JP2021110367A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】繊維シートの巻終りの端部が剥がれるのを抑制することが可能な高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】高圧タンク１０の製造方法は、ライナー１１と、ライナー１１の外面を覆う補強層と、を備える高圧タンク１０の製造方法であって、繊維強化樹脂からなる筒部材２１を形成する工程と、繊維強化樹脂からなる一対のドーム部材２２および２３を形成する工程と、筒部材２１とドーム部材２２および２３とを接合して、補強層としての補強体２０を形成する工程と、を備え、筒部材２１を形成する工程において、マンドレル２００の外周面に、樹脂が含浸された繊維シートＦ２を巻回して筒体２１ａを形成した後、樹脂が含浸された繊維束Ｆ３を筒体２１ａにオーバーラップするように巻回する。【選択図】図３

Description

本発明は、ガスを収容するライナーと、ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂からなる補強層とを備える高圧タンクの製造方法に関する。
従来、水素等の貯蔵・供給に用いられる高圧タンクとして、タンク本体と、そのタンク本体の長手方向の開口端部に取り付けられた口金とを備えているタンクが知られている。タンク本体は、例えば、水素ガスを気密保持するためのライナーと、その外面を繊維強化樹脂からなる繊維束で巻き付けて補強した繊維強化樹脂層と、を含んでいる。
高圧タンクの製造方法としては、例えばフィラメントワインディング法（以下、単に「ＦＷ法」ともいう）によりライナーの外面に繊維束を巻き付けて硬化し、繊維強化樹脂層を形成する方法が知られている。
また、繊維強化樹脂層の形成時間を短縮するために、ライナーの外面に、樹脂が含浸された繊維シートを巻回する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載のタンクの製造方法では、ライナーのうち繊維シートが巻回される領域の直径を他の部分の直径よりも小さくしている。これにより、ライナーに繊維シートを巻回して筒状部を形成した際に、筒状部の厚みに起因して筒状部の両端に段差が形成されることを抑制している。
特開２０１７−１４１９４７号公報
しかしながら、上記特許文献１のように繊維シートを巻回することにより筒状部を形成する場合、繊維シートを巻回した後、繊維シートの巻終りの端部が剥がれて（めくれて）しまう場合がある。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、繊維シートの巻終りの端部が剥がれるのを抑制することが可能な高圧タンクの製造方法を提供することを課題とする。
本発明に係る高圧タンクの製造方法は、ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂からなる補強層と、を備える高圧タンクの製造方法であって、前記繊維強化樹脂からなる筒部材を形成する工程と、前記繊維強化樹脂からなる一対のドーム部材を形成する工程と、前記筒部材の周縁部と前記ドーム部材の周縁部とを接合して、前記補強層としての補強体を形成する工程と、を備え、前記筒部材を形成する工程において、マンドレルの外周面に、樹脂が含浸された繊維シートを巻回して筒体を形成した後、樹脂が含浸された繊維束を前記筒体にオーバーラップするように巻回する。
本発明の高圧タンクの製造方法によれば、前記筒部材を形成する工程において、前記マンドレルの外周面に、樹脂が含浸された繊維シートを巻回した後、樹脂が含浸された繊維束を前記筒体にオーバーラップするように巻回する。これにより、繊維束によって筒体（繊維シート）の外周面が押えられるので、繊維シートの巻終りの端部が剥がれる（めくれる）のを抑制することができる。
上記高圧タンクの製造方法において、好ましくは、前記筒部材を形成する工程において、前記筒体を形成した後、前記マンドレルの外周面に、前記筒体の軸方向の両端部に隣接するように前記繊維束を巻回して、前記筒体の端部にオーバーラップする前記周縁部を形成する。繊維シートの巻終りの端部が剥がれる場合、繊維シートの端縁（筒体の軸方向の端部）から剥がれやすいので、繊維束を繊維シートの端縁にオーバーラップさせることによって、繊維シートの巻終りの端部が剥がれるのを効果的に抑制することができる。また、上記のように、筒体を形成した後、筒体の軸方向の両端部に隣接するように繊維束を巻回する場合であっても、繊維束を筒体の端部にオーバーラップするように巻回するため、繊維束を筒体に密着した状態で巻回することができ、前記周縁部（繊維束）と筒体との間に隙間が形成されるのを抑制することができる。また、筒部材の周縁部を繊維束によって形成するので、筒部材の周縁部をドーム部材の周縁部の形状に合わせて形成することも可能である。
