JP2021121750A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ライナーの外面に補強層を形成する際に、ライナーの胴体部に繊維強化樹脂シート等を巻き付けることを行わず、巻き付け時の巻き締りによる想定外のライナーの変形を回避することができる高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】ライナー２を冷却することにより、ライナー２を収縮させる収縮工程Ｓ２と、収縮した状態のライナー２の胴体部２１を筒部材３１で覆う位置まで、ライナー２を筒部材３１に挿入する挿入工程Ｓ３と、筒部材３１に挿入したライナー２を昇温することにより、収縮した状態のライナー２を膨張させて、胴体部２１に筒部材３１を嵌合させる嵌合工程Ｓ４と、ドーム部材３２、３３で側端部２２、２３を覆うように、胴体部２１に嵌合した筒部材３１の各周端部３１ａ、３１ａに、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａを接合して、第１補強層３０を形成する接合工程Ｓ５と、を少なくとも含む。【選択図】図３

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。

たとえば、天然ガス自動車または燃料電池自動車等には、燃料ガスを貯蔵する高圧タンクが利用されている。この種の高圧タンクには、燃料ガスを気密保持するためのライナーに、繊維強化樹脂からなる補強層が被覆されている。

たとえば、特許文献１には、このような高圧タンクの製造方法が提案されている。この製造方法では、まず、シートワインディング法により、ライナーの胴体部に、繊維強化樹脂シートを複数回巻き付けることで、ライナーの胴体部に筒状部を形成する。次に、フィラメントワインディング法により、筒状部と共にライナーのドーム状の側端部に、樹脂が含浸された繊維束を巻回することで、ライナーの外面に筒状部と一体となった補強部を形成している。

特開２０１７−１４１９４７号公報

特許文献１に記載の製造方法では、ライナーの胴体部に１枚の繊維強化樹脂シートを複数回巻き付けて筒状部を形成しているが、繊維強化樹脂シートを直接ライナーに巻き付ける際には、繊維強化樹脂シートの巻き締りが生じることがある。この巻き締りに起因して、ライナーに想定していない変形が生じることがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、ライナーの外面に補強層を形成する際に、ライナーの胴体部に繊維強化樹脂シート等を巻き付けることを行わず、巻き付け時の巻き締りによる想定外のライナーの変形を回避することができる高圧タンクの製造方法を提供する。

前記課題を鑑みて、本発明に係る製造方法は、筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に形成されたドーム状の側端部とを有するライナーの外面に、繊維強化樹脂からなる補強層が形成された高圧タンクの製造方法であって、前記ライナーと、前記補強層となる筒部材および２つのドーム部材と、を準備する工程と、前記ライナーを冷却することにより、前記ライナーを収縮させる工程と、収縮した状態の前記ライナーの前記胴体部を前記筒部材で覆う位置まで、前記ライナーを前記筒部材に挿入する工程と、前記筒部材に挿入した前記ライナーを冷却前の温度まで昇温することにより、収縮した状態の前記ライナーを膨張させて、前記胴体部に前記筒部材を嵌合させる工程と、前記ドーム部材で前記側端部を覆うように、前記胴体部に嵌合した前記筒部材の各周端部に、前記ドーム部材の周端部を接合して、前記補強層を形成する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明によれば、ライナーの胴体部を覆う筒部材と、前記ライナーの側端部を覆う２つのドーム部材とを予め準備し、筒部材と２つのドーム部材とから、補強層を形成する。補強層を形成する際には、ライナーを冷却することで、これを収縮させる。ライナーの収縮は、胴体部の径方向にも生じるので、ライナーを筒部材に簡単に挿入することができる。

その後、ライナーを冷却前の温度まで昇温することでライナーを膨張させる。ライナーの膨張は、ライナーの径方向にも生じるため、ライナーの胴体部に筒部材を嵌合させることができる。これにより、ライナーの胴体部に筒部材を一体化することができる。

このようにライナーの胴体部に筒部材が一体化されているため、筒部材の各周端部に、ドーム部材の周端部を簡単に接合し、ライナーの外面に、筒部材と２つのドーム部材からなる補強層を簡単に形成することができる。

このように、本発明では、ライナーの胴体部に繊維強化樹脂シート等を巻き付けることなく、ライナーの外面に補強層を形成する。したがって、ライナーには、嵌合させる工程により、ライナーの胴体部と筒部材との締め代を考慮した（当初から想定された）変形のみが生じるため、巻き締り力等による想定していないライナーの変形を回避することができる。なお、嵌合させる工程において、ライナーの冷却前の温度までライナーを昇温するが、この昇温は、加熱により行ってもよいが、ライナーの雰囲気温度となるように、ライナーを昇温させることが好ましい。

