグの断面を平行四辺形状にすることにより、テーププリプレグの端部における、厚み方向の幅を小さくすることができる。このため、隣り合うテーププリプレグの重なり部分における高さを、テーププリプレグの厚みとは大差ないように抑制することができる。したがって、テーププリプレグの積層方向にも、ライナ表面にほぼ平行な方向にもボイドの発生を抑えることができ、長期にわたり安定した品質が確保された圧力容器を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、テーププリプレグを巻き付けて作製されるＦＲＰ製の圧力容器に好適に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０ライナ、１２繊維強化樹脂層、１４繊維、１６樹脂、１８口金、２０シートプリプレグ、３０，１３０テーププリプレグ、４０カッタ刃、１００圧力容器、１３２空隙。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部を有するライナの外周表面に、前記ライナを被覆する繊維強化樹脂層を備える圧力容器であって、
前記繊維強化樹脂層が、
連続する複数の繊維と、該繊維間を埋めるように含浸された樹脂とからなる、所定の幅を有するテーププリプレグであって、断面が平行四辺形状のテーププリプレグの端部を重ね合わせながら前記ライナに巻きつけ、次いで、前記樹脂を硬化させてなることを特徴とする圧力容器。

【図１】