JP2022063105A

JP2022063105A - 高圧タンクの製造方法

Info

Publication number: JP2022063105A
Application number: JP2020171470A
Authority: JP
Inventors: 弘和大坪; Hirokazu Otsubo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2040-10-09
Also published as: US20220112983A1; JP7384142B2; US11821586B2

Abstract

【課題】筒部材の両側に側端部材を接合した構造であっても、機械的強度を安定して確保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】円筒状の筒部材３１の両端に、ドーム状の側端部材３２、３３を接合した、繊維強化樹脂からなる第１補強層３０が形成された高圧タンク１の製造方法である。製造方法は、筒部材３１の外壁面３１ｆと、側端部材３２、３３の内壁面３２ｆ、３３ｆが対向するように、各側端部材３２、３３を筒部材３１の両端に接合する接合工程Ｓ２を含む。接合工程Ｓ２では、筒部材３１の軸方向Ｘにおいて、各側端部材３２，３３と筒部材３１との重なり代Ｌは、筒部材３１の内径Ｄに対して、５％以上３５％以下の範囲とする。【選択図】図８

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は、燃料ガスを気密保持するためのライナーと、ライナーの外面を覆う補強層とを備えている。

このような高圧タンクとして、例えば、特許文献１には、筒状の胴体部と、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を備えた高圧タンクが開示されている。高圧タンクは、ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂からなる補強層をさらに備えている。

特開２０１９－０４４９３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の高圧タンクの補強層を、円筒状の筒部材の両端に、ドーム状の側端部材を接合した構造を採用する場合、筒部材と側端部材とは、それぞれ独立した部材を接合したものであるため、これらの組み付け条件によっては、高圧タンクの強度が変化してしまう。発明者の解析によれば、筒部材の軸方向において、各側端部材と筒部材とを重合わせた状態で接合する場合、これらの重なりの条件によって、これらの接合部分に、高圧タンクの内圧により作用する応力が大きく変わり、複数の層で構成される補強層が不均一になることがわかった。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、筒部材の両側に側端部材を接合した構造であっても、機械的強度を安定して確保することができる高圧タンクの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を鑑みて、本発明に係る高圧タンクの製造方法は、円筒状の筒部材の両端に、ドーム状の側端部材を接合した、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、前記製造方法は、前記筒部材の外壁面と、前記側端部材の内壁面が対向するように、前記各側端部材を前記筒部材の両端に接合する工程を有しており、前記接合する工程では、前記筒部材の軸方向において、前記各側端部材と前記筒部材との重なり代は、前記筒部材の内径に対して、５％以上３５％以下の範囲とすることを特徴とする。

本発明によれば、接合する工程において、筒部材の外壁面と、側端部材の内壁面が対向するように、各側端部材を前記筒部材の両端に接合するので、内圧発生時に、筒部材が径方向に広がろうとする変形を、側端部材で受けることができる。側端部材と筒部材とを重ね合わせた場合には、締め代や隙間等により、これらの重なり部分の強度が変化し易い。そこで、本発明では、各側端部材と筒部材との重なり代を、筒部材の内径に対して、５％以上３５％以下の範囲（比率の範囲）とする。これにより、重なり部分である筒部材と側端部材との強化部分に発生する応力を安定して低減することができるとともに、複数層で構成される補強層の応力分布のバラツキも低減することができる。ここで、上に示した比率が、５％未満であるときには、重なり部分（特に、ドーム状の部分と円状状の部分の境界部分の応力）のせん断応力および曲げ応力に十分耐え得る構造とはならない。一方、上に示した比率が、３５％を超えた場合には、側端部材を筒部材との幾何学的交差により、筒部材に側端部材を嵌め込み難い。

より好ましい態様としては、前記接合する工程の後に形成された前記補強層を、前記第１補強層としたときに、前記第１補強層の両側の前記側端部材の間を渡すように、樹脂が含浸された繊維束を、前記第１補強層にヘリカル巻きで巻回し、前記第１補強層を覆う第２補強層をさらに形成する。この態様によれば、第２補強層により、高圧タンクの軸方向に作用する荷重を、第２補強層で受けることができる。

