JPH09257193A - 圧力容器およびその製造方法 - Google Patents
圧力容器およびその製造方法Info
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- JPH09257193A JPH09257193A JP8066031A JP6603196A JPH09257193A JP H09257193 A JPH09257193 A JP H09257193A JP 8066031 A JP8066031 A JP 8066031A JP 6603196 A JP6603196 A JP 6603196A JP H09257193 A JPH09257193 A JP H09257193A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C2205/00—Vessel construction, in particular mounting arrangements, attachments or identifications means
- F17C2205/03—Fluid connections, filters, valves, closure means or other attachments
- F17C2205/0302—Fittings, valves, filters, or components in connection with the gas storage device
- F17C2205/0305—Bosses, e.g. boss collars
Landscapes
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】軽量で繰り返し衝撃に対する耐圧性能と信頼性
に優れた圧力容器およびその製造方法を提供する。 【解決手段】本発明は、ガスバリア性を有する内殻と、
該内殻を覆うように設けた耐圧性の外殻とを有し、該外
殻は補強繊維と樹脂とを含むFRPで構成されかつ引張
弾性率35GPa 以上で、 引張破断歪1.5%以上であ
り、さらに該内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±50゜ の
角度で配された補強繊維の層と、±75゜ 〜±105゜
の角度で配された補強繊維の層とを含んでいることを特
徴とする。
に優れた圧力容器およびその製造方法を提供する。 【解決手段】本発明は、ガスバリア性を有する内殻と、
該内殻を覆うように設けた耐圧性の外殻とを有し、該外
殻は補強繊維と樹脂とを含むFRPで構成されかつ引張
弾性率35GPa 以上で、 引張破断歪1.5%以上であ
り、さらに該内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±50゜ の
角度で配された補強繊維の層と、±75゜ 〜±105゜
の角度で配された補強繊維の層とを含んでいることを特
徴とする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、各種の圧力容
器、特に自動車等に搭載するのに好適な圧力容器に関す
る。
器、特に自動車等に搭載するのに好適な圧力容器に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、米国その他の諸外国で、メタンを
主成分とする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。そのような自動車には、一般にC
NGタンク(Compressed Natural Gas Tank) と呼ばれる
圧力容器が搭載されている。
主成分とする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。そのような自動車には、一般にC
NGタンク(Compressed Natural Gas Tank) と呼ばれる
圧力容器が搭載されている。
【0003】そのような自動車用圧力容器は、従来、ス
チールやアルミニウム合金等の金属で作られているが、
金属製のものは重く、燃費を低下させる。加えて、天然
ガスの単位重量当たりの発熱量はガソリンの半分程度に
すぎないから、無補給で走行できる距離をガソリン車並
みに高めようとするとガソリンの場合の約2倍もの天然
ガスを搭載しなければならず、これがまた車両総重量を
増大させ、燃費を低下させている。そのため、燃費向上
の一策として、圧力容器の軽量化が検討されている。
チールやアルミニウム合金等の金属で作られているが、
金属製のものは重く、燃費を低下させる。加えて、天然
ガスの単位重量当たりの発熱量はガソリンの半分程度に
すぎないから、無補給で走行できる距離をガソリン車並
みに高めようとするとガソリンの場合の約2倍もの天然
ガスを搭載しなければならず、これがまた車両総重量を
増大させ、燃費を低下させている。そのため、燃費向上
の一策として、圧力容器の軽量化が検討されている。
【0004】ところで、特公平5−88665号公報に
は、ガスバリア性を有するプラスチック製の内殻を、耐
圧性のFRP(繊維強化プラスチック)製外殻で覆って
なる圧力容器が記載されている。この圧力容器は、本質
的にプラスチックからなるものであるから金属製にくら
べてかなり軽量であり、これを自動車用の天然ガス圧力
容器として用いると、燃費の向上が期待できる。しかし
ながら、一方で、FRPは金属にくらべて脆性であるか
ら、衝突事故、その他の原因で衝撃を受けたときに瞬間
的に破裂し、破片が人体を傷つけたり、天然ガスが一気
に漏れて爆発的に火災が発生するといった心配がある。
また、衝突事故等における車体の破壊の進行の状況を観
察すると、破壊の進行に伴って同じ部位に何度も衝撃が
加わることが再々認められるが、最初の衝撃で破裂しな
くても、同じ部位に2度目の衝撃が加わると比較的低い
衝撃エネルギーでも容易に破裂し、結果的に1度の衝撃
で破裂したのと同じ状況が作りだされてしまう。このよ
うに、圧力容器、特に自動車用の燃料圧力容器において
は、1回の衝撃で破裂しないことはもちろんのこと、繰
り返し衝撃を受けても耐圧性能を保ち続けられることが
要求される。この破裂の防止や耐圧性能の保持は、もち
ろん、安全係数を高くとれば解決できる。しかしなが
