JP2023505037A - フープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクおよびその製作方法 - Google Patents

フープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクおよびその製作方法 Download PDF

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Abstract

本発明はフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクに関する。本発明の装置によれば、シリンダー部と前記シリンダー部の両端にそれぞれ形成される２個のドーム部を有するライナ、および前記ライナの外周面にフープ層およびヘリカル層が巻き取られた複合材層を含む高圧タンクにおいて、前記ヘリカル層は前記シリンダー部と前記ドーム部の間の接合部位にかけて巻き取られた捩れ部を含み、前記捩れ部は前記ヘリカル層が前記フープ層を通過して前記ドーム部側にワインディングされる時捩れ、前記フープ層の終端を包みながら巻き取られ得る。【選択図】図４

Description

本発明はフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクおよびその製作方法に関し、フィラメントワインディング法によってライナ表面に繊維を巻き取ってフープ層およびヘリカル層を形成する際、シリンダー部とドーム部の接合部位でフープ層の端部によって生じ得る空隙を防止するフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクおよびその製作方法に関する。
一般に使用される燃料供給システムのうち、水素供給系に備えられる水素タンクには約７００ｂａｒ程度の高圧圧縮水素が貯蔵されており、この貯蔵された圧縮水素は水素タンクの入口部に装着された高圧調節器のオン／オフ（ｏｎ／ｏｆｆ）に応じて高圧ラインに放出された後、始動弁と水素供給弁を経て減圧されて燃料電池スタックに供給される。
この時、高圧のガスが燃料（水素）として使用され、そのためガスを必要に応じて貯蔵、排出するためにガスの貯蔵容器が必要である。特にガスは容器内の貯蔵密度が低いので、高圧で貯蔵することが効率的であり、高圧でガスを貯蔵するために容器のシーリング性が大変重要である。特に、代替燃料ガス車両などの場合、その貯蔵容器の搭載空間が限定されているので、貯蔵圧力を高圧に維持しながらも安定性を維持することが求められる。
このような燃料ガス貯蔵容器のうち複合材容器の場合、水素ガスの高い内圧に耐えるために比強度および比剛性が高い繊維強化複合材料で外皮が補強されるべきであり、内部にはガスの気密性を維持するライナが挿入される。詳細には、フィラメントワインディング法に基づいた圧力容器の製作方法はタンクの枠を成すライナを形成する工程、およびライナ外郭に連続した繊維を巻き取る工程を含む。
一般的なフィラメントワインディング法は、ウェット（ｗｅｔ）ワインディング法とトウプレグ（ｔｏｗｐｒｅｇ）ワインディング法に分けることができる。ウェット（ｗｅｔ）ワインディング法はフィラメントワインディング時に含浸工程を設けて繊維を樹脂に含浸させて巻き取る工程であり、トウプレグ（ｔｏｗｐｒｅｇ）ワインディング法はドライ（ｄｒｙ）ワインディング法ともいい、樹脂に既に含浸された繊維を材料として使用して巻き取る工程である。ウェットワインディング法はトウプレグワインディング法とは異なり、曲面を有するドーム部でスリップ（ｓｌｉｐ）が発生しやすく、中角度ないし高角度ヘリカルワインディングが難しく、また、繊維のバンド幅の広がりによってドーム部に巻き取られた繊維のパターンが設計のとおり形成されない短所がある。
この時、図１を参照すると、ライナ１は円筒形状を有するシリンダー部２と、シリンダー部の両端部にドーム形状を有するドーム部３を含む。シリンダー部２とドーム部３はその形状が異なるので、ライナ外郭に連続した繊維からなる複合材層４を巻き取る時、それぞれ繊維の巻き取り方法を異なるようにする。シリンダー部２には、図２の（ａ）を参照すると、連続した繊維が中心軸に垂直な方向に巻き取られることによってフープ層５を形成し、これは高圧タンクにガスを投入する時発生するガスの内圧によるライナ周囲方向に及ぼす応力を支持する役割をする。ドーム部３には、図２の（ｂ）を参照すると、連続した繊維が中心軸に特定角度方向に巻き取られることによってヘリカル層６を形成し、これは前記ガスの内圧によるライナの主に軸方向に作用する応力を支持する役割をする。
