(57)【要約】【課題】円筒部の歪のバラツキを抑えてタンク品質を安定させることである。【解決手段】円筒部（１７）と円筒部の両端から円筒部の軸方向外側に向かって縮径する一対の側端部（１８、１９）とを有する樹脂製のライナ（１１）と、樹脂含浸された強化繊維によってライナの外面を覆うように形成された繊維強化樹脂層とを備えた高圧タンク（１０）であり、円筒部は、円筒部の中心軸に平行なストレート部（３１）と、ストレート部の両端から一対の側端部に向かって縮径する一対のテーパ部（３２、３３）とを有し、繊維強化樹脂層は、一方のテーパ部とストレート部の境界から他方のテーパ部とストレート部の境界までの範囲に強化繊維をフープ巻きしたフープ層（Ｌ１）を有する構成にした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒部と前記円筒部の両端から前記円筒部の軸方向外側に向かって縮径する一対の側端部とを有する樹脂製のライナと、樹脂含浸された強化繊維によって前記ライナの外面を覆うように形成された繊維強化樹脂層とを備えた高圧タンクであって、
前記円筒部は、前記円筒部の中心軸に平行なストレート部と、前記ストレート部の両端から前記一対の側端部に向かって縮径する一対のテーパ部とを有し、
前記繊維強化樹脂層は、一方の前記テーパ部と前記ストレート部の境界から他方の前記テーパ部と前記ストレート部の境界までの範囲に前記強化繊維をフープ巻きしたフープ層を有す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、高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧タンクとして、ガス等の高圧流体が充填されるライナを強化繊維によって外側から補強したものが知られている。高圧タンクの製造方法では、いわゆるフィラメントワインディング工法（以下、ＦＷ工法）によって、樹脂含浸された強化繊維がライナの外面に巻き付けられる。ＦＷ工法では、ライナの回転軸に略直交する巻き付け角度でライナに強化繊維を巻き付けるフープ巻きと、回転軸に対して斜めに交差する巻き付け角度でライナに強化繊維を巻き付けるヘリカル巻きが実施されて、ライナの外面に繊維強化樹脂層が形成される。
【０００３】
通常、ライナは、円筒部と、円筒部の両端から円筒部の軸方向外側に向かって縮径する一対の側端部とを有している。このようなライナとして、円筒部の両端側に一対の側端部に連なるテーパ部が形成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のライナは、円筒部の外周面に対して強化繊維がフープ巻きされ、テーパ部を含む円筒部全体がフープ層によって被覆される。フープ層の形成後に、ライナ全体の外面に対して強化繊維がヘリカル巻きされて、一対の側端部を含むライナ全体がヘリカル層によって被覆される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１４５９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のライナの円筒部は、両端のテーパ部を除いて中心軸に平行なストレート部になっており、円筒部全体にフープ層が形成されると、テーパ部における径方向の歪がストレート部における径方向の歪よりも小さくなる。このため、円筒部の径方向の歪が不均一になり、高圧タンクの品質が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明では、円筒部の径方向の歪のバラツキを抑えて、タンク品質を安定させることができる高圧タンク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】
上記課題を解決するために、本発明に係る高圧タンクは、円筒部と前記円筒部の両端から前記円筒部の軸方向外側に向かって縮径する一対の側端部とを有する樹脂製のライナと、樹脂含浸された強化繊維によって前記ライナの外面を覆うように形成された繊維強化樹脂層とを備えた高圧タンクであって、前記円筒部は、前記円筒部の中心軸に平行なストレート部と、前記ストレート部の両端から前記一対の側端部に向かって縮径する一対のテーパ部とを有し、前記繊維強化樹脂層は、一方の前記テーパ部と前記ストレート部の境界から他方の前記テーパ部と前記ストレート部の境界までの範囲に前記強化繊維をフープ巻きしたフープ層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、テーパ部に対して強化繊維がフープ巻きされず、ストレート部に対して強化繊維がフープ巻きされてフープ層が形成されている。テーパ部はストレート部よりも歪が生じ難い形状であるため、高圧タンクに対する燃料ガスの充填時に円筒部の径方向の歪のバラツキが抑えられ、高圧タンクの品質を安定させることができる。また、円筒部に対する強化繊維の繊維量が削減され、高圧タンクの製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る高圧タンクの模式断面図である。
