WO2010116527A1 - タンクおよびその製造方法 - Google Patents

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力 大塚
弘和 大坪
基弘 水野
武範 相山
智志 大沼
敦幸 大神
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a tank and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to an improvement in the structure of a tank filled with hydrogen gas or the like at a high pressure.
  • a tank used for storing hydrogen or the like a tank having an FRP layer in which hoop layers and helical layers are alternately stacked on the outer periphery of a liner is used (see, for example, Patent Document 1).
  • the hoop layer is a layer formed by winding a fiber (for example, carbon fiber) by hoop winding (how to wind the tank body portion substantially perpendicular to the tank axis), and the helical layer is made of a fiber such as CF (carbon fiber).
  • This is a layer formed by helical winding (which is substantially parallel to the tank axis and wound to the tank dome) (see FIG. 2 of the present application).
  • an FRP casing in which the outer periphery of the mandrel is helically wound and a tank in which the phase of the reinforcing fiber bundle of each helical layer is shifted in the cylindrical circumferential direction is also disclosed.
  • an object of the present invention is to provide a tank having a structure in which both burst strength and fatigue strength are achieved, and a method for manufacturing the same.
  • the present inventor has made various studies to solve such problems.
  • the fatigue strength can be improved if the inner layer is made low in Vf, but the burst strength may be lowered in that case. That is, the burst strength increases as the Vf (fiber volume content) increases, but the conventional tank does not have a high burst strength because the Vf of the inner layer is lowered to improve the fatigue strength.
  • the burst strength increases as the Vf (fiber volume content) increases, but the conventional tank does not have a high burst strength because the Vf of the inner layer is lowered to improve the fatigue strength.
  • the fatigue strength decreases when the structural bending of the fiber of the hoop layer described above is large. That is, when the FRP layer is formed by stacking the hoop layer and the helical layer, if the helical layer itself adjacent to the hoop layer has irregularities, the irregularities are transferred to the adjacent hoop layer, thereby The fiber of the layer itself meanders to create undulations, and bending (undulations) due to the structure occurs in the hoop layer.
  • the present inventor who has repeatedly studied how to reduce the structural bending (undulation) that can occur in the fibers of the hoop layer, has obtained new knowledge that leads to the solution of such problems.
  • the present invention is based on such knowledge, and in a tank having a liner and an FRP layer composed of a hoop layer and a helical layer formed by winding fibers on the outer periphery of the liner, at least the innermost helical layer has It is a smooth helical layer.
  • the helical layer is wound so as to be substantially parallel to the tank axis and to be folded back at the tank dome (see FIG. 2), so as to eliminate a gap between adjacent fibers. Winding is fundamentally difficult because no special consideration is given. In general, the helical layer is wound randomly, so that the overlapping and arrangement of fibers are not taken into account. Conventionally, for example, the phase of the reinforcing fiber bundle of each helical layer is shifted in the circumferential direction of the cylinder. However, there has been no proposal or focus on forming a helical layer with little or no unevenness in a tank having a dome.
  • the innermost helical layer is a smooth helical layer, that is, a helical layer having no or little unevenness, it is possible to suppress the unevenness from being transferred to the hoop layer adjacent to the helical layer. it can.
  • the surface of the uneven helical layer which is a helical layer that has not been subjected to a smoothing process and has an uneven surface, and is indicated by reference numeral 70B in FIGS. 11 and 12). It is possible to reduce the bending of the structural fiber due to. By suppressing the structural bending (undulation) of the fiber of the hoop layer adjacent to the concave and convex helical layer, the fatigue strength of the fiber itself can be improved.
  • the fiber layer (helical layer, hoop layer) has a greater contribution to the tank strength as the inner layer (layer closer to the liner).
  • the hoop layer adjacent to the smooth helical layer (for example, the hoop layer wound outside the smooth helical layer) is smoothed. It can be wound and can greatly contribute to the improvement of tank strength.
  • the layer adjacent to the hoop layer is preferably a hoop layer or a smooth helical layer.
  • the surface of the layer adjacent to the hoop layer can be a smooth surface, the bending of the fiber due to the structure can be prevented or reduced.
  • the layer adjacent to the concave and convex helical layer is preferably a smooth helical layer.
  • the uneven surface of the uneven helical layer can be absorbed by the smooth helical layer so that the influence of the unevenness does not reach the hoop layer. .
