JP2023032013A - タンクおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】樹脂注入時の繊維のズレを防止し、強度低下を抑制することのできるタンクおよびその製造方法を提供する。【解決手段】ライナー１２の外表面に繊維１６をヘリカル状に巻き付けることで構成されたヘリカル層１７Ａの最外層に、繊維１６を互い違いに編まれるように且つヘリカル層１７Ａよりも繊維間隔が大きくなるように巻き付けることで構成されたブレーディング層１７Ｅを重ねて構成された繊維層１７に、樹脂１８を含浸させて構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維によって補強（強化）されたタンクおよびその製造方法に関するものである。
特許文献１は、ＦＲＰ製タンク（以下、高圧タンクとも称する）の製造方法を開示している。この製造方法では、ライナーに繊維を巻き付けて被覆する被覆工程を実行した後、繊維に樹脂を含浸させる含浸工程を行い、その後、樹脂を含浸させた繊維を加熱することによって、樹脂を硬化させる。
また、特許文献２は、かかるＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法を利用して製造した高圧タンク（圧力容器）を開示している。この高圧タンク（圧力容器）は、円筒状の直胴部と該直胴部の両端に一体に形成された半球状の半球部を含むドーム部とを有する容器本体と、一方の前記ドーム部の外周面に強化繊維が互い違いに編まれるように巻き付けられることで構成された第１補強部と、前記直胴部の外周面に前記第１補強部から連続して前記強化繊維がヘリカル状に巻き付けられることで構成された第２補強部と、他方の前記ドーム部の外周面に前記第２補強部から連続して前記強化繊維が互い違いに編まれるように巻き付けられることで構成された第３補強部と、を備える。
特開２０２０－０８５１９９号公報 特開２０２０－０２６８１７号公報
上記ＲＴＭ法を利用した製造方法では、高圧タンクの製造時に、繊維巻き付け工程と樹脂含浸工程とを分けて行う。しかし、樹脂を注入する際に直胴部の繊維がズレて、強度が低下するおそれがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、樹脂注入時の繊維のズレを防止し、強度低下を抑制することのできるタンクおよびその製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明の一態様は、筒状の直胴部と、該直胴部の軸方向の端部から該直胴部とは反対側に向かうに従って徐々に窄まるドーム部とを有する中空のライナーの外表面に、繊維を径方向に重ねて巻き付けて成る繊維層に、樹脂を含浸して成る補強層が形成されたタンクであって、前記ライナーの外表面に前記繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで構成されたヘリカル層またはフープ層の最外層に、前記繊維を互い違いに編まれるように且つ前記ヘリカル層または前記フープ層よりも繊維間隔が大きくなるように巻き付けることで構成されたブレーディング層を重ねて構成された前記繊維層に、前記樹脂を含浸させて構成されていることを特徴とする。
好ましい態様では、前記ドーム部の外表面に前記繊維を互い違いに編まれるように巻き付けることで構成された第１ブレーディング層と、前記直胴部の外表面に前記第１ブレーディング層から連続して前記繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで構成されたヘリカル層またはフープ層と、前記ヘリカル層または前記フープ層の最外層に、前記第１ブレーディング層から連続して前記繊維を互い違いに編まれるように且つ前記ヘリカル層または前記フープ層よりも繊維間隔が大きくなるように巻き付けることで構成された第２ブレーディング層とで構成された前記繊維層に、前記樹脂を含浸させて構成されている。
また、本発明の他の態様は、筒状の直胴部と、該直胴部の軸方向の端部から該直胴部とは反対側に向かうに従って徐々に窄まるドーム部とを有する中空のライナーの外表面に、繊維を径方向に重ねて巻き付けて成る繊維層に、樹脂を含浸して成る補強層が形成されたタンクの製造方法であって、前記ライナーの外表面に前記繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで構成されたヘリカル層またはフープ層の最外層に、前記繊維を互い違いに編まれるように且つ前記ヘリカル層または前記フープ層よりも繊維間隔が大きくなるように巻き付けることで構成されたブレーディング層を重ねて前記繊維層を形成する工程と、前記ヘリカル層または前記フープ層の最外層に前記ブレーディング層を重ねて構成された前記繊維層に、前記樹脂を含浸させる工程と、を含むことを特徴とする。
