JP2008304038A - 高圧タンク製造方法、高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】高圧タンクにおける省スペース化と疲労耐久性の向上を両立させる。
【解決手段】中空のライナに対し、非硬化状態にある熱硬化性樹脂が含浸された繊維径の大きな炭素繊維束を巻回し、１〜３層をフィラメントワインディング成形（ＦＷ成形）する（Ｓ１２）。続いて、繊維径が中程度の炭素繊維繊束を巻回して４〜２４層をＦＷ成形し（Ｓ１４）、さらに、繊維径が小さな繊維強化複合材を巻回して２５〜３６層をＦＷ成形する（Ｓ１６）。一般に、繊維径が大きな炭素繊維束では、繊維密度が小さいため、巻き締めによる内層の繊維体積含有率の上昇を抑制することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、繊維強化複合材を巻回して製造される高圧タンクに関する。

ライナの外側に繊維強化複合材を複数層にわたって巻回することにより、高圧タンクを製造する技術が知られている。

下記特許文献１には、樹脂未含浸の大径繊維束である第１繊維束と、小径繊維束を熱可塑性樹脂で被覆した第２繊維束とを組み上げ（ブレイディング）、加熱溶融により熱可塑性樹脂を第１繊維束に含浸させて硬化させる高圧タンクを製造する技術が開示されている。この技術では、組み上げる過程、あるいは、含浸や硬化をさせる過程において、第１繊維束に加える張力を第２繊維束に加える張力よりも大きくして、第１繊維束と第２繊維束との結合を強化することにより、製造時間の短縮と強度の維持を目指すものである。

下記特許文献２には、補強用の繊維束をフープ巻き及びヘリカル巻きして航空機用の高圧タンクを製造する技術が開示されている。この技術では、フープ巻きには繊維の本数を多くした太い繊維束を用い、ヘリカル巻きには繊維の本数を少なくした細い繊維束を用いている。また、ストラップを取り付ける部分の繊維の巻回ピッチを密にし、一般の部分の繊維の巻回ピッチを疎にしている。

下記特許文献３には、金属製タンクの外面に炭素繊維強化プラスチックを複数層にわたって巻回して高圧タンクを製造する技術が開示されている。この技術では、炭素繊維強化プラスチックの巻回ピッチを、内層側で密とし、外層側で疎とするように巻回を行っている。

下記特許文献４には樹脂、コンクリート、しっくい、金属などの補強に用いられる補強用繊維織物についての記載がある。この補強用繊維織物では、縦糸と横糸に用いる繊維束の少なくとも一方の表面に多数の毛羽立ちが形成され、また、長手方向に沿って多数の凹凸が形成されている。

下記特許文献５には、熱可塑性の樹脂管の外周に、熱可塑性樹脂粉末を含む補強用の繊維複合材を巻回し、加熱により融着させて繊維強化された熱可塑性樹脂管を製造する技術が開示されている。この技術では、樹脂管に接する表層部において、繊維含有率が他の部分に比べて少なくなる補強繊維複合材を用いることにより、樹脂管や補強繊維複合材を加熱した場合における樹脂管の変形を防止している。

特開２００５−１０６２２７号公報 特開平９−４７１２号公報 特開平９−２０３４９７号公報 特開２００３−２７３４９号公報 特開平４−４１３２号公報

繊維強化複合材では、その外側に巻回される繊維強化複合材による巻き締めの効果などのために、繊維束間に満たされる樹脂が浸み出してしまう傾向にある。すなわち、内層（ライナ側の層）ほど、繊維密度（あるいは繊維体積含有率Ｖｆ）が高くなる（樹脂が少なくなる）。特に、高圧タンクの使用圧を高める場合には、強度を確保するために繊維強化複合材層を増やす必要があり、内層におけるＶｆ上昇が顕著となる。

一般に、Ｖｆが高い繊維強化複合材層では、亀裂が生じやすくなるなど疲労耐久性能が低下することが知られている。特に、高圧タンクに高圧の気体や液体を充填した場合には、内層側の繊維強化複合材層ほど大きな応力が作用する傾向にあり、高圧タンクの疲労耐久性を高め、寿命を延ばすためには、内層におけるＶｆを比較的低くすることが望ましい。

