JP6077489B2 - 圧力容器及びフィラメントワインディング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、気体又は液体を貯留する圧力容器及びフィラメントワインディング方法に関する。
高圧の気体又は液体を貯留することができる圧力容器が知られている。例えば、特許文献１に記載の圧力容器は、中空部を備えた樹脂製のライナーと、当該ライナーの端部に設けられた口金部材と、ライナー及び口金部材を覆う補強層（ＦＲＰ層）とで構成されている。補強層は、炭素繊維又はガラス繊維等の強化繊維を硬化性樹脂に含浸させつつ、ライナーの周囲にフィラメントワインディングによって巻回して形成されている。フィラメントワインディングは、例えば、高角度ヘリカル巻き、低角度ヘリカル巻き又はフープ巻き等の巻回方法が知られている。
図１１は、従来の圧力容器を示す拡大断面図である。図１１では、補強層を形成する際において、ライナー１０２に第一層Ｚ１及び第二層Ｚ２を形成する場合を模式的に描画している。図１１に示すように、第一層Ｚ１を形成する際には、例えば、複数のトウを帯状にしたバンド１１１に硬化性樹脂を含浸させつつ、隣り合うバンド１１１，１１１を１トウ分（１束分）重ね合わせてラップ部１２１，１２２を形成しながらライナー１０２の周囲に巻回させる。第一層Ｚ１を形成する際には、例えば、低角度ヘリカル巻きで巻回する。バンド１１１は、端部を重ね合わせずに隣り合うバンド１１１，１１１を互いに沿わせて巻回することも考えられるが、巻回する際のバラつきで隣り合うバンド１１１，１１１間に隙間が発生するのを防ぐため、隣り合うバンド１１１，１１１の端部を重ね合わせている。
また、第二層Ｚ２を形成する際には、例えば、硬化性樹脂をバンド１１２に含浸させつつ、隣り合うバンド１１２，１１２を１トウ分重ね合わせてラップ部を形成しながらライナー１０２（第一層Ｚ１）の周囲に巻回させる。第二層Ｚ２を形成する際には、例えば、フープ巻きで巻回する。つまり、第二層Ｚ２は、第一層Ｚ１のバンド１１１を交差するように巻回して形成される。
特開２０１２−２４６９６２号公報
図１１に示すように、第一層Ｚ１のラップ部１２１，１２２の厚さｔ２は、ラップされていない部位の厚さｔ１の二倍の厚さになる。これにより、補強層を構成する各層に段差が発生するため、補強層の厚さを均一にすることが困難となる。また、ラップ部１２１，１２２は厚さが概ね二倍になることから、ラップされていない部位に比べて強度が大きくなるため、補強層の強度の均一化を図ることが困難となる。
本発明はこのような課題を解決するために創作されたものであり、補強層の厚さの均一化を図ることができるか、又は、補強層の強度の均一化を図ることができる圧力容器を提供することを課題とする。また、本発明は、補強層の厚さの均一化を図ることができるか、又は、補強層の強度の均一化を図ることができるフィラメントワインディング方法を提供することを提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明は、中空部を備えたライナーと、前記ライナーの周囲を覆う補強層と、を有する圧力容器において、前記補強層は、強化繊維で構成されたバンドを前記ライナーの周囲に巻回するとともに前記バンドを積層して形成されており、前記補強層の各層には、隣り合う前記バンドの端部同士が重ね合わされたラップ部が形成されており、前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部は、そのバンドの他の部位よりも薄く形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、強化繊維で構成されたバンドを構造物の周囲に巻回して前記バンドが積層された補強層を形成するフィラメントワインディング方法において、隣り合う前記バンドの端部同士を重ね合わせてラップ部を形成しつつ、前記構造物に前記バンドを巻回する工程を含み、前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部を、そのバンドの他の部位よりも薄くすることを特徴とする。
かかる構成によれば、ラップ部を構成するバンドの少なくとも一方の端部を薄くすることでラップ部の厚さが薄くなるため、補強層の厚さの均一化を図ることができる。また、バンドの端部の厚さを薄くする分、圧力容器の軽量化を図ることができるとともに、材料コストを低減することができる。
また、前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部の単位面積当たりの強度は、そのバンドの他の部位の単位面積当たりの強度よりも高くなるように形成されていることが好ましい。
かかる構成によれば、補強層の厚さの均一化を図ることができるとともに、補強層の強度の均一化を図ることができる。