ら、そうすると、重量が増大してFRP化することの最
大のメリットである軽量化効果が損なわれたり、製造コ
ストが上昇するようになる。
は、ガスバリア性を有するプラスチック製の内殻を、耐
圧性のFRP(繊維強化プラスチック)製外殻で覆って
なる圧力容器が記載されている。この圧力容器は、本質
的にプラスチックからなるものであるから金属製にくら
べてかなり軽量であり、これを自動車用の天然ガス圧力
容器として用いると、燃費の向上が期待できる。しかし
ながら、一方で、FRPは金属にくらべて脆性であるか
ら、衝突事故、その他の原因で衝撃を受けたときに瞬間
的に破裂し、破片が人体を傷つけたり、天然ガスが一気
に漏れて爆発的に火災が発生するといった心配がある。
また、衝突事故等における車体の破壊の進行の状況を観
察すると、破壊の進行に伴って同じ部位に何度も衝撃が
加わることが再々認められるが、最初の衝撃で破裂しな
くても、同じ部位に2度目の衝撃が加わると比較的低い
衝撃エネルギーでも容易に破裂し、結果的に1度の衝撃
で破裂したのと同じ状況が作りだされてしまう。このよ
うに、圧力容器、特に自動車用の燃料圧力容器において
は、1回の衝撃で破裂しないことはもちろんのこと、繰
り返し衝撃を受けても耐圧性能を保ち続けられることが
要求される。この破裂の防止や耐圧性能の保持は、もち
ろん、安全係数を高くとれば解決できる。しかしなが
ら、そうすると、重量が増大してFRP化することの最
大のメリットである軽量化効果が損なわれたり、製造コ
ストが上昇するようになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、従
来の圧力容器の上述した問題点を解決し、軽量であるの
はもちろんのこと、繰り返し衝撃に対しても優れた耐圧
性能を示し、信頼性に優れた圧力容器を提供することに
ある。
来の圧力容器の上述した問題点を解決し、軽量であるの
はもちろんのこと、繰り返し衝撃に対しても優れた耐圧
性能を示し、信頼性に優れた圧力容器を提供することに
ある。
【0006】また、この発明の他の目的は、そのような
圧力容器を低コストで製造する方法を提供することにあ
る。
圧力容器を低コストで製造する方法を提供することにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、ガスバリア性を有する内殻と、該内殻
を覆うように設けた耐圧性の外殻とを有し、該外殻は補
強繊維と樹脂とを含むFRPで構成されかつ引張弾性率
35GPa 以上で、 引張破断歪1.5%以上であり、さら
に該内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±50゜ の角度で配
された補強繊維の層と、±75゜ 〜±105゜ の角度で
配された補強繊維の層とを含んでいる圧力容器を提供す
る。
に、この発明は、ガスバリア性を有する内殻と、該内殻
を覆うように設けた耐圧性の外殻とを有し、該外殻は補
強繊維と樹脂とを含むFRPで構成されかつ引張弾性率
35GPa 以上で、 引張破断歪1.5%以上であり、さら
に該内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±50゜ の角度で配
された補強繊維の層と、±75゜ 〜±105゜ の角度で
配された補強繊維の層とを含んでいる圧力容器を提供す
る。
【0008】また、この発明は、そのような圧力容器を
製造する方法として、ガスバリア性を有する内殻の周り
にフィラメントワインディング法またはテープワインデ
ィング法を用いて、引張弾性率35GPa 以上かつ引張破
断歪1.5%以上でさらに該内殻の軸方向に対して±5
゜ 〜±50゜ の角度で配された補強繊維の層と±75゜
〜±105゜ の角度で配された補強繊維の層とを含んで
いる耐圧性の外殻を形成する圧力容器の製造方法を提供
する。
製造する方法として、ガスバリア性を有する内殻の周り
にフィラメントワインディング法またはテープワインデ
ィング法を用いて、引張弾性率35GPa 以上かつ引張破
断歪1.5%以上でさらに該内殻の軸方向に対して±5
゜ 〜±50゜ の角度で配された補強繊維の層と±75゜
〜±105゜ の角度で配された補強繊維の層とを含んで
いる耐圧性の外殻を形成する圧力容器の製造方法を提供
する。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明をその一実施態様に基いて
詳細に説明するに、図1において、圧力容器1は、ガス
バリア性を有する内殻2と、この内殻2を覆うように設
けた耐圧性のFRP製外殻3とを有する。この圧力容器
1は、全体として胴部Aとそれに続く鏡板部Bと、ノズ
ル取付用の口金4及びそれに装着されたノズル5と、反
対側に設けられたボス6とを有している。
詳細に説明するに、図1において、圧力容器1は、ガス
バリア性を有する内殻2と、この内殻2を覆うように設
けた耐圧性のFRP製外殻3とを有する。この圧力容器
1は、全体として胴部Aとそれに続く鏡板部Bと、ノズ
ル取付用の口金4及びそれに装着されたノズル5と、反
対側に設けられたボス6とを有している。
【0010】上記において、内殻は、ガス漏れを防ぐ作
用をもつ。また、後述するように耐圧性の外殻を形成す
るときの芯体としても作用する。
用をもつ。また、後述するように耐圧性の外殻を形成す
るときの芯体としても作用する。
【0011】内殻は、たとえば、薄いアルミニウム合金
やマグネシウム合金等の軽合金などの金属、または、ポ
リエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹
脂、ABS樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポ
リアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂等の樹脂で作
られている。耐衝撃性に優れるという意味では、ABS
樹脂が好ましい。そのような樹脂製の内殻は、例えば、
ブロー成形によって製造できる。また複合ブロー成形法
を用い、ガスシール性に優れる、例えばポリアミド樹脂
の層を、剛性に優れる、例えば高密度ポリエチレン樹脂
の層で挟んだ多層構造とすることもできる。さらにま
た、内殻は、FRPで作られていてもよい。そのような