しかしながら、単純に高圧タンク全体でＶｆを低くしたのでは、樹脂が多くなる分だけ外径が大きくなってしまう。さらに、上記特許文献１乃至５の技術も、この課題を解決するものではない。上記特許文献１，２の技術では、内層の疲労耐久性を高めることについての言及や示唆はなされていない。また、上記特許文献３の技術は、内層の繊維密度を高めるためものであり、本発明とは課題及び解決手段が全く異なっている。さらに、上記特許文献４の技術は、繊維と樹脂等との間の界面接着力を高めることを目的とする技術にすぎない。そして、上記特許文献５の技術は、熱可塑性樹脂を用いる点や、樹脂管と繊維複合材との融着の強化や加熱による変形防止を目的とする点で、本願とは大きく異なるものである。

本発明の目的は、高圧タンクにおける省スペース化と疲労耐久性の向上を図ることにある。

本発明の別の目的は、車載用の利便性を向上させた高圧タンクを提供することにある。

本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、中空のライナの外周に、複数の繊維からなる第１繊維束と各繊維間に非硬化状態で設けられた熱硬化性樹脂とを含む第１繊維強化複合材を巻回し、第１繊維強化複合材層を積層形成するステップと、前記第１繊維強化複合材層の外周に、複数の繊維からなる第２繊維束と各繊維間に非硬化状態で設けられた熱硬化性樹脂とを含む第２繊維強化複合材を巻回し、第２繊維強化複合材層を積層形成するステップと、前記第１繊維強化複合材層及び前記第２繊維強化複合材層が積層形成された後に、加熱により前記熱硬化性樹脂を硬化させるステップと、を含み、少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材の繊維密度は、前記第２繊維強化複合材の繊維密度に比べて低く設定されている。

高圧タンクは、気体（ガス）あるいは液体を高圧で保持可能な容器であり、耐圧タンクや圧力容器などとも呼ばれる。また、ライナは高圧タンクの内筒として用いられる容器であり、典型的には内部に充填されるガスあるいは液体の保持力が高い樹脂や金属などにより作られる。繊維強化複合材は、複数の繊維が束ねられた繊維束と、これらの繊維間に設けられる熱硬化性樹脂とを含む素材であり、ライナの外周に巻回されてライナの強度、そして高圧タンク自体の強度を高める。繊維束は複数の繊維が単に寄せ集められたものであってもよいし、複数の繊維が織り上げられたものであってもよい。また、繊維束を構成する繊維は連続したもの（巻回される一端から他端まで途切れていない）であってもよいし、不連続なものであってもよい。繊維の例としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などを挙げることができる。また、繊維間に設けられる熱硬化性樹脂の例としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などを挙げることができる。

第１繊維強化複合材は、少なくとも巻回される直前の段階では、第２繊維強化複合材に比べて繊維密度が低く設定された素材である。第１繊維強化複合材中で、あるいは、第２繊維複合強化材中で、繊維密度が一様である必要はないが、少なくとも第１繊維強化複合材における最も高い繊維密度は、第２繊維強化複合材における最も低い繊維密度よりも低く設定される。第１繊維強化複合材は、ライナの外周に巻回されて第１繊維強化複合材層を形成する。第１繊維強化複合材層は、ライナの外周を全面的（開口部や把手部などの特異な箇所はこの限りではない）に覆うように形成される。この第１繊維強化複合材層は、典型的には、第１繊維強化複合材を厚さ方向（ライナから遠ざかる方向）に複数回巻くことで形成される。同様にして、第２繊維強化複合材は、第１繊維強化複合材層の外周に巻回されて第２繊維強化複合材層を形成する。第２繊維強化複合材層は、基本的には、第１繊維強化複合材層の外周を全面的に覆うように形成され、また、厚さ方向に複数回巻くことで形成される。

第１繊維強化複合材層は、ライナと接するように、あるいは、ライナの外表面に設けられた別の部材と接するように設けられる。言い換えれば、第１繊維強化複合材層は、繊維強化複合材層としては、最も内側に位置するように設けられる。また、第２繊維強化複合材層は、第１繊維強化複合材層よりも外側に設けられる。典型的には、第２繊維強化複合材層は、第１繊維強化複合材層と接するように設けられるが、第１繊維強化複合材層との間に別の部材が挟まれていてもよい。なお、第１繊維強化複合材と第２繊維強化複合材は、不連続な素材（つまり樹脂や繊維が物理的に繋がっていない素材）であってもよいが、連続した素材（樹脂あるいは繊維の少なくとも一方が物理的に繋がっている素材）であって連続的に巻回されるものであってもよい。

