JP2020085095A - 高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】強度を確保するとともに、巻回されたＧＦＲＰにより形成されるＧＦＲＰ層に亀裂が入りやすく、透過水素が溜まることを防止することができる高圧タンクを提供する。【解決手段】ライナの外側にＣＦＲＰ繊維束が巻回されて形成されたＣＦＲＰ層１４と、ＣＦＲＰ層１４の外側にＧＦＲＰ繊維束が巻回されて形成されたＧＦＲＰ層１５と、を有する高圧タンク１０であって、ＧＦＲＰ繊維束は、ＣＦＲＰ繊維束に比べて低張力でかつＣＦＲＰ層１４の最外層においてＣＦＲＰ繊維束がタンク回転軸の軸線ＣＬとの間のなす角度よりも低角度で巻回されていることを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、ライナの外周に繊維束が巻回された高圧タンクに関する。

この種の高圧タンクとして、ライナの外周に第１繊維束としての炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics、以下ＣＦＲＰという。）繊維束が巻回されたＣＦＲＰ層と、ＣＦＲＰ層の外側に第２繊維束としてのガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics、以下ＧＦＲＰという。）繊維束が巻回されたＧＦＲＰ層とを有するものが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１８−１２８１１６号公報

図１０は、特許文献１に示される従来技術を説明する図である。
特許文献１に記載の高圧タンクは、ライナ１の外周にＣＦＲＰ繊維束をヘリカル巻きで巻回することによりＣＦＲＰ層２が形成され、ＣＦＲＰ層２の外周にＧＦＲＰ繊維束をフープ巻で巻回することによりＧＦＲＰ層３が形成されている（従来例１）。

ＣＦＲＰ繊維束及びＧＦＲＰ繊維束は、複数本のＣＦＲＰ繊維及び複数本のＧＦＲＰ繊維を長さ方向に揃えて束ねたものであるため、繊維束の長さ方向に直交する繊維直交方向に繊維割れし易く、繊維長さ方向に繊維割れしにくい構造となっている。ＧＦＲＰ層３は、ライナ１にＧＦＲＰ繊維束をフープ巻きしており、ＧＦＲＰ繊維束がタンク回転軸に対して高角度で巻回されている。高圧タンクは、軸線方向に作用する応力よりも周方向に作用する応力の方が大きい。したがって、フープ巻きは、繊維束の向きが繊維割れしにくい方向となっている。つまり、応力のかかる周方向が、「繊維割れしにくい繊維方向」と一致しており、ＧＦＲＰ層３に亀裂が入りにくい構造となっている。

一方、ＣＦＲＰ繊維束をヘリカル巻きで巻回することにより形成されたＣＦＲＰ層２は、図１０（ｂ）に示すように、繊維間に亀裂が入っている。高圧タンク内の水素などのガスは、ＣＦＲＰ層２の亀裂やボイドを透過して、ＧＦＲＰ層３まで到達するが、ＧＦＲＰ層３や樹脂からなる表層４に亀裂などの欠陥がないと、ＧＦＲＰ層３まで到達したガスは、高圧タンクの外部に抜けるための抜け道がない。高圧タンクの出荷時においては、ＣＦＲＰ層２の亀裂やボイドを透過してＧＦＲＰ層３まで到達した水素は、ＧＦＲＰ層３で溜まっている状態となっている。

高圧タンクは、ＧＦＲＰ層３や表層４にガスの抜け道がない場合、市場において使用されていると、図１０（ｃ）に示すように、ＧＦＲＰ層３に透過水素が溜まる量が増え、一定圧を超えると表層４が破裂するおそれがあるという問題がある。

特許文献１に記載の高圧タンクと異なる構造のもので（従来例２）、表層に、樹脂が含浸されていない繊維束をライナに巻き付け、樹脂が含浸されたＣＦＲＰ層からの染み出し樹脂を吸収することで、表層の樹脂層の厚みを低減した構造のものがある。従来例２の高圧タンクにおいては、図１１（ａ）に示すように、ＣＦＲＰ層からの染み出し樹脂は、下層の繊維間または繊維密度が低い部位から出てくるため、全体に均一ではなく、かつ拡散力が弱くなる。