FRP製の内殻は、例えば、後述する補強繊維からなる
繊維長2〜10mm程度の単繊維を含む樹脂を射出成形す
ることによって製造することができる。
やマグネシウム合金等の軽合金などの金属、または、ポ
リエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹
脂、ABS樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポ
リアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂等の樹脂で作
られている。耐衝撃性に優れるという意味では、ABS
樹脂が好ましい。そのような樹脂製の内殻は、例えば、
ブロー成形によって製造できる。また複合ブロー成形法
を用い、ガスシール性に優れる、例えばポリアミド樹脂
の層を、剛性に優れる、例えば高密度ポリエチレン樹脂
の層で挟んだ多層構造とすることもできる。さらにま
た、内殻は、FRPで作られていてもよい。そのような
FRP製の内殻は、例えば、後述する補強繊維からなる
繊維長2〜10mm程度の単繊維を含む樹脂を射出成形す
ることによって製造することができる。
【0012】内殻のガス漏れ防止作用を向上させるた
め、内表面および/または外表面にガスバリア層を形成
することも好ましく採用できる。例えば、ブロー成形に
際して吹込ガスとしてフッ素を含む窒素ガスを用いる
と、内殻の内表面にフッ素樹脂の被覆からなるガスバリ
ア層を形成することができる。また、外表面に銅、ニッ
ケル、クロム等の金属のメッキ被覆を形成してガスバリ
ア層とすることもできる。
め、内表面および/または外表面にガスバリア層を形成
することも好ましく採用できる。例えば、ブロー成形に
際して吹込ガスとしてフッ素を含む窒素ガスを用いる
と、内殻の内表面にフッ素樹脂の被覆からなるガスバリ
ア層を形成することができる。また、外表面に銅、ニッ
ケル、クロム等の金属のメッキ被覆を形成してガスバリ
ア層とすることもできる。
【0013】金属メッキ被覆の形成は、電解メッキ法や
無電解メッキ法によることができる。内殻を複合ブロー
成形法によって製造する場合、内側にガスバリア性に優
れたポリアミド樹脂等の層を配し、外側にメッキし易い
例えばABS樹脂の層を配して金属メッキ被覆の形成を
容易にすることもできる。
無電解メッキ法によることができる。内殻を複合ブロー
成形法によって製造する場合、内側にガスバリア性に優
れたポリアミド樹脂等の層を配し、外側にメッキし易い
例えばABS樹脂の層を配して金属メッキ被覆の形成を
容易にすることもできる。
【0014】また、内殻には、その内面もしくは外面に
2.5〜5cm程度の間隔で周方向に延びるリング状のリ
ブを設けることができる。そのような内殻は、例えば、
リブ付きのプラスチック製の半割の内殻を作り、それら
を接合、一体化することによって得ることができる。こ
のリブは、内殻の強度を向上させ、後述する外殻の形成
時における内殻の変形を防ぎ、補強繊維の蛇行や偏在に
よる外殻の強度低下や強度のばらつき、ひいては耐圧性
能の低下を防ぐのに役立つ。
2.5〜5cm程度の間隔で周方向に延びるリング状のリ
ブを設けることができる。そのような内殻は、例えば、
リブ付きのプラスチック製の半割の内殻を作り、それら
を接合、一体化することによって得ることができる。こ
のリブは、内殻の強度を向上させ、後述する外殻の形成
時における内殻の変形を防ぎ、補強繊維の蛇行や偏在に
よる外殻の強度低下や強度のばらつき、ひいては耐圧性
能の低下を防ぐのに役立つ。
【0015】再び図1を参照するに、内殻の胴部Aに
は、後述する補強繊維糸がフープ巻等した層が配され、
またそのような補強繊維糸の織物等と樹脂とを複合して
なるFRP製の補強層Eが配されてなる。この補強層E
は、鏡板部Bの一部まで延びていてもよい。もっとも、
本発明においては、 補強層を有することが必須ではな
い。 一方、外殻2は、補強繊維と樹脂とを含むFRP
からなるものであり、引張弾性率が35GPa 以上で、 引
張破断歪が1.5%以上でかつ該内殻の軸方向に対して
±5°〜±50°の角度で配された補強繊維の層と、±
75°〜±105°の角度で配された補強繊維の層を含
んでいる。FRPからなりかつ引張弾性率が35GPa 以
上で、 引張破断歪が1.5%以上で、さらに該内殻の軸
方向に対して±5°〜±50°の角度で配された補強繊
維の層と、±75°〜±105°の角度で配された補強
繊維の層を含んでいることによって、圧力容器は、繰り
返し衝撃に対しても優れた耐圧性能を有し、また、信頼
性に優れるものとなる。引張弾性率が37GPa 以上であ
ることは好ましく、40GPa 以上であることはより好ま
しい。引張弾性率が35GPa 未満では、衝撃を受けたと
きの変形量が大きくなりすぎ、内殻が損傷してガスが漏
れる心配がある。また、繰り返し衝撃に対して弱くな
る。一方、引張破断歪に関しては、少なくとも1.5%
が必要であり、好ましくは1.7%以上、より好ましく
は2.0%以上である。1.5%未満では、衝撃を受け
たときの補強繊維の損傷、破断が著しくなり、繰り返し
衝撃を受けたとき、最初の衝撃による損傷がわずかであ
っても、同じ部位にさらに衝撃が加わるとガス漏れや破
裂の心配がでてくる。
は、後述する補強繊維糸がフープ巻等した層が配され、
またそのような補強繊維糸の織物等と樹脂とを複合して
なるFRP製の補強層Eが配されてなる。この補強層E
は、鏡板部Bの一部まで延びていてもよい。もっとも、
本発明においては、 補強層を有することが必須ではな
い。 一方、外殻2は、補強繊維と樹脂とを含むFRP
からなるものであり、引張弾性率が35GPa 以上で、 引
張破断歪が1.5%以上でかつ該内殻の軸方向に対して
±5°〜±50°の角度で配された補強繊維の層と、±
75°〜±105°の角度で配された補強繊維の層を含
んでいる。FRPからなりかつ引張弾性率が35GPa 以
上で、 引張破断歪が1.5%以上で、さらに該内殻の軸
方向に対して±5°〜±50°の角度で配された補強繊
維の層と、±75°〜±105°の角度で配された補強
繊維の層を含んでいることによって、圧力容器は、繰り
返し衝撃に対しても優れた耐圧性能を有し、また、信頼
性に優れるものとなる。引張弾性率が37GPa 以上であ
