KR20160137376A

KR20160137376A - 고압 탱크, 고압 탱크의 제조 방법, 라이너 형상의 설계 방법

Info

Publication number: KR20160137376A
Application number: KR1020160059283A
Authority: KR
Inventors: 시로 니시부
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2016-11-30
Also published as: JP2016217466A; US20160341359A1; CN106166845B; KR101858341B1; CN106166845A; JP6281525B2; DE102016108603A1

Abstract

필라멘트 와인딩법에 의하여 제조되는 고압 탱크의 강도를 향상시킨다.
고압 탱크는, 고압 탱크의 내각으로 되는 라이너이며, 원통 형상의 원통부와, 원통부의 양 단부로부터 각각 연신된 곡면 형상의 돔부를 포함하는 라이너와, 라이너의 외표면에 섬유를 권회함으로써 형성되어 있는 보강층을 구비한다. 돔부는, 등장력 곡면과는 상이한 소정의 곡면이며, 돔부에 섬유가 헬리컬 권회로 권회되는 과정에 있어서 등장력 곡면이 형성되는 소정의 곡면을 갖는다.

Description

고압 탱크, 고압 탱크의 제조 방법, 라이너 형상의 설계 방법 {HIGH PRESSURE TANK, METHOD OF MANUFACTURING HIGH PRESSURE TANK AND METHOD OF DESIGNING LINER SHAPE}

본 발명은 고압 탱크에 관한 것이다.

종래부터, 고압 탱크의 제조 방법으로서 필라멘트 와인딩(Filament Winding)법이 알려져 있다. 필라멘트 와인딩법에서는, 고압 탱크의 코어인 라이너에 대하여, 열경화성 수지를 함침시킨 섬유(이후, 간단히 「섬유」라고도 칭함)를 권회하고 이 섬유를 경화시킴으로써, 고압 탱크를 제조한다. 필라멘트 와인딩법에 의하면, 라이너의 외표면에 고강도의 섬유 강화 수지층이 형성된 고압 탱크를 제조할 수 있다. 특허문헌 1에는, 상술한 바와 같이 하여 제조되는 고압 탱크의 강도를 향상시키기 위하여, 라이너의 반구면형의 돔부를 등장력 곡면으로 하는 것이 기재되어 있다.

국제 공개 2011-154994호 팸플릿 일본 특허 공개 제2012-149739호 공보 일본 특허 공개 제2011-047486호 공보

필라멘트 와인딩법에 있어서의 섬유의 권회 방법은, 후프 권회와 헬리컬 권회의 2종류로 크게 구별된다. 후프 권회에서는, 라이너의 긴 축 방향에 대하여 대략 직각으로 섬유를 권회한다. 헬리컬 권회에서는, 라이너의 긴 축 방향에 대하여 소정의 각도로 섬유를 권회한다. 라이너에 대하여 섬유를 헬리컬 권회할 때, 돔부에 설치되어 있는 구금의 근방에서는, 섬유의 접힘에 수반하여 섬유가 집중된다. 이 때문에, 돔부의 구금의 근방에서는, 권회된 섬유층의 두께가 다른 부분과 비교하여 두꺼워진다.

이 점, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 라이너의 돔부의 외표면을 등장력 곡면으로 하고 있다. 이 때문에, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 돔부의 구금의 근방에 있어서의, 섬유가 권회된 상태의 외표면의 형상이, 섬유의 권회를 중첩시킴에 따라 등장력 곡면으로부터 크게 어긋나 버린다는 과제가 있었다. 섬유는, 길이 방향으로의 인장에 대한 강도와 비교하여 굵기 방향으로의 인장에 대한 강도가 약하다. 이 때문에, 섬유가 권회됨으로써 형성되어 있는 섬유층의 강도는, 등장력 곡면으로부터 어긋날수록 저하된다. 따라서 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 실제로 제조된 고압 탱크의 강도가, 설계에 의하여 산출된 고압 탱크의 강도를 하회한다는 과제가 있었다. 또한 특허문헌 2, 3에 있어서도 마찬가지의 과제가 있었다.

이 때문에, 고압 탱크의 강도를 향상시킬 것이 요망되고 있었다.

본 발명은 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.

(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 고압 탱크가 제공된다. 이 고압 탱크는; 상기 고압 탱크의 내각(內殼)으로 되는 라이너이며, 원통 형상의 원통부와, 상기 원통부의 양 단부로부터 각각 연신된 곡면 형상의 돔부를 포함하는 라이너와; 상기 라이너의 외표면에 섬유를 권회함으로써 형성되어 있는 보강층을 구비하고; 상기 돔부 중 적어도 한쪽은, 등장력 곡면과는 상이한 소정의 곡면이며, 상기 돔부에 상기 섬유가 헬리컬 권회로 권회되는 과정에 있어서 등장력 곡면이 형성되는 소정의 곡면을 갖는다.