好ましい態様では、前記ドーム部の外表面に前記繊維を互い違いに編まれるように巻き付けることで構成された第１ブレーディング層と、前記直胴部の外表面に前記第１ブレーディング層から連続して前記繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで構成されたヘリカル層またはフープ層と、前記ヘリカル層または前記フープ層の最外層に、前記第１ブレーディング層から連続して前記繊維を互い違いに編まれるように且つ前記ヘリカル層または前記フープ層よりも繊維間隔が大きくなるように巻き付けることで構成された第２ブレーディング層とで前記繊維層を形成する工程と、前記第１ブレーディング層と前記ヘリカル層または前記フープ層と前記第２ブレーディング層とで構成された前記繊維層に、前記樹脂を含浸させる工程と、を含むことを特徴とする。
好ましい態様では、前記ブレーディング層を構成する前記繊維の一部もしくは全部として、繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたトウプリプレグを使用する。
別の好ましい態様では、前記樹脂は熱硬化性樹脂で構成され、前記熱可塑性樹脂の溶融温度は、前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下である。
別の好ましい態様では、前記熱可塑性樹脂は、前記樹脂と相溶性がある熱可塑性樹脂で構成される。
別の好ましい態様では、前記熱可塑性樹脂は、前記樹脂と同種の熱可塑性樹脂で構成される。
本発明の一態様によれば、位置に応じて繊維の巻き方を変更することで、樹脂注入時の繊維のズレを防止し、強度低下を抑制することが可能となる。
本実施形態に係る高圧タンク（繊維が巻回されたライナー）を模式的に示す側面図である。 本実施形態に係る高圧タンク（繊維が巻回されたライナー）の構造を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る高圧タンクを構成するライナーへ繊維を巻き付ける製造装置（編組機）を示す模式図である。 本実施形態に係る高圧タンクのドーム部へ巻き付けるときの繊維の繰り出し位置を示す模式図である。 本実施形態に係る高圧タンクの直胴部へ巻き付けるときの繊維の繰り出し位置を示す模式図である。 本実施形態に係る高圧タンクの製造装置（樹脂含浸成形用金型）の、プリフォーム配置工程および真空脱気工程の状態を示す縦断面図である。 本実施形態に係る高圧タンクの製造装置（樹脂含浸成形用金型）の、樹脂注入工程の状態を示す縦断面図である。 本実施形態に係る高圧タンク（繊維が巻回されたライナー）の他例を模式的に示す側面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
以下では、タンクの一例としての燃料電池車用高圧タンクを例に挙げて説明する。但し、本発明の適用対象となるタンクは、燃料電池車用高圧タンクに限定されるものではなく、タンクを構成するライナーないしプリフォームの形状、素材等も図示例に限られない。
ＲＴＭ法においては、ライナーに炭素繊維を幾重（幾層）にも巻き付ける（巻回する）ことによってライナーの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを作成し、プリフォームの繊維層にエポキシ樹脂を含浸させて硬化させることによって、ライナーの外周に炭素繊維とエポキシ樹脂を含む繊維強化樹脂層が形成された燃料電池車用高圧タンクが製造される。ライナーは、高圧タンクの内部空間を形成する樹脂製（例えばナイロン樹脂製）の中空容器である。
燃料電池車用高圧タンクは、厚肉積層の（炭素繊維を厚肉に巻いた）大型タンクに、エポキシ樹脂を高速、高圧をかけて充填、含浸させる必要があるが、そのため、繊維ズレ等が発生する。特に、ライナーの直胴部は、炭素繊維による補強効果が必要になるが（特許文献２参照）、そのため、炭素繊維を密に（隙間なく）巻回する必要があるため、ＲＴＭ樹脂含浸時に、繊維がズレて、性能低下、品質不良が発生しやすい。
そこで、本実施形態は、以下の構成が採用されている。
（高圧タンクの構成）
まず、本発明の実施形態に係る高圧タンク１０の構造について、図面を基に詳細に説明する。図１、図２はそれぞれ、本実施形態に係る高圧タンク１０（繊維が巻回されたライナー）を模式的に示す側面図、断面図である。なお、図１の右半分は、最外層（外表面）のブレーディング層を取り除いた状態を示している。なお、説明の便宜上、各図において適宜示す矢印Ｄを高圧タンク１０の軸方向、矢印Ｒを高圧タンク１０の径方向とする。また、高圧タンク１０の中心軸ＣＬの軸方向で、高圧タンク１０（ライナー１２）の中心から離れる側を「軸方向端部側」とする。また、それとは逆に高圧タンク１０（ライナー１２）の中心へ近づく側を「軸方向中央部側」とする。また、本実施形態に係る高圧タンク１０は、その内部に、例えば燃料としての水素が充填されるようになっており、燃料電池車（図示省略）等に搭載されるようになっている。
