JP5348570B2 - タンクおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タンク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。

水素ガス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、軽量化を図ったものが利用されている（例えば特許文献１参照）。ライナは、水素ガス等の透過を防いで気密に貯蔵する部材として機能し、ＦＲＰ層は、高い内圧に耐える強度を付与する部材として機能する。

ＦＲＰ層を形成するフープ層は、繊維（例えば炭素繊維）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、繊維がヘリカル巻（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（図２参照）。また、ヘリカル巻は、タンク軸に対する巻角度を変えることによって高角度ヘリカル巻や低角度ヘリカル巻といった態様の異なる巻き方とすることが可能である。このようにしてＦＲＰ層を形成する際、繊維をどのように巻回させるかは、ＦＲＰ層による強度発現の効率を向上させるための重要な要素となっている。

従来、繊維の具体的な巻回のさせ方としては、例えば周方向繊維層（フープ層、高角度ヘリカル層）および軸方向繊維層（低角度ヘリカル層）を交互に、もしくは層数の比が１：１となるように順次巻回していく、といったものが提案されている。

特開２００８−０３２０８８号公報

しかしながら、上述のごとき従来のタンクにおいては、（１）高角度ヘリカル層が多用されており、繊維の周方向の剛性が低下し、巻回した繊維による強度発現効率が低下している （２）ＦＲＰ層内において各方向の繊維（周方向繊維、軸方向繊維）を順次巻回するなど、周方向繊維層と軸方向繊維層がほぼ均等に形成された状態になっていることから、このことによっても強度発現効率が低下している （３）高角度ヘリカル層の上下に積層される軸方向繊維層において、高角度ヘリカル層の凹凸が転写されることによる繊維の曲げ（起伏）が生じて蛇行することも、強度発現効率の低下の一因となっている （４）繊維を巻回する際の折返し位置がタンクのドーム部にまで及ぶことから、繊維の使用量が増えてタンクの質量増加を招くことがある といった問題がある。

そこで、本発明は、上述の問題の少なくとも一つを解決するために、フープ層とヘリカル層の積層態様を最適化し、巻回された繊維による強度発現の効率を向上させるようにした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った。上述した問題点は、タンクが低圧力でかつ小径である場合には、薄肉円筒（直径に比べて肉厚の薄い円筒）についての考え方に基づいてタンク壁内の応力を等分布と扱うことが可能であることから特に大きな問題とはならない。ところが、近時、タンクの大型化・高圧化（一例として、７０ＭＰａ程度）の要請や、車両レイアウトの自由度向上を目的としたタンク本数の減少化の要請に応じるため、ＦＲＰ層が厚肉化する傾向にあり、厚肉化すればＦＲＰ層内にて作用する応力勾配を無視することができなくなる、という実情がある。とりわけ、ＦＲＰは違方性材料であって、タンクにおいては周方向繊維層と軸方向繊維層とが重ね合わされて構成されていることから、応力勾配の影響がより顕著になりやすい。

ここで、繊維巻回時の周方向繊維層（フープ層）における繊維強度発現の効率について検討した本発明者は、高角度ヘリカル層を形成した場合には繊維自体の剛性が以下のように低下して強度発現の効率が低下することを確認した。すなわち、タンク軸に対する巻角度が８９°のフープ巻の剛性を１とした場合に比べ、例えば巻角度８０°では０．９程度、巻角度７０°では０．７程度、巻角度６０°では０．４程度というように剛性が低下し、強度発現という観点からすればそのぶん非効率となる。その理由としては、（Ａ）ＦＲＰ層を構成する繊維は引っ張りには強いが引っ張り方向とは垂直な横方向（トラバース方向）の外力には弱く、フープ巻にすれば強度を発現させやすいがヘリカル巻にすると強度を発現させにくくなり力を有効的に作用させることが難しくなること、（Ｂ）ＦＲＰ層の厚みが増して応力勾配が生じると、外側に巻かれる繊維ほど強度発現のポテンシャルを発揮できなくなり、強度への貢献度が低くなること、等が挙げられる。

これらの状況をふまえてさらに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、当該タンクの中心のタンク軸に対する巻角度が０°を超え３０°未満となる範囲でライナの外周に繊維が巻回されて形成される軸方向繊維層と、タンク軸に対する巻角度が３０°以上９０°未満となる範囲でライナの外周に繊維が巻回されて形成される周方向繊維層とからなるＦＲＰ層と、を有し、周方向繊維層のタンク軸方向における繊維折返し端部が、繊維層の積層方向内側から外側に向けて狭まる軌跡を描いている、というものである。また、好ましくは、繊維層の積層方向外寄りに形成される繊維折返し端部が、積層方向内寄りに形成される周方向繊維層のタンク軸方向における繊維折返し端部に対して、当該タンクの中央寄りに位置していることである。