ることは好ましく、40GPa 以上であることはより好ま
しい。引張弾性率が35GPa 未満では、衝撃を受けたと
きの変形量が大きくなりすぎ、内殻が損傷してガスが漏
れる心配がある。また、繰り返し衝撃に対して弱くな
る。一方、引張破断歪に関しては、少なくとも1.5%
が必要であり、好ましくは1.7%以上、より好ましく
は2.0%以上である。1.5%未満では、衝撃を受け
たときの補強繊維の損傷、破断が著しくなり、繰り返し
衝撃を受けたとき、最初の衝撃による損傷がわずかであ
っても、同じ部位にさらに衝撃が加わるとガス漏れや破
裂の心配がでてくる。
【0016】このような外殻は、例えば、上述した内殻
をいわゆるマンドレルとして、その周りに周知のフィラ
メントワインディング法やテープワインディング法によ
って樹脂を含む補強繊維糸の巻層を形成し、成形するこ
とによって構成することができる。
をいわゆるマンドレルとして、その周りに周知のフィラ
メントワインディング法やテープワインディング法によ
って樹脂を含む補強繊維糸の巻層を形成し、成形するこ
とによって構成することができる。
【0017】以下、フィラメントワインディング法によ
る外殻の具体的な製造方法の一例を図2を参照して説明
する。すなわち、クリールスタンド11の各ボビン12
から繰り出された各強化繊維13は、所定の本数引き揃
えられて強化繊維束14とされ、ガイドロール15へ送
られる。ガイドロール15は、本実施例では、実質的に
水平方向に延びる一対のフリー回転ロール16a、16
bと、その下流側の、実質的に上下方向に延びる一対の
フリー回転ロール17a、17bと、実質的に水平方向
に延びる一対のフリー回転ロール18とからなってい
る。このガイドロール15により、概ね所定断面形状に
引き揃えられた強化繊維束14は樹脂含浸バス19へと
導入される。
る外殻の具体的な製造方法の一例を図2を参照して説明
する。すなわち、クリールスタンド11の各ボビン12
から繰り出された各強化繊維13は、所定の本数引き揃
えられて強化繊維束14とされ、ガイドロール15へ送
られる。ガイドロール15は、本実施例では、実質的に
水平方向に延びる一対のフリー回転ロール16a、16
bと、その下流側の、実質的に上下方向に延びる一対の
フリー回転ロール17a、17bと、実質的に水平方向
に延びる一対のフリー回転ロール18とからなってい
る。このガイドロール15により、概ね所定断面形状に
引き揃えられた強化繊維束14は樹脂含浸バス19へと
導入される。
【0018】補強繊維束14は樹脂含浸バス19で樹脂
20を含浸され、この樹脂含浸された補強繊維束22を
回転している内殻29に所定の角度で巻き付けていくこ
とにより外殻31が製造できる。補強繊維束14に樹脂
20を含浸する方法としては、浸漬法、あるいはタッチ
ロール方式を用いることができる。なお、内殻と外殻と
の間に補強層を設ける場合には、その表面をも含めた内
殻の外表面を平均高さが10μm〜200μm程度の粗
面に形成しておくと、ワインディング時における補強繊
維糸の滑りを防止でき、補強繊維の分布の乱れを少なく
できるので好ましい。
20を含浸され、この樹脂含浸された補強繊維束22を
回転している内殻29に所定の角度で巻き付けていくこ
とにより外殻31が製造できる。補強繊維束14に樹脂
20を含浸する方法としては、浸漬法、あるいはタッチ
ロール方式を用いることができる。なお、内殻と外殻と
の間に補強層を設ける場合には、その表面をも含めた内
殻の外表面を平均高さが10μm〜200μm程度の粗
面に形成しておくと、ワインディング時における補強繊
維糸の滑りを防止でき、補強繊維の分布の乱れを少なく
できるので好ましい。
【0019】このフィラメントワインディング法におい
ては、通常、樹脂含浸バス19と内殻29との間に、樹
脂含浸された補強繊維束22を案内する例えばガイドロ
ーラ23のガイド手段と、内殻直前に内殻の所定の位置
に所定の角度で樹脂含浸された補強繊維束を巻き付ける
ためのフィードローラ24が設けられている。
ては、通常、樹脂含浸バス19と内殻29との間に、樹
脂含浸された補強繊維束22を案内する例えばガイドロ
ーラ23のガイド手段と、内殻直前に内殻の所定の位置
に所定の角度で樹脂含浸された補強繊維束を巻き付ける
ためのフィードローラ24が設けられている。
【0020】ガイドローラ15、23は、回転ローラも
しくは固定ローラからなっている。また、ガイドローラ
として、梨地ローラ、メッキが施されたローラなどを用
いることができ、これらのローラのように摩擦係数が少
ないローラを用いれば補強繊維束を傷つけることがほと
んどなくなる。
しくは固定ローラからなっている。また、ガイドローラ
として、梨地ローラ、メッキが施されたローラなどを用
いることができ、これらのローラのように摩擦係数が少
ないローラを用いれば補強繊維束を傷つけることがほと
んどなくなる。
【0021】フィードローラは通常、案内する強化繊維
束がローラ面から脱落しないように、両端部に顎を有す
るストレートロールからなっているが、案内する強化繊
維束の幅を一定にするために、図3に示すような一定間
隔の溝、もしくは図4に示すような一定幅の凹部をスト
レートロールに施してもよい。
束がローラ面から脱落しないように、両端部に顎を有す
るストレートロールからなっているが、案内する強化繊
維束の幅を一定にするために、図3に示すような一定間
隔の溝、もしくは図4に示すような一定幅の凹部をスト
レートロールに施してもよい。
【0022】このように樹脂含浸された補強繊維束22
を内殻29の表面に積層して得た成形体を、樹脂の硬化
条件に従って一定時間加熱硬化させる。なお、硬化させ
る間、成形体を横置きにして周方向に回転させておくこ
とは、樹脂の硬化むらを少なくできるので好ましい。
を内殻29の表面に積層して得た成形体を、樹脂の硬化
条件に従って一定時間加熱硬化させる。なお、硬化させ
る間、成形体を横置きにして周方向に回転させておくこ
とは、樹脂の硬化むらを少なくできるので好ましい。
【0023】また、成形物を短時間に最終硬化温度で処
理すると、外殻31内部の硬化発熱が高くなってクラッ
クが外殻内層に発生したり、樹脂が急激に大量に絞り出
される事によってボイドが外殻内層に発生しやすくなる
ので、硬化温度を次のように制御することが好ましい。
すなわち、使用する樹脂によって異なるが、一般的に、
