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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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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