JP2000337594A

JP2000337594A - 圧力容器

Info

Publication number: JP2000337594A
Application number: JP11148215A
Authority: JP
Inventors: Ryuta Kamiya; 隆太神谷; Yoshiharu Yasui; 義治安居; Fujio Hori; 藤夫堀; Yasumi Miyashita; 康己宮下
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2000-12-05

Abstract

(57)【要約】【課題】ドーム部の口金付近に集中する不要な繊維を
無くすとともに、容器全体の繊維量を減らすことがで
き、しかも繊維の巻付け時に繊維が横滑りせずに製造が
容易となる圧力容器を提供する。【解決手段】圧力容器１は円筒部２の両端にドーム部
３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ＦＲＰ製の外殻とを備えている。
外殻を構成する巻付け繊維９のドーム部３における配列
軌道が、口金８に接する軌道と、口金８に接しない軌道
の２種類存在する。口金８に接しない軌道を通る巻付け
繊維９の一部は、ドーム部３における巻付け部の頂点と
ライナの軸線を含む平面上で前記頂点を通る接線に対し
て直交する平面上に位置するように配列されるととも
に、円筒部２の端部で測地線の近くを通り配列角度が次
第に大きくなって円筒部２に配列されるフープ巻11に連
続するように配列されている。

Description

【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し、ドーム部の中心に口金を備えた
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、従来、圧力容器３０のドーム部３１に対しては
図３（ａ）に示すようなインプレーン巻（平面巻）又は
図３（ｂ）に示すようなヘリカル巻が行われ、円筒部３
２に対してはインプレーン巻又はヘリカル巻とフープ巻
の組合せで繊維Ｆが配列されて圧力容器３０が製造され
ている。

【０００４】しかし、通常のインプレーン巻やヘリカル
巻の場合、繊維は全て圧力容器３０の両端の口金３３に
接して折り返しているので、口金３３近傍の肉厚が厚
く、肩部（ドーム部と円筒部との境界付近）の肉厚が薄
い構造となり、口金３３の近傍に余分な繊維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。

【０００５】特開平５−７９５９８号公報には、口金近
傍の厚みがドーム部の他の厚みに比べて過剰に厚くなる
ことを防止するため、図４に示すように、フィラメント
ワインディング法により繊維強化層が形成された圧力容
器３０のドーム部３１において、強化繊維Ｆが周回を重
ねる毎に極点近傍を通る軌道から低緯度を通る軌道へ移
行しながら巻かれている圧力容器３０が提案されてい
る。強化繊維Ｆはエポキシ樹脂を含浸させながら、アル
ミニウム製のライナの円筒部に巻付け角度２０°でヘリ
カル巻を行い、このとき、極点近傍から低緯度方向へ所
定の角度まで軌道をずらせながらワインディングを行
い、さらに円筒部３２にフープ巻きを行うことが開示さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平５−
７９５９８号公報に開示されたように、ライナの円筒部
に所定角度で繊維を巻き付け、ドーム部において口金か
ら離れた位置を通るように繊維を配列させようとする
と、肩部で繊維の横滑りが生じて所望の軌道に配列する
ことが非常に難しいという問題がある。前記配列を可能
にするためには繊維が測地線軌道を通るような配列角度
にする必要があるが、その場合円筒部において繊維方向
が主応力方向から大きく外れてしまうため、円筒部の強
度を確保するために必要な繊維量が増えるという問題が
ある。

【０００７】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的はドーム部の口金付近に集中する
不要な繊維を無くすとともに、容器全体の繊維量を減ら
すことができ、しかも繊維の巻付け時に繊維が横滑りせ
ずに製造が容易となる圧力容器を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、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、ドーム部の中心に口金を備えた圧力容器であって、
前記外殻を構成する巻付け繊維のドーム部における配列
軌道が、口金に接する軌道と、口金に接しない軌道の２
種類存在し、口金に接しない軌道を通る巻付け繊維は、
ドーム部における巻付け部の頂点とライナの軸線を含む
平面上で前記頂点を通る接線に対して直交する平面上に
位置するように配列されるとともに、円筒部の端部で測
地線の近くを通り配列角度が次第に大きくなって円筒部
に配列されるフープ巻に連続するように配列されてい
る。

