(57)【要約】【課題】補強層内における各層の位置関係も考慮してタンク全体の耐久性等を向上させる。【解決手段】高圧タンクは、流体を収容するライナと、ライナの外表面を覆うように設けられ、ライナ上で巻回される繊維と樹脂とを有する補強層と、を備える。補強層は、ヘリカル層が積層されたヘリカル層群と、ライナに近い側でヘリカル層群に隣接して設けられた高角度層と、を備える。ヘリカル層群は、ライナの最も近くに配置され、最も前記巻き角度が大きい第１ヘリカル層と、２番目に巻き角度が大きい第２ヘリカル層と、のうちの一方である最内層と、高圧タンクの外表面の最も近くに配置され、第１ヘリカル層と第２ヘリカル層とのうちの他方である最外層と、最内層と最外層との間に配置され、巻き角度がより小さいヘリカル層を含む中間層と、を備える。【選択図】図２
2020122543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧タンクであって、
流体を収容するための内部空間が形成されたライナと、
前記ライナの外表面を覆うように設けられ、前記ライナ上で巻回される繊維と、樹脂と、を有する補強層と、
を備え、
前記補強層は、
前記繊維がヘリカル巻きされたヘリカル層が積層されたヘリカル層群と、
前記ライナに近い側で前記ヘリカル層群に隣接して設けられ、前記ヘリカル層群を構成するいずれの前記ヘリカル層よりも、前記高圧タンクの軸線方向に対する前記繊維の巻き角度が大きな高角度層と、
を備え、
前記ヘリカル層群は、
前記ライナの最も近くに配置され、前記ヘリカル層群を構成する前記ヘリカル層のうちで最も前記巻き角度が大きい第１ヘリカル層と、２番目に前記巻き角度が大きい第２ヘリカル層と、のうちの一方である最内層と、
前記高圧タンクの外表面の最も近くに配置され、前記第１ヘリカル層と前記第２ヘリカル層とのうちの他方である最外層と、
前記最内層と前記最外層との間に配置され、前記最内層および前記最外層よりも前記巻き角度が小さいヘリカル層を含む中間層と、
を備える高圧タンク。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧タンクであって、
前記ヘリカル層群内で隣り合って配置される前記ヘリカル層の前記巻き角度が、互いに異なっている
高圧タンク。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の高圧タンクであって、
前記最内層は前記第１ヘリカル層であり、前記最外層は、前記第２ヘリカル層である
高圧タンク。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の高圧タンクであって、
前記ヘリカル層群を構成する前記ヘリカル層は、隣り合う前記ヘリカル層間の前記巻き角度の差の集合を母集団とした場合の標準偏差が最小となる順序で、積層されている
高圧タンク。
【請求項５】
高圧タンクの製造方法であって、
流体を収容するための内部空間が形成されたライナを用意し、
前記ライナの外表面を覆うように、前記ライナ上で巻回される繊維と樹脂とを有する補強層を形成し、
前記補強層を形成する際には、
前記繊維がヘリカル巻きされたヘリカル層が積層されたヘリカル層群と、
前記ライナに近い側で前記ヘリカル層群に隣接して設けられ、前記ヘリカル層群を構成するいずれの前記ヘリカル層よりも、前記高圧タンクの軸線方向に対する前記繊維の巻き角度が大きな高角度層と、を形成し、
前記ヘリカル層群を形成する際には、
前記ライナの最も近くにおいて、前記ヘリカル層群を構成する前記ヘリカル層のうちで最も前記巻き角度が大きい第１ヘリカル層と、２番目に前記巻き角度が大きい第２ヘリカル層と、のうちの一方である最内層を配置し、
前記高圧タンクの外表面の最も近くにおいて、前記第１ヘリカル層と前記第２ヘリカル層とのうちの他方である最外層を配置し、
前記最内層と前記最外層との間において、前記最内層および前記最外層よりも前記巻き角度が小さいヘリカル層を含む中間層を配置する