また、本発明は、中空部を備えたライナーと、前記ライナーの周囲を覆う補強層と、を有する圧力容器において、前記補強層は、強化繊維で構成されたバンドを前記ライナーの周囲に巻回するとともに前記バンドを積層して形成されており、前記補強層の各層には、隣り合う前記バンドの端部同士が重ね合わされたラップ部が形成されており、前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部の単位面積当たりの強度は、そのバンドの他の部位の単位面積当たりの強度よりも低く形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、強化繊維で構成されたバンドを構造物の周囲に巻回して前記バンドが積層された補強層を形成するフィラメントワインディング方法において、隣り合う前記バンドの端部同士を重ね合わせてラップ部を形成しつつ、前記構造物に前記バンドを巻回する工程を含み、前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部の単位面積当たりの強度を、そのバンドの他の部位の単位面積当たりの強度よりも低くすることを特徴とする。
かかる構成によれば、ラップ部を構成するバンドの少なくとも一方の端部の強度を低くすることで、材料コストを低減するとともに、補強層の強度の均一化を図ることができる。
また、前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部は、そのバンドの他の部位よりも薄く形成されていることが好ましい。
かかる構成によれば、材料コストの更なる低減ができるとともに、補強層の厚さの均一化を図ることができる。
本発明に係る圧力容器及びフィラメントワインディング方法によれば、補強層の厚さの均一化を図ることができるか、又は、補強層の強度の均一化を図ることができる。
本発明の第一実施形態に係る圧力容器を示す鉛直断面図である。 （ａ）は図１のI-I断面図であり、（ｂ）は（ａ）の補強層の第一層及び第二層を示す拡大断面図である。 第一実施形態に係るバンドを示す断面図である。 第一実施形態に係る補強層形成装置を示す全体斜視図である。 （ａ）は第一層形成工程を８分割で巻回した場合の８周目終了時を示す側面図であり、（ｂ）は第一層形成工程の９周目を示す側面図である。 （ａ）は従来例の強度を示す概念図であり、（ｂ）は第一実施形態の強度を示す概念図である。 （ａ）は第一実施形態の第一変形例の強度を示す概念図であり、（ｂ）は第一実施形態の第二変形例の強度を示す概念図である。 （ａ）は第一実施形態の第三変形例に係るバンドを示す断面図であり、（ｂ）は第一実施形態の第三変形例に係る補強層の第一層及び第二層を示す拡大断面図である。 （ａ）は第二実施形態に係るバンドを示す断面図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る補強層の第一層及び第二層を示す拡大断面図である。 （ａ）は第二実施形態の強度を示す概念図であり、（ｂ）は第二実施形態の変形例の強度を示す概念図である。 従来の圧力容器を示す拡大断面図である。
［第一実施形態］
本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る圧力容器１は、ライナー２と、口金部材３，３と、補強層４とで主に構成されている。圧力容器１は、例えば、内部に液体又は気体を収容することができる中空容器である。なお、以下の説明において、口金部材３の中心軸を「Ｘ軸」とし、Ｘ軸に直交する軸を「Ｙ軸」とする。
図１に示すように、ライナー２は、樹脂製であって内部が中空になっている。ライナー２の材料は特に制限されないが、収容する気体又は液体の種類や用途に応じて、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリアミド、ポリケトン、ポリフェニレンサルフィド（ＰＰＳ）などが用いられる。ライナー２を樹脂で形成することで、軽量化を図ることができる。
ライナー２は、本実施形態では、円筒状を呈する胴部２ａと、胴部２ａの両側に形成された肩部２ｃ，２ｃと、一方の肩部２ｃにおいてＸ軸に沿って注排方向外側に突出する筒状のネック部２ｂと、で構成されている。肩部２ｃは湾曲して形成されている。胴部２ａ、ネック部２ｂ及び肩部２ｃは、本実施形態では一体成形されているが、複数のピースを溶着して構成してもよい。口金部材３は、ネック部２ｂの径方向内側に配設される金属製の筒状部材である。口金部材３は、本実施形態では、ネック部２ｂの径方向内側に配設されているが、ネック部２ｂの径方向外側に配設されていてもよい。
補強層（ＦＲＰ層）４は、ライナー２及び口金部材３の周囲を覆うように形成されている。補強層４は、炭素繊維又はガラス繊維等の強化繊維が積層されるとともに、成形時に強化繊維に含浸された硬化性樹脂が硬化することにより一体化されている。
図２の（ａ）に示すように、補強層４は、第一層Ｚ１、第二層Ｚ２、第三層Ｚ３、第四層Ｚ４、・・・第ｎ層とライナー２の周囲に強化繊維が積層されている。なお、図２の（ａ）及び（ｂ）において、実際の補強層４の各層Ｚｎは非常に薄いものであるが、説明の便宜上、各層の厚さを実寸よりも大きく描画している。
強化繊維の積層数については、圧力容器１の用途に応じて適宜設定すればよい。強化繊維の巻回方法は特に制限されないが、例えば、低角度ヘリカル巻、フープ巻き、高角度ヘリカル巻き等の複数種類の巻回方法を適宜選択してバランスよく巻回することが好ましい。
