JP2005009559A

JP2005009559A - Laminated body for shell and pressure vessel using it

Info

Publication number: JP2005009559A
Application number: JP2003173717A
Authority: JP
Inventors: Takashi Harada; 敬原田; Fumiharu Namiki; 文春並木; Tamotsu Shigenari; 有重成
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: JP4578068B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminated body for shells, a pressure vessel, a fuel tank which are lightweight with excellent pressure tightness and gas barrier property, have an easy manufacturing process, a low manufacturing cost and high reliability for space industry and a pressure vessel manufacturing method. <P>SOLUTION: The laminated body for shells is formed by laminating a protective layer having a thickness of 5μm to 5mm and a variation within ±20% with respect to a mean thickness, a barrier layer formed of thermoplastics and having a variation within ±20% with respect to the mean thickness, and a pressure and strength retention layer formed by braiding reinforcement fiber threads. The pressure vessel has a mouthpiece portion and the barrier layer and/or the protective layer connected via a share ply layer. The barrier layer and the pressure and strength retention layer are laminated in this order on the protective layer placed on a mandrel by a FW (filament winding) process. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シェル用積層体、圧力容器、燃料タンク及び圧力容器製造方法に係り、更に詳細には、軽量・高性能及び低コスト化を同時に推進できる保護層、バリア層及び圧力・強度保持層を有するシェル用積層体、圧力容器、燃料タンク及び圧力容器製造方法に関するものである。
また、本発明の燃料タンクは、液体及び気体燃料をロケットなどに搭載するための宇宙産業用燃料用タンクとして好適に使用できる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来のロケットの液体燃料用のタンクは、燃料（液体酸素、液体水素）の気密性、強度、使用条件等の要求からアルミ材（アルミ合金）又は鋼材が主流であった。
しかしながら、近年では宇宙ステーションの建設などの計画でロケットの軽量化が最重要課題とされ、とりわけロケット単位で一番重量比の高いタンクについての軽量化が求められている。その課題を克服すべく、最近アルミ−ＦＲＰのハイブリッドタンクが研究されているが、アルミの比重やハイブリッド化の製造技術などで未だ問題が多く、技術的には確立されていないのが現状である。
【０００３】
一方、自動車用の天然ガス燃料用タンクとして熱可塑性プラスチックをライナー材としたタンクが提案されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３３２０８５号公報
【０００５】
この燃料タンクはライナー材としてポリエチレンを使用しており、単体ではそのバリア性機能が十分ではなく、ライナー材の厚さを厚くして使用したり、また他の材料とハイブリッド化して使用しなければならず、ロケット用の液体燃料タンクとしては、軽量化に欠けるものとなっている。
また、ライナー材が薄膜で内側に露出している場合、製造時・燃料収納時・輸送時等にライナー材に傷等の欠陥が発生する恐れがあり、ロケット用の液体燃料タンクとしては、信頼性に欠けるものとなっている。
更に、ライナー材を別成形とした場合、ライナー材の取扱い（特に薄膜の場合など）が難しく信頼性に欠けるものとなるばかりか、別成形用の型及び別工程が必要となるため高価なものとなっている。
【０００６】
また、ガスバリア機能に優れる液晶ポリマーをライナー材に用いた液体燃料用タンクも提案されているが、ライナー材の成形方法がブロー成形であり、その製法上厚さを微妙に制御することが困難である。従って、ロケット用の液体燃料タンクとしては信頼性に欠けるものである。また、成形時にブロー成形用の別型が必要であることから、高価なものになってしまっている（例えば非特許文献１）。
【０００７】
【非特許文献１】
ＡＩＡＡ９５−２３５５
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軽量であるにも拘らず耐圧性及びガスバリア性に優れ、製造工程が簡単であるとともに製造コストが低く、宇宙産業用としての信頼性が高い、シェル用積層体、圧力容器、燃料タンク及び圧力容器製造方法を提供することにある。勿論、一般産業用途に使用することが適切であることは言うまでもない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、フィラメントワインディング法により形成する所定の３層構造を採用することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明のシェル用積層体は、保護層、バリア層及び圧力・強度保持層をこの順に積層したシェル用積層体であって、
上記保護層は厚さが５μｍ〜５ｍｍで平均厚さに対するバラツキが±２０％以内であり、上記バリア層は平均厚さに対するバラツキが±２０％以内である熱可塑性プラスチックより成り、上記圧力・強度保持層は樹脂を含浸させた補強繊維糸を該バリア層上に編成して成ることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の圧力容器は、上記シェル用積層体を用いたシェル部と、少なくとも１つの開口に設けた口金部と、を有する圧力容器であって、
上記シェル部は最外層が圧力・強度保持層となるように配置され、上記口金部とバリア層及び／又は保護層とがシェアプライ層を介して接合されていることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の燃料タンクは、上記圧力容器を用いた燃料タンクであって、口金部を介して燃料を貯留及び放出できることを特徴とする。
【００１３】
更にまた、本発明の圧力容器製造方法は、上記圧力容器を製造するに当たり、
マンドレルに保護層を設置し、該保護層上にバリア層及び圧力・強度保持層をこの順にフィラメントワインディング法により積層することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のシェル用積層体について、詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り質量百分率を示す。
【００１５】
上述の如く、本発明のシェル用積層体は、保護層、バリア層及び圧力・強度保持層をこの順に積層して成る。
ここで、上記バリア層により、燃料タンクに燃料を収納したときに、タンクからの燃料の漏出が防止される。バリア層は、ガス透過性が１０ｃｃ・ｍｍ／ｍ^２・ｄａｙ・ａｔｍａｔＯ_２ｇａｓ以下の熱可塑性プラスチック（液晶ポリマー，エチレン酢酸ビニル共重合体等）が好ましく、これにより、燃料の漏出が極力防止可能となる。また、極低温（−１００〜−２７０℃）でも柔軟性に優れ、伸縮性を有する熱可塑性ポリイミド樹脂を用いることも好ましく、これによりタンク加圧／減圧時の繰返し変形に対応可能となる。
【００１６】
また、上記バリア層の平均厚さに対するバラツキは±２０％以内とする。±２０％を超えると、積層体及びこれを用いた燃料タンクの信頼性が低下してしまう。厚さの精度を±２０％以内に確保できる製造方法としては、後述するフィラメントワインディング法（ＦＷ法）やハンドレイアップ法などの従来からある公知の成形技術を採用できる。
【００１７】
更に、上記バリア層の厚さは、３０μｍ〜３ｍｍであることが好適である。なお、３０μｍ未満では、燃料漏洩の原因となり、品質の低下を招くことがあり、３ｍｍを超えると重量増加、過剰性能となることがある。
【００１８】
また、上記圧力・強度保持層は、樹脂を含浸させた補強繊維糸を上記バリア層上に編成して成る。このような圧力・強度保持層であれば、積層体やこれを用いて成る燃料タンクの耐圧性能及び剛性が向上するので有効である。
更に、上記圧力・強度保持層は、上記「樹脂を含浸させた補強繊維糸」をＦＷ法などで上記バリア層上に編成した後に、加熱し溶融又は硬化させて成形した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）より成る層であることが好ましい。
【００１９】
上記補強繊維糸としては、高強度・高弾性率繊維が好適であり、具体的には、炭素繊維糸、ガラス繊維糸及び有機高弾性糸（例えば、ポリアラミドや液晶ポリマーなど）が例示でき、これらは単独での使用に限定されず、２種以上を併用して用いることもできる。また、無機繊維糸を用いることもでき、この場合は屈曲による応力集中を小さくし、ボイドの発生を減少させることができる。但し、糸の継ぎ目や毛羽の混入による強度特性の低下防止、耐衝撃性能の低下防止などの観点からは、炭素繊維を用いることが特に好ましく、このときは比強度及び比弾性率が優れ、ワインディング時の糸切れや毛羽の発生が殆どなく、生産性が向上し得る。
