JP2019082234A - タンクの製造方法およびタンク - Google Patents

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Abstract

【課題】タンクの強度を確保しつつ、シート層に不均一な積層部分が発生するのを防止することができるタンクの製造方法を提供する。【解決手段】樹脂を含浸させたシート状繊維を巻回して所定の厚さのシート層を形成する巻回工程を有するタンクの製造方法Ｍ１。巻回工程Ｓ１は、シート状繊維を所定の厚さのシート層を形成するために必要な長さよりも短い長さｌｓに分割した分割シート状繊維９を巻回する複数回の分割巻回工程Ｓ１１を有する。二回目以降の分割巻回工程Ｓ１１は、前回の分割巻回工程Ｓ１１で巻回された分割シート状繊維９の終端部９ｅの上に新たな分割シート状繊維９の始端部９ｂを重複して積層させる重複長さをＸとし、タンクに作用する周方向の引張応力をσとし、分割シート状繊維９の厚みと幅をそれぞれｔとＷとし、タンクの円筒部の長さをＬとし、樹脂のせん断強度をＡとしたときに、不等式：Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ）を満たす。【選択図】図５

Description

本発明は、タンクの製造方法およびタンクに関する。
従来からタンクの製造方法に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１は、ライナーを備えるタンクの製造方法であって、以下の工程（Ａ）から工程（Ｃ）を備える製造方法を開示している（同文献、請求項１等を参照）。
工程（Ａ）は、ライナーよりも剛性が高いマンドレルに、樹脂が含浸されたシート状の繊維を巻回して加熱硬化させてシート層を形成する工程である。工程（Ｂ）は、シート層からマンドレルを抜く工程である。工程（Ｃ）は、工程（Ｂ）の後に、シート層内にライナーを嵌める工程である。
このような形態の製造方法であれば、ライナーよりも剛性の高いマンドレルにシート状の繊維を巻回するので、シート状の繊維をライナーに巻回する場合よりも大きな張力でシート状の繊維を巻回することができる。そのため、シート層にたわみが生じることを抑制することができ、タンクを精度よく形成することができる（同文献、第０００６段落等を参照）。
特開２０１６−２２３５６９号公報
前記従来のタンクの製造方法は、ライナーのストレート部の軸方向の長さと同じ幅のシート状繊維を、シートワインディング法によって、マンドレルの周方向に沿って数十回にわたって連続的にマンドレルに巻回することで、所定の厚みのシート層を形成している。
本願発明者らは、鋭意検討の結果、シート状繊維を一度に連続して巻回すると、シート状繊維に作用する張力のわずかな変動やシート状繊維の厚みの微小なばらつきなどによって、シート状繊維のよれや局所的な隙間などの不均一な積層部分がシート層に発生するおそれがあることを見出した。
本発明は、タンクの強度を確保しつつ、シート層に不均一な積層部分が発生するのを防止することができるタンクの製造方法およびタンクを提供する。
本発明の一態様は、樹脂を含浸させたシート状繊維を巻回して所定の厚さのシート層を形成する巻回工程を有するタンクの製造方法であって、前記巻回工程は、前記シート状繊維を前記所定の厚さの前記シート層を形成するために必要な長さよりも短い長さに分割した分割シート状繊維を巻回する複数回の分割巻回工程を有し、二回目以降の前記分割巻回工程は、前回の前記分割巻回工程で巻回された前記分割シート状繊維の終端部の上に新たな前記分割シート状繊維の始端部を重複して積層させる重複長さをＸとし、前記タンクの周方向に作用する引張応力をσとし、前記分割シート状繊維の厚みと幅をそれぞれｔ、Ｗとし、前記タンクの円筒部の長さをＬとし、前記シート層を構成する前記樹脂のせん断強度をＡとしたときに、不等式：Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ）を満たすことを特徴とするタンクの製造方法である。
