JP7439744B2 - 高圧タンクおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧タンクおよびその製造方法に関する。

高圧の流体を貯蔵する為のタンクとして、ライナーと、補強層と、を備えるタンクが知られている。ライナーは円筒状の胴体部と、当該胴体部の両側に設けられたドーム状の側端部とを有する。補強層は、ライナーを覆うように設けられ、樹脂と強化繊維とを含む繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって構成される。補強層は、タンクの内圧に対する強度を確保するための構造である。このようなタンクの製造方法（補強層の形成方法）としては、フィラメントワインディング（ＦＷ）法が知られている。ＦＷ法は、ライナーを回転させつつ、樹脂を含侵させた繊維束に張力を掛けながら、ライナーの外周に繊維束を巻回することで補強層を形成する方法である。

たとえば、特許文献１には、ＦＷ法により、以下に示す方法で補強層を形成したタンクおよびその製造方法が開示されている。具体的には、この製造方法では、ライナーの胴体部の外周に樹脂を含浸した繊維束をフープ巻きして、内側の第１補強層の形成を行う。さらにその上から、ライナーの側端部と第１補強層とを覆うように樹脂を含侵した繊維束をヘリカル巻きして、外側の第２補強層を形成する。

特開２０２０－３４１２１号公報

特許文献１に示す製造方法では、第１補強層は、フープ巻きで形成されおり、第１補強層の端部は、高圧タンクのドーム部付近に位置する。しかしながら、高圧タンクに内圧が作用した際に、第１補強層の端部には、高圧タンクの円筒部と同様にフープ応力が作用するばかりでなく、高圧タンクの軸線方向に沿った方向にも応力が作用するため、結果として、この部分には曲げ応力が作用することがある。このため、第１補強層の端部において、内圧が作用したときに、この曲げ応力の作用する方向に対して、第１補強層の端部の繊維方向の配向性が低い。したがって、第１補強層の端部に巻回された繊維束を高圧タンクの強度に十分寄与できないことがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ライナーの胴体部に巻回される第１補強層の端部を、高圧タンクのドーム部の強度に十分に寄与させることができる高圧タンクと、このような高圧タンクの製造方法とを提供する。

本発明に係る高圧タンクは、円筒部の両端にドーム部が形成された高圧タンクであって、前記高圧タンクは、円筒状の胴体部と前記胴体部の両端に設けられるドーム状の側端部とを有するライナーと、前記ライナーを覆い、繊維強化樹脂で形成された補強層と、を備えており、前記補強層は、前記胴体部を覆う第１補強層と、前記第１補強層とともに前記側端部を覆う第２補強層と、を備えており、前記第１補強層は、前記胴体部の中央の区間において、樹脂を含む繊維束がフープ巻きで巻回されたフープ補強層と、前記フープ補強層に対して、前記高圧タンクの軸線方向に沿って並設され、前記中央の区間の少なくとも一端側に位置する区間において、前記繊維束がヘリカル巻きで巻回されたヘリカル補強層と、を有し、前記ヘリカル補強層は、前記ドーム部の一部を構成していることを特徴とする。

本発明によれば、第１補強層のうち、胴体部の中央の区間に、フープ補強層を設けることにより、高圧タンクの円筒部に作用するフープ応力に対する強度（フープ強度）を高めることができる。これに加えて、胴体部の中央の区間の少なくとも一端側に位置する区間において、フープ補強層の一端側にヘリカル補強層を設けることにより、第１補強層をフープ巻きのみで巻回する場合に比べて、ドーム部の曲げ強度を高めることができる。これにより、ドーム部を形成する第２補強層の厚みを、薄くすることも可能となる。

より好ましい態様として、前記ヘリカル補強層は、前記高圧タンクの軸線方向に沿った断面において、前記側端部と前記胴体部との境界部から、前記フープ補強層側に向かって、前記胴体部の外周面に対して傾斜した斜面を有していてもよい。

かかる態様によれば、ヘリカル補強層が斜面を有することにより、側端部の外周面と、ヘリカル補強層の斜面との間の段差を低減し、段差に起因した応力集中を抑えることができる。さらに、斜面に対して、第２補強層から作用する応力は、高圧タンクの軸線と交差する方向の応力である。したがって、この斜面を有するヘリカル補強層の繊維束は、軸線に対して傾斜して巻回されているため、第１補強層をフープ巻きのみで巻回する場合に比べて、ドーム部の強度を高めることができる。

より好ましい態様として、前記第２補強層は、前記側端部の間を渡すように、前記繊維束をヘリカル巻きで巻回した層であり、前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、前記第２補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも大きく、前記フープ補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも小さくてもよい。

かかる態様によれば、第１補強層をフープ巻きのみで巻回する場合に比べて、ドーム部の曲げ強度を高めることができるため、第２補強層を形成する繊維束を巻回する層数（巻き数）を低減することができる。これに加えて、ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度の範囲を、上に示す範囲とすることにより、ヘリカル補強層の繊維束の配向を、第２補強層の配向に近付けることができる。この結果、ヘリカル補強層と第２補強層の熱膨張差および熱収縮差を低減し、ヘリカル補強層と第２補強層との界面の強度を確保することができる。

より好ましい態様として、前記ヘリカル補強層は、前記高圧タンクの軸線方向に沿って、前記フープ補強層側の第１端部と、前記側端部側の第２端部とを有しており、前記第１端部を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、第２端部を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも大きくてもよい。

かかる態様によれば、前記ヘリカル補強層を形成する繊維束の巻き付け角度は、フープ補強層側では、フープ補強層の繊維束の巻き付け角度に近く、側端部側では、第２補強層の繊維束の巻き付け角度に近い。したがって、ヘリカル補強層で、フープ補強層と第２補強層の強度差を補うことにより、強度差に起因した応力集中を低減することができる。