  • the smooth helical layer has N points arranged in the circumferential direction as reference positions, and the fibers are wound around the outer periphery of the liner so as to sequentially pass through the reference positions. It is preferably formed by winding the fibers sequentially at positions shifted in the circumferential direction so as to be adjacent to the wound fibers.
  • the wound resin by the wound resin, a pattern in which substantially triangular unit patterns are regularly combined is formed on the surface of the smooth helical layer, and the boundary between adjacent unit patterns is the circumferential direction of the tank. It is preferable that 2N locations appear.
  • the pattern formed in the dome portion of the tank by the wound fiber is an N-gon. More preferably, N is any integer from 1 to 5.
  • the manufacturing method according to the present invention is a method of manufacturing a tank having a liner and an FRP layer made of a hoop layer and a helical layer formed by winding fibers on the outer periphery of the liner.
  • the N points arranged in the reference position are used as reference positions, and the fibers are wound around the outer periphery of the liner so as to sequentially pass through the reference positions, and then shifted in the circumferential direction so as to be adjacent to the already wound fibers.
  • the fibers are sequentially wound around the position, and at least the innermost helical layer is a smooth helical layer.
  • the cylinder according to the present invention is a cylinder having an FPR layer composed of a hoop layer formed by winding fibers and a helical layer, and at least the innermost helical layer is a smooth helical layer. Is.
  • a tank having a structure in which both burst strength and fatigue strength are achieved can be realized. Moreover, the cylinder which improved fatigue strength is realizable.
  • FIG. 1 It is sectional drawing and the elements on larger scale which show the structure of the tank (high pressure tank) in one Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows the structure of the tank (high pressure tank) in one Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows the structural example vicinity of the nozzle
  • FIG. 4 is a projected view of a tank along the tank axial direction for explaining an example of a helical winding for forming a smooth helical layer and a “pattern number”. It is a figure which shows an example of FW (filament winding) apparatus. It is a figure which shows a mode that a fiber is wound around the outer periphery of a liner using the fiber guide apparatus of FW apparatus. It is a perspective view which shows an example of the helical winding in a smooth helical layer. It is a projection view along the tank axial direction which shows an example of the helical winding in a smooth helical layer. It is a perspective view which shows an example of the conventional helical winding for reference. It is a projection view along the tank axial direction which shows an example of the conventional helical winding for reference.
  • FIG. 1 to 10 show an embodiment of a tank and a method for manufacturing the same according to the present invention. Below, it demonstrates, exemplifying the case where the tank (henceforth a high pressure tank) 1 concerning this invention is applied to the high pressure hydrogen tank as a hydrogen fuel supply source.
  • the hydrogen tank can be used in a fuel cell system or the like.
  • the high-pressure tank 1 has, for example, a cylindrical tank body 10 having both ends substantially hemispherical, and a base 11 attached to one end of the tank body 10 in the longitudinal direction.
  • the substantially hemispherical portion is referred to as a dome portion
  • the cylindrical body portion is referred to as a straight portion, which are denoted by reference numerals 1d and 1s, respectively (see FIGS. 1 and 2).
  • the high pressure tank 1 shown by this embodiment has the nozzle
  • the tank body 10 has, for example, a two-layer wall layer, and has a liner 20 that is an inner wall layer and, for example, an FRP layer 21 that is a resin fiber layer (reinforcing layer) that is an outer wall layer on the outer side.
  • the FRP layer 21 is formed of, for example, only the CFRP layer 21c, or the CFRP layer 21c and the GFRP layer 21g (see FIG. 1).
  • the liner 20 is formed in substantially the same shape as the tank body 10.
  • the liner 20 is made of, for example, polyethylene resin, polypropylene resin, or other hard resin.
  • the liner 20 may be a metal liner formed of aluminum or the like.
  • a folded portion 30 that is bent inward is formed on the tip end side of the liner 20 having the base 11.
  • the folded portion 30 is folded toward the inside of the tank body 10 so as to be separated from the outer FRP layer 21.
  • the folded portion 30 has, for example, a reduced diameter portion 30a that gradually decreases in diameter as it approaches the folded tip, and a cylindrical portion 30b that is connected to the distal end of the reduced diameter portion 30a and has a constant diameter.
  • the cylindrical portion 30b forms an opening of the liner 20.
  • the base 11 has a substantially cylindrical shape and is fitted into the opening of the liner 20.
  • the base 11 is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy, and is manufactured in a predetermined shape by, for example, a die casting method.