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、高圧タンクおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧の流体を貯蔵・密封するためのタンクとして、流体を貯蔵する空間を形成するライナと、ライナを覆うように設けられ、樹脂と繊維とを含む繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって構成されて、タンクの内圧に対する強度を確保するための構造である補強層と、を備えるタンクが知られている。特許文献１では、ライナ上で繊維をヘリカル巻きしたヘリカル巻部を複数備える補強層を有する圧力容器が記載されている。この補強層では、ライナに近い内側から外側に向かって繊維の巻き角度が次第に大きくなるように、複数のヘリカル巻部が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１０６１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高圧タンクが備える補強層では、繊維をヘリカル巻きしたヘリカル層や、繊維をフープ巻きしたフープ層を含む種々の層を、種々の順序で配置することが可能である。しかしながら、補強層内におけるこれら各層の位置関係も考慮したタンク全体の耐久性等のタンク性能の向上については、十分に検討されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、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、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、流体を収容するための内部空間が形成されたライナと、前記ライナの外表面を覆うように設けられ、前記ライナ上で巻回される繊維と、樹脂と、を有する補強層と、を備え、前記補強層は、前記繊維がヘリカル巻きされたヘリカル層が積層されたヘリカル層群と、前記ライナに近い側で前記ヘリカル層群に隣接して設けられ、前記ヘリカル層群を構成するいずれの前記ヘリカル層よりも、前記高圧タンクの軸線方向に対する前記繊維の巻き角度が大きな高角度層と、を備え、前記ヘリカル層群は、前記ライナの最も近くに配置され、前記ヘリカル層群を構成する前記ヘリカル層のうちで最も前記巻き角度が大きい第１ヘリカル層と、２番目に前記巻き角度が大きい第２ヘリカル層と、のうちの一方である最内層と、前記高圧タンクの外表面の最も近くに配置され、前記第１ヘリカル層と前記第２ヘリカル層とのうちの他方である最外層と、前記最内層と前記最外層との間に配置され、前記最内層および前記最外層よりも前記巻き角度が小さいヘリカル層を含む中間層と、を備える。
この形態の高圧タンクによれば、高角度層とヘリカル層群との間の巻き角度の差を、より小さくすることができる。そのため、高角度層とヘリカル層群との間に発生する剪断応力を抑え、高圧タンクの耐久性を高めることができる。また、ヘリカル層群において、隣り合う層間の巻き角度の差を適切に確保することが容易になるため、ヘリカル層群において繊維の巻き崩れを抑え、繊維の巻き崩れに起因する高圧タンクの強度および耐久性の低下を抑えることが容易になる。その結果、高圧タンクのタンク性能を向上させることができる。
（２）上記形態の高圧タンクにおいて、前記ヘリカル層群内で隣り合って配置される前記ヘリカル層の前記巻き角度が、互いに異なっていることとしてもよい。この形態の高圧タンクによれば、ヘリカル層群において繊維の巻き崩れを抑え、繊維の巻き崩れに起因する高圧タンクの強度および耐久性の低下を抑える効果を高めることができる。
（３）上記形態の高圧タンクにおいて、前記最内層は前記第１ヘリカル層であり、前記最外層は、前記第２ヘリカル層であることとしてもよい。この形態の高圧タンクによれば、補強層で生じる応力を抑え、高圧タンクの耐久性を向上する効果を高めることができる。
