(57)【要約】【課題】ライナー外周に形成された繊維強化樹脂層の繊維堆積含有率の計算精度を向上させることができる計算方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る繊維堆積含有率の計算方法は、ドーム部３０における繊維強化樹脂層５０のうち高圧タンク１０の中心軸から半径方向に所定長離間した第１地点から第２地点までの繊維強化樹脂層５０の理論断面積と、予め設定された繊維堆積含有率の設計値Ｖf(設計用)とを掛け合わせて使用繊維量を算出する工程と、第１地点から第２地点までの繊維強化樹脂層５０の断面積を測定する工程と、使用繊維量を測定した断面積で除して繊維堆積含有率Ｖf(計算用)を算出する工程と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のシリンダー部の両側に球面形状のドーム部を有するライナーと、該ライナーの外周に繊維を巻回して形成された繊維強化樹脂層と、を備えた高圧タンクにおける繊維堆積含有率の計算方法であって、
前記ドーム部における繊維強化樹脂層のうち前記高圧タンクの中心軸から半径方向に所定長離間した第１地点から第２地点までの繊維強化樹脂層の理論断面積と、予め設定された繊維堆積含有率の設計値とを掛け合わせて使用繊維量を算出する工程と、
前記第１地点から第２地点までの繊維強化樹脂層の断面積を測定する工程と、
前記使用繊維量を前記測定した断面積で除して繊維堆積含有率を算出する工程と、を備える、
高圧タンクにおける繊維堆積含有率の計算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクにおける繊維堆積含有率の計算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システム等に用いられる高圧ガスを貯蔵するタンクの開発が進んでいる。特に、車載用の燃料電池システムにおいては、強度の確保や軽量化等の観点からライナー（内容器）の外周を繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics）層（以下、繊維強化樹脂層）で補強した高圧タンクが有力視されている。この高圧タンクは、略円筒状の円筒部と、円筒部の両側に位置するドーム状のドーム部とを有し、ドーム部の開口には口金が接続される。
【０００３】
上記高圧タンクは、例えば、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」という）を用いて製造される。ＦＷ法においては、熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸繊維（以下、単に「繊維」ともいう）をライナーの周囲に複数層巻回させたのち加熱して樹脂を熱硬化させ繊維強化樹脂層を形成する。
【０００４】
こうして作製される高圧タンクは、特に車両に搭載される場合、高い充填圧に耐える強度が必要となるため、その強度が確保されているか否か正確に把握する必要がある。そこで、例えば下記特許文献１では、有限要素法を用いて繊維強化樹脂層の厚みや断面積を求めて、高圧タンクの強度を解析する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４８３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、強度の物性値として繊維堆積含有率からヤング率を求める場合がある。しかしながら、実際には繊維束を巻回したことにより樹脂が染み出し、実際の繊維堆積含有率は、設計値（設計用の繊維堆積含有率）とは異なる値となる場合がある。そうすると、ヤング率等の物性値が、実際の物性値とは異なることになり、製造された高圧タンクの強度を正確に把握することが困難になる。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ライナー外周に形成された繊維強化樹脂層の繊維堆積含有率の計算精度を向上させることができる計算方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る高圧タンクにおける繊維堆積含有率の計算方法は、円筒状のシリンダー部の両側に球面形状のドーム部を有するライナーと、該ライナーの外周に繊維を巻回して形成された繊維強化樹脂層と、を備えた高圧タンクにおける繊維堆積含有率の計算方法であって、前記ドーム部における繊維強化樹脂層のうち前記高圧タンクの中心軸から半径方向に所定長離間した第１地点から第２地点までの繊維強化樹脂層の理論断面積と、予め設定された繊維堆積含有率の設計値とを掛け合わせて使用繊維量を算出する工程と、前記第１地点から第２地点までの繊維強化樹脂層の断面積を測定する工程と、前記使用繊維量を前記測定した断面積で除して繊維堆積含有率を算出する工程と、を備える。
【０００９】
