(57)【要約】【課題】フープ層に生じうる段差に起因してヘリカル層が損傷するという事態を抑制する。【解決手段】タンクのＦＲＰ層が、ライナ２０の外周に繊維束７０が巻回されて形成されるヘリカル層と、段差抑制部材を含むフープ層とから形成されている。段差抑制部材は例えばシート繊維７１であり、この場合、ＦＲＰ層は、ライナ２０の外周に繊維束７０が巻回されて形成されるヘリカル層と、該ヘリカル層とともに積層されたシート繊維７１からなるフープ層とから形成されている。シート繊維７１からなるフープ層が、ヘリカル層の少なくとも一つに対して内層側と外層側とに設けられて当該ヘリカル層を挟んでいることが好ましい。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナと、該ライナの外周に形成されるＦＲＰ層とを有するタンクにおいて、
前記ＦＲＰ層が、前記ライナの外周に繊維束が巻回されて形成されるヘリカル層と、段差抑制部材を含むフープ層とから形成されていることを特徴とする、タンク。
【請求項２】
前記段差抑制部材がシート繊維であり、前記ＦＲＰ層が、前記ライナの外周に繊維束が巻回されて形成されるヘリカル層と、該ヘリカル層とともに積層された前記シート繊維からなるフープ層とから形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のタンク。
【請求項３】
前記シート繊維からなるフープ層が、前記ヘリカル層の少なくとも一つに対して内層側と外層側とに設けられて当該ヘリカル層を挟んでいる、請求項２に記載のタンク。
【請求項４】
ヘリカル層とフープ層との間にゴム製部材が少なくとも一つ介在している、請求項２または３に記載のタンク。
【請求項５】
前記段差抑制部材がゴム製である、請求項１に記載のタンク。
【請求項６】
ライナと、該ライナの外周に形成されるＦＲＰ層とを有するタンクの製造方法において、
前記ライナの外周に繊維束を巻回して形成されるヘリカル層と、シート繊維からなるフープ層とを積層して前記ＦＲＰ層を形成する、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、タンクおよびその製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、水素ガス等が高圧で充填されるタンクにおける構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素等の貯蔵に利用されるタンク（高圧ガス容器）として、ライナ（タンク内容器）の外周にフープ層とヘリカル層とが積層されたＦＲＰの補強層を備えるものが利用されている（例えば特許文献１参照）。フープ層は、例えば炭素繊維などの繊維束がフープ巻（タンク胴体部においてタンク軸にほぼ垂直に巻き付ける巻き方）されて形成された層であり、ヘリカル層は、繊維束がヘリカル巻（タンク胴体部およびタンクドーム部に繊維束を螺旋状に巻き付ける巻き方）されて形成された層である（本願の図２、図１０参照）。
【０００３】
また、フープ層、ヘリカル層、さらにインプレーン層（タンク胴体部およびタンクドーム部に繊維束を直線状に巻き付けるインプレーン巻によって形成された層）からなる補強層を備えた高圧ガス容器として、滑り止め防止のためにライナと補強層との間にシート状のプリプレグ（炭素繊維、ガラス繊維等の織物やシートに、半硬化の熱硬化性樹脂（一般的にはエポキシ樹脂）をあらかじめ含浸させたシート）が設けられているものも提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４０２９１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、上述のごとき従来のタンク（高圧ガス容器）においては、フープ層に生じうる段差に起因してヘリカル層が損傷するおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、フープ層に生じうる段差に起因してヘリカル層が損傷することを抑制しうるタンクおよびそ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】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従来、タンクを製造するに際し、タンク軸方向に対して様々な角度で繊維束を巻回し、フープ層やヘリカル層を積層させるフィラメントワインディング（ＦＷ）法によりＦＲＰ層を形成することが行われている（図１０参照）。