JP5182597B2 - タンクおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タンクにおよびその製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、水素ガス等が高圧で充填されるタンクにおける構造の改良に関する。

水素等の貯蔵に利用されるタンクとして、ライナの外周にフープ層とヘリカル層とが交互に積層されたＦＲＰ層を備えるものが利用されている（例えば特許文献１参照）。フープ層は、繊維（例えば炭素繊維）の束がフープ巻（タンク胴体部においてタンク軸にほぼ垂直に巻く巻き方）されて形成された層であり、ヘリカル層は、ＣＦ（炭素繊維）等の繊維束がヘリカル巻（タンク軸にほぼ平行であり、タンクドーム部まで巻く巻き方）されて形成された層である（本願の図２参照）。

特開２００８−０３２０８８号公報

しかしながら、上述のごとき従来技術においては、ＦＲＰ層中の内層に位置するヘリカル層、特に最も内側に位置するヘリカル層の表面の段差により、その外側に隣接する層（特にフープ層）の疲労強度が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、ＦＲＰ層中の内層に位置するヘリカル層の表面の段差の影響により、その外側に隣接する層（特にフープ層）の疲労強度が低下する、という現象を回避できるようにした構造の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。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行い、上述したフープ層の繊維束の構造的曲げが大きいと当該フープ層における疲労強度が低下することを知見した。すなわち、フープ層およびヘリカル層が積層されてＦＲＰ層が形成されている場合、フープ層に隣接するヘリカル層自体に凹凸が生じていると、隣接するフープ層に当該凹凸が転写され、これによってフープ層の繊維束自体が小さく蛇行して起伏を生み、構造に起因した曲げ（起伏）が当該フープ層に生じてしまう。

このような状況下、フープ層の繊維束に生じうる構造的な曲げ（起伏）をいかに低減させるかについて検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、ライナと、該ライナの外周に繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクであって、ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい、というものである。

構造に起因するフープ層の繊維束の曲げ（起伏）を低減させるための手段としては、隣接するヘリカル層の凹凸を低減させて当該凹凸が転写しないようにすることが考えられる。ところが、上述したようにヘリカル層はタンク軸に対してほぼ平行となるように、尚かつタンクドーム部で折り返すように巻かれており（図２参照）、隣接する繊維束間の隙間をなくすような巻きは特に考慮されていないため根本的に難しい。一般的には、ヘリカル層は繊維束どうしの重なりや並びなどは考慮されずにいわば無秩序に巻回されており、従来、例えば各ヘリカル層の強化繊維束の筒体周方向における位相をずらすといったことが提案されているものの、凹凸が皆無あるいは少ないヘリカル層を形成するという提案や着眼はなかった。

この点、本発明では、ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積を、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さくすることにより、当該ヘリカル層における凹凸を低減させることとしている。すなわち、このように断面積が小さい繊維束を用いてヘリカル層を形成した場合、当該繊維束の厚みがそのぶん小さくなり、これに伴って繊維束の高さが低くなる。また、繊維束どうしの間における隙間も小さくなる。したがって、これに伴い当該ヘリカル層における凹凸も小さくなり、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層（一例として、フープ層）に凹凸が転写されるのを抑制することができる。これによれば、凹凸ヘリカル層（平滑にするための処理がなされておらず表面に凹凸が生じているヘリカル層のことをいい、図１１、図１２において符号７０Ｂで示す）に起因する従来のような構造的な繊維束の曲げを低減することが可能となるから、当該ヘリカル層の外側に形成される層（例えばフープ層）の繊維束の構造的な曲げ（起伏）を抑えることにより当該繊維束自体の疲労強度を向上させることができる。また、当該ヘリカル層および該ヘリカル層の外側に形成される層（例えばフープ層）を薄肉化、高Ｖｆ（繊維体積含有率）化してバースト強度を向上させることも可能となる。

本発明にかかるタンクにおいて、内層に位置するヘリカル層は、最内層のヘリカル層であることが好ましい。一般に、繊維束の層（ヘリカル層、フープ層）は、内側に位置する層（ライナ寄りの層）ほどタンク強度への寄与度が大きい。この点、本発明のごとく最内層のヘリカル層を断面積の小さな繊維束によって構成した場合には、当該最内ヘリカル層の外側に隣接する層（例えばフープ層）をより平滑に巻回することが可能となり、当該層の繊維束の構造的な曲げ（起伏）を抑えてタンク強度の向上に寄与させることができる。

