JP2017145962A - 高圧タンク及び高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒部とドーム部との連結部の強度を向上させることができる高圧タンクを提供する。
【解決手段】本発明に係る高圧タンク１０は、円筒状の円筒部２０ａと、円筒部２０ａの端部と連続する半球状のドーム部２０ｂとを有するライナー２０と、ライナー２０の円筒部２０ａ上にフープ巻で巻回された繊維束と、ドーム２０ｂ部上にヘリカル巻で巻回された繊維束とを有する補強層３０とを備え、円筒部２０ａの端部の外径は、円筒部２０ａのうち端部を除いた部分の外径よりも小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧タンク及び高圧タンクの製造方法に関する。

近年、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、この反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池を搭載した車両が開発されている。この車両には、燃料ガス（天然ガスや水素等）が貯蔵された高圧タンクが搭載されることが多い。この車両に搭載される高圧タンクとして、樹脂製のライナーの外表面に繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の補強層（以下、繊維強化樹脂層）で覆った高圧タンクが用いられる。

上記繊維強化樹脂層は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維をフィラメントワインディング法によりライナー外周に巻回させて形成される。一般に、樹脂製ライナーの円筒状の胴部（円筒部）では主にフープ巻きで繊維巻回がなされ、胴部両端に設けられる球面形状の半球状部（ドーム部）では主にヘリカル巻きで繊維巻回がなされる（例えば下記特許文献１参照）。

特許５６２１６３１号公報

ところで、円筒部とドーム部との連結部では段差が発生しないようにするために円筒部に比べてフープ巻の層数が少なくなる場合がある。この場合には、連結部の強度が不十分となるおそれがあった。また、連結部の強度を確保しながら円筒部の強度を確保することも必要であった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、円筒部とドーム部との連結部の強度を向上させることができる高圧タンクを提供することにある。また本発明の目的のもう１つは、円筒部の強度を向上させることができる高圧タンクの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る高圧タンクは、ライナーと、該ライナー上に繊維束を巻回した補強層とを備える高圧タンクであって、前記ライナーは、円筒状の円筒部と、前記円筒部の端部と連続する半球状のドーム部と、を備え、前記補強層は、前記ライナーの前記円筒部上にフープ巻で巻回された繊維束と、前記ドーム部上にヘリカル巻で巻回された繊維束と、を有し、前記円筒部における前記端部の外径は、前記円筒部のうち前記端部を除いた部分の外径よりも小さい。

かかる構成によれば、円筒部の端部の外径が、円筒部のうち端部を除いた部分の外径よりも小さくなっているので、端部に巻回される補強層の層数（フープ巻の層数）を増やすことができる。これにより、端部における補強層の厚みを、従来の構成（ライナーの円筒部の外径が均一の構成）と比較して厚くすることができるので、端部の強度、言い換えれば、円筒部とドーム部との連結部の強度を向上させることができる。

また本発明に係る高圧タンクでは、前記端部は、前記円筒部の軸方向中心側から前記ドーム部側へ向かって外径が減少するテーパー部を有していてもよい。

また本発明に係る高圧タンクでは、前記テーパー部は、前記円筒部の軸方向の中心線に対する傾斜角度が５〜１０°としてもよい。

また本発明に係る高圧タンクの製造方法は、円筒状の円筒部と、前記円筒部の端部と連続する半球状のドーム部とを有するライナーを内殻とする高圧タンクの製造方法であって、前記端部の外径が前記円筒部のうち前記端部を除いた部分の外径より小さい、前記ライナー又は繊維束が巻回されたライナーに対して、前記繊維束が前記ドーム部上で測地線軌道を通るように前記繊維束をヘリカル巻で巻回する。

測地線軌道で繊維束を巻回した場合、ライナーにおける円筒部の端部での半径の大きさが小さいほど、繊維束の円筒部での配列角度は大きくなる。円筒部での配列角度が大きいヘリカル層は、該配列角度が小さいヘリカル層に比して、フープ層への換算値（フープ層分）が大きいことが前提としてあるため、ヘリカル巻の円筒部での配列角度が大きければ、円筒部におけるフープ層分が増加する。このように円筒部におけるフープ層分を増加させることで、円筒部の強度を向上させることができる。

本発明によれば、ライナーの円筒部とドーム部との連結部の強度を向上させることができる高圧タンクを提供することができる。また本発明によれば、円筒部の強度を向上させることができる高圧タンクの製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態としての高圧タンクの概略構成を示す断面図である。 円筒部とドーム部との連結部周辺を拡大した要部断面図である。 （Ａ）高圧タンクの製造方法を説明するための図である。（Ｂ）図３（Ａ）のＡ方向から見た図である。 円筒部での配列角度とフープ層への換算との関係を示すグラフである。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず、高圧タンクの構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態としての高圧タンク１０の概略構成を示す説明図である。