이 형태의 고압 탱크에 의하면, 라이너의 돔부 중 적어도 한쪽은, 등장력 곡면과는 상이한 소정의 곡면이며, 돔부에 섬유가 헬리컬 권회로 권회되는 과정에 있어서 등장력 곡면이 형성되는 소정의 곡면을 갖는다. 이로 인하여, 보강층에 포함되는 각 섬유층의 형상의 등장력 곡면으로부터의 어긋남량의 총합을, 돔부를 등장력 곡면으로 한 경우와 비교하여 저감시킬 수 있다. 이 결과, 고압 탱크의 강도를 향상시킬 수 있다.

(2) 상기 형태의 고압 탱크에 있어서; 상기 소정의 곡면은, 상기 돔부에 대응하는 상기 보강층의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면이 형성되는 형상이어도 된다. 또한 상기 소정의 곡면은, 상기 보강층이 형성된 상태에 있어서, 상기 돔부에 대응하는 상기 보강층의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면이 형성되는 형상이어도 된다.

이 형태의 고압 탱크에 의하면, 돔부의 소정의 곡면은, 보강층이 형성된 상태에 있어서, 돔부에 대응하는 보강층의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면이 형성되는 형상이다. 이로 인하여, 보강층에 포함되는 각 섬유층의 형상의 등장력 곡면으로부터의 어긋남량의 총합을 최소로 할 수 있다. 이 결과, 고압 탱크의 강도를 대폭 향상시킬 수 있다.

(3) 상기 형태의 고압 탱크에 있어서; 상기 소정의 곡면은, 등장력 곡면으로부터의 어긋남의 크기가, 상기 라이너의 상기 원통부와 상기 돔부의 경계 근방으로부터 상기 원통부의 중심축 근방에 걸쳐 서서히 커지는 형상이어도 된다.

이 형태의 고압 탱크에 의하면, 돔부의 소정의 곡면을, 필라멘트 와인딩법의 헬리컬 권회의 성질을 고려한 형상으로 할 수 있다.

(4) 본 발명의 일 형태에 의하면, 고압 탱크의 내각으로 되는 라이너 형상의 설계 방법이 제공된다. 이 라이너 형상의 설계 방법은; 원통 형상의 원통부의 양 단부로부터 각각 연신된 돔부의 형상을 등장력 곡면으로 한 임시의 라이너의 형상을 결정하는 공정과; 상기 임시의 라이너의 외표면에 있어서, 섬유를 권회함으로써 형성된 임시의 보강층의 구성을 구하는 공정과; 상기 임시의 보강층의 내부에 등장력 곡면을 설정하는 공정과; 설정된 등장력 곡면과, 상기 임시의 보강층의 두께에 기초하여, 최종적인 라이너의 상기 돔부가 갖는 소정의 곡면의 형상을 결정하는 공정을 포함한다.

이 형태의 라이너 형상의 설계 방법에 의하면, 상기 형태의 고압 탱크에 있어서의 라이너의 형상을 간편히 구할 수 있다.

(5) 상기 형태의 라이너 형상의 설계 방법에 있어서; 상기 설정하는 공정에서는, 상기 임시의 보강층의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면을 설정해도 된다.

본 발명은 상기 이외의 다양한 형태로 실현할 수 있다. 예를 들어 고압 탱크, 고압 탱크의 제조 방법, 고압 탱크의 제조 장치, 고압 탱크의 제조에 이용되는 라이너, 라이너의 제조 방법, 라이너의 제조 장치, 라이너 형상의 설계 방법, 필라멘트 와인딩법에 의한 섬유의 권회 방법, 필라멘트 와인딩 장치, 이들 장치의 제어 방법, 그 제어 방법을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램, 그 컴퓨터 프로그램을 기억한, 일시적이지 않은 기억 매체 등의 형태로 실현할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태로서의 고압 탱크는, 라이너의 돔부에 있어서의, 섬유가 권회된 상태의 외표면의 형상을 등장력 곡면에 근접시키는 것을 과제로 하고 있다. 그러나 이 기술에는 그 외에도, 고압 탱크의 성능(예를 들어 강도, 내구성)의 향상, 고압 탱크의 제조 비용의 저감, 제조 공정 수의 저감, 제조 방법의 간략화, 제조 방법의 공통화, 자원 절약화, 라이너의 성능의 향상, 라이너 형상의 설계 방법의 간략화, 라이너의 제조 비용의 저감, 제조 공정 수의 저감, 제조 방법의 간략화, 제조 방법의 공통화, 자원 절약화 등이 요망되고 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 고압 탱크의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 필라멘트 와인딩법에 있어서의 섬유의 권회 방법에 대하여 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 라이너 돔부 근방에 있어서의 부분 확대도이다.
도 4는 어긋남의 총합에 대하여 설명하는 도면이다.
도 5는 라이너 형상의 설계 방법의 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 6은 라이너 형상의 설계 방법의 공정 P10 내지 P30에 대하여 설명하는 도면이다.
도 7은 라이너 형상의 설계 방법의 공정 P40에 대하여 설명하는 도면이다.
도 8은 라이너 형상의 설계 방법의 공정 P50에 대하여 설명하는 도면이다.
도 9는 본 실시 형태의 고압 탱크에 관한 성능 평가의 결과를 도시하는 도면이다.
도 10은 비교예의 고압 탱크에 관한 성능 평가의 결과를 도시하는 도면이다.

