专利名称：罐及其制造方法
技术领域：
本发明涉及罐及其制造方法。进一步详述，本发明涉及以高压填充氢气等的罐的结构的改进。
背景技术：
作为氢气等贮藏所利用的罐，以往是利用具备在内衬的外周交替地层叠有环带层和螺旋层的FRP层的罐(例如参照专利文献1)。环带层是将纤维(例如碳纤维)进行环带卷绕(在罐筒体部上与罐轴大致垂直地卷绕的卷绕方法)所形成的层，螺旋层是将CF(碳纤维)等纤维进行螺旋卷绕(与罐轴大致平行，且卷绕到罐圆顶(K 一 A )部的卷绕方法) 所形成的层(参照本申请的图2)。另外还公开了下述的罐，该罐是将卷筒的外周进行螺旋卷绕而成的FRP筐体，且在各螺旋层的强化纤维束在筒体周向上的相位错开。在先技术文献专利文献专利文献1 日本特开2008-032088号公报发明的概要发明要解决的课题然而，在如上所述的以往技术中，有时不能实现兼顾爆破(破裂)强度和疲劳强度。
发明内容
因此本发明的目的在于提供实现了兼顾爆破强度和疲劳强度的结构的罐及其制造方法。用于解决课题的手段为了解决该课题，本发明人进行了各种研究。首先，关于罐的Vf(纤维体积含有率)，虽然如果将内层低Vf化就能够使疲劳强度提高，但这样有时会降低爆破强度。S卩，耐破裂强度Vf (纤维体积含有率)越高越会成为高强度，但在以往的罐中，也存在为了提高疲劳强度而降低内层的Vf因而不能获得高爆破强度的情况。另外，如果就疲劳强度而言，发明人发现当上述环带层的纤维的结构上的弯曲较大时则降低疲劳强度。即，在将环带层和螺旋层层积而形成了 FRP层的情况下，当与环带层相邻的螺旋层本身产生凹凸时，则该凹凸会被转印到相邻的环带层，由此环带层的纤维本身会产生小的弯曲而起伏，从而在该环带层上产生由结构引起的弯曲(起伏)。在这样的状况下，本发明人对如何降低环带层的纤维产生的结构上的弯曲(起伏)进行了反复研究，直至得到了与解决该课题密切相关的新的见解。本发明正是基于该见解所做出的，对于包括内衬、和由在该内衬的外周卷绕纤维所形成的环带层以及螺旋层构成的FRP层的罐，至少最内侧的螺旋层是平滑螺旋层。作为用于降低由结构引起的环带层的纤维弯曲(起伏)的手段，考虑降低相邻的螺旋层的凹凸从而不使该凹凸转印的方案。然而，如上所述由于未特殊考虑为了使上述螺旋层相对于罐轴成为大致平行并且以在罐圆顶部折返的方式进行卷绕(参照图幻来消除相邻的纤维间的间隙那样的卷绕，因此从根本上是困难的。通常，螺旋层未考虑纤维彼此的重叠或并排等，可以说是无秩序地卷绕，以往，例如虽然提出有使各螺旋层的强化纤维束在筒体周向上的相位错开的方案，但却没有提出或着眼于在具有圆顶部的罐上形成完全没有凹凸或较少凹凸的螺旋层的方案。关于这点，在本发明中，由于至少将最内侧的螺旋层做成平滑螺旋层，即做成完全没有凹凸或较少凹凸的螺旋层，因此能够抑制凹凸被转印到与该螺旋层相邻的环带层。在该情况下，能够减少以往那样由凹凸螺旋层(将在未进行用于使其平滑的处理的表面产生凹凸的螺旋层称为凹凸螺旋层，在图11、图12中用符号70B表示)的表面引起的结构上的纤维的弯曲。通过抑制与凹凸螺旋层相邻的环带层的纤维的结构上的弯曲(起伏)，从而能够使该纤维本身的疲劳强度提高。此外，纤维的层(螺旋层、环带层)越是位于内侧的层(靠近内衬的层)对罐强度的贡献越大。如上所述根据至少将最内侧的螺旋层做成平滑螺旋层的本发明，能够将与该平滑螺旋层相邻的环带层(例如，卷绕在该平滑螺旋层的外侧的环带层)平滑地进行卷绕， 从而能够大大有助于罐强度的提高。另外，在本发明涉及的罐中，与环带层相邻的层优选是环带层或平滑螺旋层。在该情况下，由于能够将与该环带层相邻的层的表面做成平滑面，因此能够不产生或降低由结构引起的纤维的弯曲。