(57)【要約】【課題】フープ層の繊維の位置ずれを抑制でき、高圧タンクの強度を高めることができる高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】高圧タンク１の製造方法は、円筒状の胴体部１１と胴体部１１の両端に設けられたドーム部１２とを有するライナー１０の外周面に樹脂が含浸された繊維Ｆを巻回して、ヘリカル層とフープ層とを有する補強層２０を形成する方法である。高圧タンク１の製造方法では、形成される補強層２０のうちライナー１０の外周面に最も近い最内層に、胴体部１１の軸方向に対して２６〜４０°の巻き角度で一層のヘリカル層を形成し、形成されたヘリカル層の外側に複数のフープ層を形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の胴体部と前記胴体部の両端に設けられたドーム部とを有するライナーの外周面に樹脂が含浸された繊維を巻回して、ヘリカル層とフープ層とを有する補強層を形成する高圧タンクの製造方法であって、
形成される前記補強層のうち前記ライナーの外周面に最も近い最内層に、前記胴体部の軸方向に対して２６〜４０°の巻き角度で一層のヘリカル層を形成し、
形成された前記ヘリカル層の外側に複数のフープ層を形成することを特徴とす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】
燃料電池自動車に搭載される水素タンク等の高圧タンクは、安全性を確保するために高い強度等が求められている。このような高圧タンクの製造方法として、フィラメントワインディング（ＦＷ）法が知られている。具体的には、円筒状の胴体部と胴体部の両端に設けられたドーム部とを有するライナーを回転させながら、熱硬化性樹脂が含浸された繊維を一定の張力（すなわち、繊維を巻き付ける力）で該ライナーの外周面に繰り返し巻回することでヘリカル層とフープ層からなる補強層を形成し、その後に熱硬化性樹脂を熱硬化させる。
【０００３】
一例として、例えば下記特許文献１には、補強層のうちライナーの外周面に最も近い最内層にヘリカル層を形成した後にフープ層を形成する高圧タンクの製造方法が開示されている（特許文献１の段落００２５〜００３０参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１７３３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述の製造方法では、胴体部にフープ層を複数形成する際に、外側（すなわち、ライナーの外周面に遠い側）フープ層の繊維を巻き付ける力によって、内側（すなわち、ライナーの外周面に近い側）フープ層の繊維に圧力が加わるので、内側フープ層の繊維が押し出される。これによって、内側フープ層の繊維は、胴体部の軸方向に沿ってドーム部側に横滑りして位置ずれが発生する。このようなフープ層の繊維の位置ずれが発生すると、高圧タンクの強度の低下を招き、品質低下の問題を引き起こす可能性がある。
【０００６】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、フープ層の繊維の位置ずれを抑制でき、高圧タンクの強度を高めることができる高圧タンクの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る高圧タンクの製造方法は、円筒状の胴体部と前記胴体部の両端に設けられたドーム部とを有するライナーの外周面に樹脂が含浸された繊維を巻回して、ヘリカル層とフープ層とを有する補強層を形成する高圧タンクの製造方法であって、形成される前記補強層のうち前記ライナーの外周面に最も近い最内層に、前記胴体部の軸方向に対して２６〜４０°の巻き角度で一層のヘリカル層を形成し、形成された前記ヘリカル層の外側に複数のフープ層を形成することを特徴としている。
【０００８】