また、上記補強繊維糸に含浸させる樹脂としては、エポキシ系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、ビニルエステル系樹脂、フェノール系樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリアミド類、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリ−４−メチルペンテン−１、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂が例示できる。特に、上記バリア層の軟化温度が、上記圧力・強度保持層の軟化温度より高くなるような樹脂を用いることが好ましく、この場合は精度良く成形したバリア層の厚さに影響を与えにくいので有効である。
【００２０】
また、上記保護層は、厚さが５μｍ〜５ｍｍで平均厚さに対するバラツキが±２０％以内である。このような保護層であれば、積層体やこれを用いた燃料タンクの製造時、燃料貯留・輸送時などに、上記バリア層が保護され得る。言い換えれば、軽量化のために極薄としたバリア層の破損が防止される。
上記保護層としては、代表的には、伸縮性のある熱可塑性プラスチック、シリコンゴム、ポリブタジエンゴムなどのクッション作用を有するものを材料とすることが望ましい。また、上記保護層は容器内に貯蔵する物質によっては、その物質との化学的な適合性を確保する材質とする場合もある。
なお、上記保護層の厚さが５μｍ未満ではバリア層に傷がつきやすく、燃料漏洩の原因となることがあり、５ｍｍを超えると重量増加、過剰反応となることがある。また、上記保護層の製造方法は上述のバリア層とほぼ同様である。
【００２１】
更に、上記バリア層と上記保護層、及び上記バリア層と上記圧力・強度保持層は、接着されていることが構造安定性等の面から望ましい。この場合の接着方法としては、各層間にプライマー（例えば、アミノシラン系やエポキシシラン系など）を塗布するなどの化学的な処理方法、プラズマ処理などを施して各層間を物理的に処理する方法が例示できる。これらの接着方法は単独で行ってもよいが、両者を組合せて採用するとより接着力を向上できる。
【００２２】
次に、本発明の圧力容器及び燃料タンクについて、詳細に説明する。
本発明の圧力容器は、上述のシェル用積層体を用いたシェル部と、少なくとも１つの開口に設けた口金部と、を有する。かかる圧力容器は、上記シェル用積層体を用いて成るため、十分なガスバリア性を有し、内部層としての十分な強度を有するので、製造時や燃料を貯留・放出したときの信頼性が高い。例えば、図１に示すように、ほぼ球状であって中心軸上の両端に口金部を有する圧力容器（燃料タンク）を挙げることができる。
また、上記シェル部は、図２に例示するように、最外層が圧力・強度保持層となるように配置され、上記口金部とバリア層及び／又は保護層とがシェアプライ層を介して接合されている。
【００２３】
ここで、上記口金部は、金属、樹脂及び繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）のいずれをも材料とすることができる。例えば、金属としては、鉄、アルミニウム、銅、ニッケル又はチタン、及びこれらを任意に組合わせた合金材料、並びにステンレス鋼などを挙げることができる。また、樹脂としては、ナイロン６などのポリアミド類、液晶ポリマーなどのポリエステル類、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどを挙げることができる。更に、圧力容器の軽量化の面からは、アルミニウム、チタン及び炭素繊維／エポキシなどのＦＲＰを用いることがよい。
【００２４】
また、上記口金部の強度や厚さ等は、圧力容器の形状・大きさ、充填する媒体（ガスや液体など）の種類・圧力などに応じて適宜設定することが望ましい。口金部の強度は、シェル用積層体を構成する補強繊維糸の種類、糸の直径、糸の形態、積層体の形状・厚さなどを組合せることで、目的に合致した好適範囲に調整できる。
【００２５】
以上説明した圧力容器は、代表的には、口金部を介して燃料の貯留（充填）及び放出（供給）が可能な燃料タンクとして使用される。充填できる燃料の種類は特に限定されず、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体酸素（ＬＯＸ）、液体水素（ＬＨ２）及びヘリウムガスなどが挙げられる。
【００２６】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の燃料タンクの一例を詳細に説明する。
図１に燃料タンク１の縦断面図及び全体図（側面図）を示す。この燃料タンク１のシェル部は、ガスバリア性を有するバリア層５に、外側から圧力・強度保持層２を被覆し、内側から保護層５’を被覆して成る。また、燃料タンク１は、円筒状の円胴部３’と、この円胴部３’の両端に接合されたほぼ半球状の肩部３とより成る。更に２つの肩部３の先端（極部）には口金部４が取り付けられている。
【００２７】
図２に肩部３の口金部近傍の拡大図を示す。口金部４とバリア層５はシェアプライ層６を介して接合されており、このシェアプライ層６は、燃料タンクに圧力をかけた際に発生する口金部４とバリア層５のせん断応力を緩和するものである。また、シェアプライ層６の材質や厚さなどは、耐圧容器の形状・大きさ、充填するガスの種類・圧力に応じて適宜選択することができる。具体的には、ポリブタジエン、ＮＢＲ、ＥＰＤＭ、シリコンゴム、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂及び液晶ポリマーなどを用い、厚さが５μｍ〜１０ｍｍ程度のものが例示できるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００２８】
更に、シェアプライ層６は、口金部４との接着と成形を兼ねた一体成形、即ち、シェアプライ層６を予め口金部４に接着させておき、その後マンドレルに組付け、バリア層５を成形することができる。かかる一体成形を行うときは、プライマーや接着剤を使用する化学的処理、口金部４の表面にプラズマ処理やサンドブラスト処理を施す物理的処理、を単独又は組合せて採用して、口金部４とシェアプライ層６の接着力を強固なものとすることができる。
また、シェアプライ層６とバリア層５は、バリア層５の成形時に接着又は熱融着させることができ、上記シェアプライ層６と口金部４の接着方法と同様の方法を採用できる。
なお、シェアプライ層６を単独で成形し、接着剤を介して口金部４やバリア層５と接着する方法も採用できるが、より簡略である上記一体成形を採用することが望ましい。
【００２９】
次に、本発明の圧力容器の製造方法について、詳細に説明する。
本発明の圧力容器の製造方法では、マンドレル（芯型）を使用し、各層をフィラメントワインディング法（ＦＷ法）により積層する。
具体的には、まず、所望容積及び所望形状のマンドレルに保護層を設置する。次いで、この保護層上に熱可塑性プラスチックのフィルム又は連続フィラメントをＦＷ法により所望の厚さまで巻装し、バリア層を形成する。更に、このバリア層上に、所定の補強繊維糸より成るフィルム又は連続フィラメントをＦＷ法により所望の厚さまで巻装し、圧力・強度保持層を形成する。その後、マンドレルを取り除き、本発明の圧力容器を得る。
【００３０】
なお、上記製造方法においては、マンドレルと保護層との間に離型用フィルムや耐熱性フィルムなどを被覆して、マンドレルの取り除きを容易化できる。
また、ＦＷ法による保護層や圧力・強度保持層の成形では、フィルムや連続フィラメントは、張り詰めた状態を保持しながら巻装することが良い。
更に、シェル部の強度や厚みなどは、フィラメント等の巻き付け角度を変更するなどして調整でき、例えば、ヘリカル巻きやインプレーン巻きなどを適宜採用できる。
更にまた、ＦＷ法により、積層構造を形成した後に所定の熱処理や化学的処理などを施して更に強度を上げることもできる。また、上記マンドレルとしては、金属製や石膏製のものが例示でき、ＦＷ機のシャフトに固定して使用できる。更に、上記マンドレルは、ＦＷ法による積層後に分解又は破壊して取り除けることが好ましい。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３２】
（実施例１）
１）口元径１００ｍｍ、長さ３００ｍｍ、中央部径３００ｍｍのアルミ製のマンドレルに、予めライナー材となるシェアプライ層を成形したボス（タンク成形後の配管等を取り付けるインターフェイス）を組付けた。
２）その上にクッション性のある熱可塑性ポリイミドフィルム（鐘ヶ淵化学工業社製：ＴＰ−Ｄ）を厚さ１ｍｍで均一に貼付け、外面を離型用フィルムで覆い、耐熱性フィルムでバッキングし内部を真空にして、オートクレーブにて２５０℃×５Ｋｇｆ／ｃｍ^２で約２０分間成形し、離型用フィルム及び耐熱性フィルムを除去した。
３）成形後の熱可塑性ポリイミドフィルムの表面にアミノシラン系のプライマー（住友３Ｍ社製：ＥＣ３９０１）を薄く均一に塗布し風乾させた。
４）更に、その上に厚さ０．１６５ｍｍ（５５μｍ×３層）の液晶ポリマーフィルム（クラレ社製：ベクトラＦＡ）を均一に貼り付けた。
５）その外面を離型用フィルムで覆い、耐熱性のフィルムでバッキングし内部を真空にして、オートクレーブにて２５０℃×５Ｋｇｆ／ｃｍ^２で約２０分間成形し、離型用フィルム及び耐熱性フィルムを除去した。
６）成形後の液晶ポリマーフィルムの表面にアミノシラン系のプライマー（住友３Ｍ社製：ＥＣ３９０１）薄く均一に塗布し風乾させた。
７）成形物をマンドレルごとＦＷマシンにセットし、ヤーンプリプレグ（東邦レーヨン社製：高強度炭素繊維フィラメント／エポキシ樹脂）をインプレーン層とフープ層を交互にワインディングし、それぞれ２層にした。
８）表面を離型フィルム及び耐熱性フィルムでバッキングし、内部を真空にした後オートクレーブにて１５０℃×６Ｋｇｆ／ｃｍ^２で約１２０分間成形し、離型用フィルム及び耐熱性フィルムを除去した。
９）内部のマンドレルを除去し、本例の燃料タンクを得た。なお、このときの保護層の重量は４２０ｇであった。また、ライナー材の重量は６５ｇであった。燃料タンクが図１に示すような両極に口金部を有する構造で、且つ容量１５リットルのものを製造した。
【００３３】
［性能評価及び結果］
この燃料タンクに内圧２ＭＰａになるように酸素ガスを充填し、その燃料タンクを窒素置換した密閉容器に入れて２時間放置後、ガスクロマトグラフィーによって密閉容器内の酸素ガスの量を測定した。その結果、特に酸素ガスは検知されなかった。
【００３４】
（比較例１）
保護層を有しない構成とした以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の燃料タンクを得た。
【００３５】
［性能評価及び結果］
この燃料タンクに内圧２ＭＰａになるように酸素ガスを充填する際に、薄膜であるライナー材（シェアプライ層）の一部が充填衝撃により破損し、測定不可能であった。
【００３６】
（比較例２）