この場合、好ましくは、前記筒体の軸方向の両端部に隣接するように前記繊維束を巻回する際に、前記筒体の端部から遠ざかるにしたがって前記筒部材の厚みが薄くなるように前記繊維束を巻回し、前記筒部材と前記ドーム部材とを接合する際に、前記筒部材および前記ドーム部材の一方を内側にし、他方を外側にして嵌め合せる。このように、筒体の端部から遠ざかるにしたがって筒部材の厚みが薄くなるように繊維束を巻回することによって、筒部材とドーム部材とを接合した際に筒部材の外面とドーム部材の外面との接続部分に段差が形成されることが抑制される。このため、筒部材とドーム部材とを覆うようにヘリカル層などの外側補強層を形成した場合に筒部材とドーム部材との接続部分の段差に起因して、外側補強層と補強体（筒部材およびドーム部材）との間に空洞が形成されるのを抑制することができる。これにより、空洞に起因して高圧タンクの強度が低下するのを抑制することができる。
上記高圧タンクの製造方法において、好ましくは、前記筒部材を形成する工程において、前記筒体を形成した後、前記繊維束を前記筒体の一方端部から他方端部までオーバーラップするように巻回する。このように構成すれば、繊維束によって筒体（繊維シート）の外周面が軸方向の全域に亘って押えられるので、繊維シートの巻終りの端部が剥がれる（めくれる）のを確実に抑制することができる。
上記高圧タンクの製造方法において、好ましくは、前記筒部材を形成する工程において、前記筒体を形成した後、前記繊維束を、前記筒体の一方端部に隣接するように、前記マンドレルの外周面に巻回して一方側の前記周縁部を形成し、前記筒体の一方端部から他方端部までオーバーラップするように巻回し、前記筒体の他方端部に隣接するように、前記マンドレルの外周面に巻回して他方側の前記周縁部を形成する。このように構成すれば、繊維束によって筒体（繊維シート）の外周面が軸方向の両端部に亘って押えられるので、繊維シートの巻終りの端部が剥がれる（めくれる）のを確実に抑制することができる。また、繊維束を、筒体に対して一方側の領域から他方側の領域まで連続して巻回することができるので、筒体に対して一方側の領域と他方側の領域とを別々の繊維束で巻回する場合に比べて、繊維束を供給する巻出ローラーの数を低減することができる。
本発明によれば、繊維シートの巻終りの端部が剥がれるのを抑制することが可能な高圧タンクの製造方法を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る製造方法により作製される高圧タンクの構造を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る製造方法により作製される高圧タンクの構造を示す部分断面図である。 本発明の第１実施形態に係る高圧タンクの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る高圧タンクの製造方法の筒部材形成工程を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る高圧タンクの製造方法の筒部材形成工程を説明するための図である。 筒部材の周縁部の構造を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る高圧タンクの製造方法の接合工程を説明するための斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る高圧タンクの製造方法のライナー形成工程を説明するための断面図である。 本発明の変形例に係る製造方法により作製される高圧タンクの構造を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る高圧タンクの製造方法の筒部材形成工程を説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る高圧タンクの製造方法の筒部材形成工程を説明するための図である。
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法について説明するが、その前に高圧タンク１０の構成について簡単に説明する。以下では、高圧タンク１０を、燃料電池車両に搭載される高圧の水素ガスが充填されるタンクとして説明するが、その他の用途についても適用することができる。また、高圧タンク１０に充填可能なガスとしては、高圧の水素ガスに限定されない。
図１および図２に示すように、高圧タンク１０は、両端がドーム状に丸みを帯びた略円筒形状の高圧ガス貯蔵容器である。高圧タンク１０は、ガスバリア性を有するライナー１１と、ライナー１１の外面を覆う繊維強化樹脂からなる繊維強化樹脂層１２と、を備える。繊維強化樹脂層１２は、ライナー１１の外面を覆う補強層としての補強体２０と、補強体２０の外面を覆う外側補強層１３と、を有する。高圧タンク１０の一方端には、開口部が形成されており、開口部周辺には口金１４が取り付けられている。なお、高圧タンク１０の他方端には、開口部が形成されておらず、口金も設けられていない。
ライナー１１は、補強体２０の内面に沿って形成されている。ライナー１１は、高圧の水素ガスが充填される収容空間１７を形成する樹脂製部材である。ライナー１１を構成する樹脂は、充填されるガス（ここでは水素ガス）を収容空間１７内に保持する性能、即ち、ガスバリア性が良好な樹脂であることが好ましい。このような樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリエチレン、及びエチレン−ビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）、ポリエステル等の熱可塑性樹脂や、エポキシ等の熱硬化性樹脂が挙げられる。ライナー１１には、燃料ガスとして水素ガスの他に、例えば、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス、その他のガスが充填されてもよい。
