JP2022157430A

JP2022157430A - 高圧タンク及びその製造方法

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Publication number: JP2022157430A
Application number: JP2021061641A
Authority: JP
Inventors: 友輔土山; Yusuke Tsuchiyama; 宏亮辰島; Kosuke Tatsushima
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2041-03-31
Also published as: US20220316655A1; JP7223802B2; CN115143384A

Abstract

【課題】高圧タンクにおいて補強層に用いられる繊維の使用量を削減することで製造コストの削減及び軽量化を図る。【解決手段】高圧タンク１０において、ライナ１２の外表面に含浸繊維が複数回巻回されることで外表面を覆う補強層１４を有し、この補強層１４は、前記含浸繊維の巻き始めである内周側に形成されヘリカル層が積層された内側積層部３８と、前記含浸繊維の巻き終わりである外周側に形成されヘリカル層が積層された外側積層部４０と、前記内側積層部３８と前記外側積層部４０との間に形成され少なくとも１層のフープ層からなる中間積層部４２とを備える。そして、ライナ１２の第１及び第２ドーム部３０、３２において、内側積層部３８と外側積層部４０との間に第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂがそれぞれ設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂製材料から形成されたライナの外周面が補強層で覆われた高圧タンク及びその製造方法に関する。

本出願人は、円筒状に形成され水素ガス等の高圧のガスを内部に充填可能な高圧タンクを提案している（特許文献１参照）。この高圧タンクは、特許文献１に開示されるように、樹脂材から形成され最も内側に設けられたライナと、該ライナの外周側に設けられたＦＲＰ層とから二重構造で構成され、その軸方向に沿った両端部には口金部がそれぞれ設けられている。また、補強層は、樹脂の含浸された強化繊維をライナの外壁に複数回巻回し、且つ、その巻回方向が異なるヘリカル層及びフープ層を積層するように形成した後に加熱して硬化させている。

特開２０２０－０７０９０７号公報

本発明は、前記の提案に関連してなされたものであり、補強層に用いられる繊維の使用量を削減することで製造コストの削減及び軽量化を図ることが可能な高圧タンク及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の態様は、樹脂製材料で形成される中空状のライナと、ライナの外表面に繊維が複数回巻回されることで外表面を覆う補強層とを備え、ライナが、円筒状に形成される胴部と、胴部の軸方向端部に形成される一組の湾曲部とを有した高圧タンクであって、
補強層は、繊維の巻き始めである内周側に形成されヘリカル層が積層された内側積層部と、
繊維の巻き終わりである外周側に形成されヘリカル層が積層された外側積層部と、
内側積層部と外側積層部との間に形成され少なくとも１層のフープ層からなる中間積層部と、
を有し、
内側積層部と外側積層部との間には、中間積層部に対して湾曲部側となる位置にコア材が配置される。

本発明によれば、高圧タンクにおいてライナの外表面に繊維が複数回巻回されることで外表面を覆う補強層を有し、この補強層が、繊維の巻き始めである内周側に形成されヘリカル層が積層された内側積層部と、繊維の巻き終わりである外周側に形成されヘリカル層が積層された外側積層部と、内側積層部と外側積層部との間に形成され少なくとも１層のフープ層からなる中間積層部とから構成されている。そして、内側積層部と外側積層部との間には、中間積層部に対して湾曲部側となる位置にコア材を配置している。

従って、充填された高圧ガスによってライナの内圧が上昇して膨張することで外側へ向けて荷重が付与された際、湾曲部において荷重の負担の少ない中間積層部に相当する部位にコア材を配置することで、内側積層部及び外側積層部による荷重の負担性能を維持しつつ、湾曲部に中間積層部を設けた場合と比較して繊維の使用量を削減することが可能となる。

