(57)【要約】【課題】高圧タンクの製造方法において、ライナーの最少板厚を確保しつつ、ライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じるのを抑制する。【解決手段】各々、一般部１１，２１と、少なくとも端面１３ａ，２３ａにおける外径が一般部１１，２１の外径よりも推定段差量ｔだけ大きくなるように、一般部１１，２１よりも厚肉に形成された接合端部１３，２３と、を有するドーム１０およびパイプ２０を用意する。ドーム１０の接合端部１３と、パイプ２０の接合端部２３と、を軸方向に接合する接合工程と、接合面４０ａにおける外径が大きいドーム１０の一般部１１の外周面１１ａを基準面とし、基準面よりも径方向外側の部位を切除する切除工程と、ライナーの外周面に、カーボンファイバーをヘリカル巻きで巻回する巻回工程と、を含む。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の略円筒状のライナー構成部材を接合することで形成されるライナーと、当該ライナーの外周に巻回されるファイバーと、を備える高圧タンクの製造方法であって、
上記ライナー構成部材として、各々、円筒状の一般部と、当該ライナー構成部材同士を接合した接合面に生じ得る段差量の推定値を推定段差量とした場合に、少なくとも端面における外径が当該一般部の外径よりも推定段差量だけ大きくなるように、当該一般部よりも厚肉に形成された接合端部と、を有するものを用意し、
一の上記ライナー構成部材の接合端部と、他の上記ライナー構成部材の接合端部と、を軸方向に接合する接合工程と、
上記接合工程で接合された上記ライナー構成部材のうち、接合面における外径が大きい方のライナー構成部材の一般部の外周面を基準面とし、接合された両接合端部における、当該基準面よりも径方向外側の部位を切除する切除工程と、
上記ライナーの外周面に、上記ファイバーをヘリカル巻きで巻回する巻回工程と、を含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項２】
上記請求項１に記載の高圧タンクの製造方法において、
接合前における上記接合端部は、当該接合端部における最端部に位置し且つ外径が上記一般部の外径よりも推定段差量だけ大きい円筒状の接合代部と、当該接合代部の外周面と上記一般部の外周面とを結ぶように、当該接合代部から当該一般部に向かって外径が縮径するテーパ部と、を有しており、
上記接合工程では、上記各ライナー構成部材の上記接合代部を溶融させて上記接合端部同士を接合することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項３】
上記請求項２に記載の高圧タンクの製造方法において、
上記推定段差量をｔ、上記巻回工程におけるライナー中心線に対する上記ファイバーの繊維角度をψ、上記一般部の外周半径をＲとした場合に、上記テーパ部の傾斜角度θが、ｔａｎθ＝ｔ×ｔａｎψ／（Ｒ×（１−Ｒ2／（Ｒ＋ｔ）2）1/2）なる関係を満たすように設定されていることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項４】
上記請求項２または３に記載の高圧タンクの製造方法において、
上記各ライナー構成部材における上記テーパ部の傾斜面が、上記一般部の外周面に交差する手前で当該外周面まで段落ちしており、
上記接合工程では、上記各ライナー構成部材の一般部を把持固定した状態で、両接合端部を接合することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項５】
複数の略円筒状のライナー構成部材を接合することで形成されるライナーと、当該ライナーの外周に巻回されるファイバーと、を備える高圧タンクであって、
上記ライナーは、円筒状の一般部と、上記ライナー構成部材の接合端部同士を軸方向に接合することで形成される接合部と、を有しており、
上記接合部は、接合面における外径が相等しい、第１接合端部と第２接合端部とで構成されており、
上記第１接合端部は上記一般部と同じ肉厚である一方、上記第２接合端部は上記一般部よりも外径が大きく且つ上記一般部よりも厚肉であることを特徴とする高圧タンク。
【請求項６】
上記請求項５に記載の高圧タンクにおいて、
上記第２接合端部は、上記接合面から軸方向に離れるほど外径が縮径するテーパ部を有することを特徴とする高圧タンク。
【請求項７】
上記請求項６に記載の高圧タンクにおいて、
上記テーパ部の傾斜面が、上記一般部の外周面と交差する手前で当該外周面まで段落ちしていることを特徴とする高圧タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクの製造方法および高圧タンクに関し、特に、複数の部品を接合したライナーの外周にファイバーを巻回した高圧タンクの製造方法および高圧タンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧タンクの製造方法として、内殻を構成するライナーの外周に、ファイバーを巻回することで高強度の外殻を形成するフィラメントワインディング法が従来から知られている。
【０００３】