ライナの外周に繊維を巻回してＦＲＰ層を形成する場合、回転するライナに対して繊維巻付け位置をタンク軸方向に沿って往復するように移動させながら繊維を巻き付けることが一般に行われている。これに関し、本発明においては、繊維巻付け位置を折り返す際に形成される繊維折返し端部を、外寄り（タンク外側）よりも内寄り（タンク内側）のほうが、タンク軸方向の中央寄りとなるようにしている。このようなタンクにおいては、周方向繊維層の積層を重ねるにつれ、折返し幅が狭くなり、繊維折返し端部がタンク中央へ寄っていく。従来の態様であれば、高角度ヘリカル層にある程度の厚みがあり、当該高角度ヘリカル層からタンク軸方向両端側（タンクドーム部）へと続くように形成される低角度ヘリカル層に曲げ（起伏）が生じることがあったが（図１２参照）、繊維折返し端部を上述のように傾斜させる本発明によれば、低角度ヘリカル層の曲げ（起伏）を抑制することが可能となる。

しかも、このようなタンクにおいては、傾斜部分に他のヘリカル層を効率的に積層することができる。このため、繊維強度の発現効率をより向上させることが可能となる。

このようなタンクにおいては、繊維層の積層方向の外寄り部分よりも内寄り部分の方で、周方向繊維層が占める割合が大きくなっていることが好ましい。特に、ＦＲＰ層の厚みが増すと上述したように応力勾配が生じ、外側の繊維による強度発現が有効でなくなる傾向にあるが、これら周方向繊維層をＦＲＰ層内に均等的に積層するのではなく、このようにタンク内寄りの部分により多く配置する（内層化する）ことにより、これら周方向繊維層による繊維強度の発現率を高い状態で維持することが可能となる。また、これによって、繊維の使用量を減らしてコスト削減を図ることも可能となる。また、繊維層の層数を同数とした場合には最外層の強度発現率を向上させることができることから、相対的に、外寄りの繊維による強度発現率を向上させることも可能となる。

上述したタンクにおいては、タンク軸に対する巻角度が８０°以上９０°未満であるフープ層によって周方向繊維層が形成され、タンク軸に対する巻角度が０°以上３０°未満である低角度ヘリカル層によって軸方向繊維層が形成されていることが好ましい。

この場合、タンク軸に対する巻角度が３０°以上８０°未満である高角度ヘリカル層がＦＲＰ層の最外層に用いられていることがさらに好ましい。一般に、高角度ヘリカル層は、タンクのストレート部とドーム部との境界部分に繊維の折返し端部が位置することから当該部分が厚肉となりやすく、このような高角度ヘリカル層をＦＲＰ層の真ん中に用いると、従来のタンクにおけるように、厚肉化した折返し端部の影響で低角度ヘリカル層にて繊維曲げ（起伏）や蛇行が生じる場合がある（図１２参照）。これに対し、上述のように高角度ヘリカル層をＦＲＰ層の最外層に用いる本発明によれば、このような低角度ヘリカル層における繊維曲げなどを抑制することが可能である。

このようなタンクにおいて、ＦＲＰ層が、フープ層の数：ヘリカル層の数の比が２以上である当該フープ層およびヘリカル層によって構成されていることも好ましい。フープ層の数：ヘリカル層の数の比が２以上であることは、タンクのドーム部とストレート部に必要な強度を担保するために好ましい。

また、一部の周方向繊維層の繊維折返し端部が、当該周方向繊維層より積層方向外側に位置する他の周方向繊維層の繊維折返し端部よりも、タンク軸方向タンク中央寄りに位置していることも好ましい。周方向繊維層の各層を構成するフープ層または高角度ヘリカル層の成形性や滑らかさ等を考慮すると、これら周方向繊維層の折返し端部位置は常にその軌跡がタンク外周に向けて狭まるように配置されていなくても構わず、例えば、タンク軸方向において折返し端部位置が前後したとしても構わない。

上述したタンクにおいて、ライナに対する巻き始めを、タンク軸に対する巻角度が０°以上８０°未満であるヘリカル層を形成する繊維とすることができる。あるいは、ライナに対する巻き始めを、タンク軸に対する巻角度が８０°以上９０°未満であるフープ層を形成する繊維とすることもできる。このように巻き始めの繊維を適宜変更することにより、当該タンクが万が一破壊に至る場合の破壊開始位置をいずれの部位にするか設定することが可能である。

また、本発明にかかる製造方法は、当該タンクの中心のタンク軸に対する巻角度が０°を超え３０°未満となる範囲でライナの外周に繊維を巻回して軸方向繊維層を形成し、タンク軸に対する巻角度が３０°以上９０°未満となる範囲で繊維を巻回して周方向繊維層を形成し、ＦＲＰ層を形成するタンクの製造方法において、周方向繊維層を形成する際、当該周方向繊維層のタンク軸方向における繊維折返し端部により、繊維層の積層方向内側から外側に向けて狭まる軌跡を描かせる、というものである。

