JPWO2004070258A1 - 耐圧シェル及び同耐圧シェルを具備する高圧タンク及び同高圧タンクの製造方法並びに同高圧タンクの製造装置 - Google Patents

Abstract

中空としたタンク基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成する耐圧シェル、及びこの耐圧シェル耐圧シェルを具備する高圧タンク、及びこの高圧タンクの製造方法、並びにこの高圧タンクの製造装置であって、耐圧シェルは、タンク基体に強化繊維を巻付けて形成した繊維層を多層積層した積層構造とし、高圧タンクの内部が空の状態において、下層側の繊維層には圧縮応力を作用させるとともに、上層側の繊維層には引張応力を作用させるようにする。特に、タンク基体に強化繊維を巻付ける際にはタンク基体の内部に圧力調整用の流体を充填し、圧力調整用の流体に加えた圧力を調整するとともに、強化繊維に加える張力を調整しながら強化繊維を巻付ける。

Description

本発明は、気体あるいは液体を収容するタンクの外周面に設けて耐圧性を向上させる耐圧シェル、及びこの耐圧シェルを具備する高圧タンク、及びこの高圧タンクの製造方法、並びにこの高圧タンクの製造装置に関するものである。

従来、燃料電池自動車の燃料として使用する水素の供給を行うためや、宇宙空間などの過酷な使用条件下における液体酸素の貯留を行う場合には、耐圧性を向上させた高圧タンクが用いられている。
特に、この高圧タンクは、高密度ポリエチレンからなるライナーでタンク基体を構成し、このライナーの外側面にエポキシ樹脂等の接着剤を塗着した炭素繊維等の強化繊維を巻付けて耐圧シェルを形成して構成することが特開２００２−１８８７９４号公報に記載されている。
このような高圧タンクでは、強化繊維に一定の巻付張力を作用させながらライナーの外側面への巻付けを行っており、巻付作業の終了後には、強化繊維等に塗着したエポキシ樹脂を所定条件の硬化処理によってエポキシ樹脂を硬化させることにより耐圧シェルを形成している。
そして、エポキシ樹脂の硬化後、高圧タンクの内部が空の状態では耐圧シェルには何らの応力も作用していない状態となっている。
このような高圧タンクにおいて、内部に気体あるいは液体を充填することにより高圧タンク内の圧力が上昇してくると、図１１に示すように、耐圧シェルの内側部分の強化繊維には耐圧シェルの外側部分の強化繊維よりも大きな引張応力が作用し、耐圧シェルの内側部分の強化繊維に作用する応力が、強化繊維の引張限界を超えたところで高圧タンクの限界圧力が決定されている。
この場合、耐圧シェルの外側部分の強化繊維は未だ引張限界に達していないにもかかわらず高圧タンクの限界圧力が決定されることとなり、限界圧力の値が比較的小さくなっていた。
したがって、耐圧シェルを具備した製品の適用範囲が狭いものとなって利便性が低下するという問題があった。特に、このような耐圧シェルを具備する高圧タンクに気体を収容する場合には、限界圧力が小さいことによって気体の収容量が少なくなるとこととなっていた。
そこで、本発明者らは、耐圧シェルの内側部分の強化繊維が引張限界に達する高圧タンク内の圧力値を、耐圧シェルの外側部分の強化繊維が引張限界に達する高圧タンク内の圧力値にまで引き上げることによって限界圧力の値を大きくしようと考え、研究開発を行い、本発明を成すに至ったものである。

請求の範囲第１項に記載の耐圧シェルでは、基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成する繊維層を多層積層させて積層構造とした耐圧シェルにおいて、この耐圧シェルに外力の作用していない状態では、下層側の繊維層に圧縮応力を作用させるとともに、上層側の繊維層に引張応力を作用させるように構成した。これによって、耐圧シェルの限界圧力を、下層側の繊維層に作用させた圧縮応力を解消するに要する圧力分だけ向上させることができるので、この耐圧シェルを用いた製品の許容範囲を広げることができる。
請求の範囲第２項に記載の高圧タンクでは、中空としたタンク基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成した耐圧シェルを具備する高圧タンクにおいて、タンク基体に強化繊維を巻付けて形成した繊維層を多層積層した積層構造からなる耐圧シェルとし、高圧タンクの内部が空の状態において、下層側の繊維層には圧縮応力を作用させるとともに、上層側の繊維層には引張応力を作用させた。これによって、高圧タンク内に気体あるいは液体を充填した場合に、下層側の繊維層では気体あるいは液体の充填にともなって圧縮応力が解消された後に引張応力が作用し始めることにより、下層側の繊維層が引張限界に達する高圧タンクの限界圧力を向上させることができるので、高圧タンクにおける気体あるいは液体の収容量を増大させることができる。
請求の範囲第３項に記載の高圧タンクの製造方法では、中空としたタンク基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成した耐圧シェルを具備する高圧タンクの製造方法において、タンク基体の内部には圧力調整用の流体を充填し、この圧力調整用の流体を加圧しながらタンク基体に巻付張力を加えた強化繊維を巻付けることにより繊維層を形成するとともに、この繊維層を多層積層して耐圧シェルを形成することとした。これによって、製造した高圧タンクの内部が空の状態において、下層側の繊維層には圧縮応力を作用させることができるので、高圧タンク内に気体あるいは液体を充填した場合に、下層側の繊維層では気体あるいは液体の充填にともなって圧縮応力が解消された後に引張応力が作用し始めることにより、下層側の繊維層が引張限界に達する高圧タンクの限界圧力を向上させることができ、高圧タンクによる気体あるいは液体の収容量を増大させることができる。