フィラメントワインディング法におけるファイバーの巻回方法は、ライナー中心線に対して略直角にファイバーを巻き付けるフープ巻きと、ライナー中心線に対して所定の角度（繊維角度）でファイバーを巻き付けるヘリカル巻きとに大別される。
【０００４】
かかるフィラメントワインディング法では、ファイバーの張力が一定になるように巻回すると強度が向上することが知られている。もっとも、ヘリカル巻きの場合には、ファイバーの折返しに伴ってライナー端部にファイバーが集中し、他の部位よりもファイバー層が厚くなるため、ファイバーの巻回を重ねるに連れて、端部の形状が等張力曲面からずれるという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば特許文献１には、ライナー端部に半球面状のドーム部を有する高圧タンクにおいて、ファイバーがヘリカル巻きで巻回される過程で等張力曲面が形成されるような、等張力曲面とは異なる所定の曲面を有するドーム部の形状が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−２１７４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、高圧タンクの内殻を構成するライナーは、通常、両端が略閉じた筒状中空体に形成されることから、接合部が少なくとも１箇所生じることになる。例えば有底円筒状の部品（以下、ドームともいう。）同士を軸方向に接合すれば、接合部が１箇所生じ、また、例えば２つのドームの間に円筒状の部品（以下、パイプともいう。）を挟んで軸方向に接合すれば、接合部が２箇所生じることになる。
【０００８】
そうして、上記特許文献１では触れられていないが、ドームやパイプといった部品がたとえ型製品であっても、材料の収縮率のばらつきや接合時の位置ずれ等により、部品同士の接合部には不可避的に段差が生じることが知られている。このように、接合部に段差が生じたままの状態で、ライナーの外周にファイバーを巻回すると、ファイバーとライナーとの間に、強度が低下するような有害な隙間が生じる場合がある。
【０００９】
そこで、接合面における外径が小さい方の部品の外径を基準として、段差を切除することも考えられるが、これでは、切除された方の部品（接合面における外径が大きい方の部品）の肉厚が薄くなる（最少板厚の確保が困難になる）という問題がある。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の部品を接合したライナーの外周にファイバーを巻回した高圧タンクの製造方法および高圧タンクにおいて、ライナーの最少板厚を確保しつつ、ライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じるのを抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するべく、本発明に係る高圧タンクの製造方法および高圧タンクでは、ライナーにおける接合部を構成する、部品の端部形状の適正化を図るようにしている。
【００１２】
具体的には、本発明は、複数の略円筒状のライナー構成部材を接合することで形成されるライナーと、当該ライナーの外周に巻回されるファイバーと、を備える高圧タンクの製造方法を対象としている。
【００１３】
この高圧タンクの製造方法では、上記ライナー構成部材として、各々、円筒状の一般部と、当該ライナー構成部材同士を接合した接合面に生じ得る段差量の推定値を推定段差量とした場合に、少なくとも端面における外径が当該一般部の外径よりも推定段差量だけ大きくなるように、当該一般部よりも厚肉に形成された接合端部と、を有するものを用意する。
【００１４】
そして、この高圧タンクの製造方法は、一の上記ライナー構成部材の接合端部と、他の上記ライナー構成部材の接合端部と、を軸方向に接合する接合工程と、上記接合工程で接合された上記ライナー構成部材のうち、接合面における外径が大きい方のライナー構成部材の一般部の外周面を基準面とし、接合された両接合端部における、当該基準面よりも径方向外側の部位を切除する切除工程と、上記ライナーの外周面に、上記ファイバーをヘリカル巻きで巻回する巻回工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１５】
なお、本発明において「略円筒状のライナー構成部材」には、両端が開口した円筒状のライナー構成部材のみならず、例えば円筒状の部位の一方端に半球面状のドーム部を有する有底円筒状のライナー構成部材等も含まれている。
【００１６】
この構成では、ライナー構成部材の端面における外径が一般部の外径よりも推定段差量だけ大きいことから、接合後に基準面（一般部の外周面）よりも径方向外側の部位を切除すれば、接合面における盛上げ高さ分（＝推定段差量）が切除されることになる。それ故、推定段差量の範囲内で生じた接合面における段差を確実に切除することができ、これにより、ライナーとファイバーとの間に、強度が低下するような有害な隙間が生じるのを抑えることができる。
【００１７】