【０００９】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、配列された巻付け繊維のうちの一部
は、円筒部の端部で測地線の近くを通り、配列角度が次
第に小さくなって円筒部の中間部では軸方向に沿って延
びるように配列されている。

【００１０】従って、請求項１に記載の発明では、外殻
を構成する巻付け繊維のドーム部における配列軌道が、
口金に接する軌道と、口金に接しない軌道の２種類存在
するため、口金部に巻付け繊維が集中することが回避さ
れる。口金に接する軌道を通るように配列された巻付け
繊維は配列角度、即ち圧力容器の軸方向とのなす角度が
小さく円筒部における軸方向の主応力に効果的に対抗で
きる。円筒部にはフープ巻に配列される巻付け繊維が存
在するため、フープ巻が周方向の主応力に効果的に対抗
できる。口金に接しない軌道を通る巻付け繊維は、ドー
ム部における巻付け部の頂点とライナの軸線を含む平面
上で前記頂点を通る接線に対して直交する平面上に位置
するように配列されるとともに、円筒部の端部で測地線
の近くを通り、配列角度が次第に大きくなって円筒部の
フープ巻に連続するため、肩部で巻付け繊維の横滑りが
生じ難い。

【００１１】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、巻付け繊維の一部が、円筒部におけ
る配列方向が軸方向に沿って延びるように配列されるた
め、軸方向の主応力に効果的に対抗できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
の形態を図１及び図２に従って説明する。図２に示すよ
うに、圧力容器１は円筒部２の両端にドーム部３を有す
る形状に形成されている。圧力容器１はガスバリア性を
有するライナ４と、その外側を覆う繊維強化樹脂（ＦＲ
Ｐ）製の外殻５とを有する。ライナ４は合成樹脂（例え
ば、高密度ポリエチレン）で形成され、両端に金属製の
口金部材６が固定されたボス部７を備えている。即ち、
この実施の形態ではボス部７及び口金部材６で口金８が
構成されている。なお、口金部材６には配管のプラグを
螺合するためのねじ部が形成されている。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。

【００１３】外殻５を構成する巻付け繊維９はライナ４
の外周面に連続的に巻き付けられて所定の厚さの繊維層
に形成されている。図１（ｂ）に示すように、巻付け繊
維９はドーム部３における配列軌道が、口金８に接する
軌道と、口金８に接しない軌道の２種類存在する。口金
８に接する軌道を通るように配列される巻付け繊維９は
インプレーン巻で巻き付けられている。口金８に接しな
い軌道を通る巻付け繊維９は、インプレーン巻の平面と
直交しライナ４の軸線を含む平面上に当該巻付け繊維９
のドーム部３における巻付け部の頂点が存在し、該頂点
を通る接線Ｌに対して直交する平面上に位置するように
配列される。

【００１４】そして、図１（ａ）に示すように、口金８
に接しない軌道を通る巻付け繊維９の大部分は、円筒部
２の端部で測地線の近くを通り配列角度（巻付け角）θ
が次第に大きくなるヘリカル巻１０を経て、円筒部２に
配列されるフープ巻１１に連続するように配列されてい
る。口金８に接しない軌道を通る巻付け繊維９のドーム
部３における巻付け頂部の位置の緯度が高い場合、即ち
口金８に近い場合は、円筒部２における巻付け角θが小
さくなり、巻付け角θがほぼ９０°と大きなフープ巻１
１に無理なく連続するように配列するのが難しい。その
ような場合は、フープ巻１１を設けずにヘリカル巻１０
からドーム部３の巻付け軌道に連続するように配列され
る。

【００１５】また、口金８に接しない軌道を通るように
配列された巻付け繊維９のうちの一部は、図１（ｃ）に
示すように、円筒部２の端部で測地線の近くを通り、配
列角度が次第に小さくなって円筒部２の中間部では軸方
向に沿って延びるように配列されている。