これらのうち、特にフープ層を形成する際には、下層（タンク内側に位置する層）を完全に繊維束で覆うことがタンク強度向上の点で有効であることから、隣接する繊維束どうしをオーバーラップさせ、確実に下層を被覆することが一般的に行われている（図１１参照）。ところが、このオーバーラップにより生じるフープ層の凹凸が、上層のヘリカル層の繊維に曲げ方向の応力を発生させる。一般に、繊維は、引っ張られた場合よりも曲げ方向の外力を受けた場合のほうが圧倒的に弱いことから、当該曲げの部分を基点にして破壊が生じ、タンクが設計値以下の圧力で破壊してしまうおそれがある。この点、生産性を維持しつつ、繊維束のオーバーラップの排除と確実な下層被覆とを低コストで両立させることに着目してさらに検討した本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００８】
本発明はかかる知見に基づくもので、ライナと、該ライナの外周に形成されるＦＲＰ層とを有するタンクにおいて、ＦＲＰ層が、ライナの外周に繊維束が巻回されて形成されるヘリカル層と、段差抑制部材を含むフープ層とから形成されているというものである。段差抑制部材は例えばシート繊維、あるいはゴム製の部材である。段差抑制部材がシート繊維である場合、ＦＲＰ層が、ライナの外周に繊維束が巻回されて形成されるヘリカル層と、該ヘリカル層とともに積層されたシート繊維からなるフープ層とから形成されていることが好ましい。
【０００９】
上述したように、繊維束を用いたフィラメントワインディング法でフープ層を形成する場合、オーバーラップ（重なり）がない状態で、尚かつ隙間なく繊維束を高速で巻回していくことは一般に難しい。この点、本発明では、例えばシート繊維を利用して段差を抑制したフープ層を形成することにより、繊維束を巻回する手法に比べて高速かつ確実に、しかも段差のない状態で下層を完全被覆することができる。したがって、本発明を適用することによって生産性向上とタンク耐久性向上の両立が可能となる。
【００１０】
また、シート繊維を用いる場合、当該シート繊維からなるフープ層が、ヘリカル層の少なくとも一つに対して内層側と外層側とに設けられて当該ヘリカル層を挟んでいることが好ましい。さらに、ヘリカル層とフープ層との間にゴム製部材が少なくとも一つ介在していることも好ましい。
【００１１】
また、本発明にかかる方法は、ライナと、該ライナの外周に形成されるＦＲＰ層とを有するタンクの製造方法において、ライナの外周に繊維束を巻回して形成されるヘリカル層と、シート繊維からなるフープ層とを積層してＦＲＰ層を形成する、というものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、フープ層に生じうる段差に起因してヘリカル層が損傷するという事態を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】高圧タンクの構造を示す断面図および部分拡大図である。
【図２】高圧タンクの構造を示す断面図である。
【図３】高圧タンクの口金付近の構造例を示す断面図である。
【図４】平滑ヘリカル層におけるヘリカル巻の一例を示す斜視図である。
【図５】平滑ヘリカル層におけるヘリカル巻の一例を示す、タンク軸方向に沿った投影図である。
【図６】本発明の一実施形態であって、シート繊維をライナの外側に巻き付けてフープ層を形成する様子を示す図である。
【図７】シート繊維の形状例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態を示す高圧タンクのＦＲＰ層の断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態を示す高圧タンクのＦＲＰ層の断面図である。ヘリカル層を形成する繊維束を巻回する際のフィラメントワインディング装置の平面図である。
【図１０】繊維束により形成されるフープ層およびヘリカル層について説明するための参考図である。