より好ましい態様としては、前記ライナーの前記胴体部および前記筒部材は円筒状であり、前記準備する工程において、前記ライナーの前記胴体部の外径が、前記筒部材の内径よりも大きい寸法関係を満たす前記ライナーおよび前記筒部材を準備し、前記収縮させる工程において、前記ライナーの前記胴体部の外径が、前記筒部材の内径よりも小さくなる温度まで、前記ライナーを冷却し、前記嵌合させる工程において、前記寸法関係を満たす前記冷却前の温度まで、前記ライナーを昇温する。なお、この態様における「寸法関係を満たす温度」とは準備する工程における温度、すなわち、ライナーを冷却する直前のライナーの温度であり、ライナーおよび筒部材の雰囲気の温度である。

この態様によれば、ライナーの胴体部および筒部材は円筒状であるため、嵌合させる工程において、寸法関係を満たす冷却前の温度までライナーを昇温すると、ライナーの外周面を筒部材の内周面に均一に倣わせることができる。これにより、ライナーの胴体部と筒部材との間に隙間が形成され難い。

さらに好ましい態様としては、前記準備する工程において、前記ライナーの昇温の完了後に、前記筒部材から前記ライナーの前記胴体部に押圧する圧力が、前記ライナーの材料の降伏応力よりも小さくなるように、前記胴体部の外径と、前記筒部材の内径とを設定する。

この態様によれば、嵌合させる工程において昇温が完了後、筒部材からライナーの胴体部に押圧する圧力が、ライナーの材料の降伏応力よりも小さくなるので、ライナーが弾性変形した状態で、ライナーを筒部材に嵌合させることができる。これにより、嵌合工程において、ライナーが塑性変形により破損することがない。

より好ましい態様としては、前記ライナーは、熱可塑性樹脂からなる。この態様によれば、ライナーは、熱可塑性樹脂は金属に比べて延性を有した材料であるため、嵌合させる工程において、ライナーが塑性変形したとしても、ライナーに亀裂等が発生し難い。熱可塑性樹脂からなるので、ライナー内に高圧ガスが充填された後に、ライナーが補強層に倣いやすい。さらに、塑性変形したとしても、ライナーはクリープ変形し易いため、ライナーの破損を防止することができる。

本発明に係る高圧タンクの製造方法によれば、ライナーの外面に補強層を形成する際に、ライナーの胴体部に繊維強化樹脂シート等を巻き付けることを行わず、巻き付け時の巻き締りによる想定外のライナーの変形を回避することができる。

本発明の一実施形態に係る製造方法により製造される高圧タンクの構造を示す断面図である。 図１に示す高圧タンクの構造を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る高圧タンクの製造方法の工程を説明するフロー図である。 図３に示す準備工程において、準備されるドーム部材の形成方法を説明するための部分断面図である。 図３に示す準備工程において、準備されるドーム部材の断面図である。 図３に示す準備工程において、準備される筒部材の形成方法を説明するための断面図である。 図３に示す準備工程において、準備されるライナーの断面図である。 図３に示す製造方法の収縮工程および挿入工程を説明するための模式的斜視図である。 図３に示す製造方法の嵌合工程を説明するための模式的斜視図である。 図９に示す嵌合工程後のライナーおよび筒部材の模式的断面図である。 図３に示す接合工程を説明するための模式的斜視図である。 図１１に示す接合工程後のライナーおよび補強層の模式的断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る高圧タンク１の製造方法について説明するが、その前に高圧タンク１の構成について簡単に説明する。以下では、高圧タンク１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１に充填可能なガスとしては、高圧の水素ガスに限定されず、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。

１．高圧タンク１について
図１および図２に示すように、高圧タンク１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１は、ガスバリア性を有するライナー２と、ライナー２の外面を覆う繊維強化樹脂からなる補強部３と、を備える。補強部３は、ライナー２の外面を覆う第１補強層３０と、第１補強層３０の外面を覆う第２補強層３４と、を有する。高圧タンク１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４が取り付けられている。なお、第１補強層３０が、本発明でいう「補強層」に相当する。

ライナー２は、高圧の水素ガスが充填される収容空間５を形成する樹脂製の部材である。ライナー２は、筒状の胴体部２１と、胴体部２１の両側に形成されたドーム状の側端部２２、２３と、を備えている。本実施形態では、胴体部２１は、高圧タンク１の軸方向Ｘに沿って所定の長さで延在しており、円筒状の形状を有している。各側端部２２、２３は、胴体部２１の両側に連続して形成されており、ドーム状の形状を有している。側端部２２、２３は、胴体部２１から遠ざかるに従って縮径しており、一方の側端部２２では、最も縮径した部分の中心に開口部２２ａが形成され、この開口部２２ａに管状部２２ｂが形成されている。