本発明によれば、筒部材の両側に側端部材を接合した構造であっても、機械的強度を安定して確保することができる。

本発明の一実施形態に係る高圧タンクの構造を示す模式的断面図である。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、筒部材の形成方法を説明するための模式的断面図である。図３に示す準備工程において、側端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に示す接合工程を説明するための模式的斜視図である。図３に示す接合工程後の側端部材と筒部材との部分断面図である。図３に示す接合工程後の第２補強層を形成する工程を説明する模式的断面図である。図３に示すライナー形成工程を説明する模式的断面図である。高圧タンクのひずみ比、内圧、および総合評価の変化を、重なり代／内径、摩擦係数、および隙間ごとに、解析した結果である。

以下、図面を参照して本発明に係る高圧タンク１の実施形態について説明する。

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、その他のガスを挙げることができる。

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層３と、を備える。補強層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。

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、胴体部２ａと、胴体部２ａの両側に形成された側端部２ｂ、２ｃとを有している。胴体部２ａ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２ｂ、２ｃは、胴体部２ａ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２ｂ、２ｃは、胴体部２ａから遠ざかるに従って縮径しており、一方の側端部２ｂには、最も縮径した部分に管状部２ｄが形成されており、この管状部２ｄには貫通孔が形成されている。

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、後述する側端部材３２の突出部３２ｂにおいてライナー２の内面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。

補強層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、補強層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、ライナー２の胴体部２ａを覆う円筒状の筒部材３１と、側端部２ｂ、２ｃを覆うように筒部材３１の両側に接合されたドーム状の側端部材（ドーム部材）３２、３３とを有し、これらの部材により、一体的に形成されている。本実施形態の第１補強層３０が、本発明でいう「補強層」に相当する。

第１補強層３０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。側端部材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、側端部材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と側端部材３２、３３とを別々に形成した後、筒部材３１の両端に側端部材３２、３３を取り付けているためである。

第１補強層３０（すなわち、筒部材３１および側端部材３２、３３）を構成する強化繊維としては、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。

第１補強層３０の強化繊維に含浸される樹脂（マトリクス樹脂）としては、特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、たとえば、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、ナイロン６、またはナイロン６，６等を挙げることができる。熱硬化性樹脂としては、たとえば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、またはエポキシ樹脂等を挙げることができる。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。

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複数積層した層である。第２補強層３４は、第１補強層３０の外壁面を覆うように形成されている。すなわち、本実施形態では、第２補強層３４は、筒部材３１の外壁面と、側端部材３２、３３の外面と、を覆う層である。

具体的には、第２補強層３４は、２つの側端部材３２、３３に渡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（いわゆる低ヘリカル巻）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に側端部材３２、３３を拘束することができる。このため、高圧タンク１の使用の際に、ガス圧によって側端部材３２、３３が筒部材３１から軸方向Ｘに沿って、外方に外れるのを防止することができる。

第２補強層３４を構成する強化繊維としては、第１補強層３０で例示した材料と同様のもの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、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを挙げることができる。

本実施形態では、第１補強層３０を形成する筒部材３１の外壁面３１ｆと、側端部材３２、３３の内壁面３２ｆ、３３ｆが対向するように、各側端部材３２、３３が筒部材３１の両端に接合されている。具体的には、筒部材３１の両端の外壁面３１ｆには、側端部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａを含む部分が入り込むための凹部３１ｃが形成され、側端部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａに当接する段付き部３１ｄが形成されている。筒部材の軸方向Ｘにおいて、各側端部材３２、３３と筒部材３１との重なり代Ｌは、筒部材３１の内径Ｄに対して、５％以上３５％以下の範囲となっている。これらの範囲の理由等については、以下に後述する。なお、図１に示す重なり代Ｌは、その説明上、便宜的に図１に示すものよりも短く描いている。

２．高圧タンク１の製造方法について
次に、本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、接合工程Ｓ２と、第２補強層形成工程Ｓ３と、ライナー形成工程Ｓ４と、含んでいる。

２－１．準備工程Ｓ１
（筒部材・側端部材形成）
筒部材３１の形成と、側端部材３２、３３の形成とは、互いに独立して行うため、並行して行ってもよいし、いずれか一方を先に行ってもよい。まず、以下に筒部材３１の形成方法について説明する。

筒部材３１の形成方法では、図４に示すように、たとえば、円柱状のマンドレル１００の外面に、フィラメントワインディング法により、樹脂が含浸された繊維束Ｆ１をフープ巻きまたは高角度ヘリカル巻きにより巻き付けることによって、筒部材３１を形成する。ここでフープ巻きは、軸方向Ｘに対して、繊維束Ｆ１を傾斜させながら、繊維束Ｆ１の長手方向の縁部が、隙間なくラップするように、巻回することをいう。繊維束Ｆ１を軸方向Ｘに対して、８９°以上で傾斜させることが好ましい。高角度ヘリカル巻きは、繊維束Ｆ１を軸方向Ｘに対して、８０°以上、８８°未満の範囲で傾斜させながら、巻回するものであり、マンドレル１００の両端の間の区間を、繊維束Ｆを往復動させながら、巻回することをいう。マンドレル１００の外径は、側端部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａの最外位置における内周の径に相当する。