  • the base 11 is fitted into an injection-molded split liner. Further, the base 11 may be attached to the liner 20 by insert molding, for example.
  • the base 11 has a valve fastening seat surface 11a formed on the tip side (outside in the axial direction of the high pressure tank 1), for example, and on the rear side (inside in the axial direction of the high pressure tank 1) of the valve fastening seat surface 11a.
  • An annular recess 11 b is formed with respect to the axis of the high-pressure tank 1.
  • the dent 11b is convexly curved on the shaft side and has an R shape.
  • the vicinity of the tip of the R-shaped FRP layer 21 is in airtight contact with the recess 11b.
  • the surface of the recess 11b that contacts the FRP layer 21 is provided with a solid lubricating coating C such as a fluorine-based resin. Thereby, the friction coefficient between the FRP layer 21 and the recessed part 11b is reduced.
  • the rear side of the recessed portion 11b of the base 11 is formed to fit, for example, the shape of the folded portion 30 of the liner 20, and for example, a flange portion (crest portion) 11c having a large diameter is formed continuously from the recessed portion 11b.
  • a cap cylindrical portion 11d having a constant diameter is formed rearward from the flange portion 11c.
  • the reduced diameter portion 30a of the folded portion 30 of the liner 20 is in close contact with the surface of the flange portion 11c, and the cylindrical portion 30b is in close contact with the surface of the cap cylindrical portion 11d. Seal members 40 and 41 are interposed between the cylindrical portion 30b and the base cylindrical portion 11d.
  • the valve assembly 50 controls supply / discharge of fuel gas between an external gas supply line (supply path 22) and the inside of the high-pressure tank 1. Seal members 60 and 61 are interposed between the outer peripheral surface of the bubble assembly 50 and the inner peripheral surface of the base 11.
  • the FRP layer 21 is formed by, for example, FW molding (filament winding molding), winding a resin-impregnated fiber (reinforcing fiber) 70 around the outer peripheral surface of the liner 20 and the recess 11b of the base 11 and curing the resin.
  • FW molding filament winding molding
  • a resin-impregnated fiber (reinforcing fiber) 70 around the outer peripheral surface of the liner 20 and the recess 11b of the base 11 and curing the resin.
  • the resin of the FRP layer 21 for example, an epoxy resin, a modified epoxy resin, an unsaturated polyester resin, or the like is used.
  • the fiber 70 carbon fiber (CF), metal fiber, or the like is used.
  • the fiber 70 can be wound around the outer peripheral surface of the liner 20 by moving the guide of the fiber 70 along the tank axis direction while rotating the liner 20 around the tank axis.
  • a fiber bundle in which a plurality of fibers 70 are bundled is generally wound around the liner 20
  • the tank 1 is formed by winding a fiber (for example, carbon fiber) 70 around the outer periphery of the liner 20 and curing the resin.
  • a fiber for example, carbon fiber
  • a hoop layer (indicated by reference numeral 70P in FIG. 4) is formed by a layer in which a resin is hoop-wound, and a helical layer (FIG. 9, FIG. In FIG. 10, the reference numeral 70H) is formed.
  • the fiber 70 is wound around the straight portion (tank body portion) of the tank 1 like a coil spring, and the portion is tightened, and the force toward the Y-axis positive direction by the gas pressure (expanding radially outward).
  • the liner 20 is made to act on the liner 20 to counteract (the force to try to).
  • the latter helical winding is a winding method whose main purpose is to tighten the dome portion in the tightening direction (inward in the tank axial direction), and the fibers 70 are attached to the tank 1 so as to be caught by the dome portion.
  • the overall winding mainly contributes to improving the strength of the dome.
  • an acute angle (of which an acute angle is formed) between a string 70 of a fiber 70 wound like a coil spring (a thread line in a screw) and a center line of the tank 1 (tank shaft 12). 2) is the “winding angle with respect to the tank shaft (12)” of the fiber 70 referred to in the present specification, which is indicated by the symbol ⁇ in FIG.
  • the hoop winding is a method in which the fiber 70 is wound substantially perpendicularly to the tank axis in the straight portion, and the specific winding angle at that time is, for example, 80 to 90 ° (see FIG. 2).
  • Helical winding (or impregnation winding) is a winding method in which the fiber 70 is also wound around the dome, and the winding angle with respect to the tank shaft is smaller than that in the case of hoop winding (see FIG. 2). If the helical winding is roughly divided into two types, there are two types, a high angle helical winding and a low angle helical winding.