硬化初期段階において、50℃〜90℃の温度域で長時
間の前硬化処理を行うことにより、外殻内層の発熱作用
に伴うクラック発生を防止しつつ、樹脂を徐々に絞り出
してボイドを低減せしめ、その後、最終硬化温度に昇温
して硬化させるのが好ましい。
理すると、外殻31内部の硬化発熱が高くなってクラッ
クが外殻内層に発生したり、樹脂が急激に大量に絞り出
される事によってボイドが外殻内層に発生しやすくなる
ので、硬化温度を次のように制御することが好ましい。
すなわち、使用する樹脂によって異なるが、一般的に、
硬化初期段階において、50℃〜90℃の温度域で長時
間の前硬化処理を行うことにより、外殻内層の発熱作用
に伴うクラック発生を防止しつつ、樹脂を徐々に絞り出
してボイドを低減せしめ、その後、最終硬化温度に昇温
して硬化させるのが好ましい。
【0024】補強繊維糸としては、炭素繊維糸、ガラス
繊維糸、あるいは例えばポリアラミド繊維等の有機高弾
性率繊維糸などの高強度、高弾性率繊維糸を用いること
ができる。これらの補強繊維糸は、屈曲した時の応力集
中を小さくし、ボイドの発生を少なくすることができる
という意味で、開繊性に優れる無撚繊維糸であるのが好
ましい。また、これらの補強繊維糸を混合して用いても
よい。中でも低弾性率であるガラス繊維と炭素繊維糸を
混合して使用すると、製造コストを低減し得ることが期
待できる。併用の方法としては外殻においてヘリカル層
をガラス繊維とし、フープ層を炭素繊維糸としてもよい
し、ガラス繊維と炭素繊維糸を合糸したものを樹脂含浸
してワインディングしてもよい。
繊維糸、あるいは例えばポリアラミド繊維等の有機高弾
性率繊維糸などの高強度、高弾性率繊維糸を用いること
ができる。これらの補強繊維糸は、屈曲した時の応力集
中を小さくし、ボイドの発生を少なくすることができる
という意味で、開繊性に優れる無撚繊維糸であるのが好
ましい。また、これらの補強繊維糸を混合して用いても
よい。中でも低弾性率であるガラス繊維と炭素繊維糸を
混合して使用すると、製造コストを低減し得ることが期
待できる。併用の方法としては外殻においてヘリカル層
をガラス繊維とし、フープ層を炭素繊維糸としてもよい
し、ガラス繊維と炭素繊維糸を合糸したものを樹脂含浸
してワインディングしてもよい。
【0025】そのような補強繊維糸のなかでも、比強
度、比弾性率に優れ、ワインディング時における糸切れ
や毛羽の発生がほとんどなく、生産性の向上はもとよ
り、糸の継目や毛羽の混入による強度特性の低下や耐衝
撃性能の低下を防止できるようになる、ストランド引張
強度4.5GPa 以上、より好ましくは5.5GPa 以上
で、ストランド引張破断歪が2%以上、より好ましくは
2.2%以上である炭素繊維糸が好ましい。ここでいう
引張強度とはJIS−R7601によって測定されるも
のをいい、引張破断歪とはJIS−R7601によって
測定したストランド引張弾性率で引張強度を除した値を
いう。
度、比弾性率に優れ、ワインディング時における糸切れ
や毛羽の発生がほとんどなく、生産性の向上はもとよ
り、糸の継目や毛羽の混入による強度特性の低下や耐衝
撃性能の低下を防止できるようになる、ストランド引張
強度4.5GPa 以上、より好ましくは5.5GPa 以上
で、ストランド引張破断歪が2%以上、より好ましくは
2.2%以上である炭素繊維糸が好ましい。ここでいう
引張強度とはJIS−R7601によって測定されるも
のをいい、引張破断歪とはJIS−R7601によって
測定したストランド引張弾性率で引張強度を除した値を
いう。
【0026】次に本発明の圧力容器の外殻を構成する樹
脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、
ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂
や、ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹
脂、ABS樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニ
レンサルファイド樹脂、ポリ−4−メチルペンテン−1
樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いるこ
とができる。特に、変形による衝撃吸収エネルギを大き
くするために、引張破断歪の大きな樹脂、好ましくは引
張破断歪が3%以上、より好ましくは5%以上であるも
のを用いることが好ましい。
脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、
ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂
や、ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹
脂、ABS樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニ
レンサルファイド樹脂、ポリ−4−メチルペンテン−1
樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いるこ
とができる。特に、変形による衝撃吸収エネルギを大き
くするために、引張破断歪の大きな樹脂、好ましくは引
張破断歪が3%以上、より好ましくは5%以上であるも
のを用いることが好ましい。
【0027】ところで、内圧によって生ずる圧力容器の
軸方向における引張張力と周方向における引張張力との
比は、ほぼ1:2になる。したがって、軽量化とともに
強度や引張弾性率を高くして耐圧性能の向上を図り、か
つ圧力容器に衝撃によって瞬間的に穴があいたときのバ
ーストを防止するためには外殻において面内等方性を向
上させるように、外殻において補強繊維が内側から順
に、圧力容器の軸方向に対して、±5゜ 〜±50゜ 、好
ましくは±25゜ 〜±40゜ の角度で配された補強繊維
の層と、±75゜ 〜±105゜ 、好ましくは±85゜ 〜
±100゜ の角度で配された補強繊維の層という構成を
有するのが好ましい。また、±5゜ 〜±50゜ の角度で
配された補強繊維の層と±75゜ 〜±105゜ の角度で
配された補強繊維の層との補強繊維量の体積比が1.
