JP2017089849A - 圧力容器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程の時間を短縮し、低コスト化を図ることができる圧力容器の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る圧力容器１の製造方法は、半球状の窪み１２を有し、窪み１２の底に口金１４が取り付けられた円筒状の上端部１０と、軸方向に貫通する中空部２６を有する円筒状の側面部２０と、半球状の窪み３２を有する円筒状の底端部３０と、を準備する工程と、上端部１０の下面１６と側面部２０の一端面２２ａとを溶着し、側面部２０の他端面２２ｂと底端部３０の上面３４とを溶着して一体化する工程と、側面部２０の軸方向長さより長い幅を有し、予め繊維が一方向に配向された補強用繊維シート２１を、少なくとも側面部２０の外周に巻き付ける工程と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧力容器の製造方法に関する。

近年、燃料ガスの電気化学反応によって生成される電気エネルギーによって駆動する車両の開発が行われている。

この車両には、天然ガス、液化ガス等を収納する圧力容器が搭載される。この車両に搭載される圧力容器にあっては、軽量化を図りつつ、より高い充填圧力で燃料ガスを圧力容器に充填するために、強度を向上させることが求められている。このような圧力容器として、合成樹脂製のライナー（内容器）の外表面を、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸したカーボン繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチック（以下、これらを総称して、繊維強化樹脂層とも呼ぶ）で覆った圧力容器が一般的に使用される。

上記圧力容器を製造する方法として、合成樹脂製のライナー（内容器）の外表面に、フィラメントワインディング法を用いて繊維強化樹脂層を巻き付けた後、熱硬化させて圧力容器を製造する技術が知られている（例えば下記特許文献１参照）。

特開２０１２−１５９１５８号公報

ところが、上記のように、フィラメントワインディング法を用いて圧力容器を作製する場合、強度を補強するために繊維を何層も繰り返して巻重ねる必要があるため、完成品を得るために巻き付け工程に時間がかかる問題があった。その結果、圧力容器の高コスト化を招いていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造工程の時間を短縮し、低コスト化を図ることができる圧力容器の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る圧力容器の製造方法は、半球状の窪みを有し、該窪みの底に口金が取り付けられた円筒状の上端部と、軸方向に貫通する中空部を有する円筒状の側面部と、半球状の窪みを有する円筒状の底端部と、を準備する工程と、前記上端部における前記側面部側の端面と前記側面部における前記上端部側の端面とを溶着し、前記側面部における前記底端部側の端面と前記底端部における前記側面部側の端面とを溶着して一体化する工程と、前記側面部の軸方向長さより長い幅を有し、予め繊維が一方向に配向された繊維シートを、少なくとも前記側面部の外周に巻き付ける工程と、を有することを特徴とする。

かかる方法によれば、従来採用されていたフィラメントワインディング法による繊維の巻き付け工程をなくすことができるため、圧力容器の製造時間を短縮することができる。詳細には、従来のフィラメントワインディング法では、圧力容器の端部に求められる耐圧強度を確保するために、ヘリカル巻きにより繊維を何層も繰り返して巻重ねる必要があったので、圧力容器を製造する際に長時間を要していた。これに対し、本発明では、半球状の窪みを有する円筒状の上端部及び底端部を用いて圧力容器の端部側で十分な肉厚を確保しているため、圧力容器の端部側において繊維を何層も繰り返して巻重ねる工程を不要としながら、圧力容器の端部側に十分な耐圧強度をもたせている。これにより、従来と比較して圧力容器の製造工程の時間を短縮することができる。また、従来のフィラメントワインディング法では、圧力容器の側面部補強のために、繊維を何層も繰り返して巻重ねるフープ巻きを行う必要があったが、本発明では、圧力容器の側面部の軸方向長さより長い幅を有し、予め繊維が一方向に配向された繊維シートを巻き付けて圧力容器の側面部を補強できるため、上述したフープ巻きを行う必要がない。このため、圧力容器の側面部においても繊維を何層も繰り返して巻重ねることが不要となり、圧力容器の製造工程の時間をより一層短縮することができる。その結果、圧力容器の低コスト化を図ることができる。