（４）上記形態の高圧タンクにおいて、前記ヘリカル層群を構成する前記ヘリカル層は、隣り合う前記ヘリカル層間の前記巻き角度の差の集合を母集団とした場合の標準偏差が最小となる順序で、積層されていることとしてもよい。この形態の高圧タンクによれば、ヘリカル層群において、隣り合うヘリカル層間の巻き角度の差のばらつきを抑えることにより、ヘリカル層群を構成する各層の物性をより均一にして、ヘリカル層群内における応力の発生を抑えることができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、高圧タンクの製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】高圧タンクの断面模式図である。
【図２】高圧タンクの外壁の一部を拡大して示す断面模式図である。
【図３】繊維の巻き角度を模式的に示す説明図である。
【図４】ヘリカル層群の一例を示す説明図である。
【図５】高圧タンクの製造方法の概要を表わす工程図である。
【図６】ヘリカル層群の一例を示す説明図である。
【図７】ヘリカル層群の一例を示す説明図である。
【図８】ヘリカル層群の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
Ａ．第１実施形態：
（Ａ−１）高圧タンクの全体構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての高圧タンク１００の断面模式図である。高圧タンク１００は、高圧の流体を貯蔵するタンクである。本実施形態では、高圧タンク１００は、流体として圧縮水素を貯蔵し、例えば、水素タンク搭載装置である燃料電池車両に搭載される。高圧タンク１００は、ライナ１０と、補強層７０と、口金２１，２２と、を備える。なお、図１および後述する各図は、本発明に係る高圧タンク１００の各部の様子を模式的に示しているため、図に示された各部のサイズは、具体的なサイズを表わすものではない。
【０００９】
ライナ１０には、高圧ガスを収容するための空間が内部に形成されている。ライナ１０は、軸線Ｏ方向に延びる円筒状に形成された部位であるシリンダ部１６と、シリンダ部１６の両側に続く略半球面形状の２つのドーム部１７，１８と、を備える。本実施形態のライナ１０は、ポリアミド樹脂によって形成される。ライナ１０を構成するポリアミド樹脂としては、例えば、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２を挙げることができる。本実施形態では、ナイロン６によってライナ１０を構成している。
【００１０】
本実施形態では、ライナ１０は、複数の部材を接合することによって構成されている。具体的には、ライナ１０は、ライナ部材１１，１２，１３を備え、この順で軸線Ｏ方向に配置されている。ライナ部材１１とライナ部材１２との間、および、ライナ部材１２とライナ部材１３との間は、例えば、赤外溶着、レーザ溶着、熱板溶着、振動溶着、あるいは超音波溶着等の方法により接合することができる。なお、ライナ１０は、３以外の複数の部材によって構成してもよく、また、ライナ１０全体を一体形成する等、複数の部材を接合する方法とは異なる方法により形成してもよい。また、ライナ１０の両端の各々には、上記ドーム部１７，１８の各々の頂上の位置に、口金２１，２２が配置されている。これら口金２１，２２は、例えば、インサート成形によって、ライナ部材１１あるいはライナ部材１２に接合される。
【００１１】
補強層７０は、ライナ１０の外表面を覆うように形成されており、ライナ１０を補強して高圧タンク１００の強度（タンク内圧に対する強度）を向上させる。補強層７０は、ライナ１０の外表面上で巻回されている繊維と、この繊維に含浸される樹脂とを、構成材料として有し、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって形成される層である。具体的には、樹脂を含浸させた長繊維を、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」と呼ぶ）によりライナ１０の表面に巻回し、その後、樹脂を硬化させた層である。典型的なＦＷ法では、ライナ１０のシリンダ部１６の外表面を被覆するためのフープ巻きと、ドーム部１７，１８の外表面を被覆するためヘリカル巻きとが利用される。補強層７０は、上記繊維の種類や繊維の巻き方が異なる複数の層を備えている。