また、接合面における外径が大きい方のライナー構成部材の一般部の外周面（基準面）よりも径方向外側の部位を切除することで、外径が大きい方のライナー構成部材側では一般部と同じ肉厚の端部（以下、第１接合端部ともいう。）が形成され、外径が小さい方のライナー構成部材側では一般部よりも外径が大きく且つ厚肉の端部（以下、第２接合端部ともいう。）が形成される。したがって、一般部よりも肉厚が薄くなる部位が生じないので、ライナーの最少板厚を確保することができる。
【００１８】
以上より、ライナーの最少板厚を確保しつつ、ライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じるのを抑制することができる。
【００１９】
ところで、例えば、接合前の接合端部を一般部よりも外径が大きく且つ厚肉の円筒状とし、接合端部と一般部とを段差面で繋いだ構成では、接合後に、第２接合端部と一般部との境界に大きな段差面が残る場合がある。これでは、第１接合端部と第２接合端部との接合面に段差がなくても、第２接合端部と一般部との境界（段差面）において、ライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じる場合がある。他方、接合前の接合端部をテーパ形状にすると、例えば接合端部を溶融させてライナー構成部材を接合する際、接合端部の肉厚（断面積）が変化するため、入熱量等の接合加工条件を一定にし難いという問題がある。
【００２０】
そこで、上記高圧タンクの製造方法では、接合前における上記接合端部は、当該接合端部における最端部に位置し且つ外径が上記一般部の外径よりも推定段差量だけ大きい円筒状の接合代部と、当該接合代部の外周面と上記一般部の外周面とを結ぶように、当該接合代部から当該一般部に向かって外径が縮径するテーパ部と、を有しており、上記接合工程では、上記各ライナー構成部材の上記接合代部を溶融させて上記接合端部同士を接合することが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、接合端部にテーパ部を設けることで、一般部に近付くほど第２接合端部の外径と一般部の外径との差が小さくなることから、第１接合端部と第２接合端部との接合面のみならず、第２接合端部と一般部との境界においても、ライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じるのを抑えることができる。加えて、肉厚（断面積）が一定である円筒状の接合代部が接合端部の最端部に設けられていることから、接合代部を溶融させて接合端部同士を接合する際、入熱量等の接合加工条件を一定にし易くすることができる。
【００２２】
もっとも、接合端部にテーパ部を設けても、テーパ部の傾斜角度が極端に大きいと、フィラメントワインディング時にライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じる場合がある一方、テーパ部の傾斜角度が極端に小さいと、第２接合端部が必要以上に長くなり、ライナーの無駄な厚肉化を生じる場合がある。
【００２３】
そこで、上記高圧タンクの製造方法では、上記推定段差量をｔ、上記巻回工程におけるライナー中心線に対する上記ファイバーの繊維角度をψ、上記一般部の外周半径をＲとした場合に、上記テーパ部の傾斜角度θが、ｔａｎθ＝ｔ×ｔａｎψ／（Ｒ×（１−Ｒ2／（Ｒ＋ｔ）2）1/2）なる関係を満たすように設定されていることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、高圧タンクの性能（高圧タンクの貯蔵量に関連する外周半径Ｒ、高圧タンクの強度に関連する繊維角度ψ、および、段差量に関連するｔ）と関連付けて、テーパ部の傾斜角度を規定することにより、要求される性能を有する高圧タンクにおけるテーパ部の傾斜角度の適正化を図り、ライナーとファイバーとの間の隙間を最小にすることができる。
【００２５】
また、上記高圧タンクの製造方法では、上記各ライナー構成部材における上記テーパ部の傾斜面が、上記一般部の外周面に交差する手前で当該外周面まで段落ちしており、上記接合工程では、上記各ライナー構成部材の一般部を把持固定した状態で、両接合端部を接合することが好ましい。
【００２６】
縮径したテーパ部の外径と一般部の外径との差が十分に小さくなれば、一般部の外周面に交差する（すり付く）まで傾斜面を延ばす必要はない。この点、この構成によれば、テーパ部の傾斜面を、一般部の外周面に交差する手前で段落ちさせることから、テーパ部を短く（正寸法部である一般部を長く）することができ、これにより、無駄な厚肉化を抑えて歩留まりを向上させることができる。また、一般部を把持固定する際に接合端部と一般部との境界が分かり易くなることから、接合加工を容易に行うことができる。加えて、テーパ部が短くなることから、テーパ部よりも掴み易い一般部を把持固定しても、固定位置を接合面に近付けることができ、これにより、位置決め精度を向上させることができる。
【００２７】
さらに、本発明は、複数の略円筒状のライナー構成部材を接合することで形成されるライナーと、当該ライナーの外周に巻回されるファイバーと、を備える高圧タンクをも対象としている。
【００２８】
