JP5831464B2 - 高圧ガスタンクの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、高圧ガスタンクに関する。

高圧ガスタンクとしては、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」とも呼ぶ）を用いて、高圧ガスタンクの本体部であるライナーの外周に繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics）で構成された補強層を構成するための繊維（以下、「強化繊維」とも呼ぶ）を幾重にも巻き付けて多層的な構造を有する補強層を形成し、その強度の向上を図った高圧ガスタンクが提供されている（特許文献１〜４参照）。

図５は、従来の高圧ガスタンクの構造の一例を示す概略断面図である。この高圧ガスタンク１０Ｒは、ライナー１１と、ライナー１１の外周に形成された補強層１２Ｒと、を備えている。ライナー１１は、略円筒形状のシリンダー部１１ａと、シリンダー部１１ａの両端に設けられた略凸曲面形状のドーム部１１ｂと、を有する中空容体である。ドーム部１１ｂの頂点には口金部１３，１４が設けられている。

補強層１２Ｒは、シリンダー部１１ａの外周を覆うフープ層１７Ｒと、フープ層１７Ｒおよびドーム部１１ｂを覆うことによりライナー１１を全体的に覆うヘリカル層１９と、を有する。フープ層１７Ｒは、主に、強化繊維をシリンダー部１１の中心軸ＡＸにほぼ垂直な巻き角度で、中心軸ＡＸ方向に沿った方向に巻き付け位置を移動しつつ、巻き付けていく巻き付け方法（「フープ巻き」と呼ばれる）により形成される。なお、「巻き角度」とは、強化繊維の巻き付け方向（中心軸ＡＸの方向）に対する強化繊維の繊維方向の角度を意味する。ヘリカル層１９は、０°よりも大きく９０°よりも小さい巻き角度で、中心軸ＡＸ方向に沿った巻き付け方向で螺旋状に巻き付け、ドーム部１１ｂにおいて、巻き付け方向を折り返し、再び、０°よりも大きく９０°よりも小さい巻き角度でシリンダー部１１に螺旋状に巻き付けていく巻き付け方法（「ヘリカル巻き」と呼ばれる）により形成される。ヘリカル巻きには、シリンダー部１１ａにおいて強化繊維が少なくとも一周することができる程度の比較的大きい巻き角によるヘリカル巻き（「高角度ヘリカル巻き」とも呼ばれる）と、シリンダー部１１ａにおいて強化繊維が一周する前にドーム部１１ｂにおいて巻き付け方向を折り返すこととなる程度の比較的小さい巻き角によるヘリカル巻き（「低角度ヘリカル巻き」あるいは「レーベル巻き」とも呼ばれる）と、がある。なお、フープ層では、高角度ヘリカル巻きが併用される場合もある。

特開２０１０−２３６６１４号公報 特開平１１−０８２８８８号公報 特開２００４−１４４１７２号公報 特開２０１０−２３４６５８号公報

ここで、フープ層１７Ｒの端部１７ＥＲは、ドーム部１１ｂの面との境界での段差を極力低減するために、その端部１７ＥＲが中心軸ＡＸ方向に向かって段階的に内側にずれて傾斜するように、多層にわたって積層形成される場合がある。この場合、以下で説明する課題がある。

図６は、本発明が解決しようとする課題について示す説明図である。上記したように、フープ層１７Ｒの形成過程においては、フープ層１７Ｒの端部１７ＥＲの傾斜構造をあらかじめ定めた構造とするために、図６（Ａ）に示すように、あらかじめ定めた各層の端部位置を端部として、層毎に両端の端部位置間で少なくとも１往復の強化繊維が巻き付けられた複数の繊維巻層が形成されている。なお、図６（Ａ）では、４層の繊維巻層１７Ｒ−１〜１７Ｒ−４が順に積層形成された場合が示されている。このとき、繊維巻層が順に重ねられるに従って、下側の層の端部が中心軸ＡＸの方向（シリンダー部１１ａの表面および各繊維巻層の表面に沿った方向であり、以下、「繊維巻層面に沿った方向」とも呼ぶ）で外側にずれる場合がある。図６（Ｂ）では、４層の繊維巻層１７Ｒ−１〜１７Ｒ−４のうち１〜３層の繊維巻層１７Ｒ−１〜１７Ｒ―３の端部が外側へずれている例が示されている。特に、２層目の繊維巻層１７Ｒ−２および３層目の繊維巻層１７Ｒ−３が大きくずれている。上側の繊維巻層の強化繊維の巻き付け時には、強化繊維の張力により下の層に圧力が加わるため、下の層が徐々に押し出されるためである。特に、２層目以降では、先に強化繊維が巻き付けられた下側の繊維巻層の上に形成されるため、例えば、強化繊維に含浸されている熱硬化樹脂（エポキシ樹脂等）の染み出しにより、滑りやすい状態となり、外側に押し出される量が多くなる。上記したフープ層１７Ｒの端部１７ＥＲにおける繊維ずれの発生はフープ層の強度の低下を招き、その結果補強層全体の強度の低下を招く。

