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JP2025116307A - Fiber-reinforced pressure vessel and its manufacturing method - Google Patents

Fiber-reinforced pressure vessel and its manufacturing method

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Publication number
JP2025116307A
JP2025116307A JP2024010645A JP2024010645A JP2025116307A JP 2025116307 A JP2025116307 A JP 2025116307A JP 2024010645 A JP2024010645 A JP 2024010645A JP 2024010645 A JP2024010645 A JP 2024010645A JP 2025116307 A JP2025116307 A JP 2025116307A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fiber
layer
degrees
pressure vessel
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2024010645A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
千博 今中
Chihiro Imanaka
章宏 橋田
Akihiro Hashida
直道 竹内
Naomichi Takeuchi
浩規 蘆田
Hironori Ashida
佑介 青木
Yusuke Aoki
陽二 柳
Yoji Yanagi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teijin Ltd
Original Assignee
Teijin Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teijin Ltd filed Critical Teijin Ltd
Priority to JP2024010645A priority Critical patent/JP2025116307A/en
Publication of JP2025116307A publication Critical patent/JP2025116307A/en
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Abstract

To provide a fiber-reinforced pressure vessel which is light in weight while exhibiting excellent rupture strength in a burst test.SOLUTION: A fiber-reinforced pressure vessel comprises a liner having airtightness and a fiber-reinforced resin layer, in which a reinforcing fiber is a carbon fiber, and the fiber-reinforced resin layer has at least: a hoop layer having a fiber winding angle of 85 degrees or more relative to an axis of the liner, a high-angle helical layer having a fiber winding angle of 75 degrees or more and less than 85 degrees, and a low-angle helical layer having a fiber winding angle of less than 30 degrees. A thickness proportion of the hoop layer within the fiber-reinforced resin layer is 15 to 70%, a thickness proportion of the low-angle helical layer is 20 to 70%, and a thickness proportion of the high-angle helical layer is 0.5 to 10%. Preferably, the hoop layer is arranged to sandwich a helical layer, the hoop layer is arranged as both an innermost layer and an outermost layer, the liner is made of a synthetic resin or aluminum alloy, and a resin used in the fiber-reinforced resin layer is a thermosetting resin.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、高圧ガス等を収容する繊維補強圧力容器に関し、詳しくは気密性を有するライナを繊維強化樹脂層にて補強する繊維補強圧力容器に関する。 The present invention relates to a fiber-reinforced pressure vessel for storing high-pressure gases, etc., and more specifically to a fiber-reinforced pressure vessel in which an airtight liner is reinforced with a fiber-reinforced resin layer.

高圧ガスや液化ガス等を充填するための容器として、金属や樹脂ライナに樹脂含浸繊維を巻き付けた繊維補強圧力容器は、同サイズの鉄鋼製容器等と比較して非常に軽量であり、ハンドリング性も優れており、広く普及している。 Fiber-reinforced pressure vessels, which have a metal or resin liner wrapped in resin-impregnated fibers, are widely used as containers for filling high-pressure gases, liquefied gases, etc. They are extremely lightweight and easy to handle compared to steel containers of the same size, and are therefore widely used.

そしてこのような繊維補強圧力容器では、ライナがガス等の透過を防いで気密性をもたらす部材として、樹脂含浸繊維層が高い内圧に耐える強度を付与する部材として主に機能している。そのため高い内圧に耐えるべく繊維補強圧力容器を設計する際には、樹脂含浸繊維層の構成が非常に重要となる。 In such fiber-reinforced pressure vessels, the liner primarily functions as a component that prevents the permeation of gases and other substances, providing airtightness, while the resin-impregnated fiber layer primarily functions as a component that provides the strength to withstand high internal pressure. Therefore, when designing a fiber-reinforced pressure vessel to withstand high internal pressure, the configuration of the resin-impregnated fiber layer is extremely important.

例えば特許文献1では、補強繊維層としてフープ層とヘリカル層とを有し、かつヘリカル層の含浸樹脂の弾性率がフープ層のものよりも大きいタンクが開示されている。また特許文献2では、繊維強化樹脂層として0~20°のヘリカル角、80~90°のフープ角、20~80°の積層角の三種の積層角を有する高圧ガス貯蔵容器が提案されている。 For example, Patent Document 1 discloses a tank having a hoop layer and a helical layer as reinforcing fiber layers, with the elastic modulus of the impregnated resin in the helical layer being greater than that of the hoop layer. Furthermore, Patent Document 2 proposes a high-pressure gas storage container with three different stacking angles for the fiber-reinforced resin layer: a helical angle of 0 to 20 degrees, a hoop angle of 80 to 90 degrees, and a stacking angle of 20 to 80 degrees.

しかしこれらの構成では、まだバースト試験における安定した高い破裂強度を達成できないという問題があった。 However, these configurations still had the problem of not being able to achieve stable, high burst strength in burst tests.

特開2008-32088号公報JP 2008-32088 A 特開2004-176898号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-176898

本発明は上記の背景に鑑みなされたものであり、その目的は軽量でありながらバースト試験時の破裂強度に優れた、繊維補強圧力容器を提供することにある。 The present invention was developed in light of the above background, and its purpose is to provide a fiber-reinforced pressure vessel that is lightweight yet has excellent burst strength during a burst test.

本発明の繊維補強圧力容器は、気密性を有するライナと繊維強化樹脂層からなる繊維補強圧力容器であって、補強用の繊維が炭素繊維であり、繊維強化樹脂層において、ライナの軸に対する繊維の巻き角度が、85度以上のフープ層、75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層、30度未満の低角度ヘリカル層、の各層を少なくとも有し、繊維強化樹脂層におけるフープ層の厚さの割合が15~70%、低角度ヘリカル層の厚さの割合が20~70%であり、高々角度ヘリカル層の厚さの割合が0.5~10%の範囲にあることを特徴とする。 The fiber-reinforced pressure vessel of the present invention is a fiber-reinforced pressure vessel consisting of an airtight liner and a fiber-reinforced resin layer, in which the reinforcing fibers are carbon fibers, and the fiber-reinforced resin layer has at least three layers: a hoop layer with a fiber winding angle of 85 degrees or more relative to the liner axis, a high-angle helical layer with a fiber winding angle of 75 degrees or more but less than 85 degrees, and a low-angle helical layer with a fiber winding angle of less than 30 degrees; the thickness of the hoop layer in the fiber-reinforced resin layer is 15 to 70%, the thickness of the low-angle helical layer is 20 to 70%, and the thickness of the high-angle helical layer is 0.5 to 10%.

また、繊維強化樹脂層において、ライナの軸に対する繊維の巻き角度が、60度以上75度未満の高角度ヘリカル層、または30度以上60度未満の中角度ヘリカル層、の各層をさらに有することが好ましい。 It is also preferable that the fiber-reinforced resin layer further includes a high-angle helical layer in which the winding angle of the fibers relative to the axis of the liner is 60 degrees or more but less than 75 degrees, or a medium-angle helical layer in which the winding angle is 30 degrees or more but less than 60 degrees.

さらには、繊維強化樹脂層におけるフープ層と高々角度ヘリカル層の厚さ合計の割合が16~48%の範囲にあることや、60度以上75度未満の高角度ヘリカル層を有しその厚さ割合が1~20%の範囲にあること、30度以上60度未満の中角度ヘリカル層を有しその厚さ割合が1~20%の範囲にあることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the total thickness ratio of the hoop layer and the high-angle helical layer in the fiber-reinforced resin layer be in the range of 16 to 48%, that the high-angle helical layer is between 60 degrees and less than 75 degrees, and that its thickness ratio be in the range of 1 to 20%, and that the medium-angle helical layer is between 30 degrees and less than 60 degrees, and that its thickness ratio be in the range of 1 to 20%.

また、フープ層がヘリカル層を挟んで配置されていることや、フープ層が最内層と最外層に配置されていること、ライナが合成樹脂製またアルミニウム合金製であること、繊維強化樹脂層に用いられる樹脂が熱硬化性樹脂であることが好ましい。 It is also preferable that the hoop layers are arranged with the helical layer sandwiched between them, that the hoop layers are arranged as the innermost and outermost layers, that the liner is made of synthetic resin or aluminum alloy, and that the resin used in the fiber-reinforced resin layer is a thermosetting resin.

また、もう一つの本発明の繊維補強圧力容器の製造方法は、気密性を有するライナ表面に樹脂を含侵させた炭素繊維束を捲回するに際し、ライナの軸に対する繊維の巻き角度として、85度以上のフープ層、75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層、30度未満の低角度ヘリカル層、の各層を少なくとも形成し、フープ層の厚さの割合を15~70%、低角度ヘリカル層の厚さの割合を20~70%、高々角度ヘリカル層の厚さの割合を0.5~10%の範囲にすることを特徴とする。 Another method of manufacturing a fiber-reinforced pressure vessel of the present invention involves winding resin-impregnated carbon fiber bundles around the surface of an airtight liner, forming at least a hoop layer with a fiber winding angle of 85 degrees or more relative to the liner axis, a high-angle helical layer with a winding angle of 75 degrees or more but less than 85 degrees, and a low-angle helical layer with a winding angle of less than 30 degrees, with the hoop layer thickness ratio being 15-70%, the low-angle helical layer thickness ratio being 20-70%, and the high-angle helical layer thickness ratio being 0.5-10%.

本発明によれば、軽量でありながらバースト試験時の破裂強度に優れた繊維補強圧力容器が提供される。 The present invention provides a fiber-reinforced pressure vessel that is lightweight yet has excellent burst strength during burst tests.

本発明の繊維補強圧力容器の概略構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a fiber-reinforced pressure vessel of the present invention. 繊維補強圧力容器におけるフープ巻きの概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of hoop winding in a fiber-reinforced pressure vessel. 繊維補強圧力容器における高角度ヘリカル巻きの概念図である。1 is a conceptual diagram of high-angle helical winding in a fiber-reinforced pressure vessel. 繊維補強圧力容器における低角度ヘリカル巻きの概念図である。1 is a conceptual diagram of low-angle helical winding in a fiber-reinforced pressure vessel. ヘリカル巻きの角度による鏡部(ドーム部)への補強効果の違いを示すための概念図である。1 is a conceptual diagram showing the difference in the reinforcing effect on the mirror portion (dome portion) depending on the angle of the helical winding. ライナに繊維強化樹脂材料を巻き付けた後の加熱処理条件を示すグラフである。10 is a graph showing heat treatment conditions after a fiber reinforced resin material is wound around a liner.

本発明の繊維補強圧力容器は、気密性を有するライナと繊維強化樹脂層からなる繊維補強圧力容器であって、補強用の繊維が炭素繊維であるものであり、繊維強化樹脂層において、ライナの軸に対する繊維の巻き角度が、「85度以上のフープ層」、「75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層」、「30度未満の低角度ヘリカル層」の各層を少なくとも有することを特徴としている。そしてさらに繊維強化樹脂層におけるフープ層の厚さの割合が15~70%、低角度ヘリカル層の厚さの割合が20~70%であり、高々角度ヘリカル層の厚さの割合が0.5~10%の範囲にあることを必須としている。 The fiber-reinforced pressure vessel of the present invention is a fiber-reinforced pressure vessel consisting of an airtight liner and a fiber-reinforced resin layer, in which the reinforcing fibers are carbon fibers. The fiber-reinforced resin layer is characterized by having at least three layers, each with a fiber winding angle relative to the liner axis: a hoop layer of 85 degrees or more, a high-angle helical layer of 75 degrees or more but less than 85 degrees, and a low-angle helical layer of less than 30 degrees. Furthermore, it is essential that the thickness ratio of the hoop layer in the fiber-reinforced resin layer be 15 to 70%, the low-angle helical layer be 20 to 70%, and the high-angle helical layer be 0.5 to 10%.