ライナー２の材料としては、充填される高圧ガスを収容空間５内に保持する性能、即ち、ガスバリア性が良好な樹脂または金属であることが好ましい。樹脂としては、たとえば、ポリプロピレン系樹脂、ナイロン系樹脂（たとえば６−ナイロン樹脂または６，６−ナイロン樹脂）、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、ＡＢＳ系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエチレン系樹脂、およびエチレン−ビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）、ポリエステル系樹脂等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。金属としては、たとえば、アルミニウム合金、ステンレス鋼等を挙げることができる。

口金４は、アルミニウムまた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４には、収容空間５に対して水素ガスを充填および排出するためのバルブ６が取り付けられている。バルブ６には、後述するドーム部材３２の突出部３２ｂにおいてライナー２の管状部２２ｂに接して高圧タンク１の収容空間５を封止するシール部材６ａが設けられている。

補強部３は、ライナー２を補強して高圧タンク１の剛性や耐圧性等の機械的強度を向上させる機能を有し、強化繊維（連続繊維）に樹脂が含浸された繊維強化樹脂により構成されている。本実施形態では、上述した如く、補強部３は、ライナー２の外面を覆う第１補強層３０と、第１補強層３０の外面を覆う第２補強層３４と、を有している。第１補強層３０は、後述する筒部材３１と、その両側に接合されたドーム部材３２、３３により、一体的に形成されている。

筒部材３１およびドーム部材３２、３３は、強化繊維に樹脂が含浸された繊維強化樹脂層を複数積層した部材である。筒部材３１の強化繊維は、筒部材３１の軸方向Ｘに対して略直交する角度で周状に配向されており、言い換えると、筒部材３１の強化繊維は、筒部材３１の周方向に配向されている。ドーム部材３２、３３の強化繊維は、筒部材３１の周方向に配向されておらず、頂部近傍からその周端部３２ａ、３３ａに向かって、周方向と交差する様々な方向に延在している。

本実施形態では、筒部材３１の強化繊維と、ドーム部材３２、３３の強化繊維とは連続していない（繋がっていない）。これは、後述するように、筒部材３１、２つのドーム部材３２、３３を別々に形成した後、筒部材３１の両端に２つのドーム部材３２、３３を取り付けているためである。

第２補強層３４は、強化繊維に樹脂が含浸された繊維強化樹脂層を積層した層である。第２補強層３４は、第１補強層３０の外面を覆うように形成されている。すなわち、第２補強層３４は、筒部材３１の外面と、ドーム部材３２、３３と、を覆う層である。具体的には、第２補強層３４は、２つのドーム部材３２、３３に亘って繊維が配向された繊維強化樹脂からなる層である。第２補強層３４の強化繊維は、樹脂を含浸した繊維束のヘリカル巻きにより、筒部材３１の軸方向Ｘに対して傾斜するように配向されている。この強化繊維により、筒部材３１にドーム部材３２、３３を拘束することができる。

２．高圧タンク１の製造方法について
次に、本発明の一実施形態に係る高圧タンク１の製造方法について説明する。図３は、高圧タンク１の製造方法の工程を説明するフロー図である。高圧タンク１の製造方法は、図３に示すように、準備工程Ｓ１と、収縮工程Ｓ２と、挿入工程Ｓ３と、嵌合工程Ｓ４と、接合工程Ｓ５と、第２補強層形成工程Ｓ６とを含んでいる。

２−１．準備工程Ｓ１
準備工程Ｓ１は、ライナー２と、第１補強層３０となる筒部材３１および２つのドーム部材３２、３３と、を準備する。なお、この準備工程Ｓ１では、後述するように、ライナー２の胴体部２１の外径Ｄ１が、筒部材３１の内径Ｄ２よりも大きい寸法関係を満たすライナー２および筒部材３１を準備する。まず、準備する２つのドーム部材３２、３３の形成方法について以下に説明する。

（ドーム部材３２、３３の形成方法）
図５に示すドーム部材３２、３３の形成方法では、図４に示すように、たとえばフィラメントワインディング法（ＦＷ法）により、樹脂が含浸された繊維束Ｆ１をマンドレル１００の外面に巻回する。具体的には、マンドレル１００は、本体部１０１と、本体部１０１の一端から外側に延在するシャフト部１０２と、を有する。

