WO2011154994A1 - 高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法 - Google Patents

高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法 Download PDF

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hoop
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pressure tank
dome
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金子智徳
大坪弘和
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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 high-pressure tank for storing a fluid therein at a pressure higher than normal pressure, and a method for manufacturing the high-pressure tank.
  • a vehicle may be equipped with a high-pressure tank that stores fuel gas such as natural gas or hydrogen.
  • the high pressure tank In order to increase the travelable distance of the vehicle, it is preferable to fill the high pressure tank with fuel gas at a higher filling pressure (for example, 70 MPa). In order to fill the high-pressure tank with high-pressure fuel gas, it is necessary to improve the strength of the high-pressure tank.
  • a technique for forming a reinforcing layer by winding a fiber impregnated with resin on the outer peripheral surface of a liner is known.
  • the substantially cylindrical body part constituting the liner is reinforced by a hoop layer, and the hemispherical dome part continuously connected to both ends of the body part is reinforced by a helical layer.
  • Patent Document 1 The hoop layer is mainly used for securing the strength in the circumferential direction
  • the helical layer is mainly used for securing the strength in the longitudinal direction (axial direction).
  • a high-pressure tank having an outer fiber layer formed by high-angle winding (also referred to as “high-angle helical winding”) on the outside of the liner instead of the hoop layer is known (for example, Patent Document 2).
  • the reason for forming the outer fiber layer by high-angle winding is that when the hoop winding tries to wind the fiber around the outer surface of the dome-shaped dome part, the fiber slips along the dome part surface and the hoop layer cannot be formed. .
  • the thickness of the fiber reinforced resin layer changes at the boundary portion between the substantially cylindrical cylindrical portion and the dome-shaped dome portion formed on both sides of the cylindrical portion. Or stress changes may occur due to changes in rigidity. This stress concentration occurs particularly at the dome portion side in the boundary portion. Therefore, the boundary portion is preferably reinforced with a reinforcing layer.
  • the dome portion side portion of the boundary portion is also referred to as a “shoulder portion”.
  • the boundary between the cylindrical portion and the dome portion of the high-pressure tank corresponds to the boundary portion between the cylindrical liner cylindrical portion of the liner portion and the dome-shaped liner dome portion connected to both sides of the liner cylindrical portion. Formed.
  • the high-angle helical winding has a lower resistance to the circumferential stress acting on the high-pressure tank than the hoop winding. Therefore, the high-angle helical winding has to increase the number of times the fiber is wound compared to the hoop winding. That is, a high-pressure tank in which a reinforcing layer is formed using high-angle helical winding increases the amount of fiber used.
  • a problem is not limited to the high-pressure tank for filling the fuel gas, but is a problem common to the high-pressure tank for filling the fluid at a pressure higher than the normal pressure.
  • This invention was made in order to solve the above-mentioned subject, and it aims at providing the technique which reduces the amount of fiber usage, suppressing the intensity
  • the present invention has been made to solve at least a part of the above problems, and can be realized as the following forms or application examples.
  • a high-pressure tank for storing fluid inside comprising a liner and a fiber reinforced resin layer containing fibers and covering the surface of the liner, the liner being a cylindrical liner cylinder And a dome-shaped liner dome portion connected to both sides of the liner cylindrical portion, the outer surface being inclined at a predetermined angle with respect to the outer surface of the liner cylindrical portion and connected to the liner cylindrical portion
  • the fiber reinforced resin layer is a hoop layer formed on the outer surface of the liner cylindrical portion so as to cover the outer surface of the liner cylindrical portion
  • the fiber is A hoop layer formed by hoop winding wound so as to be substantially perpendicular to the central axis of the liner cylindrical portion, and the hoop layer at the boundary portion with the liner dome portion, It said predetermined angle is formed so as to form an angle less than, the high-pressure tank outer surface to the outer surface of the liner dome portion of the-loop layer.
  • the high-pressure tank of Application Example 1 it is possible to reinforce the boundary portion between the cylindrical portion and the dome portion of the high-pressure tank with a hoop layer that covers the outer surface of the liner cylindrical portion. That is, by preparing a liner in which the liner dome portion is inclined at a predetermined angle with respect to the liner cylindrical portion and forming a hoop layer having a predetermined shape on the outer surface of the liner dome portion, the boundary portion including the shoulder portion of the high-pressure tank is previously formed. Can be reinforced. Thereby, it becomes possible to suppress the strength reduction of the high-pressure tank without forming a high-angle helical layer. Moreover, since it is not necessary to form a high angle helical layer, the amount of fiber used can be reduced.
  • the hoop layer is formed so that the outer surface of a hoop layer may make an angle smaller than a predetermined angle with respect to the outer surface of a liner dome part in a boundary part with a liner dome part.
  • the hoop layer includes a hoop cylindrical portion having a certain thickness, and a hoop dome portion positioned between the hoop cylindrical portion and the liner dome portion.
  • a high-pressure tank comprising: a hoop dome portion that gradually decreases from the constant thickness toward the liner dome portion from the hoop cylindrical portion.
  • the outer surface of the hoop layer is the liner dome portion at the boundary portion between the hoop layer and the liner dome portion by reducing the thickness of the hoop dome portion in the predetermined direction. It is possible to easily form a hoop layer having an angle smaller than a predetermined angle with respect to the outer surface.
  • the hoop cylindrical portion is formed by laminating a predetermined number of the fibers, and the hoop dome portion is formed from the hoop cylindrical portion.
  • a high-pressure tank formed by gradually decreasing the number of laminated fibers from the predetermined number toward the liner dome.
  • the outer surface of the hoop layer is reduced at the boundary between the hoop layer and the liner dome by reducing the number of fibers stacked in the predetermined direction with respect to the hoop dome. Therefore, a hoop layer having an angle smaller than a predetermined angle with respect to the outer surface of the liner dome can be easily formed.
  • the high-pressure tank according to any one of Application Examples 1 to 4, wherein the fiber reinforced resin layer further includes an outer surface of the hoop layer and an outer surface of the liner dome portion.
  • a high-pressure tank containing a helical layer According to the high pressure tank described in Application Example 5, the helical layer straddling the hoop layer and the liner dome can be formed smoothly, and the high pressure tank can be reliably reinforced with the helical layer.
  • the fiber-reinforced resin layer includes a first type layer formed by the hoop winding and a second type layer formed by the helical winding.
  • a high-pressure tank consisting of according to the high-pressure tank described in Application Example 6, the boundary portion including the cylindrical portion of the high-pressure tank and the shoulder portion of the dome portion is reinforced by the fiber reinforced resin layer not including the high-angle helical layer. Accordingly, the high-pressure tank can be reinforced without forming a high-angle helical layer, and the amount of fiber used can be reduced.
  • FIG. 1 is a view for explaining a configuration of a high-pressure tank 10 as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of the high-pressure tank 10.
  • FIG. 1B is a partially enlarged cross-sectional view of FIG. 1A, and illustration of a fiber reinforced resin layer 50 described later is omitted.
  • the high-pressure tank 10 includes a liner 40, a fiber reinforced resin layer 50 that covers the surface of the liner 40, and two base parts 14. As shown in FIG. As for the liner 40, the nozzle
  • the liner 40 is a portion also referred to as an inner shell or an inner container of the high-pressure tank 10 and has a space portion 25 for storing a fluid therein.
  • the liner 40 has a gas barrier property and suppresses permeation of gas such as hydrogen gas to the outside.
  • the liner 40 is manufactured using a synthetic resin such as a nylon resin or a polyethylene resin, or a metal such as stainless steel. In this embodiment, the liner 40 is integrally formed using a nylon resin.
  • the fiber reinforced resin layer 50 is a layer in which a thermosetting resin is reinforced with fibers, and is formed by winding fibers around the surface of the liner 40 by a filament winding method (hereinafter also referred to as “FW method”). .
  • the fiber reinforced resin layer 50 has a configuration in which a plurality of fibers are stacked.
  • the FW method is a method in which a reinforcing fiber impregnated with a thermosetting resin is wound around a mandrel (in this embodiment, a liner 40) to thermoset the thermosetting resin.