請求の範囲第４項に記載の高圧タンクの製造方法では、請求の範囲第３項記載の高圧タンクの製造方法において、繊維層の積層にともなって、圧力調整用の流体の加圧条件と、強化繊維に加える巻付張力条件とを調整することとした。これによって、高圧タンクの形成後に耐圧シェルの繊維層に生じる応力を所定の応力に制御することができ、高圧タンクの信頼性の向上を図ることができる。
請求の範囲第５項に記載の高圧タンクの製造方法では、請求の範囲第３項記載の高圧タンクの製造方法において、最下層の繊維層を形成する場合には、圧力調整用の流体に加える圧力を０．０１〜１００ＭＰａ、強化繊維に加える張力を１〜１０００Ｎとして形成し、新たな繊維層を積層する場合には、圧力調整用の流体に加える圧力を積層数に応じて漸次減少させるとともに、強化繊維に加える張力を積層数に応じて漸次増大させながら形成することとした。これによって、高圧タンクの形成後に耐圧シェルの繊維層に生じる応力を所定の応力に制御するとともに、限界圧力を可及的に大きく増大させることができる。
請求の範囲第６項に記載の高圧タンクの製造方法では、請求の範囲第３〜５項のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法において、圧力調整用の流体を加温することにより強化繊維に塗着した硬化用樹脂材料の硬化を促進させながら繊維層を形成することとした。これによって、所定の位置に巻き付けられた強化繊維を逐次硬化させることができるので、速やかに繊維層を形成できる。しかも、十分硬化した繊維層の上面に新たな繊維層を形成できるので、各繊維層に安定的に応力を生起することができ、高圧タンクのさらなる信頼性の向上を図ることができる。そのうえ、硬化用樹脂材料を逐次硬化させながら耐圧シェルを形成することによって、最上層の繊維層の形成後における高圧タンクをオーブン内等に収容して行う硬化処理を不要とすることができる。
請求の範囲第７項に記載の高圧タンクの製造装置では、強化繊維巻付手段によって中空としたタンク基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成した耐圧シェルを具備する高圧タンクの製造装置において、タンク基体の内部には圧力調整用の流体を充填するとともに、この圧力調整用の流体に加えた圧力を調整する圧力調整手段を設け、この圧力調整手段で圧力調整用の流体を加圧しながら強化繊維巻付手段によってタンク基体の外側面に強化繊維を巻付けて繊維層を形成するとともに、この繊維層を多層積層して耐圧シェルを形成するように構成した。これによって、製造した高圧タンクでは、空の状態において、下層側の繊維層に圧縮応力を作用させることができるので、高圧タンクの内部に気体または液体を充填した場合には、下層側の繊維層では気体または液体の充填にともなって圧縮応力が解消された後に引張応力が作用し始めることにより、最下層の繊維層が引張限界に達する高圧タンクの限界圧力を向上させることができ、気体または液体の収容量を増大させた高圧タンクを製造できる。
請求の範囲第８項に記載の高圧タンクの製造装置では、請求の範囲第７項記載の高圧タンクの製造装置において、圧力調整手段による圧力調整用の流体の加圧条件と相関させて強化繊維に加える巻付張力条件を調整しながら強化繊維をタンク基体に巻付けるように強化繊維巻付手段を構成した。これによって、高圧タンクの形成後に下層側の繊維層に生起される圧縮応力を所定の応力に制御しやすくすることができるので、下層側の繊維層が引張限界に達する高圧タンクの限界圧力をさらに向上させることができ、所定の限界圧力の高圧タンクを比較的少ない数の繊維層で形成することができる。したがって、軽量化した高圧タンクを製造できる。
請求の範囲第９項に記載の高圧タンクの製造装置では、請求の範囲第７項または請求の範囲第８項に記載の高圧タンクの製造装置において、圧力調整用の流体を加温する加温手段を設け、強化繊維に塗着した硬化用樹脂材料を加温手段で加えた熱により硬化を促進させながら繊維層を形成するように構成した。これによって、所定の位置に巻き付けられた強化繊維を逐次硬化させることができるので、速やかに繊維層を形成でき、最上層の繊維層の形成後における高圧タンクをオーブン内等に収容して行う硬化処理を不要とすることができる。しかも、十分硬化した繊維層の上面に新たな繊維層を形成できるので、各繊維層に安定的に応力を生起することができ、高圧タンクにおける限界圧力のさらなる向上を図ることができる。
請求の範囲第１０項に記載の高圧タンクの製造装置では、請求の範囲第７〜９項のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造装置において、タンク基体を、このタンク基体の内部に挿入して圧力調整用の流体を送給する送給管に設けた第１鏡板支持体と第２鏡板支持体とによって固定支持するように構成した。これによって、タンク基体として可撓性を有する素材を使用することができ、タンク基体のコストを低減させて、低コストで高圧タンクを製造できる。

図１は、本発明にかかる耐圧シェルに作用する応力と同耐圧シェルを設けた高圧タンク内の圧力との関係を示したグラフである。