A. 실시 형태:

A-1. 고압 탱크의 구성:

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 고압 탱크(10)의 구성을 설명하는 도면이다. 도 1은 고압 탱크(10)의 단면의 구성을 도시하고 있다. 고압 탱크(10)는, 라이너(40)와, 라이너(40)의 외표면을 덮는 보강층(50)과, 2개의 구금(14)을 구비한다. 구금(14)은 개구부(14o)를 갖는다. 2개의 구금(14) 중 한쪽은 생략해도 된다.

라이너(40)는 고압 탱크(10)의 내각 또는 내용기라고도 칭해지며, 내부에 유체를 저장하는 공간(25)을 갖는다. 라이너(40)는 가스 배리어성을 가지며, 공간(25)에 저장되는 수소 가스 등의 기체가 외부에 투과되는 것을 억제한다. 라이너(40)는, 나일론계 수지, 폴리에틸렌계 수지 등의 합성 수지나, 스테인레스강 등의 금속을 사용하여 제작된다. 본 실시 형태에서는, 라이너(40)는 나일론계 수지를 사용하여 일체 성형되어 있다.

라이너(40)는, 라이너 원통부(42)와, 라이너 돔부(44)를 포함한다. 라이너 원통부(42)는, 라이너(40) 중 원통 형상의 부분이며, 도 1에 있어서 2점 쇄선으로 구획된 내측의 부분이다. 라이너 원통부(42)는 「원통부」로서 기능한다.

라이너 돔부(44)는, 라이너 원통부(42)의 양 단부로부터 연신된 반구면형(바꾸어 말하면 돔 형상 또는 곡면 형상)의 부분이며, 도 1에 있어서 2점 쇄선으로 구획된 외측의 부분이다. 라이너 돔부(44)는, 라이너 원통부(42)의 중심축 AX(도 1, 1점 쇄선) 방향에 대하여, 라이너 원통부(42)로부터 이격되는 데 따라 직경 축소되어 있다. 라이너 돔부(44)가 가장 직경 축소된 부분은 개구되고, 개구에 구금(14)이 삽입되어 있다. 라이너 돔부(44)는 「돔부」로서 기능한다.

보강층(50)은, 열경화성 수지가 함침된 섬유를 라이너(40)의 외표면에 권회함으로써 형성된 섬유층이다. 열경화성 수지로서는, 예를 들어 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 수지 등을 채용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 에폭시 수지가 채용되어 있다. 섬유로서는, 예를 들어 금속 섬유, 유리 섬유, 카본 섬유, 알루미나 섬유 등의 무기 섬유, 아라미드 섬유 등의 합성 유기 섬유, 또는 면 등의 천연 유기 섬유 등을 채용할 수 있다. 이들 섬유는 단독으로 채용해도 되고, 2종류 이상을 조합하여 채용해도 된다. 본 실시 형태에서는 카본 섬유가 채용되어 있다. 또한 본 실시 형태의 「섬유」라는 호칭에는, 1개로 이루어지는 섬유와, 복수 개의 섬유로 이루어지는, 소위 섬유 다발의 양쪽을 포함한다.

도 2는, 필라멘트 와인딩법에 있어서의 섬유의 권회 방법에 대하여 설명하는 도면이다. 도 1에 도시한 보강층(50)은 필라멘트 와인딩법에 의하여 형성되어 있다. 필라멘트 와인딩법에서는, 후프 권회와 헬리컬 권회에 의하여 라이너(40)에 섬유를 권회하여 보강층(50)을 형성한다. 그 후, 보강층(50)이 형성된 라이너(40)를 가열함으로써, 섬유에 함침되어 있는 열경화성 수지를 경화시킨다.

도 2의 (A)는 후프 권회에 대하여 설명하는 도면이다. 도 2의 (A)에서는, 라이너(40)에 섬유(51)가 후프 권회되고 있는 도중의 상태를 도시하고 있다. 후프 권회에서는, 섬유(51)가 라이너 원통부(42)의 중심축 AX에 대하여 대략 수직으로 되도록 섬유(51)를 권회하면서, 권회 위치{바꾸어 말하면 가이드(15)의 위치}를 중심축 AX 방향으로 이동시킨다. 바꾸어 말하면 후프 권회란, 중심축 AX와 섬유(51)의 권회 방향이 이루는 각도가 대략 수직으로 되도록 섬유(51)를 권회하는 방법이다. 여기서 「대략 수직」이란, 90°와, 섬유(51)끼리가 중첩되지 않도록 섬유의 권회 위치를 어긋나게 함으로써 발생할 수 있는 90° 전후의 각도의 양쪽을 포함한다.