ここで各層における繊維の巻き角度は、容器の胴部において容器のタンク軸にほぼ垂直に巻くフープ巻きを「85度以上」(タンク軸に垂直な巻き方を「90度」。図2の「α1」。)とし、タンク軸に平行な巻き方を「0度」とした時の角度である。例えば各種ヘリカル巻きの角度は図3の「α2」の角度に該当する。また繊維補強を平準化するために、各角度は「+(プラス)」と「-(マイナス)」の2方向の組として通常使用されており、上記に示した厚さの割合は、繊維補強樹脂層における該当角度の層の合計量である。 The winding angle of the fibers in each layer is determined by taking the hoop winding, which is wound approximately perpendicular to the tank axis of the container in the body of the container, as "85 degrees or more" (winding perpendicular to the tank axis is "90 degrees"; "α1" in Figure 2), and winding parallel to the tank axis as "0 degrees." For example, the angle of various helical windings corresponds to the angle "α2" in Figure 3. In addition, to level out the fiber reinforcement, each angle is usually used as a pair of two directions, "+" (plus) and "-" (minus), and the thickness ratios shown above are the total amount of layers with the corresponding angle in the fiber-reinforced resin layer.

なお上記の各層の厚さ割合を満たせば、求められる物性に応じて上記以外に「60度以上75度未満の高角度ヘリカル層」および/または「30度以上60度未満の中角度ヘリカル層」を有することも好ましい。さらに炭素繊維に加えてガラス繊維等の他の繊維を繊維強化樹脂層に加えても良く、特には最外層にガラス繊維からなる繊維強化樹脂層を配置することが好ましく、これにより、当該容器を使用する際に発生する可能性が高い表面の損傷をガラス繊維強化樹脂層で食い止め、炭素繊維強化樹脂層を保護することが可能となる。 As long as the thickness ratios of each layer are met, it is also preferable to have a "high-angle helical layer of 60 degrees or more but less than 75 degrees" and/or a "medium-angle helical layer of 30 degrees or more but less than 60 degrees" in addition to the above, depending on the desired physical properties. Furthermore, other fibers such as glass fiber may be added to the fiber-reinforced resin layer in addition to carbon fiber, and it is particularly preferable to place a fiber-reinforced resin layer made of glass fiber in the outermost layer. This allows the glass-fiber-reinforced resin layer to prevent surface damage, which is likely to occur when the container is used, and protects the carbon-fiber-reinforced resin layer.

本発明の繊維補強圧力容器においては「75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層」を「0.5~10%」有するが、さらには1~8%、特には1.5~5%有することが好ましい。また「85度以上のフープ層」は、「15~70%」有するが、さらには24~42%、特には30~40%有することが好ましい。そして高々角度ヘリカル層とフープ層を合計した層としては16~48%の範囲にあることが好ましく、さらには合計層が25~45%の範囲にあることが好ましい。 The fiber-reinforced pressure vessel of the present invention has "high-angle helical layers of 75 degrees or more but less than 85 degrees" in an amount of "0.5 to 10%, preferably 1 to 8%, and especially 1.5 to 5%. Furthermore, "hoop layers of 85 degrees or more" in an amount of "15 to 70%, preferably 24 to 42%, and especially 30 to 40%. The combined high-angle helical layers and hoop layers preferably account for 16 to 48%, and even more preferably the total layers are in the range of 25 to 45%.

また本発明の繊維補強圧力容器では「30度未満の低角度ヘリカル層」は「20~70%」の範囲であることが必要だが、さらには40~60%、特には45~55%有することが好ましい。 Furthermore, in the fiber-reinforced pressure vessel of the present invention, the "low-angle helical layer of less than 30 degrees" must be in the range of "20 to 70%, but it is more preferable that it be in the range of 40 to 60%, and especially 45 to 55%.

さらには上記以外の「60度以上75度未満の高角度ヘリカル層」を有する場合には、その高角度ヘリカル層が1~20%の範囲にあることが好ましく、「30度以上60度未満の中角度ヘリカル層」を有する場合には、その中角度ヘリカル層が1~20%の範囲にあることが好ましい。 Furthermore, if there is a "high-angle helical layer of 60 degrees or more but less than 75 degrees" other than those mentioned above, it is preferable that the high-angle helical layer be in the range of 1 to 20%. If there is a "medium-angle helical layer of 30 degrees or more but less than 60 degrees", it is preferable that the medium-angle helical layer be in the range of 1 to 20%.

なお各層の厚さの比率は複数の層の合計であり、同じ「フープ層」等であっても連続せずに不連続に配置されていることが好ましい。 The thickness ratio of each layer is the total of multiple layers, and it is preferable that even the same "hoop layer" is arranged discontinuously rather than continuously.

また、ライナに接する1層目を含む最内層はフープ層であることが好ましい。また、最外層にフープ層を配置することも好ましく、ヘリカル層において、ボイドの発生と繊維束のたるみの発生を抑制することが容易となる。内圧を負荷された圧力容器の胴部において、当該容器の軸方向に発生する応力に対して、当該容器の周方向に発生する応力は、理論上、略2倍であり、それ故に、バースト試験における破裂強度を高め、その基準値をクリアさせるためには、フープ層の配置が重要である。一方で、前記のように、胴部の補強のみに注視していると、鏡部(ドーム部)での破壊・破損が発生しやすくなるため、鏡部を補強するためにも、ヘリカル層の配置が重要である。 It is also preferable that the innermost layer, including the first layer that contacts the liner, be a hoop layer. It is also preferable to place a hoop layer on the outermost layer, as this makes it easier to suppress the occurrence of voids and sagging of the fiber bundles in the helical layer. In the barrel of a pressure vessel loaded with internal pressure, the stress generated in the circumferential direction of the vessel is theoretically approximately twice the stress generated in the axial direction of the vessel. Therefore, the placement of a hoop layer is important for increasing the burst strength in burst tests and meeting the standard values. However, as mentioned above, focusing only on reinforcing the barrel makes the head portion (dome portion) more susceptible to fracture and damage, so the placement of a helical layer is also important for reinforcing the head portion.

さらに「フープ層」としては、その巻き重なった終端位置を1層ごとに円筒胴部中央に近づける配置であることが好ましい。フープ層の両端の段差高さが小さくなり、フープ巻きの上に巻き重ねるヘリカル巻きの繊維束の屈曲を、より軽減することが可能となる。 Furthermore, it is preferable that the "hoop layers" be arranged so that the end positions of the overlapping windings are closer to the center of the cylindrical body for each layer. This reduces the step height at both ends of the hoop layer, making it possible to further reduce bending of the helically wound fiber bundle that is wound over the hoop winding.

「ヘリカル層」に関しては、巻き重なった鏡部での折り返し位置について、連続して同じ折り返し径で巻き重ねず、各層が繊維束幅の半分以上ずらされて配置されていることが好ましい。鏡部での炭素繊維強化樹脂の積層状態が歪になることを防ぎ、無理な応力集中箇所を減らすことができる。 Regarding the "helical layer," it is preferable that the folding positions in the overlapping head section are not consecutively folded with the same folding diameter, but that each layer is offset by at least half the fiber bundle width. This prevents distortion of the carbon fiber reinforced resin lamination in the head section and reduces areas where undue stress is concentrated.

本発明の繊維補強圧力容器では、このように高々角度ヘリカル層や、その他の層構成を上記の範囲内とすることによって、繊維補強圧力容器のバースト試験時の破裂強度を高め、さらには主な破裂部位を鏡部(ドーム部)ではなく胴部にすることが可能となる。一般にこのような構造の圧力容器は、胴部よりも鏡部での強度のばらつきが大きく、バースト試験において胴部で安定して破壊される圧力容器の方が、ばらつきの小さいより信頼性の高い圧力容器であるとされている。本発明の構成は破裂部位を鏡部ではなく胴部にするためにも有効である。 In the fiber-reinforced pressure vessel of the present invention, by limiting the maximum angle helical layer and other layer configurations to the above ranges, the rupture strength of the fiber-reinforced pressure vessel during a burst test can be increased, and the primary rupture site can be located in the barrel rather than the head (dome) section. Generally, pressure vessels with this type of structure have greater strength variation in the head section than in the barrel, and a pressure vessel that consistently ruptures in the barrel section during a burst test is considered to be a more reliable pressure vessel with less variation. The configuration of the present invention is also effective in ensuring that the rupture site is located in the barrel rather than the head section.

また繊維強化樹脂層に用いられる炭素繊維としては、その引張弾性率として200GPa以上が好ましく、特には235~600GPaの範囲にあることが好ましい。炭素繊維の引張強度としては3000MPa以上であることが好ましく、より好ましくは4000~8000MPa、さらには5000~7000MPaの範囲にあることが好ましい。 The carbon fibers used in the fiber-reinforced resin layer preferably have a tensile modulus of 200 GPa or more, and particularly preferably in the range of 235 to 600 GPa. The tensile strength of the carbon fibers is preferably 3000 MPa or more, more preferably in the range of 4000 to 8000 MPa, and even more preferably in the range of 5000 to 7000 MPa.

このような補強用の繊維として用いられる炭素繊維は多数のフィラメントから構成された繊維束であることが好ましく、2000本(2K)以上、さらには4000本(4K)~40000本(40K)、特には8000本(8K)~32000本(32K)の範囲にあることが好ましい。このような繊維束状の補強繊維を用いることによって、多数の補強用の繊維をライナ上に効率的に巻くことが可能となる。 The carbon fiber used as such reinforcing fiber is preferably a fiber bundle composed of a large number of filaments, preferably 2,000 (2K) or more, more preferably 4,000 (4K) to 40,000 (40K), and especially preferably in the range of 8,000 (8K) to 32,000 (32K). Using such fiber bundle-shaped reinforcing fiber makes it possible to efficiently wind a large number of reinforcing fibers onto the liner.

また本発明の繊維補強圧力容器に用いる気密性を有するライナとしては特に制限はないが、軽量の圧力容器とするためにはアルミニウム合金や、樹脂材料、非金属製の弾性材料等であることが好ましい。ライナを形成する原料樹脂については、封入した流体を透過させない性質を有する熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。中でもナイロン樹脂であることが好ましいが、その他ポリプロピレン樹脂やポリエチレン樹脂、エチレンビニルアルコール共重合樹脂等を用いることも可能である。 There are no particular restrictions on the airtight liner used in the fiber-reinforced pressure vessel of the present invention, but to create a lightweight pressure vessel, aluminum alloys, resin materials, non-metallic elastic materials, etc. are preferred. The raw resin used to form the liner is preferably a thermoplastic resin that is impermeable to the enclosed fluid. Nylon resin is particularly preferred, but other resins such as polypropylene resin, polyethylene resin, and ethylene-vinyl alcohol copolymer resin can also be used.

さらに図面を参照して、本発明の繊維補強圧力容器の好ましい実施形態について説明する。なお、図中において、同一又は対応する部分には、同一の符号を付す。なお、本発明は以下の図等に具体的に限定されるものではない。 Furthermore, with reference to the drawings, a preferred embodiment of the fiber-reinforced pressure vessel of the present invention will be described. Note that in the drawings, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals. Note that the present invention is not specifically limited to the following drawings, etc.

