JP6337398B2 - 複合容器の製造方法、及び複合容器 - Google Patents

Description

本発明は、複合容器の製造方法、及び複合容器に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されているように、強化層を備えた複合容器を製造する製造方法が知られている。このような製造方法では、ライナの中心軸線周りに複数設けられる給糸部から繊維束を供給してライナに巻き付けることによって、ライナの外周側に強化層を形成する。

再表２０１０−１２５６５１号公報

上述のように複数の給糸部を用いて繊維束をライナに巻き付ける製造方法を採用することで複合容器の製造時間を短縮することができる。このように、複数の給糸部を用いて複合容器を製造する製造方法において、使用する繊維束の量に対する複合容器の強度を向上することが求められていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、使用する繊維束の量に対する複合容器の強度を向上できる複合容器の製造方法及び複合容器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る複合容器の製造方法は、円筒状の胴部及び胴部の両端側に形成されるドーム部を有するライナに対して、ライナの中心軸線周りに複数設けられる給糸部から繊維束を供給して巻き付け、ライナの外周側に強化層を形成する複合容器の製造方法であって、複数の給糸部がライナに対して繊維束を供給しながら、ライナが複数の給糸部に対して中心軸線周りに相対的に回転すると共に、ライナが複数の給糸部に対して軸方向に相対的に移動して、ライナに繊維束を巻き付けて強化層を形成する強化層形成工程を有し、強化層形成工程は、軸方向における繊維束の巻き付け位置の変化に従って、ライナに対する繊維束の巻き付け角度を変化させる第１の巻き付け工程を含む。

本発明に係る複合容器の製造方法において、ライナに繊維束を巻き付けて強化層を形成する強化層形成工程は、軸方向における繊維束の巻き付け位置の変化に従って、ライナに対する繊維束の巻き付け角度を変化させる第１の巻き付け工程を含む。このように、軸方向における繊維束の巻き付け位置の変化に従って、巻き付け角度を変化させることにより、巻き付け角度の条件の調整を行い易くなることで、強化層の強度特性の調整を行い易くなる。以上より、使用する繊維束の量に対する複合容器の強度を向上できる。

また、本発明に係る複合容器の製造方法において、強化層形成工程は、軸方向における繊維束の巻き付け位置の変化によらず、巻き付け角度を第１の角度で一定とする第２の巻き付け工程と、軸方向における繊維束の巻き付け位置の変化によらず、巻き付け角度を第１の角度よりも大きい第２の角度で一定とする第３の巻き付け工程と、を更に含み、第１の巻き付け工程は、第２の巻き付け工程と第３の巻き付け工程との間で実行され、第１の巻き付け工程では、繊維束の巻き付けの進行に伴い、第１の角度及び第２の角度の何れか一方側から他方側へ巻き付け角度を遷移させてよい。ここで、従来は、第２の巻き付け工程から第３の巻き付け工程へ移行する際、または第３の巻き付け工程から第２の巻き付け工程へ移行する際、巻き付け角度を変更するために繊維束の掛け替え作業が必要となっていた。しかしながら複数の給糸部から繊維束を供給する構造であり、各給糸部のそれぞれについて繊維束の掛け替え作業を行わなくてはならないため、掛け替え作業が非常に煩雑となっていた。これに対して、本発明に係る複合容器の製造方法では、第２の巻き付け工程によって形成される繊維層と第３の巻き付け工程によって形成される繊維層との間では、巻き付け角度に差が生じるが、それらの間に第１の巻き付け工程にて巻き付け角度を遷移させることで遷移層を形成することができる。従って、第３の巻き付け工程から第１の巻き付け工程を介して第２の巻き付け工程へ移行する場合、第１の巻き付け工程が終了して第２の巻き付け工程を開始する時には繊維束の巻き付け角度が既に第１の角度となっている。従って、繊維束の掛け替え作業を行うことなく第２の巻き付け工程を実行することができる。あるいは、第２の巻き付け工程から第１の巻き付け工程を介して第３の巻き付け工程へ移行する場合、第１の巻き付け工程が終了して第３の巻き付け工程を開始する時には繊維束の巻き付け角度が既に第２の角度となっている。従って、繊維束の掛け替え作業を行うことなく第３の巻き付け工程を実行することができる。以上より、第１の巻き付け工程を実行することで繊維束の掛け替え作業を省略することができ、低コスト化を図ることが可能となる。

また、本発明に係る複合容器の製造方法において、第１の巻き付け工程は、巻き付け位置がライナを軸方向に一往復する間に完了してよい。これによって、使用する繊維束の量に対する複合容器の強度を向上できる。

また、本発明に係る複合容器の製造方法において、第１の巻き付け工程では、巻き付け角度が大きい程、巻き付け位置の変化に対する巻き付け角度の変化率が大きくてよい。これによって、ライナの軸方向における中央位置に強度の極大点を発生させるように強化層を形成することができる。これによって、使用する繊維束の量に対する複合容器の強度を向上できる。