一方、水素タンクの巻き取られる繊維のパターン設計は該当タンクが所望する設計破裂圧まで到達するように製作することにその目的があり、通常破裂時の安全性のために破裂圧に到達する時、ドーム部３またはシリンダー部とドーム部の接合（ｊｕｎｃｔｉｏｎ）部位７よりはシリンダー部２の本体領域８での先破裂を誘導する。しかし、図１の接合部位７で、図３に示すように段差生成による空隙８などの欠陥が発生する場合には、設計時に誘導した応力分布のとおり形成されないので、設計と解釈の間に誤差が発生する問題がある。
前記接合部位７での強度を向上させるための従来の技術として、日本特開第２０１１－１６３３５４号公報（以下、特許文献１という）、および日本特許第６３５４８６号公報（以下、特許文献２という）が公開されている。
前記特許文献１では接合部位上のナックル部の強度確保のためにタンク軸方向にライナの陥没部位を形成してライナ樹脂より高強度の材料を補強した後ワインディングを製作する。しかし、このような場合、ライナ内側の陥没部の形成に対する工程が追加され、ライナ内部の容積が減少する問題がある。
前記特許文献２では、高角のヘリカル層をシリンダー部で延びた部分まで先に巻き取って、その後にフープ層を巻き取って強度を向上させる。しかし、このような場合、フープ層を巻き取るための延長ヘリカル層を追加で巻き取ることによって不必要な複合材の重量が増加する問題がある。
特開第２０１１－１６３３５４号公報 特許第６３５４８６号公報
本発明の目的は、フィラメントワインディング法によってライナ表面に繊維を巻き取って複合材層を形成する時、シリンダー部とドーム部の接合部位でフープ層の端部によって生じ得る空隙を防止するフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクおよびその製作方法を提供することにある。
上記のような課題を解決するための本発明は、高圧タンクであって、シリンダー部と前記シリンダー部の両端にそれぞれ形成される２個のドーム部を有するライナ、および前記ライナの外周面にフープ層およびヘリカル層が巻き取られた複合材層を含む高圧タンクにおいて、前記ヘリカル層は前記シリンダー部と前記ドーム部の間の接合部位にかけて巻き取られた捩れ部を含み、前記捩れ部は前記ヘリカル層が前記フープ層を通過して前記ドーム部側にワインディングされる時捩れ、前記フープ層の終端を包みながら巻き取られ得る。
本発明の一実施例によれば、前記ヘリカル層は前記シリンダー部に巻き取られるメイン巻き取り部を含み、前記メイン巻き取り部の角度（θ）は次の数式１によって定義され得る。
Figure 2023505037000002
 Ｄ：シリンダー部の直径
Ａ：シリンダー部の長手方向への長さ
本発明の一実施例によれば、前記シリンダー部の直径は前記シリンダー部の外周面に前記フープ層が巻き取られた状態でのフープ層の厚さを含む直径であり得る。
本発明の一実施例によれば、前記フープ層およびヘリカル層はトウプレグ（ｔｏｗｐｒｅｇ）で形成され得る。
本発明の一実施例による高圧タンクの製造方法によれば、シリンダー部と前記シリンダー部の両端にそれぞれ形成される２個のドーム部を有するライナ、および前記ライナの外周面の複合材層を含む高圧タンクの製造方法において、前記シリンダー部の外周面に連続複合材が巻き取られるフープ層の巻き取り段階；および前記フープ層および前記ドーム部の外周面に連続複合材が巻き取られるヘリカル層の巻き取り段階を含み、前記ヘリカル層の巻き取り段階は前記シリンダー部と前記ドーム部の間の接合部位にかけて巻き取られる捩れ部の巻き取り段階を含み、前記捩れ部の巻き取り段階は、連続複合材が前記フープ層を通過して前記ドーム部側にワインディングされる時前記フープ層の終端を押しながら捩れて巻き取られ得る。
本発明によれば、連続的な複合材繊維を巻き取ってヘリカル層を形成する時、ヘリカル層を形成する連続的な複合材繊維がシリンダー部とドーム部の接合部位でフープ層の端部に形成された段差を強く押しながら巻き取られるようにすることによってフープ層の端部によって生じ得る空隙を防止することができる。