まず図1を参照して、本発明の繊維補強圧力容器(以下「FRP圧力容器」または「圧力容器」ということがある)の構成について説明する。 First, referring to Figure 1, the structure of the fiber-reinforced pressure vessel (hereinafter sometimes referred to as "FRP pressure vessel" or "pressure vessel") of the present invention will be described.

圧力容器200は、全体として細長い円筒形状を有する。図1は、圧力容器200を円筒の中心軸を含む面で切断したときの断面図である。圧力容器200は、円筒形状を有する胴部201と、ドーム形状を有する底部202と、ドーム形状を有する頭部203とを備える(なお、底部と頭部を合わせて「鏡部」や「ドーム部」ということがある)。 The pressure vessel 200 has an elongated cylindrical shape overall. Figure 1 is a cross-sectional view of the pressure vessel 200 cut along a plane including the central axis of the cylinder. The pressure vessel 200 comprises a cylindrical body 201, a dome-shaped bottom 202, and a dome-shaped head 203 (the bottom and head together are sometimes referred to as the "mirror portion" or "dome portion").

胴部201は、圧力容器200の略一定の外寸法を有する円筒部位である。底部202は、圧力容器200の下部に設けられる部分であり、胴部201の一端に設けられる部分である。底部202の中心には、栓部材205が設けられていてもよい。頭部203は、圧力容器200の上部に設けられる部分であり、胴部201の底部と反対側の他端に設けられる部分である。頭部203は、口金206を備える。なお、ライナの外表面に補強層を形成する際、ライナの両端を固定し、ライナの両端を結ぶ軸を中心にライナを回転させる必要がある。ライナの上部は口金206により固定され、ライナの底部は治具により固定される。栓部材205は、この治具をカットした残りの部材である。 The body 201 is a cylindrical portion of the pressure vessel 200 with approximately uniform outer dimensions. The bottom 202 is located at the bottom of the pressure vessel 200 and is located at one end of the body 201. A plug member 205 may be provided at the center of the bottom 202. The head 203 is located at the top of the pressure vessel 200 and is located at the other end of the body 201 opposite the bottom. The head 203 is provided with a nozzle 206. When forming a reinforcing layer on the outer surface of the liner, it is necessary to fix both ends of the liner and rotate the liner around an axis connecting the two ends of the liner. The top of the liner is fixed by the nozzle 206, and the bottom of the liner is fixed by a jig. The plug member 205 is the remaining part after the jig is cut.

また、圧力容器200は、気体又は液体を貯留する貯留空間204を内部に備える。貯留空間204には、通常、気体が充填され、常圧に比べて高い圧力の気体が充填されている。例えば、圧力容器200が燃料電池システムに用いられる場合、水素に代表される燃料ガスが高圧の状態で貯留空間204に充填され、この燃料ガスが減圧されて燃料電池での発電に用いられる。 The pressure vessel 200 also has a storage space 204 inside that stores a gas or liquid. The storage space 204 is typically filled with a gas, and the gas is typically filled with a pressure higher than normal pressure. For example, when the pressure vessel 200 is used in a fuel cell system, the storage space 204 is filled with a fuel gas, typically hydrogen, at high pressure, and this fuel gas is then decompressed and used to generate electricity in the fuel cell.

口金206は、バルブアッセンブリ250又は配管(図示せず)が接続される部材である。口金206は、圧力容器200において半球面形状となっている端壁部の中心に設けられる。口金206は、アルミニウム合金、ステンレス等の金属で形成される。口金206に設けられた開口207の内周面には、雌ネジ(図示せず)が形成される。バルブアッセンブリ250又は配管は、雌ネジを介して口金206にねじ込み可能である。 The nozzle 206 is a component to which the valve assembly 250 or piping (not shown) is connected. The nozzle 206 is provided at the center of the hemispherical end wall of the pressure vessel 200. The nozzle 206 is made of a metal such as aluminum alloy or stainless steel. A female thread (not shown) is formed on the inner circumferential surface of the opening 207 provided in the nozzle 206. The valve assembly 250 or piping can be screwed into the nozzle 206 via the female thread.

例えば、圧力容器200が燃料電池システムに用いられる場合、バルブ、継手等の配管要素が一体的に組み込まれたバルブアッセンブリ250を介して、貯留空間204と外部のガス流路(図示せず)とが接続される。これにより、外部から貯留空間204に水素が充填可能となり、また、貯留空間204から外部に水素が放出可能となる。なお、口金206は、頭部203だけでなく、底部202にも設けられてもよい。 For example, when the pressure vessel 200 is used in a fuel cell system, the storage space 204 is connected to an external gas flow path (not shown) via a valve assembly 250, which integrates piping elements such as valves and fittings. This allows hydrogen to be filled into the storage space 204 from the outside, and hydrogen to be released from the storage space 204 to the outside. The nozzle 206 may be provided not only on the head 203 but also on the bottom 202.

また、圧力容器200は、ライナ210の表層に繊維強化樹脂層220(以下「補強層」ということがある)を備える。ライナ210は圧力容器200の内側に配設され、気体又は液体を密閉して収容する部材である。ライナ210は、胴部201に対応する部分であるライナ胴部211と、底部202に対応する部分であるライナ底部212と、頭部203に対応する部分であるライナ頭部213とを備える。 The pressure vessel 200 also has a fiber-reinforced resin layer 220 (hereinafter sometimes referred to as the "reinforcement layer") on the surface of the liner 210. The liner 210 is disposed inside the pressure vessel 200 and is a component that hermetically contains gas or liquid. The liner 210 has a liner body 211 that corresponds to the body 201, a liner bottom 212 that corresponds to the bottom 202, and a liner head 213 that corresponds to the head 203.

ライナ210は、貯留空間204に貯留される気体又は液体の透過を抑制し、気体又は液体が補強層220に接触することを抑制する機能を有する。ライナ210は、気体又は液体の透過を抑制する性能、つまり、気体又は液体のバリア性に優れた素材により構成される。ライナ210は、アルミニウム合金、樹脂材料、非金属製の弾性材料等から構成することができる。 The liner 210 has the function of suppressing the permeation of gas or liquid stored in the storage space 204 and preventing the gas or liquid from coming into contact with the reinforcing layer 220. The liner 210 is made of a material that has the ability to suppress the permeation of gas or liquid, that is, has excellent barrier properties against gas or liquid. The liner 210 can be made of aluminum alloy, resin material, non-metallic elastic material, etc.

さらに本実施の好ましい形態では、ライナ210は、樹脂製により構成される。ライナ210の製造に用いる樹脂としては、ナイロン樹脂であることが好ましく、耐衝撃性、耐久性、耐薬品性、柔軟性に優れる。 Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, the liner 210 is made of resin. The resin used to manufacture the liner 210 is preferably nylon resin, which has excellent impact resistance, durability, chemical resistance, and flexibility.

さらに、ライナ210の製造工程について詳しく説明する。
ライナの製造方法としては、一般に、樹脂製の場合は、射出成型、ブロー成型、および、回転成型等が知られている。また、ライナ全体の一体成型品のものや、予め作製された複数の樹脂成形品が一体的に溶着されて構成されているものもある。例えば、後者は、円筒形状のセンターライナ部の両端縁に椀形状のサイドライナ部の端縁がそれぞれ赤外線溶着や熱溶着等によって接合されて構成されている。
Furthermore, the manufacturing process of the liner 210 will be described in detail.
Generally, when it comes to manufacturing liners made of resin, injection molding, blow molding, rotational molding, etc. are known. Also, there are liners that are integrally molded as a whole, and liners that are made by welding together multiple prefabricated resin molded parts. For example, the latter is made by joining the edges of bowl-shaped side liner sections to both ends of a cylindrical center liner section by infrared welding, heat welding, etc.

なお、ライナがアルミニウム合金の場合における、好ましい製造方法の1例を、以下に示す。ライナ210の製造に用いるアルミニウム合金としては、A6000系のアルミニウム合金が好適である。 An example of a preferred manufacturing method when the liner is made of an aluminum alloy is shown below. The aluminum alloy used to manufacture the liner 210 is preferably an A6000 series aluminum alloy.

まず工程1において、アルミニウム合金板を用意し、工作機械に投入する。アルミニウム合金板は、アルミニウム合金により形成された円盤形状の板であることが好ましい。そして工程2において、アルミニウム合金板に対してプレスカッピング加工を施す。工程2では、圧力容器200の下部のドーム形状の部分である底部202を形成する。次に工程3において、プレスカッピング加工された、カップ状のアルミニウム合金に対して、延伸加工とも呼ばれるフォーミング加工を施す。工程3では、圧力容器200の中央の円柱形状の部分である胴部201を形成する。工程3における加工品の形状は、化学実験等で使用する試験管のようなもので、一端が開口部となっている。 First, in step 1, an aluminum alloy plate is prepared and placed in a machine tool. The aluminum alloy plate is preferably a disk-shaped plate made of aluminum alloy. Then, in step 2, the aluminum alloy plate is subjected to press cupping. In step 2, the bottom 202, which is the dome-shaped portion at the bottom of the pressure vessel 200, is formed. Next, in step 3, the press-cupped cup-shaped aluminum alloy is subjected to forming, also known as stretching. In step 3, the body 201, which is the cylindrical portion in the center of the pressure vessel 200, is formed. The shape of the processed product in step 3 is similar to that of a test tube used in chemical experiments, with one end open.

そして工程4において、工程1から工程3により加工された概ね試験管形状のアルミニウム合金の開口部に対して、スピニング加工を施す。工程4では、圧力容器200の上部のドーム形状の部分である頭部203を形成する。工程2から工程4により、圧力容器200は、概ね容器形状に仕上がる。工程5において、熱処理を施す。工程6において、圧力容器200に対してねじ切り切削加工を施す。工程6では、機械加工により、口金206のねじ切り、形状出しが施される。工程1から工程6の実施により、ライナ210が完成する。 In step 4, the roughly test-tube-shaped aluminum alloy opening machined in steps 1 to 3 is subjected to a spinning process. In step 4, the head 203, which is the dome-shaped portion at the top of the pressure vessel 200, is formed. Through steps 2 to 4, the pressure vessel 200 is roughly finished into the vessel shape. In step 5, heat treatment is performed. In step 6, thread cutting is performed on the pressure vessel 200. In step 6, the nozzle 206 is threaded and shaped by machining. By performing steps 1 to 6, the liner 210 is completed.

本発明の繊維補強圧力容器は、上記のような樹脂製またはアルミニウム合金製のライナに繊維強化樹脂層である補強層を巻き付けた構造である。本発明で用いられる繊維強化樹脂層中の繊維は炭素繊維を含み、いわゆるCFRP(カーボンファイバー強化プラスチック)補強層を構成する。 The fiber-reinforced pressure vessel of the present invention has a structure in which a fiber-reinforced resin layer is wrapped around a resin or aluminum alloy liner as described above. The fibers in the fiber-reinforced resin layer used in the present invention contain carbon fibers, constituting a so-called CFRP (carbon fiber reinforced plastic) reinforcing layer.

このような繊維強化樹脂層に用いるマトリクス樹脂としては熱硬化性樹脂が好ましく、エポキシ樹脂がより好ましい。その他のマトリクス樹脂の候補としては、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。マトリクス樹脂としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The matrix resin used in such a fiber-reinforced resin layer is preferably a thermosetting resin, and more preferably an epoxy resin. Other possible matrix resins include phenolic resin, vinyl ester resin, and unsaturated polyester resin. One type of matrix resin may be used alone, or two or more types may be used in combination.