図２は、本発明にかかる高圧タンクに形成した耐圧シェル中の各繊維層に作用した応力と繊維層との関係を示したグラフである。
図３は、第１層の繊維層における応力推移線を示したグラフである。
図４は、第１層の繊維層における応力推移線を示したグラフである。
図５は、第１層の繊維層における応力推移線を示したグラフである。
図６は、本発明にかかる高圧タンクに形成した耐圧シェル中の各繊維層における応力推移線を示したグラフである。
図７は、本発明にかかる高圧タンク製造装置の説明図である。
図８は、タンク基体への強化繊維の巻付方法を示した説明図である。
図９は、タンク基体への強化繊維の巻付方法を示した説明図である。
図１０は、タンク基体を片持ち支持する高圧タンク製造装置の説明図である。
図１１は、従来の高圧タンクに形成した耐圧シェルに作用する応力と高圧タンク内の圧力との関係を示したグラフである。

本発明の耐圧シェルは、耐圧シェルが形成される基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて繊維層を形成するとともに、この繊維層を多重に積層して積層構造を有するように形成しているものである。
特に、耐圧シェルでは、耐圧シェルに外力が作用していない状態において、下層側の繊維層には圧縮応力を作用させるとともに、上層側の繊維層には引張応力を作用させているものである。
この下層側の繊維層における圧縮応力と、上層側の繊維層における引張応力は、耐圧シェルに外力が作用していない状態において耐圧シェル自体を応力平衡状態とする作用を利用することによって生起しているものである。
そして、耐圧シェルを形成した基体に膨脹の圧力が作用した場合には、下層側の繊維層では、繊維層に作用している圧縮応力が基体の膨脹にともなって解消された後、引張応力の作用が開始されることにより、繊維層に作用している圧縮応力の解消に要する圧力分だけ耐圧シェルの耐圧性能を向上させることができる。
以下において、この耐圧シェルを具備した高圧タンクについて、具体的に説明する。
高圧タンクに設けた耐圧シェルは、中空としたタンク基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成した繊維層を多層積層した積層構造としているものであり、高圧タンクの内部が空の状態において、図１に示すように、下層側の繊維層には圧縮応力を作用させるとともに、上層側の繊維層には引張応力を作用させている。
特に、耐圧シェルの最下層の繊維層では、各繊維層の中で最も大きい圧縮応力が作用しており、耐圧シェルの最上層の繊維層では、各繊維層の中で最も大きい引張応力が作用している。
そして、高圧タンクの内部に気体あるいは液体を充填すると、高圧タンクの内部の圧力（以下において、単に「内圧」という）が上昇して高圧タンクは膨張し、この高圧タンクの膨張作用によって耐圧シェルの下層側の繊維層に作用している圧縮応力は、図１に示すように漸次解消される。
さらに、内圧が所定の圧力となったところで最下層の繊維層に作用している圧縮応力は解消される。最下層の繊維層に作用しているこの圧縮応力が解消された時点の内圧を均衡圧力と呼ぶことにする。なお、最初に圧縮応力が作用していた繊維層は、内圧の上昇にともなって圧縮応力が解消された後は、引張応力が作用する。
一方、耐圧シェルの上層側の繊維層では、高圧タンクの膨張作用によって引張応力が漸次増大する。
内圧を均衡圧力よりもさらに上昇させることにより高圧タンクはさらに膨張し、耐圧シェルの最下層の繊維層に作用する応力も引張応力となり、その後の内圧の上昇にともなってこの引張応力は漸次増大する。また、耐圧シェルの最下層以外の繊維層でも、内圧の上昇にともなって引張応力が漸次増大する。
そして、耐圧シェルの最下層の繊維層と、最上層の繊維層とにそれぞれ作用している引張応力のうち少なくともいずれか一方が引張限界に達した場合に、そのときの内圧が限界圧力となる。
耐圧シェルの最下層の繊維層に作用している引張応力が引張限界に達した場合の内圧を最下層限界圧力と呼ぶことにする。また、耐圧シェルの最上層の繊維層に作用している引張応力が引張限界に達した場合の内圧を最上層限界圧力と呼ぶことにする。また、耐圧シェルの最下層と最上層との間に位置する繊維層に作用している引張応力が引張限界に達した場合の内圧を中間層限界圧力と呼ぶことにする。
このように、耐圧シェルにおける内部応力を平衡状態とする作用を利用して、耐圧シェルの下層側の繊維層に所定の圧縮応力を生じさせておくとともに、上層側の繊維層には所定の引張応力を生じさせておくことにより、耐圧シェルの下層側の繊維層における圧縮応力を全て解消させる均衡圧力の分だけ最下層限界圧力を大きくすることができるので、高圧タンクの限界圧力を向上させることができる。
したがって、高圧タンクにはより多くの気体あるいは液体を充填することができ、高圧タンクにおける気体あるいは液体の収容量を増大させることができる。
特に、最下層限界圧力が最上層限界圧力よりも大きくなるように耐圧シェルの下層側に生じさせる圧縮応力を調整することによって、高圧タンクの限界圧力を、最上層限界圧力とすることができ、限界圧力を最も大きく向上させることができる。
なお、図１においては、最下層限界圧力と最上層限界圧力とを略一致させるように構成しており、耐圧シェルの下層側の繊維層に必要以上の圧縮応力を生じさせることによって効率低下が生じることを防止している。