図１、図２に示されるように、高圧タンク１０は、容器本体としてのライナー１２を有している。ライナー１２は、一例として、ガスバリア性に優れ、かつ寸法安定性に優れる液晶樹脂材でブロー成形されており、円筒状の直胴部１２Ａと、直胴部１２Ａの両端（端部開口）に一体に形成された概略半球状のドーム部１２Ｂと、を有している。より具体的に説明すると、このライナー１２は、その長手方向（軸方向）の中間部において内径及び外径が一定とされた円筒状の直胴部１２Ａと、その長手方向（軸方向）の両側部分を構成し、直胴部１２Ａとは反対側（軸方向端部側）に向かうに従って徐々に窄まる（縮径する）ドーム部１２Ｂと、を有している。
また、ドーム部１２Ｂは、その軸心部にライナー１２における中心軸ＣＬの軸方向端部側（外側）へ突出する円筒部１２Ｃを含んでいる。円筒部１２Ｃは、直胴部１２Ａよりも内径及び外径が、小径かつ略一定とされている。
そして、高圧タンク１０は、ライナー１２の直胴部１２Ａの外周面とドーム部１２Ｂの外周面とに、所定の幅を有するテープ状の繊維（繊維束ともいう）１６が層状に巻き付けられて構成されている。繊維１６は、ガラス繊維、炭素繊維又はアラミド繊維等を含む繊維強化樹脂（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）製とされており、ライナー１２の外周面（外表面）に補強層としての繊維強化樹脂層（ＦＲＰ層）を形成するようになっている。
具体的に説明すると、ドーム部１２Ｂの外周面（外表面）には、繊維１６が互い違いに編まれるように巻き付けられるようになっており（以下「ブレーディング巻き」という場合がある）、そのブレーディング巻きされた繊維１６によって第１繊維層としてのブレーディング層１７Ｂが形成される。そして、このブレーディング層（第１繊維層）１７Ｂに熱硬化性樹脂１８（図７）が含浸・硬化することによって補強層が形成されるようになっている。
一方、直胴部１２Ａの外周面（外表面）には、繊維１６がヘリカル状に巻き付けられるようになっており（以下「ヘリカル巻き」という場合がある）、そのヘリカル巻きされた繊維１６によって第２繊維層としてのヘリカル層１７Ａが形成される。そして、このヘリカル層（第２繊維層）１７Ａに熱硬化性樹脂１８（図７）が含浸・硬化することによって補強層が形成されるようになっている。
ヘリカル巻きとは、繊維１６を、ライナー１２の中心軸ＣＬに対して所定の巻付角度＋θで直胴部１２Ａの外周面全体に巻き付けた後、更にライナー１２の中心軸ＣＬに対して所定の巻付角度－θで、その上から（角度＋θで巻き付けられた繊維１６の上に交差して）巻き付けることを指す。つまり、ヘリカル層（第２繊維層）１７Ａは、直胴部１２Ａの外周面に繊維１６が所定の巻付角度＋θ及び巻付角度－θで少なくとも２層は巻き付けられることで構成されている。なお、直胴部１２Ａの内圧及び繊維（束）１６の繊維本数等に起因するが、繊維（束）１６は、実際には例えば数層～数十層程度（径方向に重ねてもしくは積層させて）巻き付けられる。
ブレーディング巻きとは、上記したように、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付けることであり、ここではライナー１２の中心軸ＣＬに対して所定の巻付角度＋θ及び巻付角度－θでドーム部１２Ｂの外周面全体に巻き付けることを指す。
つまり、ここではブレーディング巻きもヘリカル巻きも同じ巻付角度θで巻き付けられるようになっており、その巻付角度θは、公差を含め、θ＝５４．７度±１０度の範囲内、好ましくはθ＝５４．７度±５度の範囲内、更に好ましくはθ＝５４．７度±１度の範囲内となっている。
この巻付角度θは、所定の内圧が作用しているときの直胴部１２Ａにおける応力（軸方向の応力及び周方向の応力）から導出される角度であり、軸方向の応力に対して周方向の応力が２倍であることに起因する角度である。すなわち、詳細な計算式は省略するが、ネッティング理論（Netting theory）により、応力に応じた巻付角度θを計算したとき、ｔａｎ２θ＝２となることから、θ＝５４．７度（平衡角）が導出されるようになっている。
ここで、ドーム部１２Ｂは、直胴部１２Ａに比べて、内圧が作用しているときの応力が小さいため、直胴部１２Ａに比べて、補強する度合いが小さくて済む。したがって、基本構造として、ドーム部１２Ｂでは、ヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）に比べて繊維間隔が大きく繊維（密度）が粗で低強度となるブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）とされ、直胴部１２Ａでは、ブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）に比べて繊維間隔が小さく繊維（密度）が密で高強度となるヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）とされている（図１の右半分参照）。