本発明によれば、バースト強度と疲労強度の両立を図った構造のタンクを実現することができる。

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。 繊維の各種の巻き方について説明するための図である。 タンクの口金付近の構造例を示す断面図である。 ドーム部とストレート部の境界近傍における軸方向繊維層と周方向繊維層の積層態様の一例を示す、タンクの部分断面のみを表す図である。 周方向繊維の繊維折返し端部が描く軌跡の一例を示す、繊維の巻回の一態様を表した図である。 軸方向繊維層と周方向繊維層の積層態様の一例を示す、図１のＡ−Ａ線での断面図である。 一部の周方向繊維層の繊維折返し端部が、他の周方向繊維層の繊維折返し端部よりもタンク軸方向においてタンク中央寄りに位置している態様の一例を概略的に示す図である。 高角度ヘリカル層により厚肉の補強フレームを形成した場合の態様を示すタンクの部分断面図である。 本発明の他の実施形態を示す、図１のＡ−Ａ線での断面図である。 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を巻き付ける様子を示す図である。 従来のタンクにおける軸方向繊維層と周方向繊維層の積層態様の一例を参考として示す、タンクの部分断面のみを表す図である。

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１１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（高圧タンク）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。

図３は、タンク１の要部を示す断面図である。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（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（タンク１の軸方向の内側）に、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（補強繊維）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７０としては、炭素繊維（ＣＦ）、金属繊維などが用いられる。ＦＷ成形の際には、タンク軸（図１、図２において符号１２で示す）を中心としてライナ２０を回転させながら繊維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７０を巻き付けることができる。なお、実際には複数本の繊維７０が束ねられた繊維束がライナ２０に巻き付けられることが一般的であるが、本明細書では繊維束である場合を含めて単に繊維と呼ぶ。

次に、ＦＲＰ層２１のフープ層とヘリカル層の積層態様を最適化し、巻回された繊維７０による強度発現の効率を向上させるための構造例について説明する（図２等参照）。

ここで、まず繊維７０を巻くためのＦＷ（フィラメントワインディング）装置の一例を簡単に説明しておく。図１０、図１１に示すＦＷ装置８０は、タンク軸１２を中心としてライナ２０を回転させながら、繊維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。

上述したように、タンク１は、ライナ２０の外周に繊維（例えば炭素繊維）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７０の巻き付けにはフープ巻とヘリカル巻があり（図２参照）、樹脂がフープ巻された層によってフープ層（図４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において符号７０ＨＨおよび符号７０ＨＬで示す）がそれぞれ形成される。前者のフープ巻は、タンク１のストレート部（タンク胴体部分）１ｓに繊維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１ｄ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１ｄに引っ掛かるようにして繊維７０をタンク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１ｄ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７０をタンク軸１２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７０を巻き付ける巻き方であり、タンク軸１２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１２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１２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。ちなみに、繊維７０がタンク軸１２と平行な場合の巻角度は０°、周方向に周回するように巻かれた場合の巻角度は９０°ということになる。本実施形態では、巻角度０〜５°の場合のヘリカル巻を含めて低角度ヘリカル巻と呼ぶ。

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角度ヘリカル層（符号７０ＨＨで示す）、中角度ヘリカル層（図２参照）、低角度ヘリカル層（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７０どうしを隣接させながら螺旋状に巻き、繊維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７０に曲げ（起伏）が生じることがある。特に、高角度ヘリカル層７０ＨＨの上下に積層される軸方向繊維（例えばフープ層７０Ｐ）に曲げ（起伏）が生じて蛇行すると、繊維７０による強度発現効率が低下する要因となりうる。

この点、本実施形態では、軸方向繊維と周方向繊維からなるＦＲＰ層２１を有するタンク１において、周方向繊維の層のタンク軸方向における繊維折返し端部７０ｅが、繊維層の積層方向内側から外側に向けて狭まる軌跡を描くようにしている（図４、図５参照）。「軌跡」は、ある一定条件を満たす点全体の集合などと定義することができるものである。本明細書でいう繊維折返し端部７０ｅの軌跡とは、タンク１の縦断面に表れる当該繊維折返し端部７０ｅの集合をいう。また、軸方向繊維層とは、タンク中心にあるタンク軸１２に対する巻角度が０°を超え３０°未満となる範囲でライナ２０の外周に繊維７０が巻回されて形成される繊維層をいい、周方向繊維層とは、タンク軸１２に対する巻角度が３０°以上９０°未満となる範囲でライナ２０の外周に繊維が巻回されて形成される繊維層をいう（図２参照）。上述した種々の繊維層のうち、フープ層（巻角度８０〜９０°）７０Ｐ、高角度ヘリカル層（巻角度７０〜８０°）７０ＨＨ、および中角度ヘリカル層（巻角度３０〜７０°）は周方向繊維層である。また、低角度ヘリカル層（巻角度０〜３０°で、好ましくは５〜３０°）７０ＬＨは軸方向繊維層であり、例えば口金１１と接し、あるいは当該口金１１の近傍付近まで積層される繊維で形成される。なお、図２等において、周方向繊維またはこれによって形成される層（周方向繊維層）を符号７１で示し、軸方向繊維またはこれによって形成される層（軸方向繊維層）を符号７２で示す。