耐圧シェルを構成している複数の繊維層には、図２に示すように、最下層の第１層目から最上層の第ｎ層目に進むにつれて圧縮応力を漸次減少させ、その後、引張応力を漸次増大させながら積層している。図２中、Ａは各繊維層に作用させる圧縮応力及び引張応力の応力変化曲線である。図２では、応力変化曲線Ａは略直線状としているが、適宜の曲線形状としてもよく、中間層限界圧力が最上層限界圧力よりも小さくならないように調整することが望ましい。
なお、耐圧シェルは、高圧タンクの内部が空の状態では応力平衡状態となるために、図２に示すようにグラフ化した際に、圧縮応力作用領域ａ１と、引張応力作用領域ａ２との面積はほぼ一致する。
上記したように高圧タンクの内部が空の状態において下層側の繊維層に確実に圧縮応力を作用させるには、次のようにして行うことができる。
まず、中空としたタンク基体の内部に圧力調整用の流体（以下において、「圧力調整流体」と呼ぶ）を充填し、この圧力調整流体を所定圧力に加圧することによりタンク基体を膨張させる。このようにタンク基体に膨張を生じさせる圧力を膨張圧力と呼ぶことにし、ここでは、タンク基体には膨張圧力Ｐ１を加えているものとする。
次いで、タンク基体の外側面に強化繊維を巻付けて第１層目の繊維層を形成する。タンク基体の外側面に強化繊維を巻付ける際には、強化繊維には所定の巻付張力を作用させながらタンク基体を被覆するように巻付けている。
したがって、第１層目の繊維層には引張応力が作用している。特に、タンク基体には膨張圧力Ｐ１を作用させていることにより、強化繊維にはより大きい巻付張力を加えることができる。
第１層目の繊維層の形成後、この第１層目の繊維層の上面に第２層目の繊維層となる強化繊維の巻付けを行う。第２層目の繊維層となる強化繊維の巻付けの際にも、タンク基体には膨張圧力Ｐ１を作用させるとともに、強化繊維には所定の巻付張力を作用させながらタンク基体を被覆するように巻付けを行うことにより、第２層目の繊維層を形成する。
第２層目の繊維層の形成にともなって第２層目の繊維層に生じた引張応力により、図３に示すように、第１層目の繊維層には圧縮方向への応力の推移が生じ、第１層目の繊維層に作用する応力が所定の推移量Ｑ１だけ圧縮方向に推移する。
以下、同様にして必要な層数分だけ繊維層を逐次形成することにより、第１層目の繊維層には圧縮方向への応力の推移が逐次生じ、この推移を図３に示すように応力推移線Ｂとして表すことができる。
繊維層の形成にともなう下層側の繊維層における応力の推移量Ｑ１は、タンク基体への強化繊維の巻付け時に強化繊維に作用させている巻付張力によって調整することができる。
例えば巻付張力をさらに大きくした場合には、図４に示すように、推移量Ｑ２の大きさが図３の推移量Ｑ１の大きさよりも大きくなることにより、応力推移線Ｂ’の傾きの大きさをさらに大きくすることができる。ここで、タンク基体に作用させた膨張圧力Ｐ１は一定としている。
また、強化繊維の巻付張力ではなく、タンク基体に作用させた膨張圧力Ｐ１を調整した場合、例えば膨張圧力Ｐ１をさらに大きい膨張圧力Ｐ２とした場合には、図５に示すように応力推移線Ｂを圧力軸（ｙ軸）方向に平行移動させた応力推移線Ｂ″とすることができる。ここで、強化繊維に作用させている巻付張力は一定としている。
すなわち、応力推移線Ｂは、膨張圧力Ｐ１を調整することによりｙ軸切片を調整し、強化繊維の巻付張力を調整することにより傾きを調整することができるので、膨張圧力Ｐ１と強化繊維の巻付張力との調整によって任意の応力推移線Ｂを得ることができる。
特に、より大きい強化繊維の巻付張力を必要とする場合には、膨張圧力Ｐ１を高めることにより、タンク基体への強化繊維の巻付時に、強化繊維に破断を生じさせることなく巻付けを行うことができる。
なお、図３〜５は、それぞれ第１層目の繊維層における応力推移線を示しているものであり、タンク基体に作用させた膨張圧力Ｐ１を常に一定とするとともに、強化繊維に作用させている巻付張力を常に一定としてタンク基体に形成した全繊維層（第１層目〜第ｎ層目）の応力推移線Ｂを表すと、図６に示すようになる。
そして、全繊維層を形成することによって耐圧シェルを形成した後、タンク基体内の圧力調整流体を除去して膨張圧力Ｐ１を解消することにより、耐圧シェルには耐圧シェルの内部応力を平衡な状態とする作用が生じ、その作用に基づいて、ここでは全応力推移線が圧縮応力側に平行移動する。
その結果、耐圧シェルを構成している繊維層には図２に示した応力変化曲線Ａとして表される応力を生起することができ、下層側の繊維層には圧縮応力を作用させるとともに、上層側の繊維層には引張応力を作用させることができる。
以下において、本発明の高圧タンクの製造方法及び高圧タンクの製造装置について、図面に基づいて実施形態を説明する。
まず、高圧タンクの製造にあたって使用するタンク基体について説明する。なお、本実施形態の高圧タンクは水素ガスの収容に使用するものとするが、水素ガス以外の収容物を収容してもよい。
本実施形態では、タンク基体１は、図７に示すように、高密度ポリエチレンを用いて形成した円筒状の圧力容器としており、開口部２を設けた上側鏡板部１ａと、同上側鏡板部１ａに対向させた下側鏡板部１ｂと、上側鏡板部１ａと下側鏡板部１ｂとを連結する筒状の胴部１ｃとで構成している。
本実施形態では、タンク基体１はライナーであって、このタンク基体１を用いて製造した高圧タンクの内部に水素ガスを充填した際に、水素ガスの漏出を防止可能な素材及び構成としている。
なお、タンク基体１は、耐圧シェル４の形成後、上側鏡板部１ａ及び下側鏡板部１ｂを残して胴部１ｃを除去するように構成することもできる。