その結果、内側積層部、外側積層部及び中間積層部の３層からなる補強層を有した高圧タンクにおいて、湾曲部を中間積層部を含めた補強層で覆う場合と比較し、繊維の使用量を削減することで高圧タンクの製造コストを削減することができると同時に軽量化を図ることができる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、高圧タンクの内部に高圧ガスを充填し、この高圧ガスによってライナが膨張して外側へ向けて荷重が付与された際、湾曲部において荷重の負担の少ない中間積層部に相当する部位にコア材を配置することで、内側積層部及び外側積層部による荷重の負担性能を維持しつつ、湾曲部に中間積層部を設けた場合と比較して繊維の使用量を削減することができる。その結果、内側積層部、外側積層部及び中間積層部の３層からなる補強層で湾曲部を覆った場合と比較し、繊維の使用量を削減することで製造コストを削減することができると共に軽量化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る高圧タンクの全体断面図である。図１に示す高圧タンクの口金及び第１ドーム部近傍を示す拡大断面図である。図１の高圧タンクに対して第１コア部材を装着した状態を示す正面図である。図４Ａは、ライナに対して内側積層部及び中間積層部が積層され、分割コアが装着された状態を示す拡大断面図であり、図４Ｂは、図４Ａのライナに対して外側積層部を積層し始めた状態を示す拡大断面図であり、図４Ｃは、図４Ｂのライナに対して外側積層部で第１ドーム部及び第１コア部材を完全に覆った状態を示す拡大断面図である。第１変形例に係る高圧タンクの口金及び第１ドーム部近傍を示す拡大断面図である。第２変形例に係る高圧タンクの口金及び第１ドーム部近傍を示す拡大断面図である。第３変形例に係る高圧タンクの第２ドーム部近傍を示す拡大断面図である。

本発明に係る高圧タンク及びその製造方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

この高圧タンク１０は、例えば、燃料電池車に搭載され、燃料電池システムに供給するための水素ガスを貯留するものとして用いられ、図１及び図２に示されるように、内層としてのライナ１２と、該ライナ１２の外側を覆う外層としての補強層１４と、給排孔１６が形成され該ライナ１２の軸方向一端に連結される口金１８と、前記補強層１４の内部に設けられる第１及び第２コア部材（コア材）２０ａ、２０ｂとを含む。

ライナ１２は、例えば、樹脂製材料から形成された中空体であり、その内部には、水素ガス等の高圧のガスが収容可能に形成される。このライナ１２は、外面（外表面）が補強層１４で覆われる本体部２２と、該本体部２２の軸方向一端に形成され内部に向かって窪んだ凹状部２４と、該凹状部２４から前記本体部２２の外部に向かって突出した筒状部２６とを有している。なお、以下では、高圧タンク１０の内部に水素ガスが充填される場合について説明する。

本体部２２は、略円筒形状をなす中空の円筒部（胴部）２８と、該円筒部２８の軸方向両端に設けられ先端に向けて徐々に径方向内側へ湾曲する第１及び第２ドーム部（湾曲部）３０、３２とを有し、前記円筒部２８は、その内径及び外径が軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って略一定で延在するように形成される。

第１及び第２ドーム部３０、３２は、円筒部２８の軸方向端部からそれぞれ該円筒部２８から離間する方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に向けて徐々に縮径する断面湾曲形状に形成され、前記第１ドーム部３０がライナ１２の軸方向一端側（矢印Ａ方向）に形成され凹状部２４に接続されている。一方、第２ドーム部３２はライナ１２の軸方向他端側（矢印Ｂ方向）に形成される。なお、図１に示す二点鎖線は、第１ドーム部３０と円筒部２８との境界、第２ドーム部３２と前記円筒部２８との境界をそれぞれ示す。

筒状部２６は、凹状部２４の底部からライナ１２の軸方向一端側（矢印Ａ方向）に向けて所定長さだけ突出し、その外周面には雄ねじ部３４が形成されると共に、内部には軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に貫通して本体部２２の内部と連通した貫通孔３６が形成されている。

補強層１４は、例えば、繊維に樹脂基材が含浸された繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなり、樹脂の含浸された強化繊維（以下、含浸繊維という）が図示しないフィラメントワインディング装置によってライナ１２の外周面に対して複数回巻回された後、例えば、加熱によって前記樹脂が硬化することで形成された積層体である。

この補強層１４は、含浸繊維の巻き始めで形成され内周側に設けられる内側積層部３８と、巻き終わりで形成され前記内側積層部３８の外周側となる外側積層部４０と、前記内側積層部３８と前記外側積層部４０の間に介在する中間積層部４２とから構成される。

内側積層部３８及び外側積層部４０は、含浸繊維が低ヘリカル巻きされることで形成された低ヘリカル層の積層体からなる。ヘリカル巻きとは、含浸繊維の延在方向がライナ１２の円筒部２８の軸方向（図１及び図２中、軸線Ｃ）に対して所定の傾斜角度θで傾斜するように巻回する巻き方である。本実施の形態では、上述した低ヘリカル巻きは、傾斜角度θが約４０°以下の場合（θ≦４０°）を指し、前記傾斜角度θが約４０°を超える場合（θ≧４０°）を高ヘリカル巻きとする。