  • the fiber winding method will be described later.
  • the thermosetting resin an epoxy resin, a polyester resin, a polyamide resin, or the like can be used. In this embodiment, an epoxy resin is used.
  • inorganic fibers such as metal fibers, glass fibers, carbon fibers, and alumina fibers, synthetic organic fibers such as aramid fibers, or various natural organic fibers such as cotton can be used.
  • a fiber may be used independently and may be used in mixture of 2 or more types.
  • carbon fibers are used as the reinforcing fibers.
  • the high-pressure tank 10 includes a substantially cylindrical cylindrical portion 20 and dome-shaped dome portions 30 located on both sides of the cylindrical portion 20.
  • the dome part 30 is reduced in diameter in the direction of the central axis AX of the liner cylindrical part 42 as the distance from the cylindrical part 20 increases.
  • the portion with the smallest diameter is opened, and the base portion 14 is inserted into the opening.
  • the liner 40 has a cylindrical liner cylindrical portion 42 and dome-shaped liner dome portions 44 positioned on both sides of the liner cylindrical portion 42.
  • the liner dome portion 44 is reduced in diameter in the direction of the central axis AX of the liner cylindrical portion 42 as the distance from the liner cylindrical portion 42 increases.
  • the outer surface of the liner dome portion 44 is an isotonic curved surface.
  • the liner cylindrical portion 42 and the liner dome portion 44 are formed so that the tangent line of the outer surface is discontinuous at the boundary portion between the liner cylindrical portion 42 and the liner dome portion 44.
  • the liner 40 is formed so that the tangent lines of the outer surfaces of the portions 42 and 44 at the boundary portion between the liner cylindrical portion 42 and the liner dome portion 44 are not the same.
  • the liner 40 so that the tangent line 44f of the outer surface of the liner dome portion 44 is inclined at an angle ⁇ (23 ° in this embodiment) with respect to the tangent line 42f of the outer surface of the liner cylindrical portion 42. Is molded.
  • FIG. 2 is a diagram showing various winding methods used for forming the fiber reinforced resin layer.
  • 2A to 2C show a guide 15 for winding the fiber 51 on the liner 40.
  • FIG. 2A to 2C show a guide 15 for winding the fiber 51 on the liner 40.
  • FIG. 2A is a diagram for explaining hoop winding, and shows a state in which the fibers 51 are wound around the liner 40 by hoop winding.
  • the “hoop winding” is a method of winding the fiber 51 so as to be substantially perpendicular to the central axis AX of the liner cylindrical portion 42 and moving the winding position (the position of the guide 15) in the central axis AX direction. That is, the “hoop winding” is a method of winding so that an angle ⁇ (“winding angle ⁇ ”) formed by the central axis AX and the winding direction of the fiber 51 is substantially perpendicular.
  • the winding angle of the fiber 51 by hoop winding is substantially vertical” includes 90 ° and an angle of about 90 ° which can be generated by shifting the fiber winding position so that the fibers do not overlap each other.
  • a layer formed by this hoop winding is called a “hoop layer”.
  • FIG. 2B is a diagram for explaining low-angle helical winding, and shows a state in which the fiber 51 is wound around the liner 40 by the low-angle helical winding.
  • “Low-angle helical winding” is a winding method having a winding angle ⁇ that is such that the winding direction of the fiber 51 is folded back at the liner dome portion 44 before the fiber 51 goes around the central axis AX in the liner cylindrical portion 42.
  • a layer formed by this low-angle helical winding is called a “low-angle helical layer”.
  • FIG. 2 (C) is a diagram for explaining high-angle helical winding, and shows a state in which the fiber 51 is wound around the liner 40 by the high-angle helical winding.
  • “High-angle helical winding” refers to a winding method having a winding angle ⁇ that allows the fiber 51 to make at least one round of the central axis AX in the liner cylindrical portion 42 before the winding direction of the fiber 51 is turned back.
  • a layer formed by this high-angle helical winding is called a “high-angle helical layer”.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a method of manufacturing the high-pressure tank 10 of the embodiment.
  • FIGS. 3A to 3B show only a part of the high-pressure tank 10 necessary for explanation.
  • a liner 40 is prepared in which the tangent line on the outer surface is discontinuous at the boundary portion between the liner cylindrical portion 42 and the liner dome portion 44.
  • a hoop layer 52 is laminated so as to cover the entire outer surface of the liner cylindrical portion 42.
  • the hoop layer 52 laminated on the outer surface of the liner cylindrical portion 42 is referred to as an “outer surface hoop layer 52” when used separately from other hoop layers described later.
  • the outer surface hoop layer 52 includes a hoop cylindrical portion 52a and a hoop dome portion 52b.
  • the hoop cylindrical portion 52a has a configuration in which a predetermined number (13 layers in this embodiment) of fibers are laminated. That is, the hoop cylindrical portion 52a is a layer having a certain thickness.
  • the hoop dome portion 52b is formed between the hoop cylindrical portion 52a and the liner dome portion 44 in the central axis AX direction.
  • the hoop dome portion 52b is formed so that the thickness of the portion closer to the liner dome portion 44 side is smaller than the hoop cylindrical portion 52a side. That is, in the hoop dome portion 52b, the number of fibers stacked gradually decreases from the hoop cylindrical portion 52a toward the liner dome portion 44.
  • the number of fibers stacked in the hoop dome portion 52b is changed so that the outer surfaces of the hoop dome portion 52b and the liner dome portion 44 form the same isotonic curved surface.
  • the hoop dome so that the tangential slope of the outer surface of the hoop dome portion 52b and the tangential slope of the outer surface of the liner dome portion 44 coincide.
  • the part 52b is formed.
  • the object after the outer surface hoop layer 52 is laminated on the liner 40 is also referred to as a “hoop laminated liner 41”.
  • the hoop laminated liner 41 has a substantially cylindrical laminated cylindrical portion 22 and a dome-shaped laminated dome portion 32 connected to both sides of the laminated cylindrical portion 22.
  • the laminated dome portion 32 includes a liner dome portion 44 and a hoop dome portion 52b, and the outer surface thereof is an isotonic curved surface.
  • the low-angle helical layer 54 is laminated so as to cover the entire outer surface of the liner dome 44 and the entire outer surface of the outer surface hoop layer 52.
  • the low-angle helical layer 54 laminated on the outer surface of the outer surface hoop layer 52 is used in distinction from other low-angle helical layers described later, it is referred to as an “outer surface low-angle helical layer 54”.
  • a plurality of hoop layers 56 and a plurality of low-angle helical layers 57 are further laminated outside the outer surface low-angle helical layer 54 in the fiber reinforced resin layer 50.
  • FIG. 3C a plurality of hoop layers 56 and a plurality of low-angle helical layers 57 are schematically shown. The specific lamination
  • the high-pressure tank 10 After the fiber 51 is wound around the liner 40 in the above procedure, the high-pressure tank 10 is heated to cure the thermosetting resin. Thereby, the high-pressure tank 10 of the present embodiment is manufactured.
  • the high-pressure tank 10 after the fiber reinforced resin layer 50 is formed includes a substantially cylindrical cylindrical portion 20 and a dome portion 30 whose outer diameter is reduced as the distance from the cylindrical portion 20 increases.
  • the cylindrical portion 20 includes a part of the liner cylindrical portion 42
  • the dome portion 30 includes the other portion of the liner cylindrical portion 42 and the liner dome portion 44.
  • the cylindrical portion 20 includes a hoop cylindrical portion 52a
  • the dome portion 30 includes a hoop dome portion 52b (FIG. 3B).
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the effect of the high-pressure tank 10.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the high-pressure tank 10, and the outer surface hoop layer 52 necessary for explanation in the fiber reinforced resin layer 50 is hatched.