【図１１】図１０に示したフープ層とヘリカル層の交差部分における断面を拡大して示す参考図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１〜図８に本発明にかかるタンクおよびその製造方法の実施形態を示す。以下では、燃料電池システム等において利用される水素燃料供給源としての高圧水素タンク（以下、高圧タンクともいう）１を挙げ、当該高圧タンク１をＦＲＰ成形する場合を例示しつつ説明する。
【００１６】
高圧タンク１は、例えば両端が略半球状である円筒形状のタンク本体１０と、当該タンク本体１０の長手方向の一端部に取り付けられた口金１１を有する。なお、本明細書では略半球状部分をドーム部、筒状胴体部分をストレート部といい、それぞれ符号１ｄ，１ｓで表す（図１、図２等参照）。また、本実施形態で示す高圧タンク１は両端に口金１１を有するものであるが、説明の便宜上、当該高圧タンク１の要部を示す図３中のＸ軸の正方向（矢示する方向）を先端側、負方向を基端側として説明を行う。このＸ軸に垂直なＹ軸の正方向（矢示する方向）がタンク外周側を指している。
【００１７】
タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナ２０とその外側の外壁層である樹脂繊維層（補強層）としての例えばＦＲＰ層２１を有している。ＦＲＰ層２１は、例えばＣＦＲＰ層２１ｃのみ、あるいは該ＣＦＲＰ層２１ｃおよびＧＦＲＰ層２１ｇによって形成されている（図１参照）。
【００１８】
ライナ２０は、タンク本体１０とほぼ同じ形状に形成される。ライナ２０は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている。あるいは、ライナ２０はアルミニウムなどで形成された金属ライナであってもよい。
【００１９】
ライナ２０の口金１１のある先端側には、内側に屈曲した折返し部３０が形成されている。折返し部３０は、外側のＦＲＰ層２１から離間するようにタンク本体１０の内側に向けて折り返されている。折返し部３０は、例えば折り返しの先端に近づくにつれて次第に径が小さくなる縮径部３０ａと、当該縮径部３０ａの先端に接続され径が一定の円筒部３０ｂとを有している。この円筒部３０ｂによりライナ２０の開口部が形成されている。
【００２０】
口金１１は、略円筒形状を有し、ライナ２０の開口部に嵌入されている。口金１１は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造されている。口金１１は射出成形された分割ライナに嵌め込まれている。また、口金１１は例えばインサート成形によりライナ２０に取り付けられてもよい。
【００２１】
また、口金１１は、例えば先端側（高圧タンク１の軸方向の外側）にバルブ締結座面１１ａが形成され、そのバルブ締結座面１１ａの後方側（高圧タンク１の軸方向の内側）に、高圧タンク１の軸に対して環状の凹み部１１ｂが形成されている。凹み部１１ｂは、軸側に凸に湾曲しＲ形状になっている。この凹み部１１ｂには、同じくＲ形状のＦＲＰ層２１の先端部付近が気密に接触している。
【００２２】
例えばＦＲＰ層２１と接触する凹み部１１ｂの表面には、例えばフッ素系の樹脂などの固体潤滑コーティングＣが施されている。これにより、ＦＲＰ層２１と凹み部１１ｂとの間の摩擦係数が低減されている。
【００２３】
口金１１の凹み部１１ｂのさらに後方側は、例えばライナ２０の折返し部３０の形状に適合するように形成され、例えば凹み部１１ｂに連続して径の大きい鍔部（ツバ部）１１ｃが形成され、その鍔部１１ｃから後方に一定径の口金円筒部１１ｄが形成されている。上記ライナ２０の折返し部３０の縮径部３０ａは、鍔部１１ｃの表面に密着し、円筒部３０ｂは、口金円筒部１１ｄの表面に密着している。円筒部３０ｂと口金円筒部１１ｄとの間には、シール部材４０、４１が介在している。
【００２４】
バルブアッセンブリ５０は、外部のガス供給ライン（供給路２２）と高圧タンク１の内部との間で燃料ガスの給排を制御するものである。バブルアッセンブリ５０の外周面と口金１１の内周面との間には、シール部材６０、６１が介在されている。
【００２５】