上述したように、内側積層部３８及び外側積層部４０をそれぞれ低ヘリカル巻きの積層体で構成することで、ライナ１２を構成する円筒部２８、第１及び第２ドーム部３０、３２の外周側が含浸繊維で覆われる。また、内側積層部３８及び外側積層部４０は、ライナ１２の軸方向一端側（矢印Ａ方向）において第１ドーム部３０をそれぞれ覆うように設けられ、その軸方向一端同士が口金１８の外周側にそれぞれ接続されると共に、軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に一体的に接続されている。

また、ライナ１２の外周面に対して含浸繊維を高ヘリカル巻きで覆った場合と比較し、前記ライナ１２の露出面積が僅かとなるため、前記第１及び第２ドーム部３０、３２の耐圧強度が確保される。

一方、中間積層部４２は、主に含浸繊維がフープ巻きされることで形成されたフープ層からなる。フープ巻きとは、含浸繊維の延在方向がライナ１２の円筒部２８の軸方向（図１及び図２中、軸線Ｃ）に対して略直交するように巻回する巻き方である。

口金１８は、例えば、金属製材料から形成され、中央に形成され内部に給排孔１６を有した円筒状の口金本体４４と、該口金本体４４に対して略直交するように径方向外側へ拡がるフランジ部４６とを有し、前記口金本体４４には、その中央に軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って一直線状に給排孔１６が貫通している。

給排孔１６は、その先端側（矢印Ａ方向）で開口して図示しない配管等が接続されると共に、ライナ１２側（矢印Ｂ方向）となる基端側内周面に雌ねじを有したねじ穴４８が形成されている。そして、給排孔１６において、ねじ穴４８に対して口金本体４４の先端側には環状溝を介してОリング５０が装着されている。

また、口金本体４４には、給排孔１６と略平行に延在する排出用通路５２が形成され、この排出用通路５２は、給排孔１６に対して外側に形成されフランジ部４６においてライナ１２側（矢印Ｂ方向）の端面に開口した挿入孔５４と連通すると共に、口金本体４４の先端側（矢印Ａ方向）において給排孔１６と連通している。

そして、口金１８は、フランジ部４６が凹状部２４を覆うように収容されると共に、口金本体４４のねじ穴４８に対してライナ１２の筒状部２６が挿入され雄ねじ部３４に対して螺合される。この際、Оリング５０が筒状部２６と口金本体４４との間に保持されシールがなされる。

これにより、ライナ１２における軸方向一端に口金１８が同軸状に装着された状態で、フランジ部４６が前記ライナ１２と共に前記補強層１４で覆われ、前記口金本体４４の先端が前記補強層１４から外部へと露呈するように所定長さだけ突出している。

また、給排孔１６の内部には、例えば、金属製材料から円筒状に形成されたカラー部材５６が設けられる。カラー部材５６の一部がライナ１２における筒状部２６の内部へと挿入されると共に、その端部に形成された鍔部が前記筒状部２６と前記給排孔１６との間に保持されることで同軸状に固定されている。そして、カラー部材５６の内部を通じて給排孔１６とライナ１２の貫通孔３６とが連通する。

第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂは、図１～図４Ｃに示されるように、例えば、多孔質又はハニカム状の金属製材料から形成され、前記第１コア部材２０ａが、第１ドーム部３０において内側積層部３８と外側積層部４０との間に設けられることで、前記内側積層部３８の外面と前記外側積層部４０の内面に対してそれぞれ密着して接着される。一方、第２コア部材２０ｂは、第２ドーム部３２において内側積層部３８と外側積層部４０との間に設けられることで、前記内側積層部３８の外面と前記外側積層部４０の内面に対してそれぞれ密着して接着される。

すなわち、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂは、第１及び第２ドーム部３０、３２においてそれぞれ中間積層部４２の代わりに設けられ、該中間積層部４２と略同一又は若干大きな厚さで形成される。さらに、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂは、図１に示される断面において、その延在方向に沿った略中央部位の径方向厚さが最も厚くなるように形成される。