すなわち、高圧タンクの形成後、適宜の溶解液等を用いて胴部１ｃを溶解除去してもよいし、胴部１ｃを可撓性材料で構成しておくことにより上側鏡板部１ａに設けた開口部２から取出して除去してもよい。
なお、タンク基体１は合成樹脂製であるものに限らず、金属製であってもよい。あるいは、上側鏡板部１ａと下側鏡板部１ｂのみをアルミニウム等の金属製としてもよい。
上記したタンク基体１を高圧タンク製造装置Ｃに装着し、タンク基体１に強化繊維３を多重に巻付けて耐圧シェル４を形成することにより高圧タンクＤを製造している。
高圧タンク製造装置Ｃは、図７に示すように、タンク基体１の前端を支持する前端支持台５と、タンク基体１の後端を支持する後端支持台６と、この前後端支持台５，６によって支持されたタンク基体１に巻付ける強化繊維３を繰り出す強化繊維繰出部７と、強化繊維３に所要の巻付張力を加える巻付張力調整部８と、タンク基体１内に充填する圧力調整流体を供給する圧力調整流体供給部９とで構成している。
前端支持台５には、タンク基体１の上側鏡板部１ａと接続し、前端支持台５に対して回転自在とした前端連結具５ａを設けている。
この前端連結具５ａは、前端支持台５に装着した第１駆動モータ５ｂによって回転可能としている。符号５ｃは、前端連結具５ａと第１駆動モータ５ｂとを連動連結する連結ベルトである。
後端支持台６には、タンク基体１の下側鏡板部１ｂと接続し、後端支持台６に対して回転自在とした後端連結具６ａを設けている。
この後端連結具６ａは、後端支持台６に装着した第２駆動モータ６ｂによって回転可能としている。符号６ｃは、後端連結具６ａと第２駆動モータ６ｂとを連動連結する連結ベルトである。
特に、前端支持台５と後端支持台６とは鏡面対称に設け、前端連結具５ａの回転軸と、後端連結具６ａの回転軸とが同一直線上に位置するように構成し、前端支持台５と後端支持台６とによって両端を支持されたタンク基体１を所要の速度で回転可能としている。
強化繊維繰出部７は、強化繊維を巻付けたリール（図示せず）を保持して、強化繊維３を繰出可能に構成している。
また、図示していないが、強化繊維繰出部７には、繰出した強化繊維３に硬化用樹脂材料を塗着する樹脂塗着部を設けている。
ここで、本実施形態で使用する強化繊維３には炭素繊維を用いているが、それ以外にもアラミド繊維、ガラス繊維、ＰＢＯ繊維等を用いてもよいし、これらを複合させた繊維を用いてもよい。また、硬化用樹脂材料としてはエポキシ樹脂を用いているが、それ以外の接着性樹脂を用いてもよい。例えば、紫外線により硬化する紫外線硬化タイプの接着性樹脂を使用することもできる。
巻付張力調整部８は、タンク基体１に巻付ける強化繊維３に所要の巻付張力を加えることができるように構成しており、図示していない制御部による制御によって、強化繊維３に所定の巻付張力を加えている。
強化繊維繰出部７と巻付張力調整部８とによって強化繊維巻付手段を構成しており、必要であれば、タンク基体１への強化繊維３の巻付作業を効率よく行うための巻付用アームを設けてもよい。
圧力調整流体供給部９は、前端支持台５と後端支持台６とによって支持されたタンク基体１内に一端を挿入した送給管９ａと、同送給管９ａに上流側から順番に設けた送給ポンプ９ｂと、加熱器９ｃとによって構成している。
特に、本実施形態では、送給管９ａは、タンク基体１内に挿入した部分を二重管で構成しており、内管９ａ’を送給路とするとともに外管９ａ″を排出路として、内管９ａ’からタンク基体１内に送給した圧力調整流体を、外管９ａ″からタンク基体１外に排出するように構成している。
外管９ａ″によってタンク基体１外に排出した圧力調整流体は、排出管９ｄを介して排出するように構成しており、同排出管９ｄには圧力調整バルブ９ｅを介設している。
同圧力調整バルブ９ｅは上記した制御部と接続しており、制御部の制御に基づいて排出制御を行うことにより、タンク基体１内に所要の圧力、すなわち、先に述べた膨張圧力を生起可能としている。
また、送給管９ａに圧力調整流体を圧送する送給ポンプ９ｂも制御部と接続し、送給ポンプ９ｂによる圧力調整流体の圧送量を調整可能としている。圧力調整バルブ９ｅと送給ポンプ９ｂとによって圧力調整手段を構成している。
加熱器９ｃは、送給管９ａ内を圧送する圧力調整流体を所定温度に加熱する加熱装置である。
本実施形態の場合、圧力調整流体を水としており、加熱器９ｃは送給管９ａの外周囲に巻回した高周波加熱コイルとしている。
圧力調整流体は水に限定するものではなく、それ以外の液体や水蒸気等の気体であってもよい。また加熱器９ｃは高周波加熱コイルで構成するものに限定するものではなく、圧力調整流体を効率よく加熱することが可能な適宜の加熱装置を用いてよい。
上記の高圧タンク製造装置Ｃを用いて高圧タンクＤを製造する場合には、次のようにしている。
まず、高圧タンク製造装置Ｃにタンク基体１を取付ける。すなわち、タンク基体１の開口部２からタンク基体１内に送給管９ａを挿入して、タンク基体１の上側鏡板部１ａを前端支持台５の前端連結具５ａに接続し、次いでタンク基体１の下側鏡板部１ｂを後端支持台６の後端連結具６ａに接続することにより、タンク基体１を高圧タンク製造装置Ｃに取付ける。
次いで、制御部によって圧力調整バルブ９ｅと送給ポンプ９ｂとを制御しながらタンク基体１内に圧力調整流体を充填するとともに、タンク基体１に圧力調整流体によって膨張圧力を加える。
