JP7653729B2 - フィラメントワインディング方法およびこれによって製造された圧力容器 - Google Patents

Description

本発明は、フィラメントワインディング方法に関する。より具体的には、本発明は、圧力容器の耐久性を増加させるためのフィラメントワインディング方法およびこれによって製造された圧力容器に関する。

次世代運送手段として水素電池車が脚光を浴びており、水素燃料用圧力容器の開発も活発に行われている。高圧の水素を貯蔵するための圧力容器の製造方法において、円形状の製品の製造に主に用いられるフィラメントワインディング成形法は、樹脂が含浸した連続繊維を円筒状の回転する金型（Ｍａｎｄｒｅｌ）に巻き取った後、硬化させて、回転対称の構造物を製造する複合材成形工法であって、繊維をライナーに巻き取る直前に、繊維が樹脂浴（Ｒｅｓｉｎ Ｂａｔｈ）を通過しながら含浸する湿式ワインディング（Ｗｅｔ Ｗｉｎｄｉｎｇ）工法と、トウプリプレグを用いた乾式ワインディング（Ｄｒｙ Ｗｉｎｄｉｎｇ）工法とに分けられる。

前記ワインディング方法は、フープラップ（Ｈｏｏｐ Ｗｒａｐｐｅｄ、垂直巻き）およびヘリカルラップ（Ｈｅｌｉｃａｌ Ｗｒａｐｐｅｄ、らせん巻き）が挙げられるが、これによって形成されるフープパターン層は、圧力容器の圧力を支持し、ライナーのシリンダー部の破損を防止し、ヘリカルパターン層は、ドーム部を強化するために用いられる。

この際、前記ライナーの円周方向にフープパターン層がさらに多く形成されるほど容器の圧力に効果的に耐えるので、圧力容器全体の耐久性を改善することができるが、円周方向にフープパターン層が形成される場合、パターンによる段差が形成される。

したがって、実際に圧力容器において円周方向を補強するために、ライナーの内側領域にフープパターン層を複数個形成するフィラメントワインディング方法に限界があり、圧力容器の耐久性能を効果的に増加させないという問題がある。

したがって、圧力容器の耐久性を増加させるための新しいフィラメントワインディング方法の開発が至急である。

本発明の背景技術としては、韓国特許第１０－２２１７８３０号にフィラメントワインディング装置が開示されている。

本発明の目的は、フィラメントワインディング方法の改善を通した圧力容器の耐久性を増加させることにある。

本発明の他の目的は、フープパターン層の形成による脆弱部位を解消し、耐久性が増加した圧力容器を提供することにある。

本発明の前記およびその他の目的は、下記説明される本発明によって全部達成することができる。

１．本発明の一態様は、圧力容器用フィラメントワインディング方法に関する。
前記フィラメントワインディング方法は、（ａ）ライナーの外周面に繊維強化複合材をワインディングし、第１パターン層を形成する段階と、
（ｂ）前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材をワインディングし、第２パターン層を形成することによって、第１複合材層を形成する段階と、
（ｃ）前記第１複合材層の上部面にさらに第１パターン層を形成し、前記第１パターン層の上部面に第２パターン層を形成することによって、第２複合材層を形成する段階と、を含み、下記数式１によって複合材層を繰り返し形成することができる。
［数式１］
Ｃ_Ｎ≦５
ここで、Ｃ_Ｎは、全体複合材層の個数である。

２．前記１具体例において、前記（ｃ）段階で第２パターン層を形成した後に、ヘリカルパターン層を形成する段階をさらに含んでもよい。

３．前記１または２具体例において、前記第１パターン層は、前記ライナーの円周方向に前記繊維強化複合材がワインディングされて形成されるフープ（Ｈｏｏｐ）パターン層であってもよい。

４．前記３具体例において、前記（ｂ）段階の前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカル（Ｔｕｂｅ Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層を形成し、かつ下記数式２を満たすことができる。
［数式２］
Ｎ_１＞Ｎ_２
ここで、Ｎ_１は、ライナーの上部面に形成されるフープパターン層の層数であり、Ｎ_２は、前記フープパターン層の上部面に形成されるチューブヘリカルパターン層の層数である。

５．前記３具体例において、前記（ｃ）段階で、前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカル（Ｔｕｂｅ Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層を形成し、かつ下記数式３を満たすことができる。
［数式３］
Ｎ_３≧Ｎ_４
ここで、Ｎ_３は、第２複合材層のフープパターン層の層数であり、Ｎ_４は、チューブヘリカルパターン層の層数である。

６．前記１から５のいずれか１つの具体例において、前記（ｃ）段階の前記第１パターン層のワインディング開始点は、前記（ａ）段階の前記第１パターン層のワインディング開始点より前記ライナーの中心方向に移動することができる。

７．前記４または５具体例において、前記チューブヘリカルパターン層は、ライナーの軸方向を基準として約６０°～８９°の角度でワインディングされてもよい。

８．前記１から７のいずれか１つの具体例において、前記第１パターン層は、前記ライナーのドーム部方向に前記繊維強化複合材がワインディングされてヘリカル（Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層が形成されてもよい。