【００１２】
図２は、高圧タンク１００の外壁の一部を拡大して示す断面模式図である。補強層７０は、ライナ１０上に設けられ、カーボン繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＣＦＲＰ）を備えるカーボン繊維強化プラスチック層７４（以下、ＣＦＲＰ層７４とも呼ぶ）と、ＣＦＲＰ層上に設けられ、ガラス繊維強化プラスチック（Ｇｌａｓｓ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＧＦＲＰ）を備えるガラス繊維強化プラスチック層７２（以下、ＧＦＲＰ層７２とも呼ぶ）と、を備える。
【００１３】
ＣＦＲＰ層７４は、カーボン繊維がフープ巻きされた層（以下、フープ層とも呼ぶ）と、カーボン繊維がヘリカル巻きされた層（以下、ヘリカル層とも呼ぶ）と、を含む。「フープ巻き」とは、繊維の巻き角度を略垂直とする巻き方であり、「ヘリカル巻き」とは、繊維の巻き角度を、フープ巻きよりも傾いた角度とする巻き方である。本実施形態のＣＦＲＰ層７４は、繊維の巻き角度が異なる複数のヘリカル層を備える。
【００１４】
図３は、繊維の巻き角度を模式的に示す説明図である。繊維の巻き角度とは、高圧タンク１００の軸線Ｏ方向に対する繊維の巻き角度である。図３は、高圧タンク１００を、軸線Ｏ方向に垂直な方向から見た様子を表わしており、繊維Ｆの巻き角度が角度θであることを示す。単一のヘリカル層あるいは単一のフープ層とは、同じ巻き角度で少しずつ位置をずらしながら連続して繊維を巻き付け、ライナ１０の表面上のカバー率が１００％となるように繊維を巻き付けた層をいう。単一のヘリカル層では、ライナ１０の厚み方向には、交差する繊維が点で重なることはあるが、繊維の巻き付け方向にわたって線状に、繊維が上記厚み方向に重なることはない。
【００１５】
「ヘリカル巻き」は、上記繊維が軸線Ｏを少なくとも一周した後に、ドーム部において上記繊維の巻き方向が折り返されて、比較的大きな巻き角度を有するヘリカル巻き（以下、「高角度ヘリカル巻き」ともいう）と、上記繊維が軸線Ｏを一周する前に、ドーム部において上記繊維の巻き方向が折り返されて、比較的小さな巻き角度を有するヘリカル巻き（以下、「低角度ヘリカル巻き」ともいう）と、に分けられる。繊維がフープ巻きされた層（以下、フープ層とも呼ぶ）における巻き角度は、例えば８０°以上９０°以下とすることができ、８８°以上とすることが望ましい。繊維が高角度ヘリカル巻きされた層（以下、高角度ヘリカル層とも呼ぶ）における巻き角度は、例えば７０°以上とすることができ、７８°以上とすることがより望ましい。また、高角度ヘリカル層における巻き角度は、８５°以下とすることができ、８１°以下とすることがより望ましい。ただし、フープ層の巻き角度の方が、高角度ヘリカル層の巻き角度よりも大きい。繊維が低角度ヘリカル巻きされた層（以下、低角度ヘリカル層とも呼ぶ）における巻き角度は、０°を超えていればよく、５°以上とすることが好ましい。低角度ヘリカル層の巻き角度は、高圧タンク１００の長さや、口金２１，２２の大きさ等に応じて、ライナ１０の表面全体が覆われるように適宜設定すればよい。また、低角度ヘリカル層における巻き角度は、７０°未満とすることができ、５０°以下とすることができ、４０°以下とすることができ、３５°以下とすることができる。
【００１６】
図２に示すＣＦＲＰ層７４は、第１フープ層７３、ヘリカル層群７１、高角度ヘリカル層７５、第２フープ層７６を備え、ライナ１０側からこの順に積層されている。「ヘリカル層群７１」は、繊維が低角度ヘリカル巻きされた低角度ヘリカル層が積層されることによって構成されており、低角度ヘリカル層を３層以上備えている。ヘリカル層群７１については、後に詳しく説明する。
【００１７】
図２に示す積層の順序は一例であり、ＣＦＲＰ層７４を構成する上記した各層の数および積層の順序は、種々変更可能である。ライナ１０に近い側でヘリカル層群７１に隣接して、ヘリカル層群７１を構成するいずれのヘリカル層よりも巻き角度が大きな高角度層が配置されていればよい。本実施形態では、図２に示すように、上記高角度層はフープ層（第１フープ層７３）であるが、高角度ヘリカル層としてもよい。
