| 【発明の名称】 |
繊維強化樹脂複合材製内圧容器及び結合具 |
| 【発明者】 |
【氏名】荒井 貞夫
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 不連続繊維強化樹脂複合材により形成された内圧容器。
【請求項２】 上記不連続繊維が内圧により定まる応力分布に応じて配向されてなる請求項１記載の内圧容器。
【請求項３】 繊維強化樹脂複合材により形成した内圧容器の半殻同士、もしくは鏡板と胴部とを相対する１対の爪のカシメにより結合する結合具。
【請求項４】 上記請求項３記載の結合金具により半殻同士、又は鏡板と胴部とが結合されてなる繊維強化樹脂複合材製内圧容器。
【請求項５】 不連続繊維強化樹脂複合材製の半殻同士、又は鏡板と胴部とを溶着若しくは接着し、必要によりフィラメントワインディング法やプリプレグ巻付けにより補強してなる内圧容器。
【請求項６】 容器内部にライナーを設けてなる請求項４又は５記載の内圧容器。
【請求項７】 発泡成形材からなる緩衝体を設けてなる請求項１乃至５記載の繊維強化複合材製内圧容器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】ＬＰＧや酸素・窒素などのガスを高圧で蓄蔵するガスボンベなどの内圧容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスを圧縮して蓄蔵するいわゆる内圧容器は、ガスを高圧で圧縮して蓄蔵するため、その内圧に耐える強度が必要であり、また、ガスの種類によって容器の破損やガス漏れなどに伴う危険があるため、ガスの種類に応じて容器の強度や材質などについて安全上の一定の規格を満たすよう保安基準が定められている。このような事情から内圧容器は、通常その素材として高い強度が得られると共に成形加工技術も確立し、使用実績のある鋼製のものが用いられている。
【０００３】これらの鋼製容器は、永年の実績があり高い信頼性を有しているが、これらの強度条件を満たす容器としては重量が重くなり、取扱い上の不便を来している。例えば、現在、家庭用の燃料等として普及している液化プロパンガス（ＬＰＧ）用の内圧容器についてみても、蓄蔵されているガスの容量に比較して容器の占める重量の割合が大きく、６kg容器について云えば容器の重量は１０kg前後となり、その販売・供給体制における輸送コストはむしろ容器の重量が主としてコスト要因となっている。また、これらの容器を取扱う際も、人力で取扱うことは大きな負担であり、特に家庭用といっても最近利用の増加しつつある大型容器の取扱いは困難であるため、配送の際の輸送車両からの積み降ろしにはリフターなどの機械力を必要とする。このような事情に加え、最近では海洋スポーツの普及からマリーンダイビング用空気ボンベが広く用いられるようになり、また、医療用の酸素ボンベなども医療機関や家庭での介護用などに用いられる機会が多くなってきているが、これらのガス容器としてもその普及のためには取り扱いの容易さから軽量化が望まれている。
【０００４】このため、これらの内圧容器の材料として鋼製に替えて軽合金や繊維強化樹脂複合材料が試みられている。これらの容器の重量は、これらの素材を用いることで著しく軽量化することができ、特に繊維強化樹脂複合材料は耐食性の点でも優れている。このようなことから、欧米各国においては繊維強化樹脂複合材製内圧容器はすでに実用化されており、広く普及をみているが、日本においてはまだ実績がなく、高圧ガスの安全に関する保安基準でも繊維強化樹脂複合材料製の内圧容器に関しては今後具体的な検討を待たなくてはならない面を残している。しかしながら、これらの繊維強化樹脂複合材の利点や国際的な趨勢を踏まえるとわが国においても、実用化されることが予想され、これらの材料を用いた従来の金属容器と変わらない強度と信頼性を有する内圧容器の開発が望まれている。