此外，在本发明涉及的罐中，与凹凸螺旋层相邻的层优选是平滑螺旋层。这样在将与凹凸螺旋层相邻的层做成了平滑螺旋层的情况下，能够由平滑螺旋层来吸收该凹凸螺旋层表面的凹凸，使得不将该凹凸的影响带给环带层。另外，优选地，在本发明涉及的罐中，平滑螺旋层通过以下方式形成，S卩，以在周向上配置的N个点为基准位置，以使纤维依次通过该基准位置的方式卷绕在内衬的外周，然后，以与已经卷绕的纤维邻接的方式在周向上错开的位置依次卷绕该纤维。在该情况下，优选地，通过卷绕的树脂将大致三角形状的单位图案进行了规则地组合的图案形成在平滑螺旋层的表面，成为相邻的单位图案的边界的部分在该罐的周向上出现2N处。此外，优选地， 通过卷绕的纤维形成在该罐的圆顶部的图案是N边形。更优选N是1到5的整数中的任意一个。另外，本发明涉及的制造方法，是包括内衬、和由在该内衬的外周卷绕纤维所形成的环带层以及螺旋层构成的FRP层的罐的制造方法，以在内衬的周向上配置的N个点为基准位置，并以使纤维依次通过该基准位置的方式卷绕在内衬的外周，之后，以与已经卷绕的纤维邻接的方式在周向上错开的位置依次卷绕该纤维，且至少将最内侧的螺旋层做成平滑螺旋层。此外，本发明涉及的筒体是包括由卷绕纤维所形成的环带层和螺旋层构成的FPR 层的筒体，至少最内侧的螺旋层是平滑螺旋层。发明的效果根据本发明，能够实现获得兼顾爆破强度和疲劳强度的结构的罐。另外，能够实现提高疲劳强度的筒体。
图1是表示本发明的一个实施方式的罐(高压罐)的结构的剖视图和局部放大图；图2是表示本发明的一个实施方式的罐(高压罐)的结构的剖视图；图3是表示罐的接口管(口金)附近的结构例的剖视图；图4是表示罐的直筒(7卜 > 一卜)部(或筒体)的FRP层的结构例的概略剖视图；图5是表示罐的直筒部(或筒体)的FRP层的另一结构例的概略剖视图；图6是说明用于形成平滑螺旋层的螺旋卷绕的一个例子以及“图案编号”的、沿着罐轴方向的罐的投影图；图7是表示FW(纤维缠绕，7 4，乂 >卜々4 > fM > 7 )装置的一个例子的图；图8是表示使用FW装置的纤维引导装置，将纤维卷绕于内衬的外周的样子的图；图9是表示平滑螺旋层的螺旋卷绕的一个例子的立体图；图10是表示平滑螺旋层的螺旋卷绕的一个例子的，沿着罐轴方向的投影图；图11是将以往的螺旋卷绕的一个例子作为参考所表示的立体图；图12是将以往的螺旋卷绕的一个例子作为参考所表示的、沿着罐轴方向的投影图。
具体实施例方式下面，基于附图表示的实施方式的一个例子来详细地说明本发明的构成。图1 图10表示本发明涉及的罐及其制造方法的实施方式。下面例示并说明将本发明涉及的罐(以下，称为高压罐)1适用于作为氢气燃料供给源的高压氢气罐的情况。 氢气罐能够在燃料电池系统等中利用。高压罐1包括例如两端是大致半球状的圆筒形状的罐筒主体10、和安装在该罐筒主体10的长度方向的一个端部的接口管11。其中，在本说明书中将大致半球状部分称为圆顶部，将筒状筒体部分称为直筒部，并分别用符号ld、ls表示(参照图1、图2等)。另外，虽然本实施方式中表示的高压罐1在两端具有接口管11，但为了便于说明，而将表示该高压罐1的主要部分的图3中的X轴的正方向(箭头表示的方向)作为前端侧，将负方向作为基端侧进行说明。与该X轴垂直的Y轴的正方向(箭头表示的方向)是指罐外周侧。罐筒主体10例如具有双层结构的壁层，包括作为内壁层的内衬20和该内衬20外侧的作为外壁层的树脂纤维层(加强层)的例如FRP层21。FRP层21例如只由CFRP层 21c形成，或由该CFRP层21c和GFRP层21g形成(参照图1)。内衬20形成为与罐筒主体10大致相同的形状。内衬20例如由聚乙烯树脂、聚丙烯树脂或者其他硬质树脂等形成。或者，内衬20也可以是由铝等形成的金属内衬。在内衬20的有接口管11的前端侧形成有向内侧弯曲的折返部30。折返部30以从外侧的FRP层21分离的方式朝向罐筒主体10的内侧折返。折返部30例如包括越靠近折返的前端直径越逐渐减小的缩径部30a ；和与该缩径部30a的前端连接且直径不变的圆筒部30b。由该圆筒部30b形成内衬20的开口部。
