JPWO2010116527A1 - タンクおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

バースト強度と疲労強度の両立を図った構造のタンクおよびその製造方法を提供する。これを実現するため、ライナ（２０）と、該ライナ（２０）の外周に繊維（７０）が巻回されて形成されるフープ層（７０Ｐ）およびヘリカル層（７０Ｈ）からなるＦＲＰ層（２１）と、を有するタンク（１）において、少なくとも最も内側のヘリカル層（７０Ｈ）を平滑ヘリカル層とする。平滑ヘリカル層、つまり凹凸が皆無あるいは少ないヘリカル層を形成することにより、当該ヘリカル層（７０Ｈ）に隣接するフープ層（７０Ｐ）に凹凸が転写されるのを抑制することができる。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）自体の疲労強度を向上させることができる。

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層を備えるものが利用されている（例えば特許文献１参照）。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、ＣＦ（炭素繊維）等の繊維がヘリカル巻（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（本願の図２参照）。また、マンドレルの外周をヘリカル巻されてなるＦＲＰ筐体であって、各ヘリカル層の強化繊維束の筒体周方向における位相がずらされているタンクも開示されている。

特開２００８−０３２０８８号公報

しかしながら、上述のごとき従来技術においては、バースト強度と疲労強度との両立が図られていない場合がある。

そこで、本発明は、バースト強度と疲労強度の両立を図った構造の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。まず、タンクのＶｆ（繊維体積含有率）に関し、内層を低Ｖｆ化すれば疲労強度を向上させることが可能であるものの、そうするとバースト強度が低下してしまう場合がある。すなわち、耐破裂強度はＶｆ（繊維体積含有率）が高いほど高強度となるが、従来のタンクには、疲労強度向上のため内層のＶｆを低くしているため高いバースト強度が得られていないものもある。

また、疲労強度に関していえば、上述したフープ層の繊維の構造的曲げが大きいと疲労強度が低下することを知見した。すなわち、フープ層およびヘリカル層が積層されてＦＲＰ層が形成されている場合、フープ層に隣接するヘリカル層自体に凹凸が生じていると、隣接するフープ層に当該凹凸が転写され、これによってフープ層の繊維自体が小さく蛇行して起伏を生み、構造に起因した曲げ（起伏）が当該フープ層に生じてしまう。

このような状況下、フープ層の繊維に生じうる構造的な曲げ（起伏）をいかに低減させるかについて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、該ライナの外周に繊維が巻回されて形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクにおいて、少なくとも最も内側のヘリカル層が平滑ヘリカル層である、というものである。

構造に起因するフープ層の繊維の曲げ（起伏）を低減させるための手段としては、隣接するヘリカル層の凹凸を低減させて当該凹凸が転写しないようにすることが考えられる。ところが、上述したようにヘリカル層はタンク軸に対してほぼ平行となるように、尚かつタンクドーム部で折り返すように巻かれており（図２参照）、隣接する繊維間の隙間をなくすような巻きは特に考慮されていないため根本的に難しい。一般的には、ヘリカル層は繊維どうしの重なりや並びなどは考慮されずにいわば無秩序に巻回されており、従来、例えば各ヘリカル層の強化繊維束の筒体周方向における位相をずらすといったことが提案されているものの、ドーム部を有するタンクにおいて凹凸が皆無あるいは少ないヘリカル層を形成するという提案や着眼はなかった。

この点、本発明では、少なくとも最も内側のヘリカル層を平滑ヘリカル層、つまり凹凸が皆無あるいは少ないヘリカル層としているので、当該ヘリカル層に隣接するフープ層に凹凸が転写されるのを抑制することができる。この場合、従来のように、凹凸ヘリカル層（平滑にするための処理がなされておらず表面に凹凸が生じているヘリカル層のことをいい、図１１、図１２において符号７０Ｂで示す）の表面に起因する構造的な繊維の曲げを低減できる。凹凸ヘリカル層に隣接するフープ層の繊維の構造的な曲げ（起伏）を抑えることにより当該繊維自体の疲労強度を向上させることができる。

加えて、繊維の層（ヘリカル層、フープ層）は、内側に位置する層（ライナ寄りの層）ほどタンク強度への寄与度が大きい。上述のごとく少なくとも最も内側のヘリカル層を平滑ヘリカル層とする本発明によれば、当該平滑ヘリカル層に隣接するフープ層（例えば、当該平滑ヘリカル層の外側に巻回されるフープ層）を平滑に巻回することができ、タンク強度の向上に大きく寄与させることができる。