この構成によれば、巻回された第１繊維強化複合材から比較的多くの量の樹脂が漏れだしても、第１繊維強化複合材層における繊維密度は比較的低く保たれる。特に、最内側の層付近では、外側の層に比べて、巻き締めにより樹脂の浸み出し量が大きくなる傾向にあり、また、高圧タンクに気体あるいは液体を充填した際に大きな応力が作用する傾向にある。そこで、この付近に巻回される前記第１繊維強化複合材の繊維密度を、少なくとも巻回される前においては、前記第２繊維強化複合材の繊維密度に比べて低く設定している。これにより、巻回前の第１繊維強化複合材と第２繊維強化複合材の繊維密度を同じにした場合に比べて、少なくとも第１繊維強化複合材層の繊維密度が第２繊維強化複合材層の繊維密度より高くなる度合いが抑制される。なお、第１繊維強化複合材における繊維密度と第２繊維強化複合材における繊維密度の差の調整、あるいは、巻回する際の張力の調整などを行うことで、第１繊維強化複合材層の繊維密度と第２繊維強化複合材層の繊維密度を同程度に設定してもよいし、第１繊維強化複合材層の繊維密度を第２繊維強化複合材層の繊維密度よりも低く設定してもよい。第１繊維強化複合材層の繊維密度と第２繊維強化複合材層の繊維密度をどの程度に設定するかは、高圧タンクの強度、疲労耐久性、大きさなどを考慮した上で、実験的あるいは理論的根拠に基づいて決めることができる。いずれにせよ、本構成によれば、繊維強化複合材層を比較的薄くして省スペース化を図るとともに、繊維強化複合材層の疲労耐久性を高めることが可能となる。

また、本発明によれば、高圧タンクの周囲の繊維強化複合材層を比較的薄くすることが可能となる。この省スペース化は、例えば、移動体（例えば車両、船舶、航空機）のように利用可能な空間が限られた状況下で特に有効となる。

本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、前記第１繊維束には前記第２繊維束に含まれる繊維に比べて太い繊維が含まれ、これにより、少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材では前記第２繊維強化複合材束に比べて繊維密度が低く設定されている。

本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、前記第１繊維束に含まれる各繊維は、前記第２繊維束に含まれるいずれの繊維よりも太い。

本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、前記第１繊維束は一部の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられており、前記一部の繊維には前記他の繊維と前記第２繊維束の繊維に比べて太い繊維が含まれる。つまり、前記一部の繊維の全部または一部が、前記他の繊維と前記第２繊維束の繊維に比べて太く設定される。

本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、第１繊維強化複合材層を積層形成するステップには、少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材の幅を前記第２繊維強化複合材の幅よりも幅広に設定され、これにより、前記第１繊維強化複合材の繊維密度は、前記第２繊維強化複合材の繊維密度に比べて低く設定される。経験的には、幅広に設定すると、繊維のばらけ方が大きくなって繊維密度の低下が促進され、幅狭に設定すると、繊維のばらけ方が小さくなって繊維密度の低下が抑制される。幅の調整は、例えばアイ口によって行うことができる。

本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、前記第１繊維束に含まれる少なくとも一部の繊維の表面には突起が設けられ、これにより、少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材では前記第２繊維強化複合材束に比べて繊維密度が低く設定されている。繊維の表面に突起がある場合、この突起のために繊維間の距離が離れて配置されるため、あるいは、表面張力の変化もしくは摩擦力の変化により繊維の周囲に樹脂を保持する機能が高められるため、第１繊維強化複合材の繊維密度を低く設定することができる。なお、第２繊維束の繊維にも突起が設けられてもよいが、その場合には、第１繊維束の繊維に比べて突起量や突起数が少なく設定される。突起は、例えば、繊維の製造時に設けられてもよいし、製造後に繊維の表面を傷つけて毛羽立たせることにより設けられてもよい。

本発明の高圧タンクの製造方法の一態様においては、前記第１繊維束は、一部の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられており、前記第２繊維束は、全ての繊維を交差せずに束ねられ、または、前記第１繊維束に比べて少量の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられており、これにより、少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材では前記第２繊維強化複合材束に比べて繊維密度が低く設定されている。繊維が交差した繊維束は、クロスの繊維束と呼ばれることがある。クロスの繊維束では、繊維が交差することによって繊維間に相対的に大きな隙間があり、繊維間には比較的大量の樹脂が設けられる。このため、第１繊維束における繊維の太さは、第２繊維束と同程度であってもよく、さらには、細くても繊維密度差を確保できる場合がある。

本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、第１繊維強化複合材層を積層形成するステップ及び第２繊維強化複合材層を積層形成するステップにおいては、含浸によって液状の前記熱硬化性樹脂が各繊維間に設けられる。ここで、液状とは、半硬化状態よりも流動性がある状態、例えば、滴となってしたたり落ちる程度の流動性をもつ状態をいう。流動性が高いと、巻回時における第１繊維強化複合材層からの樹脂の浸み出し量が増大する傾向にある。

