JP7347362B2 - 補強層の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、補強層の製造方法に関する。

従来、ライナにフィラメントワインディング法で繊維束を巻き付けて繊維強化樹脂層（以下、補強層ともいう。）を形成して高圧タンクを製造する方法がある（例えば、特許文献１）。

特開２０１９－０４４９３７号公報

本開示の発明者らは、従来の方法に代わり、別個に形成されたパイプ部とドーム部とを接合した接合体の外表面に、ヘリカル層を形成して補強層を形成する方法を新たに考案した。この新たな製造方法においては、別個に形成されたパイプ部とドーム部とを接合するため、補強層の全長バラツキが大きくなる可能性がある。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
本開示の一形態によれば、高圧タンクを構成する補強層の製造方法が提供される。この製造方法は、繊維強化樹脂製の軸方向に延びる筒状のパイプ部であって、前記軸方向における一端を含む第１端部と、前記軸方向における他端を含む第２端部と、を有するパイプ部を形成する第１形成工程であって、前記第１端部に、前記一端から前記軸方向へ予め定めた第１距離離れた位置で外方に突出する第１段差部を形成する、第１形成工程と、繊維強化樹脂製の半球面形状の第１ドーム部であって、第１頂部と、第１開口部を形成する、内径が前記一端の外径よりも大きい第１底端部と、を有する第１ドーム部を形成する第２形成工程と、繊維強化樹脂製の半球面形状の第２ドーム部であって、第２頂部と、第２開口部を形成する、内径が前記他端の外径よりも大きい第２底端部と、を有する第２ドーム部を形成する第３形成工程と、前記第１底端部と前記第１段差部とが当接するまで前記第１ドーム部と前記パイプ部との少なくともいずれか一方を前記軸方向に移動させて、前記一端を前記第１ドーム部の内側に配置する第１配置工程と、前記第２ドーム部と前記パイプ部との少なくともいずれか一方を前記軸方向に移動させて、前記他端を前記第２ドーム部の内側に配置する第２配置工程と、前記第１配置工程の後に、前記パイプ部と前記第１ドーム部とを接合する第１接合工程と、前記第２配置工程の後に、前記パイプ部と前記第２ドーム部とを接合する第２接合工程と、を備え、前記第１形成工程は、繊維をフープ巻きでマンドレルに巻き付ける巻付工程を有し、前記第１段差部は、前記第１端部において、前記一端側の巻き数よりも前記他端側の巻き数を多くすることで形成される。

（１）本開示の一形態によれば、高圧タンクを構成する補強層の製造方法が提供される。この補強層の製造方法は、繊維強化樹脂製の軸方向に延びる筒状のパイプ部であって、前記軸方向における一端を含む第１端部と、前記軸方向における他端を含む第２端部と、を有するパイプ部を形成する第１形成工程であって、前記第１端部に、前記一端から前記軸方向へ予め定めた第１距離離れた位置で外方に突出する第１段差部を形成する、第１形成工程と、繊維強化樹脂製の半球面形状の第１ドーム部であって、第１頂部と、第１開口部を形成する、内径が前記一端の外径よりも大きい第１底端部とを有する第１ドーム部を形成する第２形成工程と、繊維強化樹脂製の半球面形状の第２ドーム部であって、第２頂部と、第２開口部を形成する、内径が前記他端の外径よりも大きい第２底端部とを有する第２ドーム部を形成する第３形成工程と、前記第１底端部と前記第１段差部とが当接するまで前記第１ドーム部と前記パイプ部との少なくともいずれか一方を前記軸方向に移動させて、前記一端を前記第１ドーム部の内側に配置する第１配置工程と、前記第２ドーム部と前記パイプ部との少なくともいずれか一方を前記軸方向に移動させて、前記他端を前記第２ドーム部の内側に配置する第２配置工程と、前記第１配置工程の後に、前記パイプ部と前記第１ドーム部とを接合する第１接合工程と、前記第２配置工程の後に、前記パイプ部と前記第２ドーム部とを接合する第２接合工程と、を備える。この形態によれば、予め形成された第１段差部を用いて、パイプ部に対する第１ドーム部の位置決めを行うことができるため、補強層の軸方向の長さの精度を向上することができる。
（２）上記形態の製造方法において、さらに、前記第１形成工程は、繊維をフープ巻きでマンドレルに巻き付ける巻付工程を有し、前記第１段差部は、前記第１端部において、前記一端側の巻き数よりも前記他端側の巻き数を多くすることで形成されてもよい。この形態によれば、フープ巻きの巻き数を増加させることにより、第１段差部を形成することができる。
（３）上記形態の製造方法において、さらに、前記第１形成工程は、前記第２端部に、前記他端から前記軸方向へ予め定めた第２距離離れた位置で外方に突出する第２段差部を形成する工程を有し、前記第２配置工程は、前記第２底端部と前記第２段差部とが当接するまで前記第２ドーム部と前記パイプ部との少なくともいずれか一方を前記軸方向に移動させる工程を有してもよい。この形態によれば、予め形成された第２段差部を用いて、パイプ部に対する第２ドーム部の位置決めを行うことができるため、補強層の軸方向の長さの精度を向上することができる。
（４）上記形態の製造方法において、さらに、前記第１接合工程および前記第２接合工程の後に、前記第１ドーム部と前記第２ドーム部とに繊維を掛け渡すことによりヘリカル層を形成する第４形成工程を有してもよい。この形態によれば、ヘリカル層により、補強層の強度を向上することができる。また、第１段差部により、ヘリカル層と、パイプ部の外表面との間の隙間は低減されるため、ヘリカル層が形成されない空洞の発生を低減することができ、補強層の強度低下を抑制することができる。
なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、上記形態の他に、高圧タンクの補強層、補強層を備える高圧タンク等の形態で実現することができる。