  • the cylindrical portion 20 of the high-pressure tank 10 has hoop layers 52 and 56 and low-angle helical layers 54 and 57 (FIG. 3C), and the portion corresponding to the liner dome portion 44 in the dome portion 30 is a low-angle helical layer. 54 and 57 only (FIG. 3C). Therefore, the fiber reinforced resin layer 50 on the liner cylindrical portion 42 is thicker than the fiber reinforced resin layer 50 on the liner dome portion 44.
  • the fiber reinforced resin layer 50 on the liner dome portion 44 is formed of only a low-angle helical layer. This is because the liner dome portion 44 can reinforce the circumferential direction and the central axis AX direction as viewed from the central axis AX with only the low-angle helical layer.
  • the low-angle helical layer of the cylindrical portion 20 is mainly strengthened in the central axis AX direction, and a hoop layer for reinforcing the circumferential direction must be wound on the liner cylindrical portion 42. For this reason, the thickness of the fiber reinforced resin layer 50 differs between the cylindrical portion 20 and the dome portion 30.
  • a portion that can become the shoulder portion 33 where stress concentration occurs after the high-pressure tank 10 is manufactured is reinforced by the outer surface hoop layer 52 (specifically, the hoop dome portion 52b).
  • the shoulder part 33 can be reinforced without using a high-angle helical winding.
  • the amount of fiber used can be reduced compared to a high-pressure tank in which a high-angle helical layer is formed to reinforce the shoulder portion 33, the high-pressure tank can be manufactured in a shorter time.
  • the outer surface of the hoop dome portion 52b and the outer surface of the liner dome portion 44 form an isotonic curved surface (FIG. 3B).
  • this makes it possible to form the low-angle helical layers 54 and 57 in accordance with a predetermined low-angle helical winding specification.
  • the outer surface of the hoop dome portion 52b and the outer surface of the liner dome portion 44 form an isotonic curved surface, low-angle helical winding can be performed based on, for example, a mesh theory. Thereby, the reinforcement by a low angle helical layer can be aimed at reliably, and the strength reduction of the high pressure tank 10 whole can be suppressed.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the high-pressure tank used in the simulation.
  • FIG. 5A is a partial cross-sectional view for explaining a high-pressure tank 10a of a reference example.
  • FIG. 5B is a partial cross-sectional view for explaining the high-pressure tank 10 of this embodiment.
  • 5A and 5B are cross sections of the liners 40 and 40a and the fiber reinforced resin layers 50 and 50a in the vicinity of the boundary between the cylindrical portions 20 and 20a and the dome portions 30 and 30a in the high-pressure tanks 10 and 10a.
  • FIG. The difference between the high pressure tank 10a of the reference example and the high pressure tank 10 of the present embodiment is the shape of the liners 40 and 40a and the configuration of the fiber reinforced resin layers 50 and 50a.
  • the material of the base part 14 (FIG. 1A) and the fiber reinforced resin layers 50 and 50a (CFRP) is the same as that of the high pressure tank 10 of the present embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a detailed configuration of the fiber reinforced resin layer 50a of the high-pressure tank 10a of the reference example.
  • the layer number is a number assigned in order from the lower layer to each laminated fiber layer.
  • “ ⁇ ” marks in FIG. 6 indicate the types of fiber layers formed in each layer.
  • layer numbers 1 and 2 are low-angle helical layers
  • layer number 3 is a hoop layer
  • layer numbers 4 to 6 are high-angle helical layers.
  • “one layer” means that a state where the region to be reinforced is covered without a gap is counted as one layer.
  • the fiber reinforced resin layer 50a of the high pressure tank 10a of the reference example is 57 layers, and the thickness of the fiber reinforced resin layer 50a is 36.2 mm at maximum.
  • the liner 40a of the high-pressure tank 10a of the reference example has a cylindrical liner cylindrical portion 42a and dome-shaped liner dome portions 44a located on both sides of the liner cylindrical portion 42a.
  • the outer surface of the liner dome portion 44a is an isotonic curved surface.
  • the high-pressure tank 10a of the reference example has an outer surface of the liner cylindrical portion 42a and the liner dome portion 44a at the boundary between the liner cylindrical portion 42a and the liner dome portion 44a.
  • the tangent slope of the outer surface is the same.
  • the fiber reinforced resin layer 50a of the reference example has a configuration in which a plurality of low-angle helical layers 54, high-angle helical layers 58, and hoop layers 56 are stacked.
  • the low angle helical layer 54 is formed so as to cover the entire liner 40a.
  • the high-angle helical layer 58 is formed so as to cover the entire liner cylindrical portion 42a and a part of the liner dome portion 44a.
  • the high-angle helical layer 58 is not limited to the liner cylindrical portion 42a but the boundary portion 33 (shoulder portion 33) on the liner dome portion 44a side of the boundary portion between the liner cylindrical portion 42a and the liner dome portion 44a. Is also formed to cover.
  • the high-pressure tank 10 a uses the high-angle helical layer 58 for reinforcing the shoulder portion 33.
  • the hoop layer 56 is formed so as to cover the entire region of the liner cylindrical portion 42a in order to ensure the strength in the circumferential direction.
  • the stacking order of the layers 54, 56, and 58 is as shown in FIG.
  • the fiber reinforced resin layer 50 of FIG. A detailed configuration will be described.
  • the layer number 1 to 13 is the outer surface hoop layer 52
  • the layer numbers 14 and 15 are the outer surface low angle helical layer 54
  • the layer numbers 16 to 19 are the hoop layer 56
  • the layer numbers 20 and 21 are low.
  • Angle helical layer 57, layer number 22-25 is the hoop layer 56
  • layer numbers 26 and 27 are the low angle helical layer 57
  • layer numbers 28 to 30 are the hoop layer 56
  • layer numbers 31 to 47 are the total of the low angle helical layer 57. It consists of 47 layers.
  • the fiber reinforced resin layer 50 has a maximum thickness of 28.5 mm.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the result of the strength analysis simulation of the reference example.
  • the strength analysis simulation is a simulation when an internal pressure of 180 Mpa is applied to the high-pressure tank 10a.
  • the simulation was performed using the finite element method.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 7A is a direction from the center portion of the liner cylindrical portion 42a toward the base portion 14 (FIG. 1A) and along the outer surface of the high-pressure tank 10a.
  • the distance X from the center part of the cylindrical part 42a is shown.
  • the vertical axis of the graph of FIG. 7A indicates the fiber direction strain (hereinafter referred to as “fiber strain”) of the hoop layer 56 and the high-angle helical layer 58 (FIG.
  • fiber strain fiber direction strain
  • FIG. 7B is a schematic cross-sectional view of the high-pressure tank 10a corresponding to the distance X shown in FIG.
  • a part of the liner dome portion 44a of the high-angle helical layer 58 and a stacking range at the liner cylindrical portion 42a are conceptually indicated by broken lines.
  • the shoulder portion 33 has a smaller fiber direction strain (fiber strain) than the central portion of the high-pressure tank 10a. That is, the shoulder 33 is reinforced by the high-angle helical layer 58, thereby reducing the possibility that the rupture start point of the high-pressure tank 10a becomes the shoulder 33.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the result of the strength analysis simulation of the example.
  • the strength analysis simulation is a simulation when an internal pressure of 180 Mpa is applied to the high-pressure tank 10. The simulation was performed using the finite element method.
  • the horizontal axis and vertical axis of the graph in FIG. 8A are as described in FIG. However, FIG. 8A shows the magnitude of strain in the fiber direction of the hoop layers 52 and 56 (FIG. 5S).
  • FIG. 8B is a schematic cross-sectional view of the high-pressure tank 10 corresponding to the distance X shown in FIG. In FIG. 8B, the stacking range of the outer surface hoop layer 52 at the liner cylindrical portion 42 is conceptually indicated by a broken line.
  • the high-pressure tank 10 of the example manufactured without using the high-angle helical layer 58 is similar to the high-pressure tank 10a of the reference example manufactured using the high-angle helical layer 58.
  • the fiber strain is smaller in the portion 33 than in the central portion of the high-pressure tank 10. That is, it can be seen that the high-pressure tank 10 of the present embodiment can reinforce the shoulder portion 33 by forming the outer surface hoop layer 52.