また、従来の高圧タンクのように前記接合部位を支える別途の構成を有するようにするか、またはヘリカル層を複数回積層して厚く巻き取る方法を取らず、既に使用されていた素材をそのまま使用しながらも効果的に空隙を防止することができる。
従来のフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクを示す断面図である。 フープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクにおいて、複合材層のうちフープ層とヘリカル層がそれぞれ巻き取られた状態を示す図である。 従来のフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクでの段差生成による空隙を示す図である。 本発明によるフィラメントワインディング法を適用してヘリカル層を巻き取った状態を示す図である。 本発明によるヘリカル層を巻き取る角度を計算するためのシリンダー部の展開図である。 ライナ表面にフィラメントワインディング法によって繊維を巻き取ってヘリカル層を形成する時、捩れ部なしでシリンダー部とドーム部全体でメイン巻き取り部と同じ角度で繊維が巻き取られた高圧タンクを示す図である。 ライナ表面にフィラメントワインディング法によって繊維を巻き取ってヘリカル層を形成する時、捩れ部なしでシリンダー部とドーム部全体でメイン巻き取り部と同じ角度で繊維が巻き取られた高圧タンクを示す図である。 本発明の捩れ部を含まない構成と含む構成のフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクを比較した図である。 従来のフィラメントワインディング法と本発明によるフィラメントワインディング法をそれぞれ適用した場合のシリンダー部とドーム部の接合部位での空隙の発生の有無を示す比較図である。 本発明によるフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクの製造方法を概略的に示すフローチャートである。 本発明によるフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクの製造方法を概略的に示すフローチャートである。
以下では添付する図面を参照して本発明を詳細に説明する。しかし、本発明は様々な異なる形態で実現でき、したがって、ここで説明する実施例に限定されるものではない。また、添付する図面は本明細書に開示された実施例を容易に理解できるようにするためのものであり、添付する図面によって本明細書に開示された技術的思想は制限されず、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更物、均等物ないし代替物を含むものとして理解しなければならない。そして、図面で本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、図面に示す各構成要素の大きさ、形態、形状は多様に変形でき、明細書全体にかけて同一／類似の部分に対しては同一／類似の図面符号を付けた。
明細書全体で、ある部分が他の部分と「連結（接続、接触または結合）」されているという時、これは「直接的に連結（接続、接触または結合）」されている場合だけでなく、その中間に他の部材を間に置いて「間接的に連結（接続、接触または結合）」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む（備えるまたは設ける）」という時、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに「含む（備えるまたは設ける）」ことができることを意味する。
本明細書で使用した用語は単に特定の実施例を説明するために使用されたものであり、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味を示さない限り、複数の表現を含み、分散して実施される構成要素は特別な制限がない限り結合された形態で実施されることもできる。本明細書で、「含む」または「有する」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するためであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加の可能性をあらかじめ排除しないものとして理解されなければならない。