接口管11具有大致圆筒形状，被嵌入到内衬20的开口部。接口管11例如由铝或铝合金构成，例如通过压铸法等制造成预定的形状。接口管11被嵌入到注射成形后的分割内衬(分割，4少)中。另外，接口管11例如可以通过嵌入成形而安装于内衬20。另外，接口管11例如在前端侧(高压罐1的轴方向的外侧)形成阀紧固座面11a， 例如在该阀紧固座面Ila的后方侧(高压罐1的轴方向的内侧)相对于高压罐1的轴形成有环状的凹部lib。凹部lib向轴侧突出弯曲而成为R形状。相同的R形状的FRP层21的前端部附近与该凹部lib气密性接触。例如对与FRP层21接触的凹部lib的表面实施例如氟类的树脂等固体润滑涂层 C。由此降低FRP层21与凹部lib之间的摩擦系数。接口管11的凹部lib的更后方侧，例如形成为与树脂内衬20的折返部30的形状相适合的形状，例如形成与凹部lib连续且直径较大的凸缘部(法兰部)11c，从该凸缘部 Ilc向后方形成有直径不变的接口管圆筒部lid。上述内衬20的折返部30的缩径部30a 紧贴在凸缘部Ilc的表面，圆筒部30b紧贴在接口管圆筒部Ild的表面。在圆筒部30b与接口管圆筒部Ild之间插装有密封部件40、41。阀总成50在外部的气体供给线(供给路22)与高压罐1的内部之间控制燃料气体的进气排气。在阀总成50的外周面与接口管11的内周面之间插装有密封部件60、61。FRP层21例如通过FW成形(缠绕成形)，将浸渍有树脂的纤维(加强纤维)70卷绕在内衬20的外周面和接口管11的凹部11b，并通过使该树脂固化而形成。FRP层21的树脂例如使用环氧树脂、改性环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。另外，作为纤维70是使用碳纤维(CF)、金属纤维等。在FW成形时，通过以罐轴为中心一边使内衬20旋转一边将纤维70 的导向器沿着罐轴方向移动，由此能够将纤维70卷绕在该内衬20的外周面。此外，实际上通常是在内衬20上卷绕由多条纤维70捆束而成的纤维束，但在本说明书中包括纤维束的情况在内，只称为纤维。接下来，对用于降低罐1上的纤维(例如碳纤维CF) 70的结构上的弯曲的纤维卷绕图案进行说明(参照图2等)。如上所述，罐1是通过在内衬20的外周卷绕纤维(例如碳纤维)70，并使树脂固化而形成的。其中，纤维70的卷绕具有环带卷绕和螺旋卷绕，通过将树脂进行环带卷绕所得到的层形成环带层(在图4中用符号70P表示)，通过将树脂进行螺旋卷绕所得到的层形成螺旋层(在图9、图10中用符号70H表示)。前者的环带卷绕是通过将纤维70如螺旋弹簧那样卷绕在罐1的直筒部(罐筒体部分)而将该部分绕紧，并将用于抵抗借助气体压力朝向Y轴正方向的力(朝向径向外侧扩张的力)的力作用于内衬20的方法。另一方面，后者的螺旋卷绕是以将圆顶部向绕紧方向(罐轴方向的内侧方向)绕紧为主要目的的卷绕方法，以将纤维70缠挂于该圆顶部的方式相对于罐1整体地进行卷绕，由此主要有助于提高该圆顶部的强度。另外，如螺旋弹簧那样卷绕后的纤维70的螺旋线(螺纹的螺纹牙的线) 与该罐1的中心线(罐轴12)所成的角度(中的锐角)，是图2中用符号α表示的在本说明书中所说的纤维70 “相对于罐轴(12)的卷绕角度”(参照图2)。在上述各种卷绕方法中，环带卷绕是将纤维70与罐轴大致垂直地卷绕在直筒部上的方法，卷绕时具体的卷绕角度例如是80 90° (参照图幻。螺旋卷绕(或者，4