したがって、従来例２の高圧タンクにおいては、染み出し樹脂により含浸した表層は、繊維体積含有率（Ｖｆ％）が低くなり高圧タンクの強度の低下を招くという問題がある。また、表層の樹脂が含浸されていない部分が亀裂の起点となり、高圧タンクの疲労強度の低下を招くという問題がある。

また、特許文献１に記載の高圧タンクと異なる他の構造のもので、表層の樹脂層をエポキシ分解溶液により揮発させ、表層の樹脂層の厚みを低減した構造のものがある（従来例３）。従来例３の高圧タンクにおいては、表層の樹脂層に架橋反応に寄与しない成分が混じるため、エポキシ樹脂の強度や伸び破壊靭性値などの物性が低下することがある。また、表層の硬化時に一部、揮発成分とエポキシ樹脂とが結合するが、市場での耐久時に結合が切れて異物として析出することがある。最表層以外で揮発した成分は、表層内にボイドとして硬化してしまう。

したがって、従来例３の高圧タンクにおいては、表層に揮発性物質が混入することで高圧タンクの強度が低下するという問題がある。また、市場での高圧タンクの使用時に揮発残成分が析出し高圧タンクの表層に異物が生ずるという問題がある。また、揮発性物質の表層への混入により、粘度が低下して繊維束を巻回する際に滑りが発生し張力が低下することがあり、その結果、繊維体積含有率（Ｖｆ％）が低下して高圧タンクの強度が低下するという問題がある。また、揮発成分が表層内に気泡として残留し高圧タンクの強度が低下するという問題がある。

また、特許文献１に記載の高圧タンクと異なる他の構造のもので、表層のみ破断ひずみの低い樹脂を用いて、出荷前に耐圧試験で微小クラックを入れて水素の透過パスを確保する構造のものがある（従来例４）。従来例４の高圧タンクにおいては、耐圧試験時の微小クラックは繊維と樹脂界面で生じるのが支配的で、樹脂がひずみ限界で割れることはほとんどない。樹脂ではなく繊維束の巻き方を工夫して繊維間で確実に割る対策が必要となる。したがって、従来例４の高圧タンクにおいては、耐圧試験で表層にクラックが入らず、クラックにより水素が溜まることを防止することができないという問題がある。

また、特許文献１に記載の高圧タンクと異なる他の構造のもので、ライナの外層をすべてヘリカル巻きで形成し、誘導加熱（ＩＨ：Induction Heating）、即ち、電磁誘導の原理を利用して電流を流し、外層を発熱させて硬化させる構造のものがある（従来例５）。従来例５の高圧タンクにおいては、外層すべてが高圧タンク回転軸の軸線に対して低い巻付角度で形成されているため、ライナの円筒部に巻回する際に、繊維束に張力をかけて巻回することができず、ボイド、繊維ゆるみが多く、高圧タンクの剛性が低くなる。

したがって、従来例５の高圧タンクにおいては、図１１（ｂ）に示すように、巻付角度が低角度での繊維束の巻回は、ライナの両端部分の鏡部では強度を担保することはできるが、円筒部では繊維束に張力がかからずボイドが発生するという問題がある。また、円筒部では、強度を担保することができないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、強度を確保するとともに、ＧＦＲＰ層に亀裂が入りやすく、透過水素が溜まることを防止することができる高圧タンクを提供することを課題とする。

本発明に係る高圧タンクは、ライナの外側にＣＦＲＰ繊維束が巻回されて形成されたＣＦＲＰ層と、該ＣＦＲＰ層の外側にＧＦＲＰ繊維束が巻回されて形成されたＧＦＲＰ層とを有する高圧タンクであって、前記ＧＦＲＰ繊維束は、前記ＣＦＲＰ繊維束に比べて低張力でかつ前記ＣＦＲＰ層の最外層において前記ＣＦＲＰ繊維束がタンク回転軸の軸線との間になす角度よりも低角度で巻回されていることを特徴とする。