このような積層構造とする場合、各繊維層の積層方向の外寄り部分（外層）よりも内寄り部分（内層）の方で、周方向繊維層７１が占める割合が大きくなるようにすることが好ましい（図４、図６参照）。通常、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を巻き締めて繊維強度を十分に発現・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、本実施形態では、周方向繊維層７１のうちのフープ層７０Ｐを内層部分に集約し（内層化）、内層側に集約したフープ層７０Ｐにより繊維強度の発現効率を向上させたうえで、その周囲に低角度ヘリカル層７０ＬＨ（軸方向繊維層７２）を形成し、さらにその周囲にＦＲＰ層２１の最外層を構成する高角度ヘリカル層７０ＨＨを形成している（図４、図６参照）。ちなみに、この場合の高角度ヘリカル層７０ＨＨは単層とすることも可能であるが、本実施形態では複数の層から形成することとしている。このように、タンク内寄りの内層部分に周方向繊維層７１（特にフープ層７０Ｐ）をより多く配置することにより、周方向繊維層７１（特にフープ層７０Ｐ）による繊維強度の発現率を高い状態で維持することが可能となる。

すなわち、従来のごとく、周方向繊維層７１（フープ層７０Ｐ、高角度ヘリカル層７０ＨＨ、および中角度ヘリカル層）と、軸方向繊維層７２（低角度ヘリカル層７０ＬＨ）とをＦＲＰ２１層に均等的に積層した場合（各層の厚みが均等に繰り返されるように積層した場合）、特にフープ層７０Ｐによる高い繊維強度を発現させることが難しかった（図１２参照）。この点、上述のようにフープ層７０Ｐを内層部分に多く配置していわば内層化した本実施形態の場合には、特にフープ層７０Ｐによる高い繊維強度を発現させやすい。なお、周方向繊維層７１（特にフープ層７０Ｐ）の内層化は、例えばＦＲＰ層２１の厚さの内層側（ＦＲＰ層２１のうちのＹ軸原点寄り部分）７５％内にフープ層７０Ｐを集約することにより実現することができる（図４、図６等参照）。

しかも、上述のように、本実施形態では、周方向繊維層７１（特に、フープ層７０Ｐ）のタンク軸方向における繊維折返し端部７０ｅが、繊維層の積層方向内側（内層）から外側（外層）に向けて徐々にタンク軸方向中央寄りへと狭まる軌跡を描くようにしている。すなわち、周方向繊維層７１（特にフープ層７０Ｐ）を形成する繊維を巻回する際、繊維折返し端部７０ｅから次の繊維折返し端部７０ｅまでの長さ（折返し幅ｗ）を徐々に狭め、断面における繊維折返し端部７０ｅの軌跡が台形の左右両辺となるようにしているので（図５参照）、周方向繊維層７１（本実施形態の場合、フープ層７０Ｐ）の積層を重ねるにつれ、折返し幅が狭くなり、繊維折返し端部７０ｅがタンク中央へ寄っていく。従来の態様であれば、高角度ヘリカル層にある程度の厚みがあり、当該高角度ヘリカル層からはみ出た形の低角度ヘリカル層に曲げ（起伏）が生じることがあったが（図１２参照）、繊維折返し端部７０ｅを上述のようにタンク軸方向中央寄りに傾斜させる本実施形態の場合には、その上に形成される例えば低角度ヘリカル層７０ＬＨの曲げ（起伏）を抑制することが可能となる。

これについてさらに説明を加える。従来の態様において、高角度ヘリカル層７０ＨＨからはみ出た形の低角度ヘリカル層７０ＬＨに曲げ（起伏）が生じているような場合、特にタンク１のストレート部１ｓとドーム部１ｄの繋ぎ目の部分（接続部分）の近傍において、高角度ヘリカル層７０ＨＨから低角度ヘリカル層７０ＬＨにかけて滑らかに連続するよう成形することが難しい場合があった。この点、本実施形態のタンク１においては、ストレート部１ｓとドーム部１ｄの境界となる繋ぎ目部分の近傍において、特に低角度ヘリカル層７０ＬＨを滑らかな形状で集約させることが可能である（図４参照）。

加えて、このタンク１においては、傾斜部分に他のヘリカル層（例えば、図４に示すような低角度ヘリカル層７０ＬＨ）を効率的に積層することができるようになる。すなわち、フープ層７０Ｐの繊維折返し端部７０ｅがタンク１の口金１１のほうへ徐々に寄ってしまっていると、これらフープ層７０Ｐの間に形成される層（低角度ヘリカル層７０ＬＨなど）に曲げ（起伏）や蛇行が生じる結果、繊維強度が十分に発現しないことがあったが（図１２参照）、本実施形態の場合には、当該層（本実施形態の場合、低角度ヘリカル層７０ＬＨ）に曲げなどが生じないよう繊維７０を効率的に積層して繊維強度の発現効率を向上させることが可能となる。