高圧タンクの概略構成を示す断面図である。 高圧タンクの製造工程を説明する図である。 パイプ部の層構造を示す模式図である。 パイプ部に第１ドーム部が配置される工程を説明する図である。 ヘリカル層が形成される工程を説明する図である。 第２実施形態に係るパイプ部に第２ドーム部に配置される工程を説明する図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、高圧タンク１００の概略構成を示す断面図である。高圧タンク１００は、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料電池に供給される燃料ガスを貯留するために用いられる。以下の説明において、高圧タンク１００の中心軸ＡＸ方向を軸方向と称する。

高圧タンク１００は、口金１０と、ライナ２０と、補強層３０とを備える。口金１０、ライナ２０、および補強層３０の中心軸は、高圧タンク１００の中心軸ＡＸと同じである。高圧タンク１００は、円筒部１００ａと、第１タンク端部１００ｂと、第２タンク端部１００ｃとを有する。円筒部１００ａは、略円筒状の形状を有する。第１タンク端部１００ｂおよび第２タンク端部１００ｃは、円筒部１００ａの両端部の各々に設けられており、軸方向端部に向かって縮径された形状を有する。第１タンク端部１００ｂは開口されており、開口には口金１０が取付けられている。

ライナ２０は、ガスバリア性を有する、例えばポリアミドなどの樹脂で形成された中空容器である。ライナ２０の材料は、ポリアミドに限られず、他の熱可塑性樹脂、例えば、ポリエチレン、エチレン－ビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）、ポリエスエル等でもよく、エポキシ等の熱硬化性樹脂でもよい。口金１０は、例えばアルミニウムなどの金属製である。口金１０は、ライナ２０の内部空間を外部と連通させるために、略円筒の形状を有する。例えば、燃料電池車両に搭載される場合には、口金１０に、図示しないバルブが取り付けられる。

補強層３０は、ライナ２０の外周に形成されている。補強層３０は、接合体４０と、ヘリカル層５０とを有する。接合体４０およびヘリカル層５０は、例えば、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの繊維強化樹脂製である。

接合体４０は、パイプ部４１と、第１ドーム部４２と、第２ドーム部４３とを有する。パイプ部４１は、軸方向に延びる略円筒状の形状を有し、円筒部１００ａに配置されている。パイプ部４１は、軸方向における一端４１ａを含む第１端部４１ｂと、軸方向における他端４１ｃを含む第２端部４１ｄとを有する。第１端部４１ｂは、一端４１ａから軸方向へ離れた位置に外方へ突出する突出部４１ｅを有する。突出部４１ｅを有することにより、第１端部４１ｂには、一端４１ａから軸方向へ予め定めた第１距離離れた位置で外方に突出する第１段差部４１ｆが形成されている。同様に、第２端部４１ｄは、他端４１ｃから軸方向へ離れた位置に外方へ突出する突出部４１ｇを有する。突出部４１ｇを有することにより、他端４１ｃから軸方向へ予め定めた第２距離離れた位置で外方に突出する第２段差部４１ｈが形成されている。本実施形態では、第１距離と第２距離とは同じであるが、異なっていてもよい。

第１ドーム部４２および第２ドーム部４３は、軸方向端部に向かって縮径された半球面形状を有し、それぞれ、第１タンク端部１００ｂおよび第２タンク端部１００ｃに配置されている。第１ドーム部４２および第２ドーム部４３は、高圧タンク１００の軸方向における中央に向かって開口している。第１ドーム部４２は、第１頂部４２ａと、第１開口部４２ｂを形成する第１底端部４２ｃとを有する。第１底端部４２ｃは、半球面形状の第１ドーム部４２の底部を形成する。第１頂部４２ａと第１開口部４２ｂとは軸方向に互いに対向する。第１底端部４２ｃの内径は、一端４１ａの外径よりも大きい。第２ドーム部４３は、第２頂部４３ａと、第２開口部４３ｂを形成する第２底端部４３ｃとを有する。第２底端部４３ｃは、半球面形状の第２ドーム部４３の底部を形成する。第２頂部４３ａと第２開口部４３ｂとは軸方向に互いに対向する。第２底端部４３ｃの内径は、他端４１ｃの外径よりも大きい。パイプ部４１と、第１ドーム部４２および第２ドーム部４３とは、それぞれ別個に形成された後に、接合される。第１ドーム部４２の内側にパイプ部４１の一端４１ａが配置されており、第２ドーム部４３の内側にパイプ部４１の他端４１ｃが配置されている。第１ドーム部４２の内側に配置されるパイプ部４１の第１端部４１ｂは、第１ドーム部４２の曲面に合わせ、一端４１ａに向かうほど薄肉とされている。同様に、第２ドーム部４３の内側に配置されるパイプ部４１の第２端部４１ｄは、第２ドーム部４３の曲面に合わせ、他端４１ｃに向かうほど薄肉とされている。以下に記載において、第１ドーム部４２と、第２ドーム部４３とを総称して、ドーム部４４と記載する場合がある。ヘリカル層５０は、接合体４０を覆って形成されている。

図２～図５参照して、高圧タンク１００の製造方法について説明する。図２は、高圧タンク１００の製造工程を説明する図である。図３は、第１形成工程Ｐ１０が有する巻付工程により形成される、パイプ部４１の層構造を示す模式図である。図４は、パイプ部４１に第１ドーム部４２が配置される工程を説明する図である。図５は、ヘリカル層５０が形成される工程を説明する図である。図２に示す第１形成工程Ｐ１０において、パイプ部４１が形成される。第１形成工程Ｐ１０は、フィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法という。）を用いて、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維３００を円筒状の形状を有するマンドレル２０１（図３）に巻き付ける巻付工程を有する。以下の説明において、「熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維３００」を単に「繊維３００」と呼ぶ場合がある。なお、熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂に限らず、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂などでもよい。また、パイプ部４１の繊維材料は、炭素繊維に限らず、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維などでもよい。