【０００５】繊維強化樹脂複合材をこれらの内圧容器に用いる場合、内圧に耐える強度を発揮させるため成形されたライナー外周に内圧による応力方向に沿うように周方向および斜め方向に連続繊維を巻回（ワインディング）して作成する。或いはライナーなしで、連続繊維を織製して形成したプリプレグを成形したり、強化繊維シートを金型中に配置して樹脂を含浸させて成形して、半殻２ピースとしたものを結合して作成している。しかしながら、これらの方法による場合、連続繊維のワインデイング工程やプリプレグからの成形工程を採るため、製造工程が複雑となって製造コストが嵩むことが避けられない。
【０００６】これに対して、樹脂成形品に一般的に用いられている射出成形は、製品形状の金型内に樹脂を圧入して固化することにより成形されるためきわめて生産効率が良く、成形品の加工精度も高いが、樹脂のみでは十分な強度が得られない。そこで強化繊維を所定の長さに切断した不連続の単繊維を混合した樹脂を用いて、金型によって射出成形する成形法が試みられているが、従来不連続繊維を用いた繊維強化樹脂の強度特性について、充分なものとは考えられておらず、本発明者らは、これらの比較的短い繊維長であっても理論的に連続繊維に劣らない強度を有することから、構造材へのその応用を提案している（「精密機器用プラスチック複合材料」機械学会編、日刊工業（昭５９）ｐ.６９〜７９）が、繊維長が短いことに対する強度的な不安などから実用面で広く採用されるには至っていない。
【０００７】また、このような成形品から内圧密閉容器を形成するためには、圧力導入部などの取付け構造を設けるため、一旦半殻２ピースとしてこれら半殻同士あるいは鏡となる面を含む成形品と胴部を結合しなければならないが、結合個所の強度を確保するため、従来は接合部に重ね合わせるための接合代を設け、これらを重ね合わせた上から強化繊維を巻くいわゆるワインデイングの工程が必要であり、このようにいわば接合部を補強した構造とするため工程が複雑となってコストの高いものとなることが避けられなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】成形が容易で低いコストで製造可能な繊維強化樹脂複合材製の内圧容器、及びそのための成形品の結合手段の提供。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、不連続繊維強化樹脂複合材により形成された内圧容器である。また、その内圧に応じて強度を付与するため、不連続繊維が内圧により定まる応力分布に応じて配向されてなるものである。また、繊維強化複合材により形成した内圧容器の半殻同士、もしくは鏡板と胴部とを効果的に結合して一体化するため相対する１対の爪のカシメにより結合する結合具であり、この結合具により半殻同士、又は鏡板と胴部とが結合されてなる繊維強化樹脂複合材製内圧容器である。
【００１０】さらに、不連続繊維強化樹脂複合材製の半殻同士、又は鏡板と胴部とを溶着若しくは接着し、必要によりフィラメントワインディング法やプリプレグ巻付けにより補強してなる内圧容器であり、容器内にインナーを設けてなり、また、使用時の損傷などを防止するため発泡成形材からなる緩衝体を設けてなるものである。
【００１１】従来、上記のような不連続繊維を含有する繊維強化樹脂複合材が高い負荷のかかる部材や強度的な信頼性が求められる部品などに採用され難かったことは、上記のような繊維長が短いことに対する懸念が持たれた点にあるが、さらに、本発明の対象とする耐圧容器に用いる場合、上記したような内圧が常時負荷される条件下にあるため、これらの短い強化繊維を構造的に結合する樹脂材料の機械的性質が強く現れて、高い負荷が掛けられた状態では時間の経過と共に変形するクリープを伴うことが挙げられる。