本体部１０１は、シャフト部１０２の軸方向から見て円形状に形成されている。本体部１０１の軸方向中央の外周面には、周方向に１周にわたって延在する溝部１０１ａが形成されている。マンドレル１００の外面は、準備工程Ｓ１において準備したライナー２の胴体部２１を除いてドーム状の側端部２２、２３を繋ぎ合わせた形状であり、その繋ぎ目に相当する位置に溝部１０１ａが形成されている。シャフト部１０２は、回転機構（図示せず）に回転可能に支持されている。

ドーム部材３２、３３を形成する際には、まず、マンドレル１００を回転させることにより、マンドレル１００の外面を被覆するように、繊維束Ｆ１を巻き付ける。このとき、シャフト部１０２の外面にも繊維束Ｆ１を巻き付けることによって、図５に示すように、貫通穴３２ｃを有する円筒状の突出部３２ｂが形成される。また、このとき、繊維束Ｆ１を、シャフト部１０２の軸方向に対してたとえば３０〜５０度で交差する角度で巻き付ける。なお、マンドレル１００の材質は、特に限定されるものではないが、繊維束Ｆ１を巻き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。

繊維束Ｆ１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、たと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、およ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い。この場合には、熱硬化性樹脂が未硬化の状態で、マンドレル１００に繊維束Ｆ１を巻き付け、その後、これを熱硬化させる。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。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Ｆ１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。この場合には、熱可塑性樹脂を加熱して軟化させた状態で、マンドレル１００に繊維束Ｆ１を巻き付け、その後、熱可塑性樹脂の熱を冷却し、これを固化する。なお、本明細書では、熱硬化性樹脂の熱硬化、および、軟化した熱可塑性樹脂の冷却後の固化の双方を総称して、樹脂の固化と称する。

繊維束Ｆ１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、およ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。

次に、マンドレル１００の外面に巻回された巻回体（繊維束Ｆ１）を、カッター１１０（図４参照）を用いて２個に分割する。その後、図５に示すように、分割した巻回体をマンドレル１００から分離することによって２つのドーム部材３２、３３を形成する。

具体的には、図４に示した状態から、突出部３２ｂの外面に口金４を取り付ける。巻回体の繊維束Ｆ１に含浸された樹脂が固化した状態で、マンドレル１００を回転させながら、カッター１１０の刃先をマンドレル１００の溝部１０１ａに挿入する。これにより、カッター１１０で繊維束Ｆ１が切断され、巻回体を２つに分割することができる。その後、巻回体（繊維束Ｆ１）の樹脂を固化した状態のまま、巻回体をマンドレル１００から分離することによって２つのドーム部材３２、３３を形成する。なお、カッター１１０としては、特に限定されるものではないが、たとえば回転円盤の外周面に刃が形成されたものや、薄板の側面に刃が形成されたものや、レーザ光により繊維束Ｆ１を切断するものを用いることができる。

繊維束Ｆ１に含浸された樹脂を固化した状態で、カッター１１０により切断するので、切断時の繊維束Ｆ１の変形を抑制することができるとともに、マンドレル１００から取り外す際の２つのドーム部材３２、３３の変形を抑制することができる。

繊維束Ｆ１（すなわち、２つのドーム部材３２、３３）の樹脂が熱硬化性樹脂からなる場合には、繊維束Ｆ１を硬化する方法としては、特に限定されるものではないが、樹脂の種類に応じた硬化の条件（加熱温度および加熱時間）で、繊維束Ｆ１を硬化する。一方、繊維束Ｆ１の樹脂が熱可塑性樹脂からなる場合には、繊維束Ｆ１を固化する方法としては、樹脂が流動性を有した状態の繊維束Ｆ１を冷却することによって、繊維束Ｆ１の樹脂を固化する。このようにして得られたドーム部材３２、３３それぞれは、ライナー２の側端部２２、２３の外面を覆う形状に形成される。

なお、ここでは、樹脂が含浸された繊維束Ｆ１をマンドレル１００の外面に巻回する例を示したが、樹脂が含浸されていない繊維束をマンドレル１００の外面に巻回することで巻回体を形成した後、これに樹脂を含浸させて固化してもよい。

また、ここでは、繊維束Ｆ１の樹脂を固化した状態でカッター１１０により切断する例を示したが、繊維束Ｆ１の樹脂を固化することなくカッター１１０により切断してもよい。この場合には、繊維束Ｆ１をカッター１１０により切断した後に固化させてもよい。

ただし、繊維束Ｆ１の樹脂を固化しない場合には、樹脂は粘着性を有しており、繊維束Ｆ１をマンドレル１００から取り外しにくく（繊維束Ｆ１が変形しやすく）なっているため、たとえば繊維束Ｆ１を巻回する際に予めマンドレル１００の表面に離型剤を塗っておいたり、マンドレル１００から２つのドーム部材３２、３３を取り出す際の引き抜き速度を低くしたりして、繊維束Ｆ１の変形を抑制することが好ましい。