また、本発明にかかるタンクにおいて、フープ層に隣接する層は、フープ層または平滑ヘリカル層であることが好ましい。この場合、当該フープ層に隣接する層の表面を平滑面とすることができるから、構造に起因した繊維の曲げを生じさせないかあるいは低減させることができる。

さらに、本発明にかかるタンクにおいて、凹凸ヘリカル層に隣接する層は平滑ヘリカル層であることも好ましい。このように凹凸ヘリカル層に隣接する層を平滑ヘリカル層とした場合、当該凹凸ヘリカル層の表面の凹凸を平滑ヘリカル層で吸収し、該凹凸の影響がフープ層に及ばないようにすることができる。

また、本発明にかかるタンクにおいて、平滑ヘリカル層は、周方向に配置されたＮ個の点を基準位置とし、当該基準位置を順次通過するように繊維をライナの外周に巻回し、その後、既に巻回されている繊維に隣接するように周方向にずらした位置に当該繊維を順次巻回することによって形成されていることが好ましい。この場合、巻回された樹脂により、略三角形状の単位模様が規則的に組み合わされた模様が平滑ヘリカル層の表面に形成され、隣り合う単位模様の境目となる部分が、当該タンクの周方向に２Ｎ箇所表れていることが好ましい。さらに、巻回された繊維によって当該タンクのドーム部に形成される模様がＮ角形であることも好ましい。Ｎは１から５までの整数のいずれかであることがさらに好ましい。

また、本発明にかかる製造方法は、ライナと、該ライナの外周に繊維が巻回されて形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクの製造方法において、ライナの周方向に配置されたＮ個の点を基準位置とし、当該基準位置を順次通過するように繊維をライナの外周に巻回し、その後、既に巻回されている繊維に隣接するように周方向にずらした位置に当該繊維を順次巻回し、少なくとも最も内側のヘリカル層を平滑ヘリカル層とする、というものである。

さらに、本発明にかかる筒体は、繊維が巻回されて形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＰＲ層を有する筒体であって、少なくとも最も内側のヘリカル層が平滑ヘリカル層である、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。また、疲労強度を向上させた筒体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（高圧タンク）の構造を示す断面図および部分拡大図である。 本発明の一実施形態におけるタンク（高圧タンク）の構造を示す断面図である。 タンクの口金付近の構造例を示す断面図である。 タンクのストレート部（あるいは筒体）のＦＲＰ層の構造例を示す概略断面図である。 タンクのストレート部（あるいは筒体）のＦＲＰ層の他の構造例を示す概略断面図である。 平滑ヘリカル層を形成するためのヘリカル巻の一例および「パターンナンバー」について説明する、タンク軸方向に沿ったタンクの投影図である。 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。 平滑ヘリカル層におけるヘリカル巻の一例を示す斜視図である。 平滑ヘリカル層におけるヘリカル巻の一例を示す、タンク軸方向に沿った投影図である。 従来のヘリカル巻の一例を参考として示す斜視図である。 従来のヘリカル巻の一例を参考として示す、タンク軸方向に沿った投影図である。

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１０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（以下、高圧タンクともいう）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。

高圧タンク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（高圧タンク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（高圧タンク１の軸方向の内側）に、高圧タンク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）と高圧タンク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、タンク１における繊維（例えば炭素繊維ＣＦ）７０の構造的曲げを低減するための繊維巻きパターンについて説明する（図２等参照）。

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、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９、図１０において符号７０Ｈ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）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。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ヘリカル層、中ヘリカル層（符号７０ＭＨで示す）、低ヘリカル層（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。

この点、本実施形態では、少なくとも最も内側のヘリカル層７０Ｈを平滑ヘリカル層とし、これに隣接するフープ層７０Ｐに生じうる凹凸を低減させるようにしている。後述するように、平滑ヘリカル層７０Ｈは繊維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る。この平滑ヘリカル層７０Ｈでは原則、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、最も内側のヘリカル層（いわゆる面内応力が高い内側の層）７０Ｈを優先的に平滑ヘリカル層（最内平滑ヘリカル層）としたうえで、当該最内平滑ヘリカル層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）は平滑面となるため（図４参照）、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、最内ヘリカル層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。