この際に、例えば、繊維束Ｆ１を筒部材３１の径方向の巻き数を変更することにより、筒部材３１の両端の外壁面３１ｆに、側端部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａを含む部分が入り込むための凹部３１ｃと段付き部３１ｄを形成してもよい。凹部３１ｃは、筒部材３１の最端部から、軸方向Ｘに長さＬ分だけ内側（筒部材３１の中央側）に形成されており、その凹部３１ｃが形成された部分は、薄肉部３１ｇとなっている。薄肉部３１ｇの厚さは、他の部分（具体的には、筒部材本体３１ｈ）の厚さに対して、薄くなっており、薄肉部３１ｇと筒部材本体３１ｈとの間に段付き部３１ｄが形成されている。

なお、この形状は、一定の厚さの筒部材を形成後、これを削り込んで作製してもよい。しかしながら、本実施形態では、筒部材３１を形成する際の繊維束Ｆの巻回により、この形状の筒部材３１を形成するため、繊維が切断されることがない。したがって、筒部材３１の機械的強度を確保することができる。

この他にも、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１００を周方向に回転させながら、巻出された繊維シートを、マンドレル１００に複数回巻き付けてもよい。この繊維シートは、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１００の周方向に配向されるように、繊維シートをマンドレル１００に巻き付ける。これにより、周方向に強化繊維が配向された筒部材３１が形成される。

次に、側端部材３２、３３の形成方法では、図５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Ｆ２をマンドレル２００の外面に巻回する。具体的には、マンドレル２００は、本体部２０１と、本体部２０１の一端から外側に延在するシャフト部２０２と、を有する。

本体部２０１は、シャフト部２０２の軸方向から見て円形状に形成されている。本体部２０１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２０１ａが形成されている。マンドレル２００の外面は、ライナー２の胴体部２ａを除いてドーム状の側端部２ｂ、２ｃの外壁面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２０１ａが形成されている。シャフト部２０２は、回転機構（図示せず）に回転可能に支持されている。

側端部材３２、３３を形成する際には、まず、マンドレル２００を回転させることにより、マンドレル２００の外面を被覆するように繊維束Ｆ２を巻き付けて、巻回体３５を形成する。このとき、シャフト部２０２の外面にも繊維束Ｆ２を巻き付けることによって、図６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。繊維束Ｆ２を、シャフト部２０２の軸方向に対してたとえば３０～５０°で交差する角度で巻き付ける。なお、マンドレル２００の材質は、特に限定されるものではないが、繊維束Ｆ２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Ｆ２の強化繊維は、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを用いることができ、強化繊維に含浸される樹脂としては、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを挙げることができる。繊維束Ｆ２の樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、熱可塑性樹脂を加熱して軟化させた状態で、マンドレル２００に繊維束Ｆ２を巻き付ける。一方、繊維束Ｆ２の樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、熱硬化性樹脂が未硬化の状態で、マンドレル２００に繊維束Ｆ２を巻き付ける。

次に、マンドレル２００の外面に巻回された巻回体３５を、カッター２１０（図５参照）を用いて２個に分割する。その後、分割した巻回体３５をマンドレル２００から分離することによって一対の側端部材３２、３３を形成する。

具体的には、図５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Ｆ２に含浸された樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、予備硬化または本硬化の条件（加熱温度および加熱時間）で巻回体３５を熱硬化する。一方、巻回体３５の繊維束Ｆ２に含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、軟化した状態の熱可塑性樹脂を冷却し、繊維束Ｆ２の樹脂を固化する。

このように繊維束Ｆ２に含浸された樹脂を熱硬化または固化した状態で、マンドレル２００を回転させながら、カッター２１０の刃先をマンドレル２００の溝部２０１ａに挿入する。これにより、カッター２１０で繊維束Ｆ２が切断され、巻回体を２つに分割することができる。分割された巻回体をマンドレル２００から分離することによって、２つの側端部材３２、３３を形成する。なお、カッター２１０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Ｆ２を切断するものを用いることができる。