図３に示すように、マンドレル２０１が、図示しない給糸口から送出される繊維３００を巻き取りつつ、中心軸回りに回転することにより、マンドレル２０１に繊維３００が巻回される。給糸口が、一端方向または他端方向へ移動することにより、マンドレル２０１における、繊維３００が巻回される位置が調整される。繊維３００は、マンドレル２０１の中心軸に対する角度がほぼ９０度となるフープ巻きで巻回される。第１段差部４１ｆは、第１端部４１ｂにおいて、一端４１ａ側の巻き数よりも他端４１ｃ側の巻き数を多くすることで形成される。同様に、第２段差部４１ｈは、第２端部４１ｄにおいて、他端４１ｃ側の巻き数よりも一端４１ａ側の巻き数を多くすることで形成される。

繊維３００は、例えば、パイプ部４１の一端４１ａから巻き始められ、他端４１ｃまで、他端方向へ向かって巻回される。これにより、１層目が形成される。他端４１ｃまで巻き終えると、給糸口の移動方向が折り返され、２層目は、一端方向へ向かって巻回される。２層目以降においても、１層目と同様に、給糸口の軸方向への移動と、移動方向の折り返しが繰り返されることにより、複数層の繊維層が形成される。ここで、上層の折り返し位置が、下層の折り返し位置よりも軸方向における中央側にずらされることにより、パイプ部４１の厚さが、軸方向端部へ向かうほど薄くされたテーパー形状とされる。ｎ＋１層目以降の層は、突出部４１ｅおよび突出部４１ｇを形成するための層である。ｎ＋１層目は、第１段差部４１ｆの形成位置で折り返され、突出部４１ｅの幅だけ巻回される。その後、繊維３００は、繊維３００のマンドレル２０１の中心軸に対する角度である配向角度が小さくされた状態で、突出部４１ｇの第２段差部４１ｈでない方の端部まで巻回される。その後、突出部４１ｇの幅だけ、他端方向へ向かって第２段差部４１ｈの位置までフープ巻きで巻回され、折り返され、突出部４１ｇの幅だけ巻回されて、巻付工程は終了する。

本実施形態では、突出部４１ｅは２層の繊維３００で形成されるため、第１段差部４１ｆの高さｈは、繊維３００の厚さの２倍程度となる。１層の厚さは、例えば、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度であり、高さｈは、例えば、０．４ｍｍ以上１ｍｍ以下程度である。後述するように、第１段差部４１ｆの高さｈは、第１ドーム部４２が、パイプ部４１に配置された状態での、第１ドーム部４２の内周面と、第１端部４１ｂの外周面との距離などに応じて調整される。突出部４１ｅを構成する繊維３００の層数は、第１段差部４１ｆの高さｈに応じて調整される。第２段差部４１ｈについても同様である。

巻付工程が終わると、繊維３００に含浸された熱硬化性樹脂を硬化させる。一般に、熱硬化性樹脂の粘度は、加熱されると、一時的に下がり、その後、次第に高くなり、最大粘度に達すると、加熱し続けてもほぼ変化しなくなる。発明者らは、最大粘度に達してからも、加熱し続けることにより、例えば、ヤング率などの熱硬化性樹脂の物性が安定することを見出している。ここで、熱硬化性樹脂の物性が安定するまで熱硬化性樹脂を加熱することにより、熱硬化性樹脂を硬化させることを「本硬化」と称し、「本硬化」よりも短い時間で加熱することにより熱硬化性樹脂を硬化させることを「予備硬化」と称する。硬化させる工程は、予備硬化でもよく、本硬化でもよい。硬化後、パイプ部４１はマンドレル２０１から外される。これにより、パイプ部４１が形成される。

第２形成工程および第３形成工程としての工程Ｐ２０（図２）において、ＦＷ法により、パイプ部４１の形成に用いられた繊維３００と同様の繊維が用いられ、第１ドーム部４２および第２ドーム部４３が形成される。第１ドーム部４２および第２ドーム部４３の形成に用いられる繊維および含浸される樹脂の材料は、パイプ部４１の形成に用いられる材料と同じでもよく、異なっていてもよい。形成において、まず、概ね第１ドーム部４２と第２ドーム部４３とを軸方向に合体させた形状を有するマンドレルに口金１０を取り付け、軸方向に回転するマンドレルに繊維を巻き付けて、概ね第１ドーム部４２および第２ドーム部４３を軸方向に合体させた形状の成形体を形成する。次に、成形体を加熱して、繊維に含浸された熱硬化性樹脂を硬化させる。この硬化工程は、予備硬化でもよく、本硬化でもよい。次に、成形体を周方向に切断し、第１ドーム部４２と第２ドーム部４３と形成する。マンドレルの軸方向に対する繊維の配向角度は、例えば４０度である。切断前に硬化させる工程を挿入することにより、成形体を容易に切断することができる。

