特許 6703715 複合容器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6703715

(24)【登録日】2020年5月13日

(45)【発行日】2020年6月3日

(54)【発明の名称】複合容器

(51)【国際特許分類】

   F17C 1/06 20060101AFI20200525BHJP

【ＦＩ】

   F17C1/06

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-547641(P2017-547641)

(86)(22)【出願日】2016年6月17日

(86)【国際出願番号】JP2016068088

(87)【国際公開番号】WO2017073108

(87)【国際公開日】20170504

【審査請求日】2019年5月16日

(31)【優先権主張番号】特願2015-209593(P2015-209593)

(32)【優先日】2015年10月26日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】593166462

【氏名又は名称】サムテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114030

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿島 義雄

(72)【発明者】

【氏名】西脇 秀晃

(72)【発明者】

【氏名】東條 千太

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 純三

(72)【発明者】

【氏名】眞田 誠

【審査官】 佐藤 正宗

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−１０１３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４４−１７５９（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１１８８５７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１７Ｃ １／０６

Ｂ２９Ｃ ７０／１６

Ｆ１６Ｊ １２／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

筒状の胴部を挟んで左右両端に椀状のドーム部を有するライナの外周面に、ＦＲＰを巻き付けた複数のＦＲＰ層を積層した構造の複合容器であって、
前記ＦＲＰ層には、前記胴部全体に前記ＦＲＰがフープ巻で巻き付けられるフープ層と、前記ドーム部および少なくとも前記ドーム部近傍の胴部に前記ＦＲＰが巻き付けられるドーム部補強層とが含まれ、
前記ドーム部補強層は、前記ドーム部で前記ＦＲＰが螺旋状に巻き付けられるとともに、前記ライナの軸線方向に対する前記ＦＲＰの配向角が前記胴部上において前記胴部中央に向かって進むにつれて連続的に変化するように巻き付けられることを特徴とする複合容器。

【請求項2】

前記ドーム部補強層は、前記ＦＲＰが前記左右のドーム部および前記胴部全体にわたって連続して巻き付けられ、前記ライナの軸線方向に対する前記胴部上での配向角が、前記胴部中央に向かって進むにつれて連続的に小さくなる請求項１に記載の複合容器。

【請求項3】

前記ドーム部補強層は、前記ＦＲＰが前記胴部中央には巻き付けられずに前記胴部上で左右に分離するように巻き付けられ、前記ＦＲＰが巻き付けられた胴部上の領域での前記ライナの軸線方向に対する配向角が前記胴部中央に向かって進むにつれて連続的に大きくなり、最も中央寄りの位置で配向角が最大になる請求項１に記載の複合容器。

【請求項4】

前記ＦＲＰはトウプリプレグである請求項１〜請求項３のいずれかに記載の複合容器。

【請求項5】

前記ＦＲＰ層には前記フープ巻層と前記ドーム部補強層とともに、少なくとも１層のヘリカル巻層が含まれる請求項１〜請求項４のいずれかに記載の複合容器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属製またはプラスチック製の筒状ライナに、樹脂含浸繊維（ＦＲＰとも称する）を巻き付けた繊維強化プラスチック層（ＦＲＰ層とも称する）を形成して強度補強した複合容器に関する。

【背景技術】

【0002】

ライナの外周面をＦＲＰ層で補強した複合容器は種々の分野で使用されている。例えば燃料電池車では、水素ガスを充填する車載用の細長い筒状の高圧タンクとして、絶縁塗装がなされたアルミ合金製の軽量な金属ライナの外周面にＦＲＰ層を形成した複合容器が使用されている。

【0003】

複合容器では、金属ライナ等にＦＲＰを巻き付ける際に、フィラメントワインディング法が用いられる。後記特許文献１では、ＦＲＰに炭素繊維やガラス繊維にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させたものを使用し、フィラメントワインディング法により金属ライナの長尺方向のライナ軸に沿ってフープ巻のＦＲＰ層（フープ層という）とヘリカル巻のＦＲＰ層（ヘリカル層という）を積層するように巻き付けることで補強した複合容器が開示されている。