【００１８】
ＣＦＲＰ層７４には、各層間において、繊維の巻き角度が変更される切替部が存在する。具体的には、例えば、第１フープ層７３とヘリカル層群７１との間、および、ヘリカル層群７１と高角度ヘリカル層７５との間には、巻き角度が大きく変化する切替部が存在する。上記のように繊維の巻き角度が変更される切替部では、巻き角度を種々変更しながら繊維を巻回して、繊維の巻き付け位置を、次の層の巻き開始位置まで移動させる。
【００１９】
ＧＦＲＰ層７２は、主として、タンク表面に対して外部から加えられる物理的あるいは化学的刺激からタンク内部を保護する機能を果たす。ＧＦＲＰ層７２も、ＣＦＲＰ層７４と同様に、樹脂を含浸するガラス繊維がフープ巻きされたフープ層と、樹脂を含浸するガラス繊維がヘリカル巻きされたヘリカル層とを、任意の順序で任意の数を積層して形成することができる。ＧＦＲＰ層７２は、ライナ１０の表面の全面を覆うように形成されている。
【００２０】
ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２を構成する各層が備える樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。ＣＦＲＰ層７４が備える樹脂と、ＧＦＲＰ層７２が備える樹脂とは、同じ種類であってもよく、異なる種類であってもよい。
【００２１】
（Ａ−２）ヘリカル層群について：
ヘリカル層群７１は、既述したように、繊維がヘリカル巻きされた低角度ヘリカル層が積層されることによって構成されている。そして、ヘリカル層群７１は、図２に示すように、ライナ１０の最も近くに配置され、ヘリカル層群７１を構成するヘリカル層のうちで繊維の巻き角度が最も大きい層（以下、第１ヘリカル層とも呼ぶ）と、繊維の巻き角度が２番目に大きい層(以下、第２ヘリカル層とも呼ぶ）とのうちの一方である最内層７１ａを備える。また、ヘリカル層群７１は、高圧タンク１００の外表面の最も近くに配置され、上記した第１ヘリカル層と第２ヘリカル層とのうちの他方である最外層７１ｂを備える。さらに、ヘリカル層群７１は、上記最内層７１ａと最外層７１ｂとの間に配置され、上記最内層７１ａおよび最外層７１ｂよりも繊維の巻き角度が小さいヘリカル層を含む中間層７１ｃを備える。以下では、具体例を挙げてさらに詳しく説明する。
【００２２】
図４は、１１層の低角度ヘリカル層を積層したヘリカル層群７１の一例を示す説明図である。図４に示す「層Ｎｏ．」は、ヘリカル層群７１を構成する各ヘリカル層に対して、ライナ１０に近い側から高圧タンク１００の外表面に向かって昇順に番号を付したものである。Ｎｏ．１の層が最内層７１ａであり、Ｎｏ．１１の層が最外層７１ｂである。また、Ｎｏ．２からＮｏ．１０までの層が、中間層７１ｃである。図４では、ヘリカル層群７１を構成する各ヘリカル層の巻き角度を示している。さらに、図４では、隣り合う層間の巻き角度の差も示している。
【００２３】
図４に示すヘリカル層群７１は、巻き角度が８°のヘリカル層と、巻き角度が１０°のヘリカル層と、巻き角度が１５°のヘリカル層と、巻き角度が１７°のヘリカル層と、巻き角度が２０°のヘリカル層とを、それぞれ２層ずつ備える。また、ヘリカル層群７１は、巻き角度が１９°のヘリカル層を１層備える。
【００２４】
既述したように、ヘリカル層群７１では、繊維の巻き角度が最も大きい第１ヘリカル層と、繊維の巻き角度が２番目に大きい第２ヘリカル層とのうちの一方が、最内層７１ａであり、他方が最外層７１ｂである。繊維の巻き角度の大きい順に順位を付する際には、同じ巻き角度の層については、異なる層として順位を付する。具体的には、ヘリカル層群７１が、繊維の巻き角度が最も大きい層として２以上の層を備える場合には、上記巻き角度が最も大きい第１ヘリカル層と、上記巻き角度が２番目に大きい第２ヘリカル層の巻き角度は同じとして扱い、このとき、最内層７１ａと最外層７１ｂの巻き角度は同じになる。図４の例では、最内層７１ａであるＮｏ．１の層と、最外層７１ｂであるＮｏ．１１の層の双方の巻き角度が２０°となっている。ヘリカル層群７１が、繊維の巻き角度が最も大きい層として３以上の層を備える場合には、上記巻き角度が最も大きい層のうち、最内層７１ａおよび最外層７１ｂとは異なる層は、中間層７１ｃに含まれる。