そして、この高圧タンクは、上記ライナーは、円筒状の一般部と、上記ライナー構成部材の接合端部同士を軸方向に接合することで形成される接合部と、を有しており、上記接合部は、接合面における外径が相等しい、第１接合端部と第２接合端部とで構成されており、上記第１接合端部は上記一般部と同じ肉厚である一方、上記第２接合端部は上記一般部よりも外径が大きく且つ上記一般部よりも厚肉であることを特徴とするものである。
【００２９】
この構成によれば、接合面における外径が相等しい、第１接合端部と第２接合端部とで接合部が構成されていることから、ライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じるのを抑制することができる。また、第１接合端部が一般部と同じ肉厚であるとともに、第２接合端部は一般部よりも外径が大きく且つ一般部よりも厚肉であることから、ライナーの最少板厚を確保することができる。
【００３０】
なお、材料の収縮率のばらつきや接合時の位置ずれ等により、ライナー構成部材同士の接合面には不可避的に段差が生じるが、上記高圧タンクの製造方法を用いれば、接合面における外径が相等しい、一般部と同じ肉厚の第１接合端部と、一般部よりも外径が大きく且つ一般部よりも厚肉の第２接合端部とで構成される本発明に係る接合部を好適に実現することができる。
【００３１】
また、上記高圧タンクでは、上記第２接合端部は、上記接合面から軸方向に離れるほど外径が縮径するテーパ部を有することが好ましい。
【００３２】
この構成によれば、一般部に近付くほど第２接合端部の外径と一般部の外径との差が小さくなることから、第２接合端部と一般部との境界においても、ライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じるのを抑えることができる。
【００３３】
さらに、上記高圧タンクでは、上記テーパ部の傾斜面が、上記一般部の外周面と交差する手前で当該外周面まで段落ちしていることが好ましい。
【００３４】
この構成によれば、テーパ部を短く（正寸法部である一般部を長く）することができ、これにより、無駄な厚肉化を抑えて歩留まりを向上させることができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明に係る高圧タンクの製造方法および高圧タンクによれば、ライナーの最少板厚を確保しつつ、ライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧タンクを模式的に示す断面図である。
【図２】ライナー構成部材を模式的に示す断面図であり、同図（ａ）および（ｃ）はドームを示し、同図（ｂ）はパイプを示している。
【図３】ライナーを模式的に示す断面図であり、同図（ａ）はライナー全体を示し、同図（ｂ）は接合部を拡大して示している。
【図４】フィラメントワインディング法におけるファイバーの巻回方法を模式的に説明する図であり、同図（ａ）はヘリカル巻きを示し、同図（ｂ）はフープ巻きを示している。
【図５】接合前におけるライナー構成部材の接合端部を模式的に示す断面図である。
【図６】高圧タンクの製造方法を模式的に説明する図であり、同図（ａ）および（ｂ）は接合工程であり、同図（ｃ）は切除工程である。
【図７】ファイバーが巻回された接合部を模式的に示す断面図である。
【図８】繊維角度と傾斜角度との幾何学的関係を模式的に説明する概念図である。
【図９】ライナーとカーボンファイバーとの隙間と、設定傾斜角度との関係を模式的に説明する概念図である。
【図１０】ライナーとカーボンファイバーとの隙間と、設定傾斜角度との関係を模式的に示すグラフ図である。
【図１１】変形例１に係るパイプの端部を模式的に示す断面図である。
【図１２】変形例２に係るパイプの端部を模式的に示す断面図である。
【図１３】従来のライナーの接合部を模式的に説明する図である。
【図１４】従来のライナーの接合部を模式的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
【００３８】
−高圧タンク−
図１は、本実施形態に係る高圧タンク１を模式的に示す断面図である。この高圧タンク１は、図１に示すように、内殻としての略円筒形状のライナー３と、ライナー３の外周に巻回されて積層されることで外殻を形成するカーボンファイバー５と、ライナー３の両端に圧入で組付けられるアルミ製の口金７，９と、を備えている。
【００３９】
ライナー３は、樹脂製であり、図１に示すように、３つに分割形成された略円筒状のライナー構成部材１０，２０，３０で構成されている。具体的には、ライナー３は、２つのドーム１０，３０の間に１つのパイプ２０を挟んで、これらを軸方向に接合することで構成されている。
【００４０】
図２は、ライナー構成部材１０，２０，３０を模式的に示す断面図であり、同図（ａ）および（ｃ）はドーム１０，３０を示し、同図（ｂ）はパイプ２０を示している。ドーム１０，３０は、有底筒状に形成されている。より詳しくは、ドーム１０，３０は、円筒状の一般部１１，３１と、一般部１１，３１の一端を塞ぐように設けられ、口金７，９が組付けられる半球面状のドーム部１２，３２と、一般部１１，３１の他端に設けられた接合端部１３，３３と、を有している。一方、パイプ２０は、両端が開口した円筒状に形成されていて、円筒状の一般部２１と、一般部２１の両端に設けられた接合端部２３と、を有している。これらのドーム１０，３０およびパイプ２０は、一般部１１，２１，３１における外径および内径が同じ設計値でそれぞれ形成されている。また、接合端部１３，２３，３３も、同じ形状・寸法で形成されている。