なお、詳細な構造説明は省略するが、ドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）から直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）への切り替え、逆に直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）からドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）への切り替えは、ライナー１２における中心軸ＣＬの軸方向と直交する方向から見て、直胴部１２Ａとドーム部１２Ｂとの境界部近傍の軸方向で所定の長さの領域内で行われるようになっている。
また、図示は省略するが、一例として、一方の円筒部１２Ｃには、封止プラグが嵌合され、他方の円筒部１２Ｃには、口金プラグが嵌合されるようになっており、その口金プラグには、バルブが装着されるようになっている。
また、図３に示されるように、繊維１６は、公知の製造装置（編組機ともいう）４０により、ライナー１２の外周面に巻き付けられるようになっている。製造装置４０は、図４、図５に示されるように、円周上に２列で配置された複数のボビン４２、４４を有しており、各列の複数のボビン４２、４４から繰り出される繊維１６が、中心軸ＣＬの軸方向（図３における左方向）へ移動するライナー１２の一方のドーム部１２Ｂの外周面、直胴部１２Ａの外周面、他方のドーム部１２Ｂの外周面に順に巻き付けられていくようになっている。
なお、一方及び他方のドーム部１２Ｂに繊維１６をブレーディング巻きする際には、図４に示されるように、実線で結ばれている複数のボビン４２と仮想線で結ばれている複数のボビン４４とが周方向に、かつ径方向内側と径方向外側に交互になるように配置される。そして、実線で結ばれている複数のボビン４２と仮想線で結ばれている複数のボビン４４とが互いに逆方向に移動しながら、それらの各ボビン４２、４４が径方向内側から径方向外側及び径方向外側から径方向内側へ順次入れ替わるように、製造装置４０が駆動される。
また、直胴部１２Ａに繊維１６をヘリカル巻きする際には、図５に示されるように、実線で結ばれている複数のボビン４２と仮想線で結ばれている複数のボビン４４とが周方向に、かつ径方向外側と径方向内側に配置される。そして、実線で結ばれている複数のボビン４２と仮想線で結ばれている複数のボビン４４とが互いに逆方向に移動するように、製造装置４０が駆動される。
上記のように、本実施形態は、基本構造として、ドーム部１２Ｂでは、繊維間隔が大きく繊維（密度）が粗で低強度となるブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）とされ、直胴部１２Ａでは、繊維間隔が小さく繊維（密度）が密で高強度となるヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）とされているが（図１の右半分参照）、樹脂注入時の繊維１６（特に直胴部１２Ａにおけるヘリカル層１７Ａの繊維１６）のズレを防止すべく、以下の構成が付加されている。
すなわち、図１、図２に示されるように、ヘリカル層１７Ａ（例えば数層～数十層程度で構成）の最外層に、ブレーディング層１７Ｂから連続して繊維１６を互い違いに編まれるように巻き付けることでブレーディング層１７Ｅを形成している。
具体的に説明すると、ドーム部１２Ｂの外周面（外表面）におけるブレーディング層１７Ｂの最外層において、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付けた後（ブレーディング巻きした後）、そこから連続して（換言すると、ブレーディング巻きからヘリカル巻きへの切り替えを行うことなく）直胴部１２Ａの外周面（外表面）におけるヘリカル層１７Ａ（ブレーディング層１７Ｂに隣接するヘリカル層１７Ａ）の上に、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付ける（図２の１７Ｅ部分）。直胴部１２Ａの外周面（外表面）におけるヘリカル層１７Ａの上に、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付けた後、そこから連続して他方のドーム部１２Ｂの外周面（外表面）におけるブレーディング層１７Ｂ（ヘリカル層１７Ａに隣接するブレーディング層１７Ｂ）の上に、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付ける（ブレーディング巻きを行う）ことで、他方のドーム部１２Ｂの外周面（外表面）にさらにブレーディング層１７Ｂを形成する。