さらに炭素繊維強化樹脂のマトリクス樹脂の体積含有率は強度低下を防ぐために25%以上45%以下が好ましい。(マトリクス樹脂の比重にも因るが、目安、前記樹脂の質量含有率が、20%弱から、略35%までの範囲に相当。)29%以上35%以下がより好ましい。(マトリクス樹脂の比重にも因るが、目安、前記樹脂の質量含有率が、20%強から、30%弱までの範囲に相当。)下限値以上の体積含有率で樹脂を含浸させることで、工程中の繊維毛羽の発生や繊維束間の空隙の発生を抑制しやすくなる。上限値以下の体積含有率で樹脂を含浸させることで、巻き付け中の繊維束の滑りや樹脂垂れを抑制しやすくなる。 Furthermore, to prevent a decrease in strength, the volume content of the matrix resin in the carbon fiber reinforced resin is preferably 25% or more and 45% or less. (Although this depends on the specific gravity of the matrix resin, as a guideline, this corresponds to a mass content of the resin ranging from just under 20% to approximately 35%). 29% or more and 35% or less is more preferable. (Although this also depends on the specific gravity of the matrix resin, as a guideline, this corresponds to a mass content of the resin ranging from just over 20% to just under 30%). Impregnating the resin at a volume content above the lower limit helps to suppress the occurrence of fiber fuzz and voids between fiber bundles during processing. Impregnating the resin at a volume content below the upper limit helps to suppress slippage of the fiber bundles and resin sagging during winding.

すなわちこのような繊維強化樹脂層である補強層220は、主にライナ210単体で不足する強度を補い、圧力容器200の強度を高める層である。そして本発明の補強層220は、繊維強化樹脂であるFRP(Fiber Reinforced Plastics)により構成されている。繊維強化樹脂としては、例えばエポキシ樹脂又はフェノール樹脂と炭素繊維とを含む炭素繊維強化樹脂であることが好ましく、そのようないわゆるCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)に加えて、例えばエポキシ樹脂又はフェノール樹脂等とガラス繊維とを含む繊維強化樹脂であるGFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)等を併用しても良い。例えば本発明の特に好ましい形態では、ライナ210の外周にCFRPの層とGFRPとが順に積層され、最外層がGFRPの層となる補強層220が形成された圧力容器である。 In other words, the reinforcing layer 220, which is a fiber-reinforced resin layer, primarily compensates for the strength deficiencies of the liner 210 alone, thereby increasing the strength of the pressure vessel 200. The reinforcing layer 220 of the present invention is composed of FRP (Fiber Reinforced Plastics), a fiber-reinforced resin. The fiber-reinforced resin is preferably a carbon-fiber-reinforced resin containing, for example, epoxy resin or phenolic resin and carbon fiber. In addition to such so-called CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics), it is also possible to use GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastics), which is a fiber-reinforced resin containing, for example, epoxy resin or phenolic resin and glass fiber. For example, a particularly preferred embodiment of the present invention is a pressure vessel in which a CFRP layer and a GFRP layer are laminated in order around the outer periphery of the liner 210, forming a reinforcing layer 220 in which the outermost layer is a GFRP layer.

そしてこのような本件発明の繊維補強圧力容器は、もう一つの本発明の繊維補強圧力容器の製造方法等によって得ることが可能である。 Furthermore, such a fiber-reinforced pressure vessel of the present invention can be obtained by another method for manufacturing a fiber-reinforced pressure vessel of the present invention.

すなわち、気密性を有するライナ表面に樹脂を含侵させた炭素繊維束を捲回するに際し、ライナの軸に対する繊維の巻き角度として、85度以上のフープ層、75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層、30度未満の低角度ヘリカル層、の各層を少なくとも形成し、フープ層の厚さの割合を15~70%、低角度ヘリカル層の厚さの割合を20~70%であり、高々角度ヘリカル層の厚さの割合を0.5~10%の範囲にする製造方法である。 In other words, this manufacturing method involves winding a resin-impregnated carbon fiber bundle around the surface of an airtight liner, forming at least a hoop layer with a fiber winding angle of 85 degrees or more relative to the liner axis, a high-angle helical layer with a winding angle of 75 degrees or more but less than 85 degrees, and a low-angle helical layer with a winding angle of less than 30 degrees, with the hoop layer thickness ratio being 15-70%, the low-angle helical layer thickness ratio being 20-70%, and the high-angle helical layer thickness ratio being 0.5-10%.

ここでフープ巻きは、巻き重ねる終端位置を1層ごとに円筒胴部中央に近づけることが好ましい。これにより、フープ巻きの両端の段差高さが小さくなり、フープ巻きの上に巻き重ねるヘリカル巻きの繊維束の屈曲を軽減することができる。 Here, it is preferable to move the end position of the hoop winding closer to the center of the cylindrical body for each layer. This reduces the height difference at both ends of the hoop winding, reducing the bending of the helically wound fiber bundle wound over the hoop winding.

ヘリカル巻きを巻き重ねる際の鏡部での折り返し位置については、連続して同じ折り返し径で巻き重ねないことが好ましく、繊維束幅の半分以上ずらすことがより好ましい。これにより、鏡部での炭素繊維強化樹脂の積層形状が歪になることを防ぎ、応力集中箇所を減らすことができる。 When overlapping helical windings, it is preferable not to continuously overlap the helical windings with the same fold diameter at the fold position in the head section, and it is even more preferable to offset the folds by more than half the fiber bundle width. This prevents distortion of the laminated shape of the carbon fiber reinforced resin in the head section and reduces the number of areas where stress is concentrated.

また1層目はフープ層を巻くことが好ましく、これにより、バースト試験において、より安定し、ばらつきの小さい、高い破裂強度と円筒胴部中央での破裂挙動が実現可能となる。さらに最外層にフープ層を配置することも好ましく、ヘリカル層におけるボイドの発生や繊維束のたるみの発生を、より良く抑制することが可能となる。 It is also preferable to wind a hoop layer as the first layer, which will enable more stable, less variable, high burst strength and burst behavior at the center of the cylindrical body in burst tests. It is also preferable to place a hoop layer as the outermost layer, which will better suppress the occurrence of voids in the helical layer and sagging of the fiber bundles.

以下、補強層220の形成工程の例について、さらに説明する。本発明の好ましい形態では、フィラメントワインディング成形により、ライナ210の外周に補強層220を形成する。フィラメントワインディング成形では、ライナ210の外周に、例えば、エポキシ樹脂に代表される熱硬化性樹脂を予め含侵させた炭素繊維、あるいは場合によって他のガラス繊維等の強化繊維を巻き付け、熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより補強層220を形成する。 An example of the process for forming the reinforcing layer 220 is further described below. In a preferred embodiment of the present invention, the reinforcing layer 220 is formed around the outer periphery of the liner 210 by filament winding molding. In filament winding molding, reinforcing fibers such as carbon fiber pre-impregnated with a thermosetting resin, typically epoxy resin, or in some cases other glass fiber, are wound around the outer periphery of the liner 210, and the thermosetting resin is thermally cured to form the reinforcing layer 220.

またこのようにフィラメントワインディング工程(FW工程)において炭素繊維強化樹脂をライナに巻き付ける際は、ライナの内部を加圧することが好ましい。ライナ内部に負荷する内圧は0.1MPa以上、0.5MPa以下の範囲が好ましい。内圧を適切に負荷させることにより、FW工程でのライナの凹みや変形を抑制することが可能となる。 In addition, when winding carbon fiber reinforced resin around the liner in the filament winding process (FW process), it is preferable to apply pressure to the inside of the liner. The internal pressure applied to the inside of the liner is preferably in the range of 0.1 MPa or more and 0.5 MPa or less. By applying an appropriate amount of internal pressure, it is possible to suppress dents and deformation of the liner during the FW process.

さらにFW工程において、ライナに巻き付ける炭素繊維に掛ける張力としては、繊維束1本あたり2N以上20N以下が好ましい。張力を掛けることで、繊維束のたわみを抑制することができる。だが張力を過大に掛け過ぎると、毛羽の発生や糸切れ等の不具合が生じやすくなる傾向にある。 Furthermore, in the FW process, the tension applied to the carbon fiber wound around the liner is preferably between 2N and 20N per fiber bundle. Applying tension helps prevent the fiber bundle from sagging. However, applying too much tension tends to increase the likelihood of problems such as fuzzing and thread breakage.

炭素繊維強化樹脂をライナに巻き付ける速度としては、フープ巻きは10m/min.以上20m/min.以下、高々角度ヘリカル巻きは7m/min.以上15m/min.以下、低角度ヘリカル巻きは4m/min.以上、10m/min.以下であることが好ましい。生産性を向上させるためには下限値以上の巻き付け速度が好ましいが、上限値以上の速度で巻き付けると、繊維束の滑りや樹脂の飛散が発生しやすい傾向にあり、特にヘリカル巻きの角度が低い場合に起こりやすい。但し、前記、繊維束の滑りや樹脂の飛散の抑制に対する課題解決の工夫や改善がなせれば、上限値以上の速度での巻き付けも可能であり、より生産性の向上にも繋がり、その辺りは許容もできる。 The winding speed of carbon fiber reinforced resin onto the liner is preferably 10 m/min to 20 m/min for hoop winding, 7 m/min to 15 m/min for high-angle helical winding, and 4 m/min to 10 m/min for low-angle helical winding. A winding speed above the lower limit is preferable to improve productivity, but winding at a speed above the upper limit tends to cause fiber bundle slippage and resin scattering, particularly when the helical winding angle is low. However, if ingenuity and improvements can be made to solve the issues of preventing fiber bundle slippage and resin scattering, winding at speeds above the upper limit is possible, leading to further improvements in productivity and therefore acceptable.

炭素繊維強化樹脂に用いるマトリクス樹脂は熱硬化性樹脂が好ましく、エポキシ樹脂がより好ましい。マトリクス樹脂の他の候補としては、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。マトリクス樹脂としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The matrix resin used in carbon fiber reinforced resin is preferably a thermosetting resin, with epoxy resin being more preferred. Other possible matrix resins include phenolic resin, vinyl ester resin, and unsaturated polyester resin. One type of matrix resin may be used alone, or two or more types may be used in combination.

炭素繊維強化樹脂のマトリクス樹脂の体積含有率は強度低下を防ぐために25%以上45%以下が好ましい。(マトリクス樹脂の比重にも因るが、目安、前記樹脂の質量含有率が、20%弱から、略35%までの範囲に相当。)29%以上35%以下がより好ましい。(マトリクス樹脂の比重にも因るが、目安、前記樹脂の質量含有率が、20%強から、30%弱までの範囲に相当。)下限値以上の体積含有率で樹脂を含浸させることで、工程中の繊維毛羽の発生や繊維束間の空隙の発生を抑制しやすくなる。上限値以下の体積含有率で樹脂を含浸させることで、巻き付け中の繊維束の滑りや樹脂垂れを抑制しやすくなる。 To prevent a decrease in strength, the volume content of the matrix resin in carbon fiber reinforced resin is preferably 25% or more and 45% or less. (Although this depends on the specific gravity of the matrix resin, as a guideline, this corresponds to a mass content of the resin ranging from just under 20% to approximately 35%). 29% or more and 35% or less is more preferable. (Although this also depends on the specific gravity of the matrix resin, as a guideline, this corresponds to a mass content of the resin ranging from just over 20% to just under 30%). Impregnating the resin at a volume content above the lower limit helps to prevent fiber fuzz and voids between fiber bundles during processing. Impregnating the resin at a volume content below the upper limit helps to prevent fiber bundle slippage and resin sagging during winding.