本願発明者らは、前述のように、所定の厚さのシート層を形成可能な長さのシート状繊維を一度に連続して巻回して積層させると、シート状繊維のよれや局所的な隙間などの不均一な積層部分がシート層に発生するおそれがあることを見出した。また、本願発明者らは、このようなシート状繊維の不均一な積層部分が、シート状繊維の巻回数の増加にともなって拡大し、タンクの表面にシート状繊維の巻回方向を横断するしわのような窪みを生じさせるおそれがあることを見出し、本願発明を完成するに至った。
本願発明の上記態様によるタンクの製造方法は、前述のように、樹脂を含浸させたシート状繊維を巻回して所定の厚さのシート層を形成する巻回工程が、複数回の分割巻回工程を有している。この分割巻回工程は、前述のように、シート状繊維を所定の厚さのシート層を形成するために必要な長さよりも短い長さに分割した分割シート状繊維を巻回する工程である。
すなわち、上記態様のタンクの製造方法は、巻回工程において、所定の厚さのシート層の形成に必要な長さの一枚のシート状繊維を連続的に巻回することはない。その代わりに、シート状繊維を、所定の厚さのシート層を形成するのに必要な長さよりも短い長さに分割して、複数の分割シート状繊維とし、この分割シート状繊維を複数回の分割巻回工程において複数回に分けて巻回して、所定の厚さのシート層を形成する。これにより、各回の分割巻回工程において、一枚の長いシート状繊維を連続的に巻回するときにシート状繊維に作用する不均一な張力と比較して、分割シート状繊維に対してより均一な張力を作用させた状態で、分割シート状繊維を巻回することができる。
したがって、上記態様のタンクの製造方法によれば、分割シート状繊維の厚みの微小なばらつきなどによらず、シート層を構成する分割シート状繊維によれや局所的な隙間が発生することを防止して、分割シート状繊維を均一に積層することができる。これにより、タンクのシート層の表面に分割シート状繊維の巻回方向を横断するしわのような窪みが生じるのを防止することができる。
また、上記態様のタンクの製造方法は、前述のように、二回目以降の分割巻回工程において、前回の分割巻回工程で巻回された分割シート状繊維の終端部の上に新たな分割シート状繊維の始端部を重複して積層させるときの重複長さが、以下の式（１）を満たす。
Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ） …（１）
なお、前記式（１）において、Ｘは、分割シート状繊維の終端部と始端部との重複長さである。σは、タンクの周方向に作用する引張応力である。Ｌは、タンクのドーム状の部分を除く円筒状の部分の中心軸方向に沿う長さである。Ａは、シート層を構成する樹脂のせん断強度である。Ｗは、分割シート状繊維の幅である。
タンクは、高圧ガスなどの流体が充填されたときに、タンクのシート層を構成する分割シート状繊維に対して、タンクの周方向の引張応力が作用する。ここで、タンクの内圧をＰｉｎ、シート層の半径をＲ、シート層の厚みをＴ、タンクの径方向に沿う断面における中心角をｄθとすると、内圧Ｐｉｎを受ける円筒型のタンクの力のつり合いは、以下の式（２）によって表すことができる。
Ｐｉｎ・Ｒ・ｄθ−２・σ・Ｔ・ｓｉｎ（ｄθ／２）＝０ …（２）
ここで、ｄθが十分に小さい場合、前記式（２）において、ｓｉｎ（ｄθ／２）≒ｄθ／２と近似されるので、以下の式（３）が導出される。
σ＝（Ｐｉｎ／Ｔ）・Ｒ …（３）
たとえば、タンクの内圧Ｐｉｎが１６０［ＭＰａ］、シート層の厚みＴが３［ｍｍ］、シート層の半径Ｒが６０［ｍｍ］であるとする。この場合、前記式（３）によって、シート層の周方向に作用する引張応力σは、３２００［Ｍｐａ］と算出される。
シート層において、下層側に巻回された分割シート状繊維の終端部と、その上に巻回された上層側の分割シート状繊維の始端部との重複部分のせん断荷重が、分割シート状繊維に作用する引張荷重より大であれば、重複部分が十分なせん断強度を有するといえる。すなわち、以下の式（４）を満たせば、下層側の分割シート状繊維の終端部と上層側の分割シート状繊維の始端部との重複部分が、十分なせん断強度を有するといえる。
σ・ｔ・Ｌ＜Ａ・Ｘ・Ｗ …（４）
前記式（４）において、σは、タンクの周方向作用する引張応力である。ｔとＷは、それぞれ、分割シート状繊維の一層の厚みと幅である。また、Ｌは、タンクのドーム状部分を除く円筒部の中心軸方向に沿う長さである。Ａは、シート層を構成する樹脂のせん断強度である。Ｘは、分割シート状繊維の終端部と始端部との重複長さである。