【００１２】このようなクリープ現象は、金属材料などに見られるクリープとは性質を異にし、樹脂材料に固有のものでいわば弾性変形域における材料の挙動と見ることができるが、樹脂材料におけるクリープは負荷をかけた当初、比較的速やかに進行し、その後収束する傾向を示すとはいえ、見かけの弾性率が１／２近くに低下し、応力が増すとこの傾向がさらに著しくなるなどの挙動を示すため、クリープの条件を一律に掌握することが困難であった。一方、従来から耐圧容器に用いられてきた鋼材等の金属材料においては、クリープの発生は必然的に構造の破壊に至る過程であるから到底許容できないものであり、従来の鋼製部材などで培われてきた信頼性からするとこのような性質が懸念されて、強度的な面よりもむしろこのような性質からこれらの用途には適さないとされてきたものであった。
【００１３】そこで本発明者らは、これらの比較的繊維長の短い不連続繊維強化複合材料において十分な強度・耐久性を発揮できるのみでなく、これらのクリープに関して繊維含有率や設計上強度条件を選べばこれらのクリープの挙動を充分に把握でき、内圧容器の使用条件下の安全性・信頼性を確保できることを突き止め、これらの射出成形などの成形性の優れた不連続繊維強化樹脂複合材製内圧容器を提案するに至ったものである。
【００１４】以下、不連続繊維強化樹脂材料における強度とクリープとの関係について説明する。不連続繊維強化樹脂では、マトリックスの樹脂相のクリープ変形挙動を反映して静的負荷を長時間受けるとクリープ変形を生じる。これをポリアミド‐ＧＦ30％の不連続繊維強化樹脂材料とＰＢＴ−ＧＦ30％の不連続繊維強化樹脂材料について、図１、２に応力―歪線図で時間変化と共に示す。図から時間の経過と共に歪が増大することがわかるが、応力及び歪の小さい領域では応力−歪曲線はほぼ直線関係にあって、このため、通常の設計では、初期歪０．５％以下の範囲で多く使用されている。さらに、図に見るように長時間経過すると歪が収束する傾向にあることが判る。図で見ると、１時間経過後の歪に対して、1,000時間及び10,000時間経過後の歪は順次小さく収束しており、長時間経過後でも歪量は初期値の２倍未満と見積もることができる。
【００１５】すなわち、これらの関係から歪が０．５％以下となるように負荷応力を設定しておけば応力−歪曲線の比例関係が保たれると共に、クリープも一定範囲内に小さく抑えられてその許容範囲を十分に確保することができ、内圧容器においても使用することが可能である。しかも、これらの繊維強化樹脂複合材料においては応力を増減してもヒステレシスがないのでマトリックス内部の機械的劣化が生じないのであって、このことは疲労による劣化の懸念がないことを意味し、これらの設定された負荷応力の範囲で設計すれば十分な信頼性が確保され、安全性が保たれるのである。また、不連続繊維強化複合材においては上記のクリープの影響が懸念される場合、繊維含有率を高めて５０％程度とすることにより弾性率の低下を抑制し、クリープをさらに小さく、上記の１／２から、２／３程度に保つことが可能となる。
【００１６】以下、不連続繊維強化樹脂複合材のデータを参照してこれらの内圧容器の応力負荷条件との関係を具体的に説明する。内圧容器においては、容器壁断面内における応力は、壁の厚さが薄いものとして次のとおりとなる。
軸方向 σａ＝ｒＰ／２ｔ周方向 σｒ＝ｒＰ／ｔただし、ｒ：シリンダー内径Ｐ：内圧ｔ：肉厚容器の鏡板の部分は、球殻と見なすことができれば、応力は一様となって、軸方向と同じとなる。典型的な内圧容器として、ＬＰＧ用容器の例を試算すると、その使用圧力は、約０．４〜１．５ＭＰa（夏場の場合：最大１５気圧）、耐圧試験圧力はその１．５倍であるから、容器の肉厚（成形品の肉厚：最大５ｍｍ）／内径（１５０ｍｍとして）比を３０とすると、器壁内に生じる応力は上記の式から、４５ＭＰａとなり、破壊強度は安全率１．５を見込んで、６７．５ＭＰa以上が求められる。
【００１７】
【表１】
【００１８】これに対して、よく知られた主要な樹脂のＦＲＴＰ（30％含有）の性能を表-１に示す。これらの繊維含有率を50％に上げれば引張弾性率は約1.5倍程度向上することが知られており、この場合、例えばマトリックス樹脂をポリエステル樹脂（ＰＢＴ）としてグラスファイバー（ＧＦ）を５０％含有する不連続繊維強化樹脂複合材では、引張弾性率が略１５ＧＰa前後となるから、歪０．５％では略７５ＭＰa、更に上記のとおりクリープを考慮して引張弾性率が１／２に低下したとしても３７．５ＭＰa程度の負荷能力があると見て良い。従って、常用圧力は上記式から、７５〜３７．５／３０＝２．５〜１．２５ＭＰa となり、実用可能であることが判る。破壊応力値は、上記の表−１の繊維含有率３０重量％でも同様にクリープを見込んでも１５０ＭＰa程度あるから、上記の破壊強度６７．５ＭＰaを十分に満たすことができる。