また、本明細書で使用される第１、第２などのように序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために使用できるが、前記構成要素は前記用語によって限定されるべきではない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使用される。例えば、本発明の権利範囲を外れない範囲で第１構成要素は第２構成要素と名付けられてもよく、類似に第２構成要素も第１構成要素と名付けられてもよい。
図４は本発明によるフィラメントワインディング法を適用してヘリカル層を巻き取った状態を示す図である。また、図５は本発明によるヘリカル層を巻き取る角度を計算するためのシリンダー部の展開図である。
図４を参照すると、本発明によるフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクは、ライナ１０とライナの外周面を補強するための複合材層２０を含むことができる。
詳細には、ライナ１０外部面にワインディングされる複合材層２０は一定の幅を有する連続的な複合材繊維を巻き取って形成されることができる。この時、複合材層２０をなす連続的な繊維はワインディングの前に事前に準備され得、巻き取り装置によって定められた角度でライナ１０の外周面にワインディングされ得る。詳細には、あらかじめ射出されたライナ１０を固定させた状態で、巻き取り装置（図示せず）が移動し、ライナ１０に対して一定の角度を形成した後、一定の幅を有する連続的な複合材繊維がライナ３００の外周面に一定の張力を有しながらワインディングされて複合材層２０を形成することができる。
ライナ１０は、高圧タンクの中心軸方向に沿って形成されるシリンダー部１１、およびシリンダー部１１の両端にそれぞれ形成される２個のドーム部１２を含むことができる。シリンダー部１１と２個のドーム部１２は概ね同じ直径を有することができる。
シリンダー部１１は円筒形状でライナ１０およびライナを構成要素とする高圧タンクの本体をなし、ドーム部１２はシリンダー部１１の両側端部に半球形で形成される。図５に示されたようなシリンダー部１１の展開図を参照すると、シリンダー部１１の展開図上でシリンダー部１１は高圧タンクの軸方向に沿っては曲率を有しない直線を形成する。ただし、シリンダー部１１の立体形状においては、シリンダー部１１は高圧タンクの円周方向に沿って曲率を有する形状であり得る。反面、高圧タンクのドーム部１２は高圧タンクの軸方向および円周方向に沿ってすべて曲率を有する表面であり得る。
再び図４を参照すると、複合材層２０はフープ層２１およびヘリカル層２２を含む。この時、フープ層２１は連続的な複合材繊維をシリンダー部１１の外周面に中心軸のほぼ垂直方向に巻き取って形成する。フープ層２１は高圧の周囲方向への応力を支持する役割をする。ヘリカル層２２は連続的な複合材繊維をフープ層２１およびドーム部１２の外周面に中心軸と傾斜するようにして連続的に巻き取って形成する。ヘリカル層２２は高圧タンクの軸方向に作用する応力を主に支持する役割をする。すなわち、フープ層２１は高圧タンクのシリンダー部１１にかけて巻き取られるが、高圧タンクのドーム部１２にかけて巻き取られるものではない。反面、ヘリカル層２２は高圧タンクのシリンダー部１１上のフープ層２１および高圧タンクのドーム部１２にかけて巻き取られ得る。
また、図４を参照すると、ヘリカル層２２はメイン巻き取り部２２１と捩れ部２２２を有する。
メイン巻き取り部２２１はシリンダー部１１の本体領域にかけてシリンダー部１１の直径とシリンダー部１１の中心軸方向の長さから定まる一定の角度で巻き取られる。また、捩れ部２２２はシリンダー部１１とドーム部１２の間の接合部位１３にかけてメイン巻き取り部２２１と異なる角度に変わって巻き取られる。
ここで、メイン巻き取り部２２１と捩れ部２２２はヘリカル層２２の一部をなす区間として設定される。メイン巻き取り部２２１はヘリカル層２２でシリンダー部１１を一定の角度で横切る区間のうちの一部を示す。捩れ部２２２はメイン巻き取り部２２１が巻き取られる角度と異なる角度に変わって巻き取られる区間のうちの一部を示す。この時、捩れ部２２２はシリンダー部１１とドーム部１２の間の接合部位１３にかけて捩れて巻き取りされながら前記接合部位１３に沿って包みながら巻き取られる。フープ層２１の端部が接合部位１３に沿って位置するので、捩れ部２２２はフープ層２１の端部を押しながら巻き取られる。