換言すると、ライナー１２の一方のドーム部１２Ｂの外周面におけるブレーディング層１７Ｂ、直胴部１２Ａの外周面におけるヘリカル層１７Ａ、他方のドーム部１２Ｂの外周面におけるブレーディング層１７Ｂを含む（ライナー１２の軸方向の全長にわたる）繊維層の最外層において、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付けることでブレーディング層（１７Ｂ、１７Ｅ、１７Ｂ）を形成する。なお、ヘリカル層１７Ａの最外層の上に重ねてないし積層させて形成するブレーディング層１７Ｅは、一層のみでもよいし、複数層（例えば数層程度）でもよい。図２では、ブレーディング層１７Ｅを一層のみ形成する例を示している。
これによって、繊維間隔が小さく繊維（密度）が密となって繊維ズレが生じやすいヘリカル層１７Ａの最外層に、（ブレーディング層１７Ｂから連続して）互い違いに編まれることで繊維間隔が大きく繊維（密度）が粗となって繊維ズレが生じにくいブレーディング層１７Ｅが形成される（換言すると、繊維ズレが生じやすいヘリカル層１７Ａの最外層が繊維ズレが生じにくいブレーディング層１７Ｅで覆われる）ので、後述する樹脂注入時の繊維１６のズレを防止することができる。
高圧タンク１０は、上記のようにしてライナー１２に繊維１６が層状に巻き付けられて形成された、ブレーディング層１７Ｂ、ヘリカル層１７Ａ、ブレーディング層１７Ｅを含む繊維層１７に、流動性を有する未硬化の熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂と硬化剤とが混合された樹脂。本明細書では、単に「樹脂」という場合がある）１８を含浸させて加熱し、硬化させることにより、形成される。
（高圧タンクの製造方法）
以上のような構成とされた高圧タンク１０の製造方法について、図面を基に詳細に説明する。
（繊維巻回工程）
本実施形態に係る高圧タンク１０は、まず、ライナー１２の外周面に繊維１６を巻き付けることで構成される。すなわち、図３～図５に示されるように、製造装置４０の複数のボビン４２、４４から順次繊維１６が繰り出され、まず一方のドーム部１２Ｂの外周面にその繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する（第１工程）。詳しくは、ドーム部１２Ｂの直胴部１２Ａ側とは反対側の端部から直胴部１２Ａ側の端部まで、順次繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する。
一方のドーム部１２Ｂの外周面に対する繊維１６のブレーディング巻きが終了したら、それに続いて、直胴部１２Ａの外周面に繊維１６をヘリカル巻きしてヘリカル層１７Ａを形成する（第２工程）。詳しくは、直胴部１２Ａの一方のドーム部１２Ｂ側の端部から他方のドーム部１２Ｂ側の端部まで、順次繊維１６をヘリカル巻きしてヘリカル層１７Ａを形成する。なお、ドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻きから、直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻きへの切り替えは、製造装置４０の複数のボビン４２、４４の配置（図４、図５）を所定時間幅で切り替えることによって、ドーム部１２Ｂと直胴部１２Ａとの境界部近傍の軸方向で所定の長さの領域内で行われる。ここで、上記領域内において、繊維１６は、ブレーディング巻きからヘリカル巻きへ同じ巻付角度θでスムーズに切り替わることができる。
直胴部１２Ａの外周面に対する繊維１６のヘリカル巻きが終了したら、それに続いて、他方のドーム部１２Ｂの外周面に繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する（第３工程）。詳しくは、ドーム部１２Ｂの直胴部１２Ａ側の端部から直胴部１２Ａ側とは反対側の端部まで、順次繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する。なお、直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻きから、ドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻きへの切り替えも、製造装置４０の複数のボビン４２、４４の配置（図４、図５）を所定時間幅で切り替えることによって、直胴部１２Ａとドーム部１２Ｂとの境界部近傍の軸方向で所定の長さの領域内で行われる。ここで、上記領域内において、繊維１６は、ヘリカル巻きからブレーディング巻きへ同じ巻付角度θでスムーズに切り替わることができる。
なお、一方及び他方のドーム部１２Ｂ及び直胴部１２Ａに巻き付ける繊維１６の巻付角度θは、例えば５４．７度±１０度の範囲内とされている。