また、高角度ヘリカル層７０ＨＨは、ＦＲＰ層２１の最外層に用いられていることが好ましい。一般に、高角度ヘリカル層７０ＨＨは、タンク１のストレート部１ｓとドーム部１ｄとの境界部分に繊維７０の折返し端部７０ｅが位置することから当該部分が厚肉となりやすく、このような高角度ヘリカル層７０ＨＨをＦＲＰ層２１の中層に用いると、従来におけるように厚肉化した折返し端部７０ｅの影響で低角度ヘリカル層７０ＬＨにて繊維曲げ（起伏）や蛇行が生じる場合があった。この点、本実施形態では、高角度ヘリカル層７０ＨＨを最外層に形成し、低角度ヘリカル層７０ＬＨにおける繊維曲げなどを抑制して全体として高い繊維強度を発現できるようにしている（図４参照）。なお、図４では高角度ヘリカル層７０ＨＨを構成する繊維７０のうちの数本のみを示しているだけであり、すべての繊維７０を示しているわけではない。

なお、上述のように周方向繊維層７１が占める割合を大きくする場合の具体内容は限定されないが、例えば、層数の比、すなわち（フープ層７０Ｐの数）：（ヘリカル層７０Ｈの数）の値が２以上であるいわばフープリッチ状態のフープ層７０Ｐおよびヘリカル層７０ＨによってＦＲＰ層２１を構成することが好ましい。フープ層７０Ｐの層数をヘリカル層７０Ｈの層数の２倍以上とすれば、特にタンク１のストレート部１ｓにおいて必要な強度を担保しやすいという点で好ましい。

また、上述した実施形態において、２層以上同種類の繊維層を群として積層していくことにより周方向繊維層７１を構成することも好ましい。例えば、巻角度８９°の繊維を巻回してフープ層７０Ｐを形成する場合、このような巻角度８９°のフープ層７０Ｐを２層以上、同種の層からなる群として積層することにより、例えばヘリカル層７０Ｈの凹凸がフープ層７０Ｈに転写されるのを抑制して繊維７０の疲労強度を向上させることができる。また、これにより、繊維７０の巻回に要する手間と時間を抑えつつ繊維強度の発現効率を向上させることもできる。

さらに、ここまでは、周方向繊維層７１（例えばフープ層７０Ｐ）の繊維折返し端部７０ｅが、積層方向内側から外側に向けて狭まる軌跡を描く場合について説明したが（図４参照）、この場合の軌跡は、積層方向内側（内層）から外側（外層）に向け常に狭まるものではなくても構わない。例えば、一部の周方向繊維層７１の繊維折返し端部７０ｅが、当該周方向繊維層７１より積層方向外側（外層）に位置する他の周方向繊維層７１の繊維折返し端部７０ｅよりも、タンク軸方向においてタンク中央寄りに位置していても構わない。具体例を挙げて説明すると、巻角度８９°のフープ層７０Ｐが積層されて周方向繊維群が形成されている場合に、その繊維群中の一つの層を例えば巻角度８０°のフープ層７０Ｐ’とし（あるいは、巻角度８０°未満の高角度ヘリカル層７０ＨＨ’としてもよい）、当該フープ層７０Ｐ’の繊維折返し端部７０ｅを、それよりも内側のフープ層７０Ｐの繊維折返し端部７０ｅよりもタンク軸方向に例えばｍだけ延ばしても構わない（図７参照）。周方向繊維層７１の各層を構成するフープ層７０Ｐや高角度ヘリカル層７０ＨＨの成形性や滑らかさ等を考慮すると、これら周方向繊維層７１の繊維折返し端部７０ｅの位置は常にその軌跡がタンク外周に向かうにつれ狭まるように配置されていなくても構わない。このように周方向繊維層７１の一部において繊維折返し端部７０ｅの位置が前後していても、これら繊維折返し端部７０ｅが内層から外層に向け全体として狭まる軌跡を描いていればよい。

以上説明した本実施形態のタンク１においては以下に述べるような作用効果が得られる。

すなわち、本実施形態では、内層から外層に向かうにつれ繊維折返し端部７０ｅが狭まるようにする等によりフープ層７０Ｐとヘリカル層７０Ｈの積層態様の最適化を図っていることから、ライナ２０の周囲に巻回される各繊維７０による強度発現の効率を向上させることができる。このことは、タンク１の大型化・高圧化やンク本数の減少化などが要請される近時の現状下では特に有効である。

また、一般に、タンク１のＦＲＰ層２１は、主にタンク周方向の応力を分担するフープ層７０Ｐおよび高角度ヘリカル層７０ＨＨ、また主にタンク軸方向の応力を分担する低角度ヘリカル層７０ＬＨ等からなるところ、本実施形態ではさらに、タンク外寄り部分（外層）よりも内寄り部分（内層）の方で周方向繊維層７１が占める割合を大きくしている。これによれば、特に周方向繊維層７１（本実施形態ではフープ層７０Ｐ）においてより高い繊維強度を発現させることができる。