【００２５】
図４に示すヘリカル層群７１を構成する低角度ヘリカル層の数、および、各低角度ヘリカル層の巻き角度は、単なる一例であり、任意の変更が可能である。高圧タンク１００において実現したいタンク強度に応じて、ヘリカル層群７１を構成する各層の巻き角度と、各々の巻き角度を有するヘリカル層の数とを、適宜設定すればよい。この場合、例えば、繊維の巻き角度が最も大きい第１ヘリカル層と、繊維の巻き角度が２番目に大きい第２ヘリカル層との巻き角度が異なる場合には、第１ヘリカル層と第２ヘリカル層とのうちの一方を最内層７１ａとして、他方を最外層７１ｂとすればよい。
【００２６】
高圧タンク１００において、ヘリカル層群７１を構成する各層における繊維の巻き角度は、高圧タンク１００を乾留し、補強層７０を構成する樹脂成分を揮発させると共に繊維を残留させることによって、測定することができる。
【００２７】
（Ａ−３）高圧タンクの製造方法：
図５は、高圧タンク１００の製造方法の概要を表わす工程図である。高圧タンク１００を製造する際には、まず、ライナ１０を用意する（ステップＳ１００）。このステップＳ１００は、既述したように、口金２１，２２を一体化するインサート成形の工程や、複数のライナ部材の接合の工程を含む。そして、用意したライナ１０上に、樹脂含浸繊維を巻回して樹脂含浸繊維層（硬化前の補強層７０）を形成する（ステップＳ１１０）。このステップＳ１１０では、図２に示すように、ライナ１０側から高角度層（第１フープ層７３）、ヘリカル層群７１の順で積層された補強層７０を形成する。その後、樹脂含浸繊維層中の樹脂を硬化させて（ステップＳ１２０）、高圧タンク１００を完成する。樹脂の硬化は、例えば、加熱炉を用いた加熱や、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いた誘導加熱手法により行なうことができる。
【００２８】
以上のように構成された本実施形態の高圧タンク１００によれば、ヘリカル層群７１において、高角度層である第１フープ層７３に隣接する最内層７１ａを、最も巻き角度が大きい第１ヘリカル層または２番目に巻き角度が大きい第２ヘリカル層としている。そのため、高角度層とヘリカル層群７１との間の巻き角度の差を、より小さくすることができる。隣り合う層間の巻き角度の差を小さくすることにより、例えば高圧タンク１００において流体の充填と放出とが繰り返されて、高圧タンク１００が膨張と収縮を繰り返す場合であっても、上記隣り合う層間で生じる剪断応力を抑えることができる。繊維の巻き角度が異なると，各層の物性が異なることにより、層ごとに膨張や収縮の方向が異なり、その結果、隣り合う層間で巻き角度の差が大きいほど、層間の境界部においてより大きな剪断応力が発生するためである。上記剪断応力を抑制できることにより、補強層７０の耐久性を高めることができ、その結果、高圧タンク１００全体の耐久性を向上させることができる。
【００２９】
また、本実施形態の高圧タンク１００によれば、ヘリカル層群７１において、高圧タンク１００の外表面の最も近くに配置される最外層７１ｂを、最も巻き角度が大きい第１ヘリカル層または２番目に巻き角度が大きい第２ヘリカル層としている。このように、最内層７１ａと最外層７１ｂの双方の巻き角度を、より大きくすることにより、ヘリカル層群７１内において、隣り合う層間の巻き角度の差を、適切に確保することが容易になる。
【００３０】