本発明に係る複合容器は、上述の複合容器の製造方法によって製造される。この複合容器によれば、使用する繊維束の量に対する強度を向上できる。

本発明によれば、使用する繊維束の量に対する複合容器の強度を向上できる。

本発明の実施形態に係る複合容器の製造方法により製造される複合容器を示す一部断面図である。 複合容器の製造装置の構成を示す概略図である。 巻き付け角度を説明するための模式図である。 第１の巻き付け工程における、軸方向における繊維束の巻き付け位置と巻き付け角度の関係の一例を示すグラフである。 第１の巻き付け工程における、軸方向における繊維束の巻き付け位置と巻き付け角度の関係の一例を示すグラフである。 実施例及び比較例における各繊維層の巻き付け角度の条件を示す表である。 ライナの軸方向の位置と強度比との関係を表したグラフである。 実施例及び比較例における、繊維束の使用量あたりの設計圧を示すグラフである。 実施例及び比較例におけるバースト試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る複合容器の製造方法により製造される複合容器を示す一部断面図である。図１に示すように、複合容器１は、例えば水素や天然ガス等の燃料ガスを高圧で貯蔵するための容器である。この複合容器１は、例えば、全長が２〜４ｍ、直径が４００〜６００ｍｍ程度に設定され、使用時には、２０〜９０ＭＰａ程度の圧力に耐えることが可能とされている。複合容器１は、その用途が限定されるものではなく、種々の用途で用いることができる。また、複合容器１は、据置き型として用いられてもよく、移動体に搭載されて用いられてもよい。

この複合容器１は、円筒状のライナ２と、ライナ２の外面側（外周面側）を覆うように設けられた強化層３と、を備えている。ライナ２は、軸方向に延びる円筒状の胴部２ａ、及び胴部２ａの両端側に形成されるドーム部２ｂを有している。ドーム部２ｂは、先端へ向かうに従って径が縮小する。当該ドーム部２ｂの先端には、口金４が取り付けられている。

ライナ２の材料は特に限定されるものではないが、用途によっては、樹脂製又は金属製が選択される。樹脂製のライナ２としては、高密度ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を回転成形やブロー成形にて容器形状に形成したものに、金属製の口金４を付けたものが挙げられる。金属製のライナ２としては、例えば、アルミニウム合金製や鋼鉄製等からなるパイプ形状や板形状をスピニング加工等にて容器形状に形成したものに、口金４の形状を形成したものが挙げられる。

強化層３は、ライナ２の外面側に熱硬化性樹脂が含浸された繊維束１０（図２参照）を巻き付け、当該繊維束１０を硬化炉で加熱し硬化させることによって形成される。熱硬化性樹脂の種類としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂又はアリル樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、ライナ２に巻き付ける繊維束１０として、予め熱硬化性樹脂が含浸された繊維束（トウプリプレグ）を用いてもよい。あるいは、ライナ２に巻き付ける前段階で繊維束１０に熱硬化性樹脂を付着させる方式（レジンバス法）を用いてもよい。

また、繊維束１０としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ポリエチレン繊維、スチール繊維、ザイロン繊維又はビニロン繊維等を用いることができ、ここでは、高強度で高弾性率且つ軽量な炭素繊維を用いている。また、本実施形態の繊維束１０の繊維数（フィラメント）は、特に制限されるものではないが、１０００〜５００００フィラメント、好ましくは３０００〜３００００フィラメントの範囲とされ、ここでは、２４０００フィラメントとされている。

次に、図２を参照して、複合容器１の製造方法について説明する。図２は、複合容器１の製造装置１００の構成を示す概略図である。製造装置１００は、シャフト１０２を介してライナ２を支持する支持部１０１と、複数の給糸部１０４を有する給糸ヘッド１０３と、を備える。シャフト１０２は、ライナ２の軸方向に沿って延びると共に両側の口金４を介してライナ２内を貫通している。シャフト１０２の両端部はそれぞれ支持部１０１で支持されている。給糸部１０４は、ライナ２の外周側において、ライナ２の中心軸線ＣＬ周りに複数設けられる。複数の給糸部１０４は、中心軸線ＣＬ周りに一定角度で配置されており、ライナ２に対して同時に繊維束１０を供給することができる。給糸ヘッド１０３は、ライナ２を外周側から取り囲むように環状に形成され、複数の給糸部１０４を支持している。

製造装置１００は、ライナ２を複数の給糸部１０４に対して中心軸線ＣＬ周りに相対的に回転させる。本実施形態では、複数の給糸部１０４の中心軸線ＣＬ周りの位置を固定し、支持部１０１がシャフト１０２を介してライナ２を中心軸線ＣＬ周りに回転させている。なお、製造装置１００は、ライナ２の中心軸線ＣＬ周りの位置を固定し、複数の給糸部１０４を中心軸線ＣＬ周りに回転させてもよい。あるいは、製造装置１００は、ライナ２と複数の給糸部１０４の両方を中心軸線ＣＬ周りに回転させてもよい。なお、複数の給糸部１０４を回転させる場合、例えば給糸ヘッド１０３に各給糸部１０４を回転させる機構を設けてよく、各給糸部１０４と共に給糸ヘッド１０３自体が回転する機構を設けてもよい。