図２の（ｂ）は、補強層の第一層及び第二層を示す拡大断面図である。図２の（ｂ）に示すように、ライナー２の外周面に接触する第一層Ｚ１は、バンド１１（１１Ａ），１１（１１Ｂ），１１（１１Ｃ）の端部同士を重ね合わせつつ低角度ヘリカル巻で巻回して形成されている。第一層Ｚ１は、ライナー２の胴部２ａ及び肩部２ｃ，２ｃの全体に亘って形成されている。なお、以下の説明においては、巻回される各バンドを符号「１１Ａ」、「１１Ｂ」、「１１Ｃ」を付して区別する。
図３に示すように、バンド１１は、第一トウ１１ａ、第二トウ１１ｂ、第三トウ１１ｃ、第四トウ１１ｄ及び第五トウ１１ｅを横方向に並設して構成されている。
バンド１１の各トウは、ガラス繊維、炭素繊維等の強化繊維の束である。各束は、本実施形態では、同じ種類の強化繊維を用いている。第二トウ１１ｂ、第三トウ１１ｃ及び第四トウ１１ｄは、それぞれ同等の幅及び厚さで構成されている。一方、バンド１１の端部を構成する第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの幅は、第二トウ１１ｂと同等になっているが、厚さは第二トウ１１ｂの半分程度になっている。本実施形態では、第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの炭素繊維の本数を、第二トウ１１ｂの半分程度に設定することで、半分の厚さにしている。
図２の（ｂ）に示すように、第一層Ｚ１においては、隣り合うバンド１１Ａ，１１Ｂの端部同士が重ね合わされてラップ部２１が形成されている。また、隣り合うバンド１１Ｂ，１１Ｃの端部同士が重ね合わされてラップ部２２が形成されている。隣り合うバンド１１が重ね合わされない部位、つまり、第二トウ１１ｂ〜第四トウ１１ｄは非ラップ部２３となる。
ラップ部２１は、バンド１１Ａの第五トウ１１ｅの上に、バンド１１Ｂの第一トウ１１ａが重ね合わされて形成されている。ラップ長は適宜設定すればよいが、本実施形態ではラップ長を１トウ分（１束分）に設定している。前記したようにバンド１１Ａの第五トウ１１ｅ及びバンド１１Ｂの第一トウ１１ａの各厚さは、第二トウ１１ｂの厚さｔ１の半分程度になっている。したがって、ラップ部２１の厚さｔ２は、非ラップ部２３の厚さｔ１と略同等になっている。
ラップ部２２は、バンド１１Ｂの第五トウ１１ｅの上に、バンド１１Ｃの第一トウ１１ａが重ね合わされて形成されている。前記したようにバンド１１Ｂの第五トウ１１ｅ及びバンド１１Ｃの第一トウ１１ａの各厚さは、第二トウ１１ｂの厚さｔ１の半分程度になっている。したがって、ラップ部２２の厚さｔ２は、非ラップ部２３の厚さｔ１と略同等になっている。
図２の（ｂ）に示すように、第二層Ｚ２は、第一層Ｚ１の外周面にフープ巻きで巻回して形成されている。図１を参照するように、フープ巻きでは、ライナー２の胴部２ａの周方向（Ｙ軸方向）に沿ってバンド１２を巻回する。これにより、バンド１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを交差するようにバンド１２が巻回される。第二層Ｚ２においても、第一層Ｚ１と同様に、バンド１２の端部が１トウ分重ね合わせることによりラップ部が形成されるとともに、隣り合うバンド１２が重ね合わされない非ラップ部が形成されている。
具体的な図示は省略するが、第三層Ｚ３以降も、第一層Ｚ１及び第二層Ｚ２と同様に、バンドの端部が１トウ分重ね合わされることによりラップ部が形成されるとともに、隣り合うバンドが重ね合わされない非ラップ部が形成されている。
次に、補強層４を形成する補強層形成工程について説明する。図４に示すように、本実施形態に係る補強層形成工程では、補強層形成装置５０を用いてフィラメントワインディングを行う。まずは、５つのトウを一のバンドとする場合の補強層形成装置５０について説明する。補強層形成装置５０は、第一ロールＲ１〜第五ロールＲ５と、集約部Ｐと、樹脂含浸部Ｔと、治具Ｕと、回転軸Ｖと、で主に構成されている。なお、ライナー２の端部には、口金部材３，３が固定されている。
第一ロールＲ１〜第五ロールＲ５は、強化繊維が巻回されているボビンである。第一ロールＲ１は第一トウ１１ａを供給するボビンであり、第二ロールＲ２は第二トウ１１ｂを供給するボビンであり、以下同様に第三ロールＲ３〜第五ロールＲ５は、第三トウ１１ｃ〜第五トウ１１ｅをそれぞれ供給するボビンである。本実施形態では、第一ロールＲ１及び第五ロールＲ５から供給される束の強化繊維の本数は、第二ロールＲ２〜第四ロールＲ４から供給される束の強化繊維の本数の半分程度になっている。
集約部Ｐは、第一トウ１１ａ〜第五トウ１１ｅが横方向に並設するように集約してバンド１１，１２を形成する部位である。樹脂含浸部Ｔは、硬化性樹脂が貯留されたパレットＴ１を備えている。樹脂含浸部Ｔは、バンド１１，１２が通過することによって、バンド１１，１２に硬化性樹脂が含浸されるように構成されている。
治具Ｕは、樹脂含浸部Ｔとライナー２との間に配設されるとともに、硬化性樹脂が含浸されたバンド１１，１２を挿通可能に支持する。また、治具Ｕは、回転軸Ｖの長手方向に往復可能に構成されている。回転軸Ｖは、ライナー２を移動不能に保持するとともに軸周りに回転する部材である。