また、本発明にかかるタンクにおいて、繊維束の断面積は、繊維束を構成する繊維数を変化させて行うことが好ましい。複数の繊維が束ねられて繊維束が構成されている場合、繊維数を少なくすればこれに伴い繊維束の断面積を小さくすることができる。

あるいは、本発明にかかるタンクにおいて、ヘリカル層を構成する繊維束に対する張力を増大させることによりＦＲＰ層の積層方向における当該繊維束の厚みを減少させていることも好ましい。繊維束の厚みを減少させて扁平にすれば、これに伴い当該ヘリカル層における凹凸を小さくし、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層（例えばフープ層）に凹凸が転写されるのを抑制することが可能となる。

また、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束として、それ以外の層を構成する繊維束よりも太い径の繊維束で構成されたものを用いていることも好ましい。このようにヘリカル層の外側に形成される他の層の繊維束の径を太くすることにより、当該繊維束の曲げ変位を減少させ、作用するせん断応力を緩和させることが可能となる。

本発明にかかる製造方法は、ライナと、該ライナの外周に繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクの製造方法において、ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つを、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい断面積の繊維束を巻回することによって形成する、というものである。

また、本発明にかかる筒体は、繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＰＲ層を有する筒体であって、ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい、というものである。

本発明によれば、ＦＲＰ層中の内層に位置するヘリカル層の表面の段差の影響によりその外側に隣接する層（特にフープ層）の疲労強度が低下する、という現象を回避することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるタンクの構造を示す断面図および部分拡大図である。 本発明の一実施形態におけるタンクの構造を示す断面図である。 タンクの口金付近の構造例を示す断面図である。 ＦＲＰ層のヘリカル層およびフープ層の構造例を示す部分拡大図である。 従来のタンクにおけるＦＲＰ層のヘリカル層およびフープ層の構造例を参考として示す部分拡大図である。 従来のタンクにおけるＦＲＰ層の最内ヘリカル層およびその外側のフープ層の構造例を参考として示す部分拡大図である。 本発明の他の実施形態におけるヘリカル層の断面形状例を示す図である。 従来のタンクにおけるヘリカル層の断面形状例を参考として示す図である。 本発明の他の実施形態におけるヘリカル層およびフープ層の構造例を示す図である。 従来のタンクにおけるヘリカル層およびフープ層の構造例を参考として示す図である。 従来のヘリカル巻の一例を参考として示す斜視図である。 従来のヘリカル巻の一例を参考として示す、タンク軸方向に沿った投影図である。 ＦＷ（フィラメントワインディング）装置の一例を示す図である。 ＦＷ装置の繊維ガイド装置を使ってライナの外周に繊維束を巻き付ける様子を示す図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４等に本発明にかかるタンクおよびその製造方法の実施形態を示す。以下では、本発明にかかるタンク（以下、高圧タンクともいう）１を水素燃料供給源としての高圧水素タンクに適用した場合を例示しつつ説明する。水素タンクは、燃料電池システム等において利用可能なものである。

高圧タンク１は、例えば両端が略半球状である円筒形状のタンク本体１０と、当該タンク本体１０の長手方向の一端部に取り付けられた口金１１を有する。なお、本明細書では略半球状部分をドーム部、筒状胴体部分をストレート部といい、それぞれ符号１ｄ，１ｓで表す（図１、図２等参照）。また、本実施形態で示す高圧タンク１は両端に口金１１を有するものであるが、説明の便宜上、当該高圧タンク１の要部を示す図３中のＸ軸の正方向（矢示する方向）を先端側、負方向を基端側として説明を行う。このＸ軸に垂直なＹ軸の正方向（矢示する方向）がタンク外周側を指している。

タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナ２０とその外側の外壁層である樹脂繊維層（補強層）としての例えばＦＲＰ層２１を有している。ＦＲＰ層２１は、例えばＣＦＲＰ層２１ｃのみ、あるいは該ＣＦＲＰ層２１ｃおよびＧＦＲＰ層２１ｇによって形成されている（図１参照）。