本発明では、実際に測定した断面積（高圧タンクの中心軸から半径方向に所定長離間した第１地点から第２地点までの繊維強化樹脂層の断面積）に基づいて計算を行っているため、実際の繊維堆積含有率を算出することができる。このように算出した繊維堆積含有率を用いてヤング率を計算することにより、強度物性値を正確に得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ライナー外周に形成された繊維強化樹脂層の繊維堆積含有率の計算精度を向上させることができる計算方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】高圧タンクの概略構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態における高圧タンクの繊維堆積含有率の計算方法を示す工程図である。
【図３】ドーム部における繊維強化樹脂層の厚さを比較するための説明図である。
【図４】既存技術でのドーム部の要素厚みの算出の様子を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１３】
まず、高圧タンクの構成について説明する。図１は、高圧タンクの概略構成を示す断面図である。
【００１４】
図１に示すように、高圧タンク１０は、ライナー４０と、ライナー４０の表面を覆う繊維強化樹脂層５０と、２つの口金部１４とを備える。なお、高圧タンク１０は、２つの口金部１４のうち１つのみを備える構成であっても良い。
【００１５】
高圧タンク１０は、略円筒状の円筒部２０と、円筒部２０の両側に位置するドーム状のドーム部３０とを有する。ドーム部３０は、円筒部２０のタンク中心軸ＡＸ方向について、円筒部２０から離れるにしたがって縮径している。最も縮径した部分は開口し、開口には口金部１４が挿入されている。
【００１６】
ライナー４０は、高圧タンク１０の内殻又は内容器とも言われる部分であり、流体を貯蔵する空間部２５を内部に有する。ライナー４０は、水素ガス等の気体の外部への透過を抑制する。ライナー４０の材料は特に限定されるものではないが、例えばナイロン系樹脂、ポリエチレン系樹脂等の合成樹脂等が用いられる。
【００１７】
繊維強化樹脂層５０は、ライナー４０の表面にフィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」ともいう。）により繊維を巻き付けることで形成されるものであり、繊維が複数積層された構成を有する。ＦＷ法とは、熱硬化性樹脂を含浸した強化繊維をライナー４０に巻き付けて、熱硬化性樹脂を熱硬化させる方法である。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂が用いられる。
【００１８】
ところで、ドーム部の口金部周辺においては繊維強化樹脂層の厚さが増えることが通常であり、この厚さをモデル化するための理論式が知られている。図４は、既存技術でのドーム部における繊維強化樹脂層５０の厚みの算出（理論式）を説明するための図である。
【００１９】
図４に示すように、ライナーの外周に繊維を巻き付ける繊維１束を想定した場合、シリンダー部とドーム部とでは、繊維１束の繊維量は同じである。ところが、繊維の巻き付け角度は、シリンダー部がフープ巻き、ドーム部がヘリカル巻き（特に、タンク両端の口金付近では、低角度のヘリカル巻き）であることから、シリンダー部の繊維角α０と、ドーム部の繊維角αとは、相違することになる。そして、繊維１束を繊維と直角、即ち繊維角０°で切断した時の繊維１束の面積をＳとすると、タンク中心軸ＡＸから半径Ｒ０のシリンダー部における繊維１束の繊維層厚ｈ０と、タンク中心軸ＡＸから半径Ｒｘのドーム部における繊維１束の繊維層厚ｈｘとの間には、面積Ｓとそれぞれの繊維角α０、αおよび半径Ｒ０、Ｒｘを用いて下記の関係式が成立することが知られている。
【００２０】
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【００２１】
この数式１は、図４に示したシリンダー部およびドーム部における繊維１束の層厚の比を示しており、数式２より、タンク中心軸ＡＸから半径Ｒｘのドーム部における繊維１束の繊維層厚ｈｘは算出される。つまり、数式１及び数式２に基づき、本明細書における「理論断面積（理論厚さ）」を算出することができる。
【００２２】
数式１及び数式２に示されるように、ドーム部における繊維１束の繊維層厚ｈｘ（以下、層厚さとも称する）を算出する理論式が知られているが、実際は、製造による影響で樹脂が染み出し、層厚さは数式１、数式２により算出される理論値とずれる。この理論値の繊維層厚ｈｘと実際の高圧タンク（以下、実タンク）の層厚さのずれを、図３に示すグラフ（半径方向位置を横軸、層厚さを縦軸）の符号Ｇで表している。このように、ドーム部３０における口金部１４周辺の層厚さは、理論値（図３に示す「理論」の層厚さ）と実タンク（図３に示す「実タンク」の層厚さ）とで、ずれが生じる。
【００２３】
上記のようにずれが生じると、実タンクの繊維堆積含有率は、当初の繊維堆積含有率（繊維堆積含有率の設計値）とは異なる値となる場合がある。そうすると、繊維堆積含有率を用いて算出されるヤング率の計算精度が低下する。
【００２４】
そこで、本実施形態では、実際の繊維堆積含有率Ｖf(計算用)を算出し、このＶf(計算用)に基づきヤング率を算出することで、ヤング率の計算精度を向上させている。この繊維堆積含有率Ｖf(計算用)の算出方法を以下で詳細に説明する。
