JP2005113963A - Pressure vessel manufacturing method - Google Patents
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Abstract
【課題】 製造コストを抑制しながら高強度で軽量の耐圧容器を得ることができる耐圧容器製造方法を提供する。
【解決手段】 ライナ10の外周に繊維強化複合材製の外殻を形成して耐圧容器を製造する方法であって、ブレイダを用いて、第1の炭素繊維束20をライナ10の円筒部11の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、第2の炭素繊維束30をライナ10の略周方向に配向しながらライナ10の外周に組成体40を形成する組成体形成工程と、組成体40に樹脂を含浸させ硬化させることにより外殻を形成する樹脂含浸硬化工程と、を備える。
【選択図】 図3PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pressure vessel manufacturing method capable of obtaining a high-strength and light pressure vessel while suppressing the manufacturing cost.
SOLUTION: A method of manufacturing a pressure vessel by forming an outer shell made of a fiber reinforced composite material on the outer periphery of a liner 10 and using a braider, a first carbon fiber bundle 20 is connected to a cylindrical portion 11 of the liner 10. Forming the composition 40 on the outer periphery of the liner 10 while orienting the second carbon fiber bundle 30 in the substantially circumferential direction of the liner 10, while orienting at a predetermined angle with respect to the axial direction of A resin impregnation curing step of forming an outer shell by impregnating the resin into the composition 40 and curing the resin.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、耐圧容器製造方法に関する。 The present invention relates to a pressure vessel manufacturing method.
現在、CNG(Compressed Natural Gas)やCHG(Compressed Hydrogen Gas)等の加圧ガスや低温ガスを貯蔵・輸送するための耐圧容器が実用化されている。従来は、高強度でガスバリア性に優れる金属製の耐圧容器が主流であったが、金属製の耐圧容器は重量が大きいため、軽量化が求められる自動車や宇宙航行体の燃料タンクに適用することが困難であった。このため、近年においては、中空状のライナの外周にFRP(Fiber Reinforced Plastics)層を形成してなる比較的軽量のFRP外装耐圧容器が提案されている。 Currently, pressure-resistant containers for storing and transporting pressurized gas and low-temperature gas such as CNG (Compressed Natural Gas) and CHG (Compressed Hydrogen Gas) have been put into practical use. Conventionally, metal pressure vessels with high strength and excellent gas barrier properties have been the mainstream, but metal pressure vessels are heavy, so they should be applied to fuel tanks for automobiles and spacecraft that require weight reduction. It was difficult. For this reason, in recent years, a relatively lightweight FRP outer pressure-resistant container in which an FRP (Fiber Reinforced Plastics) layer is formed on the outer periphery of a hollow liner has been proposed.
中空状のライナの外周にFRP層を形成する方法としては、FW(Filament Winding)法がある。FW法は、繊維束に予め樹脂を含浸させてトウ状のプリプレグを調製し、このトウ状のプリプレグをライナに巻き付けてFRP層を成形する方法である。このFW法を採用すると、比較的軽量でかつ高い強度を有するFRP外装耐圧容器を得ることが可能となる。しかし、FW法を採用すると、トウ状又はテープ状の連続したプリプレグをライナに巻き付ける作業に長時間を要してしまうという問題がある。 As a method for forming the FRP layer on the outer periphery of the hollow liner, there is a FW (Filament Winding) method. The FW method is a method in which a fiber bundle is impregnated with a resin in advance to prepare a tow-shaped prepreg, and the FRP layer is formed by winding the tow-shaped prepreg around a liner. When this FW method is employed, it is possible to obtain an FRP exterior pressure resistant container that is relatively light and has high strength. However, when the FW method is adopted, there is a problem that it takes a long time to wind a continuous prepreg in a tow shape or a tape shape around the liner.
このような問題を解決するために、近年においては、ブレイダを用いて複数の繊維束を組み上げてライナの外周にFRP層を形成する「ブレイディング法」が提案されている(例えば、特許文献1又は特許文献2参照。)。「ブレイディング法」を採用すると、FW法を採用した場合と比較して、耐圧容器の製造時間を短縮することができる。
ところで、従来の「ブレイディング法」においては、ブレイディング時における抵抗を低減させるために、ドライCF(Carbon Fiber)等の樹脂未含浸の繊維束を用いる場合が多いが、樹脂未含浸の繊維束にはプリプレグのような粘着性がないため、ブレイディング時に繊維束が緩むことがある。このような繊維束の緩みは、FRP層の強度低下の大きな要因となる。また、FRP層の強度確保のために繊維束の量を増加させると、耐圧容器の重量が増大し、製造コストも嵩むという問題がある。 By the way, in the conventional “blading method”, in order to reduce resistance during braiding, a fiber bundle not impregnated with resin such as dry CF (Carbon Fiber) is often used. Since there is no stickiness like prepreg, the fiber bundle may loosen during braiding. Such loosening of the fiber bundle is a major factor in reducing the strength of the FRP layer. Moreover, when the amount of fiber bundles is increased in order to ensure the strength of the FRP layer, there is a problem that the weight of the pressure vessel increases and the manufacturing cost increases.