しかも、本実施形態によればタンク強度を大きく向上させうるという利点もある。すなわち、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、ストレート部を巻き締めて耐圧力を十分に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、少なくとも最も内側のヘリカル層７０Ｈを平滑ヘリカル層とすることにより、該平滑ヘリカル層７０Ｈの外側に隣接するフープ層７０Ｐをも平滑に形成することを可能とし、当該フープ層７０Ｐをタンク強度の向上に大きく寄与させることができる（図４等参照）。

また、フープ層７０Ｐに隣接する層は、他のフープ層７０Ｐまたは平滑ヘリカル層７０Ｈであることが好ましい。他のフープ層７０Ｐや平滑ヘリカル層７０Ｈの表面はこれら以外の層の表面よりも平滑であるから、あるフープ層７０Ｐを形成する際、これら他のフープ層７０Ｐや平滑ヘリカル層７０Ｈの外側に繊維７０をフープ巻することとすれば、当該フープ層７０Ｐにおける繊維７０の構造的な曲げ（起伏）を低減することができる。したがって、繊維７０の疲労強度を向上させ、尚かつ当該フープ層７０Ｐを薄肉化、高Ｖｆ（繊維体積含有率）化してバースト強度を向上させることが可能となる。一例として、図４では、第１の低ヘリカル層（平滑）７０ＬＨ、第１のフープ層７０Ｐ、第２のフープ層７０Ｐ、第２の低ヘリカル層（平滑）７０ＬＨを内層側から順に形成した場合の断面を図示している。この場合、４つの層の表面をいずれも平滑面とすることができる（図４参照）。

さらには、凹凸ヘリカル層（平滑にするための処理がなされておらず表面に凹凸が生じているヘリカル層）に隣接する層を平滑ヘリカル層とすることも好ましい。こうした場合、凹凸ヘリカル層の表面の凹凸を平滑ヘリカル層で吸収することができるから、他のフープ層（例えば平滑ヘリカル層のさらに外側に形成されるフープ層）７０Ｐに凹凸による影響を与えないようにすることができる。一例として、図５では、第１の低ヘリカル層（平滑）７０ＬＨ、中ヘリカル層（凹凸）７０ＭＨ、第２の低ヘリカル層（平滑）７０ＬＨを内層側から順に形成した場合の断面を図示している。図示するように第１の低ヘリカル層（平滑）７０ＬＨの外側に中ヘリカル層（凹凸）７０ＭＨを形成した場合、さらにその外側に低ヘリカル層（平滑）７０ＬＨを形成すれば、中ヘリカル層７０ＭＨの表面の凹凸を平滑ヘリカル層（この場合、第２の低ヘリカル層７０ＬＨ、さらには第１の低ヘリカル層７０ＬＨ）によって吸収することができる（図５参照）。

続いて、繊維７０どうしの重なりを極力低減させた平滑ヘリカル層７０Ｈを形成するためのヘリカル巻について説明する（図６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７、図８に示すＦＷ装置８０は、タンク軸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。

次に、ヘリカル巻の巻パターンのパラメータとなる「パターンナンバー」について簡単に説明しておく。パターンナンバーは、ヘリカル巻の「分割数Ｎ」と「ずらし数ｓ」とを例えば「Ｎ／ｓ」という形で表したものである。パターンナンバーが例えば「５／２」（分割数５、ずらし数２）であれば、タンク１のドーム部１ｄ付近の外周を基準位置Ａ〜Ｅのように周方向に５等分し（図６参照）、ヘリカル巻で繊維７０を周回させる度に２つずれた基準位置を通るようにしてずらしながら巻回させていくというものである。バターンナンバー「５／２」の場合、一方のドーム１ｄの基準位置Ａを通過した繊維７０を他方のドーム部１ｄまで巻き、再び一方のドーム部１ｄまで戻したとき、今度は２つずれた基準位置（例えば基準位置Ｃ）を通過させるようにして巻く（図２、図６参照）。これを繰り返すと、繊維７０は、周回して一方のドーム部１ｄに戻る毎に基準位置Ａ→Ｃ→Ｅ→Ｂ→Ｄ→Ａを順次通過し、５周したところ元の基準位置に戻ることになる。一般的に、通常行われているヘリカル巻（例えばパターンナンバー「５／２」のヘリカル巻）の場合、繊維７０どうしの重なりが多く、凹凸の大きいヘリカル層が形成されやすい（図１１、図１２参照）。