卷)是将纤维70也卷绕在圆顶部的卷绕方法，与环带卷绕的情况相比，相对于罐轴的卷绕角度较小(参照图幻。若将螺旋卷绕大致划分为两种，则有高角度螺旋卷绕和低角度螺旋卷绕两种，其中高角度螺旋卷相对于罐轴的卷绕角度比较大，其卷绕角度的具体例是70 80°。另一方面，低角度螺旋卷绕相对于罐轴的卷绕角度比较小，因此其卷绕角度的具体例是5 30°。另外，在本说明书中，有时将处于它们之间的30 70°的卷绕角度的螺旋卷绕称为中角度螺旋卷绕。此外，将由高角度螺旋卷绕、中角度螺旋卷绕、低角度螺旋卷绕形成的螺旋层分别称为高螺旋层、中螺旋层(用符号70MH表示)、低螺旋层(用符号70LH表示)。另外，将高角度螺旋卷绕的圆顶部Id上的罐轴方向的折返部分称为折返部(参照图 2)。通常，环带卷绕其本身是能够一边使纤维70彼此相邻一边卷绕成螺旋状，来消除纤维70的层叠使得不产生凹凸的卷绕方法。另一方面，螺旋卷绕通常是以绕紧圆顶部为主要目的，而对于减小纤维70的层叠或凹凸是非常困难或未充分地考虑减少层叠或凹凸的卷绕方法。上述环带卷绕和螺旋卷绕，可以根据该罐1的轴长、直径等的规格进行适宜地组合，在内衬20的周围层叠环带层70P和螺旋层70H(参照图1等)。此时，当螺旋层70H与环带层70P相邻时，则会将该螺旋层70H的凹凸转印到环带层70P，因此有时会在该环带层 70P的纤维70上产生弯曲(起伏)。关于这点，在本实施方式中，至少将最内侧的螺旋层70H做成平滑螺旋层，从而降低在与螺旋层70H相邻的环带层70P上所产生的凹凸。如后述那样，平滑螺旋层70H是由用于降低纤维70的重叠而进行的螺旋卷绕所形成的层。在该平滑螺旋层70H中，原则上是以排列在相邻的纤维70的正侧面的方式来卷绕后面的纤维70，纤维70的重叠方式与以往的螺旋层(凹凸螺旋层)不同。这样，在优先将最内侧的螺旋层(所谓的面内应力高的内侧的层)70H做成平滑螺旋层(最内平滑螺旋层)的基础上，将纤维70环带卷绕在该最内平滑螺旋层70H的外侧而形成了环带层70P的情况下，能够降低该环带层70P中的纤维70的结构上的弯曲(起伏)乃至皱褶，因此能够降低弯曲。即，由于平滑螺旋层70H的表面(表层)成为平滑面(参照图4)，因此在该平滑面上形成的环带层70P中降低由凹凸引起的结构上的纤维70的弯曲(起伏)。这样通过抑制环带层70P的纤维70的结构上的弯曲(起伏)，由此可提高该纤维70的疲劳强度，并且，将该环带层70P薄壁化、高Vf化从而获得提高爆破强度这样的优点。另外，由于最内螺旋层70H本身是平滑的，通过该层的薄壁化、高 Vf化也能够提高爆破强度。Vf表示纤维体积含有率，当该值(Vf值)增大时，则提高纤维的含有率，而减小树脂的含有率。当该Vf的值过高时则疲劳耐久性变差，当将值过于降低时则罐外形会增大。而且，根据本实施方式还具有能够大幅度提高罐强度的优点。即，螺旋层70H和环带层70P均为越位于内侧的层(靠近内衬20的层)，对罐强度的贡献越大，特别是在绕紧直筒部使耐压力充分地作用方面，最内层的环带层70P的作用很大。关于这点在本实施方式中，通过至少将最内侧的螺旋层70H做成平滑螺旋层，由此能够将与该平滑螺旋层70H的外侧相邻的环带层70P也平滑地形成，从而能够使该环带层70P大大有助于罐强度的提高 (参照图4等)。另外，与环带层70P相邻的层优选是其他环带层70P或平滑螺旋层70H。