そして炭素繊維やガラス繊維等の強化繊維の巻き付け方法としては、先に述べたようにフープ巻き、各種のヘリカル巻き等がある。本実施の最も好ましい形態の一例としては、ライナ210の外周に炭素繊維強化樹脂の繊維巻層を積層した後、ガラス繊維強化樹脂の繊維巻層を最外層に積層し、補強層220を形成するものである。本発明の実施形態では、まず、ライナ210の外周に、炭素繊維の巻き付け方が異なる複数の繊維巻層を積層することを必須とするが、その後必要に応じ、ライナ210の外周に形成された炭素繊維強化樹脂の繊維巻層に、巻き付け方が異なるガラス繊維等の複数の繊維巻層を積層することも好ましい。 Methods for winding reinforcing fibers such as carbon fiber and glass fiber include hoop winding and various helical windings, as mentioned above. In one example of the most preferred embodiment, a fiber wound layer of carbon fiber reinforced resin is laminated around the outer periphery of the liner 210, and then a fiber wound layer of glass fiber reinforced resin is laminated as the outermost layer to form the reinforcing layer 220. In this embodiment of the present invention, it is essential to first laminate multiple fiber wound layers with different carbon fiber winding methods around the outer periphery of the liner 210. However, it is also preferable to subsequently laminate multiple fiber wound layers of glass fiber or the like with different winding methods onto the fiber wound layer of carbon fiber reinforced resin formed around the outer periphery of the liner 210, as needed.

フープ巻きとは、図2に示すように、炭素繊維又はガラス繊維等である補強繊維221を、円筒形状のライナ210の中心軸AXに対してほぼ直交する巻き角度で、中心軸AXに沿った方向に巻き付け位置を移動させながら、巻き付けていく方法である。なお、巻き角度は、補強繊維221の巻き付け方向と補強繊維221が延びる方向とのなす角度である。補強繊維221の巻き付け方向は、補強繊維221が巻き付けられたリール(図示せず)の移動方向であり、中心軸AXが延びる方向である。フープ巻きの巻き角度を表すα1は、85~90度であり、フープ巻きにより形成される繊維巻層がフープ層である。ライナ底部212、及び、ライナ頭部213にフープ巻きで補強繊維221を巻き付けることは困難であるため、フープ層は、基本的に、ライナ胴部211の全体に亘って形成される。言い換えると、当該圧力容器200の胴部における周方向の強度を向上させるためにはフープ層が重要である。 As shown in Figure 2, hoop winding is a method of winding reinforcing fibers 221, such as carbon fibers or glass fibers, around the cylindrical liner 210 at a winding angle approximately perpendicular to the central axis AX while moving the winding position in a direction along the central axis AX. The winding angle is the angle between the winding direction of the reinforcing fibers 221 and the extension direction of the reinforcing fibers 221. The winding direction of the reinforcing fibers 221 is the direction of movement of the reel (not shown) around which the reinforcing fibers 221 are wound, which is the extension direction of the central axis AX. The winding angle α1 of hoop winding is 85 to 90 degrees, and the fiber winding layer formed by hoop winding is the hoop layer. Because it is difficult to wind the reinforcing fibers 221 around the liner bottom 212 and liner head 213 using hoop winding, the hoop layer is generally formed over the entire liner body 211. In other words, the hoop layer is important for improving the circumferential strength of the body of the pressure vessel 200.

ヘリカル巻きは、図3に示すように、巻き角度を一定に保持しつつ、補強繊維221をライナ210に螺旋状に巻き付け、ライナ210の端部において、巻き付け方向を切り替えて、再度、巻き角度を一定に保持しつつ、補強繊維221をライナ210に螺旋状に巻き付ける方法である。ヘリカル巻きでは、巻き付け方向が何度も切り替えられるため、圧力容器200の外表面に、補強繊維221が網目状に張り巡らされた繊維巻層が形成される。本発明においてはヘリカル巻きをした層を、「30度未満の低角度ヘリカル層」、「30度以上60度未満の中角度ヘリカル層」、「60度以上75度未満の高角度ヘリカル層」、「75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層」の四種類に分類している。そして本発明では特に「75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層」を有することが重要である。 As shown in Figure 3, helical winding involves spirally winding the reinforcing fiber 221 around the liner 210 while maintaining a constant winding angle, switching the winding direction at the end of the liner 210, and then spirally winding the reinforcing fiber 221 around the liner 210 again while maintaining a constant winding angle. In helical winding, the winding direction is switched multiple times, resulting in a fiber-wound layer on the outer surface of the pressure vessel 200 in which the reinforcing fiber 221 is spread across the entire surface in a mesh-like pattern. In this invention, helically wound layers are classified into four types: "low-angle helical layer (less than 30 degrees)," "medium-angle helical layer (30 degrees to less than 60 degrees)," "high-angle helical layer (60 degrees to less than 75 degrees)," and "high-angle helical layer (75 degrees to less than 85 degrees)." In this invention, it is particularly important to have a "high-angle helical layer (75 degrees to less than 85 degrees)."

図3に、高角度ヘリカル巻きによりライナ210に補強繊維221が巻き付けられている様子を示す。高角度ヘリカル巻きの巻き角度を表すα2は、ライナ胴部211において補強繊維221が少なくとも1周することができる程度の比較的大きい巻き角度である。なお、α2の角度の目安は、通常は30度前後以上~75度未満の巻き角度が汎用されているが、本発明では「30度未満の低角度ヘリカル層」や、「75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層」の存在が特に重要である。 Figure 3 shows the reinforcing fiber 221 wound around the liner 210 using high-angle helical winding. α2, which represents the winding angle of the high-angle helical winding, is a relatively large winding angle that allows the reinforcing fiber 221 to make at least one full turn in the liner body 211. Note that a winding angle of approximately 30 degrees or more and less than 75 degrees is generally used as a guide for the angle of α2, but in the present invention, the presence of a "low-angle helical layer of less than 30 degrees" and a "high-angle helical layer of 75 degrees or more and less than 85 degrees" is particularly important.

なお巻き角度が60度以上の「高角度ヘリカル層」「高々角度ヘリカル層」「フープ層」では、ライナ胴部211において補強繊維221が少なくとも1周することができる程度の比較的大きい巻き角度のものとなる。逆に図4等の「30度未満の低角度ヘリカル層」では、ライナ胴部211において補強繊維221が1周する前に巻き付け方向が切り替えられる程度の比較的小さい巻き角度(図4中のα3の角度)のものとなる。なお、巻き角度のことを配向角度ということがある。 Note that "high-angle helical layers," "high-angle helical layers," and "hoop layers" with a winding angle of 60 degrees or more have a relatively large winding angle that allows the reinforcing fiber 221 to make at least one full turn in the liner barrel 211. Conversely, "low-angle helical layers of less than 30 degrees" such as those in Figure 4 have a relatively small winding angle (angle α3 in Figure 4) that allows the winding direction to be changed before the reinforcing fiber 221 makes one full turn in the liner barrel 211. Note that the winding angle is sometimes referred to as the orientation angle.

ところでヘリカル巻きの角度によって、鏡部の強度の向上効果が異なる。
図5(A),(B)は、ヘリカル巻きによる鏡部の強度の向上を説明するための模式図を示す。図5(A),(B)にはそれぞれ、中心軸AX方向に沿って見たときの鏡部が図示されており、図5(A)の鏡部には高々角度ヘリカル巻きが形成され、図5(B)の鏡部には低角度ヘリカル巻きが形成されている。
Incidentally, the effect of improving the strength of the mirror portion varies depending on the angle of the helical winding.
5A and 5B are schematic diagrams illustrating the improvement in the strength of the mirror portion due to helical winding. Each of the diagrams shows the mirror portion as viewed along the central axis AX. The mirror portion in Fig. 5A has a high-angle helical winding, while the mirror portion in Fig. 5B has a low-angle helical winding.

そしてタンク容器の鏡部の曲面は、等張力曲面で構成されている。この場合に、下記の数式(1)が成り立つように、鏡部における炭素繊維の折り返し位置を決定すると、鏡部上における炭素繊維の応力を略均一とすることができる。
=R・sinα ・・・(1)
The curved surface of the head portion of the tank container is composed of a constant tension curved surface. In this case, if the folding position of the carbon fiber on the head portion is determined so that the following formula (1) holds, the stress of the carbon fiber on the head portion can be made approximately uniform.
R 1 =R 0・sin α 0 ...(1)

ここで、Rは、シリンダー部の半径であり、αは、シリンダー部における炭素繊維の巻き角度である。また、Rは、鏡部の中心(中心軸AX)から炭素繊維の折り返し位置までの距離である。なお、「炭素繊維の折り返し位置」とは、具体的には、鏡部上において炭素繊維が描く曲線上の頂点の位置を意味する。上記(1)式が成り立つように、鏡部における炭素繊維の巻き付け方向の折り返しを繰り返すと、炭素繊維の折り返し位置は、鏡部において半径Rの円周上に位置することとなる。 Here, R0 is the radius of the cylinder portion, and α0 is the winding angle of the carbon fiber around the cylinder portion. R1 is the distance from the center of the head portion (central axis AX) to the folding position of the carbon fiber. Specifically, the "folding position of the carbon fiber" means the position of the apex of the curve drawn by the carbon fiber on the head portion. When the carbon fiber is repeatedly folded in the winding direction around the head portion so that the above formula (1) holds, the folding position of the carbon fiber will be located on the circumference of a circle with a radius of R1 on the head portion.

炭素繊維の折り返し位置を、上記(1)式からズレた位置に設定した場合、例えば、その位置がシリンダー側にズレた場合、FW成形時に、折り返し位置にて炭素繊維の張力によってシリンダー側にズレが発生したり、その位置が口金側にズレた場合、FW成形時に、折り返し位置にて炭素繊維の張力によって口金側にズレが発生したりするため、成形不良・欠陥を生じさせる恐れがあり、破壊起点の要因に繋がる可能性がある。そのため、この「炭素繊維の折り返し位置」は、鏡部の成形面における、強度向上・安定化において、非常に重要となる。 If the folding position of the carbon fiber is set at a position that is deviated from the position calculated by equation (1) above, for example, if the position is shifted toward the cylinder, the tension of the carbon fiber at the folding position will cause it to shift toward the cylinder during FW molding.If the position is shifted toward the die, the tension of the carbon fiber at the folding position will cause it to shift toward the die during FW molding.This could result in molding defects and potential failure points.For this reason, this "folding position of the carbon fiber" is extremely important in improving and stabilizing the strength of the molding surface of the head portion.

一般に、ドーム形状の鏡部上においては、巻き付けられた炭素繊維の繊維方向に対して直交する方向にひずみが大きくなる傾向にある。従って、FW(フィラメントワインディング)法によって製造される高圧ガスタンクでは、シリンダー部に比較して、折り返し位置が複数存在している鏡部における強度が低下しやすい。 In general, strain on the dome-shaped head portion tends to increase in the direction perpendicular to the fiber direction of the wound carbon fiber. Therefore, in high-pressure gas tanks manufactured using the FW (filament winding) method, the strength of the head portion, which has multiple folding positions, is more likely to decrease than that of the cylinder portion.