また、本発明では巻き取り装置により一定の幅を有する連続的な複合材繊維を巻き取る方式が用いられるので、連続的な複合材繊維をライナ１０に巻き取ってヘリカル層を形成する時、前記メイン巻き取り部２２１と捩れ部２２２は繰り返して現れる。
一方、本明細書でシリンダー部１１とドーム部１２の間の接合部位１３とは、シリンダー部１１とドーム部１２が接合される接合点を含み、前記接合点でフープ層２１とヘリカル層２２の間でフープ層２１の端部によって発生する段差によって空隙が形成される可能性のある一定範囲の周辺領域も共に含む意味で使用されることができる。
この時、図５を参照すると、メイン巻き取り部２２１が巻き取られる一定の角度（θ）は事前に定められるシリンダー部１１の直径（Ｄ）とシリンダー部１１の長手方向への長さ（Ａ）によって適宜設定でき、例えば次のような数式１により定義されることができる。
Figure 2023505037000003
 Ｄ：シリンダー部の直径
Ａ：シリンダー部の長手方向への長さ
例えば、シリンダー部１１の長さが約５８０ｍｍであり、直径が約３２２ｍｍである通常の高圧タンクの場合には、シリンダー部１１本体の多くの面積にかけて巻き取られるメイン巻き取り部２２１の角度は概ね４０度程度に導き出され得る。この時、捩れ部２２２を除いたメイン巻き取り部２２１の角度は概ね一定の角度を維持する。
この時、前記ヘリカル層２２のメイン巻き取り部２２１はシリンダー部１１本体にかけてフープ層２１上に巻き取られるので、フープ層２１が巻き取られることにより増える巻き取り直径を考慮しなければならない。このために、シリンダー部１１の直径はシリンダー部１１の外周面にフープ層２１が巻き取られた状態でのフープ層２１の厚さを含む直径として前記メイン巻き取り部２２１の角度（θ）を計算することが好ましい。
図６および図７はライナの表面にフィラメントワインディング法によって繊維を巻き取ってヘリカル層を形成する時、捩れ部なしでシリンダー部とドーム部全体でメイン巻き取り部と同じ角度で繊維が巻き取られた高圧タンクを示す図である。
図６を参照すると、メイン巻き取り部２２１はシリンダー部１１の直径とシリンダー部１１の中心軸方向の長さから定められる角度、すなわち、例えば前記定義されたようなメイン巻き取り部２２１の一定の角度（θ）で巻き取られる。この時、メイン巻き取り部２２１はシリンダー部とドーム部の間の接合部位に位置する第１終端２２１１と第２終端２２１２を横切る角度で巻き取られる。この時、メイン巻き取り部２２１の第１終端２２１１と第２終端２２１２は図５に示されたシリンダー部の展開図で中心軸とシリンダー部の半径を対角線で横切る直線を設定する時その両終端に該当するヘリカル層２２の一部で定義される。
ところが、図７から分かるように、ヘリカル層２２のメイン巻き取り部２２１が図５に示された展開図により求められた前記一定の角度（θ）で巻き取られると、前記ヘリカル層２２は第１終端２２１１からシリンダー部１１を横切って対角線状に巻き取られた後、その端部がメイン巻き取り部２２１の第２終端２２１２を通過して第２ドーム部１２２の接合部位１３を越えて巻き取られてドーム部１２に至るように巻き取られる。すなわち、前記一定の角度（θ）でメイン巻き取り部２２１を巻き取る場合、ドーム部１２はシリンダー部１１とは異なり概ね半円形状を有するため、それによって生じ得る曲率の影響を受けるので、シリンダー部１１の両端にそれぞれ形成される２個のドーム部１２に至るヘリカル層２２の両端部は接合部位１３を越えてドーム部１２の突出した終端に近く巻き取られる。
図６および図７に示すように、捩れ部２２２なしでヘリカル層２２を前記一定の角度のメイン巻き取り部２２１と同じ角度で巻き取った時には、接合部位１３に加えるヘリカル層２２の圧力が制限される。このような構成は、ヘリカル層２２がフープ層２１の端部によって生じ得る階段状段差を十分に押すことが難しい。したがって、シリンダー部１１とドーム部１２の接合部位１３でフープ層２１の端部によって生じ得る空隙を完全に防止することは難しい。
このような理由から、本発明では一定の角度でシリンダー部の本体領域にかけて巻き取られるメイン巻き取り部２２１だけでなく、シリンダー部１１とドーム部１２の間の接合部位１３にかけて前記メイン巻き取り部２２１と異なる角度に変わって巻き取られる捩れ部２２２を適用することができる。