ライナ２０は、タンク本体１０とほぼ同じ形状に形成される。ライナ２０は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている。あるいは、ライナ２０はアルミニウムなどで形成された金属ライナであってもよい。

ライナ２０の口金１１のある先端側には、内側に屈曲した折返し部３０が形成されている。折返し部３０は、外側のＦＲＰ層２１から離間するようにタンク本体１０の内側に向けて折り返されている。折返し部３０は、例えば折り返しの先端に近づくにつれて次第に径が小さくなる縮径部３０ａと、当該縮径部３０ａの先端に接続され径が一定の円筒部３０ｂとを有している。この円筒部３０ｂによりライナ２０の開口部が形成されている。

口金１１は、略円筒形状を有し、ライナ２０の開口部に嵌入されている。口金１１は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造されている。口金１１は射出成形された分割ライナに嵌め込まれている。また、口金１１は例えばインサート成形によりライナ２０に取り付けられてもよい。

また、口金１１は、例えば先端側（高圧タンク１の軸方向の外側）にバルブ締結座面１１ａが形成され、そのバルブ締結座面１１ａの後方側（高圧タンク１の軸方向の内側）に、高圧タンク１の軸に対して環状の凹み部１１ｂが形成されている。凹み部１１ｂは、軸側に凸に湾曲しＲ形状になっている。この凹み部１１ｂには、同じくＲ形状のＦＲＰ層２１の先端部付近が気密に接触している。

例えばＦＲＰ層２１と接触する凹み部１１ｂの表面には、例えばフッ素系の樹脂などの固体潤滑コーティングＣが施されている。これにより、ＦＲＰ層２１と凹み部１１ｂとの間の摩擦係数が低減されている。

口金１１の凹み部１１ｂのさらに後方側は、例えばライナ２０の折返し部３０の形状に適合するように形成され、例えば凹み部１１ｂに連続して径の大きい鍔部（ツバ部）１１ｃが形成され、その鍔部１１ｃから後方に一定径の口金円筒部１１ｄが形成されている。上記ライナ２０の折返し部３０の縮径部３０ａは、鍔部１１ｃの表面に密着し、円筒部３０ｂは、口金円筒部１１ｄの表面に密着している。円筒部３０ｂと口金円筒部１１ｄとの間には、シール部材４０、４１が介在している。

バルブアッセンブリ５０は、外部のガス供給ライン（供給路２２）と高圧タンク１の内部との間で燃料ガスの給排を制御するものである。バブルアッセンブリ５０の外周面と口金１１の内周面との間には、シール部材６０、６１が介在されている。

ＦＲＰ層２１は、例えばＦＷ成形（フィラメントワインディング成形）により、ライナ２０の外周面と口金１１の凹み部１１ｂに、樹脂を含浸した繊維束（補強繊維束）７０を巻き付け、当該樹脂を硬化させることにより形成されている。ＦＲＰ層２１の樹脂には、例えばエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。また、繊維束７０としては、炭素繊維（ＣＦ）、金属繊維などの束が用いられる。ＦＷ成形の際には、タンク軸を中心としてライナ２０を回転させながら繊維束７０のガイドをタンク軸方向に沿って動かすことにより当該ライナ２０の外周面に繊維束７０を巻き付けることができる。