より好ましい態様として、前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、８０°以上、８９°未満の範囲にあってもよい。

かかる態様によれば、前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、８０°以上、８９°未満の範囲とすることにより、胴体部の狭い区間において、安定した巻き形状のヘリカル補強層を形成することができる。

より好ましい態様として、前記ヘリカル補強層の軸線方向に沿った長さＬは、前記高圧タンクの外径の０．３倍以上であってもよい。

かかる態様によれば、ヘリカル補強層の軸線方向に沿った長さＬを、前記高圧タンクの外径の０．３倍以上とすることにより、ヘリカル補強層による曲げ強度を確実に向上させることができる。ヘリカル補強層の軸線方向に沿った長さが、高圧タンクの外径の０．３倍未満の場合には、上の効果を十分発揮できない虞がある。なお、ヘリカル補強層の軸線方向に沿った長さが大きい程、フープ補強層が形成された中央の区間が狭くなるため、高圧タンクの円筒部のフープ応力に対する強度が低下してしまう。そのため、第一補強層の少なくとも一部はフープ層であることが好ましい。更には、長さＬは外径の０．３倍に近いことがより好ましい。

本発明に係る高圧タンクの製造方法は、円筒部の両端にドーム部が形成された高圧タンクの製造方法であって、円筒状の胴体部と前記胴体部の両端に設けられるドーム状の側端部とを有するライナーを準備する工程と、前記胴体部を覆うように、樹脂を含む繊維束を巻回して第１補強層を形成する工程と、前記第１補強層とともに前記側端部を覆うように、繊維強化樹脂からなる第２補強層を形成する工程と、を含み、前記第１補強層を形成する工程において、前記第１補強層は、前記胴体部の中央の区間において、前記繊維束をフープ巻きで巻回することによりフープ補強層を形成するとともに、前記フープ補強層に対して、前記高圧タンクの軸線方向に沿って並設され、前記中央の区間の少なくとも一端側に位置する区間において、前記繊維束をヘリカル巻きで巻回することによりヘリカル補強層を形成することを特徴とする。

本発明によれば、胴体部の中央の区間に、フープ補強層を設けることにより、高圧タンクの円筒部に作用するフープ応力に対する強度（フープ強度）を高めることができる。これに加えて、第１補強層のうち、フープ補強層に並設したヘリカル補強層は、側端部の近傍に位置する。したがって、第２補強層を形成する際に、第１補強層が形成されたライナーに、高圧タンクの軸線方向と交差する方向から応力が作用しても、ヘリカル補強層によりその強度を確保することができる。

より好ましい態様として、前記第１補強層を形成する工程において、前記高圧タンクの軸線方向に沿った断面において、前記側端部と前記胴体部との境界部から、前記フープ補強層側に向かって、前記胴体部の表面に対して傾斜した斜面を有するように、前記ヘリカル補強層を形成してもよい。

かかる態様によれば、ヘリカル補強層に傾斜した斜面を設けるように巻回することで、側端部の外周面と、ヘリカル補強層の斜面との間の段差を低減し、段差に起因した応力集中およびボイドの形成を抑えることができる。さらに、これまでのように、ヘリカル補強層の斜面に該当する部分を従来のようにフープ巻きで形成する場合、第２補強層を繊維束によりヘリカル巻きしようとすると、繊維束が位置ずれを起こす虞があった。これは、斜面を設ける場合には巻回する対象面が巻回時の張力の向きに対して傾斜しているので、巻回時の摩擦に対して巻回時の斜面水平方向の力が大きくなり、繊維束が斜面を滑ってしまうことによる。斜面をヘリカル巻きで巻回することで、巻回時の張力の向きに対する巻回対象面の傾斜が小さくなり、滑りが軽減される。

より好ましい態様として、前記第２補強層を形成する工程において、前記第２補強層を、前記側端部の間を渡すように、前記繊維束をヘリカル巻きで巻回し、前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、前記第２補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも大きく、前記フープ補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも小さくなるように、前記繊維束を巻回しもよい。

かかる態様によれば、ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度の範囲を、上記の範囲とすることにより、ヘリカル補強層の繊維束の配向を、第２補強層の配向に近付けることができる。この結果、ヘリカル補強層と第２補強層の熱膨張差および熱収縮差を低減し、ヘリカル補強層と第２補強層との界面の強度を確保することができる。また、巻き付け角度を本構成の範囲とすることにより、第２補強層を形成する際の最初の層が、ヘリカル補強層に巻回されることとなり、フープ巻き層上に巻回する場合に比べて巻き付け角度が近いので、安定巻き付けることが可能である。

より好ましい態様として、前記第１補強層を形成する工程において、前記ヘリカル補強層は、前記高圧タンクの軸線方向に沿って、前記フープ補強層側の第１端部と、前記側端部側の第２端部とを有しており、前記第１端部を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、第２端部を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも大きくなるように、前記繊維束を巻回する。

かかる構成によれば、ヘリカル補強層を形成する繊維束の巻き付け角度は、フープ補強層側の第１端部では、フープ補強層の繊維束の巻き付け角度に近く、側端部側の第２端部では、第２補強の繊維束の巻き付け角度に近い。したがって、ヘリカル補強層で、フープ補強層と第２補強層の繊維束の配向に起因した強度差を補い、これによるタンク強度の低下を抑えることができる。

より好ましい態様として、前記第１補強層を形成する工程において、前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、８０°以上、８９°未満の範囲にあってもよい。

かかる構成によれば、ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度を、８０°以上、８９°未満の範囲とすることにより、胴体部の狭い区間においても、安定した巻き形状のヘリカル補強層を形成することができる。