【0004】

ここで、フープ巻とは、ライナの胴部にＦＲＰを周方向に巻回する巻付方法をいい、具体的にはライナの（胴部の）軸線方向に対する巻き付け角（以下、配向角と称する）が８６−９０度で巻回する巻付方法をいう。フープ巻は、隣接するＦＲＰが互いに接してＦＲＰ間に隙間なく巻き付けられる。また、ヘリカル巻とは、ライナの一方のドーム部（鏡部ともいう）から胴部を経て他方のドーム部まで螺旋状に配向角が８５度以下の一定角度で巻回する巻付方法をいう。ヘリカル巻では隣接するＦＲＰ間に隙間が形成されている。

【0005】

図８は従来の複合容器の断面構造の一例を示す図である。車載用のような細長い複合容器では、ライナ１の外表面に、少なくとも一層のフープ層２と、少なくとも１層のヘリカル層３とを積層することにより、圧力容器としての強度を補強するようにしている。図８の例では、補強強度を高めるためにフープ層２とヘリカル層３とを交互に３層ずつ積層してある。
これらのうち、フープ層２は専ら胴部４の強度補強を目的として巻き付けられ、ヘリカル層３は左右のドーム部５，６の周囲の補強およびライナ１の軸方向強度の補強を主目的として巻き付けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−２３６５８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

図９は、図８のヘリカル層３の巻付方法を示す正面図である。ヘリカル層３は、一端側のドーム部５に形成された口金７の近傍を（一周目の）始点としてＦＲＰが巻き始められ、胴部４では螺旋状に巻き付けられる。続いて他端側のドーム部６に形成された口金８の周りを周回して再び胴部４に螺旋状に巻き付けられ、ドーム部５の口金７まで戻って周回し、（一周目の）始点から口金７周囲で少し移動した位置（二周目の始点となる位置）まで巻き付けられる。続いて、この二周目の始点からＦＲＰが巻き始められ、再び胴部４に螺旋状に巻き付けられる。このとき、一周目のＦＲＰからは少し離れて並行するように二周目のＦＲＰが巻き付けられ、口金８の周りを周回して再び胴部４に螺旋状に巻き付けられ、ドーム部５の口金７まで戻って周回し、（二周目の）始点から少し移動した位置（三周目の始点となる位置）まで巻き付けられる。その後、ＦＲＰは口金７の周りで始点の位置を少しずつ移動しながら複数回同様に巻き付けられて、少なくとも、再び始点が最初の始点に戻るまで同様のヘリカル巻が繰り返されるようにしてライナ１の全面を完全に覆うように巻き付けられる。

【0008】

このようにして巻き付けられたヘリカル層３は、胴部４を覆うＦＲＰがほぼ一定の配向角で網目状の模様をなすように巻かれている。

【0009】

ところで、ヘリカル層３は、ドーム部５と口金７の周囲の補強およびライナ１の軸方向強度の補強が主目的であるが、細長い胴部４についてはＦＲＰが（斜めに）螺旋状に巻き付けられることから、胴部４に対しても補助的に補強していることになる。

【0010】

しかしながら、胴部４については、図８に示すようにフープ層２によって十分に補強されているので、フープ層２とヘリカル層３とにより重複して補強していることになる。その結果、胴部４の補強という点では望ましい面もあるが、胴部４の補強についてはフープ層２で補強する方がより効率的である。むしろヘリカル層３によって胴部４に巻き付けられるＦＲＰの重量が増すことにより、容器重量が増えるとともに外径が太くなるという弊害が生じていた。

【0011】

特に、複合容器では安全性および耐圧性の観点から、フープ層２とヘリカル層３とを、交互に多重層をなすように積層することが一般的に行われているが、その場合、ヘリカル層３の層数が増えるほど胴部４の重量増加が顕著になっており、特に胴部４が細長い形状ほどその傾向が顕著になっていた。