次に、高圧タンク１における繊維束（例えば炭素繊維ＣＦの束）７０の構造的曲げを低減するための繊維巻き構造について説明する（図２等参照）。

上述したように、高圧タンク１は、ライナ２０の外周に繊維束（例えば炭素繊維束）７０を巻き付け、樹脂を硬化させることにより形成されている。ここで、繊維束７０の巻き付けにはフープ巻とヘリカル巻があり、樹脂がフープ巻された層によってフープ層（図４、図５等において符号７０Ｐで示す）が、ヘリカル巻された層によってヘリカル層（図４、図５等において符号７０Ｈで示す）がそれぞれ形成される。前者のフープ巻は、高圧タンク１のストレート部（タンク胴体部分）に繊維束７０をコイルスプリングのように巻くことによって当該部分を巻き締め、気体圧によりＹ軸正方向へ向かう力（径方向外側へ拡がろうとする力）に対抗するための力をライナ２０に作用させるものである。一方、後者のヘリカル巻はドーム部を巻き締め方向（タンク軸方向の内側向き）に巻き締めることを主目的とした巻き方であり、当該ドーム部に引っ掛かるようにして繊維束７０を高圧タンク１に対し全体的に巻き付けることにより、主として当該ドーム部の強度向上に寄与する。なお、コイルスプリングのように巻かれた繊維７０の弦巻（つるまき）線（ネジにおけるネジ山の線）と、当該タンク１の中心線（タンク軸１２）とのなす角度（のうちの鋭角のほう）が、図２において符号αで示す、本明細書でいう繊維７０の「タンク軸（１２）に対する巻角度」である（図２参照）。

これら種々の巻き付け方のうち、フープ巻は、ストレート部において繊維束７０をタンク軸にほぼ垂直に巻くものであり、その際の具体的な巻角度は例えば８０〜９０°である（図２参照）。ヘリカル巻（または、インプレ巻）は、ドーム部にも繊維束７０を巻き付ける巻き方であり、タンク軸に対する巻角度がフープ巻の場合よりも小さい（図２参照）。ヘリカル巻を大きく２つに分ければ高角度ヘリカル巻と低角度ヘリカル巻の２種類があり、そのうち高角度ヘリカル巻はタンク軸に対する巻角度が比較的大きいもので、その巻角度の具体例は７０〜８０°である。一方、低角度ヘリカル巻は、タンク軸に対する巻角度が比較的小さいもので、その巻角度の具体例は５〜３０°である。なお、本明細書においては、これらの間となる３０〜７０°の巻角度でのヘリカル巻を中角度ヘリカル巻と呼ぶ場合がある。さらに、高角度ヘリカル巻、中角度ヘリカル巻、低角度ヘリカル巻により形成されるヘリカル層をそれぞれ高ヘリカル層、中ヘリカル層（符号７０ＭＨで示す）、低ヘリカル層（符号７０ＬＨで示す）と呼ぶ。また、高角度ヘリカル巻のドーム部１ｄにおけるタンク軸方向の折り返し部分を折返し部と呼ぶ（図２参照）。

一般的に、フープ巻は、それ自体、繊維束７０どうしを隣接させながら螺旋状に巻き、繊維束７０の積み重ねをなくして凹凸を生じさせないようにすることが可能な巻き方である。一方、ヘリカル巻は、一般的にはドーム部を巻き締めることを主目的としており、繊維束７０の積み重なりや凹凸を減らすことは困難であるか、あるいはこれらを低減させることについて十分には考慮されていない巻き方である。これらフープ巻とヘリカル巻は、当該高圧タンク１の軸長、直径などの仕様に応じて適宜組み合わされ、ライナ２０の周囲にフープ層７０Ｐおよびヘリカル層７０Ｈが積層される（図１等参照）。このとき、フープ層７０Ｐにヘリカル層７０Ｈが隣接していると、当該ヘリカル層７０Ｈの凹凸がフープ層７０Ｐに転写し、当該フープ層７０Ｐの繊維束７０に曲げ（起伏）が生じることがある。

この点、本実施形態では、ＦＲＰ層２１の内層に位置する複数のヘリカル層７０Ｈのうちの少なくとも１つのヘリカル層７０Ｈに関し、該ヘリカル層７０Ｈを構成する繊維束７０の断面積を、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される他の層を構成する繊維束７０の断面積よりも小さくしている（図４参照）。この場合、内層に位置する複数のヘリカル層７０Ｈのうちのいずれをも対象とすることが可能であるが、これらのうち最内層のヘリカル層（もっともライナ２０寄りのヘリカル層）７０Ｈを対象とすることが好ましい（図６参照）。