そして、本実施形態では、ブレーディング層１７Ｂの最外層において、繊維１６のブレーディング巻きが終了したら、上記のようなドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻きから直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻きへの切り替えを行わず、それに続いて、直胴部１２Ａの外周面（詳しくは、直胴部１２Ａの外周面におけるヘリカル層１７Ａの外周面）に繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｅを形成する。また、直胴部１２Ａの外周面（詳しくは、直胴部１２Ａの外周面におけるヘリカル層１７Ａの外周面）に対する繊維１６のブレーディング巻きが終了したら、（上記のような直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻きからドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻きへの切り替えを行わず、）それに続いて、他方のドーム部１２Ｂの外周面に繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する。
換言すると、ブレーディング層１７Ｂ等の最外層においては、一方のドーム部１２Ｂの直胴部１２Ａ側とは反対側の端部から他方のドーム部１２Ｂの直胴部１２Ａ側とは反対側の端部まで（ライナー１２の軸方向の全長にわたって）、順次繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層（１７Ｂ、１７Ｅ、１７Ｂ）を形成する。
上記のような繊維１６の巻き付けを行うことで、ヘリカル層１７Ａの最外層に、ブレーディング層１７Ｂから連続してブレーディング層１７Ｅを重ねて（積層させて）形成する。
上記のようにして、繊維１６を、最終的には例えば数層～数十層程度（径方向に重ねてないし積層させて）巻き付けることで、中空のライナー１２の外周面（外表面）に、繊維１６を巻き付けて成る繊維層１７（ブレーディング層１７Ｂ、ヘリカル層１７Ａ、ブレーディング層１７Ｅ）が形成された中間体としてのプリフォーム１１（図６、図７）を形成する。
（樹脂注入（樹脂含浸成形）工程）
上記のようにして、中空のライナー１２に繊維１６が巻き付けられて繊維層１７が形成されたプリフォーム１１（図６、図７）を、製造装置としての樹脂含浸成形用金型５０内（下型６０と上型８０との間、キャビティーともいう）に配置し、金型５０内に熱硬化性樹脂１８を注入し、繊維層１７（を構成する繊維１６）に熱硬化性樹脂１８を含浸させて加熱し、硬化させる。
具体的に説明すると、図６、図７に示されるように、金型５０（図示例では下型６０）には、真空ポンプ６１が接続されている真空脱気配管６２が埋設されている。
また、金型５０（図示例では上型８０）には、樹脂注入機８１が接続されている樹脂注入配管（樹脂注入ゲートともいう）８２が埋設されている。
プリフォーム１１の繊維層１７（を構成する繊維１６）に熱硬化性樹脂１８を含浸させるに当たっては、まず、所定温度（熱硬化性樹脂１８の硬化温度以上の温度）に保温された上記の構成を有する金型５０内（下型６０と上型８０との間）にプリフォーム１１を配置した状態で（言い換えれば、型締め完了後に）、真空ポンプ６１を制御することによって、金型５０内を真空脱気する（図６）。
上記の真空脱気停止（完了）後、樹脂注入機８１を駆動することによって、金型５０内に熱硬化性樹脂１８を注入する（図７）。
これによって、樹脂注入配管８２内を流れて金型５０内（キャビティー）に注入（吐出）された（未硬化の）樹脂１８は、ブレーディング層１７Ｅを通ってヘリカル層１７Ａ及びブレーディング層１７Ｂに（すなわち、繊維層１７の全体に）含浸していく。このとき、プリフォーム１１（の繊維層１７）の最外層には、繊維ズレが生じにくいブレーディング層１７Ｅが設けられている（換言すると、繊維ズレが生じにくいブレーディング層１７Ｅで覆われている）ので、樹脂１８が注入（含浸）される際の繊維１６（特に直胴部１２Ａにおけるヘリカル層１７Ａの繊維１６）のズレが抑制される。また、ブレーディング層１７Ｅ（ブレーディング巻き）は、ヘリカル層１７Ａ（ヘリカル巻き）に比べて、繊維間隔が大きく繊維（密度）が粗となるため、内側のヘリカル層１７Ａへの樹脂１８の注入（含浸）を阻害しない。
樹脂１８が繊維層１７の積層内に含浸完了後、樹脂注入を停止して加熱し、硬化させることにより、ライナー１２の外周に補強層としての繊維強化樹脂層が形成される。これにより、耐腐食性に優れるとともに、軽量化及び低コスト化が図れ、かつ運搬及び取り扱いが容易な高圧タンク１０が得られる。
以上で説明したように、燃料電池車用高圧タンクにおいて、ＲＴＭ含浸技術によるタンク製造時、エポキシ樹脂を、厚肉積層の（炭素繊維を厚肉に巻いた）大型タンクに、高速、高圧をかけて充填、含浸させる必要があるが、その際、プリフォームに巻回した炭素繊維のズレ、繊維幅縮小等が発生して、生産性低下やタンク性能低下に繋がる。