【0012】

本発明は、上記課題を解決し、ヘリカル層は必要最小限（あるいは不要）とし、ドーム部の補強は従来と同様に行いつつ、胴部でのＦＲＰの使用量を抑えるようにした複合容器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するためになされた本発明の複合容器は、筒状の胴部を挟んで左右両端に椀状のドーム部を有するライナの外周面に、ＦＲＰを巻き付けた複数のＦＲＰ層を積層した構造の複合容器であって、前記ＦＲＰ層には、前記胴部全体に前記ＦＲＰがフープ巻で巻き付けられるフープ層と、前記ドーム部および少なくとも前記ドーム部近傍の胴部に前記ＦＲＰが巻き付けられるドーム部補強層とが含まれ、前記ドーム部補強層は、前記ドーム部で前記ＦＲＰが螺旋状に巻き付けられるとともに、前記ライナの軸線方向に対する前記ＦＲＰの配向角が前記胴部上において前記胴部中央に向かって進むにつれて連続的に変化するように巻き付けられている。

【0014】

本発明によれば、ライナ外周面に積層する複数層のＦＲＰ層のうち、ヘリカル層の層数を減らして、ドーム部補強層に置き換える。ドーム部補強層では胴部における配向角を連続的に変化させるように巻き付けることにより、胴部中央付近に巻き付けられるＦＲＰの重量が低減する。
具体的には、ＦＲＰを左右のドーム部から胴部全体にわたって連続して巻き付けるとともに、ライナの軸線方向に対する胴部上でのＦＲＰの配向角が、胴部中央に向かって進むにつれて連続的に小さくなるようにして、胴部中央で配向角が最も小さくなるようにする（請求項２）。
あるいは、ＦＲＰを胴部中央には巻き付けずに胴部上で左右に分離するように巻き付け、ＦＲＰを巻き付けた胴部上の領域でのライナの軸線方向に対するＦＲＰの配向角が胴部中央に向かって進むにつれて連続的に大きくなり、最も中央寄りの位置で配向角が最大になるようにして、この位置で巻き付ける方向を反転させるようにする（請求項３）。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、ヘリカル巻で巻き付けたＦＲＰ層に比して、胴部中央付近のＦＲＰの巻き付け量を実質的に減らすことができるので、ＦＲＰ層の重量を低減させつつドーム部を補強することができる。なお、胴部の補強はフープ巻のＦＲＰ層で別途補強されるので、ヘリカル層をドーム部補強層に置き換えても胴部の強度についての支障は生じない。

【0016】

上記発明においてＦＲＰには、巻き付ける前に、予め繊維（炭素繊維等）に樹脂（エポキシ樹脂等）を含浸させてあるトウプリプレグを使用するのが好ましい。トウプリプレグは粘着性を有するので、配向角を変化させながら巻き付ける場合でも、緩むことなくしっかりと巻き付けることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施例である複合容器の断面構造を示す図。

【図2】図１におけるドーム部補強層９ａのＦＲＰ巻付方法の一例を示す図。

【図3】図２同様のドーム部補強層９ａのＦＲＰ巻付方法の他の一例を示す図。

【図4】図１におけるドーム部補強層９ｂのＦＲＰ巻付方法の一例を示す図。

【図5】ドーム部補強層９ａの厚さ分布の一例を示す図。

【図6】ドーム部補強層９ｂの巻付範囲の一例を示す図。

【図7】ドーム部補強層を有する複合容器の多層構造の一例を示す図。

【図8】従来の複合容器の断面構造を示す図。

【図9】図８におけるヘリカル層の巻付方法を示す正面図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下において本発明に係る複合容器の構成について図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例である複合容器の断面構造を示す図である。なお、以下の説明において、図８で示した従来例の複合容器と同じ構成部分については、同符号を付すことにより説明の一部を省略する。