前記式（４）の左辺は、分割シート状繊維に作用する引張荷重である。前記式（４）の右辺は、下層側に巻回された分割シート状繊維の終端部と、その上に巻回された上層側の分割シート状繊維の始端部との重複部分のせん断荷重である。前記式（４）を変形することで、前記式（１）を得ることができる。
したがって、前記式（１）を満たすことで、シート層を構成する下層側の分割シート状繊維の終端部と、その上に巻回された上層側の分割シート状繊維の始端部との重複部分が、十分なせん断強度を有することとなる。したがって、上記態様のタンクの製造方法によれば、巻回工程の複数回の分割巻回工程により、複数の分割シート状繊維を巻回することによって製造されたタンクの強度を確保することができる。
上記態様のタンクの製造方法は、前記分割巻回工程において、前記分割シート状繊維の長さは、前記分割シート状繊維を前記タンクの周方向に一周以上かつ二周以下の巻回数で巻回して前記分割シート状繊維を前記タンクの径方向に一層以上かつ二層以下の積層数で積層可能な長さであることが好ましい。これにより、分割シート状繊維の巻回時に、分割シート状繊維のずれやよれを顕著に抑制することができる。
また、本発明の別の一態様は、所定の厚さのシート層を備えたタンクであって、前記シート層は、前記タンクの周方向に巻回されて積層され、樹脂によって一体化された複数の分割シート状繊維によって構成され、下層側に巻回された前記分割シート状繊維の終端部の上に重複して積層された上層側の前記分割シートの始端部の重複長さをＸとし、前記タンクの周方向に作用する最大引張応力をσとし、前記分割シート状繊維の厚みと幅をそれぞれｔとＷとし、前記タンクの円筒部の長さをＬとし、前記樹脂のせん断強度をＡとしたときに、不等式：Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ）を満たすことを特徴とするタンクである。
上記態様のタンクは、シート層がタンクの周方向に巻回されて積層され、樹脂によって一体化された複数の分割シート状繊維によって構成されているので、上記態様のタンクの製造方法によって製造することができる。したがって、シート層を構成する分割シート状繊維によれや局所的な隙間が発生することを防止して、均一に積層することができる。これにより、タンクのシート層の表面に分割シート状繊維の巻回方向を横断するしわのような窪みが生じるのを防止することができる。
また、上記態様のタンクは、不等式：Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ）を満たすことで、上記態様のタンクの製造方法と同様に、複数の分割シート状繊維を巻回することによって製造されたタンクの強度を確保することができる。
上記態様のタンクの製造方法およびタンクによれば、タンクの強度を確保しつつ、シート層に不均一な積層部分が発生するのを防止して、シート層の表面に分割シート状繊維の巻回方向を横断するしわのような窪みが生じるのを防止することができる。
本発明の一実施形態に係るタンクの模式的な斜視図。 図１に示すタンクのII−II線に沿う模式的な断面図。 図１に示すタンクの円筒部の力のつり合いを示す模式図。 図２に示す分割シート状繊維の重複部分の模式図。 本発明の一実施形態に係るタンクの製造方法の巻回工程の説明図。 図５に示す巻回工程によって形成されたシート層の外観写真図。 従来のタンクの製造方法における巻回工程の説明図。 従来のタンクの製造方法による不均一な積層部分の一例を示す断面写真図。 図８に示す不均一な積層部分に起因するシート層のしわの外観写真図。 比較例のタンクの一例を示す模式図。
以下、図面を参照して本発明に係るタンクの製造方法およびタンクの実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るタンク１の模式的な斜視図である。本実施形態のタンク１は、たとえば、天然ガス自動車や燃料電池自動車などに用いられる燃料を貯蔵する高圧タンクである。本実施形態のタンク１は、たとえば、７０ＭＰａ程度の高圧の水素ガスを貯蔵する用途に使用可能である。