図１に示すように、高圧タンク１０は、胴部１０ａと、胴部１０ａの両端に設けられた半球状部１０ｂとを備えた構成とされている。これら胴部１０ａと半球状部１０ｂは、燃料ガス（水素等）の貯蔵空間２５を画成し該貯蔵空間２５からの水素ガスの流出を抑制するライナー（バリア層）２０と、ライナー２０の外側に配される補強層３０と、を備えてなる。

胴部１０ａは、高圧タンク１０の軸線ＡＸ方向、すなわち長手方向に所定の長さ延在する略円筒状の部分である。これに対し、半球状部１０ｂは、胴部１０ａの長手方向の両端部にそれぞれ連続した半球状の曲壁部である。半球状部１０ｂは、胴部１０ａから遠ざかるにつれて縮径しており、最も縮径した部分の中心に開口部１４ａが形成され、この開口部１４ａに口金１４が設けられている。

ライナー２０は、高圧タンク１０の内殻又は内容器とも換言される部分であり、内部に燃料ガス（水素ガス）を貯蔵する。ライナー２０は、胴部１０ａ及び半球状部１０ｂの内壁を構成するものであり、円筒状の胴部（以下、円筒部２０ａ）と、円筒部２０ａの両端部と連続して設けられた半球状部（以下、ドーム部２０ｂ）とを備える。本実施形態では、円筒部２０ａとドーム部２０ｂとの境目周辺を連結部Ｃ１（図２参照）と称する。ライナー２０の材質は、軽量化を図る観点からは、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂であることが好ましい。

なお、ライナー２０を製造する方法としては、両端が開口した円筒状の円筒部２０ａを例えば押出成型で成形し、半球形状を有するドーム部２０ｂを例えば射出成型で成形し、得られた円筒部２０ａ及びドーム部２０ｂを熱溶着により接合する方法が挙げられる。

補強層３０は、高圧タンク１０の外殻又は外容器とも換言される部分であり、胴部１０ａ及び半球状部１０ｂの外壁を構成する。補強層３０は、ライナー２０の外表面を被覆するように、ライナー２０に巻きつけられることで形成されており、ライナー２０の円筒部２０ａ上に主にフープ巻で巻回された繊維束と、ライナー２０のドーム部２０ｂ上に主にヘリカル巻で巻回された繊維束とを備える。補強層３０の材質としては、例えばエポキシ樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂を用いることが好ましい

なお、フープ巻及びヘリカル巻のいずれも、例えば、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）が用いられる。

続いて、胴部１０ａと半球状部１０ｂとの間に設けられる連結部Ｃ１（ドーム入口部）周辺の構成について説明する。図２は、高圧タンク１０の連結部Ｃ１周辺を拡大した要部断面図である。

本実施形態における高圧タンク１０では、ライナー２０における連結部Ｃ１の外径（連結部Ｃ１におけるライナー外周面２１の径）を、ドーム部２０ｂに入る前の段階で、円筒部２０ａのうち連結部Ｃ１を除いた部分の外径よりも小さくしている。具体的には、図２に示すように、連結部Ｃ１に入る前の段階（段付き部Ｃ２）でテーパーがつけられ、連結部Ｃ１の外径を、円筒部２０ａにおける連結部Ｃ１以外の外径よりも小さくしている。つまり、円筒部２０ａの端部は、円筒部２０ａの軸方向中心側からドーム部２０ｂ側へ向かって外径が減少するテーパー部を有している。言い換えれば、ライナーの胴部（円筒部）の外径を均一にした場合のライナー外周面９０（図２の破線）の径よりも、連結部Ｃ１周辺の外径を小さくしている。

このように、円筒部２０ａの端部の外径を、円筒部２０ａのうち端部を除いた部分の外径よりも小さくすることで、円筒部２０ａの端部に巻回される補強層３０の層数（フープ巻の層数）を増やすことができる。これにより、円筒部２０ａの端部、言い換えれば、連結部Ｃ１周辺における補強層３０の厚みｔを、従来の構成（ライナーの円筒部の外径を均一にした構成）と比較して厚くすることができる。その結果、連結部Ｃ１周辺の強度を向上させることができる。また、円筒部２０ａの端部について、例えば段差形状にした場合ではライナーの周囲に巻回される繊維束に歪みが大きく発生してしまうが、上述したように、円筒部２０ａの端部は、円筒部２０ａの軸方向中心側からドーム部２０ｂ側へ向かって外径が減少するテーパー部を有することで、繊維束に歪みが発生することを抑制することができる。