ライナー材（シェアプライ層）の材料を同じ厚さの超高分子ポリエチレンに変えた以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の燃料タンクを得た。
【００３７】
［性能評価及び結果］
この燃料タンクに内圧２ＭＰａになるように酸素ガスを充填し、その燃料タンクを窒素置換した密閉容器に入れて２時間放置後、ガスクロマトグラフィーによって密閉容器内の酸素ガスの量を測定した。その結果、酸素ガス量は５２０ｃｃでありガス漏れを完全に防止することはできなかった。
【００３８】
（比較例３）
ライナー材を厚さ約１０ｍｍの超高分子ポリエチレン製とした以外は、実施例１とほぼ同様な操作を繰り返して、本例の燃料タンクを得た。なお、このときのライナー材の重量は２２００ｇであり実施例１に比べて約３０倍の重量であった。
【００３９】
［性能評価及び結果］
この燃料タンクに内圧２ＭＰａになるように酸素ガスを充填し、その燃料タンクを窒素置換した密閉容器に入れて２時間放置後、ガスクロマトグラフィーによって密閉容器内の酸素ガスの量を測定した。その結果、酸素ガス量は１０ｃｃでありガス漏れを完全に防止することはできなかった。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、フィラメントワインディング法により形成する所定の３層構造を採用することとしたため、軽量であるにも拘らず耐圧性及びガスバリア性に優れ、製造工程が簡単であるとともに製造コストが低く、宇宙産業用としての信頼性が高い、シェル用積層体、圧力容器、燃料タンク及び圧力容器製造方法を提供することができる。
【００４１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料タンクの一例を示す側面図及び断面図である。
【図２】図１の燃料タンクの口金部近傍を拡大した断面図である。
【符号の説明】
１燃料タンク
２圧力・強度保持層
３肩部
３’円胴部
４口金部
５バリア層
５’保護層
６シェアプライ層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shell laminate, a pressure vessel, a fuel tank, and a pressure vessel manufacturing method. More specifically, the present invention relates to a protective layer, a barrier layer, and a pressure / strength holding layer that can simultaneously promote light weight, high performance, and low cost. And a pressure vessel, a fuel tank, and a pressure vessel manufacturing method.
Moreover, the fuel tank of the present invention can be suitably used as a fuel tank for the space industry for mounting liquid and gaseous fuel on a rocket or the like.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
Conventional rocket liquid fuel tanks have been mainly made of aluminum (aluminum alloy) or steel due to demands for airtightness, strength, usage conditions, etc. of the fuel (liquid oxygen, liquid hydrogen).
However, in recent years, the weight reduction of rockets has become the most important issue in plans such as the construction of a space station, and in particular, the weight reduction of tanks with the highest weight ratio in rocket units is required. Recently, aluminum-FRP hybrid tanks have been researched in order to overcome these problems, but there are still many problems with the specific gravity of aluminum and the manufacturing technology for hybridization, and it has not been technically established. .
[0003]
On the other hand, as a natural gas fuel tank for automobiles, a tank using a thermoplastic plastic as a liner material has been proposed (for example, Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-332085
This fuel tank uses polyethylene as the liner material, and its barrier function is not sufficient by itself, and it must be used with a thicker liner material or hybridized with other materials. However, the liquid fuel tank for rockets lacks weight reduction.
Also, if the liner material is exposed on the inside with a thin film, the liner material may be damaged during manufacturing, fuel storage, transportation, etc., and it is a reliable liquid fuel tank for rockets. It is lacking in nature.
Furthermore, when the liner material is formed separately, it is difficult to handle the liner material (especially in the case of a thin film) and lacks reliability, and it is expensive because a separate mold and separate process are required. It has become.
[0006]
In addition, liquid fuel tanks using a liquid crystal polymer with excellent gas barrier function as a liner material have been proposed, but the molding method of the liner material is blow molding, and it is difficult to finely control the thickness due to its manufacturing method. is there. Therefore, the liquid fuel tank for rockets is not reliable. Moreover, since another mold for blow molding is required at the time of molding, it has become expensive (for example, Non-Patent Document 1).
[0007]
[Non-Patent Document 1]
AIAA 95-2355
[0008]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art. The object of the present invention is excellent in pressure resistance and gas barrier properties in spite of being lightweight, and the manufacturing process is simple. An object of the present invention is to provide a shell laminate, a pressure vessel, a fuel tank, and a pressure vessel manufacturing method with low manufacturing costs and high reliability for the space industry. Of course, it is needless to say that it is suitable for general industrial use.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by adopting a predetermined three-layer structure formed by a filament winding method, and to complete the present invention. It came.
[0010]
That is, the shell laminate of the present invention is a shell laminate in which a protective layer, a barrier layer, and a pressure / strength holding layer are laminated in this order,