本発明の高圧タンクの一態様においては、中空のライナと、前記ライナの外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第１繊維強化複合材層と、前記第１繊維強化複合材層の外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第２繊維強化複合材層と、を備え、前記第１繊維強化複合材層には、前記第２繊維強化複合材層に比べ太い繊維が含まれる。

本発明の高圧タンクの一態様においては、前記第１繊維強化複合材層に含まれる各繊維は、前記第２繊維強化複合材層におけるいずれの繊維よりも太い。

本発明の高圧タンクの一態様においては、前記第１繊維強化複合材層においては一部の繊維を他の繊維に対して交差させた繊維束が巻回されて形成され、前記一部の繊維には前記他の繊維と前記第２繊維束の繊維に比べて太い繊維が含まれる。

本発明の高圧タンクの一態様においては、中空のライナと、前記ライナの外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第１繊維強化複合材層と、前記第１繊維強化複合材層の外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第２繊維強化複合材層と、を備え、前記第１繊維強化複合材層は、前記第２繊維強化複合材層に比べて幅広の形状をもつ繊維束が巻回されて形成されている。

本発明の高圧タンクの一態様においては、中空のライナと、前記ライナの外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第１繊維強化複合材層と、前記第１繊維強化複合材層の外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第２繊維強化複合材層と、を備え、前記第１繊維強化複合材層には、前記第２繊維強化複合材層に比べ、多数の突起または大きな突起が表面に形成された繊維が含まれる。

本発明の高圧タンクの一態様においては、中空のライナと、前記ライナの外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第１繊維強化複合材層と、前記第１繊維強化複合材層の外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第２繊維強化複合材層と、を備え、前記第１繊維強化複合材層の前記複数の繊維は、一部の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられており、前記第２繊維強化複合材層の前記複数の繊維は、全ての繊維を交差せずに束ねられ、または、前記第１繊維強化複合材層に比べて少量の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられている。

以下に本発明の実施の形態を例示する。

図１は、本実施の形態にかかる高圧タンク１０の概略的な断面図である。高圧タンク１０では、円筒形状に作られた樹脂製のライナ１２の外周に、繊維強化複合材としての炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が巻回されたＣＦＲＰ層１４が形成されており、さらにＣＦＲＰ層１４の外周には保護層としてのガラス層１６が形成されている。そして、ライナ１２の両端には、金属製の口金１８，２０が取り付けられている。

この高圧タンク１０は、水素あるいは天然ガスなどの燃料ガスを高圧で貯蔵する容器である。高圧タンク１０は据え置き型として用いられても良いし、移動体に搭載されて用いられても良い。例えば、燃料電池車に搭載されて使用される場合には、典型的には全長が８００〜１５００ｍｍ、直径が２００〜５００ｍｍ程度の高圧タンク１０が用意され、満タン時には数十ＭＰａ〜１００ＭＰａ程度の圧力の燃料ガスが充填される。

図２は、図１に符号２２で示した高圧タンク１０の側面の断面構造を示す図である。図２（ａ）に示すように、高圧タンク１０では、最も内側にライナ１２があり、その外側にＣＦＲＰ層１４が設けられ、さらに、その外側にガラス層１６が設けられている。ＣＦＲＰ層１４は、複数（例えば数千本〜数万本）の炭素繊維を含む束状のＣＦＲＰが巻回され多層化（例えば１０層程度から数十層程度）されたものである。

図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、ＣＦＲＰ層１４の部分的な断面構造を示した図である。ここでは、ＣＦＲＰ層１４を３６層とした場合について例示している。図２（ｂ）は外側の２５〜３６層、図２（ｃ）は中央付近４〜２４層、図２（ｄ）は内側の１〜３層の各位置における断面構造を同程度の拡大率で示している。この例では、１〜３層は第１繊維強化複合材層に相当し、４〜３６層は第２繊維強化複合材層に相当しており、第２繊維強化複合材層は４〜２４層と２５〜３６層のサブ構造に分類することができる。図においては、円形部分が炭素繊維を表しており、炭素繊維と炭素繊維の間はここに満たされたエポキシ樹脂を表している。図から明らかな通り、炭素繊維は、図２（ｂ）で最も細く、図２（ｃ）においては中程度であり、図２（ｄ）では最も太い。炭素繊維の太さは様々に設定可能であるが、一例として、図２（ｂ）の炭素繊維の直径を５μｍ、図２（ｃ）の炭素繊維の直径を７μｍ、図２（ｄ）の炭素繊維の直径を１０μｍとする態様を挙げることができる。