  • the high angle helical winding has a relatively large winding angle with respect to the tank shaft. ⁇ 80 °.
  • the low-angle helical winding has a relatively small winding angle with respect to the tank shaft, and a specific example of the winding angle is 5 to 30 °.
  • a helical winding at a winding angle of 30 to 70 ° between them may be referred to as a medium angle helical winding.
  • the helical layers formed by the high angle helical winding, the medium angle helical winding, and the low angle helical winding are referred to as a high helical layer, a middle helical layer (indicated by reference numeral 70MH), and a low helical layer (indicated by reference numeral 70LH), respectively.
  • the folded portion in the tank axial direction in the dome portion 1d of the high angle helical winding is referred to as a folded portion (see FIG. 2).
  • the hoop winding is a winding method that allows the fibers 70 to be wound spirally while adjoining the fibers 70 so that the fibers 70 are not stacked and the unevenness is not generated.
  • the helical winding is generally intended to tighten the dome portion, and it is difficult to reduce the stacking and unevenness of the fibers 70, or sufficient consideration is given to reducing them. There is no winding method.
  • the hoop winding and the helical winding are appropriately combined according to specifications such as the axial length and diameter of the tank 1, and the hoop layer 70P and the helical layer 70H are stacked around the liner 20 (see FIG. 1 and the like).
  • the unevenness of the helical layer 70H is transferred to the hoop layer 70P, and the fibers 70 of the hoop layer 70P may be bent (undulated).
  • the innermost helical layer 70H is a smooth helical layer, and unevenness that may occur in the hoop layer 70P adjacent thereto is reduced.
  • the smooth helical layer 70 ⁇ / b> H is a layer formed by helical winding so as to reduce the overlap of the fibers 70.
  • the next fiber 70 is wound so as to be arranged directly beside the adjacent fiber 70, and the way in which the fibers 70 overlap is different from the conventional helical layer (uneven helical layer).
  • the innermost helical layer (an inner layer having a high in-plane stress) 70H is preferentially set as a smooth helical layer (the innermost smooth helical layer), and then placed outside the innermost smooth helical layer 70H.
  • the structural bending (undulation), undulation, or undulation of the fiber 70 in the hoop layer 70P can be reduced. That is, since the surface (surface layer) of the smooth helical layer 70H is a smooth surface (see FIG. 4), in the hoop layer 70P formed on the smooth surface, the bending of the structural fiber 70 due to the unevenness ( (Undulation) is reduced.
  • Vf represents the fiber volume content.
  • both the helical layer 70H and the hoop layer 70P have a greater contribution to the tank strength as the layer located on the inner side (the layer closer to the liner 20), and in particular, the straight portion is wound to sufficiently exert pressure resistance.
  • the role of the innermost hoop layer 70P is great.
  • at least the innermost helical layer 70H is a smooth helical layer, so that the hoop layer 70P adjacent to the outside of the smooth helical layer 70H can be formed smoothly.
  • the layer 70P can greatly contribute to improvement of tank strength (see FIG. 4 and the like).
  • the layer adjacent to the hoop layer 70P is preferably another hoop layer 70P or a smooth helical layer 70H. Since the surfaces of the other hoop layers 70P and the smooth helical layer 70H are smoother than the surfaces of the other layers, when forming a certain hoop layer 70P, fibers are formed outside the other hoop layers 70P and the smooth helical layer 70H. If 70 is hoop-wound, the structural bending (undulation) of the fiber 70 in the hoop layer 70P can be reduced. Therefore, it is possible to improve the fatigue strength of the fibers 70, and to improve the burst strength by reducing the thickness of the hoop layer 70P and increasing the Vf (fiber volume content). As an example, in FIG.
  • the first low helical layer (smooth) 70LH, the first hoop layer 70P, the second hoop layer 70P, and the second low helical layer (smooth) 70LH are sequentially formed from the inner layer side.
  • the cross section of is shown.
  • the surfaces of the four layers can all be smooth surfaces (see FIG. 4).
  • the layer adjacent to the uneven helical layer a helical layer that has not been subjected to a smoothing treatment and has unevenness on the surface
  • a smooth helical layer a smooth helical layer.
  • the unevenness on the surface of the uneven helical layer can be absorbed by the smooth helical layer, so that the other hoop layer (for example, a hoop layer formed further outside the smooth helical layer) 70P is not affected by the unevenness.