The protective layer has a thickness of 5 μm to 5 mm and a variation with respect to the average thickness is within ± 20%. The barrier layer is made of a thermoplastic with a variation with respect to the average thickness within ± 20%. The holding layer is characterized in that a reinforcing fiber yarn impregnated with a resin is knitted on the barrier layer.
[0011]
Moreover, the pressure vessel of the present invention is a pressure vessel having a shell portion using the above-mentioned laminated body for shell, and a base portion provided in at least one opening,
The shell portion is disposed such that the outermost layer is a pressure / strength holding layer, and the base portion and the barrier layer and / or the protective layer are joined via a shear ply layer.
[0012]
Furthermore, the fuel tank of the present invention is a fuel tank using the pressure vessel, and is characterized in that fuel can be stored and discharged via a cap portion.
[0013]
Furthermore, when the pressure vessel manufacturing method of the present invention manufactures the pressure vessel,
A protective layer is provided on the mandrel, and a barrier layer and a pressure / strength holding layer are laminated on the protective layer in this order by a filament winding method.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the laminated body for shells of the present invention will be described in detail. In the present specification, “%” indicates a mass percentage unless otherwise specified.
[0015]
As described above, the shell laminate of the present invention is formed by laminating a protective layer, a barrier layer, and a pressure / strength holding layer in this order.
Here, when the fuel is stored in the fuel tank, leakage of the fuel from the tank is prevented by the barrier layer. The barrier layer is preferably a thermoplastic having a gas permeability of 10 cc · mm / m ² · day · atm at O ₂ gas or less (liquid crystal polymer, ethylene vinyl acetate copolymer, etc.). It becomes possible to prevent. Further, it is also preferable to use a thermoplastic polyimide resin having excellent flexibility and elasticity even at an extremely low temperature (−100 to −270 ° C.), which makes it possible to cope with repeated deformation during tank pressurization / depressurization.
[0016]
Moreover, the variation with respect to the average thickness of the barrier layer is within ± 20%. If it exceeds ± 20%, the reliability of the laminated body and the fuel tank using the laminated body will deteriorate. Conventionally known molding techniques such as a filament winding method (FW method) and a hand lay-up method, which will be described later, can be adopted as a manufacturing method that can ensure the accuracy of thickness within ± 20%.
[0017]
Furthermore, the thickness of the barrier layer is preferably 30 μm to 3 mm. In addition, if it is less than 30 micrometers, it will cause a fuel leakage and may cause a fall of quality, and if it exceeds 3 mm, a weight increase and excess performance may be caused.
[0018]
The pressure / strength holding layer is formed by knitting a reinforcing fiber yarn impregnated with a resin on the barrier layer. Such a pressure / strength holding layer is effective because the pressure resistance performance and rigidity of the laminate and the fuel tank using the same are improved.
Further, the pressure / strength holding layer is a fiber reinforced plastic (FRP) formed by knitting the “reinforcing fiber yarn impregnated with resin” on the barrier layer by the FW method or the like, and then heating and melting or curing the yarn. It is preferable that it is a layer which consists of.
[0019]
As the reinforcing fiber yarn, high-strength and high-modulus fiber is suitable, and specific examples include carbon fiber yarn, glass fiber yarn and organic high-elastic yarn (for example, polyaramid and liquid crystal polymer). Is not limited to use alone, and two or more of them can be used in combination. In addition, inorganic fiber yarns can also be used. In this case, stress concentration due to bending can be reduced, and generation of voids can be reduced. However, it is particularly preferable to use carbon fiber from the viewpoints of preventing deterioration in strength characteristics due to yarn joints and fluff mixing, and preventing reduction in impact resistance performance. In this case, specific strength and specific modulus are excellent, and winding is performed. There is almost no occurrence of yarn breakage or fluff at the time, and productivity can be improved.