도 2의 (B)는 헬리컬 권회에 대하여 설명하는 도면이다. 도 2의 (B)에서는, 라이너(40)에 섬유(51)가 헬리컬 권회되고 있는 도중의 상태를 도시하고 있다. 헬리컬 권회에서는, 섬유(51)가 라이너 원통부(42)의 중심축 AX에 대하여 소정의 각도로 되도록 섬유(51)를 권회하면서, 권회 위치를 라이너(40)의 주위에 있어서 이동시킨다. 바꾸어 말하면 헬리컬 권회란, 중심축 AX와 섬유(51)의 권회 방향이 이루는 각도 α가 소정의 각도로 되도록 섬유(51)를 권회하는 방법이다. 소정의 각도란, 임의로 정할 수 있다. 예를 들어 소정의 각도를 작게 하면, 도 2의 (B)와 같이, 섬유(51)가 중심축 AX를 일주하기 전에, 라이너 돔부(44)에 있어서의 섬유(51)의 권회 방향의 접힘이 발생하는 권회 방법(소위 저각도 헬리컬 권회)을 실현할 수 있다. 한편, 소정의 각도를 크게 하면, 라이너 돔부(44)에 있어서의 섬유(51)의 권회 방향의 접힘이 발생할 때까지, 라이너 원통부(42)에 있어서 섬유(51)가 중심축 AX를 적어도 일주하는 권회 방법(소위 고각도 헬리컬 권회)을 실현할 수 있다.

이와 같이, 라이너(40)에 대하여 섬유(51)가 후프 권회 및 헬리컬 권회됨으로써, 라이너(40)의 외표면에는 복수에 걸친 섬유(51)의 층이 형성된다. 이후, 1개의 섬유(51)의 층을 「단섬유층」 또는 「섬유층」이라고도 칭한다. 보강층(50)은 이들 복수의 단섬유층에 의하여 형성되어 있다.

도 3은 도 1의 라이너 돔부(44) 근방에 있어서의 부분 확대도이다. 본 실시 형태의 라이너(40)는, 라이너 돔부(44)의 외표면의 형상이 등장력 곡면과는 상이한 소정의 곡면 형상이다. 여기서, 본 실시 형태에 있어서의 「소정의 곡면」이란, 섬유(51)가 헬리컬 권회되어 복수의 단섬유층으로 이루어지는 보강층(50)이 형성된 상태에 있어서, 보강층(50)의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면 S0(도 3, 파선)이 형성되는 형상이다. 바꾸어 말하면 소정의 곡면이란, 라이너 돔부(44)에 섬유(51)가 헬리컬 권회로 권회되어 가는 과정에 있어서, 등장력 곡면 S0(도 3, 파선)이 형성되는 형상이다. 또한 등장력 곡면 S0은 1개의 단섬유층에 의하여 형성되어 있어도 되고, 복수의 단섬유층에 의하여 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 복수의 단섬유층은 인접하고 있어도 되고, 중첩되어 있어도 된다.

본 실시 형태에 있어서, 어느 부위에 있어서의 「보강층(50)의 두께」란, 라이너 돔부(44)의 외표면의 어느 부위로부터 라이너 돔부(44)의 두께 방향으로 수선을 그은 경우의, 수선 상의 보강층(50)의 두께를 의미한다. 이 때문에, 보강층(50)의 두께는 라이너 돔부(44)의 외표면에 있어서의 각 부위에 따라 상이하다. 또한 본 실시 형태에 있어서 「대략 중앙」이란, 보강층(50)의 두께 방향의 중앙으로부터 ±10%의 범위 내가 바람직하고, ±3%의 범위 내가 보다 바람직하다.

여기서, 섬유(51)는, 길이 방향으로의 인장에 대한 강도와 비교하여 굵기 방향으로의 인장에 대한 강도가 약하다. 따라서 단섬유층의 각 층에 있어서의 섬유(51)의 강도를 충분히 얻으면서, 또한 각 층에 있어서의 섬유(51)의 어긋남을 억제하기 위해서는, 단섬유층의 각 층이 각각 등장력 곡면을 형성하고 있는 것이 바람직하다. 그러나 헬리컬 권회의 성질상, 라이너 돔부(44)의 구금(14)의 근방에서는, 섬유(51)의 접힘에 수반하는 섬유(51)의 집중이 발생한다. 이 때문에, 도 3에 도시한 바와 같이, 라이너 돔부(44)의 구금(14)의 근방에서는, 다른 부분{예를 들어 라이너 돔부(44)와 라이너 원통부(42)의 경계 부분}과 비교하여 단섬유층의 수가 많아져 보강층(50)이 두꺼워진다. 따라서 구금(14)의 근방으로부터 라이너 원통부(42)의 근방에 걸친 라이너 돔부(44)의 모든 부분에 있어서, 단섬유층의 각 층에 각각 등장력 곡면을 형성시키는 것은, 헬리컬 권회의 성질상 곤란하다.