このように、ＦＲＰ層２１の内層に位置する複数のヘリカル層７０Ｈのうちの少なくとも１つ（好ましくは最内ヘリカル層）において、該ヘリカル層７０Ｈを構成する繊維束７０の断面積を小さくすれば、以下のような作用効果が得られる。すなわち、断面積の小さい繊維束７０を用いてヘリカル層７０Ｈを形成した場合、当該繊維束７０自体の厚みｔが従来の厚みｔ’よりも薄くなる（図４、図５参照）。また、巻回された繊維束７０は、巻回時の張力や他の層からの圧力などにより扁平した断面形状となり、尚かつ、断面積が小さいことから繊維束７０どうしの間隔を従来よりも狭めた状態となる（図４参照）。したがって、このような繊維束７０によって構成されるヘリカル層７０Ｈは、その表面における凹凸が小さくなることから、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される他の層（本実施形態の場合、フープ層７０Ｐ）に凹凸が転写されるのを抑制することができる（図４参照）。これによれば、凹凸ヘリカル層（平滑にするための処理がなされておらず表面に凹凸が生じているヘリカル層のことをいい、図１１、図１２において符号７０Ｂで示す）に起因する従来のような構造的な繊維束の曲げを低減することが可能となるから、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される層（本実施形態の場合、フープ層７０Ｐ）の繊維束７０の構造的な曲げ（起伏）を抑え、当該繊維束７０自体の疲労強度を向上させることができる。具体的には、従来のヘリカル層７０Ｐにおいては、断面積が比較的大きな繊維束７０が重なり合う結果、当該ヘリカル層７０Ｐの表面が平滑でない場合があるが（図６参照）、本実施形態においては、当該ヘリカル層７０Ｈの表面をより平滑とすることができる（図４参照）。加えて、本実施形態の場合、ヘリカル層７０Ｈの外側に形成されるフープ層７０Ｐの構造的な曲げ（起伏）が従来の場合よりも明らかに小さい（図４、図５参照）。さらに、当該ヘリカル層７０Ｈ自体、および該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される層（本実施形態の場合、フープ層７０Ｐ）を薄肉化、高密度化することによって高Ｖｆ化させ、バースト強度を向上させることも可能となる。なお、Ｖｆは繊維体積含有率を表し、その値（Ｖｆ値）が大きくなると繊維の含有率が高くなり、樹脂の含有率が小さくなる。このＶｆの値が高すぎると疲労耐久性が悪化し、値を下げすぎるとタンク外形が大きくなる。

しかも、本実施形態では、内層に位置する複数のヘリカル層７０Ｈのうち最内層のもの（最内ヘリカル層７０Ｈ）を対象としていることから、タンク強度をより大きく向上させうるという利点がある。すなわち、一般に、繊維束７０を巻回して形成されるフープ層７０Ｐおよびヘリカル層７０Ｈ（特に、フープ層７０Ｐ）は、内側に位置する層（つまりライナ２０寄りの層）ほどタンク強度への寄与度が大きいことから、上述のごとく最内層のヘリカル層７０Ｈを断面積の小さな繊維束７０によって構成した場合には、当該最内ヘリカル層７０Ｈの外側に隣接する層（本実施形態の場合、フープ層７０Ｐ）をより平滑に巻回することが可能となる。これにより、当該フープ層７０Ｐを構成する繊維束７０の構造的な曲げ（起伏）を抑えてタンク強度の向上にさらに寄与させることが可能となる。

なお、本明細書でいう「内層」とは、ＦＲＰ層２１を複数に分けた場合のライナ２０寄りの層をいう。例えば本実施形態の場合には、ＦＲＰ層２１をほぼ同じ厚みに１／３にして３層に分けた場合の内側の層を内層と呼び、併せて、外側の層を外層、中間の層を中層と呼ぶ。後に示す表１、表２においては各層を「外」、「中」、「内」と表記する。

また、上述のように繊維束７０の断面積を小さくするにあたっては、例えば当該繊維束７０を構成する繊維の数を変化させることによって当該断面積を変えることができる。具体的には、ＦＲＰ層２１の内層に位置するヘリカル層７０Ｈには繊維数が少ない繊維束（スモールトウ）７０を用い、それ以外の層（中層、外層のヘリカル層７０Ｈ、および全層のフープ層７０Ｐ）にそれよりも繊維数が多い繊維束（ラージトウ）を用いることにより、対象とするヘリカル層７０Ｈの表面をより平滑にすることができる。繊維束７０の配置の態様を例示して説明すれば以下のとおりである（表１、表２参照）。