上記したずれの発生を抑制するには、上の層へ行くに従って巻き付けの張力を下げていき、圧力を低下させる押し付け力を低下させることが要求される。しかしながら、この場合も、フープ層の強度の低下を招き、その結果補強層全体の強度の低下を招く。

フープ層の強度の低下を補う方法としては積層する層数を増やすことが考えられる。しかしながら、層数を増加する方法では高圧タンクの質量増加を招く。また、層数の増加は、内層側においてはより大きな圧力が加わることになるため、ずれの発生を増大させることにつながり、結果として、端部の位置決めが困難となる場合がある。

なお、特許文献１には、繊維の端部における繊維の滑りの防止のために、ドーム部を覆うように補強部が設けられ、その端面がライナーの胴部（シリンダー部）の端部にあり、その端面と接するようにフープ巻きが行われている構造が開示されている。この構造では、フープ巻きされた繊維の端部の滑りを防止することが可能となる。しかしながら、この場合、別途補強部材を要するという課題がある。また、上記のように、端部の構造が内側に段階的に傾斜した構造に対応する補強部について何らの記載も示唆もない。

また、特許文献２には、フープ層端部の固定手段をヘリカル層の鏡部に設けた構造が開示されている。この構造も、フープ層の滑りを防止することが可能である。しかしながら、この場合、別途固定手段を要するという課題がある。また、上記のように、端部の構造が内側に段階的に傾斜した構造に対応する固定手段について何らの記載も示唆もない。

さらにまた、特許文献３には、ライナーの肩部に、フープ巻層が滑るのを規制する規制部が設けられている構造が開示されている。この構造では、フープ巻層が滑るのを規制することは可能となる。しかしながら、ライナー構造自体を規制部が設けられた新たな構造とすることを要する、という課題がある。また、上記のように、端部の構造が内側に段階的に傾斜した構造に対応する規制部を有するライナー構造について何らの記載も示唆もない。

また、特許文献４には、繊維の巻き付けがライナーの胴端部に差し掛かった場合に、巻き付け部分を冷却することにより、繊維に含まれる樹脂粘度を高めることにより、繊維の滑りを抑制することが開示されている。この場合には、繊維の巻き付け工程において、ライナーの胴端部の巻き付け部分を冷却する工程を要する、という課題がある。また、上記のように、端部の構造が内側に段階的傾斜した構造に対応する冷却工程に関して何らの記載も示唆もない。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、略円筒状のシリンダー部と前記シリンダー部の両底部に設けられた凸曲面形状のドーム部とを有するライナーの外表面に、フィラメント・ワインディング法によって繊維が巻き付けられて補強層が形成される高圧ガスタンクの製造方法が提供される。この高圧ガスタンクの製造方法は、（ａ）前記シリンダー部の外表面全体に、少なくともフープ巻きによる前記繊維の巻き付けにより複数の繊維巻層が順に積層されたフープ層が形成される工程と；（ｂ）前記フープ層および前記ドーム部を覆うように、ヘリカル巻きによる前記繊維の巻き付けによりヘリカル層が形成される工程と；を備える。前記工程（ａ）は、形成対象の繊維巻層が形成される際において、前記シリンダー部の軸方向の両端近傍における形成される前記形成対象の繊維巻層の両端部では、前記形成対象の繊維巻層のうちの前記両端部を除く他の部分よりも前記繊維が多く巻き付けられて壁状の突出部が形成される工程を含む。この形態の高圧ガスタンクの製造方法によれば、フープ層を構成する各繊維巻層の両端部に形成された突出部により、各繊維巻層の上層に形成された繊維巻層の横滑りが抑制される。この突出部は、フィラメント・ワインディング法による繊維の巻き付けの過程において、繊維の巻き付け位置、繊維の巻き付け回数、および、繊維の巻き付け張力を制御することのみで容易に形成することが可能である。なお、上記形成対象の繊維巻層の両端部には、繊維巻層の端縁から一つ上層の繊維巻層の端縁の内側近傍領域までを含む。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、フィラメント・ワインディング法による高圧ガスタンクの製造方法および製造装置、それらの方法または装置により製造された高圧ガスタンク等の形態で実現することができる。