また、ここでは、マンドレル１００の外面に繊維束Ｆ１を巻回した後に突出部３２ｂの外面に口金４を取り付ける例について説明したが、マンドレル１００の本体部１０１とシャフト部１０２との接続部に予め口金を取り付けておき、その状態でマンドレル１００の外面とともに口金の一部を繊維束Ｆ１で巻回してもよい。この場合には、口金の一部が繊維束Ｆ１に覆われて拘束された状態になるので、繊維束Ｆ１によって口金を強固に固定することができる。

（筒部材３１の形成方法）
図６に示すように、たとえば、円柱状のマンドレル２００の外面に、繊維シートＦ２を巻き付けることによって、筒部材３１を形成する。マンドレル２００の外径は、筒部材３１の内径Ｄ２に相当する外径である。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。

筒部材３１を形成する際には、回転機構（図示せず）によりマンドレル２００を周方向に回転させながら、巻出された繊維シートＦ２を、マンドレル２００に複数回巻き付ける。繊維シートＦ２は、一方向に引き揃えられた強化繊維に樹脂が含浸されたシートであり、強化繊維がマンドレル２００の周方向に配向されるように、繊維シートＦ２をマンドレル２００に巻き付ける。これにより、周方向に強化繊維が配向され、内径Ｄ２を有する筒部材３１が形成される。

繊維シートＦ２としては、たとえば、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）シートを用いたが、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、たと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等を用いてもよい。

なお、繊維シートＦ２の強化繊維は、繊維束Ｆ１で例示した材料と同様の材料を挙げることができ、強化繊維に含浸される樹脂としては、繊維束Ｆ１で例示した材料と同様の樹脂を挙げることができる。

筒部材３１は、図６に示すように、軸方向Ｘの周端部３１ａの厚みが、両端に進むに従って徐々に薄くなるように、形成されている。このような形状とすることにより、図１および図２に示すように、筒部材３１の周端部３１ａ、３１ａと各ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとを重ね合わせた際に、筒部材３１の外面と２つのドーム部材３２、３３の外面との接続部分に段差が形成され難くなる。

筒部材３１の軸方向Ｘの両端の厚みを徐々に薄く形成するために、繊維シートＦ２の軸方向Ｘ（幅方向）の端部の繊維束の厚みが徐々に薄くなるように繊維束が編み込まれていてもよく、繊維シートＦ２の巻き付け幅を徐々に狭くしてもよい。この他にも、筒部材３１の軸方向Ｘの両端をローラー等で押さえつけることによって厚みを徐々に薄くしてもよい。なお、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａも、ローラー等で押さえつけることにより、他の部分に比べて厚みを薄くしてもよい。

繊維シートＦ２の樹脂が熱硬化性樹脂からなる場合には、繊維束Ｆ１の場合と同様、所定の硬化の条件（加熱温度および加熱時間）で、マンドレル２００に巻き付いた状態の繊維シートＦ２を硬化してよい。一方、繊維シートＦ２の樹脂が熱可塑性樹脂からなる場合には、繊維束Ｆ１の場合と同様、冷却することにより、マンドレル２００に巻き付いた状態の繊維シートＦ２を固化してよい。

樹脂の固化後、筒部材３１をマンドレル２００から取り外す。樹脂の固化により、筒部材３１の保形性が高まる。このため、マンドレル２００から筒部材３１を容易に脱型可能となり、マンドレル２００から筒部材３１を取り外す際の筒部材３１の変形を抑制することができる。

なお、ここでは、マンドレル２００の外面に繊維シートＦ２を巻き付けて筒部材３１を形成する例について説明した。しかしながら、マンドレル２００の外面にＦＷ法により樹脂が含浸された繊維束をフープ巻きすることによって、筒部材３１を形成してもよい。あるいは、その他の方法としては、回転するマンドレル２００の内面に繊維シートを貼り付ける、所謂ＣＷ（Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｗｉｎｄｉｎｇ）法により筒部材３１を形成してもよい。

（ライナー２の形成方法）
図７に示すように、ライナー２の胴体部２１の外径Ｄ１が、筒部材３１の内径Ｄ２よりも大きいライナー２を形成する。具体的には、胴体部２１に相当する胴体部材（図示せず）と側端部２２、２３に相当する２つの側端部材（図示せず）を準備する。側端部２２に対応するドーム状の側端部材には、その頂部に開口部２２ａが形成され、この開口部２２ａに円筒状の管状部２２ｂが形成されている。

