JPH01113227A - 複合材料ボンベの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は軽量で且つ十分な耐圧性を有する複合材料ボン
ベを工業的に製造する方法に関する。更に詳しくは、ブ
ロー成形等により製造した軽石のプラスチック製内筒を
マンドレルとして用いその表面にフィラメントワインタ
ング法によりｍ維強化プラスチックを成形して複合材料
ボンベを製造する方法の改良に関する。

［従来の技術］ ガス及び／又は液化ガスを収納する容器としてボンベが
用いられているが、従来、一般に販売。

使用されているボンベは鋼製である。しかし鋼製のボン
ベは、耐圧容器であるため、肉厚であり、ｆｆ１ｆｆｉ
が大きい欠点がある。このため、比較的近年になり、ア
ルミニウム等の軽金属及びその合金で作ったボンベが製
造されるようになり、市販もされている。

更に、最近に至り、複合材料のボンベが開発され、市販
されるようになった。例えば「ウルトレッサ」　（登録
商標）という商品名で市販されているＳＣＩ社（Ｓ　ｔ
ｒａｃｔｕａｌ　　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌ　ｎｄｕｓｔ
ｒｉｅｓ　）製のボンベがこれに当る。このような従来
公知の複合材料ボンベは、金属内筒の外側にフィラメン
トワインタング法で繊維強化プラスチック層を形成した
ものである。

［発明が解決しようとする問題点］ このような従来公知の複合材料ボンベは、従来の金属製
ボンベの肉厚の一部を補強繊維とプラスチック（樹脂）
で置きかえたものであり、従来の金属製ボンベに比して
軽量になっている。しかしながら、この軽量化を更に推
し進めるには金属部を無くすか、金属部を更に軽くしな
ければならない。

このための手段として、マンドレルとなる金属製の内筒
を除去することが考えられるが、フィラメントワインタ
ング法にて巻き上げて製造したボンベからマンドレルを
除去するには、マンドレルの破壊もしくは変形が必要で
、この方法は理論的には実施可能であっても、現状の技
術ではコスト的にも技術的にも難点がある。また、繊維
強化プラスチック（ＦＲＰ）のガス透過性の問題もあり
（例えば、特開昭６２−１０！１７０１号には、ＦＲＰ
車輪リムにおいて補強ｔｉＪ［を増やすとガスが通り易
くなることが記載されている）、ガスもしくは液化ガス
のボンベとして、マンドレルを残さないフィラメントワ
インデング製品は適当でないという問題もある。

一方、金属マンドレルを軽くするに当り、その肉厚を小
さくする方法は容易に考えられるところであるが、肉厚
の小さい（薄肉の）マンドレルは作りにくく、場合によ
っては甚だ高価なものになってしまう。また、金属マン
ドレルは当然のことながら同じ厚さのプラスチックマン
ドレルより重く、かつ同じ重量で比較した場合上手に設
計された繊維強化プラスチック複合材料よりも弱い。

従って、安価な、軽量のマンドレルを得る方法として、
プラスチックのマンドレル、しかも、肉厚の小さいマン
ドレルを開発採用することが一つの解決策になる。この
ようなプラスチックマンドレルを得る方法としては、例
えばブロー成形などが好ましい方法として挙げられる。

特にポリエチレンテレフタレート等のブロー成形容器は
、成形の際の延伸の効果により、肉厚が小さくても極め
て優れた強度を示すことが知られている。

しかしながら、ブロー成形で得られる肉厚の小さい（特
に胴部の肉厚が小さい）マンドレルは、その材質を問わ
ず軟らかく、フィラメントワインタング法の成形用マン
ドレルとしては、成形に際して歪むため、不適当である
。

更に、強度上の問題として、プラスチックマンドレルは
表面が平滑であり、フィラメン１−ワインデング加工に
際して繊維が滑りやすくて均一な巻き上げが難しく、従
って、所定の位置に繊維を揃えることが困難である。こ
の結果、得られる成形物の強度等の物性が所期の値に達
しないことがしばしば発生する。

強度に関しては、更に、フィラメントワインタング法に
よるボンベでは補強繊維が軸に対して斜めに角痕を持っ
て巻かれるため、該ボンベに力が加わることにより、場
合によっては補強繊維の模様が微妙にずれる可能性があ
る。そしてボンベの内圧等により軸方向に力が加わると
軸方向に伸び、円周方向に詰る力が動き、内圧が働いた
場合にボンベが変形し易い問題がある。