また、製造装置１００は、ライナ２を複数の給糸部１０４に対して軸方向に相対的に移動させる。なお、ここでの「軸方向」とは、製造装置１００の支持部１０１で支持された状態におけるライナ２の中心軸線ＣＬが延びる方向である。本実施形態では、ライナ２の軸方向の位置を固定し、複数の給糸部１０４を軸方向に移動させる。複数の給糸部１０４は、ライナ２に対して、軸方向に往復移動することができる。複数の給糸部１０４を移動させるための機構は特に限定されず、例えば、給糸ヘッド１０３を軸方向に沿って往復移動可能な駆動機構を設けてよい。なお、製造装置１００は、複数の給糸部１０４の軸方向における位置を固定し、ライナ２を軸方向に移動させてもよい。あるいは、製造装置１００は、複数の給糸部１０４とライナ２の両方を軸方向に移動させてもよい。なお、ライナ２を軸方向に移動させる場合、例えば、ライナ２及びシャフト１０２と共に支持部１０１自体が軸方向に移動する駆動機構を設けてよく、支持部１０１に対してシャフト１０２及びライナ２が軸方向に移動する駆動機構を設けてもよい。

上述のような製造装置１００を用いた複合容器１の製造方法について説明する。複合容器１を製造する際、ライナ２を準備し、当該ライナ２を製造装置１００のシャフト１０２及び支持部１０１で支持する。また、複数の給糸部１０４から供給される繊維束１０をライナ２の外周面に対して巻き付けることができるように、給糸部１０４からの繊維束１０をライナ２の所定の位置に固定する。例えば、図２に示すように口金４に繊維束１０を固定してよい。次に、複数の給糸部１０４がライナ２に対して繊維束１０を供給しながら、ライナ２が複数の給糸部１０４に対して中心軸線ＣＬ周りに相対的に回転すると共に、ライナ２が複数の給糸部１０４に対して軸方向に相対的に移動して、ライナ２に繊維束１０を巻き付けて強化層３を形成する強化層形成工程が実行される。なお、ライナ２に繊維束１０を巻き付けた後、巻き付けられた繊維束１０を加熱して繊維束１０に含浸された熱硬化樹脂を硬化させることによって、強化層３が完成する。繊維束１０の加熱は、ライナ２に対する繊維束１０の巻き付けが完了した後に、ライナ２を製造装置１００から取り外して加熱炉へ移動させ、当該加熱炉で加熱を行うことによって実行されてよい。あるいは、製造装置１００でライナ２に対して繊維束１０を巻き付けると同時に所定の加熱手段（例えば、ヒータの熱をライナ２の外周側から供給する構成、あるいはライナ２の内部に熱風等の加熱媒体を供給する構成などを採用してよい）で加熱を行い、熱硬化性樹脂を順次硬化させてもよい。

強化層形成工程では、複数の給糸部１０４から供給されてライナ２へ巻き付けられている繊維束１０の巻き付け位置が、ライナ２に対して軸方向に繰り返し往復移動する。これによって、強化層３は、複数の繊維束層によって構成される。製造装置１００は、所定の繊維層を形成する際、他の繊維層と巻き付け角度θを異なる角度に設定して繊維束１０の巻き付けを行ってよい。ここで、図３に示すように、巻き付け角度θとは、繊維束１０の巻き付け時の、繊維束１０とライナ表面の接点を通る線であって中心軸線ＣＬと平行な線と、その接点での繊維束１０とがなす角度、と定義される。巻き付け角度θは、ライナ２の複数の給糸部１０４に対する相対的な回転数と、ライナ２の複数の給糸部１０４に対する軸方向の相対的な速度との関係によって設定される。

次に、強化層形成工程における繊維束１０の巻き付け角度θの設定方法について説明する。ただし、以下の説明では、ライナ２のうち、胴部２ａに繊維束１０を巻き付ける時における巻き付け角度θについて言及しているものとする。ドーム部２ｂの巻き付け角度については任意で設定してよい。本実施形態において、強化層形成工程は、軸方向における繊維束１０の巻き付け位置の変化に従って、ライナ２に対する繊維束１０の巻き付け角度θを変化させる第１の巻き付け工程と、軸方向における繊維束１０の巻き付け位置の変化によらず、巻き付け角度θを第１の角度α１（図３（ａ）を参照）で一定とする第２の巻き付け工程と、軸方向における繊維束１０の巻き付け位置の変化によらず、巻き付け角度θを第１の角度α１より大きい第２の角度α２（図３（ｂ）を参照）で一定とする第３の巻き付け工程と、を含んでいる。強化層形成工程では、第１〜第３の巻き付け工程の順序及び回数が適宜設定される。

第２の巻き付け工程では、巻き付け角度θを小さい角度である第１の角度α１で一定に維持した状態で、軸方向に沿ってライナ２にヘリカル巻を行う。小さい第１の角度α１でヘリカル巻を行うことで、主に複合容器１の軸方向における強度を確保することができる。第１の角度α１は特に限定されないが、１０〜５０°に設定してよい。なお、説明のため、巻き付け角度θを第１の角度α１で一定にして形成された繊維層を「第１の繊維層」と称する場合がある。第３の巻き付け工程では、巻き付け角度θを大きい角度である第２の角度α２で一定に維持した状態で、軸方向に沿ってライナ２へヘリカル巻を行う。大きい第２の角度α２でヘリカル巻を行うことで、主に複合容器１のフープ方向における強度を確保することができる。第２の角度α２は特に限定されないが、４０〜８５°に設定してよい。なお、説明のため、巻き付け角度θを第２の角度α２で一定にして形成された繊維層を「第２の繊維層」と称する場合がある。