도 4는 어긋남의 총합에 대하여 설명하는 도면이다. 도 4의 (A)는, 본 실시 형태의 고압 탱크(10)에 대하여, 보강층(50)에 포함되는 5개의 단섬유층을 도시한다. 도 3에서 설명한 바와 같이, 고압 탱크(10)에서는, 보강층(50)의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면 S0이 형성된다. 즉, 보강층(50)은 등장력 곡면 S0을 포함한다. 예를 들어 도 4의 (A)의 단섬유층 SF3이, 보강층(50)의 두께 방향의 대략 중앙에 위치하는 단섬유층인 경우, 단섬유층 SF3에 있어서 등장력 곡면 S0이 형성된다. 등장력 곡면으로부터 한층 멀어지는 데 따라 발생하는, 단섬유층의 형상의 등장력 곡면으로부터의 어긋남량을 「1」로 한다. 이때, 도 4의 (A)에 있어서 괄호를 씌운 숫자로 표시한 바와 같이, 단섬유층 SF3의 어긋남량은 0, 단섬유층 SF2, SF4의 어긋남량은 1, 단섬유층 SF1, SF5의 어긋남량은 2로 된다. 이 결과, 도 4의 (A)에 도시하는 본 실시 형태의 경우, 5개의 단섬유층을 적층하여 보강층(50)을 구성했을 때의 어긋남량의 총합은 「2+1+0+1+2=6」으로 된다.

도 4의 (B)는, 비교예의 고압 탱크에 대하여, 보강층(50x)에 포함되는 5개의 단섬유층을 도시한다. 비교예의 고압 탱크에서는, 라이너 돔부의 외표면을 등장력 곡면으로 하고 있다. 이때, 도 4의 (B)에 있어서 괄호를 씌운 숫자로 표시한 바와 같이, 단섬유층 SF1의 어긋남량은 1, 단섬유층 SF2의 어긋남량은 2, 단섬유층 SF3의 어긋남량은 3, 단섬유층 SF4의 어긋남량은 4, 단섬유층 SF5의 어긋남량은 5로 된다. 이 결과, 도 4의 (B)에 도시하는 비교예의 경우, 5개의 단섬유층을 적층하여 보강층(50x)을 구성했을 때의 어긋남량의 총합은 「1+2+3+4+5=15」로 된다.

이와 같이, 보강층(50)의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면 S0을 형성하기로 하면{도 3, 도 4의 (A)}, 라이너 돔부(44)의 외표면에 등장력 곡면을 형성하는 경우{도 4의 (B)}와 비교하여, 단섬유층의 형상의 등장력 곡면으로부터의 어긋남량의 총합을 대폭 저감시킬 수 있다. 이 결과, 본 실시 형태의 고압 탱크(10)는, 비교예의 고압 탱크와 비교하여, 보강층(50)에 포함되는 각 단섬유층에 있어서의 섬유(51)의 강도를 충분히 얻을 수 있어, 고압 탱크(10)의 강도를 대폭 향상시킬 수 있다.

A-2. 라이너 형상의 설계 방법:

도 5는, 라이너 형상의 설계 방법의 수순을 도시하는 흐름도이다. 본 실시 형태의 고압 탱크(10)에 사용되는 라이너(40)(도 3)의 형상은, 도 5에 도시하는 수순에 따라 설계되어 있다.

도 6은, 라이너 형상의 설계 방법의 공정 P10 내지 P30에 대하여 설명하는 도면이다. 도 6 및 이후의 도면에서는, 최종적인 라이너(40)의 형상을 얻기 위하여 사용되는 임시의 라이너에 대하여, 부호 「a」를 붙여 도시한다. 즉, 예를 들어 라이너(40)와 라이너(40a)는 대응하는 한편으로 상이한 형상이고, 라이너 돔부(44)와 라이너 돔부(44a)는 대응하는 한편으로 상이한 형상이다. 이후, 임시의 라이너(40a)를 「제1 라이너(40a)」라고도 칭하고, 최종적인 라이너(40)를 「제2 라이너(40)」라고도 칭한다.

도 5의 공정 P10에 있어서, 라이너의 반경 R(도 6)을 결정한다. 반경 R은, 제1 라이너(40a)와 제2 라이너(40) 간에서 공통이다. 반경 R은, 예를 들어 고압 탱크(10)에 요구되는 용량에 따라 결정할 수 있다.

도 5의 공정 P20에 있어서, 제1 등장력 곡면에 기초하여 제1 라이너(40a)의 형상을 결정한다. 구체적으로는, 도 6에 있어서 파선으로 나타낸 바와 같이, 제1 라이너(40a)의 라이너 돔부(44a)의 외표면의 형상을 등장력 곡면 S1로 한다. 등장력 곡면 S1을 「제1 등장력 곡면 S1」이라고도 칭한다.

도 5의 공정 P30에 있어서, 제1 라이너(40a)에 있어서의 보강층(50a)(도 6)의 구성을 구한다. 구체적으로는, 고압 탱크(10)에 요구되는 강도에 따라, 권회해야 할 섬유(51)의 양을 구한다. 다음으로, 구한 양의 섬유(51)를 제1 라이너(40a)에 후프 권회 및 헬리컬 권회한 경우의 보강층(50a)의 구성을 구한다. 보강층(50a)은 「임시의 보강층」으로서 기능한다.

도 7은, 라이너 형상의 설계 방법의 공정 P40에 대하여 설명하는 도면이다. 도 5의 공정 P40에 있어서, 반경 R에 보강층(50a)의 두께의 1/2을 더하여 제2 등장력 곡면을 구한다. 구체적으로는, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 라이너(40a)의 라이너 돔부(44a)와 라이너 원통부(42)의 경계 부분에 대하여, 반경 R에 보강층(50a)의 두께 ST의 1/2(즉, ST/2)을 더한 기준점을 구한다. 다음으로, 구한 기준점을 기점으로 한 등장력 곡면 S2(도 7, 파선)를 구한다. 등장력 곡면 S2를 「제2 등장력 곡면 S2」라고도 칭한다.