Examples of the resin impregnated in the reinforcing fiber yarn include thermosetting resins such as epoxy resins, unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, and phenol resins, polyamides, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and ABS. Examples thereof include thermoplastic resins such as resin, polyether ketone, polyphenylene sulfide, poly-4-methylpentene-1, and polypropylene. In particular, it is preferable to use a resin in which the softening temperature of the barrier layer is higher than the softening temperature of the pressure / strength holding layer, and in this case, it is effective because it does not affect the thickness of the accurately formed barrier layer. It is.
[0020]
The protective layer has a thickness of 5 μm to 5 mm and a variation with respect to the average thickness is within ± 20%. With such a protective layer, the barrier layer can be protected at the time of manufacturing a laminated body or a fuel tank using the same, storing or transporting the fuel. In other words, damage to the barrier layer that has been made extremely thin for weight reduction is prevented.
As the protective layer, it is typically desirable to use a material having a cushioning action, such as a stretchable thermoplastic, silicon rubber, or polybutadiene rubber. The protective layer may be made of a material that ensures chemical compatibility with the substance depending on the substance stored in the container.
If the thickness of the protective layer is less than 5 μm, the barrier layer is easily damaged, which may cause fuel leakage. If the thickness exceeds 5 mm, the weight may increase and excessive reaction may occur. Moreover, the manufacturing method of the said protective layer is substantially the same as the above-mentioned barrier layer.
[0021]
Further, the barrier layer and the protective layer, and the barrier layer and the pressure / strength holding layer are preferably bonded from the viewpoint of structural stability. As an adhesion method in this case, there are a chemical treatment method such as applying a primer (for example, amino silane type or epoxy silane type) between each layer, and a method of physically treating each layer by performing plasma treatment or the like. It can be illustrated. These bonding methods may be performed independently, but the adhesive force can be further improved when they are used in combination.
[0022]
Next, the pressure vessel and fuel tank of the present invention will be described in detail.
The pressure vessel of this invention has the shell part using the above-mentioned laminated body for shells, and the nozzle | cap | die part provided in at least 1 opening. Since such a pressure vessel is formed using the above-mentioned laminated body for shells, it has a sufficient gas barrier property and sufficient strength as an inner layer, and therefore has high reliability at the time of production and when fuel is stored and discharged. . For example, as shown in FIG. 1, a pressure vessel (fuel tank) having a substantially spherical shape and having cap portions at both ends on the central axis can be mentioned.
In addition, as illustrated in FIG. 2, the shell portion is disposed so that the outermost layer is a pressure / strength holding layer, and the base portion and the barrier layer and / or the protective layer are bonded via a shear ply layer. Has been.
[0023]
Here, the base part can be made of any of metal, resin, and fiber reinforced plastic (FRP). For example, examples of the metal include iron, aluminum, copper, nickel, or titanium, an alloy material in which these are arbitrarily combined, and stainless steel. Examples of the resin include polyamides such as nylon 6, polyesters such as liquid crystal polymer, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyether imide, polyimide, polyether ether ketone, and the like. Furthermore, from the viewpoint of weight reduction of the pressure vessel, it is preferable to use FRP such as aluminum, titanium and carbon fiber / epoxy.
[0024]
Further, it is desirable that the strength, thickness, and the like of the cap part are appropriately set according to the shape and size of the pressure vessel, the type and pressure of the medium (gas, liquid, etc.) to be filled. The strength of the base portion can be adjusted to a suitable range that matches the purpose by combining the types of reinforcing fiber yarns constituting the shell laminate, the yarn diameter, the yarn form, the shape and thickness of the laminate, etc. .
[0025]
The pressure vessel described above is typically used as a fuel tank capable of storing (filling) and discharging (supplying) fuel via a base. The type of fuel that can be filled is not particularly limited, and examples thereof include liquefied natural gas (LNG), liquid oxygen (LOX), liquid hydrogen (LH2), and helium gas.
[0026]
Here, with reference to FIG.1 and FIG.2, an example of the fuel tank of this invention is demonstrated in detail.