次いで、準備した胴体部材の両端に側端部材を溶接または熱融着等により接合する。このようにして、図７に示すように、筒状の胴体部２１と、胴体部２１の両側に連続して形成されたドーム状の側端部２２、２３と、を備えたライナー２を形成することができる。

ここで、本実施形態では、後述する嵌合工程において、冷却によるしまり嵌め（冷やし嵌め）により、ライナー２を筒部材３１に嵌合させる。したがって、冷却前の状態では、同じ温度（具体的には室温）の条件で、胴体部２１の外径Ｄ１は、筒部材３１の内径Ｄ２よりも大きい。この冷却前の状態とは、ライナー２の雰囲気温度（具体的には室温）で、ライナー２内が外部開放された状態である。

さらに、本実施形態では、胴体部材および２つの側端部材の材料（すなわち、ライナー２の材料）は、上述した如く、樹脂または金属からなる。これらの材料は、低温で収縮性を有する材料であり、特に樹脂のなかでも熱可塑性樹脂は、筒部材３１を構成する繊維強化樹脂よりも低温で収縮性の高い材料である。これにより、低温（たとえば、常温より低い温度）に冷却されたライナー２を、収縮（熱収縮）させ、縮径した外径Ｄ１を筒部材３１の内径Ｄ２よりも小さくすることができる。

２−２．収縮工程Ｓ２
収縮工程Ｓ２では、ライナー２を冷却することにより、ライナー２を収縮させる。具体的には、収縮工程Ｓ２において、図８に示すように、ライナー２の胴体部２１の外径Ｄ１が、筒部材３１の内径Ｄ２よりも小さくなる温度（具体的には室温よりも低い温度）まで、ライナー２を冷却する。

ライナー２を冷却することができるのであれば、その冷却方法は特に限定されるものではない。たとえば、ライナー２を冷凍室または冷蔵室等に収容することでライナー２を冷却してもよく、ライナー２の表面に室温よりも低い冷風を吹き付けることで冷却してもよく、室温よりも低い物質（水、ドライアイスなど）を接触させることでライナー２を冷却してもよい。この他にも、ライナー２の管状部２２ｂおよび開口部２２ａから、収容空間５に室温よりも低い冷媒を充填することにより冷却してもよい。

なお、ライナー２の冷却温度は、筒部材３１の温度よりも低い温度であり、ライナー２の胴体部２１の外径Ｄ１が、筒部材３１の内径Ｄ２よりも小さくなる温度であれば、特に限定されるものではない。たとえば、冷却温度は、−３０℃〜１０℃程度の範囲であり、ライナー２の材料が低温脆性しない温度範囲でライナー２を冷却することが好ましい。

２−３．挿入工程Ｓ３
挿入工程Ｓ３では、図８に示すように、収縮工程Ｓ２で収縮した状態のライナー２の胴体部２１を筒部材３１で覆う位置まで、ライナー２を筒部材３１に挿入する。収縮工程Ｓ２で、ライナー２の胴体部２１の外径Ｄ１が筒部材３１の内径Ｄ２よりも小さくなるようにライナー２を収縮させたので、ライナー２を筒部材３１に簡単に挿入することができる。

２−４．嵌合工程Ｓ４
嵌合工程Ｓ４では、図９および図１０に示すように、筒部材３１に挿入したライナー２を、収縮工程Ｓ２による冷却前の温度まで昇温することにより、収縮した状態のライナー２を膨張させて、胴体部２１に筒部材３１を嵌合させる。

ここで、「冷却前の温度」は、ライナー２の胴体部２１の外径Ｄ１が、筒部材３１の内径Ｄ２よりも大きい寸法関係を満たす温度である。したがって、ライナー２の昇温により、ライナー２が膨張し、この膨張は、ライナー２の径方向にも生じるため、ライナー２の胴体部２１に筒部材３１を嵌合させることができる。これにより、ライナー２の胴体部２１に筒部材３１を一体化することができる。

ライナー２の昇温は、加熱装置等を用いても良いが、本実施形態では、ライナー２を冷却直前の雰囲気温度（室温）まで徐々に昇温する。すなわち、冷却されたライナー２をいわゆる常温常圧の条件で開放する。この常温常圧状態とは、たとえば、常温の範囲が１５℃〜２５℃であり、常圧は、大気圧のことである。このような昇温により、昇温によるライナー２への熱衝撃を抑えつつ、筒部材３１の内面に、ライナー２の胴体部２１の外面を倣わせながら、ライナー２を筒部材３１に嵌合させることができる。