高圧タンクの強度は、形成される補強層のうちライナーの外表面に最も近い最内層からの数層に大きく左右されると言われている。このため、形成される補強層の最内層からの数層の位置ずれを抑制できれば、製造される高圧タンクの強度を確保できると考えられている。これに対し、本発明に係る高圧タンクの製造方法では、形成される補強層のうちライナーの外周面に最も近い最内層に一層のヘリカル層を形成し、形成されたヘリカル層の外側に複数のフープ層を形成するので、最内層に形成されたヘリカル層における繊維同士の交点を利用して、該ヘリカル層の外側に形成されたフープ層との間の摩擦力を高くすることができる。これによって、フープ層の繊維の位置ずれを抑制することができる。
【０００９】
しかも、最内層のヘリカル層を形成する際に、胴体部の軸方向に対して２６〜４０°の巻き角度で行うので、胴体部の軸方向における単位長さあたりの繊維同士の交点を増やすことができ、ヘリカル層とフープ層との間の摩擦力をより高くすることができ、フープ層の繊維の位置ずれを効果的に抑制することができる。その結果、高圧タンクの強度を高めることができる。更に、ヘリカル層が一層のみであるので、補強層の厚さを変えない前提で高圧タンクの強度に対する寄与率の高いフープ層を増やすことができるので、高圧タンクの強度を向上することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フープ層の繊維の位置ずれを抑制でき、高圧タンクの強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】高圧タンクの構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）はヘリカル巻きによるヘリカル層の形成を示す斜視図であり、（ｂ）はフープ巻きによるフープ層の形成を示す斜視図である。
【図３】実施形態に係る高圧タンクの製造方法を示す工程図である。
【図４】（ａ）は従来品に係るヘリカル層を示す模式図であり、（ｂ）は本発明品に係るヘリカル層を示す模式図である。
【図５】ヘリカル巻き角度と繊維の位置ずれ量との関係を示す図である。
【図６】本発明品及び従来品に関するバースト圧の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して高圧タンクの製造方法の実施形態について説明するが、その前に図１を基に高圧タンクの構造を説明する。なお、以下の説明において、特に言及しない限り、「内側」はライナーの外表面に近い側、「外側」はライナーの外表面に遠い側をそれぞれ指す。
【００１３】
図１は高圧タンクの構造を示す断面図である。高圧タンク１は、例えば燃料電池車両に搭載される水素タンクであり、内部に高圧水素を貯留するための貯留空間を有するライナー１０と、該ライナー１０の外周面に密着して配置された補強層２０とを備えている。
【００１４】
ライナー１０は、水素ガスに対するガスバリア性を有しており、円筒状の胴体部１１と、胴体部１１の左右両端にそれぞれ設けられた略半球状のドーム部１２とを有する中空の容器である。２つのドーム部１２の頂部には開口部がそれぞれ形成され、これらの開口部の一方にバルブ側口金１３、他方にエンド側口金１４が内挿されている。
【００１５】
ライナー１０は、例えば、ポリエチレンやナイロン等の樹脂部材を用いて回転・ブロー成形法によって一体的に形成されている。また、このライナー１０は、樹脂部材に代えてアルミニウム等の軽金属によって形成されても良い。更に、ライナー１０は、回転・ブロー成形法のような一体成形の製造方法に代えて、射出・押出成形等により複数に分割された部材を接合することにより形成されても良い。
【００１６】
補強層２０は、熱硬化性樹脂が含浸された繊維Ｆをライナー１０の外周面に複数巻回することにより形成されている。繊維Ｆは、カーボン繊維（Carbon Fiber）、ガラス繊維（Glass Fiber）やアラミド繊維（Aromatic Polyamide Fiber）などをプラスチックの中に入れて強度を向上させた複合材料で形成されている。また、繊維Ｆは、直径が数μｍ程度の単繊維を束ねて構成された繊維束のことであるが、ここでは単に「繊維」という。