【００１６】次に前記の構成の圧力容器１の製造方法を
説明する。口金部材６を備えた樹脂製のライナ４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、ライナ４の周面に樹脂を含浸させた状態の巻付け繊
維９が順次巻き付けられる。先ずインプレーン巻で巻付
け繊維９を口金８に接触する状態で配列させるととも
に、両側のドーム部３を経て１周毎にずらせて所定量巻
き付ける。

【００１７】次にドーム部３の口金８に接触しない巻付
け繊維９をその巻付け部の頂点の位置が次第に低緯度と
なるようにして順次巻き付ける。ドーム部３で口金８に
接触しない軌道を通る巻付け繊維９の配列時にライナ４
の回転を停止させた状態で円筒部２と平行に繊維供給ヘ
ッドを移動させると、図１（ｃ）に示すように、円筒部
２において軸方向と平行に延びるように巻付け繊維９が
配列される。また、ライナ４の回転速度及び繊維供給ヘ
ッドの移動速度を配列角度に対応する所定値に設定する
ことにより、ドーム部３及び円筒部２に所望の配列角度
で巻付け繊維９が巻き付けられる。

【００１８】所定量の巻付け繊維９の巻付けが終了した
後、ライナ４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５が形成され、冷却すると
圧力容器１が完成する。

【００１９】この実施の形態では以下の効果を有する。（１）圧力容器１の外殻５を構成する巻付け繊維９の
ドーム部３における配列軌道が、口金８に接する軌道
と、口金８に接しない軌道の２種類存在するため、口金
部に集中する過剰な巻付け繊維を減らすことができる。
その結果、口金部の肉厚増加が少なくなり、外観形状が
良くなる。また、口金部の長さを短くでき、圧力容器１
全体を短くできる。従って、軽量、コンパクトにでき、
高価な巻付け繊維９の使用量が減って製造コストを低下
することができる。

【００２０】（２）口金８に接しない軌道を通る巻付
け繊維９は、ドーム部３における巻付け部の頂点とライ
ナ４の軸線を含む平面上で前記頂点を通る接線Ｌに対し
て直交する平面上に位置するように配列されるととも
に、円筒部２の端部で測地線の近くを通り配列角度が次
第に大きくなって円筒部２に配列されるフープ巻１１に
連続するように配列されている。従って、ドーム部３に
おいて口金８に接しない状態で配列される巻付け繊維９
の巻付け時に巻付け繊維９が横滑りせず、製造が容易と
なる。

【００２１】（３）口金８に接しない軌道を通る巻付
け繊維９の一部は、円筒部２においてフープ巻１１とな
るように配列されている。従って、フープ巻１１専用の
巻付け繊維９を設けなくても、円筒部２の強度を確保で
きる。

【００２２】（４）口金８に接しない軌道を通るよう
に配列された巻付け繊維９のうちの一部は、円筒部２の
端部で測地線の近くを通り、配列角度が次第に小さくな
って円筒部２の中間部では軸方向に沿って延びるように
配列されている。従って、軸方向の主応力に効果的に対
抗できる強化繊維の量が増え、使用繊維量が同じで軸方
向の強度を向上させることができる。

【００２３】（５）巻付け繊維９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、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より高めることができ
る。

【００２４】（６）ライナ４が樹脂製のため金属製の
ライナに比較して軽量化をより高めることができる。（７）ドーム部３の口金８に接触しない巻付け繊維９
をその巻付け部の頂点の位置が次第に低緯度となるよう
にして順次巻き付ける。従って、ドーム部３に巻き付け
られる口金８に接触しない軌道を通る巻付け繊維９の配
列角を変更するためのフィラメントワインディング装置
の制御が、巻付け順序が任意の場合に比較して簡単にな
る。

【００２５】なお、実施の形態は前記に限定されるもの
ではなく、例えば、次のように具体化してもよい。 ○ 円筒部２においてライナ４の軸方向と平行に配列さ
れる巻付け繊維９を省略してもよい。