より好ましい態様として、前記第１補強層を形成する工程において、前記ヘリカル補強層の軸線方向に沿った長さは、前記高圧タンクの外径の０．３倍以上であってもよい。

かかる構成によれば、ヘリカル補強層の軸線方向に沿った長さを、前記高圧タンク１の外径の０．３倍以上とすることにより、ヘリカル補強層による曲げ強度を確実に向上させることができる。ヘリカル補強層の軸線方向に沿った長さが、高圧タンクの外径の０．３倍未満の場合には、上の効果を十分発揮できない虞がある。

より好ましい態様として、前記第１補強層を形成する工程において、フープ巻きした層を、前記胴体部の径方向に複数積層することにより、前記フープ補強層を形成し、ヘリカル巻きした層を、前記胴体部の径方向に複数積層することにより、前記ヘリカル補強層を形成し、前記フープ補強層と前記ヘリカル補強層の形成を、前記フープ巻きした層と前記ヘリカル巻きした層とを交互に形成することにより行ってもよい。

たとえば、フープ補強層を形成し終えてからヘリカル補強層を形成するような場合には、フープ補強層とヘリカル補強層の境界部において各補強層の形状誤差が大きくなると隙間が発生する虞がある。それに対し本態様によれば、フープ巻きした層とヘリカル巻きした単層が交互に形成されるので、フープ補強層とヘリカル補強層との境界部で各層が折り重なるように結合し、隙間が発生するのを抑制できる。

本発明によれば、ライナーの胴体部に巻回される第１補強層を、高圧タンクのドーム部の強度に十分に寄与させることができる。

本発明の実施形態にかかる高圧タンクの外観図である。 図１の高圧タンクのＡ－Ａ断面による断面図である。 本発明の実施形態にかかる高圧タンクに内圧を付与した際の各補強層の応力状態を、比較例とともに示すグラフである。 本発明の実施形態にかかる高圧タンクの製造方法の工程のフロー図である。 図４に示すフロー図のライナーを準備する工程を表す図である。 図４に示すフロー図の第１補強層を形成する工程におけるフープ補強層の形成を表す図である。 図４に示すフロー図の第１補強層を形成する工程におけるヘリカル補強層を形成する工程の形成を表す図である。 図４に示すフロー図の第２補強層を低角度ヘリカル巻きで形成する工程を表す図である。 第２補強層を形成する前の、第１補強層を巻回した状態を表す図である。

以下、本発明の実施形態に係る高圧タンク、該高圧タンクの製造方法の順で、図面を参照しながら説明する。

まずは高圧タンクの構成について説明する。図１は、本実施形態に係る高圧タンク１の外観を表す。高圧タンク１は、円筒部１１と、円筒部１１の両側に形成されたドーム部１２を有し、高圧タンク１の全体形状は、略楕円体状である。円筒部１１およびドーム部１２はともに樹脂を含む繊維束Ｆから構成された補強層３０で覆われている。また、高圧タンク１の両端には、金属製の口金４１、４２が形成されている。口金４１、４２のうち一方、たとえば口金４１は、高圧タンク内部に貯蔵された流体を外部に供給する際に、バルブ等を接続することで流体の経路となる。この場合、他方の口金４２は、タンクに補強層を形成する際にタンクを保持する保持部としての役割を担うことが一般的である。他方の口金４２はタンクの機能にとって必須の構成ではない。

このような高圧タンク１の用途としては、たとえば燃料電池の反応ガスとして用いる水素ガスを貯蔵する為の水素タンクが挙げられる。水素タンクの用途としては、燃料電池自動車や、燃料電池を用いた非常用電源等、様々な用途が考えられる。また、高圧タンクに貯蔵するものは水素ガスに限らず、他のガスや液体などの、あらゆる流体を貯蔵することが可能である。

次に、図２を用いて高圧タンク１の構造を詳細に説明する。
図２は、図１の高圧タンク１のＡ－Ａ断面における断面図である。本実施形態において流体を貯蔵する貯蔵空間１４を形成するのは、ライナー２０である。ライナー２０は、円筒状の胴体部２１を有しており、その両端にはドーム状の側端部２２を有している。ライナー２０は、胴体部２１と側端部２２とを、一体的に成形したものであってもよく、各部位に相当する部材を接合したものであってもよい。ライナー２０の材質は、貯蔵空間１４に閉じ込めた流体を透過させない性質を有する材質が好ましい。たとえば、ＰＰ（ポリプロピレン）のような樹脂や、アルミニウムのような金属であってもよい。

側端部２２は、両端でそれぞれ口金４１、口金４２と接しており、口金４１、４２は、嵌合または接着等により、各側端部２２に取付けられている。また、ライナー２０は繊維強化樹脂で形成された補強層３０で覆われている。補強層３０は、胴体部２１を覆う第１補強層３１と、さらにその外周で第１補強層３１とともに側端部２２を覆う第２補強層３２と、から形成されている。

第１補強層３１は、貯蔵空間１４に貯蔵された流体の圧力に対してライナー２０を補強する。さらにいえば、胴体部２１が受ける径方向の圧力に対して補強する。第１補強層３１の材質は、フィラメントワインディングに適した材質、すなわち、繊維によって強化されるなどして強度に配向性を持った材質が好ましい。例えば、ガラス繊維、炭素繊維などの強化繊維によって、樹脂が強化されたＦＲＰ等が好ましく、特に、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）が好ましい。

第２補強層３２は、第１補強層３１とライナーの側端部２２とを覆うよう形成され、貯蔵空間１４の流体の圧力に対してライナー２０を補強する。主な目的は、高圧タンク１の軸線Ｃ方向（軸線Ｃに沿った方向）に沿って側端部２２に作用する力に対する補強であり、ドーム状の側端部２２が膨らむ方向に作用する圧力に対する補強でもある。第２補強層３２の材質は、第１補強層３１の材質と同等の材質が好ましいが、別の材質であってもよい。