そしてヘリカル層においては、炭素繊維の折り返し位置に近い領域ほど、炭素繊維が密に配置されるため、当該領域における、繊維方向には強度を向上させることができるが、その一方、繊維方向に対して直交する方向には強度を向上させることができない。具体的には、高角度ヘリカル層では、主に、シリンダー部と鏡部との境界に比較的近い領域の繊維方向、即ち、繊維の折り返し位置の存在する周方向の強度を向上させることができ(図5(A))、低角度ヘリカル層では、主に、鏡部の口金部に比較的近い領域の繊維方向、即ち、繊維の折り返し位置の存在する周方向の強度を向上させることができる(図5(B))。 In the helical layer, the carbon fibers are densely arranged in the region closer to the folding position of the carbon fibers, which improves the strength in the fiber direction in that region, but does not improve the strength in the direction perpendicular to the fiber direction. Specifically, the high-angle helical layer mainly improves the strength in the fiber direction in the region relatively close to the boundary between the cylindrical portion and the mirror portion, i.e., the circumferential direction where the folding position of the fibers exists (Figure 5(A)). In the low-angle helical layer, the strength in the fiber direction in the region relatively close to the nozzle portion of the mirror portion, i.e., the circumferential direction where the folding position of the fibers exists (Figure 5(B)).

さらには、内圧を負荷された圧力容器の胴部において、当該容器の軸方向に発生する応力に対して、当該容器の周方向に発生する応力は、理論上、略2倍であり、それ故に、バースト試験における破裂強度を高め、その基準値をクリアさせるためには、フープ層の配置が重要である。一方で、前記のように、胴部の補強のみに注視していると、鏡部での破壊・破損が発生しやすくなるため、鏡部を補強するためにも、ヘリカル層の配置が重要である。 Furthermore, in theory, the stress generated in the circumferential direction of a pressure vessel when subjected to internal pressure is roughly twice as great as the stress generated in the axial direction of the vessel. Therefore, the placement of hoop layers is important for increasing the burst strength in burst tests and meeting the standard values. On the other hand, as mentioned above, focusing only on reinforcing the vessel's body makes it more likely that fractures or damage will occur in the head section, so the placement of helical layers is also important for reinforcing the head section.

そして本発明においては、様々な角度のヘリカル層を配置させることによって、鏡部の強度が安定した圧力容器を得ることが可能となった。 In this invention, by arranging helical layers at various angles, it is possible to obtain a pressure vessel with stable head strength.

本発明では、異なった角度のヘリカル層が配置されており、ヘリカル層中にて繊維が積層し、ドーム形状である鏡部に、炭素繊維の折り返し位置が、適切に分散配置されている。そしてこのような各種角度のヘリカル層の存在により、弱点となりやすい鏡部における強度を顕著に向上させ、繊維補強圧力容器の破裂強度を向上させることが可能となった。 In this invention, helical layers with different angles are arranged, fibers are stacked within the helical layers, and the carbon fiber fold positions are appropriately distributed around the dome-shaped head section. The presence of helical layers with such various angles significantly improves the strength of the head section, which is prone to becoming a weak point, and makes it possible to improve the burst strength of the fiber-reinforced pressure vessel.

また、本発明の圧力容器の製造方法では、上記のFW工程等の後に、圧力容器を加熱しマトリクス樹脂を硬化させる工程において、容器内部を加圧することが好ましい。ライナ内部に負荷する内圧としては0.2MPa以上、0.6MPa以下の範囲が好ましく、圧力容器の形状を保ったまま、マトリクス樹脂を硬化させることが可能となる。 In addition, in the manufacturing method of the pressure vessel of the present invention, after the above-mentioned FW process, etc., it is preferable to pressurize the inside of the vessel in the process of heating the pressure vessel and curing the matrix resin. The internal pressure applied to the inside of the liner is preferably in the range of 0.2 MPa or more and 0.6 MPa or less, which makes it possible to cure the matrix resin while maintaining the shape of the pressure vessel.

なおこの加熱時には、強層の強化樹脂の樹脂垂れを防ぐために、圧力容器を一定速度で回転させることも好ましく、繊維補強層に用いられる強化樹脂の樹脂垂れを防ぎやすくなる。 In addition, during this heating process, it is preferable to rotate the pressure vessel at a constant speed to prevent the reinforcing resin in the reinforced layer from dripping, which makes it easier to prevent the reinforcing resin used in the fiber-reinforced layer from dripping.

このような本発明の繊維補強圧力容器は、破裂圧力をより向上させることができるため、最高充填圧力、耐圧検査圧力、最小破裂圧力のいずれをも、安全率を高め、余裕を持たせることが可能となる。ここで、最高充填圧力とは、圧力容器を使用する際の、充填量の目安となる圧力である。耐圧検査圧力とは、圧力容器の安全性を確認するために、設計圧力を上回る圧力で行なう実証試験において設定される圧力である。最小破裂圧力としては、「最高充填圧力の3.33・・・倍以上の圧力」、あるいは「ガラス繊維層を含む設計厚さを用いて算出したライナ胴部における炭素繊維の応力が炭素繊維の破断する応力となる圧力」の値を採用する(「アルミニウム合金ライナ・炭素繊維製 一般複合容器の技術基準 KHKS0121(2016)」等)。 The fiber-reinforced pressure vessel of the present invention can further improve burst pressure, thereby increasing the safety factor and providing a margin for the maximum filling pressure, pressure test pressure, and minimum burst pressure. Here, the maximum filling pressure is the pressure that serves as a guide for the filling amount when using a pressure vessel. The pressure test pressure is the pressure set in a demonstration test conducted at a pressure above the design pressure to confirm the safety of the pressure vessel. The minimum burst pressure is "a pressure of 3.33... times or more the maximum filling pressure," or "the pressure at which the stress in the carbon fiber in the liner body, calculated using the design thickness including the glass fiber layer, becomes the stress that breaks the carbon fiber" (e.g., "Technical Standards for General Composite Vessels Made of Aluminum Alloy Liners and Carbon Fiber, KHKS0121 (2016)").

より具体的に、破裂圧力が180MPaを超え、かつ破裂箇所が容器胴体中央の良好な破裂形態を示す圧力容器としては、例えば下記のような構成が考えられる。
すなわち24リットル容器として下記[表1]のような繊維層の巻き付け順序及び構成とする圧力容器である。
More specifically, the following configurations are conceivable as pressure vessels that have a burst pressure exceeding 180 MPa and exhibit a favorable bursting mode with the rupture location at the center of the vessel body.
That is, the pressure vessel is a 24 liter vessel having the winding order and structure of the fiber layers as shown in Table 1 below.

ちなみに破裂試験を実施して、その破裂圧が180MPaを超える場合、GTR13規格(世界統一技術規則第13号「水素及び燃料電池自動車に関する世界統一規格」で要求される最小破裂圧力157.5MPaに、製造時のばらつきを考慮して安全率10%を見込んだ破裂圧力が、175MPaを超える耐圧性能を有する容器となる。 By the way, if a bursting test is conducted and the bursting pressure exceeds 180 MPa, the container will have a pressure-resistant bursting pressure of over 175 MPa, calculated by adding a 10% safety margin to the minimum bursting pressure of 157.5 MPa required by the GTR13 standard (Global Technical Regulation No. 13, "Global Standard for Hydrogen and Fuel Cell Vehicles") to take into account manufacturing variations.

さらに破裂圧力を高める場合には24リットル容器として下記[表2]のような繊維層の巻き付け順序及び構成とする圧力容器であることが好ましい。 To further increase the burst pressure, it is preferable to use a pressure vessel with the winding order and configuration of the fiber layers as shown in Table 2 below for a 24-liter container.

このような本発明の圧力容器の形状としては、ライナ胴部211の寸法として、長さ、外径、内径、ライナ胴部の厚さ等を目的に応じて定めることができ、その寸法によって圧力容器の容積が決まる。ライナ底部212やライナ頭部213に関しては、質量、各部の厚さ等を定めることができる。繊維補強部材であるCFRPやGFRPに関しては、厚さ等を定めることができる。 For the shape of the pressure vessel of the present invention, the dimensions of the liner body 211, such as length, outer diameter, inner diameter, and thickness of the liner body, can be determined according to the purpose, and the volume of the pressure vessel is determined by these dimensions. For the liner bottom 212 and liner head 213, the mass, thickness of each part, etc. can be determined. For the fiber-reinforced members CFRP and GFRP, the thickness, etc. can be determined.

また圧力容器は目的に応じて、容積、質量、直径、長さ、圧力設定等を定めることができ、容積は容量に対応し、直径は外寸法に対応する。圧力設定としては、公称使用圧力、最高充填圧力、耐圧検査圧力、最小破裂圧力、設計破裂圧力等が重要である。これらの物性は、使用する気体の消費速度及び消費時間による消費量と、設置場所と関連する容器の寸法と、使用する気体の圧力とのバランスを考慮して、各種の諸元を定めることが好ましい。 The volume, mass, diameter, length, pressure setting, etc. of a pressure vessel can be determined depending on the purpose, with the volume corresponding to the capacity and the diameter corresponding to the external dimensions. Important pressure settings include the nominal operating pressure, maximum filling pressure, pressure test pressure, minimum burst pressure, and design burst pressure. It is preferable to determine these various specifications by taking into account the balance between the consumption rate and consumption amount over time of the gas used, the dimensions of the container relative to the installation location, and the pressure of the gas used.

本発明の繊維補強圧力容器としては、その容量に関し限定することなく広い範囲に適用することができる。一般的には0.8リットルから800リットルの容量である。 The fiber-reinforced pressure vessel of the present invention can be applied to a wide range of volumes without any limitations. Typical volumes are 0.8 liters to 800 liters.