【0019】

この複合容器Ａは、絶縁塗装がなされたアルミ合金製のライナ１の外表面に、炭素繊維にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させたＦＲＰを巻き付けて多層のＦＲＰ層を積層してある。なお、ＦＲＰには、巻き付ける前に、予め、熱硬化樹脂を含浸させたトウプリプレグが用いられる。ＦＲＰ層は、内側からフープ層２、ヘリカル層３、フープ層２を積層し、その外側にドーム部補強層９ａ、フープ層２、ドーム部補強層９ｂをさらに積層してある。すなわち、ヘリカル層３あるいはドーム部補強層９ａ，９ｂと、フープ層２とが、交互に積層するようにしてある。

【0020】

ドーム部補強層９ａ，９ｂは、従来のヘリカル層３に代えてドーム部５，６を補強するための層であり、本実施例では二つのドーム部補強層９ａ，９ｂに対して異なる種類の巻付方法を採用している。まず、第一のドーム部補強層９ａの構造について説明する。
図２はドーム部補強層９ａのＦＲＰの巻付方法の一例を示す図である。ドーム部補強層９ａは、一端側のドーム部５に形成された口金７近傍を（一周目の）始点として、ＦＲＰがドーム部５上に螺旋状に巻き付けられ、筒状の胴部４に至る。そして胴部４上では、ライナ１の軸線方向Ｌ（ライナ１の両端中心を結んだ測地線と同じ方向）に対して、ＦＲＰが巻き付けられる配向角が、胴部中央Ｃに向かって進むにつれて連続的に小さく変化するように巻き付けられる。すなわち胴部中央Ｃでの配向角αと、胴部左端部Ｄでの配向角βとが、
α＜β
の関係になるように巻き付けられている。

【0021】

そして、胴部中央Ｃから他端の胴部右端部Ｅに向かうにつれ、再び配向角が増加して胴部右端部Ｅで配向角βとなり、続いてドーム部６に螺旋状に巻き付けられ、口金８部分を周回して再び胴部４に至る。胴部４上では、先ほどと同様に、ライナ１の軸線方向Ｌに対して、ＦＲＰが巻き付けられる配向角が、胴部中央Ｃに向かって進むにつれて連続的に小さく変化するように巻き付けられ、胴部中央Ｃでの配向角αと、胴部右端部Ｅでの配向角βとが、
α＜β
の関係になるように巻き付けられている。

【0022】

そして、胴部中央Ｃから胴部左端部Ｄに向かうにつれ、再び配向角が増加して胴部左端部Ｄで配向角βとなり、続いてドーム部５で螺旋状に巻き付けられ、口金７部分を周回し、（一周目の）始点から口金７周囲の少し移動した位置（二周目の始点となる位置）まで巻き付けられる。続いて、この位置を二周目の始点として、ＦＲＰがドーム部５上に螺旋状に巻き付けられ、筒状の胴部４に至る。このとき、一周目のＦＲＰからは少し離れて並行するように二周目のＦＲＰが巻き付けられる。以下同様に口金７と口金８の間を往復するように巻き付けられ、再び始点が最初の始点に戻るまで同様の巻付方法が繰り返され、ライナ１の全周を完全に覆うまで巻き付けられる。

【0023】

このような巻付方法を採用することにより、従来のヘリカル層３に比べて胴部中央Ｃ付近でのＦＲＰの平均厚さが小さくなり、ＦＲＰの重量を大きく低減することができる。

【0024】

なお、図３は胴部中央ＣでのＦＲＰの配向角αを０度にしたときのドーム部補強層９ａの正面図である。胴部中央Ｃでの配向角を０度とすることにより、図２に示した巻付方法における胴部中央ＣでのＦＲＰの重量を最も低減することができる。

【0025】

次に、第二のドーム部補強層９ｂの構造について説明する。図４は、ドーム部補強層９ｂのＦＲＰの巻付方法の一例を示す図である。ドーム部補強層９ｂは、ドーム部補強層９ａとは異なり、図４に示す通りＦＲＰが胴部中央Ｃ付近には巻き付けられずに、胴部４上のドーム部５，６に近い領域へ左右に分離するように巻き付けられる。