本発明に係る高圧タンクにおいては、ＧＦＲＰ繊維束がＣＦＲＰ繊維束に比べ、低張力でかつＣＦＲＰ層の最外層においてＣＦＲＰ繊維束がタンク回転軸の軸線との間になす角度よりも低角度で巻回されているので、ＧＦＲＰ層に亀裂が入りやすくなる。そのため、高圧タンクの内部の水素は、ＧＦＲＰ層に生じた亀裂を透過して外部に抜ける。その結果、ライナ及びＣＦＲＰ層を透過した水素がＧＦＲＰ層に溜まることが防止される。一方、ＣＦＲＰ繊維束は、ＧＦＲＰ繊維束に比べて比較的に高い張力でかつＣＦＲＰ層の最外層においてタンク回転軸の軸線に対して比較的に高角度で巻回されてＣＦＲＰ層を形成しているので、ＣＦＲＰ層により高圧タンクの強度が確保される。

本発明によれば、強度を確保するとともに、ＧＦＲＰ層に亀裂が入りやすく、透過水素が溜まることを防止することができる高圧タンクを提供することができる。

本発明の実施形態に係る高圧タンクの図であり、図１（ａ）は、高圧タンクの側面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａで切断した断面図を示し、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂで切断した断面図を示す。 本発明の実施形態に係る高圧タンクの図であり、図２（ａ）は、フープ巻きで形成されたＣＦＲＰ層を有するライナの斜視図を示し、図２（ｂ）は、ヘリカル巻きで形成されたＣＦＲＰ層を有するライナの斜視図を示す。 本発明の実施形態に係るライナに形成する１層から２５層からなるＣＦＲＰ層のＦＷ仕様の表。 本発明の実施形態および従来の高圧タンクに関する表であり、図４（ａ）は、ライナに形成する２６層目以降からなるＧＦＲＰ層のＦＷ仕様の表を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＦＷ仕様に基づいて形成された高圧タンクの耐圧試験の結果の表を示す。 本発明の実施形態の高圧タンクの図であり、図５（ａ）は、高圧タンクの断面図を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）のｂ部の拡大図で高圧タンクの出荷時の状態を示し、図５（ｃ）は、図５（ａ）のｂ部の拡大図で高圧タンクが市場で使用されている状態を示す。 本発明の実施形態の高圧タンクの亀裂確認結果の図であり、図６（ａ）は、ＧＦＲＰ層が巻付角度８９°で形成された高圧タンクの外観を示し、図６（ｂ）は、ＧＦＲＰ層が巻付角度１２．５°で形成された高圧タンクの外観を示す。 本発明の実施形態の高圧タンクの図であり、図７（ａ）は、高圧タンクの応力を説明する説明図を示し、図７（ｂ）は、繊維の割れを説明する繊維束の斜視図を示し、図７（ｃ）は、割れを説明する繊維束の正面図を示す。 本発明の実施形態の高圧タンクの図であり、図８（ａ）は、高圧タンクの接線および軸と、外径および内径を説明する説明図を示し、図８（ｂ）は、接線方向における応力と、軸方向における応力の式を示し、図８（ｃ）は、軸方向ひずみと亀裂発生との関係を表すグラフを示す。 本発明の実施形態の高圧タンクの図であり、図９（ａ）は、繊維束の巻付角度とひずみ方向を説明する説明図を示し、図９（ｂ）は、繊維束の巻付角度とひずみとの関係を表すグラフを示す。 従来の高圧タンクの図であり、図１０（ａ）は、高圧タンクの断面図を示し、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のａ部の拡大図で高圧タンクの出荷時の状態を示し、図１０（ｃ）は、図１０（ａ）のａ部の拡大図で高圧タンクが市場で使用されている状態を示す。 従来の高圧タンクの図であり、図１１（ａ）は、樹脂が含浸されていない層および樹脂が含浸された層で構成される高圧タンクの染み出しを説明する説明図を示し、図１１（ｂ）は、高圧タンクの鏡部を説明する説明図を示す。

