(57)【要約】【課題】タンクの外径を小径化しても、効率的に曲げ剛性を強化することができるタンクを提供する。【解決手段】タンクライナー１１の外層に繊維束がヘリカル巻きされたヘリカル層１４を備えるとともに、ヘリカル層１４の外層に、幅Ｗおよび全長Ｌのプリプレグがフープ巻きされたフープ層１５を備え、フープ層１５の最も外層であって、タンクライナー１１の軸線方向の中央部に、補強炭素繊維束１６，１７が織込まれていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンクライナーの外層に繊維束がヘリカル巻きされたヘリカル層を備えるとともに、前記ヘリカル層の外層に、プリプレグがフープ巻きされたフープ層を備え、前記フープ層の最も外層であって、前記タンクライナーの軸線方向の中央部に繊維束が織込まれていることを特徴とするタンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンクライナーを有するタンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のタンクとして、タンクライナーと、タンクライナーの外周に形成された繊維強化樹脂（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics 、以下ＦＲＰという。）層とにより構成され、ＦＲＰ層が、繊維束の巻回により形成されたヘリカル層と段差抑制部材を含むフープ層とにより形成されたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のタンクにおいては、シート繊維で段差を抑制したフープ層を形成することにより、繊維束の巻回によるオーバーラップを排除し、タンクの生産性向上と耐久性向上の両立を図るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６５９３１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に記載のタンクにおいては、タンクの外径の小径化を図ると曲げ剛性が低下するおそれがある。タンクの曲げ剛性を強化すべく繊維束の巻回数を増加させると、繊維使用量が増加することで軽量化が図れず、生産コストも増大し、効率的に曲げ剛性を強化することが困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、タンクの外径を小径化しても、効率的に曲げ剛性を強化することができるタンクを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るタンクは、タンクライナーの外層に、繊維束がヘリカル巻きされたヘリカル層を備えるとともに、前記ヘリカル層の外層に、プリプレグがフープ巻きされたフープ層を備え、前記フープ層の最も外層であって、前記タンクライナーの軸線方向の中央部に繊維束が織込まれていることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るタンクによれば、タンクの外径を小径化しても、タンクの曲げ剛性を効率的に強化することができる。したがって、タンクライナーの外層を構成するヘリカル層の繊維束やヘリカル層の外層を構成するフープ層のプリプレグを巻き足す必要がなく、繊維使用量の増加とそれに伴うタンク重量の増大及び生産コストの増大を防ぐことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、タンクの外径を小径化しても、効率的に曲げ剛性を強化することができるタンクを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るタンクの図であり、図１（ａ）は、タンクの斜視図を示し、図１（ｂ）は、タンクの側面図を示し、図１（ｃ）は、タンクの断面図を示す。
【図２】本発明の実施形態に係るタンクの部分断面図。
【図３】本発明の実施形態に係るタンクの製造工程を説明する説明図であり、図３（ａ）は、タンクライナーに口金およびバルブアッセンブリが装着された状態を示し、図３（ｂ）は、タンクライナーの外層にヘリカル層を備えた状態を示し、図３（ｃ）は、ヘリカル層の外層にフープ層を備えた状態を示し、図３（ｄ）は、タンクが完成した状態を示す。
【図４】本発明の実施形態に係るタンクのフープ層を形成するプリプレグのシートの図であり、図４（ａ）は、シートの斜視図を示し、図４（ｂ）は、シートに織込まれた補強炭素繊維束の部分拡大図を示し、図４（ｃ）は、刺繍機により補強炭素繊維束をシートに織込む状態を示し、図４（ｄ）は、織込まれた補強炭素繊維束の部分断面図を示す。
【図５】本発明の実施形態に係るタンクの曲げに対する補強炭素繊維束の作用を示す説明図であり、図５（ａ）は、タンクの両端部分で紙面の上方に曲げの外力を加えたときの補強炭素繊維束の作用を示し、図５（ｂ）は、タンクの両端部分で紙面の下方に曲げの外力を加えたときの補強炭素繊維束の作用を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係るタンクを適用した実施形態に係るタンク１０の構成について図面を参照して説明する。