【図２】本実施形態に係る高圧タンクのライナの部分拡大図である。
【図３】本実施形態に係る高圧タンクのライナの説明図であり、（Ａ）はライナの部分拡大図を示し、（Ｂ）はライナの歪分布図を示している。
【図４】比較例に係る高圧タンクのライナの説明図であり、（Ａ）はライナの部分拡大図を示し、（Ｂ）はライナの歪分布図を示している。
【図５】本実施の形態に係るタンクの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る高圧タンクの模式断面図である。図２は、本実施形態に係る高圧タンクのライナの部分拡大図である。なお、以下では、高圧タンクとして車載用の燃料電池システムで燃料電池に水素等の燃料ガスを貯蔵する燃料タンクを例示して説明するが、高圧タンクは燃料電池システム以外の任意の用途で使用されてもよい。
【００１１】
［高圧タンクについて］
図１に示すように、高圧タンク１０は、タンクの基材となるライナ１１の外面を繊維強化樹脂層１２によって被覆したタンク本体１３を有している。タンク本体１３は、筒状の胴体部１４の両端から一対のドーム部１５、１６を半球状に膨出させた外面形状を有している。各ドーム部１５、１６の頂点箇所には一対の口金２１、２６が設けられている。一方の口金２１には貫通孔２４が形成されており、貫通孔２４に取り付けられたバルブ（不図示）によってタンク本体１３内のガスの放出及び流入が行われている。他方の口金２６は貫通しておらず、口金２６によってタンク本体１３が封止されている。
【００１２】
ライナ１１は、高圧タンク１０の基材になるものであり、燃料ガスの貯留空間２０を持つように中空形状に形成されている。ライナ１１は、円筒部１７と、円筒部１７の軸方向外側に向かって縮径するように円筒部１７から膨出した一対の側端部１８、１９とを有している。ライナ１１の樹脂材料としては、例えば、ポリアミド、エチレンビニルアルコール共重合体、ポリエチレン等の樹脂を用いることができる。ライナ１１には、燃料ガスとして水素ガスの他に、例えば、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各種圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス、その他の各種加圧物質が充填されてもよい。
【００１３】
繊維強化樹脂層１２は、未硬化樹脂（未硬化の熱硬化性樹脂）が含浸された帯状の強化繊維束（不図示）がライナ１１に巻き付けられて、加熱によって未硬化樹脂が硬化されることで形成される。繊維強化樹脂層１２は、ライナ１１の円筒部１７に強化繊維束がフープ巻きされることで形成されるフープ層Ｌ１と、ライナ１１の全体に強化繊維束がヘリカル巻きされることで形成されるヘリカル層Ｌ２とを有している。フープ層Ｌ１によってライナ１１の円筒部１７の径方向の強度が確保され、ヘリカル層Ｌ２によってライナ１１の軸方向の強度が確保される。
【００１４】
なお、フープ巻きとは、ライナ１１の回転軸（中心軸）ＣＸに略直交する巻き付け角度で、ライナ１１に対して強化繊維束を巻き付ける巻き付け態様である。ヘリカル巻きとは、ライナ１１の回転軸ＣＸに斜めに交差する巻き付け角度で、ライナ１１に対して強化繊維束を巻き付ける巻き付け態様である。強化繊維としては炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が採用されてもよい。未硬化樹脂としては熱可塑性樹脂が採用されてもよい。未硬化樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合、熱可塑性樹脂が軟化した状態でライナ１１の外面に強化繊維束が巻き付けられた後に、放冷によって熱可塑性樹脂が硬化される。
【００１５】