【００４１】
ドーム１０とパイプ２０とは、接合端部１３の最端部と接合端部２３の最端部をそれぞれ赤外線で加熱溶融させ、両者を圧着する赤外線溶着法で接合されている。同様に、パイプ２０とドーム３０とは、接合端部２３の最端部と接合端部３３の最端部をそれぞれ赤外線で加熱溶融させ、両者を圧着する赤外線溶着法で接合されている。そうして、接合に伴う凸状のはみ出し（ビード５０等（図６（ｂ）参照））を研削等により処理することで接合部４０が形成される。
【００４２】
図３は、ライナー３を模式的に示す断面図であり、同図（ａ）はライナー３全体を示し、同図（ｂ）は接合部４０を拡大して示している。なお、図３（ｂ）では、後述する段差面２３ｂを図示省略している。
【００４３】
上記のようにドーム１０，３０およびパイプ２０が赤外線溶着法で接合されることで、本実施形態のライナー３は、図３（ａ）に示すように、両端のドーム部１２，３２と、３つの円筒状の一般部１１，２１，３１と、２つの接合部４０と、を有している。また、各接合部４０は、図３（ｂ）に示すように、接合面４０ａにおける外径が相等しい、第１接合端部１３’と第２接合端部２３’とで構成されている。第１接合端部１３’は一般部１１と同じ肉厚である一方、第２接合端部２３’は一般部２１よりも外径が大きく且つ一般部２１よりも厚肉に形成されている。接合部４０の詳細については後述する。
【００４４】
図４は、フィラメントワインディング法におけるカーボンファイバー５の巻回方法を模式的に説明する図であり、同図（ａ）はヘリカル巻きを示し、同図（ｂ）はフープ巻きを示している。本実施形態の高圧タンク１では、ライナー３の外周にフィラメントワインディング法によりカーボンファイバー５を巻いて外殻を形成している。本実施形態では、図４（ａ）に示すように、ライナー中心線ＡＸに対して所定の角度でカーボンファイバー５を巻き付けるヘリカル巻きと、図４（ｂ）に示すように、ライナー中心線ＡＸに対して略直角にカーボンファイバー５を巻き付けるフープ巻きとを併用している。
【００４５】
具体的には、最下層をヘリカル巻きした後、上層をフープ巻きしている。これにより、ヘリカル巻きの際に両端の口金７，９に対し、たすき掛けで巻かれるカーボンファイバー５によって主としてドーム部１２，３２を保護することができるとともに、フープ巻きで巻回されるカーボンファイバー５によって主として一般部１１，２１，３１を保護することができる。なお、ヘリカル巻きでは、カーボンファイバー５を両端の口金７，９に対し、たすき掛けで巻くことから、カーボンファイバー５の延びる方向はライナー中心線ＡＸに対して斜めになっており、その角度は繊維角度ψと称される。
【００４６】
−接合部−
次に、接合部４０について詳細に説明するが、本発明を理解し易くするために、それに先立ち従来の接合部について説明する。
【００４７】
図１３および図１４は、従来のライナー１０３の接合部１４０を模式的に説明する図である。なお、図１３および図１４では、接合面１４０ａにおいて、ドーム１１０の外径が大きい場合を例示しているが、当然、パイプ１２０の外径が大きくなる場合もある。
【００４８】
従来のドーム１１０およびパイプ１２０では、本実施形態のように接合端部１３，２３は設けられておらず、一般部１１１，１２１の端部同士が赤外線溶着法で直接接合される。これらのドーム１１０とパイプ１２０とは、一般部１１１，１２１における外径および内径が同じ設計値で形成されている。しかし、たとえ型製品であっても、材料の収縮率のばらつきや接合時の位置ずれ等により、接合面１４０ａにおいて、外周面１１１ａと外周面１２１ａ（および内周面１１１ｂと内周面１２１ｂ）との間に不可避的に段差ｓが生じることになる。このように、接合部１４０に段差ｓが生じた状態のままで、ライナー１０３の外周にカーボンファイバーを巻回すると、カーボンファイバーとライナー１０３との間に、強度を低下させるような有害な隙間が生じることになる。
【００４９】
このため、段差ｓを低減処理すべく、図１４に示すように、接合面１４０ａにおける段差ｓがなくなるように、外径が大きいドーム１１０の外周部を切除することが考えられるが、これでは、切除された区間Ｌにおいてドーム１１０の肉厚が薄くなり、ライナー１０３の最小板厚を確保することが困難になるという問題がある。
【００５０】
そこで、本実施形態の高圧タンク１では、ライナー３における接合部４０を構成する、接合端部１３，２３，３３の形状の適正化を図るようにしている。なお、上述の如く、接合端部１３，２３，３３は同じ形状・寸法なので、以下では、パイプ２０の接合端部２３について説明するとともに、ドーム１０の接合端部１３とパイプ２０の接合端部２３を接合した接合部４０について説明する。
【００５１】