도 8은, 라이너 형상의 설계 방법의 공정 P50에 대하여 설명하는 도면이다. 도 5의 공정 P50에 있어서, 제2 등장력 곡면 S2로부터 각 부위에 있어서의 보강층(50a)의 두께의 1/2을 감하여 제2 라이너(40)의 형상을 결정한다. 구체적으로는 이하의 수순 a1, a2와 같다.

(a1) 제1 라이너(40a) 중, 라이너 돔부(44a)와 라이너 원통부(42)의 경계로부터 구금(14)의 근방에 걸친 각 부위에 대하여, 공정 P40에서 구한 제2 등장력 곡면 S2로부터 각 부위의 외표면에 형성되어 있는 보강층(50a)의 두께의 1/2을 감한 점을 구한다.

(a2) 수순 a1에서 구한 각 점을 통과하도록 제2 라이너(40)의 외표면의 형상{보다 구체적으로는 라이너 돔부(44)의 외표면의 형상}을 결정한다. 수순 a2에서 결정된 라이너 돔부(44)의 외표면의 형상은 「소정의 곡면 형상」으로서 기능한다.

도 8에서는, 제1 라이너(40a)의 3개의 부위에 대하여, 상술한 수순 a1, a2를 실행한 경우를 예시하고 있다. 구체적으로는 점 P1은, 제2 등장력 곡면 S2로부터 보강층(50a)의 두께 T1의 1/2을 감한 점으로서 산출된다. 마찬가지로 점 P2는, 제2 등장력 곡면 S2로부터 보강층(50a)의 두께 T2의 1/2을 감한 점으로서 산출되고, 점 P3은, 제2 등장력 곡면 S2로부터 보강층(50a)의 두께 T3의 1/2을 감한 점으로서 산출된다. 이 결과, 도 8의 예에서는, 제2 라이너(40)의 라이너 돔부(44)의 소정의 곡면 형상(도 8, 1점 쇄선)은, 구해진 점 P1 내지 P3을 통과하는 형상으로 결정된다.

도 8의 예에서 밝혀진 바와 같이, 보강층(50a)의 두께는, 라이너 돔부(44a)와 라이너 원통부(42)의 경계 근방으로부터 구금(14)의 근방으로, 수순 a1, a2에 있어서의 처리의 대상으로 하는 부위가 이동함에 따라 커진다. 이 때문에, 점 P1 내지 P3을 각각 구하기 위하여 감해지는 값의 관계는, (T1/2)<(T2/2)<(T3/2)로 된다.

이 결과, 최종적으로 얻어지는 제2 라이너(40)에 대하여, 라이너 돔부(44)의 소정의 곡면 형상은 등장력 곡면은 아니며, 제1 라이너(40a)와 비교하여 구금(14)의 근방이 보다 오목한 형상으로 된다. 바꾸어 말하면, 라이너 돔부(44)의 소정의 곡면 형상은, 등장력 곡면 S0(도 3, 파선) 및 제2 등장력 곡면 S2(도 7, 파선)로부터의 어긋남의 크기가, 라이너 원통부(42)와 라이너 돔부(44)의 경계 근방으로부터 라이너 원통부(42)의 중심축 AX 근방(즉, 구금(14)의 근방)에 걸쳐 서서히 커지는 형상으로 된다.

또한 도 8에서는, 도시의 편의상, 제1 라이너(40a)의 3개의 부위에 대하여 상술한 수순 a1, a2를 실행한 경우를 도시하였다. 그러나 라이너 형상의 설계 방법(도 5)에 있어서, 수순 a1, a2를 실행하는 부위의 수는 임의로 결정할 수 있으며, 정밀도 향상의 관점에서는 많으면 많을수록 좋다.

이상과 같이, 상기 실시 형태의 라이너 형상의 설계 방법에 의하면, 본 실시 형태의 고압 탱크(10)(도 3)에 있어서의 라이너(40)의 형상을 간편히 구할 수 있다.

A-3. 평가:

도 9는, 본 실시 형태의 고압 탱크(10)에 관한 성능 평가의 결과를 도시하는 도면이다. 도 10은, 비교예의 고압 탱크에 관한 성능 평가의 결과를 도시하는 도면이다. 성능 평가에서는, 이하의 2개의 고압 탱크에 대하여, CAE(Computer Aided Engineering) 해석의 유한 요소법(FEM, Finite Element Method)을 이용하여, 보강층(50, 50a)에 발생한 섬유(51)의 변형량을 취득하였다.

·본 실시 형태의 고압 탱크(10): 라이너 형상의 설계 방법(도 5)을 이용하여 얻어진 제2 라이너(40)를 채용한 고압 탱크.

·비교예의 고압 탱크: 라이너 형상의 설계 방법(도 5)의 제1 라이너(40a)를 채용한 고압 탱크.