本発明に係る高圧タンクを適用した実施形態に係る高圧タンク１０について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る高圧タンク１０は、図１（ａ）、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、ライナ１１と、口金１２、１３と、ライナ１１の外周面を被覆するＣＦＲＰ層１４と、ＣＦＲＰ層１４の外周面を被覆するＧＦＲＰ層１５と、ＧＦＲＰ層１５の外周面を被覆する表層１６とにより構成されている。高圧タンク１０は、気体を透過させにくい性質、いわゆるガスバリア性を有しており内部には水素などの高圧のガスが充填されるよう構成されている。

ライナ１１は、筒状の中空容器からなり、シリンダ部２１と、一対のドーム部２２とにより構成されており、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、いわゆるナイロン（登録商標）などの高い機械的強度を有するエンジニアリングプラスチックで一体的に成形されている。

シリンダ部２１は、円筒状に形成され、両端部で各ドーム部２２と一体的に形成されている。各ドーム部２２は、略半球体状の中空で、ライナ１１の軸線に沿った長手方向端部に、ライナ１１の軸線を中心とする所定の深さの凹みを有する口金装着部２３を有している。口金装着部２３の内周の壁面は、図１（ｃ）の破線で示すように、均等の間隔で凹凸部２３ａが形成されている。

口金１２は、ライナ１１の口金装着部２３に装着されるフランジ１２ａと、フランジ１２ａからドーム部２２の外側に突出する口金本体１２ｂと、口金本体１２ｂと軸線を同じくしフランジ１２ａからドーム部２２の内側に突出する突出部１２ｃとを有している。口金１２にはバルブ接続孔１２ｄが貫通して形成されている。口金１２は、金属材料で形成されている。

口金１３は、口金１２と同様に形成されているが、口金１２のバルブ接続孔１２ｄが省略されている。口金１３は、ライナ１１の口金装着部２３に装着されるフランジ１３ａと、フランジ１３ａからドーム部２２の外側に突出する口金本体１３ｂと、口金本体１３ｂと軸線を同じくしフランジ１３ａからドーム部２２の内側に突出する突出部１３ｃとを有している。口金１３も、口金１２と同様に、金属材料で形成されている。

ＣＦＲＰ層１４は、図１（ｃ）に示すように、ライナ１１の外周面を覆う層からなり、ＣＦＲＰ繊維束がライナ１１の外周面に巻回されることにより形成されている。ＣＦＲＰ繊維束は、数十本のＣＦＲＰ繊維の単繊維を撚り合わせて１本の糸にした、いわゆるマルチフィラメントが、数千〜数万本程度束ねられた繊維束からなる。

ＣＦＲＰ層１４は、ＣＦＲＰ繊維束をフープ巻きおよびヘリカル巻きで巻回することによって形成される。フープ巻きは、図２（ａ）に示すように、ＣＦＲＰ繊維束の巻回軌跡が高圧タンク１０における高圧タンク回転軸の軸線ＣＬに対して、例えば、巻付角度θ（°）が９０°程度の直角に近い高角度で交差する巻き付け方で、ＣＦＲＰ繊維束がライナ１１のシリンダ部２１の外周面に繰り返し巻回される。なお、巻付角度θ（°）は、ＣＦＲＰ繊維束の巻付方向と高圧タンク回転軸の軸線ＣＬとの間のなす角（°）をいう。

ヘリカル巻きは、図２（ｂ）に示すように、ＣＦＲＰ繊維束の巻回軌跡が高圧タンク１０における高圧タンク回転軸の軸線ＣＬに対して、例えば、巻付角度θ（°）が１０°〜３０°程度の低角度で交差する巻き付け方で、ＣＦＲＰ繊維束が高圧タンク１０のシリンダ部２１と、一対のドーム部２２の全体に亘って螺旋状に繰り返し巻回される。