第１補強層３１は、フープ補強層３１Ａとヘリカル補強層３１Ｂとを有する。フープ補強層３１Ａは、胴体部２１の中央の区間Ｓ１において、樹脂を含む繊維束Ｆが後述するフープ巻きで巻回された補強層である。ここで、胴体部２１の中央の区間Ｓ１とは、高圧タンク１の軸線Ｃ方向に沿った胴体部２１の中心を含む区間である。

フープ補強層３１Ａは、繊維束Ｆの長手方向に沿った縁部が隙間なく重なり合うように、繊維束Ｆを巻回した層である。本実施形態では、フープ補強層３１Ａは、高圧タンク１の径方向（ライナー２０の胴体部２１の径方向）に、複数のフープ巻きにより形成されたフープ巻きの層（単層）が積層された層である。なお、フープ巻きの単層は、高圧タンク１の軸線Ｃ方向に沿って、一方向に繊維束を巻回した層である。

ヘリカル補強層３１Ｂは、フープ補強層３１Ａに対して、高圧タンク１の軸線Ｃ方向に沿って並設される。ヘリカル補強層３１Ｂは、中央の区間Ｓ１の少なくとも一端側に位置する区間Ｓ２において、樹脂を含む繊維束Ｆが後述するヘリカル巻きで巻回された補強層である。本実施形態では、フープ補強層３１Ａの両端側に、ヘリカル補強層３１Ｂが形成されており、フープ補強層３１Ａと各ヘリカル補強層３１Ｂとは連続して形成されている。

ヘリカル補強層３１Ｂは、区間Ｓ２において、高圧タンク１の軸線Ｃ方向に対して、繊維束Ｆを傾斜させることにより、繊維束Ｆの長手方向に沿った縁部を交差するように重ね合わせ、区間Ｓ２を複数回往復するように繊維束Ｆを巻回した層である。本実施形態では、ヘリカル補強層３１Ｂは、高圧タンク１の径方向（ライナー２０の胴体部２１の径方向）に、複数のヘリカル巻きにより形成されたヘリカル巻きの単層が積層された層である。なお、ヘリカル巻きの単層は、胴体部２１の表面、または、その下側の単層を隙間なく覆うまで、繊維束Ｆを巻回した層である。

ヘリカル補強層３１Ｂは、高圧タンク１のドーム部１２の一部を構成しており、フープ補強層３１Ａは、高圧タンクの円筒部１１の一部を構成している。図２に示すように、中央の区間Ｓ１の軸線Ｃ方向の長さは、各区間Ｓ２の軸線Ｃ方向の長さよりも長いことが好ましい。これにより、高圧タンク１の円筒部１１に作用するフープ応力を、フープ補強層３１Ａで、より効率良く受けることができる。さらにヘリカル補強層３１Ｂは、高圧タンク１のドーム部１２の一部を構成している。

図３の上図は、図２の断面図のうち、ライナー２０の胴体部２１と側端部２２の境界部２４近傍の拡大図である。高圧タンク１の軸線Ｃ方向に沿った断面において、ヘリカル補強層３１Ｂは境界部２４から、フープ補強層３１Ａ側に向かって、胴体部２１の外周面(表面２１ａ）に対して傾斜した斜面３１ａを有している。この斜面３１ａは、高圧タンク１の径方向に繊維束Ｆの層（ヘリカル巻きの単層）を複数積層し、高圧タンク１の径方向の外側に進むに従って、繊維束Ｆの層（ヘリカル巻きの単層）を高圧タンク１の軸線Ｃ方向の中心寄りにずらすことにより形成された面である。

上記実施形態では、ヘリカル補強層３１Ｂは、斜面３１ａを有しているが、これに限定されるものではない。ただし、この構成により次のような効果が得られる。

ヘリカル補強層３１Ｂに斜面３１ａを設けることにより、側端部２２の外周面と、ヘリカル補強層３１Ｂの斜面３１ａとの間の段差を低減し、段差に起因した応力集中を抑えることができる。さらに、斜面３１ａに対して、第２補強層３２から作用する応力は、高圧タンク１の軸線と交差する方向の応力である。したがって、この斜面３１ａが形成されたヘリカル補強層３１Ｂの繊維束Ｆは、軸線に対して傾斜して巻回されている。このため、第１補強層３１をフープ巻きのみで巻回する場合に比べて、ドーム部１２の強度を高めることができる。

第２補強層３２は、ライナー両側の側端部２２の間を渡すように繊維束Ｆをヘリカル巻きで巻回した補強層である。ここで、後述するように、ヘリカル補強層３１Ｂによる高圧タンク１の強度を高めることができるのであれば、補強層３０を形成する繊維束Ｆの巻き付け角は、限定されるものではない。本実施形態では、繊維束Ｆの巻き付け角は、以下の関係を満たすことが好ましい。

具体的には、ヘリカル補強層３１Ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２（図５Ｃ参照）は、第２補強層３２を形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ３（図５Ｄ参照）よりも大きい。これに加えて、ヘリカル補強層３１Ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、フープ補強層３１Ａを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ１（図５Ｂ参照）よりも小さい。

たとえば、ヘリカル補強層３１Ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、一定の角度であってもよい。本実施形態では、ヘリカル補強層３１Ｂは、高圧タンク１の軸線Ｃ方向に沿って、フープ補強層３１Ａ側の第１端部３１ｂと、側端部２２側の第２端部３３ｃとを有している。第１端部３１ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、第２端部３１ｃを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２よりも大きいことが好ましい。例えば、第１端部３１ｂから第２端部３１ｃまで、繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、傾斜的に変化してもよい。このような巻き付け角度θ２の関係は、ヘリカル補強層３１Ｂを構成する単層ごとに満たされている。ヘリカル補強層３１Ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、８０°以上、８９°未満の範囲であることがさらに好ましい。