しかるに、プラスチック等剛性の低い材料からなる肉厚
の小さいマンドレルを用いた場合に、内筒つまりマンド
レルが変形し易いため、この問題が助長され、場合によ
ってはフィラメントワインデング複合材料の層間剥離の
問題につながる場合もあり得る。

従って、これらの問題も併ゼて解決する必要がある。

［問題を解決する手段］ 本発明者らは、肉厚の小さいプラスチックマンドレル（
ボンベとしては内筒に当る）を用いて、フィラメントワ
インデング法により複合材料ボンベを製造する際の前述
の如き問題を解決すべく鋭意研究の結果、十分に軽いプ
ラスチックマンドレルと複合材料補強ｍＨのシートとを
用いてフィラメントワインデングに必要且つ十分な剛性
を確保出来る、軽量の新規マンドレルを作り、これとフ
ィラメントワインデング法とを組み合せることにより、
軽くて有用な複合材料ボンベを製造し得ることを見い出
し、本発明を完成したものである。

即ら、本発明は、プラスチック製内筒の外周を補強繊維
シートで覆った模、その上にフィラメントワインデング
法にて繊維強化プラスチックス層を形成せしめることを
特徴とする複合材料ボンベの製造方法である。

本発明方法では、複合材料ボンベの内筒として、肉厚の
小さいプラスチック製内筒を使用する。かかる内筒はブ
ロー成形によるものが好ましい。

一般にプラスチ・ｌりのブロー成形は、該プラスチック
のパイプを作り、一方の端部を閉じ、加温して機械的及
び加圧により膨張させて目的形状にする。ポリエステル
等の場合にはプリフォームと呼ばれる試験管状の中間体
を作り、これを加熱して、Ｉ時的及び空気（又はガス）
吹き込みにより膨張させて目的形状にする。プリフォー
ム等の中間体の肉厚は多くの場合２〜５調程度であり、
得られる成形物の肉厚は１履以下が普通である。ブロー
成形物はポリエチレンテレフタレート等のポリエステル
の場合には延伸効果も考慮して、面積延伸倍率１０倍程
度とし、胴部が０．２〜０．３ａｍ＋厚さにすることが
多い。

マンドレルとなるプラスチック製内筒の素材はボンベの
内容物により選択する。一般にはポリエステル（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等
）、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６等）、ポリ
オレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ＡＢ
Ｓ樹脂等より選ばれ、特にＬＰＧの場合にはポリエステ
ルやナイロンが好ましい。ガス透過率の問題から、低ガ
ス透過率のプラスチックと複層化することも好ましい。

例えば炭酸ガス用のボンベに対してはポリエステルのマ
ンドレルの中間層にポリ塩化ビニリデンの薄層を介在さ
せるのが好ましい。

また、ガス透過率を低減させる目的で、ブロー成形の吹
込用ガスとしてフッ素を含む窒素ガスを使用し、プラス
チック製内筒の内面をフッ素化処理してもよい。

このブロー成形物は強度はあるが極めて軟弱である。従
って、フィラメントワインデングのマンドレルとしてこ
のまま用いるのは不適当で、このような問題の解決のた
めに例えばマンドレル内に流体を圧入する案（例えば特
開昭６１−１６９２２６号）もあるが、圧入・排出時の
マンドレルのサイズの変化その他の問題がある。本発明
者らは、マンドレルとなるプラスチック製内筒の周方向
の補強を兼ねた補強繊維シートを少くともマンドレルの
胴部に巻き付けることにより、これの解決を図った。

補強織帷シートは予めプラスチック（樹脂）を含浸させ
たもの、つまりプリプレグであってもよいし、繊維シー
トのみを巻き付けてもよい。また、その上からプラスチ
ック（樹脂）を塗布してもよいし、予め塗布した上に巻
き付けてもよい。又、該プラスチック（樹脂）は硬化し
てもよく、硬化しなくてもよい。また、半硬化でもよい
。

マンドレルに巻き付ける補強Ｉ！維レシート素材は、フ
ィラメントワインデングに用いられるものと同様であり
、実用上はガラス繊維、炭素繊維。

アラミド繊維等が挙げられる。後述のフイラメントワイ
ンデングで使用するものと一致させることが好ましい。

補強！ｌ維シートの形態は、一方向引揃えプリプレグ、
これを互いに交叉するよう積層したもの、織物、不織布
等任意の形態をとることができる。

該補強繊維シートは、マンドレルとなるプラスチック製
内筒のノズル部以外の全表面に巻きつけてもよいが、マ
ンドレルの胴に当る部分にのみ巻きつけるだけでも十分
である。該補強シートはその幅がマンドレルの胴の長さ
に一致するような広幅のものでもよく、テープ状の幅の
狭いもの（この場合はらせん状に巻きつける）でもよい
。いずれの場合も巻き厚さは０．５〜２Ｍが適当である
。

