(57)【要約】【課題】高圧タンクの軽量化と、繊維量を減らすことによって補強層に発生する歪みが増加するのを抑制することと、を両立させる。【解決手段】高圧タンクの製造方法であって、ライナーを準備する準備工程と、ライナーに対して繊維束をヘリカル巻きで巻き付けることによってヘリカル層を形成するヘリカル層形成工程と、を備え、ヘリカル層を構成する複数の層は、ライナーの外側に突出した口金の根元部分を、繊維束が軸方向において折り返される巻き付け折返位置として繊維束が巻き付けられて形成される根元折返層と、根元折返層の巻き付け折返位置より根元部分から離れた隔離位置を、巻き付け折返位置として繊維束が巻き付けられて形成される隔離折返層と、が含まれ、ヘリカル層形成工程は、隔離折返層において隣接する繊維束の間には、隙間が生じるようヘリカル巻きを行う工程である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧タンクの製造方法であって、
気体を密封するための空間を形成するライナーであって、円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の軸方向における両端に設けられた一対のドーム部と、を有し、各ドーム部に口金が設置されたライナーを準備する準備工程と、
前記ライナーに対して繊維束をヘリカル巻きで巻き付けることによってヘリカル層を形成するヘリカル層形成工程と、を備え、
前記ヘリカル層を構成する複数の層は、前記軸方向に沿って前記ライナーの外側に突出した前記口金の根元部分を、前記繊維束が前記軸方向において折り返される巻き付け折返位置として前記繊維束が巻き付けられて形成される根元折返層と、前記根元折返層の前記巻き付け折返位置より前記根元部分から離れた隔離位置を、前記巻き付け折返位置として前記繊維束が巻き付けられて形成される隔離折返層と、が含まれ、
前記ヘリカル層形成工程は、前記隔離折返層において隣接する前記繊維束の間には、隙間が生じるようヘリカル巻きを行う工程である、高圧タンクの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記隔離折返層の被覆率は、５０％以上８０％以下の範囲である、高圧タンクの製造方法。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス自動車や燃料電池自動車などに用いられる燃料ガスを貯蔵する高圧タンクを構成するライナーには、ライナーの外表面を補強する補強層を備えるものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０２０９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、フープ層およびヘリカル層を補強層として備える高圧タンクについて記載されている。このような高圧タンクにおいて、高圧タンクの軽量化のために、補強層を形成する繊維量を減らすことが考えられる。しかし、ライナーが膨張することにより補強層に発生する歪みは、繊維量を減らすことによって増加する虞がある。このような問題を解決するために、高圧タンクの軽量化と、繊維量を減らすことによって補強層に発生する歪みが増加するのを抑制することと、を両立できる技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、高圧タンクの製造方法が提供される。この高圧タンクの製造方法は、気体を密封するための空間を形成するライナーであって、円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の軸方向における両端に設けられた一対のドーム部と、を有し、各ドーム部に口金が設置されたライナーを準備する準備工程と、前記ライナーに対して繊維束をヘリカル巻きで巻き付けることによってヘリカル層を形成するヘリカル層形成工程と、を備え、前記ヘリカル層を構成する複数の層は、前記軸方向に沿って前記ライナーの外側に突出した前記口金の根元部分を、前記繊維束が前記軸方向において折り返される巻き付け折返位置として前記繊維束が巻き付けられて形成される根元折返層と、前記根元折返層の前記巻き付け折返位置より前記根元部分から離れた隔離位置を、前記巻き付け折返位置として前記繊維束が巻き付けられて形成される隔離折返層と、が含まれ、前記ヘリカル層形成工程は、前記隔離折返層において隣接する前記繊維束の間には、隙間が生じるようヘリカル巻きを行う工程である。このような形態とすれば、高圧タンクの軽量化を実現できる。また、根元折返層のみで構成されるヘリカル層を備える高圧タンクと比べて、補強層に発生する歪みを低減できる。また、隔離折返層では、繊維束の間に隙間が形成されることから、高圧タンクを軽量化することが可能であり、隙間がない場合と比べて、補強層に発生する歪みを更に低減できる。