第１配置工程Ｐ３０において、パイプ部４１に、第１ドーム部４２が配置される。具体的には、図４に示すように、第１ドーム部４２は、第１ドーム部４２の第１底端部４２ｃとパイプ部４１の第１段差部４１ｆとが当接するまで、パイプ部４１に対して軸方向に移動される。これにより、パイプ部４１の一端４１ａは、第１開口部４２ｂを介して、第１ドーム部４２の内側に配置される。なお、固定されたパイプ部４１に対して第１ドーム部４２が移動される工程に限られず、固定された第１ドーム部４２に対してパイプ部４１が移動されてもよく、第１ドーム部４２およびパイプ部４１のいずれもが互いに近づくように移動されてもよい。接合体４０は、別個に形成されたパイプ部４１と、第１ドーム部４２と、第２ドーム部４３とを組み合させて形成される。このため、パイプ部４１に対する第１ドーム部４２の位置精度、およびパイプ部４１に対する第２ドーム部４３の位置精度が悪いと、高圧タンク１００の軸方向の長さである全長の精度が悪くなってしまう。本実施形態では、パイプ部４１の第１端部４１ｂには、一端４１ａから予め定めた第１距離離れた位置に第１段差部４１ｆが形成されている。ここで、予め定めた第１距離とは、完成品である高圧タンク１００の全長が目標長さとなるように予め設定された距離である。よって、第１底端部４２ｃとパイプ部４１の第１段差部４１ｆとが当接して、パイプ部４１に対して第１ドーム部４２が配置されることにより、パイプ部４１に対する第１ドーム部４２の位置精度を向上させることができる。これにより、高圧タンク１００の全長の精度を向上させることができる。なお、第１段差部４１ｆは、パイプ部４１の周方向に切れ目なく連続して形成されている。このため、パイプ部４１に第１ドーム部４２を配置する際に、第１段差部４１ｆの全域と第１底端部４２ｃの全域とを当接させることにより、互いの中心軸がほぼ同一直線上に位置するように配置することができ、周方向において均一に配置することができる。

第１段差部４１ｆの高さｈは、第１ドーム部４２をパイプ部４１に対して移動させた場合に、第１ドーム部４２の第１底端部４２ｃが突出部４１ｅに引っ掛かる程度の高さであることが好ましい。本実施形態では、第１ドーム部４２がパイプ部４１に配置された状態での、第１ドーム部４２の内周面と、第１端部４１ｂの外周面との距離は、最大０．４ｍｍ程度であり、第１段差部４１ｆの高さｈは、１ｍｍ程度とされている。

さらに、第１段差部４１ｆの高さｈを、後述する第４形成工程Ｐ６０において、第１ドーム部４２の軸方向における中央側への移動を制限できる程度の高さとしてもよい。第４形成工程Ｐ６０では、第１ドーム部４２および第２ドーム部４３に掛け渡される繊維３００が引き締められるのに伴い、第１ドーム部４２および第２ドーム部４３の各々には、互いに近づく方向に外力が加えられる。このため、第１ドーム部４２は、第１開口部４２ｂが外方へ広がるように変形する。そこで、第１開口部４２ｂが外方へ広がるように変形した場合にも、第１段差部４１ｆの高さｈがドーム部４４の軸方向における中央側への移動を制限できる程度に高ければ、高圧タンク１００が軸方向に縮んでしまうのを抑制することができる。第１開口部４２ｂが外方へ広がるように変形する場合の変形量は、ドーム部４４の剛性、繊維３００の張力などに依存する。そこで、第１段差部４１ｆの高さｈを、第４形成工程Ｐ６０における、第１ドーム部４２の軸方向における中央側への移動を制限できる程度の高さにする場合には、第１ドーム部４２の変形量と、ドーム部４４の厚さなどに応じて、高さｈを決定するとよい。

第２配置工程Ｐ４０（図２）において、パイプ部４１に、第２ドーム部４３が配置される。具体的には、第１配置工程Ｐ３０と同様に、第２ドーム部４３の第２底端部４３ｃとパイプ部４１の第２段差部４１ｈとが当接するまで、第２ドーム部４３はパイプ部４１に対して軸方向に移動される。これにより、パイプ部４１の他端４１ｃは、第２開口部４３ｂを介して、第２ドーム部４３の内側に配置される。なお、固定されたパイプ部４１に対して第２ドーム部４３が移動される工程に限られず、固定された第２ドーム部４３に対してパイプ部４１が移動されてもよく、第２ドーム部４３およびパイプ部４１のいずれもが互いに近づくように移動されてもよい。パイプ部４１の第２端部４１ｄには、他端４１ｃから、完成品である高圧タンク１００の全長が目標長さとなるように予め定めた第２距離離れた位置に第２段差部４１ｈが形成されている。よって、第２ドーム部４３の第２底端部４３ｃとパイプ部４１の第２段差部４１ｈとが当接するまで移動されることにより、パイプ部４１に対する第２ドーム部４３の位置精度を向上させることができる。これにより、高圧タンク１００の全長の精度を向上させることができる。なお、第２段差部４１ｈは、パイプ部４１の周方向に切れ目なく連続して形成されている。このため、パイプ部４１に第２ドーム部４３を配置する際に、第２段差部４１ｈの全域と第２底端部４３ｃの全域とを当接させることにより、互いの中心軸がほぼ同一直線上に位置するように配置することができ、周方向において均一に配置することができる。

第１接合工程および第２接合工程としての工程Ｐ５０において、パイプ部４１と第１ドーム部４２とが接合され、パイプ部４１と第２ドーム部４３とが接合される。具体的には、パイプ部４１の外周面と、第１ドーム部４２および第２ドーム部４３の各々の内周面との間に、例えば、エポキシ樹脂などの接着剤が塗布され、接着される。これにより、接合体４０が形成される。なお、接着剤として、第１ドーム部４２および第２ドーム部４３に用いられている樹脂が用いられるとよいが、異なる材料を有する接着剤でもよい。

なお、パイプ部４１と第１ドーム部４２および第２ドーム部４３の各々とが接合される工程は、工程Ｐ５０に限られない。例えば、第１配置工程Ｐ３０の後に、パイプ部４１と第１ドーム部４２とを接合する工程を設け、第２配置工程Ｐ４０の後に、パイプ部４１と第２ドーム部４３とを接合する工程を設けてもよい。