ここで、本実施形態では、ヘリカル巻のパターンナンバーとして「Ｎ／１」を採用し、周方向に配置されたＮ個の等分割点を基準位置とし、当該基準位置を順次通過するように樹脂をライナ２０の外周に巻回し、その後、既に巻回されている樹脂に隣接するように周方向にずらした位置に当該樹脂を順次巻回して平滑ヘリカル層７０Ｈを形成することとする。この場合、Ｎは１から５までの整数のいずれかとすることが好ましい。以下では、Ｎ＝５（パターンナンバー「５／１」）の場合を例示しながらこのヘリカル巻について説明する（図６参照）。

パターンナンバー「５／１」のヘリカル巻は、タンク１のドーム部１ｄ付近の外周を仮想した基準位置Ａ〜Ｅのように５等分し、ヘリカル巻で繊維７０を周回させる度に隣の基準位置を通るようにしてずらしながら巻回させていく。はじめに、一方のドーム１ｄの例えば基準位置Ａを通過した繊維７０を他方のドーム部１ｄまで巻き、再び一方のドーム部１ｄまで戻したとき、隣の基準位置（例えば基準位置Ｂ）を通過させる。これを繰り返すと、周回して一方のドーム部１ｄに戻る毎に繊維７０が基準位置Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅを順次通過し、５周したところで元の基準位置Ａに戻ることになる。この５周を１セットとし、１セットを終えたら次のセットに移行する。

ここで、次のセットの際には、既に巻き付けられている繊維７０に隣接するように引き続き繊維７０を巻き付けていく。すなわち、図６において、１セット目の繊維を符号７１、２セット目の繊維を符号７２で示せば、１セット目の繊維７１に隣接させるようにして２セット目の繊維７２を巻き付ける（図６参照）。同様にして、３セット目の繊維７３は２セット目の繊維７２に隣接させるように巻き付ける。これを繰り返し、複数の繊維を並列させ、基準位置Ａの繊維が隣の基準位置Ｂに達したら（基準位置Ａの繊維が、基準位置Ｂの１セット目の繊維７１に接するまで並列したら）、当該層のヘリカル巻を終了する。なお、図６では、最後のセットの繊維を符号７Ｚで示している。

以上のごときヘリカル巻によれば、ライナ２０の周囲に繊維７０を規則的に巻き付けることができ、繊維７０どうしの重なりによる凹凸を低減させることができる（図９、図１０参照）。これにより、表面が平滑であり凹凸が少ない平滑ヘリカル層７０Ｈを形成することができる。したがって、当該平滑ヘリカル層７０Ｈの外側に隣接するフープ層７０Ｐに凹凸が転写されるのを抑制し、これによって当該フープ層７０Ｐに生じうる構造的な繊維７０の曲げ（起伏）を低減することができる。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自体の疲労強度を向上させることができる。また、当該フープ層７０Ｐが薄肉化、高Ｖｆ（繊維体積含有率）化する結果、当該タンク１のバースト強度が向上する。もちろん、本実施形態のヘリカル巻によれば、当該平滑ヘリカル層７０Ｈ自体における繊維７０どうしの隙間が少なく、尚かつ一層あたりの厚みが薄くなることにもなる。さらには、ヘリカル層７０Ｈがこのような平滑ヘリカル層となることによって薄層化するため、フープ層７０Ｐがより強度を発揮しやすいタンク１の内側に位置する。その結果、フープ層７０Ｐをも薄肉化することができる。なお、ここまで、基準位置Ａ〜Ｅを反時計回りに配置した場合について説明したが（図６参照）、これとは逆に時計回りに配置したとしても同様の作用効果を実現することができる。

以上はパターンナンバー「５／１」（分割数Ｎ＝５、ずらし数ｓ＝１）の場合のヘリカル巻であるが、Ｎが１〜４のいずれかであっても同様に平滑ヘリカル層７０Ｈを形成することができる。また、Ｎを６以上としても表面の凹凸を低減したヘリカル層７０Ｈを形成することが可能である。ただし、分割数Ｎが大きくなると、これにつれて平滑ヘリカル層７０Ｈを成立させるための巻角度が小さくなり（低角度になり）、繊維７０どうしの重なりの態様も変わってくるため、表面を平滑にし難くなる傾向にある。この点からすれば、パターンナンバーの分割数は上述したように１から５までの整数のいずれかであることが好ましい。