【０００７】
（２）上記形態において、前記隔離折返層の被覆率は、５０％以上８０％以下の範囲であってもよい。このような形態とすれば、強度を過度に低下させることなく、繊維量を減らすことと、繊維量を減らすことによって補強層に発生する歪みの増加を抑制することと、を両立できる。
【０００８】
本発明は、高圧タンクの製造方法に限るものではなく、例えば、当該製造方法によって製造される高圧タンク、高圧タンクの製造装置などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】高圧タンクの概略構成を示す断面図である。
【図２】高圧タンクの製造方法を示す工程図である。
【図３】口金付近を拡大した拡大図である。
【図４】低角度ヘリカル巻きを説明するための説明図である。
【図５】高角度ヘリカル巻きを説明するための説明図である。
【図６】被覆率８０％の層で覆われたライナーの一部を拡大した拡大図である。
【図７】被覆率１００％の層で覆われたライナーの一部を拡大した拡大図である。
【図８】口金付近を拡大した拡大図である。
【図９】口金付近を拡大した拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態の製造方法で製造される高圧タンク１０の概略構成を示す断面図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。本実施形態の高圧タンク１０には、例えば、７０ＭＰａ程度の高圧の水素ガスが貯蔵される。高圧タンク１０は、ライナー２０と補強層３０とを備えている。
【００１１】
ライナー２０は、樹脂製の中空ライナーであって、気体を密封するための空間を形成する。ライナー２０は、例えば、ポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエステル等の熱可塑性樹脂によって形成されている。ライナー２０の中心軸は、高圧タンク１０の中心軸ＡＸと共通する。以降、中心軸ＡＸに沿った方向を、中心軸ＡＸ方向と呼ぶこともある。ライナー２０は、シリンダー部２１と、ドーム部２２，２３と、口金１３，１４と、を備えている。
【００１２】
シリンダー部２１は、円筒形状を有している。ドーム部２２，２３は、シリンダー部２１の軸方向における両端に一対設けられており、ライナー２０の外側に向けて凸となる曲面状に形成されている。ドーム部２２，２３の頂点には、それぞれ、アルミニウムやステンレス鋼等の金属によって形成された口金１３，１４が設置されている。一方の口金１３は、貫通孔１５を有しており、高圧タンク１０内からのガスの取り出しまたは高圧タンク１０内へのガスの補充に用いられる。他方の口金１４は、ライナー２０の補強ないし補強層形成時におけるライナーの回転のために用いられる。
【００１３】
補強層３０は、ライナー２０の周囲を覆う層であり、ライナー２０を補強するための層である。補強層３０は、フープ層３２とヘリカル層３４とを備えている。
【００１４】
フープ層３２は、シリンダー部２１に繊維束をフープ巻きすることによって構成されている。フープ巻きに用いられる繊維束は、炭素繊維から成る繊維束にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させることにより構成されている。
【００１５】
ヘリカル層３４は、フープ層３２およびドーム部２２，２３に繊維束をヘリカル巻きすることによって構成されている。ヘリカル巻きに用いられる繊維束は、フープ巻きに用いられる繊維束と同様、炭素繊維から成る繊維束にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させることにより構成されている。
【００１６】
フープ層３２の厚みおよびヘリカル層３４の厚みは、それぞれ、高圧タンク１０に求められる耐圧性能や強度に応じて適宜設定される。
【００１７】
図２は、高圧タンク１０の製造方法を示す工程図である。本実施形態の製造方法では、まず、ライナー２０を準備する準備工程が行われる（工程Ｐ１１０）。このとき準備されるライナー２０のドーム部２２，２３の頂点には、口金１３，１４が取り付けられている。
【００１８】