本発明の課題は、製造コストを抑制しながら高強度で軽量の耐圧容器を得ることができる耐圧容器製造方法と、この製造方法により得られる耐圧容器と、を提供することである。 The subject of this invention is providing the pressure vessel manufacturing method which can obtain a high intensity | strength and lightweight pressure vessel, suppressing manufacturing cost, and the pressure vessel obtained by this manufacturing method.
以上の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、円筒部とこの円筒部の両端に連設された曲面のドーム部とを有するライナの外周に繊維強化複合材製の外殻を形成して耐圧容器を製造する方法であって、ブレイダを用いて、第1の繊維束を前記円筒部の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、第2の繊維束を前記ライナの略周方向に配向しながら組み上げて前記ライナの外周に組成体を形成する組成体形成工程と、前記組成体に樹脂を含浸させ硬化させることにより前記外殻を形成する樹脂含浸硬化工程と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is characterized in that an outer shell made of a fiber reinforced composite material is provided on the outer periphery of a liner having a cylindrical portion and a curved dome portion connected to both ends of the cylindrical portion. Forming a pressure vessel by forming a first fiber bundle with a predetermined angle with respect to the axial direction of the cylindrical portion, using a braider, while the second fiber bundle is A composition forming step of forming a composition on the outer periphery of the liner by assembling while orienting in a substantially circumferential direction of the liner, and a resin impregnation curing step of forming the outer shell by impregnating the resin with a resin and curing the composition. It is characterized by providing.
請求項1に記載の発明によれば、第1の繊維束をライナの円筒部の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、第2の繊維束をライナの略周方向に配向しながら組み上げてライナの外周に組成体を形成し、この組成体に樹脂を含浸させて硬化させることにより、繊維強化複合材製の外殻を形成する。 According to the first aspect of the present invention, the first fiber bundle is oriented at a predetermined angle with respect to the axial direction of the cylindrical portion of the liner, while the second fiber bundle is oriented substantially in the circumferential direction of the liner. The outer shell of the fiber reinforced composite material is formed by assembling and forming a composition on the outer periphery of the liner, and impregnating the composition with a resin and curing.
すなわち、組成体を形成するにあたり、従来のブレイディング法のように2種類の繊維束双方の配向方向をライナの軸方向に対して所定角度傾斜させるのではなく、2種類の繊維束のうち一方のみをライナの軸方向に対して所定角度傾斜させて配向するとともに、他方をライナの周方向に配向するようにする。このため、組成体を構成する2種類の繊維束(第1の繊維束及び第2の繊維束)に異なる張力を加えても不都合が生じることがない。 That is, in forming the composition, the orientation direction of both types of fiber bundles is not inclined at a predetermined angle with respect to the axial direction of the liner as in the conventional braiding method, but one of the two types of fiber bundles. Only one is inclined at a predetermined angle with respect to the axial direction of the liner, and the other is oriented in the circumferential direction of the liner. For this reason, even if different tension is applied to the two types of fiber bundles (the first fiber bundle and the second fiber bundle) constituting the composition, no inconvenience occurs.
従って、第1の繊維束に加える張力を、第2の繊維束に加える張力より大きく設定することができるので、組成体形成時(ブレイディング時)における第1の繊維束の緩みを阻止することができる。また、第2の繊維束を屈曲させて第1の繊維束に絡めることができるので、第1の繊維束同士を束ねて離れ難くすることができる。この結果、繊維強化複合材製の外殻の強度を高めることができ、ひいては、耐圧容器の強度を高めることができる。 Accordingly, since the tension applied to the first fiber bundle can be set larger than the tension applied to the second fiber bundle, the loosening of the first fiber bundle during the formation of the composition (during braiding) is prevented. Can do. Further, since the second fiber bundle can be bent and entangled with the first fiber bundle, the first fiber bundles can be bundled and made difficult to separate. As a result, the strength of the outer shell made of fiber reinforced composite material can be increased, and consequently the strength of the pressure vessel can be increased.