９．前記８具体例において、前記（ｂ）段階の前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてフープパターン層を形成し、かつ下記数式４を満たすことができる。
［数式４］
Ｎ_５＞Ｎ_６
ここで、Ｎ_５は、ヘリカルパターン層の上部面に形成されるフープパターン層の層数であり、Ｎ_６は、ヘリカルパターン層の層数である。

１０．前記８具体例において、前記（ｃ）段階で、前記第１パターン層は、前記第１複合材層の上部面に前記繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカルパターン層が形成され、前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に前記繊維強化複合材がワインディングされてフープパターン層を形成し、かつ下記数式５を満たすことができる。
［数式５］
Ｎ_７＞Ｎ_８
ここで、Ｎ_７は、第２複合材層においてフープパターン層の層数であり、Ｎ_８は、チューブヘリカルパターン層の層数である。

１１．前記１０具体例において、前記チューブヘリカルパターン層は、ライナーの軸方向を基準として約６０°～８９°でワインディングされてもよい。

１２．前記５または１０具体例において、前記ライナーの円周方向に形成される前記フープパターン層の個数は、前記ライナー全体に形成される層の個数の２０～３５％割合で形成されてもよい。

１３．前記５または１０具体例において、前記第１複合材層のフープパターン層の層数に対するチューブヘリカルパターン層の層数の割合は、約５～１０：１～５であり、前記第２複合材層のフープパターン層の層数に対するチューブヘリカルパターン層の層数の割合は、約１～２：１であってもよい。

１４．本発明の他の態様は、圧力容器に関する。
前記圧力容器は、ライナーと、該ライナーの外周面に前記フィラメントワインディング方法で形成された複合材層と、を含む。

１５．前記１４具体例において、前記ライナーのシリンダー部の破裂圧は、約１，７００ｂａｒ以上であってもよい。

１６．前記１４または１５具体例において、前記ライナーのシリンダー部の最大応力は、約２，５００ＭＰａ～２，６００ＭＰａであってもよい。

本発明によるフィラメントワインディング方法は、複合材層形成過程を改善し、高価な炭素繊維の使用量を減少させて、圧力容器の製造コストを減少させると同時に、圧力容器の重量効率が増加し、従来のフープパターン層とヘリカルパターン層を交互に積層したフィラメントワインディング方法で製造された圧力容器と比較して、耐久性が最大８％以上向上することができる。

図１は、本発明の一具体例によるフィラメントワインディング方法の工程流れ図である。 図２は、従来圧力容器の複合材層形成過程を示す模式図である。 図３は、本発明の一具体例によるフープパターン層とチューブヘリカルパターン層が形成された圧力容器の模式図である。 図４は、本発明の一具体例によるフィラメントワインディング方法で製造された圧力容器および従来のフープパターン層とヘリカルパターン層が交互に形成された圧力容器の充填圧に対する最大応力と破裂圧に対するコンピューターシミュレーション結果を示す図である。 図５は、本発明の一具体例によるフィラメントワインディング方法で製造された圧力容器および従来のフープパターン層とヘリカルパターン層が交互に形成された圧力容器の流体充填によるシリンダー部の破裂写真である。 図６は、内側複合材層にフープパターン層の個数増加による予想破裂圧を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明をより具体的に説明する。ただし、下記図面は、本発明に対する理解を助けるために提供されるものであり、本発明が下記図面によって限定されるわけではない。また、図面に開示された形状、サイズ、割合、角度、個数などは、例示的なものであるから、本発明が図示された事項に限定されるわけではない。

明細書全体にわたって同一の参照符号は、同一の構成要素を示す。また、本発明を説明するに際して、関連した公知技術に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすることができると判断される場合、その詳細な説明を省略する。

本明細書上で言及した「含む」、「有する」、「なる」などが使用される場合、「～のみ」が使用されない限り、他の部分が追加されてもよい。構成要素を単数で表現した場合に、特に明示的な記載事項がない限り、複数を含む場合を含む。

構成要素を解釈するに際して、別途の明示的記載がなくても、誤差範囲を含むものと解釈する。

「～上に」、「～上部面に」、「～下部に」、「～側方に」などのように２つの部分の位置関係が説明される場合、「すぐに」または「直接」が使用されない限り、２つの部分の間に1つ以上の他の部分が位置してもよい。

「上部」、「上面」、「下部」、「下面」などのような位置関係は、図面を基準として記載されたものに過ぎず、絶対的な位置関係を示すものではない。すなわち、観察する位置によって、「上部」と「下部」または「上面」と「下面」の位置が互いに変更され得る。