도 9 및 도 10에서는, 섬유(51)의 변형량이 작은 부분에는 담색의 해칭을 부가하고, 섬유(51)의 변형량이 커짐에 따라 서서히 농색으로 되는 해칭을 부가하였다. 도시한 바와 같이, 비교예의 고압 탱크(도 10)와 비교하여 본 실시 형태의 고압 탱크(10)(도 9)에서는, 구금(14)의 단부에 발생해 있었던 큰 변형이 저감되어 있음을 알 수 있다. 또한 본 실시 형태의 고압 탱크(10)에서는, 보강층(50)의 외표면에 발생해 있었던, 광범위에 걸친 변형이 저감되어 있음을 알 수 있다. 이때, 본 실시 형태의 고압 탱크(10)에 관한 CAE 해석에 의하여 얻어진 최대 발생 변형량은, 비교예의 고압 탱크에 비하여 약 5% 저감되었다.

이상과 같이, 상기 실시 형태의 고압 탱크(10)에서는, 라이너(40)의 라이너 돔부(44)(돔부)의 외표면의 형상(도 3)이 등장력 곡면과는 상이한 소정의 곡면 형상이며, 라이너 돔부(44)에 섬유(51)가 헬리컬 권회로 권회되어 가는 과정에 있어서, 등장력 곡면 S0(도 3, 파선)이 형성되는 소정의 곡면 형상으로 되어 있다. 이로 인하여, 도 4에서 설명한 바와 같이, 보강층(50)에 포함되는 각 단섬유층(각 섬유층)의 형상의 등장력 곡면으로부터의 어긋남량의 총합을, 라이너 돔부(44)를 등장력 곡면으로 한 경우와 비교하여 저감시킬 수 있다. 이 결과, 본 실시 형태의 고압 탱크(10)에 의하면, 보강층(50)에 포함되는 각 단섬유층에 있어서의 섬유(51)의 강도를 얻을 수 있어, 고압 탱크(10)의 강도를 향상시킬 수 있다.

또한 상기 실시 형태의 고압 탱크(10)에 있어서, 소정의 곡면 형상은, 섬유(51)가 권회되어 복수의 단섬유층(섬유층)으로 이루어지는 보강층(50)이 형성된 상태에 있어서, 보강층(50)의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면 S0(도 3, 파선)이 형성되는 형상으로 되어 있다. 이로 인하여, 도 4에서 설명한 바와 같이, 보강층(50)에 포함되는 각 단섬유층(각 섬유층)의 형상의 등장력 곡면으로부터의 어긋남량의 총합을 최소로 할 수 있다. 이 결과, 본 실시 형태의 고압 탱크(10)에 의하면, 보강층(50)에 포함되는 각 단섬유층에 있어서의 섬유(51)의 강도를 충분히 얻을 수 있어, 고압 탱크(10)의 강도를 대폭 향상시킬 수 있다.

또한 상기 실시 형태의 고압 탱크(10)에 있어서, 소정의 곡면 형상은, 등장력 곡면으로부터의 어긋남의 크기가, 라이너(40)의 라이너 원통부(42)(원통부)와 라이너 돔부(44)(돔부)의 경계 근방으로부터 라이너 원통부(42)의 중심축 AX 근방{즉, 구금(14)의 근방}에 걸쳐 서서히 커지는 형상이다(도 8). 이로 인하여, 본 실시 형태에 따르면, 라이너(40)의 라이너 돔부(44)의 소정의 곡면 형상을, 필라멘트 와인딩법의 헬리컬 권회의 성질을 고려한 형상으로 할 수 있다.

B. 변형예:

또한 본 발명은 상기 실시 형태나 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 형태에서 실시하는 것이 가능하고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.

·변형예 1:

상기 실시 형태에서는 고압 탱크의 구성의 일례를 나타내었다. 그러나 고압 탱크의 구성은 다양한 변경이 가능하며, 예를 들어 구성 요소의 추가, 삭제, 변환 등을 실시 가능하다.

예를 들어 고압 탱크에 있어서의 보강층은, 상술한 후프 권회나 헬리컬 권회(고각도 헬리컬 권회, 저각도 헬리컬 권회의 양쪽을 포함함) 이외의 방법에 의하여 권회된 섬유에 의하여 형성되어도 된다.

예를 들어 고압 탱크에 있어서의 보강층은, 기능이 상이한 복수 종류의 보강층(예를 들어 CFRP층과 GFRP층)으로 구성되어 있어도 된다. 이 경우, 라이너 형상의 설계 방법의 공정 P40, P50에서는, 복수 종류의 보강층의 두께의 총합에 기초한 계산을 실시해도 되고, 어느 1종의 보강층(예를 들어 CFRP층)의 두께에 기초한 계산을 실시해도 된다.

·변형예 2:

상기 실시 형태에서는 라이너 형상의 설계 방법의 일례를 나타내었다. 그러나 라이너 형상의 설계 방법은 다양한 변경이 가능하며, 예를 들어 공정의 추가, 삭제, 공정에 있어서 실시되는 내용의 변경 등이 가능하다.