【００１２】
タンク１０は、 図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、タンクライナー１１と、タンクライナー１１の両端部に設けられた一対の口金１２および一対のバルブアッセンブリ１３と、タンクライナー１１の外層を構成するＦＲＰ層を有している。ＦＲＰ層は、タンクライナー１１の上に繊維束がヘリカル巻きされるヘリカル層１４と、ヘリカル層１４の上にプリプレグがフープ巻きされてヘリカル層１４の外層を構成するフープ層１５と、フープ層１５の最も外層に織込まれた補強炭素繊維束１６，１７とにより構成されている。タンク１０は、気体を透過させにくい性質、いわゆるガスバリア性を有しており内部には高圧の燃料ガスが充填されるようになっている。
【００１３】
タンクライナー１１は、図１（ｃ）および図２に示すように、筒状の中空容器からなり、一対のライナー２１により構成されている。一対のライナー２１は、シリンダー部３１と、ドーム部３２とにより構成されており、互いに接合されて一体化されている。ライナー２１は、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、いわゆるナイロン（登録商標）などの高い機械的強度を有するエンジニアリングプラスチックで成形されている。
【００１４】
シリンダー部３１は、一方端部で開口する円筒状に形成され、他方端部でドーム部３２と一体的に形成されている。シリンダー部３１は、開口する一方端部同士で互いに突き合わされるようになっている。
【００１５】
ドーム部３２は、略半球体状の中空でシリンダー部３１と一体的に形成され、タンクライナー１１の軸線に沿った長手方向端部に、タンクライナー１１の軸線を中心とする円錐状の凹みを有する口金装着部３３を有している。また、ドーム部３２は、口金装着部３３と一体的に形成され口金装着部３３からシリンダー部３１の開口の方向に突出する突出部３４が形成されている。
【００１６】
また、突出部３４の中央部分にはタンクライナー１１の軸線を中心とする貫通孔３５が形成されており、ライナー２１の貫通孔３５には口金１２が挿入され、ライナー２１と口金１２とが嵌合するようになっている。
【００１７】
ライナー２１の貫通孔３５を形成する内壁面には一対の溝３６が形成されており、この溝３６には後述するシール部材１２ｄが装着されるようになっている。この貫通孔３５の軸線は、タンクライナー１１の軸線と一致しており、貫通孔３５は、口金１２をドーム部３２に装着する際の口金１２の位置決め孔として機能する。 
【００１８】
口金１２は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属材料からなり、ダイキャストなどの製造方法により作製されている。口金１２は、図２に示すように、フランジ１２ａと、バルブ支持部１２ｂと、突出部１２ｃと、一対のシール部材１２ｄとを有しており、口金１２の軸線を中心として貫通孔１２ｅが形成されている。貫通孔１２ｅの軸線方向の中央部には、ねじ溝１２ｆが形成されている。
【００１９】
フランジ１２ａは、ライナー２１の口金装着部３３に密着し口金１２をドーム部３２に装着する構成を有し、バルブ支持部１２ｂは、フランジ１２ａからドーム部３２の外側に突出し、バルブアッセンブリ１３を支持する構成を有している。突出部１２ｃは、フランジ１２ａと軸線を同一としフランジ１２ａからドーム部３２の内側方向に突出して形成されており、ドーム部３２の貫通孔３５に挿入されドーム部３２と嵌合するように構成されている。一対のシール部材１２ｄは、ドーム部３２の溝３６に装着されてドーム部３２と口金１２との間の気密を保つ構成を有している。
【００２０】
バルブアッセンブリ１３は、図２に示すように、バルブ本体部４１と、筒状部４２と、シール部材４３とにより構成されており、図示しない外部のガス供給ラインと接続され、タンク１０の内部とガス供給ラインとの間でガス供給通路を開閉する構成を有している。
【００２１】
バルブ本体部４１は、口金１２のバルブ支持部１２ｂに支持されるように構成されている。筒状部４２はバルブ本体部４１からドーム部３２の内側方向に突出して形成されており、その軸線方向にガス供給通路が形成されている。また、筒状部４２には軸線方向の中央部にねじ山４２ａが形成されており、口金１２のねじ溝１２ｆとねじ結合するようになっている。さらに、筒状部４２には、溝４２ｂが形成されており、シール部材４３が装着され、筒状部４２と口金１２との間の気密が保持されている。
【００２２】
口金１２およびバルブアッセンブリ１３が装着された一対のライナー２１は、シリンダー部３１の開口する一方端部同士が対向するようにして、一対のライナー２１が、レーザー融着などの接合手段により接合される。この接合により、図３（ａ）に示すように、口金１２およびバルブアッセンブリ１３が両端部に装着されたタンクライナー１１が形成される。