本実施形態は、補強効果のために、炭素繊維束の隙間の小さい高ヘリカル巻き等、密に繊維束を巻いたプリフォームの最外層に、ブレーディング巻き等の繊維束が編み込まれていることで、繊維束がズレにくく、且つ、繊維束の隙間の大きい繊維積層（ブレーディング層１７Ｅ）を設定する。
炭素繊維の積層がズレにくく、炭素繊維幅が縮小しないので、性能低下を抑制できるとともに、このような繊維ズレ防止対策を織り込んでも、炭素繊維の隙間が大きいブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｅ）であるため、樹脂含浸性の低下なく対策できる。
これにより、エポキシ樹脂注入時、炭素繊維のズレ、繊維幅縮小等の防止を図ることができるため、高圧タンク１０において、樹脂含浸性、及び、タンク性能向上と良好な表面品質を得ることができる。
このように、本実施形態によれば、位置に応じて繊維１６の巻き方を変更することで、樹脂注入時の繊維１６のズレ、繊維幅の縮小を防止し、強度低下を抑制することが可能となる。
なお、例えば樹脂注入時の繊維ズレをより確実に防止すべく、図８に示されるように、繊維層１７の最外層にブレーディング巻きする（ブレーディング層１７Ｅを構成する）繊維１６の一部もしくは全部として、繊維（例えば炭素繊維）に熱可塑性樹脂（例えばエポキシ樹脂）を含浸させたトウプリプレグ１９を使用しても良い。換言すると、上記の繊維１６の一部もしくは全部をトウプリプレグ１９に交換してブレーディング巻きすることで、繊維層１７の最外層を形成してもよい。
この場合、製造装置４０で最外層を巻く際、複数のボビン４２、４４の一部もしくは全部を、トウプリプレグ１９を装填したボビンに交換して最外層を巻けばよい。
繊維層１７の最外層にトウプリプレグ１９をブレーディング巻きして形成したプリフォーム１１を所定温度（熱硬化性樹脂１８の硬化温度以上の温度）に保温された金型５０内に配置したとき、例えばトウプリプレグ１９を構成する熱可塑性樹脂の溶融温度が熱硬化性樹脂１８の硬化温度以下であれば、トウプリプレグ１９を構成する熱可塑性樹脂が溶融して、トウプリプレグ１９を構成する繊維（つまり、ブレーディング層１７Ｅを構成する繊維）と、その内側のヘリカル層１７Ａを構成する繊維１６とが接着されると共に、ヘリカル層１７Ａを構成する繊維１６同士が互いに接着されることになるため、樹脂注入時の繊維ズレをより効果的に防止できる。また、最内層のトウプリプレグ１９を構成する熱可塑性樹脂とライナー１２が接着することで、繊維ズレをより効果的に防止できる。
なお、トウプリプレグ１９を構成する熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂１８（繊維層１７に含浸させる樹脂）とともに補強層（繊維強化樹脂層）を構成するものとなるため、熱硬化性樹脂１８と相溶性が良く、且つ、接着性の高い熱可塑性樹脂であることが好ましい。例えば、トウプリプレグ１９を構成する熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂１８を構成するエポキシ樹脂と同種の熱可塑性エポキシ樹脂であることが好ましい。つまり、熱硬化性と熱可塑性の両方の特性（溶融温度は硬化温度以下）を有するエポキシ樹脂を使用することが好ましい。
すなわち、本実施形態は、ブレーディング巻き等の多給糸フィラメントワインディング（ＦＷ）で、数十本の炭素繊維を巻く際、炭素繊維ボビンの一部或いは全部を、繊維層に含浸するエポキシ樹脂と相溶性が良く、且つ、接着性の高い熱可塑性エポキシ樹脂を含むトウプリプレグ（ＴＰＰ）に交換して最外層の積層を巻くことで、ＲＴＭ成形の際、樹脂注入時の繊維ズレを防止する。
これにより、図１、図２等に基づき説明した実施形態と同様、エポキシ樹脂注入時、炭素繊維のズレ、繊維幅縮小等の防止を図ることができるため、高圧タンク１０において、樹脂含浸性、及び、タンク性能向上と良好な表面品質を得ることができる。
なお、上記実施形態では、繊維層１７（ヘリカル層１７Ａ）の最外層の全面に（ヘリカル層１７Ａの外周面の全体を覆うように）、ブレーディング層１７Ｅを重ねて形成するようにしているが、繊維層１７（ヘリカル層１７Ａ）の最外層の一部の表面のみに、ブレーディング層１７Ｅを重ねて形成するようにしてもよいことは当然である。
また、直胴部１２Ａの外周面に繊維をヘリカル状に巻き付けて（ヘリカル巻きして）ヘリカル層を形成するものとしているが、例えば巻付角度θを適宜に調整するなどして、直胴部１２Ａの外周面に繊維をフープ状に巻き付けて（フープ巻きして）フープ層を形成するようにしてもよい。
また、例えば、ライナー１２は、液晶樹脂製に限定されるものではない。ライナー１２は、例えば高密度ポリエチレン等のガスバリア性を有する他の合成樹脂製であってもよいし、アルミニウム合金等の軽量金属製であってもよい。また、ライナー１２は、ブロー成形によって製造されるものに限定されるものではなく、射出成形等によって製造されてもよい。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１０ 高圧タンク（タンク）