ＦＲＰ層２１は、例えばフィラメントワインディング成形（ＦＷ成形）により、ライナ２０の外周面と口金１１の凹み部１１ｂに、樹脂を含浸した繊維（補強繊維）７０を巻き付け、当該樹脂を硬化させることにより形成されている（なお、後述するように本実施形態では一部繊維７０の代わりに繊維シートを利用する）。ＦＲＰ層２１の樹脂には、例えばエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。また、繊維７０としては、炭素繊維（ＣＦ）、金属繊維などが用いられる。フィラメントワインディング成形の際には、タンク軸を中心としてライナ２０を回転させながら繊維７０のガイドをタンク軸方向に沿って動かすことにより当該ライナ２０の外周面に繊維７０を巻き付けることができる。なお、実際には複数本の繊維７０が束ねられた繊維束がライナ２０に巻き付けられることが一般的であるが、本明細書では繊維束である場合を含めて単に繊維と呼ぶ。
【００２６】
次に、タンク１における繊維（例えば炭素繊維ＣＦ）７０の構造的曲げを低減するための一般的な繊維巻きパターンについて説明しておく（図２等参照）。
【００２７】
上述したように、タンク１は、ライナ２０の外周に繊維（例えば炭素繊維）７０を巻き付け、樹脂を硬化させることにより形成されている。ここで、繊維７０の巻き付けにはフープ巻とヘリカル巻があり、樹脂がフープ巻された層によってフープ層（図８において符号７０Ｐで示す）が、ヘリカル巻された層によってヘリカル層（図４、図５において符号７０Ｈで示す）がそれぞれ形成される。前者のフープ巻は、タンク１のストレート部（タンク胴体部分）に繊維７０をコイルスプリングのように巻くことによって当該部分を巻き締め、気体圧によりＹ軸正方向へ向かう力（径方向外側へ拡がろうとする力）に対抗するための力をライナ２０に作用させるものである。一方、後者のヘリカル巻はドーム部を巻き締め方向（タンク軸方向の内側向き）に巻き締めることを主目的とした巻き方であり、当該ドーム部に引っ掛かるようにして繊維７０をタンク１に対し全体的に巻き付けることにより、主として当該ドーム部の強度向上に寄与する。なお、コイルスプリングのように巻かれた繊維７０の弦巻（つるまき）線（ネジにおけるネジ山の線）と、当該タンク１の中心線（タンク軸１２）とのなす角度（のうちの鋭角のほう）が繊維７０の「タンク軸（１２）に対する巻角度」であり、図２において符号θho、θheで示す。
【００２８】
これら種々の一般的な巻き付け方のうち、フープ巻は、ストレート部において繊維７０をタンク軸にほぼ垂直に巻くものであり、その際の具体的な巻角度は例えば８０〜９０°である（図２参照）。ヘリカル巻（または、インプレーン巻）は、ドーム部にも繊維７０を巻き付ける巻き方であり、タンク軸に対する巻角度がフープ巻の場合よりも小さい（図２参照）。ヘリカル巻を大きく２つに分ければ高角度ヘリカル巻と低角度ヘリカル巻の２種類があり、そのうち高角度ヘリカル巻はタンク軸に対する巻角度が比較的大きいもので、その巻角度の具体例は７０〜８０°である。一方、低角度ヘリカル巻は、タンク軸に対する巻角度が比較的小さいもので、その巻角度の具体例は５〜３０°である。
【００２９】
続いて、本実施形態における高圧タンク１のＦＲＰ層２１の構成について説明する。
【００３０】
本実施形態の高圧タンク１においては、段差抑制部材を含むフープ層７０Ｐが形成されている。段差抑制部材は当該フープ層７０Ｐに生じうる段差を抑制するという作用を奏するもので、シート繊維やゴム製部材などで構成することができる。例えば本実施形態では、あらかじめシート状に形成されているシート繊維７１をこの段差抑制部材として用い、ライナ２０の周囲に筒状に巻き付けることによって段差が抑制されたフープ層７０Ｐを形成している（図６参照）。一方、ヘリカル層７０Ｈは、従前と同様に、繊維７０を巻回することによって形成することとしている。
【００３１】
このようにシート繊維７１を利用してフープ層７０Ｐを形成する場合、繊維７０を巻回する従前の方法と比べると、より高速かつ確実に、しかも段差なく下層を完全に被覆することが可能である。このため、高圧タンク１の製造の際の生産性向上とタンク耐久性向上を図ることができる。また、フープ層７０Ｐに生ずる応力はもっぱらフープ方向の引っ張り応力（フープ応力）であり、当該シート繊維７１が損傷しにくいこともタンク強度や耐久性を向上させる一因となる。したがって、一方向の引っ張り強度にすぐれる異方性のシート繊維７１を利用する場合、当該引っ張りにすぐれる方向を周方向（フープ巻の方向）に一致させることにより、強い巻き締め力を発揮しうるフープ層７０Ｐを形成することができる（図６参照）。このようなシート状の一方向強化材を用いる場合、プリプレグ、樹脂含浸（ｗｅｔ法）のいずれのシートを用いてもよい。また、強化材の幅は、高圧タンク１のストレート部１ｓのみを覆うもの、ストレート部１ｓに加えてドーム部１ｄの一部または全部を覆うもののいずれでもよい。