また、ＣＦＲＰ層１４に占める炭素繊維の割合（繊維体積含有率）は、図２（ｂ）で最も高く図２（ｃ）で中程度であり、図２（ｄ）で最も低い。言い換えれば、炭素繊維間を満たしている樹脂の量は、図２（ｂ）で最も少なく、図２（ｃ）で中程度であり、図２（ｄ）で最も多い。

一般に、同じ直径の円形断面をもつ炭素繊維が最密に並べられている場合には、炭素繊維の割合は、直径によらず一定である。つまり、ＣＦＲＰ層１４において、炭素繊維が最密に並べられている場合には、繊維体積含有率は、図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）において一定となる。しかし、図示した例では、炭素繊維は最密には並べられておらず、不規則に束ねられている。この場合、実験的には、炭素繊維の直径が小さいほど密になる傾向があり、炭素繊維の直径が大きいほど疎になる傾向がある。

続いて図３，４を用いて、高圧タンク１０の製造方法について説明する。図３は、高圧タンク１０の製造手順を示したフローチャートであり、図４は、ＣＦＲＰ層１４を形成する過程を示した模式図である。

製造過程においては、まず、口金を取り付けたライナ１２が回転軸３０にセットされる（Ｓ１０）。そして、１〜３層に対しては、直径が１０μｍである炭素繊維が２万本程度束ねられた繊維束３２を用いて、ＣＦＲＰ層１４がフィラメントワインディング成形（以下ＦＷ成形と呼ぶことがある）される（Ｓ１２）。ここで、フィラメントワインディング成形とは、樹脂を含浸させた繊維束を巻回する成形方法を指す。繊維束の幅が比較的広い場合には、テープワインディング成形と呼ばれることもある。繊維束は例えば、幅方向に数ｍｍ、厚み方向にその０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度に設定される。

ＦＷ成形では、具体的には、ボビンから送られる繊維束３２を液状のエポキシ樹脂が蓄えられた含浸バスに対して繊維間にエポキシ樹脂を充填した後に、ライナ１２の周囲に巻回していく。なお、含浸された樹脂を液状に保ったまま巻回を行ってもよいし（ＷＥＴ）、半硬化状にした後に巻回を行ってもよい（プリプレグ）。また、巻回の方法は特に限定されるものではなく、例えば、フープ巻き（図４に示すように、繊維束３２を回転軸３０にほぼ垂直にセットし、徐々に巻回箇所をずらしていく巻き方）であっても、ヘリカル巻き（繊維束３２を回転軸３０に対して斜めにセットし、巻回箇所を大きくずらしていく巻き方）であってもよいし、また、複数の繊維束を編み上げて（ブレイディング）から巻回を行ってもよい。

１〜３層のＦＷ成形が終了すると、直径が７μｍの炭素繊維を用いて４〜２４層のＦＷ成形が行われ（Ｓ１４）、続いて、直径が５μｍの炭素繊維を用いて２５〜３６層のＦＷ成形が行われる（Ｓ１６）。このように、順次、外側の層を成形していく段階では、ＦＷ成形にともなう張力によって、内側の層が巻き締められ、繊維間から樹脂が浸み出す現象が見られる（巻き締め効果）。そこで、外側の層のＦＷ成形においては、内側の層のＦＷ成形に比べて、相対的に弱い張力で巻回を行い、浸み出し現象を抑制するようにしてもよい。

３６層までＦＷ成形が終了すると、その表面にガラス繊維によるＦＷ成形が行われ、ガラス層が設けられる（Ｓ１８）。ガラス繊維のＦＷ成形には、ＣＦＲＰ層１４と同じエポキシ樹脂を用いることがある。そして、最後に、ＣＦＲＰ層１４のエポキシ樹脂、及びガラス層の樹脂を硬化させるため、高圧タンク１０が加熱処理される（Ｓ２０）。

図５は、このようにして製造された高圧タンク１０のＣＦＲＰ層１４における繊維体積含有率Ｖｆについて模式的に説明する図である。図５においては、横軸はＶｆを表し、縦軸はＣＦＲＰ層１４の層を表している。そして、図５（ａ）は、参考として全層に対して同じ直径をもつ繊維を用いた場合を示しており、図５（ｂ）は、図２乃至図４で説明したように、三段階に異なる直径をもつ繊維を用いた場合を示している。