本明細書において、数値範囲を示す「ａ～ｂ」は、「≧ａかつ≦ｂ」と定義する。

本発明の一態様は、圧力容器用フィラメントワインディング方法に関する。

図１は、本発明の一具体例によるフィラメントワインディング方法の工程流れ図である。

図１を参照すると、前記フィラメントワインディング方法は、（ａ）ライナーの外周面に繊維強化複合材をワインディングし、第１パターン層を形成する段階と、（ｂ）前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材をワインディングし、第２パターン層を形成することによって、第１複合材層を形成する段階と、（ｃ）前記第１複合材層の上部面に再び第１パターン層を形成し、前記第１パターン層の上部面に第２パターン層を形成することによって、第２複合材層を形成する段階と、を含む。

まず、ライナーを準備し、外周面に繊維強化複合材をワインディングし、第１パターン層を形成する（Ｓ１００）。

前記ライナーは、内部に高圧の燃料、好ましくは、水素が貯蔵される空間を提供し、プラスチック材質からなり、ライナーの一端に燃料が注入または排出され得るノズルが設けられたボス部を含んでもよい。

前記ライナーは、両端に配置されるドーム部と、中心に配置されるシリンダー部とを含み、前記ドーム部は、一定の曲率を有し、前記ドーム部と前記シリンダー部が連結される変曲点Ｃで間に内側領域Ｓが形成され、前記内側領域に前記繊維強化複合材がワインディングされることによって、前記シリンダー部に加えられる圧力に耐えることができる。

前記ライナーの外周面に繊維強化複合材をワインディングし、第１パターン層を形成する。

前記繊維強化複合材は、炭素繊維強化複合材、ガラス繊維強化複合材およびアラミド繊維強化複合材のうち１種であってもよい。

具体的には、炭素繊維、ガラス繊維またはアラミド繊維をナノパーティクルエポキシ（Ｎａｎｏ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｅｐｏｘｙ）、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）、変性エポキシ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｅｐｏｘｙ）、ポリエステル（Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）のような熱硬化性樹脂や、ポリアミド（Ｐｏｌｙａｍｉｄ）等の熱可塑性樹脂に含浸させて形成されたものであってもよい。

上記のような種類の繊維強化複合材でワインディングし、第１パターン層と第２パターン層を形成することによって、前記ライナーの外周面に接する第１複合材層を形成し、圧力容器の耐久性を大きく増加させることができる。

ここで、前記第１パターン層は、前記ライナーの外周面に繊維強化複合材がワインディングされて形成される層を意味し、第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面にワインディングされて形成される層を意味する。

一具体例において、前記第１パターン層は、前記ライナーの円周方向に前記繊維強化複合材がワインディングされることによって、フープ（Ｈｏｏｐ）パターン層が複数個の層で形成されたものであってもよい。

前記第１パターン層は、前記ライナーの外周面に直接ワインディングされて形成されるものであり、前記ライナーのシリンダー部の両終端のうちいずれか一方からワインディングされ始まったものであってもよく、前記第１パターン層は、シリンダー部の内側領域Ｓに形成されてもよい。

前記第１パターン層がフープパターン層で形成される場合、前記ライナーに内側領域に加えられる圧力を支持し、シリンダー部の破裂圧を効果的に増加させることができる。

この際、前記ライナーの円周方向にフープパターン層がさらに多く形成されるほど容器の圧力に効果的に耐えるので、圧力容器全体の耐久性を改善することができるが、円周方向にフープパターン層が形成される場合、パターンによる段差が形成される。

前記フープパターン層が複数個で形成される場合には、フープパターン層の側面に階段形状の段差が発生し、連続的にフープパターン層を積層する場合、段差のサイズが増加し、その後、ワインディング過程で繊維強化複合材をヘリカルパターンでワインディングする場合、前記段差部位で繊維強化複合材が離脱して流れ落ちたり、正確な位置にワインディングしにくいので、製造工程中に不良率が増加し、段差の上部面にそのままヘリカルパターン層が形成される場合、段差による空間が形成され、前記空間がライナーに加えられる圧力を支持しないので、脆弱部位が形成され、結局、圧力容器が破損する恐れがある。したがって、フープパターン層を連続積層して、圧力容器の耐久性を増加させる方法には限界がある。

前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材をワインディングし、第２パターン層を形成することによって、第１複合材層を形成する（Ｓ２００）。

前記第１複合材層は、前記第１パターン層と第２パターン層からなり、前記第１パターン層がフープパターン層として優先的に形成される場合、前記フープパターン層の上部面に第２パターン層を形成し、かつ前記第２パターン層は、チューブヘリカル（Ｔｕｂｅ Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層で形成することができる。

前記第２パターン層がチューブヘリカルパターン層で形成される場合、前記第１パターン層のフープパターン層の側面に形成された段差を上部面から直接取り囲むように形成され、前記チューブヘリカルパターン層は、段差の上部面に最大限面接するので、フープパターン層が繰り返し形成されても、段差によって形成される空間が減少し、複合材層の脆弱部位を減少させ、圧力容器の耐久性を大きく向上させることができる。

前記第２パターン層がチューブヘリカルパターン層で形成される場合、第１パターン層のフープパターン層を複数個で形成することによって、ライナーの円周部位に耐久性能を効果的に増加させることができる。