さらに、高圧タンク１の軸線Ｃ方向に沿ったヘリカル補強層３１Ｂの長さＬは、高圧タンクの外径Ｄの０．３倍以上である。

図３の下図を用いて、本実施形態の効果について説明する。図３の下図のグラフは、高圧タンク１に一定の内圧を付与した場合の第１補強層３１と第２補強層３２とが受ける繊維束に作用する応力を表したものである。図３には、比較例として、ヘリカル補強層３１Ｂの部分をフープ補強層で巻回した場合（すなわち、第１補強層３１をフープ巻きのみで巻回した場合）も示している。図３では、本実施形態を実線、比較例を破線で示している。

本実施形態では、ヘリカル補強層３１Ｂが高圧タンク１のドーム部１２の一部を形成している。したがって、比較例のようにフープ巻きのみで形成した第１補強層の端部と比べて、ヘリカル補強層３１Ｂの繊維束Ｆの繊維方向が、ドーム部１２の周面に沿った方向に近い。ここで、繊維束Ｆは、繊維方向に対する強度が、他の方向に比べて高いので、繊維方向が力の向きに近い方が、高圧タンク１の強度を高めることができる。よって、本実施形態における第１補強層３１のうち区間Ｓ２の部分にあるヘリカル補強層３１Ｂは、比較例と比べて、高圧タンク１のドーム部１２の強度の向上に寄与する。

比較例では、第２補強層３２における応力の分布は境界部２４近傍に集中して大きくなる傾向にあるが、本実施形態では、ヘリカル補強層３１Ｂの形成に伴って、第２補強層３２が受ける応力の最大値を下げることが可能となる。これにより、ドーム部１２を形成する第２補強層３２に求められる強度の基準を低減させることが可能となり、ドーム部１２を形成する第２補強層３２を薄くすることができる。なお、本実施形態では、境界部２４の近傍で、ヘリカル補強層３１Ｂを設けることにより、第１補強層３１の繊維方向の応力は、比較例に比べて高くなるが、この部分に発生する応力は、そもそも他の部分に比べて大きくないため、高圧タンク１の強度低下には、繋がらない。

上記実施形態では、第２補強層３２は、ライナー両側の側端部２２の間を渡すように繊維束Ｆを、後述するヘリカル巻きで巻回した補強層としたが、これに限定されるものではない。例えば、フィラメントワインディング法に替えて、ＲＴＭ法などのように、樹脂を金型で成型してもよい。また、ヘリカル補強層３１Ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、第２補強層３２を形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ３よりも大きく、フープ補強層３１Ａを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ１よりも小さいものとしたが、これに限定されるものではない。

ただし、これらの構成とすることにより、次のような効果が得られる。まず、ヘリカル補強層３１Ｂを形成する前記繊維束Ｆの巻き付け角度θ２の範囲を、上に示す範囲とすることにより、ヘリカル補強層３１Ｂの繊維束Ｆの配向を、第２補強層３２の配向に近付けることができる。この結果、ヘリカル補強層３１Ｂと第２補強層３２の熱膨張差および熱収縮差を低減し、ヘリカル補強層３１Ｂと第２補強層３２との界面の強度を確保することができる。

上記実施形態では、高圧タンク１の軸線Ｃ方向に沿ったヘリカル補強層３１Ｂの長さＬは、高圧タンクの外径Ｄの０．３倍以上であるとしたが、この関係に限定されるものではない。

ただし、これらの構成とすることにより、次のような効果が得られる。ヘリカル補強層３１Ｂの軸線Ｃ方向に沿った長さＬを、前記高圧タンク１の外径Ｄの０．３倍以上とすることにより、ヘリカル補強層３１Ｂによる曲げ強度を確実に向上させることができる。なお、ヘリカル補強層３１Ｂの軸線Ｃ方向に沿った長さＬが、高圧タンク１の外径Ｄの０．３倍未満の場合には、上の効果を十分発揮できない虞がある。これは、図３下図の比較例の第１補強層の応力分布を根拠とする。具体的には、高圧タンクの端部からの位置が０．３Ｄ以上の位置でほぼ一定になっていることを根拠とする。

上記実施形態では、ヘリカル補強層３１Ｂのうち、フープ補強層３１Ａ側の第１端部３１ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、側端部２２側の第２端部３１ｃを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２よりも大きいとしたが、たとえば、ヘリカル補強層３１Ｂの巻き付け角度は一定であってもよく、これに限定されるものではない。

ただし、この構成により次のような効果が得られる。ヘリカル補強層３１Ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、フープ補強層３１Ａ側では、フープ補強層３１Ａの繊維束Ｆの巻き付け角度θ１に近く、側端部２２側では、第２補強層３２の繊維束Ｆの巻き付け角度θ３に近い。したがって、ヘリカル補強層３１Ｂで、フープ補強層３１Ａと第２補強層３２の強度差を補うことにより、強度差に起因した応力集中を低減することができる。

上記実施形態では、ヘリカル補強層３１Ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、８０°以上、８９°未満の範囲であるとしたが、この関係に限定されるものではない。ただし、この構成により、次のような効果が得られる。前記ヘリカル補強層３１Ｂを形成する前記繊維束Ｆの巻き付け角度θ２を、８０°以上、８９°未満の範囲とすることにより、胴体部２１のより狭い範囲において、安定した巻き形状のヘリカル補強層３１Ｂを形成することができる。また、軸線Ｃ方向に繊維束Ｆが滑ってしまう虞を抑制する。