図５は、接合前におけるパイプ２０の接合端部２３を模式的に示す断面図である。本実施形態では、少なくとも端面２３ａにおける外径が一般部２１の外径よりも推定段差量ｔだけ大きくなるように、一般部２１の肉厚Ｔよりも厚肉（Ｔ＋ｔ）に接合端部２３を形成している。ここで、「推定段差量ｔ」とは、ライナー構成部材１０，２０，３０同士を接合した接合面４０ａに生じ得る段差量の推定値であり、材料の収縮率のばらつきや位置ずれ等を見込んだ上で、ＣＡＤを用いて算出されるものである。
【００５２】
より詳しくは、接合端部２３は、図５に示すように、当該接合端部２３における最端部に位置し且つ一般部２１の外径よりも推定段差量ｔだけ外径が大きい円筒状の接合代部２７と、当該接合代部２７の外周面２７ａと一般部２１の外周面２１ａとを結ぶように、接合代部２７から一般部２１に向かって傾斜角度θで外径が縮径するテーパ部２５と、を有している。なお、接合代部２７の区間長Ｌ１は、赤外線溶着の際の加熱溶融量に設定されており、接合に伴って形成されるビード５０などの変形は、区間長Ｌ１内で完了するようになっている。つまり、接合代部２７は、加熱溶融されて接合されることにより、ビード５０等に転化し、接合後の接合部４０には残らないようになっている。
【００５３】
また、テーパ部２５の傾斜面２５ａは、一般部２１の外周面２１ａに交差する（すり付く）手前で外周面２１ａまで段落ちしている。換言すると、テーパ部２５の傾斜面２５ａと一般部２１の外周面２１ａとは段差面２３ｂを介してつながっている。これにより、テーパ部２５の傾斜面２５ａを一般部２１の外周面２１ａに交差させる場合に比して、テーパ部２５の区間長Ｌ２を短くすることができる。なお、段差面２３ｂの高さは、ライナー３とカーボンファイバー５との隙間許容範囲（強度の低下を招かないような隙間の範囲）の最大値（例えば０．４（ｍｍ））に設定されている。
【００５４】
以上のように構成された接合端部２３は、同様の構成を有する接合端部１３と以下の手順で接合される。図６は、高圧タンク１の製造方法を模式的に説明する図であり、同図（ａ）および（ｂ）は接合工程であり、同図（ｃ）は切除工程である。
【００５５】
接合工程では、ドーム１０の接合端部１３と、パイプ２０の接合端部２３とを軸方向に接合する。より詳しくは、先ず、図６（ａ）の網掛部で示すように、ドーム１０の接合端部１３における接合代部１７と、パイプ２０の接合端部２３における接合代部２７とを赤外線で加熱溶融させる。このとき、接合代部１７，２７が円筒状、すなわち、断面積が変化しない形状に形成されていることから、例えばテーパ部１５，２５同士を接合する場合のように加熱量を変化させる必要がないので、入熱量等の接合加工条件を一定にし易くなる。
【００５６】
次に、図６（ｂ）に示すように、ドーム１０およびパイプ２０を治具６０で把持固定して、両者を圧着する。ドーム１０およびパイプ２０を治具６０で把持固定する場合には、テーパ部１５，２５よりも、平坦な一般部１１，２１の方が掴み易いところ、本実施形態では、段差面１３ｂ，２３ｂを設けることで、テーパ部１５，２５と一般部１１，２１との境界を認識し易くなっている。また、段差面１３ｂ，２３ｂを設けることで、テーパ部２５の区間長Ｌ２が短くなっていることから、正寸法部である一般部１１，２１を長くすることができる上、一般部１１，２１を治具６０で把持固定しても、固定位置を溶着部に近付けることができ、これにより、位置決め精度を向上させることができる。
【００５７】
このように、ドーム１０およびパイプ２０を赤外線溶着法で接合すると、図６（ｂ）に示すように、接合部分の内外に、溶融した接合代部１７，２７が転化したビード５０が生じるが、外側のビード５０については、次の切除工程で段差ｓと共に切除される。
【００５８】
切除工程では、接合工程で接合されたライナー構成部材１０，２０のうち、接合面４０ａにおける外径が大きい方のライナー構成部材であるドーム１０の一般部１１の外周面１１ａを基準面とし、接合工程で接合された接合端部１３，２３における、当該基準面（外周面１１ａ）よりも径方向外側の部位を切除する。ここで、接合端部１３，２３は端面１３ａ，２３ａにおいて推定段差量ｔだけ厚肉化されていることから、基準面よりも径方向外側の部位を切り落とせば、推定段差量ｔの範囲内で生じた接合面４０ａにおける段差ｓを確実に切除することができる。これにより、図６（ｃ）に示すように、接合面４０ａにおける外径が相等しい、一般部１１と同じ肉厚の第１接合端部１３’と、一般部２１よりも外径が大きく且つ一般部２１よりも厚肉の第２接合端部２３’とで構成される接合部４０が、すなわち、図３（ｂ）と同様の接合部４０が形成される。なお、段差ｓが相対的に小さい場合には、図６（ｃ）に示すように、テーパ部２５の一部（推定段差量ｔと段差ｓとの差）も切除されるが、段差ｓが推定段差量ｔと等しい場合には、図３（ｂ）に示すように、テーパ部２５が切除されることなく、そのまま残ることになる。
【００５９】
このようにして形成された、例えば図３（ｂ）に示すライナー３の外周面に、カーボンファイバー５をヘリカル巻きで巻回することで、図７に示すように、ライナー３の最少板厚を確保しつつ（ライナー３におけるいずれの箇所も肉厚Ｔ以上の板厚を有し）、ライナー３とカーボンファイバー５との間に有害な隙間（高圧タンク１の強度を低下させるような隙間）が生じない接合部４０を得ることができる。
【００６０】