【００１９】また、上記の例は強化繊維としてグラスファイバーを用いたが、炭素繊維を用いる場合は更に高い強度が見込まれる。これらの樹脂に対して炭素繊維含有率３０重量％で弾性率２０ＧＰaが得られており、同様にして試算すると、常用圧力は、２０×（１〜１／２）ＧＰａ×５％／３０＝３．３３〜１．６６ＭＰaとなり、この繊維含有率を上げることによって更に弾性率も向上するから、高圧容器用としても好適であることが解かる。破壊応力については、これらのデータから２００ＭＰa以上となるから何ら問題ない。
【００２０】以上から明らかなように、不連続繊維による繊維強化樹脂複合材は、内圧容器固有の内圧による応力負荷を常時受けた状態においてもそのクリープ特性を見込んで望み得る限りの長期間にわたって充分な強度を確保できるのであり、上記の条件を考慮することによって内圧容器への適用が可能なのである。更に強化繊維及びマトリックス樹脂の種類や混合比率を適切に選択することによって、より広範囲の常用圧力に耐える内圧容器にも十分な強度的信頼性を持って実用可能である。そして、これら不連続繊維による強化樹脂複合材は、射出成形により容易に成形可能であり、極めて安価にこれらの内圧容器を製造することができる。
【００２１】無論、これらの圧力容器の設計・実用化に当たっては上記した内圧容器の構造要件や不連続繊維強化複合材料の特性を考慮して、クリープ変形やガスの漏洩などに関するデータを蓄積し、その耐久性を実証すること、又、これらの実績に基づいて所定の要件が保安基準に取り入れられることが必要であることは、新規な素材の適用上いうまでもない。（ちなみに、上記の図１、２においてクリープ変形を測定された１０，０００時間は、１年余に相当する。）
以上の説明は、不連続繊維強化複合材製内圧容器が強度・耐久性などの条件を満たすことを明かにするものであるが、このような内圧容器を形成するために不連続強化繊維を含有した樹脂を射出成形する場合、強化繊維の異方性を所要応力の方向に合わせるように留意する必要がある。即ち、成形品の表層部では強化繊維の方向は樹脂の流動方向に沿って配向される傾向があり、強度上これらの異方性が表れるが、射出成形条件によって抑制することによって対処できる。本発明者は、先にこのような不連続強化繊維を混合した樹脂を金型に圧入して射出成形する際に、マトリックス樹脂中の強化繊維の配向を制御してこれらの短繊維が均等にあるいは応力方向に沿って配向することのできる成形品の製造方法を提案しているが、この方法によれば上記したような樹脂中の強化繊維の配向を所定の方向に揃えて強度を向上するとともに強度上の信頼性をも確保することができる。また、この成形法より内圧容器の内圧の負荷により生ずる応力分布に応じてこれらの強化繊維の配向を積極的に制御し、容器壁の応力分布に沿って大きな強度を必要とする周方向に不連続繊維を選択的に配向することによって、所定の方向に大きな強度を有する高性能でかつ信頼性の高い内圧容器の構造設計が可能となる。
【００２２】内圧容器を形成するには、これらの射出成形によって形成した強度部材としての半殻や鏡板のほか、容器の頂部側のガス導入部となる口金、ライナーなどのガスの漏洩を防止するための構造を設け、これらを結合して一体化した密閉容器とする必要がある。このため、射出成形した容器本体に直接めっきや樹脂コーティングなどによって気密性を付与する場合は、口金を容器に直接接着などにより取付けるが、ライナーを別体で形成してこれら射出成形した容器本体を重ねて一体化する場合、予めライナーに口金を設けることが有利である。