  • the fibers of the hoop dome portion 52b are configured so that the tangential inclination of the outer surface of the hoop dome portion 52b matches the inclination of the tangent line of the outer surface of the liner dome portion 44 (see FIG. 3 (B)), but is not limited to this.
  • the outer surface hoop layer forms an angle smaller than an angle ⁇ formed by the tangent line 42f on the outer surface of the liner cylindrical portion 42 and the tangent line 44f on the outer surface of the liner dome portion 44. 52 may be formed.
  • the curved surface formed by the outer surface of the hoop dome portion 52b and the curved surface formed by the outer surface of the liner dome portion 44 may not be the same.
  • the shoulder portion 33 can be reinforced by the outer surface hoop layer 52 which is a hoop layer, as in the above embodiment.
  • the thickness of the hoop dome portion 52b is changed by changing the number of fibers so that the outer surface of the hoop dome portion 52b forms a constant-tension curved surface (FIG. 3B).
  • the thickness of the hoop dome portion 52b may be changed by changing the thickness of the fiber. That is, the hoop dome portion 52b shown in FIG. 3B may be configured by gradually decreasing the thickness of the fiber from the hoop cylindrical portion 52a toward the liner dome portion 44. Even if it does in this way, the shoulder part 33 can be reinforced with the outer surface hoop layer similarly to the said Example.
  • the number of laminated fibers of the hoop cylindrical portion 52a in the outer surface hoop layer 52 is 13, but the present invention is not limited to this.
  • the type of fiber used, the number of layers other than the outer surface hoop layer 52 (for example, the hoop layer 56, the low angle helical layers 54, 57), the winding angle of the low angle helical layers 54, 57, the fiber type According to the specifications, the number of fibers stacked on the hoop cylindrical portion 52a and the hoop dome portion 52b of the outer surface hoop layer 52 is determined so that the fiber strain of the shoulder portion 33 is smaller than the fiber strain of the central portion of the high-pressure tank 10. be able to.
  • the outer surface of the hoop dome portion 52b and the outer surface of the liner dome portion 44 have the same isotonic curved surface at the boundary portion between the outer surface hoop layer 52 and the liner dome portion 44.
  • the inclination angle ⁇ of the liner 40 (FIG. 3A) can be determined so as to form In the high-pressure tank 10 using CFRP as the fiber reinforced resin layer of the present embodiment, it is preferable to set the inclination angle ⁇ to 20 ° or more. By doing so, it is possible to form the fiber reinforced resin layer 50 that can more reliably make the fiber strain of the shoulder portion 33 smaller than the fiber strain of the central portion of the high-pressure tank 10.
  • the high-pressure tank 10 to which the present invention is applied can be used for storing a fluid higher than the normal pressure because the shoulder portion 33 is reinforced.
  • it can be used as a hydrogen tank for storing high-pressure hydrogen gas, or as a natural gas tank for storing high-pressure natural gas.
  • these gas tanks may be mounted on various moving bodies such as vehicles, ships, and airplanes and used as a fuel gas source. Furthermore, these gas tanks may be used as stationary gas tanks.

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Abstract

流体を内部に貯蔵するための高圧タンク（１０）は、ライナー（４０）と、繊維を含み、ライナー（４０）の表面を覆う繊維強化樹脂層（５０）とを備える。ライナー（４０）は、円筒状のライナー円筒部（４２）と、ライナー円筒部（４２）の両側にそれぞれ接続されたドーム状のライナードーム部（４４）であって、外表面がライナー円筒部（４２）の外表面に対して所定角度θ傾斜してライナー円筒部（４２）に接続されているライナードーム部（４４）とを有する。繊維強化樹脂層（５０）は、ライナー円筒部（４２）の外表面上に形成されたフープ層（５２）であって、繊維をライナー円筒部（４２）の中心軸に対して略垂直になるように巻き付けるフープ巻きにより形成されたフープ層（５２）を有する。フープ層（５２）は、ライナードーム部（４４）との境界部において、フープ層（５２）の外表面がライナードーム部（４４）の外表面に対して所定角度θよりも小さい角度を成すように形成されている。