ＣＦＲＰ層１４の形成は、例えば、フィラメントワインディング法（Filament Winding Process、以下ＦＷ法という。）によって行われる。このＦＷ法は、太い繊維束を引き伸ばして細くするとともに、緩い撚りを与えて粗糸とし、巻き取ったいわゆる粗紡糸（カーボンロービング、ガラスロービングなどのロービング）に樹脂を含浸させながら、または、あらかじめ樹脂を含侵させた粗紡糸にテンションをかけ、被加工物に連続的に巻き付ける製造方法をいう。

この製造方法によれば、ライナ１１に巻き付ける際の角度を調整することにより、被加工物の軸方向および周方向の強度を調整することができる。なお、ＦＷ法における張力（Ｎ）、巻付角度（°）などの繊維束を巻き付ける際の条件や設定諸元をＦＷ仕様という。

粗紡糸に含浸させる樹脂は、例えば、エポキシ樹脂（ＥＰ）、ポリエステル樹脂（ＰＥ）などの熱硬化性樹脂からなり、粗紡糸は、一般に、カーボン繊維（Carbon Fiber）、ガラス繊維（Glass Fiber）やアラミド繊維（Aromatic Polyamide Fiber）などの繊維からなる。

ＣＦＲＰ層１４は、具体的には、１層から２５層の複数層で形成され、図３の表１に示すＦＷ仕様に基づいてＦＷ法により形成される。ＣＦＲＰ層１４のＦＷ仕様は、表１に示すように各層ごとに異なっている。ＦＷ仕様における張力（Ｎ）は、１０Ｎ〜５０Ｎの範囲で設定される。

また、ＣＦＲＰ層１４のＦＷ仕様は、巻付角度（°）が、フープ巻きの場合８０．８°〜８９°、ヘリカル巻きの場合には１１．９°〜２０°に設定されており、ライナ１１の外周面を過不足ない状態で覆うようになっている。図３の表１に示すＦＷ仕様によれば、ＣＦＲＰ層１４の最外層においてＣＦＲＰ繊維束がタンク回転軸の軸線ＣＬとの間になす角度、つまり、ＣＦＲＰ層１４の２５層の巻付角度は、８９°に設定されている。

ＧＦＲＰ層１５は、図１（ｃ）に示すように、ライナ１１のＣＦＲＰ層１４の外周面を覆う層からなり、ＧＦＲＰ繊維束がライナ１１のＣＦＲＰ層１４の外周面に巻回されることにより形成されている。ＧＦＲＰ繊維束は、ＣＦＲＰ繊維束と同様、数十本のＧＦＲＰ繊維の単繊維を撚り合わせて１本の糸にした、いわゆるマルチフィラメントが、数千〜数万本程度束ねられた繊維束からなる。ＧＦＲＰ層１５の形成は、ＣＦＲＰ層１４と同様、ＦＷ法によって行われる。

ＧＦＲＰ層１５は、ＧＦＲＰ繊維束をヘリカル巻きで巻回することによって形成される。具体的には、ＧＦＲＰ層１５は、２６層目以降の複数層で形成され、図４（ａ）の表３に示すＦＷ仕様に基づいてＦＷ法により形成される。ＧＦＲＰ層１５は、ＦＷ仕様における巻付角度（°）が１２．５°に設定されている。

ＧＦＲＰ層１５のＧＦＲＰ繊維束は、ＣＦＲＰ層１４のＣＦＲＰ繊維束に比べて低張力でかつＣＦＲＰ層１４の最外層においてＣＦＲＰ繊維束がタンク回転軸の軸線ＣＬとの間になす角度よりも低角度で巻回されている。具体的には、ＧＦＲＰ層１５のＧＦＲＰ繊維束は、張力が１０Ｎに設定され、巻付角度が１２．５°に設定されている。一方、ＣＦＲＰ層１４の最外層のＣＦＲＰ繊維束は、張力が５０Ｎに設定され、巻付角度が８９°に設定されている。このように、ＧＦＲＰ層１５には、ＣＦＲＰ層１４よりも低張力で且つＣＦＲＰ層１４の最外層におけるＣＦＲＰ繊維束の巻付角度よりも低角度でＧＦＲＰ繊維束が巻き付けられている。