１１ プリフォーム
１２ ライナー
１２Ａ 直胴部
１２Ｂ ドーム部
１２Ｃ 円筒部
１６ 繊維
１７ 繊維層
１７Ａ ヘリカル層
１７Ｂ ブレーディング層（第１ブレーディング層）
１７Ｅ ブレーディング層（第２ブレーディング層）
１８ 熱硬化性樹脂（樹脂）
１９ トウプリプレグ
５０ 金型
６０ 下型
８０ 上型
ＣＬ 中心軸

Claims (8)

  1. 筒状の直胴部と、該直胴部の軸方向の端部から該直胴部とは反対側に向かうに従って徐々に窄まるドーム部とを有する中空のライナーの外表面に、繊維を径方向に重ねて巻き付けて成る繊維層に、樹脂を含浸して成る補強層が形成されたタンクであって、
    前記ライナーの外表面に前記繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで構成されたヘリカル層またはフープ層の最外層に、前記繊維を互い違いに編まれるように且つ前記ヘリカル層または前記フープ層よりも繊維間隔が大きくなるように巻き付けることで構成されたブレーディング層を重ねて構成された前記繊維層に、前記樹脂を含浸させて構成されていることを特徴とするタンク。
  2. 請求項１に記載のタンクにおいて、
    前記ドーム部の外表面に前記繊維を互い違いに編まれるように巻き付けることで構成された第１ブレーディング層と、前記直胴部の外表面に前記第１ブレーディング層から連続して前記繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで構成されたヘリカル層またはフープ層と、前記ヘリカル層または前記フープ層の最外層に、前記第１ブレーディング層から連続して前記繊維を互い違いに編まれるように且つ前記ヘリカル層または前記フープ層よりも繊維間隔が大きくなるように巻き付けることで構成された第２ブレーディング層とで構成された前記繊維層に、前記樹脂を含浸させて構成されていることを特徴とするタンク。
  3. 筒状の直胴部と、該直胴部の軸方向の端部から該直胴部とは反対側に向かうに従って徐々に窄まるドーム部とを有する中空のライナーの外表面に、繊維を径方向に重ねて巻き付けて成る繊維層に、樹脂を含浸して成る補強層が形成されたタンクの製造方法であって、
    前記ライナーの外表面に前記繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで構成されたヘリカル層またはフープ層の最外層に、前記繊維を互い違いに編まれるように且つ前記ヘリカル層または前記フープ層よりも繊維間隔が大きくなるように巻き付けることで構成されたブレーディング層を重ねて前記繊維層を形成する工程と、
    前記ヘリカル層または前記フープ層の最外層に前記ブレーディング層を重ねて構成された前記繊維層に、前記樹脂を含浸させる工程と、を含むことを特徴とするタンクの製造方法。
  4. 請求項３に記載のタンクの製造方法において、
    前記ドーム部の外表面に前記繊維を互い違いに編まれるように巻き付けることで構成された第１ブレーディング層と、前記直胴部の外表面に前記第１ブレーディング層から連続して前記繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで構成されたヘリカル層またはフープ層と、前記ヘリカル層または前記フープ層の最外層に、前記第１ブレーディング層から連続して前記繊維を互い違いに編まれるように且つ前記ヘリカル層または前記フープ層よりも繊維間隔が大きくなるように巻き付けることで構成された第２ブレーディング層とで前記繊維層を形成する工程と、
    前記第１ブレーディング層と前記ヘリカル層または前記フープ層と前記第２ブレーディング層とで構成された前記繊維層に、前記樹脂を含浸させる工程と、を含むことを特徴とするタンクの製造方法。
  5. 請求項３に記載のタンクの製造方法において、
    前記ブレーディング層を構成する前記繊維の一部もしくは全部として、繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたトウプリプレグを使用することを特徴とするタンクの製造方法。
  6. 請求項５に記載のタンクの製造方法において、
    前記樹脂は熱硬化性樹脂で構成され、
    前記熱可塑性樹脂の溶融温度は、前記熱硬化性樹脂の硬化温度以下であることを特徴とするタンクの製造方法。
  7. 請求項５に記載のタンクの製造方法において、
    前記熱可塑性樹脂は、前記樹脂と相溶性がある熱可塑性樹脂で構成されることを特徴とするタンクの製造方法。
  8. 請求項５に記載のタンクの製造方法において、
    前記熱可塑性樹脂は、前記樹脂と同種の熱可塑性樹脂で構成されることを特徴とするタンクの製造方法。
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