Description

高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法
　本発明は、常圧よりも高い圧力で流体を内部に貯蔵するための高圧タンク、及び、高圧タンクの製造方法に関する。
　近年、燃料ガスの燃焼エネルギーや、燃料ガスの電気化学反応によって生成される電気エネルギーによって駆動する車両の開発が進んでいる。車両には、天然ガスや水素等の燃料ガスを貯蔵する高圧タンクが搭載される場合がある。
　車両の走行可能距離を長くするためには、より高い充填圧（例えば、７０Ｍｐａ）で燃料ガスが高圧タンクに充填されることが好ましい。高圧タンクに高圧の燃料ガスを充填するためには、高圧タンクの強度向上を図る必要がある。従来、高圧タンクの強度向上のために、ライナーの外周面に樹脂を含浸した繊維を巻き付けて補強層を形成する技術が知られている。具体的には、ライナーを構成する略円筒状の胴部はフープ層により補強し、胴部の両端部にそれぞれ連続して接続されている半球面状のドーム部はヘリカル層により補強する技術が知られている（例えば、特許文献１）。フープ層は、主に周方向の強度を確保するために用いられ、ヘリカル層は、主に長手方向（軸方向）の強度を確保するために用いられている。
　また、フープ層に代えて、ライナーの外側にハイアングル巻き（「高角度ヘリカル巻き」ともいう。）により形成した外側繊維層を備える高圧タンクが知られている（例えば、特許文献２）。ハイアングル巻きにより外側繊維層を形成する理由は、フープ巻きではドーム状のドーム部外表面に繊維を巻き付けようとすると、繊維がドーム部表面に沿って滑ってしまいフープ層を形成できないからである。
特開２００８－４５６６０号公報 特開２００４－２９３５７１号公報
　ここで、繊維強化樹脂層を積層した高圧タンクにおいて、略円筒状の円筒部と、円筒部の両側に形成されたドーム状のドーム部との境界部分では、繊維強化樹脂層の厚さに変化が生じたり、剛性に変化が生じたりするため、応力集中が発生する場合がある。この応力集中は、境界部分のうちでも特にドーム部側で発生する。よって、境界部分は補強層で補強することが好ましい。ここで、境界部分のうち、ドーム部側部分を「肩部」ともいう。従来、高圧タンクの円筒部とドーム部の境界部分は、ライナーの部分のうち円筒状のライナー円筒部と、ライナー円筒部の両側に接続されたドーム状のライナードーム部の境界部分に対応した位置に形成される。よって、肩部はフープ巻きによる繊維の巻き付けが困難となるため、高角度ヘリカル巻きにより補強層を形成することが考えられる。しかしながら、一般に、高角度ヘリカル巻きはフープ巻きに比べ、高圧タンクに作用する円周方向の応力に対する抗力は低い。よって、フープ巻きに比べ高角度ヘリカル巻きは、繊維の巻き付け回数を多くしなければならない。すなわち、高角度ヘリカル巻きを用いて補強層を形成した高圧タンクは、繊維の使用量が多くなる。このような問題は、燃料ガスを充填するための高圧タンクに限らず、常圧よりも高い圧力で流体を充填するための高圧タンクに共通する問題であった。
　本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、高圧タンクの強度低下を抑制しつつ、繊維使用量を低減する技術を提供することを目的とする。
　本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することができる。
［適用例１］流体を内部に貯蔵するための高圧タンクであって、ライナーと、繊維を含み、前記ライナーの表面を覆う繊維強化樹脂層と、を備え、前記ライナーは、円筒状のライナー円筒部と、前記ライナー円筒部の両側にそれぞれ接続されたドーム状のライナードーム部であって、外表面が前記ライナー円筒部の外表面に対して所定角度傾斜して前記ライナー円筒部に接続されているライナードーム部と、を有し、前記繊維強化樹脂層は、前記ライナー円筒部の外表面を覆うように前記ライナー円筒部の外表面上に形成されたフープ層であって、前記繊維を前記ライナー円筒部の中心軸に対して略垂直になるように巻き付けるフープ巻きにより形成されたフープ層を有し、前記フープ層は、前記ライナードーム部との境界部において、前記フープ層の外表面が前記ライナードーム部の外表面に対して前記所定角度よりも小さい角度を成すように形成されている、高圧タンク。
　適用例１の高圧タンクによれば、高圧タンクの円筒部とドーム部の境界部分を、ライナー円筒部の外表面を覆うフープ層により補強することが可能となる。すなわち、ライナードーム部がライナー円筒部に対して所定角度傾斜したライナーを準備し、ライナードーム部の外表面に所定形状のフープ層を形成することで、高圧タンクの肩部を含む境界部分を予め補強することができる。これにより、高角度ヘリカル層を形成することなく、高圧タンクの強度低下を抑制することが可能となる。また、高角度ヘリカル層を形成する必要がないため、繊維使用量を低減することができる。また、フープ層について、ライナードーム部との境界部において、フープ層の外表面がライナードーム部の外表面に対し所定角度よりも小さい角度を成すようにフープ層を形成している。これにより、フープ層とライナードーム部にまたがって繊維の巻き付ける場合にも、該巻き付けをスムーズに行うことができる。すなわち、強度確保の点で好ましい繊維の巻き付けを行うことができ、高圧タンクの強度低下を抑制することができる。
［適用例２］適用例１に記載の高圧タンクであって、前記フープ層は、一定の厚みを有するフープ円筒部と、前記フープ円筒部と前記ライナードーム部の間に位置するフープドーム部であって、前記フープ円筒部から前記ライナードーム部に向かうにしたがって、厚みが前記一定の厚みから次第に小さくなるフープドーム部と、を有する、高圧タンク。
　適用例２に記載の高圧タンクによれば、フープドーム部について、所定方向に向かうにしたがって厚みを小さくすることで、フープ層とライナードーム部の境界部において、フープ層の外表面がライナードーム部の外表面に対し所定角度よりも小さい角度を成すフープ層を容易に形成することができる。
［適用例３］適用例１又は適用例２に記載の高圧タンクであって、前記フープ円筒部は、前記繊維を所定数積層することで形成され、前記フープドーム部は、前記フープ円筒部から前記ライナードーム部に向かうにしたがって、前記繊維の積層数を前記所定数から次第に少なくすることで形成される、高圧タンク。
　適用例３に記載の高圧タンクによれば、フープドーム部について、所定の方向に向かうにしたがって繊維の積層数を少なくすることで、フープ層とライナードーム部の境界部において、フープ層の外表面がライナードーム部の外表面に対し所定角度よりも小さい角度を成すフープ層を容易に形成することができる。
［適用例４］適用例１乃至適用例３のいずれか１つに記載の高圧タンクであって、前記境界部において、前記フープ層の外表面の接線の傾きと前記ライナードーム部の外表面の接線の傾きとが一致するように、前記フープ層は形成される、高圧タンク。
　適用例４に記載の高圧タンクによれば、フープ層とライナードーム部との境界部において、フープ層の外表面の接線の傾きと前記ライナードーム部の外表面の接線の傾きとが一致することで、フープ層とライナードーム部にまたがってさらに繊維を巻き付ける場合にも、巻き付けをよりスムーズに行うことができる。これによって、強度確保の点でより好ましい繊維の巻き付けを行うことができ、高圧タンクの強度低下をより抑制することができる。
［適用例５］適用例１乃至適用例４のいずれか１つに記載の高圧タンクであって、前記繊維強化樹脂層は、さらに、前記フープ層の外表面上と前記ライナードーム部の外表面上に形成されたヘリカル層であって、前記フープ層上において前記ヘリカル層の前記繊維が前記中心軸を一周する前に前記ライナードーム部において前記繊維の巻き付け方向が折り返されるヘリカル巻きにより形成されるヘリカル層を含む、高圧タンク。
　適用例５に記載の高圧タンクによれば、フープ層とライナードーム部にまたがるヘリカル層の形成をスムーズに行うことができ、ヘリカル層による高圧タンクの補強を確実に図ることができる。
［適用例６］適用例５に記載の高圧タンクであって、前記繊維強化樹脂層は、前記フープ巻きにより形成される第１種の層と、前記ヘリカル巻きにより形成される第２種の層とからなる、高圧タンク。
　適用例６に記載の高圧タンクによれば、高角度ヘリカル層を含まない繊維強化樹脂層により、高圧タンクの円筒部とドーム部の肩部を含む境界部分を補強している。これにより、高角度ヘリカル層を形成することなく、高圧タンクを補強できると共に、繊維使用量を低減することができる。