また、第１コア部材２０ａは、図３に示されるように、ライナ１２の周方向に分割可能な複数の分割コア５８からなり、各分割コア５８を第１ドーム部３０の軸中心に対して外側となるように互いに周方向に接近させて配置することで、前記周方向に互いに当接した環状の第１コア部材２０ａを構成する。また、第１コア部材２０ａは、上述したような周方向に分割自在な構成に限定されるものではなく、前記周方向に一体となった円環状に形成されるものであってもよい。

一方、第２コア部材２０ｂも第１コア部材２０ａと同様に、ライナ１２の周方向に分割可能な複数の分割コア５８を有し、各分割コア５８を第２ドーム部３２の軸中心に対して外側となるように互いに周方向に接近させて配置することで、前記周方向に互いに当接した環状の第２コア部材２０ｂが構成される。また、第２コア部材２０ｂも、第１コア部材２０ａと同様に周方向に分割自在な構成に限定されるものではなく、前記周方向に一体となった円環状に形成されるものであってもよい。

さらに、第１コア部材２０ａは、図１及び図２に示されるように、第１ドーム部３０に巻回された内側積層部３８の外面形状に対応した断面略円弧状に形成されると共に、その軸方向一端が口金１８側へ向けて径方向内側に湾曲し、該口金１８に対して所定距離だけ径方向外側となる位置に配置される。また、第１コア部材２０ａの軸方向一端は、内側積層部３８の軸方向一端と外側積層部４０の軸方向一端とによって囲まれている。

第２コア部材２０ｂは、図１に示されるように、第２ドーム部３２に巻回された内側積層部３８の外面形状に対応した断面略円弧状に形成されると共に、その軸方向他端が径方向内側へ向けて湾曲して第１コア部材２０ａと略同一形状に形成される。これにより、第２コア部材２０ｂの軸方向他端は、内側積層部３８の軸方向一端と外側積層部４０とによって囲まれている。

また、第１コア部材２０ａの軸方向他端が、図１及び図２に示されるように、第１ドーム部３０の軸方向他端より所定距離Ｌ１だけ円筒部２８側（矢印Ｂ方向）となるように配置される。すなわち、第１コア部材２０ａは、その軸方向他端が第１ドーム部３０から円筒部２８側へオーバーラップするように設けられ、中間積層部４２の軸方向一端と連続するように接続されている。

一方、第２コア部材２０ｂは、図１に示されるように、その軸方向一端が第２ドーム部３２の軸方向一端より所定距離Ｌ２だけ円筒部２８側（矢印Ａ方向）となるように配置される。すなわち、第２コア部材２０ｂは、その軸方向一端が第２ドーム部３２から円筒部２８側へオーバーラップするように設けられ、中間積層部４２の軸方向他端と連続するように接続されている。

そして、第１コア部材２０ａの軸方向他端、第２コア部材２０ｂの軸方向一端は、中間積層部４２と略同一厚さとなるように形成され、それぞれの外面が前記中間積層部４２の外面と略同一面となるように接続される。

上述したように第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂを多孔質又はハニカム状の金属製材料から形成することで、その内側及び外側に配置され含浸繊維からなる内側積層部３８と外側積層部４０との界面接着強度を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る高圧タンク１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に前記高圧タンク１０をフィラメントワインディング装置（図示せず）によって製造する場合について図４Ａ～図４Ｃを参照しながら説明する。なお、フィラメントワインディング装置は公知のものであるため、その詳細な説明については省略する。

先ず、図１及び図４Ａに示されるように、口金１８が軸方向一端の凹状部２４に装着されたライナ１２の外周面に対し、含侵繊維を軸方向他端から軸方向一端側（矢印Ａ方向）へ向けて複数回巻回することで内側積層部３８をライナ１２における円筒部２８、第１及び第２ドーム部３０、３２の全体を覆うように所定厚さで形成する（第１積層工程）。この際、内側積層部３８は、ライナ１２に対して含浸繊維を低ヘリカル巻きで巻回することで低ヘリカル層（第１のヘリカル層）を形成する。

次に、ライナ１２の外周面を覆う内側積層部３８の外周面に対し、円筒部２８の外周側となる範囲で軸方向他端から軸方向一端側（矢印Ａ方向）へ向けて含侵繊維を複数回巻回することで、前記円筒部２８を覆うように中間積層部４２を所定厚さで形成する。また、中間積層部４２は、円筒部２８の軸方向に沿って軸方向他端から軸方向一端まで形成され第１及び第２ドーム部３０、３２には形成されることがないため、前記第１及び第２ドーム部３０、３２が内側積層部３８のみによって覆われた状態となる。この中間積層部４２は、ライナ１２の軸線に対して略直交するようにフープ巻きで含浸繊維を巻回することで形成される少なくとも１層のフープ層からなる。