本実施形態において、第１の巻き付け工程は、第２の巻き付け工程と第３の巻き付け工程との間で実行される工程であり、繊維束１０の巻き付けの進行に伴って、第１の角度α１及び第２の角度α２の何れか一方側から他方側へ巻き付け角度θを遷移させるために実行される工程である。なお、説明のため、軸方向の位置によって巻き付け角度θを変化させる第１の巻き付け工程で形成された繊維層を「遷移層」と称する。

第２の巻き付け工程から第１の巻き付け工程を介して第３の巻き付け工程へ移行する場合、例えば、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、第１の巻き付け工程では、軸方向におけるライナ２の少なくとも一部において、繊維束１０の巻き付けの進行に伴って、巻き付け角度θが増加する。ただし、軸方向におけるライナ２の一部では、巻き付け角度θが一定になってよい。あるいは、ライナ２の胴部２ａにおける全域について、繊維束１０の巻き付けの進行に伴って巻き付け角度θが増加してもよい。なお、この場合、ライナ２の胴部２ａのうち、繊維束１０の巻き付けの進行に伴って巻き付け角度θが減少する部分は（図４（ａ）及び図５（ａ）のように）無いことが好ましいが、一部分で減少してもよい。なお、第１の巻き付け工程における巻き付け開始時の巻き付け角度θ（以下、「開始角度」と称する）は、第１の角度α１と同一角度であってもよいが、異なる角度であってもよい。また、第１の巻き付け工程における巻き付け終了時の巻き付け角度θ（以下、「終了角度」と称する）は、第２の角度α２と同一角度であってもよいが、異なる角度であってもよい。

第３の巻き付け工程から第１の巻き付け工程を介して第２の巻き付け工程へ移行する場合、例えば、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、第１の巻き付け工程では、軸方向におけるライナ２の少なくとも一部において、繊維束１０の巻き付けの進行に伴って、巻き付け角度θが減少する。ただし、軸方向におけるライナ２の一部では、巻き付け角度θが一定になってよい。あるいは、ライナ２の胴部２ａにおける全域について、繊維束１０の巻き付けの進行に伴って巻き付け角度θが減少してもよい。なお、この場合、ライナ２の胴部２ａのうち、繊維束１０の巻き付けの進行に伴って巻き付け角度θが増加する部分は（図４（ａ）及び図５（ａ）のように）無いことが好ましいが、一部分で増加してもよい。なお、第１の巻き付け工程における開始角度は、第２の角度α２と同一角度であってもよいが、異なる角度であってもよい。また、第１の巻き付け工程における終了角度は、第１の角度α１と同一角度であってもよいが、異なる角度であってもよい。

第１の巻き付け工程は、図４に示すように、巻き付け位置がライナ２を軸方向に一往復する間に完了してよい。図４に示す例では、ライナ２の胴部２ａにおける一方の端部ＥＡ（図２参照）から第１の巻き付け工程が開始され、他方の端部ＥＢで巻き付け位置の進行方向が反転し、再び巻き付け位置が一方の端部ＥＡに至ることで、第１の巻き付け工程が終了する。なお、端部ＥＡ，ＥＢの外側ではドーム部２ｂに対する巻き付けが行われている。あるいは、第１の巻き付け工程は、巻き付け位置がライナ２を軸方向に二回以上往復する間に完了してよい。図５に示す例では、巻き付け位置がライナ２を二往復することで、第１の巻き付け工程が完了している。

また、第１の巻き付け工程では、巻き付け角度θが大きい程、巻き付け位置の変化に対する巻き付け角度θの変化率が大きい。すなわち、第１の巻き付け工程では、巻き付け角度θが小さい程、巻き付け位置の変化に対する巻き付け角度θの変化率が小さい。この場合、図４及び図５のように、横軸に軸方向における巻き付け位置を設定し、縦軸に巻き付け角度θを設定した場合のグラフは、下側へ凸となるように湾曲する曲線となり、変化率が大きいほど湾曲が大きくなり、変化率が小さいほど湾曲が小さくなる。例えば、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、巻き付け角度θが増加するように第１の巻き付け工程を実行する場合、巻き付け開始後、角度増加の開始直後は巻き付け角度θの変化率は小さく、巻き付けが進行するに従って徐々に巻き付け角度θの変化率が大きくなる。また、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、巻き付け角度θが減少するように第１の巻き付け工程を実行する場合、巻き付け開始後、角度減少の開始直後は巻き付け角度θの変化率は大きく、巻き付けが進行するに従って徐々に巻き付け角度θの変化率が小さくなる。ただし、往復動の反転位置付近などで変化率を一時的に小さくする場合など、一時的に上述の関係を満たさない部分があってもよい。