【００２３】
ヘリカル層１４は、タンクライナー１１の外側に、繊維束を巻き付ける方法、例えばフィラメントワインディング法（Filament Winding Process、以下ＦＷ法という。）によるヘリカル巻きで積層されて形成されている。図３（ｂ）に示すように、繊維束は所定の巻角度および巻回数でタンクライナー１１の外周面に螺旋状に巻き付けられる。繊維束は、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）などの繊維に樹脂を含浸させて機械的強度を向上させた複合材料からなる。
【００２４】
ＦＷ法は、太い繊維束を引伸ばして細くするとともにあまい撚りを与えて粗糸とし、巻き取ったいわゆる粗紡糸（カーボンロービング、ガラスロービングなどのロービング）に樹脂を含浸させながら、テンションをかけ、被加工物に連続的に巻き付ける製造方法をいう。この製造方法によれば、巻き付ける際の角度を調整することにより、被加工物の軸方向および周方向の強度を調整することができる。
【００２５】
粗紡糸に含浸させる樹脂は、例えば、エポキシ樹脂（ＥＰ）、ポリエステル樹脂（ＰＥ）やポリアミド樹脂（ＰＡ）などの熱硬化性樹脂からなる。この粗紡糸は、例えば、カーボン繊維、ガラス繊維やアラミド繊維などの繊維からなる。また、粗紡糸は、ガラス繊維とカーボン繊維などの複数種類の繊維であってもよく、異なる繊維からなる強化繊維をタンクライナー１１に巻き付け、積層させることでヘリカル層１４を形成し機械的強度を高めるようにしてもよい。
【００２６】
フープ層１５は、ヘリカル層１４の外側に、シートワインディング法（Sheet Winding Process、以下ＳＷ法という。）によりプリプレグをフープ巻きして積層することによって形成される。プリプレグは、カーボン繊維やガラス繊維などの機械的強度を向上させる繊維に未硬化の樹脂を含浸させてシート状に形成されたものである。プリプレグは、繊維が同一の方向に揃っている一方向プリプレグを用いている。ＳＷ法は、被加工物を軸線を中心として回転させ、シート状のプリプレグにテンションをかけながら被加工物に巻き付け、プリプレグを巻き付けた後に硬化させる方法をいう。プリプレグは、繊維の方向が回転方向に沿う向きに巻き付けられる。なお、ＳＷ法は、ＦＷ法に比べ層の厚さの精度が高く、比較的低コストで生産性が高い。
【００２７】
フープ層１５は、図３（ｃ）に示すように、タンクライナー１１を矢印方向に回転させながら、プリプレグにテンションをかけつつヘリカル層１４の外周面に巻き付けて形成される。プリプレグは、具体的には、図４（ａ）に示すように、幅Ｗ（ｍｍ）および全長Ｌ（ｍｍ）のシートで、Ｌ１の長さの範囲では、１層から３５層まで巻回され、Ｌ２の長さの範囲は、フープ層１５の最も外層の３６層を形成する。
【００２８】
フープ層１５の最も外層となるＬ２の長さの範囲で、プリプレグの幅方向の中央部、即ちタンクライナー１１の軸線方向の中央部には、補強炭素繊維束１６，１７が織込まれている。補強炭素繊維束１６，１７は、ＦＷ法で使用される繊維束と同様の複合材料からなり、プリプレグが巻回された後、タンクライナー１１の径方向で互いに対向する位置に配置されている。したがって、補強炭素繊維束１６，１７は、互いにプリプレグの長さ方向においてフープ層１５の外周の長さの半分の長さの間隔を空けて織込まれている。
【００２９】
補強炭素繊維束１６，１７は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、プリプレグの幅方向、即ちタンクライナー１１の軸線方向に細長い楕円形でプリプレグに織込まれている。補強炭素繊維束１６，１７は、図４（ｃ）に示すように、刺繍機１００により、ドライな炭素繊維束でプリプレグの繊維方向と直交する方向および所定の傾斜角で交差するよう直線的に織込まれている。また、補強炭素繊維束１６，１７は、図４（ｄ）に示すように、フープ層１５の最も外側の層の厚み方向に貫通して織込まれている。
【００３０】
刺繍機１００は、図４（ｄ）に示すプリプレグの裏側にセットされている図示しないボビンに巻き付けられている炭素繊維束からなる下糸と、刺繍機１００の針１０１に通された炭素繊維束からなる上糸とにより補強炭素繊維束１６，１７をプリプレグに縫い付ける、即ち織込むようになっている。刺繍機１００は、矢印で示す針１０１の上下運動に伴って下糸と上糸とが絡み合い縫い目が形成されるようになっている。縫い目の方向や形状は任意に調整できるようになっている。
【００３１】
次いで、本実施形態に係るタンク１０の製造方法について図面を参照して簡単に説明する。
【００３２】
本実施形態に係るタンク１０の製造方法は、まず、タンク１０を構成する一対の口金１２およびバルブアッセンブリ１３が作製される。次いで、一対のライナー２１が作製され、一対の口金１２およびバルブアッセンブリ１３が一対のライナー２１にそれぞれ組み込まれる。口金１２およびバルブアッセンブリ１３が組み込まれた一対のライナー２１の開口する一方端部同士が接合され、図３（ａ）に示すタンクライナー１１が作製される。