本発明方法では、その上（外周）にフィラメントワイン
デング法により補強繊維とプラスチック（樹脂）とを成
形し、硬化させて繊維強化プラスチック層を形成する。

本発明方法によるボンベのフィラメントワインデング法
成形に用いる補強繊維は、この方法で用いられる一般の
繊維でよく、種類を特に問わないが、実用上はガラス繊
維、炭素繊維、アラミド繊維等が用いられる。コストと
物性のバランスからはガラス繊維が最も好ましい。

繊維に付着させるプラスチック（樹脂）としては前述と
同様に一般にフィラメントワインデングで用いるプラス
チック（樹脂）でよく、不飽和ポリエステル樹脂、エポ
キシ樹脂、ビニルエステル樹脂等が用いられ、低温で溶
融する一部の熱可塑性樹脂であってもよい。プラスチッ
クの硬化等、後処理の温度はマンドレルの素材ポリマー
の耐熱性で選ばれる。つまり、プラスチックの選択はそ
の硬化温度とマンドレルの素材との関係も考慮して行わ
れる。

フィラメントワインデングの方式としては、乾式、湿式
のいずれでもよく、巻き上げ紋様としてはスパイラル、
ポーラ−のいずれでもよい。低圧用ボンベでは、薄手の
フィラメントワインデングであるため、伸びを抑えるた
めにポーラ−巻きの好ましい場合がある。スパイラル又
はポーラ−巻きの上に更にフープ巻きを重ねるのが普通
である。

空気９ｗ１素、その他の通常のガスの容器としては上述
の方法で製造した複合材料ボンベで十分である。しかし
ながら、ＬＰＧ等の可燃物の場合にはガス透過の問題を
生ずることがあるが、この問題を避けるため、ブロー成
形したプラスチックマンドレル（ボンベの内筒となる）
に金属メッキしておくことが好ましい場合があり、また
、プロー成形したプラスチックマンドレルの外側又はシ
ート巻ぎ付は後の外側を金属箔等の薄葉金属で覆うこと
が好ましい場合もある。

必要に応じて用いる金属箔は、アルミニウム。

すす、銅等のほか、金、銀等金属箔になるものなら何で
もよい。ガスバリア性、コストのバランスからはアルミ
ニウムが特に好ましい。

第１図は本発明方法による複合材料ボンベの一例を示す
断面図である。図中（１）はブロー成形等により形成さ
れたプラスチック内筒（フィラメントワインデングのマ
ンドレルとなる）、（２はその胴部に巻回した補強繊維
シート層、（３）はスパイラル巻きフィラメントワイン
デング層、（４）はボンベのノズル、（５）はガス透過
性を改善するための金属箔（無くともよい）であり、（
６）はボンベの最外層となるフープ巻きフィラメントワ
インデング層である。

なお、このボンベは、更にその表面を塗装したり、薄い
プラスチック層で被覆してもよい。

［実施例］ 次に、本発明の実施例を詳述するが、本発明はこれらの
実施例によって限定されるものではない。

実施例１ ポリエチレンテレフタレートを用いインジェクション法
で試験管状の成形物（プリフォーム）を作った。これを
ブロー成形してビン状にした。プロー成形物の直径は２
５０ｍ１１．艮ざは６５０ＩｌｌＩ１１であった。

この上（外周）にエポキシ樹脂を塗り、市販のガラス、
繊維の織物を巻き、糸で止め、更にエポキシ樹脂を塗っ
て固めた。シートを巻いた厚さは０．４馴であった。

その上からフィラメントワインデング法によりガラス繊
維にエポキシ樹脂を含浸させたガラス繊１１ｉ（Ｅガラ
ス４！Ｉ＞を巻き角度１３．６°でスパイラル状に巻き
付けた。この層の厚さは１．２ｊｅｍとした。