次に、本発明の実施形態に係る複合容器１の製造方法の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る複合容器１の製造方法において、ライナ２に繊維束１０を巻き付けて強化層３を形成する強化層形成工程は、軸方向における繊維束１０の巻き付け位置の変化に従って、ライナ２に対する繊維束１０の巻き付け角度θを変化させる第１の巻き付け工程を含む。このように、軸方向における繊維束１０の巻き付け位置の変化に従って、巻き付け角度θの条件の調整を行い易くなることで、強化層の強度特性の調整を行い易くなる。以上より、使用する繊維束１０の量に対する複合容器の強度を向上できる。例えば、本実施形態に係る複合容器１の製造方法を採用することによって、巻き付けた繊維束１０の無駄（すなわち、強度確保に対する寄与が少ない繊維束）を抑制して、複合容器１の強度発現率や繊維束１０の使用効率等を向上することができる。

本実施形態に係る複合容器１の製造方法によれば、軸方向における繊維束１０の巻き付け位置の変化に従って、巻き付け角度θを変化させる第１の巻き付け工程を有しているため、（例えば、巻き付け角度θを一定として巻き付けを行う巻き付け工程のみを有する製造方法に比べて）巻き付け角度θの条件の調整を実行し易くなる。従って、本実施形態に係る複合容器１の製造方法を採用することで、巻き付け角度θの変化の態様を調整することで、以下のように複合容器１の強度特性を調整することが容易となる。例えば、第１の巻き付け工程においては、複合容器１の強化層３の強度分布が、ライナ２の軸方向における中央位置に対して略左右対称となるように、巻き付け角度θの条件を設定することが好ましい。また、第１の巻き付け工程においては、複合容器１のうちライナ２の胴部２ａに対応する部分におけるフープ方向（周方向）の強度が、軸方向における位置によって異なるように、巻き付け角度θの条件を設定することが好ましい。また、第１の巻き付け工程においては、複合容器１のうちライナ２の胴部２ａの軸方向における中央部にて、フープ方向の強度に極大点が発生するように（例えば図７（ｂ）参照）、巻き付け角度θの条件を設定することが好ましい。

また、本実施形態に係る複合容器１の製造方法において、強化層形成工程は、軸方向における繊維束１０の巻き付け位置の変化によらず、巻き付け角度θを第１の角度α１で一定とする第２の巻き付け工程と、軸方向における繊維束１０の巻き付け位置の変化によらず、巻き付け角度θを第１の角度α１よりも大きい第２の角度α２で一定とする第３の巻き付け工程と、を更に含む。また、第１の巻き付け工程は、第２の巻き付け工程と第３の巻き付け工程との間で実行される。第１の巻き付け工程では、繊維束１０の巻き付けの進行に従い、第１の角度α１及び第２の角度α２の何れか一方側から他方側へ巻き付け角度θを遷移させてよい。ここで、従来は、第２の巻き付け工程から第３の巻き付け工程へ移行する際、または第３の巻き付け工程から第２の巻き付け工程へ移行する際、巻き付け角度を変更するために繊維束１０の掛け替え作業が必要となっていた。しかしながら複数の給糸部１０４から繊維束１０を供給する構造であるため、各給糸部１０４のそれぞれについて繊維束１０の掛け替え作業を行わなくてはならないため、掛け替え作業が非常に煩雑となっていた。これに対して、本実施形態に係る複合容器１の製造方法では、第２の巻き付け工程によって形成される第１の繊維層と第３の巻き付け工程によって形成される第２の繊維層との間では、巻き付け角度に差が生じるが、それらの間に第１の巻き付け工程にて巻き付け角度を遷移させることで遷移層を形成することができる。従って、第３の巻き付け工程から第１の巻き付け工程を介して第２の巻き付け工程へ移行する場合、第１の巻き付け工程が終了して第２の巻き付け工程を開始する時には繊維束１０の巻き付け角度θが既に第１の角度α１となっている。従って、繊維束１０の掛け替え作業を行うことなく第２の巻き付け工程を実行することができる。あるいは、第２の巻き付け工程から第１の巻き付け工程を介して第３の巻き付け工程へ移行する場合、第１の巻き付け工程が終了して第３の巻き付け工程を開始する時には繊維束１０の巻き付け角度θが既に第２の角度α２となっている。従って、繊維束１０の掛け替え作業を行うことなく第３の巻き付け工程を実行することができる。以上より、第１の巻き付け工程を実行することで繊維束１０の掛け替え作業を省略することができ、低コスト化を図ることが可能となる。

また、本実施形態に係る複合容器１の製造方法において、第１の巻き付け工程は、巻き付け位置がライナ２を軸方向に一往復する間に完了してよい。これによって、往復回数が低減されることにより繊維束１０の無駄を減らすことができるため、使用する繊維束１０の量に対する複合容器１の強度を向上できる。