【0026】

すなわち、ドーム部補強層９ｂは、一端側のドーム部５に形成された口金７近傍を（一周目の）始点として、ＦＲＰがドーム部５上に螺旋状に巻き付けられ、筒状の胴部４に至る。そして、胴部４上ではライナ１の軸線方向Ｌに対して、ＦＲＰが巻き付けられる配向角が、胴部左端部Ｄから胴部中央Ｃ側に向かって進むにつれて連続的に大きく変化するように巻き付けられ、最も中央寄りの反転位置Ｆでの配向角γが最大（約９０度）になり、ここで巻き付け方向が反転し、再び配向角が小さく変化するように巻き付けられる。したがって胴部左端部Ｄの配向角βと反転位置Ｆでの配向角γとは、
β＜γ
の関係になるように巻き付けられる。

【0027】

続いて、胴部左端部Ｄから再びドーム部５に螺旋状に巻き付けられ、口金７部分を周回し、（一周目の）始点から口金７周囲の少し移動した位置（二周目の始点となる位置）まで巻き付けられる。続いてこの位置を二周目の始点としてドーム部５上を螺旋状にＦＲＰが巻き付けられ、筒状の胴部４に至る。このとき一周目のＦＲＰからは少し離れて並行するように二周目のＦＲＰが巻き付けられる。以下同様に口金７と反転位置Ｆの間を往復するように巻き付けられ、再び始点が最初の始点に戻るまで同様の巻付方法が繰り返されてライナ１のドーム部５から反転位置Ｆまでの全周を完全に覆うまで巻き付けられる。

【0028】

その後、ドーム部６側についても同様に巻き付けられ、ドーム部６から反転位置Ｇまでの全周を完全に覆うまで巻き付けられるようにしてある。

【0029】

このような巻付方法を採用することにより、反転位置Ｆ付近の平均厚さは増大する（局所的に巻き付け重量が増大する）が、胴部全体としては、ヘリカル層３に比べて胴部中央Ｃ付近でのＦＲＰの重量をさらに大きく低減することができるようになる。

【0030】

（変形例）
上記実施例では、ドーム部補強層９ａとドーム部補強層９ｂとを混合した巻付方法にしたが、２層とも上述したドーム部補強層９ａ、あるいはドーム部補強層９ｂとしてもよい。
また、上記実施例ではドーム部補強層を２層形成したが、１層だけ形成した場合でも同様の効果を奏することができる。また、逆に、ドーム部補強層９ａやドーム部補強層９ｂの層数を増やしてもよい。いずれの場合も、同数のヘリカル層３を巻き付ける場合に比して、重量を低減させつつ、同等の補強効果を得ることができる。
また、上記実施例では両端に口金７，８を有しているが、片側だけに口金を設けた場合でも、ダミーの口金を設けて同様の巻付方法を実施することができる。
さらに、上記実施例ではヘリカル層３を一層残したが、ヘリカル層３を設けず、３層ともをいずれかのドーム部補強層にしてもよい。
また、上記実施例ではフープ層２をドーム部補強層９ａ、ドーム部補強層９ｂ、ヘリカル層３の間に交互に積層するようにしたが、一部を省略してもよい。例えばドーム部補強層９ａとドーム部補強層９ｂとは巻き方が異なるので、これらの間のフープ層２を省略するようにしてもよい。