FIG. 1 shows a longitudinal sectional view and an overall view (side view) of the fuel tank 1. The shell of the fuel tank 1 is formed by coating a barrier layer 5 having gas barrier properties with a pressure / strength holding layer 2 from the outside and a protective layer 5 ′ from the inside. The fuel tank 1 includes a cylindrical cylindrical portion 3 ′ and a substantially hemispherical shoulder portion 3 joined to both ends of the cylindrical portion 3 ′. Further, a base 4 is attached to the tips (poles) of the two shoulders 3.
[0027]
FIG. 2 shows an enlarged view of the vicinity of the base portion of the shoulder portion 3. The base part 4 and the barrier layer 5 are joined via a shear ply layer 6, and this shear ply layer 6 relieves the shear stress of the base part 4 and the barrier layer 5 generated when pressure is applied to the fuel tank. To do. The material and thickness of the shear ply layer 6 can be appropriately selected according to the shape and size of the pressure vessel, the type and pressure of the gas to be filled. Specifically, polybutadiene, NBR, EPDM, silicon rubber, polyimide resin, epoxy resin, liquid crystal polymer, and the like can be exemplified, but those having a thickness of about 5 μm to 10 mm are not necessarily limited thereto.
[0028]
Further, the shear ply layer 6 is integrally formed to be bonded and molded with the base part 4, that is, the shear ply layer 6 is bonded to the base part 4 in advance and then assembled to the mandrel to form the barrier layer 5. can do. When such integral molding is performed, a chemical treatment using a primer or an adhesive and a physical treatment in which a plasma treatment or a sandblast treatment is performed on the surface of the die part 4 are employed singly or in combination to share with the die part 4. The adhesive force of the ply layer 6 can be strengthened.
Further, the shear ply layer 6 and the barrier layer 5 can be bonded or heat-sealed at the time of molding the barrier layer 5, and the same method as the method for bonding the shear ply layer 6 and the base part 4 can be adopted.
In addition, although the method of shape | molding the shear ply layer 6 independently and adhere | attaching with the nozzle | cap | die part 4 and the barrier layer 5 via an adhesive agent can also be employ | adopted, it is desirable to employ | adopt the said simple integral formation.
[0029]
Next, the manufacturing method of the pressure vessel of this invention is demonstrated in detail.
In the method for manufacturing a pressure vessel of the present invention, a mandrel (core type) is used, and each layer is laminated by a filament winding method (FW method).
Specifically, first, a protective layer is placed on a mandrel having a desired volume and a desired shape. Next, a thermoplastic film or continuous filament is wound on the protective layer to a desired thickness by the FW method to form a barrier layer. Further, a film or continuous filament made of a predetermined reinforcing fiber yarn is wound on the barrier layer to a desired thickness by the FW method to form a pressure / strength holding layer. Thereafter, the mandrel is removed to obtain the pressure vessel of the present invention.
[0030]
In the above production method, the mandrel can be easily removed by covering the mandrel and the protective layer with a release film or a heat-resistant film.
In forming the protective layer and the pressure / strength holding layer by the FW method, the film and the continuous filament are preferably wound while holding the stretched state.
Furthermore, the strength and thickness of the shell portion can be adjusted by changing the winding angle of the filament or the like. For example, helical winding or in-plane winding can be appropriately employed.
Furthermore, the strength can be further increased by performing a predetermined heat treatment or chemical treatment after forming the laminated structure by the FW method. Moreover, as said mandrel, the thing made from a metal or a gypsum can be illustrated and it can fix and use on the shaft of FW machine. Furthermore, it is preferable that the mandrel is decomposed or destroyed after lamination by the FW method.
[0031]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.
[0032]
(Example 1)
1) A boss (an interface for attaching a pipe after tank formation) in which a shear ply layer serving as a liner material was previously formed was assembled on an aluminum mandrel having a mouth diameter of 100 mm, a length of 300 mm, and a central part diameter of 300 mm.
2) A cushioning thermoplastic polyimide film (Kanegatake Chemical Industry Co., Ltd .: TP-D) is evenly pasted at a thickness of 1 mm, and the outer surface is covered with a release film, and then backed with a heat-resistant film. The inside was evacuated and molded in an autoclave at 250 ° C. × 5 kgf / cm ² for about 20 minutes to remove the release film and heat resistant film.