準備工程（工程Ｐ１１０）の後、シリンダー部２１に繊維束をフープ巻きすることによってフープ層３２が形成されるフープ層形成工程が行われる（工程Ｐ１２０）。
【００１９】
フープ層工程（工程Ｐ１２０）の後、フープ層３２およびドーム部２２，２３に繊維束をヘリカル巻きすることによってヘリカル層３４が形成されるヘリカル層形成工程が行われる（工程Ｐ１３０）。ヘリカル層形成工程（工程Ｐ１３０）を経て、高圧タンク１０が完成する（図１に図示）。なお、フープ層形成工程（工程Ｐ１２０）とヘリカル層形成工程（工程Ｐ１３０）とは、順序が逆になって補強層が形成されてもよい。この場合、シリンダー部２１に形成されるヘリカル層３４に対してフープ層３２が形成される。
【００２０】
図３は、口金１４付近を拡大した拡大図である。ヘリカル層３４は、複数の層Ｌ１〜Ｌ１０から構成される。層Ｌｘ（ｘは、１から１０の間の任意の整数）のうちのｘは、ヘリカル層３４のうちドーム部２３の側から数えてｘ番目に形成された層であることを示している。層Ｌ１は、ライナー２０の外周面の上に繊維束がヘリカル巻きされることによって形成される層である。層Ｌ２は、層Ｌ１の上に繊維束がヘリカル巻きされることによって形成される層である。層Ｌ１および層Ｌ２は、低角度ヘリカル巻きによって形成される。
【００２１】
図４は、低角度ヘリカル巻きを説明するための説明図である。図４には、低角度ヘリカル巻きによってライナー２０に繊維束ＦＢが巻き付けられていく様子が示されている。「低角度ヘリカル巻き」とは、シリンダー部２１において繊維束ＦＢが中心軸ＡＸを一周する前に、繊維束ＦＢの巻き付けにおいて繊維束ＦＢが中心軸ＡＸ方向において折り返される比較的小さい巻き付け角度αを有する巻き付け方法である。本実施形態では、巻き付け角度αは、３０度である。低角度ヘリカル巻きにおいて、繊維束ＦＢが中心軸ＡＸ方向において折り返される巻き付け折返位置は、口金１３，１４のうちドーム部２２，２３と連続するための曲面部分ＣＳと、口金１３，１４のうち中心軸ＡＸ方向に沿って高圧タンク１０の外側に突出する突出部分ＰＳと、をつなぐ根元部分ＲＳである（図１に図示）。換言すれば、低角度ヘリカル巻きにおける巻き付け折返位置は、ライナー２０のうち中心軸ＡＸ方向に沿ってライナー２０の外側に突出した口金１３，１４の根元部分ＲＳである。
【００２２】
層Ｌ３は、層Ｌ２の上に繊維束がヘリカル巻きされることによって形成される層である。層Ｌ３は、高角度ヘリカル巻きによって形成される。
【００２３】
図５は、高角度ヘリカル巻きを説明するための説明図である。図５には、高角度ヘリカル巻きによってライナー２０に繊維束ＦＢが巻き付けられていく様子が示されている。「高角度ヘリカル巻き」とは、シリンダー部２１において繊維束ＦＢが中心軸ＡＸを少なくとも一周した後に、繊維束ＦＢの巻き付けにおいて繊維束ＦＢが中心軸ＡＸ方向において折り返される比較的大きな巻き付け角度βを有する巻き付け方法である。本実施形態では、巻き付け角度βは、６０度である。「高角度ヘリカル巻き」とは、シリンダー部２１において繊維束ＦＢが中心軸ＡＸを一周する前に、繊維束ＦＢの巻き付けにおいて繊維束ＦＢが中心軸ＡＸ方向において折り返されない巻き付け方法であるともいえる。高角度ヘリカル巻きにおいて、繊維束ＦＢが中心軸ＡＸ方向において折り返される巻き付け折返位置は、ドーム部２２，２３のうち口金１３，１４の突出部分ＰＳから離れた隔離位置ＤＳである（図１に図示）。換言すれば、「高角度ヘリカル巻き」の巻き付け折返位置は、「低角度ヘリカル巻き」の巻き付け折返位置と比べて、根元部分ＲＳからＺ軸方向に離れた隔離位置ＤＳである。図１において、隔離位置ＤＳは、ドーム部２３の曲面上に付されているが、口金１４の曲面部分ＣＳの位置にあってもよい。
【００２４】
層Ｌ４、層Ｌ５、層Ｌ７、層Ｌ８、層Ｌ１０は、層Ｌ１および層Ｌ２と同様に、低角度ヘリカル巻きによって形成される。層Ｌ６および層Ｌ９は、層Ｌ３と同様に、高角度ヘリカル巻きによって形成される。本実施形態において、低角度ヘリカル巻きによって形成される層は、根元折返層に相当する。本実施形態において、高角度ヘリカル巻きによって形成される層は、隔離折返層に相当する。
【００２５】
層Ｌ３、層Ｌ６および層Ｌ９を構成する繊維束において、層内で隣接する繊維束の間には、隙間が生じるようヘリカル巻きが行われている。層Ｌ３、層Ｌ６および層Ｌ９の被覆率は、８０％である。
【００２６】
図６は、被覆率８０％の層で覆われたライナー２０の一部を拡大した拡大図である。図６においてハッチングが施された部分は、繊維束ＦＢで覆われていないライナー２０の表面部分を示している。