【００２６】○ ライナ４の口金８の一方にのみ配管が
接続されるねじ孔を形成し、片側の口金８は、ねじ孔を
形成せず充実体としてもよい。 ○ 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。

【００２７】○ 巻付け繊維９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。

【００２８】○ 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。 ○ ライナ４を樹脂製ではなく、アルミニウムあるいは
アルミニウム合金等の軽い金属製としてもよい。この場
合、口金部材６をライナ４と一体成形でき、口金８の構
造が簡単になる。

【００２９】○ ドーム部３において口金８に接しない
巻付け繊維９の巻き付け順序は、巻付け部の頂点の位置
が次第に低緯度となる順序に限らない。例えば、初めに
巻付け部の頂点の位置が大きく移動するように巻き付
け、次にその間を埋めるように巻付け部の頂点の位置を
変更して巻き付けてもよい。

【００３０】○ 口金８に接しない軌道を通るように配
列された巻付け繊維９に限らず、口金８に接する軌道を
通るように配列された巻付け繊維９のうちの一部を、円
筒部２の中間部では軸方向に沿って延びるように配列さ
せてもよい。この場合も軸方向の主応力に効果的に対抗
できる強化繊維の量が増え、使用繊維量が同じで軸方向
の強度を向上させることができる。

【００３１】前記実施の形態から把握できる請求項記載
以外の発明（技術的思想）について、以下にその効果と
ともに記載する。（１）請求項１又は請求項２に記載の発明において、
ライナを樹脂製とし、繊維強化複合材の巻付け繊維に炭
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。この場合、自動車の燃料タンクとして使用される
強度を確保して、圧力容器の軽量化及びコンパクト化を
高めることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１及び請求
項２に記載の発明によれば、ドーム部の口金付近に集中
する不要な繊維を無くすとともに、容器全体の繊維量を
減らすことができ、しかも繊維の巻付け時に繊維が横滑
りせずに製造が容易となる。

【００３３】請求項２に記載の発明によれば、軸方向の
主応力に効果的に対抗できる強化繊維の量が増え、使用
繊維量が同じで軸方向の強度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は一実施の形態の口金に接触しない繊
維の配列状態を示す模式図、（ｂ）口金に接触する繊維
と口金に接触しない繊維の配列状態を示す模式図、
（ｃ）は口金に接触しない繊維の別の配列状態を示す模
式図。

【図２】圧力容器の模式断面図。

【図３】（ａ）はインプレーン巻の繊維の配列を示す
模式図、（ｂ）はヘリカル巻の繊維の配列を示す側面
図。

【図４】従来の圧力容器のドーム部の繊維の配列状態
を示す模式図。

【符号の説明】

１…圧力容器、２…円筒部、３…ドーム部、４…ライ
ナ、５…外殻、８…口金、９…巻付け繊維、１１…フー
プ巻。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀藤夫愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者宮下康己愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内Ｆターム(参考） 3E072 AA10 BA04 CA01 CA06 4F205 AA05 AA39 AD03 AD05 AD16 AE10 AH17 AH55 HA02 HA14 HA23 HA33 HA37 HA40 HA46 HB01 HB11 HC02 HC17 HF05 HG03 HK04 HK05 HK17 HL02 HL12 HL14 HL25 HT03 HT22 HT27

Claims

【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、ドーム部の中心
に口金を備えた圧力容器であって、前記外殻を構成する巻付け繊維のドーム部における配列
軌道が、口金に接する軌道と、口金に接しない軌道の２
種類存在し、口金に接しない軌道を通る巻付け繊維は、
ドーム部における巻付け部の頂点とライナの軸線を含む
平面上で前記頂点を通る接線に対して直交する平面上に
位置するように配列されるとともに、円筒部の端部で測
地線の近くを通り配列角度が次第に大きくなって円筒部
に配列されるフープ巻に連続するように配列されている
圧力容器。
【請求項２】配列された巻付け繊維のうちの一部は、
円筒部の端部で測地線の近くを通り、配列角度が次第に
小さくなって円筒部の中間部では軸方向に沿って延びる
ように配列されている請求項１に記載の圧力容器。