もっとも、第２接合端部２３’に残ったテーパ部２５の傾斜角度θが極端に大きいと、フィラメントワインディング時にライナー３とカーボンファイバー５との間に有害な隙間が生じる場合がある一方、テーパ部２５の傾斜角度θが極端に小さいと、第２接合端部２３’が必要以上に長くなり、無駄な厚肉化を生じる場合がある。
【００６１】
そこで、本実施形態では、一般部２１の外周半径をＲとした場合に、推定段差量ｔおよび繊維角度ψを用いて、
ｔａｎθ＝ｔ×ｔａｎψ／（Ｒ×（１−Ｒ2／（Ｒ＋ｔ）2）1/2）・・・・・（式１）
なる関係を満たすように、テーパ部２５の傾斜角度θを設定している。以下、この（式１）について説明する。
【００６２】
図８は、繊維角度ψと傾斜角度θとの幾何学的関係を模式的に説明する概念図である。この図８は、カーボンファイバー５をライナー３にヘリカル巻きで巻回した状態における上面視図（ａ）と、第２接合端部２３’のテーパ部２５の側面視図（ｂ）と、第２接合端部２３’の軸方向視図（ｃ）と、を同一平面状に並べたものである。なお、軸方向視図（ｃ）における符号４０ｂは、第２接合端部２３’が接合面４０ａにおいて径方向外側に推定段差量ｔだけ盛り上がっていないと仮定した場合における仮想線であり、かかる仮想線４０ｂの半径は一般部２１の外周半径Ｒと一致する。それ故、側面視図（ｂ）において、仮想線４０ｂと一般部２１の外周面２１ａとが面一になっている。
【００６３】
この図８では、ライナー３とカーボンファイバー５との隙間に関し最も条件が悪い状態、換言すると、テーパ部２５が切除されることなく、接合面４０ａにおける盛上げ高さ（＝推定段差量ｔ）がそのまま残った状態を想定している。また、テーパ部２５の傾斜面２５ａは、段落ちしておらず、接合面４０ａから傾斜しながら区間長ｄ２だけ延びて一般部２１の外周面２１ａに交差した状態を想定している。このような状態で、ライナー３とカーボンファイバー５との隙間が０と仮定した場合における、繊維角度ψと傾斜角度θとの幾何学的関係を表す上記（式１）を算出する。
【００６４】
先ず、図８の上面視図（ａ）において、軸方向に区間長ｄ２だけカーボンファイバー５を巻く際に、横方向に長さｄ１だけカーボンファイバー５が傾斜したと仮定すると、繊維角度ψは下記の（式２）で表される。
【００６５】
ｔａｎψ＝ｄ１／ｄ２・・・・・（式２）
次に、図８の側面視図（ｂ）において、テーパ部２５の傾斜面２５ａは、盛上げ高さｔの接合面４０ａから傾斜角度θで傾斜しながら区間長ｄ２だけ延びて一般部２１の外周面２１ａに交差しているので、傾斜角度θは下記の（式３）で表される。
【００６６】
ｔａｎθ＝ｔ／ｄ２・・・・・（式３）
よって、（式２）および（式３）からｄ２を消去すると、下記の（式４）が得られる。
【００６７】
ｔａｎθ／ｔａｎψ＝ｔ／ｄ１・・・・・（式４）
ここで、図８の軸方向視図（ｃ）において、ライナー３の中心角ηを用いて、仮想線４０ｂの半径Ｒ（＝一般部２１の外周半径Ｒ）と長さｄ１とを、下記の（式５）で表すことができる。
【００６８】
ｓｉｎη＝ｄ１／Ｒ・・・・・（式５）
（式５）の両辺を二乗すると、下記の（式６）が得られる。
【００６９】
ｓｉｎ2η＝（ｄ１／Ｒ）2・・・・・（式６）
また、図８の側面視図（ｂ）および軸方向視図（ｃ）において、ライナー３の中心角ηを用いて、仮想線４０ｂの半径Ｒと盛上げ高さｔとの関係を、下記の（式７）で表すことができる。
【００７０】
ｃｏｓη＝Ｒ／（Ｒ＋ｔ）・・・・・（式７）
（式７）の両辺を二乗すると、下記の（式８）が得られる。
【００７１】
ｃｏｓ2η＝Ｒ2／（Ｒ＋ｔ）2・・・・・（式８）
そうして、（式６）および（式８）の両辺を足し合わせて、ライナー３の中心角ηを消去すると、下記の（式９）が得られる。
【００７２】
１＝（ｄ１／Ｒ）2＋Ｒ2／（Ｒ＋ｔ）2・・・・・（式９）
（式９）を長さｄ１について整理すると、下記の（式１０）が得られる。
【００７３】
ｄ１＝Ｒ×（１−Ｒ2／（Ｒ＋ｔ）2）1/2・・・・・（式１０）
（式１０）を（式４）に代入して整理することで、上記の（式１）が得られる。
【００７４】
このように、ライナー３とカーボンファイバー５との間の隙間を０と仮定して算出された（式１）に、推定段差量ｔ（既知）、繊維角度ψ（既知）および一般部２１の外周半径Ｒ（既知）を代入してテーパ部２５の傾斜角度θ（理想傾斜角度θともいう。）を決定すれば、理論上、ライナー３とカーボンファイバー５との間に隙間が生じないことになる。
【００７５】
実際に計算して得られた理想傾斜角度θの例（実施例１〜４）を、下記の表１に示す。
【００７６】
【表１】
2020046002.tif 000003
【００７７】
次に、テーパ部２５の理想傾斜角度θを、上記（式１）を用いて設定することによって得られる効果について検証した。
【００７８】
図９は、ライナー３とカーボンファイバー５との隙間ｈと、テーパ部２５の設定傾斜角度ξとの関係を模式的に説明する概念図である。上記表１の実施例１において、理想傾斜角度θと同じ設定傾斜角度ξ（検証例１）、および、上記（式１）を用いずに設定された理想傾斜角度θと異なる１０個の設定傾斜角度ξ（検証例２〜１１）について、ライナー３とカーボンファイバー５との隙間ｈをそれぞれ算出した。その結果を、下記の表２および図１０に示す。