3) An aminosilane-based primer (manufactured by Sumitomo 3M: EC3901) was thinly and uniformly applied to the surface of the molded thermoplastic polyimide film and allowed to air dry.
4) Further, a liquid crystal polymer film (Kuraray Co., Ltd .: Vectra FA) having a thickness of 0.165 mm (55 μm × 3 layers) was uniformly attached thereon.
5) Covering the outer surface with a release film, backing with a heat resistant film, evacuating the inside, and molding in an autoclave at 250 ° C. × 5 Kgf / cm ² for about 20 minutes, releasing film and heat resistant film Was removed.
6) An aminosilane-based primer (manufactured by Sumitomo 3M: EC3901) was thinly and uniformly applied to the surface of the molded liquid crystal polymer film and allowed to air dry.
7) The molded product was set on the FW machine together with the mandrel, and the yarn prepreg (manufactured by Toho Rayon Co., Ltd .: high-strength carbon fiber filament / epoxy resin) was alternately wound into the in-plane layer and the hoop layer to form two layers.
8) The surface was backed with a release film and a heat-resistant film, the inside was evacuated, and then molded in an autoclave at 150 ° C. × 6 kgf / cm ² for about 120 minutes to remove the release film and the heat-resistant film.
9) The internal mandrel was removed to obtain the fuel tank of this example. The weight of the protective layer at this time was 420 g. The weight of the liner material was 65 g. A fuel tank having a structure having caps at both poles as shown in FIG. 1 and a capacity of 15 liters was manufactured.
[0033]
[Performance evaluation and results]
The fuel tank was filled with oxygen gas to an internal pressure of 2 MPa, the fuel tank was placed in a sealed container purged with nitrogen and allowed to stand for 2 hours, and the amount of oxygen gas in the sealed container was measured by gas chromatography. As a result, oxygen gas was not particularly detected.
[0034]
(Comparative Example 1)
Except for the configuration without the protective layer, the same operation as in Example 1 was repeated to obtain a fuel tank of this example.
[0035]
[Performance evaluation and results]
When this fuel tank was filled with oxygen gas so as to have an internal pressure of 2 MPa, a part of the liner material (shear ply layer), which is a thin film, was damaged by the filling impact, and measurement was impossible.
[0036]
(Comparative Example 2)
A fuel tank of this example was obtained by repeating the same operation as in Example 1 except that the material of the liner material (shear ply layer) was changed to ultrahigh molecular weight polyethylene having the same thickness.
[0037]
[Performance evaluation and results]
The fuel tank was filled with oxygen gas to an internal pressure of 2 MPa, the fuel tank was placed in a sealed container purged with nitrogen and allowed to stand for 2 hours, and the amount of oxygen gas in the sealed container was measured by gas chromatography. As a result, the amount of oxygen gas was 520 cc, and gas leakage could not be completely prevented.
[0038]
(Comparative Example 3)
A fuel tank of this example was obtained by repeating substantially the same operation as in Example 1 except that the liner material was made of ultra high molecular polyethylene having a thickness of about 10 mm. The weight of the liner material at this time was 2200 g, which was about 30 times that of Example 1.
[0039]
[Performance evaluation and results]
The fuel tank was filled with oxygen gas to an internal pressure of 2 MPa, the fuel tank was placed in a sealed container purged with nitrogen and allowed to stand for 2 hours, and the amount of oxygen gas in the sealed container was measured by gas chromatography. As a result, the amount of oxygen gas was 10 cc, and gas leakage could not be completely prevented.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the predetermined three-layer structure formed by the filament winding method is adopted, it is excellent in pressure resistance and gas barrier property despite being lightweight, and the manufacturing process is simple. In addition, it is possible to provide a shell laminate, a pressure vessel, a fuel tank, and a pressure vessel manufacturing method that have low manufacturing costs and high reliability for the space industry.
[0041]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view and a sectional view showing an example of a fuel tank of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of a cap portion of the fuel tank of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel tank 2 Pressure / strength maintenance layer 3 Shoulder part 3 'Circle part 4 Base part 5 Barrier layer 5' Protective layer 6 Share ply layer