なお、図９、図１０においては、パターンナンバー「３／１」（分割数Ｎ＝３、ずらし数ｓ＝１）の場合のヘリカル巻を例示している。上述したように繊維７０は規則的に巻き付けられているため、従来のヘリカル巻き（図１１、図１２参照）とは異なり、当該巻き方に応じたある一定の規則的な模様を認識できることは図からも明らかである。すなわち、並列する繊維７０によって略三角形状の単位模様（綾模様）が形成されるとともに、この単位模様が複数規則的に組み合わされた態様の平滑な表面が形成されている（図９参照）。また、隣り合う単位模様どうしでは繊維７０の巻き方向が異なるため、これら単位模様どうしの境目となる部分は視認しやすい（図９中において破線で囲んだ部分参照）。図９に示されているように、これら境目となる部分はＸ字形状に表れる。また、これら境目となる部分は、タンク１の周方向に１周する間に６箇所、分割数Ｎのタンク１においては２Ｎ箇所表れる（ただし、タンク軸方向中央部分を除く）。

加えて、本実施形態のヘリカル巻によればタンク１のドーム部１ｄにも特徴的な模様が形成される。すなわち、例えばパターンナンバー「３／１」のヘリカル巻であれば、ヘリカル巻の後、ドーム１ｄにおいて、口金円筒部１１ｄの周囲に略正三角状の視認可能な模様が形成される（図１０参照）。この模様は分割数Ｎに応じて変化するもので、Ｎ＝４ならば略正四角形、Ｎ＝５ならば略正五角形の模様が形成される。

以上説明したように、少なくとも最も内側のヘリカル層７０Ｈを平滑ヘリカル層と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、ヘリカル層７０Ｈの巻きパターンを繊維７０の積み重ねが少なく、凹凸が小さくなるようなものとしているので、当該ヘリカル層７０Ｈ内における構造的な繊維７０の曲げを低減できる。また、当該ヘリカル層７０Ｈ内の繊維７０どうしの隙間を小さくできるため、ヘリカル層１層あたりの厚みを薄くできる。さらに、ヘリカル層表面が平滑となって段差が小さくなり、その上下の層（外側の層、内側の層）に転写されうる段差も小さくなるから、上下の層（例えばフープ層７０Ｐ）において生じうる構造的な繊維７０の曲げを低減できる。フープ層７０Ｐの繊維７０の構造的な曲げを低減することは、特にストレート部の疲労強度を向上させることに寄与する。ヘリカル層７０Ｈの繊維７０の構造的な曲げを低減することは、特にドーム部の疲労強度を向上させることに寄与する。さらに、ＦＲＰ層を全体として薄肉化・高Ｖｆ化することは、特にタンク１のバースト強度を向上させることに寄与する。

また、一般に、タンク（圧力容器）１のドーム部にはその形状に起因した曲げ応力が作用し、例えばＣＦＲＰ層２１ｃの曲げ破壊ではいわゆる層間剥離の決定的な要因となる。この点、本実施形態のヘリカル巻によれば、ストレート部ばかりでなくドーム部においても繊維７０間の隙間を低減して空隙（ボイド）を減らすことができる。したがって、このように空隙（ボイド）を減らすことによる層間剥離の抑制効果が期待できる。また、ドーム部のバースト／サイクル強度（バースト耐圧、複数回使用に対する耐久性）が向上することも期待できる。

また、上述のように空隙（ボイド）が減れば、発泡の原因となる空気量が減ることになる。ＦＲＰ層２１の熱硬化時、空気が泡状になって表層に表れる発泡現象が起こりうるが、空隙（ボイド）を減らすことができれば発泡を抑えることが可能になるという利点もある。

また、平滑なヘリカル層７０Ｈを形成すれば、タンク１の最表面の凹凸が減ることにもつながる。これによれば、タンク１の外径をより安定化させ、タンク１毎のばらつきを低減させるという利点が得られる。特に、最外層のヘリカル層７０Ｈを平滑ヘリカル層とすれば、外径のばらつきをより効果的に小さくすることが期待できる。