本実施形態のタンク１は、たとえば、中心軸６方向の両端部に設けられた半球状のドーム部２と、これらのドーム部２の間に設けられた円筒状の円筒部３とを有している。また、タンク１は、中心軸６方向の一端と他端に、口金４，５が設けられている。一方の口金４は、たとえば、タンク１の内部に連通する貫通孔４ａを有し、タンク１におけるガスの出入口として用いられる。他方の口金５は、たとえば、タンク１の製造時にタンク１を支持する軸を取り付けるための凹部を有している。
図２は、図１に示すタンク１のII−II線に沿う模式的な断面図である。本実施形態のタンク１は、たとえば、多層構造のタンク１であり、最内層を構成するライナー７と、最外層を構成する所定の厚さＴのシート層８とを有している。図示は省略するが、タンク１は、最外層にさらに繊維層を有し、ライナー７と繊維層との間の中間層にシート層８を有していてもよい。繊維層は、たとえば、シート層８の周囲に、フィラメントワインディング法によって、樹脂を含浸させたガラス繊維や炭素繊維などの繊維束をヘリカル巻きすることによって形成することができる。
ライナー７は、たとえば、中心軸６方向の両端部に口金４，５が取り付けられた樹脂製の中空の容器である。ライナー７を構成する材料は、特に限定されないが、たとえば、ポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエステル等の熱可塑性樹脂を用いることができる。口金４，５の材料としては、たとえば、アルミニウムやステンレス鋼等の金属を用いることができる。なお、タンク１の製造時にタンク１を支持する軸を取り付けるための口金５は、省略してもよい。
シート層８は、タンク１の周方向に巻回されて積層され、樹脂によって一体化された複数の分割シート状繊維９によって構成されている。シート層８を構成する分割シート状繊維９の数は、複数、すなわち、２枚以上の任意の数である。なお、図２においては、タンク１の周方向Ｄｃに巻回されて積層された下層側の分割シート状繊維９を実線で示し、その上に巻回された上層側の分割シート状繊維９を点線で示し、３枚目以降の分割シート状繊維９の図示を省略している。
分割シート状繊維９は、たとえば、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維束を、方向を揃えて集合させ、所定の幅、長さ、厚さのシート状に成形した繊維の集合体である。複数の分割シート状繊維９は、たとえば、液状の樹脂１０が含浸されて、それぞれ、一周以上、タンク１の周方向Ｄｃに巻回されて積層され、その後、樹脂１０が硬化されることにより、樹脂１０によって一体化されてシート層８を構成している。分割シート状繊維９に含浸され、複数の分割シート状繊維９を一体化させる樹脂１０としては、たとえば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができる。
分割シート状繊維９のタンク１の周方向Ｄｃすなわち巻回方向における長さは、たとえば、分割シート状繊維９をタンク１の周方向Ｄｃに一周以上かつ二周以下の巻回数で巻回して、分割シート状繊維９を一層以上かつ二層以下の積層数で積層可能な長さであることが好ましい。図２に示す例において、各分割シート状繊維９は、タンク１の周方向Ｄｃに二周ずつ巻回されており、タンク１の径方向に二層ずつ積層されている。複数の分割シート状繊維９は、下層側に巻回された分割シート状繊維９の終端部９ｅの上に、上層側の分割シート状繊維９の始端部９ｂが、所定の重複長さで重複して積層されている。
本実施形態のタンク１は、下層側に巻回された分割シート状繊維９の終端部９ｅの上に重複して積層された上層側の分割シートの始端部９ｂの重複長さをＸとし、タンク１の周方向Ｄｃに作用する引張応力をσとし、分割シート状繊維９の厚みと幅をそれぞれｔとＷとし、タンク１の円筒部３の長さをＬとし、分割シート状繊維９を一体化させる樹脂１０のせん断強度をＡとしたときに、以下の不等式（１）を満たす。
Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ） …（１）