つづいて、以下では本発明の実施形態にかかる高圧タンクの製造方法について説明する。前述した高圧タンクの特徴と同一の場合、説明を省略する場合もする。

図５は、製造方法の全体の流れを表したフロー図である。
本実施形態の製造方法は大別すると、ライナー２０を準備する工程Ｓ１０１、第１補強層３１を形成する工程Ｓ１０２、第２補強層３２を形成する工程Ｓ１０３の３工程から構成される。以下、各工程について説明する。

工程Ｓ１０１では、図５Ａに示すように、ライナー２０を準備する。ライナー２０は、胴体部２１、該胴体部の両側に側端部２２、口金４１、口金４２を有している。ライナー２０は、軸線Ｃを中心として回転可能となるように口金４１、４２を保持されている。なお、本実施形態では口金４１、口金４２を保持されているが、どちらか一方のみを保持していてもよい。ただし、両方を保持されることによって、フィラメントワインディング法に求められる高い剛性を、確保しやすくなる。

工程Ｓ１０２では、第１補強層３１を形成する。本実施形態において、第１補強層３１は図５Ｂや図５Ｃに示すように、工程Ｓ１０１で準備したライナーの胴体部２１を覆うように樹脂を含む繊維束Ｆを巻回して形成される。より具体的には、可動式の繊維束供給部６０から繊維束Ｆを供給しつつ、軸線Ｃを中心としてライナー２０を回転させることによって巻回する。繊維束供給部６０は、軸線Ｃに沿って移動するとともに、軸線Ｃに対する繊維束Ｆの巻き付け角度も調整可能になっている。第１補強層３１の巻回の特徴については、別途後述する。

工程Ｓ１０３では、第２補強層３２を形成する。本実施形態において、第２補強層３２は図５Ｄに示すように、第１補強層３１とともに側端部２２を覆うように、樹脂を含む繊維束Ｆを巻回して形成される。工程Ｓ１０２と同様、可動式の繊維束供給部６０から繊維束Ｆを供給しつつ、軸線Ｃを中心としてライナー２０を回転させることによって巻回する。工程１０２と異なるのは、繊維束供給部６０とライナー２０の位置関係である。本工程では、繊維束Ｆは、ライナーの側端部２２を渡すように巻回される。繊維束Ｆと軸線Ｃとがなす角度θ３は、例えば６０°以下である。一般に、低角度ヘリカル巻きと称される巻回方法である。

工程Ｓ１０２についてさらに詳細に説明する。工程Ｓ１０２は、図５Ｂのようにフープ補強層３１Ａを形成する工程と、図５Ｃのようにヘリカル補強層３１Ｂを形成する工程と、を含む。

フープ補強層３１Ａを形成する工程では、胴体部２１の中央の区間Ｓ１において、繊維束Ｆをフープ巻きで巻回することによってフープ補強層３１Ａを形成する。フープ巻きとは、繊維束Ｆと軸線Ｃとがなす角度θ１が略直角となる巻回方法であり、繊維束Ｆが、隣の繊維束Ｆの縁部に沿って隙間なく重なるように巻回される。隣の繊維束Ｆとは、繊維束Ｆがライナー２０の軸線Ｃ回りの回転において１回転前に巻回した繊維束Ｆである。θ１は例えば、８９°以上である。

ヘリカル補強層３１Ｂを形成する工程では、高圧タンクの軸線Ｃ方向に沿って中央の区間Ｓ１の少なくとも一端側に位置する区間Ｓ２において、繊維束Ｆをヘリカル巻きで巻回することによってヘリカル補強層３１Ｂを形成する。ヘリカル補強層３１Ｂの形成に用いるヘリカル巻きは、繊維束Ｆと軸線Ｃとがなす巻き付け角度θ２がフープ巻きよりも小さく、繊維束Ｆ同士が交差するように、繊維束Ｆが巻き回される。また、前述した低角度ヘリカル巻きとは異なり、繊維束Ｆはライナーの胴体部２１に巻回される。一般に、低角度ヘリカル巻きに対して高角度ヘリカル巻きと称される。巻き付け角度θ２は、例えば８０°以上、８９°未満の範囲となる。

本実施形態においては、フープ補強層３１Ａを形成する工程とヘリカル補強層３１Ｂを形成する工程を、交互に行う。ここでいう１層とは、繊維束Ｆ略１本分の厚さの層である。フープ巻きでいう１層は、区間Ｓ１を一端から他端まで繊維束供給部６０を動かすことで形成される。一方、高角度ヘリカル巻きでいう１層は、図５Ｃのように区間Ｓ２を繊維束供給部６０が往復することで形成され、目的とする範囲を全て覆うことで形成される。この場合に目的とする範囲は、区間Ｓ２のうち一部であってもよい。

区間Ｓ２が区間Ｓ１の両側にある場合には、たとえば、次のように交互に形成する。まず、（１）図５Ｂに示すように、区間Ｓ１においてフープ補強層３１Ａの単層を形成する。（２）図５Ｃに示すように、一方側の区間Ｓ２において、ヘリカル補強層３１Ｂの単層を２層分形成する。（３）区間Ｓ１において、一方側から他方側に向かって、フープ補強層３１Ａの単層を形成する。（４）他方側の区間Ｓ２において、ヘリカル補強層３１Ｂの単層を２層分形成する。このように、（１）～（４）までを繰り返すことにより、フープ補強層３１Ａとヘリカル補強層３１Ｂの形成を、フープ巻きした層とヘリカル巻きした層とを交互に形成することにより行う。

工程Ｓ１０２において、ヘリカル補強層３１Ｂの軸線Ｃ方向に沿った長さＬ、すなわち区間Ｓ２の長さは、製造する高圧タンク１の外径Ｄの０．３倍以上である。工程Ｓ１０２において、高圧タンク１の軸線Ｃ方向に沿った断面において、ライナー２０の側端部２２と胴体部２１との境界部２４から、フープ補強層３１Ａ側に向かって、胴体部２１の表面２１ａに対して傾斜した斜面を有するように、ヘリカル補強層３１Ｂを巻回する。