また、平滑なヘリカル層７０Ｈ自体はもちろん、これに隣接するフープ層７０Ｐが高Ｖｆ化することは、これに伴って樹脂溜まりが少なくなることから、ＦＲＰ層２１において使用する樹脂量が少なくなることにつながる。このように樹脂量が少なくなれば、その分タンク１の軽量化を図ることも可能になる。

さらに、上述のようにＦＲＰ層２１が高Ｖｆ化して樹脂量が少なくなれば、硬化発熱量（樹脂の熱硬化中の反応熱による発熱）が下がる。一般に、熱硬化時におけるピーク温度が高いと、ボンディング（ＦＷ成形および樹脂硬化の後、ライナ２０とＦＲＰ層２１とが一部分または全部において接着した状態）やライナ材劣化といった問題が生じるおそれがあるが、このように硬化発熱量を低下させうる本実施形態のタンク１においては、これらの問題を抑えることも可能である。

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。例えば上述した各実施形態では、最も内側のヘリカル層７０Ｈを平滑ヘリカル層（最内平滑ヘリカル層）とする場合について説明したが、平滑ヘリカル層７０Ｈを形成した場合の種々の作用効果を鑑みれば、すべてのヘリカル層７０Ｈ（低ヘリカル層７０ＬＨ）を平滑ヘリカル層とすることが好ましい。また、中ヘリカル層７０ＭＨを平滑ヘリカル層とすることで、当該中ヘリカル層７０ＭＨにおいても上述した作用効果を実現させることが可能である。

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に本発明を適用することも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）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、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、平滑ヘリカル層７０Ｈを形成することとすれば、繊維７０の構造的曲げを低減させる、疲労強度を向上させる、１層あたりの厚みを薄くする、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。

また、このように本発明を筒体１’に適用する場合においては、上述した実施形態と同様、フープ層に隣接する層を他のフープ層７０Ｐまたは平滑ヘリカル層７０Ｈとすることは好ましい態様の一つである（図４参照）。あるいは、凹凸ヘリカル層７０Ｈに隣接する層を平滑ヘリカル層とすることも好ましい態様の一つである（図５参照）。なお、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。

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好適なものである。

１…タンク、１’…筒体、２０…ライナ、２１…ＦＲＰ層、７０…繊維、７０Ｈ…ヘリカル層、７０Ｐ…フープ層、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ…基準位置

Claims (9)

1. ライナと、該ライナの外周に繊維が巻回されて形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクにおいて、
   少なくとも最も内側のヘリカル層が平滑ヘリカル層である、タンク。
2. 前記フープ層に隣接する層は、他のフープ層または平滑ヘリカル層である、請求項１に記載のタンク。
3. 前記凹凸ヘリカル層に隣接する層は平滑ヘリカル層である、請求項１または２に記載のタンク。
4. 前記平滑ヘリカル層は、周方向に配置されたＮ個の点を基準位置とし、当該基準位置を順次通過するように前記繊維を前記ライナの外周に巻回し、その後、既に巻回されている繊維に隣接するように周方向にずらした位置に当該繊維を順次巻回することによって形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のタンク。
5. 巻回された前記樹脂により、略三角形状の単位模様が規則的に組み合わされた模様が前記平滑ヘリカル層の表面に形成され、隣り合う前記単位模様の境目となる部分が、当該タンクの周方向に２Ｎ箇所表れている、請求項４に記載のタンク。
6. 巻回された前記繊維によって当該タンクのドーム部に形成される模様がＮ角形である、請求項３または４に記載のタンク。
7. 前記Ｎは１から５までの整数のいずれかである、請求項４から６のいずれか一項に記載のタンク。
8. ライナと、該ライナの外周に繊維が巻回されて形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクの製造方法において、
   前記ライナの周方向に配置されたＮ個の点を基準位置とし、当該基準位置を順次通過するように前記繊維を前記ライナの外周に巻回し、その後、既に巻回されている繊維に隣接するように周方向にずらした位置に当該繊維を順次巻回し、少なくとも最も内側のヘリカル層を平滑ヘリカル層とする、タンクの製造方法。
9. 繊維が巻回されて形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＰＲ層を有する筒体であって、
   少なくとも最も内側のヘリカル層が平滑ヘリカル層である、筒体。

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