以下に示す表１では、ＦＲＰ層２１の内層に位置するヘリカル層７０Ｈには６ｋ（６，０００）本の繊維で構成された繊維束７０を用い、それ以外の層（中層、外層のヘリカル層７０Ｈ、および全層のフープ層７０Ｐ）には１２ｋ（１２，０００）本の繊維で構成された繊維束７０を用いている。この場合、内層に位置するヘリカル層７０Ｈのすべてについて繊維束７０の断面積を小さくしてもよいし、そのうちの一部について繊維束７０の断面積を小さくしてもよい。

また、以下に示す表２では、ＦＲＰ層２１の内層に位置するヘリカル層７０Ｈには１２ｋ（１２，０００）本の繊維で構成された繊維束７０を用い、それ以外の層（中層、外層のヘリカル層７０Ｈ、および全層のフープ層７０Ｐ）には２４ｋ（２４，０００）本の繊維で構成された繊維束７０を用いている。この場合においても、内層に位置するヘリカル層７０Ｈのすべてについて繊維束７０の断面積を小さくするか、あるいはそのうちの一部について繊維束７０の断面積を小さくするかは適宜変更することが可能である。

以上説明した繊維束７０の配置の態様はあくまでも例示にすぎず、繊維数は適宜変更して構わない。ただし、対象とするヘリカル層７０Ｈの表面を平滑にして上述した作用効果を十分に発現させるには、当該対象とするヘリカル層７０Ｈの繊維束７０の断面積が、それ以外の層の繊維束７０の断面積の２／３以下となるようにすることが好ましい。換言すれば、対象以外の層の繊維束７０の繊維数が、対象とするヘリカル層７０Ｈの繊維束７０の繊維数の１．５倍以上となるように選定したうえで当該繊維束７０を配置することが好ましい。

ここまで、一部のヘリカル層７０Ｈについて繊維束７０の断面積を小さくすることについて説明したが、これ以外の手段によって当該ヘリカル層７０の表面を平滑にすることもできる。例示すれば、ヘリカル層７０Ｈを構成する繊維束に対する張力を増大させることによりＦＲＰ層２１の積層方向における当該繊維束７０の厚みを減少させることができる。こうした場合、繊維束７０が幅方向に広がってより扁平した状態となり、そのぶん段差が減少して当該ヘリカル層７０Ｈの表面がより平滑となる。従来、ヘリカル層７０Ｈの表面の凹凸の影響により、当該ヘリカル層７０Ｈの外側の層（例えばフープ層）の繊維束７０に曲げによるせん断応力が生じ（図１０中の想像線で囲んだ部分を参照）、破断が進行して疲労強度が低下することが起こりえたが、本実施形態によればこのような影響を抑制して疲労強度低下を回避することが可能となる。

例えば図７等に示す本発明の他の実施形態では、繊維束７０の張力が現状でおよそ２０Ｎであるのに対し（図８参照）、最内ヘリカル層７０Ｈの繊維束７０に対する張力を４０〜５０Ｎ程度にまで増大させている（図７参照）。こうした場合、張力の増加に伴いより強く巻回される当該繊維束７０はさらに扁平した断面形状となって厚みを減少させる（厚みｔ’→ｔ）。この結果、当該ヘリカル層７０Ｈの表面は、段差が少なくなることによってより平滑となる（図７参照）。例えば上述のように張力を２０Ｎから４０〜５０Ｎ程度にまで増大させた場合、繊維束７０の厚み、およびヘリカル層７０Ｈの厚みを２０％程度減少させ、凹凸を少なくして表面をより平滑にすることができる。