繊維束Ｆ２に含浸された樹脂を熱硬化または固化した状態で、カッター２１０により切断するので、切断時の繊維束Ｆ２の変形を抑制することができるとともに、マンドレル２００から取り外す際の２つの側端部材３２、３３の変形を抑制することができる。

また、ここでは、繊維束Ｆ２の樹脂を熱硬化または固化した状態でカッター２１０により切断する例を示したが、繊維束Ｆ２の樹脂を熱硬化または固化することなくカッター２１０により切断してもよい。この場合には、繊維束Ｆ２をカッター２１０により切断した後に熱硬化または固化させてもよい。

なお、ここでは、樹脂が含浸された繊維束Ｆ２をマンドレル２００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Ｆ２をマンドレル２００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もよい。

また、ここでは、マンドレル２００の外面に繊維束Ｆ２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２００の本体部２０１とシャフト部２０２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２００の外面とともに口金の一部を繊維束Ｆ２で巻回してもよい。この場合には、口金の一部が繊維束Ｆ２に覆われて拘束された状態になるので、繊維束Ｆ２よって口金を強固に固定することができる。

２－２．接合工程Ｓ２
接合工程Ｓ２では、図６および図７に示すように、筒部材３１の外壁面３１ｆと、側端部材３２、３３の内壁面３２ｆ、３３ｆが対向するように、各側端部材３２、３３を筒部材３１の両端に接合する。具体的には、側端部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａの端面が段付き部３１ｄ、３１ｄに当接するまで、筒部材３１の両端の外壁面３１ｆに形成された凹部３１ｃに、側端部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａを含む部分を入り込ませる。

これにより、接合工程において、筒部材３１の軸方向Ｘにおいて、各側端部材３２、３３と筒部材３１との重なり代Ｌは、筒部材３１の内径Ｄに対して、５％以上３５％以下の範囲（５％～３５％の範囲）とすることができる。

筒部材３１と側端部材３２、３３とを、例えば接着剤を介して接合してもよい。接着剤は、筒部材３１と側端部材３２、３３とを構成する繊維強化樹脂に含浸された樹脂と同種の接着剤であることが好ましい。この他にも、筒部材３１と側端部材３２、３３を構成する繊維強化樹脂の樹脂が、熱硬化性樹脂である場合、上述した如く、熱硬化性樹脂を予備硬化した状態でこれらを突き合わせ、熱硬化性樹脂を加熱により本硬化させて、これらを接合してもよい。

ここで、筒部材３１と側端部材３２、３３とが軸方向Ｘにおいて、接着剤等で、拘束されていない場合には、筒部材３１と側端部材３２（３３）と間には、軸方向Ｘの摩擦力を有することが好ましく、摩擦係数で、０．２２以上であることが好ましい。このような摩擦力は、これらの材料の選定または表面粗さの調整などにより設定することができる。

さらに、筒部材３１と側端部材３２、３３との重なり部分における隙間が、０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲で形成されていてもよい。これにより、筒部材３１に側端部材３２、３３を簡単に組み付けることができる。

２－３．第２補強層形成工程Ｓ３
第２補強層形成工程Ｓ３において、図８に示すように、第１補強層３０の外面を覆うように第２補強層３４を形成する。

この工程では、第２補強層３４となる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。具体的には、接合工程Ｓ２の後に形成された前記第１補強層３０としたときに、第１補強層３０の両側の側端部材３２、３３の間を渡すように、樹脂が含浸された繊維束Ｆ３を、第１補強層３０にヘリカル巻きで巻回し、第１補強層３０を覆う第２補強層３４を形成する。ここでのヘリカル巻きは、いわゆる低角度ヘリカル巻であり、繊維束Ｆ３を軸方向Ｘに対して、例えば、１０°以上、６０°以下の範囲で傾斜させながら、巻回するものであり、第１補強層３０の両端の間の区間を、繊維束Ｆ３を往復動させながら、巻回することをいう。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。

２－４．ライナー形成工程Ｓ４
次に、ライナー形成工程Ｓ４において、図９に示すように、第１補強層３０の内表面を覆うように、樹脂を塗布することにより、ライナーを形成する。