また、請求項1に記載の発明によれば、第1の繊維束をライナの軸方向に対して所定角度傾斜させて配向するとともに、第2の繊維束をライナの略周方向に配向するので、これら2種類の繊維束の直径を異ならせても不都合が生じることがない。従って、前記したように第1の繊維束の緩みを阻止しながら、第1の繊維束の直径を第2の繊維束の直径よりも大きく設定することができるので、外殻の強度を高めることが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, the first fiber bundle is oriented at a predetermined angle with respect to the axial direction of the liner, and the second fiber bundle is oriented substantially in the circumferential direction of the liner. Even if these two types of fiber bundles have different diameters, no inconvenience occurs. Therefore, as described above, the diameter of the first fiber bundle can be set larger than the diameter of the second fiber bundle while preventing the looseness of the first fiber bundle, so that the strength of the outer shell is increased. Is possible.
また、前記したように繊維束の緩みを阻止することにより外殻の強度を高めることができるので、外殻の強度確保のために繊維束を増加させる必要がない。従って、耐圧容器の軽量化を図ることができるとともに、製造コストを抑制することができる。 Further, as described above, since the strength of the outer shell can be increased by preventing the loosening of the fiber bundle, it is not necessary to increase the fiber bundle in order to ensure the strength of the outer shell. Therefore, the pressure vessel can be reduced in weight and the manufacturing cost can be suppressed.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の耐圧容器製造方法において、前記第1の繊維束に加えられる張力を、前記第2の繊維束に加えられる張力よりも大きく設定したことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is that, in the pressure vessel manufacturing method according to claim 1, the tension applied to the first fiber bundle is set larger than the tension applied to the second fiber bundle. Features.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の耐圧容器製造方法において、前記第1の繊維束の径を前記第2の繊維束の径よりも大きく設定したことを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that, in the pressure vessel manufacturing method according to claim 1 or 2, the diameter of the first fiber bundle is set larger than the diameter of the second fiber bundle. .
本発明によれば、一方の繊維束をライナの軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、他方の繊維束をライナの略周方向に配向しながら組み上げてライナの外周に組成体を形成するので、組成体内部の繊維束の緩みを阻止することができる。そして、この組成体に樹脂を含浸させ硬化させることにより、高強度の外殻を形成することができる。この結果、製造コストを抑制しながら高強度で軽量の耐圧容器を得ることができる。 According to the present invention, one fiber bundle is oriented while being inclined at a predetermined angle with respect to the axial direction of the liner, while the other fiber bundle is assembled while being oriented substantially in the circumferential direction of the liner, and the composition is formed on the outer periphery of the liner. Since it forms, loosening of the fiber bundle inside a composition can be prevented. And a high-strength outer shell can be formed by impregnating this composition with a resin and curing it. As a result, a high-strength and lightweight pressure-resistant container can be obtained while suppressing manufacturing costs.
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。本実施の形態においては、ライナ10(図1等参照)の外周に繊維強化複合材製の外殻を形成してCNGタンクを製造する方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法で製造されるCNGタンクは、約200気圧のCNGを充填することができる耐圧容器である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, a method for manufacturing a CNG tank by forming an outer shell made of a fiber-reinforced composite material on the outer periphery of the liner 10 (see FIG. 1 and the like) will be described. The CNG tank manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment is a pressure vessel that can be filled with CNG of about 200 atm.