また、上述のように張力を増大させてヘリカル層７０Ｈを平滑する際、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される層の繊維束７０の線径を太くすることも好ましい。このようにしてヘリカル層Ｈの外側に形成される他の層（例えばフープ層７０Ｐ）の繊維束径を例えば２０〜３０％太くすることにより、当該繊維束における曲げ変位を減少させ、せん断応力を緩和させることが可能となる（図９参照）。一例を挙げると、従来、ヘリカル層７０Ｈの外側のフープ層７０Ｐにおいては、ヘリカル層７０Ｈの凹凸の影響で例えば６〜７°の曲げ角度が生じていたところ（図１０参照）、フープ層７０Ｐの繊維束７０の線径を太くすることのみによって当該曲げ角度を４．２〜５．５°程度にまで低減させることが可能となる（図９参照）。すなわち、このようにフープ層７０Ｐの繊維束７０の線径を太くした場合には繊維一本当たりの剛性が下がるため、同じ力を加えても曲がる角度が小さくなって曲げ角度が低減する。

なお、以下に、繊維束７０を巻くためのＦＷ（フィラメントワインディング）装置の一例について簡単に説明しておく。図１３、図１４に示すＦＷ装置８０は、タンク軸を中心としてライナ２０を回転させながら、繊維束７０のガイド装置（「アイ口」などと呼ばれる）８１をタンク軸方向に沿って往復動させることにより当該ライナ２０の外周に繊維束７０を巻き付けるものである。ライナ２０の回転数に対するガイド装置８１の動きの相対速度を変化させることによって繊維束７０の巻角度を変えることができる。ガイド装置８１は、例えば治具によって動作可能に支持されている。

以上説明したように、本実施形態では、ヘリカル層７０Ｈの表面の凹凸を低減させることにより、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に隣接する層（例えばフープ層７０Ｐ）に転写されうる凹凸や構造的曲げを低減させ、これによって疲労強度が低下するのを回避できるようにしている。この場合、ヘリカル層７０Ｈの表面の凹凸を低減させる手段としては、上述したような、繊維数が少なく断面積が比較的小さい繊維束７０を用いてヘリカル層７０Ｈを構成することや、繊維束７０の張力を増大させて当該繊維束７０の厚みｔを薄くすること等が有効である。また、単位時間あたりの繊維巻き量を増加させ、高圧タンク１の生産性を向上させることも可能である。

また、平滑なヘリカル層７０Ｈ自体はもちろん、これに隣接するフープ層７０Ｐが高Ｖｆ（繊維体積含有率）化することは、これに伴って樹脂溜まりが少なくなることから、ＦＲＰ層２１において使用する樹脂量が少なくなることにつながる。このように樹脂量が少なくなれば、そのぶん高圧タンク１の軽量化を図ることも可能になる。

さらに、上述のようにＦＲＰ層２１が高Ｖｆ化して樹脂量が少なくなれば、硬化発熱量（樹脂の熱硬化中の反応熱による発熱）が下がる。一般に、熱硬化時におけるピーク温度が高いと、ボンディング（ＦＷ成形および樹脂硬化の後、ライナ２０とＦＲＰ層２１とが一部分または全部において接着した状態）やライナ材劣化といった問題が生じるおそれがあるが、このように硬化発熱量を低下させうる本実施形態の高圧タンク１においては、これらの問題を抑えることも可能である。

しかも、本実施形態によればタンク強度を大きく向上させうるという利点もある。すなわち、フープ層７０Ｐの繊維束７０の構造的な曲げを低減することは、高圧タンク１のストレート部１ｓの疲労強度の向上に寄与するという点で好ましい。また、ヘリカル層７０Ｈの繊維束７０の構造的な曲げを低減することは、高圧タンク１のドーム部１ｄの疲労強度の向上に寄与するという点で好ましい。一般に、ヘリカル層７０Ｈ、フープ層７０Ｐとも、内側に位置する層（ライナ２０寄りの層）ほどタンク強度への寄与度が大きく、特に、ストレート部１ｓを巻き締めて耐圧力を十分に作用させるという点において最内層のフープ層７０Ｐの役割が大きい。この点、上述した実施形態では、少なくとも最も内側のヘリカル層７０Ｈの表面を平滑とすることにより、該平滑ヘリカル層７０Ｈの外側に隣接する層（例えばフープ層７０Ｐ）をも平滑に形成することを可能とし、当該層（例えばフープ層７０Ｐ）をタンク強度の向上に大きく寄与させることができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれ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いて種々変形実施可能である。例えば上述した各実施形態では、最も内側のヘリカル層７０Ｈを平滑ヘリカル層（最内平滑ヘリカル層）とする場合について説明したが、平滑ヘリカル層７０Ｈを形成した場合の種々の作用効果を鑑みれば、他のヘリカル層７０Ｈの表面を平滑にする処理をすることも好ましい。また、中層や外層におけるヘリカル層７０Ｈを平滑とすることで、当該ヘリカル層７０Ｈにおいても上述したものと同様の作用効果を実現させることが可能である。