膨張圧力は、０〜１００ＭＰａ（絶対圧）を加えることができるようにしておけばよく、特に、最下層である第１層目を形成する場合には、膨張圧力は０．０１〜１００ＭＰａとしておくことが望ましい。本実施形態では約０．４ＭＰａとしている。
また、このとき、圧力調整流体は加熱器９ｃによって加熱して、タンク基体１を所定温度に加熱している。
タンク基体１の加熱温度は、強化繊維３に塗着した硬化用樹脂材料の樹脂硬化温度に基づいて設定すればよく、通常では６０〜１５０℃の範囲であればよい。
なお、タンク基体１の加熱状態は、図示していない温度センサで圧力調整流体の温度を計測することにより間接的に計測しており、この計測結果に基づいて制御部が加熱器９ｃを制御することにより、タンク基体１を所定温度としている。
本実施形態では、圧力調整流体に水を用いているとともに、硬化用樹脂材料にエポキシ樹脂を用いているために、圧力調整流体の温度を７０〜９０℃に調整している。
タンク基体１が所定温度となったところでタンク基体１への強化繊維３の巻付けを開始する。
特に、本実施形態では、第１層目は、図８に示すように、タンク基体１の縦方向、すなわちタンク基体１の伸延方向に沿って強化繊維３の巻付けを行って、第１層目の繊維層を形成している。
なお、第１層目は必ずしもタンク基体１の伸延方向に沿って強化繊維３の巻付けなければならないわけではなく、タンク基体１の胴回りに沿った強化繊維３の巻付けを行ってもよい。
タンク基体１に強化繊維３を巻付ける場合には、先に述べたように、所定の巻付張力を加えながら行っており、形成した繊維層に所要の応力変化曲線に基づく所要の応力を生起できるようにしている。
強化繊維３に加える張力は、１〜１５０００Ｎ程度であればよく、本実施形態では、強化繊維３に炭素繊維を用いているとともに、第１層目の形成であるので、強化繊維３に加える張力は１〜１０００Ｎ、好適には３０〜１００Ｎとしている。
巻付張力の調整は、制御部によって制御された巻付張力調整部８によって行っており、タンク基体１に加えた膨脹圧力に相関させた所定の巻付張力を加えるように構成している。
特に、タンク基体１には上記したように膨張圧力を作用させていることにより、強化繊維３にはより大きい巻付張力を加えることができる。具体的には、通常の１０〜１００倍の巻付張力を加えることができる。したがって、巻付けた強化繊維３に緩みを生じにくくすることができる。
また、上記したように、タンク基体１には、強化繊維繰出部７の樹脂塗着部において硬化用樹脂材料を塗着した強化繊維３を巻付けている。
そのため、より大きい巻付張力で強化繊維３の巻付けを行った場合には、硬化用樹脂材料に内在した気泡の除去を行うことができるとともに、強化繊維３と硬化用樹脂材料との体積比において強化繊維３を大きくすることができ、形成した繊維層の強度向上を図ることができる。
タンク基体１への強化繊維３の巻付けによる繊維層の形成において、繊維層はタンク基体１に強化繊維３を一重ねだけ巻付けて１つの繊維層とするだけでなく、必要に応じて強化繊維３を多重に巻付けて１つの繊維層としてもよい。
第１層目となる強化繊維３の巻付けが終了した時点で強化繊維３の巻付けを一旦停止し、タンク基体１に加えた熱によって、強化繊維３に塗着した硬化用樹脂材料の硬化を促進させ、硬化させた第１層目を形成している。
なお、硬化用樹脂材料に紫外線硬化タイプの硬化用樹脂材料を用いた場合には、タンク基体１に強化繊維３を巻付けるとともに、タンク基体１に紫外線を照射して樹脂層の硬化を促進させてもよい。
そして、第１層目が硬化した後に、第２層目となる強化繊維３の巻付けを開始する。このように、強化繊維３の巻付けと、巻付けた強化繊維３に塗着した硬化用樹脂材料を硬化させる処理とによって、１つの繊維層を形成している。
本実施形態では、第１層目となる強化繊維３の巻付けが終了した時点で強化繊維３の巻付けを一旦停止しているが必ずしも停止する必要はなく、強化繊維３の巻付け速度を遅くすることにより、強化繊維３の巻付けを行いながら強化繊維３に塗着した硬化用樹脂材料を逐次硬化させ、連続的に次層の形成を開始してもよい。
第２層目の強化繊維３の巻付けも、第１層目の強化繊維３の巻付けと同様に、タンク基体１の縦方向に巻付けを行ってもよいし、図９に示すように、タンク基体１の胴回りに沿って強化繊維３の巻付けを行ってもよい。
第２層目の強化繊維３をタンク基体１に巻付ける際には、第１層目の繊維層は既に硬化しているので、第２層目の強化繊維３の巻付けにともなって第１層目の繊維層に変形が生じることを防止できる。
第１層目の繊維層が硬化する前に第２層目の強化繊維３を巻付けた場合には、第１層目の繊維層に変形や緩みが生じ、この変形や緩みによって第１層目に生起されるはずの応力が緩和され、所要の圧縮応力を生起できなくなるおそれがあるが、第１層目の繊維層を硬化させておくことにより、そのようなおそれを解消することができる。
なお、現実的には、耐圧シェル４は、数十層から数百層の繊維層を積層して形成しているため、直前に形成した繊維層が必ずしも完全に硬化していなくてもよく、少なくとも２〜３層前の繊維層が硬化していればよい。
そのため、強化繊維３の巻付け速度を調整することにより、強化繊維３の巻付けを行いながら強化繊維３に塗着した硬化用樹脂材料を逐次硬化させて、連続的に繊維層の形成を行うことができる。
特に、硬化用樹脂材料の硬化速度に合わせて強化繊維３の巻付け速度を調整することにより、巻付け速度を比較的低速とすることができ、これによって巻付張力の調整を精度よく行うことができるとともに、緩みのない確実な強化繊維３の巻付けを行うことができる。