【００１７】
本実施形態では、例えば２種類の繊維Ｆが用いられており、ライナー１０の外周面に巻回される熱硬化性樹脂を含浸したカーボン繊維と、該カーボン繊維の外側に更に巻回される熱硬化性樹脂を含浸したガラス繊維である。そして、熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂などが挙げられる。
【００１８】
補強層２０は、胴体部１１及びドーム部１２を包むようにライナー１０を全体的に覆うヘリカル層と、胴体部１１を覆うように形成されたフープ層とを有する。
【００１９】
ヘリカル層は、図２（ａ）に示すように、ライナー１０の軸Ｌ方向（すなわち、胴体部１１の軸Ｌ方向）に対して０°より大きく９０°未満の巻き角度θで、胴体部１１及びドーム部１２の周方向に繊維Ｆをヘリカル巻きにすることによって網目状に形成された繊維層である。なお、ヘリカル巻きは、巻き角度θの大きさによって低角度ヘリカル巻きと高角度ヘリカル巻きに更に分けられている。低角度ヘリカル巻きは、すなわち巻き角度θが小さい（例えば０°＜θ≦３０°）場合のヘリカル巻きであり、繊維Ｆがライナー１０の軸Ｌを一周する前にドーム部１２における繊維Ｆの巻付方向の折り返しが生じる巻付方法である。高角度ヘリカル巻きは、すなわち巻き角度θが大きい（例えば３０°＜θ＜９０°）場合のヘリカル巻きであり、ドーム部１２における繊維Ｆの巻付方向の折り返しが生じるまでに、胴体部１１において繊維Ｆがライナー１０の軸Ｌを少なくとも一周する巻付方法である。
【００２０】
一方、フープ層は、図２（ｂ）に示すように、ライナー１０の軸Ｌと略垂直な巻き角度θで、胴体部１１の周方向に繊維Ｆをフープ巻きにすることにより形成された繊維層である。ここで、「略垂直」とは、９０°と、繊維Ｆ同士が重ならないように繊維Ｆの巻回位置をずらすことによって生じ得る９０°前後の角度との両方を含む。
【００２１】
以下、本実施形態に係る高圧タンクの製造方法について説明する。高圧タンク１の製造方法は、図３に示すように、ライナー１０及び繊維Ｆなどを準備する準備工程Ｓ１と、一層のヘリカル層形成工程Ｓ２と、複数のフープ層形成工程Ｓ３と、その他のヘリカル層とフープ層の形成工程Ｓ４と、繊維Ｆを熱硬化する熱硬化工程Ｓ５とを含む。
【００２２】
まず、準備工程Ｓ１では、ライナー１０及び繊維Ｆなどの準備がそれぞれ行われる。具体的には、例えば上述したように回転・ブロー成形法により樹脂製のライナー１０を製造する。ライナー１０の製造作業と同時又はその前後に、熱硬化性樹脂が含浸された繊維Ｆを巻き付けたボビンなどを用意する。
【００２３】
準備工程Ｓ１に続く一層のヘリカル層形成工程Ｓ２では、形成される補強層２０のうちライナー１０の外周面に最も近い最内層に一層のヘリカル層を形成する。すなわち、ヘリカル巻きで胴体部１１及びドーム部１２の外周面に繊維Ｆを直に巻回し、最内層であるヘリカル層を一層のみ形成する。このとき、ヘリカル巻き角度θを２６〜４０°とする。
【００２４】
一層のヘリカル層形成工程Ｓ２に続く複数のフープ層形成工程Ｓ３では、形成されたヘリカル層の外側にフープ巻きで複数のフープ層を形成する。具体的には、形成されたヘリカル層と重なるように該ヘリカル層の外側にフープ層を順次に形成していく。
【００２５】
複数のフープ層形成工程Ｓ３に続くその他のヘリカル層とフープ層の形成工程Ｓ４では、形成された複数のフープ層の外側に繊維Ｆを巻回し、複数のヘリカル層と複数のフープ層とを繰り返し形成する。このような工程は、要求される層数に達するまで行われる。
【００２６】
その他のヘリカル層とフープ層の形成工程Ｓ４に続く熱硬化工程Ｓ５では、ライナー１０に巻回された繊維Ｆに含浸された熱硬化性樹脂が熱硬化される。具体的には、外周面に繊維Ｆが巻回されたライナー１０を熱硬化炉や恒温槽に入れて、例えば８５℃程度の温度で所定の時間加熱し、繊維Ｆ内の熱硬化性樹脂を熱硬化する。これによって、補強層２０が形成され、高圧タンク１が製造される。