そして、図４Ａに示されるように、内側積層部３８によって覆われた第１ドーム部３０の外周面に対し、前記内側積層部３８の外側となるように第１コア部材２０ａを構成する３つの分割コア５８を装着すると共に、前記内側積層部３８によって覆われた第２ドーム部３２の外周面に対し、前記内側積層部３８の外側となるように第２コア部材２０ｂを構成する３つの分割コア５８を装着する（配置工程）。なお、第１コア部材２０ａは、周方向に分割自在な構成に限定されるものではなく、周方向に一体となった円環状形状であってもよい。

詳細には、図２及び３に示されるように、各分割コア５８の凹状に窪んだ内面を内側積層部３８側とした状態とし、前記分割コア５８を前記内側積層部３８（第１ドーム部３０）の外周側から互いに接近させるように径方向内側へと移動させ、径方向に延在する分割壁６０同士を互いに当接させることで環状の第１コア部材２０ａを構成すると共に、内側積層部３８の外周面に内面を密着させる。また、第２コア部材２０ｂも同様に、各分割コア５８の分割壁６０同士を当接させ、且つ、内側積層部３８の外周面に内面を密着させた状態とする。

これにより、３つの分割コア５８からなる第１コア部材２０ａは、その軸方向一端が内側積層部３８及びライナ１２の軸方向一端に沿って口金１８の径方向外側に所定距離だけ離間した位置に配置されると共に、該分割コア５８の軸方向他端が、中間積層部４２の軸方向一端に連続するように密着した状態で接続される。一方、第２コア部材２０ｂは、その軸方向他端が内側積層部３８及びライナ１２の軸方向他端に沿って第２ドーム部３２の軸中心から径方向外側に所定距離だけ離間した位置に配置されると共に、該分割コア５８の軸方向一端が、中間積層部４２の軸方向他端に連続するように密着した状態で接続される。

その結果、分割コア５８からなる第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂは、図１及び図４Ａに示されるように、第１及び第２ドーム部３０、３２において内側積層部３８の外側をそれぞれ完全に覆うと共に、中間積層部４２の外周面と略同一面となるように接続された状態となる。このように、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂをそれぞれ複数の分割コア５８から分割構造としておくことで、図示しないフィラメントワインディング装置にライナ１２が取り付けられた状態であっても、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂを容易且つ確実に装着することができる。

次に、図１及び図４Ｂに示されるように、中間積層部４２、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂの外周側を覆うようにライナ１２の軸方向他端から軸方向一端側（矢印Ａ方向）へ向けて含浸繊維を複数回巻回していくことで、前記中間積層部４２、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂの外周側を覆う外側積層部４０が形成される（第２積層工程）。換言すれば、外側積層部４０は、内側積層部３８及び中間積層部４２の積層された円筒部２８の外周側に巻回されると共に、前記内側積層部３８、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂの外周側に巻回されることで積層される。

また、外側積層部４０は、ライナ１２に対して含浸繊維を低ヘリカル巻きで巻回することで低ヘリカル層（第２のヘリカル層）を形成する。なお、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂをライナ１２の第１及び第２ドーム部３０、３２における所定の位置に強固に固定するために、前記第１及び第２ドーム部３０、３２と円筒部２８との境界付近を覆うように高ヘリカル巻きで積層するようにしてもよい。

そして、図１、図２及び図４Ｃに示されるように、上述したように内側積層部３８、中間積層部４２、外側積層部４０がライナ１２の外周面に積層され、且つ、第１ドーム部３０における内側積層部３８と外側積層部４０との間に第１コア部材２０ａが収容されると共に、第２ドーム部３２における内側積層部３８と外側積層部４０との間に第２コア部材２０ｂが収容された状態で、前記ライナ１２を含む高圧タンク１０を加熱することで含浸繊維の樹脂が硬化して前記ライナ１２の外周側が複数層の補強層１４で覆われた高圧タンク１０の製造が完了する。