このように、先に形成した繊維層を硬化させながら次の繊維層を形成する作業を繰り返し、所定の積層数に達したところで繊維層の形成を終了し、耐圧シェル４を形成している。
特に、繊維層を順次形成して積層する場合には、圧力調整用流体に加える圧力を、最下層である第１層目の繊維層を形成している際に加えていた圧力（０．０１〜１００ＭＰａ）から積層数に応じて漸次減少させるとともに、強化繊維３に加える張力を、最下層である第１層目の繊維層を形成している際に加えていた張力（１〜１０００Ｎ）から積層数に応じて漸次増大させながら各繊維層を形成している。
したがって、高圧タンクの形成後、耐圧シェル４が所要の応力変化曲線を有するようにすることができ、耐圧シェル４の繊維層に生じる応力を所定の応力に制御するとともに、限界圧力を可及的に大きく増大させることができる。
また、繊維層を順次形成して積層する際に、強化繊維３に加える張力を変更する場合には、必要に応じて使用する強化繊維３の種類を変えてもよい。
すなわち、下層側の繊維層を形成する場合には炭素繊維を用い、大きい張力を作用させる上層側では、アラミド繊維やＰＢＯ繊維等を用いてもよい。
このように加える張力に応じて強化繊維３の種類を変えることにより、限界圧力をさらに向上させた高圧タンクを製造することができる。しかも、各強化繊維３の機能上の特性を複合させることができるので、気密性の向上や軽量化等の機能性の向上を図ることもできる。
このようにして耐圧シェル４を形成した高圧タンクＤでは、耐圧シェル４となる各繊維層の形成にともなって繊維層を逐次硬化させていることにより、高圧タンクＤの形成後のオーブン等による加熱硬化処理を不要とすることができるので、製造した高圧タンクＤの硬化処理を省略して製造工程の短縮化を図ることもできる。
耐圧シェル４の形成後、高圧タンクＤ内から圧力調整流体を排出することにより、耐圧シェル４を形成している各繊維層、特に内層の繊維層には所要の圧縮応力を作用させることができる。
そして、タンク基体１の下側鏡板部１ｂと後端支持台６の後端連結具６ａとの接続を解除し、次いでタンク基体１の上側鏡板部１ａと前端支持台５の前端連結具５ａとの接続を解除して、完成した高圧タンクＤを高圧タンク製造装置Ｃから取り外す。
上記した高圧タンク製造装置Ｃでは、前端支持台５と後端支持台６とによってタンク基体１を両持ちとして強化繊維３の巻付けを行っているが、例えば図１０に示すように、タンク基体１を片持ち支持するように構成することもできる。
すなわち、図１０に示した高圧タンク製造装置Ｃ’では、タンク基体１内に挿入して圧力調整流体を送給する送給管１９ａを前端支持台１５に設け、この送給管１９ａをタンク基体１の奥まで挿入し、送給管１９ａに設けた第１鏡板支持体２１と第２鏡板支持体２２とによってタンク基体１を固定支持しているものである。
送給管１９ａは、上記したように、タンク基体１内に圧力調整流体を供給する内管１９ａ’と、タンク基体１内に供給した圧力調整流体を排出する外管１９ａ″とからなる二重管としている。
そして、特に、本実施形態では、内管１９ａ’には、先端にタンク基体１の下側鏡板部１ｂと当接する底部当接体２３を設けた底部支持軸２４を挿通させている。
さらに、内管１９ａ’は進退可能に構成しており、しかも、内管１９ａ’の進退にともなって、内管１９ａ’が底部支持軸２４に環装した円筒状の進退筒状軸２５を底部支持軸２４に沿って進退させるように構成している。
第１鏡板支持体２１には、タンク基体１の内側面に当接させる複数の内面支持片２１ａを設けている。
各内面支持片２１ａは、一端を内面支持片２１ａに枢着するとともに他端を内管１９ａ’に枢着した第１アーム２１ｂと、一端を内面支持片２１ａに枢着するとともに他端を外管１９ａ″に枢着した第２アーム２１ｃとによって構成し、内管１９ａ’の進退操作によりタンク基体１の内側面と当接するようにしている。
また、第２鏡板支持体２２には、タンク基体１の内側面に当接させる複数の内面支持片２２ａを設けている。
各内面支持片２２ａは、一端を内面支持片２２ａに枢着するとともに他端を進退筒状軸２５に枢着した第１アーム２２ｂと、一端を内面支持片２２ａに枢着するとともに他端を底部当接体２３に枢着した第２アーム２２ｃとによって構成し、内管１９ａ’の進退操作により進退筒状軸２５を進退させてタンク基体１の内側面と当接するようにしている。
したがって、内管１９ａ’を進退操作することにより、上側鏡板支持体２１の内面支持片２１ａ及び下側鏡板支持体２２の内面支持片２２ａを傘状に拡開させることによりタンク基体１を内部から支持することができる。
これにより、タンク基体１には、ゴムやプラスチック等の可撓性を有する材料を用いることができる。また、このような可撓性を有するタンク基体１に強化繊維３によって複数層の繊維層を形成することにより通常のライナーとして使用してもよい。
さらに、可撓性を有するタンク基体１を用いて高圧タンクＤを形成した場合には、高圧タンクＤの形成後、タンク基体１内面には樹脂コーティングを行って水素等の収容物の漏洩を防止するように構成したり、不導体の溶射を行って異種導体による腐食発生を防止するように構成したりすることが望ましい。
上記した実施形態は、圧力容器形状となったタンク基体１に耐圧シェル４を形成して高圧タンクＤを形成する高圧タンク製造装置Ｃであるが、強化繊維３の巻付けを行って耐圧シェルを形成する基体は、タンク基体１に限定するものではなく、線材（ＣＦＲＰロッド）や円筒管（ＣＦＲＰ）、あるいは内部に収容空間を有する矩形体であってもよい。