一方の口金２１は、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属によって形成されている。一方の口金２１は、本体となる筒状部２２の外周にフランジ部２３が形成され、筒状部２２の一部をドーム部１５から突出させるようにライナ１１に取り付けられている。筒状部２２の内側の貫通孔２４には、貯留空間２０に対する燃料ガスを充填及び排出するバルブ（不図示）が取り付けられている。他方の口金２６は、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属によって形成されている。他方の口金２６は、一方の口金２１と略同様な外形に形成されているが、一方の口金２１とは筒状部２７の内側が閉塞されている点で相違している。
【００１６】
本発明者は、ライナ１１に生じる歪について鋭意検討を行った結果、以下の知見を得て本発明を見出した。
【００１７】
［ライナに生じる歪について］
図２に示すように、樹脂製のライナ１１は、アルミニウム等の金属製のライナとは異なり、樹脂の射出成形によって形成されている。このため、ライナ１１の製造過程において、円筒部１７の両端には側端部１８、１９（側端部１９は図３（Ｂ）参照）に連なるテーパ部３２、３３（テーパ部３３は図３（Ｂ）参照）が形成される。より具体的には、ライナ１１の射出成型時の金型を抜くための抜き勾配（例えば、０．５度）によってテーパ部３２が形成されている。このため、円筒部１７は、円筒部１７の回転軸ＣＸに平行なストレート部３１と、ストレート部３１の両端から一対の側端部１８、１９に向かって縮径する一対のテーパ部３２、３３とから構成される。
【００１８】
このようなライナ１１の円筒部１７全体に一様にフープ層Ｌ１が形成されると（図４参照）、円筒部１７の強度が担保されるが、ライナ１１に対する燃料ガスの充填時に円筒部１７の径方向の歪にバラツキが生じて高圧タンク１０の品質が安定しない。具体的には、円筒部１７のストレート部３１における径方向の歪と比べて円筒部１７の両端のテーパ部３２、３３における径方向の歪が小さい。これは、高圧タンク１０に対して燃料ガスを供給すると、ストレート部３１の中央付近から膨張し始めて、テーパ部３２、３３の膨張が中央付近の膨張に遅れる分だけ、テーパ部３２、３３の膨張が抑えられるからだと考えられる。
【００１９】
また、円筒部１７の径方向の応力は、当該応力をσ、円筒部１７の外径をｒ、円筒部１７の径方向の歪をεとしたときに次式（１）によって示される。すなわち、円筒部１７の外径の減少に伴って、円筒部１７の径方向の歪が小さくなる。上記したようにストレート部３１の外径が全体的に一定に形成されているのに対し、テーパ部３２の外径がストレート部３１から側端部１８に向かって減少している。よって、ストレート部３１における径方向の歪よりもテーパ部３２における径方向の歪が小さい。
σ＝πε／ｒ２…（１）
【００２０】
このように、円筒部１７にテーパ部３２が形成されることで、テーパ部３２に生じる径方向の歪が小さくなる。円筒部１７の径方向の歪が小さいことは、円筒部１７が変形し難く強度が高いことを示している。ここで、本件発明者がストレート部３１にのみフープ層Ｌ１（図３（Ａ）参照）を形成した高圧タンクを用意して、円筒部１７に生じる径方向の歪分布を測定したところ、円筒部１７全体の歪のバラツキが抑えられることが判明した。また、テーパ部３２にフープ層Ｌ１が形成されていない高圧タンクも、テーパ部３２にフープ層Ｌ１が形成された高圧タンクと同様な強度が得られた。
【００２１】
そこで、本実施形態の高圧タンク１０では、ストレート部３１にのみフープ層Ｌ１（図３（Ａ）参照）を形成することで、テーパ部３２とストレート部３１の径方向の歪を均一に近づけて高圧タンク１０の品質の安定化を実現している。テーパ部３２には強化繊維束を巻き付けなくても十分な強度が得られるため、強化繊維束の消費量を削減して、高圧タンク１０の製造コストを低減することができる。さらに、フープ層Ｌ１が側端部１８、１９側に食み出ることがないため、フープ層Ｌ１の端位置を精度よく測定する必要がない。よって、フープ層Ｌ１の端位置の測定設備が不要となり、高圧タンク１０の製造コストを更に低減することができる。
【００２２】
以下、フープ層が形成されたライナについて説明する。図３は、本実施形態に係る高圧タンクのライナの説明図であり、（Ａ）はライナの部分拡大図を示し、（Ｂ）はライナの歪分布図を示している。図４は、比較例に係る高圧タンクのライナの説明図であり、（Ａ）はライナの部分拡大図を示し、（Ｂ）はライナの歪分布図を示している。
【００２３】
［本実施形態の高圧タンクのライナの歪について］
図３（Ａ）に示すように、ライナ１１の円筒部１７のストレート部３１のみにフープ層Ｌ１が形成されている。より詳細には、一方のテーパ部３２とストレート部３１の境界から他方のテーパ部３３（図３（Ｂ）参照）とストレート部３１の境界までの範囲にフープ層Ｌ１が形成されている。円筒部１７のストレート部３１のみがフープ層Ｌ１によって覆われて、テーパ部３２がフープ層Ｌ１から露出されている。ストレート部３１の強度がフープ層Ｌ１によって補強されて、フープ層Ｌ１によってストレート部３１の径方向の変形が外側から抑えられている。