なお、連結部Ｃ１における補強層３０の厚みｔは、連結部Ｃ１の必要強度以上になるようにすなわち、（厚みｔ）≧（ドーム入口部必要強度）の関係を満たすように、例えば、２０〜３０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。

また、段付き部Ｃ２におけるテーパーの角度θは、ライナー２０の外表面を覆う補強層３０の滑りが発生しにくくなるように、例えば５〜１０°の範囲に設定することが好ましい。言い換えれば、ライナー２０の外表面を覆う補強層３０の滑りが発生しにくくなるように、円筒部２０ａの軸方向中心側からドーム部２０ｂ側へ向かって外径が減少するテーパー部は、円筒部２０ａの軸方向の中心線（図１に示す中心軸ＡＸ）に対する傾斜角度が５〜１０°であることが好ましい。テーパーの長さは、内部に貯蔵する水素搭載量の減少を抑えるという観点から、また、ライナー２０及び補強層３０に応力集中を発生させないようにする観点から、例えば、30〜60ｍｍの範囲に設定することが好ましい。

以上説明した、本実施形態に係る高圧タンク１０では、ライナー２０は、円筒状の円筒部２０ａと、円筒部２０ａの端部に連続する半球状のドーム部２０ｂと、を備え、補強層３０は、ライナー２０の円筒部２０ａ上にフープ巻で巻回された繊維束と、ドーム２０ｂ部上にヘリカル巻で巻回された繊維束と、を有し、円筒部２０ａにおける端部の外径は、円筒部２０ａのうち端部を除いた部分の外径よりも小さい。このように、円筒部２０ａにおける端部の外径を小さくすることで、連結部Ｃ１周辺に巻回するフープ巻の層数を増やすことができ、連結部Ｃ１周辺における強度を向上させることができる。

続いて、本実施形態における高圧タンクの製造方法について説明する。図３（Ａ）は、高圧タンクの製造方法を説明するための図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ方向から見た図であって、高圧タンクの中心軸から所定長離間した位置に巻回される繊維束を示す説明図である。図４は、配列角度とフープ層への換算値との関係を示すグラフである。

ＦＷ法において、ドーム部にて口金から離れた位置を通るように繊維を配列させようとすると、肩部（ドーム部と円筒部との境界付近の湾曲部）での横滑りを抑制するために、測地線軌道を通るような配列角度にする必要がある。その場合、円筒部において繊維方向が主応力方向から大きく外れてしまうため円筒部の強度確保のために必要な繊維量が増加する。これを軽減するため、ドーム部で測地線の近くを通った繊維を円筒部から次第に角度を大きくし円筒部ではフープ巻に連続するように巻く方法がある。

しかしながら、この方法では次のような問題がある。すなわち、ドーム部に巻回されるヘリカル巻は数十往復する必要があるため、その全ての往復サイクルにおいて円筒部でフープ巻に連続するように巻くと、円筒部の肉厚が必要以上に増加する。一方で、一部のサイクルのみフープ巻に連続するように巻くと、周方向で巻量にばらつきが発生してしまうため、応力集中箇所が発生してしまう。

そこで本実施形態では、円筒部２０ａの端部の外径が、円筒部２０ａのうち端部を除いた部分の外径よりも小さいライナー２０（図２及び図３参照）に対して、ドーム部２０ｂ上で測地線軌道を通るように、繊維束をヘリカル巻で巻回する。測地線を通すように巻くと、上記したように、（円筒部の外径全てが均一のライナーでは）円筒部で繊維方向が主応力方向から大きく外れてしまうものであるが、本実施形態では、主応力方向に近づくようにライナー２０外径を変化させて、円筒部２０ａでの配列角度を大きくしている。以下、本実施形態における円筒部２０ａでの配列角度について、従来の円筒部での配列角度と比較して説明する。なお、測地線とは、曲面上の２点を結ぶ最短曲線を意味し、この測地線を通すように繊維束を巻回することで、ドーム部１０ｂ上に繊維束を巻く際に、繊維のすべりを抑制することができる。

高圧タンクの中心軸ＡＸから所定長離間した位置Ｒ₀（図３（Ｂ）参照）を通り、測地線軌道を通る場合、円筒部での配列角度θ_胴は下記式（１）で定められる。なお、下記式（１）のＲ_肩は、図３（Ａ）に示すように、円筒部の端部（肩部）の半径を示す。
θ_胴＝ｓｉｎ^-1（Ｒ₀／Ｒ_肩）・・・（１）