  • the other hoop layer for example, a hoop layer formed further outside the smooth helical layer
  • FIG. 5 illustrates a cross section when a first low helical layer (smooth) 70LH, a middle helical layer (unevenness) 70MH, and a second low helical layer (smooth) 70LH are sequentially formed from the inner layer side.
  • the middle helical layer (unevenness) 70MH is formed outside the first low helical layer (smooth) 70LH
  • the middle helical layer 70MH Unevenness on the surface can be absorbed by the smooth helical layer (in this case, the second low helical layer 70LH, and further the first low helical layer 70LH) (see FIG. 5).
  • the FW device 80 shown in FIGS. 7 and 8 reciprocates a guide device (referred to as an “eye opening”) 81 of the fiber 70 along the tank axis direction while rotating the liner 20 around the tank axis.
  • the fiber 70 is wound around the outer periphery of the liner 20.
  • the winding angle of the fiber 70 can be changed by changing the relative speed of the movement of the guide device 81 with respect to the rotational speed of the liner 20.
  • the guide device 81 is operably supported by a jig, for example.
  • the pattern number represents the “division number N” and the “shift number s” of the helical winding in the form of “N / s”, for example.
  • N the number of divisions 5, number of shifts 2
  • the outer periphery of the tank 1 near the dome 1d is equally divided into five in the circumferential direction as in the reference positions A to E (FIG. 6). Reference), every time the fiber 70 is rotated by helical winding, the fiber 70 is wound while being shifted so as to pass through two reference positions.
  • the fibers 70 are overlapped with each other, and a helical layer having large unevenness is easily formed (FIGS. 11 and 12). reference).
  • N / 1 is adopted as the helical winding pattern number, and N equally divided points arranged in the circumferential direction are used as reference positions, and the resin is sequentially passed through the reference positions. Is wound around the outer periphery of the liner 20, and then the resin is sequentially wound at positions shifted in the circumferential direction so as to be adjacent to the already wound resin to form the smooth helical layer 70H.
  • N is preferably any integer from 1 to 5.
  • the helical winding of the pattern number “5/1” is divided into five equal parts like the virtual reference positions A to E around the outer periphery of the tank 1 near the dome 1d. Wind it while moving it through the position.
  • the adjacent reference position for example, the reference position B
  • the fiber 70 sequentially passes through the reference positions A ⁇ B ⁇ C ⁇ D ⁇ E every time it goes around and returns to the one dome 1d, and returns to the original reference position A after 5 turns. .
  • This 5 rounds is set as one set, and when one set is completed, the process proceeds to the next set.
  • the fiber 70 is continuously wound so as to be adjacent to the already wound fiber 70. That is, in FIG. 6, if the first set of fibers is denoted by reference numeral 71 and the second set of fibers is denoted by reference numeral 72, the second set of fibers 72 is wound so as to be adjacent to the first set of fibers 71 (FIG. 6). reference). Similarly, the third set of fibers 73 is wound so as to be adjacent to the second set of fibers 72.
  • the fibers 70 can be regularly wound around the liner 20, and unevenness due to the overlapping of the fibers 70 can be reduced (see FIGS. 9 and 10).
  • the smooth helical layer 70H having a smooth surface and few irregularities can be formed. Therefore, it is possible to suppress the unevenness from being transferred to the hoop layer 70P adjacent to the outside of the smooth helical layer 70H, thereby reducing the bending (undulation) of the structural fibers 70 that can occur in the hoop layer 70P. it can.
  • the fatigue strength of the fiber 70 itself can be improved by suppressing the structural bending (undulation) of the fiber 70 of the hoop layer 70P.
  • the burst strength of the tank 1 is improved.
  • Vf fiber volume content
  • the gap between the fibers 70 in the smooth helical layer 70H itself is small, and the thickness per layer is also reduced.
  • the hoop layer 70P is positioned inside the tank 1 where the strength is easily exerted. As a result, the hoop layer 70P can also be thinned.
  • the smooth helical layer 70H is similarly formed even if N is any one of 1 to 4. Can be formed. Further, even if N is 6 or more, it is possible to form the helical layer 70H with reduced surface irregularities. However, as the number of divisions N increases, the winding angle for establishing the smooth helical layer 70H decreases (becomes a low angle) and the manner of overlapping of the fibers 70 also changes, making it difficult to smooth the surface. Tend to be. From this point, it is preferable that the number of division of the pattern number is any integer from 1 to 5 as described above.