口金１４は、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属材料を所定形状に加工したものである。口金１４には、収容空間１７に対して水素ガスを充填および排出するためのバルブ１５が取り付けられている。バルブ１５には、後述するドーム部材２２の突出部２２ａにおいてライナー１１の内面に接して高圧タンク１０の収容空間１７を封止するシール部材１５ａが設けられている。
補強体２０は、ライナー１１の外面を覆っているとともに、ライナー１１を補強して高圧タンク１０の剛性や耐圧性等の機械的強度を向上させる機能を有する。補強体２０は、後述するように、円筒状の筒部材２１と、筒部材２１の両端に接続された一対のドーム部材２２および２３とを有するとともに、これらが一体化したものである。本実施形態では、筒部材２１は、円筒状の筒体２１ａと、筒体２１ａの両端に接触するように形成された周縁部２１ｂとによって構成されている。
補強体２０は、樹脂及び繊維（連続繊維）によって構成されている。筒部材２１では、繊維は、補強体２０の軸方向Ｘに対して略直交する角度で周状に形成されている。言い換えると、筒部材２１では、繊維は、筒部材２１の周方向に配向されている。また、繊維は、ライナー１１の外面に少なくとも一周以上巻回されている。一方、ドーム部材２２および２３では、繊維は筒部材２１の周方向に配向されておらず、周方向と交差する様々な方向に向かって延びる繊維同士が重なるように配置されている。
外側補強層１３は、補強体２０の外面を覆うように形成されている。外側補強層１３は、樹脂及び繊維（連続繊維）から構成されている。外側補強層１３では、繊維は、筒部材２１の軸方向Ｘに対して平行または４５度以下傾斜するように配向されているとともに、筒部材２１を介して一対のドーム部材２２および２３に亘って配向されている。この繊維は、ドーム部材２２および２３の軸方向外側への移動を防止し、ガス圧によってドーム部材２２および２３が筒部材２１から軸方向外側に外れるのを防止する。
次に、本発明の第１実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法について説明する。図３は、高圧タンク１０の製造方法を示すフローチャートである。高圧タンク１０の製造方法は、図３に示すように、ドーム部材形成工程Ｓ１と、筒部材形成工程Ｓ２と、接合工程Ｓ３と、外側補強層形成工程Ｓ４と、ライナー形成工程Ｓ５と、を含んで構成されている。なお、ドーム部材形成工程Ｓ１と筒部材形成工程Ｓ２とは、互いに独立した工程であるため、並行して行ってもよいし、いずれの工程を先に行ってもよい。
ドーム部材形成工程Ｓ１において、繊維強化樹脂からなる一対のドーム部材２２および２３を形成する。例えば、樹脂が含浸された繊維束をドーム状の表面を有する型に貼り付けて（又は巻回して）硬化させたり、射出成形したりすることによって、ドーム部材２２および２３を形成することができる。このとき、ドーム部材２２には、貫通穴２２ｂを有する円筒状の突出部２２ａが形成される。そして、ドーム部材２２の突出部２２ａの外面に口金１４を取り付ける。
繊維束に含浸される樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば熱硬化性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、及びエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが好ましく、特に、機械的強度等の観点からエポキシ樹脂を用いることが好ましい。一般的に、エポキシ樹脂とは、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンの共重合体等であるプレポリマーと、ポリアミン等である硬化剤と、を混合して熱硬化することで得られる樹脂である。エポキシ樹脂は、未硬化状態では流動性があり、熱硬化後は強靭な架橋構造を形成する。なお、繊維束に含浸される樹脂として、熱可塑性樹脂を用いてもよい。熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルファイド、ポリアクリル酸エステル、ポリイミド、ポリアミド等を用いることができる。
繊維束を構成する繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、及び炭素繊維等を用いることができ、特に、軽量性や機械的強度等の観点から炭素繊維を用いることが好ましい。
筒部材形成工程Ｓ２においては、図４および図５に示すように、回転する円柱状または円筒状のマンドレル２００の外周面に繊維シートＦ２を巻回する所謂シートワインディング法と繊維束Ｆ３を巻回するフィラメントワインディング法とを併用して筒部材２１を形成する。