また、本実施形態に係る複合容器１の製造方法において、第１の巻き付け工程では、巻き付け角度θが大きい程、巻き付け位置の変化に対する巻き付け角度θの変化率が大きくてよい。巻き付け角度をθとしたとき、複合容器１の周方向強度と軸方向強度はそれぞれｓｉｎθ^２及びｃｏｓθ^２の係数となる。従って、上述のように巻き付け角度θの軸方向の位置における変化率を適切に変えることによって、ライナ２の軸方向における中央位置に強度の極大点を発生させるように強化層３を形成することができる。ライナ２の中央位置に強度の極大点を発生させるように強化層３を形成した場合、強度分布のグラフは、例えば図７（ｂ）の二点鎖線で示すようにＷ字型を描く。例えば巻き付け角θの変化率が一定であると、複合容器１の胴部２ａの両端付近の強度が最大となることで、複合容器１の中央部との強度の差が大きくなる場合がある。一方、Ｗ字型の強度分布では複合容器１の中央部の強度が最大となる（または極大点を有することとなる）ため、ライナ２の軸方向において、強度の最大値と最小値との間の差を小さくすることができる（例えば、図７（ａ）の細い実線や破線で示す強度分布のものに比して）ため、強度の弱い部分にて破壊が起きることを抑制できる。これによって、使用する繊維束１０の量に対する複合容器の強度を向上できる。

本発明に係る複合容器１は、上述の複合容器１の製造方法によって製造される。この複合容器１によれば、使用する繊維束１０の量に対する強度を向上できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、第１の巻き付け工程は、第２の巻き付け工程と第３の巻き付け工程との間で実行され、第１の巻き付け工程では、第１の角度α１及び第２の角度α２の何れか一方側から他方側へ巻き付け角度θを遷移させる遷移層を形成する工程であった。ただし、第１の巻き付け工程は、第２の巻き付け工程と第３の巻き付け工程との間で実行されなくともよい。また、強化層形成工程においては、少なくとも第１の巻き付け工程を有していればよく、第２の巻き付け工程及び第３の巻き付け工程の一方又は両方を省略してもよい。また、第１の巻き付け工程は、軸方向における繊維束１０の巻き付け位置の変化に従って、ライナ２に対する繊維束１０の巻き付け角度θを変化させるものであればよく、上述の実施形態で例示したような（例えば図４や図５）変化の態様に限定されない。なお、強化層形成工程は、第１〜第２の巻き付け工程以外の巻き付け工程を含んでもよい。すなわち、巻き付け角度θを第１の角度α１及び第２の角度α２以外の角度で一定にして繊維層を形成する工程を追加してもよい。

以下に実施例を説明する。ただし、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

［実施例１］
実施例１に係る複合容器を製造するために、全長５０４ｍｍ、胴部の全長３４３ｍｍ、胴部の外径１６０ｍｍ、肉厚２ｍｍの７．５Ｌのアルミニウム合金製のライナを準備した。また、繊維束として、炭素繊維Ｔ８００ＳＣ（東レ（株）製）の２４０００フィラメントに樹脂を含浸させ、樹脂含有率２９％のトウプリプレグを用いた。製造装置として、給糸部を周方向に一定角度で４８個有するものを用いた（すなわち、給糸数が４８本）。また、積層一往復で３０〜６０秒の速度とし、張力を３０Ｎとした。

また、各繊維層における巻き付け角度θの条件を図６において「実施例１」に示す条件に設定した。ここでは、巻き付け角度θを第１の角度α１（＝１４．５°）で一定にして、巻き付け位置をライナの一端と他端との間で一往復させることによって形成された繊維層を「第１の繊維層」と称する。巻き付け角度θを第２の角度α２（＝７３．６°）で一定にして、巻き付け位置をライナの一端と他端との間で一往復させることによって形成された繊維層を「第２の繊維層」と称する。また、第１の繊維層から第２の繊維層へ向かって巻き付け角度θが増加するように変化させることによって形成された繊維層を「遷移層Ａ」と称する。また、第２の繊維層から第１の繊維層へ向かって巻き付け角度θが減少するように変化させることによって形成された繊維層を「遷移層Ｂ」と称する。

実施例１では、遷移層Ａを形成するための巻き付け角度θの制御プログラムとして、図５（ａ）に示すものを用いた。図５（ａ）に示す制御プログラムでは、遷移開始位置（胴部の一方の端部ＥＡ）での巻き付け角度θは、第１の角度α１と同様に１４．５°に設定され、遷移終了位置（二往復後の端部ＥＡ）での巻き付け角度θは、第２の角度α２と同様に７３．６°に設定される。図５（ａ）に示す制御プログラムでは、巻き付け角度θの小さい一往復目においては、小さい変化率で徐々に巻き付け角度θが増加し、二往復目において端部ＥＡから端部ＥＢへ向かう区間にて、大きな変化率で巻き付け角度αが増加している。二往復目において端部ＥＢから端部ＥＡへ向かう区間では、進行方向の折り返し後、直ちに終了角度である７３．６°に達している。また、遷移層Ｂを形成するための巻き付け角度θの制御プログラムとして、図５（ｂ）に示すものを用いた。図５（ｂ）に示す制御プログラムでは、遷移開始位置（胴部の一方の端部ＥＡ）での巻き付け角度θは、第２の角度α２と同様に７３．６°に設定され、遷移終了位置（二往復後の端部ＥＡ）での巻き付け角度θは、第１の角度α１と同様に１４．５°に設定される。図５（ｂ）に示す制御プログラムでは、巻き付け角度θの大きい一往復目においては、開始直後に一定角度とした後、大きな変化率で巻き付け角度θが減少し、二往復目において端部ＥＡから端部ＥＢへ向かう区間にて、小さな変化率で徐々に巻き付け角度αが減少している。