第４形成工程Ｐ６０において、パイプ部４１の形成に用いられた繊維３００と同様の繊維が用いられ、接合体４０の外周面にヘリカル層５０が形成される。ヘリカル層５０の形成に用いられる繊維および含浸される樹脂の材料は、パイプ部４１の形成に用いられる材料と同じでもよく、異なっていてもよい。図５の左図に示されるように、接合体４０は、例えば軸方向が鉛直方向となるように設置される。接合体４０の上方端部付近に、複数の巻出部２０５が、周方向に等間隔で接合体４０の周囲を取り囲んで配置される。巻出部２０５は、繊維３００を下方へ向かって送り出す。繊維３００の端部には、保持部材２０６が取り付けられている。複数の巻出部２０５により、保持部材２０６が接合体４０よりも下方に位置するまで繊維３００が送り出される。次に、図５の右図に示されるように、複数の巻出部２０５と、複数の保持部材２０６とは中心軸ＡＸ回りに、それぞれ回転される。ここで、複数の巻出部２０５の回転方向と、複数の保持部材２０６の回転方向とは、互いに逆向きとされる。例えば、上方から視て、複数の巻出部２０５が時計回りに回転される場合には、複数の保持部材２０６は反時計回りに回転される。これにより、繊維３００は、ねじられる。回転が進むほど、繊維３００は、接合体４０の外周に近づき、接合体４０の外周沿って隙間なく配置される。中心軸ＡＸに対する繊維３００の角度である配向角度は、０度より大きく、４５度以下の範囲であり、例えば、２０度以下である。繊維３００は、樹脂の粘着力により動きが拘束される。その後、接合体４０を覆っていない繊維３００の余分な部分が切断され、ヘリカル層５０の１層目が形成される。

１層目の上に２層目が、同様の方法にて形成される。ただし、複数の巻出部２０５の２層目における回転方向は、１層目における回転方向とは逆向きとされる。同様に、複数の保持部材２０６の２層目における回転方向は、１層目における回転方向とは逆向きとされる。これにより、２層目の繊維３００は、１層目の繊維３００の配向方向と交差する方向に配向される。なお、ヘリカル層５０の層の数は、２層に限られず、４層以上の偶数の層でもよい。ヘリカル層５０の形成が終了すると、ヘリカル層５０が形成された接合体４０は本硬化され、補強層３０が完成する。ヘリカル層５０が形成されることにより、高圧タンク１００に高圧ガスが充填された場合における、第１ドーム部４２と、第２ドーム部４３とが、互いに離れる方向に加えられる内圧に対する補強層３０の強度を向上させることができる。

第４形成工程Ｐ６０において、繊維３００は、小さい配向角度で、第１ドーム部４２および第２ドーム部４３に掛け渡される。このため、図１に示すように、ヘリカル層５０は、概ね接合体４０の外表面に沿って形成される。しかし、ドーム部４４は、パイプ部４１の外側に重ねられて配置されるため、接合体４０の外表面がドーム部４４からパイプ部４１へ切り替わる境界部分で段差が生じ、ヘリカル層５０とパイプ部４１の外表面との間に隙間ができる。ここで、突出部４１ｅおよび突出部４１ｇは、それぞれ、第１底端部４２ｃおよび第２底端部４３ｃに当接するように設けられている。このため、ヘリカル層５０とパイプ部４１の外表面との間の隙間は、突出部４１ｅおよび突出部４１ｇによって少なくなっている。このように、突出部４１ｅおよび突出部４１ｇが設けられていることにより、ヘリカル層５０が形成されない空洞の発生を低減することができ、補強層３０の強度低下を抑制することができる。

工程Ｐ７０（図２）において、補強層３０の内面にライナ２０が形成される。詳しくは、口金１０の開口から、ライナ２０を形成するための樹脂材料が補強層３０の内部に注入され、補強層３０が回転される。回転されることにより、樹脂材料は、補強層３０の内面を覆うように付着し、樹脂材料が固化されることにより、ライナ２０が形成され、高圧タンク１００は完成する。ライナ２０が熱可塑性樹脂製の場合には、冷却により固化され、ライナ２０が熱硬化性樹脂製の場合には、加熱により固化される。樹脂材料は、例えば、加熱により低粘度にされた樹脂である。また、樹脂材料を、反応により樹脂を生成する２種類以上の樹脂材料としてもよい。この場合には、反応射出成形（Reaction Injection Molding）の様に、次の方法により形成してもよい。例えば、ライナ２０がポリアミド製の場合、まず、反応によりポリアミドを生成する２種類以上の低分子量であり低粘度である液体の樹脂材料を、混合させつつ、補強層３０の内部に注入する。混合された樹脂材料は、回転されている補強層３０の内面に付着し、反応して高分子のポリアミドを形成する。その後、補強層３０の内部空間が冷却されることにより、ポリアミドは固化される。

以上説明した製造工程にて製造される高圧タンク１００は、ライナに繊維をＦＷ法にて巻回することにより補強層が形成された高圧タンクと比較して、ライナ２０を薄くすることができる。ライナ２０に繊維３００を巻回する工程がないため、ライナの強度を低く抑えることができるからである。また、上記のライナに繊維を巻回して製造される高圧タンクよりも、補強層に使用される繊維強化樹脂の使用量を削減することができる。ライナに繊維を巻回する製造方法では、主に、パイプ部の強度はフープ巻きで巻回された繊維層により確保され、ドーム部の強度はドーム部に掛け渡されるヘリカル巻きで巻回された繊維層により確保される。ここで、ヘリカル巻きで形成される繊維層は、パイプ部４１にも形成されてしまうため、パイプ部の強度の確保に必要な繊維強化樹脂の使用量よりも、多くの繊維強化樹脂が使用されてしまう。対して、本実施形態では、ドーム部４４と、パイプ部４１とは、別個に形成されるため、パイプ部の形成において、目標強度を確保するために必要な使用量よりも多くの繊維強化樹脂を使用する必要は生じない。よって、本実施形態に係る製造方法によれば、ライナに繊維を巻回して製造される高圧タンクよりも、補強層に使用される繊維強化樹脂の使用量を削減することができる。