図５（ａ）の例では、内側の層ほどＶｆの値が大きくなる。これは、巻回する前の繊維束においてはＶｆの値は一定であるが、巻回にともなう張力を多く受ける内側の層では、樹脂が浸み出して樹脂含浸量が低下する（繊維の比率が高まる）ためである。同様に、図５（ｂ）の例でも、１〜３層、４〜２４層、２５〜３６層の中では、内側の層ほどＶｆが高くなっている。しかし、図５（ｂ）の例では、太い繊維を用いた１〜３層では、巻回前の繊維束におけるＶｆの値が最も小さい（樹脂の量が最も多く）ために、巻回後に樹脂が浸み出しても、Ｖｆの値は比較的小さく保たれる。また、中程度の繊維を用いた４〜２４層でも、２５〜３６層に比べて巻回前の繊維束におけるＶｆの値が小さいために、巻回後もＶｆの値は比較的小さく保たれる。これにより、図５（ｂ）の例では、３層と４層の間、及び、２４層と２５層の間においてＶｆの値が不連続に分布し、全体としてみれば、各層間におけるＶｆのバラツキが小さくなっている。

以上の説明においては、繊維の直径を三段階に変化させた。しかし、変化の段階を二段階に変化させたり四段階以上に変化させたりすることも可能であるし、連続的に変化させる（連続的に太さが変化する繊維を利用する）ことも可能である。また、繊維の直径を内側ほど大きくすることによる疲労耐久性の向上効果が、特に最内層側において顕著となることを考慮すれば、最内層側において最も太い繊維を使用しさえすれば、その外側における繊維の太さ分布を一様または単調減少としなくてもよい場合も考えられる。例えば、最内層側において最も太い繊維を使用し、中間層で最も細い繊維を使用し、最外層側でやや太い繊維を使用するような態様も考えられる。さらに、以上の例では、第１繊維強化複合材層を１〜３層としたが、疲労耐久性能や、繊維強化複合材層全体の厚みを考慮して、例えば１〜５層や１〜１０層にするなど、適宜変更することが可能である。

続いて、図６乃至図８を用いて、本実施の形態における三つの変形例を説明する。

図６は、炭素繊維強化プラスチックの繊維束として、クロスの繊維束４０を用いた態様を示している。クロスの繊維束４０には、巻回時に張力がかかる方向に伸びる複数の繊維４２，４４，．．．（これを０度方向の繊維群５０と呼ぶ）と、これに交差する複数の繊維５２，５４，．．．（これをクロス方向の繊維群６０と呼ぶ）とが含まれている。

このクロスの繊維束４０を用いる場合にも、上述の例と同様に、ライナに接する最内層側で全ての繊維を太くし、その外側の層で全ての繊維を細くするようにしてもよい。しかし、クロスの繊維束４０を用いる場合には、クロス方向の繊維群６０の直径のみを変化させるようにすることも可能である。具体的には、ライナに接する最内層側では、それよりも外側の層に比べて、クロス方向の繊維群６０の直径を太くする例を挙げることができる。この場合、０度方向の繊維群５０は、例えば、外側の層ではクロス方向の繊維群６０の直径と同程度とし、最内側の層ではクロス方向の繊維群６０の直径よりも太く設定される。また、クロスの繊維束４０において、０度方向の繊維群５０の直径とクロス方向の繊維群の直径を、ともにその外側の層の繊維と同程度の太さに設定したり、その外側の層の繊維よりも細く設定することも可能である。クロス方向の繊維群６０は、０度方向の繊維群５０における繊維間に隙間を作り、含浸される樹脂量を多くする効果がある。したがって、繊維の太さを変えなくても、一方向のみの繊維束に比べて、あるいは、交差の度合いが小さな繊維に比べて、含新される樹脂量が増大すると考えられるからである。そして、クロス方向の繊維群６０の繊維径を太くした場合には、含浸される樹脂量がさらに増大するものと期待される。

なお、クロス方向の繊維群６０が０度方向の繊維群５０と交差する角度（配交角）は、典型的には９０度（直交）に設定されるが、０度より大きく１８０度よりも小さい他の角度であってもよい。また、例えば、複数の配交角（例えば、６０度と１２０度）をもつクロスの繊維束４０を使用することも可能である。さらに、クロス方向の繊維群６０の繊維径を変化させる代わりに、０度方向の繊維群６０の繊維径を変化させることも可能である。また、例えば、最内層側でクロスの繊維束４０を使用し、その外側においては、一方向のみの繊維束を使用する態様も考えられる。

図７は、ＦＷ成形において用いられるアイ口（アイクチ）について説明する図である。アイ口は、高圧タンク側に送り出される繊維束の幅を調整する器具であり、樹脂が含浸された繊維をどの程度の幅で束ねるのか調整することにより、繊維束の繊維密度を変更している。