表層１６は、図１（ｃ）に示すように、ライナ１１のＧＦＲＰ層１５の外周面を覆う層からなり、エポキシ樹脂（ＥＰ）で形成されている。

以上のように構成された実施形態に係る高圧タンク１０の効果について説明する。

本実施形態に係る高圧タンク１０は、ＧＦＲＰ繊維束が、ＣＦＲＰ繊維束に比べて低張力（Ｎ）でかつＣＦＲＰ層の最外層においてＣＦＲＰ繊維束がタンク回転軸の軸線ＣＬとの間になす角度よりも低角度（°）で巻回されてＧＦＲＰ層１５を形成しているので、ＧＦＲＰ層１５に亀裂が入りやすくなる。高圧タンク１０の内部の水素は、ＧＦＲＰ層１５に生じた亀裂を透過して外部に抜けることができる。その結果、ＧＦＲＰ繊維束が巻回されて形成されたＧＦＲＰ層１５に、透過した水素が溜まることが防止されるという効果が得られる。

一方、ＣＦＲＰ繊維束は、ＧＦＲＰ繊維束に比べて比較的に高い張力（Ｎ）で、かつ高圧タンク回転軸の軸線ＣＬに対して比較的に高角度（°）で巻回されてＣＦＲＰ層１４を形成しているので、ＣＦＲＰ層１４により高圧タンク１０の強度、即ち、タンク耐圧性能が確保されるという効果が得られる。

本実施形態に係る高圧タンク１０は、具体的には、図５（ａ）に示すように、ＧＦＲＰ層のＧＦＲＰ繊維束を巻付角度がＣＦＲＰ層１４の最外層のＣＦＲＰ繊維束とタンク回転軸の軸線との間のなす角度より低角度、ＣＦＲＰ繊維束に比べて低張力で、ＧＦＲＰ繊維束間の隙間および交差が多くなるようにヘリカル巻きでライナ１１のＣＦＲＰ層１４の外周面に巻回されている。ヘリカル巻きでは、繊維が割れる方向は、太い矢印で示すように繊維と交差する繊維直交方向であるので、応力のかかる周方向に沿うように配置され、ＧＦＲＰ層１５に亀裂が入りやすくなる。

また、図５（ｂ）に示すように、高圧タンク１０の出荷時においては、出荷時の耐圧試験でＧＦＲＰ層１５に亀裂が入る。即ち、ＧＦＲＰ層１５のＧＦＲＰ繊維束が低張力で巻回されているので、ＧＦＲＰ層１５の剛性が低下し、出荷時の耐圧試験でＧＦＲＰ繊維束に沿って亀裂が入る。また、出荷時の耐圧試験でＧＦＲＰ繊維束間の隙間や交差点でのボイドを起点に亀裂が入る。

ＧＦＲＰ層１５に生じた亀裂は、樹脂層である表層１６に伝播し、表層１６にもＧＦＲＰ層１５と同様に亀裂が入る。その結果、図５（ｃ）の矢印で示すように、水素がＧＦＲＰ層１５および表層１６の亀裂から高圧タンク１０の外部に放出されるため、表層１６の下に水素が滞留することはなく、市場において表層１６の破裂を防止することができるという効果が得られる。

本実施形態に係る高圧タンク１０においては、高圧タンク１０の表層１６に入った亀裂を探傷試験方法で検証した。探傷試験方法では、探傷液を使用し、探傷液を高圧タンク１０の表面に塗布またはスプレーし、亀裂部を色分けすることで目視により亀裂の有無が観察される。図４（ｂ）の水準１および図６（ａ）に示すように、従来技術における高圧タンクにおいては、表層の亀裂を確認することができなかった。なお、図中のドット状の点は、繊維亀裂ではなく、探傷液の溜まりの部分である。

一方、本実施形態に係る高圧タンク１０は、ＣＦＲＰ層１４のＣＦＲＰ繊維束と比べて低張力でかつＧＦＲＰ層１５におけるＧＦＲＰ繊維束の巻付角度が１２．５°の低角度でヘリカル巻きが行われており、図４（ｂ）の水準２および図６（ｂ）に示すように、繊維に沿って表層１６まで貫通する亀裂が発生していることが確認された。