【００３２】
また、本実施形態では矩形のシート繊維７１を利用するが（図６参照）、この他、台形等の形状のシート繊維７１を用いることもできる。シート繊維７１を例えば図７に示すような台形と、両側の略三角形の部分でドーム部１ｄを覆うこととすれば、当該シート繊維７１の外周面において、ストレート部１ｓとドーム部１ｄとの間に段差がない状態でシート繊維７１を巻き付けることが可能である。
【００３３】
また、上述のごときシート繊維７１を巻き付ける際は、ヘリカル層７０Ｈの上下のうちの少なくとも一方、好ましくは両方にシート繊維７１を巻き付けてフープ層７０Ｐを形成することが好ましい。例えば本実施形態では、当該シート繊維７１からなるフープ層７０Ｐが、ヘリカル層７０Ｈの少なくとも一つに対して内層側と外層側とに配置して当該ヘリカル層７０Ｈを挟むようにしている（図８参照）。
【００３４】
さらに、ヘリカル層７０Ｈとフープ層７０Ｐとの間にゴムシート等のゴム製部材を介在させることも好ましい。これにより、フープ層７０Ｐに段差が生じることをさらに抑制し、あるいはフープ層の段差がヘリカル層に与えうる影響をさらに抑制することが可能となる。例えばゴムシートを用いる場合、材質や性状は特に限定されないが、段差を解消するという観点からすれば、ゴム硬度（ゴムの硬さ）が２０〜４０度程度のものが好ましい。また、取り扱いやすさ、段差吸収性能を考慮すれば、ゴムシートの厚さは５〜１００μｍ程度が好ましい。さらに、耐環境性を考慮すれば、ゴムシートの材質は、シリコンゴム、フッ素ゴムのような材質、あるいは通常のゴムであれば各メーカーにおける耐環境性を有するグレードのものが好ましい。
【００３５】
以上説明した本実施形態の高圧タンク１においては、シート繊維７１を利用して段差を抑制したフープ層７０Ｐを形成することにより、繊維７０を巻回する手法に比べて高速かつ確実に、しかも段差のない状態で当該層の下層を完全に被覆することができる。これによれば、当該フープ層７０Ｐに生じうる段差に起因してヘリカル層７０Ｈが損傷するといった事態を効果的に抑制することができる。また、シート繊維７１を利用した場合、ライナ２０の外側に当該シート繊維７１を筒状に巻き付けることによって段差が抑制されたフープ層７０Ｐを形成することができるので、当該高圧タンク１の生産性と耐久性の向上を同時に図ることが可能である。
【００３６】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した各実施形態では、繊維シート７１を利用してフープ層７０Ｐを形成し、さらに場合によってはゴムシートを介在させたが、これら以外の構造、例えば層間に硬化性液状ゴム（一例として、スリーボンド製ＴＢ−１２８０）７２を塗布した構造とすることもできる（図９参照）。これによれば、繊維７０どうしのオーバーラップにより段差（凹凸）が生じている場合にも、かかる段差を解消し、これによってヘリカル層が損傷するおそれを低減させることができる。また、この手法は、繊維７０を用いたＦＷ法を維持しつつ段差を解消することを可能とするものであるため、新たに設備投資を実施しなくて済むという利点もある。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、ＦＲＰ層を有するタンク（高圧ガス容器）に適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００３８】
１…高圧タンク（タンク）、２０…ライナ、２１…ＦＲＰ層、７０…繊維（繊維束）、７０Ｈ…ヘリカル層、７０Ｐ…フープ層、７１…シート繊維（段差抑制部材）、７２…硬化性液状ゴム（段差抑制部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図４】
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【図５】
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