図７（ａ）は、内側のＣＦＲＰ層を巻回する際に用いるアイ口７０と、このアイ口７０で整えられる繊維束８０を示している。ここでは、アイ口７０の弧の曲率半径Ｒが比較的大きく設定されている。このため、繊維束８０を構成する繊維７２，７４，７６，．．．は、周辺部から中央部に向かう力をあまり受けずに比較的幅広にバラける。したがって、繊維束８０の繊維密度は小さくなる（繊維束８０内を満たす樹脂量が多くなる）。他方、図７（ｂ）は、外側のＣＦＲＰ層を巻回する最に用いるアイ口９０と、このアイ口９０で整えられる繊維束１００を示している。アイ口９０の弧の曲率半径ｒは、アイ口７０の弧の曲率半径Ｒよりも小さい（つまり、アイ口９０の方が弧の曲がりが大きい）。このため、繊維束１００を構成する繊維９２，９４，９６，．．．は周辺部から中央部に向かう力を受けて比較的幅狭に凝縮される。したがって、繊維束１００の繊維密度は、繊維束８０に比べて大きくなる（繊維束１００内を満たす樹脂量が少なくなる）。

このように、アイ口の弧の曲率半径を変更することで、繊維束の繊維密度を調整することが可能となる。アイ口の弧の曲率半径は三段階以上に変更してもよい。なお、アイ口によって繊維束が変形される度合いは、アイ口から受ける力の大きさにも依存する可能性があり、必要であれば、変形度合いに応じてアイ口を通す繊維束の張力を調整すればよい。また、曲率半径が段階的に異なる複数のアイ口を通過させてゆっくりと確実に変形を行うことや（例えば、曲率半径を段階的に小さなアイ口を通過させて、凝縮させる確実性を高める態様を挙げることができる）、整流方向が異なる複数のアイ口を使用して異なる方向に変形を行うこと（例えば、縦方向に凝縮させた後で、横方向にも凝縮させる態様を挙げることができる）も可能である。

図８は、ＦＷ成形に用いられる繊維束を説明する模式図である。図示した３本の繊維１１０，１１２，１１４は、内側のＣＦＲＰ層を巻回する際に用いられる繊維束の一部を示している。この繊維１１０，１１２，１１４には、表面に突起１２０，１２２，１２４，．．．が設けられている。これは、当初は滑らかであった繊維１１０，１１２，１１４の表面を傷をつけることで形成された毛羽立ちである。この突起１２０，１２２，１２４，．．．は、束ねられた繊維１１０，１１２，１１４が互いに密着することを防止し、繊維密度を低くしている。また、突起１２０，１２２，１２４，．．．は、繊維１１０，１１２，１１４間に含浸された樹脂の流動性を低下させるため、巻き締め効果によって外側に漏れ出す樹脂量を減少させることになる。なお、外側の層に対しては、突起を有さない繊維や、突起量が小さいあるいは突起数が少ない繊維を利用すればよい。これにより、内側の層における繊維密度を相対的に低くすることが可能となる。

本実施の形態にかかる高圧タンクの断面図である。 図１の高圧タンクの側面構造を示す図である。 高圧タンクの製造手順を例示したフローチャートである。 高圧タンクの製造過程を説明する模式図である。 高圧タンクのＣＦＲＰ層における繊維体積含有率を例示する模式図である。 高圧タンクの製造過程の変形例を説明する模式図である。 高圧タンクの製造過程の変形例を説明する模式図である。 高圧タンクの製造過程の変形例を説明する模式図である。

符号の説明

１０ 高圧タンク、１２ ライナ、１４ ＣＦＲＰ層、１６ ガラス層、１８，２０ 口金、３０ 回転軸、３２ 繊維束。

Claims (14)