また、上述した実施形態ではヘリカル層の外側の層がフープ層７０Ｐである場合を主に説明したが（図４等参照）、ヘリカル層７０Ｈの外側の層がヘリカル層７０Ｈである場合にも本発明を適用することが可能である。

また、ここまでの実施形態では、燃料電池システム等において利用可能な水素タンクに本発明を適用した場合を例示して説明したが、水素ガス以外の流体を充填するためのタンクに本発明を適用することももちろん可能である。

さらに、本発明を、タンク（圧力容器）以外の物、例えば、ＦＲＰ層を有する長尺物や構造物などの筒体（筒状の部分を含む）に適用することも可能である。一例を挙げれば、心棒（例えばマンドレルのようなもの）や型の外側にヘリカル巻やフープ巻によって繊維束７０を巻き付けてヘリカル層７０Ｈやフープ層７０Ｐを有するＦＲＰ層２１を形成する場合に、平滑なヘリカル層７０Ｈを形成することとすれば、繊維束７０の構造的曲げを低減させる、疲労強度を向上させる、１層あたりの厚みを薄くする、といった、上述した実施形態におけるのと同様の作用効果を実現することが可能となる。

また、このように本発明を筒体１’に適用する場合においては、フープ層に隣接する層を他のフープ層７０Ｐまたは平滑ヘリカル層７０Ｈとすることは好ましい態様の一つである。あるいは、凹凸ヘリカル層７０Ｈに隣接する層を平滑ヘリカル層とすることも好ましい態様の一つである。なお、筒体１’の具体例としては、ゴルフクラブのシャフトやカーボンバットといった運動用具、釣竿等のレジャー用具、さらにはプラント設備等のエンジニアリング製品、建築資材などの構造物といったものを挙げることができる。

本発明は、ＦＲＰ層を有するタンク、さらには長尺物や構造物などの筒体に適用して好適なものである。

１…高圧タンク（タンク）、１’…筒体、２０…ライナ、２１…ＦＲＰ層、７０…繊維束、７０Ｈ…ヘリカル層、７０Ｐ…フープ層、ｔ，ｔ’…（ヘリカル層７０Ｈの）厚み

Claims (7)

1. ライナと、該ライナの外周に繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクであって、
   前記ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さく、
   かつ、前記ヘリカル層を構成する繊維束に対する張力を増大させることにより前記ＦＲＰ層の積層方向における当該繊維束の厚みを減少させている、タンク。
2. 前記内層に位置するヘリカル層は、最内層のヘリカル層である、請求項１に記載のタンク。
3. 前記ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該繊維束を構成する繊維数を変化させることによっても変化している、請求項１に記載のタンク。
4. 当該ヘリカル層の外側に形成される前記他の層を構成する繊維束として、それ以外の層を構成する繊維束よりも太い径の繊維束で構成されたものを用いている、請求項１から３のいずれか一項に記載のタンク。
5. 前記繊維束の断面積が小さいヘリカル層の外側に隣接して形成される他の層がフープ層である、請求項１から３，５のいずれか一項に記載のタンク。
6. ライナと、該ライナの外周に繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクの製造方法において、
   前記ヘリカル層を構成する繊維束に対する張力を増大させることにより前記ＦＲＰ層の積層方向における当該繊維束の厚みを減少させ、
   前記ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つを、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい断面積の繊維束を巻回することによって形成する、タンクの製造方法。
7. 繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＰＲ層を有する筒体であって、
   前記ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さく、
   かつ、前記ヘリカル層を構成する繊維束に対する張力を増大させることにより前記ＦＲＰ層の積層方向における当該繊維束の厚みを減少させている、筒体。

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