具体的には、マンドレル２００はシャフト２０１を有しており、シャフト２０１はシャフト駆動機構（図示せず）によって所定の回転速度で回転される。マンドレル２００の材質は、特に限定されるものではないが、繊維シートＦ２を貼り付ける際に変形しない強度を確保するためには、金属であることが好ましい。
マンドレル２００の外周面に対向する位置には、マンドレル２００に繊維シートＦ２を供給する巻出ローラー２１０（図４参照）を備えたシート巻出装置と、マンドレル２００に繊維束Ｆ３を供給する巻出ローラー２２０（図５参照）を備えた繊維束巻出装置とが設けられている。巻出ローラー２１０は、所定の回転速度で回転可能である。巻出ローラー２２０は、所定の回転速度で回転可能であるとともに、シャフト２０１の軸方向に沿って移動可能となっている。なお、本実施形態では、巻出ローラー２２０は、マンドレル２００の両端部に対向するように２つ設けられている。また、本実施形態では、後述するように、巻出ローラー２１０を用いて繊維シートＦ２を巻回した後、巻出ローラー２２０を用いて繊維束Ｆ３を巻回する。
繊維シートＦ２は、巻出ローラー２１０の周方向に配向された繊維を少なくとも有しており、繊維束Ｆ３は、巻出ローラー２２０の周方向に配向された繊維束によって形成されている。これにより、周方向に繊維が配向された筒部材２１を得ることができる。
繊維シートＦ２としては、例えば、単一方向に揃えられた複数の繊維束が拘束糸で編み込まれた所謂ＵＤ（Ｕｎｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）シートや、単一方向に揃えられた複数の繊維束とこの複数の繊維束に交差する、例えば直交する複数の繊維束とが編み込まれた繊維シートなどに、予め樹脂が含浸されたものを用いることができる。繊維束Ｆ３にも、予め樹脂が含浸されている。
繊維シートＦ２および繊維束Ｆ３に含浸される樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば熱硬化性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、ドーム部材２２および２３を形成する繊維束と同様、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、及びエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが好ましく、特に、機械的強度等の観点からエポキシ樹脂を用いることが好ましい。
繊維シートＦ２および繊維束Ｆ３を構成する繊維としては、ドーム部材２２および２３を形成する繊維束と同様、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、及び炭素繊維等を用いることができ、特に、軽量性や機械的強度等の観点から炭素繊維を用いることが好ましい。
図４に示すように、マンドレル２００を回転させながら巻出ローラー２１０から繊維シートＦ２を巻き出すことによって、繊維シートＦ２がマンドレル２００の所定領域に巻回される。繊維シートＦ２は所定量巻回されると所定位置で切断され、繊維シートＦ２からなる筒体２１ａが形成される。
次に、図５に示すように、マンドレル２００を回転させながら２つの巻出ローラー２２０から繊維束Ｆ３を巻き出すことによって、繊維束Ｆ３がマンドレル２００の外周面のうち筒体２１ａの一方端部に隣接する領域と他方端部に隣接する領域とに巻回される。このとき、巻出ローラー２２０が軸方向に移動されることによって、繊維束Ｆ３は筒体２１ａに対して一方側の領域および他方側の領域において所定形状に巻回され、周縁部２１ｂが形成される。具体的には、繊維束Ｆ３は、筒体２１ａの端部から遠ざかるにしたがって筒部材２１の厚みが徐々に薄くなるように巻回される。このため、筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の外周面とマンドレル２００の外周面とが繊維束Ｆ３による傾斜面を介して接続される。また、このとき、筒部材２１の周縁部２１ｂの外周面は、ドーム部材２２の周縁部２２ｃの内面およびドーム部材２３の周縁部２３ａの内面に対応する形状に形成される。このため、筒部材２１とドーム部材２２および２３との接続部分が外れにくくなっている。
また、周縁部２１ｂを形成する際、繊維束Ｆ３は、筒体２１ａ（繊維シートＦ２）に密着するように巻回されるとともに、筒体２１ａの一方側の端縁および他方側の端縁にオーバーラップするように一周以上巻回される（図６参照）。これにより、筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の一方側の端縁および他方側の端縁が繊維束Ｆ３によって押えられ、繊維シートＦ２が剥がれる（めくれる）ことが抑制される。
筒体２１ａの軸方向の両側に周縁部２１ｂが形成されると、繊維束Ｆ３は所定位置で切断され、繊維束Ｆ３のマンドレル２００への巻回が終了する。その後、筒部材２１（筒体２１ａ、周縁部２１ｂ）を硬化してマンドレル２００から取り出すことによって、筒部材形成工程Ｓ２が終了する。