補強層形成装置５０は、回転軸Ｖの回転によってライナー２を回転させつつ、治具Ｕを回転軸Ｖの長手方向に沿って往復動させることでライナー２の周囲にバンド１１，１２を巻回する。補強層形成装置５０は、図示しない制御部を備えており、当該制御部を操作することにより、フィラメントワインディングの巻回方法、ラップ長、巻回速度等を設定できるようになっている。
補強層形成工程では、第一層形成工程、第二層形成工程、第ｎ層形成工程を行う。本実施形態ではバンドをｎ層積層させるものであるが、ここでは第一層形成工程及び第二層形成工程について説明する。
図５の（ａ）は第一層形成工程を８分割で巻回した場合の８周目終了時を示す側面図であり、（ｂ）は第一層形成工程の９周目を示す側面図である。図５の（ａ）に示すように、補強層４の第一層Ｚ１を形成する第一層形成工程では、例えば低角度ヘリカル巻きでライナー２の周囲にバンド１１を巻回する。より具体的には、ライナー２の胴部２ａ、一方の肩部２ｃ、胴部２ａ、他方の肩部２ｃ、胴部２ａの順番でバンド１１に所定のテンションをかけつつ巻回する。配向角度（軸Ｘに対する角度）は適宜設定すればよいが、例えば、本実施形態では１５°程度に設定する。
本実施形態では、８周目で第一サイクルが終了となる。第二サイクル目からは隣り合うバンド１１，１１を重ね合わせてラップ部２１を形成しながら巻回していく。
即ち、図５の（ｂ）に示すように、第二サイクルの１周目（計９周目）では、既に巻回されたバンド１１Ａの端部に、バンド１１Ｂの端部を１トウ分（１束分）重ね合せつつ巻回する。これにより、ラップ部２１が形成される。同様に、バンド１１の端部を重ね合せながら巻回していき、ライナー２の外周面がバンド１１で隙間なく覆われることにより第一層Ｚ１が形成される。
第一層形成工程が終了したら、第二層形成工程に移行する。補強層４の第二層Ｚ２を形成する第二層形成工程では、例えばフープ巻きでライナー２の周囲（第一層Ｚ１の周囲）にバンド１２を巻回する。配向角度（軸Ｘに対する角度）は適宜設定すればよいが、例えば、本実施形態では８８°程度に設定する。具体的な図示は省略するが、第二層形成工程では、第一層形成工程と同じ要領でバンド１２の端部を１トウ分ずつ重ね合せながら巻回する。胴部２ａの周囲がバンド１２で隙間なく覆われることにより第二層Ｚ２が形成される。
その後は、第三層形成工程、第四層形成工程、第ｎ層形成工程と、巻回方法を変更しながら順次バンドを巻回する。予め設定した層数が巻回されたら、各バンドに含浸された樹脂を乾燥させる乾燥工程を行う。これにより、補強層４が形成される。
以上説明した本実施形態に係る圧力容器１によれば、図２の（ｂ）に示すように、ラップ部２１，２２を構成するバンド１１Ａ，１１Ｂ（バンド１１Ｂ，１１Ｃ）の端部を薄くすることでラップ部２１，２２の厚さが薄くなるため、補強層４の厚さの均一化を図ることができる。
特に、本実施形態では、バンド１１の第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの厚さを、他のトウ（例えば、第二トウ１１ｂ）の厚さの半分に設定しつつ、ラップ長を１トウ分に設定している。言い換えると、第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの厚さを、他のトウの厚さの半分に設定しつつ、バンド１１の端部の薄い部位の幅と、ラップ長とを同等に設定している。これにより、ラップ部２１，２２の厚さｔ２は、非ラップ部２３の厚さｔ１と同等の厚さとなるため、厚さの均一化を図ることができる。よって、第二層Ｚ２以降を形成する際に、段差の無い状態で巻回することができる。さらに、第二層Ｚ２以降も第一層Ｚ１と同じ要領で形成するため、補強層４全体として厚さの均一化を図ることができる。
また、本実施形態によれば、バンド１１，１２の端部の厚さを薄くする分、圧力容器１の軽量化を図ることができるとともに、材料コストを低減することができる。
図６の（ａ）は従来例の強度を示す概念図であり、（ｂ）は第一実施形態の強度を示す概念図である。図６の（ａ）に示すように、従来例では、バンド１１１（１１１Ａ）及びバンド１１１（１１１Ｂ）の各トウの厚さ及び強度は全て同一になっている。ここでは、各トウの単位強度を、例えば「１．０」とする。従来例では、各トウの厚さ及び強度が全て同一であるため、ラップ部１２１の実強度は概ね「２．０」となる。
一方、図６の（ｂ）に示すように、第一実施形態の場合、第一トウ１１ａ〜第五トウ１１ｅの単位強度は「１．０」で同一になっているが、ラップ部２１を構成する第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの厚さは他の部位に比べて半分になっている。したがって、第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの実強度は概ね「０．５」となる。よって、ラップ部２１の実強度は、第一トウ１１ａの強度と第五トウ１１ｅの強度の和となるため、概ね「１．０」となる。これにより、ラップ部２１と非ラップ部２３との単位面積当たりの強度の均一化を図ることができる。
強度の均一化を図る場合は、圧力容器１に内圧が作用したときに、ラップ部２１，２２に作用する単位面積当たりの反力と、非ラップ部２３に作用する単位面積当たりの反力が略同等になるように、第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの性能（例えば、引張強度、弾性率等）の選定をすることが好ましい。