【００３３】
タンクライナー１１の外側に、図３（ｂ）に示すように、ＦＷ法によりヘリカル層１４が形成される。次いで、図４（ａ）に示すように、幅Ｗ（ｍｍ）、全長Ｌ（ｍｍ）のプリプレグが作製され、長さＬ２の範囲に、図４（ｂ）〜図４（ｄ）に示すように、刺繍機１００により、補強炭素繊維束１６，１７がプリプレグに縫い付けられる、即ち織込まれる。
【００３４】
補強炭素繊維束１６，１７が縫い付けられたプリプレグは、図３（ｃ）に示すように、ＳＷ法により、ヘリカル層１４の外側に所定回数でプリプレグが巻回され、図３（ｄ）に示すように、最も外層に補強炭素繊維束１６，１７が織込まれたフープ層１５が形成される。次いで、タンクライナー１１の外側に形成されたヘリカル層１４およびフープ層１５の硬化処理が行われて、タンク１０が完成する。
【００３５】
以上のように構成された実施形態に係るタンク１０の効果について説明する。
【００３６】
本実施形態に係るタンク１０は、以上に説明したように構成されているので、以下の効果が得られる。即ち、本実施形態に係るタンク１０においては、タンクライナー１１の外層に、繊維束がヘリカル巻きされたヘリカル層１４と、その外層に、プリプレグがフープ巻きされたフープ層１５とを備えている。本実施形態に係るタンク１０は、さらにフープ層１５の最も外層であって、タンクライナー１１の軸線方向の中央部に補強炭素繊維束１６，１７が織込まれている。タンクライナー１１の軸線方向の中央部は、応力の高い部分であり、かかる部分に補強炭素繊維束１６，１７が織り込まれている。応力の高い部分のみを補強炭素繊維束１６，１７によって補強するので、繊維束の巻き足しやプリプレグの巻き足しをする必要がなく、効率が良い。
【００３７】
例えば振動により、図５（ａ）に示す曲げ方向の外力を受けた際に、中央部が下方に突出する方向に湾曲するように応力が作用する。しかしながら、本実施形態に係るタンク１０は、湾曲の内側で生ずる矢印方向の圧縮力に対して、織込まれた補強炭素繊維束１６により中央部の曲げ剛性が強化されており、また、湾曲の外側で生ずる矢印方向の引張力に対しても織込まれた補強炭素繊維束１７により中央部の曲げ剛性が強化されているので、タンク１０の変形を効果的に抑えることができる。したがって、効率的な剛性向上と軽量化を実現することができる。
【００３８】
同様に、例えば振動により、図５（ｂ）に示す曲げ方向の外力を受けた際に、中央部が上方に突出する方向に湾曲するように応力が作用する。しかしながら、本実施形態に係るタンク１０は、湾曲の外側で生ずる矢印方向の引張力に対して織込まれた補強炭素繊維束１６により中央部の曲げ剛性が強化されており、また、湾曲の内側で生ずる矢印方向の圧縮力に対しても織込まれた補強炭素繊維束１７により中央部の曲げ剛性が強化されているので、タンク１０の変形を効果的に抑えることができる。したがって、効率的な剛性向上と軽量化を実現することができる。
【００３９】
本実施形態に係るタンク１０は、フープ層１５の最も外層のタンクライナー１１の軸線方向の中央部に補強炭素繊維束１６，１７が織込まれており、効率的な剛性向上が実現されているので、タンクライナー１１のヘリカル層１４の繊維束やフープ層１５のプリプレグを巻き足す必要がない。その結果、繊維使用量が増加することで、生産コストが増大し、効率的に曲げ剛性を強化することができないという問題が解消される。本実施形態に係るタンク１０によれば、タンク１０の外径を小径化しても、軽量化を図ることができ、効率的に曲げ剛性を強化することができるタンクを提供することができるという効果が得られる。
なお、上記した実施形態では、補強炭素繊維束１６，１７がタンクライナー１１の軸線方向の中央部に織込まれている場合を例に説明したが、中央部は、軸線方向の長さで精密に中央である必要はなく、タンク１０に振動などが加えられた際に、応力が集中する応力集中部に補強炭素繊維束１６，１７を設ければよい。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記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】
【００４１】
１０・・・タンク、１１・・・タンクライナー、１２・・・口金、１２ａ・・・フランジ、１２ｂ・・・バルブ支持部、１２ｃ，３４・・・突出部、１２ｄ，４３・・・シール部材、１２ｅ，３５・・・貫通孔、１２ｆ・・・ねじ溝、１３・・・バルブアッセンブリ、１４・・・ヘリカル層、１５・・・フープ層、１６，１７・・・補強炭素繊維束、２１・・・ライナー、３１・・・シリンダー部、３２・・・ドーム部、３３・・・口金装着部、３６，４２ｂ・・・溝、４１・・・バルブ本体部、４２・・・筒状部、４２ａ・・・ねじ山、１００・・・刺繍機、１０１・・・針
【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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