  • these boundary portions appear in an X shape. Further, these boundary portions appear in six places during one turn in the circumferential direction of the tank 1 and 2N places in the tank 1 with the division number N (except for the central portion in the tank axial direction).
  • the winding pattern of the helical layer 70H is such that the fibers 70 are fewly stacked and the unevenness is reduced, the bending of the structural fibers 70 in the helical layer 70H can be reduced. Further, since the gap between the fibers 70 in the helical layer 70H can be reduced, the thickness per one helical layer can be reduced. Furthermore, since the surface of the helical layer is smooth and the level difference is reduced, and the level difference that can be transferred to the upper and lower layers (outer layer, inner layer) is also reduced, this can occur in the upper and lower layers (for example, the hoop layer 70P). The bending of the structural fiber 70 can be reduced.
  • Reducing the structural bending of the fibers 70 of the hoop layer 70P contributes particularly to improving the fatigue strength of the straight portion.
  • Reducing the structural bending of the fibers 70 of the helical layer 70H contributes particularly to improving the fatigue strength of the dome portion.
  • reducing the thickness of the FRP layer as a whole and increasing the Vf contributes particularly to improving the burst strength of the tank 1.
  • bending stress due to the shape acts on the dome portion of the tank (pressure vessel) 1, and for example, bending failure of the CFRP layer 21c becomes a decisive factor of so-called delamination.
  • the helical winding of the present embodiment not only the straight part but also the dome part can reduce the gaps between the fibers 70 and reduce the voids. Therefore, the effect of suppressing delamination by reducing the voids can be expected. It can also be expected that the burst / cycle strength (burst pressure resistance, durability against multiple use) of the dome portion is improved.
  • the amount of air that causes foaming is reduced.
  • air may be foamed and a foaming phenomenon appearing on the surface layer may occur.
  • foaming can be suppressed.
  • the smooth helical layer 70H is formed, the unevenness on the outermost surface of the tank 1 is reduced. According to this, the advantage that the outer diameter of the tank 1 is stabilized more and the dispersion
  • the hoop layer 70P adjacent to the smooth helical layer 70H itself has a high Vf, the amount of resin used in the FRP layer 21 is reduced because the resin pool is reduced accordingly. Leads to. Thus, if the amount of resin decreases, the tank 1 can be reduced in weight accordingly.
  • the FRP layer 21 has a high Vf and the amount of resin decreases, the amount of heat generated by curing (heat generated by reaction heat during heat curing of the resin) decreases.
  • the peak temperature at the time of thermosetting is high, problems such as bonding (a state in which the liner 20 and the FRP layer 21 are bonded partially or entirely after FW molding and resin curing) and liner material deterioration may occur.
  • the tank 1 of the present embodiment that can reduce the amount of heat generated by curing, it is possible to suppress these problems.
  • the above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
  • the innermost helical layer 70H is a smooth helical layer (innermost smooth helical layer)
  • the middle helical layer 70MH as a smooth helical layer, the above-described effects can be realized also in the middle helical layer 70MH.
  • the present invention is applied to a hydrogen tank that can be used in a fuel cell system and the like.
  • the present invention is applied to a tank for filling a fluid other than hydrogen gas.
  • a fluid other than hydrogen gas Of course it is also possible to do.
  • the present invention can be applied to things other than a tank (pressure vessel), for example, a cylinder (including a cylindrical part) such as a long object or a structure having an FRP layer.
  • a tank pressure vessel
  • a cylinder including a cylindrical part
  • the fiber 70 is wound around a mandrel (such as a mandrel) or a mold by helical winding or hoop winding to form the FRP layer 21 having the helical layer 70H or the hoop layer 70P, a smooth helical is formed.
  • a mandrel such as a mandrel
  • a mold by helical winding or hoop winding to form the FRP layer 21 having the helical layer 70H or the hoop layer 70P
  • a smooth helical is formed.
  • the layer 70H is formed, the same effects as in the above-described embodiment, such as reducing the structural bending of the fiber 70, improving the fatigue strength, and reducing the thickness per layer, are realized
  • the layer adjacent to the hoop layer is the other hoop layer 70P or the smooth helical layer 70H as in the above-described embodiment.
  • the cylindrical body 1 includes sports equipment such as a golf club shaft and carbon bat, leisure equipment such as fishing rods, engineering products such as plant equipment, and structures such as building materials. it can.
  • the present invention is suitable for application to a tank having an FRP layer, and to a cylinder such as a long object or a structure.

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

タンクおよびその製造方法
　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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