由于其他环带层70P或平滑螺旋层70H的表面比其他的环带层以外的层的表面平滑，因此在形成某个环带层70P时，只要将纤维70环带卷绕在上述其他环带层70P或平滑螺旋层70H的外侧，就能够降低该环带层70P的纤维70的结构上的弯曲(起伏)。因此，能够提高纤维70 的疲劳强度，并且将该环带层70P薄壁化、高Vf (纤维体积含有率)化从而能够提高爆破强度。作为一个例子，在图4中图示了按照从内层侧开始的依次形成了第一低螺旋层(平滑)70LH、第一环带层70P、第二环带层70P、第二低螺旋层(平滑)70LH的情况下的截面。 在该情况下，能够将四个层的表面均做成平滑面(参照图4)。此外，优选将与凹凸螺旋层(不进行用于使其平滑的处理而在表面产生了凹凸的螺旋层)相邻的层也做成平滑螺旋层。在这样的情况下，由于能够利用平滑螺旋层来吸收凹凸螺旋层表面的凹凸，因此能够使得凹凸产生的影响不带给其他环带层(例如形成于平滑螺旋层的更外侧的环带层)70P。作为一个例子，在图5中图示了按照从内层侧开始的顺序形成了第一低螺旋层(平滑)70LH、中螺旋层(凹凸)70MH、第二低螺旋层(平滑)70LH 的情况下的截面。如图所示，在第一低螺旋层(平滑)70LH的外侧形成有中螺旋层(凹凸)70MH的情况下，如果进一步在其外侧形成低螺旋层(平滑)70LH，就能够通过平滑螺旋层(在该情况下，是第二低螺旋层70LH和第一低螺旋层70LH)来吸收中螺旋层70MH表面的凹凸(参照图5)。接下来，对用于形成极力降低纤维70彼此的重叠的平滑螺旋层70H的螺旋卷绕进行说明(参照图6等)。在此，首先对用于卷绕纤维70的FW(纤维缠绕)装置的一个例子进行简单地说明。图7、图8表示的FW装置80，是一边以罐轴为中心使内衬20旋转，一边使纤维70的引导装置(被称为“7 ^ 口 ”等)81沿着罐轴方向往复移动，由此将纤维70卷绕在该内衬20 的外周的装置。通过改变引导装置81的移动相对于内衬20的转速的相对速度，由此能够改变纤维70的卷绕角度。引导装置81例如以能够动作的方式被夹具支承。下面，对成为螺旋卷绕的卷绕图案的参数的“图案编号”进行简单地说明。图案编号将螺旋卷绕的“分割数N”和“错位数”例如以“N/s”的形式表示。例如如果图案编号是 “5/2”(分割数5、错位数2)，则将罐1的圆顶部Id附近的外周如基准位置A E那样在周向上分为五等份(参照图6)，并在每次以螺旋卷绕使纤维70绕一圈时以通过错开了两个位置的基准位置的方式错位一边进行卷绕。在图案编号为“5/2”的情况下，则将通过一方的圆顶部Id的基准位置A的纤维70卷绕到另一方的圆顶部ld，并在再次返回到一方的圆顶部Id时，这次以通过错开了两个基准位置(例如基准位置C)的方式进行卷绕(参照图2、 图6)。当反复进行上述卷绕时，纤维70进行绕圈且每次返回到一方的圆顶部Id就依次通过基准位置A — C — E — B — D — A，并在卷绕了五圈后返回到原来的基准位置。一般在通常进行的螺旋卷绕(例如图案编号“5Λ”的螺旋卷)的情况下，纤维70彼此的重叠较多， 因而易形成具有较大凹凸的螺旋层(参照图11、图12)。在此，在本实施方式中，采用“N/1”作为螺旋卷绕的图案编号，以在周向上配置的 N个等分割点为基准位置，以使树脂依次通过该基准位置的方式卷绕在内衬20的外周，然后，以使与已经卷绕的树脂相邻的方式在周向上错开的位置依次卷绕该树脂，从而形成平滑螺旋层70H。在该情况下，N优选是1到5的整数中的任意一个。以下，例示N = 5(图案编号“5/1”)的情况并对该螺旋卷绕进行说明(参照图6)。