第１実施形態としての高圧ガスタンクの構造例を示す概略断面図である。 図１（Ａ）に示した構造のフープ層の端部を形成するための手順について示す説明図である。 高圧ガスタンクのフープ層の端部の変形例について示す概略断面図である。 第２実施形態としての高圧ガスタンクの構造例を示す概略断面図である。 従来の高圧ガスタンクの構造の一例を示す概略断面図である。 本発明が解決しようとする課題について示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態としての高圧ガスタンクの構造例を示す概略断面図である。高圧ガスタンク１０は、図１（Ａ）に示すように、ライナー１１と、ライナー１１の外周に形成された補強層１２とを備えている点、および、補強層１２はフープ層１７とヘリカル層１９とを有している点は、従来の高圧ガスタンク１０Ｒ（図５）と同様である。ただし、高圧ガスタンク１０は、フープ層１７の端部１７Ｅが、図１（Ｂ）に示すように、従来の高圧ガスタンク１０Ｒのフープ層１７Ｒの端部１７ＥＲ（図６参照）と異なっている構造を有している点に特徴を有している。なお、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のフープ層１７の左上側の端部１７Ｅを拡大して示しているが、図１（Ａ）の右上側の端部１７Ｅも左右対称で同じ構造となっており、左下側および右下側の端部も上下対称で同じ構造となっている（不図示）。

フープ層１７の端部１７Ｅでは、繊維巻層ごとにそれぞれの一つ上層の繊維巻層の端部に対応する位置を端部とする壁状の突出部が形成されており、両側の突出部の間に壁面に接するように上層の繊維巻層が積層形成されている。具体的には、図１（Ｂ）では、１層目の繊維巻層１７−１には、２層目の繊維巻層１７−２の端部に対応する位置を端部とする２層目の突出部１７−１Ｗが形成されており、左右両側の１層目の突出部１７−１Ｗの間に２層目の繊維巻層１７−２が形成されている。２層目の繊維巻層１７−２には、３層目の繊維巻層１７−３の端部に対応する位置を端部とする２層目の突出部１７−２Ｗが形成されており、左右両側の２層目の突出部１７−２Ｗの間に３層目の繊維巻層１７−３が形成されている。３層目の繊維巻層１７−３には、４層目の繊維巻層１７−４の端部に対応する位置を端部とする３層目の突出部１７−３Ｗが形成されており、左右両側の３層目の突出部１７−３Ｗの間に４層目の繊維巻層１７−４が形成されている。上記フープ層１７の端部１７Ｅの構造は、以下で説明する手順により形成される。

図２は、図１（Ａ）に示した構造のフープ層の端部を形成するための手順について示す説明図である。図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、図１のフープ層１７の左上側の端部１７Ｅに対応する部分のみの概略断面を拡大して示している。

１層目の繊維巻層１７−１は、図２（Ａ）に示すように、基本的には、ライナー１１のシリンダー部１１ａの一方の端部（例えば、左側の端部）から他方の端部（例えば、右側の端部，不図示）までの外周表面に沿って、強化繊維としてのカーボン繊維がフープ巻きにより順に巻き付けられて１往復されることにより形成される。このときのカーボン繊維の巻き付け張力はあらかじめ定められた１層目用の基本巻き付け張力に設定される。なお、カーボン繊維は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が予め含浸された繊維であり、熱硬化性樹脂が加熱により硬化されることによってカーボン繊維強化プラスチックとされる繊維である。ただし、復路の巻き付け過程において、２層目の端部位置に対応する位置では、さらに、カーボン繊維が一定の幅で複数周回多く巻き付けられることにより、他の部分よりも厚い壁状の突出部１７−１Ｗが形成される。この突出部１７−１Ｗが形成される際のカーボン繊維の巻き付け張力は、２層目の繊維巻層１７−２の基本巻き付け張力よりも高い巻き付け張力とされることが好ましい。また、突出部形成のための巻き付け周回数は、２層目の繊維巻層１７−２の基本的な厚さに合わせられる。例えば、２層目の繊維巻層１７−２が１層目の繊維巻層１７−１と同様に、基本的には１往復のカーボン繊維の巻き付けにより形成されるとすると、これにより形成される厚さに合わせて、突出部１７−１Ｗに対応する位置では、さらに、カーボン繊維が１往復分、すなわち、２周回分多く巻き付けられる。