図６は、比較例としての高圧タンクが備えるヘリカル層群７１の構成の一例を、図４と同様に示す説明図である。例えば、ヘリカル層群７１において、最内層７１ａから最外層７１ｂに向かって次第に巻き角度が小さくなるように、あるいは、次第に巻き角度が大きくなるように、各ヘリカル層を配置することも可能である。図６では、最内層７１ａから最外層７１ｂに向かって次第に巻き角度が小さくなるように各ヘリカル層を配置する様子を示す。このような場合には、例えばヘリカル層群７１が、図６に示すように繊維の巻き角度が同じであるヘリカル層を複数有する場合には、このような層が連続することになる。また、繊維の巻き角度が同じであるヘリカル層を有しない場合であっても、隣り合う層間で、巻き角度の差が、極めて小さくなり易い。隣り合う層間の巻き角度が過剰に近い場合には、隣り合う層間で、繊維の巻き付け方向にわたって線状に、繊維がライナ１０の厚み方向に重なることになる。このような場合には、ライナ１０上に樹脂含浸繊維を巻回した後、樹脂を硬化させる前に、繊維が巻き崩れ易くなるという新たな知見を、本願発明者等は得た。ライナ１０上に巻回する樹脂含浸繊維は、一般に、約２万本から約５万本の単繊維を含むトウプリプレグを束にした繊維束を含む。そのため、繊維の巻き付け方向にわたって線状に、繊維束がライナ１０の厚み方向に重なる場合には、このような繊維束の束構造が崩れて、繊維の配置がずれ易くなる。このような繊維の巻き崩れが起こると、繊維において所望の張力が得られず、硬化後の補強層７０の強度および耐久性が低下する可能性がある。
【００３１】
本実施形態によれば、隣り合う層間の巻き角度の差が、ヘリカル層群７１全体で過剰に小さくなることを抑え、隣り合う層間の巻き角度の差を、適切に確保することが容易になるため、上記した繊維の巻き崩れを抑えることができる。その結果、繊維の巻き崩れに起因する高圧タンク１００の強度および耐久性の低下を抑えることができる。
【００３２】
本実施形態では、高圧タンク１００の外表面側においてヘリカル層群７１に隣接する層として高角度ヘリカル層７５を設けたが、異なる構成としてもよい。例えば、高角度ヘリカル層７５を介することなく第２フープ層７６を隣接させてもよい。あるいは、このような高角度層を、ヘリカル層群７１の上記外表面側に隣接させない構成としてもよい。
【００３３】
ただし、ヘリカル層群７１の上記外表面側にも高角度層が隣接する場合には、ヘリカル層群７１の最外層７１ｂが第１ヘリカル層または第２ヘリカル層であって、巻き角度が大きいことにより、上記外表面側に隣接する高角度層と最外層７１ｂとの間の巻き角度の差を抑えることができる。その結果、隣り合う層間の巻き角度が大きいことに起因して発生する既述した剪断応力を抑えることができる。また、高圧タンク１００の強度を確保するために必要な数のフープ層を設ける際に、上記実施形態のように、フープ層の間にヘリカル層群７１を挟むことにより、フープ層を連続して積層する数が過剰となることに起因してフープ層が巻き崩れることを抑えることができる。このようにフープ層の間にヘリカル層群７１を挟む場合には、実施形態のように、ヘリカル層群７１とフープ層との間に高角度ヘリカル層を設けることにより、巻き角度の急激な変化を抑えることができる。
【００３４】
Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態の高圧タンク１００が備えるヘリカル層群７１の構成の一例を、図４と同様に示す説明図である。第２実施形態の高圧タンク１００は、第１実施形態の高圧タンク１００と同様の構造を有しており、ヘリカル層群７１の構成のみが異なっている。図７では、図４に示すヘリカル層群７１と同様の１１層の低角度ヘリカル層を備える例を示す。第２実施形態では、ヘリカル層群７１を構成するヘリカル層は、隣り合うヘリカル層間の巻き角度の差の集合を母集団とした場合の標準偏差が、より小さくなる順序、具体的には最小となる順序で、積層されている。例えば、図７に示す例では、上記標準偏差は、１．６となる。これに対して、図４に示す例では、上記標準偏差は、約２．１５４となる。
【００３５】
このような構成とすれば、ヘリカル層群７１において、隣り合うヘリカル層間の巻き角度の差のばらつきを抑えることにより、ヘリカル層群７１を構成する各層の物性がより均一になり、ヘリカル層群７１内における応力の発生を抑えることができる。その結果、高圧タンク１００の耐久性をさらに向上させることができる。
【００３６】
Ｃ．第３実施形態：