一具体例において、前記Ｓ２００の前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカル（Ｔｕｂｅ Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層を形成し、かつ下記数式２を満たすことができる。

［数式２］
Ｎ_１＞Ｎ_２

ここで、Ｎ_１は、ライナーの上部面に形成されるフープパターン層の層数であり、Ｎ_２は、前記フープパターン層の上部面に形成されるチューブヘリカルパターン層の層数である。

前記ライナーの上部面に形成されるフープパターン層の層数は、前記フープパターン層の上部面に形成されるチューブヘリカルパターン層の層数よりさらに多い。
例えば、前記第１パターン層がフープパターン層で４個層で形成される場合、前記第２パターン層が１個～３個層で形成されてもよい。

前記数式２によってフープパターン層の層数を増加させてシリンダー部の耐久性を大きく増加させることができ、前記チューブヘリカルパターン層がフープパターン層が形成する段差を減少させて、脆弱部位を効果的に減少させるので、前記フープパターン層を連続積層して、複数個のフープパターン層を積層することができる。

前記第１パターン層が前記数式２によって複数個のフープパターン層で形成されることにより、チューブヘリカルパターン層がフープパターン層を支持する場合、ライナーシリンダー部位の円周に加えられる圧力を最も効果的に支持できる最適なフープパターン層の個数を決定することができ、前記第１パターン層がライナーの外周面に直接形成されるので、ライナーに加えられる圧力を効果的に支持し、ライナーの破裂を防止することができる。

前記第１複合材層の上部面にさらに第１パターン層を形成し、前記第１パターン層の上部面に第２パターン層を形成することによって、第２複合材層を形成する（Ｓ３００）。

前記Ｓ２００で、第１複合材層を形成した後、Ｓ３００で、第２複合材層を形成する。

具体的には、前記第１複合材層の上部面に同じ方法で前記第１パターン層を形成し、前記第１パターン層の上部面に第2パターン層を形成することによって、第２複合材層を形成する。

一具体例において、Ｓ３００で、前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカル（Ｔｕｂｅ Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層を形成し、かつ下記数式３を満たすことができる。

［数式３］
Ｎ_３≧Ｎ_４

ここで、Ｎ_３は、第２複合材層のフープパターン層の層数であり、Ｎ_４は、チューブヘリカルパターン層の層数である。

前記第２複合材層も、フープパターン層が形成されることにより、段差が形成され、前記段差の上部に段差を取り囲むチューブヘリカルパターン層が形成され、フープパターン層が形成する段差を緩和し、さらに多いフープパターン層を連続して形成することができる。

例えば、前記第２複合材層は、第１パターン層としてフープパターン層が３個層で形成される場合、第２パターン層がチューブヘリカルパターン層で３個以下で形成されてもよく、好ましくは、２個層が優先的に形成された後、さらに連続して１個層がさらに形成されてもよい。

前記数式２によって前記第１複合材層には、複数個のフープパターン層が形成されていて、シリンダー部の耐久性が十分に増加しているので、第２複合材層のフープパターン層の層数は、第１複合材層より減少することが好ましい。

前記数式３によって第２複合材層を形成する場合、フープパターン層が増加しても、段差による製品不良および圧力容器の耐久性低下を防止することができ、第２複合材層のフープパターン層とチューブヘリカルパターン層の個数を減少させても、ライナーのシリンダー部を補強することができるので、繊維強化複合材の使用量を減少させて、圧力容器の製造効率を大きく増加させることができる。

一具体例において、前記Ｓ３００で、前記第２パターン層を形成し、ヘリカルパターン層を形成する段階をさらに含んでもよい。

前記ヘリカルパターン層が形成される場合、ドーム部の耐久性を強化することができ、ライナー全体複合材層を均一に形成することができる。

具体的には、前記ヘリカルパターン層は、約１０°～４２°の角度で形成されてもよく、複数個の層で形成されることが好ましい。

前記ヘリカルパターン層が形成され、ドーム部を含むライナー全体に複合材層を形成することができる。

一具体例において、前記Ｓ２００の前記第１パターン層のワインディング開始点は、前記Ｓ１００の前記第１パターン層のワインディング開始点よりも前記ライナーの中心方向に移動することができる。

具体的には、前記Ｓ３００の第１パターン層が、Ｓ１００の第１パターン層より前記ライナー内側領域の中心方向に移動する場合、フープパターン層が形成する段差をより一層効果的に緩和することができる。

一具体例において、前記チューブヘリカルパターン層は、ライナーの軸方向を基準として約６０°～８９°の角度でワインディングされてもよい。

通常、ヘリカルパターン層は、ライナーの中心軸方向を基準として約５°～４４°の低角でワインディングして形成されるが、前記チューブヘリカルパターン層は、先に形成されたフープパターン層が形成する段差の上部に直接ワインディングされるために、さらに高角でワインディングされることが好ましく、前記範囲内でワインディングされることによって、フープパターン層が形成する段差を効果的に緩和することができる。