さらに、本実施形態は、ライナー２の胴体部２１および筒部材３１は円筒状であるため、嵌合工程において、ライナー２の冷却温度までライナー２を昇温すると、ライナー２の外周面を筒部材３１の内周面に均一に倣わせることができる。このようにして、ライナー２の胴体部２１と筒部材３１との間に隙間が形成され難くすることができる。

ここで、準備工程Ｓ１に戻り、ライナー２の胴体部２１と、筒部材３１との関係について詳述する。準備工程Ｓ１におけるライナー２の胴体部２１の外径Ｄ１と、筒部材３１の内径Ｄ２は、（１）収縮工程Ｓ２における冷却温度で外径Ｄ１＜内径Ｄ２を満たし、（２）嵌合工程Ｓ４での膨張後の温度（具体的には準備工程Ｓ１における温度）で、外径Ｄ１＞内径Ｄ２を満たす。この（１）および（２）の双方により、ライナー２の胴体部２１を筒部材３１に嵌合させることができる。

これに加えて、ライナー２の昇温の完了後に、筒部材３１からライナー２の胴体部２１に押圧する圧力が、ライナー２の材料の降伏応力よりも小さくなるように、胴体部２１の外径Ｄ１と、筒部材３１の内径Ｄ２とが設定されていることが好ましい。

このような設定では、まず、ライナー２の材料のヤング率をＥとし、その材料の線膨張係数をαとし、冷却された状態から膨張が完了するまでの温度変化をｄＴとしたときに、ライナー２の膨張力を、Ｅ×α×ｄＴにより算出する。この膨張力に、ライナー２の冷却前の胴体部２１の外径Ｄ１と、筒部材３１の内径Ｄ２を加味して、通常の材料力学の計算等により、筒部材３１からライナー２の胴体部２１に押圧する圧力を算出することができる。

このような設定により、筒部材３１からライナー２の胴体部２１に押圧する圧力が、ライナー２の材料の降伏応力よりも小さくなるので、ライナー２が弾性変形した状態で、ライナー２を筒部材３１に嵌合させることができる。これにより、嵌合工程Ｓ４において、ライナー２が塑性変形により破損することがない。

このように、本実施形態によれば、ライナー２の胴体部２１に繊維強化樹脂シートや繊維束等を巻き付けることはなく、ライナー２の外面に第１補強層３０を形成する。したがって、ライナー２には、嵌合工程Ｓ４により、ライナー２の胴体部２１と筒部材３１との締め代を考慮した（当初から想定された）変形のみが生じるため、巻き締り力等による想定していないライナー２の変形を回避することができる。

なお、ライナー２が、熱可塑性樹脂からなる場合には、熱可塑性樹脂は金属に比べて延性を有した材料であるため、嵌合工程Ｓ４において、ライナー２が塑性変形したとしても、ライナー２に亀裂等が発生し難い。

２−５．接合工程Ｓ５
接合工程Ｓ５では、図１１および図１２に示すように、ドーム部材３２、３３で、ライナー２の側端部２２、２３を覆うように、胴体部２１に嵌合した筒部材３１の各周端部３１ａ、３１ａに、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａを接合して、第１補強層３０を形成する。

具体的には、筒部材３１の周端部３１ａと、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとの一方を内側にし、他方を外側にして嵌め合せる。これにより、筒部材３１とドーム部材３２、３３との接合をより強固にすることができる。図１２では、一例として、筒部材３１の周端部３１ａを内側に、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａを外側にして、嵌め合わせた例を示している。本実施形態では、嵌合工程Ｓ４において、ライナーの胴体部２１に筒部材３１が一体化されている。このため、筒部材３１の各周端部３１ａ、３１ａに、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａを簡単に接合し、ライナー２の外面に、筒部材３１と２つのドーム部材３２、３３からなる第１補強層３０を簡単に形成することができる。

筒部材３１とドーム部材３２、３３との嵌め合せの際、筒部材３１とドーム部材３２、３３との嵌め合わせ面に接着剤を配置してもよい。このように構成すれば、後の工程において筒部材３１とドーム部材３２、３３とが外れるのをより確実に抑制することができる。接着剤の材質は、特に限定されるものではないが、たとえば、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。また、接着剤として、筒部材３１またはドーム部材３２、３３と同じ成分の樹脂を用いてもよい。

なお、ここでは、筒部材３１の周端部３１ａと、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとを嵌め合せる例について説明したが、筒部材３１の周端部３１ａ、３１ａと各ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとを突き合わせた状態で、接着剤を用いて接合させてもよい。