更にその上に胴部のみにフープ状に上記のエポキシ樹脂
含浸ガラス繊維を巻き付けた。この層の厚さは２．２ａ
ｍとした。

本実滴例ではフィラメントワインデング法により良好に
成形することができた。樹脂を硬化させて得られた複合
材料ボンベは水圧テストの結果、少なくとも内圧１００
に９／ａｉまで耐えることが確認された。

実施例２ ポリプロピレンの樹脂でブロー成形してマンドレルを作
った。該マンドレルは直径　＋５０ｍ、長さ３００、で
あプた。これにノズル部を残してアルミニウム箔を全面
に巻き付けた。

このマントルの胴部に、ガラス！ＩＮクロスに不飽和ポ
リエステル樹脂を含浸させてプリプレグを巻き付け、そ
の上にフィラメントワインデング法により不飽和ポリエ
ステル樹脂を含浸させたガラス繊維をさき角度３０°で
巻き付けた。その上に胴部にのみ、フープ巻きを行った
。

フィラメントワインデング法で良好な成形が出来、シー
ト（プリプレグ）部の厚さ０．６．、フィラメントワイ
ンデング部の厚さはスパイラル巻き層が１．８１１＋ｓ
＋、フープ巻き層が２．４ａａ＋であった。得られたボ
ンベは第１図の如き構造を有し、水圧テストの結果、少
なくとも１００ＫＦＩ　／　ｃｔｉに耐えた。

比較例 実施例１のマンドレルにシートを巻かずにそのままフィ
ラメントワインデング加工した。巻き角度１３６６°で
巻いたが、均一な巻き上げが難しく粗密が生じた。実施
例１と同じ１だけ巻いた後、この上に胴部のみフープ巻
きした。フープ巻ぎは実施例１の２割増分だけ巻いた。

見栄えにも問題を残したが、水圧テストで８５　Ｋｇ／
　ｃＭ程度で破壊した。

［発明の効果］ 本発明方法によれば、軽量、安価で、美麗な、物性の優
れた複合材料ボンベが得られる。そして、本発明方法に
よるボンベはマンドレルが比較的薄いプラスチックなの
で、金属マンドレルの上に巻きマンドレルを抜かない複
合材料ボンベより軽く、かつ基本のマンドレルが軟らか
くそのままではフィラメントワインデング困難なのに対
して、巻きやすく、従って美麗に仕上がり、物性も良好
である。

また、プラスナック製内筒が存在すること及びフィラメ
ントワインデングにおいて均一で隙間のない巻き上げが
できることにより、複合材料のみのボンベに比べてガス
の透過も著しく少ないという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による複合材料ボンベの１例を示す断面
図である。図において（１）はプラスチック製内筒、（
ａは補強繊維シート、（３）はスパイラル巻きフィラメ
ントワインデング層、（４）はノズル、（５）は金属箔
、（６）はフープ巻フィラメントワインデング層ぐある
。 特許出願人　帝　人　株　式　会　礼 式　　理　　人　　弁理士　　匍　　１）　純　　傅、
ｉ：”：”ｌ］１．５　　、′丁 ＼゛（１ −に−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラスチック製内筒の外周を補強繊維シートで覆っ
   た後、その上にフィラメントワインデング法により繊維
   強化プラスチック層を形成することを特徴とする複合材
   料ボンベの製造方法。 ２、プラスチック製内筒がブロー成形したものである特
   許請求の範囲第１項記載の製造方法。 ３、ブロー成形の吹込用ガスとしてフッ素を含む窒素ガ
   スを用いプラスチック製内筒の内面をフッ素化処理する
   特許請求の範囲第２項記載の製造方法。 ４、プラスチック製内筒がその表面を金属メッキしたも
   のである特許請求の範囲第１項又は第２項記載の製造方
   法。 ５、プラスチック製内筒がその表面を薄葉金属で覆つた
   ものである特許請求の範囲第１項又は第２項記載の製造
   方法。 ６、補強繊維シートをプラスチック製内筒の胴に当る部
   分に巻きつける特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   製造方法。 ７、補強繊維シートがプリプレグシートである特許請求
   の範囲第１項又は第６項記載の製造方法。 ８、補強繊維シートが織物である特許請求の範囲第１項
   又は第６項記載の製造方法。 ９、補強繊維シートが不織布である特許請求の範囲第１
   項又は第６項の製造方法。 １０、外周を補強繊維シートで覆ったプラスチック製内
   筒の表面を薄葉金属で覆い、その上にフィラメントワイ
   ンデング法により繊維強化プラスチック層を形成させる
   特許請求の範囲第１項記載の製造方法。