0:1.0〜2.0の範囲にするのが好ましい。
軸方向における引張張力と周方向における引張張力との
比は、ほぼ1:2になる。したがって、軽量化とともに
強度や引張弾性率を高くして耐圧性能の向上を図り、か
つ圧力容器に衝撃によって瞬間的に穴があいたときのバ
ーストを防止するためには外殻において面内等方性を向
上させるように、外殻において補強繊維が内側から順
に、圧力容器の軸方向に対して、±5゜ 〜±50゜ 、好
ましくは±25゜ 〜±40゜ の角度で配された補強繊維
の層と、±75゜ 〜±105゜ 、好ましくは±85゜ 〜
±100゜ の角度で配された補強繊維の層という構成を
有するのが好ましい。また、±5゜ 〜±50゜ の角度で
配された補強繊維の層と±75゜ 〜±105゜ の角度で
配された補強繊維の層との補強繊維量の体積比が1.
0:1.0〜2.0の範囲にするのが好ましい。
【0028】なお、胴部と鏡板部との境界部分は内圧に
よる曲げ応力が作用するから、少し厚く構成しておくの
が好ましい。また、各層の層間に上述した補強繊維のマ
ットや不織布と樹脂とのFRP層を介在させたり、同様
のFRP層を最外層として形成しておくと、衝撃エネル
ギーを分散させることができるようになって衝撃性能が
一層向上するようになる。同様に、最外層を、耐衝撃性
に優れたガラス繊維や有機繊維と樹脂とのFRP層とし
て形成したり、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ウ
レタン樹脂等による樹脂層として形成することもでき
る。
よる曲げ応力が作用するから、少し厚く構成しておくの
が好ましい。また、各層の層間に上述した補強繊維のマ
ットや不織布と樹脂とのFRP層を介在させたり、同様
のFRP層を最外層として形成しておくと、衝撃エネル
ギーを分散させることができるようになって衝撃性能が
一層向上するようになる。同様に、最外層を、耐衝撃性
に優れたガラス繊維や有機繊維と樹脂とのFRP層とし
て形成したり、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ウ
レタン樹脂等による樹脂層として形成することもでき
る。
【0029】本発明の圧力容器に充填されるガスの種類
としては、特に限定されず、前述のごとき天然ガスの
他、窒素や酸素、ヘリウムガス等が挙げられる。
としては、特に限定されず、前述のごとき天然ガスの
他、窒素や酸素、ヘリウムガス等が挙げられる。
【0030】
実施例1 ブロー成形した高密度ポリエチレン樹脂からなる内殻
(外径:100mm、ノズル取付部を除く全長:300
mm、肉厚:1mm)を、いわゆるマンドレルとして、
その内殻の上に、フィラメントワインディング法によっ
て外殻を形成した。フィラメントワインディングに際し
ては、エポキシ樹脂(引張破断歪:4%)を含浸した炭
素繊維糸(単繊維径:7μm、単繊維数:12000
本、引張強度:5.0GPa、引張破断歪:2.2%)
を、圧力容器の軸方向に対して、順に±30°層、88
°層を形成するように、かつ、±30°層、88°層の
炭素繊維糸量の体積比が1:1.5になるように巻き、
オーブン中にて130℃で6時間加熱して圧力容器の本
体を成形した。かくして得られた外殻の引張弾性率は、
73GPa、引張破断歪は2.0%であり、本体の外径
は104mmであった。なお、引張弾性率及び引張破断
歪は、圧力容器胴部を輪切りにしたサンプルをノルリン
グ試験法で測定した。
(外径:100mm、ノズル取付部を除く全長:300
mm、肉厚:1mm)を、いわゆるマンドレルとして、
その内殻の上に、フィラメントワインディング法によっ
て外殻を形成した。フィラメントワインディングに際し
ては、エポキシ樹脂(引張破断歪:4%)を含浸した炭
素繊維糸(単繊維径:7μm、単繊維数:12000
本、引張強度:5.0GPa、引張破断歪:2.2%)
を、圧力容器の軸方向に対して、順に±30°層、88
°層を形成するように、かつ、±30°層、88°層の
炭素繊維糸量の体積比が1:1.5になるように巻き、
オーブン中にて130℃で6時間加熱して圧力容器の本
体を成形した。かくして得られた外殻の引張弾性率は、
73GPa、引張破断歪は2.0%であり、本体の外径
は104mmであった。なお、引張弾性率及び引張破断
歪は、圧力容器胴部を輪切りにしたサンプルをノルリン
グ試験法で測定した。
【0031】次に、上記本体中央に、落錘試験機を用い
て、ノーズ先端の曲率半径が8mm、重量2kgのタッ
プノーズを2m/secの速度で同一部位に50回衝突させた
ところ、超音波探傷機でみた損傷面積(垂直方向から見
た投影面積)は0.1cm 2 であった。また、水を加圧源と
する加圧試験による衝突前後における耐圧力の比は1.