図３は、図１に示すタンク１の内圧を受ける円筒部３の力のつり合いを示す模式図である。タンク１は、高圧の水素ガスなどの流体が充填されたときに、タンク１のシート層８を構成する分割シート状繊維９に対して、タンク１の周方向Ｄｃの引張応力が作用する。ここで、タンク１の内圧をＰｉｎ、シート層８の半径をＲ、シート層８の厚みをＴ、タンク１の径方向に沿う断面における中心角をｄθとすると、内圧Ｐｉｎを受けるタンク１の円筒部３の力のつり合いは、以下の式（２）によって表すことができる。
Ｐｉｎ・Ｒ・ｄθ−２・σ・Ｔ・ｓｉｎ（ｄθ／２）＝０ …（２）
ここで、ｄθが十分に小さい場合、前記式（２）において、ｓｉｎ（ｄθ／２）≒ｄθ／２と近似されるので、以下の式（３）が導出される。
σ＝（Ｐｉｎ／Ｔ）・Ｒ …（３）
たとえば、タンク１の内圧Ｐｉｎが１６０［ＭＰａ］、シート層８の厚みＴが３［ｍｍ］、シート層８の半径Ｒが６０［ｍｍ］であるとする。この場合、前記式（３）によって、タンク１のシート層８に作用する周方向Ｄｃの引張応力σは、３２００［Ｍｐａ］と算出される。ここでは、ライナー７の強度は考慮しない。
図４は、下層側に巻回された分割シート状繊維９の終端部９ｅとその上に巻回された上層側の分割シート状繊維９の始端部９ｂとの重複部分９Ｄの模式図である。シート層８において、下層側に巻回された分割シート状繊維９の終端部９ｅと、その上に巻回された上層側の分割シート状繊維９の始端部９ｂとの重複部分９Ｄのせん断荷重が、分割シート状繊維９に作用する引張荷重より大であれば、重複部分９Ｄが十分なせん断強度を有するといえる。すなわち、以下の式（４）を満たせば、下層側の分割シート状繊維９の終端部９ｅと上層側の分割シート状繊維９の始端部９ｂとの重複部分９Ｄが、十分なせん断強度を有するといえる。
σ・ｔ・Ｌ＜Ａ・Ｘ・Ｗ …（４）
前記式（４）において、σは、タンク１に作用する周方向Ｄｃの引張応力であり、前記式（３）によって求められる。ｔとＷは、それぞれ、分割シート状繊維９の一層の厚みと幅である。また、Ｌは、タンク１のドーム部２を除く円筒部３の中心軸６方向に沿う長さである。Ａは、シート層８を構成する樹脂１０のせん断強度である。Ｘは、分割シート状繊維９の終端部９ｅと始端部９ｂとの重複長さである。
前記式（４）の左辺は、分割シート状繊維９に作用する引張荷重である。前記式（４）の右辺は、シート層８において、下層側に巻回された分割シート状繊維９の終端部９ｅと、その上に巻回された上層側の分割シート状繊維９の始端部９ｂとの重複部分９Ｄのせん断荷重である。前記式（４）を変形することで、前記式（１）を得ることができる。
次に、本発明の一実施形態に係るタンクの製造方法について、従来のタンクの製造方法との対比に基づいて説明する。
図７は、従来のタンクの製造方法Ｍ９０１における巻回工程Ｓ９０１の説明図である。たとえば、前述の特許文献１に記載された従来のタンクの製造方法Ｍ９０１は、樹脂を含浸させたシート状繊維ＦＳを巻回して所定の厚さＴのシート層を形成する巻回工程Ｓ９０１を有している。より詳細には、従来のタンクの製造方法Ｍ９０１は、ライナー９０７よりも剛性が高いマンドレルに、樹脂が含浸されたシート状繊維ＦＳを巻回して加熱硬化させてシート層を形成する工程を有している。
この従来の製造方法Ｍ９０１の巻回工程Ｓ９０１では、ライナー９０７の円筒部の軸方向の長さと同じ幅のシート状繊維ＦＳが、シートワインディング法によって、マンドレルの周方向に沿って数十回にわたって連続的にマンドレルに巻回され、所定の厚みのシート層が形成される。しかし、シート状繊維ＦＳを一度に連続して巻回すると、シート状繊維ＦＳに作用する張力のわずかな変動やシート状繊維ＦＳの厚みの微小なばらつきなどによって、シート状繊維ＦＳのよれや局所的な隙間などの不均一な積層部分がシート層に発生するおそれがある。
図８は、従来のタンクの製造方法Ｍ９０１において発生し得る不均一な積層部分の一例を示す断面写真図である。図９は、図８に示す不均一な積層部分に起因するシート層９０８の外表面のしわ９０８ｃの一例を示す外観写真図である。
図８に示す例では、巻回工程Ｓ９０１でシート状繊維ＦＳに作用する張力のわずかな変動やシート状繊維ＦＳの厚みの微小なばらつきなどによって、シート状繊維ＦＳのよれが発生し、二周目に巻回されたシート状繊維ＦＳと三周目に巻回されたシート状繊維ＦＳとの間に局所的な隙間Ｇが発生している。これにより、三周目に巻回されたシート状繊維ＦＳに、波打つようなわずかなたわみが生じている。その後、シート状繊維ＦＳの巻回数が増加するにしたがって、シート状繊維ＦＳのたわみが拡大され、最終的には、図９に示すように、シート層９０８の外表面に凹状のしわ９０８ｃが形成されている。