図８は本発明の捩れ部２２２を含まない構成と含む構成のフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクを比較した図である。図８の（ａ）は本発明の捩れ部２２２を含まない構成であり、図８の（ｂ）は本発明の捩れ部２２２を含む構成を示す。
図８の（ｂ）を参照すると、捩れ部２２２が巻き取られる前記異なる角度は、例えば、図８の（ａ）に示すようにシリンダー部の展開図で計算されるメイン巻き取り部２２１の角度（θ）よりさらに大きい角度であり得る。ただし、捩れ部２２２が巻き取られる前記異なる角度は、図５の展開図の側面で見る時、一定の角度からなるのではなく、巻き取られながら変わる角度であり得る。
図８の（ａ）のヘリカル層２２のメイン巻き取り部２２１の一定の角度（θ）は、例えば、シリンダー部１１の長さが約５８０ｍｍであり、直径が約３２２ｍｍである場合、概ね４０度の中角が導き出され得る。この時、ヘリカル層２２は第１終端２２１１からシリンダー部１１を横切って対角線状に巻き取られた後、その端部がメイン巻き取り部２２１の第２終端２２１２を通過して第２ドーム部１２２の接合部位１３を越えて巻き取られてドーム部１２に至る。この時、複数のヘリカル層２２のドーム部１２側に巻き取られた端部を連結すると概ね円形を導き出し得、前記円形の直径Ｓは約２０７ｍｍになる。
反面、本発明による図８の（ｂ）のヘリカル層２２はメイン巻き取り部２２１がシリンダー部１１のフープ層２１上に一定の角度（θ）で巻き取られながら、フープ層２１がないドーム部１２の一部まで捩れ部２２２が捩れて巻き取られて接合部位１３の周囲を包む形状になる。この時、捩れ部２２２の接合部位１３を包む部分を連結すると概ね円形を導き出し得、前記円形の直径Ｓ’は約２７０ｍｍになる。
一方、フープ層２１は一定の厚さを有するので、フープ層２１がシリンダー部１１上で巻き取られる時、シリンダー部１１を越えてフープ層２１が巻き取られていないドーム部１２の一定領域を巻き取るヘリカル層２２との間で階段状段差が発生し得る。このような階段状段差によってヘリカル層２２とフープ層２１の間には空隙が生成され得る。
かかる問題を解決するために、本発明では捩れ部２２２はヘリカル層２２がフープ層２１を通過してドーム部１２にワインディングされる時フープ層２１の終端を押しながら捩れて巻き取られるようにすることができる。そのため、捩れ部２２２がシリンダー部１１とドーム部１２の間の接合部位１３に包みながらフープ層２１の端部を効果的に押すことができるので、前記フープ層の端部によって生じ得る空隙を防止することができる。
図８の（ｂ）を参照すると、捩れ部２２２はヘリカル層２２がドーム部１２に巻き取られる時ヘリカル層２２が全体的にドーム部１２との接触を維持する範囲で巻き取り方向が高圧タンクの中心軸を基準として転換される捩れ転換部２２２１を有する。捩れ転換部２２２１は前述したように捩れ部２２２がフープ層２１の終端を押しながら捩れて巻き取られる過程で形成される。ただし、捩れ転換部２２２１は前記巻き取りはドーム部１２の終端に向かうように高圧タンクの中心軸を一方向に沿って継続して巻き取られるのではなく、前記一方向と反対になる他の方向にヘリカル層２２が巻き取られる方向が転換される部分を意味する。
この時、捩れ転換部２２２１はシリンダー部１１とドーム部１２の間の接合部位１３に位置する。捩れ転換部２２１１は捩れて巻き取る過程によりヘリカル層２２の多くの張力が集中し、このように集中した張力が接合部位１３に作用する内圧による応力を支持するようにする。これにより、接合部位１３が弱くなって破裂することを防止する。
また、図８の（ｂ）を参照すると、ヘリカル層２２は巻き取り装置によってフープ層２１およびドーム部１２の外周面に連続的に巻き取られるものであって、前記連続的な巻き取りによって複数の捩れ転換部２２２１が現れるように巻き取られ得る。この時、ヘリカル層２２は前記複数の捩れ転換部２２２１が接合部位１３を包みながら巻き取られることができる。そのため、複数の捩れ転換部２２２１が接合部位１３の最大限多くの領域を包みながらフープ層２１の端部を全体的に押すことになるので、フープ層２１の端部によって生じ得る空隙を防止することができる。
また、この時、ヘリカル層２２は粘着性を有するトウプレグで形成される。そのため、ヘリカル層２２が曲面のドーム部１２で捩れて巻き取られる時にも捩れ部２２２とドーム部１２の間で発生する滑りや捩れが最小化されることができる。