以上説明した第１実施形態によれば、第１形成工程Ｐ１０において、パイプ部４１は、一端４１ａから軸方向へ予め定めた第１距離離れた位置で外方に突出する第１段差部４１ｆを有して形成される。また、第１配置工程Ｐ３０において、第１ドーム部４２は、第１ドーム部４２の第１底端部４２ｃとパイプ部４１の第１段差部４１ｆとが当接するまで、パイプ部４１に対して軸方向に移動される。その後、工程Ｐ５０において、パイプ部４１と第１ドーム部４２とが接合される。予め形成された第１段差部４１ｆを用いて、パイプ部４１に対する第１ドーム部４２の位置決めを行うことができるため、補強層３０の全長の精度を向上することができる。

また、第１形成工程Ｐ１０の巻付工程において、パイプ部４１は、繊維３００をマンドレル２０１にフープ巻きで巻き付けることにより形成され、第１段差部４１ｆは、第１端部４１ｂにおいて、一端４１ａ側の巻き数よりも他端４１ｃ側の巻き数を多くすることで形成される。これにより、フープ巻きの巻き数を増加させることにより、第１段差部４１ｆを形成することができる。

また、第１形成工程Ｐ１０において、パイプ部４１は、他端４１ｃから軸方向へ予め定めた第２距離離れた位置で外方に突出する第２段差部４１ｈを有して形成される。また、第２配置工程Ｐ４０において、第２ドーム部４３は、第２ドーム部４３の第２底端部４３ｃとパイプ部４１の第２段差部４１ｈとが当接するまで、パイプ部４１に対して軸方向に移動される。その後、工程Ｐ５０において、パイプ部４１と第２ドーム部４３とが接合される。予め形成された第２段差部４１ｈを用いて、パイプ部４１に対する第２ドーム部４３の位置決めを行うことができるため、補強層３０の全長の精度を向上することができる。

また、第４形成工程Ｐ６０において、接合体４０の外周面にヘリカル層５０が形成される。ヘリカル層５０を形成することにより、補強層３０の強度を向上することができる。ここで、第１段差部４１ｆが設けられていることにより、ヘリカル層５０と、パイプ部４１の外表面との間の隙間は低減されるため、ヘリカル層５０が形成されない空洞の発生を低減することができ、補強層３０の強度低下を抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態に係る高圧タンクについて、図６を用いて説明する。第２実施形態に係る高圧タンクが備えるパイプ部１４１は、他端方向側に段差部が形成されていない点が、第１実施形態に係るパイプ部４１とは異なる。パイプ部１４１は、軸方向における一端１４１ａを含む第１端部１４１ｂと、軸方向における他端１４１ｃを含む第２端部１４１ｄとを有する。第１端部１４１ｂは、突出部１４１ｅを有し、一端１４１ａから軸方向へ予め定めた第１距離離れた位置で外方に突出する第１段差部１４１ｆが形成されている。パイプ部１４１以外の構成部分は、第１実施形態と同様であるため、同様の構成部分については、第１実施形態と同じ符号を用いて説明する。

第２実施形態に係る高圧タンクは、工程の内容は異なるが、第１実施形態と同様の順序で製造されるため、図２を用いて製造方法について説明する。第１形成工程Ｐ１０において、パイプ部１４１が形成される。詳しくは、第１実施形態にて説明した巻付工程において、第１実施形態における突出部４１ｇを形成するための巻き付けが省かれることにより、突出部１４１ｅが形成されたパイプ部１４１が形成される。工程Ｐ２０において、第１実施形態と同様に、第１ドーム部４２および第２ドーム部４３が形成される。第１配置工程Ｐ３０において、第１実施形態と同様に、パイプ部１４１に第１ドーム部４２が配置される。第２配置工程Ｐ４０において、パイプ部１４１に第２ドーム部４３が配置される。本実施形態では、図６に示すように、口金１０の端部から第２ドーム部４３の端部までの長さである全長が、予め定められた長さとなるように、例えば治具などを用いて、パイプ部１４１に対する第２ドーム部４３の位置決めがなされる。これにより、既に接合されている口金１０、第１ドーム部４２、およびパイプ部１４１における、口金１０の端部からパイプ部１４１の端部までの軸方向の長さが目標長さに対して差がある場合にも、第２ドーム部４３のパイプ部１４１に対する位置を調整することにより、高圧タンクの全長を目標全長に合わせることができる。

工程Ｐ５０、第４形成工程Ｐ６０、および工程Ｐ７０については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、第１実施形態と同様に、突出部１４１ｅが設けられていることにより、ヘリカル層５０が形成されない空洞の発生を低減することができ、補強層３０の強度低下を抑制することができる。対して、パイプ部１４１の他端１４１ｃ側には、突出部は形成されないため、ヘリカル層５０が形成されない空洞により、補強層３０の強度は、突出部が形成される場合よりも低下してしまう場合がある。本実施形態では、空洞の発生を低減することができる突出部１４１ｅは、口金１０を取り付けるための開口により、第２ドーム部４３よりも強度の劣る第１ドーム部４２が配置される一端１４１ａ側に形成されている。これにより、補強層３０の強度が、第２ドーム部４３の配置側に対して第１ドーム部４２の配置側が過度に劣る状態を回避することができる。