图案编号“5/1”的螺旋卷绕，是将罐1的圆顶部Id附近的外周以假想的基准位置 A E那样分成五等份，并在每以螺旋卷绕使纤维70绕一圈时一边以通过相邻的基准位置的方式错位一边进行卷绕。首先，将通过了一方的圆顶部Id的例如基准位置A的纤维70 卷绕到另一方的圆顶部ld，并再次返回到了一方的圆顶部Id时，使其通过相邻的基准位置 (例如基准位置B)。当反复进行上述卷绕时，纤维70进行绕圈且每次返回到一方的圆顶部 Id就依次通过基准位置A — B — C — D — E，并在卷绕了五圈后返回到原来的基准位置A。 以该五圈为一组，在完成一组后转移至下一组。在此，在下一组时，以与已经卷绕的纤维70相邻的方式继续卷绕纤维70。S卩，在图 6中，如果用符号71表示第一组纤维，用符号72表示第二组纤维，则以与第一组纤维71相邻的方式卷绕第二组纤维72(参照图6)。同样地，第三组纤维73以与第二组纤维72相邻的方式进行卷绕。反复进行上述卷绕，使多个纤维并排排列，若基准位置A的纤维达到相邻的基准位置B (基准位置A的纤维并排排列到与基准位置B的第一组纤维71相接处)，则结束该层的螺旋卷绕。另外，在图6中，用符号7Z表示最后一组纤维。根据如上所述的螺旋卷绕，能够将纤维70规则地卷绕在内衬20的周围，从而能够减少由纤维70彼此的重叠产生的凹凸(参照图9、图10)。由此，能够形成表面平滑、凹凸较少的平滑螺旋层70H。因此，能够抑制凹凸转印到与该平滑螺旋层70H的外侧相邻的环带层70P，由此能够降低在该环带层70P上产生的结构上的纤维70的弯曲(起伏)。这样通过抑制环带层70P的纤维70的结构上的弯曲(起伏)，就能够提高该纤维70本身的疲劳强度。另外，该环带层70P薄壁化、高Vf (纤维体积含有率)化的结果，能够提高该罐1的爆破强度。当然，根据本实施方式的螺旋卷绕，也能够减小该平滑螺旋层70H本身的纤维70 彼此的间隙，并且也减薄每一层的厚度。此外，通过将螺旋层70H做成这样的平滑螺旋层而薄层化，因此环带层70P位于更易发挥强度的罐1的内侧。其结果，也能够将环带层70P薄壁化。另外，到此为止对将基准位置A E以逆时针配置的情况进行了说明(参照图6)，但与此相反即使成为以顺时针配置也能够实现同样的作用效果。以上是图案编号“5/1”(分割数N= 5、错位数s = 1)的情况下的螺旋卷绕，不论 N是1 4中的哪一个均同样能够形成平滑螺旋层70H。另外，即使将N设为6以上，也能够形成降低了表面凹凸的螺旋层70H。但是，当分割数N增大时，随着其增大用于使平滑螺旋层70H成立的卷绕角度会减小(成为低角度)，纤维70彼此的重叠状态也发生改变，因此存在难以使表面变得平滑的倾向。根据该点，图案编号的分割数如上所述优选1到5的整数中的任意一个。另外，在图9、图I0中，例示出图案编号“3/1”(分割数N = 3，错位数s = 1)的情况下的螺旋卷绕。如上所述从图中可知由于纤维70被规则地卷绕，因此与以往的螺旋卷绕 (参照图11、图12)不同，能够从图中识别出与该卷绕方法对应的有一定规则的图案。艮口， 由并排排列的纤维70形成大致三角形状的单位图案(交叉卷绕图案，綾模様)，并且形成有将多个该单位图案进行了规则地组合的状态下的平滑的表面(参照图9)。另外，由于相邻的单位图案彼此的纤维70的卷绕方向不同，因此成为这些单位图案彼此的边界的部分容易识别(参照图9中用虚线包围的部分)。如图9所示，成为上述边界的部分表示为X字形状。另外，成为上述边界的部分，在罐1的周向上在一圈之中有6处，在分割数N的罐1中出现2N处(但是，罐轴方向中央部分除外)。此外，根据本实施方式的螺旋卷绕，即使在罐1的圆顶部Id也形成具有特征的图案。