本発明の圧力容器を、例えば消防用の空気ボンベに用いる場合、容積として一般的な、4リットル用(4~5リットル)、6リットル用(6~7リットル)、8リットル用(8~9リットル)のものに用いることができる。本発明の圧力容器の充填圧力設定としては、4リットル用や6リットル用であれば29~30MPaの範囲が、8リットル用としては14~15MPaや、29~30MPaの範囲とすることが好ましい。このような容積であれば、例えば、災害時に消防士が空気ボンベを使用し、1分間に40リットルの空気を消費する場合、災害現場での作業時間の目安が、約30分、約45分、又は、約60分以上確保できる。
例)29MPa(約300気圧)×容積4リットル=約1200リットル
約1200リットル/(約40リットル/分)=約30分
When the pressure vessel of the present invention is used as an air cylinder for firefighting, for example, it can be used for typical volumes of 4 liters (4 to 5 liters), 6 liters (6 to 7 liters), and 8 liters (8 to 9 liters). The filling pressure of the pressure vessel of the present invention is preferably set in the range of 29 to 30 MPa for 4 liter and 6 liter volumes, and in the range of 14 to 15 MPa or 29 to 30 MPa for 8 liter volumes. With such volumes, for example, if a firefighter uses an air cylinder during a disaster and consumes 40 liters of air per minute, the estimated working time at the disaster site can be approximately 30 minutes, approximately 45 minutes, or approximately 60 minutes or more.
Example: 29 MPa (approximately 300 atmospheres) x 4 liters of volume = approximately 1,200 liters. Approximately 1,200 liters / (approximately 40 liters/minute) = approximately 30 minutes

同じく自動車関連の燃料電池FC用の水素ガス用FRP圧力容器に用いる場合、自動車の想定走行距離を500km~1,000kmとし、水素ガス:7kg~9kg(80,000リットル~100,000リットル)必要であるとすると、充填圧力:70MPaの容器に充填した場合、自動車車体に搭載するFRP圧力容器としては、容積が100リットル~150リットルであることが好ましい。また分割搭載することを想定すれば容器1つあたりの容積が20リットル~100リットルであることも好ましい。もちろん、自動車車体に搭載されるさまざまな内装部品に応じ、これら部品の邪魔にならないよう、FRP圧力容器の大きさや形状は適宜変更することが好ましい。また、分割搭載することにより、通常の走行時には、主となるメインのFRP圧力容器にて走行し、燃料が少なくなった際や、多少のトラブルが発生した時には、サブのFRP圧力容器に切換え、走行可能を実現している。さらには、自動車の走行燃費の観点からは、圧力容器の質量は、軽量であることが好ましい。 Similarly, when used as an FRP pressure vessel for hydrogen gas in an automobile-related fuel cell (FC), assuming an expected driving distance of 500 to 1,000 km and a required volume of 7 to 9 kg of hydrogen gas (80,000 to 100,000 liters), and a filling pressure of 70 MPa, the FRP pressure vessel mounted on the automobile body preferably has a volume of 100 to 150 liters. Furthermore, assuming separate mounting, a volume of 20 to 100 liters per vessel is also preferable. Of course, it is preferable to appropriately change the size and shape of the FRP pressure vessel to accommodate the various interior components mounted on the automobile body so as not to interfere with these components. Furthermore, by mounting the vessels separately, the main FRP pressure vessel can be used during normal driving, and when fuel runs low or minor trouble occurs, the sub-FRP pressure vessel can be used for driving. Furthermore, from the perspective of automobile fuel economy, a lightweight pressure vessel is preferable.

当然のことながら、容積が大きい圧力容器の質量は大きく、また最高充填圧力が大きく厚さが大きい圧力容器の質量も大きい。また、容積の大きい、即ち、質量が大きい圧力容器は、長時間に亘ってガスを供給することができる反面、質量が大きいが故にガス使用時の減り方が速かったりすることで、非効率な面も存在する。 Naturally, a pressure vessel with a large volume has a large mass, and a pressure vessel with a high maximum filling pressure and a large thickness also has a large mass. Furthermore, while a pressure vessel with a large volume, i.e. a large mass, can supply gas for a long period of time, it can also be inefficient because the gas used decreases quickly due to its large mass.

圧力容器における充填ガス容量を大きくするには、充填圧力を上げるか、圧力容器の容積を増やすかである。圧力容器の容積を増やすには、「長さを長くする」「外寸法を大きくする」の2通りが存在する。一方、一般的には、圧力容器の破裂圧力には、容器の外寸法に対する厚さに相関関係がある。従がって、それ故に、前者:「長さを長くする」と、外寸法を小さくでき、厚さも小さくできるが、後者:「外寸法を大きくする」と、厚さも大きくする必要があるが、長さを小さくできる。それ故に、圧力容器をどこに設置するかによって、圧力容器の容積を維持しつつ、長さ・外寸法・厚さと、その質量の大小のバランスを考慮しつつ、加えて、バースト試験において基準となる破裂圧力をクリアすると共に、その破裂位置が鏡部ではない圧力容器を設計しないといけない。 Increasing the gas capacity of a pressure vessel can be achieved by either increasing the filling pressure or by increasing the vessel's volume. There are two ways to increase the volume of a pressure vessel: by increasing its length or by increasing its external dimensions. Generally, the burst pressure of a pressure vessel is correlated with the vessel's thickness relative to its external dimensions. Therefore, in the former case, increasing the length allows for smaller external dimensions and a smaller thickness, while in the latter case, increasing the external dimensions requires an increase in thickness, but the length can be reduced. Therefore, depending on where the pressure vessel is installed, it is necessary to maintain the vessel's volume while considering the balance between its length, external dimensions, thickness, and mass. Additionally, the pressure vessel must be designed to clear the standard burst pressure in burst tests and ensure that the rupture location is not in the head section.

本発明の圧力容器は補強繊維を最適に配置しており、軽量で作業性が良く、さらに高圧に耐えるため、実用性の高い圧力容器となる。さらに本発明の圧力容器は、鏡部の強度が強く、破裂圧力にバラツキが少なく、高い基準で安定している。 The pressure vessel of the present invention has optimally arranged reinforcing fibers, making it lightweight, easy to work with, and able to withstand high pressures, making it a highly practical pressure vessel. Furthermore, the pressure vessel of the present invention has a strong head, little variation in burst pressure, and is stable to a high standard.

このような本発明の繊維補強圧力容器は、ダイバー、消防士等が使用する空気、新型コロナ禍での感染者等の患者が使用する酸素、自動車やドローンなどの移動体が使用する水素等を貯留する等の容器として最適に用いられる。 The fiber-reinforced pressure vessel of the present invention is ideally suited for use as a container for storing air used by divers, firefighters, etc., oxygen used by patients infected with COVID-19, and hydrogen used by mobile vehicles such as automobiles and drones.

以下、さらに実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。なお、実施例中の各値は以下の方法により求めた。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples. The values in the examples were determined using the following methods.

(1)破壊試験(バースト試験)
世界技術規則第13号の6.2.2.1項及び5.1.1.1項に準拠して行った。すなわち下記方法に試験した。繊維補強圧力容器の供試体内部に水を充填、水圧により徐々に昇圧し、指定圧力(10MPa)で保持して気密を確認する。その後、さらに昇圧して、破壊するときの圧力および破壊箇所を記録する。
・供試体加圧媒体:水
・加圧媒体温度:15~25℃
・試験室温度・湿度:20~25℃・50~75%
・昇圧パターン:5MPa/min.で加圧、10MPaで1分保持。再度、破壊するまで昇圧する。
(1) Destructive test (burst test)
The test was conducted in accordance with paragraphs 6.2.2.1 and 5.1.1.1 of International Technical Regulation No. 13. Specifically, the test was conducted as follows: The interior of a fiber-reinforced pressure vessel specimen was filled with water, and the pressure was gradually increased using water pressure. The pressure was maintained at the specified pressure (10 MPa) to confirm airtightness. The pressure was then further increased, and the pressure at which the vessel broke and the location of the break were recorded.
・Test specimen pressure medium: Water ・Pressure medium temperature: 15 to 25°C
・Test room temperature and humidity: 20-25℃, 50-75%
Pressure increase pattern: Apply pressure at 5 MPa/min, hold at 10 MPa for 1 minute, then increase pressure again until fracture occurs.

(2)疲労サイクル試験
世界技術規則第13号の6.2.2.2項及び5.1.1.2項に準拠して行った。すなわち下記方法に試験した。
・10個から任意に採取した3個の容器について常温圧力サイクル試験を実施する。
・容器に非腐食性の液体である水を充満させた後、容器および液体を20±5℃で安定させる。
・2±1MPaと、NWP(公称使用圧力:70MPa)の125%である87.5MPa以上の圧力を10回/分以下の割合で往復させ、漏れが発生するまで、あるいは45,000回まで加圧する。
・供試体加圧媒体:水
・加圧媒体温度:15~25℃
・試験室温度・湿度:20~25℃・50~75%
(2) Fatigue cycle test: This test was carried out in accordance with Sections 6.2.2.2 and 5.1.1.2 of the International Technical Regulation No. 13. That is, the test was carried out according to the following method.
- Three containers randomly selected from the ten will be subjected to a room temperature pressure cycle test.
- After filling the container with water, a non-corrosive liquid, the container and liquid are stabilized at 20±5°C.
- Pressurize the valve between 2±1 MPa and 87.5 MPa or more, which is 125% of the NWP (nominal working pressure: 70 MPa), at a rate of 10 times or less per minute until leakage occurs or up to 45,000 times.
・Test specimen pressure medium: Water ・Pressure medium temperature: 15 to 25°C
・Test room temperature and humidity: 20-25℃, 50-75%

[実施例1]
ライナの材料としては、ナイロン樹脂を用いた。すなわちライナとしては、ナイロン樹脂を射出成型し得られた、2つのお椀型の樹脂成型品の端部を熱板溶着することで、胴部の長さ292mm、胴部の外直径300mm、厚さ5mm、重量2.4kgの容積24リットルのライナを製作した。この時、熱板溶着の条件として、熱板温度240℃、溶着時間60秒、を採用した。
[Example 1]
The liner was made of nylon resin. The ends of two bowl-shaped resin molded articles, obtained by injection molding nylon resin, were hot-plate welded together to produce a liner with a body length of 292 mm, an outer diameter of 300 mm, a thickness of 5 mm, a weight of 2.4 kg, and a volume of 24 liters. The hot-plate welding conditions were a hot-plate temperature of 240°C and a welding time of 60 seconds.

ライナの口金の材料としては、アルミニウム合金A6061‐T6を用い、口金とライナの接着にはシーリング剤を用いた。 The liner nozzle was made of aluminum alloy A6061-T6, and a sealant was used to bond the nozzle to the liner.

ライナを補強する補強繊維の繊維束としては、帝人株式会社製Tenax-E UTS50 24K(Tex1600g/km、引張強度5100MPa、引張弾性率245GPa)を使用した。繊維束トウ幅は、8~9mmであった。炭素繊維とともに補強層となるマトリクス樹脂には主剤エポキシ樹脂とし、それに硬化剤酸、硬化促進剤、消泡剤を混合したものを使用した。なお、主剤:硬化剤:硬化促進剤:消泡剤の重量比率は、100:120:1:1の割合であった。 Teijin Limited's Tenax-E UTS50 24K (Tex 1600 g/km, tensile strength 5100 MPa, tensile modulus 245 GPa) was used as the reinforcing fiber bundles reinforcing the liner. The fiber bundle tow width was 8-9 mm. The matrix resin that forms the reinforcing layer together with the carbon fiber is a base epoxy resin mixed with a curing acid, curing accelerator, and defoamer. The weight ratio of base resin: curing agent: curing accelerator: defoamer was 100:120:1:1.

まず4本の補強繊維束を引き揃え、エポキシ樹脂組成物が収容された樹脂槽に繊維束を浸して繊維強化樹脂材料とした。そしてライナ上で繊維強化樹脂材料のバンドの幅が15mmとなるようにして、表3に示す順序でフープ巻き、ヘリカル巻きを行い、それぞれ表3に示す巻き角度、厚さになるようにライナに巻き付けた。巻き付け時の繊維束に付与する張力は、繊維束1本あたり5Nとした。ライナ内部の圧力は、巻き付け開始時に0.1MPa、フープ巻き、高角度ヘリカル巻き層が終了した以降は0.2MPaとした。 First, four reinforcing fiber bundles were aligned and immersed in a resin tank containing an epoxy resin composition to create a fiber-reinforced resin material. Then, hoop winding and helical winding were performed in the order shown in Table 3 so that the band width of the fiber-reinforced resin material on the liner was 15 mm, and the material was wrapped around the liner at the winding angle and thickness shown in Table 3. The tension applied to the fiber bundles during winding was 5 N per fiber bundle. The pressure inside the liner was 0.1 MPa at the start of winding and 0.2 MPa after the hoop winding and high-angle helical winding layers were completed.