なお、図６では、ラップ部２１及び非ラップ部２３の強度について説明したが、例えば剛性についても同様である。つまり、第一実施形態によれば、ラップ部２１と非ラップ部２３との単位面積当たりの剛性の均一化を図ることができる。
剛性の均一化を図る場合は、圧力容器１に内圧が作用したときに、ラップ部２１，２２に作用する曲げ応力と、非ラップ部２３に作用する曲げ応力が略同等になるように、第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの性能（例えば、引張強度、弾性率等）の選定をすることが好ましい。
また、図１１を参照するように、従来の補強層であると第一層Ｚ１の上に第二層Ｚ２を形成する際に、第一層Ｚ１のラップ部１２１の両脇に隙間Ｓが形成されていた。当該隙間Ｓが形成されると、含浸された硬化性樹脂が隙間Ｓに溜まりやすくなるため強度低下の原因となっていた。しかし、本実施形態では、図２の（ｂ）に示すように、バンド１１の端部の厚さを半分にするとともに、端部の薄い部位の幅と、ラップ長とを同等に設定している。これにより、第一層Ｚ１に段差が形成されないため、第二層Ｚ２を巻回する際に隙間Ｓが形成されるのを防ぐことができる。
また、図１１を参照するように、従来の補強層であるとラップ部１２１，１２２でバンド１１２が折れて屈折部１３０が形成されていた。屈折部１３０には応力が集中しやすくなるため、強度低下の原因となっていた。しかし、本実施形態では、図２の（ｂ）に示すように、バンド１１の端部の厚さを半分にするとともに、端部の薄い部位の幅と、ラップ長とを同等に設定している。これにより、第一層Ｚ１に段差が形成されないため、第二層Ｚ２を重ね合わせる際に屈折部が形成されるのを防ぐことができる。つまり、本実施形態によれば、バンド１１，１２をそれぞれ重ね合わせる際に隙間Ｓや屈折部１３０が形成されないため、強度の向上を図ることができる。
また、本実施形態の補強層形成工程においては、第一ロールＲ１及び第五ロールＲ５の束の本数を、第二ロールＲ２〜第四ロールＲ４の束の本数よりも半分にするだけであるため、補強層４を容易に製造することができる。
以上本発明の第一実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、第一実施形態では、バンド１１の端部の薄い部位の幅と、ラップ長とを同等に設定したが、これに限定されるものではない。例えば、バンド１１，１２の端部を０．５トウ分（１束の半分）重ね合わせてもよいし、１．５トウ分重ね合わせてもよい。
図２の（ｂ）を参照すると、１．５トウ分重ね合わせる場合は、例えば、バンド１１Ａの第四トウ１１ｄ及び第五トウ１１ｅに、バンド１１Ｂの第一トウ１１ａ及び第二トウ１１ｂをそれぞれ重ね合わせる。この場合、ラップ部の厚さは、非ラップ部に比べて１．５倍程度になるが、従来のラップ部（図１１参照）に比べて厚さを小さくすることができる。また、１．５トウ分重ね合わせることで重なり代が大きくなるため、補強層形成工程において隣り合うバンド１１，１１（又は１２，１２）の間に隙間が形成されるのを防ぐことができる。
また、第一実施形態では、バンド１１，１２の端部（第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅ）の厚さを他のトウの半分に設定したがこれに限定されるものではない。バンド１１，１２の端部の厚さは、各バンド１１，１２の端部以外の部位よりも薄く設定すればよい。
また、第一実施形態では、一のバンドを５つのトウで構成したが、これに限定されるものではない。６つ以上のトウで構成してもよいし、４つ以下のトウで構成してもよい。
また、バンド１１，１２の端部のトウを薄くするとともに、端部のトウの性能（例えば、強度や弾性率等）を変化させてもよい。図７の（ａ）は第一実施形態の第一変形例の強度を示す概念図であり、（ｂ）は第一実施形態の第二変形例の強度を示す概念図である。
例えば、図７の（ａ）に示す第一変形例のように、バンドの端部のトウの厚さを薄くするとともに、端部のトウの性能を向上させてもよい。第一変形例では、第二トウ１１ｂ〜第四トウ１１ｄの単位強度を「１．０」とすると、ラップ部２１を構成する第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの単位強度を、例えば「１．２」に設定している。第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの厚さは、他のトウの厚さの半分になっているため、第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの単位強度はそれぞれ概ね「０．６」となる。
よって、ラップ部２１の実強度は概ね「１．２」となる。バンドの端部の強度を向上させる場合は、ラップ部２１の単位面積当たりの実強度が「２．０」を超えない範囲で適宜設定することが好ましい。言い換えると、バンドの端部の強度を向上させる場合は、ラップ部２１の単位面積当たりの強度が、非ラップ部２３の単位面積当たりの強度の２倍未満の範囲となるように適宜設定することが好ましい。このように、バンドの端部を薄くするとともに、バンドの端部の強度を向上させても、従来に比べてラップ部２１と非ラップ部２３の単位面積当たりの強度の均一化を図ることができる。