この筒部材形成工程Ｓ２では、上述したように、マンドレル２００の外周面に、樹脂が含浸された繊維シートＦ２を巻回した後、樹脂が含浸された繊維束Ｆ３を筒体２１ａにオーバーラップするように巻回する。これにより、繊維束Ｆ３によって筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の外周面が押えられるので、繊維シートＦ２の巻終りの端部Ｆａが剥がれる（めくれる）のを抑制することができる。また、繊維シートＦ２の巻終りの端部Ｆａが剥がれる場合、繊維シートＦ２の端縁（筒体２１ａの軸方向Ｘの端部）から剥がれやすいので、繊維束Ｆ３を繊維シートＦ２の端縁にオーバーラップさせることによって、繊維シートＦ２の巻終りの端部Ｆａが剥がれるのを効果的に抑制することができる。
また、上述したように、筒部材２１は、軸方向の両端の厚みが徐々に薄くなるように形成されている。これにより、図１に示すように、後述するように、筒部材２１を内側にし、ドーム部材２２および２３を外側にして、筒部材２１とドーム部材２２および２３とを嵌め合せた際に筒部材２１の外面（筒体２１ａの外周面）と一対のドーム部材２２および２３の外面との接続部分に段差が形成されることが抑制される。このため、後述するように、筒部材２１とドーム部材２２および２３とを覆うようにヘリカル層などの外側補強層１３を形成した場合に、筒部材２１とドーム部材２２および２３との接続部分の段差に起因して、外側補強層１３と補強体２０（筒部材２１およびドーム部材２２、２３）との間に空洞が形成されるのを抑制することができる。これにより、空洞に起因して高圧タンク１０の強度が低下するのを抑制することができる。
また、上述したように、マンドレル２００を用いて筒部材２１を形成するため、ライナー１１に繊維束等を直接巻回することなく筒部材２１が形成される。これにより、ライナー１１にシート巻きによる巻き締り力が作用しないので、巻き締り力に起因してライナー１１が変形しないように、ライナー１１の強度を高くしなくてよい。このため、ライナー１１の厚み（肉厚）を薄くすることが可能であるので、ライナー１１の容積を増加させることができるとともに、ライナー１１を軽量化することができる。
なお、ここでは、２つの巻出ローラー２２０によって繊維束Ｆ３を同時に巻回する例について説明したが、例えば、巻出ローラー２２０を１つだけ設け、１つの巻出ローラー２２０によって筒体２１ａの軸方向両側に別々に周縁部２１ｂを形成してもよい。また、ここでは、周縁部２１ｂの外面を傾斜面に形成する例について示したが、周縁部２１ｂの外面を、筒体２１ａの端部から遠ざかるにしたがって筒部材２１の厚みが徐々に薄くなる階段状に形成してもよい。
接合工程Ｓ３においては、図７に示すように、筒部材２１の両端の周縁部２１ｂと一対のドーム部材２２および２３の周縁部２２ｃおよび２３ａ（図１参照）とを接合して、補強層としての補強体２０を形成する。
具体的には、筒部材２１の周縁部２１ｂとドーム部材２２および２３の周縁部２２ｃおよび２３ａとの一方（ここでは周縁部２１ｂ）を内側にし、他方（ここでは周縁部２２ｃおよび２３ａ）を外側にして嵌め合せる。このとき、筒部材２１とドーム部材２２および２３との間に接着剤（図示せず）を配置してもよい。このように構成すれば、後の工程において筒部材２１とドーム部材２２および２３とが外れるのをより抑制することができる。また、筒部材２１とドーム部材２２および２３との隙間が埋まるため、ライナー形成工程Ｓ５において、ライナー１１となる樹脂材料が筒部材２１とドーム部材２２および２３との隙間に流れ込むのを防止することができる。接着剤３００の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。
外側補強層形成工程Ｓ４においては、補強体２０の外面を覆うように、繊維強化樹脂により一対のドーム部材２２および２３に亘って繊維が配置された外側補強層１３を形成する。これにより、補強体２０および外側補強層１３を有する繊維強化樹脂層１２が形成される。例えば、樹脂が含浸された複数の繊維束を補強体２０の外面にヘリカル巻きすることによって、外側補強層１３を形成してもよい。また、樹脂が含浸された複数の繊維束を補強体２０の軸方向Ｘに延在させた状態で補強体２０の外面に貼り付けることによって外側補強層１３を形成してもよいし、樹脂が含浸された繊維シートを補強体２０の外面に巻回する、所謂シートワインディング法を用いて外側補強層１３を形成してもよい。
この繊維束に含浸される樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば熱硬化性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、ドーム部材２２および２３を形成する繊維束と同様、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、及びエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが好ましく、特に、機械的強度等の観点からエポキシ樹脂を用いることが好ましい。
また、繊維束を構成する繊維としては、ドーム部材２２および２３を形成する繊維束と同様、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、及び炭素繊維等を用いることができ、特に、軽量性や機械的強度等の観点から炭素繊維を用いることが好ましい。