【0031】

（実施例）
本発明のドーム部補強層９ａ，９ｂを採用した複合容器による重量低減の効果について確認するために、上述した二種類のドーム部補強層９ａ，９ｂの両方を有する多層構造の複合容器を形成した。
このうち、ドーム部補強層９ａについては、巻き付けるＦＲＰの配向角によってＦＲＰ層の平均的な厚み、すなわちＦＲＰ層の重量が変化する。ここでは図５に示すように、胴部右端部Ｅあるいは胴部左端部Ｄ（鏡部との境界）での平均厚さをｈとしたときに、胴部中央Ｃでの平均厚さが（３／８）ｈとなるように配向角を調整した。このときの配向角は緩みにくい安定した巻き付け状態となるものである。
なお、後述するハイアングルヘリカル層３ａは、このときの胴部右端部Ｅ（胴部左端部Ｄ）の配向角のまま胴部４全体をヘリカル層３としたものであり、具体的には胴部右端部Ｅ（胴部左端部Ｄ）での配向角を７０度としている。

【0032】

また、ドーム部補強層９ｂについては、胴部４においてＦＲＰの配向角が最も大きくなる位置、すなわちＦＲＰの最も中央寄りの反転位置Ｆによって、巻き付けるＦＲＰの重量が変化する。ここでは図６に示すように、胴部右端部Ｅと胴部左端部Ｄとの範囲Ｌに対し、左右それぞれの（１／１０）Ｌとなる位置で巻き付け方向が反転するようにドーム部補強層９ｂを形成した。なお、胴部右端部Ｅと胴部左端部Ｄでの配向角は７０度としている。また、範囲Ｌは具体的には５ｍにしてある。

【0033】

図７は、図５のドーム部補強層９ａおよび図６のドーム部補強層９ｂによる重量低減の効果を確認するために形成した複合容器のＦＲＰ層の多層構造を示す図である。
この複合容器のＦＲＰ層は、（比較例である）従来からの複合容器で採用されているヘリカル層３（ハイアングルヘリカル層３ａを含む）およびフープ層２からなる多層構造のＦＲＰ層の一部のヘリカル層３（あるいはハイアングルヘリカル層３ａ）を、ドーム部補強層９ａ，９ｂに置換したものである。ここで、ハイアングルヘリカル層３ａは、上述したように胴部左右端部Ｄ，Ｅの配向角が７０度であり、ハイアングルヘリカル層３ａ以外のヘリカル層３は配向角を２０度としてある。
具体的には、ライナ１に内側から、ヘリカル層３、フープ層２、ヘリカル層３、フープ層２、ドーム部補強層９ａ、フープ層２、ドーム部補強層９ａ、フープ層２、ヘリカル層３、フープ層２、ドーム部補強層９ａ、フープ層２、ドーム部補強層９ａ、ドーム部補強層９ｂをこの順で積層した。
なお、比較対象となる従来の複合容器は、ライナ１に内側から、ヘリカル層３、フープ層２、ヘリカル層３、フープ層２、ハイアングルヘリカル層３ａ、フープ層２、ハイアングルヘリカル層３ａ、フープ層２、ヘリカル層３、フープ層２、ハイアングルヘリカル層３ａ、フープ層２、ハイアングルヘリカル層３ａ、ヘリカル層３をこの順で積層したものである。

【0034】

その結果、比較対象となる従来の複合容器の重量が４４５Ｋｇであったものが、上記のように４層のハイアングルヘリカル層３ａをドーム部補強層９ａとし、１つのヘリカル層３をドーム部補強層９ｂとしたことにより、３９７Ｋｇまで重量を低減することができ、重量が１０．８％低減できた。
そして、複数のフープ層２によって、これまでと同様に胴部４を十分に補強できるので、ドーム部補強層９ａ，９ｂに置換したことによる影響はほとんど生じない。

【0035】

以上、本発明について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正および変形実施できることはいうまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0036】

本発明はＦＲＰ層で補強した複合容器の製造に利用される。

【符号の説明】

【0037】

Ａ 複合容器
Ｃ 胴部中央
Ｄ 胴部左端部
Ｅ 胴部右端部
Ｆ 反転位置
Ｇ 反転位置
１ ライナ
２ フープ層
３ ヘリカル層
４ 胴部
５ ドーム部（左側）
６ ドーム部（右側）
７ 口金
８ 口金
９ａ ドーム部補強層
９ｂ ドーム部補強層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】