また、図７の（ｂ）に示す第三変形例のように、バンドの端部のトウの厚さを薄くするとともに、端部のトウの性能を低下させてもよい。第二変形例では、第二トウ１１ｂ〜第四トウ１１ｄの単位強度を「１．０」とすると、ラップ部２１を構成する第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの単位強度を、例えば「０．８」に設定している。第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの厚さは、他のトウの厚さの半分になっているため、第一トウ１１ａ及び第五トウ１１ｅの単位強度はそれぞれ概ね「０．４」となる。
よって、ラップ部２１の実強度は概ね「０．８」となる。バンドの端部の強度を低下させる場合は、ラップ部２１の単位面積当たりの実強度が「１．０」に近くなる範囲で適宜設定することが好ましい。言い換えると、バンドの端部の強度を低下させる場合は、ラップ部２１の単位面積当たりの強度が、非ラップ部２３の単位面積当たりの強度に近づくように適宜設定することが好ましい。このように、バンドの端部を薄くするとともに、バンドの端部の強度を低下させても、従来に比べてラップ部２１と非ラップ部２３の単位面積当たりの強度の均一化を図ることができる。また、第二変形例によれば、バンドの端部の強度を低下させる分、材料コストを低減することができる。
なお、第一変形例及び第二変形例では、ラップ部２１及び非ラップ部２３の強度について説明したが、例えば剛性についても同様である。つまり、第一変形例及び第二変形例によれば、ラップ部２１と非ラップ部２３との単位面積当たりの剛性の均一化を図ることができる。
また、第一実施形態では、バンド１１，１２の両端部の厚さを薄くしたが、いずれか一方の端部を薄くするだけでもよい。図８の（ａ）は第一実施形態の第三変形例に係るバンドを示す断面図であり、（ｂ）は第一実施形態の第三変形例に係る補強層の第一層及び第二層を示す拡大断面図である。
図８の（ａ）に示すように、第三変形例では、例えば、バンド１１のうち、第一トウ１１ａ〜第四トウ１１ｄは同等の厚さで形成し、第五トウ１１ｅは他のトウよりも薄く形成している。第三変形例では、第五トウ１１ｅの厚さは、他のトウの厚さの半分程度になっている。図９の（ｂ）に示すように、補強部形成工程においては、隣り合うバンド１１のうち、厚さの薄い第五トウ１１ｅと、通常の厚さの第一トウ１１ａとを１トウ分（１束分）重ね合わせる。この場合、ラップ部２１，２２の厚さｔ２は、非ラップ部２３の厚さｔ１に比べて１．５倍程度になるが、従来のラップ部１２１，１２２（図１１参照）に比べて厚さを小さくすることができる。
［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る圧力容器について説明する。第二実施形態に係る圧力容器は、バンドの端部の構成が第一実施形態と相違する。第二実施形態では、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図９の（ａ）は第二実施形態に係るバンドを示す断面図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る補強層の第一層及び第二層を示す拡大断面図である。図９の（ａ）に示すように、バンド３１は、第一トウ３１ａ、第二トウ３１ｂ、第三トウ３１ｃ、第四トウ３１ｄ及び第五トウ３１ｅを横方向に並設して構成されている。
バンド３１の各トウは、強化繊維の束である。第一トウ３１ａ〜第五トウ３１ｅは、それぞれ同じ幅及び厚さで形成されている。一方、第一トウ３１ａ及び第五トウ３１ｅは、第二トウ３１ｂ〜第四トウ３１ｄに比べて性能（例えば、強度、弾性率等）の低い炭素繊維を用いている。具体的には、本実施形態では、第一トウ３１ａ及び第五トウ３１ｅは、第二トウ３１ｂ〜第四トウ３１ｄに比べて強度（引張強度）の低い炭素繊維を用いている。
図９の（ｂ）に示すように、ライナー２の外周面に接触する第一層Ｚ１は、強化繊維で構成された一本のバンド３１（３１Ａ），３１（３１Ｂ），３１（３１Ｃ）の端部を重ね合わせつつ低角度ヘリカル巻きで巻回して形成されている。第一層Ｚ１は、ライナー２の胴部２ａ及び肩部２ｃ，２ｃの全体に亘って形成されている。なお、以下の説明においては、巻回された各バンドを符号「３１Ａ」、「３１Ｂ」、「３１Ｃ」を付して区別する。
図９の（ｂ）に示すように、第一層Ｚ１においては、隣り合うバンド３１Ａ，３１Ｂの端部同士が重ね合わされてラップ部４１が形成されている。また、隣り合うバンド３１Ｂ，３１Ｃの端部同士が重ね合わされてラップ部４２が形成されている。隣り合うバンド３１が重ね合わされない部位、つまり、第二トウ３１ｂ〜第四トウ３１ｄまでは非ラップ部４３となる。
ラップ部４１は、バンド３１Ａの第五トウ３１ｅの上に、バンド３１Ｂの第一トウ３１ａが重ね合わされて形成されている。ラップ長は適宜設定すればよいが、本実施形態ではラップ長を１トウ分（１束分）に設定している。ラップ部４１の厚さｔ２は、非ラップ部４３の厚さｔ１の二倍程度になっている。