上述したように、一対のドーム部材２２および２３に亘って繊維が配置された外側補強層１３を形成することによって、ドーム部材２２および２３が筒部材２１から離間することが外側補強層１３の繊維によって防止されるので、ドーム部材２２および２３がガス圧により筒部材２１の両端から外れるのを抑制することができる。
ライナー形成工程Ｓ５においては、図８に示すように、補強体２０の突出部２２ａに形成された貫通穴２２ｂを介して樹脂材料Ｍを挿入する。そして、繊維強化樹脂層１２を回転させながら、樹脂材料Ｍを固化することによって、ライナー１１を形成する。
具体的には、貫通穴２２ｂは、繊維強化樹脂層１２の内部空間と外部空間とを連通している。樹脂材料Ｍを吐出するノズル５００を貫通穴２２ｂに挿入し、繊維強化樹脂層１２の内部空間に樹脂材料Ｍを挿入する。そして、ノズル５００を貫通穴２２ｂから引き出す。
樹脂材料Ｍは、上述したように、ガスバリア性が良好な樹脂であることが好ましい。このような樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリエチレン、及びエチレン−ビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）、ポリエステル等の熱可塑性樹脂や、エポキシ等の熱硬化性樹脂が挙げられるが、ポリアミドであることが好ましい。
その後、繊維強化樹脂層１２の内部空間を必要に応じて所定温度以上に加熱して、樹脂材料Ｍが低粘度で流動性を有した状態で、繊維強化樹脂層１２を水平方向に沿った軸を中心として周方向に回転させるとともに繊維強化樹脂層１２の両端を交互に上下させる（図８参照）。これにより、樹脂材料Ｍは流動性を有した状態で繊維強化樹脂層１２の回転により持ち上げられるとともに、樹脂材料Ｍの一部が自重により繊維強化樹脂層１２の内面を流れ落ちることによって、樹脂材料Ｍは補強体２０の内面全面を覆った状態になる。樹脂材料Ｍが熱硬化性樹脂である場合は内部空間を加熱して樹脂材料Ｍを硬化させ、ライナー１１を形成する。樹脂材料Ｍが熱可塑性樹脂である場合は内部空間の温度を下げることによって、樹脂材料Ｍを繊維強化樹脂層１２の内面を覆うように接触させた状態で固化させ、ライナー１１を形成する。ここでは、樹脂材料Ｍとして常温で流動性がある２種類以上の低分子量・低粘度の液体材料を用いて、反応射出成形（Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法によってライナー１１を形成する。この場合、内部空間を加熱することによりモノマーからポリマーを生成し、その後、内部空間を冷却することによりポリマーを固化させてライナー１１を形成する。
このライナー形成工程Ｓ５によれば、繊維強化樹脂層１２を形成した後であっても、繊維強化樹脂層１２の内側にライナー１１を容易に形成することができる。また、樹脂を用いた射出成形によりライナーを形成する場合と異なり、ライナー成形用の金型が不要である。
そして、口金１４にバルブ１５を取り付けることによって、高圧タンク１０が完成する。
本実施形態では、上記のように、筒部材形成工程Ｓ２において、マンドレル２００の外周面に、樹脂が含浸された繊維シートＦ２を巻回した後、樹脂が含浸された繊維束Ｆ３を筒体２１ａにオーバーラップするように巻回する。これにより、繊維束Ｆ３によって筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の外周面が押えられるので、繊維シートＦ２の巻終りの端部Ｆａが剥がれる（めくれる）のを抑制することができる。また、繊維シートＦ２の巻終りの端部Ｆａが剥がれる場合、繊維シートＦ２の端縁（筒体２１ａの軸方向Ｘの端部）から剥がれやすいので、繊維束Ｆ３を繊維シートＦ２の端縁にオーバーラップさせることによって、繊維シートＦ２の巻終りの端部Ｆａが剥がれるのを効果的に抑制することができる。
なお、本実施形態では、筒部材２１を内側にし、ドーム部材２２および２３を外側にして、筒部材２１とドーム部材２２および２３とを嵌め合せる例について示したが、例えば図９に示した変形例のように、筒部材２１を外側にし、ドーム部材２２および２３を内側にして、筒部材２１の周縁部２１ｂとドーム部材２２および２３の周縁部２２ｃおよび２３ａとを嵌め合せてもよい。この場合にも、筒部材２１の外面（筒体２１ａの外面）とドーム部材２２および２３の外面との接続部分に段差が形成されることが抑制される。このため、筒部材２１とドーム部材２２および２３とを覆うように外側補強層１３を形成した場合に、筒部材２１とドーム部材２２および２３との接続部分の段差に起因して、外側補強層１３と補強体２０との間に空洞が形成されるのを抑制することができる。これにより、空洞に起因して高圧タンク１０の強度が低下するのを抑制することができる。
（第２実施形態）
この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、筒部材形成工程Ｓ２において、繊維束Ｆ３を筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の外周面に巻回する例について説明する。なお、本実施形態では、筒部材２１は円筒状の筒体２１ａによって構成され、筒体２１ａの軸方向の両端部が筒部材２１の周縁部となる。