次いで、本実施形態に係る高圧タンク１０の繊維の割れやすさについて理論的な検討を行った。以下、繊維の割れやすさについて図面を参照して説明する。

図７（ａ）に示すように、高圧タンクにおいては、薄肉円筒に作用する応力の理論式によると、高圧タンクの内部圧力により軸方向および周方向に応力が作用する。軸方向に作用する応力をσとすると、周方向に作用する応力は、２σとなり、周方向には軸方向の２倍の応力がかかる。

次いで、繊維の割れやすい方向について説明する。図７（ｂ）に示すように、高圧タンクの亀裂は、樹脂破壊によるものと、炭素繊維−樹脂界面破壊、即ち、ＣＦ−樹脂界面破壊によるものとが加わって生ずる。以下、炭素繊維をＣＦという。

高圧タンクにおいて、図７（ｂ）に示す繊維方向に応力σがかかる場合、ＣＦの伸びが約２％でＣＦ破断が生ずるのに対して、樹脂の伸びが約６％以上で樹脂破断が生ずる。したがって、繊維束の伸びによる破断は、樹脂破断よりもＣＦ破断の方が先に生ずることになる。

繊維束においては、ＣＦの剛性が高いので、繊維の伸びによる破断は生じにくいとともに、繊維束が伸びると、樹脂よりも先にＣＦが破断するので、樹脂が破断するまで繊維束が伸びることはない。したがって、繊維方向に応力σがかかる場合、繊維束には亀裂が生じにくい。

高圧タンクにおいて、図７（ｃ）に示す繊維直交方向に応力σがかかる場合、樹脂の伸びが約２％で樹脂破断が生ずるのに対して、ＣＦ−樹脂界面の伸びが約０．３４％でＣＦ−樹脂界面破壊が生ずる。なお、約０．３４％でＣＦ−樹脂界面破壊が生ずることは実測による検証がなされており、約０．３４％は検証値である。

したがって、繊維直交方向に応力σがかかる場合、樹脂の伸びによる樹脂破断よりも先に、ＣＦ−樹脂界面破壊が生ずることになる。即ち、ＣＦ−樹脂界面から割れが生ずる。

次いで、高圧タンクの表面の繊維直交方向に生ずるひずみと亀裂発生の有無についての検討を行った。

図８（ａ）に示すように、高圧タンクの接線の方向をｘ、軸の方向をｙとし、高圧タンクの外径をＤｏ（ｍｍ）、内径をＤｉ（ｍｍ）とした。したがって、高圧タンクの肉厚（ｍｍ）は、Ｄｏ−Ｄｉとなる。

接線方向の応力をσｘ（ＭＰａ）とし、接線方向のヤング率（ＧＰａ）をＥｘとし、接線方向のひずみをεｘとし、高圧タンクの内圧（ＭＰａ）をＰとすると、図８（ｂ）に示すように、σｘ、Ｐ、Ｅｘおよびεｘは、式（１）で表される。

一方、軸方向の応力をσｙ（ＭＰａ）とし、軸方向のヤング率（ＧＰａ）をＥｙとし、軸方向のひずみをεｙとし、高圧タンクの内圧（ＭＰａ）をＰとすると、図８（ｂ）に示すように、σｙ、Ｐ、Ｅｙおよびεｙは、式（２）で表される。

式（１）および式（２）に、繊維束のライナへの巻回により１６層を形成した高圧タンク（従来技術）と、同様に２５層を形成した２５層仕様の高圧タンクと、２７層を形成した２７層仕様の高圧タンクについて、それぞれ下記の具体的な数値を代入して解析を行った。結果を図８（ｃ）に示す。