예를 들어 공정 P20에서는, 제1 라이너의 라이너 돔부의 외표면의 형상을 제1 등장력 곡면 S1로 하였다. 그러나 제1 라이너의 라이너 돔부의 외표면의 형상은, 등장력 곡면과는 상이한 형상으로 해도 된다.

예를 들어 공정 P40에서는, 제2 등장력 곡면 S2를 구할 때의 기준점을, 라이너의 반경 R에 임시의 보강층의 두께의 1/2을 더한 점으로 하였다. 그러나 이 기준점은, 임시의 보강층의 내부에 설정되는 한, 임의로 정할 수 있다. 예를 들어 기준점은, 반경 R에 임시의 보강층의 두께의 1/n(n은 임의의 양수)을 더한 점으로 할 수 있다. 이와 같이 하더라도, 라이너 돔부를 등장력 곡면으로 한 경우와 비교하여, 보강층에 포함되는 각 단섬유층의 형상의 등장력 곡면으로부터의 어긋남량의 총합을 저감시킬 수 있다.

예를 들어 공정 P50에서는, 라이너 돔부의 소정의 곡면 형상을 구하기 위하여, 제2 등장력 곡면 S2로부터 각 부위에 대응하는 임시의 보강층의 두께의 1/2을 감하였다. 그러나 제2 등장력 곡면 S2로부터 감하는 두께의 값은 임의로 정할 수 있다. 예를 들어 제2 등장력 곡면 S2로부터 감하는 두께의 값은, 각 부위에 대응하는 임시의 보강층의 두께의 1/m(m은 임의인 양수)로 할 수 있다. 또한 상기 변형예에 있어서의 「n」과 본 변형예에 있어서의 「m」은, 동일한 수로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하더라도, 상기 실시 형태의 고압 탱크에 사용되는 라이너의 형상을 간편히 결정할 수 있다.

·변형예 3:

본 발명은 상술한 실시 형태나 실시예, 변형예에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어 발명의 내용란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 실시예, 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위하여, 또는 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위하여, 적절히 대체나 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히 삭제하는 것이 가능하다.

10: 고압 탱크
14: 구금
14o: 개구부
15: 가이드
25: 공간
40: 라이너, 제2 라이너
40a: 제1 라이너
42: 라이너 원통부
44, 44a: 라이너 돔부
50, 50a, 50x: 보강층
51: 섬유
AX: 중심축
S0: 등장력 곡면
S1: 제1 등장력 곡면
S2: 제2 등장력 곡면
SF1 내지 SF5: 단섬유층

Claims

고압 탱크이며,
상기 고압 탱크의 내각(內殼)으로 되는 라이너이며, 원통 형상의 원통부와, 상기 원통부의 양 단부로부터 각각 연신된 곡면 형상의 돔부를 포함하는 라이너와,
상기 라이너의 외표면에 섬유를 권회함으로써 형성되어 있는 보강층을 구비하고,
상기 돔부 중 적어도 한쪽은, 등장력 곡면과는 상이한 소정의 곡면이며, 상기 돔부에 상기 섬유가 헬리컬 권회로 권회되는 과정에 있어서 등장력 곡면이 형성되는 소정의 곡면을 갖는, 고압 탱크.
제1항에 있어서,
상기 소정의 곡면은, 상기 돔부에 대응하는 상기 보강층의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면이 형성되는 형상인, 고압 탱크.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 소정의 곡면은, 등장력 곡면으로부터의 어긋남의 크기가, 상기 라이너의 상기 원통부와 상기 돔부의 경계 근방으로부터 상기 원통부의 중심축 근방에 걸쳐 서서히 커지는 형상인, 고압 탱크.
고압 탱크의 제조 방법이며,
상기 고압 탱크의 내각으로 되는 라이너이며, 원통 형상의 원통부와, 상기 원통부의 양 단부로부터 등장력 곡면과는 상이한 소정의 곡면을 갖도록 각각 연신된 돔부를 포함하는 라이너를 준비하는 공정과,
상기 라이너의 외표면에 섬유를 헬리컬 권회로 권회함으로써 보강층을 형성하는 공정이며, 상기 돔부 중 적어도 한쪽의 외표면에 있어서 등장력 곡면이 형성되도록 상기 섬유를 권회하는 공정을 포함하는, 고압 탱크의 제조 방법.
고압 탱크의 내각으로 되는 라이너 형상의 설계 방법이며,
원통 형상의 원통부의 양 단부로부터 각각 연신된 돔부의 형상을 등장력 곡면으로 한 임시의 라이너의 형상을 결정하는 공정과,
상기 임시의 라이너의 외표면에 있어서, 섬유를 권회함으로써 형성된 임시의 보강층의 구성을 구하는 공정과,
상기 임시의 보강층의 내부에 등장력 곡면을 설정하는 공정과,
설정된 등장력 곡면과, 상기 임시의 보강층의 두께에 기초하여, 최종적인 라이너의 상기 돔부가 갖는 소정의 곡면의 형상을 결정하는 공정을 포함하는, 라이너 형상의 설계 방법.
제5항에 있어서,
상기 설정하는 공정에서는, 상기 임시의 보강층의 두께 방향의 대략 중앙의 부분에 등장력 곡면을 설정하는, 라이너 형상의 설계 방법.