本発明の実施例としての高圧タンク１０の構成を説明するためのである。 繊維強化樹脂層を成形するために用いられる種々の巻き付け方法を示した図である。 実施例の高圧タンク１０の製造方法を説明するための図である。 高圧タンク１０の効果を説明するための図である。 シミュレーションに用いた高圧タンクを説明するための図である。 参考例としての高圧タンク１０ａの繊維強化樹脂層５０ａの詳細構成を示した図である。 参考例の強度解析シミュレーションの結果を説明するための図である。 実施例の強度解析シミュレーションの結果を説明するための図である。
　次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：
Ａ．実施例：
Ａ－１．全体構成：
　図１は、本発明の実施例としての高圧タンク１０の構成を説明するためのである。図１（Ａ）は、高圧タンク１０の断面図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の部分拡大断面図であり、後述する繊維強化樹脂層５０の図示は省略している。
　図１（Ａ）に示すように、高圧タンク１０は、ライナー４０と、ライナー４０の表面を覆う繊維強化樹脂層５０と、２つの口金部１４とを備える。ライナー４０は、口金部１４は、開口部１４ａを有する。なお、高圧タンク１０は、２つの口金部１４のうち１つのみを備える構成であっても良い。
　ライナー４０は、高圧タンク１０の内殻又は内容器とも言われる部分であり、流体を貯蔵する空間部２５を内部に有する。ライナー４０は、ガスバリア性を有し、水素ガス等の気体の外部への透過を抑制する。ライナー４０は、ナイロン系樹脂、ポリエチレン系樹脂等の合成樹脂やステンレス鋼等の金属を用いて作製される。本実施例では、ライナー４０は、ナイロン系樹脂を用いて一体成形される。
　繊維強化樹脂層５０は、熱硬化性樹脂が繊維で補強された層であり、ライナー４０の表面にフィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」ともいう。）により繊維を巻き付けることで形成される。また、繊維強化樹脂層５０は、繊維が複数積層した構成である。ＦＷ法とは、熱硬化性樹脂を含浸した強化繊維をマンドレル（本実施例では、ライナー４０）に巻き付けて、熱硬化性樹脂を熱硬化させる方法である。なお、繊維の巻き付け方法については後述する。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等を用いることができる。本実施例では、エポキシ樹脂を用いている。
　強化繊維としては、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の合成有機繊維、又は、綿等の天然有機繊維の各種繊維を用いることができる、また、これらの繊維は、単独で用いても良いし、２種類以上混合して用いても良い。本実施例では、強化繊維として、カーボン繊維を用いている。
　高圧タンク１０の全体形状について次に説明する。高圧タンク１０は、略円筒状の円筒部２０と、円筒部２０の両側に位置するドーム状のドーム部３０とを有する。ドーム部３０は、ライナー円筒部４２の中心軸ＡＸ方向について、円筒部２０から離れるにしたがって縮径している。最も縮径した部分は開口し、開口には口金部１４が挿入されている。
　図１（Ｂ）に示すように、ライナー４０は、円筒状のライナー円筒部４２と、ライナー円筒部４２の両側に位置するドーム状のライナードーム部４４とを有する。ライナードーム部４４は、ライナー円筒部４２の中心軸ＡＸ方向について、ライナー円筒部４２から離れるにしたがって縮径している。また、ライナードーム部４４の外表面は等張力曲面である。ライナー円筒部４２とライナードーム部４４との境界部において、外表面の接線が不連続となるように、ライナー円筒部４２とライナードーム部４４は成形されている。すなわち、ライナー円筒部４２とライナードーム部４４の境界部における、各部４２，４４の外表面の接線が同一とならないように、ライナー４０は成形されている。さらに換言すれば、境界部において、ライナードーム部４４の外表面の接線４４ｆが、ライナー円筒部４２の外表面の接線４２ｆに対して角度θ（本実施例では２３°）傾くように、ライナー４０は成形されている。
Ａ－２．繊維強化樹脂層５０の詳細構成：
　繊維強化樹脂層５０の構成を説明する前に、図２を用いて、樹脂強化樹脂層を形成する際に用いられる一般的な繊維の巻き付け方法について説明する。図２は、繊維強化樹脂層を成形するために用いられる種々の巻き付け方法を示した図である。図２（Ａ）～（Ｃ）には、繊維５１をライナー４０上に巻き付けるためのガイド１５が図示されている。
　図２（Ａ）は、フープ巻きを説明するための図であり、フープ巻きによってライナー４０に繊維５１が巻き付けられていく様子を示している。「フープ巻き」とは、繊維５１をライナー円筒部４２の中心軸ＡＸに対して略垂直に成るように巻き付けると共に、中心軸ＡＸ方向に巻き付け位置（ガイド１５の位置）を移動させる方法である。すなわち、「フープ巻き」とは、中心軸ＡＸと繊維５１の巻き付け方向が成す角度α（「巻き付け角度α」）が略垂直になるように巻き付ける方法である。なお、「フープ巻きによる繊維５１の巻き付け角度が略垂直」とは、９０°、及び、繊維同士が重ならないように繊維の巻き付け位置をずらすことによって生じ得る９０°前後の角度を含む。このフープ巻きによって形成される層を「フープ層」と呼ぶ。
　図２（Ｂ）は、低角度ヘリカル巻きを説明するための図であり、低角度ヘリカル巻きによってライナー４０に繊維５１が巻き付けられていく様子を示している。「低角度ヘリカル巻き」とは、ライナー円筒部４２において繊維５１が中心軸ＡＸを一周する前にライナードーム部４４において繊維５１の巻き付け方向を折り返すことになる程度の巻き付け角度αを有する巻き付け方法をいう。この低角度ヘリカル巻きによって形成される層を「低角度ヘリカル層」と呼ぶ。
　図２（Ｃ）は、高角度ヘリカル巻きを説明するための図であり、高角度ヘリカル巻きによってライナー４０に繊維５１が巻き付けられていく様子を示している。「高角度ヘリカル巻き」とは、繊維５１の巻き付け方向を折り返すまでに、ライナー円筒部４２において繊維５１が中心軸ＡＸを少なくとも一周することができる程度の巻き付け角度αを有する巻き付け方法をいう。この高角度ヘリカル巻きによって形成される層を「高角度ヘリカル層」と呼ぶ。
　図３は、実施例の高圧タンク１０の製造方法を説明するための図である。図３（Ａ）～（Ｂ）は、説明に必要な高圧タンク１０の一部分のみを示している。図３（Ａ）に示すように、ライナー円筒部４２とライナードーム部４４との境界部において外表面の接線が不連続となるライナー４０を準備する。
　図３（Ｂ）に示すように、次に、ライナー円筒部４２の外表面全域を覆うようにフープ層５２を積層する。なお、ライナー円筒部４２の外表面上に積層されるフープ層５２を、後述する他のフープ層と区別して用いる際には、「外表面フープ層５２」と呼ぶものとする。外表面フープ層５２は、フープ円筒部５２ａと、フープドーム部５２ｂとから構成している。
　フープ円筒部５２ａは、所定数（本実施例では、１３層）の繊維が積層した構成である。すなわちフープ円筒部５２ａは、一定の厚みを有する層である。フープドーム部５２ｂは、中心軸ＡＸ方向について、フープ円筒部５２ａとライナードーム部４４の間に形成されている。フープドーム部５２ｂは、フープ円筒部５２ａ側よりもライナードーム部４４側に近い部分の厚みが小さくなるように形成されている。すなわち、フープドーム部５２ｂは、フープ円筒部５２ａからライナードーム部４４に向かうにしたがって繊維の積層数が次第に少なくなっている。本実施例の場合、フープドーム部５２ｂとライナードーム部４４との外表面が同じ等張力曲面を形成するように、フープドーム部５２ｂにおける繊維の積層数を変化させている。言い換えれば、フープドーム部５２ｂとライナードーム部４４の境界部において、フープドーム部５２ｂの外表面の接線の傾きと、ライナードーム部４４の外表面の接線の傾きとが一致するように、フープドーム部５２ｂは形成される。ここで、説明の便宜上、ライナー４０に外表面フープ層５２を積層した後の物体を、「フープ積層ライナー４１」とも呼ぶ。
　フープ積層ライナー４１の形状に着目すると、フープ積層ライナー４１は、略円筒状の積層円筒部２２と、積層円筒部２２の両側に接続されたドーム状の積層ドーム部３２とを有する。積層ドーム部３２は、ライナードーム部４４とフープドーム部５２ｂとから構成され、その外表面は等張力曲面である。
　図３（Ｃ）に示すように、外表面フープ層５２を積層した後に、ライナードーム部４４の外表面全域と外表面フープ層５２の外表面全域を覆うように低角度ヘリカル層５４が積層される。なお、外表面フープ層５２の外表面上に積層される低角度ヘリカル層５４を、後述する他の低角度ヘリカル層と区別して用いる際には、「外表面低角度ヘリカル層５４」と呼ぶものとする。
　繊維強化樹脂層５０のうち、外表面低角度ヘリカル層５４よりも外側には、さらに複数のフープ層５６と複数の低角度ヘリカル層５７が積層される。なお、図３（Ｃ）では複数のフープ層５６と複数の低角度ヘリカル層５７を模式的に図示している。繊維強化樹脂層５０を構成する層の具体的積層態様は後述する。