このようなシート層９０８を構成するシート状繊維ＦＳのたわみやよれは、シート層９０８の強度を低下させる要因となる。また、シート層９０８を構成するシート状繊維ＦＳのたわみやよれによるシート層９０８の強度低下を補償するために、シート状繊維ＦＳの巻回数を増加させると、タンクの製造コストが増加する。また、所定の厚みのシート層９０８を形成するのに必要な長さＬｓのシート状繊維ＦＳを一度に連続して巻回するときに、シート状繊維ＦＳのよれやずれが発生しないように、より高精度の張力制御を行ったり、巻回速度を低下させたりすると、製造設備のコストを増加させ、生産性が低下する。
これに対し、本実施形態のタンクの製造方法は、以下に説明する巻回工程を有している。図５は、本発明の一実施形態に係るタンクの製造方法Ｍ１の説明図である。本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１において、以下に説明する巻回工程Ｓ１以外の工程については、公知の工程を採用することができる。したがって、巻回工程Ｓ１以外の工程についての説明は省略する。
本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１は、前述の従来の製造方法Ｍ９０１と同様に、樹脂１０を含浸させたシート状繊維ＦＳを巻回して所定の厚さＴのシート層８を形成する巻回工程Ｓ１を有している。しかし、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１は、この巻回工程Ｓ１において、前述の従来の製造方法Ｍ９０１とは異なる技術的特徴を有している。より具体的には、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１において、巻回工程Ｓ１は、シート状繊維ＦＳを所定の厚さＴのシート層８を形成するために必要な長さＬｓよりも短い長さｌｓに分割した分割シート状繊維９を巻回する複数回の分割巻回工程Ｓ１１を有している。
すなわち、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１は、巻回工程Ｓ１において、所定の厚さＴのシート層８の形成に必要な長さＬｓの一枚のシート状繊維ＦＳを連続的に巻回することはない。その代わりに、シート状繊維ＦＳを、所定の厚さＴのシート層８を形成するのに必要な長さＬｓよりも短い長さｌｓに分割して、複数の分割シート状繊維９とし、この分割シート状繊維９を複数回の分割巻回工程Ｓ１１において複数回に分けて巻回して、所定の厚さＴのシート層８を形成する。
これにより、各回の分割巻回工程Ｓ１１において、一枚の長いシート状繊維ＦＳを連続的に巻回するときにシート状繊維ＦＳに作用する不均一な張力と比較して、分割シート状繊維９に対してより均一な張力を作用させた状態で、分割シート状繊維９を巻回することができる。したがって、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１によれば、分割シート状繊維９の厚みの微小なばらつきなどによらず、シート層８を構成する分割シート状繊維９によれや局所的な隙間が発生することを防止して、分割シート状繊維９を均一に積層することができる。
図６は、図５に示す巻回工程Ｓ１によって形成されたシート層８の外観写真図である。本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１は、巻回工程Ｓ１において、前述のように、分割シート状繊維９によれや局所的な隙間が発生することを防止して、均一に積層することができる。これにより、図６に示すように、タンク１のシート層８の表面に分割シート状繊維９の巻回方向を横断するしわのような窪みが生じるのを防止することができる。