【００２５】
図２は、本実施形態における高圧タンクの繊維堆積含有率の計算工程を示す工程図である。図３（Ａ）は、図１に示すドーム部の口金部周辺の構成を示す拡大断面図である。図３（Ｂ）は、繊維強化樹脂層の層厚さの理論値を示すグラフであり、図３（Ｃ）は、繊維強化樹脂層の層厚さの実測値を示すグラフである。図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）の横軸は、半径方向位置（図３（Ａ）参照）を示し、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）の縦軸は、繊維強化樹脂層の層厚さ（図３（Ａ）参照）を示す。
【００２６】
（ステップＳ１０）
まず、図２及び図３（Ｂ）に示すように、ドーム部３０における繊維強化樹脂層５０のうちタンク中心軸ＡＸから半径方向に所定長離間した第１地点から第２地点までの繊維強化樹脂層５０の理論断面積（図３（Ｂ）に示す斜線部分の面積）と、予め設定した繊維堆積含有率の設計値Ｖf(設計用)とを掛け合わせて使用繊維量を算出する（使用繊維量算出工程）。
【００２７】
（ステップＳ２０）
次いで、図２及び図３（Ｃ）に示すように、実タンクにおける、ステップＳ１０で理論断面積を算出した際に用いた範囲と同じ範囲（ドーム部３０における繊維強化樹脂層５０のうちタンク中心軸ＡＸから半径方向に所定長離間した第１地点から第２地点まで）の繊維強化樹脂層５０の断面積（図３（Ｃ）に示す斜線部分の面積）を測定する（断面積測定工程）。
【００２８】
（ステップＳ３０）
次いで、図２に示すように、ステップＳ１０において算出した使用繊維量を、ステップＳ２０で測定した断面積で除して、繊維堆積含有率Ｖf(計算用)を算出する（繊維堆積含有率算出工程）。
【００２９】
図２に示すＳ１０〜Ｓ３０の工程を経て算出された繊維堆積含有率を用いてヤング率を算出する。ヤング率の算出方法を下記式に記す。
１／ＥT＝Ｖf(計算用)／Ｅf＋（１−Ｖf(計算用)）／Ｅm
Ｖf：繊維堆積含有率
ＥT：厚さ方向ヤング率
Ｅf：繊維単体ヤング率
Ｅm：樹脂単体ヤング率
【００３０】
以上説明した本実施形態による繊維堆積含有率の計算精度について検証するため、従来手法を用いたヤング率計算結果と本実施形態の計算方法（以下、本計算方法）を用いたヤング率計算結果とを比較する実験を行った。実験条件として、繊維堆積含有率の設計値Ｖf(設計用)＝0.67、繊維単体ヤング率Ｅf＝260[GPa]、樹脂単体ヤング率Ｅm＝2[GPa]とし、また、理論断面積と実タンクの断面積との比＝1／0.95と設定した。
【００３１】
本計算方法での厚さ方向ヤング率ＥTを、下記手順（１−１）〜（１−３）で計算した。
（１−１）理論断面積と繊維堆積含有率の設計値（Ｖf(設計用)）から使用繊維量算出。
（使用繊維量）＝1×0.67＝0.67
（１−２）使用繊維量と実タンクの断面積から実際の繊維堆積含有率Ｖf(計算用)を算出。
Ｖf(計算用)＝0.67／0.95＝0.705
（１−３）算出した繊維堆積含有率Ｖf(計算用)を用いてヤング率を算出。
１／ＥT＝Ｖf(設計用)／Ｅf＋（１−Ｖf(設計用)）／Ｅm＝0.705／260＋（1-0.705）／2 
ＥT＝6.66[GPa]・・・（計算結果（１））
【００３２】
比較例として、従来手法での厚さ方向ヤング率ＥTを、下記手順（２−１）、（２−２）で計算した。
（２−１）繊維堆積含有率の設計値Ｖf(設計用)67％時の厚さ方向ヤング率ＥTを算出。
１／ＥT＝Ｖf(設計用)／Ｅf＋（１−Ｖf(設計用)）／Ｅm＝0.67／260＋（1-0.67）／2 
ＥT＝5.97[GPa] 
（２−２）理論断面積と実タンク断面積の比を掛けて、算出したヤング率を修正。
ＥT＝5.97×1／0.95＝6.28[GPa]・・・（計算結果（２））
【００３３】
上記計算結果（１）及び計算結果（２）に示されるように、本計算方法で算出したヤング率値と従来手法で算出したヤング率値とで6％の誤差が生じた。この誤差は、上述したように、実タンクでは製造による影響で樹脂が染み出し、層厚さのずれ（図３に示す符号Ｇ参照）が生じることに起因するものである。本実施形態では、実際に測定した断面積（タンク中心軸ＡＸから半径方向に所定長離間した第１地点から第２地点までの繊維強化樹脂層５０の断面積）に基づいて計算を行っているため、実際の繊維堆積含有率Ｖf(計算用)を算出することができる。このように算出した繊維堆積含有率Ｖf(計算用)を用いてヤング率を計算することにより、強度物性値を正確に得ることができる。
【００３４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３５】
１０：高圧タンク
１４：口金部
２０：円筒部（シリンダー部）
２５：空間部
３０：ドーム部
４０：ライナー
５０：繊維強化樹脂層
Ｅf：繊維単体ヤング率
Ｅm：樹脂単体ヤング率
ＥT：厚さ方向ヤング率
Ｇ：ずれ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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