２層目の繊維巻層１７−２は、図２（Ｂ）に示すように、基本的には、１層目の繊維巻層１７−１の両側の突出部１７−１Ｗの間を覆うように、１層目と同様に、カーボン繊維が順に巻き付けられて１往復されることにより形成される。なお、このときのカーボン繊維の巻き付け張力は、あらかじめ定められた２層目用の基本巻き付け張力であって、１層目の基本巻き付け張力以上の張力に設定されることが好ましい。ただし、２層目においても、１層目と同様に、復路の巻き付け過程において、３層目の端部位置に対応する位置で、さらに、カーボン繊維が一定の幅で複数周回多く巻き付けられることにより突出部１７−２Ｗが形成される。この突出部１７−２Ｗが形成される際のカーボン繊維の巻き付け張力も、１層目の突出部１７−１Ｗと同様に、３層目の繊維巻層１７−３の基本巻き付け張力よりも高い巻き付け張力とされることが好ましい。また、突出部形成のための巻き付け周回数は、３層目の繊維巻層１７−３の基本的な厚さに合わせられる。

３層目の繊維巻層１７−３は、図２（Ｃ）に示すように、基本的には、２層目の繊維巻層１７−２の両側の突出部１７−２Ｗの間を覆うように、２層目と同様に、カーボン繊維が巻き付けられて１往復されることにより形成される。なお、このときのカーボン繊維の巻き付け張力は、あらかじめ定められた３層目用の基本巻き付け張力であって、２層目の基本巻き付け張力以上の張力に設定されることが好ましい。ただし、３層目においても、２層目と同様に、復路の巻き付け過程において、４層目の端部位置に対応する位置で、さらに、カーボン繊維が一定の幅で複数周回多く巻き付けられることにより突出部１７−３Ｗが形成される。この突出部１７−３Ｗが形成される際のカーボン繊維の巻き付け張力も、２層目の突出部１７−２Ｗと同様に、４層目の繊維巻層１７−４の基本巻き付け張力よりも高い巻き付け張力とされることが好ましい。また、突出部形成のための巻き付け周回数は、４層目の繊維巻層１７−３の基本的な厚さに合わせられる。

４層目の繊維巻層１７−４は、図２（Ｄ）に示すように、３層目の繊維巻層１７−３の両側の突出部１７−３Ｗの間を覆うように、３層目と同様に、カーボン繊維が巻き付けられて１往復されることにより形成される。なお、このときのカーボン繊維の巻き付け張力は、あらかじめ定められた４層目の基本巻き付け張力であって、３層目の基本巻き付け張力以上の張力に設定されることが好ましい。

なお、以上のようにして形成されたフープ層１７およびドーム部１１ｂを覆うように、さらに、カーボン繊維をヘリカル巻きにて巻き付けてヘリカル層となる繊維巻層が形成される。その後、全体を加熱してカーボン繊維に含浸されている熱硬化性樹脂を硬化させることにより、補強層１２が形成される。

以上説明した手順によりフープ層１７が形成される場合、下層側の繊維巻層に形成された突出部により、突出部の間に形成された繊維巻層が、さらに上の繊維巻層からの圧力によって面方向に沿って横滑りして押し出されて繊維巻層のずれが発生することを抑制することが可能であり、複数の繊維巻層の積層精度を高めることが可能である。また、上層側の繊維巻層ほど高い張力でカーボン繊維を巻き付けて繊維巻層を形成することができるので、作製された高圧タンクの剛性を高めることが可能である。

また、製造装置自体の機械的な改造を行う必要がなく、カーボン繊維の巻き付けの位置、巻き付けの張力、巻き付け回数等のカーボン繊維の巻き付けの制御を調整するのみで容易に実現することが可能である。

また、従来、繊維巻層のずれによる強度低下の対策として層数を増加させることにより、フープ層による強度が確保されていたが、繊維巻層のずれの抑制が可能となることにより、総層数の削減が可能となり、軽量化が可能となる。また、繊維巻層の層層数の削減分の厚さを内容量の増加に割り当てることが可能となる。

また、理想形状の繊維巻層の積層が可能となることにより、結果としてヘリカル層で覆われるドーム部の強度の最適化が可能となり、軽量化も可能となる。

図３は、高圧ガスタンクのフープ層の端部の変形例について示す概略断面図である。なお、図３は、変形例の高圧ガスタンク１０Ｂのうち、図１（Ａ）に示したフープ層１７の左上側の端部１７Ｅに対応するフープ層１７Ｂの端部１７ＢＥを拡大して示している。変形例の高圧ガスタンク１０Ｂでは、フープ層１７Ｂを構成する４つの繊維巻層１７Ｂ−１〜１７Ｂ−４のうち、下層側の繊維巻層１７Ｂ−１〜１７Ｂ−３の端部に、それぞれ突出部１７−１Ｗ〜１７−３Ｗが形成されている例を示している。各突出部１７Ｗ−１〜１７Ｗ−３の形成方法は、上記実施形態における場合と同様である（図２参照）。変形例の高圧ガスタンク１０Ｂにおいても、上層側の繊維巻層１７Ｂ−２〜１７Ｂ−４は、それぞれ対応する突出部１７−１Ｗ〜１７−３Ｗによって、それ以上面方向の外側にずれてしまうことが抑制される。