まず、ガスバリア性に優れた材料でライナ10を調製する(ライナ調製工程)。本実施の形態においては、ガスバリア性に優れるとともに寸法安定性・耐薬品性に優れる液晶樹脂を用いてブロー成形法によりライナ10を調製している。ライナ10は、図1に示すように、円筒部11と、この円筒部11の両端に形成されたドーム部12と、を有しており、ドーム部12の頂部には、金属製の口金13が取り付けられている。
First, the
次いで、約12000本の炭素繊維を束にすることにより大径炭素繊維束20を調製するとともに、約1000本の炭素繊維を束にすることにより小径炭素繊維束30を調製する(繊維束調製工程)。大径炭素繊維束20は本発明における第1の繊維束であり、小径炭素繊維束30は本発明における第2の繊維束である。大径炭素繊維束20はブレイダの第1ボビン100(図4参照)に、小径炭素繊維束30はブレイダの(図示されていない)第2ボビンに、各々巻き付けられて、後述する組成体形成工程で使用される。
Next, the large diameter
次いで、ライナ10の円筒部11の周方向に沿って配置された複数の第1ボビン100(図4参照)から大径炭素繊維束20を供給し、これら大径炭素繊維束20の端部21を、図1に示すようにライナ10の円筒部11の軸方向略中央部に取り付ける。また、第2ボビンから1本の小径炭素繊維束30を供給し、この小径炭素繊維束30の端部31を、図1に示すようにライナ10の円筒部11の軸方向略中央部に取り付ける(繊維束取付工程)。
Next, the large-diameter
なお、繊維束取付工程においては、各炭素繊維束の端部に、加熱して溶融させた熱可塑性樹脂を含浸させ、その含浸させた部分をライナ10の円筒部11に融着させて取り付けるようにする。
In the fiber bundle attaching step, the end portion of each carbon fiber bundle is impregnated with a thermoplastic resin that is heated and melted, and the impregnated portion is fused and attached to the cylindrical portion 11 of the
次いで、図2に示すように、ライナ10を軸方向(矢印A方向)に移動させながら、周方向に緩やかに回転させる。第1ボビン100から大径炭素繊維束20を連続的に供給するとともに、第2ボビンから小径炭素繊維束30を連続的に供給して組み上げることにより、ライナ10の円筒部11及びドーム部12の外側に組成体40(図3(b)参照)を形成する(組成体形成工程)。
Next, as shown in FIG. 2, the
この組成体形成工程においては、ライナ10を周方向に揺やかに回転させることにより、大径炭素繊維束20を、ライナ10の円筒部11の軸方向に対して所定角度傾斜させる(図2及び図3(b)参照)。大径炭素繊維束20と、円筒部11の軸方向と、のなす角度(配向角)の値は、円筒部11の直径と、口金13の直径と、の比(直径比)に応じて設定することができる。例えば、この直径比が5:1の場合には、配向角を約20°に設定する。また、小径炭素繊維束30をライナ10の周方向に配向するようにする(図2及び図3(b)参照)。
In this composition forming step, the large-diameter
また、組成体形成工程においては、第1ボビン100及び第2ボビンに設けられた(図示されていない)張力調整手段を用いて、大径炭素繊維束20及び小径炭素繊維束30に所定の張力を加える。本実施の形態においては、大径炭素繊維束20に加える張力を相対的に大きく設定することにより、大径炭素繊維束20の緩みを阻止するようにしている。
Further, in the composition forming step, a predetermined tension is applied to the large-diameter
なお、組成体形成工程においては、組成体40が図4(a)に示すようにライナ10の口金13の根元部に到達した時点で、ライナ10の移動を停止させる。そして、図4(b)に示すように、第1ボビン100をライナ10の周方向にφ°だけ回転させる。その後、ライナ10を逆方向(矢印B方向:図2参照)に移動させて、組成体40の形成を続行する。
In the composition forming step, the movement of the
φの値は、約135°〜約180°の範囲で設定する。このように、ライナ10の移動方向を矢印A方向から矢印B方向に逆転させる前に、第1ボビン100をライナ10の周方向にφ°だけ回転させることにより、大径炭素繊維束20が逆方向に折り曲げられた状態で配向されるのを阻止することができる。すなわち、図4(b)に示すように、大径炭素繊維束20をライナ10のドーム部12に巻き付けるように配向することができる。
The value of φ is set in the range of about 135 ° to about 180 °. As described above, the
以上のような組成体形成工程により、ライナ10の円筒部11及びドーム部12の外側に所定厚さの組成体40を形成するようにする。そして、組成体40の形成を終えた時点で、小径炭素繊維束30を切断する。
The
次いで、図5に示すように、ライナ10を周方向(矢印C方向)に回転させながら軸方向(矢印B方向)に移動させることにより、大径炭素繊維束20をライナ10の円筒部11及びドーム部12に巻き付けて、組成体40の上に所定厚さの巻回層50を形成する(巻回層形成工程)。その後、繊維束取付工程と同様の手法で大径炭素繊維束20の端部を固定する。
Next, as shown in FIG. 5, by moving the
続いて、組成体40及び巻回層50に、加熱により溶融させた熱可塑性樹脂を含浸させる。その後、含浸させた熱可塑性樹脂を自然冷却により硬化させて、繊維強化複合材製の外殻を形成する(樹脂含浸硬化工程)。以上の工程群を経ることにより、耐圧容器であるCNGタンクが得られる。
Subsequently, the
以上説明した実施の形態に係る製造方法においては、大径炭素繊維束20をライナ10の円筒部11の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、小径炭素繊維束30をライナ10の略周方向に配向しながらライナ10の外側に組成体40を形成し、この組成体40に熱可塑性樹脂を含浸させて硬化させることにより、繊維強化複合材製の外殻を形成する。
In the manufacturing method according to the embodiment described above, the large-diameter
すなわち、2種類の炭素繊維束のうち一方のみをライナ10の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、他方をライナ10の略周方向に配向するため、組成体40を構成する2種類の炭素繊維束に異なる張力を加えても不都合が生じることがない。