樹脂を塗布する方法は、第１補強層３０の表面に、ライナー２を形成することができる方法であれば、特に限定されるものではない。たとえば、図９に示すように、第２樹脂層２０の内部空間と外部空間とを連通している貫通穴３２ｃを介して、ノズル３００を挿入し、ノズル３００から樹脂を吐出する。吐出する際、ノズル３００を軸方向Ｘに沿って移動させるとともに、補強層３０を周方向に回転させる。これにより、第１補強層３０の内面全体に樹脂を塗布する。塗布後、貫通穴３２ｃを介して、ノズル３００を内部空間から引き出す。その後、樹脂を乾燥させて、ライナー２を形成することができる。これにより、図１に示す高圧タンク１を製造することができる。

なお、本実施形態では、ライナー２を、塗布により形成したが、たとえば、ライナー２を形成した後、ライナー２に対して、筒部材３１を組み込み、その後、側端部材３２、３３を形成してもよい。

本発明によれば、接合工程Ｓ２において、筒部材３１の外壁面３１ｆと、側端部材３２、３３の内壁面３２ｆ、３３ｆが対向するように、各側端部材３２、３２を筒部材３１の両端に接合した。これにより、内圧発生時に、筒部材３１が径方向に広がろうとする変形を、側端部材３２、３３で受けることができる。

側端部材３２、３３と筒部材３１とを重ね合わせた場合には、締め代や隙間等により、これらの重なり部分の強度が変化する。そこで、各側端部材３２、３３と筒部材３１との重なり代を、筒部材３１の内径に対して、５％以上３５％以下の範囲（比率の範囲）とすることにより、重なり部分である筒部材３１と側端部材３２、３３との強化部分に発生する応力を安定して低減することができるとともに、複数層で構成される補強層３０、３４の応力分布のバラツキも低減することができる。

ここで、上に示した比率が、５％未満であるときには、重なり部分（特に、ドーム状の部分と円状状の部分の境界部分の応力）のせん断応力および曲げ応力に十分耐え得る構造とはならない。一方、上に示した比率が、３５％を超えた場合には、側端部材３２、３３を筒部材３１との幾何学的交差により、筒部材３１に側端部材３２、３３を嵌め込み難い。

さらに、接合工程Ｓ２の後に形成された第１補強層３０の両側の側端部材３２、３３の間を渡すように、樹脂が含浸された繊維束を、第１補強層３０にヘリカル巻きで巻回し、第１補強層３０を覆う第２補強層３４を形成した。これにより、高圧タンク１の内圧発生時に、第２補強層３４により、高圧タンク１の軸方向Ｘに作用する荷重を、第２補強層３４で受けることができる。

ここで発明者は、以下の１５ケースを想定した解析を行った。この解析では、重なり代Ｌの長さ、筒部材と側端部材との摩擦係数、筒部材と側端部材の初期隙間を設定し、高圧タンクの肩部（筒部材と側端部材の境界部分）のひずみ、胴体部のひずみ、肩部のひずみ／胴体部ひずみ、高圧タンク内部の内圧の変化を解析した。この結果を、表１に示す。

これらの解析結果に基づいて、高圧タンクのひずみ比、内圧、および総合評価の変化を、重なり代／内径、摩擦係数、および隙間ごとに、解析した結果を図１０に示す。なお、総合評価は、高圧タンクのひずみ比と内圧を変数とした回帰式により、高圧タンクの特性を示したものであり、１．０に近い方が、高圧タンクの強度特性として良好である。

これらの結果から、各側端部材と筒部材との重なり代は、筒部材の内径に対して、５％以上（より好ましくは、８％以上）であれば、高圧タンクの強度は良好に確保されているといえる。また、側端部材と筒部材との摩擦係数が、０．２２以上であっても、これらが良好に拘束されるため、高圧タンクの強度は良好に確保されているといえる。

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。

１：高圧タンク、２：ライナー、２ａ：胴体部、２ｂ、２ｃ：側端部、５：収容空間、３０：補強層（第１補強層）、３１：筒部材、３２、３３：側端部材

Claims

円筒状の筒部材の両端に、ドーム状の側端部材を接合した、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、
前記製造方法は、前記筒部材の外壁面と、前記側端部材の内壁面が対向するように、前記各側端部材を前記筒部材の両端に接合する工程を有しており、
前記接合する工程では、前記筒部材の軸方向において、前記各側端部材と前記筒部材との重なり代は、前記筒部材の内径に対して、５％以上３５％以下の範囲とすることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
前記接合する工程の後に形成された前記補強層を、前記第１補強層としたときに、前記第１補強層の両側の前記側端部材の間を渡すように、樹脂が含浸された繊維束を、前記第１補強層にヘリカル巻きで巻回し、前記第１補強層を覆う第２補強層をさらに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。