以上、説明した第２実施形態によれば、第２配置工程Ｐ４０において、口金１０の端部から第２ドーム部４３の端部までの長さである全長が、予め定められた長さとなるように、パイプ部１４１に対する第２ドーム部４３の位置決めがなされるため、高圧タンクの全長の精度を向上させることができる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上記第１実施形態では、突出部４１ｅおよび突出部４１ｇが形成されることにより、第１段差部４１ｆおよび第２段差部４１ｈが形成される。これに対して、第１段差部４１ｆから第２段差部４１ｈへ至るまでのパイプ部４１の厚さをほぼ均一とし、かつ、第１段差部４１ｆより一端４１ａ側の厚さおよび第２段差部４１ｈより他端４１ｃ側の厚さよりも厚くすることにより、第１段差部４１ｆおよび第２段差部４１ｈが形成されてもよい。このように形成された第１段差部４１ｆおよび第２段差部４１ｈにおいても、第１段差部４１ｆおよび第２段差部４１ｈを用いて、パイプ部４１に対する第１ドーム部４２および第２ドーム部４３各々の位置決めを行うことができるため、補強層３０の全長の精度を向上することができる。また、接合体４０の外表面がドーム部４４からパイプ部４１へ切り替わる境界部分での段差が生じにくくなるため、ヘリカル層５０が形成されない空洞の発生を低減することができ、補強層３０の強度低下を抑制することができる。

（Ｃ２）上記実施形態では、第１形成工程Ｐ１０において、ＦＷ法を用いてパイプ部４１が形成される。これに対して、パイプ部４１は、ＣＷ（Centrifugal Winding）法を用いて形成された円筒状の成形体に、別個に形成された突出部４１ｅおよび突出部４１ｇのそれぞれに相当する２つの円環状の成形体を取り付けて、両者を接合ことにより形成されてもよい。ＣＷ法は、円筒状の型の内側に繊維シートを配置し、型の回転により生じる遠心力により、繊維シートを型の内側に張り付け、繊維シートを円筒状の形状に成形する方法である。繊維シートは、例えば、単一方向に揃えられた複数の繊維束が拘束糸で編み込まれたシートなどを用いることができる。また、成形する前に予め樹脂が含浸された繊維シートを用いてもよく、樹脂が含浸された繊維シートを円筒状に成形した後に、樹脂を含浸させてもよい。突出部４１ｅおよび突出部４１ｇのそれぞれに相当する２つの円環状の成形体は、例えばＦＷ法を用いて形成することができる。

（Ｃ３）上記第１実施形態では、第１形成工程Ｐ１０において、繊維３００の巻回が終了後、マンドレル２０１から外される前に樹脂が硬化される。パイプ部４１を構成する樹脂が硬化される工程は、この時期に限られない。例えば、（ａ）マンドレル２０１から外された後であって、ドーム部４４と接合される前でもよく、（ｂ）ドーム部４４と接合された後であって、接着剤が塗布される前でもよく、（ｃ）接合体が形成された後であって、ヘリカル層５０を形成する前でもよく、（ｄ）ヘリカル層５０が形成された後であって、ライナ２０が形成される前でもよい。

（Ｃ４）上記第１実施形態では、工程Ｐ２０において、第１ドーム部４２は、予め口金１０が取り付けられたマンドレルに繊維を巻回することにより形成される。これに対して、口金１０が取り付けられていないマンドレルに繊維を巻回して成形体を形成し、その後、口金１０を取り付けて第１ドーム部４２を形成してもよい。

（Ｃ５）上記第１実施形態では、工程Ｐ２０において、繊維３００の巻回が終了後、切断前に樹脂が硬化される。ドーム部４４を構成する樹脂が硬化される工程は、この時期に限られない。例えば、（ａ）切断後であって、マンドレルから外される前でもよく、（ｂ）マンドレルから外された後、パイプ部４１と接合される前でもよく、（ｃ）パイプ部４１と接合された後であって、接着剤が塗布される前でもよく、（ｄ）接合体が形成された後であって、ヘリカル層５０を形成する前でもよく、（ｅ）ヘリカル層５０が形成された後であって、ライナ２０が形成される前でもよい。

（Ｃ６）上記第１実施形態では、第４形成工程Ｐ６０において、ヘリカル層５０は、軸方向に配列された繊維３００が捩じられることにより形成される。これに対して、ヘリカル層５０は、ＦＷ法を用いて形成されてもよい。

（Ｃ７）上記第１実施形態では、工程Ｐ７０において、ライナ２０の樹脂材料が補強層３０の内部に注入され、補強層３０の内面を覆って固化されることにより、ライナ２０が形成される。ライナ２０の形成方法はこれに限られない。例えば、パイプ部４１、第１ドーム部４２、および第２ドーム部４３とは別個にライナ２０を形成し、パイプ部４１、第１ドーム部４２、および第２ドーム部４３とライナ２０とを組み合わせてもよい。具体的には、パイプ部４１にライナ２０を挿入し、その後、第１ドーム部４２および第２ドーム部４３をパイプ部４１に取り付ければよい。この方法において、ライナ２０は、ブロー成型あるいは、射出成形により形成することができる。

（Ｃ８）上記第１実施形態および第２実施形態に係る高圧タンク１００は、軸方向の一端にのみ口金１０が取り付けられている。これに対して、高圧タンクは、軸方向の両端に口金が取り付けられている形態でもよい。この形態では、両端に取り付けられる２つの口金は、互いに異なる形状でもよく、例えば、一方の口金は、高圧タンクの内部空間と外部とを連通しない形状でもよい。また、軸方向の両端に口金が取り付けられている高圧タンクにおいては、第２ドーム部４３に取り付けられた口金のパイプ部１４１に対する相対位置が固定された状態で、第２実施形態に係る第４形成工程Ｐ６０が実施されるとよい。上記のように、第４形成工程Ｐ６０においては、ヘリカル層５０を構成する繊維３００により、第１ドーム部４２と第２ドーム部４３とは互いに近づく方向に外力が加えられる。パイプ部１４１の他端１４１ｃ側には、段差部が形成されていないため、特に、第２ドーム部４３は、外力により、移動し易い。そこで、第２ドーム部４３に取り付けられた口金を固定することにより、パイプ部１４１に対する第２ドーム部４３の位置ずれを抑制することができる。