実施例１では、図６において「実施例１」で示すように、１，２層目が第１の繊維層、３層目が第２の繊維層、４層目が遷移層Ｂ、５層目が第１の繊維層、６層目が遷移層Ａ、７層目が第２の繊維層、８，９層目が第１の繊維層であった。当該条件にて繊維層を形成した後、硬化炉で加熱を行い熱硬化性樹脂を硬化させ、強化層を完成させた。このとき、設計圧は１４１．２ＭＰａであった。

［実施例２］
各繊維層における巻き付け角度θの条件を図６において「実施例２」に示す条件に設定し、遷移層Ａを形成するための巻き付け角度θの制御プログラムとして、図４（ａ）に示すものを用い、遷移層Ｂを形成するための巻き付け角度θの制御プログラムとして、図４（ｂ）に示すものを用いた点以外は、実施例１と同様の条件を採用した。

図４（ａ）に示す制御プログラムでは、遷移開始位置（胴部の一方の端部ＥＡ）での巻き付け角度θは、第１の角度α１と同様に１４．５°に設定され、遷移終了位置（一往復後の端部ＥＡ）での巻き付け角度θは、第２の角度α２と同様に７３．６°に設定される。図４（ａ）に示す制御プログラムでは、端部ＥＡから端部ＥＢへ向かう区間では、小さい変化率で徐々に巻き付け角度θが増加し、端部ＥＢから端部ＥＡへ向かう区間では、大きな変化率巻き付け角度θが増加する。端部ＥＢから端部ＥＡへ向かう区間では、進行方向の折り返し後、終了角度である７３．６°に達した後は、一定角度で巻き付けが行われる。図４（ｂ）に示す制御プログラムでは、遷移開始位置（胴部の一方の端部ＥＡ）での巻き付け角度θは、第２の角度α２と同様に７３．６°に設定され、遷移終了位置（一往復後の端部ＥＡ）での巻き付け角度θは、第１の角度α１よりも大きい角度である２０°に設定される。これによって、繊維終了位置付近において繊維束にすべりが生じることを防止できる。また、第１の角度α１との間で大きな差はないため、問題を生じることなく第１の繊維層の形成に移行できる。図４（ｂ）に示す制御プログラムでは、巻き付け角度θの大きい端部ＥＡから端部ＥＢへ向かう区間では、開始直後に一定角度とした後、大きな変化率で巻き付け角度θが減少し、端部ＥＢから端部ＥＡへ向かう区間では、小さな変化率で徐々に巻き付け角度αが減少している。

［比較例１］
繊維層の構成として、図６において「比較例１」に示す条件に設定した点以外は、実施例１と同様の条件とした。実施例１では、図６において「比較例１」で示すように、１，２層目が第１の繊維層、３層目が第２の繊維層、４層目が第１の繊維層、５層目が第２の繊維層、６，７層目が第１の繊維層であった。比較例１では、設計圧は１１２．２ＭＰａであった。

［比較例２］
実施例１とは異なり、一本の繊維束を巻き付ける単給糸による繊維束の巻き付けを行った。また、繊維層の構造として、図６において「比較例２」に示す条件を採用した。１層目がフープ巻（巻き付け角度θが略９０°）による繊維層、２層目が巻き付け角度θを１５．３°とした繊維層、３層目が巻き付け角度θを１８．１°とした繊維層、４層目が巻き付け角度θを１５．３°とした繊維層、５層目が巻き付け角度θを８３．６°とした繊維層、６層目が巻き付け角度θを１５．３°とした繊維層、７層目が巻き付け角度θを１８．１°とした繊維層、８層目が巻き付け角度θを１４．８°とした繊維層、９層目がフープ巻による繊維層、であった。比較例１では、設計圧は１０２．７ＭＰａであった。

［試験結果］
ライナの軸方向の位置と強度比との関係を表したグラフを図７に示す。縦軸は、複合容器の設計圧力に対する複合容器の強化層の強度比である。図７（ａ）に示すように、実施例１及び比較例１では軸方向の両端側におけるフープ方向の強度比が中央付近より大きくなった。一方、図７（ｂ）に示すように、実施例２では、軸方向の両端側でのフープ方向の強度が高くなり、両端から中央側へ向かうに従って強度が低下し、ライナの中央部付近においてフープ方向の強度に極大点が発生した。このように、実施例２によれば、ライナの中央部付近におけるフープ方向の強度を高くできることが理解される。

次に、実施例及び比較例における、繊維束の使用量あたりの設計圧を図８に示す。図８に示すように、実施例２では繊維束の使用量あたりの設計圧が高く、単給糸による巻き付けによって製造された比較例２と同程度となった。また、実施例１は、少なくとも繊維層を有さない比較例１よりも繊維束の使用量あたりの設計圧が高くなった。