【００２７】
本実施形態に係る高圧タンクの製造方法によれば、形成される補強層２０のうちライナー１０の外周面に最も近い最内層に一層のヘリカル層を形成し、形成されたヘリカル層の外側に複数のフープ層を形成するので、最内層に形成されたヘリカル層における繊維同士の交点を利用して、該ヘリカル層の外側に形成されたフープ層との間の摩擦力を高くすることができる。これによって、フープ層の繊維の位置ずれを抑制することができる。しかも、最内層のヘリカル層を形成する際に、胴体部の軸方向に対して２６〜４０°の巻き角度で行うので、図４に示すように、胴体部の軸方向における単位長さあたりの繊維同士の交点を増やすことができる。
【００２８】
図４（ａ）は従来品（ヘリカル巻き角度＝１８°）に係るヘリカル層を示す模式図であり、図４（ｂ）は本発明品（ヘリカル巻き角度＝３２°）に係るヘリカル層を示す模式図である。図４において、矢印はライナーの軸方向を示す。図４に示すように、ヘリカル巻き角度を大きくすると、形成されたヘリカル層では、軸方向における単位長さあたりの繊維同士の交点が増える（図４中の黒点参照）。そして、繊維同士の交点が増えると、ヘリカル層の外側にフープ層を形成する場合、フープ層とヘリカル層との間の摩擦力が高くなるので、フープ層の繊維の位置ずれを効果的に抑制することができる。その結果、高圧タンクの強度を高めることができる。
【００２９】
ここで、図５を基にヘリカル巻き角度を２６〜４０°とする根拠を説明する。図５はヘリカル巻き角度と繊維の位置ずれ量との関係を示す図である。図５から分かるように、ヘリカル巻き角度が大きくなるにつれ、その外側に形成されたフープ層の位置ずれ量及びそのばらつきが減っていく。しかし、ドーム部が略半球状であるので、ヘリカル巻き角度があまり大きくなると、繊維がライナーのドーム部に引っ掛かり難くなり、ライナーの軸方向においてドーム部による繊維への保持力が低下してしまう。本実施形態では、繊維の位置ずれ量を許容できる範囲を考慮して、ヘリカル巻き角度の下限値は２６°と設定されている。また、上述のドーム部による繊維への保持力を確保する観点から、ヘリカル巻き角度の上限値は４０°と設定されている。
【００３０】
更に、ヘリカル層が一層のみであるので、補強層の厚さを変えない前提で高圧タンクの強度に対する寄与率の高いフープ層を増やすことができるので、高圧タンクの強度を向上することが可能になる。
【００３１】
また、本願発明者らは、本実施形態に係る高圧タンクの製造方法に基づいて本発明品（ヘリカル巻き角度＝３２°）及び従来品（ヘリカル巻き角度＝１８°）を試作し、それぞれのバースト圧（すなわち、耐圧強度）を測定した。また、参考として、同じ製造方法でヘリカル巻き角度が５０°の場合の参考品を作成し、参考品のバースト圧も測定した。
【００３２】
各バースト圧の測定結果を図６に示す。図６から、従来品及び参考品と比べて、本発明品のバースト圧が高くなり、バースト圧のばらつきが小さくなったことが分かる。これによって、本発明における高圧タンクの強度を向上できることが示された。一方、参考品は従来品と比べてバースト圧が却って低くなることが分かった。これは、ヘリカル巻き角度があまり大きくなると、繊維がライナーのドーム部に引っ掛かり難くなり、ライナーの軸方向においてドーム部による繊維への保持力が低下したことが原因だと考えられる。
【００３３】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００３４】
１    高圧タンク
１０    ライナー
１１    胴体部
１２    ドーム部
１３    バルブ側口金
１４    エンド側口金
２０    補強層
Ｆ    繊維
Ｌ    軸
【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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