前記チューブヘリカルパターン層のワインディング角度が前記範囲に満たない場合、前記フープパターン層が形成する段差を緩和しにくく、前記範囲を超える場合、チューブヘリカルパターン層形成効率が非常に減少する。

前記Ｓ３００で、前記第１複合材層が形成された後、下記数式１によって複合材層が繰り返し形成されてもよい。

［数式１］
Ｃ_Ｎ≦５

ここで、Ｃ_Ｎは、全体複合材層の個数である。

前記数式１によって複合材層が繰り返し形成されることによって、ライナーの破裂圧を増加させ、ライナーと複合材層間の応力を減少させて、圧力容器の耐久性を大きく増加させることができる。

前記範囲内で複数個の複合材層が形成される場合、単にフープパターン層とヘリカルパターン層を交互に形成する場合と比較して、耐久性が約８％以上向上するので、非常に好ましいが、圧力容器の耐久性を増加させるために、複合材層の個数をさらに増加させることも可能である。

なお、Ｓ１００で、前記第１パターン層がヘリカル（Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層で形成されてもよい。

一具体例において、前記第１パターン層は、前記ライナーのドーム部方向に前記繊維強化複合材がワインディングされることによって、ヘリカル（Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層が優先的に形成されてもよい。

前記第１パターン層は、ドーム部方向からワインディングされ始まり、前記フープパターン層よりライナーの軸方向を基準としてさらに低角でワインディングされることによって、ヘリカルパターン層を形成することができる。

前記ヘリカルパターン層が形成される場合にも、前記ヘリカルパターン層の上部面にフープパターン層を連続形成し、ライナーのシリンダー部の耐久性を増加させることができる。

一具体例において、前記Ｓ２００の前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてフープパターン層を形成し、かつ下記数式４を満たすことができる。

［数式４］
Ｎ_５＞Ｎ_６

ここで、Ｎ_５は、ヘリカルパターン層の上部面に形成されるフープパターン層の層数であり、Ｎ_６は、ヘリカルパターン層の層数である。

前記フープパターン層は、前記ヘリカルパターン層よりさらに多く形成され、前記範囲でライナーの耐久性を効果的に増加させることができる。

一具体例において、前記Ｓ３００で、前記第２複合材層は、前記第１パターン層が前記第１複合材層の上部面に前記繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカルパターン層で形成され、前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に前記繊維強化複合材がワインディングされてフープパターン層を形成し、かつ下記数式５を満たすことができる。

［数式５］
Ｎ_７＞Ｎ_８

ここで、Ｎ_７は、第２複合材層においてフープパターン層の層数であり、Ｎ_８は、チューブヘリカルパターン層の層数である。

前記範囲内で前記チューブヘリカルパターン層が前記フープパターン層の上部面に形成される場合、前記フープパターン層が形成する段差による圧力容器の不良およびライナーの破損を効果的に防止することができる。

この際にも、前記チューブヘリカルパターン層は、ライナーの軸方向を基準として約６０°～８９°でワインディングされ、フープパターン層の上部面に直接面接し、フープパターン層が側面に形成される空間を減少させて、ライナーに加えられる圧力を効果的に支持することができる。

一具体例において、前記ライナーの円周方向に形成される前記フープパターン層の個数は、前記ライナー全体に形成される層の個数の約２０～３５％の割合で形成されてもよい。

前記第１複合材層および第２複合材層においてフープパターン層が連続して繰り返し積層され、圧力容器の破裂圧を大きく向上させることができるので、前記範囲内でフープパターン層を形成する場合、繊維強化複合材の使用量を減少させながらも、フープパターン層を連続して２個層以上積層した場合、またはフープパターン層とヘリカルパターン層を交互に形成する場合と比較して、前記ライナーのシリンダー部の破裂圧を効果的に増加させ、複合材層とライナーとの間で応力を減少させることができる。

一具体例において、前記第１複合材層のフープパターン層の層数に対するチューブヘリカルパターン層の層数の割合は、約５～１０：１～５であり、前記第２複合材層のフープパターン層の層数に対するチューブヘリカルパターン層の層数の割合は、約１～２：１であってもよい。

前記第１複合材層および第２複合材層に前記範囲内にフープパターン層が形成される場合には、フープパターン層の増加によるシリンダー部の破裂圧を効果的に増加させることができるだけでなく、最大約９０％の割合までフープパターン層を複合材層の形成初期に形成し、目標とするライナーの耐久性を容易に確保することができ、その後、複合材層を追加形成する段階を通じて最終的に圧力容器の耐久性を調節することができるので、製造工程効率が大きく増加することができる。

本発明の他の態様は、圧力容器に関する。

図２は、圧力容器の複合材層形成過程を示す模式図であり、図３は、本発明の一具体例によるフープパターン層とチューブヘリカルパターン層が形成された圧力容器の模式図である。