工程Ｓ１０２において、ヘリカル補強層３１Ｂは、上述した図３に示すように、フープ補強層３１Ａ側の第１端部３１ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２が、側端部２２側の第２端部３１ｃを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２よりも大きくなるように、繊維束Ｆを巻回する。特に、本実施形態では、ヘリカル補強層３１Ｂの繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、区間Ｓ１に近い方が大きい。

上記の構成とすることにより、次のような効果が得られる。第１補強層３１のうち、フープ補強層３１Ａに並設したヘリカル補強層３１Ｂは、側端部２２の近傍に位置する。したがって、第２補強層３２を形成する際に、第１補強層３１が形成されたライナー２０に、高圧タンク１の軸線Ｃ方向と交差する方向から応力が作用しても、ヘリカル補強層３２Ａによりその強度を確保することができる。

上記実施形態では、第２補強層３２を形成する工程Ｓ１０３において、第２補強層３２を、側端部２２の間を渡すように、繊維束Ｆをヘリカル巻きで巻回し、前記ヘリカル補強層３１Ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、第２補強層３２を形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ３よりも大きく、フープ補強層３１Ａを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ１よりも小さくなるように、繊維束Ｆを巻回したが、これは必須の構成ではない。

ただし、この構成とすることで次のような効果が得られる。ヘリカル補強層３１Ｂを形成する前記繊維束Ｆの巻き付け角度θ２の範囲を、本構成の範囲とすることにより、ヘリカル補強層３１Ｂの繊維束Ｆの配向を、第２補強層３２の配向に近付けることができる。この結果、ヘリカル補強層３１Ｂと第２補強層３２の熱膨張差および熱収縮差を低減し、ヘリカル補強層３１Ｂと第２補強層３２との界面の強度を確保することができる。また、巻き付け角度θ２を本構成の範囲とすることにより、第２補強層３２を形成する際の最初の層は、ヘリカル補強層３１Ｂに巻回する際には、フープ巻き層上に巻回する場合に比べて巻き付け角度θ３が近いので、安定して巻き付けることが可能である。

上記実施形態では、第１補強層３１を形成する工程Ｓ１０２において、ヘリカル補強層３１Ｂの軸線Ｃ方向に沿った長さＬは、前記高圧タンクの外径Ｄの０．３倍以上であるとしたが、これは必須の構成ではない。

ただし、この構成とすることで次のような効果が得られる。ヘリカル補強層３１Ｂの軸線Ｃ方向に沿った長さＬを、前記高圧タンク１の外径Ｄの０．３倍以上とすることにより、ヘリカル補強層３１Ｂによる曲げ強度を確実に向上させることができる。ヘリカル補強層３１Ｂの軸線Ｃ方向に沿った長さＬが、高圧タンク１の外径Ｄの０．３倍未満の場合には、上の効果を十分発揮できない虞がある。

上記実施形態では、前記第１補強層を形成する工程において、前記側端部と前記胴体部との境界部から、前記フープ補強層側に向かって、前記胴体部の表面に対して傾斜した斜面を持つようにヘリカル補強層を形成する、としたがこれは必須の構成ではない。

ただし、この構成とすることにより、次のような効果が得られる。まず、ヘリカル補強層３１Ｂに斜面３１ａを設けることにより、側端部２２の外周面と、ヘリカル補強層３１Ｂの斜面３１ａとの間の段差を低減し、段差に起因した応力集中を抑えることができる。さらに、ヘリカル補強層の斜面に該当する部分をフープ巻きで形成する場合には、位置ずれを起こす虞があった。これは、斜面を設ける場合には巻回する対象面が巻回時の張力の向きに対して傾斜しているので、巻回時の摩擦に対して巻回時の斜面水平方向の力が大きくなり、繊維束が斜面を滑ってしまうことによる。それに対し、本構成のように斜面をヘリカル巻きで巻回することで、巻回時の張力の向きに対する巻回対象面の傾斜が小さくなり、滑りが軽減される。

上記実施形態では、第１補強層３１を形成する工程において、ヘリカル補強層３１Ｂの巻き付け角度θ２のうち、フープ補強層３１Ａ側の第１端部３１ｂの繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、側端部２２側の第２端部３１ｃの繊維束Ｆの巻き付け角度θ２よりも大きいとしたが、これは必須の構成ではない。

ただし、この構成とすることで次のような効果が得られる。ヘリカル補強層３１Ｂを形成する繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、フープ補強層３１Ａ側の第１端部３１ｂでは、フープ補強層３１Ａの繊維束Ｆの巻き付け角度θ１に近く、側端部２２側の第２端部３１ｃでは、第２補強層３２の繊維束Ｆの巻き付け角度θ３に近い。したがって、ヘリカル補強層３１Ｂで、フープ補強層３１Ａと第２補強層３２の強度差を補うことにより、強度差に起因した応力集中を低減することができる。

上記実施形態では、前記第１補強層を形成する工程において、前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、８０°以上、８９°未満の範囲にあるとしたが、これは必須の構成ではない。

ただし、この構成とすることで次のような効果が得られる。ヘリカル補強層３１Ｂを形成する前記繊維束Ｆの巻き付け角度θ２は、８０°以上、８９°未満の範囲とすることにより、胴体部２１の狭い区間Ｓ２においても、安定した巻き形状のヘリカル補強層３１Ｂを形成することができる。