次に、上述した高圧タンク１０の動作について簡単に説明する。

先ず、高圧タンク１０の内部に水素ガスを貯留する場合には、口金１８の給排孔１６に対して図示しない配管等を通じて前記水素ガスを供給し、前記給排孔１６及びカラー部材５６を通過してライナ１２の中空内部へと導入させることで充填していく。

この際、ライナ１２の内部に導入された水素ガスによって内圧が上昇していき、それに伴って該ライナ１２が外側へと若干膨張し、その本体部２２（円筒部２８、第１及び第２ドーム部３０、３２）が外側へと変形することで補強層１４が外側へと押圧される。

この本体部２２が補強層１４側へと変形する際、円筒部２８にはライナ１２の軸方向と直交する径方向外側へ荷重が付与され、一方、第１及び第２ドーム部３０、３２には、中空内部から外側へ向けて拡がろうとする荷重が付与されることとなる。この際、ライナ１２から補強層１４へと付与される荷重は、主として前記ライナ１２の外周側で最も近くに設けられた内側積層部３８の繊維方向で負担され、一方、外側積層部４０及び中間積層部４２の繊維方向の荷重負担は、前記内側積層部３８に比べて少ない。

また、第１ドーム部３０には、口金１８が軸方向に変位しようとする作用から曲げモーメントが働き、主として前記ライナ１２の外周側で最も近くに設けられた内側積層部３８と、最も外側に設けられた外側積層部４０とによって荷重を負担することとなる。

さらに、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂが、多孔質又はハニカム状の金属製材料から形成されているため、その内側及び外側に配置され含浸繊維からなる内側積層部３８と外側積層部４０との界面接着強度を向上させることで、高圧タンク１０への水素ガスの充填時において内側積層部３８及び外側積層部４０に加えて第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂでも第１及び第２ドーム部３０、３２に付与される荷重をそれぞれ負担することが可能となる。

なお、上述した高圧タンク１０への水素ガスの充填時において、第１及び第２ドーム部３０、３２にそれぞれ付与される荷重を第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂで負担しなくてもよい場合には、前記第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂを、多孔質又はハニカム状の金属製材料から形成することなく、例えば、高分子発泡体や不織布等によって形成するようにしてもよい。

次に、高圧タンク１０内に貯留された水素ガスを給排孔１６を通じて外部へと排出する場合には、前記水素ガスが、ライナ１２の中空内部からカラー部材５６及び給排孔１６を通過して外部へと排出され、これに伴って前記ライナ１２の内圧が下降することで若干収縮する。

以上のように、本実施の形態では、樹脂製材料から中空状に形成されたライナ１２と、該ライナ１２の外表面に含浸繊維が複数回巻回されることで前記外表面を覆う補強層１４とを備え、前記ライナ１２は、円筒状に形成される円筒部２８と、該円筒部２８の軸方向両端にそれぞれ形成される第１及び第２ドーム部３０、３２とを有している。この補強層１４は、含浸繊維の巻き始めである内周側に形成されヘリカル層が積層された内側積層部３８と、前記含浸繊維の巻き終わりである外周側に形成されヘリカル層が積層された外側積層部４０と、前記内側積層部３８と前記外側積層部４０との間に形成され少なくとも１層のフープ層からなる中間積層部４２とから構成されている。そして、第１及び第２ドーム部３０、３２において、内側積層部３８と外側積層部４０との間に第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂをそれぞれ設けている。

従って、含浸繊維からなる補強層１４でライナ１２の外周面が覆われる高圧タンク１０において、内部に充填された水素ガスによってライナ１２の内圧が上昇して膨張して外側へ向けて荷重が付与された際、第１及び第２ドーム部３０、３２において前記荷重の負担の少ない中間積層部４２に相当する部位に第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂを配置することで、内側積層部３８及び外側積層部４０によって前記荷重の負担性能を維持しつつ、中間積層部４２を設けた場合と比較して含浸繊維の使用量を削減することが可能となる。

その結果、内側積層部３８、外側積層部４０及び中間積層部４２の３層でライナ１２の第１及び第２ドーム部３０、３２を覆った場合と比較して、前記第１及び第２ドーム部３０、３２における含浸繊維の使用量を削減することで、含浸繊維に関する高圧タンク１０の製造コストを削減することができると同時に軽量化を図ることができる。