第２実施形態では、図１０に示すように、巻出ローラー２２０は、マンドレル２００の外周面に対向するように１つ設けられている。
筒部材形成工程Ｓ２において、上記第１実施形態と同様にして、繊維シートＦ２がマンドレル２００の所定領域に巻回され、繊維シートＦ２からなる筒体２１ａが形成される。
次に、図１０に示すように、マンドレル２００を回転させながら巻出ローラー２２０から繊維束Ｆ３を巻き出すことによって、繊維束Ｆ３を筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の外周面に巻回する。このとき、巻出ローラー２２０は繊維束Ｆ３を巻き出しながら、シャフト２０１の軸方向に沿って移動され、繊維束Ｆ３は筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の一方端部から他方端部まで巻回される。このとき、繊維束Ｆ３は、軸方向に所定の間隔を隔てた状態（繊維シートＦ２が露出する状態）で巻回される。
繊維束Ｆ３が筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の一方端部から他方端部まで巻回されると、繊維束Ｆ３は所定位置で切断され、繊維束Ｆ３の巻回が終了する。その後、筒部材２１（筒体２１ａ、周縁部２１ｂ）を硬化してマンドレル２００から取り出すことによって、筒部材形成工程Ｓ２が終了する。
本実施形態の高圧タンク１０のその他の構造およびその他の製造方法は、上記第１実施形態と同様である。
本実施形態では、上記のように、繊維束Ｆ３が筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の一方端部から他方端部までオーバーラップするように巻回される。これにより、繊維束Ｆ３によって筒体２１ａの外周面が軸方向Ｘの全域に亘って押えられるので、繊維シートＦ２の巻終りの端部Ｆａが剥がれる（めくれる）のを確実に抑制することができる。
本実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第３実施形態）
この第３実施形態では、上記第１実施形態および第２実施形態と異なり、筒部材形成工程Ｓ２において、繊維束Ｆ３を、マンドレル２００の外周面のうち筒体２１ａの一方端部に隣接する領域と、他方端部に隣接する領域と、筒体２１ａの外周面と、に巻回する例について説明する。
第３実施形態では、図１１に示すように、巻出ローラー２２０は、マンドレル２００の外周面に対向するように１つ設けられている。
筒部材形成工程Ｓ２において、上記第１実施形態と同様にして、繊維シートＦ２がマンドレル２００の所定領域に巻回され、繊維シートＦ２からなる筒体２１ａが形成される。
次に、図１１に示すように、マンドレル２００を回転させながら巻出ローラー２２０から繊維束Ｆ３を巻き出すことによって、繊維束Ｆ３がマンドレル２００の外周面のうち筒体２１ａの一方端部に隣接する領域に巻回され、一方側の周縁部２１ｂが形成される。このとき、巻出ローラー２２０が軸方向に移動されることによって、繊維束Ｆ３は、上記第１実施形態と同様、筒体２１ａの端部から遠ざかるにしたがって筒部材２１の厚みが徐々に薄くなるように巻回される。
筒体２１ａに対して一方側の領域への繊維束Ｆ３の巻回が終了すると、続いて、巻出ローラー２２０は繊維束Ｆ３を巻き出しながら、シャフト２０１の軸方向に沿って他方側に移動し、繊維束Ｆ３を筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の外周面に巻回する。このとき、図１１に示すように、繊維束Ｆ３は、軸方向に所定の間隔を隔てた状態（繊維シートＦ２が露出する状態）で巻回される。
巻出ローラー２２０が軸方向に沿って他方側にさらに移動し、繊維束Ｆ３がマンドレル２００の外周面のうち筒体２１ａの他方端部に隣接する領域に巻回され、他方側の周縁部２１ｂが形成される。このとき、巻出ローラー２２０が軸方向に移動されることによって、繊維束Ｆ３は、上記第１実施形態と同様、筒体２１ａの端部から遠ざかるにしたがって筒部材２１の厚みが徐々に薄くなるように巻回される。
筒体２１ａに対して他方側に周縁部２１ｂが形成されると、繊維束Ｆ３は所定位置で切断され、繊維束Ｆ３のマンドレル２００への巻回が終了する。その後、筒部材２１（筒体２１ａ、周縁部２１ｂ）を硬化してマンドレル２００から取り出すことによって、筒部材形成工程Ｓ２が終了する。
本実施形態の高圧タンク１０のその他の構造およびその他の製造方法は、上記第１実施形態と同様である。なお、周縁部２１ｂを形成する際に、上記第１実施形態と同様、繊維束Ｆ３を筒体２１ａの端縁にオーバーラップするように一周以上巻回してもよいし、周縁部２１ｂを筒体２１ａの端縁にオーバーラップさせなくてもよい。
本実施形態では、上記のように、繊維束Ｆ３は、筒体２１ａに対して一方側の領域から他方側の領域に移動する際に、筒体２１ａ（繊維シートＦ２）の外周面に巻回されながら移動するので、繊維束Ｆ３によって筒体２１ａの外周面が軸方向Ｘの全域に亘って押えられるので、繊維シートＦ２の巻終りの端部Ｆａが剥がれる（めくれる）のを確実に抑制することができる。また、繊維束Ｆ３を、筒体２１ａに対して一方側の領域から他方側の領域まで連続して巻回することができるので、筒体２１ａに対して一方側の領域と他方側の領域とを別々の繊維束Ｆ３で巻回する場合に比べて、繊維束Ｆ３を供給する巻出ローラー２２０の数を低減することができる。