上記実施形態では、前記第１補強層３１を形成する工程において、フープ巻きの層とヘリカル巻きの層は交互に形成したが、これは必須の構成ではない。ただし、この構成とすることで次のような効果が得られる。フープ補強層３１Ａを形成し終えてからヘリカル補強層３１Ｂを形成するような場合には、フープ補強層３１Ａとヘリカル補強層３１Ｂの境界部２４において各補強層の形状誤差が大きくなれば隙間が発生する虞がある。それに対し本構成によれば、１～２層毎にフープ補強層３１Ａとヘリカル補強層３１Ｂが交互に形成されるので、境界部２４で各層が折り重なるように結合し、隙間が発生するのを抑制できる。

本発明は、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。

１：高圧タンク、１１：円筒部、１２：ドーム部、１４：貯蔵空間、２０：ライナー、２１：胴体部、２１ａ：胴体部の表面、２２：側端部、２４：境界部、３０：補強層、３１：第１補強層、３１ａ：斜面、３１Ａ：フープ補強層、３１Ｂ：ヘリカル補強層、３２：第２補強層、４１、４２：口金、Ｆ：繊維束

Claims (11)

1. 円筒部の両端にドーム部が形成された高圧タンクであって、
   前記高圧タンクは、円筒状の胴体部と前記胴体部の両端に設けられるドーム状の側端部とを有するライナーと、前記ライナーを覆い、繊維強化樹脂で形成された補強層と、を備えており、
   前記補強層は、前記胴体部を覆う第１補強層と、前記第１補強層とともに前記側端部を覆う第２補強層と、を備えており、
   前記第１補強層は、前記胴体部の中央の区間において、樹脂を含む繊維束がフープ巻きで巻回されたフープ補強層と、
   前記フープ補強層に対して、前記高圧タンクの軸線方向に沿って並設され、前記中央の区間の少なくとも一端側に位置する区間において、前記繊維束がヘリカル巻きで巻回されたヘリカル補強層と、を有し、
   前記ヘリカル補強層は、前記ドーム部の一部を構成しており、
   前記ヘリカル補強層は、前記高圧タンクの軸線方向に沿って、前記フープ補強層側の第１端部と、前記側端部側の第２端部とを有しており、前記第１端部を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、第２端部を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも大きいことを特徴とする高圧タンク。
2. 前記ヘリカル補強層は、前記高圧タンクの軸線方向に沿った断面において、前記側端部と前記胴体部との境界部から、前記フープ補強層側に向かって、前記胴体部の外周面に対して傾斜した斜面を有することを特徴とする請求項１に記載の高圧タンク。
3. 前記第２補強層は、前記側端部の間を渡すように、前記繊維束をヘリカル巻きで巻回した層であり、
   前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、前記第２補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも大きく、前記フープ補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の高圧タンク。
4. 前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、８０°以上、８９°未満の範囲にあることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の高圧タンク。
5. 前記ヘリカル補強層の軸線方向に沿った長さは、前記高圧タンクの外径の０．３倍以上であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の高圧タンク。
6. 円筒部の両端にドーム部が形成された高圧タンクの製造方法であって、
   円筒状の胴体部と前記胴体部の両端に設けられるドーム状の側端部とを有するライナーを準備する工程と、
   前記胴体部を覆うように、樹脂を含む繊維束を巻回して第１補強層を形成する工程と、
   前記第１補強層とともに前記側端部を覆うように、繊維強化樹脂からなる第２補強層を形成する工程と、を含み、
   前記第１補強層を形成する工程において、前記第１補強層は、前記胴体部の中央の区間において、前記繊維束をフープ巻きで巻回することによりフープ補強層を形成するとともに、前記フープ補強層に対して、前記高圧タンクの軸線方向に沿って並設され、前記中央の区間の少なくとも一端側に位置する区間において、前記繊維束をヘリカル巻きで巻回することによりヘリカル補強層を形成し、
   前記第１補強層を形成する工程において、
   前記ヘリカル補強層は、前記高圧タンクの軸線方向に沿って、前記フープ補強層側の第１端部と、前記側端部側の第２端部とを有しており、前記第１端部を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、第２端部を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも大きくなるように、前記繊維束を巻回することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
7. 前記第１補強層を形成する工程において、
   前記高圧タンクの軸線方向に沿った断面において、前記側端部と前記胴体部との境界部から、前記フープ補強層側に向かって、前記胴体部の表面に対して傾斜した斜面を有するように、前記ヘリカル補強層を形成することを特徴とする請求項６に記載の高圧タンクの製造方法。
8. 前記第２補強層を形成する工程において、
   前記第２補強層を、前記側端部の間を渡すように、前記繊維束をヘリカル巻きで巻回し、
   前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、前記第２補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも大きく、前記フープ補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度よりも小さくなるように、前記繊維束を巻回することを特徴とする請求項６または７に記載の高圧タンクの製造方法。
9. 前記第１補強層を形成する工程において、
   前記ヘリカル補強層の軸線方向に沿った長さは、前記高圧タンクの外径の０．３倍以上であることを特徴とする請求項６～８のいずれか一項に記載の高圧タンクの製造方法。
10. 前記第１補強層を形成する工程において、
    前記ヘリカル補強層を形成する前記繊維束の巻き付け角度は、８０°以上、８９°未満の範囲にあることを特徴とする請求項６～９のいずれか一項に記載の高圧タンクの製造方法。
11. 前記第１補強層を形成する工程において、フープ巻きした層を、前記胴体部の径方向に複数積層することにより、前記フープ補強層を形成し、ヘリカル巻きした層を、前記胴体部の径方向に複数積層することにより、前記ヘリカル補強層を形成し、
    前記フープ補強層と前記ヘリカル補強層の形成を、前記フープ巻きした層と前記ヘリカル巻きした層とを交互に形成することにより行うことを特徴とする請求項６～９のいずれか一項に記載の高圧タンクの製造方法。

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