1. 中空のライナの外周に、複数の繊維からなる第１繊維束と各繊維間に非硬化状態で設けられた熱硬化性樹脂とを含む第１繊維強化複合材を巻回し、第１繊維強化複合材層を積層形成するステップと、
   前記第１繊維強化複合材層の外周に、複数の繊維からなる第２繊維束と各繊維間に非硬化状態で設けられた熱硬化性樹脂とを含む第２繊維強化複合材を巻回し、第２繊維強化複合材層を積層形成するステップと、
   前記第１繊維強化複合材層及び前記第２繊維強化複合材層が積層形成された後に、加熱により前記熱硬化性樹脂を硬化させるステップと、
   を含み、
   少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材の繊維密度は、前記第２繊維強化複合材の繊維密度に比べて低く設定されていることを特徴とする高圧タンク製造方法。
2. 請求項１に記載の高圧タンク製造方法において、
   前記第１繊維束には前記第２繊維束に含まれる繊維に比べて太い繊維が含まれ、これにより、少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材では前記第２繊維強化複合材束に比べて繊維密度が低く設定されていることを特徴とする高圧タンク製造方法。
3. 請求項２に記載の高圧タンク製造方法において、
   前記第１繊維束に含まれる各繊維は、前記第２繊維束に含まれるいずれの繊維よりも太いことを特徴とする高圧タンク製造方法。
4. 請求項２に記載の高圧タンク製造方法において、
   前記第１繊維束は一部の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられており、前記一部の繊維には前記他の繊維と前記第２繊維束の繊維に比べて太い繊維が含まれる、ことを特徴とする高圧タンク製造方法。
5. 請求項１に記載の高圧タンク製造方法において、
   第１繊維強化複合材層を積層形成するステップには、
   少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材の幅を前記第２繊維強化複合材の幅よりも幅広に設定され、これにより、前記第１繊維強化複合材の繊維密度は、前記第２繊維強化複合材の繊維密度に比べて低く設定される、ことを特徴とする高圧タンク製造方法。
6. 請求項１に記載の高圧タンク製造方法において、
   前記第１繊維束に含まれる少なくとも一部の繊維の表面には突起が設けられ、これにより、少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材では前記第２繊維強化複合材束に比べて繊維密度が低く設定されている、ことを特徴とする高圧タンク製造方法。
7. 請求項１に記載の高圧タンク製造方法において、
   前記第１繊維束は、一部の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられており、
   前記第２繊維束は、全ての繊維を交差せずに束ねられ、または、前記第１繊維束に比べて少量の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられており、
   これにより、少なくとも巻回される前においては、前記第１繊維強化複合材では前記第２繊維強化複合材束に比べて繊維密度が低く設定されている、ことを特徴とする高圧タンク製造方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高圧タンク製造方法において、
   第１繊維強化複合材層を積層形成するステップ及び第２繊維強化複合材層を積層形成するステップにおいては、含浸によって液状の前記熱硬化性樹脂が各繊維間に設けられる、ことを特徴とする高圧タンク製造方法。
9. 中空のライナと、
   前記ライナの外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第１繊維強化複合材層と、
   前記第１繊維強化複合材層の外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第２繊維強化複合材層と、
   を備え、
   前記第１繊維強化複合材層には、前記第２繊維強化複合材層に比べ太い繊維が含まれる、ことを特徴とする高圧タンク。
10. 請求項９に記載の高圧タンクにおいて、
    前記第１繊維強化複合材層に含まれる各繊維は、前記第２繊維強化複合材層におけるいずれの繊維よりも太い、ことを特徴とする高圧タンク。
11. 請求項９に記載の高圧タンクにおいて、
    前記第１繊維強化複合材層においては一部の繊維を他の繊維に対して交差させた繊維束が巻回されて形成され、前記一部の繊維には前記他の繊維と前記第２繊維束の繊維に比べて太い繊維が含まれる、ことを特徴とする高圧タンク。
12. 中空のライナと、
    前記ライナの外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第１繊維強化複合材層と、
    前記第１繊維強化複合材層の外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第２繊維強化複合材層と、
    を備え、
    前記第１繊維強化複合材層は、前記第２繊維強化複合材層に比べて幅広の形状をもつ繊維束が巻回されて形成されている、ことを特徴とする高圧タンク。
13. 中空のライナと、
    前記ライナの外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第１繊維強化複合材層と、
    前記第１繊維強化複合材層の外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第２繊維強化複合材層と、
    を備え、
    前記第１繊維強化複合材層には、前記第２繊維強化複合材層に比べ、多数の突起または大きな突起が表面に形成された繊維が含まれる、ことを特徴とする高圧タンク。
14. 中空のライナと、
    前記ライナの外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第１繊維強化複合材層と、
    前記第１繊維強化複合材層の外周に設けられ、複数の繊維及び繊維間を満たす熱硬化樹脂を含む第２繊維強化複合材層と、
    を備え、
    前記第１繊維強化複合材層の前記複数の繊維は、一部の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられており、
    前記第２繊維強化複合材層の前記複数の繊維は、全ての繊維を交差せずに束ねられ、または、前記第１繊維強化複合材層に比べて少量の繊維を他の繊維に対して交差させて束ねられている、ことを特徴とする高圧タンク。

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