　上記のような手順で繊維５１をライナー４０に巻き付けた後に、熱硬化性樹脂を硬化させるために高圧タンク１０を加熱する。これにより、本実施例の高圧タンク１０が作製される。繊維強化樹脂層５０を形成した後の高圧タンク１０は、図３（Ｃ）に示すように、略円筒状の円筒部２０と、円筒部２０から離れるに従って外径が縮径するドーム部３０を有する。円筒部２０はライナー円筒部４２の一部を含み、ドーム部３０はライナー円筒部４２の他部及びライナードーム部４４を含む。また、円筒部２０はフープ円筒部５２ａを含み、ドーム部３０はフープドーム部５２ｂを含む（図３（Ｂ））。
　図４は、高圧タンク１０の効果を説明するための図である。図４は、高圧タンク１０の部分断面図であり、繊維強化樹脂層５０のうち説明に必要な外表面フープ層５２にはハッチングを施している。高圧タンク１０の円筒部２０はフープ層５２，５６と低角度ヘリカル層５４，５７を有し（図３（Ｃ））、ドーム部３０のうちライナードーム部４４に対応する部分は低角度ヘリカル層５４，５７のみを有する（図３（Ｃ））。よって、ライナー円筒部４２上の繊維強化樹脂層５０は、ライナードーム部４４上の繊維強化樹脂層５０に比べ厚さは大きくなる。実施例の高圧タンク１０の場合、ライナードーム部４４上の繊維強化樹脂層５０は低角度ヘリカル層のみで形成される。これは、ライナードーム部４４では低角度ヘリカル層のみで中心軸ＡＸから見た円周方向と中心軸ＡＸ方向の強化ができるためである。一方で、円筒部２０の低角度ヘリカル層は中心軸ＡＸ方向の強化が主となり、ライナー円筒部４２上には円周方向強化のためのフープ層を巻かなければならない。このため、円筒部２０とドーム部３０で繊維強化樹脂層５０の厚さが異なっている。このため、高圧タンクの円筒部２０とドーム部３０では発生応力に差ができ、円筒部２０とドーム部３０の境界部であって、ドーム部３０側の境界部分３３（肩部３３）では変位を共有しようと２次応力（せん断面応力と曲げ応力）が発生する。すなわち、繊維強化樹脂層５０のうち肩部３３は、他の部分よりも応力が集中して発生することになる。
　本実施例では、高圧タンク１０の作製後に応力集中が発生する肩部３３と成り得る部分が、外表面フープ層５２（詳細にはフープドーム部５２ｂ）によって補強されている。これにより、高角度ヘリカル巻きを用いることなく、肩部３３を補強することができる。また、肩部３３の補強のために高角度ヘリカル層を形成した高圧タンクに比べ繊維使用量を低減できるため、高圧タンクをより短時間で作製することができる。
　また、フープドーム部５２ｂとライナードーム部４４の境界部において、フープドーム部５２ｂの外表面とライナードーム部４４の外表面が等張力曲面を形成している（図３（Ｂ））。すなわち、これにより、予め定めた低角度ヘリカル巻きの巻き付け仕様に従って低角度ヘリカル層５４，５７を形成することができる。言い換えれば、フープドーム部５２ｂの外表面とライナードーム部４４の外表面が等張力曲面を形成していることで、例えば網目理論等に基づき、低角度ヘリカル巻きを行うことができる。これにより、低角度ヘリカル層による補強を確実に図ることができ、高圧タンク１０全体の強度低下を抑制することができる。
Ａ－３．繊維ひずみのシミュレーション：
　次に、本実施例の高圧タンク１０が、高角度ヘリカル層を用いて補強を行った参考例の高圧タンク１０ａと同様に肩部３３の補強ができていることを示したシミュレーションについて以下に説明する。
　図５は、シミュレーションに用いた高圧タンクを説明するための図である。図５（Ａ）は、参考例の高圧タンク１０ａを説明するための部分断面図である。図５（Ｂ）は本実施例の高圧タンク１０を説明するための部分断面図である。図５（Ａ），（Ｂ）は共に、高圧タンク１０，１０ａのうち、円筒部２０，２０ａとドーム部３０，３０ａの境界部近傍のライナー４０，４０ａと繊維強化樹脂層５０，５０ａの断面を模式的に示した図である。参考例の高圧タンク１０ａと本実施例の高圧タンク１０の違いは、ライナー４０，４０ａの形状と繊維強化樹脂層５０，５０ａの構成である。なお、参考例の高圧タンク１０ａについて、口金部１４（図１（Ａ））や繊維強化樹脂層５０，５０ａの材質（ＣＦＲＰ）は本実施例の高圧タンク１０と同様である。
　図６は、参考例の高圧タンク１０ａの繊維強化樹脂層５０ａの詳細構成を示した図である。図６のうち、層番号は、積層される繊維層ごとに下層から順に付与される番号である。また、図６中の「○」印は、各層に形成される繊維層の種類を示している。例えば、層番号１，２は低角度ヘリカル層であり、層番号３はフープ層であり、層番号４～６は高角度ヘリカル層である。なお、ここで「１層」とは、補強すべき領域を隙間なく覆った状態を１層とカウントしている。参考例の高圧タンク１０ａの繊維強化樹脂層５０ａは５７層であり、繊維強化樹脂層５０ａの厚さは最大３６．２ｍｍである。
　図５に戻って、高圧タンク１０，１０ａの説明を続ける。図５（Ａ）に示すように、参考例の高圧タンク１０ａのライナー４０ａは、円筒状のライナー円筒部４２ａと、ライナー円筒部４２ａの両側に位置するドーム状のライナードーム部４４ａとを有する。ライナードーム部４４ａの外表面は等張力曲面である。実施例の高圧タンク１０のライナー４０との違いは、参考例の高圧タンク１０ａは、ライナー円筒部４２ａとライナードーム部４４ａとの境界部において、ライナー円筒部４２ａの外表面とライナードーム部４４ａの外表面の接線の傾きが同一となっている点である。
　参考例の繊維強化樹脂層５０ａは、低角度ヘリカル層５４と、高角度ヘリカル層５８と、フープ層５６を複数積層した構成である。低角度ヘリカル層５４は、ライナー４０ａ全域を覆うように形成されている。高角度ヘリカル層５８は、ライナー円筒部４２ａ全域とライナードーム部４４ａの一部を覆うように形成されている。具体的には、高角度ヘリカル層５８は、ライナー円筒部４２ａのみならず、ライナー円筒部４２ａとライナードーム部４４ａの境界部分のうち、ライナードーム部４４ａ側の境界部分３３（肩部３３）についても覆うように形成されている。すなわち、高圧タンク１０ａは、肩部３３の補強のために高角度ヘリカル層５８が用いられている。フープ層５６は周方向の強度を確保するために、ライナー円筒部４２ａ全域を覆うように形成されている。各層５４，５６，５８の積層順は図６に示す通りである。
　本実施例の高圧タンク１０のライナー４０についての構成、および、繊維強化樹脂層５０の概略構成については上述の通りであるため、ここでは図５（Ｂ）を用いて、繊維強化樹脂層５０の詳細構成について説明する。繊維強化樹脂層５０は、層番号１～１３が外表面フープ層５２、層番号１４，１５が外表面低角度ヘリカル層５４、層番号１６～１９がフープ層５６、層番号２０，２１が低角度ヘリカル層５７、層番号２２～２５がフープ層５６、層番号２６，２７が低角度ヘリカル層５７、層番号２８～３０がフープ層５６、層番号３１～４７が低角度ヘリカル層５７の合計４７層で構成されている。また、繊維強化樹脂層５０の厚さは最大２８．５ｍｍである。
　図７は、参考例の強度解析シミュレーションの結果を説明するための図である。強度解析シミュレーションは、高圧タンク１０ａに１８０Ｍｐａの内圧を加えた際のシミュレーションである。また、シミュレーションは有限要素法を用いて行った。図７（Ａ）のグラフの横軸は、ライナー円筒部４２ａの中央部から口金部１４（図１（Ａ））に向かう方向であって、高圧タンク１０ａの外表面に沿った方向について、ライナー円筒部４２ａの中央部からの距離Ｘを示している。また、図７（Ａ）のグラフの縦軸は、距離Ｘでのフープ層５６、高角度ヘリカル層５８（図５（Ａ））の繊維方向のひずみ（以下、繊維方向のひずみを「繊維ひずみ」ともいう。）の大きさを示している。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示された距離Ｘに対応する高圧タンク１０ａの概略断面図である。なお、図７（Ｂ）において、高角度ヘリカル層５８のライナードーム部４４ａの一部、及び、ライナー円筒部４２ａでの積層範囲を概念的に破線で示している。
　図７（Ａ）に示すように、参考例の高圧タンク１０ａでは、肩部３３は高圧タンク１０ａの中央部よりも繊維方向ひずみ（繊維ひずみ）が小さくなっている。すなわち、高角度ヘリカル層５８によって肩部３３が補強されることで、高圧タンク１０ａの破裂の起点が肩部３３となる可能性を低減している。
　図８は、実施例の強度解析シミュレーションの結果を説明するための図である。強度解析シミュレーションは、高圧タンク１０に１８０Ｍｐａの内圧を加えた際のシミュレーションである。また、シミュレーションは有限要素法を用いて行った。図８（Ａ）のグラフの横軸、縦軸は、図７（Ａ）で説明した通りである。但し、図８（Ａ）は、フープ層５２，５６（図５（Ｓ））の繊維方向ひずみの大きさを示している。また、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示された距離Ｘに対応する高圧タンク１０の概略断面図である。なお、図８（Ｂ）において、外表面フープ層５２のライナー円筒部４２での積層範囲を概念的に破線で示している。