本発明によれば、製造工程の時間を短縮し、低コスト化を図ることができる圧力容器の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態の製造方法によって作成される圧力容器の概略構成を示す断面図である。 圧力容器の製造工程の一例を示すフローチャートである。 圧力容器の製造工程を説明する説明図である。 補強層繊維シートの巻き付けを説明するための図である。 変形例における補強用繊維シートを説明するための図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず、本発明の実施形態の製造方法によって作成される圧力容器の構成について説明する。図１は、圧力容器の概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、圧力容器１は、上端部１０と、側面部２０（胴体部）と、底端部３０とを少なくとも備える。

上端部１０は、圧力容器１の上方側（図１では左側端部）を構成する部材である。上端部１０は、その外形が略円筒状の部材であって、該円筒の下面１６（図１では右側の面）に半球状の窪み１２が形成されている。この窪み１２の底には口金１４が取り付けられている。上端部１０の下面１６は、以下で説明する側面部２０の一端面２２ａと接着される。なお、この下面１６が、本発明における「上端部における側面部側の端面」に相当する。

側面部２０は、圧力容器１の中央側を構成する部材である。側面部２０は、その外形が略円筒状であって、軸方向に貫通する中空部２６を有する。側面部２０の一端面２２ａ（図１では左側）は、上端部１０の下面１６と接着され、側面部２０の他端面２２ｂ（図１では右側）は、底端部３０の上面３４と接着されている。なお、一端面２２ａが、本発明における「側面部における上端部側の端面」に相当し、また、他端面２２ｂが、本発明における「側面部における底端部側の端面」に相当する。

また側面部２０には、側面部２０の軸方向長さより長い幅を有し、予め繊維方向を揃えて織られることにより繊維が一方向に配向された補強用繊維シート２１が巻き付けられている。この補強用繊維シート２１の巻き付けの詳細については後述する。

底端部３０は、圧力容器１の下方側を構成する部材である。底端部３０は、その外形が略円筒状の部材であって、該円筒の上面３４（図１では左側の面）に半球状の窪み３２が形成されている。なお、この上面３４が、本発明における「底端部における側面部側の端面」に相当する。

なお、上端部１０、側面部２０、底端部３０の部材の肉厚は適宜設定されるものであるが、必要な耐圧を確保可能なように、予め肉厚が設定されていることが好ましい。また、上端部１０の下面１６と側面部２０の一端面２２ａとが接着される接着面積、及び、側面部２０の他端面２２ｂと底端部３０の上面３４とが接着される接着面積は、必要な耐圧を確保できる接合強度とシール性能を得られるように、予めその大きさが設定されていることが好ましい。

続いて、上述した構成を備える圧力容器の製造工程について説明する。図２は、圧力容器の製造工程の一例を示すフローチャートである。図３は、圧力容器の製造工程を説明する説明図である。

（ステップＳ１１０）
まず、口金本体１４１に、シール性能を確保するためのシールリング１４２を取り付けて、口金１４を作成する（図２のステップＳ１１０及び図３（Ａ））。なお、図３（Ａ）に示すシールリング１４２の部材に限定されるわけではなく、シール材塗布等のシール構造を採ることも可能である。

（ステップＳ１２０）
次いで、上端部本体１０１に、ステップＳ１１０において作成した口金１４を組み付ける（図２のステップＳ１２０及び図３（Ｂ））。

（ステップＳ１３０）
次いで、上端部本体１０１に組み付けられた口金１４にワッシャ１５を組み付け、口金１４と上端部本体１０１とを固定して、上端部１０を作成する（図２のステップＳ１３０及び図３（Ｃ））。なお、図３（Ｃ）に示すワッシャ１５による固定以外に、例えばカシメ又は溶接等その他の固定方法を採ることも可能である。

（ステップＳ１４０）
次いで、上端部１０と側面部２０とを接合し、側面部２０と底端部３０とを接合する（図２のステップＳ１４０及び図３（Ｄ））。詳細には、上端部１０の下面１６と側面部２０の一端面２２ａを、例えばヒーターやレーザー等で加熱して溶融させた後に組み付ける。同様に、側面部２０の他端面２２ｂと底端部３０の上面３４を、例えばヒーターやレーザー等で加熱して溶融させた後に組み付ける。なお、必要な耐圧強度によっては、各部品（上端部１０、側面部２０、底端部３０）それぞれの位置決めをした後に、例えばヒーターやレーザー等で当該各部品の外周部を溶融して接合するという方法を採ることも可能である。また、必要な耐圧強度により、溶融して接合する部分の面積（本実施形態では、下面１６及び一端面２２ａの面積、他端面２２ｂと上面３４の面積）や、各部品の材料や肉厚を変えることができる。このように、上端部１０、側面部２０及び底端部３０の肉厚、上端部１０と側面部２０との接合面の面積、並びに、側面部２０と底端部３０との接合面の面積の大きさを変えることで、必要な耐圧強度を確保することができる。