即，例如如果是图案编号“3/1”的螺旋卷绕，则在螺旋卷绕之后，在圆顶部Id处，在接口管圆筒部Ild的周围形成大致正三角状的能够识别的图案(参照图10)。该图案与分割数N对应地变化，若N = 4则形成大致正四边形，若N = 5则形成大致正五边形的图案。如以上说明的那样，在至少将最内侧的螺旋层70H做成平滑螺旋层的本实施方式的罐1中能够获得如下所述的作用效果。S卩，由于能够将螺旋层70H的卷绕图案做成纤维70的层叠较少，且减小凹凸的图案，因此能够降低该螺旋层70H内的结构上的纤维70的弯曲。另外，由于能够减小该螺旋层70H内的纤维70彼此的间隙，因此能够减薄螺旋层每1层的厚度。此外，由于螺旋层表面成为平滑的面因此高低差较小，从而能够转印于上下的层(外侧的层，内侧的层)上的高低差也减小，因此能够降低在上下的层(例如环带层70P)中产生的结构上的纤维70的弯曲。降低环带层70P的纤维70的结构上的弯曲，特别有助于提高直筒部的疲劳强度。降低螺旋层70H的纤维70的结构上的弯曲，特别有助于提高圆顶部的疲劳强度。此外，将FRP 层整体薄壁化、高Vf化，特别有助于提高罐1的爆破强度。另外，通常在罐(压力容器)1的圆顶部作用由其形状引起的弯曲应力，例如CFRP 层21c的弯曲破坏中成为所谓的层间剥离的决定性重要因素。对于该点，根据本实施方式的螺旋卷绕，不仅在直筒部而且在圆顶部也能够降低纤维70间的间隙从而减小空隙(空隙率)。因此，这样能够期待由于减小空隙(空隙)而带来的抑制层间剥离的效果。另外，能够期待提高圆顶部的爆破/周期强度(爆破耐压、对多次使用的耐久性)。另外，如上所述如果减小空隙(空隙率)，就能够减小成为发泡的原因的空气量。 在FRP层21热固化时，空气成为泡状而引起在表层出现的发泡现象，但如果能够减小空隙 (空隙)就具有能够抑制发泡的优点。另外，如果形成平滑的螺旋层70H，则与减小罐1的最外表面的凹凸相关联。由此， 获得使罐1的外径更稳定化，降低每个罐1的偏差的优点。特别是，如果将最外层的螺旋层 70H做成平滑螺旋层，就能够期待更有效地减小外径的偏差的效果。另外，由于平滑的螺旋层70H本身以及当然地与其相邻的环带层70P高Vf化，使得树脂存留会随之减少，因此与减少FRP层21中所使用的树脂量相关联。这样如果减少树脂量，该减少的部分能够实现罐1的轻质化。此外，如上所述如果FRP层21高Vf化而减少树脂量，则会降低固化发热量(树脂的热固化中的反应热引起的发热)。通常，当热固化时的最高温度高时，有可能产生结合 (FW成形以及树脂固化之后，内衬20与FRP层21在一部分或全部粘接的状态)或内衬材料变差的问题，但在能够这样地使固化发热量降低的本实施方式的罐1中，能够抑制这些问题。此外，上述的实施方式只是本发明的优选实施的一个例子，而不限定于此，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够进行各种变形来实施。例如在上述的各实施方式中，对将最内侧的螺旋层70H做成平滑螺旋层(最内平滑螺旋层)的情况进行了说明，鉴于形成平滑螺旋层70H的情况下的各种作用效果，优选将全部螺旋层70H(低螺旋层70LH)都做成平滑螺旋层。另外，通过将中螺旋层70MH做成平滑螺旋层，则在该中螺旋层70MH中也能够实现上述的作用效果。另外，在上述的实施方式中，例示说明了在燃料电池系统等中能够利用的氢气罐中适用本发明的情况，当然对于用于填充氢气以外的流体的罐也能够适用本发明。