まず、図２を参照すると、従来ライナー１０の円周方向に内側領域Ｓにフープパターン層２０が連続して積層されて形成される場合、シリンダー部の耐久性を最も効果的に増加させることができるが、両終端の側面に段差が形成され、前記フープパターン層２０の上部面にそのままヘリカルパターン層３０が形成される場合、内側に空間４０が形成され、前記空間４０、４１が繰り返し重なる場合、複合材層に脆弱部位が形成され、ライナーの圧力を支持しないので、結局、圧力容器を破損させる。

図３を参照すると、本発明による前記圧力容器１０００は、ライナー１００および複合材層４００、７００を含む。

前記ライナー１００は、一端にボス１１０が設けられ、内側に貯蔵空間が形成される。

前記複合材層４００、７００は、第１複合材層４００および第２複合材層７００を含む。

具体的には、前記ライナー１００の外周面に第１パターン層として複数個のフープパターン層２００が形成され、その後、繊維強化複合材がワインディングされ、前記第２パターン層として高角のチューブヘリカルパターン層３００がワインディングされることによって、前記第１複合材層４００を形成する。

前記高角のチューブヘリカルパターン層３００が複数個で形成されたフープパターン層２００の側面に形成された段差に面接する場合、段差が形成する空間を減少させて、ライナーの加圧による脆弱部位が形成を効果的に防止することができる。

前記第２複合材層７００は、第１パターン層５００および第２パターン層６００を含む。

前記第１パターン層５００および第２パターン層６００は、前記第１複合材層４００の構成と同じ部材である。

この際、前記第１パターン層５００のワインディング開始点は、前記第１複合材層４００の第１パターン層２００がワインディングされる開始点Ｓ０より内側区域の中心に向かって移動したサイトＳ１に配置され、前記複合材層が複数個で形成される場合にも、前記第１パターン層の開始点を内側区域の中心に向かって移動させる場合、フープパターン層の形成による段差を減少させることができる。

前記ライナーの円周方向にフープパターン層を多数形成することが、圧力容器のシリンダー部の破裂圧を増加させ、最大応力を減少させることができる最も効果的な方法であるが、実際に前記フープパターン層を連続して積層して形成する場合、フープパターン層の側面に段差が形成され、上部面にそのままヘリカルパターン層を形成すると、空間によってライナーの圧力を効果的に支持せず、破損するので、連続的にフープパターン層を形成することが非常に難しい。

本発明の一具体例による圧力容器１０００は、前記ライナー１００の外周面に繊維強化複合材をワインディングして複数個の複合材層４００、７００を形成し、かつ第１パターン層２００と第２パターン層３００に分けて第１複合材層４００を形成し、第１パターン層２００がフープパターン層で形成される場合、第２パターン層３００をヘリカルパターン層で形成し、第１パターン層２００がヘリカルパターン層で形成される場合、第２パターン層３００をフープパターン層で形成し、フープパターン層が個数が増加する場合には、高角のチューブヘリカルパターン層を形成することによって、フープパターン層の段差による空間を減少させて、ライナーの円周方向にさらに多数のフープパターン層を積層することができ、繊維強化複合材のワインディング時に製品不良を防止することができるので、ライナーの円周方向を非常に効果的に補強することができる。

前記圧力容器１０００は、複合材層においてフープパターン層による階段状段差が減少し、シリンダー部の破裂圧が増加し、最大応力が減少し、全体耐久性が８％まで増加することができる。

一具体例において、前記ライナーのシリンダー部の破裂圧は、約１，７００ｂａｒ以上であってもよい。

具体的には、充填圧約１，５７５ｂａｒに対する予想破裂圧に対するコンピューターシミュレーション結果による破裂圧は、約１，７００ｂａｒ以上であり、より具体的には、前記ライナーのシリンダー部の破裂圧が約１，７００ｂａｒ～１，９５０ｂａｒである。

一具体例において、前記複合材層が形成される場合、シリンダー部の破裂圧が増加し、これによって、圧力容器全体の耐久性を増加させることができる。

前記ライナーのシリンダー部の最大応力は、約２，５００ＭＰａ～２，６００ＭＰａであってもよい。

前記フィラメントワインディング方法で形成された複合材層は、円周方向の応力を減少させることができ、これによって、前記ライナーシリンダー部の最大応力は、具体的には、約２，５００ＭＰａ～２，５５０ＭＰａであってもよい。

前記複合材層は、フープパターン層の積層数が増加し、内側のフープ数も増加し、前記ライナーのシリンダー部と複合材層との間に発生する応力を効果的に減少させることができ、これによって、圧力容器の耐久性が大きく増加することができる。

以下、本発明の理解を助けるために好ましい実施例を提示するが、下記実施例は、ただ本発明を例示するものであり、本発明の範囲が下記実施例に限定されるわけではない。

実施例１．圧力容器の製造
プラスチック樹脂であるライナーの外周面に炭素繊維をエポキシ樹脂に含浸した繊維複合材をワインディングして複合材層を形成し、湿式でフープパターン層を４個層（Ｐｌｙ）で優先的に形成し、前記ライナーの軸方向を基準として８９°の高角でチューブヘリカルパターン層を１個層で積層することによって、第１複合材層を形成した。