図８は、第３実施形態の高圧タンク１００が備えるヘリカル層群７１の構成の一例を、図４と同様に示す説明図である。第３実施形態の高圧タンク１００は、第１実施形態の高圧タンク１００と同様の構造を有しており、ヘリカル層群７１の構成のみが異なっている。図８では、最内層７１ａの巻き角度のみが図７の第２実施形態とは異なるヘリカル層群７１の例を示す。第３実施形態のヘリカル層群７１では、最内層７１ａが、巻き角度が最も大きな第１ヘリカル層となっている。
【００３７】
このような構成とすれば、最外層７１ｂを第１ヘリカル層とすると共に、最内層７１ａを第２ヘリカル層とする場合に比べて、補強層７０内で発生する応力を抑える効果を高めることができる。ヘリカル層群を挟むように高角度層を設ける補強層７０では、一般に、ライナ１０側に配置される高角度層（第１フープ層７３）の方が、高圧タンク１００の外表面側に配置される高角度層（高角度ヘリカル層７５や第２フープ層７６）よりも、高圧タンク１００の強度確保に係る荷重分担が大きくなる。このことは、高角度層に挟まれるヘリカル層群７１が、高角度層よりも柔らかいため、ヘリカル層群７１上に形成される高角度層における荷重分担が低減されるためと考えられる。荷重分担がより多い高角度層と低角度ヘリカル層とが接する界面は、荷重分担がより少ない高角度層と低角度ヘリカル層とが接する界面よりも、応力が発生し易い。そのため、荷重分担がより多いライナ１０側の高角度層に接する最内層７１ａの巻き角度をより大きくして、上記高角度層との巻き角度差を抑えることにより、補強層７０で生じる応力を抑え、高圧タンク１００の耐久性を向上する効果を高めることができる。
【００３８】
Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上記各実施形態では、図４、図７、図８に示すように、ヘリカル層群７１内において隣り合うヘリカル層の巻き角度が、互いに異なっていることとしたが、同じ巻き角度を有するヘリカル層が連続して配置される箇所が存在していてもよい。このような場合であっても、高角度層に隣接する最内層７１ａと、最外層７１ｂとを、最も巻き角度が大きい層、あるいは２番目に巻き角度が大きい層とすることで、既述した効果が得られる。すなわち、ライナ１０側の高角度層との間の巻き角度の差を抑えると共に、隣り合う層間の巻き角度の差を適切に確保することが、ヘリカル層群全体として、より容易になる。
【００３９】
（Ｄ２）上記各実施形態では、ヘリカル層群７１は、カーボン繊維強化プラスチックを備えるＣＦＲＰ層７４の一部として構成したが、異なる構成としてもよい。例えば、カーボン繊維とは異なる繊維を用いて補強層７０を形成する場合であっても、ヘリカル層を積層したヘリカル層群において、繊維の巻き角度に関して各実施形態と同様の構成を採用することにより、各実施形態と同様の効果が得られる。
【００４０】
本発明は、上述の実施形態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の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又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】
【００４１】
１０…ライナ、１１，１２，１３…ライナ部材、１６…シリンダ部、１７，１８…ドーム部、２１，２２…口金、７０…補強層、７１…ヘリカル層群、７１ａ…最内層、７１ｂ…最外層、７１ｃ…中間層、７２…ＧＦＲＰ層、７３…第１フープ層、７４…ＣＦＲＰ層、７５…高角度ヘリカル層、７６…第２フープ層、１００…高圧タンク
【図１】
2020122543.tif 000003
【図２】
2020122543.tif 000004
【図３】
2020122543.tif 000005
【図４】
2020122543.tif 000006
【図５】
2020122543.tif 000007
【図６】
2020122543.tif 000008
【図７】
2020122543.tif 000009
【図８】
2020122543.tif 000010