此外，还能够将本发明适用于罐(压力容器)以外的物体，例如，具有FRP层的较长的物体或构造物等筒体(含有筒状的部分)。列举一个例子，在通过螺旋卷绕或环带卷绕而在心棒(例如卷筒那样的物体)或模具的外侧卷绕纤维70而形成具有螺旋层70H或环带层70P的FRP层21的情况下，如果形成平滑螺旋层70H，就能够实现降低纤维7的结构上的弯曲、提高疲劳强度、减薄每一层的厚度这样的与上述的实施方式同样的作用效果。另外，如上所述在将本发明适用于筒体Γ的情况下，与上述的实施方式同样，将与环带层相邻的层做成其他环带层70Ρ或平滑螺旋层70Η是优选方式之一(参照图4)。或者，将与凹凸螺旋层70Η相邻的层做成平滑螺旋层也是优选方式之一(参照图5)。此外，作为筒体1'的具体例，可以列举出高尔夫球杆的柄(〉~ 7卜)或碳球棒(力一
卜)这样的体育用具、钓竿等娱乐用具、进而工厂设备等工程制品、建筑材料等构造物。产业上的利用可能性本发明优选适用于具有FRP层的罐，此外还适用于较长的物体或构造物等筒体。附图标记说明1 罐，1 ‘筒体，20 内衬，21 =FRP层，70 纤维，70Η 螺旋层(、'J力卟層)，70Ρ
环带层(7 — 7°層)，八、8、(、0』...基准位置。
权利要求
1.一种罐，具有内衬、和由在该内衬的外周卷绕纤维所形成的环带层及螺旋层构成的 FRP层，其中，至少最内侧的螺旋层是平滑螺旋层。
2.根据权利要求1所述的罐，其中，与所述环带层邻接的层是其他的环带层或平滑螺旋层。
3.根据权利要求1或2所述的罐，其中，与所述凹凸螺旋层邻接的层是平滑螺旋层。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的罐，其中，所述平滑螺旋层通过以下方式形成，即，以在周向上配置的N个点为基准位置，将所述纤维以依次通过该基准位置的方式卷绕在所述内衬的外周，然后，以与已经卷绕的纤维邻接的方式在周向上错开的位置依次卷绕该纤维。
5.根据权利要求4所述的罐，其中，通过卷绕的所述树脂在所述平滑螺旋层的表面形成将大致三角形状的单位图案进行了规则地组合的图案，成为相邻的所述单位图案的边界的部分在该罐的周向上出现2N处。
6.根据权利要求3或4所述的罐，其中，通过卷绕的所述纤维形成在该罐的圆顶部的图案是N边形。
7.根据权利要求4至6中的任意一项所述的罐，其中，所述N是1到5的整数中的任意一个。
8.—种罐的制造方法，是具有内衬、和由在该内衬的外周卷绕纤维所形成的环带层及螺旋层构成的FRP层的罐的制造方法，其中，以在所述内衬的周向上配置的N个点为基准位置，并将所述纤维以依次通过该基准位置的方式卷绕在所述内衬的外周，然后，以与已经卷绕的纤维邻接的方式在周向上错开的位置依次卷绕该纤维，至少将最内侧的螺旋层做成平滑螺旋层。
9.一种筒体，具有由卷绕纤维所形成的环带层和螺旋层构成的FI^R层，其中，至少最内侧的螺旋层是平滑螺旋层。
全文摘要
本发明提供实现了兼顾爆破强度和疲劳强度的结构的罐及其制造方法。为了实现该目的，在包括内衬(20)、和由在该内衬(20)的外周卷绕纤维(70)所形成的环带层(70P)及螺旋层(70H)构成的FRP层(21)的罐(1)中，至少最内侧的螺旋层(70H)是平滑螺旋层。通过形成平滑螺旋层，即完全凹凸没有或较少凹凸的螺旋层，由此能够抑制凹凸被转印到与该螺旋层(70H)相邻的环带层(70P)。通过抑制环带层(70P)的纤维(70)的构造上的弯曲(起伏)，从而能够提高该纤维(70)本身的疲劳强度。
文档编号F17C1/06GK102388255SQ200980158619
公开日2012年3月21日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者大冢力, 大坪弘和, 大沼智志, 大神敦幸, 水野基弘, 相山武范 申请人:丰田自动车株式会社