（ステップＳ１５０）
次いで、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸したカーボン繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチックの繊維方向を揃えた補強用繊維シート２１を、側面部２０の外周に巻き付ける（図２のステップＳ１５０及び図３（Ｅ））。この補強用繊維シート２１の巻き付け工程においては、図４に示すように、側面部２０の軸方向に対して直角方向（図４に示す繊維方向）に繊維が配向された補強用繊維シート２１を用いる。この補強用繊維シート２１の幅Ｄは、側面部２０の軸方向の幅ｄ（図３（Ｅ））より大きい寸法に設定されている。このように、本実施形態においては、側面部２０の軸方向長さより長い幅を有し、予め繊維が一方向に配向された補強用繊維シート２１を少なくとも側面部２０の外周に巻きつける。なお、補強用繊維シート２１の材料、補強用繊維シート２１を巻きつける層数、巻き付けるときの張力は適宜設定されるものであるが、必要な耐圧強度に応じて、その材料、層数、張力等を適宜変えることが好ましい。

なお、ステップＳ１５０において、側面部２０の軸方向に対して直角方向に繊維が配向された補強用繊維シートと、側面部２０の軸方向に対して平行方向に繊維が配向された補強用繊維シートとを積層した積層シート２１ａ（図５参照）を、上端部１０、側面部２０及び底端部３０の全体の幅に巻き付けることも可能である。これにより、上端部１０と側面部２０の接合強度及び側面部２０と底端部３０の接合強度を補強することができる。その結果、上端部１０と側面部２０との接合面の接合面積や、上端部１０、側面部２０、及び底端部３０の肉厚を下げることができ、上端部１０、側面部２０、及び底端部３０の小型化、軽量化を図ることができる。

（ステップＳ１６０）
次いで、エポキシ樹脂を含浸させた補強用繊維シート２１が巻き付けられたタンク本体を加熱することにより、タンク本体と補強用繊維シート２１とを接着する（ステップＳ１６０及び図３（Ｅ））。以上の工程を経て、圧力容器１が作成される。

上記工程で製造することにより、従来のような、繊維をタンクに何周も巻き付ける工程を廃止することができ、製造工程時間を大幅に短縮することができる。

以上説明した本実施形態に係る圧力容器１の製造方法によれば、半球状の窪み１２を有し、窪み１２の底に口金１４が取り付けられた円筒状の上端部１０と、軸方向に貫通する中空部２６を有する円筒状の側面部２０と、半球状の窪み３２を有する円筒状の底端部３０と、を準備する工程と、上端部１０の下面１６と側面部２０の一端面２２ａとを溶着し、側面部２０の他端面２２ｂと底端部３０の上面３４とを溶着して一体化する工程と、側面部２０の軸方向長さより長い幅を有し、予め繊維が一方向に配向された補強用繊維シート２１を、少なくとも側面部２０の外周に巻き付ける工程と、を有する。なお、圧力容器１を構成する部材（上端部１０、側面部２０及び底端部３０）の外径形状及び内径形状は円筒状の形状の他に、多角形の形状とする事も出来る。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１：圧力容器
１０：上端部
１４：口金
１５：ワッシャ
２０：側面部
２１：補強用繊維シート（繊維シート）
２２ａ：一端面
２２ｂ：他端面
２６：中空部
３０：底端部

Claims (1)

1. 圧力容器の製造方法であって、
   半球状の窪みを有し、該窪みの底に口金が取り付けられた円筒状の上端部と、
   軸方向に貫通する中空部を有する円筒状の側面部と、
   半球状の窪みを有する円筒状の底端部と、を準備する工程と、
   前記上端部における前記側面部側の端面と前記側面部における前記上端部側の端面とを溶着し、前記側面部における前記底端部側の端面と前記底端部における前記側面部側の端面とを溶着して一体化する工程と、
   前記側面部の軸方向長さより長い幅を有し、予め繊維が一方向に配向された繊維シートを、少なくとも前記側面部の外周に巻き付ける工程と、を有することを特徴とする圧力容器の製造方法。

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