図９は従来のフィラメントワインディング法と本発明によるフィラメントワインディング法をそれぞれ適用した場合のシリンダー部とドーム部の接合部位での空隙の発生の有無を示す比較図である。図９の（ａ）は従来のフィラメントワインディング法を適用する時の空隙が形成された状態を示す図であり、図９の（ｂ）は本発明によるフィラメントワインディング法を適用した場合の空隙が防止された状態を示す図である。
すなわち、本発明のフィラメントワインディング法を用いると、ヘリカル層２２が接合部位１３でのフープ層２１とヘリカル層２２との間に生成される階段状段差部をより強く押して、空隙を防止することができる。また、本発明は従来方式のように前記接合部位１３を支える別途の構成を有するようにしたり、ヘリカル層２２を複数回積層して厚く巻き取りせずとも、従来に使用されていた素材をそのまま使用しながらも空隙３０を効果的に防止できる効果を有する。
図１０および図１１は本発明によるフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクの製造方法を概略的に示すフローチャートである。
図１０および図１１を参照して、上記のように構成されるフープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクの製造方法について簡略に説明すると、次のとおりである。上述したフィラメントワインディング法が適用された高圧タンクの各構成に係る説明は便宜上省略するが、高圧タンクの製造方法においてもそのまま適用することができる。
図１０を参照すると、フープ層およびヘリカル層がワインディングされた高圧タンクの製造方法は、フープ層の巻き取り段階（Ｓ１０）、ヘリカル層の巻き取り段階（Ｓ２０）、メイン巻き取り部の巻き取り段階（Ｓ２１）、および捩れ部の巻き取り段階（Ｓ２２）を含むことができる。
フープ層の巻き取り段階（Ｓ１０）は、フープ層２１がシリンダー部１１の外周面に中心軸の垂直方向に巻き取られる段階であり得る。また、ヘリカル層の巻き取り段階（Ｓ２０）はメイン巻き取り部２２１と捩れ部２２２を有するヘリカル層２２がフープ層２１およびドーム部１２の外周面に中心軸と傾斜するようにして連続的に巻き取られる段階であり得る。
ここでヘリカル層の巻き取り段階（Ｓ２０）はメイン巻き取り部の巻き取り段階（Ｓ２１）および捩れ部の巻き取り段階（Ｓ２２）を含むことができる。
メイン巻き取り部の巻き取り段階（Ｓ２１）は、メイン巻き取り部２２１がシリンダー部１１の本体領域でシリンダー部１１の直径とシリンダー部１１の中心軸方向の長さから定められる一定の角度で巻き取られるようにする段階であり得る。
捩れ部の巻き取り段階（Ｓ２２）は、捩れ部２２２がシリンダー部１１とドーム部１２の間の接合部位１３でメイン巻き取り部２２１と異なる角度で巻き取られるようにする段階であり得る。
また、捩れ部の巻き取り段階（Ｓ２２）では、捩れ部２２２がヘリカル層２２がフープ層２１を通過してドーム部１２にワインディングされる時フープ層２１の終端を押しながら捩れて巻き取られ、シリンダー部とドーム部の接合部位３０でフープ層２１の端部によって生じ得る空隙を防止することができる。
図１１を参照すると、前記捩れ部の巻き取り段階（Ｓ２２）は、ヘリカル層の転換段階（Ｓ２２１）および接合部位の巻き取り段階（Ｓ２２２）をさらに含むことができる。
ヘリカル層の転換段階（Ｓ２２１）はヘリカル層２２がドーム部１２に巻き取られる時ヘリカル層２２が全体的にドーム部１２と接触を維持する範囲で捩れ転換部２２２１の巻き取り方向が高圧タンクの中心軸を基準として転換されるようにする段階であり得る。
また、接合部位の巻き取り段階（Ｓ２２２）は、捩れ転換部２２２１がシリンダー部１１とドーム部１２の間の接合部位１３に位置するようにする段階であり得る。
この分野の保護の範囲は以上で明示的に説明した実施例の記載と表現に制限されるものではない。また、本発明が属する技術分野で自明な変更や置換によって本発明の保護の範囲が制限されることもできないことをもう一度付け加える。
１０ ライナ
１１ シリンダー部
１２ ドーム部
１３ 接合部位
２０ 複合材層
２１ フープ層
２２ ヘリカル層
２２１ メイン巻き取り部
２２２ 捩れ部
２２２１ 捩れ転換部
３０ 空隙
θ メイン巻き取り部の角度
前記接合部位７での強度を向上させるための従来の技術として、日本特開第２０１１－１６３３５４号公報（以下、特許文献１という）、および日本特許第６３５４８４６号公報（以下、特許文献２という）が公開されている。