図１０は、図２に示す本実施形態のタンク１とは異なる比較例のタンク９０１の一例を示す模式図である。図１０に示す比較例のタンク９０１は、シート層９０８を構成する下層側の分割シート状繊維９０９の終端部９０９ｅと、その上に巻回された上層側の分割シート状繊維９０９の始端部９０９ｂとが、重複部分を有していない。この場合、下層側の分割シート状繊維９０９の終端部９０９ｅと上層側の分割シート状繊維９０９の始端部９０９ｂとの間に作用する引張応力に対する強度が低下し、タンク９０１の強度が不十分になるおそれがある。
これに対し、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１では、図５に示す二回目以降の分割巻回工程Ｓ１１において、図２および図４に示すように、前回の分割巻回工程Ｓ１１で巻回された分割シート状繊維９の終端部９ｅの上に、新たな分割シート状繊維９の始端部９ｂを、重複長さＸで重複して積層させる。この重複長さＸは、前記不等式（１）を満たすように設定される。
より具体的には、たとえば、図３に示すように、タンク１の内圧Ｐｉｎが１６０[ＭＰａ]、シート層８の厚さＴが３［ｍｍ］、シート層８の内表面における半径Ｒが６０［ｍｍ］であるとする。この場合、前記式（３）によって、タンク１のシート層８に作用する周方向Ｄｃの引張応力σは、３２００［Ｍｐａ］と算出される。
また、図４に示すように、一枚の分割シート状繊維９の厚みｔが０．１[ｍｍ]であり、複数の分割シート状繊維９を一体化させる樹脂１０のせん断強度Ａが２０[Ｍｐａ]であり、タンク１の円筒部３の長さＬと分割シート状繊維９の幅Ｗが等しいとする。この場合、下層側の分割シート状繊維９の終端部９ｅとその上に巻回された上層側の分割シート状繊維９の始端部９ｂとの重複長さＸは、前記不等式（１）を満たすように、１６[ｍｍ]よりも大きくなるように設定される。なお、複数の分割シート状繊維９は、タンク１の周方向Ｄｃに、たとえば、合計で３０周から４０周程度にわたって巻回され、タンク１の径方向に３０層から４０層程度が積層されてシート層８を構成している。
このように、重複長さＸが前記不等式（１）を満たすことで、前述のように、シート層８を構成する下層側の分割シート状繊維９の終端部９ｅと、その上に巻回された上層側の分割シート状繊維９の始端部９ｂとの重複部分９Ｄが、タンク１の周方向Ｄｃに作用する引張応力σに耐え得る十分なせん断強度を有することとなる。したがって、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１およびその製造方法Ｍ１によって製造されたタンク１によれば、複数の分割シート状繊維９が巻回されたタンク１の強度を十分に確保することができる。
また、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１は、分割巻回工程Ｓ１１において、分割シート状繊維９の長さを、分割シート状繊維９をタンク１の周方向Ｄｃに一周以上かつ二周以下の巻回数で巻回して分割シート状繊維９を一層以上かつ二層以下の積層数で積層可能な長さにしてもよい。これにより、図２に示すように、各分割シート状繊維９がタンク１の周方向Ｄｃに一周以上かつ二周以下の巻回数で巻回されて積層され、分割シート状繊維９の巻回時に、分割シート状繊維９のずれやよれを顕著に抑制することができる。
なお、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１では、巻回工程Ｓ１において、複数の分割シート状繊維９をマンドレルの周囲に巻回し、分割シート状繊維９に含浸させた樹脂１０を硬化させてシート層８を形成した後に、マンドレルを抜き取って、シート層８にライナー７を挿入してもよい。また、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１では、巻回工程Ｓ１において、複数の分割シート状繊維９をライナー７の周囲に直接的に巻回し、分割シート状繊維９に含浸させた樹脂１０を硬化させてシート層８を形成してもよい。