最後に、ＣＦＲＰで従来の耐圧シェルを形成した高圧タンクと、本発明の耐圧シェル４を形成した高圧タンクとでの重量比、すなわち軽量化の割合の計算上での結果を表１に示す。ここで、比較の便宜上、円周方向のみを考慮している。重量比は高圧タンクの内径に影響されることはない。

このように、本発明の耐圧シェル４とすることにより、同一の耐圧性の製品をより軽い製品として製造することができることがわかる。
ここで、ＣＦＲＰ強度が２０００ＭＰａ、最高圧力４００ＭＰａで１２ｋの炭素繊維を用いて高圧タンクを製造する場合、最下層は、圧力調整流体の圧力を０．４ＭＰａ、強化繊維に加える張力を５０Ｎとして繊維層の形成を開始し、最外層は、圧力調整流体の圧力を０ＭＰａ、強化繊維に加える張力を１５０Ｎとして繊維層の形成を終了するように圧力調整流体の圧力及び強化繊維に加える張力を調整することにより、目的とする応力勾配を得ることができる。

本発明の耐圧シェル、及び同耐圧シェルを具備する高圧タンク、及び同高圧タンクの製造方法、並びに同高圧タンクの製造装置では、高耐性の耐圧シェル、及び同耐圧シェルを具備する高圧タンクを形成することができるので、収容物の収容量を増大さることができ、水素ガスまたは液体水素の貯蔵、あるいは酸素ガスまたは液体酸素の貯蔵等に優れた高圧タンクを提供できる。

Claims (10)

1. 基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成する繊維層を多層積層させて積層構造とした耐圧シェルにおいて、
   この耐圧シェルに外力の作用していない状態では、下層側の繊維層に圧縮応力を作用させるとともに、上層側の繊維層に引張応力を作用させるように構成したことを特徴とする耐圧シェル。
2. 中空としたタンク基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成した耐圧シェルを具備する高圧タンクにおいて、
   耐圧シェルは、タンク基体に強化繊維を巻付けて形成した繊維層を多層積層した積層構造とし、高圧タンクの内部が空の状態において、下層側の繊維層には圧縮応力を作用させるとともに、上層側の繊維層には引張応力を作用させていることを特徴とする高圧タンク。
3. 中空としたタンク基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成した耐圧シェルを具備する高圧タンクの製造方法において、
   前記タンク基体の内部には圧力調整用の流体を充填し、この圧力調整用の流体を加圧しながら前記タンク基体に巻付張力を加えた前記強化繊維を巻付けることにより繊維層を形成するとともに、この繊維層を多層積層して前記耐圧シェルを形成することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
4. 前記繊維層の積層にともなって、前記圧力調整用の流体の加圧条件と、前記強化繊維に加える巻付張力条件とを調整することを特徴とする請求の範囲第３項記載の高圧タンクの製造方法。
5. 最下層の繊維層を形成する場合には、前記圧力調整用の流体に加える圧力を０．１〜１００ＭＰａ、前記強化繊維に加える張力を１〜２００Ｎとして形成し、新たな繊維層を積層する場合には、前記圧力調整用の流体に加える圧力を積層数に応じて漸次減少させるとともに、前記強化繊維に加える張力を積層数に応じて漸次増大させながら形成することを特徴とする請求の範囲第３項記載の高圧タンクの製造方法。
6. 前記圧力調整用の流体を加温することにより前記強化繊維に塗着した前記硬化用樹脂材料の硬化を促進させながら前記繊維層を形成することを特徴とする請求の範囲第３〜５項のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法。
7. 強化繊維巻付手段によって中空としたタンク基体の外側面に硬化用樹脂材料付きの強化繊維を巻付けて形成した耐圧シェルを具備する高圧タンクの製造装置において、
   前記タンク基体の内部には圧力調整用の流体を充填するとともに、この圧力調整用の流体に加えた圧力を調整する圧力調整手段を設け、
   この圧力調整手段で前記圧力調整用の流体を加圧しながら前記強化繊維巻付手段によって前記タンク基体の外側面に前記強化繊維を巻付けて繊維層を形成するとともに、この繊維層を多層積層して前記耐圧シェルを形成するように構成したことを特徴とする高圧タンクの製造装置。
8. 前記強化繊維巻付手段は、前記圧力調整手段による前記圧力調整用の流体の加圧条件と相関させて前記強化繊維に加える巻付張力条件を調整しながら前記強化繊維を前記タンク基体に巻付けるように構成したことを特徴とする請求の範囲第７項記載の高圧タンクの製造装置。
9. 前記圧力調整用の流体を加温する加温手段を設け、前記強化繊維に塗着した硬化用樹脂材料を前記加温手段で加えた熱により硬化を促進させながら前記繊維層を形成するように構成したことを特徴とする請求の範囲第７項または請求の範囲第８項に記載の高圧タンクの製造装置。
10. 前記タンク基体を、このタンク基体の内部に挿入して前記圧力調整用の流体を送給する送給管に設けた第１鏡板支持体と第２鏡板支持体とによって固定支持するように構成したことを特徴とする請求の範囲第７〜９項のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造装置。

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