次に、実施例及び比較例におけるバースト試験の結果を図９に示す。バースト試験では、水圧による破壊圧力の測定を実施した。図９（ａ）は各実施例及び比較例における強度発現率を示す。強度発現率は、「バースト圧／設計圧」で求められる。図９（ａ）に示すように、実施例２の強度発現率が最も高くなった。また、図９（ｂ）は各実施例及び比較例における使用効率を示す。使用効率は、「バースト圧／繊維束の使用量」で求められる。図９（ｂ）に示すように、実施例２の使用効率が最も高くなった。また、実施例１の使用効率は、少なくとも比較例１よりも高くなった。

１…複合容器、２…ライナ、３…強化層、４…口金、１０…繊維束、１００…製造システム。

Claims (5)

1. 円筒状の胴部及び前記胴部の両端側に形成されるドーム部を有するライナに対して、前記ライナの中心軸線周りに複数設けられる給糸部から繊維束を供給して巻き付け、前記ライナの外周側に強化層を形成する複合容器の製造方法であって、
   前記複数の給糸部が前記ライナに対して前記繊維束を供給しながら、前記ライナが前記複数の給糸部に対して前記中心軸線周りに相対的に回転すると共に、前記ライナが前記複数の給糸部に対して軸方向に相対的に移動して、前記ライナに前記繊維束を巻き付けて前記強化層を形成する強化層形成工程を有し、
   前記強化層形成工程は、前記軸方向における前記繊維束の巻き付け位置の変化に従って、前記ライナの胴部に対する前記繊維束の巻き付け角度を変化させる第１の巻き付け工程を含み、
   前記第１の巻き付け工程では、前記巻き付け位置の変化に従って前記巻き付け角度が所望の値に変化するように設定された制御プログラムに基づいて、前記ライナに対する前記繊維束の巻き付けを制御する、複合容器の製造方法。
2. 前記強化層は、複数の繊維層によって構成され、
   前記強化層形成工程は、
   前記軸方向における前記繊維束の巻き付け位置の変化によらず、前記巻き付け角度を第１の角度で一定として、第１の繊維層を形成する、第２の巻き付け工程と、
   前記軸方向における前記繊維束の巻き付け位置の変化によらず、前記巻き付け角度を前記第１の角度よりも大きい第２の角度で一定として、前記第１の繊維層とは異なる繊維層である第２の繊維層を形成する、第３の巻き付け工程と、を更に含み、
   前記第１の巻き付け工程は、前記第２の巻き付け工程と前記第３の巻き付け工程との間で実行され、
   前記第１の巻き付け工程では、前記繊維束の巻き付けの進行に従い、前記第１の角度及び前記第２の角度の何れか一方側から他方側へ前記巻き付け角度を遷移させることで、前記第１の繊維層及び前記第２の繊維層とは異なる繊維層であって、前記第１の繊維層と前記第２の繊維層との間に配置される遷移層を形成する、請求項１に記載の複合容器の製造方法。
3. 前記第１の巻き付け工程は、前記巻き付け位置が前記ライナを軸方向に一往復する間に完了する、請求項１又は２に記載の複合容器の製造方法。
4. 前記第１の巻き付け工程では、前記巻き付け角度が大きい程、前記巻き付け位置の変化に対する前記巻き付け角度の変化率が大きい、請求項１〜３の何れか一項に記載の複合容器の製造方法。
5. 円筒状の胴部及び前記胴部の両端側に形成されるドーム部を有するライナに対して、前記ライナの中心軸線周りに複数設けられる給糸部から繊維束を供給して巻き付け、前記ライナの外周側に強化層を形成する複合容器の製造方法であって、
   前記複数の給糸部が前記ライナに対して前記繊維束を供給しながら、前記ライナが前記複数の給糸部に対して前記中心軸線周りに相対的に回転すると共に、前記ライナが前記複数の給糸部に対して軸方向に相対的に移動して、前記ライナに前記繊維束を巻き付けて前記強化層を形成する強化層形成工程を有し、
   前記強化層形成工程は、前記軸方向における前記繊維束の巻き付け位置の変化に従って、前記ライナに対する前記繊維束の巻き付け角度を変化させる第１の巻き付け工程を含み、
   前記強化層は、複数の繊維層によって構成され、
   前記強化層形成工程は、
   前記軸方向における前記繊維束の巻き付け位置の変化によらず、前記巻き付け角度を第１の角度で一定として、第１の繊維層を形成する、第２の巻き付け工程と、
   前記軸方向における前記繊維束の巻き付け位置の変化によらず、前記巻き付け角度を前記第１の角度よりも大きい第２の角度で一定として、前記第１の繊維層とは異なる繊維層である第２の繊維層を形成する、第３の巻き付け工程と、を更に含み、
   前記第１の巻き付け工程は、前記第２の巻き付け工程と前記第３の巻き付け工程との間で実行され、
   前記第１の巻き付け工程では、前記繊維束の巻き付けの進行に従い、前記第１の角度及び前記第２の角度の何れか一方側から他方側へ前記巻き付け角度を遷移させることで、前記第１の繊維層及び前記第２の繊維層とは異なる繊維層であって、前記第１の繊維層と前記第２の繊維層との間に配置される遷移層を形成する、複合容器の製造方法。
   

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