以上説明したように、本実施形態のタンクの製造方法Ｍ１は、樹脂１０を含浸させたシート状繊維を巻回して所定の厚さＴのシート層８を形成する巻回工程Ｓ１を有する。この巻回工程Ｓ１は、シート状繊維ＦＳを所定の厚さＴのシート層８を形成するために必要な長さＬｓよりも短い長さｌｓに分割した分割シート状繊維９を巻回する複数回の分割巻回工程Ｓ１１を有している。そして、二回目以降の分割巻回工程Ｓ１１は、前回の分割巻回工程Ｓ１１で巻回された分割シート状繊維９の終端部９ｅの上に新たな分割シート状繊維９の始端部９ｂを重複して積層させる重複長さをＸとし、タンク１に作用する周方向Ｄｃの引張応力をσとし、分割シート状繊維９の厚みと幅をそれぞれｔとＷとし、タンク１の円筒部３の長さをＬとし、樹脂１０のせん断強度をＡとしたときに、前記不等式（１）、すなわち、Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ）を満たす。
また、本実施形態のタンク１は、所定の厚さＴのシート層８を備える。このシート層８は、タンク１の周方向Ｄｃに巻回されて積層され、樹脂１０によって一体化された複数の分割シート状繊維９によって構成されている。また、下層側に巻回された分割シート状繊維９の終端部９ｅの上に重複して積層された上層側の分割シートの始端部９ｂの重複長さをＸとし、タンク１に作用する周方向Ｄｃの引張応力をσとし、分割シート状繊維９の厚みと幅をそれぞれｔとＷとし、タンク１の円筒部３の長さをＬとし、樹脂１０のせん断強度をＡとしたときに前記不等式（１）、すなわち、Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ）を満たす。
このような構成のタンクの製造方法Ｍ１およびタンク１によれば、前述のように、タンク１の強度を確保しつつ、シート層８に不均一な積層部分が発生するのを防止して、シート層８の表面に分割シート状繊維９の巻回方向を横断するしわのような窪みが生じるのを防止することができる。
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１ タンク
３ 円筒部
８ シート層
９ 分割シート状繊維
９ｂ 始端部
９ｅ 終端部
１０ 樹脂
Ａ せん断強度
Ｄｃ 周方向
ＦＳ シート状繊維
Ｌ 円筒部の長さ
Ｌｓ シート状繊維の長さ
ｌｓ 分割シート状繊維の長さ
Ｍ１ タンクの製造方法
Ｓ１ 巻回工程
Ｓ１１ 分割巻回工程
Ｔ 所定の厚さ
ｔ 厚み
Ｗ 幅
Ｘ 重複長さ
σ 引張応力

Claims (3)

  1. 樹脂を含浸させたシート状繊維を巻回して所定の厚さのシート層を形成する巻回工程を有するタンクの製造方法であって、
    前記巻回工程は、前記シート状繊維を前記所定の厚さの前記シート層を形成するために必要な長さよりも短い長さに分割した分割シート状繊維を巻回する複数回の分割巻回工程を有し、
    二回目以降の前記分割巻回工程は、前回の前記分割巻回工程で巻回された前記分割シート状繊維の終端部の上に新たな前記分割シート状繊維の始端部を重複して積層させる重複長さをＸとし、前記タンクに作用する周方向の引張応力をσとし、前記分割シート状繊維の厚みと幅をそれぞれｔとＷとし、前記タンクの円筒部の長さをＬとし、前記樹脂のせん断強度をＡとしたときに、
    不等式：Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ）を満たすことを特徴とするタンクの製造方法。
  2. 前記分割巻回工程において、前記分割シート状繊維の長さは、前記分割シート状繊維を前記タンクの周方向に一周以上かつ二周以上の巻回数で巻回して前記分割シート状繊維を一層以上かつ二層以上の積層数で積層可能な長さであることを特徴とする請求項１に記載のタンクの製造方法。
  3. 所定の厚さのシート層を備えたタンクであって、
    前記シート層は、前記タンクの周方向に巻回されて積層され、樹脂によって一体化された複数の分割シート状繊維によって構成され、
    下層側に巻回された前記分割シート状繊維の終端部の上に重複して積層された上層側の前記分割シート状繊維の始端部の重複長さをＸとし、前記タンクに作用する周方向の引張応力をσとし、前記分割シート状繊維の厚みと幅をそれぞれｔとＷとし、前記タンクの円筒部の長さをＬとし、前記樹脂のせん断強度をＡとしたときに、
    不等式：Ｘ＞（σ・ｔ・Ｌ）／（Ａ・Ｗ）を満たすことを特徴とするタンク。
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