00であり、繰り返し衝撃による耐圧性能の低下は認め
られなかった。
て、ノーズ先端の曲率半径が8mm、重量2kgのタッ
プノーズを2m/secの速度で同一部位に50回衝突させた
ところ、超音波探傷機でみた損傷面積(垂直方向から見
た投影面積)は0.1cm 2 であった。また、水を加圧源と
する加圧試験による衝突前後における耐圧力の比は1.
00であり、繰り返し衝撃による耐圧性能の低下は認め
られなかった。
【0032】また、上記構成の本体に水圧試験機を用い
て水圧30MPaを負荷させ、その後、落錘試験機を用
いて、ノーズ先端の曲率半径が3mm、重量20kgの
タップノーズを7m/secの速度で衝突させたところ、ノー
ズ先端があたった箇所にのみ穴があき、圧力容器全体の
破壊は見られなかった。
て水圧30MPaを負荷させ、その後、落錘試験機を用
いて、ノーズ先端の曲率半径が3mm、重量20kgの
タップノーズを7m/secの速度で衝突させたところ、ノー
ズ先端があたった箇所にのみ穴があき、圧力容器全体の
破壊は見られなかった。
【0033】比較例1 炭素繊維糸として単繊維径:7μm、単繊維数:120
00本、引張強度:2.4GPa、引張破断歪:1.6
%のもの、Eガラス繊維糸として単繊維径:9μm、引
張強度:3.5GPa、引張破断歪4.8%のものを使
用して、圧力容器の軸方向に対して、順に±3°層を炭
素繊維糸で、88°層を炭素繊維糸とEガラス繊維糸の
混合状態で、±45°層を炭素繊維糸で形成するよう
に、かつ±3°層、88°層、±45°層の繊維量の体
積比が、炭素繊維糸:{炭素繊維糸:Eガラス繊維
糸}:炭素繊維糸=1:{1:1}:2になるように巻
いた以外は、実施例1と同様にして圧力容器の本体を形
成した。かくして得られた外殻をノルリング試験法で測
定してところ引張弾性率は30GPa、引張破断歪は
1.6%であった。
00本、引張強度:2.4GPa、引張破断歪:1.6
%のもの、Eガラス繊維糸として単繊維径:9μm、引
張強度:3.5GPa、引張破断歪4.8%のものを使
用して、圧力容器の軸方向に対して、順に±3°層を炭
素繊維糸で、88°層を炭素繊維糸とEガラス繊維糸の
混合状態で、±45°層を炭素繊維糸で形成するよう
に、かつ±3°層、88°層、±45°層の繊維量の体
積比が、炭素繊維糸:{炭素繊維糸:Eガラス繊維
糸}:炭素繊維糸=1:{1:1}:2になるように巻
いた以外は、実施例1と同様にして圧力容器の本体を形
成した。かくして得られた外殻をノルリング試験法で測
定してところ引張弾性率は30GPa、引張破断歪は
1.6%であった。
【0034】この本体について実施例1と同様の試験を
したところ、損傷面積は6.5cm2であり、衝突前後に
おける耐圧力の比は0.62であった。
したところ、損傷面積は6.5cm2であり、衝突前後に
おける耐圧力の比は0.62であった。
【0035】また水圧30MPaを負荷させた状態で、
落錘試験機を用い衝撃試験を行ったところ、ノーズ先端
が当たった箇所を中心に圧力容器全体が破壊した。
落錘試験機を用い衝撃試験を行ったところ、ノーズ先端
が当たった箇所を中心に圧力容器全体が破壊した。
【0036】
【発明の効果】この発明の圧力容器は、ガスバリア性を
有する内殻を覆うように、引張弾性率35GPa 以上で、
引張破断歪1.5%以上でかつ該内殻の軸方向に対して
±5゜〜±50゜ の角度で配された補強繊維の層と、±
75゜ 〜±105゜ の角度で配された補強繊維の層とを
含んでいる、FRP製の外殻を設けているから、実施例
と比較例との対比からも明らかなように、繰り返し衝撃
に対しても優れた耐圧性能を示し、信頼性に優れてい
る。また、本質的にプラスチックからなるものであるか
ら、もちろん、軽量である。そのため、この発明の圧力
容器は、軽量で、しかも、信頼性に特に優れていること
が要求される自動車用のCNGタンクとしてとりわけ好
適である。
有する内殻を覆うように、引張弾性率35GPa 以上で、
引張破断歪1.5%以上でかつ該内殻の軸方向に対して
±5゜〜±50゜ の角度で配された補強繊維の層と、±
75゜ 〜±105゜ の角度で配された補強繊維の層とを
含んでいる、FRP製の外殻を設けているから、実施例
と比較例との対比からも明らかなように、繰り返し衝撃
に対しても優れた耐圧性能を示し、信頼性に優れてい
る。また、本質的にプラスチックからなるものであるか
ら、もちろん、軽量である。そのため、この発明の圧力
容器は、軽量で、しかも、信頼性に特に優れていること
が要求される自動車用のCNGタンクとしてとりわけ好
適である。
【0037】また、この発明においては、上述した圧力
容器を、ガスバリア性を有する内殻の周りに、フィラメ
ントワインディング法またはテープワインディング法を
用いて、引張弾性率35GPa 以上で、 引張破断歪1.5
%以上でかつ該内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±50゜
の角度で配された補強繊維の層と、±75゜ 〜±105
゜ の角度で配された補強繊維の層とを含んでいる、FR
Pからなる耐圧性の外殻を形成することによって製造す
るから、低コストで製造できる。
容器を、ガスバリア性を有する内殻の周りに、フィラメ
ントワインディング法またはテープワインディング法を
用いて、引張弾性率35GPa 以上で、 引張破断歪1.5
%以上でかつ該内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±50゜
の角度で配された補強繊維の層と、±75゜ 〜±105
゜ の角度で配された補強繊維の層とを含んでいる、FR
Pからなる耐圧性の外殻を形成することによって製造す
るから、低コストで製造できる。
【図1】この発明の一実施態様に係る圧力容器の概略縦
断面図である。
断面図である。
【図2】この発明の圧力容器の製造方法の一例を示す概
略工程図
略工程図
【図3】この発明の圧力容器の製造方法の一例において
用いられるストレートロールの一例を示す概略断面図で
ある。
用いられるストレートロールの一例を示す概略断面図で
ある。
【図4】この発明の圧力容器の製造方法の一例において