【００２４】
フープ層Ｌ１の一方側の端位置は、テーパ部３２とストレート部３１の境界に位置付けられている。テーパ部３２に強化繊維束が巻き付けられないため、テーパ部３２から側端部１８にフープ層Ｌ１の端位置が食み出すことがない。よって、後述する比較例のように、フープ層Ｌ１の形成時に測定設備によってフープ層Ｌ１の端位置を測定しながら円筒部１７に強化繊維束を巻き付ける必要がない。なお、説明を省略するが、フープ層Ｌ１の他方側の端位置についても同様である。また、テーパ部３２、３３とストレート部３１の境界は、画像処理等によって光学的に検出されてもよいし、機械的に検出されてもよい。
【００２５】
ここで、図３（Ｂ）に示すように、ストレート部３１にのみフープ層Ｌ１が形成された円筒部１７の径方向の歪分布を測定した。この場合、円筒部１７の一端側のテーパ部３２を測定位置Ｐａ、テーパ部３２に隣接したストレート部３１の一端側を測定位置Ｐｂ、ストレート部３１の一端からストレート部３１の全長の約１／４位置を測定位置Ｐｃ、ストレート部３１の一端からストレート部３１の全長の約３／４位置を測定位置Ｐｄとした。テーパ部３２の測定位置Ｐａにおける径方向の歪が、ストレート部３１の測定位置Ｐｂ−Ｐｄにおける径方向の歪と略等しくなるという測定結果が得られた。
【００２６】
このように、テーパ部３２にフープ層Ｌ１が形成されていなくても、テーパ部３２はその独自の形状によって径方向の歪が抑えられ、ストレート部３１にフープ層Ｌ１が形成されることで、フープ層Ｌ１によってストレート部３１の径方向の歪が抑えられている。よって、テーパ部３２とストレート部３１の径方向の歪分布が略均一に近づけられることで高圧タンク１０の品質が安定する。また、テーパ部３２への強化繊維束の巻き付けが不要になるため、強化繊維束の消費量が抑えられると共に、フープ層Ｌ１の端位置を測定するための高価な測定設備が不要になるため、高圧タンク１０の製造コストを低減することができる。
【００２７】
［比較例の高圧タンクのライナの歪について］
一方で比較例においては、図４（Ａ）に示すように、ライナ１１の円筒部１７全体にフープ層Ｌ１が形成されている。より詳細には、一方の側端部１８とテーパ部３２の境界から他方の側端部１９とテーパ部３３（図４（Ｂ）参照）の境界までの範囲にフープ層Ｌ１が形成されている。ストレート部３１及びテーパ部３２、３３がフープ層Ｌ１によって覆われることで、ストレート部３１だけでなくテーパ部３２、３３の強度がフープ層Ｌ１によって補強されている。フープ層Ｌ１によってテーパ部３２、３３とストレート部３１の径方向の変形が外側から一様に抑えられている。
【００２８】
フープ層Ｌ１の一方側の端位置は、側端部１８とテーパ部３２の境界、いわゆるＲ止まりに位置付けられている。テーパ部３２から側端部１８にフープ層Ｌ１の端位置が大きく食み出すと、高圧タンク１０の品質が低下するという不具合がある。このため、テーパ部３２から側端部１８にフープ層Ｌ１の端位置が食み出さないように、フープ層Ｌ１の形成時には測定設備によってフープ層Ｌ１の端位置を測定しながらテーパ部３２に強化繊維束が巻き付けられている。なお、説明を省略するが、フープ層Ｌ１の他方側の端位置についても同様である。
【００２９】
ここで、図４（Ｂ）に示すように、フープ層Ｌ１（図４Ａ参照）が全体的に形成された円筒部１７の径方向の歪分布を測定した。この場合、円筒部１７の一端側のテーパ部３２、テーパ部３２に隣接したストレート部３１の一端側、ストレート部３１の一端からストレート部３１の全長の約１／４位置、ストレート部３１の一端からストレート部３１の全長の約３／４位置をそれぞれ測定位置Ｐａ−Ｐｄとした。テーパ部３２の測定位置Ｐａにおける径方向の歪が、ストレート部３１の測定位置Ｐｂ−Ｐｄにおける径方向の歪と比較して小さくなるという測定結果が得られた。
【００３０】
このように、円筒部１７のテーパ部３２とストレート部３１の境界を挟んで、円筒部１７のテーパ部３２側の径方向の歪が比較的小さくなり、円筒部１７のストレート部３１側の径方向の歪が比較的大きくなっている。このため、テーパ部３２とストレート部３１において径方向の歪分布にバラツキが生じて高圧タンク１０の品質が安定しない。また、テーパ部３２、３３に強化繊維束が巻き付けられた分だけ強化繊維束の消費量が増えると共に、フープ層Ｌ１の端位置を測定するための高価な測定設備が必要になり、高圧タンク１０の製造コストが高くなる。