なお、本実施形態および変形例では、フープ巻きによりカーボン繊維を巻き付けてフープ層を構成する繊維巻層が形成されることとして説明したが、フープ巻きだけでなく高角度ヘリカル巻きによってフープ層を構成する繊維巻層が形成されてもよく、フープ巻きおよび高角度ヘリカル巻きの併用によってフープ層を構成する繊維巻層が形成されてもよい。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態としての高圧ガスタンクの構造例を示す概略断面図である。なお、図４は、本実施形態の高圧ガスタンク１０Ｃのうち、図１（Ａ）に示したフープ層１７の左上側の端部１７Ｅに対応するフープ層１７Ｃの端部１７ＣＥを拡大して示している。高圧ガスタンク１０Ｃは、ライナーと、ライナーの外周に形成された補強層と、を備えている点で、第１実施形態としての高圧ガスタンク１０と同様であるが、以下で説明するライナーの構造およびフープ層の端部構造が異なっている。

高圧ガスタンク１０Ｃのライナー１１Ｃは、シリンダー部１１ａとドーム部１１ｂとの境界部分に、突出部１１ｃが形成されている。この突出部１１ｃのフープ層１７Ｃの端部１７ＣＥ側の形状は、フープ層１７Ｃを構成する繊維巻層１７Ｃ−１〜１７Ｃ−４の傾斜に沿った形状を有しており、フープ層１７Ｃとは反対側の形状は、ドーム部１１ｂの湾曲した面に沿って滑らかに繋がった形状を有している。

本実施形態の高圧ガスタンク１０Ｃでは、本実施形態の突出部１１ｃによって、フープ層１７Ｃの各繊維巻層１７Ｃ−１〜１７Ｃ−４の端部のずれが抑制される。

なお、フープ層を構成する各繊維巻層１７Ｃ−１〜１７Ｃ−４の構造については、第１実施形態における各繊維巻層１７−１〜１７−４および第１実施形態の変形例における各繊維巻層１７Ｂ−１〜１７Ｂ−４の構造としてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…高圧ガスタンク
１０Ｂ…高圧ガスタンク
１０Ｃ…高圧ガスタンク
１０Ｒ…高圧ガスタンク
１１…ライナー
１１Ｃ…ライナー
１１ａ…シリンダー部
１１ｂ…ドーム部
１１ｃ…突出部
１２…補強層
１７−１〜１７−４…繊維巻層
１７Ｂ−１〜１７Ｂ−４…繊維巻層
１７Ｃ−１〜１７Ｃ−４…繊維巻層
１７−１Ｗ〜１７−３Ｗ…突出部
１７…フープ層
１７Ｂ…フープ層
１７Ｃ…フープ層
１７Ｒ…フープ層
１７Ｅ…端部
１７ＢＥ…端部
１７ＣＥ…端部
１７ＥＲ…端部
１９…ヘリカル層

Claims (1)

1. 略円筒状のシリンダー部と前記シリンダー部の両底部に設けられた凸曲面形状のドーム部とを有するライナーの外表面に、フィラメント・ワインディング法によって繊維が巻き付けられて補強層が形成される高圧ガスタンクの製造方法であって、
   （ａ）前記シリンダー部の外表面全体に、少なくともフープ巻きによる前記繊維の巻き付けにより複数の繊維巻層が順に積層されたフープ層が形成される工程と、
   （ｂ）前記フープ層および前記ドーム部を覆うように、ヘリカル巻きによる前記繊維の巻き付けによりヘリカル層が形成される工程と、
   を備え、
   前記工程（ａ）は、
   形成対象の繊維巻層が形成される際において、前記シリンダー部の軸方向の両端近傍における形成される前記形成対象の繊維巻層の両端部では、前記形成対象の繊維巻層のうちの前記両端部を除く他の部分よりも前記繊維が多く巻き付けられて壁状の突出部が形成される工程を含む
   ことを特徴とする高圧ガスタンクの製造方法。

Images