【００２３】即ち、樹脂製ライナーを粉末による回転成形により成形する際に口金をインサート成形して一体化したり、ライナーをブロー成形して成形した後に口金を組込み、或いはライナー鏡部を通常の熱可塑性樹脂の射出成形により形成し、これに口金を組込んで溶着し、さらに必要により鏡部の間に胴部となる押し出し成形円筒を挟んで溶着して一体化する。このようにして口金を取りつけ、気密性を付与した繊維強化樹脂複合材製の容器本体を構成する半殻２ピース同士を結合して一体化した内圧容器を形成する。あるいは樹脂製のライナーに口金を取りつけて後これらの繊維強化樹脂複合材製の容器本体の半殻を重ねて、結合して一体化するのであるが、結合個所が内圧による軸方向、周方向の応力に耐えるために、従来は、半殻の双方の結合部に肉厚を削いだ結合代を形成して相互に重ね合わせて接着し、さらに接合部に外周から軸方向、周方向及び斜め方向に連続繊維を巻回して補強するなどの構造が採用されていた。
【００２４】本発明は、これらの半殻同士を結合するには、容器本体が周方向の応力に対して充分な強度を有することから、主として容器の軸方向の応力に対する結合手段とすべきことに鑑み、これらに好適な結合手段を創出した。即ち、１対の相対する爪を有するカシメ結合具を用いることにより、これらの内圧容器半殻は容易にかつ効果的に結合することができる。一般にカシメ結合具は金属製であるが、その材質は軟鋼製で良く、その他繊維強化材の容器結合部に形成した縁部をカシメ加工できる材質のもので所定の強度を保持できるものであれば、軽合金や銅系合金など材質は問わない。
【００２５】これらの金属金具の相対する一対の爪で容器の結合部の両縁部を挟んで押圧することによりカシメ加工すると、一対の爪は複合材料製の縁部に噛み込む。次いでこの押圧力を開放すると、このような金属材料、特に高強度材の特性として弾性変形分がスプリングバックとして戻るが、一方複合材はマトリックス樹脂の性質からこれらの噛み込み部では金具の爪に押圧されて弾性変形しており、その弾性域が大きいため金具側のスプリングバックによっても緩むことはない。このような結合機構によることから、結合する容器は上記した不連続繊維強化複合材製に限らず、また、射出成形品に限られることなく、繊維強化複合材料製であれば広く適用することができる。
【００２６】また、これらの半殻若しくは胴部の結合方法として、それぞれ接着代を形成し、重ね合わせて溶着若しくは接着し、必要によりその上からフィラメントワインディング法で連続繊維を巻回して補強する。或いは、これら結合部の補強法として、テープ状の一方向プリプレグをローリングテーブルで巻回するなどして巻付けてもよい。これらの巻き終わり端部は樹脂で接着しておけばよいが、厚手のシュリンクフィルムで保護することにより、より効果的に保護することができる。また、上記したように内圧容器はその構造上周方向に大きな応力を受けるものであるから、射出成形により形成した内圧容器の胴部に、これらの結合部の補強方法と同様にしてこれらの連続繊維若しくはテープ状の一方向プリプレグを巻回することにより所定の強度を付与することができる。これら結合部の補強手段は、上記のカシメ結合具による結合部の周方向の補強にも好適であり、必要に応じて適用することができる。
【００２７】さらに、これらの繊維強化樹脂複合材料製の内圧容器を使用するに当たっては、取り扱いの際に容器を倒したり、他のものに当てたりして衝撃を受ける場合が少なくない。鋼製容器の場合、通常容器の上下部に袴状、或いは枠状の鋼製の保護部材を取り付けているが、不連続繊維強化複合材料を用いる場合は比較的柔らかい材質であるため、打撃、特に固いものの角などに当った場合などには器壁を破損する虞がある。これらの保護部材に加えて容器全体あるいは露出個所に一定の強度を有すると共に打撃などに対してチクソトロピックな変形によりそのエネルギーを吸収するマグネシウム発泡体などの発泡体からなる衝撃吸収部材を設けることが望ましい。マグネシウム発泡体は衝撃エネルギーを発泡体の圧潰によって吸収できるため、より効果的に保護することができ、安全性を向上する。