前記第１複合材層の上部面に、さらにフープパターン層を３個層で形成し、連続して約８０°の角度でチューブヘリカルパターン層を１個層形成することによって、第２複合材層を形成した。

第２複合材層の前記チューブヘリカルパターン層の上部面にヘリカルパターン層を追加し、ドーム部を補強した。

同じ方法で複合材層を３個で形成した。

炭素繊維の張力によるライナーの座屈を防止するために、ワインディング過程でエアーを注入し、形状を維持させた。

最終的に、前記複合材層においてフープパターン層の層数（Ｐｌｙ）が全体パターン層数の約３２．３％となるように調節して、圧力容器を完成した。

比較例１．
実施例１と同じ方法で圧力容器を製造するものの、第１複合材層と第２複合材層を形成する過程を経ることなく、ヘリカルパターン層とフープパターン層を交互に積層して、実施例１と同じ厚さの複合材層を有する圧力容器を完成した。

実験例１．圧力容器の耐久性能テスト
図４は、本発明の一具体例によるフィラメントワインディング方法で製造された圧力容器および従来のフープパターン層とヘリカルパターン層が交互に形成された圧力容器の充填圧に対する最大応力と破裂圧に対するコンピューターシミュレーション結果を示す図であり、図５は、本発明の一具体例によるフィラメントワインディング方法で製造された圧力容器および従来のフープパターン層とヘリカルパターン層が交互に形成された圧力容器の流体充填によるシリンダー部の破裂写真である。

図４および図５を参照すると、実施例１による圧力容器に対する充填圧約１，５７５ｂａｒに対する主応力（単位：ＭＰａ）および破裂圧（単位：ｂａｒ）をＡＢＡＱＵＳプログラムを用いてコンピューターシミュレーションした結果、実施例１の場合、シリンダー部の最大応力が約４％以上減少し、破裂圧も、約５％以上増加することを確認した。

また、繊維強化複合材を変更し、様々な素材による圧力容器の耐久性を確認する場合、平均的に最大８％まで耐久性が向上することを確認した。

実験例２．内側フープ層の増加による耐久性向上
第１複合材層にフープパターン層が第２複合材層よりさらに多数で形成される場合、圧力容器の耐久性向上程度を確認した。

前記表１を参照すると、 製造例４、６において複合材層のうち最も内側の第１複合材層のフープパターン層の個数が、第２複合材層のフープパターン層より多く形成され、製造例２、３、５では、フープパターン層の個数が同数またはより少ない数で形成された。

実験例１と同じ方法で充填圧約１，５７５ｂａｒに対する予想破裂圧をコンピューターシミュレーションして測定した。

図６は、内側複合材層にフープパターン層の個数増加による予想破裂圧を示す図である。

図６を参照すると、 製造例６において約１９０４．４７ｂａｒの高い破裂圧を示し、最も内側にフープパターン層を複数個で形成する場合、最も効果的に圧力容器の耐久性を増加させることができることを確認した。

一方、 製造例３において第１複合材層の形成後に、第２複合材層のフープパターン層の個数がさらに増加した場合には、約１８８９．６２ｂａｒの低い破裂圧を示し、圧力容器の耐久性を増加させるのに効果的でないことを確認した。

したがって、本願発明によるフィラメントワインディング方法は、ライナーの円周方向にフープパターン層を形成する場合、段差による製品不良およびフープパターン層の積層限界を克服することができ、特にライナーに接する最も内側複合材層にさらに多い数のフープパターン層を形成することによって、ライナーの円周方向を効果的に補強することができ、前記フープパターン層は、複合材層形成段階の初期に最大で形成され、目標とする耐久性を容易に確保することができるので、全体繊維強化複合材の使用量を減少させても、従来フィラメントワインディング方法で製造された圧力容器以上の耐久性を示すことができる。

また、製造工程の工数が減少し、製造効率が大きく増加するだけでなく、これによって製造された圧力容器は、シリンダー部の最大応力が減少し、破裂圧も増加し、圧力容器全体耐久性が８％以上大きく向上することができる。

以上、本発明について実施例を中心に記述した。本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明が本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲で変形された形態で具現され得ることを理解することができる。したがって、開示された実施例は、限定的な観点でなく、説明的な観点で考慮されなければならない。本発明の範囲は、前述した説明でなく、特許請求範囲に示されており、それと同等な範囲内にあるすべての差異点は、本発明に含まれたものと解すべきである。

Claims (14)