また、本実施形態のタンク１においては、周方向繊維層７１（特にフープ層７０Ｐ）の繊維折返し端部７０ｅをストレート部１ｓまたはその近傍内に収めることとすれば、高角度ヘリカル層７０ＨＨをよりストレート部１ｓの側（タンク中央寄り）に寄せ、繊維強度をさらに発現させていわばフープ化することも可能となる。当然ながら、こうした場合には、高角度ヘリカル層７０ＨＨの一層あたりの繊維強度を向上させうるから、当該高角度ヘリカル層７０ＨＨの厚みをそのぶん低減させることも可能になる。同様に、低角度ヘリカル層７０ＬＨをよりストレート部１ｓの側（タンク中央寄り）に寄せた構造とすることもできるから、低角度ヘリカル層７０ＬＨの一層あたりの繊維強度を向上させ、当該低角度ヘリカル層７０ＬＨの厚みをそのぶん低減させることも可能になる。

また、ストレート部１ｓとドーム部１ｄの繋ぎ目部分の近傍において低角度ヘリカル層７０ＬＨを滑らかに集約させ（図４参照）、尚かつ高角度ヘリカル層７０ＨＨをＦＲＰ層２１の最外層に用いる本実施形態のタンク１によれば、高角度ヘリカル層７０ＨＨをフープ化すること、低角度ヘリカル層７０ＬＨの繊維７０に曲げ（起伏）や蛇行が生じるのを抑制することが可能となっている。例えば本実施形態では、周方向繊維層７１（特にフープ層７０Ｐ）のタンク軸方向の両端（筒状に形成される周方向繊維層７１の環状の両端）を、当該タンク軸方向に沿って先細りとなるようなテーパ状とし（図４等参照）、尚かつ、このようなテーパ状である周方向繊維層７１の環状斜面に低角度ヘリカル層７０ＬＨの両端が連続するようにしながら当該低角度ヘリカル層７０ＬＨを形成している。これによれば、フープ層７０Ｐの繊維折返し端部７０ｅがタンク１の口金１１のほうへ徐々に寄ってしまう従来の状態（図１２参照）を回避し、低角度ヘリカル層７０ＬＨに曲げを生じさせないようにしつつ、繊維強度の発現効率が滑らかに連続するように低角度ヘリカル層７０ＬＨを形成することができる。

加えて、繊維折返し端部７０ｅにおいては繊維７０どうしの重なりによって厚肉になりやすい特性を利用し、高角度ヘリカル層７０ＨＨにより補強フレームを形成することもできる。すなわち、ＦＲＰ層２１の厚みが増すことによって応力勾配の影響が無視できなくなってきたような場合に、例えば高角度ヘリカル層７０ＨＨを外層に集約し、繊維折返し端部７０ｅを厚肉とすることで、このような応力勾配の影響を低減させうる補強フレーム７０ｆとして機能させることができる（図８参照）。タンク落下時や車両衝突時などの衝撃に備え、タンク１には所定の耐衝撃性能が要求されることから、このように繊維折返し端部７０ｅを厚肉とすることにより、特に外部と干渉しやすい部分（例えばストレート部１ｓとドーム部１ｄの繋ぎ目部分、あるいはこの繋ぎ目部分からドーム部１ｄにかけての部分）を補強することができる。また、タンク１のストレート部１ｓとドーム部１ｄとでは厚みも剛性も異なるため応力も異なり、一般的にはストレート部１ｓにおける応力のほうが高く、尚かつ繋ぎ目部分を介して一体化されているため当該繋ぎ目部分にモーメントも作用する。上述したように形成される補強フレーム７０ｆは、このようなモーメントを打ち消すように厚肉とされたものであればさらに好ましい。

また、上述したように、本実施形態においてはフープ層７０Ｐとヘリカル層７０Ｈの積層態様を最適化し、各方向（タンク軸方向、積層方向（タンク径方向）、周方向）および各種繊維層に関して繊維強度が効率よく発現されるようにしているので、これによって各層の厚みや繊維量、さらには総層数の低減を図ることが可能である。したがって、タンク１全体の軽量化を実現できるという利点もある。

また、上述のようにＦＲＰ層２１を構成する層（フープ層７０Ｐ、ヘリカル層７０Ｈ）の総数を低減させることによって、タンク１の内容量増加を図ることも可能である。タンク１が例えば燃料電池車用の水素供給用タンクとして利用される場合には、当該車両の航続距離の延伸に寄与することができる。