また、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂを、第１及び第２ドーム部３０、３２における内側積層部３８に沿うように設けて中間積層部４２の軸方向一端及び軸方向他端に連続するようにそれぞれ設けることで、前記第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂの外面と前記中間積層部４２の外面とが段差のない連続した面で接続することができる。そのため、第１及び第２コア部材２０ａ、２０ｂ及び中間積層部４２の外周側に含浸繊維を巻回して外側積層部４０を形成する際、上述した段差に起因した前記含浸繊維の蛇行を抑制することができる。その結果、含浸繊維が巻回時に蛇行してしまった際に懸念される補強層１４の強度低下を防止することが可能となり、所望の強度を有した補強層１４でライナ１２の外周面を覆うことができる。

また、図５に示される第１変形例に係る高圧タンク７０のように、ライナ１２の第１ドーム部３０の外周側において、その軸方向一端が口金１８の外周側まで延在した第１コア部材（コア材）７２を設けるようにしてもよい。この第１コア部材７２の軸方向一端は、内側積層部７４の軸方向一端と外側積層部７６の軸方向一端との間において軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に積層されている。上述した高圧タンク７０において、このような第１コア部材７２を用いることで、補強層１４の軸方向一端側における内側積層部７４及び外側積層部７６の含浸繊維の使用量を、高圧タンク１０と比較してさらに削減することができるため、前記高圧タンク１０に対してより一層の軽量化と製造コストの削減を実現することが可能となる。

さらに、図６に示される第２変形例に係る高圧タンク８０のように、第１コア部材（コア材）８２の内部に内側積層部３８と外側積層部４０とを繋ぐ複数の支柱（接続部材）８４を設けるようにしてもよい。この第１コア部材８２では、例えば、繊維や樹脂製材料からなる複数の支柱８４が、内側積層部３８及び外側積層部４０の板厚方向に延在し、その一端が内側積層部３８の外周面に当接すると共に、他端が外側積層部４０の内周面に当接することで、前記内側積層部３８と前記外側積層部４０とを支持している。

また、複数の支柱８４は、内側積層部３８及び外側積層部４０に沿うように軸方向に等間隔離間するように配置されると共に、第１コア部材８２の周方向に沿って互いに離間するように配置されている。

そして、上述した高圧タンク８０の内部に水素ガスを充填する場合、ライナ１２の第１ドーム部３０から内側積層部３８へと付与された外側（板厚方向）へ向かう荷重が、複数の支柱８４を介して外側積層部４０へと好適に伝達されるため、第１コア部材８２の荷重負担を低減することができ、例えば、高分子発泡体や不織布等によって形成することで、より一層の軽量化と製造コストの削減を図ることができる。また、上述した支柱８４を有するコア部材が、第１コア部材８２として第１ドーム部３０に設けられる場合に限定されるものではなく、第２ドーム部３２に装着される第２コア部材２０ｂに設けられていてもよい。

さらに、図７に示される第３変形例に係る高圧タンク９０のように、第２コア部材（コア材）９２を、３つの分割コア５８が径方向内側で互いに当接するように設けることで第２ドーム部３２の全体を覆うように構成してもよい。このような構成とすることで、上述した高圧タンク１０、７０、８０と比較し、第２ドーム部３２を覆う補強層１４に用いられる含浸繊維の使用量をより一層削減することができるため、さらなる高圧タンク９０の軽量化を図ることができると同時に、製造コストのさらなる削減を実現することが可能となる。

また、上述した構成は、高圧タンク１０、７０、８０、９０のように、ライナ１２の軸方向一端のみに口金１８が連結された片端口金構造に適用される場合に限定されるものではなく、前記ライナ１２の軸方向一端及び他端にそれぞれ前記口金１８が連結された両端口金構造を有した高圧タンクに第１コア部材２０ａ、７２、８２及び第２コア部材２０ｂ、９２を適用するようにしてもよい。

なお、本発明に係る高圧タンク及びその製造方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０、７０、８０、９０…高圧タンク１２…ライナ
１４…補強層２０ａ、７２、８２…第１コア部材
２０ｂ、９２…第２コア部材３０…第１ドーム部
３８、７４…内側積層部４０、７６…外側積層部
４２…中間積層部５８…分割コア
８４…支柱

内側積層部３８及び外側積層部４０は、含浸繊維が低ヘリカル巻きされることで形成された低ヘリカル層の積層体からなる。ヘリカル巻きとは、含浸繊維の延在方向がライナ１２の円筒部２８の軸方向（図１及び図２中、軸線Ｃ）に対して所定の傾斜角度θで傾斜するように巻回する巻き方である。本実施の形態では、上述した低ヘリカル巻きは、傾斜角度θが約４０°以下の場合（θ≦４０°）を指し、前記傾斜角度θが約４０°を超える場合（θ＞４０°）を高ヘリカル巻きとする。