特開第２０１１－１６３３５４号公報 特許第６３５４８４６号公報
詳細には、ライナ１０外部面にワインディングされる複合材層２０は一定の幅を有する連続的な複合材繊維を巻き取って形成されることができる。この時、複合材層２０をなす連続的な繊維はワインディングの前に事前に準備され得、巻き取り装置によって定められた角度でライナ１０の外周面にワインディングされ得る。詳細には、あらかじめ射出されたライナ１０を固定させた状態で、巻き取り装置（図示せず）が移動し、ライナ１０に対して一定の角度を形成した後、一定の幅を有する連続的な複合材繊維がライナ１０の外周面に一定の張力を有しながらワインディングされて複合材層２０を形成することができる。
この時、捩れ転換部２２２１はシリンダー部１１とドーム部１２の間の接合部位１３に位置する。捩れ転換部２２２１は捩れて巻き取る過程によりヘリカル層２２の多くの張力が集中し、このように集中した張力が接合部位１３に作用する内圧による応力を支持するようにする。これにより、接合部位１３が弱くなって破裂することを防止する。
すなわち、本発明のフィラメントワインディング法を用いると、ヘリカル層２２が接合部位１３でのフープ層２１とヘリカル層２２との間に生成される階段状段差部をより強く押して、空隙を防止することができる。また、本発明は従来方式のように前記接合部位１３を支える別途の構成を有するようにしたり、ヘリカル層２２を複数回積層して厚く巻き取りせずとも、従来に使用されていた素材をそのまま使用しながらも空隙を効果的に防止できる効果を有する。
また、捩れ部の巻き取り段階（Ｓ２２）では、捩れ部２２２がヘリカル層２２がフープ層２１を通過してドーム部１２にワインディングされる時フープ層２１の終端を押しながら捩れて巻き取られ、シリンダー部とドーム部の接合部位１３でフープ層２１の端部によって生じ得る空隙を防止することができる。
１０ ライナ
１１ シリンダー部
１２ ドーム部
１３ 接合部位
２０ 複合材層
２１ フープ層
２２ ヘリカル層
２２１ メイン巻き取り部
２２２ 捩れ部
２２２１ 捩れ転換部
θ メイン巻き取り部の角度

Claims (5)

  1. シリンダー部と前記シリンダー部の両端にそれぞれ形成される２個のドーム部を有するライナ、および前記ライナの外周面にフープ層およびヘリカル層が巻き取られた複合材層を含む高圧タンクにおいて、
    前記ヘリカル層は前記シリンダー部と前記ドーム部の間の接合部位にかけて巻き取られた捩れ部を含み、
    前記捩れ部は前記ヘリカル層が前記フープ層を通過して前記ドーム部側にワインディングされる時捩れ、前記フープ層の終端を包みながら巻き取られたことを特徴とする、高圧タンク。
  2. 前記ヘリカル層は前記シリンダー部に巻き取られるメイン巻き取り部を含み、
    前記メイン巻き取り部の角度（θ）は次の数式１によって定義されることを特徴とする、請求項１に記載の高圧タンク：
    Figure 2023505037000004
     Ｄ：シリンダー部の直径
    Ａ：シリンダー部の長手方向への長さ。
  3. 前記シリンダー部の直径は前記シリンダー部の外周面に前記フープ層が巻き取られた状態でのフープ層の厚さを含む直径であることを特徴とする、請求項２に記載の高圧タンク。
  4. 前記フープ層および前記ヘリカル層はトウプレグ（ｔｏｗｐｒｅｇ）で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の高圧タンク。
  5. シリンダー部と前記シリンダー部の両端にそれぞれ形成される２個のドーム部を有するライナ、および前記ライナの外周面の複合材層を含む高圧タンクの製造方法において、
    前記シリンダー部の外周面に連続複合材が巻き取られるフープ層の巻き取り段階；および
    前記フープ層および前記ドーム部の外周面に連続複合材が巻き取られるヘリカル層の巻き取り段階を含み、
    前記ヘリカル層の巻き取り段階は連続複合材が前記シリンダー部と前記ドーム部の間の接合部位にかけて巻き取られる捩れ部の巻き取り段階を含み、
    前記捩れ部の巻き取り段階は、連続複合材が前記フープ層を通過して前記ドーム部側にワインディングされる時前記フープ層の終端を押しながら捩れて巻き取られることを特徴とする、高圧タンクの製造方法。
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