That is, only one of the two types of carbon fiber bundles is oriented while being inclined at a predetermined angle with respect to the axial direction of the
従って、大径炭素繊維束20に加える張力を、小径炭素繊維束30に加える張力より大きく設定することができるので、組成体形成時(ブレイディング時)における大径炭素繊維束20の緩みを阻止することができる。この結果、繊維強化複合材製の外殻の強度を高めることができ、ひいては、CNGタンクの強度を高めることができる。
Accordingly, the tension applied to the large-diameter
また、以上説明した実施の形態に係る製造方法においては、ライナ10の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方の炭素繊維束の直径を、ライナの略周方向に配向する他方の炭素繊維束の直径よりも大きくしているので、外殻の強度を高めることが可能となる。また、前記したように炭素繊維束の緩みを阻止することにより外殻の強度を高めることができるので、外殻の強度確保のために繊維束を増加させる必要がない。従って、CNGタンクの軽量化を図ることができるとともに、製造コストを抑制することができる。
Further, in the manufacturing method according to the embodiment described above, the diameter of one carbon fiber bundle oriented at a predetermined angle with respect to the axial direction of the
なお、以上の実施の形態においては、液晶樹脂を用いてライナ10を調製した例を示したが、ライナ10の材料は液晶樹脂に限られるものではない。例えば、高密度ポリエチレン等のガスバリア性を有する他の合成樹脂やアルミニウム合金等の金属材料を用いてライナ10を調製することもできる。また、以上の実施の形態においては、ブロー成形法によりライナ10を成形した例を示したが、射出成形法等を採用してライナ10を成形することもできる。
In the above embodiment, the example in which the
また、以上の実施の形態に係る製造方法においては、大径炭素繊維束20の直径と、小径炭素繊維束30の直径と、の比(直径比)を約12:1に設定した例を示したが、この直径比を適宜変更することができる。例えば、CNGタンクの外殻の強度をより一層高めるために、大径炭素繊維束20の直径を相対的に大きくして、直径比を約24:1程度に設定することもできる。
Moreover, in the manufacturing method which concerns on the above embodiment, the example which set ratio (diameter ratio) of the diameter of the large diameter
また、以上の実施の形態に係る製造方法においては、樹脂含浸硬化工程で、組成体40及び巻回層50に「熱可塑性樹脂」を含浸させ硬化させた例を示したが、「熱可塑性樹脂」に代えて「熱硬化性樹脂」を採用することもできる。
Moreover, in the manufacturing method according to the above embodiment, the example in which the
また、以上の実施の形態に係る製造方法においては、「炭素繊維」を採用して第1及び第2の繊維束(大径炭素繊維束20及び小径炭素繊維束30)を調製した例を示したが、「ガラス繊維」や「アラミド繊維」を採用して第1及び第2の繊維束を調製することもできる。
Moreover, in the manufacturing method according to the above-described embodiment, an example in which the first and second fiber bundles (the large-diameter
10 ライナ
11 円筒部
12 ドーム部
20 大径炭素繊維束(第1の繊維束)
30 小径炭素繊維束(第2の繊維束)
40 組成体
10 liner 11
30 Small diameter carbon fiber bundle (second fiber bundle)
40 Composition
Claims (3)
ブレイダを用いて、第1の繊維束を前記円筒部の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、第2の繊維束を前記ライナの略周方向に配向しながら組み上げて前記ライナの外周に組成体を形成する組成体形成工程と、
前記組成体に樹脂を含浸させ硬化させることにより前記外殻を形成する樹脂含浸硬化工程と、
を備えることを特徴とする耐圧容器製造方法。 A method of manufacturing a pressure vessel by forming an outer shell made of a fiber-reinforced composite material on the outer periphery of a liner having a cylindrical portion and a curved dome portion connected to both ends of the cylindrical portion,
Using a braider, the first fiber bundle is oriented at a predetermined angle with respect to the axial direction of the cylindrical portion, while the second fiber bundle is assembled while being oriented substantially in the circumferential direction of the liner. Forming a composition on the outer periphery; and
A resin impregnation curing step of forming the outer shell by impregnating and curing the resin in the composition;
A pressure-resistant container manufacturing method comprising:
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