（Ｃ９）上記第２実施形態では、第１段差部１４１ｆが形成されている一端１４１ａ側に、口金１０が取り付けられる第１ドーム部４２が配置される。これに限られず、第１段差部１４１ｆが形成されている一端１４１ａ側に、口金１０が取り付けられていない第２ドーム部４３が配置され、他端１４１ｃ側に口金１０が取り付けられている第１ドーム部４２が配置される形態としてもよい。この場合、口金１０が取り付けられない第２ドーム部４３は、課題を解決するための手段に記載の「第１ドーム部」に相当し、口金１０が取り付けられている第１ドーム部４２は、課題を解決するための手段に記載の「第２ドーム部」に相当する。

（Ｃ１０）上記第１実施形態では、第１形成工程Ｐ１０の後に、工程Ｐ２０が行われる。また、第１配置工程Ｐ３０の後に、第２配置工程Ｐ４０が行われる。工程の順序はこれに限られず、工程Ｐ２０の後に、第１形成工程Ｐ１０が行われてもよく、工程Ｐ２０と、第１形成工程Ｐ１０とが、同時期に行われてもよい。また、第２配置工程Ｐ４０の後に、第１配置工程Ｐ３０が行われてもよく、第１配置工程Ｐ３０と、第２配置工程Ｐ４０とが、同時期に行われてもよい。

（Ｃ１１）上記第１実施形態では、第１形成工程Ｐ１０にて、パイプ部４１は、ＦＷ法を用いて、フープ巻きで形成される。巻き方は、フープ巻きに限られず、配向角度の小さいヘリカル巻きでもよく、フープ巻きとヘリカル巻きとが併用されてもよい。

（Ｃ１２）上記第１実施形態では、工程Ｐ２０において、ドーム部４４は、ＦＷ法を用いて形成される。これに対して、ドーム部４４がテーププレースメント法を用いて形成されてもよい。

（Ｃ１３）上記第１実施形態では、第１形成工程Ｐ１０において、繊維３００は、一端４１ａから巻き始められる。巻き始めの位置は、一端４１ａに限られず、例えば、パイプ部４１の軸方向における中央でもよい。

本開示は、上述の実施形態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…口金、２０…ライナ、３０…補強層、４０…接合体、４１，１４１…パイプ部、４１ａ，１４１ａ…一端、４１ｂ，１４１ｂ…第１端部、４１ｃ，１４１ｃ…他端、４１ｄ，１４１ｄ…第２端部、４１ｅ，４１ｇ,１４１ｅ…突出部、４１ｆ，１４１ｆ…第１段差部、４１ｈ…第２段差部、４２…第１ドーム部、４２ａ…第１頂部、４２ｂ…第１開口部、４２ｃ…第１底端部、４３…第２ドーム部、４３ａ…第２頂部、４３ｂ…第２開口部、４３ｃ…第２底端部、４４…ドーム部、５０…ヘリカル層、１００…高圧タンク、１００ａ…円筒部、１００ｂ…第１タンク端部、１００ｃ…第２タンク端部、２０１…マンドレル、２０５…巻出部、２０６…保持部材、３００…炭素繊維、ＡＸ…中心軸、Ｐ１０…第１形成工程、Ｐ２０，Ｐ５０，Ｐ７０…工程、Ｐ３０…第１配置工程、Ｐ４０…第２配置工程、Ｐ６０…第４形成工程

Claims (3)

1. 高圧タンクを構成する補強層の製造方法であって、
   繊維強化樹脂製の軸方向に延びる筒状のパイプ部であって、前記軸方向における一端を含む第１端部と、前記軸方向における他端を含む第２端部と、を有するパイプ部を形成する第１形成工程であって、前記第１端部に、前記一端から前記軸方向へ予め定めた第１距離離れた位置で外方に突出する第１段差部を形成する、第１形成工程と、
   繊維強化樹脂製の半球面形状の第１ドーム部であって、第１頂部と、第１開口部を形成する、内径が前記一端の外径よりも大きい第１底端部と、を有する第１ドーム部を形成する第２形成工程と、
   繊維強化樹脂製の半球面形状の第２ドーム部であって、第２頂部と、第２開口部を形成する、内径が前記他端の外径よりも大きい第２底端部と、を有する第２ドーム部を形成する第３形成工程と、
   前記第１底端部と前記第１段差部とが当接するまで前記第１ドーム部と前記パイプ部との少なくともいずれか一方を前記軸方向に移動させて、前記一端を前記第１ドーム部の内側に配置する第１配置工程と、
   前記第２ドーム部と前記パイプ部との少なくともいずれか一方を前記軸方向に移動させて、前記他端を前記第２ドーム部の内側に配置する第２配置工程と、
   前記第１配置工程の後に、前記パイプ部と前記第１ドーム部とを接合する第１接合工程と、
   前記第２配置工程の後に、前記パイプ部と前記第２ドーム部とを接合する第２接合工程と、を備え、
   前記第１形成工程は、繊維をフープ巻きでマンドレルに巻き付ける巻付工程を有し、
   前記第１段差部は、前記第１端部において、前記一端側の巻き数よりも前記他端側の巻き数を多くすることで形成される、製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法であって、
   前記第１形成工程は、
   前記第２端部に、前記他端から前記軸方向へ予め定めた第２距離離れた位置で外方に突出する第２段差部を形成する工程を有し、
   前記第２配置工程は、
   前記第２底端部と前記第２段差部とが当接するまで前記第２ドーム部と前記パイプ部との少なくともいずれか一方を前記軸方向に移動させる工程を有する、製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法であって、さらに、
   前記第１接合工程および前記第２接合工程の後に、前記第１ドーム部と前記第２ドーム部とに繊維を掛け渡すことによりヘリカル層を形成する第４形成工程を有する、製造方法。

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