先ず、図１及び図４Ａに示されるように、口金１８が軸方向一端の凹状部２４に装着されたライナ１２の外周面に対し、含浸繊維を軸方向他端から軸方向一端側（矢印Ａ方向）へ向けて複数回巻回することで内側積層部３８をライナ１２における円筒部２８、第１及び第２ドーム部３０、３２の全体を覆うように所定厚さで形成する（第１積層工程）。この際、内側積層部３８は、ライナ１２に対して含浸繊維を低ヘリカル巻きで巻回することで低ヘリカル層（第１のヘリカル層）を形成する。

次に、ライナ１２の外周面を覆う内側積層部３８の外周面に対し、円筒部２８の外周側となる範囲で軸方向他端から軸方向一端側（矢印Ａ方向）へ向けて含浸繊維を複数回巻回することで、前記円筒部２８を覆うように中間積層部４２を所定厚さで形成する。また、中間積層部４２は、円筒部２８の軸方向に沿って軸方向他端から軸方向一端まで形成され第１及び第２ドーム部３０、３２には形成されることがないため、前記第１及び第２ドーム部３０、３２が内側積層部３８のみによって覆われた状態となる。この中間積層部４２は、ライナ１２の軸線に対して略直交するようにフープ巻きで含浸繊維を巻回することで形成される少なくとも１層のフープ層からなる。

詳細には、図２及び図３に示されるように、各分割コア５８の凹状に窪んだ内面を内側積層部３８側とした状態とし、前記分割コア５８を前記内側積層部３８（第１ドーム部３０）の外周側から互いに接近させるように径方向内側へと移動させ、径方向に延在する分割壁６０同士を互いに当接させることで環状の第１コア部材２０ａを構成すると共に、内側積層部３８の外周面に内面を密着させる。また、第２コア部材２０ｂも同様に、各分割コア５８の分割壁６０同士を当接させ、且つ、内側積層部３８の外周面に内面を密着させた状態とする。

Claims

樹脂製材料で形成される中空状のライナと、該ライナの外表面に繊維が複数回巻回されることで前記外表面を覆う補強層とを備え、前記ライナが、円筒状に形成される胴部と、該胴部の軸方向端部に形成される一組の湾曲部とを有した高圧タンクであって、
前記補強層は、前記繊維の巻き始めである内周側に形成されヘリカル層が積層された内側積層部と、
前記繊維の巻き終わりである外周側に形成されヘリカル層が積層された外側積層部と、
前記内側積層部と前記外側積層部との間に形成され少なくとも１層のフープ層からなる中間積層部と、
を有し、
前記内側積層部と前記外側積層部との間には、前記中間積層部に対して前記湾曲部側となる位置にコア材が配置される、高圧タンク。
請求項１の高圧タンクであって、
前記コア材は、前記内側積層部に沿って前記中間積層部に連続するように設けられる、高圧タンク。
請求項１又は２記載の高圧タンクであって、
前記コア材は、前記ライナの軸方向から見て断面円形状の略円筒形状に形成される、高圧タンク。
請求項１又は２記載の高圧タンクであって、
前記内側積層部及び前記外側積層部は略同一の層数で形成される、高圧タンク。
請求項１又は３記載の高圧タンクであって、
前記コア材には、前記内側積層部と前記外側積層部とを接続する接続部材が設けられる、高圧タンク。
樹脂製材料で形成される中空状のライナと、該ライナの外表面に繊維が複数回巻回されることで前記外表面を覆う補強層とを備え、前記ライナが、円筒状に形成される胴部と、該胴部の軸方向端部に形成される湾曲部とを有した高圧タンクの製造方法であって、
前記ライナに対する前記繊維を巻き始めである内周側に第１のヘリカル層を積層して内側積層部を形成する第１積層工程と、
前記内側積層部の外表面にコア材を配置する配置工程と、
前記コア材の外表面に第２のヘリカル層を積層して外側積層部を形成する第２積層工程と、
を有する高圧タンクの製造方法。
請求項６に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記配置工程では、前記ライナの周方向に分割された複数の前記コア材を装着する、高圧タンクの製造方法。