【００３１】
続いて、タンクの製造方法について説明する。図５は、本実施の形態に係るタンクの製造方法の一例を示すフローチャートである。なお、図５では、図３の符号を適宜使用して説明する。
【００３２】
図５に示すように、先ず円筒部１７のストレート部３１に対してフープ層Ｌ１を形成するフープ層形成工程が実施される（ステップＳ０１）。フープ層形成工程では、ライナ１１に強化繊維束を案内するアイクチ（不図示）がライナ１１の近くに位置付けられ、ライナ１１が回転軸ＣＸ周りに回転することで、アイクチから強化繊維束が回転軸ＣＸに略直交する巻き付け角度でライナ１１に巻き取られる。このとき、アイクチがライナ１１の回転軸ＣＸに沿って往復移動することによって、ストレート部３１に強化繊維束が巻き付けられてフープ層Ｌ１が形成される。
【００３３】
より詳細には、アイクチの移動に伴って、ストレート部３１の初期位置から一方のテーパ部３２に向かって強化繊維束が巻き付けられる。一方のテーパ部３２とストレート部３１の境界まで強化繊維束が巻き付けられると、アイクチの移動方向が逆転して他方のテーパ部３３に向かって強化繊維束が巻き付けられる。他方のテーパ部３３とストレート部３１の境界まで強化繊維束が巻き付けられると、アイクチの移動方向が逆転して一方のテーパ部３２に向かって強化繊維束が巻き付けられる。このアイクチの往復動作が繰り返されることによって、ストレート部３１にのみフープ層Ｌ１が形成される。
【００３４】
次に、ライナ１１の全体にヘリカル層Ｌ２を形成するヘリカル層形成工程が実施される（ステップＳ０２）。ヘリカル層形成工程では、ライナ１１が回転軸周りに回転することで、アイクチから強化繊維束が回転軸ＣＸに斜めに交差する巻き付け角度でライナ１１に巻き取られる。このとき、アイクチがライナ１１の回転軸方向の両端の間で往復移動することによって、ライナ１１全体に対して強化繊維束が巻き付けられてヘリカル層Ｌ２が形成される。次に、強化繊維に含浸された未硬化樹脂を加熱によって硬化する硬化工程が実施される（ステップＳ０３）。これにより、ライナ１１に巻き付けられた強化繊維束同士が接着されて、ライナ１１の外面に繊維強化樹脂層１２が形成される。
【００３５】
このようにして、一方のテーパ部３２とストレート部３１の境界から他方のテーパ部３３とストレート部３１の境界までの範囲に強化繊維束を巻き付けたフープ層Ｌ１を有する繊維強化樹脂層１２が形成される。ストレート部３１にフープ層Ｌ１が形成されることで、高圧タンク１０に対する燃料ガスの充填時にストレート部３１におけるライナ１１の径方向の歪とテーパ部３２、３３におけるライナ１１の径方向の歪が均一に近づけられる。なお、テーパ部３２、３３にはフープ層Ｌ１が形成されていないが、高圧タンク１０の強度が低下することがない。
【００３６】
以上のように、本実施形態の高圧タンク１０では、テーパ部３２に対して強化繊維束がフープ巻きされず、ストレート部３１に対して強化繊維束がフープ巻きされてフープ層Ｌ１が形成されている。テーパ部３２はストレート部３１よりも歪が生じ難い形状であるため、高圧タンク１０に対する燃料ガスの充填時に円筒部１７の径方向の歪のバラツキが抑えられ、高圧タンク１０の品質を安定させることができる。また、円筒部１７に対する強化繊維の繊維量が削減され、高圧タンク１０の製造コストを低減することができる。
【００３７】
なお、本実施形態では、帯状の強化繊維束をライナ１１に巻き付けて繊維強化樹脂層１２を形成する構成にしたが、この構成に限定されない。繊維強化樹脂層１２は、ライナ１１の外面に強化繊維を巻き付けて形成される構成であればよく、強化繊維は帯状に纏められていなくてもよい。
【００３８】
また、本実施形態について説明したが、他の実施形態として実施形態および変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。さらに、本開示の技術は本実施形態に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩または派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
【符号の説明】
【００３９】
１０：高圧タンク、１１：ライナ、１２：繊維強化樹脂層、１７：円筒部、１８，１９：側端部、３１：ストレート部、３２，３３：テーパ部、ＣＸ：回転軸（中心軸）、Ｌ１：フープ層
【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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