ラップ部４２は、バンド３１Ｂの第五トウ３１ｅの上に、バンド３１Ｃの第一トウ３１ａが重ね合わされて形成されている。ラップ部４２の厚さｔ２は、非ラップ部４３の厚さｔ１の二倍程度になっている。
図９の（ｂ）に示すように、第二層Ｚ２は、第一層Ｚ１の外周面に、例えばフープ巻きで巻回して形成されている。図１を参照するように、フープ巻きでは、ライナー２の胴部２ａの周方向（Ｙ軸方向）に沿ってバンド３２を巻回する。これにより、バンド３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを交差するようにバンド３２が巻回される。バンド３２の各トウも、バンド３１と同様に、同じ幅及び厚さで形成されている。一方、バンド３２の両端部は、他の部位に比べて性能（例えば、強度、弾性率等）の低い炭素繊維を用いている。また、第二層Ｚ２も第一層Ｚ１と同様に、バンド３２の端部を１トウ分重ね合わせることによりラップ部が形成されるとともに、隣り合うバンド３２が重ね合わされない非ラップ部が形成されている。
具体的な図示は省略するが、第三層Ｚ３以降も、第一層Ｚ１及び第二層Ｚ２と同様に、バンドの端部が１トウ分重ね合わされることによりラップ部が形成されるとともに、隣り合うバンドが重ね合わされない非ラップ部が形成されている。
第二実施形態に係る補強層形成工程は、バンドの端部の厚さ及び性能を除いて第一実施形態と略同等であるため説明を省略する。
以上説明した第二実施形態に係る圧力容器１Ａによれば、ラップ部４１，４２を構成するバンド３１の端部の強度を低く設定することで、補強層の強度の均一化を図ることができる。言い換えると、ラップ部４１，４２は、非ラップ部４３に比べて厚さが二倍になるが、ラップ部４１，４２を構成するトウの強度を低下させているため、ラップ部４１，４２の単位面積当りの強度と非ラップ部４３の単位面積当りの強度の均一化を図ることができる。
より具体的に説明すると、図１０の（ａ）に示すように、第二実施形態の場合、第二トウ３１ｂ〜第四トウ３１ｄの単位強度をそれぞれ「１．０」とすると、ラップ部４１，４２を構成する第一トウ３１ａ及び第五トウ３１ｅの単位強度を例えば「０．７」に設定している。したがって、ラップ部４１の実強度は第一トウ３１ａと第五トウ３１ｅの和となるため、概ね「１．４」となる。これにより、従来に比べてラップ部４１，４２と非ラップ部４３との単位面積当たりの強度の均一化を図ることができる。
例えば、強度の均一化を図る場合は、圧力容器１Ａに内圧が作用したときに、ラップ部４１，４２に作用する単位面積当たりの反力と、非ラップ部４３に作用する単位面積当たりの反力が略同等になるように、第一トウ３１ａ及び第五トウ３１ｅの性能（例えば、引張強度、弾性率等）の選定をすることが好ましい。
なお、図１０の（ａ）では、ラップ部４１，４２及び非ラップ部４３の強度の均一化について説明したが、例えば剛性についても同様である。つまり、第二実施形態によれば、ラップ部４１，４２と非ラップ部４３との単位面積当たりの剛性の均一化を図ることができる。
例えば、剛性の均一化を図る場合は、圧力容器１Ａに内圧が作用したときに、ラップ部４１，４２に作用する曲げ応力と、非ラップ部４３に作用する曲げ応力が略同等になるように、第一トウ３１ａ及び第五トウ３１ｅの性能（例えば、引張強度、弾性率等）の選定をすることが好ましい。
また、本実施形態の補強層形成工程においては、第一ロールＲ１及び第五ロールＲ５の束の炭素繊維の性能を、第二ロールＲ２〜第四ロールＲ４よりも低く設定するだけであるため、補強層４を容易に形成することができる。
以上本発明の第二実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。図９に示すように、第二実施形態では、バンド３１，３２を構成する各トウの厚さを一定にしているが、ラップ部４１，４２を構成する第五トウ３１ｅ及び第一トウ３１ａの厚さを他の束よりも薄くしてもよい。これにより、各層の段差を小さくするか、又は段差をなくすことができる。この際、束の厚さを薄くする分、バンド３１，３２の性能が低下するおそれがあるため、第五トウ３１ｅ及び第一トウ３１ａの性能を変更させてラップ部４１，４２と非ラップ部４３との厚さの均一化と性能の均一化を図ることが好ましい。
また、第二本実施形態では、バンド３１，３２の両端部の性能を低くしたが、いずれか一方の端部の性能を低くするだけでもよい。図１０の（ｂ）は第二実施形態の変形例の強度を示す概念図である。図１０の（ｂ）に示すように、例えば、バンド３１のうち、第一トウ３１ａ〜第四トウ３１ｄは同等の強度で形成し、第五トウ３１ｅは他の束よりも低い強度で形成する。ここでは、第一トウ３１ａ〜第四トウ３１ｄの単位強度を「１．０」とした場合、第五トウ３１ｅの単位強度を例えば「０．５」に設定している。
補強部形成工程においては、隣り合うバンド３１のうち、第五トウ３１ｅと、第一トウ３１ａとを重ね合わせている。これにより、ラップ部４１，４２の実強度は、第一トウ３１ａの強度と第五トウ３１ｅの強度の和となるため、概ね「１．５」となる。これにより、従来よりもラップ部４１，４２と非ラップ部４３との単位面積当たりの強度の均一化を図ることができる。