２−６．第２補強層形成工程Ｓ６
第２補強層形成工程Ｓ６では、図１に示すように、第１補強層３０の外面を覆うように、繊維強化樹脂からなる第２補強層３４を形成する。これにより、第１補強層３０および第２補強層３４を有する補強部３を形成することができる。

第２補強層３４を形成する際には、樹脂が含浸された繊維束を、ＦＷ法で、第１補強層３０の表面に、ヘリカル巻きで層状に巻き付ける。ヘリカル巻きは、ドーム部材３２、３３に亘って、筒部材３１の軸方向Ｘに対して斜め（１０°以上６０°以下の範囲）に巻き進む巻き方である。巻き付けられた繊維束の層数は、第２補強層３４の強度が確保されるのであれば、特に限定されるものではないが、たとえば２〜１０層程度である。

なお、繊維束の強化繊維は、繊維束Ｆ１で例示した材料と同様の材料を挙げることができ、強化繊維に含浸される樹脂としては、繊維束Ｆ１で例示した材料と同様の樹脂を挙げることができる。

繊維束を第１補強層３０の外面に巻き終えた後、繊維束に含浸された樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、第２補強層３４を熱硬化させる。繊維束に含浸された樹脂が熱可塑性樹脂の場合には、第２補強層３４を、放冷または強制冷却によって冷却して固化させる。このようにして第２補強層３４を形成した後、図１に示すように、口金４にバルブ６を取り付けることによって、高圧タンク１が完成する。

本実施形態によれば、ライナー２の外面に第１補強層３０を形成する際に、ライナー２の胴体部２１に繊維強化樹脂シート等を巻き付けることを行わず、巻き付け時の巻き締りによる想定外のライナー２の変形を回避することができる。

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。

たとえば、本実施形態では、ライナーの胴体部の形状が、円筒状であり、筒部材の形状も円筒状であったが、ライナーの胴体部に筒部材を嵌合できるのであれば、これらを扁平した形状（楕円形状）、多角形の形状など、特にその形状は限定されるものではない。

たとえば、本実施形態では、ＦＷ法を用いて２つのドーム部材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。たとえば、テーププレースメント法を用いて、ローラーにより繊維束をドーム状の型の表面に加圧して貼り付けることによって、２つのドーム部材を形成してもよい。

また、本実施形態では、３つの部材（筒部材、ドーム部材）によって第１補強層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。たとえば、４つ以上の部材（２つ以上の筒部材、ドーム部材）によって第１補強層を形成してもよい。この場合には、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。

１：高圧タンク、２：ライナー、２１：胴体部、２２、２３：側端部、３０：第１補強層（補強層）、３１：筒部材、３１ａ：周端部、３２、３３：ドーム部材、３２ａ、３３ａ：周端部、Ｄ１：胴体部の外径、Ｄ２：筒部材の内径、Ｓ１：準備工程、Ｓ２：収縮工程、Ｓ３：挿入工程、Ｓ４：嵌合工程、Ｓ５：接合工程

Claims (4)

1. 筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に形成されたドーム状の側端部とを有するライナーの外面に、繊維強化樹脂からなる補強層が形成された高圧タンクの製造方法であって、
   前記ライナーと、前記補強層となる筒部材および２つのドーム部材と、を準備する工程と、
   前記ライナーを冷却することにより、前記ライナーを収縮させる工程と、
   収縮した状態の前記ライナーの前記胴体部を前記筒部材で覆う位置まで、前記ライナーを前記筒部材に挿入する工程と、
   前記筒部材に挿入した前記ライナーを冷却前の温度まで昇温することにより、収縮した状態の前記ライナーを膨張させて、前記胴体部に前記筒部材を嵌合させる工程と、
   前記ドーム部材で前記側端部を覆うように、前記胴体部に嵌合した前記筒部材の各周端部に、前記ドーム部材の周端部を接合して、前記補強層を形成する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。
2. 前記ライナーの前記胴体部および前記筒部材は円筒状であり、
   前記準備する工程において、前記ライナーの前記胴体部の外径が、前記筒部材の内径よりも大きい寸法関係を満たす前記ライナーおよび前記筒部材を準備し、
   前記収縮させる工程において、前記ライナーの前記胴体部の外径が、前記筒部材の内径よりも小さくなる温度まで、前記ライナーを冷却し、
   前記嵌合させる工程において、前記寸法関係を満たす前記冷却前の温度まで、前記ライナーを昇温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. 前記準備する工程において、前記ライナーの昇温の完了後に、前記筒部材から前記ライナーの前記胴体部に押圧する圧力が、前記ライナーの材料の降伏応力よりも小さくなるように、前記胴体部の外径と、前記筒部材の内径とを設定す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. 前記ライナーは、熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の高圧タンクの製造方法。

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