また、上述した実施形態におけるように繊維折返し端部７０ｅをタンク軸方向中央寄りに配置したことにより、タンク１の軽量化を図ることができるという利点もある。とりわけ、Ｌ／Ｄ（タンクの軸方向長さ／タンク直径）が小さい形状のタンク（軸方向長さの割にタンク径が大きいタンク）１においては、軽量化の効果が大きい。すなわち、Ｌ／Ｄが小さい形状のタンク（軸方向長さの割に太いタンク）１は、Ｌ／Ｄが大きい形状のタンク（軸方向長さの割に細いタンク）１に比べ、樹脂繊維層（補強層）としてのＦＲＰ層２１の厚みが大となって繊維７０の強度発現の効率が低下しやすく、この結果、当該樹脂繊維層（補強層）がより厚くなりやすいが、本実施形態によれば特にこのようなタンク１の効果的な軽量化を図ることが可能である。

また、上述した実施形態におけるように繊維強度の発現効率を向上させることとすれば、採用可能な繊維７０の幅が広がり、従来よりも強度や剛性などの程度が低い繊維７０を採用することも可能となる。これによれば、タンク１に要するコストの削減を図ることが可能となる。

また、上述したタンク１においては、周方向繊維層７１（例えばフープ層７０Ｐ）をタンク内寄りの多く配置して内層化するなど、同種層の繊維７０を連続して、あるいはまとめて巻回するようにしている。こうした場合には、種類の異なる繊維層７０への移行（例えばフープ層７０Ｐから低角度ヘリカル層７０ＬＰへの移行）時に必要となるコンビネーション巻きを減らすことができるから、繊維７０の段差を必要最小限にでき、タンク１の軽量化と成形時間短縮、さらには品質および性能の向上を図ることが可能となる。

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。例えば上述した実施形態では、Ｌ／Ｄ（タンクの軸方向長さ／タンク直径）が小さい形状のタンク１において軽量化の効果が大きい点については上述したが、ライナ２０に軸方向繊維７２および周方向繊維層７１が巻回する構成はＦＲＰ製圧力容器の基本的要素の一つであり、Ｌ／Ｄ、使用圧力の大小、ＦＲＰ層２１の形状や肉厚の大小などを問わず、ＦＲＰ層２１を有する種々のタンク１に本発明を適用することが可能である。一例を挙げると、タンク１のストレート部１ｓにおける最小必要厚みｔは、下記の数式１から明らかなように使用圧力Ｐとタンク半径Ｒの積に比例するものであるが（なお、σ₁は引張強度（あるいは破壊応力、繊維破断応力）を指す）、本発明は、この式に基づき算出される各繊維層の必要な総層数に応じ、あらゆる形状のタンク１に適用可能である。
［数１］
ｔ＝３ＰＲ／２σ₁

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、例えばＣＮＧ（圧縮天然ガス）を燃料として用いるＣＮＧ車両に利用される高圧圧力容器などに対しても本発明を適用することは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）１’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、フープ層７０Ｐを内側に集約して内層化しあるいは繊維折返し端部７０ｅを外層に向かうにつれて狭まる軌跡を描くように配置するなどにより、繊維強度の発現効率を向上させるといった、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。このように本発明を筒体に適用する場合における筒体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。

また、上述した実施形態では詳述していないが、ヘリカル層７０Ｈの少なくとも一部を平滑ヘリカル層とし、その外側に隣接するフープ層７０Ｐに生じうる凹凸を低減させることも好ましい。ここでいう平滑ヘリカル層７０Ｈは、当該層内における繊維７０どうしの重なりを低減させるようにしたヘリカル巻によって形成される層であり、原則、隣接する繊維７０の真横に並ぶように次の繊維７０が巻かれており、繊維７０の重なり方が従来のヘリカル層（凹凸ヘリカル層）とは異なる。このように、一部のヘリカル層７０Ｈを平滑ヘリカル層としたうえで、当該平滑ヘリカル層７０Ｈの外側に繊維７０をフープ巻してフープ層７０Ｐを形成した場合、当該フープ層７０Ｐにおける繊維７０の構造的な曲げ（起伏）ないしは波打ち、うねりを低減することができる。すなわち、平滑ヘリカル層７０Ｈの表面（表層）は従来よりも平滑な面となるため、当該平滑面の上に形成されるフープ層７０Ｐにおいては、凹凸に起因する構造的な繊維７０の曲げ（起伏）が低減する。このようにフープ層７０Ｐの繊維７０の構造的な曲げ（起伏）を抑えることにより当該繊維７０の疲労強度を向上させることができ、尚かつ、当該フープ層７０Ｐが薄肉化、高Ｖｆ化してバースト強度が向上するという利点が得られる。また、ヘリカル層７０Ｈ自体が平滑であることも、当該層の薄肉化、高Ｖｆ化を通じてバースト強度を向上させうる。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。