なお、図１０の（ｂ）では、ラップ部４１，４２及び非ラップ部４３の強度について説明したが、例えば剛性についても同様である。つまり、第二実施形態の変形例によれば、ラップ部４１，４２と非ラップ部４３との単位面積当たりの剛性の均一化を図ることができる。
また、前記した実施形態では、中空部を備えたライナーに強化繊維を巻回して圧力容器を製造する場合を例示したが、本発明に係る補強層形成工程（フィラメントワインディング方法）は、他の構造物に補強層を形成する場合にも適用することができる。
つまり、強化繊維で構成されたバンドを構造物の周囲に巻回してバンドが積層された補強層を形成するフィラメントワインディング方法において、隣り合うバンドの端部同士を重ね合わせてラップ部を形成しつつ、構造物にバンドを巻回する工程を含み、ラップ部のうち隣り合うバンドの少なくとも一方の端部を、そのバンドの他の部位よりも薄くしてもよい。
このようなフィラメントワインディング方法によれば、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。補強層が形成される構造物については、特に制限されるものではない。
また、強化繊維で構成されたバンドを構造物の周囲に巻回して前記バンドが積層された補強層を形成するフィラメントワインディング方法において、隣り合う前記バンドの端部同士を重ね合わせてラップ部を形成しつつ、前記構造物に前記バンドを巻回する工程を含み、前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部の単位面積当たりの性能（例えば、引張強度、弾性率等）を、そのバンドの他の部位の単位面積当たりの性能よりも低くしてもよい。
このようなフィラメントワインディング方法によれば、第二実施形態と略同等の効果を得ることができる。補強層が形成される構造物については、特に制限されるものではない。
１ 圧力容器
２ ライナー
２ａ 胴部
２ｂ ネック部
２ｃ 肩部
３ 口金部材
４ 補強層
２１ ラップ部
２２ ラップ部
２３ 非ラップ部

Claims (6)

  1. 中空部を備えたライナーと、前記ライナーの周囲を覆う補強層と、を有する圧力容器において、
    前記補強層は、強化繊維で構成されたバンドを前記ライナーの周囲に巻回するとともに前記バンドを積層して形成されており、
    前記補強層の各層には、隣り合う前記バンドの端部同士が重ね合わされたラップ部が形成されており、
    前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部は、そのバンドの他の部位よりも薄く形成されていることを特徴とする圧力容器。
  2. 前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部の単位面積当たりの強度は、そのバンドの他の部位の単位面積当たりの強度よりも高くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
  3. 中空部を備えたライナーと、前記ライナーの周囲を覆う補強層と、を有する圧力容器において、
    前記補強層は、強化繊維で構成されたバンドを前記ライナーの周囲に巻回するとともに前記バンドを積層して形成されており、
    前記補強層の各層には、隣り合う前記バンドの端部同士が重ね合わされたラップ部が形成されており、
    前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部の単位面積当たりの強度は、そのバンドの他の部位の単位面積当たりの強度よりも低く形成されていることを特徴とする圧力容器。
  4. 前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部は、そのバンドの他の部位よりも薄く形成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力容器。
  5. 強化繊維で構成されたバンドを構造物の周囲に巻回して前記バンドが積層された補強層を形成するフィラメントワインディング方法において、
    隣り合う前記バンドの端部同士を重ね合わせてラップ部を形成しつつ、前記構造物に前記バンドを巻回する工程を含み、
    前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部を、そのバンドの他の部位よりも薄くすることを特徴とするフィラメントワインディング方法。
  6. 強化繊維で構成されたバンドを構造物の周囲に巻回して前記バンドが積層された補強層を形成するフィラメントワインディング方法において、
    隣り合う前記バンドの端部同士を重ね合わせてラップ部を形成しつつ、前記構造物に前記バンドを巻回する工程を含み、
    前記ラップ部のうち隣り合う前記バンドの少なくとも一方の端部の単位面積当たりの強度を、そのバンドの他の部位の単位面積当たりの強度よりも低くすることを特徴とするフィラメントワインディング方法。
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