従来技術による高圧タンクは、Ｄｉが３１０、Ｄｏが３５１、Ｐが１０５、Ｅｘが７８．９Ｅｙが９９．１の各数値を式（１）および式（２）にそれぞれ代入すると、εｘは、約１．０８、εｙは約０．３８となった。従来技術による高圧タンクは、εｙが約０．３８以上で亀裂が発生していることが分かった。なお、前述のように接線方向（ｘ方向）には亀裂が発生せず、軸方向（ｙ方向）に亀裂が発生する。

本実施形態による２５層仕様の高圧タンクは、Ｄｉが２６０、Ｄｏが３００、Ｐが１０５、Ｅｘが７８．９Ｅｙが９９．１の各数値を式（１）および式（２）にそれぞれ代入すると、εｘは、約０．９４、εｙは約０．３２となった。本実施形態による２５層仕様の高圧タンクは、εｙが約０．３２で亀裂が発生していないことが分かった。

本実施形態による２７層仕様の高圧タンクは、Ｄｉが２６０、Ｄｏが３００、Ｐが１０５、Ｅｘが７８．９Ｅｙが１０５．３の各数値を式（１）および式（２）にそれぞれ代入すると、εｘは、約０．９４、εｙは約０．３２となった。本実施形態による２７層仕様の高圧タンクは、εｙが約０．３２で亀裂が発生していないことが分かった。

次いで、巻付角度と繊維直交方向に生ずるひずみとの関係について検討を行った。

図９（ａ）に示すように、高圧タンクの巻付角度（°）は、高圧タンク回転軸の軸線ＣＬと繊維束の巻付方向との間のなす角（°）であり、ひずみεは、繊維束の巻付方向に直交する方向、即ち繊維直交方向に生ずるひずみである。

ひずみεは、具体的には、図８（ａ）に示す接線方向（ｘ方向）のひずみεｘと、軸方向（ｙ方向）のひずみεｙと、巻付角度θとにより、図９（ｂ）に示す式（３）により求めることができる。

前述の高圧タンク１０の繊維の割れやすさについての理論的な検討および高圧タンクの表面の繊維直交方向に生ずるひずみと亀裂発生の有無についての検討の結果より、表層１６に亀裂を生じさせるには、ＣＦ−繊維直交方向に、ひずみεが０．３８となるように、耐圧試験において、高圧タンクの内圧Ｐ（ＭＰａ）を加える必要がある。

具体的には、図９（ｂ）のグラフに示すように、巻付角度θ（°）が７０°以下で、εが０．３８になるので、ＧＦＲＰ層１５のヘリカル巻きの巻付角度θを７０°以下にすれば、表層１６に亀裂が生ずることが分かる。本実施形態の高圧タンク１０においては、巻付角度θを１２．５°で実施しており、図６（ｂ）に示すように、表層１６に亀裂が発生していることが確認されている。

したがって、本実施形態にかかる高圧タンク１０においては、強度、即ちタンク耐圧性能が確保されるとともに、ＧＦＲＰ繊維束が巻回されて形成されたＧＦＲＰ層１５に亀裂が入りやすく、透過水素が溜まることを防止することができるという効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・高圧タンク、１１・・・ライナ、１２，１３・・・口金、１２ａ，１３ａ・・・フランジ、１２ｂ，１３ｂ・・・口金本体、１２ｃ，１３ｃ・・・突出部、１２ｄ・・・バルブ接続孔、１４・・・ＣＦＲＰ層、１５・・・ＧＦＲＰ層、１６・・・表層、２１・・・シリンダ部、２２・・・ドーム部、２３・・・口金装着部、２３ａ・・・凹凸部、ＣＬ・・・タンク回転軸の軸線

Claims (1)

1. ライナの外側にＣＦＲＰ繊維束が巻回されて形成されたＣＦＲＰ層と、該ＣＦＲＰ層の外側にＧＦＲＰ繊維束が巻回されて形成されたＧＦＲＰ層とを有する高圧タンクであって、
   前記ＧＦＲＰ繊維束は、前記ＣＦＲＰ繊維束に比べて低張力でかつ前記ＣＦＲＰ層の最外層において前記ＣＦＲＰ繊維束がタンク回転軸の軸線との間のなす角度よりも低角度で巻回されていることを特徴とする高圧タンク。

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