また、上述したタンク１において、ライナ２０に対する巻き始めを、ヘリカル層７０Ｈを形成する繊維７０、あるいはフープ層７０Ｐを形成する繊維７０のいずれとすることも可能である。このように巻き始めの繊維７０を適宜変更することにより、当該タンク１が万が一破壊に至る場合の破壊開始位置を設定することができる。上述したように、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い。そこで、例えば、ライナ２０に対する巻き始めをフープ層７０Ｐの形成繊維７０とし、ストレート部１ｓに対する繊維強度をドーム部１ｄに対するそれよりも大きくすることにより、破壊開始位置がドーム部１ｄとなるように予め設定することが可能である。

また、上述した実施形態では、図６を用いて、ＦＲＰ層２１の内層側に周方向繊維層７１を配し、外層側に軸方向繊維７２を配した場合を示したがこれは一例にすぎず、適宜この他の態様とすることが可能である。例えば、軸方向繊維７２（低角度ヘリカル層７０ＬＨ）によって十分な繊維強度が発現される場合には、最外層に高角度ヘリカル層７０ＨＨを設けないこととすることができる（図６参照）。

さらには、ＦＲＰ層２０における局所的な変形を抑えたい場合、あるいはライナ２０の変形を抑えたい場合などにおいて、高角度ヘリカル層７０ＨＨを単数もしくは複数入れ込んだ構成とすることもできる。例えば図９に示す形態では、単層（ないしは複数の層）の高角度ヘリカル層７０ＨＨを最内層（ライナ２０の外周）に形成し、所望の繊維強度が発現されるようにしている。

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も好適なものである。

１…タンク、１’…筒体、１２…タンク軸、２０…ライナ、２１…ＦＲＰ層、７０…繊維、７０ｅ…繊維折返し端部、７０Ｐ…フープ層、７０ＬＨ…低角度ヘリカル層、７０ＨＨ…高角度ヘリカル層、７１…周方向繊維（層）、７２…軸方向繊維（層）、

Claims (10)

1. ライナと、
   当該タンクの中心のタンク軸に対する巻角度が０°を超え３０°未満となる範囲で前記ライナの外周に繊維が巻回されて形成される軸方向繊維層と、前記タンク軸に対する巻角度が３０°以上９０°未満となる範囲で前記ライナの外周に前記繊維が巻回されて形成される周方向繊維層とからなるＦＲＰ層と、
   を有し、
   前記周方向繊維層の前記タンク軸方向における繊維折返し端部が、前記軸方向繊維層および周方向繊維層からなる繊維層の積層方向内側から外側に向けて狭まる軌跡を描いており、
   前記繊維層の積層方向の外寄り部分よりも内寄り部分の方で、前記周方向繊維層が占める割合が大きくなっている、タンク。
2. 前記繊維層の積層方向外寄りに形成される前記繊維折返し端部が、積層方向内寄りに形成される前記周方向繊維層のタンク軸方向における繊維折返し端部に対して、当該タンクの中央寄りに位置している、請求項１に記載のタンク。
3. 前記周方向繊維層は、巻き角度が同程度である同種繊維層を２層以上重ねて積層することにより構成されたものである、請求項１または２に記載のタンク。
4. 前記タンク軸に対する巻角度が８０°以上９０°未満であるフープ層によって前記周方向繊維層が形成され、前記タンク軸に対する巻角度が０°以上３０°未満である低角度ヘリカル層によって前記軸方向繊維層が形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のタンク。
5. 前記タンク軸に対する巻角度が３０°以上８０°未満である高角度ヘリカル層が前記ＦＲＰ層の最外層に用いられている、請求項４に記載のタンク。
6. 前記ＦＲＰ層が、前記フープ層の数：前記ヘリカル層の数の比が２以上である当該フープ層およびヘリカル層によって構成されている、請求項４または５に記載のタンク。
7. 一部の前記周方向繊維層の繊維折返し端部が、当該周方向繊維層より積層方向外側に位置する他の周方向繊維層の繊維折返し端部よりも、タンク軸方向タンク中央寄りに位置している、請求項１に記載のタンク。
8. 前記ライナに対する巻き始めが、前記タンク軸に対する巻角度が０°以上８０°未満であるヘリカル層を形成する繊維である、請求項１から７のいずれか一項に記載のタンク。
9. 前記ライナに対する巻き始めが、前記タンク軸に対する巻角度が８０°以上９０°未満であるフープ層を形成する繊維である、請求項１から７のいずれか一項に記載のタンク。
10. 当該タンクの中心のタンク軸に対する巻角度が０°を超え３０°未満となる範囲でライナの外周に繊維を巻回して軸方向繊維層を形成し、前記タンク軸に対する巻角度が３０°以上９０°未満となる範囲で前記繊維を巻回して周方向繊維層を形成し、ＦＲＰ層を形成するタンクの製造方法において、
    前記周方向繊維層を形成する際、当該周方向繊維層の前記タンク軸方向における繊維折返し端部により、前記軸方向繊維層および周方向繊維層からなる繊維層の積層方向内側から外側に向けて狭まる軌跡を描かせ、
    前記繊維層の積層方向の外寄り部分よりも内寄り部分の方で、前記周方向繊維層が占める割合が大きくなるようにする、タンクの製造方法。

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