　図８（Ａ）に示すように、高角度ヘリカル層５８を用いずに作製した実施例の高圧タンク１０は、高角度ヘリカル層５８を用いて作製した参考例の高圧タンク１０ａと同様に、肩部３３において高圧タンク１０の中央部よりも繊維ひずみが小さくなっている。すなわち、本実施例の高圧タンク１０は、外表面フープ層５２を形成することで肩部３３の補強ができたことが分かる。
Ｂ．変形例：
　なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
Ｂ－１．第１変形例：
　上記実施例では、フープドーム部５２ｂの外表面の接線の傾きと、ライナードーム部４４の外表面の接線の傾きとが一致するように、フープドーム部５２ｂの繊維が構成されていたが（図３（Ｂ））、これに限定されるものではない。すなわち、図３（Ａ）に示す、ライナー円筒部４２の外表面の接線４２ｆと、ライナードーム部４４の外表面の接線４４ｆにより形成される角度θよりも小さい角度を成すように外表面フープ層５２を形成すれば良い。例えば、フープドーム部５２ｂの外表面が形成する曲面と、ライナードーム部４４の外表面が形成する曲面が同一でなくても良い。このようにしても、上記実施例と同様に、肩部３３をフープ層である外表面フープ層５２で補強することができる。
Ｂ－２．第２変形例：
　上記実施例では、フープドーム部５２ｂの外表面が等張力曲面を形成するように、フープドーム部５２ｂにおいて繊維の積層数を変えて厚みを変化させたが（図３（Ｂ））、積層数を変化させることに代えて、繊維の太さを変化させることでフープドーム部５２ｂの厚さを変化させても良い。すなわち、図３（Ｂ）に示すフープドーム部５２ｂは、フープ円筒部５２ａからライナードーム部４４に向かうにしたがって繊維の太さを次第に小さくすることで構成されても良い。このようにしても、上記実施例と同様に、肩部３３を外表面フープ層で補強することができる。
Ｂ－３．第３変形例：
　上記実施例では、外表面フープ層５２のうちフープ円筒部５２ａの繊維の積層数は１３であったが、これに限定されるものではない。用いる繊維の種類や、外表面フープ層５２以外の層（例えば、フープ層５６、低角度ヘリカル層５４，５７）の積層数や、低角度ヘリカル層５４，５７の巻き付け角度、繊維の種類等の仕様に応じて、肩部３３の繊維ひずみが高圧タンク１０の中央部の繊維ひずみより小さくなるように、外表面フープ層５２のフープ円筒部５２ａとフープドーム部５２ｂの繊維の積層数を決定することができる。また、外表面フープ層５２の積層仕様に応じて、外表面フープ層５２とライナードーム部４４の境界部において、フープドーム部５２ｂの外表面と、ライナードーム部４４の外表面が同じ等張力曲面を形成するように、ライナー４０の傾斜角度θ（図３（Ａ））を決定することができる。なお、本実施例の繊維強化樹脂層としてＣＦＲＰを用いた高圧タンク１０では、傾斜角度θを２０°以上に設定することが好ましい。こうすることで、肩部３３の繊維ひずみを高圧タンク１０中央部の繊維ひずみよりも小さくすることをより確実に可能とする繊維強化樹脂層５０を形成できるからである。
Ｂ－４．第４変形例：
　本発明を適用した高圧タンク１０は、肩部３３が補強されているため常圧よりも高い流体を貯蔵するために用いることができる。例えば、高圧の水素ガスを貯蔵するための水素タンクとして用いたり、高圧の天然ガスを貯蔵するための天然ガスタンクとして用いることができる。また、これらのガスタンクを車両、船舶、航空機などの各種移動体に搭載して燃料ガス源として用いても良い。さらには、これらのガスタンクを定置型ガスタンクとして用いても良い。
　　１０，１０ａ…高圧タンク
　　１４…口金部
　　１４ａ…開口部
　　１５…ガイド
　　２０…円筒部
　　２２…積層円筒部
　　３０…ドーム部
　　３２…積層ドーム部
　　３３…境界部分（肩部）
　　４０，４０ａ…ライナー
　　４１…フープ積層ライナー
　　４２…ライナー円筒部
　　４２ａ…ライナー円筒部
　　４２ｆ…接線
　　４４…ライナードーム部
　　４４ａ…ライナードーム部
　　４４ｆ…接線
　　５０…繊維強化樹脂層
　　５０ａ…繊維強化樹脂層
　　５１…繊維
　　５２…外表面フープ層
　　５２…フープ層
　　５２ａ…フープ円筒部
　　５２ｂ…フープドーム部
　　５４…低角度ヘリカル層（外表面低角度ヘリカル層）
　　５６…フープ層
　　５７…低角度ヘリカル層
　　５８…高角度ヘリカル層
　　ＡＸ…中心軸

Claims (7)

  1. 　流体を内部に貯蔵するための高圧タンクであって、
    　ライナーと、
    　繊維を含み、前記ライナーの表面を覆う繊維強化樹脂層と、を備え、
    　前記ライナーは、
    　　円筒状のライナー円筒部と、
    　　前記ライナー円筒部の両側にそれぞれ接続されたドーム状のライナードーム部であって、外表面が前記ライナー円筒部の外表面に対して所定角度傾斜して前記ライナー円筒部に接続されているライナードーム部と、を有し、
    　前記繊維強化樹脂層は、
    　　前記ライナー円筒部の外表面を覆うように前記ライナー円筒部の外表面上に形成されたフープ層であって、前記繊維を前記ライナー円筒部の中心軸に対して略垂直になるように巻き付けるフープ巻きにより形成されたフープ層を有し、
    　前記フープ層は、
    　　前記ライナードーム部との境界部において、前記フープ層の外表面が前記ライナードーム部の外表面に対して前記所定角度よりも小さい角度を成すように形成されている、高圧タンク。
  2. 　請求項１に記載の高圧タンクであって、
    　前記フープ層は、
    　　一定の厚みを有するフープ円筒部と、
    　　前記フープ円筒部と前記ライナードーム部の間に位置するフープドーム部であって、前記フープ円筒部から前記ライナードーム部に向かうにしたがって、厚みが前記一定の厚みから次第に小さくなるフープドーム部と、を有する、高圧タンク。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の高圧タンクであって、
    　前記フープ円筒部は、前記繊維を所定数積層することで形成され、
    　前記フープドーム部は、前記フープ円筒部から前記ライナードーム部に向かうにしたがって、前記繊維の積層数を前記所定数から次第に少なくすることで形成される、高圧タンク。
  4. 　請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の高圧タンクであって、
    　　前記境界部において、前記フープ層の外表面の接線の傾きと前記ライナードーム部の外表面の接線の傾きとが一致するように、前記フープ層は形成される、高圧タンク。
  5. 　請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の高圧タンクであって、
    　前記繊維強化樹脂層は、さらに、
    　　前記フープ層の外表面上と前記ライナードーム部の外表面上に形成されたヘリカル層であって、前記フープ層上において前記ヘリカル層の前記繊維が前記中心軸を一周する前に前記ライナードーム部において前記繊維の巻き付け方向が折り返されるヘリカル巻きにより形成されるヘリカル層を含む、高圧タンク。
  6. 　請求項５に記載の高圧タンクであって、
    　前記繊維強化樹脂層は、
    　　前記フープ巻きにより形成される第１種の層と、前記ヘリカル巻きにより形成される第２種の層とからなる、高圧タンク。
  7. 　流体を内部に貯蔵するための高圧タンクの製造方法であって、
    （ａ）円筒状のライナー円筒部と、前記ライナー円筒部の両側にそれぞれ接続されたドーム状の２つのライナードーム部であって、外表面が前記ライナー円筒部の外表面に対して所定角度傾斜して前記ライナー円筒部に接続されているライナードーム部と、を有する、ライナーを準備する工程と、
    （ｂ）前記ライナーの表面を覆うように、繊維を含む繊維強化樹脂層を前記ライナーに形成する工程と、を備え、
    　前記工程（ｂ）は、
    　　前記繊維を前記ライナー円筒部の中心軸に対して略垂直に巻き付けるフープ巻きにより前記ライナー円筒部の外表面を覆うようにフープ層を形成する工程であって、前記フープ層と前記ライナードーム部との境界部において、前記フープ層の外表面が前記ライナードーム部の外表面に対して前記所定角度よりも小さい角度を成すように前記フープ層を形成する工程を含む、製造方法。
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