【００７９】
【表２】
2020046002.tif 000004
【００８０】
表２および図１０に示すように、理想傾斜角度θと同じ設定傾斜角度ξである検証例１では、ライナー３とカーボンファイバー５との隙間ｈが０（ｍｍ）になることが確認された。これに対し、検証例２〜１１では、設定傾斜角度ξが理想傾斜角度θから離れる程、ライナー３とカーボンファイバー５との隙間ｈが大きくなり、推定段差量ｔ＝１．０（ｍｍ）に近付くことが確認された。
【００８１】
このように、本実施形態では、ライナー３とカーボンファイバー５との隙間を０（ｍｍ）にすることが可能であることから、上述の如く、段差面２３ｂの高さを隙間許容範囲の最大値に設定しても、図７に示すように、段差面２３ｂの近傍に有害な隙間が生じるのを抑えることができる。
【００８２】
次に、上記実施形態の変形例について説明する。なお、以下の変形例１および２は、ドーム１０，３０についても適用可能である。
【００８３】
−変形例１−
上記実施形態のパイプ２０では、テーパ部２５と一般部２１とを単に段差面２３ｂで繋いだが、図１１に示すように、傾斜面２５ａと段差面２３ｂとの間の角部２３ｃ、および、一般部２１の外周面２１ａと段差面２３ｂとの間の角部２３ｄにＲを設定してもよい。この場合には、テーパ部２５と一般部２１との境界が認識し易くなるという効果は弱まるが、急激な肉厚の変化による応力集中が緩和されるので、強度低下を低減することができるというメリットがある。
【００８４】
−変形例２−
上記実施形態のパイプ２０では、テーパ部２５の傾斜面２５ａを平坦にしたが、傾斜面２５ａ上にカーボンファイバー５を載せる際、少ない摩擦で確実に繊維角度ψを得ることができるよう、図１２に示すように、傾斜面２５ａに凹凸２５ｂを設けてもよい。なお、凹凸２５ｂの深さは、ライナー３とカーボンファイバー５との隙間許容範囲内に設定される。
【００８５】
（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
【００８６】
上記実施形態では、樹脂製のライナー３に本発明を適用したが、これに限らず、金属製のライナーに本発明を適用してもよい。
【００８７】
また、上記実施形態では、ライナー構成部材１０，２０，３０の接合を赤外線溶着法で行ったが、これに限らず、例えばレーザ、振動、摩擦攪拌などを利用した溶着や接着でライナー構成部材１０，２０，３０の接合を行ってもよい。
【００８８】
さらに、上記実施形態では、３つに分割形成されたライナー構成部材１０，２０，３０を接合してライナー３を構成したが、これに限らず、例えば２つまたは４つ以上に分割されたライナー構成部材を接合してライナーを構成してもよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、カーボンファイバー５で外殻を形成したが、これに限らず、例えばグラスファイバーで外殻を形成してもよい。
【００９０】
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明によると、ライナーの最少板厚を確保しつつ、ライナーとファイバーとの間に有害な隙間が生じるのを抑制することができるので、複数の部品を接合したライナーの外周にファイバーを巻回した高圧タンクの製造方法および高圧タンクに適用して極めて有益である。
【符号の説明】
【００９２】
１        高圧タンク
３        ライナー
５        カーボンファイバー
１０      ドーム（ライナー構成部材）
１１      一般部
１３      接合端部
１３’    第１接合端部
１５      テーパ部
１７      接合代部
２０      パイプ（ライナー構成部材）
２１      一般部
２１ａ    外周面
２３      接合端部
２３ａ    端面
２３’    第２接合端部
２５      テーパ部
２５ａ    傾斜面
２７      接合代部
２７ａ    外周面
３０      ドーム（ライナー構成部材）
３１      一般部
３３      接合端部
４０      接合部
４０ａ    接合面
ＡＸ      ライナー中心線
Ｒ        外周半径
ｔ        推定段差量
θ        傾斜角度
ψ        繊維角度
【図１】
2020046002.tif 000005
【図２】
2020046002.tif 000006
【図３】
2020046002.tif 000007
【図４】
2020046002.tif 000008
【図５】
2020046002.tif 000009
【図６】
2020046002.tif 000010
【図７】
2020046002.tif 000011
【図８】
2020046002.tif 000012
【図９】
2020046002.tif 000013
【図１０】
2020046002.tif 000014
【図１１】
2020046002.tif 000015
【図１２】
2020046002.tif 000016
【図１３】
2020046002.tif 000017
【図１４】
2020046002.tif 000018