用いられるストレートロールの他の一例を示す概略断面
図である。
用いられるストレートロールの他の一例を示す概略断面
図である。
1:圧力容器、2:内殻、3:外殻、4:ノイズ取付用
口金、5:ノズル、6:ボス、A:胴部、B:鏡板部、
C:補強層、11:クリールスタンド、12:ボビン、
13:強化繊維糸、14:強化繊維束(樹脂含浸前)、
15:強化繊維用ガイドロール、16a,16b,17
a,17b,18:セパレートロール、19:樹脂含浸
バス、20:樹脂、21a,21b,21c:ローラ、
22:樹脂含浸強化繊維束、23,23a,23b,2
3c:ガイドローラ、24,24a,24b:フィード
ローラ、25:樹脂絞り用ゴムパッド、26:ブラケッ
ト、27:キャリッジスタンド、28:シリンダ、28
a:中空部、29:内殻、29a:マンドレルの回転
軸、30:回転駆動手段、31:外殻
口金、5:ノズル、6:ボス、A:胴部、B:鏡板部、
C:補強層、11:クリールスタンド、12:ボビン、
13:強化繊維糸、14:強化繊維束(樹脂含浸前)、
15:強化繊維用ガイドロール、16a,16b,17
a,17b,18:セパレートロール、19:樹脂含浸
バス、20:樹脂、21a,21b,21c:ローラ、
22:樹脂含浸強化繊維束、23,23a,23b,2
3c:ガイドローラ、24,24a,24b:フィード
ローラ、25:樹脂絞り用ゴムパッド、26:ブラケッ
ト、27:キャリッジスタンド、28:シリンダ、28
a:中空部、29:内殻、29a:マンドレルの回転
軸、30:回転駆動手段、31:外殻
Claims (10)
- 【請求項1】ガスバリア性を有する内殻と、該内殻を覆
うように設けた耐圧性の外殻とを有し、該外殻は補強繊
維と樹脂とを含むFRPで構成されかつ引張弾性率35
GPa 以上で、 引張破断歪1.5%以上であり、さらに該
内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±50゜ の角度で配され
た補強繊維の層と、±75゜ 〜±105゜の角度で配さ
れた補強繊維の層とを含んでいることを特徴とする圧力
容器。 - 【請求項2】前記内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±50
゜ の角度で配された補強繊維の層と、±75゜ 〜±10
5゜ の角度で配された補強繊維の層との補強繊維量の体
積比が1.0:1.0〜2.0の範囲にあることを特徴
とする請求項1記載の圧力容器。 - 【請求項3】前記内殻が、金属、樹脂またはFRPで構
成されていることを特徴とする請求項1または2記載の
圧力容器。 - 【請求項4】前記内殻の内表面および/または外表面に
ガスバリア層が形成されていることを特徴とする請求項
1〜3いずれかに記載の圧力容器。 - 【請求項5】前記内殻の胴部にFRP製の補強層が形成
されていることを特徴とする請求項1〜4いずれかに記
載の圧力容器。 - 【請求項6】前記補強繊維がストランド引張強度4.5
GPa 以上でストランド引張破断歪2.0%以上である炭
素繊維を含んでいることを特徴とする請求項1〜5いず
れかに記載の圧力容器。 - 【請求項7】ガスバリア性を有する内殻の周りにフィラ
メントワインディング法またはテープワインディング法
を用いて、引張弾性率35GPa 以上かつ引張破断歪1.
5%以上でさらに該内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±5
0゜ の角度で配された補強繊維の層と±75゜ 〜±10
5゜ の角度で配された補強繊維の層とを含んでいる耐圧
性の外殻を形成することを特徴とする圧力容器の製造方
法。 - 【請求項8】フィラメントワインディング法またはテー
プワインディング法に先だって、内殻の外表面を粗面に
形成することを特徴とする請求項7記載の圧力容器の製
造方法。 - 【請求項9】該内殻の軸方向に対して±5゜ 〜±50゜
の角度で配された補強繊維の層と、±75゜ 〜±105
゜ の角度で配された補強繊維の層との補強繊維量の体積
比を1.0:1.0〜2.0の範囲にすることを特徴と
する請求項7または8記載の圧力容器の製造方法。 - 【請求項10】補強繊維として、ストランド引張強度
4.5GPa 以上でストランド引張破断歪2.0%以上で
ある炭素繊維糸を使用することを特徴とする請求項7〜
9のいずれかの圧力容器の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8066031A JPH09257193A (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | 圧力容器およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8066031A JPH09257193A (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | 圧力容器およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09257193A true JPH09257193A (ja) | 1997-09-30 |
Family
ID=13304136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8066031A Pending JPH09257193A (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | 圧力容器およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09257193A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1996
- 1996-03-22 JP JP8066031A patent/JPH09257193A/ja active Pending
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