Claims

保護層、バリア層及び圧力・強度保持層をこの順に積層したシェル用積層体であって、
上記保護層は厚さが５μｍ〜５ｍｍで平均厚さに対するバラツキが±２０％以内であり、上記バリア層は平均厚さに対するバラツキが±２０％以内である熱可塑性プラスチックより成り、上記圧力・強度保持層は樹脂を含浸させた補強繊維糸を該バリア層上に編成して成ることを特徴とするシェル用積層体。A laminated body for a shell in which a protective layer, a barrier layer, and a pressure / strength holding layer are laminated in this order,
The protective layer has a thickness of 5 μm to 5 mm and a variation with respect to the average thickness is within ± 20%. The barrier layer is made of a thermoplastic with a variation with respect to the average thickness within ± 20%. A laminate for a shell, wherein the holding layer is formed by knitting a reinforcing fiber yarn impregnated with a resin on the barrier layer.

上記バリア層の厚さが３０μｍ〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のシェル用積層体。The laminate for a shell according to claim 1, wherein the barrier layer has a thickness of 30 to 3 mm.

上記バリア層がポリイミド樹脂を含んで成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のシェル用積層体。The shell laminate according to claim 1 or 2, wherein the barrier layer comprises a polyimide resin.

上記バリア層を構成する熱可塑性プラスチックが液晶ポリマーであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のシェル用積層体。The laminate for a shell according to any one of claims 1 to 3, wherein the thermoplastic plastic constituting the barrier layer is a liquid crystal polymer.

上記バリア層の軟化温度が、上記圧力・強度保持層の軟化温度より高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のシェル用積層体。The shell laminate according to any one of claims 1 to 4, wherein a softening temperature of the barrier layer is higher than a softening temperature of the pressure / strength holding layer.

上記圧力・強度保持層が繊維強化プラスチックより成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のシェル用積層体。6. The shell laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the pressure / strength holding layer is made of a fiber reinforced plastic.

上記圧力・強度保持層がフィラメントワインディング法で形成されて成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載のシェル用積層体。The laminated body for a shell according to any one of claims 1 to 6, wherein the pressure / strength holding layer is formed by a filament winding method.

請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のシェル用積層体を用いたシェル部と、少なくとも１つの開口に設けた口金部と、を有する圧力容器であって、
上記シェル部は最外層が圧力・強度保持層となるように配置され、上記口金部とバリア層及び／又は保護層とがシェアプライ層を介して接合されていることを特徴とする圧力容器。A pressure vessel having a shell portion using the shell laminate according to any one of claims 1 to 7 and a base portion provided in at least one opening,
The pressure vessel, wherein the shell portion is disposed such that an outermost layer is a pressure / strength holding layer, and the base portion and the barrier layer and / or the protective layer are joined via a shear ply layer.

請求項８に記載の圧力容器を用いた燃料タンクであって、口金部を介して燃料を貯留及び放出できることを特徴とする燃料タンク。It is a fuel tank using the pressure vessel of Claim 8, Comprising: The fuel tank characterized by being able to store and discharge | release fuel via a nozzle | cap | die part.

請求項８に記載の圧力容器を製造するに当たり、
マンドレルに保護層を設置し、該保護層上にバリア層及び圧力・強度保持層をこの順にフィラメントワインディング法により積層することを特徴とする圧力容器製造方法。In manufacturing the pressure vessel according to claim 8,
A method for producing a pressure vessel, comprising: providing a protective layer on a mandrel, and laminating a barrier layer and a pressure / strength holding layer on the protective layer in this order by a filament winding method.

上記圧力・強度保持層の製造後、上記マンドレルを分解又は破壊して取り除くことを特徴とする請求項１０に記載の圧力容器製造方法。The pressure vessel manufacturing method according to claim 10, wherein the mandrel is decomposed or destroyed after the pressure / strength holding layer is manufactured.