なお、本実施形態では、筒体２１ａに対して一方側の領域、筒体２１ａの外周面、及び筒体２１ａに対して他方側の領域に連続して繊維束Ｆ３を巻回する例について示したが、各領域への巻回が終了する度に繊維束Ｆ３を切断し、各領域への巻回を別々に行ってもよい。また、巻出ローラー２２０を複数用いて各領域への巻回を同時に行ってもよい。
本実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、上記実施形態では、補強体および外側補強層を形成した後にライナーを形成する例について示したが、本発明はこれに限らない。例えば、接合工程において筒部材の両端の周縁部とドーム部材の周縁部とを組み合わせる際に、予め形成した樹脂製のライナー（図示せず）に覆い被せてもよい。この場合、ライナー形成工程は実施されない。なお、ライナーは、従来知られた製造方法によって形成することが可能であるが、ライナーの外面にＦＷ法を用いて繊維束を巻回しないため、ライナーの強度を高くしなくてよい。このため、ライナーの厚みを従来のライナーに比べて薄くすることができる。また、ライナーを樹脂材料に替えてアルミニウム合金等の金属材料によって形成してもよい。
また、上記実施形態では、３つの部材（筒部材、一対のドーム部材）によって補強体を形成する例について示したが、本発明はこれに限らない。例えば、４つ以上の部材（２つ以上の筒部材、一対のドーム部材）によって補強体を形成してもよい。この場合、２つ以上の筒部材を互いに接合した後に、その両端にドーム部材を接合してもよい。また、ドーム部材に筒部材を１つずつ接合した後に、それらを接合してもよい。
また、上記実施形態では、補強体の外面に外側補強層を形成した後、ライナーを形成する例について示したが、本発明はこれに限らず、補強体の内側にライナーを形成した後に、補強体の外面に外側補強層を形成してもよい。この場合、外側補強層の硬化時にライナーが軟化しないように、ライナーをエポキシなどの熱硬化性樹脂を用いて形成することが好ましい。
また、上記実施形態では、周縁部の外面を傾斜面（又は階段状）に形成する例について示したが、言うまでもなく、周縁部の外面を傾斜面（又は階段状）以外の形状に形成してもよい。
１０：高圧タンク、１１：ライナー、２０：補強体（補強層）、２１：筒部材、２１ａ：筒体、２１ｂ：周縁部、２２、２３：ドーム部材、２２ｃ、２３ａ：周縁部、Ｘ：軸方向、２００：マンドレル、Ｆ２：繊維シート、Ｆ３：繊維束

Claims (5)

  1. ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂からなる補強層と、を備える高圧タンクの製造方法であって、
    前記繊維強化樹脂からなる筒部材を形成する工程と、
    前記繊維強化樹脂からなる一対のドーム部材を形成する工程と、
    前記筒部材の周縁部と前記ドーム部材の周縁部とを接合して、前記補強層としての補強体を形成する工程と、
    を備え、
    前記筒部材を形成する工程において、マンドレルの外周面に、樹脂が含浸された繊維シートを巻回して筒体を形成した後、樹脂が含浸された繊維束を前記筒体にオーバーラップするように巻回することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
  2. 前記筒部材を形成する工程において、前記筒体を形成した後、前記マンドレルの外周面に、前記筒体の軸方向の両端部に隣接するように前記繊維束を巻回して、前記筒体の端部にオーバーラップする前記周縁部を形成することによって、前記筒部材を形成することを特徴とする請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
  3. 前記筒体の軸方向の両端部に隣接するように前記繊維束を巻回する際に、前記筒体の端部から遠ざかるにしたがって前記筒部材の厚みが薄くなるように前記繊維束を巻回し、
    前記筒部材と前記ドーム部材とを接合する際に、前記筒部材および前記ドーム部材の一方を内側にし、他方を外側にして嵌め合せることを特徴とする請求項２に記載の高圧タンクの製造方法。
  4. 前記筒部材を形成する工程において、前記筒体を形成した後、前記繊維束を前記筒体の一方端部から他方端部までオーバーラップするように巻回することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法。
  5. 前記筒部材を形成する工程において、前記筒体を形成した後、前記繊維束を、前記筒体の一方端部に隣接するように、前記マンドレルの外周面に巻回して一方側の前記周縁部を形成し、前記筒体の一方端部から他方端部までオーバーラップするように巻回し、前記筒体の他方端部に隣接するように、前記マンドレルの外周面に巻回して他方側の前記周縁部を形成することを特徴とする請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
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