【００２７】
図７は、被覆率１００％の層で覆われたライナー２０の一部を拡大した拡大図である。図７では、ライナー２０が全面にわたって繊維束ＦＢで覆われていることからライナー２０が見えない状態を示している。
【００２８】
ヘリカル層３４の形成における被覆率の調整について、図６を用いて説明する。図６において、隣り合う繊維束において一方の繊維束の幅方向における一端から他方の繊維束の幅方向における一端までの距離をピッチＰとすると、ピッチＰのうち一方の繊維束の幅方向における一端から他端までの距離Ｌが占める割合が被覆率である。
【００２９】
図８は、比較例１の製造方法で製造される高圧タンク１０ａのうち口金１４付近を拡大した拡大図である。比較例１の高圧タンク１０ａの構成は、ヘリカル層３４とは異なるヘリカル層３４ａを有する点を除き、第１実施形態の製造方法で製造される高圧タンク１０と同じである。
【００３０】
ヘリカル層３４ａは、複数の層Ｌａ１〜Ｌａ１０から構成される。層Ｌａｙ（ｙは、１から１０の間の任意の整数）のうちのｙは、ヘリカル層３４ａのうちドーム部２３の側から数えてｙ番目に形成された層であることを示している。層Ｌａ１〜Ｌａ１０は、低角度ヘリカル巻きによって形成される。また、層Ｌａ１〜Ｌａ１０の被覆率は、１００％である。
【００３１】
低角度ヘリカル巻きの場合、繊維束の巻き付け折返位置が根元部分ＲＳであることから、根元部分ＲＳの付近に繊維束の巻きが集中する。したがって、ヘリカル層３４ａのうち根元部分ＲＳの上に形成された部分ＰＲに局所的な膨らみが生じる。このような高圧タンク１０ａでは、ライナー２０の内圧が１８０ＭＰａとなる量のガスが充填されたとき、補強層３０において２．１７％の歪みが生じた。ここでいう歪みとは、補強層の一部の任意の変位、拡張、収縮、ねじれ、線形歪みまたは面歪み、もしくは、任意の他の変形を指す。補強層３０に歪みが生じていない状態を０％として、その状態からライナー２０の内圧が上昇して生じた歪みのうち最も大きく歪みが生じた部分の歪みを測定値とした。なお、補強層に発生する歪みは、ＣＡＥによるシミュレーションによって算出されるものとする。
【００３２】
図９は、比較例２の製造方法で製造される高圧タンク１０ｂのうち口金１４付近を拡大した拡大図である。比較例２の高圧タンク１０ｂの構成は、ヘリカル層３４とは異なるヘリカル層３４ｂを有する点を除き、第１実施形態の製造方法で製造される高圧タンク１０と同じである。
【００３３】
ヘリカル層３４ｂは、複数の層Ｌｂ１〜Ｌｂ１０から構成される。層Ｌｂｚ（ｚは、１から１０の間の任意の整数）のうちのｚは、ヘリカル層３４ｂのうちドーム部２３の側から数えてｚ番目に形成された層であることを示している。層Ｌｂ１，層Ｌｂ２，層Ｌｂ４，層Ｌｂ５，層Ｌｂ７，層Ｌｂ８，層Ｌｂ１０は、低角度ヘリカル巻きによって形成される。層Ｌｂ３，層Ｌｂ６，層Ｌｂ９は、高角度ヘリカル巻きによって形成される。ドーム部２３の側から数えて、１，２，４，５，７，８，１０番目に形成される層が低角度ヘリカル巻きによって形成されるとともに、３，６，９番目に形成される層が高角度ヘリカル巻きによって形成される点は、第１実施形態のヘリカル層３４と比較例２のヘリカル層３４ｂとで同じである。第１実施形態のヘリカル層３４と比較例２のヘリカル層３４ｂとの違いは、比較例２において、高角度ヘリカル巻きにより形成される層の被覆率が１００％である点である。
【００３４】
比較例２の製造方法で製造される高圧タンク１０ｂでは、比較例１の製造方法で製造される高圧タンク１０ａと比べて、根元部分ＲＳの付近に繊維束の巻きが集中することが抑制されるため、ヘリカル層３４ｂのうち根元部分ＲＳの上に形成された部分ＰＲに局所的な膨らみが生じにくい。これは、層Ｌｂ３，層Ｌｂ６，層Ｌｂ９が高角度ヘリカル巻きで形成されているためであると考えられる。しかし、高角度ヘリカル巻きでは、繊維束の巻き付け折返位置がドーム部２２，２３のうち口金１３，１４の突出部分ＰＳから離れた隔離位置ＤＳであることから、隔離位置ＤＳの付近に繊維束の巻きが集中する。したがって、比較例２の製造方法で製造される高圧タンク１０ｂでは、ヘリカル層３４ｂのうち隔離位置ＤＳの上に形成された部分ＰＤにおいて、部分ＰＲよりは小さいものの局所的な膨らみが生じる。このような高圧タンク１０ｂでは、ライナー２０の内圧が１８０ＭＰａとなる量のガスが充填されたとき、補強層３０において１．６８％の歪みが生じた。
【００３５】