【００２８】
【実施例】以下、図３〜８により本発明の実施例を説明する。図３及び７は、本発明の不連続繊維強化複合材製内圧容器の形態例を示す。図において、１は不連続繊維強化複合材からなる射出成形品であって、それぞれ半殻を構成し、別途形成されたライナー２及び口金５を組込んで、上下の半殻同士をカシメ金具１０や結合代１１を溶着等により結合して一体化する。１２は溶着部を巻回する連続繊維若しくはテープ状の一方向プリプレグ等の補強部である。
【００２９】図４は、本発明にかかるカシメ結合具１０で、相対して対抗する１対のカシメ爪１６を有しており、図においてはこれらの爪が曲げられた状態となっている。図５は、結合金具と容器側の縁部カシメ部との関係を示す部分拡大図で、図において上部半殻ピース１の胴部外周に形成された縁部１５に対して、結合金具１０の爪１６が図の上下方向からのカシメ加工により該縁部１５に食い込んで半殻ピース同士を結合している。ここで、容器内圧により爪部に加わる内圧容器縁部からの力は、前記式の軸方向に働く力σａ＝ｒＰ／２ｔであるが、結合金具の爪部からその胴部における曲げ及び引張力に対する強度は十分に大きいから、容器外周に適宜の密度で配置すれば、充分に耐えることができる。例えば、ＬＰＧ容器の場合、材質的には軟鋼製の結合金具で充分で、容器の容量や圧力によりその厚さを変えればよい。
【００３０】これらのカシメ結合具は、図４のように単独の結合金具として形成して、容器のサイズに合わせて適宜の密度でカシメて結合してもよいが、図６に示すように板材から打ち抜きにより適宜の数のカシメ部が連続した金具としてもよい。使用する際には、これらを１ピースづつ分離して用いてもよいが、数ピースづつ或いは容器外周に合わせて連続した結合具として使用してもよい。
【００３１】また、本発明の不連続繊維強化複合材製の半殻２ピース同士もしくは鏡板と胴部とを結合する構造として、図７に示すように接合部に結合代１１を形成しておき、溶着若しくは接着すると共にその外周を長繊維によるワインディング法やテープ状の一方向プリプレグを巻回して強化１２しても良い。
【００３２】図８は、繊維強化樹脂複合材により形成した内圧容器の外周に発泡成形体からなる緩衝体６を採用したものである。このような衝撃吸収材としてマグネシウムなどの発泡体は、それ自体がある程度の強度と金属固有の変形挙動を有していて全体への打撃に対して容器を保護すると共に、鋭い角部などが当たると微小な独立したセルが圧潰して大きな変形エネルギーを吸収して内圧容器を安全に保護することができる。実用上厚さ２０ｍｍ程度あれば十分な保護作用が発揮でき、しかもこれらの衝撃吸収材自体が軽量であるから、取り扱い上の不便を来すことがなく、実用上極めて好適である。このような衝撃吸収材として、このほか同様にチクソトロピックな変形特性を有する成形体が好適に使用できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９９１２５４７８
【氏名又は名称】株式会社ベンチャーラボ
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| 【出願日】 |
平成１１年９月３日（１９９９．９．３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０７９６２
【弁理士】
【氏名又は名称】入交 孝雄
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| 【公開番号】 |
特開２００１−７４１９９（Ｐ２００１−７４１９９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月２３日（２００１．３．２３） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２５０９４３ |
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