このように繊維強化樹脂材料を巻き付けた後、ライナ内部の圧力を0.2MPaで保持した状態で、図6に示す温度と時間で加熱することでマトリクス樹脂を硬化させ、ライナ上に補強層が形成された繊補強圧力容器を得た。使用した炭素繊維量および補強層の重量から計算した補強層のVf(体積繊維含有率)は70%であった。 After wrapping the fiber-reinforced resin material in this manner, the matrix resin was hardened by heating at the temperature and time shown in Figure 6 while maintaining the pressure inside the liner at 0.2 MPa, resulting in a fiber-reinforced pressure vessel with a reinforcing layer formed on the liner. The Vf (volume fiber content) of the reinforcing layer, calculated from the amount of carbon fiber used and the weight of the reinforcing layer, was 70%.

得られた繊維補強圧力容器の破裂試験を実施したところ、160.3MPaにて胴部から破裂し、比較的良好な破裂圧力と破壊形態を示した。また、疲労サイクル試験を実施したところ、サイクル回数45,000回を超えても容器の破裂や漏れは生じなかった。測定結果を表8に示した。 A burst test was conducted on the resulting fiber-reinforced pressure vessel, which burst from the barrel at 160.3 MPa, demonstrating relatively good burst pressure and fracture morphology. Furthermore, a fatigue cycle test was conducted, and no burst or leakage occurred, even after more than 45,000 cycles. The measurement results are shown in Table 8.

[実施例2]
ライナの材料としては実施例1のナイロン樹脂に代えて、高密度ポリエチレン樹脂を用いた。ライナとなる樹脂を回転成型することで、胴部の長さ378mm、胴部の外直径224mm、厚さ5mmの容積17リットルのライナを得た。ライナの原料樹脂以外の材料構成や硬化温度等は実施例1と同条件で行い、ただし繊維束の巻き付け順序は表4に示す通りに変更した。
繊維補強圧力容器の破裂試験を実施したところ、170.5MPaにて胴部から破裂し、比較的良好な破裂圧力と破壊形態を示した。測定結果を表8に併せて示した。
[Example 2]
High-density polyethylene resin was used as the liner material instead of the nylon resin used in Example 1. The resin used for the liner was rotationally molded to obtain a liner with a body length of 378 mm, an outer diameter of 224 mm, a thickness of 5 mm, and a volume of 17 liters. The material composition and curing temperature other than the raw resin of the liner were the same as in Example 1, except that the winding order of the fiber bundle was changed as shown in Table 4.
When a burst test was carried out on the fiber-reinforced pressure vessel, it burst from the barrel at 170.5 MPa, showing a relatively good burst pressure and fracture mode. The measurement results are also shown in Table 8.

[実施例3]
繊維束の巻き付け順序を表5に示す通りに変更した以外は、実施例1と同条件で容積24リットルの繊維補強圧力容器を得た。
繊維補強圧力容器の破裂試験を実施したところ、126.4MPaにて胴部から破裂した。破裂圧力の数値としては大きくないが、想定していた破壊位置と、良好な破壊形態を示した。測定結果を表8に併せて示した。
[Example 3]
A fiber-reinforced pressure vessel having a volume of 24 liters was obtained under the same conditions as in Example 1, except that the winding order of the fiber bundle was changed as shown in Table 5.
When a fiber-reinforced pressure vessel was subjected to a burst test, it burst from the barrel at 126.4 MPa. Although the burst pressure was not large, the expected location of the failure and a favorable failure pattern were observed. The measurement results are also shown in Table 8.

[比較例1]
繊維束の巻き付け順序を表6に示す通りに変更した以外は、実施例2と同条件で容積17リットルの繊維補強圧力容器を得た。
繊維補強圧力容器の破裂試験を実施したところ、129.4MPaにて鏡部から破裂した。し破裂圧力の数値としては大きくなく、また、想定していた破壊位置とは異なる鏡部であって、意図しない破壊形態を示した。測定結果を表8に併せて示した。
[Comparative Example 1]
A fiber-reinforced pressure vessel having a volume of 17 liters was obtained under the same conditions as in Example 2, except that the winding order of the fiber bundle was changed as shown in Table 6.
When a burst test was conducted on a fiber-reinforced pressure vessel, it burst at 129.4 MPa from the head section. However, the burst pressure was not large, and the location of the failure was different from the expected location, the head section, resulting in an unintended failure mode. The measurement results are also shown in Table 8.

[比較例2]
繊維束の巻き付け順序を表7に示す通りに変更した以外は、実施例2と同条件で容積17リットルの繊維補強圧力容器を得た。
繊維補強圧力容器の破裂試験を実施したところ、141.4MPaにて鏡部から破裂した。破裂圧力の数値としては[比較例1]よりは大きいが、想定していた数値ほど大きくなく、また、想定していた破壊位置とは異なる鏡部であって、意図しない破壊形態を示した。測定結果を表8に併せて示した。
[Comparative Example 2]
A fiber-reinforced pressure vessel having a volume of 17 liters was obtained under the same conditions as in Example 2, except that the winding order of the fiber bundle was changed as shown in Table 7.
A fiber-reinforced pressure vessel was subjected to a burst test, and the vessel burst at 141.4 MPa from the head section. The burst pressure was higher than that of Comparative Example 1, but not as high as expected. Furthermore, the vessel failed at a different location than expected, resulting in an unintended failure mode. The measurement results are also shown in Table 8.

表8に、実施例1,2,3、及び、比較例1,2の測定結果の纏めを示す。 Table 8 shows a summary of the measurement results for Examples 1, 2, and 3, and Comparative Examples 1 and 2.

:シリンダー部の半径
:鏡部(ドーム部)の中心(中心軸AX)から補強繊維の折り返し位置までの距離
α:シリンダー部における補強繊維の巻き角度
AX:中心軸
200:圧力容器
201:胴部
202:底部
203:頭部
204:貯留空間
205:栓部材
206:口金
207:開口
210:ライナ
211:ライナ胴部
212:ライナ底部
213:ライナ頭部
220:繊維強化樹脂層(補強層)
221:補強繊維
250:バルブアッセンブリ
R 0 : Radius of the cylinder portion R 1 : Distance from the center (central axis AX) of the head portion (dome portion) to the folding back position of the reinforcing fiber α 0 : Winding angle of the reinforcing fiber in the cylinder portion AX: Central axis 200: Pressure vessel 201: Body portion 202: Bottom portion 203: Head portion 204: Storage space 205: Plug member 206: Mouthpiece 207: Opening 210: Liner 211: Liner body portion 212: Liner bottom portion 213: Liner head portion 220: Fiber reinforced resin layer (reinforcing layer)
221: Reinforcement fiber 250: Valve assembly

Claims (10)

気密性を有するライナと繊維強化樹脂層からなる繊維補強圧力容器であって、補強用の繊維が炭素繊維であり、繊維強化樹脂層において、ライナの軸に対する繊維の巻き角度が、
85度以上のフープ層、
75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層、
30度未満の低角度ヘリカル層、
の各層を少なくとも有し、
繊維強化樹脂層におけるフープ層の厚さの割合が15~70%、低角度ヘリカル層の厚さの割合が20~70%であり、高々角度ヘリカル層の厚さの割合が0.5~10%の範囲にあることを特徴とする繊維補強圧力容器。
A fiber-reinforced pressure vessel comprising an airtight liner and a fiber-reinforced resin layer, wherein the reinforcing fibers are carbon fibers, and the winding angle of the fibers in the fiber-reinforced resin layer relative to the axis of the liner is:
Hoop layer of 85 degrees or more,
A high-angle helical layer having an angle of 75 degrees or more and less than 85 degrees;
a low-angle helical layer of less than 30 degrees;
and
A fiber-reinforced pressure vessel characterized in that the thickness ratio of the hoop layer in the fiber-reinforced resin layer is 15 to 70%, the thickness ratio of the low-angle helical layer is 20 to 70%, and the thickness ratio of the high-angle helical layer is in the range of 0.5 to 10%.
繊維強化樹脂層において、ライナの軸に対する繊維の巻き角度が、
60度以上75度未満の高角度ヘリカル層、
または30度以上60度未満の中角度ヘリカル層、
の各層をさらに有する請求項1記載の繊維補強圧力容器。
In the fiber reinforced resin layer, the winding angle of the fiber relative to the axis of the liner is:
A high-angle helical layer of 60 degrees or more and less than 75 degrees;
Or a medium-angle helical layer of 30 degrees or more and less than 60 degrees,
2. The fiber-reinforced pressure vessel of claim 1, further comprising layers of:
繊維強化樹脂層におけるフープ層と高々角度ヘリカル層の厚さ合計の割合が16~48%の範囲にある請求項1記載の繊維補強圧力容器。 A fiber-reinforced pressure vessel according to claim 1, wherein the ratio of the total thickness of the hoop layer and the high-angle helical layer in the fiber-reinforced resin layer is in the range of 16 to 48%. さらに60度以上75度未満の高角度ヘリカル層を有し、その高角度ヘリカル層の厚さ割合が1~20%の範囲にある請求項1記載の繊維補強圧力容器。 The fiber-reinforced pressure vessel of claim 1 further comprises a high-angle helical layer of 60 degrees or more but less than 75 degrees, the thickness ratio of which is in the range of 1 to 20%. さらに30度以上60度未満の中角度ヘリカル層を有し、その中角度ヘリカル層の厚さ割合が1~20%の範囲にある請求項1記載の繊維補強圧力容器。 The fiber-reinforced pressure vessel of claim 1 further comprises a medium-angle helical layer of 30 degrees or more but less than 60 degrees, the thickness ratio of which is in the range of 1 to 20%. フープ層がヘリカル層を挟んで配置されている請求項1記載の繊維補強圧力容器。 A fiber-reinforced pressure vessel according to claim 1, in which the hoop layers are arranged with the helical layers sandwiched between them. フープ層が最内層と最外層に配置されている請求項1記載の繊維補強圧力容器。 A fiber-reinforced pressure vessel according to claim 1, in which hoop layers are arranged in the innermost and outermost layers. ライナが合成樹脂製またはアルミニウム合金製である請求項1記載の繊維補強圧力容器。 The fiber-reinforced pressure vessel of claim 1, wherein the liner is made of synthetic resin or aluminum alloy. 繊維強化樹脂層に用いられる樹脂が熱硬化性樹脂である請求項1記載の繊維補強圧力容器。 The fiber-reinforced pressure vessel according to claim 1, wherein the resin used in the fiber-reinforced resin layer is a thermosetting resin. 気密性を有するライナ表面に樹脂を含侵させた炭素繊維束を捲回するに際し、ライナの軸に対する繊維の巻き角度として、85度以上のフープ層、75度以上85度未満の高々角度ヘリカル層、30度未満の低角度ヘリカル層、の各層を少なくとも形成し、フープ層の厚さの割合を15~70%、低角度ヘリカル層の厚さの割合を20~70%、高々角度ヘリカル層の厚さの割合を0.5~10%の範囲にすることを特徴とする繊維補強圧力容器の製造方法。 A method for manufacturing a fiber-reinforced pressure vessel, characterized in that when winding resin-impregnated carbon fiber bundles around the surface of an airtight liner, at least three layers are formed: a hoop layer with a fiber winding angle of 85 degrees or more relative to the liner axis, a high-angle helical layer with a winding angle of 75 degrees or more but less than 85 degrees, and a low-angle helical layer with a winding angle of less than 30 degrees; the thickness of the hoop layer is 15-70%, the thickness of the low-angle helical layer is 20-70%, and the thickness of the high-angle helical layer is 0.5-10%.
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