一方、第１実施形態の製造方法で製造される高圧タンク１０では、層Ｌ１，層Ｌ２，層Ｌ４，層Ｌ５，層Ｌ７，層Ｌ８，層Ｌ１０は、低角度ヘリカル巻きによって形成される。層Ｌ３，層Ｌ６，層Ｌ９は、高角度ヘリカル巻きによって形成される。また、高角度ヘリカル巻きにより形成される層Ｌ３，層Ｌ６，層Ｌ９の被覆率は、８０％である。
【００３６】
低角度ヘリカル巻きによって形成される層から構成されるヘリカル層３４ａを有する比較例１の製造方法で製造される高圧タンク１０ａと比べて、第１実施形態の製造方法で製造される高圧タンク１０では、根元部分ＲＳの付近に繊維束の巻きが集中することが抑制される。このため、ヘリカル層３４のうち根元部分ＲＳの上に形成された部分ＰＲに局所的な膨らみが生じにくい。また、高角度ヘリカル巻きにより形成される層の被覆率が１００％である比較例２の製造方法で製造される高圧タンク１０ａと比べて、第１実施形態の製造方法で製造される高圧タンク１０では、高角度ヘリカル巻きにより形成される層の被覆率が８０％である。このため、ヘリカル層３４のうち隔離位置ＤＳの上に形成された部分ＰＤにおいても局所的な膨らみが生じにくい。このような高圧タンク１０では、ライナー２０の内圧が１８０ＭＰａとなる量のガスが充填されたとき、補強層３０において１．５８％の歪みが生じた。
【００３７】
高圧タンク１０では、高角度ヘリカル巻きにより形成される層をヘリカル層３４に含ませることによって、比較例１の高圧タンク１０ａに生じる部分ＰＲでの局所的な膨らみを抑制している。また、高圧タンク１０では、高角度ヘリカル巻きにより形成される層の被覆率を８０％にすることによって、比較例２の高圧タンク１０ｂに生じる部分ＰＤでの局所的な膨らみも抑制している。換言すれば、高圧タンク１０では、ヘリカル層３４の形状に局所的な膨らみが生じることを抑制して滑らかな形状とすることから、ヘリカル層３４を構成する繊維束に屈曲が生じることおよびヘリカル層３４を構成する複数の層の間において剛性に差が生じることを低減できる。したがって、補強層３０に発生する歪みを低減することができる。
【００３８】
以上説明した実施形態によれば、高圧タンク１０の軽量化を実現できる。また、比較例１の製造方法で製造される高圧タンク１０ａと比べて、補強層に対する歪みを低減できる。また、比較例２の製造方法で製造される高圧タンク１０ｂと比べて、被覆率が低いために繊維束の間に隙間が形成されることから、高圧タンク１０を軽量化することが可能である。また比較例２の製造方法で製造される隙間のないヘリカル層３４ａを備える高圧タンク１０ｂと比べて、補強層３０に発生する歪みを更に低減できる。
【００３９】
また、高圧タンク１０では、高角度ヘリカル巻きにより形成される層の被覆率を８０％であることから、強度を過度に低下させることなく、繊維量を減らすことと、繊維量を減らすことによって補強層に発生する歪みの増加を抑制することと、を両立できる。
【００４０】
Ｂ．他の実施形態
上述した実施形態では、高角度ヘリカル巻きによって形成される層の被覆率は８０％であったが、本発明はこれに限られない。被覆率を８０％よりも低下させると、更に高圧タンク１０の軽量化および補強層に対する歪みを低減できる。被覆率を過度に低下させると、ライナー２０を補強する補強層３０において十分な強度が得られない可能性がある。これらの点を考慮して、高角度ヘリカル巻きによって形成される層の被覆率は、ライナー２０の補強と、補強層３０に発生する歪みの低減と、を両立できる限り、被覆率は、５０％以上８０％以下の範囲から任意に選択されてもよい。
【００４１】
上述した実施形態では、ヘリカル層３４を構成する複数の層のうち３割が高角度ヘリカル巻きによって形成される層であったが、本発明はこれに限られない。ヘリカル層３４を構成する複数の層のうち高角度ヘリカル巻きによって形成される層の割合は、ライナー２０の補強と、補強層３０に発生する歪みの低減と、を両立できる限り、任意に選択されてもよい。
【００４２】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…高圧タンク、１３…口金、１４…口金、１５…貫通孔、２０…ライナー、２１…シリンダー部、２２…ドーム部、２３…ドーム部、３０…補強層、３２…フープ層、３４ａ…ヘリカル層、３４ｂ…ヘリカル層、３４…ヘリカル層、ＡＸ…中心軸、ＰＳ…突出部分、ＲＳ…根元部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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