比較例として、円筒部の外径が均一のライナー（図３（Ａ）に破線で示す従来のライナー９０）を用いて、高圧タンクの中心軸ＡＸから所定長離間した位置Ｒ₀で測地線軌道を通るようにヘリカル巻（図３（Ａ）に示す符号Ｆ２）で巻回した場合には、円筒部の配列角度θ_胴は、Ｒ₀＝50、Ｒ_肩＝90のとき、式（１）よりθ_胴＝33.7°（以下、θ₂と称する）となる。このθ₂＝33.7°でのヘリカル１層は、図４に示す相関グラフ（配列角度とフープ層への換算（層分）の相関関係を示すグラフ）に基づくと、フープ約０．１層分に相当する。

この比較例に対し、本実施形態のように、円筒部２０ａの端部の外径を小さくしたライナー２０を用いた場合、すなわち、図３（Ａ）に示す、円筒部２０ａの端部の外径Ｒ_肩＝80、円筒部２０ａのうち端部を除いた部分の外径Ｒ´_胴＝90としたライナー２０を用いた場合には、円筒部２０ａの配列角度θ_胴が高くなる。具体的には、ドーム部２０ｂをヘリカル巻で巻く際に、高圧タンクの中心軸ＡＸから所定長離間した位置Ｒ₀＝50で測地線軌道を通るようにヘリカル巻（図３（Ａ）に示す符号Ｆ１）で巻回した場合には、円筒部２０ａの配列角度θ_胴は、式（１）よりθ_胴＝38.7°（以下、θ₁）となる。このθ₁＝38.7°におけるヘリカル１層は、図４に示すグラフ（配列角度とフープ層への換算（層分）の相関関係を示すグラフ）に基づくと、フープ約０．２層分に相当する。

上記θ₂及びθ₁の値に示されるように、本実施形態では、ドーム部２０ｂをヘリカル巻で巻く際に、高圧タンクの中心軸ＡＸから所定長離間した位置Ｒ₀に巻回される繊維束のうち円筒部２０ａでのヘリカル巻角度θ₁を、円筒部の外径が全て均一のライナー９０を仮定したときの位置Ｒ₀において巻回されるヘリカル巻角度θ₂よりも大きくする。

このように、円筒部２０ａでのヘリカル巻角度を高角度化させることで、円筒部２０ａにおけるフープ層への換算値（フープ層分）が増加する。このフープ層分を増加させることで、ヘリカル巻の円筒部２０ａでの繊維方向が主応力方向に近づけられ、円筒部２０ａの強度を向上させることができる。

なお、本実施形態における主応力方向（図３（Ａ）に示す破線Ｓ）とは、ライナーに負荷される種々の応力のうち主なものの方向を意味する。この主応力方向Ｓは、ライナー形状により変化するものであるが、一般的な略円筒のライナー形状の場合では、その主応力方向は軸方向に対し＋４５°〜＋６０°の範囲に存在する。

また、図３には、円筒部２０ａの端部（肩部）の外径が、円筒部２０ａのうち端部を除いた部分の外径より小さいライナー２０を示している。しかし、この例に限定されず、「繊維束が巻回されたライナー」であっても良い。すなわち、本実施形態では、円筒部の端部の外径が円筒部のうち端部を除いた部分の外径より小さい繊維束が巻回されたライナーに対して、繊維束がドーム部上で測地線軌道を通るように繊維束をヘリカル巻で巻回しても良い。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１０：高圧タンク
１０ａ：胴部
１０ｂ：半球状部
１４：口金
１４ａ：開口部
２０：ライナー
２０ａ：円筒部
２０ｂ：ドーム部
２１：外径
３０：補強層
Ｃ１：連結部（ドーム入口部）
Ｃ２：段付き部

Claims (4)

1. ライナーと、該ライナー上に繊維束を巻回した補強層とを備える高圧タンクであって、
   前記ライナーは、円筒状の円筒部と、前記円筒部の端部と連続する半球状のドーム部と、を備え、
   前記補強層は、前記ライナーの前記円筒部上にフープ巻で巻回された繊維束と、前記ドーム部上にヘリカル巻で巻回された繊維束と、を有し、
   前記端部の外径は、前記円筒部のうち前記端部を除いた部分の外径よりも小さい高圧タンク。
2. 前記端部は、前記円筒部の軸方向中心側から前記ドーム部側へ向かって外径が減少するテーパー部を有する請求項１に記載の高圧タンク。
3. 前記テーパー部は、前記円筒部の軸方向の中心線に対する傾斜角度が５〜１０°である請求項２に記載の高圧タンク。
4. 円筒状の円筒部と、前記円筒部の端部と連続する半球状のドーム部とを有するライナーを内殻とする高圧タンクの製造方法であって、
   前記端部の外径が前記円筒部のうち前記端部を除いた部分の外径より小さい、ライナー又は繊維束が巻回されたライナーに対して、前記繊維束が前記ドーム部上で測地線軌道を通るように前記繊維束をヘリカル巻で巻回する高圧タンクの製造方法。

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