1. （ａ）ライナーの外周面に繊維強化複合材をワインディングし、第１パターン層を形成する段階と、
   （ｂ）前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材をワインディングし、第２パターン層を形成することによって、第１複合材層を形成する段階と、
   （ｃ）前記第１複合材層の上部面にさらに第１パターン層を形成し、前記第１パターン層の上部面に第２パターン層を形成することによって、第２複合材層を形成する段階と、を含み、
   前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカル（Ｔｕｂｅ Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層を形成し、
   前記チューブヘリカルパターン層は、ライナーの軸方向を基準として６０°～８９°の角度でワインディングされ、
   下記数式１によって複合材層が繰り返し形成されることを特徴とするフィラメントワインディング方法：
   ［数式１］
   Ｃ_N≦５
   ここで、Ｃ_Nは、前記第１パターン層および前記第２パターン層で形成される複合材層の個数である。
2. 前記（c）段階で第２パターン層を形成し、ヘリカルパターン層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のフィラメントワインディング方法。
3. 前記第１パターン層は、前記ライナーの円周方向に前記繊維強化複合材がワインディングされて形成されるフープ（Ｈｏｏｐ）パターン層であることを特徴とする請求項１に記載のフィラメントワインディング方法。
4. 前記（ｂ）段階の前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカル（Ｔｕｂｅ Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層を形成し、かつ下記数式２を満たすことを特徴とする請求項３に記載のフィラメントワインディング方法：
   ［数式２］
   Ｎ₁＞Ｎ₂
   ここで、Ｎ₁は、ライナーの上部面に形成されるフープパターン層の層数であり、Ｎ₂は、前記フープパターン層の上部面に形成されるチューブヘリカルパターン層の層数である。
5. 前記（ｃ）段階で、前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカル（Ｔｕｂｅ Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層を形成し、かつ下記数式３を満たすことを特徴とする請求項３に記載のフィラメントワインディング方法：
   ［数式３］
   Ｎ₃≧Ｎ₄
   ここで、Ｎ₃は、第２複合材層のフープパターン層の層数であり、Ｎ₄は、チューブヘリカルパターン層の層数である。
6. 前記（ｃ）段階の前記第１パターン層のワインディング開始点は、前記（ａ）段階の前記第１パターン層のワインディング開始点より前記ライナーの中心方向に移動することを特徴とする請求項１に記載のフィラメントワインディング方法。
7. （ａ）ライナーの外周面に繊維強化複合材をワインディングし、第１パターン層を形成する段階と、
   （ｂ）前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材をワインディングし、第２パターン層を形成することによって、第１複合材層を形成する段階と、
   （ｃ）前記第１複合材層の上部面にさらに第１パターン層を形成し、前記第１パターン層の上部面に第２パターン層を形成することによって、第２複合材層を形成する段階と、を含み、
   下記数式１によって複合材層が繰り返し形成され、
   前記第１パターン層は、前記ライナーのドーム部方向に前記繊維強化複合材がワインディングされてヘリカル（Ｈｅｌｉｃａｌ）パターン層が形成され、
   前記（ｂ）段階の前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に繊維強化複合材がワインディングされてフープパターン層を形成し、かつ下記数式４を満たすことを特徴とするフィラメントワインディング方法：
   ［数式１］
   Ｃ _N ≦５
   ここで、Ｃ _N は、前記第１パターン層および前記第２パターン層で形成される複合材層の個数であり、
   ［数式４］
   Ｎ₅＞Ｎ₆
   ここで、Ｎ₅は、ヘリカルパターン層の上部面に形成されるフープパターン層の層数であり、Ｎ₆は、ヘリカルパターン層の層数である。
8. 前記（ｃ）段階で、前記第１パターン層は、前記第１複合材層の上部面に前記繊維強化複合材がワインディングされてチューブヘリカルパターン層が形成され、前記第２パターン層は、前記第１パターン層の上部面に前記繊維強化複合材がワインディングされてフープパターン層を形成し、かつ下記数式５を満たすことを特徴とする請求項７に記載のフィラメントワインディング方法：
   ［数式５］
   Ｎ₇＞Ｎ₈
   ここで、Ｎ₇は、第２複合材層においてフープパターン層の層数であり、Ｎ₈は、チューブヘリカルパターン層の層数である。
9. 前記チューブヘリカルパターン層は、ライナーの軸方向を基準として６０°～８９°でワインディングされることを特徴とする請求項８に記載のフィラメントワインディング方法。
10. 前記ライナーの円周方向に形成される前記フープパターン層の個数は、前記ライナー全体に形成される層の個数の２０～３５％の割合で形成されることを特徴とする請求項５または８に記載のフィラメントワインディング方法。
11. 前記第１複合材層のフープパターン層の層数に対するチューブヘリカルパターン層の層数の割合は、５～１０：１～５であり、前記第２複合材層のフープパターン層の層数に対するチューブヘリカルパターン層の層数の 割合は、１～２：１であることを特徴とする請求項５または８に記載のフィラメントワインディング方法。
12. ライナーと、
    該ライナーの外周面に請求項１に記載のフィラメントワインディング方法で形成された複合材層と、を含む圧力容器。
13. 前記ライナーのシリンダー部の破裂圧は、１７００ｂａｒ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の圧力容器。
14. 前記ライナーのシリンダー部の最大応力は、２，５００ＭＰａ～２，５５０ＭＰａであることを特徴とする請求項１２に記載の圧力容器。